浅谈分布式光纤传感的挑战和未来方向

一、市场

在市场分析方面，石油和天然气行业正在引领分布式光纤传感市场（图1）。DTS和DAS系统是石油和天然气垂直领域使用最广泛的传感器，得益于其各种新兴应用，DAS具有显著的市场渗透。

石油和天然气垂直领域的分布式光纤传感市场在2020年的价值为5.179亿美元，预计到2026年将达到7.689亿美元，2021年至2026年的复合年增长率（CAGR）为6.7%。对生产力、效率和操作安全性需求的不断增长推动了石油和天然气行业中分布式光纤传感市场的增长，这些需求可以通过使用分布式光纤传感来满足。表1总结了为石油和天然气行业以及其他相关应用提供分布式光纤传感器和光纤光缆服务（或销售）的各种公司。

图1 不同行业的分布式光纤传感市场

二、挑战

有一些主要障碍阻碍了分布式光纤传感器的部署增长。光纤传感器的高成本对该市场的发展构成了重大挑战。根据应用、操作条件和所用光纤光缆的类型，分布式光纤传感系统的成本可能非常高，且仍不是每家需要实时监控和传感的公司都能负担得起的。此外，这些系统的安装和维护成本也很高，这使它们的实施变得困难。然而，随着分布式光纤传感的采用变得更加快速，制造和批量定价的改进将使成本降低。此外，使用光纤传感器进行终身连续监测也可以抵消高昂的初始成本。

其他技术挑战包括井下光纤变暗，其中氢气穿透光纤和光纤护套周围的金属管进入光纤材料，会导致显着的光学衰减。然而，据报道，可以通过使用密封涂层、定制特性玻璃和选择合适的工作波长等许多努力来解决氢变暗问题。这种具有特殊涂层和特性的光缆现在很容易用于长期井下监测。

另一个障碍与数据大小有关，因为分布式光纤传感器可以为井下环境和管道提供连续监测，从而产生大量数据。尽管持续监控具有许多优势，但它在数据管理、存储、可视化和安全性方面也存在一系列挑战。基于云的数据管理最近被引入石油和天然气行业，可作为存储、传输和可视化分布式光纤传感器所产生数据的有效手段。

三、未来方向

分布式光纤传感研究团体不断开发该领域的新技术，这将为石油和天然气行业提供进一步的应用机会。当前研究工作的主要目标之一是提高分布式光纤传感的整体性能。例如，引入新的调制方案、新的编码格式和先进的信号处理方法，可能有助于减少分布式光纤传感器的空间分辨率、传感范围和测量精度限制。另一个研究方向是探索光纤传感器（包括分布式传感器）在石油和天然气工业的恶劣环境中以高可靠性测量更多参数的能力。在实验室环境中，光纤传感器已经证明能够测量各种物理和化学参数，例如温度、应变、振动、压力、曲率、旋转、电场/磁场、流量、液位和液体浓度。然而，这些技术很少被可靠地应用于石油和天然气市场。因此，向石油和天然气行业销售更多的光纤传感器尤其是化学传感器是非常可取的。

此外，对于工业应用，稳定性和耐用性与传感器的灵敏度同样重要。通常光纤的安装方案直接影响传感系统的性能和坚固性。因此应在各种应用场景中继续研究和改进安装方案。此外，还应研究该系统在石油和天然气行业不同环境下的可靠性，特别是在高温高压的恶劣环境中。应该注意的是，传感系统中采用的特种光纤的新颖设计和/或掺杂方法可能有助于减少传输损耗和增加散射光，还可以提高系统对恶劣环境的耐受性。这将使石油和天然气行业的各个领域出现分布式光纤传感器的新应用。

分布式光纤传感器在石油和天然气行业中的另一个发展趋势是集成不同的传感技术，包括DAS，DTS和DSS，以提供分布式多路复用传感（DXS）系统。由于目前的分布式光纤传感器共享一些相同的光电组件，并且可以通过一根光纤或单个管内的几根光纤来使用，因此根据需要将这些不同的技术集成到DXS系统中应该是可行的，该系统提供多参数测量。集成DXS系统的一个优点是其成本低于单个传感系统的总和，同时它可以提供更多有用的信息，而不是简单地将几个系统的结果相加。这是因为对同一位置的多维数据进行全面分析将提供关于热点的更深入的信息。

另一方面，石油和天然气行业的现有挑战将使数据驱动的分析变得更加重要。例如，石油采收难度的增加以及公众对自然环境和资源的关注将要求更有效的石油回收过程和更少的管道泄漏事件，其中需要相应传感系统采集的数据。集成传感系统的趋势和数据驱动分析的趋势将在石油和天然气行业中相辅相成。随着获得和所需的数据量变得非常庞大，仅依靠该领域的专家提供完整和详细的分析并在整个过程中做出决策是不现实的。因此，先进的人工智能（AI）和机器学习方法应该是有益的。它们可以帮助减少数据大小并提取事件的有用数据，甚至可以代表专家做出决定。此外，考虑到石油和天然气行业中许多不同的传感和测量系统当前和未来的应用，采用基于云的平台将是一个有前途的解决方案，可以解决安全可靠的数据传输、管理、存储、分析、可视化和下载问题。

应该注意的是，有一类特殊的分布式干涉仪传感器，它不同于前面讨论的经典背向散射分布式光纤传感器。分布式干涉仪传感器包括 Michelson干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪、Sagnac干涉仪和混合干涉仪。这些干涉仪传感器通常用作分布式振动传感器(DVS)，需要双干涉仪结构来定位扰动位置。与经典的背向散射分布式传感器相比，分布式干涉仪传感器具有同时发现多个入侵点的复杂性，定位精度低得多，但可以监测到更高频率的振动。尽管分布式干涉仪传感器可以在管道监测中找到应用，以监测快速动态入侵，但经典的背向散射分布式传感器在石油和天然气行业的应用更为广泛。

编辑：黄飞