BR112012007192B1 - Método e sistema de detecção acústica distribuída - Google Patents

Abstract

método e sistema de detecção acústica distribuída um método de detecção acústica distribuída (das), por meio do qual o derivativo ou taxa de mudança de uma retrodifusão de sinal de uma fibra é medido. a mudança ou derivativo da fase medida desta maneira tem uma amplitude muito menor do que o próprio sinal, se a diferença entre os dois tempos em que o sinal é medido for muito menor do que o período do sinal sendo medido, resultando em mais baixa sensibilidade. as mudanças de frequência podem ser aplicadas a sinais de retorno temporariamente deslocados para comparar a taxa de mudança, por exemplo, empregando-se um interferômetro de saída disposto para modular o sinal de cada braço por uma diferente mudança de frequência.

Description

[001] A presente invenção refere-se à detecção por fibra óptica e, em particular, a detecção acústica distribuída (DAS).

[002] A detecção acústica distribuída (DAS) oferece uma forma alternativa de detecção por fibra óptica em sensores pontuais, por meio do que um único comprimento de fibra longitudinal é opticamente interrogado, usualmente por um ou mais pulsos de entrada, para prover detecção substancialmente contínua da atividade acústica/vibracional ao longo de seu comprimento. O único comprimento da fibra é tipicamente fibra de modo único e é preferivelmente livre de quaisquer espelhos, refletores, grades ou mudança de propriedades ópticas ao longo de seu comprimento.

[003] Na detecção acústica distribuída, a retrodifusão de Rayleigh é normalmente usada. Devido às inomogeneidades das fibras ópticas padrão, uma pequena quantidade de luz de um pulso injetado dentro de uma fibra é refletido de volta de cada local ao longo do comprimento da fibra, resultando em um sinal de retorno contínuo, em resposta a um único pulso de entrada. Analisando-se a retrodifusão de radiação dentro da fibra, a fibra pode efetivamente ser dividida em uma pluralidade de distintas partes de detecção dispostas longitudinalmente ao longo da fibra que pode ser (mas não tem que ser) contígua.

[004] Se uma perturbação ocorrer ao longo da fibra, ela muda a luz retrodifundida naquele ponto. Esta mudança pode ser detectada em um receptor e a partir dele o sinal de perturbação de fonte pode ser estimado. Baixos níveis de ruído e elevada discriminação podem ser obtidos usando-se uma abordagem de reflectômetro de domínio de tempo óptico coerente (COTDR), como descrito acima.

[005] Uma abordagem alternativa para DAS é baseada em interferometria heteródina. Nesta abordagem, a luz que passou através de uma dada seção de fibra sofre interferência da luz que não passou. Qualquer perturbação nesta seção de fibra provoca uma mudança de fase entre as duas partes de luz que se interferem e esta mudança de fase pode ser medida para fornecer uma estimativa mais precisa do sinal de perturbação do que é possível com COTDR. A faixa dinâmica para um tal sistema é limitado especialmente quando detectando fibras muito longas e é com frequência desejável utilizar- se algum método para aumentar a faixa dinâmica.

[006] Uma variedade de diferentes técnicas tem sido proposta para alcançar este objetivo. Um exemplo particularmente adequado é a técnica de detecção derivativa (DST) como exposto no copendente do Requerente WO2008/110780, a que a referência é dirigida. Este documento descreve um pacote sensor conhecido do tipo tendo quatro espirais sensoras de fibra óptica, dispostas entre cinco espelhos acoplados por fibra. A interrogação do pacote sensor é pela introdução de um par de pulsos ópticos e as espirais e pulsos são dispostos de modo que uma série de pulsos é retornada, a informação de cada espiral sensora sendo derivável da fase imposta nos respectivos pulsos. O WO2008/110780 observa que se a mudança, ou derivada da fase, for medida em vez de, então esta tem uma muito menor amplitude do que o próprio sinal, se a diferença entre as duas vezes em que o sinal é medido for muito menor do que o período do sinal sendo medido. Um sistema e método são então propostos, que manipulam a regulação dos pulsos retornados do pacote, de modo que eles alternativamente contêm informação de fase direta ou “normal” e fase derivada. A Figura 6 de WO2008/110780 é reproduzida na Figura acompanhante 4 e mostra a combinação dos trens de pulso retornados 604 e 606, contendo informação derivada (no tempo 614, por exemplo), intercalada temporariamente com a combinação de trens de pulso retornados 602 e 608, que contêm informação de fase direta (no tempo 612, por exemplo).

