FOTAS АРТЫНДАҒЫ ТЕХНОЛОГИЯ

DISTRIBUTED ACOUSTIC SENSING PLATFORM

FOTAS: Таратылған акустикалық сенсордағы озық шешімдер

Таратылған акустикалық сенсор (DAS) технологиясы акустикалық сигналдарды анықтау үшін талшықты-оптикалық кабельдерді сенсор ретінде пайдаланады. FOTAS бұл технологияны лазерлермен, талшықты-оптикалық инженериямен және жасанды интеллектпен біріктіреді.

Жасанды интеллект DAS жинаған үлкен көлемдегі деректерді талдауға және түсіндіруге көмектеседі. Бұл жүйені қауіпсіздік және инфрақұрылымды бақылау сияқты салаларда тиімді етеді.

Төмендегі бөлімдерде технологияның қалай жұмыс істейтіні түсіндіріледі, ол оптикалық талшықтың өзінен бастап лазерлер, таратылған акустикалық сенсорлар және оптикалық уақыт доменінің рефлектометриясы арқылы жалғасады.

FOTAS fiber optic distributed sensing unit.

THE SENSING MEDIUM

Талшықты оптика

Талшықты оптика оптиканың бір саласы болып табылады. Оптика жалпы жарық өрісі болса, талшықты оптика тек шыны талшықтардың ішіндегі оптикалық құбылыстармен айналысады. «Талшық» жіп дегенді білдіреді, сондықтан талшықты оптика жарықтың олар арқылы өтуіне мүмкіндік беретін шыны жіптерді білдіреді.

Бүгінгі таңда телекоммуникациялық инфрақұрылымның көпшілігі талшықты-оптикалық кабельдерге негізделген. Олар мыс электр кабельдерінің ұрпақтары - бірақ егер электр кабельдері бұрыннан бар болса, неге оның орнына талшықты-оптикалық кабельдер қолданылады?

Бұрын стандартты телекоммуникациялық кабельдер мыс немесе басқа өткізгіш металдардан жасалған. Бұл кабельдер электрондарды бір ұшынан екінші ұшына тасымалдайды, ал басқа құрылғылардың көмегімен бұл ток құнды деректерді тасымалдайды. Бұрынғы телефон желілері, содан кейін интернет желілері осы кабель түрінен салынған.

Берілген деректер көлемі өскен сайын, токқа негізделген кабельдер жетіспей бастады. 1990 жылы шамамен 2,6 миллион интернет пайдаланушысы болды; 2016 жылға қарай бұл сан 3,406 миллиардқа жетті. Дәстүрлі электр кабельдері бұл сұранысты қанағаттандыра алмады, ал талшықты-оптикалық кабель олардың орнын басты.

WHY FIBER REPLACED COPPER

Талшықты-оптикалық кабель және мыс кабель

Талшықты-оптикалық кабельдер мыс кабельдерге қарағанда әлдеқайда көп деректерді жібере алады — айырмашылық шамамен 10-нан 1000 есеге дейін. Сыйымдылығы талшықты-оптикалық кабельді алға жылжытады, бірақ артықшылықтары мұнымен бітпейді.

10–1000×

Тарату сыйымдылығы

Талшықты-оптикалық кабель ұқсас өлшемдегі мыс өткізгішке қарағанда айтарлықтай көп деректерді тасымалдайды.

Minimal

Деректердің жоғалуы

Оптикалық беріліс күшейту қажет болғанға дейін сигнал сапасын әлдеқайда ұзақ қашықтықта сақтайды.

Light

Тарату жылдамдығы

Деректер металл өткізгіштегі электрондармен емес, шыны өзек арқылы өтетін фотондармен тасымалданады.

Immune

Электромагниттік кедергі

Жеңіл және берік кабельдерге сыртқы бағыттар бойынша электромагниттік кедергілер әсер етпейді.

Fiber optic cable construction: core, cladding and coating layers — Construction of a fiber optic cable: core, cladding and protective coating layers.

