CN114370925A - 一种确定分布式光纤传感道的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定分布式光纤传感道的方法，包括将弯曲元放置于光纤正上方，并沿光纤以相同间距逐点激发恒定频率的振动信号；采用分布式光纤声波传感技术测量弯曲元产生的振动信号；对试验数据采用时域统计分析和频域分析的方法，分析信号振幅在光纤各道的突变特征；采用振幅峰值相对位置偏移量和激发点振幅‑道数曲线偏度两个指标，实现相邻传感道边界的精确定位。本发明公开的一种确定分布式光纤传感道的方法，能够准确定位光纤上相邻传感道的边界，为评价分布式光纤声波传感技术的性能提供了可靠的方法。该方法所需的试验设备较为简单，均为常用仪器；该方法原理简单，通过较少的试验次数就可以获得所需的试验结果，且可靠性强。
Description
技术领域
本发明属于分布式光纤声波传感技术领域，具体是一种确定分布式光纤传感道的方法。
背景技术
分布式光纤声波传感(Distributed Acoustic Sensing,DAS)技术是一种能够对声场、地震等产生的振动实现实时连续探测的新型光纤传感技术。它利用光纤对声音(振动)敏感的特性，采用脉冲激光作为光源，由于光纤本身含有杂质所呈现出的不均匀性，脉冲光在光纤中传播时会产生后向瑞利散射光，与入射光在脉冲内发生干涉。当外界声音或振动作用于传感光纤时，光纤的长度、折射率会产生微小变化，引起该位置后向瑞利散射光的相位产生线性变化，由于干涉效应，干涉光的光强发生相应的变化，通过提取该位置不同时刻的干涉信号并解调，就可以实现对外界振动的定量测量。
DAS系统结构简单，维护成本较低，光纤传感阵列密度高，阵列间距可以达到1～10m，远高于传统地震检波器阵列，且光纤布设方便快捷，具备实时监测的能力。随着DAS技术的不断发展，DAS解调仪的观测距离、信号的信噪比等得到显著提升，DAS技术已经广泛应用于诸多重要领域，如利用城市交通噪声进行近地表结构成像、天然地震与人工地震勘探、海底断层与海底油气勘探、城市交通监测、地下油气管线监测等。虽然DAS解调仪的空间分辨率已有显著的提高，但定道精度一般为m级。因此，迫切需要研究能够实现沿光纤长度精确定道的方法。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种确定分布式光纤传感道的方法，该方法能够以简单的设备、操作步骤和数据处理方法精确界定光纤上的相邻传感道，进而准确地判断沿光纤长度方向地下结构中扰动发生的位置。
为实现上述发明目的，本发明的一种确定分布式光纤传感道的方法，包括以下步骤：
1)将需要精确定道的光纤埋入土中。
2)连接弯曲元系统，将弯曲元放置于光纤正上方。
3)通过示波器产生恒定频率的信号，沿光纤以相同间距逐点激发：采用分布式光纤传感技术测量一定时长的连续振动信号，完成一个激发点的测试：将弯曲元移至下一激发点，重复上述激发点测试过程。
4)对试验数据采用时域统计分析和振幅频谱分析的方法，分析振动信号的振幅在光纤各道的突变特征，确定相邻两道的边界，进而确定光纤上各传感道的位置。
进一步的，所述步骤1)中光纤类型为单模光纤。
另一种改进，所述步骤2)中分布式传感技术使用的仪器为分布式光纤声波传感解调仪。
另一种改进，所述步骤4)中，采用的时域统计方法为统计均值的方法，采用的频域分析方法为快速傅里叶变换后的振幅频谱分析方法。
另一种改进，所述步骤4)还包括以下步骤：提出振幅峰值相对位置偏移量α与激发点振幅-道数曲线偏度β两个指标，用于确定传感道边界所在的位置；振幅峰值相对位置偏移量α用于表征每次激发在光纤各道的振幅峰值相对于激发段起点的位置偏移程度，激发点振幅-道数曲线偏度β用于表征某一激发点的位置与该点所在道中心的偏移程度。
其中，Δl为相邻激发点之间的距离；pk为第k个激发点处振幅峰值在光纤长度上的位置；pk-1为第k-1个激发点处振幅峰值在光纤长度上的位置；振幅峰值在光纤长度上的位置可通过快速傅里叶变换由振幅频谱分析结果确定。
其中，IF为振幅峰值所在道的前一道的振幅值；IR为振幅峰值所在道的后一道的振幅值；Im为振幅峰值所在道的振幅值。
另一种改进，所述步骤1)中，将光纤埋入砂土中，埋入的光纤的长度应大于2倍理论空间分辨率(即传感道的长度)。
