ITPI20100046A1 - MEASUREMENT APPARATUS - Google Patents
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Description
Testo allegato alla domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo: Text attached to the patent application for industrial invention entitled:
"APPARATO DI MISURA" "MEASURING APPARATUS"
La presente invenzione è relativa ad un apparato di misura. In particolare, la presente invenzione è relativa ad un apparato di misura di tipo opto-elettronico. Più in particolare la presente invenzione è relativa ad un apparato di misura opto-elettronico impiegabile per monitorare delle caratteristiche fisiche di una struttura architettonica o ingegneristica. The present invention relates to a measuring apparatus. In particular, the present invention relates to an opto-electronic type measuring apparatus. More particularly, the present invention relates to an opto-electronic measuring apparatus which can be used to monitor the physical characteristics of an architectural or engineering structure.
DESCRIZIONE DELLO STATO DELLA TECNICA DESCRIPTION OF THE STATE OF THE ART
Nel campo dell'ingegneria civile ed industriale, ed in particolare nell'ambito della costruzione di strutture di grandi dimensioni, ad esempio gallerie autostradali e ferroviarie, oleodotti, gasdotti, elettrodotti ed impianti industriali in genere, è noto impiegare degli apparati di misura per monitorare con continuità dei parametri strutturali e/o funzionali di tali strutture. In particolare, tali apparati di misura sono comunemente impiegati per controllare l'andamento nel tempo della temperatura della rispettiva struttura. Più in dettaglio tali apparati di misura sono atti a restituire delle informazioni di carattere locale e sono quindi impiegabili per monitorare, in funzione del tempo, la temperatura associata ad una pluralità di porzioni e/o di componenti della struttura ingegneristica da mantenere sotto osservazione. In the field of civil and industrial engineering, and in particular in the construction of large structures, for example motorway and railway tunnels, oil pipelines, gas pipelines, power lines and industrial plants in general, it is known to use measuring equipment to monitor with continuity of the structural and / or functional parameters of these structures. In particular, such measuring apparatuses are commonly used to check the temperature trend of the respective structure over time. More in detail, these measuring apparatuses are able to return information of a local nature and can therefore be used to monitor, as a function of time, the temperature associated with a plurality of portions and / or components of the engineering structure to be kept under observation.
Fra gli apparati di misura impiegati per monitorare lo stato di strutture ingegneristiche o architettoniche, particolare importanza ricoprono i dispositivi optoelettronici basati su delle fibre ottiche. In particolare, tali apparati, comprendono comunemente un dispositivo elettronico di misura provvisto di una sonda a fibra ottica presentante estensione elevata, solitamente dell'ordine delle diverse decine di chilometri. In uso, tale fibra ottica viene accoppiata stabilmente e mantenuta sostanzialmente a contatto con delle porzioni o dei componenti della struttura ingegneristica di cui si desidera monitorare dei rispettivi parametri fisici. Ad esempio, tale fibra ottica potrà correre lungo le tubature di un oleodotto o gasdotto oppure essere inserita all'interno di un cavo per trasporto energia o allocata all'interno di gallerie ferroviarie e autostradali, in modo tale da essere impiegabile per visualizzare l'andamento locale della temperatura di tali elementi. Dall'informazione distribuita del profilo di temperatura della struttura è quindi possibile estrarre informazioni importanti relative al corretto funzionamento della struttura stessa e quindi importanti ai fini della sicurezza e dell'impatto ambientale; per esempio è possibile rilevare precocemente situazioni di incendio in gallerie, surriscaldamenti di cavi energia o perdite in gasdotti ed oleodotti . Among the measuring devices used to monitor the state of engineering or architectural structures, optoelectronic devices based on optical fibers are of particular importance. In particular, such apparatuses commonly comprise an electronic measuring device provided with an optical fiber probe having a high extension, usually of the order of several tens of kilometers. In use, this optical fiber is coupled stably and kept substantially in contact with portions or components of the engineering structure whose respective physical parameters are to be monitored. For example, this optical fiber can run along the pipes of an oil or gas pipeline or be inserted inside an energy transport cable or allocated inside railway and motorway tunnels, so that it can be used to view the trend. local temperature of these elements. From the distributed information of the temperature profile of the structure it is therefore possible to extract important information relating to the correct functioning of the structure itself and therefore important for the purposes of safety and environmental impact; for example it is possible to detect early situations of fire in tunnels, overheating of power cables or leaks in gas and oil pipelines.
A questo punto è opportuno notare che tali strumenti di misura basati su fibre ottiche possono essere suddivisi in varie tipologie in funzione sia della/e grandezza/e fisica/che che sono atti a misurare, sia del principio fisico impiegato per rivelare tale grandezza. In particolare, sono noti degli apparati di misura basati sullo "scattering" o diffusione Raman spontanea, effetto ottico comunemente indicato con 1' acronimo SRS, in cui ogni rispettivo dispositivo opto-elettronico di misura comprende una sorgente ottica, ad esempio un laser, atta ad emettere lungo una fibra ottica comune una pluralità di impulsi luminosi presentanti una durata dell'ordine di nanosecondi o decine di nanosecondi. In uso tali impulsi luminosi percorrono la fibra ottica della sonda per tutta la rispettiva estensione subendo in corrispondenza di ogni tratto di tale fibra ottica un processo di parziale retro-diffusione anelastica noto appunto come scattering Raman . At this point it should be noted that these measuring instruments based on optical fibers can be divided into various types according to both the physical quantity (s) they are capable of measuring, and the physical principle used to detect this quantity. In particular, measurement apparatuses based on "scattering" or spontaneous Raman diffusion, an optical effect commonly indicated with the acronym SRS, are known, in which each respective opto-electronic measuring device comprises an optical source, for example a laser, suitable to emit along a common optical fiber a plurality of light pulses having a duration of the order of nanoseconds or tens of nanoseconds. In use, these light pulses travel along the optical fiber of the probe for the entire respective extension undergoing a process of partial inelastic back-diffusion known as Raman scattering in correspondence with each section of this optical fiber.
Senza addentrarsi nei principi fisici che sono all'origine della radiazione retro diffusa dalla fibra ottica, è opportuno notare che i processi di retro diffusione anelatici dovuti all'interazione Raman generano due componenti spettralmente separate della sorgente, dette rispettivamente riga Raman Anti-Stokes (AS) e riga Raman Stokes (S); in caso di fibra ottica in silica, le righe Raman S e AS sono separate di circa 13 THz dalla sorgente, rispettivamente al di sotto e al di sopra dalla sua frequenza. Without going into the physical principles that are at the origin of the back scattered radiation from the optical fiber, it should be noted that the inelatic back scattering processes due to the Raman interaction generate two spectrally separate components of the source, respectively called Raman Anti-Stokes line (AS ) and Raman Stokes line (S); in case of in silica optical fiber, the Raman S and AS lines are separated by about 13 THz from the source, respectively below and above its frequency.
In particolare, è noto che l'intensità della riga Anti-Stokes (AS) retro riflessa dipende sia dalla temperatura che dalla perdita indotta dalla porzione di fibra in cui è avvenuta l'interazione anelastica che ha dato origine a tale componente Raman AS. Pertanto è noto che per distinguere efficacemente le variazioni di temperatura dalle variazioni di perdita lungo la sonda in fibra ottica, solitamente si monitorizza il rapporto fra le intensità delle righe Raman Anti-Stokes e Stokes, o, in alternativa, il rapporto tra le intensità della riga Anti-Stokes e quella della retro-diffusione Rayleigh alla stessa lunghezza d'onda del laser di pompa. In particular, it is known that the intensity of the retro-reflected Anti-Stokes (AS) line depends both on the temperature and on the loss induced by the fiber portion in which the inelastic interaction that gave rise to this Raman AS component took place. Therefore it is known that in order to effectively distinguish temperature variations from loss variations along the optical fiber probe, the ratio between the intensities of the Anti-Stokes and Stokes Raman lines is usually monitored, or, alternatively, the ratio between the intensities of the Anti-Stokes line and that of the Rayleigh retro-diffusion at the same wavelength as the pump laser.
