FOTAS ist ein faseroptischer verteilter akustischer Sensor. Das Verständnis dieses Systems ist nur möglich, wenn man die ihm zugrunde liegenden Technologien versteht. Optik, Elektronik und Informatik sind die Grundpfeiler von FOTAS. Alle in diesen Bereichen enthaltenen Techniken werden in den folgenden Technologieabschnitten erläutert.
Faseroptik ist ein Teilgebiet der Optik. Während es sich bei der Optik um den Bereich des Lichts handelt, befasst sich die Faseroptik ausschließlich mit dem optischen Phänomen in Glasfasern. Faser bedeutet Fäden und wenn wir Faseroptik nennen, beziehen wir uns auf die Glasfäden, die den Durchgang des Lichts ermöglichen. Alle physikalischen Phänomene der Telekommunikation umfassen Glasfaser. Heutzutage basiert der größte Teil des Internets auf Glasfaserkabeln. Sie sind die Nachkommen der Kupfer-Elektrokabel, aber wenn es bereits Elektrokabel gibt, warum verwenden wir dann stattdessen Glasfaserkabel?
Bisherige Standard-Telekommunikationskabel bestehen aus Kupfer oder anderen Leitermetallen. Diese Kabel transportieren Elektronen von einem Ende zum anderen Ende. Mit Hilfe anderer Geräte überträgt dieser Laufstrom wertvolle Daten. Frühere Telefonleitungen und dann Internetleitungen wurden aus solchen Kabeln hergestellt.
Dann traten neue Technologien an die Stelle dieser alten Kabel. An diesem Punkt kommt die Glasfasertechnologie ins Spiel. Während die übertragenen Daten immer größer werden, versagen Stromkabel. Im Jahr 1990 betrug die Gesamtzahl der Internetnutzer 2,6 Millionen Menschen, während sich diese Zahl im Jahr 2016 mit 1310 vervielfachte und 3,406 Milliarden Menschen erreichte. Bisher haben Sie festgestellt, dass die herkömmlichen Elektrokabel die Daten nicht verarbeiten können und durch die neue Technologie Glasfaser ersetzt werden.
Glasfaserkabel können mehr Daten übertragen als Kupferkabel. Tatsächlich liegt dieser Geschwindigkeitsunterschied etwa in der Größenordnung von 10- bis 1000-fach. Dieser Kapazitätsunterschied in der Geschwindigkeit bringt die Glasfaser voran, aber das ist noch nicht alles. Glasfaserkabel sind in vielerlei Hinsicht besser als Kupferkabel, z. B. minimaler Datenverlust, Datenübertragung mit Lichtgeschwindigkeit, sehr leichte, aber langlebige Kabel für die Übertragung im Freien, Immunität gegen elektromagnetische Störungen usw. Wenn wir eines davon hervorheben möchten, dann wäre es das Tragfähigkeiten. Das andere wären die Kosten. Um die Kosten zu verstehen, schauen wir uns Abb. 01 an, um zu sehen, woraus Glasfaserkabel bestehen
Der Hauptbestandteil von Glasfaserkabeln ist die Glasfaser. Optische Fasern bestehen aus Glas oder ähnlichen Materialien. Der Zweck dieser Faser besteht darin, das Licht (Photonen) zu transportieren. Daher sollte das Material transparent sein. Dieses im Glasfaserkabel übertragene Licht wird durch Lasergeräte erzeugt. Materialien sollten nicht nur transparent sein, sondern auch langlebig, flexibel, günstig und einfach herzustellen sein. Glas ist mit einem Durchmesser von 9 Mikrometern überraschend flexibel. Dann sollte es machbar sein. Optische Fasern sind günstig, weil der Mensch sowohl industriell als auch handwerklich über jahrtausendelange Erfahrung mit Glas verfügt. Durch diese Erfahrung entstehen Glasfasern. Ein Stück Glasmaterial, das an hohen Stellen aufgehängt wird und durch die Bearbeitung immer dünner wird. Der Kern davon wird durch diesen Prozess 9 Mikrometer groß. Glasfaserkabel bestehen nicht nur aus dem „Kern“, dem Glasteil. aber das Licht breitet sich ungeschützt durch den Kern aus. Außerdem streut Licht in zufällige Richtungen. Licht benötigt einen „Wellenleiter“ und geschützte Schichten, um den Zielort mit minimalem Datenverlust zu erreichen. Zur Herstellung eines Wellenleiters wird der Kern mit etwas Material beschichtet. Diese Beschichtung wird „Cladding“ genannt.
