ES2893548T3 - Dispositivo optoelectrónico de medición distribuida basado en fibra óptica - Google Patents

Abstract

Un dispositivo optoelectrónico de medición distribuida basado en fibra óptica, comprendiendo dicho dispositivo una fuente de luz (1) continua, que transmite una señal luminosa continua a una primera frecuencia v0, un modulador (6), capaz de imponer un desplazamiento de frecuencia vA de al menos 100 MHz a la señal continua y transformarla en una señal pulsátil para inyectarla en una fibra óptica (15) que se va a ensayar, y un módulo de foto-detección (10), capaz de detectar una señal de retrodispersión, proveniente de la fibra óptica (15) que se va a ensayar, resultante de una retrodispersión de Brillouin espontánea y/o de una retrodispersión de Rayleigh de dicha fibra óptica (15) que se va a ensayar, estando caracterizado dicho dispositivo por que comprende, asimismo, un primer acoplador (3) y un segundo acoplador (9), pudiendo dicho primer acoplador (3) dividir dicha señal luminosa continua en dos señales de idéntica frecuencia distribuidas en dos brazos, - un primer brazo (31), que conecta el primer acoplador (3) a un bloque de fibra de referencia (4) que incluye una fibra de referencia (42), pudiendo dicho bloque de fibra de referencia (4) emitir otra señal luminosa de frecuencia v0 - vBref, donde vBref es la frecuencia de Brillouin de la fibra de referencia (42), sin deformación y a una temperatura de referencia, - un segundo brazo (32), que conecta el primer acoplador (3) al segundo acoplador (9) situado más arriba del módulo de foto-detección (10), y capaz de transmitir al segundo acoplador (9) una señal luminosa continua a una frecuencia v0, constituyendo de este modo un oscilador local, pudiendo dicho segundo acoplador (9) acoplar la señal del oscilador local a la señal de retrodispersión de dicha fibra óptica (15) que se va a ensayar antes de transmitirla al módulo de foto-detección (10), estando modulada la señal de retrodispersión a una frecuencia vrB igual a v0 - vBref + vA + vBAS, donde vBAS es la frecuencia anti-Stokes de la retrodispersión de Brillouin que puede ser medida en cualquier punto z de dicha fibra óptica (15), donde vA es la frecuencia natural en el modulador (6), y pudiendo dicho módulo de foto-detección (10) transmitir la señal de retrodispersión recibida a un módulo de tratamiento (12) capaz de vincular la modulación de la señal de retrodispersión a un valor de temperatura y a un valor de deformación en cualquier punto z de dicha fibra óptica (15) que se va a ensayar.

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo optoelectrónico de medición distribuida basado en fibra óptica

Sector de la invención

La invención se refiere a un dispositivo optoelectrónico de medición distribuida basado en fibra óptica. La invención se refiere más precisamente a un dispositivo optoelectrónico capaz de medir los parámetros de los espectros de retrodispersión de Brillouin y Rayleigh, y que puede comprender un medio capaz de separar la medición distribuida de temperatura y la medición distribuida de deformación.

Dichos dispositivos pueden ser utilizados para el control permanente de la integridad y la seguridad de los sistemas y estructuras en la ingeniería civil o la industria petrolera.

Estado de la técnica

Los dispositivos optoelectrónica de medición distribuida basado en fibra óptica se utilizan, en general, para medir, en tiempo real, la temperatura y las deformaciones de las infraestructuras de gran tamaño, con el fin de controlar su salud estructural y de garantizar su mantenimiento. Proporcionan, en cada medición, información de temperatura y de deformación en cualquier punto de la fibra óptica conectada a los mismos. Las mediciones se realizan, en general, con un alcance comprendido entre algunos metros y varias decenas de kilómetros, y con una resolución de metros o, incluso, de centímetros. Por lo tanto, por ejemplo, se puede realizar una medición cada metro en una estructura con una longitud de 20 kilómetros.

Los dispositivos optoelectrónicos de medición distribuida basado en fibra óptica que aprovechan el fenómeno de la retrodispersión de Brillouin ya son conocidos, y se utilizan para aplicaciones de medición de temperatura y deformación en la ingeniería civil. En particular, estos sistemas encuentran un sitio privilegiado para la supervisión de estructuras lineales, tales como puentes, presas, diques hidráulicos de tierra o redes de transporte de fluido (agua, hidrocarburos, gas) con el fin de controlar los movimientos de tierras (deslizamientos, sedimentación) o las deformaciones de los conductos, ya sea enterrados o no.

Para poder analizar variaciones de intensidad a lo largo de decenas de kilómetros con una resolución espacial de metros, los sistemas de medición utilizan, en general, la reflectometría óptica en el dominio del tiempo, OTDR (del acrónimo inglés “Optical Time Domain Reflectometry”). La OTDR consiste en propagar un impulso de luz en la fibra óptica que se va a analizar y en medir la intensidad de retorno en función del tiempo. El tiempo que tarda la luz retrodispersada en ser detectada permite localizar el evento que se va a medir (coordenada de un punto z a lo largo de la fibra óptica). La resolución espacial es, por lo tanto, una función del ancho del impulso de luz: un impulso de 10 ns de ancho, que da como resultado, por ejemplo, una resolución de aproximadamente 1 m. Gracias al fenómeno de retrodispersión de Brillouin combinado con la técnica de OTDR, se realizan mediciones de temperatura y de deformación distribuidas a lo largo de la fibra, en varias decenas de kilómetros, con resolución de metros o, incluso, de centímetros.

Las mediciones a lo largo de la fibra se realizan con un dispositivo tal como el mostrado esquemáticamente en la figura 1. La luz proveniente de una fuente de luz 1, tal como, por ejemplo, un láser, es distribuida en dos brazos. Uno de los brazos, denominado “bomba”, permite enviar la señal luminosa, en forma de impulsos, gracias a un modulador acústicoóptico 6, en la fibra óptica 15 que se va a ensayar. Una señal es retrodispersada por la fibra óptica 15, de acuerdo con el fenómeno Brillouin. De acuerdo con el fenómeno de Brillouin, los componentes espectrales de la retrodispersión de la luz a través del material que constituye la fibra óptica, en general, sílice, presentan una frecuencia vBz desfasada con respecto a la v⁰ de la onda de luz incidente. El desfase de frecuencia de Brillouin es, en general, del orden de 11 GHz para una onda incidente de longitud de onda A⁰ = 1550 nm. Esa frecuencia es muy elevada. Para poder realizar el tratamiento de la señal retrodispersada, se puede transponer la frecuencia a una frecuencia más baja, para reducir el ancho de banda del detector que se va a utilizar y, de este modo, eliminar una gran parte del ruido. Para ello, se procede a una detección heterodina, que consiste en recombinar la señal retrodispersada que se va a analizar, con una onda proveniente del otro brazo, denominado “oscilador local” 50. Este oscilador local 50 se puede presentar, por ejemplo, en forma de un láser en anillo de Brillouin. En este caso, la señal luminosa continua de frecuencia v⁰ es dirigida hacia un circulador 51 que la dirige, a su vez, hacia una fibra de referencia. Esta fibra de referencia emite radiación de dispersión espontánea amplificada en sentido inverso de frecuencia v⁰ - vBref, que el circulador envía a un acoplador 52. Este último envía una parte de la energía de la señal de salida, mientras que redirige la otra parte a la fibra de referencia, donde la radiación es amplificada con un factor de ganancia G mediante dispersión de Brillouin estimulada (amplificada espontánea) antes de ser redirigida hacia el circulador 51, que devuelve la radiación amplificada al acoplador 52 y la salida. El oscilador local 50 forma, a continuación, un anillo de amplificación mediante dispersión de Brillouin estimulada. Un foto-detector 10 permite recuperar la pulsación de las dos señales. La pulsación recuperada es amplificada a continuación, y, después, transmitida a un analizador 12 de espectro eléctrico. Un dispositivo optoelectrónico de este tipo, de medición distribuida mediante dispersión de Brillouin en una fibra óptica, que utiliza una sola frecuencia de láser para generar un impulso de luz, se describe más particularmente en el documento US 7283 216. El documento JP 2010 217029 describe otro dispositivo optoelectrónico de medición distribuida mediante dispersión de Brillouin que utiliza una sola frecuencia láser para generar un impulso de luz. El dispositivo está dirigido, por medio de una detección heterodina, a reducir el ancho de banda de recepción de luz de la luz de retrodispersión de Brillouin, para reducir los costes y facilitar el tratamiento de la luz de retrodispersión. Para ello, el dispositivo comprende una fibra de referencia similar a la fibra de ensayo, de manera que se mida una diferencia de frecuencia entre las luces de retrodispersión de la línea de referencia y de la línea que se va a ensayar. Sin embargo, uno de los inconvenientes de estos dispositivos es que tienen tiempos de medición prolongados. De hecho, habitualmente, el tiempo de medición es superior a 1 minuto para una fibra de 10 km.

