研究回顾丨ERDC 报告：分布式光纤声学传感（DAS）用于多年冻土的无损监测
DAS 通过高分辨率与高采样率数据，在 CRREL 多年冻土实验中被验证可通过表面波频散分析与多源激发（主动源与无人机）实现对近地表多年冻土变化的无损监测与定位。
美国陆军工程兵团
工程研发中心
寒区研究与工程实验室
技术报告
Fiber-Optic Distributed Acoustic Sensing for Nondestructive Monitoring of Permafrost
ERDC/CRREL TR-25-20
2025 年 12 月
研究机构：
The US Army Engineer Research and Development Center (ERDC)
美国陆军工程兵团
工程研发中心
Cold Regions Research and Engineering Laboratory
(CRREL)
寒区研究与工程实验室
美国陆军工程兵团工程研发中心（ERDC）旱区研究与工程实验室（CRREL）多年以来应用 Sintela 分布式光纤声学传感（DAS）系统设备对寒区环境和岩土工程基础设施进行过大量研究，本公众号一直在持续报道其研究成果，此前的研究请参见历史文章：
基础研究丨ERDC 报告：岩土工程对分布式光纤声波传感（DAS） 性能的影响
摘要
分布式光纤声学传感（DAS）近年来作为一种地球物理监测工具逐渐受到关注。商业化 DAS 系统的进步使得数据空间分辨率达到 10 米以内，并具备高采样率（超过 10 kHz），从而推动了其在基础设施变化检测和定位监测中的应用。
基于该技术，美国陆军工程兵团工程研发中心寒区研究与工程实验室（ERDC-CRREL）团队开展了一项现场实验，通过对表面波传播进行频散分析，利用 DAS 对多年冻土（permafrost）的变化进行监测。
2024 年 5 月，在 CRREL 多年冻土隧道上方，研究人员部署了一套快速铺设、表面敷设、无损的 DAS 阵列，并开展了主动地震测试。同年 9 月，重复进行了主动源测试，以获取可能反映多年冻土变化所引起地震响应变化的数据。
此外，还利用无人机系统（UAS）采集了 DAS 响应数据，用于评估其在多年冻土变化远距离评估中的潜在应用价值。现场实验结果表明，无损 DAS 阵列在探测和定位近地表多年冻土性质变化方面具有较高的应用潜力。
研究项目概况
本研究是为美国国防部（DoD）下属的国防韧性子项目开展的，对应项目编号为 0602144A，项目名称为 “雪、冰与多年冻土中的分布式声学传感”（Distributed Acoustic Sensing in Snow, Ice, and Permafrost）。技术负责人为美国陆军工程兵团工程研发中心寒区研究与工程实验室（ ERDC-CRREL）的 Eli J. Deeb 博士。
该研究工作由 ERDC-CRREL 下属远程感知/地理信息系统卓越中心（RS/GIS Center of Expertise）中的地形与冰工程组承担。在论文发表时，课题组负责人为 Megan C. Quinn 博士，中心主任为 David C. Finnegan 先生。
此外，本研究还由 ERDC-CRREL 研究与工程部下属的信号物理分支、兵力投送与保障分支以及阿拉斯加研究办公室跨职能小组共同参与。在论文发表时，Paul M. Kutia 先生与 Sandra LeGrand 博士（代理）分别担任分支负责人，Gary Larsen 先生担任小组负责人。ERDC-CRREL 的代理主任为 Kelly Swiderski 博士。ERDC 指挥官为 Joshua M. Haynes 中校，主任为 Beth C. Fleming 博士。
1. 概述
1.1 背景
1.1.1 分布式光纤声学传感（DAS）的发展
近年来，分布式光纤声学传感（DAS）作为一种大范围的地球物理监测工具逐渐受到广泛关注。DAS 技术通过将光时域反射仪（OTDR）型 DAS 解调仪（内置一个或多个相干激光器）与作为传感介质的光纤电缆耦合，实现对振动应变的监测。
近年来，商业化 DAS 系统的进展使得阵列空间分辨率进一步提升至 10 m 以内，同时采样率提高至 10 kHz 以上。较小的空间分辨率（即通道间距）能够实现更精细的变化检测，而较高的采样率则有助于更全面地表征作用于光纤电缆的振动应变场。
1.1.2 分布式光纤声学传感在寒区中的监测应用
随着技术进步、数据处理能力提升以及围绕 DAS 的认知体系的不断完善，DAS 的应用已从地震监测、管道监测和碳封存扩展至基础设施的连续监测，用于变化事件检测和定位。
