WO2015181432A1 - Sensor de medida de la distribución de magnitudes físicas en una fibra óptica y procedimiento de medida asociado - Google Patents

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WO2015181432A1
WO2015181432A1 PCT/ES2015/070424 ES2015070424W WO2015181432A1 WO 2015181432 A1 WO2015181432 A1 WO 2015181432A1 ES 2015070424 W ES2015070424 W ES 2015070424W WO 2015181432 A1 WO2015181432 A1 WO 2015181432A1
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optical
signal
test
pump
fiber
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PCT/ES2015/070424
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French (fr)
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Alayn LOAYSSA LARA
Miguel SAGUES GARCÍA
Javier URRICELQUI POLVORINOS
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Universidad Pública de Navarra
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Definitions

  • the present invention relates to distributed fiber optic sensors based on the stimulated nonlinear Bril loui n dispersion effect and, more specifically, with sensors based on the time domain Brillouin optical analysis technique (Brillouin optical time-domain analysis, BOTDA).
  • BOTDA Brillouin optical time-domain analysis
  • the object of the invention is therefore a sensor or measuring device intended to measure the distribution of physical quantities in an optical fiber, which is based on an improvement of the BOTDA technique, as well as an associated measurement procedure.
  • the measuring device according to the invention has better performance compared to prior art devices, because it incorporates elements capable of generating Brillouin spectra whose characteristics may vary along said optical fiber.
  • the distributed Brillouin sensors of the BOTDA type are based on the use of the stimulated Brillouin scattering (SBS) nonlinear dispersion effect in fiber optics by which two waves or optical signals, respectively called the Stokes pumping wave and wave, that propagate in the opposite direction in a stretch of optical fiber, give rise to the appearance of an acoustic wave that generates energy transfer from the pumping wave to the Stokes wave.
  • SBS stimulated Brillouin scattering
  • the pumping wave is introduced from one end of the fiber and from the other end an auxiliary test wave that acts as a Stokes wave in the Brillouin interaction.
  • the procedure would be to measure the gain experienced by the test wave as it passes through the optical fiber for different separations in optical frequency between the two.
  • the Brillouin attenuation spectrum could be used and the test wave acts as a pumping wave in the Brillouin interaction. This could determine the average temperature or elongation to which the fiber optic section used is subjected.
  • the BOTDA technique also allows a measurement of the distribution of physical quantities along the optical fiber. To do this, a pulse of the pumping wave is carried out before being introduced through one end of the fiber. This pulse is then propagated along the fiber with a continuous test wave in time that is introduced at the other end.
  • the gain that this wave experiences after crossing the optical fiber as a function of time is measured.
  • the gain measured at a given moment corresponds to the interaction between the pump pulse and the test wave at a given position of the fiber.
  • gain can be translated as a function of time into profit as a function of position.
  • This combined with a sweep of the separation in optical frequency between pump and test wave, allows to measure the gain spectrum Brillouin in each position of the fiber and, from it, find the BFS in that position and with it 7 and ⁇ .
  • the spatial resolution of the measurement is determined by the temporal duration of the pumping pulse since it determines the extent to which gain is produced by Brillouin interaction between pumping and test wave.
  • the BOTDA technique can also be implemented by measuring the Brillouin attenuation spectrum instead of the gain.
  • existing BOTDA systems have important limitations that prevent taking advantage of all the potential advantages of this technology. The main ones are: the low signal-to-noise ratio (SNR) of the measurements, the high measurement times required, the non-local effects that limit the accuracy of the measurement and the maximum spatial resolution that can be get.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the present invention contributes to directly or indirectly compensate for these limitations, which allows a very significant improvement in the performance of the BOTDA type distributed sensors.
  • SpBS spontaneous Brillouin scattering
  • the optical test signal increases its power, it begins to act as the optical signal for the SBS amplification of Stokes waves generated by SpBS from the thermal excitation of acoustic waves in the fiber. This will generate a power emptying of the test wave and also a noise due to the thermal, and therefore random, origin of the amplified Stokes signals.
  • This noise helps to increase the relative intensity noise (Relative Intensity Noise, RIN) of the detected signal, degrading the SNR of the measurement.
  • RIN relative Intensity Noise
  • the SNR of the measurement is also affected by attenuation of the pumping pulses as it propagates over long stretches of optical fiber. In this way, at the most distant end of the fiber the pulses arrive with a low optical power which implies that they give rise to a very small Brillouin interaction in the test wave. In this way, the received test wave corresponding to this area distant from the fiber has little power, so the SNR is also reduced.
  • Raman distributed amplification To compensate for this effect, the use of Raman distributed amplification has been proposed, which compensates for the attenuation suffered by the pumping wave during its trip along the fiber.
  • Raman amplification not only affects the pumping wave but also the test wave. This amplification increases the noise in the received test wave due to the transfer of the relative intensity noise from the Raman pump laser to the test wave.
  • wavelength modulation of the pumping signal is used to make measurements of rapid BFS variations. Its operation is based on using, at each fiber position, a separation between the optical pumping and test signal such that it places the wavelength of the optical test signal on the slope of the Brillouin gain spectrum. In this way, the Brillouin spectrum is used as a discriminator to convert rapid changes in BFS, for example due to vibrations that generate rapid variation of the deformation, in changes in the amplitude of the detected signal.
  • the stationary BFS around which rapid BFS variations occur generally changes along the fiber due to the stationary characteristics of the deformation and temperature to which it is subjected at each point.
  • a test optical signal is used whose wavelength is modulated, in order to adapt to the variation of stationary BFS along the fiber. In this way, it is achieved that in each segment of the fiber the frequency separation between pumping and testing is adequate to ensure that the optical test signal is located on the slope of the gain spectrum.
  • the patent application EP 2708856 A1 discloses BOTDA type measurement sensors in which it is possible to increase the SNR received without increasing the measurement times or decreasing the accuracy of said devices.
  • said sensor remains vulnerable to the limitation in the power of the injected optical test signal imposed by non-local effects and to the noise that is added to this optical test signal due to spontaneous Brillouin dispersion.
  • the application of the present invention to the sensor described in application EP 2708856 A1 of the present invention would reduce these limitations.
  • the power of pumping pulses could be amplified as they propagate through the fiber.
  • BOTDA sensors In addition to BOTDA sensors, there are other types of distributed Brillouin sensors, such as those based on the Brillouin optical coherence domain analysis (BOCDA) technique that use the SBS effect, but using a method other than BOTDA to provide distributed measures of BFS.
  • BOCDA sensors such as the one described in patent application EP 2068126 A1
  • pump and test signals are modulated in wavelength that are continuous over time. With the modulation it is possible to modify its relative coherence so that when the counter-propagation in the sensor optical fiber is detected, the SBS interaction is located in a specific position in which the correlation of both optical signals is high.
  • a first aspect of the invention contemplates a sensor for measuring the distribution of physical quantities in an optical fiber comprising, at least: an optical signal generator configured to generate , a first (s) optical signal (s) and a second (s) optical signal (s) that respectively give rise to at least one optical pumping signal and, at least one optical test signal;
  • test optical signal (s) interacts with the optical pump signal (s);
  • a pulsation device configured to press the first optical signal (s) to form the pulsed optical signal (s);
  • a test wave generator configured to generate optical test signal (s) (I) from the second optical signal (s);
  • a photoreceptor configured to detect the optical output signal, resulting from the interaction between the optical pump signal (s) and the optical test signal (s);
  • a processing set of the output optical signal configured to obtain the characteristics of the interaction of the test optical signal (s) with the optical pump signal (s) pulsed at along the optical fiber;
  • a set of non-local effects reduction and Brillouin threshold increase comprising, in turn, a modulation signal generator that allows at least one of the optical signal (s) to be modulated in wavelength ) test and / or at least one optical amplification signal, intended to compensate for the attenuation of the optical pump signal along the optical fiber.
  • the measurement sensor of the present invention makes it possible to compensate for the reduction in the power of the optical test signal imposed by the non-local effects and the noise that is added to said optical test signal by spontaneous Brillouin dispersion (technical disadvantages previously mentioned above), by a first novel approach: the modulation of the wavelength of the test optical signal (or optical signals), optionally synchronized with the pulsation of the optical signal (or optical signals) pumping, a technique not used for this purpose to date.
  • a second embodiment of the measurement sensor according to the invention makes it possible to compensate for the attenuation of the optical pump signal along the optical fiber.
  • optical amplification signal configured to generate an optical pump signal of the Brillouin amplification, also called the "optical amplification signal".
  • said optical amplification signal is optionally modulated in wavelength by a modulation signal generator.
  • the optical amplification signal is optionally synchronized with the pulsation of the optical pump signal (s), so that even greater stability in the power of The optical pumping signal.
  • neither the optical amplification signal, nor the optical test signal (or signals) are wavelength modulated.
  • the wavelength separation of the test optical signal (or optical signals) and the optical pump signal has a constant component, which does not include modulation of the wavelength of the optical signal (or optical signals) test, and a variable component, which is the result of such modulation.
  • the modulation signal generator is synchronized with the pulse generator, such that the wavelength modulation of at least one optical test signal is synchronized with the pulse of the pulse (s). optical signal (s) pumping.
  • the modulation signal generator is an electrical signal generator that injects an electrical signal to the optical signal generator and is, in turn, synchronized with the pulse generator so that the optical signals of Pulsed pumping match over time with the same modulation waveform.
  • the optical signal generator further comprises an optical phase modulator.
  • the generated Brillouin interaction spectra can be used for the BOTDA measure itself, in which case the variation of its characteristics is made by modulating the wavelength of the test signal. They can also be additional Brillouin interaction spectra to those used in the BOTDA measure, for example, Brillouin gain spectra that are used to amplify the pump pulses used in the BOTDA as they propagate through the fiber, compensating for the attenuation introduced by it. In both cases, the sensor's performance is improved in terms of signal-to-noise ratio and the rest of related features (measurement time, resolution, range, etc.).
  • the wavelength of said optical amplification signal may be optionally modulated, preferably, by modulating the electric current injected into the optical source that generates it, and even more preferably, so that the wavelength of said optical signal of amplification is synchronized with the pulsed pump signal.
  • the optical source may optionally comprise a plurality of laser sources.
  • the present invention also contemplates that, optionally, the signal Optical amplification is not wavelength modulated.
  • a second aspect of the invention relates to a method of measuring the distribution of physical quantities in an optical fiber that uses a sensor according to the first aspect of the invention and comprises the following steps: i. modulate the wavelength of the test optical signal (in order to create a variation profile along the optical fiber to reduce non-local effects and increase the Brillouin threshold of said optical fiber);
  • the measurement procedure further comprises repeating steps (i) to (viii) described above for different settings of the constant component of the wavelength separation of the optical test and pump signals , in order to obtain the distribution along the optical fiber of the module and / or the phase of the Brillouin interaction at different optical frequencies.
  • the method comprises: the steps (i) to (v) described above,
  • the optical amplification signal is modulated in wavelength before being introduced into the optical fiber.
  • the method comprises: the steps (iii) to (v) described above,
  • Figure 1 illustrates a conventional BOTDA sensor according to the prior art
  • Figures 2a and 2b illustrate the distribution of Brillouin spectra measured by the sensor of Figure 1 along an optical fiber that is subject to deformation and constant temperature throughout its length;
  • Figure 3 schematically shows an embodiment of a sensor according to an aspect of the invention
  • Figures 4a and 4b describe the distribution of Brillouin spectra measured along an optical fiber that is subject to deformation and constant temperature throughout its length when a sinusoidal BFS has been synthesized, in a sensor according to an aspect of the invention
  • Figures 5a and 5b describe the reduction achieved in non-local effects by synthesizing different BFS profiles, in a sensor according to an aspect of the invention
  • Figure 6 schematically shows another embodiment of a sensor according to an aspect of the invention in which an additional optical source is used to pump Brillouin gain that amplifies the pumping pulses;
  • Figures 7a to 7c describe the spectrum of the optical signals used in a sensor according to an aspect of the invention and the distribution of the Brillouin gain generated in the fiber for the pumping pulses;
  • Figure 8 schematically describes a sensor according to an aspect of the invention in which an additional optical source is used to pump Brillouin gain that amplifies the pumping pulses;
  • Figure 9 schematically describes a sensor that implements an aspect of the invention in which multiple additional optical sources are used to pump Brillouin gain that amplifies the pumping pulses;
  • Figure 10 schematically represents a preferred embodiment of a sensor according to the present invention.
