作者及机构
本文由中国科学院半导体研究所传感技术国家重点实验室的张文涛、李慧聪、黄稳柱，北京大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室的李正斌，以及中国地震局地球物理研究所的李丽、刘瑞丰共同撰写，发表于《应用科学学报》（Journal of Applied Sciences—Electronics and Information Engineering）2021年9月第39卷第5期。
研究背景与主题
地震与地球物理研究高度依赖高精度地震观测仪器的发展。传统电学地震仪在极端环境（如深井、海底、火山等）中面临适应性不足的问题，而光纤地震仪因其传感部分和信号传输链路无电子器件、环境适应性强、适合分布式组网观测等优势，成为研究热点。本文系统综述了加速度型、位移型、应变型、旋转型四类光纤地震仪的原理、挑战、典型案例及发展方向，旨在推动光纤地震仪在天然地震监测、油气勘探、地壳形变测量等领域的应用。
1. 加速度型光纤地震仪：高频勘探的主力工具
加速度型光纤地震仪是最早发展的一类，其核心是通过惯性质量块和弹性元件将地震加速度转换为光纤应变，再通过光相位调制解调信号。典型结构包括盘片式和芯轴式（图1），前者通过质量块惯性力使盘片变形带动光纤应变，后者通过力顺体形变调制光纤长度。此类地震仪在油气勘探领域已商业化，如挪威OptoPlan的OptoWave（噪声水平10⁻⁷~10⁻⁶ g/√Hz@1–400 Hz）和美国PGS的OptoSeis（频带0.1–250 Hz，噪声10⁻⁸ g/√Hz@1 Hz）。然而，其固有频率高、低频噪声大（图2），难以满足天然地震低频观测需求。国内中科院半导体所通过FBG-FP（光纤布拉格光栅-法布里珀罗干涉仪）结构将频带扩展至0.01–10 Hz（图4），噪声低于地球新高噪声模型（NHNM），并成功记录青海玛多7.4级地震（图5）。
核心问题：频带下限和低频噪声抑制仍是难点，需通过参考补偿、锁相技术优化。
2. 位移型光纤地震仪：宽频带低频观测的突破方向
位移型地震仪通过光学方法直接测量质量块位移，低频响应更优。典型设计如加州大学圣地亚哥分校的ISTS1（基于STS1摆结构改造，固有频率5.15秒），其质量位移噪声低至4×10⁻¹² m@0.001 Hz（图7），动态范围180 dB，接近全球地震台网（GSN）噪声水平。法国LINEs项目的ISISMO则采用FPI（法布里-珀罗干涉仪）结构，在0.3–5 Hz频段噪声 ng/√Hz，可观测250秒超长周期信号（图8）。中科院半导体所提出质量位移谱设计法，优化膜片-质量块结构，使FP地震仪在0.16–50 Hz频段噪声低于NHNM。
关键挑战：低固有频率拾振结构设计（如悬臂梁、叶片弹簧）和全光纤光路实现。
3. 应变型光纤地震仪：地壳形变与静态信号的高精度探测
应变型地震仪通过测量光纤拉伸/压缩记录地壳形变，分为光纤光栅型、干涉型和分布式（DAS）三类。美国加州大学利用Michelson干涉仪实现10⁻¹¹ε@1 Hz的超低噪声应变测量（图11），意大利光学研究所结合光学频率梳（OFC）将灵敏度提升至5.5×10⁻¹³ε/√Hz@2 Hz（图12）。国内中科院半导体所的FBG应变仪可同步记录固体潮和地震波（图13），而上海交大采用π-FBG（相位位移光纤光栅）达到1米基线等效38米传统应变计的精度。分布式DAS技术则利用海底光缆实现万公里级地震监测（图14），如英国国家物理实验室的相位差探测系统。
局限性：温度敏感性是主要干扰，需通过双光纤温差补偿或环境屏蔽解决。
4. 光纤旋转地震仪：旋转分量的新兴测量手段
旋转地震仪基于Sagnac效应，通过光纤陀螺测量地震波旋转分量。法国iXblue的BlueSeis-3A（噪声20–30 nrad·s⁻¹/√Hz@0.001–50 Hz）和波兰的FOSREM（频带0.001–328 Hz）是代表产品（图15–16）。北京大学团队提出双偏振光纤陀螺结构，利用偏振耦合误差互补效应抑制温漂和磁噪声（图17–18），为复杂环境下的旋转地震学提供了新工具。
应用前景：旋转与平移分量联合反演可提升层析成像精度，但需进一步降低环境敏感性。
研究价值与展望
本文系统梳理了四类光纤地震仪的技术路线和瓶颈，指出未来发展方向包括：
1. 低频扩展：通过低噪声光学解调和新型拾振结构（如超长周期摆）提升位移型地震仪性能；
2. 环境适应性：优化温度/应变交叉敏感补偿方案，发展抗干扰封装技术；
3. 多参量融合：如中科院半导体所提出的应变-温度-地震多参数同步监测系统；
4. 分布式组网：结合现有海底光缆构建全球地震实时监测网络。
光纤地震仪凭借其独特优势，有望在深地、深海、火山等极端环境中逐步替代传统电学设备，推动地球物理观测技术的革新。