ES2896235T3 - Cable para detección distribuida - Google Patents

Abstract

Cable de fibra óptica (300), que comprende: como mínimo una fibra óptica (301), y un transformador de fuerza (304) acoplado mecánicamente a la como mínimo una fibra óptica; en el que el transformador de fuerza se configura para transformar las fuerzas transversales debidas a cambios de dimensión del cable que derivan de una variación de temperatura del cable en fuerzas longitudinales para contrarrestar la componente longitudinal de dicho cambio de dimensión en un intervalo de temperaturas ajustado; caracterizado por que la rigidez del transformador de fuerza (304) se configura con respecto a un coeficiente de expansión térmica del cable de fibra óptica (300), de manera que una variación de temperatura dentro del intervalo de temperaturas ajustado da lugar a sustancialmente ningún cambio en la longitud de la trayectoria óptica efectiva de la fibra óptica dentro del cable de fibra óptica.

Description

DESCRIPCIÓN

Cable para detección distribuida

Esta solicitud se refiere a cables de fibra óptica y a procedimientos de fabricación de los mismos que son adecuados para su utilización en la detección por fibra óptica, especialmente en la detección acústica distribuida por fibra óptica.

La detección acústica distribuida (DAS, Distributed Acoustic Sensing) por fibra óptica es un tipo conocido de detección en la que una fibra óptica se despliega como una fibra de detección y es interrogada con radiación electromagnética para proporcionar una detección de la actividad acústica a lo largo de su longitud, por ejemplo, deformaciones dinámicas que actúan sobre la fibra de detección. Analizando la radiación retrodispersada desde la fibra, la fibra se puede dividir efectivamente en una pluralidad de porciones de detección discretas que pueden ser (pero no tienen por qué ser) contiguas. Dentro de cada porción de detección discreta, las perturbaciones mecánicas de la fibra, por ejemplo, deformaciones dinámicas debidas a ondas acústicas incidentes, causan una variación en las propiedades de la radiación que se retrodispersa desde esa porción. Esta variación se puede detectar y analizar, y utilizarse para dar una medición de la intensidad de la perturbación de la fibra en esa porción de detección. Por tanto, el sensor DAS actúa efectivamente como una matriz de detección lineal de porciones de detección acústica de fibra óptica.

Por lo tanto, dichos sensores DAS habitualmente llevan a cabo interrogaciones repetidas de la fibra de detección, donde cada interrogación implica transmitir como mínimo un pulso de radiación óptica coherente en la fibra óptica y detectar la intensidad de la luz retrodispersada desde cada una de varias porciones de detección de la fibra de detección, también denominadas canales, del sensor DAS. En un tipo de sensor DAS, se supervisa la intensidad de la retrodispersión de Rayleigh desde un canal determinado en respuesta a interrogaciones independientes de la fibra de detección para determinar cualquier estímulo acústico que actúe sobre la fibra, y, en un ejemplo, cada interrogación implica lanzar un único pulso continuo de radiación de interrogación coherente. La retrodispersión desde la fibra dependerá de la distribución de los puntos de dispersión inherentes dentro de la fibra, que variarán efectivamente de forma aleatoria a lo largo de la longitud de la fibra. Por tanto, la intensidad de la retrodispersión de cualquier pulso de interrogación determinado mostrará una variación aleatoria de una porción de detección a la siguiente, pero, en ausencia de cualquier estímulo medioambiental, la intensidad de la retrodispersión desde cualquier porción de detección determinada permanecerá igual para cada interrogación repetida (siempre que las características del pulso de interrogación permanezcan iguales). Sin embargo, un estímulo medioambiental que actúa sobre la porción de detección pertinente de la fibra dará lugar a un cambio en la longitud de la trayectoria óptica para esa sección de fibra, por ejemplo, a través del estiramiento/compresión de la sección pertinente de la fibra y/o de una modulación del índice de refracción. Como la retrodispersión desde los diversos puntos de dispersión dentro de la porción de detección de fibra interferirá para producir la intensidad resultante, un cambio en la longitud de la trayectoria óptica modificará el grado de interferencia y, por tanto, dará lugar a un cambio en la intensidad de la retrodispersión. Este cambio en la intensidad se puede detectar y utilizar como una indicación de una perturbación que actúa sobre la fibra, tal como una onda acústica incidente.

En otro tipo de sensor DAS, la señal de retrodispersión se procesa para determinar un cambio de fase. En un ejemplo, cada interrogación implica lanzar a la fibra dos pulsos de radiación coherente de frecuencias ópticas diferentes. Esto significa que la retrodispersión de Rayleigh recibida en el detector comprende la retrodispersión de ambos pulsos, que interferirán, y, por tanto, habrá una componente de señal en la diferencia de frecuencia entre los pulsos. Si los dos pulsos están separados espacialmente en la fibra, entonces una perturbación medioambiental que actúe sobre la fibra, entre porciones de la fibra desde donde se reflejan los pulsos, puede conducir a un cambio en la longitud de la trayectoria óptica. Esto, a su vez, producirá un cambio de fase en la señal en esta diferencia de frecuencia, lo que se puede considerar una señal en una frecuencia portadora. Mediante la elección apropiada de la frecuencia portadora y el procesamiento de la señal detectada, este cambio de fase se puede relacionar con la amplitud de la perturbación que actúa sobre la fibra. De nuevo, las características de la radiación de interrogación, es decir, las frecuencias y las duraciones de los dos pulsos, habitualmente serían iguales para cada interrogación. Un sistema DAS basado en fase de este tipo puede proporcionar una indicación de la cantidad actual de cambio de fase causada por un estímulo incidente y, por tanto, puede proporcionar una medición cuantitativa de la amplitud de cualquier perturbación.

Los sensores DAS del tipo descrito anteriormente se han propuesto convenientemente para varias aplicaciones, tales como la supervisión de perímetros o bordes de recursos lineales tales como tuberías o similares para la detección de intrusos o la manipulación indebida. Para muchas aplicaciones de este tipo, un sensor dAs que utiliza una fibra óptica convencional es lo suficientemente sensible para detectar los eventos de interés.

La Patente WO2016/055787 describe una estructura de cable de fibra óptica para su utilización como una fibra de detección para detección distribuida que puede tener una sensibilidad mejorada a las ondas de presión transversales.

La estructura del cable de fibra óptica incluye como mínimo un transformador de deformación deformable que se configura de modo que una fuerza que actúa sobre el transformador de deformación en una dirección transversal al eje del cable da lugar a una deformación del transformador de deformación que aplica una fuerza longitudinal a la fibra óptica por medio de un material de núcleo distensible.

Los sensores distribuidos de fibra óptica basados en retrodispersión de Rayleigh también se pueden utilizar para detectar cambios en la longitud de la trayectoria óptica debidos a variaciones de temperatura dinámicas, y se ha propuesto utilizar dichos sensores para supervisar cambios de temperatura. Las variaciones de temperatura del cable de fibra óptica pueden dar lugar a variaciones de la longitud de la trayectoria óptica efectiva de la fibra óptica, debidas a cambios dimensionales y/o a variaciones del índice de refracción. Estos cambios térmicos inducidos dan lugar a una variación en la señal de medición de un aparato DAS similar a la que resultaría para una deformación dinámica sobre la fibra óptica. Por tanto, las mediciones de una perturbación en un cable de fibra óptica de detección debida a una interferencia física del cable (por ejemplo, una deformación dinámica) y de las perturbaciones debidas a la expansión o contracción térmica (por ejemplo, una variación de temperatura dinámica) son indistinguibles entre sí en un sistema DAS convencional. Dado que los sistemas DAS a menudo se implementan con fibras ópticas de detección desplegadas a lo largo de grandes distancias, por ejemplo, de hasta aproximadamente 40 km, puede haber un cambio de temperatura significativo en una porción de la fibra de detección con respecto a la siguiente. Para sensores DAS donde la medición de deformaciones de baja frecuencia es de interés, dichas variaciones inducidas por temperatura pueden representar señales erróneas no deseadas, es decir, ruido de señal.

