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 channels that can be operated simultaneously. Por exemplo, DAS can measure up to 100km, and 2-channel units can measure 50km in any direction.

measuring principle

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 (or vibration) 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.

Most distributed acoustic sensing systems on the market today are based on a principle called Coherent Optical Time Domain Reflectometer (COTDR).

Spatial resolution and spatial sampling period

The spatial resolution is mainly determined by the duration of the emitted pulse, and a resolution of 10m given by a 100ns pulse is a typical value. The amount of reflected light is proportional to the pulse length, so there is a trade-off between spatial resolution and maximum range. In order to improve the maximum range, it is hoped to use longer pulse lengths to increase the level of reflected light, but this leads to greater spatial resolution. Tipicamente, the spatial resolution of most systems is 5-10 metros.

Comparison between DAS and other fiber optic distributed sensing systems

There are many other fibra óptica distribuída tecnologias de detecção que dependem de diferentes mecanismos de dispersão e podem ser usadas para medir outros parâmetros.

Sistemas baseados em Brillouin são comumente usados para medir deformação distribuída e temperatura.
O espalhamento Brillouin é muito mais fraco que o espalhamento Rayleigh, portanto, as reflexões de múltiplos pulsos devem ser somadas para permitir a medição. Portanto, a frequência máxima para medir mudanças usando o espalhamento Brillouin é geralmente de várias dezenas de Hz, enquanto os sistemas COTDR DAS baseados em Rayleigh têm sensibilidade em kHz.

Sistemas baseados em Raman são comumente usados para medição de temperatura, enquanto os sistemas DTS são normalmente baseados na tecnologia Raman. A intensidade do espalhamento Raman é ainda menor que a do espalhamento Brillouin, então geralmente leva em média muitos segundos ou até alguns minutos para obter resultados razoáveis. 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.

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, controlar, or security software packages. Nesse caso, o evento destacará o software das partes envolvidas no 3.

Princípio de medição DAS:

Adicione um link para descrever que DAS é um sensor de fibra óptica distribuído baseado no espalhamento Rayleigh coerente. 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), a detecção de eventos de vibração pode ser alcançada, e vários eventos de vibração podem ser localizados simultaneamente com precisão.

Vantagens da tecnologia DAS:

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

Detecção simultânea e localização precisa de múltiplos eventos

A fibra óptica é um sensor que combina transmissão e detecção

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

Stable and reliable measurement with low false alarm rate

Long service life of optical fibers, até 30 years maintenance free

DAS performance characteristics:

Long temperature distance: 50quilômetros

Tempo de resposta rápido: típico 1 segundo

Alta precisão de posicionamento: 2-50eu

Alta sensibilidade: can perceive vibrations within 40m around the optical cable

Simultaneous monitoring of vibration and temperature

Online monitoring function for fiber optic faults

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, combinado com o princípio do refletômetro, 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.

After more than a decade of development, DAS has played an irreplaceable role in multiple fields, especially in the application scenarios of long-distance, large-scale, 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.

In the field of perimeter security, 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, A tecnologia DAS usa fibras ópticas passivas como dispositivos de detecção e transmissão, que pode alcançar detecção espacial contínua de sinais de perturbação ao longo da linha de fibra óptica. Tem as características de interferência anti-eletromagnética, medição distribuída de longa distância, baixo custo por unidade de distância, 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, which have drawbacks such as low deployment efficiency and long large-scale experimental time. DAS uses conventional communication optical fibers as sensor components, which are low-cost and can play a role throughout the entire life cycle of drilling, completion, produção, etc., with significant advantages.
Além disso, due to the small size and light weight of optical fibers, 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. Recentemente, estudiosos estrangeiros propuseram o uso de fibras ópticas de comunicação subterrânea existentes para construir uma rede de monitoramento em grande escala para análises geológicas e grandes desastres naturais (terremoto) detecção. Esta direção de desenvolvimento pode aproveitar as vantagens da percepção espacial contínua em grande escala do DAS, reativar todos os recursos redundantes de fibra óptica de comunicação subterrânea em todo o mundo, e tem um valor de mercado e potencial de desenvolvimento muito elevados.
Embora a tecnologia DAS tenha feito progressos significativos, ainda não está totalmente maduro e ainda existem importantes gargalos técnicos que precisam ser resolvidos, incluindo principalmente melhoria da sensibilidade, detecção multidimensional, e novos paradigmas de processamento de dados.
A sensibilidade da tecnologia DAS é relativamente alta em comparação com a tecnologia de detecção distribuída. 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, e os recursos de amostragem densa no domínio do tempo do DAS geram uma enorme quantidade de dados de detecção. Como converter a enorme quantidade de dados brutos em sinais de detecção úteis em tempo real requer o desenvolvimento de novos métodos e algoritmos de processamento de dados.

Resumindo, A tecnologia DAS fornece um meio tecnológico revolucionário para a percepção do mundo físico, que é de grande importância para a promoção da investigação científica e do desenvolvimento inteligente da sociedade humana.