ES2884308T3 - Mejoras en la detección distribuida por fibra óptica - Google Patents

Abstract

Procedimiento de detección acústica distribuida, que comprende: tomar datos de medición adquiridos por un sensor distribuido de fibra óptica (100), en el que dichos datos de medición corresponden a la intensidad de la luz con retrodispersión de Rayleigh desde como mínimo una porción de detección de una fibra óptica (101) cuando se interroga de forma repetida por pulsos de radiación óptica coherente; identificar un primer conjunto de los datos de medición que comprende los datos adquiridos desde como mínimo una porción de detección de la fibra óptica (101) en respuesta a un primer estímulo que actúa sobre dicha como mínimo una porción de detección de la fibra óptica, en el que dicho primer estímulo da como resultado un cambio en la longitud de la trayectoria óptica efectiva dentro de dicha porción de detección de como mínimo la longitud de onda de la radiación óptica; analizar el primer conjunto de datos de medición para determinar la frecuencia de la variación de la intensidad de la retrodispersión de dicha porción de detección en respuesta a dicho primer estímulo; y caracterizado por: utilizar dicha frecuencia determinada para proporcionar una indicación de la tasa efectiva del cambio inducido por dicho primer estímulo en dicha porción de detección.

Description

DESCRIPCIÓN

Mejoras en la detección distribuida por fibra óptica

La presente solicitud se refiere a la detección distribuida por fibra óptica, y especialmente a procedimientos y a un aparato para determinar información cuantitativa sobre estímulos medioambientales que actúan sobre la fibra de detección.

La detección acústica distribuida (DAS) por fibra óptica es una técnica conocida en la que una fibra óptica, desplegada como una fibra de detección, es interrogada con radiación de interrogación, y la radiación que emerge de la fibra es detectada y analizada para determinar los cambios medioambientales que actúan sobre la fibra óptica. Algunos sensores de fibra óptica se basan en características introducidas deliberadamente en la fibra, por ejemplo, redes de Bragg o similares, para inducir la reflexión desde un punto en la fibra. Sin embargo, en un sensor distribuido de fibra óptica, se detecta la radiación que es retrodispersada desde puntos de dispersión inherentes dentro de la fibra. Por tanto, la función de detección se distribuye a lo largo de la fibra, y la resolución espacial y la disposición de las diversas porciones de detección dependen de las características de la radiación de interrogación y del procesamiento aplicado.

Se han probado diversos tipos de sensores DAS, incluyendo sensores basados en la dispersión de Rayleigh de la luz desde la fibra de detección. La luz transmitida en una fibra óptica se dispersará desde los diversos puntos de dispersión inherentes dentro de una fibra óptica. Una vibración mecánica de la fibra, tal como la producida por una onda acústica incidente, modificará la distribución de los puntos de dispersión, dando lugar a un cambio detectable en las propiedades de la luz con retrodispersión de Rayleigh. Analizar dichos cambios permite detectar vibraciones/estímulos acústicos de frecuencia relativamente alta que actúan sobre las porciones de detección de la fibra óptica.

Un tipo de sensor DAS lleva a cabo interrogaciones repetidas de la fibra de detección. Cada interrogación implica transmitir como mínimo un pulso de radiación óptica coherente en la fibra óptica y detectar la intensidad de la luz retrodispersada desde cada una de varias porciones de detección de la fibra de detección, también denominadas canales del sensor DAS. La intensidad de la retrodispersión desde un canal determinado en respuesta a interrogaciones independientes de la fibra de detección se supervisa para determinar cualquier estímulo acústico que actúe sobre la fibra. En ausencia de cualquier estímulo medioambiental, la intensidad de la retrodispersión desde cualquier porción de detección determinada debería permanecer sin cambios para cada interrogación repetida (siempre que las características del/de los pulso/s de interrogación permanezcan sin cambios). Sin embargo, un estímulo medioambiental que actúa sobre la porción de detección pertinente de la fibra dará lugar a un cambio en la longitud de la trayectoria óptica para esa sección de fibra, por ejemplo, a través del estiramiento de la sección pertinente de la fibra y/o de una modulación del índice de refracción. Como la retrodispersión desde los diversos puntos de dispersión dentro de la porción de detección de fibra interferirá para producir la intensidad resultante, un cambio en la longitud de la trayectoria óptica modificará el grado de interferencia y, por tanto, dará lugar a un cambio en la intensidad de la retrodispersión. Este cambio en la intensidad se puede detectar y utilizar como una indicación de perturbaciones que actúan sobre la fibra, tales como una onda acústica incidente.

Dichos sensores DAS, en los que la señal de medición se basa en las variaciones de intensidad de la retrodispersión detectada, se han empleado ventajosamente en una amplia gama de aplicaciones. Sin embargo, un problema con dichos sensores es que el cambio de intensidad relativa en respuesta a un estímulo de entrada determinado variará de un canal a otro y también puede variar para un canal determinado a lo largo del tiempo. En otras palabras, la ganancia del canal es variable. Esto significa que puede ser difícil determinar información cuantitativa sobre el estímulo con un sensor de este tipo. Además, habitualmente dichos sensores no proporcionan una detección fiable de las perturbaciones de baja frecuencia sobre la fibra óptica.

Una forma de proporcionar información más cuantitativa es utilizar radiación de interrogación que esté compuesta por dos pulsos, estando cada pulso en una frecuencia diferente. Esto significa que la retrodispersión recibida en el detector comprende la retrodispersión de ambos pulsos, que interferirá, y, por tanto, habrá una componente de señal en la diferencia de frecuencia entre los pulsos. Si los dos pulsos están separados espacialmente en la fibra, entonces cualquier perturbación medioambiental que actúe sobre la fibra entre los pulsos que conduzca a un cambio en la longitud de la trayectoria óptica dará como resultado un cambio de fase de la señal en esta diferencia de frecuencia, lo que se puede considerar como una señal en una frecuencia portadora. Mediante la elección apropiada de la frecuencia portadora, se puede detectar este cambio de fase, y la magnitud del cambio de fase se puede relacionar con la amplitud de la perturbación que actúa sobre la fibra. Dichos sistemas DAS de salida de fase de dos pulsos son muy útiles, pero, como se menciona, habitualmente requieren dos pulsos separados espacialmente. Como la resolución espacial del sensor está relacionada con el tamaño y la separación de los pulsos en la fibra, esto significa que habitualmente se utilizan pulsos de duración corta. Sin embargo, los pulsos cortos significan que se inyecta menos luz en total en la fibra en cada interrogación, con el resultado de que se detectará menos retrodispersión. Para conseguir la misma resolución espacial, un sistema de dos pulsos tendría que utilizar pulsos más cortos que un sistema de un pulso. Esto puede reducir el intervalo eficaz del sistema basado en dos pulsos en comparación con el sistema de salida de intensidad de un pulso.

La Patente US2011/069302 da a conocer un procedimiento para la supervisión sísmica en un área extensa. La Patente GB2442745 da a conocer una detección acústica utilizando múltiples pulsos ópticos.

Las realizaciones de la presente invención pretenden dar a conocer procedimientos y un aparato para la detección distribuida por fibra óptica que permiten una funcionalidad de detección mejorada y/o adicional.

Por tanto, según la presente invención, se da a conocer un procedimiento de detección acústica distribuida según se define en la reivindicación independiente 1.

En otro aspecto, la invención también da a conocer un aparato de sensor acústico distribuido según se define en la reivindicación independiente 15.

Otros aspectos ventajosos de la invención se definen en las reivindicaciones dependientes.

A continuación, se describirá la invención por medio de un ejemplo, solo con respecto a los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 ilustra un sensor distribuido de fibra óptica convencional;

la figura 2 ilustra la propagación de un pulso óptico en la fibra de detección;

la figura 3 ilustra los principios de la variación de la intensidad de la retrodispersión con punto de polarización; la figura 4 ilustra los principios de la variación de la intensidad de la retrodispersión en respuesta a un estímulo continuo unidireccional;

la figura 5 ilustra los datos de un sensor DAS en respuesta a una deformación de amplitud grande y período largo; la figura 6 ilustra la frecuencia de la señal DAS detectada; y

las figuras 7a a 7c ilustran la variación de temperatura aplicada a una parte de una fibra óptica y los datos resultantes de un sensor DAS.

