光纤传感器原理及其应用

光纤传感是20世纪80年代迅速发展起来的，以光波为载体，传感光缆为媒介的传感技术方法。作为现代信息技术的重要支柱之一，是衡量一个国家信息化程度的重要标志。分布式声波传感（DAS）技术是一种新型的光纤传感技术，具有长距离、分布式、实时监测的优点，近年来发展迅速，已在资源勘探、海洋勘探、地震监测、环境工程探测等方面展示出独特的技术优势和巨大的应用潜力，其应用领域仍在进一步的拓展中。

1、基本原理

分布式声波传感技术是基于光纤背向瑞利散射的原理，利用光纤作为传感器对周边环境的振动信号进行连续分布式的探测。系统主要由解调仪和光纤两部分组成，解调仪不断地向连接的光纤发射激光脉冲，由于光纤内部存在不均匀的散射体，部分入射的脉冲光会发生散射，其中后向传播的瑞利散射光是DAS测量的基础。当光纤的某个位置受到外界的扰动而产生应变时，该位置处的光纤折射率会发生改变，导致背向散射光的相位也会发生改变。解调仪通过分析光纤各个位置相干瑞利散射光的相位信息，进而得到应变或应变率信息，其原理如图1所示。

图1  DAS技术原理图

2、主要特点

作为大规模密集探测的新方法、新路径，DAS主要特点包括：

（1）长距离、连续监测。能够实现数十公里乃至上百公里的连续监测，确保对监测对象的全面覆盖和实时监控，这对于大型基础设施如油气管道、通信光缆、铁路网等的长距离监测尤为重要。

（2）高精度、多参量测量。提供空间分辨率达数米的连续振动或声波信息获取，具有高精度感知能力。还可以获取位移、加速度、温度、压力等多种物理参量，为复杂环境下的监测提供全面的数据支持。

（3）环境适应性强。光纤具有天然的抗电磁干扰能力，适用于电磁环境复杂的监测场景，并能够在高温、高压等恶劣环境下稳定工作，确保监测数据的准确性和可靠性。

（4）低成本、高效率。光纤成本低廉，整体系统的制造成本和维护成本也相对较低。部署方便，只需要一根光纤或光缆即可实现对沿线每个点的传感，大大提高了监测效率。

（5）便于组网和复用。光纤既是传输载体又是传感器，方便与现有的通信系统融合，实现多参量的同时测量和远程传输，且无需供电，降低了系统的复杂性和能耗。

3、仪器设备

随着DAS技术优势的凸显，受到越来越多的商业关注，国内外已有多家企业开发了商用化设备，各有其特点和适用场景。

国外对DAS技术的商业化探索较早，以Silixa、Optasense、Fotech等公司为代表，已经研发了多款高性能DAS设备（图2），其中，Silixa公司开发了iDAS系列产品，并在地震探测、垂直地震剖面（VSP）测井等领域开展了应用测试，还开发了新一代Carina产品，具有更高的信号质量。Optasense、Fotech等公司则在地震探测、管道安全检测领域开展了探索，Optasense公司针对不同应用需求开发了多系列产品。

图2  国外商用DAS设备

a. Silixa公司Carina产品；b. Neubrex公司NBX产品；

c. Optasense公司ODH4产品；d. Fotech公司Helios产品

国内企业多采用与高校、科研院所合作的方式研制开发DAS设备，近年来推出了一批代表性产品（图3）。光谷互连公司与华中科技大学合作，开发了兼容普通单模光纤和离散散射增强光纤两种模式的DAS系统，先后推出了Finder、Scouter、Thinker 3款不同用途设备。中石油东方物探公司与电子科技大学合作开发了uDAS产品，已在地质勘探、管道安全检测、隧道结构监测及异物入侵监测等领域进行了应用。朴牛科技与上海交大合作，基于时间门控光频域反射仪方案开发了Hifi-DAS，具有高保真的特点。华为公司基于其领先的光技术推出了光纤传感产品OptiXsense EF3000，可应用于油气管线在线实时监测和安全预警，实现智能化无人巡检。

图3  国内商业化DAS设备

a-c. 光谷互连公司Finder、Scouter、Thinker产品；d. 中石油uDAS系列；

e. 朴牛Hifi-DAS系列；f. 华为OptiXsense EF3000系列

4、应用领域

DAS技术凭借独特的分布式监测能力获得了广泛应用，尤其是长距离、大范围、时空密集检测的应用场景（图4），包括矿产、地热、油气等资源勘探，浅表结构、深层结构及天然地震探测，地质灾害和设施安全监测，铁路、公路、建筑物等城市工程监测等领域。

图4  DAS应用场景

（1）应用于矿产勘探。如使用DAS 3D VSP在加拿大BC省New Afton地下铜金矿进行勘探，获取的DAS-VSP成像剖面揭示的矿体反射层和断层位置与已有测井资料非常吻合。

（2）广泛应用于油气地球物理领域。如油气管道监测和地下油藏勘探等。DAS系统因其高覆盖率与便携性被视为最具前景的管道监测技术之一，可将DAS与4D VSP技术相结合，以加大提升探测效率；在地下油藏勘探方面，目前以验证可行性的研究为主，为后期工作打下基础。

（3）应用于地表结构探测。DAS的主动源方法和被动源噪声成像方法均可用来描述近地表速度结构，可用于永久冻土、湖冰环境和冰蚀地面等不同地表环境，还可在城市利用通信光纤进行浅层结构调查。

（4）应用于天然地震事件监测。如在合肥紫蓬山进行连续观测，监测到当年定远县2.3级、宣城2.7级、台湾省宜兰县5.8级、菲律宾6.6级等区域地震（图5）。不同尺度的DAS光纤排列还可以构成新一代地震监测网络。

图5  DAS地震监测

（5）应用于城市建设方面。适用于城市建设过程中可能出现的公路裂隙、隧道坍塌、桥梁坍塌等的日常监测，因具有可便捷调节标距的特点，避免对关键位置的监测偏差，可大幅提升工作效率；也用于建筑工程监测，如结构健康监测、施工质量监测等。

5、发展前景

DAS技术是光纤传感研究的热点，随着解调技术的改进、新型光缆的研发、多分量传感技术的发展，将在地球深部结构探测、CCUS（碳捕集利用与封存）监测、智慧勘探平台建设和地学大数据应用等领域发挥越来越重要的作用。通过跨学科、跨领域的协同研究，深度挖掘应用潜力，加快推动DAS技术的工程化应用和产业化发展，必将为经济社会发展和国家安全提供更加有力的技术支撑和保障。

主要参考资料：

[1] 刘威, 朱鸿鹄, 王涛, 等. 基于分布式声波传感的大地探测技术研究进展[J]. 地质科技通报, 2023, (01): 29-41.

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