分散型光ファイバー音響センシングシステムDAS

光ファイバー温度センサ, インテリジェント監視システム, 中国の分散型光ファイバーメーカー

分散型光ファイバー音響センシングの定義

分散型音響センシングシステム (DASの) は、光ファイバーセンシングケーブルの長さに沿った音響相互作用を測定する光ファイバーオプトエレクトロニクスデバイスです.

 

分散型音響センシングシステムのユニークな特徴は、連続的な (または分散) センシングケーブルの長さに沿った温度分布, 離散的な検出ポイントではなく.

分散型音響センシング技術

通常は, DASテクノロジーは、標準の通信光ファイバーケーブルを使用します, また、特殊な光ファイバーケーブルは高温でのみ必要です (より大きい 100 °C). センシングファイバーは通常、シングルモードファイバーに基づいています, 一部の特殊なアプリケーションでは、マルチモードセンシングファイバーが使用されます.

 

DASシステムの範囲は通常、センシングファイバーあたり最大50kmです, そして、各照会ユニットは通常持っています 1 又は 2 同時に操作できるチャンネル. 例えば, DASは最大100kmまで測定可能, 2チャンネルユニットは任意の方向に50kmを測定できます.

 

測定原理

分散型音響センサーインテロゲーションユニットは、レーザーパルスを光ファイバーに送信します. このタイプの光パルスがファイバーに沿って伝播すると、, ファイバー内の相互作用により、後方散乱と呼ばれる光の反射が発生します, これは小さなひずみによって決定されます (または振動) ファイバー内のイベント, これは、局所的な音のエネルギーによって引き起こされます. この後方散乱光は、光ファイバーに沿って上方に伝搬し、インテロゲーションユニットに到達します, レイリー周波数でサンプリングされます. レーザーパルスに必要な時間により、後方散乱イベントをファイバー距離に正確にマッピングできます – これは、光時間領域反射率計として知られています.

 

現在市場に出回っているほとんどの分散型音響センシングシステムは、コヒーレント光時間領域反射率計と呼ばれる原理に基づいています (コトル).

空間分解能と空間サンプリング周期

空間分解能は、主に放出されるパルスの持続時間によって決まります, また、100nsのパルスで与えられる10mの分解能が一般的な値です. 反射光の量はパルス長に比例します, そのため、空間解像度と最大範囲の間にはトレードオフがあります. 最大範囲を改善するために, 反射光のレベルを上げるために、より長いパルス長を使用することが望まれています, しかし、これはより高い空間解像度につながります. 通常, ほとんどのシステムの空間分解能は 5-10 メートル.

 

DASと他の光ファイバ分布センシングシステムとの比較

他にも多くの分散型光ファイバーセンシング技術があり、それらは異なる散乱メカニズムに依存しており、他のパラメータの測定に使用できます.

 

ブリルアンベースのシステムは、分布ひずみと温度の測定に一般的に使用されます.
ブリルアン散乱はレイリー散乱よりもはるかに弱いです, そのため、測定を可能にするには、複数のパルスからの反射を加算する必要があります. そこで, ブリルアン散乱を使用して変化を測定する最大周波数は、通常、数十Hzです, 一方、レイリーベースのCOTDR DASシステムはkHz感度を持っています.

ラマンベースのシステムは、温度測定に一般的に使用されます, 一方、DTS システムは通常、ラマン技術に基づいています. ラマン散乱の強度は、ブリルアン散乱の強度よりもさらに低くなっています, そのため、妥当な結果を得るには、通常、平均して数秒または数分かかります. そこで, ラマンベースのシステムは、ゆっくりと変化する温度の測定にのみ適しています.

 

データ収集, 信号処理, と視覚化

分散型音響センシングシステムによって生成される大量のデータによる, 経営戦略を立てることは非常に重要です, 加工, データの視覚化. これらのシステムは、上記の速度でデータを収集します 10 最大Khz 20 センシングポイント. これは、テラバイトのドライブが数日以内にいっぱいになる速度に相当します.

