ES2528327B1 - Sistema de detección diferencial para sensores distribuidos sobre fibra óptica basados en scattering brillouin estimulado - Google Patents
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Abstract
Basado en detección diferencial en sensores distribuidos basados en scattering estimulado Brillouin sobre fibra óptica, consistente en separar las dos señales de las que está compuesta la señal de sonda y obtener la diferencia entre la banda de amplificación y la banda de atenuación estimuladas, o viceversa. Se obtiene de este modo una señal con mayor amplitud que en el caso de realizarse una detección con una sola banda. Así se mejora la relación señal-ruido en la señal del sensor, rango dinámico y se aumenta la longitud de alcance así como se disminuye la incertidumbre de la medida. Además se elimina el ruido común que haya presente en las dos bandas de la señal de sonda y, en el caso de emplear un detector balanceado en detección, se mejora las características de saturación del detector, pudiéndose conseguir amplitudes de señal mucho más grandes que en el caso convencional de detección.
Description
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DESCRIPCION
SISTEMA DE DETECCION DIFERENCIAL PARA SENSORES DISTRIBUIDOS SOBRE FIBRA OPTICA BASADOS EN SCATTERING BRILLOUIN ESTIMULADO
SECTOR DE LA TECNICA
La presente invention pertenece al sector de las tecnolog^as fisicas aplicandose a sistemas de medicion basados en sensores distribuidos sobre fibra optica.
El objeto principal de la presente invencion es un sistema de detection para la mejora del rango dinamico (aumento del alcance de medida) en sensores distribuidos sobre fibra optica. La mejora indicada por la invencion es aplicable al desarrollo de equipos electroopticos de sensado distribuido, basados en el fenomeno de scattering no lineal Brillouin estimulado, con aplicacion en multitud de sectores como por ejemplo el de la ingenieria civil, la industria, la energia, el medio ambiente y otros en los que se requiera la monitorizacion de temperatura o deformaciones (o cualquier magnitud derivada) sobre largas distancias.
ESTADO DE LA TECNICA
Los sensores distribuidos constituyen una tecnica atractiva y prometedora para la monitorizacion de parametros como la deformation y la temperatura sobre largas distancias. Los sensores de fibra optica distribuidos estan basados en una modulation de la intensidad o de la frecuencia de la luz introducida en la fibra, y una deteccion smcrona con la que podemos determinar la position en la que se produce la perturbation. De forma general cualquier fractura o dano en la estructura da lugar a una variation en la intensidad de luz que se transmite a lo largo de la fibra. Dentro de este tipo de sensores podemos destacar los sensores basados en tecnicas de backscatter (retrodifusion) lineal y los basados en efectos no lineales como son el scattering Brillouin y el scattering Raman. En los ultimos anos, los basados en scattering Raman y Brillouin han experimentado una creciente aplicacion en la instrumentation de todo tipo de infraestructuras civiles (puentes, tuneles, edificios, presas,...), de transporte (aviones, lmeas ferroviarias,...), industriales y energeticas (conducciones de gas, de agua, plataformas petroliferas,...).
El efecto Brillouin es una interaction acusto-optica estimulada que se produce de forma muy eficaz en fibras opticas. En terminos simples, el efecto Brillouin se obtiene cuando se introduce luz laser (espectralmente estrecha y suficientemente potente) en una fibra optica. A efectos de notation, podemos suponer que esta centrada a una frecuencia optica fo. La presencia de esta luz induce una ganancia sobre un haz de luz que se propaga en sentido
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contrario, a la frecuencia fo-VB. De la misma forma, se induce una atenuacion sobre un haz de luz que se propaga en sentido contrario, a la frecuencia f0+VB. El parametro vb se denomina desplazamiento Brillouin y es sensible a cambios de temperatura o deformacion de la fibra. Este hecho se emplea para la detection distribuida de cambios de temperatura y deformaciones.
Basados en este fenomeno fisico, se han desarrollado a lo largo de los anos distintas variedades de sensores, entre los que citamos: BOTDA (Brillouin Optical Time Domain Analyzer), BOFDA (Brillouin Optical Frequency Domain Analyzer) y BOCDA (Brillouin Optical Correlation Domain Analysis), BOTDA o BOFDA con asistencia Raman de cualquier orden y en cualquier configuration, V-BOTDA (Vectorial Brillouin Optical Time Domain Analyzer, en el que se modula la sonda y/o el bombeo de alguna manera), Coded- BOTDA (BOTDA con codification de pulsos), DPP_BOTDA (BOTDA con medida diferencial basada en pulsos de distinta anchura), etc., asi como cualquiera de las combinaciones de estos posible.