La figura 1 muestra un esquema de una disposición de detección por fibra óptica distribuida general. Un tramo de la fibra de detección 101 está conectado de forma extraíble a un extremo de un interrogador 100. La fibra de detección está acoplada a una salida/entrada del interrogador utilizando medios de acoplamiento de fibra óptica convencionales. La unidad del interrogador está dispuesta para lanzar pulsos de radiación óptica coherente en la fibra de detección 101 y para detectar cualquier radiación de dichos pulsos que se retrodisperse dentro de la fibra óptica. Para un aparato de detección acústica distribuida (DAS) basado en la dispersión de Rayleigh, el detector detectará radiación con retrodispersión de Rayleigh desde el interior de la fibra y que, por tanto, está en la misma frecuencia que la radiación de interrogación. Para generar los pulsos ópticos, la unidad del interrogador 100 comprende como mínimo un láser 102. La salida del láser se puede recibir por un modulador óptico 103. Se debe tener en cuenta que, como se utiliza en la presente memoria descriptiva, el término "óptico" no se limita al espectro visible y la radiación óptica incluye radiación infrarroja, radiación ultravioleta y otras regiones del espectro electromagnético. A continuación, la salida de pulsos del modulador óptico 103 se transmite a la fibra de detección 101, por ejemplo, por medio de un circulador 104.

La fibra de detección 101 puede tener muchos kilómetros de longitud, y puede tener, por ejemplo, 40 km de longitud o más. La fibra de detección puede ser una fibra óptica monomodo de núcleo sólido sin modificar estándar, tal como la que se utiliza de forma rutinaria en aplicaciones de telecomunicaciones, sin la necesidad de introducir deliberadamente puntos de reflexión, tal como redes de Bragg o similares. También se puede utilizar fibra multimodo, pero las mediciones son habitualmente de menor calidad que si se utiliza una fibra monomodo. La capacidad de utilizar un tramo sin modificar de fibra óptica estándar para proporcionar la detección significa que se puede utilizar fibra disponible fácilmente de bajo coste. La fibra óptica habitualmente se protegerá conteniéndola en una estructura de cable. En algunas realizaciones, la fibra puede comprender una fibra que se ha fabricado para ser especialmente sensible a vibraciones incidentes, o la estructura de cable se puede haber diseñado para conseguir el mismo efecto. En uso, la fibra 101 se despliega en un área de interés que se va a supervisar.

La radiación óptica que se retrodispersa desde dichos pulsos ópticos que se propagan dentro de la fibra de detección se dirige a como mínimo un fotodetector 105, de nuevo, por ejemplo, por medio del circulador 104. La salida del detector se muestrea por un convertidor de analógico a digital (ADC) 106, y las muestras desde el ADC habitualmente se pasan a los circuitos de procesamiento 107 para su procesamiento (aunque, en teoría, podrían enviarse las muestras de datos base). Los circuitos de procesamiento 107 pueden procesar las muestras del detector para determinar una intensidad de la retrodispersión global desde cada uno de varios canales diferentes, correspondiendo cada canal a una porción de detección longitudinal diferente de fibra óptica. En algunas disposiciones, los circuitos de procesamiento 107 pueden proporcionar la mayor parte del procesamiento para indicar cualquier señal acústica que actúa sobre los canales del sensor. Sin embargo, en algunas realizaciones, la salida del interrogador 100 se puede pasar a un procesador de señales externo (no mostrado), que puede estar situado junto con el interrogador o puede ser remoto al mismo, y, opcionalmente, a una pantalla gráfica/interfaz de usuario, que en la práctica se puede implementar por un PC de las especificaciones apropiadas. La interfaz de usuario puede estar situada junto con el procesador de señales o puede ser remota al mismo.

Se observará que la unidad del interrogador puede comprender otros diversos componentes, tales como amplificadores, atenuadores, filtros, etc., pero dichos componentes se han omitido en la figura 1 para mayor claridad en la explicación del funcionamiento general del interrogador.

En un sensor DAS basado en intensidad, el láser 102 (y el modulador 103 si está presente) se configuran para producir de forma repetida como mínimo un pulso de interrogación a una frecuencia de lanzamiento particular, denominada a menudo frecuencia de emisión. Cuando un pulso de interrogación se propaga dentro de la fibra óptica, parte de la luz se dispersará desde los puntos de dispersión intrínsecos dentro de la fibra óptica. Como mínimo parte de esta luz retrodispersada se volverá a guiar hasta el comienzo de la fibra óptica, donde se puede detectar. En cualquier instante, la luz que llega al detector puede comprender luz dispersada desde una serie de puntos de dispersión distribuidos a través de una sección de fibra.

La figura 2 ilustra la propagación de un pulso en la fibra óptica y muestra la distancia a lo largo de la fibra frente al tiempo. Las líneas 201 y 202 ilustran los bordes inicial y final del pulso, respectivamente. Por tanto, en el tiempo tü el borde inicial del pulso entra en la fibra óptica y en t1 el borde final del pulso entra en la fibra. Por lo tanto, el tiempo entre t0 y t1 corresponde a la duración del pulso. El pulso se propaga en la fibra a una velocidad igual a c/n, donde c es la velocidad de la luz en el vacío y n es el índice de refracción efectivo de la fibra óptica. Por tanto, en la fibra los pulsos tendrán un ancho espacial, W1, representado por la distancia vertical entre las líneas 201 y 202.

A medida que el pulso se propaga en la fibra óptica, parte de la luz se retrodispersará hacia el inicio de la fibra. Esta luz retrodispersada también viajará a una velocidad igual a c/n. Se considera la luz que alcanza el detector. La línea 203 representa la trayectoria de la luz que posiblemente podría recibirse al inicio de la fibra óptica en un instante determinado t2. Cualquier retrodispersión que se produzca en un tiempo y una distancia en la fibra que se sitúe en la línea 203 se recibirá en el inicio de la fibra en el mismo instante t2. Por tanto, se puede ver que la luz que se dispersa en varios momentos desde una primera sección de la fibra cuando el pulso se propaga a través de esa sección será coincidente en el inicio de la fibra (y, por lo tanto, coincidente en el detector). También se puede ver que el ancho de esta primera sección de fibra es igual a la mitad del ancho del pulso en la fibra, es decir, Wi/2.

Esto significa que, en cualquier caso, la luz retrodispersada recibida en el inicio de la fibra óptica corresponde a la retrodispersión en la fibra desde varios puntos de dispersión distribuidos a través de una determinada sección de fibra. La longitud de esta sección de fibra se define por el ancho del pulso de la radiación de interrogación. El tamaño espacial mínimo de las porciones de detección discretas, que se puede denominar longitud de medición, se define, por tanto, por el ancho del pulso de interrogación.

Por lo tanto, la señal retrodispersada recibida en el detector en cualquier instante es una señal de interferencia resultante de la combinación de la luz dispersada desde todos los puntos de dispersión dentro de una sección de fibra. La distribución de los puntos de dispersión dentro de una sección determinada de fibra es efectivamente aleatoria, y, por tanto, el número de puntos de dispersión y la distribución de dichos puntos dentro de una sección de fibra variará a lo largo de la longitud de la fibra. Por tanto, la intensidad de la retrodispersión recibida desde diferentes secciones de fibra variará de forma aleatoria. Sin embargo, en ausencia de cualquier cambio medioambiental que afecte a la fibra, la distribución de los puntos de dispersión en una sección determinada de fibra se mantendrá sin cambios, y, por tanto, la intensidad de la retrodispersión desde una sección determinada de fibra será coherente para pulsos de interrogación idénticos. Cualquier perturbación mecánica de la fibra, tal como la flexión causada por una onda acústica incidente, cambiará la distribución de los puntos de dispersión y el índice de refracción efectivo de esa parte de la fibra, y, por tanto, conducirá a un cambio en la intensidad de la retrodispersión resultante.

