分布式光纤声学传感系统在地球物理勘探领域内的研究进展
周绍钰1，包乾宗1,2,3，石卫4,5
2 自然资源部矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室
3 海洋油气勘探国家工程研究中心
4 陕西省城市地质与地下空间工程技术研究中心
5 陕西省水工环地质调查中心
第一作者：周绍钰，资源与环境专业硕士研究生。
通讯作者：包乾宗，副教授，主要从事地震波正演模拟、全波形反演、高铁地震学及工程地球物理等领域的教学与科研工作。
分布式声波传感(DAS)技术，能够对与光纤相互作用的环境振动和声场信息进行分布式、长距离、高精度的实时检测。是一种新的物探新技术（俗称为光纤物探技术），具有低廉与便捷的优势。上世纪70年代末国外学者提出了分布式光纤传感技术，DAS技术是其分支技术的一种，该技术于2009年首次应用于地球物理勘探领域——油气井孔测量（张辉等，2023）。近年来DAS技术发展势头迅猛，在地球物理领域中蓬勃发展，特别是在需要长期、大规模布设的监测应用场景中得到了迅速的发展。
为深入了解DAS技术在地球物理勘探领域内的研究进展，本文通过文献调研，对DAS技术自身的发展进程与其近期在地球物理勘探领域内取得的研究成果，按照油气矿产、海洋和环境工程3个不同的应用场景进行系统的分类总结，着重关注DAS技术近年来在不同方向上的发展进程、数据处理方面的研究进展以及已经取得的成果；分析了现阶段DAS采集系统的发展趋势和亟待解决的问题，展望了DAS技术未来发展前景。
基金项目：国家重点研发计划项目课题“黄土地质体／灾害体结构和物性参数大范围快速探测技术装备”（2022YFC2003402）资助；陕西省自然科学基金项目“高铁地震数据分析与应用”（2021JM-156）资助
0 引言
1 文献检索分析
2 光纤声学传感系统的原理和技术发展
2.1 技术简介
2.2 基本原理
2.3 技术发展
3 DAS在油气地球物理中的应用
3.1 垂直地震剖面法中的应用
3.2 油藏监测中的应用
3.3 矿产资源勘探中的应用
4 DAS在海洋地球物理中的应用
5 DAS在环境工程地球物理中的应用
5.1 地质灾害监测
5.2 城市建设
6 DAS的发展前景
7 结论
分布式声波传感(distributed acoustic sensing，DAS)技术引入我国以来发展十分迅速，与之配套的光纤系统也因为低廉与便捷的优势，让各学科的学者将这种全新的数据采集方式应用在多种不同条件的环境中。在近期发表的相关文献中，利用中国本土的测量数据进行处理和解释文章的出现，证实了DAS技术正在地球物理领域中蓬勃发展。目前DAS技术配合光纤系统的勘探方法不仅被利用于收集自然条件下的地质数据，还因为能够测量人类活动创造的各种建筑体内部的相关结构的特点，被应用于多种需要测量结构和采集数据的场景中，采集环境包括但不限于山区、河床、隧道、坝体、桥梁等情景。
DAS技术在地球物理勘探领域的应用呈现出了广阔的前景。本研究旨在探讨当前DAS在地球物理勘探领域包括油气地球物理、海洋地球物理和环境工程地球物理等方面的应用和研究进展，通过综合分析相关文献，评估DAS在不同工作条件下的优势和局限性；同时，进一步在物探方法、智慧平台、环境安全等方面探讨DAS在地球物理勘探领域的未来发展方向，为未来的相关研究提供建议和参考。
通过对已发表文章的检索、总结并分析，能够有效帮助我们了解一个学科的发展重点、发展方向及发展目标。本文所得文献来源为：以关键词“分布式光纤声波传感”在中国知网内检索中文文献，以关键词“distributed optic al fiber acoustic sensing”在Web of Science网站检索文献。同时，利用Web of Science和中国知网提供的相关数据，对截至2023年5月30日两个文献数据库所收录的DAS相关文章的相关信息进行分析，主要对比主题包括：发表年份趋势(发表年份截至2022年)(图1)、相关文献的学者国籍(图2)、DAS文献类型(图3)和研究方向(图4)。
