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摘要

詳細(xì)介紹了分布式光纖聲波傳感DAS系統(tǒng)的具體測(cè)量原理以及衡量其實(shí)際監(jiān)測(cè)性能的技術(shù)參數(shù)：傳感距離、空間分辨率、頻率響應(yīng)和信噪比。以管道泄漏、周界安防和水力壓裂為例，說(shuō)明了DAS系統(tǒng)在工程監(jiān)測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用效果。

在巖土工程及結(jié)構(gòu)健康及安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，對(duì)溫度、應(yīng)變、微振等信號(hào)的監(jiān)測(cè)精度、覆蓋范圍、空間分辨率、智能化數(shù)據(jù)采集等指標(biāo)都提出了越來(lái)越高的要求。近年來(lái)，各類(lèi)光纖傳感技術(shù)以其屏蔽電磁干擾、射頻干擾、傳輸衰減小、防爆、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，越來(lái)越得到國(guó)內(nèi)外監(jiān)測(cè)領(lǐng)域研究者和應(yīng)用者的密切關(guān)注。

隨著光纖傳感技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，相較于傳統(tǒng)的各類(lèi)點(diǎn)監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)而言，應(yīng)用激光在光纖內(nèi)部傳輸時(shí)產(chǎn)生多種后向散射形式實(shí)現(xiàn)物理量監(jiān)測(cè)的分布式光纖傳感（distributed optical fiber sensing，DOFS）技術(shù)，在監(jiān)測(cè)范圍、環(huán)境適應(yīng)性、傳輸損耗控制和系統(tǒng)魯棒性等方面都展現(xiàn)出了優(yōu)勢(shì)。目前，分布式光纖傳感技術(shù)主要依據(jù)其原理的不同分為5類(lèi)。

作為分布式光纖傳感技術(shù)發(fā)展的領(lǐng)域，基于光纖內(nèi)部后向瑞利散射反映待測(cè)物理量變化情況的分布式光纖聲波傳感（distributed optical fiber acoustic sensing，DAS）技術(shù)，能夠根據(jù)外界聲波變化和散射信號(hào)的相位變化進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)DAS技術(shù)的理論研究以電子科技大學(xué)饒?jiān)平淌趫F(tuán)隊(duì)、中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所蔡海文教授團(tuán)隊(duì)等為代表，主要集中在提高傳感性能、信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)等方向。相對(duì)而言，國(guó)外DAS技術(shù)的工程應(yīng)用研究起步更早，以英國(guó)OptaSense、Silixa公司、德國(guó)AP Sensing公司等為代表，主要集中在周界安防、泄漏檢測(cè)等工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究和拓展方向。

相比僅是對(duì)傳感光纖沿線振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行定性表征的分布式光纖振動(dòng)傳感（distributed optical fiber vibration sensing，DVS）技術(shù)，在配合恰當(dāng)?shù)男盘?hào)解調(diào)和信號(hào)識(shí)別算法的條件下，DAS 系統(tǒng)能夠?qū)ν饨鐢_動(dòng)模型進(jìn)行高精度、高信息豐度的實(shí)時(shí)重建。

分布式光纖聲波傳感（DAS）系統(tǒng)主要由高相干性脈沖激光源、光信號(hào)放大/ 解調(diào)器、單模（或多模）光纖和數(shù)據(jù)處理分析裝置組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。相干光脈沖進(jìn)入光纖后，外界聲波信號(hào)導(dǎo)致光纖內(nèi)后向瑞利散射光的相位發(fā)生變化，這一變化由光探測(cè)器進(jìn)行記錄和解調(diào)，從而得到聲源的相關(guān)信息。

