Verteiltes faseroptisches akustisches Sensorsystem DAS-INNO

Definition der verteilten faseroptischen akustischen Erfassung

Verteiltes akustisches Sensorsystem (DAS) ist ein faseroptisches optoelektronisches Gerät, das akustische Wechselwirkungen entlang der Länge des faseroptischen Sensorkabels misst.

Das einzigartige Merkmal eines verteilten akustischen Sensorsystems besteht darin, dass es eine kontinuierliche Messung liefert (oder verteilt) Temperaturverteilung entlang der Länge des Sensorkabels, und nicht an einzelnen Erfassungspunkten.

Verteilte akustische Sensortechnologie

Normalerweise, Bei der DAS-Technologie werden Standard-Glasfaserkabel für die Telekommunikation verwendet, und spezielle Glasfaserkabel sind nur bei hohen Temperaturen erforderlich (größer als 100 °C). Sensorfasern basieren üblicherweise auf Singlemode-Fasern, obwohl einige spezielle Anwendungen Multimode-Sensorfasern verwenden.

Die Reichweite eines DAS-Systems beträgt normalerweise bis zu 50 km pro Sensorfaser, und jede Untersuchungseinheit hat normalerweise 1 oder 2 Kanäle, die gleichzeitig betrieben werden können. Zum Beispiel, DAS kann bis zu 100 km messen, und 2-Kanal-Geräte können 50 km in jede Richtung messen.

Messprinzip

Die Abfrageeinheit für verteilte akustische Sensoren sendet Laserimpulse an die Glasfaser. Bei dieser Art von Lichtimpuls breitet sich der Lichtimpuls entlang der Faser aus, Die Wechselwirkung innerhalb der Faser führt zu einer Lichtreflexion, die als Rückstreuung bezeichnet wird, was durch kleine Dehnung bestimmt wird (oder Vibration) Ereignisse innerhalb der Faser, die durch lokale Schallenergie verursacht werden. Dieses zurückgestreute Licht breitet sich entlang der Glasfaser nach oben zur Abfrageeinheit aus, wo es mit der Rayleigh-Frequenz abgetastet wird. Die für Laserimpulse erforderliche Zeit ermöglicht eine genaue Zuordnung von Rückstreuereignissen zur Faserentfernung – Dies ist als optisches Zeitbereichsreflektometer bekannt.

Die meisten heute auf dem Markt erhältlichen verteilten akustischen Sensorsysteme basieren auf einem Prinzip namens Kohärentes optisches Zeitbereichsreflektometer (COTDR).

Ortsauflösung und räumlicher Abtastzeitraum

Die räumliche Auflösung wird hauptsächlich durch die Dauer des ausgesendeten Impulses bestimmt, und eine Auflösung von 10 m bei einem 100-ns-Impuls ist ein typischer Wert. Die Menge des reflektierten Lichts ist proportional zur Pulslänge, Es gibt also einen Kompromiss zwischen räumlicher Auflösung und maximaler Reichweite. Um die maximale Reichweite zu verbessern, Man hofft, mit längeren Pulslängen die Menge des reflektierten Lichts zu erhöhen, Dies führt jedoch zu einer höheren räumlichen Auflösung. Typischerweise, Die räumliche Auflösung der meisten Systeme beträgt 5-10 Meter.

Vergleich zwischen DAS und anderen Verteilte faseroptische Sensorsysteme

Es gibt viele andere verteilte Glasfaser Sensortechnologien, die auf verschiedenen Streumechanismen basieren und zur Messung anderer Parameter verwendet werden können.

Brillouin-basierte Systeme werden üblicherweise zur Messung verteilter Dehnungen und Temperaturen verwendet.
Die Brillouin-Streuung ist viel schwächer als die Rayleigh-Streuung, Daher müssen Reflexionen mehrerer Impulse addiert werden, um eine Messung zu ermöglichen. daher, Die maximale Frequenz zur Messung von Änderungen mithilfe der Brillouin-Streuung beträgt normalerweise mehrere zehn Hz, während Rayleigh-basierte COTDR-DAS-Systeme eine kHz-Empfindlichkeit haben.

