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分布式光纤声波传感及其地震波检测应用

激光与光电子学进展 2021年第13期58卷 75-86页

作者：王照勇卢斌叶蕾应康孙延光程楠鲁湛叶青蔡海文中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室上海201800 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049 中国科学院上海光学精密机械研究所中国科学院量子光学重点实验室上海201800

分布式光纤声波传感(DAS)技术以独特的动态在线监测、大范围密集测量、方便布设免维护等优势,获得了周界安防、结构健康、交通运输、油气勘探、海洋水声等多领域专家学者的广泛关注。同时,DAS技术可以方便地通过标准通信光缆或专用光缆... 详细信息

分布式光纤声波传感(DAS)技术以独特的动态在线监测、大范围密集测量、方便布设免维护等优势,获得了周界安防、结构健康、交通运输、油气勘探、海洋水声等多领域专家学者的广泛关注。同时,DAS技术可以方便地通过标准通信光缆或专用光缆形成大规模探测阵列,满足地球物理与自然灾害预测等领域的地震波检测需求,有望得到更广泛的应用。以新兴的地震波检测应用为切入点,结合调研情况,对DAS技术的基本传感原理、技术发展历程、地震波应用进展等进行论述,并分析DAS在地震波检测方向所面临的关键技术难题和未来发展趋势。

关键词：光纤光学瑞利散射分布式光纤声波传感地震波检测地球物理油气勘探

分布式光纤声波传感技术优化煤层气水力压裂微震震源定位

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煤田地质与勘探 2024年

作者：华豪程冰洁徐天吉严震乾高波何成成都理工大学地球勘探与信息技术教育部重点实验室电子科技大学资源与环境学院四川省能源地质调查研究所

【目的】为了达到安全且高效的压裂效果，通常需要对储层压裂过程实现及时、准确的微地震监测，用于分析和评估压裂效果。【方法】通过在煤层气储层钻井的套管外永久式地布置光纤，实现了基于分布式光纤声波传感技术(distributed fiber-... 详细信息

【目的】为了达到安全且高效的压裂效果，通常需要对储层压裂过程实现及时、准确的微地震监测，用于分析和评估压裂效果。【方法】通过在煤层气储层钻井的套管外永久式地布置光纤，实现了基于分布式光纤声波传感技术(distributed fiber-optic acoustic sensing,DAS)进行全井段、宽方位、高密度煤层水力压裂改造过程微振动的实时监测，并进一步提出了一种基于波形走时信息和震源约束映射算法的微震源定位新方法。首先，通过计算光纤采集数据中道间相似系数识别有效微震事件。其次，根据P波和S波波形顶点获得在光纤中的入射位置，并采用长短时差能量比法获取波形走时差用于确定微震事件距光纤的空间距离。最后，结合入射光纤位置和震源距监测光纤距离进行震源约束映射定位。【结果和结论】结果显示：光纤采集过程中，DAS对于地震波具有很强的方向敏感性。表现为对0°入射角的P波敏感，对90°入射角的P波则基本不敏感；对45°入射角的S波敏感，但对90°入射角的S波不敏感。在噪声强度一致的情况下，基于不同标距长度的波场采样效果显著性顺序为：1 m>10 m>100 m，在噪声强度为300%时，1 m空间采样数据仍能展现出相对连续的波形特征，明显地突出50 Hz的震源子波。预测缝网展布走向以NNW-SSE为主与区域最大主应力方向一致，平台内大部分压裂缝网预测误差在10 m内。在四川盆地川南煤田M井田的应用实践进一步表明，基于约束定位算法得到的预测结果与实验验证结果一致，能够有效指示煤储层压裂缝网区域，对致密、低孔渗油气藏开采效率的提升具有重要意义。

关键词：煤层气水力压裂微震监测震源定位分布式光纤声波传感约束映射

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基于相干瑞利散射的分布式光纤声波传感技术

激光与光电子学进展 2020年第5期57卷 1-16页

作者：蔡海文叶青王照勇卢斌中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室上海201800 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049

