Sistem Penginderaan Akustik Serat Optik Terdistribusi DAS-INNO

Definisi Penginderaan Akustik Serat Optik Terdistribusi

Sistem Penginderaan Akustik Terdistribusi (DAS) adalah perangkat optoelektronik serat optik yang mengukur interaksi akustik sepanjang kabel penginderaan serat optik.

Fitur unik dari sistem penginderaan akustik terdistribusi adalah sistem ini menyediakan sinyal kontinu (atau didistribusikan) distribusi suhu sepanjang kabel penginderaan, daripada pada titik penginderaan yang terpisah.

Teknologi penginderaan akustik terdistribusi

Biasanya, Teknologi DAS menggunakan kabel serat optik telekomunikasi standar, dan kabel serat optik khusus hanya diperlukan pada suhu tinggi (lebih besar dari 100 ° C). Serat penginderaan biasanya didasarkan pada serat mode tunggal, meskipun beberapa aplikasi khusus menggunakan serat penginderaan multi-mode.

Jangkauan sistem DAS biasanya mencapai 50 km per serat penginderaan, dan setiap unit penyelidikan biasanya memilikinya 1 atau 2 saluran yang dapat dioperasikan secara bersamaan. Misalnya, DAS dapat mengukur hingga 100km, dan unit 2 saluran dapat mengukur 50 km ke segala arah.

prinsip pengukuran

Unit interogasi sensor akustik terdistribusi mengirimkan pulsa laser ke serat optik. Ketika pulsa cahaya jenis ini merambat sepanjang serat, interaksi di dalam serat menyebabkan pantulan cahaya yang disebut hamburan balik, yang ditentukan oleh regangan kecil (atau getaran) peristiwa di dalam serat, yang disebabkan oleh energi suara lokal. Cahaya hamburan balik ini merambat ke atas sepanjang serat optik ke unit interogasi, di mana ia diambil sampelnya pada frekuensi Rayleigh. Waktu yang diperlukan untuk pulsa laser memungkinkan pemetaan peristiwa hamburan balik secara akurat ke jarak serat – ini dikenal sebagai reflektometer domain waktu optik.

Sebagian besar sistem penginderaan akustik terdistribusi di pasaran saat ini didasarkan pada prinsip yang disebut Reflektometer Domain Waktu Optik Koheren (COTDR).

Resolusi spasial dan periode pengambilan sampel spasial

Resolusi spasial terutama ditentukan oleh durasi pulsa yang dipancarkan, dan resolusi 10m yang diberikan oleh pulsa 100ns adalah nilai tipikal. Jumlah cahaya yang dipantulkan sebanding dengan panjang pulsa, jadi ada trade-off antara resolusi spasial dan jangkauan maksimum. Untuk meningkatkan jangkauan maksimum, diharapkan menggunakan panjang pulsa yang lebih panjang untuk meningkatkan tingkat cahaya yang dipantulkan, namun hal ini menghasilkan resolusi spasial yang lebih besar. Khas, resolusi spasial sebagian besar sistem adalah 5-10 Meter.

Perbandingan antara DAS dan lainnya sistem penginderaan terdistribusi serat optik

Masih banyak lainnya Serat Optik Terdistribusi teknologi penginderaan yang mengandalkan mekanisme hamburan berbeda dan dapat digunakan untuk mengukur parameter lainnya.

Sistem berbasis Brillouin biasanya digunakan untuk mengukur regangan dan suhu terdistribusi.
Hamburan Brillouin jauh lebih lemah dibandingkan hamburan Rayleigh, jadi pantulan dari beberapa pulsa harus dijumlahkan untuk memungkinkan pengukuran. Jadi, frekuensi maksimum untuk mengukur perubahan menggunakan hamburan Brillouin biasanya beberapa puluh Hz, sedangkan sistem COTDR DAS berbasis Rayleigh memiliki sensitivitas kHz.