不同于傳統(tǒng)的常規(guī)點(diǎn)式傳感，DAS系統(tǒng)中整條光纖均能夠作為傳感元件，這使得其能夠在大的傳感覆蓋區(qū)域內(nèi)采集微振信號(hào)。此外，由于系統(tǒng)中激勵(lì)光脈沖在光纖中產(chǎn)生的后向瑞利散射能夠在信號(hào)放大/解調(diào)器中得到實(shí)時(shí)的采集和分析，因此，系統(tǒng)整體同樣適用于對(duì)動(dòng)態(tài)物理量的變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

作為整個(gè)DAS系統(tǒng)核心組件的數(shù)據(jù)處理分析裝置，其主要作用是能夠?qū)饫w沿線探測(cè)到的數(shù)千個(gè)聲信號(hào)進(jìn)行并行、實(shí)時(shí)的去噪、定位、識(shí)別和分類(lèi)處理。目前，實(shí)時(shí)小波去噪和偏振分集等技術(shù)也已應(yīng)用于優(yōu)化DAS實(shí)時(shí)信號(hào)分析處理性能之中。

分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)本質(zhì)上是一類(lèi)散射型DOFS，激光在光纖中傳導(dǎo)會(huì)產(chǎn)生3種后向散射光，如圖3所示。從信號(hào)強(qiáng)度來(lái)看，布里淵散射光主要用于分布式應(yīng)變和溫度的探測(cè)；拉曼散射光則主要對(duì)溫度效應(yīng)敏感。DAS系統(tǒng)的探測(cè)原理基于Taylor H F 等人于1993年提出的相位敏感型光時(shí)域反射計(jì)（Φ-OTDR）技術(shù)。激光光源具有高相干性和超窄線寬的特點(diǎn)，通過(guò)后向瑞利散射光的干涉效應(yīng)對(duì)微振信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。

Φ-OTDR技術(shù)能夠探測(cè)到外界應(yīng)變擾動(dòng)信號(hào)對(duì)散射光信號(hào)相位的影響，并利用光程的變化量對(duì)相位變化實(shí)現(xiàn)解調(diào)。當(dāng)光程變化量為ΔS時(shí)，則：

Φ-OTDR采用高相干性的窄線寬激光器作為光源，其基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。傳感光纖受外界擾動(dòng)后的信號(hào)被探測(cè)器持續(xù)采集和處理，由于后向瑞利散射光信號(hào)的相位變化與外界擾動(dòng)變化的上述關(guān)系，因此，基于Φ-OTDR原理的DAS技術(shù)在對(duì)傳感光纖沿線數(shù)千個(gè)離散位置的散射信號(hào)相位信息進(jìn)行解調(diào)和提取后，能夠重構(gòu)沿光纖的外界擾動(dòng)的聲學(xué)信息，進(jìn)而重建和識(shí)別外界擾動(dòng)信息（應(yīng)變、溫度、微振等）。當(dāng)前，Φ-OTDR技術(shù)是分布式光纖傳感中靈敏度的技術(shù)手段之一。

由于傳感光纖不涉及有源電信號(hào)，因此其具備良好的抗電磁輻射干擾和抗射頻干擾能力，不會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)光線和天氣的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)覆蓋區(qū)域長(zhǎng)期穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)。此外，由于擾動(dòng)通過(guò)不同距離會(huì)存在時(shí)差，因此，在傳感光纖不同距離位置處產(chǎn)生的擾動(dòng)之間不會(huì)產(chǎn)生相互的混疊現(xiàn)象，這也便于系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)源的具體位置實(shí)現(xiàn)定位。

01 傳感距離

傳感距離參數(shù)主要用來(lái)表征DAS系統(tǒng)進(jìn)行各項(xiàng)符合監(jiān)測(cè)要求的有效傳感區(qū)域范圍。由于光纖中存在傳輸損耗及背景噪聲的影響，從原理上增加入射光光強(qiáng)可增大光纖傳感距離的作用。但是由于光脈沖傳輸時(shí)同時(shí)存在受激布里淵散射（stimulated Brillouin scattering，SBS），所以當(dāng)入射光強(qiáng)大于SBS閾值時(shí)，后向瑞利散射光的能量將大量轉(zhuǎn)移至SBS之中，從而導(dǎo)致系統(tǒng)總體信噪比大大降低。設(shè)最大傳感距離為L_c，則有效傳感距離L應(yīng)為：