基于相干瑞利散射的分布式光纤声波传感(DAS)技术可以实时获取光纤沿线各位置的振动和声场信息,具有传感范围大、时空精度高等独特优势,近年来得到了多个领域研究学者的广泛关注。论述了DAS的基本传感机理,概述了相干衰落抑制、响应带... 详细信息

基于相干瑞利散射的分布式光纤声波传感(DAS)技术可以实时获取光纤沿线各位置的振动和声场信息,具有传感范围大、时空精度高等独特优势,近年来得到了多个领域研究学者的广泛关注。论述了DAS的基本传感机理,概述了相干衰落抑制、响应带宽与空间分辨率提升等关键科学技术问题的研究进展,介绍了DAS在安防、铁路等领域的应用进展,并针对DAS技术未来可能的发展方向进行了评述与展望。

关键词：散射相干瑞利散射相敏光时域反射计光纤传感分布式光纤声波传感

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分布式光纤声波传感系统的研究与工程应用

传感器世界 2020年第12期26卷 12-18页

作者：王子恒景洪欧美大地仪器设备中国有限公司北京100010

通过研究分布式光纤声波传感(distributed optical fiber acoustic sensing,DAS)系统的发展现状和组成结构,详细说明了DAS系统的具体测量原理以及衡量其实际监测性能的技术参数:传感距离、空间分辨率、频率响应和信噪比。DAS系统基于相... 详细信息

通过研究分布式光纤声波传感(distributed optical fiber acoustic sensing,DAS)系统的发展现状和组成结构,详细说明了DAS系统的具体测量原理以及衡量其实际监测性能的技术参数:传感距离、空间分辨率、频率响应和信噪比。DAS系统基于相位敏感型光时域反射计(Ф-OTDR),利用光脉冲在光纤中传输的后向瑞利散射的干涉实现对微振信号的测量和外界扰动模型的重建。相比传统的分布式光纤传感技术,DAS系统的监测信号具有高灵敏度、高信息丰度和多维度信号特征的特点,具有较好的环境适应性。另外,以管道泄漏、周界安防和水力压裂为例,说明了DAS系统在工程监测中的实际应用效果。

关键词：分布式光纤声波传感相位敏感光时域反射计后向瑞利散射:岩土工程监测

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分布式光纤声波传感的管道泄漏监测指标分析

中国仪器仪表 2021年第8期 61-65页

作者：王子恒景洪欧美大地仪器设备中国有限公司北京100010

分布式光纤声波传感(DAS)技术作为分布式光纤传感(DOFS)技术的前沿领域,克服了传统光纤监测仅针对温度、振动等单一指标进行泄漏事件定位的不足,在水和油气管道的泄漏监测方面具有诸多优势。本文根据分布式光纤声波传感技术的原理,介绍... 详细信息

分布式光纤声波传感(DAS)技术作为分布式光纤传感(DOFS)技术的前沿领域,克服了传统光纤监测仅针对温度、振动等单一指标进行泄漏事件定位的不足,在水和油气管道的泄漏监测方面具有诸多优势。本文根据分布式光纤声波传感技术的原理,介绍了其在油气管道泄漏中识别和定位泄漏事件的泄漏口噪声、温度梯度、负压脉冲和环境应变四项监测指标,给出了适用于不同监测环境的泄漏信号定位依据。

关键词：分布式光纤声波传感后向瑞利散射管道泄漏监测负压脉冲

基于分布式光纤声波传感系统的语音信号增强关键技术研究

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基于分布式光纤声波传感系统的语音信号增强关键技术研究

作者：杨健齐鲁工业大学

学位级别：硕士

分布式光纤声波传感(Distributed fiber-optic Acoustic Sensing,DAS)系统是一种新型的声波检测技术,它具有高时空分辨率、长距离连续监测、无需外部干扰源等优点,因此在实际应用中备受关注。然而,DAS系统中随机噪声的存在会严重影响微... 详细信息

