Deteksi Sinyal Seismik Menggunakan Sensor Fiber Bragg Grating

Sensor FBG sebagai pemantauan jarak jauh untuk mendeteksi, mengklasifikasikan, dan menentukan arah pergerakan, kendaraan roda, dan melacak kendaraan termasuk miniatur akustik, seismik, kimia, magnet, visual, dan IT pencitraan sistem sensor. Sensor seismik berbasis FBG dapat melakukan pengukuran akurat dari getaran tanah kecil dan memonitor aktivitas seismik karena sensitivitas yang tinggi terhadap strain dinamis yang disebabkan oleh percepatan. Deteksi ini dilakukan oleh sensor regangan dinamis FBG terpasang pada sistem spring-mass. Percepatan gerakan diubah menjadi sinyal strain, dan setelah demodulasi optik menghasilkan tegangan output analog sebanding dengan perubahan regangan.

Sensor FBG memiliki kelebihan konsumsi daya rendah dan ringan. Selain itu, kisi-kisi Fiber Bragg sesuai untuk jaringan multi-sensor yang dapat digunakan baik secara seri atau paralel.

Desain mekanik Sensor

Prinsip deteksi dasar dari sensor seismik adalah ketika pergerakan intrusi (personil dan kendaraan) memulai dekat permukaan tanah, gelombang seismik akan merambat dan menyebar ke segala arah. Beberapa gelombang pergi bersama permukaan tanah sebagai gelombang stres, sebagian akan mencerminkan kembali ke permukaan. Gelombang stress dapat berkontribusi terhadap perubahan percepatan kandang sensor.

Kedua ujung sensor Fiber Bragg grating terletak diatas leaf spring dengan ujung spring-mass. Leaf spring digunakan untuk meminimalkan sensitivitas cross-axis. Fiber Bragg grating seragam dikencangkan untuk mendapatkan distribusi regangan konstan di atasnya. Fiber Bragg Grating selalu memiliki karakteristik refleksi yang tajam tanpa perluasan dalam spektrum refleksi selama pergeseran panjang gelombang. Inert massa (bahan: kuningan, Berat: 10,6 gram) melekat pada salah satu ujung leaf spring (bahan: stainless steel, panjang: 4 cm, lebar: 1,2 cm, tebal: 0,2 cm). Ujung leaf spring didukung oleh supporting pole (tinggi: 1,27 cm). Pole(tiang) tetap pada dasar sensor dan seluruh head sensor sepenuhnya digabungkan ke dalam bumi selama uji lapangan dengan hanya kabel optik yang membentang keluar.

Gerakan personil dan kendaraan menginduksi getaran tanah, dengan gelombang seismik yang lemah berasal dari lokasi tersebut. Gelombang seismik menghasilkan perubahan percepatan pada sensor bersama dengan supporting pole di salah satu ujung leaf spring. Sementara inert massa bergantung pada ujung leaf spring tetap statis, menginduksi variasi ketegangan pada leaf spring bersama dengan sensor FBG. Perubahan strain dari Fiber Bragg grating dapat dideteksi oleh pergeseran panjang gelombang Bragg sesuai dengan prinsip sensing.

Sistem mekanik head sensor dapat dimodelkan sebagai sistem derajat kebebasan tunggal. Leaf spring dan fiber grating dapat disederhanakan sebagai spring dengan stiffness K1 dan K2. Frekuensi alami dari sistem meningkat dengan peningkatan K1, a, K2 dan penurunan b, M. Dengan menyesuaikan parameter a, b, M dan memilih bahan K1, sistem ini disesuaikan dengan respon sensor frekuensi rendah. Dalam aplikasi personil dan kendaraan deteksi seismik, bandwidth frekuensi biasanya 10-200 Hz. Frekuensi resonansi dari kantilever ini dirancang untuk 30-40 Hz sebagai sensor yang menanggapi frekuensi rendah. Ada juga ada teknik redaman diterapkan pada sistem spring-mass di uji lapangan.

