מערכת חישה אקוסטית סיבים אופטיים מבוזרת DAS

הגדרה של חישה אקוסטית סיבים אופטיים מבוזרים

מערכת חישה אקוסטית מבוזרת (דאס) הוא מכשיר סיבים אופטיים אופטו-אלקטרוניים המודד אינטראקציות אקוסטיות לאורך כבל החישה של סיבים אופטיים.

 

התכונה הייחודית של מערכת חישה אקוסטית מבוזרת היא שהיא מספקת רצף (או מופץ) פיזור הטמפרטורה לאורך כבל החישה, במקום בנקודות חישה נפרדות.

טכנולוגיית חישה אקוסטית מבוזרת

בדרך כלל, טכנולוגיית DAS משתמשת בכבלי סיבים אופטיים סטנדרטיים לתקשורת, וכבלי סיבים אופטיים מיוחדים נדרשים רק בטמפרטורות גבוהות (גדול מ 100 °C). סיבי חישה מבוססים בדרך כלל על סיבים חד-מודים, למרות שכמה יישומים מיוחדים משתמשים בסיבי חישה מרובים.

 

הטווח של מערכת DAS הוא בדרך כלל עד 50 ק"מ לכל סיב חישה, ולכל יחידת בירור יש בדרך כלל 1 או 2 ערוצים שניתן להפעיל בו זמנית. לדוגמה, DAS יכול למדוד עד 100 ק"מ, ויחידות 2 ערוצים יכולות למדוד 50 ק"מ בכל כיוון.

 

עקרון המדידה

יחידת חקירת החיישנים האקוסטיים המבוזרים מעבירה פולסי לייזר לסיבים האופטיים. כאשר סוג זה של דופק אור מתפשט לאורך הסיב, האינטראקציה בתוך הסיב גורמת להחזר אור הנקרא פיזור לאחור, אשר נקבע על ידי מתח קטן (או רטט) אירועים בתוך הסיבים, אשר נגרמות על ידי אנרגיית קול מקומית. האור המפוזר לאחור מתפשט כלפי מעלה לאורך הסיבים האופטיים ליחידת החקירה, שבו הוא נדגם בתדר ריילי. הזמן הנדרש לפולסי לייזר מאפשר מיפוי מדויק של אירועי פיזור לאחור למרחק הסיבים – זה ידוע בתור רפלומטר אופטי בתחום הזמן.

 

רוב מערכות החישה האקוסטיות המבוזרות בשוק כיום מבוססות על עיקרון הנקרא Coherent Optical Time Domain Reflectometer (COTDR).

רזולוציה מרחבית ותקופת דגימה מרחבית

הרזולוציה המרחבית נקבעת בעיקר על פי משך הדופק הנפלט, ורזולוציה של 10 מטר הניתנת על ידי דופק של 100ns היא ערך טיפוסי. כמות האור המוחזר היא פרופורציונלית לאורך הדופק, אז יש פשרה בין רזולוציה מרחבית לטווח מקסימלי. על מנת לשפר את הטווח המקסימלי, יש לקוות להשתמש באורכי פולסים ארוכים יותר כדי להגביר את רמת האור המוחזר, אבל זה מוביל לרזולוציה מרחבית גדולה יותר. בדרך כלל, הרזולוציה המרחבית של רוב המערכות היא 5-10 מטר.

 

השוואה בין DAS לאחר מערכות חישה מבוזרות בסיבים אופטיים

יש הרבה אחרים סיב אופטי מבוזר טכנולוגיות חישה הנשענות על מנגנוני פיזור שונים וניתן להשתמש בהן למדידת פרמטרים אחרים.

 

מערכות מבוססות ברילואין משמשות בדרך כלל למדידת מתח וטמפרטורה מבוזרים.
פיזור ברילואין חלש בהרבה מפיזור ריילי, לכן יש להוסיף השתקפויות מפולסים מרובים כדי לאפשר מדידה. לכן, התדירות המקסימלית למדידת שינויים באמצעות פיזור Brillouin היא בדרך כלל כמה עשרות הרץ, בעוד שמערכות COTDR DAS מבוססות ריילי הן בעלות רגישות קילו-הרץ.

