[发明专利]一种光纤地应力测量系统

说明书

本发明公开了一种光纤地应力测量系统，属于地球物理学中地壳形变观测、地震监测和预报领域，包括传感光纤、参考光纤、地应力传递单元和信号处理单元；地应力传递单元固定于基岩，传感光纤缠绕于地应力传递单元之间并可调整预应力以对其灵敏度进行调节；基岩之间由于地应力产生相对位移时，地应力传递单元将地应力信号传递至传感光纤，引起传感光纤应力变化；信号处理单元计算传感光纤与参考光纤的瑞利背向散射光的相位变化差，得到该基岩位置处的地应力信息。本发明采用微结构点高散射率光纤作为敏感单元，结合增敏安装方式与温度补偿算法，通过相位解调系统可实现短基线的高精确度地应力探测，通过多个单元级联，用一根光纤实现分布式实时探测。

技术领域

本发明属于地球物理学中地壳形变观测、地震监测和预报领域，更具体地，涉及一种光纤地应力测量系统。

背景技术

地壳形变观测是地球物理学中针对地质构造过程及地震、火山等地质灾害研究的核心环节之一，也是地质力学进行研究的基础。相比于一般的应用场景，地质构造过程中待观测的应变信号及其微弱，干扰来源复杂，相应地对传感与测量技术提出了较高的要求。传统的地壳应变监测站广泛采用铟钢棒伸缩应变仪技术，为达到纳应变级测量分辨率，其传感探头长度需达到几十米至几百米，其巨大的尺寸使得整个系统安装于施工的复杂程度与成本极高，并且传统电学传感器还伴随着系统零漂以及严重制约了这类应变传感仪器在地壳观测中的推广应用。

光纤传感技术是以光纤作为传感单元的全光传感技术，具有体积小，灵敏度高，抗电磁干扰，耐高温高压，便于组网等一系列独特的优势，可为地应变的检测提供一种新的解决思路。2010年，意大利国家光学研究所的Gagliardi等人在《Science》发表了一篇探索光纤光栅传感器应变探测精度极限的论文，他们采用商用的光学频率梳作为参考稳频源，结合射频调制技术和激光锁频技术实现超高精度的光纤光栅应变测量。结果显示，该系统的应变探测精度可以达到纳应变量级。证实了光纤传感器测量地应力的可行性。

在地壳形变观测中的应变场分布测量、三维应变张量测量等应用场合中，往往需要多个一维线应变传感通道以获取足够信息，因而对传感器的可复用性提出了要求。然而，当前高精度光纤光栅波长解调系统的传感复用技术却鲜有文献报道。目前研究中的高精度光纤光栅地应力检测系统多是基于激光锁频技术或者激光扫频技术，这些探测系统都在波分复用、空分复用技术的使用上存在着较大的限制，带来了组网的困难。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光纤地应力测量系统，其目的在于通过将该系统固定于基岩上，通过地应力传递单元将地应变传感于传感光纤上，传感光纤受到应变产生相位变化，将相位变化进行解调即可获得地应力信息，由此解决现有电学测地伸缩仪施工的复杂程度高的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光纤地应力测量系统，所述测量系统包括传感光纤、参考光纤、地应力传递单元和信号处理单元；

所述地应力传递单元固定于基岩上；所述传感光纤缠绕于相邻地应力传递单元之间并保持张紧状态以使所述传感光纤各段受力一致；所述参考光纤以不受地应力的方式连接于所述传感光纤的引出端，用于获取外界环境信息以作为后续补偿；

当基岩之间由于地应力产生相对位移时，所述地应力传递单元随之位移，进而将地应力信号传递至所述传感光纤，从而引起所述传感光纤的应力变化，以使所述传感光纤中传输光与瑞利背向散射光的特性发生变化；所述信号处理单元用于计算所述传感光纤与所述参考光纤的瑞利背向散射光的相位变化差，即可得到该基岩位置处的地应力信息。

优选地，所述传感光纤和所述参考光纤均为微结构散射增强光纤，在所述微结构散射增强光纤中引入多个离散分布的微结构散射点，并将该微结构散射增强光纤划分为若干个独立区块；当微结构散射增强光纤上任意一点环境参量发生变化时，可以找到将发生事件包含在内的两个相邻的微结构散射点，通过计算两个微结构散射点的光相位差即可获得光纤区块上的事件。