Las realizaciones de la presente invención se refieren a cables de fibra óptica que son útiles para la detección acústica distribuida que como mínimo mitigan como mínimo algunos de los problemas observados anteriormente.

Por tanto, según una realización de la presente invención, se da a conocer un cable de fibra óptica que comprende, como mínimo, una fibra óptica y un transformador de fuerza acoplado mecánicamente a la como mínimo una fibra óptica; en el que el transformador de fuerza se configura para transformar las fuerzas transversales debidas a los cambios de dimensión del cable que derivan de una variación de temperatura del cable en fuerzas longitudinales para contrarrestar la componente longitudinal de dicho cambio de dimensión en un intervalo de temperatura ajustado, caracterizado por que la rigidez del transformador de fuerza se configura con respecto a un coeficiente de expansión térmica del cable de fibra óptica, de modo que una variación de temperatura dentro del intervalo de temperaturas ajustado no da lugar a sustancialmente ningún cambio en la longitud de la trayectoria óptica efectiva de la fibra óptica dentro del cable de fibra óptica.

Por tanto, las realizaciones de la invención dan a conocer un cable de fibra óptica apropiado para la detección acústica distribuida que tiene una sensibilidad relativamente baja a las variaciones de temperatura, como mínimo en un intervalo de temperaturas ajustado, y, en algunos casos, esto puede proporcionar una señal de detección que es insensible a los cambios de temperatura en como mínimo parte del intervalo de temperatura ajustado. Si parte del cable de fibra óptica se somete a una variación de temperatura, el material del cable tenderá a expandirse o contraerse debido al cambio de temperatura. Normalmente, esto podría dar lugar a un cambio en la longitud de la fibra de detección, con un cambio consecuente en la longitud de la trayectoria óptica que podría detectar una unidad de interrogador de detección acústica distribuida apropiada. Sin embargo, en realizaciones de la invención, las fuerzas que derivan de un cambio en las dimensiones del material del cable debido a un cambio en la temperatura dan lugar a fuerzas contrarrestantes que genera el transformador de fuerza. Esto puede reducir o eliminar la magnitud de cualquier cambio en la longitud de la trayectoria óptica y, por tanto, reducir la sensibilidad a variaciones de temperatura.

En algunas realizaciones, el cable de fibra óptica puede comprender un material de núcleo distensible acoplado mecánicamente a la como mínimo una fibra óptica, de modo que una fuerza longitudinal que actúe sobre el material de núcleo distensible induce una deformación longitudinal en la como mínimo una fibra óptica. El material de núcleo distensible puede tener un coeficiente de expansión térmica positivo. En algunas realizaciones, la como mínimo una fibra óptica se acopla a un material de protección, y el material de protección se acopla al material de núcleo distensible. El transformador de fuerza se puede acoplar a la como mínimo una fibra óptica por medio del material de núcleo distensible. Por ejemplo, el transformador de fuerza se puede unir al material de núcleo distensible y/o fijar al material de núcleo distensible en una pluralidad de puntos de fijación. En algunas realizaciones, el transformador de fuerza puede estar integrado como mínimo parcialmente en el material de núcleo distensible. El transformador de fuerza puede ser más rígido que el material de núcleo distensible. En algunas realizaciones, el material de núcleo distensible comprende nailon extruido.

El transformador de fuerza puede comprender un elemento trenzado. El transformador de fuerza puede comprender como mínimo un elemento bobinado helicoidalmente. El elemento bobinado helicoidalmente se puede bobinar alrededor de un elemento de núcleo distensible, si está presente. El ángulo de hélice del elemento bobinado helicoidalmente es del orden de 50 a 70 grados. El ángulo de hélice del elemento bobinado helicoidalmente puede ser mayor de 5 grados. El diámetro del elemento bobinado helicoidalmente puede estar en el intervalo de 1 a 10 mm.

Como mínimo una porción del cable de fibra óptica puede comprender una pluralidad de transformadores de fuerza, comprendiendo cada transformador de fuerza un elemento bobinado enrollado helicoidalmente. Como mínimo un elemento bobinado enrollado helicoidalmente se puede enrollar en sentido opuesto a otro elemento bobinado enrollado helicoidalmente. Como mínimo un elemento bobinado enrollado helicoidalmente se puede entrelazar con otro elemento bobinado enrollado helicoidalmente.

El transformador de fuerza puede comprender un material metálico. El transformador de fuerza puede comprender un elemento de acero conformado. El porcentaje de volumen de acero del cable de fibra óptica puede ser sustancialmente del 10 %.

El cable de fibra óptica puede comprender una primera capa de cubierta, y la como mínimo una fibra óptica y el como mínimo un transformador de fuerza se pueden disponer dentro de la primera capa de cubierta. Como mínimo parte del transformador de fuerza se puede acoplar a la primera capa de cubierta. El transformador de fuerza y el material de núcleo distensible se pueden disponer de manera que sean móviles con respecto a la primera capa de cubierta.

A continuación, se describirá la invención por medio de un ejemplo, solo con respecto a los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 ilustra un aparato de sensor DAS;

la figura 2 ilustra una estructura de un cable de fibra óptica convencional;

las figuras 3a y 3b ilustran otros ejemplos de estructuras de cables de fibra óptica según las realizaciones; la figura 4 ilustra los principios de un transformador de fuerza para transformar un cambio dimensional transversal debido a efectos térmicos en una fuerza longitudinal;

las figuras 5a y 5b ilustran otros dos ejemplos de transformadores de fuerza;

la figura 6 ilustra otros tipos de transformadores de fuerza posibles;

las figuras 7a y 7b ilustran algunos resultados de pruebas utilizando un cable de fibra óptica convencional y un cable según una realización.

Las realizaciones de la presente invención se refieren a cables de fibra óptica apropiados para su utilización en la detección por fibra óptica, por ejemplo, la detección acústica distribuida (DAS), que tienen una respuesta térmica deseada o ajustada a las variaciones de temperatura y a la utilización de dichos cables.

La figura 1 muestra un esquema de una disposición de detección por fibra óptica distribuida. Una longitud de fibra óptica 104 se conecta de forma extraíble a un extremo de un interrogador 106 y actúa como una fibra de detección. La salida del interrogador 106 se pasa a un procesador de señales 108, que puede estar situado junto con el interrogador o puede ser remoto al mismo, y, opcionalmente, a una pantalla gráfica/interfaz de usuario 110, que en la práctica se puede implementar por un PC de las especificaciones apropiadas. La interfaz de usuario puede estar situada junto con el procesador de señales o puede ser remota al mismo.

La fibra de detección 104 puede tener muchos kilómetros de longitud y, en algunas aplicaciones, puede tener decenas de kilómetros de longitud. En DAS convencional, la fibra de detección puede ser una fibra óptica monomodo sin modificar estándar, tal como la que se utiliza de forma rutinaria en aplicaciones de telecomunicaciones, sin la necesidad de introducir deliberadamente puntos de reflexión, tal como redes de Bragg o similares. La fibra se protegerá alojándola en una estructura de cable que puede contener más de una fibra óptica.

