分布式光纖聲波傳感

分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)是一種基于分布式光纖傳感技術(shù)發(fā)展起來的測量系統(tǒng)。它是基于光信號在光纖傳播過程中產(chǎn)生的瑞利散射效應(yīng)、光時域反射技術(shù)（OTDR）原理，集成了光學(xué)、電子學(xué)、機械和數(shù)字信號處理等多門學(xué)科的綜合性新型分布式光纖傳感技術(shù)系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，光纖既是光信號傳輸煤質(zhì)，也是外界信息感知的器件，因此可以對光纖沿線的外界聲波信息、振動信息進行連續(xù)快速的測量。

分布式光纖傳感器具有損耗低、體積小、重量輕、靈敏度高、耐腐蝕性強、抗電磁干擾、無需電源和成本低等多種優(yōu)點，彌補了傳統(tǒng)電學(xué)傳感器在監(jiān)測范圍和系統(tǒng)可靠性等方面的不足，在短短幾十年時間內(nèi)得到飛速發(fā)展。人們利用各種光纖傳感器已經(jīng)順利實現(xiàn)對溫度、濃度、壓力、振動、位移和折射率等變化量的測量。迄今為止，各種類型的光纖傳感器已被廣泛應(yīng)用于周界安防、航空航天、管道監(jiān)測、電力工程和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。其中，實用價值最高的當(dāng)屬分布式光纖傳感系統(tǒng)。

用于變電站溫度監(jiān)測的光纖測溫系統(tǒng)，通過采用基于拉曼散射測溫技術(shù)的分布式光纖溫度測試，在一根光纖上即可準(zhǔn)確及時地定位溫度異常點；同時系統(tǒng)設(shè)有多級定溫報警值和溫升速率報警，實時顯示溫度分布曲線，在火災(zāi)發(fā)生前做到早期預(yù)警，解決了現(xiàn)有測溫系統(tǒng)僅能被動地設(shè)置一個溫度閾值容易出現(xiàn)誤判，且不能準(zhǔn)確定位事故點位置的問題。用基于拉曼散射測溫技術(shù)的分布式光纖溫度測試，在一根光纖上即可準(zhǔn)確及時地定位溫度異常點；同時系統(tǒng)設(shè)有多級定溫報警值和溫升速率報警，實時顯示溫度分布曲線，在火災(zāi)發(fā)生前做到早期預(yù)警，大大降低變電站的火災(zāi)發(fā)生概率。

目前油氣管道是石油天然氣工程中的重要組成部分，由于腐蝕、焊縫缺陷、外界震動甚至偷盜破壞等原因引起的管道泄漏、防腐層破壞和法蘭、螺紋扣及填料函等管道連接部位的泄漏和腐蝕變得愈加嚴(yán)重。管道發(fā)生泄漏不光會導(dǎo)致其輸送受阻，更會對環(huán)境造成污染，甚至引發(fā)爆炸火災(zāi)等事故，需要耗費大量人力物力進行監(jiān)測、維護、治理。所以對管道泄漏的提前預(yù)防、及時預(yù)警和定位有著非常重要的實際意義。

同時，油氣在運輸過程中需要進行加溫以促進流動，加溫裝置將石油加熱至一定溫度然后在管道內(nèi)運輸。然而，過度的加溫會造成資源浪費，增加油氣運輸成本，如何合理設(shè)置加溫，對油氣工程的能耗控制有重要意義。石油在管道內(nèi)溫度會降低，形成隨運輸距離遞減的溫度梯度，該溫度的實時、分布式監(jiān)測數(shù)值，能夠作為加溫反饋控制的重要依據(jù)，對于合理溫度控制、降低運輸能耗有重要作用。一種油氣管道綜合監(jiān)測系統(tǒng)，在油氣管道內(nèi)部設(shè)置有光纜，光纜連接光纖監(jiān)測主機，光纜實時感應(yīng)油氣管道的振動信號，并傳輸給光纖監(jiān)測主機以探測油氣管道在不同位置的泄漏狀態(tài)。其中，振動信號主要可反應(yīng)外界的外界振動甚至偷盜破壞的情況。

分布式光纖測溫系統(tǒng)是用于實時測量溫度空間分布的技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于煤礦、隧道、大型建筑、輸電線纜、電纜橋架等溫度檢測和火災(zāi)預(yù)警。分布式光纖測溫系統(tǒng)主要運用光纖內(nèi)的自發(fā)拉曼散射原理來測溫，用光時域反射原理來定位，實現(xiàn)對溫度場的實施測量的溫度傳感系統(tǒng)。

目前經(jīng)濟的高速發(fā)展使得社會對水油氣等能源資源的需求急劇增長，管道運輸由于高效、經(jīng)濟、可適應(yīng)性強的特點而成為重要的水、油、氣能源運輸方式。輸水管道一旦遭到惡意挖掘、打孔或者地質(zhì)災(zāi)害所致管道破裂損壞等入侵事件，將會被破壞甚至導(dǎo)致環(huán)境污染和經(jīng)濟損失。為了維護管道沿線安全，防止人為破壞或環(huán)境破壞，需要對水管管道工作狀態(tài)進行實時在線監(jiān)測，并對具有威脅性的入侵事件進行及時、準(zhǔn)確地預(yù)先報警。因此，管道安全監(jiān)測技術(shù)對維護管道運輸具有重要作用，且具有社會和經(jīng)濟意義。

基于相位敏感光時域反射原理(Φ-OTDR)的分布式光纖傳感系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、檢測距離長、可同時對多個擾動進行定位、分辨率高、定位精度準(zhǔn)確等優(yōu)點，應(yīng)用在供水管道泄漏監(jiān)測上可以實時檢測和定位泄露位置，且對管道不會產(chǎn)生任何破壞或影響其正常運行。分布式光纖聲傳感(distributed acoustic sensing,DAS)基于Φ-OTDR技術(shù)，通過檢測傳感光纖中背向瑞利散射光的相位信號來實現(xiàn)分布式聲音或振動等信號的檢測，不僅可以利用相位、幅值大小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)對聲音時間相位和頻率信息的獲取。