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May 02, 2023

Fortschritte in der verteilten faseroptischen Vibration

Bild von Compuscript Ltd: Der Aufbau von DAS-Φ-OTDR-Systemen mit verschiedenen

Compuscript Ltd

Bild: Der Aufbau von DAS-Φ-OTDR-Systemen mit verschiedenen Demodulationsverfahren. (a) Heterodyndetektion und I/Q-Phasendemodulation; (b) Heterodyndetektion und Hilbert-Transformationsphasendemodulation; (c) direkte Erkennung und Phasendemodulation basierend auf einem 3×3-Koppler; (d) direkte Erkennung und Phasendemodulation basierend auf einem phasengenerierten Trägeralgorithmusmehr sehen

Bildnachweis: OAS

Eine neue Veröffentlichung von Opto-Electronic Advances; DOI 10.29026/oea.2022.200078 gibt einen Überblick über die Fortschritte in der verteilten faseroptischen Vibrations-/Akustiksensortechnologie.

Die Technologie zur verteilten faseroptischen Schwingungs-/Akustikerfassung nutzt das Rayleigh-Rückstreulicht, das durch periodische Einspeisung von Laserimpulsen in die zu prüfende Faser (FUT) erzeugt wird, um eine Schwingungserkennung mit großer Reichweite und hoher räumlicher Auflösung über die gesamte Länge der FUT zu erreichen. Im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen oder mechanischen Sensoren arbeitet diese Technologie vollständig verteilt mit hoher Empfindlichkeit, Fernzugriff und Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen und eignet sich daher für verschiedene Anwendungsperspektiven, insbesondere unter extremen Umgebungsbedingungen.

Die Technologie der phasenempfindlichen optischen Zeitbereichsreflektometrie (φ-OTDR) hat sich seit der Einführung des ersten faseroptischen Distributed Vibration Sensing (DVS)-Systems auf Basis von φ-OTDR im Jahr 2005 rasant weiterentwickelt. Später wurde es zur Distributed Acoustic Sensing (DAS) weiterentwickelt ) Technologie mit der Fähigkeit, akustische Wellenformen quantitativ zu analysieren. Auf dieser Grundlage haben Forscher umfangreiche Untersuchungen durchgeführt, um die Erfassungsleistung von φ-OTDR-Systemen zu verbessern, einschließlich wichtiger Leistungsparameter wie Erfassungsentfernung, räumliche Auflösung, Frequenzgangbereich und Ereigniserkennungsgenauigkeit. Aufgrund seiner überlegenen weitreichenden und hochauflösenden verteilten Sensorfähigkeit wurde φ-OTDR in den letzten Jahren häufig in technischen Anwendungen eingesetzt, insbesondere in den aufstrebenden Bereichen der Erfassung seismischer Wellen, der Exploration von Öl- und Gasressourcen, der Erkennung von Pipeline-Lecks und Perimeter Schutz, Kabel-Teilentladungsüberwachung usw.

Mit der Entwicklung von Glasfaserkabeln mit erhöhter Empfindlichkeit, neuartigen Sensormechanismen, effizienten Signalverarbeitungsverfahren und präzisen Algorithmen zur Erkennung von Vibrationsereignissen wird das φ-OTDR-basierte DVS/DAS in Zukunft großes Potenzial für eine breite Palette kommerzieller Anwendungen aufweisen , einschließlich verteilter Faserformerkennung und geologischer Erkundung. Abschließend wurden in diesem Artikel die Aussichten und Herausforderungen der zukünftigen Entwicklung der φ-OTDR-basierten DVS/DAS-Technologie erörtert.

Die Forschungsgruppen von Professor Liyang Shao von der Southern University of Science and Technology, China, und Professor Feng Wang von der Universität Nanjing, China, überprüften gemeinsam den Forschungsfortschritt der φ-OTDR-basierten faseroptischen DVS/DAS-Technologie und ihrer neuen Anwendungen. Zunächst wurden die Erfassungsprinzipien des DVS-φ-OTDR basierend auf der Rayleigh-Rückstreulichtintensitätsdemodulation und des DAS-φ-OTDR-Systems basierend auf Phasendemodulation analysiert. Die DAS-Phasendemodulationstechniken, wie das Heterodyndetektionsschema mit I/Q-Demodulation, das Heterodyndetektionsschema mit Hilbert-Transformation, das direkte Detektionsschema auf Basis eines 3x3-Kopplers und das direkte Detektionsschema auf Basis eines phasenerzeugenden Trägeralgorithmus, wurden vorgestellt und verglichen. Anschließend wurden die Methoden zur Leistungssteigerung im Detail für die wichtigsten Erfassungsparameter von φ-OTDR-Systemen besprochen und analysiert, darunter maximale Erfassungsentfernung, Signal-Rausch-Verhältnis, Vibrationsfrequenz-Reaktionsbereich, räumliche Auflösung und Genauigkeit der Vibrationsmustererkennung.

