CN115683308A - 基于dpu的分布式光纤复合传感系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于DPU的分布式光纤复合传感系统及测量方法，本发明实施例的基于DPU的分布式光纤复合传感系统，包括由分布式DAS/DTS/DSS传感光缆组成的铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆和基于CPU/GPU/DPU集成架构设计的中央集成单元，以及一个或多个储存器；铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆用于采集DAS/DTS/DSS数据；中央集成单元中，CPU用于综合管理；DPU用于对铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆采集的数据进行调制解调处理；储存器用于储存DPU处理的调制解调数据；GPU用于对DPU处理并储存于储存器中的调制解调数据进行实时分屏或分通道显示。其至少可以解决现有技术中基于工控机和FPGA的独立的DAS、DTS和DSS调制解调仪器无法满足现场实时多参数大数据的调制解调作业的问题。

Description

基于DPU的分布式光纤复合传感系统及测量方法

技术领域

本发明涉及分布式声波、温度、应变复合测量和监测及预警技术领域，具体涉及一种基于DPU的分布式光纤复合传感系统及测量方法。

背景技术

光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质，具有光纤及光学测量的特点，有一系列独特的优点。电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，非侵入性，高灵敏度，容易实现对被测信号的远距离监控，耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接。

近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方(如高温区)，或者对人有害的地区(如核辐射区)，起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。其基本原理是将光源的光经入射光纤送人调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。

分布式光纤声波传感技术(Distributed fiber Acoustic Sensing，DAS)：利用相干瑞利散射光的相位而非光强来探测音频范围内的声音或振动等信号，不仅可以利用相位幅值大小来提供声音或振动事件强度信息，还利用线性定量测量值来实现对声音或振动事件相位和频率信息的获取。DAS可以认为是一个移动干涉式声波传感器在传感光纤探测外界信号，当声音或振动引起该位置干涉光相位的线性变化，通过提取该位置不同时刻的干涉信号并解调，就可实现外界物理量的定量测量。DAS测量过程：激光器沿着光纤发出光脉冲，一些光以反向散射的形式与入射光在脉冲内发生干涉，干涉光反射回来以后，反向散射的干涉光回到信号处理装置，同时将光纤沿线振动声波信号带来信号处理装置。由于光速保持不变，因此可得到每米光纤的声波振动的测量结果。

DAS技术原理是通过探测沿传感光纤各点的瑞利散射光的相位变化来得到所需检测的物理量(如声音、振动等)的变化。入射光与光纤沿线某点的后向散射光产生干涉，该点上的声音或振动的变化会引起该干涉光相位的线性变化，因此在接收端对该点的干涉光相位进行解调就可以确定声音或振动的变化量。由于光纤在空间中的连续分布，可以定量检测到空间上的任意一点发生的物理量的变化，从而实现分布式传感。DAS以其长距离、高空间分辨率、无源抗干扰等优点，在井中地面海底地震数据采集、管道/管网漏损检测、基建参数监测、周界安防监测等领域有着大量的需求。

DTS(Distributed Temperature Sensing)，分布式光纤测温系统(DTS)也称为光纤测温，依据光时域反射(OTDR)原理和拉曼(Raman)散射效应对温度的敏感从而实现温度监测。全系统采用光纤作为敏感信息传感和信号传输的载体，具有连续测温、分布式测温、实时测温、抗电磁干扰、本征安全、远程监控、高灵敏度、安装简便、长寿命等特点，广泛应用于市政综合管廊、管道、隧道、电缆、石油石化、煤矿等行业。

分布式光纤应力测量(DSS)系统是一种用于力学、工程与技术科学基础学科、土木建筑工程领域的仪器，是基于布里渊光频域散射的光纤应变/温度测量与分析仪器，主要用于长距离分布式应变及温度等的实时在线监测。适用于山体滑坡前期变形探测及滑动面精确定位查找、泥石流及地震地质灾害预警、岩溶区高速公路地下隐埋空洞探测等，特别适用大范围工程情况复杂的边坡体灾害的精确探查。尤其适用于各类模型试验测试和大型工程结构的实时在线健康监测。

