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Detección acústica distribuida

Los sistemas de detección acústica distribuida (DAS) basados ​​en la dispersión de Rayleigh utilizan cables de fibra óptica para proporcionar detección de deformación distribuid...

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Los sistemas de detección acústica distribuida (DAS) basados ​​en la dispersión de Rayleigh utilizan cables de fibra óptica para proporcionar detección de deformación distribuida. En DAS, el cable de fibra óptica se convierte en el elemento sensor y las mediciones se realizan, y en parte se procesan, mediante un dispositivo optoelectrónico conectado . Este sistema permite detectar señales de deformación de frecuencia acústica a grandes distancias y en entornos adversos.

Fundamentos de la detección por fibra óptica basada en la dispersión de Rayleigh

En la detección distribuida por fibra óptica basada en la dispersión de Rayleigh, se envía un pulso láser coherente a lo largo de una fibra óptica, y los puntos de dispersión dentro de la fibra hacen que esta actúe como un interferómetro distribuido con una longitud de calibración (el intervalo espacial sobre el cual se mide la deformación axial promedio o la tasa de deformación ) aproximadamente igual a la duración del pulso. La intensidad de la luz reflejada se mide en función del tiempo después de la transmisión del pulso láser. Esto se conoce como reflectometría óptica coherente en el dominio del tiempo (COTDR) de Rayleigh. Cuando el pulso ha tenido tiempo de recorrer toda la longitud de la fibra y regresar, se puede enviar el siguiente pulso láser a lo largo de la fibra. Los cambios en la intensidad reflejada de pulsos sucesivos de la misma región de la fibra se deben a cambios en la longitud del camino óptico de esa sección de la fibra. Este tipo de sistema es muy sensible a las variaciones de deformación y temperatura de la fibra, y las mediciones se pueden realizar casi simultáneamente en todas las secciones de la fibra.

Capacidades de los sistemas basados ​​en Rayleigh

Alcance máximo

El pulso óptico se atenúa a medida que se propaga a lo largo de la fibra. Para una fibra monomodo que opera a 1550  nm, la atenuación típica es de 0,2  dB/km. [ 1 ] Dado que la luz debe hacer un doble recorrido por cada sección de fibra, esto significa que cada  kilómetro produce una pérdida total de 0,4  dB. El alcance máximo del sistema se produce cuando la amplitud del pulso reflejado es tan baja que resulta imposible obtener una señal clara. No es posible contrarrestar este efecto aumentando la potencia de entrada, ya que por encima de cierto nivel esto induce efectos ópticos no lineales que interrumpen el funcionamiento del sistema. Normalmente, el alcance máximo que se puede medir es de unos 40-50  km.

Resolución de deformaciones

El valor máximo de deformación que se puede medir depende de la relación portadora/ruido de la señal óptica reflejada. El nivel de portadora está determinado principalmente por la amplitud de la señal óptica, mientras que el ruido es una combinación del ruido proveniente de diversas fuentes, incluyendo el ruido del láser, el ruido electrónico y el ruido del detector.

Resolución espacial y período de muestreo espacial

La resolución espacial está determinada principalmente por la duración del pulso transmitido; un  pulso de 100 ns proporciona una resolución de 10  m, un valor típico. La cantidad de luz reflejada es proporcional a la duración del pulso, por lo que existe una relación inversa entre la resolución espacial y el alcance máximo. Para mejorar el alcance máximo, sería deseable utilizar una duración de pulso mayor para aumentar el nivel de luz reflejada, pero esto conlleva una menor resolución espacial. Para que dos señales sean independientes, deben obtenerse de dos puntos de la fibra separados por al menos la resolución espacial. Es posible obtener muestras con separaciones menores que la resolución espacial y, aunque esto produce señales que no son independientes entre sí, este enfoque ofrece ventajas en algunas aplicaciones. La separación entre los puntos de muestreo se denomina a veces período de muestreo espacial .

Tasa de adquisición

Antes de que se pueda transmitir el siguiente pulso láser, el anterior debe haber tenido tiempo de viajar hasta el extremo opuesto de la fibra y de que las reflexiones regresen; de lo contrario, las reflexiones regresarían de diferentes secciones de la fibra simultáneamente y el sistema no funcionaría correctamente. Para una fibra de 50  km de longitud, la frecuencia máxima de pulsos es de poco más de 2 kHz . Por lo tanto, se pueden medir deformaciones que varían en frecuencias de hasta la frecuencia de Nyquist de 1 kHz. Es evidente que las fibras más cortas permiten mayores tasas de adquisición.  

