ES2953151T3 - Dispositivo y procedimiento para la digitalización de una señal óptica¡ así como para la medición con resolución espacial de temperatura y dilatación por medio de la dispersión de Brillouin - Google Patents

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Abstract

Dispositivo (10) para digitalizar una señal óptica, que comprende un detector óptico (1) que está configurado para detectar una señal óptica y generar una señal eléctrica correspondiente a la señal óptica, un detector de envolvente (4) que está configurado para determinar la amplitud de la señal eléctrica generada por el detector óptico (1) y para emitir una señal eléctrica correspondiente a esta amplitud, un convertidor analógico-digital (7) que está configurado para convertir la señal eléctrica emitida por el detector de envolvente (4) . digitalizar y emitir los datos correspondientes, una fuente de voltaje variable (9) con una salida que está conectada o conectable a una entrada del detector de envolvente (4), estando configurado el dispositivo para conectar el detector de envolvente (4) a la fuente de voltaje variable (9). calibrar. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo y procedimiento para la digitalización de una señal óptica así como para la medición con resolución espacial de temperatura y dilatación por medio de la dispersión de Brillouin
La presente invención se refiere a un dispositivo y un procedimiento para la digitalización de una señal óptica así como a un dispositivo para la medición con resolución especial de temperatura y dilatación por medio de la dispersión de Brillouin de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 12 y a un procedimiento para la medición con resolución espacial de temperatura y dilatación por medio de la dispersión de Brillouin de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 13.
Por el documento EP 3139133 A1 se conocen dispositivos y procedimientos para la medición con resolución espacial de temperatura y dilatación por medio de la dispersión de Brillouin del tipo mencionado anteriormente. En el dispositivo allí descrito, la radiación láser que emana de una fuente de luz láser se acopla a una fibra óptica utilizada para la medición. Las señales de Brillouin generadas por la radiación láser en la fibra óptica debido a la dispersión de Brillouin se acoplan. Las señales de Brillouin desacopladas se dividen mediante un divisor de haz de polarización óptica en dos componentes con polarizaciones diferentes una de otra, en donde por un acoplador óptico se mezcla en cada caso una radiación láser con los componentes individuales de la señal de Brillouin. Estas señales mixtas se detectan separadamente una de otra por medios sensores diseñados, por ejemplo, como fotodetectores. También se proporcionan medios de evaluación, que pueden determinar con resolución espacial la temperatura y la dilatación de las secciones de la fibra óptica a partir de las señales de Brillouin detectadas. A este respecto, la frecuencia de la señal de Brillouin se registra en cada caso por los medios de evaluación.
La dispersión de Brillouin en fibras ópticas puede utilizarse para la medición distribuida o con resolución espacial de temperatura y dilatación a lo largo de la fibra óptica, porque la frecuencia y la amplitud de la dispersión de Brillouin son una función de los parámetros de medición temperatura y dilatación.
Con frecuencia, solo se mide la frecuencia de Brillouin, que depende de manera muy sensible, por ejemplo con aproximadamente 1 MHz/°C o 0,05 MHz/|j£ en vidrio de cuarzo, de los parámetros de medición y puede determinarse con mucha precisión. Sin embargo, existe el problema a este respecto de separar la influencia de los dos parámetros de medición temperatura y dilatación.
En algunos casos, es posible una separación de los dos parámetros de medición mediante mediciones comparativas en fibras ópticas instaladas de forma diferente, como por ejemplo tubos holgados con fibras sueltas o tubos estrechos con fibras fijas (véase para ello: Inaudi & Glisic, 2006, Reliability and field testing of distributed strain and temperature sensors, 6167, 61671 D-61671 D-8). Alternativamente, pueden usarse también mediciones de las frecuencias de Brillouin o bien en fibras con varios picos de Brillouin (véase para ello: Liu & Bao, 2012, Brillouin Spectrum in LEAF and Simultaneous Temperature and Strain Measurement. J. Lightwave Technol., 30(8), 1053-1059) o fibras oligomodales con pocos modos espaciales diferentes (véase para ello: Weng, Ip, Pan, & Wang, 2015, Single-end simultaneous temperature and strain sensing techniques based on Brillouin optical time domain reflectometry in fewmode fibers, Opt. Express, 23(7), 9024-9039) con diferentes dependencias de la frecuencia de la temperatura y dilatación para separar los parámetros de medición.
Sin embargo, ninguno de estos métodos puede usarse en general porque las fibras ópticas adecuadas no siempre están disponibles en la aplicación. Además, el tendido y medición de varias fibras ópticas o fibras especiales está asociado a un mayor esfuerzo.
Otro método para separar los dos parámetros de medición es la medición de la frecuencia y la amplitud de uno o más picos de Brillouin. Ejemplos de la medición de la frecuencia y la amplitud de uno o más picos de Brillouin se encuentran en Parker, Farhadiroushan, Handerek, & Rogers, 1997, Temperature and strain dependence of the power level and frequency of spontaneous Brillouin scattering in optical fibers, Opt. Lett., 22(11), 787-789 así como en Maughan, Kee, & Newson, 2001, Simultaneous distributed fibre temperature and strain sensor using microwave coherent detection of spontaneous Brillouin backscatter, Measurement Science and Technology, 12(7), 834.