2.2 Skema InterogationSkema sensor FBG interogation diilustrasikan pada Gambar 2. Sistem ini terdiri dari sumber cahaya broadband, sensor tanah FBG ditambah dengan spring/konfigurasi massa, demodulator FBG grating, optical circulator, 3-dB optical coupler, signal detection dan processing hardware.

Cahaya dari sumber broadband (panjang gelombang pusat di 1550nm dan lebar spektral 40 nm, daya optik 54 mW) dalam mode serat tunggal, dan kemudian memasuki salah satu port pada optical circulator. Cahaya menuju ke sensor grating dan dipantulkan dari sensor grating kembali ke salah satu port di 3dB coupler, kemudian masuk ke demodulator grating.

Cahaya yang dipantulkan dari demodulator grating keluar dari 3dB coupler, dan kemudian masuk ke photodetektor (responsivitas: 0.65 A/W, JDS Uniphase, ETX 100), di mana sinyal optik diubah menjadi sinyal listrik analog. Output analog sinyal listrik dari photodetektor melewati band-pass filter dan amplifier. Sinyal diproses oleh Software LabVIEW PC , yang memiliki tingkat sampling dari 2 MHz per channel dari delapan saluran input analog.

Grating memiliki parameter yang sama (panjang gelombang pusat: 1550nm, bandwidth: 0,4 nm, reflektifitas: 99%, panjang: 1 cm) dalam kondisi statis. Pertama sensor grating diinstal pada sistem spring-mass dan memiliki pergeseran panjang gelombang di bawah tekanan. Ini berfungsi sebagai reflektor optik sedangkan demodulator grating adalah intensitas pemantulan modulator tanpa ketegangan di atasnya. Dengan cara ini, intensitas cahaya output berhubungan dengan jumlah variasi ketegangan dinamis pada sensor grating.

Selain sinyal regangan, fiber grating merupakan elemen sensitif terhadap variasi suhu lingkungan. Untuk memisahkan pengaruh ini dengan sensing sinyal regangan, kompensasi suhu dengan mengintegrasikan sensor grating dan demodulator grating satu sama lain. Sensor FBG ditambah dengan inert mass di mana percepatan yang akan diukur. Demodulator grating tidak tunduk pada ketegangan dan mengukur suhu saja. Pasangan Grating juga memiliki faktor suhu yang sama untuk memastikan bahwa selama perubahan suhu homogen mengubah grating dengan menggeser panjang gelombang pusat dengan cara yang sama, sehingga posisi puncak sensor grating selalu direferensikan ke demodulator grating suhu sensitif.

Sementara desain sensor disesuaikan dengan mengukur sinyal ketegangan dinamis dalam bentuk ac antara 10-200 Hz, variasi suhu lingkungan biasanya sebagai sinyal dc mempengaruhi sensitivitas deteksi setelah melewati band-pass filter. Namun, distribusi temperatur rata berat dalam head sensor dapat mempengaruhi keuntungan yang dinamis dan linearitas deteksi sistem berdasarkan prinsip penyaringan lateral.

Ketika intruder atau kendaraan berupaya untuk mendekat, data sinyal ditangkap oleh head sensor dan kemudian dikirim kembali ke sistem akuisisi data pada jarak tertentu. Saluran transmisi antara head sensor dan akuisisi sinyal dan bagian pengolahan adalah kabel optik luar komersial yang terletak di dalam tanah yang tidak memiliki radiasi elektromagnetik terhadap lingkungan. Informasi ini diproses dan direkam secara real time oleh sistem akuisisi data. Dengan cara ini, sistem deteksi keseluruhan beroperasi dalam mode remote control penginderaan jarak jauh untuk menjamin keselamatan operasi dan kenyamanan dalam aksi battle.

2.3 Hasil uji Lapangan

Sensor FBG dipasang pada vibrator untuk mengetahui level percepatan. Vibrator menggunakan gelombang sinusoidal dan mendapatkan nilai puncak ke puncak tegangan output dari sensor FBG. Hasilnya menunjukkan bahwa sensor FBG merespon secara linear menjadi sinyal getaran eksternal. Koefisien korelasi dari data fit linear dihitung menjadi 0,99533. Resolusi regangan minimum sensor FBG adalah 1 dan stabilitas jangka pendek ~2,5 .

