Transmissionskapacitet
Fiberoptisk kabel bærer dramatisk flere data end en kobberleder af sammenlignelig størrelse.
TEKNOLOGIEN BAG FOTAS
optik · elektronik · datalogiFOTAS er en fiberoptisk distribueret akustisk sensor. Det er kun muligt at forstå dette system ved at forstå de teknologier, der ligger til grund for det.
udforsk teknologiguiden
distribueret akustisk sensorplatform
FOTAS: Avancerede løsninger inden for distribueret akustisk registrering
distribueret akustisk måling (da) teknologi bruger fiberoptiske kabler som sensorer til at detektere akustiske signaler. fotas kombinerer denne teknologi med lasere, fiberoptisk teknik og kunstig intelligens.
Kunstig intelligens hjælper med at analysere og fortolke de store mængder data, der indsamles af DAS. Dette gør systemet effektivt inden for områder som sikkerhed og infrastrukturovervågning.
Afsnittene nedenfor forklarer, hvordan teknologien fungerer, startende fra selve den optiske fiber og fortsætter gennem lasere, distribueret akustisk registrering og optisk tidsdomænereflektometri.
sensormediet
Fiberoptik
Fiberoptik er et underfelt af optik. Mens optik generelt er lysområdet, beskæftiger fiberoptik sig kun med optiske fænomener inde i glasfibre. "Fiber" betyder tråd, så fiberoptik refererer til de glastråde, der tillader lys at passere igennem dem.
Det meste telekommunikationsinfrastruktur i dag er baseret på fiberoptiske kabler. De er efterkommere af kobberelektriske kabler - men hvis elektriske kabler allerede eksisterede, hvorfor bruges fiberoptiske kabler så i stedet?
Tidligere standard telekommunikationskabler var lavet af kobber eller andre ledende metaller. Disse kabler fører elektroner fra den ene ende til den anden, og ved hjælp af andre enheder fører denne strøm værdifulde data. Tidligere telefonlinjer, og derefter internetlinjer, blev bygget af denne type kabel.
Efterhånden som de overførte datamængder voksede, begyndte strømbaserede kabler at mangle. I 1990 var der cirka 2,6 millioner internetbrugere; I 2016 var dette tal nået op på 3,406 milliarder. Konventionelle elektriske kabler kunne ikke håndtere denne efterspørgsel, og fiberoptik overtog deres plads.
hvorfor fiber erstattede kobber
Fiberoptisk kabel vs. kobberkabel
Fiberoptiske kabler kan overføre langt flere data end kobberkabler - forskellen er cirka 10 til 1000 gange. Kapaciteten sætter fiberoptik foran, men fordelene stopper ikke der.
Datatab
Optisk transmission bevarer signalkvaliteten over langt længere afstande, før forstærkning er nødvendig.
Overførselshastighed
Data bæres af fotoner, der bevæger sig gennem glaskernen, ikke af elektroner i en metalleder.
EMI-modstand
Lette og holdbare kabler påvirkes ikke af elektromagnetisk interferens langs udendørs ruter.
Hovedkomponenten i et fiberoptisk kabel er selve den optiske fiber. Optiske fibre er lavet af glas eller lignende materialer, og deres formål er at bære lys - så materialet skal være transparent. Lyset, der bevæger sig i kablet, genereres af laserenheder.
Ud over gennemsigtighed skal materialet være holdbart, fleksibelt, billigt og let at producere. Glas er overraskende fleksibelt med en diameter på 9 mikrometer, og menneskeheden har tusindvis af års industriel og håndværksmæssig erfaring med det. En glasklump trækkes fra højden og bearbejdes, indtil den bliver tyndere og tyndere, indtil kernen når cirka 9 mikrometer.
