Verteiltes Glasfaser-DAS-Akustiküberwachungssystem

Verteilte akustische Sensorik (DAS) ist eine innovative Überwachungsmethode, die auf faseroptischer Sensortechnologie basiert. Das DAS-System verwendet optische Fasern als Messmedium und analysiert das rückgestreute Rayleigh-Streusignal von Lichtpulsen während ihrer Ausbreitung in der Faser, Erreichen einer kontinuierlichen Echtzeitüberwachung der akustischen Signale in der Umgebung der Faser. Im Vergleich zu herkömmlichen akustischen Sensoren, DAS-Systeme haben einzigartige Vorteile, wie z. B. eine breite Abdeckung, hohe Empfindlichkeit, und starke Echtzeit-Performance. Sie werden zunehmend in Bereichen wie der Überwachung von Öl- und Gaspipelines eingesetzt, Perimeter-Sicherheit, Sicherheit im Eisenbahnverkehr, und Erdbebenüberwachung. In diesem Artikel werden die Grundprinzipien erläutert, Wichtige technische Parameter, und typischer Anwendungsbereich des DAS-Systems im Detail.

Grundprinzipien

Das Kernprinzip des DAS-Systems besteht darin, optische Fasern als verteilte Sensoren zu verwenden, Analyse des Rückstreueffekts von Lichtpulsen während der Ausbreitung in optischen Fasern, und extrahieren akustische Informationen über die Umgebung der optischen Fasern. Der grundlegende Arbeitsprozess lässt sich wie folgt zusammenfassen::

Optische Impulsemission: Der Pulslaser im System emittiert eine schmale Pulsbreite, Optische Hochleistungsimpulse zur Faser mit einer bestimmten Frequenz.

Rayleigh-Streuung: Wenn sich Lichtimpulse in optischen Fasern ausbreiten, Sie werden durch die Dichteschwankungen des Fasermaterials beeinflusst, was zu Rayleigh-Streueffekten führt. Wenn optische Fasern durch Schallwellen gestört werden, Die Phase des Streulichts ändert sich.

Erkennung von rückwärts gestreutem Licht: Ein Teil des gestreuten Lichts kehrt auf dem ursprünglichen Pfad zurück, vom Photodetektor empfangen werden, und in ein elektrisches Signal umgewandelt.

Analyse des Zeitbereichs: Basierend auf der Lichtgeschwindigkeit und der Impulsemissionszeit, Die dem Streulicht entsprechende Faserposition kann bestimmt werden. Durch Zeitbereichsanalyse, Erreichen einer räumlichen Positionierung entlang der optischen Faser.

Kohärente Demodulation: Das rückgestreute photoelektrische Signal enthält Phasenwechselinformationen, die durch Schallwellen verursacht werden. Verwendung einer kohärenten Demodulationstechnologie zur Extraktion der Phasenänderung im Zusammenhang mit Schallwellen.

Analyse des Frequenzbereichs: Führen Sie eine Fourier-Transformation für das durch Demodulation erhaltene Phasenwechselsignal durch, um Informationen über das akustische Frequenzspektrum an verschiedenen Positionen zu erhalten.

Durch die obigen Schritte, Das DAS-System von Huaguang Tianrui kann eine kontinuierliche und verteilte Extraktion und Analyse von akustischen Signalen entlang des Glasfaserpfads ermöglichen. Je stärker die akustische Störung auf der Faser ist, desto größer ist die Phasenänderung des Streulichts, und je größer die Amplitude des demodulierten Signals ist. Deshalb, durch Analyse der Amplituden- und Frequenzeigenschaften des demodulierten Signals, Es ist möglich, den Schall in der Glasfaserumgebung zu erkennen und zu lokalisieren.

Wichtige technische Parameter

Die Leistungsindikatoren des DAS-Systems umfassen im Wesentlichen folgende Aspekte:

Räumliche Auflösung: Der Mindestabstand zwischen den Positionen der Schallquelle, den das System unterscheiden kann, in der Regel im Bereich von 1-10 Meter. Hohe räumliche Auflösung bedeutet eine präzisere Lokalisierung von Schallquellen.

