Die Systeme der verteilten akustischen Sensortechnologie (engl. Distributed Acoustic Sensing, DAS) erfassen Dehnungsänderungen und akustische Schwingungen entlang der optischen Faser und bieten eine hochempfindliche Lösung zur Überwachung kritischer Infrastrukturen wie Stromkabel, Pipelines und Eisenbahnschienen.
Glasfaserkabel oder bestehende Glasfasernetze werden als akustische Sensoren genutzt, die kontinuierliche Echtzeitmessungen durchführen und dem Betreiber oder automatisierten Systemen ermöglichen, fundierte Entscheidungen zu treffen und präventive oder korrigierende Maßnahmen einzuleiten.
Mithilfe von Algorithmen, die auf maschinellem Lernen (ML) und künstlicher Intelligenz (engl.: Artificial intelligence, AI) basieren, können Ereignisse wie Leckagen, Stromkabelfehler, Fremdeinwirkungen, Einbruchsaktivitäten oder ungewöhnliche Geräusche entdeckt, lokalisiert und identifiziert werden.
Funktionsweise der verteilten Akustiksensorik
Auf dem Markt kommen verschiedene DAS-Technologien zum Einsatz, wobei die am häufigsten verwendete auf der kohärenten optischen Zeitbereichsreflektometrie (engl.: Coherent Optical Time Domain Reflectometry, C-OTDR) basiert. C-OTDR nutzt die Rayleigh-Rückstreuung, um akustische Signale über große Entfernungen präzise zu erfassen.
Die DAS-Technologie sendet Laserimpulse von einem Messinstrument durch die Glasfaser. Ein Teil des Lichts wird durch Rayleigh-Rückstreuung zurückgeworfen, da die Lichtwellen mit mikroskopischen Unregelmäßigkeiten im Glas interagieren. Diese Unregelmäßigkeiten folgen den akustischen Schwingungen der Umgebung, die die Faser erreichen. Die Rayleigh-Rückstreuung behält die Wellenlänge des Anregungsimpulses bei, die Phase der rückgestreuten optischen Welle folgt aber der akustischen Verschiebung. Diese Phasenverschiebung enthält die exakte Information über die akustische Anregung und wird interferometrisch hochempfindlich ausgewertet.
Akustische Signale erzeugen mikroskopische Dehnungen oder Stauchungen der Faser (Microstrain), was zu Änderungen der Phasenlage und/oder Amplitude führt.
Bevor ein neuer Laserimpuls gesendet werden kann, muss der vorherige Impuls die gesamte Länge der Faser durchlaufen und die Rückstreuung zurückkehren. Die maximale Impulsrate hängt daher von der Faserlänge ab. Bei einer 20 Kilometer langen Faser beträgt die Rate beispielsweise 5.000 Impulse pro Sekunde. Akustische Signale können bis zur Nyquist-Frequenz gemessen werden, die in der Regel die Hälfte der Impulsrate beträgt. Höhere Frequenzkomponenten werden zwar ebenfalls erfasst, ihre Frequenzen können jedoch aufgrund des Nyquist-Aliasing nicht eindeutig rekonstruiert werden. Da höhere Frequenzen während der Ausbreitung stärker gedämpft werden, liegen die relevanten Frequenzen zur Erkennung und Klassifizierung von Ereignissen üblicherweise unter 2 kHz.
In den sehr niedrigen Frequenzbereichen (einige Hertz und darunter) ermöglichen phasenbasierte C-OTDR-Systeme hochpräzise Messungen von Temperaturgradienten, z. B. Änderungen im Bereich von 0,001 °C. Diese Messungen beruhen auf der Dehnung oder Stauchung der Faser durch Temperaturänderungen. Dieser Modus, bekannt als Distributed Temperature Gradient Sensing (DTGS), findet breite Anwendung in der Öl- und Gasindustrie.
Die proprietäre 2P Squared-Technologie von AP Sensing
Die proprietäre 2P Squared-Technologie von AP Sensing kombiniert Phasen- und Amplitudenmessungen, um eine geringere Anfälligkeit gegenüber Fadingeffekten zu gewährleisten, die in anderen C-OTDR-Systemen häufig auftreten. Das DAS-System von AP Sensing liefert über die gesamte Faser hinweg eine optimierte Leistung und sorgt so für eine herausragende Messqualität. Hochwertige Rohdaten sind die Grundlage für präzise Mustererkennung und maschinelles Lernen.