En un modelo sencillo, se puede considerar que el número de puntos de dispersión determina la cantidad de dispersión que se puede producir y la distribución de dichos puntos de dispersión determina la interferencia. Un estímulo acústico que conduce a una deformación en la fibra puede dar como resultado un cambio en la longitud de la trayectoria óptica dentro de la sección pertinente de fibra (que podría ser un cambio físico en la longitud y/o un cambio en el índice de refracción efectivo en parte de la fibra). En este modelo sencillo, esto se puede considerar como un cambio en la separación de los puntos de dispersión, pero sin ningún efecto significativo en el número. El resultado es un cambio en las características de la interferencia. En efecto, el estímulo acústico que conduce a cambios en la longitud de la trayectoria óptica en la sección de fibra pertinente se puede ver como una variación del punto de polarización de un interferómetro virtual definido por los diversos puntos de dispersión dentro de esa sección de fibra.

La figura 3 ilustra un diagrama idealizado 301 de la intensidad de la retrodispersión frente al punto de polarización para una sección determinada de fibra. En ausencia de cualquier estímulo externo, se puede considerar que una sección determinada de fibra tiene un punto de polarización en estado estacionario, es decir, el punto de funcionamiento de una sección determinada de fibra (y, de forma equivalente, un canal determinado del sensor DAS) se situará en algún punto del gráfico 301. La figura 3 ilustra un punto de funcionamiento 302 para una sección determinada de fibra.

Cualquier estímulo acústico que produzca un cambio en la longitud de la trayectoria dará como resultado una variación del punto de polarización en torno a este punto de funcionamiento, es decir, desplazará el punto de funcionamiento del canal con respeto al punto de polarización en estado estacionario. Un estímulo de entrada sinusoidal que da como resultado una variación de longitud de la trayectoria óptica oscilante correspondiente se ilustra como la entrada 303. En esta sección de la curva de funcionamiento, un cambio en la longitud de la trayectoria en una dirección conducirá a un aumento de la intensidad de la retrodispersión, y un cambio en la longitud de la trayectoria en la otra dirección conducirá a una disminución de la intensidad de la retrodispersión. Esto hará que la intensidad de la retrodispersión desde esa sección varíe como se indica, dando como resultado, por tanto, la salida 304.

Por tanto, lanzando de forma repetida pulsos de interrogación a la fibra y observando la intensidad de la retrodispersión el mismo tiempo después del lanzamiento para cada pulso, se puede determinar cualquier cambio en la intensidad de la retrodispersión desde una sección determinada de fibra, y, por lo tanto, se puede detectar cualquier perturbación acústica de la fibra. Se debe observar que, como se utiliza en la presente memoria descriptiva, el término "acústico" significa cualquier tipo de onda de presión o estímulo de tipo vibratorio, y, para evitar dudas, incluye los estímulos sísmicos. El término "acústico" también incluye estímulos ultrasónicos e infrasónicos.

Dichos sensores DAS son muy útiles y se han utilizado en una gama de aplicaciones diferentes. Sin embargo, puede ser difícil proporcionar información cuantitativa precisa sobre el estímulo que actúa sobre la fibra de detección, porque las variaciones de la intensidad para un canal determinado en respuesta a un estímulo de entrada determinado pueden ser no lineales, y, además, la ganancia de los canales, es decir, la cantidad de cambio de intensidad para un estímulo determinado, también es variable. En el ejemplo ilustrado en la figura 3, el punto de funcionamiento está en una sección aproximadamente lineal de la curva de funcionamiento, y, por tanto, la salida no tiene apenas distorsión con respecto al estímulo de entrada. Sin embargo, se apreciará que un punto de funcionamiento diferente puede conducir a una respuesta diferente al mismo estímulo de entrada. Si el punto de funcionamiento está cerca de un máximo, entonces la intensidad global de la retrodispersión puede ser mayor, pero el cambio en la intensidad debido a un estímulo determinado puede ser más bajo, y si el punto de funcionamiento está cerca de un mínimo, entonces la intensidad de la retrodispersión puede ser baja y difícil de detectar, y cualquier variación de nuevo puede ser baja.

Diferentes secciones de fibra, es decir, diferentes canales, tendrán diferentes puntos de funcionamiento (así como diferentes intensidades de salida máximas posibles), y, por tanto, se puede considerar que cada canal tiene una curva de funcionamiento diferente, es decir, la respuesta a cualquier estímulo de entrada en torno a su punto de funcionamiento actual. Esto significa que la respuesta de un canal a un estímulo determinado puede ser diferente a la respuesta de un canal diferente. Además, el punto de funcionamiento de un canal determinado se puede desviar a lo largo del tiempo. Estos efectos significan que habitualmente puede ser difícil determinar cualquier información cuantitativa fiable a partir de dicho sensor DAS basado en intensidad.

Sin embargo, las realizaciones de la presente invención dan a conocer procedimientos y un aparato para proporcionar información cuantitativa sobre los cambios medioambientales que actúan sobre la fibra de detección. En realizaciones de la presente invención, la fibra óptica de detección se puede interrogar de forma repetida con pulsos de radiación óptica coherente, y se puede detectar la intensidad de la radiación con retrodispersión de Rayleigh, tal como se describe anteriormente. El procedimiento de una realización de la presente invención implica identificar un primer estímulo que actúa sobre como mínimo una porción de detección de la fibra óptica, en el que dicho primer estímulo da lugar a un cambio en la longitud de la trayectoria óptica efectiva dentro de dicha porción de detección de como mínimo la longitud de onda de la radiación óptica, y determinar la frecuencia de variación de la intensidad de la retrodispersión desde dicha porción de detección en repuesta a dicho primer estímulo.

Se ha apreciado que determinados tipos de estímulos pueden dar lugar a un cambio relativamente continuo de la longitud de la trayectoria óptica efectiva durante varias interrogaciones de la fibra óptica (por ejemplo, un incremento continuo o una disminución continua de la longitud de la trayectoria óptica efectiva), y que harán que el punto de funcionamiento de un canal determinado del sensor DAS atraviese por lo menos un máximo y por lo menos un mínimo de intensidad de la retrodispersión. Por tanto, incluso aunque el estímulo proporcione un cambio unidireccional en la longitud de la trayectoria óptica, la intensidad de la retrodispersión desde dicha porción de detección parecerá tener una frecuencia de variación.

Como se menciona, la señal de retrodispersión para una porción de detección se puede considerar como la señal de interferencia desde múltiples puntos de dispersión diferentes dentro de esa porción de detección. Por lo tanto, cualquier cambio en la longitud de la trayectoria óptica que afecte a esa porción de detección, dará lugar a un cambio en la distribución de los puntos de dispersión, y, por tanto, en la señal de retrodispersión.

Se considera, por ejemplo, que un cambio en la longitud de la trayectoria óptica afecta sustancialmente a la totalidad de una porción de detección. Por simplicidad, se considera que el cambio en la longitud de la trayectoria óptica se distribuye de forma relativamente uniforme por toda la porción de detección. Cuando cambia la longitud de la trayectoria óptica efectiva, cambiará la longitud de la trayectoria entre los diversos puntos de dispersión, dando lugar a un cambio de fase entre los puntos de dispersión. Sin embargo, la cantidad de cambio en la longitud de la trayectoria óptica entre dos puntos de dispersión cualesquiera dependerá de la separación de los puntos de dispersión dentro de la porción de detección. Por ejemplo, se considera un primer punto de dispersión ubicado en la parte delantera de una porción de detección y un segundo punto de dispersión ubicado al final de una porción de detección. Si la longitud de la trayectoria óptica efectiva entre la parte delantera y el final de la porción de detección cambia en una cantidad igual a la mitad de la longitud de onda de la radiación de interrogación, el cambio de fase resultante entre el primer y el segundo puntos de dispersión (a lo largo de dos pasadas a través de la porción de detección) será 2n. Por tanto, para dicho cambio en la longitud de la trayectoria, la componente de la señal de interferencia desde estos dos puntos de dispersión atravesará un ciclo de fase completo. Sin embargo, para un tercer punto de dispersión ubicado en el medio de la porción de detección, la variación de la longitud de la trayectoria óptica en un recorrido de ida y vuelta desde el primer hasta el tercer punto de dispersión, será menor y conduciría a un cambio de fase igual a n.

