DIE TECHNOLOGIE HINTER FOTAS

FOTAS ist ein verteiltes faseroptisches akustisches Sensorsystem. Um das System zu verstehen, müssen die zugrunde liegenden Technologien betrachtet werden.

FOTAS: Fortschrittliche Lösungen für Distributed Acoustic Sensing

Distributed Acoustic Sensing (DAS) nutzt Glasfaserkabel als Sensoren zur Erkennung akustischer Signale. FOTAS verbindet diese Technologie mit Lasertechnik, faseroptischem Engineering und künstlicher Intelligenz.

Künstliche Intelligenz unterstützt die Analyse und Interpretation der großen Datenmengen, die ein DAS-System erfasst. Dadurch eignet sich das System unter anderem für Sicherheits- und Infrastrukturüberwachung.

Die folgenden Abschnitte erläutern die Funktionsweise – von der Glasfaser über Laser und Distributed Acoustic Sensing bis zur optischen Zeitbereichsreflektometrie.

Technologische Grundlagen

FOTAS-Einheit für verteilte faseroptische Sensorik.

Faseroptik

Faseroptik ist ein Teilgebiet der Optik. Während sich die Optik allgemein mit Licht befasst, untersucht die Faseroptik optische Phänomene in Glasfasern. Der Begriff „Faser“ bezeichnet einen Faden; Faseroptik bezieht sich somit auf Glasfäden, durch die Licht übertragen wird.

Ein großer Teil der heutigen Telekommunikationsinfrastruktur basiert auf Glasfaserkabeln. Sie sind die Nachfolger elektrischer Kupferkabel. Warum aber werden Glasfasern eingesetzt, wenn bereits elektrische Kabel existierten?

Frühere Standard-Telekommunikationskabel bestanden aus Kupfer oder anderen leitfähigen Metallen. Sie transportieren Elektronen von einem Ende zum anderen; zusammen mit weiteren Geräten trägt dieser Strom Daten. Frühere Telefon- und später Internetleitungen wurden aus solchen Kabeln aufgebaut.

Mit steigenden Datenmengen stießen strombasierte Kabel an Grenzen. 1990 gab es ungefähr 2,6 Millionen Internetnutzer; bis 2016 war diese Zahl auf 3,406 Milliarden gestiegen. Herkömmliche elektrische Leitungen konnten diesen Bedarf nicht ausreichend bewältigen, sodass Glasfasertechnik zunehmend an ihre Stelle trat.

Glasfaserkabel im Vergleich zu Kupferkabeln

Glasfaserkabel können deutlich mehr Daten als Kupferkabel übertragen – der Unterschied liegt ungefähr in einer Größenordnung vom 10- bis 1000-Fachen. Die Kapazität ist ein wesentlicher Vorteil, aber nicht der einzige.

Übertragungskapazität

Ein Glasfaserkabel überträgt wesentlich mehr Daten als ein Kupferleiter vergleichbarer Größe.

Signalverlust

Optische Übertragung bewahrt die Signalqualität über deutlich größere Entfernungen, bevor eine Verstärkung erforderlich wird.

Übertragungsgeschwindigkeit

Die Daten werden durch Photonen im Glaskern übertragen, nicht durch Elektronen in einem metallischen Leiter.

Beständigkeit gegen elektromagnetische Störungen

Leichte und robuste Glasfaserkabel werden entlang von Außenstrecken nicht durch elektromagnetische Störungen beeinflusst.

Aufbau eines Glasfaserkabels: Kern, Mantel und schützende Beschichtung.

Der Hauptbestandteil eines Glasfaserkabels ist die optische Faser. Sie besteht aus Glas oder einem ähnlichen Material und transportiert Licht; das Material muss daher transparent sein. Das im Kabel übertragene Licht wird durch Laser erzeugt.

Neben Transparenz sind Haltbarkeit, Flexibilität, Kosten und Herstellbarkeit wichtig. Glas ist bei einem Durchmesser von etwa 9 Mikrometern überraschend flexibel. Bei der Herstellung wird Glas gezogen und bearbeitet, bis der Kern ungefähr diesen Durchmesser erreicht.

Ein Glasfaserkabel besteht nicht nur aus dem Glaskern. In einem ungeschützten Kern würde Licht in zufällige Richtungen streuen. Daher benötigt es einen Wellenleiter und Schutzschichten, um den Zielort mit möglichst geringen Verlusten zu erreichen.

