ITBO20130144A1 - Interrogatore ad alta velocita' per sensori distribuiti a fibra ottica per effetto brillouin stimolato impiegante una sorgente brillouin ad anello a larghezza di banda controllabile ed un sistema di analisi per dispersione cromatica a ricircolo - Google Patents

Description

“INTERROGATORE AD ALTA VELOCITA’ PER SENSORI DISTRIBUITI A FIBRA OTTICA PER EFFETTO BRILLOUIN STIMOLATO IMPIEGANTE UNA SORGENTE BRILLOUIN AD ANELLO A LARGHEZZA DI BANDA CONTROLLABILE ED UN SISTEMA DI ANALISI PER DISPERSIONE CROMATICA A RICIRCOLO”

brevetto per invenzione industriale

L’ “effetto Brillouin” consiste in una dispersione non lineare dove fotoni di luce incidenti 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 influenzare 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 è 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, è 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 è descritta una tecnica di riflettometria Brillouin con “pre-pompaggio” in cui la fibra sensore, prima dell’iniezione dell’impulso di “pompaggio ottico” è 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 è 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 è 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 è 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” è 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” è ottenuta da una sorgente diversa da quella della radiazione di “pompaggio ottico” ma la cui lunghezza d’onda è 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” è 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.

Le soluzioni tecniche basate su analizzatori Brillouin a scansione di tempo e di lunghezza d’onda presentano generalmente severe limitazioni della velocità di interrogazione che limitano le loro possibilità di impiego ai fini della misurazione di fenomeni dinamici, come noto dal documento “Distributed dynamic strain measurement using a correlation-based Brillouin sensing system” (Hotate K. et al., IEEE Photonic Technol. Lett. 2003, 15, 272-274).

Il documento “Monitoring the distributed impact wave on concrete slab due to the traffics based on polarization dependence on the stimulated Brillouin scattering” (Bao X. et al., Smart Mater. Struct. 2009, 17, 15003-15008) descrive una soluzione per aumentare la velocità di interrogazione valutando la dipendenza del guadagno Brillouin stimolato in funzione della polarizzazione anziché in funzione della lunghezza d’onda, con lo scopo di evitare la necessità di effettuare una scansione in lunghezza d’onda della radiazione di prova.

Non sono note soluzioni tecniche efficaci che consentano di valutare la dipendenza del guadagno Brillouin stimolato dalla lunghezza d’onda con una velocità sufficiente all’analisi di fenomeni dinamici.

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” è 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 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 è 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 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 è osservata in termini di spostamento del battimento tra le diverse lunghezze d’onda che ricircolano nell’anello.

Non sono note soluzioni tecniche in cui un laser Brillouin ad anello è utilizzato come sorgente di radiazione con spettro di emissione continuo e in unione ad accorgimenti mirati a controllarne simultaneamente la larghezza di banda e la lunghezza d’onda media dello spettro di emissione.

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 è 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 è 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 è 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 è 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.

Il fenomeno relativo alla dispersione cromatica in una guida di luce è ampiamente noto (Brillouin L., “Wave Propagation and Group Velocity”, Academic Press S.Diego, 1960) e, attraverso la differenza di velocità di propagazione delle componenti di un impulso ottico aventi lunghezza d’onda differente, l’effetto citato porta le componenti spettrali di uno stesso impulso ottico a distorcere l’andamento temporale dell’impulso stesso a seguito della sua propagazione in un mezzo dispersivo.

Sono inoltre noti dispositivi caratterizzati da dispersione cromatica particolarmente elevata e controllabile come ad esempio reticoli di Bragg di tipo “chirped” in fibra ottica (Quetel L. et al., “Chromatic Dispersion Compensation by Apodised Bragg Gratings within Controlled Tapered Fibers”, Optical Fiber Technology, 3(3), 1997, 267–271).

Non sono note applicazioni di dispositivi di dispersione cromatica nella tecnologia degli interrogatori per sensori distribuiti ad effetto Brillouin stimolata.

Scopo principale della presente invenzione è 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, con particolare riferimento alla velocità di interrogazione del sensore, e di abbattere i livelli di costo e complessità costruttiva che caratterizzano dispositivi noti.

Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di realizzare un sistema di interrogazione per sensori distribuiti a fibra ottica basato sulla dispersione Brillouin stimolata in cui nello stesso segmento di fibra sensore in esame possa essere contemporaneamente analizzato il guadagno o la perdita Brillouin stimolata per una molteplicità di valori distinti dello spostamento della lunghezza d’onda Brillouin tra radiazione di “pompaggio ottico” e radiazione di “stimolo”.

Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di realizzare un sistema di interrogazione per sensori distribuiti a fibra ottica basato sulla dispersione Brillouin stimolata comprendente un sistema di analisi del contenuto spettrale della radiazione di “stimolo” modificata dalle interazioni Brillouin che sono avvenute nel sensore che possa risultare più economico, più rapido e a maggior risoluzione rispetto ai sistemi noti.

Ulteriore scopo della presente invenzione è 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 e con caratteristiche di larghezza spettrale altrettanto controllabili.

Ulteriore scopo della presente invenzione è 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” è in grado contemporaneamente di amplificare la radiazione di “pompaggio ottico” che deve essere iniettata nella fibra sensore.

