基于分布式光纤声学传感的岛礁地质灾害监测方法及系统与流程

1.本发明涉及分布式光纤振动检测领域，尤其涉及一种基于分布式光纤声学传感的岛礁地质灾害监测方法及系统。


背景技术：

2.岛礁地下结构复杂多变，横向差异性显著，存在潜在的地下溶洞、断裂及滑坡等地质构造隐患，一旦发生地质灾害将对岛礁上的基础设施、居民的生命财产和生态环境造成严重破坏。因此，有效监测岛礁地质活动并有力预防岛礁地质灾害是开发利用岛礁土地资源与岛礁建设可持续发展的重要保障。
3.当下，针对岛礁地质灾害隐患的调查手段主要是利用在岛礁周围海域开展反射地震或广角地震探测，亦或选择在礁体上开展定时、定点观测以获取岛礁内部结构及其变化。然而，岛礁区域水深变化剧烈，存在从岛礁内坪数米水深到岛礁外围数千米水深的陡崖式变化。在岛礁内坪的浅水环境下，多数调查船及勘探设备无法安全作业，因此对岛礁的地质结构和地球物理调查主要分散于岛体外侧深水区域。这使得以反射地震和广角地震探测为主要手段的现有技术体系无法有效获取岛礁浅层地下空间结构的高精度透视影像，且无法对岛礁地质活动进行有效监测。而定时、定点的观测方式只能局限于在对岛礁特定点位开展周期性观测，监测的时间和空间密度都十分有限，无法对海岛地质活动形成一体化系统认识。综上可知，现有相关技术手段虽对认识岛礁地质结构具有很大帮助，但其观测的时间密度和空间密度都存在很大不足，分辨率十分有限，无法对岛礁地质活动变化提供实时监测，这使得我们对岛体内部潜在地质灾害隐患无法做到即时、系统的认知。
4.分布式光纤声学感应技术(distributed acoustic sensing,das)是近些年将光缆应用于地震和环境监测的一项具有巨大潜能的新兴技术。它能够有效地将光纤光缆直接转换为密集排列的地震传感器阵列，然后利用das主机释放出的脉冲信号连续不断的探测外界振动信号与光缆之间相互作用造成的应力应变情况，从而对外界振动波场开展远程、密集、实时观测。相较于其他地球物理探测手段，das技术能够利用已铺设的光缆开展连续的长期观测，具有较高的灵敏度，能够提供密集的时空采样率，已经在微地震、区域地震、远震监测方面取得了较好效果，在实时监测方面呈现出了巨大的优势。然而，虽然das技术正在快速发展，但针对岛礁这一特殊地质环境其适用性如何目前仍未开展过针对性的研究和应用。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提出一种基于分布式光纤声学传感的岛礁地质灾害监测方法及系统，主要解决现有的分布式声学感应技术不适用于岛礁应力监测的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
7.本发明第一方面提出一种基于分布式光纤声学传感的岛礁地质灾害监测方法，包括以下步骤：
8.根据目标岛礁的浅层地质情况制定光缆铺设方案，并按照所述光缆铺设方案铺设光缆；
9.激光器将激光脉冲信号注入所述光缆的光纤中，信号处理装置接收返回的干涉光信号，分析所述干涉光信号中瑞利后向散射信号的相位变化，通过所述相位变化计算生成振动信号；
10.在采样周期内，所述激光器和所述信号处理装置产生的信息编码为元数据，所述振动信号经压缩编码为数据块，将所述元数据和所述数据块整合为振动数据；
11.将所述振动数据转换为地震通用数据格式，所述地震通用数据格式滤波叠加降噪后输入机器学习模型，并进行特征信号识别，提取陆域部分特征信号、水下陆坡部分特征信号，以及深海部分特征信号；
12.将所述陆域部分特征信号、所述水下陆坡部分特征信号，以及所述深海部分特征信号输出分析模型，并输出灾害预测值。
13.在一些实施方式中，所述光缆铺设方案的制定策略为：所述目标岛礁的陆域环境采用直埋方式铺设所述光缆，所述目标岛礁的水下陆坡环境采用驳船法在所述水下陆坡的坡壁挖掘沟槽铺设所述光缆，所述目标岛礁的深海环境采用重力下沉法铺设所述光缆。
14.在一些实施方式中，所述直埋方式具体为：在所述陆域环境下挖出沟槽，所述沟槽的底部设置方形凹槽，在所述方形凹槽内预先铺设一层填充物后再铺设所述光缆，所述光缆铺设过后再覆以一层填充物填满所述方形凹槽，所述填充物压实后在所述方形凹槽的顶部铺设刚性板材，最后所述沟槽回土夯实。
