Överföringskapacitet
Fiberoptisk kabel bär dramatiskt mer data än en kopparledare av jämförbar storlek.
TEKNIKEN BAKOM FOTAS
optik · elektronik · datavetenskapFOTAS är en fiberoptisk distribuerad akustisk sensor. Att förstå detta system är bara möjligt genom att förstå de bakomliggande teknikerna.
utforska teknikguiden
distribuerad akustisk sensorplattform
FOTAS: Avancerade lösningar inom distribuerad akustisk avkänning
distribuerad akustisk avkänning (das) teknik använder fiberoptiska kablar som sensorer för att detektera akustiska signaler. fotas kombinerar denna teknik med lasrar, fiberoptisk teknik och artificiell intelligens.
Artificiell intelligens hjälper till att analysera och tolka de stora mängder data som samlas in av DAS. Detta gör systemet effektivt inom områden som säkerhet och infrastrukturövervakning.
Avsnitten nedan förklarar hur tekniken fungerar, med början i själva den optiska fibern och vidare genom lasrar, distribuerad akustisk avkänning och optisk tidsdomänreflektometri.
sensormediet
Fiberoptik
Fiberoptik är ett underområde inom optik. Medan optik är ljusområdet i allmänhet, handlar fiberoptik endast om optiska fenomen inuti glasfibrer. "Fiber" betyder tråd, så fiberoptik hänvisar till de glastrådar som tillåter ljus att passera genom dem.
Mestadels av telekommunikationsinfrastrukturen idag är baserad på fiberoptiska kablar. De är ättlingar till kopparkablar – men om elkablar redan existerade, varför används fiberoptiska kablar istället?
Tidigare standardtelekommunikationskablar var gjorda av koppar eller andra ledande metaller. Dessa kablar transporterar elektroner från ena änden till den andra, och med hjälp av andra enheter transporterar denna ström värdefull data. Tidigare telefonlinjer, och sedan internetlinjer, byggdes av denna typ av kabel.
Allt eftersom överförda datavolymer ökade började strömbaserade kablar bli bristfälliga. År 1990 fanns det ungefär 2,6 miljoner internetanvändare; År 2016 hade den siffran nått 3,406 miljarder. Konventionella elkablar kunde inte hantera denna efterfrågan, och fiberoptik tog deras plats.
varför fiber ersatte koppar
Fiberoptisk kabel vs. kopparkabel
Fiberoptiska kablar kan överföra mycket mer data än kopparkablar – skillnaden är ungefär i storleksordningen 10 till 1000 gånger. Kapaciteten ger fiberoptiken fördelen, men fördelarna slutar inte där.
Dataförlust
Optisk överföring bevarar signalkvaliteten över mycket längre avstånd innan förstärkning krävs.
Överföringshastighet
Data transporteras av fotoner som färdas genom glaskärnan, inte av elektroner i en metallledare.
EMI-motstånd
Lätta och hållbara kablar påverkas inte av elektromagnetisk störning längs utomhusvägar.
Huvudkomponenten i en fiberoptisk kabel är själva den optiska fibern. Optiska fibrer är gjorda av glas eller liknande material, och deras syfte är att bära ljus – så materialet måste vara transparent. Ljuset som färdas i kabeln genereras av laseranordningar.
Utöver genomskinlighet bör materialet vara hållbart, flexibelt, billigt och enkelt att tillverka. Glas är förvånansvärt flexibelt med en diameter på 9 mikrometer, och mänskligheten har tusentals års industriell och hantverksmässig erfarenhet av det. En bit glas dras från höjden och bearbetas tills den blir tunnare och tunnare, tills kärnan når ungefär 9 mikrometer.
En fiberoptisk kabel består inte enbart av glaskärnan. Ljus som sprider sig genom en oskyddad kärna skulle spridas i slumpmässiga riktningar, så den behöver en vågledare och skyddande lager för att nå målplatsen med minimal förlust.
ljusutbredning
Hur fotoner färdas inuti den optiska fibern
Ljus färdas inuti kärnan och studsar mot fiberväggarna medan det rör sig. Fiberoptiska kablar är utformade så att ljusstrålar inte kan sprida sig utåt – ändå slipper vissa av dem undan. Detta fenomen kallas optisk förlust.
