ITBO20130142A1 - Interrogatore per sensori distribuiti a fibra ottica per effetto brillouin stimolato impiegante un laser brillouin ad anello sintonizzabile rapidamente - Google Patents

Description

“INTERROGATORE PER SENSORI DISTRIBUITI A FIBRA OTTICA PER

EFFETTO BRILLOUIN STIMOLATO IMPIEGANTE UN LASER BRILLOUIN AD

ANELLO SINTONIZZABILE RAPIDAMENTEâ€

S T A T O D E L L’ A R T E

L’ “effetto Brillouin†consiste in una dispersione non lineare dove fotoni di luce incidente interagiscono con vibrazioni meccaniche del mezzo in cui essi stessi si propagano per risultarne dispersi ad una lunghezza d’onda spostata rispetto a quello originale, in cui lo spostamento di lunghezza d’onda risulta legato alle caratteristiche elettro-ottiche del mezzo stesso ed alle grandezze fisiche, tra cui deformazione meccanica e temperatura, in grado di alterare tali caratteristiche.

A causa della limitata entità dello spostamento di lunghezza d’onda Brillouin nelle fibre ottiche convenzionali, la misura di tale grandezza richiede tecniche sofisticate e di costosa implementazione.

Sono noti molteplici dispositivi che sfruttano la dispersione Brillouin in una fibra ottica al fine di ricostruire la distribuzione lungo la sua lunghezza della temperatura e/o della deformazione assiale cui la fibra stessa à ̈ soggetta.

Sono conosciute molteplici soluzioni anche note come “riflettometri Brillouin nel dominio del tempo†(BOTDR, Brillouin Optical Time Domain Reflectometers) che sfruttano la dispersione Brillouin spontanea (sbs, Spontaneous Brillouin Scattering), attraverso l’iniezione di impulsi di pompaggio ottico†ad una estremità della fibra sensore e l’analisi della luce Brillouin spontaneamente dispersa.

I documenti JP2001356070 (anche pubblicato come GB2368638B), GB2243210A, WO9827406A1, WO2007043432A1 ed EP0887624A2 descrivono dispositivi che combinano il principio della riflettometria nel dominio del tempo con tecniche atte a determinare lo spostamento di lunghezza d’onda dei fotoni retro-dispersi in una fibra ottica sensore a causa di effetti spontanei di dispersione Brillouin.

Nel documento WO9827406A1 si effettua l’analisi dello spettro dei fotoni Brillouin mediante un filtro ottico sintonizzabile con larghezza di banda sufficientemente piccola, componente che nella pratica risulta molto delicato, ingombrante e molto costoso.

Nei documenti JP2001356070, GB2243210A, EP0887624A2 si suggerisce un principio di eterodina dove in un rivelatore elettro-ottico bilanciato o in un mescolatore foto-conduttivo si ottiene un battimento tra la radiazione Brillouin retrodispersa e parte della radiazione di “pompaggio ottico†inizialmente immessa nella fibra, in modo da ricavarne un segnale elettrico contenente l’informazione relativa allo spettro della radiazione Brillouin. L’implementazione nella pratica di tali soluzioni richiede rivelatori elettro-ottici bilanciati e a larghissima banda che risultano molto costosi.

Il documento EP0887624A2 in particolare impiega un “dispositivo di conversione della frequenza della luce†per modificare la lunghezza d’onda della radiazione di “pompaggio ottico†inizialmente immessa nella fibra. Con tale accorgimento, modificando la lunghezza d’onda di “pompaggio ottico†di una quantità vicina a quella della dispersione Brillouin spontanea nella fibra sensore, à ̈ possibile ridurre la larghezza di banda necessaria per il rivelatore elettro-ottico bilanciato, condizione che permette anche di ridurne il costo anche se in maniera lieve.

Sono anche noti i documenti JP2011232138A, JP2007240351A e JP2012063146A che descrivono riflettometri Brillouin in cui sono impiegate tecniche di dispersione dello spettro della radiazione di “pompaggio ottico†modulandone la forma degli impulsi.

E’ noto anche i documenti WO2006001071A1 ed EP1760424A1 nel quale à ̈ descritta una tecnica di riflettometria Brillouin con “pre-pompaggio†in cui la fibra sensore, prima dell’iniezione dell’impulso di “pompaggio ottico†à ̈ pre-stimolata attraverso l’iniezione di una radiazione a bassa intensità generata a partire da una sorgente diversa sa quella della radiazione di “pompaggio ottico†e caratterizzata da uno spostamento di lunghezza d’onda controllato in modo da porsi attorno a quello atteso per la dispersione Brillouin spontanea attesa.

Sono noti i documenti JP2009080048, JP2009198389 e JP2010217029 in cui sono descritti riflettometri dove la luce retro-dispersa per effetto Brillouin spontaneo nella fibra sensore à ̈ analizzata con un sistema eterodina mescolandola con quella retro-dispersa per effetto Brillouin spontaneo in una fibra di riferimento a temperatura nota o controllata. L’implementazione di simili sistemi richiede però costosissimi rivelatori elettro-ottici bilanciati di enorme sensibilità data la scarsa efficienza dell’effetto Brillouin spontaneo.

Sono inoltre conosciute molteplici soluzioni anche note come “analizzatori Brillouin nel dominio del tempo†(BOTDA, Brillouin Optical Time Domain Analysers) che sfruttano la dispersione Brillouin stimolata (SBS, Stimulated Brillouin Scattering), dove à ̈ ottenuta una contro-propagazione tra impulsi di “pompaggio ottico†che si spostano nella fibra e una radiazione di “stimolo†o “prova†che viaggia in direzione opposta ed à ̈ caratterizzata da uno spostamento in lunghezza d’onda rispetto alla radiazione di “pompaggio ottico†controllabile e noto.

Sono noti i documenti WO2012156978A1, WO2012084040A1 WO2007086357A1, JP2007033183, JP10048065, FR2710150, JP4077641 in cui la radiazione di “prova†à ̈ ottenuta a partire dalla stessa sorgente della radiazione di “pompaggio ottico†mediante un modulatore di intensità pilotato da un segnale a microonde di frequenza pari a quella dello spostamento di lunghezza d’onda desiderato attraverso la creazione di bande laterali di modulazione. Sono altresì noti i documenti JP4077641, EP0348235A2, EP1865289A2, EP0348235, DE102008019150A1 in cui la radiazione di “prova†à ̈ ottenuta da una sorgente diversa da quella della radiazione di “pompaggio ottico†ma la cui lunghezza d’onda à ̈ agganciata alla lunghezza d’onda della radiazione di “pompaggio ottico†da un sistema retroattivo in grado di imporre e mantenere costante uno spostamento di lunghezza d’onda controllabile e noto tra le due sorgenti.

E’ inoltre noto il documento JP6273270 in cui la radiazione di “prova†à ̈ ottenuta attraverso un “dispositivo di conversione della frequenza della luce†a partire dalla radiazione di “pompaggio ottico†prodotta da un dispositivo collegato ad un capo remoto della fibra sensore e che emerge al capo opposto.

Sono inoltre noti i documenti JP2010008400A, JP2008286697A, JP2007178346A, US2008068586A1 dove sono descritti sistemi comprendenti più sorgenti di radiazione atti a realizzare tecniche di “pre-pompaggio†in qualche modo analoghe a quelle descritte nel documento WO2006001071A1.

L’implementazione delle soluzioni note richiede l’impiego di modulatori di intensità ottica a larghissima banda e/o di coppie di sorgenti di radiazione luminosa agganciate in frequenza tra loro, componenti delicati che sono caratterizzati da un costo estremamente elevato.

Sono noti molteplici sistemi atti a realizzare sorgenti ad amplificazione di luce attraverso la emissione stimolata di radiazione Brillouin, altresì noti come LASER Brillouin ad anello.

