Rozproszone wykrywanie akustyczne

wykrywania akustycznego (DAS) oparte na rozpraszaniu Rayleigha wykorzystują kable światłowodowe do zapewniania rozproszonego wykrywania naprężeń. W DAS kabel światłowodowy staje się elementem czujnikowym, a pomiary są wykonywane, a częściowo przetwarzane, za pomocą dołączonego urządzenia optoelektronicznego . Taki system umożliwia wykrywanie sygnałów odkształcenia częstotliwości akustycznej na duże odległości iw trudnych warunkach.

Podstawy detekcji światłowodowej opartej na rozproszeniu Rayleigha

W rozproszonym wykrywaniu światłowodowym opartym na rozproszeniu Rayleigha spójny impuls laserowy jest wysyłany wzdłuż światłowodu, a miejsca rozpraszania w światłowodzie powodują, że światłowód działa jak rozproszony interferometr o długości miernika w przybliżeniu równej długości impulsu. Intensywność światła odbitego jest mierzona w funkcji czasu po przesłaniu impulsu laserowego. Jest to znane jako Coherent Rayleigh Optical Time Domain Reflectometry (COTDR). Kiedy impuls miał czas na pokonanie całej długości światłowodu iz powrotem, następny impuls laserowy może zostać wysłany wzdłuż światłowodu. Zmiany natężenia odbitego kolejnych impulsów z tego samego obszaru światłowodu są spowodowane zmianami długości drogi optycznej tego odcinka światłowodu. Ten typ systemu jest bardzo wrażliwy zarówno na zmiany naprężeń, jak i temperatury światłowodu, a pomiary można wykonywać niemal jednocześnie na wszystkich odcinkach światłowodu.

Możliwości systemów opartych na Rayleigh

Maksymalny zasięg

Impuls optyczny jest tłumiony podczas propagacji wzdłuż światłowodu. Dla światłowodu jednomodowego pracującego przy 1550 nm typowe tłumienie wynosi 0,2 dB/km. Ponieważ światło musi przejść dwukrotnie wzdłuż każdego odcinka światłowodu, oznacza to, że każdy 1 km powoduje całkowitą utratę 0,4 dB. Maksymalny zasięg układu występuje wtedy, gdy amplituda odbitego impulsu staje się tak mała, że ​​uzyskanie z niego wyraźnego sygnału jest niemożliwe. Nie można przeciwdziałać temu efektowi zwiększając moc wejściową, ponieważ powyżej pewnego poziomu wywoła to nieliniowe efekty optyczne, które zakłócą pracę układu. Zazwyczaj maksymalny zasięg, który można zmierzyć, wynosi około 40–50 km.

Rozdzielczość szczepu

Maksymalna wartość odkształcenia, którą można zmierzyć, zależy od stosunku nośnej do szumu powracającego sygnału optycznego. Poziom nośnej jest w dużej mierze określany przez amplitudę sygnału optycznego, podczas gdy szum jest kombinacją szumu pochodzącego z różnych źródeł, w tym szumu lasera, szumu elektronicznego i szumu detektora.

Rozdzielczość przestrzenna i okres próbkowania przestrzennego

Rozdzielczość przestrzenna zależy głównie od czasu trwania transmitowanego impulsu, przy czym typową wartością jest impuls 100 ns dający rozdzielczość 10 m. Ilość odbitego światła jest proporcjonalna do długości impulsu, więc istnieje kompromis między rozdzielczością przestrzenną a maksymalnym zasięgiem. Aby poprawić maksymalny zasięg, pożądane byłoby zastosowanie dłuższej długości impulsu w celu zwiększenia poziomu światła odbitego, ale prowadzi to do mniejszej rozdzielczości przestrzennej. Aby dwa sygnały były niezależne, muszą być otrzymane z dwóch punktów na światłowodzie oddalonych od siebie o co najmniej rozdzielczość przestrzenną. Możliwe jest uzyskanie próbek w odstępach mniejszych niż rozdzielczość przestrzenna i chociaż daje to sygnały, które nie są od siebie niezależne, takie podejście ma zalety w niektórych zastosowaniach. Odstęp między punktami próbkowania jest czasami określany jako przestrzenny okres próbkowania .

Współczynnik pozyskiwania

Zanim następny impuls laserowy będzie mógł zostać przesłany, poprzedni musiał mieć czas, aby dotrzeć do drugiego końca światłowodu i stamtąd powrócić odbicia, w przeciwnym razie odbicia powracałyby z różnych odcinków światłowodu w tym samym czasie i system nie działałby prawidłowo. Dla światłowodu o długości 50 km maksymalna częstotliwość impulsów wynosi nieco ponad 2 kHz. Dlatego można mierzyć odkształcenia, które zmieniają się przy częstotliwościach aż do częstotliwości Nyquista 1 kHz. Krótsze włókna wyraźnie umożliwiają wyższe szybkości akwizycji.

