ES2914698T3 - Procedimiento para la determinación de una variación de un parámetro físico con el signo correcto y dispositivo con una fibra óptica - Google Patents

Abstract

Procedimiento (1000) para la determinación de una variación de un parámetro físico (Δε, ΔT) con el signo correcto, comprendiendo el procedimiento: - acoplar una primera serie de pulsos en una fibra óptica (60) que presenta dispersores de Rayleigh al menos en un sector, en el que la primera serie de pulsos presenta varios (m+1) pulsos ópticos (Πp) al menos esencialmente coherentes de duración de pulso (τd) idéntica en la fibra óptica (60), y en el que una frecuencia óptica (νp = ν0 + Δνp) en la primera serie de pulsos varía de forma estrictamente monótona; - determinar un primer espectro de potencia (I(tref, tz, Δνp)) que comprende medir una potencia respectiva (I(tref, tz)) de una componente de señal retrodispersada por los dispersores de Rayleigh para cada uno de los pulsos ópticos (Πp) de la primera serie de pulsos; - acoplar una segunda serie de pulsos en la fibra óptica (60), en el que la segunda serie de pulsos corresponde al menos esencialmente a la primera serie de pulsos, a una permutación de la primera serie de pulsos, a una parte de la primera serie de pulsos o a una permutación de la parte de la primera serie de pulsos, y/o en el que una frecuencia óptica (νp) en la segunda serie de pulsos varía de forma estrictamente monótona; - determinar un segundo espectro de potencia (I(ts, tz, Δνp)) que comprende medir una potencia respectiva (I(ts, tz)) de una componente de señal retrodispersada por los dispersores de Rayleigh para cada uno de los pulsos ópticos (Πp) de la segunda serie de pulsos; y - determinar una variación de un parámetro físico (Δε, ΔT) de la fibra óptica (60) con el signo correcto, que comprende la determinación de un desplazamiento (Δνm) entre el segundo espectro de potencia y el primer espectro de potencia, en el que el acoplamiento de la respectiva serie de pulsos comprende disminuir o aumentar de forma monótona una corriente de alimentación (i) y/o una temperatura de un láser de onda continua (10) acoplado a la fibra óptica (60).

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento para la determinación de una variación de un parámetro físico con el signo correcto y dispositivo con una fibra óptica

La presente invención se refiere a un procedimiento para la determinación de una variación de un parámetro físico con el signo correcto, en particular un procedimiento de fibra óptica para una determinación distribuida y con el signo correcto de una variación de dilatación, así como a un dispositivo correspondiente con una fibra óptica.

Los sensores de fibra óptica distribuidos han encontrado una amplia gama de aplicaciones en diferentes campos, desde la monitorización de estructuras, el sector del petróleo y el gas y la monitorización de la red eléctrica hasta aplicaciones geotécnicas o químicas. Los fenómenos de dispersión no lineal en cables de fibra de vidrio, como por ejemplo la dispersión Raman y Brillouin, se utilizan habitualmente para aplicaciones de medición de temperatura estática (remota) (Raman) y dilatación/temperatura (Brillouin).

La publicación de JI XIONG ET AL: "Chirped-pulse coherent-OTDR with predistortion", JOURNAL OF OPTICS, INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING, BRISTOL GB, vol. 20, n.23, 25 de enero de 2018 (25-01-2018), página 34001, XP020324946, ISSN: 2040-8986, DOI: 10.1088/2040-8986/AAA6FE se ocupa de pulsos láser de frecuencia variable en reflectometría óptica coherente en el dominio del tiempo (c-OTDR).

La publicación de JUAN PASTOR-GRAELLS ET AL: " Chirped-Pulse Phase-Sensitive Reflectometer Assisted by First-Order Raman Amplification”, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol. 35, n.° 21, 1 de noviembre de 2017 (01-11-2017), págs. 4677-4683, XP055587404, EE. UU. ISSN: 0733-8724, DOI: 10.1109/JLT.2017.2756558 se ocupa de la reflectometría sensible a la fase.

Se puede conseguir una medición de la dilatación de alta resolución también para tasas de muestreo altas (medición dinámica) utilizando enfoques de retrodispersión interferométrica de Rayleigh. Estas técnicas de detección distribuida de la vibración (DVS, del inglés Distributed Acoustic Sensing), a menudo denominada también detección acústica distribuida (DAS, del inglés Distributed Acoustic Sensing), generalmente se basan en la reflectometría óptica coherente en el dominio del tiempo (C-OTDR, del inglés coherent optical time domain reflectometry) utilizando una fuente de excitación óptica coherente, y han obtenido algunos avances en los últimos años, tanto en la investigación como en la aplicación industrial. La inspección de la fibra con pulsos coherentes conduce a una interferencia de la potencia de Rayleigh retrodispersada por centros de dispersión (dispersores de Rayleigh) que se encuentran dentro del ancho del pulso óptico que se propaga hacia delante. Por tanto, la fibra se asemeja a un interferómetro de múltiples trayectorias distribuido. Para condiciones de fibra estables, las señales de retrodispersión C-OTDR son constantes. Las variaciones más pequeñas en la distancia entre los dispersores, por ejemplo debido a dilataciones locales o fluctuaciones de temperatura, pueden ser detectadas en función de las fluctuaciones de potencia retrodispersadas. Las ventajas de estas técnicas DVS interferométricas consisten en la alta sensibilidad a la dilatación, la alta tasa de repetición de medición y el amplio intervalo de separación (o: longitudes de medición/longitudes de sensor). Las técnicas DVS han sido usadas hasta ahora en la detección de vibraciones con alta resolución en la industria del petróleo y el gas, en la vigilancia de seguridad y perimetral, así como en aplicaciones geofísicas de amplios usos. El empleo en ingeniería civil y en la monitorización de edificios ("Structural Health Monitoring", SHM) es un desarrollo más reciente. El requisito en la tasa de repetición de medición suele ser menor en las aplicaciones de vigilancia de estructuras, pero normalmente se requiere la medición de la variable de dilatación correcta, así como el signo algebraico de la variación de la dilatación. Esta medición con el signo correcto es por ejemplo un requisito previo para el reconocimiento de la deformación distribuida y el análisis modal de estructuras que vibran, tales como puentes, por ejemplo puentes de hormigón armado. Sin embargo, el valor de dilatación correcto, incluido el signo, no puede ser determinado utilizando las técnicas DVS conocidas, o solo puede ser determinado con un gran esfuerzo.

La mayoría de los principios DVS basados en Rayleigh utilizan enfoques de detección directa de un solo pulso y una sola longitud de onda, que únicamente permiten una detección de vibraciones. No es posible una medición cuantitativa de la dilatación con la evaluación de la variación de potencia diferencial debido a la distribución de dispersión aleatoria en la fibra y, por tanto, a una función de transferencia de dilatación desconocida. Se han propuesto métodos de detección de coherencia homodina y heterodina más complejos, algunos de los cuales permiten la detección cuantitativa de variaciones de dilatación. Otras técnicas DVS resueltas en fase (OTDR sensible a la fase o phi-OTDR) se basan por ejemplo en enfoques de pulsos dobles. Técnicas de demodulación de multiplicación cruzada o pulsos desplazados en fase también permiten la medición cuantitativa de variaciones de dilatación. Aunque estas técnicas de resolución en fase son en general más complejas que los simples enfoques de detección directa y por ejemplo requieren láseres con ancho de línea mas estrecho, moduladores adicionales, fuentes de frecuencia de GHz, interferómetros adicionales y estabilización, gestión de polarización, detección simétrica o detección con alto ancho de banda, generalmente no pueden determinar el signo deseado de la variación de dilatación.

En realidad los métodos basados en la dispersión de Brillouin podrían usarse para una medición de dilatación absoluta que incluya la información del signo. Sin embargo, no son una alternativa para muchas aplicaciones, ya que la resolución de la dilatación suele ser de varios órdenes de magnitud menor que con las técnicas interferométricas DVS.

Con respecto a lo dicho anteriormente, la presente invención propone un procedimiento según la reivindicación 1 y un dispositivo según la reivindicación 13.

Según un ejemplo de realización, un procedimiento para determinar una variación de un parámetro físico con el signo correcto comprende acoplar una primera serie de pulsos en una fibra óptica que tiene dispersores de Rayleigh en al menos un sector, de modo que la primera serie de pulsos presenta varios pulsos ópticos al menos esencialmente coherentes de la misma duración de pulso en la fibra óptica, en el que una frecuencia óptica de los pulsos en la primera serie de pulsos varía de una forma estrictamente monótona. Es determinado un primer espectro de potencia. La determinación del primer espectro de potencia comprende una medición de una potencia respectiva de una componente de señal retrodispersada por los dispersores de Rayleigh para cada uno de los pulsos ópticos de la primera serie de pulsos. Una segunda serie de pulsos es acoplada en la fibra óptica. La segunda serie de pulsos corresponde al menos esencialmente a la primera serie de pulsos, a una permutación de la primera serie de pulsos, a una parte de la primera serie de pulsos o a una permutación de la parte de la primera serie de pulsos y/o una frecuencia óptica en la segunda serie de pulsos cambia de forma estrictamente monótona. Es determinado un segundo espectro de potencia. La determinación del segundo espectro de potencia comprende medir una potencia respectiva de una componente de señal retrodispersada por los dispersores de Rayleigh para cada uno de los pulsos ópticos de la segunda serie de pulsos. Se realiza una determinación con el signo correcto de una variación de un parámetro físico de la fibra óptica. La determinación con el signo correcto de la variación del parámetro físico comprende determinar un desplazamiento entre el segundo espectro de potencia y el primer espectro de potencia. El acoplamiento de la serie de pulsos respectiva comprende una variación monótona, es decir, o bien una disminución monótona o un aumento monótono, típicamente una variación estrictamente monótona, es decir, una disminución estrictamente monótona o un aumento estrictamente monótono, de una corriente de alimentación y/o de una temperatura de un láser de onda continua acoplado a la fibra óptica.

El acoplamiento de la serie de pulsos respectiva comprende normalmente generar e introducir una serie de pulsos en la fibra óptica.

Dado que la frecuencia óptica/longitud de onda del láser de onda continua depende (de forma estrictamente monótona) tanto de la corriente de alimentación (que también es denominada corriente de bombeo y corriente de inyección) como de la temperatura del láser de onda continua, la longitud de onda del láser de onda continua puede ser modificada tanto por una variación de la corriente de alimentación como por una variación de la temperatura. Dado que una variación de la corriente de alimentación permite una variación más rápida de la longitud de onda del láser de onda continua, para generar/acoplar la primera y la segunda serie de pulsos normalmente solo se cambia la corriente de alimentación. Asimismo puede estar previsto estabilizar la temperatura.

Típicamente, la frecuencia óptica del láser de onda continua a través de la corriente de alimentación (durante la generación/acoplamiento de las series de pulsos) varía al menos 200 MHz, o incluso 500 MHz, aún más típicamente al menos 1 GHz, e incluso todavía más típicamente al menos 2 GHz o incluso al menos 5 GHz.

