摘要
詳細介紹了分布式光纖聲波傳感DAS系統(tǒng)的具體測量原理以及衡量其實際監(jiān)測性能的技術(shù)參數(shù):傳感距離、空間分辨率、頻率響應(yīng)和信噪比。以管道泄漏、周界安防和水力壓裂為例,說明了DAS系統(tǒng)在工程監(jiān)測中的實際應(yīng)用效果。
在巖土工程及結(jié)構(gòu)健康及安全監(jiān)測領(lǐng)域中,對溫度、應(yīng)變、微振等信號的監(jiān)測精度、覆蓋范圍、空間分辨率、智能化數(shù)據(jù)采集等指標都提出了越來越高的要求。近年來,各類光纖傳感技術(shù)以其屏蔽電磁干擾、射頻干擾、傳輸衰減小、防爆、高穩(wěn)定性等特點,越來越得到國內(nèi)外監(jiān)測領(lǐng)域研究者和應(yīng)用者的密切關(guān)注。
隨著光纖傳感技術(shù)的不斷發(fā)展與完善,相較于傳統(tǒng)的各類點監(jiān)測傳感技術(shù)而言,應(yīng)用激光在光纖內(nèi)部傳輸時產(chǎn)生多種后向散射形式實現(xiàn)物理量監(jiān)測的分布式光纖傳感(distributed optical fiber sensing,DOFS)技術(shù),在監(jiān)測范圍、環(huán)境適應(yīng)性、傳輸損耗控制和系統(tǒng)魯棒性等方面都展現(xiàn)出了優(yōu)勢。目前,分布式光纖傳感技術(shù)主要依據(jù)其原理的不同分為5類。
#01 分布式光纖傳感技術(shù)的分類
作為分布式光纖傳感技術(shù)發(fā)展的領(lǐng)域,基于光纖內(nèi)部后向瑞利散射反映待測物理量變化情況的分布式光纖聲波傳感(distributed optical fiber acoustic sensing,DAS)技術(shù),能夠根據(jù)外界聲波變化和散射信號的相位變化進行實時對應(yīng)。目前,國內(nèi)對DAS技術(shù)的理論研究以電子科技大學饒云江教授團隊、中科院上海光學精密機械研究所蔡海文教授團隊等為代表,主要集中在提高傳感性能、信號增強技術(shù)等方向。相對而言,國外DAS技術(shù)的工程應(yīng)用研究起步更早,以英國OptaSense、Silixa公司、德國AP Sensing公司等為代表,主要集中在周界安防、泄漏檢測等工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究和拓展方向。
相比僅是對傳感光纖沿線振動信號進行定性表征的分布式光纖振動傳感(distributed optical fiber vibration sensing,DVS)技術(shù),在配合恰當?shù)男盘柦庹{(diào)和信號識別算法的條件下,DAS 系統(tǒng)能夠?qū)ν饨鐢_動模型進行高精度、高信息豐度的實時重建。
分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
分布式光纖聲波傳感(DAS)系統(tǒng)主要由高相干性脈沖激光源、光信號放大/ 解調(diào)器、單模(或多模)光纖和數(shù)據(jù)處理分析裝置組成,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。相干光脈沖進入光纖后,外界聲波信號導致光纖內(nèi)后向瑞利散射光的相位發(fā)生變化,這一變化由光探測器進行記錄和解調(diào),從而得到聲源的相關(guān)信息。
#02 DAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
不同于傳統(tǒng)的常規(guī)點式傳感,DAS系統(tǒng)中整條光纖均能夠作為傳感元件,這使得其能夠在大的傳感覆蓋區(qū)域內(nèi)采集微振信號。此外,由于系統(tǒng)中激勵光脈沖在光纖中產(chǎn)生的后向瑞利散射能夠在信號放大/解調(diào)器中得到實時的采集和分析,因此,系統(tǒng)整體同樣適用于對動態(tài)物理量的變化情況進行實時監(jiān)測。
作為整個DAS系統(tǒng)核心組件的數(shù)據(jù)處理分析裝置,其主要作用是能夠?qū)饫w沿線探測到的數(shù)千個聲信號進行并行、實時的去噪、定位、識別和分類處理。目前,實時小波去噪和偏振分集等技術(shù)也已應(yīng)用于優(yōu)化DAS實時信號分析處理性能之中。