式中，P_SBS、L_SBS—引起SBS效應(yīng)的光功率和受SBS效應(yīng)影響的最大傳感距離；

g_B—布里淵增益系數(shù)；

A_eff—光纖纖芯的有效面積；

L_eff—等效作用距離；

Δv_B、Δv_p—布里淵線寬和入射光線寬。

02 空間分辨率

空間分辨率是指?jìng)鞲泄饫w在布設(shè)位置上有效分辨的最小距離，它能夠表征DAS系統(tǒng)對(duì)于某特定目標(biāo)事件的定位精度，也是衡量其系統(tǒng)性能的主要參數(shù)。

一般來(lái)說(shuō)，空間分辨率主要受激勵(lì)光脈沖寬度影響，且應(yīng)為脈沖寬度的一半。但從前述DAS系統(tǒng)的組成來(lái)看，空間分辨率會(huì)受到相干脈沖激光源、信號(hào)采集系統(tǒng)和模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）組件的綜合影響。據(jù)此，空間分辨率的有效值Δz可以由下式得出：

03 頻率響應(yīng)

DAS系統(tǒng)通過(guò)對(duì)光纖內(nèi)的后向瑞利散射光進(jìn)行探測(cè)來(lái)還原外部擾動(dòng)模型，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)激勵(lì)脈沖光將光纖作為整體傳感元件進(jìn)行離散采樣，同時(shí)在光纖中應(yīng)保證脈沖光之間不發(fā)生混疊現(xiàn)象。綜合以上因素，根據(jù)Nyquist采樣定理及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，系統(tǒng)最大可探測(cè)頻率f_max應(yīng)為：

04 信噪比

作為一種對(duì)周邊環(huán)境敏感的分布式檢測(cè)技術(shù)，DAS 系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)男旁氡龋⊿NR）會(huì)對(duì)光信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生直接影響?？紤]到光纖中信號(hào)傳輸?shù)墓逃袚p耗所導(dǎo)致的信號(hào)衰減，一般在光纖尾端部分的信噪比會(huì)低于光纖前端部分的信噪比，其表達(dá)式為：

以英國(guó)OptaSense公司的單臺(tái)OLA2.1型DAS系統(tǒng)為例，目前其能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)傳感監(jiān)測(cè)的最長(zhǎng)距離50km，各輸出通道間距為10m，空間分辨率為7.5m，能夠通過(guò)布置多個(gè)信號(hào)調(diào)制解調(diào)儀的方式實(shí)現(xiàn)大覆蓋范圍的監(jiān)測(cè)要求。另外，DAS系統(tǒng)也能夠支持進(jìn)行目前常規(guī)分布式光纖的應(yīng)變和溫度監(jiān)測(cè)。

01 管道泄漏監(jiān)測(cè)

輸水、輸油管道在資源調(diào)配和運(yùn)輸過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用，其穿孔或泄漏會(huì)造成水、油氣等資源的持續(xù)損失，并附帶有環(huán)境污染、停產(chǎn)補(bǔ)漏工作等一系列嚴(yán)重后果。管道運(yùn)輸特有的分布范圍廣、泄漏形式多樣、監(jiān)測(cè)難度大和防爆要求高等特點(diǎn)對(duì)管道泄漏的監(jiān)測(cè)技術(shù)提出了更加嚴(yán)格的要求。