Et fiberoptisk kabel består ikke kun af glaskernen. Lys, der udbreder sig gennem en ubeskyttet kerne, ville spredes i tilfældige retninger, så det har brug for en bølgeleder og beskyttende lag for at nå målstedet med minimalt tab.
lysudbredelse
Hvordan fotoner bevæger sig inde i den optiske fiber
Lys bevæger sig inde i kernen og reflekteres fra fibervæggene undervejs. Fiberoptiske kabler er designet, så lysstråler ikke kan udbrede sig udad - ikke desto mindre undslipper nogle af dem. Dette fænomen kaldes optisk tab.
Den fysiske lov, der får lys til at reflekteres og forblive inde i kablet, er Snells lov. Når lys forbliver inde i kablet uden tab, mens det reflekteres, kaldes fænomenet total intern refleksion.
Snells lov
styrer brydning ved grænsen mellem kerne og beklædning og omdirigerer lyset tilbage i kernen.
total intern refleksion
holder lyset styret langs fiberen over lange afstande med minimalt tab.
optisk tab
den lille del af lyset, der undslipper eller absorberes, når pulsen udbreder sig.
lyskilden
Laser
Ordet laser er et akronym for Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Lysforstærkning ved Stimuleret Emission af Radiation). DAS-systemer og mange andre systemer er afhængige af laserteknologi. FOTAS-systemet bruger laserlys til at indhente indtrængningsdata: laserlys bevæger sig hen over fiberoptikkablet og spredes indeni, og det spredte lys opsamles af OTDR-enheden.
En laser kan ligne en almindelig lyskilde, men det er langt fra det. Laserlys er kollimeret, kohærent og polariseret - tre egenskaber, der gør fase-OTDR og FOTAS mulige.
Kollimeret lys
Alle laserstråler er parallelle og ensrettede. De bevæger sig i samme retning uden at krydse hinanden, så næsten ingen strøm går tabt på vej til målstedet.
Divergens eksisterer stadig, men den er minimal sammenlignet med en pære eller LED - hvilket er præcis det, der gør lange føleafstande mulige.
Kohærens og fase
Fotoner i en laser deler samme fase, retning og polarisering. "Fase" kommer fra det græske ord for udseende, så en faseforskel betyder, at en bølge løber foran eller bag en anden.
Lige fase koncentrerer energi - som at kombinere mange svage hammerslag til et enkelt effektivt. Faselighed er det, der gør det muligt for fase-OTDR og FOTAS at fungere.
Polarisering
Polarisering betyder, at en bølges svingninger har en bestemt retning i forhold til dens udbredelse. Elektromagnetiske bølger er tværgående bølger, hvis elektriske og magnetiske felter svinger vinkelret på bevægelsesretningen.
Polariseringsretningen er defineret som parallel med det elektriske felt. Et velkendt hverdagseksempel er 3D-briller, hvor rotation af hovedet ændrer den opfattede lysstyrke.
Sådan fungerer en laser
Lasere fungerer på basis af stimuleret emission. Atomer har kvantiserede energiniveauer for deres elektroner - niveauerne findes ved diskrete værdier. Elektroner har en tendens til at forblive på lavere niveauer, men når de absorberer energi, bevæger de sig til højere.
Fordi højere energiniveauer ikke er energimæssigt stabile, har elektroner en tendens til at udsende den ekstra energi og falde ned igen. For det meste sker dette spontant, hvilket kaldes spontan emission.
I en laser styres denne emission, så emissionerne i stedet stimuleres. Når en foton absorberes af en allerede exciteret elektron, udsender elektronen to identiske fotoner. Disse fotoner absorberes af andre elektroner, som udsender mange flere - det grundlæggende arbejdsprincip for laseren.
omdannelse af fiber til en sensor
Distribueret akustisk registrering
Distribueret akustisk registrering (DAS) er en teknologi, der registrerer akustiske signaler. Kraft, der bevæger sig gennem materialer, forårsager trykforskydninger i det medium, det passerer igennem - luft, jord, vand osv. Disse forskydningsfænomener kaldes akustiske bølger, og lydbølger er deres mest almindelige eksempel.
