近日，廣州海洋實(shí)驗(yàn)室楊華勇教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中科院南海海洋研究所徐敏研究員團(tuán)隊(duì)在分布式聲學(xué)傳感記錄城市環(huán)境噪聲研究領(lǐng)域取得突破，相關(guān)研究成果以“Seismic Monitoring of Machinery through Noise Interferometry of Distributed Acoustic Sensing”為題發(fā)表在地球科學(xué)領(lǐng)域著名期刊Seismological Research Letters上。

分布式光纖聲學(xué)傳感（Distributed fiber Acoustic Sensing，DAS）方法是一種以光纖為感知和傳輸載體的振動(dòng)信號(hào)拾取新技術(shù)，可對地震波場進(jìn)行米級(jí)精度的連續(xù)空間采樣。得益于光傳播過程相位對傳播距離的敏感特性，DAS技術(shù)能感知非常寬頻的振動(dòng)信號(hào)，被國內(nèi)外應(yīng)用于石油和天然氣勘探、交通噪聲監(jiān)測、地下水位監(jiān)測、地震監(jiān)測、冰川、火山和海洋環(huán)境感知等多個(gè)領(lǐng)域。

為了測試DAS技術(shù)在城市復(fù)雜噪聲環(huán)境下的監(jiān)測能力，研究團(tuán)隊(duì)基于自主研發(fā)的DAS監(jiān)測設(shè)備，使用多根光纖和8個(gè)地震儀在廣州海洋實(shí)驗(yàn)室園區(qū)進(jìn)行了為期一周的觀測實(shí)驗(yàn)（圖1），其中楊華勇團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)DAS系統(tǒng)研制及試驗(yàn)，徐敏團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)信號(hào)處理。

圖1 園區(qū)實(shí)驗(yàn)配置。紅色線代表光纖位置，藍(lán)色三角為地震儀位置

基于地球物理環(huán)境噪聲干涉方法，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)DAS通道之間存在穩(wěn)定的高頻 (2–8 Hz) 噪聲互相關(guān)函數(shù)，且呈現(xiàn)明顯的正負(fù)不對稱性（圖2a），表明噪聲源的空間分布存在不均勻性。同時(shí)，噪聲互相關(guān)函數(shù)的時(shí)間變化特征表明穩(wěn)定信號(hào)幾乎與園區(qū)的機(jī)械運(yùn)行時(shí)間（600）同步出現(xiàn)（圖2b）。研究人員同時(shí)基于傳統(tǒng)的三分量地震儀記錄，通過三分量噪聲互相關(guān)和能量聚束分析(beamforming analysis)方法對噪聲源的時(shí)空特征進(jìn)行分析。三分量噪聲互相關(guān)結(jié)果顯示其能量主要沿垂向和徑向分布，表明噪聲信號(hào)可能以瑞雷（Rayleigh）面波的形式進(jìn)行傳播。聚束分析結(jié)果表明噪聲能量強(qiáng)度呈現(xiàn)出明顯的空間不均勻性，實(shí)驗(yàn)期間每日均存在穩(wěn)定的強(qiáng)噪聲源，其傳播速度約為200-400 m/s。

圖2 (a)三條DAS光纖通道之間的噪聲互相關(guān)函數(shù)(4-8 Hz)。展示的噪聲互相關(guān)函數(shù)均基于三條光纖的起始通道（T38、T78 和 T132）和其它通道計(jì)算得到。(b)DAS噪聲互相關(guān)函數(shù)隨時(shí)間的變化特征。

為了進(jìn)一步查明噪聲來源，該研究基于噪聲源的空間分布特征和能量聚束分析結(jié)果對噪聲互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究人員分別選取空間均勻分布的噪聲源、道路交通噪聲源和建筑物內(nèi)部的機(jī)械噪聲源進(jìn)行測試，結(jié)果顯示基于建筑物內(nèi)部機(jī)械噪聲源的噪聲互相關(guān)函數(shù)模擬結(jié)果與實(shí)際觀測數(shù)據(jù)最為接近。結(jié)合噪聲互相關(guān)函數(shù)的時(shí)間變化特征和其反映的噪聲源空間特征，研究人員推測穩(wěn)定的DAS噪聲主要來源于建筑物內(nèi)部的機(jī)械震動(dòng)。該研究表明基于DAS數(shù)據(jù)的噪聲干涉方法可以對復(fù)雜環(huán)境下的振動(dòng)進(jìn)行有效監(jiān)測。

基于上述研究成果，楊華勇團(tuán)隊(duì)與徐敏團(tuán)隊(duì)深入合作，于2022年7月在廣東省河源市新豐江水庫布設(shè)了一套水陸一體分布式光纖地震監(jiān)測系統(tǒng)。布放至今，系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，成功監(jiān)測到7月24日M2.7河源地震（圖3）等多起近、中、遠(yuǎn)地震事件，證明了水下DAS系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，深入的數(shù)據(jù)分析處理工作正在進(jìn)行中。新豐江水陸纜布設(shè)經(jīng)驗(yàn)和DAS信號(hào)處理技術(shù)將為未來南海島礁海陸一體光纖微振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測提供良好科技支撐。

圖3 水陸一體DAS系統(tǒng)在廣東省河源市新豐江水庫監(jiān)測的地震波形。該地震于2022年7月24日發(fā)生于廣東省河源市，震級(jí)為2.7級(jí)。

該成果得到南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州）人才啟動(dòng)項(xiàng)目（GML2020GD0801），人才團(tuán)隊(duì)引進(jìn)重大專項(xiàng)項(xiàng)目（GML2019ZD0205）等科研項(xiàng)目的共同資助。

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https://doi.org/10.1785/0220220184

審核編輯 ：李倩