Optik fiberli dağınık akustik algılama ile hedef tespiti ve sistem optimizasyonu

Abstract

Sınır hatlarında yer alan askeri üsler, karakollar ve haberleşme tesisleri ile kamu tesislerinin izinsiz girişlere karşı korunması ve sınır güvenliğinin sağlanması oldukça önem arz etmektedir. Bu tesislerin güvenliği için optik fiberli dağınık akustik algılama sistemlerinden yaygın biçimde yararlanılmaktadır. Bu alandaki çalışmalar, çoğunlukla Rayleigh saçılma mekanizmasını kullanan Rayleigh faz-OTDR metodunu esas almaktadır. Bu yöntemde, ortamdaki akustik ve titreşimsel oluşumlara bağlı olarak geriye saçılan ışık dalgasının Rayleigh bileşenindeki faz kayması tespit edilmektedir. Bu tez çalışmasında, geriye saçılan ışık dalgasının Rayleigh bileşeninin faz değişimlerinden faydalanan faz-OTDR metodu yerine, Brillouin esaslı BOTDR metodundan yararlanılmıştır. Bu metotta, ortamdaki sıcaklık değişimlerine bağlı olarak algılayıcı fiber boyunca meydana gelen faz değişimlerini kullanan yeni bir faz-BOTDR tabanlı dağınık akustik algılama (DAS) yöntemi önerilmiştir. Bu çalışmada, dağınık akustik algılama modeli oluşturularak model üzerinden faz değişiminin, sıcaklık ve algılayıcı fiberin çekirdek kırılma indisi bağımlılıklarına ilişkin benzetimler elde edilmiştir. Ayrıca, Matlab 2022b ortamında eğri uydurma yönteminden faydalanarak bu parametreler arasındaki ilişkiyi veren birinci dereceden matematiksel eşitlikler türetilmiştir. Buna ek olarak fiber çekirdek kırılma indisi ve fiber uzunluğunun nicemsel değişiminin çarpımına ait diferansiyel analiz gerçekleştirilmiştir. Bu tez çalışmasında, fiberin çekirdek kırılma indisinin 1,44183 – 1,44188 aralığında değişimi için 0 rad – 227,7 rad aralığında faz değişimi değerlerine ulaşılmıştır. Diğer bir ifadeyle, faz değişimindeki 1 rad'lık bir artış, algılayıcı fiberin çekirdek kırılma indisinde ~ 2,23x10-7 değerinde bir değişime neden olmaktadır. Algılayıcı fiber sıcaklığının ~ 5 °K’lik değişimine karşılık fiber boyunca faz değişimi 0 rad – 227,7 rad aralığında elde edilmiştir. Sonuç olarak, faz değişiminin sıcaklık bağımlılığı 45,667 rad/°K olarak hesaplanmıştır. Bu tez çalışmasında önerilen BOTDR ölçüm metodunu kullanan optik fiberli dağınık akustik algılama sistemi, önemli tesislerin sınır güvenliğini sağlamak ve izinsiz girişleri tespit etmek için kullanılan literatürdeki benzer algılama sistemlerinden, esas aldığı ölçüm yöntemiyle ayrılmaktadır. Dolayısıyla, bu açıdan bakıldığında farklı bir bakış açısı ve çözüm önerisi sunmaktadır.

It is very important to protect military bases, police stations, communication facilities and public facilities on the border lines against unauthorized entry and to ensure border security. Optical fiber distributed acoustic sensing systems are widely used for security of these facilities. Studies in this field are mostly based on the Rayleigh phase-OTDR method exploiting the Rayleigh scattering mechanism. In this method, the phase shift in the Rayleigh component of the backscattered light wave is detected depending on the acoustic and vibrational formations occurred in the medium. In this thesis, Brillouin-based BOTDR method has been used instead of the phase-OTDR method making use of the phase changes of the Rayleigh component of the backscattered light wave. In this method, a new phase-BOTDR-based distributed acoustic sensing method utilizing phase changes along the sensing fiber due to temperature changes in the environment has been proposed. In this study, a distributed acoustic sensing model has been built up and the simulations related to the temperature and core refractive index dependencies of the phase changes have been performed using the model. Furthermore, first-order mathematical equations representing the relations between these parameters have been derived by using the curve-fitting method in Matlab 2022b environment. Moreover, a differential analysis of the multiplication of the fiber core refractive index and the quantitative variation of the fiber length has been obtained. In this thesis, for changing of core refractive index of the fiber in the range of 1,44183 – 1,44188, phase change values have been obtained in the range of 0 rad – 227,7 rad. In other words, a 1 rad increase in the phase change causes a variation of 2,23x10-7 in the core refractive index of the sensing fiber. For temperature change of the sensing fiber about 5 °K, phase change occurring along the fiber has been obtained in the range of 0 rad – 227,7 rad. As a result, temperature dependence of the phase change has been computed as 45,667 rad/°K. Optical fiber distributed acoustic sensing system using BOTDR method proposed in this thesis, differs from the similar detection systems in the literature utilizing for ensuring the border security of important facilities and detecting intruders, in terms of the measurement method deployed in the system. Therefore, it offers a different perspective and solution proposal when viewed from this aspect.