Distributed acoustic sensing
રેલે સ્કેટરિંગ આધારિત ડિસ્ટ્રિબ્યુટેડ એકોસ્ટિક સેન્સિંગ (ડીએએસ) સિસ્ટમ્સ ડિસ્ટ્રિબ્યુટેડ સ્ટ્રેન સેન્સિંગ પ્રદાન કરવા માટે ફાઇબર ઓપ્ટિક કેબલ્સનો ઉપયોગ કરે છે. ડી. એ. એસ. માં, ઓપ્ટિકલ ફાઇબર કેબલ સંવેદનાત્મક તત્વ બની જાય છે અને માપન કરવામાં આવે છે, અને અમુક ભાગમાં જોડાયેલ ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણનો ઉપયોગ કરીને પ્રક્રિયા કરવામાં આવે છે. આવી પ્રણાલી ધ્વનિ આવર્તન તાણ સંકેતોને મોટા અંતર પર અને કઠોર વાતાવરણમાં શોધવાની મંજૂરી આપે છે. રેલે સ્કેટર આધારિત ફાઇબર ઓપ્ટિક સેન્સિંગની મૂળભૂત બાબતો રેલે સ્કેટર આધારિત ડિસ્ટ્રિબ્યુટેડ ફાઇબર ઓપ્ટિક સેન્સિંગમાં, સુસંગત લેસર પલ્સ ઓપ્ટિક ફાઇબર સાથે મોકલવામાં આવે છે, અને ફાઇબરની અંદર સ્કેટરિંગ સાઇટ્સ ફાઇબરને પલ્સની લંબાઈ જેટલી ગેજ લંબાઈ સાથે ડિસ્ટ્રિબ્યુટેડ ઇન્ટરફેરોમીટર તરીકે કામ કરે છે. પ્રતિબિંબિત પ્રકાશની તીવ્રતાને લેસર પલ્સના પ્રસારણ પછીના સમયના કાર્ય તરીકે માપવામાં આવે છે. આને સુસંગત રેલેહ ઓપ્ટિકલ ટાઇમ ડોમેન રિફ્લેક્ટોમેટ્રી (COTDR) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. જ્યારે પલ્સ પાસે ફાઇબરની સંપૂર્ણ લંબાઈ અને પાછળ મુસાફરી કરવાનો સમય હોય, ત્યારે આગામી લેસર પલ્સ ફાઇબર સાથે મોકલી શકાય છે. ફાઇબરના સમાન વિસ્તારમાંથી ક્રમિક કઠોળની પ્રતિબિંબિત તીવ્રતામાં ફેરફારો ફાઇબરના તે વિભાગની ઓપ્ટિકલ પાથ લંબાઈમાં ફેરફારોને કારણે થાય છે. આ પ્રકારની પ્રણાલી ફાઇબરના તાણ અને તાપમાનની વિવિધતા બંને માટે ખૂબ જ સંવેદનશીલ હોય છે અને ફાઇબરના તમામ વિભાગોમાં માપન લગભગ એક સાથે કરી શકાય છે. રેલે-આધારિત પ્રણાલીઓની ક્ષમતાઓ મહત્તમ શ્રેણી ઓપ્ટિકલ પલ્સ એટેન્યુએટ થાય છે કારણ કે તે ફાઇબર સાથે પ્રસરે છે. 1550 એનએમ પર કામ કરતા સિંગલ મોડ ફાઇબર માટે, એક લાક્ષણિક ક્ષીણન 0.2 ડીબી/કિમી છે. પ્રકાશ ફાઇબરના દરેક વિભાગ સાથે બેવડો પસાર થવો આવશ્યક હોવાથી, આનો અર્થ એ છે કે દરેક 1 કિમી કુલ 0.4 ડી. બી. નું નુકસાન કરે છે. પ્રણાલીની મહત્તમ શ્રેણી ત્યારે થાય છે જ્યારે પ્રતિબિંબિત નાડીનું કંપનવિસ્તાર એટલું ઓછું થઈ જાય છે કે તેમાંથી સ્પષ્ટ સંકેત મેળવવો અશક્ય છે. ઇનપુટ પાવર વધારીને આ અસરનો સામનો કરવો શક્ય નથી કારણ કે ચોક્કસ સ્તરથી ઉપર આ બિનરેખીય ઓપ્ટિકલ અસરોને પ્રેરિત કરશે જે સિસ્ટમની કામગીરીમાં વિક્ષેપ પાડશે. સામાન્ય રીતે માપી શકાય તેવી મહત્તમ શ્રેણી લગભગ 40-50 કિમી હોય છે. તાણનું મહત્તમ મૂલ્ય જે માપી શકાય છે તે પરત