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摘要

具体介绍了散布式光纤声波传感DAS系统的具体丈量道理以及衡量其现实监测机能的技术参数：传感距离、空间分辨率、频率响应和信噪比。以管路泄漏、周界安防和水力压裂为例，说了然DAS系统在工程监测中的现实利用成效。

在岩土工程及结构健康及安全监测领域中，对温度、应变、微振等信号的监测精度、覆盖领域、空间分辨率、智能化数据采集等指标都提出了越来越高的要求。近年来，各类光纤传感技术以其屏蔽电磁滋扰、射频滋扰、传输衰减幼、防爆、高不变性等特点，越来越得到国内表监测领域钻研者和利用者的亲昵关注。

随着光纤传感技术的不休发展与美满，相较于传统的各类点监测传感技术而言，利用激光在光纤内部传输时产生多种后向散射大局实现物理量监测的散布式光纤传感（distributed optical fiber sensing，DOFS）技术，在监测领域、环境适应性、传输损耗节造和系统鲁棒性等方面都展示出了优势。目前，散布式光纤传感技术重要凭据其道理的分歧分为5类。

作为散布式光纤传感技术发展的领域，基于光纤内部后向瑞利散射反映待测物理量变动情况的散布式光纤声波传感（distributed optical fiber acoustic sensing，DAS）技术，可能凭据表界声波变动和散射信号的相位变动进行实时对应。目前，国内对DAS技术的理论钻研以电子科技大学饶云江教授团队、中科院上海光学精密机械钻研所蔡海文教授团队等为代表，重要集中在提高传感机能、信号加强技术等方向。相对而言，国表DAS技术的工程利用钻研起步更早，以英国OptaSense、Silixa公司、德国AP Sensing公司等为代表，重要集中在周界安防、泄漏检测等工程领域的利用钻研和拓展方向。

相比仅是对传感光纤沿线振动信号进行定性表征的散布式光纤振动传感（distributed optical fiber vibration sensing，DVS）技术，在共同适当的信号解和谐信号鉴别算法的前提下，DAS 系统可能对表界扰动模型进行高精度、高信息丰度的实时沉建。

散布式光纤声波传感（DAS）系统重要由高有关性脉冲激光源、光信号放大/ 解调器、单模（或多模）光纤和数据处置分析装置组成，其系统结构如图2所示。有关光脉冲进入光纤后，表界声波信号导致光纤内后向瑞利散射光的相位产生变动，这一变动由光探测器进行纪录和解调，从而得到声源的有关信息。

分歧于传统的通例点式传感，DAS系统中整条光纤均可能作为传感元件，这使得其可能在大的传感覆盖区域内采集微振信号。此表，由于系统中激励光脉冲在光纤中产生的后向瑞利散射可能在信号放大/解调器中得到实时的采集和分析，因而，系统整体同样合用于对动态物理量的变动情况进行实时监测。

作为整个DAS系统主题组件的数据处置分析装置，其重要作用是可能对光纤沿线探测到的数千个声信号进行并杏注实时的去噪、定位、鉴别和分类处置。目前，实时幼波去噪和偏振分集等技术也已利用于优化DAS实时信号分析处置机能之中。

散布式光纤声波传感系统性质上是一类散射型DOFS，激光在光纤中传导会产生3种后向散射光，如图3所示。从信号强度来看，布里渊散射光重要用于散布式应变和温度的探测；拉曼散射光则重要对温度效应敏感。DAS系统的探测道理基于Taylor H F 等人于1993年提出的相位敏感型光时域反射计（Φ-OTDR）技术。激光光源拥有高有关性和超窄线宽的特点，通过后向瑞利散射光的过问效应对微振信号进行丈量。

Φ-OTDR技术可能探测到表界应变扰动信号对散射光信号相位的影响，并利用光程的变动量对相位变动实现解调。当光程变动量为ΔS时，则：

Φ-OTDR选取高有关性的窄线宽激光器作为光源，其根基结构如图4所示。传感光纤受表界扰动后的信号被探测器持续采集和处置，由于后向瑞利散射光信号的相位变动与表界扰动变动的上述关系，因而，基于Φ-OTDR道理的DAS技术在对传感光纤沿线数千个离散地位的散射信号相位信息进行解和谐提取后，可能沉构沿光纤的表界扰动的声学信息，进而沉建和鉴别表界扰动信息（应变、温度、微振等）。当前，Φ-OTDR技术是散布式光纤传感中活络度的技术伎俩之一。

