ระบบตรวจจับอะคูสติกใยแก้วนำแสงแบบกระจาย DAS

คำจำกัดความของการตรวจจับอะคูสติกใยแก้วนำแสงแบบกระจาย

ระบบตรวจจับเสียงแบบกระจาย (DAS) เป็นอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ใยแก้วนำแสงที่วัดการโต้ตอบของเสียงตามความยาวของสายเคเบิลตรวจจับไฟเบอร์ออปติก.

 

คุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ของระบบตรวจจับเสียงแบบกระจายคือมันให้ความต่อเนื่อง (หรือแจกจ่าย) การกระจายอุณหภูมิตามความยาวของสายตรวจจับ, มากกว่าที่จุดตรวจจับที่ไม่ต่อเนื่อง.

เทคโนโลยีการตรวจจับเสียงแบบกระจาย

มักจะ, เทคโนโลยี DAS ใช้สายเคเบิลไฟเบอร์ออปติกมาตรฐานโทรคมนาคมมาตรฐาน, และสายเคเบิลใยแก้วนำแสงแบบพิเศษนั้นจำเป็นต้องมีเฉพาะที่อุณหภูมิสูง (สูงกว่า 100 ° องศาเซลเซียส). เส้นใยตรวจจับมักจะขึ้นอยู่กับเส้นใยโหมดเดียว, แม้ว่าแอปพลิเคชันพิเศษบางตัวจะใช้เส้นใยตรวจจับแบบหลายโหมด.

 

โดยปกติแล้วระยะของระบบ DAS จะสูงถึง 50 กม. ต่อไฟเบอร์ตรวจจับ, และแต่ละหน่วยสอบสวนก็มักจะมี 1 หรือ 2 ช่องทางที่สามารถดำเนินการได้พร้อมกัน. เช่น, DAS สามารถวัดได้ไกลถึง 100 กม, และหน่วยแบบ 2 แชนเนลสามารถวัดระยะทาง 50 กม. ในทุกทิศทาง.

 

หลักการวัด

หน่วยสอบสวนเซ็นเซอร์เสียงแบบกระจายจะส่งพัลส์เลเซอร์ไปยังไฟเบอร์ออปติก. เมื่อพัลส์แสงชนิดนี้แพร่กระจายไปตามเส้นใย, ปฏิสัมพันธ์ภายในเส้นใยทำให้เกิดการสะท้อนแสงที่เรียกว่าการกระเจิงกลับ, ซึ่งถูกกำหนดโดยความเครียดเล็กน้อย (หรือการสั่นสะเทือน) เหตุการณ์ภายในเส้นใย, ซึ่งเกิดจากพลังงานเสียงในท้องถิ่น. แสงสะท้อนกลับนี้แพร่กระจายขึ้นไปตามสายใยแก้วนำแสงไปยังหน่วยสอบสวน, โดยสุ่มตัวอย่างที่ความถี่เรย์ลีห์. เวลาที่ต้องใช้สำหรับพัลส์เลเซอร์ช่วยให้การแมปที่แม่นยำของเหตุการณ์ backscatter ไปยังระยะของเส้นใย – สิ่งนี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อเครื่องวัดการสะท้อนแสงแบบออพติคอล.

 

ระบบตรวจจับเสียงแบบกระจายส่วนใหญ่ในตลาดวันนี้ขึ้นอยู่กับหลักการที่เรียกว่าการสะท้อนแสงแบบ Optical Time Domain ที่สอดคล้องกัน (cotdr).