DPU(Data Processing Unit)是以数据为中心构造的专用处理器，采用软件定义技术路线支撑基础设施层资源虚拟化，支持存储、安全、服务质量管理等基础设施层服务。2020年NVIDIA公司发布的DPU产品战略中将其定位为数据中心继CPU和GPU之后的“第三颗主力芯片”，掀起了一波行业热潮。DPU的出现是异构计算的一个阶段性标志。与GPU的发展类似，DPU是应用驱动的体系结构设计的又一典型案例；但与GPU不同的是，DPU面向的应用更加底层。DPU要解决的核心问题是基础设施的“降本增效”，即将“CPU处理效率低下、GPU处理不了”的负载卸载到专用DPU，提升整个计算系统的效率、降低整体系统的总体拥有成本(TCO)。DPU的出现也许是体系结构朝着专用化路线发展的又一个里程碑。

DPU的核心功能就是网络数据处理，既包括网络协议的分析，也可以是直接满足应用需求的加工计算。随之可以减少22～80％的CPU性能，因此也被称为“卸载”(offload)。DPU的部分前身功能在智能网卡(SmartNIC)上实现，完整的DPU芯片本身也通常会被集成到板卡(网卡)上。

光纤传感系统可以用于地面三分量地震信号和井下压力、温度、噪声、振动、声波、地震波、流量、组分分析、电场和磁场的测量。该系统以全铠装光缆结构为基础，传感器和连接及数据传输缆都用光纤制成。

随着分布式光纤传感技术的快速发展，特制的耐高温耐高压的高灵敏度铠装监测光缆，就可以方便的布设到浅地表以下或海底，也可以布设到超高压超高温的地下深处或深井里面去，长时间在地下深处或深井里面可靠的工作，实施高密度分布式测量和监测地下或井下应力、应变、压力、温度、噪声和震动信号等，克服和解决地下或井下测井仪器或井下电子传感器不能长期在超高压超高温的地下深处或深井里面可靠工作的难题。

但是目前行业内使用的一般是独立的DAS、DTS和DSS调制解调仪器，而这些仪器基本上是基于工控机的架构来设计研制的，有的仪器也增加了FPGA模块来进行大量分布式光纤传感数据的调制解调处理。由于现在埋置在地下或海底或布设在井底的铠装光缆越来越长，需要同时测量或监测的分布式光纤传感参数越来越多，数据量越来越大，基于工控机和FPGA的独立的DAS、DTS和DSS调制解调仪器基本上无法满足现场实时多参数、高密度和大数据的实时调制解调作业，特别是对于DAS/DTS/DSS复合调制解调系统，现有的基于工控机和FPGA架构的调制解调仪器完全无法胜任。

鉴于此，特提出本申请。

发明内容

为了构建DAS/DTS/DSS复合调制解调系统，实现现场实时多参数大数据的调制解调作业，本发明提出了基于DPU的分布式光纤复合传感系统及测量方法。

本发明采用了以下方案：

本发明的提供一种基于DPU的分布式光纤复合传感系统，包括由分布式DAS/DTS/DSS传感光缆组成的铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆和基于CPU/DPU/GPU集成架构设计的中央集成单元，以及一个或多个储存器；

铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆用于采集DAS/DTS/DSS数据；

中央集成单元中，CPU用于综合管理；

DPU用于调制解调处理铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆采集的数据；

储存器用于储存DPU的调制解调数据；

GPU用于对DPU处理并储存于储存器中的调制解调数据进行实时分屏或分通道显示。

在一些可选的实施例中，所述铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆内包括至少三条传感光缆，分别为DAS传感光缆、DTS传感光缆、DSS传感光缆，所述CPU、所述DPU和所述GPU的数量均至少为三个，每条铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆分别对应一个CPU，一个DPU和一个GPU。