Mediante la medición de la frecuencia y la amplitud de uno o más picos de Brillouin, se obtienen dos parámetros de medición independientes, a partir de los cuales se pueden determinar básicamente los dos parámetros físicos buscados, temperatura y dilatación. Sin embargo, la dependencia de la amplitud de la temperatura y dilatación es débil y se encuentra por ejemplo en aproximadamente 0,3%/°C. Por lo tanto, la amplitud debe medirse con mucha precisión para conseguir resoluciones y precisiones de temperatura relevantes en la práctica de aproximadamente 1 °C.
En particular, cuando se separan los dos parámetros de medición por medio de las frecuencias de varios picos de Brillouin, resulta problemático que los coeficientes de las frecuencias sean muy similares con respecto a la dependencia de la temperatura y dilatación para los distintos picos en una fibra. Por lo tanto, el ruido aumenta significativamente al calcular los parámetros de medición.
Además, para utilizar la dispersión de Brillouin para medir la temperatura y la dilatación en la DTS (distributed temperatura sensing) de Brillouin, la amplitud debe medirse linealmente en un amplio rango dinámico, como por ejemplo 20 dB o 30 dB. Por un lado, esto se debe a que la atenuación de las fibras ópticas y las pérdidas en los conectores, empalmes y otro tipo de conexiones de fibra reducen la amplitud de la señal a medida que aumenta la longitud de la fibra. Con una longitud de fibra típica de 100 km y una atenuación de 0,2 dB/km, la pérdida total en una dirección sin conexiones asciende ya a 20 dB. Por otro lado, efectos como el desvanecimiento de la polarización crean una variación adicional en el nivel de la señal, que también debe ser cubierta por el rango dinámico de un detector.
El problema en el que se basa la presente invención es la creación de un dispositivo del tipo mencionado anteriormente para la digitalización de una señal óptica y la indicación de un procedimiento del tipo mencionado anteriormente para la digitalización de una señal óptica, con los que puedan determinarse amplitudes de una señal óptica de manera muy precisa y/o en un amplio rango dinámico. Además, la presente invención se basa en el problema de crear un dispositivo del tipo mencionado anteriormente para la medición con resolución espacial de temperatura y dilatación por medio de la dispersión de Brillouin e indicar un procedimiento del tipo mencionado anteriormente para la medición con resolución espacial de temperatura y dilatación por medio de la dispersión de Brillouin, con los que puedan determinarse más fácilmente y/o con mayor precisión la temperatura y la dilatación.
Esto se consigue de acuerdo con la invención mediante un dispositivo del tipo mencionado anteriormente para la digitalización de una señal óptica con las características de la reivindicación 1, mediante un procedimiento del tipo mencionado anteriormente para la digitalización de una señal óptica con las características de la reivindicación 7 así como mediante un dispositivo del tipo mencionado anteriormente para la medición con resolución espacial de temperatura y dilatación por medio de la dispersión de Brillouin con las características representativas de la reivindicación 12 y mediante un procedimiento del tipo mencionado anteriormente para la medición con resolución espacial de temperatura y dilatación por medio de la dispersión de Brillouin con las características representativas de la reivindicación 13. Las reivindicaciones dependientes se refieren a configuraciones preferidas de la invención.
De acuerdo con la reivindicación 1, el dispositivo comprende
- un detector óptico, en particular un fotodetector, que está configurado para detectar una señal óptica y generar una señal eléctrica correspondiente a la señal óptica,
- un detector de envolvente que está configurado para determinar la amplitud de la señal eléctrica generada por el detector óptico o la amplitud de una señal eléctrica resultante de esta señal eléctrica y para emitir una señal eléctrica correspondiente a esta amplitud,
- un convertidor de analógico a digital, que está configurado para digitalizar la señal eléctrica emitida por el detector de envolvente y para emitir datos correspondientes,
- una fuente de tensión variable con una salida que está conectada o puede conectarse a una entrada del detector de envolvente, en donde el dispositivo está configurado para calibrar el detector de envolvente con la fuente de tensión variable.
Dado que la influencia de los efectos de temperatura y dilatación en la amplitud de las señales de Brillouin es bastante débil, se requieren mediciones de amplitud muy precisas para obtener suficiente precisión y resolución de temperatura con una DTS de Brillouin basada en amplitud y frecuencia. Los detectores de envolvente no calibrados no pueden ofrecer tal precisión.
En una medición lineal, un cambio dado en la señal óptica de Brillouin se convierte en un cambio dado en la tensión medida que es independiente de la intensidad absoluta de la señal. Para realizar una medición correcta de temperatura y dilatación en cualquier parte de la fibra, se requiere una medición lineal en un amplio rango dinámico. Los detectores de envolvente no calibrados tampoco pueden ofrecer tal linealidad.
Por ejemplo, BOTDR-DTS (Brillouin optical time domain reflectometry distributed temperature sensing) generalmente convierte la señal óptica de Brillouin en una señal eléctrica de alta frecuencia y luego filtra y amplifica esta señal. La amplitud de tal señal se puede determinar con ayuda de un detector de envolvente. Un detector de envolvente elimina la frecuencia portadora de la señal y permite muestrear y/o digitalizar la amplitud en la frecuencia de modulación de señal más baja. En principio, la señal de alta frecuencia se rectifica y luego se filtra para suavizarla. Existen diferentes realizaciones de detectores de envolvente, como rectificación de onda completa o de media onda, varios filtros o rectificadores activos de precisión con amplificadores operacionales. Todos estos diseños tienen severas limitaciones en términos de no linealidad y dependencia de la temperatura de las señales de salida.
