Chirped-pulse phase-sensitive optical time domain reflectometry
- Autores: Juan Pastor Graells
- Directores de la Tesis: Sonia Martín López (dir. tes.), Hugo Fidalgo Martins (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2018
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Juan Diego Ania Castañón (presid.), Fernando Bernabé Naranjo Vega (secret.), Marcelo A. Soto Hernández (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Electrónica: Sistemas Electrónicos Avanzados. Sistemas Inteligentes por la Universidad de Alcalá
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
- español
El mundo actual funciona gracias a las grandes infraestructuras que dotan de energía y transporte seguros a sus ciudadanos. Dichas infraestructuras (presas, diques, gaseoductos, oleoductos, puentes, líneas de ferrocarril, carreteras...) típicamente presentan grandes dimensiones y es especialmente difícil monitorizar su buen funcionamiento y su salud estructural además de protegerlas de posibles amenazas. Los sensores distribuidos de fibra óptica son una solución fiable y rentable para esta problemática, ya que permiten medir vibraciones, deformaciones y temperatura a lo largo de todos los puntos de una fibra óptica estándar de comunicaciones.
Los sensores de fibra óptica basados en scattering Rayleigh son particularmente útiles cuando las medidas deben ser realizadas en tiempo real, como por ejemplo en la detección y caracterización de vibraciones. En esta tesis, se ha realizado un estudio acerca de distintas soluciones y alternativas a las limitaciones de la tecnología φOTDR. Se ha propuesto una nueva técnica, derivada de ésta, que ofrece unas prestaciones que superan notablemente a las de los sistemas φOTDR tradicionales.
Para ello, en primer lugar, se ha procedido a realizar un estudio en profundidad de los fundamentos y el estado del arte de las técnicas de monitorización basadas en Reflectometría Óptica en el Dominio del Tiempo (OTDR, por sus siglas en inglés) y, en particular, sobre la implementación sensible a la fase, también conocida como φOTDR.
Se ha estudiado la limitación en rango y resolución de los sistemas φOTDR principalmente asociada a la aparición de efectos no lineales como la inestabilidad de modulación. Actualmente, un φOTDR tradicional presenta una resolución máxima del orden de los 10 metros para un rango de medida del orden de pocas decenas de km (si no se aplica ningún tipo de técnica de amplificación distribuida). Además de estudiar esta limitación y a qué es debida, se han propuesto dos técnicas para mitigar los efectos perjudiciales de la MI. En primer lugar, se ha realizado un estudio del efecto de la forma de los pulsos ópticos empleados en el sensor en la traza retrodispersada en un φOTDR. Se ha podido comprobar cómo los pulsos triangulares o gaussianos presentan mayor robustez que los pulsos rectangulares, tradicionalmente empleados, frente a la MI. En segundo lugar, se ha propuesto una técnica basada en el concepto de Amplificación de Pulsos Chirpeados (CPA, por sus siglas en inglés), que ha permitido desarrollar un φOTDR con resoluciones milimétricas. Hasta el momento ningún φOTDR había podido llegar a tales resoluciones, lo que abre un nuevo abanico de aplicaciones a la tecnología OTDR donde se requiera alta resolución espacial en la medida.
