陳鉆 薛魯寧

國家管網(wǎng)集團浙江省天然氣管網(wǎng)有限公司

摘要：介紹了分布式光纖聲波傳感器的工作原理，闡述該技術(shù)在第三方施工損壞監測、清管作業(yè)跟蹤監測、天然氣管道泄漏監測三個(gè)主要應用場(chǎng)景中的需求與功能、典型案例和存在的問(wèn)題，提出未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：光纖傳感器；瑞利散射；相干探測

管道線(xiàn)路途經(jīng)區域廣泛，沿線(xiàn)地質(zhì)災害、第三方施工損壞等外部因素導致管道損壞的風(fēng)險長(cháng)期存在。此外天然氣管道還面臨著(zhù)腐蝕泄漏、人為破壞、違章占壓等安全風(fēng)險。

目前油氣管道企業(yè)主要通過(guò)人工巡線(xiàn)的方式實(shí)現對管道周邊第三方施工、管道泄漏等安全風(fēng)險的監測。該巡檢方式存在以下問(wèn)題：一是監護盲區較大，尤其是在水網(wǎng)密布的區域，巡檢難覆蓋全部管道；二是易受天氣影響，惡劣天氣條件下巡線(xiàn)員無(wú)法前往現場(chǎng)進(jìn)行巡線(xiàn)；三是管道巡檢時(shí)間上存在較大空檔期，無(wú)法實(shí)現全天候監護。因此通過(guò)技術(shù)手段迅速準確地發(fā)現管道附近的安全風(fēng)險，進(jìn)行定位預警十分必要。

分布式光纖聲波傳感器（Distributed Fiber Acoustic Sensing，簡(jiǎn)稱(chēng)DAS）利用管道同溝鋪設的光纖，通過(guò)探測脈沖光在光纖中的瑞利散射的相位變化測量光纖受到的振動(dòng)，從而實(shí)現對管道周邊振動(dòng)事件（如第三方施工、管道泄漏、人為破壞等）的及時(shí)感知。該技術(shù)具有以下特點(diǎn)：一是無(wú)需重新鋪設新的光纜，原同溝敷設的通信光纜便可進(jìn)行測量；二是探測距離長(cháng)，靈敏度高，感知精度高，能實(shí)現全天候在線(xiàn)監測；三是成本低，安裝方便，不受電磁干擾。

1  DAS原理

由于光纖在拉絲制作生產(chǎn)過(guò)程中存在著(zhù)質(zhì)量、密度等參數的不均勻分布，從而導致光在光纖中傳播時(shí)會(huì )發(fā)生散射現象。光在光纖中的散射方向為隨機分布，其中一部分散射的光會(huì )沿著(zhù)入射光相反的方向傳播，故稱(chēng)之為后向散射。光纖的后向散射根據散射因素的不同可分為瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。其中DAS主要應用光纖的后向瑞利散射實(shí)現。

當光纖受到外界振動(dòng)的影響時(shí)，瑞利后向散射光的相位就會(huì )發(fā)生變化。根據光纖的彈光效應，光纖受到的橫向振動(dòng)的幅值與光纖軸向應變的大小成正比，并且相位變化與外界振動(dòng)的變化呈線(xiàn)性關(guān)系。因此，通過(guò)檢測瑞利后向散射光相位或者強度的變化，便可以還原外界振動(dòng)事件的聲波信號（圖 1）。

圖 1 瑞利散射點(diǎn)示意

DAS一般采用相干外差解調實(shí)現對瑞利散射中光場(chǎng)相位的解調（圖 2）。

圖 2 基于相干外差探測的DAS原理

窄線(xiàn)寬光纖激光器發(fā)出的高相干度激光的光場(chǎng)可表示為：

其中，θ（t）為窄線(xiàn)寬光纖激光器的相位噪聲，dBc/Hz；f 為激光器的輸出頻率，Hz；E0為激光光場(chǎng)的強度。該激光被分為兩路，一路為探測光注入被測光纖中，另一路為本振參考光以實(shí)現相干接收。探測光進(jìn)入被測光纖后的后向散射光可表現為：

其中：

式中c為光速，m/s；t為時(shí)間，s；∆t為脈沖寬度，n為光纖折射率，f 為光纖激光器輸出頻率，Hz；z為散射點(diǎn)距離，m；r（z）代表光纖距離z處的離散點(diǎn)反射率。瑞利后向散射光與本振光參考光通過(guò)2×2耦合器進(jìn)行相互混頻，經(jīng)由平衡光電探測器將光信號轉化為電信號。光電探測器輸出信號可表示為：

