徐團(tuán)偉，李芳，馬麗龍

華夏農(nóng)科院半半導(dǎo)體接洽所

散布式聲傳感（Distributed Acoustic Sensing，DAS）本領(lǐng)運(yùn)用關(guān)系背向瑞利散射光的相位而非光強(qiáng)來(lái)探測(cè)音頻范疇內(nèi)的聲響或振蕩等旗號(hào)，不只不妨運(yùn)用相位幅值巨細(xì)來(lái)供給聲響或振蕩事變強(qiáng)度消息，還運(yùn)用線性定量丈量值來(lái)實(shí)行對(duì)聲響或振蕩事變相位和頻次消息的獲得，如圖 1。該本領(lǐng)具備長(zhǎng)隔絕（數(shù)十公里）貫串（空間辨別率數(shù)米）的振蕩或聲消息獲得，全標(biāo)準(zhǔn)（幅度、頻次、相位）數(shù)萬(wàn)道消息的及時(shí)丈量，耐高溫高壓等卑劣情況、且抗電磁干預(yù)等上風(fēng)。

圖 1 散布式光導(dǎo)纖維聲傳感體例表示圖

國(guó)表里接洽發(fā)達(dá)

早在1993年，Taylor等人提出相位敏銳型光時(shí)域曲射本領(lǐng)，經(jīng)過(guò)丈量高關(guān)系光源背向瑞利散射光的強(qiáng)度變革探測(cè)擾動(dòng)，用來(lái)侵犯檢驗(yàn)和測(cè)定。因?yàn)檎袷幣c光強(qiáng)變革并非線性相應(yīng)，重要用來(lái)定性丈量，常常稱為散布式振蕩傳感本領(lǐng)（DVS）。

自2010年此后，國(guó)表里接洽職員經(jīng)過(guò)丈量背向瑞利散射光的相位變革來(lái)線性定量重修聲響/振蕩消息，常常稱為散布式聲波傳感本領(lǐng)（DAS）。

暫時(shí)該本領(lǐng)生存諸多相位解調(diào)與定量化丈量計(jì)劃，囊括2010年英國(guó) Silixa公司提出的3×3嚙合器相位解調(diào)本領(lǐng)[1]，2010年英國(guó)OptaSense公司提出的雙脈沖外差解調(diào)本領(lǐng)[1]，2011年中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所提出的數(shù)字關(guān)系相位解調(diào)本領(lǐng)[3]，2014年中國(guó)科學(xué)院半半導(dǎo)體所提出的相位爆發(fā)載波解調(diào)本領(lǐng)[2]，2015年上海交通大學(xué)提出的功夫門控光頻域解調(diào)本領(lǐng)[6]，2016年電子高科技大學(xué)提出的零差 I/Q 正交解調(diào)本領(lǐng)[4]，2016年西班牙阿卡拉大學(xué)的啁啾脈沖徑直丈量計(jì)劃等[5]。

近些年對(duì)準(zhǔn)提高DAS體例空間辨別率、頻響帶寬、貶低噪聲、拓展傳感隔絕等本能目標(biāo)，華中國(guó)科學(xué)院大提出了微構(gòu)造光導(dǎo)纖維本領(lǐng)，上海光學(xué)精密機(jī)械研究所提出了調(diào)頻脈沖收縮本領(lǐng)[6]，中國(guó)科學(xué)院半半導(dǎo)體提出了差分干預(yù)儀本領(lǐng)，電子科技大學(xué)提出了拉曼夸大本領(lǐng)等[7]。

暫時(shí)散布式光導(dǎo)纖維聲傳感本領(lǐng)漸漸老練，商場(chǎng)上推出了多款本能崇高的DAS裝置，比方Silixa公司的iDASTM，Optasense公司的ODH系列，F(xiàn)otech公司的 Helios? DAS，中國(guó)石油公司奧博的μDAS，中國(guó)科學(xué)院半半導(dǎo)體所的semiDAS等。