在一些可选的实施例中，还包括用于将调制解调数据传输到外部超级计算机工作站或数据管理监控中心的智能网卡，三个DPU均集成于智能网卡上。

在一些可选的实施例中，所述储存器为三个，还包括三路多频窄脉冲激光光源、三路独立的环形器，三路独立的光信号放大器、三路独立的光电转换器、三路独立的模数转换器；

每条铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆中的DAS传感光缆、DTS传感光缆、DSS传感光缆分别与一路多频窄脉冲激光光源、一路独立的环形器，一路独立的光信号放大器、一路独立的光电转换器、一路独立的模数转换器以及一个储存器单独连接。

在一些可选的实施例中，还包括有与所述中央集成单元连接的五个DAS数据输入端口、三个DTS数据输入端口和一个DSS数据输入端口。

在一些可选的实施例中，所述DAS传感光缆为三分量分布式声波传感光缆，三分量分布式声波传感光缆内置有正方柱形弹性体，正方柱形弹性体内嵌有一根直形单模光纤，正方柱形弹性体的四个侧面上按照正弦波形或余弦波形紧密贴面铺设有四条波形单模光纤，任意相邻两个侧面的两条波形单模光纤所在延伸面均互相垂直，直形单模光纤和波形单模光纤的尾端均安装有消光器，一根直形单模光纤和四根波形单模光纤远离消光器的一端分别与所述五个DAS数据输入端口连接。

在一些可选的实施例中，所述DTS传感光缆内有三根多模光纤，其中两根多模光纤的尾端熔接成U字型结构，三根多模光纤外有至少一层连续金属细管对其进行封装，三根多模光纤分别与所述三个DTS数据输入端口连接。

在一些可选的实施例中，所述DSS传感光缆内有应变单模光纤，应变单模光纤外挤压有一层高强度复合层，高强度复合层外面有至少一层连续金属细管对其进行紧包封装，应变单模光纤与所述DSS数据输入端口连接。

在一些可选的实施例中，所述DAS/DTS/DSS传感光缆组成的铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆的布设位置为：地面、地下、井下、海底中的一个或多个。

本发明的另一个方面提供一种基于DPU的分布式光纤复合传感系统的测量方法，适用于以上任一所述的基于DPU的分布式光纤复合传感系统，包括以下步骤：

S1：将铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆布设于需要进行安全状态监测的地面，或/和，地下，或/和，井下，或/和，海底；

S2：将铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆与DAS/DTS/DSS数据输入端口连接，并使所述中央集成单元通过智能网卡与外部超级计算机工作站或数据管理监控中心连接；

其中：与DAS数据输入端口连接的是所述DAS传感光缆的一根直形单模光纤和四根波形单模光纤；

与DTS数据输入端口连接的是所述DTS传感光缆的三根多模光纤；

与DSS数据输入端口连接的是所述DSS传感光缆的应变单模光纤；

S3：启动DAS/DTS/DSS复合传感系统，实时采集沿三条所述DAS/DTS/DSS传感光缆组成的铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆的分布式三分量声波或震动或地震数据、分布式温度及温度梯度变化数据、分布式应变及应变梯度变化数据；

其中：

对于与DAS数据输入端口连接的一根直形单模光纤和四根波形单模光纤：

直形单模光纤测量沿DAS传感光缆延伸方向的声波或地震波分量；正方柱形弹性体的上下两个侧面上的两条波形单模光纤叠加后测量与DAS传感光缆延伸方向垂直且平行于地面的声波或地震波分量，正方柱形弹性体的左右两个侧面上的两条波形单模光纤叠加后测量与DAS传感光缆延伸方向垂直且垂直于地面的声波或地震波分量；

对于与DTS数据输入端口连接的三根多模光纤：

单根多模光纤利用单端输入的方式测量或监测沿DTS传感光缆延伸方向的温度变化或温度变化梯度，两根尾端熔接成U字形的多模光纤利用双端输入方式的测量或监测沿DTS传感光缆延伸方向的温度变化或温度变化梯度；

对于与DSS数据输入端口连接的应变单模光纤：

应变单模光纤用于测量或监测沿缆延伸方向的分布式应变变化或应变率变化梯度；

S4：三个DPU分别对三条传感光缆采集的分布式声波数据、温度数据、应变数据进行调制解调处理，三个储存器分别对三个DPU的调制解调数据进行储存；三个GPU分别对三个DPU处理并储存于三个储存器中的调制解调数据进行实时分屏或分通道显示；