15.在一些实施方式中，针对观测目标和研究目的的不同，动态调整所述干涉光信号的采样率。
16.在一些实施方式中，所述振动数据转换为所述地震通用数据格式的过程中消除das数据记录中的无效数据。
17.本发明第二方面提出一种基于分布式光纤声学传感的岛礁地质灾害监测系统，包括：
18.铺设方案制定模块，用于根据目标岛礁的浅层地质情况制定光缆铺设方案，并按照所述光缆铺设方案铺设光缆；
19.振动信号生成模块，用于激光器将激光脉冲信号注入所述光缆的光纤中，信号处理装置接收返回的干涉光信号，分析所述干涉光信号中瑞利后向散射信号的相位变化，通过所述相位变化计算生成振动信号；
20.数据存储模块，用于在采样周期内，所述激光器和所述信号处理装置产生的信息编码为元数据，所述振动信号经压缩编码为数据块，将所述元数据和所述数据块整合为振动数据；
21.数据分析模块，用于将所述振动数据转换为地震通用数据格式，所述地震通用数据格式滤波叠加降噪后输入机器学习模型，并进行特征信号识别，提取陆域部分特征信号、水下陆坡部分特征信号，以及深海部分特征信号；
22.灾害预测模块，用于将所述陆域部分特征信号、所述水下陆坡部分特征信号，以及所述深海部分特征信号输出分析模型，并输出灾害预测值。
23.在一些实施方式中，所述光缆铺设方案的制定策略为：所述目标岛礁的陆域环境
采用直埋方式铺设所述光缆，所述目标岛礁的水下陆坡环境采用驳船法在所述水下陆坡的坡壁挖掘沟槽铺设所述光缆，所述目标岛礁的深海环境采用重力下沉法铺设所述光缆。
24.在一些实施方式中，所述直埋方式具体为：在所述陆域环境下挖出沟槽，所述沟槽的底部设置方形凹槽，在所述方形凹槽内预先铺设一层填充物后再铺设所述光缆，所述光缆铺设过后再覆以一层填充物填满所述方形凹槽，所述填充物压实后在所述方形凹槽的顶部铺设刚性板材，最后所述沟槽回土夯实。
25.在一些实施方式中，针对观测目标和研究目的的不同，动态调整所述干涉光信号的采样率。
26.在一些实施方式中，所述振动数据转换为所述地震通用数据格式的过程中消除das数据记录中的无效数据。
27.本发明的有益效果为：通过为目标岛礁制定合适的光缆铺设方案，提高光缆与周边介质的耦合程度，然后根据das于岛礁监测的特点对振动信号进行感知、存储和处理，提取出来的陆域部分特征信号、水下陆坡部分特征信号，以及深海部分特征信号，既可以用于岛礁地质活动、地质灾害和构造稳定性的监测和研究，同时也可以用于岛礁地下空间开发、海洋环境监测、人为活动识别等多个应用领域。
附图说明
28.图1为本发明实施例一公开的基于分布式光纤声学传感的岛礁地质灾害监测方法的流程示意图；
29.图2为本发明公开的岛礁光缆铺设方式的示意图；
30.图3为本发明公开的陆域环境岛礁光缆铺设方式的示意图；
31.图4为本发明公开的光学相位变化的函数示意图；
32.图5为本发明实施例二公开的基于分布式光纤声学传感的岛礁地质灾害监测系统的结构示意图。
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
34.实施例一
35.本实施例提出了一种基于分布式光纤声学传感的岛礁地质灾害监测方法，主要通过为目标岛礁制定合适的光缆铺设方案，提高光缆与周边介质的耦合程度，然后根据das于岛礁监测的特点对振动信号进行感知、存储和处理，提取出来的陆域部分特征信号、水下陆坡部分特征信号，以及深海部分特征信号，既可以用于岛礁地质活动、地质灾害和构造稳定性的监测和研究，同时也可以用于岛礁地下空间开发、海洋环境监测、人为活动识别等多个应用领域。如图1所示,本方法包括以下步骤：
36.101、根据目标岛礁的浅层地质情况制定光缆铺设方案，并按照光缆铺设方案铺设光缆。
37.传统通信光缆的主要功能是数据传输，所以在保障光缆安全的前提下可选择架空、管道、直埋、水底、墙壁等多种铺设方法，而用于分布式光纤传感的光缆旨在利用光缆本身感应外界的振动信息，这就需要光缆与周围介质必须有较好的接触耦合。故用于分布式光纤传感的光缆需要选择直埋的方式铺设。而本发明将要适用的地质载体——岛礁铺设环境更为复杂，包括陆域、陆坡、深海多种铺设环境，这就需要根据不同的铺设环境设计不同的铺埋方式。因此，光缆铺设方案的制定策略为：如图2所示，目标岛礁的陆域环境采用直埋方式铺设光缆，目标岛礁的水下陆坡环境采用驳船法在水下陆坡的坡壁挖掘沟槽铺设光缆，目标岛礁的深海环境采用重力下沉法铺设光缆。
