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      歐美大地 巖土工程監測
      巖土工程監測
      想了解光纖傳感技術,一定要看這篇文章
      發布時間:2021-08-31 瀏覽次數:63083 來源:歐美大地

      詳細介紹了分布式光纖聲波傳感DAS系統的具體測量原理以及衡量其實際監測性能的技術參數:傳感距離、空間分辨率、頻率響應和信噪比。以管道泄漏、周界安防和水力壓裂為例,說明了DAS系統在工程監測中的實際應用效果。


      在巖土工程及各類結構健康及安全監測領域中,對溫度、應變、微振等信號的監測精度、覆蓋范圍、空間分辨率、智能化數據采集等指標都提出了越來越高的要求。近年來,各類光纖傳感技術以其屏蔽電磁干擾、射頻干擾、傳輸衰減小、防爆、高穩定性等特點,越來越得到國內外監測領域研究者和應用者的密切關注。

      隨著光纖傳感技術的不斷發展與完善,相較于傳統的各類點監測傳感技術而言,應用激光在光纖內部傳輸時產生多種后向散射形式實現物理量監測的分布式光纖傳感(distributed optical fiber sensing,DOFS)技術,在監測范圍、環境適應性、傳輸損耗控制和系統魯棒性等方面都展現出了極大的優勢。目前,分布式光纖傳感技術主要依據其原理的不同分為5類。


      #01 分布式光纖傳感技術的分類

      作為分布式光纖傳感技術發展的前沿領域,基于光纖內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,能夠根據外界聲波變化和散射信號的相位變化進行實時對應。目前,國內對DAS技術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、信號增強技術等方向。相對而言,國外DAS技術的工程應用研究起步更早,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、泄漏檢測等工程領域的應用研究和拓展方向。

      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,在配合恰當的信號解調和信號識別算法的條件下,DAS 系統能夠對外界擾動模型進行高精度、高信息豐度的實時重建。


      分布式光纖聲波傳感系統

      系統結構

      分布式光纖聲波傳感(DAS)系統主要由高相干性脈沖激光源、光信號放大/ 解調器、單模(或多模)光纖和數據處理分析裝置組成,其系統結構如圖2所示。相干光脈沖進入光纖后,外界聲波信號導致光纖內后向瑞利散射光的相位發生變化,這一變化由光探測器進行記錄和解調,從而得到聲源的相關信息。


      #02 DAS系統結構示意圖

      不同于傳統的常規點式傳感,DAS系統中整條光纖均能夠作為傳感元件,這使得其能夠在極大的傳感覆蓋區域內采集微振信號。此外,由于系統中激勵光脈沖在光纖中產生的后向瑞利散射能夠在信號放大/解調器中得到實時的采集和分析,因此,系統整體同樣適用于對動態物理量的變化情況進行實時監測。

      作為整個DAS系統核心組件的數據處理分析裝置,其主要作用是能夠對光纖沿線探測到的數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也已應用于提升和優化DAS實時信號分析處理性能之中。


      分布式光纖聲波傳感系統

      監測原理

      分布式光纖聲波傳感系統本質上是一類散射型DOFS,激光在光纖中傳導會產生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變和溫度的探測;拉曼散射光則主要對溫度效應敏感。DAS系統的探測原理基于Taylor H F 等人于1993年首次提出的相位敏感型光時域反射計(Φ-OTDR)技術。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技術能夠探測到外界應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解調。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,其基本結構如圖4所示。傳感光纖受外界擾動后的信號被探測器持續采集和處理,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系,因此,基于Φ-OTDR原理的DAS技術在對傳感光纖沿線數千個離散位置的散射信號相位信息進行解調和提取后,能夠重構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(應變、溫度、微振等)。當前,Φ-OTDR技術是分布式光纖傳感中靈敏度最高的技術手段之一。


      #04 Φ-OTDR系統結構示意圖

      由于傳感光纖不涉及任何有源電信號,因此其具備良好的抗電磁輻射干擾和抗射頻干擾能力,不會受到現場光線和極端天氣的影響,能夠實現對覆蓋區域長期穩定的監測。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生的擾動之間不會產生相互的混疊現象,這也便于系統對擾動源的具體位置實現準確定位。


      分布式光纖聲波傳感系統

      核心參數

      01 傳感距離

      傳感距離參數主要用來表征DAS系統進行各項符合監測要求的有效傳感區域范圍。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即可達到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移至SBS之中,從而導致系統總體信噪比大大降低。設最大傳感距離為Lc,則有效傳感距離L應為:


      式中,PSBS、LSBS—引起SBS效應的光功率和受SBS效應影響的最大傳感距離;

      gB—布里淵增益系數;

      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位置上有效分辨的最小距離,它能夠表征DAS系統對于某特定目標事件的定位精度,也是衡量其系統性能的主要參數之一。

      一般來說,空間分辨率主要受激勵光脈沖寬度影響,且應為脈沖寬度的一半。但從前述DAS系統的組成來看,空間分辨率會受到相干脈沖激光源、信號采集系統和模數轉換(A/D)組件的綜合影響。據此,空間分辨率的有效值Δz可以由下式得出:


      03 頻率響應

      DAS系統通過對光纖內的后向瑞利散射光進行探測來還原外部擾動模型,其實質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,同時在光纖中應保證脈沖光之間不發生混疊現象。綜合以上因素,根據Nyquist采樣定理及相關經驗公式,系統最大可探測頻率fmax應為:


      04 信噪比

      作為一種對周邊環境非常敏感的分布式檢測技術,DAS 系統信號傳輸的信噪比(SNR)會對光信號質量產生直接影響??紤]到光纖中信號傳輸的固有損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系統為例,目前其能夠實現實時傳感監測的最長距離已經達到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制解調儀的方式實現更大覆蓋范圍的監測要求。另外,DAS系統也能夠支持進行目前常規分布式光纖的應變和溫度監測。



      分布式光纖聲波傳感系統

      典型工程應用


      01 管道泄漏監測


      輸水、輸油管道在資源調配和運輸過程中起到至關重要的作用,其穿孔或泄漏會造成水、油氣等資源的持續損失,并附帶有環境污染、停產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、監測難度大和防爆要求高等特點對管道泄漏的監測技術提出了更加嚴格的要求。


      相對于傳統基于溫度監測的分布式光纖監測技術,針對聲學信號的DAS技術可以綜合多種監測物理量,進而對多種管道破裂、泄漏現象等故障模式進行識別和實時反饋。與傳統溫度監測不同,DAS系統還能夠依據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鍵的預警信息。從圖5中可以看出,管道發生泄漏時,自泄漏孔處產生的負壓脈沖信號沿管道方向傳播,DAS系統能夠在2km以上的長度范圍內對負壓脈沖信號進行持續監測。圖6顯示了此信號在瀑布圖中的監測結果。


      #05 針對管道破裂特征的


      #06 潛在泄露孔噪聲DAS

      另外,根據管道內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。不同相流體發生滲漏的流動特點、聲信號特征和溫度分布均存在較大區別,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系統同樣能夠根據聲信號配合監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系統在數公里長度范圍內根據清管器在管道內運動產生的聲信號特征實現持續追蹤定位的效果。


      #08 利用DAS系統進行清管器位置追蹤

      DAS系統相比傳統基于溫度的分布式監測方式,能夠通過泄漏物隆起應變、負壓脈沖、孔口噪聲和溫度梯度等多種信號進行綜合監測,因而在地下/海底管道環境中具有更好的準確性和環境適應性。


      02 周界安防監測


      機場、核電站、工業廠房等重要區域的周界安全關乎人員的生命安全和設備的穩定正常運行,對周界安全的實時監控和入侵源的實時定位具有重大意義。DAS系統使用靈活的光纖傳感方式,非常適合這類范圍廣、隱蔽性強、靈敏度要求高的被動式安防監測項目。近年來,在國內外諸多重要設施的安全和監控領域都不斷進行著DAS系統的應用嘗試,引起了國內外工程人員的廣泛關注。

      在可能出現的周界入侵事件中,在大范圍內識別、預警不同模式的入侵行為是評價監測有效性的重要指標。DAS系統本身具備極好的空間定位性,加之其能夠根據不同入侵行為發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,能夠實時區別和分析不同的入侵行為。DAS系統對不同入侵形式的識別效果如圖9所示。


      #09 Φ-OTDR系統結構示意圖

      進一步地,在確定了入侵事件發生的位置和入侵源類別后,DAS系統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模式。這種高信息豐度的分析模式能夠提供關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,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、注水井增注的一項重要技術措施。需要壓裂改造以獲得開發效益的非常規油氣資源在勘探開發中所占的比重,許多油區甚至超過了70%。

      通過DAS系統對壓裂過程中采集的微振信號進行分析,能夠預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,并最終評估產氣性能。DAS系統的傳感光纖具有良好的柔性,能夠適應復雜的地下條件,相較于傳統監測手段,DAS 系統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發展過程,如圖11所示。


      #11 DAS系統監測壓裂井中裂縫起始點及發展狀態

      DAS系統同樣也能夠布設于井組中各壓裂井中,從而建立多個井間信號監測信道。圖12、圖13展示了在水力壓裂井間布設DAS系統的方案圖和監測實際裂縫發展的趨勢圖。從圖中可以看出,DAS系統不僅能夠有效監測裂縫擴展主事件,還能夠監測到擴展發生前的能量累積前兆和擴展后的小裂縫位置等詳細信息。這種布設方式能夠對流體在裂縫中發生突破的位置和程度進行動態監測,并且對裂縫中產生的應變峰進行準確定位。


      #12 各壓裂井間DAS系統的布設方案示意圖


      #13 壓裂井中流體突破所導致的裂縫擴展過程

      上述應用表明,在難以對地下水力壓裂過程進行常規監測時,基于聲信號的DAS系統能夠對裂縫擴展過程進行明確而直觀地動態反映,這些監測結果也能夠為水平井組的壓裂后評估及壓裂設計方案優化提供重要依據。


      總結

      隨著光纖傳感技術的不斷發展和完善,其在巖土工程與結構監測等多個領域中得到了廣泛應用。分布式光纖聲波傳感系統(DAS)作為分布式光纖傳感技術(DOFS)的前沿領域,實現了聲波和溫度信號的綜合監測,從而能夠精確、穩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極為豐富的特征信息,為光纖傳感技術提供了新的技術角度。

      同時,應用工程研究是推動DAS技術發展的主要動力。當前,智慧城市、智慧園區等新興領域不僅關注監測區域覆蓋范圍和監測精度,還對事件信號的分類、識別和處理提出了更高的要求。DAS技術以其監測的靈活性和可擴展性特點受到廣泛的關注,其應用也從當前的結構與巖土工程監測擴展至石油、材料、物探、地震、航空等多個領域。所以,進一步提高DAS技術傳感距離、測量精度、動態信號分析算法等方向將是未來進一步研究的重點。


      參考文獻:王子恒, 景洪. 分布式光纖聲波傳感系統的研究與工程應用[J]. 傳感器世界, 2020, 26(12):12-18.

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