[007] É um objetivo da presente invenção prover métodos e aparelhos aperfeiçoados para prover detecção acústica distribuída.

[008] De acordo com um primeiro aspecto da invenção, é provido um método de detecção acústica distribuída (DAS) interrogando-se um comprimento da fibra óptica, dita fibra óptica provendo uma mudança de fase de propagação de sinal, em resposta a um parâmetro detectado, dito método compreendendo: introduzir um sinal de entrada em um comprimento da fibra óptica; receber um sinal de retorno retrodifundido de dita fibra óptica, em resposta a um sinal de entrada; comparar um primeiro sinal de retorno retrodifundido de uma parte de dita fibra em um primeiro tempo, e um segundo sinal de retorno retrodifundido da mesma parte de dita fibra em um segundo diferente tempo; e derivar de dita comparação uma medida da taxa de mudança de fase com o tempo de dito sinal retrodifundido. Em uma forma de realização particularmente preferida, o primeiro sinal de retorno é mudado em frequência em relação a dito segundo sinal de retorno.

[009] Desta maneira, a técnica de detecção derivativa (DST) pode ser aplicada a detecção acústica distribuída (DAS), apesar do fato de que a DAS provê um sinal de retorno substancialmente contínuo. Isto contrasta com os retornos pulsados providos pelas formações de sensores pontuais, que naturalmente permitem saídas normais e derivadas serem intercaladas.

[0010] A DAS provê a vantagem de que um comprimento de fibra padrão substancialmente contínuo, não-modificado (p. ex., SMF28) pode ser usado, requerendo pouca ou nenhuma modificação ou preparação para uso. Preferivelmente, os sinais retrodifundidos Rayleigh são detectados e analisados. Um exemplo de um arranjo de detecção acústica distribuída opera com uma fibra longitudinal de até 40 km de comprimento e é capaz de resolver dados lidos em múltiplos canais correspondendo a comprimentos de 10 m. Um sistema DAS adequado é descrito em GB 2442745, por exemplo.

[0011] Uma vez que a fibra não tem descontinuidades, o comprimento e arranjo das seções de fibra, correspondendo a cada canal, são determinados pela interrogação da fibra. Estes podem ser selecionados de acordo com o arranjo físico da fibra e a estrutura ou espaço sendo monitorado, e também de acordo com o tipo de monitoramento requerido. Desta maneira, a distância ao longo da fibra e o comprimento de cada seção de fibra, ou resolução de canal, podem facilmente ser variados com ajustamentos do interrogador mudando a largura do pulso de entrada, separação de pulso e ciclo de atividade de pulso de entrada, sem quaisquer mudanças na fibra.

[0012] A mudança de frequência imposta entre os primeiro e segundo sinais de retorno pode ser realizada por um mudança aplicada a um ou outro dos sinais de retorno, p. ex., utilizando-se um AOM. Em um tal caso, uma mudança de frequência mínima de aproximadamente 40 MHz seria esperada. Em uma forma de realização preferida, o primeiro sinal de retorno é modulado por uma primeira mudança de frequência e o segundo sinal de retorno é modulado por uma segunda mudança de frequência. Isto permite que menores diferenças sejam realizadas e maior flexibilidade na escolha das frequências usada. Uma maneira conveniente de realizar isto é passando-se os sinais de retorno recebidos através de um interferômetro de saída, dito interferômetro de saída arranjado para modular o sinal de cada braço por uma diferente mudança de frequência. Os interferômetros tipo Michelson ou Mach-Zehnder poderiam ser usados.

