旋转地震测量，超高精度光纤陀螺是妙计

　　文 / 杨远洪、李帅，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
　　想要了解光纤陀螺仪在行星地震学领域的应用，首先我们来看看什么是行星地震学和地震仪的6个基本分量。
　　行星地震学通过监测行星地质运动进而反演其内部结构并揭示其运行规律，是解开行星形成奥秘，确定其是否宜居的关键[1]。为准确获得行星的内部结构和地震信息，需要同时获得行星的潮汐形变、内部物质和板块旋转等地质运动的平动和旋转信息（图1），需要实现地质运动的3个平动和3个旋转，共6个基本分量的观测。传统的地震仪仅能观测地震的3个平动分量，无法获得完整、准确的地质运动信息。
　　图1 由行星地质运动的平动和旋转信息反演其内部结构 [1]
　　1897年印度Shillong大地震后，人们观察到地震使石碑发生了明显旋转（图2），此现象被认为是地震波旋转分量造成的，凸显了地震旋转分量的重要性，吸引科学家开展专门的研究，并形成了独立的旋转地震学学科。而后，具备3个旋转分量测量能力的旋转地震仪成为了地质运动观测的必备仪器。
　　图2 1897年印度Shillong地震后石碑的旋转现象
　　目前，国内外已经出现多种地震旋转分量观测技术，如传统机械式、多传感器差分式、激光陀螺和光纤陀螺等。综合各方面因素，基于光纤陀螺技术的光纤旋转地震仪对于平动不敏感、灵敏度高、结构简单、布设灵活，既适合于地震台站旋转分量观测，也适合于流动台站观测，光纤旋转地震仪成为超高精度光纤陀螺的重要应用方向之一。
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　　国内外哪些公司在研制光纤旋转地震仪？
　　在国外，开展光纤旋转地震仪研发的主要研究机构有法国iXblue公司、波兰华沙军事科学院、美国Honeywell公司等，它们研发的典型光纤旋转地震仪相关产品如图3所示。
　　图3 主要研究机构的光纤旋转地震仪相关产品
　　iXblue公司为大型光纤旋转地震仪的研发制定了路线图（图4）[1]，逐步增大光纤环的长度和尺寸以获取更高的灵敏度，并引入复杂的噪声抑制技术，以探索光纤陀螺的物理极限，研制优于大型激光陀螺仪G-ring自噪声水平的光纤旋转地震仪。目前iXblue公司已开发出商用光纤旋转地震仪BlueSeis-3A，自噪声优于2 10-8 rad/s/ Hz，达到了强震级地震观测的要求。
　　波兰华沙军事科学院最新研制的FOSREM系列光纤旋转地震仪系统测量带宽范围为DC到328.12 Hz，自噪声水平为2 10-8 rad/s/ Hz。
　　Honeywell公司也已研制出基准级高精度光纤陀螺，自噪声水平达到了10-9rad/s/ Hz量级[2]。
　　图4 大型光纤陀螺仪发展状况图 [1]
　　在国内，近年多个光纤陀螺研发机构也开展了旋转地震测量研究，部分单位已取得重要进展，整体达到国际先进水平。在国家重点研发计划＂高精度地球物理场观测设备研制＂项目支持下，北京航空航天大学杨远洪项目组承担光纤旋转地震仪研制工作，2020年研制出基于超高精度光纤陀螺的3分量光纤旋转地震仪，零偏不稳定性达到1.2 10-10 rad/s，自噪声优于2.2 10-9 rad/s/ Hz，如图4红星示意。
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　　新型高精度光纤陀螺，解决多项技术难题
　　光纤陀螺基于Sagnac效应，通过测量敏感光纤环中相向传播光束之间由输入角速度引起的Sagnac相位差实现旋转量的测量：
　　其中： φ R为Sagnac相位差， L 为光纤环长度， D 为光纤环直径， λ 为光波长， c 为真空中的光速， Ω 为旋转角速度。
　　由式(1)可知，增加 LD 积将能有效增强灵敏度，然而增加光纤长度 L 和环直径 D 不但会增加绕环的难度和成本，由温度、磁场、辐射等环境因素引起的漂移和噪声也会增加。这给基于光纤陀螺的旋转地震仪带来多项技术挑战。
　　杨远洪项目组通过优化绕环工艺自行研制出大 LD 积的高灵敏消偏单模光纤环，采用高频随机位相调制技术和新型双光源差分陀螺结构[3]结合的方案（图5），研制出超高精度光纤陀螺，组成3分量光纤旋转地震仪。
　　图5 基于高频随机位相调制技术和双光源差分陀螺结构的单模消偏陀螺方案
