上海光機所提出高靈敏海洋地震波陣列探測新方案

2021.10.12

　　近日，中國科學院上海光學精密機械研究所空間激光信息傳輸與探測技術(shù)重點實驗室提出一種基于密集多信道融合的高性能分布式光纖聲波傳感實現(xiàn)海洋水聲與地震探測新方案，相關(guān)研究成果發(fā)表在《光波技術(shù)學報》(Journal of Lightwave Technology)上。

　　分布式聲波光纖傳感技術(shù)（DAS）具有傳感范圍大、時空精度高、環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)勢，在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來，由于具有耐腐蝕、便于布設(shè)、易于形成大規(guī)模高精度同步探測陣列的優(yōu)勢，DAS得到海洋水聲和海洋地震領(lǐng)域的關(guān)注，但其存在信噪比低、可靠性差的內(nèi)在物理難題。為了提升DAS探測性能，目前研究主要集中在基于復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)的分集發(fā)射接收方面，雖然一定程度上可以優(yōu)化系統(tǒng)性能，但難以形成大的分集規(guī)模，實用效果有限。尋找新的高性能DAS方案實現(xiàn)海洋水聲與地震的陣列探測成為研究重點。

　　該研究提出一種基于密集多信道融合的高性能分布式光纖聲波傳感實現(xiàn)海洋水聲與地震探測新方案。對分布式傳感范式下的密集多信道信息進行數(shù)據(jù)融合，突破了瑞利散射微弱、脈沖內(nèi)干涉衰落等DAS內(nèi)在物理限制，解決了信噪比不足和可靠性差的難題。2017年起，研究人員即針對DAS獨特的分布式密集探測新范式開展研究，并以此先后賦予了DAS分布式立體定位能力[Opt. Lett., 2019, 44(7):1690-1693]和定向偵聽能力[Opt. Lett., 2020, 45(20):5672-5675]。該研究則是在這一新范式下，利用多信道數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性來解決DAS的內(nèi)在物理限制，提升性能升級。實驗發(fā)現(xiàn)，通過近百個無篩選信道的增益合成，可有效挖掘空間分集收益，消除干涉衰落引起的信號畸變與隨機探測盲區(qū)，實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的分布式探測；利用120個信道復(fù)用，可有效抑制信道無關(guān)噪聲，將系統(tǒng)SNR提升20dB。該研究將分布式傳感新范式應(yīng)用于DAS技術(shù)，實現(xiàn)了信號衰落抑制與靈敏度提升，有望解決實際應(yīng)用可靠性差、靈敏度不足等問題，推動DAS在海洋水聲和地震陣列探測的大規(guī)模應(yīng)用。

　　研究工作得到國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金以及上海市自然科學基金的支持。

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