Der Brechungsindex dieses Mantels ist niedriger als der des Kerns. Es sorgt dafür, dass sich Licht im Kern ausbreitet. Anschließend wird auf die Verkleidungsschicht eine Schutzschicht aufgetragen, die als „Beschichtung“ bezeichnet wird. Für spezielle Anwendungen kann das Kabel mit vielen verschiedenen Materialien beschichtet werden, darunter auch Materialien für den UV-Schutz und Strahlenschutz. Mit diesen Schutzbeschichtungen können Glasfaserkabel überall eingesetzt werden, auch in der unterirdischen transatlantischen Telekommunikation.
Licht (Photonen) bewegt sich innerhalb des Kerns und prallt auf seinem Weg entlang der Faserwände ab. Das Design der Glasfaserkabel besteht darin, dass sich die Lichtstrahlen nicht nach außen ausbreiten können. Dennoch breiten sich einige von ihnen aus dem Kabel aus. Dieses Phänomen wird optischer Verlust genannt. Im Gegensatz dazu ist das physikalische Gesetz, das dafür sorgt, dass Licht reflektiert wird und im Kabel verbleibt, das Snelliussche Gesetz. Wenn Licht beim Reflektieren verlustfrei im Kabel bleibt, spricht man von einem Phänomen, das als Totalreflexion bezeichnet wird.
Das Wort Laser ist ein Akronym für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. DAS-Systeme und viele andere Systeme verwenden Lasertechnologien. Das FOTAS-System nutzt Laserlicht, um Einbruchsdaten zu erhalten. Wie im OTDR-Beitrag erwähnt, wandert Laserlicht über das Glasfaserkabel und wird im Kabel gestreut. Diese Streulichter werden von der OTDR-Einheit gesammelt.
Der Laser scheint eine Standardlichtquelle zu sein, aber die Realität ist weit davon entfernt. Laserlicht ist eine besondere Art von Licht. Warum? Zunächst wird das Laserlicht kollimiert. Das bedeutet, dass alle Laserlichter parallel zueinander und unidirektional sind. Sie gehen alle in die gleiche Richtung und kreuzen sich auf dem Weg nicht. Auf diese Weise verliert das Licht nichts von der Leistung, die es an den Zielort liefern möchte. Wenn Sie eine kleine Fläche oder einen kleinen Punkt beleuchten möchten, können Sie keine Glühbirne oder LED-Leuchte allein verwenden, da das von diesen Geräten ausgehende Licht über große Entfernungen divergiert. Das Gleiche passiert auch mit Laserlicht, aber sein Verhältnis im Laserlicht im Vergleich zu anderen Lichtquellen ist winzig. Diese Divergenzrate ist auch Grundlage für die Länge des Glasfaserkabels. Mit dieser winzigen Divergenzrate kann Energie über große Entfernungen ohne nennenswerte Verluste übertragen werden.
Die andere Spezialität ist eine Mehrzweckfunktion des Laserlichts, nämlich die Kohärenz. Laserlicht ist ein kohärentes Licht, was bedeutet, dass die Photonen des Lasers die gleiche Phase, Richtung und Polarisation haben. Diese Vorteile machen Laser sehr nützlich. Sie sorgen dafür, dass Laserdrucker oder CD-/DVD-Lese-/Brenner funktionieren. Außerdem sorgt die Gleichheit der Phasen dafür, dass Phasen-OTDRs und FOTAS ordnungsgemäß funktionieren.
Wir haben die Richtungsphänomene kurz erklärt. Lassen Sie uns nun erklären, was Phase und Phasenunterschiede bedeuten. Das Wort Phase bedeutet auf Griechisch „Erscheinung“. Daher bedeutet Phasenunterschied einen Unterschied im Aussehen. Wenn es einen Phasenunterschied zwischen Wellen gibt, erscheinen sie unterschiedlich, weil eine von ihnen voraus oder nachher läuft. Der nützliche Effekt der gleichen Phase ist wiederum die Energieabgabe. Man kann sich das so vorstellen, als würde man einen Nagel einschlagen, allerdings mit sehr geringer Kraft. Es wird nicht zielführend sein, aber wenn man die Schlagkräfte addiert und mit dieser vereinten Kraft trifft, wird es definitiv zielführend sein. Das gleiche Prinzip gilt für Laser. Es ist nicht möglich, Tätowierungen mit LED zu entfernen oder Stahl mit einer Standardglühbirne zu schneiden; aber alle diese Arbeiten können mit einem Laser durchgeführt werden.