Талшықты-оптикалық кабельдің негізгі компоненті - оптикалық талшықтың өзі. Оптикалық талшықтар шыныдан немесе осыған ұқсас материалдардан жасалған және олардың мақсаты жарықты тасымалдау болып табылады, сондықтан материал мөлдір болуы керек. Кабельде өтетін жарық лазерлік құрылғылар арқылы жасалады.

Мөлдірліктен басқа, материал берік, икемді, арзан және өндіруге оңай болуы керек. Шыны диаметрі 9 микрометр болғандықтан таңқаларлықтай икемді, және адамзат онымен мыңдаған жылдар бойы өнеркәсіптік және қолөнер тәжірибесіне ие. Шыны кесегі биіктіктен алынып, өзегі шамамен 9 микрометрге жеткенше жұқарғанша өңделеді.

Оптикалық талшықты кабель тек шыны өзегінен тұрмайды. Қорғалмаған өзек арқылы таралатын жарық кездейсоқ бағытта шашырайды, сондықтан мақсатты орынға минималды шығынмен жету үшін толқын бағыттаушысы және қорғаныс қабаттары қажет.

Core The transparent glass centre, approximately 9 micrometers in diameter, through which the photons actually travel.

Cladding A coating with a lower refractive index than the core, forming the wave-guide that keeps light propagating inside the core.

Coating Protective layers applied over the cladding. For special uses these include UV and radiation protection, enabling deployment anywhere — including transatlantic routes.

LIGHT PROPAGATION

Фотондар оптикалық талшықтың ішінде қалай таралады

Жарық өзектің ішінде таралады және талшық қабырғаларынан секіреді. Талшықты-оптикалық кабельдер жарық сәулелері сыртқа таралмайтындай етіп жасалған - дегенмен, олардың кейбіреулері қашып кетеді. Бұл құбылыс оптикалық жоғалту деп аталады.

Жарықтың секіріп, кабельдің ішінде қалуын қамтамасыз ететін физикалық заң - Снелл заңы. Жарық кабельдің ішінде секірген кезде жоғалмай қалғанда, бұл құбылыс «Толық ішкі шағылысу» деп аталады.

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.

How photons travel inside the optical fiber through total internal reflection

THE LIGHT SOURCE

Лазер

«Лазер» сөзі - «Стимулданған сәулелену арқылы жарықты күшейту» дегеннің аббревиатурасы. DAS жүйелері және басқа да көптеген жүйелер лазерлік технологияға сүйенеді. FOTAS жүйесі интрузия деректерін алу үшін лазерлік жарықты пайдаланады: лазерлік жарық талшықты-оптикалық кабель арқылы өтіп, оның ішіне шашырайды, ал шашыраған жарық OTDR блогымен жиналады.

Лазер кәдімгі жарық көзіне ұқсауы мүмкін, бірақ ол одан алыс. Лазерлік жарық коллимацияланған, когерентті және поляризацияланған - фазалық-OTDR және FOTAS мүмкін ететін үш қасиет.

Coherent laser light compared with ordinary light

Коллимацияланған жарық

Барлық лазерлік сәулелер параллель және бір бағытты. Олар қиылыспай бір бағытта қозғалады, сондықтан нысанаға барар жолда ешқандай қуат жоғалмайды.

Дивергенция әлі де бар, бірақ ол шаммен немесе жарықдиодпен салыстырғанда өте аз - бұл ұзақ сенсорлық қашықтықтарды мүмкін ететін дәл осы.

Когеренттілік және фаза

Лазердегі фотондар бірдей фазаға, бағытқа және поляризацияға ие. «Фаза» грек сөзінен шыққан, яғни пайда болу дегенді білдіреді, сондықтан фаза айырмашылығы бір толқын екінші толқынның алдында немесе артында жүреді дегенді білдіреді.