式中fb為AOM的頻移量，一般為80 MHz或者200 MHz。由于fb通常具有較高的頻率與較窄的頻寬，我們可以簡(jiǎn)單地利用希爾伯特變換解調出相位信號：

其中，H[·]表示希爾伯特變換。后向瑞利散射光的強度R（t）與相位即可通過(guò)平方和開(kāi)根號以及反三角函數求得：

DAS可通過(guò)解調同時(shí)得到反射光的強度和相位，其中反射光強度為分布式光纖振動(dòng)傳感器（DVS）解調后的信號，反射光相位是分布式光纖聲波傳感器的相位信號，因此分布式光纖聲波傳感系統既有DVS的幅度信號，又有DAS的相位信號。

分布式光纖振動(dòng)傳感器與DAS的主要區別為：DVS解調的是光纖中光場(chǎng)的幅度信號，該幅度信號與外界振動(dòng)為非線(xiàn)性關(guān)系。而DAS解調的是光纖光場(chǎng)中的相位信號，因此振動(dòng)還原線(xiàn)性度好，靈敏度更高。

2  DAS技術(shù)在天然氣管道的應用

DAS系統一般由光路系統和工控機系統組成，光路系統主要負責激光的調制和相干探測，工控機主要負責信號的采集、分析與識別。該系統安裝簡(jiǎn)易，只需將光路和工控機系統安裝在天然氣站場(chǎng)或閥室的機房?jì)�，接上光纖即可進(jìn)行在線(xiàn)監測。近年來(lái)，DAS系統在天然氣在線(xiàn)監測領(lǐng)域的應用日益增多，特別是在第三方施工損壞監測、清管作業(yè)跟蹤監測、天然氣管道泄漏監測等方面。

2.1  第三方施工損壞監測

需求及功能分析。天然氣管道周邊存在豐富的聲波振動(dòng)信號，當管道周?chē)�出現機械挖掘、人工挖掘時(shí)，會(huì )產(chǎn)生不同頻率特征的聲波信號。DAS系統利用已敷設的通信光纜作為傳感器，可實(shí)現40 km～50 km沿線(xiàn)管道的聲波信號采集。利用光時(shí)域反射儀（OTDR）技術(shù)可實(shí)現對振動(dòng)事件的定位。對采集到的聲波信號進(jìn)行特征分析，結合AI深度學(xué)習技術(shù)，可實(shí)現對第三方施工損壞事件的識別分類(lèi)，對可能危害天然氣管道的施工進(jìn)行提前預警，實(shí)現第三方施工全天候在線(xiàn)監測（圖 3）。

圖 3 基于DAS的第三方施工監測示意

典型案例。浙江省網(wǎng)公司于2020年實(shí)現分布式光纖振動(dòng)預警系統全網(wǎng)覆蓋，監測距離達到1800 km，經(jīng)過(guò)近3年的使用，報警準確率達到80%～85%。2023年該光纖傳感團隊自主研發(fā)了DAS系統，并實(shí)現雙通道DAS系統在線(xiàn)監測，單臺DAS設備監測距離達到了80 km，大大提高了DAS系統的應用性?xún)r(jià)比。

存在的問(wèn)題。DAS系統在第三方施工損壞監測方面主要存在以下問(wèn)題：一是誤報率較高。目前由于行業(yè)內缺少統一的DAS聲波數據樣本以及管道周邊復雜的背景噪聲，導致DAS的智能識別算法在應用過(guò)程中存在誤報率較高現象；二是應用性?xún)r(jià)比較低。目前DAS系統單臺設備的價(jià)格高昂，導致該系統無(wú)法大規模工程應用；三是識別算法泛化性較低。同一套算法在不同環(huán)境下的應用效果存在差異，需要通過(guò)不斷調整和優(yōu)化算法參數才能達到一定的識別效果。

2.2  清管作業(yè)跟蹤監測

需求與功能分析。清管作業(yè)是天然氣管道維護的重要環(huán)節，清管器跟蹤則是清管作業(yè)中的重要工作內容。目前主要依靠人工和點(diǎn)式傳感器進(jìn)行離散式監測，這種方式不僅耗費人力物力，而且只能定點(diǎn)跟蹤，無(wú)法實(shí)現實(shí)時(shí)在線(xiàn)跟蹤。清管器在通過(guò)管道焊縫時(shí)會(huì )產(chǎn)生振動(dòng)，因此可利用DAS系統采集這些振動(dòng)聲波信號。通過(guò)信號分析及特征提取，得到清管器的位置信息，從而實(shí)現對清管器的在線(xiàn)跟蹤（圖 4）。

