Time-expanded phase sensitive optical time-domain reflectometry
- Autores: Miguel Soriano Amat
- Directores de la Tesis: Sonia Martín López (dir. tes.), María del Rosario Fernández Ruiz (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2023
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Alejandro Carballar Rincón (presid.), Fernando Bernabé Naranjo Vega (secret.), Luca Schenato (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Electrónica: Sistemas Electrónicos Avanzados. Sistemas Inteligentes por la Universidad de Alcalá
- Materias:
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- Resumen
- español
Los sensores distribuidos de fibra óptica (DOFS por sus siglas en inglés) han resultado ser una herramienta muy útil, versátil y rentable en la monitorización de procesos que requieren una red de sensores con un elevado número de puntos de medida, típicamente superior al millar. Generalmente, este tipo de sensores se utiliza para vigilar túneles, presas, líneas de alta tensión o cables submarinos. A día de hoy, algunas de las tecnologías de sensado distribuido más prometedoras están basadas en dispersión Rayleigh, entre las que destacan la reflectometría óptica en el dominio del tiempo sensible a la fase (OTDR) y la reflectometría óptica en el dominio de la frecuencia (OFDR). Por una parte, los sistemas OTDR sobresalen por su elevado rango de medida y una alta tasa de muestreo que llega a frecuencias acústicas, aunque su resolución espacial típica está limitada a unos pocos metros. Por otra parte, la tecnología OFDR permite recuperar la respuesta espectral una fibra óptica bajo prueba con una alta resolución espacial, alcanzando el rango milimétrico. Sin embargo, dicha resolución se consigue a costa de reducir su rango de medida y la tasa de muestreo.
En esta Tesis se ha propuesto un novedoso sistema de interrogación de alta resolución basado en la técnica OTDR. El principal objetivo es ofrecer unas características de interrogación que permitan monitorizar de forma dinámica una fibra óptica bajo prueba con resolución espacial centimétrica. Para ello, ha sido clave la incorporación de la tecnología de peine de frecuencia dual (DFC). El proceso de compresión espectral asociado al uso de DFCs ha permitido recuperar respuestas de fibras ópticas con alta resolución espacial (gracias al uso de una señal con un ancho de banda óptico amplio) con unos anchos de banda eléctricos en detección reducidos, hasta cinco veces más pequeños que los requeridos en el caso convencional. En el dominio del tiempo, este desacoplamiento entre los anchos de banda óptico y eléctrico en detección da lugar a un proceso de expansión temporal de las trazas retrodispersadas recuperadas. Por este motivo, la nueva técnica de interrogación se conoce como reflectometría óptica en el dominio del tiempo sensible a la fase de tiempo expandido (TE-OTDR). Otra ventaja asociada al uso de DFC es la posibilidad de implementar estrategias de codificación de fase espectral eficientes con decodificación automática (es decir, sin tener que aplicar estrategias de decodificación digitales o basadas en una medida de referencia). Todo ello da lugar a una técnica de detección eficaz, flexible y distribuida, con un sistema de detección sencillo que tiene el potencial de ofrecer mediciones dinámicas de alta resolución en tiempo real.
Experimentalmente, se han llevado a cabo diferentes pruebas de concepto con el fin de validar la técnica de sensado. En particular, se han estudiado los efectos de la expansión temporal sobre la señal retrodispersada. Así, alargar la duración de las señales retrodispersadas mejora la relación señal-ruido (SNR) de las mismas. Por otra parte, se ha trabajado en diferentes técnicas de codificación de fase espectral que han permitido mejorar el nivel de potencia de las señales ópticas utilizadas para interrogar una fibra bajo prueba. De esta forma, se ha podido compensar la pérdida de SNR que conlleva el incremento de la resolución espacial y la tasa de muestreo acústico. De forma adicional, se ha realizado una demostración de monitorización de la integridad de un espécimen de ala flexible de un avión no tripulado, verificando la aplicabilidad de esta técnica en un proceso de medida completamente distribuido.
- English
Distributed optical fiber sensors (DOFS) have proven a very useful, versatile and cost-effective tool for monitoring processes that require a sensor network with very high numbers of points (typically beyond 1,000 sensing points). Conventionally, the DOFS are employed for surveillance purposes in tunnels, dams, power lines or submarine cables. Today, some of the most promising distributed sensing technologies are based on Rayleigh scattering, including phase-sensitive optical time domain reflectometry (ϕOTDR) and optical frequency domain reflectometry (OFDR).
On the one hand, the ϕOTDR systems are characterized by an elevated sensing range and a high sampling rate that reaches the acoustic scale, although their typical spatial resolution is limited to a few meters. On the other hand, OFDR technology usually allows recovering the spectral response of a fiber under test with high spatial resolution, even reaching the millimeter range. However, such resolution is achieved at the cost of reducing its measurement range and sampling rate.
In this Thesis, a novel high-resolution interrogation system based on the ϕOTDR technique has been proposed. The main objective is to develop a distributed sensing technique capable of dynamically interrogating fibers under test with centimeter spatial resolution. The introduction of dual-frequency comb technology (DFC) has been critical to meet such objective. The spectral compression process associated with the use of DFCs has made it possible to recover fibers responses with a high spatial resolution (thanks to using a signal with a wide optical bandwidth) with reduced electrical detection bandwidths, up to five times smaller than the required in a conventional scheme. In the time domain, this decoupling between the optical and electrical detection bandwidths results in a time-expansion process of the recovered backscattered traces. For this reason, the new interrogation technique is known as time-expanded phase-sensitive optical time-domain reflectometry (TE-ϕOTDR). Another advantage associated with the employment of DFC is the possibility of implementing efficient coding strategies with automatic decoding (i.e., without having to introduce decoding strategies based on digital methods or reference measurements). All this results in an efficient, flexible, distributed sensing technique with a simple detection system that has the potential to offer high-resolution dynamic measurements in real-time.
Experimentally, different proofs of concept have been carried out to validate the proposed technique. In particular, the effects of the temporal expansion on the backscattered traces have been studied. Hence, increasing the duration of the recovered scattered signals leads to an improvement of the signal-to-noise ratio (SNR) of the mentioned scattered signals. On the other hand, it has been worked on different spectral phase coding techniques that have allowed for increasing the power level of the optical waveforms used to probe the fiber under test.
This way, it has been possible to compensate for the reduction of the SNR of the backscatter traces when increasing the spatial resolution of the acoustic sampling rate. Besides, a structural health monitoring of a flexible wing specimen designed for an unmanned aircraft was performed, verifying the applicability of this technique in fully distributed measurements.
Furthermore, a series of proposals have been made to improve the performance and simplicity of the interrogator system. For example, different interrogation schemes have been developed to reduce the complexity and increase the stability of the experimental setup, in view of a future portable interrogator. However, the most interesting proposal is the introduction of a DFC scheme whose optical frequency combs have a quasi-integer ratio in their repetition rates.
This configuration has allowed us to bring distributed acoustic sensing to distances close to one kilometer with centimeter spatial resolution.
Finally, a series of conclusions are included in order to summarize all the objectives achieved during this Thesis, new applications and future lines of work.
- español
