Verteiltes faseroptisches akustisches Sensorsystem DAS

Faseroptischer Temperatursensor, Intelligentes Überwachungssystem, Verteilter Glasfaserhersteller in China

Definition der verteilten faseroptischen akustischen Sensorik

Verteiltes akustisches Sensorsystem (DAS) ist ein optoelektronisches faseroptisches Gerät, das akustische Wechselwirkungen entlang der Länge des faseroptischen Sensorkabels misst.

 

Das Besondere an einem verteilten akustischen Sensorsystem ist, dass es eine kontinuierliche (oder verteilt) Temperaturverteilung über die Länge des Messkabels, statt an diskreten Erfassungspunkten.

Verteilte akustische Sensorik

Gewöhnlich, Die DAS-Technologie verwendet Standard-Glasfaserkabel für die Telekommunikation, und spezielle Glasfaserkabel werden nur bei hohen Temperaturen benötigt (größer als 100 ° C). Sensorfasern basieren in der Regel auf Singlemode-Fasern, Obwohl einige spezialisierte Anwendungen Multimode-Sensorfasern verwenden.

 

Die Reichweite eines DAS-Systems beträgt in der Regel bis zu 50 km pro Sensorfaser, und jede Ermittlungseinheit verfügt in der Regel über 1 oder 2 Kanäle, die gleichzeitig betrieben werden können. Zum Beispiel, DAS kann bis zu 100 km messen, und 2-Kanal-Geräte können 50 km in jede Richtung messen.

 

messprinzip

Die verteilte akustische Sensor-Abfrageeinheit überträgt Laserpulse an die Faseroptik. Wenn sich diese Art von Lichtimpuls entlang der Faser ausbreitet, Die Wechselwirkung innerhalb der Faser verursacht eine Lichtreflexion, die als Rückstreuung bezeichnet wird, die durch geringe Dehnung bestimmt wird (oder Vibrationen) Ereignisse innerhalb der Faser, die durch lokale Schallenergie verursacht werden. Dieses zurückgestreute Licht breitet sich entlang der Glasfaser nach oben bis zur Abfrageeinheit aus, wo es mit Rayleigh-Frequenz abgetastet wird. Die für Laserpulse benötigte Zeit ermöglicht eine genaue Zuordnung von Rückstreuereignissen zum Faserabstand – Dies wird als optisches Zeitbereichsreflektometer bezeichnet.

 

Die meisten verteilten akustischen Sensorsysteme auf dem heutigen Markt basieren auf einem Prinzip, das als kohärentes optisches Zeitbereichsreflektometer bezeichnet wird (COTDR).

Räumliche Auflösung und räumlicher Probenahmezeitraum

Die räumliche Auflösung wird hauptsächlich durch die Dauer des ausgesendeten Impulses bestimmt, und eine Auflösung von 10m, die durch einen 100ns-Impuls gegeben ist, ist ein typischer Wert. Die Menge des reflektierten Lichts ist proportional zur Pulslänge, Es gibt also einen Kompromiss zwischen räumlicher Auflösung und maximaler Reichweite. Um die maximale Reichweite zu verbessern, Es besteht die Hoffnung, längere Pulslängen zu verwenden, um den Anteil des reflektierten Lichts zu erhöhen, Dies führt jedoch zu einer höheren räumlichen Auflösung. Typischerweise, Die räumliche Auflösung der meisten Systeme beträgt 5-10 Meter.

 

Comparison between DAS and other fiber optic distributed sensing systems

There are many other verteilte Glasfaser sensing technologies that rely on different scattering mechanisms and can be used to measure other parameters.

 

Brillouin-basierte Systeme werden häufig zur Messung von verteilter Dehnung und Temperatur verwendet.
Die Brillouin-Streuung ist viel schwächer als die Rayleigh-Streuung, Daher müssen Reflexionen von mehreren Impulsen addiert werden, um Messungen zu ermöglichen. Deshalb, Die maximale Frequenz für die Messung von Änderungen mit Hilfe der Brillouin-Streuung beträgt in der Regel mehrere Dutzend Hz, während Rayleigh-basierte COTDR DAS-Systeme eine kHz-Empfindlichkeit haben.