[0013] A entrada de sinal para a fibra sob teste compreende um par de pulsos temporariamente espaçados em certas formas de realização. Estes pulsos tipicamente terão diferentes mudanças de frequência e interferometria heteródina pode ser usada na análise dos sinais retrodifundidos. A(s) mudança(s) de frequência aplicada(s) aos primeiro e segundo sinais de retorno e as mudanças de frequência nos pulsos de entrada são desejavelmente selecionadas para permitir simples isolamento dos componentes de saída desejados, isto é, as várias frequências portadoras, como explicado abaixo. Alternativa ou adicionalmente, o comprimento de onda dos pulsos de entrada pode ser manipulado para permitir mais controle sobre os componentes de saída, como descrito nos exemplos abaixo.

[0014] Os primeiro e segundo sinais de retorno são separados por aproximadamente 125ns em uma forma de realização, entretanto isto pode ser variado pra adequar-se à aplicação, separações de menos do que 500ns ou menos do que 250ns ou 100ns podem ser desejáveis em formas de realização diferentes.

[0015] Em formas de realização, o método inclui ainda comparar um primeiro sinal de retorno retrodifundido de uma primeira parte de dita fibra em um primeiro tempo, e um segundo sinal de retorno retrodifundido de uma segunda diferente parte de dita fibra substancialmente no mesmo tempo; e derivar de dita comparação de uma medida de fase de dito sinal retrodifundido. Isto provê uma medida de fase ‘normal’ e, em consequência, o sinal acústico ‘direto’. É vantajoso que a medida de fase e a medida de taxa de mudança de fase sejam determinadas substancial e simultaneamente em resposta a um sinal de entrada comum. As formas de realização demonstrando este aspecto podem ser exploradas em métodos de prover múltiplas saídas de sensibilidade, como descrito no pedido PCT Número GB2009/001480, publicado como WO2010/004242.

[0016] Um outro aspecto da invenção provê um sistema de detecção acústica distribuída (DAS) para interrogar um comprimento da fibra óptica, dita fibra óptica provendo uma mudança na propagação de fase de sinal, em resposta a um segundo parâmetro, dito sistema compreendendo: um receptor pra receber um sinal retrodifundido de dita fibra óptica, em resposta a um sinal de entrada; um interferômetro de saída de saída adaptado para combinar um primeiro sinal recebido retrodifundido de uma parte de dita fibra em um primeiro tempo, e um segundo sinal retrodifundido da mesma parte de dita fibra em um segundo diferente tempo, em que dito interferômetro de saída inclui um modulador de frequência em pelo menos um braço para impor uma diferença de frequência entre ditos primeiro e segundo sinais de retorno; e um detector de fase para receber ditos sinais combinados e determinar a taxa de mudança de fase com o tempo de dito sinal retrodifundido.

[0017] Este sistema opcionalmente inclui uma fonte de luz para prover um sinal de entrada para uma fibra sob teste.

[0018] A invenção se estende a métodos, aparelho e/ou uso substancialmente como aqui descrito com referência aos desenhos acompanhantes.

[0019] Qualquer detalhe de um aspecto da invenção pode ser aplicado a outros aspectos da invenção, em qualquer combinação apropriada. Em particular, os aspectos de método podem ser aplicados a aspectos de aparelho e vice-versa.

[0020] Além disso, os detalhes implementados em hardware podem geralmente ser implementados em software e vice-versa. Quaisquer referências a detalhes de software e hardware aqui devem ser interpretados desta maneira.