相對(duì)于傳統(tǒng)基于溫度監(jiān)測(cè)的分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)，針對(duì)聲學(xué)信號(hào)的DAS技術(shù)可以綜合多種監(jiān)測(cè)物理量，進(jìn)而對(duì)多種管道破裂、泄漏現(xiàn)象等故障模式進(jìn)行識(shí)別和實(shí)時(shí)反饋。與傳統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)不同，DAS系統(tǒng)還能夠依據(jù)聲波信號(hào)特征判斷潛在的負(fù)壓脈沖和泄漏孔噪聲信息，這也為泄漏檢查和維護(hù)提供了關(guān)鍵的預(yù)警信息。從圖5中可以看出，管道發(fā)生泄漏時(shí)，自泄漏孔處產(chǎn)生的負(fù)壓脈沖信號(hào)沿管道方向傳播，DAS系統(tǒng)能夠在2km以上的長(zhǎng)度范圍內(nèi)對(duì)負(fù)壓脈沖信號(hào)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。圖6顯示了此信號(hào)在瀑布圖中的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

另外，根據(jù)管道內(nèi)運(yùn)輸物的物相特點(diǎn)可將運(yùn)輸物分為氣相、液相和混合相3類(lèi)。不同相流體發(fā)生滲漏的流動(dòng)特點(diǎn)、聲信號(hào)特征和溫度分布均存在較大區(qū)別，如圖7所示。

在管道利用清管器進(jìn)行維護(hù)的過(guò)程中，DAS系統(tǒng)同樣能夠根據(jù)聲信號(hào)配合監(jiān)測(cè)清管器的實(shí)時(shí)自動(dòng)追蹤和定位，并檢查可能存在的管道泄漏位置。圖8顯示了DAS系統(tǒng)在數(shù)公里長(zhǎng)度范圍內(nèi)根據(jù)清管器在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的聲信號(hào)特征實(shí)現(xiàn)持續(xù)追蹤定位的效果。

DAS系統(tǒng)相比傳統(tǒng)基于溫度的分布式監(jiān)測(cè)方式，能夠通過(guò)泄漏物隆起應(yīng)變、負(fù)壓脈沖、孔口噪聲和溫度梯度等多種信號(hào)進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)，因而在地下/海底管道環(huán)境中具有好的準(zhǔn)和環(huán)境適應(yīng)性。

02 周界安防監(jiān)測(cè)

機(jī)場(chǎng)、核電站、工業(yè)廠房等重要區(qū)域的周界安全關(guān)乎人員的生命安全和設(shè)備的穩(wěn)定正常運(yùn)行，對(duì)周界安全的實(shí)時(shí)監(jiān)控和入侵源的實(shí)時(shí)定位具有重大意義。DAS系統(tǒng)使用靈活的光纖傳感方式，適合這類(lèi)范圍廣、隱蔽性強(qiáng)、靈敏度要求高的被動(dòng)式安防監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)外諸多重要設(shè)施的安全和監(jiān)控領(lǐng)域都進(jìn)行著DAS系統(tǒng)的應(yīng)用嘗試，引起了國(guó)內(nèi)外工程人員的關(guān)注。

在可能出現(xiàn)的周界入侵事件中，在大范圍內(nèi)識(shí)別、預(yù)警不同模式的入侵行為是評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)有效性的重要指標(biāo)。DAS系統(tǒng)本身具備很好的空間定位性，加之其能夠根據(jù)不同入侵行為發(fā)生時(shí)擾動(dòng)的振幅和頻率差異對(duì)入侵信號(hào)進(jìn)行快速采集，因此，能夠?qū)崟r(shí)區(qū)別和分析不同的入侵行為。DAS系統(tǒng)對(duì)不同入侵形式的識(shí)別效果如圖9所示。

進(jìn)一步地，在確定了入侵事件發(fā)生的位置和入侵源類(lèi)別后，DAS系統(tǒng)能夠進(jìn)一步對(duì)入侵方式的聲信號(hào)特征加以細(xì)化，抽取其頻譜特征，并建立信號(hào)特征與入侵方式的對(duì)應(yīng)模式。這種高信息豐度的分析模式能夠提供關(guān)于入侵事件在幾十公里長(zhǎng)度上的具體位置、周界穿越方法的具體細(xì)節(jié)，如圖10所示。