  • Figure 11 depicts a schematic of the optical signal generation assembly used in an embodiment of the present invention.
  • Figure 12 represents an embodiment of the optical signal generator of the present invention
  • Figure 13 represents another embodiment of the optical signal generator of the device of the invention
  • Figure 14 represents an embodiment of the test wave generator of the invention.
  • Figure 15 depicts an embodiment of the pump pulse shaper of the invention
  • Y Figure 16 represents another embodiment of the pump pulse generator of the invention.
  • Fig. 1 describes a BOTDA sensor according to the prior art, comprising a single optical signal generator 1 which, in this embodiment, comprises a laser 12 and a coupler 13.
  • the optical signals generated by said optical signal generator are divided in a first optical signal A and a second optical signal B, thanks to the coupler 13.
  • the first optical signal A enters a pulse device 70 comprising a pulse generator 3 and a pulse shaper 4 (explained in detail below) , to give rise to a pulsed optical pump signal H, while the second optical signal B gives rise to an optical test signal I, which in this case is a continuous signal, by means of a test wave generator 5 (described further forward in detail).
  • the optical pulsed pumping signals H and test I interact with each other in an optical fiber 7, giving rise to an optical output signal E, which is detected by a photoreceptor 9.
  • the sensor is also provided with a circulator 8 (explained in detail later).
  • the pulsed H and test I optical signals also have different wavelengths, the difference in said wavelengths being close to the BFS of the optical fiber 7 used.
  • Fig. 2a and 2b show a typical example of the distribution of Brillouin spectra that would be measured using a conventional BOTDA sensor, as shown in Fig. 1, along an optical fiber that had a virtually constant BFS throughout its entire length, that is, that all the fiber was at the same temperature and suffered an analogous deformation. These spectra are obtained by varying the wavelength separation between the pumping wave and the test wave. In this figure it can be seen that the Brillouin spectra are centered around the same frequency for all positions.
  • Fig. 3 shows an embodiment of a sensor for measuring the distribution of physical quantities in an optical fiber according to the present invention which comprises, in addition to the elements described above in relation to fig.
  • a modulation signal generator 2 in the form of an electrical signal generator, which injects electrical signals to the optical signal generator 1 intended to cause a wavelength modulation.
  • Said electric signal generator 2 is also synchronized with the pulsation device 70 (formed by the pulse generator 3 and the pulse shaper 4).
  • the emission wavelength of the laser 12 is modulated by means of an electrical signal, typically of low frequency, which is synchronized with the pulsation device 70 so that the successive signals Pulsed pumping optics H coincide over time with the same modulation waveform.
  • This modulation can be performed, for example, by a small modulation of a current injected into a semiconductor laser, since the so-called laser chirp effect transforms current modulation into wavelength modulation.
  • Figures 4a and 4b show, as an example, a modulation using a sine wave, but any other waveform is possible. As explained below, the waveform of the wavelength modulation achieved is directly transferred to the form of the virtual BFS variation that is generated in the sensor optical fiber.
  • the pulsed optical pump signal H which on this occasion is also modulated in wavelength, is pulsed. Since the pulse device 70 and the modulation are synchronized, the pulsed optical pump signal H acquires a wavelength that depends on the fixed propagation delay between the laser 12 and the pulse device 70. This pulsed optical pump signal H is propagates in the opposite direction to test optical signal I in the optical fiber. However, in contrast to conventional BOTDA, the wavelength of the test optical signal I with which it interacts is not constant along the optical fiber, because the laser 12 is wavelength modulated. Therefore, at each position (z) of the optical fiber, the pulsed optical pump signal H interacts with a test optical signal I with a different wavelength. The Brillouin interaction between these two optical signals is determined by the separation of their difference in optical frequency (wavelength) from the center of the Brillouin spectrum, ⁇ , which is given at each position z along the optical fiber by:
  • Av (z) v s (z) -vp-BFS (z)
  • v P is the optical frequency of the pulsed optical pump signal H, which remains constant for all positions of the optical fiber
  • v s is the local optical frequency of the test wave, which varies depending on the position.
  • This expression Mathematics implies that, from the point of view of the Brillouin interaction, it is equivalent to have a variation in BFS (z) along the fiber than to have an identical variation in v s (z). Therefore, it can be said that by modulating the wavelength of the test optical signal I provided in the devices of the invention a virtual BFS profile is being synthesized along the optical fiber 7. It is called virtual BFS because by modulating the test wave an effect is being achieved in the measure of the Brillouin spectra analogous to that which would be had if the BFS really varied along the fiber.
  • Figures 4a and 4b show the distribution of spectra that would be measured with the BOTDA sensor according to the invention in case a sinusoidal modulation is applied to the laser 12 and considering the same optical fiber 7 as in Figures 2a and 2b. These spectra are measured by modifying the constant component of the wavelength separation between the optical signals of pumping H and test I. The effect of sinusoidal BFS synthesis can be clearly seen in this case.
  • the synthesis of virtual BFS characteristic of the sensors according to the invention can be used, for example, to compensate for non-local effects. The worst case with these effects for a conventional BOTDA is when we have a fiber with a uniform BFS.
  • FIG. 5a shows the emptying factor calculated for the different profiles of synthesized BFS and for uniform BFS shown in Figure 5b.
  • the dotted dot and dot line shows the case of having an optical fiber 7 with a uniform distribution of BFS (10.8 GHz in this example).
  • the pumping power acquires a dependence on the Lorentzian wavelength whose maximum coincides with the BFS. It is well known that to have an accuracy in the measurement of BFS of at least 1 MHz it is necessary that the maximum emptying factor be 17% (see, for example, L. Thévenaz et. Al., Optics Express, Vol. 21, pp. 14017-14035, 2013). This value would be clearly exceeded in this case, which would increase the measurement error.
  • the emptying of the pulsed optical pump signal H can be reduced by synthesizing a virtual BFS profile.
  • a sensor fiber composed of two segments with different BFS can be simulated, as shown in Figure 5b in dashed line.
  • the emptying factor composed of two peaks would be obtained, which is shown in Figure 5a. It could be seen that the maximum pulse emptying is reduced.
  • Another possibility is to synthesize a BFS profile that varies continuously along the optical fiber 7. For example, a sinusoidal modulation, which distributes the energy over a greater frequency range than the square modulation.
  • a sinusoidal modulation which distributes the energy over a greater frequency range than the square modulation.
  • an example of modulation with a sine wave is generated that generates a sinusoidal variation of the BFS. This modulation results in the almost flat emptying factor shown in Figure 5a. It can be seen that in this case, an emptying factor of less than 10% is achieved, which ensures good performance in the BOTDA sensor.
  • Fig. 6 shows another embodiment of a sensor for measuring the distribution of physical quantities in an optical fiber, according to the present invention, which also comprises the elements described above in relation to fig. 3, an optical source 24 configured to generate an optical amplification signal J, intended to compensate for the attenuation of the pulsed optical pump signal H along the optical fiber 7.
  • said pulsed optical pump signal H and said test optical signal I pass through a second coupler 23.
  • Figure 6 describes, therefore, another aspect of the present invention, in this case, the use of the generation of Brillouin interaction spectra along the optical fiber 7 to compensate for the attenuation experienced by the optical pump signals H at Spread through the 7 fiber optic sensor.
  • an optical source 24 is added which generates an optical signal J which is used to pump the Brillouin amplification of the pulsed optical pump signals H. Therefore, in this embodiment of the sensor according to the invention there are two different Brillouin interactions: the one used for the BOTDA measurement itself and the one used to amplify the pumping pulses used in the BOTDA.
  • the spectra of the different optical signals involved are shown schematically in Figures 7a and 7b.
  • the emission wavelength of the optical source 24 used is modulated by means of a signal that is synchronized with the pulsation device 70, so that successive optical signals of pumping Pressed H coincide in time with the same modulation waveform.
  • this modulation can be performed, for example, by modulating the injected current to a semiconductor laser.
  • the figure shows, as an example, a modulation with a sine wave, but any other waveform is usable. In this case, a Brillouin interaction with a profile is generated. of virtual BFS that amplifies pumping pulses.
  • the pulsed optical pump signal H acts as a Stokes wave in the Brillouin amplification and the signal from the optical source 24 as the pump wave.
  • An example of the gain spectrum experienced by the pulsed optical pump signal H as a function of the position is also shown in Figures 7a and 7b, which as seen has a shape analogous to that of Figure 4.
  • Figure 7c the total gain spectrum experienced by the pulsed optical pump signal H from its entry into the fiber to each of the z positions. It can be seen that it is an almost flat gain spectrum and that it is increasing as it propagates through the fiber.
  • Figure 8 describes another aspect of the invention analogous to that described in Figure 6, but in which the signal generated by the electrical signal generator 60 does not have to be periodic or synchronized with the pulsed optical pump signals H. In addition, a combination of amplitude and wavelength modulation could be used. In this case, at each point of the fiber, Brillouin interaction spectra would be created whose characteristics vary dynamically over time.
  • FIG 9 another aspect of the invention is described analogous to that described in Figures 6 and 7, but in which it is considered that multiple optical sources 24 can be used which may or may not be modulated and optionally synchronized with the optical signals of Pulsed H pumping.
  • the present invention introduces novelties in the method of generating the optical signals used in distributed Brillouin sensors with the aim of generating Brillouin interaction profiles that can vary along the fiber. This variation of the interaction profiles can be achieved with the modulation of the test wave, in order to achieve a distribution of the Brillouin interaction along the fiber that minimizes non-local effects and the noise generated by Brillouin dispersion spontaneous
  • Another possibility is to generate Brillouin gain profiles that can vary along the fiber in order to amplify the pumping pulses.
  • at least one additional optical source is used that acts as pumping this gain and it can have its emission wavelength modulated.
  • Figure 10 shows an embodiment of the device of the invention comprising an optical signal generation set 0 comprising the portion of the measurement sensor according to the invention responsible for generating the pulsed optical signals H and test I, as well as of modulating and pressing said optical signals H el, a section of sensor fiber optic 7, a circulator 8, an optical filter 25, a photoreceptor 9, a signal processing and data capture system 10, a control system 11 , a coupler or multiplexer 23 and an additional optical source 24.
  • an optical signal generation set 0 comprising the portion of the measurement sensor according to the invention responsible for generating the pulsed optical signals H and test I, as well as of modulating and pressing said optical signals H el, a section of sensor fiber optic 7, a circulator 8, an optical filter 25, a photoreceptor 9, a signal processing and data capture system 10, a control system 11 , a coupler or multiplexer 23 and an additional optical source 24.
  • the optical signal generation set 0 has the mission of generating the optical signals H and I that interact in the optical fiber 7.
  • the H signal is an optical signal composed of pulses of light that acts as a pump for the Brillouin interaction in the optical fiber 7.
  • - Signal I is an optical signal that acts as a test wave of the Brillouin interaction that takes place in the optical fiber 7.
  • At least for the signal I its wavelength can be modulated in time by means of a modulating signal that is synchronized with the light pulses of the signal H.
  • a modulating signal that is synchronized with the light pulses of the signal H.
  • the optical fiber 7 is where the Brillouin interaction between the optical pumping signal H and the optical test signal I takes place.
  • the optical fiber 7 is preferably of the single mode type (that is, in which only one light mode is propagated), to guarantee the efficiency of the Brillouin interaction in it.
  • the optical fiber 7 preferably has its own characteristics of the Brillouin spectrum, in particular of the BFS, at each point of it, which depends on the physical quantities to which it is subjected.
  • the optical fiber 7 preferably has characteristics of the interaction that include the BFS dependence coefficients with temperature and elongation.
  • the optical fiber 7 preferably has its own coefficients of dependence of the BFS with temperature and elongation that are preferably known a priori, to be able to use the fiber as a sensor element of these physical quantities.
  • the optical filter 25 its mission is to filter, if necessary, the optical noise or other unwanted components of the optical spectrum, preferably before the photoreceptor 9.
