ITBO20130144A1 - HIGH SPEED INTERVIEWER FOR DISTRIBUTED FIBER-OPTIC SENSORS FOR STIMULATED BRILLOUIN EFFECT USING A BRILLOUIN RING SOURCE WITH CONTROLLABLE BAND WIDTH AND AN ANALYSIS SYSTEM FOR CHROMATIC RECIRCULATION DISPERSION - Google Patents
HIGH SPEED INTERVIEWER FOR DISTRIBUTED FIBER-OPTIC SENSORS FOR STIMULATED BRILLOUIN EFFECT USING A BRILLOUIN RING SOURCE WITH CONTROLLABLE BAND WIDTH AND AN ANALYSIS SYSTEM FOR CHROMATIC RECIRCULATION DISPERSION Download PDFInfo
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Description
“INTERROGATORE AD ALTA VELOCITA’ PER SENSORI DISTRIBUITI A FIBRA OTTICA PER EFFETTO BRILLOUIN STIMOLATO IMPIEGANTE UNA SORGENTE BRILLOUIN AD ANELLO A LARGHEZZA DI BANDA CONTROLLABILE ED UN SISTEMA DI ANALISI PER DISPERSIONE CROMATICA A RICIRCOLO” "HIGH SPEED INTERROGATOR FOR FIBER OPTIC DISTRIBUTED SENSORS FOR STIMULATED BRILLOUIN EFFECT USING A RING BRILLOUIN SOURCE WITH CONTROLLABLE BANDWIDTH AND A RECIRCULATING CHROMATIC DISPERSION ANALYSIS SYSTEM"
brevetto per invenzione industriale patent for industrial invention
L’ “effetto Brillouin” consiste in una dispersione non lineare dove fotoni di luce incidenti interagiscono con vibrazioni meccaniche del mezzo in cui essi stessi si propagano per risultarne dispersi ad una lunghezza d’onda spostata rispetto a quello originale, in cui lo spostamento di lunghezza d’onda risulta legato alle caratteristiche elettro-ottiche del mezzo stesso ed alle grandezze fisiche, tra cui deformazione meccanica e temperatura, in grado di influenzare tali caratteristiche. The "Brillouin effect" consists of a non-linear dispersion where incident photons of light interact with mechanical vibrations of the medium in which they propagate to be dispersed at a wavelength shifted from the original one, in which the length shift waveform is linked to the electro-optical characteristics of the medium itself and to the physical quantities, including mechanical deformation and temperature, capable of influencing these characteristics.
A causa della limitata entità dello spostamento di lunghezza d’onda Brillouin nelle fibre ottiche convenzionali, la misura di tale grandezza richiede tecniche sofisticate e di costosa implementazione. Due to the limited extent of the Brillouin wavelength shift in conventional optical fibers, the measurement of this magnitude requires sophisticated and costly implementation techniques.
Sono noti molteplici dispositivi che sfruttano la dispersione Brillouin in una fibra ottica al fine di ricostruire la distribuzione lungo la sua lunghezza della temperatura e/o della deformazione assiale cui la fibra stessa è soggetta. Many devices are known which exploit the Brillouin dispersion in an optical fiber in order to reconstruct the distribution along its length of the temperature and / or of the axial deformation to which the fiber itself is subject.
Sono conosciute molteplici soluzioni anche note come “riflettometri Brillouin nel dominio del tempo” (BOTDR, Brillouin Optical Time Domain Reflectometers) che sfruttano la dispersione Brillouin spontanea (sbs, Spontaneous Brillouin Scattering), attraverso l’iniezione di impulsi di pompaggio ottico” ad una estremità della fibra sensore e l’analisi della luce Brillouin spontaneamente dispersa. Many solutions are known also known as "Brillouin Optical Time Domain Reflectometers" (BOTDR) that exploit the spontaneous Brillouin dispersion (sbs, Spontaneous Brillouin Scattering), through the injection of optical pumping pulses "to a ends of the sensor fiber and the analysis of spontaneously dispersed Brillouin light.
I documenti JP2001356070 (anche pubblicato come GB2368638B), GB2243210A, WO9827406A1, WO2007043432A1 ed EP0887624A2 descrivono dispositivi che combinano il principio della riflettometria nel dominio del tempo con tecniche atte a determinare lo spostamento di lunghezza d’onda dei fotoni retro-dispersi in una fibra ottica sensore a causa di effetti spontanei di dispersione Brillouin. Documents JP2001356070 (also published as GB2368638B), GB2243210A, WO9827406A1, WO2007043432A1 and EP0887624A2 describe devices that combine the principle of time domain reflectometry with techniques for determining the wavelength shift of retro-scattered photons in an optical fiber. sensor due to spontaneous effects of Brillouin dispersion.
Nel documento WO9827406A1 si effettua l’analisi dello spettro dei fotoni Brillouin mediante un filtro ottico sintonizzabile con larghezza di banda sufficientemente piccola, componente che nella pratica risulta molto delicato, ingombrante e molto costoso. In document WO9827406A1, the spectrum analysis of Brillouin photons is carried out by means of a tunable optical filter with a sufficiently small bandwidth, a component which in practice is very delicate, bulky and very expensive.
Nei documenti JP2001356070, GB2243210A, EP0887624A2 si suggerisce un principio di eterodina dove in un rivelatore elettro-ottico bilanciato o in un mescolatore foto-conduttivo si ottiene un battimento tra la radiazione Brillouin retrodispersa e parte della radiazione di “pompaggio ottico” inizialmente immessa nella fibra, in modo da ricavarne un segnale elettrico contenente l’informazione relativa allo spettro della radiazione Brillouin. L’implementazione nella pratica di tali soluzioni richiede rivelatori elettro-ottici bilanciati e a larghissima banda che risultano molto costosi. In documents JP2001356070, GB2243210A, EP0887624A2 a heterodyne principle is suggested where in a balanced electro-optical detector or in a photo-conductive mixer, a beat is obtained between the back-dispersed Brillouin radiation and part of the "optical pumping" radiation initially introduced into the fiber , in order to obtain an electrical signal containing the information relating to the spectrum of the Brillouin radiation. The implementation of these solutions in practice requires balanced and very wide band electro-optical detectors which are very expensive.
Il documento EP0887624A2 in particolare impiega un “dispositivo di conversione della frequenza della luce” per modificare la lunghezza d’onda della radiazione di “pompaggio ottico” inizialmente immessa nella fibra. Con tale accorgimento, modificando la lunghezza d’onda di “pompaggio ottico” di una quantità vicina a quella della dispersione Brillouin spontanea nella fibra sensore, è possibile ridurre la larghezza di banda necessaria per il rivelatore elettro-ottico bilanciato, condizione che permette anche di ridurne il costo anche se in maniera lieve. Document EP0887624A2 in particular uses a "light frequency conversion device" to change the wavelength of the "optical pumping" radiation initially fed into the fiber. With this expedient, by modifying the wavelength of "optical pumping" by an amount close to that of the spontaneous Brillouin dispersion in the sensor fiber, it is possible to reduce the bandwidth necessary for the balanced electro-optical detector, a condition that also allows to reduce the cost even if in a slight way.
Sono anche noti i documenti JP2011232138A, JP2007240351A e JP2012063146A che descrivono riflettometri Brillouin in cui sono impiegate tecniche di dispersione dello spettro della radiazione di “pompaggio ottico” modulandone la forma degli impulsi. Also known are the documents JP2011232138A, JP2007240351A and JP2012063146A which describe Brillouin reflectometers in which techniques of dispersion of the "optical pumping" radiation spectrum are employed by modulating the shape of the pulses.
E’ noto anche i documenti WO2006001071A1 ed EP1760424A1 nel quale è descritta una tecnica di riflettometria Brillouin con “pre-pompaggio” in cui la fibra sensore, prima dell’iniezione dell’impulso di “pompaggio ottico” è pre-stimolata attraverso l’iniezione di una radiazione a bassa intensità generata a partire da una sorgente diversa sa quella della radiazione di “pompaggio ottico” e caratterizzata da uno spostamento di lunghezza d’onda controllato in modo da porsi attorno a quello atteso per la dispersione Brillouin spontanea attesa. Documents WO2006001071A1 and EP1760424A1 are also known in which a Brillouin reflectometry technique with "pre-pumping" is described in which the sensor fiber, before the injection of the "optical pumping" pulse is pre-stimulated through the injection of a low intensity radiation generated starting from a different source than that of the "optical pumping" radiation and characterized by a controlled wavelength shift so as to be around that expected for the expected spontaneous Brillouin dispersion.
Sono noti i documenti JP2009080048, JP2009198389 e JP2010217029 in cui sono descritti riflettometri dove la luce retro-dispersa per effetto Brillouin spontaneo nella fibra sensore è analizzata con un sistema eterodina mescolandola con quella retro-dispersa per effetto Brillouin spontaneo in una fibra di riferimento a temperatura nota o controllata. L’implementazione di simili sistemi richiede però costosissimi rivelatori elettro-ottici bilanciati di enorme sensibilità data la scarsa efficienza dell’effetto Brillouin spontaneo. The documents JP2009080048, JP2009198389 and JP2010217029 are known in which reflectometers are described where the back-dispersed light due to the spontaneous Brillouin effect in the sensor fiber is analyzed with a heterodyne system, mixing it with the retro-dispersed light due to the spontaneous Brillouin effect in a reference fiber at temperature. known or controlled. However, the implementation of such systems requires very expensive balanced electro-optical detectors of enormous sensitivity given the low efficiency of the spontaneous Brillouin effect.
Sono inoltre conosciute molteplici soluzioni anche note come “analizzatori Brillouin nel dominio del tempo” (BOTDA, Brillouin Optical Time Domain Analysers) che sfruttano la dispersione Brillouin stimolata (SBS, Stimulated Brillouin Scattering), dove è ottenuta una contro-propagazione tra impulsi di “pompaggio ottico” che si spostano nella fibra e una radiazione di “stimolo” o “prova” che viaggia in direzione opposta ed è caratterizzata da uno spostamento in lunghezza d’onda rispetto alla radiazione di “pompaggio ottico” controllabile e noto. Also known are multiple solutions also known as "Brillouin Optical Time Domain Analyzers" (BOTDA) which exploit the stimulated Brillouin dispersion (SBS, Stimulated Brillouin Scattering), where a counter-propagation between pulses of " optical pumping "that move in the fiber and a" stimulus "or" test "radiation that travels in the opposite direction and is characterized by a shift in wavelength with respect to the controllable and known" optical pumping "radiation.
Sono noti i documenti WO2012156978A1, WO2012084040A1 WO2007086357A1, JP2007033183, JP10048065, FR2710150, JP4077641 in cui la radiazione di “prova” è ottenuta a partire dalla stessa sorgente della radiazione di “pompaggio ottico” mediante un modulatore di intensità pilotato da un segnale a microonde di frequenza pari a quella dello spostamento di lunghezza d’onda desiderato attraverso la creazione di bande laterali di modulazione. Sono altresì noti i documenti JP4077641, EP0348235A2, EP1865289A2, EP0348235, DE102008019150A1 in cui la radiazione di “prova” è ottenuta da una sorgente diversa da quella della radiazione di “pompaggio ottico” ma la cui lunghezza d’onda è agganciata alla lunghezza d’onda della radiazione di “pompaggio ottico” da un sistema retroattivo in grado di imporre e mantenere costante uno spostamento di lunghezza d’onda controllabile e noto tra le due sorgenti. Documents WO2012156978A1, WO2012084040A1 WO2007086357A1, JP2007033183, JP10048065, FR2710150, JP4077641 are known in which the "test" radiation is obtained starting from the same source of the "optical pumping" radiation by means of an intensity modulator driven by a microwave signal of frequency equal to that of the desired wavelength shift through the creation of modulation sidebands. Also known are the documents JP4077641, EP0348235A2, EP1865289A2, EP0348235, DE102008019150A1 in which the "test" radiation is obtained from a source other than that of the "optical pumping" radiation but whose wavelength is linked to the length of wave of the "optical pumping" radiation from a retroactive system capable of imposing and maintaining constant a controllable and known wavelength shift between the two sources.
E’ inoltre noto il documento JP6273270 in cui la radiazione di “prova” è ottenuta attraverso un “dispositivo di conversione della frequenza della luce” a partire dalla radiazione di “pompaggio ottico” prodotta da un dispositivo collegato ad un capo remoto della fibra sensore e che emerge al capo opposto. Document JP6273270 is also known in which the "test" radiation is obtained through a "light frequency conversion device" starting from the "optical pumping" radiation produced by a device connected to a remote end of the sensor fiber and which emerges at the opposite end.
Sono inoltre noti i documenti JP2010008400A, JP2008286697A, JP2007178346A, US2008068586A1 dove sono descritti sistemi comprendenti più sorgenti di radiazione atti a realizzare tecniche di “pre-pompaggio” in qualche modo analoghe a quelle descritte nel documento WO2006001071A1. Also known are the documents JP2010008400A, JP2008286697A, JP2007178346A, US2008068586A1 where systems comprising several sources of radiation suitable for carrying out "pre-pumping" techniques somewhat similar to those described in document WO2006001071A1 are described.
