Da qualche parte nella cintura di fuoco del Pacifico, il fondo dell'oceano viene scosso da un violento terremoto. Il sisma scatena un gigantesco tsunami che acquista velocità e rischia di abbattersi su isole popolate, città costiere e centri abitati. Provate a immaginare che le scosse vengano rilevate nell'arco di pochi millisecondi e che una segnalazione sia inviata immediatamente a un centro di controllo sulla terraferma alla velocità della luce. La notifica consente di attivare un allarme istantaneo, permettendo alle autorità di entrare in azione in tempo utile ed evacuando le persone dalle località più vulnerabili prima dell'arrivo dello tsunami.
In uno scenario di questo tipo, si potrebbe pensare che sia una densa griglia di sismometri posizionati sul fondo oceanico (Ocean-Bottom Seismometers - Obs) a lanciare l'allarme, ma se si trattasse di un sistema completamente diverso?
Mentre il mondo effettua la transizione verso l'era digitale e Internet diventa una realtà onnipresente nelle nostre vite, l’infrastruttura chiave di questo cambiamento rimane nascosta ai nostri occhi. Sepolta in fondali e valli marine, oppure installata all'interno di condotti sotto le strade, edifici cittadini, o accanto a reti ferroviarie, una complessa trama di cavi in fibra ottica si unisce per formare superstrade di dati, che trasportano più del 95% delle telecomunicazioni globali.
Considerati la "spina dorsale" di Internet, attualmente si contano approssimativamente 486 cavi sottomarini attivi o in fase di costruzione, con oltre 1.300 approdi, che si estendono per più di un milione di chilometri. Le loro controparti terrestri vantano distanze e numeri ancora maggiori.
Le fibre ottiche rappresentano il vero e proprio cuore pulsante di Internet e garantiscono il trasferimento dell’enorme volume di dati che caratterizza le comunicazioni tra persone, dispositivi e computer, da pochi metri di distanza, come nei centri di elaborazione dati e nei campus, fino a tratti enormi che si estendono su continenti e oceani. Ma la storia non finisce qui. I cavi sottomarini e terrestri stanno assumendo un nuovo ruolo che apporta numerosi benefici in un'ampia gamma di applicazioni.
Fiber optic sensing: rilevamento con fibra ottica
L'industria delle telecomunicazioni sta velocemente abbandonando i cavi di rame a favore di quelli in fibra ottica, che consistono in sottili filamenti di vetro purissimo non più spesso di un capello umano e consentono la trasmissione dei dati sotto forma di luce su lunghe distanze. Ogni dato inviato o ricevuto da un computer e quasi tutte le telefonate che facciamo sono trasmesse tramite la fibra ottica. Persino le comunicazioni dei telefoni cellulari utilizzano cavi in fibra ottica, e solamente gli ultimi chilometri della rete di comunicazione sono normalmente affidati a comunicazioni per via aerea.
La fibra, tuttavia, non serve solo per comunicare, infatti, fin dalle sue origini, ingegneri e scienziati hanno intuito le straordinarie potenzialità dell’utilizzo della fibra ottica come sensore. I primi brevetti per questo tipo di applicazione risalgono al 1960 e, per decenni, le menti più creative hanno esplorato le entusiasmanti possibilità offerte da questa tecnologia.
Nel campo delle telecomunicazioni, la tecnologia più importante per il rilevamento (sensing) con fibre ottiche è denominata Distributed Acoustic Sensing (Das), una tecnica che permette di effettuare misurazioni in tempo reale lungo l'intera lunghezza di un cavo. A differenza degli strumenti di rivelamento convenzionali, che dipendono da sensori installati in punti prestabiliti, questa tecnologia sfrutta l'intera superficie del cavo come un enorme unico sensore.
In parole povere, un dispositivo di interrogazione Das collegato a un'estremità della fibra invia degli impulsi ottici e analizza la luce che viene riflessa da ogni singola impurità, anche microscopica, della fibra: un fenomeno noto come Rayleigh backscattering.