Por motivos de simplicidad, en la siguiente descripción la generación de los pulsos de las series de pulsos con frecuencia óptica/longitud de onda variable (promedio) se explicará principalmente con referencia a la variación de la corriente de alimentación.

Típicamente, los respectivos pulsos son generados a partir de una señal de rayo láser del láser de onda continua, en particular por medio de un modulador para la señal de rayo láser que está acoplado a la fibra óptica. El modulador, que normalmente está modulado de forma correlacionada con la corriente de alimentación, puede ser por ejemplo un modulador electro-óptico o acústico-óptico (o un amplificador óptico de semiconductor como interruptor).

La expresión "pulso óptico al menos esencialmente coherente", tal como se usa en el presente documento, debe entenderse como un pulso óptico con una longitud de coherencia que es mayor al menos en un factor 2, más típicamente al menos en un factor 5, e incluso aún más típicamente al menos en un factor 10, que un ancho de pulso (duración de pulso*velocidad de la luz en la fibra), es decir, una expansión del pulso en la fibra óptica en la dirección axial de la fibra óptica.

En consecuencia, la señal del rayo láser es típicamente de banda suficientemente estrecha (esencialmente monocromática). Dicho con más precisión, una longitud de coherencia (también denominada coherencia de longitud) de la señal del rayo láser es típicamente de al menos 1 m, al menos 10 m o incluso al menos 50 m.

Típicamente, la duración de pulso de los pulsos es como máximo de 100 ns o incluso como máximo de 50 ns, aún más típicamente como máximo de 20 ns, 10 ns o incluso como máximo 5 ns.

Por tanto, la longitud de coherencia de los pulsos es típicamente solo ligeramente menor que la longitud de coherencia de la señal del rayo láser para una corriente de alimentación constante.

La longitud de coherencia de los pulsos ópticos es típicamente de al menos 1 m, aún más típicamente de al menos 10 m o incluso de al menos 50 m.

El cuanto al láser de onda continua se trata típicamente un láser de diodo o un diodo láser, por ejemplo un diodo láser IR (longitud de onda en el intervalo entre 780 nm y 1 mm) o un diodo láser en el intervalo espectral visible de la luz (desde aproximadamente 380 nm a 780 nm). Entre otras cosas, los diodos láser se caracterizan por bajos costes de fabricación, un alto grado de eficiencia, un abastecimiento de corriente simple, un ancho de banda pequeño de la luz láser, así como una buena coherencia angular (capacidad de enfoque) y buena coherencia de longitud. De este modo las series de pulsos con pulsos al menos esencialmente coherentes se pueden generar mediante diodos láser de una manera especialmente sencilla, barata y que pueden ser controlados bien a través de la corriente. Como resultado, se puede proporcionar una estructura particularmente simple y barata con un láser de onda continua directo modulado en corriente para la exploración de longitudes de onda de la fibra óptica (y evaluación posterior).

En cuanto a la fibra óptica puede tratarse de una fibra de vidrio pero también de una fibra de polímero. Normalmente, la fibra óptica es una fibra monomodo (fibra de modo único). En particular, puede ser una fibra monomodo de silicato estándar. No obstante, también puede ser una fibra multimodo. Los dispersores de Rayleigh pueden presentar una mayor concentración en el sector de la fibra óptica. Sin embargo, los dispersores de Rayleigh también pueden estar distribuidos uniformemente por toda la fibra (al menos en promedio a lo largo del eje de la fibra). Por tanto, también se puede usar una fibra monomodo de silicato estándar relativamente barata sin restricción para el procedimiento y dispositivo descritos en este documento.

Debido al hecho de que la corriente de alimentación (y/o la temperatura) del láser de onda continua es variada de forma estrictamente monótona durante la generación de los pulsos de una serie de pulsos respectiva, la longitud de onda (promedio) también varía de pulso a pulso en la serie de pulsos.

La expresión de que "la segunda serie de pulsos corresponde al menos esencialmente a la primera serie de pulsos o a una permutación de la primera serie de pulsos", como se usa aquí, pretende describir que para cada pulso con una longitud de onda/frecuencia óptica (promedio) respectiva en la primera serie de pulsos existe un pulso con la misma longitud de onda/frecuencia óptica (promedio) (y la misma duración de pulso) en la segunda serie de pulsos (y viceversa). Típicamente, también la altura de los pulsos o la intensidad de los pulsos es la misma en ambas series de pulsos. En otras palabras, la segunda serie de pulsos puede corresponder a la primera serie de pulsos, excepto por una secuencia de pulsos. La segunda serie de pulsos puede incluso ser idéntica a la primera serie de pulsos. Sin embargo, la secuencia de pulsos en la segunda serie de pulsos también puede ser inversa de la secuencia de pulsos de la primera serie de pulsos (es decir, corresponder a una primera serie de pulsos invertida (en el tiempo)), por ejemplo si la primera serie de pulsos es generada por medio de una corriente de alimentación que aumenta linealmente y la segunda serie de pulsos por medio de una corriente de alimentación que cae linealmente (o viceversa).

El hecho de que la primera serie de pulsos y la segunda serie de pulsos contengan, respectivamente, pulsos de longitudes de onda (frecuencia óptica) (promedio) diferentes y conocidas permite (de forma análoga a los procedimientos interferométricos) también una determinación fiable de la información del signo de la variación del parámetro físico y, por tanto, una determinación de la variación del parámetro físico de la fibra óptica con el signo correcto.

Normalmente, la primera y la segunda serie de pulsos contienen, respectivamente, al menos 10 pulsos, aún más típicamente al menos 50 pulsos cada una, e incluso aún más típicamente al menos cien pulsos cada una, por ejemplo 150 o 200 pulsos.

Con el aumento del número de pulsos en las series de pulsos se puede elevar la precisión en la determinación de la variación del parámetro físico.

La duración de tiempo de las respectivas series de pulsos puede ser como máximo de 250 ms (milisegundos), típicamente como máximo de 50 ms o incluso como máximo de 1 ms. La duración de tiempo de las respectivas series de pulsos puede estar incluso en un intervalo de 0,1 ms a 1 ms. Esto permite mediciones (dinámicas) extremadamente rápidas de la variación del parámetro físico.

Dado que los valores de potencia en el primer espectro de potencia y en el segundo espectro de potencia en la fibra óptica normalmente son determinados con resolución espacial, es decir suficientemente rápido, por ejemplo con una resolución temporal de típicamente al menos 50 ns, aún más típicamente de al menos 10 ns, e incluso más típicamente de al menos 1 ns, la variación del parámetro físico con resolución espacial correspondiente para muchas ubicaciones en la fibra óptica también puede ser determinada con el signo correcto mediante una comparación de los respectivos espectros de potencia primero y segundo dependientes de la localización. Por ejemplo, la resolución espacial (en la dirección del eje de la fibra) puede ser de al menos 5 m, al menos 1 m o incluso al menos 0,1 m.

El término espectro de potencia, tal como se utiliza en el presente documento, pretende describir (como es habitual en óptica) una función de distribución de una potencia de radiación en función de una frecuencia de la radiación o de una longitud de onda de la radiación. En particular, el espectro de potencia puede tener una tabla correspondiente (ordenada) de valores medidos, una tabla interpolada o una función modelo correspondiente, adaptada por medio de análisis de regresión. En aras de la simplicidad, en la siguiente descripción se parte de que los espectros de potencia representan una función de distribución de la potencia de radiación (análoga a la potencia retrodispersada) en función de la frecuencia. Sin embargo, se entiende que los procedimientos descritos a continuación, modificados de forma correspondiente, también se pueden utilizar para espectros de potencia que representan una función de distribución de la potencia de radiación en función de la longitud de onda, ya que la frecuencia y la longitud de onda se pueden calcular fácilmente una a partir de la otra.

Se entiende además que independientemente de si la secuencia de frecuencia óptica/longitud de onda de las series de pulsos es diferente, la secuencia de frecuencia óptica/longitud de onda en los espectros de potencia es idéntica. Esto se puede lograr eventualmente por reordenación.

Normalmente, el primer espectro de potencia sirve como espectro de referencia (espectro de potencia de referencia) y el segundo espectro de potencia como espectro de variación (espectro de potencia de variación). Además, se pueden determinar varios otros segundos espectros de potencia separados en el tiempo uno de otro. Sin embargo, también es posible que uno de los segundos espectros de potencia sirva como un nuevo espectro de referencia para un segundo espectro de potencia subsiguiente, varios o incluso todos los segundos espectros de potencia subsiguientes.

Ambos permiten un examen dependiente del tiempo de la variación del parámetro físico.

El espectro de referencia (primer espectro de potencia) y el espectro de variación (segundo espectro de potencia) pueden ser determinados para el mismo intervalo de frecuencias (de las frecuencias ópticas), incluso para las mismas frecuencias ópticas.

Sin embargo, también puede estar previsto determinar el espectro de referencia para un intervalo de frecuencias mayor que el espectro de variación. En consecuencia, la serie de pulsos para la generación del espectro de referencia (primera serie de pulsos) puede cubrir un intervalo mayor de frecuencias ópticas que la serie de pulsos para la generación del espectro de variación (segunda serie de pulsos). El espectro de variación puede entonces "ser correlacionado" con el espectro de variación más amplio. Esto permite una extensión simple del intervalo de medición con al mismo tiempo una mejora del resultado por una "cobertura" completa del espectro de variación con el espectro de referencia.

Según un perfeccionamiento, el procedimiento comprende una fijación, en particular una incrustación de la fibra óptica en un objeto a ser examinado o monitorizado, en particular una estructura.

Como alternativa a esto, las fibras ópticas ya existentes (cables de fibra de vidrio) también pueden ser usadas como sensor, en particular para la monitorización de estructuras y/o mediciones de movimientos del suelo, señales sísmicas, dilatación y/o temperatura en cables eléctricos.

Esto permite una inspección o una monitorización del objeto mediante un seguimiento de la variación del parámetro físico de la fibra óptica a lo largo del tiempo.

Dado que el parámetro físico suele ser una dilatación o una temperatura o una variable derivada de ambos parámetros, por ejemplo una humedad o una flexión, en caso de una medición de la temperatura del objeto adicional, independiente y relativamente fácil de implementar mediante uno o varios sensores de temperatura, por ejemplo mediante un sensor de fibra óptica correspondiente (sensor Raman o Brillouin), se puede realizar una monitorización rápida, precisa e incluso con resolución espacial de la longitud o la dilatación del objeto.

Dependiendo de la aplicación, el segundo espectro de potencia puede ser determinado hasta al menos varias veces por milisegundo.

Debido a los algoritmos de evaluación eficientes, que igualmente se describen con más detalle a continuación, la determinación de la variación del parámetro físico con el signo correcto puede realizarse hasta al menos una vez o incluso varias veces por milisegundo.