Raman-basierte Systeme werden üblicherweise zur Temperaturmessung verwendet, während DTS-Systeme typischerweise auf Raman-Technologie basieren. Die Intensität der Raman-Streuung ist sogar geringer als die der Brillouin-Streuung, Daher dauert es im Durchschnitt viele Sekunden oder sogar ein paar Minuten, bis man vernünftige Ergebnisse erhält. daher, Raman-basierte Systeme eignen sich nur zur Messung sich langsam ändernder Temperaturen.

Datenerfassung, Signalverarbeitung, und Visualisierung

Aufgrund der großen Datenmenge, die von verteilten akustischen Sensorsystemen erzeugt wird, Es ist von entscheidender Bedeutung, eine Strategie für das Management zu haben, Verarbeitung, und Datenvisualisierung. Diese Systeme sammeln Daten mit Geschwindigkeiten wie oben 10 Khz bei bis zu 20 Erfassungspunkte. Dies entspricht der Geschwindigkeit, mit der Terabyte-Laufwerke innerhalb weniger Tage gefüllt werden können.

Normalerweise, die Abfrageeinheit ist mit der Verarbeitungseinheit verbunden (Industrie-PC oder Server) das die Datenspeicherung und -verarbeitung verwaltet. Normalerweise, Es gibt einen Bildlaufpuffer zum Speichern von Rohdaten, da darüber hinaus nur sehr wenig Inhalt gespeichert wird.

The processing unit is programmed using a series of intelligent algorithms to interpret raw data and analyze whether it matches pre-defined events, such as intrusion events or pipeline leaks. The fiber optic sensing cable will be divided into multiple areas, where specific selected algorithms will be selected and alerts will be assigned within each area.

There are many ways to visualize these events. One approach is to use DTS specific visualization software, such as displaying the path of optical fibers based on site maps or charts, and if there are events, it will highlight the location of the events and display alarms. Another approach is for the DAS software interface to be integrated with existing SCADA, Kontrolle, or security software packages. In diesem Fall, Die Veranstaltung wird die Software der beteiligten Parteien hervorheben 3.

DAS-Messprinzip:

Bitte fügen Sie einen Link hinzu, um zu beschreiben, dass DAS ein verteilter faseroptischer Sensor ist, der auf kohärenter Rayleigh-Streuung basiert. Es nutzt die Empfindlichkeit optischer Fasern gegenüber Schall (Vibration). Wenn äußere Vibrationen auf die optische Sensorfaser einwirken, aufgrund des elastischen optischen Effekts, Der Brechungsindex und die Länge der optischen Faser unterliegen geringfügigen Änderungen, Dies führt zu einer Phasenänderung des übertragenen Signals innerhalb der optischen Faser und zu einer Änderung der Lichtintensität.

Die durch Schallwellen verursachte Phasenänderung ist sehr gering, Daher verwenden DAS-Systeme normalerweise hochkohärente Impulslichtquellen. Innerhalb des Pulsbreitenbereichs treten Interferenzen zwischen Rayleigh-Streusignalen auf. Wenn äußere Vibrationen eine Phasenänderung verursachen, Die Intensität des kohärenten Rayleigh-Streusignals an diesem Punkt ändert sich. Durch Erfassung der Intensitätsänderung des Rayleigh-Streulichtsignals vor und nach der Vibration (Differenzsignal), Vibrationsereigniserkennung erreicht werden, und mehrere Vibrationsereignisse können gleichzeitig genau lokalisiert werden.

Vorteile der DAS-Technologie:

Kontinuierliche verteilte Messung von Temperatur und Vibration ohne tote Messbereiche

Gleichzeitige Erkennung und genaue Lokalisierung mehrerer Ereignisse

Glasfaser ist ein Sensor, der Übertragung und Erfassung kombiniert

60 Kilometer ultralange Messstrecke, umfangreiche Messinformationen

Schnelle Reaktionsgeschwindigkeit, Alarm im Inneren 1 zweite

Optische Signalübertragung, vollständig elektrisch isoliert, resistent gegen elektromagnetische Störungen

Eigensicherheit, Geeignet für den Langzeitbetrieb in brennbaren und explosiven Umgebungen

