Od kilkunastu lat jesteśmy w Polsce świadkami intensywnej rozbudowy sieci światłowodowej, która dokonuje się głównie za sprawą operatorów telekomunikacyjnych inwestujących w sieci FTTx, ale nie tylko. Swoją infrastrukturę światłowodową, głównie do celów monitoringu wizyjnego, automatyki i sterowania urządzeniami infrastruktury teletechnicznej, budują również jednostki samorządu terytorialnego, dostawcy energii elektrycznej, gazu itp. To wszystko powoduje, że światłowód stał się wszechobecny w otaczającej nas przestrzeni i jest go wystarczająco dużo, by mógł być wykorzystany do innych celów niż dostarczanie usług telekomunikacyjnych czy sterowanie automatyką przemysłową.

Szczególnie, gdy obecna sytuacja geopolityczna jest zmienna i powoduje, że kwestie ochrony kluczowych dla każdego państwa obiektów i instalacji stają się coraz bardziej istotne. Jest to więc potencjalna szansa na wykorzystanie wolnych zasobów sieci światłowodowej w zupełnie nowej roli, co może stać się też dodatkowym źródłem przychodu dla właścicieli takiej infrastruktury, w szczególności gdy przebiega ona w pobliżu lub wręcz bezpośrednio przez strefy czy budynki wymagające specjalnej ochrony.

Czujnikowe zastosowania światłowodów znane są równie długo, jak same światłowody. Mnogość dostępnych rozwiązań technicznych wynika z różnorodności mierzonych wielkości fizycznych, typu światłowodu, miejsca pomiaru, tego czy pomiar jest punktowy czy rozproszony na większym dystansie itp.

Przykładem prostego systemu pracującego w ten sposób może być tor światłowodowy podłączony do reflektometru OTDR (ang. Optical Time Domain Reflectometry). OTDR jest powszechnie stosowanym przyrządem do charakteryzowania parametrów toru światłowodowego (długość, tłumienie, lokalizacja i tłumienie zdarzeń itp.), ale łatwo można wyobrazić sobie nieco inne jego zastosowanie, gdzie światłowód jest świadomie wystawiony na bezpośrednie oddziaływanie mechaniczne otaczającego środowiska, a te generują w nim efekty makrozgięciowe, które ujawnią się w postaci punktowych lub rozproszonych zmian tłumienia w torze. OTDR pracujący w trybie ciągłym lub wykonując pomiary w krótkich odstępach czasowych jest w stanie zlokalizować te zmiany, podać ich dokładne położenie, a w korelacji z danymi map cyfrowych, ustalić dokładną lokalizację na monitorowanym terenie.

W niektórych przypadkach wzrost tłumienia można powiązać z wielkością oddziaływania zewnętrznego i w ten sposób dokonywać kategoryzacji naruszeń obiektów je powodujących. Metoda, choć tania w implementacji, charakteryzuje się mocno ograniczoną przydatnością ze względu na niską czułość i przede wszystkim punktowe wykrywanie oddziaływań zewnętrznych na światłowód.

Z perspektywy właściciela/operatora sieci światłowodowej najciekawszą grupą możliwych do wykorzystania rozwiązań jest rodzina systemów czujnikowych DOFs (ang. Distributed Optical Fiber Sensors), której cechą charakterystyczną jest to, że światłowód jest jednocześnie czujnikiem i medium przenoszącym optyczny sygnał pomiarowy.

Drugą ważną cechą tej rodziny jest ciągłość przestrzenna pracy światłowodu jako czujnika, co oznacza, że każdy, nawet najmniejszy jego odcinek ma swój wsad w modyfikowaniu parametrów przenoszonego sygnału optycznego. Wielkość tych zmian jest ściśle skorelowana z charakterem oddziaływania zewnętrznego na włókno.

W komercyjnie dostępnych na rynku rozwiązaniach dominują systemy czujnikowe DAS (ang. Distributed Acoustic Sensing), w których wybrane cechy sygnału pomiarowego powracającego ze światłowodu do układu nadawczo-odbiorczego zmieniają się pod wpływem zjawisk występujących we włóknach światłowodowych, np.: rozpraszania Ramana, rozpraszania Brillouina, rozpraszania Rayleigh’a itp. Zjawiska te, mniej lub bardziej, wpływają na transmitowany sygnał pomiarowy i wykazują silną korelację z rodzajem oddziaływania zewnętrznego: temperaturą, wibracjami, falą dźwiękową.

Sygnał, powracający ze światłowodu do urządzenia nadawczo-odbiorczego, jest poddawany analizie, której wynikiem jest użyteczna informacja na temat wystąpienia zdarzenia, jego siły i zmiany w czasie.

Dzięki odpowiednim algorytmom i konfiguracji systemu czujnikowego możliwa jest identyfikacja typu obiektu (np.: człowiek, samochód, pociąg, dron) i charakteru powodowanego naruszenia w monitorowanym obszarze (np. przejazd auta, kopanie w gruncie). Różne scenariusze wykorzystania systemów czujnikowych przedstawiono na rysunku obok.

Od zabezpieczania elementów infrastruktury telekomunikacyjnej w celu wykrywania nieautoryzowanego dostępu poprzez ochronę obiektów lub stref o szczególnym znaczeniu: lotnisk, urządzeń energetycznych, granic państwowych. Systemy czujnikowe DAS mogą nie tylko informować w czasie rzeczywistym o zbliżaniu się obiektu do chronionej strefy zanim jeszcze dojdzie do jej naruszenia, ale również identyfikować klasę obiektu, wielkość, śledzić tor jego przemieszczania.

Jak każdy system pomiarowy, a DAS takim jest, ma również swoje ograniczenia, a różnorodność scenariuszy wykorzystania tych systemów jest w zasadzie ograniczona dwoma głównymi czynnikami: możliwością wykorzystania zainstalowanych światłowodów jako czujników lub koniecznością wybudowania nowych oraz kosztami zakupu, instalacji i utrzymania systemu. Pierwsze ograniczenie można prosto pokonać korzystając z istniejących zasobów sieci światłowodowej lub angażując operatorów do budowy dedykowanej infrastruktury. A finanse? No cóż… w przypadku konieczności ochrony infrastruktury krytycznej też nie są barierą nie do pokonania.

Autorzy:
Sylwia Choma, Starszy Specjalista Rozwoju Sieci i Usług, Orange Polska
Andrzej Cąkała, Główny Architekt Sieci i Usług, Orange Polska

Zobacz także

• Raport o rynku operatorskim w Polsce 2025 – Nowe wymogi regulacyjne i ich wpływ na przedsiębiorstwa telekomunikacyjne z sektora MŚP