Sistem berbasis Raman biasanya digunakan untuk pengukuran suhu, sedangkan sistem DTS biasanya didasarkan pada teknologi Raman. Intensitas hamburan Raman bahkan lebih rendah dibandingkan dengan hamburan Brillouin, jadi biasanya dibutuhkan rata-rata beberapa detik atau bahkan beberapa menit untuk mendapatkan hasil yang wajar. Jadi, Sistem berbasis Raman hanya cocok untuk mengukur suhu yang berubah secara perlahan.

Pengumpulan data, pemrosesan sinyal, dan visualisasi

Karena banyaknya data yang dihasilkan oleh sistem penginderaan akustik terdistribusi, sangat penting untuk memiliki strategi manajemen, pengolahan, dan visualisasi data. Sistem ini mengumpulkan data dengan kecepatan di atas 10 Khz sampai dengan 20 poin penginderaan. Ini setara dengan kecepatan pengisian drive terabyte dalam beberapa hari.

Biasanya, unit penyelidikan terhubung ke unit pemrosesan (PC atau server industri) yang mengelola penyimpanan dan pemrosesan data. Biasanya, ada buffer bergulir yang digunakan untuk menyimpan data mentah karena sangat sedikit konten yang disimpan di luar itu.

Unit pemrosesan diprogram menggunakan serangkaian algoritme cerdas untuk menafsirkan data mentah dan menganalisis apakah data tersebut cocok dengan peristiwa yang telah ditentukan sebelumnya, seperti peristiwa intrusi atau kebocoran pipa. Kabel penginderaan serat optik akan dibagi menjadi beberapa area, di mana algoritma tertentu yang dipilih akan dipilih dan peringatan akan diberikan dalam setiap area.

Ada banyak cara untuk memvisualisasikan peristiwa ini. Salah satu pendekatannya adalah dengan menggunakan perangkat lunak visualisasi khusus DTS, seperti menampilkan jalur serat optik berdasarkan peta situs atau grafik, dan jika ada acara, itu akan menyorot lokasi acara dan menampilkan alarm. Pendekatan lain adalah dengan mengintegrasikan antarmuka perangkat lunak DAS dengan SCADA yang sudah ada, kontrol, atau paket perangkat lunak keamanan. Dalam hal ini, acara tersebut akan menyoroti perangkat lunak dari pihak-pihak yang terlibat di dalamnya 3.

Prinsip pengukuran DAS:

Silakan tambahkan tautan untuk menjelaskan bahwa DAS adalah sensor serat optik terdistribusi berdasarkan hamburan Rayleigh yang koheren. Ini memanfaatkan sensitivitas serat optik terhadap suara (Getaran). Ketika getaran eksternal bekerja pada serat optik penginderaan, karena efek optik elastis, indeks bias dan panjang serat optik akan mengalami sedikit perubahan, mengakibatkan perubahan fasa sinyal yang ditransmisikan di dalam serat optik dan perubahan intensitas cahaya.

Perubahan fase yang disebabkan oleh gelombang suara sangat kecil, jadi sistem DAS biasanya menggunakan sumber cahaya pulsa yang sangat koheren. Interferensi terjadi antara sinyal hamburan Rayleigh dalam area lebar pulsa. Ketika getaran eksternal menyebabkan perubahan fasa, intensitas sinyal hamburan Rayleigh yang koheren pada titik tersebut akan berubah. Dengan mendeteksi perubahan intensitas sinyal cahaya hamburan Rayleigh sebelum dan sesudah getaran (sinyal diferensial), deteksi peristiwa getaran dapat dicapai, dan beberapa peristiwa getaran dapat ditemukan secara akurat secara bersamaan.

