Reflectómetro óptico sensible a la fase

El reflectómetro de dominio de tiempo óptico sensible a la fase ( ϕ-OTDR, reflectómetro de dominio de tiempo óptico sensible a la fase )  es un dispositivo para el control vibroacústico de objetos extendidos [ 1] . Este dispositivo en la literatura científica y técnica también se denomina reflectómetro coherente [2] o sensor de impacto acústico distribuido [3] .

Cómo funciona

El principio de funcionamiento del dispositivo es similar al de un reflectómetro óptico convencional . La principal diferencia radica en la longitud de coherencia de la fuente de radiación utilizada [4] . En un reflectómetro convencional, es menor que la longitud del pulso de sondeo, por lo que la potencia de radiación promedio se dispersa hacia atrás . En un reflectómetro sensible a la fase, la longitud de coherencia de la fuente es mayor que la duración del pulso, por lo que la radiación dispersada por las faltas de homogeneidad dentro de la duración del pulso se suma teniendo en cuenta las fases . Estas fases para cada onda son una variable aleatoria , como resultado de lo cual la señal de dispersión registrada, llamada reflectograma , tiene fluctuaciones . Esta señal es un análogo unidimensional del patrón moteado .

Estas desviaciones del reflectograma permanecen aproximadamente hasta que se cambian las fases de los centros de dispersión en cualquier sección del cable. Esto ocurre cuando la fibra óptica se deforma , lo que puede ser causado ya sea por un impacto directo en el cable, o por una onda acústica que le ha llegado de eventos ambientales.

Así, al analizar la estabilidad de los reflectogramas obtenidos, se pueden sacar conclusiones sobre los eventos que ocurren alrededor del sensor . En este caso, los reflectogramas no se acumulan para promediar (como ocurre en un reflectómetro óptico), sino que se procesan constantemente para identificar efectos. Una forma típica de usar este dispositivo es colocar una fibra sensora a lo largo de un objeto controlado (carretera, tubería , perímetro territorial, etc.) y luego rastrear los eventos emergentes que se muestran en la pantalla del operador.

Diagrama estructural

La radiación de la fuente 1 se amplifica en el amplificador 2 a la potencia requerida, luego el modulador acústico-óptico 5 genera un pulso de sonda bajo la acción de las señales de control del FPGA 3 y el controlador 4, que ingresa a los canales del sensor a través del divisor 6 (puede haber 1 en un esquema simplificado o 2 por redundancia), en cada uno de los cuales la radiación a través del circulador 7 ingresa a la fibra sensora 8. La radiación retrodispersada de cada punto del sensor es dirigida por el circulador 7 al preamplificador 9, lo que aumenta la baja potencia a un nivel detectable. El filtro 10 corta la radiación espontánea del preamplificador 9. La señal óptica se convierte en una señal eléctrica en el fotodiodo 11, luego se digitaliza en el ADC 12, se procesa previamente y se filtra en el FPGA 3. En la forma final , la información se alimenta a la computadora del operador 13. Características del esquema:

  1. La fuente láser debe tener una longitud de coherencia larga y una buena estabilidad de longitud de onda central.
  2. El booster debe permitir amplificar la señal hasta 1 W en modo continuo (el circuito con funcionamiento de booster pulsado es aceptable, pero da un nivel de ruido más alto)
  3. El FPGA debe tener suficiente poder de cómputo para proporcionar control de todos los componentes y preprocesar los datos recibidos.
  4. El controlador del modulador debe proporcionar tiempos de subida bajos y fluctuaciones bajas .
  5. El modulador debe proporcionar una alta relación de amortiguamiento para suprimir el ruido coherente, los frentes de pulsos bajos y la alta resistencia a la radiación. Por lo tanto, los moduladores acústico-ópticos se utilizan en dispositivos de este tipo.
  6. El divisor debe soportar una radiación de hasta 1 W.
  7. El circulador proporciona radiación al sensor y al fotodetector con pérdidas mínimas. También debe tener una alta resistencia a la radiación.
  8. La fibra sensora puede ser cualquier fibra monomodo, lo cual es una ventaja del dispositivo.
  9. El preamplificador cuando se usa un circuito de dos sensores debe ser de dos canales y permitirle ajustar la potencia de salida.
  10. El filtro óptico debe tener un ancho espectral estrecho para cortar el ruido espontáneo.
  11. El fotodiodo debe operar a frecuencias del orden de 10 MHz.
  12. El ADC debe ser de dos canales y corresponder a la frecuencia del fotodiodo
  13. La PC debe proporcionar el procesamiento final y la visualización de los datos. Varias PC pueden procesar datos usando diferentes algoritmos.