આવતા ઓપ્ટિકલ સિગ્નલના વાહક અને ઘોંઘાટ ગુણોત્તર પર આધારિત છે. વાહક સ્તર મોટે ભાગે ઓપ્ટિકલ સિગ્નલના કંપનવિસ્તાર દ્વારા નક્કી થાય છે જ્યારે ઘોંઘાટ એ લેસર ઘોંઘાટ, ઇલેક્ટ્રોનિક ઘોંઘાટ અને ડિટેક્ટર ઘોંઘાટ સહિતના વિવિધ સ્રોતોમાંથી તેનું સંયોજન છે. અવકાશી રીઝોલ્યુશન અને અવકાશી નમૂનાનો સમયગાળો અવકાશી રીઝોલ્યુશન મુખ્યત્વે પ્રસારિત પલ્સના સમયગાળા દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે, જેમાં 100 એનએસ પલ્સ 10 મીટર રિઝોલ્યુશન આપે છે જે એક લાક્ષણિક મૂલ્ય છે. પ્રતિબિંબિત પ્રકાશની માત્રા નાડીની લંબાઈના પ્રમાણમાં હોય છે તેથી અવકાશી રીઝોલ્યુશન અને મહત્તમ શ્રેણી વચ્ચે વિનિમય થાય છે. મહત્તમ શ્રેણીમાં સુધારો કરવા માટે, પ્રતિબિંબિત પ્રકાશના સ્તરને વધારવા માટે લાંબા પલ્સ લંબાઈનો ઉપયોગ કરવો ઇચ્છનીય રહેશે પરંતુ આ નાના અવકાશી રીઝોલ્યુશન તરફ દોરી જાય છે. બે સંકેતો સ્વતંત્ર હોવા માટે, તેઓ ફાઇબર પરના બે બિંદુઓમાંથી મેળવવામાં આવશ્યક છે જે ઓછામાં ઓછા અવકાશી રીઝોલ્યુશન દ્વારા અલગ પડે છે. અવકાશી રીઝોલ્યુશન કરતા ઓછા વિભાજન પર નમૂનાઓ મેળવવાનું શક્ય છે અને જો કે આ એવા સંકેતો ઉત્પન્ન કરે છે જે એકબીજાથી સ્વતંત્ર નથી, તેમ છતાં આવા અભિગમ કેટલીક એપ્લિકેશનોમાં ફાયદા આપે છે. નમૂનાના બિંદુઓ વચ્ચેના વિભાજનને કેટલીકવાર અવકાશી નમૂનાના સમયગાળા તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. સંપાદન દર આગામી લેસર પલ્સ પ્રસારિત થાય તે પહેલાં અગાઉની પાસે ફાઇબરના દૂરના છેડા સુધી મુસાફરી કરવાનો અને ત્યાંથી પ્રતિબિંબે પાછા ફરવા માટે સમય હોવો જોઈએ, અન્યથા પ્રતિબિંબે ફાઇબરના વિવિધ વિભાગોમાંથી એક જ સમયે પરત ફરશે અને સિસ્ટમ યોગ્ય રીતે કાર્ય કરશે નહીં. 50 કિમી લાંબા ફાઇબર માટે મહત્તમ પલ્સ દર માત્ર 2 કિલોહર્ટ્ઝથી વધુ છે. તેથી, તાણને માપી શકાય છે જે 1 કિલોહર્ટ્ઝની ન્યક્વિસ્ટ આવર્તન સુધીની આવર્તન પર બદલાય છે. ટૂંકા રેસા સ્પષ્ટપણે ઉચ્ચ સંપાદન દરને સક્ષમ કરે છે. તાપમાન માપન જોકે પ્રણાલી તાપમાન અને તાણની ભિન્નતા બંને માટે સંવેદનશીલ હોય છે, તેમ છતાં તેને ઘણીવાર અલગ કરી શકાય છે કારણ કે તાપમાનને કારણે તે તાણ કરતાં ઓછી આવર્તન શ્રેણીમાં થાય છે. બ્રિલૌઇન અથવા રમન સ્કેટર પર આધારિત અન્ય વિતરિત ફાઇબર તકનીકોથી વિપરીત, વિતરિત એકોસ્ટિક સેન્સિંગ તેના સંપૂર્ણ મૂલ્યને બદલે માત્ર તાપમાનમાં ફેરફારોને શોધી શકે છે. અન્ય ફાઇબર ઓપ્ટિક ડિસ્ટ્રિબ્યુટેડ સેન્સિંગ તકનીકો સાથે સરખામણી ડિસ્ટ્રિબ્યુટેડ એકોસ્ટિક સેન્સિંગ પ્રકાશ પર આધાર