La no linealidad en amplitudes de señal pequeñas proviene principalmente de la tensión umbral de los diodos rectificadores que se utilizan en los detectores. Este umbral evita la detección de señales débiles y hace que las propiedades del diodo no sean lineales con bajas tensiones. Esta limitación se supera parcialmente con los rectificadores activos, pero no se elimina por completo. Los rectificadores activos usan a este respecto circuitos amplificadores que pueden tener otros problemas, como deriva de temperatura, desplazamiento de señal o amplificación dependiente de la tensión.
Para señales altas, la no linealidad puede producirse mediante la disminución de amplificación con tensiones de salida que se aproximan al nivel de tensión de suministro. Además, una dependencia de la temperatura de la salida del amplificador puede producirse mediante de fluctuaciones de desplazamiento o amplificación en relación con componentes activos o pasivos dependientes de la temperatura, como transistores o resistencias. Otro problema es la variación en las propiedades de los componentes, que pueden conducir a perfiles de amplificación ligeramente diferentes para diferentes detectores o amplificadores dentro de un lote o de un lote a otro.
La dependencia de la temperatura de un detector de envolvente típico se muestra a modo de ejemplo en la figura 4. A este respecto, la abscisa muestra la intensidad de la señal de entrada en dB y la ordenada muestra la señal de salida en unidades arbitrarias. La línea continua corresponde a una temperatura del detector de envolvente de 5 °C, la línea punteada a una temperatura del detector de envolvente de 25 °C y la línea discontinua a una temperatura del detector de envolvente de 55 °C. En el caso de señales muy pequeñas, en particular, existe una fuerte no linealidad y una gran dependencia de la temperatura de la salida con respecto a la temperatura.
La fuente de tensión variable prevista de acuerdo con la invención permite calibrar el detector de envolvente de tal manera que es posible una medición comparativamente precisa en un amplio rango dinámico a pesar de una no linealidad típica fuerte y dependencia de la temperatura del detector de envolvente.
Existe la posibilidad de que la fuente de tensión esté configurada para generar una señal de tensión variable que presente la misma o similar frecuencia que la señal eléctrica que se genera a partir de la señal óptica. En particular, las señales de tensión generadas por la fuente de tensión variable pueden estar en un intervalo de frecuencia que es igual, menor o mayor que el intervalo de frecuencia de las señales eléctricas generadas a partir de la señal óptica. En particular, a este respecto, el intervalo de frecuencia de las señales de tensión generadas por la fuente de tensión variable puede cubrir el intervalo de frecuencia de las señales eléctricas generadas a partir de la señal óptica. Alternativamente, las señales de tensión generadas por la fuente de tensión variable también pueden presentar solo una frecuencia única o un intervalo de frecuencia estrecho que se encuentra en el intervalo de frecuencia de las señales eléctricas generadas a partir de la señal óptica.
Por ejemplo, el intervalo de frecuencia de las señales eléctricas generadas a partir de la señal óptica puede encontrarse entre 823,5 MHz y 935 MHz. En este caso, las señales de tensión generadas por la fuente de tensión variable pueden encontrarse en un intervalo de frecuencia que se extiende al menos desde 823,5 MHz hasta 935 MHz. Definitivamente existe a este respecto la posibilidad de que el intervalo de frecuencia de las señales de tensión generadas por la fuente de tensión variable sea mayor, es decir se extienda, por ejemplo, de 800 MHz a 960 MHz. Alternativamente, en este ejemplo también puede estar previsto que el intervalo de frecuencia de las señales de tensión generadas por la fuente de tensión variable sea más pequeño y se encuentre dentro del intervalo de frecuencia de las señales eléctricas generadas a partir de la señal óptica. Por ejemplo, las señales de tensión generadas por la fuente de tensión variable pueden presentar una frecuencia constante de 890 MHz /- 3 ppm.
Además de la DTS de Brillouin, el dispositivo de acuerdo con la invención para la digitalización de una señal óptica puede utilizarse para otras numerosas aplicaciones que requieren medidas precisas de la amplitud de señales ópticas o eléctricas de alta frecuencia.
Puede estar previsto que el dispositivo comprenda un filtro de paso de banda que está dispuesto entre el detector óptico y el detector de envolvente, en donde el filtro de paso de banda está configurado para separar por filtración un componente de CC y/o al menos un intervalo de frecuencia de la señal eléctrica generada por el detector óptico que no se requiere para la determinación de la amplitud por el detector de envolvente y/o resulta perturbador. Además, el dispositivo puede comprender un amplificador que está dispuesto entre el detector óptico y el detector de envolvente o entre el detector óptico y el filtro de paso de banda, en donde el amplificador está configurado para amplificar la señal eléctrica generada por el detector óptico, en donde el amplificador es en particular un amplificador de transimpedancia.
Existe la posibilidad de que el dispositivo comprenda un conmutador que está dispuesto por un lado entre el detector óptico o el amplificador o el paso de banda filtro y el detector de envolvente así como por otro lado entre la fuente de tensión variable y el detector de envolvente, en donde el conmutador está configurado para o bien proporcionar la señal eléctrica generada directa o indirectamente por el detector óptico a la entrada del detector de envolvente o para conectar la salida de la fuente de tensión variable con la entrada del detector de envolvente.
Puede estar previsto que el dispositivo comprenda un amplificador que está dispuesto entre el detector de envolvente y el convertidor de analógico a digital, en donde el amplificador está configurado para amplificar la señal eléctrica generada por el detector de envolvente.