ความละเอียดเชิงพื้นที่และระยะเวลาการสุ่มตัวอย่างเชิงพื้นที่

ความละเอียดเชิงพื้นที่ส่วนใหญ่จะถูกกำหนดโดยระยะเวลาของพัลส์ที่ปล่อยออกมา, และความละเอียด 10 เมตรที่ได้รับจากพัลส์ 100ns เป็นค่าทั่วไป. ปริมาณแสงสะท้อนเป็นสัดส่วนกับความยาวของชีพจร, ดังนั้นจึงมีการแลกเปลี่ยนระหว่างความละเอียดเชิงพื้นที่และช่วงสูงสุด. เพื่อปรับปรุงช่วงสูงสุด, หวังว่าจะใช้ความยาวชีพจรที่ยาวขึ้นเพื่อเพิ่มระดับแสงสะท้อน, แต่สิ่งนี้นำไปสู่ความละเอียดเชิงพื้นที่ที่มากขึ้น. โดยทั่วไป, ความละเอียดเชิงพื้นที่ของระบบส่วนใหญ่คือ 5-10 เมตร.

 

การเปรียบเทียบระหว่าง DAS กับอื่นๆ ระบบตรวจจับแบบกระจายใยแก้วนำแสง

มีอื่นๆอีกมากมาย ไฟเบอร์ออปติกแบบกระจาย เทคโนโลยีการตรวจจับที่ต้องอาศัยกลไกการกระเจิงที่แตกต่างกันและสามารถใช้ในการวัดพารามิเตอร์อื่นๆ ได้.

 

โดยทั่วไปจะใช้ระบบที่ใช้ Brillouin เพื่อวัดความเครียดและอุณหภูมิแบบกระจาย.
การกระเจิงของ Brillouin นั้นอ่อนกว่าการกระเจิงของ Rayleigh มาก, ดังนั้นจึงต้องเพิ่มการสะท้อนจากหลายพัลส์เข้าด้วยกันเพื่อให้สามารถวัดได้. เพราะฉะนั้น, ความถี่สูงสุดสำหรับการวัดการเปลี่ยนแปลงโดยใช้การกระเจิงของบริลลูอิน โดยปกติจะอยู่ที่หลายสิบ Hz, ในขณะที่ระบบ COTDR DAS ที่ใช้ Rayleigh มีความไว kHz.

โดยทั่วไประบบที่ใช้ระบบรามันจะใช้สำหรับการวัดอุณหภูมิ, ในขณะที่ระบบ DTS มักใช้เทคโนโลยีรามาน. ความเข้มของการกระเจิงแบบรามานยังต่ำกว่าการกระเจิงของบริลลูอินด้วยซ้ำ, ดังนั้นจึงมักใช้เวลาโดยเฉลี่ยหลายวินาทีหรือไม่กี่นาทีเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่สมเหตุสมผล. เพราะฉะนั้น, ระบบที่ใช้ระบบรามันเหมาะสำหรับการวัดอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ เท่านั้น.

 

การรวบรวมข้อมูล, การประมวลผลสัญญาณ, และการสร้างภาพข้อมูล

เนื่องจากมีข้อมูลจำนวนมากที่สร้างขึ้นโดยระบบการตรวจจับเสียงแบบกระจาย, การมีกลยุทธ์ในการบริหารจัดการเป็นสิ่งสำคัญ, ประมวล ผล, และการแสดงภาพข้อมูล. ระบบเหล่านี้รวบรวมข้อมูลด้วยความเร็วที่สูงกว่า 10 Khz ที่สูงถึง 20 จุดตรวจจับ. ซึ่งเทียบเท่ากับอัตราที่สามารถเติมไดรฟ์เทราไบต์ได้ภายในสองสามวัน.

 

มักจะ, หน่วยสอบถามเชื่อมต่อกับหน่วยประมวลผล (พีซีอุตสาหกรรมหรือเซิร์ฟเวอร์) ที่จัดการการจัดเก็บและประมวลผลข้อมูล. มักจะ, มีบัฟเฟอร์การเลื่อนที่ใช้เก็บข้อมูลดิบเนื่องจากมีเนื้อหาที่เก็บไว้น้อยมากนอกเหนือจากนี้.

