В системах распределенного акустического зондирования (DAS) на основе релеевского рассеяния используются оптоволоконные кабели для обеспечения распределенного измерения деформации. В DAS оптоволоконный кабель становится чувствительным элементом, а измерения производятся и частично обрабатываются с использованием подключенного оптоэлектронного устройства . Такая система позволяет обнаруживать сигналы деформации акустической частоты на больших расстояниях и в суровых условиях.
При распределенном волоконно-оптическом зондировании на основе рэлеевского рассеяния когерентный лазерный импульс посылается по оптическому волокну, а места рассеяния внутри волокна заставляют волокно действовать как распределенный интерферометр с измерительной длиной, примерно равной длине импульса. Интенсивность отраженного света измеряется как функция времени после передачи лазерного импульса. Это известно как когерентная рэлеевская оптическая рефлектометрия во временной области (COTDR). Когда импульс успел пройти всю длину волокна и обратно, по волокну можно послать следующий лазерный импульс. Изменения отраженной интенсивности последовательных импульсов от одного и того же участка волокна вызваны изменениями длины оптического пути этого участка волокна. Системы этого типа очень чувствительны к изменениям деформации и температуры волокна, и измерения могут проводиться практически одновременно на всех участках волокна.
Оптический импульс затухает по мере распространения по волокну. Для одномодового волокна, работающего на длине волны 1550 нм, типичное затухание составляет 0,2 дБ/км. [1] Поскольку свет должен пройти дважды по каждому участку волокна, это означает, что каждый 1 км приводит к общим потерям в 0,4 дБ. Максимальная дальность действия системы наступает тогда, когда амплитуда отраженного импульса становится настолько низкой, что от него невозможно получить четкий сигнал. Невозможно противодействовать этому эффекту путем увеличения входной мощности, поскольку выше определенного уровня это вызовет нелинейные оптические эффекты, которые нарушат работу системы. Обычно максимальная дальность измерения составляет около 40–50 км.
Максимальное значение деформации, которое можно измерить, зависит от отношения несущей к шуму возвращающегося оптического сигнала. Уровень несущей в значительной степени определяется амплитудой оптического сигнала, тогда как шум представляет собой комбинацию сигналов от различных источников, включая лазерный шум, электронный шум и шум детектора.
Пространственное разрешение в основном определяется длительностью передаваемого импульса, при этом типичным значением является импульс длительностью 100 нс, обеспечивающий разрешение 10 м. Количество отраженного света пропорционально длине импульса, поэтому существует компромисс между пространственным разрешением и максимальной дальностью. Чтобы улучшить максимальную дальность, было бы желательно использовать более длительную длину импульса для увеличения уровня отраженного света, но это приводит к меньшему пространственному разрешению. Чтобы два сигнала были независимыми, они должны быть получены из двух точек волокна, которые разделены как минимум пространственным разрешением. Можно получать образцы с расстояниями меньшими, чем пространственное разрешение, и хотя это дает сигналы, которые не являются независимыми друг от друга, такой подход действительно дает преимущества в некоторых приложениях. Расстояние между точками отбора проб иногда называют периодом пространственной выборки .
Прежде чем следующий лазерный импульс сможет быть передан, предыдущий должен успеть дойти до дальнего конца волокна и чтобы отражения оттуда вернулись, иначе отражения возвращались бы из разных участков волокна одновременно, и система не будет работать должным образом. Для волокна длиной 50 км максимальная частота импульсов составляет чуть более 2 кГц. Следовательно, можно измерить деформации, которые изменяются на частотах до частоты Найквиста 1 кГц. Более короткие волокна явно обеспечивают более высокую скорость сбора данных.
Хотя система чувствительна как к изменениям температуры, так и к изменениям деформации, их часто можно разделить, поскольку изменения, вызванные температурой, имеют тенденцию возникать в более низком частотном диапазоне, чем деформация. В отличие от других методов распределенного оптоволокна, таких как методы, основанные на рассеянии Бриллюэна или комбинационного рассеяния света , распределенное акустическое зондирование способно обнаруживать только изменения температуры, а не ее абсолютное значение.
