Оптимізація розподілених акустичних датчиків на основі волоконно-оптичних технологій

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.313455

Ключові слова:

волоконно-оптичні технології, розподілені акустичні датчики, сейсмічний моніторинг, моніторинг інфраструктури

Анотація

Це дослідження досліджує розподілені акустичні датчики (РАД), засновані на волоконно-оптичних технологіях, зосереджуючись на впливі тиску на відношення сигнал/шум (ВСШ), рівні шуму та домінуючі зрушення частоти. Системи РАД широко використовуються для моніторингу інфраструктури завдяки своїй здатності фіксувати акустичні сигнали на великих відстанях, що робить їх ідеальними для сейсмічного моніторингу та моніторингу трубопроводів.

Дослідження вивчає, як коливання тиску впливає на продуктивність РАД, зокрема на якість сигналу та зменшення шуму. У таких програмах, як виявлення витоків у трубопроводі та сейсмічний моніторинг, зміни тиску можуть погіршити чіткість сигналу та ускладнити виявлення аномалій. Розуміння цього зв’язку є ключовим для оптимізації продуктивності РАД і підвищення ефективності системи.

Експеримент змінював тиск від 0,1 атм до 5 атм, показуючи, що підвищення тиску підвищило ВСШ з 10 дБ до 48 дБ, зменшило шум з 10 дБ до 7 дБ і зрушило домінуючу частоту з 0,5 Гц до 3 Гц. Аналіз Фур’є дав зрозуміти ці зміни частотного спектру. Більш високий тиск стискає середовище, покращуючи ізоляцію сигналу та покращуючи ВСШ, одночасно зменшуючи шум. Зсув частоти є результатом зміни швидкості поширення акустичної хвилі під високим тиском, підкреслюючи його роль в обробці сигналу.

Ключовий висновок полягає в тому, що вищий тиск значно покращує якість сигналу та зменшує шум, покращуючи продуктивність РАД. Зсув частоти покращує можливості виявлення навколишнього середовища. Ці результати є цінними для додатків РАД у середовищах із коливаннями тиску, як-от моніторинг трубопроводів, де висока якість сигналу має вирішальне значення. Покращена точність сигналу та зрушення частоти роблять системи РАД більш надійними для тривалого моніторингу та сприяють точному виявленню аномалій

Біографії авторів

Askar Abdykadyrov, RSE “Institute of Mechanics and Engineering named after Academician U.A. Dzholdasbekova”; Satbayev University

Doctor PhD

Department of Radio Engineering, Electronics and Space Technologies

Nurzhigit Smailov, RSE “Institute of Mechanics and Engineering named after Academician U.A. Dzholdasbekova”; Satbayev University

Doctor PhD

Department of Radio Engineering, Electronics and Space Technologies

Akezhan Sabibolda, RSE “Institute of Mechanics and Engineering named after Academician U.A. Dzholdasbekova”; Satbayev University

Doctoral Student

Department of Radio Engineering, Electronics and Space Technologies

Gulzhaina Tolen, Satbayev University

Doctoral Student

Department of Radio Engineering, Electronics and Space Technologies

Zhandos Dosbayev, RSE “Institute of Mechanics and Engineering named after Academician U.A. Dzholdasbekova”; Satbayev University

Doctor PhD

Department of Radio Engineering, Electronics and Space Technologies

Zhomart Ualiyev, RSE “Institute of Mechanics and Engineering named after Academician U.A. Dzholdasbekova”; Satbayev University

Doctor PhD

Department of Higher Mathematics and Modeling

Rashida Kadyrova, Almaty Academy of Internal Affairs of the Republic of Kazakhstan named after Makana Esbulatova