Acquisendo questi minuscoli campioni di luce riflessa e analizzando il modo in cui cambiano migliaia di volte al secondo a causa delle vibrazioni a cui è soggetta la fibra, il dispositivo di interrogazione Das identifica le tracce e i comportamenti univoci associati a eventi specifici. Una sorta di impronta digitale dell'interazione con l'ambiente.
Il sistema Das è un sensore dedicato che rileva gli eventi acustici che si verificano intorno alla fibra. Sono necessari un hardware specifico e, a volte, anche una fibra dedicata, non utilizzata per le telecomunicazioni. Come ci ricorda Dan Danskin (commercial nanager per Alcatel Submarine Networks - Asn) il sistema Das non gioca un ruolo attivo nella trasmissione dei dati o nelle comunicazioni in sé, ma può essere collocato lungo la linea o la rete di telecomunicazione per salvaguardare la fibra o localizzare i punti in cui si sono verificati interruzioni e tagli.
Oltre ai dispositivi Das, si possono utilizzare anche sensori non dedicati, basati su componenti che svolgono un compito diverso, ma che possiedono capacità di rilevamento e monitoraggio intelligente. È il caso dei transponder coerenti, che, combinati alla fibra ottica, costituiscono il fondamento di qualunque sistema di trasmissione ottico moderno. I transponder convertono i segnali elettrici in luce e viceversa grazie alla modulazione coerente e al trattamento digitale dei segnali (Digital Signal Processing - Dsp), consentendo di inviare e ricevere centinaia di gigabit al secondo. In fase di ricezione dei segnali luminosi, i transponder sono in grado di eseguire molteplici algoritmi sofisticati per rimuovere tutti i fenomeni di corruzione del canale accumulatisi durante la trasmissione in fibra, ricostruendo così il messaggio originale inviato.
Grazie a queste capacità, le generazioni correnti e future di transponder della gamma Nokia 1830 PSS, oltre a trasmettere e ricevere centinaia di gigabit al secondo, sono in grado di assicurare funzionalità avanzate di monitoraggio, rilevamento e analisi sulla base delle informazioni di propagazione della luce estrapolate durante il trattamento del segnale digitale (DSP). Un transponder coerente, quindi, non è un sensore con il solo compito di rilevare, ma sfrutta i vantaggi delle tecnologie di elaborazione digitale del segnale per estrarre informazioni di rilevamento e monitoraggio senza che siano necessari componenti hardware aggiuntivi o fibre ottiche appositamente dedicate.
Figura 1. La rete in fibra per le telecomunicazioni è un'infrastruttura diffusa a livello globale che grazie alle avanzate capacità elaborazione digitale del segnale dei moderni transponder coerenti può essere trasformata in un sensore distribuito.
Sensing applications: le applicazioni dei sensori a fibra ottica
La rete in fibra ottica è sia un'infrastruttura essenziale che deve essere costantemente monitorata, sia, potenzialmente, un sensore distribuito a livello globale. Le capacità di monitoraggio e rilevamento ambientale forniscono informazioni che possono avere un duplice scopo. Esse permettono di identificare potenziali rischi o guasti alla struttura della rete e, allo stesso tempo, di fornire informazioni su ambienti in cui non sono presenti altri sensori. Un considerevole beneficio dei sistemi di rilevamento a fibra ottica è il controllo del cavo, che molto spesso attraversa terreni impervi e fondali marini instabili. Ad esempio, i transponder coerenti possono contribuire a monitorare l'intera infrastruttura di telecomunicazione, proteggendola da potenziali guasti, ottimizzando la capacità della rete in fibra e diminuendo il rischio di interruzioni. Se si verificano condizioni ambientali avverse, quali una tempesta, un terremoto o lavori di costruzione che possono compromettere la trasmissione dei dati in fibra, è possibile rilevarle con strumenti dedicati o direttamente sul transponder. Il risultato è un ripristino più rapido, un maggiore tempo di attività e una migliore qualità del servizio.