Características

Rango maximo

Un pulso de radiación óptica decae a medida que se propaga a través de la fibra . Para fibra monomodo , cuando se opera a una longitud de onda de 1550 nm, el valor típico del coeficiente de atenuación es de 0,18 dB/km [5] . Dado que la radiación después de la dispersión también va en sentido contrario, la atenuación final por 1 km del sensor será de 0,36 dB. La distancia máxima es aquella en la que el nivel de la señal dispersa se vuelve tan pequeño que no se puede distinguir del ruido del sistema. Esta limitación no puede ser superada aumentando la potencia de la radiación de entrada, ya que a partir de cierto valor esta provocará efectos no lineales que imposibilitarán el funcionamiento del sistema [6] . El rango de operación típico del sistema es de 50 km.

Resolución espacial y frecuencia de muestreo

La resolución espacial está determinada predominantemente por la duración del pulso, siendo la mitad de la duración del pulso en la fibra . Por lo tanto, para una duración de pulso de 200 ns, la resolución espacial será de 10 m. Cabe señalar que la duración del pulso afecta la cantidad de energía retrodispersada, por lo que la resolución está relacionada con el rango máximo. Sin embargo, aumentar la duración del pulso conduce a un deterioro de la resolución espacial, por lo que se utilizan comúnmente duraciones en el rango de 100 a 1000 ns. La frecuencia de muestreo debe distinguirse de la resolución espacial. Está determinado por la velocidad del ADC del dispositivo y puede ser de hasta 10 ns. Pero esto no significa que el dispositivo pueda distinguir eventos con una resolución de 1 m, ya que estos eventos se “mezclan” dentro de un pulso de diez metros.

Frecuencia de sonido registrada

Un reflectograma es un conjunto de valores de intensidad en cada punto del sensor. Es decir, cuanto mayor sea el número de reflectogramas que recibamos, mayor será la frecuencia que podremos registrar. Pero está limitado desde arriba, ya que para obtener un patrón de retrodispersión, es necesario que el pulso de luz llegue primero al punto más alejado del sensor y luego regrese la radiación retrodispersada. Para una fibra de 50 km con un índice de refracción de 1,5, esto requeriría 500 µs, es decir, la frecuencia de muestreo del sensor es de 2 kHz. Según el teorema de Kotelnikov , dicho sistema puede registrar señales con frecuencias de hasta 1 kHz.

Mediciones de temperatura

Un sistema de dispersión de Rayleigh, así como un dispositivo basado en la dispersión de Raman y Brillouin, pueden detectar cambios de temperatura, ya que el calentamiento y el enfriamiento afectarán las fases aleatorias de los centros de dispersión. Sin embargo, esta tendencia aún no ha ganado una amplia aceptación.

Aplicación

El dispositivo es capaz de registrar impactos acústicos mediante un cable sensor de fibra de hasta 50 km de longitud con una resolución de hasta 10 m, mostrando los resultados en la pantalla del operador. Tales oportunidades hacen que su aplicación sea relevante en varias áreas [7] .

En primer lugar, para el control de objetos extendidos [8] . El dispositivo puede notificar sobre el acercamiento de una persona (por 5 metros), un automóvil (por 50 metros) u otros objetos que emiten ondas de sonido, cuya apariencia puede representar un peligro para el objeto controlado.

