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漫衍式光纤声波传感器在天然地动监测中的应用
宣布时间:2023-12-22 浏览次数:7696 来源:尊龙凯时人生就是搏
DAS地动监测
漫衍式光纤声波传感器( Distributed Acoustic Sensing ,DAS) 是近年来兴起的超密集地动视察系统 ,具有一系列视察密度高、视察本钱低、耐受卑劣情况等优势 ,在油气行业获得了广泛应用 ,也引起了天然地动学界的关注 。本文简要回首了DAS系统的丈量原理、生长历程、技术计划、介绍了丈量原理及其响应特性 ,然后围绕多个视察实验 ,介绍浅部结组成像、深部结构探测和地动监测三个偏向的典范应用实例

本文来源:张丽娜 ,任亚玲 ,林融冰 ,等. 2020. 漫衍式光纤声波传感器及其在天然地动学研究中的应用. 地球物理学进展 ,35(1) : 0065-0071 ,doi: 10. 6038 /pg2020DD0384.


光纤传感器

光纤是由高纯度的玻璃或塑料制成的 ,为了实现极低的传输损耗 ,一般接纳纯度极高的质料制作 ,可是制作历程中的温压条件变革和质料中的少少量的杂质也会造成光纤内部的不均匀体 ,在入射激光作用下形成散射 ,其中的后向散射正是漫衍式光纤传感的基础 。光纤内部散射可以分为弹性和非弹性散射 ,弹性散射不改变光的波长 ,漫衍式光纤声波传感器利用的瑞利(Rayleigh)散射就是弹性散射 ,非弹性散射的波长与入射光差别 ,常用的布里渊(Brillouin)和拉曼(Raman)散射都是非弹性散射 。
最早基于Rayleigh散射信号 ,1970年代发明了光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectiometer) ,注入一系列光脉冲信号 ,在光纤内部的后向散射信号强度随着距离的增加而减小 ,通过视察衰减曲线的斜率可以获得光纤的损耗漫衍曲线 ,其中的跳变可以用于断点定位(Barnoski and Jensen ,1976; Barnoski et al.,1977 ) 。后续也生长一系列基于Brillouin和Raman散射的OTDR ,但本文讨论的技术计划主要基于Rayleigh散射信号的OTDR 。光纤的微小变形也改变了光纤内部散射体间距和折射系数 ,进而引起Rayleigh后向散射信号强度的变革 ,当光脉冲信号很窄时 ,这一强度变革只与变形段相关 ,可以实现光纤全段的振动探测(Taylor and Lee ,1990; Ju?kaitis ,1994) 。这一技术被称为漫衍式振动传感器(Distributed Vibration Sensing ,DVS) ,广泛应用于入侵检测 。虽然DVS的探测灵敏度很高 ,当空间区分率为10m ,可达约数十纳应变 ,可是其只利用了后向散射信号的强度信息 ,且后向散射信号对应变的响应是非线性的 ,无法应用于地动学研究中 。如果应变加载在光纤的某一处 ,那么在加载点之前和之后的后向散射信号的变革差只与加载段的应变有关 ,这两个信号的相对相位对应变的响应是线性的 ,可以用于丈量应变信号(图1) ,被称为相差式漫衍式振动传感器(Differential phase measurement DVS) ,因为其包括了准确的应变相位信息 ,为了与DVS区分 ,也被成为漫衍式声波传感器(Distributed Acoustic Sensing ,DAS) 。这两个用于盘算相位差的散射点间距被称为标距(Gauge length) ,光脉冲信号有一定宽度 ,这一宽度决定了标距的下限 ,一般为数米 。
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/ 图1 DAS丈量原理简化图 /

DAS技术计划有多种 ,凭据相位解调的区分 ,常见的技术计划可以分为:
  • 双脉冲计划(Dual-pulse DAS)
  • 干预相位解调计划(Interferometric phase recovery DAS)
  • 外差相干检测计划(Heterodyne DAS)(Masoudi and Newson ,2016) 。
双脉冲计划接纳时间间隔极短(约数十纳秒)的两个频率差别的光脉冲信号 ,直接解调获得相位信息 ,盘算极短时间内的相位差变革获得应变信号(Dakin and Lamb ,1990) 。干预相位解调计划利用单脉冲信号 ,直接丈量两个后向散射信号的相位差 ,比照两个丈量时间的相位差获得应变率信息(Posey et al. ,2000) 。外差相干检测计划中单脉冲探测信号与后向散射信号进行相干检测获得散射信号的相位信息 ,然后盘算相位差获得应变信息 。