A lo largo de toda la longitud de una porción de detección, un cambio en la longitud de la trayectoria óptica sustancialmente igual a la longitud de onda de la radiación de interrogación habitualmente conducirá a un ciclo de fase completo de variación de la intensidad. Con un cambio en la longitud de la trayectoria óptica igual a la longitud de onda de la radiación de interrogación, el cambio de fase medio entre pares de puntos de dispersión será sustancialmente igual a 2n. Sin embargo, se debe observar que el cambio de fase real entre la mayoría de pares de puntos de dispersión no será igual a 2n, y, por tanto, es probable que la intensidad global de la señal de retrodispersión antes y después de un cambio en la longitud de la trayectoria óptica igual a la longitud de onda de la radiación de interrogación sea diferente.

Esto se ilustra en la figura 4, que muestra parte de una curva de funcionamiento 401 para una porción de detección determinada de la fibra óptica, es decir, un canal del sensor DAS, ilustrando la energía de la retrodispersión desde una porción de detección frente al cambio en la longitud de la trayectoria óptica en una porción de detección (expresada como un porcentaje de la longitud de onda de la radiación de interrogación). Se considera que en un primer momento la porción de detección comienza sin ninguna modulación de la longitud de la trayectoria. Un estímulo continuo produce una variación continua de la longitud de la trayectoria óptica, haciendo que la longitud de la trayectoria óptica de la porción de detección aumente o 'se estire'. Esto hará que la intensidad de la retrodispersión desde dicho canal tenga la forma ilustrada.

Por lo tanto, se ha apreciado que, aunque cada canal puede tener un punto de funcionamiento aleatorio, y la intensidad de la retrodispersión máxima también puede variar entre canales, un cambio en la trayectoria óptica de como mínimo una longitud de onda de la radiación de interrogación en cualquier porción de detección dará como resultado que dicha porción de detección muestre un ciclo de fase completo de variación de la intensidad de la retrodispersión. Además, la frecuencia de dicha variación de intensidad resultante de un cambio unidireccional en la trayectoria está directamente relacionada con la frecuencia de cambio en la longitud de la trayectoria óptica, que, a su vez, está relacionada con el estímulo.

Por tanto, se ha apreciado que, en respuesta a un estímulo, denominado en la presente memoria descriptiva un primer estímulo, que produce un cambio en la longitud de la trayectoria óptica efectiva de como mínimo X en la porción de detección (donde X es la longitud de onda en el vacío de la radiación de interrogación), la frecuencia de la variación de intensidad resultante está directamente relacionada con la frecuencia efectiva a la que el primer estímulo actúa sobre la fibra de detección. Por tanto, identificando aquellos canales que estén experimentando un primer estímulo y determinando la frecuencia resultante de la variación de intensidad, se puede determinar información cuantitativa sobre el estímulo.

Existen diversos procesos físicos que pueden dar como resultado un primer estímulo que actúa sobre la fibra óptica. Para un sensor DAS habitual, la longitud de onda de la radiación de interrogación es del orden de 1,5 micras aproximadamente. Por tanto, los cambios en la longitud de la trayectoria óptica efectiva de aproximadamente 1,5 micras conducirían a dicha modulación de la intensidad en la salida de una porción de detección. Se apreciará que un cambio en la longitud de la trayectoria óptica efectiva puede ser el resultado de un cambio físico en la longitud de la fibra de la porción de detección y/o en la modulación del índice de refracción. Una deformación que actúa sobre la fibra puede producir un cambio físico en la longitud, también con una modulación del índice de refracción. Los eventos de deformación a gran escala, tales como ondas sísmicas grandes, pueden deformar la fibra de este modo.

Además, un cambio en la temperatura también conducirá a un cambio en la longitud de la trayectoria óptica, principalmente a través de una modulación del índice de refracción. Cambios relativamente bajos en la temperatura pueden ser suficientes para proporcionar un cambio en la longitud de la trayectoria óptica de como mínimo X. Por tanto, las realizaciones de la presente invención dan a conocer procedimientos y un aparato para detectar variaciones de temperatura utilizando técnicas de detección DAS. Este procedimiento de detección de temperatura proporciona una rápida sensibilidad a variaciones de temperatura que no se puede conseguir fácilmente utilizando otras técnicas de detección por fibra óptica, tales como la detección de temperatura distribuida basada en dispersión de Brillouin o Raman.

El cambio en la longitud de la trayectoria óptica resultante de un cambio en la temperatura puede depender del tipo de fibra óptica utilizada y de la fabricación del cable de fibra óptica. Sin embargo, los coeficientes de expansión térmica relativamente altos de algunos materiales de recubrimiento/protección, por ejemplo, el nailon, pueden dominar el cambio en la propia fibra. Por ejemplo, se considera una fibra de detección que se interroga con pulsos de longitud de onda, X, de aproximadamente 1,5 micras para proporcionar porciones de detección de aproximadamente 10 m de longitud. Si la fibra de detección fuese una fibra óptica de acrilato interrogada en una disposición de cable en tubo suelto, un cambio en la temperatura de aproximadamente 0,008 K daría como resultado una variación de la longitud de la trayectoria óptica igual a X. Sin embargo, para una fibra de nailon fuertemente protegida, el cambio en la OPL (longitud de la trayectoria óptica) resultante podría ser aproximadamente diez veces más grande para la misma variación de temperatura. Para aplicaciones para la detección de variaciones de temperatura, la fabricación de la fibra se podría elegir para maximizar la sensibilidad a variaciones de temperatura.

Por lo tanto, resultará claro que, incluso con fibra óptica estándar, cambios bastante pequeños de la temperatura, por ejemplo, del orden de 0,1 K, que actúan sobre una porción de detección, conducirían a una respuesta óptica de esa porción de detección que atraviesa varios ciclos de fase. Un cambio de aproximadamente 0,1 K durante un período de tiempo de aproximadamente una hora se puede detectar por encima del ruido del sistema, tal como el ruido de fase del láser, por ejemplo. Por tanto, el procedimiento puede proporcionar mediciones cuantitativas de las variaciones de temperatura del orden de 0,1 K o mayores que se producen en escalas de tiempo de aproximadamente una hora o más rápido.

En la práctica, para un estímulo de deformación que actúa a lo largo de la longitud de la fibra, el cambio físico en la longitud se desplazará parcialmente por el cambio resultante del índice de refracción (n), y, por tanto, se puede requerir un cambio físico en la longitud de aproximadamente 1,2X/n para conseguir un cambio en la longitud de la trayectoria óptica efectiva de X para una fibra óptica convencional. La relación exacta entre el cambio en la longitud física y el cambio en la longitud de la trayectoria óptica para un tipo de fibra de detección determinado se puede determinar fácilmente. Por lo tanto, la tasa de deformación es igual a aproximadamente 1,2Xf/nL, donde f es la frecuencia observada de la señal y L es la longitud efectiva de la porción de detección. En la mayoría de sensores DAS de un único pulso, L es aproximadamente igual a la mitad de la longitud espacial del pulso de interrogación de la radiación óptica.

Se debe observar que, para la detección de deformación, el efecto sobre la longitud de la trayectoria óptica será mayor para deformaciones longitudinales que actúan sobre la fibra de detección, en comparación con deformaciones transversales. Esto se puede utilizar para proporcionar sensibilidad direccional con respecto a la deformación. Si la fibra se despliega de modo que diferentes partes de la fibra, y, por tanto, diferentes porciones de detección, se extienden en diferentes direcciones entre sí, esto puede permitir resolver la tasa de deformación en diversas componentes en diferentes direcciones.