近年来，由于 DAS 具备大范围覆盖能力并能够在极端温度环境下稳定运行，其在寒区监测中的应用逐渐受到关注。该技术已成功应用于多种现象与过程的监测，包括雪层入侵检测、冰川地区微地震信号分析，以及含气水合物地层的垂直地震剖面。
在多年冻土（permafrost）监测方面，DAS 的应用也取得了初步且具有前景的成果。早期针对人工加热条件下多年冻土变化的研究表明，通过 DAS 可观测到剪切波速度的显著降低，这通常被认为是多年冻土退化的重要指示特征。
1.1.3 多年冻土的无损监测
现有分布式光纤声学传感（DAS）相关文献表明，为了获得高质量数据，光纤电缆需要与其所处的目标介质实现良好耦合。然而，除非能够接入现有光纤阵列或利用已有管道将光纤布设于地下，否则光纤铺设通常被认为是一种破坏性过程。传统方法通常需要开挖沟槽，将光纤电缆铺设其中，再用原位土回填，并进行压实，以确保电缆在地下隐蔽且受到保护。
在多年冻土监测场景中，这种传统铺设方式并不可行，因为施工过程会扰动地下沉积层的自然冻融循环；此外，冻结地层本身在施工上也难以进行沟槽开挖。然而，已有研究表明，通过表面铺设光纤并结合可控人工加热，DAS 仍可用于多年冻土监测。该方法能够监测由于融化增强引起的稳定性、高程和温度变化，显示出其在灾害预防与缓解方面的潜在应用价值。
2022 年，在由美国陆军寒区研究与工程实验室（ CRREL）运营的多年冻土隧道研究设施（PTRF）中，对表面部署的 DAS 系统开展了初步测试。结果表明，无损安装且弱耦合的光纤阵列在亚冻结条件下仍能够记录地震信号，并为本研究提供了直接动机。
1.2 研究目标
本次现场实验的开展旨在提升对分布式声学传感（DAS）在寒区中以无损方式部署时性能表现的理解。若能够在安全的远距离实现对多年冻土、冰或雪的大范围高空间分辨率监测，将有助于近实时掌握目标区域的环境状态，例如地面硬度或冰层厚度。
本报告的主要目标包括：详细描述无侵入式现场测试的实施过程与结果，展示关键发现，记录故障排查过程，并总结经验教训。此外，本研究所采集的数据集还为构建地理空间数据库提供了基础，用于存储与可视化展示 DAS 数据。
本研究提出，可通过在已知多年冻土区域表面部署光纤电缆，利用分布式光纤声学传感技术（DAS）实现对多年冻土的监测。实验中采用了传统主动地震源，如普氏锤和大锤敲击，在多年冻土表面激发振动波。此外，研究团队还考察了多种空中激励源对阵列附近振动响应的影响。
本次现场测试的具体目标包括：
• 在多年冻土上方地表部署光纤电缆；
• 观测 DAS 对地震源与声学源的响应；
• 观测响应变化并分析其与多年冻土季节性变化之间的可能相关性。
1.3 研究方法
本次现场实验分别于 2024 年 5 月和 9 月开展，旨在评估在地表无损部署的光纤电缆对多年冻土深度季节性变化的监测能力。实验选址于美国阿拉斯加州费尔班克斯的美国陆军寒区研究与工程实验室（CRREL）多年冻土隧道，该地点因其良好的可达性以及已有的场地特性表征被选为理想测试场地。
在 5 月现场团队抵达之前，所有设备已提前打包并运送至阿拉斯加，包括两套 DAS 解调仪（分别为 Sintela Onyx peta 询问器单元和 Silixa iDAS）、500 米光纤电缆、光纤熔接设备以及一套无人机系统（UAS）及其配套设备。然而，由于飞行限制，CRREL 的无人机未能投入使用。为解决这一问题，研究团队与南佛罗里达大学的学生合作，这些学生当时正在该场地为另一项目操作无人机。
团队抵达现场后，在一座温控测试结构内完成所有设备的开箱与部署。光纤电缆被铺设于多年冻土表面，每台解调仪分别连接到电缆中的一根光纤。随后开展了初步数据采集，以验证系统运行的稳定性。9 月的数据采集方法总体与 5 月类似，但更加聚焦于首次实验中表现良好的部分。
2. 文献综述
2.1 分布式光纤声学传感理论
一个分布式声学传感（DAS）阵列在其最基本形式下由两个主要部分组成：一段光纤电缆（其总长度被离散化为若干通道长度），以及一个询问器单元（interrogator）。询问器单元会产生激光脉冲，这些脉冲沿着整段光纤传播。在光纤末端通常设置衰减器，用于抑制信号并避免端部反射。传播脉冲的速度 Cn 与光纤材料的内部折射率 n 成反比关系：
其中 c 为光速。在离散化的通道长度上，纵向扰动会引起瑞利后向散射。询问器单元以每隔 dt 秒的时间间隔对后向散射信号进行测量，从而可以描述光纤轴向应变发生位置 xj 的空间分布，其表达形式为：
其中 j 对应后向散射信号的序号，而 dt 为询问器单元的采样率。二者的乘积表示信号从光纤中某一点 xj 往返传播的时间。将轴向位置映射到后向散射信号的时间域分析时，会产生不确定性，其范围为 xj ± LG / 2，其中 LG 为测量标距长度（gauge length）。
