无处不在的听风者分布式光纤声波传感器

　　徐团伟，李芳，马丽龙
　　中国科学院半导体研究所
　　分布式声传感（Distributed Acoustic Sensing，DAS）技术利用相干背向瑞利散射光的相位而非光强来探测音频范围内的声音或振动等信号，不仅可以利用相位幅值大小来提供声音或振动事件强度信息，还利用线性定量测量值来实现对声音或振动事件相位和频率信息的获取，如图 1。该技术具有长距离（数十公里）连续（空间分辨率数米）的振动或声信息获取，全尺度（幅度、频率、相位）数万道信息的实时测量，耐高温高压等恶劣环境、且抗电磁干扰等优势。
　　图 1 分布式光纤声传感系统示意图
　　国内外研究进展
　　早在1993年，Taylor等人提出相位敏感型光时域反射技术，通过测量高相干光源背向瑞利散射光的强度变化探测扰动，用于入侵检测。由于振动与光强变化并非线性响应，主要用于定性测量，通常称为分布式振动传感技术（DVS）。
　　自2010年以来，国内外研究人员通过测量背向瑞利散射光的相位变化来线性定量重建声音/振动信息，通常称为分布式声波传感技术（DAS）。
　　目前该技术存在诸多相位解调与定量化测量方案，包括2010年英国 Silixa公司提出的3 3耦合器相位解调技术[1]，2010年英国OptaSense公司提出的双脉冲外差解调技术[1]，2011年中科院上海光机所提出的数字相干相位解调技术[3]，2014年中科院半导体所提出的相位产生载波解调技术[2]，2015年上海交大提出的时间门控光频域解调技术[6]，2016年电子科技大学提出的零差 I/Q 正交解调技术[4]，2016年西班牙阿卡拉大学的啁啾脉冲直接测量方案等[5]。
　　近些年针对提升DAS系统空间分辨率、频响带宽、降低噪声、拓展传感距离等性能指标，华中科大提出了微结构光纤技术，上海光机所提出了调频脉冲压缩技术[6]，中科院半导体提出了差分干涉仪技术，电子科大提出了拉曼放大技术等[7]。
　　目前分布式光纤声传感技术逐步成熟，市场上推出了多款性能优异的DAS装备，比如Silixa公司的iDASTM，Optasense公司的ODH系列，Fotech公司的 Helios  DAS，中油奥博的μDAS，中科院半导体所的semiDAS等。
　　产业化应用
　　DAS技术即能满足对事件的定性判断，同时能够提供量化信息，极大扩展分布式声传感技术信号探测能力和应用领域，特别是为油气资源、交通领域、海洋地球物理、天然地震、周界安防领域提供了一种全新、有效和低成本的技术方案， 表现出巨大的应用前景，并得到迅速地发展。
　　油气资源领域
　　DAS 技术可用于井中垂直地震测井（VSP）、地表地震采集、时延或永久油藏监测、水力压裂监测等方面，由于DAS技术可以在油井全生命周期中起到重要作用，正受到越来越多物探科学家的关注，如图2。
　　图 2 分布式光纤传感技术在油气领域的应用
　　相比常规地面检波器及井中检波器，DAS 技术具有低成本、高效率、密集采样、资料品质不低于传统地震检波器等优势，多家油服公司（斯伦贝谢、哈里伯顿）、地球物理公司（中石油东方物探、CGG、PGS、TGS），在井中地震采集、地表地震采集、微地震监测、油藏监测方面开展了试验。
　　近期英国Silixa公司在碳捕集于封存项目中，利用DAS 技术进行三维VSP、时移地震和完井动态监测，对氧化碳存储设备和地层的整个生命周期进行主动和被动地震监测。国内中石油东方物探公司联合与电子科技大学在长庆、新疆和西南等 6 个油田完成了34井次生产试验，获得高品质资料。中科院半导体所联合中石油东方物探公司和中国石化集团地球物理公司在大庆、冀东、青海、长庆、塔河、福山等油田进行了VSP 地震采集中，取得了不错的效果。
　　交通领域
　　DAS 技术可用于道路车辆和铁路列车状态监测。借助铺设在道路旁并配备DAS 技术的光缆可以拾取车辆的动向，确定使用道路的车辆，计算出拥塞的形成方式和类型，评估基础设施的状态。借助铁路网络铺设光缆，可以将传感网络沿铁轨延伸，用于跟踪火车运行轨迹和监测铁轨状态，沿着所监视的区段的整个长度连续地提供实时位置信息。