I documenti US4107628A, US4530097A, US5323415A, JP2005331727 e “Brillouin fiber laser with Raman amplification†(Ahmad H. et al., Optoelectronics and Andavced Materials 2-11, Nov. 2011) descrivono dispositivi dove una radiazione “seme†à ̈ iniettata in un circuito ottico chiuso comprendente una guida di luce in cui possa avvenire la retro-dispersione Brillouin e mezzi atti ad amplificare la radiazione retro-dispersa arrestando invece in modo selettivo la propagazione della radiazione “seme†.

I documenti “Multi-zone temperature sensor using a multiwavelength Brillouin fiber ring laser†(Galindez C. A et al., Proc. SPIE Vol.7503 75030J-1) e “Temperature sensing based on a Brillouin fiber microwave generator†(Yang X. P. et al., Laser Phys. 23 (2013) 045104) illustrano laser Brillouin ad anello in cui tratti discreti della guida di luce destinata a permettere la retro-dispersione Brillouin e connessa all’interno dell’anello sono mantenuti a diversa temperatura e la differenza di temperatura à ̈ osservata in termini di spostamento del battimento tra le diverse lunghezze d’onda che ricircolano nell’anello.

I dispositivi LASER Brillouin ad anello noti sono caratterizzati da limitazioni della purezza spettrale della radiazione di risonanza, limitazioni sostanzialmente legate alla larghezza di banda caratteristica dell’emissione Brillouin stimolata che ne à ̈ all’origine del funzionamento. Dette limitazioni rendono i dispositivi LASER Brillouin ad anello noti non perfettamente adatti ad essere impiegati in applicazioni ove la radiazione da essi stessi prodotta sia utilizzata per studiare in dettaglio lo spettro di dispersione Brillouin stimolata in altri mezzi di propagazione.

I dispositivi LASER Brillouin ad anello noti sono inoltre caratterizzati da limitazioni tecniche in seguito al ricircolo continuativo della radiazione di oscillazione, ricircolo che nelle fasi di sintonizzazione della lunghezza d’onda di oscillazione mantiene traccia delle lunghezze d’onda precedentemente sintonizzate per un certo intervallo di tempo, causando quindi una alterazione transitoria dello spettro di oscillazione che si smorza lentamente nel tempo (distorsione di sintonizzazione). Nei dispositivi noti quindi ogni eventuale sintonizzazione deve essere seguita da una fase di attesa prima che si raggiungano le condizioni di purezza spettrale necessarie agli scopi di interrogazione di sensori distribuiti Brillouin.

E’ noto il documento US5880463A in cui à ̈ utilizzato un circuito ottico ad anello di cui fa parte la fibra sensore e in cui possono ricircolare impulsi di luce retro-dispersa per effetto Brillouin spontaneo da un impulso di “pompaggio ottico†iniziale isolato al fine di poter essere analizzati in un sistema ad eterodina per battimento con la sorgente di “pompaggio ottico†la cui lunghezza d’onda sia stata opportunamente modificata da un “dispositivo di conversione della frequenza della luce†, sistema che mantiene i limiti realizzativi e di costo elevato che accomunano gli altri dispositivi noti.

E’ noto il documento US7283216B1 in cui la radiazione retrodispersa per effetto Brillouin spontaneo da un impulso di radiazione di “pompaggio ottico†iniettato ad un estremo della fibra sensore à ̈ analizzata sfruttando un principio di eterodina con un battimento tra la dispersione spontanea stessa e la radiazione prodotta a partire da quella di “pompaggio ottico†mediante un LASER Brillouin ad anello la cui lunghezza d’onda à ̈ agganciata a quella della sorgente di “pompaggio ottico†con una differenza di frequenza nota e stabile per azione di un sistema di retroazione piezoelettrico attivo. Detta soluzione, che concettualmente à ̈ assimilabile a quella descritta dal documento EP0887624A2, mantiene i limiti di prestazioni che caratterizzano le soluzioni basate sulla dispersione spontanea e rimane caratterizzata dagli elevati costi realizzativi che caratterizzano i sistemi ad eterodina.

Non sono note soluzioni comprendenti LASER Brillouin ad anello per realizzare sistemi basati sulla dispersione Brillouin stimolata o che siano in grado di superare i limiti di prestazioni e abbattere il livello di costo comuni ai dispositivi noti. Non sono inoltre note soluzioni comprendenti LASER Brillouin sintonizzabili ad anello in cui siano presenti accorgimenti atti a permettere un rapido recupero delle caratteristiche di purezza spettrale di oscillazione.

D E S C R I Z I O N E D E L L’ I N V E N Z I O N E

Scopo principale della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un sistema di interrogazione per sensori distribuiti a fibra ottica basato sulla dispersione Brillouin stimolata che sia in grado di superare i limiti di prestazioni e di abbattere il livello di costo comuni ai dispositivi noti.

Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un sistema di interrogazione per sensori distribuiti a fibra ottica basato sulla dispersione Brillouin stimolata in cui la radiazione di “stimolo†o “prova†possa essere prodotta in modo economico ed efficiente con una lunghezza d’onda intrinsecamente agganciata a quella della radiazione di “pompaggio ottico†a meno di uno spostamento tra le lunghezze d’onda noto e controllabile con precisione.

Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un sistema di interrogazione per sensori distribuiti a fibra ottica basato sulla dispersione Brillouin stimolata in cui lo stesso sistema atto a produrre la radiazione di “stimolo†o “prova†à ̈ in grado contemporaneamente di amplificare la radiazione di “pompaggio ottico†che deve essere iniettata nella fibra sensore.

Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un sistema di interrogazione per sensori distribuiti a fibra ottica basato sulla dispersione Brillouin stimolata in cui il sistema atto a produrre la radiazione di “stimolo†ed in grado contemporaneamente di amplificare la radiazione di “pompaggio ottico†à ̈ in grado di garantire una rapida sintonizzazione della lunghezza d’onda della radiazione di “stimolo†smorzando eventuali alterazioni transitorie della loro purezza spettrale generate nel processo di sintonizzazione.

Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un sistema di interrogazione per sensori distribuiti a fibra ottica basato sulla dispersione Brillouin stimolata in cui il sistema atto a produrre la radiazione di “stimolo†ed in grado contemporaneamente di amplificare la radiazione di “pompaggio ottico†à ̈ caratterizzato da un livello di purezza spettrale superiore rispetto a quello tipico di un LASER Brillouin ad anello e in generale sufficiente a poter essere utilizzato per studiare in dettaglio lo spettro di dispersione Brillouin in altri mezzi di propagazione.

I precedenti scopi sono raggiunti dalla presente invenzione in quanto essa à ̈ relativa ad un sistema di interrogazione per sensori a fibra ottica Brillouin comprendente una singola sorgente a bassa larghezza di linea spettrale, un circuito ottico ad anello che realizza contemporaneamente un LASER Brillouin sintonizzabile per la generazione della radiazione di “stimolo†con purezza spettrale migliorata ed un amplificatore per la radiazione “pompaggio ottico†, e comprendente altresì mezzi atti a smorzare transitoriamente l’oscillazione del LASER Brillouin ad ogni nuova sintonizzazione.

L’invenzione verrà ora illustrata con riferimento alle figure allegate che ne rappresentato forme realizzative preferenziali non vincolanti ai fini di protezione del presente documento.

La figura 1 illustra una parziale rappresentazione schematica non limitativa di un dispositivo secondo la presente invenzione atto a generare contemporaneamente la radiazione di “pompaggio ottico†amplificata e la radiazione di “stimolo†necessarie a realizzare un sistema di interrogazione per sensori a fibra ottica basato sull’effetto Brillouin stimolato.