另一种改进，所述步骤2)中，采用分布式光纤传感解调仪连接光纤的一端，测量一定时长的弯曲元激发的连续振动信号。
本发明公开的一种确定分布式光纤传感道的方法，能够准确定位光纤上相邻传感道的边界，为评价分布式光纤声波传感技术的性能提供了可靠的方法。该方法所需的试验设备较为简单，均为常用仪器；该方法原理简单，通过较少的试验次数就可以获得所需的试验结果，且可靠性强。
附图说明
图1是本发明提出的一种确定分布式光纤传感道的方法的试验装置总体结构示意图；
图2是本发明提出的一种确定分布式光纤传感道的方法的试验装置的结构框图；
图3是DAS数据采集和处理过程示意图；
图4是本发明实施例中分布式光纤声波传感解调仪记录到的振动信号原始时域图；
图5是本发明实施例中分布式光纤声波传感解调仪在0.2s内记录到的10次振动信号；
图6是经过时域统计分析后的激发点-道数-时域信号三维图；
图7是经过振幅频谱分析得到的单个激发点处振幅-道数图与高斯拟合的结果；
图8是激发点处振幅-道数曲线的偏度β分布曲线图；
图9是归一化后的激发点-道数-振幅频谱三维图；
图10是各道激发点-振幅曲线；
图11是每次激发在光纤各道的振幅峰值相对于激发段起点的位置偏移拟合曲线。
其中：100-示波器；200-砂土；300-弯曲元；400-光纤；500-振动激发点；600-线槽；700-分布式光纤声波传感解调仪；800-计算机。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提出的一种确定分布式光纤传感道的方法进行详细说明；在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”、“底部”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“A”、“B”、“C”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制；本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1和2所示，本发明的一种确定分布式光纤传感道的方法的一个实施例，试验设备主要包括振动激发模块A和分布式光纤声波感测模块B以及定道测试模块C。振动激发模块由一套弯曲元装置组成，采用计算机800连接示波器100控制弯曲元300在砂土200中逐点激发恒定频率的正弦振动信号。弯曲元300位于光纤400正上方。分布式光纤声波感测模块B包括分布式光纤声波传感解调仪700与光纤400，将光纤400的一端接入DAS解调仪700。试验时，DAS解调仪700向光纤400中发射连续脉冲激光，并测量光纤400中后向瑞利散射光与入射光在脉冲内发生干涉后产生的相位变化，实现对沿光纤400轴向的外界物理量的定量测量。定道测试模块C包括不锈钢线槽600与砂土200。采集的数据通过计算机800进行处理。
试验时，在不锈钢线槽600中先铺上一层砂土200，将光纤200沿线槽600拉直布设在砂土200表面，再上覆砂土200将光纤400掩盖。
试验原理：将弯曲元放置在光纤的正上方，通过计算机控制弯曲元产生恒定频率、振幅的正弦信号；声音(振动)会引起光纤的长度、折射率的微小变化。分布式光纤声波传感解调仪采用脉冲激光作为光源，通过测量后向瑞利散射光可以实现声音(振动)的解调。如图3所示，使光纤接收弯曲元产生的振动信号，弯曲元产生的振动通过砂土作用于传感光纤某一位置时，DAS解调仪可以记录到弯曲元在此位置的原始时域信号。如图4和5所示，通过以一定间距沿光纤移动弯曲元，可以得到在传感道的不同位置处的振动信号差异，利用这些特征性差异可以确定相邻传感道的边界，进而实现分布式光纤声波传感技术的精确定道。
本发明的一种确定分布式光纤传感道的方法，包括以下步骤：
在10m长的试验线槽中填砂，将光纤埋入砂土中。
连接弯曲元系统，将弯曲元放置于光纤正上方。
采用计算机控制示波器产生恒定频率与振幅的正弦信号，沿光纤以相同间距逐点激发；采用分布式光纤传感解调仪测量一定时长的连续振动信号，完成一个激发点的测试；将弯曲元移至下一激发点，重复上述过程。
