MX2012003815A - Deteccion por fases. - Google Patents

Abstract

Se describe un método de detección acústica distribuida (DAS) con el cual se mide la derivada o tasa de cambio de una señal retrodispersada de una fibra. El cambio, o la derivada de la fase que se mide en esta forma tiene una amplitud mucho más pequeña que la propia señal si la diferencia entre las dos veces a la cual se mide la señal es mucho menor que el periodo de la señal que se está midiendo, obteniéndose una menor sensibilidad. Los desplazamientos de las frecuencias pueden ser aplicados a las señales de retorno desplazadas en el tiempo para comparar la tasa de cambio, por ejemplo, empleando un interferómetro de salida arreglado para modular la señal de cada brazo por un desplazamiento de frecuencias diferente.

Description

DETECCIÓN POR FASES La presente invención se refiere a la detección de fibra óptica y en particular a la detección acústica distribuida (DAS) .

La detección acústica distribuida (DAS) ofrece una forma alternativa de detección de fibra óptica a detectores puntuales, por medio de la cual una longitud simple de fibra longitudinal es interrogada ópticamente, generalmente mediante uno o más impulsos de entrada, para proporcionar detección considerablemente continua de actividad acústica/vibracional a lo largo de su longitud. La longitud simple de fibra comúnmente es fibra de modo simple y preferiblemente libre de cualquier espejo, reflector, redes o cambio de propiedades ópticas a lo largo de su longitud.

En la detección acústica distribuida, normalmente se utiliza la retrodispersión de Rayleigh. Debido a las inhomogeneidades aleatorias en las fibras ópticas normales, una cantidad pequeña de luz de un impulso inyectado hacia una fibra se refleja otra vez desde cualquier lugar a lo largo de la fibra, resultando en una señal de regreso continuo en respuesta a un impulso de entrada simple. Analizando la retrodispersión de la radiación dentro de la fibra, la fibra se puede dividir eficazmente en una pluralidad de partes de detección discretas arregladas longitudinalmente a lo largo de la fibra que puede ser (pero no tiene que ser) contigua.

Si ocurre una alteración a lo largo de la fibra cambia la luz retrodispersada en ese punto. Este cambio se puede detectar en un receptor y desde él se puede estimar la fuente de la señal de alteración. Los niveles de ruido bajo y alta discriminación se pueden obtener utilizando una propuesta de reflectómetro óptico de dominio de tiempo (C-OTDR) , coherente como se describe antes.

Una propuesta alternativa a DAS se basa en interferometria heterodina. En esta propuesta la luz que ha pasado a través de una sección de fibra determinada es interferida con luz que no ha pasado. Cualquier alteración en esta sección de fibra provoca un cambio de fase entre las dos partes de luz que interfieren y este cambio de fase se puede medir para dar un estimado más exacto de la señal de alteración de lo que es posible con el O-OTDR. El intervalo dinámico para eses sistema está limitado especialmente cuando se detectan fibras muy grandes y frecuentemente es deseable utilizar algún método para aumentar el intervalo dinámico.

Se ha propuesto una variedad de técnicas diferentes para lograr este objetivo. Un ejemplo particularmente adecuado es la técnica de detección derivada (DST) como se establece en la patente co-pendiente del Solicitante O2008/110780 a la cual se dirige la referencia. Este documento describe un paquete detector conocido del tipo que tiene cuatro bobinas detectoras de fibra óptica arregladas entre cinco espejos acoplados de fibra. La interrogación del paquete detector se hace mediante la introducción de un par de impulsos ópticos y las bobinas e impulsos están arreglados de modo que una serie de impulsos se regrese, la información de cada bobina detectora siendo derivable de la fase impuesta en los impulsos respectivos. La O2008/110780 observa que si el cambio, o derivada de la fase se mide, entonces ésta tiene una amplitud mucho más pequeña que la señal misma si la diferencia entre los dos tiempos en los cuales se mide la señal es mucho menos que el periodo de la señal que está siendo medida. Un sistema y método se proponen entonces que manipulan la temporización de los impulsos de retorno del paquete de modo que de forma alternativa contengan información en fase 'normal' o directa y la fase derivada. La Figura 6 de WO2008 /110780 se reproduce en la Figura 4 acompañante y muestra la combinación de los trenes de impulsos de retorno 604 y 606 que contienen información derivada (en el tiempo 614 por ejemplo) intercalada temporalmente con la combinación de trenes de impulsos de retorno 602 y 608 que contienen información de fase directa (en el tiempo 612 por ejemplo) .

Un objetivo de la presente invención es proporcionar métodos y aparatos mejorados para proporcionar la detección acústica distribuida.

