Światłowody służą nie tylko do przesyłania informacji, ale również do informowania, co się dzieje wokół nich, z możliwością identyfikacji obiektów, które hałasują, wykonują jakieś prace lub naruszają warunki standardowo panujące obok linii światłowodowych. Mogą więc być też wykorzystywane do prowadzenia rozpoznania.
Technika pomiarowa OTDR (ang. Optical Time Domain Reflectometry) pozwalająca na wykrywanie strat sygnałów w światłowodzie spowodowanych zgięciami i tłumieniem włókien, spawami, nieprawidłowymi złączami lub przerwami, jest powszechnie wykorzystywana w branży telekomunikacyjnej. Polega ona na wysyłaniu krótkich impulsów światła do testowanego światłowodu i badaniu sygnału powracającego (rozproszonego) w funkcji czasu, co pozwala na monitorowanie np. temperatury lub naprężenia.
Technika ta początkowo służyła przede wszystkim do poszukiwania większych usterek, natomiast mniejsze anomalie nie były wychwytywane. Sytuacja zmieniła się po wprowadzeniu detektorów wysokiej czułości i tzw. sztucznej inteligencji, które znacznie zwiększyły możliwości systemów pomiarowych, ich zasięg oraz zakres analizy.
Światłowody monitorujące
Pozwoliło to na wprowadzenie całej klasy systemów detekcji klasy FOSS (Fiber Optic Sensing Solutions) wykorzystujących światłowody monitorujące zasoby dla ochrony: nie samej linii światłowodowej, ale znajdującej się obok infrastruktury przed awariami i nieplanowanymi przestojami. I rzeczywiście linia światłowodowa położona wzdłuż np. rurociągu pozwala na wskazanie, że coś odbiega od normy z dokładnością lokalizacji miejsca awarii nawet do jednego metra. Może więc błyskawicznie zaalarmować, że w jakimś miejscu rozpoczął się wyciek ropy lub gazu i pozwolić na szybkie zareagowanie służbom ratowniczym. Podobny alarm jest w stanie wywołać np. wypaczenie rurociągu z powodu ruchów sejsmicznych lub jakiegoś aktu sabotażu.
Co ważne sensorem może być światłowód, który został specjalnie położony jako urządzenie alarmowe, lub światłowód doraźnie wykorzystywany do tego celu (w rzeczywistości wykonując zupełnie inne zadanie – np. jako łącze telekomunikacyjne). Źródłem informacji jest bowiem sygnał, który biegnąc w światłowodzie jest mierzony i interpretowany w celu wykrycia nieprawidłowości. Sygnał ten może się zmieniać, wraz z miejscowo zmieniającymi się warunkami zewnętrznymi (np. skokami temperatury lub ciśnienia). Wtedy efekt rozpraszania tego sygnału występuje nie tylko wzdłuż włókna, ale również wstecz. Aby to nastąpiło, stymulacja zewnętrzna, taka jak wahania temperatury i ciśnienia, muszą w mierzalny sposób wpływać na źródło światła w kablu, aby dostarczyć użytecznych danych.
Wtedy ze szczątkowego i mierzalnego sygnału odbitego można wydobyć informacje o parametrach zewnętrznych miejsca, z którego zostało wygenerowane. Proces ten często nazywa się rozproszonym wykrywaniem światłowodowym przy użyciu rozproszonego czujnika światłowodowego. Wiedząc o tym opracowano urządzenia (nazywane interrogatorami), które po podłączeniu do światłowodu leżącego na obszarze zainteresowania są w stanie monitorować zmiany temperatury, naprężenia i wibracje (wywołane również zewnętrznymi sygnałami akustycznymi) na odcinku nawet ponad 100 km wzdłuż światłowodu (używanego jako czujnik) z dokładnością do metra.