Pertanto monitorando l'andamento nel tempo di tale rapporto è possibile ottenere delle informazioni relative alla temperatura associata a tali porzioni della fibra ottica e quindi alla struttura architettonica o ingegneristica a cui essa è stabilmente accoppiata. Tale tecnica, che permette di misurare la distribuzione spaziale lungo una fibra ottica di almeno una grandezza fisica, determinata mediante l'analisi di almeno un segnale ottico che viene retro-diffuso elasticamente o anelasticamente da tale fibra ottica, è indicata con il nome di Riflettometria Ottica nel Dominio del Tempo (OTDR) e rappresenta un'evoluzione delle comuni tecniche OTDR basate sulla retro-diffusione elastica della luce, ed impiegate comunemente per misurare la perdita di segnale lungo le fibre ottiche usate per le telecomunicazioni . Therefore, by monitoring the trend over time of this ratio, it is possible to obtain information relating to the temperature associated with these portions of the optical fiber and therefore to the architectural or engineering structure to which it is stably coupled. This technique, which allows to measure the spatial distribution along an optical fiber of at least one physical quantity, determined by analyzing at least one optical signal that is elastically or inelastically retro-diffused by this optical fiber, is indicated by the name of Reflectometry Time Domain Optics (OTDR) and represents an evolution of the common OTDR techniques based on the elastic back-scattering of light, and commonly used to measure the loss of signal along optical fibers used for telecommunications.
Un esempio di apparato di misura opto-elettronico basato sulla retro-diffusione Raman spontanea di impulsi luminosi lungo una rispettiva fibra ottica è descritto nell'articolo scientifico del Dr. G. Bolognini, pubblicato nella rivista scientifica MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY, Voi. 18 No. 10, Ottobre 2007, pagine 3211-3218, dal titolo "Analysis of distributed temperature sensing based on Raman scattering using OTDR coding and discrete Raman amplification". Tale articolo, qui e nel seguito indicato come documento D ed i cui insegnamenti devono considerarsi parte integrante della presente domanda di brevetto, presenta un dispositivo predisposto per misurare lungo una fibra ottica di vari km, l'andamento nel tempo della temperatura locale di tale fibra ottica, dove con il termine locale si intende una risoluzione spaziale che può variare da un minimo di 1 metro fino a decine di metri. An example of an opto-electronic measurement apparatus based on the spontaneous Raman back-scattering of light pulses along a respective optical fiber is described in the scientific article by Dr. G. Bolognini, published in the scientific journal MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY, Vol. 18 No 10, October 2007, pages 3211-3218, entitled "Analysis of distributed temperature sensing based on Raman scattering using OTDR coding and discrete Raman amplification". This article, here and hereafter referred to as document D and the teachings of which must be considered an integral part of this patent application, presents a device designed to measure along an optical fiber of several km, the trend over time of the local temperature of this fiber. optical, where the term local means a spatial resolution that can vary from a minimum of 1 meter up to tens of meters.
Tuttavia è opportuno notare che tali dispositivi di misura basati sul SRS presentano alcuni svantaggi: innanzitutto, principalmente a causa dei bassissimi livelli della potenza al ricevitore della riga Raman Anti-Stokes retro diffusa, le misure di temperatura effettuabili con tali dispositivi non presentano un'elevata sensibilità e pertanto non permettono di rivelare prontamente l'originarsi di nuove temperature locali a distanze elevate e con risoluzioni spaziali soddisfacenti dell'ordine del metro o di pochi metri; al contrario, diventeranno misurabili solamente quando avranno ormai raggiunto un valore significativo. However, it should be noted that these SRS-based measuring devices have some disadvantages: first of all, mainly due to the very low power levels at the receiver of the retro-diffused Raman Anti-Stokes line, the temperature measurements that can be carried out with these devices do not have a high sensitivity and therefore do not allow to promptly reveal the origin of new local temperatures at high distances and with satisfactory spatial resolutions of the order of one meter or a few meters; on the contrary, they will only become measurable when they have reached a significant value.
Inoltre, a causa della marcata attenuazione dei segnali ottici nelle fibre ottiche, gli strumenti di misura basati sul SRS presentano comunemente una portata di misura, cioè una distanza massima entro la quale sono atte a misurare la temperatura, tipicamente inferiore a 20 Km e questo rappresenta un limite significativo quando, ad esempio, si voglia monitorare lo stato di una struttura di estensione maggiore, ad esempio per rilevare le perdite in un oleodotto o in un gasdotto, o sovratemperature lungo in cavo energia o incendi in gallerie di estensione molto elevata. Furthermore, due to the marked attenuation of the optical signals in the optical fibers, the measuring instruments based on the SRS commonly have a measurement range, i.e. a maximum distance within which they are suitable for measuring the temperature, typically less than 20 km and this represents a significant limit when, for example, you want to monitor the state of a structure of greater extension, for example to detect leaks in an oil or gas pipeline, or overtemperatures along the energy cable or fires in very high extension tunnels.
Tecniche di codifica di impulso applicate all'OTDR sono state recentemente proposte in letteratura per superare o alleviare il compromesso fra portata di misura, tempi di misura e risoluzione spaziale ed in temperatura, di apparati di misura opto-elettronici basati sullo scattering Raman spontaneo di radiazioni elettromagnetiche all'interno di una fibra ottica. Tali tecniche di OTDR codificato, sebbene migliorino il rapporto segnale su rumore al ricevitore e quindi la sensibilità della misura di temperatura, non consentono l'impiego efficace di sorgenti laser ad elevata potenza di picco e breve durata d'impulso, tali da risultare competitivi rispetto a tecniche convenzionali a singolo impulso, basate cioè su OTDR convenzionale. Il motivo principale alla base di tale limitazione è legato al fatto che in tali tecniche di OTDR codificato occorre generare treni di impulsi della durata tipica di 10 nanosecondi a frequenze di modulazione di centinaia di MHz; tale operazione può essere implementata efficacemente solo utilizzando particolari sorgenti laser a semiconduttore, modulate direttamente in corrente, con inevitabili limitazioni nella potenza di picco massima utilizzabile in fibra e quindi nelle prestazioni dei relativi strumenti di misura. La necessità di generare treni di impulsi codificati a centinaia di MHz rende impraticabile l'uso di sorgenti laser a più elevata potenza di picco, quali laser in fibra drogata con terre rare, laser Q-switched oppure diodi laser a semiconduttore a larga area di emissione (detti broad area), sia per problemi di affidabilità dei componenti utilizzati che per problemi tecnici legati al controllo dei treni di impulsi necessari nel processo di codifica. I prodotti commerciali disponibili attualmente sul mercato, basati sullo scattering Raman spontaneo, per misura distribuita di temperatura ed utilizzanti OTDR codificato, raggiungono distanze di misura inferiori ai 10 km con risoluzione spaziale dell'ordine del metro, utilizzando fibre multimodali e laser a semiconduttore modulati direttamente, non competitivi rispetto a prodotti commerciali basati su OTDR convenzionale, operanti su distanze superiori a 10 km, ma sempre non soddisfacenti per le attuali richieste di mercato. Pulse coding techniques applied to OTDR have recently been proposed in the literature to overcome or alleviate the compromise between measurement range, measurement times and spatial and temperature resolution of opto-electronic measurement equipment based on spontaneous Raman radiation scattering. electromagnetic within an optical fiber. These coded OTDR techniques, although they improve the signal-to-noise ratio at the receiver and therefore the sensitivity of the temperature measurement, do not allow the effective use of laser sources with high peak power and short pulse duration, such as to be competitive with respect to to conventional single pulse techniques, i.e. based on conventional OTDR. The main reason behind this limitation is linked to the fact that in such coded OTDR techniques it is necessary to generate pulse trains with a typical duration of 10 nanoseconds at modulation frequencies of hundreds of MHz; this operation can be effectively implemented only by using particular semiconductor laser sources, modulated directly in current, with inevitable limitations in the maximum peak power that can be used in the fiber and therefore in the performance of the relative measuring instruments. The need to generate encoded pulse trains at hundreds of MHz makes it impractical to use higher peak power laser sources, such as rare earth doped fiber lasers, Q-switched lasers or large emitting area semiconductor laser diodes (called broad area), both for reliability problems of the components used and for technical problems related to the control of the pulse trains necessary in the coding process. The commercial products currently available on the market, based on spontaneous Raman scattering, for distributed temperature measurement and using coded OTDR, reach measurement distances of less than 10 km with spatial resolution of the order of one meter, using multimode fibers and directly modulated semiconductor lasers. , not competitive with respect to commercial products based on conventional OTDR, operating over distances greater than 10 km, but always not satisfactory for current market demands.
Pertanto, il problema di disporre di un apparato di misura opto-elettronico basato sullo scattering Raman spontaneo di radiazioni elettromagnetiche all'interno di una fibra ottica ed atto, in uso, per misurare la variazione nel tempo della temperatura locale di una struttura ingegneristica o architettonica risulta al momento risolto in modo insoddisfacente e rappresenta una sfida interessante per la richiedente che si è data lo scopo di realizzare un apparato di misura che sia atto a superare i limiti dell'arte nota sopra illustrata. Therefore, the problem of having an opto-electronic measuring apparatus based on the spontaneous Raman scattering of electromagnetic radiations inside an optical fiber and able, in use, to measure the variation over time of the local temperature of an engineering or architectural structure at the moment it is unsatisfactorily resolved and represents an interesting challenge for the applicant who has set herself the aim of realizing a measuring apparatus which is capable of overcoming the limits of the prior art illustrated above.
