سعة النقل
يحمل كابل الألياف الضوئية بيانات أكثر بكثير من الموصل النحاسي ذي الحجم المماثل.
التكنولوجيا وراء FOTAS
OPTICS · ELECTRONICS · COMPUTER SCIENCEFOTAS عبارة عن مستشعر صوتي موزع بالألياف الضوئية. ولا يمكن فهم هذا النظام إلا من خلال فهم التقنيات التي يقوم عليها.
EXPLORE THE TECHNOLOGY GUIDE
DISTRIBUTED ACOUSTIC SENSING PLATFORM
FOTAS: حلول متقدمة في الاستشعار الصوتي الموزع
تستخدم تقنية الاستشعار الصوتي الموزع (DAS) كابلات الألياف الضوئية كأجهزة استشعار لاكتشاف الإشارات الصوتية. تجمع FOTAS بين هذه التقنية وأشعة الليزر وهندسة الألياف الضوئية والذكاء الاصطناعي.
يساعد الذكاء الاصطناعي في تحليل وتفسير الكميات الكبيرة من البيانات التي تم جمعها بواسطة DAS. وهذا يجعل النظام فعالاً في مجالات مثل الأمن ومراقبة البنية التحتية.
تشرح الأقسام أدناه كيفية عمل التكنولوجيا، بدءًا من الألياف الضوئية نفسها ومرورًا بأشعة الليزر والاستشعار الصوتي الموزع وقياس الانعكاس في المجال الزمني البصري.
THE SENSING MEDIUM
الألياف الضوئية
الألياف الضوئية هي مجال فرعي من البصريات. وفي حين أن البصريات هي مجال الضوء بشكل عام، فإن الألياف الضوئية تهتم بالظواهر البصرية داخل الألياف الزجاجية فقط. "الألياف" تعني الخيط، لذلك تشير الألياف الضوئية إلى الخيوط الزجاجية التي تسمح بمرور الضوء من خلالها.
تعتمد معظم البنية التحتية للاتصالات اليوم على كابلات الألياف الضوئية. إنها أحفاد الكابلات الكهربائية النحاسية، ولكن إذا كانت الكابلات الكهربائية موجودة بالفعل، فلماذا يتم استخدام كابلات الألياف الضوئية بدلاً من ذلك؟
كانت كابلات الاتصالات القياسية السابقة مصنوعة من النحاس أو معادن موصلة أخرى. تحمل هذه الكابلات الإلكترونات من طرف إلى آخر، وبمساعدة أجهزة أخرى، يحمل هذا التيار بيانات قيمة. تم بناء خطوط الهاتف السابقة، ومن ثم خطوط الإنترنت، من هذا النوع من الكابلات.
ومع زيادة حجم البيانات المنقولة، بدأت الكابلات القائمة على التيار في القصور. في عام 1990 كان هناك ما يقرب من 2.6 مليون مستخدم للإنترنت؛ وبحلول عام 2016، وصل هذا العدد إلى 3.406 مليار. ولم تتمكن الكابلات الكهربائية التقليدية من تلبية هذا الطلب، وحلت محلها الألياف الضوئية.
WHY FIBER REPLACED COPPER
كابل الألياف الضوئية مقابل كابل النحاس
يمكن لكابلات الألياف الضوئية نقل بيانات أكثر بكثير من الكابلات النحاسية، ويتراوح الفرق بين 10 إلى 1000 مرة تقريبًا. تضع السعة الألياف الضوئية في المقدمة، لكن المزايا لا تتوقف عند هذا الحد.
فقدان البيانات
يحافظ النقل البصري على جودة الإشارة على مسافات أطول بكثير قبل الحاجة إلى التضخيم.
سرعة النقل
يتم نقل البيانات عن طريق الفوتونات التي تنتقل عبر قلب الزجاج، وليس عن طريق الإلكترونات الموجودة في موصل معدني.
