基于分布式声波传感的大地探测技术研究进展

作为一种长距离、分布式、实时监测的新型光纤传感技术,分布式声波传感技术自问世以来便受到了广泛关注。近年来,研究者们围绕DAS技术展开了大量探索性试验,并在大地探测领域取得了重要进展。从DAS工作原理出发,阐述了DAS的基本概念,对比了地震仪和DAS仪器的性能;之后通过回顾数个具有代表性的试验,详细介绍了DAS在油气勘探、天然地震观测、结构成像等大地探测领域的应用进展,最后总结了基于DAS的大地探测技术体系当前存在的瓶颈,分析了该技术体系今后的发展趋势。

基于分布式声波传感阵列的地震动事件定位可行性研究

基于在云南省宾川县开展的现场试验,探究频率-波数分析技术应用于分布式光纤声波传感(DAS)数据处理的可行性,分析该技术在判断地震动事件所在方向的应用效果,在此基础上,探讨频率-波数分析法的偏差来源,并提出减小定位误差、提高分辨能力的措施。研究结果表明,DAS阵列的方向偏差为2.37°,相较于检波器阵列,其判断精确度更高。使用特殊设计的光缆提升应变的传递效率、使用锚固装置增强缆-土之间耦合效果以及改变DAS阵列的几何形态捕获多方向的震动信息等措施可以有效减少定位误差,提高分辨能力。

基于相位光时域反射的光纤分布式声波传感研究（英文）

文中提出了一种光纤分布式声波传感方案。作用在传感光纤上的声波信号导致后向瑞利散射光的相位变化,将含有声波信息的后向瑞利散射信号注入到迈克尔逊干涉仪,并采用相位载波解调算法解调出相位信息。实验中采用压电拉伸器模拟声波振动,分布式声波传感系统实现了10 m的空间分辨率以及平坦的频响。

光纤分布式声波传感技术在石油行业的研究进展

基于相位敏感光时域反射的光纤分布式声波传感技术(DAS)具有长距离、高灵敏、高空间分辨率、低成本、无源、抗电磁干扰等显著优势,非常契合石油行业中的地震勘探和管道监测等需求。从石油行业的应用需求出发,介绍了光纤DAS技术的基本原理和解调技术,并阐述了近年来该研究领域在信噪比增强、探测距离扩展和采样率提升等方面所取得的最新研究成果。此外,重点总结了国内外在光纤DAS技术商用化方面的研究进展,分析比较了不同企业和机构研发的DAS产品的特点、性能和应用潜力。同时,重点针对光纤DAS技术在VSP测井、微地震探测和管道泛感知监测等领域的应用案列进行了阐述,展现出极强的市场竞争力。光纤DAS技术在未来石油行业中的应用研究方面,应加强数据超保真和多分量检波DAS的进一步研究。

新型微结构光纤分布式声波传感技术及应用

介绍了一种新型分布式微结构光纤及微结构光纤分布式声波传感技术.通过在普通通信光纤的纤芯采用精密光刻技术连续制备纵向微结构散射单元,形成一种新型分布式微结构光纤(distributed microstructure optical fiber,DMOF).基于这种DMOF研制的微结构光纤分布式声波传感系统(microstructure fiber distributed acoustic sensor,MF-DAS),采用微结构光散射增强,MF-DAS传感信号的信噪比得到大幅提升;通过微结构光纤链路均衡,大幅度降低MF-DAS近远端传感信号差值;提出微结构光时域反射(microstructure optical time domain reflection,M-OTDR)时隙分插复用扩频,显著增大了分布式声波探测频响带宽.这种新型的MF-DAS系统具备高灵敏、大尺度、宽频响等优越性能,在地下及水下声波信息获取、重大基础设施内部损伤探测与外部侵害安全监测等领域具有十分广阔的应用前景.

