نظام المراقبة الصوتية DAS للألياف البصرية الموزعة

الاستشعار الصوتي الموزع (داس) هي طريقة مراقبة مبتكرة تعتمد على تقنية استشعار الألياف البصرية. يستخدم نظام DAS الألياف الضوئية كوسيط استشعار ويحلل إشارة تشتت رايلي المتناثرة للنبضات الضوئية أثناء انتشارها في الألياف, تحقيق المراقبة المستمرة وفي الوقت الفعلي للإشارات الصوتية في البيئة المحيطة بالألياف. مقارنة بأجهزة الاستشعار الصوتية التقليدية, تتمتع أنظمة DAS بمزايا فريدة مثل التغطية الواسعة, حساسية عالية, وأداء قوي في الوقت الفعلي. يتم استخدامها بشكل متزايد على نطاق واسع في مجالات مثل مراقبة خطوط أنابيب النفط والغاز, أمن المحيط, سلامة السكك الحديدية, ومراقبة الزلازل. ستشرح هذه المقالة المبادئ الأساسية, المعلمات الفنية الرئيسية, ونطاق التطبيق النموذجي لنظام DAS بالتفصيل.

المبادئ الأساسية

المبدأ الأساسي لنظام DAS هو استخدام الألياف الضوئية كأجهزة استشعار موزعة, تحليل تأثير التشتت الخلفي لنبضات الضوء أثناء الانتشار في الألياف الضوئية, واستخراج المعلومات الصوتية للبيئة المحيطة بالألياف الضوئية. يمكن تلخيص عملية العمل الأساسية على النحو التالي:

انبعاث النبض البصري: ينبعث ليزر النبض في النظام من عرض النبضة الضيق, نبضات بصرية عالية الطاقة للألياف بتردد معين.

تشتت رايلي: عندما تنتشر نبضات الضوء في الألياف الضوئية, تتأثر بتقلبات كثافة مادة الألياف, مما أدى إلى تأثيرات تشتت رايلي. عندما تتعطل الألياف الضوئية بسبب الموجات الصوتية, سوف تتغير مرحلة الضوء المتناثر.

الكشف عن الضوء المتناثر للخلف: سيعود جزء من الضوء المتناثر على طول المسار الأصلي, يتم استقبالها بواسطة جهاز الكشف الضوئي, وتحويلها إلى إشارة كهربائية.

تحليل المجال الزمني: بناء على سرعة الضوء ووقت انبعاث النبض, يمكن تحديد موضع الألياف المقابل للضوء المتناثر. من خلال تحليل المجال الزمني, تحقيق تحديد المواقع المكانية على طول الألياف الضوئية.

إزالة التشكيل المتماسكة: تحتوي الإشارة الكهروضوئية المتناثرة على معلومات تغيير الطور التي تسببها الموجات الصوتية. استخدام تقنية إزالة التشكيل المتماسكة لاستخراج تغير الطور المرتبط بالموجات الصوتية.

تحليل مجال التردد: إجراء تحويل فورييه على إشارة تغيير الطور التي تم الحصول عليها من إزالة التشكيل للحصول على معلومات طيف التردد الصوتي في مواضع مختلفة.

من خلال الخطوات المذكورة أعلاه, يمكن لنظام DAS الخاص ب Huaguang Tianrui تحقيق الاستخراج والتحليل المستمر والموزع للإشارات الصوتية على طول مسار الألياف البصرية. كلما كان الاضطراب الصوتي أقوى على الألياف, كلما زاد تغير طور الضوء المتناثر, وكلما زاد سعة الإشارة غير المعدلة. لذلك, من خلال تحليل خصائص السعة والتردد للإشارة غير المشكلة, من الممكن اكتشاف الصوت وتحديد موقعه حول بيئة الألياف البصرية.

المعلمات التقنية الرئيسية

وتشمل مؤشرات أداء نظام DAS أساسا الجوانب التالية:

الدقة المكانية: الحد الأدنى للمسافة بين مواضع مصدر الصوت التي يمكن للنظام تمييزها, عادة في نطاق 1-10 امتار. تعني الدقة المكانية العالية قدرة أكثر دقة على توطين مصدر الصوت.

