Распределенное акустическое зондирование - Distributed acoustic sensing

Рэлеевское рассеяние на основании распределенное акустическое зондирование (DAS) системы используют оптоволоконные кабели для обеспечения распределенного измерения деформации. В DAS оптоволоконный кабель становится чувствительным элементом, и измерения производятся и частично обрабатываются с помощью прилагаемого оптоэлектронное устройство. Такая система позволяет обнаруживать сигналы деформации акустической частоты на больших расстояниях и в суровых условиях.

Основы оптоволоконного зондирования на основе рэлеевского рассеяния

В распределенном оптоволоконном зондировании на основе рассеяния Рэлея когерентный лазер импульс отправляется по оптическому волокну, и участки рассеяния внутри волокна заставляют его действовать как распределенный интерферометр с измерительной длиной, примерно равной длине импульса. Интенсивность отраженного света измеряется как функция времени после прохождения лазерного импульса. Это известно как когерентная оптическая рефлектометрия Рэлея во временной области (COTDR). Когда импульс успел пройти всю длину волокна и обратно, следующий лазерный импульс может быть отправлен по волокну. Изменения интенсивности отраженных последовательных импульсов от одной и той же области волокна вызваны изменениями длина оптического пути этого участка волокна. Этот тип системы очень чувствителен как к деформации, так и к колебаниям температуры волокна, и измерения могут проводиться практически одновременно на всех участках волокна.

Возможности систем на основе Рэлея

Максимальный диапазон

Оптический импульс ослабляется по мере распространения по оптоволокну. Для одномодового волокна, работающего на длине волны 1550 нм, типичное затухание составляет 0,2 дБ / км.[1] Поскольку свет должен проходить двойной проход вдоль каждого участка волокна, это означает, что каждый 1 км вызывает общие потери 0,4 дБ. Максимальная дальность действия системы возникает, когда амплитуда отраженного импульса становится настолько низкой, что невозможно получить четкий сигнал от него. Невозможно противодействовать этому эффекту, увеличивая входную мощность, потому что выше определенного уровня это вызовет нелинейно-оптический эффекты, которые нарушат работу системы. Обычно максимальная дальность измерения составляет около 40–50 км.

Разрешение деформации

Максимальное значение деформации, которое можно измерить, зависит от отношение несущей к шуму обратного оптического сигнала. Уровень несущей в значительной степени определяется амплитудой оптического сигнала, в то время как шум представляет собой комбинацию шума от различных источников, включая лазерный шум, электронный шум и шум детектора.

Пространственное разрешение и период пространственной выборки

Пространственное разрешение в основном определяется длительностью передаваемого импульса, при этом типичное значение импульса 100 нс дает разрешение 10 м. Количество отраженного света пропорционально длине импульса, поэтому существует компромисс между пространственным разрешением и максимальным диапазоном. Чтобы улучшить максимальный диапазон, было бы желательно использовать более длинную длину импульса для увеличения уровня отраженного света, но это приводит к большему пространственному разрешению. Чтобы два сигнала были независимыми, они должны быть получены из двух точек на оптоволокне, разделенных как минимум пространственным разрешением. Можно получить выборки с расстояниями меньшими, чем пространственное разрешение, и хотя это дает сигналы, которые не являются независимыми друг от друга, такой подход действительно дает преимущества в некоторых приложениях. Разделение точек отбора проб иногда называют период пространственной выборки.

Скорость приобретения

Прежде чем следующий лазерный импульс может быть передан, предыдущий должен успеть добраться до дальнего конца волокна и для отражения от него, чтобы вернуться, в противном случае отражения будут возвращаться от разных участков волокна одновременно и система не будет работать должным образом. Для волокна длиной 50 км максимальная частота импульсов составляет чуть более 2 кГц. Следовательно, можно измерять деформации, которые меняются на частотах до Частота Найквиста 1 кГц. Более короткие волокна явно обеспечивают более высокую скорость сбора данных.

Измерения температуры

Хотя система чувствительна как к изменениям температуры, так и к колебаниям деформации, их часто можно разделить, поскольку изменения, вызванные температурой, имеют тенденцию происходить в более низком частотном диапазоне, чем деформации. В отличие от других методов распределенного волокна, например, основанных на Бриллюэн или Раман рассеяние, распределенное акустическое зондирование способно определять только изменения температуры, а не ее абсолютное значение.