De acuerdo con un primer aspecto de la invención se proporciona un método de detección acústica distribuida (DAS) interrogando una longitud de fibra óptica, esa fibra óptica proporcionando un cambio en la fase de propagación de la señal en respuesta a un parámetro detectado, el método consiste en: introducir una señal de entrada hacia una longitud de la fibra óptica; recibir una señal de retorno retrodispersada de la fibra óptica en respuesta a la señal de entrada; comparar una primera señal de retorno retrodispersada desde una parte de la fibra en un primer tiempo y una segunda señal de retorno retrodispersada desde la misma parte de la fibra en un segundo tiempo, diferente y derivar de la comparación una medida de la velocidad de cambio de fase con el tiempo de la señal retrodispersada .

En una modalidad particularmente preferida, la primera señal de retorno es desplazada en las frecuencias en relación con una segunda señal de retorno.

De esta forma, la técnica de detección derivada (DST) se puede aplicar a la detección acústica distribuida (DAS), a pesar del hecho de que DAS proporcione una señal de retorno considerablemente continua. Esto es al contrario de los retornos impulsados proporcionados por las matrices de los detectores puntuales, lo cual permite de forma natural que las salidas derivadas y normales sean intercaladas.

DAS proporciona la ventaja de que se puede utilizar fibra normal de longitud considerablemente continua, no modificada (por ejemplo SMF28), necesitando poca o ninguna modificación para usarse. Preferiblemente las señales retrodispersadas de Rayleigh son detectadas y analizadas. Un ejemplo de un arreglo de detección acústica distribuida opera con una fibra longitudinal de hasta 40km de longitud y es capaz de resolver los datos detectados hacia canales múltiples correspondientes a longitudes de 10 m. Un sistema DAS adecuado se describe por ejemplo en GB 2442745.

Debido a que la fibra . no tiene discontinuidades, la longitud y arreglo de las secciones de las fibras correspondientes a cada canal se determina mediante la interrogación de la fibra. Éstas se pueden seleccionar de acuerdo con el arreglo físico de la fibra y la estructura o espacio que se va a monitorizar y también de acuerdo con el tipo de monitorización requerida. En esta forma, la distancia a lo largo de la fibra y la longitud de cada sección de fibra, o resolución de canal, puede variarse fácilmente con ajustes al interrogador cambiando el ancho de impulsos de entrada, la separación de impulsos y el ciclo de ocupación de los impulsos de entrada, sin ningún cambio a la fibra.

La desplazamiento de frecuencia impuesta entre la primera y segunda señales de retorno puede ser efectuada mediante una desplazamiento aplicada a una u otra de las señales de retorno, por ejemplo utilizando un AOM. En ese caso, se esperaría una desplazamiento de frecuencia mínima de aproximadamente 40 MHz. En una modalidad preferida, la primera señal de retorno se modula mediante una primera desplazamiento de frecuencia y la segunda señal de retorno se modula mediante una segunda desplazamiento de frecuencia. Esto permite que se ejecuten diferencias más pequeñas y mayor flexibilidad en la elección de frecuencias utilizadas. Una forma conveniente de realizar esto es pasando las señales de retorno recibidas a través de un interferómetro de salida, ese interferómetro de salida arreglado para modular la señal en cada brazo mediante una desplazamiento de frecuencia diferente. Se pueden utilizar los interferómetros tipo Mach-Zehnder o Michelson.

La entrada de la señal de la fibra a prueba consiste en un par de impulsos temporalmente separados en ciertas modalidades. Estos impulsos comúnmente tendrán desplazamientos de las frecuencias diferentes y se puede utilizar interferometria heterodina en el análisis de las señales retrodispersadas . Los desplazamientos de las frecuencias aplicados a la primera y segunda señales de retorno y los desplazamientos de las frecuencias en los impulsos de entrada se seleccionan a elección para permitir el aislamiento simple de los componentes de salida deseados, es decir, los diversos portadores de las frecuencias como se explica más adelante. De otro modo o adicionalmente , la longitud de onda de los impulsos de entrada se puede manipular para permitir más control sobre los componentes de salida, como se describe en los ejemplos más adelante.

La primera y segunda señales de retorno están separadas por aproximadamente 125ns en una modalidad, sin embargo esto se puede variar para adecuarlas a la aplicación, las separaciones de menos de 500ns, o menos de 250ns o 100ns pueden ser deseables en modalidades diferentes.

