Зондирование (измерение) в волоконно-оптических линиях связи

Волоконно-оптический тензодатчик, называемый также оптическим тензодатчиком, представляет собой оптическое волокно, используемое для обнаружения или измерения деформации посредством процесса, известного как распределенное измерение деформации, с использованием специализированного оптического рефлектометра (OTDR) (оптического рефлектометра во временной области). Эти датчики используются для измерения изменений освещенности в датчике для обнаружения деформации волокна, поскольку участки вдоль стекловолокна растягиваются, вызывая изменения в стекле до тех пор, пока оно не сломается под чрезмерным действием напряжения. В отличие от традиционных электрических тензодатчиков, пассивный оптоволоконный тензометрический датчик не требует постоянной подачи электропитания и невосприимчив к электромагнитным помехам, которые воспринимаются как шум в системе электрических тензодатчиков. При таком шуме считывание результатов измерения может оказаться невозможным.

Благодаря этому преимуществу они дешевле в эксплуатации и могут использоваться во многих жестких физических средах как надежные измерительные устройства с исключительной чувствительностью к изменению деформации. Они обнаруживают деформацию путем передачи светового импульса вниз по волокну для измерения напряжения на стекле. Эти типы измерений можно проводить периодически с помощью портативного оптического рефлектометра (OTDR) для распределенного измерения температуры и деформации (DTSS) во время полевых измерений или в автоматизированном режиме с помощью стационарного стоечного оптического рефлектометра DTSS OTDR. Оптическое волокно имеет небольшой вес, стоит недорого, а тщательное покрытие может быть достигнуто путем прикрепления волокна к тестируемому устройству в нескольких местах.

Волоконно-оптический датчик деформации можно использовать для зондового измерения деформации в различных местах, например, вдоль трубопровода, на телекоммуникационном кабеле, в земле, вдоль моста или большой ветряной мельницы для обеспечения безопасности инфраструктуры, жизни людей и предотвращения ущерба окружающей среде. Во всех эффективных процессах измерения устанавливается базовый уровень деформации при установке волоконно-оптического датчика деформации и измеряются изменения во времени, что позволяет автоматическому сигналу тревоги оповещать о риске при нарушении установленного порогового значения допуска.

Волоконно-оптический акустический датчик — это передовая технология волоконно-оптического зондового измерения. В отличие от традиционных датчиков, измеряющих в определенных точках, распределенное акустическое зондирование (DAS) непрерывно контролирует всю длину волоконно-оптического кабеля. Оптическое волокно само по себе становится распределенным чувствительным элементом, позволяющим обнаруживать и извлекать информацию о вибрационных возмущениях в зоне вокруг критически важных объектов инфраструктуры на больших расстояниях.

Использование портативной платформы, такой как платформа оптоволоконных измерений VIAVI OneAdvisor с возможностями DTS или DTSS позволит техническому специалисту проводить измерения характеристик оптоволокна на месте. Кроме того, использование системы мониторинга оптических сетей ONMSi и волоконно-оптической тестовой головки для измерений (FTH-FOS) в стоечном исполнении с возможностями DTS и DTSS позволяет дистанционно наблюдать за оптоволокном за счет его периодической контрольной трассировки и уведомлять об изменениях при наличии отклонений от эталонной трассы.

Используя монтируемое в стойку решение, такое как VIAVI Fiber Test Head – Fiber Optic Sensing (FTH-FOS), с возможностью акустического зондирования, владельцы/операторы трубопроводов, операторы систем передачи электроэнергии (TSO) и т. д. могут установить решение для мониторинга и сигнализации в режиме реального времени для обнаружения, идентификации, определения местоположения и оповещения о вибрационных помехах, которые могут представлять угрозу для активов.

Оптоволоконные датчики значительно дешевле, менее трудоемкие в монтаже и позволяют собирать больше данных. В распределенных датчиках используется тот же материал, что и в оптоволокне,  они недороги, имеют малый вес, и их просто прикрепить или встроить в тестируемый объект.

Оптоволоконные датчики очень надежны, не требуют постоянного электропитания для получения данных, и на них не влияют электромагнитная и радиочастотная интерференция. Ранее основными источниками получения данных о механических и температурных воздействиях были датчики, требовавшие питания, отдельного провода, и имевшие большой вес.