Naturalmente también es posible que el segundo espectro de potencia o la determinación de la variación del parámetro físico se realice solo varios cientos de veces por segundo, varias veces por segundo o con un ciclo aún mayor. Por ejemplo, la variación del parámetro físico también puede realizarse en ciclos de minutos u horas cuando se monitorizan estructuras como edificios, puentes y diques en condiciones normales.

La determinación de la variación del parámetro físico con el signo correcto descrita con más detalle a continuación, generalmente se simplifica si la frecuencia óptica de los pulsos dentro de la serie de pulsos respectiva (al menos esencialmente o en una muy buena aproximación, por ejemplo con una desviación de menos del 2 %, típicamente de menos del uno por ciento) varía linealmente con el índice de pulso (y la variación de frecuencia óptica por tanto no cambia o solo cambia de manera insignificante entre pulsos adyacentes).

Por tanto, previamente (antes del acoplamiento de la primera serie de pulsos) se puede determinar una curva de calibración que describe la frecuencia óptica del láser de onda continua en función de la corriente de alimentación (i). Para ello, la corriente de alimentación del láser de onda continua puede ser variada y la radiación resultante del láser de onda continua en cada caso puede ser acoplada en un interferómetro con una diferencia de fase conocida y la variación de frecuencia óptica resultante del láser puede ser determinada por interferometría.

Mediante la curva de calibración pueden ser tenidas en cuenta cualesquiera desviaciones del comportamiento lineal entre la corriente de alimentación y la frecuencia óptica (en una representación logarítmica doble) del láser de onda continua. La dependencia de la frecuencia óptica de un diodo láser de la corriente de alimentación se puede expresar como un polinomio por encima de una intensidad de corriente crítica. Sin embargo, por razones de simplicidad, a continuación se habla a menudo de una dependencia lineal que sin embargo solo se aplica en una representación logarítmica doble y, además a menudo solo de forma aproximada. Las desviaciones del comportamiento lineal en la representación logarítmica doble pueden ser causadas por ejemplo por una variación no lineal de la corriente láser de la señal de modulación proporcionada.

De acuerdo con un ejemplo de realización, la curva de calibración es usada para una corrección del perfil de tiempo de la corriente de alimentación durante el acoplamiento de la serie de pulsos respectiva, lo que asegura que la frecuencia óptica de los pulsos de la serie de pulsos varía linealmente (aumentando o decreciendo de forma estrictamente monótona) con el tiempo/el índice de pulso.

De acuerdo con otro ejemplo de realización, en el que la corriente de alimentación es modificada normalmente de forma lineal durante el acoplamiento de la serie de pulsos respectiva, los espectros de potencia respectivos determinados son corregidos en correspondencia con la curva de calibración. Esto se consigue normalmente mediante interpolación numérica. Esta corrección o interpolación se puede conseguir igualmente mediante una red neuronal artificial entrenada. Por el uso de la red neuronal artificial entrenada, la corrección o interpolación se puede llevar a cabo de forma especialmente rápida.

La determinación del desplazamiento entre el segundo espectro de potencia respectivo y el primer espectro de potencia se puede realizar mediante un análisis de correlación de los espectros de potencia, en particular una correlación a lo largo del eje de frecuencia (o eje de longitud de onda), por ejemplo mediante una correlación cruzada correspondiente o el coeficiente de correlación de Pearson. Sin embargo, el cálculo de estas correlaciones cruzadas es relativamente complejo desde el punto de vista numérico y, por tanto, impone grandes requisitos al hardware utilizado, en particular para determinaciones muy rápidas de la variación del parámetro físico.

Se ha demostrado que el desplazamiento entre el segundo espectro de potencia respectivo y el primer espectro de potencia se puede calcular de forma muy precisa, extremadamente rápida y con relativamente poco esfuerzo (después de la fase de entrenamiento) mediante redes neuronales artificiales multicapa entrenadas, que reciben los dos espectros como entradas presentadas para una capa de entrada neuronal y emiten el desplazamiento en una capa neuronal de salida. Así han resultado especialmente adecuadas redes neuronales completamente conectadas en red (los llamados perceptrones multicapa con una o varias capas de neuronas ocultas), así como las llamadas redes neuronales convolucionales, que también son denominadas CNN (del inglés: Convolutional Neural Networks), con una o varias capas convolucionales ocultas (del inglés: “convolutional layer”). Sin embargo, redes neuronales recurrentes entrenadas, que también se conocen como RNN (del inglés "recurrent neural networks"), también pueden ser utilizadas para la determinación eficiente del desplazamiento.

En particular, durante la determinación de la variación del parámetro físico con el signo correcto las CNN y las RNN permiten además una consideración eficiente tanto de los espectros de potencia espacialmente adyacentes como de los espectros de potencia adyacentes en el tiempo (análisis de datos 3D). Como resultado, la variación del parámetro físico o de los parámetros físicos puede determinarse con mayor precisión y/o fiabilidad.

En particular, en una unidad de control y evaluación las redes neuronales pueden estar implementadas como software, firmware, hardware o cualquier combinación de los mismos.

Como alternativa al uso de redes neuronales, para determinar de manera eficiente el desplazamiento se puede realizar un cálculo de distancias cuadráticas o absolutas entre el primer y el segundo espectro de potencia desplazados en frecuencia entre sí.

Para ello se puede calcular la distancia (cuadrática) entre un primer espectro de potencia desplazado un desplazamiento de frecuencia (distinto de cero) y el segundo espectro de potencia o entre el primer espectro de potencia y un segundo espectro de potencia desplazado el desplazamiento de frecuencia.

Por suma de las distancias (cuadráticas) de frecuencias (que varían linealmente) o desplazamientos de frecuencia que se producen en el primer y el segundo espectro de potencia desplazados relativamente entre sí, se puede calcular una función de correlación que depende del número de sumandos.

Para determinar el desplazamiento respectivo entre los espectros de potencia, la función de correlación puede ser minimizada en función de los sumandos y multiplicada por el desplazamiento de frecuencia entre frecuencias adyacentes o desplazamientos de frecuencia independientemente de la posición en el espectro de potencia.

Se puede lograr una precisión aún mayor si la función de correlación es interpolada antes de la minimización.

Además, la variación del parámetro físico en una medición subsiguiente normalmente se puede determinar con mayor precisión y en un intervalo más amplio si el espectro de referencia (primer espectro de potencia) es complementado con pares de valores de picos u otras secciones de espectro de un segundo espectro de potencia para el que (aún) no hay correspondencia en el espectro de referencia (primer espectro de potencia).

Como alternativa y/o además del análisis de correlación a lo largo del eje de frecuencia óptica/eje de longitud de onda descrito, también se puede llevar a cabo un análisis de correlación correspondiente a lo largo del eje de tiempo para diferentes frecuencias ópticas (longitudes de onda). Un análisis de correlación a lo largo del eje del tiempo para al menos dos frecuencias ópticas diferentes (longitudes de onda) permite igualmente calcular/determinar la variación del parámetro físico con el signo correcto.

Típicamente, la distancia entre pulsos en las series de pulsos es seleccionada de tal manera que en cada instante a lo más uno de los pulsos es propagado a través de la fibra óptica, aún más típicamente de tal manera que un nuevo pulso solo es acoplado en la fibra óptica cuando la componente de señal del pulso anterior retrodispersada por los dispersores de Rayleigh está atenuada o desacoplada.

Sin embargo, también es posible acoplar series respectivas de pulsos dobles con una frecuencia óptica que varía de forma monótona en la fibra. Correspondientemente, las distancias entre los pulsos dobles y dentro de los pulsos dobles pueden ser seleccionadas de tal manera que en cada instante como máximo dos de los pulsos (diferentes frecuencias ópticas) se propaguen a través de la fibra óptica. Típicamente, la distancia entre los pulsos de un pulso doble es menor que la distancia entre pulsos dobles consecutivos. En este caso, la distancia entre pulsos dentro de un pulso doble es seleccionada típicamente de tal manera que los dos pulsos puedan interferir entre sí en la fibra óptica.

Además, es posible acoplar varios pulsos con diferentes frecuencias ópticas en la fibra al mismo tiempo. La tasa de repetición de la medición se puede aumentar aún más por separación espectral (por medio de varios receptores) o separación espectral después de la detección en la banda de base.

Según una forma de realización, un dispositivo para la determinación de una variación de un parámetro con el signo correcto comprende una fibra óptica, que tiene dispersores de Rayleigh en al menos un sector, un láser de onda continua acoplado a la fibra óptica para la generación de una señal láser al menos esencialmente coherente, un modulador dispuesto entre el láser de onda continua y la fibra óptica para convertir la señal láser en pulsos ópticos, un generador de señal que presenta una primera salida de señal conectada a una entrada de control del modulador para la emisión de señales de pulso para la conversión de la señal láser en pulsos ópticos, y una segunda salida de señal conectada al láser de onda continua para la emisión de una señal de control que varía típicamente de forma estrictamente monótona en sectores para una corriente de alimentación del láser de onda continua y/o una unidad de regulación de la temperatura del láser de onda continua, y una unidad de detección acoplada a la fibra óptica para la medición de potencias de retrodispersión de Rayleigh respectivas para los pulsos ópticos que se propagan en la fibra óptica.

Opcionalmente, puede estar prevista una modulación directa del láser de onda continua, es decir, tanto para la generación de los pulsos ópticos como para la modulación de frecuencia del láser de los pulsos ópticos. Las frecuencias ópticas de los pulsos no necesariamente tienen que subir o caer de forma estrictamente monótona. Esto conduce a una reducción en la reproducibilidad de las mediciones, pero permite una estructura más barata.

Típicamente, una longitud de coherencia de la señal láser y/o de los pulsos ópticos en la fibra óptica es de al menos 10 m.

En cuanto al láser de onda continua se trata típicamente de un diodo láser. No es necesario el uso de un láser sintonizable convencional, relativamente caro.

Las señales de pulso pueden ser pulsos rectangulares o pulsos gaussianos.

Además, la señal de control puede ser una señal lineal por sectores, en particular una señal que asciende linealmente por sectores y cae linealmente por sectores y/o una señal oscilante.

La señal de control puede ser por ejemplo una señal de diente de sierra, una señal triangular, en particular una señal de diente de sierra simétrica o una señal triangular asimétrica, o una señal sinusoidal, pero también una señal correspondiente corregida de acuerdo con una curva de calibración.

Típicamente, las señales de pulso están correlacionadas en el tiempo con la señal de control.

El dispositivo comprende normalmente una unidad de control y evaluación que está conectada al generador de señales y a la unidad de detección.

La unidad de detección puede tener un preamplificador óptico, un filtro óptico y un fotodiodo. Si el fotodiodo es un fotodiodo de avalancha, también se puede omitir el preamplificador.

Normalmente, la unidad de detección tiene además un convertidor de analógico a digital conectado a la unidad de control y evaluación y a una salida de señal de disparo del generador de señal.

Además, el dispositivo está configurado típicamente para llevar a cabo los procedimientos descritos en este documento.

En particular, el dispositivo puede estar configurado para determinar las respectivas potencias de retrodispersión de Rayleigh (espectros de potencia de retrodispersión de Rayleigh) en la fibra óptica con resolución espacial.

