Apakah Penderiaan Akustik Teragih (DAS)

Distributed Acoustic Sensing (DAS) telah muncul sebagai teknologi transformatif dalam bidang penderiaan dan pemantauan, memanfaatkan kuasa gentian optik untuk mengesan getaran dan isyarat akustik pada jarak jauh dengan ketepatan yang tidak pernah berlaku sebelum ini. Memandangkan permintaan infrastruktur berkembang dalam sektor seperti tenaga, keselamatan dan pemantauan alam sekitar, DAS menawarkan alternatif resolusi tinggi yang menjimatkan kos kepada penderia tradisional. Panduan ini meneroka prinsip, aplikasi, cabaran dan trend masa depan DAS, berdasarkan kemajuan terkini dan disesuaikan untuk profesional dalam penyelesaian sumber telekomunikasi, kejuruteraan dan bidang berkaitan daripada CommMesh.

Pengenalan kepada Penderiaan Akustik Teragih

Distributed Acoustic Sensing (DAS) ialah teknologi berasaskan gentian optik yang menukar kabel gentian optik standard kepada sensor teragih berterusan untuk mengesan gelombang akustik, getaran dan terikan. Tidak seperti penderia titik konvensional, DAS menggunakan keseluruhan panjang gentian—selalunya sepanjang kilometer—sebagai elemen penderiaan, menyediakan data masa nyata dengan resolusi spatial hingga ke meter. Teknologi ini bergantung pada hamburan belakang Rayleigh, di mana denyutan cahaya yang dihantar melalui gentian berinteraksi dengan gangguan akustik, mengubah isyarat penyebaran belakang yang dianalisis untuk memetakan peristiwa.

Mula-mula dibangunkan pada tahun 1980-an untuk penerokaan minyak dan gas, DAS telah berkembang dengan ketara, dengan sistem kini mampu mengesan frekuensi dari 0.001 Hz hingga beberapa kHz pada jarak sehingga 100 km. Sehingga 2025, penggunaan DAS telah berkembang melangkaui pemantauan bawah permukaan kepada infrastruktur bandar dan aplikasi marin, didorong oleh keperluan untuk penyelesaian penderiaan tidak invasif dan berskala. Menurut semakan 2024, DAS telah menjadi alat utama dalam seismologi dan keselamatan kerana keupayaannya untuk menyediakan pengukuran yang padat dan berterusan tanpa perkakasan tambahan.

Prinsip Penderiaan Akustik Teragih

Prinsip teras DAS melibatkan soal siasat gentian optik dengan denyutan laser dan menganalisis cahaya berselerak belakang untuk mengesan gangguan akustik. Berikut ialah pecahan mekanisme utama:

1. Soal siasat optik
   • Sumber laser yang koheren memancarkan denyutan pendek (biasanya tempoh 10-100 ns) ke dalam gentian pada panjang gelombang sekitar 1550 nm, di mana pengecilan rendah (kira-kira 0.2 dB/km). Cahaya bergerak melalui teras, dan sebahagian kecil bertaburan kembali disebabkan oleh penyerakan Rayleigh yang disebabkan oleh ketidakhomogenan mikroskopik dalam kaca.
2. Rayleigh Backscattering
   • Gelombang akustik atau getaran menyebabkan terikan setempat dalam gentian, mengalihkan fasa atau kekerapan cahaya yang tersebar ke belakang. Anjakan ini dikesan menggunakan teknik interferometrik, seperti reflekometri domain masa optik sensitif fasa (φ-OTDR).
   • Nota Teknikal: Resolusi spatial ditentukan oleh lebar nadi (cth, 10 ns sepadan dengan resolusi 1 m), manakala julat penderiaan dihadkan oleh kehilangan gentian, biasanya 50–100 km tanpa pengulang.
3. Pemprosesan Isyarat
   • Isyarat yang dikembalikan didemodulasi menggunakan pengesanan koheren atau kaedah berasaskan intensiti untuk mengekstrak maklumat akustik. Algoritma lanjutan, termasuk transformasi Fourier, menukar perubahan fasa kepada terikan (tahap nanostrain) atau data getaran.
   • Contohnya, dalam aplikasi bawah permukaan, DAS boleh mengukur terikan dinamik dengan kepekaan sehingga 10^{-9} terikan/√Hz, membolehkan pengesanan kejadian seismik halus.
4. Varian Sistem
   • Fasa-DAS: Kepekaan tinggi untuk kejadian frekuensi rendah (cth, gempa bumi).
   • Intensiti-DAS: Lebih mudah untuk getaran frekuensi tinggi (cth, pemantauan lalu lintas).
   • Nota Teknikal: Penyepaduan dengan gentian telekomunikasi sedia ada membolehkan pemasangan semula, mengurangkan kos penggunaan sebanyak 50% berbanding dengan penderia khusus.