图1 发表年份趋势
图1对比了Web of Science与中国知网两个文献数据库自1998年以来的文献发表数量。在Web of Science的数据中，DAS的相关文献的发表数量在逐年增长，并且在2019年有明显的增加，2022年和2023年发表的文献总数更是比之前所有文章的总数都多；在中国知网的数据中，DAS的相关中文文献自2011年开始稳步增长，自2019年起数量快速增长，2020年虽然有所减少，但发表数量仍多于学科发展前期。上述情况表明，DAS技术近年来受到的关注越来越多，我国对DAS技术的研究虽然起步与世界范围内相比较晚，但近年来取得了极大的进展，相关文献的数量也在稳步提升。DAS技术在新背景下的地质学中有极高的发展潜力和蓬勃的发展前景，能够面向国家“三深一系统”国家战略，为未来地球物理的发展提供更高效的勘探方法。
图2 国家或地区发表的文献数量(数据来源：Web of Science)
图2是由Web of Science所统计的关于DAS主题所发表文章的国家或地区及其发表的文献数量，图中数据仅使用了自2013年起至今发表文献数量大于5篇的记录。中国与美国发表的文献数量最多，其中收录的中国学者所发表的文献达到了343篇，说明近年来DAS在我国的发展较为迅速，我国学者也积极将DAS这一方法应用在各个学科中，并取得了一定的成果。
Web of Science提供了更多的文献类型，但中国知网目前只有论文、会议论文和综述论文3种，因此图3展示的是两个网站中与DAS技术相关的主要文献类型及同一类型文献的数量对比。根据两个网站所提供的数据能够明显发现：首先，与DAS技术相关的中文论文明显少于国际相关论文，这一方面是由于国内引入DAS技术和开展DAS技术研究的时间较晚，另一方面是因为目前相关学科的理论研究尚不完善，不足以支撑DAS技术的大规模、多学科应用；其次，综述论文较另外两种文献类型在数量上更少，这种情况在国内与国际范围内都相同，国内与国外在综述文献方面相差多于10倍。造成这种情况的原因可能是DAS技术虽然被应用于多种场景，但各个学者只根据自己的需要对获得的数据进行特定处理，在其熟悉的领域进行应用。DAS技术发展迅速，如果缺乏整体系统的认识，将会对后期的发展造成一定的影响。
图4展示了国内外DAS在各个研究方向中的文献数量。Web of Science网站收录的相关研究方向有38种，而中国知网收录的相关研究方向目前只有13种。图中只展示了部分研究方向的文献数量。从数据来看，DAS技术在国内的研究方向远少于国外，大概率是由于国内引入DAS技术的时间较晚，应用尚不成熟造成的；从文献数量来看，国内自动化技术方向的文献较多，国外工程方向的文献较多，不难看出国内在DAS技术方面更趋向于数据处理，而国外更趋向于实际应用。由于Web of Science将地球化学和地球物理的相关文献归为了一类，而中国知网中有地球物理类别但没有地球化学类别，因此不能进行同学科论文数量对比。
分别从Web of Science和知网两个数据库下载文献导入Citespace软件进行可视化分析。由于软件能够处理的数据量有限，在对数据统计时使用了Web of Science数据库中2017~2023年的全部文献，在中国知网数据库中则使用了2013~2023年的全部文献。经过软件处理后，使用聚类功能对近期“分布式光纤声波传感”方向的文章关键词进行统计(图5~图8)。
图5 数据库文献聚类图谱(数据来源：Web of Science)
图6数据库文献时间图谱(数据来源：Web of Science)
从图5和图6可知，在Web of Science数据库中“分布式光纤声波传感”主要围绕降噪、瑞利后向散射、波传播、相敏光学时域反射仪、光学时域反射仪、布里渊散射等15个主题展开。其中作为主要方法的“分布式声传感”和主要理论的“瑞利后向散射”成为关键词聚类中出现次数较多的关键词，在2017年左右发表的文献较多。次要理论“波传播”和主要仪器“相敏光学时域反射计”出现次数较多。由于分布式光纤声波传感的数据量大、噪声多等问题，数据处理中的“降噪”处理作为关键词出现频率最多，是目前国内外关于DAS技术研究的热点问题。