放大器自发辐射噪声对分布式声波监测系统的影响(英文)

掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier,EDFA)是分布式声波监测系统的重要组成部分,对于提高信号光的传输距离和系统解调信号的信噪比至关重要。但EDFA的引入也不可避免地带来了放大器自发辐射(Amplifier Spontaneous Emission,ASE)噪声。利用一个分布式声波监测系统,分别研究了不同位置的EDFA产生的ASE噪声对系统解调信号的影响。结果表明,功率EDFA产生的ASE噪声对于系统解调信号的信噪比基本没有影响。而前置EDFA产生的ASE噪声会对系统解调信号的信噪比产生很大的影响,在系统中加入一个中心波长为1 550.12 nm,带宽为0.2 nm的滤波器后,系统解调信号的信噪比从大约20 d B增加到60 d B。

放大器自发辐射噪声对分布式声波监测系统的影响

掺铒光纤放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）是分布式声波监测系统的重要组成部分，对于提高信号光的传输距离和系统解调信号的信噪比至关重要。但EDFA的引入也不可避免地带来了放大器自发辐射（Amplifier Spontaneous Emission，ASE）噪声。利用一个分布式声波监测系统，分别研究了不同位置的EDFA产生的ASE噪声对系统解调信号的影响。结果表明，功率EDFA产生的ASE噪声对于系统解调信号的信噪比基本没有影响。而前置EDFA产生的ASE噪声会对系统解调信号的信噪比产生很大的影响，在系统中加入一个中心波长为1550．12nm，带宽为0．2nm的滤波器后，系统解调信号的信噪比从大约20dB增加到60dB。

基于光纤分布式声波传感的井下多相流测试研究

利用光纤分布式声波传感原理搭建多相流测试系统,进行模拟井下监测测试研究及分析。测试结果表明,此系统可准确还原井下声波信号,测算混合声速,结合质量守恒和伍德方程公式可实现井下生产在线监测及相持率实时监测,具有很好的应用前景。该技术于2016年1月在XJ23-1平台首次试验成功。

基于螺旋缠绕光纤的分布式声波传感三分量信号采集机理研究

常规分布式光纤声波传感(DAS)技术利用光纤对轴向应变敏感的特点开展单分量信号采集,在开展三分量振动信号采集时,通常需要对光纤进行螺旋缠绕布置。在采用不同的角度进行缠绕时,光纤的轴向位置必然不同,导致光纤对X,Y,Z 3个方向的振动信号具有不同的敏感性。针对上述问题,通过建立单根螺旋缠绕光纤的数学模型,确定了光纤轴向应变的影响因素,推导了螺旋光纤轴向应变与光纤所在位置处3个方向真实应变之间的数学映射关系,定量分析了不同缠绕角度、不同旋转角度条件下三分量振动信号对光纤轴向应变的影响,并采用波动方程模拟的三分量数字信号对螺旋光纤轴向应变所接收到的等效信号进行了验证。分析结果表明,螺旋光纤在轴向方向上采集到的信号强度取决于X,Y,Z三分量信号自身的强度、光纤缠绕角度以及缠绕过程中光纤各点的相对空间位置,随着缠绕角度的增大,螺旋光纤对沿缠绕轴方向的地震波信号敏感性增强,对垂直于缠绕轴方向的信号敏感性减弱,垂直于缠绕轴方向的两个分量地震波信号在数值上呈现出周期性和互补性变化规律,为利用螺旋缠绕光纤开展分布式声波传感三分量振动信号的采集提供了理论基础。

基于希尔伯特变换的光纤分布式声波测量技术

提出了一种基于希尔伯特变换的相位解调算法,并以此构建了新型光纤分布式声波测量系统,在不劣化解调结果的前提下,极大地简化了相位解调光时域反射系统中的光路结构。通过理论与实验,证明了新算法可以正确、稳定地解调外加正弦信号的幅值、频率及位置信息,实现分布式振动信号的准确测量。