Takie urządzenie zostało opracowano m.in. przez francuską firmę FOSINA. Jest ono o tyle interesujące, że pozwala wykorzystywać standardowe linie światłowodowe o długości nawet 200 km położone w danym miejscu w zupełnie innym celu. Jest to rozwiązanie oparte na sztucznej inteligencji, które może być zastosowane do kompleksowego monitorowania i klasyfikowania różnego rodzaju zdarzeń w pobliżu położonego światłowodu.
Można więc wykryć fakt: tworzenia się osuwisk i wstrząsy sejsmiczne w odległości nawet 2,4 km od światłowodów, przejazd roweru lub pojazdu mechanicznego, przejście pieszego, kopanie kanałów wzdłuż chronionego mienia lub wspinanie się po ogrodzeniu wokół strategicznych obiektów.
Takie rozwiązanie może być przydatne również w komunikacji. Przykładowo wykorzystanie światłowodów położonych wzdłuż torów kolejowych daje możliwość monitorowania aktywności pociągów. Z kolei linie światłowodowe biegnące wzdłuż autostrad pozwalają na śledzenie ruchu samochodów, a nawet określanie położenia poszukiwanego pojazdu i jego stanu technicznego.
Jednym światłowodem zabezpieczono więc to, co wcześniej realizowano systemem zawierającym setki różnych czujników. Co więcej działanie tych „wirtualnych” sensorów (a więc światłowodu) nie wymaga zasilania i obsługi. Intruzom jest więc bardzo trudno stwierdzić, że dany obszar jest w ogóle permanentnie obserwowany.
Możliwości wykorzystania systemu FOSS jest tak dużo, że by je pokazać, firma FOSINA utworzyła we Francji własne centrum demonstracyjne. Pozwala ono ewentualnym klientom i partnerom kompleksowo monitorować i klasyfikować takie zdarzenia jak: spacery pieszych, jazda samochodem, czy wszelkie zjawiska występujące wzdłuż światłowodu położonego na odcinku 2,4 km. Został on również rozmieszczony wzdłuż torów kolejowych, dzięki czemu prezentowana jest możliwość monitorowania ruchu pociągów.
Kolejnym podmiotem oferującym tego rodzaju rozwiązanie jest francuska firma FEBUS Optics. Opracowała ona system DFOS (Distributed Fiber Optic Sensing) FEBUS A1 i FEBUS G1-R, który zgodnie z oficjalnymi informacjami pozwala na monitorowanie integralności infrastruktury, takiej jak: rurociągi, przewody, studnie, kable energetyczne, konstrukcje inżynierskie, kontrolowanie infrastruktury transportowej lub wykrywanie włamań na wskazanym obszarze.
Zastosowana w DFOS i opatentowana przez FEBUS Optics technologia wykorzystuje innowacyjną architekturę optoelektroniczną i algorytmy przetwarzania sygnału HPC (High Performance Computing) do: dokładnego pomiaru temperatury DTS (Distributed Temperature Sensing), naprężenia DSS (Distributed Strain Sensing) i wibracji DAS (Distributed Acoustic Sensing) na odcinkach światłowodów o długości dziesiątek kilometrów. Podobnie jak w rozwiązaniu firmy FOSINA, urządzenie to działa na zasadzie „podłącz i pracuj” (plug and play), jest więc łatwe w montażu i wykorzystaniu.
W przypadku rurociągów, dzięki pomiarom prowadzonym w jednym kablu światłowodowym, jednomodowym, położonym obok, istnieje możliwość stałego i jednoczesnego wykrywania w czasie rzeczywistym, na każdym metrze na kilkudziesięciu kilometrach, następujących zdarzeń:
- wycieku gazu i oleju;
- zagrożeń geologicznych, takie jak: osuwiska skale i błotne oraz trzęsienia ziemi;
- zakłóceń ze strony osób trzecich, takich jak: wykopy ręczne, gwintowanie na gorąco, ruch ciężkich maszyn, a także działalność rolnicza.
W przypadku kontrolowania rurociągów proponuje się kilka rozwiązań. Stałe polega na oddzielnym zamontowaniu światłowodu alarmowego. Półstałe zakłada mocowanie kabla światłowodowego do obudowy samej rury, natomiast czasowe jest związane z włożeniem światłowodu do wnętrze rurociągu.