这些测量原理共同定义了该类系统的 “分布式” 特性，并使其区别于传统使用点式传感器（如检波器 ）的地震观测系统。由于光纤电缆长度可达数十米至数千米，且沿光纤方向的测量点间距更小，因此 DAS 获取的地震数据在空间尺度与时间尺度以及分辨率方面均可显著高于传统检波器系统。近年来，测量标距的优化选择进一步发展，使得系统能够针对特定入射地震波更精细地调控信噪比。
现代询问器单元沿 DAS 光纤测量后向散射信号的振幅与相位变化。当光在折射率为 n 的光纤中传播距离 x 时，其相位 Φ 的理论期望值为：
其中 λ 为传播激光脉冲的波长。相位敏感光时域反射技术（Φ-OTDR）在此理论基础上进一步发展，通过同时解释瑞利后向散射信号的回波时间与强度，并利用相位解调分析传播信号与反射信号之间的相位差。
该测得的相位变化是折射率 n、传播距离 x 以及波长 λ 变化的函数。但在多数地震监测应用中，通常仅考虑由轴向应力引起的 x 的变化。
Φ-OTDR 中的相位解调要求输入信号具有高度相干性，即脉冲宽度需小于相干长度。为了获取最高质量的数据，通常建议以尽可能高的采样频率进行采样；然而，对于较长的阵列，较高的采样频率会显著增加数据记录、存储与处理的负担，从而可能限制阵列长度。根据奈奎斯特采样定理：
在不发生混叠（aliasing）的情况下可解析的最高频率 Fn 受限于采样频率 Fs 的一半。采用分布式光纤声学传感（DAS）进行地震勘探的优势在于，其空间分辨率与时间分辨率远高于传统检波器系统。然而，需要注意的是，两者在测量物理量上存在本质差异。
DAS 系统测量的是应变或应变率，而传统检波器测量的是质点速度。此外，DAS 通常为单分量系统，仅测量轴向应变，因此在进行勘探设计时必须加以考虑。这一特性会引入额外复杂性，而这些复杂性在传统多分量检波器用于地震数据采集时通常并不存在。
2.2 多年冻土概述与灾害
多年冻土是指地表温度连续两年或更长时间维持在冰点或以下的地层。当今约 70 年前的估算表明，其覆盖了地球陆地面积的约 25%。目前，多年冻土约覆盖阿拉斯加近 85% 的陆地区域，但其厚度与分布范围在全州内差异显著：在北坡地区表现为连续多年冻土，厚度可达数百米；而在费尔班克斯地区（本研究所在区域），则以不连续多年冻土为主，厚度仅数十米。根据 2008 年阿拉斯加第三次多年冻土调查，全州还存在孤立和零散分布的多年冻土区域。
在北极地区，与多年冻土快速融化相关的基础设施失效正日益成为严重问题。突发性融化可能引发地面塌陷、滑坡、热融湖排水以及其他对冰缘地貌与地表水文结构产生重大改变的过程。
其中，热融地貌过程尤为危险，其表现为土体在融化地下冰形成的空洞中发生塌陷，从而对其上方基础设施构成严重威胁。这一问题在已在变化环境中发展的社区中尤为突出。
多年冻土融化还会改变近地表的地震特性。相关研究已在地震活跃的多年冻土地区针对桥梁及基础设施设计进行了深入探讨。例如，北威机场的案例研究表明，该机场位于不连续多年冻土之上，其周边地震活动与退化多年冻土环境共同导致了一系列基础设施风险，包括液化与横向扩展位移。
2.3 利用地震方法进行多年冻土成像
数十年来，在多年冻土区域进行地震数据采集与分析一直是用于地下结构表征多年冻土结构与复杂性的重要工具。地震信号对冰与水含量具有高度敏感性，这也是其被广泛用于多年冻土中的地下成像与勘探的原因。
多年冻土地区地震勘测的目标区域在几何尺度上差异较大，既包括近地表研究，也包括用于气体水合物勘探的更深部地层。
在近地表勘测中，用于刻画多年冻土顶部几十米速度结构的地震信号主要为色散表面波。而在更深层勘探中，则主要使用体波，并采用更传统的地震分析与成像技术。本研究尝试通过表面铺设的光纤传感器所获取的表面波数据，并结合其与下伏多年冻土层之间的不同耦合状态，来表征多年冻土的季节性变化。
3. 现场实验
3.1 实验现场描述
测试在阿拉斯加州福克斯的美国陆军寒区研究与工程实验室（CRREL）多年冻土隧道研究设施（PTRF）进行。该研究设施的隧道系统总长度约为 650 m，平均宽度与高度均在 4 m 至 5 m 之间。多年冻土的地质组成主要为晚更新世的粉砂、粉砂质沉积物以及冲积物。隧道内还可观察到冰缘岩性地层单元及冰体。隧道内部环境空气温度维持在 -3 ℃。图 1 展示了多年冻土研究设施的总体布局。
图 1：多年冻土研究设施布局。
3.2 DAS 部署
3.2.1 场地限制与约束