由于传感光纤不涉及有源电信号，因而其具备优良的抗电磁辐射滋扰和抗射频滋扰能力，不会受到现场光线和气象的影响，可能实现对覆盖区域持久不变的监测。此表，由于扰动通过分歧距离会存在时差，因而，在传感光纤分歧距离地位处产生的扰动之间不会产生相互的混叠景象，这也便于系统对扰动源的具体地位实现定位。

01 传感距离

传感距离参数重要用来表征DAS系统进行各项切合监测要求的有效传感区域领域。由于光纤中存在传输损耗及布景噪声的影响，从道理上增参与射光光强可增大光纤传感距离的作用。但是由于光脉冲传输时同时存在受激布里渊散射（stimulated Brillouin scattering，SBS），所以当入射光壮大于SBS阈值时，后向瑞利散射光的能量将大量转移至SBS之中，从而导致系统总体信噪比大大降低。设最大传感距离为L_c，则有效传感距离L应为：

式中，P_SBS、L_SBS—引起SBS效应的光功率和受SBS效应影响的最大传感距离；

g_B—布里渊增益系数；

A_eff—光纤纤芯的有效面积；

L_eff—等效作用距离；

Δv_B、Δv_p—布里渊线宽和入射光线宽。

02 空间分辨率

空间分辨率是指传感光纤在布设地位上有效分辨的最幼距离，它可能表征DAS系统对于某特定指标事务的定位精度，也是衡量其系统机能的重要参数。

通常来说，空间分辨率重要受激励光脉冲宽杜装响，且应为脉冲宽度的一半。但早年述DAS系统的组成来看，空间分辨率会受到有关脉冲激光源、信号采集系统和模数转换（A/D）组件的综合影响。据此，空间分辨率的有效值Δz能够由下式得出：

03 频率响应

DAS系统通过对光纤内的后向瑞利散射光进行探测来还原表部扰动模型，其内容是通过激励脉冲光将光纤作为整体传感元件进行离散采样，同时在光纤中应保障脉冲光之间不产生混叠景象。综合以上成分，凭据Nyquist采样定理及有关经验公式，系统最大可探测频率f_max应为：

04 信噪比

作为一种对周边环境敏感的散布式检测技术，DAS 系统信号传输的信噪比（SNR）会对光信号质量产生直接影响Ｋ伎嫉焦庀酥行藕糯涞墓逃兴鸷乃贾碌男藕潘ゼ，通常在光纤尾端部门的信噪比会低于光纤前端部门的信噪比，其表白式为：

以英国OptaSense公司的单台OLA2.1型DAS系统为例，目前其可能实现实时传感监测的最长距离50km，各输出通路间距为10m，空间分辨率为7.5m，可能通过安插多个信号调造解调仪的方式实现大覆盖领域的监测要求。另表，DAS系统也可能支持进行目前通例散布式光纤的应变和温度监测。

01 管路泄漏监测

输水、输油管路在资源调配和运输过程中起到至关沉要的作用，其穿孔或泄漏会造成水、油气等资源的持续损失，并附带有环境传染、停产补漏工作等一系列严沉后果。管路运输特有的散布领域广、泄漏大局多样、监测难度大和防爆要求高档特点对管路泄漏的监测技术提出了越发严格的要求。

相对于传统基于温度监测的散布式光纤监测技术，针对声学信号的DAS技术能够综合多种监测物理量，进而对多种管路分裂、泄漏景象等故障模式进行鉴别和实时反馈。与传统温度监测分歧，DAS系统还可能凭据声波信号特点判断潜在的负压脉冲和泄漏孔噪声信息，这也为泄漏查抄和守护提供了关键的预警信息。从图5中能够看出，管路产生泄漏时，自泄漏孔处产生的负压脉冲信号沿管路方向传布，DAS系统可能在2km以上的长度领域内对负压脉冲信号进行持续监测。图6显示了此信号在瀑布图中的监测了局。