Aplikasi Penderiaan Akustik Teragih

Keupayaan DAS untuk menyediakan pemantauan masa nyata yang berterusan telah membawa kepada penggunaan meluas merentas industri:

1. Penerokaan Minyak dan Gas
   • DAS digunakan untuk pemprofilan seismik menegak (VSP) dan pemantauan telaga, mengesan aliran bendalir dan patah tulang dengan resolusi 1 m sepanjang telaga 10 km. Ia membolehkan pengimejan seismik pasif, menambah baik pencirian takungan oleh 20% berbanding geofon tradisional.
2. Seismologi dan Geofizik
   • DAS digunakan di sepanjang rangkaian gentian untuk mencipta susunan seismik padat, DAS menangkap getaran tanah dengan frekuensi sehingga 500 Hz, membantu sistem amaran awal gempa bumi. Di kawasan bandar, ia memantau mikroseisme untuk penilaian kesihatan struktur.
3. Pemantauan Infrastruktur
   • Untuk saluran paip dan kereta api, DAS mengesan kebocoran atau pencerobohan dengan kepekaan nanostrain, meliputi 50 km dengan penyiasat tunggal. Ia mengenal pasti gangguan pihak ketiga (cth, menggali) dalam masa nyata, mengurangkan masa tindak balas sebanyak 30%.
4. Keselamatan dan Perlindungan Perimeter
   • Gentian yang tertimbus bertindak sebagai pagar maya, mengesan tapak kaki atau kenderaan dengan ketepatan 5 m melebihi 40 km. Digunakan dalam keselamatan sempadan dan infrastruktur kritikal, DAS meminimumkan penggera palsu melalui penapisan AI.
5. Aplikasi Lautan dan Laut
   • Kabel dasar laut membolehkan penderiaan akustik bawah air untuk pengesanan tsunami dan pengesanan mamalia marin, dengan julat sehingga 100 km dan tindak balas frekuensi kepada 1 kHz.

Nota Teknikal: Kebolehskalaan DAS membolehkan penyepaduan dengan infrastruktur telekom sedia ada, mengubah 1000 km gentian menjadi susunan penderia bersamaan dengan 100,000 penderia titik.

Komponen Teknikal dan Reka Bentuk Sistem

Sistem DAS terdiri daripada beberapa elemen utama:

1. Unit Penyiasat
   • “Otak” DAS, ia menjana denyutan laser (kadar pengulangan 1–10 kHz) dan menganalisis cahaya berselerak belakang dengan pengesan foto dan cip DSP. Unit moden mencapai resolusi spatial 1 m dan jarak 100 km.
2. Kabel Gentian Optik
   • Standard gentian mod tunggal (9/125 μm) digunakan, dengan pengecilan rendah (0.2 dB/km) pada 1550 nm. Gentian dipertingkat dengan taburan Rayleigh tinggi meningkatkan kepekaan sebanyak 10%.
3. Perisian Pemprosesan Isyarat
   • Algoritma AI memproses data untuk klasifikasi peristiwa (cth, kenderaan lwn. haiwan), dengan pembelajaran mesin mengurangkan positif palsu sebanyak 25%.
   • Nota Teknikal: Transformasi Fourier Pantas (FFT) menukar isyarat domain masa kepada spektrum frekuensi, mengenal pasti getaran daripada 0.001 Hz kepada kHz.
4. Integrasi dengan Teknologi Lain
   • Sistem hibrid menggabungkan DAS dengan pengesan suhu teragih (DTS) untuk pemantauan berbilang parameter, digunakan dalam saluran paip untuk mengesan kebocoran dengan ketepatan 0.1°C.

Cabaran dalam Penderiaan Akustik Teragih

Di sebalik kelebihannya, DAS menghadapi beberapa halangan:

1. Isu Kebisingan dan Sensitiviti
   • Bunyi ambien (cth, angin atau lalu lintas) boleh menutupi isyarat lemah, mengurangkan SNR sebanyak 5–10 dB. Penyelesaian: Penapisan lanjutan dan pengesanan koheren meningkatkan sensitiviti kepada 10^{-9} terikan/√Hz.
2. Resolusi Spatial dan Julat Tukar ganti
   • Had resolusi lebih tinggi (1 m) berjulat hingga 50 km disebabkan oleh pengecilan isyarat. Penyelesaian: amplifikasi Raman teragih memanjangkan jangkauan hingga 100 km sambil mengekalkan resolusi 5 m.
3. Pengurusan Data
   • DAS menjana terabait data setiap hari (cth, 1 TB/km/hari pada pensampelan 1 kHz), storan yang memberangsangkan. Penyelesaian: Edge AI memproses data dalam masa nyata, memampatkan dengan 80%.
4. Pemasangan dan Keserasian
   • Perbaikan semula gentian sedia ada boleh merendahkan prestasi telekom sebanyak 0.1 dB. Penyelesaian: Gentian penderiaan khusus atau kabel telekom-DAS hibrid meminimumkan gangguan.
5. Faktor Persekitaran
   • DAS bawah air mengalami bunyi laut (sehingga 10 dB lebih tinggi), mengurangkan ketepatan pengesanan. Penyelesaian: Algoritma pemilihan frekuensi mengasingkan isyarat.

Nota Teknikal: Cabaran diperkuatkan dalam gentian berbilang pengguna, di mana trafik telekom mengganggu denyutan penderiaan.

Trend Masa Depan dalam Penderiaan Akustik Teragih

DAS bersedia untuk kemajuan ketara pada 2025:

1. AI dan Integrasi Pembelajaran Mesin
   • AI meningkatkan klasifikasi acara, mengurangkan penggera palsu sebanyak 30% dan membolehkan penyelenggaraan ramalan. Prototaip 2025 Dekam-Fiber menggunakan ML untuk pemetaan terikan masa nyata.
2. Julat dan Resolusi Lanjutan
   • Reka bentuk gentian baharu dengan taburan Rayleigh yang dipertingkatkan akan menolak julat hingga 200 km dengan resolusi 0.5 m, menggunakan pengesanan dipertingkatkan kuantum.
3. Penderiaan Pelbagai Modal
   • Sistem DAS-DTS-DBR hibrid akan memantau akustik, suhu dan terikan secara serentak, dengan sensitiviti terikan 0.1°C/10^{-9} untuk kesihatan infrastruktur yang komprehensif.
4. DAS yang Dipertingkatkan Kuantum
   • Penderia kuantum akan meningkatkan sensitiviti kepada 10^{-10} regangan/√Hz, sesuai untuk aplikasi geofizik, dengan ujian menunjukkan pengesanan 20% dipertingkatkan.
5. Kemampanan dan Pengurangan Kos
   • Penyiasat mesra alam (mengurangkan kuasa sebanyak 20%) dan gentian kitar semula akan mengurangkan kos sebanyak 15%, sejajar dengan inisiatif hijau.

Nota Teknikal: Penyepaduan 6G akan menggunakan DAS untuk keselamatan rangkaian, mengesan gangguan dengan ketepatan nanostrain.

Kajian Kes tentang Penderiaan Akustik Teragih

1. Pemantauan Saluran Paip Minyak di AS
   • Sebuah syarikat tenaga utama menggunakan DAS sepanjang 50 km saluran paip, mengesan kebocoran dengan ketepatan 5 m dan sensitiviti terikan 10^{-8}.
   • Hasil: Mengurangkan insiden tumpahan sebanyak 25%, menjimatkan berjuta-juta kos pembersihan.
2. Rangkaian Seismik di Jepun
   • Susunan gentian bandar sepanjang 100 km memantau mikroseisme dengan tindak balas frekuensi kHz, memberikan amaran awal untuk gempa bumi.
   • Hasil: Memperbaik masa tindak balas sebanyak 10 saat, meningkatkan keselamatan awam.
3. Keselamatan Sempadan di Eropah
   • Sistem gentian terkubur 40 km mengesan pencerobohan dengan ketepatan 99%, menggunakan AI untuk membezakan jejak manusia daripada haiwan.
   • Hasil: Mengurangkan penggera palsu sebanyak 40%, mengoptimumkan peruntukan sumber.

Kesimpulan

Penderiaan Akustik Teragih mengubah gentian optik menjadi penderia teragih yang berkuasa untuk mengesan getaran dengan resolusi skala meter sepanjang berpuluh-puluh kilometer. Prinsipnya, berakar umbi dalam analisis taburan belakang dan fasa Rayleigh, membolehkan aplikasi dalam minyak dan gas, seismologi, infrastruktur, keselamatan, dan persekitaran marin. Walaupun cabaran seperti hingar dan beban data berterusan, penyelesaian seperti AI dan sistem hibrid sedang memajukan teknologi. Aliran masa depan, termasuk peningkatan kuantum dan penderiaan pelbagai modal, menjanjikan keupayaan yang lebih besar. Untuk penyelesaian yang didayakan DAS, terokai CommMesh.