Die wichtigsten Merkmale der 2P Squared DAS-Technologie von AP Sensing umfassen:
- Präzise Messung und Lokalisierung von Amplitude, Frequenz und Phase des einfallenden Schallfeldes
- Echte Linearität in der akustischen Messung über die gesamte Entfernung, Zeit und Intensität
- Hervorragende Signalqualität mit branchenführendem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)
- Fortschrittliche optische 2P Squared-Techniken zur Verbesserung der Signalqualität über große Distanzen
- Messbereiche von über 100 km
Die Rolle der optischen Faser in der verteilten akustischen Sensorik
Auf dem Markt gibt es eine Vielzahl von Glasfasertypen, die für unterschiedliche Anforderungen, insbesondere in Telekommunikationsanlagen, ausgelegt sind. Die meisten dieser Fasern sind für den Einsatz mit DAS-Systemen geeignet, wobei Standard-Singlemode-Fasern wie G.652, G.655 oder G.657 häufig die beste Wahl darstellen. Singlemode-Fasern ermöglichen aufgrund ihrer geringen Dämpfung große Entfernungen (100 km und mehr) und vermeiden Modendispersion, welche die Pulsform und Signalqualität beeinträchtigen. Dank ihrer weiten Verbreitung sind Standard-Singlemode-Fasern zudem kostengünstig. Mit dem rasanten Anstieg der Anwendungen für verteilte akustische Sensorik wächst auch die Verfügbarkeit von Fasern, die gezielt für spezifische Messanforderungen optimiert sind. Bei Messentfernungen von 100 km und mehr wird das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) durch Dämpfung des Messpulses und der Rückstreuung begrenzt. DAS SNR kann durch Fasern mit geringerer Dämpfung oder stärkerer Rückstreuung verbessert werden.
Ultra-verlustarme optische Fasern
Ultra-verlustarme optische Fasern (engl. ultra low loss fibers, ULL) reduzieren die Faserdämpfung auf etwa 0,15 dB/km (bei 1550 nm), verglichen mit den typischen 0,2 dB/km bei Standardfasern. Während ULL-Fasern einen geringeren Rayleigh-Rückstreukoeffizienten haben, was zu einer reduzierten Signalamplitude auf kurzen Distanzen führt, wird bei größeren Entfernungen ab etwa 70 km der Vorteil der geringeren Dämpfung dominant, abhängig von den verwendeten Fasertypen.
Erweiterte Fasern
Erweiterte Fasern (engl. enhanced fibers, EF) enthalten mittels Femtosekundenlaser eingeschriebene Strukturen, die als schwache Reflektoren in der Faser wirken. Dadurch wird das Rückstreusignal im Vergleich zur natürlichen Rayleigh-Rückstreuung um typischerweise 10 bis 20 dB verstärkt wird, was bedeutet, dass das Signal bis zu 100-mal stärker ist. EF haben jedoch eine höhere Dämpfung, was die maximale Faserlänge begrenzt.
Die Kombination von ULL- und EF-Fasern
eine ULL-Faser bietet auf einer ersten Teilstrecke eine größere Reichweite durch geringe Dämpfung, während eine nachfolgende EF-Faser trotz bis dahin stark gedämpfter Pulse starke Signal zurück streut. Mit dieser Kombination wurde eine Reichweite von 125 km ohne optische Verstärkung entlang der Messstrecke demonstriert, was zu einer höheren Präzision und erweiterten Erkennungsfunktionen führt, die herkömmliche diskrete Sensormessmethoden übertreffen.
Nutzen & Vorteile der verteilten akustischen Sensorik
Die verteilte akustische Sensorik bietet viele Vorteile für die Überwachung kritischer Infrastrukturen, darunter:
Einfachheit & Robustheit des Sensors
Eine einzelne Standard-Glasfaser vereint alle wesentlichen Elemente eines Sensors: die Energieversorgung (Transport der Lichtpulse), den Sensor selbst (Beeinflussung der physikalischen Eigenschaften der Faser durch die Messgröße) und die Informationsübertragung (Rücktransport des gestreuten Lichts). Diese Information ermöglicht die präzise Ableitung der Messgröße und deren Ortsverteilung gemäß dem Prinzip der verteilten Messung. Dies macht die Faser zum idealen robusten, langlebigen und zuverlässigen Sensor, der einfach durch Anschluss an ein Messinstrument betrieben werden kann.