圖 4 基于DAS的清管器跟蹤示意

典型案例。浙江省網(wǎng)公司于2023年利用DAS系統在金華站至履坦閥室段共33.3 km的天然氣管段進(jìn)行清管器追蹤測試，實(shí)驗滑窗的步長(cháng)設置為30 s約114個(gè)數據點(diǎn)，窗口分割距離為50 m。同時(shí)在測試管段按照一定間距布置點(diǎn)式傳感器，以檢測清管器的到達時(shí)間，驗證本方法的精確性。試驗結果表明基于DAS的清管器跟蹤系統定位誤差在50 m范圍內，定位效果較好。

存在的問(wèn)題。DAS系統在清管作業(yè)中主要存在以下問(wèn)題：一是信號噪聲干擾。清管器通過(guò)管道時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量的噪聲和振動(dòng)信號，這些信號會(huì )干擾系統的正常工作，導致定位不準確；二是信號衰減和損失。隨著(zhù)光纖長(cháng)度的增加，信號在傳輸過(guò)程中會(huì )發(fā)生衰減，特別是在長(cháng)距離監測時(shí)，末端信號較弱，會(huì )影響系統的監測精度和可靠性；三是海量數據處理。清管作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的聲波信號數據量巨大，如何高效地處理和分析這些數據，以準確識別潛在威脅和異常，是一個(gè)技術(shù)難題。

2.3  天然氣管道泄漏監測

需求與功能分析。天然氣管道泄漏具有突發(fā)性和隱蔽性，因此需要系統能夠實(shí)時(shí)監測管道狀況，快速檢測并定位泄漏點(diǎn)，及時(shí)發(fā)出預警，避免災難性事故的發(fā)生。天然氣管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏孔附近會(huì )產(chǎn)生聲波振動(dòng)信號，因此可利用DAS系統實(shí)現天然氣管道在線(xiàn)泄漏監測與定位預警。

典型案例。浙江省網(wǎng)公司光纖傳感團隊利用衢州分布式光纖試驗場(chǎng)開(kāi)展了天然氣管道泄漏監測的應用研究。利用壓縮機將埋地DN813管道充壓至4 MPa，通過(guò)DAS系統監測了1/16英寸、1/8英寸、1/4英寸、1/2英寸、3/4英寸等不同泄漏孔徑的氣體泄漏信號。試驗只測到1/8英寸及以上的泄漏信號，1/16英寸由于孔徑小，泄漏聲波信號頻率達到上百kHz，而DAS系統的頻率響應帶寬只有數十kHz，因此無(wú)法監測到1/16英寸孔徑的氣體泄漏（圖 5）。

圖 5 基于DAS的管道泄漏監測測試

存在的問(wèn)題。DAS系統在天然氣管道泄漏監測主要存在：一是DAS系統頻響帶寬低，無(wú)法測量微小孔徑的氣體泄漏；二是天然氣管道氣體泄漏的理論模型及泄漏聲波信號在土壤中的傳播模型尚未形成，無(wú)法通過(guò)模擬仿真實(shí)現探測下限的理論研究；三是在應用過(guò)程中，探測效果與泄漏孔和同溝敷設的光纜位置相關(guān)，當泄漏孔與光纜在同側時(shí)，測量效果較好，而泄漏孔與光纜在不同側時(shí)，測量效果較差，甚至無(wú)法測量到。

3  結語(yǔ)

分布式光纖聲波傳感器作為一種新型的在線(xiàn)監測預警技術(shù)，能夠利用已有通信光纜實(shí)現長(cháng)距離、全天候在線(xiàn)監測和精準定位，是推進(jìn)油氣管道行業(yè)數字化、智能化發(fā)展的重要技術(shù)手段之一。DAS系統在天然氣管道第三方施工損壞監測、清管作業(yè)跟蹤監測、天然氣管道泄漏監測等應用方面展現了良好的發(fā)展潛力。未來(lái)，還需進(jìn)一步提高DAS系統設備性能，開(kāi)發(fā)基于光頻率反射儀技術(shù)（OFDR）的新一代傳感器，提高DAS系統的應用性?xún)r(jià)比；構建豐富的聲波樣本數據庫，統一數據格式，為信號分析提供扎實(shí)的數據基礎；結合最新的AI大模型技術(shù)，進(jìn)一步提高DAS系統的識別算法準確率和泛化性，提升該技術(shù)預警可信度，滿(mǎn)足管道線(xiàn)路安全運行需求。

作者簡(jiǎn)介：陳鉆，1995年生，研究生，中級工程師，三級工程師，主要從事光纖傳感技術(shù)研究。聯(lián)系方式：15988406309，21760483@zju.edu.cn。