El documento WO2008/047329 describe un procedimiento de detección distribuida por medio de un láser de referencia de bloqueo de Stokes.

Además, durante la medición de la retrodispersión de Brillouin, los parámetros de temperatura y deformación crean el mismo fenómeno físico en la fibra óptica (variación de la frecuencia de retrodispersión de Brillouin vb). Por lo tanto, la frecuencia de Brillouin vb, depende linealmente de la temperatura y de la deformación en el material. El desfase de frecuencia Avb entre la onda incidente y la onda retrodispersada, por lo tanto, varía con las variaciones de temperatura, AT, y de deformación, £, de acuerdo con la ecuación: Avb = CtAT CE£, donde Ct y CE son, respectivamente, los coeficientes de sensibilidad a la temperatura y a la deformación específicos de la fibra óptica utilizada. De este modo, en la actualidad, es imposible poder diferenciar el parámetro de temperatura y el de deformación en la misma medición de retrodispersión de Brillouin.

La única manera de superar este problema con este tipo de dispositivo es fijar una de las dos restricciones, ya sea mediante la fijación mecánica de la fibra óptica para poder medir solo la temperatura, o mediante el aislamiento térmico, o haciendo la aproximación que la temperatura sea estable alrededor de la fibra óptica, con el fin de medir únicamente la deformación. Estos procedimientos nunca son 100 % efectivos, y siempre existe una incertidumbre residual sobre la medición, debido a que es imposible garantizar que una fibra esté protegida de todas las tensiones (por ejemplo, fricción o aplastamiento del tubo), en particular cuando el cable que la contiene ya no es accesible.

Se han propuesto otras soluciones, tales como la realización de mediciones de temperatura distribuidas mediante dispersión Raman (Alahbabi, M. N. et al. Optics Letters 30, no. 11 (1 de junio de 2005): 1276-78) y utilizar esta medición para restar el efecto de la temperatura en la frecuencia de Brillouin con el fin de determinar la deformación. Pero esto a menudo plantea importantes dificultades de implementación, debido a que las dos mediciones no se realizan en la misma fibra y se utilizan dos instrumentos distintos. Por lo tanto, es necesaria una perfecta alineación espacial de las mediciones de los dos instrumentos. Existe, además, una gran complejidad, una degradación de la precisión, en particular vinculada a las desviaciones acumulativas de los dos aparatos y, asimismo, a un sobrecoste asociado a la compra de dos dispositivos y a la ingeniería de utilización de las dos mediciones para traducir los resultados en una medición simultánea de la temperatura y la deformación (por ejemplo, alineación de las cuadrículas de medición, estimación de incertidumbres, de corrección de las desviaciones). Finalmente, de manera general, los sistemas basados en dos mediciones distintas generan resultados de una calidad mediocre, ya que, en general, los errores relacionados con las dos mediciones son acumulativos y existe una desviación de las funciones de transferencia de cada medición que debe ser tenida en cuenta en la incertidumbre de las mediciones a largo plazo.

Por lo tanto, también existe la necesidad de un dispositivo capaz, en una sola medición y a partir del ensayo de una sola fibra óptica, de diferenciar el parámetro de temperatura y el de deformación.

Problema técnico

Por lo tanto, el objetivo de la invención es remediar los inconvenientes de la técnica anterior. La invención tiene como objetivo, en particular, dar a conocer un dispositivo optoelectrónico de medición distribuida basado en fibra óptica, simple y compacto y capaz de producir una medición más precisa y rápida sin o con poca corriente parásita a bajas frecuencias. Para ello, el dispositivo optoelectrónico presenta una nueva arquitectura que permite la generación de un oscilador local que induce poca o ninguna señal parásita. Una fibra de referencia está incluida en el brazo “bomba” para generar una señal de dispersión espontánea amplificada que permita prescindir de todos los controles previos necesarios.

La invención también tiene como objetivo dar a conocer un dispositivo optoelectrónico de medición distribuida basado en fibra óptica, capaz, en una sola medición y a partir del ensayo de una sola fibra óptica, de diferenciar el parámetro de temperatura y el de deformación. Para ello, el dispositivo optoelectrónico presenta una nueva arquitectura que permite una medición simultánea de la línea anti-Stokes de la retrodispersión de Brillouin y de la retrodispersión de Rayleigh.

Además, el dispositivo dado a conocer de acuerdo con la invención hace que sea posible la realización de análisis que son mucho más rápidos que los dispositivos de la técnica anterior, mientras que comprende menos elementos consumidores de energía que los sistemas existentes descritos en la técnica anterior, lo que permite tener un dispositivo portátil adecuado para intervenciones de un operador a pie, o para mediciones ocasionales.

Breve descripción de la invención

Con este fin, el dispositivo optoelectrónico de medición distribuida basado en fibra óptica de acuerdo con la invención comprende una fuente de luz continua que emite una señal luminosa continua a una primera frecuencia v⁰ , un modulador capaz de imponer un desfase de frecuencia de al menos 100 MHz a la señal continua y de transformarla en una señal pulsátil destinada a ser inyectada en una fibra óptica para ser ensayada, y un módulo de foto-detección capaz de detectar una señal de retrodispersión, proveniente de la fibra óptica 15 que se va a ensayar, proveniente de una retrodispersión espontánea amplificada de Brillouin y/o de una retrodispersión de Rayleigh de dicha fibra óptica que se va a ensayar,

estando caracterizado dicho dispositivo, principalmente por que comprende, además, un primer acoplador y un segundo acoplador, pudiendo dicho primer acoplador dividir dicha señal luminosa continua en dos señales de idéntica frecuencia distribuidas en dos brazos,

- un primer brazo, que conecta el primer acoplador a un bloque de fibra de referencia, que comprende una fibra de referencia, pudiendo dicho bloque de fibra de referencia emitir otra señal luminosa de frecuencia v ⁰ - vBref, donde vBref es la frecuencia de Brillouin de la fibra de referencia sin deformación y a una temperatura de referencia,

- un segundo brazo, que conecta el primer acoplador al segundo acoplador situado más arriba del módulo de fotodetección y capaz de transmitir al segundo acoplador una señal luminosa continua a una frecuencia v⁰ , constituyendo de este modo un oscilador local,

siendo capaz dicho segundo acoplador de acoplar la señal del oscilador local a la señal de retrodispersión proveniente de dicha fibra óptica que se va a ensayar antes de transmitirla al módulo de foto-detección,

estando modulada la señal de retrodispersión a una frecuencia vrB igual a v⁰ - vBref va vbas, donde vbas es la frecuencia anti-Stokes de la retrodispersión de Brillouin, que puede ser medida en cualquier punto z de dicha fibra óptica, y

siendo adecuado dicho módulo de foto-detección para transmitir la señal de retrodispersión recibida, a un módulo de tratamiento capaz de vincular la modulación de la señal de retrodispersión a un valor de temperatura y a un valor de deformación en cualquier punto z de dicha fibra óptica que se va a ensayar.

De este modo, el dispositivo utilizado permite prescindir de todos los controles previos necesarias cuando se utiliza un oscilador local que presenta una configuración de láser en anillo de Brillouin. De hecho, en la configuración de acuerdo con la invención, la señal de retorno emitida por la fibra de referencia es una señal amplificada espontánea de dispersión (mediante dispersión estimulada), y no el producto de una resonancia en una cavidad de tipo láser que, por consiguiente, dependería en gran manera de la longitud exacta de la cavidad, que es difícil de controlar en función de parámetros de influencia tales como la temperatura.

Además, esta nueva arquitectura que comprende, en particular, la presencia de un bloque de referencia posicionado sobre la línea de la bomba, proporciona al usuario la posibilidad de medir la línea anti-Stokes de la retrodispersión de Brillouin. Una configuración de este tipo permite mejorar la calidad de la medición, al tener una señal en el oscilador local sin corrientes parásitas a bajas frecuencias. Por consiguiente, no es necesario utilizar un filtro eléctrico de baja frecuencia en la salida del módulo de foto-detección. Finalmente, dicha configuración ocupa menos espacio y consume menos energía. Además, el oscilador local, al estar constituido solo por la señal proveniente directamente del láser fuente, no incluye ningún elemento que pueda alterar la calidad de la señal.

De acuerdo con otra característica ventajosa del dispositivo, puede comprender, además, un tercer acoplador y un cuarto acoplador, pudiendo el tercer acoplador dividir dicha señal luminosa continua proveniente de la fuente de luz en dos señales de idéntica frecuencia distribuidas en dos brazos,

- un primer brazo que conecta el tercer acoplador al primer acoplador, y capaz de transmitir al primer acoplador una señal luminosa continua a una frecuencia v⁰ ,

- un segundo brazo, que conecta el tercer acoplador al cuarto acoplador situado más arriba del modulador, y capaz de transmitir al cuarto acoplador una señal inicial a una frecuencia v⁰ ,

pudiendo acoplar dicho cuarto acoplador la señal inicial v⁰ a la señal luminosa de frecuencia v⁰ - vBref, proveniente del bloque de referencia.