 

หน่วยประมวลผลได้รับการตั้งโปรแกรมโดยใช้ชุดอัลกอริธึมอัจฉริยะเพื่อตีความข้อมูลดิบและวิเคราะห์ว่าตรงกับเหตุการณ์ที่กำหนดไว้ล่วงหน้าหรือไม่, เช่นเหตุการณ์การบุกรุกหรือการรั่วไหลของท่อ. สายตรวจจับไฟเบอร์ออปติกจะแบ่งออกเป็นหลายพื้นที่, โดยจะเลือกอัลกอริธึมเฉพาะเจาะจงและแจ้งเตือนภายในแต่ละพื้นที่.

 

มีหลายวิธีในการแสดงภาพเหตุการณ์เหล่านี้. แนวทางหนึ่งคือการใช้ซอฟต์แวร์แสดงภาพเฉพาะ DTS, เช่นการแสดงเส้นทางของใยแก้วนำแสงตามแผนผังเว็บไซต์หรือแผนภูมิ, และหากมีเหตุการณ์เกิดขึ้น, โดยจะเน้นตำแหน่งของเหตุการณ์และแสดงการเตือน. อีกแนวทางหนึ่งคือให้ซอฟต์แวร์อินเทอร์เฟซ DAS รวมเข้ากับ SCADA ที่มีอยู่, ควบคุม, หรือแพ็คเกจซอฟต์แวร์รักษาความปลอดภัย. ในกรณีนี้, งานจะเน้นซอฟต์แวร์ของฝ่ายที่เกี่ยวข้อง 3.

หลักการวัดของ DAS:

 

โปรดเพิ่มลิงก์เพื่ออธิบายว่า DAS เป็นเซ็นเซอร์ไฟเบอร์ออปติกแบบกระจายโดยอาศัยการกระเจิงของ Rayleigh ที่สอดคล้องกัน. มันใช้ความไวของใยแก้วนำแสงต่อเสียง (การสั่น). เมื่อการสั่นสะเทือนภายนอกกระทบกับไฟเบอร์ออปติกตรวจจับ, เนื่องจากเอฟเฟกต์แสงแบบยืดหยุ่น, ดัชนีการหักเหของแสงและความยาวของใยแก้วนำแสงจะมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย, ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนเฟสของสัญญาณที่ส่งภายในใยแก้วนำแสงและความเข้มของแสงเปลี่ยนแปลงไป.

 

การเปลี่ยนเฟสที่เกิดจากคลื่นเสียงมีน้อยมาก, ดังนั้นระบบ DAS มักจะใช้แหล่งกำเนิดแสงพัลส์ที่มีความสอดคล้องกันสูง. การรบกวนเกิดขึ้นระหว่างสัญญาณการกระเจิงของเรย์ลีห์ภายในพื้นที่ความกว้างพัลส์. เมื่อแรงสั่นสะเทือนภายนอกทำให้เกิดการเปลี่ยนเฟส, ความเข้มของสัญญาณการกระเจิงของเรย์ลีที่สอดคล้องกัน ณ จุดนั้นจะเปลี่ยนไป. โดยการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงความเข้มของสัญญาณแสงกระเจิงของ Rayleigh ก่อนและหลังการสั่นสะเทือน (สัญญาณที่แตกต่าง), สามารถตรวจจับเหตุการณ์การสั่นสะเทือนได้, และเหตุการณ์การสั่นสะเทือนหลายเหตุการณ์สามารถระบุตำแหน่งได้อย่างแม่นยำพร้อมกัน.

 

ข้อดีของเทคโนโลยี DAS:

 

การวัดอุณหภูมิและการสั่นสะเทือนแบบกระจายอย่างต่อเนื่องโดยไม่มีจุดบอดในการวัด

 

การตรวจจับพร้อมกันและการแปลเหตุการณ์ต่างๆ ได้อย่างแม่นยำ

 

ไฟเบอร์ออปติกเป็นเซ็นเซอร์ที่รวมการส่งผ่านและการตรวจจับเข้าด้วยกัน

 

60 กิโลเมตรของระยะการวัดที่ยาวเป็นพิเศษ, ข้อมูลการวัดที่หลากหลาย

 

