بخشی از مقاله
چکیده – در این مقاله روشی جدید برای آشکارسازی متجاوزین در کاربرد مرزبانی با استفاده از حسگرهای توزیع شده فیبر براگ پیشنهاد شده است. اساس این روش بر مبنای برانگیختگی مدهای آکوستیکی فیبر براگ تحت تاثیر عبور متجاوزین در مرزها استوار است. تغییرات مولفه شعاعی بردار جابهجایی مدهای آکوستیکی باعث تغییر ضخامت لایههای غلاف میشود. در نتیجه شرط لایه ربع موج نقض میشود و افت نور در محل عبور متجاوز افزایش مییابد. با بررسی نمودار حاصل از روش بازتاب سنجی حوزه زمان در فیبر براگ میتوان مکان عبور متجاوز در مرز را تعیین کرد.
-1 مقدمه
در سالهای اخیر حسگرهای فیبر نوری به دلیل مزایا و قابلیتهای متعددشان در کاربردهای استراتژیک مختلفی از جمله پایش سلامت سازهها، خطوط انتقال نفت، گاز، آب و برق، مرزداری و آشکارسازی متجاوزین بکار گرفته میشوند. از قابلیتهای حسگرهای فیبر نوری به عنوان نمونه میتوان به حساسیت بالا، قابلیت پایش بلادرنگ و همهجا، حسگری چند پارامتری، برد دینامیکی گسترده، مصونیت در برابر تداخلهای الکترومغناطیسی، مقاومت در برابر خوردگی، قابلیت شبکه شدن و انتقال اطلاعات به فواصل دور اشاره کرد. بهطور کلی حسگرهای فیبر نوری را میتوان به دو دسته گسسته و توزیعشده تقسیمبندی کرد. در کاربرد مرزداری و آشکارسازی متجاوزین، حسگرهای توزیعشده فیبر نوری پیشنهاد میشوند.
هرچند فیبرهای نوری معمولی در حوزه ارتباطات عملکرد بسیار خوبی از خود نشان داده اند، ویژگیهای ذاتی سیلیکا محدودیتهایی را بر این ساختار تحمیل میکند. به همین دلیل در سالهای اخیر فیبرهای بلور فوتونی به شدت مورد توجه محققین حوزههای ارتباطات و حسگری فیبر نوری قرار گرفتهاند. بهطور کلی فیبرهای بلور فوتونی متشکل از یک هسته مرکزی و یک ساختار متناوب یک یا دو بعدی به عنوان غلاف میباشند.
بسته به اینکه ضریب شکست هسته بیشتر یا کمتر از ضریب شکست موثر غلاف باشد، ساز و کار انتشار نور در فیبرهای بلور فوتونی میتواند بر اساس بازتاب کلی یا اثر گاف فوتونی باشد. از مزایای فیبرهای گاف فوتونی نسبت به فیبرهای سیلیکایی معمولی میتوان به افت کمتر، اثرات غیرخطی کمتر و مشخصات پاشندگی ویژه آنها اشاره کرد. فیبرهای براگ نوع خاصی از فیبرهای گاف فوتونی میباشند. ساختار فیبر براگ از یک هسته محصور شده با لایههای دی-الکتریک هممرکز تشکیل شده است که ضریب شکستشان بهصورت تناوبی تغییر میکند. ویژگیهای نوری فیبرهای براگ توسط تعداد، ضخامت و ضریب شکست لایه ها تعیین میشود.
ساز و کار هدایت نور در این ساختارها بر اساس بازتاب فرنل از مرزها است. اگر تداخل نهایی پرتوهای بازتاب شده از مرزها سازنده باشد، تحدید نور در هسته بیشینه بوده و در نتیجه افت تابش به بیرون از غلاف، حداقل میشود. هرچند میدان نور در هر لایه توسط یک موج رونده توصیف میشود اما نمایه عرضی کلی شدت میدان در جهت شعاعی به طرف خارج به صورت نمایی در حال افت است که نشان دهنده تحدید موج درون هسته فیبر براگ است. .[1]
از جمله مزایای فیبر براگ نسبت به سایر فیبرهای گاف فوتونی میتوان به طراحی و ساخت ساده آنها اشاره کرد. علاوه بر این، فیبر براگ میتواند به نحوی طراحی شود که وابستگی محوری تک مد هدایت شونده نداشته باشد. بر خلاف فیبرهای معمولی که در آنها مد اصلی همیشه تبهگنی دوگانه دارد، این نوع مدهای هدایت شونده در فیبر براگواقعاً تک مد هستند. در نتیجه، بسیاری از اثرات وابسته به قطبش میتواند در این ساختارها به طور کامل حذف شوند.[2]
حسگرهای فیبر براگ تا به حال برای کاربردهای متعددی از جمله حوزه زیستی به کار گرفته شدهاند. در این مقاله قابلیت فیبرهای براگ در کاربرد مرزداری برای آشکارسازی متجاوزین مورد بررسی قرار گیرد. در بخش دوم مقاله، اصول کار حسگر متجاوز فیبر براگ به تفصیل شرح داده شده است. در بخش سوم نتایج شبیهسازی و حل عددی مسئله آورده شده است و در انتها به تحلیل نتایج بدست آمده از شبیهسازی پرداخته شده است.
