การตรวจจับเสียงแบบกระจาย (DAS) คืออะไร

การตรวจจับเสียงแบบกระจาย (Distributed Acoustic Sensing: DAS) ได้ก้าวขึ้นเป็นเทคโนโลยีที่พลิกโฉมวงการการตรวจจับและการตรวจสอบ โดยใช้ประโยชน์จากพลังของเส้นใยแก้วนำแสงเพื่อตรวจจับการสั่นสะเทือนและสัญญาณเสียงในระยะไกลด้วยความแม่นยำที่ไม่เคยมีมาก่อน ด้วยความต้องการโครงสร้างพื้นฐานที่เพิ่มขึ้นในภาคส่วนต่างๆ เช่น พลังงาน ความปลอดภัย และการตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อม DAS จึงเป็นทางเลือกที่คุ้มค่าและมีความละเอียดสูงกว่าเซ็นเซอร์แบบเดิม คู่มือนี้จะสำรวจหลักการ การใช้งาน ความท้าทาย และแนวโน้มในอนาคตของ DAS โดยอ้างอิงจากความก้าวหน้าล่าสุด และออกแบบมาสำหรับผู้เชี่ยวชาญด้านโทรคมนาคม วิศวกรรม และสาขาที่เกี่ยวข้องที่ต้องการโซลูชันจาก CommMesh

บทนำเกี่ยวกับการตรวจจับเสียงแบบกระจาย

การตรวจจับเสียงแบบกระจาย (Distributed Acoustic Sensing: DAS) เป็นเทคโนโลยีที่ใช้ใยแก้วนำแสง ซึ่งเปลี่ยนสายเคเบิลใยแก้วนำแสงมาตรฐานให้เป็นเซ็นเซอร์แบบกระจายอย่างต่อเนื่องเพื่อตรวจจับคลื่นเสียง การสั่นสะเทือน และความเครียด แตกต่างจากเซ็นเซอร์แบบจุดทั่วไป DAS ใช้ความยาวทั้งหมดของใยแก้วนำแสง ซึ่งมักจะมีความยาวหลายกิโลเมตร เป็นองค์ประกอบการตรวจจับ ให้ข้อมูลแบบเรียลไทม์ที่มีความละเอียดเชิงพื้นที่ต่ำถึงระดับเมตร เทคโนโลยีนี้อาศัยการกระเจิงกลับของเรย์ลี ซึ่งพัลส์แสงที่ส่งผ่านใยแก้วนำแสงจะโต้ตอบกับสัญญาณรบกวนทางเสียง เปลี่ยนแปลงสัญญาณกระเจิงกลับที่นำมาวิเคราะห์เพื่อทำแผนที่เหตุการณ์

DAS พัฒนาขึ้นครั้งแรกในช่วงทศวรรษ 1980 สำหรับการสำรวจน้ำมันและก๊าซธรรมชาติ ต่อมาได้มีการพัฒนาไปอย่างมาก โดยปัจจุบันระบบสามารถตรวจจับความถี่ได้ตั้งแต่ 0.001 เฮิรตซ์ ถึงหลายกิโลเฮิรตซ์ ในระยะทางสูงสุด 100 กิโลเมตร ในปี พ.ศ. 2568 การใช้งาน DAS ได้ขยายขอบเขตการใช้งานจากการตรวจสอบใต้ผิวดินไปสู่โครงสร้างพื้นฐานในเมืองและการใช้งานทางทะเล ซึ่งเป็นผลมาจากความต้องการโซลูชันการตรวจจับแบบไม่รุกรานและปรับขนาดได้ จากรายงานการตรวจสอบในปี พ.ศ. 2567 DAS ได้กลายเป็นเครื่องมือสำคัญในด้านแผ่นดินไหววิทยาและความปลอดภัย เนื่องจากความสามารถในการวัดค่าอย่างต่อเนื่องและหนาแน่นโดยไม่ต้องใช้ฮาร์ดแวร์เพิ่มเติม

หลักการของการตรวจจับเสียงแบบกระจาย

หลักการสำคัญของ DAS เกี่ยวข้องกับการสอบถามเส้นใยแก้วนำแสงด้วยพัลส์เลเซอร์และวิเคราะห์แสงที่กระเจิงกลับเพื่อตรวจจับการรบกวนทางเสียง ต่อไปนี้คือรายละเอียดของกลไกสำคัญ:

1. การสอบสวนด้วยแสง
   • แหล่งกำเนิดเลเซอร์แบบโคฮีเรนต์จะปล่อยพัลส์สั้นๆ (โดยทั่วไปมีระยะเวลา 10–100 นาโนวินาที) เข้าไปในเส้นใยแก้วที่ความยาวคลื่นประมาณ 1550 นาโนเมตร ซึ่งมีการลดทอนต่ำ (ประมาณ 0.2 เดซิเบล/กิโลเมตร) แสงจะเดินทางผ่านแกนกลาง และส่วนเล็กๆ จะกระจัดกระจายกลับเนื่องจากการกระเจิงแบบเรย์ลีห์ ซึ่งเกิดจากความไม่สม่ำเสมอในระดับจุลภาคของกระจก
2. การกระเจิงกลับของเรย์ลีห์
   • คลื่นเสียงหรือการสั่นสะเทือนทำให้เกิดความเครียดเฉพาะที่ในเส้นใยแสง ส่งผลให้เฟสหรือความถี่ของแสงที่กระเจิงกลับเปลี่ยนแปลงไป การเปลี่ยนแปลงนี้ตรวจพบได้โดยใช้เทคนิคอินเตอร์เฟอโรเมตริก เช่น รีเฟลกโตเมตรีแบบออปติคัลโดเมนเวลาไวต่อเฟส (φ-OTDR)
   • หมายเหตุทางเทคนิค: ความละเอียดเชิงพื้นที่จะถูกกำหนดโดยความกว้างของพัลส์ (เช่น 10 นาโนวินาทีสอดคล้องกับความละเอียด 1 เมตร) ในขณะที่ช่วงการตรวจจับจะถูกจำกัดโดยการสูญเสียไฟเบอร์ โดยทั่วไปคือ 50–100 กม. หากไม่มีรีพีทเตอร์
3. การประมวลผลสัญญาณ
   • สัญญาณที่ส่งกลับมาจะถูกดีมอดูเลตโดยใช้วิธีการตรวจจับแบบโคฮีเรนต์หรือวิธีการที่ใช้ความเข้มเพื่อดึงข้อมูลเสียง อัลกอริทึมขั้นสูง เช่น การแปลงฟูริเยร์ จะแปลงการเปลี่ยนแปลงเฟสเป็นข้อมูลความเครียด (ระดับนาโนความเครียด) หรือข้อมูลการสั่นสะเทือน
   • ตัวอย่างเช่น ในการใช้งานใต้ผิวดิน DAS สามารถวัดความเครียดแบบไดนามิกได้ด้วยความไวถึง 10^{-9} ความเครียด/√Hz ช่วยให้ตรวจจับเหตุการณ์แผ่นดินไหวที่ละเอียดอ่อนได้
4. ระบบต่างๆ
   • เฟส-DAS:ความไวสูงสำหรับเหตุการณ์ที่มีความถี่ต่ำ (เช่น แผ่นดินไหว)
   • ความเข้มข้น-DAS:เรียบง่ายกว่าสำหรับการสั่นสะเทือนความถี่สูง (เช่น การตรวจสอบการจราจร)
   • หมายเหตุทางเทคนิค: การบูรณาการกับไฟเบอร์โทรคมนาคมที่มีอยู่ช่วยให้สามารถปรับแก้ภายหลังได้ ลดต้นทุนการปรับใช้ลง 50% เมื่อเทียบกับเซ็นเซอร์เฉพาะ

การประยุกต์ใช้งานของการตรวจจับเสียงแบบกระจาย

ความสามารถของ DAS ในการติดตามอย่างต่อเนื่องแบบเรียลไทม์ทำให้เกิดการนำไปใช้กันอย่างแพร่หลายในทุกอุตสาหกรรม:

1. การสำรวจน้ำมันและก๊าซ
   • DAS ใช้สำหรับการทำโปรไฟล์คลื่นไหวสะเทือนแนวตั้ง (VSP) และการตรวจสอบหลุมเจาะ โดยตรวจจับการไหลของของเหลวและรอยแตกด้วยความละเอียด 1 เมตร ครอบคลุมหลุมเจาะ 10 กิโลเมตร ซึ่งช่วยให้สามารถสร้างภาพคลื่นไหวสะเทือนแบบพาสซีฟได้ ปรับปรุงคุณลักษณะของแหล่งกักเก็บด้วย 20% เมื่อเทียบกับจีโอโฟนแบบเดิม
2. แผ่นดินไหววิทยาและธรณีฟิสิกส์
   • DAS ถูกติดตั้งบนเครือข่ายไฟเบอร์เพื่อสร้างอาร์เรย์แผ่นดินไหวที่มีความหนาแน่นสูง โดยสามารถบันทึกการสั่นสะเทือนของพื้นดินด้วยความถี่สูงถึง 500 เฮิรตซ์ เพื่อช่วยระบบเตือนภัยแผ่นดินไหวล่วงหน้า ในเขตเมือง ระบบนี้จะตรวจสอบแผ่นดินไหวขนาดเล็กเพื่อประเมินสุขภาพโครงสร้าง
3. การตรวจสอบโครงสร้างพื้นฐาน
   • สำหรับท่อส่งและทางรถไฟ ระบบ DAS สามารถตรวจจับการรั่วไหลหรือการบุกรุกด้วยความไวระดับนาโนสเตรน ครอบคลุมระยะทาง 50 กิโลเมตรด้วยเครื่องตรวจสอบเพียงเครื่องเดียว ระบบสามารถระบุสัญญาณรบกวนจากบุคคลที่สาม (เช่น การขุด) ได้แบบเรียลไทม์ ช่วยลดเวลาตอบสนองลง 30%
4. การรักษาความปลอดภัยและการป้องกันปริมณฑล
   • ไฟเบอร์ที่ฝังไว้ทำหน้าที่เป็นรั้วเสมือน ตรวจจับฝีเท้าหรือยานพาหนะด้วยความแม่นยำ 5 เมตร ตลอดระยะทาง 40 กิโลเมตร DAS ถูกนำมาใช้ในการรักษาความปลอดภัยชายแดนและโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญ ช่วยลดการแจ้งเตือนที่ผิดพลาดผ่านการกรองด้วย AI
5. การใช้งานทางทะเลและมหาสมุทร
   • สายเคเบิลใต้น้ำช่วยให้สามารถตรวจจับเสียงใต้น้ำได้เพื่อตรวจจับสึนามิและติดตามสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมในทะเล โดยมีระยะสูงสุด 100 กม. และตอบสนองความถี่ถึง 1 kHz

หมายเหตุทางเทคนิค: ความสามารถในการปรับขนาดของ DAS ช่วยให้สามารถบูรณาการกับโครงสร้างพื้นฐานโทรคมนาคมที่มีอยู่ได้ โดยเปลี่ยนไฟเบอร์ 1,000 กม. ให้เป็นอาร์เรย์เซ็นเซอร์ที่เทียบเท่ากับเซ็นเซอร์จุด 100,000 จุด

ส่วนประกอบทางเทคนิคและการออกแบบระบบ

ระบบ DAS ประกอบด้วยองค์ประกอบสำคัญหลายประการ:

1. หน่วยสอบสวน
   • “สมอง” ของ DAS ทำหน้าที่สร้างพัลส์เลเซอร์ (อัตราการทำซ้ำ 1–10 kHz) และวิเคราะห์แสงที่กระเจิงกลับด้วยเครื่องตรวจจับแสงและชิป DSP อุปกรณ์สมัยใหม่มีความละเอียดเชิงพื้นที่ 1 เมตร และระยะการทำงาน 100 กิโลเมตร
2. สายไฟเบอร์ออฟติก
   • มาตรฐาน เส้นใยโหมดเดียว (9/125 μm) ถูกนำมาใช้ โดยมีการลดทอนสัญญาณต่ำ (0.2 dB/km) ที่ 1550 นาโนเมตร ไฟเบอร์ที่ได้รับการปรับปรุงพร้อมการกระเจิงเรย์ลีห์สูงช่วยเพิ่มความไวได้ 10%
3. ซอฟต์แวร์ประมวลผลสัญญาณ
   • อัลกอริทึม AI ประมวลผลข้อมูลเพื่อจำแนกเหตุการณ์ (เช่น ยานพาหนะเทียบกับสัตว์) โดยการเรียนรู้ของเครื่องจักรช่วยลดผลบวกปลอมลง 25%
   • หมายเหตุทางเทคนิค: การแปลงฟูเรียร์อย่างรวดเร็ว (FFT) จะแปลงสัญญาณโดเมนเวลาเป็นสเปกตรัมความถี่ โดยระบุการสั่นสะเทือนตั้งแต่ 0.001 Hz ถึง kHz
4. การบูรณาการกับเทคโนโลยีอื่น ๆ
   • ระบบไฮบริดรวม DAS เข้ากับการตรวจจับอุณหภูมิแบบกระจาย (DTS) เพื่อการตรวจสอบหลายพารามิเตอร์ ใช้ในท่อเพื่อตรวจจับการรั่วไหลด้วยความแม่นยำ 0.1°C

