مجله ژئوفیزیک ایران

مجله ژئوفیزیک ایران

بررسی تاثیر طول گیج در داده‌های حسگر صوتی توزیع شده (DAS) و پردازش آن‌ها: مطالعه‌ موردی در منطقه Nevada داده‌های آرایه PoroTomo

نوع مقاله : مقاله پژوهشی‌

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری، موسسه ژئوفیزیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران
2 دانشیار، موسسه ژئوفیزیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران
چکیده
در سیستم‌های حسگر صوتی توزیع شده  (DAS)، پارامتر طول گیج به‌عنوان یکی از عوامل کلیدی در تعیین دقت و کارایی داده‌های ثبت‌شده نقشی اساسی ایفاکرده است. طول گیج، که بیانگر اندازه‌ی بخش فیبر نوری استفاده ‌شده برای نمونه‌برداری است، تاثیر مستقیمی بر وضوح مکانی و حساسیت سیگنال‌های ثبت‌شده دارد. در این پژوهش، اثرات مختلف طول گیج بر کیفیت داده‌های حسگر صوتی توزیع شده و عملکرد الگوریتم‌های پردازشی مورد بررسی قرار گرفته است. مقادیر مختلف طول گیج با تحلیل داده‌های جمع‌آوری‌شده در چشمه‌های آب گرم بردی واقع در ایالت نوادا در آمریکا و مقایسه نتایج حاصل از طول گیج‌های مختلف، چالش‌های مرتبط با بهینه‌سازی این پارامتر تحلیل شده است. نتایج نشان می‌دهند که انتخاب بهینه طول گیج می‌تواند بهبود قابل توجهی در دقت مکانی و کیفیت اطلاعات استخراج ‌شده از داده‌های حسگر صوتی توزیع شده به‌همراه داشته باشد، در حالی که مقادیر طول نامناسب ممکن است منجر به کاهش دقت و بروز خطا در پردازش شوند. این یافته‌ها راهنمایی برای طراحی و پیاده‌سازی سیستم‌های حسگر صوتی توزیع شده با کارایی بالا فراهم کرده اند. ما به بررسی طول گیج های 10، 20 و 30 متر می‌پردازیم. سپس  از تبدیل فوریه و واهمامیخت ونر در حوزه‌های زمانی و فرکانسی بر روی طول گیج های مذکور برای فیبر اعمال می‌کنیم. با استفاده از روش‌های پردازش داده مبتنی بر برنامه‌نویسی در پایتون نتایج مورد تحلیل قرار گرفته است. طول گیج بهینه، با به‌دست آوردن نسبت سیگنال به نویز برای هر مقطع لرزه‌ای به‌دست می‌آید.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Investigating the Impact of Gauge Length on Distributed Acoustic Sensing (DAS) Data and the Processing: A Case Study in the Nevada Region Using the PoroTomo Array Data

نویسندگان English

Mona Ali Akbar Khan Afjeh 1
Hosein Hashemi 2
Mohamad Reza Hatami 2
1 Ph.D. Student, Institute of Geophysics, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Associate Professor, Institute of Geophysics, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده English

In distributed acoustic sensing (DAS) systems, the gauge length parameter plays a crucial role in determining the accuracy and efficiency of recorded data. Gauge length refers to the segment of the optical fiber used for sampling and has a direct impact on the spatial resolution and sensitivity of the recorded signals. Selecting an appropriate gauge length is essential for optimizing the performance of DAS-based seismic monitoring systems. This study investigates the effects of different gauge lengths on the quality of DAS data and the performance of signal processing algorithms. By analyzing data collected from the Brady Hot Springs in Nevada, USA, and comparing the results obtained for various gauge lengths, we aim to explore the challenges and opportunities associated with optimizing this parameter. The findings provide insights into how different gauge lengths influence data clarity, spatial resolution, and overall system performance.
    Our analysis includes gauge lengths of 10, 20 and 30 meter , examined in both the time domain and the frequency domain using Fourier transform. Each of these lengths has distinct implications for the recorded signals. A shorter gauge length typically offers higher spatial resolution but may introduce higher noise levels. In contrast, longer gauge lengths may enhance signal stability but at the cost of reduced spatial resolution. Finding the optimal balance between these trade-offs is key to improving DAS data quality and maximizing its usability in seismic studies. To further refine the recorded data, we apply Wiener deconvolution to the signals corresponding to the selected gauge lengths. This technique helps to mitigate distortions and improve signal clarity, making it easier to extract meaningful seismic information. The effectiveness of this deconvolution process is assessed by evaluating the signal-to-noise ratio (SNR) for each gauge length. The implementation of data processing is carried out using Python-based algorithms, which enable efficient handling and analysis of large datasets. The results obtained through these computational techniques are discussed in detail in the results section, where we compare the impact of different gauge lengths on seismic data interpretation. The ultimate goal is to determine the optimal gauge length that maximizes SNR while preserving spatial accuracy. Our findings indicate that selecting an appropriate gauge length significantly enhances the quality of DAS data and improves the accuracy of seismic event detection. While shorter gauge lengths provide finer spatial resolution; they may require additional noise filtering techniques to ensure reliable data interpretation. On the other hand, longer gauge lengths can improve the overall signal strength but may compromise detailed spatial resolution. The results of this study provide valuable guidelines for designing and implementing high-performance DAS systems tailored to specific seismic monitoring applications. By systematically analyzing the impact of gauge length and employing advanced data processing techniques, this study contributes to the optimization of DAS-based seismic monitoring. The insights gained from this research can assist in refining DAS system configurations to achieve enhanced accuracy and reliability in seismic data acquisition.
 