El sector que presenta el dispersor de Rayleigh o la fibra óptica puede tener una longitud de al menos 10 m, 1000 m o incluso 50000 m.

La fibra óptica (en particular el sector que presenta el dispersor de Rayleigh) puede estar parcialmente incrustada en un objeto a ser monitorizado, en particular una estructura y/o fijada al objeto.

Otras realizaciones ventajosas, detalles, aspectos y características de la presente invención resultan de las reivindicaciones subordinadas, la descripción, así como los dibujos adjuntos. Muestran:

Fig. 1: una representación esquemática de un dispositivo para la determinación de una variación de un parámetro con el signo correcto según un ejemplo de realización;

Fig. 2: señales de control para el dispositivo representado en la figura 1 y series de pulsos resultantes en la fibra óptica del dispositivo según un ejemplo de realización;

Fig. 3A: espectros de potencia para una posición en una fibra óptica en función del tiempo según un ejemplo de realización;

Fig. 3B: un primer espectro de potencia y un segundo espectro de potencia para un instante fijo;

Fig. 4: un diagrama de bloques de un procedimiento para la determinación de una variación de un parámetro físico con el signo correcto según un ejemplo de realización;

Fig. 5: amplitudes de dilatación medidas en una fibra óptica;

Fig. 6A: una curva de calibración determinada por interferometría de un diodo láser según un ejemplo de partida; Fig. 6B: un espectro de potencia corregido mediante la curva de calibración mostrada en la figura 6A según un ejemplo de partida;

Fig. 7A: espectros de potencia medidos para una posición en la fibra óptica en función del tiempo según un ejemplo de realización;

Fig. 7B: una extensión del espectro de potencia de referencia durante la medición para la posición en la fibra óptica en función del tiempo según un ejemplo de realización; y

Fig. 7C: dilataciones en una posición en la fibra óptica en función del tiempo determinadas por medio de análisis de correlación según un ejemplo de realización.

En la siguiente descripción detallada se hace referencia a los dibujos adjuntos en los que se muestran, a modo de ilustración, formas de realización específicas en las que se puede poner en práctica la invención.

Para una mejor comprensión se presentan en primer lugar consideraciones teóricas.

La causa de la dispersión de Rayleigh en las fibras de vidrio radica en una pluralidad de variaciones del índice de refracción en el intervalo de sublongitudes de onda (dispersores de Rayleigh, a los que también se hará referencia a continuación como dispersores para abreviar), que fueron congelados en el núcleo de la fibra durante el proceso de fabricación. La potencia retrodispersada de una fibra monomodo (SMF) se puede describir mediante un modelo Speckle unidimensional como un grupo de N dispersores de Rayleigh discretos que tienen una distribución de posición estadística uniforme a lo largo del eje de distancia de la fibra z. Las reflexiones individuales de los dispersores de Rayleigh, relacionadas con la potencia óptica incidente, también pueden ser modelizados por una distribución uniforme estadísticamente independiente.

La fibra óptica puede ser consultada periódicamente a través de una serie de pulsos ópticos rectangulares con la potencia máxima I⁰ y la duración de pulso t ^d . Se supone que los pulsos son monocromáticos y polarizados linealmente y entran periódicamente en la fibra en el instante t^z = 0. Además de este eje de tiempo de propagación de pulsos t^z (que corresponde a un eje de distancia en la fibra óptica) es introducido un segundo eje de tiempo t para describir las variaciones de la potencia retrodispersada en función del tiempo de medición progresivo (de serie de pulsos a serie de pulsos). La potencia óptica I(t, t^z) detectada por un fotodetector a partir de los impulsos ópticos que salen hacia adelante corresponde a los valores absolutos cuadráticos y promediados en el tiempo de la suma de los componentes de campo óptico discretos retrodispersados. La potencia total detectada I(t, t^z) se compone de un componente directo de la potencia suma I^d(t^z) y un componente de potencia coherente I^coh(t, t^z):

Aquí E^o describe la amplitud y v^o la frecuencia del campo óptico. El retardo de propagación de retorno de la señal de retrodispersión del i-ésimo dispersor viene dado por t ⁱ = 2n^gz ⁱ/c⁰ , donde z ⁱ son las posiciones de los dispersores a lo largo de la fibra, c⁰ la velocidad de la luz en el vacío y n^g es el índice de refracción de grupo efectivo de la fibra óptica.

La propagación del impulso rectangular viene dada por la función rectangular:

rect{[t^z - t ⁱ(t)]/t^d}= 1 para 0 < {[t^z - t ⁱ (t)]/t^d < 1}, de lo contrario 0

A la potencia detectada solo contribuyen dispersores dentro del sector de fibra que se encuentran dentro de la mitad del ancho w del impulso de propagación en la fibra (w/2 = c⁰t ^d /(2n^g). De esta forma también se define la resolución espacial de dos puntos. Corresponde para t ^d = 10 ns a una resolución espacial de aproximadamente 1 m.

Mientras que el componente de potencia I^d(t^z) es, en una buena aproximación, independiente de desplazamientos de dispersión relativos a través del tiempo de progreso t, el componente de potencia coherente I^coh(t,t^z) reacciona de manera sensible a las variaciones de retardo temporal entre los dispersores, por ejemplo debido a dilataciones locales o fluctuaciones de temperatura, I^coh(t,t^z) se puede describir mediante la siguiente suma doble de las relaciones de fase de todos los dispersores:

Aquí, t ^ie = t ⁱ - t ^e = 2n^gz ^ie/c⁰ describe el retraso relativo del dispersor y z ^ie

z^e la di individuales.

Para las siguientes consideraciones se desprecia la pérdida de propagación a lo largo de la fibra y se supone que la conservación de la polarización está dentro de w/2. El término de fase cos[2nv⁰t ^¡e(t)] en la ecuación 2 determina las variaciones de potencia interferométrica local. Cualquier variación física a lo largo de la fibra óptica puede afectar a los retardos de tiempo. Esto se debe típicamente a fluctuaciones de dilatación o temperatura en la fibra óptica.

Las variaciones de temperatura AT y las variaciones de dilatación Ae= Az ^ie/z ^ie son las variables medidas más comunes, que además con una buena aproximación tienen una influencia lineal en los retardos de dispersión temporal A t ^ie. El retardo de dispersión temporal relativo A t ^ie/ t ^ie es proporcional a variación de frecuencia relativa Av^p/v⁰ de los pulsos ópticos. Para fibras de vidrio de silicato con un coeficiente de dilatación Ke ^~ - 0,78 y un coeficiente de temperatura K^t

^~ - 6.92x10^-6 resultan las siguientes relaciones:

6A r

(3)

Aquí, p^e = 0,22 describe el coeficiente elasto-óptico efectivo del dióxido de silicio, ^ el coeficiente termo-óptico del dióxido de silicio y a el coeficiente de expansión térmica de la fibra óptica.

Para escenarios de aplicación realista se tiene en una buena aproximación |At ^ie/ t ^ie| << 1 y |Av^p/v⁰ | << 1.

De aquí resulta:

Al reemplazar los retardos en la ecuación 4 por variaciones de frecuencia correspondientes, después otras transformaciones la potencia total dispersada detectada finalmente da como resultado:

La ecuación (5) muestra que las variaciones de frecuencia óptica Av^p y las variaciones de dilatación/temperatura Ae o AT son factores intercambiables en el término de fase. Por tanto, las variaciones de temperatura y dilatación pueden ser compensadas por variaciones de frecuencia óptica de pulso equivalentes Av^p. Bajo la condición de que AT y Ae sean iguales dentro de w/2, la compensación es completa. En otras palabras, mediante la medición de las variaciones de frecuencia óptica Av^p pueden ser determinadas las variaciones de dilatación/temperatura Ae o AT en la fibra óptica.

Las variaciones de posición absolutas de los dispersores t ⁱ(t) y t ^e(t) pueden despreciarse para la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, eventualmente pueden tener un efecto negativo en la calidad de la correlación si están fuertemente desplazados con respecto a las posiciones del pulso.

Para determinar las variaciones de dilatación/temperatura Ae o AT, las potencias (componentes de señal) retrodispersadas por los dispersores de Rayleigh se puede medir en un intervalo de valores discretos de frecuencia de pulso óptico y el desplazamiento se puede determinar mediante análisis de correlación a lo largo del eje de frecuencia óptica (eje de longitud de onda).

El análisis de correlación se puede realizar de forma alternativa, típicamente como complemento, también a lo largo del eje de tiempo óptico para en cada caso al menos dos frecuencias ópticas (longitudes de onda) con una diferencia de frecuencia conocida. El desplazamiento determinado por medio del análisis de correlación de las variaciones de la potencia retrodispersada causadas por Ae o AT son proporcionales a las variaciones de dilatación o temperatura a lo largo del eje del tiempo. La suma acumulada de los desplazamientos de un extremo de correlación (máximo, por ejemplo para correlación cruzada o coeficiente de correlación de Pearson o mínimo para un método de distancia de mínimos cuadrados) calculado en sectores a lo largo de tramos de tiempo corresponde a un valor relativo de variación de dilatación o temperatura en el momento de la sección de correlación y permite igualmente la determinación del signo de la variación. Se consigue una mejora de la precisión por una interpolación del resultado de correlación. Mediante el uso de varias frecuencias ópticas (longitudes de onda) para el análisis de correlación a lo largo del eje del tiempo con una diferencia de frecuencia conocida, se puede aumentar la precisión en la determinación de la variación del parámetro físico mediante promedios.

Normalmente, la variación del parámetro físico se puede determinar con mayor precisión si se consideran los resultados del análisis de correlación a lo largo del eje de frecuencia óptica y los resultados del análisis de correlación a lo largo del eje de tiempo óptico. Sin embargo, esto aumenta el esfuerzo. En particular, cuando la evaluación se lleva a cabo después de la medición propiamente dicha, el mayor esfuerzo numérico suele tener una importancia secundaria.

El enfoque que se describe aquí tiene como objetivo una medición dinámica con una mayor resolución de dilatación utilizando una implementación de hardware que sea lo más simple y robusta posible, como está representada en la figura 1 a modo de ejemplo, que permite tanto un análisis de correlación a lo largo del eje de frecuencia óptica como un análisis de correlación a lo largo del eje del tiempo óptico t^z.

En el ejemplo de realización en caso de mediciones de retrodispersión consecutivas se utilizan series de pulsos idénticas con el período de repetición de pulsos t ^p (frecuencia de repetición de pulsos / ^p = 1/t^g), donde la frecuencia óptica v^p aumenta linealmente en cada período/serie de pulsos.

Además, la respuesta en frecuencia del láser de onda continua 10 del dispositivo ejemplar 100 se puede realizar mediante una simple modulación directa de la corriente láser.