Wir haben über die gleiche Richtung und Kraftentfaltung gesprochen; aber was ist mit der Polarisierung? Wenn wir von Polarisation sprechen, meinen wir, dass die Schwingungen einer Welle eine bestimmte Richtung relativ zur Ausbreitungsrichtung der Welle haben. EM-Wellen sind Transversalwellen, die aus variierenden elektrischen und magnetischen Feldern bestehen, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingen (siehe Abbildung 2). Für die Schwingungen der elektrischen und magnetischen Felder gibt es bestimmte Richtungen. Wellen mit einer solchen Richtung nennt man polarisiert. Für eine EM-Welle definieren wir die Polarisationsrichtung als die Richtung parallel zum elektrischen Feld. Daher können wir uns vorstellen, dass die Pfeile des elektrischen Felds die Richtung der Polarisation anzeigen, wie in Abbildung 2. Licht ist auch eine elektromagnetische Welle, was bedeutet, dass es elektrische und magnetische Felder trägt.
Es kann parallel oder senkrecht sein. Der tägliche Gebrauch der Polarisation ist 3D-Brillen. Wenn Sie beim Tragen einer 3D-Brille Ihren Kopf in Z-Rotation drehen, können Sie beim Ansehen eines Films den Unterschied erkennen. Es ist heller, wenn Ihr Kopf senkrecht zum Boden steht, und dunkler, wenn er parallel zum Boden steht.
Laser arbeiten auf der Grundlage der stimulierten Emission. Was ist stimulierte Emission? Die Antwort liegt im Atom. Atome haben unterschiedliche Energieniveaus für ihre Elektronen. Diese Pegel sind quantisiert, was bedeutet, dass die Pegel diskrete Werte haben. Die Elektronen sind in einigen Energieniveaus vorhanden und andere Niveaus sind leer. Die Elektronen neigen dazu, auf niedrigeren Energieniveaus zu bleiben, aber wenn sie Energie absorbieren, steigen sie auf höhere Niveaus. Dann neigen sie dazu, diese zusätzliche Energie abzugeben und sich auf die unteren Ebenen zu begeben; da die höheren Energieniveaus energetisch nicht stabil sind. Meistens geschieht dieser Prozess spontan. Man nennt es spontane Emission. Bei Lasern wird diese Emission durch einige Methoden kontrolliert und das Ziel besteht darin, alle Emissionen anzuregen. Wenn ein Photon von einem bereits angeregten Elektron absorbiert wird, emittiert das Elektron zwei identische Photonen. Dann werden diese Photonen von anderen Elektronen absorbiert und diese Elektronen emittieren viel mehr Photonen. Es geht um die Grundlagen der Funktionsweise des Lasers.
Distributed Acoustic Sensing (DAS) ist eine Technologie, die akustische Signale erkennen kann.
Die durch die Materialien wirkende Kraft verursacht einen Druckaustausch im Medium, das sie durchquert. d.h. Luft, Erde, Wasser usw. Wir nennen diese Ersatzphänomene akustische Wellen. Schallwellen sind das häufigste Beispiel für akustische Wellen.
Einzelpunktsensoren sind Erkennungsgeräte, die Signale nur an einer Stelle empfangen. Es gibt nur einen Erkennungspunkt, beispielsweise die Nadelspitze. Im Gegensatz dazu sind bei verteilten Sensoren diese Sensoren oder sensorähnlichen Strukturen kontinuierlich. FOTAS verwendet Glasfaserkabel für die verteilte akustische Erfassung. Meistens verwenden DAS-Systeme Glasfaserkabel. Lichtwellen, die sich im Glasfaserkabel ausbreiten, werden durch akustische Wellen beeinflusst. Diese betroffenen Lichter können von verschiedenen Geräten erkannt werden, beispielsweise der optischen Zeitbereichsreflektometrie (OTDR).
Distributed Acoustic Sensing (DAS) ist eine Technologie, die akustische Signale erkennen kann.
Die durch die Materialien wirkende Kraft verursacht einen Druckaustausch im Medium, das sie durchquert. d.h. Luft, Erde, Wasser usw. Wir nennen diese Ersatzphänomene akustische Wellen. Schallwellen sind das häufigste Beispiel für akustische Wellen.
Einzelpunktsensoren sind Erkennungsgeräte, die Signale nur an einer Stelle empfangen. Es gibt nur einen Erkennungspunkt, beispielsweise die Nadelspitze. Im Gegensatz dazu sind bei verteilten Sensoren diese Sensoren oder sensorähnlichen Strukturen kontinuierlich. FOTAS verwendet Glasfaserkabel für die verteilte akustische Erfassung. Meistens verwenden DAS-Systeme Glasfaserkabel. Lichtwellen, die sich im Glasfaserkabel ausbreiten, werden durch akustische Wellen beeinflusst. Diese betroffenen Lichter können von verschiedenen Geräten erkannt werden, beispielsweise der optischen Zeitbereichsreflektometrie (OTDR).