En los sensores BOTDA, y su variantes, para obtener la frecuencia Brillouin se manda uno o varios pulsos (en el caso de coded-BOTDA, por ejemplo) por la fibra y una senal continua (modulada o no) contrapropagante a este. Para obtener el parametro vb, se analiza la diferencia de frecuencia entre el pulso enviado y la onda continua cuando se maximiza la amplification de la onda continua contrapropagante. Para ello es preciso realizar un barrido de frecuencia. Al estar pulsada la luz, la amplificacion registrada en el dominio del tiempo dependera ademas de la position en la que se encuentre el pulso en cada instante. Con ello puede trazarse un mapa de desplazamiento Brillouin en funcion de la distancia. Las variaciones de desplazamiento Brillouin se pueden relacionar con variaciones de temperatura o deformacion.
El caso de los sensores BOFDA y sus variantes se diferencia de los anteriores en que en vez de un pulso se manda por la fibra una senal modulada en amplitud, con una frecuencia variable. Para realizar cada medida es necesario hacer un barrido en frecuencia de la senal de sonda, ademas de un barrido en la modulacion de la senal de bombeo.
En los sensores basados en tecnologia BOCDA y sus posibles variantes se aprovecha el hecho de que el scattering Brillouin estimulado depende de la correlation entre las dos
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ondas que lo generan y la eficiencia del proceso baja de forma abrupta debido a cambios de frecuencia, fase o polarizacion. En esencia, el funcionamiento del BOCDA se apoya en la reduccion artificialmente de la correlation, mediante una modulation inteligente, entre las ondas que generan scattering Brillouin estimulado en cualquier punto de la fibra, excepto en el punto de estudio.
En el caso de los sensores basados en BOTDA y BOFDA existe una limitation insalvable e inherente a la fibra optica que es la atenuacion que sufre la luz al propagarse por ella. El rango en longitud de medida que presentan todos estos sistemas esta cercano a la decena de metros y en torno al medio centenar de kilometros.
En el caso de los BOCDA las senales obtenidas son debiles, generalmente, y conviene tener estrategias para mejorar la relation senal ruido de las mismas (SNR).
Los principales sistemas de sensado distribuido en fibras existentes en el mercado, bajo nuestro conocimiento, son:
FOS-TA: Fibre Optic Sensing Technology and Applications. Distributed Temperature and Strain Sensing (DTS & DTSS) System. Singapur. Maximo Rango de medida 30 km.
Omnisens: DiTeSt: Distributed Temperature & Strain monitoring instruments. Suiza. Hasta 30 km. SMARTECH (Suiza) comercializa un instrumento similar.
Neubrex Ldt. Japan. NEUBRESCOPE : Pre-Pump BOTDA Technique, Hasta 25 km. YOKOGAWA AQ8603 Optical Fiber Strain Analyzer, basado en Brillouin espontaneo.
OZ-OPTICS DTS0115 “Distributed Brillouin sensor system based on DFB lasers using offset locking”.
SENSORNET DTSS “Distributed Temperature & Strain Sensor” (10 Hz).
DESCRIPCION DE LA INVENCION
La invention describe un sistema de detection para los sistemas anteriormente citados basados en scattering estimulado Brillouin (sistemas tipo BOTDA, BOFDA y BOCDA
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incluyendo sus variantes como por ejemplo la asistencia Raman de cualquier orden o la variante vectorial de los mismos, etc.) que permite mejorar el rango dinamico (aumento del alcance de medida o la relation senal ruido en cada punto).
En todos los sistemas citados anteriormente la detection se realiza en el extremo desde el que se lanza el bombeo. Para ello, se detecta (con un fotodetector) la senal de sonda en funcion del tiempo de vuelo de la senal de bombeo en la fibra. Normalmente la senal de sonda se compone de dos frecuencias (una a fo+VB y otra a fo-VB), siendo vb la diferencia de frecuencia entre bombeo y sonda. Los sistemas convencionales aislan en deteccion una de las dos frecuencias que componen la sonda y la detectan con un unico fotodetector, obteniendo senales de ganancia o atenuacion en funcion de la banda elegida.