I precedenti scopi sono raggiunti dalla presente invenzione in quanto essa è 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 una sorgente Brillouin sintonizzabile e con larghezza di spettrale opportuna per la generazione della radiazione di “stimolo” ed un amplificatore per la radiazione “pompaggio ottico”, e comprendente mezzi atti a consentire una analisi ad alta velocità dello spettro della radiazione di stimolo dopo che essa sia stata alterata dalle interazioni Brillouin nel mezzo sensore.

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 una variante generica di apparato di interrogazione ad alta velocità per sensori a fibra ottica basato sull’effetto Brillouin stimolato secondo la presente invenzione.

L’apparato comprende almeno un sistema di una o più sorgenti di radiazione luminosa (302), convenientemente anche se non necessariamente agganciate in lunghezza d’onda tra loro in maniera attiva e/o passiva, in grado di rendere disponibili su un primo ramo d’uscita (7) almeno una prima radiazione luminosa di “pompaggio ottico” 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, come schematicamente illustrato nel riquadro (110) e, in aggiunta, almeno una seconda radiazione luminosa di “stimolo” o “prova”, su un proprio ramo di uscita (11), caratterizzata da lunghezza d’onda media λ0+∆λ e/o λ0−∆λ, come rispettivamente illustrato nei riquadri (111) e (111b), ossia avente lunghezza d’onda agganciata a quella della prima radiazione di lunghezza d’onda λ0e spostata di una quantità ∆λ opportuna ed avente altresì larghezza spettrale sufficientemente elevata a comprendere almeno una parte significativa dei possibili spostamenti di lunghezza d’onda che lo scattering Brillouin nel sensore può presentare, anche in considerazione del campo di misura di interesse.

Il dispositivo comprenderà inoltre almeno un mezzo (30, 31, 32, 33, 34) atto a generarne impulsi con durata temporale finita e nota di almeno una delle due radiazioni con durata ed eventualmente ritardo di sincronizzazione controllabile, e almeno un mezzo (35) atto ad instradare selettivamente detti impulsi e/o radiazioni in modo che una prima radiazione percorra in un primo verso la fibra sensore (37), non necessariamente facente parte dell’apparato ed eventualmente temporaneamente connessa ad esso attraverso mezzi di connessione (71, 72), e una seconda radiazione percorra la stessa fibra sensore in senso opposto, e comprenderà inoltre almeno un sistema di analisi spettrale (301) atto a permettere l’analisi dello spettro della radiazione di “stimolo” dopo che essa abbia completato la propria propagazione nella fibra sensore e abbia ivi subito un’alterazione spettrale a seguito di dispersioni stimolate Brillouin di tipo Stokes e/o antistokes, come schematicamente illustrato rispettivamente rei riquadri (112) e (112b); l’apparato comprenderà infine almeno un mezzo atto a quantificare (40) le informazioni sul contenuto spettrale dell’impulso analizzato e almeno un sistema di controllo (41) in grado di analizzare detto spettro in funzione del tempo di ritardo rispetto all’istante di generazione degli impulsi citati.

Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, le radiazioni sopra citate potranno essere caratterizzate da una lunghezza d’onda nella banda infrarossa, ed in particolare nella cosiddetta banda “C” o banda “Convenzionale”, ossia potranno essere comprese tra 1520nm e 1570nm.

La figura 2 illustra una parziale rappresentazione schematica non limitativa di due varianti di un dispositivo secondo la presente invenzione atto a generare contemporaneamente una radiazione di “pompaggio ottico” amplificata e una radiazione di “stimolo” a larga banda necessarie a realizzare un sistema di interrogazione ad alta velocità per sensori a fibra ottica basato sull’effetto Brillouin stimolato.

Il riquadro (81) illustra in particolare lo scheda di una variante del dispositivo in cui la lunghezza d’onda media e le caratteristiche spettrali della radiazione di “stimolo” prodotta sono sintonizzate mediante il controllo di almeno un parametro termico e del relativo gradiente.

Il dispositivo di cui al riquadro (81) 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) è iniettata in un circuito ottico ad anello (2b) attraverso uno o più mezzi di accoppiamento (3), non necessariamente facenti parte dell’anello (2b) stesso, 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 (2b) la radiazione di lunghezza d’onda λ0risulta amplificata da mezzi di amplificazione ottica (4) facenti parte dell’anello (2b), attraversa un tratto di guida l’onda (5b), anche esso facente parte dell’anello (2b), che è mantenuto in condizioni non uniformi di temperatura e/o deformazione ed è dotato di un sistema attivo atto a controllarne in modo arbitrario la temperatura media ed il gradiente di temperatura, e raggiunge almeno un mezzo di instradamento direzionale (6), anche esso facente parte dell’anello (2b), 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 (5b) il passaggio della radiazione di lunghezza d’onda λ0, per effetto Brillouin inizialmente spontaneo, origina fotoni aventi lunghezza d’onda λ0±∆λ(T,ε)x, spostati cioè rispetto alla lunghezza d’onda λ0di una quantità dipendente dalla temperatura e deformazione propri del tratto di guida l’onda (5b) ove l’interazione avviene e che si propagano nella direzione opposta a quella della radiazione di lunghezza d’onda λ0.

Detti fotoni Brillouin sono 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 (5b) 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) è cioè organizzato in modo tale che la radiazione di lunghezza d’onda λ0può percorrere solo parzialmente il circuito ad anello (2b) da cui viene rimossa dopo aver subito una amplificazione; mentre la radiazione Brillouin retro-dispersa è libera di ricircolare continuamente nell’anello risultandone amplificata ad ogni ciclo percorso.