Il dispositivo comprende una sorgente di radiazione (1) caratterizzata da una lunghezza d’onda λ0e da una larghezza di linea spettrale non superiore alla larghezza dello spettro della dispersione Brillouin nella fibra sensore. La radiazione prodotta dalla sorgente (1) à ̈ iniettata in un circuito ottico ad anello (2) attraverso uno o più mezzi di accoppiamento (3), non necessariamente facenti parte dell’anello (2), come ad esempio un circolatore ottico od un accoppiatore ottico direzionale in modo che lo possa percorrere almeno parzialmente in un certo senso di percorrenza. Una volta iniettata nel circuito (2) la radiazione di lunghezza d’onda λ0risulta amplificata da mezzi di amplificazione ottica (4) facenti parte dell’anello (2), attraversa un tratto di guida l’onda (5), anche esso facente parte dell’anello (2), che à ̈ mantenuto in condizioni uniformi di temperatura e deformazione ed à ̈ dotato di un sistema attivo atto a controllarne in modo arbitrario almeno una tra temperatura e deformazione, e raggiunge almeno un mezzo di instradamento direzionale (6), anche esso facente parte dell’anello (2), come ad esempio un circolatore ottico od un accoppiatore ottico direzionale, attraverso il quale la radiazione di lunghezza d’onda λ0amplificata, discriminata in base al proprio senso di percorrenza del circuito (2), viene selettivamente estratta dallo stesso ed instradata in un primo ramo di uscita (7).

Allo stesso tempo, all’interno della guida l’onda (5) il passaggio della radiazione di lunghezza d’onda λ0, per effetto Brillouin inizialmente spontaneo, origina fotoni aventi lunghezza d’onda λ0±âˆ†Î»(T,ε), spostati cioà ̈ rispetto alla lunghezza d’onda λ0di una quantità dipendente dalla temperatura e deformazione della guida l’onda (5) stessa e che si propagano nella direzione opposta a quella della radiazione di lunghezza d’onda λ0.

I fotoni Brillouin che si propagano nella direzione opposta a quella della radiazione di lunghezza d’onda λ0sono moltiplicati dai mezzi di amplificazione ottica (4) e vengono instradati dai mezzi di accoppiamento (3), in base alla loro direzione di propagazione, a percorrere il ramo di chiusura (8) del circuito ad anello (2) al termine del quale raggiungono i mezzi di instradamento direzionale (6) che li immettono a ricircolare nuovamente nella guida l’onda (5) mantenendo ancora la direzione di propagazione opposta a quella della radiazione di lunghezza d’onda λ0e ivi subendo una amplificazione per effetto Brillouin stimolato.

Il circuito ad anello (2) à ̈ cioà ̈ organizzato in modo tale che la radiazione di lunghezza d’onda λ0, può percorrere solo parzialmente il circuito ad anello (2) da cui viene rimossa dopo aver subito una amplificazione; mentre la radiazione Brillouin retro-dispersa, ed in particolare la riga Stokes di lunghezza d’onda λ0+∆λ(T,ε) che statisticamente prevale in natura su quella anti-Stokes omologa di lunghezza d’onda λ −∆λ(T,ε), à ̈ libera di ricircolare continuamente nell’anello risultandone amplificata ad ogni ciclo percorso.

Attraverso mezzi (non illustrati) per regolare il guadagno dell’amplificatore ottico à ̈ possibile portare detto guadagno almeno a compensare le perdite del circuito ottico ad anello (2) realizzando in tale modo una oscillatore auto-sostentante con lunghezza d’onda λ0+∆λ(T,ε) che à ̈ anche definito LASER Brillouin ad anello.

Il sistema può inoltre comprendere, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, almeno un mezzo di selezione della direzione di propagazione (9), come ad esempio un isolatore ottico, inserito nel ramo di chiusura (8) del circuito ad anello (2), con la funzione di impedire o attenuare ulteriormente la possibilità di ricircolo di radiazione avente direzione di propagazione concorde a quella della radiazione di lunghezza d’onda λ0iniettata nell’anello dall’esterno.

Il sistema può inoltre comprendere mezzi di accoppiamento (10), come ad esempio un accoppiatore o derivatore, atti a prelevare una frazione della radiazione di con lunghezza d’onda λ ∆λ(T,ε) a cui auto-oscilla il LASER Brillouin ad anello e di instradarla in un secondo ramo di uscita (11).

Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, l’accoppiatore di prelievo (10) sarà disposto lungo il ramo di chiusura (8) del circuito ad anello (2) e/o potrà sfruttare delle caratteristiche di direzionalità del proprio accoppiamento ottico in modo da poter prelevare la radiazione che si propaga solo direzione opposta a quella della radiazione di lunghezza d’onda λ0iniettata nell’anello e prelevandola da un ramo dove la presenza di radiazione di lunghezza d’onda λ0à ̈ per forza di cose minima.

Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, i mezzi di amplificazione ottica (4) saranno di tipo bi-direzionale, saranno cioà ̈ caratterizzati dalla capacità di amplificare le radiazioni nella fascia delle lunghezze d’onda di interesse indipendentemente dalla direzione di propagazione con cui esse attraversano i mezzi di amplificazione ottica (4) stessi.

Detti mezzi di amplificazione ottica (4) potranno anche essere di tipo non bi-direzionale, nel qual caso saranno però disposti in numero e in modo opportuno per amplificare almeno la radiazione che si propaga in senso opposto a quello della radiazione di lunghezza d’onda λ0iniettata nell’anello dall’esterno.

Nel caso in cui i mezzi di amplificazione ottica (4) non siano di tipo bi-direzionale e si desideri ottenere anche una amplificazione della radiazione di lunghezza d’onda λ0iniettata nell’anello dall’esterno, potranno essere presenti più mezzi di amplificazione distinti e, nel caso in cui almeno uno di detti mezzi (4) sia sufficientemente trasparente alla radiazione che lo attraversa in senso opposto a quello di amplificazione, i mezzi di amplificazione potranno essere inseriti all’interno del circuito ad anello (2); diversamente, nel caso in cui nessun mezzo di amplificazione (4) sia sufficientemente trasparente alla radiazione che lo attraversa in senso opposto a quello di amplificazione, i mezzi di amplificazione (4) potranno essere disposti almeno in parte all’esterno del circuito ad anello (2).

Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, i mezzi di amplificazione (4) potranno comprendere almeno un amplificatore con fibra ottica drogata con Erbio o altro elemento (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier).

Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, i mezzi di amplificazione (4) potranno comprendere almeno un amplificatore ottico per emissione Raman stimolata.

Nel caso in cui i mezzi di amplificazione (4) comprendano un amplificatore EDFA e/o Raman, potranno essere convenientemente presenti almeno una sorgente (13) in grado di produrre almeno una radiazione con lunghezza d’onda λ1diversa da quella (λ0) prodotta dalla sorgente (1) e adatta a fungere da “pompaggio ottico†per i mezzi di amplificazione (4), e almeno un mezzo di accoppiamento selettivo in base alla lunghezza d’onda (12) in grado di iniettare nel circuito ottico detta radiazione con lunghezza d’onda λ1in modo tale che essa possa efficientemente raggiungere lo scopo di “pompaggio ottico†dei mezzi di amplificazione (4) stessi.

Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, i mezzi di amplificazione (4) potranno comprendere almeno un amplificatore ottico a semiconduttore (SOA, Semiconductor Optical Amplifier).

Come già detto il dispositivo oggetto del presente documento deve comprendere necessariamente un sistema atto assicurare le caratteristiche spettrali dell’oscillatore LASER Brillouin ad anello e a comandarne la sintonizzazione entro i limiti necessari per lo scopo di analisi prefisso.