在 DAS 阵列设计中，优先考虑询问器单元的保护以及其与已知多年冻土区域的接近程度。询问器单元运行需要处于低噪声或无噪声、具备温控条件的环境，并提供 120 V电源。
在 2024 年 5 月的现场实验中，距离冻土隧道北入口最近的可用位置是在一栋加热建筑内部（见图 2）用于放置询问器单元。由于该建筑在 9 月实验前因设施建设项目被拆除，因此在 2024 年 9 月的数据采集中，改用泵房作为询问器单元的安装与运行空间（见图 3）。
图 2：现场团队成员在 5 月现场实验期间于加热建筑内布设询问器单元。
图 3：泵房，用于在 9 月现场实验期间部署询问器单元并进行监测。
图 4 展示了阵列设计的限制条件，其中标出了可用于光纤铺设的现有路径。这些路径被选为最清晰、对环境扰动最小的光纤布设路线。
图 4：多年冻土隧道上方的路径网络。
在 5 月的实验中，使用了两台相干、相位敏感的 DAS 询问器单元，同时对同一根地表铺设光纤进行数据采集。所使用的 Silixa 战术光缆包含多根单模光纤，允许多个询问器单元同时进行感测。
其中第一根光纤为标准单模光纤，连接至 Sintela Onyx DAS 询问器单元。第二根光纤为 “Constellation” 光纤，连接至 Silixa iDAS。该专用光纤通过增强后向散射特性设计，提高了对振动信号的敏感性。
每套询问器系统均连接至 120 V 电源插座，以满足其运行所需电力。两台询问器单元均配备GPS天线，用于连接卫星，从而确保系统时钟的精确性并避免时间漂移。天线被放置在窗边，以保证良好的卫星信号接收。
该窗户保持微开状态，以便光纤电缆从室内引出（见图 5），并铺设于已知多年冻土区域表面。需要说明的是，该光缆同时包含单模光纤和多模光纤，但在本实验中仅使用了单模光纤。
图 5：用于多年冻土监测的战术光纤电缆盘。从线盘顶部矩形熔接盒引出的包括单模光纤与 Constellation 光纤（黄色），以及未使用的多模光纤（蓝色）。
通过将光缆从窗户引出，建筑物的门可以在夜间上锁，从而确保所有测试设备的安全（见图 6）。
图 6：光纤电缆通过窗户引出，使询问器能够在室内温控结构内对阵列进行监测。
3.2.2 表面铺设光纤电缆部署
在 2024 年 5 月的现场实验中，共部署约 350 m 光纤电缆，并使用 GPS 设备对全部已部署长度进行测量。2024 年 9 月的现场实验中，则部署了 500 m 电缆，并同样进行了 GPS 测量。通道分布图和最终阵列布局将在后续章节中给出。
表面铺设光纤电缆的部署与回收过程遵循一套标准化流程，具体步骤如下：
线盘定位：将光缆线盘安装在一根金属杆上，使其能够围绕中心轴自由旋转，从而便于电缆顺畅放出。
电缆展开：采用流水线方式进行电缆展开与铺设，由多名团队成员逐步传递不断增加长度的电缆，直至前端铺设人员。电缆沿现有步道铺设。
加重耦合：在电缆部分位置放置 1 ~ 10 磅的运动配重，以增强光纤与地表的耦合。
通道测绘：使用手持 GPS 设备记录光纤的空间位置与布局，随后开展测试流程。
回收配重：测试结束后，收集配重并装入小型容器，以便运输。
电缆回收：团队成员收集已铺设的电缆并重新卷绕至线盘上，以便打包与运输。线盘同样放置在金属杆上，以保证回收过程中的自由旋转。
3.3 实验执行
本节概述现场测试的实施情况。2024 年 5 月与 9 月数据采集的详细现场记录分别见附录 A 与附录 B。
3.3.1 数据管理
分布式光纤声学传感（DAS）数据通常数据量巨大且处理计算开销高，因此需要高效且准确的数据管理与存储策略。为应对这一挑战，数据按照时间分段进行组织：每记录 1 分钟生成一个独立文件。例如，连续 5 分钟的数据将被分为 5 个独立文件，并以各自的协调世界时起始时间进行时间戳标记。
此外，现场详细记录被同步整理，以便研究人员能够快速定位对应时间段的数据文件，从而识别感兴趣事件，例如大锤冲击、普氏锤敲击或无人机系统活动。
3.3.2 采集参数
在 2024 年 5 月的现场实验中，两台询问器单元被配置为尽可能相似的采集参数，包括采样频率、通道间距以及标距长度。然而，由于不同设备在参数设置上的固有限制，可选配置存在一定差异。此外，各询问器的激光功率标定过程也会影响 DAS 阵列的记录响应，具体体现在空间分辨率、时间分辨率以及噪声水平等方面。在采样频率方面，两台设备均设置为 5000 Hz。
在 5 月实验中，Silixa iDAS 的参数设置为通道间距 2 m、标距 10 m；而 Sintela Onyx 的参数设置为通道间距 1.6 m、标距 9.6 m。在 2024 年 9 月的现场实验中，仅部署了 Silixa iDAS，并沿用了上述相同的参数设置。
3.4 通道映射
