ระบบตรวจจับเสียงอะคูสติกไฟเบอร์ออปติกแบบกระจาย DAS

Definition of Distributed Fiber Optic Acoustic Sensing

Distributed Acoustic Sensing System (ที่) is a fiber optic optoelectronic device that measures acoustic interactions along the length of the fiber optic sensing cable.

 

The unique feature of a distributed acoustic sensing system is that it provides a continuous (หรือแจกจ่าย) การกระจายอุณหภูมิตามความยาวของสายตรวจจับ, rather than at discrete sensing points.

Distributed acoustic sensing technology

โดยปกติ, DAS technology uses standard telecommunications fiber optic cables, and specialized fiber optic cables are only required at high temperatures (greater than 100 ° C). Sensing fibers are usually based on single-mode fibers, although some specialized applications use multi-mode sensing fibers.

 

The range of a DAS system is usually up to 50km per sensing fiber, และแต่ละหน่วยสอบสวนก็มักจะมี 1 หรือ 2 ช่องทางที่สามารถดำเนินการได้พร้อมกัน. ตัวอย่างเช่น, DAS สามารถวัดได้ไกลถึง 100 กม, และหน่วยแบบ 2 แชนเนลสามารถวัดระยะทาง 50 กม. ในทุกทิศทาง.

 

หลักการวัด

หน่วยสอบสวนเซ็นเซอร์เสียงแบบกระจายจะส่งพัลส์เลเซอร์ไปยังไฟเบอร์ออปติก. เมื่อพัลส์แสงชนิดนี้แพร่กระจายไปตามเส้นใย, ปฏิสัมพันธ์ภายในเส้นใยทำให้เกิดการสะท้อนแสงที่เรียกว่าการกระเจิงกลับ, ซึ่งถูกกำหนดโดยความเครียดเล็กน้อย (หรือการสั่นสะเทือน) เหตุการณ์ภายในเส้นใย, ซึ่งเกิดจากพลังงานเสียงในท้องถิ่น. แสงสะท้อนกลับนี้แพร่กระจายขึ้นไปตามสายใยแก้วนำแสงไปยังหน่วยสอบสวน, โดยสุ่มตัวอย่างที่ความถี่เรย์ลีห์. เวลาที่ต้องใช้สำหรับพัลส์เลเซอร์ช่วยให้สามารถแมปเหตุการณ์การกระเจิงกลับกับระยะห่างของไฟเบอร์ได้อย่างแม่นยำ – สิ่งนี้เรียกว่ารีเฟลกโตมิเตอร์แบบโดเมนเวลาแบบออปติคอล.

 

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. โดยทั่วไป, the spatial resolution of most systems is 5-10 เมตร.

 

Comparison between DAS and other fiber optic distributed sensing systems

There are many other ใยแก้วนำแสงแบบกระจาย 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. ดังนั้น, 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. ดังนั้น, Raman based systems are only suitable for measuring slowly changing temperatures.

 

Data collection, การประมวลผลสัญญาณ, and visualization

Due to the large amount of data generated by distributed acoustic sensing systems, it is crucial to have a strategy for management, กำลังประมวลผล, and data visualization. These systems collect data at speeds above 10 Khz at up to 20 sensing points. This is equivalent to the rate at which terabyte drives can be filled within a few days.

 

โดยปกติ, the inquiry unit is connected to the processing unit (industrial PC or server) that manages data storage and processing. โดยปกติ, there is a scrolling buffer used to store raw data because there is very little content stored beyond this.

 

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, ควบคุม, or security software packages. ในกรณีนี้, 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. It utilizes the sensitivity of optical fibers to sound (การสั่นสะเทือน). When external vibrations act on the sensing optical fiber, due to the elastic optical effect, the refractive index and length of the optical fiber will undergo slight changes, resulting in a phase change of the transmitted signal inside the optical fiber and a change in light intensity.

 

The phase change caused by sound waves is very small, so DAS systems usually use highly coherent pulse light sources. Interference occurs between Rayleigh scattering signals within the pulse width area. When external vibration causes a phase change, the intensity of the coherent Rayleigh scattering signal at that point will change. By detecting the intensity change of the Rayleigh scattering light signal before and after vibration (differential signal), vibration event detection can be achieved, and multiple vibration events can be accurately located simultaneously.

 

DAS technology advantages:

 

การวัดอุณหภูมิและการสั่นสะเทือนแบบกระจายอย่างต่อเนื่องโดยไม่มีจุดบอดในการวัด

 

การตรวจจับพร้อมกันและการแปลเหตุการณ์ต่างๆ ได้อย่างแม่นยำ

 

Fiber optic is a sensor that combines transmission and sensing

 

60 กิโลเมตรของระยะการวัดที่ยาวเป็นพิเศษ, ข้อมูลการวัดที่หลากหลาย

 

ความเร็วในการตอบสนองที่รวดเร็ว, ปลุกภายใน 1 ที่สอง

 

การส่งสัญญาณแสง, ฉนวนไฟฟ้าอย่างสมบูรณ์, ทนต่อการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า

 

ความปลอดภัยที่แท้จริง, เหมาะสำหรับการใช้งานระยะยาวในสภาพแวดล้อมที่ไวไฟและระเบิดได้

 

การวัดที่เสถียรและเชื่อถือได้โดยมีอัตราการเตือนผิดพลาดต่ำ

 

อายุการใช้งานยาวนานของใยแก้วนำแสง, ขึ้นไป 30 ไม่ต้องบำรุงรักษาหลายปี

 

DAS performance characteristics:

 

ระยะทางอุณหภูมิที่ยาวนาน: 50กม

 

เวลาตอบสนองที่รวดเร็ว: ทั่วไป 1 ที่สอง

 

ความแม่นยำของตำแหน่งสูง: 2-50ม

 

ความไวสูง: สามารถรับรู้แรงสั่นสะเทือนภายในระยะ 40 ม. รอบสายเคเบิลออปติก

 

ตรวจสอบการสั่นสะเทือนและอุณหภูมิพร้อมกัน

 

ฟังก์ชันตรวจสอบออนไลน์สำหรับข้อผิดพลาดของไฟเบอร์ออปติก

Perceiving all things is an important technological support for building a smart earth, smart city, and smart ocean. Distributed Fiber Optic Acoustic Sensing (ที่) 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, to perceive environmental vibration and sound field information interacting with optical fibers over long distances and with high spatiotemporal accuracy. This unique information perception ability has attracted widespread attention from both academia and industry for DAS technology. The performance of DAS technology is constantly improving, and its applications are developing rapidly. It has demonstrated its unique technological advantages and potential in perimeter intrusion detection, 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, 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. It has the characteristics of anti electromagnetic interference, long-distance distributed measurement, low cost per unit distance, and no need for on-site power supply. It can effectively compensate for the shortcomings of existing point electromagnetic sensing technology, meet the application needs of railway transportation, and can be quickly integrated into existing railway lines. It has been widely applied.

 

Oil and gas resource exploration is also an important application of DAS technology. The conventional oil and gas resource exploration technology uses point type electronic detectors, 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, การผลิต, ฯลฯ, with significant advantages.
นอกจากนี้, 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, ฯลฯ. 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. ล่าสุด, 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) การตรวจจับ. 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.
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, จำหน่ายผู้ผลิตใยแก้วนำแสงในประเทศจีน