ES2621899T3 - Sistema de sensores de fibra óptica distribuida - Google Patents

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Abstract

Un sistema de sensores de fibra óptica distribuida que comprende: - un modulador óptico (120) para modular la luz emitida desde una unidad de fuente de luz (110) en una luz pulsada de bombeo y transmitir la luz pulsada de bombeo a una fibra óptica de prueba (150); - un circulador óptico (190) para divergir la luz retrodispersada que se genera en la fibra óptica de prueba (150); - una unidad de filtro óptico (200) para hacer pasar la luz dispersada de Raman y la luz dispersada de Brillouin incluidas en la luz retrodispersada divergida por el circulador óptico (190), comprendiendo la unidad de filtro óptico (200) un filtro de paso de Raman para hacer pasar solamente la luz dispersada de Raman incluida en la luz retrodispersada divergida por el circulador óptico y un filtro de paso de Brillouin para hacer pasar solamente la luz dispersada de Brillouin incluida en la luz retrodispersada divergida por el circulador óptico; - un primer detector óptico (210) adaptado para convertir la luz dispersada de Raman que ha pasado a través de la unidad de filtro de paso de Raman en datos digitales y para medir un cambio en la temperatura con respecto a una distancia de la fibra óptica de prueba (150) usando los datos digitales; y - un segundo detector óptico (220) adaptado para convertir la luz dispersada de Brillouin que ha pasado a través del filtro de paso de Brillouin en datos digitales y para medir un cambio en la temperatura y un cambio en un grado de deformación con respecto a una distancia de la fibra óptica de prueba (150), usando los datos digitales y el cambio de la temperatura medida a través del primer detector óptico (210), en donde la medición de la luz dispersada de Raman mediante el primer detector óptico (210) y la medición de la luz dispersada de Brillouin mediante el segundo detector óptico (220) se realizan secuencialmente.

Description

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DESCRIPCION
Sistema de sensores de fibra optica distribuida Campo tecnico
La presente invencion se refiere a un sistema de sensores de fibra optica distribuida.
Antecedentes de la tecnica
En general, un sensor de fibra optico mide los cambios en diversas caracterfsticas de la luz que se desplaza en una fibra optica que se provocan por los cambios de las cantidades ffsicas externas (senales) aplicadas a la fibra optica. Los cambios de las cantidades ffsicas externas (senales) aplicadas a la fibra optica incluyen unos cambios en casi todos los tipos de cualidades ffsicas tales como la temperatura, la presion, el campo electrico, el campo magnetico, la densidad del material qufmico, y el movimiento mecanico.
Las caracterfsticas de la luz que varfan como tal el cambio de cantidades ffsicas externas incluyen la intensidad, la fase, la polarizacion y la longitud de onda y se emplean una variedad de metodos para medir los pequenos cambios en estas caracterfsticas.
Mas especfficamente, los ejemplos de los fenomenos ffsicos que provocan los cambios en las caracterfsticas de la luz incluyen los cambios de fndice de reflexion (asociados con la temperatura, la presion, la tension, la densidad de material qufmico, etc.), y los cambios de polarizacion (asociados con el campo electrico, el campo magnetico, la presion, etc.), los cambios en la perdida de luz de acuerdo con la longitud de onda (asociados con la densidad del material qufmico, la flexion, etc.) y tambien incluyen los cambios de fase relativista y los fenomenos no lineales (dispersion de Raman, dispersion de Brillouin, efectos de Kerr, etc.).
El sensor de fibra optica tiene ventajas sobre otros tipos de sensores, debido a los hechos de que los cambios de diversas cantidades ffsicas se miden usando luz en lugar de los elementos electronicos y que la senal medida se realiza tambien a traves de la luz.
En primer lugar, ya que el sensor de fibra optica no incluye un conductor que pasa la electricidad, el sensor de fibra optica no provoca ruido debido a la interferencia electromagnetica y tambien esta libre del riesgo de que se produzca la puesta a tierra, una fuga de electricidad, descargas electricas, etc.
Ademas, es facil unir el sensor de fibra optica a una superficie de un objetivo de medida y enterrar el sensor de fibra optica en el suelo ya que el sensor de fibra optica es pequeno en tamano y peso y tambien tiene una alta resistencia a la corrosion ya que el material del sensor de fibra optica es vidrio.
Ademas, el sensor de fibra optica puede usarse para la medicion de casi todos los tipos de cantidades ffsicas y garantiza una sensibilidad muy alta ya que el sensor de fibra optica realiza la medicion usando la luz de una longitud de onda muy corta.
Ademas, ya que el sensor de fibra optica provoca una muy pequena perdida optica y tiene una amplia anchura de banda para la transmision de informacion como en el caso de la comunicacion, es posible implementar un sensor de tipo matriz que se construye conectando un gran numero de sensores a una unica fibra optica de manera que los sensores pueden realizar una medicion simultanea. El sensor de tipo de matriz puede realizar una medicion remota, incluso a una distancia de decenas de kilometros y tambien puede realizar una medicion distribuida para medir una distribucion de las cantidades ffsicas con respecto a la posicion.
Los sensores de fibra optica se clasifican en sensores de interferencia, de longitud de onda, y de tipo dispersion. El sensor de tipo dispersion mide la luz retrodispersada en una fibra optica, que cambia de acuerdo con una cantidad ffsica externa aplicada a la fibra optica, usando la luz pulsada que se desplaza en la fibra optica. Esto permite la medicion de una distribucion de cantidades ffsicas sobre la totalidad de una fibra optica a larga distancia.
El sensor que mide la luz retrodispersada usando la luz pulsada se denomina como un "sensor de reflectometrfa de dominio temporal optico (OTDR)". La mayorfa de los sensores de fibra optica de tipo dispersion usan basicamente la tecnologfa de OTDR.
