分布式光纤声学传感技术（Distributed Acoustic Sensing DAS）是一种新型的光纤传感技术。DAS是利用光纤后向瑞利散射干涉效应，通过解调瑞利散射光的相位信息，利用差分相位与声波的线性关系，实现声波信号连续分布式测量的传感技术。该技术最早用于地球物理的相关研究，如油气勘探中的VSP观测、微地震监测、水压致裂监测等。2019年以来，世界顶级期刊Science和Nature先后报道了基于 DAS技术利用海底“暗光纤（dark fiber）”监测地震、断层活动、海洋的水声信号、海洋固体地球相互作用等研究工作。可见DAS作为一项“热点”技术已成为感测各类声波、振动的新的有效手段。近几年，分布式光纤振动传感技术已初步用于管道泄漏的识别及定位，但相关研究还处于探索阶段，研究对象也是针对处于空气中的管道泄漏，研究成果还无法直接用于地埋输气管道的泄漏监测。
针对上述问题，张丹教授课题组开展了基于DAS的管道气体泄漏监测模拟试验研究。试验模拟实际泄漏条件，将光纤埋入土中，利用DAS系统监测气体管道泄漏信号。埋地管道中的气体泄漏具有隐蔽性，尤其是微小的渗漏，非常难以发现。因此，设计了螺旋型传感光缆结构以实现对微弱泄漏信号的监测，达到增加监测系统灵敏度的目的（图1）。螺旋型传感光缆具有结构增益效应，光缆外层弹性空心管由声敏材料制成。当弹性空心管受到泄漏信号影响变形时，缠绕在空心管上的0.9mm聚氨酯紧套光缆（PJ cable）也相应变形，引起光纤中瑞利散射光的相位变化。同时，螺旋型传感光缆具有长度增益效应，利用三维螺旋结构，使单位长度管道上感知泄漏信号的0.9mm聚氨酯紧套光缆长度大幅增加。
图1 螺旋型传感光缆示意图
通过时频域分析的手段，本研究提出了基于快速傅里叶变换（FFT）的管道泄漏信号识别和泄漏定位方法，分析了不同泄漏孔径、泄漏方向、泄漏距离条件下泄漏信号的差异（图2、图3）。结果表明，随着泄漏孔径的增大泄漏信号的时域平均绝对值振幅和频谱均值减小，泄漏信号的频谱均值随着该泄漏方向与泄漏孔正对传感光缆方向间夹角的增大逐渐减小（图4、图5）。通过在不同泄漏距离的条件下进行大量实验，应用了Possibility of Detection（POD）方法监测系统的性能并进行了量化评价，为DAS监测气体管道泄漏信号的工程应用提供了理论依据（图6）。
图2 背景噪音与泄漏信号频谱对比图
图3 各传感道频谱均值分布图
图4 泄漏信号和背景噪声的平均绝对值振幅对比
图5 气体泄漏方向示意图
图6 泄漏距离POD曲线
相关研究成果以“A simulation of gas pipeline leakage monitoring based on distributed acoustic sensing”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付士崇，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/ac7633