徐團(tuán)偉，李芳，馬麗龍

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所

分布式聲傳感（Distributed Acoustic Sensing，DAS）技術(shù)利用相干背向瑞利散射光的相位而非光強(qiáng)來探測音頻范圍內(nèi)的聲音或振動(dòng)等信號(hào)，不僅可以利用相位幅值大小來提供聲音或振動(dòng)事件強(qiáng)度信息，還利用線性定量測量值來實(shí)現(xiàn)對聲音或振動(dòng)事件相位和頻率信息的獲取，如圖 1。該技術(shù)具有長距離（數(shù)十公里）連續(xù)（空間分辨率數(shù)米）的振動(dòng)或聲信息獲取，全尺度（幅度、頻率、相位）數(shù)萬道信息的實(shí)時(shí)測量，耐高溫高壓等惡劣環(huán)境、且抗電磁干擾等優(yōu)勢。

圖 1 分布式光纖聲傳感系統(tǒng)示意圖

國內(nèi)外研究進(jìn)展

早在1993年，Taylor等人提出相位敏感型光時(shí)域反射技術(shù)，通過測量高相干光源背向瑞利散射光的強(qiáng)度變化探測擾動(dòng)，用于入侵檢測。由于振動(dòng)與光強(qiáng)變化并非線性響應(yīng)，主要用于定性測量，通常稱為分布式振動(dòng)傳感技術(shù)（DVS）。

自2010年以來，國內(nèi)外研究人員通過測量背向瑞利散射光的相位變化來線性定量重建聲音/振動(dòng)信息，通常稱為分布式聲波傳感技術(shù)（DAS）。

目前該技術(shù)存在諸多相位解調(diào)與定量化測量方案，包括2010年英國 Silixa公司提出的3 3耦合器相位解調(diào)技術(shù)[1]，2010年英國OptaSense公司提出的雙脈沖外差解調(diào)技術(shù)[1]，2011年中科院上海光機(jī)所提出的數(shù)字相干相位解調(diào)技術(shù)[3]，2014年中科院半導(dǎo)體所提出的相位產(chǎn)生載波解調(diào)技術(shù)[2]，2015年上海交大提出的時(shí)間門控光頻域解調(diào)技術(shù)[6]，2016年電子科技大學(xué)提出的零差 I/Q 正交解調(diào)技術(shù)[4]，2016年西班牙阿卡拉大學(xué)的啁啾脈沖直接測量方案等[5]。

近些年針對提升DAS系統(tǒng)空間分辨率、頻響帶寬、降低噪聲、拓展傳感距離等性能指標(biāo)，華中科大提出了微結(jié)構(gòu)光纖技術(shù)，上海光機(jī)所提出了調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)[6]，中科院半導(dǎo)體提出了差分干涉儀技術(shù)，電子科大提出了拉曼放大技術(shù)等[7]。

目前分布式光纖聲傳感技術(shù)逐步成熟，市場上推出了多款性能優(yōu)異的DAS裝備，比如Silixa公司的iDASTM，Optasense公司的ODH系列，F(xiàn)otech公司的 Helios DAS，中油奧博的μDAS，中科院半導(dǎo)體所的semiDAS等。

產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

DAS技術(shù)即能滿足對事件的定性判斷，同時(shí)能夠提供量化信息，極大擴(kuò)展分布式聲傳感技術(shù)信號(hào)探測能力和應(yīng)用領(lǐng)域，特別是為油氣資源、交通領(lǐng)域、海洋地球物理、天然地震、周界安防領(lǐng)域提供了一種全新、有效和低成本的技術(shù)方案， 表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景，并得到迅速地發(fā)展。

油氣資源領(lǐng)域

DAS 技術(shù)可用于井中垂直地震測井（VSP）、地表地震采集、時(shí)延或永久油藏監(jiān)測、水力壓裂監(jiān)測等方面，由于DAS技術(shù)可以在油井全生命周期中起到重要作用，正受到越來越多物探科學(xué)家的關(guān)注，如圖2。