El documento JP04-248426 A sugiere medir la temperatura y la tension de una fibra optica. Para este fin, la luz pulsada se acopla en un primer extremo de la fibra. La luz retrodispersada se acopla fuera en el mismo extremo mediante una unidad de acoplamiento. La luz retrodispersada es la frecuencia filtrada para separar la luz retrodispersada de Raman y Brillouin. A partir del desplazamiento de frecuencia de Brillouin se calcula la tension de la fibra. A partir de la intensidad de la luz retrodispersada de Raman o Brillouin se calcula la distribucion de temperatura de la fibra optica.
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El documento KR 10 2002 0090468 se refiere a un metodo de deteccion de intrusion. Una fibra optica esta unida a la superficie de un objeto a monitorizar o simplemente se deposita en el suelo para detectar una intrusion en la propiedad correspondiente. Una senal laser desde un LED-laser se ramifica en dos senales modulandose cada una de las mismas. La primera senal modulada se amplifica y se acopla mediante un acoplador como una luz de bombeo pulsada en un primer extremo de una fibra optica. La segunda senal modulada se acopla como una luz de sondeo a traves del extremo opuesto a dicha fibra optica. La luz de bombeo dispersada trasera y la luz de sondeo se acoplan fuera de la fibra mediante dicho acoplador y se proporcionan a un detector para su analisis.
Divulgacion de la invencion
Problema tecnico
Tales sensores de fibra optica de tipo dispersion se dividen en un sensor de fibra optica de tipo dispersion de Rayleigh, un sensor de fibra optica de tipo dispersion de Raman, y un sensor de fibra optica de tipo dispersion de Brillouin.
El sensor de fibra optica de tipo dispersion de Rayleigh es un sensor que mide la luz dispersada que se genera como una luz pulsada que se desplaza en una fibra optica, cuya densidad se distribuye de manera desigual. Por lo tanto, el sensor de fibra optica de tipo dispersion de Rayleigh obtiene una luz retrodispersada, cuya intensidad es proporcional a la de la luz pulsada.
Por ejemplo, cuando la fibra optica se curva por un factor externo para la medicion, la luz que se desplaza en la fibra optica se fuga hacia el exterior y por lo tanto la intensidad de la luz retrodispersada disminuye. Mientras que el sensor de fibra optica de tipo dispersion de Rayleigh usa este fenomeno, este sensor no es sensible a cambios en la temperatura externa o a cambios en el grado de deformacion y puede aplicarse solamente cuando se ha producido una flexion de fibra optica especial.
Tanto los sensores de fibra optica de tipo dispersion de Raman como de Brillouin usan una dispersion de luz no lineal. El sensor de fibra optica de tipo dispersion de Raman se usa ampliamente para la medicion de la temperatura ya que la intensidad de la luz dispersada de Raman varfa de manera sensible solamente con cambios termicos externos.
Es decir, la senal dispersada de Raman es una senal retrodispersada que se genera debido a las vibraciones moleculares cuando la luz se propaga en una fibra optica. Las caracterfsticas de las vibraciones moleculares en la fibra optica se cambian unicamente por la temperatura.
Por otro lado, el sensor de fibra optica de tipo dispersion de Brillouin usa el hecho de que la frecuencia de Brillouin natural de una fibra optica varfa dependiendo de la temperatura y del grado de deformacion aplicado externamente a la fibra optica. El sensor de fibra optica de tipo dispersion de Brillouin obtiene un cambio de frecuencia Brillouin de este tipo para medir la cantidad absoluta de cambio en una cantidad ffsica externa (la temperatura y el grado de deformacion).
Es decir, la dispersion de Brillouin que se produce en una fibra optica hace que la luz se desplace en la fibra optica para interactuar con los fonones acusticos para producir una senal retrodispersada, que lleva informacion con respecto a la temperatura y al grado de deformacion proporcional a las caracterfsticas de un entorno en el que se localiza la fibra optica.
Aunque el sensor de fibra optica de tipo dispersion de Brillouin tiene la ventaja de que se puede medir simultaneamente el grado de deformacion y la temperatura como se ha descrito anteriormente, tiene el problema de que no puede identificar por separado la informacion con respecto a la temperatura y la informacion con respecto al grado de deformacion de la senal retrodispersada.
Solucion tecnica
Por lo tanto, es un objeto de la presente invencion proporcionar un sistema de sensores de fibra optica distribuida en el que la luz retrodispersada generada en una fibra optica de prueba se separa en una luz dispersada de Raman y en una luz dispersada de Brillouin usando una unidad de filtro optico, la luz dispersada de Raman y la luz dispersada de Brillouin separadas a traves de la unidad de filtro optico se convertiran cada una en datos digitales, y se emitiran por separado un cambio en la temperatura y un cambio en el grado de deformacion con respecto a una distancia de la fibra optica de prueba usando los datos digitales.
Efectos ventajosos
Como se ha descrito anteriormente, la luz retrodispersada generada en una fibra optica de prueba puede separarse en una luz dispersada de Raman y en una luz dispersada de Brillouin usando una unidad de filtro optico, la luz dispersada de Raman y la luz dispersada de Brillouin separadas a traves de la unidad de filtro optico pueden
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convertirse cada una en datos digitales, y pueden medirse por separado un cambio en la temperature y un cambio en el grado de deformacion con respecto a una distancia de la fibra optica de prueba usando los datos digitales.
Es decir, pueden medirse por separado un cambio en la temperatura y un cambio en el grado de deformacion con respecto a la distancia de una fibra optica de prueba usando un unico sistema sensor sin la necesidad de proporcionar por separado un sensor para medir un cambio en la temperatura con respecto a la distancia de la fibra optica de prueba y un sensor para medir un cambio en el grado de deformacion con respecto a la distancia.