財(cái)產(chǎn)化運(yùn)用

DAS本領(lǐng)即能滿意對(duì)事變的定性確定，同聲不妨供給量化消息，極大擴(kuò)充散布式聲傳感本領(lǐng)旗號(hào)探測(cè)本領(lǐng)和運(yùn)用范圍，更加是為油氣資源、交通范圍、大海地球物理、自然地動(dòng)、周界安防范圍供給了一種嶄新、靈驗(yàn)和低本錢的本領(lǐng)計(jì)劃， 展現(xiàn)出宏大的運(yùn)用遠(yuǎn)景，并獲得趕快地興盛。

油氣資源范圍

DAS 本領(lǐng)可用來(lái)井中筆直地動(dòng)測(cè)井（VSP）、地核地動(dòng)搜集、時(shí)延或長(zhǎng)久油藏監(jiān)測(cè)、水利壓裂監(jiān)測(cè)等上面，因?yàn)镈AS本領(lǐng)不妨在油井全人命周期中起到要害效率，正遭到越來(lái)越多地球物理勘探科學(xué)家的關(guān)心，如圖2。

圖 2 散布式光導(dǎo)纖維傳感本領(lǐng)在油氣范圍的運(yùn)用

比擬慣例大地檢波器及井中檢波器，DAS 本領(lǐng)具備低本錢、高功效、聚集采集樣品、材料品德不低于保守地動(dòng)檢波器等上風(fēng)，多家油服公司（斯倫貝謝、哈里伯頓）、地球物理公司（中火油東方地球物理勘探、CGG、PGS、TGS），在井中地動(dòng)搜集、地核地動(dòng)搜集、微地動(dòng)監(jiān)測(cè)、油藏監(jiān)測(cè)上面發(fā)展了考查。

近期英國(guó)Silixa公司在碳捕集于封存名目中，運(yùn)用DAS 本領(lǐng)舉行三維VSP、時(shí)移地動(dòng)和完井動(dòng)靜監(jiān)測(cè)，對(duì)氧化碳保存擺設(shè)和地層的所有人命周期舉行積極和被迫地動(dòng)監(jiān)測(cè)。國(guó)里面火油東方地球物理勘探公司共同與電子高科技大學(xué)在長(zhǎng)慶、新疆和西南等 6 個(gè)油田實(shí)行了34井次消費(fèi)考查，贏得高品德材料。中國(guó)科學(xué)院半半導(dǎo)體所共同中火油東方地球物理勘探公司和華夏石油化工團(tuán)體地球物理公司在大慶、冀東、青海、長(zhǎng)慶、塔河、福山等油田舉行了VSP 地動(dòng)搜集中，博得了不錯(cuò)的功效。

交通范圍

DAS 本領(lǐng)可用來(lái)路途車輛和鐵路列車狀況監(jiān)測(cè)。借助敷設(shè)在路途旁并裝備DAS 本領(lǐng)的光纖通訊電纜不妨拾取車輛的意向，決定運(yùn)用路途的車輛，計(jì)劃出堵塞的產(chǎn)生辦法和典型，評(píng)價(jià)普通辦法的狀況。借助鐵路搜集敷設(shè)光纖通訊電纜，不妨將傳感搜集沿鐵軌蔓延，用來(lái)盯梢列車運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡和監(jiān)測(cè)鐵軌狀況，沿著所監(jiān)督的區(qū)段的所有長(zhǎng)度貫串地供給及時(shí)場(chǎng)所消息。

2016年，英國(guó)OptaSense公司用來(lái)高速鐵路監(jiān)測(cè)的DAS體例加入運(yùn)用，其監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度為1000 km，敷設(shè)在沙特高速鐵路達(dá)曼和利雅得區(qū)段，具備監(jiān)察和控制列車運(yùn)轉(zhuǎn)和不法侵犯（職員、眾生）的功效。

2017年，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所提出了鑒于多維歸納領(lǐng)會(huì)與深度進(jìn)修的鐵路沿線安定檢驗(yàn)和測(cè)定本領(lǐng)。運(yùn)用動(dòng)靜頻次空間圖像領(lǐng)會(huì)本領(lǐng)取消情況噪聲，運(yùn)用多維歸納領(lǐng)會(huì)本領(lǐng)進(jìn)隊(duì)伍車辨別、擾動(dòng)辨別，運(yùn)用深度搜集提守信號(hào)特性與分門別類辨別，那些本領(lǐng)在多條本質(zhì)線路中獲得充溢考證。

2020年，中國(guó)科學(xué)院半半導(dǎo)體所共同北京交通大學(xué)運(yùn)用光纖通訊電纜對(duì)秦皇島某處舉行了高速鐵路、貨運(yùn)列車和重載列車的動(dòng)靜監(jiān)測(cè)，可對(duì)列車舉行分門別類，并明顯獲得了16編組高速鐵路的輪子消息。

大海地球物理范圍

DAS本領(lǐng)可用來(lái)大海地球物理勘探、海底地動(dòng)預(yù)先警告和身下目的探測(cè)等上面。可借助已有海底光纖通訊電纜和DAS太空間辨別率的上風(fēng)，不妨繪制更精致的海底斷層和波浪消息，從而扶助科學(xué)家對(duì)地動(dòng)和海嘯做出更精確的猜測(cè)。可運(yùn)用氣槍震源舉行海底資源勘測(cè)，為自然氣水合物試開拓進(jìn)程中監(jiān)測(cè)、非慣例油稠油田開拓供給維持。

2019年，加利福尼亞大學(xué)、勞倫斯·伯克利國(guó)度試驗(yàn)室、蒙特利灣水族館接洽所和萊斯大學(xué)的科學(xué)家對(duì)一條20公里長(zhǎng)的海底光纖通訊電纜舉行了四天的接洽，并記載了一條來(lái)自加利福尼亞州海岸蒙特雷灣的結(jié)構(gòu)斷裂帶的 3.4級(jí)地動(dòng)。2019年，中國(guó)科學(xué)院半半導(dǎo)體所共同中國(guó)科學(xué)院深海地方海南入?？谂e行了海底光纖通訊電纜察看試驗(yàn)，贏得了主頻為1.2 Hz 的三維波浪消息和船只動(dòng)靜旗號(hào)。

地動(dòng)監(jiān)測(cè)范圍

DAS本領(lǐng)運(yùn)用現(xiàn)有通信光纖通訊電纜不妨低本錢、高精度地實(shí)行地動(dòng)探測(cè)。2018年，德國(guó)波茨坦地球科學(xué)接洽重心經(jīng)過(guò)高辨別率DAS體例，運(yùn)用雷克雅半島既有的 15 km 通訊光纖通訊電纜舉行地動(dòng)波探測(cè)，檢驗(yàn)和測(cè)定到與大歐美中脊地動(dòng)震動(dòng)關(guān)系的限制地動(dòng)以及大海微震。接洽截止表白通訊光纖通訊電纜不妨用來(lái)探測(cè)地動(dòng)和其它大地震動(dòng)，為地動(dòng)波探測(cè)供給嶄新的本領(lǐng)本領(lǐng)。

其余范圍

DAS本領(lǐng)貫串其長(zhǎng)隔絕、太空間密度、及時(shí)動(dòng)靜監(jiān)測(cè)的上風(fēng)，還普遍于周界安防，彈道 / 管廊揭發(fā)監(jiān)測(cè)，身下目的探測(cè)等。

歸納與預(yù)測(cè)

