陈钻 薛鲁宁

国家管网集团浙江省天然气管网有限公司

 

摘要：介绍了分布式光纤声波传感器的工作原理，阐述该技术在第三方施工损坏监测、清管作业跟踪监测、天然气管道泄漏监测三个主要应用场景中的需求与功能、典型案例和存在的问题，提出未来技术发展方向。

关键词：光纤传感器；瑞利散射；相干探测

 

管道线路途经区域广泛，沿线地质灾害、第三方施工损坏等外部因素导致管道损坏的风险长期存在。此外天然气管道还面临着腐蚀泄漏、人为破坏、违章占压等安全风险。

目前油气管道企业主要通过人工巡线的方式实现对管道周边第三方施工、管道泄漏等安全风险的监测。该巡检方式存在以下问题：一是监护盲区较大，尤其是在水网密布的区域，巡检难覆盖全部管道；二是易受天气影响，恶劣天气条件下巡线员无法前往现场进行巡线；三是管道巡检时间上存在较大空档期，无法实现全天候监护。因此通过技术手段迅速准确地发现管道附近的安全风险，进行定位预警十分必要。

分布式光纤声波传感器（Distributed Fiber Acoustic Sensing，简称DAS）利用管道同沟铺设的光纤，通过探测脉冲光在光纤中的瑞利散射的相位变化测量光纤受到的振动，从而实现对管道周边振动事件（如第三方施工、管道泄漏、人为破坏等）的及时感知。该技术具有以下特点：一是无需重新铺设新的光缆，原同沟敷设的通信光缆便可进行测量；二是探测距离长，灵敏度高，感知精度高，能实现全天候在线监测；三是成本低，安装方便，不受电磁干扰。

1  DAS原理

由于光纤在拉丝制作生产过程中存在着质量、密度等参数的不均匀分布，从而导致光在光纤中传播时会发生散射现象。光在光纤中的散射方向为随机分布，其中一部分散射的光会沿着入射光相反的方向传播，故称之为后向散射。光纤的后向散射根据散射因素的不同可分为瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。其中DAS主要应用光纤的后向瑞利散射实现。

当光纤受到外界振动的影响时，瑞利后向散射光的相位就会发生变化。根据光纤的弹光效应，光纤受到的横向振动的幅值与光纤轴向应变的大小成正比，并且相位变化与外界振动的变化呈线性关系。因此，通过检测瑞利后向散射光相位或者强度的变化，便可以还原外界振动事件的声波信号（图 1）。

图 1 瑞利散射点示意

DAS一般采用相干外差解调实现对瑞利散射中光场相位的解调（图 2）。

图 2 基于相干外差探测的DAS原理

窄线宽光纤激光器发出的高相干度激光的光场可表示为：

其中，θ（t）为窄线宽光纤激光器的相位噪声，dBc/Hz；f 为激光器的输出频率，Hz；E0为激光光场的强度。该激光被分为两路，一路为探测光注入被测光纤中，另一路为本振参考光以实现相干接收。探测光进入被测光纤后的后向散射光可表现为：

其中：

式中c为光速，m/s；t为时间，s；∆t为脉冲宽度，n为光纤折射率，f 为光纤激光器输出频率，Hz；z为散射点距离，m；r（z）代表光纤距离z处的离散点反射率。瑞利后向散射光与本振光参考光通过2×2耦合器进行相互混频，经由平衡光电探测器将光信号转化为电信号。光电探测器输出信号可表示为：

式中fb为AOM的频移量，一般为80 MHz或者200 MHz。由于fb通常具有较高的频率与较窄的频宽，我们可以简单地利用希尔伯特变换解调出相位信号：

其中，H[·]表示希尔伯特变换。后向瑞利散射光的强度R（t）与相位即可通过平方和开根号以及反三角函数求得：

DAS可通过解调同时得到反射光的强度和相位，其中反射光强度为分布式光纤振动传感器（DVS）解调后的信号，反射光相位是分布式光纤声波传感器的相位信号，因此分布式光纤声波传感系统既有DVS的幅度信号，又有DAS的相位信号。

分布式光纤振动传感器与DAS的主要区别为：DVS解调的是光纤中光场的幅度信号，该幅度信号与外界振动为非线性关系。而DAS解调的是光纤光场中的相位信号，因此振动还原线性度好，灵敏度更高。

2  DAS技术在天然气管道的应用

DAS系统一般由光路系统和工控机系统组成，光路系统主要负责激光的调制和相干探测，工控机主要负责信号的采集、分析与识别。该系统安装简易，只需将光路和工控机系统安装在天然气站场或阀室的机房内，接上光纤即可进行在线监测。近年来，DAS系统在天然气在线监测领域的应用日益增多，特别是在第三方施工损坏监测、清管作业跟踪监测、天然气管道泄漏监测等方面。

2.1  第三方施工损坏监测

需求及功能分析。天然气管道周边存在丰富的声波振动信号，当管道周围出现机械挖掘、人工挖掘时，会产生不同频率特征的声波信号。DAS系统利用已敷设的通信光缆作为传感器，可实现40 km～50 km沿线管道的声波信号采集。利用光时域反射仪（OTDR）技术可实现对振动事件的定位。对采集到的声波信号进行特征分析，结合AI深度学习技术，可实现对第三方施工损坏事件的识别分类，对可能危害天然气管道的施工进行提前预警，实现第三方施工全天候在线监测（图 3）。

