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

分布式光纖聲學傳感（Distributed fiber Acoustic Sensing，DAS）方法是一種以光纖為感知和傳輸載體的振動信號拾取新技術，可對地震波場進行米級精度的連續(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技術能感知非常寬頻的振動信號，被國內(nèi)外應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)境感知等多個領域。

為了測試DAS技術在城市復雜噪聲環(huán)境下的監(jiān)測能力，研究團隊基于自主研發(fā)的DAS監(jiān)測設備，使用多根光纖和8個地震儀在廣州海洋實驗室園區(qū)進行了為期一周的觀測實驗（圖1），其中楊華勇團隊負責DAS系統(tǒng)研制及試驗，徐敏團隊負責信號處理。

圖1 園區(qū)實驗配置。紅色線代表光纖位置，藍色三角為地震儀位置

基于地球物理環(huán)境噪聲干涉方法，研究團隊發(fā)現(xiàn)DAS通道之間存在穩(wěn)定的高頻 (2–8 Hz) 噪聲互相關函數(shù)，且呈現(xiàn)明顯的正負不對稱性（圖2a），表明噪聲源的空間分布存在不均勻性。同時，噪聲互相關函數(shù)的時間變化特征表明穩(wěn)定信號幾乎與園區(qū)的機械運行時間（600）同步出現(xiàn)（圖2b）。研究人員同時基于傳統(tǒng)的三分量地震儀記錄，通過三分量噪聲互相關和能量聚束分析(beamforming analysis)方法對噪聲源的時空特征進行分析。三分量噪聲互相關結(jié)果顯示其能量主要沿垂向和徑向分布，表明噪聲信號可能以瑞雷（Rayleigh）面波的形式進行傳播。聚束分析結(jié)果表明噪聲能量強度呈現(xiàn)出明顯的空間不均勻性，實驗期間每日均存在穩(wěn)定的強噪聲源，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函數(shù)(4-8 Hz)。展示的噪聲互相關函數(shù)均基于三條光纖的起始通道（T38、T78 和 T132）和其它通道計算得到。(b)DAS噪聲互相關函數(shù)隨時間的變化特征。

為了進一步查明噪聲來源，該研究基于噪聲源的空間分布特征和能量聚束分析結(jié)果對噪聲互相關函數(shù)進行了數(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)部的機械噪聲源進行測試，結(jié)果顯示基于建筑物內(nèi)部機械噪聲源的噪聲互相關函數(shù)模擬結(jié)果與實際觀測數(shù)據(jù)最為接近。結(jié)合噪聲互相關函數(shù)的時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)部的機械震動。該研究表明基于DAS數(shù)據(jù)的噪聲干涉方法可以對復雜環(huán)境下的振動進行有效監(jiān)測。

基于上述研究成果，楊華勇團隊與徐敏團隊深入合作，于2022年7月在廣東省河源市新豐江水庫布設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行中。新豐江水陸纜布設經(jīng)驗和DAS信號處理技術將為未來南海島礁海陸一體光纖微振動信號監(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，震級為2.7級。

該成果得到南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州）人才啟動項目（GML2020GD0801），人才團隊引進重大專項項目（GML2019ZD0205）等科研項目的共同資助。

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https://doi.org/10.1785/0220220184

審核編輯 ：李倩