L’implementazione delle soluzioni note richiede l’impiego di modulatori di intensità ottica a larghissima banda e/o di coppie di sorgenti di radiazione luminosa agganciate in frequenza tra loro, componenti delicati che sono caratterizzati da un costo estremamente elevato. The implementation of known solutions requires the use of very wide band optical intensity modulators and / or pairs of light radiation sources linked in frequency to each other, delicate components that are characterized by an extremely high cost.
Le soluzioni tecniche basate su analizzatori Brillouin a scansione di tempo e di lunghezza d’onda presentano generalmente severe limitazioni della velocità di interrogazione che limitano le loro possibilità di impiego ai fini della misurazione di fenomeni dinamici, come noto dal documento “Distributed dynamic strain measurement using a correlation-based Brillouin sensing system” (Hotate K. et al., IEEE Photonic Technol. Lett. 2003, 15, 272-274). The technical solutions based on Brillouin time and wavelength scanning analyzers generally have severe limitations of the interrogation speed that limit their possibilities of use for the purpose of measuring dynamic phenomena, as known from the document "Distributed dynamic strain measurement using a correlation-based Brillouin sensing system "(Hotate K. et al., IEEE Photonic Technol. Lett. 2003, 15, 272-274).
Il documento “Monitoring the distributed impact wave on concrete slab due to the traffics based on polarization dependence on the stimulated Brillouin scattering” (Bao X. et al., Smart Mater. Struct. 2009, 17, 15003-15008) descrive una soluzione per aumentare la velocità di interrogazione valutando la dipendenza del guadagno Brillouin stimolato in funzione della polarizzazione anziché in funzione della lunghezza d’onda, con lo scopo di evitare la necessità di effettuare una scansione in lunghezza d’onda della radiazione di prova. The paper "Monitoring the distributed impact wave on concrete slab due to the traffics based on polarization dependence on the stimulated Brillouin scattering" (Bao X. et al., Smart Mater. Struct. 2009, 17, 15003-15008) describes a solution for increase the interrogation speed by evaluating the dependence of the stimulated Brillouin gain as a function of the polarization rather than as a function of the wavelength, with the aim of avoiding the need to perform a wavelength scan of the test radiation.
Non sono note soluzioni tecniche efficaci che consentano di valutare la dipendenza del guadagno Brillouin stimolato dalla lunghezza d’onda con una velocità sufficiente all’analisi di fenomeni dinamici. There are no known effective technical solutions that allow to evaluate the dependence of the Brillouin gain stimulated by the wavelength with a speed sufficient for the analysis of dynamic phenomena.
Sono noti molteplici sistemi atti a realizzare sorgenti ad amplificazione di luce attraverso la emissione stimolata di radiazione Brillouin, altresì noti come LASER Brillouin ad anello. Many systems are known which are suitable for producing sources with amplification of light through the stimulated emission of Brillouin radiation, also known as ring Brillouin LASERs.
I documenti US4107628A, US4530097A, US5323415A, JP2005331727 e “Brillouin fiber laser with Raman amplification” (Ahmad H. et al., Optoelectronics and Andavced Materials 2-11, Nov. 2011) descrivono dispositivi dove una radiazione “seme” è iniettata in un circuito ottico chiuso comprendente una guida di luce in cui possa avvenire la retro-dispersione Brillouin e mezzi atti ad amplificare la radiazione retro-dispersa arrestando invece in modo selettivo la propagazione della radiazione “seme”. Documents US4107628A, US4530097A, US5323415A, JP2005331727 and "Brillouin fiber laser with Raman amplification" (Ahmad H. et al., Optoelectronics and Andavced Materials 2-11, Nov. 2011) describe devices where a "seed" radiation is injected into a closed optical circuit comprising a light guide in which the Brillouin back-scattering can take place and means able to amplify the back-scattered radiation, instead selectively stopping the propagation of the "seed" radiation.
I dispositivi LASER Brillouin ad anello noti sono caratterizzati da limitazioni della purezza spettrale della radiazione di risonanza, limitazioni sostanzialmente legate alla larghezza di banda caratteristica dell’emissione Brillouin stimolata che ne è all’origine del funzionamento. Dette limitazioni rendono i dispositivi LASER Brillouin ad anello noti non perfettamente adatti ad essere impiegati in applicazioni ove la radiazione da essi stessi prodotta sia utilizzata per studiare in dettaglio lo spettro di dispersione Brillouin stimolata in altri mezzi di propagazione. The known Brillouin ring LASER devices are characterized by limitations of the spectral purity of the resonance radiation, limitations substantially related to the characteristic bandwidth of the stimulated Brillouin emission which is at the origin of its operation. Said limitations make known Brillouin ring LASER devices not perfectly suitable for use in applications where the radiation produced by them is used to study in detail the spectrum of Brillouin dispersion stimulated in other propagation media.
I documenti “Multi-zone temperature sensor using a multiwavelength Brillouin fiber ring laser” (Galindez C. A et al., Proc. SPIE Vol.7503 75030J-1) e “Temperature sensing based on a Brillouin fiber microwave generator” (Yang X. P. et al., Laser Phys. 23 (2013) 045104) illustrano laser Brillouin ad anello in cui tratti discreti della guida di luce destinata a permettere la retro-dispersione Brillouin e connessa all’interno dell’anello sono mantenuti a diversa temperatura e la differenza di temperatura è osservata in termini di spostamento del battimento tra le diverse lunghezze d’onda che ricircolano nell’anello. The documents "Multi-zone temperature sensor using a multiwavelength Brillouin fiber ring laser" (Galindez C. A et al., Proc. SPIE Vol. 7503 75030J-1) and "Temperature sensing based on a Brillouin fiber microwave generator" (Yang X. P. et al., Laser Phys. 23 (2013) 045104) illustrate Brillouin ring lasers in which discrete sections of the light guide intended to allow Brillouin and connected back-scattering inside the ring are maintained at different temperatures and the difference of temperature is observed in terms of the displacement of the beat between the different wavelengths that recirculate in the ring.
Non sono note soluzioni tecniche in cui un laser Brillouin ad anello è utilizzato come sorgente di radiazione con spettro di emissione continuo e in unione ad accorgimenti mirati a controllarne simultaneamente la larghezza di banda e la lunghezza d’onda media dello spettro di emissione. There are no known technical solutions in which a Brillouin ring laser is used as a radiation source with a continuous emission spectrum and in conjunction with measures aimed at simultaneously controlling the bandwidth and the average wavelength of the emission spectrum.
I dispositivi LASER Brillouin ad anello noti sono inoltre caratterizzati da limitazioni tecniche in seguito al ricircolo continuativo della radiazione di oscillazione, ricircolo che nelle fasi di sintonizzazione della lunghezza d’onda di oscillazione mantiene traccia delle lunghezze d’onda precedentemente sintonizzate per un certo intervallo di tempo, causando quindi una alterazione transitoria dello spettro di oscillazione che si smorza lentamente nel tempo (distorsione di sintonizzazione). Nei dispositivi noti quindi ogni eventuale sintonizzazione deve essere seguita da una fase di attesa prima che si raggiungano le condizioni di purezza spettrale necessarie agli scopi di interrogazione di sensori distribuiti Brillouin. The known Brillouin ring LASER devices are also characterized by technical limitations due to the continuous recirculation of the oscillation radiation, which in the tuning phases of the oscillation wavelength keeps track of the wavelengths previously tuned for a certain interval of time, thus causing a transient alteration of the oscillation spectrum that slowly fades over time (tuning distortion). In known devices, therefore, any possible tuning must be followed by a waiting phase before reaching the conditions of spectral purity necessary for the purposes of interrogating distributed Brillouin sensors.
E’ noto il documento US5880463A in cui è utilizzato un circuito ottico ad anello di cui fa parte la fibra sensore e in cui possono ricircolare impulsi di luce retro-dispersa per effetto Brillouin spontaneo da un impulso di “pompaggio ottico” iniziale isolato al fine di poter essere analizzati in un sistema ad eterodina per battimento con la sorgente di “pompaggio ottico” la cui lunghezza d’onda sia stata opportunamente modificata da un “dispositivo di conversione della frequenza della luce”, sistema che mantiene i limiti realizzativi e di costo elevato che accomunano gli altri dispositivi noti. Document US5880463A is known in which an optical ring circuit of which the sensor fiber is part is used and in which back-scattered light pulses can be recirculated due to the spontaneous Brillouin effect from an initial isolated "optical pumping" pulse in order to be able to be analyzed in a heterodyne system by beat with the "optical pumping" source whose wavelength has been suitably modified by a "light frequency conversion device", a system that maintains the limits of construction and of high cost common to other known devices.
E’ noto il documento US7283216B1 in cui la radiazione retrodispersa per effetto Brillouin spontaneo da un impulso di radiazione di “pompaggio ottico” iniettato ad un estremo della fibra sensore è analizzata sfruttando un principio di eterodina con un battimento tra la dispersione spontanea stessa e la radiazione prodotta a partire da quella di “pompaggio ottico” mediante un LASER Brillouin ad anello la cui lunghezza d’onda è agganciata a quella della sorgente di “pompaggio ottico” con una differenza di frequenza nota e stabile per azione di un sistema di retroazione piezoelettrico attivo. Detta soluzione, che concettualmente è assimilabile a quella descritta dal documento EP0887624A2, mantiene i limiti di prestazioni che caratterizzano le soluzioni basate sulla dispersione spontanea e rimane caratterizzata dagli elevati costi realizzativi che caratterizzano i sistemi ad eterodina. Document US7283216B1 is known in which the back-dispersed radiation due to the spontaneous Brillouin effect from an "optical pumping" radiation pulse injected at one end of the sensor fiber is analyzed using a principle of heterodyne with a beat between the spontaneous dispersion itself and the radiation produced starting from that of "optical pumping" by means of a Brillouin ring LASER whose wavelength is linked to that of the "optical pumping" source with a known and stable frequency difference due to the action of an active piezoelectric feedback system . Said solution, which is conceptually similar to that described in document EP0887624A2, maintains the performance limits that characterize solutions based on spontaneous dispersion and remains characterized by the high manufacturing costs that characterize heterodyne systems.
Non sono note soluzioni comprendenti LASER Brillouin ad anello per realizzare sistemi basati sulla dispersione Brillouin stimolata o che siano in grado di superare i limiti di prestazioni e abbattere il livello di costo comuni ai dispositivi noti. Non sono inoltre note soluzioni comprendenti LASER Brillouin sintonizzabili ad anello in cui siano presenti accorgimenti atti a permettere un rapido recupero delle caratteristiche di purezza spettrale di oscillazione. There are no known solutions comprising ring Brillouin LASERs for realizing systems based on stimulated Brillouin dispersion or which are capable of overcoming the performance limits and reducing the cost level common to known devices. Furthermore, there are no known solutions comprising ring-tunable Brillouin LASERs in which there are devices suitable for allowing a rapid recovery of the oscillation spectral purity characteristics.
Il fenomeno relativo alla dispersione cromatica in una guida di luce è ampiamente noto (Brillouin L., “Wave Propagation and Group Velocity”, Academic Press S.Diego, 1960) e, attraverso la differenza di velocità di propagazione delle componenti di un impulso ottico aventi lunghezza d’onda differente, l’effetto citato porta le componenti spettrali di uno stesso impulso ottico a distorcere l’andamento temporale dell’impulso stesso a seguito della sua propagazione in un mezzo dispersivo. The phenomenon related to chromatic dispersion in a light guide is widely known (Brillouin L., "Wave Propagation and Group Velocity", Academic Press S. Diego, 1960) and, through the difference in the propagation speed of the components of an optical pulse having different wavelengths, the aforementioned effect causes the spectral components of the same optical pulse to distort the time course of the same pulse following its propagation in a dispersive medium.
Sono inoltre noti dispositivi caratterizzati da dispersione cromatica particolarmente elevata e controllabile come ad esempio reticoli di Bragg di tipo “chirped” in fibra ottica (Quetel L. et al., “Chromatic Dispersion Compensation by Apodised Bragg Gratings within Controlled Tapered Fibers”, Optical Fiber Technology, 3(3), 1997, 267–271). There are also known devices characterized by particularly high and controllable chromatic dispersion such as, for example, "chirped" Bragg gratings in optical fiber (Quetel L. et al., "Chromatic Dispersion Compensation by Apodised Bragg Gratings within Controlled Tapered Fibers", Optical Fiber Technology, 3 (3), 1997, 267-271).
Non sono note applicazioni di dispositivi di dispersione cromatica nella tecnologia degli interrogatori per sensori distribuiti ad effetto Brillouin stimolata. There are no known applications of chromatic dispersion devices in interrogation technology for stimulated Brillouin effect distributed sensors.
Scopo principale della presente invenzione è quello di realizzare un sistema di interrogazione per sensori distribuiti a fibra ottica basato sulla dispersione Brillouin stimolata che sia in grado di superare i limiti di prestazioni, con particolare riferimento alla velocità di interrogazione del sensore, e di abbattere i livelli di costo e complessità costruttiva che caratterizzano dispositivi noti. The main purpose of the present invention is to realize an interrogation system for distributed optical fiber sensors based on the stimulated Brillouin dispersion that is able to overcome the performance limits, with particular reference to the interrogation speed of the sensor, and to reduce the levels of cost and constructive complexity that characterize known devices.
Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di realizzare un sistema di interrogazione per sensori distribuiti a fibra ottica basato sulla dispersione Brillouin stimolata in cui nello stesso segmento di fibra sensore in esame possa essere contemporaneamente analizzato il guadagno o la perdita Brillouin stimolata per una molteplicità di valori distinti dello spostamento della lunghezza d’onda Brillouin tra radiazione di “pompaggio ottico” e radiazione di “stimolo”. A further object of the present invention is to provide an interrogation system for distributed optical fiber sensors based on the stimulated Brillouin dispersion in which the stimulated Brillouin gain or loss for a multiplicity of values can be simultaneously analyzed in the same segment of sensor fiber under examination. distinct of the Brillouin wavelength shift between "optical pumping" radiation and "stimulus" radiation.
Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di realizzare un sistema di interrogazione per sensori distribuiti a fibra ottica basato sulla dispersione Brillouin stimolata comprendente un sistema di analisi del contenuto spettrale della radiazione di “stimolo” modificata dalle interazioni Brillouin che sono avvenute nel sensore che possa risultare più economico, più rapido e a maggior risoluzione rispetto ai sistemi noti. A further purpose of the present invention is that of realizing an interrogation system for distributed optical fiber sensors based on the stimulated Brillouin dispersion comprising a system for analyzing the spectral content of the "stimulus" radiation modified by the Brillouin interactions that have occurred in the sensor which may be cheaper, faster and with higher resolution than known systems.
Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di realizzare un sistema di interrogazione per sensori distribuiti a fibra ottica basato sulla dispersione Brillouin stimolata in cui la radiazione di “stimolo” o “prova” possa essere prodotta in modo economico ed efficiente con una lunghezza d’onda intrinsecamente agganciata a quella della radiazione di “pompaggio ottico” a meno di uno spostamento tra le lunghezze d’onda noto e controllabile con precisione e con caratteristiche di larghezza spettrale altrettanto controllabili. A further purpose of the present invention is that of realizing an interrogation system for distributed optical fiber sensors based on the stimulated Brillouin dispersion in which the "stimulus" or "test" radiation can be produced in an economical and efficient way with a wavelength intrinsically linked to that of the "optical pumping" radiation unless a known and precisely controllable shift between wavelengths and with equally controllable spectral width characteristics.
Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di realizzare un sistema di interrogazione per sensori distribuiti a fibra ottica basato sulla dispersione Brillouin stimolata in cui lo stesso sistema atto a produrre la radiazione di “stimolo” o “prova” è in grado contemporaneamente di amplificare la radiazione di “pompaggio ottico” che deve essere iniettata nella fibra sensore. A further purpose of the present invention is to realize an interrogation system for distributed optical fiber sensors based on the stimulated Brillouin dispersion in which the same system capable of producing the "stimulus" or "test" radiation is capable of simultaneously amplifying the radiation. of "optical pumping" that must be injected into the sensor fiber.
I precedenti scopi sono raggiunti dalla presente invenzione in quanto essa è relativa ad un sistema di interrogazione per sensori a fibra ottica Brillouin comprendente una singola sorgente a bassa larghezza di linea spettrale, un circuito ottico ad anello che realizza contemporaneamente una sorgente Brillouin sintonizzabile e con larghezza di spettrale opportuna per la generazione della radiazione di “stimolo” ed un amplificatore per la radiazione “pompaggio ottico”, e comprendente mezzi atti a consentire una analisi ad alta velocità dello spettro della radiazione di stimolo dopo che essa sia stata alterata dalle interazioni Brillouin nel mezzo sensore. The preceding objects are achieved by the present invention as it relates to an interrogation system for Brillouin optical fiber sensors comprising a single source with a low spectral line width, a ring optical circuit which simultaneously produces a tunable Brillouin source with width suitable for the generation of the "stimulus" radiation and an amplifier for the "optical pumping" radiation, and including means to allow a high-speed analysis of the spectrum of the stimulus radiation after it has been altered by the Brillouin interactions in the half sensor.
L’invenzione verrà ora illustrata con riferimento alle figure allegate che ne rappresentato forme realizzative preferenziali non vincolanti ai fini di protezione del presente documento. The invention will now be illustrated with reference to the attached figures which represent non-binding preferred embodiments for the purposes of protection of this document.
La figura 1 illustra una parziale rappresentazione schematica non limitativa di una variante generica di apparato di interrogazione ad alta velocità per sensori a fibra ottica basato sull’effetto Brillouin stimolato secondo la presente invenzione. Figure 1 illustrates a partial non-limiting schematic representation of a generic variant of a high-speed interrogation apparatus for optical fiber sensors based on the Brillouin effect stimulated according to the present invention.
L’apparato comprende almeno un sistema di una o più sorgenti di radiazione luminosa (302), convenientemente anche se non necessariamente agganciate in lunghezza d’onda tra loro in maniera attiva e/o passiva, in grado di rendere disponibili su un primo ramo d’uscita (7) almeno una prima radiazione luminosa di “pompaggio ottico” caratterizzata da una lunghezza d’onda λ0e da una larghezza di linea spettrale non superiore alla larghezza dello spettro della dispersione Brillouin nella fibra sensore, come schematicamente illustrato nel riquadro (110) e, in aggiunta, almeno una seconda radiazione luminosa di “stimolo” o “prova”, su un proprio ramo di uscita (11), caratterizzata da lunghezza d’onda media λ0+∆λ e/o λ0−∆λ, come rispettivamente illustrato nei riquadri (111) e (111b), ossia avente lunghezza d’onda agganciata a quella della prima radiazione di lunghezza d’onda λ0e spostata di una quantità ∆λ opportuna ed avente altresì larghezza spettrale sufficientemente elevata a comprendere almeno una parte significativa dei possibili spostamenti di lunghezza d’onda che lo scattering Brillouin nel sensore può presentare, anche in considerazione del campo di misura di interesse. The apparatus comprises at least a system of one or more sources of light radiation (302), conveniently even if not necessarily linked in wavelength to each other in an active and / or passive manner, capable of making available on a first branch d 'output (7) at least one first "optical pumping" light radiation characterized by a wavelength λ0 and a spectral line width not exceeding the width of the spectrum of the Brillouin dispersion in the sensor fiber, as schematically illustrated in box (110) and, in addition, at least a second "stimulus" or "test" light radiation, on its own output branch (11), characterized by average wavelength λ0 + ∆λ and / or λ0 − ∆λ, as illustrated respectively in boxes (111) and (111b), i.e. having a wavelength coupled to that of the first radiation of wavelength λ0e shifted by a suitable quantity ∆λ and also having a sufficiently high spectral width to include at least not a significant part of the possible wavelength shifts that the Brillouin scattering in the sensor may present, also in consideration of the measuring range of interest.
Il dispositivo comprenderà inoltre almeno un mezzo (30, 31, 32, 33, 34) atto a generarne impulsi con durata temporale finita e nota di almeno una delle due radiazioni con durata ed eventualmente ritardo di sincronizzazione controllabile, e almeno un mezzo (35) atto ad instradare selettivamente detti impulsi e/o radiazioni in modo che una prima radiazione percorra in un primo verso la fibra sensore (37), non necessariamente facente parte dell’apparato ed eventualmente temporaneamente connessa ad esso attraverso mezzi di connessione (71, 72), e una seconda radiazione percorra la stessa fibra sensore in senso opposto, e comprenderà inoltre almeno un sistema di analisi spettrale (301) atto a permettere l’analisi dello spettro della radiazione di “stimolo” dopo che essa abbia completato la propria propagazione nella fibra sensore e abbia ivi subito un’alterazione spettrale a seguito di dispersioni stimolate Brillouin di tipo Stokes e/o antistokes, come schematicamente illustrato rispettivamente rei riquadri (112) e (112b); l’apparato comprenderà infine almeno un mezzo atto a quantificare (40) le informazioni sul contenuto spettrale dell’impulso analizzato e almeno un sistema di controllo (41) in grado di analizzare detto spettro in funzione del tempo di ritardo rispetto all’istante di generazione degli impulsi citati. The device will also comprise at least a means (30, 31, 32, 33, 34) suitable for generating pulses with a finite and known time duration of at least one of the two radiations with a duration and possibly a controllable synchronization delay, and at least a means (35) adapted to selectively route said pulses and / or radiations so that a first radiation travels in a first direction towards the sensor fiber (37), not necessarily forming part of the apparatus and possibly temporarily connected to it through connection means (71, 72) , and a second radiation passes through the same sensor fiber in the opposite direction, and will also comprise at least one spectral analysis system (301) suitable for allowing the analysis of the spectrum of the "stimulus" radiation after it has completed its propagation in the fiber sensor and has undergone a spectral alteration there as a result of stimulated Brillouin dispersions of the Stokes type and / or antistokes, as schematically illustrated respectively. body in boxes (112) and (112b); the apparatus will finally comprise at least a means suitable for quantifying (40) the information on the spectral content of the analyzed pulse and at least one control system (41) capable of analyzing said spectrum as a function of the delay time with respect to the instant of generation of the impulses mentioned.
Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, le radiazioni sopra citate potranno essere caratterizzate da una lunghezza d’onda nella banda infrarossa, ed in particolare nella cosiddetta banda “C” o banda “Convenzionale”, ossia potranno essere comprese tra 1520nm e 1570nm. Conveniently, even if not necessarily for the purposes of protection of this document, the aforementioned radiations may be characterized by a wavelength in the infrared band, and in particular in the so-called "C" band or "Conventional" band, ie they can be included between 1520nm and 1570nm.
La figura 2 illustra una parziale rappresentazione schematica non limitativa di due varianti di un dispositivo secondo la presente invenzione atto a generare contemporaneamente una radiazione di “pompaggio ottico” amplificata e una radiazione di “stimolo” a larga banda necessarie a realizzare un sistema di interrogazione ad alta velocità per sensori a fibra ottica basato sull’effetto Brillouin stimolato. Figure 2 illustrates a partial non-limiting schematic representation of two variants of a device according to the present invention capable of simultaneously generating an amplified "optical pumping" radiation and a broadband "stimulus" radiation necessary to create an interrogation system with high speed for fiber optic sensors based on the stimulated Brillouin effect.
Il riquadro (81) illustra in particolare lo scheda di una variante del dispositivo in cui la lunghezza d’onda media e le caratteristiche spettrali della radiazione di “stimolo” prodotta sono sintonizzate mediante il controllo di almeno un parametro termico e del relativo gradiente. Box (81) illustrates in particular the card of a variant of the device in which the average wavelength and the spectral characteristics of the "stimulus" radiation produced are tuned by controlling at least one thermal parameter and its gradient.
Il dispositivo di cui al riquadro (81) comprende una sorgente di radiazione (1) caratterizzata da una lunghezza d’onda λ0e da una larghezza di linea spettrale non superiore alla larghezza dello spettro della dispersione Brillouin nella fibra sensore. La radiazione prodotta dalla sorgente (1) è iniettata in un circuito ottico ad anello (2b) attraverso uno o più mezzi di accoppiamento (3), non necessariamente facenti parte dell’anello (2b) stesso, come ad esempio un circolatore ottico od un accoppiatore ottico direzionale, in modo che lo possa percorrere almeno parzialmente in un certo senso di percorrenza. Una volta iniettata nel circuito (2b) la radiazione di lunghezza d’onda λ0risulta amplificata da mezzi di amplificazione ottica (4) facenti parte dell’anello (2b), attraversa un tratto di guida l’onda (5b), anche esso facente parte dell’anello (2b), che è mantenuto in condizioni non uniformi di temperatura e/o deformazione ed è dotato di un sistema attivo atto a controllarne in modo arbitrario la temperatura media ed il gradiente di temperatura, e raggiunge almeno un mezzo di instradamento direzionale (6), anche esso facente parte dell’anello (2b), come ad esempio un circolatore ottico od un accoppiatore ottico direzionale, attraverso il quale la radiazione di lunghezza d’onda λ0amplificata, discriminata in base al proprio senso di percorrenza del circuito (2), viene selettivamente estratta dallo stesso ed instradata in un primo ramo di uscita (7). The device referred to in box (81) includes a radiation source (1) characterized by a wavelength λ0 and a spectral line width not exceeding the width of the spectrum of the Brillouin dispersion in the sensor fiber. The radiation produced by the source (1) is injected into an optical ring circuit (2b) through one or more coupling means (3), not necessarily forming part of the ring (2b) itself, such as for example an optical circulator or a directional optocoupler, so that it can cover it at least partially in a certain direction of travel. Once injected into the circuit (2b) the radiation of wavelength λ0 is amplified by means of optical amplification (4) which are part of the ring (2b), the wave (5b), which is also part of the of the ring (2b), which is maintained in non-uniform conditions of temperature and / or deformation and is equipped with an active system capable of arbitrarily controlling the average temperature and the temperature gradient, and reaches at least one directional routing means (6), which is also part of the ring (2b), such as an optical circulator or a directional optical coupler, through which the radiation of wavelength λ0 amplified, discriminated on the basis of its direction of travel of the circuit ( 2), is selectively extracted from it and routed in a first output branch (7).
