一项蓬勃发展的物探新技术！分布式光纤声波传感技术及其资源环境勘查监测中应用

分布式光纤声波传感及其地震波检测应用

王照勇^1,2***，卢斌^1,2，叶蕾^1,2，应康^1,2，孙延光^1,2，程楠³，鲁湛^1,2，叶青^1,2**，蔡海文^1,2*

1中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室

2中国科学院大学材料与光电研究中心

3中国科学院上海光学精密机械研究所中国科学院量子光学重点实验室

 

导读：分布式光纤声波传感(DAS)技术是一项正在蓬勃发展的新技术！具有动态在线监测、大范围密集测量、方便布设免维护等独特优势，在周界安防、结构健康、交通运输、油气勘探、海洋水声等多领域获得了广泛关注。

DAS技术可以方便地通过标准通信光缆或专用光缆形成大规模探测阵列，满足地球物理与自然灾害预测等领域的地震波检测需求，有望得到更广泛的应用。王照勇等以新兴的地震波检测应用为切入点，结合调研情况，对DAS技术的基本传感原理、技术发展历程、地震波应用（油气勘探、碳存储监测、地质灾害监测、近地表地层探测）进展等进行论述，并分析DAS在地震波检测方向所面临的关键技术难题和未来发展趋势。

 

内容提纲

 

1  引言

2  DAS传感原理

3  技术发展历程

3.1 数字相干相位解调

3.2 分布式深度智能识别

3.3 分布式立体定位

3.4 空间多维探测

4  地震波监测应用进展

4.1 油气资源勘探

4.2 碳存储与监测

4.3 自然灾害探测

4.4 近地表地层分析

5  可能的发展趋势

6  结束语

 

 

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ε_z在光纤段段Δl上产生的光程差为A_zpath≈ε_zn₀Δl(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=Δ_zpath/c=ε_zn₀Δl(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。

图1  Φ-OTDR和OFDR原理框图

 

3  技术发展历程

DAS，特别是Φ-OTDR技术，发展历程大致可以分为定性检测、定量测量、立体探测3个阶段。

1）定性检测阶段。该阶段主要通过幅度解调获取散射光干涉图样的变化，来定性反映光纤沿线扰动事件的发生与否。1993年，Taylor等首次提出了利用相干窄线宽激光的后向瑞利散射进行分布式入侵探测的思想。这一时期的DAS只能进行定性探测，还不能实现扰动波形的定量测量，被称为DVS，重点应用于周界安防、管线泄露检测等领域。

2）定量测量阶段。DAS已经可以利用数字相干相位解调、相位生成载波技术、基于3X3耦合器的相位解调技术、正交IQ解调等方法，线性重建外界扰动的实时波形。多种定量解调方法各具特色：IQ解调结构简单，灵敏度和信噪比(SNR)高；数字相干相位解调方法在数字域实现，方便灵活；相位生成载波技术可以解决相干探测工作点随机漂移问题；3X3耦合器解调方法可以避免相干探测引起的额外信号衰落等。在这一阶段，DAS的性能指标得到了快速的发展，响应带宽、空间分辨率、系统SNR、灵敏度等得以优化和提升。结合先进的数据处理方法，DAS能够更为准确地实现事件识别与分类，极大推动了DAS在入侵检测、管线安全等领域的大规模应用落地进程，并拓展了铁路沿线安全检测、声音侦听、电缆局放检测、结构健康监测、油气资源勘探等新兴应用。

3）立体探测阶段。不同于常规点式探测技术思想，DAS的空间连续感知数据得到更高维度的利用，分布式立体定位和多维探测能力得以实现，应用范围得到更大程度的拓展。时空多维传感数据的特征提取方法标志着这一阶段的开始。立体探测DAS技术已经逐步可以满足近地表地层分析、海洋水声探测、地震探测等领域的需求，正在蓬勃发展。

在DAS发展历程中，国内外科研学者们开展了一系列研究，攻克了多项关键问题和技术瓶颈，包括分布式定量测量、深度智能识别、分布式立体定位、空间多维探测等。

3.1 数字相干相位解调

在DVS阶段，外界扰动对光波时延的调制体现在后向散射的干涉图样变化上，通过对光波强度的时间差分，可以分辨外界扰动。由于这一方式难以准确获得扰动波形，不同扰动事件的特征差异被掩盖，仅能依靠强度的时频变化来实现分类识别，应用效果较差。

为了准确获取扰动波形，实现更为稳定可靠的应用，上海光学精密机械研究所团队于2011年率先提出了数字相干相位解调方法，国际上首次实现了扰动信号的分布式多点同步定量测量。根据DAS传感原理可知，外界扰动与光波时延近似呈线性映射关系，而光波时延直接调制的相位信息φ=2πcΔτ/λ，通过获得后向瑞利散射的相位变化即可重建扰动波形，其中λ为光波波长。数字相干相位解调方法是在数字域对外差相干探测的信号波形进行相位解调的，表达式为

