Distributed acoustic sensing
रेले स्कैटरिंग आधारित वितरित ध्वनिक संवेदन (डी. ए. एस.) प्रणालियाँ वितरित तनाव संवेदन प्रदान करने के लिए फाइबर ऑप्टिक केबलों का उपयोग करती हैं। डी. ए. एस. में, ऑप्टिकल फाइबर केबल संवेदी तत्व बन जाता है और माप किए जाते हैं, और आंशिक रूप से एक संलग्न ऑप्टोइलेक्ट्रोनिक उपकरण का उपयोग करके संसाधित किया जाता है। इस तरह की प्रणाली ध्वनिक आवृत्ति तनाव संकेतों को बड़ी दूरी पर और कठोर वातावरण में पता लगाने की अनुमति देती है। रेले स्कैटर आधारित फाइबर ऑप्टिक संवेदन की मूल बातें रेले स्कैटर आधारित वितरित फाइबर ऑप्टिक संवेदन में, एक सुसंगत लेजर पल्स को एक ऑप्टिक फाइबर के साथ भेजा जाता है, और फाइबर के भीतर स्कैटरिंग साइट फाइबर को एक गेज लंबाई के साथ एक वितरित इंटरफेरोमीटर के रूप में कार्य करने का कारण बनती है जो पल्स की लंबाई के लगभग बराबर होती है। परावर्तित प्रकाश की तीव्रता को लेजर पल्स के संचरण के बाद समय के एक कार्य के रूप में मापा जाता है। इसे कोहेरेंट रेले ऑप्टिकल टाइम डोमेन रिफ्लेक्टोमेट्री (सी. ओ. टी. डी. आर.) के रूप में जाना जाता है। जब पल्स के पास फाइबर की पूरी लंबाई और पीछे की यात्रा करने का समय होता है, तो अगली लेजर पल्स को फाइबर के साथ भेजा जा सकता है। फाइबर के एक ही क्षेत्र से क्रमिक दालों की परावर्तित तीव्रता में परिवर्तन फाइबर के उस खंड के ऑप्टिकल पथ की लंबाई में परिवर्तन के कारण होते हैं। इस प्रकार की प्रणाली फाइबर के तनाव और तापमान भिन्नता दोनों के प्रति बहुत संवेदनशील है और फाइबर के सभी वर्गों पर माप लगभग एक साथ किया जा सकता है। रेले-आधारित प्रणालियों की क्षमताएँ अधिकतम सीमा ऑप्टिकल पल्स क्षीण हो जाती है क्योंकि यह फाइबर के साथ फैलती है। 1550 एनएम पर काम करने वाले एकल मोड फाइबर के लिए, एक विशिष्ट क्षीणन 0.2 डीबी/किमी है। चूँकि प्रकाश को फाइबर के प्रत्येक खंड के साथ एक डबल पास बनाना चाहिए, इसका मतलब है कि प्रत्येक 1 किमी 0.40 डीबी की कुल हानि का कारण बनता है। प्रणाली की अधिकतम सीमा तब होती है जब परावर्तित नाड़ी का आयाम इतना कम हो जाता है कि इससे स्पष्ट संकेत प्राप्त करना असंभव हो जाता है। इनपुट शक्ति को बढ़ाकर इस प्रभाव का मुकाबला करना संभव नहीं है क्योंकि एक निश्चित स्तर से ऊपर यह गैर-रैखिक ऑप्टिकल प्रभावों को प्रेरित करेगा जो सिस्टम के संचालन को बाधित करेगा। आमतौर पर अधिकतम सीमा जिसे मापा जा सकता है वह लगभग 40-50 किमी है। स्ट्रेन रिज़ॉल्यूशन स्ट्रेन का अधिकतम मूल्य जिसे मापा जा सकता है, लौटने वाले ऑप्टिकल सिग्नल के वाहक और शोर अनुपात पर निर्भर करता है। वाहक स्तर काफी हद तक ऑप्टिकल संकेत के आयाम द्वारा निर्धारित किया जाता है जबकि शोर लेजर शोर, इलेक्ट्रॉनिक शोर और डिटेक्टर शोर सहित विभिन्न स्रोतों का एक संयोजन है। स्थानिक संकल्प और स्थानिक नमूना अवधि स्थानिक संकल्प मुख्य रूप से संचरित स्पंद की अवधि द्वारा निर्धारित किया जाता है, जिसमें 100 एनएस स्पंद 10 मीटर संकल्प देता है जो एक विशिष्ट मूल्य है। परावर्तित प्रकाश की मात्रा नाड़ी की लंबाई के समानुपाती होती है इसलिए स्थानिक संकल्प और अधिकतम सीमा के बीच एक समझौता होता है। अधिकतम सीमा में सुधार करने के लिए, परावर्तित प्रकाश स्तर को बढ़ाने के लिए लंबी नाड़ी लंबाई का उपयोग करना