准分布式声波传感系统瑞利散射串扰抑制技术

提出一种瑞利散射信号诱导串扰抑制技术。理论分析表明,采用相位调制器对高相干连续光施加余弦相位调制,可通过设置相位调制频率抑制瑞利散射信号和由其诱导产生的通道串扰,余弦相位调制的幅度越大,串扰抑制效果越好。以基于弱反射率光纤光栅的准分布式声波传感系统为例,开展了瑞利散射诱导通道串扰抑制技术实验研究,实验中串扰抑制了23.85 dB,实验结果验证了所提方法的有效性。

分布式声波传感垂直地震剖面法智能处理及多波成像方法

本文研究了分布式声波传感垂直地震剖面(DAS-VSP)法纵波及转换波智能处理与成像方法,讨论了DAS-VSP形态成分分析法数据去噪技术、DAS-VSP多波智能分离方法和流程,以及基于深度学习的DAS-VSP数据规则化方法。创新性地提出了一种基于最小旅行时的多波VSP成像方法,通过旅行时表控制反射路径附近聚焦成像,比传统地震偏移方法的划弧减少,成像过程中计算覆盖次数,解决了覆盖不均匀成像振幅问题。通过海上斜井DAS-VSP实际数据处理,同时获得DAS-VSP上行纵波和上行转换横波成像剖面,结果显示,DAS-VSP不仅含有反射纵波信息,同时存在较强的转换横波,通过针对性处理后,能够实现DAS-VSP纵波及转换波成像,说明斜井DAS-VSP具备多波成像条件,可获得较高信噪比的纵波及转换波成像数据,多波数据更有利于油气预测和识别,智能处理及多波成像方法为DAS-VSP法用于油气勘探开发提供了新的技术手段。

基于分布式光纤声波传感技术的管道泄漏探测应用

文章介绍了分布式光纤声波传感(distributed fiber optic acoustic sensing,DAS)技术的工作原理及其在管道泄漏检测中的应用。DAS系统通过光纤中背向瑞利散射光的变化来检测光纤上沿途感知到的声波信息,再结合光时域反射技术获取外部扰动事件所处的位置,从而通过检测和分析背向散射的光信号,提取外界扰动对应的位置和相位。文章搭建了一套试验系统,通过试验检测了DAS运用于管道泄漏探测的可靠性。试验表明,DAS技术可以检测并识别不同位置和类型的泄漏事件。为了进一步提高泄漏检测效果,文章设计了一种分析方法,通过数据预处理、特征提取、事件检测和泄漏识别与分类,实现了对泄漏事件的精准识别和定位,并提高了其在泄漏检测中的灵敏度和实时性。该方法结合DAS的技术特点,可以在长距离和大范围内提供高效、可靠的泄漏监测。

基于分布式光纤声波传感的光缆状态监测研究

针对目前分布式光纤声波传感技术监测光缆灵敏度低的问题,提出了一种基于优化分布式光纤声波传感的光缆状态监测模型。首先通过理论分析了不同结构电缆的灵敏度,从而在理论层面分析影响灵敏度因素。其次基于优化分布式光纤声波传感测试不同传感电缆的灵敏度。实验结果表明,直径越小、杨氏模量越小的光缆可以有效提高灵敏度。结果与理论结果一致,表明所提方案对电缆状态监测的发展具有一定借鉴作用。

分布式声波传感系统中IQ解调方法的影响因素

为了获得相关因素对基于相干探测相敏光时域反射计(φ-OTDR)的分布式声波传感(DAS)系统测量准确性的影响规律,根据光纤中后向瑞利散射理论建立相干探测φ-OTDR仿真模型。基于该模型生成不同测量参数下的后向瑞利散射信号,采用IQ解调算法确定了振动位置、还原了振动信号,计算了振动检测信噪比和失真度。结果表明:采样率可以小于声光调制器(AOM)频率的2倍;宽范围内随着采样率的提高,振动检测信噪比与失真度不是严格单调增加或降低;模数转换器(ADC)量化位数在8~16位范围内变化时对系统解调结果的影响不大;随着入射光脉冲宽度减小、振动点与入射端距离增加,振动检测信噪比分别呈双指数、线性规律下降,失真度分别呈双指数、幂函数规律增加;随着掺铒光纤放大器(EDFA)放大倍数提高,振动检测信噪比呈幂函数规律提升,失真度在高、低噪声时分别呈幂函数、双指数规律下降。