本实施例中，分布式光纤声波传感系统采用武汉光谷互联科技公司所制造的MS-DAS2000型解调仪。其基本原理为采用脉冲激光作为光源，利用光纤对声音(振动)敏感的特性，由于光纤本身含有杂质所呈现出的不均匀性，脉冲光在光纤中传播时会产生后向瑞利散射光，与入射光在脉冲内发生干涉。当外界声音或振动作用于传感光纤时，光纤的长度、折射率会产生微小变化，引起该位置后向瑞利散射光的相位产生线性变化，由于干涉效应，干涉光的光强发生相应的变化，通过提取该位置不同时刻的干涉信号并解调，就可以实现对外界物理量的定量测量。
采用统计均值的时域统计分析方法对不同激发点原始时域信号进行分析，得到的结果如图6所示。采用振幅频谱分析的频域分析方法对时域信号经过傅里叶变换后的振幅频谱进行分析，寻找特征性参数，使它能够直观准确地反映出激发信号在各道上的强度分布，以及改变弯曲元位置后各道信号强度的变化情况。
如图4和5所示，从每个激发点30s的原始时域数据中找出有清晰信号记录的道，并在每道统计100次激发，以信号应变率最大的道的数据为标准，对该激发点所有道的数据进行归一化，采用信号时域统计分析的方法，得到该点每道100个信号应变率的平均值。同理，对所有激发点均采用上述数据处理方法，利用双三次插值方法对每条应变率-道数曲线进行平滑处理，得到如图6所示的各激发点多道数据平均值的三维云图。可以得出以下结论：振动信号在时域图中有明显的记录，弯曲元激发段的起始点位于13道内，终止点位于14道内，但无法准确区分第13道与第14道的边界。
以受激发影响的11～17道为对象，分析振幅频谱曲线，研究不同道振幅对弯曲元位置的响应情况：对每一道振幅频谱曲线中50Hz的振幅进行比较，采用非线性高斯拟合方法得到了如图7所示的该激发点的振幅-道数曲线。从图7可以得出激发起始点的振幅峰值在第13道，并且第12道的振幅略小于第14道的振幅，这说明激发起始点的位置并不在第13道的正中间，而是在第13道偏14道的位置。
采用振幅-道数曲线的偏度β来表示不同激发点振幅强度曲线的非对称程度，即该激发点的位置与该点所在道中心的偏移程度。
其中，IF为振幅峰值所在道的前一道的振幅值，IR为振幅峰值所在道的后一道的振幅值，Im为振幅峰值所在道的振幅值。
图8是改变弯曲元位置后不同激发点振幅-道数曲线的偏度β的变化曲线。可以看到，当弯曲元位于0号激发点时，β最小，且接近于0，说明0号激发点较接近道的中心位置。随着弯曲元向后偏移，β逐渐增大，当弯曲元位于第13道与第14道的边界时，β达到峰值。弯曲元进入第14道后，距离第14道的中心越来越近，β呈现出逐渐减小的趋势。随着弯曲元位置的偏移，不同激发点振幅-道数曲线的偏度β的变化规律十分明显，根据β可以准确地判断出相邻两道的边界位置。
对每个激发点的振幅-道数图归一化，采用双三次插值方法对每条振幅-道数曲线进行平滑处理，形成弯曲元位置-道数-振幅三维云图(图9)。从图9中可以清楚地看到从激发起始点到激发终止点，各激发点产生的振幅峰值会从第13道向第14道偏移，可以清楚的看到在第7与第8激发点之间振幅峰值存在明显的位置突变。
由各道的激发点与振幅的关系得到图10。图10表明，第13道记录的振幅在前8个激发点(第0～第7激发点)中都是最大的，但逐渐减小，从第8激发点开始，第14道记录的振幅在各道中最大，且振幅逐渐增大；振幅峰值所在道的相邻道的振幅随着弯曲元位置的偏移也会发生幅值的相对变化。
对沿光纤长度每次激发各道振幅峰值相对于激发段起点的位置偏移曲线(图11)进行拟合分析后，可以清楚地看到，第7个激发点和第8个激发点的振幅峰值在光纤长度上发生了较大显著的突变，其所在的道也从第13道变成了第14道，以突变段的中点为界，左侧5个激发点(约0.5m)范围内曲线的变化规律与右侧5个激发点(约0.5m)基本相同，呈现出在光纤长度上的线性偏移，突变段中点0.5m范围以外的曲线接近水平，左右两侧水平段长度均为1m。这说明，各点振幅峰值与该点到两道之间边界的距离有关，当激发点距离边界较近时，在两道边界左右两侧0.5m(1/4道间距)的范围内，随着弯曲元位置的偏移，各点振幅峰值在光纤上的位置会产生变化，且位移偏移量近似为常数。当激发点与边界的距离介于0.5m～1.5m时，虽然弯曲元位置在发生变化，但振幅峰值在光纤上的位置基本不变；当激发点与边界的距离超过1.5m时，激发点又会受到下一个两道边界的影响而呈现相同的规律。
