一种基于分布式光纤传感的声速测量反演方法

1.本技术涉及分布式光纤传感探测技术领域，尤其涉及一种基于分布式光纤传感的声速测量反演方法。


背景技术：

2.在作物生产中，农作物的种植范围非常广泛，土壤含水率在植物生长中有着至关重要的作用。含水率测量方法大致可分为点式测量和分布式测量。点式测量有电阻率法、时域反射仪法、频域反射仪和探地雷达法等，这些方法只能进行点式测量，无法连续性、大范围的实时获取土壤含水率的变化状态。分布式测量方法有光谱分析法、遥感法以及分布式温度传感器测量法。这些测量方法只是粗糙的对土壤整体含水状况做大概的估计，同样无法实现实时检测，导致检测效率低，检测结果不理想。


技术实现要素：

3.本技术提供了一种基于分布式光纤传感的声速测量反演方法，以解决现有土壤含水率检测效率低，检测结果不理想的技术问题。
4.本技术提供了一种基于分布式光纤传感的声速测量反演方法，应用于分布式光纤传感检测系统，系统包括设置在土壤表面的震源，埋设于土壤内第一深处的检测光缆、光纤传感器和控制器，光纤传感器被配为：产生检测光信号，接收检测光缆在传输检测光信号期间产生的散射光信号，将散射光信号转换为数字信号，其中，散射光信号随检测光缆的应变状态的变化而变化，控制器被配置为：基于数字信号计算土壤内的含水率；方法包括：向检测光缆中发送检测光信号；利用震源产生在土壤中传递的声波；接收检测光缆中产生的散射光信号；采用三乘三解调算法和初至时间提取算法处理散射光信号，得到声波在土壤内各个位置点的时间；根据声波传播到土壤中各个位置点的时间，计算声波在各个位置点的传播速度；根据声波在土壤中的传播速度与土壤的含水率之间的关系，计算土壤中的各个位置点的含水率。
5.在一些实施例中，采用三乘三解调算法和初至时间提取算法处理散射光信号，得到声波在土壤内各个位置点的时间，包括：采用三乘三解调算法处理散射光信号，得到声波的瀑布图；采用初至时间提取算法在声波的瀑布图中提取多个位置点的初至时间；根据多个位置点的初至时间计算声波在多个位置点的时间。
6.在一些实施例中，根据各个位置点的初至时间计算声波在各个位置点的时间，包括：声波在位置点的时间为位置点的初至时间与前一位置点的初至时间之差。
7.在一些实施例中，根据声波在土壤中各个位置点的时间，计算声波在各个位置点的传播速度，包括：以预设点为原点、第一方向为y轴、第二方向为x轴，建立土壤对应的网格坐标系；对声波在震源和检测光缆之间的各个传播路径，确定传播路径附近的各个目标位置点的坐标值，以及，根据各个目标位置点的坐标值和声波在各个目标位置点的时间，计算声波在各个目标位置点的传播速度。
8.在一些实施例中，目标位置点为，在被传播路径分割的网格坐标系的网格中，面积较小一侧的网格点。
9.在一些实施例中，根据声波在土壤中各个位置点的时间，计算声波在各个位置点的传播速度，包括：根据目标位置点的坐标值，计算目标位置点与前一目标位置点之间的网格距离；计算网格距离和声波在目标位置点的时间的比值，得到声波在目标位置点的传播速度。
10.在一些实施例中，根据声波在土壤中的传播速度与土壤的含水率之间的关系，计算土壤中的各个位置点的含水率，包括：根据布鲁萨特模型中速度与含水率的关系，计算各个目标位置点的含水率。
11.在一些实施例中，根据布鲁萨特模型中速度与含水率的关系，计算各个目标位置点的含水率，包括：将各个目标位置点的传播速度带入公式1中，计算土壤在各个目标位置点的含水率；公式1为：；其中，公式1为布鲁萨特模型，为声波在各个目标位置点的传播速度，为参数，为土壤有效应力，为土壤的总密度，为土壤的孔隙度，为无量纲量。
12.在一些实施例中，采用初至时间提取算法在声波的瀑布图中提取多个位置点的初至时间之后，方法还包括：采用压缩感知方法将各个位置点的初至时间进行稀疏处理。
