Sistema para la mejora del rango dinámico y la reducción de la incertidumbre de medida en sensores distribuidos sobre fibra óptica.

Basado en amplificación distribuida mediante efecto Raman, consistente en uno o más láseres (5) de bombeo a diversas longitudes de onda, combinados con un número variable de reflectores (6) en fibra óptica. Con estos elementos se consigue inducir en la fibra óptica sensora (4) las condiciones necesarias para la propagación de las señales del sensor en régimen de transparencia virtual, mejorando la relación señal-ruido en la señal del sensor, mejorando el rango dinámico y aumentando la longitud de alcance del sensor en hasta 250 km.

Sistema para la mejora del rango dinámico y la reducción de la incertidumbre de medida en sensores distribuidos sobre fibra óptica.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al sector de las tecnologías físicas aplicándose a sistemas de medición basados en sensores distribuidos sobre fibra óptica.

El objeto principal de la presente invención es un sistema para la mejora del rango dinámico (aumento del alcance de medida) y la reducción de la incertidumbre de medida en sensores distribuidos sobre fibra óptica, basado en amplificación distribuida mediante efecto Raman en fibra y usando distintos láseres de bombeo y reflectores.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los sensores distribuidos constituyen una técnica atractiva y muy prometedora para sensado en largas longitudes de parámetros físicos como la deformación y la temperatura. En los últimos años, los sensores basados en tecnología de fibra óptica y efectos lineales como el scattering Rayleigh, y no lineales como el scattering Raman y el scattering Brillouin han experimentado una creciente aplicación en instrumentación de todo tipo de infraestructuras civiles (puentes, túneles, edificios, presas...) , de transporte (aviones, líneas ferroviarias, ...) , industriales (conducciones de gas, de agua, plataformas petrolíferas, ...) .

El scattering Rayleigh tiene lugar en cualquier material por la interacción de los fotones con los átomos que componen el material. Como resultado de esta interacción, en el caso particular de la fibra óptica, parte de la señal óptica retorna por ella hacia la fuente emisora.

El efecto Raman es la absorción y posterior emisión de un fotón al interaccionar con electrones en un medio material con intercambio de energía con este medio, haciendo pasar al electrón a un estado virtual y generándose un nuevo fotón de energía mayor o menor que la del fotón incidente. La pérdida o ganancia de energía se explica mediante la generación de una partícula llamada fonón óptico.

El efecto Brillouin es similar al descrito como Raman pero el intercambio de energía se explica con la generación de un fonón acústico. Ambos efectos que producen nuevos fotones a frecuencias diferentes a las del fotón incidente (o fotón de bombeo) se aprovechan en la presente invención, y se usan como amplificadores distribuidos, ya que los fotones de baja señal toman energía de los fotones generados por estos procesos a lo largo de su propagación por la fibra óptica.

Los fenómenos no lineales de scattering Raman y Brillouin que tienen lugar en la fibra óptica, tienen una dependencia directa con las variaciones de temperatura (Raman y Brillouin) y deformaciones (Brillouin) que experimenta la fibra óptica, con lo que se convierten en técnicas directas de sensado de estas magnitudes.

Basados en estos fenómenos físicos, se han desarrollado a lo largo de los años distintas variedades de sensores, como son los basados en scattering lineal OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) , y OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometer) , y los basados en scattering no lineal como ROTDR (Raman Optical Time Domain Reflectometer) , ROFDR (Raman Optical Frequency Domain Reflectometer) , BOTDR (Brillouin Optical Time Domain Reflectometer) , BOTDA (Brillouin Optical Time Domain Analyzer) , BOFDA (Brillouin Optical Frequency Domain Analyzer) . Todos ellos tienen una limitación insalvable e inherente a la fibra óptica que es la atenuación que sufre la luz al propagarse por ella. El rango en longitud de medida que presentan todos estos sistemas está entre las decenas de metros y la treintena de kilómetros.

Los sistemas de sensado distribuido en fibras existentes en el mercado actualmente son:

- FOS-TA: Fibre Optic Sensing Technology and Applications. Distributed Temperature and Strain Sensing (DTS & DTSS) System. Singapur. Máximo Rango de medida 30 km.

- Omnisens: DiTeSt: Distributed Temperature & Strain monitoring instruments. Suiza. Hasta 30 km, Similar instrumento comercializa SMARTECH (Suiza) .

- Neubrex Ldt. Japan. NEUBRESCOPE : Pre-Pump BOTDA Technique, Hasta 25 km.

- AGILENT Distributed Temperature System N4385A / N4386A Basado en scattering Raman sobre fibra multimodo, hasta 12 km.

- YOKOGAWA AQ8603 Optical Fiber Strain Analyzer, basado en Brillouin espontáneo.

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Finalmente cabe decir que en los actuales sistemas comerciales de sensado la incertidumbre de medida se incrementa con la distancia al punto de sensado por el incremento entre otras cosas de la relación señal ruido de medida, con el consiguiente error en la magnitud medida.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención se centra en la descripción de un sistema para la mejora del rango dinámico y la reducción de la incertidumbre de medida en sensores distribuidos sobre fibra óptica, basado en un sistema de amplificación distribuida mediante efecto Raman en fibra, usando distintos láseres de bombeo y reflectores en fibra óptica. Con estos elementos se consigue inducir en la fibra óptica sensora las condiciones necesarias para la propagación de las señales del sensor en régimen de transparencia virtual, mejorando la relación señal-ruido en la señal del sensor, mejorando el rango dinámico y aumentando en hasta 250 km la longitud de alcance del sensor.