Keunggulan teknologi DAS:

Pengukuran suhu dan getaran yang terdistribusi secara terus menerus tanpa pengukuran titik buta

Deteksi simultan dan lokalisasi akurat berbagai peristiwa

Fiber optic adalah sensor yang menggabungkan transmisi dan penginderaan

60 kilometer jarak pengukuran ultra panjang, informasi pengukuran yang kaya

Kecepatan respons cepat, alarm di dalam 1 kedua

Transmisi sinyal optik, sepenuhnya terisolasi secara elektrik, tahan terhadap interferensi elektromagnetik

Keamanan intrinsik, cocok untuk pengoperasian jangka panjang di lingkungan yang mudah terbakar dan meledak

Pengukuran yang stabil dan andal dengan tingkat alarm palsu yang rendah

Umur panjang serat optik, hingga 30 tahun bebas perawatan

Karakteristik kinerja DAS:

Jarak suhu yang jauh: 50kilometer

Waktu respons yang cepat: khas 1 kedua

Akurasi posisi tinggi: 2-50m

Sensitivitas tinggi: dapat merasakan getaran dalam jarak 40m di sekitar kabel optik

Pemantauan getaran dan suhu secara bersamaan

Fungsi pemantauan online untuk kesalahan serat optik

Memahami segala sesuatu merupakan dukungan teknologi yang penting untuk membangun bumi cerdas, kota pintar, dan lautan cerdas. Penginderaan Akustik Serat Optik Terdistribusi (DAS) teknologi adalah jenis teknologi penginderaan baru yang dapat mencapai deteksi getaran dan bidang suara yang terdistribusi secara terus menerus. Ini memanfaatkan karakteristik yang sangat sensitif dari hamburan Rayleigh koheren yang diinduksi oleh laser frekuensi tunggal dengan lebar garis sempit dalam serat optik, dikombinasikan dengan prinsip reflektometer, untuk merasakan getaran lingkungan dan informasi medan suara yang berinteraksi dengan serat optik dalam jarak jauh dan dengan akurasi spatiotemporal yang tinggi. Kemampuan persepsi informasi yang unik ini telah menarik perhatian luas baik dari akademisi maupun industri terhadap teknologi DAS. Kinerja teknologi DAS terus meningkat, dan penerapannya berkembang pesat. Ini telah menunjukkan keunggulan dan potensi teknologi uniknya dalam deteksi intrusi perimeter, pemantauan online keselamatan kereta api, eksplorasi geofisika, dan area lainnya.

Karena kelebihannya yang unik, DAS telah menarik semakin banyak pakar dari berbagai bidang untuk mencari terobosan industri, sekaligus semakin menuntut peningkatan teknologi DAS.

Setelah lebih dari satu dekade pembangunan, DAS telah memainkan peran yang tak tergantikan di berbagai bidang, terutama dalam skenario penerapan jarak jauh, skala besar, dan deteksi padat spatiotemporal, termasuk keamanan perimeter, angkutan, eksplorasi geofisika, pemantauan kesehatan struktural, dan bidang lainnya. Para peneliti juga terus meningkatkan teknologi DAS untuk memenuhi kebutuhan aplikasi yang dipersonalisasi di berbagai bidang.

Di bidang keamanan perimeter, dibandingkan dengan metode konvensional, DAS memiliki kelebihan seperti kemampuan adaptasi lingkungan yang kuat, penyembunyian yang tinggi, rentang pemantauan yang besar, dan mendistribusikan titik buta. Namun, bagaimana menentukan jenis gangguan dan intrusi yang terjadi di sepanjang kabel serat optik berdasarkan banyaknya sinyal kompleks yang terdeteksi oleh DAS merupakan sebuah tantangan teknis.
Di bidang transportasi kereta api, Teknologi DAS menggunakan serat optik pasif sebagai perangkat penginderaan dan transmisi, yang dapat mencapai penginderaan spasial terus menerus dari sinyal gangguan di sepanjang jalur serat optik. Ini memiliki karakteristik interferensi anti elektromagnetik, pengukuran terdistribusi jarak jauh, biaya rendah per satuan jarak, dan tidak memerlukan pasokan listrik di tempat. Ini secara efektif dapat mengkompensasi kekurangan teknologi penginderaan titik elektromagnetik yang ada, memenuhi kebutuhan penerapan transportasi kereta api, dan dapat dengan cepat diintegrasikan ke dalam jalur kereta api yang ada. Ini telah diterapkan secara luas.

