马特·米勒
今天的网络要求比以往任何时候都要高——始终在线，始终可靠，无论应用程序或环境如何都不会停机。业主和运营商正在寻找主动管理基础设施的方法，而不是在问题发生后立即做出反应。如何在问题发生之前发现并解决问题，从而保证可靠性并消除停机时间?
想象一下，能够连续、准确、实时地检测到微小的声音、温度和/或应变变化，沿着光缆在外部植物环境的任何地方。根据所使用的审讯装置或激光源的不同，通过沿路径分布的大量“虚拟”传感器，你可以有能力检测从一公里到几十公里以外的各种环境事件。这是利用光纤作为固有传感介质实现的。
那么，这项技术是如何工作的呢?它的好处是什么?有哪些应用的可能呢?在解释各种类型的光纤传感器网络之前，我们将从简要的历史开始。
从第一个考虑使用光纤作为测量环境事件的方法的专利申请到现在已经50多年了。1967年授予的美国专利03327584描述了一种纤维束，它可以同时照亮表面并捕获反射光。在20世纪80年代早期，用于传感器阵列的光纤声学系统被用于弗吉尼亚级潜艇的轻型宽孔径阵列(LWWAA)，拖曳阵列和各种监视系统。
在过去的20年里，光纤传感技术一直应用于油气行业的井内/井下监测。在2000年，分布式温度传感被使用，随后在2010年使用分布式声学传感。尽管该技术在很多情况下都有应用价值，但还远远没有应用到每口井中。然而，光纤传感有望成为某些应用的标准。
在过去的十年里，分布式光纤传感技术被用于检测和防止陆上油气管道泄漏。例如，2016年，OptaSense公司赢得了一份合同，为跨安纳托利亚天然气管道(TANAP)提供管道泄漏检测和安全解决方案。该解决方案将监测超过1850公里的管道以及所有设施的周边安全。目前，全球有超过1.5万公里的管道正在接受光纤传感技术的监测。
光纤传感网络有三种类型。
点传感器网络在点传感器网络中，每个传感器都是离散的，必须单独回拉。点传感器通常用于较短的部署。了解点传感器在给定路径上的位置对于正确解释从环境接收到的数据至关重要。
准分布式传感器网络-准分布式传感的一个版本包括使用几个光纤布拉格光栅(FBG)，它们嵌入到光纤中。光纤芯的折射率经过修改，使得某些波长的光可以通过，而其他波长的光则被反射回光源。每个光纤光栅都能反射特定的波长，使得每个光纤光栅都可以沿着光纤通路识别。换句话说，光纤光栅就像内联波长滤波器，将特定的波长反射回源，多个光纤光栅可以被应用到单个光纤路径中。与点传感器网络一样，了解fbg的位置与被检测内容的关系是正确解释数据的关键。
分布式传感器网络在分布式传感器网络中，沿光纤的传感器数量是分布的，数量根据系统的长度、传感器的空间分辨率和使用的询问器盒而变化。通常情况下，每个传感器的空间分辨率为1到10米。分布式传感是通过沿光纤发送光脉冲并解释来自该脉冲的背向散射光来实现的。通过观察瑞利、布里渊和拉曼后向散射，可以分别检测声学、应变/温度和温度。分布式传感可以取代将成百上千个独立传感器集成成一个连续的解决方案，这种集成方式通常既麻烦又昂贵。
分布式传感应用主要有三种类型。
如上所述，在分布式传感器网络中，后向散射光可以分解为三个组成部分:瑞利光、布里渊光和拉曼光。
瑞利后向散射主要用于分布式声学应用。影响光纤的声波信号或声波会引起折射率的微小变化。当使用相干光学时域反射计(COTDR)时，这些变化可以用瑞利后向散射检测到。通常使用标准单模光纤。
布里渊后向散射用于应变和/或温度测量。当光纤处于应变状态时，可以检测和分析布里渊频移。采用布里渊光时域反射计(BOTDR)，或采用布里渊光时域分析仪(BOTDA)进行增强检测。通常使用标准单模光纤。
拉曼后向散射主要用于温度检测应用。为了检测温度变化，比较了与温度相关的反斯托克斯拉曼峰和几乎与温度无关的斯托克斯拉曼峰。温度是根据两者之间的增量来确定的。对于较短的距离，通常使用标准多模光纤。
根据Future Market Insights，石油和天然气市场是分布式传感器网络增长的关键驱动因素，并主导着全球分布式光纤传感器市场。例如，该技术可用于井下应用，也可用于地面和地下管道的泄漏检测和预防。该技术在安全领域也很有价值，可用于周边安全应用。
从地理上看，北美有望成为分布式传感器的最大市场，而温度传感有望引领应用领域。
分布式传感器网络在各种应用中都有价值，包括管道泄漏预防和检测、油气系统和井下监测的基础设施。
DAS、DTS和DSS都适用于管道泄漏预防和检测。DAS网络可以通过液体或气体通过小孔时产生的噪声来定位管道中的泄漏点。泄漏还会在孔处产生由压差产生的负压波，该波沿管道的长度传播并被检测到。
DTS网络可以通过焦耳-汤姆逊效应检测高压气体管道周围的土壤温度变化。使用DSS网络，高压气体管道的泄漏可以通过焦耳-汤姆逊效应引起土壤温度的变化，并导致地面隆起。管道附近的地面运动也可以从地震或地质活动中检测到。
分布式传感器网络也可用于桥梁、水坝和堤坝;火灾报警及监控;电力公司;监测脐带;铁路应用程序;以及商业建筑。此外，DAS、DTS和DSS都可以用于监控海底系统(如管线、管道和海底回接)。该网络还适用于周边安全和资产保护，如公用事业(水、能源、通信)、边界、工业(石化、炼油厂)和运输(公路、铁路、港口、机场)应用。
所有行业都需要标准。标准有助于确保兼容性和互操作性，还有助于简化产品开发。总体而言，关于分布式光纤传感的标准很少，尽管已经出版了一些。
为了使人们更多地认识到光学传感技术的好处，一个新的贸易协会——光纤传感协会(FOSA)已经成立。该协会的使命是“让业界、政府和公众了解使用先进光纤传感技术的好处，以增强公共安全，促进关键设施和基础设施的安全，并保护环境。”FOSA于2017年4月成立，并于5月举行了首届会议。
与其他网络一样，分布式传感器网络包含有源(源/询问器盒)和无源(光纤电缆、硬件和连接)组件。在选择系统组件时，应考虑以下因素。
分布式传感网络的数量在不断增长，可以提供多种应用的好处，例如光纤在用作传感介质时对电磁干扰的免疫力。在工业和制造业应用程序中，条件可能非常苛刻，正常运行时间和可靠性非常关键，因此网络可以实现持续监控，并提供关键分析，帮助在潜在问题发生之前发现问题。
在本文中，您了解了不同的传感方法、技术的工作原理、许多好处以及潜在的应用。分布式声学、温度和应变传感应用于许多相同的垂直领域，其中光纤用于通信。
在过去的10年里，该技术已经成熟，现在被用于监测数千公里的管道、数千口油气地下井等。从2016年到2026年，光纤传感市场以每年10.4%的复合增长率增长，市场、应用和解决方案的成熟将继续下去。
随着光纤传感协会的成立，光纤传感有了一个倡导者，它将帮助教育工业界和政府，并加速技术的采用。虽然本文可能是您第一次听说分布式光纤传感，但它可能不会是最后一次。