Breve descripcion de los dibujos
La figura 1 ilustra un concepto basico de un sistema de sensores de fibra optica distribuida de la presente invencion.
La figura 2 es un diagrama de bloques que ilustra una primera realizacion del sistema de sensores de fibra optica distribuida de la presente invencion.
La figura 3 ilustra una realizacion en la que la unidad de filtro optico de la presente invencion separa la luz dispersada de Raman y la luz dispersada de Brillouin.
La figura 4 ilustra otra realizacion en la que la unidad de filtro optico de la presente invencion separa la luz dispersada de Raman y la luz dispersada de Brillouin.
La figura 5 es un diagrama de bloques que ilustra una segunda realizacion del sistema de sensores de fibra optica distribuida de la presente invencion.
La figura 6 es un diagrama de bloques que ilustra una tercera realizacion del sistema de sensores de fibra optica distribuida de la presente invencion.
<Descripcion de los numeros de referencia de las partes principales de los dibujos>
110: primera unidad de fuente de luz
120: primer modulador
130: generador de pulsos
140: amplificador
150: fibra optica de prueba
160: segunda unidad de fuente de luz
170: segundo modulador
180: generador de senales de RF
190: circulador optico
200: unidad de filtro optico
210: primer detector optico
220: segundo detector optico
230: medidor de senales opticas
Mejor modo de realizar la invencion
De acuerdo con una realizacion preferida de la presente invencion, se proporciona un sistema de sensores de fibra optica distribuida de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 3, que incluye un primer modulador optico para modular la luz emitida desde una primera unidad de fuente de luz en una luz pulsada de bombeo y transmitir la luz pulsada de bombeo a un extremo de una fibra optica de prueba, un segundo modulador optico para modular la luz emitida desde una segunda unidad de fuente de luz en luz de sondeo y transmitir la luz de sondeo al otro extremo de la fibra optica de prueba, un circulador optico para divergir la luz retrodispersada que se genera en la fibra optica de prueba, una unidad de filtro optico para hacer pasar la luz dispersada de Raman y la luz dispersada de Brillouin incluidas en la luz retrodispersada divergida por el circulador optico, y una unidad de medicion de cambio de cantidad ffsica para convertir cada una de la luz dispersada de Raman y la luz dispersada de Brillouin que han pasado a traves de la unidad de filtro optico en datos digitales y medir por separado un cambio en la temperatura y un cambio en el grado de deformacion con respecto a una distancia de la fibra optica de prueba usando los datos digitales.
De acuerdo con otra realizacion preferida de la presente invencion, se proporciona un sistema de sensores de fibra optica distribuida que incluye un modulador optico para modular la luz emitida desde una unidad de fuente de luz en luz pulsada de bombeo y transmitir la luz pulsada de bombeo a una optica fibra de prueba, un circulador optico para divergir la luz retrodispersada que se genera en la fibra optica de prueba, una unidad de filtro optico para hacer pasar la luz dispersada de Raman y la luz dispersada de Brillouin incluidas en la luz retrodispersada divergida por el circulador optico, y una unidad de medicion de cambio de cantidad ffsica para convertir cada una de la luz dispersada de Raman y la luz dispersada de Brillouin que han pasado a traves de la unidad de filtro optico en datos digitales y medir por separado un cambio en la temperatura y un cambio en el grado de deformacion con respecto a una distancia de la fibra optica de prueba usando los datos digitales.
De acuerdo con otra realizacion preferida de la presente invencion, se proporciona un sistema de sensores de fibra optica distribuida que incluye un divisor para divergir una luz emitida desde una unidad de fuente de luz, un primer modulador optico para modular la luz divergida en el divisor en una luz pulsada de bombeo, un segundo modulador
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optico para modular la luz divergida en el divisor en una luz de sondeo, un amplificador para amplificar la luz pulsada de bombeo y la luz de sondeo y transmitir la luz pulsada de bombeo y la luz de sondeo amplificadas a una fibra optica de prueba, un reflector formado en un extremo de la fibra optica de prueba para reflejar la luz de sondeo, un circulador optico para divergir la luz retrodispersada que se genera en la fibra optica de prueba, una unidad de filtro optico para hacer pasar la luz dispersada de Raman y la luz dispersada de Brillouin incluidas en la luz retrodispersada divergida por el circulador optico, y una unidad de medicion de cambio de cantidad ffsica para convertir cada una de la luz dispersada de Raman y la luz dispersada de Brillouin que han pasado a traves de la unidad de filtro optico en datos digitales y medir por separado un cambio en la temperatura y un cambio en el grado de deformacion con respecto a una distancia de la fibra optica de prueba usando los datos digitales.
En este caso, la unidad de filtro optico incluye un filtro reflejado de Raman para reflejar la luz dispersada de Raman incluida en la luz retrodispersada divergida por el circulador optico, y un filtro de paso de Brillouin para hacer pasar solamente la luz dispersada de Brillouin incluida en la luz retrodispersada que ha pasado a traves del filtro reflejado de Raman.
Ademas, la unidad de filtro optico incluye un filtro de paso de Raman para hacer pasar solamente la luz dispersada de Raman incluida en la luz retrodispersada divergida por el circulador optico, un filtro de paso de Brillouin para hacer pasar solamente la luz dispersada de Brillouin incluida en la luz retrodispersada divergida por el circulador optico, y un divisor para divergir la luz retrodispersada por el circulador optico en el filtro de paso de Raman y en el filtro de paso de Brillouin.