  • said element has the mission of detecting the optical output signal E , the result of the propagation of the signal I along the optical fiber 7 where Brillouin interacts with the pumping signal H.
  • said element has the mission of processing the signal detected in the photoreceptor 9, obtaining the measurement data and acting as an interface with the control system 11.
  • its mission is to synchronize the operation of the measurement system by acting, at least, on the generator of optical signals 0, by means of a combination of programmable hardware and / or software, as well as processing the measurement data captured in the data capture system 10 to obtain the measurement of the BFS and, where appropriate, of the physical quantities at each point of the optical fiber 7.
  • the mission of the optical source 24 is to generate a signal J which is used as the pumping of the Brillouin gain in the optical fiber 7 to amplify the pumping pulses H.
  • the optical source 24 has its modulated emission wavelength.
  • the optical source 24 has its modulated emission wavelength by means of a modulating signal that is synchronized with the light pulses of the H signal.
  • the optical source 24 is composed of multiple optical sources that may or may not have their emission wavelength synchronized or not with the light pulses of the H signal.
  • the optical source 24 and the coupler or multiplexer 23 are not necessary since it is not sought to amplify the pumping pulses H.
  • the wavelength of the signal I emitted by the optical signal generation set 0 is not modulated.
  • Figure 11 shows a preferred embodiment of the optical signal generation set 0, which comprises an optical signal generator 1, a modulation signal generator 2, a pulse generator 3, a pump pulse shaper 4, an optical amplifier 21, an optical filter 22, a test wave generator 5 and a polarization controller 6.
  • optical signal generator 1 With regard to the optical signal generator 1 and the optical signals generated by it, the following considerations must be taken into account:
  • the optical signal generator 1 generates at least two separate optical signals, one (s) first optical signal (s) A is used to generate the optical signal (s) pumping (s) and a second optical signal (s) B to generate the test optical signal (s).
  • the modulation signal generator 2 For at least one of the generated optical signals B, its wavelength can be modulated by the modulating signal generated by the modulation signal generator 2.
  • the modulation signal generator 2 and the electrical signal F generated by it the following considerations must be taken into account:
  • the modulation signal generator 2 has the mission of generating an electrical signal F that can modulate the wavelength of at least one of the signals generated by the optical source 1.
  • the electrical signal F is preferably a periodic signal.
  • the electrical signal F is synchronized with the pulsed signal C generated by the pulse generator 3.
  • the pulse generator 3 has the mission of generating an electrical signal C composed of electrical pulses that serve to form the optical pulses of pumping.
  • the electrical signal C is composed of pulses that are preferably synchronized with the periodic signal F generated by the modulation signal generator 2.
  • said element has the mission of generating optical pumping pulses a from one of the optical signals A generated in the optical signal generator 1 using the electrical pulses C generated by the pulse generator 3.
  • its mission is to increase, if necessary, the power of the optical signal D generated by the pumping pulse shaper 4, in order to increase the magnitude of the Brillouin interaction in the optical fiber 7.
  • optical filter 22 its mission is to filter, if necessary, the optical noise or other unwanted components of the optical spectrum, preferably at the output of the optical amplifier 21.
  • test wave generator 5 and the generated optical signal G for this the following considerations must be taken into account:
  • the test wave generator 5 has the mission of generating the test wave from one of the second signals B of the optical signal generator 1.
  • said element has the mission of modifying the polarization of the G wave, to ensure that efficient Brillouin interaction occurs at all points of the fiber during the measurement.
  • Figure 12 shows the optical signal generator 1 used in a preferred embodiment of the present invention, preferably comprising a narrowband optical source 12, preferably a laser source and an optical signal splitter 13.
  • a narrowband optical source 12 preferably a laser source and an optical signal splitter 13.
  • the optical signal generated by the narrowband optical source 12 preferably has a spectral width narrow enough to ensure the efficiency of the SBS effect on the fiber.
  • the electrical signal F generated by the modulation signal generator 2 is used to modulate the wavelength of the signal emitted by the narrowband optical source 12, preferably, by modulating the injection current to the laser source.
  • the splitter 13 has the mission of dividing the signal of the narrowband optical source 12 into at least two paths.
  • Figure 13 shows the optical signal generator 1 used in another preferred embodiment of the present invention, which preferably comprises two sources.
  • the narrowband optical sources 14 and 15 and the optical signals generated by them they should be taken into account.
  • the optical signal generated by the narrowband optical sources 14 15 preferably has a spectral width narrow enough to ensure the efficiency of the SBS effect on the fiber.
  • the electric signal F generated by the modulation signal generator 2 is used to modulate the wavelength of the signal emitted by at least one of the narrowband optical sources 15, preferably by modulating the current of injection to the laser source.
  • the narrowband optical sources 14 and 15 have a stable and tunable emission wavelength separation.
  • Figure 14 shows the test wave generator 5 used in a preferred embodiment of the present invention, which preferably comprises a radiofrequency signal generator 16 and an optical modulator 17.
  • the radiofrequency signal generator 16 has the mission of generating a radiofrequency signal, preferably sinusoidal, which is applied to the optical modulator
  • the radiofrequency signal generator 16 allows the frequency of the generated electrical signal to be varied, in the case that the measurement of the Brillouin spectrum is chosen by tuning the optical frequency of one of the spectral components of the test signal G.
  • the radiofrequency signal generator 16 provides a fixed frequency electrical signal, in the case that the measurement of the Brillouin spectrum is chosen by tuning the optical frequency of the pumping wave, or if a voltage is to be measured. concrete frequency within the Brillouin spectrum.
  • the optical modulator 17 has the mission of modulating the optical signal B generated by the optical signal generator to generate modulation sidebands in the spectrum of the optical signal G.
  • the separation of the modulation sidebands from the optical carrier is given by the frequency of the radiofrequency signal generated by the radiofrequency signal generator 16.
  • At least one of the modulation sidebands is used as a test wave of the Brillouin interaction generated by the pumping signal H in the optical fiber 7.
  • the use of a generator is not necessary test wave 5, so the optical signal G would be the optical signal B itself.
  • Figure 15 shows the pumping pulse shaper 4 used in a preferred embodiment of the present invention, which preferably comprises an optical modulator 18.
  • said element has the mission of generating an optical pulse from the signal C generated by the pulse generator 3.
  • Figure 16 shows the pumping pulse shaper 4 used in another preferred embodiment of the present invention, which preferably comprises an optical modulator 19 and an RF pulse generator 20.
  • the RF 20 pulse generator has the mission of generating pulses of an electrical signal, preferably sinusoidal, and of a given frequency.
  • the RF 20 pulse generator allows the frequency of the pulsed sinusoidal signal that it generates to be varied during the measurement, in the event that the measurement of the Brillouin spectrum is chosen by varying the optical frequency of the optical signal pumping H.
  • the RF 20 pulse generator keeps the frequency of the pulsed sinusoidal signal it generates fixed, in the event that the measurement of the Brillouin spectrum is chosen by tuning the optical frequency of one of the spectral components of the wave of test I, or if only a specific frequency is to be measured within the Brillouin spectrum.
  • the mission of the optical modulator is to generate at least one side band of modulation of the optical signal A generated by the optical signal generator.
  • the signal applied to the optical modulator 19 is preferably generated in the RF pulse generator 20.
  • the method of measuring the spectra of the Brillouin interaction in the optical fiber 7 using the present embodiment of the invention includes the following steps;
  • the wavelength modulation of the signal I is adjusted to create a wavelength variation profile of the test wave along the optical fiber 7 that reduces the non-local effects and Brillouin noise.
  • the adjustment of the wavelength modulation of the signal I is performed by adjusting the form of signal wave F generated by the modulation signal generator 2.
  • the pulses of the pumping signal H are adjusted so that they are synchronized with the modulation of the wavelength of the signal I.
  • the adjustment of the pulse synchronization of the pumping signal H is achieved by adjusting the pulse generator 3 in synchronization with the signal F. Neither.
  • the constant component of the wavelength separation of test wave I and pump H is set to the desired value.
  • the adjustment of the wavelength separation of the Optical test signal I and pulsed pump H may involve adjusting the wavelength separation of both sources 14 and 15.
  • the adjustment of the wavelength separation of the test optical signal I and pulsed pumping H may involve the adjustment, if necessary, of the frequency of the pulsed sinusoidal signal generated by the generator 20.
  • the adjustment of the wavelength separation of the optical test signal I and pulsed pumping H may imply, if necessary, the adjustment of the frequency of the radiofrequency generator 16.
  • the polarization of the light of the test I optical signal is adjusted to ensure that efficient Brillouin interaction occurs at all points of the fiber during measurement.
  • the adjustment of the light polarization of the optical test signal I is made by adjusting the polarization controller 6.
  • the modulation of the optical source 24 is adjusted in order to generate signal J that results in a distribution of Brillouin gain spectra in the optical fiber that amplifies the pulses of the pulsed pump signal H.
  • test optical signal I is introduced at one end of the optical fiber 7 to be measured.
  • pulsed pumping optical signal H is input through the opposite end of the optical fiber 7.
  • the optical amplification signal J. is introduced.
  • the optical output signal E is detected by a photoreceptor 9.
  • the data is recorded in the control system 10 and sent to the control system 11.
  • steps (iii) to (xi) are repeated for a new adjustment of the wavelength separation of the test optical signal I and pumping H.
  • the measurement data in the control system 10 is processed to obtain the distributed measurement of BFS along the fiber and, where appropriate, of the physical parameters of temperature and / or unit deformation.

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Abstract

Sensor de medida de la distribución de magnitudes físicas en una fibra óptica (7) que comprende un generador de señales ópticas (1), un dispositivo de pulsación (70) y un generador de onda de prueba(5), que dan lugar a, al menos, una señal óptica de bombeo pulsada (H) y, al menos, una señal óptica de prueba (I);un segmento de fibra óptica (7) donde las señales ópticas de bombeo pulsada (H) y prueba (I) interaccionan entre sí; comprendiendo además el sensor un conjunto de reducción de efectos no locales y de aumento del umbral de Brillouin provisto de un generador de señal de modulación (2) que permite modular en longitud de onda al menos una de las señales ópticas de prueba I y/o al menos una señal óptica de amplificación (J).

Description

Sensor de medida de la distribución de magnitudes físicas en una fibra óptica y procedimiento de medida asociado
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención está relacionada con los sensores de fibra óptica distribuidos basados en el efecto no lineal de dispersión de Bril loui n estim ulada y, más específicamente, con los sensores basados en la técnica de análisis óptico Brillouin en el dominio del tiempo (Brillouin optical time-domain analysis, BOTDA).