ความเร็วในการตอบสนองที่รวดเร็ว, ปลุกภายใน 1 ที่สอง

 

การส่งสัญญาณแสง, หุ้มด้วยไฟฟ้าอย่างสมบูรณ์, ทนต่อสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า

 

ความปลอดภัยที่แท้จริง, เหมาะสำหรับการดำเนินงานระยะยาวในสภาพแวดล้อมที่ติดไฟได้และระเบิด

 

การวัดที่มั่นคงและเชื่อถือได้ด้วยอัตราการเตือนที่ผิดพลาดต่ำ

 

อายุการใช้งานที่ยาวนานของเส้นใยแสง, ขึ้นไป 30 การบำรุงรักษาปีฟรี

 

ลักษณะประสิทธิภาพของ DAS:

 

ระยะอุณหภูมิยาว: 50กม.

 

เวลาตอบสนองที่รวดเร็ว: ธรรมดา 1 ที่สอง

 

ความแม่นยำในตำแหน่งสูง: 2-50ม.

 

ความไวสูง: สามารถรับรู้การสั่นสะเทือนภายใน 40 เมตรรอบสายเคเบิลออปติคัล

 

การตรวจสอบการสั่นสะเทือนและอุณหภูมิพร้อมกัน

 

ฟังก์ชั่นการตรวจสอบออนไลน์สำหรับความผิดพลาดไฟเบอร์ออปติก

การรับรู้ทุกสิ่งเป็นการสนับสนุนทางเทคโนโลยีที่สำคัญสำหรับการสร้างโลกอัจฉริยะ, เมืองอัจฉริยะ, และมหาสมุทรอัจฉริยะ. การตรวจจับอะคูสติกใยแก้วนำแสงแบบกระจาย (DAS) เทคโนโลยีเป็นเทคโนโลยีการตรวจจับรูปแบบใหม่ที่สามารถตรวจจับการสั่นสะเทือนแบบกระจายอย่างต่อเนื่องของการสั่นสะเทือนและสนามเสียง. ใช้คุณลักษณะที่มีความไวสูงของการกระเจิงของ Rayleigh ที่สอดคล้องกันซึ่งเกิดจากเลเซอร์ความถี่เดี่ยวที่มีความกว้างเส้นแคบในเส้นใยนำแสง, ผสมผสานกับหลักการสะท้อนแสง, เพื่อรับรู้ข้อมูลการสั่นสะเทือนของสิ่งแวดล้อมและสนามเสียงที่ทำปฏิกิริยากับเส้นใยนำแสงในระยะทางไกลและมีความแม่นยำในเชิงพื้นที่สูง. ความสามารถในการรับรู้ข้อมูลที่เป็นเอกลักษณ์นี้ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางจากทั้งนักวิชาการและอุตสาหกรรมสำหรับเทคโนโลยี DAS. ประสิทธิภาพของเทคโนโลยี DAS ได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง, และแอปพลิเคชันกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว. ได้แสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบทางเทคโนโลยีอันเป็นเอกลักษณ์และศักยภาพในการตรวจจับการบุกรุกในขอบเขต, การตรวจสอบความปลอดภัยทางรถไฟออนไลน์, การสำรวจทางธรณีฟิสิกส์, และพื้นที่อื่นๆ.

เนื่องจากมีข้อดีเฉพาะตัว, DAS ดึงดูดผู้เชี่ยวชาญจากหลากหลายสาขามากขึ้นเรื่อยๆ เพื่อแสวงหาความก้าวหน้าทางอุตสาหกรรม, ในขณะเดียวกันก็เพิ่มความต้องการในการปรับปรุงเทคโนโลยี DAS ด้วย.