-2 اصول کار
بازتابسنجی حوزه زمان نوری - OTDR - ، یکی از سادهترین روشهای حسگری توزیعشده فیبر نوری است که بر اساس پراکندگی ریلی استوار است و روشی موثر برای تعیین تغییرات موضعی در طول فیبر از جمله توزیع افت، مکان شکستگیها و اتصالات محسوب میشود. روش کار OTDR بدین صورت است که یک پالس نوری کوتاه و پرتوان به درون فیبر فرستاده میشود و انرژی سیگنال ریلی پس پراکنده شده بر حسب زمان اندازهگیری میشود. ناهمگنیهای ضریب شکست در طول فیبر سبب میشود تا در هر نقطه از فیبر قسمتی از توان پالس ارسالی پسپراکنده شود. نمودار شدت نور پس پراکنده شده بر حسب زمان پیوسته است و هر نقطه از آن متناظر با فاصله مشخصی از طول فیبر است که نور از آن پراکنده شده است.
با استفاده از این نمودار میتوان اطلاعات حسگری مورد نیاز در هر نقطه از فیبر را استخراج کرد.[3] سیستمهای OTDR با فیبر معمولی که در کاربرد آشکارسازی متجاوزین بکار گرفته میشوند، بر مبنای اثر الاستواپتیک کار میکنند. در حسگر متجاوز فیبر براگ علاوه بر اینکه اثر الاستواپتیک باعث ایجاد تغییرات در نمودار OTDR میشود؛ برانگیختگی مدهای آکوستیکی فیبر براگ و تغییر ضخامت لایههای غلاف باعث افزایش افت و تغییرات بیشتر نمودار OTDR میشود. در نتیجه امکان آشکارسازی متجاوزین در حسگرهای فیبر براگ افزایش مییابد.
شکل:1 اصول کار حسگر متجاوز فیبر براگ
اصول کار حسگر متجاوز فیبر براگ در شکل1 نشان داده شده است. نحوهی آشکارسازی متجاوز بدین صورت است که حسگر فیبر براگ در فاصله معنی زیر سطح زمین دفن میشود. سپس پالس نوری با فرکانس و ثابت انتشار مشخصی که در رابطه پاشندگی فیبر براگ صدق میکند به ابتدای فیبر تزریق می-شود و شدت نور پس پراکنده شده به ابتدای فیبر بر حسب زمان اندازهگیری میشود. در غیاب متجاوز ضخامت لایههای غلاف فیبر در شرط لایه ربع موج صدق میکنند. در نتیجه بخش غالب توان نور در هسته فیبر براگ، تحدید و منتشر میشود. عبور متجاوزین بر روی سطح زمین باعث تولید و انتشار امواج آکوستیکی در خاک میشود که میتواند مد آکوستیکی فیبر براگ را برانگیخته کند.
بهطور کلی بردار جابهجایی مدهای آکوستیکی در سه جهت شعاعی، زاویهای و محوری - , , - مولفه دارند که مولفه شعاعی آن میتواند باعث تغییر ضخامت لایههای غلاف و نقض شرط لایه ربع موج شود. در نتیجه افت نور در ناحیه عبور متجاوز زیاد خواهد شد که به صورت کاهش در شدت نور پس پراکندهشده قابل آشکارسازی است. در حالت کلی دو نوع افت در ساختار فیبر براگ وجود دارد: یکی افت تابشی یا تحدید که مربوط به اختلاف ضریب شکست غلافها و ضخامت لایه هاست و دیگری افت مربوط به جذب مواد که در مقایسه با مورد اول بسیار ناچیز است .[4]