In robuste Kabel eingebettet, sind Glasfasern im Feldeinsatz über Jahrzehnte hinweg zuverlässig geschützt. Die typische Lebensdauer dieser Kabel beträgt etwa 40 Jahre.
Kontinuierliche Überwachung und Frühwarnung
Ein DAS-System bietet eine Echtzeit-Überwachung über die gesamte Länge der optischen Faser, wodurch Gefahren an der Anlage frühzeitig erkannt und lokalisiert werden können (z. B. ein Bagger, der in der Nähe einer Pipeline oder eines vergrabenen Stromkabels arbeitet). So können Störungen oder Schäden rechtzeitig erkannt und präventive Maßnahmen ergriffen werden. Die Erkennung subtiler Veränderungen ermöglicht eine proaktive Wartung und verhindert teure Ausfallzeiten oder Unterbrechungen der Infrastruktur.
Hohe Standortgenauigkeit
Das DAS-System von AP Sensing bietet eine präzise Standortgenauigkeit im Meterbereich, selbst über große Entfernungen von bis zu 100 Kilometern. Dadurch können Ereignisse oder Störungen entlang des Glasfaserkabels metergenau erkannt und lokalisiert werden. Diese Genauigkeit ermöglicht die schnelle Identifizierung von Problemen, auch in weitläufigen und komplexen Infrastrukturnetzen. Mit der SmartVision-Software von AP Sensing lassen sich die erfassten Ereignisse auf die Anlage schematisch abbilden.
Große Erfassungs-/ Überwachungsreichweite
Glasfasersensoren können je nach Überwachungsanforderungen Entfernungen von über 100 Kilometern abdecken. Dadurch eignen sich DAS-Systeme ideal für die Überwachung weitläufiger Infrastrukturen wie Pipelines, Eisenbahnen oder Stromleitungen, ohne dass umfangreiche zusätzliche Mess-Infrastruktur erforderlich ist.
Multi-Parameter-Sensorik
Die verteilte akustische Sensortechnologie (DAS) reagiert auf verschiedene Parameter, darunter akustische Signale (wie Vibrationen oder Geräusche), Temperaturänderungen, Dehnung und Druck. Diese Mehrparameter-Erfassung ermöglicht eine umfassende Überwachung und verbessert die Fähigkeit, unterschiedliche Ereignisse oder Anomalien zu erkennen und zu identifizieren.
Kosteneffizienz
Die Distributed Acoustic Sensing (DAS)-Technologie verwendet einfache Glasfaserkabel und kann oft bereits vorhandene Kabel nutzen, wodurch der Bedarf an zusätzlicher Hardware und Installationsaufwand minimiert wird. Dies macht DAS-Systeme zu einer kosteneffizienten Lösung für die langfristige Infrastrukturüberwachung.
Fernüberwachung und schwer zugängliche Bereiche
DAS-Systeme können aus einem zentralen Kontrollzentrum heraus abgefragt und fernüberwacht werden, wodurch eine Echtzeitanalyse von Daten sowie die schnelle Erkennung und Reaktion auf Ereignisse möglich ist. Diese Fernüberwachungsfunktion unterstützt eine schnelle Entscheidungsfindung und verbessert die betriebliche Effizienz sowie die Sicherheit.
Ein DAS-System kann auch in schwer zugänglichen Gebieten eingesetzt werden, wo die Installation herkömmlicher Sensoren schwierig oder unpraktisch ist. Dies ermöglicht die Überwachung kritischer Infrastrukturen wie Pipelines, Eisenbahnen oder Grenzen, ohne dass umfangreiche Mess-Infrastruktur oder häufige Wartungsbesuche erforderlich sind.
Robustheit & Sicherheit in Gefahrenzonen
Die in C-OTDR-Systemen (DAS) verwendeten Glasfaserkabel sind ideal für raue Umgebungen, wie sie im Außenbereich oder in der Industrie vorkommen. Das System von AP Sensing gewährleistet maximale Zuverlässigkeit, selbst unter extremen Bedingungen, die von Schmutz, Staub, korrosiver Atmosphäre, hoher Luftfeuchtigkeit, starken Temperaturschwankungen, Lösungsmitteldämpfen, Radioaktivität, explosionsgefährdeten Bereichen (ATEX/IECEx) und elektromagnetischen Störungen geprägt sind.
Glasfaserkabel sind von Natur aus unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI), was sie besonders sicher in Umgebungen macht, in denen elektrische Geräte ein Entzündungs- oder Explosionsrisiko darstellen. Darüber hinaus können DAS-Systeme über große Distanzen mit minimalen Zugangspunkten betrieben werden, wodurch das Personal seltener gefährliche Bereiche betreten muss.