مقاومة EMI
لا تتأثر الكابلات الخفيفة والمتينة بالتداخل الكهرومغناطيسي على طول الطرق الخارجية.
المكون الرئيسي لكابل الألياف الضوئية هو الألياف الضوئية نفسها. تُصنع الألياف الضوئية من الزجاج أو مواد مشابهة، والغرض منها هو نقل الضوء، لذا يجب أن تكون المادة شفافة. يتم توليد الضوء المنتقل عبر الكابل بواسطة أجهزة الليزر.
وبعيدًا عن الشفافية، يجب أن تكون المادة متينة ومرنة وغير مكلفة وسهلة الإنتاج. الزجاج مرن بشكل مدهش حيث يبلغ قطره 9 ميكرومتر، والبشرية لديها آلاف السنين من الخبرة الصناعية والحرفية في استخدامه. يتم سحب قطعة من الزجاج من ارتفاع ومعالجتها حتى تصبح أرق فأرق، حتى يصل حجم اللب إلى 9 ميكرومتر تقريبًا.
لا يتكون كابل الألياف الضوئية من قلب زجاجي وحده. من شأن الضوء الذي ينتشر عبر نواة غير محمية أن ينتشر في اتجاهات عشوائية، لذا فهو يحتاج إلى دليل موجي وطبقات واقية للوصول إلى الموقع المستهدف بأقل قدر من الخسارة.
LIGHT PROPAGATION
كيف تنتقل الفوتونات داخل الألياف الضوئية
ينتقل الضوء داخل القلب ويرتد عن جدران الألياف أثناء مروره. تم تصميم كابلات الألياف الضوئية بحيث لا يمكن لأشعة الضوء أن تنتشر إلى الخارج، ومع ذلك، فإن بعضها يفلت منها. وتسمى هذه الظاهرة بالفقد البصري.
القانون الفيزيائي الذي يجعل الضوء يرتد ويبقى داخل الكابل هو قانون سنيل. عندما يبقى الضوء داخل الكابل دون فقدان أثناء الارتداد، تسمى هذه الظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي.
Snell's Law
Governs refraction at the boundary between core and
cladding, redirecting light back into the core.
Total Internal Reflection
Keeps the light guided along the fiber over long distances
with minimum loss.
Optical Loss
The small portion of light that escapes or is absorbed as
the pulse propagates.
THE LIGHT SOURCE
الليزر
كلمة الليزر هي اختصار لعبارة "تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع". تعتمد أنظمة DAS والعديد من الأنظمة الأخرى على تقنية الليزر. يستخدم نظام FOTAS ضوء الليزر للحصول على بيانات التسلل: ينتقل ضوء الليزر عبر كابل الألياف الضوئية وينثر داخله، ويتم جمع الضوء المبعثر بواسطة وحدة OTDR.
قد يبدو الليزر كمصدر ضوء عادي، لكنه بعيد عن ذلك. ضوء الليزر موازٍ ومتماسك ومستقطب، وهي ثلاث خصائص تجعل الطورين OTDR وFOTAS ممكنين.
الضوء المتوازي
جميع أشعة الليزر متوازية وأحادية الاتجاه. إنهم يتحركون في نفس الاتجاه دون عبور، لذلك لا يتم فقدان أي طاقة تقريبًا في الطريق إلى الموقع المستهدف.
لا يزال الاختلاف موجودًا، لكنه ضئيل جدًا مقارنة بالمصباح أو مصابيح LED، وهو بالضبط ما يجعل الاستشعار عن بعد ممكنًا.
التماسك والمرحلة
تشترك الفوتونات الموجودة في الليزر في نفس الطور والاتجاه والاستقطاب. "المرحلة" تأتي من الكلمة اليونانية التي تعني المظهر، وبالتالي فإن فرق الطور يعني أن موجة واحدة تسير أمام أو خلف موجة أخرى.