圖 2 分布式光纖傳感技術(shù)在油氣領(lǐng)域的應(yīng)用

相比常規(guī)地面檢波器及井中檢波器，DAS 技術(shù)具有低成本、高效率、密集采樣、資料品質(zhì)不低于傳統(tǒng)地震檢波器等優(yōu)勢，多家油服公司（斯倫貝謝、哈里伯頓）、地球物理公司（中石油東方物探、CGG、PGS、TGS），在井中地震采集、地表地震采集、微地震監(jiān)測、油藏監(jiān)測方面開展了試驗(yàn)。

近期英國Silixa公司在碳捕集于封存項(xiàng)目中，利用DAS 技術(shù)進(jìn)行三維VSP、時(shí)移地震和完井動(dòng)態(tài)監(jiān)測，對氧化碳存儲(chǔ)設(shè)備和地層的整個(gè)生命周期進(jìn)行主動(dòng)和被動(dòng)地震監(jiān)測。國內(nèi)中石油東方物探公司聯(lián)合與電子科技大學(xué)在長慶、新疆和西南等 6 個(gè)油田完成了34井次生產(chǎn)試驗(yàn)，獲得高品質(zhì)資料。中科院半導(dǎo)體所聯(lián)合中石油東方物探公司和中國石化集團(tuán)地球物理公司在大慶、冀東、青海、長慶、塔河、福山等油田進(jìn)行了VSP 地震采集中，取得了不錯(cuò)的效果。

交通領(lǐng)域

DAS 技術(shù)可用于道路車輛和鐵路列車狀態(tài)監(jiān)測。借助鋪設(shè)在道路旁并配備DAS 技術(shù)的光纜可以拾取車輛的動(dòng)向，確定使用道路的車輛，計(jì)算出擁塞的形成方式和類型，評估基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)。借助鐵路網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)光纜，可以將傳感網(wǎng)絡(luò)沿鐵軌延伸，用于跟蹤火車運(yùn)行軌跡和監(jiān)測鐵軌狀態(tài)，沿著所監(jiān)視的區(qū)段的整個(gè)長度連續(xù)地提供實(shí)時(shí)位置信息。

2016年，英國OptaSense公司用于高鐵監(jiān)測的DAS系統(tǒng)投入使用，其監(jiān)測長度為1000 km，鋪設(shè)在沙特高鐵達(dá)曼和利雅得區(qū)段，具有監(jiān)控列車運(yùn)行和非法入侵（人員、動(dòng)物）的功能。

2017年，中科院上海光機(jī)所提出了基于多維綜合分析與深度學(xué)習(xí)的鐵路沿線安全檢測技術(shù)。利用動(dòng)態(tài)頻率空間圖像分析方法消除環(huán)境噪聲，利用多維綜合分析方法進(jìn)行列車識(shí)別、擾動(dòng)識(shí)別，利用深度網(wǎng)絡(luò)提取信號(hào)特征與分類識(shí)別，這些方法在多條實(shí)際線路中得到充分驗(yàn)證。

2020年，中科院半導(dǎo)體所聯(lián)合北京交通大學(xué)利用光纜對秦皇島某處進(jìn)行了高鐵、客運(yùn)列車和重載列車的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，可對列車進(jìn)行分類，并清晰獲取了16編組高鐵的車輪信息。

海洋地球物理領(lǐng)域

DAS技術(shù)可用于海洋物探、海底地震預(yù)警和水下目標(biāo)探測等方面?？山柚延泻５坠饫|和DAS高空間分辨率的優(yōu)勢，可以繪制更精細(xì)的海底斷層和海浪信息，進(jìn)而幫助科學(xué)家對地震和海嘯做出更準(zhǔn)確的預(yù)測?？衫脷鈽屨鹪催M(jìn)行海底資源勘探，為天然氣水合物試開采過程中監(jiān)測、非常規(guī)油氣田開發(fā)提供支撐。