Электромеханические датчики могут отвалиться, нарушать работу оптоволокна, иметь высокую стоимость, и они требуют источника питания. В местах, где питание недоступно, и их работа затруднена вследствие коррозии, вибраций или электромеханических помех, их использование крайне проблематично. Электрические и радиопомехи искажают данные их измерений. Недорогой мониторинг безопасности с использованием оптоволокна может использоваться для мостов, в конструкцию которых оптоволокно можно встраивать или прокладывать уже после строительства. Это позволит выявить механическое воздействие и угрозу разрушения объекта еще до того, как она станет реальной. Если у оптоволокна нет чрезмерного изгиба, то его можно устанавливать синусоидально, чтобы иметь большее количество точек данных вдоль его поверхности. Оптический рефлектометр (OTDR) определяет микро- и макроизгибы и может использоваться для оптимизации механического воздействия на оптоволокно и его изгибы при монтаже датчика, если в конкретной сфере применения оптоволокно должно быть слегка напряженным.

Оптоволоконные датчики обеспечивают различные типы данных благодаря технологии оптической рефлектометрии во временной области (OTDR), включая данные об акустических параметрах, механическом воздействии, температуре и характеристиках передачи света, которые указывают на перемещение, изгибы и разломы кабеля. Эти данные могут поступать по всей длине оптоволокна, а не ограничены отдельными дискретными точками расположения датчиков. Например, использование OTDR для измерения указанных параметров позволит определить  градиент изменения температуры по всей длине оптоволокна. Можно также определить участок начала и окончания напряжения волокна на основании его удлинения. В телекоммуникациях следует избегать механических воздействий, следовательно, его замеры защищают сеть и позволяют заблаговременно устранять механические воздействия на кабель и проводить его ремонт. При наблюдении за мостом механическое воздействие на оптоволокно может указывать на перемещение моста, например, провисание, прогиб или напряжение, вызванное разделением пролетов моста.

Можно также измерять температуру по всему зданию, для которого требуется специфический температурный режим, например, ЦОД, атомная станция или  хранилище крови. Традиционные термостатические датчики с питанием размещаются в нескольких местах и периодически измеряют параметры дискретно. Они дороги и требуют постоянной подачи электроэнергии. Что произойдет в случае отсутствия датчика или его отказа из-за перебоя в питании, экстремальных температур или электромагнитной интерференции? Из-за неоптимального регулирования температуры появляются «холодные» или «горячие» области. Оптоволоконный датчик в виде одного или нескольких оптоволоконных кабелей может опутать все здание, получая информацию непрерывно на всем своем протяжении. Такая сеть обеспечит большее количество точек данных, а также позволит улучшить покрытие при более низкой стоимости и высокой надежности. Для опроса оптоволоконного датчика достаточно импульса света, испускаемого лазером оптического рефлектометра, а на случай перебоев в питании более, чем на день,  устройство может работать от батареи.

Кроме того, распределенное акустическое зондирование (DAS) предоставляет информацию о звуковых частотах и вибрациях вдоль чувствительного оптоволокна, предоставляя непрерывную и динамическую информацию в реальном времени о вибрационных возмущениях в окружающей среде вокруг ваших активов. Эта функция расширяет возможности обнаружения угроз, позволяя быстро обнаружить и локализовать конкретные внешние угрозы — от нарушения периметра безопасности до незапланированных строительных работ (например, ручного или механического копания) и экологических опасностей или событий. Она предоставляет важнейшую аналитическую информацию для выявления угроз, которая необходима для оперативного реагирования и защиты ваших активов.

По всему миру кабели связи размещаются в суровых условиях под землей, водой и в воздухе, где из-за льда, ветра, эрозии, волн, вандализма и человеческих ошибок на кабели оказывается физическое воздействие, и они обрываются, что приводит как к перебоям, так и к снижению качества обслуживания. Иногда после монтажа физическое воздействие на кабель сохраняется. При чрезмерном воздействии такого рода кабель может оборваться, а его срок службы снижается с 35–40 лет до  всего лишь нескольких месяцев.