从图7和图8可知，在中国知网数据库中“分布式光纤声波传感”主要围绕管道监测、光纤传感、分布式光纤传感、光纤声波传感、光纤光学、模式识别等12个主题展开。其中，DAS技术的光纤系统应用领域“管道监测”和方法“光纤传感”两种作为关键词出现次数最多，但两者多数文章出现的时间点相差较大，在以“光纤传感”作为关键词的大量文献出现后，以“光纤光学”和“光纤声波传感”为关键词的文章数量也出现了明显增加的情况。
相较于Web of Science数据库中的内容，中国知网的内容明显较少，但近年来的数量较多，这也侧面验证了虽然国内引入分布式声学传感技术的时间晚，但呈现出快速发展的特点。
综上所述，DAS技术不仅发展空间大，研究方向多，而且近年来发展速度快，应用范围广。在引入时间较晚的背景下，DAS技术在国内进展快，已经被应用于多个领域，出现了多个研究方向的成果。由于目前的研究成果较为发散，缺乏较为系统的认识，因此，对DAS技术方面的发展概况进行总结，综合各个发展方向撰写相关综述文献是十分必要的。
DAS技术作为最先进的声场检测技术之一，其中的光纤勘探系统工作原理主要是基于光纤对声音或振动敏感的特性，对与光纤相互作用的环境振动与声场信息进行分布式、长距离、高精度的实时检测。正因为光纤材料具有抗电磁干扰、体积小、复用性高且价格低廉的特殊性，因此DAS检波器在地震勘探工作中可以进行长期、大规模的布设，并进行长时间、多次数的测量，从根源上解决了常规仪器成本高、布设难度大等问题。相比于常规检波器，DAS检波器更适合开展地震勘测工作。而布设在光缆上的检波器无需在测量后期移动，测量结束后也不需要逐个回收，使勘探效率大幅提高，对开展高效的井中地震勘探工作有极大的助益。在地震勘探的分布式光纤传感系统中，不同井段的缆线可以通过桥接的方式进行连接，从而实现测区测井的全井覆盖，十分适用于测量区域大或深井及超深井地震勘探工作；DAS检波器间距能够灵活调整，通过选择较小的采样间距获取具有较高空间分辨率的地震信息，减小空间假频对勘探数据的影响。
目前，DAS技术已经成为了世界范围内采集方法的研究热点，相关配套设施也逐渐趋于成熟，能够用于补充或代替传统检波器阵列进行地震勘探工作，以获取质量更好的钻孔地震数据；同时，DAS技术配套的光纤系统的便捷性使得该方法能够应用于更多地质工作场景。DAS技术具有广阔的发展前景。
分布式光纤传感器是地震监测传感器中光纤传感技术的一个分支，与其同类别的传感器还有点式传感器、准分布式传感器两种(图9)。
点式传感器的技术原理是通过识别某点的干涉效应的改变来探测信号。准分布式传感器是以点式传感器为基础，实现多点同时探测。分布式传感器与前述两种完全不同，在DAS中，其整根光纤都可以作为传感器件，通过在任意点监测信号来实现对参数的整体感知和光路测量。
DAS技术中的光纤勘探系统以光纤的弹光效应为基本原理，是一种可以实现振动和声场连续分布式探测的新型传感技术。光纤介质的介电常数或光折射率因介质中应力波的存在发生改变，从而影响光在介质中的传播特性，而介质存在的不均匀性会导致光通过介质时向各个方向散射。基于DAS技术的光纤勘探系统可以通过检测激光脉冲在光纤中散射引起的相位变化来测量光纤的轴向应变。系统主要由两方面构成：光纤(即传输介质)和地表仪器(即发射脉冲与探测瑞利散射信号的仪器)，其中每一小段光纤都相当于一个单分量应变仪。该系统的工作原理是：通过在特定的路径上铺设光纤，地表仪器系统与光纤相连；对主动源模拟或被动源产生的地震波进行探测，光纤接收振动信号并将信号反传回地表仪器；地表仪器分析振动信号并将其转换为地震信号，以便于进行后期数据解释。
目前，主流DAS相关仪器的原理是结合相干瑞利散射对应变化高度敏感的特性(窄线宽单频激光在光纤中激发产生)与反射计原理，对与光纤相互作用的环境振动与声场信息进行长距离、高时空精度的感知。