图 3 基于DAS的第三方施工监测示意

典型案例。浙江省网公司于2020年实现分布式光纤振动预警系统全网覆盖，监测距离达到1800 km，经过近3年的使用，报警准确率达到80%～85%。2023年该光纤传感团队自主研发了DAS系统，并实现双通道DAS系统在线监测，单台DAS设备监测距离达到了80 km，大大提高了DAS系统的应用性价比。

存在的问题。DAS系统在第三方施工损坏监测方面主要存在以下问题：一是误报率较高。目前由于行业内缺少统一的DAS声波数据样本以及管道周边复杂的背景噪声，导致DAS的智能识别算法在应用过程中存在误报率较高现象；二是应用性价比较低。目前DAS系统单台设备的价格高昂，导致该系统无法大规模工程应用；三是识别算法泛化性较低。同一套算法在不同环境下的应用效果存在差异，需要通过不断调整和优化算法参数才能达到一定的识别效果。

2.2  清管作业跟踪监测

需求与功能分析。清管作业是天然气管道维护的重要环节，清管器跟踪则是清管作业中的重要工作内容。目前主要依靠人工和点式传感器进行离散式监测，这种方式不仅耗费人力物力，而且只能定点跟踪，无法实现实时在线跟踪。清管器在通过管道焊缝时会产生振动，因此可利用DAS系统采集这些振动声波信号。通过信号分析及特征提取，得到清管器的位置信息，从而实现对清管器的在线跟踪（图 4）。

图 4 基于DAS的清管器跟踪示意

典型案例。浙江省网公司于2023年利用DAS系统在金华站至履坦阀室段共33.3 km的天然气管段进行清管器追踪测试，实验滑窗的步长设置为30 s约114个数据点，窗口分割距离为50 m。同时在测试管段按照一定间距布置点式传感器，以检测清管器的到达时间，验证本方法的精确性。试验结果表明基于DAS的清管器跟踪系统定位误差在50 m范围内，定位效果较好。

存在的问题。DAS系统在清管作业中主要存在以下问题：一是信号噪声干扰。清管器通过管道时会产生大量的噪声和振动信号，这些信号会干扰系统的正常工作，导致定位不准确；二是信号衰减和损失。随着光纤长度的增加，信号在传输过程中会发生衰减，特别是在长距离监测时，末端信号较弱，会影响系统的监测精度和可靠性；三是海量数据处理。清管作业过程中产生的声波信号数据量巨大，如何高效地处理和分析这些数据，以准确识别潜在威胁和异常，是一个技术难题。

2.3  天然气管道泄漏监测

需求与功能分析。天然气管道泄漏具有突发性和隐蔽性，因此需要系统能够实时监测管道状况，快速检测并定位泄漏点，及时发出预警，避免灾难性事故的发生。天然气管道发生泄漏时，泄漏孔附近会产生声波振动信号，因此可利用DAS系统实现天然气管道在线泄漏监测与定位预警。

典型案例。浙江省网公司光纤传感团队利用衢州分布式光纤试验场开展了天然气管道泄漏监测的应用研究。利用压缩机将埋地DN813管道充压至4 MPa，通过DAS系统监测了1/16英寸、1/8英寸、1/4英寸、1/2英寸、3/4英寸等不同泄漏孔径的气体泄漏信号。试验只测到1/8英寸及以上的泄漏信号，1/16英寸由于孔径小，泄漏声波信号频率达到上百kHz，而DAS系统的频率响应带宽只有数十kHz，因此无法监测到1/16英寸孔径的气体泄漏（图 5）。

图 5 基于DAS的管道泄漏监测测试

存在的问题。DAS系统在天然气管道泄漏监测主要存在：一是DAS系统频响带宽低，无法测量微小孔径的气体泄漏；二是天然气管道气体泄漏的理论模型及泄漏声波信号在土壤中的传播模型尚未形成，无法通过模拟仿真实现探测下限的理论研究；三是在应用过程中，探测效果与泄漏孔和同沟敷设的光缆位置相关，当泄漏孔与光缆在同侧时，测量效果较好，而泄漏孔与光缆在不同侧时，测量效果较差，甚至无法测量到。

3  结语

分布式光纤声波传感器作为一种新型的在线监测预警技术，能够利用已有通信光缆实现长距离、全天候在线监测和精准定位，是推进油气管道行业数字化、智能化发展的重要技术手段之一。DAS系统在天然气管道第三方施工损坏监测、清管作业跟踪监测、天然气管道泄漏监测等应用方面展现了良好的发展潜力。未来，还需进一步提高DAS系统设备性能，开发基于光频率反射仪技术（OFDR）的新一代传感器，提高DAS系统的应用性价比；构建丰富的声波样本数据库，统一数据格式，为信号分析提供扎实的数据基础；结合最新的AI大模型技术，进一步提高DAS系统的识别算法准确率和泛化性，提升该技术预警可信度，满足管道线路安全运行需求。

作者简介：陈钻，1995年生，研究生，中级工程师，三级工程师，主要从事光纤传感技术研究。联系方式：15988406309，21760483@zju.edu.cn。