Existe la posibilidad de que el dispositivo comprenda un dispositivo de procesamiento digital que está configurado para almacenar datos de calibración generados durante la calibración del detector de envolvente y para normalizar los datos emitidos por el convertidor de analógico a digital usando estos datos de calibración.
De acuerdo con la reivindicación 7, el procedimiento comprende las siguientes etapas de procedimiento:
- se detecta una señal óptica y se genera una señal eléctrica correspondiente a la señal óptica,
- por un detector de envolvente se determina la amplitud de la señal eléctrica generada o la amplitud de una señal eléctrica resultante de esta señal eléctrica y se emite una señal eléctrica correspondiente a esta amplitud,
- se digitaliza la señal eléctrica emitida por el detector de envolvente y se emiten datos correspondientes a la digitalización,
- con una fuente de tensión variable se calibra el detector de envolvente.
A este respecto puede estar previsto que por la fuente de tensión variable se generen durante la calibración del detector de envolvente varias tensiones diferentes una de otra, que se proporcionan a una entrada del detector de envolvente. A este respecto, la fuente de tensión puede usarse preferentemente para la calibración del detector de envolvente y cualquier amplificador aguas abajo de la posición del conmutador en todo el intervalo de tensión a medir. La fuente de tensión debía, si fuera posible, suministrar a este respecto una señal de tensión variable con la misma o similar frecuencia que la tensión fotoeléctrica a detectar. Además, la salida de la fuente de tensión debe ser ajustable en todo el intervalo de tensiones fotoeléctricas que han de esperarse.
Existe la posibilidad de que la fuente de tensión genere una señal de tensión variable que presente la misma o similar frecuencia que la señal eléctrica que se genera a partir de la señal óptica. En particular, las señales de tensión generadas por la fuente de tensión variable pueden estar en un intervalo de frecuencia que es igual, menor o mayor que el intervalo de frecuencia de las señales eléctricas generadas a partir de la señal óptica. En particular, a este respecto, el intervalo de frecuencia de las señales de tensión generadas por la fuente de tensión variable puede cubrir el intervalo de frecuencia de las señales eléctricas generadas a partir de la señal óptica. Alternativamente, las señales de tensión generadas por la fuente de tensión variable también pueden presentar solo una frecuencia única o un intervalo de frecuencia estrecho que se encuentra en el intervalo de frecuencia de las señales eléctricas generadas a partir de la señal óptica.
Por ejemplo, el intervalo de frecuencia de las señales eléctricas generadas a partir de la señal óptica puede encontrarse entre 823,5 MHz y 935 MHz. En este caso, las señales de tensión generadas por la fuente de tensión variable pueden encontrarse en un intervalo de frecuencia que se extiende al menos desde 823,5 MHz hasta 935 MHz. Definitivamente existe a este respecto la posibilidad de que el intervalo de frecuencia de las señales de tensión generadas por la fuente de tensión variable sea mayor, es decir se extienda, por ejemplo, de 800 MHz a 960 MHz. Alternativamente, en este ejemplo también puede estar previsto que el intervalo de frecuencia de las señales de tensión generadas por la fuente de tensión variable sea más pequeño y se encuentre dentro del intervalo de frecuencia de las señales eléctricas generadas a partir de la señal óptica. Por ejemplo, las señales de tensión generadas por la fuente de tensión variable pueden presentar una frecuencia constante de 890 MHz /- 3 ppm.
Además, puede estar previsto que la calibración del detector de envolvente se realice a varias temperaturas diferentes una de otra del detector de envolvente. La calibración puede realizarse a cualquier temperatura dentro del intervalo que ha de esperarse de temperaturas de funcionamiento del receptor. Tal esquema puede cancelar casi por completo cualquier efecto de temperatura y no linealidad sobre los componentes del receptor tras la posición del conmutador.
Con el fin de aumentar aún más la precisión de la medición, ciertamente se puede prever que la fuente de tensión variable también se calibre antes de su uso.
Existe la posibilidad de que durante la calibración del detector de envolvente se generen datos de calibración que se almacenan y se utilizan para normalizar los datos de salida.
En particular puede estar previsto que la calibración se realice durante la fabricación o el mantenimiento del dispositivo o por que la calibración se realice entre distintas digitalizaciones sucesivas de señales ópticas. La fuente de tensión puede estar conectada de forma permanente o temporal al receptor. Se puede usar una fuente de tensión conectada temporalmente para la calibración durante la fabricación o el mantenimiento del dispositivo. Entonces, los datos de calibración completos se almacenan en el dispositivo de procesamiento digital del dispositivo y se utilizan para calibrar o corregir numéricamente las señales. Se puede utilizar una fuente de tensión integrada de manera fija para el registro de datos de calibración en cualquier momento adecuado entre las mediciones de luz. Una calibración de este tipo con una fuente integrada puede ser más precisa porque se relaciona con el estado actual de los sistemas.
De acuerdo con la reivindicación 12, está previsto que el dispositivo para la digitalización de una señal óptica sea un dispositivo de acuerdo con la invención para la digitalización de una señal óptica.
De acuerdo con la reivindicación 13, está previsto que el dispositivo para la digitalización de una señal óptica sea un dispositivo de acuerdo con la invención para la digitalización de una señal óptica.
Puede estar previsto que se determinen tanto la frecuencia como la amplitud de las señales de Brillouin. A este respecto pueden medirse sucesivamente las amplitudes de las señales de Brillouin con diferentes frecuencias y a continuación puede determinarse una frecuencia máxima a partir de un ajuste máximo de las amplitudes con respecto a la frecuencia.
