我科学家成功研制分布式光纤地震传感设备

利用现有通信光缆监测地震的全新技术途径

我科学家成功研制分布式光纤地震传感设备

光明日报合肥8月6日电（记者常河、丁一鸣） 近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心陈旸、赵东锋团队与地球和空间科学学院王宝善、姚华建团队合作，成功研制出具有自主知识产权的分布式光纤声波/振动传感（DAS）系统，该设备可使用现有通信光缆进行地震监测、地质灾害预测、地下结构成像、城市地下空间探测等。

DAS设备自2021年6月部署在合肥紫蓬山进行连续观测以来，已成功监测到安徽定远2.3级地震（6月4日）、安徽宣城2.7级地震（7月22日）、菲律宾6.6级地震（7月24日）、台湾宜兰县5.8级地震（8月5日）等一些区域和全球地震。

当地震发生，地震波传播到光缆时，光纤会产生应变而被拉伸或压缩，由于相干激光在光纤介质中的弹光效应，瑞利散射光的振幅和位相就会发生改变，通过接收并解调背向瑞利散射光就可以获得地震波的信息。DAS技术利用相干激光在光纤介质中的弹光效应来感知和传输外界的振动和声波信号，具有分布式、集成度高、远距离传输、抗干扰性强、分辨率达米级等优点，为地震监测和地下结构成像提供了一种全新技术途径。

研究团队通过对DAS专用激光光源、后向瑞利散射光与本振光的相干探测、拍频信号相位解调以及系统软件算法等关键技术进行攻关，研制成用于高分辨率地震监测和成像的分布式光纤声波/振动传感设备。该设备监测频率范围为10毫赫兹至20千赫兹，定位精度为3.5米，监测长度达40公里。该系统可以利用现有的通信光缆进行地震监测、地质灾害预测和城市地下空间探测等，服务国家防灾减灾重大需求和城市规划发展。

《光明日报》（ 2021年08月07日03版）

来源： 光明网-《光明日报》

光纤变身 从信号传输的“血管”到监测的“神经”

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，不只是传输信号的“血管”，如今，也成为监测信号的“神经”。

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。

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。

前不久，科技部部长王志刚向冬奥会筹办百日科技攻坚发出“动员令”。中国科学院院士、地球物理学家、中国地震局科技委主任陈颙告诉科技日报记者，研究团队积极响应这一“动员令”，集中力量对激光光源、核心算法等关键技术进行攻关，研制出包括激光光源系统、信号解调和数据处理系统等模块的分布式光纤温度传感（DTS）系统，它具有完全知识产权，全部器件均为国产。

温度对冰雪运动有很大影响。“温度测量技术是冰雪运动会的科技支撑，运动场地冰雪的动态温度变化是运动会的基本科学数据。”陈颙说。

传统测温方式往往是单点测量，无法全面及时反映温度的时空变化。DTS正可以解决这一痛点。在冰雪比赛场地附近埋设一条温度测量光纤，就能对整条赛道每隔1米甚至更短距离的温度变化进行监测，测量精度可达0.1℃。

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心教授陈旸介绍，分布式光纤传感系统，可以监测温度、应变和振动，拓展传统方式无法或难以监测的区域。这类监测，还可以及时发现大型设施的潜在故障。它在输电网络、石油化工、大型仓库中，在深地和深海探测中，都能得到应用。

陈颙表示，下一步，他们将推动分布式光纤传感软硬件的研发和成果产业化，推动分布式光纤传感监测网络建设，拓展其应用领域。（记者 张盖伦）

来源： 科技日报

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