基于时间门控光频域反射仪的分布式声波传感系统研究

Optical fiber-based distributed acoustic sensor (DAS) can collect the full-scale information (amplitude, phase and frequency) of vibrations at any position along the sensing fiber. It is a new and powerful tool for applications such as boundary security, pipeline monitoring, downhole monitoring, etc. In this work, we propose a novel DAS technology based on time-gated digital optical frequency domain reflectometry, so as to achieve meter-level spatial resolution, nϵ-order strain resolution and high reliability. The major goals include: (1) Establish a physical model of the proposed DAS system, and clarify the sensing mechanism; (2) Analyze the factors that determines the phase noise of Rayleigh backscattering, and improve the detection accuracy of vibration signals; (3) Develop the signal modulation and data processing techniques for meter-level spatial resolution; (4) Propose the data processing technique which can extract the vibration signal with high precision from multi-frequency probe pulses, and realize high reliable sensing. .This work presents a new method to realize high-performance DAS system. It is expected to solve the problems of the existing DAS system in terms of spatial resolution, detection accuracy, reliability, sensing distance, etc. The proposed sensor will be widely used in scientific researches, industrial applications and security fields.

基于光纤的分布式声波传感器（DAS）能够对同时对光纤沿线各处的振动信息进行全尺度（幅度、相位、频率）检测，为边界安防、输油气管线监控、油气勘探与开采等应用提供了一种全新的技术手段。本项目将深入研究基于时间门控光频域反射仪的新型DAS技术，以实现米级高空间分辨率、纳级应变检测精度和高可靠性为主要目标，突破传统DAS系统的性能极限。本项目主要目标包括：（1）建立该类型DAS系统的物理模型，明确传感机理；（2）分析瑞利背向散射光信号相位噪声的影响因素，提高振动信号检测精度；（3）开发米级空间分辨率信号调制与数据处理的新技术；（4）突破多频率探测脉冲信号合成的难题，实现高可靠传感。本研究提出了一种新的高性能DAS技术路线，有望从根本上解决现有DAS系统在空间分辨率、检测精度、传感距离、可靠性等方面的制约和不足，满足科研、工业、安全和国防等应用的需求。

基于光纤的分布式声波传感器（DAS）能够对同时对光纤沿线各处的振动信息进行全尺度（幅度、相位、频率）检测，在边界安防、输油气管线监控、油气勘探与开采等应用领域具有广泛而不可替代的作用。本项目深入研究基于时间门控光频域反射仪的新型DAS技术，提出了一系列的技术手段突破DAS技术在应用的瓶颈，包括：1）建立了适用于多种反射仪技术传感器卷积模型，明确了振动传感机理，实现了快速、高精度的数值仿真算法，计算速度比传统方法加快两个数量级；利用分布式放大、电光调制双边带探测、多频率脉冲等技术方案，实现超过100公里的传感距离、亚米级空间分辨率等高性能指标；2）发明基于宽带光源的分布式振动传感技术，解决传统DAS系统必须采用昂贵的超窄线宽激光器的限制，实现了低成本、高精度分布式传感；实现基于宽带光源的超高精度动态应变传感，测量分辨率保持国际最好水平，达到光纤热噪声极限；3）提出双边带同时扫频的光频域反射仪技术，突破外调制反射仪的结构复杂和带宽小的问题，实现公里级距离下毫米级的空间分辨率传感；基于光频域反射仪实现具有厘米级空间分辨率、10kHz级响应带宽的高分辨率分布式声波传感技术，提出的多普勒频移补偿方案解决高频串扰中问题，响应带宽比传统该方案提升一个数量级以上。 .本项目在执行过程中，发表期刊论文25篇（其中SCI检索论文22篇，中文期刊论文3篇），申请发明专利9项（其中一项已经获得授权），培养毕业博士生2人、硕士生4人。项目成果实现产业化推广，推出的高分辨率声波传感器系列产品（HiFi-DAS）性能指标大幅优于国外同类产品，突破国际技术限制，在油气资源勘探、地震监测等领域形成销售额超千万元，为科研、工业、安全和国防等应用的需求提供了新的有力工具。