El objeto de la invención es, por tanto, un sensor o dispositivo de medida destinado a medir la distribución de magnitudes físicas en una fibra óptica, que está basado en una mejora de la técnica BOTDA, así como un procedimiento de medida asociado. El dispositivo de medida según la invención tiene unas mejores prestaciones en comparación con los dispositivos de la técnica anterior, porque incorpora elementos capaces de generar espectros Brillouin cuyas características pueden variar a lo largo de dicha fibra óptica.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los sensores Brillouin distribuidos del tipo BOTDA se basan en la utilización del efecto no lineal de dispersión de Brillouin estimulada (stimulated Brillouin scattering, SBS) en fibra óptica por el que dos ondas o señales ópticas, llamadas respectivamente onda de bombeo y onda de Stokes, que se propagan en sentido opuesto en un tramo de fibra óptica, dan lugar a la aparición de una onda acústica que genera transferencia de energía de la onda de bombeo a la onda de Stokes. El resultado de este proceso es que la onda de Stokes resulta amplificada y la onda de bombeo atenuada. Esto ocurre siempre que la separación en frecuencia óptica de las ondas de bombeo y Stokes sea cercano al llamado desplazamiento en frecuencia Brillouin (Brillouin frequency shift, BFS) propio de la fibra óptica utilizada. De esta manera, el efecto da lugar a la aparición de un espectro de ganancia para ondas que se propaguen en sentido opuesto a la onda de bombeo y que tiene un máximo a la frecuencia óptica dada por la resta entre la frecuencia óptica del bombeo y el BFS. Este espectro, también llamado espectro de ganancia Brillouin, tiene una forma de función de Lorentz y una anchura de línea del orden de algunas decenas de megahercios que viene dada por el parámetro denominado anchura de línea Brillouin y que es propio de cada fibra. Simultáneamente, aparece un espectro de atenuación Brillouin con características análogas para ondas que se propagan en sentido opuesto a la onda de Stokes con forma y anchura de línea similar. El concepto general de la técnica BOTDA se describe en la solicitud de patente US4997277. En su aplicación al desarrollo de sensores, se aprovecha que el BFS depende de las magnitudes físicas a las que está sometida la fibra, en particular la temperatura (T) y la elongación de la fibra (ε). Concretamente, se encuentra que el BFS tiene una dependencia aproximadamente lineal con estos parámetros que se puede expresar como BFS = BFS0 + CTT + CEs , donde BFSQ es el BFS a una temperatura dada de referencia y sin deformación de la fibra, y CT y C£ son los coeficientes de dependencia con la temperatura y la elongación, respectivamente. Por tanto, puede encontrarse la temperatura o la elongación a la que está sometida una fibra, simplemente midiendo el espectro de ganancia Brillouin y determinando su máximo. Para ello se introduce desde un extremo de la fibra la onda de bombeo y desde el otro extremo una onda auxiliar de prueba que actúa como onda de Stokes en la interacción Brillouin. El procedimiento consistiría en medir la ganancia que experimenta la onda de prueba al atravesar la fibra óptica para diferentes separaciones en frecuencia óptica entre las dos. Igualmente se podría utilizar el espectro de atenuación Brillouin y que la onda de prueba actúe como onda de bombeo en la interacción Brillouin. Con esto se podría determinar la temperatura o la elongación promedio a la que está sometido el tramo de fibra óptica utilizado.
La técnica BOTDA permite, además, realizar una medida de la distribución de las magnitudes físicas a lo largo de la fibra óptica. Para ello se realiza un pulsado de la onda de bombeo antes de introducirla por un extremo de la fibra. Este pulso se contra-propaga entonces a lo largo de la fibra con una onda de prueba continua en el tiempo que se introduce por el otro extremo.
Finalmente, se mide la ganancia que experimenta esta onda tras atravesar la fibra óptica en función del tiempo. La ganancia medida en un instante dado corresponde a la interacción entre el pulso de bombeo y la onda de prueba en una posición dada de la fibra. De esta manera, utilizando una técnica reflectométrica clásica se puede traducir ganancia en función del tiempo a ganancia en función de la posición. Esto, combinado con un barrido de la separación en frecuencia óptica entre onda de bombeo y prueba, permite medir el espectro de ganancia Brillouin en cada posición de la fibra y, a partir de él, encontrar el BFS en esa posición y con ello 7 y ε. La resolución espacial de la medida viene determinada por la duración temporal del pulso de bombeo puesto que éste determina la extensión en la que se produce ganancia por interacción Brillouin entre bombeo y onda de prueba. La técnica BOTDA también se puede implementar mediante la medida del espectro de atenuación Brillouin en lugar del de ganancia. Sin embargo, los sistemas BOTDA existentes tienen importantes limitaciones que impiden aprovechar todas las potenciales ventajas de esta tecnología. Los principales son: la escasa relación señal a ruido (signal-to-noise ratio, SNR) de las medidas, los elevados tiempos de medida necesarios, los efectos no locales que limitan la precisión de la medida y la máxima resolución espacial que se puede conseguir. La presente invención contribuye a compensar directa o indirectamente estas limitaciones lo que permite una mejora muy significativa en las prestaciones de los sensores distribuidos tipo BOTDA.
Una de las principales limitaciones surge de los efectos nos locales, que restringen la potencia máxima utilizable de la onda de prueba y, por tanto, también la relación señal a ruido (SNR) de la medición. Este efecto es debido a la transferencia de potencia entre las ondas de bombeo y prueba: conforme se propaga el bombeo a lo largo de la fibra cede energía a la onda de prueba y, por tanto, sufre una atenuación o vaciamiento. Esta atenuación tiene una dependencia con la longitud de onda que introduce una función de transferencia adicional a los espectros Brillouin medidos, esto introduce un error sistemático en las medidas realizadas que supone una disminución de la precisión del sensor. La denominación de efectos no locales proviene de que, debido a este efecto, las medidas realizadas en un punto de la fibra óptica se hacen dependientes de las condiciones en otros puntos de la fibra donde se ha producido el vaciamiento del bombeo. Se han propuesto varios métodos para contrarrestar esta limitación mediante el uso de configuraciones especiales de sensores BOTDA, como el uso de una doble onda de bombeo.
Otro factor que limita la potencia de la onda de prueba que se puede inyectar en la fibra de medida, es el vaciamiento y el ruido que se añade a esta onda debido a la dispersión de Brillouin espontánea (spontaneous Brillouin scattering, SpBS). De hecho, conforme la señal óptica de prueba aumenta su potencia, comienza a actuar como señal óptica de bombeo de la amplificación SBS de ondas de Stokes que se generan por SpBS procedente de la excitación térmica de ondas acústicas en la fibra. Esto generara un vaciamiento de potencia de la onda de prueba y también un ruido debido al origen térmico, y por tanto aleatorio, de las señales de Stokes amplificadas. Este ruido contribuye a incrementar el ruido de intensidad relativo (Relative Intensity Noise, RIN) de la señal detectada, degradando la SNR de la medida. Esta es una manifestación del llamado umbral Brillouin de un tramo de fibra que determina la máxima potencia que es posible inyectar en una fibra sin que se produzca un vaciamiento significativo de la potencia de salida y la adición de ruido a ésta. La SNR de la medida también se ve afectada por atenuación de los pulsos de bombeo al propagarse por tramos largos de fibra óptica. De esta manera, en el extremo más distante de la fibra los pulsos llegan con una baja potencia óptica lo que implica que dan lugar a una interacción Brillouin muy pequeña en la onda de prueba. De esta manera, la onda de prueba recibida correspondiente a esta zona distante de la fibra tiene poca potencia con lo que la SNR es también reducida. Para compensar este efecto se ha propuesto el uso de amplificación distribuida Raman que va compensando la atenuación sufrida por la onda de bombeo en su viaje a lo largo de la fibra. Sin embargo, la amplificación Raman no solamente afecta a la onda de bombeo sino también a la onda de prueba. Esta amplificación aumenta el ruido en la onda de prueba recibida debido a la transferencia del ruido de intensidad relativo del láser de bombeo Raman a la onda de prueba.
Un ejemplo de sensor tipo BOTDA se describe en la solicitud de patente WO 2012/10101592. En los dispositivos divulgados por dicho documento se emplea modulación de la longitud de onda de la señal de bombeo para realizar medidas de variaciones rápidas de BFS. Su funcionamiento está basado en utilizar, en cada posición de la fibra, una separación entre la señal óptica de bombeo y prueba tal que coloque la longitud de onda de la señal óptica de prueba en la pendiente del espectro de ganancia Brillouin. De esta manera, se utiliza el espectro Brillouin como discriminador para convertir cambios rápidos en BFS, debidos por ejemplo a vibraciones que generen variación rápida de la deformación, en cambios de amplitud de la señal detectada. Sin embargo, el BFS estacionario alrededor del cual se produce las variaciones rápidas de BFS cambia, en general, a lo largo de la fibra debido a las características estacionarias de la deformación y temperatura a la que esté sometida en cada punto. En la patente WO 2012/10101592 se utiliza una señal óptica de prueba cuya longitud de onda se modula, con el objetivo de adaptarse a la variación del BFS estacionario a lo largo de la fibra. De esta manera, se consigue que en cada segmento de la fibra la separación en frecuencia entre bombeo y prueba sea la adecuada para conseguir que la señal óptica de prueba esté localizada en la pendiente del espectro de ganancia.
En la solicitud de patente EP 1959247 A2 se describe un sensor basado en Brillouin en que se emplea modulación directa de la longitud de onda de una fuente óptica, con el objetivo de generar en una misma fuente dos señales ópticas de longitudes de onda separadas por el BFS que se puedan utilizar como ondas de bombeo y prueba. Para ello, se utiliza una modulación con una onda cuadrada de manera que el efecto de chirp del láser (es decir, la modulación en la frecuencia óptica de emisión de un láser que aparece cuando se modula su corriente) dé lugar a la generación de señales ópticas de bombeo y prueba de forma alterna por división en el tiempo.
La solicitud de patente EP 2708856 A1a nombre del presente solicitante, divulga sensores de medida tipo BOTDA en los que es posible incrementar la SNR recibida sin necesidad de aumentar los tiempos de medida ni disminuir la precisión de dichos dispositivos. Sin embargo, dicho sensor continúa siendo vulnerable a la limitación en la potencia de la señal óptica de prueba inyectada impuesta por los efectos no locales y al ruido que se añade a esta señal óptica de prueba debido a la dispersión de Brillouin espontánea. La aplicación de la presente invención al sensor descrito en la solicitud EP 2708856 A1 de la presente invención permitiría reducir estas limitaciones. Además, se podría conseguir amplificar la potencia de los pulsos de bombeo conforme se propagan por la fibra.
Además de los sensores BOTDA, existen otros tipos de sensores Brillouin distribuidos, como son los basados en la técnica de análisis óptico Brillouin en el dominio de la coherencia (Brillouin optical coherence domain analysis, BOCDA) que utilizan el efecto SBS, pero empleando un método distinto al de los BOTDA para proveer medidas distribuidas de BFS. En los sensores BOCDA, como el descrito en la solicitud de patente EP 2068126 A1 , se modulan en longitud de onda unas señales de bombeo y prueba que son continuas en el tiempo. Con la modulación se consigue modificar su coherencia relativa de manera que al contrapropagarse en la fibra óptica sensora se localice la interacción SBS en una posición específica en la que la correlación de ambas señales ópticas es alta.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Con objeto de abordar los problemas y desventajas de la técnica anterior arriba indicados, un primer aspecto de la invención contempla un sensor de medida de la distribución de magnitudes físicas en una fibra óptica que comprende, al menos: un generador de señales ópticas configurado para generar, una(s) primera(s) señal(es) óptica(s) y una(s) segunda(s) señal(es) óptica(s) que dan lugar, respectivamente, a al menos una señal óptica de bombeo y, al menos, una señal óptica de prueba;
Un segmento de fibra óptica donde la(s) señal(es) óptica(s) de prueba interacciona(n) con la(s) señal(es) óptica(s) de bombeo;
Un dispositivo de pulsación configurado para pulsar las primera(s) señal(es) óptica(s) para formar la(s) señal(es) óptica(s) de bombeo pulsadas; Un generador de onda de prueba configurado para generar señal(es) óptica(s) de prueba (I) a partir de la(s) segunda(s) señal(es) óptica(s);
Un fotorreceptor configurado para detectar la señal óptica de salida, resultante de la interacción entre la(s) señal(es) óptica(s) de bombeo y la(s) señal(es) óptica(s) de prueba;
Un conjunto de procesado de la señal óptica de salida configurado para obtener las características de la interacción de la(s) señal(es) óptica(s) de prueba con la(s) señal(es) óptica(s) de bombeo pulsadas a lo largo de la fibra óptica;
Caracterizado porque además comprende:
Un conjunto de reducción de efectos no locales y de aumento del umbral de Brillouin que comprende, a su vez, un generador de señal de modulación que permite modular en longitud de onda al menos una de la(s) señal(es) óptica(s) de prueba y/o al menos una señal óptica de amplificación, destinada a compensar la atenuación de la señal óptica de bombeo a lo largo de la fibra óptica.
