Distributed Fiber Optic Acoustic Sensing System DAS-INNO

Definição de detecção acústica de fibra óptica distribuída

Sistema de detecção acústica distribuída (O) é um dispositivo optoeletrônico de fibra óptica que mede interações acústicas ao longo do comprimento do cabo sensor de fibra óptica.

A característica única de um sistema de detecção acústica distribuída é que ele fornece um fluxo contínuo (ou distribuído) distribuição de temperatura ao longo do comprimento do cabo sensor, em vez de em pontos de detecção discretos.

Tecnologia de detecção acústica distribuída

Geralmente, A tecnologia DAS usa cabos de fibra óptica de telecomunicações padrão, e cabos de fibra óptica especializados só são necessários em altas temperaturas (maior que 100 ° C). As fibras sensoras são geralmente baseadas em fibras monomodo, embora algumas aplicações especializadas usem fibras de detecção multimodo.

O alcance de um sistema DAS é geralmente de até 50 km por fibra sensora, e cada unidade de inquérito geralmente tem 1 ou 2 canais que podem ser operados simultaneamente. Por exemplo, DAS can measure up to 100km, and 2-channel units can measure 50km in any direction.

princípio de medição

The distributed acoustic sensor interrogation unit transmits laser pulses to the fiber optic. When this type of light pulse propagates along the fiber, the interaction inside the fiber causes light reflection called backscattering, which is determined by small strain (ou vibração) events inside the fiber, which are caused by local sound energy. This backscattered light propagates upwards along the fiber optic to the interrogation unit, where it is sampled at Rayleigh frequency. The time required for laser pulses allows for accurate mapping of backscatter events to the fiber distance – this is known as an optical time-domain reflectometer.

A maioria dos sistemas de detecção acústica distribuídos no mercado hoje são baseados em um princípio chamado Reflectômetro Óptico Coerente no Domínio do Tempo. (COTDR).

Resolução espacial e período de amostragem espacial

A resolução espacial é determinada principalmente pela duração do pulso emitido, e uma resolução de 10m dada por um pulso de 100ns é um valor típico. A quantidade de luz refletida é proporcional ao comprimento do pulso, então há uma compensação entre resolução espacial e alcance máximo. Para melhorar o alcance máximo, espera-se usar comprimentos de pulso mais longos para aumentar o nível de luz refletida, mas isso leva a uma maior resolução espacial. Tipicamente, a resolução espacial da maioria dos sistemas é 5-10 metros.

Comparação entre DAS e outros sistemas de detecção distribuída de fibra óptica

Existem muitos outros fibra óptica distribuída sensing technologies that rely on different scattering mechanisms and can be used to measure other parameters.

Brillouin based systems are commonly used to measure distributed strain and temperature.
Brillouin scattering is much weaker than Rayleigh scattering, so reflections from multiple pulses must be added together to enable measurement. Portanto, the maximum frequency for measuring changes using Brillouin scattering is usually several tens of Hz, while Rayleigh based COTDR DAS systems have kHz sensitivity.

Raman based systems are commonly used for temperature measurement, while DTS systems are typically based on Raman technology. The intensity of Raman scattering is even lower than that of Brillouin scattering, so it usually takes an average of many seconds or even a few minutes to obtain reasonable results. Portanto, Os sistemas baseados em Raman são adequados apenas para medir temperaturas que mudam lentamente..

Coleta de dados, processamento de sinal, e visualização

Devido à grande quantidade de dados gerados por sistemas de detecção acústica distribuídos, é crucial ter uma estratégia de gestão, processamento, e visualização de dados. Esses sistemas coletam dados em velocidades acima 10 Khz em até 20 pontos de detecção. Isso é equivalente à taxa na qual unidades de terabyte podem ser preenchidas em poucos dias.

Geralmente, a unidade de consulta está conectada à unidade de processamento (PC industrial ou servidor) que gerencia o armazenamento e processamento de dados. Geralmente, há um buffer de rolagem usado para armazenar dados brutos porque há muito pouco conteúdo armazenado além disso.

A unidade de processamento é programada usando uma série de algoritmos inteligentes para interpretar os dados brutos e analisar se eles correspondem a eventos predefinidos, 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, controlar, or security software packages. Nesse caso, the event will highlight the software of the parties involved in 3.

DAS measurement principle:

Please add a link to describe that DAS is a distributed fiber optic sensor based on coherent Rayleigh scattering. Ele utiliza a sensibilidade das fibras ópticas ao som (vibração). Quando vibrações externas atuam na fibra óptica de detecção, devido ao efeito óptico elástico, o índice de refração e o comprimento da fibra óptica sofrerão pequenas alterações, resultando em uma mudança de fase do sinal transmitido dentro da fibra óptica e uma mudança na intensidade da luz.

A mudança de fase causada pelas ondas sonoras é muito pequena, então os sistemas DAS geralmente usam fontes de luz pulsada altamente coerentes. A interferência ocorre entre os sinais de espalhamento Rayleigh dentro da área de largura de pulso. Quando a vibração externa causa uma mudança de fase, a intensidade do sinal de espalhamento Rayleigh coerente nesse ponto mudará. Ao detectar a mudança de intensidade do sinal de luz espalhada por Rayleigh antes e depois da vibração (sinal diferencial), vibration event detection can be achieved, and multiple vibration events can be accurately located simultaneously.

