Distribuované akustické snímání - Distributed acoustic sensing

Systémy distribuovaného akustického snímání založené na Rayleighově rozptylu (DAS) používají k distribuovanému snímání napětí kabely z optických vláken. V systému DAS se optický kabel stává snímacím prvkem a měření se provádějí a částečně zpracovávají pomocí připojeného optoelektronického zařízení . Takový systém umožňuje detekci signálů akustického frekvenčního napětí na velké vzdálenosti a v drsném prostředí.

Základy snímání optických vláken založeného na Rayleighově rozptylu

Při snímání distribuovaných optických vláken založených na Rayleighově rozptylu je koherentní laserový impuls vyslán podél optického vlákna a místa rozptylu uvnitř vlákna způsobují, že vlákno funguje jako distribuovaný interferometr s délkou měřidla přibližně stejnou jako je délka pulzu. Intenzita odraženého světla se měří jako funkce času po přenosu laserového impulsu. Toto je známé jako Coherent Rayleigh Optical Time Domain Reflectometry (COTDR). Když má puls čas cestovat po celé délce vlákna a zpět, další laserový puls lze odeslat podél vlákna. Změny v odražené intenzitě po sobě jdoucích impulsů ze stejné oblasti vlákna jsou způsobeny změnami v délce optické dráhy této části vlákna. Tento typ systému je velmi citlivý na změny napětí a teploty vlákna a měření lze provádět téměř současně ve všech částech vlákna.

Možnosti systémů založených na Rayleighu

Maximální dosah

Optický puls se při šíření vláknem zeslabuje. Pro jednovidové vlákno pracující při 1550 nm je typický útlum 0,2 dB/km. Protože světlo musí dvakrát projít každou částí vlákna, znamená to, že každý 1 km způsobí celkovou ztrátu 0,4 dB. Maximální dosah systému nastane, když se amplituda odraženého impulsu sníží natolik, že z něj nelze získat jasný signál. Proti tomuto efektu není možné působit zvýšením vstupního výkonu, protože nad určitou úroveň to vyvolá nelineární optické efekty, které naruší provoz systému. Obvykle je maximální dosah, který lze změřit, kolem 40–50 km.

Rozlišení kmene

Maximální hodnota napětí, kterou lze měřit, závisí na poměru nosné k šumu vracejícího se optického signálu. Úroveň nosiče je do značné míry určena amplitudou optického signálu, zatímco šum je kombinací intenzity z různých zdrojů, včetně laserového šumu, elektronického šumu a šumu detektoru.

Prostorové rozlišení a perioda prostorového vzorkování

Prostorové rozlišení je určeno hlavně dobou trvání vysílaného impulsu, přičemž typickou hodnotou je puls 100 ns poskytující rozlišení 10 m. Množství odraženého světla je úměrné délce pulsu, takže existuje kompromis mezi prostorovým rozlišením a maximálním dosahem. Ke zlepšení maximálního dosahu by bylo žádoucí použít delší délku pulsu ke zvýšení úrovně odraženého světla, ale to vede k většímu prostorovému rozlišení. Aby byly dva signály nezávislé, musí být získány ze dvou bodů na vlákně, které jsou odděleny alespoň prostorovým rozlišením. Je možné získat vzorky při separacích nižších, než je prostorové rozlišení, a přestože to vytváří signály, které na sobě nejsou nezávislé, takový přístup v některých aplikacích nabízí výhody. Oddělení mezi místy odběru vzorků se někdy označuje jako doba prostorového vzorkování .

Pořizovací sazba

Předtím, než může být vyslán další laserový impuls, musel mít ten předchozí čas cestovat na vzdálenější konec vlákna a vrátit se odrazy odtamtud, jinak by se odrazy vracely z různých částí vlákna současně a systém by nefungoval správně. U vlákna dlouhého 50 km je maximální tepová frekvence těsně nad 2 kHz. Proto lze měřit kmeny, které se mění na frekvencích až do Nyquistovy frekvence 1 kHz. Kratší vlákna jednoznačně umožňují vyšší pořizovací sazby.

Měření teploty

Přestože je systém citlivý na změny teploty i deformace, lze je často oddělit, protože vlivem teploty se obvykle vyskytují v nižším frekvenčním rozsahu než deformace. Na rozdíl od jiných technik distribuovaných vláken, jako jsou metody založené na Brillouinově nebo Ramanově rozptylu, je distribuované akustické snímání schopné detekovat pouze změny teploty, nikoli jeho absolutní hodnotu.