In particolare, alla luce dello stato della tecnica sopra illustrato, sarebbe auspicabile disporre di un economico ed affidabile apparato di misura opto-elettronico basato sullo scattering Raman spontaneo di impulsi elettromagnetici all'interno di una fibra ottica, che presenti un'elevata sensibilità alla temperatura ed una portata di misura superiore ai 30 Km con risoluzioni spaziali dell'ordine del metro o di pochi metri, risoluzioni in temperatura dell'ordine del grado centigrado e tempi di misura di pochi minuti. In particular, in the light of the state of the art illustrated above, it would be desirable to have an inexpensive and reliable opto-electronic measuring apparatus based on the spontaneous Raman scattering of electromagnetic pulses inside an optical fiber, which has a high sensitivity to temperature. and a measuring range greater than 30 Km with spatial resolutions of the order of one meter or a few meters, temperature resolutions of the order of one degree centigrade and measurement times of a few minutes.
SOMMARIO DELLA PRESENTE INVENZIONE SUMMARY OF THE PRESENT INVENTION
La presente invenzione è relativa ad un apparato di misura. In particolare, la presente invenzione è relativa ad un apparato di misura di tipo opto-elettronico. Più in particolare la presente invenzione è relativa ad un apparato di misura opto-elettronico impiegabile per monitorare delle caratteristiche fisiche di una struttura architettonica o ingegneristica. The present invention relates to a measuring apparatus. In particular, the present invention relates to an opto-electronic type measuring apparatus. More particularly, the present invention relates to an opto-electronic measuring apparatus which can be used to monitor the physical characteristics of an architectural or engineering structure.
Scopo della presente invenzione è realizzare un apparato di misura che permetta di risolvere gli inconvenienti sopra illustrati, e che sia atto a soddisfare un insieme di esigenze allo stato dei fatti ancora senza risposta, e quindi, atto a rappresentare una nuova ed originale fonte di interesse economico, in grado di modificare l'attuale mercato degli apparati di misura. The purpose of the present invention is to provide a measuring apparatus that allows to solve the drawbacks illustrated above, and that is capable of satisfying a set of needs at the state of the art still unanswered, and therefore, capable of representing a new and original source of interest. economic, capable of modifying the current market for measuring equipment.
Secondo la presente invenzione viene realizzato un apparato di misura le cui caratteristiche principali verranno descritte in almeno una delle rivendicazioni che seguono. According to the present invention, a measuring apparatus is provided, the main characteristics of which will be described in at least one of the following claims.
Ulteriore scopo della presente invenzione è fornire un metodo di misura validamente impiegabile per monitorare con continuità delle caratteristiche fisiche di un corpo determinato. A further object of the present invention is to provide a measurement method which can be validly used for continuously monitoring the physical characteristics of a given body.
Secondo la presente invenzione viene fornito un metodo di misura e le caratteristiche principali di tale metodo verranno descritte in almeno una delle rivendicazioni che seguono. According to the present invention, a measurement method is provided and the main characteristics of this method will be described in at least one of the following claims.
BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'apparato di misura secondo la presente invenzione appariranno più chiari dalla descrizione seguente, esposta con riferimento alle figure allegate che ne illustrano alcuni esempi di attuazione non limitativi, nelle quali parti identiche o corrispondenti del dispositivo stesso sono identificate dagli stessi numeri di riferimento. In particolare: Further characteristics and advantages of the measuring apparatus according to the present invention will become clearer from the following description, shown with reference to the attached figures which illustrate some non-limiting embodiments, in which identical or corresponding parts of the device itself are identified by the same numbers of reference. In particular:
- la figura A rappresenta uno spettro di retro-diffusione Raman spontaneo di una radiazione elettromagnetica trasmessa lungo una fibra ottica - figure A represents a spontaneous Raman retro-diffusion spectrum of an electromagnetic radiation transmitted along an optical fiber
- la figura 1 è una vista schematica a blocchi di una prima preferita forma di attuazione di un apparato di misura secondo la presente invenzione; Figure 1 is a block schematic view of a first preferred embodiment of a measuring apparatus according to the present invention;
- la figura 2 illustra una seconda preferita forma di attuazione della figura 1; Figure 2 illustrates a second preferred embodiment of Figure 1;
- la figura 3 illustra dei grafici della potenza ottica associata a dei treni d'impulsi elettromagnetici generati, in uso, all'interno dell'apparato di misura secondo la presente invenzione; Figure 3 illustrates graphs of the optical power associated with trains of electromagnetic pulses generated, in use, within the measuring apparatus according to the present invention;
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLA PRESENTE INVENZIONE DETAILED DESCRIPTION OF THE PRESENT INVENTION
Nella figura 1, con 1 è indicata nel suo complesso un apparato di misura di tipo opto-elettronico impiegabile per monitorare con continuità nel tempo delle caratteristiche fisiche di un corpo 100 determinato. In particolare, come risulterà evidente da quanto segue, l'apparato 1 di misura è preferibilmente atto a misurare localmente la temperatura del corpo 100 che potrà, ad esempio, comprendere una struttura architettonica od ingegneristica come una galleria ferroviaria o un gasdotto o oleodotto, ma anche una centrale nucleare o un cavo energia. A tale scopo, l'apparato 1 di misura è provvisto di una sonda 25 presentante un'estensione L determinata che, in uso, è disposta a contatto con il corpo 100 e permette di effettuare delle misure locali delle proprietà fisiche di tale corpo, cioè delle misure atte a fornire delle informazioni sulle caratteristiche fisiche di porzioni limitate del corpo 100. Pertanto, impiegando una sonda 25 presentante un'estensione L opportunamente commisurata con le dimensioni del corpo 100 sarà possibile conoscere uno stato fisico dell'intero corpo 100 monitorando, ad esempio, la temperatura locale di una pluralità di porzioni contigue del corpo 100 stesso. In Figure 1, 1 indicates as a whole an opto-electronic type measuring apparatus which can be used to continuously monitor the physical characteristics of a given body 100 over time. In particular, as will be evident from the following, the measuring apparatus 1 is preferably adapted to locally measure the temperature of the body 100 which may, for example, comprise an architectural or engineering structure such as a railway tunnel or a gas or oil pipeline, but even a nuclear power plant or an energy cable. For this purpose, the measuring apparatus 1 is provided with a probe 25 having a determined extension L which, in use, is arranged in contact with the body 100 and allows to carry out local measurements of the physical properties of this body, i.e. measures suitable for providing information on the physical characteristics of limited portions of the body 100. Therefore, by using a probe 25 having an extension L suitably commensurate with the dimensions of the body 100 it will be possible to know a physical state of the entire body 100 by monitoring, for for example, the local temperature of a plurality of contiguous portions of the body 100 itself.
Con particolare riferimento alla figura 1, il dispositivo di misura 1, comprende un gruppo di emissione 10 associato a o provvisto di una sorgente 15 elettromagnetica atta a produrre con continuità una radiazione EMS elettromagnetica determinata, presentante una prima frequenza F portante ed una potenza ottica di picco 10, corrispondente a una sequenza periodica di impulsi ottici a frequenza di ripetizione determinata e costante nel tempo, dell'ordine di alcune centinaia di KHz, controllata direttamente dal generatore di impulsi elettrico 16. With particular reference to Figure 1, the measuring device 1 comprises an emission group 10 associated with or provided with an electromagnetic source 15 capable of continuously producing a determined electromagnetic EMS radiation, having a first carrier frequency F and a peak optical power 10, corresponding to a periodic sequence of optical pulses with a repetition frequency determined and constant over time, of the order of a few hundred KHz, controlled directly by the electric pulse generator 16.
A questo punto è opportuno notare che qui e nel seguito si farà riferimento ad una sorgente 15 elettromagnetica comprendente un laser 15 di tipo noto, ad esempio un laser impulsato realizzato in fibra drogata con ioni Erbio, ed atto a generare una radiazione elettromagnetica impulsata ad elevata potenza di picco dell'ordine di decine o centinaia di Watt, presentante preferibilmente, ma non limitatamente una prima frequenza F determinata dell'ordine dei 193 THz ed avente preferibilmente durata degli impulsi dell'ordine di nanosecondi o decine di nanosecondi. At this point it should be noted that here and in the following reference will be made to an electromagnetic source 15 comprising a laser 15 of a known type, for example a pulsed laser made of fiber doped with Erbium ions, and able to generate a pulsed electromagnetic radiation with high peak power of the order of tens or hundreds of Watts, preferably, but not limitedly, having a first determined frequency F of the order of 193 THz and preferably having a pulse duration of the order of nanoseconds or tens of nanoseconds.
