高速公路超速現(xiàn)象是引發(fā)高速公路交通事故的主要原因。所以，實(shí)現(xiàn)高速公路的智能化管理，實(shí)時(shí)測(cè)量車流量、車速等交通參數(shù)可以為道路擁塞時(shí)的緊急疏散以及車輛超速時(shí)的違章處罰提供依據(jù)，從而減少車輛行車延誤和減少交通事故。目前交通參數(shù)的獲取主要依靠微波雷達(dá)、地感線圈、超聲波檢測(cè)器、視頻圖像等，這些方法不適宜大范圍全分布式監(jiān)測(cè)，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(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以將標(biāo)準(zhǔn)單模電信光纖電纜轉(zhuǎn)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(bǔ)充交通命令的方法，將整個(gè)受監(jiān)控道路的實(shí)時(shí)可靠交通監(jiān)控狀況與事件檢測(cè)信息提供給決策者和控制系統(tǒng)。
分布式光纖聲波傳感（DAS）技術(shù)
Distributed optical fiber acoustic sensor
1 分布式光纖傳感技術(shù)
DAS技術(shù)區(qū)別于光纖分布式振動(dòng)傳感（DVS），相比于DVS只是對(duì)傳感光纖沿線的振動(dòng)信號(hào)定性的表征，DAS技術(shù)是對(duì)DVS技術(shù)的改進(jìn)和提升。由于外界聲波的變化與引起的相位變化是線性關(guān)系，所以DAS技術(shù)基于此可以重建外界振動(dòng)模型。
顯著優(yōu)勢(shì)：
傳感距離、環(huán)境適應(yīng)性、鋪設(shè)成本、信息豐富度。
2 分布式光纖聲波傳感技術(shù)（DAS）
Φ-OTDR技術(shù)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(yīng)實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的探測(cè)。
此后，Φ-OTDR技術(shù)開始蓬勃發(fā)展，目前Φ-OTDR是分布式光纖傳感中靈敏度最高的技術(shù)手段之一。
定性監(jiān)測(cè)階段：階段主要利用后向瑞利散射的脈沖內(nèi)干涉圖樣對(duì)光纖沿線的振動(dòng)信息進(jìn)行定性表征，在傳感探測(cè)距離、事件定位精度、環(huán)境適應(yīng)性等方面具有的很大的優(yōu)勢(shì)。
定量檢測(cè)階段：定量檢測(cè)階段則通過解調(diào)瑞利散射光波的相位信息，利用差分相位與聲波的線性關(guān)系，定量化重建外界振動(dòng)信息。
性能提升階段：主要是針對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，尤其是提升系統(tǒng)在長(zhǎng)距離下的帶寬和空間分辨率性能尤 其是信號(hào)處理與事件識(shí)別，拓展了ＤＡＳ技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。
基于相位敏感光時(shí)域反射計(jì)的分布式光纖聲波傳感技術(shù)（DAS），是一種利用光纖后向瑞利散射干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)聲波信號(hào)連續(xù)分布式探測(cè)的新型傳感技術(shù)。
分布式光纖聲波傳感的結(jié)構(gòu)主要包括三個(gè)部分：傳感光纖、光信號(hào)解調(diào)設(shè)備、信號(hào)處理主機(jī)。傳感光纖通常采用普通單模通信光纖（依監(jiān)測(cè)物理量而定），具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和便捷經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)期維護(hù)性。
普通光纖傳感技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：
抗電磁干擾
隱蔽性好
環(huán)境耐受（耐腐蝕、絕緣）
DAS技術(shù)特有優(yōu)點(diǎn)
信息豐度高（聲波、振動(dòng)、應(yīng)變、溫度）
實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)
分布式實(shí)時(shí)定量外界模型重建
3 分布式光纖的布設(shè)
兩種類型的光纖用來做分布式傳感：
DAS：?jiǎn)文９饫w（SMF）；
DTS：多模光纖（MMF）。
光纖的完整性用光時(shí)域反射儀（OTDR）測(cè)試。
良好的光纖通過表面光纖的熔接連接我們的監(jiān)控單元。
OptaSense公司提供光纖安裝向?qū)А?/span>
OptaSense公司在操作光纖布設(shè)和類型選擇上具有豐富經(jīng)驗(yàn)。能夠提供對(duì)于分布式傳感應(yīng)用的光纖布設(shè)提供建議和指導(dǎo)。
常見布設(shè)方式：
-
夾在外殼外部；
-
夾在套管上；
-
作為有線電纜布設(shè)。
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(lǐng)域的應(yīng)用
Distributed optical fiber acoustic sensing applications
車輛監(jiān)測(cè)示意圖
分布式光纖聲波傳感的測(cè)距原理
交通性能監(jiān)測(cè)參數(shù)