Тең фаза энергияны шоғырландырады - көптеген әлсіз балға соққыларын бір тиімді соққыға біріктіру сияқты. Фаза теңдігі - Phase-OTDR және FOTAS жұмыс істеуіне мүмкіндік береді.

Electromagnetic waves oscillating perpendicular to the direction of propagation

Поляризация

Поляризация толқынның тербелістерінің таралуына қатысты белгілі бір бағытқа ие екенін білдіреді. Электромагниттік толқындар - электр және магнит өрістері қозғалыс бағытына перпендикуляр тербелетін көлденең толқындар.

Поляризация бағыты электр өрісіне параллель ретінде анықталады. Күнделікті таныс мысал - 3D көзілдірік, мұнда басыңызды бұру қабылданған жарықтықты өзгертеді.

Лазер қалай жұмыс істейді

Лазерлер ынталандырылған сәулелену негізінде жұмыс істейді. Атомдарда электрондары үшін квантталған энергия деңгейлері бар - деңгейлер дискретті мәндерде болады. Электрондар төменгі деңгейлерде қалады, бірақ олар энергияны сіңіргенде жоғары деңгейлерге ауысады.

Жоғары энергия деңгейлері энергетикалық тұрғыдан тұрақты болмағандықтан, электрондар сол қосымша энергияны шығарып, төмен қарай құлайды. Көбінесе бұл өздігінен болады, бұл өздігінен шығарылатын сәулелену деп аталады.

Лазерде бұл сәулелену басқарылады, сондықтан сәулеленулер оның орнына ынталандырылады. Фотон қозған электронмен жұтылған кезде, электрон екі бірдей фотон шығарады. Бұл фотондарды басқа электрондар жұтады, олар одан да көп сәуле шығарады — лазердің негізгі жұмыс принципі.

TURNING FIBER INTO A SENSOR

Таратылған акустикалық сенсор

Таратылған акустикалық сенсор (DAS) — акустикалық сигналдарды анықтайтын технология. Материалдар арқылы өтетін күш ол өтетін ортада — ауада, жерде, суда және т.б. қысымның ығысуын тудырады. Бұл ығысу құбылыстары акустикалық толқындар деп аталады, ал дыбыс толқындары олардың ең көп таралған мысалы болып табылады.

Бір нүктелі сенсорлар сигналдарды тек бір жерде, мысалы, иненің ұшында анықтайды. Таратылған сенсорларда, керісінше, сенсорлық құрылым үздіксіз болады. FOTAS таратылған акустикалық сенсор үшін талшықты-оптикалық кабельдерді пайдаланады: кабельде таралатын жарық толқындарына акустикалық толқындар әсер етеді, ал әсер еткен жарық оптикалық уақыт доменінің рефлектометриясы (OTDR) сияқты құрылғылар арқылы анықталады.

Distributed acoustic sensing technology along a fiber optic route — Distributed acoustic sensing converts the fiber optic route into a continuous line of measuring points.

Таратылған акустикалық сенсор дегеніміз - мақсатты шекаралар арқылы созылатын талшықты-оптикалық кабельдер арқылы нақты уақыт режимінде бақылау мен өлшеуді жүзеге асыратын оптоэлектрондық өнімдер жүйесін білдіреді.

FOTAS технологиясын түсінудің ең негізгі жолы - біреудің жүгіру жолағында жүргенін елестету. Олар белдік бағытына қарсы қозғалған кезде дыбыс толқындары олардың айналасына таралады. Белгілі бір қашықтықтағы біреу нақты уақыт режимінде бақылау арқылы адамның жүгіру жолағында екенін түсіне алады - тіпті бір бөлмеде болмаса да.

Бұл процесс барысында акустикалық сигналдар талшықты кабель бойындағы әрбір нүктеде өлшенеді. Белгіленген нүктелерде өлшейтін сенсорлардан айырмашылығы, DAS жүйесі кабельдің өзін сенсор ретінде пайдаланады. Басқаша айтқанда, таратылған акустикалық сенсор талшықты кабельді микрофондарға айналдырады.