El sensor de medida de la presente invención permite compensar la reducción en la potencia de la señal óptica de prueba impuesta por los efectos no locales y el ruido que se añade a dicha señal óptica de prueba por la dispersión de Brillouin espontánea (inconvenientes de la técnica anterior ya mencionados anteriormente), mediante un primer enfoque novedoso: la modulación de la longitud de onda de la señal óptica (o señales ópticas) de prueba, opcionalmente sincronizada con la pulsación de la señal óptica (o señales ópticas) de bombeo, una técnica no empleada para este fin hasta la fecha. Alternativamente, mediante un segundo enfoque novedoso, una segunda realización de sensor de medida según la invención permite compensar la atenuación de la señal óptica de bombeo a lo largo de la fibra óptica. Para ello comprende una fuente óptica configurada para generar una señal óptica de bombeo de la amplificación de Brillouin, también llamada "señal óptica de amplificación". Además dicha señal óptica de amplificación está opcionalmente modulada en longitud de onda por un generador de señal de modulación. Asimismo, en una realización preferida de la invención la señal óptica de amplificación ésta opcionalmente sincronizada con la pulsación de la(s) señal(es) óptica(s) de bombeo, de tal forma que se consigue aún una mayor estabilidad en la potencia de la señal óptica de bombeo. Por último, en otra realización alternativa de la invención, ni la señal óptica de amplificación, ni la señal (o señales) ópticas de prueba están moduladas en longitud de onda.
Por otro lado, es importante señalar que, a lo largo de la fibra, la separación en longitud de onda de la señal óptica (o señales ópticas) de prueba y la señal óptica de bombeo tiene un componente constante, que no incluye la modulación de la longitud de onda de la señal óptica (o señales ópticas) de prueba, y un componente variable, que es resultado de dicha modulación.
En una realización preferida de la invención, el generador de señal de modulación está sincronizado con el generador de pulsos, de tal forma que la modulación en longitud de onda de al menos una señal óptica de prueba está sincronizada con la pulsación de la(s) señal(es) óptica(s) de bombeo.
En otra realización preferida de la invención, el generador de señal de modulación es un generador de señales eléctricas que inyecta una señal eléctrica al generador de señales ópticas y está sincronizado, a su vez, con el generador de pulsos de manera que las señales ópticas de bombeo pulsadas coincidan en el tiempo con la misma forma de onda de la modulación.
En otra realización preferida, el generador de señales ópticas comprende además un modulador óptico de fase.
Los espectros de interacción Brillouin generados pueden ser los empleados para la propia medida BOTDA, en cuyo caso la variación de sus características se realiza modulando la longitud de onda de la señal de prueba. También pueden ser espectros de interacción Brillouin adicionales a los empleados en la medida BOTDA, por ejemplo, espectros de ganancia Brillouin que se empleen para amplificar los pulsos de bombeo utilizados en el BOTDA conforme se propagan por la fibra, compensando la atenuación introducida por ésta. En ambos casos se consigue mejorar las prestaciones del sensor en términos de relación señal a ruido y el resto de prestaciones relacionadas (tiempo de medida, resolución, alcance, etc).
La longitud de onda de dicha señal óptica de amplificación puede estar opcionalmente modulada, preferentemente, mediante la modulación de la corriente eléctrica inyectada en la fuente óptica que la genera, y aún más preferentemente, de manera que la longitud de onda de dicha señal óptica de amplificación esté sincronizada con la señal pulsada de bombeo. Además, la fuente óptica puede opcionalmente comprender una pluralidad de fuentes láser. La presente invención también contempla que, opcionalmente, la señal óptica de amplificación no esté modulada en longitud de onda.
Un segundo aspecto de la invención se refiere a un procedimiento de medida de la distribución de magnitudes físicas en una fibra óptica que utiliza un sensor según el primer aspecto de la invención y comprende las siguientes etapas: i. modular la longitud de onda de la señal óptica de prueba (a fin de crear un perfil de variación a lo largo de la fibra óptica destinado a reducir los efectos no locales y aumentar el umbral Brillouin de dicha fibra óptica);
¡i. Sincronizar la pulsación de la señal óptica de bombeo con la modulación de la longitud de onda de la señal óptica de prueba;
Ni. Ajusfar la componente constante de la separación en longitud de onda de las señales ópticas de prueba y bombeo;
iv. Introducir por un extremo de un segmento de fibra óptica la señal óptica de bombeo pulsada;
v. Introducir por el otro extremo de la fibra óptica la señal óptica de prueba; vi. Permitir la interacción en la fibra óptica, por medio del efecto de dispersión de Brillouin estimulada, de la señal óptica de bombeo con la señal óptica de prueba, que da lugar a una señal óptica de salida;
vii. Detectar en el fotorreceptor la señal óptica de salida; y
viii. Analizar y procesar la señal óptica de salida detectada en el fotorreceptor mediante el conjunto de procesado para obtener la distribución, a lo largo de la fibra óptica, del módulo y/o la fase del espectro de la interacción Brillouin.
En una realización preferida de la invención, el procedimiento de medida comprende, además, repetir las etapas (i) a (viii) anteriormente descritas para distintos ajustes de la componente constante de la separación en longitud de onda de las señales ópticas de prueba y bombeo, con el fin de obtener la distribución a lo largo de la fibra óptica del módulo y/o la fase de la interacción Brillouin a distintas frecuencias ópticas.
En otra realización preferida de la invención, el procedimiento comprende: las etapas (i) a (v) anteriormente descritas,
introducir, por el mismo extremo de la fibra óptica que se ha introducido la señal óptica de prueba, una señal óptica de amplificación a fin de que actúe como bombeo de ganancia Brillouin para la señal óptica pulsada de bombeo; la etapa (vi) anteriormente descrita;
permitir la interacción en la fibra óptica de la señal óptica de bombeo con la señal óptica de amplificación; y
las etapas (vii) y (viii) anteriormente descritas.
En otra realización aún más preferida de la invención, se modula en longitud de onda la señal óptica de amplificación antes de introducirla en la fibra óptica.
En una última realización de la invención, el procedimiento comprende: las etapas (iii) a (v) anteriormente descritas,
introducir, por el mismo extremo de la fibra óptica que se ha introducido la señal óptica de prueba (I), una señal óptica de amplificación (J) a fin de que actúe como bombeo de ganancia Brillouin para la señal óptica pulsada de bombeo (H);
la etapa (vi) anteriormente descrita;
permitir la interacción en la fibra óptica (7) de la señal óptica de bombeo pulsada (H) con la señal óptica de amplificación (I); y
Las etapas (vii) y (viii) anteriormente descritas.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
A continuación se explicarán características adicionales de la invención con relación a las figuras adjuntas, dadas solamente a modo de ejemplo explicativo y no limitativo, en las que:
La Figura 1 ilustra un sensor BOTDA convencional según la técnica anterior;
Las Figuras 2a y 2b ilustran la distribución de espectros Brillouin medidos por el sensor de la figura 1 a lo largo de una fibra óptica que está sometida a una deformación y temperatura contante en toda su longitud;
La Figura 3 muestra esquemáticamente una realización de un sensor según un aspecto de la invención;
Las Figuras 4a y 4b describen la distribución de espectros Brillouin medidos a lo largo de una fibra óptica que está sometida a una deformación y temperatura contante en toda su longitud cuando se ha sintetizado un BFS sinusoidal, en un sensor según un aspecto de la invención;
Las Figura 5a y 5b describen la reducción que se consigue en los efectos no locales mediante la síntesis de distintos perfiles de BFS, en un sensor según un aspecto de la invención;
La Figura 6 muestra esquemáticamente otra realización de un sensor según un aspecto de la invención en el que se utiliza una fuente óptica adicional para bombear ganancia Brillouin que amplifica los pulsos de bombeo; Las Figura 7a a 7c describen el espectro de las señales ópticas empleadas en un sensor según un aspecto de la invención y la distribución de la ganancia Brillouin generada en la fibra para los pulsos de bombeo;
La Figura 8 describe esquemáticamente un sensor según un aspecto de la invención en el que se utiliza una fuente óptica adicional para bombear ganancia Brillouin que amplifica los pulsos de bombeo;
La Figura 9 describe esquemáticamente un sensor que implementa un aspecto de la invención en el que se utilizan múltiples fuentes óptica adicionales para bombear ganancia Brillouin que amplifica los pulsos de bombeo;
La Figura 10 representa esquemáticamente una realización preferente de un sensor según la presente invención;
La Figura 11 representa un esquema del conjunto de generación de señales ópticas utilizado en una realización de la presente invención;
La Figura 12 representa una realización del generador de señales ópticas de la presente invención; La Figura 13 representa otra realización del generador de señales ópticas del dispositivo de la invención;
La Figura 14 representa una realización del generador de onda de prueba de la invención;
La Figura 15 representa una realización del conformador de pulsos de bombeo de la invención; y La Figura 16 representa otra realización del generador de pulsos de bombeo de la invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Se describen ahora varios ejemplos concretos de la invención haciendo referencia a las figuras adjuntas. En dichas figuras, los componentes con funciones iguales o similares se han designado usando el mismo número de referencia.
La Fig. 1 describe un sensor BOTDA según la técnica anterior, que comprende un único generador de señales ópticas 1 el cual, en esta realización, comprende un láser 12 y un acoplador 13. Las señales ópticas generadas por dicho generador de señales ópticas se dividen en una primera señal óptica A y una segunda señal óptica B, gracias al acoplador 13. La primera señal óptica A ingresa en un dispositivo de pulsación 70 que comprende un generador de pulsos 3 y un conformador de pulsos 4 (explicados en detalle más adelante), para dar lugar a una señal óptica de bombeo pulsada H, mientras que la segunda señal óptica B da lugar a una señal óptica de prueba I, que en este caso es una señal continúa, mediante un generador de onda de prueba 5 (descrito más adelante en detalle). Las señales ópticas de bombeo pulsada H y de prueba I, interaccionan entre sí en una fibra óptica 7, dando lugar a una señal óptica de salida E, que es detectada por un fotorreceptor 9. El sensor también está provisto de un circulador 8 (explicado en detalle más adelante). Las señales ópticas de bombeo pulsada H y de prueba I tienen, además, diferentes longitudes de onda, siendo la diferencia de dichas longitudes de onda próxima al BFS de la fibra óptica 7 utilizada.
Las Fig. 2a y 2b muestran un ejemplo típico de la distribución de espectros Brillouin que se mediría utilizando un sensor BOTDA convencional, como el mostrado en la Fig.1 , a lo largo de una fibra óptica que tuviera un BFS prácticamente constante en toda su longitud, es decir, que toda la fibra estuviera a una misma temperatura y sufriera un deformación análoga. Estos espectros se obtienen variando la separación en longitud de onda entre la onda de bombeo y la de prueba. En esta figura se puede apreciar que los espectros Brillouin están centrados en torno a la misma frecuencia para todas las posiciones. La Fig. 3 muestra una realización de un sensor de medida de la distribución de magnitudes físicas en una fibra óptica según la presente invención que comprende, además de los elementos anteriormente descritos con relación a la fig. 1 , un generador de señal de modulación 2 en la forma de generador de señales eléctricas, que inyecta señales eléctricas al generador de señales ópticas 1 destinadas a provocar una modulación en longitud de onda. Dicho generador de señales eléctricas 2 está sincronizado además con el dispositivo de pulsación 70 (formado por el generador de pulsos 3 y el conformador de pulsos 4). Así, en esta realización del sensor BOTDA según la invención, la longitud de onda de emisión del láser 12 se modula por medio de una señal eléctrica, típicamente de baja frecuencia, que está sincronizada con el dispositivo de pulsación 70 de manera que las sucesivas señales ópticas de bombeo pulsadas H coincidan en el tiempo con la misma forma de onda de la modulación. Esta modulación se puede realizar, por ejemplo, mediante una pequeña modulación de una corriente i nyectada a un láser de semiconductor, dado que el llamado efecto de chirp del láser transforma modulación de corriente en modulación de longitud de onda. En las figuras 4a y 4b se muestra, como ejemplo, una modulación mediante una onda sinusoidal, pero cualquier otra forma de onda es posible. Tal como se explica a continuación la forma de onda de la modulación de longitud de onda conseguida se traslada directamente a la forma de la variación del BFS virtual que se genera en la fibra óptica sensora.
