الاستشعار الصوتي الموزع عبر الألياف البصرية

الإستشعار الصوتي الموزع (DAS) (بالإنجليزية: Distributed acoustic sensing)‏ هو تقنية مبتكرة تستخدم كابلات الألياف الضوئية كأجهزة استشعار صوتية. تتيح هذه التقنية الكشف عن الاهتزازات أو الموجات الصوتية أو الحركات على طول الكابل، وتستخدم في العديد من الصناعات كنظام مراقبة متقدم.

أساسيات الاستشعار بالألياف البصرية المعتمد على تشتت رايلي

يقوم نظام الاستشعار الموزع المعتمد على تشتت رايلي بإرسال نبضة متماسكة من الليزر عبر الألياف البصرية، مما يجعل مواقع التشتت داخل الألياف تعمل كجهاز تداخل موزع بطول قياس يعادل تقريبًا طول النبضة. ويتم قياس شدة الضوء المنعكس كدالة للزمن بعد إرسال نبضة الليزر، وهو ما يُعرف بـ"قياس الانعكاس الزمني البصري المتماسك لتشتت رايلي" (COTDR). وعندما تنتهي النبضة من الانتقال عبر طول الألياف والعودة، يمكن إرسال نبضة الليزر التالية. وتحدث التغيرات في شدة الانعكاس للنبضات المتعاقبة القادمة من نفس المنطقة بسبب تغيرات في طول المسار البصري لتلك المنطقة من الألياف. يتميز هذا النوع من الأنظمة بحساسية عالية للتغيرات في كلٍ من الإجهاد ودرجة الحرارة، كما يمكن إجراء القياسات تقريبًا في جميع أقسام الألياف بشكل متزامن.

قدرات الأنظمة القائمة على تشتت رايلي

المدى الأقصى

يتناقص نبض الضوء البصري أثناء انتقاله عبر الألياف بسبب التوهين. في الألياف أحادية النمط التي تعمل عند طول موجي 1550 نانومتر، يكون معدل التوهين النموذجي 0.2 ديسيبل/كم. ولأن الضوء يجب أن يمر بمسار مزدوج عبر كل قسم من الألياف، فإن كل 1 كم يتسبب في خسارة إجمالية تبلغ 0.4 ديسيبل. يحدث الحد الأقصى للمدى عندما تصبح شدة النبضة المنعكسة منخفضة للغاية لدرجة أنه يستحيل استخراج إشارة واضحة منها. لا يمكن تعويض هذا التأثير بزيادة قدرة الإدخال، لأن تجاوز حد معين سيؤدي إلى حدوث تأثيرات بصرية غير خطية تؤثر سلبًا على تشغيل النظام. يتراوح المدى الأقصى الذي يمكن قياسه عادة بين 40–50 كم.

دقة قياس الإجهاد

يتحدد الحد الأقصى لقيمة الإجهاد التي يمكن قياسها بنسبة نسبة الإشارة إلى الضوضاء للإشارة البصرية العائدة. تعتمد مستوى الإشارة بشكل كبير على شدة الضوء البصري، بينما تكون الضوضاء مزيجًا من مصادر متعددة تشمل ضوضاء الليزر، وضوضاء الإلكترونيات، وضوضاء الكاشف.

الدقة المكانية وفترة أخذ العينات المكانية

تُحدد الدقة المكانية بشكل رئيسي بواسطة مدة النبضة المرسلة. على سبيل المثال، توفر نبضة مدتها 100 نانومتر دقة مكانية تبلغ 10 م، وهو قيمة نموذجية. تعتمد كمية الضوء المنعكس على طول النبضة، مما يعني وجود تناقض بين الدقة المكانية والمدى الأقصى. لتحسين المدى الأقصى، يُفضل استخدام نبضات أطول، ولكن هذا يؤدي إلى تقليل الدقة المكانية. للحصول على إشارات مستقلة، يجب أن تفصل النقاط على الألياف مسافة تساوي على الأقل الدقة المكانية. ومع ذلك، يمكن أخذ عينات عند فواصل أقل من الدقة المكانية، ورغم أن الإشارات الناتجة لن تكون مستقلة، إلا أن هذه الطريقة تقدم مزايا في بعض التطبيقات. تُعرف المسافة بين نقاط أخذ العينات أحيانًا بـ"فترة أخذ العينات المكانية".

معدل الاكتساب

يتطلب إرسال نبضة ليزر جديدة أن يكون للنبضة السابقة وقت كافٍ للانتقال إلى نهاية الألياف وعودة الانعكاسات منها. وإلا، فإن الانعكاسات ستعود من أقسام مختلفة من الألياف في نفس الوقت، مما يؤدي إلى تعطل النظام. على سبيل المثال، في ألياف يبلغ طولها 50 كم، يبلغ معدل النبضات الأقصى حوالي 2 كيلو هرتز. لذا، يمكن قياس الإجهادات التي تتغير عند ترددات تصل إلى تردد نيكويست البالغ 1 كيلو هرتز. تتيح الألياف الأقصر معدلات اكتساب أعلى بشكل واضح.

قياسات درجة الحرارة

بالرغم من أن النظام حساس للتغيرات في كلٍ من الإجهاد ودرجة الحرارة، إلا أنه يمكن فصلها غالبًا، حيث تحدث تغيرات درجة الحرارة عند نطاق تردد أقل من الإجهاد. على عكس تقنيات الألياف البصرية الموزعة الأخرى، مثل تلك المعتمدة على تشتت بريلوين أو تشتت رامان، فإن أنظمة الاستشعار الصوتية الموزعة قادرة فقط على الكشف عن تغيرات درجة الحرارة وليس قيمتها المطلقة.