式中：：BPD为外差探测信号，由双平衡探测器得到；angle(・)表示求取输入量的相位。对光纤段Δl前后相位进行空间差分，即可线性重建光纤段附近的外界扰动。

3.2 分布式深度智能识别

DAS原始探测数据的现实意义通常不大，应用领域关注更多的是探测数据中隐含的事件信息，如入侵的发生时间、位置、类型等。传统DVS/DAS数据处理方法可以实现扰动事件有无的二分类判断，难以提供更为丰富、有效的事件信息，不利于长距离监测的高效告警管理和事件快速处置。支持向量机、高斯混合模型、卷积网络、深度网络，等多分类方法逐步被引入到DAS中，很大程度上解决了特定应用场景的多分类事件识别问题。然而，常规方法依赖于点式探测器思想，仅利用单信道探测数据，鲁棒性较差，既有参数/模型通常难以在不同环境、不同场合发挥作用，导致DAS应用技术难度较大，不利于大规模应用落地。

上海光学精密机械研究所团队利用DAS的独特空间连续感知特性，进行扰动事件的特性表征与样本构建，并先后结合动态频率空间图像分析(DFSI)、多维综合分析(MDCA)、双路径深度网络(DPN)等方法，如图2(a)所示，以异于常规点式探测思想的方式，挖掘分布感知数据的时间空间多维信息，实现了DAS在车辆定位、列车安全检测等领域的实际应用。2018年，Cedilnik等利用DAS的分布式感知特性，通过铁轨视图方法提取列车与铁轨特性，解决了铁轨健康在线检测问题，如图2(b)所示.

图2  DAS空间密集采样数据的信息挖掘。(a)扰动事件多维三通道样本；b)铁轨视图分析

3.3 分布式立体定位

DAS是通过获取光波在光纤中的往返飞行时间，来实现扰动源定位的。受限于传感光纤的一维空间结构，扰动源定位被局限在光纤轴向一维坐标上，扰动源与光纤的横向位置关系却难以获知。多维空间定位能力的缺失，很大程度上限制了DAS的应用范围，如地震震源定位、入侵危险等级划分、多股道列车跟踪等。多维空间定位面临诸多难题，如扰动源信号的初始状态（幅度、相位等）及其在传输耦合过程中的特性变化（衰减快慢、传输速度等）都会直接影响DAS定量解调信息，实际应用中这两者又难以提前预知，故通过解调信息难以直接反演扰动源信号在传输耦合过程中所历经的距离与时延，以及扰动源到光纤的横向距离和方位。如何在未知扰动源初始状态或传输过程的情况下实现分布式立体定位，成为DAS立体探测阶段亟需解决的重要问题。

2018年，Shpalensky等基于点式探测思想，利用多普勒频移效应，实现了移动目标的二维定位，然而这一方法不适用于慢速或静止目标的多维定位。2019年，上海光学精密机械研究所团队提出了基于阵列信号处理的分布式空间定位方法，实现了单个和多个扰动源的二维、三维定位，如图3所示。此外，OptaSense Inc.、Silixa、上海理工大学等国内外研究团队也分别报道了他们的立体定位工作。

图3 三维空间定位。(a)空间谱分布；(b)多点定位结果

3.4 空间多维探测

受限于光纤传感的物理机制，主流DAS的探测能力还存在单分量敏感和多源混叠两大问题：1）由于光纤径向灵敏度远低于轴向灵敏度，仅能进行光纤轴向的单分量测量，难以实现径向分量测量与三分量测量，不利于地震波信号的准确还原和分析；2）各信道探测数据是光纤应变对周边所有扰动的综合响应，微弱目标信号极易被较强的宽带环境噪声所淹没，邻近的多个目标信号会相互混叠。解决这两大重要问题，全面提升空间多维探测能力，是DAS立体探测阶段的重要内容。

针对单分量敏感问题，美国Colorado矿业学院相关团队于2018年提出复合螺旋线光纤结构方法，该方法解决了外界扰动矢量信号的多分量同步探测问题。几种典型的光纤构型如图4所示。这一思想在理论仿真中得到了很好的验证，但受限于空间分辨率等技术难题，尚未得到实验验证。此外由于需要特定的光纤构型或复杂的现场布设，这一方案适用于小范围地震波检测应用，但难以满足长距离检测应用的需求。

图4  复合螺旋线光纤结构。(a)双螺旋与直光纤；(b)单螺旋与直光纤；c)啁啾螺旋光纤

 