Esta característica opcional, basada en particular en la presencia de una serie de acopladores, proporciona al usuario la posibilidad de diferenciar, en una sola medición y en una sola fibra a ensayar, el parámetro de temperatura y el de deformación. Permite una medición simultánea de la línea anti-Stokes de la retrodispersión de Brillouin y de la retrodispersión de Rayleigh a partir de una sola medición, esta última siempre situada alrededor de la frecuencia v⁰+ va (.va en el dominio eléctrico). Esto es particularmente ventajoso en comparación con los dispositivos de la técnica anterior, que requieren la implementación de dos mediciones, por ejemplo, mediante la utilización de dos dispositivos de medición (por ejemplo, de Brillouin y Raman).

De manera ventajosa, el dispositivo presenta una señal de retrodispersión que contiene el espectro de retrodispersión de Rayleigh a una frecuencia vrR igual a v⁰ + va y el espectro de retrodispersión de Brillouin a una frecuencia vrB igual a v⁰ - vBref va vbas. Preferentemente, no hay superposición entre los dos espectros. Esto permite, en particular, poder realizar un análisis separado de la influencia de la temperatura y de la deformación. Además, preferentemente, el módulo de foto-detección recibe una señal que se origina en la retrodispersión de Rayleigh modulada a la frecuencia del modulador acústico-óptico, va, y la retrodispersión de Brillouin modulada a la frecuencia vbas - vBref va, sin que haya superposición entre los dos espectros.

De acuerdo con otras características ventajosas del dispositivo:

- La fibra de referencia se coloca en el mismo brazo óptico que la fibra óptica que se va a ensayar. Puesto que la fibra de referencia está en el brazo que se va a ensayar, el oscilador local ya no contiene ningún elemento que pueda alterar la calidad de la señal luminosa propagada en el mismo. De hecho, el oscilador local proviene directamente del láser fuente, y va directamente al módulo de detección. Por consiguiente, se produce una mejora en la calidad de la medición.

- La fibra óptica de referencia del bloque de fibra de referencia tiene una frecuencia de Brillouin diferente a la de la fibra óptica que se va a ensayar.

- La frecuencia de Brillouin de la fibra óptica de referencia tiene una diferencia de frecuencia con la frecuencia de Brillouin de la fibra óptica que se va a ensayar, comprendida entre 300 MHz y 1 GHz.

- El segundo brazo puede comprender un módulo de hibridación de polarización, o un módulo de separación (“divisor de haz”), o un codificador de polarización, dispuestos, por consiguiente, más arriba de las entradas de un segundo acoplador. Preferentemente, el segundo brazo puede incluir un codificador de polarización dispuesto, por consiguiente, más arriba de las entradas de un segundo acoplador. Estos elementos permiten eliminar el ruido de polarización entre el brazo de prueba y el oscilador local.

- La señal pulsátil proveniente del modulador tiene al menos dos componentes: una componente de impulso de frecuencia vp1 = v⁰ - vBref va, y una componente de impulso de frecuencia vp2 = v⁰ + va. En particular, la señal pulsátil proveniente del modulador tiene dos componentes: una componente de impulso de frecuencia vp1 = v⁰ -vBref va, y una componente de impulso de frecuencia vp2 = v⁰ + va. Esto genera una diferencia notable en el rendimiento y en la calidad de la medición en comparación con los dispositivos de la técnica anterior. Dicha señal pulsátil puede estar basada en el hecho de que el oscilador local proviene directamente del láser fuente y va directamente al módulo de detección.

- La invención tiene asimismo por objetivo un procedimiento para el tratamiento digital de una señal, por ejemplo, proveniente de un dispositivo optoelectrónico de medición distribuida basado en fibra óptica de acuerdo con la invención, comprendiendo dicho procedimiento las siguientes etapas:

- digitalizar una señal correspondiente a la pulsación entre una señal retrodispersada de una fibra óptica que se va a ensayar y una señal de referencia, y detectada por un módulo de foto-detección,

- cortar dicha señal digitalizada en una pluralidad de segmentos (T1 ... Ti ... TN) mediante la aplicación de una ventana temporal deslizante de tipo de ventana rectangular o de Hamming, o de Hann o de Blackman-Harris, presentando cada segmento un ancho igual al ancho temporal de un impulso de la señal pulsátil inyectada en la fibra óptica que se va a ensayar, estando centrado, además, el ancho de cada segmento alrededor de un tiempo t correspondiente a un punto de coordenada z de dicha fibra óptica que se va a ensayar,

- calcular, utilizando un algoritmo de transformada discreta de cuatro niveles, el espectro de frecuencias de cada segmento (T1 ... Ti ... TN) de dicha señal digitalizada;

- repetir las tres primeras etapas, y promediar los espectros de frecuencias obtenidos para cada punto z de dicha fibra óptica que se va a ensayar;

- a partir de los espectros de frecuencias promediados, determinar la variación en los máximos de frecuencia de la retrodispersión de Brillouin, y/o la variación de la intensidad total de la retrodispersión de Brillouin y/o la variación de la intensidad total de la retrodispersión de Rayleigh, en función del tiempo de ida y vuelta tz de retrodispersión;

- aplicar un coeficiente de sensibilidad a la temperatura, por una parte, y un coeficiente de sensibilidad a la deformación, por otra parte, a dicha o dichas variaciones determinadas, con el fin de obtener un resultado en términos de medición distribuida en temperatura y/o un resultado en términos de medición distribuida en deformación.

El procedimiento de acuerdo con la invención se refiere al tratamiento digital de las señales que se puede aplicar desde la salida de un módulo de foto-detección. El tratamiento de la señal que sigue se realiza digitalmente a nivel espectral, y no directamente sobre la señal. Este tratamiento comprende en particular la realización de una división de la señal digitalizada en una pluralidad de segmentos cuyo ancho es igual al ancho temporal de un impulso de la señal pulsátil inyectada en la fibra óptica que se va a ensayar. Por lo tanto, la duración de una medición es corta en relación con la duración de la medición de los sistemas de la técnica anterior. Normalmente, la duración de una medición está comprendida entre 1 y unos pocos segundos para una fibra de 10 km.

De acuerdo con otra característica ventajosa del procedimiento, puede comprender la determinación, a partir de los espectros de frecuencias promediados, de la variación de los máximos de frecuencia Anti-Stokes de la retrodispersión de Brillouin y la variación de la intensidad total de la retrodispersión de Brillouin y la variación de la intensidad total de la retrodispersión de Rayleigh en función del tiempo de ida y vuelta tz de retrodispersión, así como la determinación de la relación entre la intensidad total de Rayleigh y la intensidad total de Brillouin en cualquier punto (z) de la fibra. Esta relación corresponde a la relación de Landau Placzek.

Esta característica opcional permite al usuario diferenciar, en una sola medición procesada, el parámetro de temperatura y el parámetro de deformación. Esto es particularmente ventajoso con respecto a los procedimientos de la técnica anterior, que requieren la implementación de un tratamiento de señales provenientes de al menos dos mediciones.

Además, en el contexto del procedimiento de tratamiento digital de acuerdo con la invención, la señal digitalizada puede presentar de manera ventajosa, porción a porción, al menos dos espectros correspondientes al espectro de Brillouin va ((vbas (z) - vBref) y al espectro de Rayleigh va.

Preferentemente, el procedimiento de tratamiento digital de acuerdo con la invención también puede comprender una etapa secundaria de determinación de una relación de la intensidad total de Rayleigh con respecto a la intensidad total Brillouin en cualquier punto de la fibra, con el fin de determinar una relación Landau Placzek dependiente del parámetro de temperatura.

Otras ventajas y características de la invención resultarán evidentes con la lectura de la siguiente descripción, proporcionada a modo de ejemplo ilustrativo y no limitativo, con referencia a las figuras adjuntas, que representan:

- la figura 1, ya descrita, un diagrama de un dispositivo optoelectrónico de medición distribuida mediante retrodispersión de Brillouin, de acuerdo con el estado de la técnica,

- la figura 2, un diagrama de un dispositivo optoelectrónico de medición distribuida basado en fibra óptica, de acuerdo con la invención, siendo los elementos en línea de puntos elementos opcionales,

- las figuras 3A a 3C, las huellas de tiempo obtenidas en las primeras etapas del procedimiento de tratamiento digital de la señal digitalizada, y un promedio de los espectros de frecuencias, interpretables, obtenidos después de la cuarta etapa del procedimiento de acuerdo con la invención relativo a la parte T1 (línea continua) TN (línea discontinua),

- las figuras 4A a 4B, la frecuencia de Brillouin (4A), así como la relación de Landau Placzek (4B) a dos temperaturas diferentes, obtenida a partir de un conjunto de espectros de dispersión (Rayleigh y Brillouin) sobre una fibra de aproximadamente 150 m,

- las figuras 5A a 5B, mediciones distribuidas de temperaturas (5A) y deformación (5B), obtenidas sobre una fibra de 150 metros con el dispositivo de acuerdo con la invención, a partir de una sola medición.