Del mismo modo, los efectos de la temperatura sobre el tipo de fibra de detección se podrían determinar y utilizarse para relacionar la frecuencia detectada con la tasa de cambio de temperatura, por ejemplo, por medio de pruebas de ese tipo de fibra óptica de detección con variaciones de temperatura conocidas. Por tanto, en uso, determinando la tasa de cambio en la longitud de la trayectoria óptica y el tiempo durante el cual se produce el cambio, también se puede determinar un valor de la cantidad de cambio en la temperatura.

Como se menciona, el estímulo podría ser una deformación relativamente continua, tal como la que se podría experimentar con un estímulo acústico/sísmico de amplitud relativamente grande. Por ejemplo, un terremoto puede producir ondas sísmicas de amplitud grande y período relativamente largo que pueden actuar a lo largo de la longitud de la fibra de detección para proporcionar un cambio en la longitud de la trayectoria efectiva del orden de varias veces la longitud de onda de la radiación de interrogación. En ese caso, puede haber una componente de frecuencia relativamente fuerte en la salida de los canales de detección. Determinar la frecuencia indicará la tasa de deformación a lo largo de la longitud de la fibra. La frecuencia se podría determinar formando un espectrograma de los datos desde un canal de detección determinado.

Incluso para un estímulo que causa solo un ciclo de fase de modulación de la intensidad, la frecuencia de la modulación se podría detectar, por ejemplo, observando la salida de intensidad y determinando el tiempo entre un máximo de intensidad y un mínimo de intensidad.

Por lo tanto, el procedimiento implica utilizar la frecuencia determinada para proporcionar una indicación de la tasa efectiva del cambio inducido por dicho primer estímulo en dicha porción de detección. Como se menciona, el primer estímulo puede tener una componente de deformación, y el procedimiento puede implicar utilizar la frecuencia determinada para proporcionar una indicación de la tasa efectiva de deformación a lo largo de la longitud de la fibra óptica en dicha porción de detección. Como también se menciona, el primer estímulo también puede tener una componente de temperatura, y el procedimiento puede implicar utilizar la frecuencia determinada para proporcionar una indicación de la tasa efectiva de cambio en la temperatura en dicha porción de detección.

Por tanto, un procesador, que puede formar parte del sensor DAS o disponerse para recibir los datos de un sensor DAS, puede determinar la frecuencia de la variación de intensidad y determinar, posiblemente basándose en los datos almacenados en una tabla de búsqueda o similar, la tasa de deformación o la tasa de variación de temperatura que corresponde a esa frecuencia, dado el tipo de fibra de detección utilizado y la longitud de onda de la radiación de interrogación.

El análisis anterior se ha centrado en cambios en la longitud de la trayectoria óptica que afectan sustancialmente a la totalidad de la porción de detección. Con porciones de detección que tienen una longitud del orden de aproximadamente 10 m, entonces cualquier cambio en la temperatura general del entorno o deformaciones a gran escala pueden causar un cambio en la longitud de la trayectoria óptica que se distribuye por toda la porción de detección. En dicho caso, como se analiza anteriormente, habrá un intervalo de cambios de fase entre la luz dispersada desde un punto de dispersión al inicio de la porción de detección y la luz dispersada desde un punto de dispersión más adelante en la porción de detección debido al intervalo en el cambio en la longitud de la trayectoria óptica. Esto pretende significar que, en un espectrograma de la intensidad de la retrodispersión desde dicha porción de detección durante el cambio en la longitud de la trayectoria óptica, habrá una distribución de frecuencias hasta una determinada frecuencia máxima. En otras palabras, la señal de medición DAS es relativamente de banda ancha hasta una determinada frecuencia máxima. La frecuencia máxima es la que está relacionada con la deformación, y, por tanto, las referencias para determinar la frecuencia incluyen determinar la frecuencia máxima debida al primer estímulo.

Si el cambio en la longitud de la trayectoria óptica estuviese más localizado solo en parte de la porción de detección, la señal DAS tendería a ser más de banda estrecha. Por ejemplo, se supone que un cambio en la longitud de la trayectoria óptica afecta solo a una subsección de la porción de detección, lo que se puede denominar en la presente memoria descriptiva una 'subsección dinámica', es decir, una subsección que experimenta un cambio, y que el cambio en la longitud de la trayectoria se distribuye por la totalidad de la subsección dinámica. Se supone también que hay como mínimo una 'subsección estática' que no experimenta ningún cambio en la longitud de la trayectoria óptica. Como un ejemplo, se considera que hay una subsección estática delantera y también una subsección estática trasera separadas por una subsección dinámica.

Se considera el cambio en la longitud de la trayectoria entre un primer reflector (desde un primer punto de dispersión) en la parte delantera de la porción de detección y un segundo reflector (desde un segundo punto de dispersión) más adelante en la porción de detección. Si el segundo reflector está dentro de la subsección estática delantera, entonces no hay cambio en la longitud de la trayectoria óptica entre los dos reflectores (ya que el cambio en la longitud de la trayectoria se produce más adelante en la porción de detección). Si el segundo reflector está dentro de la subsección estática trasera, entonces hay un cambio en la longitud de la trayectoria óptica, debido al cambio en la longitud de la trayectoria en la subsección dinámica intermedia. Sin embargo, se debe observar que el cambio en la longitud de la trayectoria óptica se deberá en su totalidad al cambio en la longitud de la trayectoria óptica en la subsección dinámica, y, por tanto, será similar para cada posible segundo reflector en la subsección trasera. Por tanto, se puede considerar que la contribución a la señal de retrodispersión de las subsecciones estáticas delantera y trasera es aproximadamente la señal de un interferómetro de dos espejos.

Si el segundo reflector está dentro de la subsección dinámica, el cambio en la longitud de la trayectoria óptica experimentado dependerá de la posición del segundo reflector. Por tanto, la contribución a la señal de retrodispersión que resulta debido a las interacciones entre un reflector en la subsección estática delantera y la subsección dinámica mostrará un intervalo de cambios en la longitud de la trayectoria óptica. Lo mismo se aplica a las interacciones entre un reflector en la subsección dinámica y la subsección estática trasera.

Si la sección dinámica es relativamente pequeña, la contribución a la señal global que resulta de los reflectores en la sección dinámica será relativamente baja en comparación con la contribución de las dos secciones estáticas. Por tanto, la señal de las dos subsecciones estáticas puede dominar. Se apreciará que un cambio de fase de U2 conducirá a un ciclo de fase completo en la señal de interferencia entre unas subsecciones estáticas delantera y trasera separadas por una subsección dinámica. La señal de interferencia que resulta de estas secciones también tenderá a ser más parecida a una onda sinusoidal pura para un cambio constante en la longitud de la trayectoria óptica en la subsección dinámica.

Por tanto, un estímulo que causa un cambio en la longitud de la trayectoria óptica de como mínimo U2 en una proporción relativamente pequeña de una porción de detección dará como resultado una señal de intensidad de retrodispersión desde dicha porción de detección que muestra una variación de frecuencia de banda relativamente estrecha.

En algunas realizaciones, la distribución de frecuencia de la señal de retrodispersión si hay una variación detectada de la intensidad en respuesta a un primer estímulo, se puede utilizar como una valoración de la extensión de la porción de detección que está experimentando un cambio en la longitud de la trayectoria. En otras palabras, el procedimiento puede determinar si la variación detectada es una señal de banda ancha hasta un determinado máximo, lo que indica que una proporción significativa de la porción de detección está sometida a un cambio en la longitud de la trayectoria óptica, o una señal de banda estrecha con más energía concentrada en una banda de frecuencia estrecha, lo que podría indicar que el cambio en la longitud de la trayectoria óptica se está produciendo solo en una pequeña proporción de la porción de detección. Esto se puede utilizar para estimar el tamaño relativo del estímulo que actúa sobre la fibra. Por lo tanto, el procedimiento puede comprender observar la distribución de las componentes de frecuencia en la señal detectada, y, por ejemplo, la proporción relativa de cada componente de frecuencia. Un procesador se podría configurar para llevar a cabo un análisis de frecuencia, por ejemplo, para generar y analizar un espectrograma.

