來(lái)源：光電匯OESHOW，作者王昌，尚盈
光纖傳感技術(shù)隨著(zhù)光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)，它已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家信息現代化程度的重要標志之一。
其中分布式光纖傳感技術(shù)是一種以光纖同時(shí)作為傳輸媒介和敏感元件的連續分布式傳感技術(shù)，可以實(shí)現長(cháng)達上百公里高密度的溫度、應變、聲波等的連續分布式測量。
那么，分布式光纖傳感技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化前景如何？
編輯｜感知芯視界
01研制背景
聲波傳感技術(shù)以聲波傳感器為主體，研究和發(fā)展聲波信息的形成、傳輸、接收、變換、處理和應用，在民用設施如橋梁、大型建筑等土木工程的健康監測[1-3]領(lǐng)域得到了廣泛應用。
隨著(zhù)聲波傳感技術(shù)的深入研究，該技術(shù)逐漸擴展到能源領(lǐng)域如天然氣、石油開(kāi)采開(kāi)發(fā)[4-5]以及軍事、國防[6-7]等重要領(lǐng)域，具有重要的經(jīng)濟價(jià)值和社會(huì )意義。隨著(zhù)以上重要領(lǐng)域的發(fā)展，為了實(shí)現全方位更精準監測，需要大量高密度的監測數據。
傳統的聲波傳感基于壓電技術(shù)，受環(huán)境因素影響大、抗電磁干擾能力弱、分辨率較低、惡劣環(huán)境下易損壞、可靠性差，難以實(shí)現微弱聲波信號的有效提取，并且傳統聲波傳感是點(diǎn)式傳感，難以形成長(cháng)距離、高空間分辨率的覆蓋式測量；而光纖聲波傳感技術(shù)則具有非常明顯的技術(shù)優(yōu)勢[8-9]，具有頻帶寬、靈敏度高、耐高溫、不受電磁場(chǎng)干擾等優(yōu)點(diǎn)。
單點(diǎn)式光纖聲波傳感器同樣具有難以完成長(cháng)距離、高空間分辨率的覆蓋式測量的缺陷，而分布式光纖聲波傳感技術(shù)（Distributed AcousticSensing，DAS）因其大范圍、高信息獲取效率，正逐漸成為傳感研究的重點(diǎn)[10]。
其主要分為干涉儀型和后向散射型兩種，干涉儀型分布式光纖傳感技術(shù)主要基于光纖干涉儀實(shí)現傳感，干涉儀的種類(lèi)有Michelson 光纖干涉儀，M-Z 光纖干涉儀，Sagnac 光纖干涉儀以及復合結構干涉儀等，這類(lèi)分布式光纖傳感器具有高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，但存在著(zhù)易受干擾、監測范圍短，定位算法復雜等問(wèn)題，制約著(zhù)該技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的推廣應用。
分布式光纖聲波傳感技術(shù)是目前基于后向散射原理的光纖聲波傳感技術(shù)[11]，分布式光纖傳感器中的光纖能夠集傳感、傳輸功能于一體，能夠完成在整條光纖長(cháng)度上環(huán)境參量的空間、時(shí)間多維連續測量，具有結構簡(jiǎn)單、易于布設、性?xún)r(jià)比高、易實(shí)現長(cháng)距離等獨特優(yōu)點(diǎn)，特別適用于工作環(huán)境惡劣、監測距離長(cháng)的深井石油勘探、軍事、國防等重要領(lǐng)域。
02DAS技術(shù)原理
DAS 技術(shù)主要基于相位敏感光時(shí)域反射技術(shù)（φ-OTDR），這里我們采用光纖背向瑞利散射的一維脈沖響應模型來(lái)描述整個(gè)系統波形的特性，將長(cháng)度為L的光纖分成N個(gè)散射單元，Δl=L/N是散射單元的長(cháng)度，定義τ0=2nfΔl/c為單位散射時(shí)間。
如圖1 所示，當有一束頻率為f、脈沖寬度為w的高相干脈沖光E0cos(2πft)rect(t/w)從L=0 處入射到光纖上，則在光纖輸入端獲得的背向瑞利散射信號振幅可表示為：