03 水力壓裂監(jiān)測(cè)

水力壓裂是指利用水力作用使油層形成裂縫的方法，是油氣井增產(chǎn)、注水井增注的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。需要壓裂改造以獲得開(kāi)發(fā)效益的非常規(guī)油氣資源在勘探開(kāi)發(fā)中所占的比重，許多油區(qū)過(guò)了70%。

通過(guò)DAS系統(tǒng)對(duì)壓裂過(guò)程中采集的微振信號(hào)進(jìn)行分析，能夠預(yù)測(cè)巖石破裂的時(shí)間和空間位置、計(jì)算裂縫的幾何尺寸和延伸方向，從而評(píng)價(jià)壓裂效果，并最終評(píng)估產(chǎn)氣性能。DAS系統(tǒng)的傳感光纖具有良好的柔性，能夠適應(yīng)復(fù)雜的地下條件，相較于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段，DAS 系統(tǒng)在能夠清晰直觀地探測(cè)不同深度處裂縫在豎直方向擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程，如圖11所示。

DAS系統(tǒng)同樣也能夠布設(shè)于井組中各壓裂井中，從而建立多個(gè)井間信號(hào)監(jiān)測(cè)信道。圖12、圖13展示了在水力壓裂井間布設(shè)DAS系統(tǒng)的方案圖和監(jiān)測(cè)實(shí)際裂縫發(fā)展的趨勢(shì)圖。從圖中可以看出，DAS系統(tǒng)不僅能夠有效監(jiān)測(cè)裂縫擴(kuò)展主事件，還能夠監(jiān)測(cè)到擴(kuò)展發(fā)生前的能量累積前兆和擴(kuò)展后的小裂縫位置等詳細(xì)信息。這種布設(shè)方式能夠?qū)α黧w在裂縫中發(fā)生突破的位置和程度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并且對(duì)裂縫中產(chǎn)生的應(yīng)變峰進(jìn)行定位。

上述應(yīng)用表明，在難以對(duì)地下水力壓裂過(guò)程進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測(cè)時(shí)，基于聲信號(hào)的DAS系統(tǒng)能夠?qū)α芽p擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行明確而直觀地動(dòng)態(tài)反映，這些監(jiān)測(cè)結(jié)果也能夠?yàn)樗骄M的壓裂后評(píng)估及壓裂設(shè)計(jì)方案優(yōu)化提供重要依據(jù)。

隨著光纖傳感技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其在巖土工程與結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)（DAS）作為分布式光纖傳感技術(shù)（DOFS）的前沿領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了聲波和溫度信號(hào)的綜合監(jiān)測(cè)，從而能夠精確、穩(wěn)定地重建外界擾動(dòng)模型，并且能夠從聲信號(hào)的頻譜多樣性角度反映待測(cè)對(duì)象豐富的特征信息，為光纖傳感技術(shù)提供了新的技術(shù)角度。

同時(shí)，應(yīng)用工程研究是推動(dòng)DAS技術(shù)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?。?dāng)前，智慧城市、智慧園區(qū)等新興領(lǐng)域不僅關(guān)注監(jiān)測(cè)區(qū)域覆蓋范圍和監(jiān)測(cè)精度，還對(duì)事件信號(hào)的分類(lèi)、識(shí)別和處理提出了更高的要求。DAS技術(shù)以其監(jiān)測(cè)的靈活性和可擴(kuò)展性特點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注，其應(yīng)用也從當(dāng)前的結(jié)構(gòu)與巖土工程監(jiān)測(cè)擴(kuò)展至石油、材料、物探、地震、航空等多個(gè)領(lǐng)域。所以，進(jìn)一步提高DAS技術(shù)傳感距離、測(cè)量精度、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析算法等方向?qū)⑹俏磥?lái)進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

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