38.其中，需要特别注意的是，直埋方式具体为：如图3所示，在陆域环境下挖出沟槽，铺埋深度30-50cm，沟槽的底部设置方形凹槽，该方形凹槽可采用凹形水泥砖铺设或四周水泥硬化的方式成型，在方形凹槽内预先铺设一层填充物后再铺设光缆1，光缆1铺设过后再覆以一层10厘米的填充物2填满方形凹槽，填充物2压实后在方形凹槽的顶部铺设刚性板材3，最后沟槽回土夯实。在某些实施方案中，还可以在直埋路径的正上方设置警示标志。该填充物2可选择厚细土或砂，该刚性板材3则可以选择红砖，都是常见建材，容易取得。这样的方形凹槽设计既是为了保护光缆安全，保证光缆1与周围介质的接触耦合，同时起到一定的隔热保温作用，使光缆1所处环境温度变化不会太大。光缆1在跨越目标岛礁的公路和街道时，采用装设保护管道4的方式通过。
39.在水深较浅(《100m)的陆坡铺设水下光缆时，采用驳船法在坡壁挖掘沟槽铺设。在水深较大(大于100m)的深水环境时，则直接采用重力下沉铺设的方式，将光缆置于海底即可。为了保证光缆的安全实用，光缆均采用填充型铠装光缆。
40.102、激光器将激光脉冲信号注入光缆的光纤中，信号处理装置接收返回的干涉光信号，分析干涉光信号中瑞利后向散射信号的相位变化，通过相位变化计算生成振动信号。
41.分布式光纤传感技术利用光纤本身作为振动传感器，利用光学信号相位变化测量沿整条光缆分布的外界应力应变。较为常用的技术是使用询问机单元(即激光器)将激光脉冲反复注入光纤，然后分析瑞利后向散射信号的相位变化，并通过计算光在光纤中的传播时间确定相位变化的区段距离。相干光时域反射方法将连续时间段内的后向散射换算成一组从连续光纤段返回的独立信号，该长度称为量距(gauges length)。量距长度是每个采样信号所对应的光纤空间增量，通常约为1至40米长，它决定了das的空间分辨率。das询问机单元通过测量某一时刻(某个脉冲)相邻量距长度光纤之间的光学相位变化测得应变，也称沿快轴测量，或者通过两个脉冲在同一个量距长度内返回的混合信号的相位变化来测得应变率，也称沿慢轴测量，如图4所示。上述的激光器以及信号处理装置既可以是分布式光纤声学传感主机中的一部分，也可以是两个独立的设备。
42.103、在采样周期内，激光器和信号处理装置产生的信息编码为元数据，振动信号经压缩编码为数据块，将元数据和数据块整合为振动数据。
43.本发明利用das技术对岛礁动态实施高采样、长周期的观测，这必将导致实验数据的体量远远大于传统地震实验数据，成指数性增长。如何实现对观测数据的高效存储、访问、归档和分析将成为一个棘手的问题。本发明的振动数据的主体格式采用头段部分和数据块两部分构成，头段部分用于存储das数据记录期间的元数据，主要包括仪器性能指标、位置、采样率、数据采集起始时间、传感器数量与间距等各种基础数据元信息；数据块则需
要设计专门的编码方式以极大的减小数据存储空间，提高大体量数据的读取和计算效率。
44.针对观测目标和研究目的的不同，动态调整干涉光信号的采样率，根据目标信号的频谱特征采用分频观测、分割存储的方式进行记录和存储。即根据观测目标的频段信息，动态调整系统数据采样率和待存储数据的波段，如观测目标为天然地震信号时采样率可以调整至30-50，这样可以极大降低存储空间要求，且数据在后期处理过程中能够提高处理分析效率，节省后期处理的时间成本；如开展人工源信号激发和试验研究时，人工源信号的主频一般根据震源型号的不同而变化，我们可以根据试验目的和研究目标的变化来动态进行采样率的调整；如果我们要开展环境噪声信号的分析和研究，这时可以将采样率提高到最大水平，尽可能多地获取环境信息，以利于我们对不同频段环境信息进行详细分析、识别、提取和对比研究。当然，在实际工作过程中，还需要根据不同观测试验的目标和变化特征来动态设计数据采样模式，以达到特殊观测与研究的实施。这种根据研究目标和有效信号不同频谱特征的有针对性区别存储，一方面可以很好改善分布式光纤传感大容量数据如何存储的问题；另外也能提高后续信号的处理和分析效率。
45.104、将振动数据转换为地震通用数据格式，地震通用数据格式滤波叠加降噪后输入机器学习模型，并进行特征信号识别，提取陆域部分特征信号、水下陆坡部分特征信号，以及深海部分特征信号。
