1. Статьи

Сейсмологический контроль может быть полезен не только при изучении землетрясений. Мониторинг подвижек грунта, деформации строительных конструкций, проседания дорожного полотна требуется для обеспечения безопасности инфраструктуры. Помочь в этом может новый подход к использованию рефлектометров и волоконно-оптических линий связи (ВОЛС).

Современные технологии и ограничения

Ученые широко используют сейсмометры для регистрации малейших движений земной коры. Однако датчики сейсмометров в мире расположены неравномерно, причем в основном на суше в регионах с высоким риском землетрясений. Поэтому на производстве, например при строительстве и карьерной добыче полезных ископаемых, используются альтернативные решения, такие как наборы сверхточных приемников GPS, лидары, трехмерная съемка с беспилотников и т. д. Однако это дорогостоящие технологии, требующие отдельной установки и трудоемкой эксплуатации.

Ученые предлагают новый подход, который использует существующие ВОЛС, способные выступить в роли датчиков. Уже есть ряд практических исследований, которые демонстрируют, как именно можно превратить ВОЛС в сеть датчиков, мгновенно реагирующих на малейшие подвижки.

Распределенное акустическое зондирование

В конце 2017 г. в издании Geophysical Research letters было опубликовано исследование «Fiber‐Optic Network Observations of Earthquake Wavefields», посвященное новому методу регистрации сейсмических волн от землетрясений. Ученые назвали технологию распределенным акустическим зондированием (DAS). В качестве датчиков она использует подземные волоконно-оптические коммуникационные кабели длиной до десятков километров.

Работая на Аляске, исследователи обнаружили, что 20-метровый участок волокна способен обеспечить такую же точность регистрации сейсмосигнала, как обычный инерциальный сейсмометр на частоте 0,8-1,6 Гц.

Принцип работы DAS простой. Импульсы лазерного излучения распространяются в оптоволокне, отражаются от дефектов внутри кабеля и возвращаются к приемнику. В результате создается уникальная интерференционная картина. Малейшие изменения, например, растяжение кабеля во время подвижек грунта, меняют эту картину. Скорость изменений можно измерять и таким образом анализировать происходящие сейсмические процессы.

Ученые провели полевые испытания DAS на примере подземных телекоммуникационных сетей под Стэнфордским университетом. Эксперимент закончился успешно, лишь потребовалось некоторое соединение линий, что при прокладке новых ВОЛС можно учесть изначально.

Рисунок 1: Схема эксперимента, проведенного в Стэндфордском университете

Таким образом, с помощью DAS можно превратить многочисленные телекоммуникационные ВОЛС длиной в десятки километров в массив однокомпонентных сейсмометров.

Практическое применение в бизнесе.

Бриллюэновский рефлектометр

Исследование в области «ВОЛС-сейсмологии» может найти применение не только в научной сфере. Современные рефлектометры, используемые для тестирования оптоволоконных кабелей, могут стать основой аналога DAS для мониторинга подвижек грунта и деформации строительных конструкций.

Специалисты Миссурийского университета науки и технологий применили бриллюэновский рефлектометр для создания сравнительно недорогой системы мониторинга деформации. В качестве распределенных датчиков использовались оптоволоконные кабели. Тестовой площадкой стали мосты через реку, но потенциал применения намного шире.

Рисунок 2: «Подопытный» 263-метровый мост и используемая конфигурация ВОЛС

Принцип работы тот же, что и у вышеописанной системы DAS. Бриллюэновский рефлектометр был использован благодаря уникальным возможностям этого прибора. Прежде всего, это непрерывный режим работы и высокая точность, что позволяет одновременно измерять уровень деформации и обнаруживать точку напряжения. Таким образом можно найти, например, место сползания грунта, трещину в бетоне, отклонение конструкций от заданных углов установки, смещение скальных пород и т. д.

Кроме того, бриллюэновский рефлектометр является распространенным прибором, который широко применяется для обслуживания телекоммуникационных оптоволоконных линий. Примером может быть доступный в России бриллюэновский рефлектометр VIAVI BOTDR. Он может измерять не только натяжение, но и температуру оптоволокна.

Рисунок 3: Бриллюэновский рефлектометр VIAVI BOTDR

Ученые провели несколько тестов. Подготовленное оптоволокно первоначально было установлено на мост длиной около 8 м для испытания на способность выявлять трещины в бетоне. Одномодовое волокно просто уложили в канавки и закрыли сверху эпоксидной смолой.

По мосту прогоняли тяжелый грузовик, и система на основе бриллюэновского рефлектометра смогла обнаружить зоны максимального напряжения в бетоне, а также появление нескольких трещин, когда мост подвергся высокой нагрузке.

Рисунок 4: Мониторинг позволил выявить распределение напряжений в бетоне, а также новые трещины

Чтобы оценить эффективность системы на более крупном объекте, ученые также испытали ее на мосту длиной 263 м с пятью пролетами через реку в Миссури. Мост представляет собой сочетание бетонных и металлических конструкций. Разные нагрузки создавали с помощью шести самосвалов и анализировали с помощью алгоритмов, учитывающих суточное тепловое расширение.

Эксперименты подтвердили эффективность бриллюэновского рефлектометра и возможность широкого применения новой технологии.

Потенциал и сфера применения

Новая технология может использоваться в разных отраслях промышленности, например, для контроля состояния протяженных конструкций, таких как трубопроводы, кабельные линии, ВОЛС, линии электропередач, железная дорога, шахты, сооружения критической инфраструктуры и т. д.

Преимуществом является возможность установки сразу тысяч метров оптоволокна, которое выступает в роли распределенных датчиков для непрерывного мониторинга. Другими средствами построить подобную масштабную сеть мониторинга очень сложно — это потребует значительных затрат.

В свою очередь, бриллюэновский рефлектометр, как упомянутый VIAVI BOTDR, дает возможность развернуть сеть мониторинга на обширном пространстве, разделить его на 225 зон, обозначить пороги срабатывания тревоги и способ оповещения через SMS, компьютер, e-mail. При этом сеть легко привязывается к координатам GPS и может интегрироваться в современные геоинформационные системы.

В настоящее время у технологии есть ряд ограничений. Прежде всего, необходимо обеспечить соответствующее качество прокладки ВОЛС для обнаружения малейшего натяжения оптоволоконного кабеля из-за подвижек. Также минимальное время обсчета измерений рефлектометра составляет несколько минут, что слишком долго для некоторых критических приложений, требующих мгновенного оповещения.

Вероятно, с развитием технологий в ближайшем будущем подобные сети мониторинга на базе ВОЛС получат распространение, и помогут повысить безопасность и коммерческую эффективность многих предприятий.

СМ. ТАКЖЕ:

• Бриллюэновская рефлектометрия: особенности и применение
• Мониторинг ВОЛС (оптического волокна) – выбираем лучшее решениеПринцип работы оптического рефлектометра (OTDR)
• Механизмы возникновения потерь и отражений сигнала в оптическом волокне
• Макро изгиб оптического волокна – причины и последствия
• Отражение от коннектора – хорошо или плохо?
• Оптические разъемы: типы, установка, чистка

Подписаться на рассылку статей