Dispositivo y procedimiento para la medida de la distribución de magnitudes físicas en una fibra óptica.

La invención hace referencia a un dispositivo y a un procedimiento para la medida de la distribución de magnitudes físicas en una fibra óptica, basado en una mejora de la técnica de análisis óptico Brillouin en el dominio del tiempo. Dicho dispositivo, así como el procedimiento, mejoran la relación señal ruido de la señal de medida detectada mediante el uso de detección heterodina de dicha señal. Adicionalmente, la invención comprende la demodulación síncrona de la señal de radiofrecuencia resultado de la detección heterodina, lo que permite medir tanto el módulo como la fase del espectro de la interacción Brillouin, mejorando así la caracterización de dicho espectro.

Dispositivo y procedimiento para la medida de la distribución de magnitudes físicas en una fibra óptica

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención está relacionada con sensores de fibra óptica distribuidos, basados en el efecto no lineal de dispersión de Brillouin estimulada y, más específicamente, con los sensores basados en la técnica de análisis óptico Brillouin en el dominio del tiempo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los sensores Brillouin distribuidos basados en la técnica de análisis óptico de Brillouin en el dominio del tiempo (conocida dicha técnica como BOTDA, de las siglas en inglés de “Brillouin optical time-domain analysis”) , tienen su fundamento en la utilización del efecto no lineal de dispersión de Brillouin estimulada (“stimulated Brillouin scattering”, o SBS) en fibra óptica, por el cual dos ondas ópticas que se propagan en sentido opuesto, en un tramo de dicha fibra óptica, dan lugar a la aparición de una onda acústica que genera transferencia de energía desde una de las ondas, llamada onda de bombeo, a la otra onda, denominada onda de Stokes. El resultado de este proceso es que la onda de Stokes resulta amplificada y, la onda de bombeo, atenuada. Esto ocurre siempre que la separación en frecuencia óptica de las ondas de bombeo y de Stokes sea igual al llamado desplazamiento en frecuencia de Brillouin (Brillouin frequency shift, BFS) propio de la fibra óptica utilizada. De esta manera, el efecto da lugar a la aparición de un espectro de ganancia para ondas que se propaguen en sentido opuesto a la onda de bombeo y que tiene un máximo a la frecuencia óptica dada por la resta entre la frecuencia óptica de la onda de bombeo y el BFS. Este espectro, también llamado espectro de ganancia de Brillouin, tiene una forma de función de Lorentz y una anchura de línea del orden de algunas decenas de megahercios, que viene dada por el parámetro denominado anchura de línea de Brillouin, y que es propio de cada tipo de fibra óptica. Simultáneamente, se da un espectro de atenuación Brillouin con características análogas para ondas que se propagan en sentido opuesto a la onda de Stokes, con forma y anchura de línea similar.

En la aplicación del BOTDA al desarrollo de sensores, se aprovecha que el BFS depende de las magnitudes físicas a las que está sometida la fibra, en particular la temperatura (T) y la elongación de la fibra (E) . Concretamente, se encuentra que el BFS tiene una dependencia aproximadamente lineal con estos parámetros, que se puede

expresar como BFS=BFS +C T+C c , donde BFS0 es el BFS a una temperatura dada de referencia y sin

0 T c deformación de la fibra, y CT y CE son los coeficientes de dependencia con la temperatura y la elongación, respectivamente. Por tanto, puede encontrarse la temperatura o la elongación a la que está sometida una fibra, simplemente midiendo el espectro de ganancia Brillouin y determinando su máximo. Para hacer esto, se introduce, desde un extremo de la fibra, la onda de bombeo y, desde el otro extremo, una onda auxiliar de prueba que actúa como onda de Stokes en la interacción Brillouin. El procedimiento consiste en medir la ganancia que experimenta la onda de prueba al atravesar la fibra óptica para diferentes separaciones en frecuencia óptica entre las dos ondas. Igualmente, se puede utilizar el espectro de atenuación Brillouin, haciendo que la onda de prueba actúe como onda de bombeo en la interacción Brillouin. Con ello se puede determinar la temperatura o la elongación promedio a la que está sometida el tramo de fibra óptica utilizado.

La técnica BOTDA permite, además, realizar una medida de la distribución de las magnitudes físicas a lo largo de la fibra óptica. Para ello, se genera un pulso de onda de bombeo antes de introducirla por un extremo de la fibra. Dicho pulso de onda se contra-propaga a lo largo de la fibra con una onda de prueba, continua en el tiempo, que se introduce por el otro extremo. Finalmente, se mide la ganancia que experimenta esta onda de prueba tras atravesar la fibra óptica en función del tiempo. La ganancia medida en un instante dado corresponde a la interacción entre el pulso de bombeo y la onda de prueba, en una posición dada de la fibra. De esta manera, utilizando una técnica reflectométrica clásica, se puede traducir ganancia en función del tiempo a ganancia en función de la posición. Esto, combinado con el barrido de la separación en frecuencia óptica entre onda de bombeo y de prueba, permite medir el espectro de ganancia Brillouin en cada posición de la fibra y, a partir de él, encontrar el BFS en esa posición y con ello T y E. La resolución espacial de la medida viene determinada generalmente por la duración temporal del pulso de bombeo, puesto que éste determina la extensión en la que se produce ganancia por interacción Brillouin entre la onda de bombeo y la onda de prueba. La técnica BOTDA también se puede implementar mediante la medida del espectro de atenuación Brillouin en lugar del espectro de ganancia.

Además de los sensores BOTDA, existen otros tipos de sensores Brillouin distribuidos, como son los sensores basados en reflectometría óptica Brillouin en el dominio del tiempo (Brillouin optical time-domain reflectometr y , BOTDR) , que comprenden el uso de la dispersión de Brillouin espontánea, y los basados en la técnica de análisis óptico Brillouin en el dominio de la coherencia (Brillouin optical coherence-domain analysis, BOCDA) que utilizan el efecto SBS, pero empleando un método distinto al de los BOTDA para proveer medidas distribuidas de BFS. Por ejemplo, la solicitud de patente española ES2226001 describe un sensor de tipo BOTDR.

El concepto general de la técnica BOTDA se describe en la solicitud de patente US 4997277. Con posterioridad, se han propuesto distintas mejoras a la técnica básica, por ejemplo en cuanto a la mejora de la resolución espacial de la técnica, mediante el empleo de formas de onda pulsadas especiales. Así, la patente US 7245790 B2 describe una técnica para mejorar la resolución de los sensores BOTDA basada en el uso de pulsos oscuros (dark pulses) . La patente US 7719666 B2 propone un método para mejorar la resolución basado en el uso de pulsos de bombeo con forma escalonada. También, la patente US 7227123 B2 describe otra técnica para mejorar la resolución de las medidas en BOTDA basada en la transmisión secuencial de dos pulsos con distinta duración. Otra mejora es la propuesta en la patente US7480460 B2 donde se describe un sistema que utiliza una onda de prueba en forma de “peine” de frecuencias para conseguir medir simultáneamente la interacción Brillouin para múltiples separaciones de la onda de bombeo y la de Stokes simultáneamente y que puede permitir reducir el tiempo de medida para conseguir medidas dinámicas.

Sin embargo, los sistemas BOTDA existentes en el estado de la técnica tienen importantes limitaciones que impiden aprovechar todas las potenciales ventajas de esta tecnología. Los principales son: la escasa relación señal a ruido (signal-to-noise ratio, SNR) de las medidas, los elevados tiempos de medida necesarios, o los efectos no locales causados por la transferencia de energía de la onda de bombeo a la de prueba, que limitan la precisión de la medida y la máxima resolución espacial que se puede conseguir. La presente invención contribuye a solucionar directa o indirectamente todas estas limitaciones, lo que permite una mejora muy significativa en las prestaciones de los sensores distribuidos tipo BOTDA.

Las señales detectadas en los sensores BOTDA actuales tienen una amplitud muy pequeña, debido a lo reducido de la ganancia Brillouin que se puede conseguir en el pequeño tramo de fibra en el que se produce la interacción entre el pulso de bombeo y la onda de prueba. Por tanto, en principio, la SNR de las medidas es pequeña, lo que limita la precisión en la medida del espectro de ganancia Brillouin y por ende del BFS. Esto obliga a realizar medidas repetitivas y promediar los resultados a fin de eliminar ruido y mejorar la SNR. Sin embargo, ello supone un incremento de los tiempos de medida que pueden llegar a ser del orden de minutos en fibras largas, lo cual limita las aplicaciones industriales de este tipo de sensores.

Una posible solución a este problema sería incrementar la potencia óptica de los pulsos de bombeo para así aumentar la ganancia Brillouin, sin embargo existe un limite en la potencia máxima que pueden tener estos pulsos debido a la aparición de otros efectos no lineales en la fibra óptica que distorsionan la medida. La...

1. Dispositivo para la medida de la distribución de magnitudes físicas en una fibra óptica (5) que comprende, al menos:

- una fuente óptica (1) configurada para generar, al menos, una señal óptica de bombeo (A) pulsada y, al

menos, una señal óptica de prueba (B) que comprende, al menos, dos componentes espectrales con una

separación en frecuencia óptica entre dichas componentes;

- un segmento de fibra óptica (5) donde la señal óptica de prueba (B) interacciona con la señal óptica de bombeo (A) ;

caracterizado dicho dispositivo porque comprende, adicionalmente:

- un fotorreceptor (7) configurado para detectar la señal óptica de salida de la fibra (D) como consecuencia

de la generación de una señal eléctrica de radiofrecuencia (E) resultado del batido entre las componentes

espectrales contenidas en dicha señal óptica de salida de la fibra (D) ;

- un demodulador síncrono (8) configurado para demodular la señal eléctrica de radiofrecuencia (E) a la salida del receptor.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, donde la fuente óptica (1) comprende, al menos, una fuente óptica de banda estrecha (11) , al menos, un divisor de señal óptica (12) , al menos, un modulador óptico (13, 14) y, al menos, un generador de pulsos de RF (15) .

3. Dispositivo según la reivindicación 2, donde la fuente óptica de banda estrecha (11) comprende una fuente láser.

4. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 2-3 que comprende, al menos, un modulador óptico en banda lateral única (13) .

5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 2-3 que comprende, al menos, un modulador óptico de fase.

6. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 2-5 que comprende, al menos, un modulador óptico en banda lateral doble con portadora suprimida (14) .

7. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, donde la fuente óptica (1) comprende un amplificador óptico (16) configurado para aumentar la potencia óptica de la señal de bombeo (A) generada.

8. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, donde la fuente óptica (1) comprende un filtro óptico

(17) configurado para eliminar ruido óptico y/o componentes no deseadas del espectro óptico.

9. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-8 que comprende un sistema de captura de datos (9) configurado para obtener los datos de la distribución de magnitudes físicas medidas en la fibra óptica (5) .

10. Dispositivo según la reivindicación 9 que comprende un sistema de control (10) equipado con una combinación de hardware y/o software programable, configurado dicho sistema para sincronizar la medida de magnitudes físicas en la fibra óptica (5) , actuando sobre la fuente óptica (1) , el controlador de polarización (4) y el generador de RF (2) , y/o para procesar los datos de medida capturados en el sistema de captura de datos (9) para obtener la medida del BFS y/o de las magnitudes físicas en la fibra óptica (5) .

11. Procedimiento para la medida de la distribución de magnitudes físicas en una fibra óptica (5) que comprende:

i. la introducción por un extremo de un segmento de fibra óptica (5) de una señal óptica de bombeo (A) pulsada;

ii. la introducción por el otro extremo de la fibra óptica (5) de una señal óptica de prueba (B) compuesta por, al menos, dos componentes espectrales con una separación en frecuencia óptica determinada;

iii. la interacción en la fibra óptica (5) , por medio del efecto de dispersión de Brillouin estimulada, de la señal óptica de bombeo (A) con, al menos, una de las componentes espectrales de la señal óptica de prueba

(B) para generar una señal óptica de salida (D) que contiene dichas componentes;

iv. la detección en un fotodetector de la señal óptica de salida (D) para dar lugar a una señal de radiofrecuencia (E) , consecuencia del batido de las componentes espectrales de la señal óptica de salida (D) ;

v. la demodulación síncrona de la señal de radiofrecuencia (E) para obtener el módulo y/o la fase de la señal a la frecuencia dada por la diferencia de frecuencia óptica entre las componentes espectrales de la señal óptica de salida (D) ;

vi. el procesado de la señal resultado de la demodulación síncrona de la señal de radiofrecuencia (E) , para obtener la distribución, a lo largo de la fibra óptica (5) , del módulo y/o la fase del espectro de la interacción Brillouin, a una frecuencia óptica determinada por la frecuencia óptica de la señal de bombeo pulsada (A) y la frecuencia de una de las componentes espectrales de la señal óptica de prueba (B) ;

12. Procedimiento según la reivindicación 11, donde las etapas (i) a (vi) se repiten para distintos ajustes de las frecuencias ópticas de la onda de bombeo pulsada (A) y/o de una de las componentes de la señal óptica de prueba (B) con el fin de obtener la distribución a lo largo de la fibra óptica (5) del módulo y/o la fase de la interacción Brillouin a distintas frecuencias ópticas.

13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 11-12, donde una o más de las etapas (i) a (vi) se realiza mediante un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-10.

Figura 1

Figura 2

Figura 3 Figura 4