Den fysikaliska lagen som gör att ljus studsar och stannar kvar inuti kabeln är Snells lag. När ljus stannar kvar inuti kabeln utan förlust medan det studsar kallas fenomenet total intern reflektion.
Snells lag
reglerar brytningen vid gränsen mellan kärna och beklädnad, och omdirigerar ljuset tillbaka in i kärnan.
total intern reflektion
håller ljuset styrt längs fibern över långa avstånd med minimal förlust.
optisk förlust
den lilla del av ljuset som slipper ut eller absorberas när pulsen fortplantar sig.
ljuskällan
Laser
Ordet laser är en förkortning för Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Ljusförstärkning genom Stimulerad Emission av Strålning). DAS-system och många andra system förlitar sig på laserteknik. FOTAS-systemet använder laserljus för att erhålla intrångsdata: laserljus färdas över fiberoptikkabeln och sprids inuti den, och det spridda ljuset samlas in av OTDR-enheten.
En laser kan se ut som en vanlig ljuskälla, men det är långt ifrån det. Laserljus är kollimerat, koherent och polariserat – tre egenskaper som gör fas-OTDR och FOTAS möjliga.
Kollimerat ljus
Alla laserstrålar är parallella och enkelriktade. De färdas i samma riktning utan att korsa varandra, så nästan ingen effekt går förlorad på vägen till målplatsen.
Divergens finns fortfarande, men den är liten jämfört med en glödlampa eller LED – vilket är precis det som gör långa avkänningsavstånd möjliga.
Koherens och fas
Fotoner i en laser delar samma fas, riktning och polarisering. "Fas" kommer från det grekiska ordet för utseende, så en fasskillnad betyder att en våg löper före eller bakom en annan.
Lika fas koncentrerar energi – som att kombinera många svaga hammarslag till ett enda effektivt. Faslikhet är det som gör att Phase-OTDR och FOTAS kan fungera.
Polarisering
Polarisering betyder att en vågs svängningar har en bestämd riktning i förhållande till dess utbredning. Elektromagnetiska vågor är transversella vågor vars elektriska och magnetiska fält svänger vinkelrätt mot färdriktningen.
Polarisationsriktningen definieras som parallell med det elektriska fältet. Ett välkänt vardagligt exempel är 3D-glasögon, där rotation av huvudet förändrar den upplevda ljusstyrkan.
Hur en laser fungerar
Lasrar fungerar baserat på stimulerad emission. Atomer har kvantiserade energinivåer för sina elektroner – nivåerna finns vid diskreta värden. Elektroner tenderar att stanna kvar på lägre nivåer, men när de absorberar energi rör de sig till högre.
Eftersom högre energinivåer inte är energimässigt stabila tenderar elektroner att avge den extra energin och falla tillbaka ner. För det mesta sker detta spontant, vilket kallas spontan emission.
I en laser styrs denna emission så att emissionerna istället stimuleras. När en foton absorberas av en redan exciterad elektron, emitterar elektronen två identiska fotoner. Dessa fotoner absorberas av andra elektroner, som emitterar många fler – laserns grundläggande arbetsprincip.
omvandling av fiber till en sensor
Distribuerad akustisk avkänning
Distribuerad akustisk avkänning (DAS) är en teknik som detekterar akustiska signaler. Kraft som rör sig genom material orsakar tryckförskjutningar i mediet det passerar genom – luft, jord, vatten och så vidare. Dessa förskjutningsfenomen kallas akustiska vågor, och ljudvågor är deras vanligaste exempel.
