光纜布設(shè)方式對DAS主、被動(dòng)源記錄的影響

林融冰， 包豐， 謝軍， 張宮博， 宋政宏， 曾祥方*

1 中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院大地測量與地球動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430077 2 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049

0 引言

分布式光纖聲波傳感器(Distributed Acoustic Sensor，DAS)是一種新型超密集地震觀測系統(tǒng)，將光纜接入解調(diào)儀后即可記錄光纜沿線的振動(dòng)信息，并兼具實(shí)時(shí)傳輸信號(hào)的功能(Parker et al., 2014).近年的應(yīng)用研究表明DAS可以較好地記錄到主動(dòng)源(Song et al., 2018; Parker et al., 2018)和被動(dòng)源信號(hào)(Zeng et al., 2017)，也可以應(yīng)用于天然地震監(jiān)測(Zeng et al., 2022；Wang et al., 2018)、地下空間探測(宋政宏等, 2020; 林融冰等, 2020)、安防預(yù)警(林融冰等, 2021)等領(lǐng)域.利用既有通信光纜開展觀測，不僅可以提高布設(shè)速度，也大幅降低布設(shè)成本.常見通信光纜布設(shè)方式有架空、直埋、穿管等，架空光纜是將光纜架掛在電桿或外墻上，常見于長距離光纜及農(nóng)村地區(qū)；直埋光纜是將光纜直接埋設(shè)在土壤中，其耦合效果與上覆土厚度及土體壓實(shí)度相關(guān)；城鎮(zhèn)區(qū)域多采用管道光纜，新一代的通信光纜多采用市政綜合管廊.不同布設(shè)方式下光纜和周圍介質(zhì)的耦合存在差異，采集的信號(hào)數(shù)據(jù)質(zhì)量差別較大(Song et al.，2021a).

針對光纜耦合狀況對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，前人開展了室內(nèi)和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析.Papp等(2017)利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對比了膩?zhàn)臃勰z結(jié)、沙袋壓放、鋼釘固定三種耦合條件下數(shù)據(jù)的差異，并與檢波器記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)三種布設(shè)方式記錄的波形差異較大.Spikes等(2019)利用地面擺放的螺旋光纜、裸纖、皮線光纜等三種光纜記錄的近地表反射波，通過對比其波形與頻譜發(fā)現(xiàn)三種光纜均記錄到可靠的近地表反射波信號(hào).李彥鵬等(2020)對比了測井中管內(nèi)懸置與套管外水泥固井兩種光纜的直達(dá)波振幅，指出套管外水泥固井耦合更好.但是前人的研究主要通過信噪比、振幅譜的對比等方法分析光纜布設(shè)方式的影響，而對于將觀測信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)處理提取到時(shí)、頻散等有效信息用于成像的影響，相關(guān)研究較少.

為了分析不同光纜布設(shè)方式對近地表成像可靠性的影響，本研究模擬通訊光纜設(shè)計(jì)開展了一次小規(guī)模觀測實(shí)驗(yàn)，用水泥膠結(jié)、路面擺放、燒結(jié)型建筑磚上架空三種方式布設(shè)的光纜采集了主、被動(dòng)源信號(hào)，測量了背景噪聲的頻散曲線，分析了主動(dòng)源信號(hào)到時(shí)與波形等的差異，討論了造成部分差異的原因，可為主、被動(dòng)源數(shù)據(jù)采集及處理方案優(yōu)化提供依據(jù).