13.在一些实施例中，采用压缩感知方法将各个位置点的初至时间进行稀疏处理，包括：将各个位置点的初至时间带入公式2中进行稀疏处理，公式2为：；其中，为各个位置点的初至时间，为压缩感知原理中设置的一个稀疏基，为稀疏信号。
14.本技术提供的一种基于分布式光纤传感的声速测量反演方法，方法包括：向检测光缆中发送检测光信号；利用震源产生在土壤中传递的声波；接收检测光缆中产生的散射光信号；采用三乘三解调算法和初至时间提取算法处理散射光信号，得到声波在土壤内各个位置点的时间；根据声波传播到土壤中各个位置点的时间，计算声波在各个位置点的传播速度；根据声波在土壤中的传播速度与土壤的含水率之间的关系，反演计算土壤中的各个位置点的含水率。本技术提供的方法可以对大范围、长距离的土壤进行测量，且检测光缆埋置在土壤内部，受外界环境影响较小。而且不需要进行多次检测，就可以得到大范围土壤的含水率数据，缩短了检测流程，有效减小大范围土壤的检测成本，提高检测效率。
附图说明
15.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1是本技术实施例提供的分布式光纤传感检测系统的安装示意图；图2是本技术实施例提供的基于分布式光纤传感的声速测量反演的流程示意图；图3是本技术实施例提供的计算位置点时间的流程示意图；图4是本技术实施例提供的计算声波速度的流程示意图；
图5是本技术实施例提供的声波传递的模拟示意图；图6是本技术实施例提供的方法与传统方法的对比分析图。
具体实施方式
17.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚地描述。显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的其他实施例，都属于本技术的保护范围。
18.以下，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
19.此外，本技术中，“上”“下”、“内”、“外”等方位术语是相对于附图中的部件示意置放的方位来定义的，应当理解到，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。
20.在作物生产中，农作物的种植范围非常广泛，土壤含水率在植物生长中有着至关重要的作用。含水率测量方法大致可分为点式测量和分布式测量。点式测量有电阻率法、时域反射仪法、频域反射仪和探地雷达法等，这些方法只能进行点式测量，无法连续性、大范围的实时获取土壤含水率的变化状态。分布式测量方法有光谱分析法、遥感法以及分布式温度传感器测量法。这些测量方法只是粗糙的对土壤整体含水状况做大概的估计，同样无法实现实时检测，导致检测效率低，检测结果不理想。
21.随着社会的发展和科技的进步，智慧农业成为了主流趋势，如何实现大规模、智能化的土壤含水率实时检测是目前面临的难题。
22.为了解决检测土壤含水率中存在的问题，本技术实施例提出了一种基于分布式光纤传感的声速测量反演方法，应用于分布式光纤检测系统。分布式光纤检测系统采用光纤连接光纤检测装置和检测光缆，并将检测光缆埋设在距土壤底面一定深度的地下，以检测土壤内的含水率。
23.由于光纤具有很强的抗电磁干扰、良好的电绝缘性以及传光特性。近年来，利用光纤作为敏感元件和信号传输介质的方式在国防、军事、民用设施等方面越来越受到人们的广泛关注。分布式光纤技术是通过探测及分析光纤内的光学效应测量沿光纤方向的特征信息。由于光纤的特征信息随外界温度、应变、振动的变化而变化，因而可以感知到光纤周围的环境参数。分布式光纤传感技术主要利用光纤中的散射效应，如瑞利散射，布里渊散射以及拉曼散射达到对外界信息的检测。作为分布式光纤传感系统的代表分布式光纤声波传感技术（distributed fiber acoustic sensing，das）具有长距离、测量范围广、耐高温高压、抗电磁干扰性强等优点，并且可连续探测传输过程中的振动、应变等外界干扰的时间变化及空间分布信息。因此其在土壤墒情检测领域具有非常重要的应用。