En segundo lugar, para perfiles sísmicos verticales y registros de pozos [12] . Para estos fines, se utilizan reflectómetros sensibles a la fase con recuperación de fase [13] . Tienen la peor sensibilidad (lo cual es un inconveniente cuando se crea un sistema de monitoreo para objetos extensos), pero le permiten restaurar la forma original de la señal de sonido (lo cual es una ventaja cuando se construye un perfil de pozo).

Beneficios

El sensor de este dispositivo es una fibra de telecomunicaciones ordinaria , que proporciona inmediatamente las siguientes ventajas:

El dispositivo en su conjunto tiene las siguientes ventajas:

Direcciones de desarrollo

El sistema de sensores basado en un reflectómetro óptico sensible a la fase tiene una serie de características técnicas en las que actualmente están trabajando los principales grupos de investigación:

  1. "Zonas muertas", que se deben a la irregularidad del reflectograma. En estos, hay una disminución significativa de la sensibilidad. Esta deficiencia se puede eliminar de varias maneras. En primer lugar, mediante el apilamiento de varias fibras, en las que las zonas con sensibilidad reducida se compensarán entre sí. En segundo lugar, escaneando en múltiples longitudes de onda. En tercer lugar. usando un cambio secuencial de la longitud de onda por el modulador.
  2. Posibilidad de rotura del cable del sensor. La confiabilidad aumenta cuando se colocan dos cables, así como cuando se conecta al cable del sensor desde ambos lados (colocación de "anillo")
  3. Imperfección de algoritmos para el registro de influencias externas. El aislamiento de eventos en el contexto del ruido del sistema es una tarea compleja, cuyos métodos de resolución se mejoran constantemente por parte de las empresas de desarrollo [14] . Los FPGA más potentes con algoritmos más avanzados pueden aumentar la probabilidad de detección correcta. Una de las áreas en desarrollo más activas es el uso de redes neuronales y herramientas de aprendizaje automático [15]
  4. Requisitos para el reemplazo rápido de componentes defectuosos por parte de algunas organizaciones de usuarios de seguridad. Normalmente, los instrumentos ópticos se fabrican como un solo dispositivo, cuya reparación la lleva a cabo la empresa fabricante. Pero en este caso, es posible fabricar un dispositivo de acuerdo con un diagrama de bloques con la posibilidad de intercambiar fuentes de alimentación, amplificadores y otros componentes en caliente.

