聊聊分布式光纤传感技术，产业化应用前景如何？

guozhiwei · 发表于 2023-7-22 12:19:43

　　研制背景

　　声波传感技术以声波传感器为主体，研究和发展声波信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用，在民用设施如桥梁、大型建筑等土木工程的健康监测[1-3]领域得到了广泛应用。随着声波传感技术的深入研究，该技术逐渐扩展到能源领域如天然气、石油开采开发[4-5]以及军事、国防[6-7]等重要领域，具有重要的经济价值和社会意义。随着以上重要领域的发展，为了实现全方位更精准监测，需要大量高密度的监测数据。分布式光纤桩基沉降监测一直是行业的佼佼者，在业内好评如潮，备受大众所青睐。

　　传统的声波传感基于压电技术，受环境因素影响大、抗电磁干扰能力弱、分辨率较低、恶劣环境下易损坏、可靠性差，难以实现微弱声波信号的有效提取，并且传统声波传感是点式传感，难以形成长距离、高空间分辨率的覆盖式测量；而光纤声波传感技术则具有非常明显的技术优势[8-9]，具有频带宽、灵敏度高、耐高温、不受电磁场干扰等优点。

　　单点式光纤声波传感器同样具有难以完成长距离、高空间分辨率的覆盖式测量的缺陷，而分布式光纤声波传感技术（Distributed AcousticSensing，DAS）因其大范围、高信息获取效率，正逐渐成为传感研究的重点[10]。其主要分为干涉仪型和后向散射型两种，干涉仪型分布式光纤传感技术主要基于光纤干涉仪实现传感，干涉仪的种类有Michelson  光纤干涉仪，M-Z 光纤干涉仪，Sagnac  光纤干涉仪以及复合结构干涉仪等，这类分布式光纤传感器具有高灵敏度的优点，但存在着易受干扰、监测范围短，定位算法复杂等问题，制约着该技术在相关领域的推广应用。

　　分布式光纤声波传感技术是目前基于后向散射原理的光纤声波传感技术[11]，分布式光纤传感器中的光纤能够集传感、传输功能于一体，能够完成在整条光纤长度上环境参量的空间、时间多维连续测量，具有结构简单、易于布设、性价比高、易实现长距离等独特优点，特别适用于工作环境恶劣、监测距离长的深井石油勘探、军事、国防等重要领域。

　　DAS 技术原理

　　DAS 技术主要基于相位敏感光时域反射技术（φ-OTDR），这里我们采用光纤背向瑞利散射的一维脉冲响应模型来描述整个系统波形的特性，将长度为L 的光纤分成N 个散射单元，Δl =L/N 是散射单元的长度，定义τ0=2nfΔl /c 为单位散射时间。如图1 所示，当有一束频率为f 、脉冲宽度为w 的高相干脉冲光E0 cos(2πft )rect(t/w ) 从L=0 处入射到光纤上，则在光纤输入端获得的背向瑞利散射信号振幅可表示为：

　　式中，α 是光纤衰减常数，c 是真空中光速，nf 是光纤折射率，并且当0 ≤[(t-τm )/w ]≤ 1 时矩形函数rect[(t-τm )/w ]=1 ，其他情况rect[(t-τm )/w ]=0 。τm 是光纤任意第m 个散射点的时间延迟，其与从输入端到光纤任意第m 个散射点的光纤长度lm 的关系为：

　　如图2 所示，光纤上某一点的声波信息便由对应某时刻的背向瑞利散射光信号来描述，散射光的变化就能反应出此点上声波信息所包含的内容。

　　图1 DAS 原理示意图

　　图2 DAS 系统工作示意图

　　DAS 产业化应用

　　（1）周界安防

　　传统的周界安防解决策略主要是基于红外线对射、视频监控、泄漏电缆及电子围栏等方式（如图3），然而这些传统的安防解决策略具有抗环境干扰能力差、抗电磁干扰能力差、检测范围小、维护成本高等缺陷。新时代的周界安防系统不仅需要对各类入侵行为进行实时监控、识别和响应报警，同时还要兼具远程控制与响应、高精度入侵定位、多环境适应性、抗各种扰动、低能耗等特性。