分布式光纤声波传感(Distributed fiber-optic Acoustic Sensing,DAS)系统是一种新型的声波检测技术,它具有高时空分辨率、长距离连续监测、无需外部干扰源等优点,因此在实际应用中备受关注。然而,DAS系统中随机噪声的存在会严重影响微弱语音信号的质量,限制从语音信号中提取信息的能力。为了解决这一问题,本文从理论研究出发,提出了一种基于复数谱映射的神经网络算法,以提高DAS系统的语音信号质量和信息识别能力。经过实验验证,该算法能够有效地抑制随机噪声,提高DAS语音信号的质量,实现了在微弱信号下高保真和高质量的语音信号增强。该研究成果为DAS系统在嘈杂环境下高效识别语音信息提供了有力支撑,为高性能DAS系统的实际应用方向迈出了重要一步。本文主要的研究内容如下:(1)本文从光纤的瑞利散射出发,阐明了DAS技术通过光纤的瑞利散射检测声波信号并利用解调算法将其解调还原成为语音信号的具体流程。通过对分布式光纤声波传感技术理论的推导,更加深入地理解了该技术的原理和实现方法。(2)设计了一种基于3×3耦合器DAS系统的四通道采集方法,构建了本文所需的DAS语音信号数据集,实现了含噪语音信号和干净语音信号的自对齐,避免了人工对齐的困难。另外通过时频域的特征分析,介绍了分布式光纤声波传感系统语音信号增强的具体方案要求。(3)采用经典与神经网络语音信号增强算法对分布式光纤声波传感系统的语音信号进行增强实验。实验结果表明,经典算法简单地基于无语音段的噪声估计来对语音信号进行增强的方案效果不佳。为了更好地提取语音信息,本文在卷积循环网络的基础上,引入平滑空洞卷积和注意力机制,构建了一种基于复数谱映射的卷积循环网络算法,以提高算法的增强性能。实验结果表明,本文的方法可以成功抑制DAS系统的随机噪声,语音信号的噪声强度削弱了约19.25 d B,平均尺度不变失真率提高了约50.26 d B。相较于其它方法,使用本文的方法可以获得质量更好的语音信号。本研究的成果有望促进传感技术与通信技术的融合发展,提高基于DAS技术的语音通信质量,并为各种复杂环境下的通信提供技术支持。

关键词：分布式光纤声波传感语音信号增强神经网络信号降噪信噪比

基于FPGA的分布式光纤声波传感系统的性能提升方法研究

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基于FPGA的分布式光纤声波传感系统的性能提升方法研究

作者：殷光耀吉林大学

学位级别：硕士

随着我国经济在疫情冲击下持续复苏,油气能源需求增长强劲,但油气对外依存度依旧呈上升趋势。因此为了保障我国经济稳定发展,推进油气资源勘探和开发方式变革具有重要意义。地震勘探是油气资源勘探的重要方式之一,传统的地震勘探系统多... 详细信息

