分布式光纖聲波傳感技術(shù)的工作原理

文章來(lái)源：T石頭科普工作室

原文作者：行雨

分布式光纖聲波傳感技術(shù)（Distributed Acoustic Sensing，DAS）是一種利用光纖作為傳感元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)沿光纖路徑上的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行連續(xù)分布式測(cè)量的技術(shù)。

DAS技術(shù)的原理是利用光子與光纖內(nèi)在晶格缺陷的相互作用。激光器向光纖發(fā)送脈沖激光，光纖的晶格缺陷會(huì)將一些光散射回解調(diào)器。DAS利用后向瑞雷散射來(lái)推斷沿光纖每幾米的隨時(shí)間的縱向應(yīng)變變化。這種技術(shù)可以在整根光纖長(zhǎng)度上對(duì)沿光纖分布的應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取被測(cè)量的空間分布狀態(tài)和隨時(shí)間變化的信息。分布式光纖傳感系統(tǒng)是同時(shí)利用光纖作為傳感敏感元件和傳輸信號(hào)介質(zhì)。通過(guò)先進(jìn)的OTDR(Optical Time-Domain Reflectometry)技術(shù)或OFDR(Optical Frequency-Domain Reflectometry)技術(shù)，探測(cè)沿著光纖不同位置的應(yīng)變的變化，實(shí)現(xiàn)真正分布式的測(cè)量（Zhan, 2019）。

DAS技術(shù)模擬圖（Zhan, 2019）

DAS技術(shù)最初被石油公司用于勘探地球物理領(lǐng)域(e.g., Mestayer et al., 2011; Daley et al., 2013)，主要用于隨井勘探等。后來(lái)被推廣至地球科學(xué)的其他領(lǐng)域，乃至工程領(lǐng)域等。DAS得力于其布設(shè)的成本，例如在城市中，地下本來(lái)就有眾多的通訊光纜分布，只要接入DAS解調(diào)儀就可以化身遍布城市的傳感器，監(jiān)測(cè)成本立馬降低了。由于光纜的抗腐蝕性等特性，使得DAS技術(shù)可以適應(yīng)嚴(yán)苛惡劣的自然環(huán)境，例如高山、荒漠、沼澤水下等，同時(shí)DAS技術(shù)可遠(yuǎn)程控制具備智能化、可視化、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化等，同時(shí)具備在線監(jiān)測(cè)和信號(hào)處理功能。而DAS技術(shù)的高靈敏和高分辨地監(jiān)測(cè)地學(xué)弱信號(hào)的能力、寬頻段監(jiān)測(cè)能力(10-2Hz—104Hz)以及高保真波形還原性能，使得DAS技術(shù)有著更多的可能性。

油井中利用光纜（Daley et al, 2013）

目前，DAS技術(shù)已經(jīng)被用于眾多領(lǐng)域，如地震監(jiān)測(cè)、地下結(jié)構(gòu)成像、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋監(jiān)測(cè)、生物學(xué)監(jiān)測(cè)、極地探測(cè)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等等領(lǐng)域，并取得了令人驚訝的成就。在地震監(jiān)測(cè)方面，如Yu等人（2019）利用一條20km的光纜進(jìn)行遠(yuǎn)震波形監(jiān)測(cè)，其波形與寬頻帶等具有良好的一致性。Li等人（2023）稱基于100公里的光纜用反投影方法揭示了巨型逆沖斷層的破裂特征。

地震定位及DAS地震信號(hào)（Li et al., 2023）

在地下結(jié)構(gòu)成像方面，例如PoroTomo項(xiàng)目利用DAS和節(jié)點(diǎn)獲取了風(fēng)化殼和基巖幾百米的精細(xì)結(jié)構(gòu)（Parker et al., 2018）。還有結(jié)合DAS進(jìn)行小尺度的主動(dòng)源P波成像，能夠獲取淺層的高精度結(jié)構(gòu)圖像（Hong et al., 2024）。城市地區(qū)的地下結(jié)構(gòu)探測(cè)也非常重要，利用城市光纜進(jìn)行城市地下結(jié)構(gòu)的探測(cè)不僅節(jié)省成本，還能夠不損壞道路等，例如2022年在合肥進(jìn)行的長(zhǎng)期觀測(cè)，獲取了合肥城市地下結(jié)構(gòu)幾百米的精細(xì)圖像，還發(fā)現(xiàn)了可能的活斷層，為城市安全監(jiān)測(cè)提供了更全面的信息（Lei and Wang, 2024）。

合肥城市地下結(jié)構(gòu)S波速度（Lei and Wang, 2024）

除了陸地，海洋也是DAS技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域。由于海洋的特殊環(huán)境，導(dǎo)致海洋地震等觀測(cè)手段受限，傳統(tǒng)的OBS探測(cè)設(shè)備成本高，還會(huì)面臨無(wú)法成功回收等問(wèn)題。而DAS技術(shù)的出現(xiàn)填補(bǔ)了海洋觀測(cè)的稀疏性，成為海洋觀測(cè)新的助力。目前，全球各大洋的海底通訊光纜都有分布，而且非常密集，這為DAS海洋監(jiān)測(cè)提供了更為便捷的方式。目前海洋DAS已經(jīng)用于各方面的應(yīng)用，如海洋的地震監(jiān)測(cè)(Taweesintananon et al., 2023)、海盆成像(Chen et al., 2021)、鯨魚(yú)的聲學(xué)(Landr? et al., 2022)、海嘯監(jiān)測(cè)（Williams et al., 2023）、臺(tái)風(fēng)過(guò)境探測(cè)（Lin et al.,2024）等等。這些應(yīng)用極大地豐富了海洋科學(xué)地觀測(cè)內(nèi)容。

太平洋附近通訊光纜分布（submarinecablemap）

除了廣闊的海洋之外，還有更加嚴(yán)苛地環(huán)境那就是冰川和極地。Walter等人（2020）利用DAS技術(shù)在冰川地形中觀測(cè)并定位到冰川的粘滑冰震，這也意味著DAS技術(shù)在嚴(yán)苛環(huán)境的實(shí)用性和可靠性。在南極區(qū)域，研究人員也利用DAS進(jìn)行冰震的監(jiān)測(cè)以及冰層速度結(jié)構(gòu)的獲取等等（Zhou et al., 2022），DAS也在極地區(qū)域發(fā)揮著作用。其實(shí)DAS技術(shù)不僅僅只能看地下的東西，DAS還能看大氣中的變化，例如DAS可以用來(lái)監(jiān)測(cè)雷暴等特殊的大氣變化（Hong et al., 2024）。

冰川冰震DAS數(shù)據(jù)及定位（Walter et al., 2020）

DAS雷暴信號(hào)（Hong et al., 2024）

DAS技術(shù)除了用來(lái)監(jiān)測(cè)自然界的各種信號(hào)等，還能用來(lái)監(jiān)測(cè)人類社會(huì)的各種特征信號(hào)，比如交通信號(hào)的監(jiān)測(cè)（王寶善等， 2021），以及用于設(shè)備的結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)，比如鐵軌的形變監(jiān)測(cè)、橋梁的形變監(jiān)測(cè)等等。DAS還能用于周邊安防、管道入侵等工程性任務(wù)。未來(lái)，DAS技術(shù)甚至可以隨著火箭去到更遠(yuǎn)的地方，比如說(shuō)月球、火星，在其他行星獲取數(shù)據(jù)。

在不久的將來(lái)DAS技術(shù)將會(huì)更加完善、全面，為人類提供更多的可能性！所以，光纖不僅僅可以用來(lái)通訊，還能用來(lái)感知萬(wàn)物！