分布式振动光纤解决方案

一、应用背景

分布式光纤传感器(DFOS Distributed Fiber Optic Sensor)是一种新型的光时域反射型光纤传感技术，其利用测量光纤反射光中所携带的由环境温度、振动、应力引起的调制特征信息，实现分布式传感功能。利用与管道同沟敷设的通信光缆中冗余光纤，构成分布式光纤传感器，获取管道沿途的振动信号，通过分析光纤测量振动信号特点，来识别管道沿线威胁（挖掘、钻孔、破坏、滑坡等）事件，实现快速准确定位。

二、光纤分类

2.1、布里渊散射

布里渊散射也是非弹性散射的一种，本质上也属于拉曼效应，是由于光在介质中受到激发后产生不同频率的散射光。原理如下：一个泵浦光子转换成一个新的频率较低的斯托克斯光子并同时产生一个新的声子；同样地，一个泵浦光子吸收一个声子的能量转换成一个新的频率较高的反斯托克斯光子，其实原理类同于拉曼散射。布里渊散射目前大量应用于分布式光纤传感当中，而且由于它在温度、应变测量上达到的测量精度、范围以及空间分辨率明显高于基于瑞利散射/拉曼散射的传感技术，所以得到了广泛的研究与关注。

2.2、拉曼散射

拉曼散射是由于样品分子振动等相互作用引起入射光频率发生变化的散射。假设用虚能级来表示，当处于振动基态/激发态的分子在光子作用下，激发到高能级又回落到激发态/基态，散射光的能量会发生改变，产生斯托克斯光和反斯托克斯光。最重要的是，拉曼谱线由分子振动决定，与入射光频率无关。这意味着可以利用这一效应来检测和鉴定物质组成成分。

2.3、瑞利散射

瑞利散射是弹性散射的一种，通常需要满足的条件是微粒尺度远小于入射光波长，一般要小于波长的1/10，且各个方向的散射强度不一致，该强度与波长的4次方成反比。

三、光纤特点

四、系统应用

分布式光纤传感分析服务器是一套长距离、分布式、可精确定位的振动分析系统。基于大量的原始数据，光纤预警AI算法模型智能迭代，独有的分布式光纤振动提取技术，独有的事件演变过程智能推理模型，实现精确定位、多事件同时报警、事件类型准确识别。本系统利用测量光纤反射光中所携带的由环境温度、振动、应力引起的调制特征信息，实现分布式传感功能。利用与管道同沟敷设的通信光缆中冗余光纤（不需要重新铺设光缆），构成分布式光纤传感器，获取管道沿途的振动信号，通过分析光纤测量振动信号特点，来识别管道沿线威胁（挖掘、钻孔、破坏、滑坡）事件，实现快速准确定位。取代传统的人员定期管道线路巡检方式。目前国内对于地下电缆、城市电缆管网、海底电缆光缆管网的防护措施主要有：（1）在运行中派专人进行正常性巡视、特殊巡视和重点工程巡视；（2）对特殊地点安装警示牌提醒施工人员注意保护电缆；（3）采用埋管、隧道等抗外力强度高的管道形式代替直埋等抗外力强度低的敷设方式。以上措施人力、物力成本高，自动化、智能化程度低，且实际防外力破坏效果不理想。

4.1、分布式光纤的应用领域

分布式光纤传感技术在管道输送、电力电网、城市管廊、公路铁路、边防水下、桥梁建筑、自然灾害长距离分布式监测领域拥有着巨大的应用价值和市场空间。

4.2、分布式光纤识别技术

《Early Safety Warnings for Long-Distance Pipelines: A Distributed Optical Fiber Sensor Machine Learning Approach（长输管道安全预警：基于分布式光纤传感和机器学习技术）》，2021年被人工智能领域顶级国际会议AAAI2021（The National Conference on Artificial Intelligence）所录用。PSEW_Tsinghua模型大小是AlexNet的1/13，是VGG19的1/28。