Estudio de los métodos de mejora de sensores Brillouin distribuidos en fibra óptica mediante amplificación Raman
- Autores: Félix Rodríguez Barrios
- Directores de la Tesis: Pedro Corredera Guillén (dir. tes.), Sonia Martín López (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2013
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Miguel López Higuera (presid.), Miguel González Herráez (secret.), Ignacio Esquivias Moscardó (voc.), Alayn Loayssa Lara (voc.), Salvador Sales Maicas (voc.)
- Materias:
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- Resumen
- español
El gran desarrollo experimentado por los sensores de fibra óptica en los últimos años los han llevado a ser muy atractivos en ciertas aplicaciones de ingeniería civil, en el transporte energético, en la detección de incendios y contaminantes en condiciones adversas y a distancia, etc., pudiendo competir con los tradicionales sensores eléctricos y electrónicos. Las principales ventajas que ofrece esta tecnología radican en las buenas propiedades de la fibra óptica: baja atenuación, inmunidad a ruido electromagnético y deflagraciones, alta velocidad de transmisión, pequeño tamaño y peso, flexibilidad, posibilidad de multiplexado, ... Entre los sensores de fibra óptica, los sensores distribuidos son muy adecuados para la monitorización de grandes infraestructuras ya que permiten, con un único cable de fibra óptica y un solo interrogador, disponer de millares de puntos de monitorización distribuidos por la estructura. En concreto, los sensores distribuidos de fibra óptica basados en scattering Brillouin estimulado, conocidos en la bibliografía como BOTDA (Brillouin Optical Time Domain Analysis), son apropiados para la auscultación de estructuras civiles de gran tamaño, y particularmente para aquellas de gran longitud como las estructuras ferroviarias. Este tipo de sensor nos proporciona información relativa a la temperatura y deformación, así como de aquellas magnitudes físicas dependientes de las primeras, de cada punto de la fibra a lo largo de toda su longitud. Una de las limitaciones para esta aplicación que presentan los sensores BOTDA es su alcance. Cuando se pretende mantener resoluciones espaciales del orden del metro (1-2 metros) no es posible alcanzar longitudes monitorizables de mucho de más de 50 kilómetros. En este trabajo de tesis presentamos un ingenioso método para aumentar dicho rango utilizando amplificación Raman distribuida. La amplificación Raman distribuida la hemos incorporado al sistema BOTDA, tanto de primer orden utilizando un bombeo Raman a 1455 nm y amplificando a 1550 nm (en tres configuraciones diferentes), como de segundo orden, utilizando un bombeo Raman a 1365 nm y amplificando a 1550 nm, en configuración bi-direccional. Los resultados conseguidos con amplificación Raman de primer orden, supusieron en el momento de su divulgación en revistas y conferencias científicas, un record en cuanto a relación entre la distancia monitorizada, la resolución espacial y la incertidumbre de medida (75 km, 2 m, ±1.2ºC). Mediante la utilización de amplificación Raman de segundo orden sobre el sistema BOTDA es posible lograr una relación señal/ruido aproximadamente constante con la distancia, haciendo que la fibra óptica se comporte como una línea virtualmente sin pérdidas. Con este sistema hemos logrado monitorizar 100 kilómetros con resolución espacial de dos metros y conseguir que la relación señal/ruido sea prácticamente constante con la distancia, en comparación con el sistema BOTDA asistido con amplificación Raman de primer orden.
- English
The great development experienced by the optical fiber sensors over the last years have led them to being very attractive in certain applications of civil engineering, in energetic transport, in fire detection and pollutants in adverse conditions and distantly, etc., being able to compete with the traditional electrical and electronic sensors. The main advantages of this technology take root in the good properties of the optical fiber: low attenuation, immunity to electromagnetic noise and deflagrations, high speed of transmission, small size and weight, flexibility, possibility of multiplexing...
Between the optical fiber sensors, the distributed sensors are very adequate for the monitoring of big infrastructures because they allow, with only one cable of optical fiber and a sole interrogator, to have thousands of points of monitoring distributed through the structure. Specifically, the distributed optical fiber sensors based on stimulated Brillouin scattering, known in the bibliography as BOTDA (Brillouin Optical Time Domain Analysis), are adapted for the auscultation of civil structures of great size, and particularly for those of great length as the railway structures. This type of sensor provides us information relative to the temperature and deformation, as well as of those physical magnitudes dependent on the first ones, on every point of the fiber along all its length.
One of the limitations for this application that the BOTDA sensors present is its scope. When it tries to support spatial resolutions of the meter order (1-2 meters) it is not possible to reach monitorizable lengths highier than 50 kilometres. In this PhD work we present an ingenious method to increase the mentioned range using Raman distributed amplification. The Raman distributed amplification has been incorporated by us into the BOTDA system. We have used it in first order using a Raman pump with a 1455 nm wavelength, and amplifying at 1550 nm (in three different configurations). In the second order configuration we have used a Raman pump with a 1365 nm and amplifying at 1550 nm, in bidirectional configuration.
The results obtained with first order Raman amplification, supposed in the moment of its spreading in magazines and scientific conferences, a record in relation between the monitored distance, the spatial resolution and the uncertainty of measure (75 km, 2 m, ±1.2◦C).
By means of the use of Raman amplification in second order on the BOTDA system it is possible to achieve an approximately constant signal/noise relation with the distance, making that the optical fiber behave as a line virtually without losses. With this system we have managed to monitor 100 kilometres with spatial resolution of two meters and to achieve that the signal/noise relation is practically constant with the distance, in comparison with the BOTDA system assisted with first order Raman amplification
- español