随着近年来DAS在各个地球物理应用领域的发展已逐步成熟，对于DAS本身的发展历程，以及DAS成像、仪器布设、数据处理等方面也有了一定的研究。同时，相关学者将与DAS类似的分布式光纤温度传感技术(DTS)和光纤布拉格光栅技术(FBG)进行了对比分析，并利用不同技术的各自优势，在实际地质应用中进行了优势互补。
在DAS技术的发展方面，蔡海文等对DAS技术的4个发展阶段及应用研究进行了回顾和评述，总结了DAS技术目前的一些成果。王子恒等详细说明了DAS系统的具体测量原理以及实际监测性能的技术参数，精确、稳定地重建了外界扰动模型，并认为声信号的频谱多样性角度能够反映目标体丰富的特征信息，为DAS系统应用于工程检测提供了理论依据和实践方法。
在DAS数据处理方面，时旸提出了基于低秩矩阵近似(ILMA)和基于张量鲁棒主成分分析(T-RPCA)两种DAS数据降噪方法。ILMA算法能够有效压制噪声，T-RPCA算法能得到预期目标；但ILMA算法中的秩是一固定的常量，目前没有实现自适应选择合适大小的秩进行处理，T-RPCA算法由于DAS数据计算量本身较大等问题，计算效率较低，需要进一步改进。邢桐提出了一种多尺度渐进融合算法(MFPF)，MFPF在去噪性能、信号泄露、定量分析等多个层面都有更出色的表现。虽然上述算法基于的理论各有不同，但主要目标都是为了解决DAS数据的高噪声问题，而上述去噪方法也为DAS数据处理提供了新的研究思路和去噪方式，深度学习在去噪中的应用有望成为DAS大数据量特点的又一解决方式。
2020年，中国科学院、中国科学技术大学、中国地震局等多家单位在白家疃北京国家地球观象台进行了DAS观测实验。实验中首次使用DAS设备，验证其在浅层结构研究中的可行性以及应用效果。在此之后，结合地震背景噪声成像技术，实现大范围、高横向分辨率的浅层速度结构成像；雷宇航等利用实验数据自主推导得到的适用于DAS系统地震记录提取多模式面波频散曲线的MF-J变换公式，反演构建了实验区高分辨高精度速度结构剖面。
为了深入探讨DAS技术的优势，将DAS系统与其他同类型仪器进行了对比，例如与DAS同属分布式光纤系统DTS的对比和与同为光纤传输FBG的对比。通过对具有一定相关性的多种方法进行对比，DAS的优势较为明显，但同时DTS和FBG也有着DAS所不能替代的优点。在油气生产方面的发展趋势更倾向于将井间微地震监测、DAS、DTS这3种监测方式结合，实现优势互补，以达到单个监测方式所不能及的效果。在目前以“双碳”为目标的发展大背景下，DAS在未来可以广泛应用于碳捕捉、利用与封存方面，而DAS这种能够进行长时间、长距离、实时监测的监测方法也同样适用于地热、科学钻探井等领域。
DAS所用光缆的布设方式和震源信号类型的选择对DAS监测数据具有一定的影响。林融冰等通过模拟水泥胶结、路面摆放、架空3种实际情况中的光缆布设方式进行主、被动源信号对分布式声波传感器的观测对比实验，结果表明，在相同叠加时长的前提下，水泥胶结光缆的噪声互相关函数信噪比在3种布设方式中最高。为了推广DAS在工程实践中的应用，尹教建等将利用Simulink软件开发的DAS系统仿真实验平台投入学科教育，基于开发的仿真实验，多次利用不同参数进行模拟，能够总结最适合于固定场景的监测方案，为DAS系统的参数优化与仪器选型提供一定的理论支持。
DAS技术最早应用于油气地球物理中，在经过与常规检波器对比并验证了其可行后，立刻投入了生产。而DAS技术所带来的施工优势和数据优势也为油气地球物理勘探工作做出了贡献。
垂直地震剖面(VSP)技术是一种地表震源激发，在沿井孔不同深度布置的一些检波点上进行观测的地震观测方法。由于VSP数据具有包含信息丰富、波结构特征清晰明显的优点，被广泛应用于全波勘探领域。但复杂的地震勘探目标预示着常规仪器的布设难度，DAS检波器更适合开展井中VSP地震勘测工作。
2011年，Silixa公司进行了井下DAS实验，后期多家机构在VSP测井中进行了井下监测、多井联采实验、海底VSP测试等众多尝试。Mateeva等讨论了井下VSP光缆的布设问题；Sidenko等开展了使用合成VSP数据集进行干涉成像的可行性研究。国内应用于VSP测井中的商用DAS技术正在逐渐成熟，利用一种新的有效噪声消除算法，克服了由于电缆拍打和沿钻孔套管振铃而产生的强相干噪声所带来的挑战，并获得了具有更高的垂直分辨率和横向分辨率以及更详细结构的图像(图10)。
