در جایی در کمربند زمین‌لرزه‌خیز پیرامون اقیانوس آرام، کف دریا دچار لرزش شدید ناشی از یک زمین‌لرزه قدرتمند می‌شود. این رخداد، موجی عظیم به راه می‌اندازد که با سرعت بالا به سوی جزایر پرجمعیت، شهرها و مناطق ساحلی حرکت می‌کند. اکنون تصور کنید که این لرزش‌ها در کسری از ثانیه تشخیص داده شوند و هشدار با سرعت نور به یک مرکز پایش ساحلی منتقل شود. آژیر خطر به صدا درمی‌آید و مسئولان بلافاصله وارد عمل می‌شوند تا مردم را از مناطق آسیب‌پذیر تخلیه کنند.
در چنین شرایطی، ممکن است سنسورهای لرزه‌نگاری کف اقیانوس (OBS) را به دلیل نجات جان افراد تحسین کنیم، اما اگر سیستم کاملاً متفاوتی مسئول این دستاورد باشد چه؟
با ورود جهان به عصر دیجیتال و همه‌گیر شدن اینترنت، یکی از محرک‌های اصلی این تحول بزرگ از دید ما پنهان مانده است. شبکه‌ای از کابل‌های فیبر نوری که در اعماق دریا، درون شکاف‌ها و کانال‌های شهری و در امتداد جاده‌ها و راه‌آهن‌ها قرار گرفته‌اند، به‌عنوان شاهراه‌های داده عمل می‌کنند و بیش از ۹۵ درصد ارتباطات جهانی را پردازش می‌کنند.
این شبکه که به عنوان «ستون فقرات» اینترنت شناخته می‌شود، شامل حدود ۴۸۶ کابل زیردریایی فعال یا در حال ساخت با بیش از ۱۳۰۰ نقطه اتصال در سراسر جهان است که مجموعاً بیش از یک میلیون کیلومتر امتداد دارند. نمونه‌های زمینی این کابل‌ها حتی مسافت بیشتری را پوشش می‌دهند.
سنسورهای فیبر نوری
بخش ارتباطات راه دور به سرعت سیم‌های مسی را کنار می‌گذارد و به جای آن از کابل‌های فیبر نوری استفاده می‌کند—رشته‌های بسیار نازک از جنس شیشه خالص که قطر هر یک به اندازه یک تار موی انسان است و امکان انتقال نور را در فواصل طولانی فراهم می‌کند. تقریباً تمام داده‌هایی که در رایانه ارسال و دریافت می‌شوند، و تقریباً هر تماس تلفنی ما، از طریق فیبر نوری منتقل می‌شود. حتی ارتباطات تلفن همراه نیز وابسته به این فناوری هستند و فقط آخرین کیلومترها از مسیر ارتباطی، از طریق امواج رادیویی در هوا انجام می‌شود.
استفاده از فیبر نوری به عنوان حسگر
مهندسان برای بیش از ۶۰ سال امکان استفاده از فیبر نوری به عنوان حسگر را بررسی کرده‌اند.
“مهندسان و دانشمندان از روزهای اولیه به فرصت خارق‌العاده حسگرهای فیبر نوری پی برده‌اند. اولین ثبت اختراع در این زمینه به سال ۱۹۶۰ بازمی‌گردد و برای دهه‌ها، خلاق‌ترین ذهن‌ها در حال کاوش در قابلیت‌های هیجان‌انگیز این فناوری بوده‌اند.”
— ماتئو لوناردی، مهندس تحقیقاتی در Nokia Bell Labs.
این فناوری نوین، نه‌تنها به بهبود ارتباطات جهانی کمک کرده، بلکه کاربردهای جدیدی را نیز به ارمغان آورده است که می‌تواند تأثیرات عظیمی بر صنایع مختلف داشته باشد.
فناوری اصلی در پس پرده حسگرهای فیبر نوری: حسگر آکوستیک توزیع‌شده (DAS)
یکی از مهم‌ترین فناوری‌های محرک حسگرهای فیبر نوری حسگر آکوستیک توزیع‌شده (DAS) است که امکان اندازه‌گیری‌های لحظه‌ای در طول کامل یک کابل را فراهم می‌کند. برخلاف دستگاه‌های سنتی که به حسگرهایی در نقاط از پیش تعیین‌شده متکی هستند، DAS از خود کابل فیبر نوری برای حس‌کردن محیط اطراف بهره می‌برد.
نحوه عملکرد DAS
به زبان ساده، یک سامانه DAS که به یک سر فیبر متصل است، پالس‌های نوری ارسال می‌کند و سپس نور برگشتی را از هر جزء میکروسکوپی فیبر بررسی می‌کند—فرآیندی که به پراکندگی ریلی (Rayleigh Backscatter) معروف است. با جمع‌آوری این ذرات کوچک نور و نظارت بر تغییرات آن‌ها در هزاران لحظه در ثانیه، DAS می‌تواند ارتعاشات محیطی را تشخیص دهد، امضای منحصربه‌فرد هر رخداد را شناسایی کند و آن را ثبت نماید.