Wie sich Photonen in der optischen Faser bewegen

Licht bewegt sich im Kern und wird an den Grenzflächen der Faser reflektiert. Glasfaserkabel sind so aufgebaut, dass sich die Lichtstrahlen nicht nach außen ausbreiten. Ein kleiner Anteil geht dennoch verloren; dieses Phänomen wird als optischer Verlust bezeichnet.

Das physikalische Gesetz, das die Reflexion und den Verbleib des Lichts im Kabel beschreibt, ist das Snelliussche Brechungsgesetz. Bleibt das Licht bei der Reflexion im Kabel, spricht man von Totalreflexion.

Laser

Das Wort Laser ist ein Akronym für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“. DAS-Systeme und zahlreiche weitere Anwendungen beruhen auf Lasertechnik. FOTAS sendet Laserlicht durch das Glasfaserkabel. Das Licht wird in der Faser gestreut; ein OTDR-basiertes Messsystem erfasst das zurückgestreute Signal.

Laserlicht unterscheidet sich grundlegend von gewöhnlichen Lichtquellen. Es ist kollimiert, kohärent und polarisiert – Eigenschaften, die Phase-OTDR und FOTAS ermöglichen.

Kollimiertes Licht

Die Laserstrahlen verlaufen weitgehend parallel und in eine Richtung. Dadurch wird auf dem Weg zum Ziel nur wenig Leistung durch Divergenz verloren.

Eine geringe Divergenz bleibt bestehen, ist aber im Vergleich zu einer Glühlampe oder LED sehr klein. Das unterstützt große Messentfernungen.

Kohärenz und Phase

Photonen eines Lasers besitzen eine definierte Phasenbeziehung, Ausbreitungsrichtung und Polarisation. Eine Phasendifferenz bedeutet, dass eine Welle einer anderen voraus- oder hinterherläuft.

Phasengleichheit konzentriert die Wirkung der Wellen. Diese Eigenschaft bildet eine Grundlage für Phase-OTDR und FOTAS.

Polarisation

Polarisation bedeutet, dass die Schwingungen einer Welle eine definierte Richtung relativ zur Ausbreitung besitzen. Elektromagnetische Wellen sind Transversalwellen; ihr elektrisches und magnetisches Feld schwingt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung.

Die Polarisationsrichtung wird parallel zum elektrischen Feld angegeben. Ein bekanntes Alltagsbeispiel sind 3D-Brillen, bei denen sich die wahrgenommene Helligkeit beim Drehen des Kopfes verändern kann.

Funktionsweise eines Lasers

Laser beruhen auf stimulierter Emission. Elektronen in Atomen besitzen quantisierte, also diskrete Energieniveaus. Sie halten sich bevorzugt auf niedrigeren Niveaus auf; durch Energieaufnahme können sie auf höhere Niveaus wechseln.

Höhere Energieniveaus sind nicht dauerhaft stabil. Elektronen geben zusätzliche Energie ab und fallen auf ein niedrigeres Niveau zurück. Erfolgt dies ohne äußeren Auslöser, spricht man von spontaner Emission.

Im Laser wird die Emission so gesteuert, dass stimulierte Emission entsteht. Trifft ein Photon auf ein bereits angeregtes Elektron, können zwei identische Photonen entstehen. Diese regen weitere Elektronen an; so wird Licht verstärkt.

Distributed Acoustic Sensing

Distributed Acoustic Sensing (DAS) erkennt akustische Signale. Kräfte, die sich durch Luft, Erde, Wasser oder andere Medien ausbreiten, verursachen Druckänderungen. Diese Erscheinungen werden als akustische Wellen bezeichnet; Schallwellen sind das bekannteste Beispiel.

Punktsensoren erfassen Signale nur an einem bestimmten Ort. Bei verteilten Sensoren ist die Sensorstruktur dagegen kontinuierlich. FOTAS nutzt Glasfaserkabel für Distributed Acoustic Sensing: Akustische Wellen beeinflussen das Licht in der Faser, und diese Veränderungen werden mit Verfahren wie Optical Time Domain Reflectometry erfasst.

Distributed Acoustic Sensing verwandelt die Glasfaserstrecke in eine kontinuierliche Linie von Messpunkten.