Allo stesso tempo, all’interno della guida l’onda (5b) il passaggio della radiazione di lunghezza d’onda λ0, per effetto Brillouin inizialmente spontaneo, origina fotoni aventi lunghezza d’onda λ0±∆λ(T,ε)x, spostati cioè rispetto alla lunghezza d’onda λ0di una quantità dipendente dalla temperatura e deformazione propri del tratto di guida l’onda (5b) ove l’interazione avviene e che si propagano nella direzione opposta a quella della radiazione di lunghezza d’onda λ0. At the same time, within the guide the wave (5b) the passage of the radiation of wavelength λ0, due to the initially spontaneous Brillouin effect, gives rise to photons having wavelength λ0 ± ∆λ (T, ε) x, that is, the wave (5b) where the interaction takes place and which propagates in the opposite direction to that of the radiation of wavelength λ0, displaced with respect to the wavelength λ0 by a quantity dependent on the temperature and deformation of the guide section.
Detti fotoni Brillouin sono moltiplicati dai mezzi di amplificazione ottica (4) e vengono instradati dai mezzi di accoppiamento (3), in base alla loro direzione di propagazione, a percorrere il ramo di chiusura (8) del circuito ad anello (2) al termine del quale raggiungono i mezzi di instradamento direzionale (6) che li immettono a ricircolare nuovamente nella guida l’onda (5b) mantenendo ancora la direzione di propagazione opposta a quella della radiazione di lunghezza d’onda λ0e ivi subendo una amplificazione per effetto Brillouin stimolato. Said Brillouin photons are multiplied by the optical amplification means (4) and are routed by the coupling means (3), according to their direction of propagation, to traverse the closing branch (8) of the ring circuit (2) at the end of which they reach the directional routing means (6) which send them to recirculate the wave (5b) again in the guide while still maintaining the direction of propagation opposite to that of the radiation of wavelength λ0e therein undergoing an amplification due to the stimulated Brillouin effect .
Il circuito ad anello (2) è cioè organizzato in modo tale che la radiazione di lunghezza d’onda λ0può percorrere solo parzialmente il circuito ad anello (2b) da cui viene rimossa dopo aver subito una amplificazione; mentre la radiazione Brillouin retro-dispersa è libera di ricircolare continuamente nell’anello risultandone amplificata ad ogni ciclo percorso. That is, the ring circuit (2) is organized in such a way that the radiation of wavelength λ0 can only partially travel through the ring circuit (2b) from which it is removed after having undergone an amplification; while the retro-dispersed Brillouin radiation is free to continuously recirculate in the ring, resulting amplified at each cycle traveled.
Attraverso mezzi (non illustrati) per regolare il guadagno dell’amplificatore ottico è possibile portare detto guadagno almeno a compensare le perdite del circuito ottico ad anello (2b) realizzando in tale modo una oscillatore auto-sostentante il cui spettro di emissione comprende tutte le lunghezze d’onda di dispersione Brillouin generate e amplificate nella guida d’onda (5b) stessa. By means (not shown) for adjusting the gain of the optical amplifier, it is possible to bring said gain to at least compensate for the losses of the optical ring circuit (2b) thus realizing a self-sustaining oscillator whose emission spectrum includes all lengths Brillouin dispersion waveform generated and amplified in the waveguide (5b) itself.
Il sistema può inoltre comprendere, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, almeno un mezzo di selezione della direzione di propagazione (9), come ad esempio un isolatore ottico, inserito nel ramo di chiusura (8) del circuito ad anello (2), con la funzione di impedire o attenuare ulteriormente la possibilità di ricircolo di radiazione avente direzione di propagazione concorde a quella della radiazione di lunghezza d’onda λ0citata. The system may also comprise, although not necessarily for the purposes of protection of this document, at least one means for selecting the direction of propagation (9), such as for example an optical isolator, inserted in the closing branch (8) of the ring circuit (2), with the function of preventing or further attenuating the possibility of recirculation of radiation having a direction of propagation concordant with that of the radiation of wavelength λ0 cited.
Il sistema può inoltre comprendere mezzi di accoppiamento (10), come ad esempio almeno un accoppiatore o derivatore, atti a prelevare una frazione della radiazione prodotta dall’oscillazione e di instradarla in un secondo ramo di uscita (11). The system can also comprise coupling means (10), such as at least one coupler or shunt, designed to take a fraction of the radiation produced by the oscillation and to route it into a second output branch (11).
Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, l’accoppiatore di prelievo (10) sarà disposto lungo il ramo di chiusura (8) del circuito ad anello (2) e/o potrà sfruttare delle caratteristiche di direzionalità del proprio accoppiamento ottico in modo da poter prelevare la radiazione che si propaga solo direzione opposta a quella della radiazione di lunghezza d’onda λ0iniettata nell’anello e prelevandola da un ramo dove la presenza di radiazione di lunghezza d’onda λ0è per forza di cose minima. Conveniently, although not necessarily for the purposes of protection of this document, the pickup coupler (10) will be arranged along the closing branch (8) of the loop circuit (2) and / or will be able to exploit the directional characteristics of its own optical coupling so as to be able to take the radiation that propagates only in the opposite direction to that of the radiation of wavelength λ0 injected into the ring and taking it from a branch where the presence of radiation of wavelength λ0 is necessarily minimal.
Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, i mezzi di amplificazione ottica (4) saranno di tipo bi-direzionale, saranno cioè caratterizzati dalla capacità di amplificare le radiazioni nella fascia delle lunghezze d’onda di interesse indipendentemente dalla direzione di propagazione con cui esse attraversano i mezzi di amplificazione ottica (4) stessi. Conveniently, even if not necessarily for the purposes of protection of this document, the optical amplification means (4) will be of the bi-directional type, i.e. they will be characterized by the ability to amplify the radiations in the wavelength range of interest regardless of the direction. propagation with which they pass through the optical amplification means (4) themselves.
Detti mezzi di amplificazione ottica (4) potranno anche essere di tipo non bi-direzionale, nel qual caso saranno però disposti in numero e in modo opportuno per amplificare almeno la radiazione che si propaga in senso opposto a quello della radiazione di lunghezza d’onda λ0iniettata nell’anello dall’esterno. Said optical amplification means (4) may also be of the non-bi-directional type, in which case they will however be arranged in number and in a suitable way to amplify at least the radiation that propagates in the opposite direction to that of the wavelength radiation. λ0 injected into the ring from the outside.
Nel caso in cui i mezzi di amplificazione ottica (4) non siano di tipo bi-direzionale e si desideri ottenere anche una amplificazione della radiazione di lunghezza d’onda λ0iniettata nell’anello dall’esterno, potranno essere presenti più mezzi di amplificazione distinti e, nel caso in cui almeno uno di detti mezzi (4) sia sufficientemente trasparente alla radiazione che lo attraversa in senso opposto a quello di amplificazione, i mezzi di amplificazione potranno essere inseriti all’interno del circuito ad anello (2); diversamente, nel caso in cui nessun mezzo di amplificazione (4) sia sufficientemente trasparente alla radiazione che lo attraversa in senso opposto a quello di amplificazione, i mezzi di amplificazione (4) potranno essere disposti almeno in parte all’esterno del circuito ad anello (2). In the event that the optical amplification means (4) are not of the bi-directional type and it is also desired to obtain an amplification of the radiation of wavelength λ0 injected into the ring from the outside, several distinct amplification means may be present and , in the event that at least one of said means (4) is sufficiently transparent to the radiation that passes through it in the opposite direction to that of amplification, the amplification means can be inserted inside the ring circuit (2); otherwise, if no amplification means (4) is sufficiently transparent to the radiation that passes through it in the opposite direction to that of amplification, the amplification means (4) can be arranged at least in part outside the ring circuit ( 2).
Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, i mezzi di amplificazione (4) potranno comprendere almeno un amplificatore ottico con fibra ottica drogata con Erbio o altro elemento (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier). Conveniently, although not necessarily for the purposes of protection of the present document, the amplification means (4) may comprise at least one optical amplifier with an optical fiber doped with Erbium or another element (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier).
Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, i mezzi di amplificazione (4) potranno comprendere almeno un amplificatore ottico per emissione Raman stimolata. Conveniently, although not necessarily for the purposes of protection of the present document, the amplification means (4) may comprise at least one optical amplifier for stimulated Raman emission.
Nel caso in cui i mezzi di amplificazione (4) comprendano un amplificatore EDFA e/o Raman, potranno essere convenientemente presenti almeno una sorgente (13) in grado di produrre almeno una radiazione con lunghezza d’onda λ1diversa da quella (λ0) prodotta dalla sorgente (1) e adatta a fungere da “pompaggio ottico” per i mezzi di amplificazione (4), e almeno un mezzo di accoppiamento selettivo in base alla lunghezza d’onda in grado di iniettare nel circuito ottico detta radiazione con lunghezza d’onda λ1in modo tale che essa possa efficientemente raggiungere lo scopo di “pompaggio ottico” dei mezzi di amplificazione (4) stessi. If the amplification means (4) comprise an EDFA and / or Raman amplifier, at least one source (13) capable of producing at least one radiation with a wavelength λ1 different from that (λ0) produced by the source (1) and suitable to act as "optical pumping" for the amplification means (4), and at least one wavelength-selective coupling means capable of injecting said wavelength radiation into the optical circuit λ1 in such a way that it can efficiently achieve the purpose of "optical pumping" of the amplification means (4) themselves.
Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, i mezzi di amplificazione (4) potranno comprendere almeno un amplificatore ottico a semiconduttore (SOA, Semiconductor Optical Amplifier). Conveniently, although not necessarily for the purposes of protection of the present document, the amplification means (4) may comprise at least one semiconductor optical amplifier (SOA, Semiconductor Optical Amplifier).
Come già detto il dispositivo oggetto del presente documento deve comprendere necessariamente un sistema atto a controllare le caratteristiche spettrali della radiazione prodotta dal circuito ottico ad anello (2b) e a comandarne la sintonizzazione entro i limiti necessari per lo scopo di analisi prefisso. As already mentioned, the device object of this document must necessarily comprise a system suitable for controlling the spectral characteristics of the radiation produced by the optical ring circuit (2b) and for controlling its tuning within the limits necessary for the intended purpose of analysis.
Le caratteristiche spettrali di oscillazione del LASER Brillouin ad anello saranno definite dalle caratteristiche intrinseche della guida d’onda (5b) e dai parametri fisici che la caratterizzano come il suo profilo di temperatura e di deformazione. Al fine di garantire che possa essere prodotta una oscillazione con le caratteristica di larghezza di banda necessarie agli scopi dell’apparato, il sistema prevede: The spectral characteristics of oscillation of the Brillouin ring LASER will be defined by the intrinsic characteristics of the wave guide (5b) and by the physical parameters that characterize it such as its temperature and deformation profile. In order to ensure that an oscillation can be produced with the bandwidth characteristics necessary for the purposes of the apparatus, the system provides:
- l’impiego di almeno una tipologia di fibra ottica speciale per realizzare almeno in parte la guida d’onda (5b); e - the use of at least one type of special optical fiber to at least partially realize the waveguide (5b); And
- accorgimenti specifici atti a garantire un opportuno gradiente della temperatura e/o dello stato di deformazione di almeno parte della guida d’onda (5b). - specific measures to ensure an appropriate gradient of the temperature and / or the state of deformation of at least part of the wave guide (5b).
Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, la guida d’onda (5) sarà disposta nello spazio in modo da presentare tratti curvi con raggio di curvatura inferiore ad un valore limite opportunamente piccolo. Conveniently, although not necessarily for the purposes of protection of this document, the wave guide (5) will be arranged in space so as to have curved sections with a radius of curvature lower than a suitably small limit value.
Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, la guida d’onda (5b) potrà almeno in parte essere costituita da una fibra ottica monomodale caratterizzata da elevata apertura numerica (Numeric aperture, NA), ovvero diametro modale di campo (Mode Field Diameter, MFD) ridotto. La guida d’onda (5) potrà in particolare comprendere, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, una fibra ottica monomodale con MFD non superiore a 5.3µm a 1550nm e diametro esterno dello strato di mantello non superiore a 80µm. Conveniently, although not necessarily for the purposes of protection of this document, the waveguide (5b) may at least partially consist of a singlemode optical fiber characterized by a high numerical aperture (NA), or field modal diameter (Mode Field Diameter, MFD) reduced. The waveguide (5) may in particular include, although not necessarily for the purposes of protection of this document, a singlemode optical fiber with MFD not exceeding 5.3µm at 1550nm and external diameter of the shell layer not exceeding 80µm.
Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, la guida d’onda (5) potrà anche almeno in parte essere costituita da una fibra ottica avente un diametro del nocciolo pari a 5.3µm ed avente diametro del mantello pari a 80µm. Conveniently, even if not necessarily for the purposes of protection of this document, the wave guide (5) may also at least partially consist of an optical fiber having a core diameter of 5.3µm and having a shell diameter of 80µm .
Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, la guida d’onda (5b) potrà anche almeno in parte essere costituita da una fibra ottica avente un diametro del nocciolo pari a 6.4µm ed avente diametro del mantello pari a 80µm. Conveniently, although not necessarily for the purposes of protection of this document, the waveguide (5b) may also at least partially consist of an optical fiber having a core diameter of 6.4µm and having a shell diameter of 80µm. .
Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, la guida d’onda (5b) potrà anche almeno in parte essere costituita da una fibra ottica avente un diametro del nocciolo pari a 4.2µm ed avente diametro del mantello pari a 125µm e/o 80µm e/o 50µm. Conveniently, even if not necessarily for the purposes of protection of this document, the waveguide (5b) may also at least partially consist of an optical fiber having a core diameter of 4.2µm and having a shell diameter of 125µm. and / or 80µm and / or 50µm.
Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, la guida d’onda (5b) potrà almeno in parte essere costituita da una fibra ottica avente un profilo di concentrazione del drogaggio che ne controlla l’indice di rifrazione tale da caratterizzarne uno spostamento di lunghezza d’onda Brillouin diverso rispetto a quello che caratterizza le fibre ottiche convenzionali commercialmente disponibili e/o impiegate come fibra sensore, a parità di condizioni di temperatura e deformazione, e tale da poter essere spostato al valore dello spostamento Brillouin per la fibra sensore portando la guida d’onda (5b) in uno stato di temperatura e deformazione più facilmente ottenibile nelle condizioni fisiche ambientali operative imposte al dispositivo di interrogazione. Conveniently, although not necessarily for the purposes of protection of this document, the waveguide (5b) may at least partially consist of an optical fiber having a doping concentration profile that controls its refractive index such as to characterize it a Brillouin wavelength shift different from that which characterizes conventional optical fibers commercially available and / or used as sensor fiber, under the same conditions of temperature and deformation, and such that it can be shifted to the value of the Brillouin shift for the sensor fiber bringing the wave guide (5b) to a state of temperature and deformation more easily obtainable in the physical environmental operating conditions imposed on the interrogation device.
Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, la guida d’onda (5b) potrà almeno in parte essere costituita da una fibra ottica avente un profilo di concentrazione del drogaggio atto a circondare il nocciolo della fibra stessa con almeno uno strato concentrico (trincea o “trench”) caratterizzato da indice di rifrazione più ridotto rispetto a quello del nocciolo e del mantello. Conveniently, although not necessarily for the purposes of protection of this document, the waveguide (5b) may at least in part consist of an optical fiber having a doping concentration profile suitable for surrounding the core of the fiber itself with at least one concentric layer (trench or "trench") characterized by a lower refractive index than that of the core and the mantle.
Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, la guida d’onda (5b) sarà allo stesso tempo caratterizzata sia da un MDF ridotto rispetto a quello delle fibre più diffuse e da un profilo di concentrazione del drogaggio atto a circondare il nocciolo della fibra stessa con almeno uno strato di “trench” del tipo descritto. Conveniently, although not necessarily for the purposes of protection of this document, the waveguide (5b) will be characterized at the same time by both a reduced MDF compared to that of the most widespread fibers and by a doping concentration profile suitable for surrounding the core of the fiber itself with at least one layer of "trench" of the type described.
L’eventuale impiego di una fibra ottica avente un diametro del nocciolo ridotto per la realizzazione di almeno parte della guida d’onda (5b) ed avente un profilo di drogaggio atto a generare strati di “trench” risulta innovativo in quanto permette di incrementare l’efficienza dei processi di dispersione Brillouin sia spontanei che stimolati grazie all’ottenimento di maggiori livelli di densità di potenza ottica, a parità di potenza ottica iniettata. The possible use of an optical fiber having a reduced core diameter for the realization of at least part of the wave guide (5b) and having a doping profile capable of generating "trench" layers is innovative as it allows to increase the efficiency of both spontaneous and stimulated Brillouin dispersion processes thanks to the achievement of higher levels of optical power density, with the same injected optical power.
Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, la guida d’onda (5b) potrà almeno in parte avere proprietà tali da assolvere contemporaneamente a funzioni di amplificazione delle radiazioni che la attraversano ed alle funzioni di mezzo di propagazione con condizioni favorevoli al verificarsi di fenomeni di dispersione Brillouin spontanea ed eventualmente stimolata. Con la suddetta finalità, la guida d’onda (5b) potrà ad esempio essere caratterizzata da un drogaggio aggiuntivo con Erbio o altro elemento al fine di comportarsi anche come mezzo di amplificazione. Allo stesso fine la guida d’onda (5b) stessa potrà essere anche oggetto della propagazione di una o più ulteriori radiazioni luminose con lunghezza d’onda differente da tutte quelle già elencate e scelta in modo tale da poter agire come radiazione di “pompaggio ottico” per un mezzo di guadagno ottico. Ai fini di ottenere effetti di amplificazione ottica nel circuito ottico ad anello (2b) in generale, e nella guida d’onda (5b) in particolare potranno, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, essere iniettate radiazioni atte ad agire come “pompaggio ottico” per amplificatori in fibra drogata all’Erbio, come ad esempio radiazioni con lunghezza d’onda nell’intorno dei 980nm e/o radiazioni con lunghezza d’onda nell’intorno dei 1480nm; e/o potranno essere iniettate radiazioni atte ad agire come “pompaggio ottico” per una amplificazione ottica attraverso dispersione Raman stimolata, come ad esempio, nel caso in cui si sia scelta un valore per la lunghezza d’onda λ0nell’intorno di 1550nm, radiazioni con lunghezza d’onda compresa tra 1430 e 1470nm. Conveniently, even if not necessarily for the purposes of protection of this document, the waveguide (5b) may at least partially have properties such as to simultaneously perform the functions of amplification of the radiations passing through it and the functions of a propagation medium with conditions favorable to the occurrence of spontaneous and possibly stimulated Brillouin dispersion phenomena. With the aforementioned purpose, the waveguide (5b) may for example be characterized by an additional doping with Erbium or other element in order to also behave as an amplification medium. For the same purpose, the waveguide (5b) itself may also be the object of the propagation of one or more further light radiations with a wavelength different from all those already listed and chosen in such a way as to be able to act as "optical pumping" radiation ”For an optical gain medium. In order to obtain optical amplification effects in the optical ring circuit (2b) in general, and in the waveguide (5b) in particular, radiations capable of acting as “optical pumping” for Erbium-doped fiber amplifiers, such as radiation with a wavelength around 980nm and / or radiation with a wavelength around 1480nm; and / or radiations capable of acting as "optical pumping" for an optical amplification through stimulated Raman dispersion may be injected, as for example, in the case in which a value has been chosen for the wavelength λ0 around 1550nm, with wavelength between 1430 and 1470nm.
Il dispositivo oggetto del presente documento comprenderà inoltre necessariamente mezzi specifici per sintonizzare la lunghezza d’onda media e la larghezza spettrale della radiazione prodotta dal circuito ottico ad anello (2) ossia per variare in modo controllato lo spostamento ∆λ della lunghezza d’onda media delle proprie oscillazioni rispetto alla lunghezza d’onda della radiazione “inseminante” λ0immessa nel circuito ad anello (2) dall’esterno, e variando altresì gli spostamenti di lunghezza d’onda minimo e massimo. I suddetti mezzi potranno comprendere almeno un dispositivo termostatico atto ad imporre una temperatura media ed un gradiente di temperatura controllabili in almeno parte della guida d’onda (5b). The device object of this document will also necessarily include specific means for tuning the average wavelength and the spectral width of the radiation produced by the optical ring circuit (2), i.e. to vary in a controlled way the displacement ∆λ of the average wavelength of its own oscillations with respect to the wavelength of the "inseminating" radiation λ0 introduced into the ring circuit (2) from the outside, and also varying the minimum and maximum wavelength shifts. The aforementioned means may comprise at least one thermostatic device capable of imposing an average temperature and a controllable temperature gradient in at least part of the wave guide (5b).
Secondo quanto sopra illustrato, il dispositivo di cui alla figura 2 risulta pertanto in grado di rendere contemporaneamente disponibili una radiazione di lunghezza d’onda λ0, prelevabile da un primo ramo d’uscita (7), ed una radiazione di lunghezza d’onda media λ0+∆λ prelevabile da un secondo diverso ramo d’uscita (11), questa ultima radiazione avente lunghezza d’onda agganciata a quella della prima radiazione di lunghezza d’onda λ0 e spostata di una quantità ∆λ sintonizzabile ed avente altresì larghezza spettrale controllata tra un valore minimo λ0+∆λ(T3) e un valore massimo λ0+∆λ(T2) dipendenti dal gradiente termico imposto, ed entrambe aventi ampiezza sufficientemente elevata e caratteristiche spettrali adatte agli scopi di interrogare sensori distribuiti per effetto Brillouin stimolato. Il dispositivo di cui alla figura 2 potrà quindi essere impiegato per generare contemporaneamente le due diverse radiazioni di “pompaggio ottico” e di “stimolo a larga banda” necessarie ad interrogare un sensore distribuito a fibra ottica per effetto Brillouin stimolato. According to what has been illustrated above, the device of Figure 2 is therefore capable of simultaneously making available a radiation of wavelength λ0, which can be taken from a first output branch (7), and a radiation of average wavelength λ0 + ∆λ that can be taken from a second different output branch (11), this last radiation having a wavelength linked to that of the first radiation of wavelength λ0 and shifted by a tunable quantity ∆λ and also having a controlled spectral width between a minimum value λ0 + ∆λ (T3) and a maximum value λ0 + ∆λ (T2) dependent on the imposed thermal gradient, and both having a sufficiently high amplitude and spectral characteristics suitable for the purpose of interrogating distributed sensors due to the stimulated Brillouin effect. The device of Figure 2 can therefore be used to simultaneously generate the two different "optical pumping" and "broadband stimulus" radiations necessary to interrogate a distributed fiber optic sensor due to the stimulated Brillouin effect.
Il riquadro (84) illustra lo schema di una variante del dispositivo analogo a quello del riquadro (81) ma in cui le caratteristiche spettrali della radiazione di “stimolo” prodotta sono sintonizzate mediante il controllo di almeno un parametro di deformazione meccanica. Box (84) illustrates the scheme of a variant of the device similar to that of box (81) but in which the spectral characteristics of the "stimulus" radiation produced are tuned by controlling at least one mechanical deformation parameter.
Rimane sottointeso che gli scopi di protezione del presente documento rimangono in essere per un sistema che consenta di controllare la sintonizzazione della lunghezza d’onda e della larghezza spettrale di oscillazione mediante il controllo di una qualunque combinazione di parametri fisici relativi al circuito ottico ad anello (2b, 2c) o di una sua parte, come ad esempio i parametri termici e di deformazione meccanica. It is understood that the protection purposes of this document remain in place for a system that allows to control the tuning of the wavelength and the spectral width of the oscillation by controlling any combination of physical parameters relating to the optical ring circuit ( 2b, 2c) or a part thereof, such as the thermal and mechanical deformation parameters.
Convenientemente, anche se con esclusivamente o necessariamente ai fini di protezione del presente documento, i mezzi di sintonizzazione potranno comprendere almeno un dispositivo termostatico atto ad imporre uno stato termico controllabile in almeno parte della guida d’onda (5). Detto dispositivo termostatico potrà comprendere almeno una pompa di calore accoppiata alla guida d’onda (5), almeno due sensori di temperatura e almeno un sistema di regolazione in retroazione atto a controllare la potenza termica trasferita dalla pompa di calore in modo da mantenere la temperatura della guida d’onda (5) al valore desiderato di temperatura media e soggetti al gradiente di temperatura desiderato. Conveniently, even if exclusively or necessarily for the purposes of protection of this document, the tuning means may include at least one thermostatic device capable of imposing a controllable thermal state in at least part of the waveguide (5). Said thermostatic device may comprise at least one heat pump coupled to the wave guide (5), at least two temperature sensors and at least one feedback control system adapted to control the thermal power transferred by the heat pump in order to maintain the temperature. waveguide (5) to the desired average temperature value and subject to the desired temperature gradient.
La figura 2 illustra una rappresentazione non limitativa in di una possibile variante realizzativa per la guida d’onda (5b) in cui la sintonizzazione della lunghezza d’onda media e della larghezza spettrale della radiazione di “stimolo” sono controllate termicamente. Figure 2 illustrates a non-limiting representation of a possible embodiment variant for the waveguide (5b) in which the tuning of the average wavelength and the spectral width of the "stimulus" radiation are thermally controlled.
Nel riquadro (90) è presentata una vista in parziale sezione in cui la fibra ottica (91) che costituisce la guida d’onda (5b) è avvolta sulla superficie laterale esterna di un nucleo cilindrico cavo (93) di diametro esterno (∅D) opportuno e ricavato da un materiale caratterizzato da una conducibilità termica opportuna. Detto nucleo cilindrico (93) presenta due espansioni polari assiali (92, 94) nella propria cavità interna tra le quali è accoppiata almeno una prima macchina termica (95) atta a stabilire e mantenere una differenza di temperatura tra le espansioni polari (92, 94) stesse. Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, la macchina termica (95) potrà essere costituita da un elemento termoelettrico ad effetto Peltier in cui è forzata una corrente elettrica attraverso i reofori di collegamento (96a, 96b). The inset (90) shows a partial section view in which the optical fiber (91) which constitutes the wave guide (5b) is wound on the external lateral surface of a hollow cylindrical core (93) of external diameter (∅D ) suitable and obtained from a material characterized by a suitable thermal conductivity. Said cylindrical core (93) has two axial pole pieces (92, 94) in its internal cavity between which at least a first thermal machine (95) is coupled, able to establish and maintain a temperature difference between the pole pieces (92, 94 ) same. Conveniently, although not necessarily for the purposes of protection of this document, the thermal machine (95) can be constituted by a thermoelectric element with Peltier effect in which an electric current is forced through the connection leads (96a, 96b).