Otras características y ventajas de la presente invención quedan claras a partir de la siguiente descripción de ejemplos de realización preferentes con referencia a los dibujos que acompañan. Aquí muestran:
la figura 1 una representación esquemática de un dispositivo de acuerdo con la invención para la digitalización de una señal óptica;
la figura 2 una representación esquemática de una primera forma de realización de un dispositivo de acuerdo con la invención para la medición con resolución espacial de temperatura y dilatación por medio de la dispersión de Brillouin;
la figura 3 una representación esquemática de una segunda forma de realización de un dispositivo de acuerdo con la invención para la medición con resolución espacial de temperatura y dilatación por medio de la dispersión de Brillouin;
la figura 4 un diagrama que muestra la dependencia de la temperatura de un detector de envolvente, en donde la abscisa muestra la intensidad de la señal de entrada en dB y la ordenada muestra la señal de salida en unidades arbitrarias.
En las figuras, las partes iguales o funcionalmente iguales están dotadas de los mismos números de referencia. Las líneas de conexión discontinuas representan señales ópticas, que se transportan preferentemente en fibras ópticas. Las líneas de conexión sólidas representan líneas de señales eléctricas.
La forma de realización de un dispositivo 10 para la digitalización de una señal óptica, representada en la figura 1, comprende un detector óptico 1 que, por ejemplo, recibe una señal óptica de alta frecuencia, modulada en amplitud y genera una corriente fotoeléctrica.
El dispositivo 10 comprende además uno o más amplificadores 2, que están configurados como amplificador de transimpedancia. El amplificador 2 es opcional y también se puede omitir. El al menos un amplificador 2 amplifica la señal eléctrica generada por el detector óptico 1 y a este respecto convierte la corriente en una tensión.
Existe absolutamente la posibilidad de que el amplificador, configurado como amplificador de transimpedancia, esté integrado en el detector óptico 1. En este caso, la corriente fotoeléctrica en el detector óptico 1 se convierte en una señal de tensión que está en contacto con la salida del detector óptico 1.
El dispositivo comprende además un filtro de paso de banda 3, que separa por filtración un componente de CC e intervalos de frecuencia que no se requieren o interfieren con el procesamiento posterior de la señal amplificada.
El dispositivo 10 comprende además un detector de envolvente 4 cuya entrada está conectada con la salida del filtro de paso de banda 3 a través de un conmutador 5. El conmutador 5 es opcional y también se puede omitir.
El detector de envolvente 4 determina la amplitud de la señal eléctrica filtrada por el filtro de paso de banda 3 y emite una señal eléctrica correspondiente a esta amplitud. A este respecto, el detector de envolvente 4 elimina la frecuencia portadora de la señal y permite muestrear y/o digitalizar la amplitud en la frecuencia de modulación de señal más baja. En principio, la señal de alta frecuencia se rectifica y luego se filtra para suavizarla.
El dispositivo 10 comprende además un amplificador 6, que amplifica la señal eléctrica emitida por el detector de envolvente 4 a un nivel adecuado para una posterior digitalización. El amplificador 6 es opcional y también se puede omitir. El dispositivo 10 comprende además un convertidor de analógico a digital 7 que digitaliza la señal emitida por el amplificador 6.
El dispositivo 10 comprende además un dispositivo de procesamiento 8 digital que, como se explicará a continuación, almacena datos de calibración y, utilizando estos datos de calibración, puede normalizar o linealizar los datos emitidos por el convertidor de analógico a digital 7 por un amplio rango dinámico.
El dispositivo 10 comprende además una fuente de tensión 9 variable. El conmutador 5 opcional cambia la entrada del detector de envolvente 4 entre la tensión fotoeléctrica amplificada que está en contacto con la salida del filtro de paso de banda 3 y la salida de la fuente de tensión 9 variable.
La fuente de tensión 9 puede suministrar en particular una señal de tensión variable con la misma o similar frecuencia que la tensión fotoeléctrica a detectar.
Existe la posibilidad de que la fuente de tensión genere una señal de tensión variable que presente la misma o similar frecuencia que la señal eléctrica que se genera a partir de la señal óptica. En particular, las señales de tensión generadas por la fuente de tensión variable pueden estar en un intervalo de frecuencia que es igual, menor o mayor que el intervalo de frecuencia de las señales eléctricas generadas a partir de la señal óptica. En particular, a este respecto, el intervalo de frecuencia de las señales de tensión generadas por la fuente de tensión variable puede cubrir el intervalo de frecuencia de las señales eléctricas generadas a partir de la señal óptica. Alternativamente, las señales de tensión generadas por la fuente de tensión variable también pueden presentar solo una frecuencia única o un intervalo de frecuencia estrecho que se encuentra en el intervalo de frecuencia de las señales eléctricas generadas a partir de la señal óptica.
Por ejemplo, el intervalo de frecuencia de las señales eléctricas generadas a partir de la señal óptica puede encontrarse entre 823,5 MHz y 935 MHz. En este caso, las señales de tensión generadas por la fuente de tensión variable pueden encontrarse en un intervalo de frecuencia que se extiende al menos desde 823,5 MHz hasta 935 MHz. Definitivamente existe a este respecto la posibilidad de que el intervalo de frecuencia de las señales de tensión generadas por la fuente de tensión variable sea mayor, es decir se extienda, por ejemplo, de 800 MHz a 960 MHz. Alternativamente, en este ejemplo también puede estar previsto que el intervalo de frecuencia de las señales de tensión generadas por la fuente de tensión variable sea más pequeño y se encuentre dentro del intervalo de frecuencia de las señales eléctricas generadas a partir de la señal óptica. Por ejemplo, las señales de tensión generadas por la fuente de tensión variable pueden presentar una frecuencia constante de 890 MHz /- 3 ppm.
