分布式光纤声波传感（Distributed Acoustic Sensing, DAS）是一种新型光纤传感技术，该技术利用光纤作为传感阵列，通过分析光纤中后向瑞利散射光在传感光纤长度上的相位变化，记录光纤空间范围内的声学振动，实现对振动信号的实时连续监测。传感通道定位是DAS技术非常重要的参数，它决定了DAS技术对外部扰动的定位精度。从DAS传感原理的角度来看，传感通道定位是通过探针激光沿传感光纤的飞行时间来实现的，传感通道的确切位置是模糊的。在实际应用中，一般采用手动敲击传感光纤的方法，根据最大振幅来粗略估计传感通道的位置，然而手动敲击纤维产生的干扰能量因人而异，感应通道定位的精度大约为米级。对于安装在地下的现有光纤，传感通道定位可以通过跺脚或锤子敲击地表来实现，敲击位置用高精度差分GPS进行测量，传感通道定位的不确定性约为5m，定位精度较差，给DAS技术应用于城市地面塌陷、管道泄漏监测等领域带来挑战。
针对上述问题，张丹教授课题组开展了基于φ-OTDR的DAS精确定道的试验方法研究。试验提出利用可控振源沿传感光纤逐点激发的试验方法，采用0.9mm紧密缓冲型单模光纤和裸纤（直径0.25mm）两种类型的光缆，在不锈钢线槽中将两种光缆分别与黏土和砂土两种不同的介质耦合，光缆沿线槽拉直布设，并上覆土层。通过计算机控制示波器使弯曲元激发特定频率的振动信号。弯曲元位于光纤正上方，振动方向与光纤轴向一致，使激发的切向振动沿光纤轴向传播。弯曲元在每个激发点处均为独立激发，激发点之间不存在串扰，将光纤视为一系列传感通道记录振动信号，探究不同光缆的传感通道记录的信号在各激发点处的响应情况（图1）。
图1 试验装置示意图
对试验数据采用归一化后取均值的时域统计分析方法（图2、图3）和快速傅里叶变换的振幅频谱分析方法（图4、图7、图8），分析了特定信号的振幅在传感通道边界的突变特征，提出了不同激发点振幅-传感通道曲线偏度SACC（图5）和振幅峰值相对位置偏移量RSAP（图6）两个指标，在0.1m的激发点间距之内准确识别出了相邻传感通道的边界，实现了在光纤长度上对各传感通道位置的精确定位，定位精度从m级提高到了0.1m，为在DAS应用中对振动事件的准确定道提供了依据。
图2 DAS记录的背景噪声和振动的原始时域信号和相应的频谱图
图3 由DAS的一个传感通道在0.2秒内记录的10个原始激励信号
图4 光纤上4个激发点11-17的传感通道50Hz时的振幅图
图5 SACC随激发点的变化曲线和潜在感应通道边界
图6 每次激发相对于起始激发点的振幅峰值沿光纤的位置偏移曲线
图7 砂土中两种光纤在时域和频域的激发点、传感通道和振幅峰值之间的关系
图8 黏土中两种光纤在时域和频域的激发点、传感通道和振幅峰值之间的关系
相关研究成果以“Method of precise sensing channel positioning for φ-OTDR-based DAS”为题，发表在期刊Measurement Science and Technology上。论文第一作者为课题组硕士研究生彭阳，张丹教授为通讯作者。论文研究工作得到了国家自然科学基金、江苏省特聘教授和江苏省六大人才高峰人才项目的资助。
论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6501/acb456