Ademas, la unidad de medicion de cambio de cantidad ffsica incluye una primer detector optico para detectar la luz dispersada de Raman que ha pasado a traves de la unidad de filtro optico y convertir la luz dispersada de Raman detectada en datos digitales y emitir los datos digitales, un segundo detector optico para detectar la luz dispersada de Brillouin que ha pasado a traves de la unidad de filtro optico y convertir la luz dispersada de Brillouin detectada en datos digitales y emitir los datos digitales, y un medidor de senales opticas para medir un cambio en la temperatura con respecto a la distancia de la fibra optica de prueba a partir de los datos emitidos desde el primer detector optico, medir un cambio en la temperatura y un cambio en el grado de deformacion con respecto a la distancia de la fibra optica de prueba a partir de los datos emitidos desde el segundo detector optico, y medir por separado el cambio de temperatura y el cambio en el grado de deformacion con respecto a una distancia de la fibra optica de prueba usando los datos digitales que usan los datos medidos.
Modo para la invencion
A continuacion se describira el sistema de sensores de fibra optica distribuida de la presente invencion en detalle con referencia a las figuras 1-6. En la siguiente descripcion de la presente invencion, se omitira una descripcion detallada de las funciones y las configuraciones conocidas incorporadas en el presente documento cuando puedan oscurecer el objeto de la presente invencion. Los terminos usados en la siguiente descripcion se han definido teniendo en cuenta las funciones obtenidas de acuerdo con la presente invencion. Las definiciones de estos terminos deberfan determinarse basandose en todo el contenido de esta memoria descriptiva, ya que pueden cambiarse de acuerdo con la opcion de un usuario u operador o una practica habitual.
La figura 1 ilustra un concepto basico de un sistema de sensores de fibra optica distribuida de la presente invencion. La dispersion de Brillouin de una fibra optica es un fenomeno en el que la luz incidente sobre una fibra optica interactua con un fonon acustico generado en la fibra optica y que a continuacion se dispersa en una frecuencia diferente de la de la luz incidente. La diferencia de frecuencia se denomina como un "cambio de frecuencia de Brillouin natural". La diferencia de frecuencia depende significativamente de la sustancia de la fibra optica y cambia de acuerdo con el grado de deformacion (por ejemplo, la tension) aplicado a la fibra optica.
Como se muestra en la figura 1, una primera unidad de fuente de luz 20 y una segunda unidad de fuente de luz 30, que transmiten una luz pulsada de bombeo y una luz de sondeo, respectivamente, a los dos extremos de una fibra optica 10, estan dispuestas una frente a otra.
Un detector optico 40 esta acoplado a la fibra optica 10 para medir los cambios de una cantidad ffsica externa aplicada a la fibra optica 10 comparando la frecuencia de la luz dispersada, que se desplaza hacia atras debido a un cambio de cantidad ffsica externa en una parte de prueba de la fibra optica 10, y la diferencia de frecuencia entre la luz pulsada de bombeo y la luz de sondeo.
A continuacion, cuando up es la frecuencia de la luz pulsada de bombeo transmitida por la primera unidad de fuente de luz 20 y ucw es la frecuencia de la luz de sondeo transmitida por la segunda unidad de fuente de luz 30, la diferencia de frecuencia Au entre la luz pulsada de bombeo y la luz de sondeo es up - ucw (es dedr, Au = up - ucw).
Si las frecuencias de las unidades de fuente de luz se ajustan de tal manera que la diferencia de frecuencia Au entre la luz pulsada de bombeo y la luz de sondeo es igual a un desplazamiento de frecuencia de Brillouin de la fibra optica 10, la luz pulsada de bombeo se convierte en energfa optica en la luz de sondeo a traves de la dispersion de Brillouin obtenida. Por consiguiente, la luz de sondeo se somete a una amplificacion optica de Brillouin en la fibra
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optica 10, facilitando de este modo el analisis de las senales de Brillouin.
Cuando se ha producido una deformacion de compresion o traccion en una posicion espedfica de la fibra optica de prueba, la luz retrodispersada, que es una senal recibida final del sensor de fibra optica de dispersion de Brillouin, aparece en la forma de una disminucion o aumento rapido de la senal en la posicion y, a partir de esto, es posible determinar facilmente tanto la posicion en la que se ha producido la deformacion como la extension de la deformacion.
La figura 2 es un diagrama de bloques que ilustra una primera realizacion del sistema de sensores de fibra optica distribuida de la presente invencion.
Como se muestra, el sistema de sensores de fibra optica distribuida incluye una primera unidad de fuente de luz 110, un primer modulador 120, un generador de pulsos 130, un amplificador 140, una fibra optica de prueba 150, una segunda unidad de fuente de luz 160, un segundo modulador 170, un generador de senales de RF 180, un circulador optico 190, una unidad de filtro optico 200, un primer detector optico 210, un segundo detector optico 220, y un medidor de senal optica 230.
La primera unidad de fuente de luz 110 emite una luz que tiene una anchura de haz fino de alto rendimiento. Un laser de realimentacion distribuida (DFB) se usa normalmente como la primera unidad de fuente de luz 110.
El primer modulador 120 modula la luz emitida desde la primera unidad de fuente de luz 110 en luz pulsada de bombeo. Tal luz de tipo pulsada es adecuada para los sensores distribuidos que miden los valores ffsicos en una posicion espedfica en toda la parte de la fibra optica ya que la luz de tipo pulsada tiene una resolucion de distancia de acuerdo con el ancho de pulso.
El generador de pulsos 130 genera un pulso que tiene una anchura predeterminada para modular la luz emitida desde la primera unidad de fuente de luz 110 para la luz pulsada de bombeo.
