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尊龙凯时人生就是搏 岩土工程监测
岩土工程监测
想了解光纤传感技术,一定要看这篇文章
宣布时间:2021-08-31 浏览次数:140858 来源:尊龙凯时人生就是搏

详细介绍了漫衍式光纤声波传感DAS系统的具体丈量原理以及权衡其实际监测性能的技术参数:传感距离、空间区分率、频率响应和信噪比。以管道泄漏、周界安防和水力压裂为例,说明了DAS系统在工程监测中的实际应用效果。

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在岩土工程及结构健康及宁静监测领域中,对温度、应变、微振等信号的监测精度、笼罩规模、空间区分率、智能化数据收罗等指标都提出了越来越高的要求。近年来,种种光纤传感技术以其屏蔽电磁滋扰、射频滋扰、传输衰减小、防爆、高稳定性等特点,越来越获得海内外监测领域研究者和应用者的密切关注。

随着光纤传感技术的不绝生长与完善,相较于古板的种种点监测传感技术而言,应用激光在光纤内部传输时爆发多种后向散射形式实现物理量监测的漫衍式光纤传感(distributed optical fiber sensing,DOFS)技术,在监测规模、情况适应性、传输损耗控制和系统鲁棒性等方面都展现出了优势。目前,漫衍式光纤传感技术主要依据其原理的差别分为5类。

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#01 漫衍式光纤传感技术的分类

作为漫衍式光纤传感技术生长的领域,基于光纤内部后向瑞利散射反应待测物理量变革情况的漫衍式光纤声波传感(distributed optical fiber acoustic sensing,DAS)技术,能够凭据外界声波变革和散射信号的相位变革进行实时对应。目前,海内对DAS技术的理论研究以电子科技大学饶云江教授团队、中科院上海光学精密机械研究所蔡海文教授团队等为代表,主要集中在提高传感性能、信号增强技术等偏向。相对而言,外洋DAS技术的工程应用研究起步更早,以英国OptaSense、Silixa公司、德国AP Sensing公司等为代表,主要集中在周界安防、泄漏检测等工程领域的应用研究和拓展偏向。

相比仅是对传感光纤沿线振动信号进行定性表征的漫衍式光纤振动传感(distributed optical fiber vibration sensing,DVS)技术,在配合恰当的信号解和谐信号识别算法的条件下,DAS 系统能够对外界扰动模型进行高精度、高信息品貌的实时重建。


漫衍式光纤声波传感系统

系统结构

漫衍式光纤声波传感(DAS)系统主要由高相干性脉冲激光源、光信号放大/ 解调器、单模(或多模)光纤和数据处理剖析装置组成,其系统结构如图2所示。相干光脉冲进入光纤后,外界声波信号导致光纤内后向瑞利散射光的相位爆发变革,这一变革由光探测器进行纪录息争调,从而获得声源的相关信息。

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#02 DAS系统结构示意图

差别于古板的通例点式传感,DAS系统中整条光纤均能够作为传感元件,这使得其能够在大的传感笼罩区域内收罗微振信号。别的,由于系统中激励光脉冲在光纤中爆发的后向瑞利散射能够在信号放大/解调器中获得实时的收罗和剖析,因此,系统整体同样适用于对动态物理量的变革情况进行实时监测。

作为整个DAS系统焦点组件的数据处理剖析装置,其主要作用是能够对光纤沿线探测到的数千个声信号进行并行、实时的去噪、定位、识别和分类处理。目前,实时小波去噪和偏振分集等技术也已应用于优化DAS实时信号剖析处理性能之中。


漫衍式光纤声波传感系统

监测原理

漫衍式光纤声波传感系统实质上是一类散射型DOFS,激光在光纤中传导会爆发3种后向散射光,如图3所示。从信号强度来看,布里渊散射光主要用于漫衍式应变和温度的探测;拉曼散射光则主要对温度效应敏感。DAS系统的探测原理基于Taylor H F 等人于1993年提出的相位敏感型光时域反射计(Φ-OTDR)技术。激光光源具有高相干性和超窄线宽的特点,通事后向瑞利散射光的干预效应对微振信号进行丈量。

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#03 光纤中差别波长的后向反射光

Φ-OTDR技术能够探测到外界应变扰动信号对散射光信号相位的影响,并利用光程的变革量对相位变革实现解调。当光程变革量为ΔS时,则:

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Φ-OTDR接纳高相干性的窄线宽激光器作为光源,其基本结构如图4所示。传感光纤受外界扰动后的信号被探测器连续收罗和处理,由于后向瑞利散射光信号的相位变革与外界扰动变革的上述关系,因此,基于Φ-OTDR原理的DAS技术在对传感光纤沿线数千个离散位置的散射信号相位信息进行解和谐提取后,能够重构沿光纤的外界扰动的声学信息,进而重建和识别外界扰动信息(应变、温度、微振等)。目今,Φ-OTDR技术是漫衍式光纤传感中灵敏度的技术手段之一。