S5：智能网卡将三个DPU调制解调处理的数据实时向外部的超级计算机工作站或数据管理监控中心传输。

本发明的有益效果：

本发明的基于DPU的分布式光纤复合传感系统，包括由分布式DAS/DTS/DSS传感光缆组成的铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆和基于CPU/GPU/DPU集成架构设计的中央集成单元，以及一个或多个储存器；

铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆用于采集DAS/DTS/DSS数据；

中央集成单元中，CPU用于综合管理；

DPU用于调制解调处理铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆采集的数据；

储存器用于储存DPU的调制解调数据；

GPU用于对DPU处理并储存于储存器中的调制解调数据进行实时分屏或分通道显示。

其效果有：此复合传感系统能够进行高速高密度超长距离多物理参数的实时采集和处理，结合铠装多参数分布式光纤传感光缆，可以同步进行地面或地下或井下或海底三分量声波或地震波或噪声、温度、应变等物理参数的同步测量，实现对地面、地下、井下、海底综合地球物理参数的实时测量和长期动态监测，以解决现有技术中基于工控机和FPGA的独立的DAS、DTS和DSS调制解调仪器基本上无法满足现场实时多参数大数据的调制解调作业的问题，可以在地面基础设施安全监测领域、工程地质、环境工程、水文工程、地质灾害、矿产资源、油气资源、天然气水合物、基础地质调查、国土安全保护等领域发挥重要的作用。

附图说明

图1是本发明实施例一中基于DPU的分布式光纤复合传感系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一中DAS三分量声波传感光缆结构示意图；

图3是本发明实施例一中DAS三分量声波传感光缆横截面示意图；

图4是本发明实施例一中DTS分布式温度传感光缆结构示意图；

图5是本发明实施例一中的DSS分布式应变传感光缆结构示意图。

附图标记说明：

2-铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆，3-CPU，4-DPU，5-储存器，6-GPU，7-智能网卡，8-超级计算机工作站，9-多频窄脉冲激光光源，10-环路器，11-光信号放大器，12-光电转换器，13-模数转换器，21-DAS传感光缆，22-正方柱形弹性体，23-应变单模光纤，231-波形单模光纤，232-直形单模光纤，24-消光器，25-DTS传感光缆，26-多模光纤，27-U字型结构，28-金属细管，29-DSS传感光缆，30-高强度复合层。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖向”、“纵向”、“侧向”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“开有”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面通过参考附图并结合实施例来详细说明本发明：

实施例一：

如图1所示，基于DPU4的分布式光纤复合传感系统结构的示意图，包括基于CPU3/DPU4/GPU6集成架构设计的中央集成单元，以及由分布式声波传感/温度传感/应变传感(DAS/DTS/DSS)光缆组成的铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆2，还包括一个或多个储存器5；

基于CPU3/DPU4/GPU6集成架构设计的分布式光纤复合传感系统内的中央集成单元由多核CPU3进行管理，通过DAS/DTS/DSS铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆2高速采集的海量数据由三个计算功能强大的DPU4分别负责进行调制解调处理，分别与三个DPU4连接的三个高密度大容量SSD存储器5直接存储调制解调数据，三个多核GPU6分别对三个DPU4处理后的调制解调数据实时进行分屏或分通道显示；

如图1所示，所述DAS/DTS/DSS复合传感系统内的三个DPU4同时集成到智能网卡7(SmartNIC)7上，实时进行网络协议处理、调制解调数据加解密、调制解调数据压缩等数据处理任务，并通过智能网卡7快速传输到外部监测数据存储、处理和分析用的超级计算机工作站8或数据管理和监控中心；

如图1所示，所述DAS/DTS/DSS复合传感系统还包括三路多频大功率窄脉冲激光光源(DFB-LD)9，三路独立的环形器(CIR)10，三路独立的光信号放大器(EDFA)11，三路独立的光电转换器12，三路独立的模数转换器13，三个SSD高密度大容量存储器5，分别与DAS/DTS/DSS铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆2内的DAS传感光缆21、DTS传感光缆25和DSS传感光缆29相连接；

