來源：光電匯OESHOW，作者王昌，尚盈
光纖傳感技術(shù)隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來，它已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家信息現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)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(xù)分布式傳感技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)上百公里高密度的溫度、應(yīng)變、聲波等的連續(xù)分布式測(cè)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(yīng)用，在民用設(shè)施如橋梁、大型建筑等土木工程的健康監(jiān)測(cè)[1-3]領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
隨著聲波傳感技術(shù)的深入研究，該技術(shù)逐漸擴(kuò)展到能源領(lǐng)域如天然氣、石油開采開發(fā)[4-5]以及軍事、國(guó)防[6-7]等重要領(lǐng)域，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。隨著以上重要領(lǐng)域的發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)全方位更精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，需要大量高密度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
傳統(tǒng)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(xiàn)微弱聲波信號(hào)的有效提取，并且傳統(tǒng)聲波傳感是點(diǎn)式傳感，難以形成長(zhǎng)距離、高空間分辨率的覆蓋式測(cè)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(shì)[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(zhǎng)距離、高空間分辨率的覆蓋式測(cè)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(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(fù)合結(jié)構(gòu)干涉儀等，這類分布式光纖傳感器具有高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，但存在著易受干擾、監(jiān)測(cè)范圍短，定位算法復(fù)雜等問題，制約著該技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的推廣應(yīng)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(zhǎng)度上環(huán)境參量的空間、時(shí)間多維連續(xù)測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于布設(shè)、性價(jià)比高、易實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，特別適用于工作環(huán)境惡劣、監(jiān)測(cè)距離長(zhǎng)的深井石油勘探、軍事、國(guó)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(yīng)模型來描述整個(gè)系統(tǒng)波形的特性，將長(zhǎng)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(zhǎng)度，定義τ0=2nfΔl/c為單位散射時(shí)間。
如圖1 所示，當(dāng)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(hào)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(dāng)0 ≤ [(t-τm)/w] ≤ 1 時(shí)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(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(zhǎng)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(duì)應(yīng)某時(shí)刻的背向瑞利散射光信號(hào)來描述，散射光的變化就能反應(yīng)出此點(diǎn)上聲波信息所包含的內(nèi)容。
圖1 DAS 原理示意圖
圖2 DAS 系統(tǒng)工作示意圖
03DAS產(chǎn)業(yè)化應(yīng)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(duì)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(cè)范圍小、維護(hù)成本高等缺陷。新時(shí)代的周界安防系統(tǒng)不僅需要對(duì)各類入侵行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、識(shí)別和響應(yīng)報(bào)警，同時(shí)還要兼具遠(yuǎn)程控制與響應(yīng)、高精度入侵定位、多環(huán)境適應(yīng)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(tǒng)主要利用光纖傳感元件對(duì)壓力及振動(dòng)敏感度高的特點(diǎn)來進(jìn)行感應(yīng)和測(cè)量，非常適用于對(duì)各類振動(dòng)及壓力等信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所以具備傳統(tǒng)安全防范體系所不可比擬的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在政府要地安全、基礎(chǔ)設(shè)施安全保障、邊境防御入侵、電力電網(wǎng)系統(tǒng)安全、超遠(yuǎn)距離管道監(jiān)測(cè)及自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展與應(yīng)用。
如圖4 所示，DAS 系統(tǒng)通過預(yù)埋在邊境沿線下光纖（纜）中的光，對(duì)地面上邊境線附近的環(huán)境振動(dòng)感應(yīng)、分析，判斷出不同的入侵類型，實(shí)現(xiàn)全方位、全時(shí)段的隱蔽式入侵監(jiān)控。
圖4 DAS 周界安防應(yīng)用（左圖來源于網(wǎng)絡(luò)）
（2）智慧管線