Descripción detallada de la invención

El término “fibra óptica que se va a ensayar” (o en ensayo) en lo sucesivo designa la fibra óptica dispuesta a lo largo de una estructura que se va a supervisar, y que permite realizar una medición distribuida.

Por “fibra óptica de referencia” se entiende una fibra óptica que puede tener una frecuencia de Brillouin diferente, idéntica o sustancialmente idéntica a la frecuencia de Brillouin de la fibra de ensayo. Esta fibra óptica de referencia se mantiene durante toda la medición sin deformación y a una temperatura de referencia. el término fibra óptica con una frecuencia de Brillouin diferente designa una fibra óptica cuya frecuencia de Brillouin tiene una diferencia de frecuencia con la frecuencia de Brillouin de la fibra óptica que se va a ensayar, de al menos 200 MHz y, preferentemente, una diferencia de al menos 300 MHz.

Se entiende por “una sola medición” una serie de impulsos que permiten obtener un espectro de frecuencias promediado.

Se entiende por duración de una medición, el tiempo necesario para que el sistema muestre una medición con precisión nominal en términos de deformación o temperatura. Esta duración incluye a la vez:

- el tiempo de obtención,

- el tiempo de cálculo del sistema (transformadas de Fourier, promedios, etc.)

En el sentido de la invención, se entiende por “sustancial o sustancialmente idéntico” un valor que varía en menos del 30 % con respecto al valor comparado, preferentemente menos del 20 %, incluso más preferentemente, menos del 10 %.

En el sentido de la invención, se entiende que el término “mayoría” significa al menos el 50 %.

La presente invención se refiere, de una manera general, a dispositivos optoelectrónicos de medición distribuida basado en fibra óptica. La invención se refiere más específicamente a una configuración optoelectrónica del dispositivo que permite aumentar su precisión, reducir su consumo de energía, reducir su tamaño, reducir la duración de una medición y proporcionar una medición distribuida separada de la temperatura y de la deformación.

La figura 2 esquematiza más particularmente la configuración de un dispositivo optoelectrónico de medición distribuida basado en fibra óptica de acuerdo con la invención. Se utilizan las mismas referencias que en la figura 1 para designar los mismos elementos. El dispositivo de acuerdo con la invención también comprende una fuente de luz 1 que emite una señal luminosa continua. Esta fuente de luz 1 se materializa de manera ventajosa mediante un láser, preferentemente un láser DFB (del acrónimo inglés “Distributed Feedback”), utilizando una cuadrícula de Bragg. La longitud de onda de emisión A⁰ es preferentemente igual o sustancialmente igual a 1550 nm, a la frecuencia correspondiente v⁰. La línea de la onda de luz emitida se centra en la longitud de onda de emisión A⁰ y su ancho es como máximo de 1 MHz.

De manera ventajosa, la fuente de luz 1 es sintonizable en frecuencia, y es posible variar su frecuencia de manera continua a una velocidad de al menos 1 GHz/s en un intervalo de al menos 125 GHz. Más preferentemente, la fuente de luz 1 puede emitir radiación láser continua a una frecuencia óptica v ⁰ que podrá variar, mientras duren todas las obtenciones, a lo largo de una rampa continua de al menos 250 GHz. Esta modulación de frecuencia debe ser continua y no en etapas de frecuencia y, por lo tanto, permite reducir los efectos de las interferencias intra-impulso y por lo tanto del ruido. Esta característica es particularmente importante cuando se desea hacer un seguimiento de la retrodispersión de Rayleigh.

La fuente de luz 1, por ejemplo, un láser, emite una señal luminosa continua moderadamente potente, habitualmente del orden de 20 mW, en una fibra óptica que la conecta a un primer acoplador 3 o al tercer acoplador 2.

El primer acoplador 3, que recibe la señal luminosa a través de la fuente de luz 1 o mediante el primer brazo 21 del tercer acoplador 2, es capaz de dividir dicha señal luminosa continua en dos señales de idéntica frecuencia distribuidas en dos brazos.

El primer brazo 31 conecta el primer acoplador 3 a una unidad de fibra de referencia 4 que comprende una fibra de referencia 42, pudiendo dicha unidad de fibra de referencia 4 emitir otra señal luminosa de frecuencia v ⁰ - vBref, donde vBref es la frecuencia de Brillouin de la fibra de referencia 42, destinada a ser transmitida al modulador 6 o a ser mezclada con dicha señal inicial por un cuarto acoplador 5. De este modo, el bloque de referencia 4 permite reenviar la información en una banda de frecuencia baja, mejorando de este modo el rendimiento del dispositivo. La fibra óptica de referencia 42 se mantiene sin deformación y a una temperatura de referencia. El segundo brazo 32 conecta el primer acoplador 3 a un segundo acoplador 9 situado más abajo del modulador 6, y es capaz de transmitir al segundo acoplador 9 una señal luminosa continua a una frecuencia v⁰ , constituyendo de este modo un oscilador local. Más específicamente, el segundo brazo 32 conecta el primer acoplador 3 a un segundo acoplador 9 situado más arriba del módulo de foto-detección 10 y, preferentemente, está posicionado justo antes de dicho módulo de foto-detección 10.

El primer acoplador 3 es capaz de dirigir la energía suficiente de la señal luminosa hacia el primer brazo 31 de modo que sobrepase el umbral de dispersión estimulada de Brillouin (Stimulated Brillouin Scattering) así como, en la fibra de referencia 42, la onda retrodispersada ya sea desfasada en frecuencia -vBref con respecto a la onda óptica. De manera ventajosa, el primer acoplador 3 es capaz de dirigir la mayoría de la energía de la señal luminosa hacia el primer brazo 31. Preferentemente, el primer acoplador 3 es capaz de dirigir más del 70 %, más preferentemente más del 80 %, incluso más preferentemente, sustancialmente el 90 % de la energía de la señal luminosa hacia el primer brazo 31.

El bloque de referencia 4 comprende, de manera ventajosa, un circulador 41, que dirige la señal luminosa continua incidente, a la frecuencia v⁰ , proveniente del primer acoplador 3, hacia una fibra óptica de referencia 42. Esta fibra óptica de referencia 42 puede ser idéntica a la fibra óptica 15 que se va a ensayar. De manera ventajosa, la fibra de referencia 42 no está sometida a deformación alguna. Es colocada a una temperatura de referencia, en general, comprendida entre 18 y 25 °C, preferentemente a una temperatura del orden de 20 °C. Esta fibra de referencia 42 permite, asimismo, emitir una señal por retrodispersión de Brillouin en respuesta a la señal continua que emana de la fuente de luz 1, de tal manera que el bloque de referencia 4 permite transformar la frecuencia de incidencia v⁰ en una frecuencia vBr = v⁰ - vBref, donde vBref representa la frecuencia de Brillouin de la fibra óptica de referencia 42, y que se sitúa, por ejemplo, en la misma gama de frecuencias que la frecuencia vbas resultante de la señal retrodispersada por la fibra óptica 15 que se va a ensayar. Además, de manera ventajosa, la fibra óptica de referencia 42 de la unidad de fibra de referencia 4 tiene una frecuencia de Brillouin diferente a la de la fibra óptica 15 que se va a ensayar. Por ejemplo, la fibra óptica de referencia 42 tiene un desfase de frecuencia de Brillouin de al menos 200 MHz, preferentemente de al menos 300 MHz con respecto a la respuesta de Brillouin de la fibra que se va a medir. Preferentemente, la frecuencia de Brillouin de la fibra óptica de referencia 42 tiene una diferencia de frecuencia con la frecuencia de Brillouin de la fibra óptica 15 que se va a ensayar, comprendida entre 300 MHz y 1 GHz. Por lo tanto, esto evita cualquier superposición espectral de los espectros de Rayleigh y Brillouin a la vez que limita los requisitos para el tratamiento posterior de la señal. De hecho, el módulo de foto-detección 10 situado en el extremo del conjunto optoelectrónico recibe una señal de retrodispersión de Rayleigh que se encuentra modulada a la frecuencia del modulador acústico-óptico va (por ejemplo, 200 MHz) y de la retrodispersión de Brillouin modulada en frecuencia (vbas -vBref va) sin que haya superposición entre los dos espectros.

Una arquitectura de este tipo permite posicionar la fibra de referencia 42 en el mismo brazo óptico que la fibra óptica 15 que se va ensayar. Esto tiene la ventaja de mejorar la calidad de la medición, al tener una señal en el oscilador local que proviene directamente de la fuente y, por lo tanto, sin corrientes parásitas a bajas frecuencias. Por lo tanto, no es necesario utilizar un filtro eléctrico de baja frecuencia en la salida del módulo de foto-detección. Esta configuración permite, asimismo, medir la línea anti-Stokes de la retrodispersión de Brillouin y, a diferencia de los dispositivos de la técnica anterior, acceder a mediciones cercanas a la CC (por ejemplo, aproximadamente 100 MHz) en el dominio eléctrico, donde no era posible hasta ahora realizar mediciones fiables.