46.das数据记录除了具有高密度时空采样率之外，还存在其它几个特殊之处。首先便是其单分量传感特征。陆上地震仪通常提供三个分量的记录，海底地震仪能够提供四分量的记录，而das通常只具有单一分量的方向敏感性。其次便是其线性阵列特征。das技术中，光纤即是信号传输介质，同时又是传感介质，这就局限了传感器具有沿光纤长度线性分布的特征。以上所介绍的das数据的特殊性使得常规地震数据处理方法，如探测信号、定位震源以及利用体波和面波对地下结构成像等都需要对现有算法进行改进，以便准确地应对das动态线性阵列记录数据的差异。此外，针对das大体量数据的高效处理分析算法也变得越来越重要。为此，本发明在后期数据处理阶段，计划按如下流程开展数据处理：(1)数据转换。通过开发软件程序实现das数据记录向传统地震数据格式的转换，并在转换过程中充分考虑并消除das数据记录的特殊性，如，振动数据转换为地震通用数据格式的过程中消除das数据记录中的无效数据；同时根据研究目的和信号需求，在数据转换过程中可以将不同类型信号进行分频和分体转换。(2)算法改进。针对das数据高密度、单一分量、线性阵列等特点改进现有算法，实现现有方法的适用性，提高不同软件平台和不同数据处理方法之间流程的连通和衔接能力，以达到现有常规信号处理方法和软件对分布式光纤传感信号的处理通用性。(3)叠加降噪。das数据传感器间距非常小，可以达到2-10米的间距范围，我们可以利用das这种极为密集的多道集的数据特点，通过邻近道集叠加来降低环境背景噪声、提高目标信号的信噪比，以增强信号的检测、识别和提取能力。(4)机器学习。das数据高密度时空采样率的特点决定了其数据记录中必然包含多种信号。而对长期的数据记录开展信号处理和检测识别必然是一件耗时耗力的大工程。因此，数据处理过程需一方面提高处理流程的科学化，另一方面也需要积极与机器学习等最新智能处理技术方法相结合。在数据处理前期阶段人工识别、记录和存储das记录中不同声源的信号，并积极搜集相关信号的信息，去伪存精，分类整合，建立声源信息库；然后利用建立的信号信息库开展针对性的机器训练，实现机器学习；最后利用模板匹配来自动检测信号并分类，实现人工智能开展光纤数
据的特征信号识别与提取，提高分布式光纤传感大容量数据的处理和分析能力。
47.105、将陆域部分特征信号、水下陆坡部分特征信号，以及深海部分特征信号输出分析模型，并输出灾害预测值。
48.实施例二
49.一种基于分布式光纤声学传感的岛礁地质灾害监测系统，如图5所示，包括：
50.铺设方案制定模块201，用于根据目标岛礁的浅层地质情况制定光缆铺设方案，并按照光缆铺设方案铺设光缆；
51.振动信号生成模块202，用于激光器将激光脉冲信号注入光缆的光纤中，信号处理装置接收返回的干涉光信号，分析干涉光信号中瑞利后向散射信号的相位变化，通过相位变化计算生成振动信号；
52.数据存储模块203，用于在采样周期内，激光器和信号处理装置产生的信息编码为元数据，振动信号经压缩编码为数据块，将元数据和数据块整合为振动数据；
53.数据分析模块204，用于将振动数据转换为地震通用数据格式，地震通用数据格式滤波叠加降噪后输入机器学习模型，并进行特征信号识别，提取陆域部分特征信号、水下陆坡部分特征信号，以及深海部分特征信号；
54.灾害预测模块205，用于将陆域部分特征信号、水下陆坡部分特征信号，以及深海部分特征信号输出分析模型，并输出灾害预测值。
55.光缆铺设方案的制定策略为：
56.目标岛礁的陆域环境采用直埋方式铺设光缆，目标岛礁的水下陆坡环境采用驳船法在水下陆坡的坡壁挖掘沟槽铺设光缆，目标岛礁的深海环境采用重力下沉法铺设光缆。
57.直埋方式具体为：
58.在陆域环境下挖出沟槽，沟槽的底部设置方形凹槽，在方形凹槽内预先铺设一层填充物后再铺设光缆，光缆铺设过后再覆以一层填充物填满方形凹槽，填充物压实后在方形凹槽的顶部铺设刚性板材，最后沟槽回土夯实。
59.针对观测目标和研究目的的不同，动态调整干涉光信号的采样率。
60.振动数据转换为地震通用数据格式的过程中消除das数据记录中的无效数据。
61.上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。