DAS在丈量应变方面具有多方面的优势 。
  • 噪声水平低 ,在5~150Hz频段 ,系统噪声约为mrad量级 ,折合应变约为纳应变量级 ,差别实现计划可能保存一定的差别(Hartog et al ,2014; Parker et al.,2014) 。
  • 有效频带宽 ,实验测试标明高频可以到数十kHz ,低频可以到mHz级别 ,也有加载实验标明具备探测固体潮频段(半日潮)信号的能力(Becker and Coleman ,2019) 。
  • 视察密度高 ,一般常用的标距可以小至1m ,由于光学系统的原始采样率可以高达数十kHz ,空间区分率可以小至0.25m(Parker et al.,2014) 。
  • 视察本钱低 ,体现在两个方面 ,首先单个解调仪一般可以支持数十千米的传感光缆 ,包括数万个视察点 ,一次性笼罩较大区域 ,另一个方面 ,可以利用既有光缆 ,有效降低布设本钱 。
  • 耐受卑劣情况 ,好比高达160℃的井中(Miller et al.,2018) 。

ODH5X询问器单位 
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为大型地动应用提供了无与伦比的DFS(漫衍式光纤传感)/DAS(漫衍式光纤声波传感)性能 。立异的新型结构设计为用户进行长距离的监测的性能水平带来了阶梯式的提升 ,在100km长度水平的监测规模内 ,能够提供10000个优化定量监测通道 。
传感能力:
50km(在给定的30.8m标距长度条件下);
100km(在205.4m标距长度条件下) 。
询问速率:0.5kHz~10kHz
空间区分率:2.05 m ~ 205.4 m 标距长度
*(并非所有空间区分率参数都能够在全光纤长度下使用)

DAS实质上丈量的是沿光纤轴向的应变信号 ,可以等效为高密度的连续布设的伸缩应变仪(Benioff ,1935)  。早期人们认为应变仪的频率响应特性是平坦的 ,所以认为可能被广泛应用于地动监测台网中 ,可是实际响应并非如此(Lomnitz ,1997) 。简单平面波入射情况下位移、应变和应变纪录可以体现为:
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其中k=ω/c为光纤轴向的波数 ,L为标距 。当L为小量时 ,式2第一项可以忽略  ?梢越缢礑AS的振幅响应为R=ε/ε* ,代表DAS丈量值与真实值的比值 ,这一比值为波长和标距的函数 。图2给出了近似盘算下的DAS振幅响应 ,随着波长的增大 ,振幅响应趋于平坦(图2红线)  ,在短波长部分 ,振幅响应迅速下降 。波长一定情形下 ,响应曲线泛起多峰(图2黑线) 。值得注意的波长为光纤轴向的视速度折算而来 ,所以在实际应用中入射角度的变革也改变了波长 ,因此在波速和频率稳定的情况下 ,振幅响应也可以看作为入射角度的函数 。最简单的P波入射情况下 ,笔直入射的信号振幅为0 ,简单近似公式为 ,而S波的情况更为庞大( Benioff ,1935) 。
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/ 图2 DAS振幅响应图 /

颜色代表振幅响应 ,红线代表标距为25m的响应曲线 ,黑线代表波长为25m响应曲线 ,红线振幅放大50 倍 ,黑线放大5 倍且坐标为对数 。

DAS天然地动学应用实例

DAS早期主要应用于井中视察 ,用于VSP研究中(Mestayer et al.,2011) ,然后拓展到4D VSP(Mateeva et al.,2017)、水力压裂监测( Jin and Roy ,2017 )、微地动监测(Karam et al.,2013)、地下水水位监测(Becker et al.,2017)等研究领域 。一般井中视察需要协调较多的资源 ,因此在天然地动学研究领域开展的比较少 。2012年美国劳伦斯伯克利国家实验室在澳大利亚开展了一次地表DAS视察实验 ,纪录了大型落锤震源引发的面波信号 ,提取获得了面波频散曲线(Daley et al.,2013) ,Telsa Exploration Ltd 。在加拿大也开展了类似的实验(Kendall ,2014) ,今后DAS地表视察开始引起天然地动学界的关注 。近年来开展一系列地表DAS视察实验和应用研究事情 ,本文围绕多个有代表性的视察实验 ,按浅部结构、深部结构和地动监测三个偏向介绍部分典范应用实例 。