Esto se explica con referencia a las figuras 1 y 2 para una señal de diente de sierra b para la modulación periódica de la corriente de carga i, que en el ejemplo de realización, después de la modulación de la señal láser en un modulador 50, la subsiguiente amplificación en un amplificador 52 y el filtrado de longitud de onda por medio de un filtro de paso de banda 54 para formar un acoplamiento periódico de series de pulsos idénticos {n ⁰ , n ¹,...n^m} conduce en cada caso a una serie de pulsos dentro de la duración de la serie de pulsos respectiva (en lo sucesivo también denominado período de la serie de pulsos) t ^s, donde la frecuencia óptica v^p (inverso de la longitud de onda) de los pulsos n ^p dentro de una serie de pulsos {n ^p} aumenta de forma estrictamente monótona. Por motivos de claridad, en la figura 2 solo están representadas (parcialmente) dos series de pulsos consecutivas.

En el ejemplo de realización, las frecuencias ópticas v^p del pulso n ^p son determinadas a través de v^p = v⁰ + Av^p. El índice p de la serie de pulsos va de 0 a m (p = 0,1,2...m). La variación de frecuencia Av^p (Av^p = pAv) describe la diferencia de frecuencia entre los pulsos n ^p y n ⁰ , y Av la diferencia de frecuencia idéntica entre pulsos inmediatamente consecutivos n ^p, n ^{p i}. Dado que la frecuencia óptica V^p del pulso n ^p resulta simplemente del índice de pulso p y la diferencia de frecuencia ^A v , a continuación en lugar de la frecuencia óptica V^p, que adopta valores muy grandes, se indica a menudo la variación de frecuencia óptica Av ^p respecto a la frecuencia óptica del primer pulso n ⁰.

Durante el periodo t ^s, que en el ejemplo de realización corresponde a un múltiplo entero de la distancia t ^p entre pulsos consecutivos (adyacentes), las respectivas potencias de retrodispersión de Rayleigh I(t^s,t^z) son medidas en el tiempo t=t^s de los m+1 pulsos n ^p . La tasa efectiva de repetición de la medición es / ^s = 1/t ^s .

Los correspondientes valores de variación de dilatación o temperatura Ae(t,t^z), AT(t,t^z)) de la fibra óptica 60 pueden ser determinados mediante un análisis de correlación de I(t^s,t^z,Av ^p) a lo largo del eje de frecuencia Av ^p para cada posición de fibra z = t^zc⁰/(2n^g). La correlación se realiza típicamente para los tiempos de medición efectivos (tiempos de muestreo t^s) t = t^s = nt ^s y en relación con un tiempo de medición de referencia t = t^{re /}, por ejemplo por la unidad de control y evaluación 80 representada en la figura 1.

El ejemplo de sistema de medición de la dilatación 100 representado en la Fig. 1 utiliza un láser de onda continua sintonizable 10 acoplado ópticamente a una fibra monomodo 60 de silicato estándar, que puede estar realizado como un diodo láser 10 relativamente barato que puede funcionar en modo cw (del inglés "continuous wave" ) con un ancho espectral ejemplar de 1,3 MHz y una longitud de onda media de 1549,89 nm (v⁰ “ 193,36 THz). La longitud de coherencia en la fibra 60 acoplada al diodo láser 10 es entonces del orden de magnitud de 50 m. El grado de la pérdida de coherencia dentro de la longitud del pulso puede despreciarse por tanto en caso de anchos de pulso típicos de unos pocos metros.

Como generador de señal se puede utilizar un generador de señales multicanal (120 MHz), que proporciona la señal de diente de sierra sincronizada u(t) (curva b) para la modulación de frecuencia del diodo láser 10 (modulación de frecuencia láser), la señal rectangular para la formación del pulso en el modulador 50 acoplado al diodo láser, así como la señal de disparador o sincronización para un convertidor de analógico a digital 40 para la captación de datos.

Los impulsos ópticos n ^p son generados en el ejemplo de realización por un amplificador óptico de semiconductor como modulador 50, que puede ser operado a través de un controlador no representado como un interruptor óptico rápido con una alta relación de extinción nominal de 70 dB.

Asimismo puede estar previsto que la potencia de entrada de los amplificadores ópticos de semiconductor 50 sea ajustada a través de un atenuador óptico 15 variable que mantiene la polarización. La señal del pulso óptico puede ser amplificada a continuación por un amplificador 52, por ejemplo por medio de un amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA) en funcionamiento de corriente constante a una potencia máxima de hasta varios cientos de mW.

El ruido de emisión espontáneo puede ser filtrado mediante un filtro DWDM 54 barato (del inglés dense wavelength division multiplexer filter) con un ancho de banda ejemplar de 0,2 nm, antes de que la señal de pulso pueda ser acoplada a la fibra monomodo estándar (fibra monomodo) 60 a través de un circulador óptico 56 insensible a la polarización.

Toda la potencia retrodispersada en la fibra 60 puede ser amplificada por un preamplificador 62, normalmente otro EDFA que funciona en modo de corriente constante, y luego filtrado el ruido por un segundo filtro DWDM 64.

En el ejemplo de realización, la señal de retrodispersión óptica preamplificada y filtrada es convertida en señales eléctricas mediante un fotodetector 70, por ejemplo un fotodetector PIN con un ancho de banda de 120 MHz y amplificación de transimpedancia integrada.

Las señales eléctricas pueden ser muestreadas y digitalizadas por un convertidor de analógico a digital (ADC) 40 activado por un generador de señal 20, por ejemplo un ADC con una resolución ejemplar de 14 bits y una frecuencia de muestreo ejemplar de 500 MS/s (500 10⁶ por segundo).

El tiempo de muestreo seleccionado de 500 MS/s corresponde a una tasa de muestreo espacial en la fibra 60 de aproximadamente 20,4 cm. Esto significa que con resoluciones espaciales en el intervalo de metros, los puntos de retrodispersión vecinos pueden presentar un solapamiento considerable de la distribución de la dilatación axial y la contribución del dispersor de Rayleigh.

Los valores de intensidad I digitalizados por el ADC pueden ser transmitidos como valores medidos a la unidad de control y evaluación 80 que a su vez normalmente puede controlar el generador de señal 20.

Como unidad de control y evaluación 80 puede utilizarse normalmente un ordenador, por ejemplo un PC, que también puede proporcionar el ADC 40.

Una precisión alcanzable en la medición de temperatura o dilatación a largo plazo y cuasiestática es determinada esencialmente por la estabilidad de frecuencia de la fuente láser. Para el sistema de medición de dilatación 100 resulta una desviación máxima de dilatación y temperatura durante 24 horas de ^{A s} = ± 120 ne (nano e) o AT = ± 13,4 mK. Las unidades de dilatación se indican en ^s en el presente documento, donde según la definición habitual de medición de dilatación se aplica lo siguiente: 1 e = 1 m/m.

El uso de una señal de modulación de corriente (de diente de sierra) no simétrica para el diodo láser 10 permite un reconocimiento de fase de la modulación de corriente a partir de discontinuidades de la señal de retrodispersión.

Con esto se pueden suprimir un segundo canal de captación de datos y la evaluación correspondiente para el restablecimiento de la fase. Por tanto, el dispositivo 100 puede ser construido y operado de una manera particularmente sencilla.

La tasa máxima de repetición de pulsos / ^p,máx. es limitada por la longitud de la fibra z^máx. de acuerdo con / ^p,máx. = c^ü/(2n^gZ^máx).

Sin embargo, la tasa de repetición de medición máxima para el modo de exploración de frecuencias utilizado es reducida por el número de pasos de frecuencia en una serie de pulsos a / ^s. Las tasas de repetición en el modo de exploración de frecuencias pueden estar en el intervalo de kHz para longitudes de fibra de hasta unos pocos kilómetros, lo que es más que suficiente para el análisis de vibraciones de estructuras expandidas y aplicaciones generales para la monitorización de estructuras. El intervalo de frecuencias también cubre el ancho de banda requerido para la medición sísmica desde aproximadamente 5 a 150 Hz.

El modo de medición del dispositivo ejemplar 100 también se puede cambiar por un análisis de variación de potencia diferencial en caso de una frecuencia óptica con tasas de repetición limitadas por longitud de fibra hasta fs = 7 MHz.

Además, con el dispositivo 100 pueden ser realizadas determinaciones de espectros de potencia para tasas de dilatación típicamente más altas con una resolución de dilatación más pequeña y una tasa de repetición más baja y evaluadas de acuerdo con un análisis de correlación a lo largo del eje del tiempo.

Los resultados obtenidos con el sistema de medición de dilatación 100 a través de un análisis de correlación a lo largo del eje de frecuencia óptica son explicados a continuación con referencia a las figuras 5 y 7A a 7C.

Sin embargo, en primer lugar en la Fig. 3A está ilustrado un curso de tiempo simulado de los espectros de potencia de retrodispersión de Rayleigh I para una posición en una fibra óptica en función del tiempo (en instantes discretos t^s). Aquí la potencia de retrodispersión de Rayleigh simulada de series de pulsos con / ^s = 1 kHz y / ^p= 200 kHz durante una dilatación sinusoidal con una amplitud máxima de 1 ps de una fibra óptica con 1000 dispersores distribuidos aleatoriamente codificados por colores (de negro (mínimo) a blanco (máximo)) o intensidades de gris para variaciones de frecuencia Av^p = v^p-v^ü está representado en el intervalo de 0 a 5 GHz. La Fig. 3B muestra espectros de potencia para los instantes t^s=0 (curva a, primer espectro de potencia, espectro de referencia) o t^s=0 (curva b, segundo espectro de potencia).

En la figura 3B se pueden reconocer claramente los picos correlativos que están desplazados en frecuencia entre sí.

Por otro lado, en el segundo espectro de potencia hay un pico b*, que en el primer espectro de potencia no tiene equivalencia o solo una equivalencia parcial. Por tanto, puede ser favorable complementar el espectro de referencia en caso de una medición continua con sectores de espectro que se agregan durante la medición. Esto se explica con más detalle a continuación con referencia a las figuras 7A a 7C.

A partir de los espectros de potencia representados en la figura 3A o la figura 3B o espectros medidos correspondientes, las variaciones de dilatación en la fibra óptica pueden reconstruirse de manera muy precisa con el signo correcto utilizando el procedimiento 1000 explicado a continuación con referencia a la figura 4.

En una etapa 1100, en un primer instante t^{re /} es generada una primera serie de pulsos ópticos n ^p (al menos esencialmente) coherentes de la misma duración del pulso t ^d y frecuencia óptica v^p que varía de forma estrictamente monótona, que se propagan secuencialmente a través de una fibra óptica que tiene dispersores de Rayleigh.

En una etapa 1200 es determinado un primer espectro de potencia I(t^{re /}, t^z, Av^p) para el primer instante t^{re /}. Asimismo es medida una potencia respectiva (I(t^{re /},t^z)) de una componente de señal retrodispersada por los dispersores de Rayleigh para cada uno de los pulsos ópticos (n^p) de la primera serie de pulsos y asignada la frecuencia de pulso v^p o variación de la frecuencia del pulso Av^p respectiva.