El presente sistema consiste en primer lugar en un conjunto de dispositivos con los que se consigue, en primer lugar, separar de manera adecuada las dos senales correspondientes a la banda amplificada y a la banda atenuada a lo largo de la fibra optica objeto de monitorizacion. Para ello se podra usar cualquier tipo de dispositivo optico que no distorsione estas senales de forma irreparable. A continuation se procede a obtener la diferencia entre la banda de amplification y la banda de atenuacion estimuladas, o viceversa. Se obtiene de este modo una senal con mayor amplitud que en el caso de realizarse una deteccion con una sola banda. Con este aumento de amplitud mejoramos la relacion senal-ruido en la senal del sensor, mejorando el rango dinamico y aumentando por tanto la longitud de alcance asi como disminuyendo la incertidumbre de la medida. Esta configuration tiene mas ventajas anadidas: primero, se elimina el ruido comun que haya presente en las dos bandas de la senal de sonda. Segundo, en el caso de emplear un detector balanceado en deteccion, se mejora las caractensticas de saturation del detector, pudiendose conseguir amplitudes de senal mucho mas grandes que en el caso convencional de deteccion.
A continuacion se describen distintas posibles realizaciones de la invencion descrita sin animo de excluir ninguna otra posible:
a) Las senales de sonda amplificada y atenuada se dividen a la salida de la fibra optica sensora de manera que se puedan analizar por separado. El dispositivo para realizar esta separation sera cualquiera que permita diferenciar ambas senales, por
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ejemplo un dispositivo que discrimine en frecuencia. Una vez separadas estas dos senales de manera que se puedan analizar de forma independiente, la tecnica de detection se basa en un detector balanceado. Este por medio de un amplificador de transimpedancia obtiene una tension proporcional a la diferencia de fotocorrientes medidas por dos fotodiodos cuando a sus entradas se conectan dos senales opticas correspondientes a la banda de amplification estimulada y a la banda de atenuacion estimulada.
b) Como en la realization anterior pero en vez de usar un dispositivo de discrimination espectral para separar las dos senales se usara uno de discriminacion en polarization, siempre y cuando las dos bandas de senal tengan polarizaciones ortogonales.
c) Como en la realizacion a) pero en este caso el detector balanceado es sustituido por dos detectores simples (fotoreceptores). Cada detector tiene a su entrada la senal optica de una de las bandas (amplificacion y atenuacion). Posteriormente algun elemento electronico o logico obtiene la diferencia de las salidas de los dos detectores o algun procesado equivalente que mejore la relation senal-ruido.
d) Como en la realizacion b) pero en este caso se utiliza un detector balanceado. DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Para complementar la description que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracteristicas de la invention, de acuerdo con un ejemplo preferente de realizacion practica de la misma, se acompana como parte integrante de dicha descripcion, un juego de dibujos en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
FIGURA 1.-
(a) Esquema espectral caracteristico de los sistemas BOTDA, BOFDA y BOCDA y los derivados de ellos.
(b) Tipica configuration experimental de los sistemas BOTDA, BOFDA y BOCDA y los derivados de ellos.
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FIGURA 2.- Muestra un esquema de configuration experimental de acuerdo con las propuestas a) y b) de realization del sistema objeto de invention.
El bloque A representa la union de los cuatro elementos 1, 2, 3 y 7 descritos en la FIGURA 1. El elemento B en este caso representa un sistema de filtrado que permite separar la banda de la senal de sonda amplificada y la banda de la senal de sonda atenuada. El bloque 6 representa el detector balanceado.
FIGURA 3.- Muestra un esquema de acuerdo con la propuesta c) de realizacion del sistema objeto de invencion.
Los bloques A y B representan los mismos elementos que en la FIGURA 2. Los bloques 6i y 6ii representan los dos fotoreceptores que recogeran las dos senales correspondientes a la senal amplificada y a la senal atenuada. El bloque 6iii cualquier sistema capaz de calcular la diferencia de la salida de los detectores (software, electronicamente, opticamente...).
REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION
El sistema de detection propuesto para la mejora del rango dinamico y el aumento del alcance de medida se aplica a cualquier sensor distribuido Brillouin de fibra optica cuya tecnologia de medida este basada en sistemas BOTDA, BOFDA o BOCDA asi como a cualquiera de sus variantes (Vectorial-BOTDA/BOFDA, Raman Assisted-BOTDA/BOFDA u otros).
Todos los sistemas basados en estas tecnicas presentan un esquema de senales en frecuencia como el que se representa en la FIGURA 1a, en donde a ambos lados de la senal de bombeo (generada en el elemento 1 de la FIGURA 1b) con la que se genera scattering Brillouin se introducen dos senales contrapropagantes a este (generadas en el elemento 2 de la FIGURA 1b) representadas en lmea continua en la FIGURA 1a. Estas dos senales deben estar equiespaciadas respecto a la senal de bombeo en el espectro optico. Cuando estas senales se encuentren separadas del bombeo una frecuencia proxima a vb y dentro de la banda de ganancia o atenuacion Brillouin generada por el bombeo, experimentaran una ganancia o una atenuacion en su amplitud al propagarse por la fibra optica bajo test (representada por el elemento 3 de la FIGURA 1b) junto con la senal de bombeo. El resultado de estos procesos simultaneos de amplification y atenuacion se extrae de la lmea de natural
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de propagation de la luz mediante el dispositivo representado por el elemento 4 de la FIGURA 1b. Este dispositivo puede estar disenado y fabricado tanto en tecnologia de fibra optica como en cualquier otra tecno^a. En los elementos 5 y 6 de la FIGURA 1b tienen lugar todos los procesos y acciones necesarios para obtener, de estas dos senales (atenuada y amplificada por scattering Brillouin estimulado), la senal resultado de la monitorizacion de la fibra bajo test (3), segun se recoge en la description de esta patente.
