图1 分布式传感阵列模型和等效传感阵列

分布式声传感（DAS）是利用光纤中瑞利后向散射光的相位对外部声信号和机械振动高度敏感的现象，通过适当的查询方案可以量化外部动态扰动，并将其定位为整个光纤距离的函数。由于性能的不断优化，最先进的DAS系统能够在几十公里的距离内，以米级的距离分辨率量化和定位扰动。由于其独特的性能，DAS在入侵检测、管道安全、地质勘探、地震监测等重要领域得到了广泛的应用，这是传统点传感器无法比拟的。

图2 （a）用于敏化的圆柱形空腔结构；（b）2D和3D定位。

DAS的大多数实现都集中在地震信号的检测上，其中光纤位于地下装置中。很少有人尝试使用DAS来测量空气中的声音信号。此外，然而，DAS作为传感光纤一维轴向空间内距离的函数，大多数时候都只是实现检测声源的位置，没有高级声学测量所需要的关于传感光纤方向和偏移距离的信息。最近，Nina等人利用多普勒效应使用DAS实现对空中运动目标的二维跟踪。事实上，DAS将光纤转换成声传感器的分布式阵列，其与麦克风阵列或天线阵列类似，在这些领域中开发的阵列信号处理（ASP）方法原则上可用于DAS。一些文献表明使用DAS进行波束形成是可能的。然而，没有发表的工作详细说明了使用DAS从测量中提取二维或三维（3D）位置信息的机制。

图3  二维定位结果：（a）单源和（c）双源的空间光谱；（b）单源和（d）双源的直角坐标位置。

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所的研究人员提出了一种在空气中具有二维（2D）和三维（3D）声源定位能力的DAS系统，利用阵列信号处理（ASP）技术处理光纤测量信息的空间相关性。研究人员建立了一个真实的分布式传感阵列模型，用DAS作为声传感器的分布式阵列来描述等效声波响应。分析了等效传感阵列的特殊性，并利用空间相关性进行了二维和三维定位，这是DAS首次在真正的分布式传感模型下获得真正的二维和三维检测能力。利用相敏光时域反射计（φ-OTDR）方案和光纤敏化结构验证了该方法的可行性。将多个频率相同的声源同时进行二维定位，将一个运动窄带声源进行三维定位，并对实验结果进行了验证和分析。作者还简要讨论了在分布式传感模型下使用ASP的灵活性。该方法可以使DAS具有真正的二维和三维定位的新能力，提高现有应用的DAS性能，扩展DAS的应用领域，包括静态、动态和空中或水中多目标的定位和识别。相关内容以《Distributed acoustic sensing for 2D and 3D acoustic source localization》为题发表在《Optics Letters》。

图4 3D定位。（a）具有两条平行线结构的空间光谱；（b）移动源的定位结果

来源： Optics Letters

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