Attraverso mezzi (non illustrati) per regolare il guadagno dell’amplificatore ottico è possibile portare detto guadagno almeno a compensare le perdite del circuito ottico ad anello (2b) realizzando in tale modo una oscillatore auto-sostentante il cui spettro di emissione comprende tutte le lunghezze d’onda di dispersione Brillouin generate e amplificate nella guida d’onda (5b) stessa.

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 λ0citata.

Il sistema può inoltre comprendere mezzi di accoppiamento (10), come ad esempio almeno un accoppiatore o derivatore, atti a prelevare una frazione della radiazione prodotta dall’oscillazione 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 λ0è 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 cioè 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 ottico 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 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 a controllare le caratteristiche spettrali della radiazione prodotta dal circuito ottico ad anello (2b) 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 (5b) 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 larghezza di banda 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 (5b); e

- accorgimenti specifici atti a garantire un opportuno gradiente della temperatura e/o dello stato di deformazione di almeno parte della guida d’onda (5b).

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

Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, la guida d’onda (5b) 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. La guida d’onda (5) potrà in particolare comprendere, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, una fibra ottica monomodale 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 (5b) 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 (5b) 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 (5b) 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 (5b) 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 (5b) 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 (5b) sarà allo stesso tempo caratterizzata sia da un MDF ridotto rispetto a quello delle fibre più diffuse e da 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 (5b) ed avente un profilo di drogaggio atto a generare strati di “trench” risulta innovativo in quanto permette di 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.

Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, la guida d’onda (5b) 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 (5b) 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 (5b) stessa potrà essere anche oggetto della propagazione di una o più ulteriori radiazioni luminose con lunghezza d’onda differente da tutte quelle già elencate 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 (2b) in generale, e nella guida d’onda (5b) 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 per sintonizzare la lunghezza d’onda media e la larghezza spettrale della radiazione prodotta dal circuito ottico ad anello (2) ossia per variare in modo controllato lo spostamento ∆λ della lunghezza d’onda media delle proprie oscillazioni rispetto alla lunghezza d’onda della radiazione “inseminante” λ0immessa nel circuito ad anello (2) dall’esterno, e variando altresì gli spostamenti di lunghezza d’onda minimo e massimo. I suddetti mezzi potranno comprendere almeno un dispositivo termostatico atto ad imporre una temperatura media ed un gradiente di temperatura controllabili in almeno parte della guida d’onda (5b).

Secondo quanto sopra illustrato, il dispositivo di cui alla figura 2 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 media λ0+∆λ prelevabile da un secondo diverso ramo d’uscita (11), questa ultima radiazione avente lunghezza d’onda agganciata a quella della prima radiazione di lunghezza d’onda λ0 e spostata di una quantità ∆λ sintonizzabile ed avente altresì larghezza spettrale controllata tra un valore minimo λ0+∆λ(T3) e un valore massimo λ0+∆λ(T2) dipendenti dal gradiente termico imposto, 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 2 potrà quindi essere impiegato per generare contemporaneamente le due diverse radiazioni di “pompaggio ottico” e di “stimolo a larga banda” necessarie ad interrogare un sensore distribuito a fibra ottica per effetto Brillouin stimolato.

Il riquadro (84) illustra lo schema di una variante del dispositivo analogo a quello del riquadro (81) ma in cui le caratteristiche spettrali della radiazione di “stimolo” prodotta sono sintonizzate mediante il controllo di almeno un parametro di deformazione meccanica.

Rimane sottointeso che gli scopi di protezione del presente documento rimangono in essere per un sistema che consenta di controllare la sintonizzazione della lunghezza d’onda e della larghezza spettrale di oscillazione mediante il controllo di una qualunque combinazione di parametri fisici relativi al circuito ottico ad anello (2b, 2c) o di una sua parte, come ad esempio i parametri termici e di deformazione meccanica.

Convenientemente, anche se con esclusivamente o necessariamente ai fini di protezione del presente documento, i mezzi di sintonizzazione potranno comprendere almeno un dispositivo termostatico atto ad imporre uno stato termico controllabile in almeno parte della guida d’onda (5). Detto dispositivo termostatico potrà comprendere almeno una pompa di calore accoppiata alla guida d’onda (5), almeno due sensori 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 media e soggetti al gradiente di temperatura desiderato.

La figura 2 illustra una rappresentazione non limitativa in di una possibile variante realizzativa per la guida d’onda (5b) in cui la sintonizzazione della lunghezza d’onda media e della larghezza spettrale della radiazione di “stimolo” sono controllate termicamente.

Nel riquadro (90) è presentata una vista in parziale sezione in cui la fibra ottica (91) che costituisce la guida d’onda (5b) è avvolta sulla superficie laterale esterna di un nucleo cilindrico cavo (93) di diametro esterno (∅D) opportuno e ricavato da un materiale caratterizzato da una conducibilità termica opportuna. Detto nucleo cilindrico (93) presenta due espansioni polari assiali (92, 94) nella propria cavità interna tra le quali è accoppiata almeno una prima macchina termica (95) atta a stabilire e mantenere una differenza di temperatura tra le espansioni polari (92, 94) stesse. Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, la macchina termica (95) potrà essere costituita da un elemento termoelettrico ad effetto Peltier in cui è forzata una corrente elettrica attraverso i reofori di collegamento (96a, 96b).

