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(lái)的測(cè)量系統(tǒng)。它是基于光信號(hào)在光纖傳播過(guò)程中產(chǎn)生的瑞利散射效應(yīng)、光時(shí)域反射技術(shù)（OTDR）原理，集成了光學(xué)、電子學(xué)、機(jī)械和數(shù)字信號(hào)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(hào)傳輸煤質(zhì)，也是外界信息感知的器件，因此可以對(duì)光纖沿線的外界聲波信息、振動(dòng)信息進(jìn)行連續(xù)快速的測(cè)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(qiáng)、抗電磁干擾、無(wú)需電源和成本低等多種優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電學(xué)傳感器在監(jiān)測(cè)范圍和系統(tǒng)可靠性等方面的不足，在短短幾十年時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濃度、壓力、振動(dòng)、位移和折射率等變化量的測(cè)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(cè)、電力工程和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。其中，實(shí)用價(jià)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(cè)的光纖測(cè)溫系統(tǒng)，通過(guò)采用基于拉曼散射測(cè)溫技術(shù)的分布式光纖溫度測(cè)試，在一根光纖上即可準(zhǔn)確及時(shí)地定位溫度異常點(diǎn)；同時(shí)系統(tǒng)設(shè)有多級(jí)定溫報(bào)警值和溫升速率報(bào)警，實(shí)時(shí)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(cè)溫系統(tǒng)僅能被動(dòng)地設(shè)置一個(gè)溫度閾值容易出現(xiàn)誤判，且不能準(zhǔn)確定位事故點(diǎn)位置的問(wèn)題。用基于拉曼散射測(cè)溫技術(shù)的分布式光纖溫度測(cè)試，在一根光纖上即可準(zhǔn)確及時(shí)地定位溫度異常點(diǎn)；同時(shí)系統(tǒng)設(shè)有多級(jí)定溫報(bào)警值和溫升速率報(bào)警，實(shí)時(shí)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(dòng)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(huì)導(dǎo)致其輸送受阻，更會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，甚至引發(fā)爆炸火災(zāi)等事故，需要耗費(fèi)大量人力物力進(jìn)行監(jiān)測(cè)、維護(hù)、治理。所以對(duì)管道泄漏的提前預(yù)防、及時(shí)預(yù)警和定位有著非常重要的實(shí)際意義。

同時(shí)，油氣在運(yùn)輸過(guò)程中需要進(jìn)行加溫以促進(jìn)流動(dòng)，加溫裝置將石油加熱至一定溫度然后在管道內(nèi)運(yùn)輸。然而，過(guò)度的加溫會(huì)造成資源浪費(fèi)，增加油氣運(yùn)輸成本，如何合理設(shè)置加溫，對(duì)油氣工程的能耗控制有重要意義。石油在管道內(nèi)溫度會(huì)降低，形成隨運(yùn)輸距離遞減的溫度梯度，該溫度的實(shí)時(shí)、分布式監(jiān)測(cè)數(shù)值，能夠作為加溫反饋控制的重要依據(jù)，對(duì)于合理溫度控制、降低運(yùn)輸能耗有重要作用。一種油氣管道綜合監(jiān)測(cè)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(cè)主機(jī)，光纜實(shí)時(shí)感應(yīng)油氣管道的振動(dòng)信號(hào)，并傳輸給光纖監(jiān)測(cè)主機(jī)以探測(cè)油氣管道在不同位置的泄漏狀態(tài)。其中，振動(dòng)信號(hào)主要可反應(yīng)外界的外界振動(dòng)甚至偷盜破壞的情況。

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)是用于實(shí)時(shí)測(cè)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(cè)和火災(zāi)預(yù)警。分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)主要運(yùn)用光纖內(nèi)的自發(fā)拉曼散射原理來(lái)測(cè)溫，用光時(shí)域反射原理來(lái)定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度場(chǎng)的實(shí)施測(cè)量的溫度傳感系統(tǒng)。

目前經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展使得社會(huì)對(duì)水油氣等能源資源的需求急劇增長(zhǎng)，管道運(yùn)輸由于高效、經(jīng)濟(jì)、可適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)而成為重要的水、油、氣能源運(yùn)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(huì)被破壞甚至導(dǎo)致環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失。為了維護(hù)管道沿線安全，防止人為破壞或環(huán)境破壞，需要對(duì)水管管道工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，并對(duì)具有威脅性的入侵事件進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)先報(bào)警。因此，管道安全監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)維護(hù)管道運(yùn)輸具有重要作用，且具有社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義。

基于相位敏感光時(shí)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(jiǎn)單、檢測(cè)距離長(zhǎng)、可同時(shí)對(duì)多個(gè)擾動(dòng)進(jìn)行定位、分辨率高、定位精度準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在供水管道泄漏監(jiān)測(cè)上可以實(shí)時(shí)檢測(cè)和定位泄露位置，且對(duì)管道不會(huì)產(chǎn)生任何破壞或影響其正常運(yùn)行。分布式光纖聲傳感(distributed acoustic sensing,DAS)基于Φ-OTDR技術(shù)，通過(guò)檢測(cè)傳感光纖中背向瑞利散射光的相位信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式聲音或振動(dòng)等信號(hào)的檢測(cè)，不僅可以利用相位、幅值大小提供聲音或振動(dòng)事件強(qiáng)度信息，還利用線性定量測(cè)量值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音時(shí)間相位和頻率信息的獲取。