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分布式光纖測(cè)溫五大核心指標(biāo)相互矛盾相互制約?

2023-07-11 14:11 作者:布里淵科技光纖傳感  | 我要投稿

分布式光纖測(cè)溫技術(shù),目前有五大核心指標(biāo),分別是測(cè)量時(shí)間,測(cè)溫精度,測(cè)量長(zhǎng)度,定位精度,感溫空間分辨率。

測(cè)量時(shí)間:

這個(gè)比較好理解,將此通道所有光纖溫度全部更新一遍,需要多長(zhǎng)時(shí)間,在消防領(lǐng)域?qū)y(cè)量時(shí)間要求較高,通常情況下,一個(gè)通道1-3秒時(shí)間內(nèi)需要將通道所有光纖溫度全部更新并實(shí)時(shí)判斷是否有火災(zāi)報(bào)警。但是在石油領(lǐng)域,因?yàn)榫聹y(cè)溫,對(duì)時(shí)間沒(méi)有要求,可以2分鐘甚至更長(zhǎng)時(shí)間更新一次光纖的溫度數(shù)據(jù)。

測(cè)溫精度:

測(cè)溫精度,通常理解為光纖測(cè)量溫度數(shù)據(jù)的噪聲波動(dòng),比如在標(biāo)定好溫度以后,環(huán)境溫度為25度情況下,光纖測(cè)溫也是25度,但是光纖測(cè)溫會(huì)在25度上下波動(dòng)0.1度,則表示溫度精度峰峰值為0.1度。測(cè)溫精度直接影響后續(xù)的報(bào)警與定位識(shí)別,非常關(guān)鍵。

測(cè)量長(zhǎng)度:

測(cè)量長(zhǎng)度是指單通道所能配的光纖長(zhǎng)度,光纖越長(zhǎng),測(cè)量時(shí)間越長(zhǎng),同時(shí)測(cè)溫精度會(huì)隨著光纖長(zhǎng)度往后不斷降低。在10km以內(nèi),頭尾相當(dāng)約2-4倍左右,在20km時(shí),頭尾相當(dāng)約為6-10倍左右。即頭端溫度精度高,尾端溫度精度低。配接光纖越長(zhǎng),光纖本身也會(huì)發(fā)生受激反應(yīng),需采取措施降低光功率,此時(shí)光纖溫度精度會(huì)受到影響,同時(shí)光纖越長(zhǎng),測(cè)量時(shí)間也會(huì)增加,相互矛盾。

定位精度:

定位精度是整個(gè)系統(tǒng)的定位能力,一般主要受限于設(shè)備數(shù)據(jù)采集速度的能力,是真正的要求跑贏光速的能力。比如光在光纖中跑0.5米就可以快速抓到數(shù)據(jù),那此系統(tǒng)的定位精度可以達(dá)到0.5米,如果光在光纖中跑0.05米(5公分)就可以抓到,那此系統(tǒng)的定位精度可以達(dá)到0.05米(5公分)。此部分在光纖傳感系統(tǒng)中極其考驗(yàn)設(shè)備高速采集能力。

感溫空間分辨率:

感溫空間分辨率是整個(gè)系統(tǒng)中最考驗(yàn)設(shè)備性能的部分,目前國(guó)內(nèi)外普遍受此性能指標(biāo)的困擾,而遲遲達(dá)不到技術(shù)應(yīng)用突破的原因,分布光纖測(cè)溫系統(tǒng)的感溫空間分辨率高低,就像是圖像的像素分辨率180P,480P,720P,1080P、2K、4K、8K之間的關(guān)系,是最重要參數(shù)指標(biāo),因?yàn)槿绻袦乜臻g分辨率過(guò)低,小熱點(diǎn)在早期升溫時(shí)得不到及時(shí)預(yù)警,當(dāng)真正發(fā)生火災(zāi)了才報(bào)警火災(zāi)的位置與溫度已經(jīng)為時(shí)已晚,做不到“防患于未燃”,分布式光纖傳感系統(tǒng)的價(jià)值得不到體現(xiàn)。但是提高感溫空間分辨率又是極其困難的,主要困難有以下幾點(diǎn):