Il dispositivo può inoltre comprendere anche almeno una seconda macchina termica (98) accoppiata ad una delle espansioni polari (94) o in un altro punto conveniente del circuito termico, con la funzione di controllare la temperatura assoluta in un punto del nucleo che potrà convenientemente coincidere con una sua espansione polare, imponendo un flusso di calore da/verso l’ambiente esterno attraverso il dissipatore (99). Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, anche la seconda macchina termica (98) potrà essere costituita da un elemento termoelettrico ad effetto Peltier in cui è forzata una corrente elettrica attraverso reofori di collegamento (100a, 100b). Convenientemente, anche se non necessariamente ai fini di protezione del presente documento, il nucleo potrà essere circondato da un materiale termicamente isolante (97). Convenientemente potranno essere inoltre presenti almeno un sensore di temperatura ad esempio sulle estremità polari (92, 94) ed almeno un sistema di regolazione in retroazione atto a stabilizzare la temperatura in almeno due punti del nucleo, che convenientemente potranno coincidere con le estremità polari (92, 94), a valori selezionati opportunamente.

La figura 3 illustra una rappresentazione di principio non limitativa in di una possibile variante realizzativa per la guida d’onda (5c) in cui la sintonizzazione della larghezza spettrale della radiazione di “stimolo” è controllata attraverso l’imposizione dello stato di deformazione meccanica.

Nel riquadro (106) è mostrata una struttura assimilabile ad una trave (101) appoggiata agli estremi su cerniere (102a, 102b) e all’intradosso ed estradosso della quale è resa continuamente solidale una fibra ottica (91) che costituisce la guida d’onda (5c). Nel riquadro (107) la trave (101) è mostrata nella sua configurazione deformata a seguito dell’applicazione di un carico concentrato (103) in mezzeria, tale da imporre una distribuzione lineare di momento flettente (105) che risulta nulla in corrispondenza degli appoggi e raggiunge il valore massimo in corrispondenza della mezzeria, con una distribuzione antisimmetrica di tensioni e deformazioni (104) nell’altezza della trave che raggiunge i livelli massimi di trazione e compressione rispettivamente all’estradosso e all’intradosso, valori che sono di conseguenza trasferiti alla fibra ottica.

Il sistema illustrato potrà essere inoltre dotato di sistemi atti ad applicate una trazione o compressione normale, diretta cioè lungo l’asse della trave (101) al fine di imporre uno spostamento della lunghezza d’onda media attraverso una ulteriore deformazione costante tanto per l’intradosso quanto per l’estradosso, il sistema illustrato potrà essere altresì dotato, eventualmente anche in aggiunta, di sistemi atti a controllare la temperatura e/o il gradiente termico della fibra ottica (91).

La figura 4 illustra una parziale rappresentazione schematica non limitativa di un dispositivo BOTDA per misura di guadagno Brillouin stimolato 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 a larga banda di “stimolo Brillouin” oggetto della presente invenzione e già illustrata nella figura 2.

In aggiunta a quanto già descritto nella figura 2, il dispositivo di figura 4 comprende mezzi generare impulsi ottici delle radiazioni di “pompaggio ottico” (30) e di “stimolo” (34), impulsi che sono instradati rispettivamente ad una prima estremità (36) ed alla estremità opposta (38) di una fibra ottica sensore (37), non necessariamente facente parte dell’apparato e ad esso collegata anche solo temporaneamente attraverso mezzi di connessione (71, 72), secondo una configurazione di contro-propagazione degli impulsi stessi.

Gli interruttori (30) e (34) sono comandati rispettivamente da generatori di impulsi (31) e (33) tra loro sincronizzati mediante almeno una unità di ritardo/anticipo controllabile (32) al fine di interrogare selettivamente porzioni distinte di fibra sensore selezionate lungo la lunghezza della stessa, controllando arbitrariamente il punto di sovrapposizione degli impulsi di “pompaggio ottico” e di “stimolo”.

L’apparato comprende inoltre almeno un mezzo di instradamento direzionale (35) della radiazione atto a prelevare l’impulso di “stimolo” dopo che esso ha terminato di propagarsi nella fibra sensore (37) ed ha interagito per dispersione Brillouin stimolata con l’impulso di “pompaggio ottico” nel punto desiderato, ed instradare detto impulso verso almeno un mezzo atto ad analizzarne le caratteristiche spettrali.

Convenientemente, anche se non esclusivamente ai fini di protezione del presente documento, detto impulso sarà instradato verso almeno un dispositivo di dispersione cromatica (114) atto a separarne in modo opportuno le componenti spettrali nel dominio del tempo. Convenientemente, anche se non esclusivamente ai fini di protezione del presente documento, il dispositivo di dispersione cromatica (114) comprenderà almeno un mezzo di accoppiamento (115) atto ad iniettare l’impulso da analizzare in un circuito ad anello (119) comprendente almeno un elemento di dispersione cromatica (118) e mezzi atti a permettere il ricircolo dell’impulso con separazione opportuna e perdite ottiche tollerabili, affinché il processo di dispersione possa essere reiterato una pluralità di volte.

In particolare, anche se non esclusivamente ai fini di protezione del presente documento, il circuito ad anello del dispositivo di dispersione cromatica (114) comprenderà inoltre almeno un amplificatore ottico (116) in grado di compensare almeno in parte l’attenuazione subita dall’impulso nel corso del ricircolo, almeno una linea di ritardo (120) atta a mantenere un isolamento temporale sufficientemente elevato dell’impulso stesso in considerazione della propria crescente dispersione cromatica, e mezzi di estrazione (121) atti a prelevare almeno una frazione dell’impulso stesso.

