分散音響センシング

レイリー散乱ベースの分散音響センシング(DAS) システムは、光ファイバー ケーブルを使用して分散歪みセンシングを提供します。DAS では、光ファイバー ケーブルがセンシング要素となり、接続された光電子デバイスを使用して測定が行われ、部分的に処理されます。このようなシステムにより、音響周波数歪み信号を長距離にわたって、また過酷な環境でも検出できます。

レイリー散乱ベースの分散型光ファイバーセンシングでは、コヒーレントなレーザーパルスが光ファイバーに沿って送信され、光ファイバー内の散乱部位によって、光ファイバーは、パルス長とほぼ等しいゲージ長を持つ分散型干渉計として機能します。反射光の強度は、レーザーパルスの送信後の時間の関数として測定されます。これは、コヒーレントレイリー光時間領域反射測定法 (COTDR) として知られています。パルスが光ファイバーの全長を往復する時間が経過したら、次のレーザーパルスを光ファイバーに沿って送信できます。同じ光ファイバー領域からの連続パルスの反射強度の変化は、光ファイバーのその部分の光路長の変化によって生じます。このタイプのシステムは、光ファイバーのひずみと温度の両方の変化に非常に敏感で、光ファイバーのすべての部分でほぼ同時に測定を行うことができます。

光パルスはファイバーに沿って伝播するにつれて減衰します。1550 nm で動作するシングルモードファイバーの場合、一般的な減衰は 0.2 dB/km です。^[1]光はファイバーの各セクションに沿って 2 回通過する必要があるため、1 km ごとに合計 0.4 dB の損失が発生します。システムの最大範囲は、反射パルスの振幅が非常に低くなり、そこからクリアな信号を取得できないときに発生します。入力電力を増加させてもこの影響を打ち消すことはできません。これは、特定のレベルを超えると非線形光学効果が誘発され、システムの動作が中断されるためです。通常、測定可能な最大範囲は約 40～50 km です。

測定できる歪みの最大値は、返される光信号の搬送波対雑音比に依存します。搬送波レベルは主に光信号の振幅によって決まりますが、雑音はレーザー雑音、電子雑音、検出器雑音などさまざまな発生源からの雑音の組み合わせです。

空間分解能は主に送信するパルスの持続時間によって決まり、100 ns のパルスで 10 m の分解能が標準的な値です。反射光の量はパルス長に比例するため、空間分解能と最大範囲の間にはトレードオフがあります。最大範囲を改善するには、より長いパルス長を使用して反射光レベルを上げることが望ましいですが、これにより空間分解能は小さくなります。2 つの信号を独立させるには、少なくとも空間分解能だけ離れたファイバー上の 2 つのポイントから信号を取得する必要があります。空間分解能よりも小さい間隔でサンプルを取得することは可能ですが、これにより互いに独立していない信号が生成されますが、このようなアプローチには一部のアプリケーションで利点があります。サンプリング ポイント間の間隔は、空間サンプリング期間と呼ばれることもあります。

次のレーザー パルスが送信される前に、前のレーザー パルスがファイバーの遠端まで移動し、そこから反射が戻ってくる時間が必要です。そうしないと、ファイバーの異なるセクションから反射が同時に戻ってくるため、システムは適切に動作しません。長さ 50 km のファイバーの場合、最大パルス レートは 2 kHz をわずかに超えます。したがって、ナイキスト周波数1 kHz までの周波数で変化する歪みを測定できます。ファイバーが短いほど、取得レートが明らかに高くなります。

システムは温度と歪みの両方の変化に敏感ですが、温度による変化は歪みよりも低い周波数範囲で発生する傾向があるため、これらを区別できる場合が多くあります。ブリルアン散乱やラマン散乱に基づくものなどの他の分散型ファイバー技術とは異なり、分散型音響センシングでは温度の絶対値ではなく、温度の変化のみを検出できます。