Le caratteristiche spettrali di oscillazione del LASER Brillouin ad anello saranno definite dalle caratteristiche intrinseche della guida d’onda (5) e dai parametri fisici che la caratterizzano come il suo profilo di temperatura e di deformazione. Al fine di garantire che possa essere prodotta una oscillazione con le caratteristica di purezza spettrale necessarie agli scopi dell’apparato, il sistema prevede:

- l’impiego di almeno una tipologia di fibra ottica speciale per realizzare almeno in parte la guida d’onda (5); e

- accorgimenti specifici atti a garantire una opportuna uniformità della temperatura e dello stato di deformazione di almeno parte della guida d’onda (5).

Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, la guida d’onda (5) sarà disposta nello spazio in modo da evitare che essa abbia tratti curvi o tratti con raggio di curvatura inferiore ad un valore limite opportunamente grande.

Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, la guida d’onda (5) potrà almeno in parte essere costituita da una fibra ottica monomodale caratterizzata da elevata apertura numerica (Numeric aperture, NA), ovvero diametro modale di campo (Mode Field Diameter, MFD) ridotto, al fine ottenere un opportuno livello di purezza dello spettro di dispersione Brillouin. La guida d’onda (5) potrà in particolare comprendere, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, una fibra ottica mono-modale con MFD non superiore a 5.3µm a 1550nm e diametro esterno dello strato di mantello non superiore a 80µm.

Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, la guida d’onda (5) potrà anche almeno in parte essere costituita da una fibra ottica avente un diametro del nocciolo pari a 5.3µm ed avente diametro del mantello pari a 80µm.

Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, la guida d’onda (5) potrà anche almeno in parte essere costituita da una fibra ottica avente un diametro del nocciolo pari a 6.4µm ed avente diametro del mantello pari a 80µm.

Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, la guida d’onda (5) potrà anche almeno in parte essere costituita da una fibra ottica avente un diametro del nocciolo pari a 4.2µm ed avente diametro del mantello pari a 125µm e/o 80µm e/o 50µm.

Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, la guida d’onda (5) potrà almeno in parte essere costituita da una fibra ottica avente un profilo di concentrazione del drogaggio che ne controlla l’indice di rifrazione tale da caratterizzarne uno spostamento di lunghezza d’onda Brillouin diverso rispetto a quello che caratterizza le fibre ottiche convenzionali commercialmente disponibili e/o impiegate come fibra sensore, a parità di condizioni di temperatura e deformazione, e tale da poter essere spostato al valore dello spostamento Brillouin per la fibra sensore portando la guida d’onda (5) in uno stato di temperatura e deformazione più facilmente ottenibile nelle condizioni fisiche ambientali operative imposte al dispositivo di interrogazione.

Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, la guida d’onda (5) potrà almeno in parte essere costituita da una fibra ottica avente un profilo di concentrazione del drogaggio atto a circondare il nocciolo della fibra stessa con almeno uno strato concentrico (trincea o “trench†) caratterizzato da indice di rifrazione più ridotto rispetto a quello del nocciolo e del mantello.

Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, la guida d’onda (5) sarà allo stesso tempo caratterizzata da un MDF ridotto rispetto a quello delle fibre convenzionali e un profilo di concentrazione del drogaggio atto a circondare il nocciolo della fibra stessa con almeno uno strato di “trench†del tipo descritto.

L’eventuale impiego di una fibra ottica avente un diametro del nocciolo ridotto per la realizzazione di almeno parte della guida d’onda (5) ed avente un profilo di drogaggio atto a generare strati di “trench†risulta innovativo in quanto permette di:

- ridurre l’allargamento dello spettro di emissione Brillouin che può conseguire ad una disposizione della guida d’onda (5) su traiettorie curvilinee in seguito alla distribuzione di deformazioni meccaniche indotte da tale disposizione nella parte di fibra in cui la propagazione della radiazione à ̈ confinata; e - incrementare l’efficienza dei processi di dispersione Brillouin sia spontanei che stimolati grazie all’ottenimento di maggiori livelli di densità di potenza ottica, a parità di potenza ottica iniettata; e

- migliorare la purezza spettrale della dispersione Brillouin che caratterizza la fibra stessa. Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, la guida d’onda (5) potrà almeno in parte avere proprietà tali da assolvere contemporaneamente a funzioni di amplificazione delle radiazioni che la attraversano ed alle funzioni di mezzo di propagazione con condizioni favorevoli al verificarsi di fenomeni di dispersione Brillouin spontanea ed eventualmente stimolata. Con la suddetta finalità, la guida d’onda (5) potrà ad esempio essere caratterizzata da un drogaggio aggiuntivo con Erbio o altro elemento al fine di comportarsi anche come mezzo di amplificazione. Allo stesso fine la guida d’onda (5) stessa potrà essere anche oggetto della propagazione di una o più ulteriori radiazioni luminose con lunghezza d’onda differente da tutte quelle già elencate [λ0, λ0+∆λ(T,ε), λ0−∆λ(T,ε)] e scelta in modo tale da poter agire come radiazione di “pompaggio ottico†per un mezzo di guadagno ottico. Ai fini di ottenere effetti di amplificazione ottica nel circuito ottico ad anello (2) in generale, e nella guida d’onda (5) in particolare potranno, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, essere iniettate radiazioni atte ad agire come “pompaggio ottico†per amplificatori in fibra drogata all’Erbio, come ad esempio radiazioni con lunghezza d’onda nell’intorno dei 980nm e/o radiazioni con lunghezza d’onda nell’intorno dei 1480nm; e/o potranno essere iniettate radiazioni atte ad agire come “pompaggio ottico†per una amplificazione ottica attraverso dispersione Raman stimolata, come ad esempio, nel caso in cui si sia scelta un valore per la lunghezza d’onda λ0nell’intorno di 1550nm, radiazioni con lunghezza d’onda compresa tra 1430 e 1470nm.

Il dispositivo oggetto del presente documento comprenderà inoltre necessariamente mezzi specifici sintonizzare il laser Brillouin ad anello che si realizza nel circuito ottico (2), ossia per variare in modo controllato lo spostamento ∆λ della lunghezza d’onda della propria oscillazione rispetto alla lunghezza d’onda della radiazione “inseminante†λ0immessa nel circuito ad anello (2) dall’esterno. I suddetti mezzi potranno comprendere almeno un dispositivo termostatico atto ad imporre uno stato di temperatura noto ad almeno parte della guida d’onda (5). Detto dispositivo termostatico potrà comprendere almeno una pompa di calore accoppiata alla guida d’onda (5), almeno un sensore di temperatura e almeno un sistema di regolazione in retroazione atto a controllare la potenza termica trasferita dalla pompa di calore in modo da mantenere la temperatura della guida d’onda (5) al valore desiderato di temperatura. Detto dispositivo termostatico potrà inoltre comprendere almeno un sistema di coibentazione termica della parte termostata e/o mezzi per aumentare l’inerzia termica della parte termostata e/o mezzi per migliorare la massima uniformità di temperatura della parte termostata e/o almeno una pompa di calore termoelettrica per effetto Peltier.

Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, la guida d’onda (5) potrà dimorare immersa in un fluido eventualmente oggetto di moti di circolazione al fine di ottenere una ottimale omogeneità delle condizioni di temperatura della stessa.

Il dispositivo oggetto del presente documento comprenderà inoltre mezzi specifici per ridurre il tempo di “distorsione di sintonizzazione†del laser Brillouin ad anello che si realizza nel circuito ottico (2) e permettere un raggiungimento molto rapido delle condizioni di purezza spettrale ottimali dopo ogni sintonizzazione del laser che à ̈ ottenuta attraverso la variazione delle condizioni di deformazione e/o temperatura della guida d’onda (5).