ISOLATED MEASUREMENTS

Бір нүктелі сенсорлар

Анықтау тек физикалық сенсор орналастырылған жерде ғана болады.

Әр құрылғыға бір анықтау нүктесі
Сенсорлар арасындағы бақыланбайтын кеңістіктер
Көбірек далалық құрылғылар мен қосылымдар
Ұзын бағыттар бойынша шектеулі көріну

CONTINUOUS SENSING

FOTAS таратылған сенсоры

Сенсорлық құрылым орнатылған талшықты маршрут бойымен үздіксіз.

Кабельдің әрбір нүктесінде өлшеу
Кабельдің өзі сенсор ретінде әрекет етеді
Маршрут бойынша нақты уақыт режимінде бақылау
Талшық бойымен оқиғаның локализациясы

MEASUREMENT AND CHARACTERIZATION

Оптикалық уақыт доменінің рефлектометриясы

Оптикалық уақыт доменінің рефлектометриясы - талшықты-оптикалық кабельдердің көптеген ерекшеліктерін сипаттау үшін қолданылатын өлшеу әдісі. Ол негізінен кабельдің жағдайын бағалау және мәселелерді анықтау үшін қолданылады: егер талшықта кез келген беріліске байланысты мәселе болса, OTDR оны таба алады.

Ең көп таралған қолданылуы - үзілістерді анықтау. Талшықты-оптикалық кабельдер күшейтуден бұрын деректерді шамамен жүз шақырымға тасымалдай алады, сондықтан әрбір нүктені қолмен тексеру іс жүзінде мүмкін емес. Кабельді алыстан тексеретін құрылғы болуы керек - бұл OTDR мақсаты.

OTDR дегеніміз не?

OTDR талшыққа жарық импульстарын жібереді және кері шашыраған жарықтың амплитудасын өлшейді. Уақыт айырмашылығынан ол талшықтың ұзындығын есептейді, ал амплитуданың жоғалуынан кабель бойымен жалпы шығындарды, үзілу нүктелерін және басқа да әсерлерді анықтайды.

Кері шашыраған жарықтың амплитудасы талшық ішіндегі қоспалар мен жарық-бөлшек өзара әрекеттесуіне байланысты әрқашан жол бойында төмендейді. Осы төмендеуден OTDR электр тогының кедергісіне ұқсас шығын коэффициентін шығарады. Бұл жұмыс принципі талшықтың үзілгенін немесе басқа шығын тудыратын әсерге ұшырағанын анықтайды.

Кабель бойымен өлшеу неғұрлым алыс болса, шашыраңқы амплитуда соғұрлым әлсіз болады. Құрылғы сонымен қатар уақыт айырмашылығын жазады, сондықтан мәселенің орнын анықтауға және диагностикалауға болады.

OTDR trace analysis showing backscattered light amplitude along the fiber

FIELD MEASUREMENT DEVICE

VIAVI MTS-2000 OTDR

Құрылғының жоғарғы жағында екі қосылым порты орналасқан: біреуі көп режимді талшықты-оптикалық кабельдер үшін, ал екіншісі бір режимді кабельдер үшін. Жарамды өлшеулер үшін кабель дұрыс портқа қосылуы керек, себебі әртүрлі кабельдер әртүрлі толқын ұзындықтарын пайдалануы мүмкін.

Талшық қосылғаннан кейін, OTDR кабельге лазерлік импульс жібереді, импульс кері қарай таралады, ал құрылғы сол кері шашыраған жарықтың сипаттамаларын өлшейді.

OTDR нені анықтай алады

Fiber Break

Fiber Bending

Splice Loss

Connector Loss

Patch Panel Locations

Reflectance

Технологиялық ресурстар мен шешімдер

TECHNOLOGY GUIDE How DTS and DAS Work

PRODUCT FOTAS DAS

PRODUCT FOTAS INTEGRITY

DOWNLOADS Datasheets and Brochures