Las amplitudes de las señales de tensión generadas por la fuente de tensión variable sólo se modifican en una cantidad insignificantemente pequeña con la temperatura de funcionamiento y el tiempo, en donde en particular pueden almacenarse en el aparato los valores exactos de esta modificación.
La salida de la fuente de tensión 9 debía poder ajustarse en todo el intervalo de tensiones fotoeléctricas que han de esperarse.
Alternativamente, la conmutación de señal también se puede lograr encendiendo y apagando la fuente de tensión 9 variable o el detector óptico 1 que sirve como fuente de señal o el amplificador 2.
La fuente de tensión 9 puede usarse preferentemente para la calibración del detector de envolvente 4 y cualquier amplificador 6 tras la posición del conmutador en todo el intervalo de tensión a medir. La calibración puede o debe realizarse a una pluralidad de temperaturas adecuadamente distribuidas por el intervalo de temperatura de funcionamiento del detector envolvente 4. Idealmente, mediante una estructura de este tipo pueden eliminarse casi por completo cualquier efecto de temperatura y no linealidad sobre los componentes del receptor tras la posición del conmutador.
La fuente de tensión 9 se puede conectar al detector de envolvente 4 o al conmutador 5 de forma permanente o temporal. Una fuente de tensión 9 conectada temporalmente puede usarse para la calibración durante la fabricación o el mantenimiento del detector de envolvente 4 y dado el caso del amplificador 6. Entonces, los datos de calibración completos se almacenan en el dispositivo de procesamiento 8 digital y se utilizan para calibrar o corregir numéricamente las señales generadas por el convertidor de analógico a digital 7.
Se puede utilizar una fuente de tensión 9 integrada de manera fija para el registro de datos de calibración en cualquier momento adecuado entre las mediciones de luz. Una calibración de este tipo con una fuente de tensión 9 integrada puede ser más precisa porque se relaciona con el estado actual de los sistemas.
A partir de la figura 2 es evidente una primera forma de realización de un dispositivo 20 para la medición con resolución espacial de temperatura y dilatación por medio de la dispersión de Brillouin. En el dispositivo 20 mostrado en la figura 2, se utiliza la superposición óptica con la radiación láser utilizada para excitar la dispersión de Brillouin.
El dispositivo 20 mostrado en la figura 2 comprende una fuente de luz láser 11 que emite radiación láser de banda estrecha, por ejemplo con un ancho de línea de 1 MHz. Además, la radiación láser de la fuente de luz láser 1 presenta una potencia constante de, por ejemplo, algunos 10 mW. Como fuente de luz láser 11 se utilizan preferentemente láseres de diodo de frecuencia estabilizada, como por ejemplo un láser DFB u otros láseres de banda estrecha, cuyas longitudes de onda de emisión están dispuestas en la región del infrarrojo cercano, por ejemplo a 1550 nm.
El dispositivo 20 mostrado en la figura 2 comprende además un divisor de haz 12 configurado como divisor de fibra óptica, que puede dividir la radiación láser de la fuente de luz láser 11 en dos componentes 13a, 13b. La primera componente 13a se acopla a la fibra óptica 14 utilizada para la medición, en la que deben determinarse la temperatura y dilatación con resolución espacial a través de la excitación de la dispersión de Brillouin. La segunda componente 13b se utiliza para superponer una señal de Brillouin que se desacopla de la fibra óptica 14 y se genera mediante dispersión de Brillouin, como se describirá con más detalle a continuación.
El dispositivo comprende además un modulador 15 óptico, que puede modular la primera componente 13a de la radiación láser de acuerdo con el procedimiento utilizado para la asignación espacial de las señales dispersas. Por ejemplo, los pulsos se forman a partir de la primera componente 13a cuando se usa un procedimiento OTDR (optical time domain reflectometry) y señales moduladas en amplitud cuando se usa un procedimiento OFDR (optical frequency domain reflectometry). Un amplificador óptico, no mostrado, puede amplificar la primera componente 13a de la radiación láser utilizada para la medición antes de que sea conducida a la fibra óptica 14 utilizada para la medición a través de un circulador 16 óptico, en particular de fibra óptica, también incluido en el dispositivo.
En la fibra óptica 14 utilizada para la medición se generan señales dispersas de Brillouin, que vuelven al circulador óptico 16 con un retardo de propagación de aproximadamente 10 ps/km, que corresponde a la distancia, y son conducidas por este último al camino de recepción 17 del dispositivo. Se puede usar un filtro óptico opcional, no mostrado, como por ejemplo una rejilla de Bragg de fibra (FBG) para suprimir la luz parásita de Rayleigh y evitar interferir con la medición de la señal de Brillouin más débil. Además, en el camino de recepción 17 puede realizarse una amplificación óptica mediante un amplificador 18 óptico opcional.
La señal de Brillouin y la segunda componente 13b de la radiación láser se acoplan por un acoplador 19 óptico, en particular de fibra óptica. El dispositivo 20 comprende un dispositivo 10 de acuerdo con la figura 1 como dispositivo para la digitalización de una señal óptica. A este respecto, por el detector óptico 1 se detecta la señal de Brillouin superpuesta a la segunda componente 13b de la radiación láser.