　　图3 DAS 周界安防示意图

　　DAS 系统主要利用光纤传感元件对压力及振动敏感度高的特点来进行感应和测量，非常适用于对各类振动及压力等信号进行监测，所以具备传统安全防范体系所不可比拟的优势，已经在政府要地安全、基础设施安全保障、边境防御入侵、电力电网系统安全、超远距离管道监测及自然灾害监测等领域具有广阔的发展与应用。

　　如图4 所示，DAS 系统通过预埋在边境沿线下光纤（缆）中的光，对地面上边境线附近的环境振动感应、分析，判断出不同的入侵类型，实现全方位、全时段的隐蔽式入侵监控。

　　图4 DAS 周界安防应用（左图来源于网络）

　　（2）智慧管线

　　我国城市大部分地下管网开始进入超期服役阶段，受环境条件所限缺乏必要的监测和预报警手段，且地面其他施工过程时，现场施工管理人员盲目、野蛮开挖，也会对地下管网造成不必要的破坏，给居民生活和公共财产安全造成巨大的威胁（如图5）。

　　图5 管线第三方破坏监测

　　DAS 系统将光缆作为前端传感器，利用光纤中瑞利散射光对振动敏感的特性，对光纤沿途外界扰动信息以及管道的泄露信号进行分布式感知和精确定位（如图6），实现全方位连续监测。同时，依靠先进的算法处理和模式识别技术，可以对管道沿途车辆行驶、人工挖掘、机械施工等潜在破坏事件进行判断和监控。

　　图6 管线泄露监测

　　（3）石油勘探

　　随着我国国民经济的高速发展，我国石油的消耗量将长期处于世界第一的位置。2020  年，国内原油产量1.95 亿吨，原油进口量则达5.42亿吨，对外依存度攀升到了73%，已远远超过了国际公认50%  的“安全警戒线”，石油能源安全问题已迫在眉睫。提高油田勘探开发力度、开辟新技术、降低传统勘探成本、提高石油产量，都是国家对未来能源勘探的重要提升方向。

　　DAS 系统利用光缆对地震信号传感，将光缆下井，测试光缆的部署简易，整条光纤都可以动态监测地震波信号，实现“单炮全井数据覆盖”，相比传统地震检波器的点式勘探，极大促进了地震勘探生产提质降本增效。

　　我单位与胜利油田合作开展了放炮地震波现场实验（图7）。图8  为DAS 测试数据，横坐标为通道数，道间距1 m，通道0~960 对应着传感光缆0~960  m；纵坐标为时间，是地震波传播到传感光缆的时间。现场垂直于480 通道的位置进行弹炮引爆，地震波传播向两边扩展，通道480~0  以及通道480~960  依次探测到初至波，如图中红线区域，地震波的初至波很明晰，并且获得了清晰的地层反射波，如图中黄线区域。现场实验结果证明了DAS  技术实现了地震勘探，是一种新型可靠的物探方法。

　　图7 DAS 地震波监测现场图

　　图8 DAS 地震波测试数据

　　（3）水下安防

　　我国大陆海岸线有18000  多千米，沿海面积超过0.5 平方千米的岛屿有6500  多个。我国大部分沿海基地和港口缺乏完善的安防体系和有效的防范技术手段，而随着现代水下科学技术的高速发展，各种水下装备正在迅速发展，特别是现代蛙人、水下机器人和微型潜艇等，这些新型水下装备的发展对海军的水面舰艇、军用港口、码头和军事设施等造成了严重威胁。图9  展示了作战蛙人和潜器。