หลังจากพัฒนามานานกว่าทศวรรษ, DAS มีบทบาทที่ไม่สามารถทดแทนได้ในหลายสาขา, โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสถานการณ์การใช้งานทางไกล, ขนาดใหญ่, และการตรวจจับความหนาแน่นเชิงพื้นที่, รวมทั้งการรักษาความปลอดภัยปริมณฑล, การขนส่ง, การสำรวจทางธรณีฟิสิกส์, การติดตามสุขภาพโครงสร้าง, และสาขาอื่นๆ. นักวิจัยยังปรับปรุงเทคโนโลยี DAS อย่างต่อเนื่องเพื่อตอบสนองความต้องการใช้งานส่วนบุคคลในสาขาต่างๆ.

ในด้านการรักษาความปลอดภัยปริมณฑล, เมื่อเทียบกับวิธีการทั่วไป, DAS มีข้อได้เปรียบ เช่น ความสามารถในการปรับตัวต่อสิ่งแวดล้อมที่แข็งแกร่ง, การปกปิดสูง, ช่วงการตรวจสอบขนาดใหญ่, และกระจายจุดบอด. อย่างไรก็ตาม, วิธีการพิจารณาว่าการรบกวนและการบุกรุกแบบใดที่เกิดขึ้นตามสายเคเบิลใยแก้วนำแสงตามสัญญาณที่ซับซ้อนจำนวนมากที่ตรวจพบโดย DAS เป็นความท้าทายทางเทคนิค.
ในด้านการขนส่งทางรถไฟ, เทคโนโลยี DAS ใช้เส้นใยออพติคอลแบบพาสซีฟเป็นอุปกรณ์ตรวจจับและส่งสัญญาณ, ซึ่งสามารถบรรลุการรับรู้เชิงพื้นที่อย่างต่อเนื่องของสัญญาณรบกวนตามเส้นใยแก้วนำแสง. มันมีลักษณะของการรบกวนจากแม่เหล็กต่อต้านไฟฟ้า, การวัดแบบกระจายทางไกล, ต้นทุนต่ำต่อหน่วยระยะทาง, และไม่จำเป็นต้องใช้แหล่งจ่ายไฟในสถานที่. มันสามารถชดเชยข้อบกพร่องของเทคโนโลยีการตรวจจับแม่เหล็กไฟฟ้าจุดที่มีอยู่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ, ตอบสนองความต้องการแอปพลิเคชันของการขนส่งทางรถไฟ, และสามารถรวมเข้ากับเส้นทางรถไฟที่มีอยู่ได้อย่างรวดเร็ว. มันถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวาง.

 

การสำรวจทรัพยากรน้ำมันและก๊าซยังเป็นการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี DAS ที่สำคัญอีกด้วย. เทคโนโลยีการสำรวจทรัพยากรน้ำมันและก๊าซแบบดั้งเดิมใช้เครื่องตรวจจับอิเล็กทรอนิกส์แบบจุด, ซึ่งมีข้อเสีย เช่น ประสิทธิภาพการใช้งานต่ำและใช้เวลาทดลองขนาดใหญ่ที่ยาวนาน. DAS ใช้ไฟเบอร์ออปติกการสื่อสารแบบทั่วไปเป็นส่วนประกอบของเซนเซอร์, ซึ่งมีต้นทุนต่ำและสามารถมีบทบาทได้ตลอดวงจรชีวิตของการขุดเจาะ, เสร็จสิ้น, การผลิต, ฯลฯ, ด้วยข้อได้เปรียบที่สำคัญ.
นอกจากนี้, เนื่องจากเส้นใยแก้วนำแสงมีขนาดเล็กและน้ำหนักเบา, ง่ายต่อการฝังลงในโครงสร้างเช่นวัสดุคอมโพสิตด้านการบินและอวกาศ, วัสดุก่อสร้าง, สื่อดิน, ฯลฯ. DAS สามารถรับสัญญาณเสียงที่ปล่อยออกมาจากภายในวัสดุได้อย่างง่ายดาย, บรรลุการตรวจสอบวัสดุและโครงสร้างแบบออนไลน์อย่างถาวร.