Quanto estratto dal dispositivo di dispersione cromatica (114) verrà infine diretto ad almeno un rivelatore elettroottico (39) sufficientemente veloce la cui uscita elettrica sarà opportunamente digitalizzata da almeno un convertitore (40).

I mezzi di amplificazione (116) del dispositivo di dispersione cromatica (114) potranno comprendere almeno un amplificatore in fibra ottica drogata con Erbio o altro elemento accompagnato dalla relativa sorgente di pompaggio (123) ed opportuni mezzi di accoppiamento (122), e/o almeno un amplificatore ottico a semiconduttore (SOA), e/o almeno un amplificatore ottico per dispersione Raman stimolata accompagnato dalla relativa sorgente di pompaggio ed opportuni mezzi di accoppiamento. L’apparato comprenderà inoltre un sistema di “blanking” (124) controllabile arbitrariamente e atto a ridurre transitoriamente il guadagno dell’amplificatore ottico (116) e/o ad introdurre perdite ottiche aggiuntive nel circuito di dispersione cromatica (114) al fine di purgarlo rapidamente da qualsiasi radiazione vi stia attualmente circolando e preparalo in tale modo all’analisi di un nuovo impulso.

Convenientemente, anche se non esclusivamente o necessariamente ai fini di protezione del presente documento, l’elemento di dispersione cromatica (118) potrà comprendere almeno un riflettore di Bragg distribuito in fibra ottica (117). Convenientemente, anche se non esclusivamente o necessariamente ai fini di protezione del presente documento, l’elemento di dispersione cromatica (118) potrà comprendere almeno una guida d’onda con caratteristiche di dispersione cromatica opportune. Convenientemente, anche se non esclusivamente ai fini di protezione del presente documento, l’elemento di dispersione cromatica (118) comprenderà almeno un reticolo di Bragg (117) del tipo “chirped” ed eventualmente anche “apodized”, esso potrà in aggiunta comprendere mezzi per regolare o stabilizzare lo stato di deformazione meccanica e/o di temperatura del suddetto reticolo al fine di controllarne le caratteristiche di dispersione cromatica. Potrà essere anche eventualmente presente almeno un circolatore ottico o un mezzo di accoppiamento atto a garantire un corretto instradamento dei segnali da e verso il riflettore Bragg (117).

Il riquadro (111) illustra schematicamente lo spettro atteso sul ramo di uscita (7) del circuito ad anello (2b) e che nella fattispecie costituisce la radiazione di “pompaggio Brillouin”.

Il riquadro (110) illustra schematicamente lo spettro atteso sul ramo di uscita (11) del circuito ad anello (2b) e che costituisce la radiazione di “stimolo Brillouin”.

Il riquadro (112) illustra schematicamente lo spettro che l’impulso di “stimolo Brillouin” assume in uscita dalla fibra sensore (37) per effetto delle interazioni Brillouin stimolate che hanno avuto luogo nel punto della stessa attualmente in esame.

Il riquadro (125) illustra schematicamente l’andamento temporale dell’intensità di radiazione all’uscita del dispositivo di dispersione cromatica (114) quando esso abbia ricevuto in ingresso un impulso con spettro uguale a quello illustrato nel riquadro (112).

Infine il riquadro (126) illustra schematicamente l’andamento temporale dell’intensità di radiazione all’uscita del dispositivo di dispersione cromatica (114) quando esso abbia ricevuto in ingresso un impulso con spettro analogo a quello illustrato nel riquadro (111).

L’apparato comprenderà inoltre almeno un sistema di controllo ed elaborazione (41) atto a:

- comandare la sintonizzazione della lunghezza d’onda media e della larghezza di banda della sorgente Brillouin ad anello (2b) attraverso il controllo delle condizioni di temperatura e/o deformazione della guida d’onda (5b);

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

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

- raccogliere informazioni dal convertitore (40) sull’andamento temporale dell’intensità della radiazione che giunge al rivelatore (39);

- comandare il sistema di “blanking” (124) per arrestare la propagazione eventualmente ricircolante nel circuito di dispersione cromatica (114) e predisporlo al trattamento di un nuovo impulso;

- mezzi per interfacciarsi con un operatore e/o un canale di comunicazione in generale al fine di scambiare informazioni e/o 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) la sorgente Brillouin ad anello (2b) è sintonizzata ad emettere radiazione di “stimolo Brillouin” con lunghezza d’onda media e larghezza spettrale opportune;

b) il circuito di dispersione cromatica (114) viene purgato da eventuale radiazione che vi stia ricircolando attivando momentaneamente il sistema di “blanking” (124);

c) viene attivato il generatore di impulsi (31) per generare un impulso di “stimolo Brillouin”;

d) viene raccolto l’andamento in funzione del tempo dell’intensità della radiazione di “stimolo Brillouin” che non è stata modificata da interazioni Brillouin stimolate nella fibra sensore dopo che essa ha subito una opportuna dispersione cromatica (impulso di riferimento);

e) il circuito di dispersione cromatica (114) viene purgato da eventuale radiazione che vi stia ricircolando attivando momentaneamente il sistema di “blanking” (124);