En utilización, el cable de fibra óptica que comprende la fibra de detección 104 se despliega en un área de interés que se va a supervisar. En funcionamiento, el interrogador 106 lanza a la fibra de detección radiación electromagnética de interrogación, que, por ejemplo, puede comprender una serie de pulsos ópticos que tienen un patrón de frecuencia seleccionado. Los pulsos ópticos pueden tener un patrón de frecuencia tal como se describe en la publicación de Patente del Reino Unido GB2,442,745 o características ópticas tales como las descritas en la Patente WO2012/137022, cuyo contenido se incorpora por la presente por referencia a las mismas, aunque también se conocen y se pueden utilizar sensores DAS basados en un único pulso de interrogación. Se debe tener en cuenta que, como se utiliza en la presente memoria descriptiva, el término "óptico" no se limita al espectro visible y la radiación óptica incluye radiación infrarroja y radiación ultravioleta. Tal como se describe en las Patentes GB2,442,745 y WO2012/137022, el fenómeno de la retrodispersión de Rayleigh da lugar a que cierta fracción de la luz introducida en la fibra se refleje de vuelta al interrogador, donde se detecta para proporcionar una señal de salida que es representativa de las perturbaciones acústicas en las proximidades de la fibra. Por lo tanto, el interrogador comprende convenientemente como mínimo un láser 112 y como mínimo un modulador óptico 114 para producir una pluralidad de pulsos ópticos separados por una diferencia de frecuencia óptica conocida. El interrogador también comprende como mínimo un fotodetector 116 dispuesto para detectar la radiación con retrodispersión de Rayleigh desde los puntos de dispersión intrínsecos dentro de la fibra 104. Un sensor DAS con retrodispersión de Rayleigh es muy útil, pero también se conocen sistemas basados en dispersión de Brillouin o de Raman.

La señal del fotodetector se procesa mediante el procesador de señales 108. El procesador de señales demodula convenientemente la señal devuelta basándose en la diferencia de frecuencia entre los pulsos ópticos. El procesador puede procesar la retrodispersión detectada, por ejemplo, tal como se describe en alguna de las Patentes GB2,442,745, WO2012/137021 o WO2012/137022. El procesador de señales también puede aplicar un algoritmo de desenvoltura de fase. Por lo tanto, se puede supervisar la fase de la luz retrodispersada desde varias secciones de la fibra óptica. Por lo tanto, tal como se ha descrito previamente, se puede detectar cualquier cambio en la longitud de la trayectoria óptica efectiva dentro de una sección de fibra determinada.

La forma de la entrada óptica y el procedimiento de detección permiten resolver espacialmente una única fibra continua en porciones de detección longitudinales discretas. Es decir, la señal acústica detectada en una porción de detección se puede proporcionar de forma sustancialmente independiente de la señal detectada en una porción adyacente. Se debe tener en cuenta que el término "acústico" significará cualquier tipo de onda de presión, perturbación mecánica o deformación variable generada en la fibra óptica y, para evitar dudas, el térmico "acústico" se utilizará en la memoria descriptiva incluyendo señales y ondas sísmicas u otros tipos de vibración. Tal como se utiliza en la presente memoria descriptiva, el término "detección acústica distribuida" significará una detección mediante la interrogación óptica de una fibra óptica para proporcionar una pluralidad de porciones de detección acústica discretas distribuidas longitudinalmente a lo largo de la fibra, y el término "sensor acústico distribuido" se interpretará en consecuencia.

Un sensor de este tipo se puede ver como un sensor completamente distribuido o intrínseco, ya que utiliza la dispersión intrínseca procesada inherente en una fibra óptica y, por tanto, distribuye la función de detección por la totalidad de la fibra óptica.

La figura 2 ilustra, en general, un ejemplo de un tipo conocido de cable de fibra óptica 200 que se podría utilizar para proporcionar la fibra de detección. La figura 2 ilustra una sección transversal a través del cable de fibra óptica. El cable de fibra óptica 200 comprende como mínimo una fibra óptica 201, que habitualmente comprenderá un núcleo y un revestimiento y, posiblemente, una cubierta de fibra, tal como comprenderá un experto en la materia. En algunas aplicaciones puede haber más de una fibra óptica 201. La(s) fibra(s) óptica(s) 201 se puede(n) colocar dentro de un material de protección 202 para proteger la fibra óptica. En algunos cables de fibra óptica, la protección puede ser un material que está firmemente unido a la(s) fibra(s) óptica(s) del cable, pero se conocen otros diseños que incluyen cables rellenos de gel donde el gel proporciona el material de protección. En este ejemplo, el material de protección 203 está rodeado por una capa de armadura 203. La capa de armadura 203 se puede proporcionar para proporcionar resistencia y protección de la(s) fibra(s) óptica(s) 201. En algunas aplicaciones, la capa de armadura puede ser una capa metálica y, por ejemplo, puede comprender un tubo de acero o de un material similar. Sin embargo, en algunas aplicaciones se desea que el cable tenga cierta flexibilidad y un tubo de acero sería demasiado inflexible. En dichos casos, el cable puede comprender una capa de armadura flexible, tal como una capa de aramida o un blindaje metálico trenzado.

La capa de aramida o metálica trenzada estará firmemente enrollada con el fin de formar una capa de armadura efectivamente continua para proteger la fibra en todos los laterales y unida a la capa de protección para proteger la capa de fibra de una extensión excesiva si se somete a una fuerza longitudinal, por ejemplo, tirar del cable. Se puede proporcionar un material de cubierta externa 204 para dar protección medioambiental, por ejemplo, para hacer que el cable sea impermeable al agua y/o al gas.

Por supuesto, un experto en la materia apreciará que existen diversos diseños de cables de fibra óptica, y en otros diseños puede haber capas de armadura adicionales o puede no haber ninguna armadura. En algunos diseños, puede haber un elemento de resistencia central, tal como una varilla o alambre metálico que se extiende a lo largo de la trayectoria del eje del cable. Adicionalmente puede haber más capas de protección y/o de cubierta.

Un cable de fibra óptica 200 tal como se describe con respecto a la figura 2 se puede emplear convenientemente en muchas aplicaciones para DAS.

Sin embargo, tal como se menciona anteriormente, si el cable de fibra óptica 200 se utiliza para la detección de deformaciones en DAS, el cable también producirá señales debidas a variaciones de temperatura derivadas de la expansión/contracción, dando lugar a una variación en la longitud física y/o a una variación del índice de refracción. Los cables de fibra óptica habituales tienen un coeficiente de expansión térmica positivo. Por ejemplo, en algunos cables de fibra óptica que se pueden utilizar para DAS, un cambio de temperatura puede dar lugar a un cambio en la señal de retrodispersión de aproximadamente 100 radianes por metro por grado centígrado. Por tanto, cuando la temperatura del cable de fibra óptica disminuye, el diámetro y la longitud del cable de fibra óptica también disminuirán. La disminución de las dimensiones del cable de fibra óptica da lugar a un cambio en la longitud de la trayectoria óptica efectiva de una porción de detección del cable de fibra óptica, lo que a su vez da lugar a una variación en la señal de medición para esa porción de detección. Se producen cambios detectables similares cuando la temperatura del cable aumenta y sufre una expansión térmica.