Empfindlichkeit: charakterisiert den minimalen Schalldruckpegel, den das System erfassen kann. Hohe Empfindlichkeit bedeutet, dass schwache Schallsignale erfasst werden können. Ein typisches SR-DAS-System hat eine Empfindlichkeit von bis zu -180 dB und wiegt 20 μ Pa.

Frequenzbereich: Der Frequenzbereich von Schallwellen, den das DAS-System erfassen kann. Der typische Frequenzgangbereich liegt bei 1 Hz bis 10 kHz, die die meisten Anforderungen an eine solide Überwachung abdecken können.

Messabstand: Die Länge der faseroptischen Sensorik, die ein einzelnes DAS-System abdecken kann. Der typische Messabstand kann 10-50 Kilometer, Erfüllung der Anforderungen der verteilten Überwachung über große Entfernungen.

Samplingrate: charakterisiert die Anzahl der Erfassungspunkte von akustischen Signalen pro Zeiteinheit. Eine hohe Abtastrate bedeutet eine höhere Zeitauflösung und Genauigkeit der Signalwiederherstellung. Die typische Abtastrate kann 1-100 kHz erreichen.

Positionierungsgenauigkeit: charakterisiert den Fehlerbereich der Positionsmessung von Schallquellen. Eine hohe Positioniergenauigkeit ist entscheidend für die genaue Identifizierung von Schallquellen. Die typische Positioniergenauigkeit kann ± 1-5 Meter.

Zusätzlich zu den oben genannten technischen Indikatoren, Die Zuverlässigkeit, Stabilität, Leistung in Echtzeit, und andere Faktoren des DAS-Systems sind ebenfalls wichtige Aspekte für die Bewertung seiner Leistung. Der aktuelle Forschungsschwerpunkt liegt auf der kontinuierlichen Verbesserung der umfassenden Leistungsfähigkeit von DAS-Systemen durch Optimierung des optischen Designs, Algorithmen zur Signalverarbeitung, etc.

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Anwendungsbereich des verteilten faseroptischen DAS-Systems

(1) Überwachung von Kabelgräben/Öl- und Gaspipelines gegen externe Brüche
Durch faseroptische Schwingungssensorik, wenn äußere Kräfte wie z. B. Bagger in der Nähe von Kabelgräben/Öl- und Gaspipelines mit Sensorfasern vibrieren, DAS kann frühzeitig warnen und über den Ort des Alarmereignisses informieren.
(2) Überwachung des akustischen Schwingungsprozesses beim Gasdruckfrakturieren in Öl und Schiefer
Das Gehäuse der Ölquelle kann undicht werden, und es kann zu Öl-Wasser-Schichtung und anderen geologischen Strukturveränderungen im Untergrund kommen. Durch die Verlegung von optischen Sensorkabeln entlang des Gehäuses in der Ölquelle, DAS kann die Schallwellenschwingungen an jeder Position unter Tage in Echtzeit überwachen.
(3) Überwachung von Leckagen in Pipelines und Umgebungssicherheit
Ob es sich um Öl- oder Erdgaspipelines handelt, wenn es ein Leck gibt, Temperaturänderungen gehen nicht nur mit Schwingungsänderungen einher, Das DAS-System kann jedoch als Sicherheits-, Schutz- und Warnvorrichtung um die Rohrleitung herum dienen.
(4) Überwachung des Hochgeschwindigkeitsverkehrs, Schiffe, und Flughäfen
Die entlang der Hochgeschwindigkeitsschiene angeordneten Lichtwellenleiter können den Betriebszustand der Hochgeschwindigkeitsschiene erfassen, und durch verteilte akustische Sensorik, Der Betriebsstatus von Gleisen und Zügen kann nachvollzogen werden; Glasfaserkabel können außerhalb des Flughafens verlegt werden, um den Start und die Landung von Flugzeugen in Echtzeit zu erkennen, und Überwachung von Sicherheitseingriffen rund um den Flughafen. (5) Überwachung der Perimetersicherheit und Verhinderung von Grenzeinbrüchen
Das DAS-System kann Echtzeitdaten über Eindringlinge und Frühwarnungen liefern, wenn optische Kabel an Landesgrenzen verlegt werden oder in Situationen, in denen eine Überwachung der Einbruchsprävention erforderlich ist.