El tercer acoplador 2 permite dividir la señal luminosa incidente emitida por la fuente de luz 1, en dos señales de idéntica frecuencia distribuidas en dos brazos 21, 22 del dispositivo.

El primer brazo 21 conecta el tercer acoplador 2 al primer acoplador 3, y el primer brazo 21 es capaz de transmitir al primer acoplador 3 una señal luminosa continua a una frecuencia v⁰. El segundo brazo 22 conecta el tercer acoplador 2 a un cuarto acoplador 5 situado más arriba del modulador 6, y este segundo brazo 22 es capaz de transmitir al cuarto acoplador 5 una señal inicial a una frecuencia v⁰.

De manera ventajosa, el tercer acoplador 2 es capaz de dirigir la mayoría de la energía de la señal luminosa hacia el primer brazo 21. Preferentemente, el tercer acoplador 2 es capaz de dirigir más del 70 %, más preferentemente más de 80 %, incluso más preferentemente sustancialmente el 90 % de la energía de la señal luminosa, al primer brazo 21.

Como se ha especificado, el cuarto acoplador 5 es capaz de mezclar la señal inicial v⁰ proveniente del segundo brazo 22 del tercer acoplador 2 en la señal luminosa de frecuencia v⁰ - vBref proveniente de la fibra de referencia 42, e inyectarlas en el modulador 6. Por lo tanto, las señales que se originan en la fibra óptica de referencia 42 son recombinadas con la señal inicial v⁰ en el cuarto acoplador 5. A la salida del cuarto acoplador 5, se obtiene una señal que contiene una señal en la frecuencia v⁰ - vBref de la fibra óptica de referencia 42, y una señal a la misma frecuencia que la señal inicial v⁰.

El modulador 6 es capaz de imponer un desfase de frecuencia de al menos 100 MHz en la señal continua, y de transformarla en una señal pulsátil destinada a ser inyectada en una fibra óptica 15 que se va a ensayar. Preferentemente, el modulador 6 es un modulador acústico-óptico 6. El modulador 6 puede ser asociado a uno o varios amplificadores si es necesario, para dar ganancia. La señal proveniente del modulador 6 comprende al menos dos componentes,

- una componente de CC de frecuencia v⁰ - vBref, transformada en una componente de impulso de frecuencia vp1 = v0 - vBref va, y

- una componente de CC de frecuencia v⁰, transformada en una componente de impulso de frecuencia vp² = v⁰ + va.

El modulador 6 es capaz de generar una señal pulsátil que presenta un desfase de frecuencia con respecto a la frecuencia de la señal luminosa continua. El desfase de frecuencia va aplicado a dicha frecuencia desfasada puede ser mayor o igual que 100 MHz. La frecuencia va es la frecuencia específica del modulador 6 y, en general, es mayor o igual que 100 MHz y menor o igual que 1 GHz, preferentemente sustancialmente igual a 200 MHz. El ancho temporal del impulso generado de esta manera puede estar comprendido, por ejemplo, entre 10 ns y 500 ns, preferentemente es sustancialmente igual a 20 ns. A continuación, la señal pulsátil es dirigida hacia un circulador 7, que la inyecta a continuación en la fibra óptica 15 que se va a ensayar, en la que debe ser realizada la medición distribuida. Cuando pasa la señal pulsátil, la fibra óptica 15 emite en sentido inverso una señal por retrodispersión de Brillouin espontánea a la frecuencia vf¹ = v⁰ - vBref va vbas(z); y V⁰ - vBref va - vbs(z), en la que vbas es la frecuencia anti-Stokes de Brillouin que se medirá en cualquier punto de la coordenada z a lo largo de la fibra óptica 15. vbs(z) es la frecuencia de Brillouin de Stokes. La fibra óptica 15 transmite, asimismo, en sentido inverso una señal, mediante retrodispersión de Rayleigh, a la frecuencia vf² = v⁰ + va.

Estas señales retrodispersadas son dirigidas, por el circulador 7, hacia el segundo acoplador 9 donde son recombinadas con una señal v⁰ proveniente del oscilador local. Además, de manera ventajosa, el segundo brazo 32 puede incluir un codificador de polarización 8 más arriba, dispuesto a continuación, más arriba de las entradas de un segundo acoplador 9. Esto hace que sea posible reducir los efectos de las interferencias debidas a la polarización entre el brazo del oscilador local y el brazo de medición 25, también llamado brazo de “bomba”, y situado entre el circulador 7 y un segundo acoplador 9.

El segundo acoplador 9 es capaz de acoplar la señal del oscilador local en la señal de retrodispersión proveniente de la fibra óptica 15 que se va a ensayar antes de transmitirla al módulo de foto-detección 10. El segundo acoplador 9 puede ser asociado con módulos opcionales, tales como un módulo de separación (polarization beam splitter, en inglés) o de hibridación de polarización. La señal de retrodispersión puede ser modulada al menos a una frecuencia de Brillouin vrB igual av⁰ - vBref va vbas, donde vbas es la frecuencia anti-Stokes de la retrodispersión de Brillouin, que puede ser medida en cualquier punto z de la fibra óptica 15 que se va a ensayar. Esto proporciona al usuario la posibilidad de medir la línea anti-Stokes de la retrodispersión de Brillouin mientras se aprovecha un oscilador local sin corrientes parásitas a bajas frecuencias, y de este modo, permite mejorar la calidad de la medición.

La señal de retrodispersión proveniente de la fibra óptica 15 que se va a ensayar también puede ser modulada, asimismo, a una frecuencia de Rayleigh VrR igual a V⁰ + va. Esto es posible cuando el dispositivo de acuerdo con la invención comprende el tercer acoplador 2 y el cuarto acoplador 5. Este segundo acoplador 9 permite, por lo tanto, a la retrodispersión de Rayleigh creada en la fibra óptica 15 que se va a ensayar, acoplarse con la frecuencia del oscilador local. Por lo tanto, el dispositivo de acuerdo con la invención permite, asimismo, medir el espectro de retrodispersión de Rayleigh. Preferentemente, la señal de retrodispersión está modulada, contiene el espectro de retrodispersión de Rayleigh a una frecuencia VrR igual a V⁰ + va y el espectro de retrodispersión de Brillouin a una frecuencia VrB igual a V⁰ - VBref va vbas.

Esta o estas pulsaciones son detectables electrónicamente mediante la utilización de un módulo de foto-detección 10 posicionado más abajo del segundo acoplador 9, y es capaz de transmitir la señal de retrodispersión recibida, a un módulo de tratamiento 12. El módulo de foto-detección 10 comprende al menos un foto-detector. De manera ventajosa, el módulo de foto-detección 10 tiene un ancho de banda de al menos 800 MHz, preferentemente de al menos 1 GHz. El módulo de foto-detección 10 situado en el extremo del conjunto optoelectrónico es capaz de recibir una señal que se origina en la retrodispersión de Rayleigh modulada a la frecuencia del modulador acústico-óptico va y la en retrodispersión de Brillouin modulada en frecuencia (vbas - VBref va). En estas situaciones, a la salida del módulo de foto-detección 10, la señal eléctrica obtenida correspondiente a las pulsaciones detectadas a la frecuencia de VBat¹ = va (vbas - VBref) correspondiente a la retrodispersión de Brillouin y a la frecuencia de VBat² = va correspondiente a la retrodispersión de Rayleigh. Gracias a la arquitectura del dispositivo de acuerdo con la invención, estas pulsaciones se obtuvieron a partir de una sola medición y una sola fibra óptica 15 que se va a ensayar. Además, estas pulsaciones tienen una frecuencia menor que las señales incidentes, debido a que la frecuencia V⁰ de la fuente de luz 1 se elimina. Habitualmente, un primer tiempo correspondiente a VBat¹ = va (vbas - VBref) tiene una frecuencia superior a 200 MHz, y preferentemente de aproximadamente 500 MHz, y una segunda pulsación correspondiente a VBat² = va tiene una frecuencia, por ejemplo, sustancialmente igual a 200 MHz, correspondiente al orden de magnitud de la frecuencia específica del modulador 6. De hecho, va -(vbs VBref) es de aproximadamente 20 GHZ y, por lo tanto, está fuera de banda. Por consiguiente, la configuración óptica permite aumentar la eficacia del módulo de foto-detección 10 limitando el ancho de banda a menos de 2 GHz en lugar de 11 GHz, preferentemente a menos de 1 GHz, por ejemplo, entre 400 MHz y 1 GHz.

De manera ventajosa, el dispositivo de acuerdo con la invención puede no incluir un filtro eléctrico de baja frecuencia a la salida del módulo de foto-detección 10. De hecho, tal como se ha especificado anteriormente, el posicionamiento de la fibra de referencia 42 en el mismo brazo óptico que la fibra óptica 15 que se va a ensayar permite mejorar la calidad de la medición por tener una señal en el oscilador local sin corrientes parásitas en las frecuencias bajas. Al eliminar estas corrientes parásitas en las frecuencias bajas, esta configuración también da acceso a información que no se puede utilizar con las configuraciones de la técnica anterior (por ejemplo, < 100 MHz).

