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技术方案

本发明专利技术公开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，该方法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。人为活动识别等多个应用领域。人为活动识别等多个应用领域。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术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。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：
[0007]本专利技术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：
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]本专利技术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：
[0018]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；
[0019]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；
[0020]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；
[0021]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；
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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。
[0027]本专利技术的有益效果为：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、人为活动识别等多本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分布式光纤声学传感的岛礁地质灾害监测方法，其特征在于，包括以下步骤：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；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；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；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；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。2.如权利要求1所述的基于分布式光纤声学传感的岛礁地质灾害监测方法，其特征在于，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。3.如权利要求2所述的基于分布式光纤声学传感的岛礁地质灾害监测方法，其特征在于，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。4.如权利要求1所述的基于分布式光纤声学传感的岛礁地质灾害监测方法，其特征在于，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。5.如权利要求1所述的基于分布式光纤声学传感的岛礁地质灾害监测方法，其特征在于，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。6.一种基于分布式光纤声学传感的岛礁地质灾害监测系统，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏少红，王新洋，范朝焰，万奎元，
申请(专利权)人：南方海洋科学与工程广东省实验室广州三亚中科海洋研究院，
类型：发明
国别省市：