基于DPU的分布式光纤复合传感系统及测量方法技术方案

本发明专利技术公开了基于DPU的分布式光纤复合传感系统及测量方法，本发明专利技术实施例的基于DPU的分布式光纤复合传感系统，包括由分布式DAS/DTS/DSS传感光缆组成的铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆和基于CPU/GPU/DPU集成架构设计的中央集成单元，以及一个或多个储存器；铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆用于采集DAS/DTS/DSS数据；中央集成单元中，CPU用于综合管理；DPU用于对铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆采集的数据进行调制解调处理；储存器用于储存DPU处理的调制解调数据；GPU用于对DPU处理并储存于储存器中的调制解调数据进行实时分屏或分通道显示。其至少可以解决现有技术中基于工控机和FPGA的独立的DAS、DTS和DSS调制解调仪器无法满足现场实时多参数大数据的调制解调作业的问题。的调制解调作业的问题。的调制解调作业的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于DPU的分布式光纤复合传感系统及测量方法


[0001]本专利技术涉及分布式声波、温度、应变复合测量和监测及预警
，具体涉及一种基于DPU的分布式光纤复合传感系统及测量方法。

技术介绍

[0002]光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质，具有光纤及光学测量的特点，有一系列独特的优点。电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，非侵入性，高灵敏度，容易实现对被测信号的远距离监控，耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接。
[0003]近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方(如高温区)，或者对人有害的地区(如核辐射区)，起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。
[0004]光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。其基本原理是将光源的光经入射光纤送人调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。
[0005]分布式光纤声波传感技术(Distributed fiber Acoustic Sensing，DAS)：利用相干瑞利散射光的相位而非光强来探测音频范围内的声音或振动等信号，不仅可以利用相位幅值大小来提供声音或振动事件强度信息，还利用线性定量测量值来实现对声音或振动事件相位和频率信息的获取。DAS可以认为是一个移动干涉式声波传感器在传感光纤探测外界信号，当声音或振动引起该位置干涉光相位的线性变化，通过提取该位置不同时刻的干涉信号并解调，就可实现外界物理量的定量测量。DAS测量过程：激光器沿着光纤发出光脉冲，一些光以反向散射的形式与入射光在脉冲内发生干涉，干涉光反射回来以后，反向散射的干涉光回到信号处理装置，同时将光纤沿线振动声波信号带来信号处理装置。由于光速保持不变，因此可得到每米光纤的声波振动的测量结果。
[0006]DAS技术原理是通过探测沿传感光纤各点的瑞利散射光的相位变化来得到所需检测的物理量(如声音、振动等)的变化。入射光与光纤沿线某点的后向散射光产生干涉，该点上的声音或振动的变化会引起该干涉光相位的线性变化，因此在接收端对该点的干涉光相位进行解调就可以确定声音或振动的变化量。由于光纤在空间中的连续分布，可以定量检测到空间上的任意一点发生的物理量的变化，从而实现分布式传感。DAS以其长距离、高空间分辨率、无源抗干扰等优点，在井中地面海底地震数据采集、管道/管网漏损检测、基建参数监测、周界安防监测等领域有着大量的需求。
[0007]DTS(Distributed Temperature Sensing)，分布式光纤测温系统(DTS)也称为光
纤测温，依据光时域反射(OTDR)原理和拉曼(Raman)散射效应对温度的敏感从而实现温度监测。全系统采用光纤作为敏感信息传感和信号传输的载体，具有连续测温、分布式测温、实时测温、抗电磁干扰、本征安全、远程监控、高灵敏度、安装简便、长寿命等特点，广泛应用于市政综合管廊、管道、隧道、电缆、石油石化、煤矿等行业。
[0008]分布式光纤应力测量(DSS)系统是一种用于力学、工程与技术科学基础学科、土木建筑工程领域的仪器，是基于布里渊光频域散射的光纤应变/温度测量与分析仪器，主要用于长距离分布式应变及温度等的实时在线监测。适用于山体滑坡前期变形探测及滑动面精确定位查找、泥石流及地震地质灾害预警、岩溶区高速公路地下隐埋空洞探测等，特别适用大范围工程情况复杂的边坡体灾害的精确探查。尤其适用于各类模型试验测试和大型工程结构的实时在线健康监测。
[0009]DPU(Data Processing Unit)是以数据为中心构造的专用处理器，采用软件定义技术路线支撑基础设施层资源虚拟化，支持存储、安全、服务质量管理等基础设施层服务。2020年NVIDIA公司发布的DPU产品战略中将其定位为数据中心继CPU和GPU之后的“第三颗主力芯片”，掀起了一波行业热潮。DPU的出现是异构计算的一个阶段性标志。与GPU的发展类似，DPU是应用驱动的体系结构设计的又一典型案例；但与GPU不同的是，DPU面向的应用更加底层。DPU要解决的核心问题是基础设施的“降本增效”，即将“CPU处理效率低下、GPU处理不了”的负载卸载到专用DPU，提升整个计算系统的效率、降低整体系统的总体拥有成本(TCO)。DPU的出现也许是体系结构朝着专用化路线发展的又一个里程碑。
[0010]DPU的核心功能就是网络数据处理，既包括网络协议的分析，也可以是直接满足应用需求的加工计算。随之可以减少22～80％的CPU性能，因此也被称为“卸载”(offload)。DPU的部分前身功能在智能网卡(SmartNIC)上实现，完整的DPU芯片本身也通常会被集成到板卡(网卡)上。
[0011]光纤传感系统可以用于地面三分量地震信号和井下压力、温度、噪声、振动、声波、地震波、流量、组分分析、电场和磁场的测量。该系统以全铠装光缆结构为基础，传感器和连接及数据传输缆都用光纤制成。
[0012]随着分布式光纤传感技术的快速发展，特制的耐高温耐高压的高灵敏度铠装监测光缆，就可以方便的布设到浅地表以下或海底，也可以布设到超高压超高温的地下深处或深井里面去，长时间在地下深处或深井里面可靠的工作，实施高密度分布式测量和监测地下或井下应力、应变、压力、温度、噪声和震动信号等，克服和解决地下或井下测井仪器或井下电子传感器不能长期在超高压超高温的地下深处或深井里面可靠工作的难题。
[0013]但是目前行业内使用的一般是独立的DAS、DTS和DSS调制解调仪器，而这些仪器基本上是基于工控机的架构来设计研制的，有的仪器也增加了FPGA模块来进行大量分布式光纤传感数据的调制解调处理。由于现在埋置在地下或海底或布设在井底的铠装光缆越来越长，需要同时测量或监测的分布式光纤传感参数越来越多，数据量越来越大，基于工控机和FPGA的独立的DAS、DTS和DSS调制解调仪器基本上无法满足现场实时多参数、高密度和大数据的实时调制解调作业，特别是对于DAS/DTS/DSS复合调制解调系统，现有的基于工控机和FPGA架构的调制解调仪器完全无法胜任。
[0014]鉴于此，特提出本申请。

