Światłowody na kolei
Kolej korzysta również na postępie w dziedzinie kabli światłowodowych. Ich liczne zalety – przede wszystkim brak sygnałów elektrycznych, odporność na zaburzenia elektromagnetyczne oraz lekka konstrukcja – sprawiają, że są wykorzystywane jako medium komunikacyjne w pociągach, głównie w systemach sterowania, monitorowania, diagnostyki. Światłowody zastępują kable miedziane szczególnie tam, gdzie wymagane jest zapewnienie izolacji galwanicznej między sterownikami a urządzeniami dużej mocy lub siecią trakcyjną oraz wysokiej odporności na zakłócenia mogące wpływać na jakość transmisji, których te ostatnie są źródłem. Sprawdzają się również w przesyle danych na długich dystansach, ponieważ pozwalają ograniczyć masę okablowania pokładowego.
Poza tym upowszechniają się też jako elementy pomiarowe w monitorowaniu stanu infrastruktury kolejowej, wymaganym w związku z nieuniknioną w miarę użytkowania degradacją pojazdów szynowych oraz torów, szczególnie w kolejach dużych prędkości i w zdalnej detekcji zdarzeń niebezpiecznych, do których dochodzi na szlakach kolejowych. Przykładami tych ostatnich są: osuwiska skał, ziemi lub błota, obecność ludzi lub zwierząt na torach, nieuprawniona ingerencja w szyny albo ich kradzież oraz zwarcia w sieci trakcyjnej. Wszystkim tym sytuacjom towarzyszą ruch i hałas, będące źródłem wibracji, na które czułe są czujniki światłowodowe. Zmiany w profilu drgań torów w reakcji na przejazd pociągu pozwalają też na wykrycie pogorszenia się ich stanu.
Światłowody w tym zastosowaniu mają ważną zaletę. Dzięki temu, że rozproszonym sensorem liniowym jest sam kabel, który można poprowadzić na długim odcinku, rzędu dziesiątek, a nawet setek kilometrów, np. wzdłuż torów, zapewniają bardzo dużą rozdzielczość przestrzenną bez martwych punktów. Osiągnięcie podobnej dokładności w przypadku tradycyjnych czujników jest niemożliwe, ponieważ ze względu na koszty i komplikacje z doprowadzaniem zasilania i transmisją wyników pomiarów ich liczba musi być na danym obszarze ograniczona. Ważna pozostaje także odporność światłowodów na zaburzenia elektromagnetyczne, których źródłem jest sieć trakcyjna.
W monitoringu stanu infrastruktury kolejowej wykorzystuje się przede wszystkim światłowodowe rozproszone czujniki akustyczne DAS (Distributed Acoustic Sensing). Aby wyjaśnić, na jakiej zasadzie działają, należy przypomnieć podstawy techniki światłowodowej oraz jej zastosowanie w pomiarach.
Czujniki światłowodowe
Światłowód składa się z dwóch warstw: rdzenia oraz płaszcza. Różnią się one współczynnikami załamania światła. Rdzeń ma wyższy współczynnik załamania niż płaszcz. Na tej różnicy opiera się zasada pracy światłowodów. Światło przemieszcza się w nich dzięki całkowitemu wewnętrznemu odbiciu. Zjawisko to zachodzi na styku ośrodka o wyższym współczynniku załamania z ośrodkiem o niższym współczynniku załamania światła. Jak pokazano na rysunku 5, kiedy kąt padania światła przekracza kąt graniczny (θ₃), następuje całkowite wewnętrzne odbicie (θ₅). W rezultacie światło jest zatrzymywane w rdzeniu. Dzięki wielokrotnemu całkowitemu wewnętrznemu odbiciu może się też ono przemieszczać z jednego końca światłowodu na drugi. Właściwość tę wykorzystuje się w transmisji danych za pośrednictwem włókien światłowodowych.
W dziedzinie technik pomiarowych opartych na światłowodach OFS (Optical Fiber Sensing) można wyróżnić podgrupę DOFS (Distributed OFS), obejmującą czujniki zapewniające pomiar różnych wielkości fizycznych (drgań, temperatury, odkształceń) w dowolnym miejscu wzdłuż światłowodu, równocześnie w wielu punktach, bez konieczności montażu lokalnych sensorów. Techniki DOFS dzieli się, w zależności od dominującego mechanizmu rozpraszania fal świetlnych wewnątrz włókna optycznego, na te oparte na rozpraszaniu Rayleigha, Brillouina lub Ramana. Czujniki pierwszego typu mierzą głównie drgania oraz zakłócenia akustyczne, drugie – temperaturę oraz naprężenia, a trzecie – temperaturę. Na kolei wykorzystuje się głównie techniki oparte na rozpraszaniu Rayleigha, które występuje, gdy światło, przechodząc przez przezroczysty ośrodek, na skutek występujących w nim losowych niejednorodności o rozmiarze mniejszym niż długość jego fali, ulega rozproszeniu we wszystkich kierunkach. Do takich zalicza się wspomniane sensory DAS.
W czujnikach tego typu pomiar polega na analizie zmian światła rozproszonego w światłowodzie pod wpływem zewnętrznych oddziaływań mechanicznych na włókno. Źródłem światła jest zwykle laser. Wiązka światła jest modulowana i wprowadzana do światłowodu jednomodowego. Impulsy światła, propagując wzdłuż włókna, ulegają rozproszeniu, częściowo także w kierunku przeciwnym do kierunku rozchodzenia się wiązki głównej. Światło rozproszone wstecznie jest mierzone przez fotodetektor. Czas, po jakim do niego dociera, pozwala na określenie miejsca wzdłuż światłowodu, z którego pochodzi. Jeżeli więc na skutek oddziaływań zewnętrznych zmieniły się jego parametry, można zlokalizować ich źródło.