A tale fine il dispositivo oggetto del presente documento potrà ad esempio, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, comprendere un attenuatore ottico escludibile o controllabile, opportunamente inserito nel circuito ad anello (2) in modo da poter introdurre una attenuazione ottica aggiuntiva almeno nella direzione di propagazione dell’oscillazione LASER Brillouin all’interno dell’anello e comandato in modo tale che, ogni qual volta che il LASER Brillouin viene sintonizzato modificando le condizioni di temperatura e/o deformazione della guida d’onda (5), sia introdotto transitoriamente un maggior livello di attenuazione ottica atto a smorzare più rapidamente le eventuali componenti spettrali dovute a residui delle oscillazioni nelle fasi precedenti della sintonizzazione. Allo stesso fine il dispositivo oggetto del presente documento potrà anche essere dotato, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, di mezzi atti a ridurre o annullare momentaneamente il guadagno dei mezzi di amplificazione ottica (4) deputati a sostentare l’auto-oscillazione del LASER Brillouin nel circuito ad anello (2); ad esempio attraverso un sistema di azzeramento o “blanking†(14) atto a modificare o interrompere la corrente elettrica di alimentazione che mantiene il “pompaggio ottico†mezzi di amplificazione (4) direttamente (come ad esempio nel caso detti mezzi comprendano almeno un SOA) e/o indirettamente controllando almeno una delle sorgenti (13) di radiazione di “pompaggio ottico†dei mezzi di amplificazione (4) (come ad esempio uno dei LASER di “pompaggio†per amplificatori Raman o in fibra drogata all’Erbio nel caso i mezzi di amplificazione comprendano almeno uno dei suddetti).

Secondo quanto sopra illustrato, il dispositivo di cui alla figura 1 risulta pertanto in grado di rendere contemporaneamente disponibili una radiazione di lunghezza d’onda λ0, prelevabile da un primo ramo d’uscita (7), ed una radiazione di lunghezza d’onda λ0+∆λ prelevabile da un secondo diverso ramo d’uscita (11), questa ultima radiazione avente lunghezza d’onda agganciata a quella della prima radiazione e spostata di una quantità ∆λ sintonizzabile, ed entrambe aventi ampiezza sufficientemente elevata e caratteristiche spettrali adatte agli scopi di interrogare sensori distribuiti per effetto Brillouin stimolato. Il dispositivo di cui alla figura 1 potrà quindi essere impiegato per generare contemporaneamente le due diverse radiazioni necessarie ad interrogare un sensore distribuito a fibra ottica per effetto Brillouin stimolato. A tale fine dispositivo comprenderà inoltre almeno un mezzo atto ad interrompere la propagazione e/o controllare l’ampiezza di almeno una delle due radiazioni in modo da generarne impulsi con durata temporale finita e nota; comprenderà inoltre almeno un mezzo atto ad instradare detti impulsi a percorrere in un primo verso la fibra sensore e instradare, direttamente e/o indirettamente, l’altra diversa radiazione a percorrere in senso opposto la stessa fibra sensore; comprenderà inoltre almeno un mezzo atto convertire in un segnale elettrico l’ampiezza di quest’ultima radiazione dopo che essa abbia esaurito la propria propagazione nella fibra sensore; e comprenderà infine mezzi atti a raccogliere, convertire registrare ed analizzare detto segnale elettrico in funzione del tempo di ritardo rispetto all’istante di generazione degli impulsi citati ed in grado di iterare tale processo variando in modo opportuno la sintonizzazione del laser Brillouin ad anello.

La figura 2 illustra una parziale rappresentazione schematica non limitativa di un dispositivo secondo la presente invenzione concettualmente analogo a quello di cui alla figura 1 ma dotato di una pluralità di mezzi di amplificazione ottica eventualmente anche in grado di esercitare la propria azione anche all’esterno del circuito ottico ad anello (2). Oltre a quanto già descritto per il dispositivo di cui alla figura 1, il dispositivo di cui alla figura 2 dispone di una sorgente secondaria di radiazione di pompaggio (20) in grado di emettere una radiazione di lunghezza d’onda λ3opportunamente scelta in modo da poter fungere da “pompaggio ottico†per la dispersione Raman stimolata nella fibra ottica utilizzata per realizzare la guida d’onda (5) ed eventualmente anche nella fibra ottica utilizzata come sensore. La radiazione prodotta da detta sorgente secondaria (20), che potrà essere inoltre eventualmente controllata dal sistema di “blanking†(14) in modo analogo a quanto già descritto per la eventuale sorgente primaria di radiazione di pompaggio (13), sarà iniettata in un punto opportuno del circuito ottico ad anello (2) attraverso almeno un mezzo di accoppiamento selettivo in base alla lunghezza d’onda (21) in modo tale che essa possa propagarsi almeno parzialmente nella guida d’onda (5) ed ivi indurre una amplificazione di almeno una tra le altre diverse radiazioni di lunghezza d’onda λ0e λ0+∆λ che a regime popolano in circuito ottico (2).

Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, almeno uno dei mezzi di derivazione e/o estrazione (6, 10) potrà essere di tipo tale da instradare anche la radiazione di lunghezza d’onda λ3al di fuori del circuito ad anello e direttamente in almeno uno dei rami (7, 11) affinché la stessa radiazione possa raggiungere anch’essa la fibra sensore ed ivi continuare in modo distribuito la propria azione di amplificazione per effetto Raman stimolato sulla radiazione di “pompaggio Brillouin†e/o di “stimolo Brillouin†lungo la fibra sensore e permettere in questo modo l’interrogazione di fibre sensori di maggiore lunghezza.

La figura 3 illustra una parziale rappresentazione schematica non limitativa di un dispositivo BOTDA secondo la presente invenzione caratterizzato da una configurazione di collegamento “in trasmissione†della fibra sensore e comprendente il sistema atto a generare contemporaneamente la radiazione di “pompaggio Brillouin†amplificata e la radiazione di “stimolo Brillouin†oggetto della presente invenzione e già illustrata nelle figure 1 e 2.

In aggiunta a quanto già descritto per il dispositivo di cui alle figure precedenti, il dispositivo comprende almeno un mezzo di generazione di impulsi ottici (3) pilotato da un generatore di impulsi (31) e in grado di ricavare impulsi di durata temporale definita a partire dalla radiazione idonea a fungere da “pompaggio Brillouin†e disponibile da uno dei rami di uscita (7) del circuito ottico ad anello (2). Il dispositivo comprende inoltre almeno un mezzo di accoppiamento direzionale (35) atto a instradare detti impulsi verso una estremità (36) della fibra sensore (37) (non necessariamente facente parte del dispositivo oggetto della presente invenzione) al momento connessa all’apparato mediante mezzi di interconnessione (71, 72). Il dispositivo comprende inoltre almeno un mezzo per instradare la radiazione idonea a fungere da “stimolo Brillouin†, disponibile all’altro ramo di uscita (11) del circuito ottico ad anello (2), verso la estremità opposta (38) della fibra sensore (37). Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, il dispositivo potrà inoltre comprendere ulteriori diversi mezzi di generazione di impulsi ottici (34), pilotati un generatore di impulsi (33) sincronizzato con il generatore (31) attraverso un generatore di ritardo programmabile (32), anche sul ramo (11) da cui à ̈ prelevata la radiazione di “stimolo Brillouin†.

I mezzi di generazione di impulsi ottici (30) e/o (34) potranno, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, comprendere almeno un modulatore di intensità ottica e/o almeno un SOA (amplificatore ottico a semiconduttore) ottimizzato per il funzionamento impulsivo.

Il dispositivo comprende inoltre almeno un rivelatore optoelettronico (39) connesso all’accoppiatore direzionale (35) in modo da generare un segnale elettrico proporzionale all’intensità della radiazione luminosa che emerge dalla fibra sensore (37) secondo il verso di propagazione che va dall’estremo (38) di iniezione dello “stimolo Brillouin†all’estremo opposto (36) dove à ̈ iniettato il “pompaggio Brillouin†.

Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, il rivelatore (39) potrà essere un fotodiodo ad “effetto valanga†in cui le condizioni di polarizzazione necessarie ad ottenere la massima sensibilità sono pilotate in modo opportunamente sincronizzato rispetto al generatore di impulsi (31).

Il dispositivo può inoltre comprendere, anche se se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, ulteriori rivelatori opto-elettronici (43) atti a monitorare l’effettiva intensità della radiazione di “stimolo Brillouin†iniettata nella fibra sensore (37) ai fini di normalizzazione della misura effettuata dal rivelatore (39), essendo detti ulteriori rivelatori (43) illuminati da una frazione della radiazione di “stimolo Brillouin†opportunamente prelevata dal circuito ad anello (2) o dal ramo (11) attraverso mezzi di accoppiamento ottico (44).

Il dispositivo comprende inoltre almeno un mezzo (40, 42) di conversione dei segnali elettrici dei rivelatori (39, 43) in segnali digitali e comprende altresì mezzi di controllo ed elaborazione (41) atti a:

- comandare la sintonizzazione del LASER Brillouin ad anello attraverso il controllo delle condizioni di temperatura e/o deformazione della guida d’onda (5);

- comandare il sistema di “blanking†(14) per ripristinare le condizioni spettrali ottimali del LASER Brillouin ad anello ad ogni sua sintonizzazione;

- controllare e sincronizzare il generatore di impulsi (31);

- controllare il generatore di ritardo programmabile (32) ed il generatore di impulsi (33) eventualmente presenti;

- raccogliere informazioni dai convertitori (40, 42); - mezzi per interfacciarsi con un operatore e/o un canale di comunicazione in generale al fine di scambiare informazioni ed istruzioni.

Detti mezzi di controllo ed elaborazione (41) saranno inoltre organizzati in modo da poter interrogare la fibra sensore (37) ricostruendo la distribuzione dello spostamento di lunghezza d’onda della dispersione Brillouin stimolata lungo la lunghezza della fibra sensore (37) stessa secondo un algoritmo in cui:

a) il laser Brillouin ad anello à ̈ sintonizzato su una prima lunghezza d’onda iniziale λ0+∆λ(1)della radiazione di “stimolo Brillouin†;

b) il laser Brillouin ad anello viene purgato da eventuali effetti di distorsione di sintonizzazione attivando momentaneamente il sistema di “blanking†(14);

c) viene attivato il generatore di impulsi (31) per generare un impulso di “pompaggio Brillouin†con forma d’onda e durata temporale opportune;

d) se necessario, vengono programmati il generatore di impulsi (33) ed il generatore di ritardo (32) per generare un impulso di “stimolo Brillouin†con forma d’onda, durata temporale e ritardo di sincronizzazione opportuni;

e) viene raccolto l’andamento in funzione del tempo dell’intensità della radiazione di “stimolo Brillouin†attraverso il rivelatore (39) ed eventualmente il rivelatore (43), oppure, se anche lo “stimolo Brillouin†à ̈ di tipo impulsivo, l’intensità istantanea dell’impulso di stimolo à ̈ misurata e le operazioni dei punti da c) ad e) vengono ripetute variando il ritardo di sincronizzazione del generatore (32) in modo da ricostruirne l’andamento in funzione del ritardo programmato;

f) il laser Brillouin ad anello à ̈ sintonizzato su una nuova lunghezza d’onda λ0+∆λ(Î )della radiazione di “stimolo Brillouin†spostata rispetto a quella precedente di una quantità opportuna;

g) le operazioni di cui ai punti da b) ad f) vengono ripetute fino a che non sia completata la raccolta dei dati di cui al punto e) in tutto l’intervallo di interesse delle lunghezze d’onda di “stimolo Brillouin†; h) i dati raccolti alle diverse lunghezze d’onda della radiazione di “stimolo Brillouin†vengono interpolati e analizzati a parità di tempo di ritardo rispetto all’istante di emissione dell’ impulso di “pompaggio Brillouin†al fine di determinare la lunghezza d’onda alla quale si ha il massimo effetto di attenuazione o di amplificazione dell’intensità della radiazione di “stimolo Brillouin†a causa della dispersione Brillouin stimolata che avviene nel tratto di fibra sensore a cui gli stessi dati si riferiscono.

Detti mezzi di controllo ed elaborazione (41) potranno in aggiunta, anche se se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, implementare tecniche di riduzione del rumore attraverso medie tra molteplici cicli di misura e/o correggere i dati elaborati sulla base delle altre informazioni rilevate all’interno del sistema stesso e/o in punti lungo il circuito di misura in cui sono presenti condizioni di temperatura e/o deformazioni misurabili o comunque note.

Detti mezzi di controllo ed elaborazione (41) potranno in aggiunta, anche se se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, implementare tecniche di rivelazione “a soglia†in cui l’analisi della dispersione Brillouin nella fibra sensore (37) à ̈ limitata ad un intervallo più ristretto di lunghezze d’onda dello stimolo Brillouin al fine di produrre, in un tempo di misura molto più ridotto, una informazione esclusivamente qualitativa sul mero superamento di un valore di soglia di temperatura e/o deformazione lungo la fibra stessa.

La figura 4 illustra una parziale rappresentazione schematica non limitativa di un dispositivo BOTDR secondo la presente invenzione caratterizzato da una configurazione di collegamento “in riflessione†della fibra sensore e comprendente il sistema atto a generare contemporaneamente la radiazione di “pompaggio Brillouin†amplificata e la radiazione di “stimolo Brillouin†oggetto della presente invenzione e già illustrata nelle figure 1 e 2.

Il dispositivo di cui alla figura 4 risulta analogo a quello descritto nella figura 3 per quanto riguarda:

- il circuito di generazione delle radiazioni di “pompaggio Brillouin†e di “stimolo Brillouin†;

- il sistema di generazione di impulsi di “pompaggio Brillouin†con forma d’onda e durata temporale opportune;

- il sistema di instradamento direzionale (35) atto ad iniettare gli impulsi di “pompaggio Brillouin†ad un capo (36) della fibra di misura (37);

- il sistema opto-elettronico (39) di rivelazione dell’intensità della radiazione di “stimolo Brillouin†raccolta allo stesso capo (36) della fibra di misura (37) in cui à ̈ iniettato l’impulso di “pompaggio Brillouin†, ed il sistema (43) necessario alla normalizzazione se eventualmente presente;

- il sistema di controllo ed elaborazione (41) e l’organizzazione funzionale dello stesso.

La peculiarità che caratterizza il dispositivo di cui alla figura 4 à ̈ costituita dal fatto che, a differenza di quanto accade per il dispositivo di cui alla figura 3, la radiazione di “stimolo Brillouin†à ̈ iniettata come onda continua ad elevata intensità nello stesso ramo del circuito ottico ove si propaga l’impulso di “pompaggio Brillouin†e con verso di propagazione concorde con quest’ultimo grazie ad almeno un mezzo di accoppiamento ottico (50), e pertanto illumina la fibra di misura (37) a partire dallo stesso capo (36) in cui à ̈ iniettato l’impulso di pompaggio stesso. Detta peculiarità à ̈ responsabile del fatto che, anche negli istanti che precedono l’iniezione dell’impulso di “pompaggio Brillouin†, la fibra di misura (37) risulta illuminata con intensità sufficientemente elevata dalla radiazione di “stimolo Brillouin†in modo tale da permettere alle casuali sorgenti di dispersione elastica Rayleigh naturalmente presenti in maniera omogenea nella fibra (37) stessa di originare una parziale retro-riflessione distribuita della radiazione di “stimolo Brillouin†. Detta retro-riflessione Rayleigh à ̈ quindi utilizzata nel dispositivo di cui alla figura 4 allo stesso modo in cui lo à ̈ la radiazione di “stimolo Brillouin†contro-iniettata nel dispositivo di cui alla figura 3, realizzando in questo modo un sistema di analisi nel dominio del tempo dello spettro di dispersione Brillouin stimolata che può essere connesso ad una sola estremità (36) della fibra ottica sensore (37).