Pomiary temperatury

Chociaż system jest wrażliwy zarówno na zmiany temperatury, jak i odkształcenia, często można je oddzielić, ponieważ zmiany spowodowane temperaturą zwykle występują w niższym zakresie częstotliwości niż odkształcenie. W przeciwieństwie do innych rozproszonych technik światłowodowych, takich jak te oparte na Brillouina lub Ramana , rozproszone wykrywanie akustyczne jest w stanie wykryć jedynie zmiany temperatury, a nie jej wartość bezwzględną.

Porównanie z innymi światłowodowymi technikami wykrywania rozproszonego

Rozproszone wykrywanie akustyczne opiera się na świetle, które jest rozpraszane wstecznie przez Rayleigha w wyniku niewielkich zmian współczynnika załamania światła światłowodu. Światło rozproszone wstecz ma taką samą częstotliwość jak światło przechodzące. Istnieje wiele innych rozproszonych technik wykrywania włókien, które opierają się na różnych mechanizmach rozpraszania i mogą być wykorzystywane do pomiaru innych parametrów. Rozpraszanie Brillouina występuje w wyniku interakcji między światłem a fononami akustycznymi przemieszczającymi się w światłowodzie. Ponieważ światło jest rozpraszane przez poruszający się fonon, jego częstotliwość jest przesuwana przez efekt Dopplera o około 10 GHz. Światło jest generowane zarówno powyżej (przesunięcie antystokesowskie), jak i poniżej ( przesunięcie Stokesowskie ) oryginalnej częstotliwości optycznej. Przesunięcia intensywności i częstotliwości tych dwóch składników zależą zarówno od temperatury, jak i odkształcenia, a mierząc przesunięcia, można obliczyć wartości bezwzględne tych dwóch parametrów przy użyciu systemu wykrywania rozproszonej temperatury i odkształcenia (DTSS). Rozproszenie Brillouina jest znacznie słabsze niż rozproszenie Rayleigha, dlatego odbicia od wielu impulsów muszą być zsumowane, aby umożliwić wykonanie pomiarów. Dlatego maksymalna częstotliwość, przy której zmiany można zmierzyć za pomocą rozpraszania Brillouina, wynosi zazwyczaj kilkadziesiąt Hz. Rozpraszanie ramanowskie występuje, gdy światło jest rozpraszane w interakcji z drganiami molekularnymi we włóknie. Podobnie jak w przypadku rozpraszania Brillouina, wytwarzane są zarówno składowe Stokesa, jak i antystokesa, które są przesunięte względem długości fali padającego światła o kilkadziesiąt nanometrów. Mierząc stosunek intensywności między składnikami Stokesa i antystokesa, można zmierzyć bezwzględną wartość temperatury za pomocą wykrywania temperatury rozproszonej (DTS). Większe przesunięcia długości fal w porównaniu z rozpraszaniem Brillouina oznaczają, że łatwiej jest oddzielić rozproszone światło ramanowskie od nieprzesuniętej składowej rozproszonej Rayleigha. Jednak intensywność rozproszenia Ramana jest mniejsza niż rozproszenia Brillouina, dlatego zwykle konieczne jest uśrednianie przez wiele sekund lub minut, aby uzyskać rozsądne wyniki. Dlatego systemy oparte na Ramanie nadają się tylko do pomiaru wolnozmiennych temperatur.

Fazowo-czuła spójna optyczna reflektometria w dziedzinie czasu

Fazowo-czuła spójna optyczna reflektometria w dziedzinie czasu (ϕ-OTDR) to technika, która może zapewnić wystarczającą czułość i rozdzielczość dla tych rozproszonych systemów wykrywania akustycznego. Standardowe optycznej reflektometrii w dziedzinie czasu wykorzystują źródła światła o długościach koherencji, które są krótsze niż długości impulsów. Może to dać sumę intensywności rozproszenia wstecznego z każdego centrum rozpraszania, co umożliwia monitorowanie spawów i przerw w kablach światłowodowych. Wręcz przeciwnie, w czujnikach opartych na ϕ-OTDR długość koherencji laserów jest większa niż długość ich impulsu. Zdarzenie w pobliżu światłowodu generuje falę akustyczną, która wpływa na światłowód poprzez zmianę faz centrów rozpraszania wstecznego. Analiza takich sygnałów może ujawnić ich wpływ na czujnik i monitorować źródła akustyczne zlokalizowane w pobliżu obiektów światłowodowych.