تعمل المرحلة المتساوية على تركيز الطاقة - مثل الجمع بين العديد من ضربات المطرقة الضعيفة في ضربة واحدة فعالة. مساواة الطور هي ما يسمح لـ Phase-OTDR وFOTAS بالعمل.
الاستقطاب
الاستقطاب يعني أن اهتزازات الموجة لها اتجاه محدد بالنسبة لانتشارها. الموجات الكهرومغناطيسية هي موجات عرضية تهتز مجالاتها الكهربائية والمغناطيسية بشكل عمودي على اتجاه السفر.
يتم تعريف اتجاه الاستقطاب على أنه موازٍ للمجال الكهربائي. من الأمثلة اليومية المألوفة النظارات ثلاثية الأبعاد، حيث يؤدي تدوير رأسك إلى تغيير السطوع المدرك.
كيف يعمل الليزر
يعمل الليزر على أساس الانبعاث المحفز. تمتلك الذرات مستويات طاقة كمية لإلكتروناتها، وتوجد المستويات بقيم منفصلة. تميل الإلكترونات إلى البقاء عند مستويات أقل، ولكن عندما تمتص الطاقة فإنها تنتقل إلى مستويات أعلى.
ونظرًا لأن مستويات الطاقة الأعلى ليست مستقرة من حيث الطاقة، فإن الإلكترونات تميل إلى إصدار تلك الطاقة الإضافية والهبوط مرة أخرى. يحدث هذا في معظم الأحيان تلقائيًا، وهو ما يسمى بالانبعاث التلقائي.
في الليزر، يتم التحكم في هذا الانبعاث بحيث يتم تحفيز الانبعاثات بدلاً من ذلك. عندما يمتص الفوتون من قبل إلكترون متحمس بالفعل، يصدر الإلكترون فوتونين متطابقين. يتم امتصاص تلك الفوتونات بواسطة إلكترونات أخرى، والتي تنبعث منها عددًا أكبر بكثير، وهو مبدأ العمل الأساسي لليزر.
TURNING FIBER INTO A SENSOR
الاستشعار الصوتي الموزع
الاستشعار الصوتي الموزع (DAS) هو تقنية تكتشف الإشارات الصوتية. تتسبب القوة التي تنتقل عبر المواد في إزاحة الضغط في الوسط الذي تمر عبره - الهواء والأرض والماء وما إلى ذلك. تسمى ظواهر الإزاحة هذه بالموجات الصوتية، والموجات الصوتية هي المثال الأكثر شيوعًا لها.
تكتشف أجهزة الاستشعار أحادية النقطة الإشارات في مكان واحد فقط، مثل رأس الإبرة. على النقيض من ذلك، في أجهزة الاستشعار الموزعة، يكون هيكل الاستشعار مستمرًا. يستخدم FOTAS كابلات الألياف الضوئية للاستشعار الصوتي الموزع: تتأثر موجات الضوء المنتشرة في الكابل بالموجات الصوتية، ويتم اكتشاف الضوء المتأثر بواسطة أجهزة مثل قياس انعكاس المجال الزمني البصري (OTDR).
يشير الاستشعار الصوتي الموزع إلى نظام من المنتجات الإلكترونية الضوئية التي تقوم بالتحكم والقياس في الوقت الفعلي من خلال كابلات الألياف الضوئية الممتدة عبر الحدود المستهدفة.
الطريقة الأساسية لفهم تقنية FOTAS هي تخيل شخص يمشي على جهاز المشي. وبينما يتحركون عكس اتجاه الحزام، تنتشر حولهم الموجات الصوتية. يمكن لأي شخص على مسافة معينة أن يفهم أنه على جهاز المشي من خلال المراقبة في الوقت الفعلي - حتى بدون التواجد في نفس الغرفة.
