ما هو حساسية طور التوقيت في الاتصالات Timing Phase Sensitivity

يعتمد تنفيذ أنظمة التماسك البصري “giga-Baud” في الوقت الحقيقي لتنسيق تعديل المستوى الأعلى لحامل واحد مثل تعديل سعة “64 تربيعاً” أي “QAM” بشكل كبير على تتبع الطور، ولمعالجة الإشارات الرقمية دون اتصال بالإنترنت يتم إجراء استرداد الطور الموجه بالقرار بمعدل رمز مع أفضل أداء وأقل جهد حسابي مقارنة بالخوارزميات الأخرى الأكثر شهرة.

أساسيات حساسية طور التوقيت Timing Phase Sensitivity

في أنظمة الوقت الفعلي يشكل موازاة الأجهزة وتأخير خطوط الأنابيب على مسار التغذية المرتدة متطلبات سترينجر على عرض الخط أو المستوى الطيفي لضوضاء التردد لمصادر الليزر، ويؤدي هذا إلى ندرة التجارب التي توضح تتبع الطور في الوقت الفعلي لـ “64 QAM” أو أعلى، كما يتم التحقق بشكل تجريبي في تأثير الليزر المفلتر بصرياً على تتبع الطور الموازي والمتحرك في نظام مترابط أحادي الناقل “5 Gbaud 64-QAM”.

وبالنسبة لمستويات الموازاة الأعلى من 24 يُظهر الليزر المرشح بصرياً تحسناً بأكثر من “2 ديسيبل” في جزاء نسبة الإشارة إلى الضوضاء مقارنة بتلك الموجودة في نفس الليزر بدون تصفية بصرية، ويعد قياس انعكاس المجال الزمني البصري الحساس للمرحلة “ΦOTDR” تقنية راسخة توفر قياسات مكانية وزمانية لمتغير بيئي في الوقت الفعلي، ويتم الاستفادة من هذه القدرة الفريدة في عدد متزايد من التطبيقات من نقل الطاقة أو الأمن المدني إلى علم الزلازل.

كما تم تنفيذ عدد كبير من الأساليب المختلفة ممّا يوفر عدداً كبيراً من الخيارات من حيث الأداء أي الدقة أو عرض النطاق الترددي للاكتساب أو الحساسية أو النطاق، ومع ذلك لتحقيق استبانة مكانية عالية يلزم عادةً عرض نطاق للكشف في نطاق “GHz” ممّا يزيد بشكل كبير من تكلفة النظام وتعقيده، كما يتم تقديم نهج “ΦOTDR” جديد يسمح بتمديد زمني مخصص للآثار البصرية المستلمة.

ومن ثم فإنّ التقنية المقدمة تصل إلى دقة مكانية بمقياس سم أكثر من كيلومتر واحد بينما تتطلب عرض نطاق كشف منخفض بشكل ملحوظ في نظام “MHz”، حيث يعتمد هذا النهج على استخدام مقياس الطيف ثنائي المشط لاستجواب الألياف وأخذ عينات من الضوء المرتجع، ويتم تطبيق التشفير الطيفي العشوائي على الأداة المستخدمة لتعظيم نسبة الإشارة إلى الضوضاء في مخطط الاستشعار.

ويتم توفير النهج البديل الذي يهدف إلى ميزات تشغيل مماثلة إلى جانب تحليل شامل للمفاضلات الجديدة، حيث يُظهر مخطط “ΦOTDR” عالي الدقة جديداً بشكل جذري والذي يمكن أن يعزز التطبيقات الجديدة في علم القياس أو مراقبة الآبار أو الفضاء الجوي، ويُعد استشعار الألياف الضوئية الموزع “DOFS” حالياً تقنية ناضجة قادرة على مراقبة المعلمات الفيزيائية المختلفة، مثل درجة الحرارة والضغط والانكسار عبر مسافات طويلة وغالباً في نطاق عشرات الكيلومترات.

• “QAM” هي اختصار لـ “Quadrature amplitude modulation”.

• “DOFS” هي اختصار لـ “Distributed Optical-Fiber Sensing”.

• “OTDR” هي اختصار لـ “Optical Time-Domain Reflectometer”.

تطور حساسية طور التوقيت Timing Phase Sensitivity

توفر هذه التقنية ميزة فريدة تتمثل في استخدام ألياف استشعار واحدة لاستجواب عدد كبير من النقاط وبالتالي توفير حل فعال من حيث التكلفة، للمراقبة في الوقت الفعلي للهياكل المدنية الكبيرة وخطوط أنابيب النفط والغاز الطويلة، ومن الناحية المفاهيمية يمكن فهم نظام “DOFS” على أنّه مصفوفة متعددة الإرسال من المستشعرات تعمل في الانعكاس، حيث يصبح حجم المستشعر طولًا متناهي الصغر من الألياف وينعكس الضوء مرة أخرى بسبب تشتت الضوء إمّا “Rayleigh” أو “Brillouin” أو “Raman”.

كما أدى النمو المستمر وانتشار “DOFS” على مدى العقود القليلة الماضية إلى مجموعة من التقنيات والتطبيقات، وإلى جانب التحسين التدريجي في معلمات أداء الاستشعار أي الاستبانة المكانية ونطاق الاستشعار وسرعة الاستحواذ ودقة القياس، ومن بين مجموعة متنوعة من مناهج “DOFS” يتم قياس انعكاس المجال الزمني البصري الحساس للطور وعادة ما يتم اختصاره كـ “ΦOTDR”، وهو أسلوب يعتمد على تشتت رايلي الذي يبرز لتوفير أساس الاستشعار الصوتي الموزع أي الاستشعار الديناميكي للاهتزازات / التدخلات على طول الألياف.

