摘要：照片左侧，一个同学头顶草帽，手上拿着一把锤子；右侧另一个同学面向井盖，全神贯注地操作着手机。这架势，像不像在谋划什么秘密行动？

先看一张我们的工作照——

照片左侧，一个同学头顶草帽，手上拿着一把锤子；右侧另一个同学面向井盖，全神贯注地操作着手机。这架势，像不像在谋划什么秘密行动？

别误会，我们其实是在进行一项特别的工作：沿着合肥市区的城市道路，用锤子轻轻敲击每一个井盖，同时通过主机接收信号。而我们研究的对象，正是深埋在井盖之下、承载着城市通信命脉的“神经网络”—— 地下光缆 。

光纤：通往信息时代

我们每天在手机上发信息、刷视频，发送和接收无数信号，这个庞大的通信网络离不开一种媒介： 光纤 。光纤通过传输光信号，以接近光速的效率将海量信息送入千家万户，彻底改变了人类的通信方式。

光纤通常是一根由玻璃或塑料制成的细丝，它是如何通过光信号实现通讯的呢？这就要讲到一个高中物理课上的基本原理： 光的全反射 。光从光密介质进入光疏介质（比如从水中进入空气），一般会同时发生折射和反射。而当入射角超过一个特定的临界角，光就不会发生折射，而是像照镜子一样，被完全反射回原来的介质中。

光的全反射

（图片来源：Fizzics）

科学家们巧妙地利用了这一原理设计出了光纤。光纤一般由两部分组成： 中心是折射率较高的纤芯，外面包裹着一层折射率较低的包层。 当光信号在纤芯中传播时，由于纤芯和包层的折射率差异，光线在纤芯与包层的边界上不断发生全反射，从而被限制在纤芯内部，只能沿着光纤的路径前进。正是光纤中全反射的实现，将人类带入了高速、便捷的光通信时代。

光缆结构示意图

（图片来源：菲尼特）

光在光纤中的运动轨迹示意图

（图片来源：基恩士）

由多根光纤和保护层组装成的复合结构就是 光缆 。如今，为了满足无处不在的通信需求，城市地下铺设了密密麻麻的通信光缆，连接着千家万户。不过，科学家敏锐地发现，除了通信功能，光缆还有一个有待挖掘的隐藏技能： 传感 。

DAS技术：光纤即传感器

近十年来，一种名为 分布式声波传感 （DAS，Distributed Acoustic Sensing）的技术逐渐兴起。 DAS是一种利用光纤作为传感器，实时监测沿光纤分布的声波或振动信号的技术。 它通过检测光纤中光信号的微小变化，实现对声波或振动信号的长距离、高密度的实时连续监测。

想象一下，对于一条长度为1公里的道路，每间隔1米设置一个传感点，就能组成由1000个传感器组成的庞大阵列。若采用传统方法，在数十公里的道路上布设如此密集的地震仪或麦克风网络，成本会非常高昂。而DAS技术的精妙之处在于， 它可以直接利用城市地下已有的通讯光缆网络，仅需连接DAS解调仪，就能通过分析每1米光缆中光信号的变化进行振动监测， 以极低的成本构建起覆盖全城的振动感知网络。

（图片来源：作者自制）

DAS技术主要有两大突出优势：

实时性： 数据可以在线进行实时的分析和处理，这是许多传统的、分散布设的节点式观测仪器无法做到的。

超密集性： 空间采样密度极高，这使得DAS能够捕捉到传统稀疏传感器网络可能会遗漏的振动信号细节，例如地震波中更复杂的相位信息等。

凭借这些优势，DAS技术在过去十年中，已在地震监测、油气田开发监测、城市地下空间结构探测、管道泄漏监测等多个领域展现出广泛的应用前景。

更有趣的是，科学家还利用DAS进行了许多意想不到的探索，比如 监测海洋中鲸鱼的活动和森林中鸟类的鸣叫 。挪威的科研人员利用总长约120公里的海底光缆，对须鲸的叫声进行了高分辨率的实时监测，不仅识别出不同种类鲸鱼叫声的频率差异，还发现了它们对栖息地的不同偏好。他们甚至尝试利用鲸鱼叫声的信号替代人工地震源，来研究不同海域的沉积层厚度，巧妙地将生态学和地球物理学联系了起来。

DAS探测鲸鱼示意图

DAS技术的另一项重要潜力在于监测某些天气现象，例如闪电。

闪电是大气中一种剧烈的静电放电现象， 伴随着耀眼的强光和巨大的声响（雷声）。闪电是光学或电磁信号，而雷声是声学信号，本质上是空气中的振动。因此，DAS系统可以捕捉雷声的声学特征，从而实现闪电的精准定位。

天空中的电闪雷鸣

（图片来源：veer图库）

我们团队的研究工作就是 利用合肥市的城市通信光缆进行雷声监测 。通过DAS技术，我们将一条长约7.7公里的城市电信光缆转换成了一个拥有约3850个等效声音/振动传感器的监测网络。在一次雷暴天气事件中，通过这套密集的DAS系统，我们在20分钟内发生的六次云对地闪电中，清晰地识别出了101个雷声事件。利用这些雷声信号的到达时间和位置信息，我们就能对雷声源进行精确定位。

分析采集到的数据可以发现，除了雷声，车辆行驶等交通活动产生的振动信号也非常清晰，这也为利用光缆进行城市交通监测提供了可能 。

合肥城市通讯光缆示意图

（图片来源：参考文献[2]）

DAS记录到的闪电和单道信号

（图片来源：参考文献[2]）

我们将这六次雷声事件进行了三维定位，结果与当地气象雷达及其他电磁探测手段观测到的闪电信息具有良好的一致性，证实了DAS技术观测雷声的可靠性。

雷声定位与雷达分布图

（图片来源：参考文献[2]）

回到文章开头的那张照片，当时我们的工作就是 通过敲击井盖产生振动，确定光缆的具体定位， 使得光缆的虚拟通道和实际位置建立一一对应的关系。城市光缆虽然有线路图，但具体位置仍然存在误差，因此我们需要更加精确的定位。当然，考虑到光缆的接口不一致，还需要焊接光缆接口，然后接入主机，才可以正式变成传感阵列。

焊接光缆现场

（图片来源：作者提供）

大家可能会问，费这么大劲“听”雷声有什么用呢？答案是：非常有用！闪电的潜在危害不容小觑，尤其对于重要的基础设施（如电网、通信基站）、广阔的森林资源等，有效的防护和监测至关重要。 多一种监测手段，就多一份安全保障。 此外，随着全球气候变化，极端天气事件日益增多，城市区域的灾害监测预警变得尤为关键，而利用现有的城市通信光缆无疑为我们提供了一种经济高效的解决方案。

除了实际应用价值，从科学研究的角度看，人类对于闪电这一自然现象的奥秘尚未完全揭开，而基于DAS的雷声监测技术，有望为我们深入理解闪电过程提供新的视角和数据支持。可以预见，遍布城市地下的光纤网络，未来不仅将承担信息传输的使命，在传感领域也将展现出广阔的应用前景。

来源：东窗史谈一点号