24.das系统的原理基于相干光时域反射技术。系统由光源系统、传感光纤、解调系统和信号采集处理系统四部分构成。它是利用光信号中的后向瑞利散射来实现对应变率进行测量的传感系统。外部环境的变化（如振动等）使得光纤发生了细微的改变，进而引起光纤
中的微小不均匀体（散射源）的位置发生细微变化。这种位置变化可以引起光纤中传播的激光脉冲中的瑞利散射信号发生变化，通过接收后向瑞利散射信号就可以分析出光纤不同位置的动态应变。根据不同位置的应变信息可以得到应变的时间信息，进而得到所需的信息。
25.图1是本技术实施例提供的分布式光纤传感检测系统的安装示意图。
26.参见图1，本技术实施例中的分布式光纤传感检测系统包括光纤传感器、检测光缆、震源和控制器。
27.光纤传感器用于产生检测光信号，并设置在土壤上方。光纤传感器被配置为：产生检测光信号，接收检测光缆在传输检测光信号期间产生的散射光信号，将散射光信号转换为数字信号，其中，散射光信号随检测光缆的应变状态的变化而变化。
28.检测光缆埋设在土壤内的第一深度处，通过检测光缆检测土壤内的含水率。检测光缆包括起始端a和截止端c，起始端a与光纤传感器耦接。检测光缆可以接收检测光信号，使检测光信号在检测光缆中传输。其中，起始端a可以与光纤传感器通过光纤耦接。
29.具体地，第一深度可以为20-50cm范围内。
30.在一个可行的实现中，第一深度可以为30cm。
31.检测光缆包括依次连接的第一长度区间和第二长度区间。第一长度区间从检测光缆的起始端a沿第一方向f1延伸至预设点b。第二长度区间从预设点b沿第二方向f2延伸至检测光缆的截止端c。这样，第一长度区间的长度为ab段直线长度，第二长度区间的长度为bc段直线长度。
32.具体地，第一长度区间与第二长度区间的长度可以相等，也就是说，ab段直线长度等于bc段直线长度，且第一长度区间和第二长度区间的光缆均埋设在距离土壤的第一深度处。
33.其中，第一方向f1和第二方向f2可以垂直。
34.示例的，第一方向f1可以为竖直方向，第二方向f2可以为水平方向。水平和竖直方向可以是以俯视土壤的角度确定。
35.继续参见图1，震源设置在土壤表面，用于产生在土壤中传递的震动信号。震源包括第一震源z1和第二震源z2。
36.具体地，震源可以是具有震动功能的装置，第一震源z1和第二震源z2可以是相同的震动装置。当然，第一震源z1和第二震源z2还可以是不同的震动装置。在第一震源z1和第二震源z2为不同震动装置时，不同震动装置的震动参数应当相同，以方便后续对声波传播速度的计算。
37.第一震源z1位于起始端a的正上方，也就是说，第一震源z1与检测光缆的起始端a的连线与第一方向f1垂直，以方便后续对声波传播速度进行计算。
38.第二震源z2位于起始端a沿着第二方向f2的投影与截止端c沿着第一方向f1的投影交点处。
39.这样，第二震源z2在检测光缆所在的平面上的投影，到检测光缆的起始端a和截止端c的距离相等，第二震源z2在检测光缆所在平面上的投影距离与第一震源z1在检测光缆所在平面上的投影距离也相等。这样，以第一震源z1、第二震源z2、以及检测光缆可以组成一个立方体的结构，以方便后续对声波传播速度进行计算。
40.光纤传感器还用于接收检测光缆在传输检测光信号期间产生的散射光信号（散射
光信号可以为后向瑞丽散射光信号），散射光信号随检测光缆的应变状态的变化而变化。
41.示例的，检测光缆的应变状态变化越大，表示受到的振动越大，散射光信号的强度越强，或者，检测光缆的应变状态变化越小，可以表示受到的振动越小，散射光信号的强度越弱。