针对多源混叠问题，上海光学精密机械研究所团队在分布式数据挖掘的前期基础上，首次提出分布式定向侦听方法。该方法通过在数字域构建信源方位性增益，解决了目标信号与环境噪声、多个目标信号之间的信号混叠问题。实验中，两个同频不同相的声源信号被放置于邻近光纤的不同方位。如图5(a)和(d)所示，在DAS的定量测量数据中，声源信号被噪声淹没。针对各个声源的方位，对同一数据进行多源混叠抑制处理，可以同时分别获得各个声源的数据，且相位差异与实际情况吻合，如图5所示。

图5 多源混叠抑制。(a)定量解调数据与定向侦听在不同角度的结果；(b)0°；(c)60°；(d)〜(f)相应的语谱图

4  地震波监测应用进展

DAS利用光波瑞利散射效应将光纤转换为成千上万个光速时钟同步的传感单元，可以实现长距离扰动信号的空间密集探测，并能够在数字域灵活构建各类探测阵列，很好地弥补了地震波检测领域现有手段的技术缺陷，近年来得到了油气资源勘探、碳存储与监测、自然灾害探测、近地表地层分析等领域专家的密切关注和跟进研究，发展前景广阔。

4.1油气资源勘探

油气资源勘探通常是通过井下的地震波检测设备获取震动波形的垂直地震剖面(VSP)来实现的。由于常规设备昂贵、部署效率低、井下设备易被掩埋等问题，油气资源勘探和开采成本较高。作为一种新型的地震波监测手段，DAS具有一系列不可替代的优势：1)DAS可以有效获取光纤沿线所有位置的扰动，从而实现地震波的空间密集采样；2)作为一种远程监测手段，解调主机可放置于室内，只需将相对廉价的光缆置于检测井内即可，重复使用率高，综合成本低；3)传感光缆可以永久留存，在油气开采的钻井、完井、生产等全生命周期中发挥着重要作用在国内外研究学者的共同努力下，DAS已经在资源勘探领域得到了广泛而深入的发展。2012年起Silixa公司、Schlumberger公司、Halliburton公司、美国Colorado矿业学院、Apache公司先后报道了他们利用DAS在海基自喷井VSP、光缆耦合技术、标距长度优化、VSP数据质量评估、多分量VSP检测压裂开采时移VSP等方面的研究工作，均取得了不错的效果，某一工作结果如图6所示。国内的相关研究则以DAS同行与中石油、中石化等能源公司的联合攻关为主，比如中油奥博公司、上海朴牛等。

图6 主动震源P波的DAS响应(偏移信号源762m，次扫描)

 

目前，基于DAS的油气资源勘探技术趋于成熟，已经进入商业推广和运营阶段。如何降低DAS设备的操作技术门槛，如何实现便捷的地震波多分量测量，可能将成为这一应用方向的发展重点。

4.2 碳存储与监测

随着全球气候变暖的加剧，二氧化碳温室气体排放限制愈加严格，碳存储作为一种控制空气温室气体含量的有效手段，正在成为相关领域的工作热点。碳存储手段通过加压将二氧化碳或其混合物注入地层中，来实现减少碳排量的目的。然而，如何有效监测注入过程压力与地震波变化，全天候监测二氧化碳泄漏情况，是该领域亟待解决的重要难题。

2016年，加拿大卡尔顿大学团队在Aquistore碳存储工程中利用DAS监测二氧化碳注入过程中的地震波变化，实现了二氧化碳羽流的可视化。这一研究证实了DAS在碳存储监测应用的可行性。美国劳伦斯-伯克利国家实验室(LBNL)团队提出了模块钻井监测概念，并报道了Alabama碳存储的研究工作；与澳大利亚Curtin大学相关团队在CO2CRC Otway工程中利用注入井中的传感光缆开展联合研究，并于2019年实现了3D VSP，如图7所示。目前，这一应用方向的研究报道较少，但随着全球对气候变暖的愈加重视，尤其是国内提出了碳达峰、碳中和的宏观愿景，DAS必将在碳存储领域发挥重要作用。毫无疑问，想要准确可靠的碳存储监测，需要进一步发展高灵敏高精度的DAS探测技术、分布式阵列信号处理与高精度地震波反演方法等。

图7 碳存储监测_。(a)CO2CRC Otway工程；(b)3D VSP视图

4.3 自然灾害探测

地震、海啸、山体崩塌等自然地质灾害对人们的生产生活带来了巨大的危害，研究自然灾害的形成机制和演化规律，掌握灾害的预报方法，一直是相关领域专家的研究重点。然而，现有监测手段多采用点式探测器，时钟同步精度要求高，大规模组网技术难度大，难以实现高精度检测；需要户外供电，布设难度大，不利于大范围应用。这些因素为人类深入认知地质灾害带来了极大的阻碍。DAS作为一种空间连续感知的远程探测技术，可以有效弥补现有手段的不足，有望为自然灾害探测和预警提供新的手段。