Department of Cyber Security and Information Technology

Посилання

  1. Udd, E., Spillman, W. B. (Eds.) (2024). Fiber Optic Sensors. John Wiley & Sons, Inc. https://doi.org/10.1002/9781119678892
  2. Ashry, I., Mao, Y., Wang, B., Hveding, F., Bukhamsin, A., Ng, T. K., Ooi, B. S. (2022). A Review of Distributed Fiber–Optic Sensing in the Oil and Gas Industry. Journal of Lightwave Technology, 40 (5), 1407–1431. https://doi.org/10.1109/jlt.2021.3135653
  3. Hveding, F., Bukhamsin, A. (2018). Distributed Fiber Optic Sensing – A Technology Review for Upstream Oil and Gas Applications. All Days. https://doi.org/10.2118/192323-ms
  4. Mikhailov, P., Ualiyev, Z., Kabdoldina, A., Smailov, N., Khikmetov, A., Malikova, F. (2021). Multifunctional fiber-optic sensors for space infrastructure. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (5 (113)), 80–89. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.242995
  5. Sekenov, B., Smailov, N., Tashtay, Y., Amir, A., Kuttybayeva, A., Tolemanova, A. (2024). Fiber-Optic Temperature Sensors for Monitoring the Influence of the Space Environment on Nanosatellites: A Review. Advances in Asian Mechanism and Machine Science, 371–380. https://doi.org/10.1007/978-3-031-67569-0_42
  6. Khabay, A., Baktybayev, M., Ibekeyev, S., Sarsenbayev, N., Junussov, N., Zhumakhan, N. (2024). Improvement of fiber optic sensor measurement methods for temperature and humidity measurement in microelectronic circuits. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (5 (129)), 36–44. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.306711
  7. Parker, T., Shatalin, S., Farhadiroushan, M. (2014). Distributed Acoustic Sensing – a new tool for seismic applications. First Break, 32 (2). https://doi.org/10.3997/1365-2397.2013034
  8. Masoudi, A., Newson, T. P. (2016). Contributed Review: Distributed optical fibre dynamic strain sensing. Review of Scientific Instruments, 87 (1). https://doi.org/10.1063/1.4939482
  9. Hartog, A. H. (2017). An Introduction to Distributed Optical Fibre Sensors. CRC Press. https://doi.org/10.1201/9781315119014
  10. Gonzalez-Herraez, M., Fernandez-Ruiz, M. R., Magalhaes, R., Costa, L., Martins, H. F., Becerril, C. et al. (2021). Distributed Acoustic Sensing for Seismic Monitoring. Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2021, 9, Tu1L.2. https://doi.org/10.1364/ofc.2021.tu1l.2
  11. Dou, S., Lindsey, N., Wagner, A. M., Daley, T. M., Freifeld, B., Robertson, M. et al. (2017). Distributed Acoustic Sensing for Seismic Monitoring of The Near Surface: A Traffic-Noise Interferometry Case Study. Scientific Reports, 7 (1). https://doi.org/10.1038/s41598-017-11986-4
  12. Zhu, H.-H., Liu, W., Wang, T., Su, J.-W., Shi, B. (2022). Distributed Acoustic Sensing for Monitoring Linear Infrastructures: Current Status and Trends. Sensors, 22 (19), 7550. https://doi.org/10.3390/s22197550
  13. Martins, W. A., de Campos, M. L. R., da Silva Chaves, R., Lordelo, C. P. V., Ellmauthaler, A., Nunes, L. O., Barfoot, D. A. (2017). Communication Models for Distributed Acoustic Sensing for Telemetry. IEEE Sensors Journal, 17 (15), 4677–4688. https://doi.org/10.1109/jsen.2017.2714023
  14. Wang, Y., Yuan, H., Liu, X., Bai, Q., Zhang, H., Gao, Y., Jin, B. (2019). A Comprehensive Study of Optical Fiber Acoustic Sensing. IEEE Access, 7, 85821–85837. https://doi.org/10.1109/access.2019.2924736
  15. Cannon, R., Aminzadeh, F. (2013). Distributed Acoustic Sensing: State of the Art. All Days. https://doi.org/10.2118/163688-ms
  16. Soroush, M., Mohammadtabar, M., Roostaei, M., Hosseini, S. A., Fattahpour, V., Mahmoudi, M. et al. (2022). Downhole Monitoring Using Distributed Acoustic Sensing: Fundamentals and Two Decades Deployment in Oil and Gas Industries. Day 3 Wed, March 23, 2022. https://doi.org/10.2118/200088-ms
  17. Johannessen, K., Drakeley, B., Farhadiroushan, M. (2012). Distributed Acoustic Sensing - A New Way of Listening to Your Well/Reservoir. All Days. https://doi.org/10.2118/149602-ms
  18. Lindsey, N. J., Martin, E. R., Dreger, D. S., Freifeld, B., Cole, S., James, S. R. et al. (2017). Fiber‐Optic Network Observations of Earthquake Wavefields. Geophysical Research Letters, 44 (23). https://doi.org/10.1002/2017gl075722
  19. Zhan, Z. (2019). Distributed Acoustic Sensing Turns Fiber‐Optic Cables into Sensitive Seismic Antennas. Seismological Research Letters, 91 (1), 1–15. https://doi.org/10.1785/0220190112