　　2016年，英国OptaSense公司用于高铁监测的DAS系统投入使用，其监测长度为1000 km，铺设在沙特高铁达曼和利雅得区段，具有监控列车运行和非法入侵（人员、动物）的功能。
　　2017年，中科院上海光机所提出了基于多维综合分析与深度学习的铁路沿线安全检测技术。利用动态频率空间图像分析方法消除环境噪声，利用多维综合分析方法进行列车识别、扰动识别，利用深度网络提取信号特征与分类识别，这些方法在多条实际线路中得到充分验证。
　　2020年，中科院半导体所联合北京交通大学利用光缆对秦皇岛某处进行了高铁、客运列车和重载列车的动态监测，可对列车进行分类，并清晰获取了16编组高铁的车轮信息。
　　海洋地球物理领域
　　DAS技术可用于海洋物探、海底地震预警和水下目标探测等方面。可借助已有海底光缆和DAS高空间分辨率的优势，可以绘制更精细的海底断层和海浪信息，进而帮助科学家对地震和海啸做出更准确的预测。可利用气枪震源进行海底资源勘探，为天然气水合物试开采过程中监测、非常规油气田开发提供支撑。
　　2019年，加利福尼亚大学、劳伦斯·伯克利国家实验室、蒙特利湾水族馆研究所和莱斯大学的科学家对一条20公里长的海底光缆进行了四天的研究，并记录了一条来自加利福尼亚州海岸蒙特雷湾的构造断裂带的 3.4级地震。2019年，中科院半导体所联合中科院深海所在海南入海口进行了海底光缆观测实验，获得了主频为1.2 Hz 的三维海浪信息和船只动态信号。
　　地震监测领域
　　DAS技术使用现有通讯光缆可以低成本、高精度地实现地震探测。2018年，德国波茨坦地球科学研究中心通过高分辨率DAS系统，利用雷克雅半岛既有的 15 km 通信光缆进行地震波探测，检测到与大西洋中脊地震活动相关的局部地震以及海洋微震。研究结果表明通信光缆可以用来探测地震和其它地面活动，为地震波探测提供全新的技术手段。
　　其他领域
　　DAS技术结合其长距离、高空间密度、实时动态监测的优势，还广泛于周界安防，管道 / 管廊泄漏监测，水下目标探测等。
　　总结与展望
　　DAS技术近些年来发展迅速，前景广阔，覆盖科学研究和工业应用的多个方面，取得了丰硕的科研成果。近些年DAS技术性能不断在提升，频带向低频和高频延伸（低频达到了数十mHz，高频到MHz），传感距离从数公里到上百公里，空间分辨率降低到亚米量级，采用特种光纤将噪声水平降低20 dB。DAS技术的功能也在不断延伸，采用螺旋光纤将DAS一维传感能力提升到具备三维传感能力，利用相关探测技术实现对温度应变等物理量的准静态高精度测量。
　　DAS技术将呈现以下发展趋势：
　　（1）DAS技术的标准化和规范化，从高性能的科研装备向标准化工业装备的过渡，为科研和工业应用提供有效的分布式地震波探测工具；
　　（2）新DAS技术提升系统性能和拓展功能，使其具备更宽的响应频带、探测距离和空间分辨率，从单一动态信号探测走向多参量联合分布式探测；
　　（3）依赖自身优势进一步拓展应用领域， 从地表往深地、深海和深空拓展，特别是为海洋和行星的地震波探测提供技术手段。
　　参考文献
　　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,叶青,王照勇.基于相干瑞利散射的分布式光纤声波传感技术 [J].激光与光电子学进展,2020,57(5).
　　作者简介
　　徐团伟，中国科学院半导体所副研究员，主要从事特种光纤光栅，超窄线宽光纤激光器，分布式光纤声传感系统，以及光纤传感技术在油气矿藏勘探、海洋地球监测、周界安防等领域的应用研究。
　　李 芳，中国科学院半导体研究所研究员， 主要从事光纤传感技术在海洋信息与安全、资源勘探以及重大灾害监测等领域的应用研究。
　　马丽龙，中国科学院半导体研究所博士研究生，主要从事分布式光纤传感的信号处理及其在周界安防的应用研究。