Il dispositivo può inoltre comprendere anche almeno una seconda macchina termica (98) accoppiata ad una delle espansioni polari (94) o in un altro punto conveniente del circuito termico, con la funzione di controllare la temperatura assoluta in un punto del nucleo che potrà convenientemente coincidere con una sua espansione polare, imponendo un flusso di calore da/verso l’ambiente esterno attraverso il dissipatore (99). Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, anche la seconda macchina termica (98) potrà essere costituita da un elemento termoelettrico ad effetto Peltier in cui è forzata una corrente elettrica attraverso reofori di collegamento (100a, 100b). Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, il nucleo potrà essere circondato da un materiale termicamente isolante (97). Convenientemente potranno essere inoltre presenti almeno un sensore di temperatura ad esempio sulle estremità polari (92, 94) ed almeno un sistema di regolazione in retroazione atto a stabilizzare la temperatura in almeno due punti del nucleo, che convenientemente potranno coincidere con le estremità polari (92, 94), a valori selezionati opportunamente. The device can also comprise at least a second thermal machine (98) coupled to one of the pole pieces (94) or in another convenient point of the thermal circuit, with the function of controlling the absolute temperature in a point of the core which can conveniently coincide with its polar expansion, imposing a flow of heat from / to the external environment through the heat sink (99). Conveniently, even if not necessarily for the purposes of protection of the present document, also the second thermal machine (98) can be constituted by a thermoelectric element with Peltier effect in which an electric current is forced through connection leads (100a, 100b). Conveniently, although not necessarily for the purposes of protection of the present document, the core can be surrounded by a thermally insulating material (97). Conveniently, at least one temperature sensor may also be present, for example on the polar ends (92, 94) and at least one feedback control system suitable for stabilizing the temperature in at least two points of the core, which may conveniently coincide with the polar ends (92 , 94), at appropriately selected values.
La figura 3 illustra una rappresentazione di principio non limitativa in di una possibile variante realizzativa per la guida d’onda (5c) in cui la sintonizzazione della larghezza spettrale della radiazione di “stimolo” è controllata attraverso l’imposizione dello stato di deformazione meccanica. Figure 3 illustrates a non-limiting principle representation of a possible variant embodiment for the waveguide (5c) in which the tuning of the spectral width of the "stimulus" radiation is controlled through the imposition of the mechanical deformation state.
Nel riquadro (106) è mostrata una struttura assimilabile ad una trave (101) appoggiata agli estremi su cerniere (102a, 102b) e all’intradosso ed estradosso della quale è resa continuamente solidale una fibra ottica (91) che costituisce la guida d’onda (5c). Nel riquadro (107) la trave (101) è mostrata nella sua configurazione deformata a seguito dell’applicazione di un carico concentrato (103) in mezzeria, tale da imporre una distribuzione lineare di momento flettente (105) che risulta nulla in corrispondenza degli appoggi e raggiunge il valore massimo in corrispondenza della mezzeria, con una distribuzione antisimmetrica di tensioni e deformazioni (104) nell’altezza della trave che raggiunge i livelli massimi di trazione e compressione rispettivamente all’estradosso e all’intradosso, valori che sono di conseguenza trasferiti alla fibra ottica. In the box (106) is shown a structure similar to a beam (101) resting at the ends on hinges (102a, 102b) and at the intrados and extrados of which an optical fiber (91) which constitutes the guide of the wave (5c). In box (107) the beam (101) is shown in its deformed configuration following the application of a concentrated load (103) in the middle, such as to impose a linear distribution of bending moment (105) which is zero at the supports and reaches the maximum value at the centerline, with an anti-symmetrical distribution of stresses and deformations (104) in the height of the beam that reaches the maximum levels of traction and compression respectively at the extrados and intrados, values which are consequently transferred to the optical fiber.
Il sistema illustrato potrà essere inoltre dotato di sistemi atti ad applicate una trazione o compressione normale, diretta cioè lungo l’asse della trave (101) al fine di imporre uno spostamento della lunghezza d’onda media attraverso una ulteriore deformazione costante tanto per l’intradosso quanto per l’estradosso, il sistema illustrato potrà essere altresì dotato, eventualmente anche in aggiunta, di sistemi atti a controllare la temperatura e/o il gradiente termico della fibra ottica (91). The illustrated system may also be equipped with systems suitable for applying a normal traction or compression, that is, directed along the axis of the beam (101) in order to impose a shift of the average wavelength through a further constant deformation both for the intrados as well as for extrados, the illustrated system may also be equipped, possibly also in addition, with systems suitable for controlling the temperature and / or the thermal gradient of the optical fiber (91).
La figura 4 illustra una parziale rappresentazione schematica non limitativa di un dispositivo BOTDA per misura di guadagno Brillouin stimolato secondo la presente invenzione caratterizzato da una configurazione di collegamento “in trasmissione” della fibra sensore e comprendente il sistema atto a generare contemporaneamente la radiazione di “pompaggio Brillouin” amplificata e la radiazione a larga banda di “stimolo Brillouin” oggetto della presente invenzione e già illustrata nella figura 2. Figure 4 illustrates a partial non-limiting schematic representation of a BOTDA device for measuring the stimulated Brillouin gain according to the present invention characterized by a "transmission" connection configuration of the sensor fiber and comprising the system capable of simultaneously generating the "pumping radiation Brillouin ”amplified and the broadband radiation of“ Brillouin stimulus ”object of the present invention and already illustrated in Figure 2.
In aggiunta a quanto già descritto nella figura 2, il dispositivo di figura 4 comprende mezzi generare impulsi ottici delle radiazioni di “pompaggio ottico” (30) e di “stimolo” (34), impulsi che sono instradati rispettivamente ad una prima estremità (36) ed alla estremità opposta (38) di una fibra ottica sensore (37), non necessariamente facente parte dell’apparato e ad esso collegata anche solo temporaneamente attraverso mezzi di connessione (71, 72), secondo una configurazione di contro-propagazione degli impulsi stessi. In addition to what has already been described in Figure 2, the device of Figure 4 comprises means to generate optical pulses of the "optical pumping" (30) and "stimulus" (34) radiations, pulses which are respectively routed to a first end (36 ) and to the opposite end (38) of an optical sensor fiber (37), not necessarily part of the apparatus and connected to it even only temporarily through connection means (71, 72), according to a pulse counter-propagation configuration themselves.
Gli interruttori (30) e (34) sono comandati rispettivamente da generatori di impulsi (31) e (33) tra loro sincronizzati mediante almeno una unità di ritardo/anticipo controllabile (32) al fine di interrogare selettivamente porzioni distinte di fibra sensore selezionate lungo la lunghezza della stessa, controllando arbitrariamente il punto di sovrapposizione degli impulsi di “pompaggio ottico” e di “stimolo”. The switches (30) and (34) are respectively controlled by pulse generators (31) and (33) synchronized to each other by means of at least one controllable delay / advance unit (32) in order to selectively interrogate distinct portions of sensor fiber selected along its length, by arbitrarily controlling the point of overlap of the "optical pumping" and "stimulus" pulses.
L’apparato comprende inoltre almeno un mezzo di instradamento direzionale (35) della radiazione atto a prelevare l’impulso di “stimolo” dopo che esso ha terminato di propagarsi nella fibra sensore (37) ed ha interagito per dispersione Brillouin stimolata con l’impulso di “pompaggio ottico” nel punto desiderato, ed instradare detto impulso verso almeno un mezzo atto ad analizzarne le caratteristiche spettrali. The apparatus also comprises at least one directional radiation routing means (35) suitable for picking up the "stimulus" impulse after it has finished propagating in the sensor fiber (37) and has interacted by dispersion Brillouin stimulated with the impulse of "optical pumping" in the desired point, and to route said impulse towards at least one means suitable for analyzing its spectral characteristics.
Convenientemente, anche se non esclusivamente ai fini di protezione del presente documento, detto impulso sarà instradato verso almeno un dispositivo di dispersione cromatica (114) atto a separarne in modo opportuno le componenti spettrali nel dominio del tempo. Convenientemente, anche se non esclusivamente ai fini di protezione del presente documento, il dispositivo di dispersione cromatica (114) comprenderà almeno un mezzo di accoppiamento (115) atto ad iniettare l’impulso da analizzare in un circuito ad anello (119) comprendente almeno un elemento di dispersione cromatica (118) e mezzi atti a permettere il ricircolo dell’impulso con separazione opportuna e perdite ottiche tollerabili, affinché il processo di dispersione possa essere reiterato una pluralità di volte. Conveniently, even if not exclusively for the purposes of protection of the present document, said pulse will be routed towards at least one chromatic dispersion device (114) suitable for suitably separating its spectral components in the time domain. Conveniently, although not exclusively for the purposes of protection of the present document, the chromatic dispersion device (114) will comprise at least one coupling means (115) suitable for injecting the pulse to be analyzed into a loop circuit (119) comprising at least one chromatic dispersion element (118) and means suitable for allowing the recirculation of the pulse with appropriate separation and tolerable optical losses, so that the dispersion process can be repeated a plurality of times.
In particolare, anche se non esclusivamente ai fini di protezione del presente documento, il circuito ad anello del dispositivo di dispersione cromatica (114) comprenderà inoltre almeno un amplificatore ottico (116) in grado di compensare almeno in parte l’attenuazione subita dall’impulso nel corso del ricircolo, almeno una linea di ritardo (120) atta a mantenere un isolamento temporale sufficientemente elevato dell’impulso stesso in considerazione della propria crescente dispersione cromatica, e mezzi di estrazione (121) atti a prelevare almeno una frazione dell’impulso stesso. In particular, although not exclusively for the purposes of protection of this document, the loop circuit of the chromatic dispersion device (114) will also comprise at least one optical amplifier (116) capable of at least partially compensating for the attenuation suffered by the pulse during the recirculation, at least one delay line (120) suitable for maintaining a sufficiently high temporal isolation of the pulse itself in consideration of its increasing chromatic dispersion, and extraction means (121) suitable for withdrawing at least a fraction of the pulse itself .
Quanto estratto dal dispositivo di dispersione cromatica (114) verrà infine diretto ad almeno un rivelatore elettroottico (39) sufficientemente veloce la cui uscita elettrica sarà opportunamente digitalizzata da almeno un convertitore (40). What is extracted from the chromatic dispersion device (114) will finally be directed to at least a sufficiently fast electro-optical detector (39) whose electrical output will be suitably digitized by at least one converter (40).
I mezzi di amplificazione (116) del dispositivo di dispersione cromatica (114) potranno comprendere almeno un amplificatore in fibra ottica drogata con Erbio o altro elemento accompagnato dalla relativa sorgente di pompaggio (123) ed opportuni mezzi di accoppiamento (122), e/o almeno un amplificatore ottico a semiconduttore (SOA), e/o almeno un amplificatore ottico per dispersione Raman stimolata accompagnato dalla relativa sorgente di pompaggio ed opportuni mezzi di accoppiamento. L’apparato comprenderà inoltre un sistema di “blanking” (124) controllabile arbitrariamente e atto a ridurre transitoriamente il guadagno dell’amplificatore ottico (116) e/o ad introdurre perdite ottiche aggiuntive nel circuito di dispersione cromatica (114) al fine di purgarlo rapidamente da qualsiasi radiazione vi stia attualmente circolando e preparalo in tale modo all’analisi di un nuovo impulso. The amplification means (116) of the chromatic dispersion device (114) may comprise at least one amplifier in an Erbium-doped optical fiber or other element accompanied by the relative pumping source (123) and suitable coupling means (122), and / or at least one semiconductor optical amplifier (SOA), and / or at least one optical amplifier for stimulated Raman dispersion accompanied by the relative pumping source and suitable coupling means. The apparatus will also comprise a "blanking" system (124) that can be arbitrarily controlled and adapted to transiently reduce the gain of the optical amplifier (116) and / or to introduce additional optical losses in the chromatic dispersion circuit (114) in order to purge it. quickly from whatever radiation is currently circulating in it and thus prepare it for the analysis of a new impulse.