En modalidades el método además consiste en comparar una primera señal de retorno retrodispersada desde una primera parte de la fibra en un primer tiempo y una segunda señal de retorno retrodispersada de una segunda parte diferente de la fibra prácticamente al mismo tiempo; y derivar de la comparación una medida de fase de la señal retrodispersada. Esto permite una medida de la fase 'normal' y por lo tanto la señal acústica 'directa' . Es ventajoso que la medida de la fase y la medida de la tasa de cambio de la fase se determinen prácticamente al mismo tiempo en respuesta a una señal de entrada común. Las modalidades que demuestran esta característica se pueden aprovechar en métodos para proporcionar salidas sensibles múltiples, como se describe en la solicitud PCT Número GB2009/001480, publicada como WO2010/004249.

Otro aspecto de la invención proporciona un sistema de detección acústica distribuida (DAS) para interrogar una longitud de fibra óptica, la fibra óptica proporciona un cambio en la fase de la propagación de la señal en respuesta a un parámetro detectado, el sistema consiste en: un receptor para recibir una señal retrodispersada de la fibra óptica en respuesta a una señal de entrada; un interferómetro de salida adaptado para combinar una primera señal retrodispersada recibida desde una parte de la fibra en un primer tiempo y una segunda señal retrodispersada recibida desde la misma parte de la fibra en un segundo tiempo, diferente, en donde el interferómetro de salida tiene un modulador de frecuencia en la menos un brazo para imponer una diferencia de frecuencia entre la primera y la segunda señales de retorno y un detector de fase para recibir las señales combinadas y determinar la tasa de cambio de la fase con el tiempo de la señal retrodispersada.

El sistema de forma optativa tiene una fuente de luz para proporcionar una señal de entrada a una fibra en prueba.

La invención se extiende a métodos, aparatos y/o prácticamente como se describe en la presente referencia a los dibujos acompañantes.

Cualquier característica en un aspecto de la invención se puede aplicar a otros aspectos de la invención, en cualquier combinación adecuada. En particular, los aspectos del método se pueden aplicar a aspectos del aparato y viceversa.

Además, las características ejecutadas en hardware generalmente se pueden ejecutar en software y viceversa. Cualquier referencia a las características de software y hardware en la presente se deben considerar en consecuencia.

Las características preferidas de la presente invención se describirán ahora, solamente como ejemplo, con referencia a los dibujos acompañantes, en los cuales: La Figura 1 muestra una primera modalidad de la presente invención .

La Figura 2 muestra un arreglo alternativo de impulsos.

La Figura 3 muestra una modalidad alternativa de la invención .

La Figura 4 muestra la salida de impulsos de la técnica anterior .

Con referencia a la Figura 1, dos impulsos ópticos 102 y 104 se generan con los desplazamientos de las frecuencias de fl y f2 y una separación entre sus inicios of x metros. Estos impulsos consisten en una señal de entrada que se propaga a través de un circulador 106 hacia la fibra a prueba (FUT) 108, la cual, como ya se explicó puede ser de una longitud de fibra en modo simple no modificada. La luz que se retrodispersa en respuesta a los impulsos de entrada pasa de regreso a través del circulador y después el interferómetro de salida 110 antes de alcanzar el fotodetector 112. En las modalidades preferidas el interferómetro y el fotodetector están adaptados para operar sobre señales retrodispersadas de Rayleigh. El interferómetro de salida tiene moduladores óptico-acústicos (los AOM) 116 Y 118 en cada brazo que corre continuamente aplicando los desplazamientos de las frecuencias de 13 y de 14 Hz respectivamente. Un brazo también tiene una bobina de retardo 120 para imponer un retardo igual a la separación de impulso, es decir la longitud de x metros.

Empezando de las posiciones que se muestran en la figura 1 se puede ver que viajando hacia y desde el circulador, la luz del impulso f2 104 que pasa a través del brazo de retardo del interferómetro de salida viaja la misma distancia que la luz del impulso fl 102 que pasa a través del brazo más corto del interferómetro . De este modo si la luz de estos impulsos llega al fotodetector al mismo tiempo, ellos han sido reflejados de la misma sección de la fibra, pero en diferentes tiempos y de esa manera ellos generan una señal derivada. Esto es, debido a que han seguido la misma via óptica la diferencia de la fase entre ellos es solo el cambio en la longitud de la via óptica durante el tiempo de separación entre los dos impulsos. Los desplazamientos de la frecuencia de estos dos impulsos es f2+f4 y fl+f3 y de esta manera se mezclan para formar una señal portadora de frecuencias.

Cl = (f2-fl) + (f4-f3) .