في “ΦOTDR” تكون النبضات شديدة الاتساق والتي تنتشر داخل ألياف اختبار تجربة تتشتت مرناً بحيث توفر الإشارة المنعكسة للخلف، وبعد أن يتم اكتشافها بالصور وحلها الوقت قياسياً للتغيرات في درجة الحرارة أو الإجهاد على طول الألياف، وعندما يتم مساعدة “ΦOTDR” من خلال تضخيم “Raman / Brillouin” الموزع يمكن الوصول إلى نطاقات الاستشعار التي تتجاوز “100 كيلومتر”.

ومع ذلك فإنّ القيد الأساسي في “ΦOTDR” هو حقيقة أنّ العلاقة بين السعة المكتشفة وتغيرات الإجهاد / درجة الحرارة من حيث المبدأ غير خطية، ولحل هذا العيب تم اعتماد العديد من مناهج “ΦOTDR” بما في ذلك “OTDR” مع الكشف المتماسك، حيث يتم خلط الإشارة المرتدة مع إشارة مرجعية ومسح التردد “OTDR” والنبض النقيق “ΦOTDR”.

مبدأ عمل حساسية طور التوقيت Timing Phase Sensitivity

في مخططات الاستشعار القائمة على “ΦOTDR” يتم قياس الاستبانة المكانية القابلة للتحقيق عكسياً مع عرض النبضة المستخدم، حيث يكون عادةً 1 متر لكل “10 نانو ثانية” من مدة النبضة ونتيجةً لذلك فإنّ الاستبانة المكانية العالية في مدى السنتيمتر تعني نبضات قصيرة، وبالتالي نطاقات كشف عالية تتراوح من مئات ميجاهرتز إلى عدة جيجاهرتز.

ويمكن التخفيف من تأثير هذا المطلب على التكلفة واستهلاك الطاقة للنظام باستخدام تقنيات أخذ العينات الضوئية، والتي تجمع بين نبضات الاستشعار والبوابة الضوئية لتقليل عرض النطاق الترددي للكشف بشكل كبير، وفي الآونة الأخيرة تم تخفيض معدل أخذ العينات لمستشعر قائم على “Brillouin” بشكل كبير عن طريق “DOFS” الحسابي، وهو نهج يستغل مفاهيم التصوير الشبحي الزمني.

وميزة أخرى لجميع مخططات “ΦOTDR” هي الطاقة المنخفضة للإشارة المبعثرة المرتدة القادمة من ألياف الاختبار، وهذه المشكلة حاسمة لأنّ الحصول على إشارات متناثرة أقوى من خلال زيادة قدرة ذروة النبضة مقيد ببداية عدم استقرار التشكيل والتأثيرات غير الخطية الأخرى، وطريقة فعالة من حيث الوقت لزيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء “SNR” هي استخدام تقنيات تشفير الإشارة، حيث يتم إطلاق تسلسل نبضي أي متمايز برمز معين في الألياف خلال وقت الرحلة ذهاباً وإياباً المحدد بواسطة طول الألياف.

ومقارنة بتقنيات “ΦOTDR” القائمة على النبضات الفردية تؤدي الزيادة في إجمالي قدرة الإدخال مع الحفاظ على قدرة ذروة ثابتة إلى ارتفاع معدل الإشارة إلى الضوضاء “SNR”، ودون تقليل معدل القياس أو الدقة المكانية ومن تسلسل النبضات المتناثرة، يتم استرداد معلومات الاستشعار من خلال خوارزمية فك التشفير على الرغم من أن ذلك يتم على حساب ذاكرة وقوة حسابية أكبر بكثير.

يعتمد تحليل متوسط ​​قوة الإشارة المفيدة لمرحلة “OTDR” على دراسة مقياس تداخل الضوء المتشتت الليفي “FSLI” الذي يتم التعامل معه على أنه جزء مكون من مرحلة “OTDR”، وفي التحليل تم النظر في أحد مخططات الطور التقليدي “OTDR” مع إشارة مسبار مستطيلة ثنائية النبض، كما يحتوي “FSLI” الذي يتوافق مع مخطط “OTDR” هذا على شريحتين من ألياف التشتت مع تأخير زمني إضافي، يتم إدخالهما بين الحقول المتناثرة.

ويتم تحديد متوسط ​​قوة الإشارة المفيدة ومتوسط ​​”SNR” الناتج عند ناتج “FSLI” من خلال درجة تماسك مصدر الليزر شبه الموصّل وطول مقاطع الألياف المتناثرة، والتأخير الزمني الإضافي بين مقاطع الألياف المتناثرة، ويتم تحديد متوسط ​​خصائص قدرة الإشارة المفيدة للطور المقابل “OTDR” بواسطة معلمات مماثلة وهي:

• تماسك المصدر.

• المدد الزمنية للأجزاء المكونة للنبضة المزدوجة.

• الفاصل الزمني الذي يفصل بين هذه الأجزاء.

ملاحظة:“SNR” هي اختصار لـ “Signal-to-noise ratio” و”FSLI” هي اختصار لـ “Fast Simplex Link”.