邵婕等-RS：DAS技术新应用-利用水中噪声探测近地表结构
分布式光纤声波传感器（Distributed Acoustic Sensing，DAS）是近年来新发展起来的一种地震数据观测仪器。它是基于光纤背向瑞利散射的原理，利用光纤作为传感器对振动信号进行采集。相比于传统检波器，DAS具有低成本、高密度、高灵敏度及高效施工等优点。目前已在油气勘探，管道监测，火山、冰川等地震监测等众多领域引起了人们的广泛关注。
水环境中蕴含着丰富的背景噪声，除了风浪、水中生物等自然活动产生的噪声外，还包括各种人类活动引起的噪声。近年来，全球化和全球货物流动的增加导致航运活动繁荣，这也带来了大量的船舶噪声。过度的船舶噪声会干扰水中生物，对生物多样性和整个生态系统造成不利影响。然而，这些噪声并不全然是负面的。船舶噪声作为水环境中的一种重要声源，具有其独特的性质和特点。这些噪声可以传播很远的距离，如果将它们利用起来，可以用其实现近地表结构探测的目的。
我室邵婕副研究员和王一博研究员，联合南京大学的张旭苹教授、张益昕副教授及张驰博士，研究了DAS在感知水中船舶噪声，并利用船舶噪声实现近地表结构探测的新应用。在2021 年枯水期，在位于南京段的长江北岸滩涂（图1a）布设了通信光缆，用于试验测试。试验位置处每天有大量的船舶驶过，布设的光缆总长度约为210米，光缆走向与航道方向整体平行，最内测的航道与光缆垂直距离约100m 左右。在该试验中，采用了DAS设备对船舶噪声进行了长期观测。
图 1 a）船舶数据采集位置图
b）基于DAS的船舶数据采集观测系统示意图
从记录的数据中可以看到，当船舶通过光缆时，可引起很强的振动（图2a和图2b中箭头所示）。对长时间记录的船舶噪声进行地震波干涉处理，可重构出面波波场。重构的面波具有频散特性，即在均匀水平层状介质中，不同频率的面波以不同的传播速度传播。通过测量不同频率的面波速度(即频散曲线)即可以推断出不同深度处的介质属性，从而达到近地表速度探测的目的。研究结果表明，利用水中船舶噪声反演的近地表速度结构（图2c）与研究区前期的地质调查结果一致。因此，本研究拓展了DAS技术的应用领域，利用水中噪声实现了近地表结构探测的目的，对于了解江河的地质结构和潜在的地质灾害具有重要意义。
图 2 a）DAS记录的船舶数据b）船舶数据的FK谱图c）基于DAS船舶数据反演的近地表速度结构
该项研究成果发表于国际学术期刊Remote Sensing（Jie Shao, Yibo Wang*, Chi Zhang, Xuping Zhang and Yixin Zhang. Near-surface structure investigation using ambient noise in the water environment recorded by fiber-optic distributed acoustic sensing [J]. Remote Sensing, 2023, 15, 3329. DOI: 10.3390/rs15133329）。研究受中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划(YSBR-020)、国家自然科学基金项目（U2001601、62175100）等共同资助。
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