图10 地表地震剖面(左)和DAS Walkaway VSP图像沿Walkaway VSP测量线插入地表地震剖面(右)
多位学者根据实际工作中可能会遇到的问题进行了研究。从确定检波器能够放置于井内理论深度并正常工作的实验，到满足理论深度后确定检波器的具体位置，以及采集数据后针对大数据量中存在的大量噪声进行去除并准确成像等方面都有了一定的研究。
DAS-VSP技术作为新技术与旧方法的融合，目前已经得到了可观的成果，尤其是该方法在目前的热点问题——碳封存(CCUS)中的应用及相关成果十分显著。不难预测，与热点问题联系后的DAS技术一定能在短时间内获得广泛关注。
DAS技术由于成本低、空间分辨率高的特点，在油气地球物理领域的应用日益广泛。在已有光纤的井中地震中，利用DAS技术进行采集的方式被越来越多的学者采纳。通过对已有的油气生产井进行多参数、长期、实时、无干扰的动态监测，根据动态监测结果及时优化调整开发方案，最大限度提高油气采收率、降低生产作业成本，是目前提高油气田采收率的主要思路。
众多学者在世界各地的油气井中进行了DAS技术的相关实验，并验证了DAS技术用于井中监测的可行性。Johannessen等在挪威大陆架7口海上油气井DAS技术的相关实验中获得了有效井筒流体流动的光纤信号；Van Der Horst J等在位于北美非常规气田中的致密砂岩气水平井进行了基于DAS技术的动态监测；Carpenter等在文莱注采井井筒进行了基于DAS技术实时流动状态监测的应用；Liang等]在四川盆地南部A井进行了DAS技术产气剖面测井解释与评价。
马小明等在四川长宁实验区(页岩气开发井)中利用DAS+DTS技术进行了测试，发现DAS技术相较于传统测井技术，具有抗电磁干扰、传输信息量大、灵敏度高、可长时间测试和对测试层位无干扰等特点，而光纤系统在静止的状态下记录井下每个射孔簇在不同的时间段所发生的任何产出变化，且静止式测量法的数据更真实、可信。通过对比加砂量与每段产气量发现，产气量较好的射孔层段压裂加砂量也相对较高，整体大致呈正比关系，进一步印证了加砂量对于地层压裂改造具有正向作用关系(图11)。
李彦鹏等对长庆油田珠60井的套管外DAS-VSP井地联采数据的采集质量和处理结果的影响进行了系统分析；江同文等通过对塔里木盆地克拉2气田的一口观察井的长期监测，发现DAS传感器有效探测距离的长短与微地震能量的强弱存在一定的联系；倪家升等在山东东营某油田设计并进行了石油地面物探试验。上述研究为利用光纤传感器技术进行石油地球物理勘探提供了新的方向，对后期DAS系统在油气田的监测工作有一定的示范作用。
基于DAS的管道泄漏检测技术因其具有光纤沿线动态应变的分布式定量检测特性，已成为管道泄漏安全预警领域中最具潜力的检测方案。多位学者利用DAS技术研发了不同功能的预警系统。例如：基于光时域反射仪(OTDR)针对埋地油气管道的安全监测系统；基于Mach-Zehnder光纤干涉仪的油气管道安全分布式光纤预警系统；基于布里渊光时域分析仪(BOTDA)设备的管道监测系统和基于DAS传感器的油气管道监测系统。
Peng等基于神经网络的机器学习算法验证了DAS系统在管道外部入侵和内部腐蚀的监测可行性；Jiang等以铺设两条对称光缆的方式，实现了对入侵破坏事件的定位；Li等根据不同速度的流体对管壁撞击力度不同的原理，实现了管道流速的分布式测量，且测量结果和真实结果具有非常好的一致性。
油气管线泄漏在油气地球物理方面是一个不容忽视的问题，解决办法之一是在管线附近进行长期实时监测。王子恒等根据实际参数对比，提出DAS系统比传统方法监测更具有时效性与准确性，推动了DAS技术在管道监测中的发展。基于DAS系统的监测系统近年来发展迅速，出现了利用HiFi-DAS系统的管道安全监测技术、利用深度学习结合DAS技术的监测方法、DAS与管道流固耦合效应相结合的监测方案、基于高性能DAS传感器的泄漏监控系统、基于DAS设备的管道沿线侵入事件监测等多种油气管线泄露监测方法。