Por tanto, las realizaciones de la presente invención se refieren a cables de fibra óptica, donde el cable de fibra óptica comprende un transformador de fuerza, acoplado mecánicamente a la fibra óptica, para reducir sustancialmente cualquier variación en la longitud de la trayectoria óptica efectiva de las porciones de detección de la fibra óptica debida a cambios en la temperatura de la porción de detección pertinente del cable. El transformador de fuerza consigue este efecto transformando las fuerzas radiales o transversales que derivan de los cambios de dimensión del material del cable de fibra óptica debidos a variaciones de temperatura en una fuerza longitudinal. Tal como se ha mencionado anteriormente, dado que los cables de fibra óptica habituales tienen un coeficiente de expansión térmica positivo, entonces disminuir la temperatura normalmente daría lugar a la contracción del cable de fibra óptica, con una disminución resultante de la longitud y el diámetro a medida que el material del cable se encoge. En un cable de fibra óptica que comprende una realización del transformador de fuerza, a medida que la temperatura disminuye, el diámetro del cable de fibra óptica tenderá a disminuir, es decir, a contraerse. El transformador de fuerza se configura para transformar dicha fuerza de contracción radial en una fuerza de alargamiento longitudinal. Así pues, la presencia del transformador de fuerza da lugar a que esta contracción radial conduzca a una fuerza que tiende a aumentar, es decir, expandir, el cable en la dirección longitudinal. Esta fuerza longitudinal contrarresta como mínimo parcialmente la contracción longitudinal debida a la disminución de temperatura y, por tanto, reduce el efecto resultante sobre la longitud de la trayectoria óptica efectiva. Se produce el efecto opuesto cuando la temperatura aumenta y el diámetro del cable se expande, es decir, el transformador de fuerza da lugar a una fuerza que tiende a contraer la longitud del cable de fibra óptica. De esta manera, la variación en la longitud de la trayectoria óptica efectiva en el cable se reduce sustancialmente en comparación con los efectos de cambios de temperatura en cables de fibra óptica convencionales.

Por tanto, en algunas realizaciones, un cable de fibra óptica comprende como mínimo una fibra óptica con un transformador de fuerza acoplado mecánicamente a la fibra óptica, de modo que las fuerzas transversales que actúan sobre el transformador de fuerza debido a la expansión/contracción térmica del cable de fibra óptica inducen fuerzas longitudinales que tienden a contrarrestar, es decir, actuar contra la expansión/contracción térmica longitudinal. Esto puede reducir la variación en la longitud de la trayectoria óptica efectiva de las porciones de detección de la fibra óptica que deriva de los cambios de temperatura, como mínimo dentro de un primer intervalo de temperaturas y, en algunas realizaciones, el transformador de fuerza puede eliminar sustancialmente cualquier cambio en la longitud de la trayectoria óptica en el primer intervalo de temperaturas, proporcionando, por tanto, un cable de fibra óptica que es sustancialmente insensible a las variaciones de temperatura dentro del primer intervalo.

Se debe observar que, tal como se utiliza en la presente memoria descriptiva, el término "contrarrestar" significará actuar contra o en oposición a la fuerza o cambio dimensional pertinente. En algunos casos, la fuerza contrarrestante puede ser sustancialmente igual a la fuerza a la que se opone, de manera que anula efectivamente la fuerza. Sin embargo, en algunos casos, la fuerza contrarrestante puede ser menor que la fuerza a la que se opone, de manera que no anula completamente la fuerza o, en algunos casos, la fuerza contrarrestante puede ser mayor que la fuerza a la que se opone, de manera que da lugar a un pequeño cambio de dimensión en el sentido opuesto.

Tal como se ha mencionado anteriormente, los cables de fibra óptica pueden incluir muchas capas, tales como una capa de protección 202 y una capa de armadura 203. En algunas realizaciones, el transformador de fuerza se acopla mecánicamente a como mínimo una de estas capas. El transformador de fuerza se configura para aplicar una transferencia de fuerza predeterminada para un cambio de dimensión radial determinado que se adapta a las propiedades de expansión térmica de los materiales utilizados en el cable de fibra óptica.

Cada una de las figuras 3a y 3b ilustran vistas en corte, en perspectiva, de cables de fibra óptica 300 según las realizaciones. En cada caso, el cable de fibra óptica comprende como mínimo una fibra óptica 301. En las figuras 3a y 3b se ilustra solo una fibra óptica 301 por claridad, pero se apreciará que el cable de fibra óptica podría comprender una pluralidad de fibras ópticas. Cada fibra óptica 301 puede comprender un núcleo y un revestimiento, tal como entendería un experto en la materia. La fibra óptica también puede comprender como mínimo un material de cubierta de la fibra.

La(s) fibra(s) óptica(s) 301 se puede(n) acoplar a un material de protección ajustado 302 que se puede acoplar a un material de núcleo distensible 303. El acoplamiento entre la fibra óptica 301 y el material de núcleo distensible 303 es tal que una deformación longitudinal dinámica aplicada al material de núcleo distensible inducirá una deformación longitudinal en la fibra óptica. En otras palabras, un desplazamiento longitudinal del material de núcleo distensible 303 dará lugar a un desplazamiento longitudinal del material de protección 302 y, de forma correspondiente, de la fibra óptica 301. Por tanto, la fibra óptica 301 no se deslizará significativamente dentro del material de núcleo 303 o del material de protección 302, como mínimo para deformaciones dinámicas resultantes de ondas de presión de las frecuencias de interés para DAS. En algunas realizaciones, el material 303 del núcleo distensible también puede actuar como el material de protección 302, es decir, puede no requerirse un material de protección 302 independiente.

En algunas realizaciones, el material de protección 302 puede ser un gel o un material similar al gel. Se conocen varias protecciones de gel para cables de fibra óptica. Un movimiento longitudinal relativamente repentino del material de núcleo distensible 303 causará un movimiento longitudinal del material de protección de gel que se transmitirá a la fibra óptica integrada 301. Por tanto, una protección de gel puede proporcionar el acoplamiento descrito anteriormente. Sin embargo, si el cable de fibra óptica se somete a deformaciones relativamente grandes y lentas, es decir, de baja frecuencia, tal como las que se pueden experimentar durante la instalación o la manipulación del cable de fibra óptica, por ejemplo, el material de protección de gel puede relajar la deformación experimentada por la fibra óptica. Por tanto, utilizar un material de protección de gel puede ayudar a reducir el riesgo de daños durante la instalación y la manipulación, al mismo tiempo que sigue proporcionando un buen acoplamiento a las frecuencias de interés. Los cables de fibra óptica con protección de gel basados en un diseño convencional, es decir, sin un transformador de fuerza, se han utilizado previamente como fibras de detección DAS y han funcionado bien para ondas longitudinales incidentes, mostrando un buen acoplamiento entre la fibra, la protección de gel y las capas externas del cable a las frecuencias acústicas de interés.

Acoplado mecánicamente al material de núcleo distensible 303 se encuentra como mínimo un transformador de fuerza que, en estas realizaciones, comprende un elemento trenzado 304 enrollado alrededor del material de núcleo distensible 303. El elemento trenzado 304 se puede acoplar al material de núcleo distensible 303 para agarrar efectivamente el material de núcleo distensible 303 de modo que el material de núcleo distensible 303 se mueva con el transformador de fuerza, es decir, la trenza 304. Sin embargo, en algunas realizaciones, el transformador de fuerza se puede fijar, de forma adicional o alternativa, al material de núcleo distensible 303 en varios puntos de fijación y/o como mínimo parte del elemento trenzado 304 se puede integrar dentro del material de núcleo distensible 303. El elemento trenzado 304 en estos ejemplos se bobina alrededor del eje longitudinal del cable 305 de forma en general helicoidal y está rodeado por como mínimo un material de cubierta del cable 306.