حساسية: يميز الحد الأدنى لمستوى ضغط الصوت الذي يمكن للنظام اكتشافه. الحساسية العالية تعني القدرة على التقاط إشارات صوتية ضعيفة. يتميز نظام SR-DAS النموذجي بحساسية تصل إلى -180 ديسيبل ويزن 20 μ باسكال.

نطاق استجابة التردد: نطاق تردد الموجات الصوتية التي يمكن لنظام DAS اكتشافها. نطاق استجابة التردد النموذجي هو 1 هرتز -10 كيلو هرتز, والتي يمكن أن تغطي معظم احتياجات مراقبة الصوت.

مسافة القياس: طول استشعار الألياف الضوئية الذي يمكن أن يغطيه نظام DAS واحد. يمكن أن تصل مسافة القياس النموذجية 10-50 الكيلومترات, تلبية متطلبات المراقبة الموزعة لمسافات طويلة.

معدل أخذ العينات: يميز عدد نقاط اكتساب الإشارات الصوتية لكل وحدة زمنية. يعني معدل أخذ العينات المرتفع دقة زمنية أعلى ودقة استعادة الإشارة. يمكن أن يصل معدل أخذ العينات النموذجي إلى 1-100 كيلو هرتز.

دقة تحديد المواقع: يميز نطاق الخطأ في قياس موضع مصدر الصوت. دقة تحديد المواقع العالية أمر بالغ الأهمية لتحديد مصادر الصوت بدقة. يمكن أن تصل دقة تحديد المواقع النموذجية إلى ± 1-5 امتار.

بالإضافة إلى المؤشرات الفنية المذكورة أعلاه, الموثوقية, استقرار, أداء في الوقت الحقيقي, وعوامل أخرى لنظام DAS هي أيضا جوانب مهمة لتقييم أدائه. ينصب تركيز البحث الحالي على التحسين المستمر للأداء الشامل لأنظمة DAS من خلال تحسين التصميم البصري, خوارزميات معالجة الإشارات, الخ.

---

نطاق تطبيق نظام DAS للألياف البصرية الموزعة

(1) مراقبة خندق الكابلات / خط أنابيب النفط والغاز المضادة للتمزق الخارجي
من خلال تقنية استشعار اهتزاز الألياف البصرية, عندما تهتز القوى الخارجية مثل الحفارات بالقرب من خنادق الكابلات / خطوط أنابيب النفط والغاز مع ألياف الاستشعار, يمكن أن توفر DAS الإنذار المبكر والإبلاغ عن موقع حدث الإنذار.
(2) مراقبة عملية الاهتزاز الصوتي لضغط الغاز في النفط والصخر الزيتي
قد يتسرب غلاف بئر النفط, وقد يكون هناك تقسيم طبقي للنفط والماء وتغيرات هيكلية جيولوجية أخرى تحت الأرض. عن طريق وضع الكابلات الضوئية المستشعرة على طول الغلاف في بئر النفط, يمكن ل DAS مراقبة اهتزاز الموجة الصوتية في أي موضع تحت الأرض في الوقت الفعلي.
(3) مراقبة تسرب خطوط الأنابيب والأمن المحيط
سواء كانت خطوط أنابيب النفط أو الغاز الطبيعي, عندما يكون هناك تسرب, لا يقتصر الأمر على أن التغيرات في درجات الحرارة مصحوبة بتغيرات في الاهتزاز, ولكن يمكن أن يكون نظام DAS بمثابة جهاز حماية وتحذير للسلامة حول خط الأنابيب.
(4) مراقبة السكك الحديدية عالية السرعة, السفن, والمطارات
يمكن للألياف الضوئية المرتبة على طول السكة عالية السرعة اكتشاف حالة تشغيل السكة عالية السرعة, ومن خلال الاستشعار الصوتي الموزع, يمكن فهم حالة تشغيل المسار والقطار; يمكن وضع كابلات الألياف الضوئية خارج المطار للكشف عن إقلاع الطائرات وهبوطها في الوقت الفعلي, ومراقبة الاختراقات الأمنية حول المطار. (5) مراقبة أمن المحيط ومنع اقتحام الخطوط الحدودية
يمكن لنظام DAS توفير بيانات الدخيل في الوقت الفعلي والإنذار المبكر عند ترتيب الكابلات الضوئية على الحدود الوطنية أو في الحالات التي تتطلب مراقبة منع التسلل.