油气地球物理方面的研究主要集中在地下油藏勘探与油气运输管道监测两个方面，其中油气管道监测方面的文章较多，推测是由于已经建成的油气管道较多较长，且传统检波器不能满足长期有效监测油气管道的要求，而DAS系统的高覆盖率与便携性解决了这一难题；同时DAS系统所使用的光纤材料在实际工程作业中的成本更低，也让DAS系统在长期监测油气管道这一工作中得到了广泛推广。
常规勘探技术在效率低下的同时还受极端环境的限制，无法满足勘探需求，而DAS技术因其传感距离大、时空分辨率高和适应复杂环境的特性更加适合于进行地面探测和井内探测，为矿产资源勘探技术提供了新的思路。
在对采煤过程的研究中，不少学者利用DAS技术取得了一定的进展：Chai等利用分布式光纤监测技术记录了地表应变；王昌等设计了用于油气地震波勘探开发的DAS监测系统；Wamriew等提出了一种新的深度学习方法来处理大量DAS数据，并成功获得高精度速度模型(图12)；刘辉等提出了基于DAS背景噪声全波形反演方法。
在地下油藏勘探方面，目前以验证可行性的研究为主，其中对DAS系统测量得到的数据中的相关参数与数据处理方面的研究较多。通过对DAS数据与传统检波器测量得到的数据进行对比，在验证DAS系统在油气领域可行性的同时，可利用DAS数据完善已有的数据材料，为同一地点的后期工作打下较好基础，同时也为将来的发展提供方向。
海洋地球物理是人们开发利用海洋活动的方法之一，其中包括的工程问题主要有海洋工程环境勘查、监测和评价，海底地震、浅层气和不稳定性致灾的检测和评价，海洋环境考古调查以及军事海洋学应用等。近年来，随着电子、材料和计算机科学等应用学科的发展，海洋地球物理探测技术取得了长足的进步，而相关仪器的灵敏度和探测精度不断提高，让海洋地球物理探测技术在海洋工程中得到了新的应用，并取得了一些成果。
陈同彦等开发并研究了新型海底管道分布式光纤传感器的和安装工艺，成功在埕岛油田实现了分布式光纤传感器新建海底管道的布设。Matsumoto等为了调查日本四国岛附近地震结构，利用OptaSense有限公司制造的远程DASPlexus系统进行了一次舰载地震调查，图13展示了水听器OBS51(黑线)和DAS仪器(蓝线)在相同入射信号下的功率谱密度(PSD)。由于两种仪器所得信号的换算方式不同，左侧PSD轴表示水听器所接收到气枪震源与背景噪声的信号值，右侧PSD轴表示DAS仪器所接收到气枪震源与背景噪声的信号值，结果证明DAS仪器检测到的短持续时间和宽带水声信号具有与共定位水听器非常相似的特征。如果选择相应的海底电缆路线，DAS能够探测海底火山的水声信号，为海底火山的远程监测提供了可能。
图13 DAS测量和水听器相同信号的功率谱密度(PSD)与气枪射击之间的环境噪声的比较
黄毓华等将瑞利散射和布里渊散射的光时域反射(OTDR)技术应用于海底电缆温变、应变、扰动的高精度实时状态监测中，实现更为有效的对海缆的实时状态监测。宛立君等利用分布式光纤声波传感技术DAS技术结合海底光缆和光电复合缆，获得了与实际场景一致的海面波浪声音信号。吴文婧等提出了基于分布式光纤传感获得的海底管线分布式结构响应，从而获得海底管线横向屈曲的识别方法。
在海洋地球物理方面，目前国内将DAS系统用于相关研究的文章较少。根据海洋地球物理的特点，目前相关研究中使用分布式光纤系统中的DTS系统的学者较多。同时，为了分布式光纤这一优势较多的方法能够更加适应海洋环境，并顺利进行海洋地球物理的相关工作，有不少文章提出新的方法或研发新仪器。DAS系统在海洋地球物理中的应用主要集中在监测海底油气管道和海洋背景音，以及海底地质水声信号测定等方面。根据目前文献方向来看，后期可能会将DAS系统与DTS系统结合，应用在海底油气管道的长期监测方面；在DAS系统测定水声信号方面，未来有望将海底电缆用于DAS系统，并对海底火山等地质体进行远程监控。