La luz del impulso f~2 que pasa a través del brazo más corto del interferómetro debe viajar 2x m adicionales (es decir x m pasa doble) en la fibra a prueba con el fin de llegar al fotodetector al mismo tiempo que la luz del impulso fl que ha estado a través del brazo de retardo. Esto producirá una señal normal (es decir, no una derivada) que corresponde a x metros de la FUT. Los impulsos que genera esta señal normal tienen frecuencias de f2 + f3 y fl + f4, las cuales se mezclan para dar una señal portadora de frecuencias C2 = (f2-fl) + (f3-f4) Las otras frecuencias de la portadora que se generan resultan de ambos impulsos que van a través .del mismo brazo del interferometro C3 = f2-fl, 0 el mismo impulso que va a través de ambos brazos del interferometro dando C4 = f3-f4, A través de la selección adecuada de fl-4 podemos asegurar que Cl-4 son todas diferentes y es posible separar cada señal portadora. Por ejemplo si Fl = 0 MHz, f2 = 10 Hz, f3 = 20 MHz y f4 = 50 MHz entonces Cl=40 MHz, C2=20 MHz , C3=10 MHz y C4 =30MHz, observe que en todos los casos la frecuencias que se muestran son positivas. Se debe observar que las frecuencias que se muestran para los impulsos fl-f4 son todos en relación con una referencia arbitraria y de ese modo pueden tener un cero o valor negativo asi como uno positivo .

La portadora que tiene la señal normal con la resolución espacial más alta es C3 y resulta de los impulsos que se reflejan de las secciones de la fibra separadas por x/2 m. Sin embargo esta salida del interferómetro consiste en dos versiones de esta señal (correspondientes a los brazos del interferómetro retardado y no retardado) de las secciones de fibra separadas x/2 m, superpuestas en la parte superior de cada una. Este problema se puede, evitar si, como se muestra en la Figura 1, la fibra de salida se divide en una ramificación que va al fotodetector 114, el cual se verá como una portadora simple (C3) con esta señal normal de resolución espacial alta.

GB 2442745 describe como un número de pares de impulsos, generando cada uno una frecuencia portadora diferente, se puede utilizar al mismo tiempo para interrogar un sistema DAS. En este documento, el problema de desvanecimiento de coherencia provoque que la amplitud de una portadora se vuelva demasiado baja para demodularla.

Aún es posible transmitir series de pares de impulsos con frecuencias diferentes para superar el problema de desvanecimiento de coherencia en modalidades de la presente invención. Por ejemplo utilizando valores de fl=-5 MHz , £2 = 15 MHz y entonces fl=-20MHz, Í2= 20MHz dará Cl= 50 y después 60 MHz respectivamente, permaneciendo todas las otras frecuencias en 30 MHz o menos. En el fotodetector 114, las señales normales con las portadoras de 10, 20 y 30 MHz se producirán para las tres series de impulsos de entrada.

En la modalidad propuesta, el retardo entre los dos impulsos será de aproximadamente 125 ns . La amplitud de la señal derivada es proporcional a la separación entre los dos impulsos y con este retardo relativamente pequeño la señal derivada en algunas aplicaciones puede tener un SNR realmente bajo cuando la señal normal se sobrecarga, especialmente si la frecuencia de la alteración es baja. La amplitud de la señal derivada se puede mejorar aumentando la separación de impulsos sin embargo esto tendría un efecto adverso en la resolución espacial del sistema .

Un método propuesto para evitar este problema seria transmitir una serie de tres impulsos como se muestra en la modalidad de la Figura 2.

Los impulsos de entrada fl y f2 tendrían nuevamente una separación de x m y mezclarse en el fotodetector 114 para formar la señal normal para una sección de fibra de la longitud x/2 m. Los impulsos de entrada fl y el impulso nuevamente introducido f5 tendrían una separación mucho mayor de y m y después de pasar a través del interferómetro de salida (ahora con una bobina de retardo de y m) el impulso f5 se mezclaría con el impulso fl en el fotodetector 112 para dar una señal derivada con base en una separación de tiempo de yn/c, cuando n es el índice de refracción de la fibra y c es la velocidad de la luz.

A medida que cada uno de estos impulsos preferiblemente' sería una frecuencia diferente aumentaría el número de frecuencias portadoras que se generarían haciendo más difícil encontrar una serie de frecuencias que produjera las señales deseadas en las portadoras bien separadas entre sí. De otro modo el sistema podría generar pares de impulso en dos longitudes de onda diferentes utilizando el arreglo que se muestra en la Figura 3. La longitud de onda 2 (impulsos de entrada 302 y 306) tendrían una separación de impulsos grande para producir las señales derivadas mientras que la longitud de onda 1 (impulsos de entrada 302 y 304) tendrían una más corta para producir las señales normales. En el lado receptor las longitudes de onda se separarían mediante un demultiplexor de longitud de onda 310 pasando K2 a través del interferómetro de salida al fotodetector 312 y ?? pasando directamente al fotodetector 314. El mismo par de desplazamientos de las frecuencias (fl y f2) se podrían utilizar para las dos longitudes de onda.