Cuando se genera una luz pulsada de bombeo que tiene una anchura de pulso de 30 ns usando el primer modulador 120 y el generador de pulsos 130, la resolucion de distancia del sistema de sensores de fibra optica distribuida es de 3 m.
Es decir, la resolucion de la distancia del sistema de sensores de fibra optica distribuida es 3 m ya que el sistema de sensores de fibra optica distribuida mide la luz dispersada generada a medida que la luz pulsada de bombeo se dispersa y se refleja mientras que pasa a traves de la parte de prueba de la fibra optica y el ancho de pulso “30 ns” corresponde a una distancia de fibra optica de aproximadamente 3 m.
El amplificador 140 amplifica la luz pulsada de bombeo generada a traves de la modulacion del primer modulador 120.
Es decir, ya que la intensidad de la luz pulsada de bombeo emitida a traves del primer modulador 120 y del generador de pulsos 130 es pequena, la luz pulsada de bombeo se amplifica a traves del amplificador 140 para facilitar la medicion.
Preferiblemente, el amplificador 140 es un amplificador de fibra dopada de erbio (EDFA), que tiene ventajas en que tiene una ganancia mas alta que los amplificadores de laser de semiconductores y no se deteriora incluso a traves de la transmision de senales de alta velocidad, y tambien tiene un bajo nivel de ruido.
La fibra optica de prueba 150 es una fibra optica en la que se genera la luz retrodispersada a medida que la luz pulsada de bombeo amplificada se desplaza por el amplificador 140.
La segunda unidad de fuente de luz 160 emite luz, que se usa para determinar si se ha desplazado o no la frecuencia central de la luz pulsada de bombeo, a la fibra optica de prueba 150.
El segundo modulador 170 modula la luz emitida desde la segunda unidad de fuente de luz 160 en luz de sondeo.
El generador de senales de RF 180 aumenta la frecuencia de la luz de sondeo de una manera escalonada para obtener un cambio de frecuencia de Brillouin que provoca una amplificacion de dispersion de Brillouin.
Espedficamente, para obtener un cambio de frecuencia de Brillouin, el generador de senales de RF 180 funciona mientras se cambia la frecuencia de una manera escalonada a intervalos de frecuencia predeterminados desde una primera frecuencia a una ultima frecuencia en un intervalo de frecuencias predeterminado.
Al usar este generador de senales de RF 180, el segundo modulador 170 modula la luz emitida desde la segunda unidad de fuente de luz 160 en luz de sondeo.
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El circulador optico 190 diverge y emite la luz que se dispersa en una direccion opuesta a la direccion de desplazamiento de la luz pulsada de bombeo (es decir, la luz retrodispersada en la fibra optica de prueba 150) a la unidad de filtro optico 200.
El circulador optico 190 esta dispuesto entre el amplificador 140 y la fibra optica prueba 150 para evitar que parte de la luz pulsada de bombeo entre directamente en la unidad de filtro optico 200 cuando la luz pulsada de bombeo se transmite a la fibra optica de prueba 150.
La unidad de filtro optico 200 hace pasar solamente la luz dispersada de Raman y la luz dispersada de Brillouin incluidas en la luz retrodispersada en la fibra optica de prueba 150.
Mas especfficamente, la unidad de filtro optico 200 incluye un filtro de Raman 201 y un filtro de Brillouin 205 y el filtro de Raman 201 hace pasar solamente la luz que corresponde a la dispersion de Raman incluida en la luz retrodispersada y el filtro de Brillouin 205 hace pasar solamente la luz que corresponde a la dispersion de Brillouin incluida en la luz retrodispersada.
Por ejemplo, el filtro de Raman 201 hace pasar la luz que tiene una longitud de onda de 900-1000 nm incluida en la luz retrodispersada y el filtro de Brillouin 205 hace pasar la luz que tiene una longitud de onda de 1555 nm incluida en la luz retrodispersada.
El primer detector optico 210 detecta la luz que ha pasado a traves del filtro de Raman 201 y realiza una conversion de analogico a digital de alta velocidad en la luz detectada, convirtiendo de este modo la senal optica dispersada de Raman en una senal digital.
La senal optica dispersada de Raman incluye informacion de un cambio en la temperatura en una posicion especffica de la fibra optica.
El segundo detector optico 220 detecta la luz que ha pasado a traves del filtro de Brillouin 205 y realiza una conversion de analogico a digital de alta velocidad en la luz detectada, convirtiendo de este modo la senal optica dispersada de Brillouin en una senal digital.
La senal optica dispersada de Brillouin incluye informacion de un cambio en el grado de deformacion y un cambio en la temperatura en una posicion especffica de la fibra optica.
El primer detector optico 210 y el segundo detector optico 220 detectan secuencialmente la luz retrodispersada en la fibra optica de prueba 150. La razon de por que el primer detector optico 210 y el segundo detector optico 220 detectan la luz retrodispersada en diferentes momentos es porque detectan un cambio en la temperatura y un cambio en el grado de deformacion con respecto a la diferencia de las respectivas distancias de las posiciones en la fibra optica.
Es decir, puede leerse un cambio en la temperatura y un cambio en el grado de deformacion en cada posicion de la fibra optica detectando la diferencia de tiempo de la luz retrodispersada.
El medidor de senales opticas 230 controla el funcionamiento global del sistema de sensores de fibra optica distribuida de la presente invencion de acuerdo con unas variables basicas preestablecidas tales como un recuento promedio, un recuento de muestreo y una tasa de muestreo, un intervalo de radiacion de frecuencia, y una frecuencia de etapa. El medidor de senales opticas 230 recibe los datos digitales de la luz dispersada de Raman y de la luz dispersada de Brillouin desde el primer detector optico 210 y desde el segundo detector optico 220 y emite unas senales con respecto a la longitud de la fibra optica, la intensidad optica, y un cambio de frecuencia de Brillouin.