En una etapa 1300, que también puede realizarse antes de la etapa 1200, en un segundo instante t^s > t^{re /} son generados pulsos ópticos n ^p (al menos esencialmente) coherentes y de la misma duración de pulso t ^d y frecuencia óptica v^p que varía de forma estrictamente monótona, que se propagan sucesivamente a través de la fibra óptica de una segunda serie de pulsos. La segunda serie de pulsos corresponde típicamente al menos esencialmente a la primera serie de pulsos o a una permutación de la primera serie de pulsos.

En una etapa 1400 es determinado para el segundo instante t^s un segundo espectro de potencia (I(t^s, t^z, Av^p)). Asimismo es medida una potencia respectiva (I(t^s, t^z)) de una componente de señal retrodispersada por los dispersores de Rayleigh para cada uno de los pulsos ópticos (n^p) de la segunda serie de pulsos y asociada a la respectiva frecuencia de pulso v^p o variación de frecuencia del pulso Av^p .

Finalmente, en una etapa 1500 es determinada con el signo correcto una variación de una dilatación As (o de otro parámetro físico) de la fibra óptica. Para ello es determinado un desplazamiento Av^m entre el segundo espectro de potencia y el primer espectro de potencia.

La primera serie de pulsos y la segunda serie de pulsos son generadas a través de una modulación respectiva de la corriente de alimentación de un láser de onda continua y una modulación (amplificación/atenuación) de la señal láser emitida por el láser de onda continua que se correlaciona con la modulación de la corriente de alimentación.

Típicamente, la corriente de alimentación para generar la respectiva serie de pulsos varía de forma monótona, aún más típicamente de forma estrictamente monótona.

Como está representado en la figura 4 por las flechas discontinuas, las etapas 1300, 1400, 1500 del procedimiento 1000 pueden repetirse varias veces para otros instantes t^s. Aquí las flechas discontinuas inferiores representan una forma de realización en la que la determinación con el signo correcto tiene lugar después de la medición, y las flechas discontinuas superiores representan una evaluación en línea.

Normalmente, los espectros de potencia son determinados en las etapas 1200 y 1400 en cada caso para una pluralidad de posiciones a lo largo del eje de la fibra (con resolución espacial).

Como ya se explicó anteriormente, la determinación de la variación con el signo correcto se puede realizar mediante un análisis de correlación del primer espectro de potencia I(t^{re /}, t^z , Av^g) y del segundo espectro de potencia I(t^s, t^z , Av^p) a lo largo del eje de frecuencia Av^p . Esto se explica con algo más de detalle a continuación para una forma de realización de un análisis de correlación de mínimos cuadrados para la determinación del desplazamiento de frecuencia Av^m equivalente (proporcional) a la variación de dilatación o temperatura.

Asimismo es determinado el desplazamiento de frecuencia Av^m del segundo espectro de potencia en el instante t^s relativo al primer espectro de potencia en un tiempo de referencia t^re/ como el argumento más pequeño (mínimo) de la función de correlación R^re/,s(q) de acuerdo con las siguientes ecuaciones 6, 7:

donde |q| < m.

Este algoritmo de correlación muestra una estabilidad y una potencia mejoradas en términos de precisión y resultados de correlación erróneos en comparación con el análisis de correlación cruzada estándar.

En particular, el algoritmo propuesto muestra resultados comparables al análisis del coeficiente de correlación de Pearson, con un esfuerzo computacional significativamente reducido.

Además se muestra que la resolución del desplazamiento de frecuencia Av^m medido por una interpolación de la función de correlación R^re/,s(q) se puede aumentar efectivamente en más de dos órdenes de magnitud sobre el ancho de paso de frecuencia Av utilizado explorando la fibra óptica con las series de pulsos. En particular, mediante el uso de un polinomio de interpolación cúbico R'^ref,s(q'), en lugar de R^re/,s(q), en las ecuaciones 6, 7, el desplazamiento de frecuencia puede ser calculado con alta resolución mediante la operación Argmin (determinación del argumento para el cual la función respectiva presenta un mínimo). Típicamente, el factor de interpolación k^p (k^p = Av/Av') es mayor o igual a 50, aún más típicamente mayor o igual a 100.

Los resultados presentados en la figura 5 se obtuvieron con un factor de interpolación ejemplar de k^p = 500. La figura 5 muestra las amplitudes de los picos de dilatación Ae^s, que fueron determinados a partir de espectros de potencia de una fibra óptica, cuya longitud fue variada a través del voltaje V^p aplicado a un elemento piezoeléctrico. El valor de la amplitud del pico de dilatación Ae^{s ~} 79 ns corresponde a un ancho de paso de frecuencia de medición equivalente de Av = 11,94 MHz.

La respuesta de dilatación Ae^s en la gráfica logarítmica doble varía linealmente con el voltaje V^p en más de cuatro órdenes de magnitud (de 47,5 ps a 778 ns), y en más de tres órdenes de magnitud por debajo del valor de dilatación equivalente a Av, Ae^s = 79 ne para los ajustes seleccionados Avt^{d ~} 0,24. Esto confirma la aplicabilidad del enfoque de interpolación y muestra que el procedimiento y el dispositivo descritos aquí para la medición cuantitativa y distribuida de la dilatación pueden ser usados en el intervalo del pico-e .

Para lograr los resultados representados en la figura 5, también se llevó a cabo una corrección de la dependencia lineal no completa de la frecuencia óptica del diodo láser utilizado de la señal de modulación monótona creciente o decreciente del generador de señal 20, como se explica a continuación con referencia a las figuras 6A, 6B.

Para una minimización de la función de correlación interpolada R'ref,s(q') que sea lo más precisa posible y una respuesta de dilatación lineal, normalmente es importante que los anchos de los mínimos de la función de correlación R^re/,s(q) sean varios anchos de pulsos de muestreo (muestras) (varios anchos Av^m). Esto implica que incluso los anchos promedio de I(Av^p) sean varios anchos de pulsos de muestreo (véase también la Fig. 3B).

Sin embargo, esto se puede asegurar e incluso optimizar considerando estadísticas de dispersión física. Dado que la periodicidad promedio y, por tanto, el ancho promedio de los picos de retrodispersión de I(Av^p) es determinado estadísticamente por el retardo de dispersión medio t ^ie dentro de w/2, puede ser elegido un valor adecuado del paso de frecuencia Av para una duración de pulso t ^d dada para cumplir con este requisito. La periodicidad característica teórica máxima de I(Av^p) es limitada por el retardo de dispersión t ^ie máximo.

En investigaciones fue determinado un valor practicable para el coeficiente de relación g = Avt^d , que es del orden de magnitud g ^~ 0,25 para pulsos rectangulares. De esta forma, la tasa de repetición y el intervalo de frecuencias pueden ser maximizados para una duración de pulso determinada.

La Fig. 6A muestra una curva de calibración a para el diodo láser utilizado (un llamado láser de retroalimentación distribuida (DFB)), concretamente la variación de frecuencia resultante Av^p durante la modulación de la corriente láser (con la corriente de alimentación del diodo láser que aumenta linealmente con el tiempo t), como fue obtenida a partir de un análisis de cambio de fase en un interferómetro Mach-Zehnder asimétrico ( / ^s = 1 kHz, / ^p = 200 kHz, t ^d= 10 ns, Av ^~ 23,07 MHz). A modo de comparación, la curva b muestra el curso lineal ideal.

Mientras que la propagación de frecuencia (Chirp) durante la duración del pulso t ^d típicamente puede despreciarse, la desviación de la relación lineal entre la corriente de alimentación del diodo láser y la variación de frecuencia óptica (frecuencia óptica) de la radiación láser puede conducir a desviaciones significativas, especialmente para valores grandes de dilatación. Por tanto, los espectros de potencia medidos normalmente son corregidos utilizando la curva de calibración. La figura 6B muestra en las curvas a, b un espectro de potencia adecuado (curva a) y un espectro de potencia corregido según la curva de calibración a de la figura 6A (curva b).

Como resultado, las variaciones de dilatación pueden ser calculadas a partir de Av^m(t^s,t^z) y la función de correlación interpolada R'^re/,s(q') con las secuencias de barrido linealizadas numéricamente I(t^s,t^z,Av^p) pueden ser calculadas como vectores de entrada para cada tiempo de muestreo t^s y cada posición t^z en la fibra óptica según:

A v m( ts,tz )

A e(t„tz)

^{K e v 0}

(8 )

Alternativamente, la corriente de alimentación para el láser también puede ser ajustada de acuerdo con la curva de calibración.

La ventaja del enfoque de exploración de longitudes de onda descrito aquí radica en la dependencia no distorsionada entre I(Av^p) y la dilatación. Solo se producen desplazamientos de señal. Esto garantiza una medición estable a largo plazo en un intervalo de dilatación mayor por la comparación con una referencia altamente correlacionada.

El desplazamiento I(t^s,Av^p) no distorsionado en función de la dilatación tiene otro efecto positivo. Aunque el intervalo de dilatación medible es limitado metódicamente por la envolvente del desplazamiento de frecuencia del barrido láser Av^p, esta limitación se puede superar por el uso de los datos de potencia retrodispersados de los desplazamientos de dilatación de nuevos resultados de medición I(t^s ,Av^p), que después de la correlación sobrepasan el límite Av^p . Estos nuevos datos se pueden utilizar para ampliar continuamente los espectros de referencia de potencia I(t^{re /}, t^z,Av^p') sobre Av^p agregando en cada caso nuevos sectores de espectro de potencia que se extienden más allá del intervalo de Av^p.

Un ejemplo para una medición I(t^s,Av^p) durante una excitación de dilatación armónica modulada en amplitud de una fibra óptica está representada en la figura 7A. El espectro de referencia I(t^ref,Av^p') que se expande continuamente según esta medición está representado en la figura 7B. El resultado de la dilatación medida que resulta del análisis de correlación con I(t^{re /},Av^p') está representado en la figura 7C.

La expansión descrita del espectro de referencia I(t^{re /},Av^p') también puede mejorar los resultados de la correlación a través de un intervalo de referencia de correlación más grande. El intervalo de dilatación en una medición continua está limitado solo por el intervalo de dilatación física de la fibra. No se requiere una fuente láser sintonizable, un filtro sintonizable o una modulación externa de gran ancho de banda. Entonces, la única limitación es la tasa de dilatación máxima, que sigue garantizando resultados de barrido parcialmente superpuestos para una correlación correcta y permite un ajuste continuo del espectro de referencia.

Por el almacenamiento del espectro de referencia expandido, también es posible reanudar una medición interrumpida y/o realizar mediciones de variación de dilatación relativa a intervalos irregulares.

Dado que la firma de potencia retrodispersada es una función de Av unívoca y no periódica, la correlación de mediciones reanudadas con I(t^{re /},t^z,Av^p') proporciona resultados de desplazamiento correctos y unívocos.

Esta funcionalidad es muy útil para aplicaciones de monitorización a largo plazo en las que se necesita información adicional sobre la variación de dilatación absoluta. Por regla general los procedimientos de demodulación de fase conocidos no son adecuados para esto.