DAS technology advantages:

Medição distribuída contínua de temperatura e vibração sem pontos cegos de medição

Detecção simultânea e localização precisa de múltiplos eventos

Fiber optic is a sensor that combines transmission and sensing

60 quilômetros de distância de medição ultra longa, informações de medição ricas

Velocidade de resposta rápida, alarme dentro 1 segundo

Transmissão de sinal óptico, completamente isolado eletricamente, resistente a interferência eletromagnética

Segurança intrínseca, adequado para operação de longo prazo em ambientes inflamáveis e explosivos

Medição estável e confiável com baixa taxa de alarmes falsos

Longa vida útil das fibras ópticas, até 30 anos sem manutenção

DAS performance characteristics:

Longa distância de temperatura: 50quilômetros

Tempo de resposta rápido: típico 1 segundo

Alta precisão de posicionamento: 2-50eu

Alta sensibilidade: pode perceber vibrações dentro de 40 m ao redor do cabo óptico

Monitoramento simultâneo de vibração e temperatura

Função de monitoramento on-line para falhas de fibra óptica

Perceiving all things is an important technological support for building a smart earth, smart city, and smart ocean. Distributed Fiber Optic Acoustic Sensing (O) technology is a new type of sensing technology that can achieve continuous distributed detection of vibration and sound fields. It utilizes the highly sensitive characteristics of coherent Rayleigh scattering induced by narrow linewidth single frequency laser in optical fibers, combined with the principle of reflectometer, perceber vibrações ambientais e informações de campo sonoro interagindo com fibras ópticas em longas distâncias e com alta precisão espaço-temporal. Esta capacidade única de percepção de informações atraiu ampla atenção tanto da academia quanto da indústria para a tecnologia DAS. O desempenho da tecnologia DAS está melhorando constantemente, e suas aplicações estão se desenvolvendo rapidamente. Ele demonstrou suas vantagens tecnológicas únicas e potencial na detecção de intrusão perimetral, monitoramento on-line da segurança ferroviária, exploração geofísica, e outras áreas.

Devido às suas vantagens únicas, O DAS atraiu cada vez mais especialistas de diversas áreas em busca de avanços no setor, ao mesmo tempo que coloca exigências crescentes na melhoria da tecnologia DAS.

Depois de mais de uma década de desenvolvimento, O DAS desempenhou um papel insubstituível em vários campos, especially in the application scenarios of long-distance, em grande escala, and spatiotemporal dense detection, including perimeter security, transporte, exploração geofísica, monitoramento de saúde estrutural, e outros campos. Researchers are also continuously improving DAS technology to meet the personalized application needs of various fields.

No campo da segurança perimetral, compared to conventional methods, DAS has advantages such as strong environmental adaptability, alta ocultação, grande faixa de monitoramento, and distributed blind spots. No entanto, how to determine what kind of disturbance and intrusion occurred along the fiber optic cable based on the large number of complex signals detected by DAS is a technical challenge.
In the field of railway transportation, DAS technology uses passive optical fibers as sensing and transmission devices, which can achieve spatial continuous sensing of disturbance signals along the fiber optic line. Tem as características de interferência anti-eletromagnética, long-distance distributed measurement, low cost per unit distance, e não há necessidade de fonte de alimentação no local. Pode efetivamente compensar as deficiências da tecnologia de detecção eletromagnética pontual existente, atender às necessidades de aplicação do transporte ferroviário, e pode ser rapidamente integrado em linhas ferroviárias existentes. Tem sido amplamente aplicado.

A exploração de recursos de petróleo e gás também é uma aplicação importante da tecnologia DAS. A tecnologia convencional de exploração de recursos de petróleo e gás utiliza detectores eletrônicos pontuais, que têm desvantagens como baixa eficiência de implantação e longo tempo experimental em grande escala. DAS usa fibras ópticas de comunicação convencionais como componentes de sensores, que são de baixo custo e podem desempenhar um papel durante todo o ciclo de vida da perfuração, conclusão, produção, etc., com vantagens significativas.
Além disso, devido ao pequeno tamanho e peso leve das fibras ópticas, they are easy to embed into structures such as aerospace composite materials, building materials, soil media, etc.. DAS can easily obtain acoustic emission signals inside the materials, achieving permanent online monitoring of materials and structures.

Future development trends and challenges

DAS technology has been continuously maturing, the application market is expanding, and the prospects are thriving. Recently, foreign scholars have proposed using existing underground communication optical fibers to build a large-scale monitoring network for geological analysis and major natural disaster (earthquake) detecção. This development direction can tap into the advantages of DAS’s large-scale spatial continuous perception, reactivate all redundant communication fiber optic resources underground worldwide, and has very high market value and development potential.
Although DAS technology has made significant progress, it is not yet fully mature and there are still important technical bottlenecks that need to be addressed, mainly including sensitivity improvement, multi-dimensional detection, and new data processing paradigms.
The sensitivity of DAS technology is relatively high compared to distributed sensing technology. No entanto, compared to conventional point sensing technology, there is still a significant gap. To apply DAS technology on a large scale, it is necessary to significantly improve the sensitivity of this technology, making it close to the level of existing point sensing devices, in order to truly replace existing technological means in various application fields.
Ao mesmo tempo, the existing detection capability of DAS is still limited by the one-dimensional axial structure of optical fibers, and it is difficult to achieve three-dimensional positioning of disturbance sources and multi-component detection of signals, which to some extent limits the technical performance and application scope of DAS. Distributed 2D/3D positioning detection and drone countermeasures based on images

Além disso, the long-distance, spatially dense sampling, and time-domain dense sampling features of DAS generate a huge amount of sensing data. How to convert the huge amount of raw data into useful sensing signals in real time requires the development of new data processing methods and algorithms.

Resumindo, DAS technology provides a revolutionary technological means for the perception of the physical world, which is of great significance for promoting scientific research and the intelligent development of human society.