Por lo tanto, la o las señales de pulsación obtenidas pueden ser digitalizadas mediante un módulo convertidor de analógico a digital 11. A continuación, son tratadas mediante un módulo de tratamiento digital 12. De manera ventajosa, el módulo convertidor de analógico a digital 11 tiene un ancho de banda de al menos 800 MHz, preferentemente de al menos 1 GHz, y una velocidad de muestreo de al menos 1,6 Gech/s, preferentemente de al menos 2 Gech/s.

El módulo de tratamiento 12 está configurado para vincular dicha frecuencia anti-Stokes de Brillouin, vbas, a un valor de temperatura y/o a un valor de deformación en cualquier punto z de dicha fibra óptica 15 que se va a ensayar. De este modo, es capaz de separar la medición de temperatura y la medición de deformación para obtener, a partir de una sola medición, valores distintos de temperatura y de deformación. Este último puede incluir una tarjeta de obtención que permite obtener la señal generada por el módulo de foto-detección 10 y, por lo tanto, tener un ancho de banda y una frecuencia de muestreo capaz de analizar una señal correspondiente a: va vbas - VBref. De este modo, de manera ventajosa, el módulo de tratamiento 12 es capaz de medir una señal que tiene un ancho de banda de al menos 800 MHz, preferentemente de al menos 1 GHz y una velocidad de muestreo de al menos 1,6 Gech/s, preferentemente al menos 2 Gech/s con el fin para detectar los dos espectros simultáneamente (espectro de Brillouin y espectro de Rayleigh). Además, de manera ventajosa, conviene utilizar una tarjeta de obtención con una alta resolución tal como, por ejemplo, una resolución superior o igual a 10 bits. Esto permite, considerando las pequeñas variaciones de intensidad del espectro retrodispersado de Brillouin en función de la temperatura, conseguir una precisión del orden de 1 °C. El convertidor de analógico a digital 11 y los módulos de tratamiento 12 se presentan por separado, pero se pueden integrar en un mismo conjunto posicionado directamente después del módulo de foto-detección 10.

El módulo de tratamiento 12 es capaz de dividir la señal digitalizada en una pluralidad de segmentos (T1 ... Ti ... TN) mediante la aplicación de una ventana temporal deslizante de tipo de ventana rectangular o de Hamming, o de Hann o de Blackman - Harris, presentando cada segmento un ancho igual al ancho temporal de un impulso de la señal pulsátil inyectada en la fibra óptica 15 que se va a ensayar, estando centrado, además, el ancho de cada segmento alrededor de un tiempo t correspondiente a un punto de coordenadas z de dicha fibra óptica 15 que se va a ensayar.

Además, el módulo de tratamiento digital 12 utiliza de manera ventajosa un algoritmo de transformada discreta de Fourier (preferentemente, rápida), por ejemplo, por medio de un circuito lógico integrado conocido por el acrónimo inglés FPGA (por “Field Programmable Gate Array”). Por lo tanto, permite calcular directamente la frecuencia de Brillouin, la intensidad total de la retrodispersión de Brillouin y/o la intensidad total de la retrodispersión de Rayleigh en cualquier punto de la coordenada z de la fibra óptica 15 que se va a ensayar. El módulo de tratamiento digital 12 permite, asimismo, promediar los espectros obtenidos en el dominio de la frecuencia, para cada punto z de dicha fibra, al final de la aplicación del algoritmo de transformada discreta de Fourier (preferentemente, rápida), con el fin de determinar la medición distribuida de la variación de frecuencia a lo largo de dicha fibra óptica 15 que se va a ensayar.

De acuerdo con otro aspecto, la invención se refiere a un procedimiento para el tratamiento digital de una señal que puede ser originada, preferentemente que es originada desde un dispositivo optoelectrónico de medición distribuida por fibra óptica de acuerdo con la invención. Las diversas etapas del tratamiento digital que se realizan sobre la señal digitalizada se ilustran más particularmente mediante las figuras 3 a 5 experimentales y explicativas, que representan trazas temporales o espectrales obtenidas en cada etapa del procedimiento de tratamiento digital de la señal digitalizada, obtenida después de la recombinación de las señales retrodispersadas mediante la fibra óptica que se va a ensayar, y mediante la fibra óptica de referencia.

El procedimiento de tratamiento de acuerdo con la invención comprende una primera etapa de digitalización de una señal correspondiente a la pulsación entre una señal retrodispersada proveniente de una fibra óptica 15 que se va a ensayar y una señal de referencia, y detectada mediante un módulo de foto-detección 10. La figura 3A representa la señal digitalizada a la salida del convertidor de analógico a digital 11. Preferentemente, la señal digitalizada no proviene más que de una sola medición, y el procedimiento de tratamiento de acuerdo con la invención se basa únicamente en una sola medición realizada en una fibra óptica 15 que se va a ensayar. Preferentemente, la señal comprende una pulsación va (vbas - vBref) y una pulsación va.

Una segunda etapa del tratamiento digital realizado por el módulo de tratamiento digital 12, consiste en dividir la señal digitalizada en segmentos. La primera etapa consiste en dividir la señal digitalizada en segmentos alrededor del tiempo t correspondiente a la posición z en la fibra de ancho igual al ancho temporal del impulso. La segmentación se realiza, por ejemplo, aplicando a la señal una ventana temporal deslizante. Preferentemente, la creación de la ventana se realiza mediante una ventana rectangular o de Hamming o de Hann o de Blackman-Harris. La división de la señal digitalizada se muestra en la figura 3B, estando identificado un primer segmento que se va a tratar por la referencia T1, y estando identificado el segmento N, por la referencia TN. Cada segmento tiene, de manera ventajosa, un ancho igual al ancho temporal de un impulso de la señal pulsátil inyectada en la fibra óptica 5 que se va a ensayar. Cada segmento T1 ... Ti ... TN también está centrado en un tiempo ti, ... ti... tN correspondiente a un punto de coordenada z de dicha fibra óptica que se va a ensayar. De este modo, para una posición de coordenada z en la fibra óptica 15, z = 2nc * t, siendo c la velocidad de la luz y n el índice óptico de la fibra, y el tiempo tz corresponde, por lo tanto, al tiempo de ida y vuelta (z) de un impulso, contado desde el punto de inicio del impulso hasta el punto de medición z. La diferencia entre dos puntos de medición puede ser tan pequeña como una unidad de muestreo (deslizamiento de un intervalo). Sin embargo, la diferencia entre dos mediciones independientes (resolución espacial) se considera igual al ancho del impulso. Por lo tanto, la diferencia entre dos puntos de medición independientes z (t1), z (t2) es igual al ancho de un impulso.

Preferentemente, la señal digitalizada presenta, porción a porción, al menos dos espectros correspondientes al espectro de Brillouin va+ (vbas (z) - vBref) y al espectro de Rayleigh va. Una tercera etapa del tratamiento digital consiste, por lo tanto, en calcular el espectro de frecuencias de cada segmento T1 ... Ti ... TN de dicha señal digitalizada, mediante la utilización de un algoritmo de transformada de Fourier discreta, DFT (del acrónimo inglés Discrete Fourier Transform), y preferentemente un algoritmo de Transformada Rápida de Fourier, FFT (del acrónimo inglés Fast Fourier Transform). De este modo, para cada segmento T1 ... Ti ... TN de la señal digitalizada, se obtiene un espectro de frecuencias.

Una cuarta etapa consiste en repetir las tres etapas de digitalizar, dividir y calcular el espectro de frecuencias y promediar los resultados para obtener un espectro de frecuencias promediado e interpretable. Preferentemente, la cuarta etapa permite generar un espectro de frecuencias interpretable que comprende un espectro de Brillouin y un espectro de Rayleigh cuyo máximo puede ser determinado para la medición de la frecuencia de Brillouin, la energía para la medición de la intensidad de Brillouin y la energía para la medición de la intensidad de Rayleigh. Se trata de realizar el promedio de las curvas de DFT (preferentemente, FFT) para reducir el ruido de fondo tanto como sea posible. Por ejemplo, se utiliza un algoritmo de ajuste gaussiano o de Lorentz. En la figura 3C se ilustran dos espectros de frecuencias promediados interpretables que corresponden al segmento T1 (línea continua) y al segmento t N (línea discontinua) de la señal dividida de la figura 3B. Estos espectros de frecuencias promediados interpretables permiten obtener la frecuencia de las pulsaciones va+ (vbas (z)- vBref) y Va. Y, por ejemplo, determinar, para la pulsación va+ (vbas (z)- vBref), la posición de frecuencia de los máximos del espectro de Brillouin.