También se ha estudiado la otra gran limitación de este tipo de sensores: su comportamiento no lineal ante una perturbación. Actualmente, salvo que se implementen técnicas de recuperación de fase o barridos en longitud de onda que implican más complejidad, coste y tiempo de medida, no es posible realizar medidas cuantificables de temperatura o deformaciones. Del mismo modo, tampoco se pueden realizar medidas acústicas reales. En este trabajo, en primer lugar, se propone emplear la técnica de Reconstrucción de Fase empleando Diferenciación Óptica Ultrarápida (PROUD, por sus siglas en inglés) para recuperar el campo complejo de una señal φOTDR. Con esta medida, el sensor pasaría a comportarse de forma lineal sin la complejidad intrínseca de los métodos tradicionales de detección de fase. En segundo lugar, y de aquí viene el nombre de esta tesis doctoral, se propone el uso de pulsos chirpeados en los sensores φOTDR. La nueva técnica llamada Chirped-Pulse φOTDR, ha permitido la medida de forma lineal de cambios de temperatura y deformaciones, en un ´unico disparo y sin la necesidad de realizar barridos en frecuencia o implementar detección coherente. A lo largo de este trabajo, se han alcanzado resoluciones de 0.5mK/4nε y se ha demostrado la posibilidad de hacer medidas acústicas reales. También se han estudiado las limitaciones de esta técnica y propuesto varias soluciones. Se ha demostrado que el ruido de fase del láser empleado en el sistema, puede ser mitigado con esta nueva técnica.Además, se ha propuesto el uso de amplificación distribuida basada en scattering Raman estimulado para alcanzar rangos de medida mayores, hasta 75 km con una resolución espacial de 10 m.
- English
The world today works thanks to big infrastructures, which provide safe energy and transport to its citizens. Such infrastructures (dams, pipelines, bridges, railways, roads...) typically present huge dimensions. Thus, the monitoring of its proper functioning and structural health and protecting them from possible threats is particularly difficult. Distributed optical fiber sensors are a reliable and efficient solution for this problem, since they allow the measurement of vibrations, strain and temperature along all the points of a conventional telecom fiber.
Distributed optical fiber sensors based on Rayleigh scattering are particularly useful when real time measurements are required (i. e. vibration detection). In this work, a study about different solutions and alternatives to φOTDR technology limitations has been realized. A new technique, derived from φOTDR, that offers performance features that are significantly superior to the φOTDR features, has been proposed.
To do this, first, a detailed study of the fundamentals and the state-of-the-art of the distributed monitoring techniques based on Optical Time Domain Reflectometry (OTDR), and particularly about the phase-sensitive implementation of OTDR (φOTDR), has been realized.
The limitation in range and resolution of φOTDR systems associated to the onset of nonlinear effects such as Modulation Instability (MI) has been studied. A traditional φOTDR presents a maximum spatial resolution of tens of meters for a sensing range about a few tens of kilometers (if no distributed amplification technique is implemented). Two techniques for mitigating the non-desired MI effect were proposed. First, the impact of the probe pulse shape in the backscatter trace of φOTDR-based sensing systems is studied. The results show that Gaussian and triangular-shaped pulses present higher robustness against MI than the conventional square-shaped pulses. Secondly, a new technique based on the concept of Chirped Pulse Amplification (CPA) which achieves millimetric resolutions has been proposed. This new φOTDR performance opens to a wide range of applications where high spatial resolutions are required.
Another important limitation of these sensors has also been studied: its non-linear behavior when a perturbation is applied. Unless phase recovery techniques or frequency sweeps are implemented (increasing the complexity, cost and measurement time), quantifiable temperature and strain sensing is not possible using φOTDR technology. In the same way, real acoustic sensing is not possible either. To solve this, two techniques are proposed. First, the possibility of using Phase Reconstruction Using Optical Ultrafast Differentiation (PROUD) for recovering the complex field of the backscattered φOTDR signals is analyzed. Implementing PROUD, linear measurements would be possible without the intrinsic complexity of traditional coherence detection. Secondly, the use of chirped-pulses in φOTDR sensors is proposed. The new technique has been named Chirped-Pulse φOTDR. This new technique allows for the measurement of distributed strain and temperature changes, in a single shot and without the requirement of a frequency scan or coherent detection. Temperature/strain resolutions of 0.5mK/4nε and real acoustic sensing have been demonstrated along this work. The limitations of this technique have also been studied and some solutions proposed. A method for mitigating the induced uncertainty introduced by the laser phase noise is proposed. Furthermore, the sensing range of this new sensor is increased using distributed amplification based on stimulated Raman scattering, achieving a sensing length of 75 km with 10 m spatial resolution
- español