En particular, se produce a este respecto una señal de pulso con la diferencia de frecuencia entre la señal de Brillouin y la componente de radiación láser en el intervalo de alrededor de 10 GHz. Con respecto a su frecuencia y su amplitud, esta señal de pulsación depende del material de la fibra óptica 14 utilizada para la medición, de la temperatura y de la dilatación.
La amplitud de la señal de pulso es proporcional a la raíz cuadrada del producto de las potencias de señal de Brillouin y componente de radiación láser. Por lo tanto, mediante el uso de altas potencias de láser se produce una señal de medición significativamente más fuerte que en el caso de la medición directa de la luz dispersada de Brillouin, de manera que se mejora considerablemente la fuerza de detección del dispositivo.
A diferencia del dispositivo 20 de acuerdo con la figura 2, el dispositivo 30 de acuerdo con la figura 3 presenta, adicionalmente a la primera fuente de luz láser 11, una segunda fuente de luz láser 21 de banda estrecha, cuya radiación láser se utiliza para la superposición con la señal de Brillouin. A este respecto se ajusta la frecuencia de esta segunda fuente de luz láser 21 de modo que se desplace en relación con la frecuencia de la primera fuente de luz láser 11 de modo que la diferencia de frecuencia entre la luz dispersada de Brillouin y la segunda fuente de luz láser 21 se encuentre por debajo de 1 GHz. Las frecuencias de Brillouin típicas se encuentran en de 10 a 13 GHz, en particular en aproximadamente 10,8 GHz en caso de una fibra monomodo estándar.
Cabe señalar en este punto que la dependencia de la temperatura del pico de Brillouin también es específica de la fibra y se encuentra por ejemplo en aproximadamente 1,1 MHz/Kelvin para una fibra monomodo estándar.
Por ejemplo, cuando se usan guías de luz de vidrio de cuarzo, se requiere un desplazamiento de frecuencia de las dos fuentes de luz láser 11,21 una con respecto a otra de aproximadamente más de 10 GHz para lograr una diferencia de frecuencia entre la luz dispersada de Brillouin y la segunda fuente de luz láser 21 por debajo de 1 GHz.
Debido a que la diferencia de frecuencia se encuentra por debajo de 1 GHz, se puede usar un detector óptico 1 con una frecuencia límite por debajo de 1 GHz, que presenta un límite de detección más bajo. Además, la amplificación y la filtración de las señales en este intervalo de frecuencias es más sencilla y eficiente.
Para estabilizar la segunda fuente de luz láser 21 a la distancia de frecuencia deseada con respecto a la primera fuente de luz láser 11, se utiliza un bucle de sincronización de fases con una señal de entrada óptica, que se denomina a continuación O-PLL (optical phase locked loop) 22, representado únicamente de manera esquemática. Una parte de la radiación láser de ambas fuentes de luz láser 11, 21 se separa a través de divisores de haz 12, 23 configurados como divisores de fibra óptica, se junta con la polarización correcta con un acoplador de fibra óptica y se superpone a un detector óptico. La señal medida contiene una componente de la diferencia de frecuencia entre las dos fuentes de luz láser 11, 21, que debería encontrarse en el intervalo de 10 GHz. La frecuencia de la señal se compara en el O-PLL 22 con la frecuencia de un oscilador local electrónico que se ajustó con respecto a la frecuencia de diferencia deseada. La frecuencia de una de las dos fuentes de luz láser 11, 21 se ajusta mediante la señal de comparación de tal manera que la diferencia de frecuencia de las fuentes de luz láser 11, 21 coincida con la del oscilador local. Si se utilizan láseres de diodo, se realiza el ajuste de la frecuencia del láser preferentemente a través de la corriente de funcionamiento.
La señal de Brillouin se superpone con una componente de la radiación láser que emana de la segunda fuente de luz láser 21 en el acoplador 19. El dispositivo 30 comprende igualmente un dispositivo 10 de acuerdo con la figura 1 como dispositivo para la digitalización de una señal óptica. A este respecto, por el detector óptico 1 se detecta la señal de Brillouin superpuesta con la componente de la radiación láser que emana de la segunda fuente de luz láser 21. A este respecto puede determinarse tanto la frecuencia como la amplitud de las señales de Brillouin.
El dispositivo 10 mide a este respecto la amplitud con una frecuencia determinada, separada por el filtro de paso de banda 3, que se ha proporcionado por la diferencia de frecuencia entre la frecuencia de la señal de Brillouin y la distancia de frecuencias de las dos fuentes de luz láser 11, 21. La medición de frecuencia consiste en medir sucesivamente las amplitudes a diferentes frecuencias y entonces determinar la frecuencia máxima a partir de un ajuste máximo de amplitudes sobre la frecuencia.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo (10) para la digitalización de una señal óptica, que comprende
- un detector óptico (1) que está configurado para detectar una señal óptica y generar una señal eléctrica correspondiente a la señal óptica,
- un detector de envolvente (4) que está configurado para determinar la amplitud de la señal eléctrica generada por el detector óptico (1) o la amplitud de una señal eléctrica resultante de esta señal eléctrica y para emitir una señal eléctrica correspondiente a esta amplitud,
- un convertidor de analógico a digital (7), que está configurado para digitalizar la señal eléctrica emitida por el detector de envolvente (4) y para emitir datos correspondientes,
- una fuente de tensión (9) variable con una salida que está conectada o puede conectarse a una entrada del detector de envolvente (4), en donde el dispositivo está configurado para calibrar el detector de envolvente (4) con la fuente de tensión (9) variable.
