基于相位生成载波技术和复合型干涉仪的可变空间分辨率分布式声传感系统的研究

Distributed optical fiber acoustic sensing technology can realize the amplitude, phase and frequency information of the vibration signal at any position along the optical fiber. However, the systematic noise characteristics are lack of perfect analysis as the core scientific problem, and the single fixed spatial resolution of the current DAS system can not be solved Optimization of seismic wave amplitude and resolution in oil and gas exploration. This project intends to combine phase-generated carrier technology and compound Michelson interferometer structure to carry out distributed acoustic sensing technology with variable spatial resolution and high signal-to-noise ratio. We aim to establish a comprehensive analysis model incorporating random Rayleigh scattering and multiple types of noises, improve the analysis of noise characteristics and clarify the impact of noise aliasing on the system noise floor. Further, we explore ways to reduce the noise from low signal-to-noise ratio, phase fading and high frequency aliasing, and investigate variable spatial resolution technology based on composite Michelson interferometer and differential operation. In addition, we will carry out a wide angle spiral fiber cable detection mechanism, and real-time high-speed PGC demodulation algorithm.

分布式光纤声传感技术探测光纤沿路任意位置处振动信号的幅度、相位和频率信息，但系统噪声特性作为该技术的核心科学问题缺少完善分析，单一固定的空间分辨率无法解决用于油气勘探地震波幅度和分辨率最优化的问题。本项目拟结合相位生成载波技术和复合型迈克尔逊干涉仪结构，开展可变空间分辨率高信噪比的分布式声传感技术的研究，建立融入随机瑞利散射和多类型噪声的综合分析模型，完善噪声特性的分析，阐明噪声混叠对系统本底噪声特性的影响，探索抑制低信噪比、相位衰落和高频混叠等降噪方法，实现基于复合型迈克尔逊干涉仪和差分协作的可变空间分辨率技术，此外开展螺旋光缆宽角度探测机理研究，和基于DSP/FPGA数据处理硬件的高速大数据PGC解调算法的研究。

低噪声高信噪比、可变空间分辨率和三分量实时探测是分布式光纤声传感（DAS）技术在油气勘探领域应用的发展方向，系统噪声特性和降噪技术、高效灵活的系统方案和解调技术、多方向敏感光缆是DAS系统的研究热点。本项目基于相位生成载波实现了高速大容量数据的实时相位解调，研制了超低功耗（25W），超小体积（5L），上述两项指标远优于国际同行，同时保证了其高精度探测能力（相位噪声小于10-3rad/√Hz,等效应变分辨率优于12pε/√Hz@10m）。建立了多类型噪声分析模型，通过定量分析和实验研究，确认了信号光各道的噪声方差与信号光密切相关，该噪声来源包括信号光自身波动，ASE光和泄漏光与信号光的拍频噪声，提出了多通道相关加权叠加方法降噪技术，解决干涉衰落问题，噪声水平下降了1dB-20dB，坏道率从大于1%降低到约1‰。提出了双干涉仪差分结构，通过改变干涉仪或者工作方式，实现了10米空间分辨率向亚米空间分辨率的转换。分析了螺旋角度的灵敏度问题。结合地震波入射方向，推导了双角度信号探测的最优化解，空间分辨率对地震波纵波接收的影响，指出螺旋光缆的“等效Gauge Length”相当于实际的sinα倍，该结论对于指导野外光缆布设具有重要使用价值。基于高性能分布式光纤声传感系统，联合中科院深海所，中科院青藏所，北京交通大学，吉林大学等单位开展了物理海洋，浅层面波成像，轨道交通，周界安防等应用。2022年5月份在南海搭载“探索2号”科考船完成了国内首次1423米水深原位DAS地震波数据采集，获得了深海基站状态信息和“奋斗者号”载人潜水器的位移信息。2021年三入青藏高原，获得了易贡藏布的数公里数百米深二维速度剖面，为西藏高原科考提供了数据支撑。2020年在大秦铁路采集多类型列车（高铁，重载列车，快速列车）等地震波数据，可用于列车状态监测等。