基本信息
- 项目名称：
- 多参数深地光纤探针
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品为一种基于光纤传感技术的多功能地震监测装置。本作品针对已有地震监测仪器测量频带窄、环境适应性差、价格昂贵等缺点，以多种光纤传感技术为基础，结合先进的光纤制作工艺，实现了通过单纤对深地振动、温度、应变参量的无源高精度测量。它具有频带宽、环境适应性强、稳定性好、易安装等优点。同时由于光纤传输损耗低的固有优点，本作品能够利用多台机器进行大范围、立体式的台网监测，除可广泛应用于地震监测外，也可用于石油勘探、地质活动勘察、国防工程等深地状态的监测工作。
- 详细介绍：
- 项目背景：5•12汶川大地震，对神州大地造成了重大的创伤，地震的预测再次成为人们最为关心的话题。然而目前人们对于地震波和地震相关参量的探测完全停留在地表，而地震震源往往在地底下数十千米或更深处，通过深入地下对震源进行探测，无疑将提高地震监测数据的真实性和有效性，能够为地震预测提供更加强有力的依据。 由于光纤传感器具有耐高温、耐腐蚀、抗干拢能力强、灵敏度高等优点，其在深地探测方面将具有无可比拟的优势。基于这些优点，通过钻探将光纤传感头送至地下2~4千米处，即可高精度地获得深地地震波、温度、应力、形变、微电流、静电、电磁波、水氡含量、地下水位、地下水PH值等有效的深地信息。 系统结构：工作波长为1550nm的分布式反馈激光器（DFB）通过光环形器，与工作波长为980nm的泵浦源，经980/1550nm±30nm的WDM合波后，由一根传输光缆从中央控制端传入地下的多参量复合传感头。两只激光器由同步电流调制成脉冲光信号。在地下传感头中，脉冲光信号首先通过四端口DWDM分波后分别输入振动、温度和应变传感单元。四端口的DWDM采用特殊结构参数设计，Com口对1550±30nm/980nm光通过，1端口对1550nm±1nm光通过，2端口对1545±3nm(此波长根据传感头设计选择)/980nm通过，3端口对1552±3nm(此波长根据传感头设计选择)/980nm通过。DWDM从1端口滤出1550nm光，作为迈克尔逊振动传感单元的信号光；980nm泵浦光等功率分配后分别从2、3端口输出，作为温度、应变激光传感单元的泵浦光。携带了振动波信息的信号光从振动传感单元返回，再次从1端口输入DWDM；携带了温度和应变信息的特定波长激光从温度、应变传感单元返回，再次从2、3端口输入DWDM。三个波长的传感信号经DWDM合波后通过传输光缆耦合入WDM，并从1550nm端口滤出，通过光环形器和3dB光纤耦合器进入光电探测单元。多参量复合传感头采用时分复用技术实现对三个参量的同时监测。深地参量引起光纤布拉格光栅的中心波长漂移时，光纤布拉格光栅的反射谱与F-P腔滤波器吸收谱相叠加的部分会产生变化，使F-P腔滤波器对布拉格光纤光栅的反射波长的吸收随波长的改变而改变 ，通过两只光电高速探测器PD1与PD2接收携带了传感信息的返回信号光，检测信号的损耗即可对应检测出波长的变化量。利用双通道测量法，取通过F-P腔滤波器和未通过F-P腔滤波器两路信号功率的比值，在不同的时刻分别测得振动、温度和应变的信息，这样不仅消除了光源辐射时的起伏影响，而且在一定程度上消除了杂散光引起的不稳定性。通过双通道高速数据采集卡采集光电转化信号，并在计算机中进行数据处理及可视化图形界面显示，软件主要功能包括：灵敏度调节、参数的动态数据设置和波形显示，以及发出预警信号。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 5•12汶川大地震，对神州大地造成了重大的创伤，地震的预测再次成为人们最为关心的话题。然而现有地震监测仪器测量频带窄、环境适应性差、价格昂贵。本作品的设计目的为利用光纤传输技术优点，集成多种光纤传感技术，发明一种无源深地光纤探针，实现对地底2~4千米处振动、应变、温度三个参量的精确测量，实现对深地环境的实时监测。 基本思路：作品由中央控制终端、特制光缆与地下传感探头组成。特制光缆与地下传感探头构成多功能无源探测结构，完成对振动、温度、应变的精确传感。中央控制终端集成了光收发模块以及双通道数据自动化采集、处理模块，与特制光缆、地下传感探头构成深地多参数传感平台。 创新点： 1.高精度：本系统的各指标均已达到或超过地震预测的精度要求。 2.多参数：集成度较高，提高了系统性价比。 3.易组网：维护及应用简单，能够充分利用地下管道、废弃矿井等现有设施实现安装并组网。 技术关键： 1.采用无源探测结构，抗干扰能力强。 2.激光传感测应变和温度，精度高。 3.采用双传感臂迈克尔逊微振动传感器测量振动信号，精度高。 4.定制特种光纤，与生产厂商合作开发，可以使其长期工作的温度上限为300℃，抗压上限为20MPa。 技术指标： 1.监测距离：100m～10km； 2.测量精度：温度为0.01°C 应变为0.1uε 振动为DC~5kHz； 3.响应频率：100hz～5khz； 4.响应时间：<2s。