Por tanto, observar la distribución espectral de la señal de retrodispersión proporciona la capacidad de determinar el tamaño relativo del estímulo que actúa sobre la fibra. Esto representa otro aspecto novedoso de las realizaciones de la invención.

Esta técnica también se podría utilizar para determinar si hubo más de un estímulo causando cambios continuos localizados de deformación actuando sobre una única porción de detección de fibra. Por ejemplo, si hubiese una primera subsección dinámica pequeña de una porción de detección entre subsecciones estáticas delantera e intermedia, y también una segunda subsección dinámica pequeña de una porción de detección entre subsecciones estáticas intermedia y trasera, la señal de intensidad de la retrodispersión resultante mostraría una señal con hasta tres componentes de frecuencia diferentes. Una primera componente se debería a la interferencia entre las subsecciones estáticas delantera e intermedia, con una frecuencia relacionada con la tasa de cambio en la longitud de la trayectoria en la primera subsección dinámica. Una segunda componente de señal se debería a la interferencia entre las subsecciones estáticas intermedia y trasera, con una frecuencia relacionada con la tasa de cambio en la longitud de la trayectoria en la segunda subsección dinámica, y una tercera componente de señal se debería a la interferencia entre las subsecciones estáticas delantera y trasera, con una frecuencia relacionada con la tasa de cambio en la longitud de la trayectoria en ambas subsecciones dinámicas.

Por lo tanto, el procedimiento puede implicar detectar más de una componente de frecuencia de banda relativamente estrecha diferente como una indicación de más de un estímulo localizado que actúa sobre una porción de detección. El procedimiento también puede determinar la frecuencia de las componentes con el fin de determinar las tasas de cambio en la longitud de la trayectoria y las tasas de deformación o de cambio en la temperatura.

Se apreciará que los procedimientos descritos anteriormente, tales como utilizar la frecuencia determinada como una medición de la magnitud de la tasa de cambio, se aplican a una variación de frecuencia inducida por un primer estímulo, es decir, uno que crea un cambio en la longitud de la trayectoria óptica que es suficientemente grande, por ejemplo, del orden de la longitud de onda de la radiación de interrogación o mayor, durante un período de una pluralidad de interrogaciones de la fibra de detección. Por lo tanto, el procedimiento implica identificar un primer estímulo que actúa sobre como mínimo una porción de detección, o, en otras palabras, identificar una variación de intensidad para los canales de detección resultante de dicho primer estímulo. En algunos casos, esto puede ser inherente. Por ejemplo, como se menciona anteriormente, la técnica se puede aplicar a los datos adquiridos de un evento sísmico a gran escala, tal como un terremoto. Si se sabe que los datos del sensor DAS se obtuvieron de una fibra de detección durante un terremoto, se puede asumir que las porciones de detección estaban sometidas a un primer estímulo y mostrarán una señal con como mínimo una componente debida al primer estímulo.

Sin embargo, en algunos casos puede ser necesario distinguir las señales debidas a estímulos acústicos, tal como se ilustra en la figura 3, lo que habitualmente no da como resultado un ciclo de fase completo de modulación de una señal producida a partir de un primer estímulo. Por lo tanto, en algunas realizaciones, identificar el primer estímulo que actúa sobre una porción de detección comprende analizar la intensidad de la retrodispersión desde dicha porción de detección para detectar una característica distintiva de envoltura de la señal. La envoltura de la señal significa que la intensidad de la retrodispersión atraviesa como mínimo un ciclo de fase.

La señal producida en respuesta a un primer estímulo que causa envoltura de la señal, con una variación de intensidad en una frecuencia determinada, habitualmente es bastante diferente de una señal acústica en una frecuencia similar (que no causa envoltura de la señal). En otras palabras, es poco probable que el ruido de escala completa como se ve cuando la señal se envuelve se replique por una señal acústica incidente.

Habitualmente, para una señal acústica en una primera frecuencia, la señal de intensidad de la retrodispersión comprenderá armónicos en la primera frecuencia. Una modulación de frecuencia causada por la envoltura de la señal carecería de dichos armónicos. Por lo tanto, un procesador puede buscar los armónicos de una componente de frecuencia detectada e identificar una variación de la señal en respuesta a un primer estímulo por la carencia de armónicos sustanciales en dicha primera frecuencia. Además, es poco probable que el cambio en la longitud de la trayectoria óptica efectiva inducido por el primer estímulo sea muy suave. Por tanto, la frecuencia de la variación de la intensidad realmente variará dentro de una banda de frecuencia, mientras que una señal acústica incidente puede tener una frecuencia definida con más claridad. Por tanto, el procedimiento puede buscar de forma adicional o alternativa una característica distintiva de envoltura de la señal que comprende una variación de la intensidad cíclica con una frecuencia que varía dentro de una banda. Además, como se menciona anteriormente, cuando el primer estímulo produce un cambio en la longitud de la trayectoria sobre una proporción grande de la porción de detección, la señal de retrodispersión resultante es habitualmente una señal de banda relativamente ancha.

Las intensidades que se observan cuando el punto de polarización/funcionamiento de un canal varía debido a la variación de la longitud de la trayectoria óptica (como se muestra en la figura 4) también tendrán valores máximo y mínimo característicos. Como un primer estímulo puede hacer que el punto de polarización se desplace sobre muchos ciclos, los valores máximo y mínimo obtenidos serán similares a estos valores característicos. En contraste, los intervalos de valores producidos por una señal acústica, tal como la producida por la señal de entrada 303 en la figura 3, pueden tener una amplitud mucho menor.

Otra forma de distinguir entre las señales resultantes de un primer estímulo y un estímulo acústico que actúan sobre la fibra de detección sería interrogar la fibra utilizando como mínimo dos series de pulsos de longitudes diferentes. En respuesta a un estímulo acústico, la frecuencia de cualquier variación de intensidad detectada sería independiente de la longitud del pulso, y, por tanto, sería la misma para ambas series de pulsos. Sin embargo, en respuesta a un primer estímulo que da como resultado un cambio en la longitud de la trayectoria distribuido sustancialmente por la totalidad de una porción de detección, la frecuencia observada sería habitualmente proporcional a la longitud del pulso. Como se menciona anteriormente, los retornos desde una porción de detección determinada atravesarán un ciclo de fase completo cuando el cambio en la longitud de la trayectoria óptica a lo largo de toda la porción de detección es igual a X, y, por tanto, la tasa de variación de la intensidad depende del tamaño de la porción de detección, definido por el ancho del pulso.

Las dos series de pulsos podrían generarse a partir del mismo láser, entrelazando las dos series en conjunto, aunque esto reduciría a la mitad la frecuencia de transmisión del pulso efectiva, o frecuencia de emisión, para cada serie. De forma alternativa, ambas series podrían transmitirse al mismo tiempo, y a la frecuencia de emisión completa, utilizando diferentes longitudes de onda para cada serie de pulsos.

Para estímulos de amplitud grande, se puede esperar que los estímulos afecten a varias porciones de detección de la fibra de detección. Por tanto, identificar el primer estímulo puede implicar detectar una variación en la intensidad de la retrodispersión para una pluralidad de porciones de detección diferentes de la fibra con sustancialmente la misma frecuencia.