מערכות מבוססות ראמאן משמשות בדרך כלל למדידת טמפרטורה, בעוד שמערכות DTS מבוססות בדרך כלל על טכנולוגיית Raman. עוצמת פיזור רמאן נמוכה אף מזו של פיזור ברילואין, כך שלרוב נדרשות בממוצע שניות רבות או אפילו כמה דקות כדי להשיג תוצאות סבירות. לכן, מערכות מבוססות רמאן מתאימות רק למדידת טמפרטורות המשתנות באיטיות.

 

איסוף נתונים, עיבוד אותות, והדמיה

בשל כמות הנתונים הגדולה שנוצרת על ידי מערכות חישה אקוסטיות מבוזרות, חשוב שתהיה אסטרטגיה לניהול, עיבוד, והדמיית נתונים. מערכות אלו אוספות נתונים במהירויות למעלה 10 Khz עד 20 נקודות חישה. זה שווה ערך לקצב שבו ניתן למלא כונני טרה-בייט תוך מספר ימים.

 

בדרך כלל, יחידת החקירה מחוברת ליחידת העיבוד (מחשב או שרת תעשייתי) שמנהל אחסון ועיבוד נתונים. בדרך כלל, ישנו מאגר גלילה המשמש לאחסון נתונים גולמיים מכיוון שיש מעט מאוד תוכן מאוחסן מעבר לזה.

 

יחידת העיבוד מתוכנתת באמצעות סדרה של אלגוריתמים חכמים כדי לפרש נתונים גולמיים ולנתח האם הם תואמים אירועים מוגדרים מראש, כגון אירועי חדירה או דליפות צנרת. כבל החישה בסיבים אופטיים יחולק למספר אזורים, שבו ייבחרו אלגוריתמים ספציפיים שנבחרו ויוקצו התראות בכל אזור.

 

ישנן דרכים רבות לדמיין אירועים אלו. גישה אחת היא להשתמש בתוכנת הדמיה ספציפית ל-DTS, כגון הצגת הנתיב של סיבים אופטיים על סמך מפות או תרשימים באתר, ואם יש אירועים, זה ידגיש את מיקום האירועים ויציג אזעקות. גישה נוספת היא שממשק תוכנת DAS ישולב עם SCADA קיים, לִשְׁלוֹט, או חבילות תוכנות אבטחה. במקרה הזה, האירוע ידגיש את התוכנה של הצדדים המעורבים 3.

עקרון מדידת DAS:

 

אנא הוסף קישור לתיאור ש-DAS הוא חיישן סיב אופטי מבוזר המבוסס על פיזור ריילי קוהרנטי. הוא מנצל את הרגישות של סיבים אופטיים לצליל (רטט). כאשר רעידות חיצוניות פועלות על הסיב האופטי החישה, בשל האפקט האופטי האלסטי, מקדם השבירה ואורך הסיב האופטי יעברו שינויים קלים, וכתוצאה מכך שינוי פאזה של האות המשודר בתוך הסיב האופטי ושינוי בעוצמת האור.

 

שינוי הפאזה הנגרם על ידי גלי קול קטן מאוד, כך שמערכות DAS משתמשות בדרך כלל במקורות אור דופק קוהרנטיים ביותר. הפרעה מתרחשת בין אותות פיזור ריילי בתוך אזור רוחב הפולסים. כאשר רטט חיצוני גורם לשינוי פאזה, עוצמת אות הפיזור הקוהרנטי של ריילי בנקודה זו תשתנה. על ידי זיהוי השינוי בעוצמה של אות פיזור האור של ריילי לפני ואחרי הרטט (אות דיפרנציאלי), ניתן להשיג זיהוי אירועי רטט, וניתן לאתר במדויק אירועי רטט מרובים בו זמנית.