本实施中的分布式光纤复合传感系统有与中央集成单元连接的五个DAS数据输入端口，三个DTS数据输入端口和一个DSS数据输入端口；

图2和图3是所述的DAS传感光缆21结构示意图及其截面示意图。

所述DAS传感光缆21为三分量分布式声波传感光缆，三分量分布式声波传感光缆内置有正方柱形弹性体22，正方柱形弹性体22的内嵌有一根直形单模光纤232，正方柱形弹性体22的四个侧面上按照正弦波形或余弦波形紧密贴面铺设有四条波形单模光纤231，任意相邻两个侧面的两条波形单模光纤231所在延伸面均互相垂直，在DAS传感光缆21内的波形单模光纤231和直形单模光纤232的尾端均安装有消光器24；

DTS传感光缆25为DTS分布式温度传感光缆，图4是所述的DTS分布式温度传感光缆的结构示意图，所述DTS传感光缆25内有三根多模光纤26，其中二根多模光纤26的尾端熔接成U字型结构27，三根多模光纤26外有至少一层连续金属细管28对其进行封装；

DSS传感光缆29为DSS分布式应变传感光缆，图5是所述的DSS分布式应变传感光缆的结构示意图，所述DSS传感光缆29内有应变光缆，应变光缆采用应变单模光纤23，应变单模光纤23外挤压有一层高强度复合层30，外面有至少一层连续金属细管28对其进行紧包封装；如图5所示，应变单模光纤23呈直形。DSS传感光缆29内的高强度复合层30为现有的高强度复合材料，在此不再赘述。

所述DAS/DTS/DSS光缆21/25/29组成的铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆2可以固定在地面基础设施上，或埋置在地下、或布设在井下、或铺设或埋置在海底进行三分量声波或地震波或噪声、温度、应变等物理参数的同步测量，实现对地面、地下、井下、海底综合地球物理参数的实时测量和长期动态监测；

本实施例通过DAS传感光缆21、DTS传感光缆25以及DSS传感光缆29的组成的铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆2，以及CPU3/DPU4/GPU6集成架构设计的中央集成单元，可以使得DAS传感光缆21、DTS传感光缆25以及DSS传感光缆29分成三路同步实时采集数据，并且分别通过中央集成单元的三个DPU4进行调制解调的总体发明构思，可解决现有技术中基于工控机和FPGA的独立的DAS、DTS和DSS调制解调仪器基本上无法满足现场实时多参数高密度大数据的调制解调作业的问题。

实施例二：

本实施例提供一种基于DPU4的分布式光纤复合传感系统的测量方法，适用于上述实施例一所述的基于DPU4的分布式光纤复合传感系统，其包括以下步骤：

S1：将铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆2布设于需要进行安全状态监测的地面，或/和，地下，或/和，井下，或/和，海底；

其中：铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆2布设于地面时：在需要进行安全状态测量或监测的地面基础设施比如桥梁、隧道、大坝、高铁、地铁沿线固定所述DAS/DTS/DSS传感光缆21/25/29组成的铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆2；

铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆2布设于地下时：在需要进行安全状态测量或监测的地面挖掘浅沟，把所述DAS/DTS/DSS传感光缆21/25/29组成的铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆2埋置在浅沟内；

铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆2布设于井下时：在需要进行地球物理测量或监测的井里的套管外或套管内或套管井内的管柱外进行永久或半永久或临时布设所述DAS/DTS/DSS传感光缆21/25/29组成的铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆2；

铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆2布设于海底时：在海底铺设或开挖浅沟后埋置所述DAS/DTS/DSS传感光缆21/25/29组成的铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆2；

S2：将铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆2与DAS/DTS/DSS数据输入端口连接，并使所述中央集成单元通过智能网卡7与外部超级计算机工作站8或数据管理监控中心连接；