El elemento trenzado 304 tiene una rigidez relativa, en comparación con el material de núcleo distensible 303 y con el material de protección 302, si está presente, lo que significa que el elemento trenzado 304 es deformable y, debido al enrollamiento helicoidal del elemento trenzado, en respuesta a los cambios de dimensión radiales debidos a cambios de temperatura, el elemento trenzado se deforma para contrarrestar los cambios dimensionales longitudinales, tal como se ilustra en la figura 4.

La figura 4 ilustra una porción del cable de fibra óptica 300 con un enrollamiento completo del elemento trenzado 304. La figura 4 ilustra la trayectoria del elemento trenzado 304 vista desde una dirección que es perpendicular al eje longitudinal del cable, es decir, una dirección transversal o una dirección radial. A partir de dicha vista, se puede ver que el elemento trenzado 304 tiene una forma que es convexa con respecto al eje longitudinal del cable, es decir, tiene una forma que sobresale o se curva hacia fuera desde el eje del cable en una dirección transversal. Por supuesto, se comprenderá que, si el elemento trenzado 304 se bobina alrededor del eje del cable, entonces la distancia radial de la bobina desde el eje del cable puede ser sustancialmente constante. Sin embargo, cuando se ve desde una dirección transversal determinada (fija), la trayectoria del elemento trenzado 304 (o como mínimo la proyección de la trayectoria en un plano paralelo al eje del cable) tiene una trayectoria en general sinuosa o serpenteante con respecto al eje del cable, lo que define una forma convexa. Dicho de otro modo, la forma del transformador de fuerza es tal que la distancia del transformador de fuerza desde el eje del cable en una primera dirección transversal (fija) (por ejemplo, la componente del eje x de la distancia) varía a lo largo del eje del cable (por ejemplo, el eje z). Esto significa que una fuerza transversal aplicada al elemento trenzado 304 se transforma como mínimo parcialmente en una fuerza longitudinal, lo que da lugar a un cambio en la longitud longitudinal del transformador de fuerza.

La figura 4a ilustra una sección de un cable de fibra óptica que tiene un transformador de fuerza 304. La figura 4a ilustra la sección del cable de fibra óptica, de una primera longitud L1 y diámetro D1, a una primera temperatura constante, es decir, de estado estacionario, T1. Tal como se ha explicado anteriormente, la fibra óptica 301 y el material distensible 303 tienen conjuntamente un coeficiente de expansión térmica positivo y, por lo tanto, se expanden con un aumento de la temperatura y se contraen con una disminución de la temperatura. La figura 4b ilustra cómo la sección del cable de fibra óptica se puede contraer con una disminución de la temperatura en ausencia del transformador de fuerza 304. La figura 4b representa la situación (de forma exagerada) que se puede producir si la temperatura de esta sección del cable de fibra óptica, sin el transformador de fuerza 304, alcanzase una nueva temperatura de estado estacionario T2 que es menor que T1. Se puede ver que la sección del cable de fibra óptica se puede contraer en longitud (hasta L2) y en diámetro (D2).

La figura 4c ilustra el efecto del transformador de fuerza 304 a una fuerza de compresión transversal, es decir, radial (sin ninguna fuerza longitudinal aplicada externamente). La contracción da lugar a la disminución del diámetro del cable, por ejemplo, hasta el diámetro D2. Debido a la forma helicoidal del transformador de fuerza 304, la disminución del diámetro del cable fuerza una deformación del transformador de fuerza 304, que tiende a aumentar las dimensiones del cable en el eje longitudinal, es decir, la longitud de la sección se expande hasta L3.

La figura 4d ilustra, por tanto, el efecto de una contracción térmica en un cable de fibra óptica que tiene un transformador de fuerza 304. La contracción radial del material distensible 303 debida al efecto térmico da lugar a que el transformador de fuerza ejerza una fuerza longitudinal que contrarresta la contracción longitudinal, con el resultado de que la longitud de la sección se mantiene sustancialmente sin cambios en L1. De esta forma, la variación de la longitud de la trayectoria óptica efectiva de la fibra óptica debido a efectos térmicos se reduce sustancialmente y se puede eliminar sustancialmente, es decir, el cable de fibra óptica está compensado en temperatura, como mínimo para un intervalo de temperaturas.

La figura 4 ilustra una imagen relativamente simplista de los diversos efectos, y en la práctica habrá interacción entre el transformador de fuerza y el material del cable de fibra óptica que también puede actuar para reducir los cambios de dimensión, y las diversas fuerzas pueden tender a equilibrarse y anularse, al menos en cierta medida, con el fin de reducir la variación en la longitud de la trayectoria óptica efectiva.

Se debe observar que, en la práctica, puede haber un cambio en el índice de refracción debido a la variación de temperatura y, por tanto, la longitud física de la sección del cable de fibra óptica puede variar ligeramente con la temperatura, pero sin ningún cambio sustancial en la longitud de la trayectoria óptica. Sin embargo, el cambio de longitud física con la temperatura es habitualmente el efecto dominante sobre la longitud de la trayectoria óptica.

Se apreciará que un cable de fibra óptica 300 que incorpore un transformador de fuerza no estará necesariamente compensado en temperatura para todas las temperaturas. Las propiedades del elemento trenzado 304 y del material de núcleo distensible determinarán el intervalo de temperaturas para el cual el cable está compensado, es decir, el intervalo de temperaturas dentro del cual cualquier variación de temperatura no modifica sustancialmente la longitud de la trayectoria óptica efectiva. En particular, la rigidez del elemento trenzado determinará el intervalo de temperaturas para el cual el cable está compensado. La rigidez del elemento trenzado está relacionada con los materiales de los que está hecha la trenza, pero también con la forma y la estructura del elemento trenzado. En algunas realizaciones, la trenza puede adoptar una configuración de enrollamiento helicoidal. Por lo tanto, el enrollamiento helicoidal y el ángulo de hélice contribuirán a la rigidez del elemento trenzado y, por tanto, al intervalo de temperaturas para el que el cable es insensible. Los sistemas DAS se emplean en una amplia variedad de entornos, con diferentes intervalos de temperaturas. Por lo tanto, se apreciará que una rigidez específica del transformador de fuerza dará lugar a un cable que está compensado para un intervalo de temperaturas específico, apropiado para un entorno específico, y variar la rigidez puede variar el intervalo de temperaturas específico.

Idealmente, el cable debería ser lo suficientemente rígido para una instalación sin demasiado estiramiento. En algunas realizaciones, el material de núcleo distensible puede no ser un material homogéneo continuo, sino que puede tener cavidades u otras características internas, de modo que la rigidez en conjunto se puede adaptar para la aplicación pertinente y el coeficiente de expansión térmica del cable de fibra óptica. Por ejemplo, el material de núcleo distensible podría tener una forma extruida con orificios y/o radios. El material de núcleo también podría ser lo suficientemente rígido para no hundirse demasiado bajo cualquier presión de estado estacionario del medio circundante al desplegarse.

