Distributed Acoustic Sensing (DAS)
an efficient geomonitoring system
Prediction of soil mechanical as well as rock mechanical events
Introduction
As part of the work in recent years with Distributed Strain and Temperature Sensing (DSS and DTS), the question of predicting soil-mechanical as well as rock-mechanical events has increasingly arisen. One of the most important questions is the detection of location-independent (high spatial resolution) soil-mechanical or rock-mechanical events. In contrast to the DSS and DTS, which are suitable for detecting all hotspots in clearly defined structures without prior specification of the location (positional accuracy), these measurement methods are only partially effective for detecting hotspots in undefined structures. This is due to the fact that a full-surface laying of fiber optic cables to record deformations is possible in principle, but is also associated with not insignificant costs for fixing and protecting the fiber optic cables, especially in alpine areas. In order to take this aspect into account, Distributed Acoustic Sensing (DAS) is ideal for such tasks. The basis of this consideration is the seismic behavior of soft and rocky rock under shear stress.
In connection with global climate change, the melting permafrost in the Alpine countries will pose a new challenge in connection with the security concerns for the population in the coming years. Due to the decline in permafrost, individual structures such as cable cars, but also entire towns and villages are threatened by possible rockfalls. This will inevitably mean that the bedrock in these regions will have to be continuously monitored, which, among other things, is possible due to the location-unspecific events using Distributed Acoustic Sensing (DAS).
Einführung
Im Rahmen der Arbeit in den letzten Jahren mit dem Distributed Strain und Temperature Sensing (DSS und DTS) stellte sich vermehrt die Frage nach der Vorhersage von bodenmechanischen wie auch felsmechanischen Ereignissen. Einer der wichtigsten Fragestellungen ist die Erfassung von ortsunspezifischen (hoher räumlicher Auflösung) bodenmechanischen bzw. felsmechanischen Ereignissen. Im Gegensatz zum DSS und DTS, welche sich bei klar definierten Strukturen zur Erfassung aller Hotspots ohne vorherige Spezifizierung des Ortes (Lagegenauigkeit) eignen, sind diese Messverfahren nur bedingt zur Erfassung von Hotspots bei undefinierten Strukturen zielführend. Dies ist darauf zurückzuführen da eine vollflächige Verlegung von faseroptischen Kabeln zur Erfassung von Verformungen zwar grundsätzlich möglich ist aber auch mit nicht unwesentlichen Kosten zur Fixierung und zum Schutz der faseroptischen Kabel vor allem im alpinen Raum verbunden ist. Um diesem Aspekt Rechnung zu tragen, bietet sich für derartige Aufgabenstellungen das Distributed Acoustic Sensing (DAS) an. Grundlage dieser Überlegung ist das seismische Verhalten von Locker- und Felsgesteins bei Scherbeanspruchung.
Im Zusammenhang mit dem weltweiten Klimawandel wird in den kommenden Jahren der schmelzende Permafrost in den Alpenländern eine neue Herausforderung im Zusammenhang mit dem Sicherheitsgedanken für die Bevölkerung sein. Durch den Rückgang des Permafrostes werden Einzelbauwerke wie Seilbahnen aber auch ganze Städte und Dörfer durch mögliche Felsstürze bedroht. Dies wird zwangsläufig dazu führen, dass der anstehende Fels in diesen Regionen dauerhaft überwacht werden muss, was unter anderem aufgrund des ortsunspezifischen Ereignisse den Einsatz des Distributed Acoustic Sensing (DAS) möglich ist.
Basics of Distributed Acoustic Sensing (DAS)
Distributed Acoustic Sensing is based on the analysis of optical signals generated by the coherent elastic scattering (Rayleigh scattering) of laser light in fiber optic cables (optical fibers). The DAS measurement device essentially comprises a narrow-band laser, optics for coupling the laser into the fiber and for decoupling the backscattered light, and at least one optical receiver and digital data processing. The backscattered light signals can be used to analyze minute dynamic length changes in the sensor fiber with spatial resolution. Such dynamic length changes in fiber optic cables occur in particular when acoustic waves strike the optical fiber, causing it to be dynamically alternately compressed and stretched on microscopic scales. DAS measurement makes it possible to obtain real-time information about the intensity and frequency spectrum of acoustic signals along the optical fiber. A major advantage of this method over geophones is that a single standard optical fiber, such as those used in telecommunications, is sufficient to analyze acoustic signals at thousands of measurement points. Another positive point is that no sensors or electrical connections need to be installed in the area to be measured, only a fiber optic cable. A single DAS measuring device can simultaneously monitor one or two fiber optic cables with a length of up to 70 km. This means that if the measuring device is positioned centrally, cables with a total length of 140 km can be monitored and evaluated. Alternatively, a 70 km route can be redundantly monitored with two fiber optic cables.
Grundlagen des
Distributed Acoustic Sensing (DAS)
Das Distributed Acoustic Sensing beruht auf der Analyse von optischen Signalen, welche durch die kohärente elastische Streuung (Rayleigh-Streuung) des Laserlichts in faseroptischen Kabeln (Glasfasern) entstehen. Das DAS-Messgerät umfasst im Wesentlichen einen schmalbandigen Laser, Optik zur Einkopplung des Lasers in die Faser und zur Auskopplung des zurückgestreuten Lichts sowie mindestens einen optischen Empfänger und eine digitale Datenverarbeitung. Anhand der Rückstreulichtsignale lassen sich kleinste dynamische Längenänderungen der Sensorfaser ortsaufgelöst analysieren. Derartige dynamische Längenänderungen in faseroptischen Kabeln entstehen insbesondere dann, wenn akustische Wellen auf die Glasfaser treffen, wodurch diese auf mikroskopischen Skalen dynamisch abwechselnd gestaucht und gedehnt wird. Durch die DAS-Messung ist es möglich in Echtzeit Informationen über die Intensität und das Frequenzspektrum akustischer Signale entlang der Glasfaser zu erhalten. Ein wesentlicher Vorteil dieser Methode gegenüber Geophonen ist, dass eine einzelne Standard-Glasfaser, wie sie beispielsweise in der Telekommunikation verwendet wird, ausreicht, um akustische Signale an tausenden Messpunkten zu analysieren. Ein weiterer positiver Punkt ist, dass im zu messenden Bereich keine Sensoren oder elektrische Anschlüsse installiert werden müssen, sondern lediglich ein faseroptisches Kabel. Ein einzelnes DAS-Messgerät kann simultan ein oder zwei faseroptische Kabel mit einer Länge von bis zu 70 km überwachen. Das heißt, dass bei mittiger Anordnung des Messgerätes, Kabel mit einer Gesamtstrecke von 140 km überwacht und ausgewertet werden können. Alternativ kann eine 70 km lange Strecke mit zwei faseroptischen Kabeln redundant überwacht werden.