Stabile und zuverlässige Messung mit geringer Fehlalarmrate

Lange Lebensdauer von Lichtwellenleitern, bis zu 30 Jahre wartungsfrei

DAS-Leistungsmerkmale:

Großer Temperaturabstand: 50km

Schnelle Reaktionszeit: typisch 1 zweite

Hohe Positioniergenauigkeit: 2-50M

Hohe Empfindlichkeit: kann Vibrationen innerhalb von 40 m um das optische Kabel herum wahrnehmen

Gleichzeitige Überwachung von Vibration und Temperatur

Online-Überwachungsfunktion für Glasfaserfehler

Die Wahrnehmung aller Dinge ist eine wichtige technologische Unterstützung für den Aufbau einer intelligenten Erde, intelligente Stadt, und intelligenter Ozean. Verteilte faseroptische akustische Erfassung (DAS) Technologie ist eine neue Art von Sensortechnologie, die eine kontinuierliche verteilte Erkennung von Vibrationen und Schallfeldern erreichen kann. Es nutzt die hochempfindlichen Eigenschaften der kohärenten Rayleigh-Streuung, die durch Einzelfrequenzlaser mit schmaler Linienbreite in optischen Fasern induziert wird, kombiniert mit dem Prinzip des Reflektometers, Wahrnehmung von Umgebungsvibrationen und Schallfeldinformationen, die mit optischen Fasern über große Entfernungen und mit hoher räumlich-zeitlicher Genauigkeit interagieren. Diese einzigartige Fähigkeit zur Informationswahrnehmung hat sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie große Aufmerksamkeit für die DAS-Technologie erregt. Die Leistung der DAS-Technologie wird ständig verbessert, und seine Anwendungen entwickeln sich rasant. Es hat seine einzigartigen technologischen Vorteile und sein Potenzial bei der Erkennung von Perimetereinbrüchen unter Beweis gestellt, Online-Überwachung der Eisenbahnsicherheit, geophysikalische Erkundung, und anderen Bereichen.

Aufgrund seiner einzigartigen Vorteile, DAS hat immer mehr Experten aus verschiedenen Bereichen angezogen, um nach Durchbrüchen in der Branche zu streben, Gleichzeitig werden steigende Anforderungen an die Verbesserung der DAS-Technologie gestellt.

Nach mehr als einem Jahrzehnt der Entwicklung, DAS hat in vielen Bereichen eine unersetzliche Rolle gespielt, insbesondere in den Anwendungsszenarien von Ferngesprächen, großräumig, und raumzeitliche Dichteerkennung, einschließlich Perimetersicherheit, Transport, geophysikalische Erkundung, Strukturelle Gesundheitsüberwachung, und anderen Bereichen. Forscher verbessern außerdem kontinuierlich die DAS-Technologie, um den personalisierten Anwendungsanforderungen verschiedener Bereiche gerecht zu werden.

Im Bereich Perimetersicherheit, im Vergleich zu herkömmlichen Methoden, DAS hat Vorteile wie eine starke Anpassungsfähigkeit an die Umwelt, hohe Verdeckung, großer Überwachungsbereich, und verteilte blinde Flecken. Jedoch, Es ist eine technische Herausforderung, anhand der großen Anzahl komplexer Signale, die DAS erkennt, festzustellen, welche Art von Störung und Eindringen entlang des Glasfaserkabels aufgetreten ist.
Im Bereich Schienenverkehr, Die DAS-Technologie nutzt passive optische Fasern als Erfassungs- und Übertragungsgeräte, Dadurch kann eine räumliche kontinuierliche Erfassung von Störsignalen entlang der Glasfaserleitung erreicht werden. Es hat die Eigenschaften, elektromagnetische Störungen zu verhindern, Verteilte Fernmessung, niedrige Kosten pro Distanzeinheit, und es ist keine Stromversorgung vor Ort erforderlich. Es kann die Mängel der bestehenden punktuellen elektromagnetischen Sensortechnologie wirksam ausgleichen, Erfüllen Sie die Anwendungsanforderungen des Schienenverkehrs, und lässt sich schnell in bestehende Bahnstrecken integrieren. Es wurde weithin angewendet.