f) viene attivato il generatore di impulsi (31) per generare un impulso di “stimolo Brillouin” con forma d’onda, durata temporale e ritardo (o anticipo) di sincronizzazione opportuni e viene attivato anche il generatore di impulsi (33) con una opportuna sincronizzazione temporale (32) per generare un impulso di “pompaggio Brillouin” con forma d’onda e durata temporale opportune;

g) viene raccolto l’andamento in funzione del tempo dell’intensità della radiazione di “stimolo Brillouin” che è stata modificata da interazioni Brillouin stimolate nella fibra sensore, dopo che essa ha subito una opportuna dispersione cromatica (impulso di misura); h) le operazioni di cui ai punti da b) a g) vengono ripetute variando opportunamente il ritardo di sincronizzazione affinché tutta la lunghezza di interesse del sensore (37) sia analizzata;

i) i dati raccolti vengono interpolati e analizzati con l’obiettivo di identificare la distribuzione lungo il sensore della lunghezza d’onda di dispersione Brillouin cui si ha la massima amplificazione della radiazione di stimolo.

Detti mezzi di controllo ed elaborazione (41) potranno in aggiunta, anche 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) è limitata ad un intervallo più ristretto di lunghezze d’onda 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 5 illustra una parziale rappresentazione schematica non limitativa di un dispositivo BOTDA per misura di perdita Brillouin stimolata secondo la presente invenzione, caratterizzato da una configurazione di collegamento “in trasmissione” della fibra sensore e comprendente un sistema atto a generare la radiazione di “pompaggio Brillouin” derivato da quello già illustrato nella figura 2.

Nello schema illustrato la radiazione di inseminazione con lunghezza d’onda λ0e spettro qualitativamente illustrato nel riquadro (138) è iniettata in un primo circuito ottico ad anello (130) caratterizzato da un primo mezzo di propagazione guidata (134) mantenuto in condizioni di temperatura e deformazione uniformi e controllate, al fine di produrre una radiazione amplificata con le stesse caratteristiche di quella di inseminazione su un primo ramo di uscita (137) ed una radiazione laser Brillouin su un secondo ramo di uscita (136) il cui spettro, qualitativamente illustrato nel riquadro (139) è caratterizzato da una componente a banda stretta avente lunghezza d’onda λ0+∆λ, incrementata cioè di una quantità ∆λ sintonizzabile opportunamente rispetto all’inseminazione. La radiazione di inseminazione amplificata sul primo ramo di uscita (137) è successivamente iniettata in un secondo circuito ottico ad anello (2b) simile al tipo descritto con riferimento alla figura 2 e caratterizzato da un secondo mezzo di propagazione guidata (5b) avente valor medio e gradiente di temperatura e/o deformazione controllati in modo da generare su un terzo ramo di uscita (133) una radiazione Brillouin amplificata con lunghezza d’onda media opportuna e avente larghezza spettrale opportunamente ampia, come qualitativamente illustrato nel riquadro (140).

La radiazione disponibile sul secondo ramo di uscita (136) è invece iniettata in un terzo circuito ottico ad anello (131), simile al primo circuito ottico ad anello (130) e caratterizzato da un terzo mezzo di propagazione guidata (135) mantenuto in condizioni di temperatura e deformazione uniformi e controllate al fine di produrre su un quarto ramo di uscita (132) una radiazione laser Brillouin il cui spettro, qualitativamente illustrato nel riquadro (141) è caratterizzato da una componente a banda stretta avente lunghezza d’onda λ0+2∆λ, incrementata cioè di una quantità 2∆λ sintonizzabile opportunamente rispetto all’inseminazione iniziale.

Analogamente a quanto già illustrato con riferimento alla figura 4, l’apparato dispone in aggiunta di mezzi atti a iniettare ai capi opposti (36, 38) della fibra sensore (37) due impulsi di radiazione aventi durata temporale e ritardo reciproco opportuni. Nella fattispecie ad una prima estremità (36) verrà iniettato un impulso di “pompaggio Brillouin” avente lunghezza d’onda λ0+2∆λ, mentre all’estremo opposto (38) verrà iniettato un impulso di “stimolo anti-Stokes Brillouin” a spettro sufficientemente largo e con lunghezza d’onda media sufficientemente vicina al valore λ0+∆λ. L’apparato dispone inoltre di mezzi di accoppiamento direzionale (35) atti a raccogliere l’impulso della radiazione di “stimolo anti-Stokes” all’uscita dalla fibra sensore (37) il cui spettro potrà essere alterato dai fenomeni di dispersione Brillouin stimolata all’interno del sensore stesso come qualitativamente illustrato nel riquadro (142) e di almeno un mezzo per analizzarne il contenuto spettrale.

Convenientemente, anche se non esclusivamente ai fini di protezione del presente documento, l’impulso da analizzare sarà instradato verso almeno un dispositivo di dispersione cromatica (114) analogo a quanto già descritto con riferimento alla figura 4 e l’apparato comprenderà inoltre almeno una unità di controllo ed elaborazione (41) atta a comandare l’apparato stesso in modo analogo a quanto già descritto per la figura 4 ed elaborare i dati raccolti con l’obiettivo di identificare la distribuzione lungo il sensore della lunghezza d’onda di dispersione Brillouin cui si ha in questa variante il massimo assorbimento della radiazione di stimolo.

L’apparato di cui alla figura 5 potrà essere inoltre caratterizzato da peculiarità aggiuntive o varianti analoghe a quanto già descritto.

