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管道输送的介质通常价值高昂、具有挥发性，且一旦泄漏会对环境造成危害。管道易受老化、意外损坏或人为篡改影响，泄漏风险切实存在 —— 尤其在途经偏远无人区域时，这种风险会进一步增加。因此，管道完整性监测至关重要。

尽管光纤以通信功能闻名，但它最初的设计构想就包含振动监测。1967 年，用于非接触式振动测量的外置光纤传感器（光子传感器）获得专利。

凭借对电干扰的固有免疫力、长距离传输能力与抗腐蚀性，光纤通信组件及基础设施迅速被应用于光学传感领域。到 20 世纪 90 年代，分布式光纤传感（DFS）技术已广泛用于温度、应变、压力与声学测量，石油天然气行业也已采用该技术。

管道监测的传统方法

过去，技术人员需亲临现场进行人工巡检，常常要面对恶劣的现场环境。且由于管道通常埋于地下，无人机或直升机的视觉巡检效果有限。

探地雷达（GPR）可用于管道检测，但需要专业培训人员操作，且受土壤条件与埋深限制。另一种方案是声发射检测，虽能实现连续监测，但需部署大量传感器，导致成本上升。相反，压力与流量监测可发现异常，但在未安装大量传感器（会显著增加成本）的情况下，分辨率不足。

这些传统方法均存在不足：多数依赖周期性检测，可能遗漏微小但潜在灾难性的隐患；且要实现高分辨率监测，成本极高。

光纤传感技术原理

光纤传感主要分为两类：外置传感（Extrinsic sensing）是为测试系统与传感器之间提供简单通信路径；内置传感（Intrinsic sensing）则以光纤本身作为传感系统，无需在光纤与外部传感器间设置独立接口，从而降低复杂度与成本。

光在光纤中传输时的物理特性，可用于检测温度、应变、振动等参数的变化。通过特定技术，可将光纤本身转化为传感器，使其长度方向上形成数千个连续传感点 —— 这就是分布式光纤传感（DFS）。该技术主要通过拉曼散射（Raman）、布里渊散射（Brillouin）或相干瑞利散射（Coherent Rayleigh）三种方式实现（图 1）。

1.分布式光纤传感（DFS）在多个行业拥有广泛的潜在应用场景。

拉曼散射用于分布式温度传感（DTS），通过测量斯托克斯波段与反斯托克斯波段的背向散射光强度差实现温度检测。

布里渊散射利用背向散射光的波长特性 —— 其受外部温度与声学激励的影响具有可预测性，可同时测量应变与温度变化（DTSS）。

相干瑞利散射则通过光纤材料随机散射的光子，检测振动与声波；通过分析光的相位偏移，可精准定位光纤全长范围内振动的位置与强度，即分布式声学传感（DAS）。

借助分布式光纤传感器，管道运营商可实现沿光纤全长的连续测量，无需安装数千个独立传感器，就能获取实时数据。

DFS 甚至能检测到影响管道的微小应力或环境变化。将其与监测系统集成后，运营商可即时收到潜在故障警报，从而快速介入，预防损坏发生。

分布式光纤传感（DFS）的实际应用

现场可使用具备 DTS 与 DTSS 功能的便携式仪器；同时，配备机架式光纤测试头（支持 DTS、DTSS 或 DAS 功能）的平台，可实现光纤的长期监测，一旦出现变化会自动触发警报。

图 2 中，DTSS 探测仪采用布里渊光时域反射计（BOTDR）技术，向光纤传感器发射短光脉冲，光纤上所有点位会产生两种不同波长的布里渊背向散射光。

2.  DTSS 探测仪向光纤发射激光脉冲，通过分析不同波长的背向散射光，检测并定位光纤沿线的温度与应变变化。

在此基础上，布里渊背向散射光的波长与入射光波长不同，分别被称为 “斯托克斯光” 与 “反斯托克斯光”。图 3 显示，通过对比斯托克斯与反斯托克斯布里渊光的强度与频率，可测量光纤沿线的温度与应变。

3.  利用布里渊散射，可测量特定位置的温度与应变。

真实应用场景与核心优势

传统故障检测方法多依赖泄漏发生后，且泄漏量足够大时才能发现；而 DFS 的灵敏度远超传统方法，能捕捉任何可能导致泄漏的前兆信号。

在某些情况下，故障的最初迹象是微小泄漏。传统方法很难检测到这类泄漏，尤其是地下管道的微小泄漏。但多数泄漏发生时，介质外泄会产生一定声响 —— 借助 DAS 技术，可在泄漏初期就发出警报并精准定位。

通过 DFS，还能测量管道的应力与应变变化。这些变化可能意味着管道周围土壤发生位移，而位移可能由滑坡或地震引发。根据应力大小，管道可能迅速破裂，但 DTSS 技术可精准定位问题区域，帮助运营商优先安排维修。

除自然地质运动外，人为损坏也可能发生：施工过程中，车辆操作员可能因未察觉管道存在或定位不准而造成意外损坏。此外，由于许多管道具有战略重要性，存在人为恶意窃取或转移介质的风险。

无论是哪种情况，要接触到地下管道都需要挖掘作业 —— 这一过程可通过 DAS 技术检测，并精准定位。根据管道埋深，高灵敏度 DAS 系统甚至能检测到地面车辆或行人的移动：在城市区域的管道沿线，这可能是正常现象，但在偏远地区，这类信号则需要引起重视并展开调查。

此外，管道会因缓慢老化而出现泄漏。DFS 同样能在早期发现并定位这类问题，使运营商能以更低成本、更小干扰开展预防性维护。

数据解读：预防泄漏的关键

当然，检测背向散射光是一回事，将数据解读为实际场景则是另一项关键能力。将背向散射数据转化为运营商可使用的、有意义且可操作的警报，至关重要。这一目标可通过定制数据集实现 —— 该数据集基于多年真实数据构建，与监测工具结合后，既能精准定位，又能准确识别隐患类型。

例如，VIAVI 的数据集已积累 15 年，通过监测数千公里的管道（包括全球最长管道）构建而成，且仍在每日更新。结合该公司的光纤传感设备，可实现 100 公里的检测范围，提供空间分辨率仅为 0.67 米的高精度 GPS 坐标。

该系统能向管道工程师精准指示挖掘位置，避免寻找泄漏点的时间浪费；同时可对事件严重程度进行分类（红、黄、绿三级），并根据分类发出警报。

借助这类结合长期数据集的解决方案，不仅能检测泄漏，还能识别并定位任何可疑活动，包括恶意破坏、资产盗窃，以及周边的无意威胁（如挖掘作业、大型车辆移动）。

从分辨率来看，在近期一项测试 DAS 系统效能的实验中，VIAVI 工程师制造了 45 处独立泄漏点（工作压力 20 巴，泄漏流量 20 升 / 分钟），包括在 34 公里管道上 9 个随机测试点设置的 4 个直径 1-5 毫米的针孔泄漏。该系统以 100% 的成功率检测并分类了所有泄漏点。

这种高分辨率的重要性在非实验场景中也得到体现：系统曾对 150 米范围内发生的两起独立挖掘事件发出警报（图 4 右侧）。

4.  警报会详细说明具体问题及精准位置（左侧，显示在易用地图上）；系统检测到 150 米范围内的两起独立挖掘事件（右侧）。

如此近距离的两起事件较为罕见。传统内部监测系统可能仅记录为单一事件，导致第二起事件未被处理。而 DFS 系统发出了两个独立且明确的警报，帮助运营商避免了可能持续数天的未被察觉的泄漏。

关键词： 光纤传感 管道监测 预防泄漏