Raman-basierte Systeme werden häufig für die Temperaturmessung verwendet, während DTS-Systeme in der Regel auf der Raman-Technologie basieren. Die Intensität der Raman-Streuung ist sogar geringer als die der Brillouin-Streuung, So dauert es in der Regel durchschnittlich viele Sekunden oder sogar einige Minuten, um vernünftige Ergebnisse zu erhalten. Deshalb, Raman-basierte Systeme eignen sich nur für die Messung langsam wechselnder Temperaturen.

 

Datensammlung, Signalverarbeitung, und Visualisierung

Aufgrund der großen Datenmenge, die von verteilten akustischen Sensorsystemen erzeugt wird, Es ist entscheidend, eine Strategie für das Management zu haben, Verarbeitung, und Datenvisualisierung. Diese Systeme sammeln Daten mit einer Geschwindigkeit, die über 10 Khz bei bis zu 20 Erfassungspunkte. Dies entspricht der Geschwindigkeit, mit der Terabyte-Laufwerke innerhalb weniger Tage gefüllt werden können.

 

Gewöhnlich, Die Auskunftseinheit ist mit der Bearbeitungseinheit verbunden (Industrie-PC oder Server) die die Datenspeicherung und -verarbeitung verwaltet. Gewöhnlich, Es gibt einen Bildlaufpuffer, der zum Speichern von Rohdaten verwendet wird, da darüber hinaus nur sehr wenig Inhalt gespeichert wird.

 

Die Verarbeitungseinheit wird mit einer Reihe intelligenter Algorithmen programmiert, um Rohdaten zu interpretieren und zu analysieren, ob sie mit vordefinierten Ereignissen übereinstimmen, wie z. B. Intrusion Events oder Pipeline-Lecks. Das faseroptische Sensorkabel wird in mehrere Bereiche unterteilt, Dabei werden bestimmte ausgewählte Algorithmen ausgewählt und Warnungen innerhalb jedes Bereichs zugewiesen.

 

Es gibt viele Möglichkeiten, diese Ereignisse zu visualisieren. Ein Ansatz ist der Einsatz von DTS-spezifischer Visualisierungssoftware, wie z. B. die Anzeige des Verlaufs von Glasfasern auf der Grundlage von Lageplänen oder Diagrammen, und ob es Ereignisse gibt, Es hebt den Ort der Ereignisse hervor und zeigt Alarme an. Ein anderer Ansatz besteht darin, die DAS-Softwareschnittstelle in bestehende SCADA-Systeme zu integrieren, Steuerung, oder Sicherheitssoftwarepakete. In diesem Fall, Die Veranstaltung wird die Software der beteiligten Parteien hervorheben 3.

DAS-Messprinzip:

 

Bitte fügen Sie einen Link hinzu, um zu beschreiben, dass DAS ein verteilter faseroptischer Sensor ist, der auf kohärenter Rayleigh-Streuung basiert. Es nutzt die Empfindlichkeit von optischen Fasern für Schall (Schwingung). Wenn externe Vibrationen auf die Sensor-Lichtwellenleiter einwirken, durch den elastischen optischen Effekt, Der Brechungsindex und die Länge der optischen Faser werden geringfügig geändert, Dies führt zu einer Phasenänderung des gesendeten Signals innerhalb der optischen Faser und zu einer Änderung der Lichtintensität.

 

Die Phasenänderung, die durch Schallwellen verursacht wird, ist sehr gering, daher verwenden DAS-Systeme in der Regel hochkohärente Pulslichtquellen. Interferenzen treten zwischen Rayleigh-Streusignalen innerhalb des Pulsweitenbereichs auf. Wenn externe Vibrationen eine Phasenänderung verursachen, Die Intensität des kohärenten Rayleigh-Streusignals ändert sich an diesem Punkt. Durch die Erkennung der Intensitätsänderung des Rayleigh-Streulichtsignals vor und nach der Vibration (Differentielles Signal), Die Erkennung von Schwingungsereignissen kann erreicht werden, und mehrere Schwingungsereignisse können gleichzeitig genau lokalisiert werden.