Mediciones de temperatura

Si bien el sistema es sensible tanto a las variaciones de temperatura como a las de deformación, estas a menudo pueden separarse, ya que las debidas a la temperatura tienden a ocurrir en un rango de frecuencia más bajo que las de la deformación. A diferencia de otras técnicas de fibra distribuida, como las basadas en la dispersión de Brillouin o Raman , la detección acústica distribuida solo puede detectar cambios de temperatura, no su valor absoluto.

Comparación con otras técnicas de detección distribuida por fibra óptica.

La detección acústica distribuida se basa en la luz retrodispersada por Rayleigh debido a pequeñas variaciones en el índice de refracción de la fibra. La luz retrodispersada tiene la misma frecuencia que la luz transmitida. Existen otras técnicas de detección distribuida por fibra que se basan en diferentes mecanismos de dispersión y pueden utilizarse para medir otros parámetros. La dispersión de Brillouin se produce debido a la interacción entre la luz y los fonones acústicos que viajan por la fibra. Cuando la luz es dispersada por un fonón en movimiento, su frecuencia se desplaza por el efecto Doppler en aproximadamente 10  GHz. Se genera luz tanto por encima (desplazamiento anti-Stokes) como por debajo ( desplazamiento Stokes ) de la frecuencia óptica original. Los desplazamientos de intensidad y frecuencia de ambos componentes dependen de la temperatura y la deformación, y al medir estos desplazamientos, se pueden calcular los valores absolutos de ambos parámetros mediante un sistema de detección distribuida de temperatura y deformación (DTSS). La dispersión de Brillouin es mucho más débil que la dispersión de Rayleigh, por lo que es necesario sumar las reflexiones de varios pulsos para poder realizar las mediciones. Por lo tanto, la frecuencia máxima a la que se pueden medir cambios mediante la dispersión de Brillouin suele ser de unas pocas decenas de Hz. La dispersión Raman se produce cuando la luz se dispersa al interactuar con las vibraciones moleculares en la fibra. Al igual que con la dispersión de Brillouin, se generan componentes Stokes y anti-Stokes, que se desplazan varias decenas de nanómetros con respecto a la longitud de onda de la luz incidente. Midiendo la relación de intensidad entre las componentes Stokes y anti-Stokes, se puede medir un valor absoluto de temperatura mediante un sistema de detección de temperatura distribuida (DTS). Los mayores desplazamientos de longitud de onda en comparación con la dispersión de Brillouin facilitan la separación de la luz Raman dispersada de la componente dispersada de Rayleigh sin desplazamiento. Sin embargo, la intensidad de la dispersión Raman es menor que la de la dispersión Brillouin, por lo que normalmente es necesario promediar durante varios segundos o minutos para obtener resultados razonables. Por lo tanto, los sistemas basados ​​en Raman solo son adecuados para medir temperaturas que varían lentamente.

Reflectometría óptica coherente en el dominio del tiempo sensible a la fase

La reflectometría óptica coherente en el dominio del tiempo sensible a la fase (Φ-OTDR) es una técnica que puede proporcionar suficiente sensibilidad y resolución para estos sistemas de detección acústica distribuidos. [ 2 ] Las técnicas estándar de reflectometría óptica en el dominio del tiempo utilizan fuentes de luz con longitudes de coherencia más cortas que las longitudes de pulso. Esto puede producir una suma de intensidades retrodispersadas de cada centro de dispersión, lo que permite monitorear empalmes y roturas en cables de fibra óptica. Por el contrario, en los sensores basados ​​en Φ-OTDR, la longitud de coherencia de los láseres es mayor que la longitud de su pulso. Un evento cerca de la fibra genera una onda acústica que afecta a la fibra óptica cambiando las fases de los centros de retrodispersión. Un análisis de dichas señales puede revelar su impacto en el sensor y monitorear fuentes acústicas ubicadas cerca de objetos de fibra.

