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1、1,光纤传感在地震预报中的应用 中国电子科技集团公司第三十四研究所刘志强 2012年12月，桂林,光纤传感在地震预报中的应用,2,1 地震预报（Earthquake prediction） 概述,光纤传感在地震预报中的应用,1 、地震预报（Earthquake prediction）概述,2008年5月12日14时28分04秒，四川汶川、北川，8.0级强震猝然袭来，大地颤抖，山河移位，满目疮痍，生离死别西南处，国有殇。这是新中国成立以来破坏性最强、波及范围最大的一次地震。此次地震重创约50万平方公里的中国大地！,1 、地震预报（Earthquake prediction）概述,在5月19日紧急
2、召开的“四川汶川特大地震发生机理及后续灾情科学分析”的香山科学会议上，许多学者都提出对地震进行“群测群防”的工作；同时应使用多学科综合前期预警整体思维预测地震的方法。,1 、地震预报（Earthquake prediction）概述,人类已经登上月球，探测火星等遥远星系时代,异常的多解性、前兆的复杂性,地震预报仍然是自然灾害预报问题中最为困难的难题之一,地震的孕育、发展、发生规律尚不清楚,地震前兆识别以及利用前兆对地震进行预测带来重重困难,1 、地震预报（Earthquake prediction）概述,地震的板块运动论：地震的发生是由于板块相对运动而产生的地壳破裂，即地壳长期积累的应变能量被
3、一瞬间急剧释放。,地震的断层成因论：地下岩层突然发生断裂，在极短时间内释放出大量的能量，产生了地面位移和错动并辐射出地震波。,1 、地震预报（Earthquake prediction）概述,7,地 震 预 报,1 、地震预报（Earthquake prediction）概述,历 史 数 据,地震前兆信息极其复杂，难以研究分析 利用概率统计法对历史资料进行统计分析 在确定时间中研究地震的非均匀空间分布 在确定空间中研究地震的非均匀时间分布 找出地震概率高的地区或发震概率高的阶段,地 震 预 报,著名地球物理学家、石油地质学家、知名预测论专家，翁文波先生提出了发震时间公式，十几年共预测五级以上地
4、震85次，69次三要素基本对应，准确率达80%以上,周总理在1966年河北邢台地震发生后说，祖先留下了很丰富的地震记录资料，但没有留下经验。,1 、地震预报（Earthquake prediction）概述,次 声 波,0.041Hz 次声波衰减小、传播远，是造成地震破坏的主要物理量 七级以上地震在震前能观测到异常次声波信号 次声波异常发生9天后发震，发震时间误差在4天以内，震级误差小于0.4级，不能预测震中位置 动物能感测到次声波,地 震 预 报,1975年2月4日，辽东半岛海城市发生7.3级地震。地震发生在人口稠密、工业发达的地区，是该区有史以来最大的地震。,地震由于地壳不发生剧烈的结构变
5、化造成的，而这些变化所造成的震动并不能达到那么高频率，就像我们敲石头，是无论如何也发不出超声波的。,1975年2月，中国海城的动物观察员报告市政官员说，大量的蛇和蚯蚓纷纷在寒冷的冬季逃离温暖的冬眠洞穴，政府立即采取行动，下令大规模撤离居民。几个小时之后，一场大地震夷平了这座城市，但数千人得以幸存。,1 、地震预报（Earthquake prediction）概述,自 然 电 场,地下的一些岩石或矿石，可以由氧化还原作用、地下水渗透作用、扩散作用和岩石颗粒的吸附作用等自然形成的电场，称为自然电场 震源地方微裂和预滑产生的电场，或者是调整单元流体位移产生的过滤电势,地 震 预 报,陆阳泉曾在华北和
6、西北观测到良好的震例，从六级左右地震前异常到发震时间符合九倍律，即震前倍9天的日期出现前兆突跳,日本及前苏联学者最早用过,我国钱复业在1966年邢台大地震用过，但因电极极化干扰而成效有限,1 、地震预报（Earthquake prediction）概述,氡 气,氡是自然界唯一的天然放射性气体，由镭衰变产生。氡的半衰期只有 3.8 天，氡形成后很快衰变并产生一系列放射性产物，最终成为稳定元素铅。 岩石和土壤氡的发射率为 2 10 -2 Bq m -2 S -1 氡气突跳是大震前调整单元或调整场上的快速变形引起地层变动进而使氡气含量发生变化形成的,地 震 预 报,1964年前苏联学者在塔什干地震后
7、总结发现的,1978年日本伊豆-大岛七级地震前在震中附近观测到氡气突变异常，日本地震局震前一小时发出过地震预报，,1 、地震预报（Earthquake prediction）概述,地 应 力,地壳内各点的应力状态不尽相同 地壳的应力应变是临震得直接性前兆信息。 地应力的产生是由于地球加速度的变化及地球极移现象产生离心惯性力的切向分力、纬向惯性力引起大陆块滑动，地壳中的物质在惯性力作用下不断挤压产生地应力,地 震 预 报,测量地应力的方法很多，扁千斤顶法、刚性包体应力计、水压致裂法和声发射法、套孔应力解除法、局部应力解除法、松弛应变测量法、钻孔应变应力观测法等,最早的地应力测量起始于20世纪30
8、年代。1932年，美国人劳伦斯在胡佛坝下面的一个隧道中采用岩体表面应力解除法首次成功地进行了原岩应力的测量,李四光教授是中国地应力测量的创始人,1 、地震预报（Earthquake prediction）概述,地 震 预 报,自然电场,钻孔应变应力观测法,1 、地震预报（Earthquake prediction）概述,钻孔应变应力观测所反映的地震前兆异常，其曲线形态是出现“下降回升”或“上升下降”的趋势异常，以及距震中较近台站的观测值出现突跳性的短临异常变化。,钻孔应变应力观测法,1973年四川炉霍地震，从1972年5月中旬开始，位于鲜水河断裂带南端的泸定台N70W和N50E方向应力元件测值
9、逐步下降，而N10W方向元件测值上升，当测值恢复到正常基线后发生了7.6级地震，异常时间达八个月。,1 、地震预报（Earthquake prediction）概述,电应变-应力测量：,钻孔应变应力观测法,光纤应变-应力测量：,16,2 光纤传感（ Optical fiber sensing ） 特点与优势,光纤传感在地震预报中的应用,2、光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势,传感器起源于仿生研究，传感技术应运而生并快速发展，其大体经历了3代历程。,1、传感技术的起源与发展,第1代结构型传感器：利用结构参量变化来感受和转化信号,第2代固体传感器：由半导体、电介质
