高空间分辨率、大动态范围的光纤声波波束形成探测成像理论和方法研究

Acoustic measurement is an important testing means and research direction in ocean, aviation, petroleum, geotechnical, etc. Building microphone array and extracting its signal is critical for acoustic beamforming, and they both directly affect the detection performance. But right now it is difficult to expand microphone array size, and electromagnetic interference, high temperature and high humidity environment seriously limit the development and application of acoustic beamforming. This project aims to carry out optical fiber acoustic beamforming detection theory and method research. It will explore the fusion method of phase-OTDR and OFDR to combine the time-frequency detection fusion method by building a double-sideband heterogeneous pulse modulation and coherent detection. Acoustic and optical fiber coupling mechanism and rapid extraction of optical phase will be research to solve the problems in distributed optical fiber sensing detection for sonic amplitude, phase and frequency of complete information. The optimization methods of fiber distribution will be reached realize main lobe detection beam and the sound detection direction is supposed to be improved. The algorithm for high spatial resolution and large dynamic range of acoustic imaging analysis will be researched to implement efficient acoustic detection and positioning analysis performance. The optical fiber technology and acoustic beamforming technology innovation together will be researched for the ocean acoustic field environment analysis, structure analysis of acoustic emission and complex geological seismic analysis provide a new visual detection technology and play an important role.

声波测量是海洋、航空、石油、岩土等领域的重要检测手段与发展方向。声波波束形成中传声器阵列构建及信号质量非常关键，直接影响探测成像性能，但目前传声器阵列规模难扩大，在强电磁干扰、高温高湿等恶劣环境中易失效等问题严重制约了声波波束形成技术的发展和应用。本项目旨在开展光纤声波波束形成探测成像理论和方法研究，通过构建双边带异构调制脉冲相干探测，探索phase-OTDR与OFDR相融合的时频探测融合方法，研究声波-光纤耦合机理和相位快速提取，解决声波振幅、相位和频率完整信息的分布式光纤传感问题。研究光纤多维度虚拟传声阵列分布形态及动态调节，实现强主瓣探测波束，研究基于大规模光纤分布传感数据的声成像算法，实现高空间分辨率和大动态范围的声源目标探测性能。研究将光纤技术和声波波束形成技术创新地结合在一起，为海洋声场环境、结构声发射、复杂地质的地震分析等提供一种新型可视化检测技术，具有重要研究意义和作用。

光纤分布式声传感技术是光纤传感技术的发展前沿之一，可实现长距离光纤链路沿线位置声/振信号的定量波形恢复，且具有抗电磁干扰、耐恶劣环境等优点，在地震波监测、油气资源勘探等重大基础设施中具有显著的优势和应用前景。本项目开展了基于双边带异构调制光脉冲的光纤声波波束形成光学探测方法研究，提出了基于脉冲对和线性调频脉冲的传感机制，建立了瑞利散射相干外差探测光时域反射系统的数学离散模型和双边带异构光脉冲的产生模型。研究了基于单端开口波纹筒的声波-光纤耦合增强方法，提出了基于自复制构造虚拟双脉冲、基于混合处理和基于全数字正交相位编码脉冲的等三种脉冲对差分相位解调方法，实现了抑制噪声、提高响应带宽和全数字调制解调的目标。基于相干时域探测信号包络的平移对线性调频光脉冲斜率符号的依赖特性，将调频带宽相同、斜率符号相反的线性调频信号分别加载在上/下边带并进行差分探测解调，实现了声探测灵敏度增加1倍，10 Hz处共模噪声抑制了27.26dB。研究了基于时延的波束形成声定位算法，并且对影响定位精度的因素进行了分析。提出了微弱信号提取增强机制，构建了基于线性调频脉冲的虚拟块相位解调方法，根据脉冲空间长度划分虚拟块并按块计算其平均相位差，实现待测事件相位信息的精确量化，相位解调的信噪比高达47.28dB，与传统两点差分相位计算方法相比，信噪比提升7.97dB~28.44dB，同时采用线性调频脉冲结合弱光栅阵列提高微弱信号提取性能。建立了线性调频光脉冲相干探测的离散理论模型，揭示了不同事件长度时相干探测和直接探测的差异机理与传感特性，实现了事件长度为9 cm的脉冲内事件的高空间分辨率探测，利用异构边带实现了幅值分别为7纳应变和350纳应变正弦动态应变事件的同时传感测量。本项目的研究可为海洋声场环境、结构声发射、复杂地质的地震分析等应用环境提供一种新型可视化检测技术。