Enkeltpunktssensorer registrerer signaler kun ét sted, som spidsen af en nål. I distribuerede sensorer er registreringsstrukturen derimod kontinuerlig. FOTAS bruger fiberoptiske kabler til distribueret akustisk registrering: lysbølger, der udbreder sig i kablet, påvirkes af akustiske bølger, og det berørte lys detekteres af enheder som f.eks. optisk tidsdomænereflektometri (OTDR).
Distribueret akustisk registrering refererer til et system af optoelektroniske produkter, der udfører realtidskontrol og -måling via fiberoptiske kabler, der strækker sig over de målrettede grænser.
Den mest grundlæggende måde at forstå FOTAS-teknologi på er at forestille sig en person, der går på et løbebånd. Når de bevæger sig mod båndets retning, spredes lydbølger omkring dem. En person i en vis afstand kan forstå, at en person er på løbebåndet, gennem realtidsovervågning - selv uden at være i samme rum.
Gennem denne proces måles akustiske signaler på hvert punkt langs fiberkablet. I modsætning til sensorer, der måler på faste, bestemte punkter, bruger DAS-systemet selve kablet som sensor. Med andre ord omdanner en distribueret akustisk sensor fiberkablet til mikrofoner.
Enkeltpunktssensorer
Detektion sker kun, hvor en fysisk sensor er placeret.
- Et detektionspunkt pr. enhed
- Uovervågede mellemrum mellem sensorer
- Flere feltenheder og -forbindelser
- Begrænset synlighed langs lange ruter
FOTAS Distribueret Registrering
Registreringsstrukturen er kontinuerlig langs hele den installerede fiberrute.
- Måling på hvert punkt på kablet
- Selve kablet fungerer som sensor
- Overvågning i realtid på tværs af ruten
- Lokalisering af begivenheder langs fiberen
måling og karakterisering
Optisk tidsdomænereflektometri
Optisk tidsdomænereflektometri er en målemetode, der bruges til at karakterisere mange funktioner i fiberoptiske kabler. Den bruges mest til at vurdere kabeltilstanden og lokalisere problemer: Hvis der er transmissionsrelaterede problemer i fiberen, kan en OTDR finde det.
Den mest almindelige anvendelse er at lokalisere brud. Fiberoptiske kabler kan bære data i cirka hundrede kilometer før forstærkning, så det ville være praktisk talt umuligt at inspicere hvert punkt manuelt. Der skal være en enhed, der undersøger kablet på afstand - det er formålet med OTDR.
Hvad er en OTDR?
En OTDR sender lyspulser ind i fiberen og måler amplituden af det tilbagespredte lys. Ud fra tidsforskellen beregner den fiberlængden, og ud fra amplitudetabet bestemmer den generelle tab, brudpunkter og andre effekter langs kablet.
Amplituden af tilbagespredt lys falder altid langs ruten på grund af urenheder og lys-partikel-interaktion inde i fiberen. Fra dette fald udleder OTDR'en en tabskoefficient - svarende til elektrisk strøm, der møder modstand. Dette arbejdsprincip afslører, om fiberen er brudt eller udsat for andre tabsfremkaldende effekter.
Jo længere langs kablet målingen tages, desto svagere bliver den spredte amplitude. Enheden registrerer også tidsforskellen, så placeringen af et problem kan identificeres og diagnosticeres.
feltmålingsenhed
VIAVI MTS-2000 OTDR
To tilslutningsporte er placeret øverst på enheden: en til multi-mode fiberoptiske kabler og en til single-mode kabler. Kablet skal tilsluttes den korrekte port for gyldige målinger, da forskellige kabler kan bruge forskellige bølgelængder.
Når fiberen er tilsluttet, sender OTDR'en en laserpuls ind i kablet, pulsen bevæger sig og spredes baglæns, og enheden måler karakteristikaene for det tilbagespredte lys.
Hvad en OTDR kan detektere
fortsæt med at læse
Teknologiske ressourcer og løsninger
teknisk support
Diskuter dit fiberoptiske registreringsprojekt
Tal med FOTAS' ingeniørteam om registreringsafstand, kabelvalg, rutedesign, detektionskrav og integrationsarkitektur.