El ángulo de hélice del transformador de fuerza se puede disponer para proporcionar una ventaja mecánica deseada para el transformador de fuerza, pero también se puede elegir para proporcionar una fuerza longitudinal significativa sobre el núcleo distensible para un cambio de dimensión radial debido a variaciones de temperatura. Cuanto más cerca esté el ángulo de hélice de 90 grados, mayor será la rigidez longitudinal. En algunas realizaciones, el ángulo de hélice puede ser mayor de aproximadamente 5 grados. En una realización, el ángulo de hélice puede ser del orden de sustancialmente 60 grados, aproximadamente en el intervalo de 50 a 70 grados. Se debe observar que, tal como se utiliza en la presente memoria descriptiva, el término "ángulo de hélice" se refiere al ángulo que forma la estructura helicoidal con una línea circunferencial.

El diámetro del transformador de fuerza puede ser relativamente pequeño, permitiendo, por tanto, que el diámetro global de la estructura del cable sea relativamente pequeño. Por ejemplo, el diámetro del transformador de fuerza puede ser del orden de 5 a 10 mm. En algunos casos, el diámetro global del cable puede ser del orden de 6 a 10 mm. Sin embargo, si se requiere, se podrían construir cables de diámetro más pequeño utilizando transformadores de fuerza de diámetro más pequeño y núcleos distensibles de diámetro más pequeño; por ejemplo, se ha fabricado un diámetro de cable de hasta aproximadamente 1 mm. Sin embargo, en algunas aplicaciones (por ejemplo, hidrófonos), una estructura del cable de diámetro más grande puede ser ventajosa, y se puede desear utilizar una estructura del transformador de fuerza de diámetro más grande.

El elemento trenzado 304 del transformador de fuerza puede comprender ventajosamente un material metálico, por ejemplo, acero. Tal como se menciona, el elemento trenzado podría ser más rígido que el núcleo distensible y la fibra óptica, y seguir siendo deformable a las fuerzas transversales debidas a variaciones de temperatura. El acero puede proporcionar las propiedades requeridas y se puede trabajar para formar una estructura bobinada de forma relativamente sencilla durante la fabricación del cable. El acero inoxidable es rígido, resistente a la corrosión, fácilmente disponible y razonablemente barato, y ya se ha utilizado en fabricación de cables por diferentes motivos. Sin embargo, otros materiales tales como la fibra de vidrio o la fibra de carbono podrían utilizarse potencialmente en algunos diseños de cable, y posiblemente materiales superelásticos tales como el nitinol. En algunas realizaciones, el elemento trenzado se puede formar a partir de una aleación que comprende materiales con diferentes propiedades. Los materiales y sus proporciones se pueden elegir para adaptar la respuesta global del transformador de fuerza a diferentes intervalos de temperaturas, por ejemplo, para adaptar el intervalo de temperaturas para el cual el cable puede ser insensible a las variaciones de temperatura.

El material de núcleo distensible debería ser apropiadamente distensible de manera que se mueva con el transformador de fuerza, pero también debería ser apropiado para transferir una deformación inducida a la fibra óptica o al material de protección. Un material de núcleo distensible apropiado puede ser nailon extruido, que ya se utiliza en la fabricación de algunos cables de fibra óptica. Tal como se ha mencionado anteriormente, el material de núcleo distensible debería tener suficiente rigidez para la aplicación requerida y, en algunos casos, puede tener una estructura no homogénea. Por ejemplo, en algunas realizaciones, se podría utilizar un material de espuma de celda cerrada y, por ejemplo, la fracción de poro se podría controlar para ajustar la rigidez para la aplicación requerida. También se podrían utilizar otros materiales poliméricos.

Por lo tanto, la fabricación de un cable de fibra óptica según la presente invención puede implicar producir inicialmente una o varias fibras ópticas en una configuración firmemente protegida en un material de núcleo tal como nailon extruido utilizando diversas técnicas de fabricación convencionales antes de enrollar un material apropiado tal como un alambre de acero alrededor del material de núcleo utilizando técnicas de enrollamiento conocidas. El material de núcleo con elemento bobinado helicoidalmente que lo rodea se puede encapsular entonces en uno o varios materiales de cubierta externa utilizando técnicas de fabricación conocidas. Tal como se ha mencionado anteriormente, la cubierta externa se dispone para aplicar cualquier presión externa al elemento bobinado, pero para evitar sustancialmente la aplicación de presión directamente en el núcleo distensible. La estructura global del cable preferentemente debería ser lo suficientemente rígida para instalarse sin demasiado estiramiento del cable, lo que potencialmente podría dar lugar a daños en la(s) fibra(s) óptica(s). En algunas aplicaciones se puede incorporar un elemento de resistencia en el cable de fibra óptica para limitar la magnitud global de extensión longitudinal de la fibra para evitar daños en el cable y, en particular, en la fibra óptica, durante la manipulación e instalación, donde se pueden experimentar fuerzas longitudinales relativamente altas. De forma adicional o alternativa, una cuerda de tracción u otro aparato para limitar la extensión del cable se puede acoplar a o formar dentro de la estructura del cable.

En la práctica, las diversas propiedades de los materiales se pueden elegir para una aplicación particular y/o por compatibilidad con otros componentes de la estructura del cable. Tal como se ha analizado anteriormente, en algunos casos el transformador de fuerza se puede fabricar, como mínimo parcialmente, de acero. El acero tiene una rigidez mucho más alta que los polímeros convencionales utilizados para el cable de fibra óptica, y es habitualmente aproximadamente 100 veces más rígido que dichos polímeros convencionales. Esto significa que se requeriría una proporción relativamente pequeña de acero para ser la rigidez dominante en la estructura del cable, dependiendo de la forma, por ejemplo, del ángulo de hélice, del transformador de fuerza. El coeficiente de expansión térmica de los polímeros convencionales es mayor que el del acero, aproximadamente del orden de 8 veces mayor. Por tanto, para producir un cable compensado en temperatura apropiado que comprenda un elemento trenzado, la composición de volumen del cable puede comprender solo un porcentaje de acero relativamente bajo. La rigidez natural del acero combinada con el ángulo de hélice apropiado del elemento trenzado puede producir un cable compensado en temperatura con un porcentaje de volumen de acero relativamente bajo. En una realización, un cable de fibra óptica que comprende un elemento trenzado de acero puede comprender acero, en proporción a los polímeros del cable, en una proporción de aproximadamente el 10 % de volumen.

Se comprenderá que se han propuesto previamente fibras ópticas con enrollamiento de material metálico. Por ejemplo, tal como se ha observado anteriormente, el trenzado metálico se ha utilizado previamente para la armadura en cables de fibra óptica convencionales. Sin embargo, en dichos cables el trenzado se ha enrollado y se ha entrecruzado firmemente y, por tanto, no está configurado para ser deformable junto con un núcleo distensible de manera que convierta una deformación radial debida a variaciones de temperatura en una deformación longitudinal. En los cables de fibra óptica convencionales, cualquier trenzado de este tipo se configura para tener una deformación limitada, no proporciona ninguna ventaja mecánica y no funciona como un transformador de fuerza.

