سیستم سنجش صوتی فیبر نوری توزیع شده DAS

تعریف سنجش صوتی فیبر نوری توزیع شده

سیستم سنجش صوتی توزیع شده (در) یک دستگاه نوری فیبر نوری است که فعل و انفعالات صوتی را در طول کابل حسگر فیبر نوری اندازه گیری می کند..

 

ویژگی منحصر به فرد یک سیستم سنجش صوتی توزیع شده این است که یک سیستم حسگر پیوسته را فراهم می کند (یا توزیع شده است) توزیع دما در طول کابل حسگر, به جای نقاط حسگر گسسته.

فناوری سنجش صوتی توزیع شده

معمولا, فناوری DAS از کابل های فیبر نوری مخابراتی استاندارد استفاده می کند, و کابل های فیبر نوری تخصصی فقط در دماهای بالا مورد نیاز است (بزرگتر از 100 درجه سانتی گراد). فیبرهای حسگر معمولاً بر پایه الیاف تک حالته هستند, اگرچه برخی از برنامه های تخصصی از الیاف حسگر چند حالته استفاده می کنند.

 

برد سیستم DAS معمولاً تا 50 کیلومتر در هر فیبر حسگر است, و هر واحد استعلام معمولا دارد 1 یا 2 کانال هایی که می توانند به طور همزمان کار کنند. مثلا, DAS می تواند تا 100 کیلومتر را اندازه گیری کند, و واحدهای 2 کاناله می توانند 50 کیلومتر را در هر جهت اندازه گیری کنند.

 

اصل اندازه گیری

واحد بازجویی سنسور صوتی توزیع شده، پالس های لیزر را به فیبر نوری منتقل می کند. هنگامی که این نوع پالس نور در طول فیبر منتشر می شود, فعل و انفعالات درون فیبر باعث انعکاس نور به نام پس پراکندگی می شود, که با کرنش کوچک مشخص می شود (یا ارتعاش) رویدادهای داخل فیبر, که توسط انرژی صوتی محلی ایجاد می شوند. این نور پراکنده به سمت بالا در امتداد فیبر نوری به واحد بازجویی انتشار می یابد, جایی که در فرکانس ریلی نمونه برداری می شود. زمان مورد نیاز برای پالس های لیزری امکان نگاشت دقیق رویدادهای پس پراکندگی به فاصله فیبر را فراهم می کند – این به عنوان یک بازتاب سنج نوری دامنه زمان شناخته می شود.

 

اکثر سیستم های سنجش صوتی توزیع شده در بازار امروز بر اساس یک اصل به نام بازتاب سنج دامنه زمانی نوری منسجم هستند. (COTDR).

تفکیک مکانی و دوره نمونه برداری مکانی

وضوح فضایی عمدتاً با مدت زمان پالس ساطع شده تعیین می شود, و وضوح 10 متری که توسط یک پالس 100ns داده می شود یک مقدار معمولی است. مقدار نور منعکس شده متناسب با طول پالس است, بنابراین بین تفکیک فضایی و حداکثر برد تعادل وجود دارد. به منظور بهبود حداکثر برد, امید است که از طول پالس های طولانی تر برای افزایش سطح نور منعکس شده استفاده شود, اما این منجر به وضوح فضایی بیشتر می شود. به طور معمول, قدرت تفکیک مکانی اکثر سیستم ها است 5-10 متر.

 

مقایسه بین DAS و سایر موارد سیستم های سنجش توزیع شده فیبر نوری

بسیاری دیگر وجود دارد فیبر نوری توزیع شده فن آوری های سنجش که بر مکانیزم های پراکندگی مختلف متکی هستند و می توانند برای اندازه گیری پارامترهای دیگر استفاده شوند.

 

سیستم های مبتنی بر بریلوین معمولاً برای اندازه گیری کرنش و دما توزیع شده استفاده می شوند.
پراکندگی بریلوین بسیار ضعیفتر از پراکندگی ریلی است, بنابراین انعکاس پالس های متعدد باید با هم جمع شوند تا امکان اندازه گیری فراهم شود. بنابراین, حداکثر فرکانس برای اندازه گیری تغییرات با استفاده از پراکندگی بریلوین معمولاً چندین ده هرتز است, در حالی که سیستم های COTDR DAS مبتنی بر Rayleigh دارای حساسیت کیلوهرتز هستند.