近年来，国内外学者开展了一系列相关研究。2017年，瑞士苏黎世联邦理工学院团队利用DAS对浅层滑坡的声发射信号进行监测，验证了浅层滑坡和快速板块位移的预报可行性。2018年，德国GFZ地球科学研究中心通过DAS问询陆地通信光缆状态，获得了远距离地震在不同位置的震动信号，并初步实现了断层破坏区成像。2019年，美国加州大学团队利用海底通信光缆发现了多处未知海底断层并实现了海洋潮汐、微震动等有效监测。2020年Walter等在阿尔卑斯山冰川上利用DAS进行岩崩与冰震监测，如图8所示。多项研究表明，DAS可以通过冗余通信光缆或专用光缆，构建全球范围的地震波检测网络，实现地质灾害的检测和预报。但是，基于DAS的大规模监测网络构建需要发展高效的光缆定标方法，解决既有通信光缆走向多变的地理坐标映射难题，实现多系统探测数据的灵活阵列化。

图8 岩崩与冰震检测。(a)现场布设；b)地震波DAS数据图

4.4 近地表地层分析

地球近地表是现代建筑与重大设施的支撑基础，它的微弱变化会引起毁灭性灾难，如土壤松散会导致地面沉降与道路垮塌、地下水文变化会影响灌溉农业的正常生产、永久冻土融解会造成地上建筑物损害等。DAS可以将既有埋地通信光缆转换为空间密集的探测器阵列，对主动震源或环境噪声的地震波传输演化过程进行全天候动态检测，进而反演获取近地表地层状况。

2017年起，美国LBNL实验室、加州大学、美国陆军寒区研究和工程实验室、斯坦福大学等联合开展研究，利用L型光纤阵列，实现了基于交通噪声的近地表地震波检测与分析，取得了不错的效果。随后，他们利用既有通信光缆，分别研究了DAS在相关环境噪声滤除、近地表结构成像、地下水位信息监测等方面的应用可行性，如图9所示。

图9 近地表地层剪切波速伪彩色成像与地下水位时移监测

 

相较于常规地层分析手段，DAS具有诸多优势，如无需野外供电，布设简单；覆盖范围大，且可永久性监测；利用既有通信光缆进行检测，无需检测区域所有者的许可或配合等。已经发展的分布式定量测量等核心技术为DAS在近地表地层分析的初步应用探索奠定了重要基础，但是要想有进一步的发展，需要探索新一代的DAS系列技术，如低频段高灵敏探测技术、高时空精度探测技术、分布式探测阵列处理与灾害预测技术等。随着探测能力的不断完善，DAS必将在近地表地层分析和智慧城市方面发挥巨大的作用。

5  可能的发展趋势

DAS在地震波检测领域的应用尚处于初步探索阶段，目前还存在一系列问题需要解决。首先，DAS低频灵敏度有待进一步优化。地震波的振动频段主要集中在200Hz以下的低频段，最低可以达到mHz量级；而主流DAS为快速动态检测，受限于单频激光相位噪声和同步时钟精度的限制，低频噪声较大，响应频段大多在10Hz~100kHz。在少数前沿研究报道中，DAS通过多次采样累积平均与带通滤波技术，可以检测到亚Hz频段的强烈地震信号，但仍然难以满足大规模应用的需要。有必要发展低相位噪声、高稳定性的单频激光光源技术或相位噪声补偿技术，结合时钟同源，优化DAS的低频段响应。其次，基于冗余通信光缆的大规模近地表地层分析需要高效实用的光缆定标方法。既有通信光缆的具体走向和光纤坐标通常较为模糊，敲击定标^［的现有方式难以满足大规模应用和城市化区域的要求，需要发展基于大数据分析的自适应定标方法。最后，基于大规模密集探测的地球物理学机理尚不完善。现有地球物理学是在常规点式地震波探测的认知上进行构建的，地质灾害的详细成灾机理、演化过程等尚不明确，难以通过DAS数据获知地质演化状态。若要实现真正意义的灾害预测，还需多领域专家的跨学科联合攻关。

6  结束语

DAS作为一种新兴的地震波检测手段，具有空间密集感知、长距离动态监测等不可替代的优势，已经在油气资源勘探、碳存储与监测、自然灾害探测、近地表地层分析等地球物理领域得到了初步应用。围绕DAS技术的传感物理机制、技术发展历程、地震波应用进展等进行重点介绍，并对DAS技术可能面临的技术难题和发展方向进行了判断评述。有理由相信，DAS有望在自然灾害预测、智慧城市、全球变暖等人类广泛关注的领域发挥前所未有的作用。

来源：第58卷第13期/2021年7月/激光与光电子学进展