随着我国经济在疫情冲击下持续复苏,油气能源需求增长强劲,但油气对外依存度依旧呈上升趋势。因此为了保障我国经济稳定发展,推进油气资源勘探和开发方式变革具有重要意义。地震勘探是油气资源勘探的重要方式之一,传统的地震勘探系统多采用点式地震检波器,其技术比较成熟,能得到高质量的地震波数据,进而获取油气资源分布信息。但随着深部油气资源勘探需求的增加,以及高密度地震检波器阵列成本高和布设难度大等因素的限制,其瓶颈愈发彰显。分布式光纤声波传感(Distributed Optical Fiber Acoustic Sensing,DAS)技术基于相位敏感光时域反射技术,是一种运用背向瑞利散射光干涉效应进行震动分布式探测的新型传感技术,它不仅具有普通光纤传感技术的优点(耐高温高压、耐腐蚀、长距离等),同时兼具灵敏度高、响应速度快的特点,在勘探深度的增加和精细化描述的需求下具有较好的应用前景和价值。因此,针对地震勘探领域的应用需求,本文搭建了基于数字外差相干探测结构的DAS光学系统,实现了对微弱震动信号的探测;设计了基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的数据采集与实时数据处理系统以及高精度可调脉冲单元,实现了对海量数据的实时处理和DAS系统指标的灵活调节。具体研究内容如下:(1)本文在推导出声波与光纤中光相位呈现线性相关的基础上,结合背向瑞利散射光离散数学理论模型详细分析了背向瑞利散射光在光纤中的传输过程以及DAS系统的传感原理。根据油气资源勘探和开发利用的应用要求,解释了选择外差相干探测结构进行微弱信号探测的原因以及系统指标,并搭建了基于数字外差相干探测结构的DAS光学系统。(2)本文分析了DAS光学系统输出电信号的特点、系统实时性的要求以及不同数字信号处理器的适用范围和工作能力。采用FPGA芯片作为主控制器,实现了数据高速采集控制、数字正交解调、同步窄脉冲、数据高速缓存与传输四个功能。采用AD9680模数转换芯片实现500 MSa/S采样率的高速采集,使用MATLAB软件仿真验证了数字正交解调算法,采用流水线并行处理机制完成了混频、滤波和解调等功能。最后,通过高速串行扩展接口(Peripheral Component Interconnect Express,PCI-E)将数据传输到上位机中,实现了振动信号的定位和波形的还原,定位结果和相位信息将用来反映地震波信息以支撑后续地下结构和能源信息的定位和判定。利用FPGA设计了可调脉冲单元,实现了脉冲光脉宽和重复频率的灵活设定。该设计以可变分频技术和脉冲边沿调整电路为核心产生脉冲重复频率、脉宽和脉冲边沿连续可调的脉冲信号。上位机实时控制可调脉冲单元调节光脉冲参数。(3)使用基于上述技术方案研制的DAS仪器进行室内测试实验。可调脉冲单元测试结果表明:可调脉冲单元实现了脉宽5 ns～(1/脉冲重复频率–5 ns),脉冲重复频率1 Hz～50 MHz,脉冲边沿2.53 ns～8.8 ns可调的指标。DAS系统关键技术指标测试结果表明:系统可探测距离为10 km,空间分辨率优于5 m,频率响应范围0.5 Hz～1 k Hz,该系统指标满足地震勘探的应用需求,促进了DAS仪器在油气资源领域中的应用与推广。

关键词：分布式光纤声波传感地震勘探 FPGA 数字正交解调可调脉冲单元

基于分布式光纤声波传感的高速公路运行状况在线监测方法

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基于分布式光纤声波传感的高速公路运行状况在线监测方法

作者：何佳朋电子科技大学

学位级别：硕士

高速公路拥堵现象严重影响着人们的出行体验,降低了社会出行效率,此外,高速公路超速现象是引发高速公路交通事故的主要原因。所以,实现高速公路的智能化管理,实时测量车流量、车速等交通参数可以为道路拥塞时的紧急疏散以及车辆超速时... 详细信息

高速公路拥堵现象严重影响着人们的出行体验,降低了社会出行效率,此外,高速公路超速现象是引发高速公路交通事故的主要原因。所以,实现高速公路的智能化管理,实时测量车流量、车速等交通参数可以为道路拥塞时的紧急疏散以及车辆超速时的违章处罚提供依据,从而减少车辆行车延误和减少交通事故。目前交通参数的获取主要依靠微波雷达、地感线圈、超声波检测器、视频图像等,这些方法不适宜大范围全分布式监测,且容易受到极端天气的影响。本文提出基于分布式光纤声波传感的高速公路运行状况在线监测方案。与传统传感技术相比,分布式光纤声波传感技术不受恶劣天气影响,能长距离监测,可以对整条高速公路的交通参数如车速、车头间距、车流量等实现全分布式测量。此外,方案结合交通摄像机对超速等违章现象进行抓拍取证,将可感与可视结合形成立体化感知。本文具体工作内容如下:1.分别总结了智能交通系统中常用的传感技术,介绍了分布式光纤声波传感技术的优势,并阐述了分布式光纤声波传感技术的研究现状和传感原理。2.提出了一种基于分布式光纤声波传感的高速公路交通运行状况监测方法。在高速公路绿化带铺设传感光纤,通过光信号解调设备周期性发射相干光脉冲信号,将光纤沿线车辆运动产生的振动信号对光相位、偏振态等的调制信息解调成电信号,实时采集、传输给信号处理主机,根据采集得到的时空信号获得经过车辆的运动轨迹,并根据轨迹参数计算车速、车流量等交通参数。最后结合交通摄像机对超速等违章现象进行抓拍取证,满足可视化的应用需求。3.在分布式光纤感知过程中,设计了一种基于Hough变换等图像处理技术的光纤时空传感信号的运动车辆轨迹提取方法,以此计算车流量、车速等交通参数。在时域上累积分布式光纤声波传感采集到的信号,形成二维时空响应图,以膨胀、滤波、Hough变换等图像处理技术准确提取了简单背景噪声下的运动车辆轨迹,并根据轨迹参数分别计算车速、平均车头间距、车流量、车道空间占有率等交通参数。4.在超速等违章取证过程中,研究了基于改进的Le Net-5卷积神经网络的超速车辆牌照智能识别算法。通过仿真分析确定了C1、C3层的最佳特征图谱数目,更改了C3层的卷积规则,采用Re Lu作为激活函数,并采用Softmax作为输出层,改进的卷积神经网络在车牌字符的识别率达98.46%。