Convenientemente, anche se non esclusivamente o necessariamente ai fini di protezione del presente documento, l’elemento di dispersione cromatica (118) potrà comprendere almeno un riflettore di Bragg distribuito in fibra ottica (117). Convenientemente, anche se non esclusivamente o necessariamente ai fini di protezione del presente documento, l’elemento di dispersione cromatica (118) potrà comprendere almeno una guida d’onda con caratteristiche di dispersione cromatica opportune. Convenientemente, anche se non esclusivamente ai fini di protezione del presente documento, l’elemento di dispersione cromatica (118) comprenderà almeno un reticolo di Bragg (117) del tipo “chirped” ed eventualmente anche “apodized”, esso potrà in aggiunta comprendere mezzi per regolare o stabilizzare lo stato di deformazione meccanica e/o di temperatura del suddetto reticolo al fine di controllarne le caratteristiche di dispersione cromatica. Potrà essere anche eventualmente presente almeno un circolatore ottico o un mezzo di accoppiamento atto a garantire un corretto instradamento dei segnali da e verso il riflettore Bragg (117). Conveniently, although not exclusively or necessarily for the purposes of protection of this document, the chromatic dispersion element (118) may include at least one Bragg reflector distributed in optical fiber (117). Conveniently, even if not exclusively or necessarily for the purposes of protecting this document, the chromatic dispersion element (118) may include at least one wave guide with appropriate chromatic dispersion characteristics. Conveniently, even if not exclusively for the purposes of protection of this document, the chromatic dispersion element (118) will comprise at least one Bragg grating (117) of the "chirped" and possibly also "apodized" type, it may additionally include means to regulate or stabilize the state of mechanical deformation and / or temperature of the aforementioned grating in order to control its chromatic dispersion characteristics. There may also be at least one optical circulator or a coupling means suitable for ensuring correct routing of the signals to and from the Bragg reflector (117).
Il riquadro (111) illustra schematicamente lo spettro atteso sul ramo di uscita (7) del circuito ad anello (2b) e che nella fattispecie costituisce la radiazione di “pompaggio Brillouin”. Box (111) schematically illustrates the expected spectrum on the output branch (7) of the loop circuit (2b) and which in this case constitutes the "Brillouin pumping" radiation.
Il riquadro (110) illustra schematicamente lo spettro atteso sul ramo di uscita (11) del circuito ad anello (2b) e che costituisce la radiazione di “stimolo Brillouin”. Box (110) schematically illustrates the expected spectrum on the output branch (11) of the ring circuit (2b) and which constitutes the “Brillouin stimulus” radiation.
Il riquadro (112) illustra schematicamente lo spettro che l’impulso di “stimolo Brillouin” assume in uscita dalla fibra sensore (37) per effetto delle interazioni Brillouin stimolate che hanno avuto luogo nel punto della stessa attualmente in esame. Box (112) schematically illustrates the spectrum that the "Brillouin stimulus" impulse assumes at the output of the sensor fiber (37) due to the stimulated Brillouin interactions that took place at the point of the same currently under examination.
Il riquadro (125) illustra schematicamente l’andamento temporale dell’intensità di radiazione all’uscita del dispositivo di dispersione cromatica (114) quando esso abbia ricevuto in ingresso un impulso con spettro uguale a quello illustrato nel riquadro (112). The box (125) schematically illustrates the temporal trend of the radiation intensity at the output of the chromatic dispersion device (114) when it has received an input pulse with a spectrum equal to that shown in the box (112).
Infine il riquadro (126) illustra schematicamente l’andamento temporale dell’intensità di radiazione all’uscita del dispositivo di dispersione cromatica (114) quando esso abbia ricevuto in ingresso un impulso con spettro analogo a quello illustrato nel riquadro (111). Finally, the box (126) schematically illustrates the temporal trend of the radiation intensity at the output of the chromatic dispersion device (114) when it has received an input pulse with a spectrum similar to that shown in the box (111).
L’apparato comprenderà inoltre almeno un sistema di controllo ed elaborazione (41) atto a: The apparatus will also include at least a control and processing system (41) suitable for:
- comandare la sintonizzazione della lunghezza d’onda media e della larghezza di banda della sorgente Brillouin ad anello (2b) attraverso il controllo delle condizioni di temperatura e/o deformazione della guida d’onda (5b); - control the tuning of the average wavelength and bandwidth of the Brillouin ring source (2b) by controlling the temperature conditions and / or deformation of the waveguide (5b);
- controllare e sincronizzare il generatore di impulsi (31); - checking and synchronizing the pulse generator (31);
- controllare il generatore di ritardo programmabile (32) ed il generatore di impulsi (33); - controlling the programmable delay generator (32) and the pulse generator (33);
- raccogliere informazioni dal convertitore (40) sull’andamento temporale dell’intensità della radiazione che giunge al rivelatore (39); - collect information from the converter (40) on the time course of the intensity of the radiation reaching the detector (39);
- comandare il sistema di “blanking” (124) per arrestare la propagazione eventualmente ricircolante nel circuito di dispersione cromatica (114) e predisporlo al trattamento di un nuovo impulso; - controlling the "blanking" system (124) to stop any propagation recirculating in the chromatic dispersion circuit (114) and prepare it for the treatment of a new pulse;
- mezzi per interfacciarsi con un operatore e/o un canale di comunicazione in generale al fine di scambiare informazioni e/o istruzioni. - means for interfacing with an operator and / or a communication channel in general in order to exchange information and / or instructions.
Detti mezzi di controllo ed elaborazione (41) saranno inoltre organizzati in modo da poter interrogare la fibra sensore (37) ricostruendo la distribuzione dello spostamento di lunghezza d’onda della dispersione Brillouin stimolata lungo la lunghezza della fibra sensore (37) stessa secondo un algoritmo in cui: Said control and processing means (41) will also be organized so as to be able to interrogate the sensor fiber (37) by reconstructing the distribution of the wavelength shift of the stimulated Brillouin dispersion along the length of the sensor fiber (37) itself according to an algorithm in which:
a) la sorgente Brillouin ad anello (2b) è sintonizzata ad emettere radiazione di “stimolo Brillouin” con lunghezza d’onda media e larghezza spettrale opportune; a) the ring Brillouin source (2b) is tuned to emit "Brillouin stimulus" radiation with appropriate average wavelength and spectral width;
b) il circuito di dispersione cromatica (114) viene purgato da eventuale radiazione che vi stia ricircolando attivando momentaneamente il sistema di “blanking” (124); b) the chromatic dispersion circuit (114) is purged of any radiation that is recirculating there, momentarily activating the "blanking" system (124);
c) viene attivato il generatore di impulsi (31) per generare un impulso di “stimolo Brillouin”; c) the pulse generator (31) is activated to generate a "Brillouin stimulus" pulse;
d) viene raccolto l’andamento in funzione del tempo dell’intensità della radiazione di “stimolo Brillouin” che non è stata modificata da interazioni Brillouin stimolate nella fibra sensore dopo che essa ha subito una opportuna dispersione cromatica (impulso di riferimento); d) the trend is collected as a function of time of the intensity of the "Brillouin stimulus" radiation that has not been modified by Brillouin interactions stimulated in the sensor fiber after it has undergone an appropriate chromatic dispersion (reference pulse);
e) il circuito di dispersione cromatica (114) viene purgato da eventuale radiazione che vi stia ricircolando attivando momentaneamente il sistema di “blanking” (124); e) the chromatic dispersion circuit (114) is purged of any radiation that is recirculating therein, momentarily activating the "blanking" system (124);
f) viene attivato il generatore di impulsi (31) per generare un impulso di “stimolo Brillouin” con forma d’onda, durata temporale e ritardo (o anticipo) di sincronizzazione opportuni e viene attivato anche il generatore di impulsi (33) con una opportuna sincronizzazione temporale (32) per generare un impulso di “pompaggio Brillouin” con forma d’onda e durata temporale opportune; f) the pulse generator (31) is activated to generate a "Brillouin stimulus" pulse with an appropriate waveform, time duration and delay (or advance) of synchronization and the pulse generator (33) is also activated with a appropriate time synchronization (32) to generate a "Brillouin pumping" pulse with suitable waveform and time duration;
g) viene raccolto l’andamento in funzione del tempo dell’intensità della radiazione di “stimolo Brillouin” che è stata modificata da interazioni Brillouin stimolate nella fibra sensore, dopo che essa ha subito una opportuna dispersione cromatica (impulso di misura); h) le operazioni di cui ai punti da b) a g) vengono ripetute variando opportunamente il ritardo di sincronizzazione affinché tutta la lunghezza di interesse del sensore (37) sia analizzata; g) the trend is collected as a function of time of the intensity of the "Brillouin stimulus" radiation which has been modified by Brillouin interactions stimulated in the sensor fiber, after it has undergone an appropriate chromatic dispersion (measurement pulse); h) the operations referred to in points b) to g) are repeated by suitably varying the synchronization delay so that the entire length of interest of the sensor (37) is analyzed;
i) i dati raccolti vengono interpolati e analizzati con l’obiettivo di identificare la distribuzione lungo il sensore della lunghezza d’onda di dispersione Brillouin cui si ha la massima amplificazione della radiazione di stimolo. i) the collected data are interpolated and analyzed with the aim of identifying the distribution along the sensor of the Brillouin dispersion wavelength at which there is the maximum amplification of the stimulus radiation.
Detti mezzi di controllo ed elaborazione (41) potranno in aggiunta, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, implementare tecniche di riduzione del rumore attraverso medie tra molteplici cicli di misura e/o correggere i dati elaborati sulla base delle altre informazioni rilevate all’interno del sistema stesso e/o in punti lungo il circuito di misura in cui sono presenti condizioni di temperatura e/o deformazioni misurabili o comunque note. Said control and processing means (41) may in addition, although not necessarily for the purposes of protection of this document, implement noise reduction techniques through averages between multiple measurement cycles and / or correct the data processed on the basis of other information. detected within the system itself and / or in points along the measuring circuit where there are temperature conditions and / or measurable or otherwise known deformations.
Detti mezzi di controllo ed elaborazione (41) potranno in aggiunta, anche se se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, implementare tecniche di rivelazione “a soglia” in cui l’analisi della dispersione Brillouin nella fibra sensore (37) è limitata ad un intervallo più ristretto di lunghezze d’onda al fine di produrre, in un tempo di misura molto più ridotto, una informazione esclusivamente qualitativa sul mero superamento di un valore di soglia di temperatura e/o deformazione lungo la fibra stessa. Said control and processing means (41) may in addition, even if not necessarily for the purposes of protection of this document, implement "threshold" detection techniques in which the analysis of the Brillouin dispersion in the sensor fiber (37) is limited. to a narrower range of wavelengths in order to produce, in a much shorter measurement time, exclusively qualitative information on the mere exceeding of a threshold value of temperature and / or deformation along the fiber itself.
La figura 5 illustra una parziale rappresentazione schematica non limitativa di un dispositivo BOTDA per misura di perdita Brillouin stimolata secondo la presente invenzione, caratterizzato da una configurazione di collegamento “in trasmissione” della fibra sensore e comprendente un sistema atto a generare la radiazione di “pompaggio Brillouin” derivato da quello già illustrato nella figura 2. Figure 5 illustrates a partial non-limiting schematic representation of a BOTDA device for measuring stimulated Brillouin loss according to the present invention, characterized by a "transmission" connection configuration of the sensor fiber and comprising a system suitable for generating the "pumping radiation Brillouin ”derived from the one already illustrated in Figure 2.
Nello schema illustrato la radiazione di inseminazione con lunghezza d’onda λ0e spettro qualitativamente illustrato nel riquadro (138) è iniettata in un primo circuito ottico ad anello (130) caratterizzato da un primo mezzo di propagazione guidata (134) mantenuto in condizioni di temperatura e deformazione uniformi e controllate, al fine di produrre una radiazione amplificata con le stesse caratteristiche di quella di inseminazione su un primo ramo di uscita (137) ed una radiazione laser Brillouin su un secondo ramo di uscita (136) il cui spettro, qualitativamente illustrato nel riquadro (139) è caratterizzato da una componente a banda stretta avente lunghezza d’onda λ0+∆λ, incrementata cioè di una quantità ∆λ sintonizzabile opportunamente rispetto all’inseminazione. La radiazione di inseminazione amplificata sul primo ramo di uscita (137) è successivamente iniettata in un secondo circuito ottico ad anello (2b) simile al tipo descritto con riferimento alla figura 2 e caratterizzato da un secondo mezzo di propagazione guidata (5b) avente valor medio e gradiente di temperatura e/o deformazione controllati in modo da generare su un terzo ramo di uscita (133) una radiazione Brillouin amplificata con lunghezza d’onda media opportuna e avente larghezza spettrale opportunamente ampia, come qualitativamente illustrato nel riquadro (140). In the illustrated scheme, the insemination radiation with wavelength λ0e spectrum qualitatively illustrated in box (138) is injected into a first ring optical circuit (130) characterized by a first guided propagation medium (134) maintained under temperature and uniform and controlled deformation, in order to produce an amplified radiation with the same characteristics as that of insemination on a first output branch (137) and a Brillouin laser radiation on a second output branch (136) whose spectrum, qualitatively illustrated in box (139) is characterized by a narrow band component having wavelength λ0 + ∆λ, that is, increased by an appropriately tunable quantity ∆λ with respect to insemination. The amplified seeding radiation on the first output branch (137) is subsequently injected into a second optical ring circuit (2b) similar to the type described with reference to Figure 2 and characterized by a second guided propagation medium (5b) having an average value and temperature gradient and / or deformation controlled so as to generate on a third output branch (133) an amplified Brillouin radiation with a suitable average wavelength and having a suitably wide spectral width, as qualitatively illustrated in box (140).