Сравнение с другими методами оптоволоконного распределенного зондирования

Распределенное акустическое зондирование основано на свете, который рассеивается по Рэлею из-за небольших изменений показателя преломления волокна. Обратно рассеянный свет имеет ту же частоту, что и проходящий свет. Существует ряд других методов распределенного оптического зондирования, которые основаны на различных механизмах рассеяния и могут использоваться для измерения других параметров. Рассеяние Бриллюэна возникает из-за взаимодействия между светом и акустикой. фононы путешествуя по волокну. Поскольку свет рассеивается движущимся фононом, его частота сдвигается на Эффект Допплера примерно на 10 ГГц. Свет генерируется как сверху (антистоксов сдвиг), так и снизу (Стоксов сдвиг ) исходная оптическая частота. Сдвиги интенсивности и частоты двух компонентов зависят как от температуры, так и от деформации, и путем измерения сдвигов можно рассчитать абсолютные значения двух параметров с использованием системы распределенного измерения температуры и деформации (DTSS). Рассеяние Бриллюэна намного слабее, чем рассеяние Рэлея, поэтому отражения от ряда импульсов должны быть суммированы, чтобы можно было провести измерения. Следовательно, максимальная частота, при которой изменения могут быть измерены с использованием рассеяния Бриллюэна, обычно составляет несколько десятков Гц. Рамановское рассеяние возникает, когда свет рассеивается при взаимодействии с молекулярные колебания в волокне. Как и в случае с рассеянием Бриллюэна, возникают как стоксовы, так и антистоксовы компоненты, и они смещены от длины волны падающего света на несколько десятков нанометров. Измеряя соотношение интенсивности стоксовой и антистоксовой составляющих, можно измерить абсолютное значение температуры с помощью распределенное измерение температуры (DTS) система. Большие сдвиги длины волны по сравнению с рассеянием Бриллюэна означают, что легче отделить рассеянный рамановский свет от несмещенной компоненты рассеянного Рэлея. Однако интенсивность рамановского рассеяния даже ниже, чем разброс Бриллюэна, и поэтому обычно необходимо усреднять в течение многих секунд или даже минут, чтобы получить разумные результаты. Следовательно, системы на основе комбинационного рассеяния подходят только для измерения медленно меняющихся температур.

Фазочувствительная когерентная оптическая рефлектометрия во временной области

Фазочувствительная когерентная оптическая рефлектометрия во временной области (ϕ-OTDR) - это метод, который может обеспечить достаточную чувствительность и разрешение для этих распределенных систем акустического зондирования.[2] Стандарт оптическая рефлектометрия во временной области В методах используются источники света с длиной когерентности, которая короче длины импульса. Это может дать сумму интенсивностей обратного рассеяния от каждого центра рассеяния, что позволяет отслеживать сращивания и разрывы в волоконно-оптических кабелях. Напротив, в датчиках на основе ϕ-OTDR длина когерентности лазеры длиннее их длительности импульса. Событие вблизи волокна генерирует акустическую волну, которая воздействует на оптическое волокно, изменяя фазы центров обратного рассеяния. Анализ таких сигналов позволяет выявить их влияние на датчик и монитор, расположенные вблизи волоконных объектов.

Приложения

Чувствительность и скорость зондирования на основе Рэлея позволяет осуществлять распределенный мониторинг акустических сигналов на расстояниях до 50 км от каждого лазерного источника. Типичные применения включают непрерывный контроль трубопроводов на предмет нежелательных помех, утечек или нарушений потока; мониторинг дорог, границ и других чувствительных периметров на предмет необычной активности; и даже приложения для мониторинга нефтяных скважин, где технология позволяет определять состояние скважины по всей ее длине в режиме реального времени. Способность оптического волокна работать в суровых условиях окружающей среды делает эту технологию особенно подходящей для сценариев, в которых типичные сенсорные системы непригодны или непрактичны из-за условий окружающей среды.[3][4] Большой радиус действия технологии также позволяет использовать ее при сейсмическом зондировании. Один кабель может обеспечить непрерывный мониторинг региональной сейсмической активности, а также обнаруживать землетрясения за тысячи километров.[5]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ "Типы волокна> Волоконно-оптические технологии".
  2. ^ Генри Ф. Тейлор, Чанг Э. Ли (16 марта 1993 г.). «Патент США: 5194847 - Устройство и метод для обнаружения проникновения через оптоволокно». Архивировано из оригинал 8 декабря 2016 г.. Получено 2016-05-06.
  3. ^ «Технология распределенного акустического зондирования DAS». AP Sensing.
  4. ^ Местайер и др., Полевые испытания распределенного акустического зондирования для геофизического мониторинга, SEG Expanded Abstracts 30, 4253 (2011)
  5. ^ Картье, Кимберли (2019). «Неиспользованные волоконно-оптические кабели, перепрофилированные в сейсмические датчики». Эос. 100. Дои:10.1029 / 2019EO118025.