科学性、先进性
- 1.适应性强：利用光纤传感器具有的抗电磁干扰和原子辐射、耐高温、耐腐蚀等能够适应极端恶劣环境的优势，与生产商长飞公司合作，可以制作特种光纤以使光纤传感器具备更好的适应性和精确度。（特种光纤，能够适应深地环境，承受高温300℃，承受高压20MPa） 2.高精度解调：利用相位解调和波长解调技术，实现参量的高精度解调。 3.易于组网：应用简单，能够充分利用下水道、废弃的矿井等现有设施实现安装和组网。 4.体积小、损耗低：该光纤探针体积小，具有静态/动态响应，高灵敏度和高分辨率（0.01%满量程）等特点，可不受光纤弯曲的影响远距离传输信号，实现工程单位绝对量度适合用到地震探测领域。 5.软件自适应功能：由于所探测的外界信息的变化，其对采集卡的工作状态提出了不同的要求，如地震波的强度每变化一个里氏级数，其振幅就会改变一个量级。为了能够以最好的方式采集到所探测的外界信号，软件实现了对外界变量的自适应功能，即根据外界信号的变化自动调整采集卡的状态，以使其始终工作在最佳状态。
获奖情况及鉴定结果
- 2008年12月，获得本校“求是杯”全校大学生课外学术科技作品竞赛一等奖 2009年6月，获得省级第七届“挑战杯”课外学术科技作品竞赛一等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 合作开发
作品可展示的形式
- 实物产品，现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：利用已有的石油钻井将多参数深地光纤探针送至地下十千米处，用解调器对地下传输上来的信号解调，便获得深地各种参数的信息。 技术特点和优势: 多参数深地光纤探针具有长距离，分布式，多参数，多功能，实时性强，集成度高，适应性强等特点。 适应范围及推广前景：该作品具有获取精确深地参量的能力，能广泛应用于地震监测，地下资源勘探如:石油勘探等领域。
同类课题研究水平概述
- 就世界范围来说，人类目前尚不能深入到高温、高压状态的地球内部设置观察仪器来对震源进行直接观测，地震学家只能在地球表面很浅的内部设置稀疏不均匀的观测台站，这样获取的数据很不完整也不充分，难以据此推测地球内部震源的情况。地震预测仍处于经验性的探索阶段，总体水平不高， 特别是短期和临震预测的水平与社会需求相差甚远。就国内来说，虽然中国地震监测台网已经具一定的监测能力，但是对地壳深部的探测，依然处于”入地无门”的状态，对地球内部的情况和地震发生的规律的认知还十分有限，地震预报水平还将长期处于探索和经验积累阶段，我们目前只能在一定条件下，对某些类型的地震作出一定程度的预报。 地震预报研究可以通过模拟试验积累判断地质运动情况的经验，还可以利用雷达遥感测距卫星分析地理数据，准确判断断层情况，但目前全球雷达遥感测距卫星数量还不够多。 目前地震检测手段：压磁应力监测仪和在野生动物园、养猪场、养鸡场设立宏观观测点，对地表的数据：地形变、地下水位、地磁、地应力、地声、地温的监测，以及经典惯性摆地震仪、深井地声观测仪。 经典惯性摆地震仪是地震预报人员的最重要的观测手段。但是这种仪器很不完善，它是一种运动学元件，只放置在地表没有与地壳紧密结合，因此所测信号的放大倍数不是特别大。另外，它受限于自身弹簧-摆系统的自振频率，频宽很窄，无法观测到它的频带范围之外的地壳运动。 深井地声观测是将仪器安装在扰动干扰小的深井中，能记录到上百公里外的高频极微震与地声信息。 地应力监测能采集地下一千米左右地层破裂中静摩擦力、动态摩擦以及因此而产生的热量、温度异常。 本作品即多参数深地光纤探针是一种多参数多功能探针，利用光学传感效应和特殊光缆等器件，能同时，实时监测深地环境信息。多参数深地光纤探针的传感距离能达到10km以上，但限于钻井的深度，安放深度定为2~4千米。而且本产品抗干扰能力强，灵敏度高，探头封装的特殊设计使其能适应深地高温高压的恶劣环境。经过系统升级后，本产品能实现对地下2~4千米处温度、应力、形变、地震波、微电流、静电、电磁波、水氡含量、地下水位以及地下水PH值等多种参量的分布式监测和精确传感。由于其具有获取精确深地参量的能力，能广泛应用于地震监测，地下资源勘探如:石油勘探等领域。
