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分布式光纤传感系统中的振动信号特征识别研究

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分布式光纤传感系统中的振动信号特征识别研究

作者：晏晨盐城工学院

学位级别：硕士

分布式声波传感系统(Distributed Acoustic Sensing,DAS)是分布式光纤传感系统(Distributed Optical Fiber Sensing,DOFS)的一种特定应用形式。基于分布式声波传感技术的传感器,由于其成本低、耐腐蚀、精度高等优势,被广泛地应用在对油... 详细信息

分布式声波传感系统(Distributed Acoustic Sensing,DAS)是分布式光纤传感系统(Distributed Optical Fiber Sensing,DOFS)的一种特定应用形式。基于分布式声波传感技术的传感器,由于其成本低、耐腐蚀、精度高等优势,被广泛地应用在对油气管道泄露的监测中,比如将光纤沿着油气管道布置,当油气管道发生振动时,便认为产生了破坏性事件,需要注意有管道泄露的风险。但是在真实环境下,一些无害的人为活动或者环境噪声不可避免的,如果仅仅通过振动是否发生来判断入侵事件,很容易导致传感器的误报。因此,根据光纤信号来对不同的事件类型进行区分是必不可少的。基于以上问题,本文采集五种不同的扰动信号作为分布式光纤传感系统中的振动信号并制成数据集,然后使用卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)、灰狼算法(Grey Wolf Optimizer,GWO)和支持向量机(Support Vector Machines,SVM)相结合的方式,对不同的扰动信号进行识别,以减小误报率。本文完成的研究工作如下:(1)介绍DAS系统、卷积神经网络、支持向量机和灰狼算法的原理和一些常见性能评估指标,为接下来的实验提高理论基础。(2)根据生活中常见的扰动,在实验中模拟了五种扰动信号,分别为环境噪声、敲击、浇水、步行和车辆碾压。对采集到的信号进行了分帧、重组、归一化和数据划分等预处理操作,然后制成数据集用于接下来的训练。(3)使用卷积神经网络对预处理后的信号进行特征提取并分类。将预处理后的信号直接输入到卷积神经网络中,借助其强大的特征提取能力,自动完成对事件的分类,最初的准确率为92%。然后引入残差结构和注意力机制对卷积神经网络进行改进,最终的准确率达到了94%。(4)引入灰狼算法对卷积神经网络的卷积核大小、卷积核数量、批处理数量、全连接层的输出维度等参数进行优化,并对灰狼算法进行改进,提升其收敛速度。优化参数后的卷积神经网络相较于优化前的网络,准确率提高到了96%。(5)提出一种使用卷积神经网络与传统分类器相结合的方法,将卷积神经网络最后一层全连接的结果作为输入,输入到支持向量机、决策树(Decision Trees,DT)、随机森林(Random Forest,RF)等分类器中,通过对比得知,使用传统分类器进行分类确实可以提高分类效果,且使用SVM作为分类器时效果最好,最终的准确率可达97.05%。

关键词：分布式声波传感技术卷积神经网络灰狼算法支持向量机振动信号识别

分布式光纤声学传感系统在地球物理勘探领域内的研究进展

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物探与化探 2024年第2期48卷 411-427页

作者：周绍钰包乾宗石卫长安大学地质工程与测绘学院陕西西安710054 自然资源部矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室陕西西安710054 海洋油气勘探国家工程研究中心陕西西安710054 陕西省城市地质与地下空间工程技术研究中心陕西西安710068 陕西省水工环地质调查中心陕西西安710068

分布式声波传感(DAS)技术作为最先进的声场检测技术之一,能够对与光纤相互作用的环境振动和声场信息进行分布式、长距离、高精度的实时检测。DAS技术中的光纤勘探系统解决了常规检波器在复杂地质环境中成本高、布设难度大等问题。近年来... 详细信息

分布式声波传感(DAS)技术作为最先进的声场检测技术之一,能够对与光纤相互作用的环境振动和声场信息进行分布式、长距离、高精度的实时检测。DAS技术中的光纤勘探系统解决了常规检波器在复杂地质环境中成本高、布设难度大等问题。近年来,DAS技术得到了快速的发展,尤其在需要长期、大规模布设的监测应用场景中得到了迅速的发展,但其相关研究成果较为发散,系统性认识较少。为深入了解DAS技术在地球物理勘探领域内的研究进展,更好地开展后期研究,本文通过文献调研,对DAS技术自身的发展进程与其近期在地球物理勘探领域内取得的研究成果,按照油气、海洋和环境工程3个不同的应用场景进行系统的分类总结,着重关注DAS技术近年来在不同方向上的发展进程、数据处理方面的研究进展以及已经取得成果的相关文献;最后,对现阶段基于DAS采集系统的发展趋势和亟待解决的问题进行了概括,对未来DAS的发展前景进行了分析。

关键词：分布式声波传感技术地球物理勘探文献调研成果总结

基于MF-J变换的DAS观测高阶面波提取和浅地表结构成像

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地球物理学报 2021年第12期64卷 4280-4291页

作者：雷宇航尹扶洪鹤庭李娱兰王宝善中国科学技术大学地球和空间科学学院合肥230026

分布式声波传感(DAS)技术可以将现有城市通信光缆转化为密集宽频带地震观测系统,利用城市通信光缆进行主/被动源面波成像为城市浅地表结构成像和地下空间探测提供了新手段,具有广阔的应用前景.近年来大量研究表明,充分利用高阶面波信息... 详细信息

分布式声波传感(DAS)技术可以将现有城市通信光缆转化为密集宽频带地震观测系统,利用城市通信光缆进行主/被动源面波成像为城市浅地表结构成像和地下空间探测提供了新手段,具有广阔的应用前景.近年来大量研究表明,充分利用高阶面波信息能显著提升面波结构成像效果.为探索DAS记录中的高阶面波提取和利用的可行性,本文推导了适用于DAS系统地震记录提取多模式面波频散曲线的MF-J变换公式,并成功应用于白家疃光纤实验的主动源观测数据,提取了多模式频散曲线并反演构建了研究区高分辨、高精度的横波速度结构剖面.研究结果表明,MF-J方法能有效地从DAS主动源记录中提取多模态频散曲线,并能去除传统MF-J方法中的交叉假频现象;基于多模式面波频散曲线反演的速度结构分辨率和置信度都明显优于只用基阶模态的反演.本文的研究结果揭示了利用城市通信光缆实现低成本高分辨率地下结构探测的可能性.