سیستم های مبتنی بر رامان معمولا برای اندازه گیری دما استفاده می شوند, در حالی که سیستم های DTS معمولاً مبتنی بر فناوری رامان هستند. شدت پراکندگی رامان حتی کمتر از پراکندگی بریلوین است, بنابراین معمولاً به طور متوسط ​​چندین ثانیه یا حتی چند دقیقه طول می کشد تا به نتایج معقول برسید. بنابراین, سیستم‌های مبتنی بر رامان فقط برای اندازه‌گیری دماهای با تغییر آهسته مناسب هستند.

 

جمع آوری داده ها, پردازش سیگنال, و تجسم

به دلیل حجم زیاد داده های تولید شده توسط سیستم های سنجش صوتی توزیع شده, داشتن یک استراتژی برای مدیریت بسیار مهم است, پردازش, و تجسم داده ها. این سیستم ها داده ها را با سرعت های بالاتر جمع آوری می کنند 10 Khz در تا 20 نقاط حسی. این معادل سرعتی است که درایوهای ترابایتی را می توان ظرف چند روز پر کرد.

 

معمولا, واحد استعلام به واحد پردازش متصل است (کامپیوتر یا سرور صنعتی) که ذخیره سازی و پردازش داده ها را مدیریت می کند. معمولا, یک بافر پیمایشی وجود دارد که برای ذخیره داده های خام استفاده می شود زیرا محتوای بسیار کمی فراتر از این ذخیره می شود.

 

واحد پردازش با استفاده از یک سری الگوریتم های هوشمند برای تفسیر داده های خام و تجزیه و تحلیل اینکه آیا با رویدادهای از پیش تعریف شده مطابقت دارد برنامه ریزی شده است., مانند رخدادهای نفوذ یا نشت خط لوله. کابل حسگر فیبر نوری به چندین ناحیه تقسیم می شود, که در آن الگوریتم های خاص انتخاب شده انتخاب می شوند و هشدارها در هر منطقه اختصاص داده می شوند.

 

راه های زیادی برای تجسم این رویدادها وجود دارد. یک رویکرد استفاده از نرم افزار تجسم خاص DTS است, مانند نمایش مسیر فیبرهای نوری بر اساس نقشه سایت یا نمودار, و اگر اتفاقاتی رخ دهد, مکان رویدادها را برجسته می کند و آلارم ها را نمایش می دهد. رویکرد دیگر این است که رابط نرم افزار DAS با SCADA موجود یکپارچه شود, کنترل کردن, یا بسته های نرم افزاری امنیتی. در این مورد, این رویداد نرم افزار طرف های درگیر را برجسته می کند 3.

اصل اندازه گیری DAS:

 

لطفاً پیوندی اضافه کنید تا توضیح دهید که DAS یک حسگر فیبر نوری توزیع شده بر اساس پراکندگی رایلی منسجم است.. از حساسیت فیبرهای نوری به صدا استفاده می کند (لرزش). هنگامی که ارتعاشات خارجی بر روی فیبر نوری حسگر اثر می گذارد, به دلیل اثر نوری الاستیک, ضریب شکست و طول فیبر نوری دستخوش تغییرات جزئی خواهد شد, منجر به تغییر فاز سیگنال ارسالی در داخل فیبر نوری و تغییر در شدت نور می شود..

 

تغییر فاز ناشی از امواج صوتی بسیار ناچیز است, بنابراین سیستم های DAS معمولا از منابع نور پالسی بسیار منسجم استفاده می کنند. تداخل بین سیگنال های پراکنده ریلی در ناحیه عرض پالس رخ می دهد. هنگامی که ارتعاش خارجی باعث تغییر فاز می شود, شدت سیگنال پراکندگی ریلی منسجم در آن نقطه تغییر خواهد کرد. با تشخیص تغییر شدت سیگنال نور پراکنده ریلی قبل و بعد از ارتعاش (سیگنال دیفرانسیل), تشخیص رویداد ارتعاش را می توان به دست آورد, و چندین رویداد ارتعاشی را می توان به طور همزمان به طور دقیق مکان یابی کرد.