在分布式光纤声学传感阵列中，将并行通道与 GPS 测点或现场地标进行对应映射对于实现通道与实际空间位置的关联至关重要。若缺乏该步骤，将无法确定各通道对应光纤沿线的具体物理区域。
在 DAS 询问器进行数据记录与采集期间，团队成员沿光纤路径行走，并在多个感兴趣位置进行敲击。这些位置通过喷漆进行标记，使团队能够在后续测试中反复回到相同位置进行重复实验。其中许多标记点随后被用作主动震源作用位置，例如大锤冲击。同时，在每个标记点还记录了离散 GPS 数据。
在后处理阶段，研究人员通过识别数据中的敲击信号，并将其与对应的 GPS 点进行匹配，从而构建出光纤在多年冻土表面部署的精确通道分布图。图 7 展示了 2024 年 5 月数据采集的通道分布图（同时包含两台 DAS 询问器数据），图 8 则展示了 2024 年 9 月数据采集的通道分布图。
图 7：2024 年 5 月现场实验中部署的分布式声学传感阵列。沿光纤离散位置标注了 Silixa iDAS 与 Sintela Onyx 的通道编号。
图 8：2024 年 9 月现场实验中部署的分布式声学传感阵列。沿光纤标注了 Silixa iDAS 的通道编号。
3.5 震源
3.5.1 主动冲击源
在完成 DAS 通道映射后，研究团队选择了用于主动冲击源测试的具体位置。本研究中使用了一种改造后的普氏锤（重量5 lb，落高12 ft）作为标定地震源，用于主动源测试（见图 9）。
第二类主动源测试采用大锤敲击金属板的方式进行（见图 10）。尽管该方法的重复性较低，但其产生的振动更强，每次敲击可向地层输入更多能量。在现场作业期间，所有已标记位置均重复进行了多次敲击测试。主动源敲击测试在 2024 年 5 月与 9 月两次现场实验中均有实施。
图 9：左图为普氏锤作为标定源，用于主动源地震测试的使用场景。
图 10：用于主动源地震测试的大锤与金属板。
在 2024 年 5 月与 9 月两次现场实验中，研究团队还使用大锤直接在永久冻土隧道地面上的金属板进行敲击，作为主动源之一（见图 11）。
图 11：在永久冻土隧道内，使用大锤作为主动源进行激励。
该过程的信号记录同时覆盖了两类光纤系统：一是铺设于地表的光纤，二是隧道内既有的光纤光缆。该既有光缆此前已用于其他研究项目部署。通过利用该既有光缆，研究团队得以对比源信号的直接激励响应与地表光纤所观测到的响应之间的差异，从而为不同传播路径与耦合条件下的信号特征分析提供参考。
3.5.2 空中声源
在 2024 年 5 月现场实验中，研究团队使用无人机系统（UAS）在 DAS 阵列上方及附近区域进行了飞行测试。报告中的分析主要聚焦于两次持续 17 分钟的无人机飞行任务，其飞行路径以网格状穿越阵列上方（见图 12）。
图 12：无人机系统（UAS）飞行路径穿越 DAS 阵列上方的轨迹示意。左图为飞行路径在阵列上方的平面视图，右图为飞行路径相对于阵列的高度剖面，用于展示飞行高度随时间/位置的变化情况。图中比例可能并非严格等比。
空中声源测试仅在 2024 年 5 月现场实验中开展，在 9 月实验中未进行该类飞行测试。
4. 实验结果与讨论
4.1 初步色散建模
使用 Geopsy 算法包进行了 Rayleigh 波色散的正向建模，以量化不同冻土层深度对相速度的预期影响。我们建立了一个简单的地层结构模型（见表 1），仅改变第一层厚度，并假设底层半空间为永久冻土。活层（Active Layer）与永久冻土的速度和密度参数参考相关文献。
表 1：用于 Rayleigh 波相速度正向建模的简单地层结构模型。模型运行中各层深度有所变化，如图 13 所示。
初步正向建模结果见图 13。结果显示，冻土层深度控制了相速度从高到低的频率转换，其中活层越厚，低速段的频率范围越宽。尽管对实测数据尚未计算色散曲线，但观测结果与建模趋势一致：活层越厚，对应的 Rayleigh 波速度越慢。
图 13：基本模态（Fundamental Mode）Rayleigh 波相速度随频率的变化曲线，基于表 1 所示的简单冻土模型。每次模型运行中，活层厚度（Active Layer Thickness）按图例所示进行变化。
4.2 冻土探针与实地测量
在所有震源激发位置，通过冻土探针（Frost Probe，见图 14）直接测量了冻土层深度。最初团队假设测得的是活层深度（Active Layer Depth），但随后发现更可能是 Talik 层（非冻土层，Talik Layer）顶部的深度。由于探针长度限制，测量深度最大仅为 < 150 cm。
图 14：使用冻土探针（Frost Probe）测量冻结冻土层的深度。