Магистральные и подводные кабели жизненно важны, но их трудно обслуживать в неблагоприятных погодных условиях или труднодоступной, опасной местности. Распределенное выявление физических воздействий с помощью волоконно-оптического датчика позволит владельцу сетевого кабеля тестировать оптоволокно при монтаже, а затем проверять темное волокно на предмет чрезмерных физических воздействий и изменения уровня воздействий, чтобы избежать обрывов. Не так давно в Мавритании произошел обрыв подводного кабеля, из-за которого вся сеть страны оказалась отключенной от Интернета на два дня. Это произошло из-за того, что траулер зацепил кабель, шедший от берега Африки в Европу, вызвав его обрыв. Если бы за механическим воздействием на кабель велось наблюдение, то предупреждение было бы передано еще до обрыва. А при обрыве  классическая опторефлектометрия по методу Рэлеевского рассеяния позволила бы определить его место с точностью до одного метра , сократив время простоя. Магистральные и подводные кабели жизненно важны, но их трудно обслуживать в неблагоприятных погодных условиях или труднодоступной, опасной местности. Распределенное выявление физических воздействий с помощью оптоволоконного датчика позволит владельцу сетевого кабеля тестировать оптоволокно при монтаже, а затем проверять темное волокно на предмет чрезмерных физических воздействий и изменения уровня воздействий, чтобы избежать обрывов. Распределенное акустическое зондирование позволит осуществлять мониторинг для обнаружения приближающихся угроз, таких как рыболовные сети или якоря судов. Не так давно в Мавритании произошел обрыв подводного кабеля, из-за которого вся сеть страны оказалась отключенной от Интернета на два дня. Это произошло из-за того, что траулер зацепил кабель, шедший от берега Африки в Европу, вызвав его обрыв. Если бы за механическим или акустическим воздействием на кабель велось наблюдение, то предупреждение было бы передано еще до обрыва при приближении к кабелю. А при обрыве классическая опторефлектометрия по методу Рэлеевского рассеяния позволила бы определить его место с точностью до одного метра, сократив время простоя.

Представьте себе, что на воздушный кабель намерзло большое количество льда. Оператор сети может наблюдать за кабелями и определять сегменты, где сотрудникам следует удалить лед во избежание чрезмерного физического воздействия. После такого события кабель можно проверить на предмет соответствия допускам МАТ и запланировать его замену. Оптические рефлектометры с технологией DTSS существуют как в портативной версии,  так и с установкой в стойку. 

Наиболее распространенный случай обрыва кабеля — в результате земляных работ при строительстве, когда кабель повреждается ковшом экскаватора.  Часто после выявления места обрыва ремонт производится за счет сращения или установки разъемов на местах разрыва. В то же время это решение проблемы может оказаться кратковременным поскольку когда экскаватор тянул кабель из-под земли, механическая нагрузка повлияла на многие метры кабеля на обеих сторонах разрыва.

Кабель может вновь порваться при повторном монтаже, или его характеристики ухудшатся настолько, что он не сможет нормально работать. Постоянные ремонты дорого обходятся и могут привести к повторным отказам. Распределенные измерения механического воздействия с использованием OTDR и оптоволоконных датчиков по обе стороны от места обрыва позволят техническому специалисту предоставить фактические данные о том, какие именно части кабеля подлежат замене. Эти доказательства могут использоваться для выставления счета стороне, ответственной за повреждение. Кроме того, можно избежать повторных ремонтов и перебоя в обслуживании для клиентов, а также ненужных работ на неповрежденных частях кабеля, которые не испытывали механического воздействия.

Локальный перегрев на линиях электропередач – это серьезнейшая угроза пожара  и повреждения инфраструктуры. Недавние лесные пожары в Калифорнии, США, были, вероятно, вызваны именно локальным перегревом или обрывом кабеля ЛЭП. Это привело к гибели людей и огромным убыткам, а энергетической компании предъявлены иски, которые могут привести к ее банкротству.

Единственным экономически оправданным средством выявления подобных проблем является удаленный мониторинг, включая распределенное измерение температуры (DTS) – что существенно дешевле убытков от катастрофических событий. Для удаленного мониторинга ЛЭП  вдоль нее прокладывается оптоволокно. При выявлении роста температуры, механических воздействий или изгиба, что может указывать на отказ на линии, система выдает предупреждающий сигнал. В сочетании с Рэлеевским OTDR-анализом возможно определить точное место возникновения проблемы на основании постепенного или внезапного изменения местоположения оптоволокна, сравнивая эталонную трассировку с периодически выполняемой. При получении предупреждающего сигнала возможно аварийное отключение линии питания и проведение расследования. А поскольку анализ оптоволокна с использованием оптоволоконного датчика не подвержен электромагнитным помехам, это идеальный источник данных в среде с высоким уровнем электромагнитных помех.