第一感溫空間分辨率受限于設(shè)備高速數(shù)據(jù)采集的能力,沒(méi)有高速數(shù)據(jù)采集能力的保證,感溫空間分辨率無(wú)法有任何的提升;

第二受限于光脈沖寬帶的影響,光脈沖寬帶每縮減1倍,信號(hào)質(zhì)量下降1倍,并且現(xiàn)有的器件無(wú)法發(fā)出5ns以下的光脈沖,也就是感溫空間分辨率無(wú)法提升到0.5米以上(對(duì)應(yīng)于5ns脈沖寬度)仍然停留在米級(jí)的感溫空間分辨率,相當(dāng)于圖像像素停留于480P而再也無(wú)法提升;

第三受限于高速數(shù)據(jù)采集的位數(shù)限制,12Bit及以上位數(shù)的高速數(shù)據(jù)采集位數(shù)配合高速數(shù)據(jù)采集速度是空間分辨率的保證,因信號(hào)極小,如果位數(shù)過(guò)低會(huì)造成無(wú)法識(shí)別散射光信號(hào),12Bit的GHZ以上的數(shù)據(jù)采集成本極高且無(wú)法直接獲得;

第四受限于信號(hào)帶寬,因信號(hào)帶寬越寬則信號(hào)噪聲越大,信號(hào)寬帶越窄則信號(hào)噪聲越小,在如此小的光信號(hào)的情況,仍然要保證超高的信號(hào)帶寬以確保攜帶了空間信息的散射信號(hào)能夠通過(guò),顯示極為困難;

第五受限于光電探測(cè)能力,微弱的光信號(hào),需要非常強(qiáng)大的光探測(cè)能力支撐,普通的光電倍增管已無(wú)法滿足需求,光子計(jì)數(shù)方案是可選方案之一,但是光子計(jì)數(shù)方案成本高,難以與系統(tǒng)匹配;第六高速且微弱的光信號(hào),最終會(huì)變成噪聲極大且強(qiáng)烈畸變的數(shù)據(jù)信號(hào)造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤,無(wú)法拾取光纖環(huán)境溫度,同時(shí)也無(wú)法有限定位。

以上五個(gè)核心指標(biāo),相互矛盾,相互制約,參數(shù)表的指標(biāo)按照專業(yè)的做法是任何一個(gè)指標(biāo)測(cè)量的結(jié)果,需要特別注明在其它指標(biāo)在何種情況下測(cè)量的。如配接10km光纖的情況下,定位精度±0.5米,感溫分辨率±0.5米,3秒測(cè)量時(shí)間內(nèi),5km位置點(diǎn)光纖的峰峰值溫度精度為±0.5℃。

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布里淵科技的技術(shù)團(tuán)隊(duì),深耕分布式光纖傳感領(lǐng)域長(zhǎng)達(dá)15年之久,基于以上難點(diǎn),克服層層關(guān)卡,避開(kāi)以上直接矛盾。從物理光學(xué)的第一性原理First principle thinking出發(fā),采用光頻域激光編碼配合NPU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解調(diào)方案,一舉攻克以上難題,全方位提升了整體性能。在測(cè)量時(shí)間不變的情況下,將測(cè)溫精度提升到±0.05℃,定位精度提升至±0.05米(5公分),空間感溫分辨率±0.05米(5公分),測(cè)量長(zhǎng)度達(dá)到3.2km,測(cè)量通道16通道,總配接光纖里程50km,單臺(tái)設(shè)備等效總配接光纖溫度傳感達(dá)到100萬(wàn)以上,可以滿足大部分應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)也可以通過(guò)分型降頻,光纖長(zhǎng)度達(dá)到20km以上,多達(dá)16通道,單臺(tái)設(shè)備總配接光纖里程達(dá)到320km左右,空間分辨率±1米,噪聲水平控制在±1℃以內(nèi)。從微觀與宏觀將分布式光纖傳感技術(shù)提升到一個(gè)新的層級(jí)。宏觀上長(zhǎng)達(dá)幾十公里,仍然能保持使用的價(jià)值,微觀可以將定位精度和空間分辨率提升至±0.05米(5公分)。


分布式光纖測(cè)溫五大核心指標(biāo)相互矛盾相互制約?的評(píng)論 (共 條)

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