રાખે છે જે ફાઇબરના રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સમાં નાના ફેરફારોથી રેલે બેકસ્કેટર્ડ છે. બેકસ્કેટર પ્રકાશની આવર્તન પ્રસારિત પ્રકાશ જેટલી જ હોય છે. સંખ્યાબંધ અન્ય વિતરિત ફાઇબર સેન્સિંગ તકનીકો છે જે વિવિધ સ્કેટરિંગ મિકેનિઝમ્સ પર આધાર રાખે છે અને અન્ય પરિમાણોને માપવા માટે તેનો ઉપયોગ કરી શકાય છે. બ્રિલૌઇન સ્કેટર ફાઇબરમાં મુસાફરી કરતા પ્રકાશ અને એકોસ્ટિક ફોનોન વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને કારણે થાય છે. જેમ જેમ પ્રકાશ ફરતા ફોનોન દ્વારા વેરવિખેર થાય છે, તેની આવર્તન ડોપ્લર અસર દ્વારા લગભગ 10 ગીગાહર્ટ્ઝ દ્વારા સ્થાનાંતરિત થાય છે. પ્રકાશ મૂળ ઓપ્ટિકલ આવર્તનની ઉપર (એન્ટી-સ્ટોક્સ શિફ્ટ) અને નીચે (સ્ટોક્સ શિફ્ટ) બંને જગ્યાએ ઉત્પન્ન થાય છે. બે ઘટકોની તીવ્રતા અને આવર્તન પરિવર્તન તાપમાન અને તાણ બંને પર આધારિત છે અને પરિવર્તનને માપીને, બે પરિમાણોના નિરપેક્ષ મૂલ્યોની ગણતરી વિતરિત તાપમાન અને તાણ સંવેદના (ડીટીએસએસ) પ્રણાલીનો ઉપયોગ કરીને કરી શકાય છે. બ્રિલૌઇન સ્કેટર રેલે સ્કેટર કરતાં ઘણું નબળું છે અને તેથી માપને સક્ષમ કરવા માટે સંખ્યાબંધ કઠોળમાંથી પ્રતિબિંબનો સરવાળો કરવો આવશ્યક છે. તેથી, મહત્તમ આવર્તન કે જેના પર બ્રિલોઇન સ્કેટરનો ઉપયોગ કરીને ફેરફારોને માપી શકાય છે તે સામાન્ય રીતે થોડા દસ હર્ટ્ઝ હોય છે. રમન સ્કેટર ત્યારે થાય છે જ્યારે ફાઇબરમાં પરમાણુ સ્પંદનો સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયામાં પ્રકાશ વેરવિખેર થાય છે. બ્રિલૌઇન સ્કેટરિંગની જેમ, સ્ટોક્સ અને એન્ટી-સ્ટોક્સ બંને ઘટકો ઉત્પન્ન થાય છે અને આ ઘટના પ્રકાશની તરંગલંબાઇમાંથી કેટલાક દસ નેનોમીટર દ્વારા સ્થાનાંતરિત થાય છે. સ્ટોક્સ અને એન્ટી-સ્ટોક્સ ઘટકો વચ્ચેના તીવ્રતાના ગુણોત્તરને માપવાથી, તાપમાનનું સંપૂર્ણ મૂલ્ય ડિસ્ટ્રિબ્યુટેડ ટેમ્પરેચર સેન્સિંગ (ડી. ટી. એસ.) સિસ્ટમ દ્વારા માપી શકાય છે. બ્રિલૌઇન સ્કેટરની સરખામણીમાં મોટા તરંગલંબાઇના પરિવર્તનનો અર્થ એ છે કે વેરવિખેર રમન પ્રકાશને અન-શિફ્ટેડ રેલે સ્કેટર્ડ ઘટકથી અલગ કરવો સરળ છે. જો કે રમન સ્કેટરની તીવ્રતા બ્રિલોઇન સ્કેટર કરતા ઓછી હોય છે અને તેથી વાજબી પરિણામો મેળવવા માટે સામાન્ય રીતે ઘણી સેકંડ અથવા મિનિટ માટે સરેરાશ કરવી જરૂરી છે. તેથી, રમણ આધારિત પ્રણાલીઓ માત્ર ધીમે ધીમે બદલાતા તાપમાનને માપવા માટે યોગ્ય છે. તબક્કો-સંવેદનશીલ સુસંગત ઓપ્ટિકલ ટાઇમ-ડોમેન રિફ્લેક્ટોમેટ્રી તબક્કો-સંવેદનશીલ સુસંગત ઓપ્ટિકલ ટાઇમ-ડોમેન