关键词：分布式声波传感技术频率-贝塞尔变换浅地表地下结构高阶面波

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DAS技术在油气地球物理中的应用综述

地球物理学进展 2021年第1期36卷 338-350页

作者：周小慧陈伟杨江峰李霞中国石化石油物探技术研究院南京211103

光纤分布式声波传感技术(DAS)基于相位敏感光时域反射,是一种利用光纤后向瑞利散射干涉效应实现声波信号连续分布式探测的新型传感技术.在油气勘探开发领域,近年来在井中VSP、地表地震采集、时延或永久油藏监测、水力压裂监测等方面开... 详细信息

光纤分布式声波传感技术(DAS)基于相位敏感光时域反射,是一种利用光纤后向瑞利散射干涉效应实现声波信号连续分布式探测的新型传感技术.在油气勘探开发领域,近年来在井中VSP、地表地震采集、时延或永久油藏监测、水力压裂监测等方面开展了试验和应用,取得了初步的成功.相比常规地面检波器及井中检波器,DAS技术具有低成本、高效率、密集采样、资料品质不低于传统地震检波器等优势.但DAS技术的局限性在于数据信噪比受光纤布设方式影响、单分量采集、保真距离有限.在综合分析的基础上,展望DAS技术未来发展方向:(1)螺旋缠绕技术等多分量DAS技术的发展及实用化和工业化,以及新型光纤电缆的发展,将大幅度地提高光纤的灵敏度和动态范围,DAS将逐渐克服其局限性.(2)DAS解调技术的发展和光纤采集方式的优化,包括新型采集观测系统、光纤与地层耦合技术等,以及针对性处理、成像技术发展将进一步提高DAS数据的信噪比和成像质量.(3)由于DAS具有成本低、采样率高等优点以及未来DAS技术在提高信噪比方面的进展,DAS技术在油气地球物理技术领域的应用前景将更广阔.

关键词：分布式声波传感技术油气地球物理勘探井中VSP 地表地震采集永久油藏监测水力压裂监测

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浅地表面波成像技术研究进展与展望

地球与行星物理论评 2022年第6期53卷 613-655页

作者：汪利民夏江海罗银河卞爱飞中国地质大学(武汉)地球内部多尺度成像湖北省重点实验室武汉430074 浙江大学地球科学学院浙江省地学大数据与地球深部资源重点实验室杭州310027

基于主动源和被动源的面波成像技术近年来发展迅速,已在全球和区域尺度的地球内部圈层精细结构成像、油气田勘探与开发、浅地表地质调查、工程质量超声检测、环境污染治理成效监测等领域开展了广泛的应用研究.关于面波成像技术的研究成... 详细信息

基于主动源和被动源的面波成像技术近年来发展迅速,已在全球和区域尺度的地球内部圈层精细结构成像、油气田勘探与开发、浅地表地质调查、工程质量超声检测、环境污染治理成效监测等领域开展了广泛的应用研究.关于面波成像技术的研究成果,涉及到了从理论到应用的众多方面.本文简要回顾了主要基于瑞利波和勒夫波的浅地表面波成像技术的发展历程,较为详细地调研并综述了高阶模式面波的应用、多道面波波形反演、被动源面波成像、多分量面波成像等技术的研究进展.并简要分析了其他关于面波信号采集与处理技术的研究情况,如基于高速铁路噪声信号的高铁地震学和基于光信号在光纤内部后向瑞利散射原理的分布式光纤声波传感技术.最后对浅地表面波成像技术的发展前景进行了简要地展望.

关键词：高阶模式面波面波波形反演噪声面波成像多分量面波勘探高铁地震学分布式声波传感技术

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基于DAS技术的地下通信光缆路由寻址

南京晓庄学院学报 2023年第6期39卷 82-86页

作者：晏晨张大路刘东熊志刚吴海勇王如刚陈勐勐盐城工学院信息工程学院江苏盐城224051 南京晓庄学院电子工程学院江苏南京211171

提出一种基于分布式声波传感(DAS)技术的光缆寻址方法,在南京晓庄学院方山校区内开展实验研究,使用MATLAB对采集到的数据进行处理,得到其特征图,后使用OpenCV对该图像进行处理,在获得路由的同时计算出井内预留光缆的长度,路由巡纤结果... 详细信息

提出一种基于分布式声波传感(DAS)技术的光缆寻址方法,在南京晓庄学院方山校区内开展实验研究,使用MATLAB对采集到的数据进行处理,得到其特征图,后使用OpenCV对该图像进行处理,在获得路由的同时计算出井内预留光缆的长度,路由巡纤结果与规划图一致。研究结果表明,DAS技术可用于通信光缆巡纤,排查光缆的线路和路由,该技术可用于光缆修复和网络扩充前对预留光纤的长度是否足够进行判断,以确定具体的修复和扩充策略,大大减少工程时间。

关键词：分布式声波传感技术光缆巡纤故障排查