浅层结构是地动工程研究的重要输入参数 ,对其开展成像研究一般要求较高的视察密度 ,可以较好地发挥DAS的高视察密度优势 。2013年9月美国威斯康星大学麦迪逊分校研究组在美国加州Garner Valley强地面振动研究站布设了约762m的光缆 ,利用多种震源和古板地动仪开展了视察实验(Lancelle ,2016) ,在此基础上开展了多种浅层结组成像要领研究 。利用该次实验纪录的数据 ,Lancelle(2016)接纳多道面波剖析要领丈量了扫泼魅震源的面波信号频散 ,获得了2~10Hz的频散曲线 ,并反演获得了浅部100m的S波速度结构 。类似的主动源面波要领也被在其他视察实验中获得应用 ,用于浅层结组成像(Song et al.,2019) 。利用小型扫泼魅震源车引发的信号 ,通过Source synchronous filter(Lord et al.,2016)处理后获得了较为清晰的P波信号 ,基于走时反演获得了实验园地内潜水层顶部二维速度漫衍 。Parker等(2018)综合某地热田内的高密度地动仪台阵和DAS台阵纪录上的主动源P波信号获得了浅部250m的高区分率三维P波速度结构 ,揭示了区内部分断层的漫衍 。Zeng等(2017)则利用连续噪声纪录开展了地动配景噪声成像的应用可行性验证事情 ,乐成提取获得了Rayleigh面波信号 ,并与加速度计、主动源面波、前人研究结果进行了比照 ,确认了可行性(图3) 。这一要领也被广泛应用于其他视察实验研究中(Dou et al.,2017; Zeng et al.,2017b; Martin et al.,2017; Ajo-Franklin etal.,2019) 。除了在三维结构研究之外 ,劳伦斯伯克利实验室研究组还开展了基于小型可重复震源和配景噪声源的速度变革监测研究 ,视察到了浅层的速度变革(Ajo-Franklin etal.,2017; Tribaldos et al.,2019) 。
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/ 图3 差别面波数据提取获得的频散曲线 /
( 据Zeng et al., 2017)
实线为DAS噪声相互关函数 ,虚线为地动仪SASW结果 ,圆圈为DAS主动源数据 。

破坏性天然地动大多爆发在数千米~数十千米的地壳深处 ,这一深度规模也是地动层析成像研究的热点区域  ?沟乜巧畈拷峁固讲庋芯 ,主要依赖于大型人工震源、天然地动和中长周期地动配景噪声信号 ,经常依赖于较大规模的台阵 。2015年德国GFZ在冰岛Jousset等(2018)利用15km长的通信光缆开展了为期9天的连续视察 。在这次视察实验中 ,利用外地小地动的纪录 ,发明了断层破碎带内部多次反射信号以及体波到时延迟现象 。在较低频噪声相互关函数上(0.5~2Hz)上视察到了清晰的Rayleigh面波信号及其波形变革与断层等结构的关联性 ,利用这一频段的Rayleigh面波信号有望约束约1000m深部的速度结构 。2017年和2018年加州理工学院和劳伦斯伯克利实验室研究组在美国加州Goldstone利用约20km的通信光缆进行连续视察 ,期间纪录到了2018年洪都拉斯M7.5地动的信号 ,丈量获得了长周期(5~105s)面波频散曲线 ,并结合邻近的GSC地动台的竖直向纪录提取获得了接收函数 ,获得了清晰的Moho面Ps和PpPs转换波信号 ,这一研究结果展示了DAS的天然地动纪录可以用于约束莫霍面乃至上地幔速度结构(Yu et al.,2019) 。
除了应用于结构研究之外 ,DAS由于其可以实现大区域高密度视察 ,有望提升地动台网的监测能力 。在早期的研究中 ,好比Garner Valley实验中已经有报道纪录到20km外的M 2.0地动信号 。Lindsey等(2017)综合了劳伦斯伯克利研究组和斯坦福研究组布设的三个DAS台阵视察数据 ,从中获得了种种类型地动的纪录 ,展现了DAS用于天然地动监测的巨大潜力 。Wang等(2018)则利用同一区域布设的密集地动台阵和DAS台阵 ,基于区域地动信号 ,生长了多种要领实现了两种差别观丈量的转换和比照 ,结果标明DAS可以提供可靠的地动波形纪录 ;谕桓鎏ㄕ笫硬 ,Li和Zhan(2018)应用模板匹配要领 ,乐成监测到了区内大宗微地动 ,比外地小口径牢固台网的目录增加了约20倍 。Jousset等(2018)也开端测试了基于DAS台阵的小震定位结果 ,相关研究人员也开始开展了基于DAS纪录的地动震源机制解研究(Mellors et al.,2019) 。

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/ 图4 Brady Hot Spring台阵纪录的区域地动信号 /
(a) 中蓝线为传感光缆 ,玄色加号为地动仪;(b) 中红线为地动仪(绿色三角) 纪录 ,蓝线为DAS(红线) 纪录(据Wang et al., 2018)  。


结论
经过多年的生长 ,漫衍式光纤声波传感器在天然地动学相关研究中的应用可行性已经获得了开端验证 。利用DAS的高视察密度可以大幅改善浅层结构尤其是断层区等庞大结组成像区分率 ,利用DAS的耐受卑劣情况特性有望在深井、海底等特殊条件下开展地动学监测 。通过开展相关视察实验有望推动这一新型视察系统的应用 。
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