式中，α是光纖衰減常數，c是真空中光速，nf是光纖折射率，并且當0 ≤ [(t-τm)/w] ≤ 1 時(shí)矩形函數rect[(t-τm)/w]=1 ，其他情況rect[(t-τm)/w]=0 。τm是光纖任意第m個(gè)散射點(diǎn)的時(shí)間延遲，其與從輸入端到光纖任意第m個(gè)散射點(diǎn)的光纖長(cháng)度lm的關(guān)系為：
如圖2 所示，光纖上某一點(diǎn)的聲波信息便由對應某時(shí)刻的背向瑞利散射光信號來(lái)描述，散射光的變化就能反應出此點(diǎn)上聲波信息所包含的內容。
圖1 DAS 原理示意圖
圖2 DAS 系統工作示意圖
03DAS產(chǎn)業(yè)化應用
（1）周界安防
傳統的周界安防解決策略主要是基于紅外線(xiàn)對射、視頻監控、泄漏電纜及電子圍欄等方式（如圖3），然而這些傳統的安防解決策略具有抗環(huán)境干擾能力差、抗電磁干擾能力差、檢測范圍小、維護成本高等缺陷。新時(shí)代的周界安防系統不僅需要對各類(lèi)入侵行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監控、識別和響應報警，同時(shí)還要兼具遠程控制與響應、高精度入侵定位、多環(huán)境適應性、抗各種擾動(dòng)、低能耗等特性。
圖3 DAS 周界安防示意圖
DAS 系統主要利用光纖傳感元件對壓力及振動(dòng)敏感度高的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行感應和測量，非常適用于對各類(lèi)振動(dòng)及壓力等信號進(jìn)行監測，所以具備傳統安全防范體系所不可比擬的優(yōu)勢，已經(jīng)在政府要地安全、基礎設施安全保障、邊境防御入侵、電力電網(wǎng)系統安全、超遠距離管道監測及自然災害監測等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展與應用。
如圖4 所示，DAS 系統通過(guò)預埋在邊境沿線(xiàn)下光纖（纜）中的光，對地面上邊境線(xiàn)附近的環(huán)境振動(dòng)感應、分析，判斷出不同的入侵類(lèi)型，實(shí)現全方位、全時(shí)段的隱蔽式入侵監控。
圖4 DAS 周界安防應用（左圖來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )）
（2）智慧管線(xiàn)
我國城市大部分地下管網(wǎng)開(kāi)始進(jìn)入超期服役階段，受環(huán)境條件所限缺乏必要的監測和預報警手段，且地面其他施工過(guò)程時(shí)，現場(chǎng)施工管理人員盲目、野蠻開(kāi)挖，也會(huì )對地下管網(wǎng)造成不必要的破壞，給居民生活和公共財產(chǎn)安全造成巨大的威脅（如圖5）。
圖5 管線(xiàn)第三方破壞監測
DAS 系統將光纜作為前端傳感器，利用光纖中瑞利散射光對振動(dòng)敏感的特性，對光纖沿途外界擾動(dòng)信息以及管道的泄露信號進(jìn)行分布式感知和精確定位（如圖6），實(shí)現全方位連續監測。同時(shí)，依靠先進(jìn)的算法處理和模式識別技術(shù)，可以對管道沿途車(chē)輛行駛、人工挖掘、機械施工等潛在破壞事件進(jìn)行判斷和監控。
圖6 管線(xiàn)泄露監測
（3）石油勘探
隨著(zhù)我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國石油的消耗量將長(cháng)期處于世界第一的位置。2020 年，國內原油產(chǎn)量1.95 億噸，原油進(jìn)口量則達5.42億噸，對外依存度攀升到了73%，已遠遠超過(guò)了國際公認50% 的安全警戒線(xiàn)，石油能源安全問(wèn)題已迫在眉睫。提高油田勘探開(kāi)發(fā)力度、開(kāi)辟新技術(shù)、降低傳統勘探成本、提高石油產(chǎn)量，都是國家對未來(lái)能源勘探的重要提升方向。