DAS数据输入端口有五个，DTS数据输入端口有三个，DSS数据输入端口有一个；

其中：与五个DAS数据输入端口连接的是所述DAS传感光缆21的一根直形单模光纤232和四根波形单模光纤231；

与三个DTS数据输入端口连接的是所述DTS传感光缆25的三根多模光纤26；

与一个DSS数据输入端口连接的是所述DSS传感光缆29内的应变单模光纤23；

S3：启动DAS/DTS/DSS复合传感系统，实时采集沿所述DAS/DTS/DSS传感光缆21/25/29组成的铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆2的分布式三分量声波或震动或地震数据、分布式温度及温度梯度变化数据、分布式应变及应变梯度变化数据；

其中：

对于与DAS数据输入端口连接的一根直形单模光纤232和四根波形单模光纤231：

直形单模光纤232测量沿DAS传感光缆21延伸方向的声波或地震波分量；正方柱形弹性体22的上下两个侧面上的两条波形单模光纤231叠加后测量与DAS传感光缆21延伸方向垂直且平行于地面的声波或地震波分量，正方柱形弹性体22的左右两个侧面上的两条波形单模光纤231叠加后测量与DAS传感光缆21延伸方向垂直且垂直于地面的声波或地震波分量；

对于与DTS数据输入端口连接的三根多模光纤26：

单根多模光纤26利用单端输入的方式测量或监测沿DTS传感光缆延伸方向的温度变化或温度变化梯度，两根尾端熔接成U字形的多模光纤26利用双端输入方式的测量或监测沿DTS传感光缆25延伸方向的温度变化或温度变化梯度；

对于与DSS数据输入端口连接的应变单模光纤23：

应变单模光纤23用于测量或监测沿DSS传感光缆29延伸方向的分布式应变变化或应变率变化梯度；

S4：三个DPU4分别对三条传感光缆21/25/29采集的分布式声波数据、温度数据、应变数据进行调制解调处理，三个储存器5分别对三个DPU4的调制解调数据进行储存；三个GPU6分别对三个DPU4处理并储存于三个储存器5中的调制解调数据进行实时分屏或分通道显示；

S5：智能网卡7将三个DPU4调制解调处理的数据实时向外部超级计算机工作站8或数据管理监控中心传输。

其中：超级计算机工作站8内有专用的分布式光纤声波、温度、应变(DAS、DTS、DSS)测量和监测数据处理分析软件系统，对实时同步监测到的海量高密度分布式三分量声波或震动或地震数据、分布式温度及温度梯度变化数据、分布式应变及应变梯度变化数据进行实时处理与分析；

S6：超级计算机工作站8内专用的分布式三分量光纤声波、温度、应变(DAS、DTS、DSS)测量和监测数据处理分析软件系统进行实时处理；

其中：对所述铠装DAS传感光缆21上记录到的三分量声波或地震数据进行纵波走时初至和横波走时初至自动拾取，根据声波或地震纵波和横波的走时差和地面介质或地下地层的纵波和横波速度分布，反演计算进行地面介质或地下地层破裂时产生的微地震事件的发生时间、三维空间位置和能量大小，并将反演计算的结果马上通过与超级计算机工作站8相连接的微地震预警系统按照预先设定的流程向有关部门和机构发送地面基础设施结构即将发生破损的预警信息；

对所述铠装DTS传感光缆25上记录到的地面基础设施或井下和浅地表温度和温度梯度变化的的测量和监测，可以用于对地面基础设施局部高温部位的起火或火灾风险提供预警信息；全井段或地下浅部温度变化和温度梯度变化的测量和监测到的高温部位，反映的是地下深处热能的快速传递和岩石孔隙内流体运移的过程和状态，或者是地下活动断层内热能的快速传递和断层内流体受到地应力的挤压作用后的快速运移，地下温度和温度梯度的异常作为地下构造运动开始活跃的指示参数，用来对地下油气生产状态，地下天然地震和地质灾害发生前的预测与预警；