Enpunktssensorer detekterar signaler på endast ett ställe, som spetsen på en nål. I distribuerade sensorer är däremot avkänningsstrukturen kontinuerlig. FOTAS använder fiberoptiska kablar för distribuerad akustisk avkänning: ljusvågor som fortplantar sig i kabeln påverkas av akustiska vågor, och det påverkade ljuset detekteras av enheter som Optical Time Domain Reflectometry (OTDR).
Distribuerad akustisk avkänning avser ett system av optoelektroniska produkter som utför realtidskontroll och mätning genom fiberoptiska kablar som sträcker sig över de målinriktade gränserna.
Det mest grundläggande sättet att förstå FOTAS-teknik är att föreställa sig någon som går på ett löpband. När de rör sig mot bandets riktning sprids ljudvågor runt dem. Någon på ett visst avstånd kan förstå att en person befinner sig på löpbandet genom realtidsövervakning – även utan att vara i samma rum.
Under hela denna process mäts akustiska signaler vid varje punkt längs fiberkabeln. Till skillnad från sensorer som mäter vid fasta bestämda punkter använder DAS-systemet själva kabeln som sensor. Med andra ord omvandlar en distribuerad akustisk sensor fiberkabeln till mikrofoner.
Enpunktssensorer
Detektering sker endast där en fysisk sensor har placerats.
- En detekteringspunkt per enhet
- Oövervakade utrymmen mellan sensorer
- Fler fältenheter och anslutningar
- Begränsad sikt längs långa rutter
FOTAS Distribuerad avkänning
Avkänningsstrukturen är kontinuerlig längs hela den installerade fibervägen.
- Mätning vid varje punkt på kabeln
- Själva kabeln fungerar som sensor
- Realtidsövervakning längs hela sträckan
- Händelselokalisering längs fibern
mätning och karakterisering
Optisk tidsdomänreflektometri
Optisk tidsdomänreflektometri är en mätmetod som används för att karakterisera många egenskaper hos fiberoptiska kablar. Den används främst för att bedöma kabelns skick och lokalisera problem: om det finns något transmissionsrelaterat problem i fibern kan en OTDR hitta det.
Den vanligaste användningen är att lokalisera brott. Fiberoptiska kablar kan bära data i ungefär hundra kilometer innan förstärkning, så att inspektera varje punkt för hand skulle vara praktiskt taget omöjligt. Det måste finnas en enhet som undersöker kabeln på avstånd – det är syftet med OTDR.
Vad är en OTDR?
En OTDR skickar ljuspulser in i fibern och mäter amplituden på det bakåtspridda ljuset. Från tidsskillnaden beräknar den fiberlängden, och från amplitudförlusten bestämmer den allmänna förluster, brottpunkter och andra effekter längs kabeln.
Amplituden för bakåtspritt ljus minskar alltid längs vägen på grund av föroreningar och ljus-partikel-interaktion inuti fibern. Från denna minskning härleder OTDR en förlustkoefficient – liknande elektrisk ström som möter motstånd. Denna arbetsprincip avslöjar om fibern är trasig eller utsatt för någon annan förlustframkallande effekt.
Ju längre längs kabeln mätningen görs, desto svagare blir den spridda amplituden. Enheten registrerar också tidsskillnaden, så att platsen för ett problem kan identifieras och diagnostiseras.
fältmätningsenhet
VIAVI MTS-2000 OTDR
Två anslutningsportar finns högst upp på enheten: en för multimodala fiberoptiska kablar och en för singlemodala kablar. Kabeln måste anslutas till rätt port för giltiga mätningar, eftersom olika kablar kan använda olika våglängder.
När fibern är ansluten skickar OTDR en laserpuls in i kabeln, pulsen färdas och sprids bakåt, och enheten mäter egenskaperna hos det bakåtspridda ljuset.
Vad en OTDR kan upptäcka
fortsätt läsa
Tekniska resurser och lösningar
teknisk support
Diskutera ditt fiberoptiska avkänningsprojekt
Prata med FOTAS teknikteam om avkänningsavstånd, kabelval, ruttdesign, detekteringskrav och integrationsarkitektur.