રિફ્લેક્ટોમેટ્રી (φ-OTDR) એ એક એવી તકનીક છે જે આ વિતરિત એકોસ્ટિક સેન્સિંગ સિસ્ટમ્સ માટે પૂરતી સંવેદનશીલતા અને રીઝોલ્યુશન પ્રદાન કરી શકે છે. પ્રમાણભૂત ઓપ્ટિકલ ટાઇમ-ડોમેન રિફ્લેક્ટોમેટ્રી તકનીકો સુસંગત લંબાઈવાળા પ્રકાશ સ્રોતોનો ઉપયોગ કરે છે, જે પલ્સની લંબાઈ કરતાં ટૂંકા હોય છે. આ દરેક સ્કેટરિંગ સેન્ટરમાંથી બેકસ્કેટર્ડ ઇન્ટેન્સિટીનો સરવાળો મેળવી શકે છે, જે ફાઇબર ઓપ્ટિક કેબલ્સમાં સ્પ્લાઇસ અને બ્રેકનું નિરીક્ષણ કરવાની મંજૂરી આપે છે. તેનાથી વિપરીત, φ-OTDR-આધારિત સેન્સરમાં, લેસરોની સુસંગતતા લંબાઈ તેમની નાડીની લંબાઈ કરતાં લાંબી હોય છે. ફાઇબરની નજીકની ઘટના એકોસ્ટિક તરંગ પેદા કરે છે જે બેકસ્કેટરિંગ કેન્દ્રોના તબક્કાઓને બદલીને ઓપ્ટિકલ ફાઇબરને અસર કરે છે. આવા સંકેતોનું વિશ્લેષણ સેન્સર પર તેમની અસર જાહેર કરી શકે છે અને ફાઇબર પદાર્થોની નજીક સ્થિત ધ્વનિ સ્રોતો પર નજર રાખી શકે છે. એપ્લિકેશન્સ રેલે-આધારિત સંવેદનની સંવેદનશીલતા અને ઝડપ દરેક લેસર સ્રોતથી 100 કિમીથી વધુના અંતરે ધ્વનિ સંકેતોના વિતરણ દેખરેખની મંજૂરી આપે છે. લાક્ષણિક ઉપયોગોમાં અનિચ્છનીય દખલગીરી માટે અને ગળતર અથવા પ્રવાહની અનિયમિતતાઓ માટે પાઇપલાઇનોનું સતત નિરીક્ષણ; અનિચ્છનીય દખલગીરી અને કેબલ ખામીઓ માટે પાવર કેબલ્સનું નિરીક્ષણ; અસામાન્ય પ્રવૃત્તિ માટે ટ્રાફિક (રસ્તાઓ, રેલવે અને ટ્રેનો), સરહદો અને અન્ય સંવેદનશીલ પરિમિતિઓનું નિરીક્ષણ; અને ઓઇલ વેલ મોનિટરિંગ એપ્લિકેશન્સનો પણ સમાવેશ થાય છે જ્યાં ટેકનોલોજી કૂવાની સ્થિતિને તેની લંબાઈ સાથે વાસ્તવિક સમયમાં નક્કી કરવાની મંજૂરી આપે છે. ઓપ્ટિક ફાઇબરની કઠોર વાતાવરણમાં કામ કરવાની ક્ષમતા તકનીકીને ખાસ કરીને એવા દૃશ્યો માટે સારી રીતે અનુકૂળ બનાવે છે જેમાં લાક્ષણિક સંવેદના પ્રણાલીઓ પર્યાવરણીય પરિસ્થિતિઓને કારણે બિનઉપયોગી અથવા અવ્યવહારુ હોય. ટેકનોલોજીની લાંબી શ્રેણી ભૂકંપ સંવેદનામાં પણ તેનો ઉપયોગ કરવાની મંજૂરી આપે છે. એક કેબલ પ્રાદેશિક ધરતીકંપની પ્રવૃત્તિ પર સતત દેખરેખ રાખી શકે છે અને હજારો કિલોમીટર દૂર આવેલા ભૂકંપોને પણ શોધી શકે છે. વિસ્તૃત ભૂઉષ્મીય પ્રણાલીઓ (ઇ. જી. એસ.) માં હાઇડ્રોલિક ઉત્તેજનાને મોનિટર કરવા તેમજ કેટલાક કાર્બન કેપ્ચર અને સ્ટોરેજ (સી. સી. એસ.) પ્રોજેક્ટ્સમાં કાર્બન ડાયોક્સાઇડના ઈન્જેક્શન માટે ડિસ્ટ્રિબ્યુટેડ એકોસ્ટિક સેન્સિંગનો ઉપયોગ પણ દર્શાવવામાં આવ્યો છે. ડિસ્ટ્રિબ્યુટેડ ટેમ્પરેચર સેન્સિંગ ફાઇબર ઓપ્ટિક સેન્સર ઓપ્ટિકલ ટાઇમ-ડોમેન રિફ્લેક્ટોમીટર સંદર્ભો સેન્સર ફાઇબર ઓપ્ટિક્સ પણ જુઓ.