将每次激发在光纤各道的振幅峰值相对于激发段起点的位置偏移拟合曲线的斜率定义为激发点振幅峰值相对位置偏移量α，量化表示这种偏移规律。
其中，Δl为相邻激发点之间的距离，pk为第k个激发点处振幅峰值在光纤长度上的位置，pk-1为第k-1个激发点处振幅峰值在光纤长度上的位置。
α表示在光纤长度上，后一激发点振幅峰值强度所在位置与前一激发点振幅峰值强度所在位置的相对变化规律；两道边界位于突变段内，α最大。
在第0～3激发点，曲线水平，α＝0；第3～7激发点，曲线呈线性增长，α＝0.61；第7、8点之间发生突变，α＝5.45；第8～13激发点，曲线呈线性增长，α＝0.61，第13～18激发点，曲线水平，α＝0；第18～20激发点，曲线呈线性增长，α＝0.61。
本实施中通过弯曲元的以相同间距逐点激发恒定频率信号的试验，研究了分布式光纤声波传感实现精确定道的问题，设计了用于DAS精确定道的方法，提出了不同激发点振幅-道数曲线偏度和振幅峰值相对位置偏移量两个指标实现相邻传感道边界的精确定位。研究结果表明：
(1)时域信号可以明显地记录到弯曲元激发的振动，但无法准确识别两道的边界；
(2)从各激发点的振幅频谱分析结果中可以准确地识别出两道的边界，两道的边界位于第7与第8激发点之间；
(3)本发明提出的确定分布式光纤传感道的方法是可行的，采用的不同激发点振幅-道数曲线偏度和振幅峰值相对位置偏移量两个指标可以准确描述传感道不同位置处的振幅特征，实现在光纤长度上对相邻传感道边界的精确定位，定位精度和激发点间距有关，对于本实施例，定位精度优于0.1m。
基于对本发明优选实施方式的描述，应该清楚，由所附的权利要求书所限定的本发明并不仅仅局限于上面说明书中所阐述的特定细节，未脱离本发明宗旨或范围的对本发明的许多显而易见的改变同样可能达到本发明的目的。
Claims (7)
1.一种确定分布式光纤传感道的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将需要精确定道的光纤埋入土中；
2)连接弯曲元系统，将弯曲元放置于光纤正上方；
3)通过示波器产生恒定频率的信号，沿光纤以相同间距逐点激发：采用分布式光纤传感技术测量一定时长的连续振动信号，完成一个激发点的测试：将弯曲元移至下一激发点，重复上述激发点测试过程；
4)对试验数据采用时域统计分析和振幅频谱分析的方法，分析振动信号的振幅在光纤各道的突变特征，确定相邻两道的边界，进而确定光纤上各传感道的位置。
2.根据权利要求1所述的确定分布式光纤传感道的方法，其特征在于，所述步骤1)中光纤类型为单模光纤。
3.根据权利要求1所述的确定分布式光纤传感道的方法，其特征在于，所述步骤2)中分布式传感技术使用的仪器为分布式光纤声波传感解调仪。
4.根据权利要求1所述的确定分布式光纤传感道的方法，其特征在于，所述步骤4)中，采用的时域统计方法为统计均值的方法，采用的频域分析方法为快速傅里叶变换后的振幅频谱分析方法。
5.根据权利要求1所述的确定分布式光纤传感道的方法，其特征在于，所述步骤4)还包括以下步骤：提出振幅峰值相对位置偏移量α与激发点振幅-道数曲线偏度β两个指标，用于确定传感道边界所在的位置；振幅峰值相对位置偏移量α用于表征每次激发在光纤各道的振幅峰值相对于激发段起点的位置偏移程度，激发点振幅-道数曲线偏度β用于表征某一激发点的位置与该点所在道中心的偏移程度；
其中，Δl为相邻激发点之间的距离；pk为第k个激发点处振幅峰值在光纤长度上的位置；pk-1为第k-1个激发点处振幅峰值在光纤长度上的位置；振幅峰值在光纤长度上的位置可通过快速傅里叶变换由振幅频谱分析结果确定；
其中，IF为振幅峰值所在道的前一道的振幅值；IR为振幅峰值所在道的后一道的振幅值；Im为振幅峰值所在道的振幅值。
6.根据权利要求1所述的确定分布式光纤传感道的方法，其特征在于，所述步骤1)中，将光纤埋入砂土中，埋入的光纤的长度应大于2倍理论空间分辨率，所述论空间分辨率为传感道的长度。
7.根据权利要求1所述的确定分布式光纤传感道的方法，其特征在于，所述步骤2)中，采用分布式光纤传感解调仪连接光纤的一端，测量一定时长的弯曲元激发的连续振动信号。
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