分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)
監(jiān)測原理
分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)本質(zhì)上是一類散射型DOFS,激光在光纖中傳導會產(chǎn)生3種后向散射光,如圖3所示。從信號強度來看,布里淵散射光主要用于分布式應(yīng)變和溫度的探測;拉曼散射光則主要對溫度效應(yīng)敏感。DAS系統(tǒng)的探測原理基于Taylor H F 等人于1993年提出的相位敏感型光時域反射計(Φ-OTDR)技術(shù)。激光光源具有高相干性和超窄線寬的特點,通過后向瑞利散射光的干涉效應(yīng)對微振信號進行測量。
#03 光纖中不同波長的后向反射光
Φ-OTDR技術(shù)能夠探測到外界應(yīng)變擾動信號對散射光信號相位的影響,并利用光程的變化量對相位變化實現(xiàn)解調(diào)。當光程變化量為ΔS時,則:
Φ-OTDR采用高相干性的窄線寬激光器作為光源,其基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。傳感光纖受外界擾動后的信號被探測器持續(xù)采集和處理,由于后向瑞利散射光信號的相位變化與外界擾動變化的上述關(guān)系,因此,基于Φ-OTDR原理的DAS技術(shù)在對傳感光纖沿線數(shù)千個離散位置的散射信號相位信息進行解調(diào)和提取后,能夠重構(gòu)沿光纖的外界擾動的聲學信息,進而重建和識別外界擾動信息(應(yīng)變、溫度、微振等)。當前,Φ-OTDR技術(shù)是分布式光纖傳感中靈敏度的技術(shù)手段之一。
#04 Φ-OTDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
由于傳感光纖不涉及有源電信號,因此其具備良好的抗電磁輻射干擾和抗射頻干擾能力,不會受到現(xiàn)場光線和天氣的影響,能夠?qū)崿F(xiàn)對覆蓋區(qū)域長期穩(wěn)定的監(jiān)測。此外,由于擾動通過不同距離會存在時差,因此,在傳感光纖不同距離位置處產(chǎn)生的擾動之間不會產(chǎn)生相互的混疊現(xiàn)象,這也便于系統(tǒng)對擾動源的具體位置實現(xiàn)定位。
分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)
參數(shù)
01 傳感距離
傳感距離參數(shù)主要用來表征DAS系統(tǒng)進行各項符合監(jiān)測要求的有效傳感區(qū)域范圍。由于光纖中存在傳輸損耗及背景噪聲的影響,從原理上增加入射光光強可增大光纖傳感距離的作用。但是由于光脈沖傳輸時同時存在受激布里淵散射(stimulated Brillouin scattering,SBS),所以當入射光強大于SBS閾值時,后向瑞利散射光的能量將大量轉(zhuǎn)移至SBS之中,從而導致系統(tǒng)總體信噪比大大降低。設(shè)最大傳感距離為Lc,則有效傳感距離L應(yīng)為:
式中,PSBS、LSBS—引起SBS效應(yīng)的光功率和受SBS效應(yīng)影響的最大傳感距離;
gB—布里淵增益系數(shù);
Aeff—光纖纖芯的有效面積;
Leff—等效作用距離;
ΔvB、Δvp—布里淵線寬和入射光線寬。
02 空間分辨率
空間分辨率是指傳感光纖在布設(shè)位置上有效分辨的最小距離,它能夠表征DAS系統(tǒng)對于某特定目標事件的定位精度,也是衡量其系統(tǒng)性能的主要參數(shù)。
一般來說,空間分辨率主要受激勵光脈沖寬度影響,且應(yīng)為脈沖寬度的一半。但從前述DAS系統(tǒng)的組成來看,空間分辨率會受到相干脈沖激光源、信號采集系統(tǒng)和模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)組件的綜合影響。據(jù)此,空間分辨率的有效值Δz可以由下式得出:
03 頻率響應(yīng)
DAS系統(tǒng)通過對光纖內(nèi)的后向瑞利散射光進行探測來還原外部擾動模型,其實質(zhì)是通過激勵脈沖光將光纖作為整體傳感元件進行離散采樣,同時在光纖中應(yīng)保證脈沖光之間不發(fā)生混疊現(xiàn)象。綜合以上因素,根據(jù)Nyquist采樣定理及相關(guān)經(jīng)驗公式,系統(tǒng)最大可探測頻率fmax應(yīng)為:
04 信噪比
作為一種對周邊環(huán)境敏感的分布式檢測技術(shù),DAS 系統(tǒng)信號傳輸?shù)男旁氡龋⊿NR)會對光信號質(zhì)量產(chǎn)生直接影響??紤]到光纖中信號傳輸?shù)墓逃袚p耗所導致的信號衰減,一般在光纖尾端部分的信噪比會低于光纖前端部分的信噪比,其表達式為:
以英國OptaSense公司的單臺OLA2.1型DAS系統(tǒng)為例,目前其能夠?qū)崿F(xiàn)實時傳感監(jiān)測的最長距離50km,各輸出通道間距為10m,空間分辨率為7.5m,能夠通過布置多個信號調(diào)制解調(diào)儀的方式實現(xiàn)大覆蓋范圍的監(jiān)測要求。另外,DAS系統(tǒng)也能夠支持進行目前常規(guī)分布式光纖的應(yīng)變和溫度監(jiān)測。
分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)
典型工程應(yīng)用
01 管道泄漏監(jiān)測
輸水、輸油管道在資源調(diào)配和運輸過程中起到至關(guān)重要的作用,其穿孔或泄漏會造成水、油氣等資源的持續(xù)損失,并附帶有環(huán)境污染、停產(chǎn)補漏工作等一系列嚴重后果。管道運輸特有的分布范圍廣、泄漏形式多樣、監(jiān)測難度大和防爆要求高等特點對管道泄漏的監(jiān)測技術(shù)提出了更加嚴格的要求。
相對于傳統(tǒng)基于溫度監(jiān)測的分布式光纖監(jiān)測技術(shù),針對聲學信號的DAS技術(shù)可以綜合多種監(jiān)測物理量,進而對多種管道破裂、泄漏現(xiàn)象等故障模式進行識別和實時反饋。與傳統(tǒng)溫度監(jiān)測不同,DAS系統(tǒng)還能夠依據(jù)聲波信號特征判斷潛在的負壓脈沖和泄漏孔噪聲信息,這也為泄漏檢查和維護提供了關(guān)鍵的預(yù)警信息。從圖5中可以看出,管道發(fā)生泄漏時,自泄漏孔處產(chǎn)生的負壓脈沖信號沿管道方向傳播,DAS系統(tǒng)能夠在2km以上的長度范圍內(nèi)對負壓脈沖信號進行持續(xù)監(jiān)測。圖6顯示了此信號在瀑布圖中的監(jiān)測結(jié)果。
#05 針對管道破裂特征的
#06 潛在泄露孔噪聲DAS
另外,根據(jù)管道內(nèi)運輸物的物相特點可將運輸物分為氣相、液相和混合相3類。不同相流體發(fā)生滲漏的流動特點、聲信號特征和溫度分布均存在較大區(qū)別,如圖7所示。
#07 不同相泄露DAS聲信號特征
在管道利用清管器進行維護的過程中,DAS系統(tǒng)同樣能夠根據(jù)聲信號配合監(jiān)測清管器的實時自動追蹤和定位,并檢查可能存在的管道泄漏位置。圖8顯示了DAS系統(tǒng)在數(shù)公里長度范圍內(nèi)根據(jù)清管器在管道內(nèi)運動產(chǎn)生的聲信號特征實現(xiàn)持續(xù)追蹤定位的效果。
#08 利用DAS系統(tǒng)進行清管器位置追蹤
DAS系統(tǒng)相比傳統(tǒng)基于溫度的分布式監(jiān)測方式,能夠通過泄漏物隆起應(yīng)變、負壓脈沖、孔口噪聲和溫度梯度等多種信號進行綜合監(jiān)測,因而在地下/海底管道環(huán)境中具有好的準和環(huán)境適應(yīng)性。
02 周界安防監(jiān)測
機場、核電站、工業(yè)廠房等重要區(qū)域的周界安全關(guān)乎人員的生命安全和設(shè)備的穩(wěn)定正常運行,對周界安全的實時監(jiān)控和入侵源的實時定位具有重大意義。DAS系統(tǒng)使用靈活的光纖傳感方式,適合這類范圍廣、隱蔽性強、靈敏度要求高的被動式安防監(jiān)測項目。近年來,在國內(nèi)外諸多重要設(shè)施的安全和監(jiān)控領(lǐng)域都進行著DAS系統(tǒng)的應(yīng)用嘗試,引起了國內(nèi)外工程人員的關(guān)注。
在可能出現(xiàn)的周界入侵事件中,在大范圍內(nèi)識別、預(yù)警不同模式的入侵行為是評價監(jiān)測有效性的重要指標。DAS系統(tǒng)本身具備很好的空間定位性,加之其能夠根據(jù)不同入侵行為發(fā)生時擾動的振幅和頻率差異對入侵信號進行快速采集,因此,能夠?qū)崟r區(qū)別和分析不同的入侵行為。DAS系統(tǒng)對不同入侵形式的識別效果如圖9所示。