地质灾害是危害人民生命和财产安全的灾害之一。研究地质灾害监测并提前预警可能出现的危险，对保障人民群众安全具有重要意义。传统的地震监测方法工程周期大，所需成本高。DAS技术是一种通过测量光纤中后向散射光的相位变化，实现对光纤的动态应变检测，进而实现地震波场的记录的测量方法，有望解决目前地震检测中数据采集成本高、覆盖范围有限、不适合城市实施的问题。
不少学者已经利用DAS技术进行了相关实验。2018年12月和2019年12月，Wang等利用中国移动提供的标准单模光纤，在云南省宾川县城区进行了两次观测实验，成功验证了城市通信光缆用于地震预警和地下结构观测的可能性，为DAS研究和地震监测研究提供了新的方向。
Hudson等提出了一种能够准确表征各向异性冰结构引起的横波劈裂的二维DAS阵列多分量传感器。Nayak等证明DAS技术在局部和区域小地震事件检测方面具有显著的潜力。余双勇基于DAS机理的地震检波器总体结构设计光电探测模块，选择光缆外部材料以及脉冲宽度，证明传统地震检波器与DAS平台单点探测输出信号相符，但DAS平台在微弱信号的探测上更为灵敏。Lyu等提出了一种小样本集的DAS海量数据事件检测算法，就结果来看该方法检测出的地震事件数量明显多于CENC所检测到的地震数量(图14)。同时，该方法为DAS相关的海量数据事件监测提供了新的思路，但检测能力受信噪比限制，检测下限在2dB左右。
分布式光纤声波传感系统(DAS)是一种以光纤电缆进行声波信号采集的新兴技术。光纤电缆价格低廉、可代替性高，更加适用于对城市建设过程中可能出现的公路裂隙、隧道坍塌、桥梁坍塌等问题的日常监测。而DAS具有可便捷调节标距的特点，能够通过在目标一侧布设长距离的光纤进行实时监测的同时，避免对关键位置的监测偏差，大幅提升了工作效率。
在城市交通方面，DAS技术不仅被用于在铁路列车等传统运维场景中进行监测，在高速公路和机场等被忽视但同样有检测需求的城市交通场景也有所发展。在铁路列车的相关研究中，对DAS技术的应用也从实现列车运行的监测，到完成实时列车跟踪算法；从构建基于分布式光纤声传感的轨道列车检测系统，到近年来的采用分布式光纤传感器对铁路基础设施进行健康监测。DAS技术已经在铁路列车的相关研究中做出了巨大贡献，在验证DAS技术的便捷可行之外，为DAS技术在各个监测行业的应用起到了示范作用。
DAS技术也被应用于其他城市交通场景的相关研究中。例如，类似于高铁监测的高速公路运行状况在线监测方案，对比分析互相关干涉法﹑反褶积干涉法和互相干干涉法3种方法在DAS公路噪声记录处理中的效果，将DAS技术与人工智能结合的隧道加固钢环失效识别技术，将DAS技术用于沥青道面振动状态的实时感知系统等。
除了交通监测方面，DAS技术还被应用于其他城市建筑的监测中。纪然然等提出了基于光纤后向瑞利散射与相位敏感光时域反射技术(φ-OTDR)相结合的DAS技术的预应力钢筒混凝土管(PCCP)监测方法；燕东源等设计了一种基于分布式光纤传感技术的边坡岩土体变形智能监测方法；冯红耀等对比传统传感器与DAS技术光纤传感器的测量结果，验证了DAS技术在工程实践中的可行性。
在环境工程地球物理方面，DAS系统在地质灾害监测、矿产资源勘探和城市建设中都有一定的应用。其中在城市建设方面应用较多，推测原因可能是城市建设与人民生活息息相关，其中坝体、桥梁、隧道等大型人类活动工程建筑物如果不能及时维护或修缮，极有可能存在坍塌危险，因此对相关建筑物的定期监测或长期监测是必不可少的。同时，由于建筑物较地质灾害和矿产资源两种目标更为常见和稳定，通过对监测数据在时间和空间上的差异进行分析，能够获知目标体是否需要进一步完善，这一特点也使得这部分的研究广受相关学者的青睐。
根据目前DAS在各个领域的发展，不难推断出DAS的发展将集中在以下几个方面。