2. Dispositivo (10) según la reivindicación 1, caracterizado por que el dispositivo (10) comprende un filtro de paso de banda (3) que está dispuesto entre el detector óptico (1) y el detector de envolvente (4), en donde el filtro de paso de banda (3) está configurado para separar por filtración un componente de CC y/o al menos un intervalo de frecuencia de la señal eléctrica generada por el detector óptico (1) que no se requiere para la determinación de la amplitud por el detector de envolvente (4) y/o resulta perturbador.
3. Dispositivo (10) según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que el dispositivo (10) comprende un amplificador (2) que está dispuesto entre el detector óptico (1) y el detector de envolvente (4) o entre el detector óptico (1) y el filtro de paso de banda (3), en donde el amplificador (2) está configurado para amplificar la señal eléctrica generada por el detector óptico (1), en donde el amplificador (2) es en particular un amplificador de transimpedancia.
4. Dispositivo (10) según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el dispositivo (10) comprende un conmutador (5) que está dispuesto por un lado entre el detector óptico (1) o el amplificador (2) o el paso de banda filtro (3) y el detector de envolvente (4) así como por otro lado entre la fuente de tensión (9) variable y el detector de envolvente (4), en donde el conmutador (9) está configurado para o bien proporcionar la señal eléctrica generada directa o indirectamente por el detector óptico (1) a la entrada del detector de envolvente (4) o para conectar la salida de la fuente de tensión (1) variable con la entrada del detector de envolvente (4).
5. Dispositivo (10) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que el dispositivo (10) comprende un amplificador (6) que está dispuesto entre el detector de envolvente (4) y el convertidor de analógico a digital (7), en donde el amplificador (6) está configurado para amplificar la señal eléctrica generada por el detector de envolvente (4) .
6. Dispositivo (10) según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que el dispositivo (10) comprende un dispositivo de procesamiento (8) digital que está configurado para almacenar datos de calibración generados durante la calibración del detector de envolvente (4) y para normalizar los datos emitidos por el convertidor de analógico a digital (7) usando estos datos de calibración.
7. Procedimiento para la digitalización de una señal óptica, que comprende las siguientes etapas de procedimiento:
- se detecta una señal óptica y se genera una señal eléctrica correspondiente a la señal óptica,
- por un detector de envolvente (4) se determina la amplitud de la señal eléctrica generada o la amplitud de una señal eléctrica resultante de esta señal eléctrica y se emite una señal eléctrica correspondiente a esta amplitud, - se digitaliza la señal eléctrica emitida por el detector de envolvente (4) y se emiten datos correspondientes a la digitalización,
- con una fuente de tensión (9) variable se calibra el detector de envolvente (4).
8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado por que por la fuente de tensión (9) variable se generan durante la calibración del detector de envolvente (4) varias tensiones diferentes entre sí, que se proporcionan a una entrada del detector de envolvente (4).
9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 7 u 8, caracterizado por que la calibración del detector de envolvente (4) se realiza a varias temperaturas diferentes una de otra del detector de envolvente (4).
10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado por que durante la calibración del detector de envolvente (4) se generan datos de calibración que se almacenan y se utilizan para normalizar los datos de salida.
11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 7 a 10, caracterizado por que la calibración se realiza durante la fabricación o el mantenimiento del dispositivo (10) o por que la calibración se realiza entre distintas digitalizaciones sucesivas de señales ópticas.
12. Dispositivo (20, 30) para la medición con resolución espacial de temperatura y dilatación por medio de dispersión de Brillouin, que comprende
- al menos una fuente de luz láser (11, 21) que está configurada para generar radiación láser,
- una fibra óptica (14), en donde el dispositivo (20, 30) está configurado de tal manera que la radiación láser generada por la al menos una fuente de luz láser (11) se acopla a la fibra óptica (14) y que por la radiación láser se desacoplan las señales de Brillouin generadas debido a la dispersión de Brillouin de la fibra óptica (14), - un dispositivo (10) para la digitalización de una señal óptica, que está configurado para digitalizar las señales de Brillouin desacopladas de la fibra óptica,
caracterizado por que el dispositivo (10) para la digitalización de una señal óptica es un dispositivo (10) según una de las reivindicaciones 1 a 6.
13. Procedimiento para la medición con resolución espacial de temperatura y dilatación por medio de la dispersión de Brillouin, que comprende las siguientes etapas de procedimiento:
- se genera una radiación láser,
- para la medición de temperatura y dilatación se acopla la radiación láser a una fibra óptica (14),
- las señales de Brillouin generadas por la radiación láser en la fibra óptica (14) se desacoplan de la fibra óptica, - las señales de Brillouin desacopladas de la fibra óptica (14) se digitalizan con un dispositivo (10) para la digitalización de una señal óptica,
caracterizado por que el dispositivo (10) para la digitalización de una señal óptica es un dispositivo (10) según una de las reivindicaciones 1 a 6.
14. Procedimiento según la reivindicación 13, caracterizado por que se determinan tanto la frecuencia como la amplitud de las señales de Brillouin.
15. Procedimiento según la reivindicación 14, caracterizado por que se miden sucesivamente las amplitudes de las señales de Brillouin con diferentes frecuencias y a continuación se determina una frecuencia máxima a partir de un ajuste máximo de las amplitudes con respecto a la frecuencia.
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