La figura 6 illustra una parziale rappresentazione schematica non limitativa di una ulteriore variante del dispositivo BOTDA per misura di guadagno Brillouin stimolato secondo la presente invenzione caratterizzato da una configurazione di collegamento “in trasmissione” della fibra sensore e comprendente un sistema atto a generare la radiazione a larga banda di “stimolo Brillouin” assimilabile a quanto illustrato nella figura 2.

Nella variante di cui alla figura 6 una frazione della radiazione di inseminazione con lunghezza d’onda λ0e bassa larghezza spettrale è iniettata in un primo circuito ottico ad anello (114) caratterizzato da un primo mezzo di propagazione guidata (118) mantenuto in condizioni di temperatura e deformazione uniformi e controllate e produrre sia una radiazione amplificata con le stesse caratteristiche di quella di inseminazione su un primo ramo di uscita (123) che una radiazione laser Brillouin su un secondo ramo di uscita (124) il cui spettro, qualitativamente illustrato nel riquadro (126) è caratterizzato da una componente a banda stretta avente lunghezza d’onda λ0+∆λ1, incrementata cioè di una quantità ∆λ1sintonizzabile opportunamente. La restante frazione della radiazione di inseminazione è iniettata in un secondo circuito ottico ad anello (2b) simile al tipo descritto con riferimento alla figura 2 e caratterizzato da un secondo mezzo di propagazione guidata (5b) avente valor medio e gradiente di temperatura e/o deformazione controllati in modo da generare su un terzo ramo di uscita (11) una radiazione Brillouin amplificata avente lunghezza d’onda media opportuna e larghezza spettrale opportunamente ampia, come qualitativamente illustrato nel riquadro (111).

Analogamente a quanto già illustrato con riferimento alla figura 4, l’apparato dispone in aggiunta di mezzi atti generare e a iniettare ai capi opposti (36, 38) della fibra sensore (37) due impulsi di radiazione aventi durata temporale e ritardo reciproco opportuni. Nella fattispecie ad una prima estremità (36) verrà iniettato un impulso di “pompaggio Brillouin” a banda stretta e con lunghezza d’onda λ0, mentre al capo opposto (38) verrà iniettato un impulso di “stimolo Brillouin” prelevato dal terzo ramo di uscita (111). L’apparato dispone inoltre di mezzi di accoppiamento direzionale (35) atti a raccogliere l’impulso della radiazione di “stimolo anti-Stokes” all’uscita dalla fibra sensore (37) e che può essere caratterizzata da uno spettro alterato dai fenomeni di dispersione Brillouin stimolata all’interno del sensore stesso come qualitativamente illustrato nel riquadro (112), di almeno un mezzo di accoppiamento (125) in cui detta radiazione viene mescolata con quella prelevata al secondo ramo di uscita (124) secondo un principio di eterodina, e di almeno un mezzo per convertire la radiazione risultante in una oscillazione elettrica (39), filtrarla opportunamente (113) ed analizzarne il contenuto in frequenza. L’apparato comprenderà inoltre almeno un mezzo di elaborazione e controllo (41) atto a comandarne il funzionamento ed elaborare i dati raccolti in modo opportuno.

L’apparato oggetto della presente invenzione potrà inoltre comprendere mezzi aggiunti di amplificazione ottica, e/o mezzi per indurre effetti di amplificazione distribuita Raman nella fibra sensore (129, 129), e/o mezzi per il controllo e/o l’analisi della polarizzazione.

Rimane chiaro che l’ambito di protezione del presente documento è da considerarsi esteso anche ad una possibile variante realizzativa in cui il sistema di analisi spettrale mediante il dispositivo di dispersione cromatica caratterizzato dal circuito ottico ad anello (114) descritto sia utilizzato in abbinamento ad una qualsiasi sorgente o gruppo di sorgenti di radiazione atto ad essere impiegato per realizzare una configurazione di propagazione di impulsi e/o radiazione nella fibra sensore in grado di generare e/o subire dispersione Brillouin.