DAS本領(lǐng)近些年來(lái)興盛趕快，遠(yuǎn)景宏大，掩蓋科學(xué)接洽和產(chǎn)業(yè)運(yùn)用的多個(gè)上面，博得了豐富的科學(xué)研究功效。近些年DAS本領(lǐng)本能連接在提高，頻帶向廣播段和高頻蔓延（廣播段到達(dá)了數(shù)十mHz，高頻到MHz），傳感隔絕從數(shù)公里到上百公里，空間辨別率貶低到亞米量級(jí)，沿用特種光導(dǎo)纖維將噪聲程度貶低20 dB。DAS本領(lǐng)的功效也在連接蔓延，沿用電鉆光導(dǎo)纖維將DAS一維傳感本領(lǐng)提高到完備三維傳感本領(lǐng)，運(yùn)用關(guān)系探測(cè)本領(lǐng)實(shí)行對(duì)溫度應(yīng)急等物理量的準(zhǔn)靜態(tài)高精度丈量。

DAS本領(lǐng)將表露以次興盛趨向：

（1）DAS本領(lǐng)的規(guī)范化和典型化，從高本能的科學(xué)研究裝置向規(guī)范化產(chǎn)業(yè)裝置的過(guò)度，為科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)運(yùn)用供給靈驗(yàn)的散布式地動(dòng)波探測(cè)東西；

（2）新DAS本領(lǐng)提高體例本能和拓展功效，使其完備更寬的相應(yīng)頻帶、探測(cè)隔絕和空間辨別率，從簡(jiǎn)單動(dòng)靜旗號(hào)探測(cè)走向多參量共同散布式探測(cè)；

（3）依附自己上風(fēng)進(jìn)一步拓展運(yùn)用范圍， 從地核往深地、深海和深空拓展，更加是為大海和行星的地動(dòng)波探測(cè)供給本領(lǐng)本領(lǐng)。

參考文件

1.A.Maso udi,T.P.Ne wson High s patial resolution distributed optical fiber dynamic strain sensor with enhanced frequency and strain resolution[ J].Optics Letters,2017,42(2):290.

2.G.Fang,T.Xu,S.Feng,et al .Phase-Sensitive Optical Time Domain Reflectometer Based on Phase-Generated Carrier Algorithm[J]. Journal of Lightwave Technology,2015,33(13):2811-2816.

3.Z.Pan,K.Liang,Q.Ye,et al .Phase-sensitive OTDR system based on digital coherent detection[C].Asia Communications & Photonics Conference & Exhibition. IEEE, 2012.

4. Z.Wang,L.Zhang,S.Wang,et al.Coherent Φ-OTDR based on I/Q demodulation and homodyne detection[ J]. Optics Express, 2016,24(2):853-858.

5.J.P.Graells,et al.Single-shot distributed temperature and strain tracking using direct detection phase-sensitive OTDR with chirped pulses[ J].Optics Express,2016,24(12):13121.

6.Q.Liu,X.Fan,Z.He.Time-gated digital optical frequency domain reflectometry with 1.6-m spatial resolution over entire 110-km range[ J].Optics Express,2015,23(20):25988.

7.蔡海文,葉青,王照勇.鑒于關(guān)系瑞利散射的散布式光導(dǎo)纖維聲波傳感本領(lǐng) [J].激光與光電子學(xué)發(fā)達(dá),2020,57(5).

作家簡(jiǎn)介

徐團(tuán)偉，華夏農(nóng)科院半半導(dǎo)體所副接洽員，重要從事特種光導(dǎo)纖維光柵，超窄線寬光導(dǎo)纖維萊塞，散布式光導(dǎo)纖維聲傳感體例，以及光導(dǎo)纖維傳感本領(lǐng)在油氣礦藏勘測(cè)、大海地球監(jiān)測(cè)、周界安防等范圍的運(yùn)用接洽。

李 芳，華夏農(nóng)科院半半導(dǎo)體接洽所接洽員， 重要從事光導(dǎo)纖維傳感本領(lǐng)在大海消息與安定、資源勘測(cè)以及宏大災(zāi)禍監(jiān)測(cè)等范圍的運(yùn)用接洽。

馬麗龍，華夏農(nóng)科院半半導(dǎo)體接洽所碩士接洽生，重要從事散布式光導(dǎo)纖維傳感的旗號(hào)處置及其在周界安防的運(yùn)用接洽。

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