[0021] Detalhes preferidos da presente invenção serão agora descritos, puramente como exemplo, com referência aos desenhos acompanhantes, em que: - A Figura 1 mostra uma primeira forma de realização da presente invenção; - A Figura 2 ilustra um arranjo de pulso alternativo; - A Figura 3 mostra uma forma de realização alternativa da invenção; - A Figura 4 ilustra a saída pulsada de uma técnica da arte anterior.

[0022] Com referência à Figura 1, dois pulsos ópticos 102 e 104 são gerados com as mudanças de frequência de f1 e f2 e uma separação entre seus inícios de x metros. Estes pulsos compreendem um sinal de entrada, que é propagado através de um circulador 106 para dentro da fibra sob teste (FUT) 108 que, como explicado, pode ser um comprimento de fibra de único modo não-modificada. A luz que é retrodifundida, em resposta aos pulsos de entrada, passa de volta através do circulador e então do interferômetro de saída 110 antes de alcançar o fotodetector 112. Em formas de realização preferidas, o interferômetro e o fotodetector são adaptados para operar em sinais retrodifundidos de Rayleigh. O interferômetro de saída tem moduladores acusto-ópticos (AOMs) 116 e 118 em cada braço que funcionam continuamente aplicando mudanças de frequência de f3 e f4 Hz, respectivamente. Um braço também tem uma bobina de retardo 120 para impor um retardo igual à separação de pulso, isto é, de comprimento x metros.

[0023] Começando das posições mostradas na figura 1, pode ser visto que, deslocando-se para e do circulador, a luz do pulso f2 104, que passa através do braço de retardo do interferômetro de saída, desloca-se na mesma distância que a luz de pulso f1 102, que passa através do braço mais curto do interferômetro. Assim, se a luz destes pulsos chegar no fotodetector ao mesmo tempo, eles devem ter sido refletidos da mesma seção de fibra, porém em diferentes tempos e, assim, geram um sinal derivado. Isto é, quando eles tiverem seguido o mesmo trajeto óptico, a diferença de fase entre eles é exatamente a mudança no comprimento do trajeto óptico durante a separação de tempo entre os dois pulsos. As mudanças de frequência destes dois pulsos são f2 + f4 e f1 + f3 e assim eles misturam-se para formar um sinal portador de frequência:

[0024] A luz do pulso f2 que passa através do braço mais curto do interferômetro deve deslocar-se 2x m extras (isto é dupla passagem xm) na fibra sob teste a fim de chegarem ao fotodetector ao mesmo tempo como luz de pulso f1 que passou através do braço de retardo. Isto produzirá um sinal normal (isto é, não um derivado) que corresponde a x metros da FUT. Os pulsos que geram este sinal normal têm frequências de f2+f3 e f1+f4 que se misturam para fornecer um sinal portador de frequência:

[0025] As outras frequências portadoras que são geradas resultam de ambos os pulsos indo através do mesmo braço do interferômetro:

, do mesmo pulso indo através de ambos os braços do interferômetro, dando

[0026] Através de apropriada seleção de f1-4 podemos assegurar que C1-C4são todos diferentes e é possível separar cada sinal portador. Por exemplo, se

observe-se que as frequências mostradas para os pulsos f1 - f4 são todos relativos a uma referência arbitrária e, assim, podem ter um valor zero ou negativo, bem como um positivo.

[0027] A portadora que tem o sinal normal com a mais elevada resolução espacial é C3 e resulta dos pulsos refletindo das seções da fibra separadas por x/2 m. Entretanto, esta saída do interferômetro consiste de duas versões deste sinal (correspondendo aos braços de interferômetro retardado e não-retardado) de seções de fibra x/2 separadas, superpostas no topo entre si. Este problema poderia ser evitado se, como mostrado na figura 1, a fibra de saída fosse dividida e um ramal fosse para o fotodetectômetro 114, que apenas vê uma única portadora (C3) com este elevado sinal normal de elevada resolução espacial.

