در شبکه حمل‌ونقل ریلی، ایمنی، پایداری و بهره‌وری، وابستگی زیادی به پایش مستمر وضعیت مسیرها دارد. تشخیص سریع اختلالاتی همچون حضور افراد در مسیر، حرکت غیرمجاز وسایل نقلیه، نشست یا رانش زمین، شکست ریل یا حتی ورود حیوانات، می‌تواند از بروز حوادث پرهزینه و تلفات انسانی جلوگیری کند. فناوری شناسایی آوایی توزیع‌شده (DAS)، با تبدیل کابل‌های فیبر نوری موجود به هزاران حسگر ارتعاشی دقیق، امکان پایش پیوسته و بلادرنگ مسیرهای ریلی را فراهم کرده است. این فناوری، بدون نیاز به نصب تجهیزات فیزیکی در مسیر، شبکه‌ای مجازی و دقیق از حسگرها ایجاد می‌کند که می‌توانند کوچک‌ترین تغییرات محیطی را در لحظه شناسایی کرده و اطلاع دهند. این رویکرد، انقلابی در پایش زیرساخت‌های ریلی به شمار می‌رود.
سامانه شناسایی آوایی توزیع‌شده فناوری‌ای است که کابل فیبر نوری را به مجموعه‌ای از حسگرهای ارتعاشی در سراسر طول آن تبدیل می‌کند. می‌توان یک رشته شیشه‌ای نازک را به حسگری مانند هزاران میکروفن متوالی تبدیل کرد.
در این فناوری، فیبر نوری استاندارد به ابزاری تبدیل می‌شود که قادر است ارتعاشات صوتی را در طول کامل خود شناسایی کند. این رویکرد نوین در صنایعی مانند نفت و گاز، حمل‌ونقل و امنیت، به دلیل توانایی در پایش پیوسته و دقیق در فواصل زیاد، کاربرد گسترده‌ای یافته است.
در ادامه، دو نوع توضیح درباره این فناوری ارائه می‌شود: یکی ساده و یکی با جزئیات بیشتر.
نحوه عملکرد سامانه DAS (نسخه ساده)
DAS با ارسال پالس‌های نوری از طریق کابل فیبر نوری کار می‌کند. زمانی که این پالس‌ها با ارتعاشاتی در فیبر مواجه می‌شوند (مانند ارتعاش ناشی از صدا)، تغییرات بسیار کوچکی در نور پراکنده‌شده ایجاد می‌شود که به سوی منبع نور بازمی‌گردد.
با تحلیل این نور بازتابی، سامانه می‌تواند مکان، شدت و فرکانس ارتعاش یا صوت را مشخص کند. به این ترتیب، فیبر نوری نقش یک خط پیوسته از حسگرهای ارتعاشی را ایفا می‌کند. منابع این ارتعاشات می‌توانند خودروها، ماشین‌آلات یا حتی فعالیت‌های زمین‌لرزه‌ای باشند.
نحوه عملکرد سامانه DAS (با جزئیات بیشتر)
۱. اصول پایه فیبر نوری
فیبر نوری از جنس شیشه (یا گاهی پلاستیک) ساخته می‌شود و وظیفه آن انتقال نور است. هسته مرکزی توسط لایه‌ای پوششی احاطه شده که نور را در داخل هسته نگه می‌دارد و موجب پیشروی آن می‌شود. فیبرهای شیشه‌ای به دلیل کاهش تلفات نوری، برای مسافت‌های طولانی مناسب هستند.
۲. پدیده پراکندگی رایلی
پایه فیزیکی اصلی در DAS، پدیده‌ای به نام پراکندگی رایلی است. در حین حرکت نور در فیبر، بخشی از آن به علت ناهماهنگی‌های میکروسکوپی در ساختار فیبر به اطراف پراکنده می‌شود. این پراکندگی نسبت به تغییرات محیطی – از جمله کشیدگی ناشی از ارتعاشات – حساس است.
۳. روش اندازه‌گیری
در سامانه DAS، پالس‌های کوتاه نوری توسط منبع لیزر وارد فیبر می‌شود. این پالس‌ها هنگام عبور با پدیده پراکندگی رایلی مواجه می‌شوند. تغییرات فیزیکی مانند ارتعاشات، این پراکندگی را تحت تأثیر قرار داده و نور بازگشتی را تغییر می‌دهد که توسط سامانه تحلیل می‌شود.
۴. بازتاب‌سنجی نوری در حوزه زمان
DAS از روشی مشابه بازتاب‌سنجی نوری در حوزه زمان بهره می‌برد. با اندازه‌گیری زمان بازگشت نور پراکنده‌شده، موقعیت رویداد ارتعاشی در طول فیبر مشخص می‌شود. این فاصله با توجه به سرعت نور در فیبر و تأخیر زمانی محاسبه می‌گردد.
۵. پردازش سیگنال نوری
نور بازگشتی حاوی اطلاعات گسترده‌ای درباره نوع و ویژگی اختلالات است. با بهره‌گیری از الگوریتم‌های پیشرفته، دامنه، فرکانس و فاز نور تحلیل می‌شود و وضعیت ارتعاشی فیبر در لحظه مشخص می‌گردد.
۶. دقت مکانی
این سامانه‌ها می‌توانند دقت مکانی بالایی داشته باشند (در حد چند متر یا کمتر). اما هرچه این دقت بیشتر باشد، طول فیبری که قابل پایش است، کاهش می‌یابد. برای نمونه، سامانه‌ای با دقت ۶.۴ متر می‌تواند تا ۵۰ کیلومتر از شبکه ریلی را به طور دقیق زیر نظر داشته باشد و هزاران نقطه اندازه‌گیری هم‌زمان را ثبت کند.
۷. پایش بلادرنگ
یکی از مزایای مهم DAS توانایی در پایش پیوسته و بلادرنگ است. این سامانه‌ها می‌توانند به‌طور مداوم داده‌ها را تحلیل کنند و فوراً به رویدادهای رخ‌داده در هر نقطه از مسیر واکنش نشان دهند. الگوریتم‌های شناسایی رویدادهای خاص مانند قدم‌زدن افراد، حرکت وسایل نقلیه، رانش زمین، ریزش سنگ، یا برش و عبور از حصار را ممکن می‌سازند.
۸. کاربردها
فناوری DAS بسیار تطبیق‌پذیر است و در حوزه‌های زیر کاربرد دارد:
نظارت بر خطوط لوله: تشخیص نشت یا نفوذ
امنیت محیطی: پایش مرزها و شناسایی ورود غیرمجاز
حمل‌ونقل: نظارت بر راه‌آهن و جاده‌ها
پایش زیست‌محیطی: بررسی فعالیت‌های لرزه‌ای و حرکات حیات‌وحش
جمع‌بندی
سامانه DAS با بهره‌گیری از اصول فیبر نوری، پراکندگی رایلی و پردازش پیشرفته سیگنال، ابزاری قدرتمند برای پایش بلادرنگ و تحلیل رویدادهای آوایی در مسیرهای طولانی فراهم کرده است. استفاده از زیرساخت‌های موجود فیبر نوری، آن را به راهکاری کارآمد و مقرون‌به‌صرفه برای کاربردهای گوناگون بدل کرده است.