DAS یک حسگر اختصاصی است که رخدادهای آکوستیکی را در اطراف فیبر شناسایی می‌کند. برای عملکرد صحیح، به سخت‌افزار مخصوص و گاهی حتی به فیبر نوری اختصاصی—غیرقابل‌استفاده برای ارتباطات مخابراتی—نیاز دارد.
“DAS به طور مستقیم در انتقال داده‌ها یا ارتباطات نقش ندارد، اما می‌تواند در کنار خطوط ارتباطی یا شبکه قرار گیرد تا از دارایی فیبر محافظت کند یا محل قطع‌شدن آن را مشخص کند.”
— دن دانسکین، مدیر تجاری DAS در Alcatel Submarine Networks (ASN).
سنسورهای غیراختصاصی در کنار DAS
علاوه بر DAS، حسگرهای غیراختصاصی نیز وجود دارند که وظایف متفاوتی را انجام می‌دهند اما همچنان قابلیت حسگری هوشمند را حفظ می‌کنند. ترانسپوندرهای همدوس یکی از اجزای کلیدی هر سیستم انتقال نوری مدرن هستند. آن‌ها سیگنال‌های الکتریکی را به نور تبدیل می‌کنند و بالعکس، داده‌ها را با سرعت صدها گیگابیت بر ثانیه ارسال و دریافت می‌کنند. این فرآیند با استفاده از مدولاسیون همدوس و پردازش دیجیتال سیگنال انجام می‌شود.
وقتی ترانسپوندرهای همدوس سیگنال‌های نوری را دریافت می‌کنند، چندین الگوریتم پیشرفته روی داده‌ها اجرا می‌شود تا تمامی اختلالات ایجاد شده در مسیر فیبر را اصلاح کرده و پیام اصلی ارسال‌شده را بازسازی کنند.
نوآوری در ترانسپوندرهای مدرن
در نسل‌های فعلی و آینده ترانسپوندرهای همدوس Nokia 1830 PSS، علاوه بر ارسال و دریافت داده‌ها با سرعت بالا، فرآیندهای پیشرفته‌ای برای پایش، حسگری و تحلیل اطلاعات نیز اجرا می‌شود. این اطلاعات از طریق داده‌های بازتاب نور که در پردازش دیجیتال سیگنال استخراج شده‌اند، به‌دست می‌آید. درحالی‌که وظیفه اصلی ترانسپوندرهای همدوس ارتباطات است، این فناوری به آن‌ها اجازه می‌دهد بدون نیاز به سخت‌افزار اختصاصی یا فیبر نوری جداگانه، داده‌های مربوط به حسگری را جمع‌آوری و پردازش کنند.
با پیشرفت فناوری، حسگرهای فیبر نوری نقشی فراتر از ابزار ارتباطی ایفا می‌کنند و به یکی از پایه‌های نظارت بر زیرساخت‌های حیاتی و بهبود ایمنی تبدیل شده‌اند.
کاربردهای حسگری در فیبر نوری
کابل‌های فیبر نوری در صنعت مخابرات نه‌تنها زیرساختی حیاتی هستند که باید به طور مداوم پایش شوند، بلکه پتانسیل تبدیل‌شدن به یک حسگر توزیع‌شده در سطح جهانی را نیز دارند. پایش محیط می‌تواند اطلاعاتی دو‌منظوره ارائه دهد—هم برای تشخیص تهدیدات شبکه یا اختلالات و هم برای فراهم‌کردن اطلاعات درباره مناطقی که حسگرهای مستقل در آنجا کم‌یاب هستند.
پایش کابل‌های فیبر نوری
یکی از مزایای مهم حسگرهای فیبر نوری، امکان نظارت بر کابل‌هایی است که اغلب از مسیرهای دشوار و بسترهای متغیر اقیانوس عبور می‌کنند. برای مثال، ترانسپوندرهای همدوس می‌توانند کل زیرساخت کابل را پایش کرده، آن را از نشانه‌های خرابی محافظت کنند و ظرفیت شبکه را بهینه سازند. پدیده‌های مخرب مانند طوفان، زمین‌لرزه یا عملیات عمرانی که ممکن است باعث اختلال در فیبر نوری شوند، می‌توانند با ابزارهای اختصاصی یا مستقیماً توسط ترانسپوندر شناسایی شوند. نتیجه این نظارت، بازگردانی سریع، افزایش زمان فعال بودن شبکه و بهبود کیفیت خدمات خواهد بود.
اهمیت شناسایی و پیشگیری از خرابی‌های کابل‌های زیردریایی
تعمیر کابل‌های زیردریایی فرایندی پرخطر و پرهزینه است. تشخیص زودهنگام و دقیق اختلالات، آسیب‌ها یا خرابی‌ها برای حفظ پیوستگی خدمات امری حیاتی محسوب می‌شود. سامانه‌های پیشرفته پایش کابل می‌توانند کارکنان فنی را به محل دقیق رخداد هدایت کنند تا اقدامات لازم بدون اتلاف وقت صورت گیرد.