Anwendungsfälle
Die verteilte akustische Sensortechnologie (Distributed Acoustic Sensing-Technology, DAS) wird zur Überwachung der Infrastruktur sowie zur Erkennung und Lokalisierung von Ereignissen eingesetzt, darunter:
- Aktivitäten von Dritten (TPI), die sich u. a. auf Energiekabel (On- und Offshore), Pipelines, Eisenbahnen und Perimetersicherheit auswirken
- Zustandsüberwachung von Stromkabeln und Netzwerkoptimierung
- Fehler, Engpässe oder Unregelmäßigkeiten bei Stromkabeln
- Überwachung des Mantelstroms von Stromkabeln/faserbasierte Stromüberwachung
- Leckagen in Pipelines
- Verfolgung von Pipeline-Inspektionsmessgeräten (PIG)
- Bohrloch und Lagerstättenüberwachung
- Seismische Vermessung (Profiling)
- Großflächige Überwachung des Strukturzustands
- Bahnschienenüberwachung
Darüber hinaus wird DAS ständig weiterentwickelt. Zu den neuen Anwendungen gehören:
- Erdbeben-Überwachung
- Überwachung von Erdrutschen als Teil eines Frühwarnsystems
- Integration in die Infrastruktur intelligenter Städte.
- Erkundung von Bodenschätzen
- Weitere Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien
AP Sensings verteilte akustische Sensortechnologie
Verbesserte Leistung und Messfunktionen zum Schutz Ihrer wertvollen Anlagen und Infrastruktur. Unser DAS der fünften Generation bietet einen weltweit führenden Messbereich für echte phasenbasierte Systeme ohne zusätzliche Verstärkung. Es bietet verbesserte Messleistung bei verbesserter Benutzerfreundlichkeit und reduzierten Signalartefakten wie Fading.
Wie schneidet DAS im Vergleich zu anderen Sensortechnologien ab?
Konventionelle Dehnungs- und Akustiksensoren
Traditionelle Sensoren wie elektrische Dehnungsmessstreifen oder Hydrophone sind seit langem bewährte Technologien für die akustische Sensorik. Bei großen Anlagen erfordern sie jedoch eine aufwendige Infrastruktur, einschließlich Stromversorgungs- und Signalübertragungsleitungen, was im Vergleich zur einfachen, passiven Glasfaser, die bei der DAS-Technologie verwendet wird, deutlich komplexer ist.
Faseroptische Punktsensoren
Punktsensoren wie Faser-Bragg-Gitter (FBGs) sind nur an bestimmten Stellen empfindlich. Oftmals ist auch die Anzahl an Sensorpunkten begrenzt. So können kilometerlange Infrastrukturen nicht kontinuierlich und in Echtzeit überwacht werden. DAS-Systeme hingegen ermöglichen eine lückenlose hochempfindliche Überwachung über große Distanzen mit hoher Ortsauflösung, ohne dass zahlreiche Sensoren benötigt werden.
Mit einer bewährten Erfolgsgeschichte und kontinuierlicher Innovation bietet AP Sensing eine vollständig integrierte End-to-End-Lösung „Made in Germany“. Unser Team arbeitet mit Ihnen zusammen, um die richtige Technologiekombination für Ihre Anforderungen auszuwählen.
Zusammenfassung
Die verteilte akustische Sensortechnologie (engl. Distributed Acoustic Sensing, DAS) revolutioniert die Überwachung und Beobachtung in verschiedensten Anwendungen, darunter die Überwachung von Energiekabeln, Pipelines, Bohrlöchern, geologischen und industriellen Lagerstätten.
DAS nutzt ein Glasfaserkabel als permanenten Sensor, um akustische Daten entlang einer ausgedehnten Anlage in Echtzeit zu erfassen. Mithilfe von Klassifizierungsalgorithmen können Ereignisse wie Lecks, Kabelfehler oder Einbruchsversuche präzise erkannt und lokalisiert werden. Diese Technologie bietet zahlreiche Vorteile, darunter eine kontinuierliche Überwachung über große Distanzen, hohe räumliche Auflösung und Frühwarnsysteme, die präventive Wartung ermöglichen. Systembetreiber profitieren von einer 24/7-Überwachung und der Fähigkeit, in Notfällen schnell und gezielt zu reagieren.