在 5 月布设期间，各样点位置的 Talik 层深度变化在 8 cm 至 25 cm 之间（见图 15）。
图 15：5 月实地测量中，使用冻土探针（Frost Probe）获取的冻结冻土层深度数据。
在 9 月布设期间，沿分布式光纤声学传感（DAS）光纤的每个样点位置，冻土层深度均超过 150 cm。然而，光纤铺设在既有人行小径上，这些小径往往会直接破坏小径下方的冻土层，原因包括压实或移除植被以及破坏热绝缘。
团队沿点 H 垂直方向进行了横断面（Transect）测量，发现冻土层最浅深度约为 75 cm，而在距离小径 1.5 m 处深度增加到 > 150 cm。通过行人通行频繁区域的验证，团队确认冻土层深度在活动较多的区域更深。横断面测量的大致位置及结果如图 16 所示。
图 16：9 月实地测量中，点 H 的代表性横断面（Representative Transect）冻结冻土层深度。左侧图中标有两条橙色线，一条实线和一条虚线，用于表示光纤电缆平行铺设的长度，其中一部分电缆加装了踝重（Ankle Weights）以增强耦合，另一部分未加。
4.3 主动源测试
4.3.1 加配重与未加配重响应
光纤响应在两种条件下进行了评估：一是光纤电缆通过运动用踝重（Athletic Ankle Weights）与地面耦合的段落，二是光纤电缆仅铺设在地表的段落。该实验的布设主要针对 5 月数据采集中的 T11、T12 和 T13 位置（见图17）。
图 17：5 月数据采集中，光纤电缆部分段落上分布式重量（Distributed Weights）的示意图。
图 18 展示了分布式重量（Distributed Weights）将光纤电缆与地面耦合的示意。
图 18：5 月实地工作中，光纤电缆在震源位置 T11 与 T12 之间部分段落上分布式重量（Distributed Weights）的布设情况。
通过分析 T12 位置校准的探测锤击打信号的信噪比（SNR），对光纤电缆的加重段与未加重段进行了比较。此次测试中使用的探测锤击打信号如图 19 所示，分析信号长度为 0.4 s。
图 19：探测锤（Proctor Hammer）击打信号在分布式光纤声学（DAS）时间序列图中的表现，对比了光纤电缆的未加配重段与分布式加配重段。数据由 Sintela ONYX 型询问器单元记录。
备注：AKDT 意为阿拉斯加标准时间（Alaska Standard Time）
探测锤结果见图 20。结果显示，分布式加配重段的光纤测得的 SNR 始终高于未加配重段（约 6 ~ 12 dB）。同时，加配重段在远距离信号测量中响应更高。例如，未加配重段在距离击打点 15 m 时 SNR 接近 0 dB，而加配重段在相同距离仍维持约 8 dB 的 SNR。
图 20：探测锤（Proctor Hammer）击打信号的信噪比（SNR）结果对比：一部分光纤电缆通过分布式重量与地面耦合，另一部分光纤电缆仅铺设在地表。
这些结果为 9 月的第二次实地测试提供了指导，当时测试全程使用加重装置以增强光纤与冻土层的耦合。
4.3.2 主动地震源概述
主动地震源测试分别在 5 月和 9 月实地工作中进行。测试包括在金属板上使用探测锤（Proctor Hammer）和大锤（Sledgehammer）进行击打。图 21 显示了由 Sintela ONYX 询问器单元 在 T12 位置记录的一系列击打信号。图 22 显示了 9 月由 Silixa iDAS 询问器单元记录的一系列击打信号。
图 21：5 月实地工作中，探测锤与大锤在 T12 位置的击打信号，由 Sintela ONYX 询问器单元记录。
图 22：9 月实地工作中，地点 Q 的三次大锤（Sledgehammer）击打信号，由 Silixa iDAS 询问器单元记录。
4.3.3 冻土表面主动地震源
对击打能量（Strike Energy）的分析显示，5 月与 9 月测试中波形传播（Waveform Propagation）存在差异，结果总结如图 23 所示。
图 23：布设的分布式光纤声学（DAS）阵列的 GPS 位置在网格上标出，5 月布设位于左上，9 月布设位于左下。每个网格中探测锤（Proctor Hammer）击打位置以红点标识。右侧图显示各 DAS 通道的波形，按照与击打源位置的距离排列，分别为 5 月采集（上右图）和 9 月采集（下右图）的结果。
5 月 T12 位置：连续击打后，能量可沿高速度（> 1,000 m/s）传播至 100 m 及以上的距离。
9 月 Q 点：击打后，能量仅传播至约 40 m，随后衰减至信噪比（SNR）< 1。除衰减更显著外，多相波（Multiple Phases）现象也很明显。观察到：