Aplicaciones

La sensibilidad y velocidad de la detección basada en Rayleigh permite la monitorización distribuida de señales acústicas a distancias superiores a 100  km [ 3 ] desde cada fuente láser. Las aplicaciones típicas incluyen la monitorización continua de oleoductos para detectar interferencias no deseadas, fugas o irregularidades en el flujo; la monitorización de cables de alimentación para detectar interferencias no deseadas y fallos en los cables [ 4 ] [ 5 ]; la monitorización del tráfico (carreteras, ferrocarriles [ 6 ] [ 7 ] y trenes [ 8 ] ), fronteras y otros perímetros sensibles [ 9 ] para detectar actividad inusual; e incluso aplicaciones de monitorización de pozos petrolíferos , donde la tecnología permite determinar el estado del pozo a lo largo de toda su extensión en tiempo real. La capacidad de la fibra óptica para operar en entornos hostiles hace que la tecnología sea especialmente adecuada para escenarios en los que los sistemas de detección típicos son inutilizables o poco prácticos debido a las condiciones ambientales [ 10 ] . El largo alcance de la tecnología también permite su uso en la detección sísmica. Un solo cable puede proporcionar una línea continua de monitorización de la actividad sísmica regional y también detectar terremotos a miles de kilómetros de distancia. [ 11 ] También se ha demostrado el uso de sensores acústicos distribuidos para monitorear la estimulación hidráulica en sistemas geotérmicos mejorados (EGS) [ 12 ] así como la inyección de dióxido de carbono en varios proyectos de captura y almacenamiento de carbono (CCS). [ 13 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ "Tipos de fibra > Tecnologías de fibra óptica" .
  2. ↑ Henry F. Taylor, Chung E. Lee (16 de marzo de 1993). "Patente de Estados Unidos: 5194847 - Aparato y método para la detección de intrusiones mediante fibra óptica" . Archivado del original el 8 de diciembre de 2016. Consultado el 6 de mayo de 2016 .
  3. ↑ Gregor Cedilnik; et al. (2018). "Ampliando el alcance de la detección acústica distribuida por fibra a 125 km sin el uso de amplificación". IEEE Sensors Letters . 3 (3): 1– 4. doi : 10.1109/LSENS.2019.2895249 . S2CID 71149063 .  
  4. ↑ Gregor Cedilnik; et al. (2019). "Detección acústica distribuida (DAS) de fibra de alcance ultralargo para la monitorización de cables de alimentación" (PDF) . 
  5. ↑ Rasmus Olson; et al. (2019). "Localización de fallas con detección acústica distribuida (DAS)" (PDF) . 
  6. ↑ "Detección por fibra óptica para ferrocarriles: ¿lista para usar?" (PDF) . Signalling+Datacommunication / Signal+Draht . 114 : 60. Septiembre de 2022.
  7. ↑ Wagner, Adrian; Nash, Andrew; Michelberger, Frank; Grossberger, Hirut; Lancaster, Gavin (enero de 2023). "La efectividad de la detección acústica distribuida (DAS) para la detección de rieles rotos" . Energies . 16 (1): 522. doi : 10.3390/en16010522 . ISSN 1996-1073 . 
  8. ↑ Gregor Cedilnik; et al. (2018). "Avances en la monitorización de trenes y vías férreas con DAS" . 26.ª Conferencia Internacional sobre Sensores de Fibra Óptica . pp. ThE35. doi : 10.1364/OFS.2018.ThE35 . ISBN   978-1-943580-50-7.
  9. ↑ Wieland Hill, John J. Williams y Gareth Lees (2019). "Detección por fibra óptica: Los sistemas inteligentes de detección por fibra óptica mejoran los muros y vallas fronterizas físicas" .{{cite web}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  10. ↑ Mestayer et al, Ensayos de campo de detección acústica distribuida para monitoreo geofísico, SEG Expanded Abstracts 30, 4253 (2011)
  11. ↑ Cartier, Kimberly (2019). "Cables de fibra óptica sin usar reutilizados como sensores sísmicos" . Eos . 100. doi : 10.1029/2019EO118025 .
  12. ↑ Richter, Peter; Parker, Tom; Woerpel, Craig; Wu, Wenxia; Rufino, Rogelio; Farhadiroushan, Mahmoud (10 de agosto de 2019). "Sensor acústico distribuido de alta resolución que utiliza fibra diseñada para el monitoreo y la optimización de fracturas hidráulicas en completaciones no convencionales" . Resúmenes ampliados del programa técnico de la SEG 2019. San Antonio, Texas: Society of Exploration Geophysicists. págs. 4874–4878 . doi : 10.1190/segam2019-3215860.1 . S2CID 202182897 .  
  13. ↑ Correa, Julia; Pevzner, Roman; Freifeld, Barry M.; Robertson, Michelle; Daley, Thomas M.; Wood, Todd; Tertyshnikov, Konstantin; Yavuz, Sinem; Glubokovskikh, Stanislav (30-12-2021), "Monitoreo sísmico continuo en pozos mediante vibradores orbitales de superficie y detección acústica distribuida en el proyecto CO2CRC Otway: prueba de campo para la configuración óptima" , en Li, Yingping; Karrenbach, Martin; Ajo-Franklin, Jonathan B. (eds.), Geophysical Monograph Series (1.ª ed.), Wiley, pp. 175–189 , doi : 10.1002/9781119521808.ch13 , ISBN   978-1-119-52179-2, S2CID 245049871 , consultado el 29-10-2022