La estructura descrita con referencia a la figura 1 fue probada además en una aplicación de monitorización de estructura real. Para el análisis de vibraciones estáticas y modales se creó un modelo de puente de hormigón armado de 24,4 m de largo con fibras ópticas pegadas a través de toda su longitud. La distribución de la dilatación fue medida con una tasa de repetición / ^s = 1 kHz y una resolución espacial de 1 m (t^d = 10 ns) durante una excitación de vibración con ruido blanco (< 80 Hz), donde se colocó un excitador de vibraciones en el puente en una posición no centrada entre dos soportes. Las transiciones entre los diferentes modos de vibración del modelo de puente de hormigón armado se pudieron analizar con alta resolución. No obstante, aquí se ha prescindido de la representación de los detalles.

El análisis de retrodispersión espectral descrito aquí también permite la determinación del signo algebraico de la variación de dilatación, que tiene un significado decisivo para una pluralidad de aplicaciones de sensores. La estructura utilizada para determinar una variación de un parámetro con el signo correcto se caracteriza por una arquitectura simple, robusta y barata e implementa una exploración de longitudes de onda por modulación de corriente láser directa.

Otros enfoques de resolución de fase son significativamente más complejos. A menudo requieren una fuente de luz altamente coherente, una gestión de polarización compleja, láseres y filtros sintonizables, una estabilización de interferómetro, una generación de señales de alta frecuencia y/o una detección de gran ancho de banda.

Según una forma de realización, un procedimiento para la determinación de una variación en un parámetro físico con el signo correcto comprende acoplar una primera serie de pulsos en una fibra óptica que tiene dispersores de Rayleigh al menos en un sector, teniendo la primera serie de pulsos una pluralidad de pulsos ópticos que son al menos esencialmente coherentes de la misma duración en la fibra óptica, y de modo que una frecuencia óptica de los pulsos en la primera serie de pulsos varía de forma estrictamente monótona. Es determinado un primer espectro de potencia. La determinación del primer espectro de potencia comprende una medición de una potencia respectiva de una componente de señal retrodispersada por los dispersores de Rayleigh en la fibra óptica para cada uno de los pulsos ópticos de la primera serie de pulsos. Una segunda serie de pulsos es acoplada a la fibra óptica, correspondiendo la segunda serie de pulsos al menos esencialmente a la primera serie de pulsos o a una permutación de la primera serie de pulsos. Es determinado un segundo espectro de potencia. La determinación del segundo espectro de potencia comprende medir una potencia respectiva de una componente de señal retrodispersada por los dispersores de Rayleigh en la fibra óptica para cada uno de los pulsos ópticos de la segunda serie de pulsos. Es realizada una determinación de una variación en un parámetro físico con el signo correcto, en particular una dilatación y/o una temperatura de la fibra óptica. La determinación de la variación del parámetro físico con el signo correcto comprende determinar un desplazamiento entre el segundo espectro de potencia y el primer espectro de potencia. El acoplamiento de la respectiva serie de pulsos comprende una modulación (directa) de una corriente de alimentación y/o de una temperatura de un láser de onda continua acoplado a la fibra óptica.

Típicamente, la modulación de la corriente de alimentación comprende una variación monótona, más típicamente una variación estrictamente monótona de la corriente de alimentación.

Típicamente, la corriente de alimentación del láser de onda continua es variada de forma estrictamente monótona durante todo el período de acoplamiento de la respectiva serie de pulsos.

Además, el primer y el segundo espectro de potencia son determinados típicamente para varias localizaciones separadas entre sí en la dirección de un eje de fibra de la fibra óptica en el sector de la fibra óptica que presenta el dispersor de Rayleigh.

Según un ejemplo de realización, un procedimiento para la determinación de una variación en un parámetro físico con el signo correcto comprende acoplar una primera serie de pulsos en una fibra óptica que tiene dispersores de Rayleigh al menos en un sector, de modo que la primera serie de pulsos presenta varios pulsos ópticos que son al menos esencialmente coherentes de la misma duración de pulso en la fibra óptica, de modo que una frecuencia óptica de los pulsos en la primera serie de pulsos varía de forma estrictamente monótona. Es determinado un primer espectro de potencia. La determinación del primer espectro de potencia comprende medir una potencia respectiva de una componente de señal retrodispersada por los dispersores de Rayleigh para cada uno de los pulsos ópticos de la primera serie de pulsos. Una segunda serie de pulsos es acoplada en la fibra óptica, de modo que la segunda serie de pulsos tenga varios pulsos ópticos de la misma duración de pulso que sean al menos esencialmente coherentes en la fibra óptica, de modo que una frecuencia óptica de los pulsos en la segunda serie de pulsos varíe de forma estrictamente monótona. Es determinado un segundo espectro de potencia. La determinación del segundo espectro de potencia comprende una medición de una potencia respectiva de una componente de señal retrodispersada por los dispersores de Rayleigh para cada uno de los pulsos ópticos de la segunda serie de pulsos. Es realizada una determinación de una variación en un parámetro físico de la fibra óptica con el signo correcto. La determinación de la variación del parámetro físico con el signo correcto comprende determinar un desplazamiento entre el segundo espectro de potencia y el primer espectro de potencia. El acoplamiento de la serie de pulsos respectiva comprende una variación monótona, es decir, o bien una disminución monótona o un aumento monótono, típicamente una variación estrictamente monótona, es decir, una disminución estrictamente monótona o un aumento estrictamente monótono, de una corriente de alimentación y/o de una temperatura de un láser de onda continua acoplado a la fibra óptica.

La duración de pulso en la segunda serie de pulsos normalmente corresponde a la duración de pulso en la primera serie de pulsos.

Las frecuencias ópticas de los pulsos en la segunda serie de pulsos pueden corresponder a las frecuencias ópticas de los pulsos en la primera serie de pulsos.

Una secuencia de las frecuencias ópticas de los pulsos ópticos de la segunda serie de pulsos puede corresponder al menos esencialmente a una secuencia de las frecuencias ópticas de los pulsos ópticos de la primera serie de pulsos o a una permutación de los mismos, en particular a una secuencia inversa de las frecuencias ópticas de los pulsos ópticos de la primera serie de pulsos.

La segunda serie de pulsos puede corresponder incluso al menos esencialmente a la primera serie de pulsos, a una permutación de la primera serie de pulsos, a una parte de la primera serie de pulsos o a una permutación de la parte de la primera serie de pulsos.

Sin embargo, también es posible que la secuencia de las frecuencias ópticas de los pulsos ópticos de la primera serie de pulsos corresponda a una secuencia de las frecuencias ópticas de los pulsos ópticos de una parte (contigua) de la segunda serie de pulsos, a una permutación de la misma, en particular una secuencia inversa de las frecuencias ópticas de los pulsos ópticos de la parte de la segunda serie de pulsos, o incluso que la primera serie de pulsos corresponda al menos esencialmente a una parte de la segunda serie de pulsos o a una permutación de la parte de la segunda serie de pulsos.

El conjunto de frecuencias ópticas de los pulsos en la segunda serie de pulsos puede ser un subconjunto (propio) del de las frecuencias ópticas de los pulsos en la primera serie de pulsos.

Sin embargo, también es posible que el conjunto de las frecuencias ópticas de los pulsos en la segunda serie de pulsos sea disjunto del conjunto de frecuencias ópticas de los pulsos en la primera serie de pulsos, por ejemplo cuando los valores absolutos de los aumentos durante la reducción o elevación de la corriente de alimentación y/o de la temperatura del láser de onda continua durante la generación/acoplamiento de la primera y segunda serie de pulsos se diferencian de forma adecuada entre sí, y/o si para el control de la corriente de alimentación y/o de la temperatura del láser de onda continua se utiliza una señal de control (periódica) adaptada de forma adecuada a una dependencia no lineal de la frecuencia óptica del láser de onda continua de la corriente de alimentación y/o de la temperatura (muestreo de frecuencia asimétrica). El desfase entre el segundo espectro de potencia y el primer espectro de potencia también puede determinarse entonces con precisión numéricamente o por medio de una red neuronal.

Sin embargo, un segundo intervalo de frecuencias cubierto por las frecuencias ópticas de los pulsos en la segunda serie de pulsos típicamente se solapa al menos parcialmente con un primer intervalo de frecuencias cubierto por las frecuencias ópticas de los pulsos en la primera serie de pulsos. El segundo intervalo de frecuencias puede ser un subintervalo (propio) del primer intervalo de frecuencia. Por ejemplo, para la primera serie de pulsos (medición de referencia) puede estar previsto usar un primer intervalo de frecuencias más grande y/o una tasa de muestreo más alta/un ancho de paso más pequeño entre frecuencias ópticas sucesivas en comparación con la segunda serie de pulsos. Esto permite generar un espectro de referencia particularmente sin ruido, por ejemplo mediante promedio y/o interpolación. Dado que el espectro de variación (segundo espectro de potencia) o los espectros de variación son determinados con una resolución de frecuencia más baja de los pulsos, el tiempo de medición total solo se prolonga ligeramente.

Sin embargo, también es posible que el primer intervalo de frecuencias sea un subintervalo del segundo intervalo de frecuencias y/o que el conjunto de las frecuencias ópticas de los pulsos en la primera serie de pulsos sea un subconjunto (propio) de las frecuencias ópticas de los pulsos en la segunda serie de pulsos.

La presente invención fue explicada utilizando ejemplos de realización. Estos ejemplos de realización no deben entenderse en modo alguno como limitativos para la presente invención. En particular, las características individuales de los diferentes ejemplos de realización pueden adoptarse en otras formas de realización o diferentes ejemplos de realización pueden combinarse entre sí, siempre que las características combinadas no se excluyan mutuamente por razones técnicas. La invención es así como está definida en las siguientes reivindicaciones.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento (1000) para la determinación de una variación de un parámetro físico (As, AT) con el signo correcto, comprendiendo el procedimiento:

- acoplar una primera serie de pulsos en una fibra óptica (60) que presenta dispersores de Rayleigh al menos en un sector, en el que la primera serie de pulsos presenta varios (m+1) pulsos ópticos (np) al menos esencialmente coherentes de duración de pulso (td) idéntica en la fibra óptica (60), y en el que una frecuencia óptica (vp = vü Avp) en la primera serie de pulsos varía de forma estrictamente monótona;

- determinar un primer espectro de potencia (I(tref, tz, Avp)) que comprende medir una potencia respectiva (I(tref, tz)) de una componente de señal retrodispersada por los dispersores de Rayleigh para cada uno de los pulsos ópticos (np) de la primera serie de pulsos;

- acoplar una segunda serie de pulsos en la fibra óptica (60), en el que la segunda serie de pulsos corresponde al menos esencialmente a la primera serie de pulsos, a una permutación de la primera serie de pulsos, a una parte de la primera serie de pulsos o a una permutación de la parte de la primera serie de pulsos, y/o en el que una frecuencia óptica (vp) en la segunda serie de pulsos varía de forma estrictamente monótona; - determinar un segundo espectro de potencia (I(ts, tz, Avp)) que comprende medir una potencia respectiva (I(ts, tz)) de una componente de señal retrodispersada por los dispersores de Rayleigh para cada uno de los pulsos ópticos (np) de la segunda serie de pulsos; y

- determinar una variación de un parámetro físico (As, AT) de la fibra óptica (60) con el signo correcto, que comprende la determinación de un desplazamiento (Avm) entre el segundo espectro de potencia y el primer espectro de potencia,

en el que el acoplamiento de la respectiva serie de pulsos comprende disminuir o aumentar de forma monótona una corriente de alimentación (i) y/o una temperatura de un láser de onda continua (10) acoplado a la fibra óptica (60).