对所述铠装DSS传感光缆29内的应变光纤实时采集的地面基础设施上或地下沿缆延伸方向的应变和应变梯度即应变率数据进行处理，实时监测和了解地面基础设施上或地下的应力场在沿缆方向上随时间的变化，及时发现应力或应变异常地段或井段对基础设施破损的潜在风险和可能性，分析地面基础设施上异常地应力场和异常应变地带诱发基础设施破损的潜在风险和可能性，地面或井下异常地应力场和异常应变地带诱发天然地震或地质灾害的潜在风险和可能性，及时提供天然地震或地质灾害可能发生的预警信息；

S7：超级计算机工作站8对采集到的数据进行处理和综合判断：

超级计算机工作站8对采集到的地面基础设施上或地下三分量微地震数据、地面基础设施上或地下分布式温度变化数据、地面基础设施上和地下分布式应力场与应变的变化数据进行多维多参数多尺度的综合处理分析，判别地面基础设施上潜在火灾或地下潜在天然地震和地质灾害发生的可能性，提前给预警系统按照预先设定的流程向有关部门和社会发送火灾或天然地震或地质灾害将要发生的预报或预警信息。以实现对地面基础设施、地下、井下、海底综合地球物理参数的实时测量和长期动态监测，在地面基础设施安全监测领域、工程地质、环境工程、水文工程、地质灾害、矿产资源、油气资源、天然气水合物、基础地质调查、国土安全保护等领域发挥重要的作用。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变形和改进，这些变形和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于DPU的分布式光纤复合传感系统，其特征在于，包括由分布式DAS/DTS/DSS传感光缆组成的铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆(2)和基于CPU(3)/DPU(4)/GPU(6)集成架构设计的中央集成单元，以及一个或多个储存器(5)；其中：

铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆(2)用于采集DAS/DTS/DSS数据；

中央集成单元中，CPU(3)用于综合管理；

DPU(4)用于对铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆(2)采集的数据进行调制解调处理；

储存器(5)用于储存DPU(4)处理的调制解调数据；

GPU(6)用于对DPU(4)处理并储存于储存器(5)中的调制解调数据进行实时分屏或分通道显示。

2.根据权利要求1所述的基于DPU的分布式光纤复合传感系统，其特征在于，所述铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆(2)内包括至少三条传感光缆，分别为DAS传感光缆(21)、DTS传感光缆(25)、DSS传感光缆(29)，所述CPU(3)、所述DPU(4)和所述GPU(6)的数量均至少为三个，每条铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆(2)内的一条传感光缆分别对应一个CPU(3)、一个DPU(4)和一个GPU(6)。

3.根据权利要求2所述的基于DPU的分布式光纤复合传感系统，其特征在于，还包括用于将调制解调数据传输到外部超级计算机工作站(8)或数据管理监控中心的智能网卡(7)，三个DPU(4)均集成于智能网卡(7)上。

4.根据权利要求2所述的基于DPU的分布式光纤复合传感系统，其特征在于，所述储存器(5)为三个，还包括三路多频窄脉冲激光光源(9)、三路独立的环形器(10)，三路独立的光信号放大器(11)、三路独立的光电转换器(12)、三路独立的模数转换器(13)；

每条铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆(2)中的DAS传感光缆(21)、DTS传感光缆(25)、DSS传感光缆(29)分别与一路多频窄脉冲激光光源(9)、一路独立的环形器(10)，一路独立的光信号放大器(11)、一路独立的光电转换器(12)、一路独立的模数转换器(13)以及一个储存器(5)单独连接。

5.根据权利要求1所述的基于DPU的分布式光纤复合传感系统，其特征在于，还包括有与所述中央集成单元连接的五个DAS数据输入端口、三个DTS数据输入端口和一个DSS数据输入端口。

6.根据权利要求5所述的基于DPU的分布式光纤复合传感系统，其特征在于，所述DAS传感光缆(21)为三分量分布式声波传感光缆，三分量分布式声波传感光缆内置有正方柱形弹性体(22)，正方柱形弹性体(22)内嵌有一根直形单模光纤(232)，正方柱形弹性体(22)的四个侧面上按照正弦波形或余弦波形紧密贴面铺设有四条波形单模光纤(231)，任意相邻两个侧面的两条波形单模光纤(231)所在延伸面均互相垂直，直形单模光纤(232)和波形单模光纤(231)的尾端均安装有消光器(24)，一根直形单模光纤(232)和四根波形单模光纤(231)远离消光器(24)的一端分别与所述五个DAS数据输入端口连接。