En la rama superior del esquema de la figura 3, la señal óptica de bombeo pulsada H, que en esta ocasión está además modulada en longitud de onda, es pulsada. Como el dispositivo de pulsación 70 y la modulación están sincronizados, la señal óptica de bombeo pulsada H adquiere una longitud de onda que depende del retardo de propagación fijo entre el láser 12 y el dispositivo de pulsación 70. Esta señal óptica de bombeo pulsada H se propaga en sentido opuesto a la señal óptica de prueba I en la fibra óptica. Sin embargo, en contraste con el BOTDA convencional, la longitud de onda de la señal óptica de prueba I con la que interacciona no es constante a lo largo de la fibra óptica, porque el láser 12 está modulado en longitud de onda. Por tanto, en cada posición (z) de la fibra óptica, la señal óptica de bombeo pulsada H interacciona con una señal óptica de prueba I con una longitud de onda distinta. La interacción Brillouin entre estas dos señales ópticas viene determinada por la separación de su diferencia en frecuencia óptica (longitud de onda) respecto del centro del espectro Brillouin, Δν, que viene dada en cada posición z a lo largo de la fibra óptica por:
Av(z)=vs(z)-vp-BFS(z) donde vP es la frecuencia óptica de la señal óptica de bombeo pulsada H, que se mantiene constante para todas las posiciones de la fibra óptica, y vs es la frecuencia óptica local de la onda de prueba, que varía en función de la posición. Esta expresión matemática implica que, desde el punto de vista de la interacción Brillouin, es equivalente tener una variación en BFS(z) a lo largo de la fibra que tener una variación idéntica en vs(z). Por tanto, se puede decir que mediante la modulación de la longitud de onda de la señal óptica de prueba I prevista en los dispositivos de la invención se está sintetizando un perfil de BFS virtual a lo largo de la fibra óptica 7. Se denomina BFS virtual porque mediante la modulación de la onda de prueba se está consiguiendo un efecto en la medida de los espectros Brillouin análogo al que se tendría si el BFS realmente variara a lo largo de la fibra.
Las figuras 4a y 4b muestran la distribución de espectros que se medirían con el sensor BOTDA según la invención para el caso de que se aplique una modulación sinusoidal al láser 12 y considerando la misma fibra óptica 7 que en las figura 2a y 2b. Estos espectros se miden al modificar la componente constante de la separación en longitud de onda entre las señales ópticas de bombeo H y prueba I. Se puede apreciar claramente el efecto de síntesis de BFS con forma sinusoidal en este caso. La síntesis de BFS virtual característica de los sensores según la invención se puede utilizar, por ejemplo, para compensar los efectos no locales. El caso peor con estos efectos para un BOTDA convencional es cuando tenemos una fibra con un BFS uniforme. En este caso, hay transferencia de energía entre la señal óptica de bombeo y la de prueba a lo largo de toda la fibra, la transferencia de energía es máxima y el error en la medida al final de la fibra es grande. Utilizando un sensor según la invención, se puede compensar este efecto porque, incluso aunque el BFS a lo largo de la fibra óptica 7 sea constante, la modulación de la longitud de onda de la señal óptica de prueba I genera de forma efectiva un BFS virtual variable. Como consecuencia de la dependencia con la posición del BFS virtual, la transferencia de energía entre la señal óptica de bombeo H y prueba I se reduce, y con ello los efectos no locales. Las figuras 5a y 5b muestran ejemplos de compensación de los efectos no locales utilizando la síntesis de BFS virtual característica de los sensores de la presente invención. Los efectos no locales se pueden caracterizar por el llamado factor de vaciamiento que cuantifica el vaciamiento de la señal óptica de bombeo pulsada H debido a su interacción con la señal óptica de prueba I, que se define como:
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Donde PP y PP0 son las potencias de la señal óptica de bombeo pulsada H al final de la fibra óptica 7 con y sin interacción Brillouin, respectivamente. La Figura 5a muestra el factor de vaciamiento calculado para los distintos perfiles de BFS sintetizados y para BFS uniforme que se representan en la Figura 5b. En línea discontinua de trazo y punto se muestra el caso de que se tenga una fibra óptica 7 con una distribución de BFS uniforme (10.8 GHz en este ejemplo). Para esta fibra óptica 7, la potencia de bombeo adquiere una dependencia en longitud de onda lorentziana cuyo máximo coincide con el BFS. Es bien conocido que para tener una precisión en la medida de BFS de al menos 1 MHz es necesario que el máximo de factor de vaciamiento sea del 17% (ver, por ejemplo, L. Thévenaz et. Al., Optics Express, Vol. 21 , pp. 14017-14035, 2013). Este valor sería claramente superado en este caso con lo que aumentaría el error de la medida.
El vaciamiento de la señal óptica de bombeo pulsada H puede ser reducido sintetizando un perfil de BFS virtual. Por ejemplo, utilizando una onda cuadrada se puede simular una fibra sensora compuesta de dos segmentos con diferente BFS, tal como se muestra en la figura 5b en línea de trazos. Con este perfil de BFS se obtendría el factor de vaciamiento compuesto por dos picos que se muestra en la figura 5a. Se pude apreciar que se consigue disminuir el máximo vaciamiento del pulso. Otra posibilidad es sintetizar un perfil de BFS que varíe continuamente a lo largo de la fibra óptica 7. Por ejemplo, una modulación sinusoidal, que distribuya la energía en un rango mayor de frecuencias que la modulación cuadrada. En la figura 5b, en línea continua, se muestra un ejemplo de modulación con una onda sinusoidal que genera una variación sinusoidal del BFS. Esta modulación da lugar al factor de vaciamiento casi plano que se muestra en la figura 5a. Se pude apreciar que se consigue en este caso un factor de vaciamiento menor del 10% que asegura buenas prestaciones en el sensor BOTDA.
Esto son ejemplos de algunos perfiles de variación de BFS utilizables. Sin embargo, se pueden buscar perfiles de variación del BFS virtual optimizados para conseguir el objetivo de reducir al máximo los efectos no locales. De esta manera se puede aumentar la potencia de la señal óptica de prueba I y con ello mejorar la SNR de la señal detectada y el resto de prestaciones relacionadas del sensor (tiempo de medida, resolución, alcance, etc). Otra ventaja que se puede conseguir mediante la síntesis de BFS virtual característica de los sensores de la invención es reducir la limitación en la potencia máxima de la señal óptica de prueba I causada por los efectos nocivos del SBS bombeado por la propia señal óptica de prueba. Es decir, se puede conseguir aumentar el umbral Brillouin mediante la síntesis de un BFS virtual mediante la modulación de la señal óptica de prueba. El caso peor de umbral Brillouin es cuando tenemos una fibra con un BFS contante, por tanto, la síntesis de un BFS virtual contribuye a reducirlo y a relajar la limitación de potencia máxima de la señal óptica de prueba utilizable en un BOTDA. Se sigue aquí el mismo principio de las técnicas que consiguen aumentar el umbral Brillouin mediante la concatenación de segmentos de fibra que tengan distinto BFS (Ver, por ejemplo, K. Shiraki, et al., "SBS threshold of a fiber with a Brillouin frequency shift distribution," J. Lightw. Technol. 14(1), 50-57 (1996)). Por ejemplo, se encuentra que en una fibra monomodo de 20 Km, el umbral Brillouin se incrementa de ~7 mW a -44 mW cuando se sintetiza un perfil sinusoidal de BFS con una desviación de frecuencia de 150 MHz y un total de 12 periodos contenidos a lo largo de la fibra. La Fig. 6 muestra otra realización de un sensor de medida de la distribución de magnitudes físicas en una fibra óptica, según la presente invención, que comprende además de los elementos anteriormente descritos con relación a la fig. 3, una fuente óptica 24 configurada para generar una señal óptica de amplificación J, destinada a compensar la atenuación de la señal óptica de bombeo pulsada H a lo largo de la fibra óptica 7. Para ello, dicha señal óptica de bombeo pulsada H y dicha señal óptica de prueba I, pasan a través de un segundo acoplador 23.
La figura 6 describe, por tanto, otro aspecto de la presente invención, en este caso, el empleo de la generación de espectros de interacción Brillouin a lo largo de la fibra óptica 7 para compensar la atenuación que experimentan las señales ópticas de bombeo H al propagarse por la fibra óptica 7 sensora. Con respecto al sensor de la figura 3, además del generador de señales ópticas 1 , en esta realización se añade una fuente óptica 24 que genera una señal óptica J que se emplea para bombear la amplificación Brillouin de las señales ópticas de bombeo pulsadas H . Por tanto, en esta realización del sensor según la invención hay dos interacciones Brillouin distintas: la empleada para la propia medida BOTDA y la que se emplea para amplificar los pulsos de bombeo utilizados en el BOTDA. Los espectros de las distintas señales ópticas involucradas se muestran esquemáticamente en las figuras 7a y 7b.
En el aspecto de la invención que se describe en la figura 6 la longitud de onda de emisión de la fuente óptica 24 empleada se modula por medio de una señal que está sincronizada con el dispositivo de pulsación 70, de manera que sucesivas señales ópticas de bombeo pulsadas H coincidan en el tiempo con la misma forma de onda de la modulación. Nuevamente, esta modulación se puede realizar, por ejemplo, mediante la modulación de la corriente inyectada a un láser de semiconductor. En la figura se muestra, como ejemplo, una modulación con una onda sinusoidal, pero cualquier otra forma de onda es utilizable. En este caso se genera una interacción Brillouin con un perfil de BFS virtual que amplifica los pulsos de bombeo. La interacción Brillouin entre la señal óptica generada por el láser y los pulsos viene determinada por la separación de su diferencia en frecuencia óptica (longitud de onda) respecto del centro del espectro Brillouin, Δν2, que viene dada por: Av2(z)=vP-vL(z)-BFS(z) (2) donde vL es la longitud de onda del láser auxiliar en cada posición de la fibra. En este caso la señal óptica de bombeo pulsada H actúa como onda de Stokes en la amplificación Brillouin y la señal de la fuente óptica 24 como onda de bombeo. En las figuras 7a y 7b se muestra también un ejemplo del espectro de ganancia que experimenta la señal óptica de bombeo pulsada H en función de la posición, que como se ve tiene una forma análoga al de la figura 4. También se muestra, en la figura 7c, el espectro de ganancia total experimentado por la señal óptica de bombeo pulsada H desde su entrada en la fibra hasta cada una de las posiciones z. Se puede apreciar que se trata de un espectro de ganancia casi plano y que va aumentando al propagarse por la fibra. La figura 8 describe otro aspecto de la invención análogo al descrito en la figura 6, pero en el cual la señal generada por el generador de señal eléctrica 60 no tiene por qué ser periódica ni estar sincronizada con las señales ópticas de bombeo pulsadas H. Además, en este caso, se podría utilizar una combinación de modulación en amplitud y longitud de onda. En este caso, en cada punto de la fibra se crearían unos espectros de interacción Brillouin cuyas características varían dinámicamente en el tiempo.
En la figura 9 se describe otro aspecto de la invención análogo al descrito en las figuras 6 y 7, pero en el cual se considera que pueden utilizarse múltiples fuentes ópticas 24 de bombeo que pueden estar o no moduladas y sincronizadas opcionalmente con las señales ópticas de bombeo pulsadas H. En resumen, la presente invención introduce novedades en el procedimiento de generación de las señales ópticas utilizadas en sensores Brillouin distribuidos con el objetivo de generar perfiles de interacción Brillouin que puedan variar a lo largo de la fibra. Esta variación de los perfiles de interacción se puede conseguir con la modulación de la onda de prueba, con el objetivo de conseguir una distribución de la interacción Brillouin a lo largo de la fibra que minimice los efectos no locales y el ruido generado por dispersión de Brillouin espontánea. Otra posibilidad es generar unos perfiles de ganancia Brillouin que puedan variar a lo largo de la fibra con el objetivo de amplificar los pulsos de Bombeo. Para ello se utiliza, al menos, una fuente óptica adicional que actúa como bombeo de esta ganancia y que puede tener modulada su longitud de onda de emisión.
La Figura 10 muestra una realización del dispositivo de la invención que comprende un conjunto de generación de señales ópticas 0 que engloba la porción del sensor de medida según la invención encargada de la generación de las señales ópticas de bombeo pulsadas H y prueba I, así como de la modulación y pulsado de dichas señales ópticas H e l, un tramo de fibra óptica 7 sensora, un circulador 8, un filtro óptico 25, un fotorreceptor 9, un sistema de procesado de señal y captura de datos 10, un sistema de control 11 , un acoplador o multiplexor 23 y una fuente óptica adicional 24.