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)概況

實(shí)驗(yàn)場地位于中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院內(nèi)，周邊有兩條街道，分別為近南北向的東亭路和近東西向的徐東大街(圖1a).實(shí)驗(yàn)采用三條平行于東亭路的單模光纜，每條光纜長約135 m，三條光纜串聯(lián)后接入DAS解調(diào)儀，道間距為2 m，采樣率為1000 Hz.光纜1用水泥膠結(jié)在硬化路面上，用以模擬直埋布設(shè)的光纜；光纜2直接擺放在路面上，用以模擬穿管布設(shè)的光纜；光纜3放在燒結(jié)型建筑磚塊上架空，相鄰燒結(jié)型建筑磚塊間隔5 m，燒結(jié)型建筑磚塊高6 cm，用以模擬架空布設(shè)的光纜(圖1b—e).觀測記錄了11 h的背景噪聲信號(hào)，期間用鉛球從不同高度下落作為小型主動(dòng)源激發(fā)主動(dòng)源信號(hào).

圖1 實(shí)驗(yàn)場地與觀測系統(tǒng)(a) 光纜分布圖，其中紅色直線表示光纜走向，光纜垂直于徐東大街，平行于東亭路; (b) 三條光纜布設(shè)俯視圖; (c) 三條光纜布設(shè)縱剖面; (d)—(e) 現(xiàn)場光纜照片.Fig.1 Seismic acquisition system(a) The aerial view of the experiment site. The cable (red) is perpendicular to Xudong Avenue and parallel to Dongting Road. (b) Overlooks of the three cables used in this study. (c) Longitudinal profile of cables. (d)—(e) Photos of cables.

1.2 被動(dòng)源數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)場地鄰近的徐東大街為車流量較大的主干道，而東亭路的車流量較小， DAS觀測到的被動(dòng)源信號(hào)主要來自徐東大街的交通活動(dòng).圖2給出了一個(gè)交通信號(hào)實(shí)例，經(jīng)7～15 Hz帶通濾波后，三條光纜記錄的波形如圖2b—d所示.光纜1上不同位置記錄的交通信號(hào)波形較為一致，光纜2和3信號(hào)波形一致性較差，且光纜2的12 m處與相鄰位置的記錄有明顯差異.本文采用多道相似系數(shù)法(Neidell and Tane, 1970)對波形的一致性進(jìn)行了定量評(píng)估.計(jì)算多道相似系數(shù)之前，需給定一個(gè)視速度對到時(shí)差進(jìn)行校正：

圖2 交通信號(hào)記錄實(shí)例(a) 光纜1記錄的徐東大街上10 s交通噪聲； (b)—(d) 三條光纜記錄的圖(a)中框內(nèi)的交通信號(hào)，灰色窗口為信號(hào)窗口.Fig.2 An example of traffic signals recorded by three cables(a) A ten-second traffic noise signal from the Xudong Avenue recorded by the cable 1. (b)—(d) The signals recorded by three cables. The signal window is highlighted by gray.

(1)

(2)

光纜1記錄的交通信號(hào)根據(jù)365 m·s-1速度偏移后如圖3a所示.為了獲得準(zhǔn)確的傳播速度，在200～500 m·s-1范圍內(nèi)計(jì)算了不同視速度下的多道相似系數(shù)(圖3b)，并取最大值進(jìn)行比較.由圖3b可知，三條光纜的記錄分別在365 m·s-1，365 m·s-1，350 m·s-1達(dá)到峰值，其中光纜1的波形一致性最好.

圖3 三條光纜記錄多道相似系數(shù)分析結(jié)果(a) 光纜1交通噪聲經(jīng)過 365 m·s-1速度校正后波形； (b) 三條光纜記錄的多道相似系數(shù)分析圖， 條狀陰影表示95%置信區(qū)間.Fig.3 The multiple channels semblances of three cables′ records(a) Waveform recorded by the cable 1 aligned with a velocity of 365 m·s-1； (b) Semblance versus seismic wave velocity. The bars represent the 95% confidence intervals.

