Ultra-long range Brillouin Optical Time Domain Analysis
- Autores: Xabier Angulo Vinuesa
- Directores de la Tesis: Sonia Martín López (dir. tes.), Miguel González Herráez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2014
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Capmany (presid.), Fernando Bernabé Naranjo Vega (secret.), Carmen Vázquez García (voc.), Luc Thévenaz (voc.), Manuel López-Amo Sainz (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
- español
Nuestro estilo de vida actual, basado en la industrialización y el consumo, requiere de grandes infraestructuras que puedan dar servicio a todas las necesidades asociadas al entorno: autopistas, líneas ferroviarias de alta velocidad, presas, gasoductos, oleoductos, estaciones de aerogeneración, líneas de alta tensión, etc. Evidentemente, la seguridad de las citadas estructuras es una prioridad ya que decenas, cientos, e incluso miles de vidas pueden estar en riesgo en caso de accidente. Ese creciente requisito en términos de seguridad, está aumentando de manera considerable el desarrollo y aplicación de sensores de fibra óptica en detrimento de los típicos sensores eléctricos. Este reemplazo se debe a ciertas ventajas que tienen los dispositivos basado en fibra óptica: pequeño tamaño y ligereza, menor coste, baja atenuación, capacidad de multiplexación, inmunidad al ruido electromagnético o resistencia a temperaturas extremas. Evidentemente, no todos los sensores de fibra óptica son aplicables a cualquier tipo de estructura o aplicación. En el campo de las grandes infraestructuras (> 25-30 km), los sistemas de fibra basados en la tecnología BOTDA (Brillouin Optical Time Domain Analysis) están tomando cada vez mayor protagonismo debido a sus cualidades en rango de medida (> 50 km) y resolución (< 10 m). Este tipo de sensores, denominados distribuidos por su capacidad de "convertir" cada sección de fibra en un sensor simplemente introduciendo luz por ambos extremos de la propia fibra, proporcionan información de variaciones de temperatura y deformación, y por consiguiente de cualquier magnitud asociada a ambas. La necesidad de introducir dos señales de luz en la fibra objetivo dificulta la aplicación de este tipo de sistemas en ciertas infraestructuras de muy larga distancia (> 100 km), donde la fibra tenga que ir y volver a la estación de sensado (> 200 km) sin posibilidad de que la luz sea amplificada por algún elemento intermedio. Además, cada vez se demanda más la posibilidad de monitorizar grandes estructuras (> 100 km) con resoluciones por debajo del metro, lo que dificulta considerablemente la implementación de los sistemas BOTDA. En este trabajo de tesis, se desarrolla un estudio cuidadoso de todos los problemas asociados al incremento de distancia y resolución en sistemas BOTDA y, consecuentemente, se proponen técnicas aplicables para evitarlos. En particular, abordaremos en profundidad los desafíos y las constantes de diseño de los sistemas BOTDA asistidos por Raman. La amplificación Raman en sistemas BOTDA implica un aumento del rango de sensado pero, desgraciadamente, introduce un ruido en la señal detectada denominado RIN (Relative Intensity Noise). Para evitar los problemas asociados a la transferencia de RIN, propondremos diferentes métodos capaces de eliminar parcialmente las características típicas del ruido RIN. Gracias a la aplicación de estas nuevas técnicas y procedimientos de optimización, se demuestra de manera experimental el sensado a lo largo de 100 km con 0,5 metros de resolución y, por primera vez, una medición lineal de 240 km de fibra (120 km de fibra sensible) con una resolución de 5 metros.
- English
Our current lifestyle, based on industrialization and consume, requires big infrastructures that can provide service to all the generated associated necessities: freeways, high-speed railways, dams, pipeline transport for oil and gas, wind farms, high power lines, etc. Obviously, the safety of the cited structures is a priority since tens, hundreds, or even thousands of lives are at risk in case of accident. That increasing requirement in terms of security is enlarging considerably the development and application of optical fiber sensors in detriment of the standard electric sensors. This replacement arises due to the advantages that optical fiber devices have: reduced size and weight, low cost, small attenuation, multiplexing ability, immunity to electromagnetic noise or resistance to extreme temperatures. Obviously, not any optical fiber sensor is suitable for all kind of structures or applications. In the field of big infrastructures (> 25-30 km), systems based on Brillouin Optical Time Domain Analysis (BOTDA) technology are becoming more prominent due to their attributes in terms of range (> 50 km) and resolution (< 10 m). These kind of sensors, denominated as distributed because of their ability to “convert” every section of the fiber into a sensor by just introducing light on each side of the fiber itself, provide information of temperature and strain variations and, therefore, of any other associated magnitude. The necessity to introduce two light signals on the target fiber, makes difficult the application of these kind of systems over very long range infrastructures (> 100 km) where the fiber has to go back and forth to the sensing unit (> 200 km) without being possible to amplify the light by any intermediate element. Also, the demand for monitoring large structures (> 100 km) with sub-metrical resolutions is considerably increasing, which considerably complicates the implementation of BOTDA systems. In this thesis work we develop a careful study of all the associated issues to the increment of range and resolution in BOTDA systems and, consequently, we propose applicable techniques to avoid them. In particular we will address in depth the challenges and design constants of Raman assisted BOTDA systems. Raman amplification in BOTDA implies some increase in sensing range but, unfortunately, introduces a noise on the detected signal known as Relative Intensity Noise (RIN). To avoid the issues related to RIN transfer, we will propose different methods capable of partially removing typical RIN noise features. Thanks to the application of these new techniques and optimization procedures, it is experimentally proven the sensing over 100 km with 0.5 meter resolution and, for the first time, a linear measurement of 240 km fiber length (120 km sensing length) with 5 meter resolution.
- español