Dicho sistema de detection puede ser materializado de la siguiente manera:
a) Para un sistema BOTDA.
i. Se utilizan dos o mas senales luminosas, bombeo (1) (esta senal se emitira en regimen pulsado) y sonda o sondas (2), que se introducen en la fibra optica sensora (3) en sentido contra-propagante. Ambas senales se introducen en la fibra a traves de sistemas de insercion/extraccion (4), por ejemplo un circulador, e insertion (7), por ejemplo un splitter.
La fibra optica sensora (3) se tiende a lo largo del elemento objeto del sensado, por ejemplo una gran infraestructura civil.
Se utiliza un filtro optico (5) de discrimination espectral, mediante el cual conseguiremos separar las bandas de interes, que presentan frecuencias simetricas respecto a la frecuencia central del bombeo.
Posteriormente, en deteccion (6) se calcula la diferencia entre la amplitud de ambas bandas mediante un detector balanceado o detectores simples en combination con elementos electronicos, electro-opticos, opticos o por software, obteniendo asi una senal con mayor potencia que con banda unica.
ii. Como en la realization (i) pero separando las senales de sonda amplificada y atenuada mediante elementos sensibles a la polarization. Para ello sera necesario que las dos bandas de la senal de sonda tengan polarizaciones ortogonales, lo cual obliga a un diseno espedfico del dispositivo con el que se genera la senal de sonda. Respecto a la realizacion (i), se sustituye el filtro de discriminacion espectral por un filtro de discriminacion en polarizacion.
iii. Como en la realizacion (i) y (ii) combinando los dos tipos de filtros.
b) Para un sistema BOFDA igual que la realization (a), solo que en este caso el bombeo esta modulado en lugar de pulsado.
c) Para un sistema BOCDA igual que la realizacion (a), solo que en este caso hay una
5 modulation de frecuencia tanto en el bombeo como en la sonda.
Claims (4)
- 51015202530REIVINDICACIONES1. Sistema de detection diferencial para sensores distribuidos sobre fibra optica basados en scattering Brillouin estimulado caracterizado porque comprende:- una o mas fuentes luminosas utilizadas como fuentes de bombeo y sonda para generar el efecto de scattering Brillouin estimulado (1,2),- fibra optica (3) utilizada como elemento sensor, que se conecta a las fuentes luminosas mediante un puerto de entrada/salida (4) y de entrada (7),- un elemento o dispositivo que divida la senal a la salida de la fibra optica sensora (3) de manera que se puedan analizar la banda amplificada y la banda atenuada en el proceso de scattering Brillouin, por separado. El dispositivo para realizar esta separation sera cualquiera que permita diferenciar ambas senales, por ejemplo un dispositivo que discrimine en frecuencia.- un sistema detector (6) capaz de recoger y procesar las senales de la banda de sonda amplificada y la banda de sonda atenuada (diferencia entre la banda de amplification y la banda de atenuacion estimuladas, o viceversa) y que no distorsione estas senales de forma irreparable.
- 2. Sistema de deteccion diferencial para sensores distribuidos sobre fibra optica basados en scattering Brillouin estimulado, de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque el sistema detector (6) consiste en un detector balanceado.
- 3. Sistema de deteccion diferencial para sensores distribuidos sobre fibra optica basados en scattering Brillouin estimulado, de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque:- el detector balanceado recogido en la reivindicacion 2 es sustituido por dos detectores simples (fotoreceptores). Cada detector tiene a su entrada la senal optica de una de las bandas (amplificacion y atenuacion),- algun elemento electronico o logico que obtenga la diferencia de las salidas de los dos detectores o algun procesado equivalente que mejore la relation senal- ruido.
- 4. Sistema de deteccion diferencial para sensores distribuidos sobre fibra optica basados en scattering Brillouin estimulado, de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque en vez de usar un dispositivo de discriminacion espectral para separar las dos senales se usara uno de discriminacion en polarizacion, siempre y 5 cuando las dos bandas de senal tengan polarizaciones ortogonales.
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