Tra le applicazioni sottomarine, la riparazione e la protezione dei cavi è un’attività complessa, rischiosa e costosa. Il rilevamento tempestivo e puntuale di anomalie, guasti o danneggiamenti è la chiave per garantire la continuità del servizio. I sistemi per il monitoraggio avanzato dei cavi contribuiscono a indirizzare il personale nella posizione esatta del problema per un intervento tempestivo. Inoltre, i cavi sottomarini hanno anche bisogno di essere salvaguardati dalle attività umane, quali la pesca a strascico, l'ancoraggio e il dragaggio. I sensori a fibra ottica possono rilevare le vibrazioni tipiche delle attività umane sul fondo marino. Per esempio, le reti da pesca a strascico sono una grande minaccia per i cavi sottomarini e determinano circa il 70% di tutti i danneggiamenti alla rete. Per questo motivo, una segnalazione tempestiva consente agli operatori di informare le navi per chiedere loro di mantenersi a distanza dai cavi.
La fibra ottica può anche essere impiegata per il monitoraggio ambientale e scientifico di terremoti e maremoti. Le reti di cavi sottomarini in essere possono essere effettivamente trasformate in un gigantesco arsenale di sensori che, una volta accoppiati a reti di sismometri, contribuiranno in modo considerevole al controllo globale di terremoti a un costo contenuto. Inoltre, la fibra ottica può monitorare svariate condizioni oceaniche, come correnti o tempeste, nonché rilevare i movimenti di alcuni mammiferi.
Per quanto concerne invece le applicazioni di rilevamento sulla terraferma, i dispositivi Das sono largamente impiegati per il controllo degli oleodotti e dei gasdotti di terra, con funzioni che includono il rilevamento di perdite, le ingerenze esterne e il riscontro dei movimenti sismici. Inoltre, il sistema può essere impiegato per la sicurezza perimetrale di risorse strategiche o per il controllo di frontiere. In aggiunta, sfruttando le reti già esistenti nelle aree urbane, i sensori a fibra ottica consentono di creare griglie di misurazione per il rilevamento ad alta risoluzione del traffico e delle condizioni stradali, mentre il monitoraggio del trasporto ferroviario è un'altra area emergente. Per esempio, con un cavo ottico lungo i binari, i sistemi Das possono fornire informazioni sui treni in circolazione, rilevando anche attività di terzi e consentendo di identificare pericoli per la circolazione.
Uno sguardo sulle opportunità e sulle sfide
Benché le straordinarie potenzialità offerte dalla fibra ottica siano chiare, una delle principali sfide resta quella legata alla gestione dei dati. Il monitoraggio e il rilevamento nelle moderne reti ottiche si traduce in enormi volumi di informazioni. Il problema che si presenta è quello di elaborare questa enorme quantità di dati ed estrarre le informazioni più significative.
Matteo Lonardi, Reasearch engineer di Nokia Bell Labs
Fortunatamente sono disponibili degli strumenti adatti, ad esempio l'intelligenza artificiale e il machine learning, che possono essere impiegati per rimuovere le interferenze nei dati di rilevamento grezzi e consentire di monitorare automaticamente gli eventi di interesse. Inoltre, queste soluzioni devono essere implementate in maniera adattiva, garantendo, anche all’emergere di nuove minacce, una rigida aderenza alle regole prestabilite che governano i processi decisionali.
Vista la straordinaria diffusione delle reti ottiche, l’integrazione di funzioni di monitoraggio e rilevamento rappresenta uno dei trend predominanti nel prossimo futuro. Si tratta di una tecnologia che ha un impatto positivo e tangibile, e che contribuisce ad arginare i rischi legati a incendi, calamità e terremoti grazie a una tempestiva identificazione. In questo senso, questa soluzione ha tutte le carte in regola per giocare un ruolo determinante nel fronteggiare e studiare le conseguenze del cambiamento climatico, consentendo alle comunità di operare in maniera più sicura e intelligente.
* Research engineer di Nokia Bell Labs