Deteksi sensor dinamis diperkirakan frekuensi dari 30 Hz. Dengan nilai output maksimum pada 6 V dan background noise di 0,6 mV rms (electronic diperkuat pada 3 103), hasil sistem dynamic range sensor FBG pada 30 Hz adalah 80 dB.

Siklus uji suhu dengan menempatkan sensor FBG menjadi oven dikontrol digital mulai dari suhu kamar (27 ) sampai 56 . Analisis spektrum pair grating menunjukkan bahwa posisi puncak kisi sensor selalu direferensikan ke demodulator kisi dalam rentang suhu ini.

Salah satu keuntungan yang signifikan dari sensor FBG adalah kekebalan terhadap interferensi elektromagnetik. Untuk memverifikasi keuntungan ini, ditempatkan 60 Hz AC power supply dekat sensor FBG dan mengamati respon sensor. Sebuah kumparan geophone konvensional ditunjukkan digunakan untuk perbandingan. Geophone konvensional mendeteksi sinyal seismik ketika gerakan partikel di bumi menggerakkan geophone tubuh, yang menampung sebuah magnet dalam kumparan dalam geophone tersebut dan menghasilkan sinyal tegangan analog yang sebanding dengan gerakan tanah.

Gambar 4 adalah respon dari kedua sensor dalam domain waktu. Sumbu x adalah waktu domain dalam satuan ms dan sumbu y tegangan output dari kedua sensor. Geophone Konvensional memiliki respon sinyal ke power supply dalam gelombang sinus sedangkan sensor FBG hanya menunjukkan background noise. Analisis frekuensi Fourier dari sinyal menunjukkan bahwa geophone konvensional memiliki sinyal puncak pada 60 Hz sedangkan sensor FBG tidak memiliki puncak frekuensi yang signifikan dan kebal terhadap EMI.

3. HASIL UJI

3.1 Hasil uji Lapangan Pertama

Uji Lapangan pertama deteksi intrusi dilakukan dengan menembak Fort Dix. Sumber Sasaran termasuk personil (Berat: 55-95 Kg), militer High Mobility Multi-Purpose Wheeled Vehicle - HMMWV (berat: 2.655 Kg, kecepatan 32 Km/jam), dan militer roda truk (berat: 6.089 Kg, kecepatan 32 Km/jam). Jarak diukur dan dikalibrasi oleh sistem GPS militer (Model: Garmin etrex, akurasi: 5 m). Kehadiran objek dapat ditangkap dengan menggunakan impuls pertama sinyal untuk memicu pada tingkat tertentu. Jarak deteksi ditafsirkan sebagai jarak maksimum di mana sinyal seismik dapat memicu dan bisa direkam oleh sistem deteksi.

Dalam uji ini tidak ada teknik redaman pada head sensor. Hasilnya menunjukkan bahwa sensor memiliki sensitivitas yang lebih tinggi untuk sinyal impuls. Hal ini karena sinyal pulsa merupakan kombinasi dari banyak frekuensi yang berbeda yang mungkin berisi frekuensi resonansi dari sistem spring-mass, sedangkan frekuensi sinyal manusia berjalan relatif monokromatik yang mungkin tidak dekat respon frekuensi maksimum spring-mass sistem. Head sensor hanya dapat memberikan respon yang tinggi dalam frekuensi sinyal band sempit tanpa gain merata.

3.2 Hasil Uji lapangan Kedua

Uji lapangan kedua dilakukan pada Eglin Air Force Base. Tujuan utama dari tes ini adalah untuk menentukan sensitivitas sensor FBG dibandingkan dengan sensor seismik. Sensor Rembass-S/A (dimonitor dari jarak jauh dari sistem sensor akustik seismik) digunakan sebagai patokan. Sensor ini menanggapi aktivitas seismik (getaran tanah) dan akustik (suara) dalam radius zona deteksi, lokasi dan klasifikasi.

