CC BY
28DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-18-19
РУБЕЖИ ПРИМЕНЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ВОЛОКОННЫХ ДАТЧИКОВ
ШаталинС.В.', Паркер Т.Р., Фархадироушан М.
Силикса ЛТД, г. Лондон E-mail: sergey. shatalin@silixa. com
Многокилометровые распределенные оптоволоконные датчики стали признанным решением для многих отраслей промышленности [1]. Тонкий пассивный волоконный световод с практически неограниченной информационной полосой оказывается идеальным чувствительным элементом датчика. Амплитудные датчики температуры, основанные на рамановском рассеянии, обеспечивают точность до 0.01 град, датчики натяжения на бриллюэновском рассеянии - точность до микрострейна (мкм/м) [2]. Но лидером являются интерферометрические датчики на основе рэлеевского рассеяния с чувствительность по температуре в диапазоне микрокельвинов, а в акустической деформации в диапазоне пикострейнов (пм/м).
Распределенные интерферометрические датчики появились более 30 лет назад [3], но массовое применение нашли не сразу. Инженерная наука должна была предложить такие решения, которые бы позволяли работать не только в принципе, но в корпусе. В частности, частотная рефлектометрия, несмотря на потенциально лучшее отношение сигнал/шум, проиграла из-за артефактов временной рефлектометрии, когда короткий импульс распространяется в волокне и, рассеиваясь обратно, несет информацию о месте рассеяния [4]. Другим критическим фактором стало общее развитие новых технологий оптических волокон [5] и, в частности, оптических усилителей. Таким образом, нам в Силиксе удалось создать решения, успешно работающие на пределе дробового шума в практически любых земных условиях, включая скважины на океанском дне. Следующим этапом может стать волоконный сейсмический датчик на Луне. Если в начале главным спонсором выступала нефтегазовая отрасль, то со временем интерес смещается в сторону зеленых технологий: контроль за закачкой углекислого газа обратно в недра, геотермальные проекты и исследования ледяного покрова Гренландии и Антарктиды.
Основное ограничение волоконных распределенных акустических датчиков (Distributed Acoustic Sensor DAS) связано с малым количеством фотонов, только 0.1% рассеивается обратно в световод. Эту проблему можно решить с использованием специальных волокон типа Constellation, увеличивающих уровень обратного рассеяния до 100 раз, так что чувствительность, ограниченная квантовым шумом, увеличивается в 10 раз. Дальнейшее увеличение отражения оказывается нерациональным из-за перекрестных помех. Кроме того, рассеивающие центры можно разместить регулярно по длине волокна, что позволяет подавить фликкер-шум и расширить динамический диапазон до 120 дБ (вплоть до точки разрыва волокна) путем устранение случайных скачков
Рис. 1. Распределённые волоконно-оптические акустические датчики Силиксы: от донных скважин до лунных проектов
оптической фазы. Такое 100 кратное увеличение интенсивности также позволяет удлинить измерительное волокно на 50 км. С учетом возможности рамановского усиления, которое добавляет дополнительно 30 км, рабочий диапазон DAS удается довести до 100 км.
В некоторых применениях увеличение мощности отраженного сигнала целесообразно конвертировать в 100-кратное уменьшение времени накопления или 10-кратное снижение мощности зондирующего сейсмического сигнала.
18 №6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» [email protected]
к 3
е
I
•1'
0
Е
1
Рис. 2. Уникальная низкочастотная чувствительность DAS в сравнении с геофонами и сейсмометрами[6]
На рис 2 представлена чувствительность DAS с обычным одномодовым волокном и с волокном Constellation в сравнении с чувствительностью современных геофонов и сейсмометров. Видно, что в диапазоне низких частот DAS является уникальным измерительным прибором, значительно превосходящим в своей чувствительности уровень сейсмических шумов земли (Low Noise Model) [6]. Заметим, что в субгерцовом диапазоне датчики гравитационных волн теряют свою развязку от вибраций грунта и DAS могут оказаться перспективными даже для таких применений.
Большее количество света можно также использовать для улучшения пространственного разрешения до 10 см, что сравнимо с диаметром труб в скважинах. Это позволяет измерять поток без намотки волоконного кабеля на трубу путем детектирования вихрей турбулентного течения жидкости линейным кабелем при укладке его змейкой.
И, наконец, не стоит забывать, что импульсная временная рефлектометрия еще содержит в себе потенциал увеличения количества квантов путем использования внутриимпульсной модуляции аналогично частотной рефлектометрии. При этом пространственное разрешение может быть улучшено по сравнению с длительностью импульса, а импульс соответственно расширен. Такие гибридные системы позволят достичь длин более 100 км и станут, видимо, новым стандартом DAS в будущем.
Авторы благодарят сотрудников Silixa за помощь в подготовке статьи. Литература
1. Hartog A.H. An introduction to distributed optical fibre sensors. CRC press (2017)
2. Parker T.R., Farhadiroushan M., Feced R., Handerek V.A. & Rogers A.J. Simultaneous distributed measurement of strain and temperature from noise-initiated Brillouin scattering in optical fibers. IEEE Journal of Quantum Electronics, 34(4), 645-659 (1998)
3. Shatalin S., Mamedov A., Potapov V. and Sedykh D. Optical Frequency Domain Multiplexing of Fiber-Optic Sensors, the First International Soviet Fibre Optics Conference, ISFOC '91, pp. 307-308 (1991)
4. Shatalin S.V., Treschikov V.N. & Rogers A.J. Interferometric optical time-domain reflectometry for distributed optical-fiber sensing. Applied optics, 37(24), 5600-5604 (1998)
5. Dianov EM., Semjonov S.L. & Bufetov I.A. New generation of optical fibres. Quantum Electronics, 46(1), 1. (2016)
6. Shatalin S., Parker T. & Farhadiroushan M. High Definition Seismic and Microseismic Data Acquisition Using Distributed and Engineered Fiber Optic Acoustic Sensors, Chapter 2, from book Distributed Acoustic Sensing in Geophysics: Methods and Applications, AGU books (2021)
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН ДЛЯ ЛИНИЙ СВЯЗИ - ОТ ПОДВОДНЫХ ДО ЦЕНТРОВ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
Коротков Н.М.
ООО «Корнинг СНГ» korotkovnm@corning. com
В докладе представлены тенденции развития оптических волокон для линий связи. Рассмотрены решения для увеличения кабельной емкости и уменьшения стоимости передачи информации
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021»