· 快速波（Fast Wave）以 > 1,000 m/s 的速度传播；
· 慢速波（Slow Wave）以约 50 m/s 的速度传播。
图 24 显示了 9月 Q 点锤击信号的波形细节，其中相速度（Phase Speeds）和衰减（Attenuation）呈现频率依赖性：
· 慢波在 20 Hz 以下出现最大振幅；
· 快波随频率升高振幅增加。
· 这些差异可能与两次测试之间测得的冻土层深度变化有关。
图 24：9 月采集中 Q 点锤击后的波形，已应用窄带滤波。每个子图标题显示中心频率。红线、绿线和紫线分别对应相速度（Phase Velocities） 1,000 m/s、100 m/s 和 50 m/s。
4.3.4 波形失真
在分析 9 月采集中 Q 点锤击后的速度传播时，记录波形中出现了一些异常现象（Oddities）。击打后，单个波形在不同 DAS 通道间的传播时间变化异常：
· 某些情况下，波形几乎同时在相邻通道被记录；
· 另一些情况下，波形在相邻通道出现延迟 35 ms。
进一步分析发现，多个通道的波形高度相似，随后波形在时间上出现跳跃（见图 25）。
图 25：9 月布设中 Q 点锤击后的波形。高度重叠的波形以颜色分组显示。每种颜色下的波形几乎完全相同，但与其他颜色组的波形存在差异。
这种现象可能源于光纤电缆与地面耦合不良。对于铺设在地表的光纤电缆，如果部分电缆未正确耦合，则某个通道感受到的振动可能反映的是相邻位置而非真实位置。此外，相对于通道间距（2 m），较长的测量长度（Gauge Length，10 m）可能导致信号平均效应。
这些结果显示了地表铺设光纤相对于埋设光纤在恢复表面信号方面的局限性。
4.3.5 来自冻土隧道内的主动地震源
此前用于分析主动源击打的方法不适用于冻土隧道内的主动源，因为该源未沿阵列方向激发显著的表面波。因此，对该数据分析采用了不同的方法，包括：
· 波形对比（Waveform Comparison，见图 26）；
· 信噪比对比（SNR Comparison，见图 27）；
· 峰值拾取算法（Peak Picking Algorithms，见图 28）。
这些方法用于比较 5 月与 9 月采集的不同响应，当时冻土层深度条件存在显著差异。此外，还将隧道内源信号与地表铺设光纤进行了对比，因为团队能够在冻土隧道内的既有光纤和地表铺设阵列上同时记录数据。通过 GPS 数据、现场笔记记录的击打时间以及最佳判断，将隧道内的通道与铺设在冻土表面的通道进行了对齐。
图 26：5 月实地工作中，冻土隧道内锤击后的波形，由冻土内既有光纤和地表铺设光纤记录。
图 27：5 月实地工作中，在冻土隧道内使用大锤作为主动源时，冻土内既有光纤与地表铺设光纤的信噪比（SNR）对比。
图 28：5 月实地工作中，在冻土隧道内使用大锤作为主动源时的峰值拾取（Peak Picking）结果。
5 月实地工作中，冻土隧道内主动源产生的信号信噪比（SNR）高于 9 月实地工作的信号。同时，隧道内光纤的 SNR 也高于隧道外受同一击打激发的光纤信号。
这是因为 5 月实地工作中冻土层深度较浅（Depth to Frozen Permafrost 较小，即地基较硬），大锤产生的源信号能够更容易地通过冻土传播。而 9 月实地工作中冻土层较薄（Thinner Frozen Layer，即地基较软），源信号衰减更快，因此在地表上难以准确量化。
4.4 航空源测试
4.4.1 航空源概述
在 5 月实地工作中，UAS（无人航空系统）信号由 Silixa iDAS 询问器记录。UAS 信号在各 DAS 通道上出现的时间存在差异，但所有通道均受 UAS 声学信号激励。导致这种信号差异的可能原因包括：地形、植被覆盖、DAS 光纤与地面的耦合情况、环境噪声水平变化。
在 5 月实地工作的首次 UAS 飞行中，一架未知喷气机飞越区域，也激励了所有 DAS 通道。由于 UAS 飞行的 DAS 响应存在差异，该喷气机飞越事件被用作机会源，用于验证在 DAS 测试中利用航空源确定冻土层深度属性的可行性。如果可行，该方法还可应用于空中交通密集区域，频繁有喷气机飞越的情况下对 DAS 进行测量。
为了验证可行性，团队选择了一段包含喷气机飞越的两分钟数据样本，通过逐步时间平移并与原始时间序列进行互相关，以确定 DAS 询问器是否记录到从冻土层通过活动层反射回来的信号，将喷气机作为主动源。
在 9 月实地工作中，虽然各种空中交通并非测试计划的一部分，但仍被记录下来作为机会源。航空源数据采用相同方法进行分析，并将5月和9月两次实地工作的结果进行对比，以评估使用航空源在该应用中的一致性和可行性。
