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DAS分布式光纤声波传感技术

2025-11-14 09:26:17 来源： 编辑： 作者：

1  引言

地震波检测是一种获取近地表水文信息、了解重大地质灾害过程与机理、探明地下油气储层位置与储量等的关键手段。通过检测并分析地震波在地质中的传输演化规律，可以反演得到近地表地质结构状况与时移变化趋势，进而为地球物理相关研究提供重要的数据支撑。现有主流地震波检测手段为点式电学探测器，受限于其固有的技术瓶颈，阻碍了在相关领域的进一步发展。一方面，现有手段通常需要野外长期单独供电和通信，布设与维护难度大；另一方面，探测阵列对探测器组网的时钟同步精度提出了极高的要求；再者，受限于复用技术的能力，探测器的组网规模难以提升，不利于高精度的地层结构分析。开发新一代地震波检测技术，已经成为地球物理领域飞速发展所面临的一项重要任务。
分布式光纤声波传感(DAS)技术是一种利用激光在光纤中的后向瑞利散射来获取沿线环境物理量变化的先进感知技术，具有环境适应性强、传感范围大、信道间光速同步、时空分辨精度高等优势，为地震波检测突破现有点式电学探测器布设难度大、组网规模受限等固有瓶颈提供了可能。近期研究表明，DAS技术可以直接利用全球海量的冗余通信光缆，实现地震波检测并构建全球监测网络，有望为人类地球活动方式带来重大变革。目前，DAS技术历经几十年发展，已经在周界安防、管线泄露检测、轨道交通安全检测、油气资源勘探等诸多领域得到了广泛应用，但是在地震波检测的应用尚处于初步阶段，还有诸多重要问题亟待解决，吸引着越来越多研究学者的关注。
2  DAS传感原理
DAS是通过激光在光纤中的后向瑞利散射，对光纤沿线环境物理量(温度、振动、应变、声音等)进行空间连续、实时动态感知的。根据弹光效应和胡克定律，外界扰动变化会改变光纤长度和折射率，调制光波传输的光程和时延，进而导致接收端的光波相位发生变化与散射光干涉图样发生变化。以应变检测为例，弹性系数为η，弹光系数为ξ，忽略二阶小量的情况下，光纤轴向应变εz在光纤段段Δl上产生的光程差为Azpath≈εzn0Δl(ξ+η)，其中n0为纤芯折射率。光程差变化引起的光波时延表示为Δτ=Δzpath/c=εzn0Δl(ξ+η)/c，其中c为光波的真空速度。显然，光波时延与外界扰动近似呈线性映射关系，通过解调光波时延即可线性重建扰动波形。
根据解调方式，DAS可以分为定性解调和定量解调两类。前者又称为分布式光纤振动传感技术，即DVS，它是利用后向干涉图样的幅度变化来反映外界扰动的，这一方式只能定性判断扰动事件的有无，难以准确复现扰动信号的波形。后者则为狭义的DAS技术，大多通过解调单色光脉冲的散射相位信息或调谐光波的散射频率信息，获取光波时延信息，线性重建外界扰动变化。最具代表性的两类DAS技术是相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)和光频域反射计(OFDR)，如图1所示。Φ-OTDR是通过发射单频光脉冲来获取光纤沿线物理量变化和实现事件定位的，具有传感距离长(几十至上百千米)、响应带宽高等优势。OFDR则以啁啾脉冲为探针，传感距离通常较小，但是定位精度非常高，可达毫米量级。随着技术的发展，国内外同行专家也提出了多种衍生技术，如TGD-OFDR、啁啾脉冲DAS、双脉冲$-OTDR等，均取得了不错的效果。








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