徐團偉，李芳，馬麗龍

中國科學院半導體研究所

分布式聲傳感（Distributed Acoustic Sensing，DAS）技術利用相干背向瑞利散射光的相位而非光強來探測音頻范圍內(nèi)的聲音或振動等信號，不僅可以利用相位幅值大小來提供聲音或振動事件強度信息，還利用線性定量測量值來實現(xiàn)對聲音或振動事件相位和頻率信息的獲取，如圖 1。該技術具有長距離（數(shù)十公里）連續(xù)（空間分辨率數(shù)米）的振動或聲信息獲取，全尺度（幅度、頻率、相位）數(shù)萬道信息的實時測量，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)外研究進展

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

目前該技術存在諸多相位解調與定量化測量方案，包括2010年英國 Silixa公司提出的3 3耦合器相位解調技術[1]，2010年英國OptaSense公司提出的雙脈沖外差解調技術[1]，2011年中科院上海光機所提出的數(shù)字相干相位解調技術[3]，2014年中科院半導體所提出的相位產(chǎn)生載波解調技術[2]，2015年上海交大提出的時間門控光頻域解調技術[6]，2016年電子科技大學提出的零差 I/Q 正交解調技術[4]，2016年西班牙阿卡拉大學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，華中科大提出了微結構光纖技術，上海光機所提出了調頻脈沖壓縮技術[6]，中科院半導體提出了差分干涉儀技術，電子科大提出了拉曼放大技術等[7]。

目前分布式光纖聲傳感技術逐步成熟，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，中科院半導體所的semiDAS等。

產(chǎn)業(yè)化應用

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

油氣資源領域

DAS 技術可用于井中垂直地震測井（VSP）、地表地震采集、時延或永久油藏監(jiān)測、水力壓裂監(jiān)測等方面，由于DAS技術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家的關注，如圖2。

圖 2 分布式光纖傳感技術在油氣領域的應用

相比常規(guī)地面檢波器及井中檢波器，DAS 技術具有低成本、高效率、密集采樣、資料品質不低于傳統(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。

近期英國Silixa公司在碳捕集于封存項目中，利用DAS 技術進行三維VSP、時移地震和完井動態(tài)監(jiān)測，對氧化碳存儲設備和地層的整個生命周期進行主動和被動地震監(jiān)測。國內(nèi)中石油東方物探公司聯(lián)合與電子科技大學在長慶、新疆和西南等 6 個油田完成了34井次生產(chǎn)試驗，獲得高品質資料。中科院半導體所聯(lián)合中石油東方物探公司和中國石化集團地球物理公司在大慶、冀東、青海、長慶、塔河、福山等油田進行了VSP 地震采集中，取得了不錯的效果。

交通領域

DAS 技術可用于道路車輛和鐵路列車狀態(tài)監(jiān)測。借助鋪設在道路旁并配備DAS 技術的光纜可以拾取車輛的動向，確定使用道路的車輛，計算出擁塞的形成方式和類型，評估基礎設施的狀態(tài)。借助鐵路網(wǎng)絡鋪設光纜，可以將傳感網(wǎng)絡沿鐵軌延伸，用于跟蹤火車運行軌跡和監(jiān)測鐵軌狀態(tài)，沿著所監(jiān)視的區(qū)段的整個長度連續(xù)地提供實時位置信息。

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，鋪設在沙特高鐵達曼和利雅得區(qū)段，具有監(jiān)控列車運行和非法入侵（人員、動物）的功能。

2017年，中科院上海光機所提出了基于多維綜合分析與深度學習的鐵路沿線安全檢測技術。利用動態(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行列車識別、擾動識別，利用深度網(wǎng)絡提取信號特征與分類識別，這些方法在多條實際線路中得到充分驗證。

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

海洋地球物理領域

DAS技術可用于海洋物探、海底地震預警和水下目標探測等方面?？山柚延泻５坠饫|和DAS高空間分辨率的優(yōu)勢，可以繪制更精細的海底斷層和海浪信息，進而幫助科學家對地震和海嘯做出更準確的預測?？衫脷鈽屨鹪催M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、勞倫斯·伯克利國家實驗室、蒙特利灣水族館研究所和萊斯大學的科學家對一條20公里長的海底光纜進行了四天的研究，并記錄了一條來自加利福尼亞州海岸蒙特雷灣的構造斷裂帶的 3.4級地震。2019年，中科院半導體所聯(lián)合中科院深海所在海南入海口進行了海底光纜觀測實驗，獲得了主頻為1.2 Hz 的三維海浪信息和船只動態(tài)信號。

地震監(jiān)測領域

DAS技術使用現(xiàn)有通訊光纜可以低成本、高精度地實現(xiàn)地震探測。2018年，德國波茨坦地球科學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 通信光纜進行地震波探測，檢測到與大西洋中脊地震活動相關的局部地震以及海洋微震。研究結果表明通信光纜可以用來探測地震和其它地面活動，為地震波探測提供全新的技術手段。

其他領域

DAS技術結合其長距離、高空間密度、實時動態(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，水下目標探測等。

總結與展望

DAS技術近些年來發(fā)展迅速，前景廣闊，覆蓋科學研究和工業(yè)應用的多個方面，取得了豐碩的科研成果。近些年DAS技術性能不斷在提升，頻帶向低頻和高頻延伸（低頻達到了數(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，采用特種光纖將噪聲水平降低20 dB。DAS技術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，利用相關探測技術實現(xiàn)對溫度應變等物理量的準靜態(tài)高精度測量。

DAS技術將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：

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

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

（3）依賴自身優(yōu)勢進一步拓展應用領域， 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手段。

參考文獻

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.基于相干瑞利散射的分布式光纖聲波傳感技術 [J].激光與光電子學進展,2020,57(5).

作者簡介

徐團偉，中國科學院半導體所副研究員，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)，以及光纖傳感技術在油氣礦藏勘探、海洋地球監(jiān)測、周界安防等領域的應用研究。

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

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