La figura 5 illustra una parziale rappresentazione schematica non limitativa di una variante del dispositivo BOTDA “in trasmissione†secondo la presente invenzione già descritto con riferimento alla figura 3 ed in cui à ̈ in aggiunta implementata una tecnica di “pre-pompaggio ottico†con una configurazione realizzativa industrialmente più semplice ed economica di quelle conosciute; mentre la figura 6 illustra il dettaglio delle forme d’onda degli impulsi ottici per una tecnica di “pre-pompaggio ottico†implementabile con il dispositivo di cui alla figura 5.

In aggiunta a quanto già descritto con riferimento alla figura 3, il dispositivo di cui alla figura 5 include mezzi per aggirare con una opportuna attenuazione di ampiezza almeno uno dei sistemi di generazione di impulsi ottici (30, 34) nello stato di non-conduzione. Detti mezzi di aggiramento potranno ad esempio, anche se se non esclusivamente ai fini di protezione del presente documento, comprendere almeno un accoppiatore (52, 55) atto a prelevare una frazione di radiazione a monte di almeno uno dei sistemi di generazione di impulsi (30, 34), almeno un ramo di aggiramento (53, 56) atto a condurre la radiazione prelevata, ed almeno un ulteriore accoppiatore (54, 57) atto a re-immettere la radiazione prelevata a valle dello stesso generazione di impulsi (30, 34) senza variarne il verso di propagazione. Il dispositivo di cui alla figura 5 sarà inoltre caratterizzato da una logica di controllo atta a presiedere la generazione degli impulsi ottici di “pompaggio Brillouin†e/o eventualmente di “stimolo Brillouin†secondo quando illustrato nella figura 6, e cioà ̈ in modo tale che il ciclo di misura a ciascuna diversa lunghezza d’onda di “stimolo Brillouin†sia caratterizzato da una prima fase in cui il generatore di impulsi di “pompaggio Brillouin†(30) à ̈ interdetto mentre il generatore di impulsi di “stimolo Brillouin†(34) à ̈ in stato di conduzione, seguita da una fase transitoria in cui il generatore di impulsi di “pompaggio Brillouin†(30) à ̈ in stato di conduzione mentre il generatore di impulsi di “stimolo Brillouin†(34) risulta interdetto. Tale modalità operativa à ̈ finalizzata ad instradare nel capo (36) della fibra di misura (37) impulsi di “pompaggio Brillouin†che si propagano nella direzione (60) e che sono caratterizzati da una parte iniziale di intensità ridotta (A3) temporalmente seguita da una parte transitoria di maggiore intensità (A4) di durata opportuna, ed à ̈ inoltre finalizzata ad instradare al capo opposto (38) della fibra di misura (37) impulsi di “stimolo Brillouin†che si propagano nella direzione (64) opposta a quella degli impulsi di pompaggio e che sono caratterizzati da una parte iniziale di intensità maggiore (A1) temporalmente seguita da una parte transitoria di intensità inferiore (A2) di durata opportuna, con l’obiettivo di stimolare processi di pre-amplificazione dell’effetto Brillouin stimolato attraverso lo scambio risonante tra una condizione di controdispersione di fotoni anti-Stokes ed una condizione di dispersione di fotoni Stokes.

Risulta chiaro che nell’apparato descritto con riferimento alle figure allegate possono essere eventualmente presenti, ance se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, mezzi per attenuare l’intensità delle radiazioni di “pompaggio Brillouin†e/o di “stimolo Brillouin†al fine di garantire che esse si trovino tra loro al livello opportuno di intensità e rapporto di intensità necessario ai fini dell’analisi.

Risulta chiaro inoltre che nell’apparato descritto con riferimento alle figure allegate le radiazioni di “pompaggio Brillouin†e di “stimolo Brillouin†possono essere scelte in modo opportuno tra quelle prodotte in uscita dal circuito ad anello al fine di realizzare configurazioni di analisi dove à ̈ misurato il “guadagno ottico†di interazioni Brillouin di tipo “Stokes†e/o configurazioni di analisi dove à ̈ misurata la “perdita ottica†di interazioni Brillouin di tipo “anti-Stokes†.

Risulta quindi chiaro che quanto sopra descritto può realizzare un sistema di interrogazione per sensori distribuiti a fibra ottica basato sulla dispersione Brillouin stimolata che sia in grado di superare i limiti di prestazioni e di abbattere il livello di costo comuni ai dispositivi noti grazie alla possibilità di beneficiare di un sistema economico ed efficiente per generare contemporaneamente la radiazione di “pompaggio Brillouin†e quella si “stimolo Brillouin†di lunghezza d’onda agganciata alla prima meno di uno spostamento noto e controllabile con precisione e con la possibilità di sopprimere eventuali alterazioni transitorie della loro purezza spettrale generate nel processo di sintonizzazione.

Risulta quindi chiaro che quanto sopra descritto può realizzare un sistema di interrogazione in grado anche di implementare in modo più economico ed efficiente tecniche di “pre-pompaggio†ed in particolare una tecnica di “prepompaggio†migliorata atta ad ottenere una pre-amplificazione dell’effetto Brillouin stimolato attraverso lo scambio risonante tra una condizione di contro-dispersione di fotoni anti-Stokes ed una condizione di dispersione di fotoni Stokes.

Rimane sottointeso che i componenti dell’apparato possono essere tra loro collegati in una maniera diversa da quanto indicato ma mantenendone le funzionalità principali senza peraltro uscire dall’ambito di protezione del presente documento.

Risulta infine chiaro che modifiche e varianti possono essere apportate al dispositivo descritto senza peraltro uscire dall’ambito di tutela della presente invenzione.

Claims (10)

