بخشی از مقاله
شبیه سازی حسگر توزیعی فیبر نوری مبتنی بر φ-OTDR برای تشخیص و مکان یابی متجاوز
خلاصه
در این مقاله به بررسی روشی نرم افزاری در حسگر توزیعی فیبر نوری به منظور رسیدن به یک سیستم پنهان و نیز یک سیستم تشخیص و مکان یابی متجاوز توسط فیبر نوری دفن شده در خاک برای محیط های طولانی می پردازیم.این شبیه سازی بر روی فیبر سیلیکونی به طول 15 کیلومتر انجام شده است. پاسخ دریافت شده از حسگر در زمانی که افراد و یا وسایل نقلیه بر روی حسگر و یا در مجاورت آن در حال حرکت باشند، آشکار شده و مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد. این حسگر براساس φ-OTDR کار می کند که در آن پالس های نوری از لیزر CW ، با پهنای خط باریک و تغییر فرکانسی کم به یک سر فیبر تزریق می شوند و پس پراکندگی رایلی نور توسط آشکارساز نوری نظارت می شود. انتظار می رود که از این حسگر برای محیط های امنیتی و طولانی مانند: مرزهای ملی، پایگاه های نظامی، نیروگاه های هسته ای ، اماکن ذخیره سازی سوخت و مواد شیمیایی فرار، فرودگاه ها و... استفاده شود.
کلمات کلیدی: پس پراکندگی رایلی، حسگر توزیعی فیبر نوری، OTDR حساس به فاز.
1. مقدمه
در قرن 21 تکنولوژی های مبتنی بر نور نقش حیاتی را در زندگی روزمره ما ایفا می کنند بطوری که درپایان سال 2013 ، سازمان ملل متحد سال 2015 را به عنوان سال بین المللی نور و فن آوری های مبتنی بر آن اعلام کرد.
اثرات خطی و غیر خطی در فیبر های نوری می توانند باعث محدودیت ها ویا کاربردهای سودمندی شوند که بستگی به نوع استفاده از آنها دارد، بعنوان مثال: پراکندگی رایلی عامل اصلی تلفات فیبر نوری در ناحیه 1/55 میکرومتر است،پراکندگی بریلوین می تواند قدرت انتقال را محدود کند بخصوص برای سیگنال های نوری با پهنای باند باریک و نیز پراکندگی رامان می تواند باعث تولید و تقویت نویز در فرکانس های نزدیک به سیگنال اصلی شود. با این حال؛ استفاده از این اثرات مانند پراکندگی رایلی، بریلوین و رامان می توانند برای سنجش ویا حسگری مورد استفاده قرارگیرند.
2. پراکندگی در فیبر نوری
به هنگام انتشار نور در یک محیط، نور می تواند از مسیر مستقیم خود با توجه به تعامل با اتم ها و مولکول های تشکیل دهنده ی محیط منحرف شود، این پدیده بعنوان پراکندگی شناخته می شود.
در فیبرهای نوری انواع مختلفی از پراکندگی رخ می دهد که می تواند بر اساس ماهیت تعامل آن، طبقه بندی شود. بسته به اینکه انرژی بین محیط و فوتون فرودی ردوبدل شود یا خیر ، پراکندگی می تواند غیر الاستیک و یا الاستیک باشد؛ در پراکندگی الاستیک، فوتون پراکنده شده همان انرژی (در نتیجه همان فرکانس) فوتون فرودی را خواهد داشت و هیچ تبادل انرژی با ماده یا محیط وجود ندارد، دراین نوع پراکندگی فوتون پراکنده
شده در یک مسیر متفاوت از فوتون فرودی منتشر می شود.پراکندگی رایلی از نوع پراکندگی الاستیک است که در فیبرهای نوری یکی از سازوکارهای اصلی تلفات بشمار می آید. در پراکندگی غیر الاستیک، فوتون پراکنده شده دارای انرژی مختلفی (در نتیجه فرکانس مختلفی) با فوتون فرودی را خواهد داشت. از آنجایی که انرژی کلی باید حفظ شود این تغییر انرژی می تواند توسط محیط، جذب یا منتشر شود. اگر انرژی فوتون فرودی بیشتر از انرژی فوتون پراکنده شده باشد این فرایند به نام پراکندگی استوکس شناخته می شود و اگر انرژی فوتون فرودی کمتر از انرژی فوتون پراکنده شده باشد، این فرایند را پراکندگی آنتی استوکس می نامند.در شکل1 می توانید تغییرات انرژی را برای پراکندگی های مختلف مشاهده کنید.