Dua jenis sensor yang ditempatkan di lokasi yang sama di sepanjang jalan tanah dengan medan yang terdiri dari tanah berpasir. Tidak ada pohon atau benda-benda lain antara sensor dan target. Wilayah ini juga cukup jauh tanpa suara atau gerakan dekat. Suhu berkisar antara 15 sampai 17 dan kecepatan angin rata-rata 1,53-2,04 m/s.

Hasil deteksi dari kedua sensor FBG dan sensor REMBASS-seismic tercantum untuk perbandingan pada Gambar 5 target deteksi di sepanjang sumbu x termasuk dua orang dan tujuh kendaraan. Jarak deteksi dapat diartikan sebagai jarak maksimum sensor yang dapat merespon target. Jarak deteksi aktual di masing-masing kategori adalah hasil rata-rata beberapa tes ulang dalam kondisi yang sama. Tidak ada redaman digunakan dalam uji ini karena hanya menggunakan impuls pertama sinyal seismik sebagai sinyal pemicu untuk menentukan jangkauan deteksi maksimum. Jarak target dihitung berdasarkan GPS yang mencatat waktu dan posisi dalam 1 interval. Angka perbandingan menunjukkan bahwa sensor FBG mengungguli REMBASS-system setiap kendaraan roda kecuali kategori 9, di mana hasilnya sangat dekat.

4. KESIMPULAN DAN DISKUSI

Perbandingan sensitivitas jarak untuk menargetkan dengan sensor seismik menunjukkan bahwa sensor FBG rata-rata kisaran deteksi 30,20% lebih besar dari REMBASS- II sistem.

Sinyal error yang diharapkan dapat mempengaruhi kinerja sensor meliputi: sinyal seismik yang dihasilkan oleh motor yang berbeda tanpa berpindah, penghalang alami yang berbeda (pohon, batu, dan sungai bergerak) antara sasaran dan sensor, dll. Kemampuan potensial untuk mendeteksi waktu target kritis (personil dan kendaraan), sistem sensor FBG akan menjadi alat yang menjanjikan untuk real time sistem kesadaran situasional dalam aplikasi battlefield.REFERENCES

1. John P. F. Wooler, Roger I. Crickmore, Fibre optic sensors for seismic intruder detection, 17th International

Conference on Optical Fiber Sensors, pp. 278-281, 2005

2. Michael S. Richman, Personnel tracking using seismic sensors, Proceedings of SPIE Vol. 4393, pp. 14-21, 2001

3. Juan C.Juarez, Polarization discrimination in a phase-sensitive optical time-domain reflectometer intrusion-sensor

system, OPTICS LETTERS, Vol.30, No.24, pp.3284-3286, 2005

4. Juan C.Juarez, Distributed Fiber-Optic Intrusion Sensor System, JOURNAL OF LIGHTWAVE

TECHNOLOGY, Vol.23, No.5, pp.2081-2086, 2005

5. Jinhui Lan, Tian Lan, and Saeid Nahavandi, A Novel Application of a Microaccelerometer for Target

Classification, IEEE SENSORS JOURNAL, VOL. 4, NO. 4, pp 519-523,2004

6. M. Willsch, etc Highly sensitive micro mechanical fiber Bragg grating acceleration sensor combined with a new

interrogation principle, Proceedings of SPIE Vol.4074, P46-53, 2000

7. A. Mita, I. Yokoi, Fiber Bragg grating accelerometer for buildings and civil infrastructures, Proceedings of SPIE,

vol. 4330, pp. 479-486, 2001

8. S.J. Spammer, P. L. Fuhr Temperature insensitive fiber optic accelerometer using a chirped Bragg grating, Opt.

Eng. Vol.39(8), pp. 2177-2181, 2000

9. W.L. Schulz, E. Udd, J.M. Seim, H.M. Laylor, G.E. McGill, Single and multiaxis fiber grating based strain

sensors for civil structure applications, Proceedings of SPIE, Vol. 3489, ,pp. 71-80, 1998