1. “INTERROGATORE PER SENSORI DISTRIBUITI A FIBRA OTTICA PER EFFETTO BRILLOUIN STIMOLATO IMPIEGANTE UN LASER BRILLOUIN AD ANELLO RAPIDAMENTE SINTONIZZABILE †R I V E N D I C A Z I O N I 1. Un apparato per interrogare almeno un sensore a fibra ottica (37) attraverso l’analisi dello spettro di dispersione Brillouin stimolata lungo la lunghezza del sensore (37) e caratterizzato dal fatto di comprendere: - almeno una sorgente primaria (1) di radiazione coerente caratterizzata da una lunghezza d’onda λ0e da una larghezza di linea spettrale non superiore alla larghezza dello spettro della dispersione Brillouin nella fibra sensore (37); e - almeno un circuito ottico ad anello (2) tale da accogliere l’iniezione della radiazione della sorgente primaria e: a) rendere disponibile una prima radiazione di uscita (7) caratterizzata dalla stessa lunghezza d’onda λ0della sorgente primaria e da una intensità maggiore rispetto a quella della sorgente primaria (1), e b) produrre in aggiunta, attraverso un processo di amplificazione e ricircolo di emissione Brillouin spontanea e stimolata, almeno una seconda radiazione di uscita (11) caratterizzata da una lunghezza d’onda (λ0+∆λ) spostata di una quantità ∆λ rispetto alla lunghezza d’onda λ0della sorgente primaria (1); e - almeno un sistema di sintonizzazione in grado di controllare lo spostamento di lunghezza d’onda ∆λ di almeno una radiazione prodotta nel circuito ottico ad anello (2) per mezzo del controllo delle condizioni di temperatura e/o deformazione di almeno una parte del circuito ottico ad anello (2), e di stabilizzare detto spostamento ad un valore governabile arbitrariamente almeno entro i limiti necessari per lo scopo di analisi desiderato; e - almeno un sistema di generazione di impulsi ottici atto a modificare l’intensità di almeno una delle radiazioni citate al fine di produrne impulsi di durata temporale limitata e caratterizzati da una variazione di intensità tra almeno due livelli di ampiezza diversa; e - almeno un sistema di instradamento delle radiazioni in grado di convogliare gli impulsi e la radiazione ottici verso almeno una fibra ottica sensore, non necessariamente facente parte dell’apparato, secondo una configurazione che ammette fenomeni di dispersione Brillouin stimolata all’interno del sensore (37), ed in grado di convogliare almeno parzialmente la radiazione dispersa in seguito a tali fenomeni verso almeno un sistema di rivelazione opto-elettronico; e - almeno un sistema di rivelazione (39, 40) in grado di raccogliere, convertire e quantificare l’intensità di almeno parte della radiazione dispersa da interazioni Brillouin stimolate nel sensore (37); e - almeno un sistema di controllo ed elaborazione (41) in grado almeno di: a) comandare il sistema di sintonizzazione per impostare uno spostamento di lunghezza d’onda opportuno ed eventuali funzionalità accessorie conseguenti alla procedura di sintonizzazione, e b) comandare la generazione di almeno un impulso da parte del generatore di impulsi ottici, e c) raccogliere la quantificazione di intensità operata dal sistema di rivelazione eventualmente in funzione del tempo trascorso rispetto all’istante di generazione degli impulsi ottici, d) reiterare almeno in parte la sequenza di operazioni sopra elencate testando una pluralità di valori di spostamento di lunghezza d’onda opportunamente distribuiti, e) elaborare le informazioni raccolte al fine di valutare almeno una caratteristica dello spettro della radiazione dispersa da interazioni Brillouin stimolate all’interno del sensore, eventualmente anche in funzione della posizione lungo il sensore stesso dove l’interazione ha avuto luogo; e - almeno un mezzo di interfaccia in grado di permettere al sistema di controllo ed elaborazione di scambiare istruzioni e/o informazioni con un operatore e/o con almeno un dispositivo non necessariamente facente parte dell’apparato stesso.
2. 2. Un apparato secondo la rivendicazione 1 comprendente almeno un circuito ottico ad anello caratterizzato dal fatto di comprendere: - almeno un primo mezzo di instradamento direzionale (3) atto ad accettare l’iniezione di radiazione dall’esterno del circuito e convogliarla nel circuito ad anello (2) stesso secondo un primo senso di circolazione, e - almeno un mezzo di amplificazione ottica (4) dell’intensità della radiazione che si propaga nel circuito ad anello, e - almeno un mezzo di propagazione ottica guidata (5) della radiazione, non necessariamente distinto dal mezzo di amplificazione, in cui possano preferenzialmente avere luogo dispersione Brillouin spontanea e stimolata e almeno nella direzione di propagazione opposta al primo senso di circolazione, e - almeno un mezzo di ricircolo (8) atto ad riportare almeno parte della radiazione prodotta dalle dispersioni Brillouin a reimmettersi nei mezzi di propagazione guidata (5) e di amplificazione (4) mantenendo la direzione di propagazione opposta al primo senso di circolazione, e - almeno un mezzo di estrazione (6, 10) atto a prelevare una frazione opportuna delle radiazioni che si propagano nel circuito ottico e ad instradarle su uno o più rami di uscita (7, 11).
3. 3. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere, in aggiunta, almeno un sistema di depurazione dell’emissione spettrale Brillouin in uscita (14) in grado di agire sul circuito ottico ad anello (2) al fine di accelerare la soppressione della distorsione delle caratteristiche spettrali della radiazione prodotta nel circuito in seguito ad una variazione di sintonizzazione della sua lunghezza d’onda.
4. 4. Un apparato secondo la rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che il sistema di depurazione (14) dell’emissione spettrale Brillouin in uscita compie la propria azione attraverso una variazione transitoria delle proprietà di attenuazione ottica di almeno un elemento del circuito ottico ad anello (2) e/o attraverso una variazione transitoria del guadagno di amplificazione ottica nel circuito ottico ad anello (2).
5. 5. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che il mezzo di propagazione ottica guidata (5) sede preferenziale della dispersione Brillouin nel circuito ottico ad anello (2) comprende almeno una fibra ottica mono-modale con elevata Apertura Numerica (NA) e/o con diametro modale di campo (Mode Field Diameter, MFD) inferiore a 6µm a una lunghezza d’onda nominale di 1550nm e/o à ̈ caratterizzata da alterazioni chimico-fisiche agenti sulle caratteristiche dello spettro di dispersione Brillouin della fibra stessa nel senso di mantenere una migliore purezza spettrale anche quando la fibra stessa à ̈ organizzata su traiettorie non rettilinee e/o caratteristiche dello spettro Brillouin maggiormente adatte agli scopi di analisi della fibra sensore (37).
6. 6. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere, in aggiunta a quanto già rivendicato, mezzi per generare (20) e per iniettare (21) nel circuito ottico ad anello (2) almeno una ulteriore radiazione avente lunghezza d’onda nominale λ3inferiore a λ0di una quantità tale da permettere, attraverso dispersione Raman stimolata almeno all’interno dei mezzi di propagazione ottica guidata (5), un effetto di amplificazione dell’intensità di almeno una delle altre radiazioni con lunghezza d’onda (λ0+∆λ) e λ0che si propagano nel circuito stesso.
7. 7. Un apparato secondo la rivendicazione 6 caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un mezzo di efficiente estrazione della radiazione di lunghezza d’onda λ3dal circuito ottico ad anello, mezzo non necessariamente distinto da quelli (6) già rivendicati per l’estrazione di altre radiazioni, in grado di prelevare detta radiazione a valle del proprio punto di immissione nel mezzo di propagazione guidata (5) e convogliarla ad essere iniettata nella fibra sensore (37) al fine di indurre anche lungo il sensore stesso effetti di amplificazione distribuita attraverso dispersione Raman stimolata.
8. 8. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di interrogare sensori a fibra ottica attraverso l’analisi dello spettro di dispersione Brillouin stimolata lungo la lunghezza del sensore sfruttando una configurazione di collegamento della fibre sensore “in trasmissione†in cui le radiazioni con lunghezza d’onda λ0e (λ0+∆λ) vengono iniettate una al capo opposto rispetto all’altra realizzando direttamente una situazione di reciproca contropropagazione pompaggio-prova Brillouin.
9. 9. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di interrogare sensori a fibra ottica attraverso l’analisi dello spettro di dispersione Brillouin stimolata lungo la lunghezza del sensore sfruttando una configurazione di collegamento della fibre sensore “in riflessione†in cui le radiazioni con lunghezza d’onda λ0e (λ0+∆λ) vengono iniettate entrambe allo stesso capo della fibra sensore con modalità e intensità opportune realizzando indirettamente una situazione di contro-propagazione tra la radiazione iniettata direttamente e i fotoni retro-riflessi da fenomeni di dispersione Rayleigh distribuiti lungo il sensore.
10. 10. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un sistema di commutazione ottica (70) organizzato in modo da instradare almeno una delle radiazioni alternativamente in modo diverso al fine di permettere allo stesso apparato di analizzare la fibra sensore o in una configurazione di collegamento “in trasmissione†in cui entrambi i capi della fibra sensore sono collegati all’apparato, oppure in una configurazione di collegamento “in riflessione†in cui un solo capo della fibra sensore à ̈ collegato all’apparato.