شکل -1 تغییرات انرژی برای انواع مختلف پراکندگی
2.1. پس پراکندگی ریلی
زمانی که یک موج نوری در فیبر منتشر می شود بخش کوچکی از نور پراکنده شده رایلی، در خلاف جهت موج اولیه منتشر می شود به این پدیده، پس پراکندگی رایلی گفته می شود؛ که یک موج مخالف جهت با همان فرکانس از موج اولیه ایجاد می شود، در شکل2 می توانید این مکانیسم را درون یک فیبر تک حالت مشاهده کنید.[1]
شکل -2 پس پراکندگی رایلی در فیبر تک حالت
3. اصول عملکرد سیستم φ-OTDR
حسگر مورد بحث در این مقاله، قادر به تشخیص و مکان یابی متجاوزانی است که از روی فیبر دفن شده و یا از مجاورت آن عبور می کنند.در واقع تغییر فاز در سیگنال ارسالی ناشی از وارد کردن فشار بر روی فیبر دفن شده توسط متجاوز، ایجاد می شود این تغییر فاز توسط سیستم φ-OTDR قابل تشخیص می باشد. در این سیستم؛ پالس های نوری از لیزر کاملا همدوس CW به یک سر فیبر تزریق می شوند و پس پراکندگی رایلی در فیبر توسط آشکارساز نوری نظارت می شود. زمانی که حسگر در معرض تداخل نباشد و منبع نور ثابت باشد آشکارساز یک الگوی خاص از پس پراکندگی رایلی نور ارائه می دهد که در واقع این الگو به عنوان سیگنال مرجع ما به حساب می آید و با ذخیره کردن این الگو، همه ی سیگنال های دریافتی دیگر با سگینال مرجع مقایسه می شوند، اگر نقطه خاصی از فیبر در معرض تداخل ناشی از حضور متجاوز قرار گیرد شکل موج سیگنال برگشتی در مقایسه با سیگنال مرجع در آن نقطه خاص دارای تغییر فاز می باشد. این تغییر فاز در شکل موج خروجی نشان دهنده حضور متجاوز می باشد که با استفاده از زمان بدست آمده از تغییر فاز شکل موج خروجی می توان محدوده ی مکان متجاوز را شناسایی کرد.[3,2] یک شمای کلی از این سیستم به همراه شکل موج های خروجی آشکارساز در شکل 3 نشان داده شده است.
شکل -3 شمای کلی سیستم حسگر توزیعی فیبر نوری φ-OTDR به همراه شکل موج خروجی آشکارساز، قبل و بعد از حضور متجاوز
سیستم φ-OTDR در مقایسه با سیستم OTDR معمولی دارای یک لیزر با حداقل تغییر فرکانس وهمچنین پهنای خط فوق العاده باریک می باشد. لیزر با تغییر فرکانسی بالا سبب ایجاد نویز و اثراتی در شکل موج خروجی آشکارساز شده، در نتیجه شناسایی متجاوز با استفاده از تشخیص فاز با مشکل روبرو می شود. پهنای خطی باریک لازم است، چرا که پهنای طیفی باریک سبب افزایش و دریافت بدون نویز پس پراکندگی رایلی شده و با به کارگیری صافی با پهنای طیفی کم سبب بالا بردن حساسیت و کم کردن نویز در آشکارساز می شود.[3]
4. شبیه سازی سیگنال پس پراکندگی رایلی در سیستم φ-OTDR با نرم افزار OptiSystem
در این شبیه سازی از فیبری به طول 15 کیلومتر استفاده شده است.در ابتدا به طراحی و شبیه سازی این سیستم با نرم افزار OptiSystem می پردازیم. هدف از شبیه سازی این سیستم، دریافت سیگنال پس پراکندگی رایلی از انتهای فیبر و نیز آشکارسازی این سیگنال و در نهایت مشاهده تغییر فاز ایجاد شده در سیگنال خروجی ناشی از اعمال اختلال در طول فیبر می باشد. در شکل4 طراحی این سیستم را با نرم افزار OptiSystem مشاهده می کنید.
شکل -4 طراحی و شبیه سازی سیستم φ-OTDR با نرم افزار OptiSystem