 

Vorteile der DAS-Technologie:

 

Kontinuierliche, verteilte Messung von Temperatur und Vibration ohne tote Flecken bei der Messung

 

Gleichzeitige Erkennung und genaue Lokalisierung mehrerer Ereignisse

 

Faseroptik ist ein Sensor, der Übertragung und Abtastung kombiniert

 

60 Kilometer ultralange Messstrecke, Umfangreiche Messinformationen

 

Schnelle Reaktionsgeschwindigkeit, Alarm im Inneren 1 Sekunde

 

Optische Signalübertragung, komplett elektrisch isoliert, Beständig gegen elektromagnetische Störungen

 

Eigensicherheit, Geeignet für den Langzeitbetrieb in brennbaren und explosiven Umgebungen

 

Stabile und zuverlässige Messung mit geringer Fehlalarmrate

 

Lange Lebensdauer der optischen Fasern, bis 30 Jahre wartungsfrei

 

DAS-Leistungsmerkmale:

 

Große Temperaturdistanz: 50Kilometer

 

Schnelle Reaktionszeit: typisch 1 Sekunde

 

Hohe Positioniergenauigkeit: 2-50m

 

Hohe Empfindlichkeit: kann Vibrationen im Umkreis von 40 m um das optische Kabel wahrnehmen

 

Gleichzeitige Überwachung von Vibration und Temperatur

 

Online-Monitoring-Funktion für LWL-Fehler

Die Wahrnehmung aller Dinge ist eine wichtige technologische Unterstützung für den Aufbau einer intelligenten Erde, Intelligente Stadt, und Smart Ocean. Verteilte faseroptische akustische Sensorik (DAS) Technologie ist eine neuartige Sensortechnologie, die eine kontinuierliche verteilte Erfassung von Schwingungs- und Schallfeldern ermöglichen kann. Es nutzt die hochempfindlichen Eigenschaften der kohärenten Rayleigh-Streuung, die durch Einfrequenzlaser mit geringer Linienbreite in optischen Fasern induziert wird, kombiniert mit dem Prinzip des Reflektometers, Wahrnehmung von Umgebungsschwingungen und Schallfeldinformationen, die mit optischen Fasern interagieren, über große Entfernungen und mit hoher raumzeitlicher Genauigkeit. Diese einzigartige Fähigkeit zur Informationswahrnehmung hat sowohl in der akademischen Welt als auch in der Industrie große Aufmerksamkeit für die DAS-Technologie erregt. Die Leistung der DAS-Technologie wird ständig verbessert, und seine Anwendungen entwickeln sich rasant. Es hat seine einzigartigen technologischen Vorteile und sein Potenzial bei der Perimeter-Intrusion-Detection unter Beweis gestellt, Online-Überwachung der Eisenbahnsicherheit, Geophysikalische Erkundung, und andere Bereiche.

Aufgrund seiner einzigartigen Vorteile, DAS hat immer mehr Experten aus verschiedenen Bereichen angezogen, um Durchbrüche in der Branche zu erzielen, und stellt gleichzeitig steigende Anforderungen an die Verbesserung der DAS-Technologie.

Nach mehr als einem Jahrzehnt der Entwicklung, DAS hat in mehreren Bereichen eine unersetzliche Rolle gespielt, insbesondere in den Einsatzszenarien von Fernstrecken, groß, und raumzeitliche dichte Detektion, einschließlich Perimetersicherheit, Transport, Geophysikalische Erkundung, Überwachung des strukturellen Zustands, und andere Bereiche. Die Forscher verbessern auch kontinuierlich die DAS-Technologie, um den individuellen Anwendungsanforderungen verschiedener Bereiche gerecht zu werden.

Im Bereich der Perimetersicherheit, im Vergleich zu herkömmlichen Methoden, DAS hat Vorteile wie eine starke Anpassungsfähigkeit an die Umwelt, hohe Deckkraft, großer Überwachungsbereich, und verteilte tote Winkel. Aber, Es ist eine technische Herausforderung, anhand der großen Anzahl komplexer Signale, die von DAS erfasst wurden, zu bestimmen, welche Art von Störung und Intrusion entlang des Glasfaserkabels aufgetreten ist.
Im Bereich des Schienenverkehrs, Die DAS-Technologie verwendet passive optische Fasern als Sensor- und Übertragungsgeräte, , die eine räumliche kontinuierliche Erfassung von Störsignalen entlang der Glasfaserleitung erreichen kann. Es hat die Eigenschaften von antielektromagnetischen Störungen, Verteilte Messung über große Entfernungen, niedrige Kosten pro Entfernungseinheit, und keine Stromversorgung vor Ort erforderlich. Es kann die Mängel der bestehenden elektromagnetischen Punktmesstechnologie effektiv ausgleichen, Erfüllen Sie die Anwendungsanforderungen des Schienenverkehrs, und lässt sich schnell in bestehende Bahnstrecken integrieren. Es hat sich in großem Umfang bewährt.