 

مزایای فناوری DAS:

 

اندازه گیری توزیع شده مداوم دما و ارتعاش بدون اندازه گیری نقاط کور

 

تشخیص همزمان و محلی سازی دقیق چندین رویداد

 

فیبر نوری سنسوری است که انتقال و سنجش را با هم ترکیب می کند

 

60 کیلومتر فاصله اندازه گیری فوق العاده طولانی, اطلاعات اندازه گیری غنی

 

سرعت پاسخگویی سریع, زنگ در داخل 1 دوم

 

انتقال سیگنال نوری, کاملا عایق الکتریکی, مقاوم در برابر تداخل الکترومغناطیسی

 

ایمنی ذاتی, مناسب برای عملیات طولانی مدت در محیط های قابل اشتعال و انفجار

 

اندازه گیری پایدار و قابل اعتماد با نرخ هشدار نادرست کم

 

عمر طولانی فیبرهای نوری, تا 30 سال بدون تعمیر و نگهداری

 

ویژگی های عملکرد DAS:

 

فاصله دمایی طولانی: 50کیلومتر

 

زمان پاسخگویی سریع: معمولی 1 دوم

 

دقت موقعیت یابی بالا: 2-50m

 

حساسیت بالا: می تواند ارتعاشات را در فاصله 40 متری اطراف کابل نوری درک کند

 

مانیتورینگ همزمان لرزش و دما

 

عملکرد نظارت آنلاین برای خطاهای فیبر نوری

درک همه چیز یک پشتوانه تکنولوژیکی مهم برای ساخت زمین هوشمند است, شهر هوشمند, و اقیانوس هوشمند. سنجش صوتی فیبر نوری توزیع شده (در) فناوری نوع جدیدی از فناوری حسگر است که می تواند به تشخیص پیوسته توزیع شده ارتعاش و میدان های صوتی دست یابد. از ویژگی های بسیار حساس پراکندگی رایلی منسجم ناشی از لیزر تک فرکانس با عرض خط باریک در فیبرهای نوری استفاده می کند., با اصل بازتاب سنج ترکیب شده است, برای درک ارتعاشات محیطی و اطلاعات میدان صوتی در تعامل با فیبرهای نوری در فواصل طولانی و با دقت مکانی و زمانی بالا. این توانایی منحصر به فرد ادراک اطلاعات توجه گسترده ای را از دانشگاه و صنعت برای فناوری DAS به خود جلب کرده است. عملکرد فناوری DAS به طور مداوم در حال بهبود است, و کاربردهای آن به سرعت در حال توسعه است. این مزایا و پتانسیل تکنولوژیک منحصر به فرد خود را در تشخیص نفوذ محیطی نشان داده است, نظارت آنلاین ایمنی راه آهن, اکتشافات ژئوفیزیکی, و مناطق دیگر.

با توجه به مزایای منحصر به فرد آن, DAS متخصصان بیشتری را از زمینه های مختلف برای جستجوی پیشرفت های صنعتی جذب کرده است, در حالی که تقاضاهای فزاینده ای را برای بهبود فناوری DAS ایجاد می کند.

پس از بیش از یک دهه توسعه, DAS نقشی بی بدیل در زمینه های متعدد ایفا کرده است, به ویژه در سناریوهای کاربردی از راه دور, در مقیاس بزرگ, و تشخیص متراکم فضایی و زمانی, از جمله امنیت محیطی, حمل, اکتشافات ژئوفیزیکی, نظارت بر سلامت ساختاری, و زمینه های دیگر. محققان همچنین به طور مداوم فناوری DAS را برای برآورده کردن نیازهای برنامه های کاربردی شخصی سازی شده در زمینه های مختلف بهبود می بخشند.

در زمینه امنیت محیطی, در مقایسه با روش های مرسوم, DAS مزایایی مانند سازگاری محیطی قوی دارد, پنهان کاری بالا, محدوده نظارتی بزرگ, و نقاط کور توزیع شده است. اما, چگونگی تعیین نوع اختلال و نفوذ در طول کابل فیبر نوری بر اساس تعداد زیادی سیگنال پیچیده شناسایی شده توسط DAS یک چالش فنی است..
در زمینه حمل و نقل ریلی, فناوری DAS از فیبرهای نوری غیرفعال به عنوان دستگاه های سنجش و انتقال استفاده می کند, که می تواند به سنجش پیوسته فضایی سیگنال های اختلال در امتداد خط فیبر نوری دست یابد. دارای ویژگی های ضد تداخل الکترومغناطیسی است, اندازه گیری توزیع شده از راه دور, هزینه کم در واحد فاصله, و بدون نیاز به منبع تغذیه در محل. این می تواند به طور موثری کاستی های تکنولوژی سنجش الکترومغناطیسی نقطه ای موجود را جبران کند, نیازهای کاربردی حمل و نقل ریلی را برآورده کند, و می تواند به سرعت در خطوط راه آهن موجود ادغام شود. به طور گسترده اعمال شده است.

