文章來源：T石頭科普工作室

原文作者：行雨

分布式光纖聲波傳感技術（Distributed Acoustic Sensing，DAS）是一種利用光纖作為傳感元件，實現對沿光纖路徑上的環境參數進行連續分布式測量的技術。

DAS技術的原理是利用光子與光纖內在晶格缺陷的相互作用。激光器向光纖發送脈沖激光，光纖的晶格缺陷會將一些光散射回解調器。DAS利用后向瑞雷散射來推斷沿光纖每幾米的隨時間的縱向應變變化。這種技術可以在整根光纖長度上對沿光纖分布的應變進行實時監測，獲取被測量的空間分布狀態和隨時間變化的信息。分布式光纖傳感系統是同時利用光纖作為傳感敏感元件和傳輸信號介質。通過先進的OTDR(Optical Time-Domain Reflectometry)技術或OFDR(Optical Frequency-Domain Reflectometry)技術，探測沿著光纖不同位置的應變的變化，實現真正分布式的測量（Zhan, 2019）。

DAS技術模擬圖（Zhan, 2019）

DAS技術最初被石油公司用于勘探地球物理領域(e.g., Mestayer et al., 2011; Daley et al., 2013)，主要用于隨井勘探等。后來被推廣至地球科學的其他領域，乃至工程領域等。DAS得力于其布設的成本，例如在城市中，地下本來就有眾多的通訊光纜分布，只要接入DAS解調儀就可以化身遍布城市的傳感器，監測成本立馬降低了。由于光纜的抗腐蝕性等特性，使得DAS技術可以適應嚴苛惡劣的自然環境，例如高山、荒漠、沼澤水下等，同時DAS技術可遠程控制具備智能化、可視化、數據網絡化等，同時具備在線監測和信號處理功能。而DAS技術的高靈敏和高分辨地監測地學弱信號的能力、寬頻段監測能力(10-2Hz—104Hz)以及高保真波形還原性能，使得DAS技術有著更多的可能性。

油井中利用光纜（Daley et al, 2013）

目前，DAS技術已經被用于眾多領域，如地震監測、地下結構成像、大氣環境監測、海洋監測、生物學監測、極地探測、結構健康監測等等領域，并取得了令人驚訝的成就。在地震監測方面，如Yu等人（2019）利用一條20km的光纜進行遠震波形監測，其波形與寬頻帶等具有良好的一致性。Li等人（2023）稱基于100公里的光纜用反投影方法揭示了巨型逆沖斷層的破裂特征。

地震定位及DAS地震信號（Li et al., 2023）

在地下結構成像方面，例如PoroTomo項目利用DAS和節點獲取了風化殼和基巖幾百米的精細結構（Parker et al., 2018）。還有結合DAS進行小尺度的主動源P波成像，能夠獲取淺層的高精度結構圖像（Hong et al., 2024）。城市地區的地下結構探測也非常重要，利用城市光纜進行城市地下結構的探測不僅節省成本，還能夠不損壞道路等，例如2022年在合肥進行的長期觀測，獲取了合肥城市地下結構幾百米的精細圖像，還發現了可能的活斷層，為城市安全監測提供了更全面的信息（Lei and Wang, 2024）。

合肥城市地下結構S波速度（Lei and Wang, 2024）

除了陸地，海洋也是DAS技術應用的重要領域。由于海洋的特殊環境，導致海洋地震等觀測手段受限，傳統的OBS探測設備成本高，還會面臨無法成功回收等問題。而DAS技術的出現填補了海洋觀測的稀疏性，成為海洋觀測新的助力。目前，全球各大洋的海底通訊光纜都有分布，而且非常密集，這為DAS海洋監測提供了更為便捷的方式。目前海洋DAS已經用于各方面的應用，如海洋的地震監測(Taweesintananon et al., 2023)、海盆成像(Chen et al., 2021)、鯨魚的聲學(Landr? et al., 2022)、海嘯監測（Williams et al., 2023）、臺風過境探測（Lin et al.,2024）等等。這些應用極大地豐富了海洋科學地觀測內容。

太平洋附近通訊光纜分布（submarinecablemap）

除了廣闊的海洋之外，還有更加嚴苛地環境那就是冰川和極地。Walter等人（2020）利用DAS技術在冰川地形中觀測并定位到冰川的粘滑冰震，這也意味著DAS技術在嚴苛環境的實用性和可靠性。在南極區域，研究人員也利用DAS進行冰震的監測以及冰層速度結構的獲取等等（Zhou et al., 2022），DAS也在極地區域發揮著作用。其實DAS技術不僅僅只能看地下的東西，DAS還能看大氣中的變化，例如DAS可以用來監測雷暴等特殊的大氣變化（Hong et al., 2024）。

冰川冰震DAS數據及定位（Walter et al., 2020）

DAS雷暴信號（Hong et al., 2024）

DAS技術除了用來監測自然界的各種信號等，還能用來監測人類社會的各種特征信號，比如交通信號的監測（王寶善等， 2021），以及用于設備的結構健康檢測，比如鐵軌的形變監測、橋梁的形變監測等等。DAS還能用于周邊安防、管道入侵等工程性任務。未來，DAS技術甚至可以隨著火箭去到更遠的地方，比如說月球、火星，在其他行星獲取數據。

在不久的將來DAS技術將會更加完善、全面，為人類提供更多的可能性！所以，光纖不僅僅可以用來通訊，還能用來感知萬物！