被動(dòng)源成像受背景噪聲信號(hào)的頻譜影響較大，因此計(jì)算了場地內(nèi)三個(gè)不同位置的噪聲頻譜(圖1a).如圖4所示三條光纜的不同時(shí)刻的噪聲譜，實(shí)線為早上8∶00—9∶00點(diǎn)噪聲譜，虛線為凌晨2∶00—3∶00點(diǎn)噪聲譜.光纜1和2不同位置的記錄早上8∶00—9∶00噪聲強(qiáng)度均高于凌晨2∶00—3∶00點(diǎn)1個(gè)量級(jí).光纜1和2白天噪聲譜峰值在11～13 Hz，夜間該頻峰消失，表明這一頻峰與人類活動(dòng)相關(guān)，這與先前研究一致(如林融冰等，2020).光纜3噪聲頻譜的日夜差異較小，且在6.5 Hz處存在一個(gè)峰值，該頻峰不存在顯著的日夜差異，因此推測可能與光纜3布設(shè)方式有關(guān).

圖4 典型背景噪聲譜(a)—(c) 光纜1上A、B、C處記錄； (d)—(f) 光纜2 上A、B、C處記錄； (g)—(i) 光纜3上 A、B、C處記錄；實(shí)線為早上8∶00—9∶00點(diǎn)噪聲譜；虛線為凌晨2∶00—3∶00點(diǎn)噪聲譜，陰影表示95%置信區(qū)間.Fig.4 Spectra of ambient noise in daylight and nighttime(a)—(c) Records at A, B and C of the cable 1; (d)—(f) Records at A, B and C of the cable 2； (g)—(i) Records at A, B and C of the cable 3. Solid lines are spectra during 8∶00—9∶00 am. Dotted lines are spectra during 2∶00—3∶00 am, the shadow zone is the 95% confidence interval.

光纜3的布設(shè)方式類似于懸鏈線結(jié)構(gòu)，存在自振現(xiàn)象.如果交通噪聲頻率與自振頻率接近，可能產(chǎn)生共振，進(jìn)而在噪聲譜中形成頻峰.為計(jì)算光纜3的自振頻率，將相鄰兩磚塊間光纜簡化為圖5所示的簡支模型，相鄰兩磚塊簡化為鉸支座，光纜簡化為自重情況下的懸鏈線.根據(jù)《電線電纜手冊》(徐應(yīng)麟，2014)計(jì)算光纜的張力、架空光纜振動(dòng)特征計(jì)算自振頻率，跨中撓度約為1.5 cm，計(jì)算撓度取跨中撓度的一半，得出架空弦線自振頻率為6.39 Hz.這一自振頻率與光纜3的噪聲譜峰值相近，因此認(rèn)為噪聲譜中的頻峰是由光纜與交通信號(hào)的共振引起的.

圖5 光纜3簡化模型A、B支點(diǎn)為磚塊位置，C表示架空線路最底端，L兩磚塊間距，H為撓度.Fig.5 Simplified model of the Cable 3A and B are locations of the bricks, C represents the bottom of cable, L is distance between of two bricks, H is the deflection of the cable.

地震背景噪聲成像是近地表成像中應(yīng)用較多的方法之一，基本思路為采用互相關(guān)計(jì)算方法從連續(xù)背景噪聲信號(hào)中獲取面波信號(hào)，然后測量頻散曲線用于面波成像(Foti et al., 2011; Song et al., 2021b；曹衛(wèi)平等，2021).本研究分析了光纜布設(shè)方式對這一方法影響.首先將30 s的連續(xù)記錄降采樣至100 Hz后，經(jīng)過帶通濾波、時(shí)域與頻域歸一化等預(yù)處理，計(jì)算噪聲互相關(guān)函數(shù)(Noise Cross-correlation Function, NCF)并通過疊加獲取高信噪比的面波(Bensen et al., 2007).圖6a為三條同一位置不同疊加時(shí)長的NCF，可見隨著疊加時(shí)長增長，三條光纜記錄的面波信號(hào)變得更為明顯.以信號(hào)窗口波峰與波谷差值和噪聲窗口振幅均方根的比值作為信噪比，圖6b給出了 NCF信噪比隨疊加時(shí)長的變化曲線.由圖6b可見，采用相同疊加時(shí)長，光纜1的NCF信噪比顯著高于光纜2和3的.信噪比隨疊加時(shí)長增長顯著提高，疊加時(shí)長從60 s增加到7200 s，三條光纜記錄的NCF信噪比分別提高62、23、16倍.當(dāng)疊加時(shí)長大于7200 s后，三條光纜NCF信噪比均高于100，且波形較為一致(圖6a).