42.在光纤传感器将散射信号转换为数字信号之后，控制器基于数字信号计算土壤的含水率。
43.图2是本技术实施例提供的基于分布式光纤传感的声速测量反演方法的流程示意图。
44.参见图2，本技术实施例提供的方法可以由以下步骤s100-步骤s600所实现。
45.步骤s100：向检测光缆中发送检测光信号。
46.具体地，开启光纤传感器，产生检测光信号，并通过检测光缆传输检测光信号。
47.步骤s200：利用震源产生在土壤中传递的声波。
48.开启震源，使土壤受到振动。具体可以通过震源砸击地面的方式使土壤振动。这样，在土壤内，以声波的形式传递振动。
49.步骤s300：接收检测光缆中产生的散射光信号。
50.步骤s400：采用三乘三解调算法和初至时间提取算法处理散光射信号，得到声波传播到土壤内各个位置点的时间。
51.具体地，采用三乘三解调算法和初至时间提取算法对散射光信号进行处理，可以得到声波在各个位置点的时间。其中，在得到各个位置点的时间的前提是已经得到了各个位置点的位置信息。也就是说，在采用三乘三解调算法和初至时间提取算法之后，就可以得到各个位置点的位置信息和时间信息。
52.初至时间是指在震源产生振动后，声波到达位置点的时刻。也即是说，初至时间是声波从震源传递到位置点的全部时间。
53.图3是本技术实施例提供的计算位置点时间的流程示意图。
54.参见图3，步骤s400主要通过以下步骤s410-步骤s430所实现。
55.步骤s410：采用三乘三解调算法处理散射光信号，得到声波的瀑布图。
56.步骤s420：采用初至时间提取算法在声波的瀑布图中提取各个位置点的初至时间。
57.其中，初至时间是指从震源传递至位置点时，声波所用的全部时间。
58.步骤s430：根据各个位置点的初至时间计算声波在各个位置点的时间。
59.其中，声波在位置点的时间与该位置点的初至时间不同。
60.具体地，声波在该位置点的时间是从前一位置点传递至该位置点的时间。也就是说，声波在该位置点的时间是该位置点的初至时间与前一位置点的初至时间的差值。而之所以计算声波在位置点的时间而不是初至时间，是本技术实施例后续想要计算的声波速度是声波在土壤内的局部速度。之所以计算局部速度，是因为根据局部速度计算的含水率更为贴近位置点处的含水率而并非是平均含水率。同样的，本技术实施例后续所指的速度均为声波在土壤内的局部速度。
61.步骤s500：根据声波传播到土壤中各个位置点的时间，计算声波在各个位置点的传播速度。
62.具体地，在得到各个位置点的时间之后，根据各个位置点的坐标，计算声波在各个位置点的传播速度。
63.图4是本技术实施例提供的计算声波速度的流程示意图。
64.参见图4，在步骤s500的计算声波在各个位置点的传播速度中，可以由以下步骤s510实现声速方程的确定。
65.步骤s510：确定声速计算的数学原理公式，对声速计算方程进行编写。
66.具体地，可通过软件对声速方程进行编写，可以通过matlab软件对声速计算方程进行编写。
67.编写后的声速计算方程为。其中，是声波在土壤中每个位置点的传播，是每个位置点之间相隔的距离，是声波在每个位置点的时间，是每个位置点的坐标。
68.那么，声波从震源传递至检测光缆上的初至时间就是声波在每个位置点的时间之和，当然，这显然是多个位置点在同一条传播路径的前提下进行计算。这样，将时间关系带入公式中，其中，为声波从震源传递至检测光缆上d点的初至时间，为传播路径中每个位置点的时间，也就是上述的，为根据震源信号到光缆的距离得出的路径矩阵。那么，即可得到，其中，为声波从震源传递至检测光缆上d点的初至时间，也即上述。也即，声波从震源传递至检测光缆上的初至时间就是声波在每个位置点的时间之和。