ความท้าทายในการตรวจจับเสียงแบบกระจาย

แม้จะมีข้อดี แต่ DAS ก็ต้องเผชิญกับอุปสรรคหลายประการ:

1. ปัญหาเรื่องเสียงและความไว
   • เสียงรบกวนรอบข้าง (เช่น เสียงลมหรือการจราจร) สามารถบดบังสัญญาณที่อ่อน ทำให้ SNR ลดลง 5–10 เดซิเบล วิธีแก้ปัญหา: การกรองขั้นสูงและการตรวจจับแบบสอดคล้องกันช่วยเพิ่มความไวต่อความเครียด 10-9 ต่อ√Hz
2. ความละเอียดเชิงพื้นที่และการแลกเปลี่ยนระยะ
   • ความละเอียดที่สูงขึ้น (1 ม.) จำกัดระยะสัญญาณไว้ที่ 50 กม. เนื่องจากการลดทอนสัญญาณ วิธีแก้ปัญหา: การขยายสัญญาณแบบรามานแบบกระจายขยายระยะสัญญาณได้ถึง 100 กม. ในขณะที่ยังคงความละเอียดไว้ที่ 5 ม.
3. การจัดการข้อมูล
   • DAS สร้างข้อมูลขนาดเทราไบต์ต่อวัน (เช่น 1 TB/กม./วัน ที่การสุ่มตัวอย่าง 1 kHz) ซึ่งมีพื้นที่จัดเก็บข้อมูลมหาศาล โซลูชัน: Edge AI ประมวลผลข้อมูลแบบเรียลไทม์ บีบอัดด้วย 80%
4. การติดตั้งและความเข้ากันได้
   • การปรับปรุงสายไฟเบอร์ที่มีอยู่เดิมอาจทำให้ประสิทธิภาพการสื่อสารลดลง 0.1 เดซิเบล วิธีแก้ปัญหา: การใช้สายไฟเบอร์ตรวจจับเฉพาะหรือสายเคเบิล DAS โทรคมนาคมแบบไฮบริดช่วยลดสัญญาณรบกวน
5. ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม
   • ระบบ DAS ใต้น้ำได้รับผลกระทบจากสัญญาณรบกวนจากมหาสมุทร (สูงกว่าถึง 10 เดซิเบล) ทำให้ความแม่นยำในการตรวจจับลดลง วิธีแก้ปัญหา: อัลกอริทึมแบบเลือกความถี่จะแยกสัญญาณ

หมายเหตุทางเทคนิค: ความท้าทายจะเพิ่มมากขึ้นในระบบไฟเบอร์หลายผู้ใช้ ซึ่งการรับส่งข้อมูลโทรคมนาคมจะรบกวนการทำงานของพัลส์การตรวจจับ

แนวโน้มในอนาคตของการตรวจจับเสียงแบบกระจาย

DAS เตรียมพร้อมสำหรับความก้าวหน้าครั้งสำคัญในปี 2025:

1. การบูรณาการ AI และการเรียนรู้ของเครื่องจักร
   • AI เพิ่มประสิทธิภาพการจำแนกเหตุการณ์ ลดการแจ้งเตือนผิดพลาดได้ถึง 30% และเปิดใช้งานการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ ต้นแบบปี 2025 ของ Dekam-Fiber ใช้ ML สำหรับการทำแผนที่ความเครียดแบบเรียลไทม์
2. ช่วงและความละเอียดที่ขยาย
   • การออกแบบไฟเบอร์ใหม่พร้อมการกระเจิงเรย์ลีที่ได้รับการปรับปรุงจะขยายระยะได้ถึง 200 กม. ด้วยความละเอียด 0.5 ม. โดยใช้การตรวจจับแบบควอนตัมที่ได้รับการปรับปรุง
3. การตรวจจับแบบหลายโหมด
   • ระบบไฮบริด DAS-DTS-DBR จะตรวจสอบเสียง อุณหภูมิ และความเครียดพร้อมกัน โดยมีความไวต่อความเครียด 0.1°C/10^{-9} เพื่อความสมบูรณ์ของโครงสร้างพื้นฐานโดยรวม
4. DAS ที่ได้รับการปรับปรุงด้วยควอนตัม
   • เซนเซอร์ควอนตัมจะเพิ่มความไวเป็น 10^{-10} ความเครียด/√Hz ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานทางธรณีฟิสิกส์ โดยการทดลองแสดงให้เห็นว่าการตรวจจับด้วย 20% ได้รับการปรับปรุงดีขึ้น
5. ความยั่งยืนและการลดต้นทุน
   • เครื่องซักถามที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม (ลดการใช้พลังงานลง 20%) และเส้นใยรีไซเคิลจะช่วยลดต้นทุนลง 15% สอดคล้องกับแผนริเริ่มสีเขียว

หมายเหตุทางเทคนิค: การรวม 6G จะใช้ DAS เพื่อความปลอดภัยของเครือข่าย ตรวจจับการดัดแปลงด้วยความแม่นยำระดับนาโนสเตรน

กรณีศึกษาเกี่ยวกับการตรวจจับเสียงแบบกระจาย

1. การตรวจสอบท่อส่งน้ำมันในสหรัฐอเมริกา
   • บริษัทพลังงานรายใหญ่แห่งหนึ่งได้นำ DAS ไปใช้งานในท่อส่งน้ำมันระยะทาง 50 กม. โดยสามารถตรวจจับการรั่วไหลได้ด้วยความแม่นยำ 5 ม. และมีความไวต่อความเครียด 10-8}
   • ผลลัพธ์: ลดเหตุการณ์รั่วไหลได้ 25% ประหยัดค่าใช้จ่ายในการทำความสะอาดได้หลายล้าน
2. เครือข่ายแผ่นดินไหวในญี่ปุ่น
   • อาร์เรย์ไฟเบอร์ในเมืองขนาด 100 กม. คอยตรวจสอบไมโครซีสซึมด้วยการตอบสนองความถี่ kHz ซึ่งให้คำเตือนเกี่ยวกับแผ่นดินไหวล่วงหน้า
   • ผลลัพธ์: ปรับปรุงเวลาตอบสนองให้ดีขึ้น 10 วินาที ช่วยเพิ่มความปลอดภัยสาธารณะ
3. ความมั่นคงชายแดนในยุโรป
   • ระบบไฟเบอร์ฝังดินระยะทาง 40 กม. ตรวจจับการบุกรุกด้วยความแม่นยำระดับ 99% โดยใช้ AI เพื่อแยกแยะเสียงฝีเท้าของมนุษย์จากสัตว์
   • ผลลัพธ์: ลดการแจ้งเตือนเท็จโดย 40% เพิ่มประสิทธิภาพการจัดสรรทรัพยากร

บทสรุป

การตรวจจับเสียงแบบกระจาย (Distributed Acoustic Sensing) เปลี่ยนใยแก้วนำแสงให้เป็นเซ็นเซอร์แบบกระจายที่ทรงพลังสำหรับตรวจจับการสั่นสะเทือนด้วยความละเอียดระดับเมตรในระยะทางหลายสิบกิโลเมตร หลักการของเทคโนโลยีนี้ซึ่งมีรากฐานมาจากการวิเคราะห์การกระเจิงกลับของเรย์ลีและการวิเคราะห์เฟส ช่วยให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซ แผ่นดินไหว โครงสร้างพื้นฐาน ความปลอดภัย และสภาพแวดล้อมทางทะเล แม้จะมีความท้าทายอย่างสัญญาณรบกวนและปริมาณข้อมูลที่มากเกินไป แต่โซลูชันอย่าง AI และระบบไฮบริดก็กำลังพัฒนาเทคโนโลยีนี้ แนวโน้มในอนาคต เช่น การปรับปรุงประสิทธิภาพด้วยควอนตัมและการตรวจจับแบบหลายโหมด จะให้ศักยภาพที่สูงกว่า สำหรับโซลูชันที่ใช้ DAS ลองดู CommMesh