來源：光電匯OESHOW，作者王昌，尚盈
光纖傳感技術隨著光纖通信技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來，它已經成為衡量一個國家信息現(xiàn)代化程度的重要標志之一。
其中分布式光纖傳感技術是一種以光纖同時作為傳輸媒介和敏感元件的連續(xù)分布式傳感技術，可以實現(xiàn)長達上百公里高密度的溫度、應變、聲波等的連續(xù)分布式測量。
那么，分布式光纖傳感技術的產業(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(jiān)測[1-3]領域得到了廣泛應用。
隨著聲波傳感技術的深入研究，該技術逐漸擴展到能源領域如天然氣、石油開采開發(fā)[4-5]以及軍事、國防[6-7]等重要領域，具有重要的經濟價值和社會意義。隨著以上重要領域的發(fā)展，為了實現(xiàn)全方位更精準監(jiān)測，需要大量高密度的監(jiān)測數(shù)據(jù)。
傳統(tǒng)的聲波傳感基于壓電技術，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，難以實現(xiàn)微弱聲波信號的有效提取，并且傳統(tǒng)聲波傳感是點式傳感，難以形成長距離、高空間分辨率的覆蓋式測量；而光纖聲波傳感技術則具有非常明顯的技術優(yōu)勢[8-9]，具有頻帶寬、靈敏度高、耐高溫、不受電磁場干擾等優(yōu)點。
單點式光纖聲波傳感器同樣具有難以完成長距離、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（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[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主要基于光纖干涉儀實現(xiàn)傳感，干涉儀的種類有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，這類分布式光纖傳感器具有高靈敏度的優(yōu)點，但存在著易受干擾、監(jiān)測范圍短，定位算法復雜等問題，制約著該技術在相關領域的推廣應用。
分布式光纖聲波傳感技術是目前基于后向散射原理的光纖聲波傳感技術[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度上環(huán)境參量的空間、時間多維連續(xù)測量，具有結構簡單、易于布設、性價比高、易實現(xiàn)長距離等獨特優(yōu)點，特別適用于工作環(huán)境惡劣、監(jiān)測距離長的深井石油勘探、軍事、國防等重要領域。
02DAS技術原理
DAS 技術主要基于相位敏感光時域反射技術（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描述整個系統(tǒng)波形的特性，將長度為L的光纖分成N個散射單元，Δl=L/N是散射單元的長度，定義τ0=2nfΔl/c為單位散射時間。
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(shù)，c是真空中光速，nf是光纖折射率，并且當0 ≤ [(t-τm)/w] ≤ 1 時矩形函數(shù)rect[(t-τm)/w]=1 ，其他情況rect[(t-τm)/w]=0 。τm是光纖任意第m個散射點的時間延遲，其與從輸入端到光纖任意第m個散射點的光纖長度lm的關系為：
如圖2 所示，光纖上某一點的聲波信息便由對應某時刻的背向瑞利散射光信號來描述，散射光的變化就能反應出此點上聲波信息所包含的內容。
圖1 DAS 原理示意圖
圖2 DAS 系統(tǒng)工作示意圖
03DAS產業(yè)化應用
（1）周界安防
傳統(tǒng)的周界安防解決策略主要是基于紅外線對射、視頻監(jiān)控、泄漏電纜及電子圍欄等方式（如圖3），然而這些傳統(tǒng)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。新時代的周界安防系統(tǒng)不僅需要對各類入侵行為進行實時監(jiān)控、識別和響應報警，同時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、低能耗等特性。
圖3 DAS 周界安防示意圖
DAS 系統(tǒng)主要利用光纖傳感元件對壓力及振動敏感度高的特點來進行感應和測量，非常適用于對各類振動及壓力等信號進行監(jiān)測，所以具備傳統(tǒng)安全防范體系所不可比擬的優(yōu)勢，已經在政府要地安全、基礎設施安全保障、邊境防御入侵、電力電網(wǎng)系統(tǒng)安全、超遠距離管道監(jiān)測及自然災害監(jiān)測等領域具有廣闊的發(fā)展與應用。
如圖4 所示，DAS 系統(tǒng)通過預埋在邊境沿線下光纖（纜）中的光，對地面上邊境線附近的環(huán)境振動感應、分析，判斷出不同的入侵類型，實現(xiàn)全方位、全時段的隱蔽式入侵監(jiān)控。
圖4 DAS 周界安防應用（左圖來源于網(wǎng)絡）
（2）智慧管線