　　图9 作战蛙人、潜器（图片来源于网络）

　　针对水域周界的入侵监测需求，结合光纤传感技术优势，研发能对水上水下入侵目标进行远程警戒探测与识别结合的分布式全光纤防侵入的监测网络，实现对水面舰艇、水下航行器及蛙人等目标的有效探测和识别，为水域安防提供先进技术装备和先进技术手段，成为日益急迫的任务。

　　DAS 水域安防系统如图10 所示，主要包括:水下分布式声波传感光缆和分布式声波传感监控中心，将分布式声波传感光缆布设在需要监控的水域底部（海床上面），并将其中上岸部分的接头接入监控中心的分布式声波传感监控主机，实现整个传感光缆所在区域的周界安防。

　　图10 分布式光纤水下安防示意图

　　DAS 系统监测效果如图11 所示，完成不同位置不同事件的同时连续监测，对入侵事件精确定位，并通过模式识别算法告知监控中心的入侵事件类型（蛙人、潜艇、水面舰船等）。

　　图11 分布式光纤水下安防监控效果图

　　总结与展望

　　DAS  系统在能源、国防军事、民用设施等重要领域发挥着重要作用。但是目前DAS  系统还存在着频带、探测距离和空间分辨率相互制约的技术难题。建议可以充分融合OTDR 和OFDR  的技术优势，开展新的传感技术以及相应解调方法的改进研究，特别是与新技术相匹配的激光光源的研究，提高DAS  系统的频带、探测距离和空间分辨率特性参数，更好地为国民经济建设提供技术支撑。

　　作者简介

　　王昌，博士，二级研究员，齐鲁工业大学（山东省科学院）副校长，主要研究方向为在国防、电力、油气勘探、智能材料与结构等领域开展特种光纤及器件的应用技术研究；

　　尚盈，博士，研究员，主要研究方向为分布式光纤传感及系统设计研究。

　　参考文献

　　[1]P. Moyoa, J. M. W. Brownjohn and R. Suresh. Development of fiber Bragg  grating sensors for monitoring civil infrastructure[J]. Engineering  Structures, 2005, 27(12): 1828-1834.

　　[2]H. Li ,J. P. Ou. Full implementations of structural health monitoring  systems for long-Span bridges and large-span domes[M]. Proc. SPIE,  2006.

　　[3]J. M. Lopez-Higuera, C. J. Misas and A. Q. Incera. Fiber optic civil  structure monitoring system[J]. Optical Engineering, 2005, 44(4):  044401.

　　[4]Y J. Rao. Recent progress in applications of in-fiber Bragg grating  sensors[J]. Optics and Lasers in Engineering, 1999, 31(4): 297-324.

　　[5]Z. X. Hu, G. L. Zhang and J. He. Leak detection on gas pipe line with  the distributed fiber-Optic sensing technology[J]. Transducer  Technology, 2003, 22(10): 48-53.

　　[6]S. M. Melle, K. Liu and R. M. Measures. A passive wavelength  demodulation system for guided-wave Bragg grating sensors[J]. IEEE  Photonics Technology Letters, 1992, 4(5): 516-518.

　　[7]S. E. Watkins. Smart bridges with fiber-optic sensors[J]. IEEE  Instrumentation & Measurement Magazine, 2003, 6(2): 25-30.

　　[8]G. Gagliardi, M. Salza and S. Avino. Probing the Ultimate Limit of  Fiber-Optic Strain Sensing[J]. Science, 2010,330(6007): 1081-1085.

　　[9]N. Horiuchi. Acoustics: Fibre-optic pickup[J].Nature Photonics, 2012,6(2): 80.

　　[10]A. D. Kersey and A. Dandridge. Distributed and multiplexed fibre-optic  sensor systems[J]. Journal of the Institution of Electronic and Radio  Engineers, 1988, 58(5S): S99.

　　[11]K. Hornman, B. Kuvshinov and P. Zwartjes. Trial of a  Broadside-sensitive Distributed Acoustic Sensing Cable for Surface  Seismic[M]. EAGE 2013.

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