DAS 系統利用光纜對地震信號傳感，將光纜下井，測試光纜的部署簡(jiǎn)易，整條光纖都可以動(dòng)態(tài)監測地震波信號，實(shí)現單炮全井數據覆蓋，相比傳統地震檢波器的點(diǎn)式勘探，極大促進(jìn)了地震勘探生產(chǎn)提質(zhì)降本增效。
我單位與勝利油田合作開(kāi)展了放炮地震波現場(chǎng)實(shí)驗（圖7）。圖8 為DAS 測試數據，橫坐標為通道數，道間距1 m，通道0~960 對應著(zhù)傳感光纜0~960 m；縱坐標為時(shí)間，是地震波傳播到傳感光纜的時(shí)間?，F場(chǎng)垂直于480 通道的位置進(jìn)行彈炮引爆，地震波傳播向兩邊擴展，通道480~0 以及通道480~960 依次探測到初至波，如圖中紅線(xiàn)區域，地震波的初至波很明晰，并且獲得了清晰的地層反射波，如圖中黃線(xiàn)區域?，F場(chǎng)實(shí)驗結果證明了DAS 技術(shù)實(shí)現了地震勘探，是一種新型可靠的物探方法。
圖7 DAS 地震波監測現場(chǎng)圖
圖8 DAS 地震波測試數據
（3）水下安防
我國大陸海岸線(xiàn)有18000 多千米，沿海面積超過(guò)0.5 平方千米的島嶼有6500 多個(gè)。我國大部分沿?；睾透劭谌狈ν晟频陌卜荔w系和有效的防范技術(shù)手段，而隨著(zhù)現代水下科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，各種水下裝備正在迅速發(fā)展，特別是現代蛙人、水下機器人和微型潛艇等，這些新型水下裝備的發(fā)展對海軍的水面艦艇、軍用港口、碼頭和軍事設施等造成了嚴重威脅。圖9 展示了作戰蛙人和潛器。
圖9 作戰蛙人、潛器（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )）
針對水域周界的入侵監測需求，結合光纖傳感技術(shù)優(yōu)勢，研發(fā)能對水上水下入侵目標進(jìn)行遠程警戒探測與識別結合的分布式全光纖防侵入的監測網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現對水面艦艇、水下航行器及蛙人等目標的有效探測和識別，為水域安防提供先進(jìn)技術(shù)裝備和先進(jìn)技術(shù)手段，成為日益急迫的任務(wù)。
DAS 水域安防系統如圖10 所示，主要包括:水下分布式聲波傳感光纜和分布式聲波傳感監控中心，將分布式聲波傳感光纜布設在需要監控的水域底部（海床上面），并將其中上岸部分的接頭接入監控中心的分布式聲波傳感監控主機，實(shí)現整個(gè)傳感光纜所在區域的周界安防。
圖10 分布式光纖水下安防示意圖
DAS 系統監測效果如圖11 所示，完成不同位置不同事件的同時(shí)連續監測，對入侵事件精確定位，并通過(guò)模式識別算法告知監控中心的入侵事件類(lèi)型（蛙人、潛艇、水面艦船等）。
圖11 分布式光纖水下安防監控效果圖
04總結與展望
DAS 系統在能源、國防軍事、民用設施等重要領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)重要作用。但是目前DAS 系統還存在著(zhù)頻帶、探測距離和空間分辨率相互制約的技術(shù)難題。建議可以充分融合OTDR 和OFDR 的技術(shù)優(yōu)勢，開(kāi)展新的傳感技術(shù)以及相應解調方法的改進(jìn)研究，特別是與新技術(shù)相匹配的激光光源的研究，提高DAS 系統的頻帶、探測距離和空間分辨率特性參數，更好地為國民經(jīng)濟建設提供技術(shù)支撐。
作者簡(jiǎn)介
王昌，博士，二級研究員，齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）副校長(cháng)，主要研究方向為在國防、電力、油氣勘探、智能材料與結構等領(lǐng)域開(kāi)展特種光纖及器件的應用技術(shù)研究；
尚盈，博士，研究員，主要研究方向為分布式光纖傳感及系統設計研究。
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