Die Exploration von Öl- und Gasressourcen ist ebenfalls eine wichtige Anwendung der DAS-Technologie. Bei der herkömmlichen Technologie zur Exploration von Öl- und Gasressourcen werden elektronische Punktdetektoren verwendet, Diese haben Nachteile wie eine geringe Einsatzeffizienz und eine lange Versuchszeit im großen Maßstab. DAS nutzt herkömmliche optische Kommunikationsfasern als Sensorkomponenten, die kostengünstig sind und über den gesamten Lebenszyklus des Bohrens hinweg eine Rolle spielen können, Fertigstellung, Produktion, usw., mit erheblichen Vorteilen.
Zusätzlich, aufgrund der geringen Größe und des geringen Gewichts optischer Fasern, Sie lassen sich leicht in Strukturen wie Verbundwerkstoffe für die Luft- und Raumfahrt einbetten, Baustoffe, Bodenmedien, usw. DAS kann problemlos akustische Emissionssignale innerhalb der Materialien erhalten, eine permanente Online-Überwachung von Materialien und Strukturen zu erreichen.

Zukünftige Entwicklungstrends und Herausforderungen

Die DAS-Technologie hat sich kontinuierlich weiterentwickelt, Der Anwendungsmarkt wächst, und die Aussichten sind gut. Kürzlich, Ausländische Wissenschaftler haben vorgeschlagen, vorhandene optische Glasfasern für die unterirdische Kommunikation zu nutzen, um ein groß angelegtes Überwachungsnetzwerk für geologische Analysen und größere Naturkatastrophen aufzubauen (Erdbeben) Erkennung. Diese Entwicklungsrichtung kann die Vorteile der großräumigen räumlichen kontinuierlichen Wahrnehmung von DAS nutzen, Reaktivierung aller redundanten Kommunikations-Glasfaserressourcen im Untergrund weltweit, und verfügt über einen sehr hohen Marktwert und Entwicklungspotenzial.
Obwohl die DAS-Technologie erhebliche Fortschritte gemacht hat, Es ist noch nicht vollständig ausgereift und es gibt immer noch wichtige technische Engpässe, die behoben werden müssen, hauptsächlich einschließlich der Verbesserung der Empfindlichkeit, mehrdimensionale Erkennung, und neue Datenverarbeitungsparadigmen.
Die Empfindlichkeit der DAS-Technologie ist im Vergleich zur verteilten Sensortechnologie relativ hoch. Jedoch, im Vergleich zur herkömmlichen Punkterfassungstechnologie, Es besteht immer noch eine erhebliche Lücke. Die DAS-Technologie im großen Maßstab anwenden, Es ist notwendig, die Empfindlichkeit dieser Technologie deutlich zu verbessern, Damit erreicht es nahezu das Niveau bestehender Punkterfassungsgeräte, um bestehende technologische Mittel in verschiedenen Anwendungsbereichen wirklich zu ersetzen.
Gleichzeitig, Die bestehende Detektionsfähigkeit von DAS wird immer noch durch die eindimensionale axiale Struktur optischer Fasern begrenzt, und es ist schwierig, eine dreidimensionale Positionierung von Störquellen und eine Mehrkomponentenerkennung von Signalen zu erreichen, Dies schränkt die technische Leistung und den Anwendungsbereich von DAS in gewissem Maße ein. Verteilte 2D/3D-Positionierungserkennung und Drohnen-Gegenmaßnahmen basierend auf Bildern

Zusätzlich, die Ferne, räumlich dichte Probenahme, und die zeitbereichsdichten Abtastfunktionen von DAS erzeugen eine große Menge an Erfassungsdaten. Um die riesigen Mengen an Rohdaten in Echtzeit in nützliche Sensorsignale umzuwandeln, müssen neue Datenverarbeitungsmethoden und Algorithmen entwickelt werden.

Zusammenfassend, Die DAS-Technologie bietet ein revolutionäres technologisches Mittel zur Wahrnehmung der physischen Welt, Dies ist von großer Bedeutung für die Förderung der wissenschaftlichen Forschung und der intelligenten Entwicklung der menschlichen Gesellschaft.