[0028] GB 2442745 descreve como um número de pares de pulso, cada um gerando uma diferente frequência de portadora, pode ser simultaneamente usado para interrogar um sistema DAS. Neste documento, a finalidade das múltiplas portadoras é prover redundância para mitigar o problema de desvanecimento por coerência causado pela amplitude de uma portadora tornar-se demasiado baixa para desmodular.

[0029] É ainda possível transmitir conjuntos de pares de pulsos com diferentes frequências para superar o problema de desvanecimento por coerência em formas de realização da presente invenção. Por exemplo, utilizando-se valores de f1 = -5 MHz, f2 = 15 MHz e então f1 = -10 MHz, f2 = 20 MHz, daria C1 = 50 e então 60 MHz, respectivamente, com todas as outras frequências permanecendo a 30 MHz ou menos. No fotodetector 114, os sinais normais com portadoras de 10, 20 e 30 MHz seriam produzidos para os três conjuntos de pulsos de entrada.

[0030] Em uma forma de realização proposta, o retardo entre os dois pulsos será de aproximadamente 215ns. A amplitude do sinal derivado é proporcional à separação entre os dois pulsos e, com este retardo relativamente pequeno, o sinal derivado em algumas aplicações pode ter um SNR muito baixo quando o sinal normal sobrecarrega, especialmente se a frequência da perturbação for baixa. A amplitude do sinal derivado poderia ser melhorado aumentando-se a separação de pulso, entretanto isto teria um efeito adverso sobre a resolução espacial do sistema.

[0031] Um método proposto de evitar-se este problema seria transmitir uma série de três pulsos, como mostrado na forma de realização da figura 2.

[0032] Os pulsos de entrada f1 e f2 teria novamente um espaçamento de x m e misturar-se-iam no fotodetector 114, para formar o sinal normal para uma seção da fibra de comprimento x/2 m. Os pulsos de entrada f1 e o pulso recentemente introduzido f5 teria uma muito maior separação de y m e, após passar através do pulso de interferômetro de saída f5 (agora com uma bobina de retardo de y m), misturar-se-ia com o pulso f1 no fotodetector 112, para fornecer um sinal derivado baseado em uma separação de tempo de yn/c, onde né o índice refrativo da fibra e cé a velocidade da luz.

[0033] Como cada um destes pulsos deve preferivelmente ter uma diferente frequência, ele aumenta o número de frequências de portadora, que são geradas tornando mais difícil encontrar um conjunto de frequências que produzam os desejados sinais nas portadoras bem separados de qualquer outro. Alternativamente, o sistema poderia gerar pares de pulso em dois diferentes comprimentos de onda, utilizando-se o arranjo mostrado na figura 3. O comprimento de onda 2 (pulsos de entrada 302 e 306) teria uma grande separação de pulso para produzir os sinais derivados, enquanto o comprimento de onda 1 (pulsos de entrada 302 e 304) teriam um mais curto para produzir os sinais normais. No lado de recepção, os comprimentos de onda seriam separados por um desmultiplexador de comprimento de onda 310 com À2 passando através do interferômetro de saída para o fotodetector 312 e A1 passando diretamente para o fotodetector 314. O mesmo par de mudanças de frequência (f1 e f2) poderia ser usado para os dois comprimentos de onda.

[0034] Deve ser entendido que a presente invenção foi descrita acima puramente como exemplo e modificação do detalhe pode ser feita dentro do escopo da invenção.

[0035] Cada detalhe descrito na descrição e (onde apropriado) nas reivindicações e desenhos pode ser provido independentemente ou em qualquer combinação apropriada.