کلیدواژه‌ها English

Brady&‌rsquo؛ s hot springs
Distributed Acoustic Sensing
Gauge Length
Bona,  A., Pevzner, R., Dean, T., 2017.  Amplitude and Phase Response of DAS Receivers, 79th EAGE Conference & Exhibition 2017.
Chen, X., 2023. Source parameter analysis using
distributed   acoustic sensing – an example      with the PoroTomo array, Geophys. J. Int. 233, 2208–     2214.
Correa, J.,  Egorov,A., Ertyshnikov, K., Bona,    A., Pevzner, R., Dean, T., Freifeld, B., Marshall, S., 2017.  Analysis of signal to noise and directivity characteristics of DAS VSP at near and far offsets — A CO2CRC Otway Project data example.
Culshaw, B., Kersey, A. 2008. “Fiber-Optic Sensing: A Historical Perspective,” JLT, Vol 26, No. 9, May 2008, 1064-1078.
Daley, T, M., Freifeld, B, M., Ajo-Franklin J, Dou S, Pevzner R, Shulakova V et al (2013) Field testing of fiberoptic distributed acoustic sensing (DAS) for subsurface seismic monitoring. Leading Edge 32(6):699–706. https ://doi.org/10.1190/tle32 06069 9.1.
Dean, T., Cuny, T., Hartog, H, A., 2016. The effect of gauge length on axially incident P-waves measured using fibre optic distributed vibration sensing, Geophysical Prospecting, 1–10.
Dean, T., Cuny, T., Hartog, H, A.,2015. Determination of the Optimum Gauge Length for
Borehole Seismic Surveys Acquired Using
Distributed Vibration Sensing, Conference Paper,June 2015 , DOI: 10.3997/2214-4609.201412740.
Farhadiroushan, M, Parker, T, Shatalin, S.,2016. Method and apparatus for optical sensing. WO Patent App. PCT/GB2016/050625.
Fenta, C, M., Potter, K, D., Szanyi, J., 2021. Fibre Optic Methods of Prospecting: A Comprehensive
 
    and Modern Branch of Geophysics, Surveys in Geophysics (2021) 42:551–584.
Fernandez-Ruiz, M, R., Soto, M, A., Williams, E, F., Martin-Lopez, S., Zhan, Z., Gonzalez-Herraez M., Martins H, F.,(2020). Distributed acoustic sensing for seismic activity monitoring. APL Photon 5(030901):1–16. https ://doi.org/10.1063/1.51396 02.

Gupta, A., Reddy, C, C., 2017. Analytical Insights Into Parameter Estimation for Wiener Deconvolution, 10.1109/TIM.2017.2709551 Volume: 66 .

Kimbell, J, F., (2013). History and Analysis of Distributed Acoustic Sensing (DAS) for Oilfield Applications,  Thesis Master of Science, Under the guidance of Hill, A, D., Zhu, D., Sun, Y., Hill, D,A., Texas A&M University.
Kimura, T., 2020, Importance of using optimum gauge length for DAS measurement to observe geophysical events, JpGU-AGU Joint Meeting 2020
Kissinger, C, D., 1967. Fiber Optic Proximity Probe, Fied Sept. 9, 1963, Ser. No. 307,6765 Clains.
Mizuno, T., Leaney, S., Calvez, L, J., Naseer, F.,  Khaitan, L, M..,  Schlumberger., 2019. The significance of gauge length in particle velocity estimation from DAS data: VSP and microseismic cases, SEG International Exposition and 89th Annual Meeting, 10.1190/segam2019-3215250.1.
Ning, I., Sava, P., (2018). Multicomponent distributed acoustic sensing: concept and theory. Geophysics,83(2):1–8.https ://doi.org/10.1190/geo20 17-0327.1.
Ölçer, I., Öncü, A., 2017. Adaptive Temporal Matched Filtering for Noise Suppression in Fiber Optic Distributed Acoustic Sensing, Sensors 2017, 17, 1288; doi:10.3390/s17061288.
Shang, Y., Sun, M., Wang, C., Yang, J., Du, Y., Yi, J., Zhao, W., Wang, Y., Zhao, Y., Ni, J., 2022. Research Progress in Distributed Acoustic Sensing Techniques, Techniques. Sensors 2022, 22, 6060.
Wang, H, F., Zeng, X., Miller, D, E., Fratta, D., Feigl, K, L., Thurber, C, H., Mellors, R, J., 2018. Ground motion response to anML 4.3 earthquake using co-located distributed acoustic sensing and seismometer arrays, Geophys. J. Int. (2018) 213, 2020–2036.