वांछनीय होगा, लेकिन इससे एक छोटा स्थानिक संकल्प होता है। दो संकेतों को स्वतंत्र होने के लिए, उन्हें फाइबर पर दो बिंदुओं से प्राप्त किया जाना चाहिए जो कम से कम स्थानिक संकल्प द्वारा अलग किए जाते हैं। स्थानिक संकल्प से कम पृथक्करण पर नमूने प्राप्त करना संभव है और हालांकि यह ऐसे संकेत उत्पन्न करता है जो एक दूसरे से स्वतंत्र नहीं हैं, इस तरह का दृष्टिकोण कुछ अनुप्रयोगों में लाभ प्रदान करता है। नमूना बिंदु के बीच अलगाव को कभी-कभी स्थानिक नमूना अवधि के रूप में संदर्भित किया जाता है। अधिग्रहण दर इससे पहले कि अगले लेजर पल्स को प्रेषित किया जा सके, पहले वाले के पास फाइबर के दूर के छोर तक जाने और वहां से प्रतिबिंबों को वापस आने का समय होना चाहिए था, अन्यथा प्रतिबिंब एक ही समय में फाइबर के विभिन्न वर्गों से लौट रहे होंगे और प्रणाली ठीक से काम नहीं करेगी। 50 कि. मी. लंबे फाइबर के लिए अधिकतम नाड़ी दर सिर्फ 2 किलोहर्ट्ज़ से अधिक है। इसलिए, उपभेदों को मापा जा सकता है जो 1 किलोहर्ट्ज़ की न्यक्विस्ट आवृत्ति तक की आवृत्तियों पर भिन्न होते हैं। छोटे रेशे स्पष्ट रूप से उच्च अधिग्रहण दर को सक्षम करते हैं। यद्यपि प्रणाली तापमान और तनाव दोनों भिन्नताओं के प्रति संवेदनशील है, इन्हें अक्सर अलग किया जा सकता है क्योंकि तापमान के कारण वे तनाव की तुलना में कम आवृत्ति सीमा पर होते हैं। ब्रिलौइन या रमन स्कैटर पर आधारित अन्य वितरित फाइबर तकनीकों के विपरीत, वितरित ध्वनिक संवेदन केवल अपने पूर्ण मूल्य के बजाय तापमान में परिवर्तन का पता लगाने में सक्षम है। अन्य फाइबर ऑप्टिक वितरित संवेदन तकनीकों के साथ तुलना वितरित ध्वनिक संवेदन प्रकाश पर निर्भर करता है जो फाइबर के अपवर्तक सूचकांक में छोटे बदलावों से रेले बैकस्कैटर होता है। बैकस्कैटर प्रकाश की आवृत्ति संचारित प्रकाश के समान होती है। कई अन्य वितरित फाइबर संवेदी तकनीकें हैं जो विभिन्न प्रकीर्णन तंत्रों पर निर्भर करती हैं और अन्य मापदंडों को मापने के लिए उपयोग की जा सकती हैं। ब्रिलौइन स्कैटर फाइबर में यात्रा करने वाले प्रकाश और ध्वनिक फोनोन के बीच बातचीत के कारण होता है। चूंकि प्रकाश एक गतिशील फोनन द्वारा बिखरा हुआ है, इसलिए इसकी आवृत्ति डॉपलर प्रभाव द्वारा लगभग 10 गीगाहर्ट्ज़ द्वारा स्थानांतरित की जाती है। प्रकाश मूल ऑप्टिकल आवृत्ति के ऊपर (एंटी-स्टोक्स शिफ्ट) और नीचे (स्टोक्स शिफ्ट) दोनों पर उत्पन्न होता है। दोनों घटकों की तीव्रता और आवृत्ति बदलाव तापमान और तनाव दोनों पर निर्भर करते हैं और बदलाव को मापकर, दो मापदंडों के पूर्ण मूल्यों की गणना एक वितरित तापमान और तनाव संवेदन (डीटीएसएस) प्रणाली का उपयोग करके की जा सकती है। ब्रिलौइन स्कैटर रेले स्कैटर की तुलना में बहुत कमजोर है और इसलिए माप को सक्षम करने के लिए कई दालों से प्रतिबिंबों को एक साथ जोड़ा जाना चाहिए। इसलिए, अधिकतम आवृत्ति जिस पर ब्रिलौइन स्कैटर का उपयोग करके परिवर्तनों को मापा जा सकता है, आम तौर पर कुछ दस Hz है। रमन स्कैटर तब होता है जब फाइबर में आणविक कंपन के साथ बातचीत में प्रकाश बिखरा होता है। ब्रिलौइन स्कैटरिंग के साथ, स्टोक्स और एंटी-स्टोक्स दोनों घटकों का उत्पादन किया जाता है और इन्हें आपतित प्रकाश की तरंग दैर्ध्य से कई दसियों नैनोमीटर द्वारा स्थानांतरित किया जाता है। स्टोक्स और