[发明专利]基于背向瑞利散射原理的光纤地震监测系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤地震监测系统，适用于实时监测指定区域内的地震情况。主要用到的技术和原理有：地震波导致光纤震动、光在光纤中传播产生瑞丽散射等。属光纤振动传感、地震监测等技术领域。

背景技术

美国是进行地震监测研究最早的国家，美国地震监测预警的方法是在各地安装建设多点的地震报警监测装置。利用这些装置检测出地震震动波形，通过分析，提取地震波形里面的 P 波数据。由于地震波 P 波相对 S 波破坏力小，但是传播速度相比较 S 波要快得多，因此检测到 P 波并传输到远端数据监控中心，在远端的数据中心可通过多点的 P 波数据进行分析，从而可以判断出地震震源位置，地震震级以及地震发生时刻时间。

日本由于地理位置的特殊性专门建设有紧急地震检测与预警系统UrEDAS。该系统最大特点是通过对地震波形数据的分析和初步估测，能够从 P 波的特征参数中提取出信息用于初略估计震源参数。结合多台站数据可以更准确的估测出震源参数信息，在地震 S 波到达以后就可以计算出更为精确的震源信息。

以上是目前比较先进的地震监测方案，检测效果经过长时间的检验确实基本可以满足监测需求。但共同的局限性就是都是需要在相隔不远的位置放置地震监测装置，基于成本考虑，这些方案只能适合用作一些重点防护的区域，比如铁路沿线等地震影响极其严重的区域，不适合全面部署。

本申请涉及到的光纤地震监测系统，可以利用通信基站网络，只需在主基站机房部署设备即可。节约成本且易于施工。

发明内容

为满足地震监测的需求，本申请提供的是一种基于背向瑞利散射原理的光纤地震监测系统。其结构图如图1，主要结构包括：光纤、下位机数据采集分析系统、上位机数据分析系统、客户端异常显示系统、报警设备、手机端。

现有通信基站网络结构如图2，由一个中央基站分别与各单基站通过通信光纤进行连接通信。鉴于此分布结构，地震监测设备部署方式如下：在中央基站位置建监测室放置硬件设备，将通往各个方向基站的光纤连接到设备，即可监测整条光纤的震动情况。

采用图3所示的两级EDFA结构，构建了一套Φ－OTDR分布式传感系统，结构如图4所示。窄带激光器输出激光经过声光调制器（AOM）后，形成脉冲信号，进入EDFA进行放大。通过带通滤波器（BPF）滤除EDFA产生的ASE噪声。滤除噪声的光脉冲通过环形器的1、2端口进入传感光纤。在光纤尾段加入隔离器，用以消除光纤尾段端面的菲涅尔反射对传感信号形成干扰噪声。光电探测器（PD）接收光纤中的后向瑞利散射光，进行光电转换。光电转换后的信号送入采集卡（DAQ）采集，最终由计算机（PC）处理，从而解调得到震动信号。

多路光纤，将采集到的震动数据综合分析，可以比较确切的得出震源位置以及震动强度。将计算机分析之后得出的结论发送到客户端网页进行显示；判断若危险等级达到某一标准，则启动报警设备并将预警信息同步推送到相关人员手机。

附图说明

图1是光纤地震监测系统结构图；

图2是通信基站网络结构示意图；

图3是两级EDFA结构图；

图4是Φ－OTDR系统原理图；

图5是后向瑞利散射信号的模拟结果；

图6是震动位置的放大图；

图7是后向瑞利散射的解调信号对比。

具体实施方式

后向瑞利散射的过程，可以描述为一系列随机反射单元后向散射的矢量和组成。反射单元后向散射的幅度服从瑞利分布，相位服从均匀分布。蒙特卡罗方法可以用以模拟随机分布在光纤路径上的反射单元的后向散射过程。取单色激光的波长1550nm，脉冲宽度为500ns。在相同的环境条件下，模拟的后向瑞利散射与光纤距离的关系曲线如图5所示， 曲线S1表示没有震动的后向瑞利散射信号，曲线S2表示在7km处增加震动的后向瑞利散射信号，曲线S3表示扰动信号（3条曲线在图中的位置经过整体的上下平移，以区分3条曲线）。其中，图6是图5震动位置处的局部放大特征图。从数值模拟的结果可以看到，后向瑞利散射 信号总体呈衰减趋势，局部由一系列的锯齿波形构成。