  20. Sladen, A., Rivet, D., Ampuero, J. P., De Barros, L., Hello, Y., Calbris, G., Lamare, P. (2019). Distributed sensing of earthquakes and ocean-solid Earth interactions on seafloor telecom cables. Nature Communications, 10 (1). https://doi.org/10.1038/s41467-019-13793-z
  21. Murayama, H., Wada, D., Igawa, H. (2013). Structural health monitoring by using fiber-optic distributed strain sensors with high spatial resolution. Photonic Sensors, 3 (4), 355–376. https://doi.org/10.1007/s13320-013-0140-5
  22. Eum, S. H., Kageyama, K., Murayama, H., Uzawa, K., Ohsawa, I., Kanai, M. et al. (2007). Structural health monitoring using fiber optic distributed sensors for vacuum-assisted resin transfer molding. Smart Materials and Structures, 16 (6), 2627–2635. https://doi.org/10.1088/0964-1726/16/6/067
  23. Fan, X., He, Z., Liu, Q., Chen, D., Wang, S., Yang, G. (2018). Fiber-optic distributed acoustic sensors (DAS) and applications in railway perimeter security. Advanced Sensor Systems and Applications VIII, 28, 1. https://doi.org/10.1117/12.2505342
  24. Ružička, M., Münster, P., Dejdar, P., Jablončík, L. (2021). Distributed optical fiber acoustic sensing system for perimeter security. Security & Future, 5 (4), 150–152. Available at: https://stumejournals.com/journals/confsec/2021/4/150.full.pdf
  25. Kabdoldina, A., Ualiyev, Z., Smailov, N., Malikova, F., Oralkanova, K., Baktybayev, M. et al. (2022). Development of the design and technology for manufacturing a combined fiber-optic sensor used for extreme operating conditions. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (5 (119)), 34–43. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.266359
  26. Smailov, N., Zhadiger, T., Tashtay, Y., Abdykadyrov, A., Amir, A. (2024). Fiber laser-based two-wavelength sensors for detecting temperature and strain on concrete structures. International Journal of Innovative Research and Scientific Studies, 7 (4), 1693–1710. https://doi.org/10.53894/ijirss.v7i4.3481
  27. Kuttybayeva, A., Sabibolda, A., Kengesbayeva, S., Baigulbayeva, M., Amir, A., Sekenov, B. (2024). Investigation of a Fiber Optic Laser Sensor with Grating Resonator Using Mirrors. 2024 Conference of Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElCon). https://doi.org/10.1109/elcon61730.2024.10468264
  28. Sabibolda, A., Tsyporenko, V., Smailov, N., Tsyporenko, V., Abdykadyrov, A. (2024). Estimation of the Time Efficiency of a Radio Direction Finder Operating on the Basis of a Searchless Spectral Method of Dispersion-Correlation Radio Direction Finding. Advances in Asian Mechanism and Machine Science, 62–70. https://doi.org/10.1007/978-3-031-67569-0_8
  29. Smailov, N., Tsyporenko, V., Sabibolda, A., Tsyporenko, V., Kabdoldina, A., Zhekambayeva, M. et al. (2023). Improving the accuracy of a digital spectral correlation-interferometric method of direction finding with analytical signal reconstruction for processing an incomplete spectrum of the signal. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (9 (125)), 14–25. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.288397
  30. Sabibolda, A., Tsyporenko, V., Tsyporenko, V., Smailov, N., Zhunussov, K., Abdykadyrov, A. et al. (2022). Improving the accuracy and performance speed of the digital spectral-correlation method for measuring delay in radio signals and direction finding. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (9(115)), 6–14. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.252561
Оптимізація розподілених акустичних датчиків на основі волоконно-оптичних технологій

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-10-31

Як цитувати

Abdykadyrov, A., Smailov, N., Sabibolda, A., Tolen, G., Dosbayev, Z., Ualiyev, Z., & Kadyrova, R. (2024). Оптимізація розподілених акустичних датчиків на основі волоконно-оптичних технологій. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(5 (131), 50–59. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.313455

Номер

Том 5 № 5 (131) (2024): Прикладна фізика

Розділ

Прикладна фізика

Ліцензія

Авторське право (c) 2024 Askar Abdykadyrov, Nurzhigit Smailov, Akezhan Sabibolda, Gulzhaina Tolen, Zhandos Dosbayev, Zhomart Ualiyev, Rashida Kadyrova

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.