 

اکتشاف منابع نفت و گاز نیز یکی از کاربردهای مهم فناوری DAS است. فناوری متعارف اکتشاف منابع نفت و گاز از آشکارسازهای الکترونیکی نوع نقطه ای استفاده می کند, که دارای معایبی مانند راندمان استقرار کم و زمان آزمایشی در مقیاس بزرگ هستند. DAS از فیبرهای نوری ارتباطی معمولی به عنوان اجزای حسگر استفاده می کند, که کم هزینه هستند و می توانند در کل چرخه حفاری نقش داشته باشند, تکمیل, تولید, غیره., با مزایای قابل توجه.
به علاوه, به دلیل اندازه کوچک و وزن سبک فیبرهای نوری, آنها به راحتی در ساختارهایی مانند مواد کامپوزیتی هوافضا جاسازی می شوند, مصالح ساختمانی, رسانه خاک, غیره. DAS می تواند به راحتی سیگنال های انتشار صوتی را در داخل مواد بدست آورد, دستیابی به نظارت آنلاین دائمی مواد و سازه ها.

روندها و چالش های توسعه آینده

فناوری DAS به طور مداوم در حال رشد است, بازار اپلیکیشن در حال گسترش است, و چشم اندازها در حال رشد هستند. اخیرا, محققان خارجی استفاده از فیبرهای نوری ارتباطی زیرزمینی موجود را برای ایجاد یک شبکه نظارتی در مقیاس بزرگ برای تجزیه و تحلیل زمین‌شناسی و بلایای طبیعی بزرگ پیشنهاد کرده‌اند. (زلزله) تشخیص. این جهت توسعه می تواند از مزایای ادراک پیوسته فضایی در مقیاس بزرگ DAS بهره ببرد, همه منابع فیبر نوری ارتباطی اضافی زیرزمینی در سراسر جهان را دوباره فعال کنید, و ارزش بازار و پتانسیل توسعه بسیار بالایی دارد.
اگرچه فناوری DAS پیشرفت چشمگیری داشته است, هنوز به بلوغ کامل نرسیده است و هنوز تنگناهای فنی مهمی وجود دارد که باید برطرف شوند, عمدتاً شامل بهبود حساسیت است, تشخیص چند بعدی, و پارادایم های جدید پردازش داده ها.
حساسیت فناوری DAS در مقایسه با فناوری سنجش توزیع شده نسبتاً بالا است. اما, در مقایسه با فناوری سنجش نقطه مرسوم, هنوز یک شکاف قابل توجه وجود دارد. برای استفاده از فناوری DAS در مقیاس بزرگ, لازم است حساسیت این فناوری به میزان قابل توجهی بهبود یابد, نزدیک شدن آن به سطح دستگاه های سنجش نقطه ای موجود, به منظور جایگزینی واقعی ابزارهای تکنولوژیکی موجود در زمینه های مختلف کاربردی.
در عین حال, قابلیت تشخیص موجود DAS هنوز توسط ساختار محوری یک بعدی فیبرهای نوری محدود است., و دستیابی به موقعیت یابی سه بعدی منابع اغتشاش و تشخیص چند جزئی سیگنال ها دشوار است., که تا حدی عملکرد فنی و دامنه کاربرد DAS را محدود می کند. شناسایی موقعیت یابی 2 بعدی/3 بعدی و اقدامات متقابل هواپیماهای بدون سرنشین بر اساس تصاویر

به علاوه, مسافت طولانی, نمونه برداری متراکم فضایی, و ویژگی‌های نمونه‌گیری متراکم حوزه زمانی DAS حجم عظیمی از داده‌های سنجش را تولید می‌کند. چگونگی تبدیل حجم عظیم داده های خام به سیگنال های حسگر مفید در زمان واقعی نیازمند توسعه روش ها و الگوریتم های پردازش داده های جدید است..

به طور خلاصه, فناوری DAS ابزار تکنولوژیکی انقلابی برای درک جهان فیزیکی فراهم می کند, که برای پیشبرد تحقیقات علمی و توسعه هوشمندانه جامعه بشری اهمیت زیادی دارد.

سنسور دمای فیبر نوری, سیستم مانیتورینگ هوشمند, تولید کننده فیبر نوری توزیع شده در چین