4.4.2 喷气机与直升机飞越：机会性航空源
喷气机飞越的时间序列数据（图 29）包含与速度相关的信息。在这些数据集中，可以追踪到多种不同的波速；然而，由于喷气机速度等变量的不确定性，对于未知航空源而言，很难区分与冻土层相关的波速与其他波速。
图 29：5 月实地工作中喷气机飞越的 DAS 时间序列。
与本报告中分析的其他主动源不同，连续主动源，如航空飞越，没有明确的初始冲击波到达可用于确定相速度。因此，采用了样本平移相关法（Sample Shifting Correlation Method）来识别数据中的潜在反射波。
用于该方法的时间序列经过高通滤波，以专门观察可能的反射。喷气机飞越的相关性峰值，指示可能来自冻土层的反射，当时间序列平移一个或两个样本时出现。由于采样频率为 5,000 Hz，假设这些相关性峰值与冻土反射相关，这意味着反射在一个采样内（0.0002 s）就能激励光纤电缆。
对于一个信号在 T12 位置从表面下约 5 英寸（约 12.7 cm）的冻土顶部反射并再次刺激通道，这个信号的传播速度需在 635.0 m/s 至 2,170.0 m/s 之间。该速度范围在这些条件下可以合理对应 P 波。然而，相同的相关性峰值也出现在冻土层内其他部分的光纤上，这些位置不应在如此短时间内记录到反射信号。这表明所观察到的相关性峰值可能并非完全由冻土反射引起。
喷气机飞越期间获得的数据与 9 月实地工作中的航空事件数据进行了对比。9 月的航空事件中，没有信号强度达到 5 月喷气机飞越水平的事件。通过对比分析，不同冻土深度条件下 DAS 对航空事件的响应差异得以评估。图 30 显示了同一地理位置两条通道的对比，一条为 5 月喷气机飞越期间的数据，另一条为 9 月直升机飞越期间的数据。
图 30：5 月数据采集期间的喷气机飞越与 9 月数据采集期间的直升机飞越对比。
研究结论
在一项新型实验中，一根光纤电缆被非破坏性地铺设在已知冻土区上，用以通过 DAS（分布式声学传感）监测随活动层（Active Layer）变化的地震响应差异。数据分别在 2024 年 5 月使用两套阵列收集，2024 年 9 月使用一套阵列收集。用于激发 DAS 阵列的地震源包括地表及冻土隧道内的传统主动地震冲击（即 Proctor Hammer 和 Sledgehammer），以及空中主动源（即部署的无人航空系统 UAS、飞越喷气机和飞越直升机）。
在冻土隧道内的 DAS 响应中，5 月实地采集的信噪比（SNR）高于 9 月实地工作，这表明从冻土内部的信号源监测活动层具有潜力。
光纤电缆与地面的耦合情况通过分析不同铺设方式电缆对校准 Proctor Hammer 冲击的 DAS SNR 响应差异来评估。SNR 的差异随源距离变化计算得出，结果显示，当电缆通过配重与地面耦合时，SNR 响应更高。
航空源数据则通过样本平移和时间序列互相关进行分析。5 月的喷气机飞越是 DAS 数据中最强的航空源，也是评估航空源在确定冻土层顶深度可行性中的重点。该方法表明，航空源能够激发铺设在地表的 DAS 阵列。
综上结果表明，DAS 可用于非破坏性监测冻土（Permafrost）。
5.1 经验教训
在这两次实地考察实验（Field Campaigns）过程中，团队积累了许多经验教训，主要总结如下：
· 光纤电缆的选择：选用坚固耐用的光纤电缆，既能承受恶劣天气、复杂地形和动物活动，又能保持足够灵敏以保证高质量数据采集。
· 光纤电缆铺设：评估铺设方法及表面铺设光纤电缆是否需要配重耦合（Weighted Coupling）。
· 减少冻土干扰：保持试验场地完整性，避免人为干扰影响地震响应，将行走限制在指定路径。
· 询问器单元的安置：将询问器单元安置在受保护的、气候可控的环境中，远离噪声源。
5.2 未来的工作
研究工作正在继续，目标是设计一套集光纤铺设、数据采集和现场评估于一体的全功能系统。该系统将实现对冻土地层（Permafrost Stratigraphy）的远程监测，这是推动 DAS 在寒冷地区进行非破坏性检测的重要一步。
现场的数据采集将持续进行，以进一步评估 DAS 响应与冻土变化之间的关系。这将包括更多有针对性的无人航空系统（UAS）数据采集。
附录 A：现场笔记，2024 年 5 月
表 A-1：2024 年 5 月数据采集的现场记录。
附录 B：现场笔记，2024 年 9 月
表 B-1. 2024 年 9 月数据采集的现场记录。
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