Claims (15)

1. Método de detecção acústica distribuída (DAS) pela interrogação de um comprimento de fibra óptica (108), a fibra óptica (108) provendo uma mudança na fase de propagação de sinal em resposta a um parâmetro detectado, o método compreendendo: introduzir um sinal de entrada (102, 104, 302, 304, 306) em um comprimento de fibra óptica (108); receber um sinal de retorno retrodifundido da fibra óptica (108), em resposta ao sinal de entrada (102, 104, 302, 304, 306); caracterizadopor: comparar um primeiro sinal de retorno retrodifundido de uma parte da fibra em um primeiro tempo, e um segundo sinal de retorno retrodifundido da mesma parte da fibra em um segundo diferente tempo; em que o primeiro sinal de retorno é modulado por uma primeira mudança de frequência e o segundo sinal de retorno é modulado por uma segunda mudança de frequência, de modo que o primeiro sinal de retorno é mudado em frequência em relação ao segundo sinal de retorno; e derivar da comparação uma medida da taxa de mudança de fase com o tempo do sinal retrodifundido.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato do método compreender passar os sinais de retorno recebidos através de um interferômetro de saída (110), o interferômetro de saída (110) arranjado para modular o sinal em cada braço pela primeira e segunda mudanças de frequência.

3. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizadopelo fato do sinal de entrada compreender um par de pulsos temporalmente afastados (102, 104, 302, 304 306).

4. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizadopelo fato dos pulsos terem diferentes mudanças de frequência.

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de compreender ainda obter um valor de fase com base na medida da taxa de mudança de fase.

6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de compreender ainda comparar um primeiro sinal de retorno retrodifundido de uma primeira parte da fibra (108) em um primeiro tempo, e um segundo sinal de retorno retrodifundido de uma segunda diferente parte da fibra (108) no mesmo tempo; e derivar da comparação uma medida da fase do sinal retrodifundido.

7. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato da medida da fase e da medida da taxa de mudança de fase serem determinadas simultaneamente em resposta a um sinal de entrada comum (102, 104, 302, 304, 306).

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato do sinal de entrada compreender três pulsos temporariamente afastados (302, 304, 306).

9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato dos pulsos de entrada incluírem pelo menos dois comprimentos de onda diferentes.

10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 ou 9, caracterizado pelo fato de o espaçamento temporal entre o primeiro (302) e o terceiro (306) pulsos ser maior do que duas vezes o espaçamento temporal entre os primeiro (302) e o segundo (304) pulsos.

11. Sistema de detecção acústica distribuída (DAS) para interrogar um comprimento de fibra óptica (108), a fibra óptica (108) provendo uma mudança na fase de propagação de sinal em resposta a um parâmetro medido, o sistema compreendendo: um receptor (112, 114, 312, 314) para receber um sinal retrodifundido da fibra óptica (108), em resposta a um sinal de entrada (102, 104, 302, 304, 306), caracterizado pelo fato de que o sistema ainda compreende: um interferômetro de saída (110) adaptado para combinar um primeiro sinal recebido retrodifundido de uma parte da fibra (108) em um primeiro tempo e um segundo sinal recebido retrodifundido da mesma parte da fibra (108) em um segundo tempo diferente, em que o interferômetro (110) de saída inclui um modulador de frequência (116, 118) em pelo menos um braço para impor uma diferença de frequência entre o primeiro e o segundo sinais de retorno; e um detector de fase (112) para receber os sinais combinados e determinar a taxa de mudança de fase com o tempo do sinal retrodifundido.

12. Sistema de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato do interferômetro de saída (110) incluir um modulador de frequência (116, 118) em cada braço do interferômetro de saída, cada modulador de frequência (116, 118) impondo uma diferente mudança de frequência.

13. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 ou 12, caracterizado pelo fato do sistema incluir um segundo detector de fase (114), para determinar a fase do sinal retrodifundido.

14. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, caracterizado pelo fato do sistema incluir um desmultiplexador para separar os sinais retrodifundidos de entradas tendo diferentes comprimentos de onda.

15. Sistema de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de os sinais retrodifundidos em um primeiro comprimento de onda serem passados para o interferômetro de saída (110) e os sinais em um segundo comprimento de onda serem passados diretamente para o segundo detector de fase (114).

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