La quinta etapa del tratamiento digital consiste, a continuación, en determinar la variación de las posiciones de frecuencia de los máximos del espectro de Brillouin y/o de la intensidad total de los espectros de Rayleigh y Brillouin, en función de las coordenadas z de los distintos puntos de la fibra óptica 15, y puede incluir una etapa que consiste en el trazado de uno o varios gráficos de la medición distribuida de variación de la frecuencia máxima o la intensidad a lo largo de la fibra óptica 15 que se va a ensayar. Preferentemente, la quinta etapa del tratamiento digital consiste en determinar las posiciones de frecuencia de los máximos del espectro de Brillouin y la intensidad total de los espectros de Rayleigh y Brillouin respectivamente, en función de las coordenadas z de los distintos puntos de la fibra óptica 15. Por ejemplo, la figura 4A representa las posiciones de frecuencia de los máximos del espectro de Brillouin como una función de las coordenadas z de la fibra óptica 15 que se va a ensayar en dos situaciones diferentes: en un entorno a temperatura homogénea (línea continua) y en un entorno en el que la fibra óptica 15 está expuesta a una fuente de calor (línea discontinua). Esta quinta etapa también puede incluir una etapa secundaria de determinación de la relación de intensidad total de Rayleigh y la intensidad total de Brillouin en cualquier punto (z) de la fibra, con el objetivo de determinar la relación de Landau Placzek en función del parámetro de temperatura. Las variaciones solo de temperatura creadas en una fibra óptica conducen a un aumento o a una disminución de la intensidad de la retrodispersión de Brillouin. Esta intensidad puede ser normalizada mediante una medición de retrodispersión de Rayleigh que permite proporcionar información acerca de las pérdidas lineales de la fibra ensayada, así como de los defectos de esta última que pueden generar pérdidas ópticas. Esta normalización implica el cálculo de la relación de Landau Placzek. Por ejemplo, la figura 4B representa la relación de Landau Placzek en función de las coordenadas z de la fibra óptica 15 que se va a ensayar en las dos situaciones mencionadas anteriormente. La intensidad del espectro de retrodispersión de Brillouin varía en función del parámetro de temperatura. Sin embargo, para obtener una medición representativa de la intensidad de Brillouin, la intensidad de la retrodispersión de Brillouin debe ser normalizada mediante la intensidad de la retrodispersión de Rayleigh (representativa de las pérdidas ópticas en una fibra). De esta manera, solo se miden las variaciones de intensidad en el espectro de Brillouin retrodispersado debidas solamente a la temperatura. La variación se puede medir, por ejemplo, con respecto a los valores de las posiciones de frecuencia de los máximos, y/o de la intensidad total, obtenidos durante una medición previa, siendo dichos valores una función de las coordenadas z de los distintos puntos de la fibra óptica 15.

Finalmente, una última etapa del tratamiento digital consiste en aplicar el coeficiente de sensibilidad específico de la fibra óptica 15 que se va a ensayar a las variaciones en las posiciones de frecuencia y/o a las variaciones en las intensidades totales de los espectros de Rayleigh y Brillouin determinados más arriba. Esto puede permitir obtener dos resultados correspondientes a una medición distribuida de la deformación y a una medición distribuida de la temperatura. Esto no era posible a partir de una sola medición con los procedimientos de la técnica anterior, ya que vbas(z) depende de estos dos parámetros. Además, en los procedimientos de la técnica anterior, estas mediciones podrían ser obtenidas mediante un análisis de los espectros de Brillouin y Raman, cuya obtención requiere dos dispositivos diferentes y, por lo tanto, necesariamente dos mediciones.

En particular, la última etapa del tratamiento digital consiste en aplicar los coeficientes de sensibilidad, respectivamente, de temperatura Ct y deformación C£, específicos de la fibra óptica 15, para obtener un resultado respectivamente en términos de medición distribuida de la temperatura y medición distribuida de la deformación. Las figuras 5A y 5B representan un gráfico obtenido después de aplicar los coeficientes de sensibilidad a la deformación, y que permite obtener, respectivamente, la medición distribuida de la deformación e a lo largo de la fibra óptica, y la medición distribuida de la temperatura T a lo largo de la fibra óptica. Por lo tanto, en el gráfico de la figura 5A, se puede observar que la fibra óptica analizada no se deforma mientras que, a la vista de la figura 5B, existe una variación periódica de la temperatura que corresponde, de hecho, a la presencia de una fuente de calor cerca de la fibra óptica 15 enrollada. El coeficiente de sensibilidad a la deformación Cvbe es habitualmente de 0.05 MHz/(gm/m)) y el coeficiente de sensibilidad a la temperatura CvbT es habitualmente de 1 MHz/°C.

Más específicamente, estas mediciones se pueden determinar calculando el inverso del sistema lineal (1).

Sistema lineal (1):

Avb Cvbs CvbT Se

A Pb CPbs CPbT -ST-

Pudiéndose considerar nulo CPbe en comparación con CPbT = 0.32 %/°C

La invención permite eliminar todos los componentes electrónicos analógicos, excepto el módulo de foto-detección 10, y permite su sustitución por un digitalizador 11 y un módulo de tratamiento digital 12. De este modo, se evitan los niveles de ruido proporcionadas por los componentes activos analógicos, tales como amplificadores u osciladores, por ejemplo. Además, puesto que el tratamiento de la señal es completamente digital, el tratamiento consume menos energía y el dispositivo tiene un tamaño reducido, por lo que puede ser instalado en un vehículo. Por lo tanto, puede ser alimentado, de manera ventajosa, a baja tensión, habitualmente en 12 o 24 voltios, a partir de una batería. Esta batería también puede ser recargable, por ejemplo, mediante un panel solar aislado, cuya potencia requerida es del orden de 100 vatios de corriente continua. Además, el dispositivo es capaz de funcionar mediante el acceso a un solo extremo de la fibra óptica 15 que se va ensayar y, tal como se ha visto, es capaz de medir por separado la temperatura y las deformaciones en la fibra óptica 15 que se va ensayar en una sola medición.

Además, el dispositivo permite utilizar un módulo de cálculo digital, que permite realizar tratamientos en paralelo para cada segmento, lo que reduce el tiempo de medición al tiempo de obtención; por ejemplo, para 10 km de fibra se podrán tener 10.000 obtenciones por segundo, con una frecuencia de reloj de procesador de 10 kHz y, de este modo, obtener 10.000 promedios. El módulo de cálculo digital comprende de manera ventajosa un procesador gráfico del tipo de GPU (Unidad de tratamiento gráfico, Graphical Processing Unit, en inglés) con el fin de asignar el cálculo altamente paralelizable al mismo. De este modo, el cálculo se realiza en paralelo con la obtención, y la duración de una medición corresponde al tiempo de obtención. Este tiempo de obtención es bajo en comparación con el tiempo de obtención de los dispositivos de la técnica anterior. A modo de ejemplo, para una fibra de 10 km, con una frecuencia de reloj del procesador de 10 kHz, se realizan 10.000 obtenciones en un segundo, lo que permite tener 10.000 promedios, mientras que, en la técnica anterior, la duración de una medición es superior a un minuto cada 10 km.

La utilización de las mediciones reenviadas por este dispositivo está destinada a optimizar el mantenimiento de estructuras en el sector de la ingeniería civil o del petróleo y el gas, por ejemplo. La continuidad de las mediciones a lo largo de la fibra óptica garantiza la detección de un evento que no habría sido detectado por otro proceso utilizando mediciones puntuales y localizadas. La detección precoz de trastornos estructurales en las estructuras permite intervenir antes de una mayor degradación. Por el contrario, la ausencia de detección puede permitir retrasar las operaciones de un mantenimiento sistemático si no son necesarias. En ambos casos, un dispositivo optoelectrónico de medición distribuida basado en fibra óptica permite a un operador conseguir un importante ahorro en el mantenimiento de las obras de ingeniería civil.