Respecto al conjunto de generación de señales ópticas 0 y las señales generadas por éste, han de tenerse en cuenta las siguientes consideraciones:
- El conjunto de generación de señales ópticas 0 tiene por misión generar las señales ópticas H e I que interaccionan en la fibra óptica 7.
- La señal H es una señal óptica compuesta de pulsos de luz que actúa como bombeo de la interacción Brillouin en la fibra óptica 7.
- La señal I es una señal óptica que actúa como onda de prueba de la interacción Brillouin que tiene lugar en la fibra óptica 7.
- Al menos para la señal I se puede modular su longitud de onda en el tiempo por medio de una señal moduladora que está sincronizada con los pulsos de luz de la señal H. Respecto a la fibra óptica 7, han de tenerse en cuenta las siguientes consideraciones:
- La fibra óptica 7 es donde tiene lugar la interacción Brillouin entre la señal óptica de bombeo H y la señal óptica de prueba I.
La fibra óptica 7 es, preferentemente, de tipo monomodo (esto es, en la que sólo se propaga un modo de luz), para garantizar la eficiencia de la interacción Brillouin en ella.
La fibra óptica 7 posee, preferentemente, unas características propias del espectro Brillouin, en particular del BFS, en cada punto de ella, que depende de las magnitudes físicas a las que esté sometida.
La fibra óptica 7 presenta, preferentemente, unas características propias de la interacción que incluyen los coeficientes de dependencia del BFS con temperatura y elongación.
La fibra óptica 7 presenta, preferentemente, unos coeficientes propios de dependencia del BFS con temperatura y elongación que son, preferentemente, conocidos a priori, para poder utilizar la fibra como elemento sensor de estas magnitudes físicas.
Respecto al circulador 8, su misión es, por una parte, encaminar la señal óptica de bombeo H hacia la fibra óptica 7 bajo análisis y, por otra, encaminar la señal E procedente de la fibra óptica 7 hacia el fotorreceptor 9.
Respecto al filtro óptico 25, su misión es filtrar, en caso necesario, el ruido óptico u otras componentes no deseadas del espectro óptico, preferentemente antes del fotorreceptor 9. Respecto al fotorreceptor 9, dicho elemento tiene por misión detectar la señal óptica de salida E, resultado de la propagación de la señal I a lo largo de la fibra óptica 7 donde experimenta interacción Brillouin con la señal de bombeo H.
Respecto al sistema de procesado de señal y captura de datos 10, dicho elemento tiene por misión procesar la señal detectada en el fotorreceptor 9, obtener los datos de medida y actuar de interfaz con el sistema de control 11.
Respecto al sistema de control 11 , su misión es sincronizar la operación del sistema de medida actuando, al menos, sobre el generador de señales ópticas 0, mediante una combinación de hardware y/o software programables, así como procesar los datos de medida capturados en el sistema de captura de datos 10 para obtener la medida del BFS y, en su caso, de las magnitudes físicas en cada punto de la fibra óptica 7.
Respecto a la fuente óptica 24 y la señal generada por ésta J, han de tenerse en cuenta las siguientes consideraciones:
- La misión de la fuente óptica 24 es generar una señal J que se utiliza como bombeo de la ganancia Brillouin en la fibra óptica 7 para amplificar los pulsos de bombeo H.
En una realización de la presente invención, la fuente óptica 24 tiene su longitud de onda de emisión modulada.
En otra realización de la presente invención, la fuente óptica 24 tiene su longitud de onda de emisión modulada por medio de una señal moduladora que está sincronizada con los pulsos de luz de la señal H. En otra realización de la presente invención, la fuente óptica 24 está compuesta de múltiples fuentes ópticas que pueden tener o no modulada su longitud de onda de emisión de manera sincronizada o no con los pulsos de luz de la señal H.
Respecto al acoplador o multiplexor 23, su misión es combinar en la fibra óptica 7 las señales I y J emitidas por el conjunto de generación de señales ópticas 0 y la fuente óptica 24, respectivamente.
En otra realización preferente de la invención no son necesarios la fuente óptica 24 ni el acoplador o multiplexor 23 puesto que no se busca amplificar los pulsos de bombeo H.
En otra realización preferente de la invención no se modula la longitud de onda de la señal I emitida por el conjunto de generación de señales ópticas 0.
La figura 11 muestra una realización preferente del conjunto de generación de señales ópticas 0, que comprende un generador de señales ópticas 1 , un generador de señal de modulación 2, un generador de pulsos 3, un conformador de pulsos de bombeo 4, un amplificador óptico 21 , un filtro óptico 22, un generador de onda de prueba 5 y un controlador de polarización 6.
Respecto al generador de señales ópticas 1 y las señales ópticas generadas por ésta, han de tenerse en cuenta las siguientes consideraciones:
- El generador de señales ópticas 1 genera, al menos, dos señales ópticas separadas, una(s) primera(s) señal(es) óptica(s) A se emplea(n) para generar la(s) señal(es) óptica(s) de bombeo y una(s) segunda(s) señal(es) óptica(s) B para generar la(s) señal(es) óptica(s) de prueba.
- Para, al menos, una de las señales ópticas generadas B se puede modular su longitud de onda por la señal moduladora generada por el generador de señal de modulación 2. Respecto al generador de señal de modulación 2 y la señal eléctrica F generada por éste, han de tenerse en cuenta las siguientes consideraciones:
- El generador de señal de modulación 2 tiene por misión generar una señal eléctrica F que puede modular la longitud de onda de al menos una de las señales generadas por la fuente óptica 1.
- La señal eléctrica F es, preferentemente, una señal periódica.
- La señal eléctrica F está sincronizada con la señal pulsada C generada por el generador de pulsos 3.
Respecto al generador de pulsos 3 y la señal eléctrica C generada por éste, han de tenerse en cuenta las siguientes consideraciones:
- El generador de pulsos 3 tiene por misión generar una señal eléctrica C compuesta por pulsos eléctricos que sirven para conformar los pulsos ópticos de bombeo.
- La señal eléctrica C está compuesta de pulsos que están, preferentemente, sincronizados con la señal periódica F generada por el generador de señal de modulación 2. Respecto al conformador de pulsos de bombeo 4, dicho elemento tiene por misión generar pulsos ópticos de bombeo a partir de una de las señales ópticas A generadas en el generador de señales ópticas 1 utilizando los pulsos eléctricos C generados por el generador de pulsos 3.
Respecto al amplificador óptico 21 , su misión es aumentar, en caso necesario, la potencia de la señal óptica D generada por el conformador de pulsos de bombeo 4, a fin de incrementar la magnitud de la interacción Brillouin en la fibra óptica 7.
Respecto al filtro óptico 22, su misión es filtrar, en caso necesario, el ruido óptico u otras componentes no deseadas del espectro óptico, preferentemente a la salida del amplificador óptico 21. Respecto al generador de onda de prueba 5 y la señal óptica G generada por éste, han de tenerse en cuenta las siguientes consideraciones:
- El generador de onda de prueba 5 tiene por misión generar la onda de prueba a partir de una de las segundas señales B del generador de señales ópticas 1.
Respecto al controlador de polarización 6, dicho elemento tiene por misión modificar la polarización de la onda G, para asegurar que en todos los puntos de la fibra se produzca interacción Brillouin eficiente durante la medida.
La Figura 12 muestra el generador de señales ópticas 1 utilizado en una realización preferente de la presente invención, que comprende, preferentemente, una fuente óptica de banda estrecha 12, preferentemente una fuente láser y un divisor óptico de señal 13. Respecto a la fuente óptica de banda estrecha 12 y la señal óptica generada por ésta, han de tenerse en cuenta las siguientes consideraciones:
- La señal óptica generada por la fuente óptica de banda estrecha 12 posee, preferentemente, una anchura espectral suficientemente estrecha para asegurar la eficiencia del efecto SBS en la fibra.
- La señal eléctrica F generada por el generador de señal de modulación 2 se utiliza para modular la longitud de onda de la señal emitida por la fuente óptica de banda estrecha 12, preferentemente, mediante la modulación de la corriente de inyección a la fuente láser.
Respecto al divisor 13, tiene por misión dividir la señal de la fuente óptica de banda estrecha 12 en, al menos, dos caminos.
La Figura 13 muestra el generador de señales ópticas 1 utilizado en otra realización preferente de la presente invención, que comprende, preferentemente, dos fuentes Respecto de las fuentes ópticas de banda estrecha 14 y 15 y las señales ópticas generadas por éstas, han de tenerse en cuenta las siguientes consideraciones:
- La señal óptica generada por las fuentes óptica de banda estrecha 14 15 poseen, preferentemente, una anchura espectral suficientemente estrecha para asegurar la eficiencia del efecto SBS en la fibra.
- La señal eléctrica F generada por el generador de señal de modulación 2 se utiliza para modular la longitud de onda de la señal emitida por, al menos, una de las fuentes ópticas de banda estrecha 15, preferentemente, mediante la modulación de la corriente de inyección a la fuente láser.
- Las fuentes ópticas de banda estrecha 14 y 15 tienen una separación en la longitud de onda de emisión estable y sintonizable.
La Figura 14 muestra el generador de onda de prueba 5 utilizado en una realización preferente de la presente invención, que comprende, preferentemente, un generador de señal de radiofrecuencia 16 y un modulador óptico 17.
Respecto del generador de señal de radiofrecuencia 16, han de tenerse en cuenta las siguientes consideraciones:
- El generador de señal de radiofrecuencia 16 tiene por misión generar una señal de radiofrecuencia, preferentemente sinusoidal, que se aplica al modulador óptico
17 para generar bandas laterales de modulación en el espectro de la señal óptica G. - El generador de señal de radiofrecuencia 16 permite variar la frecuencia de la señal eléctrica generada, en el caso de que se opte por realizar la medida del espectro Brillouin mediante la sintonía de la frecuencia óptica de una de las componentes espectrales de la señal de prueba G.
- El generador de señal de radiofrecuencia 16 proporciona una señal eléctrica de frecuencia fija, en el caso de que se opte por realizar la medida del espectro Brillouin mediante la sintonía de la frecuencia óptica de la onda de bombeo, o si se va a medir una frecuencia concreta dentro del espectro Brillouin.
Respecto del modulador óptico 17 y la señal óptica G generada por éste, han de tenerse en cuenta las siguientes consideraciones:
- El modulador óptico 17 tiene por misión modular la señal óptica B generada por el generador de señales ópticasl para generar bandas laterales de modulación en el espectro de la señal óptica G.
- La separación de las bandas laterales de modulación respecto de la portadora óptica viene dada por la frecuencia de la señal de radiofrecuencia generada por el generador de señales de radiofrecuencia 16.
- Al menos una de las bandas laterales de modulación se emplea como onda de prueba de la interacción Brillouin generada por la señal de bombeo H en la fibra óptica 7. En otra realización, de la presente invención, no es necesaria la utilización de un generador de onda de prueba 5, por lo que la señal óptica G sería la propia señal óptica B.
La Figura 15 muestra el conformador de pulsos de bombeo 4 utilizado en una realización preferente de la presente invención, que comprende, preferentemente, un modulador óptico 18.
Respecto del modulador óptico 18, dicho elemento tiene por misión generar un pulso óptico a partir de la señal C generada por el generador de pulsos 3.
La Figura 16 muestra el conformador de pulsos de bombeo 4 utilizado en otra realización preferente de la presente invención, que comprende, preferentemente, un modulador óptico 19 y un generador de pulsos de RF 20.
Respecto del generador de pulsos de RF 20 y la señal generada por éste, han de tenerse en cuenta las siguientes consideraciones:
- El generador de pulsos de RF 20 tiene por misión generar pulsos de una señal eléctrica, preferentemente sinusoidal, y de una frecuencia dada.
- El generador de pulsos de RF 20 permite variar, durante la medida, la frecuencia de la señal sinusoidal pulsada que genera, en el caso de que se opte por realizar la medida del espectro Brillouin mediante la variación de la frecuencia óptica de la señal óptica de bombeo H.
- El generador de pulsos de RF 20 mantiene fija la frecuencia de la señal sinusoidal pulsada que genera, en el caso de que se opte por realizar la medida del espectro Brillouin mediante la sintonía de la frecuencia óptica de una de las componentes espectrales de la onda de prueba I, o si sólo se va a medir una frecuencia concreta dentro del espectro Brillouin.