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#04 Φ-OTDR系统结构示意图

由于传感光纤不涉及有源电信号,因此其具备良好的抗电磁辐射滋扰和抗射频滋扰能力,不会受到现场光线和天气的影响,能够实现对笼罩区域恒久稳定的监测。别的,由于扰动通过差别距离会保存时差,因此,在传感光纤差别距离位置处爆发的扰动之间不会爆发相互的混叠现象,这也便于系统对扰动源的具体位置实现定位。


漫衍式光纤声波传感系统

参数

01 传感距离

传感距离参数主要用来表征DAS系统进行各项切合监测要求的有效传感区域规模。由于光纤中保存传输损耗及配景噪声的影响,从原理上增加入射光光强可增大光纤传感距离的作用。可是由于光脉冲传输时同时保存受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering,SBS),所以当入射光强大于SBS阈值时,后向瑞利散射光的能量将大宗转移至SBS之中,从而导致系统总体信噪比大大降低。设最大传感距离为Lc,则有效传感距离L应为:

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式中,PSBSLSBS—引起SBS效应的光功率和受SBS效应影响的最大传感距离;

gB—布里渊增益系数;

Aeff—光纤纤芯的有效面积;

Leff—等效作用距离;

ΔvB、Δvp—布里渊线宽和入射光线宽。

02 空间区分率

空间区分率是指传感光纤在布设位置上有效区分的最小距离,它能够表征DAS系统关于某特定目标事件的定位精度,也是权衡其系统性能的主要参数。

一般来说,空间区分率主要受激励光脉冲宽度影响,且应为脉冲宽度的一半。但过去述DAS系统的组成来看,空间区分率会受到相干脉冲激光源、信号收罗系统和模数转换(A/D)组件的综合影响。据此,空间区分率的有效值Δz可以由下式得出:

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03 频率响应

DAS系统通过对光纤内的后向瑞利散射光进行探测来还原外部扰动模型,其实质是通过激励脉冲光将光纤作为整体传感元件进行离散采样,同时在光纤中应包管脉冲光之间不爆发混叠现象。综合以上因素,凭据Nyquist采样定理及相关经验公式,系统最大可探测频率fmax应为:

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04 信噪比

作为一种对周边情况敏感的漫衍式检测技术,DAS 系统信号传输的信噪比(SNR)会对光信号质量爆发直接影响?悸堑焦庀酥行藕糯涞墓逃兴鸷乃贾碌男藕潘ゼ,一般在光纤尾端部分的信噪比会低于光纤前端部分的信噪比,其表达式为:

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以英国OptaSense公司的单台OLA2.1型DAS系统为例,目前其能够实现实时传感监测的最长距离50km,各输出通道间距为10m,空间区分率为7.5m,能够通过安排多个信号调制解调仪的方法实现大笼罩规模的监测要求。另外,DAS系统也能够支持进行目前通例漫衍式光纤的应变和温度监测。

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漫衍式光纤声波传感系统

典范工程应用


01 管道泄漏监测

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输水、输油管道在资源调配和运输历程中起到至关重要的作用,其穿孔或泄漏会造成水、油气等资源的连续损失,并附带有情况污染、停产补漏事情等一系列严重结果。管道运输特有的漫衍规模广、泄漏形式多样、监测难度大和防爆要求高等特点对管道泄漏的监测技术提出了越发严格的要求。

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相关于古板基于温度监测的漫衍式光纤监测技术,针对声学信号的DAS技术可以综合多种监测物理量,进而对多种管道破裂、泄漏现象等故障模式进行识别和实时反响。与古板温度监测差别,DAS系统还能够依据声波信号特征判断潜在的负压脉冲和泄漏孔噪声信息,这也为泄漏检查和维护提供了要害的预警信息。从图5中可以看出,管道爆发泄漏时,自泄漏孔处爆发的负压脉冲信号沿管道偏向流传,DAS系统能够在2km以上的长度规模内对负压脉冲信号进行连续监测。图6显示了此信号在瀑布图中的监测结果。

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#05 针对管道破裂特征的

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#06 潜在泄露孔噪声DAS

另外,凭据管道内运输物的物相特点可将运输物分为气相、液相和混淆相3类。差别相流体爆发渗漏的流动特点、声信号特征和温度漫衍均保存较大区别,如图7所示。

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#07 差别相泄露DAS声信号特征

在管道利用清管器进行维护的历程中,DAS系统同样能够凭据声信号配合监测清管器的实时自动追踪和定位,并检查可能保存的管道泄漏位置。图8显示了DAS系统在数公里长度规模内凭据清管器在管道内运动爆发的声信号特征实现连续追踪定位的效果。

