Numerical Model of a Multiple-Input-Multiple-Output Distributed Acoustic Sensing System with Joint Phase and Birefringence Estimation
यह शोध पत्र एक मल्टीपल-इनपुट-मल्टीपल-आउटपुट डिस्ट्रीब्यूटेड एकोस्टिक सेंसिंग (MIMO-DAS) प्रणाली के लिए एक संख्यात्मक मॉडल प्रस्तुत करता है और प्रयोगात्मक रूप से मान्य करता है जो पोलराइजेशन-मल्टीप्लेक्स कोडित अनुक्रमों का उपयोग करके सामान्य ऑप्टिकल फेज और डायनेमिक फाइबर बाइरेफ्रिंजेंस का संयुक्त रूप से अनुमान लगाता है, जिससे अनुदैर्ध्य (लॉन्गीटुडिनल) और अनुप्रस्थ (ट्रांसवर्स) दोनों फाइबर गड़बड़ियों के प्रति बेहतर इवेंट भेदभाव और संवेदनशीलता सक्षम होती है।
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कल्पना कीजिए कि दुनिया का इंटरनेट कांच के धागों से बनी एक विशाल, अदृश्य तंत्रिका प्रणाली (nervous system) है। ये धागे, जिन्हें ऑप्टिकल फाइबर कहा जाता है, हमारे टेक्स्ट, वीडियो और कॉल्स को महासागरों और शहरों के पार ले जाते हैं। लेकिन क्या होगा अगर ये कांच के धागे विशाल, अति-संवेदनशील कान और त्वचा के रूप में भी कार्य कर सकें? यही "डिस्ट्रीब्यूटेड एकॉस्टिक सेंसिंग" (DAS) का जादू है। सड़क या पाइपलाइन के किनारे हजारों छोटे, महंगे सेंसर लगाने के बजाय, इंजीनियर मौजूदा फाइबर ऑप्टिक केबल को ही एक विशाल सेंसर में बदल सकते हैं। वे ऐसा फाइबर के नीचे लेजर प्रकाश भेजकर और वापस आने वाली हल्की गूँज (echoes) को सुनकर करते हैं।
फाइबर को एक लंबे, शांत गलियारे की तरह समझें। जब आप चिल्लाते हैं, तो आवाज दीवारों से टकराकर वापस आती है। फाइबर में, "चिल्लाहट" एक लेजर पल्स है, और "गूँज" कांच के भीतर मौजूद छोटी, प्राकृतिक कमियों से आती है जिसे 'रेले स्कैटरिंग' (Rayleigh scattering) कहा जाता है। आमतौर पर, वैज्ञानिक केवल यह पता लगाने के लिए सुनते हैं कि गूँज कब वापस आती है ताकि यह पता चल सके कि कोई चीज़ कितनी दूर है। लेकिन इस गूँज की एक गुप्त परत है: प्रकाश का एक "घुमाव" या अभिविन्यास (orientation) भी होता है जिसे 'पोलराइजेशन' (polarization) कहते हैं। अधिकांश पुराने सिस्टम इस घुमाव को अनदेखा कर देते थे, और केवल समय (timing) पर ध्यान केंद्रित करते थे। हालांकि, जिस तरह से एक घूमता हुआ लट्टू बगल से दिए गए धक्के और पीछे से दिए गए खिंचाव पर अलग-अलग प्रतिक्रिया देता है, प्रकाश का पोलराइजेशन भी फाइबर के विभिन्न प्रकार के दबावों और खिंचावों के प्रति विशिष्ट रूप से प्रतिक्रिया करता है। बड़ा सवाल जो शोधकर्ता पूछ रहे थे वह यह है: क्या हम यह जानने के लिए कि वास्तव में किस तरह की घटना हो रही है, 'टाइमिंग' और 'घुमाव' दोनों को एक साथ सुन सकते हैं?
यह शोध पत्र ठीक यही करने का एक चतुर नया तरीका पेश करता है। लेखिका डायन प्राटो और उनकी टीम ने एक विस्तृत कंप्यूटर मॉडल बनाया और एक लैब में इसका परीक्षण किया ताकि एक "MIMO-DAS" प्रणाली विकसित की जा सके। MIMO का अर्थ है 'मल्टीपल-इनपुट-मल्टीपल-आउटपुट', जो एक फैंसी तरीका है यह कहने का कि वे एक साथ प्रकाश की दो अलग-अलग धाराएं भेजते हैं, जिनमें से प्रत्येक का घुमाव अलग होता है, और देखते हैं कि वे दोनों कैसे बदलते हैं। उन्होंने इन संकेतों को भेजने के लिए एक विशेष कोडिंग तकनीक (जिसे 'गोले सीक्वेंस' कहा जाता है) का उपयोग किया, जो यह अनुमति देता है कि इंटरनेट के नियमित डेटा के साथ बिना किसी ट्रैफिक जाम के सेंसिंग (sensing) होती रहे।
टीम ने पाया कि "कॉमन फेज" (गूँज का समय) और "बाइरेफ्रिंजेंस" (प्रकाश का घुमाव कितना बदलता है) दोनों पर नज़र रखकर, वे एक अपराध स्थल को सुलझाने वाले जासूस की तरह कार्य कर सकते हैं। उन्होंने पाया कि यदि आप फाइबर को लंबाई में खींचते हैं (जैसे रबर बैंड को खींचना), तो गूँज का समय बदल जाता है, लेकिन घुमाव लगभग वैसा ही रहता है। हालांकि, यदि आप फाइबर को बगल से दबाते हैं (जैसे पाइप को चुटकी से दबाना), तो 'टाइमिंग' और 'घुमाव' दोनों एक विशिष्ट तरीके से बदलते हैं।
अपने सिमुलेशन और लैब प्रयोगों के माध्यम से, उन्होंने दिखाया कि यह दोहरा-कान वाला दृष्टिकोण इन अंतरों को स्पष्ट रूप से पहचान सकता है। उन्होंने प्रदर्शित किया कि वे लगभग 1.3 मीटर की सटीकता के साथ किसी व्यवधान (disturbance) का पता लगा सकते हैं। अपने परीक्षणों में, वे सफलतापूर्वक यह बता पाए कि फाइबर को लंबाई में खींचा गया है या बगल से दबाया गया है। हालांकि यह शोध पत्र नोट करता है कि यह विधि यह मापने में पूरी तरह सटीक नहीं है कि दबाव कितना ज़ोरदार है (क्योंकि दबाव के कोण के आधार पर गणित जटिल हो जाता है), लेकिन यह यह बताने के लिए एक शक्तिशाली नया उपकरण है कि किस तरह की घटना हो रही है। इसका मतलब यह है कि भविष्य में, नेटवर्क न केवल आपको यह बता पाएंगे कि पाइपलाइन या रेलवे ट्रैक पर कुछ हुआ है, बल्कि वे यह भी अनुमान लगा सकेंगे कि वह एक गुजरती हुई ट्रेन (लॉन्जिट्यूडिनल पुल) थी या केबल पर गिरा हुआ कोई पत्थर (ट्रांसवर्स स्क्वीज़), और यह सब जमीन पर एक भी अतिरिक्त सेंसर लगाए बिना संभव होगा।
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