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欧美大地 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
发布时间:2021-08-31 浏览次数:7829 来源:欧美大地

详细介绍了分布式光纤声波传感DAS系统的具体测量原理以及衡量其实际监测性能的技术参数:传感距离、空间分辨率、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。


在岩土工程及各类结构健康及安全监测领域中,对温度、应变、微振等信号的监测精度、覆盖范围、空间分辨率、智能化数据采集等指标都提出了越来越高的要求。近年来,各类光纤传感技术以其屏蔽电磁干扰、射频干扰、传输衰减小、防爆、高稳定性等特点,越来越得到国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断发展与完善,相较于传统的各类点监测传感技术而言,应用激光在光纤内部传输时产生多种后向散射形式实现物理量监测的分布式光纤传感(distributed optical fiber sensing,DOFS)技术,在监测范围、环境适应性、传输损耗控制和系统鲁棒性等方面都展现出了极大的优势。目前,分布式光纤传感技术主要依据其原理的不同分为5类。


#01 分布式光纤传感技术的分类

作为分布式光纤传感技术发展的前沿领域,基于光纤内部后向瑞利散射反映待测物理量变化情况的分布式光纤声波传感(distributed optical fiber acoustic sensing,DAS)技术,能够根据外界声波变化和散射信号的相位变化进行实时对应。目前,国内对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、信号增强技术等方向。相对而言,国外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方向。

相比仅是对传感光纤沿线振动信号进行定性表征的分布式光纤振动传感(distributed optical fiber vibration sensing,DVS)技术,在配合恰当的信号解调和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、高信息丰度的实时重建。


分布式光纤声波传感系统

系统结构

分布式光纤声波传感(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)光纤和数据处理分析装置组成,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发生变化,这一变化由光探测器进行记录和解调,从而得到声源的相关信息。


#02 DAS系统结构示意图

不同于传统的常规点式传感,DAS系统中整条光纤均能够作为传感元件,这使得其能够在极大的传感覆盖区域内采集微振信号。此外,由于系统中激励光脉冲在光纤中产生的后向瑞利散射能够在信号放大/解调器中得到实时的采集和分析,因此,系统整体同样适用于对动态物理量的变化情况进行实时监测。

作为整个DAS系统核心组件的数据处理分析装置,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提升和优化DAS实时信号分析处理性能之中。


分布式光纤声波传感系统

监测原理

分布式光纤声波传感系统本质上是一类散射型DOFS,激光在光纤中传导会产生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分布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年首次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,通过后向瑞利散射光的干涉效应对微振信号进行测量。


#03 光纤中不同波长的后向反射光

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,并利用光程的变化量对相位变化实现解调。当光程变化量为ΔS时,则:


Φ-OTDR采用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持续采集和处理,由于后向瑞利散射光信号的相位变化与外界扰动变化的上述关系,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调和提取后,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)。当前,Φ-OTDR技术是分布式光纤传感中灵敏度最高的技术手段之一。


#04 Φ-OTDR系统结构示意图

由于传感光纤不涉及任何有源电信号,因此其具备良好的抗电磁辐射干扰和抗射频干扰能力,不会受到现场光线和极端天气的影响,能够实现对覆盖区域长期稳定的监测。此外,由于扰动通过不同距离会存在时差,因此,在传感光纤不同距离位置处产生的扰动之间不会产生相互的混叠现象,这也便于系统对扰动源的具体位置实现准确定位。


分布式光纤声波传感系统

核心参数

01 传感距离

传感距离参数主要用来表征DAS系统进行各项符合监测要求的有效传感区域范围。由于光纤中存在传输损耗及背景噪声的影响,从原理上增加入射光光强即可达到增大光纤传感距离的作用。但是由于光脉冲传输时同时存在受激布里渊散射(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量转移至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:


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 空间分辨率

空间分辨率是指传感光纤在布设位置上有效分辨的最小距离,它能够表征DAS系统对于某特定目标事件的定位精度,也是衡量其系统性能的主要参数之一。

一般来说,空间分辨率主要受激励光脉冲宽度影响,且应为脉冲宽度的一半。但从前述DAS系统的组成来看,空间分辨率会受到相干脉冲激光源、信号采集系统和模数转换(A/D)组件的综合影响。据此,空间分辨率的有效值Δz可以由下式得出:


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,同时在光纤中应保证脉冲光之间不发生混叠现象。综合以上因素,根据Nyquist采样定理及相关经验公式,系统最大可探测频率fmax应为:


04 信噪比

作为一种对周边环境非常敏感的分布式检测技术,DAS 系统信号传输的信噪比(SNR)会对光信号质量产生直接影响。考虑到光纤中信号传输的固有损耗所导致的信号衰减,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:


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已经达到50km,各输出通道间距为10m,空间分辨率为7.5m,能够通过布置多个信号调制解调仪的方式实现更大覆盖范围的监测要求。另外,DAS系统也能够支持进行目前常规分布式光纤的应变和温度监测。



分布式光纤声波传感系统

典型工程应用


01 管道泄漏监测


输水、输油管道在资源调配和运输过程中起到至关重要的作用,其穿孔或泄漏会造成水、油气等资源的持续损失,并附带有环境污染、停产补漏工作等一系列严重后果。管道运输特有的分布范围广、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更加严格的要求。


相对于传统基于温度监测的分布式光纤监测技术,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馈。与传统温度监测不同,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关键的预警信息。从图5中可以看出,管道发生泄漏时,自泄漏孔处产生的负压脉冲信号沿管道方向传播,DAS系统能够在2km以上的长度范围内对负压脉冲信号进行持续监测。图6显示了此信号在瀑布图中的监测结果。


#05 针对管道破裂特征的


#06 潜在泄露孔噪声DAS

另外,根据管道内运输物的物相特点可将运输物分为气相、液相和混合相3类。不同相流体发生渗漏的流动特点、声信号特征和温度分布均存在较大区别,如图7所示。


#07 不同相泄露DAS声信号特征

在管道利用清管器进行维护的过程中,DAS系统同样能够根据声信号配合监测清管器的实时自动追踪和定位,并检查可能存在的管道泄漏位置。图8显示了DAS系统在数公里长度范围内根据清管器在管道内运动产生的声信号特征实现持续追踪定位的效果。


#08 利用DAS系统进行清管器位置追踪

DAS系统相比传统基于温度的分布式监测方式,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/海底管道环境中具有更好的准确性和环境适应性。


02 周界安防监测


机场、核电站、工业厂房等重要区域的周界安全关乎人员的生命安全和设备的稳定正常运行,对周界安全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式,非常适合这类范围广、隐蔽性强、灵敏度要求高的被动式安防监测项目。近年来,在国内外诸多重要设施的安全和监控领域都不断进行着DAS系统的应用尝试,引起了国内外工程人员的广泛关注。

在可能出现的周界入侵事件中,在大范围内识别、预警不同模式的入侵行为是评价监测有效性的重要指标。DAS系统本身具备极好的空间定位性,加之其能够根据不同入侵行为发生时扰动的振幅和频率差异对入侵信号进行快速采集,因此,能够实时区别和分析不同的入侵行为。DAS系统对不同入侵形式的识别效果如图9所示。


#09 Φ-OTDR系统结构示意图

进一步地,在确定了入侵事件发生的位置和入侵源类别后,DAS系统能够进一步对入侵方式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式的对应模式。这种高信息丰度的分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、周界穿越方法的具体细节,如图10所示。


#10 不同入侵周界方式的声波信号特征对比


03 水力压裂监测


水力压裂是指利用水力作用使油层形成裂缝的方法,是油气井增产、注水井增注的一项重要技术措施。需要压裂改造以获得开发效益的非常规油气资源在勘探开发中所占的比重,许多油区甚至超过了70%。

通过DAS系统对压裂过程中采集的微振信号进行分析,能够预测岩石破裂的时间和空间位置、计算裂缝的几何尺寸和延伸方向,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,能够适应复杂的地下条件,相较于传统监测手段,DAS 系统在能够清晰直观地探测不同深度处裂缝在竖直方向扩展的动态发展过程,如图11所示。


#11 DAS系统监测压裂井中裂缝起始点及发展状态

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系统的方案图和监测实际裂缝发展的趋势图。从图中可以看出,DAS系统不仅能够有效监测裂缝扩展主事件,还能够监测到扩展发生前的能量累积前兆和扩展后的小裂缝位置等详细信息。这种布设方式能够对流体在裂缝中发生突破的位置和程度进行动态监测,并且对裂缝中产生的应变峰进行准确定位。


#12 各压裂井间DAS系统的布设方案示意图


#13 压裂井中流体突破所导致的裂缝扩展过程

上述应用表明,在难以对地下水力压裂过程进行常规监测时,基于声信号的DAS系统能够对裂缝扩展过程进行明确而直观地动态反映,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方案优化提供重要依据。


总结

随着光纤传感技术的不断发展和完善,其在岩土工程与结构监测等多个领域中得到了广泛应用。分布式光纤声波传感系统(DAS)作为分布式光纤传感技术(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映待测对象极为丰富的特征信息,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技术发展的主要动力。当前,智慧城市、智慧园区等新兴领域不仅关注监测区域覆盖范围和监测精度,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,其应用也从当前的结构与岩土工程监测扩展至石油、材料、物探、地震、航空等多个领域。所以,进一步提高DAS技术传感距离、测量精度、动态信号分析算法等方向将是未来进一步研究的重点。


参考文献:王子恒, 景洪. 分布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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