圖6 互相關(guān)函數(shù)收斂圖(a) 三條光纜不同疊加時(shí)長的互相關(guān)函數(shù)，紅色、藍(lán)色、黑色曲線分別為光纜1—3的互相關(guān)函數(shù)，藍(lán)色線框?yàn)樵肼暣翱?，紅色線框?yàn)樾盘?hào)窗口； (b) 三條光纜信噪比隨疊加時(shí)長變化，紅色、藍(lán)色、黑色曲線分別為光纜1—3的信噪比.Fig.6 Convergence of noise cross-correlation functions (NCFs)(a) NCFs of three cables with different time spans. Red, blue and black curves are the NCFs of cables 1—3, respectively. Blue rectangles are signal window and the red are noise window. (b) The signal-to-noise ratio (SNR) versus stacking time. Red, blue and black curves are SNRs of cables 1—3.

圖7展示了三條光纜在同一段距離疊加了7200 s的背景噪聲互相關(guān)函數(shù)，整體而言光纜1數(shù)據(jù)的NCF質(zhì)量最好，光纜2和3次之.三條光纜的面波傳播速度相近，主要介于200～400 m·s-1，且由于噪聲信號(hào)主要來自徐東大街，因此負(fù)支中面波信號(hào)明顯強(qiáng)于正支.光纜1與光纜3數(shù)據(jù)的短距離NCF中直達(dá)面波后尾波較長，如圖7c中黑色虛線所示，光纜3數(shù)據(jù)中則存在明顯的前驅(qū)信號(hào)，其傳播速度可達(dá)1200 m·s-1，有可能是體波信號(hào).

圖7 不同光纜噪聲互相關(guān)函數(shù)(a)—(c)光纜1—3的噪聲互相關(guān)函數(shù)道集.虛線表示傳播速度400 m·s-1、200 m·s-1、1200 m·s-1 對應(yīng)的到時(shí).Fig.7 NCFs of three cables(a)—(c) NCF record-sections of cables 1—3. Dashed lines denote arrivals predicted with the velocities of 400, 200 and 1200 m·s-1, respectively.

基于圖7中三條光纜數(shù)據(jù)的互相關(guān)函數(shù)，采用多道面波分析法(Multiple-channel Analysis of Surface Wave, MASW; Park et al.,1999)提取了面波頻散曲線.圖8為三條光纜的頻散曲線測量圖，其中顏色表示全局歸一化的疊加能量，拾取能量最強(qiáng)處為該頻率的相速度，相速度集中在300～350 m·s-1.光纜1和2數(shù)據(jù)在相同頻段(8～12 Hz)相速度較為一致，差異小于5 m·s-1，但光纜2數(shù)據(jù)疊加后能量集中于7～15 Hz，光纜1數(shù)據(jù)疊加后能量集中于8～13 Hz.光纜3數(shù)據(jù)在低于10 Hz頻帶存在系統(tǒng)偏差，其相速度略低于光纜1和2數(shù)據(jù)結(jié)果，其差值約為15 m·s-1，有可能對成像造成誤差.

圖8 頻散曲線測量圖(a)—(c)光纜1—3的頻散曲線分析.顏色表示歸一化后疊加能量，圓形分別表示拾取的相速度，誤差棒表示拾取處90%疊加能量對應(yīng)寬度； (d) 三條光纜頻散曲線對比.Fig.8 Phase velocities measured by the MASW method(a)—(c) MASW diagrams of cables 1—3. Color presents normalized stacking energy. Circle denotes picked phase velocity while bar denotes window above 90% stacking energy; (d) Comparison of three phase velocity dispersion curves.

