分布式光纤 DAS 声学监测系统

分布式声学传感 (戴斯) 是一种基于光纤传感技术的创新监测方法. DAS系统以光纤为传感介质，分析光脉冲在光纤中传播过程中的反向散射瑞利散射信号, 实现对光纤周围环境中声学信号的连续实时监测. 与传统声学传感器相比, DAS 系统具有覆盖范围广等独特优势, 高灵敏度, 和强大的实时性能. 它们在石油和天然气管道监测等领域的应用越来越广泛, 周边安全, 铁路安全, 和地震监测. 本文将详细阐述基本原理, 关键技术参数, 以及 DAS 系统的典型应用范围.

基本原则

DAS系统的核心原理是使用光纤作为分布式传感器, 分析光脉冲在光纤传播过程中的反向散射效应, 并提取光纤周围环境的声学信息. 基本工作流程可概括为以下步骤:

光脉冲发射: 系统中的脉冲激光器发射较窄的脉冲宽度, 以一定频率向光纤发出高功率光脉冲.

瑞利散射: 当光脉冲在光纤中传播时, 它们受纤维材料密度波动的影响, 导致瑞利散射效应. 当光纤受到声波干扰时, 散射光的相位会发生变化.

反向散射光检测: 一部分散射光将沿着原始路径返回, 被光电探测器接收, 并转换为电信号.

时域分析: 基于光速和脉冲发射时间, 可以确定散射光对应的光纤位置. 通过时域分析, 实现沿光纤的空间定位.

相干解调: 背向散射光电信号包含由声波引起的相变信息. 使用相干解调技术提取与声波相关的相位变化.

频域分析: 对解调得到的相变信号进行傅里叶变换，得到不同位置的声频谱信息.

通过上述步骤, 华光天瑞的DAS系统可以实现沿光纤路径的声信号的连续分布式提取和分析. 光纤上的声干扰越强, 散射光的相变越大, 解调信号的幅度越大. 因此, 通过分析解调信号的幅度和频率特性, 可以检测和定位光纤环境周围的声音.

关键技术参数

DAS系统的性能指标主要包括以下几个方面:

空间分辨率: 系统可以区分的声源位置之间的最小距离, 通常在 1-10 米. 高空间分辨率意味着更精确的声源定位能力.

敏感性: 表征系统可以检测到的最小声压级. 高灵敏度意味着能够捕获微弱的声音信号. 典型的 SR-DAS 系统的灵敏度高达 -180dB，重量 20 μ帕.

频率响应范围: DAS 系统可以检测到的声波频率范围. 典型的频率响应范围为1Hz-10kHz, 可以满足大多数声音监听需求.

测量距离: 单个 DAS 系统可以覆盖的光纤传感长度. 典型测量距离可达 10-50 公里, 满足远距离分布式监控要求.

采样率: 表征每单位时间内声信号的采集点数. 高采样率意味着更高的时间分辨率和信号恢复精度. 典型采样率可达1-100kHz.

定位精度: 表征声源位置测量的误差范围. 高定位精度对于准确识别声源至关重要. 典型定位精度可达± 1-5 米.

除上述技术指标外, 可靠性, 稳定性, 实时性能, DAS系统的其他因素也是评估其性能的重要方面. 目前的研究重点是通过优化光学设计，不断提高DAS系统的综合性能, 信号处理算法, 等.

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分布式光纤DAS系统的应用范围

(1) 电缆沟/油气管道防外部破裂监测
通过光纤振动传感技术, 当挖掘机等外力在电缆沟/带有传感光纤的油气管道附近振动时, DAS 可以提供预警并通知报警事件的位置.
(2) 油页岩气压裂声振动过程监测
油井套管可能泄漏, 地下可能存在油水分层等地质构造变化. 通过在油井的套管上铺设传感光缆, DAS 可以实时监测地下任何位置的声波振动.
(3) 管道泄漏监测及周边安防
无论是石油还是天然气管道, 当有泄漏时, 不仅温度变化伴随着振动变化, 但DAS系统可以作为管道周围的安全保护和警告装置.
(4) 高铁监控, 船舶, 和机场
沿高铁布置的光纤可以检测高铁的运行状态, 以及通过分布式声学传感, 轨道和列车运行状态可了解; 可以在机场外铺设光纤电缆，以检测飞机的实时起飞和降落, 并监控机场周围的安全入侵. (5) 周界安全监控和边界线入侵防御
DAS系统可以在国界布置光缆或需要防入侵监控的情况下提供实时入侵者数据和预警.