HiFi – DAS hifi-das

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HiFi-DAS 的 介 绍

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· 分布式声波传感 (DAS) 系统,是利用光纤作为传感媒介,在光反射仪技术的基础上,通过检测瑞利散射光信号的相位的变化,得到光纤中任意位置处振动波形的幅度和相位信息。

· 本项目采用的DAS 系统,是由上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室的光纤传感研究团队,在其提出的 TGD-OFDR 型光反射仪技术基础上,利用创新技术攻克空间分辨率、相干衰落噪声等问题,所实现的一种高性能DAS 系统。

| 显著特点之一是:整个传感光纤长度内都具有低噪声、高保真度的特性,因而被命名为High-Fidelity DAS (HiFi-DAS)。

· 该系统的原理框图如图1所示。系统由激光器、光调制器、光放大器、相干接收、以及数据采集和处理等部分构成。激光器产生的光经过调制,变成宽带扫频的光脉冲信号进入传感光纤,并以相干检测方式探测该光脉冲的后向瑞利散射光信号,经过数据处理,得到振动的位置和波形信息。

HiFi-DAS 的 系 统 指 标

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1)传感距离 — 最高可达50km

                     优于1 纳应变的应变灵敏度时最长的探测距离;

2)响应带宽 — 最高可达15 khz

                     可以被探测的应变信号的最大频率;

3)空间分辨率 — 1m

                      两个同时发生的振动事件可以被区分的最小间距;

4)应变灵敏度 — 整段传感光纤上都优于 1 nε

                      可以被探测到的应变信号的最小峰-峰值。

 

HiFi-DAS 的 四 项 指 标 的 全 面 提 升

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1)基于Φ-OTDR 的 DAS 系统中的问题:

·Φ-OTDR 的空间分辨率由探测光脉冲的脉宽决定,脉宽越短则空间分辨率越高,反之亦然。但是在探测光脉冲的峰值功率受限的情况下,脉宽越短则平均功率越小,这又会影响其他三个指标,原因是Φ-OTDR 中通过解调瑞利背向散射信号(Rayleigh Backscattering,RBS)的相位来获取外界的振动信号的,因此相位项的信噪比直接决定了应变灵敏度和传感距离。而相位项是从RBS 的强度项计算得到,相位的检测精度由强度项信噪比决定。RBS 强度项信噪比又是由探测光脉冲的能量决定。因此在Φ-OTDR 中,提高空间分辨率的同时,就一定会降低应变灵敏度和传感距离。

· 另一方面,根据奈奎斯特采样定理,响应带宽由探测光脉冲的有效发射频率决定。因为Φ-OTDR 的 RBS 强度项信噪比很差,需要通过多次发射探测光脉冲再求平均的方法来提高信噪比,这样就会成倍地降低有效发射频率,进而降低系统的响应带宽。所以Φ-OTDR 的空间分辨率和响应带宽也是矛盾的。

· 想要解决上述问题,必须要用新的系统结构和解调算法。

2)基于 TGD-OFDR 的 HiFi-DAS 的改进:

· TGD-OFDR 与Φ-OTDR 最大的区别在于,TGD-OFDR 的探测光脉冲是宽带扫频光脉冲,即光脉冲的光频率是随时间变化的,在提取RBS 相位项之前,首先用匹配滤波算法对RBS 信号压缩成一个单频的脉冲信号,且该单频脉冲信号的脉宽取决于扫频信号的扫频范围。所以TGD-OFDR 的空间分辨率和探测光脉冲的脉宽无关,通过发射扫频范围大、持续时间长的探测光脉冲,就可以同时获得高的空间分辨率、高的应变灵敏度、长的传感距离、以及高的响应带宽,四项重要指标得到全面提升,从根本上解决了Φ-OTDR的问题。

消 除 测 量 “死区”,提 高 系 统 的 可 靠 性

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· “死区”— 因为光的干涉效应和偏振效应,传感光纤上某些区域的 RBS 信号的强度信噪比会非常差,进而导致这些区域的应变灵敏度非常差,甚至失去了传感的能力,这些区域被称为“死区”。我们提出的脉冲频分法和相位旋转平均法, 再结合偏振分集接收器,在领域内第一次有效地解决了由光的干涉效应和偏振效应导致的传感“死区”问题,使传感光纤任意位置均能够实现高灵敏度、低噪声的振动与声波的检测。