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海洋水聲與地震探測新方案，相關研究成果發表在《光波技術學報》(Journal of Lightwave Technology)上。
分布式聲波光纖傳感技術（DAS）具有傳感范圍大、時空精度高、環境適應性強等優勢，在多個領域得到廣泛應用。近年來，由于具有耐腐蝕、便于布設、易于形成大規模高精度同步探測陣列的優勢，DAS得到海洋水聲和海洋地震領域的關注，但其存在信噪比低、可靠性差的內在物理難題。為了提升DAS探測性能，目前研究主要集中在基于復雜系統架構的分集發射接收方面，雖然一定程度上可以優化系統性能，但難以形成大的分集規模，實用效果有限。尋找新的高性能DAS方案實現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據融合，突破了瑞利散射微弱、脈沖內干涉衰落等DAS內在物理限制，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，利用多信道數據的內在關聯性來解決DAS的內在物理限制，提升性能升級。實驗發現，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，實現穩定可靠的分布式探測；利用120個信道復用，可有效抑制信道無關噪聲，將系統SNR提升20dB。該研究將分布式傳感新范式應用于DAS技術，實現了信號衰落抑制與靈敏度提升，有望解決實際應用可靠性差、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模應用。
研究工作得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金以及上海市自然科學基金的支持。
多信道數據融合實驗結果。(a)信號衰落抑制效果對比；(b)系統靈敏度提升效果