中科大和地震局联手,让光纤变身“温度计”和“地震仪”

2021-10-24 15:36:19 | 来源:科技日报 | 参与: 0 | 作者:科技日报

  来源: 科技日报 作者: 张盖伦

  科技日报记者 张盖伦

  现在走进中国地震局院内的花坛,蹲下身,你还能看出土被翻动过的痕迹。在南门附近,仔细找,你能看到露出在外的一圈光纤。

  这种廉价的、大众熟知的入户光纤,在地震局内新铺设了600多米。600多米的环形光纤,接入中国科技大学和中国地震局团队合作自主研制的DAS(分布式光纤声波/振动传感)和DTS(分布式光纤温度监测)系统,相当于布置了1600个振动和温度传感器开展观测试验。

  10月22日,分布式光纤传感技术应用展示会在北京召开。光纤,不止是运送信号的“血管”,如今,也成为监测信号的“神经”。

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  分布式光纤传感技术应用展示会现场。

 

  将40千米长的光缆变成数万个地震传感器

  近年来,光纤除应用于通信领域外,还被作为传感器用于测量应力和温度等物理量。不过,这项新技术的核心设备——光信号调制解调主要依赖进口。国外设备不仅价格高昂,高端产品向我国出口也受到诸多限制。

  2021年,中国科学技术大学研制出具有自主知识产权的DAS系统,可利用现有通讯光缆进行地震监测和地下空间探测等工作。

  其技术原理是利用光时域反射技术进行定位。光的瑞利散射对光纤的折射率、长度等变化极其敏感。当光纤受到扰动时,瑞利散射光的强度和相位会发生变化。因此,探测并解调瑞利散射光可获得外界振动信息。

  在地震局内举行的展示会现场,借助600多米的环形光纤,DAS也“探听”着光纤沿线的动静。人在踏步,地铁驶过, 屏幕上,都会出现相应的波形,对其诚实地记录。

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  DAS系统记录到1号线开往不同方向的地铁。 张强/摄影

 

  中国科学技术大学地球和空间科学学院教授王宝善介绍,这套设备的三大关键点,是专用激光光源、高灵敏探测系统和高保真解调系统。DAS设备能够将40千米长的光缆变成数万个地震传感器。“光纤与传统地震仪的灵敏度相当, 能够感知各种振动信号;但超高密度观测使得光纤具有更高的监测能力。”2021年6月,DAS设备部署在合肥紫蓬山进行连续观测,成功测到宣城2.7级地震,菲律宾6.6级地震等。在地震局内铺设光纤后,DAS系统记录到10月15日内蒙古赤峰4.7级地震波形数据,与传统短周期地震仪观测一致性良好。

  王宝善说,这为在城市地区开展地震密集/超密集台阵观测提供了新的解决思路,可以成为现有监测系统的补充。

  连续性测温,抵达传统测温技术所不能达之处

  而利用光的另一种散射,则可以灵敏捕捉温度的变化。它是拉曼散射,即光波在被散射后频率会发生变化。

  拉曼散射源于光子与分子的固有振动相互作用,携带了分子温度信息,其强度和温度相关。所以,对这种光的散射进行解析,就能测温。

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