1.3 主動(dòng)源數(shù)據(jù)

落錘等小型主動(dòng)源也被廣泛用于近地表成像，其所用數(shù)據(jù)包括體波走時(shí)、面波頻散等.以10 kg鉛球在距離光纜1 m處從1.45 m高度自由落體激發(fā)主動(dòng)源信號(hào)，由時(shí)頻分析可知該信號(hào)的頻率集中在50～100 Hz，因此我們采用這一頻段的帶通濾波器對原始信號(hào)進(jìn)行了處理(圖9).三條光纜的數(shù)據(jù)中，在距離震源30 m處的記錄上仍可識(shí)別出信號(hào).以信號(hào)窗口中的最大峰-峰值和噪聲窗口均方根振幅比值作為信噪比，其距離變化如圖10所示.當(dāng)傳播距離小于12 m，光纜1信噪比明顯優(yōu)于其他兩條光纜記錄；傳播距離大于12 m后，三條光纜信噪比較為接近.

圖9 主動(dòng)源信號(hào)記錄(a)—(c) 光纜依次為光纜1—3的主動(dòng)源信號(hào)波形，圓形、星號(hào)、三角形為拾取的到時(shí)，灰色窗口為信號(hào)窗口.Fig.9 Records of a weight-drop active source(a)—(c) The active source signal recorded by cables 1—3. Circles, asterisks and triangles are arrivals, and the gray shadow are the signal windows.

圖10 主動(dòng)源信號(hào)信噪比圓形、星號(hào)、三角形為光纜1—3的信噪比.Fig.10 Signal-to-Noise ratio of active source signalCircles, stars and triangles denote the SNR of records of cables 1—3.

主動(dòng)源近地表成像常用方法包括走時(shí)成像(秦晶晶等，2020)、波形反演(Zelt et al., 2016)等.本文對比了三條光纜拾取的到時(shí)差異(圖9)，采用穩(wěn)健回歸分析方法，對人工拾取的到時(shí)進(jìn)行速度擬合(圖11).三條光纜數(shù)據(jù)的平均速度為1573 m·s-1，1659 m·s-1，1688 m·s-1，對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.0012 s，0.0023 s，0.0029 s.光纜1的擬合結(jié)果中異常點(diǎn)較少，另外兩條光纜記錄在近端和遠(yuǎn)端散布較大，可能是由于拾取誤差造成，由此認(rèn)為三條光纜記錄的到時(shí)資料經(jīng)過篩選后，可以用于走時(shí)成像研究中.

圖11 不同光纜的到時(shí)紅色圓形、藍(lán)色星號(hào)、黑色三角形為光纜1—3的到時(shí)，紅色、藍(lán)色、黑色直線為光纜1—3的到時(shí)擬合的直線.Fig.11 Arrival times picked on three cables′ recordsRed circles, blue asterisks and black triangles represent arrivals of cables 1—3. The lines are the fitting results.

走時(shí)成像主要依賴于震相到時(shí)數(shù)據(jù)，而波形反演對震相形態(tài)較為敏感，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)三條光纜記錄主動(dòng)源信號(hào)波形差異較大.在不同位置，光纜1數(shù)據(jù)中波形一致性較好，另外兩條光纜數(shù)據(jù)中波形形態(tài)差異較大，其中一個(gè)顯著指標(biāo)是波包長度.我們對三條光纜數(shù)據(jù)的主動(dòng)源信號(hào)記錄的波包進(jìn)行了分析，以信號(hào)包絡(luò)上下線差值大于2倍噪聲信號(hào)的部分作為信號(hào)窗口，信號(hào)窗口長度為振動(dòng)持續(xù)時(shí)間(圖12a).圖12b給出了三條光纜數(shù)據(jù)中振動(dòng)持續(xù)時(shí)間隨空間變化圖，明顯可見振動(dòng)持續(xù)時(shí)間隨距離增加而縮短.同一位置的光纜2和3數(shù)據(jù)中信號(hào)振動(dòng)持續(xù)時(shí)間高于光纜1，可能是因?yàn)閮蓷l光纜振動(dòng)的阻尼較小，所需要恢復(fù)的時(shí)間更長.偏移距小于16 m時(shí)，光纜2振動(dòng)持續(xù)時(shí)間大于光纜3；偏移距大于16 m時(shí)，光纜2振動(dòng)持續(xù)時(shí)間快速下降，小于光纜3振動(dòng)持續(xù)時(shí)間.所以，三條光纜記錄的主動(dòng)源信號(hào)波形差異較大，若利用光纜的波形信息開展成像需要進(jìn)一步處理.