Distributed Acoustic Sensing bezeichnet ein optoelektronisches System zur Echtzeitüberwachung und Messung entlang einer Glasfaserstrecke im Zielgebiet.

Zur Veranschaulichung kann man sich eine Person auf einem Laufband vorstellen. Während sie sich gegen die Laufrichtung bewegt, breiten sich Schallwellen aus. Eine entfernte Person kann durch Echtzeitüberwachung erkennen, dass sich jemand auf dem Laufband befindet, ohne im selben Raum zu sein.

Akustische Signale werden entlang der Glasfaser erfasst. Anders als bei Sensoren an festen Messpunkten dient beim DAS-System das Kabel selbst als Sensor. Die Glasfaser wird damit zu einer verteilten Reihe akustischer Messpunkte.

Punktsensoren

• Detektion nur an der Position des jeweiligen Sensors
• Ein Detektionspunkt pro Gerät
• Nicht überwachte Zwischenräume
• Mehr Feldgeräte und Verbindungen
• Begrenzte Transparenz entlang langer Strecken

Verteilte FOTAS-Sensorik

• Kontinuierliche Sensorstruktur entlang der installierten Glasfaser
• Messung an vielen Positionen entlang des Kabels
• Das Kabel selbst dient als Sensor
• Echtzeitüberwachung über die Strecke
• Lokalisierung von Ereignissen entlang der Faser

Optical Time Domain Reflectometry

Optical Time Domain Reflectometry ist ein Messverfahren zur Charakterisierung von Glasfaserkabeln. Es wird häufig eingesetzt, um den Kabelzustand zu prüfen und Störungen zu lokalisieren. Bei einem Übertragungsproblem kann ein OTDR die betreffende Position bestimmen.

Ein typischer Anwendungsfall ist die Ortung von Faserbrüchen. Glasfaserkabel können Daten über große Entfernungen transportieren; eine manuelle Prüfung jedes Punktes wäre praktisch nicht möglich. Ein OTDR untersucht die Faser aus der Entfernung.

Was ist ein OTDR?

Ein OTDR sendet Lichtimpulse in die Faser und misst die Amplitude des zurückgestreuten Lichts. Aus der Laufzeit wird die Entfernung berechnet; aus Amplitudenänderungen lassen sich Verluste, Bruchstellen und weitere Einflüsse entlang des Kabels bestimmen.

Die Amplitude des zurückgestreuten Lichts nimmt entlang der Strecke durch Verunreinigungen und Licht-Materie-Wechselwirkungen ab. Aus diesem Verlauf leitet das OTDR einen Dämpfungskoeffizienten ab. So wird sichtbar, ob die Faser gebrochen ist oder ein anderer verlusterzeugender Effekt vorliegt.

Mit zunehmender Entfernung wird die gemessene Streuamplitude schwächer. Gleichzeitig erfasst das Gerät die Laufzeit, sodass sich die Position eines Problems bestimmen und diagnostizieren lässt.

VIAVI MTS-2000 OTDR

An der Oberseite des Geräts befinden sich zwei Anschlüsse: einer für Multimode- und einer für Singlemode-Glasfasern. Für gültige Messungen muss das Kabel mit dem richtigen Anschluss verbunden werden, da unterschiedliche Fasertypen verschiedene Wellenlängen verwenden können.

Nach dem Anschluss sendet das OTDR einen Laserimpuls in das Kabel. Der Impuls breitet sich aus und wird teilweise zurückgestreut; das Gerät misst die Eigenschaften dieses Signals.

Technologieressourcen und Lösungen

Weitere Informationen finden Sie im FOTAS-Technologieleitfaden sowie auf den Seiten zu FOTAS DAS, FOTAS APEX und FOTAS INTEGRITY.

Besprechen Sie Ihr faseroptisches Sensorprojekt

Sprechen Sie mit dem FOTAS-Engineering-Team über Messentfernung, Kabelauswahl, Streckendesign, Detektionsanforderungen und Integrationsarchitektur.

Gebze Organize Sanayi Bölgesi (GOSB) İhsandede Cd. 800. Sok No 802 Gebze, Kocaeli, Türkiye Tel. 1: +90 444 1 726 Tel. 2: +90 (262) 677 16 80 E-Mail: fotas@samm.com