我國城市大部分地下管網(wǎng)開始進入超期服役階段，受環(huán)境條件所限缺乏必要的監(jiān)測和預報警手段，且地面其他施工過程時，現(xiàn)場施工管理人員盲目、野蠻開挖，也會對地下管網(wǎng)造成不必要的破壞，給居民生活和公共財產安全造成巨大的威脅（如圖5）。
圖5 管線第三方破壞監(jiān)測
DAS 系統(tǒng)將光纜作為前端傳感器，利用光纖中瑞利散射光對振動敏感的特性，對光纖沿途外界擾動信息以及管道的泄露信號進行分布式感知和精確定位（如圖6），實現(xiàn)全方位連續(xù)監(jiān)測。同時，依靠先進的算法處理和模式識別技術，可以對管道沿途車輛行駛、人工挖掘、機械施工等潛在破壞事件進行判斷和監(jiān)控。
圖6 管線泄露監(jiān)測
（3）石油勘探
隨著我國國民經濟的高速發(fā)展，我國石油的消耗量將長期處于世界第一的位置。2020 年，國內原油產量1.95 億噸，原油進口量則達5.42億噸，對外依存度攀升到了73%，已遠遠超過了國際公認50% 的安全警戒線，石油能源安全問題已迫在眉睫。提高油田勘探開發(fā)力度、開辟新技術、降低傳統(tǒng)勘探成本、提高石油產量，都是國家對未來能源勘探的重要提升方向。
DAS 系統(tǒng)利用光纜對地震信號傳感，將光纜下井，測試光纜的部署簡易，整條光纖都可以動態(tài)監(jiān)測地震波信號，實現(xiàn)單炮全井數(shù)據(jù)覆蓋，相比傳統(tǒng)地震檢波器的點式勘探，極大促進了地震勘探生產提質降本增效。
我單位與勝利油田合作開展了放炮地震波現(xiàn)場實驗（圖7）。圖8 為DAS 測試數(shù)據(jù)，橫坐標為通道數(shù)，道間距1 m，通道0~960 對應著傳感光纜0~960 m；縱坐標為時間，是地震波傳播到傳感光纜的時間?，F(xiàn)場垂直于480 通道的位置進行彈炮引爆，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，如圖中紅線區(qū)域，地震波的初至波很明晰，并且獲得了清晰的地層反射波，如圖中黃線區(qū)域。現(xiàn)場實驗結果證明了DAS 技術實現(xiàn)了地震勘探，是一種新型可靠的物探方法。
圖7 DAS 地震波監(jiān)測現(xiàn)場圖
圖8 DAS 地震波測試數(shù)據(jù)
（3）水下安防
我國大陸海岸線有18000 多千米，沿海面積超過0.5 平方千米的島嶼有6500 多個。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手段，而隨著現(xiàn)代水下科學技術的高速發(fā)展，各種水下裝備正在迅速發(fā)展，特別是現(xiàn)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(zhàn)蛙人和潛器。
圖9 作戰(zhàn)蛙人、潛器（圖片來源于網(wǎng)絡）
針對水域周界的入侵監(jiān)測需求，結合光纖傳感技術優(yōu)勢，研發(fā)能對水上水下入侵目標進行遠程警戒探測與識別結合的分布式全光纖防侵入的監(jiān)測網(wǎng)絡，實現(xiàn)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技術裝備和先進技術手段，成為日益急迫的任務。
DAS 水域安防系統(tǒng)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(jiān)控中心，將分布式聲波傳感光纜布設在需要監(jiān)控的水域底部（海床上面），并將其中上岸部分的接頭接入監(jiān)控中心的分布式聲波傳感監(jiān)控主機，實現(xiàn)整個傳感光纜所在區(qū)域的周界安防。
圖10 分布式光纖水下安防示意圖
DAS 系統(tǒng)監(jiān)測效果如圖11 所示，完成不同位置不同事件的同時連續(xù)監(jiān)測，對入侵事件精確定位，并通過模式識別算法告知監(jiān)控中心的入侵事件類型（蛙人、潛艇、水面艦船等）。
圖11 分布式光纖水下安防監(jiān)控效果圖
04總結與展望
DAS 系統(tǒng)在能源、國防軍事、民用設施等重要領域發(fā)揮著重要作用。但是目前DAS 系統(tǒng)還存在著頻帶、探測距離和空間分辨率相互制約的技術難題。建議可以充分融合OTDR 和OFDR 的技術優(yōu)勢，開展新的傳感技術以及相應解調方法的改進研究，特別是與新技術相匹配的激光光源的研究，提高DAS 系統(tǒng)的頻帶、探測距離和空間分辨率特性參數(shù)，更好地為國民經濟建設提供技術支撐。
作者簡介
王昌，博士，二級研究員，齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）副校長，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域開展特種光纖及器件的應用技術研究；
尚盈，博士，研究員，主要研究方向為分布式光纖傳感及系統(tǒng)設計研究。
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