 

通常は, 照会ユニットは処理ユニットに接続されています (産業用PCまたはサーバー) データの保存と処理を管理する. 通常は, 生データの保存に使用されるスクロール バッファがありますが、これを超えるコンテンツはほとんど保存されません.

 

処理ユニットは、一連のインテリジェントアルゴリズムを使用してプログラムされ、生データを解釈し、事前定義されたイベントと一致するかどうかを分析します, 侵入イベントやパイプラインのリークなど. 光ファイバーセンシングケーブルは複数のエリアに分割されます, 特定の選択されたアルゴリズムが選択され、アラートが各エリア内に割り当てられます.

 

これらのイベントを視覚化するには、さまざまな方法があります. 1 つの方法は、DTS 固有の視覚化ソフトウェアを使用することです, 例えば、サイトマップやチャートに基づいて光ファイバーの経路を表示するなど, そしてイベントがあるかどうか, イベントの場所が強調表示され、アラームが表示されます. 別のアプローチは、DASソフトウェアインターフェースを既存のSCADAと統合することです, コントロール, またはセキュリティソフトウェアパッケージ. この場合, このイベントでは、関係者のソフトウェアに焦点を当てます 3.

DAS測定原理:

 

DASがコヒーレントレイリー散乱に基づく分散型光ファイバーセンサーであることを説明するリンクを追加してください. 光ファイバーの音に対する感度を利用しています (振動). センシング光ファイバに外部振動が作用すると, 弾性光学効果による, 光ファイバーの屈折率と長さはわずかに変化します, その結果、光ファイバ内部の伝送信号の位相変化と光強度の変化が生じます.

 

音波による位相変化は非常に小さいです, そのため、DASシステムは通常、コヒーレント性の高いパルス光源を使用します. パルス幅領域内のレイリー散乱信号間で干渉が発生します. 外部振動が相変化を引き起こす場合, その点でのコヒーレントなレイリー散乱信号の強度は変化します. 振動前後のレイリー散乱光信号の強度変化を検出することにより (差動信号), 振動イベント検出が可能, また、複数の振動イベントを同時に正確に特定できます.

 

DASテクノロジーの利点:

 

測定の死角のない温度と振動の連続分布測定

 

複数のイベントの同時検出と正確な位置特定

 

光ファイバーは、伝送とセンシングを組み合わせたセンサーです

 

60 キロメートルの超長距離測定距離, 豊富な測定情報

 

速い応答速度, アラーム within 1 秒

 

光信号伝送, 完全に電気的に絶縁されています, 電磁干渉に対する耐性

 

本質安全防爆仕様, 可燃性および爆発性の環境での長期運転に適しています

 

誤報率の低い安定した信頼性の高い測定

 

光ファイバーの長寿命化, まで 30 メンテナンスフリー年

 

DASのパフォーマンス特性:

 

長い温度距離: 50キロメートル

 

迅速な対応: 典型的な 1 秒

 

高い位置決め精度: 2-50m

 

高感度: 光ケーブルの周囲40m以内の振動を感知できます

 

振動と温度の同時監視

 

光ファイバー障害のオンライン監視機能

万物を知覚することは、スマートな地球を構築するための重要な技術支援です, スマートシティ, そしてスマートオーシャン. 分散型光ファイバー音響センシング (DASの) 技術は、振動場や音場の連続的な分布検出を実現できる新しいタイプのセンシング技術です. これは、光ファイバの狭い線幅の単一周波数レーザーによって誘起されるコヒーレントレイリー散乱の高感度特性を利用しています, 反射率計の原理との組み合わせ, 光ファイバと相互作用する環境振動や音場情報を長距離かつ高い時空間精度で知覚する. このユニークな情報認識能力は、DAS技術に対して学界と産業界の両方から広く注目を集めています. DASテクノロジーのパフォーマンスは絶えず向上しています, そして、そのアプリケーションは急速に発展しています. これは、境界侵入検出における独自の技術的利点と可能性を実証しています, 鉄道の安全性のオンライン監視, 地球物理学的探査, およびその他のエリア.

そのユニークな利点により, DASは、業界のブレークスルーを求めるために、さまざまな分野からますます多くの専門家を引き付けています, 同時に、DAS技術の向上に対する要求も高まっています.