Respecto del modulador óptico 19, han de tenerse en cuenta las siguientes consideraciones:
- La misión del modulador óptico es generar, al menos, una banda lateral de modulación de la señal óptica A generada por el generador de señales ópticasl .
- La señal aplicada al modulador óptico 19 se genera, preferentemente, en el generador de pulsos de RF 20.
El procedimiento de medida de los espectros de la interacción Brillouin en la fibra óptica 7 utilizando la presente realización de la invención incluye las siguientes etapas;
i. Se ajusta, en caso necesario, la modulación de la longitud de onda de la señal I a fin de crear un perfil de variación de longitud de onda de la onda de prueba a lo largo de la fibra óptica 7 que reduzca los efectos no locales y el ruido Brillouin. En el caso en que se utilice la realización del conjunto de generación de señales ópticas 0 basado en el empleo de un generador de señal de modulación 2, el ajuste de la modulación de la longitud de onda de la señal I se realiza ajusfando la forma de onda de la señal F generada por el generador de señal de modulación 2.
¡i. Se ajustan, en caso necesario, los pulsos de la señal de bombeo H para que estén sincronizados con la modulación de la longitud de onda de la señal I. En el caso de que se utilice la realización del conjunto de generación de señales ópticas 0 basada en el empleo de un generador de señal de modulación 2 y un generador de pulsos 3, el ajuste de la sincronización de los pulsos de la señal de bombeo H se consigue ajusfando el generador de pulsos 3 de forma sincronizada con la señal F. Ni. Se ajusta la componente constante de la separación en longitud de onda de la onda de prueba I y de bombeo H al valor deseado. Para ello, en el caso de que se utilice la realización del conjunto de generación de señales ópticas 0 que utiliza un generador de señales ópticasl basado en el empleo de dos fuentes láser 14 y 15, el ajuste de la separación en longitud de onda de la señal óptica de prueba I y de bombeo pulsado H puede implicar el ajuste de la separación en longitud de onda de ambas fuentes 14 y 15. En el caso de que se utilice la realización del conjunto de generación de señales ópticas 0 que utiliza un conformador de pulsos de bombeo 4 basado en el empleo de un generador de pulsos de radiofrecuencia 20, el ajuste de la separación en longitud de onda de la señal óptica de prueba I y de bombeo pulsada H puede implicar el ajuste, en caso necesario, de la frecuencia de la señal sinusoidal pulsada que genera el generador 20. En el caso en que se utilice la realización del conjunto de generación de señales ópticas 0 que utiliza un generador de onda de prueba 5 basada en el uso de un modulador óptico 17 y un generador de radiofrecuencia 16, el ajuste de la separación en longitud de onda de la señal óptica de prueba I y de bombeo pulsada H puede implicar el ajuste, en caso necesario, de la frecuencia del generador de radiofrecuencia 16.
iv. Se ajusta la polarización de la luz de la señal óptica de prueba I para asegurar que en todos los puntos de la fibra se produzca interacción Brillouin eficiente durante la medida. En el caso de que se utilice la realización del conjunto de generación de señales ópticas 0 basado en el uso de un controlador de polarización 6, el ajuste de la polarización de la luz de la señal óptica de prueba I se realiza ajusfando el controlador de polarización 6.
v. Se ajusta, en caso necesario, la modulación de la fuente óptica 24 a fin de generar señal J que dé lugar a una distribución de espectros de ganancia Brillouin en la fibra óptica que amplifique los pulsos de la señal de bombeo pulsada H.
vi. Se introduce la señal óptica de prueba I en un extremo de la fibra óptica 7 a medir. vii. Se introduce la señal óptica de bombeo pulsada H por el extremo opuesto de la fibra óptica 7.
viii. Se introduce, en caso necesario, la señal óptica de amplificación J.
ix. Se produce la interacción Brillouin de las componentes espectrales de la señal óptica de bombeo H y la señal óptica de prueba I en la fibra óptica 7 que da lugar a una onda óptica de salida E. Simultáneamente, se produce la interacción entre la señal de señal óptica de amplificación J y los pulsos de bombeo H en la fibra óptica 7. x. Se separan la señal óptica de bombeo H y la señal óptica de salida E mediante un circulador 8 situado en el extremo de entrada de la señal óptica H en el tramo de fibra óptica 7.
xi. Se detecta la señal óptica de salida E mediante un fotorreceptor 9.
xii. Se producen los necesarios procesados en la señal detectada en el fotorreceptor 9.
xiii. Se registran los datos en el sistema de control 10 y se envían al sistema de control 11.
xiv. Si se desea caracterizar más de una frecuencia del espectro Brillouin, se repiten los pasos (iii) a (xi) para un nuevo ajuste de la separación en longitud de onda de la señal óptica de prueba I y del bombeo H.
xv. Se procesan los datos de medida en el sistema de control 10 para obtener la medida distribuida de BFS a lo largo de la fibra y, en su caso, de los parámetros físicos de temperatura y/o deformación unitaria.
Por último, una vez descritos el dispositivo y el procedimiento de la presente invención, así como algunas de sus realizaciones, y describiendo sus principales ventajas sobre el estado de la técnica, cabe resaltar que su aplicación no ha de ser entendida como limitativa frente a otras realizaciones, mediante las adecuadas variaciones o combinaciones de sus elementos, siempre que dichas variaciones o combinaciones no alteren la esencia de la invención, así como el objeto de la misma, el cual está definido exclusivamente por las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES
Sensor de medida de la distribución de magnitudes físicas en una fibra óptica (7) que comprende, al menos:
Un generador de señales ópticas (1) configurado para generar una(s) primera(s) señal(es) óptica(s) (A) y una(s) segunda(s) señal(es) óptica(s) (B) que dan lugar, respectivamente, a al menos, una señal óptica de bombeo pulsada (H) y, al menos, una señal óptica de prueba (I);
Un segmento de fibra óptica (7) donde la(s) señal(es) óptica(s) de prueba (I) interacciona(n) con la(s) señal(es) óptica(s) de bombeo pulsada(s) (H);
Un dispositivo de pulsación 70) configurado para pulsar la(s) primera(s) señal(es) óptica(s) (A) para formar la(s) señal(es) óptica(s) de bombeo (H);
Un generador de onda de prueba (5) configurado para generar la(s) señal(es) óptica(s) de prueba (I) a partir de las segunda(s) señal(es) ópticas (B);
Un fotorreceptor (9) configurado para detectar la señal óptica de salida (E), resultante de la interacción entre la(s) señal(es) óptica(s) de bombeo (H) y la(s) señal(es) óptica(s) de prueba (I);
Un conjunto de procesado de la señal óptica de salida (E) configurado para obtener las características de la interacción de la(s) señal(es) óptica(s) de prueba (I) que interacciona(n) con la(s) señal(es) óptica(s) de bombeo pulsadas (H) a lo largo de la fibra óptica (7);
Caracterizado porque además comprende:
Un conjunto de reducción de efectos no locales y de aumento del umbral de Brillouin que comprende, a su vez, un generador de señal de modulación (2) que permite modular en longitud de onda al menos una de la(s) señal(es) óptica(s) de prueba (I) y/o al menos una señal óptica de amplificación (J), destinada a compensar la atenuación de la señal óptica de bombeo a lo largo de la fibra óptica.
Sensor según la reivindicación 1 , caracterizado porque el generador de señal de modulación
(2) está sincronizado con el dispositivo de pulsación (70), de tal forma que la modulación en longitud de onda de al menos una señal óptica de prueba (I) está sincronizada con la pulsación de la(s) señal(es) óptica(s) de bombeo (H).
3. Sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el generador de señal de modulación (2) es un generador de señales eléctricas que inyecta una señal eléctrica al generador de señales ópticas (1) y está sincronizado, a su vez, con el dispositivo de pulsación (70).
4. Sensor según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el generador de señales ópticas (1) comprende un modulador óptico de fase.
5. Sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende, además, al menos una fuente óptica (24) configurada para generar al menos una señal óptica de amplificación (J), destinada a compensar la atenuación de la señal óptica de bombeo pulsada (H) a lo largo de la fibra óptica (7).
6. Sensor según la reivindicación 5, caracterizado porque la señal óptica de amplificación (J), emitida por dicha fuente óptica (24), está modulada en longitud de onda mediante un generador de señal de modulación (2).
7. Sensor según la reivindicación 6, caracterizado porque la señal óptica de amplificación (J), emitida por dicha fuente óptica (24), está modulada en longitud de onda por medio de una corriente eléctrica inyectada en dicha fuente óptica (24).
8. Sensor según cualquiera de las reivindicaciones 6 y 7, caracterizado porque la modulación en longitud de onda de la señal óptica de amplificación (J), está sincronizada, a su vez, con el dispositivo de pulsación (70).
9. Sensor según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, caracterizado porque la señal óptica de amplificación (J) no está modulada en longitud de onda.
10. Sensor según la reivindicación 9, caracterizado porque la(s) señal(es) óptica(s) de prueba (I) tampoco está(n) modulada(s) en longitud de onda.
11. Procedimiento de medida de la distribución de magnitudes físicas en una fibra óptica que utiliza un sensor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
i. Modular la longitud de onda de la señal óptica de prueba (I);
¡i. Sincronizar la pulsación de la señal óptica de bombeo pulsada (H) con la modulación de la longitud de onda de la señal óptica de prueba (I);
Ni. Ajustar la componente constante de la separación en longitud de onda de las señales ópticas de prueba (I) y bombeo pulsada (H);
iv. Introducir por un extremo de un segmento de fibra óptica (7) la señal óptica de bombeo pulsada (H);
v. Introducir por el otro extremo de la fibra óptica (7) la señal óptica de prueba (I); vi. Permitir la interacción en la fibra óptica (7), de la señal óptica de bombeo pulsada (H) con la señal óptica de prueba (I), que da lugar a una señal óptica de salida (E);
vii. Detectar en el fotorreceptor (9) la señal óptica de salida (E); y
viii. Analizar y procesar la señal óptica de salida detectada en el fotorreceptor (9) mediante el conjunto de procesado para obtener la distribución, a lo largo de la fibra óptica (7), del módulo y/o la fase del espectro de la interacción Brillouin.
12. Procedimiento de medida según la reivindicación 11 , caracterizado porque comprende:
Las etapas (i) a (v) anteriormente descritas,
Introducir, por el mismo extremo de la fibra óptica (7) que se ha introducido la señal óptica de prueba (I), una señal óptica de amplificación (J) a fin de que actúe como bombeo de ganancia Brillouin para la señal óptica pulsada de bombeo (H);
La etapa (vi) anteriormente descrita;
Permitir la interacción en la fibra óptica (7) de la señal óptica de bombeo pulsada (H) con la señal óptica de amplificación (J); y
Las etapas (vii) y (viii) anteriormente descritas.
13. Procedimiento de medida según la reivindicación 11 , caracterizado porque comprende: las etapas (i) a (v) anteriormente descritas,
modular en longitud de onda la señal óptica de amplificación,
introducir, por el mismo extremo de la fibra óptica que se ha introducido la señal óptica de prueba (I), una señal óptica de amplificación (J) a fin de que actúe como bombeo de ganancia Brillouin para la señal óptica pulsada de bombeo (H);
la etapa (vi) anteriormente descrita;
permitir la interacción en la fibra óptica (7) de la señal óptica de bombeo pulsada (H) con la señal óptica de amplificación (I); y
Las etapas (vii) y (viii) anteriormente descritas.
14. Procedimiento de medida según cualquiera de las reivindicaciones 12 y 13, caracterizado porque comprende:
las etapas (iii) a (v) anteriormente descritas,
introducir, por el mismo extremo de la fibra óptica que se ha introducido la señal óptica de prueba (I), una señal óptica de amplificación (J) a fin de que actúe como bombeo de ganancia Brillouin para la señal óptica pulsada de bombeo (H);
la etapa (vi) anteriormente descrita;
permitir la interacción en la fibra óptica (7) de la señal óptica de bombeo pulsada (H) con la señal óptica de amplificación (I); y
Las etapas (vii) y (viii) anteriormente descritas.
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