69.在确定声速方程之后，步骤s500还可以由以下步骤s520步骤s530实现。
70.步骤s520：以预设点为原点、第一方向为y轴、第二方向为x轴，建立土壤对应的网格坐标系。
71.图5是本技术实施例提供的声波传递的模拟示意图。
72.参见图5，建立土壤对应的网格坐标系。以第一方向为y轴，第二方向为x轴。其中，第二方向也是与检测光缆的延伸方向相同，可以理解为，以检测光缆为轴线建立x轴。震源在y轴上，并位于网格坐标系的顶点位置。
73.需要强调的是，本技术实施例中的检测光缆是埋置在地下一定深度范围内的。建立上述网格坐标系，可以理解为，震源的位置即为地表位置，震源到x轴的垂直距离即为检测光缆的埋置深度。
74.步骤s530：获取声波在震源和检测光缆之间的各个传播路径，确定传播路径附近的各个目标位置点的坐标值，以及，根据各个目标位置点的坐标值和声波在各个目标位置点的时间，计算声波在各个目标位置点的传播速度。
75.具体地，在震源产生振动后，振动会以声波的形式在土壤中传递，存在很多传播路径。
76.继续参见图5，以一条传播路径为例进行介绍目标位置点的选取。
77.目标位置点是在位置点中，选取的可以组成声波折线的点。声波折线是指在声波以折线的形式传递，从而便于计算声波的局部速度。在网格坐标系中，声波实际以直线形式传递，在位置点中选取目标位置点后，组成声波折线，将声波以折线形式传递。这样，声波在各个目标位置点的时间和网格距离带入声速方程中计算声波的速度。
78.具体地，多个位置点分布在声波传播路径的附近，而选取目标位置点的原则是，在
被传播分割的网格坐标系的中，面积较小一侧的网格点即为目标位置点。
79.继续参见图5，以位置点a1和位置点b1为例，在a1和b1中选取目标位置点。可以看出，a1和b1组成的网格被声波传播路径分割，并且分割为面积不同的两部分，a1所在的三角形的面积较小，b1所在的五边形的面积较大，此时选取a1作为目标位置点，而b1仅为位置点而并非是目标位置点。也可以理解为，a1与b1相比，距传播路径较近，进而选取a1作为目标位置点。
80.在选取多个目标位置点之后，连接多个目标位置点，即可得到如图5所示的声波折线。也就是声波从震源至检测光缆上目标位置点d的传播路径。
81.在步骤s530中，“根据各个目标位置点的坐标值和声波在各个目标位置点的时间，计算声波在各个目标位置点的传播速度”的步骤，可以由以下步骤s531和步骤s532所实现。
82.步骤s531：根据目标位置点的坐标值，计算目标位置点与前一目标位置点之间的网格距离。
83.继续参见图5，以计算目标位置点c1的声波速度为例。
84.可以理解的是，在步骤s400中，已经获知了各个位置点的时间和位置信息。那么，目标位置点c1和目标位置点a1的坐标是已知的，通过坐标值即可计算出来c1和a1之间的网格距离，也就是单个网格的距离。
85.步骤s532：计算网格距离和声波在目标位置点的时间的比值，得到声波在目标位置点的传播速度。
86.具体地，本技术实施例中声波速度是局部速度，因此目标位置点c1的速度，将其带入声速方程中，即为声波从a1传递至c1的距离与声波从a1传递至c1的时间的比值。其中，声波从a1传递至c1的时间即为声波在目标位置点c1处的时间，也就是目标位置点c1的初至时间与目标位置点a1的初至时间的差值。
87.步骤s600：根据声波在土壤中的传播速度与土壤的含水率之间的关系，计算土壤中的各个位置点的含水率。
88.具体地，在已知声波在土壤中的传播速度的前提下，反演出土壤的含水率。体现在：在计算出声波在土壤中的传播速度之后，通过声波在土壤中的传播速度与土壤含水率之间的关系，计算土壤中各个位置点的含水率，具体为土壤中各个目标位置点的含水率。
89.根据布鲁萨特模型中速度与含水率的关系，在速度已知的前提下，计算出土壤在各个目标位置点的含水率。
