Światłowód wykrywa człowieka z 5 km. Obroni granicę Polski?

Prezentowana na targach Granice 2025 w Lublinie dziwna, niebieska skrzynka z napisem FOS6 nie wyróżniała się wizualnie, otoczona ciekawszymi dla zwiedzających pojazdami, uzbrojeniem czy też dronami. Nie można się więc dziwić, że generalnie nie wzbudzała ona zainteresowania większości osób odwiedzających targi, które nie potrafiły ocenić wartości, jaką wnoszą dziś awangardowe technologie z pogranicza SF. Defence24 wychwyciło jednak to rozwiązanie i w tym artykule spróbuję wyjaśnić, jak ono może się okazać przydatne dla wojska oraz rynku cywilnego.

„Niebieska skrzynka” mieściła w sobie ultraczuły sejsmograf światłowodowy FOS6, oparty na zminiaturyzowanym, fotonicznym interferometrze Sagnaca. Urządzenie to jest w stanie wykrywać zdefiniowane wcześniej zjawiska i efekty z bardzo dużej odległości, dochodzących nawet do wielu tysięcy kilometrów. Tak czułymi instrumentami dysponują dziś jedynie nieliczne państwa grupy G7.

Na targach Granice 2025 mieliśmy okazję zapoznać się z najnowszą generacją polskiego sejsmografu, jaka powstaje we współpracy firmy ELPROMA z Politechniką Łódzką i Wojskową Akademią Techniczną (projekt współfinansowany w ramach Programu Operacyjnego „Inteligentny Rozwój”). Warto podkreślić, że nie mówimy o projekcie koncepcyjnym, ale o gotowym urządzeniu, rozwijanym dla konkretnych potrzeb sił zbrojnych do ochrony infrastruktury krytycznej oraz wsparcia przemysłu wydobywczego.

Początki tego projektu sięgają 2002 roku, kiedy rozpoczęto prace nad światłowodowym systemem do monitorowania sejsmicznych zjawisk rotacyjnych (Fiber Optic System for monitoring Rotational sEismic phenoMena). Wyróżnione wielkie litery każdej części tej angielskiej frazy stworzyły nazwę obecnego projektu FOSREM. Na targach Granice 2025 zaprezentowano szóstą generację tej technologii (co odzwierciedla cyfra 6 znajdująca się w symbolu FOS6).

Sejsmograf FOS6 został już zaprezentowany wojsku w czasie tegorocznych ćwiczeń NATO CWIX 2025. Urządzenie to, zainstalowane na zamkniętym poligonie w północnej części Polski, było w stanie wykryć fakt uruchomienia koparki pod Warszawą, mimo że oba miejsca dzieliła odległość blisko 300 km. Sejsmograf FOS6 okazał się na tyle czuły, że potrafił nawet określić, czy silnik był na biegu jałowym, czy też koparka poruszała się.

Oczywiście tak duża czułość jest wielką zaletą, ale niesie za sobą szereg poważnych wyzwań technicznych. Identyfikacja zdarzenia z dużej odległości tak czułym instrumentem jak FOS6 przypomina „szukanie igły w stogu siana”. Urządzenie rejestruje bowiem wszystko to, co jest w stanie zmierzyć, a raczej zebrać w miejscu instalacji jako skutek zdarzeń zachodzących w promieniu wielu tysięcy kilometrów (dzięki czułości pozwalającej na rejestracje drgań Ziemi w nanoskali atomowej).

Analiza wszystkich danych, jakie może „wyprodukować” FOS6, jest więc tak naprawdę poszukiwaniem informacji w losowym szumie. W klasycznym rozumieniu nie byłby w stanie tego zrobić żaden, istniejący obecnie, klasyczny superkomputer. Z pomocą FOS6 przychodzi rozwijająca się dynamicznie sztuczna inteligencja (AI). Firma ELPROMA pokazała to testami prowadzonymi od lat w podziemiach PAN na zamku w Książu. Wystarczy wspomnieć, że sejsmograf FOS6 umieszczony w tunelach pod zamkiem, mierzył kroki turystów w pomieszczeniach znajdujących się na najwyższych piętrach wież zamkowych. I wszystko to, pomimo że sensor i miejsce zdarzenia dzieliło 100 m skały oraz 4 piętra solidnej, murowanej konstrukcji zamku.

W rzeczywistości można więc uznać, że to, co zdaje się z pozoru być losowym szumem, zawiera również interesującą informację. Wyzwaniem jest stworzenie baz danych wzorców (sygnatur zdarzeń) oraz nauczenie sejsmografu ich identyfikacji, z pomocą uczenia maszynowego i AI. Wiedzą o tym wojskowi, pracując już nad opracowaniem własnej bazy sygnatur. Zainteresowanie jest tym większe, że dane z systemu FOSREM bez problemu udało się zintegrować i pokazać podczas ćwiczeń NATO CWIX2025 z systemem zarządzania walką JAŚMIN.

Kolejne, przyszłe fazy rozwoju tej technologii to opracowywanie z użyciem AI wzorców bardziej złożonych struktur, takich jak obiekty grupowe o zmiennej wielkości, o zróżnicowanych konfiguracjach oraz zdarzenia o naturze hybrydowej (np. kolumn pojazdów).

Czym jest system FOSREM/FOS6 i co rzeczywiście może robić?