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el láser de onda continua (10) es un diodo láser, el láser de onda continua (10) está acoplado a la fibra óptica (60) por medio de un modulador (50), que es modulado de forma correlacionada con la corriente de alimentación (i), y/o en el que la corriente de alimentación (i) es disminuida o aumentada linealmente durante el acoplamiento de la serie de pulsos respectiva.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, que comprende además la determinación de una curva de calibración que comprende la variación de la corriente de alimentación (i) del láser de onda continua (10) y la determinación de una frecuencia óptica (v) y/o una variación de la frecuencia óptica (Av) del láser de onda continua (10) en función de la corriente de alimentación (i).

4. Procedimiento según la reivindicación 3, que comprende además:

- utilizar la curva de calibración para determinar un curso temporal de la corriente de alimentación (i) durante el acoplamiento, de modo que la frecuencia óptica (vp) de la respectiva serie de pulsos acoplados varía linealmente con un índice (p = 0, 1, 2 ... m) de la serie de pulsos, y/o la variación de frecuencia óptica (Avp) entre pulsos (np) consecutivos de la respectiva serie de pulsos acoplados es constante, o

- utilizar la curva de calibración para la corrección del primer espectro de potencia (I(tref, tz, Avp)) y del segundo espectro de potencia (I(ts, tz, Avp)).

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que las etapas de:

- acoplar la segunda serie de pulsos en la fibra óptica (60);

- determinar el segundo espectro de potencia (I(ts, tz, Avp)) que comprende la medición de una potencia respectiva (I(ts, tz)) de una componente de señal retrodispersada por los dispersores de Rayleigh para cada uno de los pulsos ópticos (np) de la segunda serie de pulsos; y

- determinar, con el signo correcto, la variación del parámetro físico (As, AT) de la fibra óptica (60), son repetidas varias veces.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, que además comprende:

- incrustar al menos parcialmente la fibra óptica (60) en un objeto a ser examinado, en particular una estructura, y/o fijar la fibra óptica (60) en el objeto a ser examinado;

- completar el primer espectro de potencia (I(tref, tz, Avp)) con pares de valores (b*) del segundo espectro de potencia (I(ts, tz, Avp)) que no tienen equivalencia en el primer espectro de potencia (I(tref, tz, Avp)), y/o con un sector de espectro del segundo espectro de potencia (I(ts, tz, Avp)) que no tiene equivalencia en el primer espectro de potencia (I(tref, tz, Avp));

- utilizar la variación, determinada con el signo correcto, del parámetro físico (As, AT) de la fibra óptica (60) para monitorizar un objeto, en particular una estructura y/o una red eléctrica; y/o

- utilizar la variación, determinada con el signo correcto, del parámetro físico (As, AT) de la fibra óptica (60) para determinar un movimiento de tierra de una señal sísmica.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la segunda serie de pulsos corresponde al menos esencialmente a una primera serie de pulsos invertida, en el que la segunda serie de pulsos corresponde al menos esencialmente a la primera serie de pulsos o a una permutación de la primera serie de pulsos, a una parte de la primera serie de pulsos o a una permutación de la parte de la primera serie de pulsos, y/o en el que una secuencia de las frecuencias ópticas de la segunda serie de pulsos corresponde al menos esencialmente a una secuencia de las frecuencias ópticas de la primera serie de pulsos, a una permutación de la secuencia de las frecuencias ópticas de la primera serie de pulsos, a una secuencia de las frecuencias ópticas de la parte de la primera serie de pulsos o a una permutación de la secuencia de las frecuencias ópticas de la parte de la primera serie de pulsos, en el que las respectivas series de pulsos presentan más de dos pulsos (np), al menos 10 pulsos (np), típicamente incluso al menos 50 pulsos (np), de modo que la duración del pulso (td) es de a lo más 100 ns o incluso de a lo más 50 ns, en el que una duración de las respectivas series de pulsos es de a lo más 250 ms, típicamente de a lo más 50 ms, no mayor de 1 ms o incluso no mayor de 0,1 ms, en el que la determinación del segundo espectro de potencia (I(ts, tz, Avp)) se realiza hasta al menos una vez por milisegundo, y/o la determinación, con el signo correcto, de la variación del parámetro físico (As, AT) se realiza hasta al menos una vez por milisegundo.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la primera serie de pulsos es una serie de pulsos dobles, siendo la distancia entre los pulsos de un pulso doble respectivo menor que la distancia entre pulsos dobles consecutivos, en el que la distancia entre los pulsos de los pulsos dobles es seleccionada de modo que los pulsos de los pulsos dobles puedan interferir entre sí, en el que las distancias entre pulsos (tp) en la primera serie de pulsos es seleccionada, de modo que en cada instante a lo más dos de los pulsos se propaguen a través de la fibra óptica (60), en el que las frecuencias ópticas en la primera serie de pulsos varía en un intervalo más grande o un intervalo más pequeño que las frecuencias ópticas en la segunda serie de pulsos, en el que un número de pulsos de la primera serie de pulsos difiere del número de pulsos de la segunda serie de pulsos, en el que el conjunto de las frecuencias ópticas en la primera serie de pulsos es disjunto con el conjunto de las frecuencias ópticas en la segunda serie de pulsos, y/o en el que una distancia entre pulsos (tp) en la primera serie de pulsos es seleccionada de modo que en cualquier instante a lo más uno de los pulsos (np) se propague a través de la fibra óptica (60) y/o que un nuevo pulso solo es acoplado en la fibra óptica (60) cuando la componente de señal del pulso precedente (np) retrodispersada por los dispersores de Rayleigh se ha atenuado o desacoplado.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la determinación con el signo correcto comprende calcular una variación de una amplitud del parámetro físico (As, AT), en el que el parámetro físico es una dilatación o una temperatura, y/o en el que el parámetro físico es una variable dependiente de la dilatación y/o de la temperatura, en particular una humedad o una flexión.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la determinación de la variación del parámetro físico con el signo correcto comprende un análisis de correlación del primer espectro de potencia (I(tref, tz, Avp)) y del segundo espectro de potencia (I(ts, tz, Avp)) a lo largo del eje de frecuencia (Avp) y/o un análisis de correlación del primer espectro de potencia (I(tref, tz, Avp)) y del segundo espectro de potencia (I(ts, tz, Avp)) a lo largo del eje de tiempo (tz).

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la determinación del desplazamiento (Avm) comprende calcular una distancia cuadrática entre un primer espectro de potencia (I(tref, tz, Avp+q)) desplazado por un desplazamiento de frecuencia (Avq) y el segundo espectro de potencia (I(ts, tz, Avp)) o entre el primer espectro de potencia (I(tref, tz, Avp)) y un segundo espectro de potencia (I(ts, tz, Avp-q)) desplazado el desplazamiento de frecuencia (Avq), en particular una suma de las distancias cuadráticas para varios desplazamientos de frecuencia (Avq) para la determinación de una función de correlación (R), minimizar la función de correlación, interpolar la función de correlación (R) para generar una función de correlación interpolada y/o minimizar la función de correlación interpolada, y/o en el que la determinación del desplazamiento (Avm) es realizada por medio de una red neuronal entrenada, y/o en el que la corrección del primer espectro de potencia (I(tref, tz, Avp)) y del segundo espectro de potencia (I(ts, tz, Avp)) es realizada por medio de otra red neuronal entrenada.

12. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que los valores de potencia en el primer espectro de potencia y/o en el segundo espectro de potencia son medidos en la fibra óptica (60) con resolución espacial y/o en el que el desplazamiento (Avm) es determinado para varias localizaciones en la fibra óptica (60).

13. Dispositivo (100 - 104), configurado para la realización de un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 12 para la determinación de una variación de un parámetro (As, AT) con el signo correcto, que comprende: - una fibra óptica (60) que presenta dispersores de Rayleigh al menos en un sector;

- un láser de onda continua (10) acoplado a la fibra óptica (60) para la generación de una señal láser al menos esencialmente coherente;

- un modulador (50) dispuesto entre el láser de onda continua (10) y la fibra óptica (60) para convertir la señal láser en pulsos ópticos (n^p);

- un generador de señal (20) que presenta una primera salida de señal conectada a una entrada de control del modulador (50) para la emisión de señales de pulso para la conversión de la señal láser en pulsos ópticos (n^p), y una segunda salida de señal conectada al láser de onda continua (10) para la emisión de una señal de control que varía monótonamente en sectores para una corriente de alimentación (i) del láser de onda continua (10) y/o una unidad de regulación de la temperatura del láser de onda continua (10); y

- una unidad de detección (64, 70, 40) acoplada a la fibra óptica (60) para medir las respectivas potencias de retrodispersión de Rayleigh (I(t^s, t^z)) para los pulsos ópticos (n^p) que se propagan en la fibra óptica (60).

14. Dispositivo (100 - 104) según la reivindicación 13, en el que una longitud de coherencia de la señal láser en la fibra óptica (60) y/o de los pulsos ópticos (n^p) en la fibra óptica (60) es de al menos 10 m, siendo el láser de onda continua (10) un diodo láser, en el que las señales de pulso comprenden pulsos rectangulares o pulsos gaussianos, en el que la señal de control es una señal lineal en sectores y/o una señal oscilante, en el que la señal de control es una señal de diente de sierra, una señal triangular o una señal sinusoidal, en el que las señales de pulso están correlacionadas temporalmente con la señal de control, en el que la unidad de detección (64, 70, 40) está configurada para determinar con resolución espacial las respectivas potencias de retrodispersión de Rayleigh (I(t^s, t^z)) en la fibra óptica (60), en el que el sector y/o la fibra óptica (60) presenta una longitud de al menos 10 m, en el que la fibra óptica (60) está parcialmente incrustada en un objeto a ser monitorizado, en particular una estructura y/o un cable de una red eléctrica, y/o está fijada al objeto, y/o en el que la unidad de detección (64, 70, 40) presenta un preamplificador óptico (62), un filtro óptico (64), un fotodiodo (70), un fotodiodo de avalancha y/o un convertidor de analógico a digital (40) conectado a una salida de señal de activación del generador de señal.

15. Dispositivo (100 - 104) según la reivindicación 13 o 14, que comprende además una unidad de control y evaluación (80) que está acoplada al generador de señal (20), que está acoplada a la unidad de detección (64, 70, 40), y/o está configurada para llevar a cabo un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 12.