 

יתרונות טכנולוגיית DAS:

 

מדידה מבוזרת רציפה של טמפרטורה ורטט ללא נקודות עיוורות מדידה

 

זיהוי סימולטני ולוקליזציה מדויקת של מספר אירועים

 

סיב אופטי הוא חיישן המשלב שידור וחישה

 

60 קילומטרים של מרחק מדידה ארוך במיוחד, מידע מדידה עשיר

 

מהירות תגובה מהירה, אזעקה בפנים 1 שניה

 

שידור אות אופטי, מבודד חשמלי לחלוטין, עמיד בפני הפרעות אלקטרומגנטיות

 

בטיחות פנימית, מתאים לפעולה לטווח ארוך בסביבות דליקות ונפיצות

 

מדידה יציבה ואמינה עם שיעור אזעקת שווא נמוך

 

חיי שירות ארוכים של סיבים אופטיים, עד 30 שנים ללא תחזוקה

 

מאפייני ביצועי DAS:

 

מרחק טמפרטורה ארוך: 50קילומטר

 

זמן תגובה מהיר: טיפוסי 1 שניה

 

דיוק מיקום גבוה: 2-50מ

 

רגישות גבוהה: יכול לקלוט רעידות בטווח של 40 מטר מסביב לכבל האופטי

 

ניטור סימולטני של רטט וטמפרטורה

 

פונקציית ניטור מקוונת עבור תקלות בסיבים אופטיים

תפיסת כל הדברים היא תמיכה טכנולוגית חשובה לבניית כדור הארץ חכם, עיר חכמה, ואוקיינוס ​​חכם. חישה אקוסטית סיבים אופטיים מבוזרת (דאס) טכנולוגיה היא סוג חדש של טכנולוגיית חישה שיכולה להשיג זיהוי מבוזר מתמשך של שדות רטט ושדות קול. הוא מנצל את המאפיינים הרגישים ביותר של פיזור ריילי קוהרנטי המושרה על ידי לייזר בתדר יחיד ברוחב קו צר בסיבים אופטיים, בשילוב עם העיקרון של רפלקמטר, לתפוס מידע רטט סביבתי ושדה קול באינטראקציה עם סיבים אופטיים למרחקים ארוכים ובדיוק מרחבי-זמני גבוה. יכולת תפיסת מידע ייחודית זו משכה תשומת לב רחבה הן מהאקדמיה והן מהתעשייה עבור טכנולוגיית DAS. הביצועים של טכנולוגיית DAS משתפרים ללא הרף, והיישומים שלה מתפתחים במהירות. הוא הוכיח את היתרונות הטכנולוגיים והפוטנציאל הייחודי שלו בזיהוי חדירות היקפי, ניטור מקוון של בטיחות הרכבת, חקירה גיאופיזית, ותחומים נוספים.

בשל יתרונותיו הייחודיים, DAS משך יותר ויותר מומחים מתחומים שונים לחפש פריצות דרך בתעשייה, תוך הצבת דרישות גוברות לשיפור טכנולוגיית DAS.

לאחר יותר מעשור של פיתוח, DAS מילא תפקיד שאין לו תחליף במספר תחומים, במיוחד בתרחישי יישום של מרחקים ארוכים, בקנה מידה גדול, וזיהוי צפוף מרחבי-זמני, כולל אבטחה היקפית, הוֹבָלָה, חקירה גיאופיזית, ניטור בריאות מבני, ותחומים נוספים. החוקרים גם משפרים ללא הרף את טכנולוגיית DAS כדי לענות על צרכי היישום המותאמים אישית של תחומים שונים.

בתחום האבטחה ההיקפית, בהשוואה לשיטות קונבנציונליות, ל-DAS יש יתרונות כמו יכולת הסתגלות סביבתית חזקה, הסתרה גבוהה, טווח ניטור גדול, והפיצו כתמים עיוורים. עם זאת, כיצד לקבוע איזה סוג של הפרעה וחדירה התרחשו לאורך כבל הסיבים האופטיים בהתבסס על המספר הגדול של אותות מורכבים שזוהה על ידי DAS הוא אתגר טכני.
בתחום התחבורה ברכבת, טכנולוגיית DAS משתמשת בסיבים אופטיים פסיביים כהתקני חישה ושידור, אשר יכול להשיג חישה רציפה מרחבית של אותות הפרעה לאורך קו הסיבים האופטיים. יש לו את המאפיינים של הפרעות אלקטרומגנטיות, מדידה מבוזרת למרחקים ארוכים, עלות נמוכה ליחידת מרחק, ואין צורך באספקת חשמל באתר. זה יכול לפצות ביעילות על החסרונות של טכנולוגיית חישה אלקטרומגנטית נקודתית קיימת, לענות על צורכי היישום של תחבורה רכבת, וניתן להשתלב במהירות בקווי רכבת קיימים. זה יושם באופן נרחב.

