Проектирование распределенного виброакустического датчика (DAS)
Распределённый виброакустический датчик (DAS - Distributed Acoustic Sensing) — это современная технология зондирования, которая может непрерывно обнаруживать внешнее физическое поле (вибрацию, звук и колебания температуры) на большом расстоянии с когерентным рэлеевским обратным рассеянием малошумящего лазера в обычном одномодовом сенсорном волокне.
На данный момент система DAS нашла широкое применение во многих областях, например, в охране периметра, железнодорожном транспорте, мониторинге безопасности трубопроводов, обнаружении природных опасностей и, например, геофизической разведке.
В основе работы системы лежит принцип когерентной рефлектометрии. В когерентном рефлектометре, в отличие от обычного рефлектометра, используется более узкополосный и стабильный источник излучения. В волокно периодически вводятся оптические импульсы. Часть света рассеивается на неоднородностях волокна и распространяется в обратном направлении (когерентное обратное рассеяние Рэлея). При микродеформациях волокна, вызванных виброакустическими и температурными воздействиями, параметры рассеянного сигнала изменяются. Анализируя изменения в интерференционной картине сигнала обратного рассеяния, можно определить место и характер воздействия на волокно.
Для обеспечения высокой чувствительности когерентного рефлектометра к внешним воздействиям требуется непрерывный источник излучения, обладающий одновременно узким спектром (большой длиной когерентности), воcпроизводимостью частоты и большим контрастом. Требуемая длина когерентности, являющаяся необходимым условиям возникновения интерференционной картины от случайно распределенных вдоль волокна рассеивающих центров, обеспечивается в непрерывных полупроводниковых лазерах, но трудно достижима в импульсном режиме из-за возникновения чирпа. Воcпроизводимость частоты на уровне десятых от ширины линии излучения, обеспечивающая стабильность интерференционной картины, необходима для дифференциальных измерений, что трудно получить в лазерах с прямой модуляцией. Большой контраст, порядка отношения длины тестируемого волокна к длине импульса (порядка 50 дБ) необходим для устранения фонового излучения, снижающего видность интерференционной картины.
Задающий непрерывный лазер
Для обеспечения наилучшей работы распределенного акустического датчика необходим непрерывный источник излучения, обладающий одновременно узким спектром (большой длиной когерентности), воcпроизводимостью частоты и большим контрастом.
Подходящие решения
Эрбиевый волоконный одночастотный лазер |
Выходная мощность 5-100 мВт | Ширина линии излучения 8-10 кГц | |
|
Одночастотный CW узкополосный эрбиевый лазер |
Выходная мощность 40 мВт - 10 Вт | Ширина линии излучения < 1 кГц |
ECL лазерный модуль | Выходная мощность 10-30 мВт | Ширина линии излучения < 15 кГц |
Волоконный эрбиевый усилитель
Эрбиевый усилитель используется для увеличения амплитуды сигнала в распределенных датчиках, что может позволить производить многокональнае приборы с большой длиной волоконных линий.
Подходящие решения
Волоконный эрбиевый усилитель | Выходная мощность до 10 Вт | Ширина линии входного сигнала 0,01 кГц |
Фотоприемники
Фотоприемник – одна из наиболее важных частей системы, от которой напрямую зависит точность результатов измерения распределенного акустического датчика.
На что обращать внимание при выборе фотоприемников? В первую очередь это:
- Спектральный диапазон
- Темновой уровень шума
- Полоса пропускания
- Коэффициент усиления
Подходящие решения
Балансный фотоприемник | Спектральный диапазон 950-1650 нм | Коэффициент усиления 2х10^6 | Полоса пропускания 3 dB 0-200 МГц | |
|
Лавинный фотоприемник |
Спектральный диапазон 950-1650 нм |
Коэффициент усиления 2,5х10^4 | Полоса пропускания 3 dB 5-1000 МГц |
Акустооптические модуляторы
Акустооптический модулятор используется для модуляции частоты оптического сигнала, поступающего от источника излучения.
Подходящие решения
Акустооптический модулятор |
Частота модуляции 100 МГц |
Рабочая длина волны 1550 нм |
|
|
Электрооптический модулятор |
Электрооптическая полоса пропускания 33 ГГц |
Вносимые потери 2,5 дБ |
Прочие необходимые компоненты
Подходящие решения
Трехпортовый оптический циркулятор 1550 нм | Максимальная мощность 300/500 мВт | Изоляция 23-45 дБ | |
|
Стандартный одномодовый сплиттер |
Полоса пропускания +/-15 нм |
Вносимые потери <3,5 дБ |