La figura 3a ilustra un elemento bobinado único 304 enrollado en una hélice continua. Sin embargo, se comprenderá que se pueden utilizar diversas disposiciones diferentes. Por ejemplo, puede haber diferentes elementos helicoidales en diferentes partes del cable de fibra óptica. Puede no ser posible proporcionar un elemento bobinado helicoidal continuo único para toda la longitud del cable de fibra óptica y, por tanto, diferentes longitudes de la fibra óptica pueden estar dotadas de diferentes elementos helicoidales bobinados. En algunas realizaciones, una longitud determinada de cable de fibra óptica puede tener más de un transformador de fuerza, por ejemplo, más de un elemento bobinado helicoidal. Por ejemplo, tal como se ilustra en la figura 5a, se puede proporcionar como mínimo un elemento bobinado helicoidal 304a para una longitud determinada de cable que se enrolla en un sentido, por ejemplo, en sentido horario, y se puede proporcionar otro elemento bobinado helicoidal 304b para la misma longitud de fibra que se enrolla en el sentido opuesto, por ejemplo, en sentido antihorario. La figura 3b también muestra que el elemento trenzado 304 es uno de múltiples enrollamientos.

De forma adicional o alternativa, un elemento bobinado helicoidal 304c se puede entrelazar con otro elemento bobinado helicoidal 304d con enrollamiento en el mismo sentido. Tal como se ha mencionado anteriormente, el ángulo de enrollamiento de la hélice se puede elegir para proporcionar un cable con un intervalo de temperaturas compensadas deseado. Por lo tanto, esto definirá el paso de la hélice para un diámetro determinado de material de núcleo distensible 303. En algunos casos, proporcionar más de un enrollamiento helicoidal puede ayudar a garantizar que los cambios de dimensión radial localizados debidos a efectos térmicos se transforman como mínimo parcialmente en un cambio de longitud longitudinal. Por ejemplo, si el diámetro, D, de la estructura helicoidal es del orden de 8 mm, y el ángulo de hélice, a, es del orden de 10°, entonces el paso de la hélice es de aproximadamente 4,4 mm (basándose en paso = n.D tan(a)). Se puede desear tener elementos del transformador de fuerza a lo largo de un lado del núcleo distensible con un espaciado menor de 4,4 mm y, por tanto, podrían entrecruzarse dos o más estructuras helicoidales.

Un transformador de fuerza enrollado helicoidalmente alrededor del exterior de un material de núcleo distensible tiene las ventajas descritas anteriormente y se puede fabricar de forma relativamente sencilla. Sin embargo, hay otros diseños de transformadores de fuerza que se podrían utilizar en algunas realizaciones. La figura 6 ilustra algunos ejemplos.

En algunas realizaciones, se pueden utilizar uno o varios transformadores de fuerza helicoidales que no rodean el material de núcleo distensible 303 ni incluso la(s) fibra(s) óptica(s) 301. Por ejemplo, un transformador de fuerza helicoidal 601a se puede enrollar helicoidalmente con respecto a un eje paralelo al eje del cable pero disponerse a un lado de la fibra óptica 301, por ejemplo, integrado dentro del material de núcleo distensible 303. Como mínimo otro transformador de fuerza helicoidal 601b similar se podría disponer en el otro lado de la(s) fibra(s) óptica(s) para proporcionar una transformación uniforme en ambos lados de la(s) fibra(s) óptica(s).

En algunas realizaciones, uno o varios transformadores de fuerza con formas convexas se podrían fijar al exterior del material de núcleo distensible. Por ejemplo, el transformador de fuerza 602 se fija al material de núcleo distensible en los puntos 603 y 604, que están separados longitudinalmente entre sí, y comprende un elemento en general curvado que se extiende entre los puntos de fijación, de manera que la longitud total del transformador de fuerza es mayor que la separación longitudinal. Una fuerza radial hacia dentro debida a variaciones de temperatura tenderá a deformar el transformador de fuerza, separando el punto de fijación. El transformador de fuerza 605 es similar y está fijado en los puntos 606 y 607, pero comprende dos varillas en general rectas que, por ejemplo, se pueden unir en un punto de pivote. El exterior del núcleo distensible puede estar rodeado por varios transformadores de fuerza de este tipo, con el fin de responder a los cambios de dimensión radiales debidos a efectos térmicos, y los transformadores de fuerza se pueden acoplar a una placa de fuerza para una distribución uniforme de la fuerza. El transformador de fuerza 609 es similar de alguna manera, pero está integrado dentro del material de núcleo distensible 302.

Para demostrar el efecto del transformador de fuerza en la reducción de los efectos de la expansión térmica sobre la longitud de la trayectoria óptica efectiva, se llevó a cabo una experimentación. La figura 7a y la figura 7b muestran gráficos de la fase óptica de una señal de medición obtenida de una fibra de detección Das frente al tiempo. La figura 7a muestra los resultados cuando un cable de fibra óptica convencional, es decir, sin transformador de fuerza, era sometido a la aplicación de refrigerante, en este caso aerosol congelante, durante aproximadamente 300 milisegundos. Haciendo referencia a la figura 7a, a aproximadamente 5500 milisegundos se aplicó el refrigerante. Como se puede ver, se produce una disminución pronunciada de la fase óptica de aproximadamente 310 radianes. Esta disminución de la fase óptica deriva de una disminución en la longitud de la trayectoria óptica resultante de la disminución del diámetro y de la longitud del cable de fibra óptica debida a la contracción térmica. A continuación, la fase óptica efectiva vuelve a aumentar hasta el valor original cuando la temperatura del cable vuelve a aumentar hasta la temperatura ambiente y se expande debido a la expansión térmica.

En contraste, la figura 7b muestra los resultados cuando un cable según una realización y que comprende un transformador de fuerza fue sometido a la aplicación del refrigerante, es decir, aerosol congelante, a aproximadamente 1800 milisegundos. En este caso, la fase óptica de la señal de medición del cable aumentó, pero solo en aproximadamente 17 radianes. Esto muestra un cambio significativamente reducido en la fase óptica en aproximadamente un 95 %, en comparación con el cable de fibra óptica convencional. Este cambio reducido en la fase óptica se debe al efecto del transformador de fuerza. Cuando el diámetro del cable se contrae debido a la disminución de la temperatura, el transformador de fuerza produce un efecto contrarrestante de expandir la longitud del cable, reduciendo así en gran medida el cambio en la longitud de la trayectoria óptica efectiva.

En la figura 7b se puede ver que, a aproximadamente 2000 milisegundos, la fase óptica vuelve a su valor inicial, sin embargo, continúa disminuyendo mostrando una fase óptica negativa. Esto se debe a la protección de gel dentro del cable bajo prueba. La aplicación del aerosol congelante a la parte externa del cable causa una fuerza de contracción relativamente repentina, que, a través de la acción del transformador de deformación, se contrarresta y de hecho da lugar a cierta expansión longitudinal en una escala de tiempo corta que afecta a la fibra óptica. La fibra óptica del cable se relaja entonces dentro del gel después de la aplicación inicial del aerosol congelante, volviendo a llevar la fase óptica a su valor inicial. Posteriormente, a lo largo del tiempo, el calor interno del cable se difunde hacia la superficie externa más fría del cable. Esta difusión del calor reduce la temperatura de la fibra óptica y causa que la fibra óptica se contraiga, reduciendo así la longitud de la trayectoria óptica efectiva creando una fase óptica negativa. La fase óptica se reduce hasta un valor mínimo de aproximadamente -25 radianes.