Srovnání s jinými technikami distribuovaného snímání z optických vláken

Distribuované akustické snímání se spoléhá na světlo, které je Rayleigh zpětně rozptylováno malými změnami indexu lomu vlákna. Zpětně rozptýlené světlo má stejnou frekvenci jako procházející světlo. Existuje řada dalších distribuovaných technik snímání vláken, které se spoléhají na různé mechanismy rozptylu a lze je použít k měření dalších parametrů. Brillouinův rozptyl nastává v důsledku interakce mezi světelnými a akustickými fonony cestujícími ve vlákně. Jak je světlo rozptýleno pohybujícím se fononem, jeho frekvence je posunuta Dopplerovým efektem přibližně o 10 GHz. Světlo je generováno jak nad (anti-Stokesovým posunem), tak pod ( Stokesovým posunem ) původní optickou frekvencí. Intenzita a frekvenční posuny obou složek jsou závislé na teplotě i deformaci a měřením posunů lze vypočítat absolutní hodnoty těchto dvou parametrů pomocí systému distribuované teploty a deformačního snímání (DTSS). Brillouinův rozptyl je mnohem slabší než Rayleighův rozptyl, a proto musí být sečteny odrazy od řady pulzů, aby bylo možné provést měření. Maximální frekvence, při které lze změny měřit pomocí Brillouinova rozptylu, je proto obvykle několik desítek Hz. Ramanův rozptyl nastává, když je světlo rozptýleno v interakci s molekulárními vibracemi ve vlákně. Stejně jako u Brillouinova rozptylu jsou vyráběny jak Stokesovy, tak anti-Stokesovy komponenty, které jsou posunuty od vlnové délky dopadajícího světla o několik desítek nanometrů. Měřením poměru intenzity mezi komponentami Stokes a anti-Stokes lze pomocí systému distribuovaného teplotního snímání (DTS) měřit absolutní hodnotu teploty . Větší posuny vlnových délek ve srovnání s Brillouinovým rozptylem znamenají, že je snazší oddělit rozptýlené Ramanovo světlo od neposunuté Rayleighovy rozptýlené složky. Intenzita Ramanova rozptylu je však ještě nižší než Brillouinův rozptyl, a proto je normálně nutné průměrovat mnoho sekund nebo dokonce minut, abychom získali rozumné výsledky. Ramanovy systémy jsou proto vhodné pouze pro měření pomalu se měnících teplot.

Fázově citlivá koherentní optická reflektometrie v časové oblasti

Fázově citlivá koherentní optická reflektometrie v časové oblasti (ϕ-OTDR) je technika, která může poskytnout dostatečnou citlivost a rozlišení pro tyto distribuované systémy akustického snímání. Standardní techniky optické reflexometrie v časové oblasti využívají světelné zdroje s koherenčními délkami, které jsou kratší než délky pulzů. To může poskytnout součet intenzit zpětného rozptylu z každého rozptylového centra, což umožňuje monitorovat spoje a přerušení kabelů z optických vláken. Naopak u senzorů na bázi ϕ-OTDR je koherenční délka laserů delší než délka jejich pulsu. Událost poblíž vlákna generuje akustickou vlnu, která ovlivňuje optické vlákno změnou fází center zpětného rozptylu. Analýza takových signálů může odhalit jejich dopad na senzor a monitorovat akustické zdroje umístěné poblíž objektů z vláken.

Aplikace

Citlivost a rychlost Rayleighova snímání umožňuje distribuované monitorování akustických signálů na vzdálenosti více než 100 km od každého laserového zdroje. Mezi typické aplikace patří nepřetržité monitorování potrubí kvůli nežádoucímu rušení a kvůli netěsnostem nebo nepravidelnostem toku; monitorování nežádoucích interferencí a poruch kabelů napájecích kabelů; monitorování provozu (silnice, železnice a vlaky), hranic a dalších citlivých perimetrů na neobvyklou aktivitu; a dokonce i aplikace pro monitorování ropných vrtů, kde technologie umožňuje v reálném čase zjistit stav vrtu po celé jeho délce. Díky schopnosti optického vlákna pracovat v drsném prostředí je tato technologie obzvláště vhodná pro scénáře, ve kterých jsou typické snímací systémy vzhledem k podmínkám prostředí nepoužitelné nebo nepraktické. Dlouhý dosah technologie také umožňuje její použití v seizmickém snímání. Jeden kabel může poskytovat nepřetržitou řadu monitorování regionální seismické aktivity a také detekovat zemětřesení vzdálená tisíce kilometrů.

Viz také

Reference

  1. ^ "Typy vláken> Technologie optických vláken" .
  2. ^ Henry F. Taylor, Chung E. Lee (16. března 1993). „Patent Spojených států: 5194847 - Zařízení a metoda pro snímání vniknutí do optických vláken“ . Archivováno od originálu 8. prosince 2016 . Citováno 2016-05-06 .
  3. ^ Gregor Cedilnik; a kol. (2018). „Posunutí dosahu akustického snímání distribuovaného vlákny na 125 km bez použití zesílení“ .
  4. ^ Gregor Cedilnik; a kol. (2019). „Akustické snímání distribuované vlákny s velmi dlouhým dosahem (DAS) pro monitorování napájecích kabelů“ (PDF) .
  5. ^ Rasmus Olson; a kol. (2019). „Lokalizace poruch pomocí distribuovaného akustického snímání (DAS)“ (PDF) .
  6. ^ Gregor Cedilnik; a kol. (2018). „Pokroky ve sledování vlaků a železnic pomocí DAS“ .
  7. ^ Wieland Hill, John J. Williams a Gareth Lees (2019). „Snímání optických vláken: Inteligentní systémy snímání optických vláken vylepšují fyzické hraniční zdi a ploty“ .Správa CS1: více jmen: seznam autorů ( odkaz )
  8. ^ Mestayer et al, Terénní zkoušky distribuovaného akustického snímání pro geofyzikální monitorování, SEG Expanded Abstracts 30, 4253 (2011)
  9. ^ Cartier, Kimberly (2019). „Nepoužité kabely z optických vláken repasované jako seismické senzory“ . Eos . 100 . doi : 10.1029/2019EO118025 .