技术实现思路

[0015]为了构建DAS/DTS/DSS复合调制解调系统，实现现场实时多参数大数据的调制解调作业，本专利技术提出了基于DPU的分布式光纤复合传感系统及测量方法。
[0016]本专利技术采用了以下方案：
[0017]本专利技术的提供一种基于DPU的分布式光纤复合传感系统，包括由分布式DAS/DTS/DSS传感光缆组成的铠装多参数多分量分布式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于DPU的分布式光纤复合传感系统，其特征在于，包括由分布式DAS/DTS/DSS传感光缆组成的铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆(2)和基于CPU(3)/DPU(4)/GPU(6)集成架构设计的中央集成单元，以及一个或多个储存器(5)；其中：铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆(2)用于采集DAS/DTS/DSS数据；中央集成单元中，CPU(3)用于综合管理；DPU(4)用于对铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆(2)采集的数据进行调制解调处理；储存器(5)用于储存DPU(4)处理的调制解调数据；GPU(6)用于对DPU(4)处理并储存于储存器(5)中的调制解调数据进行实时分屏或分通道显示。2.根据权利要求1所述的基于DPU的分布式光纤复合传感系统，其特征在于，所述铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆(2)内包括至少三条传感光缆，分别为DAS传感光缆(21)、DTS传感光缆(25)、DSS传感光缆(29)，所述CPU(3)、所述DPU(4)和所述GPU(6)的数量均至少为三个，每条铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆(2)内的一条传感光缆分别对应一个CPU(3)、一个DPU(4)和一个GPU(6)。3.根据权利要求2所述的基于DPU的分布式光纤复合传感系统，其特征在于，还包括用于将调制解调数据传输到外部超级计算机工作站(8)或数据管理监控中心的智能网卡(7)，三个DPU(4)均集成于智能网卡(7)上。4.根据权利要求2所述的基于DPU的分布式光纤复合传感系统，其特征在于，所述储存器(5)为三个，还包括三路多频窄脉冲激光光源(9)、三路独立的环形器(10)，三路独立的光信号放大器(11)、三路独立的光电转换器(12)、三路独立的模数转换器(13)；每条铠装多参数多分量分布式光纤传感光缆(2)中的DAS传感光缆(21)、DTS传感光缆(25)、DSS传感光缆(29)分别与一路多频窄脉冲激光光源(9)、一路独立的环形器(10)，一路独立的光信号放大器(11)、一路独立的光电转换器(12)、一路独立的模数转换器(13)以及一个储存器(5)单独连接。5.根据权利要求1所述的基于DPU的分布式光纤复合传感系统，其特征在于，还包括有与所述中央集成单元连接的五个DAS数据输入端口、三个DTS数据输入端口和一个DSS数据输入端口。6.根据权利要求5所述的基于DPU的分布式光纤复合传感系统，其特征在于，所述DAS传感光缆(21)为三分量分布式声波传感光缆，三分量分布式声波传感光缆内置有正方柱形弹性体(22)，正方柱形弹性体(22)内嵌有一根直形单模光纤(232)，正方柱形弹性体(22)的四个侧面上按照正弦波形或余弦波形紧密贴面铺设有四条波形单模光纤(231)，任意相邻两个侧面的两条波形单模光纤(231)所在延伸面均互相垂直，直形单模光纤(232)和波形单模光纤(231)的尾端均安装有消光器(24)，一根直形单模光纤(232)和四根波形单模光纤(231)远离消光器(24)的一端分别与所述五个DAS数据输入端口连接。7.根据权利要求5所述的基于DPU的分布式光纤复合传感系统，其特征在于，所述DTS传感光缆(25)内有三根多模光纤(26)，其中两根多模光纤(26)的尾端熔接成U字型结构(27)，三根多模光纤(26)外有至少一层连续金属细管(28)对其进行封装，三根多模光纤(26)分别与所...

【专利技术属性】
技术研发人员：余刚，苟量，张少华，王熙明，安树杰，夏淑君，陈沅忠，吴俊军，冉曾令，
申请(专利权)人：中油奥博成都科技有限公司，
类型：发明
国别省市：