แนวโน้มการพัฒนาและความท้าทายในอนาคต

เทคโนโลยี DAS มีการเติบโตอย่างต่อเนื่อง, ตลาดแอพพลิเคชั่นกำลังขยายตัว, และโอกาสก็เฟื่องฟู. ล่าสุด, นักวิชาการต่างประเทศเสนอให้ใช้ใยแก้วนำแสงการสื่อสารใต้ดินที่มีอยู่เพื่อสร้างเครือข่ายการตรวจสอบขนาดใหญ่สำหรับการวิเคราะห์ทางธรณีวิทยาและภัยพิบัติทางธรรมชาติที่สำคัญ (แผ่นดินไหว) การค้นหา. ทิศทางการพัฒนานี้สามารถใช้ประโยชน์จากการรับรู้ต่อเนื่องเชิงพื้นที่ขนาดใหญ่ของ DAS, เปิดใช้งานทรัพยากรใยแก้วนำแสงการสื่อสารสำรองทั้งหมดใต้ดินทั่วโลก, และมีมูลค่าตลาดและศักยภาพในการพัฒนาที่สูงมาก.
แม้ว่าเทคโนโลยี DAS จะมีความก้าวหน้าอย่างมากก็ตาม, มันยังไม่สมบูรณ์เต็มที่และยังมีปัญหาคอขวดทางเทคนิคที่สำคัญที่ต้องแก้ไข, รวมถึงการปรับปรุงความไวเป็นหลัก, การตรวจจับหลายมิติ, และกระบวนทัศน์การประมวลผลข้อมูลใหม่.
ความไวของเทคโนโลยี DAS ค่อนข้างสูงเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการตรวจจับแบบกระจาย. อย่างไรก็ตาม, เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการตรวจจับจุดแบบเดิม, ยังคงมีช่องว่างที่สำคัญ. เพื่อประยุกต์ใช้เทคโนโลยี DAS ในวงกว้าง, จำเป็นต้องปรับปรุงความไวของเทคโนโลยีนี้อย่างมาก, ทำให้ใกล้เคียงกับระดับของอุปกรณ์ตรวจจับจุดที่มีอยู่, เพื่อทดแทนวิธีการทางเทคโนโลยีที่มีอยู่ในสาขาการใช้งานต่างๆ อย่างแท้จริง.
ในเวลาเดียวกัน, ความสามารถในการตรวจจับที่มีอยู่ของ DAS ยังคงถูกจำกัดด้วยโครงสร้างแกนเดียวของใยแก้วนำแสง, และเป็นเรื่องยากที่จะบรรลุการวางตำแหน่งสามมิติของแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนและการตรวจจับสัญญาณหลายองค์ประกอบ, ซึ่งจำกัดประสิทธิภาพทางเทคนิคและขอบเขตการใช้งานของ DAS ในระดับหนึ่ง. การตรวจจับตำแหน่งแบบกระจาย 2D/3D และมาตรการรับมือโดรนตามภาพ

นอกจากนี้, ระยะทางไกล, การสุ่มตัวอย่างหนาแน่นเชิงพื้นที่, และคุณสมบัติการสุ่มตัวอย่างหนาแน่นโดเมนเวลาของ DAS สร้างข้อมูลการตรวจจับจำนวนมหาศาล. วิธีแปลงข้อมูลดิบจำนวนมหาศาลให้เป็นสัญญาณการตรวจจับที่มีประโยชน์แบบเรียลไทม์ จำเป็นต้องมีการพัฒนาวิธีการประมวลผลข้อมูลและอัลกอริธึมใหม่ๆ.

โดยสรุป, เทคโนโลยี DAS มอบวิธีการทางเทคโนโลยีที่ปฏิวัติวงการสำหรับการรับรู้ของโลกทางกายภาพ, ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในการส่งเสริมการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และการพัฒนาอันชาญฉลาดของสังคมมนุษย์.

เซ็นเซอร์อุณหภูมิไฟเบอร์ออปติก, ระบบตรวจสอบอัจฉริยะ, ผู้ผลิตไฟเบอร์ออปติกแบบกระจายในประเทศจีน