淺談分布式光纖傳感的挑戰(zhàn)和未來方向

一、市場

在市場分析方面，石油和天然氣行業(yè)正在引領分布式光纖傳感市場（圖1）。DTS和DAS系統(tǒng)是石油和天然氣垂直領域使用最廣泛的傳感器，得益于其各種新興應用，DAS具有顯著的市場滲透。

石油和天然氣垂直領域的分布式光纖傳感市場在2020年的價值為5.179億美元，預計到2026年將達到7.689億美元，2021年至2026年的復合年增長率（CAGR）為6.7%。對生產力、效率和操作安全性需求的不斷增長推動了石油和天然氣行業(yè)中分布式光纖傳感市場的增長，這些需求可以通過使用分布式光纖傳感來滿足。表1總結了為石油和天然氣行業(yè)以及其他相關應用提供分布式光纖傳感器和光纖光纜服務（或銷售）的各種公司。

圖1?不同行業(yè)的分布式光纖傳感市場

二、挑戰(zhàn)

有一些主要障礙阻礙了分布式光纖傳感器的部署增長。光纖傳感器的高成本對該市場的發(fā)展構成了重大挑戰(zhàn)。根據(jù)應用、操作條件和所用光纖光纜的類型，分布式光纖傳感系統(tǒng)的成本可能非常高，且仍不是每家需要實時監(jiān)控和傳感的公司都能負擔得起的。此外，這些系統(tǒng)的安裝和維護成本也很高，這使它們的實施變得困難。然而，隨著分布式光纖傳感的采用變得更加快速，制造和批量定價的改進將使成本降低。此外，使用光纖傳感器進行終身連續(xù)監(jiān)測也可以抵消高昂的初始成本。

其他技術挑戰(zhàn)包括井下光纖變暗，其中氫氣穿透光纖和光纖護套周圍的金屬管進入光纖材料，會導致顯著的光學衰減。然而，據(jù)報道，可以通過使用密封涂層、定制特性玻璃和選擇合適的工作波長等許多努力來解決氫變暗問題。這種具有特殊涂層和特性的光纜現(xiàn)在很容易用于長期井下監(jiān)測。

另一個障礙與數(shù)據(jù)大小有關，因為分布式光纖傳感器可以為井下環(huán)境和管道提供連續(xù)監(jiān)測，從而產生大量數(shù)據(jù)。盡管持續(xù)監(jiān)控具有許多優(yōu)勢，但它在數(shù)據(jù)管理、存儲、可視化和安全性方面也存在一系列挑戰(zhàn)?；谠频臄?shù)據(jù)管理最近被引入石油和天然氣行業(yè)，可作為存儲、傳輸和可視化分布式光纖傳感器所產生數(shù)據(jù)的有效手段。

三、未來方向

分布式光纖傳感研究團體不斷開發(fā)該領域的新技術，這將為石油和天然氣行業(yè)提供進一步的應用機會。當前研究工作的主要目標之一是提高分布式光纖傳感的整體性能。例如，引入新的調制方案、新的編碼格式和先進的信號處理方法，可能有助于減少分布式光纖傳感器的空間分辨率、傳感范圍和測量精度限制。另一個研究方向是探索光纖傳感器（包括分布式傳感器）在石油和天然氣工業(yè)的惡劣環(huán)境中以高可靠性測量更多參數(shù)的能力。在實驗室環(huán)境中，光纖傳感器已經證明能夠測量各種物理和化學參數(shù)，例如溫度、應變、振動、壓力、曲率、旋轉、電場/磁場、流量、液位和液體濃度。然而，這些技術很少被可靠地應用于石油和天然氣市場。因此，向石油和天然氣行業(yè)銷售更多的光纖傳感器尤其是化學傳感器是非?？扇〉?。

此外，對于工業(yè)應用，穩(wěn)定性和耐用性與傳感器的靈敏度同樣重要。通常光纖的安裝方案直接影響傳感系統(tǒng)的性能和堅固性。因此應在各種應用場景中繼續(xù)研究和改進安裝方案。此外，還應研究該系統(tǒng)在石油和天然氣行業(yè)不同環(huán)境下的可靠性，特別是在高溫高壓的惡劣環(huán)境中。應該注意的是，傳感系統(tǒng)中采用的特種光纖的新穎設計和/或摻雜方法可能有助于減少傳輸損耗和增加散射光，還可以提高系統(tǒng)對惡劣環(huán)境的耐受性。這將使石油和天然氣行業(yè)的各個領域出現(xiàn)分布式光纖傳感器的新應用。

分布式光纖傳感器在石油和天然氣行業(yè)中的另一個發(fā)展趨勢是集成不同的傳感技術，包括DAS，DTS和DSS，以提供分布式多路復用傳感（DXS）系統(tǒng)。由于目前的分布式光纖傳感器共享一些相同的光電組件，并且可以通過一根光纖或單個管內的幾根光纖來使用，因此根據(jù)需要將這些不同的技術集成到DXS系統(tǒng)中應該是可行的，該系統(tǒng)提供多參數(shù)測量。集成DXS系統(tǒng)的一個優(yōu)點是其成本低于單個傳感系統(tǒng)的總和，同時它可以提供更多有用的信息，而不是簡單地將幾個系統(tǒng)的結果相加。這是因為對同一位置的多維數(shù)據(jù)進行全面分析將提供關于熱點的更深入的信息。

另一方面，石油和天然氣行業(yè)的現(xiàn)有挑戰(zhàn)將使數(shù)據(jù)驅動的分析變得更加重要。例如，石油采收難度的增加以及公眾對自然環(huán)境和資源的關注將要求更有效的石油回收過程和更少的管道泄漏事件，其中需要相應傳感系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)。集成傳感系統(tǒng)的趨勢和數(shù)據(jù)驅動分析的趨勢將在石油和天然氣行業(yè)中相輔相成。隨著獲得和所需的數(shù)據(jù)量變得非常龐大，僅依靠該領域的專家提供完整和詳細的分析并在整個過程中做出決策是不現(xiàn)實的。因此，先進的人工智能（AI）和機器學習方法應該是有益的。它們可以幫助減少數(shù)據(jù)大小并提取事件的有用數(shù)據(jù)，甚至可以代表專家做出決定。此外，考慮到石油和天然氣行業(yè)中許多不同的傳感和測量系統(tǒng)當前和未來的應用，采用基于云的平臺將是一個有前途的解決方案，可以解決安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸、管理、存儲、分析、可視化和下載問題。

應該注意的是，有一類特殊的分布式干涉儀傳感器，它不同于前面討論的經典背向散射分布式光纖傳感器。分布式干涉儀傳感器包括 Michelson干涉儀、Mach-Zehnder干涉儀、Sagnac干涉儀和混合干涉儀。這些干涉儀傳感器通常用作分布式振動傳感器(DVS)，需要雙干涉儀結構來定位擾動位置。與經典的背向散射分布式傳感器相比，分布式干涉儀傳感器具有同時發(fā)現(xiàn)多個入侵點的復雜性，定位精度低得多，但可以監(jiān)測到更高頻率的振動。盡管分布式干涉儀傳感器可以在管道監(jiān)測中找到應用，以監(jiān)測快速動態(tài)入侵，但經典的背向散射分布式傳感器在石油和天然氣行業(yè)的應用更為廣泛。

編輯：黃飛

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