La radiazione disponibile sul secondo ramo di uscita (136) è invece iniettata in un terzo circuito ottico ad anello (131), simile al primo circuito ottico ad anello (130) e caratterizzato da un terzo mezzo di propagazione guidata (135) mantenuto in condizioni di temperatura e deformazione uniformi e controllate al fine di produrre su un quarto ramo di uscita (132) una radiazione laser Brillouin il cui spettro, qualitativamente illustrato nel riquadro (141) è caratterizzato da una componente a banda stretta avente lunghezza d’onda λ0+2∆λ, incrementata cioè di una quantità 2∆λ sintonizzabile opportunamente rispetto all’inseminazione iniziale. The radiation available on the second output branch (136) is instead injected into a third ring optical circuit (131), similar to the first ring optical circuit (130) and characterized by a third guided propagation medium (135) maintained under conditions of uniform and controlled temperature and deformation in order to produce on a fourth output branch (132) a Brillouin laser radiation whose spectrum, qualitatively illustrated in box (141) is characterized by a narrow band component having a wavelength λ0 + 2∆λ, that is increased by an appropriately tunable 2∆λ quantity with respect to the initial insemination.
Analogamente a quanto già illustrato con riferimento alla figura 4, l’apparato dispone in aggiunta di mezzi atti a iniettare ai capi opposti (36, 38) della fibra sensore (37) due impulsi di radiazione aventi durata temporale e ritardo reciproco opportuni. Nella fattispecie ad una prima estremità (36) verrà iniettato un impulso di “pompaggio Brillouin” avente lunghezza d’onda λ0+2∆λ, mentre all’estremo opposto (38) verrà iniettato un impulso di “stimolo anti-Stokes Brillouin” a spettro sufficientemente largo e con lunghezza d’onda media sufficientemente vicina al valore λ0+∆λ. L’apparato dispone inoltre di mezzi di accoppiamento direzionale (35) atti a raccogliere l’impulso della radiazione di “stimolo anti-Stokes” all’uscita dalla fibra sensore (37) il cui spettro potrà essere alterato dai fenomeni di dispersione Brillouin stimolata all’interno del sensore stesso come qualitativamente illustrato nel riquadro (142) e di almeno un mezzo per analizzarne il contenuto spettrale. Similarly to what has already been illustrated with reference to Figure 4, the apparatus additionally has means for injecting at the opposite ends (36, 38) of the sensor fiber (37) two pulses of radiation having an appropriate time duration and mutual delay. In this case, a "Brillouin pumping" impulse with wavelength λ0 + 2∆λ will be injected at a first end (36), while at the opposite end (38) an "anti-Stokes Brillouin stimulus" impulse will be injected to sufficiently wide spectrum and with mean wavelength sufficiently close to the value λ0 + ∆λ. The apparatus also has directional coupling means (35) suitable for collecting the impulse of the "anti-Stokes stimulus" radiation at the output from the sensor fiber (37) whose spectrum may be altered by the phenomena of Brillouin dispersion stimulated at the the inside of the sensor itself as qualitatively illustrated in box (142) and of at least one means for analyzing its spectral content.
Convenientemente, anche se non esclusivamente ai fini di protezione del presente documento, l’impulso da analizzare sarà instradato verso almeno un dispositivo di dispersione cromatica (114) analogo a quanto già descritto con riferimento alla figura 4 e l’apparato comprenderà inoltre almeno una unità di controllo ed elaborazione (41) atta a comandare l’apparato stesso in modo analogo a quanto già descritto per la figura 4 ed elaborare i dati raccolti con l’obiettivo di identificare la distribuzione lungo il sensore della lunghezza d’onda di dispersione Brillouin cui si ha in questa variante il massimo assorbimento della radiazione di stimolo. Conveniently, even if not exclusively for the purposes of protection of this document, the pulse to be analyzed will be routed towards at least one chromatic dispersion device (114) similar to what has already been described with reference to Figure 4 and the apparatus will also comprise at least one unit control and processing (41) suitable for controlling the apparatus itself in a similar way to what has already been described for Figure 4 and processing the data collected with the aim of identifying the distribution along the sensor of the Brillouin dispersion wavelength which in this variant there is the maximum absorption of the stimulus radiation.
L’apparato di cui alla figura 5 potrà essere inoltre caratterizzato da peculiarità aggiuntive o varianti analoghe a quanto già descritto. The apparatus referred to in Figure 5 may also be characterized by additional features or variants similar to those already described.
La figura 6 illustra una parziale rappresentazione schematica non limitativa di una ulteriore variante del dispositivo BOTDA per misura di guadagno Brillouin stimolato secondo la presente invenzione caratterizzato da una configurazione di collegamento “in trasmissione” della fibra sensore e comprendente un sistema atto a generare la radiazione a larga banda di “stimolo Brillouin” assimilabile a quanto illustrato nella figura 2. Figure 6 illustrates a partial non-limiting schematic representation of a further variant of the BOTDA device for measuring the stimulated Brillouin gain according to the present invention characterized by a "transmission" connection configuration of the sensor fiber and comprising a system suitable for generating the radiation at broad band of "Brillouin stimulus" similar to what is illustrated in Figure 2.
Nella variante di cui alla figura 6 una frazione della radiazione di inseminazione con lunghezza d’onda λ0e bassa larghezza spettrale è iniettata in un primo circuito ottico ad anello (114) caratterizzato da un primo mezzo di propagazione guidata (118) mantenuto in condizioni di temperatura e deformazione uniformi e controllate e produrre sia una radiazione amplificata con le stesse caratteristiche di quella di inseminazione su un primo ramo di uscita (123) che una radiazione laser Brillouin su un secondo ramo di uscita (124) il cui spettro, qualitativamente illustrato nel riquadro (126) è caratterizzato da una componente a banda stretta avente lunghezza d’onda λ0+∆λ1, incrementata cioè di una quantità ∆λ1sintonizzabile opportunamente. La restante frazione della radiazione di inseminazione è iniettata in un secondo circuito ottico ad anello (2b) simile al tipo descritto con riferimento alla figura 2 e caratterizzato da un secondo mezzo di propagazione guidata (5b) avente valor medio e gradiente di temperatura e/o deformazione controllati in modo da generare su un terzo ramo di uscita (11) una radiazione Brillouin amplificata avente lunghezza d’onda media opportuna e larghezza spettrale opportunamente ampia, come qualitativamente illustrato nel riquadro (111). In the variant referred to in Figure 6, a fraction of the insemination radiation with wavelength λ0 and low spectral width is injected into a first ring optical circuit (114) characterized by a first guided propagation medium (118) maintained under temperature conditions and uniform and controlled deformation and produce both an amplified radiation with the same characteristics as that of insemination on a first output branch (123) and a Brillouin laser radiation on a second output branch (124) whose spectrum, qualitatively illustrated in the box (126) is characterized by a narrow band component having wavelength λ0 + ∆λ1, i.e. increased by an appropriately tunable quantity ∆λ1. The remaining fraction of the seeding radiation is injected into a second optical ring circuit (2b) similar to the type described with reference to Figure 2 and characterized by a second guided propagation medium (5b) having an average value and temperature gradient and / or deformation controlled so as to generate on a third output branch (11) an amplified Brillouin radiation having a suitable average wavelength and a suitably wide spectral width, as qualitatively illustrated in box (111).
Analogamente a quanto già illustrato con riferimento alla figura 4, l’apparato dispone in aggiunta di mezzi atti generare e a iniettare ai capi opposti (36, 38) della fibra sensore (37) due impulsi di radiazione aventi durata temporale e ritardo reciproco opportuni. Nella fattispecie ad una prima estremità (36) verrà iniettato un impulso di “pompaggio Brillouin” a banda stretta e con lunghezza d’onda λ0, mentre al capo opposto (38) verrà iniettato un impulso di “stimolo Brillouin” prelevato dal terzo ramo di uscita (111). L’apparato dispone inoltre di mezzi di accoppiamento direzionale (35) atti a raccogliere l’impulso della radiazione di “stimolo anti-Stokes” all’uscita dalla fibra sensore (37) e che può essere caratterizzata da uno spettro alterato dai fenomeni di dispersione Brillouin stimolata all’interno del sensore stesso come qualitativamente illustrato nel riquadro (112), di almeno un mezzo di accoppiamento (125) in cui detta radiazione viene mescolata con quella prelevata al secondo ramo di uscita (124) secondo un principio di eterodina, e di almeno un mezzo per convertire la radiazione risultante in una oscillazione elettrica (39), filtrarla opportunamente (113) ed analizzarne il contenuto in frequenza. L’apparato comprenderà inoltre almeno un mezzo di elaborazione e controllo (41) atto a comandarne il funzionamento ed elaborare i dati raccolti in modo opportuno. Similarly to what has already been illustrated with reference to Figure 4, the apparatus additionally has means for generating and injecting at the opposite ends (36, 38) of the sensor fiber (37) two pulses of radiation having an appropriate time duration and mutual delay. In this case, a narrow band "Brillouin pumping" pulse with wavelength λ0 will be injected at a first end (36), while at the opposite end (38) a "Brillouin stimulus" pulse taken from the third branch of exit (111). The apparatus also has directional coupling means (35) suitable for collecting the impulse of the "anti-Stokes stimulus" radiation at the output from the sensor fiber (37) and which can be characterized by a spectrum altered by dispersion phenomena Brillouin stimulated inside the sensor itself as qualitatively illustrated in box (112), of at least one coupling means (125) in which said radiation is mixed with that taken from the second outlet branch (124) according to a heterodyne principle, and of at least one means for converting the resulting radiation into an electric oscillation (39), suitably filtering it (113) and analyzing its frequency content. The apparatus will also include at least one means of processing and control (41) suitable for controlling its operation and processing the data collected in an appropriate manner.
L’apparato oggetto della presente invenzione potrà inoltre comprendere mezzi aggiunti di amplificazione ottica, e/o mezzi per indurre effetti di amplificazione distribuita Raman nella fibra sensore (129, 129), e/o mezzi per il controllo e/o l’analisi della polarizzazione. The apparatus object of the present invention may further comprise added means for optical amplification, and / or means for inducing distributed Raman amplification effects in the sensor fiber (129, 129), and / or means for controlling and / or analyzing the polarization.
Rimane chiaro che l’ambito di protezione del presente documento è da considerarsi esteso anche ad una possibile variante realizzativa in cui il sistema di analisi spettrale mediante il dispositivo di dispersione cromatica caratterizzato dal circuito ottico ad anello (114) descritto sia utilizzato in abbinamento ad una qualsiasi sorgente o gruppo di sorgenti di radiazione atto ad essere impiegato per realizzare una configurazione di propagazione di impulsi e/o radiazione nella fibra sensore in grado di generare e/o subire dispersione Brillouin. It remains clear that the scope of protection of this document is to be considered extended also to a possible embodiment variant in which the spectral analysis system by means of the chromatic dispersion device characterized by the described ring optical circuit (114) is used in combination with a any source or group of radiation sources adapted to be used to realize a propagation configuration of pulses and / or radiation in the sensor fiber capable of generating and / or undergoing Brillouin dispersion.
Rimane chiaro inoltre che i componenti dell’apparato potranno essere tra loro collegati in una maniera diversa da quanto indicato ma mantenendone le funzionalità principali senza peraltro uscire dall’ambito di protezione del presente documento. It is also clear that the components of the device may be connected to each other in a different way from what is indicated but maintaining the main functions without however going out of the scope of protection of this document.
Risulta infine chiaro che modifiche e varianti possono essere apportate al dispositivo descritto senza peraltro uscire dall’ambito di tutela della presente invenzione. Finally, it is clear that modifications and variations can be made to the described device without however departing from the scope of protection of the present invention.
Claims (10)
Priority Applications (1)
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| IT000144A ITBO20130144A1 (en) | 2013-04-02 | 2013-04-02 | HIGH SPEED INTERVIEWER FOR DISTRIBUTED FIBER-OPTIC SENSORS FOR STIMULATED BRILLOUIN EFFECT USING A BRILLOUIN RING SOURCE WITH CONTROLLABLE BAND WIDTH AND AN ANALYSIS SYSTEM FOR CHROMATIC RECIRCULATION DISPERSION |
Applications Claiming Priority (1)
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| IT000144A ITBO20130144A1 (en) | 2013-04-02 | 2013-04-02 | HIGH SPEED INTERVIEWER FOR DISTRIBUTED FIBER-OPTIC SENSORS FOR STIMULATED BRILLOUIN EFFECT USING A BRILLOUIN RING SOURCE WITH CONTROLLABLE BAND WIDTH AND AN ANALYSIS SYSTEM FOR CHROMATIC RECIRCULATION DISPERSION |
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Family Applications (1)
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| IT000144A ITBO20130144A1 (en) | 2013-04-02 | 2013-04-02 | HIGH SPEED INTERVIEWER FOR DISTRIBUTED FIBER-OPTIC SENSORS FOR STIMULATED BRILLOUIN EFFECT USING A BRILLOUIN RING SOURCE WITH CONTROLLABLE BAND WIDTH AND AN ANALYSIS SYSTEM FOR CHROMATIC RECIRCULATION DISPERSION |
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