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(hào)時(shí)空響應(yīng)矩陣及其分割
高速公路案例
美國(guó)北達(dá)科他州Fargo市I-29高速公路
2016年，美國(guó)北達(dá)科他州交通運(yùn)輸部（NDDOT）在北達(dá)科他州Fargo市的I-29高速公路路段成功部署了OptaSense交通監(jiān)控解決方案（TMS），其成為美國(guó)第一個(gè)部署分布式光纖交通監(jiān)控和交通統(tǒng)計(jì)技術(shù)的州級(jí)交通運(yùn)輸部。
在詳細(xì)分析了該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)后，北達(dá)科他州交通運(yùn)輸部安裝了專用光纖電纜，以便在長(zhǎng)度4.5英里的試驗(yàn)路段上對(duì)I-29公路和選定坡道的兩側(cè)進(jìn)行監(jiān)控。該初始項(xiàng)目目前已成功完成，北達(dá)科他州交通運(yùn)輸部已經(jīng)向美國(guó)國(guó)家交通創(chuàng)新委員會(huì)（STIC）提交了它們的研究結(jié)果以及未來的技術(shù)規(guī)劃。
監(jiān)控項(xiàng)目
OptaSense交通監(jiān)測(cè)解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)以下監(jiān)控目標(biāo)：
-
平均速度；
-
行程時(shí)間；
-
自動(dòng)堵塞檢測(cè)；
-
自動(dòng)隊(duì)列檢測(cè)。
州際公路案例
美國(guó)亞特蘭大20號(hào)州際公路
由美國(guó)佐治亞州交通部投資進(jìn)行的分布式光纖交通監(jiān)控應(yīng)用。亞特蘭大地區(qū)的公路交通流量在美國(guó)名列前茅。2019年，根據(jù)美國(guó)《城市交通報(bào)告》的結(jié)論，亞特蘭大地區(qū)的司機(jī)在交通上每年花費(fèi)的平均時(shí)間達(dá)到了77小時(shí)，這一地區(qū)的交通擁堵狀況在全美國(guó)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(jiān)控解決方案。該項(xiàng)目驗(yàn)證了OptaSense基于分布式光纖聲波傳感交通監(jiān)控解決方案的實(shí)際性能，并確定該解決方案能夠提供公路準(zhǔn)確。最新的交通速度和交通計(jì)數(shù)信息。
未來計(jì)劃將OptaSense交通監(jiān)控解決方案采集的數(shù)據(jù)集成到其現(xiàn)有的交通管理中心系統(tǒng)平臺(tái)中。
在OptaSense交通監(jiān)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(biāo)距點(diǎn)之間的行程時(shí)間。
隧道試驗(yàn)段的評(píng)估
英國(guó)Southwick Hill隧道試驗(yàn)段的評(píng)估
Southwick Hill隧道是一個(gè)獨(dú)立的試驗(yàn)段基礎(chǔ)設(shè)施，它為英國(guó)公路公司提供了一個(gè)用于在受控試驗(yàn)條件下評(píng)估和測(cè)試各種道路檢測(cè)設(shè)備和技術(shù)的平臺(tái)。
在評(píng)估項(xiàng)目期間，OptaSense TMS方案以100%的準(zhǔn)確度精確檢測(cè)到450余起堵塞事件，其中還包括3起沒有被其他任何對(duì)比檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的突發(fā)事件，并且沒有任何事件漏報(bào)和錯(cuò)誤干擾警報(bào)發(fā)生。除了附表中所總結(jié)的性能以外，最終項(xiàng)目報(bào)告還對(duì)OptaSense TMS的便捷安裝與調(diào)試性能表示了贊賞。
交通監(jiān)控解決方案
荷蘭基礎(chǔ)設(shè)施與水資源部交通監(jiān)控解決方案
2018年，荷蘭基礎(chǔ)設(shè)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(duì)于OptaSense®交通監(jiān)控解決方案的試驗(yàn)。
該系統(tǒng)可以作為高架車道上顯示實(shí)時(shí)交通信息的信號(hào)數(shù)據(jù)源，以告知道路管理機(jī)構(gòu)當(dāng)前的交通狀況和可變限速。
監(jiān)控項(xiàng)目
OptaSense的交通監(jiān)控解決方案可以提供：
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平均速度；
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行程時(shí)間；
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自動(dòng)堵塞檢測(cè)；
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自動(dòng)隊(duì)列檢測(cè)。
DAS系統(tǒng)的其他應(yīng)用
分布式光纖聲波傳感（DAS）還廣泛應(yīng)用于地震探測(cè)與研究、管道監(jiān)測(cè)、周界安全、電力電纜監(jiān)測(cè)、鐵路監(jiān)控等領(lǐng)域。想了解更多監(jiān)測(cè)案例，請(qǐng)?jiān)斣儦W美大地。