Verteilte akustische Sensortechnologie bezieht sich auf ein System, das optoelektronische Produkte umfasst, die über Glasfaserkabel, die sich über die Zielgrenzen erstrecken, Echtzeitsteuerung und -messung durchführen können. Der einfachste Weg, die FOTAS-Technologie zu verstehen, besteht darin, sich vorzustellen, dass man auf einem Laufband sitzt. Es wird davon ausgegangen, dass sich die Schallwellen ausbreiten, wenn Sie sich entgegen der Laufrichtung eines Laufbands bewegen. Wer sich in einer gewissen Entfernung von dort befindet, kann durch Echtzeitüberwachung erkennen, dass sich jemand auf dem Laufband befindet, auch wenn er sich nicht im selben Raum befindet.
Während des oben genannten Prozesses werden akustische Signale durch verteilte akustische Sensoren an jedem Punkt des Glasfaserkabels gemessen. Im Gegensatz zu Sensoren, die an bestimmten Festpunkten messen, werden im DAS-System Glasfaserkabel als Sensor verwendet. Mit anderen Worten: Ein verteiltes akustisches Sensorsystem verwandelt Glasfaserkabel in Mikrofone.
Die optische Zeitbereichsreflektometrie ist ein Gerät, das viele Merkmale in Glasfaserkabeln misst. Sie werden hauptsächlich zur Messung von Kabelzuständen und -problemen verwendet. Sollten Übertragungsprobleme in Glasfaserkabeln auftreten, kann OTDR diese finden. Die häufigste Verwendung von OTDR ist die Suche nach Bruchstellen in Glasfaserkabeln. Diese Kabel können Daten etwa hundert Kilometer weit übertragen, bevor sie verstärkt werden. Daher sollte derjenige, der das Kabel repariert, bei einem Bruch jede Stelle des Kabels über sehr große Entfernungen untersuchen. Eine manuelle Untersuchung des Kabels über hundert Kilometer ist nahezu unmöglich. Es muss ein Gerät vorhanden sein, das das Glasfaserkabel aus der Ferne untersucht, was der Zweck von OTDR ist.
OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) ist ein Gerät zur Charakterisierung von Glasfasern. OTDR misst Zeit und Ort, auch Domäne genannt. Es sendet Lichtimpulse und misst die Amplitude des rückgestreuten Lichts. Aus der Zeitdifferenz kann das OTDR die Faserlänge berechnen und aus dem Amplitudenverlust misst das OTDR allgemeine Verluste, Bruchstellen und andere Auswirkungen auf das Glasfaserkabel. Die Amplitude des rückgestreuten Lichts nimmt durch das Glasfaserkabel immer ab. Dies liegt an den Verunreinigungen und der Licht-Partikel-Wechselwirkung in der Faseroptik. Anhand dieser abnehmenden Amplitude kann das OTDR den Verlustkoeffizienten bestimmen. Es ist ähnlich, als würde elektrischer Strom auf Widerstand stoßen. Mithilfe dieses Funktionsprinzips können wir feststellen, ob die Faser gebrochen ist oder anderen verlustverursachenden Auswirkungen ausgesetzt ist.
In der Abbildung ist VIAVI MTS 2000 dargestellt. Oben am OTDR sind zwei Abdeckungen zu sehen. Das eine ist für Multimode-Glasfaserkabel und das andere für Singlemode-Glasfaserkabel. Für die richtigen Messungen sollte derjenige sein Kabel an den richtigen Anschluss anschließen. Verschiedene Kabel können unterschiedliche Wellenlängen verwenden.
Nach dem Anschließen des Glasfaserkabels sendet das OTDR einen Laserimpuls in das Kabel. Der Laserimpuls wandert durch das Kabel und streut ihn nach hinten. Das Gerät misst die Eigenschaften rückgestreuter Laserimpulse wie beispielsweise die Amplitude. Die Amplitude tendiert dazu, ständig abzunehmen. Je weiter man die Amplitude im Kabel misst, desto schwächer wird die Amplitude des Streulichts. Dies liegt daran, dass beim Durchgang von Licht durch das Glasfaserkabel ein Leistungsverlust auftritt. OTDR misst diesen Leistungsverlust anhand der Amplitudenwerte. Außerdem wird der Zeitunterschied gemessen und gespeichert, sodass wir den Standort ermitteln und das Problem diagnostizieren können. Einige der Dinge, mit denen OTDR erkannt wird, sind folgende:
