BR102014010258B1 - Sistema e método para determinar temperatura e deformação de forma distribuída em uma única fibra óptica - Google Patents

Abstract

SISTEMA E MÉTODO PARA DETERMINAR TEMPERATURA E DEFORMAÇÃO DE FORMA DISTRIBUÍDA EM UMA ÚNICA FIBRA ÓPTICA. Utilizando uma fonte de radiação a laser (500, 700) operando em diversos comprimentos de onda (li) em uma única banda óptica, cujo sinal é dividido em duas partes por um acoplador óptico (505, 710) conectado à saída de dita fonte de radiação a laser registrando os valores dos deslocamentos Brillouin v B0,1, B0,2 e B0,3, desse sinal e resolvendo conjuntos de equações relacionando cada deslocamento Brillouin com os coeficientes de temperatura e de deformação e variações de temperatura e deformação, a partir dos pares de comprimentos de onda de bombeio ( (lambda)p1, (lambda)p2; (lambda)p2, (lambda)p3; (lambda)p(n1), (lambda)pn ) ou através de um único sistemas de equações a partir dos comprimentos de onda de bombeio ( (lambda)p1,(lambda)p2, (lambda)p2, (lambda)p3, (lambda)p(n1), (lambda)pn ).

Description

Campo de Aplicação

[001]A presente invenção aplica-se ao campo da indústria em geral, com a finalidade de monitoração de estruturas da construção civil, como pontes e edifícios, deformação e temperatura de cabos de energia, tais como OPGW ou OPPC, monitoração de dutos de gás e óleo, entre outras aplicações.

[002]A invenção refere-se a um sistema e um método para a determinação da temperatura e da deformação, de forma distribuída, em uma única fibra óptica utilizando-se diversos comprimentos de onda distintos de bombeamento.

Descrição do Estado da Técnica

[003]Para um melhor entendimento deste relatório descritivo, apresentam-se a seguir alguns termos e siglas utilizados no mesmo:

[004]Efeito Brillouin - efeito não linear que provoca o espalhamento da luz devido à interação da luz com ondas acústicas, resultando em luz espalhada com frequência diferente da original. Em fibras ópticas a luz incidente é retroespalhada com frequência deslocada que depende da deformação e temperatura da dita fibra óptica. O efeito Brillouin é, portanto, usado em sensoriamento óptico.

[005]BOTDA (Brillouin Optical Time-Domain Analysis) - trata-se de um arranjo baseado no efeito de retroespalhamento Brillouin, onde, duas fontes ópticas contrapropagantes são empregadas: na primeira, um sinal óptico pulsado - denominado de sinal de bombeio - excita a fibra sensora, enquanto a segunda, chamada de sinal de prova, experimenta ganho caso a frequência deste sinal esteja contida dentro do Espectro de Ganho Brillouin.

[006]FBG (Fiber Bragg Grating) - elemento desenvolvido a partir da variação periódica da densidade do vidro no núcleo da fibra óptica. O funcionamento é baseado na reflexão do sinal óptico com comprimento de onda correspondente ao período da grade.

[007]OPGW (Optical Ground Wire) - é um tipo de cabo empregado em linhas de transmissão e distribuição de energia elétrica. Tal cabo é capaz de realizar a função de cabo de aterramento e de comunicação. Sua construção é composta por uma ou mais fibras ópticas envoltas de um tubo recoberto por camadas de alumínio.

[008]OPPC (Optical Phase Conductor) - é um tipo de cabo, que é usado na construção de linhas de transmissão e distribuição de energia elétrica. Tal cabo combina as funções de transmissão de energia elétrica (fase) e comunicações.

[009]OTDR (Optical Time-Domain Reflectometer) - Reflectômetro Óptico no Domínio do Tempo é um instrumento ou módulo optoeletrônico usado para caracterizar uma fibra óptica. OTDR lança uma série de pulsos ópticos na fibra em ensaio e lê a intensidade da luz retroespalhada ou refletida, a partir da mesma extremidade da fibra. Obtendo características como atenuação, distância, perdas em emendas ópticas, etc.

[010]SOA (Semiconductor Optical Amplifier) - elemento amplificador baseado na junção (geralmente uma heterojunção) de dois materiais semicondutores extrínsecos dopados com elementos doadores e aceitadores. Seu funcionamento é baseado na inversão de população através do bombeio de portadores eletrônicos na região da junção. O decaimento dos elétrons excitados (devido ao bombeio) do estado excitado para o estado de menor energia é radiativo, emitindo um fóton coerente ao do sinal óptico que se procura amplificar.

[011]RSOA (Reflective Semiconductor Optical Amplifier) - seu funcionamento e construção são similares ao do SOA, com a exceção ao fato de que uma de suas faces reflete o sinal óptico proveniente do extremo oposto da cavidade.

[012]Transponder - no campo das comunicações ópticas, é um dispositivo optoeletrônico que recebe uma série de pulsos ópticos e os retransmite amplificando-os e/ou alterando a frequência óptica mantendo, porém as características temporais, como largura temporal do pulso e taxa de repetição.

[013]Dentre os efeitos de espalhamento óptico Rayleigh, Raman e Brillouin, apenas com o último é possível observar variações tanto de temperatura como de deformação, o que o torna um efeito interessante para a área de sensoriamento.

[014]Pela detecção de intensidade, frequência e fase do sinal óptico, pode-se medir a temperatura e a deformação ao longo de uma fibra óptica, como descrito em “Recent Progress in Distributed Fiber Optic Sensors” (Bao X, Chen L., Sensors, vol. 12, pp. 8601-8639, 2012) .

[015]As informações de temperatura e deformação estão, entretanto, misturadas, pois ambas dependem da mesma grandeza, geralmente da variação da frequência de pico do ganho do efeito Brillouin.

[016]Os sistemas de detecção baseados no efeito de espalhamento de Brillouin utilizam diferentes técnicas descritas na literatura especializada, sendo que a técnica conhecida por Brillouin Time Domain Analysis (BOTDA) é a mais comum, devido à sua simplicidade e baixo custo em comparação com outras técnicas.

[017]A publicação “Measurement of Temperature and Strain Distribution by Brillouin Frequency Shift in Silica Optical Fibers” (Horiguchi, T.; Kurashima, T.; Koyamada, Y., SPIE vol. 1797 Distributed and Multiplexed Fiber Optic Sensors II, 1992), por exemplo, revela um método que utiliza dois diferentes sistemas para a medição de temperatura e deformação de uma fibra óptica, em que, contudo, os lasers de bombeio e de prova são distintos e separados.

[018]A publicação “Tensile Strain Dependence of Brillouin Frequency Shift in Silica Optical Fibers” (Horiguchi, T.; Kurashima, T.; Tateda, M., IEEE Photonics Technology Letters Vol. 1 N°. 5 / pág. 107-108, 1989) também revela um método de medida de deformação de uma fibra óptica similar ao supracitado, utilizando dois lasers distintos para bombeio e prova.

[019]Tais métodos têm o inconveniente de necessitar o uso de mais de uma fonte de luz e, portanto, de realimentação para permitir que estes lasers operem com os deslocamentos de frequência apropriados, o que torna a configuração complexa e dispendiosa.

[020]Já a publicação “Hybrid BOTDA/FBG Sensor for Discrete Dynamic and Distributed Static Strain/Temperature Measurements” (Nannipieri, T. et al., Proc. SPIE 8421, OFS2012 22nd International Conference on Optical Fiber Sensors, 842121 October 4, 2012; doi:10.1117/12.970302) revela um método para o monitoramento simultâneo de temperatura e deformação de uma fibra óptica, combinando a técnica BOTDA com o uso de grades de Bragg (FBG) para a separação da informação de temperatura e de deformação. Contudo, são empregadas cinco grades de Bragg, com o inconveniente de dificultar a montagem do arranjo experimental.

[021]A publicação WO2013/108063A1, “TEMPERATURE AND STRAIN SENSING OPTICAL FIBER AND TEMPERATURE AND STRAIN SENSOR”, revela um sistema e um método que possibilitam a medição da temperatura e da deformação de uma fibra óptica, simultaneamente, pela utilização de apenas uma fonte de luz e apenas um comprimento de onda. O sistema dispõe de duas regiões com diferentes dopagens na fibra sensora, resultando em dois retroespalhamentos Brillouin contendo as informações sobre a temperatura e a deformação da fibra óptica. Contudo, o método não permite que uma fibra padrão seja usada como elemento sensor.

[022]A publicação WO2010/011211A1, “DUAL WAVELENGHT STRAIN-TEMPERATURE BRILLOUIN SYSTEM AND METHOD” revela um método que utiliza dois comprimentos de onda distintos para a monitoração simultânea da temperatura e da deformação em uma fibra óptica, porém com duas fontes distintas de luz atuando paralelamente no sistema, o que implica na necessidade de dois misturadores de frequência para realizar a detecção dos sinais retroespalhados por efeito Brillouin, além de dois transdutores para este fim. Além disso, os comprimentos de onda usados (~1310 nm e ~1550 nm) encontram-se em bandas ópticas diferentes com perdas muito distintas, necessitando dispositivos de amplificação distintos para se obter ganho Brillouin, como, por exemplo, amplificadores a fibras dopadas com Praseodímio e Érbio, respectivamente, o que aumenta a complexidade do sistema, além do que o uso de lasers comuns dificulta sobremaneira a obtenção de ganho Brillouin distribuído ao longo da fibra óptica, devido à sua baixa potência óptica.

[023]A patente US7,599,047 B2, “METHOD AND SYSTEM FOR SIMULTANEOUS MEASUREMENT OF STRAIN AND TEMPERATURE” revela um método também baseado no espalhamento Brillouin utilizando, contudo, um par de fibras ópticas com índices de refração distintos, como elemento sensor para a monitoração simultânea da temperatura e deformação.

[024]Como se pode notar, nenhum dos sistemas e métodos revelados pelo estado da arte possibilitam monitorar temperatura e deformação e separar estas informações utilizando apenas uma fibra óptica padrão e laser sintonizável ou conjunto de lasers com comprimentos de onda em apenas uma banda óptica (preferencialmente na banda C, de 1525 nm a 1565 nm) em um único sistema. Também nenhum dos arranjos, técnicas e métodos do estado da técnica melhora a precisão da separação das informações de temperatura e de deformação pelo processamento de vários traços obtidos por bombeamentos nos diversos comprimentos de onda da banda óptica usada.

Objetivos da Invenção

[025]Em vista do acima exposto, é objetivo principal da presente invenção prover um sistema e um método de monitoramento óptico capazes de monitorar temperatura e deformação de fibras ópticas ao longo de uma mesma fibra óptica padrão, de forma distribuída, separando as informações de temperatura e deformação que dependem da mesma grandeza.

[026]É outro objetivo da invenção prover um sistema e um método de monitoramento óptico de alta confiabilidade, com medidas precisas de temperatura e de deformação.

[027]É outro objetivo da invenção prover um sistema e um método de monitoramento óptico que atue em banda óptica normalmente utilizada, com mais componentes disponíveis no mercado a custos muito mais reduzidos do que se fossem empregadas outras bandas ópticas e, principalmente, bandas ópticas distintas.

Descrição Resumida da Invenção

[028]Os objetivos propostos e ainda outros mais são alcançados através do sistema e do método da invenção, num primeiro aspecto, por meio da utilização de um único laser sintonizável ou de uma multiplicidade de lasers de bombeamento de comprimentos distintos, preferencialmente na banda C.

[029]De acordo com outro aspecto da invenção, são utilizados diferentes comprimentos de onda para obter dados que permitem separar e distinguir os valores de temperatura e deformação por métodos matemáticos avançados.

[030]De acordo com outro aspecto da invenção, podem ser alternativamente utilizados dois métodos matemáticos, o primeiro baseado na resolução de n conjuntos de equações de duas variáveis para separar informação de temperatura e de deformação, e o segundo para resolver um conjunto de equações a partir de n medições de deslocamentos de ganho Brillouin por meio da matriz pseudo-inversa.

[031]Finalmente, de acordo com outro aspecto da invenção, o sistema utiliza módulos OTDR comerciais.

[032]O sistema e o método da invenção possibilitam, desse modo, monitorar de forma distribuída a temperatura e a deformação de uma única fibra óptica padrão, usando um único laser sintonizável ou uma multiplicidade de lasers de bombeamento de comprimentos de onda distintos, mas em uma única banda óptica, preferencialmente na banda C, podendo ainda ser utilizado um módulo OTDR comercial.

[033]O método e sistema da invenção possibilitam ainda separar as informações de temperatura e deformação que dependem de uma mesma grandeza sendo, neste caso, a variação da frequência do pico de ganho do efeito Brillouin.

[034]O método da invenção se baseia no fato de que os coeficientes de temperatura e deformação que descrevem o deslocamento em frequência do ganho Brillouin dependem do comprimento de onda lançado para uma mesma fibra óptica padrão, não havendo necessidade de uso de duas fibras diferentes ou de fibras ópticas especiais.

[035]Assim, o sistema da invenção compreende, essencialmente de: a. um laser sintonizável ou um arranjo seletor de laser, b. um módulo OTDR comercial, c. amplificador óptico semicondutor SOA para prover a amplificação necessária para gerar o efeito Brillouin na fibra óptica e replicar o sinal pulsado do OTDR ou um SOA seguido de amplificador óptico a fibra dopada ou, ainda, um modulador óptico seguido de amplificador óptico a fibra dopada ou ainda um RSOA seguido de um amplificador óptico a fibra dopada, d. pelo menos um circulador óptico para direcionar o bombeamento e, simultaneamente, desviar o sinal contra-propagante (probe) amplificado pelo efeito Brillouin para o módulo OTDR comercial onde são recebidos e visualizados como traço de intensidade versus distância.

[036]No presente relatório, o dispositivo designado como “transponder OTDR” é o conjunto composto pelos circuladores, fotodetector e eletrônica adequada, SOA, ou conjunto de componentes ópticos com a mesma finalidade como, por exemplo, modulador óptico, RSOA e amplificadores a fibra óptica.

Breve Descrição das Figuras

[037]A invenção será mais bem compreendida a partir da descrição detalhada e das figuras que a ela se referem, em que:

[038]A Figura 1 ilustra a dependência do deslocamento de frequência de Brillouin VB , em função da temperatura para três comprimentos de onda Àp 1, Ap2 e Àp3. As inclinações das retas correspondem aos coeficientes de temperatura CT1 , CT2 e CT3 .

[039]A Figura 2 ilustra a variação do deslocamento de frequência Brillouin ΔVB = VB - VB0, em função da temperatura para três comprimentos de onda de bombeio Àp1 , Àp2 e Àp3 indicando de modo mais claro a diferença de inclinação ou coeficiente angularCT1 , CT2 e CT3 .

[040]A Figura 3 ilustra a dependência do deslocamento de frequência de Brillouin VB em função da deformação para três comprimentos de onda Àp1 , Àp2 e Àp3 . As inclinações das retas correspondem aos coeficientes de deformação CT1 , C T2

[041]A Figura 4 ilustra a variação do deslocamento de frequência Brillouin ΔVB = VB - VB0, em função da deformação para três comprimentos de onda de bombeio Ap 1, Ap2 e Áp3, indicando de modo mais claro a diferença de inclinação ou coeficiente angular CT1 , CT2 e CT3 .

[042]A Figura 5 ilustra uma forma de realização do sistema da invenção, que possibilita realizar os métodos propostos para separar as informações de temperatura e deformação usando um laser sintonizável ou uma multiplicidade de lasers na mesma banda óptica, preferencialmente a banda C.

[043]A Figura 6 ilustra uma forma de realização de um arranjo seletor de laser para que uma multiplicidade de lasers de comprimentos de onda distintos possa ser selecionada, um de cada vez, por uma chave óptica, permitindo que uma multiplicidade de comprimentos de onda seja enviada ao BOTDA da Figura 5, por exemplo.

[044]A Figura 7 ilustra outra forma realização do BOTDA da Figura 5, onde um módulo OTDR é utilizado como gerador de pulsos e osciloscópio de detecção, simplificando o aparato de transmissão e recepção do sinal, em configuração de transponder OTDR. Essa configuração é chamada de transponder BOTDA ou t- BOTDA.

[045]A Figura 8 ilustra outra forma de realização do transponder OTDR da Figura 7 para uso no BOTDA (t-BOTDA), composto por circuladores, fotodetector e eletrônica adequada. Entretanto, ao invés de um SOA da Figura 7 é utilizado um modulador óptico seguido de um amplificador a fibra dopada com érbio, EDFA, ou um amplificador a fibra dopada, adequado à banda óptica em uso.

[046]A Figura 9 ilustra ainda outra forma de realização do transponder OTDR da Figura 7 para uso no BOTDA (t-BOTDA), composto por circuladores, fotodetector e eletrônica adequada. Entretanto o SOA da Figura 7 é seguido por um amplificador a fibra dopada com érbio, EDFA, (930) ou um amplificador a fibra dopada, adequado à banda óptica em uso.

[047]A Figura 10 ilustra ainda outra forma de realização do transponder OTDR da Figura 7 para uso no BOTDA (t-BOTDA), composto por circuladores, fotodetector e eletrônica adequada. Entretanto o SOA da Figura 7 é substituído por um RSOA (Reflective Semiconductor Optical Amplifier) seguido por um amplificador a fibra dopada com érbio, EDFA, (1035) ou um amplificador a fibra dopada, adequado à banda óptica em uso.

[048]A Figura 11 ilustra ainda outra forma de realização da invenção, onde o módulo OTDR está distante do restante do sistema, mas interligado por um enlace de fibra óptica. O sinal proveniente do módulo OTDR é suficiente para atuar no transponder OTDR em uma de suas formas de realização, transformando o sinal óptico proveniente do laser sintonizável ou arranjo seletor de laser em sinal pulsado e amplificado e no comprimento de onda de interesse que é direcionado para a fibra óptica em análise.

Descrição Detalhada da Invenção

[049]O sistema e o método da invenção fazem uso de uma única fibra óptica, com diversos comprimentos de onda de bombeamento, o que é conhecido na literatura especializada por técnica de Brillouin Time Domain Analysis (BOTDA).

[050]Como é de conhecimento por aqueles especializados na técnica, ao se propagar um comprimento de onda, dito de bombeio, em uma fibra óptica, é gerada uma onda contra-propagante com frequência óptica deslocada da primeira pelo assim denominado deslocamento de Brillouin, conforme a equação:

onde vB é o deslocamento de Brillouin (Brillouin shift), n é o índice de refração da fibra, Va é a velocidade de propagação acústica na fibra, e Áp é o comprimento de onda de bombeio. Segundo a equação [1], quanto menor o comprimento de onda de bombeio, maior o deslocamento de Brillouin , o qual depende do índice de refração e da velocidade do som na fibra óptica.

[051]O deslocamento de frequência é uma propriedade que depende da temperatura e da deformação da fibra óptica, de acordo com a equação: vB =vB0 + CT(T -T0)+ Cε(ε-ε0) [2]

[052]Onde vB0 é o deslocamento de Brillouin na temperatura T0 e na deformação ε0 , sendo CT e Cε os coeficientes de temperatura e deformação, respectivamente, que são obtidos experimentalmente para cada fibra.

[053]A presente invenção baseia-se no fato que os coeficientes CT e Cε são dependentes do comprimento de onda do bombeio. De acordo com as publicações “Truly distributed strain and temperature sensing using embedded optical fibers” (L. Thévenaz, M. Niklès, A. Fellay, M. Facchini, Ph. Robert, SPIE Proceedings vol.3330, pp. 301-314, 1998) e “Brillouin distributed timedomain sensing in optical fibers: state of the art and perspectives” (L.Thévenaz, Front. Optoelectron. China 3(1), pp. 13-21, 2010), o coeficiente de temperatura CT é igual a 1,36 MHz/°C para bombeamento em 1320 nm ; e igual a 0,95 MHz/°C para bombeamento em 1550 nm. Já o coeficiente de deformação Cε vale 594 MHz/% para bombeamento em 1320 nm; e 505,5 MHz/% para 1550nm.

[054]A Figura 1 ilustra a dependência do deslocamento de Brillouin em função da temperatura para três comprimentos de onda da banda C. Por exemplo, no início da banda C Áp 1 ~1528 nm, Áp2 ~1550 nm e Áp3~1563 nm. As inclinações correspondem aos coeficientes de temperatura CT1 , CT2e CT3 . Os deslocamentos de Brillouin vB0 na temperatura T0 e na deformação ε0 para cada comprimento de bombeio são, respectivamente, vB0 1, vB0 2 e vB0 3, que obedecem ao comportamento da equação [1], ou seja, são inversamente proporcional aos comprimentos de onda de bombeio.

[055]Comprimentos de onda abaixo desta banda, como ~1310 nm; e acima desta banda, como ~1650 nm, também podem ser usados, empregando-se dispositivos específicos para estas bandas ópticas.

[056]A Figura 2 ilustra a variação do deslocamento Brillouin ΔvB =vB-vB0 em função da temperatura, para os três comprimentos de onda de bombeio Áp1 ~1528 nm, Áp2 ~1550 nm e Áp3~1563 nm, indicando de modo mais claro as diferenças de inclinação ou os coeficientes angulares CT1, CT2e CT3.

[057]A Figura 3, de modo análogo, ilustra a dependência do deslocamento de Brillouin em função da deformação, para os mesmos três comprimentos de onda da banda C da Figura 1, Áp1 ~1528 nm, Áp2 ~1550 nm e Áp3~1563 nm. As inclinações correspondem aos coeficientes de deformação Cε1 , Cε2 e Cε3 . Os deslocamentos de Brillouin vB0 na temperatura T0 e na deformação ε0 para cada comprimento de bombeio são, respectivamente, vB0,1 , vB0,2 e vB0,3 obedecendo ao comportamento da equação [1], ou seja, inversamente proporcionais aos comprimentos de onda de bombeio. Do mesmo modo, observe-se que comprimentos de onda abaixo dessa banda, como ~1310 nm e acima, como ~1650 nm, também podem ser usados empregando-se dispositivos específicos para estas bandas ópticas.

[058]A Figura 4 ilustra a variação do deslocamento Brillouin, ΔvB =vB-vB0 em função da deformação, para os três comprimentos de onda de bombeio Áp 1 ~1528 nm, Áp2 ~1550 nm e Áp3~1563 nm, indicando de modo mais claro as diferenças de inclinação ou coeficientes angulares Cε1, Cε2 e Cε3 .

[059]De acordo com a equação [2] pode-se então separar as informações de temperatura e deformação por meio de um conjunto de equações usando medições de variação de deslocamento de Brillouin.

[060]Para tanto podem ser utilizados, preferencialmente, dois algoritmos a seguir descritos.

[061]De acordo com o primeiro, proposto na presente invenção, o laser de bombeamento é sintonizado em n comprimentos de onda, Áp1, Áp2,...,Ápn, preferencialmente na banda C, iniciando por exemplo em Áp1 ~1528 nm até um valor final, por exemplo Ápn ~1563 nm, extremos da banda C.

[062]Considerando os primeiros dois comprimentos de onda de bombeio como Áp1 e Áp2 , obtém-se deste modo o seguinte conjunto de equações: ΔVB,1 = CT 1(T - T0) + Cε1(ε - ε0) ΔVB ,2 = CT 2(T - To) + Cε 2(ε - ε0)

[063]Que pode ser escrito, na forma matricial, pela equação:

em que Test,1 e εest,1 são as estimativas para temperatura e deformação obtidas usando-se o par de comprimentos de onda Áp1 e Áp2 .

[064]Escrevendo agora n conjuntos de equações usando o par de bombeios Áp1 , Áp2 para a equação [4]; em seguida o par Áp2 , Áp3 para a equação [5], etc. e, finalmente o par kp ( n-1) , k , equação (6), obtém-se n-1 conjuntos de equações para n comprimentos de onda usados:

em que Test,1 e εest,1 são as estimativas para temperatura e deformação, para o primeiro conjunto de equações (que usa o par de comprimentos de onda kp 1, kp2), Test 2 e εest2 são as estimativas para temperatura e deformação, para o segundo conjunto de equações (que usa o par de comprimentos de onda kp2 , kp3 ) e assim sucessivamente, até Test (n-1) e εest (n-1) que são as estimativas para temperatura e deformação, para o (n- 1)-ésimo conjunto de equações (que usa o par de comprimentos de onda kp(n-1),kpn).

[065]Cada um dos (n-1) conjuntos de equações são então invertidos, obtendo- se (n-1) estimativas de T e n-1 estimativas de ε. Conforme proposto neste primeiro método da presente invenção, os valores finais das estimativas de temperatura e deformação são obtidos pelas equações abaixo:

[066]Desse modo são obtidas as melhores estimativas para os valores de T e ε, por serem médias de diversas estimativas, aumentando a confiabilidade do método e a precisão das medidas de temperatura e deformação.

[067]Além disso, o presente método, utilizado numa realização preferencial da invenção, apresentada mais adiante, tem a vantagem adicional de usar a banda C, a mais usual e, portanto, com mais componentes disponíveis no mercado a custos muito mais reduzidos do que se fossem empregadas outras bandas ópticas e, principalmente, bandas ópticas distintas.

[068]De acordo com um segundo algoritmo - ou método - é realizada a sintonia do laser em n comprimentos de onda, Áp 1, Áp2,..., Ápn, sendo que apenas um conjunto de equações é derivado de tais sintonias e medições de deslocamento de pico de ganho Brillouin, conforme indicado na seguinte equação matricial:

[069]O conjunto de equações [9] pode ser invertido utilizando-se a matriz “pseudo-inversa” de Moore-Penrose de acordo, por exemplo, com as publicações “A Generalized Inverse for Matrices” (R. Penrose, Proc. Cambridge Phil. Soc. 51, 406-413, 1955) ou “Generalized Inverses: Theory and Applications” (A. Ben-Israel, and T. N. E. Greville, New York: Wiley, 1977).

[070]O sistema de equações [9] pode ainda ser simplificado em sua notação, seguindo as atribuições matriciais definidas nas equações [10], o que reduz o sistema [9] para a expressão matricial simplificada da equação [11].

[071]A melhor solução para o sistema [11] é dada pela expressão abaixo:

onde C+ é a matriz pseudo-inversa de Moore-Penrose.

[072]Este é um conhecido problema de álgebra linear, que pode ser resolvido por decomposição de matriz nos valores singulares (SVD) que, por sua vez, se reduz a um problema de autovalores e autovetores.

[073]Desse modo obtêm-se os melhores valores de T e ε , no sentido dos mínimos quadrados, conforme, por exemplo, a referência “On best approximate solution of linear matrix equations” (R. Penrose, Proceedings of the Cambridge Philosophical Society 52: 17-19. (1956) doi :10.1017/S0305004100030929), aumentando, do mesmo modo, a confiabilidade do método e a precisão das medidas de temperatura e deformação.

[074]Além disso, o presente método, utilizado em uma realização preferencial apresentada adiante, tem também a vantagem adicional de usar a banda C, a mais usual e, portanto com mais componentes disponíveis no mercado a custos muito mais reduzidos do que se fossem empregadas outras bandas ópticas e, principalmente, bandas ópticas distintas.

[075]De acordo com o exposto acima o método para a determinação e separação da temperatura e da deformação é realizado usando-se uma mesma fibra óptica, com comprimentos de onda de bombeamento distintos.

[076]A fim de realizar a medição distribuída deve-se alterar um típico arranjo experimental de BOTDA, tal como mostrado na publicação “Distributed Fiber Optical Sensors on a Principle of Stimulated Brillouin Scattering” (Nikolay I. Gorlov, Nikolay Y. Sitnov, 10th International Conference, APEIE 2010) substituindo-se, por exemplo, a fonte laser por uma fonte laser sintonizável.

[077]A Figura 5 ilustra uma das formas de realização do sistema da invenção, a qual possibilita aplicar os métodos acima descritos. Nessa realização, um laser sintonizável ou um arranjo seletor de laser (500), com dois ou mais lasers de comprimentos de onda previamente definidos são utilizados em uma configuração BOTDA onde o sinal óptico proveniente do dito laser sintonizável ou arranjo seletor de laser é dividido por um acoplador óptico (505), por exemplo, de 3 dB.

[078]Parte do sinal de bombeio é encaminhado a um modulador de pulso óptico (510), geralmente composto de gerador de pulsos elétricos, modulador óptico e amplificador óptico, saindo então sob a forma de pulsos (515) com potência óptica amplificada a um nível que resulte na produção de um sinal retroespalhado pelo efeito Brillouin na fibra óptica sob análise (525), ditos pulsos sendo encaminhados para a fibra óptica através de um circulador óptico (520).

[079]A outra parte do sinal óptico proveniente do acoplador óptico (505), ou probe, segue para um deslocador de frequência óptica ou shifter (530) que permite o deslocamento de frequência da portadora óptica. Dito shifter geralmente é composto, por exemplo, por um gerador de micro-ondas, amplificador de RF, controle de BIAS e modulador óptico que suprime a portadora óptica (533) e gera bandas laterais deslocadas da dita portadora do valor dado pela frequência do gerador de RF conforme ilustrado pelo traço (535).

[080]Dito sinal de probe segue para a fibra óptica (525) onde sofre amplificação devido ao ganho Brillouin (540) na banda espectral correspondente ao deslocamento Brillouin (545). O sinal que retorna ao circulador (520), que é a soma do sinal retroespalhado pelo efeito Brillouin e do sinal amplificado pelo ganho Brillouin, irá apresentar um ganho máximo quando o sinal deslocado em frequência pelo shifter (530) coincidir com o sinal retroespalhado pelo efeito Brillouin. Esta situação está representada pelo pico à direita, no traço (545) em linha cheia da Fig. 5, onde o traço em linha interrompida (533) corresponde ao sinal gerado pelo laser (500).

[081]Dito circulador (520) encaminha o sinal ao detector (550) sendo o traço resultante observado em um osciloscópio (555) e analisado por um processador ou computador (560). Este último comanda a mudança do deslocamento de frequência realizado pelo shifter (530) e a aquisição do sinal do osciloscópio correspondente a esta frequência. A referida análise irá indicar o deslocamento de frequência produzido pelo efeito Brillouin devido à variação de temperatura ou deformação da fibra.

[082]Para um melhor entendimento da diferença entre a técnica tradicional e aquela da presente invenção, apresenta-se, inicialmente, a técnica Brillouin Time Domain Analysis (BOTDA) tradicional executada conforme a etapas seguintes:

[083]O sinal do laser (500) - fixo em um determinado comprimento de onda - torna-se pulsado devido ao modulador (510); a. Faz-se a varredura do shift em frequência (Δvn) correspondente ao probe contrapropagante, ajustando o shifter (530), n=1, ..., M; b. Colhe-se o traço no osciloscópio/modulo OTDR, traço em função de z para esta frequência (Δvn); c. n=n+1, retorna-se ao passo a;

[084]Completada a varredura, analisam-se os deslocamentos de frequência que dão ganho máximo e a posição (em z) em que ocorrem. Estes deslocamentos corresponderão a regiões da fibra com incremento de temperatura ou deformação.

[085]Na técnica proposta pela presente invenção, a varredura acima é feita para diversos comprimentos de onda de bombeio, Ài (i = 1,..., N), a fim de permitir a separação das informações de temperatura e deformação. De fato, as etapas e passos para realizar as medições que permitem a aplicação de um dos dois métodos de separação da informação de temperatura e deformação anteriormente descritos, são como segue: 1) Ajuste do i=1; 2) Ajuste do laser (500) para o comprimento de onda Ài (i = 1,..., N); 3) O sinal de bombeio torna-se pulsado devido ao modulador (510); a. Varredura do shift em frequência (Δvn) correspondente ao probe contrapropagante, ajustando o shifter (530), n=1, ..., M; b. Colhe-se o traço no osciloscópio/modulo OTDR, traço em função de z para esta frequência (Δvn); c. n=n+1, retorna-se ao passo a;

[086] 4) Completada a varredura, impõe i=i+1, e retorna-se à etapa 2;

[087] 5) Após obter todas as informações, ou seja, traços do osciloscópio em função de z, para todas os deslocamentos (shift) de frequências varridas e comprimentos de onda parte-se para o tratamento de dados para separar informações de temperatura e deformação pelos métodos 1 ou 2.

[088]Alternativamente à varredura do passo 3.a pode ser feita a busca da máxima frequência de deslocamento (shift) para cada distancia z, sem necessidade de varredura.

[089]Exemplificando para o método 2, para cada posição z, determina-se o shift de frequência que dá o máximo ganho. A saber, ΔVB 1 para o comprimento de onda À1, ΔVB 2 para o comprimento de onda À2, ... ΔVB N para o comprimento de onda ÀN,. Faz-se isso para todos os comprimentos de onda de bombeio usados (Ài, i = 1,..., N) para uma dada posição z, tem-se a equação [9]. Resolve-se esta pelo método descrito obtendo-se T(z) e ε(z).

[090]Parte-se então para a próxima distância da fibra, z=z+dz (que depende do número de pontos do traço colhido pelo osciloscópio/modulo OTDR e da largura temporal do pulso utilizado). Ao final do processo tem-se T e ε em função da distância.

[091]Em outras palavras, de acordo com a equação [2] a cada temperatura ou deformação em um dado trecho da fibra corresponderá um ganho no traço temporal convertido em traço espacial obtido no osciloscópio (555). Desse modo é realizada a análise de ganho Brillouin distribuído que, conjuntamente com o uso de múltiplos comprimentos de onda de bombeio distintos, um de cada vez, fornece uma resposta do valor de temperatura e do valor da deformação para cada porção da fibra, ou seja, um sensor distribuído com leitura da temperatura e da deformação com separação destas informações, objeto da presente invenção.

[092]Conforme exposto acima, uma das formas para realizar a invenção utiliza um laser sintonizável ou um arranjo seletor de laser (500). Este último pode ser realizado, por exemplo, conforme a Figura 6 onde uma multiplicidade de lasers de comprimentos de onda distintos (610), (615),...,(620) são selecionados, um de cada vez, pela chave óptica (625) permitindo que uma multiplicidade de comprimentos de onda sejam enviados ao BOTDA conforme a Figura 5. Os ditos comprimentos de onda podem ser na banda C ou em outras bandas ópticas.

[093]Em outra forma de realização da invenção, um módulo OTDR é utilizado como gerador de pulsos e osciloscópio conforme a Figura 7. Nesta forma de realização o sinal do laser sintonizável ou arranjo seletor de laser (700) é divido em duas partes pelo acoplador óptico (710); o sinal de bombeio é enviado a um amplificador óptico semicondutor SOA (720). Paralelamente, o sinal proveniente de um módulo OTDR (725) é enviado a um primeiro circulador óptico (730) e, após uma dada atenuação, é detectado por um fotodetector (735) e eletrônica adequada, que aciona o SOA (720) de modo que o sinal do laser sintonizável ou arranjo seletor de laser (700) seja pulsado com mesma largura temporal e taxa repetição do sinal original do módulo OTDR (725).

[094]Além disso, o SOA (720) provê a amplificação necessária para gerar o efeito Brillouin na fibra óptica (740), após passar pelo segundo circulador (745). Ao mesmo tempo, o sinal de retorno e contra-propagante amplificado pelo efeito Brillouin é redirecionado pelo par de circuladores ópticos (730) e (745) e recebido e visualizado como traço de intensidade versus distância no módulo OTDR (725). O conjunto composto pelos circuladores (730) e (745), fotodetector (735) e eletrônica adequada, e SOA (720) caracteriza um transponder OTDR (750) com uso específico e característico para BOTDA e que permite propagar sinais de bombeio de comprimentos de onda distintos e ao mesmo tempo permite o uso de um módulo OTDR (725) tradicional em um arranjo do tipo BOTDA capaz de determinar de forma distribuída a temperatura e deformação da fibra óptica (740), separando a informação destas grandezas.

[095]De modo análogo ao BOTDA da Figura 5, a outra parte do sinal proveniente do acoplador óptico (710), ou probe, segue para um deslocador de frequência óptica ou shifter (755) que permite o deslocamento de frequência da portadora óptica para a região de ganho Brillouin.

[096]Também nessa realização da invenção um processador ou computador (760) comanda a mudança do deslocamento de frequência realizado pelo shifter (755) e a aquisição do sinal do módulo OTDR (725) correspondente a esta frequência. De acordo com a equação [2] a cada temperatura ou deformação em um dado trecho da fibra, corresponderá um ganho no traço do dito módulo OTDR (725). Desse modo é realizada a análise de ganho Brillouin distribuído que, conjuntamente com o uso de dois comprimentos de onda de bombeio distintos, um de cada vez, permite obter uma resposta do valor de temperatura e do valor de deformação para cada porção da fibra, ou seja, um sensor distribuído com leitura da temperatura e da deformação da fibra óptica com separação da informação destas grandezas, objeto da presente invenção.

[097]Em ainda outra forma de realização da dita invenção, o transponder OTDR (750) da Figura 7, pode ser realizado conforme a Figura 8. Neste caso, o transponder OTDR (800) ainda é composto pelos circuladores (810) e (815), fotodetector (820) e eletrônica adequada. Entretanto ao invés de um SOA é utilizado um modulador óptico (825) seguido de um amplificador a fibra dopada com érbio, EDFA, (830) ou um amplificador a fibra dopada adequado à banda óptica em uso.

[098]O sinal elétrico captado pelo fotodetector é condicionado por eletrônica adequada e atua (835) no modulador óptico (825). Na saída de dito transponder OTDR, o sinal é pulsado com mesma duração de pulso e taxa de repetição do sinal proveniente do módulo OTDR, porém amplificado de modo a poder gerar o efeito Brillouin na fibra sob teste.

[099]O sinal contra-propagante oriundo da fibra sob teste é desviado pelo par de circuladores (810) e (815) pelo caminho óptico (840) e enviado ao módulo OTDR. Um arranjo para uso de comprimentos de onda provenientes de outras bandas ópticas pode ser utilizado, bastando para isso substituir o dito modulador (825) e EDFA (830) por moduladores que operem na banda óptica de interesse e amplificadores a fibra óptica adequados (dopados com Praseodímio, Túlio, Érbio, Itérbio, dentre outros).

[0100]Em ainda outra forma de realização da dita invenção, o transponder OTDR (750) da Figura 7, pode ser realizado conforme a Figura 9. Neste caso, o transponder OTDR (900) ainda é composto pelos circuladores (910) e (915), fotodetector (920) e eletrônica adequada. Entretanto o SOA (925) é seguido por um amplificador a fibra dopada com érbio, EDFA (930) ou amplificador a fibra dopada adequado à banda óptica em uso.

[0101]O sinal elétrico captado pelo fotodetector é condicionado por eletrônica adequada e controla a intensidade de corrente de forma pulsada (935) do SOA (925).

[0102]Na saída de dito transponder OTDR, o sinal é pulsado com mesma duração de pulso e taxa de repetição do sinal proveniente do módulo OTDR (725) da Figura 7, porém amplificado de modo a poder gerar o efeito Brillouin na fibra sob teste.

[0103]O sinal contrapropagante oriundo da fibra sob teste é desviado pelo par de circuladores (910) e (915) pelo caminho óptico (940) e enviado ao módulo OTDR. Um arranjo para uso de comprimentos de onda provenientes de outras bandas ópticas pode ser utilizado, bastando para isso substituir o dito SOA (925) e EDFA (930) por SOAs que operem na banda óptica de interesse e amplificadores a fibra óptica adequados (dopados com Praseodímio, Túlio, Érbio, Itérbio, entre outros).

[0104]Em ainda outra forma de realização da dita invenção, o transponder OTDR (750) da Figura 7, pode ser realizado conforme a Figura 10.

[0105]Neste caso, o transponder OTDR (1000) agora é composto por três circuladores (1010), (1015) e (1020), fotodetector (1025) e eletrônica adequada. Entretanto ao invés de um SOA é utilizado um RSOA (1030) seguido de um amplificador a fibra dopada com érbio, EDFA, (1035) ou amplificador a fibra dopada adequado à banda óptica em uso. O sinal elétrico captado pelo fotodetector é condicionado por eletrônica adequada e atua (1040) no RSOA (1035). Na saída do transponder OTDR, o sinal é pulsado com a mesma duração de pulso e taxa de repetição do sinal proveniente do módulo OTDR externo, por exemplo, o módulo OTDR (725) da Figura 7, porém amplificado de modo a poder gerar o efeito Brillouin na fibra sob teste.

[0106]O sinal contrapropagante oriundo da fibra sob teste é desviado pelo par de circuladores (1010) e (1015) pelo caminho óptico (1045) e enviado ao módulo OTDR. Devido às características de funcionamento do RSOA, um terceiro circulador óptico (1020) foi adicionado, onde o sinal CW do laser externo adentre a cavidade do componente do dito RSOA, de tal forma que este seja modulado de forma adequada pelo sinal proveniente de (1040), sendo logo direcionado para o EDFA (1035) de forma adequada.

[0107]Um arranjo para uso de comprimentos de onda provenientes de outras bandas ópticas pode ser utilizado, bastando para isso substituir o dito RSOA (1030) e EDFA (1035) por moduladores que operem na banda óptica de interesse e amplificadores a fibra óptica adequados (dopados com Praseodímio, Túlio, Érbio, Itérbio, entre outros).

[0108]Em ainda outra forma de realização da invenção, o módulo OTDR (1105) pode estar distante do restante do sistema, mas interligado por um enlace de fibra óptica (1110). O sinal proveniente do módulo OTDR é suficiente para atuar no transponder OTDR (1115) em uma de suas formas (750), (800) e (900) transformando o sinal óptico proveniente do laser sintonizável ou arranjo seletor de laser (1120) em sinal pulsado e amplificado e no comprimento de onda de interesse que é direcionado para a fibra óptica em análise (1125). A outra parte do sinal proveniente do laser sintonizável ou arranjo seletor de laser (1120), após passar no acoplador óptico (1130) e pelo shifter (1135) é enviado à fibra óptica em análise (1125) no sentido contrapropagante em relação ao bombeamento.

[0109]Nesta realização, duas unidades de processamento ou computadores distintos são usados. Uma unidade de processamento (1140) é responsável por determinar o deslocamento de frequência a ser aplicado pelo shifter (1135) ao sinal óptico dito probe. A outra unidade de processamento (1145) é responsável pela captura dos traços do módulo OTDR (1105).

[0110]Embora a invenção tenha sido descrita em conexão com certas modalidades preferenciais de realização, deve ser entendido que não se pretende limitar a invenção àquelas modalidades particulares. Ao contrário, pretende-se cobrir todas as alternativas, modificações e equivalentes possíveis dentro do espírito e do escopo da invenção.

Claims (11)

1. SISTEMA PARA DETERMINAR TEMPERATURA E DEFORMAÇÃO DE FORMA DISTRIBUÍDA EM UMA ÚNICA FIBRA ÓPTICA que compreende uma fonte de radiação a laser (500, 700), cujo sinal é dividido em duas partes por um acoplador óptico (505, 710) conectado à saída de dita fonte de radiação a laser; possuindo, ainda radiação que consisti de uma pluralidade de lasers (610, 615, 620) caracterizado por uma fonte de radiação a laser (500, 700) e lasers (610, 615, 620) operarem em diversos comprimentos de onda (i) em uma única banda óptica, conectado a uma fibra óptica sob teste (540, 740, 1 125) com comprimentos de radiação distintos e uma chave óptica (625), em que a banda óptica ser a banda C.

2. SISTEMA de acordo com a reivindicação 1, é caracterizado por estar conectado a uma fibra óptica sob teste (540, 740, 1 125), a qual compreende uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, sendo esta última conectada a um gerador (530, 755, 1135) de sinal laser com frequência deslocada em um valor ajustável (n) relativamente ao sinal produzido por dita fonte (500, 700), dito gerador sendo comandado por um computador ou processador (560, 760, 1140) ao qual se encontra conectado.

3. SISTEMA de acordo com a reivindicação 2, é caracterizado por dita fibra óptica sob teste ter sua primeira extremidade conectada, através de um circulador óptico (520, 745, 815, 915, 1015) a meios geradores de um sinal laser pulsado (515) com comprimento de onda (t) e potência óptica amplificada.

4. SISTEMA de acordo com a reivindicação 3, é caracterizado por dito circulador (520) ter sua primeira porta conectada à saída de um modulador de pulso óptico (510) cuja entrada está conectada a dita fonte de radiação a laser (500) através de dito acoplador óptico (505).

5. SISTEMA de acordo com a reivindicação 3, é caracterizado por dito circulador óptico (745, 815, 915, 1015) integrar um transponder OTDR (750, 800, 900, 1000) provido de uma primeira entrada recebendo o sinal de dita fonte (700) e uma segunda entrada conectada a um módulo OTDR (725) através de um circulador (730, 810, 910, 1010).

6. MÉTODO PARA DETERMINAR TEMPERATURA E DEFORMAÇÃO DE FORMA DISTRIBUÍDA EM UMA ÚNICA FIBRA ÓPTICA mediante o sistema definido nas reivindicações 1 a 5, caracterizado por compreender os seguintes passos: - introduzir numa primeira extremidade de uma fibra óptica padrão (525, 740) primeiros sinais pulsados numa pluralidade de comprimentos de onda com (Àpi,Àp2,...,Àpn) potência óptica necessária para gerar um sinal retroespalhado (540) pelo efeito Brillouin; - introduzir numa segunda extremidade da mesma fibra óptica uma pluralidade de segundos sinais (535) probe com frequências deslocadas (n) relativamente aos ditos comprimentos de onda (Àpi,Àp2,...,Àpn); - para cada um de ditos comprimentos de onda, encaminhar por meio de um circulador (520) a soma do dito sinal retroespalhado com o sinal probe transmitido através da fibra óptica, a um detector óptico (550); - exibir o traço resultante num dispositivo adequado (555, 725, ii05); - comandar, através de um computador ou processador (560) a mudança do deslocamento de frequência (n) realizada pelo shifter (530) de modo a resultar um máximo na soma dos sinais retroespalhados e dos sinais probe para cada um dos ditos comprimentos de onda; - registrar os valores dos deslocamentos Brillouin VB0i,VB02 e ^B03 , fornecidos pelo computador (560); - montar conjuntos de equações relacionando cada deslocamento Brillouin com os coeficientes de temperatura e de deformação e variações de temperatura e deformação, a partir dos pares de comprimentos de onda de bombeio (Àpi Àp2; Àp2,Àp3;Àp(n-i), Àpn) ou um único sistemas de equações a partir de uma pluralidade de comprimentos de onda de bombeio (Api,Ap2; Àp2,Àp3;Àp(n-i), Àpn).

7. MÉTODO de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por dito dispositivo adequado ser um osciloscópio (555).

8. MÉTODO de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por dito dispositivo adequado ser um módulo OTDR (725, ii05).

9. MÉTODO de acordo com as reivindicações 6, caracterizado adicionalmente pelo fato de resolver ditos conjuntos de equações (3, 45 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12).

10. MÉTODO de acordo com a reivindicação 6 e 9, caracterizado por compreender a resolução de n-1 pares de equações correspondentes, cada um, a um par de comprimentos de onda de bombeio (Àpi,Àp2; Àp2,Àp3;Àp(n-i), Àpn) e obter a média dos n-1 valores de temperatura e n-1 valores de deformação obtidos.

11. MÉTODO de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por resolver uma única equação matricial (9, 11), através da matriz (C+) pseudoinversa de Moore-Penrose.

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