论文推介 | 光纤布拉格光栅(FBG)和分布式声波传感器(DAS)在地学中的应用进展及发展方向

摘要：

光纤通信是20世纪最伟大的创新成就之一。21世纪以来，光纤布拉格光栅和分布式光纤声波传感器逐渐应用在地学领域中，因其具有耐受复杂环境，采集密度高，频率范围大，成本低等优势，在井中地震，地面地震，地热，矿产，水力压裂微震监测，碳捕捉与封存监测，近地表结构和天然地震学，设施安全和地质灾害监测以及地学大数据等领域得以迅速发展并很快成为研究热点。本文将光纤布拉格光栅和分布式光纤声波传感器与常规地震检波器在基本原理，主要结构和采集信号等方面进行总结对比，结合野外试验和地学领域的应用实例，对他们的优缺点和适用性进行了初步探讨和总结：DAS能够更好地实现长距离覆盖，而FBG能记录矢量信号。然后针对光纤传感器存在的低信噪比，方向效应和位置不确定性等问题进行了讨论分析，提出了解决方法。建议未来在碳捕捉、利用与封存，地热，科学钻探井等领域大力发展光纤传感长期监测技术，组建局部或全球性的光纤地震监测网络，为解决实际地质问题提供可靠的光纤地学信息。

关键词:

光纤布拉格光栅  /  分布式光纤声波传感器  /  瑞利后向散射  /  地学应用

背景

光纤通信被认为是20世纪最伟大的创新成就之一，是人类进入信息化时代的重要基石，1978年Hill等利用驻波干涉模式，首次成功研制了光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，简称为FBG)，其精度不受光源强度影响，受环境影响小，更加容易实现分布式传感，在光纤通信等领域得到了快速发展。

2000年国外学者基于FBG首次在地球物理领域实现振动传感测量，Bostick将常规三分量地震检波器和光纤布拉格光栅传感器同时埋置在131.9784 m深度的套管井中，分别记录炸药震源，锤击震源以及钻头噪声产生的地震信号，对比分析出两种不同接收装置接收到的信号具有很好的一致性。多轴FBG光栅技术使得三分量加速度光纤传感器能够获取可靠的地震矢量波场，而且光纤传感器本身更能适应高温高压的井下环境。

早期井中地震的分布式传感测量都是基于FBG传感器来实现的，后续进一步应用到海底地震(Ocean Bottom Seismic，简称为OBS)采集，微地震监测，地热和碳捕获利用与封存(Carbon Capture, Utilization and Storage，简称为CCUS)等领域。近几年仍得到一些学者的持续关注，并开展了FBG传感器和分布式光纤声波传感器的对比试验研究。

本文讨论的是用于振动测量的FBG传感器和DAS在地学中的应用进展及未来发展方向，尽管这两种光纤传感器具有各自优势并在地学领域逐步应用，但它们与常规地震检波器的对比分析值得关注，此外在地学的不同领域需要考虑其不同的优劣势以及目前存在的问题。本文总结了FBG传感器及DAS的原理及结构，并和常规地震检波器进行了对比分析。结合不同地学领域的应用实例对他们的优缺点和适用性进行了初步探讨和总结。最后对其存在问题和发展前景做出探讨分析。

DAS工作原理及传感系统结构示意图

(a)典型的相干光时域反射(COTDR)示意图

(b)四激光器内差法DAS传感系统结构

DAS VSP采集示意图

结论

FBG和DAS光纤传感系统具有耐受复杂环境，采集密度高，覆盖距离长，频率范围宽等优势，已经成功应用到油气，矿产，地质灾害监测，天然地震学，近地表结构，地学大数据等诸多地学领域。在“双碳”目标背景下，建议在碳捕捉、利用与封存，地热等领域大力发展DAS VSP监测技术。开展科学钻探井等复杂环境下的长期光纤监测，组建局部或全球性的DAS光纤地震监测网络。通过提升发展硬件设备，加强能源勘探行业和天然地震学数据分析技术在DAS系统中的应用研究，提升DAS大数据管理和处理方法，综合集成不同类型的光纤传感器等，为解决实际地质问题提供可靠的光纤地学信息。

本研究刊登在《地球物理学进展》2023年第38卷第3期

张辉, 吕庆田, 张毅, 刘振东, 李巧灵, 陈进, 李立胜. 2023. 光纤布拉格光栅(FBG)和分布式声波传感器(DAS)在地学中的应用进展及发展方向. 地球物理学进展, 38(3): 1416-1454.

doi: 10.6038/pg2023GG0365

排版：韩雅彤

校对：邱梓惠（中国科学技术大学地球和空间科学学院）