Claims (18)

REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo optoelectrónico de medición distribuida basado en fibra óptica, comprendiendo dicho dispositivo una fuente de luz (1) continua, que transmite una señal luminosa continua a una primera frecuencia v⁰ , un modulador (6), capaz de imponer un desplazamiento de frecuencia va de al menos 100 MHz a la señal continua y transformarla en una señal pulsátil para inyectarla en una fibra óptica (15) que se va a ensayar, y un módulo de foto-detección (10), capaz de detectar una señal de retrodispersión, proveniente de la fibra óptica (15) que se va a ensayar, resultante de una retrodispersión de Brillouin espontánea y/o de una retrodispersión de Rayleigh de dicha fibra óptica (15) que se va a ensayar,

estando caracterizado dicho dispositivo por que comprende, asimismo, un primer acoplador (3) y un segundo acoplador (9), pudiendo dicho primer acoplador (3) dividir dicha señal luminosa continua en dos señales de idéntica frecuencia distribuidas en dos brazos,

- un primer brazo (31), que conecta el primer acoplador (3) a un bloque de fibra de referencia (4) que incluye una fibra de referencia (42), pudiendo dicho bloque de fibra de referencia (4) emitir otra señal luminosa de frecuencia v⁰ - vBref, donde vBref es la frecuencia de Brillouin de la fibra de referencia (42), sin deformación y a una temperatura de referencia,

- un segundo brazo (32), que conecta el primer acoplador (3) al segundo acoplador (9) situado más arriba del módulo de foto-detección (10), y capaz de transmitir al segundo acoplador (9) una señal luminosa continua a una frecuencia v⁰ , constituyendo de este modo un oscilador local,

pudiendo dicho segundo acoplador (9) acoplar la señal del oscilador local a la señal de retrodispersión de dicha fibra óptica (15) que se va a ensayar antes de transmitirla al módulo de foto-detección (10),

estando modulada la señal de retrodispersión a una frecuencia vrB igual a v⁰ - vBref va vbas, donde vbas es la frecuencia anti-Stokes de la retrodispersión de Brillouin que puede ser medida en cualquier punto z de dicha fibra óptica (15), donde va es la frecuencia natural en el modulador (6), y

pudiendo dicho módulo de foto-detección (10) transmitir la señal de retrodispersión recibida a un módulo de tratamiento (12) capaz de vincular la modulación de la señal de retrodispersión a un valor de temperatura y a un valor de deformación en cualquier punto z de dicha fibra óptica (15) que se va a ensayar.

2. Dispositivo, según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende, asimismo, un tercer acoplador (2) y un cuarto acoplador (5), pudiendo el tercer acoplador (2) dividir dicha señal luminosa continua de la fuente de luz (1) en dos señales de idéntica frecuencia distribuidas en dos brazos,

- un primer brazo (21), que conecta el tercer acoplador (2) al primer acoplador (3), y capaz de transmitir al primer acoplador (3) una señal luminosa continua a una frecuencia v⁰ ,

- un segundo brazo (22), que conecta el tercer acoplador (2) al cuarto acoplador (5) situado más arriba del modulador (6), y capaz de transmitir al cuarto acoplador (5) una señal inicial a una frecuencia v⁰ ,

pudiendo acoplar dicho cuarto acoplador (5) la señal inicial v⁰ a la señal luminosa de frecuencia v⁰ - vBref, del bloque de referencia (4).

3. Dispositivo, de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que la fibra óptica de referencia (42) presenta un desplazamiento de frecuencia de Brillouin de al menos 200 MHz en comparación con la respuesta de Brillouin de la fibra óptica (15) que se va a ensayar.

4. Dispositivo, de acuerdo con una de las reivindicaciones 2 o 3, caracterizado por que la señal de retrodispersión contiene el espectro de retrodispersión de Rayleigh a una frecuencia vrR igual a v⁰ + va y el espectro de retrodispersión de Brillouin a una frecuencia vrB igual a v⁰ - vBref va vbas.

5. Dispositivo, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que comprende un módulo de conversión de analógico a digital (11) que tiene un ancho de banda de al menos 800 MHz y una frecuencia de muestreo de al menos 1.6 Gech/s.

6. Dispositivo optoelectrónico de medición distribuida basado en fibra óptica, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que puede funcionar accediendo a un solo extremo de la fibra óptica (15) que se va a ensayar.

7. Dispositivo optoelectrónico de medición distribuida basado en fibra óptica, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que es capaz de medir por separado la temperatura y las deformaciones en la fibra óptica (15) que se va a ensayar en una sola medición.

8. Dispositivo optoelectrónico de medición distribuida basado en fibra óptica, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que el módulo de tratamiento (12) es capaz de dividir la señal digitalizada en una pluralidad de segmentos (T1 ... Ti ... TN) mediante la aplicación de una ventana temporal deslizante del tipo de ventana rectangular o de Hamming o de Hann o de Blackman-Harris, teniendo cada segmento un ancho igual al ancho de tiempo de un impulso de la señal pulsátil inyectada en la fibra óptica (15) que se va a ensayar, estando centrado, asimismo, el ancho de cada segmento alrededor de un tiempo t correspondiente a un punto de coordenada z de dicha fibra óptica (15) que se va a ensayar.

9. Dispositivo optoelectrónico de medición distribuida basado en fibra óptica, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que la fibra de referencia (42) es posicionada en el mismo brazo óptico que la fibra óptica (15) que se va a ensayar.

10. Dispositivo optoelectrónico de medición distribuida basado en fibra óptica, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que la fibra óptica de referencia (42) del bloque de fibra de referencia (4) tiene una frecuencia de Brillouin diferente a la de la fibra óptica (15) que se va a ensayar.

11. Dispositivo optoelectrónico de medición distribuida basado en fibra óptica, según la reivindicación 10, caracterizado por que la frecuencia de Brillouin de la fibra óptica de referencia (42) presenta una diferencia de frecuencia con la frecuencia de Brillouin de la fibra óptica (15) que se va a ensayar, comprendida entre 300 MHz y 1 GHz.

12. Dispositivo optoelectrónico de medición distribuida basado en fibra óptica, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado por que el segundo brazo (32) puede incluir un módulo de hibridación de polarización, o un módulo de separación, o un codificador de polarización (8), dispuesto, por lo tanto, más arriba de las entradas de un segundo acoplador (9).

13. Dispositivo optoelectrónico de medición distribuida basado en fibra óptica, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado por que la señal pulsátil del modulador (6) incluye al menos dos componentes,

- una componente de impulso con frecuencia vp1 = v⁰ - vBref va, y

- una componente de impulso con frecuencia vp2 = v⁰ + va.

14. Dispositivo optoelectrónico de medición distribuida basado en fibra óptica, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado por que el módulo de foto-detección (10) recibe una señal de retrodispersión de Rayleigh modulada a la frecuencia del modulador acústico-óptico va, y de retrodispersión de Brillouin modulada a la frecuencia vbas - vBref va sin que haya superposición entre los dos espectros.

15. Procedimiento de tratamiento digital para una señal de un dispositivo optoelectrónico de medición distribuida basado en fibra óptica, de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 14, comprendiendo dicho procedimiento las siguientes etapas:

- digitalizar una señal correspondiente a la frecuencia de la pulsación entre una señal retrodispersada proveniente de una fibra óptica (15) que se va a ensayar y una señal de referencia, y detectada por un módulo de fotodetección (10);

- dividir dicha señal digitalizada en una pluralidad de segmentos (T1 ... Ti ... TN) aplicando una ventana de tiempo deslizante del tipo de ventana rectangular o de Hamming o de Hann o de Blackman-Harris, presentando cada segmento un ancho igual al ancho temporal de un impulso de la señal pulsátil inyectada en la fibra óptica (15) que se va a ensayar, estando centrado, asimismo, el ancho de cada segmento alrededor de un tiempo t correspondiente a un punto con coordenada z de dicha fibra óptica (15) que se va a ensayar;

- calcular, mediante la utilización de un algoritmo de transformada discreta de Fourier, el espectro de frecuencias de cada segmento (T1 ... Ti ... TN) de dicha señal digitalizada;

- repetir las tres primeras etapas y promediar los espectros de frecuencias obtenidos para cada punto z de dicha fibra óptica (15) que se va a ensayar;

- sobre la base de los espectros de frecuencias promediados, determinar la variación de la frecuencia máxima de la retrodispersión de Brillouin y/o la variación de la intensidad total de la retrodispersión de Brillouin y/o la variación de la intensidad total de la retrodispersión de Rayleigh, en función del tiempo de ida y vuelta de retrodispersión tz; y

- aplicar un coeficiente de sensibilidad a la temperatura, por un lado, y un coeficiente de sensibilidad a la deformación, por otro lado, a dicha o dichas variaciones determinadas, con el fin de obtener un resultado en términos de una medición distribuida de la temperatura y/o un resultado en términos de medición distribuida de la deformación.

16. Procedimiento de tratamiento digital, según la reivindicación 15, caracterizado por que comprende la determinación, basada en los espectros de frecuencias promediados, de la variación de la frecuencia Anti-Stokes máxima de la retrodispersión de Brillouin y de la variación de la intensidad total de la retrodispersión de Brillouin y la variación de la intensidad total de la retrodispersión de Rayleigh en función del tiempo de ida y vuelta de retrodispersión tz, así como la determinación de la relación entre la intensidad de Rayleigh y la intensidad de Brillouin en cualquier punto (z) de la fibra.

17. Procedimiento de tratamiento digital, según una de las reivindicaciones 14 o 15, caracterizado por que la señal digitalizada presenta, porción a porción, al menos dos espectros correspondientes al espectro de Brillouin va ((vbas (z) - vBref) y al espectro de Rayleigh va.

18. Procedimiento de tratamiento digital según una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 17, caracterizado por que puede comprender, asimismo, una etapa secundaria de determinación de una relación entre la intensidad de Rayleigh total y la intensidad de Brillouin total en cualquier punto (z) de la fibra, con el fin de determinar una relación de Landau Placzek dependiente del parámetro de temperatura.