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#08 利用DAS系统进行清管器位置追踪

DAS系统相比古板基于温度的漫衍式监测方法,能够通过泄漏物隆起应变、负压脉冲、孔口噪声和温度梯度等多种信号进行综合监测,因而在地下/海底管道情况中具有好的准和情况适应性。


02 周界安防监测

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机场、核电站、工业厂房等重要区域的周界宁静关乎人员的生命宁静和设备的稳定正常运行,对周界宁静的实时监控和入侵源的实时定位具有重大意义。DAS系统使用灵活的光纤传感方法,适合这类规模广、隐蔽性强、灵敏度要求高的被动式安防监测项目。近年来,在海内外诸多重要设施的宁静和监控领域都进行着DAS系统的应用实验,引起了海内外工程人员的关注。

在可能泛起的周界入侵事件中,在大规模内识别、预警差别模式的入侵行为是评价监测有效性的重要指标。DAS系统自己具备很好的空间定位性,加之其能够凭据差别入侵行为爆发时扰动的振幅和频率差别对入侵信号进行快速收罗,因此,能够实时区别和剖析差别的入侵行为。DAS系统对差别入侵形式的识别效果如图9所示。

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#09 Φ-OTDR系统结构示意图

进一步地,在确定了入侵事件爆发的位置和入侵源类别后,DAS系统能够进一步对入侵方法的声信号特征加以细化,抽取其频谱特征,并建立信号特征与入侵方法的对应模式。这种高信息品貌的剖析模式能够提供关于入侵事件在几十公里长度上的具体位置、周界穿越要领的具体细节,如图10所示。

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#10 差别入侵周界方法的声波信号特征比照


03 水力压裂监测

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水力压裂是指利用水力作用使油层形成裂缝的要领,是油气井增产、注水井增注的一项重要技术步伐。需要压裂革新以获得开发效益的非通例油气资源在勘探开发中所占的比重,许多油区过了70%。

通过DAS系统对压裂历程中收罗的微振信号进行剖析,能够预测岩石破裂的时间和空间位置、盘算裂缝的几何尺寸和延伸偏向,从而评价压裂效果,并最终评估产气性能。DAS系统的传感光纤具有良好的柔性,能够适应庞大的地下条件,相较于古板监测手段,DAS 系统在能够清晰直观地探测差别深度处裂缝在竖直偏向扩展的动态生长历程,如图11所示。

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#11 DAS系统监测压裂井中裂缝起始点及生长状态

DAS系统同样也能够布设于井组中各压裂井中,从而建立多个井间信号监测信道。图12、图13展示了在水力压裂井间布设DAS系统的计划图和监测实际裂缝生长的趋势图。从图中可以看出,DAS系统不但能够有效监测裂缝扩展主事件,还能够监测到扩展爆发前的能量累积前兆和扩展后的小裂缝位置等详细信息。这种布设方法能够对流体在裂缝中爆发突破的位置和水平进行动态监测,并且对裂缝中爆发的应变峰进行定位。

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#12 各压裂井间DAS系统的布设计划示意图

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#13 压裂井中流体突破所导致的裂缝扩展历程

上述应用标明,在难以对地下水力压裂历程进行通例监测时,基于声信号的DAS系统能够对裂缝扩展历程进行明确而直观地动态反应,这些监测结果也能够为水平井组的压裂后评估及压裂设计计划优化提供重要依据。


总结

随着光纤传感技术的不绝生长和完善,其在岩土工程与结构监测等多个领域中获得了应用。漫衍式光纤声波传感系统(DAS)作为漫衍式光纤传感技术(DOFS)的前沿领域,实现了声波和温度信号的综合监测,从而能够精确、稳定地重建外界扰动模型,并且能够从声信号的频谱多样性角度反应待测工具富厚的特征信息,为光纤传感技术提供了新的技术角度。

同时,应用工程研究是推动DAS技术生长的主要动力。目今,智慧都会、智慧园区等新兴领域不但关注监测区域笼罩规模和监测精度,还对事件信号的分类、识别和处理提出了更高的要求。DAS技术以其监测的灵活性和可扩展性特点受到广泛的关注,其应用也从目今的结构与岩土工程监测扩展至石油、质料、物探、地动、航空等多个领域。所以,进一步提高DAS技术传感距离、丈量精度、动态信号剖析算法等偏向将是未来进一步研究的重点。


参考文献:王子恒, 景洪. 漫衍式光纤声波传感系统的研究与工程应用[J]. 传感器世界, 2020, 26(12):12-18.

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