La protección de gel tiende a proporcionar un tipo de efecto de filtrado de paso alto para cambios de longitud dinámicos impartidos desde la estructura de cable externa a la fibra óptica. Por tanto, la aplicación del aerosol congelante, causando un cambio de longitud repentino, sería experimentado por la fibra óptica en el cable sin transformador de fuerza probado para la figura 7a y en el cable con transformador de fuerza probado para la figura 7b, pero la presencia del transformador de deformación reduce el efecto en gran medida. Posteriormente, para la igualación térmica más lenta dentro del cable, la presencia del gel tiende a reducir el efecto del transformador de deformación y del cable externo sobre la fibra óptica, lo que significa que, en el ejemplo de la figura 7b (donde el cambio de fase inicial se reducía mucho), la contracción subsiguiente de la fibra óptica a medida que se enfría por sí misma solo se desplaza parcialmente por cambios en el cable externo y, por tanto, hay un cambio notable en la fase que da lugar a que la fase óptica se vuelva negativa. Sin embargo, en general el cambio en la longitud de la trayectoria es mucho menor en ambos sentidos que en el ejemplo de la figura 7a. Por supuesto, se comprenderá que la protección de gel se podría eliminar en algunos diseños de cable para reducir o eliminar este efecto, o se podría utilizar un gel con un mejor acoplamiento a baja frecuencia.

La figura 7b muestra una evidencia clara de que un cable de fibra óptica con un transformador de fuerza apropiado puede proporcionar una variación muy reducida en la longitud de la trayectoria óptica efectiva debida a efectos térmicos.

Se apreciará que una realización de un cable de fibra óptica que comprende un transformador de fuerza dado a conocer en la presente solicitud en algunos casos puede no anular completamente cualquier variación de la longitud de la trayectoria óptica efectiva. Tal como se menciona, cuando el cable cambia de temperatura, también cambia el índice de refracción de la fibra óptica, modificando por tanto la longitud de la trayectoria óptica efectiva, y en algunos casos puede no ser posible anular exactamente ambos efectos. Sin embargo, cualquier cambio de la trayectoria óptica efectiva se puede reducir sustancialmente en comparación con una fibra óptica convencional sin transformador de fuerza. Las realizaciones del transformador de fuerza descritas dan a conocer un cable de fibra óptica donde los efectos sobre la longitud de la trayectoria óptica efectiva de cambios de dimensión debidos a efectos térmicos se reducen sustancialmente.

Los cables de fibra óptica que son sustancialmente insensibles a los efectos térmicos ofrecen varias ventajas. Los cables de este tipo se podrían utilizar convenientemente en varias aplicaciones DAS, en particular si se puede esperar que el entorno que rodea al cable sufra cambios de temperatura relativamente significativos o frecuentes. La utilización de un cable de este tipo puede evitar cualquier problema de que efectos de temperatura no deseados se confundan erróneamente o enmascaren las señales de deformación de interés, especialmente deformaciones de baja frecuencia.

Una aplicación que se beneficiaría sería medir la altura de las olas marinas mediante el cambio de presión, eliminando el efecto de la temperatura del mar. Otro ejemplo serían los cables de fibra óptica montados en cercos y perímetros, ya que dichos cables no sufrirían virtualmente ninguna perturbación térmica debida a cambios de temperatura en el cerco y el entorno circundante. Otro ejemplo sería comprender el origen de las señales de fondo de pozo, por ejemplo, en pozos de petróleo o de gas o en pozos de perforación de observación, etc. Hay una gran cantidad de aplicaciones DAS que se beneficiarían de un cable que no produce señales a partir de variaciones de dimensión debidas a efectos térmicos.

Se debe observar que las realizaciones mencionadas anteriormente ilustran en lugar de limitar la invención, y que los expertos en la materia podrán diseñar muchas realizaciones alternativas sin salirse del alcance de las reivindicaciones adjuntas. La palabra "comprende" no excluye la presencia de elementos o etapas diferentes de los listados en una reivindicación, "un" o "uno/a" no excluye una pluralidad, y un procesador u otra unidad individual puede cumplir las funciones de varias unidades citadas en las reivindicaciones. No se debe interpretar que los signos de referencia de las reivindicaciones limitan su alcance.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Cable de fibra óptica (300), que comprende:

como mínimo una fibra óptica (301), y

un transformador de fuerza (304) acoplado mecánicamente a la como mínimo una fibra óptica;

en el que el transformador de fuerza se configura para transformar las fuerzas transversales debidas a cambios de dimensión del cable que derivan de una variación de temperatura del cable en fuerzas longitudinales para contrarrestar la componente longitudinal de dicho cambio de dimensión en un intervalo de temperaturas ajustado;

caracterizado por que la rigidez del transformador de fuerza (304) se configura con respecto a un coeficiente de expansión térmica del cable de fibra óptica (300), de manera que una variación de temperatura dentro del intervalo de temperaturas ajustado da lugar a sustancialmente ningún cambio en la longitud de la trayectoria óptica efectiva de la fibra óptica dentro del cable de fibra óptica.

2. Cable de fibra óptica, según la reivindicación 1, en el que el cable de fibra óptica comprende un material de núcleo distensible (303) acoplado mecánicamente a la como mínimo una fibra óptica, de modo que una fuerza longitudinal que actúe sobre el material de núcleo distensible induce una deformación longitudinal en la como mínimo una fibra óptica.

3. Cable de fibra óptica, según la reivindicación 2, en el que el material de núcleo distensible (303) tiene un coeficiente de expansión térmica positivo.

4. Cable de fibra óptica, según la reivindicación 2 o la reivindicación 3, en el que la como mínimo una fibra óptica (301) se acopla a un material de protección (302), y el material de protección se acopla al material de núcleo distensible (303).

5. Cable de fibra óptica, según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, donde el transformador de fuerza (304) está como mínimo uno de:

unido al material de núcleo distensible (303); fijado al material de núcleo distensible (303) en una pluralidad de puntos de fijación; y parcialmente integrado con el material de núcleo distensible (303).

6. Cable de fibra óptica, según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en el que el transformador de fuerza (303) es más rígido que el material de núcleo distensible (303).

7. Cable de fibra óptica, según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, en el que el material de núcleo distensible comprende nailon extruido.

8. Cable de fibra óptica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la rigidez del transformador de fuerza (304) se configura con respecto a un coeficiente de expansión térmica del cable de fibra óptica (300), de manera que una variación de temperatura dentro del intervalo de temperaturas ajustado da lugar a un cambio en la longitud de la trayectoria óptica efectiva de la fibra óptica menor o igual al 5 %.

9. Cable de fibra óptica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el transformador de fuerza (304) comprende como mínimo un elemento bobinado helicoidalmente.

10. Cable de fibra óptica, según la reivindicación 9, en el que el ángulo de hélice de dicho elemento bobinado helicoidalmente es del orden de 50 a 70 grados.

11. Cable de fibra óptica, según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 10, en el que el diámetro de dicho elemento bobinado helicoidalmente está en el intervalo de 1 a 10 mm.

12. Cable de fibra óptica, según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en el que como mínimo una porción del cable de fibra óptica comprende una pluralidad de transformadores de fuerza (304a, 304b, 304d), comprendiendo cada transformador de fuerza un elemento bobinado enrollado helicoidalmente.

13. Cable de fibra óptica, según la reivindicación 12, en el que como mínimo un elemento bobinado enrollado helicoidalmente se enrolla en el sentido opuesto a otro elemento bobinado enrollado helicoidalmente y/o como mínimo un elemento bobinado enrollado helicoidalmente se entrelaza con otro elemento bobinado enrollado helicoidalmente.

14. Cable de fibra óptica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el transformador de fuerza comprende un elemento de acero conformado en el que el porcentaje de volumen de acero del cable de fibra óptica es sustancialmente del 10 %.