在声学环境复杂的条件下，利用分布式声学传感技术实现高精度的落石源定位

《Landslides》：High-precision rockfall source localization in acoustically complex environments using distributed acoustic sensing

　　

摘要

分布式声学传感技术为岩石坠落监测提供了前所未有的空间分辨率和远距离覆盖能力。然而，在声学环境复杂的野外，强烈的背景波场会严重掩盖岩石坠落的瞬态信号特征。这种干扰使得难以准确确定信号起始时间，进而大幅降低空间定位精度。为克服这一难题，本研究提出了一种高精度的岩石坠落定位框架，该框架将自适应信号隔离技术与到达时间差算法相结合。利用从可控人工岩石坠落实验中获取的DAS数据，我们系统评估了多种先进的模态分解和小波基技术在提升信号质量方面的效果，以应对DAS记录中的非平稳特性。研究结果表明，优化后的变分模态分解方法能够最大程度保持信号的动态特性。经过处理的岩石坠落信号平均信噪比可达26.94 dB，相比未经处理的信号提升了58%，且其性能优于其他隔离方法12%–30%。借助从处理后的信号中获得的精确到达时间，通过站对间到达时间差算法成功定位了主要的冲击源，平均空间定位误差仅为4.5米，不到传统方法所产生的大于10米误差的一半。此外，空间误差分析表明，虽然平行阵列配置能够解决沿光纤轴方向的伪源模糊问题，但要想完全消除垂直方向的空间不确定性，就必须采用非线性或正交电缆布局。总体而言，本研究验证了一种高效的综合方法，可用于有效应对复杂的背景波场，为在崎岖的山区实时、高精度地追踪地质灾害提供了可靠的解决方案。