
从振动角度:“万物皆可测量”。分布式光纤震动传感技术的应用充分验证了这一理念。无论是地震波的捕捉、基础设施的安全监控,还是交通运输的状态检测,DAS技术都能够实时提供精准的数据。此外,在能源领域,海底电缆、架空电缆及其故障监测均显示了振动测量的广泛适用性。在钻井过程中,通过对流量、微震事件及油井状态的监测,我们能更好地管理资源,优化生产。随着科技的进步,几乎所有事物都能被量化,从而促进了科学研究、工程设计和环境保护。
主动地震应用
地震信号是穿越地质结构的低频位移波(<100Hz)。在主动地震采集中,传感器阵列捕捉振动信号的反射波,用于生成地表下的图像,帮助识别油气层或其他结构。油气开采推动了DAS地震技术的发展,也应用于研究地质断层和碳封存等。初始采集从地表进行,钻探后则转为井内测量。
安全保障-周边、管道监控
一些分布式光纤振动感测(DAS)技术已成为安全保障应用中的关键手段,广泛用于周边安全与管道监控。DAS利用光纤对环境振动的高灵敏度,能够检测极微小的应变变化(1nε级),并实时识别来自外界的扰动,尤其适用于周边入侵检测。埋于边界或围栏的光纤可以捕捉脚步、车辆接近、翻越或破坏围栏等活动;传感器通过感知背向散射信号变化,有效探测目标区域的异常行为。
DAS在管道监控中也表现出显著优势,能够识别入侵行为(如盗窃或破坏)及意外损伤(如挖掘)。传感电缆通常位于管道上方,以确保信号能够及时捕捉,深度设计需在地表干扰与信号衰减之间取得平衡。数据实时处理能力至关重要,因入侵检测需具备较高信噪比,最大化减少误报(假阳性)并确保威胁事件不被遗漏(低假阴性)。
此外,DAS通过信号特征提取和模式识别,对事件进行分类,将非威胁性事件(如风、动物活动)与真正威胁区分开来。傅里叶、小波等变换能显著提高分类效果,使系统更加智能化。管道安全应用中,DAS不仅可追踪被放入管道的检测工具(管道检测仪),还可监测并定位管道沿线的结构变化,提供更全面的安全防护
交通运输
分布式光纤振动传感(DAS)在交通运输中的应用逐步受到关注,其主要通过检测路面或轨道的微小振动实现车辆监测。DAS系统嵌入道路或铁路中,可实时检测和分析不同位置的震动信号,应用涵盖以下几个方面:
交通流量监测:DAS可用于识别道路上是否有车辆通行,以实现实时交通流量监测。这对管理交通拥堵、优化信号控制和提供交通信息具有重要意义。
车辆速度和重量监测:DAS通过分析车辆产生的震动强度和频率变化,可以推断出车辆的行驶速度,并通过称重估计每辆车的总重量及轴重,确保车辆符合道路承载要求。
火车追踪:由于火车的质量和速度较大,DAS系统可以清晰检测到火车经过时的震动信号。早期试验显示,基于DAS的振幅监测能够有效确定火车的位置信息、速度以及长度,提升了轨道交通监控的安全性。
车辆轨迹追踪:分布式传感器可以通过嵌入式网络实时追踪每辆车的运动路径,为道路安全和交通事故预防提供支持。与传统的摄像头系统不同,光纤传感器可以隐蔽安装在路面中,避免了天气条件和视线遮挡的影响。
能源电缆
随着海底输电电缆数量的快速增加,输电装机容量的增长主要受到岸外风电场建设和跨国电力互联网络的推动。海底电缆面临诸多风险,包括海底波浪、锚和渔具的损坏,以及维护时找到电缆的挑战。
近年来,越来越多的海底电缆安装了光纤,用于海上风电场的遥测和控制,同时也用于电信流量的传输。这些光纤通常用于分布式温度测量(DTS)和静态应变测量,并可以改为分布式振动测量(DAS)。通过检测源船发出的声音,可以定位电缆,及时发现第三方损害,便于追责。
分布式振动传感还可用于检测电缆故障时施加的高压脉冲声发射,从而准确定位故障,节省维修时间。例如,对连接海上风电场和陆地变电站的电缆噪声能量的测量显示了海况噪声的变化,为电缆定位提供了更多信息。
检测故障和部分放电
部分放电是指在绝缘体中形成的导电轨道,通常发生在高压系统中,最终导致电缆故障或电缆接头故障。部分放电伴随超声波频率(通常超过1MHz)的声发射。虽然分布式振动传感器的采样频率通常不足以充分捕捉这些事件,但它们依然能在DAS信号上留下标记。
架空电缆的风和冰载荷
自20世纪80年代以来,架空电力线逐渐集成了光地线(OPGW)光纤,主要用于遥测和电信,备用光纤则用于温度和振动传感。振动数据帮助分析风的影响,包括潜在破坏性的共振效应,同时通过推断风速以优化电网运行。振动感应还可用于检测雷击位置;雷击会使OPGW电流瞬间超过1000A,产生快速的温度上升和相位偏移,从而影响DAS信号。
钻井中的生产和完整性应用
在油田开发中,DAS技术主要用于优化生产区段流量、监控水力压裂过程以及确保井内设备(如泵和阀门)的正常运行,特别是在井完整性方面预防泄漏和位移带来的问题(如压实和沉降)。尽管DAS在永久监测(PRM)中也被用于生产活动,但相比地震数据采集,生产应用多为局部事件,频率更高,对空间分辨率和频率记录要求更高。
