光纤是如何探测地震的？

原创王苻欢中国科学院半导体研究所

什么是地震？

就在6月17日，宜宾市长宁县（四川省）又发生了6.0级地震。地震经常给人类造成巨大的财产损失，有的家庭甚至因此而变得支离破碎。所以我们科研工作者也一直在不松懈的努力，争取早一天让人类可以逃离地震这个梦魇的诅咒。

地震其实频频发生在我们身边，据中国地震台统计，中国近6个月，每个月都有数十次的地震发生。

图片来源：中国地震台网

地震是地球表层或表层下的振动所造成的地面震动，可由自然现象如地壳运动、火山活动及陨石撞击引起，亦可由人为活动如地下核试验造成，不过历史上主要的灾害性地震都由地壳的突然运动所造成。地震的影响力涵盖岩石圈及水圈──当地震发生时，可能会连带引发地表断裂、大地震动、土壤液化、山崩、余震、海啸、甚至是火山活动，并影响人类的生存及活动。

如何探测地震呢？

想了解如何探测地震首先我们要了解什么是弹性回跳理论。弹性回跳理论（又称弹性反跳理论）是一个解释发生地震原因的理论。

即假设地壳为弹性体，则受到应力行为时，会不断的变形并且累积应变能量。当应变能量累积到超过岩体中弱面强度时，岩体就会沿着此弱面滑动造成地震。此弱面就是一般所称的断层。

如下图所示：

Time 1：假设粗灰色实线为已存在弱面，红色十字为参考点。

Time 2：岩体受到黑色箭头的力，开始在蓝色区域内变形累积能量，并且变形。累积能量这个过程可能持续数个月，也可能是数千年。

Time 3：累积能量超过岩体强度，岩体沿着箭头方向作相对位移，释放累积能量。这些能量以热能或地震波或其它方式呈现，地震波则是造成地震的原因。此一过程在数秒到数分钟之内结束。

弹性回跳理论

图片来源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BD%88%E6%80%A7%E5%9B%9E%E8%B7%B3%E7%90%86%E8%AB%96#/media/File:Elastic_rebound.jpg

根据上述的弹性回跳理论，造成地震的原因是岩石中断层的破裂。当断层破裂时，两侧的岩体会相对移动并释放出累积的能量。虽然其中大部分的能量在都克服摩擦力中损失为热能，但是剩下的部分则转换为动能，并以弹性波的形式散发出去，这些波称为地震波。地震波是地震的直接表现，因此，研究地震波的到来时间、大小、振动方式等，就可以了解一个地震的发生时间、大小、发生机制等，进而研究地震。

如何研究地震波

在地震学中，研究地震波一直是探测地球内部结构最有效的手段。那么什么是地震波？如何研究它？

地震波（又叫Seismic Wave）是指以地震为能量来源的波动。当地震发生时，人们通常会因为地震波的传播而感觉到地面“摇晃”。地震波是一种由震源发出，在地球内部传播的波。地震波主要分为三种：实体波、面波和尾波。

实体波是能在物体（此处尤指地球）传递的波，也是最常出现在新闻媒体讨论中的波；面波由实体波产生，以在物体表面传递为主，甚少到达地表以下的地方；尾波则是最后由其他波与地形相互作用产生的，最后到达地震观测者的仪器。理论上一场典型的地震发生时，以上三种波都会出现，不过实际上并不是每一场地震都能观测到明显的面波和尾波。

科研工作这通常研究的是实体波，实体波又被分为“纵波”（“P波”），“横波”（“S波”）。

地震仪纪录下的地震波，红线是先到来的P波，绿线是较晚的S波

图片来源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9C%B0%E9%9C%87#/media/File:Seismogram.gif

P波是最早到达的波。地球物质在实体波经过时，可以在三个方向（上下、左右、前后）上产生震动。P波产生的主要是压缩力。

P波的传递示意图，注意不同网格线间疏密的变化

图片来源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9C%B0%E9%9C%87%E6%B3%A2#/media/File:Onde_compression_impulsion_1d_30_petit.gif

S波到来的比P波晚，同样是由地震的岩石错位直接产生。S波产生的主要是剪切力。

S波的传递示意图

图片来源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9C%B0%E9%9C%87%E6%B3%A2#/media/File:Ondes_compression_2d_20_petit.gif

如何科学监测地震波？

现代地震仪通过探测地震波, 得到地震记录来研究震源、地球内部结构和地震波本身，并实现临震预报。但是, 传统的地震波探测系统普遍存在着灵敏度低、动态范围小、漏电、供电困难等问题，限制了地震预报技术的发展。

而一种基于分布反馈的（DFB）光纤激光器作为传感元件的地震波传感器具有极大的应用前景。

那么什么是光纤激光型传感器呢？

我们都知道光纤具有体积小，重量轻，本征绝缘和抗电磁干扰等优点，普遍应用于光通信和光传感领域。

光纤

图片来源：知乎

之所以光纤可以传感，一般是因为科研工作者们在光纤上加工了特殊的结构，这种特殊的结构对光波的传输起到了滤波的左右（可以理解为反射或者投射一部分信号光用于传感）。比如加了周期性折射率变化的结构就制成了光纤光栅（FBG）。

光纤光栅的结构，折射率剖面和光谱响应

而两个匹配的光栅和掺稀土有源光纤组成一个法布里-珀罗( F-P)谐振腔。

分布式布拉格反射光纤激光器结构原理图

在光栅带通滤波和法布里-珀罗腔选频的共同作用下,有源光纤中在抽运激光作用下产生的宽带荧光谱中的特定部分在腔内来回反射的同时得到不断放大,最终形成激光。

待测信号作用在激光器上引起激光频率变化, 采用偏振无关的非平衡迈克耳孙光纤干涉仪将激光频率变化转化为干涉仪相位变化。干涉仪输出的信号经过光电转换后, 用采集卡转换为数字信号输入计算机,最后利用改进的归一化相位载波( PGC)解调技术, 实现信号的高分辨率解调。

分布式反馈光纤激光器典型原理 [7]

如今中科院半导体所光电系统实验室研制的基于光纤激光器传感器制成的传感器作为地震波的核心敏感元件已经开始了湖试和海试。并取得了良好的频率响应结果。

塔吊下放基于光纤激光器传感器的地震仪至湖面[7]

DFB 光纤激光器具有极窄的线宽，结合高分辨率的干涉式波长位移解调技术，能够得到极高的探测分辨率。光纤激光型地震检波器既具有光纤光栅检波器波长编码（即可以实现单纤16波长DFB光纤激光器阵列作业）、抗干扰能力强、探头尺寸小、易于组网的优点，又具有干涉型检波器灵敏度极高的优点，因而有望在地震监测中担当重任。

不过目前地震预测还只能提前十几秒或者数十秒，这样我们还是要学会如何在突发地震中保护好自己。

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