10、、磁性材料等固体元件构成，是利用材料的某些特性如用热电效应、霍尔效应、光敏效应，分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等,第3代智能传感器：对外界信息具有一定检测、自诊断、数据处理以及自适应能力，是微型计算机技术与检测技术相结合的产物,2、光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势,传感器(sensor)，最广义地说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于 利用的电信号的器件。,传感技术与信息学科紧密相关，它综合研究传感器的材料、设计、工艺、性能和应用等各个方面。,传感技术也是边缘技术，它涉及物理学、数学、化学等学科，是以研究自动检测系统中的信息获取、信息转换
11、和信息处理的理论和技术为主要内容的一门技术性学科，与计算机、通信和自动控制技术一起构成一条从信息采集、处理、传输和应用的完整信息链。,2、传感技术的含义,2、光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势,传感器主要完成2个方面的功能：检测和转换，因此传感器一般由敏感元件和转换元件组成,传感器通常输出信号较弱，还需要信号调节与转换电路(或称信号调理电路)将输出信号进行放大并转换为容易传输、处理、记录和显示的形式,2、光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势,3、传感技术的现状,美国传感器研究水平较高，力图先解决研究上的难题，再转入生产，其特点是
12、以“军”带“民”。,欧洲在许多大学设立传感器研究中心，侧重于理论研究。,日本是先占用民用产品市场，再向高水平发展,“安徽基地”：力、光敏； “陕西基地”：电压敏、热敏； “黑龙江基地”：气、湿敏。,发展：网络化传感器(MEMS网络技术的结合)、纳米传感器等新一代传感器、光纤传感。,2、光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势,4、光纤特点,光纤特点：传输损耗低，输频带宽，抗干扰性强，安全性能高，重量轻，机械性能好，通信容量大，容易实现信息复用。,2、光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势,5、光纤传感,光纤传感器的特点：能量损耗小，化学
13、性质稳定，且横截面小，防噪声能力强，不受电磁场干扰，无火花、无短路故障，能耐高温环境等,光纤传感器分为两大类：一类是感受被测物理量而改变光纤本身的物理性质；另一类是利用光纤收集目标输送来的光强度信号的被动型传感器技术。,光纤传感技术自20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来，它是以光波为载体、光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。当今社会已进入了以光纤通信技术为主要特性的信息时代，光纤传感技术代表了新一代传感技术的发展趋势，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。光波不怕电磁干扰，易为各种光探测器件接收，可方便的进行光电或电光转换，易与高度发展的现代电子装置和
14、计算机相匹配。,2、光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势,光纤传感无处不在,2、光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势,光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术，即外界信号（被测量）如何调制光纤中的光波参量的调制技术（或加载技术）及如何从被调制的光波中提取外界信号（被测量）的解调技术（或检测技术）,调制技术：强度（功率）、波长、频率、相位和偏振态,2、光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势,5、光纤传感分类,（1）光纤F-P腔传感技术,光纤F-P腔传感技术的基本工作原理是构成F-P腔的传感头感受到的温度、
15、应变或压力，光纤F-P腔传感技术只能进行单点测量。目前主要应用于油井下的压力测量。,2、光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势,（2）干涉型光纤传感技术,信噪比高，检测灵敏度高，缺点是对解调电路的要求很高，用于光纤陀螺、光纤水听器。,Sagnac光纤干涉技术,Michelson光纤干涉技术,双光束干涉，干涉输出大小只跟两臂光的总相位差有关，可用于水听器。,Mach-Zehnder光纤干涉,相位干涉的结构，灵敏度高，用于入侵监测安防应用。,2、光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势,（3）光纤光栅传感技术,光纤光栅是一种光纤器件，它是利
16、用光纤的紫外光敏性，用紫外光照射，使得在光纤纤芯折射率沿轴向呈周期性变化，在满足布拉格光栅条件的波长上全反射，而其余波长通过的一种全光纤陷波滤波器。光纤光栅可以广泛应用于应变、温度、压力及动态电磁场等的测量。,2、光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势,（4）基于反射光的分布式光纤传感技术,布里渊散射（BOTDA）,布里渊放大效应(即SBS)可应用于油气管道的检漏,2、光纤传感（ Optical fiber sensing ）特点与优势,（4）基于反射光的分布式光纤传感技术,由于磁场、电场、横向压力和温度都能够对光的偏振态进行调制，能实现多个物理量的测量。目前没有成熟的产品问世。,偏振光P-OTDR,相位敏感-OTDR,-OTDR具有灵敏度高、定位精度高、数据处理简单等优点，非常适合于应用在安防系统中。,光频域反射OFDR,OFDR结合光纤光栅可进行短距离大容量的应变测量，典型应用时大容量应变传感。,
