Projektbeispiel: Faseroptisches Rotationsseismometer

Faseroptisches Rotationsseismometer

In diesem Projekt hat das Labor für angewandte Optik am Institut für Angewandte Mathematik und Physik (IAMP) und dem Zentrum für Signalverarbeitung und Nachrichten­technik (ZSN) zusammen mit dem Unternehmen Streckeisen Seismic Instrumentation GmbH ein Funktionsmuster eines neuartigen faseroptischen Rotationsseismometers zur Messung von Rotationen im Nahfeld von Erdbebenherden entwickelt und aufgebaut. Für diesen Einsatzbereich sind seismische Sensoren im Nanoradianbereich erforderlich. Vergleichbare kommerzielle Sensoren erreichen Auflösungen im Mikroradianbereich.

Anforderungen. Diese ausserordentlich hohen Empfindlichkeitsparameter lassen sich mit einem höchstempfindlichen inertial messenden Faser-Ringinterferometer erreichen, welches seismische Scher- und Blockrotationen über den Sagnac-Effekt erfasst, einen nichtreziproken optischen Effekt. Um die spezifizierte Empfindlichkeit und Performance zu erreichen, müssen diejenigen optischen Störeffekte  unterdrückt werden, welche die Reziprozität verletzen, wie teilkohärente Lichtstreuung, Polarisations-Umkopplung, transiente Temperatureinflüsse, Einwirkungen des Erdmagnetfeldes und ähnliches.

Realisierung. Das Gerät besteht aus  einer breitbandigen 1550nm, 10mW Superlumineszenz-Diode, einer Reziprozitätsoptik, einem speziell konstruierten SMF-Fasersensor, einer direkten Piezo-Phasenmodulation des Lichts, einem rauscharmen Photoempfänger,  einem Signalgenerator für die Modulation, einer Stromversorgung, die der seismischen Geräteperipherie angepasst ist, und einer digitalen Signalauswertung. Der Lichteingang wurde polarisationserhaltend ausgeführt und die nachfolgende Faseroptik wurde depolarisiert. Dadurch konnten optische Fadings und Drifts stark reduziert werden. Der Sensor ist durch eine Sandwichstruktur einerseits gegen die Umgebung wärmeisoliert und andererseits im Innenraum thermalisiert worden und wurde magnetisch gegen das Erdmagnetfeld abgeschirmt.

Ergebnis. Das Funktionsmuster des Rotationsseismometers weist einen Dynamikbereich von 120dB auf und erreicht im seismischen Frequenzbereich zwischen 8.3mHz und 50Hz eine höchste Empfindlichkeit von 4E-9 rad/s . Damit übertrifft es kommerzielle Rotationsseismometer um 3 Grössenordnungen. Es wurde im Industrielabor in der seismischen Messumgebung der Streckeisen GmbH mit Digitizer und STS-2.5-Seismometern erfolgreich getestet, siehe Bild.

Projektkontakt

Industriepartner

Streckeisen Seismic Instrumentation GmbH