2019年，加利福尼亞大學(xué)、勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室、蒙特利灣水族館研究所和萊斯大學(xué)的科學(xué)家對一條20公里長的海底光纜進(jìn)行了四天的研究，并記錄了一條來自加利福尼亞州海岸蒙特雷灣的構(gòu)造斷裂帶的 3.4級(jí)地震。2019年，中科院半導(dǎo)體所聯(lián)合中科院深海所在海南入?？谶M(jìn)行了海底光纜觀測實(shí)驗(yàn)，獲得了主頻為1.2 Hz 的三維海浪信息和船只動(dòng)態(tài)信號(hào)。

地震監(jiān)測領(lǐng)域

DAS技術(shù)使用現(xiàn)有通訊光纜可以低成本、高精度地實(shí)現(xiàn)地震探測。2018年，德國波茨坦地球科學(xué)研究中心通過高分辨率DAS系統(tǒng)，利用雷克雅半島既有的 15 km 通信光纜進(jìn)行地震波探測，檢測到與大西洋中脊地震活動(dòng)相關(guān)的局部地震以及海洋微震。研究結(jié)果表明通信光纜可以用來探測地震和其它地面活動(dòng)，為地震波探測提供全新的技術(shù)手段。

其他領(lǐng)域

DAS技術(shù)結(jié)合其長距離、高空間密度、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢，還廣泛于周界安防，管道 / 管廊泄漏監(jiān)測，水下目標(biāo)探測等。

總結(jié)與展望

DAS技術(shù)近些年來發(fā)展迅速，前景廣闊，覆蓋科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用的多個(gè)方面，取得了豐碩的科研成果。近些年DAS技術(shù)性能不斷在提升，頻帶向低頻和高頻延伸（低頻達(dá)到了數(shù)十mHz，高頻到MHz），傳感距離從數(shù)公里到上百公里，空間分辨率降低到亞米量級(jí)，采用特種光纖將噪聲水平降低20 dB。DAS技術(shù)的功能也在不斷延伸，采用螺旋光纖將DAS一維傳感能力提升到具備三維傳感能力，利用相關(guān)探測技術(shù)實(shí)現(xiàn)對溫度應(yīng)變等物理量的準(zhǔn)靜態(tài)高精度測量。

DAS技術(shù)將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：

（1）DAS技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，從高性能的科研裝備向標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)裝備的過渡，為科研和工業(yè)應(yīng)用提供有效的分布式地震波探測工具；

（2）新DAS技術(shù)提升系統(tǒng)性能和拓展功能，使其具備更寬的響應(yīng)頻帶、探測距離和空間分辨率，從單一動(dòng)態(tài)信號(hào)探測走向多參量聯(lián)合分布式探測；

（3）依賴自身優(yōu)勢進(jìn)一步拓展應(yīng)用領(lǐng)域， 從地表往深地、深海和深空拓展，特別是為海洋和行星的地震波探測提供技術(shù)手段。

參考文獻(xiàn)

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.

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7.蔡海文,葉青,王照勇.基于相干瑞利散射的分布式光纖聲波傳感技術(shù) [J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2020,57(5).

作者簡介

徐團(tuán)偉，中國科學(xué)院半導(dǎo)體所副研究員，主要從事特種光纖光柵，超窄線寬光纖激光器，分布式光纖聲傳感系統(tǒng)，以及光纖傳感技術(shù)在油氣礦藏勘探、海洋地球監(jiān)測、周界安防等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

李 芳，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員， 主要從事光纖傳感技術(shù)在海洋信息與安全、資源勘探以及重大災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

馬麗龍，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所博士研究生，主要從事分布式光纖傳感的信號(hào)處理及其在周界安防的應(yīng)用研究。