El medidor de senales opticas 230 puede obtener informacion de la temperatura con respecto a la distancia de los datos de la luz dispersada de Raman recibida del primer detector optico 210 y puede obtener informacion del grado de deformacion y de la temperatura con respecto a la distancia de los datos de la luz dispersada de Brillouin recibida del segundo detector optico 220. Usando esta informacion, el medidor de senales opticas 230 puede medir por separado el grado de deformacion y la temperatura con respecto a la distancia de la fibra optica de prueba 150.
Este metodo se describe a continuacion con referencia a las expresiones matematicas 1 y 2.
EXPRESION MATEMATICA 1
RsCi) = TCi)
EXPRESION MATEMATICA 2 Bs(f) = Ttf) + etf)
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La expresion matematica 1 es una ecuacion que representa el cambio en la intensidad optica (i) con respecto a la temperatura T en cada distancia cuando se mide la luz dispersada de Raman y la expresion matematica 2 es una ecuacion que representa el cambio en la frecuencia optica (f) con respecto a la temperatura T y el grado de deformacion (e) en cada distancia cuando se mide la luz dispersada de Brillouin.
Ya que el termino temperatura puede medirse comunmente en las expresiones matematicas 1 y 2, el grado de deformacion con respecto a la distancia puede medirse obteniendo la diferencia entre los datos recibidos del primer detector optico 210 y los datos recibidos del segundo detector optico 220.
De acuerdo con la presente invencion, como se ha descrito anteriormente, la luz retrodispersada en la fibra optica de prueba 150 se separa en la luz dispersada de Raman y en la luz dispersada de Brillouin a traves del filtrado de la unidad de filtro optico 200 y los datos de la luz dispersada de Raman y los datos de la luz dispersada de Brillouin se miden simultaneamente a traves del primer detector optico 210 y del segundo detector optico 220, de manera que puede medirse por separado un cambio en el grado de deformacion y un cambio en la temperatura con respecto a la distancia.
La figura 3 ilustra una realizacion en la que la unidad de filtro optico de la presente invencion separa la luz dispersada de Raman y la luz dispersada de Brillouin.
Como se muestra, una unidad de filtro optico 300 incluye un filtro reflejado de Raman 310 y un filtro de paso de Brillouin 320.
El filtro reflejado de Raman 310 y el filtro de paso de Brillouin 320 pueden implementarse cada uno como un filtro de pelfcula delgada.
Cuando la luz retrodispersada divergida en un circulador optico (no mostrado) se introduce en la unidad de filtro optico 300, el filtro reflejado de Raman 310 refleja la luz dispersada de Raman incluida en la luz retrodispersada hacia un primer detector optico 370.
Es decir, la luz retrodispersada incluye un haz de luz dispersada de Brillouin, un haz de luz dispersada de Rayleigh, y un haz de luz dispersada de Raman, y el filtro reflejado de Raman 310 refleja el haz de luz dispersada de Raman entre estos haces de luz hacia el primer detector optico 370.
Los haces de luz retrodispersada que no se reflejan en el filtro reflejado de Raman 310 (es decir, el haz de luz dispersada de Brillouin y el haz de luz dispersada de Rayleigh) se introducen en el filtro de paso de Brillouin 320 y, a continuacion, el filtro de paso de Brillouin 320 hace pasar solamente el haz de luz dispersada de Brillouin entre los haces de luz dispersada de entrada y transmite el haz de Brillouin que ha pasado a un segundo detector optico 380.
La figura 4 ilustra otra realizacion en la que la unidad de filtro optico de la presente invencion separa la luz dispersada de Raman y la luz dispersada de Brillouin.
Como se muestra, una unidad de filtro optico 300 incluye un divisor 330, un filtro de paso de Raman 340 y un filtro de paso Brillouin 350.
Cuando la luz retrodispersada divergida en un circulador optico (no mostrado) se introduce en la unidad de filtro optico 300, el divisor 330 distribuye la luz retrodispersada entre el filtro de paso de Raman 340 y el filtro de paso de Brillouin 350.
El filtro de paso de Raman de 340 hace pasar solamente un haz de luz dispersada de Raman incluido en la luz retrodispersada de entrada y transmite el haz de Raman que ha pasado a un primer detector optico 370 y el filtro de paso de Brillouin 350 hace pasar solamente un haz de luz dispersada de Brillouin incluido en la luz retrodispersada de entrada y transmite el haz de Brillouin que ha pasado a un segundo detector optico 380.
Si la unidad de filtro optico se construye como se muestra en las figuras 3 y 4, es posible separar la luz dispersada de Raman y la luz dispersada de Brillouin de la luz retrodispersada a traves del filtrado.
La figura 5 es un diagrama de bloques que ilustra una segunda realizacion del sistema de sensores de fibra optica distribuida de la presente invencion.
Como se muestra, el sistema de sensores de fibra optica distribuida incluye una unidad de fuente de luz 410, un modulador 420, un generador de pulsos 430, un amplificador 440, un circulador optico 450, una unidad de filtro optico 460, un primer detector optico 470, un segundo detector optico 480, y un medidor de senal optica 490.
En este sistema de sensores de fibra optica distribuida de la presente invencion, la luz emitida desde la unidad de fuente de luz 410 se modula en la luz pulsada de bombeo a traves del modulador 420 y del generador de pulsos 430 y, a continuacion, la luz pulsada de bombeo se transmite a una fibra optica.
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A continuacion, la luz retrodispersada en la fibra optica se separa en un haz de luz dispersada de Raman y en un haz de luz dispersada de Brillouin a traves de la unidad de filtro optico 460 y el haz de luz dispersada de Raman y el haz de luz dispersada de Brillouin se detectan en el primer detector optico 470 y en el segundo detector optico 480, respectivamente.