2 討論

前文發(fā)現(xiàn)在光纜3數(shù)據(jù)的NCF中提取的面波相速度在低于10 Hz頻段，低于光纜1和2的數(shù)據(jù)結(jié)果.這一頻段接近于光纜3的自振頻率，因此我們推測相速度差異是由光纜3的自振造成的.為了分析光纜3自振對頻散曲線的影響，本文利用6～7 Hz帶阻濾波器對原始信號(hào)進(jìn)行濾波處理，其余處理流程與前文相同，NCF的收斂速度未受明顯影響.如圖13c所示，重新處理的光纜3數(shù)據(jù)的頻散曲線與光纜1和2數(shù)據(jù)的頻散曲線誤差小于5 m·s-1，cables 1—3小于濾除自振信號(hào)前的三條光纜頻散曲線差異(15 m·s-1)，因此我們認(rèn)為濾除掉光纜自振信號(hào)有利于提取更準(zhǔn)確的頻散曲線用于面波成像.

圖13 帶阻濾波后光纜3的噪聲互相關(guān)函數(shù)與頻散曲線(a) 三條光纜信噪比隨疊加時(shí)長變化，紅色、藍(lán)色、黑色曲線分別為圖6中光纜1—3的信噪比，黑色虛線為光纜3數(shù)據(jù)經(jīng)6～7 Hz帶阻濾波后處理所得信噪比曲線； (b) 噪聲互相關(guān)函數(shù)，藍(lán)色、紅色、黑色虛線表示傳播速度400、200、1200 m·s-1到時(shí); (c) 頻散曲線測量圖，紅色、藍(lán)色、黑色實(shí)線分別為圖8中光纜1—3頻散曲線，黑色虛線為光纜3數(shù)據(jù)經(jīng)6～7 Hz帶阻濾波后處理所得頻散曲線.Fig.13 Cable 3 NCFs and dispersion curves after filtering(a) NCFs′ SNRs convergence.Red, blue and black solid lines denote SNR curves shown in Fig.6b, whereas the new green curve denote the SNR of the band-stop filtered data shown in (a); (b) NCF record-section, Blue red and black dashed lines denote arrivals predicted with the velocities of 400, 200 and 1200 m·s-1, respectively; (c) MASW diagram of the band-stop filtered data of the Cable 3. Red, blue and black solid lines denote dispersion curves shown in Fig. 8d, whereas the new dispersion curve picked on the band-stop filtered data shown in (c). See also Fig.6,7 and 8 for details.

光纜3數(shù)據(jù)的NCF有明顯前驅(qū)信號(hào)(圖7)，為了驗(yàn)證其是否為體波信號(hào)，我們布設(shè)了地震儀進(jìn)行觀測，以期通過偏振特性進(jìn)行了驗(yàn)證.光纜沿線間隔5 m布置了26臺(tái)短周期地震儀，以垂直光纜方向?yàn)榍邢蚍至?T分量).采用上文的數(shù)據(jù)處理流程，得到的短周期地震儀的光纜沿線噪聲互相關(guān)函數(shù)如圖14a—b所示.與光纜3數(shù)據(jù)的NCF類似，在豎直分量(Z-Z分量)的NCF上存在明顯的前驅(qū)信號(hào)，且其傳播速度也約為1200 m·s-1.相反地，在T-T分量NCF中未觀測到該前驅(qū)信號(hào)，符合P波信號(hào)的在豎直-徑向平面偏振的特征.同時(shí)，由圖14可見短周期地震儀記錄的噪聲互相關(guān)函數(shù)信噪比比光纜略高，頻散曲線與三條光纜數(shù)據(jù)的結(jié)果相近，但是有效頻段更寬，與其他場地結(jié)果類似(林融冰等，2020).