Tuttavia è opportuno notare che tale scelta progettuale ha carattere puramente arbitrario e non rappresenta un limite per la generalità della presente invenzione il cui rispettivo apparato 1 di misura potrà essere predisposto per impiegare sorgenti elettromagnetiche di tipo diverso, come per esempio sorgenti di tipo Q-switched passive, con caratteristiche tuttavia simili a quelle descritte precedentemente in termini di potenza di picco, durata degli impulsi e frequenza di ripetizione. However, it should be noted that this design choice is purely arbitrary and does not represent a limit for the generality of the present invention, the respective measuring apparatus 1 of which can be designed to use electromagnetic sources of a different type, such as for example Q-switched sources. passive, with characteristics however similar to those described above in terms of peak power, pulse duration and repetition frequency.
E' da notare che sorgenti elettromagnetiche di questo tipo, a causa delle modeste frequenze di ripetizione, sebbene caratterizzate da potenze di picco elevate, presentano potenze medie relativamente basse, e quindi convenienti al fine dell'affidabilità dei componenti ottici utilizzati negli apparati oggetto della presente invenzione. Inoltre tali sorgenti elettromagnetiche possono essere facilmente accoppiabili sia a fibre ottiche di tipo singolo modo, per esempio SMF G652, che a fibre ottiche multimodali, come per esempio fibre di tipo a profilo d'indice graduale 50/125, senza sostanziali limitazioni alle potenze di picco degli impulsi generati (limitazioni alle potenze massime di picco sono tuttavia dettate dall'insorgenza di effetti non lineari di propagazione in fibra, come verrà descritto in dettaglio in seguito). It should be noted that electromagnetic sources of this type, due to the modest repetition frequencies, although characterized by high peak powers, have relatively low average powers, and therefore convenient for the reliability of the optical components used in the apparatuses object of the present invention. Furthermore, these electromagnetic sources can be easily coupled both to single-mode optical fibers, for example SMF G652, and to multimode optical fibers, such as for example fibers of the gradual index profile 50/125, without substantial limitations to the peak of the generated pulses (limitations to the maximum peak powers are however dictated by the onset of non-linear propagation effects in the fiber, as will be described in detail below).
Con riferimento alla figura 1 è possibile notare che il gruppo di emissione 10 è seguito da un attenuatore variabile di potenza il, atto a controllare la potenza di picco emessa dalla sorgente di impulsi 10. Il gruppo il è seguito da un dispositivo 12 di modulazione, atto a ricevere in ingresso la sequenza di impulsi a frequenza di ripetizione costante e a modularne la rispettiva potenza ottica per generare in uscita almeno un treno P di primi impulsi P' elettromagnetici, secondo un codice C, preferibilmente di tipo binario, in modo tale da associare ad ogni treno P una parola, scritta secondo tale codice C, che per semplicità, qui e nel seguito, verrà indicata con la stessa lettera P. In particolare, secondo tale codice C binario, ad ogni treno P' elettromagnetico è associato un bit in modo tale che ogni parola P risulti composta esattamente da un primo numero N determinato di caratteri. With reference to Figure 1 it can be seen that the emission group 10 is followed by a variable power attenuator 11, adapted to control the peak power emitted by the pulse source 10. The group 11 is followed by a modulation device 12, able to receive at the input the sequence of pulses at constant repetition frequency and to modulate the respective optical power to generate at the output at least one train P of first electromagnetic pulses P ', according to a code C, preferably of the binary type, in such a way as to associate to each train P a word, written according to this code C, which for simplicity, here and in the following, will be indicated with the same letter P. In particular, according to this binary code C, each electromagnetic train P 'is associated with a bit in so that each word P is composed exactly of a first determined number N of characters.
A tale scopo la prima unità di controllo 14 può preferibilmente comprendere un generatore di forme d'onda programmabile o, in alternativa, essere interfacciata ad o implementata mediante un elaboratore elettronico atto, in uso, ad inviare all'unità di modulazione 13 delle forme d'onda di riferimento secondo le quali modulare nel tempo la potenza ottica II associata ad ogni treno P. Più in dettaglio, l'unità di modulazione 12 comprende preferibilmente, ma non limitatamente, un modulatore acusto-ottico collegato alla prima unità di controllo 14 per modulare nel tempo la potenza ottica associata ai treni P secondo delle rispettive forme d'onda di riferimento. For this purpose, the first control unit 14 can preferably comprise a programmable waveform generator or, alternatively, be interfaced with or implemented by means of an electronic computer able, in use, to send the modulation unit 13 some forms of reference wave according to which the optical power II associated with each train P is modulated over time. More in detail, the modulation unit 12 preferably, but not limitedly, comprises an acousto-optical modulator connected to the first control unit 14 for modulating over time the optical power associated with the trains P according to the respective reference waveforms.
Tali primi impulsi P', presentano la stessa prima frequenza F portante della radiazione EMS elettromagnetica, presentano una prima durata D' determinata e possono essere emessi in successione dal gruppo di emissione 10 sostanzialmente senza soluzione di continuità. In uso, ogni treno P di primi impulsi P' elettromagnetici presenta una seconda durata DI determinata durante la quale possono essere emessi fino ad un primo numero N determinato di primi impulsi P'. In particolare, i treni P vengono generati periodicamente secondo un periodo T determinato e, come verrà meglio spiegato sotto, comprendono preferibilmente tutti lo stesso numero N di primi impulsi P'. These first pulses P 'have the same first carrier frequency F as the electromagnetic EMS radiation, have a first determined duration D' and can be emitted in succession by the emission unit 10 substantially without interruption. In use, each train P of first electromagnetic pulses P 'has a second determined duration D1 during which up to a first determined number N of first pulses P' can be emitted. In particular, the trains P are generated periodically according to a determined period T and, as will be better explained below, they preferably all comprise the same number N of first pulses P '.
Si noti che per come gli impulsi P' vengono generati, saranno caratterizzati da una durata D', per esempio di 10 nanosecondi, e da un rapporto pieno vuoto D'/T' (duty cycle) molto basso, per esempio di 0,001 o 1 per mille, se la frequenza di ripetizione della sorgente di impulsi 10 è di 100 KHz (T' pari a 10 microsecondi). Note that for how the pulses P 'are generated, they will be characterized by a duration D', for example of 10 nanoseconds, and by a very low full-empty ratio D '/ T' (duty cycle), for example of 0.001 or 1 per thousand, if the repetition frequency of the pulse source 10 is 100 KHz (T 'equal to 10 microseconds).
Il periodo T con cui vengono generati i treni di impulsi P (si veda figura 1) è determinato dalla lunghezza della fibra ottica 25, in quanto occorre far si che ogni treno si propaghi completamente lungo la fibra e che la corrispettiva retro-diffusione ritorni al trasmettitore senza sovrapposizioni fra treni successivi . Per esempio, con 40 km di fibra ottica 25, considerando la velocità di propagazione in fibra in silica pari a 2xl0<8>m/s, ed un percorso di andata a ritorno pari a 80 km, il periodo T dovrà essere non inferiore a 400 microsecondi e la frequenza di ripetizione 1/T dovrà essere non superiore a 2.5 KHz. All'interno del periodo T potranno quindi essere allocati un numero massimo limitato di impulsi primi P', pari a 40 nel caso di sorgente impulsata a 100 KHz (T/T' = 40), pari a 200 nel caso di sorgente impulsata a 500 KHz (Τ/Τ' = 200). The period T with which the pulse trains P are generated (see Figure 1) is determined by the length of the optical fiber 25, as it is necessary to ensure that each train propagates completely along the fiber and that the corresponding retro-diffusion returns to the transmitter without overlapping between successive trains. For example, with 40 km of optical fiber 25, considering the propagation speed in silica fiber equal to 2xl0 <8> m / s, and a return path equal to 80 km, the period T must be no less than 400 microseconds and the 1 / T repetition rate must not exceed 2.5 KHz. A limited maximum number of prime pulses P 'can therefore be allocated within the period T, equal to 40 in the case of a pulsed source at 100 KHz (T / T' = 40), equal to 200 in the case of a pulsed source at 500 KHz (Τ / Τ '= 200).