Aplikacje

Czułość i szybkość wykrywania opartego na technologii Rayleigha umożliwia rozproszone monitorowanie sygnałów akustycznych na odległość ponad 100 km od każdego źródła laserowego. Typowe zastosowania obejmują ciągłe monitorowanie rurociągów pod kątem niepożądanych zakłóceń oraz wycieków lub nieregularności przepływu; monitorowanie kabli zasilających pod kątem niepożądanych zakłóceń i uszkodzeń kabli; monitorowanie ruchu (drogi, linie kolejowe i pociągi), granic i innych wrażliwych granic pod kątem nietypowej aktywności; a nawet aplikacje do monitorowania odwiertów naftowych, w których technologia umożliwia określenie stanu odwiertu na całej jego długości w czasie rzeczywistym. Zdolność światłowodu do pracy w trudnych warunkach sprawia, że ​​technologia ta szczególnie dobrze nadaje się do scenariuszy, w których typowe systemy wykrywania są bezużyteczne lub niepraktyczne ze względu na warunki środowiskowe. Daleki zasięg technologii pozwala również na jej zastosowanie w wykrywaniu sejsmicznym. Jeden kabel może zapewnić ciągłą linię monitorowania regionalnej aktywności sejsmicznej, a także wykrywać trzęsienia ziemi oddalone o tysiące kilometrów. Wykazano również, że wykorzystanie rozproszonych czujników akustycznych umożliwia monitorowanie stymulacji hydraulicznej we wzmocnionych systemach geotermalnych (EGS), a także zatłaczanie dwutlenku węgla w kilku projektach wychwytywania i składowania dwutlenku węgla (CCS).

Zobacz też

  1. ^ „Typy światłowodów > Technologie światłowodowe” .
  2. ^ Henry F. Taylor, Chung E. Lee (16 marca 1993). „Patent Stanów Zjednoczonych: 5194847 - Urządzenie i sposób wykrywania włamań światłowodowych” . Zarchiwizowane od oryginału w dniu 8 grudnia 2016 r . Źródło 2016-05-06 .
  3. ^   Grzegorz Cedilnik; i in. (2018). „Zwiększenie zasięgu światłowodowego rozproszonego wykrywania akustycznego do 125 km bez użycia wzmocnienia” . Listy czujników IEEE . 3 (3): 1–4. doi : 10.1109/LSENS.2019.2895249 . S2CID 71149063 .
  4. ^ Grzegorz Cedilnik; i in. (2019). „Ultra-Long Reach Distributed Acoustic Sensing (DAS) do monitorowania kabli zasilających” (PDF) .
  5. Bibliografia _ i in. (2019). „Lokalizacja uszkodzeń za pomocą rozproszonego wykrywania akustycznego (DAS)” (PDF) .
  6. ^ Grzegorz Cedilnik; i in. (2018). „Postępy w monitorowaniu pociągów i kolei za pomocą DAS” .
  7. ^ Wieland Hill, John J. Williams i Gareth Lees (2019). „Wykrywanie światłowodowe: Inteligentne światłowodowe systemy wykrywania wzmacniają fizyczne ściany graniczne i ogrodzenia” . {{ cite web }} : CS1 maint: wiele nazw: lista autorów ( link )
  8. ^ Mestayer i in., Próby terenowe rozproszonego wykrywania akustycznego do monitorowania geofizycznego, SEG Expanded Abstracts 30, 4253 (2011)
  9. ^ Cartier, Kimberly (2019). „Nieużywane kable światłowodowe ponownie wykorzystane jako czujniki sejsmiczne” . eos . 100 . doi : 10.1029/2019EO118025 .
  10. ^   Richter, Piotr; Parker, Tom; Woerpel, Craig; Wu, Wenxia; Rufino, Rogelio; Farhadiroushan, Mahmoud (2019-08-10). „Rozproszony czujnik akustyczny o wysokiej rozdzielczości wykorzystujący światłowody do monitorowania szczelin hydraulicznych i optymalizacji w niekonwencjonalnych wykończeniach” . Rozszerzone streszczenia programu technicznego SEG 2019 . San Antonio, Teksas: Society of Exploration Geophysicists: 4874–4878. doi : 10.1190/segam2019-3215860.1 . S2CID 202182897 .
  11. ^    Correa, Julia; Pevzner, Roman; Freifeld, Barry M.; Robertson, Michelle; Daley, Thomas M.; Drewno, Todd; Tertysznikow, Konstantin; Yavuz, Sinem; Glubokovskikh, Stanislav (30.12.2021), Li, Yingping; Karrenbach, Martin; Ajo-Franklin, Jonathan B. (red.), „Ciągłe monitorowanie sejsmiczne w odwiercie za pomocą powierzchniowych wibratorów orbitalnych i rozproszonego wykrywania akustycznego w projekcie CO2CRC Otway: próba terenowa dla optymalnej konfiguracji” , seria monografii geofizycznych (wyd. 1), Wiley, str. 175–189, doi : 10.1002/9781119521808.ch13 , ISBN 978-1-119-52179-2 , S2CID 245049871 , dostęp 2022-10-29
Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Distributed_acoustic_sensing&oldid=1139942891 ”