7.根据权利要求5所述的基于DPU的分布式光纤复合传感系统，其特征在于，所述DTS传感光缆(25)内有三根多模光纤(26)，其中两根多模光纤(26)的尾端熔接成U字型结构(27)，三根多模光纤(26)外有至少一层连续金属细管(28)对其进行封装，三根多模光纤(26)分别与所述三个DTS数据输入端口连接。

8.根据权利要求5所述的基于DPU的分布式光纤复合传感系统，其特征在于，所述DSS传感光缆(29)内有应变单模光纤(23)，应变单模光纤(23)外挤压有一层高强度复合层(30)，高强度复合层(30)外面有至少一层连续金属细管(28)对其进行紧包封装，应变单模光纤(23)与所述DSS数据输入端口连接。

9.根据权利要求1所述的基于DPU的分布式光纤复合传感系统，其特征在于，所述DAS/DTS/DSS传感光缆组成的铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆(2)的布设位置为：地面、地下、井下、海底中的一个或多个。

10.基于DPU的分布式光纤复合传感系统的测量方法，适用于权利要求1-9任一所述的基于DPU的分布式光纤复合传感系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆(2)布设于需要进行安全状态监测的地面，或/和，地下，或/和，井下，或/和，海底；

S2：将铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆(2)与DAS/DTS/DSS数据输入端口连接，并使所述中央集成单元通过智能网卡(7)与外部的超级计算机工作站(8)或数据管理监控中心连接；

其中：

与DAS数据输入端口连接的是所述DAS传感光缆(21)的一根直形单模光纤(232)和四根波形单模光纤(231)；

与DTS数据输入端口连接的是所述DTS传感光缆(25)的三根多模光纤(26)；

与DSS数据输入端口连接的是所述DSS传感光缆(29)的应变单模光纤(23)；

S3：启动DAS/DTS/DSS复合传感系统，实时采集沿所述分布式DAS/DTS/DSS传感光缆组成的铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆(2)的分布式三分量声波或震动或地震数据、分布式温度及温度梯度变化数据、分布式应变及应变梯度变化数据；

其中：

对于与DAS数据输入端口连接的一根直形单模光纤(232)和四根波形单模光纤(231)：

直形单模光纤(232)测量沿DAS传感光缆(21)延伸方向的声波或地震波分量；正方柱形弹性体(22)上下两个侧面上的两条波形单模光纤(231)叠加后测量与DAS传感光缆(21)延伸方向垂直且平行于地面的声波或地震波分量，正方柱形弹性体(22)左右两个侧面上的两条波形单模光纤(231)叠加后测量与DAS传感光缆(21)延伸方向垂直且垂直于地面的声波或地震波分量；

对于与DTS数据输入端口连接的三根多模光纤(26):

单根多模光纤(26)利用单端输入的方式测量或监测沿DTS传感光缆延伸方向的温度变化或温度变化梯度，两根尾端熔接成U字形的多模光纤(26)利用双端输入方式的测量或监测沿DTS传感光缆(25)延伸方向的温度变化或温度变化梯度；

对于与DSS数据输入端口连接的应变单模光纤(23):

应变单模光纤(23)用于测量或监测沿缆延伸方向的分布式应变变化或应变率变化梯度；

S4：三个DPU(4)分别对三条传感光缆采集的分布式三分量声波数据、温度数据、应变数据进行调制解调处理，三个储存器(5)分别对三个DPU(4)的调制解调数据进行储存；三个GPU(6)分别对三个DPU(4)处理并储存于三个储存器(5)中的调制解调数据进行实时分屏或分通道显示；

S5：智能网卡(7)将三个DPU(4)处理的调制解调数据实时向外部超级计算机工作站(8)或数据管理监控中心传输。

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