关键词：分布式光纤声波传感智能交通系统车牌识别卷积神经网络

基于分布式光纤声波传感系统的开集入侵事件识别算法研究

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基于分布式光纤声波传感系统的开集入侵事件识别算法研究

作者：董璐璐齐鲁工业大学

学位级别：硕士

周界安防入侵监测问题始终是各地区安全工作的核心要点,非法入侵事件不仅对人的生命安全构成威胁,还可能造成重大的财产损失。由于人为事件的复杂多变与不可预测性,防范工作变得复杂艰巨。传统安防设备主要依赖于电子传感器和摄像头,但... 详细信息

周界安防入侵监测问题始终是各地区安全工作的核心要点,非法入侵事件不仅对人的生命安全构成威胁,还可能造成重大的财产损失。由于人为事件的复杂多变与不可预测性,防范工作变得复杂艰巨。传统安防设备主要依赖于电子传感器和摄像头,但受环境影响大且成本高昂,难以实现长距离分布式监控。相比之下,分布式声波传感技术(Distributed optical fiber Acoustic Sensing,DAS)凭借其紧凑的设计、轻量化的特性以及卓越的抗电磁干扰和抗腐蚀能力,逐渐崭露头角并获得用户广泛认可。然而,由于DAS系统的高灵敏性和长距离探测特性,在实际应用中仍存在局限和不足:(1)常出现漏报和误报现象,降低了系统预警的可信度。(2)实际应用中存在不可控的未知事件,导致识别模型无法正确识别训练集外的未知类别,造成系统识别精度下降。针对上述问题,本文对周界安防入侵事件识别系统的关键模块及未知判别方法进行了以下研究:(1)本文从瑞利散射机理出发,深入剖析了分布式光纤传感技术的核心原理。随后,搭建了DAS系统及实地测试场景,实现对现场数据的精准采集。在此基础上进行数据处理,共提取6154组入侵事件样本,完成了周界安防入侵事件数据集的构建,为后续的入侵事件识别提供了丰富的数据支持。(2)设计并实现了基于1-D MFCNN的入侵事件识别模型。将DAS系统采集的扰动信号作为输入,通过四路并行的卷积层提取信号特征,完成入侵事件识别。此外,为深入探究不同网络模型对识别效果的影响,设计了多组对照实验,并对实验结果进行了详尽的分析与总结,结果表明提出的模型有着更短的模型训练时间与更高的测试准确率。(3)提出了基于深度学习的入侵事件开集识别模型,提出Extended Open Max方法,在原有输出概率的基础上进行拓展,新增专门用于识别未知类别的维度。对测试集样本进行对比和分析发现,所提方法对于三个已知事件类别,平均识别准确率可达99.6%。在添加2个未知事件类别后,准确率仍高达96.9%。此外,设计多组对比实验并进行对比分析,结果表明所提方法在入侵事件的识别上具有较高的识别准确率。

关键词：分布式光纤声波传感入侵事件模式识别开集识别