ES2245581B1

ES2245581B1 - SYSTEM FOR MEASURING PASSIVE NETWORKS OF OPTICAL FIBER SENSORS.

Info

Publication number: ES2245581B1
Application number: ES200400037A
Authority: ES
Inventors: Wsewolod Warzanskyj Garcia
Original assignee: Telefonica SA
Current assignee: Telefonica SA
Priority date: 2004-01-09
Filing date: 2004-01-09
Publication date: 2007-03-16
Anticipated expiration: 2024-01-09
Also published as: MA27424A1; BRPI0405695A; GT200400245A; AR047286A1; PE20050918A1; PT103220A; ES2245581A1; MXPA04012076A

Abstract

Sistema de medida de redes pasivas de sensores de fibra óptica. El sistema permite la medida de redes de sensores de fibra óptica en redes ópticas pasivas, mediante la utilización de láseres sintonizables de semi-conductor operando en régimen de onda continua. Concretamente el láser sintonizable (2), con su correspondiente controlador (3) y a través de un circulador (4), envía señales de una determinada longitud de onda a la red pasiva (1) de sensores ópticos durante un periodo T1, tras el que cambia de longitud de onda, recibiéndose las señales reflejadas en la red de sensores en un conversor electro-óptico (6), preferentemente a través de un filtro (5) de banda eliminada, que rechaza la banda "off".Passive networks measurement system of fiber optic sensors. The system allows the measurement of fiber optic sensor networks in passive optical networks, through the use of tunable semi-conductor lasers operating in a continuous wave regime. Specifically, the tunable laser (2), with its corresponding controller (3) and through a circulator (4), sends signals of a certain wavelength to the passive network (1) of optical sensors during a period T1, after which It changes the wavelength, receiving the signals reflected in the sensor network in an electro-optical converter (6), preferably through a deleted band filter (5), which rejects the "off" band.

Description

Sistema de medida de redes pasivas de sensores de fibra óptica.Passive sensor network measurement system fiber optic

Object of the invention

La presente invención se refiere a un sistema de medida especialmente concebido para redes de sensores de fibra óptica, cuya reflectividad óptica es función del parámetro que mide el sensor, mediante el uso de láseres sintonizables de semi-conductor de onda continúa.The present invention relates to a system of measure specially designed for fiber sensor networks optical, whose optical reflectivity is a function of the parameter it measures the sensor, by using tunable lasers of semi-wave conductor continues.

El sistema está concebido para poder interrogar una agrupación de sensores conectados con un equipo de medida remoto a través de una red óptica pasiva.The system is designed to be able to interrogate a group of sensors connected to a measuring device Remote through a passive optical network.

De forma más concreta el objeto de la invención afecta a dos aspectos particulares, por un lado obtener un procedimiento de interrelación de redes de sensores pasivos de fibra óptica que pueda utilizar como fuente de luz un único láser sintonizable de semi-conductor, que no requiera moduladores ópticos externos al láser ni filtros ópticos sintonizables, y que permita obtener resolución espacial de sensores nominalmente iguales, y por otro lado obtener una topología de interconexión de sensores de fibra óptica con los que se pueda eliminar la incertidumbre en la medida de su parámetro causada por variaciones de temperatura en los sensores o por derivas en la calibración en frecuencia del láser de medida.More specifically the object of the invention affects two particular aspects, on the one hand get a interrelation procedure of passive sensor networks of optical fiber that can use a single laser as a light source tunable semi-conductor, which does not require optical modulators external to the laser or optical filters tunable, and that allows to obtain spatial resolution of nominally equal sensors, and on the other hand get a fiber optic sensor interconnection topology with which uncertainty can be eliminated to the extent of its parameter caused by temperature variations in the sensors or drifts in the frequency calibration of the measurement laser.

Field of the Invention

Esta invención tiene su aplicación en los campos siguientes:This invention has its application in the fields following:

--: Seguridad personal. Dado que una de las aplicaciones de los sensores pasivos de fibra óptica es la monitorización de parámetros relacionados con la seguridad, como la deformación de estructuras en edificios, el sistema que se propone constituye un avance en el incremento de la seguridad de los ocupantes de los edificios.Personal security. Since one of the Passive fiber optic sensor applications is the monitoring of safety related parameters, such as deformation of structures in buildings, the proposed system constitutes an advance in the increase of the security of the occupants of the buildings.

--: Control urbanístico. El sistema propuesto permite la monitorización de la seguridad estructural de los edificios por parte de un ente controlador, como una autoridad municipal o autonómica, diferente de los ocupantes del edificio, y sin necesidad de contar con su colaboración. El sistema se puede aplicar incluso a edificios deshabitados y sin conexión a la red de energía eléctrica.Urban control The system proposed allows the monitoring of the structural safety of buildings by a controlling entity, as an authority municipal or autonomous, different from the occupants of the building, and without needing your collaboration. The system can be apply even to uninhabited buildings without connection to the network of electric power.

--: Telecomunicaciones. El sistema propuesto se puede aplicar en entornos urbanos, utilizando infraestructura de fibra óptica urbana, edificios o locales que albergan equipos de comunicaciones, e infraestructura de gestión informática, activos de los que disponen de forma habitual las empresas operadoras de telecomunicaciones.Telecommunications The proposed system It can be applied in urban environments, using infrastructure urban fiber optic, buildings or premises that house equipment communications, and IT management infrastructure, assets of those that regularly have the operating companies of telecommunications

--: Industria de la construcción. Dada la posible aplicación del sistema de medida para la monitorización de parámetros estructurales de edificios, el sistema encuentra también un campo de uso en la obtención de históricos de evolución a plazo medio y largo de esos parámetros, que pueden ser utilizados por los actores de la industria de la construcción.Construction Industry. Given the possible application of the measurement system for monitoring structural parameters of buildings, the system also finds a field of use in obtaining history of term evolution medium and long of those parameters, which can be used by actors of the construction industry.

Background of the invention

Los sistemas de interrogación de sensores ópticos basados en técnicas reflectométricas están descritos de forma amplia en el artículo de Kersey y colaboradores "Fiber Grating Sensors", publicado en el IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 15, núm. 8, agosto 1997, pp. 1442-1463. Entre otros sistemas, en el artículo se describe uno denominado por sus autores como "interrogación WDM/TDM para redes paralelas", y que consiste en el envío a los sensores de impulsos luminosos de diferentes longitudes de onda, y la medida de los ecos devueltos al equipo de medida por los diferentes sensores de la red. También en el mismo artículo magistral se describe un procedimiento para la eliminación de algunos efectos indeseados, como la incertidumbre sobre las medidas producidas por variaciones de temperatura en los sensores, o por derivas en longitud de onda de la fuente luminosa de medida.The sensor interrogation systems optics based on reflectometric techniques are described in extensive form in the article by Kersey et al. "Fiber Grating Sensors ", published in the IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 15, no. 8, August 1997, pp. 1442-1463. Among other systems, the article will describes one named by its authors as "interrogation WDM / TDM for parallel networks ", which consists of sending to light pulse sensors of different wavelengths, and the measure of the echoes returned to the measuring equipment by the Different sensors of the network. Also in the same article magisterial describes a procedure for the elimination of some unwanted effects, such as uncertainty about the measures produced by temperature variations in the sensors, or by Wavelength drifts of the light source of measurement.

Los procedimientos descritos en el artículo han encontrado diversas formas de implementación en equipos de medida comerciales o experimentales. Sin embargo, el procedimiento particular WDM/TDM (multiplexación por división en el tiempo/multiple-
xación en longitud de onda) para redes paralelas no ha sido suficientemente explotado comercialmente por la dificultad de obtener pulsos estrechos en el tiempo con pureza espectral elevada. De hecho, y hasta donde conoce el inventor, los únicos sistemas WDM/TDM publicados hasta la fecha requieren la utilización simultánea de una fuente óptica pulsada, que genera pulsos ópticos de gran anchura espectral óptica, y un filtro óptico sintonizable, que se sintoniza en recepción a la longitud de onda particular que se desea medir en cada instante. También existen sistemas que utilizan señales ópticas de onda continua y elevada pureza espectral que se modulan en frecuencia y o amplitud mediante un modulador externo. Los primeros adolecen del defecto de poder medir redes con márgenes de pérdidas ópticas en planta bajos, ya que se aprovecha para la medida únicamente una fracción de la potencia óptica de la fuente de banda ancha, y requieren un filtro óptico externo sintonizable que eleva la complejidad y precio del equipo de medida. Los segundos son complejos, porque requieren un modulador óptico externo, que en el caso de modulación de amplitud está limitado por la relación de extinción del modulador, y en el de frecuencia por la máxima velocidad de modulación que se puede aplicar al modulador.The procedures described in the article have found various forms of implementation in commercial or experimental measuring equipment. However, the particular WDM / TDM procedure (time division multiplexing / multiple-
Wavelength xation) for parallel networks has not been sufficiently commercially exploited due to the difficulty of obtaining narrow pulses over time with high spectral purity. In fact, and as far as the inventor knows, the only WDM / TDM systems published to date require the simultaneous use of a pulsed optical source, which generates optical pulses of great optical spectral width, and a tunable optical filter, which is tuned into reception at the particular wavelength that you want to measure at each moment. There are also systems that use continuous wave optical signals and high spectral purity that are modulated in frequency and amplitude by an external modulator. The former suffer from the defect of being able to measure networks with margins of optical losses on the ground floor, since only a fraction of the optical power of the broadband source is used for the measurement, and require a tunable external optical filter that increases complexity and price of measuring equipment. The latter are complex, because they require an external optical modulator, which in the case of amplitude modulation is limited by the extinction ratio of the modulator, and in the case of frequency by the maximum modulation speed that can be applied to the modulator.

Description of the invention

El sistema de mediada que la invención propone permite interrogar redes de sensores con técnicas TDM/WDM sin emplear moduladores ópticos o filtros ópticos sintonizables, solventando el problema fundamental derivado de la ausencia de tales moduladores o filtros ópticos, consistente en la dificultad de modular láseres simultáneamente en intensidad y longitud de onda, ya que, como es sabido, cuando se modula un láser en intensidad se varía también su longitud de onda de salida.The mediation system that the invention proposes allows to interrogate sensor networks with TDM / WDM techniques without use optical modulators or tunable optical filters, solving the fundamental problem derived from the absence of such modulators or optical filters, consisting of difficulty to modulate lasers simultaneously in intensity and length of wave, since, as is known, when a laser is modulated in intensity is also varied its output wavelength.

Mediante el sistema de la invención se modula únicamente la longitud de onda, pero consiguiendo el mismo efecto que si se modulase la intensidad a impulsos.The system of the invention modulates only the wavelength, but getting the same effect that if the impulse intensity was modulated.

Específicamente el sistema consiste en emplear como señal interrogadora una señal de amplitud constante modulada en desplazamientos discretos de longitud de onda, en la que la señal óptica resultante está compuesta de frecuencias de dos longitudes de onda, una con duración breve, que define la longitud de onda a la que se mide, y otra de duración larga, a una longitud de onda fuera del margen de medida de reflexiones.Specifically, the system consists in using as a question mark a modulated constant amplitude signal in discrete wavelength shifts, in which the resulting optical signal is composed of frequencies of two wavelengths, one with short duration, which defines the length of wave at which it is measured, and another of long duration, at a length Wave outside the measurement range of reflections.

De acuerdo con otra de las características de la invención se ha previsto la utilización opcional de un filtro de banda eliminada fija, que mejora la relación señal ruido en dicho sistema de medida.According to another of the characteristics of the invention the optional use of a filter of fixed eliminated band, which improves the signal to noise ratio in said measurement system.

Finalmente y de acuerdo con otra de las características de la invención, se eliminan los efectos de la influencia de la temperatura en los sensores, mediante la utilización de ristras compensadoras de sensores idénticas a las ristras de sensores de medida.Finally and according to another of the characteristics of the invention, the effects of the influence of the temperature on the sensors, by means of the use of compensating strings of sensors identical to those Ristras of measurement sensors.

Description of the drawings

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, 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:To complement the description that is being performing and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of practical realization of it, is accompanied as part member of that description, a set of drawings where with illustrative and non-limiting nature, what has been represented next:

La figura 1.- Muestra un esquema del funcionamiento del sistema de medida de redes pasivas de sensores de fibra óptica que constituye le objeto de la presente invención.Figure 1.- Shows a scheme of operation of the measurement system of passive sensor networks fiber optic that constitutes the object of this invention.

La figura 2.- Muestra el esquema de conexión de los sensores en forma de parejas de ristras a un mismo divisor óptico, para conseguir la eliminación de la influencia de la temperatura en la medición.Figure 2.- Shows the connection scheme of sensors in the form of pairs of strings to the same divider optical, to get rid of the influence of the measurement temperature.

Preferred Embodiment of the Invention

Tal como anteriormente se ha dicho, en la figura 1 se recoge el principio de funcionamiento del sistema de medida, para el que se establecen los pasos siguientes:As previously stated, in the figure 1 the operating principle of the measuring system is included, for which the following steps are established:

--: Se divide el conjunto de longitudes de onda de operación en dos bandas: la banda "on" y la banda "off". La banda "on" incluye todas aquellas longitudes de onda en las cuales se encuentran o pueden encontrar las resonancias, o reflexiones, de los sensores ópticos. En la banda "off", en cambio, no se encuentra ninguna frecuencia de resonancia de los sensores.Be divide the set of operating wavelengths into two bands: the band "on" and the band "off". The band "on" includes all those wavelengths in which find or can find the resonances, or reflections, of Optical sensors In the "off" band, however, I don't know find no resonant frequency of the sensors

--: Para interrogar a la red (1) a la longitud de onda \lambda_{1}, perteneciente a la banda de medida "on", se selecciona la longitud de onda del láser (2) a \lambda_{1} mediante el control (3), y se mantiene el láser a esa longitud de onda durante el tiempo T_{1}. T_{1} define la resolución espacial, res, del sistema de medida en la red de sensores mediante la expresión:To interrogate the network (1) at the wavelength \ lambda_ {1}, belonging to the measuring band "on", the laser wavelength (2) is selected to \ lambda_ {1} by means of the control ( 3), and the laser is maintained at that wavelength for the time T1. T_ {1} defines the spatial resolution, res , of the measurement system in the sensor network by the expression:

: T_{1} < 2.res. n/c, dondeT_ {1} <2 . res. n / a where

: n: índice de refracción en la fibra óptica n : refractive index in the optical fiber

: c: velocidad de la luz en el vacío. c : speed of light in a vacuum.

--: Una vez transcurrido el periodo T_{1} se cambia la longitud de onda de operación del láser (2) a \lambda_{2}, siendo \lambda_{2} una longitud de onda perteneciente a la banda "off", y se mantiene en esa longitud de onda durante un intervalo temporal de duración T_{2}, donde T_{2} debe ser superior al tiempo que tarda la luz en recorrer la red de fibra de ida y vuelta.A after the period T_ {1} the wavelength is changed of operation of the laser (2) to \ lambda_ {2}, being \ lambda_ {2} a wavelength belonging to the "off" band, and it maintained at that wavelength during a time interval of duration T_ {2}, where T_ {2} must be longer than the time It takes the light to travel the round-trip fiber network.

--: Una vez transcurridos los intervalos T_{1} y T_{2}, se puede proceder a realizar la medida a otra longitud de onda \lambda_{j}, sin más que repetir los dos primeros pasos, sólo que particularizando la primera longitud de onda a \lambda_{j}.A after the intervals T_ {1} and T_ {} have elapsed, you can proceed to measure at another wavelength \ lambda_ {j}, just repeat the first two steps, just that particularizing the first wavelength to \ lambda_ {j}.

--: Las señales reflejadas en la red de sensores se extraen de la fibra que conecta el equipo de medida con la red mediante un circulador o acoplador (4), se transforman en eléctricas en un conversor electro-óptico y se procesa siguiendo técnicas de reflectometría convencionales.The signals reflected in the sensor network are extracted from the fiber that connect the measuring device to the network using a circulator or coupler (4), become electrical in a converter electro-optical and is processed following reflectometry techniques conventional.

--: Se puede instalar, de forma opcional, un filtro óptico (5) que elimina la longitud de onda \lambda_{2} a la entrada del conversor electro-óptico (6), o bien a la salida del láser y antes del circulador (4). El filtro incrementa la relación señal ruido del sistema de medida al eliminar retroreflexiones de la propia fibra óptica durante los intervalos T_{2}.Be You can optionally install an optical filter (5) that eliminates the wavelength \ lambda_ {2} at the converter input electro-optical (6), or at the laser output and before circulator (4). The filter increases the signal to noise ratio of the measurement system by eliminating retroreflections of the fiber itself optics during T2 intervals.

Como complemento de la estructura descrita se ha previsto la especial conexión de los sensores (S) mostrada en la figura 2, para compensar durante el proceso de medida el efecto indeseado de las variaciones de temperatura en dichos sensores.As a complement to the structure described, provided for the special connection of the sensors (S) shown in the Figure 2, to compensate during the measurement process the effect unwanted temperature variations in these sensors.

El procedimiento habitual para la compensación consiste en conectar en serie con los sensores un sensor adicional, no sometido a la variable o parámetro que se desea medir, pero a la misma temperatura que el resto de los sensores. De esta forma, comparando la longitud de onda de reflexión de los sensores de medida con la del sensor adicional, se puede extraer la variación de la longitud de onda propia de la variación del parámetro.The usual procedure for compensation it consists of connecting in series with the sensors an additional sensor, not subject to the variable or parameter to be measured, but to the same temperature as the rest of the sensors. Thus, comparing the reflection wavelength of the sensors of measured with that of the additional sensor, the variation can be extracted of the wavelength characteristic of the parameter variation.

El procedimiento de conexión que, como acaba de decirse se ilustra en la figura 2, consiste en lo siguiente:The connection procedure that, as just said is illustrated in figure 2, it consists of the following:

--: Asociar a cada uno de los sensores de medida (S) otro sensor de referencia (S'), conectado a él en paralelo. El primer sensor, denominado de medida, está expuesto a las variaciones del parámetro que se desea medir, mientras que el de referencia no lo está, pero se encuentra a la misma temperatura que el de medida.Associate each of the sensors measure (S) another reference sensor (S '), connected to it in parallel. The first sensor, called measurement, is exposed to the variations of the parameter that you want to measure, while that of reference is not, but is at the same temperature than the measure.

--: Desplegar los sensores como parejas de ristras: una ristra de medida (S_{1}) (S_{2}) ... (S_{n}), y otra de referencia (S'_{1}) (S'_{2}) ... (S'_{n}). Todas las ristras son nominalmente iguales, y dentro de cada ristra los sensores resuenan a longitudes de onda nominales diferentes.Display the sensors as pairs of strings: a measure string (S_ {1}) (S_ {2}) ... (S_ {n}), and another reference (S '1) (S' 2) ... (S 'n). All strings are nominally equal, and within each string the sensors resonate at nominal wavelengths different.

--: Conectar todas las ristras, tanto las de medida como las de referencia, a brazos diferentes de un mismo divisor óptico (7).Connect all the strings, both those of measure as the reference ones, to different arms of the same optical splitter (7).

Tal como es habitual en la conexión de ristras de sensores, entre el divisor (7) y cada una de las ristras se introduce un tramo de fibra que introduce un retardo (8), de forma que la mínima diferencia de retardos entre ristras diferentes es superior a T_{1}/2. Estos retardos permiten discriminar entre sensores nominalmente iguales que se encuentran en ristras diferentes.As usual in the connection of strings of sensors, between the divider (7) and each of the strings introduce a fiber section that introduces a delay (8), so that the minimum difference in delays between different strings is greater than T_ {1} / 2. These delays allow discriminating between nominally equal sensors found in strings different.

Como se deduce de lo anteriormente expuesto, para la aplicación del sistema de medida de la invención resulta imprescindible el empleo de láseres de semi-conductor sintonizables.As follows from the above, for the application of the measuring system of the invention it turns out The use of lasers from tunable semi-conductor.

Claims

1. System for measuring passive networks of fiber optic sensors, using TDM / WDM techniques (time division multiplexing / multiplexing)
tion in wavelength), is characterized in that it consists in using a constant amplitude signal modulated in discrete wavelength displacements, while the resulting optical signal is composed of sequences of two wavelengths, one with a duration brief, which defines the wavelength at which it is measured, and a longer one, with a wavelength outside the measurement range of reflections.

2. System for measuring passive networks of fiber optic sensors, according to claim 1, characterized in that, optionally, a fixed eliminated band filter is used that improves the signal to noise ratio.

3. System for measuring passive networks of fiber optic sensors, according to previous claims, characterized in that with each string of measurement sensors a string of reference sensors collaborates, with characteristics coinciding with those of the first and in a similar number, in order to eliminate the influence of temperature on the measurement sensors.