　　采用普通单模光纤绕制大 LD 积光纤环，在提升灵敏度的同时也大幅降低了成本，然而采用消偏光纤环的输出光谱存在深度调制（图6（a）），是消偏陀螺漂移和噪声的主要来源。
　　课题组采用高频随机位相调制技术，抑制了单模消偏光纤环输出光谱的调制度（图6（b）），有效降低了光谱调制对光纤陀螺性能的影响。利用新型的双光源差分陀螺方案，在同一个光纤敏感环路中实现两个不同波长等效光纤陀螺光路同时工作，将其差分运算结果作为输出。由于共用相同的光纤敏感环路，由环境因素引起的大部分漂移和噪声为共模误差，经差分运算后能被很好的抑制（图5），这有效降低了光纤旋转地震仪整体噪声并提高了长期稳定性。
　　图6 高频随机位相调制前后的光纤敏感环输出光谱图
　　图7为研制的高精度3分量光纤旋转地震仪样机照片，由Allan方差拟合得到的自噪声为2.2 10-9 rad/s/ Hz，零偏不稳定性为1.2 10-10 rad/s，样机的测量带宽范围为DC~100 Hz，动态范围优于200 dB。
　　图7 高精度3分量光纤旋转地震仪
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　　高精度旋转地震仪参与了这些验证
　　研制的高精度旋转地震仪重量轻、便携，仪器的3个轴向可分别拆卸搬运，便于流动布设与观测， 2021年4月14日~2021年6月4日参与了在安徽淮南潘一东矿区开展的第二轮深地环境多物理场观测，测试点位于地下约900 m（图8），数据采集系统可远离光纤旋转地震仪放置，最高可实现几百米的远距离遥测。在长时间观测期间仪器自身未出现任何故障，实验验证了研制的光纤旋转地震仪在可靠性、便携性等方面的优势。
　　图8 (a)地下矿井环境, (b)观测实验现场
　　自2021年6月10日至今，研制的3分量光纤旋转地震仪布设于云南省丽江地震台（图9（a）），开展了地震旋转分量的正式长期观测实验，目前已观测到多个地震事件。典型的地震事件为9月16日在四川泸州市泸县（距离观测点563 km）发生的6.0级地震，如图9（b）所示，图10为记录的地震波形，北向旋转分量幅度最大，为10-8 rad/s量级，验证了旋转地质仪的高灵敏度和低噪声性能，实现了天然地震3个旋转分量的有效完整观测和记录。
　　图9 (a)云南省丽江地震台, (b)四川泸州市泸县6.0级地震发震点与观测点示意地图
　　图10 四川泸州市泸县发生的6.0级地震3个旋转分量测量结果
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　　小 结
　　光纤陀螺具有对平动不敏感、旋转运动灵敏度高、布设灵活等特点，在旋转地震测量领域具有重要的应用价值。为满足旋转地震学对于超高精度旋转地震仪的需求，课题组基于高频随机位相调制主动噪声抑制技术和双光源差分陀螺结构，研制出高精度3分量光纤旋转地震仪，灵敏度高、噪声低、成本低和便携，已具备现场实用条件，为地球物理学地震波6分量观测和研究提供了高灵敏度、高可靠的仪器设备。
　　参考文献：
　　[1] Guattari F.,De Toldi E.,Garcia R. F.,et al.Fiber-Optic Gyroscope for 6-component planetary seismology [J].Proc.of SPIE,2019,11180:1118080.
　　[2] Mead D.T.,and Mosor S..Progress with Interferometric Fiber Optic Gyro at Honeywell [J].Proc.of SPIE,2020,11405:1140509.
　　[3] Yang Y.,Li S.,Yang F.,et al.Differential Fiber Optic Gyroscope Driven by Two Broadband Sources of Different Wavelengths [J].IEEE Access,2020,8: 65443-65449.
　　作者简介
　　杨远洪，教授，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，主要研究光纤传感及相关技术
　　李 帅，博士研究生，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，主要研究光纤陀螺技术