A continuacion, el medidor de senales opticas 490 mide un cambio en la temperature con respecto a la distancia de los datos de luz dispersada de Raman detectados y mide un cambio en el grado de deformacion y un cambio en la temperature con respecto a la distancia de los datos de luz dispersada de Brillouin detectados y mide, basandose en esta informacion de medicion, cada uno de los cambios en el grado de deformacion con respecto a la distancia y el cambio de temperatura con respecto a la distancia.
En esta realizacion, se genera la luz pulsada de bombeo mientras que no se genera la luz de sondeo usada para determinar si se ha desplazado o no la frecuencia de la luz dispersada de Brillouin. En este caso, el propio medidor de senales opticas 490 analiza la luz dispersada de Brillouin para medir un cambio en la temperatura y un cambio en el grado de deformacion con respecto a la distancia.
Es decir, ya que la luz dispersada de Brillouin que se retrodispersa en la fibra optica incluye no solo la luz pulsada de bombeo, sino tambien un componente de frecuencia inherente (10,8 Ghz) debido a la dispersion de Brillouin, el medidor de senales opticas 490 analiza el componente de frecuencia para leer un cambio en la temperatura y un cambio en el grado de deformacion con respecto a la distancia.
La figura 6 es un diagrama de bloques que ilustra una tercera realizacion del sistema de sensores de fibra optica distribuida de la presente invencion.
Como se muestra, el sistema de sensores de fibra optica distribuida incluye una unidad de fuente de luz 510, un divisor 520, un primer modulador 530, un generador de pulsos 540, un segundo modulador 550, un generador de senales de RF 560, un acoplador 570, un amplificador 580, un circulador optico 590, un reflector 600, una unidad de filtro optico 610, un primer detector optico 620, un segundo detector optico 630, y un medidor de senales opticas 640.
En este sistema de sensores de fibra optica distribuida de la presente invencion, la luz emitida desde la unidad de fuente de luz 510 se distribuye y se introduce en el primer modulador 530 y en el segundo modulador 550 a traves del divisor 520.
La luz emitida desde la unidad de fuente de luz 510 se modula en la luz pulsada de bombeo a traves del primer modulador 530 y del generador de pulsos 540 y se modula en la luz de sondeo a traves del segundo modulador 550 y del generador de senales de RF 560.
La luz pulsada de bombeo producida a traves de la modulacion del primer modulador 530 y del generador de pulsos 540 y la luz de sondeo producida a traves de la modulacion del segundo modulador 550 y del generador de senales de RF 560 se transmiten al amplificador 580 a traves del acoplador 570 y, a continuacion, se amplifican en el amplificador 580.
La luz pulsada de bombeo y la luz de sondeo amplificadas en el amplificador 580 se transmiten a una fibra optica y, a continuacion, se reflejan para desplazarse hacia atras por el reflector 600 formado en un extremo de la fibra optica.
El circulador optico 590 entrega la luz retrodispersada de la fibra optica a la unidad de filtro optico 610, y la unidad de filtro optico 610 hace pasar un haz de luz dispersada de Raman y un haz de luz dispersada de Brillouin incluidos en la luz retrodispersada.
El haz de luz dispersada de Raman y el haz de luz dispersada de Brillouin que han pasado a traves de la unidad de filtro optico 610 se detectan en el primer detector optico 620 y en el segundo detector optico 630, respectivamente.
El medidor de senales opticas 640 mide un cambio en la temperatura con respecto a la distancia de los datos de luz dispersados de Raman detectados y mide un cambio en el grado de deformacion y un cambio en la temperatura con respecto a la distancia de los datos de luz dispersados de Brillouin y mide, basandose en esta informacion de medicion, cada uno de los cambios en el grado de deformacion con respecto a la distancia y el cambio en la temperatura con respecto a la distancia.
En esta realizacion, la luz pulsada de bombeo y la luz de sondeo se generan usando la unica unidad de fuente de luz 510. Para lograr esto, la luz emitida desde la unidad de fuente de luz 510 se distribuye entre el primer modulador 530 y el segundo modulador 550 a traves del divisor 520 y, a continuacion, se modula en la luz pulsada de bombeo y en la luz de sondeo, respectivamente, a traves del primer modulador 530 y del segundo modulador 550.
Ademas, en esta realizacion, ya que la luz pulsada de bombeo y la luz de sondeo se transmiten a la fibra optica en la misma direccion, el reflector 600 se forma en un extremo de la fibra optica de manera que la luz de sondeo se refleja
en el reflector 600 para desplazarse hacia atras, permitiendo de este modo la determinacion de si se ha desplazado o no la frecuencia central de la luz pulsada de bombeo.
Aunque la presente invencion se ha descrito con referencia a las realizaciones a modo de ejemplo, los expertos en 5 la materia de la invencion apreciaran que pueden hacerse varias modificaciones a las realizaciones, sin apartarse del alcance y del espfritu de la invencion.
Por consiguiente, el alcance de la presente invencion no deberfa limitarse a las realizaciones descritas anteriormente, sino que se define por las reivindicaciones adjuntas y sus equivalentes.