90.将各个目标位置点的声波传播速度带入公式1中，计算土壤在各个目标位置点的含水率。
91.公式1为：。公式1为布鲁萨特模型，为声波在各个位置点的传播速度，为参数，为土壤有效应力，为土壤的孔隙度，为无量纲量。其中，具体为声波在各个目标位置点的传播速度。
92.；其中，为空气的体积模量，为水的体积模量，为土壤液体饱和度。
93.将无量纲量带入到公式1中，即可计算出各个目标位置点的含水率。
94.图6为本技术实施例提供的方法与传统方法的对比分析图。
95.参见图6，图中直线表示采用传统方法进行检测的结果，具体的传统方法可以为点式测量法。图中虚线表示采用本技术实施例提供的方法进行检测的结果。图中横坐标与上述建立的网格坐标系中的x轴中的数值对应，纵坐标为土壤含水率数值。可以看出，本技术实施例提供的方法与传统方法检测趋势相同，说明了本技术实施例中方法的可行性。但是，在检测过程中，传统的点式测量法无法实现大面积检测、检测较为耗时，而本技术实施例提供的方法更适宜大面积检测，并极大的缩短了检测流程。
96.在一些实施例中，在步骤s420之后，声速测量反演方法还可以包括步骤s421。
97.步骤s421：采用压缩感知方法将各个位置点的初至时间进行稀疏处理。
98.在步骤s421中，将各个位置点的初至时间带入公式2中进行稀疏处理。
99.公式2为：；其中，为各个位置点的初至时间，为压缩感知原理中设置的一个稀疏基，为稀疏信号。
100.具体地，对于稀疏信号或可压缩信号而言，可采用低于奈奎斯特采样频率的压缩感知方式对数据采样，以降低数据传输量，重建信号。
101.对于检测光缆上d点初至时间的稀疏则可将公式2带入的公式中，即可得到，即可实现对光缆上d点初至时间的稀疏处理。
102.本技术实施例提供的声速测量反演方法，一方面，通过调整检测光缆的长度对大范围、长距离的土壤进行测量，而且由于检测光缆埋置在土壤内部，受外界环境影响较小。另一方面，不需要进行多次检测，就可以得到大范围土壤的含水率数据，缩短了检测流程，有效减小大范围土壤的检测成本，提高检测效率。再一方面，本技术实施例检测的是通过局部声波速度检测的是各个位置点的含水率，这样对于判断局部土壤性质有较好的帮助，有效保证检测精度。
103.需要说明的是，本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本技术的真正范围由权利要求指出。
104.应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求来限制。

技术特征：
1.一种基于分布式光纤传感的声速测量反演方法，应用于分布式光纤传感检测系统，其特征在于，所述系统包括设置在土壤表面的震源，埋设于土壤内第一深处的检测光缆、光纤传感器和控制器，所述光纤传感器被配置为：产生检测光信号，接收所述检测光缆在传输所述检测光信号期间产生的散射光信号，将所述散射光信号转换为数字信号，其中，所述散射光信号随所述检测光缆的应变状态的变化而变化，所述控制器被配置为：基于所述数字信号计算土壤的含水率；所述方法包括：向所述检测光缆中发送所述检测光信号；利用所述震源产生在土壤中传递的声波；接收所述检测光缆中产生的所述散射光信号；采用三乘三解调算法和初至时间提取算法处理所述散射光信号，得到所述声波在土壤内各个位置点的时间；根据所述声波传播到土壤中各个所述位置点的时间，计算所述声波在各个所述位置点的传播速度；根据所述声波在土壤中的传播速度与土壤的含水率之间的关系，计算土壤中的各个所述位置点的含水率。2.根据权利要求1所述的声速测量反演方法，其特征在于，所述采用三乘三解调算法和初至时间提取算法处理所述散射光信号，得到所述声波在土壤内各个位置点的时间，包括：采用所述三乘三解调算法处理所述散射光信号，得到所述声波的瀑布图；采用所述初至时间提取算法在所述声波的瀑布图中提取各个所述位置点的初至时间；根据各个所述位置点的初至时间计算所述声波在各个所述位置点的时间。