Il numero di primi impulsi P' allocabili all'interno del periodo T determinerà quindi la lunghezza massima N della parola di codice C utilizzabile. La tecnica di codifica così implementata verrà nel seguito denominata "codifica distribuita", per distinguerla da tecniche di codifica convenzionali nelle quali il rapporto pieno vuoto è tipicamente pari a l (o al 100%), richiedendo quindi generazione di impulsi ad elevata frequenza di ripetizione (per esempio per impulsi di 10 nanosecondi tale frequenza sarà pari a 100 MHz, mentre per impulsi da 1 nanosecondo sarà pari a 1 GHz). The number of first pulses P 'that can be allocated within the period T will therefore determine the maximum length N of the usable code word C. The coding technique thus implemented will hereinafter be referred to as "distributed coding", to distinguish it from conventional coding techniques in which the full-empty ratio is typically equal to 1 (or 100%), thus requiring the generation of pulses with a high repetition frequency ( for example for 10 nanosecond pulses this frequency will be equal to 100 MHz, while for 1 nanosecond pulses it will be equal to 1 GHz).
Si noti che la durata D' degli primi impulsi determina la risoluzione spaziale del sensore (in assenza di dispersione intermodale, l'impiego di impulsi di durata D' pari a 10 nanosecondi consente una risoluzione spaziale di 1 metro, mentre D' pari a 1 nanosecondo consente di arrivare a una risoluzione spaziale di 10 cm) . Note that the duration D 'of the first pulses determines the spatial resolution of the sensor (in the absence of intermodal dispersion, the use of pulses with a duration D' equal to 10 nanoseconds allows a spatial resolution of 1 meter, while D 'equal to 1 nanosecond allows to reach a spatial resolution of 10 cm).
Si noti che la generazione di impulsi con durata D' dell'ordine del nanosecondo o decine di nanosecondi, caratterizzati da potenze di picco di decine o centinaia di Watt e modulazioni atte all'applicazione di tecniche di codifica convenzionali, come codici Simplex o Golay, rappresenta un problema tecnologico irrisolto o commercialmente non applicabile ad apparati optoelettronici impiegabili per monitorare la temperatura locale di una struttura architettonica o ingegneristica. La potenza ottica di una pluralità di treni comprendenti una pluralità di primi impulsi elettromagnetici presentanti una durata dell'ordine del nanosecondo o decine di nanosecondi, caratterizzati da potenze di picco di decine o centinaia di Watt, dovrebbe infatti essere modulata a frequenze dell'ordine di centinaia di MHz. It should be noted that the generation of pulses with duration D 'of the order of nanoseconds or tens of nanoseconds, characterized by peak powers of tens or hundreds of Watts and modulations suitable for the application of conventional coding techniques, such as Simplex or Golay codes, represents an unsolved technological problem or commercially not applicable to optoelectronic equipment that can be used to monitor the local temperature of an architectural or engineering structure. The optical power of a plurality of trains comprising a plurality of first electromagnetic pulses having a duration of the order of nanoseconds or tens of nanoseconds, characterized by peak powers of tens or hundreds of Watts, should in fact be modulated at frequencies of the order of hundreds of MHz.
Come anticipato in precedenza, la necessità di generare treni di impulsi codificati a centinaia di MHz rende impraticabile l'uso di sorgenti laser ad elevata potenza di picco, quali laser in fibra drogata con terre rare o laser Q-switched passivi, sia per problemi di affidabilità dei componenti utilizzati che per problemi tecnici legati al controllo dei treni di impulsi necessari nel processo di codifica. As previously anticipated, the need to generate encoded pulse trains at hundreds of MHz makes it impractical to use high peak power laser sources, such as rare earth doped fiber lasers or passive Q-switched lasers, both for problems of reliability of the components used and for technical problems related to the control of the pulse trains necessary in the coding process.
Similmente, è opportuno notare che la potenza di picco massima utilizzabile all'ingresso della fibra ottica 25, dipende dal tipo di fibra utilizzata ed è sostanzialmente limitata dall'insorgenza di effetti di propagazione non lineari, quali la retro-diffusione Raman stimolata, la cui presenza darebbe luogo a inevitabili distorsioni e renderebbe impossibile la determinazione corretta della temperatura locale lungo la sonda. In presenza di fibre ottiche multimodali tali limite massimo in presenza di impulsi di durata pari a 10 nanosecondi è dell'ordine di 20 Watt a 1550 nm. Considerando in figura 1 la presenza di un attenuatore variabile il, del modulatore 13 e di un filtro ottico 17, la cui funzione sarà chiarita in seguito, la potenza di picco richiesta dalla sorgente ottica 15 per garantire circa 20 Watt accoppiati nella fibra 25, sarà dell'ordine di 50-100 Watt. Similarly, it should be noted that the maximum peak power that can be used at the input of the optical fiber 25 depends on the type of fiber used and is substantially limited by the onset of non-linear propagation effects, such as the stimulated Raman back-diffusion, whose presence would give rise to inevitable distortions and make it impossible to correctly determine the local temperature along the probe. In the presence of multimode optical fibers, such maximum limit in the presence of pulses with a duration of 10 nanoseconds is of the order of 20 Watts at 1550 nm. Considering in Figure 1 the presence of a variable attenuator 11, of the modulator 13 and of an optical filter 17, the function of which will be clarified below, the peak power required by the optical source 15 to guarantee about 20 Watts coupled in the fiber 25, will be of the order of 50-100 Watts.
E' opportuno notare che la soluzione tecnologica oggetto della presente invenzione consente di inviare in fibra le massime potenze di picco, compatibili con l'insorgenza di effetti non lineari, e di applicare simultaneamente tecniche di codifica distribuita; tali caratteristiche, come verrà illustrato in seguito, consentono di superare le principali limitazioni degli attuali apparati di misura commerciali per monitoraggio distribuito della temperatura locale di strutture architettoniche o ingegneristiche mediante impiego di fibra ottica. It should be noted that the technological solution object of the present invention allows to send the maximum peak powers, compatible with the onset of non-linear effects, to the fiber and to apply distributed coding techniques simultaneously; these characteristics, as will be illustrated hereinafter, allow to overcome the main limitations of current commercial measurement apparatuses for distributed monitoring of the local temperature of architectural or engineering structures by using optical fiber.
E' opportuno inoltre notare che qui e nel seguito si farà uso di una terminologia comunemente impiegata nel campo dell'ottica senza con questo volersi limitare all'ambito della sola luce visibile, ma al contrario, si è inteso interpretare ogni termine afferente al dominio dell'ottica nella sua accezione più ampia e, quindi, prendendo in considerazione ogni radiazione elettromagnetica che rispetti sostanzialmente le leggi dell'ottica ondulatoria e/o dell'ottica geometrica, ad esempio, delle radiazioni elettromagnetiche nell'infrarosso. It should also be noted that here and in the following a terminology commonly used in the field of optics will be used without limiting itself to the scope of visible light only, but on the contrary, we intend to interpret every term pertaining to the domain of optics in its broadest sense and, therefore, taking into consideration any electromagnetic radiation that substantially complies with the laws of wave optics and / or geometric optics, for example, of electromagnetic radiation in the infrared.
Pertanto, ritornando allo schema di figura 1, per quanto sopra illustrato, l'insieme della sorgente 15 elettromagnetica, dell'attenuatore ottico 11 e del dispositivo di modulazione 12 può essere interpretato come una prima sorgente elettromagnetica atta, in uso, ad emettere una radiazione EMS elettromagnetica sostanzialmente impulsata e composta da una pluralità di treni P di primi impulsi P' . A questo punto, con riferimento alla figura 2, è opportuno notare che la potenza ottica associata ad ogni treno P sarà modulata secondo un codice C, preferibilmente di tipo binario, in modo tale da associare ad ogni treno P una parola, scritta secondo tale codice C, che per semplicità, qui e nel seguito, verrà indicata con la stessa lettera P. In particolare, secondo tale codice C binario, ad ogni impulso P' elettromagnetico è associato un bit in modo tale che ogni parola P risulti composta esattamente da un primo numero N determinato di caratteri. Therefore, returning to the diagram of Figure 1, for what is illustrated above, the assembly of the electromagnetic source 15, of the optical attenuator 11 and of the modulation device 12 can be interpreted as a first electromagnetic source capable, in use, of emitting a radiation Electromagnetic EMS substantially pulsed and composed of a plurality of trains P of first pulses P '. At this point, with reference to Figure 2, it should be noted that the optical power associated with each train P will be modulated according to a code C, preferably of the binary type, in such a way as to associate a word written according to this code to each train P C, which for simplicity, here and in the following, will be indicated with the same letter P. In particular, according to this binary code C, a bit is associated with each electromagnetic pulse P 'so that each word P is composed of exactly one first determined number N of characters.
Pertanto, sempre con riferimento alla figura 2, la potenza ottica associata ad ogni treno P presenterà, in funzione del tempo, un profilo tale per cui in ogni intervallo T' la presenza di un impulso di durata D' sarà associata al valore binario 1 e l'assenza dell'impulso al valore binario 0. Therefore, again with reference to Figure 2, the optical power associated with each train P will present, as a function of time, a profile such that in each interval T 'the presence of a pulse of duration D' will be associated with the binary value 1 and the absence of the pulse at binary value 0.