我國(guó)城市大部分地下管網(wǎng)開始進(jìn)入超期服役階段，受環(huán)境條件所限缺乏必要的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)警手段，且地面其他施工過程時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工管理人員盲目、野蠻開挖，也會(huì)對(duì)地下管網(wǎng)造成不必要的破壞，給居民生活和公共財(cái)產(chǎn)安全造成巨大的威脅（如圖5）。
圖5 管線第三方破壞監(jiān)測(cè)
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(duì)振動(dòng)敏感的特性，對(duì)光纖沿途外界擾動(dòng)信息以及管道的泄露信號(hào)進(jìn)行分布式感知和精確定位（如圖6），實(shí)現(xiàn)全方位連續(xù)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，依靠先進(jìn)的算法處理和模式識(shí)別技術(shù)，可以對(duì)管道沿途車輛行駛、人工挖掘、機(jī)械施工等潛在破壞事件進(jìn)行判斷和監(jiān)控。
圖6 管線泄露監(jiān)測(cè)
（3）石油勘探
隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)石油的消耗量將長(zhǎng)期處于世界第一的位置。2020 年，國(guó)內(nèi)原油產(chǎn)量1.95 億噸，原油進(jìn)口量則達(dá)5.42億噸，對(duì)外依存度攀升到了73%，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國(guó)際公認(rèn)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(shù)、降低傳統(tǒng)勘探成本、提高石油產(chǎn)量，都是國(guó)家對(duì)未來能源勘探的重要提升方向。
DAS 系統(tǒng)利用光纜對(duì)地震信號(hào)傳感，將光纜下井，測(cè)試光纜的部署簡(jiǎn)易，整條光纖都可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)地震波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)單炮全井?dāng)?shù)據(jù)覆蓋，相比傳統(tǒng)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展了放炮地震波現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)（圖7）。圖8 為DAS 測(cè)試數(shù)據(jù)，橫坐標(biāo)為通道數(shù)，道間距1 m，通道0~960 對(duì)應(yīng)著傳感光纜0~960 m；縱坐標(biāo)為時(shí)間，是地震波傳播到傳感光纜的時(shí)間?，F(xiàn)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(kuò)展，通道480~0 以及通道480~960 依次探測(cè)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?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了DAS 技術(shù)實(shí)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(cè)現(xiàn)場(chǎng)圖
圖8 DAS 地震波測(cè)試數(shù)據(jù)
（3）水下安防
我國(guó)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(gè)。我國(guó)大部分沿海基地和港口缺乏完善的安防體系和有效的防范技術(shù)手段，而隨著現(xiàn)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(xiàn)代蛙人、水下機(jī)器人和微型潛艇等，這些新型水下裝備的發(fā)展對(duì)海軍的水面艦艇、軍用港口、碼頭和軍事設(shè)施等造成了嚴(yán)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(luò)）
針對(duì)水域周界的入侵監(jiān)測(cè)需求，結(jié)合光纖傳感技術(shù)優(yōu)勢(shì)，研發(fā)能對(duì)水上水下入侵目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程警戒探測(cè)與識(shí)別結(jié)合的分布式全光纖防侵入的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水面艦艇、水下航行器及蛙人等目標(biāo)的有效探測(cè)和識(shí)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(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(shè)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(jī)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(cè)效果如圖11 所示，完成不同位置不同事件的同時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)入侵事件精確定位，并通過模式識(shí)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(jié)與展望
DAS 系統(tǒng)在能源、國(guó)防軍事、民用設(shè)施等重要領(lǐng)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(cè)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(shì)，開展新的傳感技術(shù)以及相應(yīng)解調(diào)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(tǒng)的頻帶、探測(cè)距離和空間分辨率特性參數(shù)，更好地為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供技術(shù)支撐。
作者簡(jiǎn)介
王昌，博士，二級(jí)研究員，齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）副校長(zhǎng)，主要研究方向?yàn)樵趪?guó)防、電力、油氣勘探、智能材料與結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域開展特種光纖及器件的應(yīng)用技術(shù)研究；
尚盈，博士，研究員，主要研究方向?yàn)榉植际焦饫w傳感及系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。
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