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

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。

基于线性调频脉冲的光纤分布式声波传感技术

基于线性调频(LFM)脉冲的光纤分布式声波传感(DAS)技术采用同时具有连续波形和脉冲波形优势的LFM脉冲作为探测光,利用频移产生附加相位实现光纤应变导致相位补偿的原理进行传感。可实现光纤链路沿线声/振信号的定量波形恢复,具有响应速度快、灵敏度高等特点,在地球物理学、线性基础设施监测等领域具有显著的优势和应用前景。论述基于LFM脉冲DAS技术的基本传感机理,概述传感距离、空间分辨率、频率响应与衰落噪声抑制等关键技术指标的研究进展,介绍DAS在典型应用中的进展,并对未来可能发展趋势进行探讨。

基于分布式光纤声波监测数据和机器学习的井筒流体类型识别方法

基于建立的实尺寸水平井筒流体流动光纤监测模拟试验系统,开展油气水流动模拟试验,获得不同流体流动情况下的分布式光纤声波监测(DAS)数据;利用小波时间散射变换和短时傅里叶变换对DAS数据进行处理,提取流体流动特征,建立基于机器学习的井筒流体类型识别分类方法。结果表明:融合低方差散射特征和短时时频特征数据能提高流体类型识别的准确率,并且随机森林算法的识别结果优于BP神经网络和决策树;该方法为井筒多相流体流动识别提供了一种新的技术手段。

光纤布拉格光栅(FBG)和分布式声波传感器(DAS)在地学中的应用进展及发展方向

光纤通信是20世纪最伟大的创新成就之一.21世纪以来,光纤布拉格光栅和分布式光纤声波传感器逐渐应用在地学领域中,因其具有耐受复杂环境,采集密度高,频率范围大,成本低等优势,在井中地震,地面地震,地热,矿产,水力压裂微震监测,碳捕捉与封存监测,近地表结构和天然地震学,设施安全和地质灾害监测以及地学大数据等领域得以迅速发展并很快成为研究热点.本文将光纤布拉格光栅和分布式光纤声波传感器与常规地震检波器在基本原理,主要结构和采集信号等方面进行总结对比,结合野外试验和地学领域的应用实例对他们的优缺点和适用性进行了初步探讨和总结:DAS能够更好地实现长距离覆盖,而FBG能记录矢量信号.然后针对光纤传感器存在的低信噪比,方向效应和位置不确定性等问题进行了讨论分析,提出了解决方法.建议未来在碳捕捉、利用与封存,地热,科学钻探井等领域大力发展光纤传感长期监测技术,组建局部或全球性的光纤地震监测网络,为解决实际地质问题提供可靠的光纤地学信息.

分布式光纤声波传感微振动响应特征

分布式光纤声波传感技术(Distributed Acoustic Sensing, DAS)利用光纤中的瑞利散射来获取振动信息,具有高密度、低成本、可长时监测等优点,目前已经广泛应用于地震勘探领域.DAS系统可用于采集沿光纤轴向的应变或应变率,且DAS响应与地震波传播方向和偏振方向有关.本文推导获得了不同震源模型的应变辐射花样,并通过数值模拟获得了不同震源机制和不同布设条件下的分布式光纤微振动数据.理论合成算例结果表明,P波的应变辐射花样和速度辐射花样在各类震源机制条件下都具有较为相似的形态,而S波的两种辐射花样在某些震源机制条件下具有较为明显的形态差异.此外,包含DC(Double Couple,双力偶)成分震源的S波DAS响应记录与常规速度检波器记录相比,极性反转的位置具有较大差异.