分散音響センシングは、ファイバーの屈折率の小さな変化によってレイリー後方散乱された光に依存します。後方散乱された光の周波数は、透過光と同じです。さまざまな散乱メカニズムに依存し、他のパラメータの測定に使用できる他の分散ファイバー センシング技術は多数あります。ブリルアン散乱は、ファイバー内を移動する光と音響フォノンの相互作用によって発生します。光は移動するフォノンによって散乱されるため、ドップラー効果によって周波数が約 10 GHz シフトします。光は、元の光周波数よりも高い (反ストークス シフト) および低い (ストークス シフト) 両方で生成されます。2 つのコンポーネントの強度と周波数のシフトは、温度と歪みの両方に依存しており、シフトを測定することにより、分散温度および歪みセンシング (DTSS) システムを使用して 2 つのパラメータの絶対値を計算できます。ブリルアン散乱はレイリー散乱よりもはるかに弱いため、測定を行うには、多数のパルスからの反射を合計する必要があります。したがって、ブリルアン散乱を使用して変化を測定できる最大周波数は、通常、数十 Hz です。ラマン散乱は、光がファイバー内の分子振動との相互作用で散乱されるときに発生します。ブリルアン散乱と同様に、ストークス成分と反ストークス成分の両方が生成され、これらは入射光の波長から数十ナノメートルシフトします。ストークス成分と反ストークス成分の強度比を測定することにより、分散温度センシング( DTS) システムで温度の絶対値を測定できます。ブリルアン散乱と比較して波長シフトが大きいということは、散乱したラマン光をシフトされていないレイリー散乱成分から分離することが容易であることを意味します。ただし、ラマン散乱の強度はブリルアン散乱よりも低いため、適切な結果を得るには通常、数秒または数分間平均化する必要があります。したがって、ラマンベースのシステムは、ゆっくりと変化する温度の測定にのみ適しています。

位相敏感コヒーレント光時間領域反射測定法（ϕ-OTDR）は、これらの分散音響センシングシステムに十分な感度と解像度を提供できる技術です。^[2]標準的な光時間領域反射測定法では、パルス長よりも短いコヒーレンス長を持つ光源を使用します。これにより、各散乱中心からの後方散乱強度の合計が得られ、光ファイバーケーブルの接合部や破損を監視できます。対照的に、ϕ-OTDRベースのセンサーでは、レーザーのコヒーレンス長はパルス長よりも長くなっています。ファイバーの近くでイベントが発生すると、後方散乱中心の位相を変更することで光ファイバーに影響を与える音波が発生します。このような信号を分析すると、センサーへの影響が明らかになり、ファイバーオブジェクトの近くにある音響源を監視できます。

レイリーベースのセンシングの感度と速度により、各レーザー光源から100 kmを超える距離^[3]にわたって音響信号を分散監視できます。一般的な用途には、パイプラインの不要な干渉や漏れや流れの異常を継続的に監視すること、電力ケーブルの不要な干渉やケーブル障害を監視すること、 ^{[4] [5]、}交通（道路、鉄道^{[6] [7]}、電車^[8]）、国境、その他の敏感な境界^[9]での異常な活動の監視、さらには油井の監視アプリケーションがあり、この技術により油井の長さ全体にわたって油井の状態をリアルタイムで判断できます。光ファイバーは過酷な環境でも動作できるため、環境条件により一般的なセンシングシステムが使用できない、または実用的でないシナリオに特に適しています。^[10]この技術は範囲が広いため、地震センシングにも使用できます。1本のケーブルで地域の地震活動を継続的に監視できるほか、数千キロ離れた地震も検出できます。^[11]分散型音響センシングの使用は、強化地熱システム（EGS）における水圧刺激の監視にも実証されています^{[12]また、いくつかの}炭素回収貯留（CCS）プロジェクトにおける二酸化炭素の注入にも実証されています^[13]。

• 分散温度センシング
• 光ファイバーセンサー
• 光時間領域反射計