Eksplorasi sumber daya minyak dan gas juga merupakan penerapan penting teknologi DAS. Teknologi eksplorasi sumber daya migas konvensional menggunakan detektor elektronik tipe titik, yang memiliki kelemahan seperti efisiensi penerapan yang rendah dan waktu eksperimen skala besar yang lama. DAS menggunakan serat optik komunikasi konvensional sebagai komponen sensor, yang berbiaya rendah dan dapat berperan sepanjang siklus hidup pengeboran, penyelesaian, produksi, dll., dengan keuntungan yang signifikan.
Sebagai tambahan, karena ukuran serat optik yang kecil dan ringan, mereka mudah untuk ditanamkan ke dalam struktur seperti material komposit luar angkasa, bahan bangunan, media tanah, dll. DAS dapat dengan mudah memperoleh sinyal emisi akustik di dalam material, mencapai pemantauan online permanen terhadap material dan struktur.

Tren dan tantangan pembangunan di masa depan

Teknologi DAS terus berkembang, pasar aplikasi semakin berkembang, dan prospeknya berkembang pesat. Baru-baru ini, sarjana asing telah mengusulkan penggunaan serat optik komunikasi bawah tanah yang ada untuk membangun jaringan pemantauan skala besar untuk analisis geologi dan bencana alam besar (gempa bumi) deteksi. Arah pembangunan ini dapat memanfaatkan manfaat dari persepsi kesinambungan spasial berskala besar yang dimiliki DAS, mengaktifkan kembali semua sumber daya serat optik komunikasi yang berlebihan di bawah tanah di seluruh dunia, dan memiliki nilai pasar dan potensi pengembangan yang sangat tinggi.
Meskipun teknologi DAS telah mengalami kemajuan yang signifikan, hal ini belum sepenuhnya matang dan masih terdapat hambatan teknis penting yang perlu diatasi, terutama termasuk peningkatan sensitivitas, deteksi multidimensi, dan paradigma pemrosesan data baru.
Sensitivitas teknologi DAS relatif tinggi dibandingkan teknologi penginderaan terdistribusi. Namun, dibandingkan dengan teknologi penginderaan titik konvensional, masih terdapat kesenjangan yang signifikan. Untuk menerapkan teknologi DAS dalam skala besar, sensitivitas teknologi ini perlu ditingkatkan secara signifikan, membuatnya mendekati tingkat perangkat penginderaan titik yang ada, untuk benar-benar menggantikan sarana teknologi yang ada di berbagai bidang aplikasi.
Pada waktu bersamaan, kemampuan deteksi DAS yang ada masih dibatasi oleh struktur aksial satu dimensi serat optik, dan sulit untuk mencapai penentuan posisi tiga dimensi dari sumber gangguan dan deteksi sinyal multi-komponen, yang sampai batas tertentu membatasi kinerja teknis dan cakupan penerapan DAS. Deteksi posisi 2D/3D terdistribusi dan penanggulangan drone berdasarkan gambar

Sebagai tambahan, jarak jauh, pengambilan sampel yang padat secara spasial, dan fitur pengambilan sampel padat domain waktu dari DAS menghasilkan data penginderaan dalam jumlah besar. Cara mengubah sejumlah besar data mentah menjadi sinyal penginderaan yang berguna secara real time memerlukan pengembangan metode dan algoritma pemrosesan data baru.

Singkatnya, Teknologi DAS menyediakan sarana teknologi revolusioner untuk persepsi dunia fisik, yang sangat penting untuk mempromosikan penelitian ilmiah dan pengembangan cerdas masyarakat manusia.