Часто на семинарах приходится слышать истории о том, как монтажники вытаскивают оптическую муфту из колодца канализации, которая им мешает для проведения работ и в которую входит какой-то непонятный для них кабель. Через пять минут приезжают люди в форме и интересуются что монтажник собирался делать с этой муфтой. Оглядываются, вроде бы камер нигде нет. Мистика!
На самом деле не мистика, а DAS (Distributed acoustic sensing – распределенный акустический мониторинг).
В его основе лежит фазочувствительный оптический рефлектометр (когерентный рефлектометр), который работает на том же явлении, что и самый обычный оптический рефлектометр – обратное рассеяние Рэлея, но со своими особенностями:
- Анализируется каждая ежемоментная рефлектограмма отраженного сигнала, изменение графика рефлектограммы во времени. В обычном же рефлектометре выводится усредненная картина после тысяч измерений.
- Измеряющий импульс более длительный, с абсолютно синхронной фазой, чтобы фиксировать не только мощность отраженного сигнала, но и изменение фазы электромагнитного колебания. Отсюда и название – фазочувствительный рефлектометр.
Принцип действия такого рефлектометра следующий: последовательно в линию направляются измерительные импульсы, регистрируется отраженный сигнал, который формируется непрерывно при прохождении света по волокну. Далее анализируется разница между полученными картинами отраженного сигнала.
Фиксируется любая деформация волокна, вызванная растягивающей нагрузкой, изменением температуры или акустическими вибрациями. Да, вибрации вызывают кратковременную упругую деформацию молекул волокна, локальное изменение оптической длины и смещение фазы отраженного от этого места сигнала. Так как акустические вибрации знакопеременны (колеблются в разные стороны, относительно равновесного положения) и имеют определенную частоту, их можно легко отличить от долговременных деформаций. А вот долговременные деформации отличить друг от друга уже намного сложнее, понять вызвана микро-деформация материала температурой или растяжением на уровне рефлектограмм невозможно, тут важна правильная интерпретация.
Помимо интенсивности звуковых колебаний, фиксируется также и частота. Каким образом? Например, мы проводим в одну секунду 10 тысяч измерений, получаем 10 тысяч рефлектограмм. Возникает какое-то звуковое воздействие вблизи определенного участка волокна. Мы видим, что каждую тысячу рефлектограмм картина интенсивности деформации нарастает, падает и возвращается в свою исходную точку, далее начинается новый цикл колебания. Можно сделать вывод, что частота звукового колебания 10 Гц (10 колебаний в секунду). Отсюда же вытекает ограничение фиксируемой частоты для каждого прибора, – мы не можем зафиксировать звук, частота которого превышает частоту измерений.
Чем короче линия, тем больший диапазон звуковых частот мы можем фиксировать. Перед тем как отправить следующий измерительный импульс, нам нужно дождаться пока предыдущий импульс дойдет до конца линии, отразится и вернется обратно, а чем длиннее линия, тем больше время прохождение импульса по волокну и тем меньше измерений мы можем провести в единицу времени.
Пример акустической картины участка объекта, где наблюдаются два события: 1) копка земли лопатой – периодические пики на картине в определенном месте с нарастающей интенсивностью (по мере уменьшения слоя земли между кабелем и лопатой), 2) звук от пьезоэлектрического преобразователя с фиксированной частотой колебаний 200 Гц.
Провести измерения в системе акустического мониторинга мало, потому что после измерения мы получаем огромный необработанный массив данных за каждую секунду проведенных измерений, автоматически мы не получаем разбиение по частотам и интенсивностям. Массив данных обрабатывается специальными анализирующими программами, которые отслеживают закономерности изменения сигнала и позволяют определить частоты, интенсивности и участок волокна, воспринявший звуковые колебания. Выстраивают графики и диаграммы. И даже получив эти данные, мы понимаем, что на определенном участке что-то издает звук определенной частоты, но что это конкретно мы не поймем.
Чтобы определить конкретные события, проводят «обучение» системы, накапливают базу данных типовых звуковых возмущений с характерной повторяемостью, диапазоном частот и встраивают эту базу в анализирующую программу. После определения параметров звуковых возмущений программа сравнивает их со своей базой и делает вывод о том, что могло стать источником звука.
Например, когда по асфальту идет человек, есть определенная периодичность шагов и определенный диапазон частот звуковых колебаний, у работающего двигателя автомобиля совершенно другой диапазон частот и периодичность возникновения волн и т.д.
Под каждый тип задач набор событий свой, соответственно своя база данных и своя программа.
Для адекватной работы системы дополнительно нужно оценить влияние окружающей среды на конкретном объекте. Например, обучили программу фиксировать сторонние вмешательства в пределах периметра предприятия, закопав кабель в глинистый грунт в России, потом продали систему на ближний восток, а песчаный грунт транслирует совсем другой уровень шумов и сильнее поглощает колебания определенного диапазона частот. Система будет работать «не совсем так» или «совсем не так». Чтобы такая ситуация не возникала, необходимо проводить пуско-наладочные работы с воспроизведением всех интересующих нас событий и проверять чувствительность системы, при необходимости корректировать параметры анализирующей программы.
Чтобы ускорить и автоматизировать формирование анализирующего механизма, производят внедрение нейронных сетей, обучения систем с помощью ИИ.
В идеале система не отвлекает оператора диаграммами и графиками, она указывает какое событие произошло, на каком расстоянии, где это на карте.
Задача кабеля сводится к способности транслировать звуковые волны из окружающей среды на волокно с минимальным поглощением энергии колебаний. Ну и конечно защитные покровы должны защищать оптические волокна от внешних воздействий в течение его срока службы.
Для целей акустического мониторинга зачастую подходят уже действующие ВОЛС, потому что DAS работает на всех стандартных одномодовых волокнах.
Типичная длина линии мониторинга по волокну составляет 50-70 км, усовершенствованные рефлектометры позволяют мониторить акустическую картину на расстояния до 100 км.
Задачи, которые позволяет решать система DAS:
- Охрана. Фиксация присутствия людей и автомобилей в определенных локациях (периметр предприятия, гос. граница, трубопровод, линия электропередач)
- Контроль аварийных и предаварийных ситуаций. Обнаружение и локализация утечек на трубопроводах. Короткое замыкание на линии электропередач. Повышенные вибрации, повреждение элементов производственного и иного оборудования
- Контроль технологических процессов. Мониторинг движения поездов по железной дороге, оперативное управление, оптимизация расписания. Контроль засоров каналов по транспортировке руды на горнорудных комбинатах, где остановка вибрации – явный сигнал засора. Контроль расположения диагностического оборудования, которое перемещается внутри газопровода.
- Проведение измерений в геофизических работах. Например, акустический каротаж нефтяных и газовых скважин (определение пористости и проницаемости пластов)
- Обнаружение дефектов на протяженных объектах (автомобильные дороги, аэродромы, ж/д). Колеса начинают стучать о возникшие ямы.
Возвращаясь в начало текста, можно сказать что с высокой долей вероятности служба ведомственной связи использует акустический мониторинг для охраны своих особо ответственных сетей.