#09 Φ-OTDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
進一步地,在確定了入侵事件發(fā)生的位置和入侵源類別后,DAS系統(tǒng)能夠進一步對入侵方式的聲信號特征加以細化,抽取其頻譜特征,并建立信號特征與入侵方式的對應(yīng)模式。這種高信息豐度的分析模式能夠提供關(guān)于入侵事件在幾十公里長度上的具體位置、周界穿越方法的具體細節(jié),如圖10所示。
#10 不同入侵周界方式的聲波信號特征對比
03 水力壓裂監(jiān)測
水力壓裂是指利用水力作用使油層形成裂縫的方法,是油氣井增產(chǎn)、注水井增注的一項重要技術(shù)措施。需要壓裂改造以獲得開發(fā)效益的非常規(guī)油氣資源在勘探開發(fā)中所占的比重,許多油區(qū)過了70%。
通過DAS系統(tǒng)對壓裂過程中采集的微振信號進行分析,能夠預(yù)測巖石破裂的時間和空間位置、計算裂縫的幾何尺寸和延伸方向,從而評價壓裂效果,并最終評估產(chǎn)氣性能。DAS系統(tǒng)的傳感光纖具有良好的柔性,能夠適應(yīng)復(fù)雜的地下條件,相較于傳統(tǒng)監(jiān)測手段,DAS 系統(tǒng)在能夠清晰直觀地探測不同深度處裂縫在豎直方向擴展的動態(tài)發(fā)展過程,如圖11所示。
#11 DAS系統(tǒng)監(jiān)測壓裂井中裂縫起始點及發(fā)展狀態(tài)
DAS系統(tǒng)同樣也能夠布設(shè)于井組中各壓裂井中,從而建立多個井間信號監(jiān)測信道。圖12、圖13展示了在水力壓裂井間布設(shè)DAS系統(tǒng)的方案圖和監(jiān)測實際裂縫發(fā)展的趨勢圖。從圖中可以看出,DAS系統(tǒng)不僅能夠有效監(jiān)測裂縫擴展主事件,還能夠監(jiān)測到擴展發(fā)生前的能量累積前兆和擴展后的小裂縫位置等詳細信息。這種布設(shè)方式能夠?qū)α黧w在裂縫中發(fā)生突破的位置和程度進行動態(tài)監(jiān)測,并且對裂縫中產(chǎn)生的應(yīng)變峰進行定位。
#12 各壓裂井間DAS系統(tǒng)的布設(shè)方案示意圖
#13 壓裂井中流體突破所導致的裂縫擴展過程
上述應(yīng)用表明,在難以對地下水力壓裂過程進行常規(guī)監(jiān)測時,基于聲信號的DAS系統(tǒng)能夠?qū)α芽p擴展過程進行明確而直觀地動態(tài)反映,這些監(jiān)測結(jié)果也能夠為水平井組的壓裂后評估及壓裂設(shè)計方案優(yōu)化提供重要依據(jù)。
總結(jié)
隨著光纖傳感技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,其在巖土工程與結(jié)構(gòu)監(jiān)測等多個領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)(DAS)作為分布式光纖傳感技術(shù)(DOFS)的前沿領(lǐng)域,實現(xiàn)了聲波和溫度信號的綜合監(jiān)測,從而能夠精確、穩(wěn)定地重建外界擾動模型,并且能夠從聲信號的頻譜多樣性角度反映待測對象豐富的特征信息,為光纖傳感技術(shù)提供了新的技術(shù)角度。
同時,應(yīng)用工程研究是推動DAS技術(shù)發(fā)展的主要動力。當前,智慧城市、智慧園區(qū)等新興領(lǐng)域不僅關(guān)注監(jiān)測區(qū)域覆蓋范圍和監(jiān)測精度,還對事件信號的分類、識別和處理提出了更高的要求。DAS技術(shù)以其監(jiān)測的靈活性和可擴展性特點受到廣泛的關(guān)注,其應(yīng)用也從當前的結(jié)構(gòu)與巖土工程監(jiān)測擴展至石油、材料、物探、地震、航空等多個領(lǐng)域。所以,進一步提高DAS技術(shù)傳感距離、測量精度、動態(tài)信號分析算法等方向?qū)⑹俏磥磉M一步研究的重點。
參考文獻:王子恒, 景洪. 分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)的研究與工程應(yīng)用[J]. 傳感器世界, 2020, 26(12):12-18.
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