除了通讯，光纤还可以来做啥？

中科院半导体所 · 公众号 · · 2024-06-06 14:21

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文章来源： T石头科普工作室

原文作者：行雨

分布式光纤声波传感技术（Distributed Acoustic Sensing，DAS）是一种利用光纤作为传感元件，实现对沿光纤路径上的环境参数进行连续分布式测量的技术。

DAS技术的原理是利用光子与光纤内在晶格缺陷的相互作用。激光器向光纤发送脉冲激光，光纤的晶格缺陷会将一些光散射回解调器。DAS利用后向瑞雷散射来推断沿光纤每几米的随时间的纵向应变变化。这种技术可以在整根光纤长度上对沿光纤分布的应变进行实时监测，获取被测量的空间分布状态和随时间变化的信息。分布式光纤传感系统是同时利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质。通过先进的OTDR(Optical Time-Domain Reflectometry)技术或OFDR(Optical Frequency-Domain Reflectometry)技术，探测沿着光纤不同位置的应变的变化，实现真正分布式的测量（Zhan, 2019）。

DAS技术模拟图（Zhan, 2019）

DAS技术最初被石油公司用于勘探地球物理领域(e.g., Mestayer et al., 2011; Daley et al., 2013)，主要用于随井勘探等。后来被推广至地球科学的其他领域，乃至工程领域等。DAS得力于其布设的成本，例如在城市中，地下本来就有众多的通讯光缆分布，只要接入DAS解调仪就可以化身遍布城市的传感器，监测成本立马降低了。由于光缆的抗腐蚀性等特性，使得DAS技术可以适应严苛恶劣的自然环境，例如高山、荒漠、沼泽水下等，同时DAS技术可远程控制具备智能化、可视化、数据网络化等，同时具备在线监测和信号处理功能。而DAS技术的高灵敏和高分辨地监测地学弱信号的能力、宽频段监测能力(10-2Hz—104Hz)以及高保真波形还原性能，使得DAS技术有着更多的可能性。

油井中利用光缆（Daley et al, 2013）

目前，DAS技术已经被用于众多领域，如地震监测、地下结构成像、大气环境监测、海洋监测、生物学监测、极地探测、结构健康监测等等领域，并取得了令人惊讶的成就。在地震监测方面，如Yu等人（2019）利用一条20km的光缆进行远震波形监测，其波形与宽频带等具有良好的一致性。Li等人（2023）称基于100公里的光缆用反投影方法揭示了巨型逆冲断层的破裂特征。

地震定位及DAS地震信号（Li et al., 2023）

在地下结构成像方面，例如PoroTomo项目利用DAS和节点获取了风化壳和基岩几百米的精细结构（Parker et al., 2018）。还有结合DAS进行小尺度的主动源P波成像，能够获取浅层的高精度结构图像（Hong et al., 2024）。城市地区的地下结构探测也非常重要，利用城市光缆进行城市地下结构的探测不仅节省成本，还能够不损坏道路等，例如2022年在合肥进行的长期观测，获取了合肥城市地下结构几百米的精细图像，还发现了可能的活断层，为城市安全监测提供了更全面的信息（Lei and Wang, 2024）。

合肥城市地下结构S波速度（Lei and Wang, 2024）

除了陆地，海洋也是DAS技术应用的重要领域。由于海洋的特殊环境，导致海洋地震等观测手段受限，传统的OBS探测设备成本高，还会面临无法成功回收等问题。而DAS技术的出现填补了海洋观测的稀疏性，成为海洋观测新的助力。目前，全球各大洋的海底通讯光缆都有分布，而且非常密集，这为DAS海洋监测提供了更为便捷的方式。目前海洋DAS已经用于各方面的应用，如海洋的地震监测(Taweesintananon et al., 2023)、海盆成像(Chen et al., 2021)、鲸鱼的声学(Landrø et al., 2022)、海啸监测（Williams et al., 2023）、台风过境探测（Lin et al.,2024）等等。这些应用极大地丰富了海洋科学地观测内容。

太平洋附近通讯光缆分布（submarinecablemap）

除了广阔的海洋之外，还有更加严苛地环境那就是冰川和极地。Walter等人（2020）利用DAS技术在冰川地形中观测并定位到冰川的粘滑冰震，这也意味着DAS技术在严苛环境的实用性和可靠性。在南极区域，研究人员也利用DAS进行冰震的监测以及冰层速度结构的获取等等（Zhou et al., 2022），DAS也在极地区域发挥着作用。其实DAS技术不仅仅只能看地下的东西，DAS还能看大气中的变化，例如DAS可以用来监测雷暴等特殊的大气变化（Hong et al., 2024）。

冰川冰震DAS数据及定位（Walter et al., 2020）

DAS雷暴信号（Hong et al., 2024）

DAS技术除了用来监测自然界的各种信号等，还能用来监测人类社会的各种特征信号，比如交通信号的监测（王宝善等， 2021），以及用于设备的结构健康检测，比如铁轨的形变监测、桥梁的形变监测等等。DAS还能用于周边安防、管道入侵等工程性任务。未来，DAS技术甚至可以随着火箭去到更远的地方，比如说月球、火星，在其他行星获取数据。

火星观测模拟图（王宝善、洪鹤庭）

在不久的将来DAS技术将会更加完善、全面，为人类提供更多的可能性！所以，光纤不仅仅可以用来通讯，还能用来感知万物！

参考文献

[1] Cheng F, Chi B, Lindsey NJ, Dawe TC, Ajo-Franklin JB (2021) Utilizing distributed acoustic sensing and ocean bottom fiber optic cables for submarine structural characterization. Sci Rep 11(1):5613

[2] Daley, T. M., B. M. Freifeld, J. Ajo-Franklin, S. Dou, R. Pevzner, V. Shulakova, S. Kashikar, D. E. Miller, J. Goetz, J. Henninges, et al. (2013). Field testing of fiber-optic distributed acoustic sensing (DAS) for subsurface seismic monitoring, The Leading Edge 32, no. 6, 699–706, doi: 10.1190/tle32060699.1.

[3] Hong, H., Wang, B., Lu, G., Li, X., Ge, Q., Xie, A., ... & Chen, J. (2024). Tracking lightning through 3D thunder source location with distributed acoustic sensing. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 129(4), e2023JD038882.

[ 4] ] Hong, H., Yin, F., Lei, Y., Li, Y., & Wang, B. (2023). 3D near-surface P-wave velocity structure imaging with Distributed Acoustic Sensing and electric hammer source. Earthquake Research Advances, 100274.

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