خلال هذه العملية، يتم قياس الإشارات الصوتية في كل نقطة على طول كابل الألياف. على عكس المستشعرات التي تقيس عند نقاط محددة ثابتة، يستخدم نظام DAS الكابل نفسه كمستشعر. بمعنى آخر، يقوم المستشعر الصوتي الموزع بتحويل كابل الألياف إلى ميكروفونات.
أجهزة استشعار أحادية النقطة
يحدث الاكتشاف فقط في حالة وضع جهاز استشعار فعلي.
- نقطة كشف واحدة لكل جهاز
- المساحات غير المراقبة بين أجهزة الاستشعار
- المزيد من الأجهزة والاتصالات الميدانية
- رؤية محدودة على طول الطرق الطويلة
FOTAS الاستشعار الموزع
هيكل الاستشعار مستمر على طول مسار الألياف المثبتة بالكامل.
- القياس في كل نقطة من الكابل
- يعمل الكابل نفسه كجهاز استشعار
- مراقبة في الوقت الحقيقي عبر الطريق
- توطين الحدث على طول الألياف
MEASUREMENT AND CHARACTERIZATION
قياس الانعكاسات في المجال الزمني البصري
قياس انعكاس المجال الزمني البصري هو طريقة قياس تستخدم لوصف العديد من ميزات كابلات الألياف الضوئية. يتم استخدامه في الغالب لتقييم حالة الكابل وتحديد المشاكل: إذا كان هناك أي مشكلة متعلقة بالإرسال في الألياف، فيمكن لـ OTDR العثور عليها.
الاستخدام الأكثر شيوعًا هو تحديد فترات الراحة. يمكن لكابلات الألياف الضوئية أن تحمل البيانات لمسافة مائة كيلومتر تقريبًا قبل تضخيمها، لذا فإن فحص كل نقطة يدويًا سيكون مستحيلًا عمليًا. يجب أن يكون هناك جهاز يقوم بفحص الكابل من بعيد – وهذا هو الغرض من OTDR.
ما هو OTDR؟
يرسل OTDR نبضات ضوئية إلى الألياف ويقيس سعة الضوء المرتد. من فارق التوقيت يحسب طول الألياف، ومن فقدان السعة يحدد الخسائر العامة ونقاط الانكسار والتأثيرات الأخرى على طول الكابل.
تتناقص سعة الضوء المرتد دائمًا على طول المسار بسبب الشوائب وتفاعل جسيمات الضوء داخل الألياف. ومن هذا الانخفاض، يستمد OTDR معامل خسارة - يشبه مقاومة التيار الكهربائي. يكشف مبدأ العمل هذا ما إذا كانت الألياف مكسورة أو معرضة لأي تأثير آخر يسبب الخسارة.
كلما تم إجراء القياس على طول الكابل، أصبحت السعة المتناثرة أضعف. كما يقوم الجهاز بتسجيل فارق التوقيت حتى يمكن تحديد مكان المشكلة وتشخيصها.
FIELD MEASUREMENT DEVICE
فيافي MTS-2000 OTDR
يوجد منفذا اتصال في الجزء العلوي من الوحدة: أحدهما لكابلات الألياف الضوئية متعددة الأوضاع والآخر للكابلات أحادية الوضع. يجب توصيل الكابل بالمنفذ الصحيح للحصول على قياسات صالحة، حيث قد تستخدم الكابلات المختلفة أطوال موجية مختلفة.
بمجرد توصيل الألياف، يرسل OTDR نبضة ليزر إلى الكابل، وتنتقل النبضة وتنتشر للخلف، ويقوم الجهاز بقياس خصائص ذلك الضوء المرتد.
ما يمكن لـ OTDR اكتشافه
CONTINUE READING
الموارد والحلول التكنولوجية
ENGINEERING SUPPORT
ناقش مشروع استشعار الألياف الضوئية الخاص بك
تحدث إلى الفريق الهندسي FOTAS حول مسافة الاستشعار واختيار الكابل وتصميم المسار ومتطلبات الكشف وهندسة التكامل.