管道輸送的介質通常價值高昂、具有揮發(fā)性，且一旦泄漏會對環(huán)境造成危害。管道易受老化、意外損壞或人為篡改影響，泄漏風險切實存在 —— 尤其在途經(jīng)偏遠無人區(qū)域時，這種風險會進一步增加。因此，管道完整性監(jiān)測至關重要。

盡管光纖以通信功能聞名，但它最初的設計構想就包含振動監(jiān)測。1967 年，用于非接觸式振動測量的外置光纖傳感器（光子傳感器）獲得專利。

憑借對電干擾的固有免疫力、長距離傳輸能力與抗腐蝕性，光纖通信組件及基礎設施迅速被應用于光學傳感領域。到 20 世紀 90 年代，分布式光纖傳感（DFS）技術已廣泛用于溫度、應變、壓力與聲學測量，石油天然氣行業(yè)也已采用該技術。

管道監(jiān)測的傳統(tǒng)方法

過去，技術人員需親臨現(xiàn)場進行人工巡檢，常常要面對惡劣的現(xiàn)場環(huán)境。且由于管道通常埋于地下，無人機或直升機的視覺巡檢效果有限。

探地雷達（GPR）可用于管道檢測，但需要專業(yè)培訓人員操作，且受土壤條件與埋深限制。另一種方案是聲發(fā)射檢測，雖能實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，但需部署大量傳感器，導致成本上升。相反，壓力與流量監(jiān)測可發(fā)現(xiàn)異常，但在未安裝大量傳感器（會顯著增加成本）的情況下，分辨率不足。

這些傳統(tǒng)方法均存在不足：多數(shù)依賴周期性檢測，可能遺漏微小但潛在災難性的隱患；且要實現(xiàn)高分辨率監(jiān)測，成本極高。

光纖傳感技術原理

光纖傳感主要分為兩類：外置傳感（Extrinsic sensing）是為測試系統(tǒng)與傳感器之間提供簡單通信路徑；內置傳感（Intrinsic sensing）則以光纖本身作為傳感系統(tǒng)，無需在光纖與外部傳感器間設置獨立接口，從而降低復雜度與成本。

光在光纖中傳輸時的物理特性，可用于檢測溫度、應變、振動等參數(shù)的變化。通過特定技術，可將光纖本身轉化為傳感器，使其長度方向上形成數(shù)千個連續(xù)傳感點 —— 這就是分布式光纖傳感（DFS）。該技術主要通過拉曼散射（Raman）、布里淵散射（Brillouin）或相干瑞利散射（Coherent Rayleigh）三種方式實現(xiàn)（圖 1）。

1.分布式光纖傳感（DFS）在多個行業(yè)擁有廣泛的潛在應用場景。

拉曼散射用于分布式溫度傳感（DTS），通過測量斯托克斯波段與反斯托克斯波段的背向散射光強度差實現(xiàn)溫度檢測。

布里淵散射利用背向散射光的波長特性 —— 其受外部溫度與聲學激勵的影響具有可預測性，可同時測量應變與溫度變化（DTSS）。

相干瑞利散射則通過光纖材料隨機散射的光子，檢測振動與聲波；通過分析光的相位偏移，可精準定位光纖全長范圍內振動的位置與強度，即分布式聲學傳感（DAS）。

借助分布式光纖傳感器，管道運營商可實現(xiàn)沿光纖全長的連續(xù)測量，無需安裝數(shù)千個獨立傳感器，就能獲取實時數(shù)據(jù)。

DFS 甚至能檢測到影響管道的微小應力或環(huán)境變化。將其與監(jiān)測系統(tǒng)集成后，運營商可即時收到潛在故障警報，從而快速介入，預防損壞發(fā)生。

分布式光纖傳感（DFS）的實際應用

現(xiàn)場可使用具備 DTS 與 DTSS 功能的便攜式儀器；同時，配備機架式光纖測試頭（支持 DTS、DTSS 或 DAS 功能）的平臺，可實現(xiàn)光纖的長期監(jiān)測，一旦出現(xiàn)變化會自動觸發(fā)警報。

圖 2 中，DTSS 探測儀采用布里淵光時域反射計（BOTDR）技術，向光纖傳感器發(fā)射短光脈沖，光纖上所有點位會產(chǎn)生兩種不同波長的布里淵背向散射光。

2.  DTSS 探測儀向光纖發(fā)射激光脈沖，通過分析不同波長的背向散射光，檢測并定位光纖沿線的溫度與應變變化。

在此基礎上，布里淵背向散射光的波長與入射光波長不同，分別被稱為 “斯托克斯光” 與 “反斯托克斯光”。圖 3 顯示，通過對比斯托克斯與反斯托克斯布里淵光的強度與頻率，可測量光纖沿線的溫度與應變。