圖14 短周期地震儀互相關(guān)函數(shù)與頻散曲線(a) Z-Z分量噪聲互相關(guān)函數(shù)； (b) T-T分量噪聲互相關(guān)函數(shù)，黑色、藍(lán)色、紅色虛線表示傳播速度1200、400、200 m·s-1到時(shí)； (c) 頻散曲線測量對比，紅色、藍(lán)色、黑色實(shí)線分別為圖13中光纜1—3頻散曲線，黑色虛線為短周期地震儀頻散曲線.Fig.14 NCF record sections and dispersion curve of the geophone data(a) NCFs of Z-Z component； (b) NCFs of T-T component. Black, blue and red dashed lines denote arrivals predicted with velocities of 1200, 400 and 200 m·s-1； (c) Comparison of dispersion curves picked on different datasets. Red, blue and black solid curves are the dispersion curves of cables 1—3 shown in Figure 13b, and the black dotted line is the dispersion curve of the geophone dataset.

上文可見架空光纜數(shù)據(jù)可以用于主、被動(dòng)源成像，但是數(shù)據(jù)受架空點(diǎn)距和撓度控制，體現(xiàn)在自振頻率、振幅等，對此我們進(jìn)行了分析.自振頻率主要影響被動(dòng)源成像，我們設(shè)計(jì)了另一個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試.將光纜架空在高度為40 cm的混凝土砌塊上，混凝土砌塊間距為10 m，擾度約為20 cm，不同位置的下午6∶00—7∶00點(diǎn)噪聲譜如圖15a所示，在2.5 Hz處存在峰值，這與簡支梁模型計(jì)算的自振頻率接近.濾除掉該自振頻率后，獲得的噪聲互相關(guān)函數(shù)如圖15b所示.經(jīng)過10 h的疊加，同樣可以提取出信噪比較高的噪聲互相關(guān)函數(shù)，頻散曲線與前文三條結(jié)果相近(如圖15c).采用簡支梁模型可以給出不同架空點(diǎn)距與撓度下的自振頻率，由圖15d可見主要受擾度影響，在實(shí)際工作中可以根據(jù)目標(biāo)頻段選擇合適撓度的架設(shè)方案.

圖15 跨徑為10 m的懸空光纜噪聲譜、噪聲互相關(guān)函數(shù)與頻散曲線及不同跨徑與撓度的光纜自振頻率(a) A、B、C三處下午6∶00—7∶00點(diǎn)噪聲譜，實(shí)線為噪聲譜，陰影表示95%置信區(qū)間； (b) 噪聲互相關(guān)函數(shù)，藍(lán)色、紅色虛線表示傳播速度400、200 m·s-1到時(shí)； (c) 頻散曲線測量圖，紅色、藍(lán)色、黑線實(shí)線分別為圖13中光纜1—3頻散曲線，黑色虛線為跨徑為10 m的懸空光纜數(shù)據(jù)的頻散曲線； (d) 不同跨徑(L)、撓度(H)的光纜自振頻率.Fig.15 The NCF and dispersion curve of 10 m span cable and the natural frequencies of cables with different spans and deflectionsSpectra of ambient noise (a), NCF (b) and MASW diagram (c) of data from the 10 m span (L). Dotted lines are spectra, the shadow zone are the 95% confidence intervals in (a). Blue and red dashed lines denote arrivals predicted with velocities of 400 and 200 m·s-1 in (b). Red, blue and black solid lines denote dispersion curves shown in (c), whereas the new dispersion curve picked on the span (L) of 10m data shown in (c). (d) Natural frequencies of optical cables with different spans (L) and deflections (H). See also Fig.13 for details.