En algunas realizaciones, para proporcionar información cuantitativa de la tasa de deformación sobre un evento acústico/sísmico de amplitud grande, identificar el primer estímulo puede implicar detectar una instancia de una deformación de amplitud grande, lo que podría implicar utilizar otros sensores, tales como sismómetros o similares. Por ejemplo, en una aplicación para la supervisión sísmica, se puede utilizar un sismómetro para registrar información sísmica precisa durante un evento de interés. Sin embargo, el sismómetro es un sensor de punto. En el área de interés se pueden desplegar una o varias fibras de detección en una disposición deseada para proporcionar una buena cobertura de detección, y ser interrogadas por una o varias unidades de interrogación DAS. Los datos del sismómetro se pueden utilizar para identificar el período de interés en el que un primer estímulo está/estaba actuando sobre las fibras de detección.

El procedimiento puede implicar identificar un primer estímulo que actúa sobre una pluralidad de porciones de detección de la fibra óptica e identificar las porciones de detección que muestran la mayor frecuencia de variación de la intensidad en respuesta a dicho primer estímulo y/o una frecuencia por encima de un umbral determinado. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la tasa del cambio inducido por el primer estímulo. Cuando se utiliza para detectar deformación, por ejemplo, en supervisión sísmica, los canales con la mayor frecuencia serán aquellos en los que la tasa de deformación era mayor, que pueden ser las áreas que más probablemente resulten dañadas o afectadas por un evento sísmico. Para la detección de temperatura, una frecuencia por encima de un valor determinado puede indicar un cambio rápido de temperatura, que puede generar una alerta. Por ejemplo, la fibra de detección se podría desplegar a lo largo de una tubería, y los cambios de temperatura relativamente rápidos podrían utilizarse como una posible indicación de una fuga.

Resultará claro a partir de lo anterior que los procedimientos y el aparato de las realizaciones de la presente invención se pueden utilizar para la supervisión sísmica, y que el sensor DAS se puede utilizar para determinar información cuantitativa de la tasa de deformación sobre un terremoto.

La figura 5 muestra los datos adquiridos de un sensor DAS basado en intensidad desplegado en una zona que sufrió un terremoto. La figura 5 muestra una serie temporal de la energía óptica medida desde un canal del sensor DAS durante el terremoto.

Antes del punto de tiempo 501, la intensidad detectada muestra la desviación de frecuencia habitualmente baja en la intensidad de la retrodispersión con una pequeña variación acústica impuesta sobre la misma. En el tiempo 501, la desviación lenta cambia enormemente y la señal de medición comienza a envolverse a medida que una deformación continua y grande actúa sobre la fibra de detección debido a la llegada de la onda P asociada con el terremoto (el hecho de que esto corresponde a la onda P se verificó observando las temporizaciones de los sismógrafos del terremoto en diversas ubicaciones en torno al epicentro). La altura de cada máximo de intensidad es aleatoria y la tasa de deformación se reduce gradualmente hasta el tiempo 502, cuando llega la onda S generada por el terremoto, lo que da como resultado más envoltura de la señal durante el resto de la serie temporal mostrada.

La figura 6 muestra un diagrama de espectrograma de la frecuencia de la señal de la retrodispersión detectada frente al tiempo (representándose la intensidad en la frecuencia pertinente por un color en una versión que no es en blanco y negro). Se determinó a partir de los otros sensores que la frecuencia de las ondas sísmicas era baja, en general menor de aproximadamente 1 Hz, sin embargo, se puede ver que los datos del sensor DAS muestran componentes de frecuencia de hasta aproximadamente 40 Hz como máximo.

Tomando la frecuencia máxima, f, como 40Hz con este sensor DAS, donde la longitud de la porción de detección, L, era de aproximadamente 8 m, la longitud de onda X es de aproximadamente 1,5 pm y el índice de refracción n es de aproximadamente 1,5, entonces, utilizando la relación analizada anteriormente que indica que la tasa de deformación es igual a 1,2Xf/nL, se determinó que la tasa de deformación máxima era 6x10"6 s-1.

Las figuras 7a a 7c muestran algunos datos adquiridos utilizando un sensor DAS en una fibra óptica que experimenta un cambio de temperatura controlado. Estos datos se adquirieron tomando una longitud de fibra y sumergiéndola en agua caliente en un recipiente aislado. Se dejó que el agua se enfriase lentamente hasta la temperatura ambiente. La temperatura del agua que rodeaba la fibra se midió independientemente. La figura 7a muestra la velocidad de enfriamiento del agua medida. La figura 7b muestra un espectrograma de la señal de medición DAS adquirida a lo largo del tiempo desde una porción de detección de la fibra óptica que estaba sumergida en el agua. La figura 7c muestra, para comparar, un espectrograma de la señal de medición DAS adquirida al mismo tiempo desde una porción de detección diferente de la fibra óptica, que no se había calentado.

En la figura 7c se puede ver que, durante el tiempo en el que se adquirieron las medidas, no había contenido espectral significativo en la porción de detección que no estaba sometida al calor. Por tanto, el contenido espectral observado en la porción de detección calentada ilustrado en la figura 7b se debe sustancialmente al cambio en la longitud de la trayectoria óptica que resulta del calentamiento, y, a continuación, del enfriamiento subsiguiente. En la figura 7b se puede ver que hay una respuesta espectral fuerte debida al cambio en la longitud de la trayectoria causado por el enfriamiento, y que la frecuencia máxima de la señal cae a lo largo del tiempo a medida que la velocidad de enfriamiento se reduce. En este experimento, la fibra óptica estaba fuertemente protegida por un recubrimiento de nailon, y se detectó que, una vez que la temperatura era lo suficientemente baja como para que dominase la rigidez del nailon, la frecuencia máxima observada del espectrograma mostraba la correlación esperada con la velocidad de enfriamiento.

En el espectrograma de la figura 7b también se puede ver que hay una distribución de componentes de frecuencia en la señal detectada, es decir, la señal es de banda relativamente ancha hasta la frecuencia máxima cuando la porción de detección estaba sumergida en el agua, y, por tanto, una parte significativa de la porción de fibra estaba experimentando un cambio en la longitud de la trayectoria óptica. En otro experimento se aplicó una llama a la carcasa de la fibra óptica durante un breve tiempo y, a continuación, se dejó enfriar la sección calentada. La señal DAS desde la porción de detección pertinente mostró una respuesta espectral fuerte, pero con una banda de frecuencia mucho más estrecha.

Por supuesto, se apreciará que las características del pulso utilizado para una interrogación, es decir, la intensidad y la frecuencia de la radiación de interrogación para cada pulso y la duración del pulso y/o el número de pulsos en una interrogación, se deben repetir para una interrogación subsiguiente con el fin de comparar la intensidad de los retornos de la retrodispersión. Claramente, si se inyecta una mayor cantidad de luz en una interrogación que en la siguiente, por ejemplo, modificando la duración y/o la intensidad global del pulso, se esperaría que esto diese como resultado una variación en la intensidad de la retrodispersión. Modificar el número de pulsos y/o la duración de los pulsos entre interrogaciones también daría lugar a la retrodispersión desde diferentes secciones de la fibra que se está comparando. Además, modificar la frecuencia de la radiación de interrogación también podría conducir a una variación del grado de interferencia en la señal de retrodispersión. Por lo tanto, con el fin de garantizar que cualquier variación en la intensidad de la retrodispersión se debe a las perturbaciones que actúan sobre la fibra, en lugar de una variación de las propiedades de la radiación de interrogación, se debe comparar la retrodispersión de interrogaciones que tienen las mismas características de los pulsos. Como se menciona, en sistemas DAS basados en intensidad, habitualmente cada interrogación consiste en un único pulso continuo de una frecuencia constante.