3.根据权利要求2所述的声速测量反演方法，其特征在于，所述根据各个所述位置点的初至时间计算所述声波在各个所述位置点的时间，包括：所述声波在所述位置点的时间为所述位置点的初至时间与前一所述位置点的初至时间之差。4.根据权利要求1所述的声速测量反演方法，其特征在于，所述根据所述声波在土壤中各个所述位置点的时间，计算所述声波在各个所述位置点的传播速度，包括：以预设点为原点、第一方向为y轴、第二方向为x轴，建立土壤对应的网格坐标系；获取所述声波在所述震源和所述检测光缆之间的各个传播路径，确定所述传播路径附近的各个目标位置点的坐标值，以及，根据各个所述目标位置点的坐标值和所述声波在各个所述目标位置点的时间，计算所述声波在各个所述目标位置点的传播速度。5.根据权利要求4所述的声速测量反演方法，其特征在于，所述目标位置点为，在被所述传播路径分割的所述网格坐标系的网格中，面积较小一侧的网格点。6.根据权利要求4所述的声速测量反演方法，其特征在于，所述根据所述声波在土壤中各个位置点的时间，计算所述声波在各个所述位置点的传播速度，包括：根据所述目标位置点的坐标值，计算所述目标位置点与前一所述目标位置点之间的网格距离；计算所述网格距离和所述声波在所述目标位置点的时间的比值，得到所述声波在所述目标位置点的传播速度。
7.根据权利要求5所述的声速测量反演方法，其特征在于，所述根据所述声波在土壤中的传播速度与土壤的含水率之间的关系，计算土壤中的各个所述位置点的含水率，包括：根据布鲁萨特模型中速度与含水率的关系，计算各个所述目标位置点的含水率。8.根据权利要求7所述的声速测量反演方法，其特征在于，所述根据所述布鲁萨特模型中速度与含水率的关系，计算各个所述目标位置点的含水率，包括：将各个所述目标位置点的传播速度带入公式1中，计算土壤在各个所述目标位置点的含水率；所述公式1为：；其中，所述公式1为所述布鲁萨特模型，为所述声波在各个所述目标位置点的传播速度，为参数，为土壤有效应力，为土壤的总密度，为土壤的孔隙度，为无量纲量。9.根据权利要求2所述的声速测量反演方法，其特征在于，所述采用所述初至时间提取算法在所述声波的瀑布图中提取多个所述位置点的初至时间之后，所述方法还包括：采用压缩感知方法将各个所述位置点的初至时间进行稀疏处理。10.根据权利要求9所述的声速测量反演方法，其特征在于，所述采用压缩感知方法将各个所述位置点的初至时间进行稀疏处理，包括：将各个所述位置点的初至时间带入公式2中进行稀疏处理，所述公式2为：；其中，为各个所述位置点的初至时间，为压缩感知原理中设置的一个稀疏基，为稀疏信号。

技术总结
本申请涉及分布式光纤传感探测技术领域，公开一种基于分布式光纤传感的声速测量反演方法，包括：向检测光缆中发送检测光信号；利用震源产生声波；接收检测光缆中产生的散射光信号；采用三乘三解调算法和初至时间提取算法处理散射光信号，得到声波在土壤内各个位置点的时间；根据声波传播到土壤中各个位置点的时间，计算声波在各个位置点的传播速度；根据传播速度与土壤含水率之间的关系，计算土壤的含水率。本申请提供的方法可以对大范围、长距离的土壤进行测量，且检测光缆埋置在土壤内部，受外界环境影响较小。而且不需要进行多次检测，就可以得到大范围土壤的含水率数据，缩短了检测流程，有效减小大范围土壤的检测成本，提高检测效率。提高检测效率。提高检测效率。


技术研发人员：王晨 尚盈 黄胜 贺秋杰 杨健 渠帅 李常 曹冰 王伟涛 倪家升
受保护的技术使用者：山东省科学院激光研究所
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/8/14