振幅效應(yīng)指地面振幅和支點(diǎn)頂端振幅的差異，直接影響主動(dòng)源數(shù)信號(hào)的振幅.我們將線桿簡化為線桿底部固結(jié)的模型，以高度為5 m，直徑為19 cm的實(shí)心桿狀C25混凝土線桿為例，計(jì)算底部發(fā)生單位水平向位移時(shí)線桿上不同高度處位移S(x)(圖16a).實(shí)際通信光纜通?？拷€桿頂部位置，其位移與底部地面位移不同，這一差異還與桿的力學(xué)性質(zhì)有關(guān).以常見的木材、鋼材、C25混凝土三種材料線桿為例，計(jì)算了不同長度的桿頂部位移與底部的位移的比值(圖16b)，可見不同材料線桿頂?shù)撞课灰票戎惦S線桿高度變化差異較大，但均小于2.5.

圖16 線桿幅度響應(yīng)圖(a) 5 m高C25混凝土線桿不同高度處位移S(x)變化，黑色直線表示線桿，曲線表示線桿水平位移； (b) 不同高度木材、鋼材、C25混凝土線桿頂振幅響應(yīng)值.Fig.16 Displacement transfer function of pole(a) Change of displacements S(x) at different height of a 5-meter concrete pole. The straight line represents the pole and the curve represents the horizontal displacement of the pole； (b) Ratios of the top and bottom displacements of wood, steel and concrete poles.

研究表明光纜布設(shè)方式對被動(dòng)源面波頻散和主動(dòng)源的初至到時(shí)的影響較小，而對主動(dòng)源的后續(xù)震相影響較大.類似的現(xiàn)象在前人研究中也有報(bào)道(Zeng et al., 2021)，推測是近場非直埋布設(shè)的光纜振動(dòng)引起的.為了更好地理解光纜與地面的相互關(guān)系，可以借鑒靜態(tài)應(yīng)變研究方法(張誠成, 2019)，利用有限元、離散元等方法進(jìn)行建模和仿真并結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)給出更為定量的解釋.被動(dòng)源信號(hào)在不同光纜的記錄差異較小，表明遠(yuǎn)場記錄受光纜振動(dòng)影響相對較小(圖2)，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)距離進(jìn)行篩選.

3 結(jié)論

為分析不同光纜布設(shè)條件下DAS記錄的主動(dòng)源、被動(dòng)源信號(hào)對地震成像的影響，本文開展了水泥膠結(jié)、路面擺放、架空等三條光纜的被動(dòng)源、主動(dòng)源觀測實(shí)驗(yàn).對比了不同布設(shè)條件光纜的交通信號(hào)傳播速度、信噪比、傳播距離、不同位置波形的一致性.基于三條光纜記錄的噪聲信號(hào)，均提取出了信噪比較高的噪聲互相關(guān)函數(shù)，但相同疊加時(shí)長，水泥膠結(jié)光纜的噪聲互相關(guān)函數(shù)信噪比最高，且信噪比隨疊加時(shí)長增長提高最快.采用多道面波分析方法測量三條光纜的Rayleigh面波頻散曲線，三條光纜頻散曲線相近，且與短周期地震儀測量的頻散曲線基本一致，研究表明利用既有的通信光纜提取被動(dòng)源信號(hào)的NCF及頻散曲線是可靠的.但架空光纜頻散曲線相速度偏低，可能受到光纜自振效應(yīng)影響；路面擺放的光纜可以提取7～15 Hz的頻散曲線，具有更寬的頻帶.三條光纜的主動(dòng)源信號(hào)到時(shí)較為一致，可以用于走時(shí)成像研究，但其波形較為復(fù)雜，難于直接用于波形反演成像，需要開展更多工作進(jìn)行分析.