 

Die Exploration von Öl- und Gasressourcen ist ebenfalls eine wichtige Anwendung der DAS-Technologie. Bei der herkömmlichen Technologie zur Exploration von Öl- und Gasressourcen werden punktförmige elektronische Detektoren verwendet, die Nachteile haben, wie z. B. eine geringe Einsatzeffizienz und eine lange experimentelle Zeit in großem Maßstab. DAS verwendet konventionelle Kommunikations-Lichtwellenleiter als Sensorkomponenten, die kostengünstig sind und während des gesamten Lebenszyklus des Bohrens eine Rolle spielen können, Fertigstellung, Produktion, etc., mit deutlichen Vorteilen.
Außerdem, Aufgrund der geringen Größe und des geringen Gewichts der optischen Fasern, Sie lassen sich leicht in Strukturen wie Verbundwerkstoffe für die Luft- und Raumfahrt einbetten, Baustoffe, Bodenmedien, etc. DAS kann akustische Emissionssignale im Inneren der Materialien leicht erfassen, Permanente Online-Überwachung von Materialien und Strukturen.

Zukünftige Entwicklungstrends und Herausforderungen

Die DAS-Technologie ist kontinuierlich gereift, Der Anwendungsmarkt expandiert, und die Aussichten blühen. Vor kurzem, Ausländische Wissenschaftler haben vorgeschlagen, vorhandene unterirdische Glasfasern für die Kommunikation zu nutzen, um ein groß angelegtes Überwachungsnetz für geologische Analysen und große Naturkatastrophen aufzubauen (Erdbeben) Erkennung. In dieser Entwicklungsrichtung können die Vorteile der großräumigen räumlichen kontinuierlichen Wahrnehmung von DAS genutzt werden, Reaktivierung aller redundanten Kommunikations-Glasfaserressourcen unter der Erde weltweit, und hat einen sehr hohen Marktwert und Entwicklungspotenzial.
Obwohl die DAS-Technologie erhebliche Fortschritte gemacht hat, Sie ist noch nicht vollständig ausgereift und es gibt noch wichtige technische Engpässe, die behoben werden müssen, hauptsächlich mit Verbesserung der Empfindlichkeit, Mehrdimensionale Detektion, und neue Paradigmen der Datenverarbeitung.
Die Empfindlichkeit der DAS-Technologie ist im Vergleich zur verteilten Sensorik relativ hoch. Aber, im Vergleich zu herkömmlicher Punktmesstechnik, Es besteht noch eine erhebliche Lücke. Anwendung der DAS-Technologie in großem Maßstab, Es ist notwendig, die Empfindlichkeit dieser Technologie deutlich zu verbessern, Damit liegt es nahe am Niveau bestehender Punktmessgeräte, um bestehende technologische Mittel in verschiedenen Anwendungsbereichen wirklich zu ersetzen.
Gleichzeitig, die vorhandene Detektionsfähigkeit von DAS ist nach wie vor durch die eindimensionale axiale Struktur von optischen Fasern begrenzt, und es ist schwierig, eine dreidimensionale Positionierung von Störquellen und eine Mehrkomponentenerfassung von Signalen zu erreichen, was die technische Leistungsfähigkeit und den Anwendungsbereich von DAS in gewissem Maße einschränkt. Verteilte 2D/3D-Positionserkennung und Drohnen-Gegenmaßnahmen auf Basis von Bildern

Außerdem, Die Langstrecke, Räumlich dichte Probenahme, und die zeitbereichsdichten Abtastfunktionen von DAS erzeugen eine riesige Menge an Sensordaten. Wie die riesige Menge an Rohdaten in Echtzeit in nützliche Sensorsignale umgewandelt werden kann, erfordert die Entwicklung neuer Datenverarbeitungsmethoden und -algorithmen.

Zusammenfassend, Die DAS-Technologie stellt ein revolutionäres technologisches Mittel zur Wahrnehmung der physischen Welt dar, die für die Förderung der wissenschaftlichen Forschung und der intelligenten Entwicklung der menschlichen Gesellschaft von großer Bedeutung ist.