Światłowód połączony z DFOS może pomóc w nadzorowaniu stanu stałej infrastruktury, takiej jak wielkie bloki elektrowni jądrowych, tunele, wiadukty, mosty i zapory. Okazuje się bowiem, że anomalie w przebiegu sygnału w światłowodzie są również przydatne w określaniu poziomu starzenia się wielkoskalowych konstrukcji.
Urządzenia DFOS są także przydatne w systemach ochrony perymetrycznej ważnych obiektów (jak np. składy paliwa, amunicji, instalacje wojskowe czy bariery budowane na granicach państwowych). Wystarczy wykorzystać tylko przewody światłowodowe zamontowane na murze, płocie lub zakopane w ziemi – np. w ramach istniejącej sieci telekomunikacyjnej.
Takie rozwiązanie pozwala m.in. na alarmowanie w czasie rzeczywistym o włamaniu (kopanie, wspinanie się na płot, cięcie płotu) na odcinku do 50 km z dokładnością lokalizacji do 1 m. Wszystko to można zintegrować z innymi sensorami – w tym ze zdalnie sterowanymi kamerami, które można nakierować na miejsce wskazane dzięki światłowodom i dzięki temu, optycznie zidentyfikować zagrożenie.
System PIDS (Perimeter Intrusion Detection System) oparty na kablu światłowodowym, działającym jako główny czujnik do wykrywania i wyświetlania włamań jest proponowany także przez indyjską firmę Fiber Optic Sensing Solutions. W tym przypadku oparto się jednak na wykrywaniu jedynie zmian sygnałów akustycznych DAS (Distributed Acoustic System.)
Ochrona czy inwigilacja?
Większość systemów alarmowania z wykorzystaniem linii światłowodowych opiera się na instalacjach specjalnie dedykowanych systemom ochrony. Jednak jak pokazuje rozwiązanie firmy FOSINA, w ten sposób mogą być wykorzystane również standardowe linie telekomunikacyjne. Oznacza to, że „obserwowanie” jakiegoś obszaru nie będzie musiało być związane z jakimikolwiek pracami montażowymi i inwestycjami, ale jedynie z podłączeniem odpowiedniego urządzenia do wybranego światłowodu. Powstanie więc system obserwacji, o którego istnieniu nikt z zewnątrz nie będzie wiedział.
Dodatkowo rozwiązania tego rodzaju są reklamowane jako systemy z zastosowanym algorytmem zespołowego uczenia się. Przy powtarzających się zjawiskach jest wiec możliwość autonomicznego klasyfikowania wykrywanych anomalii. I rzeczywiście, w przypadku sygnałów akustycznych osiągnięto już poziom klasyfikacji ze wskaźnikiem ufności przekraczającym 90%.
Oznacza to, że leżące w ziemi linie światłowodowe mogą, po czasie potrzebnym na „naukę”, bez problemu określać, kto znajduje się w ich pobliżu i co robi. Pojawia się więc sposób na pełną inwigilację określonego obszaru, która wcale nie musi być związana tylko z wyszukiwaniem anomalii. Z jednej strony będzie więc można rzeczywiście monitorować położenie jakiegoś pojazdu na autostradzie, ale z drugiej strony pojawi się możliwość wykrywania jego stanu technicznego (np. awarii osi) lub określania częstotliwości drgań własnych – a więc identyfikacji.
Wcześniej systemy rozpoznawcze z takimi możliwościami były stosowane przede wszystkim w systemach wojskowych. Rozpoznanie akustyczne jest np. wykorzystywane w kompleksach hydroakustycznych na okrętach podwodnych. Teraz podobny proces analizy będzie można wykorzystywać na lądzie – np. w odniesieniu do pojazdów lub ludzi. I to korzystając z tego, co zostało zbudowane do zupełnie innych celów.