另表，凭据管路内运输物的物相特点可将运输物分为气相、液相和混合相3类。分歧相流体产生渗漏的流动特点、声信号特点和温度散布均存在较大区别，如图7所示。

在管路利用清管器进行守护的过程中，DAS系统同样可能凭据声信号共同监测清管器的实时自动追踪和定位，并查抄可能存在的管路泄漏地位。图8显示了DAS系统在数公里长度领域内凭据清管器在管路内活动产生的声信号特点实现持续追踪定位的成效。

DAS系统相比传统基于温度的散布式监测方式，可能通过泄漏物隆起应变、负压脉冲、孔口噪声和温度梯度等多种信号进行综合监测，因而在地下/海底管路环境中拥有好的准和环境适应性。

02 周界安防监测

机场、核电站、工业厂房等沉要区域的周界安全关乎人员的性命安全和设备的不变正常运行，对周界安全的实时监控和入侵源的实时定位拥有沉大意思。DAS系统使用矫捷的光纤传感方式，适合这类领域广、荫蔽性强、活络度要求高的被动式安防监测项目。近年来，在国内表诸多沉要设施的安全和监控领域都进行着DAS系统的利用尝试，引起了国内表工程人员的关注。

在可能出现的周界入侵事务中，在大领域内鉴别、预警分歧模式的入侵行为是评价监测有效性的沉要指标。DAS系统自身具备很好的空间定位性，加之其可能凭据分歧入侵行为产生时扰动的振幅和频率差距对入侵信号进行急剧采集，因而，可能实时区别和分析分歧的入侵行为。DAS系统对分歧入侵大局的鉴别成效如图9所示。

进一步地，在确定了入侵事务产生的地位和入侵源类别后，DAS系统可能进一步对入侵方式的声信号特点加以细化，抽取其频谱特点，并成立信号特点与入侵方式的对应模式。这种高信息丰度的分析模式可能提供关于入侵事务在几十公里长度上的具体地位、周界穿越步骤的具体细节，如图10所示。

03 水力压裂监测

水力压裂是指利用水力作用使油层形成裂缝的步骤，是油气井增产、注水井增注的一项沉要技术措施。必要压裂刷新以获得开发效益的极度规油气资源在勘探开发中所占的比沉，很多油区过了70%。

通过DAS系统对压裂过程中采集的微振信号进行分析，可能预测岩石分裂的功夫和空间地位、推算裂缝的几何尺寸和延长方向，从而评价压裂成效，并最终评估产气机能。DAS系统的传感光纤拥有优良的柔性，可能适应复杂的地下前提，相较于传统监测伎俩，DAS 系统在可能清澈直观地探测分歧深度处裂缝在竖直方向扩大的动态发展过程，如图11所示。

DAS系统同样也可能布设于井组中各压裂井中，从而成立多个井间信号监测信路。图12、图13展示了在水力压裂井间布设DAS系统的规划图和监测现实裂缝发展的趋向图。从图中能够看出，DAS系统不仅可能有效监测裂缝扩大主事务，还可能监测到扩大产生前的能量累积预兆和扩大后的幼裂缝地位等具体信息。这种布设方式可能对流体在裂缝中产生突破的地位和水平进行动态监测，并且对裂缝中产生的应变峰进行定位。

上述利用批注，在难以对地下水力压裂过程进行通例监测时，基于声信号的DAS系统可能对裂缝扩大过程进行明确而直观地震态反映，这些监测了局也可能为水平井组的压裂后评估及压裂设计规划优化提供沉要凭据。

随着光纤传感技术的不休发展和美满，其在岩土工程与结构监测等多个领域中得到了利用。散布式光纤声波传感系统（DAS）作为散布式光纤传感技术（DOFS）的前沿领域，实现了声波和温度信号的综合监测，从而可能精确、不变地沉建表界扰动模型，并且可能从声信号的频谱多样性角度反映待测对象丰硕的特点信息，为光纤传感技术提供了新的技术角度。

同时，利用工程钻研是推动DAS技术发展的重要动力。当前，智慧城视注智慧园区等新兴领域不仅关注监测区域覆盖领域和监测精度，还对事务信号的分类、鉴别和处置提出了更高的要求。DAS技术以其监测的矫捷性和可扩大性特点受到宽泛的关注，其利用也从当前的结构与岩土工程监测扩大至石油、资料、物探、地震、航空等多个领域。所以，进一步提高DAS技术传感距离、丈量精度、动态信号分析算法等方向将是未来进一步钻研的沉点。

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