 

חיפוש משאבי נפט וגז הוא גם יישום חשוב של טכנולוגיית DAS. הטכנולוגיה המקובלת לחיפוש משאבי נפט וגז משתמשת בגלאים אלקטרוניים מסוג נקודתי, שיש להם חסרונות כמו יעילות פריסה נמוכה וזמן ניסוי ארוך בקנה מידה גדול. DAS משתמש בסיבים אופטיים תקשורת קונבנציונליים כרכיבי חיישן, שהם בעלות נמוכה ויכולים למלא תפקיד לאורך כל מחזור החיים של הקידוח, סִיוּם, הֲפָקָה, וכו., עם יתרונות משמעותיים.
בנוסף, בשל הגודל הקטן והמשקל הקל של סיבים אופטיים, קל להטביע אותם במבנים כגון חומרים מרוכבים לתעופה וחלל, חומרי בניין, תקשורת אדמה, וכו. DAS יכול בקלות להשיג אותות פליטה אקוסטית בתוך החומרים, השגת ניטור מקוון קבוע של חומרים ומבנים.

מגמות ואתגרים עתידיים בפיתוח

טכנולוגיית DAS מתבגרת ללא הרף, שוק היישומים מתרחב, והסיכויים משגשגים. לָאַחֲרוֹנָה, חוקרים זרים הציעו להשתמש בסיבים אופטיים תקשורת תת-קרקעיים קיימים כדי לבנות רשת ניטור בקנה מידה גדול לניתוח גיאולוגי ואסון טבע גדול. (רְעִידַת אֲדָמָה) זיהוי. כיוון פיתוח זה יכול לנצל את היתרונות של התפיסה המרחבית הרציפה בקנה מידה גדול של DAS, להפעיל מחדש את כל משאבי סיבים אופטיים תקשורת מיותרים מתחת לאדמה ברחבי העולם, ובעל ערך שוק ופוטנציאל פיתוח גבוהים מאוד.
למרות שטכנולוגיית DAS התקדמה משמעותית, הוא עדיין לא בשל לחלוטין ועדיין ישנם צווארי בקבוק טכניים חשובים שיש לטפל בהם, בעיקר כולל שיפור רגישות, זיהוי רב מימדי, ופרדיגמות חדשות של עיבוד נתונים.
הרגישות של טכנולוגיית DAS גבוהה יחסית לטכנולוגיית חישה מבוזרת. עם זאת, בהשוואה לטכנולוגיית חישת נקודות קונבנציונלית, עדיין יש פער משמעותי. ליישם טכנולוגיית DAS בקנה מידה גדול, יש צורך לשפר משמעותית את הרגישות של טכנולוגיה זו, מה שהופך אותו קרוב לרמה של מכשירי חישת נקודה קיימים, על מנת להחליף באמת אמצעים טכנולוגיים קיימים בתחומי יישום שונים.
יחד עם זאת, יכולת הזיהוי הקיימת של DAS עדיין מוגבלת על ידי המבנה הצירי החד-ממדי של סיבים אופטיים, וקשה להשיג מיקום תלת מימדי של מקורות הפרעה וזיהוי רב רכיבים של אותות, מה שמגביל במידה מסוימת את הביצועים הטכניים ואת היקף היישום של DAS. זיהוי מיקום דו-ממדי/תלת-ממדי מבוזר ואמצעי נגד של מזל"ט המבוססים על תמונות

בנוסף, למרחקים ארוכים, דגימה צפופה מרחבית, ותכונות דגימה צפופות של תחום זמן של DAS מייצרות כמות עצומה של נתוני חישה. כיצד להמיר את הכמות העצומה של נתונים גולמיים לאותות חישה שימושיים בזמן אמת דורש פיתוח שיטות ואלגוריתמים חדשים לעיבוד נתונים.

לסיכום, טכנולוגיית DAS מספקת אמצעי טכנולוגי מהפכני לתפיסת העולם הפיזי, שהוא בעל משמעות רבה לקידום מחקר מדעי ופיתוח מושכל של החברה האנושית.

חיישן טמפרטורה בסיב אופטי, מערכת ניטור חכמה, יצרנית סיבים אופטיים מבוזרת בסין