In aggiunta, può risultare utile evidenziare che ad ogni treno P possono essere associati, ad esempio, 31, 63, 127, 255, 511 o più bit, e quindi rispettivamente 31, 63, 127, 255, 511 o più primi impulsi P', compatibilmente al rapporto T/T' precedentemente introdotto, e che ogni parola P è stata codificata secondo il codice C noto come Simplex. Tuttavia è opportuno notare che tale scelta di tipologia di codifica di tipo Simplex non rappresenta un limite per la presente invenzione la quale potrà essere correttamente implementata anche facendo uso di codici C binari di tipo diverso, ad esempio, ma non limitatamente, dei codici Simplex di tipo ciclico e dei codici a correlazione ad esempio di tipo Golay. In addition, it may be useful to point out that each train P can be associated, for example, with 31, 63, 127, 255, 511 or more bits, and therefore respectively 31, 63, 127, 255, 511 or more first pulses P ' , compatibly with the previously introduced T / T 'ratio, and that each word P has been coded according to the C code known as Simplex. However, it should be noted that this choice of Simplex coding typology does not represent a limit for the present invention which can be correctly implemented even making use of binary C codes of a different type, for example, but not limited to, Simplex codes of cyclic type and correlation codes such as Golay type.
Pertanto, alla luce di quanto sopra illustrato, risulta chiaro che la sorgente 15, seguita dai blocchi 11 e 12 in figura 1, è atta, in uso, ad emettere in modo periodico dei treni P di primi impulsi P' elettromagnetici la cui potenza ottica è modulata in modo tale da associare ad ogni treno P stesso una rispettiva parola P del codice C determinato, contenente un primo numero N determinato di bit. Therefore, in the light of what has been illustrated above, it is clear that the source 15, followed by the blocks 11 and 12 in Figure 1, is adapted, in use, to periodically emit trains P of first electromagnetic pulses P 'whose optical power it is modulated in such a way as to associate to each train P itself a respective word P of the determined code C, containing a first determined number of bits N.
Sempre con riferimento alla figura 1, l'apparato 1 di misura comprende un gruppo di trasmissione 100 ottica provvisto della sonda 25, che può essere sia una fibra ottica monomodale che multimodale, e configurato per ricevere in ingresso ogni treno P della prima radiazione EMS, e trasmetterlo lungo la detta sonda 25. A questo punto è opportuno ricordare che è ben noto il fenomeno per cui, quando un impulso elettromagnetico viene trasmesso lungo una rispettiva guida d'onda, ogni tratto di quest'ultima interagisce con tale impulso retroriflettendo una piccola frazione della rispettiva energia ottica. In particolare tale fenomeno di retro-diffusione può essere interpretato come la sovrapposizione di un fenomeno di diffusione o "scattering" elastico, in cui una frazione della radiazione elettromagnetica trasmessa lungo la guida d'onda viene retro-diffusa senza che avvenga una variazione della rispettiva frequenza portante, e di un fenomeno di scattering anelastico, in cui la radiazione elettromagnetica viene diffusa dopo aver subito almeno una variazione della propria frequenza portante. Still with reference to Figure 1, the measurement apparatus 1 comprises an optical transmission unit 100 provided with the probe 25, which can be either a single-mode or a multimode optical fiber, and configured to receive each train P of the first EMS radiation at its input, and transmit it along said probe 25. At this point it should be remembered that the phenomenon is well known whereby, when an electromagnetic pulse is transmitted along a respective wave guide, each portion of the latter interacts with said pulse by reflecting a small fraction of the respective optical energy. In particular, this back-scattering phenomenon can be interpreted as the superposition of an elastic scattering or "scattering" phenomenon, in which a fraction of the electromagnetic radiation transmitted along the wave guide is back-scattered without a variation of the respective carrier frequency, and of an inelastic scattering phenomenon, in which the electromagnetic radiation is diffused after having undergone at least one variation of its own carrier frequency.
Pertanto in uso, l'invio di un treno P di primi impulsi P' elettromagnetici lungo la fibra ottica 25, genera una seconda radiazione EM2 elettromagnetica data dalla sovrapposizione di tutte le frazioni di tale treno P che vengono retro-diffuse da delle rispettive porzioni della fibra ottica 25 man mano che l'impulso procede verso l'estensione lineare L di tale fibra ottica 25. In particolare tale seconda radiazione presenterà una prima componente EM2' diffusa elasticamente e quindi centrata sulla prima frequenza portante F, ed almeno una seconda componente EM2'' presentante una seconda frequenza FR. A questo punto è opportuno notare che, durante ogni processo di retro-diffusione, possono verificarsi una pluralità di fenomeni di scattering anelastico distinti, ad ognuno dei quali sarà associata la creazione di una diversa componente EM2'' elettromagnetica, ed ognuna di queste componenti presenterà una frequenza diversa dalla prima frequenza F. Tuttavia qui e nel seguito si prenderanno in considerazione solamente le seconde componenti EM2'' generate da quei fenomeni di retrodiffusione ottica noti come "Effetto Raman spontaneo" e che come illustrato in figura A comportano al primo ordine ottico, la creazione di due seconde componenti EM2'' presentanti delle rispettive frequenze FR disposte in modo spettralmente simmetrico rispetto alla prima frequenza F portante. A questo punto è importante osservare che qui e nel seguito, con il termine "effetto Raman" si farà riferimento ad ogni fenomeno di scattering anelastico interpretabile, secondo la fisica quantistica, come l'interazione fra fotoni e fononi. In aggiunta le seconde componenti EM2'', come appare chiaro dalla figura A, che sono rispettivamente indicate come componenti di Stokes e Anti-Stokes Raman, presentano una potenza ottica nettamente inferiore alla prima componente EM2' retro-diffusa elasticamente, che viene comunemente indicata come componente di Rayleigh. L'emissione di ogni seconda radiazione EM2'' presenterà una durata sostanzialmente doppia rispetto al tempo necessario per ogni treno P per attraversare l'intera fibra ottica. La durata T fra l'emissione di due treni successivi dovrà essere maggiore rispetto al tempo necessario per ogni treno P per attraversare l'intera fibra ottica e ritornare indietro, per evitare sovrapposizioni delle seconde radiazioni EM2'' corrispondenti a treni successivi. Il rapporto tra l'intensità della riga AS retro-diffusa e l'intensità della riga S retro-diffusa dipende dalla temperatura e può quindi essere utilizzato per estrarre la distribuzione spaziale lineare di temperatura lungo la fibra ottica. Therefore in use, the sending of a train P of first electromagnetic pulses P 'along the optical fiber 25 generates a second electromagnetic radiation EM2 given by the superposition of all the fractions of this train P which are retro-diffused by respective portions of the optical fiber 25 as the pulse proceeds towards the linear extension L of said optical fiber 25. In particular, this second radiation will have a first component EM2 'diffused elastically and therefore centered on the first carrier frequency F, and at least a second component EM2 '' having a second frequency FR. At this point it should be noted that, during each retro-diffusion process, a plurality of distinct inelastic scattering phenomena can occur, each of which will be associated with the creation of a different electromagnetic EM2 '' component, and each of these components will present a frequency different from the first frequency F. However, here and in the following we will consider only the second components EM2 '' generated by those optical backscatter phenomena known as "Spontaneous Raman Effect" and which, as illustrated in figure A, involve the first optical order , the creation of two second components EM2 '' having respective frequencies FR arranged in a spectrally symmetrical manner with respect to the first carrier frequency F. At this point it is important to note that here and in the following, the term "Raman effect" will refer to any inelastic scattering phenomenon that can be interpreted, according to quantum physics, as the interaction between photons and phonons. In addition, the second components EM2 '', as is clear from figure A, which are respectively indicated as Stokes and Anti-Stokes Raman components, have an optical power significantly lower than the first elastically back-diffused EM2 'component, which is commonly indicated as part of Rayleigh. The emission of every second radiation EM2 '' will have a duration substantially double compared to the time it takes for each P train to cross the entire optical fiber. The duration T between the emission of two successive trains must be greater than the time required for each train P to cross the entire optical fiber and return back, to avoid overlapping of the second EM2 '' radiation corresponding to subsequent trains. The relationship between the intensity of the backscattered AS line and the intensity of the backscattered S line depends on the temperature and can therefore be used to extract the linear spatial distribution of temperature along the optical fiber.
