Uitleg over fibersensing

Met fibersensing kunnen bestaande glasvezelkabels voor telecommunicatie worden omgevormd tot een netwerk van sensoren, door middel van zogenaamde Distributed Fiber Optic Sensing (DFOS)-technologieën. Wanneer DFOS op deze kabels wordt toegepast, transporteren ze niet alleen informatie, maar dragen ze ook actief bij aan het genereren van nieuwe informatie.

Door gebruik te maken van bestaande glasvezelinfrastructuur is het niet nodig om meetapparatuur te installeren op moeilijk bereikbare plaatsen, zoals op de zeebodem. Door de inzet van een glasvezel-sensorapparaat dat trillingen in de kabel interpreteert, een zogenaamde ‘interrogator’, wordt de glasvezelkabel zelf het meetapparaat. Dit levert waardevolle inzichten op voor een breed scala aan onderzoeksgebieden, zoals aardwetenschappen, biologie en milieuwetenschappen.

Het verschil tussen fibersensing en conventionele sensoren

Fibersensing onderscheidt zich van conventionele puntsensoren doordat het in staat is om continue metingen te verrichten langs de gehele lengte van een optische vezel, in plaats van alleen op vooraf bepaalde sensorlocaties. Een enkele vezel kan fungeren als duizenden virtuele meetpunten, waardoor onderzoekers kunnen observeren hoe rek, temperatuur, trillingen of akoestische signalen over grote afstanden variëren met een hoge ruimtelijke resolutie. Dit maakt het mogelijk om gebeurtenissen overal langs de geïnstrumenteerde vezel te detecteren en te lokaliseren, wat een vollediger beeld van de gemonitorde omgeving oplevert dan doorgaans mogelijk is met een beperkt aantal afzonderlijke sensoren.

De voordelen van fibersensing

Op veel onderzoeksgebieden kan fibersensing een aanvulling vormen op of mogelijk zelfs conventionele sensoren vervangen, zoals geofoons, seismometers, rekstrookjes, thermokoppels, versnellingsmeters en geotechnische meetinstrumenten. Dit maakt fibersensing bijzonder waardevol voor toepassingen in de geofysica, structurele conditiebewaking, milieuwetenschap, ondergrondonderzoek en transportmonitoring, waar inzicht in hoe omstandigheden variëren over grote gebieden of structuren vaak net zo belangrijk is als het meten van omstandigheden op individuele punten.

De bekendste technologieën voor fibersensing

Fiber Optic Sensing (FOS) kan grofweg worden onderverdeeld in 2 categorieën: enkelpunts- en gedistribueerde systemen. Bij SURF richten we ons op gedistribueerde technologieën (DFOS), aangezien deze eenvoudig kan worden toegepast op bestaande telecommunicatie-glasvezelinfrastructuur zonder dat er specifieke reflectoren langs de kabel hoeven te worden geplaatst. DFOS-technologieën bieden bovendien ruime mogelijkheden voor onderzoek, kunnen worden ingezet op bestaande, ongewijzigde telecommunicatievezels en kunnen in principe zelfs naast actief telecommunicatieverkeer functioneren.

Distributed Fiber Optic Sensing (DFOS) kan verder worden onderverdeeld in 2 categorieën: sensortechnologieën op basis van verstrooiing en op basis van voorwaartse transmissie. De huidige proeven en projecten waarbij SURF betrokken is, zijn gericht op de implementatie van op verstrooiing gebaseerde DFOS-technologieën, zoals Distributed Acoustic Sensing (DAS), Distributed Temperature Sensing (DTS) en Distributed Temperature en Strain Sensing (DTSS).

Distributed Acoustic Sensing (DAS): een keten van duizenden microfoons

DAS verandert een glasvezelkabel in een keten van duizenden microfoons. Het werkt op basis van Rayleigh-terugverstrooiing: minuscule onvolkomenheden in het glas verstrooien een klein beetje licht terug naar de bron. Wanneer geluid of trillingen de vezel verstoren, verandert dit gereflecteerde licht enigszins, waardoor het systeem geluid, beweging of trillingen overal langs de kabel kan detecteren en lokaliseren.

Distributed Temperature Sensing (DTS): lange thermometer

DTS verandert een glasvezelkabel in een lange thermometer. Het maakt gebruik van Raman-terugverstrooiing, waarbij verstrooid licht afhankelijk van de temperatuur naar verschillende kleuren verschuift. Door deze kleurverschuivingen op elk punt langs de vezel te vergelijken, stelt DTS een volledige temperatuurkaart op over de gehele lengte van de kabel, wat nuttig is voor het nauwkeurig monitoren van de temperatuur over een lange afstand.

Distributed Temperature and Strain Sensing (DTSS): meet temperatuur en fysieke rek

DTSS meet tegelijkertijd zowel de temperatuur als de fysieke rek (uitrekking of buiging) langs een vezel. Het maakt gebruik van Brillouin-terugverstrooiing, waarbij licht in wisselwerking staat met geluidsgolven die zich op natuurlijke wijze door het glas voortbewegen, waardoor de frequentie verschuift op basis van zowel warmte als rek. Door deze verschuiving te analyseren, kan DTSS beide verschijnselen van elkaar onderscheiden, waardoor het ideaal is voor het monitoren van fysieke constructies zoals bruggen en dammen, zowel wat betreft temperatuurveranderingen als structurele spanning.

State of Polarization (SOP) en Optical Time Domain Reflectometry (SOP-OTDR)

SOP-detectie spoort storingen langs een glasvezelkabel op door veranderingen in de polarisatie van het licht dat erdoorheen reist te volgen. Omdat het een op voorwaartse transmissie gebaseerde techniek is, is deze niet afhankelijk van terugverstrooiing. Externe krachten zoals trillingen, bewegingen of druk op de kabel zorgen ervoor dat de polarisatie van het licht tijdens de voortplanting lichtjes verdraait of roteert. Door deze polarisatieverschuivingen aan de ontvangende kant continu te monitoren, kan SOP-detectie vaststellen wanneer een gebeurtenis de kabel verstoort, hoewel het over het algemeen niet precies kan aangeven waar langs de kabel de verstoring plaatsvond.

SOP-OTDR maakt puntgewijze metingen in onderzeese kabels mogelijk en is, net als de reguliere SOP, niet afhankelijk van terugverstrooiing. Bovendien zendt het periodiek toonsignalen door de kabel en maakt het gebruik van de High-Loss Loopbacks (HLLB’s) bij elke repeater om deze tonen terug te kaatsen. Afzonderlijke tonen worden geanalyseerd op polarisatieveranderingen, net als bij gewone SOP. Op deze manier stelt SOP-OTDR operators in staat om de toestand op meerdere punten langs de kabel te volgen. Het kan ook worden gebruikt op netwerken op het land.