Mediante la presente invención se consigue además que la incertidumbre de medida, en todas y cada una de las variantes que aquí se quieren proteger, no varíe con la distancia al punto de sensado, quedando esta incertidumbre constante en toda la propagación (distancias de hasta 250 km) .

Asimismo se describen distintas posibilidades de desarrollo de la técnica descrita:

a) El sistema de amplificación distribuida está basado en bombeo bi-direccional Raman con una única frecuencia desde ambos extremos de la fibra óptica sensora, en el cual las señales sensoras poseen longitudes de onda cercanas a las del primer desplazamiento Stokes Raman de los láseres de bombeo.

b) Variante en la cual el sistema de amplificación distribuida está basado en bombeo uni o bi-direccional Raman de orden uno o superior con varias frecuencias diferentes, capaces de amplificarse en cascada entre sí mediante dispersión Raman, en el cual las señales sensoras poseen longitudes de onda cercanas a las del primer Stokes de los láseres de bombeo de frecuencia más baja.

c) Variante en la cual el sistema de amplificación distribuida se complementa con el uso de uno o más reflectores situados en línea con la fibra óptica sensora.

d) Variante en la cual el sistema de amplificación distribuida se complementa con el uso de uno o más reflectores, los cuales son utilizados para crear una cavidad óptica activa en la fibra sensora, consiguiendo de esta manera que la fibra sea un medio virtualmente transparente.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1. Muestra un esquema de acuerdo con la propuesta a) de realización del sistema objeto de invención.

Figura 2. Muestra un esquema de acuerdo con la propuesta e) de realización del sistema objeto de invención.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

El sistema propuesto para la mejora del rango dinámico y reducción de la incertidumbre de medida en sensores distribuidos de fibra óptica se aplica a cualquier tipo de sensor distribuido (1) de fibra óptica, independientemente de su tecnología de medida (OTDR, OFDR, ROTDR, ROFDR, BOTDR, BOTDA, BOFDA) y se acoplará en un puerto de entrada/salida (2a) , o de entrada (2a) y de salida (2b) , a través de unos acopladores ( (3a) o (3a) y (3b) ) dependiendo de la configuración en la que el sistema mida. Dicho sistema puede ser materializado en los siguientes ejemplos:

a) Se usan una o más fuentes (1a) luminosas. La luz emitida por ellas se inyecta a través del puerto de entrada (2a) en la fibra óptica sensora (4) mediante un...

1. Sistema para la mejora del rango dinámico y la reducción de la incertidumbre de medida en sensores distribuidos sobre fibra óptica, caracterizado porque comprende:

un sistema de sensado distribuido (1) de fibra óptica, basado en scattering Rayleigh, Raman o Brillouin, consistente en una o más fuentes (1a) emisoras de señales de sonda y bombeo, y uno o más detectores (1b) o analizadores espectrales,

una fibra óptica sensora (4) que transmite señales, siendo dicha fibra óptica sensora (4) utilizada como elemento sensor, que se conecta al sistema de sensado distribuido (1) mediante un puerto de entrada/salida (2a) , o de entrada (2a) y de salida (2b) , a través de unos acopladores ( (3a) o (3a) y (3b) ) dependiendo de la configuración en la que el sistema mida, y

un sistema de amplificación distribuida mediante efecto Raman, consistente en uno o más láseres (5) de bombeo, que bombean a la fibra óptica sensora (4) desde al menos uno de sus extremos.

2. Sistema para la mejora del rango dinámico y la reducción de la incertidumbre de medida en sensores distribuidos sobre fibra óptica, de acuerdo con reivindicación 1, caracterizado porque el sistema de amplificación distribuida está basado en bombeo bi-direccional Raman con una única frecuencia desde ambos extremos de la fibra óptica sensora (4) , en el cual las señales sensoras poseen longitudes de onda cercanas a las del primer desplazamiento Stokes Raman de los láseres (5) de bombeo.

3. Sistema para la mejora del rango dinámico y la reducción de la incertidumbre de medida en sensores distribuidos sobre fibra óptica, de acuerdo con reivindicación 1, caracterizado porque el sistema de amplificación distribuida está basado en bombeo uni o bi-direccional Raman de orden superior con varias frecuencias diferentes, capaces de amplificarse en cascada entre sí mediante scattering Raman, en el cual las señales transmitidas por la fibra óptica sensora (4) poseen longitudes de onda cercanas a las del primer desplazamiento Stokes de los láseres (5) de bombeo de frecuencia más baja.

4. Sistema para la mejora del rango dinámico y la reducción de la incertidumbre de medida en sensores distribuidos sobre fibra óptica, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 ó 3, caracterizado porque el sistema de amplificación distribuida comprende adicionalmente uno o más reflectores (6) adaptados para la mejora de la relación señal-ruido en las señales transmitidas por la fibra óptica sensora (4) y el aumento de la longitud de alcance del sistema de sensado distribuido (1) .

5. Sistema para la mejora del rango dinámico y la reducción de la incertidumbre de medida en sensores distribuidos sobre fibra óptica, de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque los reflectores (6) están situados en línea con la fibra óptica sensora (4) .

6. Sistema para la mejora del rango dinámico y la reducción de la incertidumbre de medida en sensores distribuidos sobre fibra óptica, de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque los reflectores (6) se encuentran en ambos extremos de la fibra óptica sensora (4) , de modo que forman una cavidad óptica activa para conseguir que la fibra óptica sensora (4) sea un medio virtualmente transparente, dentro de la cual tiene lugar la amplificación en cascada de los órdenes Stokes sucesivos.

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