Por lo tanto, la frecuencia de repetición de lanzamiento, también denominada frecuencia de emisión, se ajusta de modo que el tiempo entre interrogaciones sea como mínimo tan largo como el tiempo de ida y vuelta para que la luz alcance el final de la fibra y vuelva (o, para una fibra muy larga, una distancia en la fibra desde la que no se espera una retrodispersión significativa). Esto garantiza que la luz retrodispersada recibida al comienzo de la fibra se pueda identificar de forma única con una sección de la fibra, y que las señales de retrodispersión de dos interrogaciones no interfieran entre sí en el detector. Para una fibra de 40 km, esto requeriría suficiente tiempo para permitir una ida y vuelta en la fibra de 80 km. Si el índice de refracción de la fibra es n=1,5, y se supone que la velocidad de la luz en la fibra es aproximadamente 2x108 ms-1, entonces el tiempo entre interrogaciones debería ser de como mínimo 0,4 ms, y la frecuencia de emisión debería ser menor de 2,5 kHz. Obviamente, se podrían utilizar frecuencias de emisión mayores para fibras más cortas. Claramente, la frecuencia de emisión determina la frecuencia de muestreo efectiva del sensor, y, por tanto, la frecuencia de emisión debería ajustarse idealmente lo suficientemente alta como para que el límite de Nyquist esté por encima de la frecuencia máxima de las señales acústicas de interés.

Por lo tanto, se apreciará que si el primer estímulo da como resultado más de la mitad de un ciclo de fase entre interrogaciones, la señal se satura, en otras palabras, si la tasa de deformación conduce a un cambio de más de U2 entre cada pulso de interrogación, la señal de frecuencia comenzaría a solaparse (aliasing). Para un sistema de 40 km con A=1,5 pm y L=5m, esto sería una tasa de deformación de aproximadamente 3x10-4 s-1.

Se debe observar que, como se utiliza en la presente memoria descriptiva, el término 'interrogación' significa una instancia de lanzamiento de una radiación de interrogación en la fibra y la detección de la señal de retrodispersión de la fibra. Habitualmente, una interrogación puede comprender lanzar un único pulso continuo de una frecuencia sustancialmente constante.

Aunque las realizaciones anteriores se han descrito en relación con llevar a cabo una detección DAS, es evidente que el procedimiento se puede aplicar a los datos adquiridos utilizando un sensor DAS, siempre que los datos de frecuencia pertinentes no se hayan eliminado por filtrado. Por tanto, las realizaciones de la presente invención también se pueden ampliar al procesamiento de los datos adquiridos por sensores DAS.

La invención se ha descrito con respecto a diversas realizaciones.

Se debe observar que las realizaciones mencionadas anteriormente ilustran en lugar de limitar la invención. El alcance de la presente invención se define mediante las reivindicaciones adjuntas. La palabra "comprende" no excluye la presencia de elementos o etapas diferentes de los listados en una reivindicación, "un" o "una" no excluyen una pluralidad, y una característica u otra unidad individual puede cumplir las funciones de varias unidades citadas en las reivindicaciones. No se debe interpretar que los numerales de referencia o las etiquetas de las reivindicaciones limitan su alcance.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de detección acústica distribuida, que comprende:

tomar datos de medición adquiridos por un sensor distribuido de fibra óptica (100), en el que dichos datos de medición corresponden a la intensidad de la luz con retrodispersión de Rayleigh desde como mínimo una porción de detección de una fibra óptica (101) cuando se interroga de forma repetida por pulsos de radiación óptica coherente; identificar un primer conjunto de los datos de medición que comprende los datos adquiridos desde como mínimo una porción de detección de la fibra óptica (101) en respuesta a un primer estímulo que actúa sobre dicha como mínimo una porción de detección de la fibra óptica, en el que dicho primer estímulo da como resultado un cambio en la longitud de la trayectoria óptica efectiva dentro de dicha porción de detección de como mínimo la longitud de onda de la radiación óptica;

analizar el primer conjunto de datos de medición para determinar la frecuencia de la variación de la intensidad de la retrodispersión de dicha porción de detección en respuesta a dicho primer estímulo; y

caracterizado por:

utilizar dicha frecuencia determinada para proporcionar una indicación de la tasa efectiva del cambio inducido por dicho primer estímulo en dicha porción de detección.

2. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que dicho primer estímulo tiene una componente de deformación, y el procedimiento comprende utilizar dicha frecuencia determinada para proporcionar una indicación de la tasa efectiva de deformación a lo largo del tramo de la fibra óptica en dicha porción de detección.

3. Procedimiento, según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que dicho primer estímulo tiene una componente de temperatura, y el procedimiento comprende utilizar dicha frecuencia determinada para proporcionar una indicación de la tasa efectiva de cambio de temperatura en dicha porción de detección.

4. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que identificar dicho primer conjunto de datos de medición comprende analizar la intensidad de la retrodispersión desde dicha porción de detección para detectar una característica distintiva de envoltura de la señal.

5. Procedimiento, según la reivindicación 4, en el que dicha característica distintiva de envoltura de la señal comprende una variación de la intensidad cíclica, y en el que dicha señal de la intensidad de la retrodispersión carece de armónicos sustanciales en la frecuencia de dicha variación cíclica.

6. Procedimiento, según la reivindicación 4 o la reivindicación 5, en el que dicha característica distintiva de envoltura de la señal comprende una variación de la intensidad cíclica con una frecuencia que varía dentro de una banda.

7. Procedimiento, según la reivindicación 4, en el que dicha característica distintiva de envoltura de la señal tiene valores máximo y mínimo de intensidad de la retrodispersión que se corresponden con los valores máximo y mínimo de referencia determinados de la intensidad de la retrodispersión, en el que dichos valores máximo y mínimo de referencia determinados de la intensidad de la retrodispersión se corresponden con los valores máximo y mínimo medidos y/o predichos en respuesta a un estímulo de amplitud grande.

8. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que identificar dicho primer conjunto de datos de medición comprende detectar una variación en la intensidad de la retrodispersión para una pluralidad de porciones de detección diferentes de la fibra con sustancialmente la misma frecuencia.

9. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que identificar dicho primer conjunto de datos de medición comprende identificar una instancia de dicho primer estímulo que actúa sobre como mínimo una porción de detección, interrogando la fibra con dos series de pulsos de diferentes longitudes e identificando una señal cuya frecuencia es proporcional a la longitud de los pulsos en cada serie.

10. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que identificar dicho primer conjunto de datos de medición comprende identificar una instancia de dicho primer estímulo detectando una instancia de una deformación de amplitud grande.

11. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende identificar un primer estímulo que actúa sobre una pluralidad de porciones de detección de la fibra óptica e identificar las porciones de detección que muestran la mayor frecuencia de variación de la intensidad en respuesta a dicho primer estímulo.

12. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende determinar la distribución de frecuencia de la variación de la intensidad de la retrodispersión de dicha porción de detección en respuesta a dicho primer estímulo.

13. Procedimiento, según la reivindicación 12, que comprende utilizar dicha distribución de frecuencia determinada para estimar la proporción de la porción de detección que experimenta un cambio en la longitud de la trayectoria óptica.

14. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende analizar la frecuencia de la variación de la intensidad de la retrodispersión de dicha porción de detección para detectar una pluralidad de componentes de frecuencia diferentes y utilizar la detección de las diferentes componentes de frecuencia como una indicación de dos primeros estímulos discretos que actúan sobre una porción de detección.

15. Aparato de sensor acústico distribuido, que comprende:

un integrador (100) configurado para, en uso, generar de forma repetida como mínimo un pulso de interrogación de radiación óptica coherente para lanzar en una fibra óptica (101) y detectar la radiación óptica con retrodispersión de Rayleigh desde dicha fibra óptica; y

un procesador (107) configurado para:

identificar un primer estímulo que actúa sobre como mínimo una porción de detección de la fibra óptica, en el que dicho primer estímulo da como resultado un cambio en la longitud de la trayectoria óptica efectiva dentro de dicha porción de detección de como mínimo la longitud de onda de la radiación óptica;

determinar la frecuencia de variación de la intensidad de la retrodispersión de dicha porción de detección en respuesta a dicho primer estímulo;

caracterizado por que el procesador (107) está configurado, además, para:

utilizar dicha frecuencia determinada para proporcionar una indicación de la tasa efectiva del cambio inducido por dicho primer estímulo en dicha porción de detección.