A questo punto, sempre con riferimento alla figura 1, è opportuno osservare che il blocco 17 comprende un filtro ottico che consente ai treni P di essere accoppiati in fibra ottica 25, e alle componenti EM2'' retro-diffuse di essere separate spettralmente in componenti S e AS Raman ed essere quindi inviate a due stadi di rilevazione, blocchi 18 e 19 in figura 1, che consentono di rilevare simultaneamente le due componenti S e AS Raman retro-diffuse. Le due componenti S e AS Raman retro-diffuse vengono convertite in corrente mediante fotodiodi di tipo preferibilmente a valanga (APD) e successivamente processate elettricamente dagli adattatore elettrici 22 e 23, comprendenti amplificatori elettronici a transimpedenza ed amplificatori di tensione a più stadi. Una volta digitalizzate, le due componenti S e AS Raman retro-diffuse possono essere acquisite dal sistema di acquisizione 26 controllato dall'elaboratore elettronico 50, il cui scopo è anche quello di controllare il generatore di forme d'onda di codifica 14 nel blocco 12. L'elaboratore 50 è anche atto a processare i dati acquisiti e ad ottenere quindi il profilo di temperatura distribuito lungo la fibra 25, utilizzando formula matematiche descritte per esempio nel documento D. L'elaboratore dovrà anche fungere da decodificatore delle informazioni codificate in ogni primo segnale secondo il codice C determinato. At this point, again with reference to Figure 1, it should be noted that block 17 comprises an optical filter that allows the P trains to be coupled into optical fiber 25, and the back-scattered EM2 '' components to be spectrally separated into components S and AS Raman and then be sent to two detection stages, blocks 18 and 19 in Figure 1, which allow the two retro-diffused S and AS Raman components to be detected simultaneously. The two retro-scattered S and AS Raman components are converted into current by preferably avalanche type photodiodes (APDs) and subsequently electrically processed by the electrical adapters 22 and 23, comprising transimpedance electronic amplifiers and multi-stage voltage amplifiers. Once digitized, the two retro-diffused S and AS Raman components can be acquired by the acquisition system 26 controlled by the electronic processor 50, whose purpose is also to control the coding waveform generator 14 in block 12 The processor 50 is also adapted to process the acquired data and therefore to obtain the temperature profile distributed along the fiber 25, using mathematical formulas described for example in document D. The processor must also act as a decoder of the information encoded in each first signal according to the determined C code.
A questo punto, è opportuno ricordare che all'apparato di misura qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall'ambito protettivo della presente invenzione. At this point, it should be remembered that modifications and variations can be made to the measuring apparatus described and illustrated here without thereby departing from the protective scope of the present invention.
Ad esempio, la figura 3 illustra una seconda preferita forma di attuazione dell'apparato 1 di misura in cui i blocchi 10, 11 e 12 in figura 1 vengono sostituiti da un blocco 9, comprendente una sorgente ottica 8, costituita preferibilmente da un laser a semiconduttore a larga area di emissione (detto di tipo broad area), con frequenza di emissione preferibilmente intorno a 193 THz, la cui potenza d'uscita viene modulata direttamente mediante la sua corrente di alimentazione dal dispositivo di pilotaggio 7 in Figura 3. In particolare il dispositivo 7 in Figura 3 genera forme d'onda elettriche corrispondenti ai treni di impulsi P, costituiti da primi impulsi P', corrispondenti a codici simplex C di lunghezza N, e caratterizzati da durate d'impulso D' dell'ordine di nanosecondi o decine di nanosecondi e valori di dutycycle (ossia il rapporto dei tempi pieno su vuoto, D'/T') molto piccoli, dell'ordine di 0.01 o inferiore. Tali forme d'onda elettriche, consentono di pilotare il laser a semiconduttore, che data l'elevata area di emissione potrà solo essere efficacemente accoppiato a fibre ottiche multimodali, generando potenze di picco dell'ordine di 10-20 Watt. For example, Figure 3 illustrates a second preferred embodiment of the measuring apparatus 1 in which the blocks 10, 11 and 12 in Figure 1 are replaced by a block 9, comprising an optical source 8, preferably consisting of a laser semiconductor with a large emission area (called broad area type), with an emission frequency preferably around 193 THz, whose output power is directly modulated by its supply current by the driving device 7 in Figure 3. In particular the device 7 in Figure 3 generates electric waveforms corresponding to the pulse trains P, consisting of first pulses P ', corresponding to simplex codes C of length N, and characterized by pulse durations D' of the order of nanoseconds or tens of nanoseconds and dutycycle values (ie the ratio of full times to empty, D '/ T') very small, of the order of 0.01 or less. These electric waveforms allow to drive the semiconductor laser, which given the high emission area can only be effectively coupled to multimode optical fibers, generating peak powers of the order of 10-20 Watts.
La soluzione decritta in figura 3, sebbene in parte simile allo schema di figura 1, presenta tuttavia lo svantaggio di non potere raggiungere pienamente le massime potenze di picco accoppiabili in fibra compatibilmente con l'insorgere di effetti non lineari quali la retro-diffusione Raman stimolata. Inoltre, data la caratteristica di emissione su larga area di tali laser a semiconduttore, il filtro ottico 17 e la fibra ottica 25 dovranno convenientemente essere di tipo multimodale. E' inoltre importante notare che, sebbene le prestazioni di apparati sviluppati secondo lo schema di figura 3 siano inferiori rispetto a quelle di apparati realizzati secondo lo schema di figura 1, il relativo costo sarà certamente inferiore a causa del tipo di tecnologia laser utilizzata. Apparati di misura sviluppati secondo lo schema di figura 3 saranno preferibilmente utilizzati per applicazioni richiedenti distanze di misura tipicamente inferiori a 20 km su fibra multimodale, ma con costi nettamente competitivi rispetto a quanto disponibile sul mercato. The solution described in figure 3, although in part similar to the scheme of figure 1, nevertheless has the disadvantage of not being able to fully reach the maximum peak powers that can be coupled into the fiber compatibly with the onset of non-linear effects such as stimulated Raman back-diffusion . Furthermore, given the large-area emission characteristic of these semiconductor lasers, the optical filter 17 and the optical fiber 25 must conveniently be of the multimode type. It is also important to note that, although the performances of apparatuses developed according to the scheme of figure 3 are lower than those of apparatuses realized according to the scheme of figure 1, the relative cost will certainly be lower due to the type of laser technology used. Measurement apparatuses developed according to the scheme of figure 3 will preferably be used for applications requiring measurement distances typically lower than 20 km on multimode fiber, but with clearly competitive costs compared to what is available on the market.
Apparati secondo lo schema di figura 1 saranno invece applicabili a distanze di misura ragionevolmente comprese fra i 20 km e 50 km su fibre multimodali e fino a 20 km su fibre monomodali. Apparatus according to the scheme of figure 1 will instead be applicable to measurement distances reasonably comprised between 20 km and 50 km on multimode fibers and up to 20 km on singlemode fibers.
A questo punto, dopo aver illustrato una preferita forma di attuazioni e una variante dell'apparato 1 di misura, è opportuno ricordare che la presente invenzione è relativa anche ad un metodo di misura eseguibile mediante l'apparato 1 stesso ed atto a misurare la distribuzione lineare di almeno una grandezza fisica, ad esempio la temperatura, lungo tutta l'estensione lineare della sonda, fibra ottica 25. At this point, after having illustrated a preferred embodiment and a variant of the measurement apparatus 1, it should be remembered that the present invention also relates to a measurement method that can be carried out by means of the apparatus 1 itself and adapted to measure the distribution linear of at least one physical quantity, for example the temperature, along the entire linear extension of the probe, optical fiber 25.
In particolare tale metodo comprende innanzi tutto la fase di generare una prima radiazione elettromagnetica di pompaggio ottico mediante una sorgente di impulsi 10 a frequenza di ripetizione costante. In particular, this method comprises first of all the step of generating a first optical pumping electromagnetic radiation by means of a source of pulses 10 at constant repetition frequency.
A questo punto del metodo di misura è prevista una fase di modulare la potenza ottica associata alla successione di impulsi mediante un apposito dispositivo di modulazione 12 in modo tale da generare una prima radiazione elettromagnetica di pompaggio presentante una pluralità di treni P di primi impulsi P'; tali treni P sono emessi periodicamente e presentano una rispettiva seconda durata DI che è sostanzialmente equivalente al prodotto della prima durata T' di ogni primo impulso P', caratterizzato da rapporto pieno/vuoto D'/T', per il primo numero N determinato e corrispondente alla lunghezza del codice C. Più in dettaglio, la fase di modulare la sequenza di impulsi ottici associati alla radiazione comprende la fase di associare ad ogni treno P una rispettiva parola P codificata secondo un codice C determinato, preferibilmente di tipo binario. At this point of the measurement method a step is provided for modulating the optical power associated with the succession of pulses by means of a suitable modulation device 12 in such a way as to generate a first pumping electromagnetic radiation having a plurality of trains P of first pulses P ' ; these trains P are emitted periodically and have a respective second duration DI which is substantially equivalent to the product of the first duration T 'of each first pulse P', characterized by full / empty ratio D '/ T', for the first determined number N and corresponding to the length of the C code. More in detail, the step of modulating the sequence of optical pulses associated with the radiation comprises the step of associating to each P train a respective P word encoded according to a determined C code, preferably of the binary type.