एंटी-स्टोक्स घटकों के बीच तीव्रता के अनुपात को मापकर, तापमान के एक पूर्ण मूल्य को एक वितरित तापमान संवेदी (डी. टी. एस.) प्रणाली द्वारा मापा जा सकता है। ब्रिलौइन स्कैटर की तुलना में बड़ी तरंग दैर्ध्य बदलाव का मतलब है कि बिखरे हुए रमन प्रकाश को गैर-स्थानांतरित रेले बिखरे हुए घटक से अलग करना आसान है। हालाँकि रमन स्कैटर की तीव्रता ब्रिलौइन स्कैटर की तुलना में कम है और इसलिए उचित परिणाम प्राप्त करने के लिए आम तौर पर कई सेकंड या मिनटों के लिए औसत करना आवश्यक है। इसलिए, रमन-आधारित प्रणालियाँ केवल धीरे-धीरे बदलते तापमान को मापने के लिए उपयुक्त हैं। फेज-सेंसिटिव कोहेरेंट ऑप्टिकल टाइम-डोमेन रिफ्लेक्टोमेट्री फेज-सेंसिटिव कोहेरेंट ऑप्टिकल टाइम-डोमेन रिफ्लेक्टोमेट्री (φ-OTDR) एक ऐसी तकनीक है जो इन वितरित ध्वनिक संवेदी प्रणालियों के लिए पर्याप्त संवेदनशीलता और संकल्प प्रदान कर सकती है। मानक ऑप्टिकल टाइम-डोमेन रिफ्लेक्टोमेट्री तकनीकें सुसंगतता लंबाई वाले प्रकाश स्रोतों का उपयोग करती हैं, जो नाड़ी की लंबाई से कम होती हैं। यह प्रत्येक प्रकीर्णन केंद्र से बैकस्कैटर तीव्रता का एक योग प्राप्त कर सकता है, जो फाइबर ऑप्टिक केबलों में स्प्लाइस और ब्रेक की निगरानी की अनुमति देता है। इसके विपरीत, φ-OTDR-आधारित संवेदक में, लेजर की सुसंगतता लंबाई उनकी नाड़ी की लंबाई से अधिक होती है। फाइबर के पास एक घटना एक ध्वनिक तरंग उत्पन्न करती है जो बैकस्केटरिंग केंद्रों के चरणों को बदलकर ऑप्टिकल फाइबर को प्रभावित करती है। इस तरह के संकेतों का विश्लेषण संवेदक पर उनके प्रभाव को प्रकट कर सकता है और फाइबर वस्तुओं के पास स्थित ध्वनिक स्रोतों की निगरानी कर सकता है। अनुप्रयोग रेले-आधारित संवेदन की संवेदनशीलता और गति प्रत्येक लेजर स्रोत से 100 किमी से अधिक की दूरी पर ध्वनिक संकेतों की वितरित निगरानी की अनुमति देती है। विशिष्ट अनुप्रयोगों में अवांछित हस्तक्षेप और रिसाव या प्रवाह अनियमितताओं के लिए पाइपलाइनों की निरंतर निगरानी शामिल है; अवांछित हस्तक्षेप और केबल दोषों के लिए बिजली केबलों की निगरानी; असामान्य गतिविधि के लिए यातायात (सड़कों, रेलवे और ट्रेनों), सीमाओं और अन्य संवेदनशील परिधि की निगरानी; और यहां तक कि तेल के कुएं की निगरानी करने वाले अनुप्रयोग भी शामिल हैं जहां प्रौद्योगिकी कुएं की स्थिति को वास्तविक समय में निर्धारित करने की अनुमति देती है। ऑप्टिक फाइबर की कठोर वातावरण में काम करने की क्षमता प्रौद्योगिकी को विशेष रूप से उन परिदृश्यों के लिए उपयुक्त बनाती है जिनमें विशिष्ट संवेदी प्रणालियाँ पर्यावरणीय परिस्थितियों के कारण अनुपयोगी या अव्यावहारिक होती हैं। तकनीक की लंबी श्रृंखला भूकंपीय संवेदन में भी इसके उपयोग की अनुमति देती है। एक केबल क्षेत्रीय भूकंपीय गतिविधि की निरंतर निगरानी प्रदान कर सकती है, और हजारों किलोमीटर दूर भूकंप का पता भी लगा सकती है। वितरित ध्वनिक संवेदन के उपयोग को उन्नत भू-तापीय प्रणालियों (ई. जी. एस.) में हाइड्रोलिक उत्तेजना की निगरानी के साथ-साथ कई कार्बन ग्रहण और भंडारण (सी. सी. एस.) परियोजनाओं में कार्बन डाइऑक्साइड के इंजेक्शन के लिए भी प्रदर्शित किया गया है। वितरित तापमान संवेदी फाइबर ऑप्टिक संवेदक ऑप्टिकल टाइम-डोमेन रिफ्लेक्टोमीटर संदर्भ सेंसर फाइबर प्रकाशिकी भी देखें।