FOSREM/FOS6 to tak naprawdę mobilny, światłowodowy system monitorowania zdarzeń i zjawisk rotacyjnych w paśmie detekcji od 0,01 Hz do 100 Hz. Jego rozdzielczość pozwala na rejestrację zmian kątowych rzędu 10^-9 rad/s. Jego elementem detekcyjnym jest optyczny interferometr Sagnaca, wykorzystujący tzw. efekt Sagnaca, zbudowany z użyciem specjalnego światłowodu.

Światłowód ten nie jest rozłożony w terenie, ale nawinięty w odpowiedni sposób na specjalnych rolkach w sejsmografie. Takich pętli jest kilka i pracują one niezależnie. Całość mieści się w skrzynce o rozmiarach 341x329x314 mm i ważącej 18 kg (to ona była prezentowana w czasie targów Granice 2025). Tego światłowodu jest w FOS6 bardzo dużo - wiele kilometrów, ale fizycznie nie zajmuje to wiele miejsca, ponieważ włókno jest specjalnie ułożone tak, aby minimalizować objętość i maksymalizować parametr rozpoznania zmiany pozycji FOS6 - bezpośrednio względem przestrzeni kosmicznej, a ujmując to bardziej naukowo - względem czasoprzestrzeni Einsteinowskiej.

Pozostałe dane są skutkiem obliczeń numerycznych, które częściowo mogą się odbywać w sensorze, ale też, o ile sytuacja tego wymaga, mogą być przeniesione do przetwarzania zewnętrznego w superkomputerze. Sam czujnik interferometru (pojedynczej pętli światłowodu) działa mierząc precyzyjnie różnicę czasu pomiędzy obiegiem światła dwóch niezależnych wiązek fotonów, biegnących w przeciwnym kierunku tego samego fizycznego światłowodu. Różnica w stosunku do klasycznego eksperymentu Sagnaca polega na tym, że zjawisko interferencji światła zastąpiono precyzyjnym porównaniem różnic czasu prędkości światła w światłowodzie.

System podwójnego zastosowania

Trzeba przy tym zaznaczyć, że sejsmograf FOS6 (podobnie jak działający tak samo żyroskop optyczny FOG6) jest urządzeniem podwójnego zastosowania. Można więc nim identyfikować zdarzenia na granicy, takie jak budowa podkopów czy mechaniczne rozpychanie metalowych żeber płotu granicznego przez nielegalnych imigrantów. Ale można też nim wykrywać, jakie złoża znajdują się głęboko w ziemi (np. ropy naftowej, gazu, wód termalnych oraz pierwiastków ziem rzadkich) i to bez drogich, próbnych nawiertów. Określa się to poprzez wygenerowanie sztucznego wstrząsu i badanie sejsmografem FOS6 jego odpowiedzi geologicznej.

Dziś podobne poszukiwania na skalę przemysłową prowadzi się z użyciem fal dźwiękowych. Niestety dźwięki często zawodzą, dając fałszywy pomiar. Sejsmograf FOS6 znacząco rozszerza możliwości takiego rozpoznania oraz wykładniczo zwiększa prawdopodobieństwo trafnego typowania. Sieć sensorów FOS6, zsynchronizowanych w precyzyjnej domenie czasu UTC, wprowadza dodatkowy parametr pomiarów dopplerowskich, co pozwala określać położenie złóż na konkretnej głębokości oraz oszacowanie ich ilości.

FOS6 może też wykrywać pęknięcia poprzeczne wywołane siłami skrętnymi w konstrukcjach budynków, tunelach i zaporach wodnych. O istnieniu takich sił skrętnych nie wiedzieliśmy do czasu powstania instrumentów tak czułych jak FOS6, a więc do niedawna. Teraz taki sensor pozwala już na monitorowanie dużych aktywów przemysłowych, w tym elektrowni atomowych, farm wiatraków na morzu, portów morskich, zakładów chemicznych itp. Tego rodzaju zastosowanie systemu FOSTREM było już wstępnie sprawdzane w Tajlandii, gdzie katastrofy naturalne są bardzo często przyczyną uszkodzeń.

Okazuje się, że FOSREM jest w stanie wykazać, jak rozchodzi się fala mechaniczna np. w filarze bez uszkodzeń i zaalarmuje, gdyby nastąpiło jakieś zniszczenie mechaniczne, skrętne, które jest niewykrywalne klasycznymi, dotychczasowymi metodami. Takie badania mają szczególne znaczenie dla bezpieczeństwa ludzi i mienia położonego w pobliżu zapór wodnych, zwłaszcza w górach.

Podobne testy można prowadzić w odniesieniu do monitorowania mostów, wysokich konstrukcji budowlanych, elektrowni wodnych, kominów, sztolni górniczych, rurociągów i okablowania na dnie morskim czy też wspomnianych tu elektrowni wiatrowych. Polska technologia FOSTREM może się więc okazać przydatna w realizowanym obecnie programie budowy farm wiatrowych na Bałtyku oraz rozwoju energetyki jądrowej w kraju.

Znamienne jest to, że firma ELPROMA pracuje nad miniaturyzacją sejsmografu FOS6 i działającego podobnie żyroskopu FOG6 (Fiber Optic Gyroscope). Jego wykorzystaniem jest bowiem również zainteresowane lotnictwo oraz przemysł kosmiczny. Tego rodzaju rozwiązania mogą okazać się przydatne np. na pokładzie satelitów, w przyszłych bazach na Księżycu i Marsie, ale przede wszystkim do nawigacji podwodnej oraz do monitorowania dna morskiego (gdzie nie może korzystać z nawigacji satelitarnej GNSS).