Распределенное акустическое зондирование основано на свете, который является рэлеевским обратным рассеянием от небольших изменений показателя преломления волокна. Обратно рассеянный свет имеет ту же частоту, что и проходящий свет. Существует ряд других методов распределенного измерения волокон, которые основаны на различных механизмах рассеяния и могут использоваться для измерения других параметров. Рассеяние Бриллюэна происходит за счет взаимодействия света и акустических фононов , движущихся по волокну. Поскольку свет рассеивается движущимся фононом, его частота смещается из-за эффекта Доплера примерно на 10 ГГц. Свет генерируется как выше (антистоксов сдвиг), так и ниже ( стоксов сдвиг ) исходной оптической частоты. Сдвиги интенсивности и частоты двух компонентов зависят как от температуры, так и от деформации, и путем измерения сдвигов можно рассчитать абсолютные значения двух параметров с помощью системы распределенного измерения температуры и деформации (DTSS). Рассеяние Бриллюэна намного слабее рассеяния Рэлея, поэтому для проведения измерений необходимо суммировать отражения от нескольких импульсов. Следовательно, максимальная частота, на которой изменения можно измерить с помощью рассеяния Бриллюэна, обычно составляет несколько десятков Гц. Комбинационное рассеяние происходит, когда свет рассеивается при взаимодействии с молекулярными колебаниями в волокне. Как и в случае рассеяния Бриллюэна, образуются как стоксовы, так и антистоксовые компоненты, которые смещаются от длины волны падающего света на несколько десятков нанометров. Измеряя соотношение интенсивностей между стоксовой и антистоксовой компонентами, можно измерить абсолютное значение температуры с помощью системы распределенного измерения температуры (DTS). Большие сдвиги длины волны по сравнению с рассеянием Бриллюэна означают, что рассеянный комбинационный свет легче отделить от несмещенной компоненты рассеяния Рэлея. Однако интенсивность комбинационного рассеяния ниже, чем рассеяние Бриллюэна, и поэтому обычно необходимо усреднять в течение многих секунд или минут, чтобы получить приемлемые результаты. Следовательно, системы на основе комбинационного рассеяния света подходят только для измерения медленно меняющихся температур.
Фазочувствительная когерентная оптическая рефлектометрия во временной области (φ-OTDR) — это метод, который может обеспечить достаточную чувствительность и разрешение для этих распределенных систем акустического зондирования. [2] Стандартные методы оптической рефлектометрии во временной области используют источники света с длиной когерентности, которая короче длины импульса. Это может дать сумму интенсивностей обратного рассеяния от каждого центра рассеяния, что позволяет отслеживать сращивания и разрывы волоконно-оптических кабелей. Напротив, в сенсорах на основе φ-OTDR длина когерентности лазеров превышает длину их импульса. Событие вблизи волокна генерирует акустическую волну, которая воздействует на оптическое волокно, изменяя фазы центров обратного рассеяния. Анализ таких сигналов позволяет выявить их влияние на датчик и контролировать источники звука, расположенные вблизи оптоволоконных объектов.
Чувствительность и скорость рэлеевского зондирования позволяют осуществлять распределенный мониторинг акустических сигналов на расстояниях более 100 км [3] от каждого лазерного источника. Типичные области применения включают непрерывный мониторинг трубопроводов на предмет нежелательных помех, а также утечек или нарушений потока; мониторинг силовых кабелей на предмет нежелательных помех и неисправностей кабелей; [4] [5] мониторинг дорожного движения (автомобильных, железных дорог [6] [7] и поездов [8] ), границ и других чувствительных периметров [9] на предмет необычной активности; и даже приложения для мониторинга нефтяных скважин, где технология позволяет определять состояние скважины по всей ее длине в режиме реального времени. Способность оптоволокна работать в суровых условиях делает эту технологию особенно хорошо подходящей для сценариев, в которых типичные сенсорные системы непригодны или непрактичны из-за условий окружающей среды. [10] Большой радиус действия этой технологии также позволяет использовать ее в сейсмическом зондировании. Один кабель может обеспечить непрерывную линию регионального мониторинга сейсмической активности, а также обнаружить землетрясения за тысячи километров. [11] Использование распределенного акустического зондирования также было продемонстрировано для мониторинга гидравлического воздействия в усовершенствованных геотермальных системах (EGS) [12] , а также закачки углекислого газа в нескольких проектах по улавливанию и хранению углерода (CCS). [13]
{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)