Se entenderá que la presente invención se ha descrito antes solamente como ejemplo y las modificaciones de los detalles se pueden hacer dentro del alcance de la invención .

Cada característica descrita, en la descripción y (donde sea apropiado) las reivindicaciones y dibujos se pueden proporcionar de forma independiente o en cualquier combinación adecuada.

Claims (17)

REIVINDICACIONES

1. Un método de detección acústica distribuida (DAS) interrogando una longitud de fibra óptica, la fibra óptica proporciona un cambio en la fase de la señal de propagación en respuesta a un parámetro detectado, el método consiste en: introducir una señal de entrada hacia una longitud de la fibra óptica; recibir una señal de retorno retrodispersada desde la fibra óptica en respuesta a la señal de entrada; comparar una primera señal de retorno retrodispersada desde la misma parte de la fibra en un segundo tiempo, diferente; y derivar de la comparación una medida de la tasa de cambio con el tiempo de la señal retrodispersada.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la primera señal de retorno es la frecuencia desplazada en relación con la segunda señal de retorno.

3. El método de acuerdo con la reivindicación 2, en donde la primera señal de retorno está modulada por un primer desplazamiento de las frecuencias y la segunda señal de retorno está modulada por un segundo desplazamiento de las frecuencias.

4. El método de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde el método consiste en pasar las señales de retorno recibidas a través de un interferómetro de salida, el interferómetro de salida está arreglado para modular la señal en cada brazo mediante un desplazamiento diferente de las frecuencias.

5. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la señal de entrada consiste en un par de impulsos separados temporalmente.

6. El método de acuerdo con la reivindicación 5, en donde los impulsos tienen desplazamientos diferentes de frecuencias.

7. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores además consiste en obtener un valor de fases con base en la tasa medida de cambio de fase .

8. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores además consiste en comparar una primera señal retrodispersada desde una primera parte de la fibra en un primer tiempo y una segunda señal retrodispersada desde una segunda parte diferente de la fibra prácticamente al mismo tiempo; y derivando de la comparación una medida de la fase de la señal retrodispersada .

9. El método de acuerdo con la reivindicación 8, en donde la medida de la fase y la medida de la t asa de cambio de la fase se determinan prácticamente al mismo tiempo en respuesta a una señal de entrada común.

10. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la señal de entrada consiste en tres impulsos separados temporalmente.

11. El método de acuerdo con la reivindicación 10, en donde los impulsos de entrada incluyen al menos dos longitudes de onda diferentes.

12. El método de acuerdo con la reivindicación 10 o con la reivindicación 11, en donde el espaciado temporal entre el primero y tercer impulsos es mayor que dos veces el espaciado temporal entre el primero y segundo impulsos.

13. Un sistema de detección acústica distribuida (DAS) para interrogar una longitud de fibra óptica, la fibra óptica proporcionando un cambio en la fase de la propagación de la señal en respuesta a un parámetro detectado, el sistema consiste en: un receptor para recibir una señal retrodispersada desde la fibra óptica en respuesta a una señal de entrada, un interferómetro de salida adaptado para combinar una primera señal retrodispersada recibida desde una parte de la fibra en un primer tiempo y una segunda señal retrodispersada recibida desde la misma parte de la fibra en un segundo tiempo, diferente, en donde el interferómetro de salida incluye un modulador de frecuencia en al menos un brazo para imponer una diferencia de frecuencias entre la primera y la segunda señales de retorno; y un detector de fase para recibir las señales combinadas y determinar la tasa de cambio de la fase con el tiempo de la señal retrodispersada.

14. El sistema de acuerdo con la reivindicación 13, en donde el interferómetro de salida incluye un modulador de frecuencia en cada brazo del interferómetro de salida, cada modulador de frecuencia impone un desplazamiento de las frecuencias diferente.

15. El sistema de acuerdo con la reivindicación 13 o la reivindicación 14, en donde el sistema incluye un segundo detector de fase para determinar la fase de la señal retrodispersada .

16. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, en donde el sistema incluye un demultiplexor para separar las señales retrodispersadas de las entradas que tienen diferentes longitudes de onda.

17. El sistema de acuerdo con la reivindicación 16, en donde las señales retrodispersadas en una primera longitud de onda son pasadas al interferómetro de salida y las señales en una segunda longitud de onda son pasadas directamente al segundo detector de fase.