3.  利用布里淵散射，可測量特定位置的溫度與應變。

真實應用場景與核心優(yōu)勢

傳統(tǒng)故障檢測方法多依賴泄漏發(fā)生后，且泄漏量足夠大時才能發(fā)現(xiàn)；而 DFS 的靈敏度遠超傳統(tǒng)方法，能捕捉任何可能導致泄漏的前兆信號。

在某些情況下，故障的最初跡象是微小泄漏。傳統(tǒng)方法很難檢測到這類泄漏，尤其是地下管道的微小泄漏。但多數(shù)泄漏發(fā)生時，介質外泄會產(chǎn)生一定聲響 —— 借助 DAS 技術，可在泄漏初期就發(fā)出警報并精準定位。

通過 DFS，還能測量管道的應力與應變變化。這些變化可能意味著管道周圍土壤發(fā)生位移，而位移可能由滑坡或地震引發(fā)。根據(jù)應力大小，管道可能迅速破裂，但 DTSS 技術可精準定位問題區(qū)域，幫助運營商優(yōu)先安排維修。

除自然地質運動外，人為損壞也可能發(fā)生：施工過程中，車輛操作員可能因未察覺管道存在或定位不準而造成意外損壞。此外，由于許多管道具有戰(zhàn)略重要性，存在人為惡意竊取或轉移介質的風險。

無論是哪種情況，要接觸到地下管道都需要挖掘作業(yè) —— 這一過程可通過 DAS 技術檢測，并精準定位。根據(jù)管道埋深，高靈敏度 DAS 系統(tǒng)甚至能檢測到地面車輛或行人的移動：在城市區(qū)域的管道沿線，這可能是正常現(xiàn)象，但在偏遠地區(qū)，這類信號則需要引起重視并展開調查。

此外，管道會因緩慢老化而出現(xiàn)泄漏。DFS 同樣能在早期發(fā)現(xiàn)并定位這類問題，使運營商能以更低成本、更小干擾開展預防性維護。

數(shù)據(jù)解讀：預防泄漏的關鍵

當然，檢測背向散射光是一回事，將數(shù)據(jù)解讀為實際場景則是另一項關鍵能力。將背向散射數(shù)據(jù)轉化為運營商可使用的、有意義且可操作的警報，至關重要。這一目標可通過定制數(shù)據(jù)集實現(xiàn) —— 該數(shù)據(jù)集基于多年真實數(shù)據(jù)構建，與監(jiān)測工具結合后，既能精準定位，又能準確識別隱患類型。

例如，VIAVI 的數(shù)據(jù)集已積累 15 年，通過監(jiān)測數(shù)千公里的管道（包括全球最長管道）構建而成，且仍在每日更新。結合該公司的光纖傳感設備，可實現(xiàn) 100 公里的檢測范圍，提供空間分辨率僅為 0.67 米的高精度 GPS 坐標。

該系統(tǒng)能向管道工程師精準指示挖掘位置，避免尋找泄漏點的時間浪費；同時可對事件嚴重程度進行分類（紅、黃、綠三級），并根據(jù)分類發(fā)出警報。

借助這類結合長期數(shù)據(jù)集的解決方案，不僅能檢測泄漏，還能識別并定位任何可疑活動，包括惡意破壞、資產(chǎn)盜竊，以及周邊的無意威脅（如挖掘作業(yè)、大型車輛移動）。

從分辨率來看，在近期一項測試 DAS 系統(tǒng)效能的實驗中，VIAVI 工程師制造了 45 處獨立泄漏點（工作壓力 20 巴，泄漏流量 20 升 / 分鐘），包括在 34 公里管道上 9 個隨機測試點設置的 4 個直徑 1-5 毫米的針孔泄漏。該系統(tǒng)以 100% 的成功率檢測并分類了所有泄漏點。

這種高分辨率的重要性在非實驗場景中也得到體現(xiàn)：系統(tǒng)曾對 150 米范圍內發(fā)生的兩起獨立挖掘事件發(fā)出警報（圖 4 右側）。

4.  警報會詳細說明具體問題及精準位置（左側，顯示在易用地圖上）；系統(tǒng)檢測到 150 米范圍內的兩起獨立挖掘事件（右側）。

如此近距離的兩起事件較為罕見。傳統(tǒng)內部監(jiān)測系統(tǒng)可能僅記錄為單一事件，導致第二起事件未被處理。而 DFS 系統(tǒng)發(fā)出了兩個獨立且明確的警報，幫助運營商避免了可能持續(xù)數(shù)天的未被察覺的泄漏。