10

Claims (7)

  1. 5
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    40
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    REIVINDICACIONES
    1. Un sistema de sensores de fibra optica distribuida que comprende:
    - un modulador optico (120) para modular la luz emitida desde una unidad de fuente de luz (110) en una luz pulsada de bombeo y transmitir la luz pulsada de bombeo a una fibra optica de prueba (150);
    - un circulador optico (190) para divergir la luz retrodispersada que se genera en la fibra optica de prueba (150);
    - una unidad de filtro optico (200) para hacer pasar la luz dispersada de Raman y la luz dispersada de Brillouin incluidas en la luz retrodispersada divergida por el circulador optico (190), comprendiendo la unidad de filtro optico (200) un filtro de paso de Raman para hacer pasar solamente la luz dispersada de Raman incluida en la luz retrodispersada divergida por el circulador optico y un filtro de paso de Brillouin para hacer pasar solamente la luz dispersada de Brillouin incluida en la luz retrodispersada divergida por el circulador optico;
    - un primer detector optico (210) adaptado para convertir la luz dispersada de Raman que ha pasado a traves de la unidad de filtro de paso de Raman en datos digitales y para medir un cambio en la temperatura con respecto a una distancia de la fibra optica de prueba (150) usando los datos digitales; y
    - un segundo detector optico (220) adaptado para convertir la luz dispersada de Brillouin que ha pasado a traves del filtro de paso de Brillouin en datos digitales y para medir un cambio en la temperatura y un cambio en un grado de deformacion con respecto a una distancia de la fibra optica de prueba (150), usando los datos digitales y el cambio de la temperatura medida a traves del primer detector optico (210),
    en donde la medicion de la luz dispersada de Raman mediante el primer detector optico (210) y la medicion de la la luz dispersada de Brillouin mediante el segundo detector optico (220) se realizan secuencialmente.
  2. 2. El sistema de sensores de fibra optica distribuida de la reivindicacion 1, que comprende ademas un segundo modulador optico (170) para modular la luz emitida desde una segunda unidad de fuente de luz (160) en la luz de sondeo y transmitir la luz de sondeo al otro extremo de la fibra optica de prueba (150).
  3. 3. Un sistema de sensores de fibra optica distribuida que comprende:
    - un divisor (520) para divergir la luz emitida desde una unidad de fuente de luz;
    - un primer modulador optico (530) para modular la luz divergida en el divisor en la luz pulsada de bombeo;
    - un segundo modulador optico (550) para modular la luz divergida en el divisor en la luz de sondeo;
    - un amplificador (580) para amplificar la luz pulsada de bombeo y la luz de sondeo y transmitir la luz pulsada de bombeo y la luz de sondeo amplificadas a una fibra optica de prueba;
    - un acoplador (570) para transmitir la luz desde el primer modulador optico y desde el segundo modulador optico al amplificador (580);
    - un reflector (600) formado en un extremo de la fibra optica de prueba para reflejar la luz de sondeo;
    - un circulador optico (590) para divergir la luz retrodispersada que se genera en la fibra optica de prueba;
    - una unidad de filtro optico (610) para hacer pasar la luz dispersada de Raman y la luz dispersada de Brillouin incluidas en la luz retrodispersada divergida por el circulador optico (590), comprendiendo la unidad de filtro optico (610) un filtro de paso de Raman para hacer pasar solamente la luz dispersada de Raman incluida en la luz retrodispersada divergida por el circulador optico (590) y un filtro de paso de Brillouin para hacer pasar solamente la luz dispersada de Brillouin incluida en la luz retrodispersada divergida por el circulador optico (590);
    y
    - un primer detector optico (210) adaptado para convertir la luz dispersada de Raman que ha pasado a traves de la unidad de filtro de paso de Raman en datos digitales y para medir un cambio en la temperatura con respecto a una distancia de la fibra optica de prueba (150) usando los datos digitales, y
    - un segundo detector optico (220) adaptado para convertir la luz dispersada de Brillouin, que ha pasado a traves del filtro de paso de Brillouin, en datos digitales y para medir un cambio en la temperatura y un cambio en un grado de deformacion con respecto a una distancia de la fibra optica de prueba (150), usando los datos digitales y el cambio de la temperatura medida a traves del primer detector optico (210), y
    - en donde la medicion de la luz dispersada de Raman mediante el primer detector optico (210) y la medicion de la luz dispersada de Brillouin mediante el segundo detector optico (220) se realizan secuencialmente.
  4. 4. El sistema de sensores de fibra optica distribuida de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende ademas:
    - un medidor de senales opticas adaptado para medir un cambio en la temperatura con respecto a la distancia de la fibra optica de prueba de los datos emitidos desde el primer detector optico, para medir un cambio en la temperatura y un cambio en el grado de deformacion con respecto a la distancia de la fibra optica de prueba a partir de los datos emitidos desde el segundo detector optico, y para emitir por separado el cambio en la temperatura y el cambio en el grado de deformacion con respecto a la distancia de la fibra optica de prueba usando los datos digitales que usan los datos medidos.
  5. 5. El sistema de sensores de fibra optica distribuida de acuerdo con la reivindicacion 2, en donde el primer modulador optico incluye:
    10
    15
    - un generador de pulsos para generar un pulso de bombeo;
    - un primer modulador para modular la luz emitida desde la primera unidad de fuente de luz en una luz pulsada de bombeo usando el generador de pulsos; y
    - un amplificador para amplificar la luz pulsada de bombeo producida a traves de la modulacion del primer modulador.
  6. 6. El sistema de sensores de fibra optica distribuida de acuerdo con la reivindicacion 5, en donde el amplificador es un amplificador de fibra dopada de erbio (EDFA).
  7. 7. El sistema de sensores de fibra optica distribuida de acuerdo con la reivindicacion 2, en donde el segundo modulador optico incluye:
    - un generador de senales de RF para generar una senal de RF en intervalos de frecuencia predeterminados desde una primera frecuencia a una ultima frecuencia en un intervalo de frecuencias predeterminado; y
    - un segundo modulador para modular la luz emitida desde la segunda unidad de fuente de luz en una luz de sondeo usando el generador de senales de RF.
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