1)对推动全新物探方法的产生起到关键作用。利用DAS灵活布设的特点，可实现同源、同波场、多井井—地立体勘探，通过对空间立体波场高密度观测，可实现对“双复杂”勘探目标高精度成像(图15)。尤其在油气勘探方面，通过利用三分量光纤，进行井中+地面全波场勘探，有望实现对地下储层骨架和流体的直接描述；同时，通过集成DAS、DTS和DSS三种不同的传感技术，将相互组合后获得分布式多路复用传感(DXS)系统或将成为勘探行业中的另一个发展趋势。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，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。
2)在智慧勘探平台的建设中发挥重要作用。光纤传感技术具备井中地震、压裂监测、产剖监测、智能注采监测等“动静结合”的优势，或将成为智慧勘探平台建设的必选项。由于利用DAS技术获得和相关工作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。基于上述原因，使用先进的人工智能(AI)和机器学习方法，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，在一定程度上削减问题的难度(图16)。此外，考虑到勘探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。
3)在储气库监测和CCUS领域广泛应用。我国在CCUS技术链各环节已经具备一定的研发基础，在开发出多种具有自主知识产权的计算基础上，同时具备大规模全流程系统的设计能力，目前已取得不错的研究成果。但相比国际先进水平依然存在一定的差距，主要集中在以下三个方面：大规模碳运输和封存工程经验；二氧化碳驱油、地质封存等理论和核心技术；封存后的二氧化碳监测、预警等技术。基于上述种种问题，可以利用目标位置或在目标位置布设对应光纤，利用DAS技术中永置式光纤优势，对储气库“储、盖、断”及井筒完整性进行精准监测，确保安全运维。通过多井布设光纤实现对碳捕获/碳封存的有效监测，为新能源业务发展提供有效评价手段(图17)。
4)DAS技术将在安全环境监测领域发挥重要作用。环境监测、大型军用与民用工程、航空航天、石油勘探等领域，对传感技术的探测灵敏度、空间分辨率、测量范围、耐腐蚀、耐高温等适应极端工作环境的能力提出了更高的要求，尤其在石油、天然气管道的温度监测以及隧道、高速公路的火灾监测与预警方面，都需要对周围环境进行实时、全分布式监测与分析。因此，对环境实时监测与分析显得尤为迫切。uDAS©设备能够在一定程度上解决相关地区需要长时间、广地域、实时监测的需求。DAS技术将在轨道交通设施安全监测、海洋资源开采监测、土木工程设施监测、气体泄露应急监测、地质灾害环境监测、智能电网监测等方面广泛应用(图18)。
DAS技术凭借自身优势在地球物理领域中应用广泛。本文介绍了DAS技术的主要概念，对DAS技术在地球物理学中的应用进行了分类介绍，最后讨论了DAS技术的未来发展趋势。DAS技术已经在油气地球物理，海洋地球物理，环境与工程地球物理中有了重大突破，但目前技术还不够成熟，实际应用的事件识别率较低，与传统点传感器相比，在灵敏度等方面还有相当大的差距。
DAS技术在地球物理领域创造了更多可能的同时，也带来了更多的挑战。随着DAS技术在检测距离、灵敏度、多参数监测、多维监测等方面的突破，加上与深度学习、神经网络的结合，DAS技术的独特优势将在众多领域发挥重要作用。
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文章版权声明：本文来源 ：周绍钰，包乾宗，石卫.分布式光纤声学传感系统在地球物理勘探领域内的研究进展[J].物探与化探，2024，48(2)：411-427doi：10.11720/wtyht.2024.1304。《覆盖区找矿》，版权归原作者所有，本文不代表阳光创译立场，并对文中观点保持中立，仅供各位阅读者交流参考之目的。本号所转载内容没有任何商业宣传目的，仅供交流，如有侵权，请联系主编删除（主编微信：suntrans2008），另外图片版权归原作者所有，如有侵权请联系我们，我们将会立刻删除！给您带来的不便，尽请谅解！
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