محافظت از کابل‌ها در برابر فعالیت‌های انسانی
علاوه بر عوامل طبیعی، کابل‌های فیبر نوری در معرض خطرات ناشی از فعالیت‌های انسانی مانند ماهیگیری، لنگراندازی و لایروبی نیز قرار دارند. حسگرهای پیشرفته می‌توانند لرزش‌های ناشی از کشیده‌شدن تورهای ماهیگیری در بستر دریا را شناسایی کنند. تورهای ترال تهدید بزرگی برای کابل‌های زیردریایی محسوب می‌شوند و عامل حدود ۷۰ درصد از آسیب‌های وارده به شبکه هستند. هشدار زودهنگام می‌تواند به اپراتور کابل زمان کافی بدهد تا با کشتی ارتباط برقرار کرده و از آن بخواهد مسیر خود را تغییر دهد تا از آسیب‌رساندن به کابل جلوگیری شود.
این کاربردهای نوآورانه در فناوری حسگری فیبر نوری نشان می‌دهد که این شبکه‌ها، نه‌تنها ستون فقرات ارتباطات جهانی هستند، بلکه ابزاری حیاتی برای پایش زیرساخت‌های حساس و جلوگیری از بروز اختلالات نیز محسوب می‌شوند.
کاربردهای حسگری فیبر نوری در محیط‌های علمی و زیست‌محیطی
کابل‌های فیبر نوری می‌توانند نقشی کلیدی در پایش علمی و زیست‌محیطی زمین‌لرزه‌ها و سونامی‌ها ایفا کنند. شبکه گسترده کابل‌های زیردریایی موجود را می‌توان به مجموعه‌ای عظیم از حسگرها تبدیل کرد که، در صورت اتصال به شبکه‌های لرزه‌نگاری، می‌توانند پایش زلزله‌های جهانی را با هزینه‌ای مقرون‌به‌صرفه به طور قابل‌توجهی بهبود بخشند.
علاوه بر این، فیبر نوری قابلیت پایش شرایط اقیانوسی مانند جریان‌های دریایی، رانش سنگ‌ها و حتی ردیابی پستانداران دریایی را نیز دارد.
کاربرد حسگری فیبر نوری در زمین
در محیط‌های زمینی، DAS به طور گسترده برای نظارت بر خطوط لوله‌های نفت و گاز مورد استفاده قرار می‌گیرد، که شامل تشخیص نشت، پایش دخالت‌های خارجی و بررسی حرکت‌های زمین است. این فناوری همچنین می‌تواند برای حفاظت پیرامونی از تأسیسات حیاتی و کنترل مرزی به کار گرفته شود.
با بهره‌گیری از شبکه‌های فیبر نوری موجود در مناطق شهری، DAS می‌تواند شبکه حسگری با وضوح بالا برای پایش ترافیک و وضعیت جاده‌ها فراهم کند.
پایش خطوط راه‌آهن نیز یکی از زمینه‌های نوظهور است. با قرار دادن کابل فیبر نوری در امتداد مسیر راه‌آهن، DAS قادر خواهد بود اطلاعاتی درباره حرکت قطارها، شناسایی فعالیت‌های شخص ثالث و تعیین محل سنگ‌ها و رانش زمین ارائه دهد.
فرصت‌ها و چالش‌ها
با در نظر گرفتن پتانسیل عظیم فیبر نوری، یکی از چالش‌های اصلی که صنعت باید با آن روبه‌رو شود، مدیریت حجم عظیم داده‌ها است. پایش و حسگری در شبکه‌های نوری مدرن می‌توانند مقدار بی‌سابقه‌ای از اطلاعات تولید کنند. چالش اصلی، پردازش این حجم گسترده از داده‌ها برای استخراج سیگنال‌های مفید است.
هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی (AI/ML) می‌توانند نقش مهمی ایفا کنند، به‌طوری‌که با حذف نویز از داده‌های خام حسگری و تشخیص خودکار رویدادهای مهم، قابلیت پایش و تشخیص تهدیدات نوظهور را ارتقا دهند. این فناوری باید به‌صورت پویا عمل کند و به طور منظم قوانین تصمیم‌گیری تعیین‌شده را رعایت کند.
با توجه به گسترش وسیع شبکه‌های فیبر نوری، پایش و حسگری می‌تواند تحولی بزرگ در صنایع مختلف ایجاد کند. این فناوری می‌تواند تأثیری مثبت و ملموس داشته باشد و با تشخیص زودهنگام آتش‌سوزی‌ها، طوفان‌ها و زمین‌لرزه‌ها به کاهش و کنترل خطرات کمک کند.
همچنین ممکن است در مقابله با پیامدهای تغییرات اقلیمی نقش داشته باشد، به‌گونه‌ای که شهرها و جوامع را هوشمندتر و ایمن‌تر سازد.
در ادامه جدول مقایسه‌ای از مشخصات سه نوع مختلف از فیبر نوری G.655 آورده شده است: G.655.C, G.655.D, و G.655.E. جدول شامل جزئیاتی مثل محدوده طول موج، حداکثر ضریب تضعیف و کاربرد هر نوع است.