10年以上の開発を経て, DASは、複数の分野でかけがえのない役割を果たしてきました, 特に長距離のアプリケーションシナリオでは, 大規模, および時空間密度検出, 境界セキュリティを含む, 運輸, 地球物理学的探査, 構造ヘルスモニタリング, およびその他の分野. 研究者はまた、さまざまな分野のパーソナライズされたアプリケーションのニーズを満たすために、DASテクノロジーを継続的に改善しています.

境界セキュリティの分野では、, 従来の方法と比較して, DASには、強力な環境適応性などの利点があります, 高い隠蔽性, 広い監視範囲, そして分布した死角. しかし, DASが検出する多数の複雑な信号に基づいて、光ファイバーケーブルに沿ってどのような妨害や侵入が発生したかをどのように判断するかは技術的な課題です.
鉄道輸送の分野で, DAS技術は、パッシブ光ファイバをセンシングおよび伝送デバイスとして使用します, これは、光ファイバーラインに沿った外乱信号の空間連続センシングを実現できます. 電磁干渉防止の特性があります, 長距離分布測定, 単位距離あたりの低コスト, また、現場での電源供給も不要. 既存のポイント電磁センシング技術の欠点を効果的に補うことができます, 鉄道輸送のアプリケーションニーズを満たす, 既存の鉄道路線に迅速に統合できます. それは広く適用されています.

 

石油・ガス資源探査もDAS技術の重要な応用です. 従来の石油・ガス資源探査技術は、ポイント型電子検出器を使用していました, 展開効率が低く、大規模な実験時間が長いなどの欠点があります. DASは、センサー部品として従来の通信用光ファイバーを使用しています, これは低コストで、掘削のライフサイクル全体を通じて役割を果たすことができます, 完了, 生産, 等。, 大きな利点.
さらに, 光ファイバーの小型軽量性による, 航空宇宙複合材料などの構造物に簡単に埋め込むことができます, 建築材料, 土壌メディア, 等. DASは、材料内部のアコースティックエミッション信号を簡単に取得できます, 材料と構造の恒久的なオンライン監視を実現.

今後の開発動向と課題

DASテクノロジーは成熟し続けています, アプリケーション市場は拡大しています, そして、見通しは繁栄しています. 最近, 海外の学者たちは、既存の地下通信光ファイバーを使用して、地質分析や大規模自然災害のための大規模な監視ネットワークを構築することを提案しています (地震) 検出. この開発の方向性は、DASの大規模な空間的連続知覚の利点を活用できます, 世界中のすべての冗長通信光ファイバーリソースを地下に再アクティブ化します, 非常に高い市場価値と開発の可能性を秘めています.
DAS技術は大きな進歩を遂げましたが, まだ完全には成熟しておらず、対処すべき重要な技術的ボトルネックがまだあります, 主に感度向上を含む, 多次元検出, そして新しいデータ処理パラダイム.
DAS技術の感度は、分散センシング技術に比べて比較的高いです. しかし, 従来のポイントセンシング技術との比較, まだ大きなギャップがあります. DAS技術を大規模に応用する, この技術の感度を大幅に向上させる必要があります, 既存のポイントセンシングデバイスのレベルに近づける, さまざまな応用分野で既存の技術的手段を真に置き換えるために.
同時に, DASの既存の検出能力は、光ファイバーの1次元軸構造によってまだ制限されています, また、外乱源の3次元位置決めや信号の多成分検出を実現することは困難です, これにより、DASの技術的パフォーマンスと適用範囲がある程度制限されます. 画像に基づく分散型2D/3D測位検知とドローン対策

さらに, 長距離, 空間的に密集したサンプリング, また、DASの時間領域高密度サンプリング機能により、大量のセンシングデータが生成されます. 膨大な量の生データを有用なセンシング信号にリアルタイムで変換するには、新しいデータ処理方法とアルゴリズムの開発が必要です.

まとめ, DASテクノロジーは、物理世界の認識に革新的な技術的手段を提供します, これは、科学研究と人間社会の知的発展を促進するために非常に重要です.