In dieser Übersicht werden die technischen Anwendungen von φ-OTDR-Systemen in verschiedenen Bereichen weiter zusammengefasst, darunter geologische Erkundung, Pipeline-Schutz, Perimetersicherheit und Kabel-Teilentladungserkennung sowie spezielle Anwendungen wie Formerkennung, Gaskonzentrationserkennung und Schädlingserkennung .

Artikelreferenz: Liu SQ, Yu FH, Hong R, Xu WJ, Shao LY et al. Fortschritte in der phasenempfindlichen optischen Zeitbereichsreflektometrie. Opto-Elektronen-Adv5 , 200078 (2022). doi: 10.29026/oea.2022.200078

Schlüsselwörter:optische Fasersensoren / Ф-OTDR / Phasendemodulation / Anwendungsforschung

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Liyang Shao ist stellvertretender Dekan der School of Innovation and Entrepreneurship und ordentlicher Professor der Fakultät für Elektrotechnik und Elektronik der Southern University of Science and Technology, China. Er hat mehr als 140 SCI-Artikel mit über 2200 Zitaten und einem H-Index von 34 verfasst und ist Inhaber von 10 chinesischen Patenten. Er ist Mitglied des technischen oder Organisationskomitees vieler internationaler Konferenzen wie OFS, ACP, TPC und ICAIT und hat über 40 Konferenzpräsentationen gehalten, darunter über 10 eingeladene Vorträge auf internationalen Konferenzen. Er leitete das Sonderprojekt für internationale Zusammenarbeit des chinesischen Ministeriums für Wissenschaft und Technologie, die National Natural Science Foundation of China (allgemeine/Schlüsselprojekte) und mehrere Forschungsprojekte auf Provinzebene mit einer Finanzierung von insgesamt 20 Millionen RMB. Seine Forschungsgruppe widmet sich der theoretischen Forschung in den Bereichen optische Sensorik und Messtechnik, Mikro- und Nanooptik sowie nichtlineare Optik. Seine Gruppe möchte optische Informations- und Sensortechnologie auf die Anwendung von Erdbebenüberwachung, Schienentransport, Perimetersicherheit, Infrastrukturschutz, Biochemie und Lebensgesundheit anwenden.

Feng Wang ist stellvertretender Direktor des Forschungszentrums für optische Kommunikationstechnik der Universität Nanjing, China. Er ist leitendes Mitglied von Optica und des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) sowie Mitglied des Optics Education Committee der Chinese Optical Society. Er hat sechs Forschungsprojekte der National Natural Science Foundation of China, zwei Projekte des 973-Programms und des National Key Research and Development Program sowie drei Projekte der Provinz Jiangsu geleitet und daran teilgenommen. Er hat mehr als 80 SCI-Artikel verfasst, mehr als 50 Patente angemeldet/erteilt, den ersten Preis des Technical Invention Award des Bildungsministeriums, den ersten Preis des Jiangsu Province Science and Technology Award und den ersten Preis des gewonnen 5. Wu Wen Jun AI Science & Technology Award. Sein Forschungsteam konzentriert sich auf verteilte faseroptische Sensorik und Faser-Bragg-Gitter-Sensortechnologie und -anwendungen.

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Opto-Electronic Advances (OEA) ist eine hochwirksame, frei zugängliche, von Experten begutachtete monatliche SCI-Zeitschrift mit einem Impact-Faktor von 9,682 (Journals Citation Reports für IF 2020). Seit seiner Einführung im März 2018 wurde die OEA im Laufe der Zeit in den Datenbanken SCI, EI, DOAJ, Scopus, CA und ICI indexiert und ihr Redaktionsgremium auf 36 Mitglieder aus 17 Ländern und Regionen erweitert (durchschnittlicher h-Index 49).

Die Zeitschrift wird vom Institut für Optik und Elektronik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften herausgegeben und zielt darauf ab, Forschern, Akademikern, Fachleuten, Praktikern und Studenten eine Plattform für die Vermittlung und den Austausch von Wissen in Form hochwertiger empirischer und theoretischer Forschungsarbeiten zu bieten den Themen Optik, Photonik und Optoelektronik.

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