Notas

  1. ↑ Henry F. Taylor, Chung E. Lee. Patente de Estados Unidos: 5194847 - Aparato y método para detección de intrusión de fibra óptica (16 de marzo de 1993). Consultado el 6 de mayo de 2016. Archivado desde el original el 8 de diciembre de 2016.
  2. ↑ VS Vdovenko, BG Gorshkov, MV Zazirnyi, AT Kulakov, Andrei S Kurkov. Reflectómetro coherente con un interferómetro de luz dispersa de dos fibras  // Quantum Electronics. - T. 41 , n. 2 . — S. 176–178 . -doi : 10.1070/ qe2011v041n02abeh014467 . Archivado desde el original el 4 de junio de 2016.
  3. ↑ Marchenko, K.V., Naniy, O.E., Nesterov, E.T., Ozerov, A.Zh., Treshchikov, V.N. Protección FOCL por un sensor acústico distribuido basado en un reflectómetro coherente Vestnik svyazi  . — 2011-01-01. - Asunto. 9 _ Archivado desde el original el 24 de septiembre de 2016.
  4. ↑ AE Alekseev, Ya A. Tezadov, VT Potapov. La influencia del grado de coherencia de un láser semiconductor en la estadística de la intensidad retrodispersada en una fibra óptica monomodo  //  Journal of Communications Technology and Electronics. — 2011-12-28. — vol. 56 , edición. 12 _ — Pág. 1490–1498 . — ISSN 1555-6557 1064-2269, 1555-6557 . -doi : 10.1134/ S106422691112014X . Archivado desde el original el 6 de junio de 2018.
  5. ↑ Fibra óptica Corning SMF-28e+® LL . www.corning.com. Fecha de acceso: 6 de mayo de 2016. Archivado desde el original el 4 de junio de 2016.
  6. ↑ ET Nesterov, AA Zhirnov, KV Stepanov, AB Pnev, VE Karasik. Estudio experimental de la influencia de los efectos no lineales en el rango de operación del reflectómetro óptico sensible a la fase en el dominio del tiempo  (inglés)  // Journal of Physics: Conference Series. — 2015-01-01. — vol. 584 , edición. 1 . — Pág. 012028 . — ISSN 1742-6596 . -doi : 10.1088 / 1742-6596/584/1/012028 .
  7. ↑ Xiaoyi Bao, Liang Chen. Avances recientes en sensores de fibra óptica distribuidos   // Sensores . — 2012-06-26. — vol. 12 , edición. 12 _ — Pág. 8601–8639 . -doi : 10.3390/ s120708601 . Archivado desde el original el 4 de abril de 2016.
  8. ↑ Juan C. Juárez, Eric W. Maier, Kyoo Nam Choi, Henry F. Taylor. Sistema de sensor de intrusión de fibra óptica distribuido (EN) // Journal of Lightwave Technology. - 2005-06-01. - T. 23 , n. 6 _ Archivado desde el original el 7 de agosto de 2016.
  9. ↑ J. Tejedor, H. Martins, D. Piote, J. Macias-Guarasa, J. Pastor-Graells. Hacia la prevención de amenazas a la integridad de las tuberías mediante un sistema de vigilancia de fibra óptica inteligente  // Journal of Lightwave Technology. — 2016-01-01. - T. PP , núm. 99 . — P. 1–1 . — ISSN 0733-8724 . -doi : 10.1109/ JLT.2016.2542981 .
  10. ↑ Yi Shi, Hao Feng, Zhoumo Zeng. Un reflectómetro de dominio de tiempo óptico sensible a la fase de larga distancia con estructura simple y alta precisión de localización   // Sensores . — 2015-09-02. — vol. 15 , edición. 9 _ — Pág. 21957–21970 . -doi : 10.3390/ s150921957 . Archivado desde el original el 5 de mayo de 2016.
  11. ↑ AB Pnev, AA Zhirnov, KV Stepanov, ET Nesterov, DA Shelestov. Análisis matemático del sistema de monitoreo de fugas de tuberías marinas basado en OTDR coherente con longitud de sensor y frecuencia de muestreo mejoradas  //  Journal of Physics: Serie de conferencias. — 2015-01-01. — vol. 584 , edición. 1 . — Pág. 012016 . — ISSN 1742-6596 . -doi : 10.1088 / 1742-6596/584/1/012016 .
  12. ^ Tecnología de detección acústica distribuida | Schlumberger . www.slb.com. Consultado el 6 de mayo de 2016. Archivado desde el original el 10 de mayo de 2016.
  13. ↑ AE Alekseev, VS Vdovenko, BG Gorshkov, VT Potapov, IA Sergachev. Reflectómetro de coherencia óptica sensible a la fase con modulación por cambio de fase diferencial de pulsos de sonda  // Quantum Electronics. - T. 44 , n. 10 _ — S. 965–969 . -doi : 10.1070/ qe2014v044n10abeh015470 . Archivado desde el original el 4 de junio de 2016.
  14. ↑ Qian Sun, Hao Feng, Xueying Yan, Zhoumo Zeng. Reconocimiento de un sistema de detección OTDR de sensibilidad de fase basado en la extracción de características morfológicas   // Sensores . — 2015-06-29. — vol. 15 , edición. 7 . — Pág. 15179–15197 . -doi : 10.3390/ s150715179 . Archivado desde el original el 1 de julio de 2016.
  15. ↑ WB Lyon, E. Lewis. Redes neuronales y técnicas de reconocimiento de patrones aplicadas a sensores de fibra óptica  //  Transacciones del Instituto de Medida y Control. - 2000-12-01. — vol. 22 , edición. 5 . - Pág. 385-404 . — ISSN 1477-0369 0142-3312, 1477-0369 . -doi : 10.1177/ 014233120002200504 .