A questo punto, il metodo di misura secondo la presente invenzione prevede una fase di trasmettere ogni treno P associato alla radiazione EMS lungo una sonda 25 di estensione L determinata e la fase di ricevere, per ogni treno P, le seconde radiazioni elettromagnetiche EM2'' retro-diffuse anelasticamente per effetto Raman spontaneo, da almeno una porzione della sonda 25. At this point, the measurement method according to the present invention provides a step of transmitting each train P associated with the EMS radiation along a probe 25 of a determined extension L and the step of receiving, for each train P, the second electromagnetic radiations EM2 '' retro-diffused inelastically by spontaneous Raman effect, from at least a portion of the probe 25.
A questo punto, il metodo di misura secondo la presente invenzione comprende almeno una fase di misurare la variazione nel tempo delle componenti EM2'' retro-diffuse per ricavare una misura di temperatura associata ad ogni porzione della sonda 25. At this point, the measurement method according to the present invention comprises at least one step of measuring the variation over time of the retro-diffused EM2 '' components to obtain a temperature measurement associated with each portion of the probe 25.
A questo punto si può precisare che la fase di convertire le componenti EM2'' retro-diffuse in segnali elettrici può essere ripetuta un numero k di volte, al termine del quale può essere effettuato un processo di media per ottenere un rapporto segnale su rumore significativamente più elevato. A titolo di esempio k potrebbe essere dell'ordine delle decine o centinaia di migliaia. At this point it can be specified that the step of converting the back-scattered EM2 '' components into electrical signals can be repeated a number k of times, at the end of which an averaging process can be carried out to obtain a significantly signal-to-noise ratio. higher. By way of example, k could be of the order of tens or hundreds of thousands.
Seguiranno successivamente le operazioni di trattamento numerico-statistico e delle operazioni di decodifica delle tracce OTDR relative alle radiazioni EM2'' retrodiffuse e mediate. The numerical-statistical processing operations and the decoding operations of the OTDR traces relating to the backscattered and mediated EM2 '' radiation will then follow.
A questo punto, il metodo di misura secondo la presente invenzione comprende una fase di decodificare delle informazioni contenute nelle funzioni numeriche ed originariamente associate ad un numero Q determinato di parole P distinte trasmesse preferibilmente in successione mediante dei rispettivi treni P di primi impulsi P' elettromagnetici. At this point, the measurement method according to the present invention comprises a step of decoding the information contained in the numerical functions and originally associated with a determined number Q of distinct words P preferably transmitted in succession by means of respective trains P of first electromagnetic pulses P ' .
È opportuno notare che dei processi di codifica/decodifica di treni di impulsi ottici, in particolare infrarossi, sono noti e già impiegati nell'ambito delle telecomunicazioni ad esempio per misurare le perdite di segnale lungo delle fibre ottiche. Pertanto, essendo tali metodi di codifica/decodifica noti, non si ritiene opportuno approfondire qui ulteriormente l'argomento, ma si rimanda per esempio alla domanda '047 della richiedente e alle referenze ivi citate relativamente a codifica/decodifica di tipo Simplex per sensori distribuiti basati su Brillouin spontaneo, nei quali si fa uso di un processo di decodifica lineare, parimenti applicabile anche al caso di sensore distribuito basato su effetto Raman spontaneo e codifica distribuita di tipo lineare. In ogni caso, indipendentemente dal tipo di codice C impiegato e dal metodo di analisi implementato, è opportuno notare che l'esito della fase di decodificare delle informazioni contenute in un numero Q determinato di funzioni numeriche relative rispettivamente alla potenze ottiche EM2'', implica un rapporto segnale/rumore, a parità di risoluzione spaziale e di tempo di misura, significativamente migliore del rapporto segnale rumore associato alle singole misure relative alle radiazioni retro-riflesse EM2''. It should be noted that coding / decoding processes of optical pulse trains, in particular infrared, are known and already used in the field of telecommunications, for example to measure the signal losses along optical fibers. Therefore, since these coding / decoding methods are known, it is not considered appropriate to further investigate the subject here, but reference is made, for example, to the Applicant's application '047 and the references cited therein relating to Simplex coding / decoding for distributed sensors based on spontaneous Brillouin, in which a linear decoding process is used, equally applicable also to the case of distributed sensor based on spontaneous Raman effect and distributed linear coding. In any case, regardless of the type of C code used and the analysis method implemented, it should be noted that the outcome of the step of decoding the information contained in a determined number Q of numerical functions relating respectively to the optical powers EM2 '', implies a signal-to-noise ratio, with the same spatial resolution and measurement time, significantly better than the signal-to-noise ratio associated with the single measurements relating to the retro-reflected EM2 radiation ''.
Infine, il metodo di misura secondo la presente invenzione comprende la fase di calcolare la distribuzione lineare della temperatura associata alla sonda 25, e quindi a delle rispettive porzioni contigue del corpo 100, applicando alle funzioni numeriche delle formule empiriche note e per la conoscenza delle quali si rimanda al documento D. Finally, the measurement method according to the present invention comprises the step of calculating the linear distribution of the temperature associated with the probe 25, and therefore with the respective contiguous portions of the body 100, by applying known empirical formulas to the numerical functions and for the knowledge of which please refer to document D.
Le caratteristiche del metodo di misura secondo la presente invenzione risultano chiare da quanto sopra descritto e non richiedono ulteriori chiarimenti; tuttavia può essere opportuno presentare alcuni ulteriori vantaggi derivanti dall'impiego delle tecniche di codifica/decodifica della potenza ottica associata ai treni P di primi impulsi P' elettromagnetici. In particolare, l'impiego di tecniche di analisi basate sulla decodifica d'informazioni codificate otticamente nella radiazione EM2 di sonda permette di ottenere delle misure delle radiazione retro-riflesse EM2'' associate a tale radiazione EM2 presentanti un elevato rapporto segnale/rumore. Conseguentemente, l'elaboratore 50 è atto a calcolare una distribuzione lineare della temperatura lungo la fibra ottica 25 presentanti maggior precisione ed affidabilità rispetto alle misure effettuabili con apparati secondo l'arte nota. In particolare, l'impiego delle tecniche di analisi basate sulla codifica ottica distribuita sopra illustrata, combinata alla possibilità di utilizzare impulsi ottici di elevata potenza di picco, compatibilmente con gli effetti non lineari in fibra, mediate l'impiego di sorgenti laser opportune quali laser impulsati in fibra drogata con ioni erbio o laser Q-switched passivi o laser a semiconduttore di tipo a larga area di emissione, è atto a risolvere il problema tecnico in oggetto poiché permette sia di ottenere rapidamente una maggior risoluzione nella stima della temperatura associato alle varie porzioni della fibra ottica di sonda sia di raggiungere distanze di misura superiori a 30 km, assicurando tempi di misura dell'ordine del minuto, risoluzioni spaziali dell'ordine di qualche metro e risoluzioni in temperatura di pochi gradi. The characteristics of the measurement method according to the present invention are clear from what has been described above and do not require further clarifications; however, it may be appropriate to present some further advantages deriving from the use of the techniques for coding / decoding the optical power associated with the trains P of first electromagnetic pulses P '. In particular, the use of analysis techniques based on the decoding of optically encoded information in the probe EM2 radiation allows to obtain measurements of the retro-reflected EM2 '' radiation associated with this EM2 radiation presenting a high signal / noise ratio. Consequently, the processor 50 is able to calculate a linear distribution of the temperature along the optical fiber 25 which exhibits greater precision and reliability than the measurements which can be carried out with apparatus according to the known art. In particular, the use of analysis techniques based on the distributed optical coding illustrated above, combined with the possibility of using optical pulses of high peak power, compatibly with the non-linear effects in fiber, through the use of suitable laser sources such as lasers pulsed fiber doped with erbium ions or passive Q-switched lasers or semiconductor lasers of a large emission area, is suitable for solving the technical problem in question since it allows both to rapidly obtain a greater resolution in the estimation of the temperature associated with the various portions of the probe optical fiber both to reach measurement distances greater than 30 km, ensuring measurement times of the order of a minute, spatial resolutions of the order of a few meters and temperature resolutions of a few degrees.
Claims (15)
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-
2010
- 2010-04-09 IT IT000046A patent/ITPI20100046A1/en unknown
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Title |
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