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分布式光纖聲波傳感(DAS)交通狀況智能化監控方案
發布時間:2022-01-26 瀏覽次數:14695 來源:歐美大地

高速公路超速現象是引發高速公路交通事故的主要原因。所以,實現高速公路的智能化管理,實時測量車流量、車速等交通參數可以為道路擁塞時的緊急疏散以及車輛超速時的違章處罰提供依據,從而減少車輛行車延誤和減少交通事故。目前交通參數的獲取主要依靠微波雷達、地感線圈、超聲波檢測器、視頻圖像等,這些方法不適宜大范圍全分布式監測,且容易受到極端天氣的影響。

交通分布式光纖聲波傳感(DAS)監測系統可以將標準單模電信光纖電纜轉換為大范圍分布式的傳感器陣列,通過專用的用戶界面或補充交通命令的方法,將整個受監控道路的實時可靠交通監控狀況與事件檢測信息提供給決策者和控制系統。



分布式光纖聲波傳感(DAS)技術

Distributed optical fiber acoustic sensor

1 分布式光纖傳感技術

DAS技術區別于光纖分布式振動傳感(DVS),相比于DVS只是對傳感光纖沿線的振動信號定性的表征,DAS技術是對DVS技術的改進和提升。由于外界聲波的變化與引起的相位變化是線性關系,所以DAS技術基于此可以重建外界振動模型。

顯著優勢:

傳感距離、環境適應性、鋪設成本、信息豐富度。


2 分布式光纖聲波傳感技術(DAS)

Φ-OTDR技術于1993年,由H. F. Taylor等人首次提出,使用超窄線寬高相干性的激光器作為光源,通過后向瑞利散射光的干涉效應實現微弱信號的探測。

此后,Φ-OTDR技術開始蓬勃發展,目前Φ-OTDR是分布式光纖傳感中靈敏度最高的技術手段之一。




定性監測階段

階段主要利用后向瑞利散射的脈沖內干涉圖樣對光纖沿線的振動信息進行定性表征,在傳感探測距離、事件定位精度、環境適應性等方面具有的不可替代的優勢。

定量檢測階段

定量檢測階段則通過解調瑞利散射光波的相位信息,利用差分相位與聲波的線性關系,定量化重建外界振動信息。

性能提升階段

主要是針對系統的關鍵性能參數進行優化,尤其是提升系統在長距離下的帶寬和空間分辨率性能尤 其是信號處理與事件識別,拓展了DAS技術的應用領域。


基于相位敏感光時域反射計的分布式光纖聲波傳感技術(DAS),是一種利用光纖后向瑞利散射干涉效應實現聲波信號連續分布式探測的新型傳感技術。


分布式光纖聲波傳感的結構主要包括三個部分:傳感光纖、光信號解調設備、信號處理主機。傳感光纖通常采用普通單模通信光纖(依監測物理量而定),具有良好的環境適應性和便捷經濟的長期維護性。


普通光纖傳感技術優點

抗電磁干擾

隱蔽性好

環境耐受(耐腐蝕、絕緣)

DAS技術特有優點

信息豐度高(聲波、振動、應變、溫度)

實現長距離動態監測

分布式實時定量外界模型重建



3 分布式光纖的布設


兩種類型的光纖用來做分布式傳感:

DAS:單模光纖(SMF);

DTS:多模光纖(MMF)。

光纖的完整性用光時域反射儀(OTDR)測試。

良好的光纖通過表面光纖的熔接連接我們的監控單元。

OptaSense公司提供光纖安裝向導。

OptaSense公司在操作光纖布設和類型選擇上具有豐富經驗。能夠提供對于分布式傳感應用的光纖布設提供建議和指導。


常見布設方式:

  • 夾在外殼外部;

  • 夾在套管上;

  • 作為有線電纜布設。



OptaSense分布式光纖聲波傳感詢問器單元



分布式光纖聲波傳感(DAS)

公路領域的應用

Distributed optical fiber acoustic sensing applications

# DAS技術的應用 #

車輛監測示意圖


分布式光纖聲波傳感的測距原理



# 交通性能監測參數 #

1. 車流量;

2. 平均車速;

3. 平均車頭間距;

4. 車道空間占有率。


信號時空響應矩陣及其分割



高速公路案例

美國北達科他州Fargo市I-29高速公路

2016年,美國北達科他州交通運輸部(NDDOT)在北達科他州Fargo市的I-29高速公路路段成功部署了OptaSense交通監控解決方案(TMS),其成為美國第一個部署分布式光纖交通監控和交通統計技術的州級交通運輸部。

在詳細分析了該項技術的優勢后,北達科他州交通運輸部安裝了專用光纖電纜,以便在長度4.5英里的試驗路段上對I-29公路和選定坡道的兩側進行監控。該初始項目目前已成功完成,北達科他州交通運輸部已經向美國國家交通創新委員會(STIC)提交了它們的研究結果以及未來的技術規劃。


監控項目

OptaSense交通監測解決方案能夠實現以下監控目標:

  1. 平均速度;

  2. 行程時間;

  3. 自動堵塞檢測;

  4. 自動隊列檢測。


州際公路案例

美國亞特蘭大20號州際公路

由美國佐治亞州交通部投資進行的分布式光纖交通監控應用。亞特蘭大地區的公路交通流量在美國名列前茅。2019年,根據美國《城市交通報告》的結論,亞特蘭大地區的司機在交通上每年花費的平均時間達到了77小時,這一地區的交通擁堵狀況在全美國排名第六。

在2020年第一季度,GDoT成功地在亞特蘭大I-20州際高速公路段上部署了OptaSense交通監控解決方案。該項目驗證了OptaSense基于分布式光纖聲波傳感交通監控解決方案的實際性能,并確定該解決方案能夠提供公路準確。最新的交通速度和交通計數信息。

未來計劃將OptaSense交通監控解決方案采集的數據集成到其現有的交通管理中心系統平臺中。


在OptaSense交通監控解決方案中所拍攝的屏幕截圖,圖中顯示了平均交通速度和標距點之間的行程時間。


隧道試驗段的評估

英國Southwick Hill隧道試驗段的評估

Southwick Hill隧道是一個獨立的試驗段基礎設施,它為英國公路公司提供了一個用于在受控試驗條件下評估和測試各種道路檢測設備和技術的平臺。


在評估項目期間,OptaSense TMS方案以100%的準確度精確檢測到450余起堵塞事件,其中還包括3起沒有被其他任何對比檢測系統檢測到的突發事件,并且沒有任何事件漏報和錯誤干擾警報發生。除了附表中所總結的出色性能以外,最終項目報告還對OptaSense TMS出色的便捷安裝與調試性能表示了贊賞。



交通監控解決方案

荷蘭基礎設施與水資源部交通監控解決方案

2018年,荷蘭基礎設施與水資源管理部Rijkswaterstaat在Tilburg和Eindhoven之間的A58高速公路上成功完成了對于OptaSense®交通監控解決方案的試驗。

該系統可以作為高架車道上顯示實時交通信息的信號數據源,以告知道路管理機構當前的交通狀況和可變限速。


監控項目

OptaSense的交通監控解決方案可以提供:

  1. 平均速度;

  2. 行程時間;

  3. 自動堵塞檢測;

  4. 自動隊列檢測。


 DAS系統的其他應用


分布式光纖聲波傳感(DAS)還廣泛應用于地震探測與研究、管道監測、周界安全、電力電纜監測、鐵路監控等領域。想了解更多監測案例,請詳詢歐美大地。


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