Rimane chiaro inoltre che i componenti dell’apparato potranno 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 AD ALTA VELOCITA’ PER SENSORI DISTRIBUITI A FIBRA OTTICA PER EFFETTO BRILLOUIN STIMOLATO IMPIEGANTE UNA SORGENTE BRILLOUIN AD ANELLO A LARGHEZZA DI BANDA CONTROLLABILE ED UN SISTEMA DI ANALISI PER DISPERSIONE CROMATICA A RICIRCOLO” brevetto per invenzione industriale 1. Un apparato per interrogare almeno una fibra ottica sensore (37, non necessariamente facente parte dell’apparato stesso) attraverso l’analisi dello spettro di dispersione Brillouin stimolata lungo la lunghezza del sensore (37) e caratterizzato dal fatto di comprendere: - almeno un sistema di una o più sorgenti di radiazione (302) in grado di rendere disponibile almeno una prima radiazione caratterizzata da una certa lunghezza d’onda (λ0) e da una larghezza di linea spettrale non superiore alla larghezza dello spettro caratteristico della dispersione Brillouin almeno nella fibra sensore (37) nelle condizioni di misura desiderate, e rendere disponibile in aggiunta almeno una seconda radiazione caratterizzata da una lunghezza d’onda media (λ0+∆λ) e/o (λ0−∆λ), eventualmente anche se non necessariamente agganciata a quella della prima radiazione, spostata di una quantità (∆λ) rispetto ad essa e caratterizzata da una larghezza spettrale sufficientemente ampia in modo tale da poter fungere da stimolo per la dispersione Brillouin in almeno una frazione del campo di lunghezza d’onda di interesse per l’interrogazione della fibra sensore (37); e - almeno un sistema di generazione di impulsi ottici (30, 31, 32, 33, 34) in grado di agire sull’intensità di almeno una delle radiazioni citate al fine di produrne impulsi di durata temporale limitata e controllabile ed eventualmente sincronizzati tra loro con un ritardo e/o anticipo controllabile; e - almeno un sistema di instradamento delle radiazioni e/o degli impulsi (35) in grado di convogliare impulsi e/o radiazioni in almeno una fibra ottica sensore (37) secondo una configurazione di propagazione che ammetta fenomeni di dispersione Brillouin stimolata nel sensore stesso, ed inoltre in grado di estrarre almeno parte della radiazione che esce dal sensore (37) dopo aver ivi subito i suddetti fenomeni di dispersione Brillouin stimolata; e - almeno un sistema di analisi spettrale (301) in grado di accogliere almeno parte della radiazione in uscita dal sensore (37) e di misurare selettivamente l’intensità di almeno una sua componente spettrale.
2. 2. Un apparato secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di comprendere: - almeno una sorgente (1) di una prima radiazione caratterizzata da una lunghezza d’onda (λ0) e da una larghezza di linea spettrale non superiore alla larghezza dello spettro caratteristico della dispersione Brillouin almeno nella fibra sensore (37) almeno nelle condizioni di misura desiderate; e - almeno un circuito ottico ad anello di emissione Brillouin amplificata (2b, 2c) in grado di produrre attraverso fenomeni di emissione Brillouin amplificata almeno una seconda radiazione caratterizzata da lunghezza d’onda media (λ0+∆λ) e/o (λ0−∆λ) agganciata a quella della radiazione primaria e spostata di una quantità controllabile (∆λ) rispetto ad essa, ed inoltre caratterizzata da larghezza spettrale opportunamente ampia ed eventualmente controllabile, in modo tale che detta seconda radiazione possa fungere da stimolo per la dispersione Brillouin in almeno una frazione del campo di lunghezza d’onda di interesse per l’interrogazione della fibra sensore (37); e - almeno un sistema di sintonizzazione in grado di controllare lo spostamento (∆λ) di lunghezza d’onda media e/o la larghezza di banda spettrale di almeno una radiazione prodotta nel circuito ottico ad anello (2b, 2c) per mezzo del controllo delle condizioni fisiche e/o della distribuzione di temperatura e/o di deformazione in almeno una parte (5b, 5c) del circuito ad anello (2b, 2c) stesso, ed in grado di stabilizzare dette condizioni e/o distribuzione ad un valore governabile opportunamente almeno entro i limiti necessari per lo scopo di misura desiderato.
3. 3. Un apparato secondo la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un circuito ottico ad anello ad emissione Brillouin amplificata (2b, 2c) in grado di accettare in ingresso almeno una radiazione di inseminazione e in grado di rendere disponibile allo stesso tempo su almeno un primo ramo di uscita (7) la radiazione di inseminazione amplificata in intensità, e su almeno un secondo ramo di uscita (11) almeno una seconda radiazione, prodotta attraverso fenomeni di emissione Brillouin amplificata, che è caratterizzata da una lunghezza d’onda media spostata di una quantità (∆λ) controllabile rispetto alla lunghezza d’onda della radiazione di inseminazione e caratterizzata inoltre da una larghezza spettrale controllabile, e in cui detti spostamento e larghezza spettrale sono controllati attraverso le condizioni e le distribuzioni di temperatura e/o deformazione di almeno una parte (5b, 5c) del circuito ottico ad anello (2b, 2c) dove la dispersione Brillouin ha preferenzialmente luogo.
4. 4. Un apparato secondo una qualsiasi tra le rivendicazioni 2 e 3 caratterizzato dal fatto di comprendere un sistema di sintonizzazione che controlla le condizioni fisiche di un mezzo di propagazione ottica guidata (5b, 5c) facente parte del circuito ottico ad anello ad emissione Brillouin amplificata (2b, 2c), in cui il detto sistema di sintonizzazione è caratterizzato dal comprendere almeno un nucleo cilindrico cavo (93) sulla cui superficie laterale esterna è avvolta elicoidalmente almeno una fibra ottica (91), e detto nucleo (93) presenta almeno due espansioni polari (92, 94) nella propria cavità interna tra le quali è accoppiata almeno una prima macchina termica (95) atta a stabilire e/o mantenere una differenza di temperatura tra le espansioni polari (92, 94), e detto sistema comprende inoltre almeno una seconda macchina termica (98) accoppiata direttamente o indirettamente al nucleo (93) ed avente funzione di controllare la temperatura assoluta in almeno un punto del nucleo attraverso generazione e/o scambio di calore con almeno un serbatoio termico, e detto sistema comprende inoltre almeno un sensore di temperatura ed eventualmente uno o più sistemi di regolazione atti a stabilizzare la temperatura in almeno un punto del nucleo stesso.
5. 5. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui il sistema di analisi spettrale (301) è caratterizzato dal fatto di comprendere: - almeno un mezzo (125) atto a mescolare secondo un principio di eterodina la radiazione ottica da analizzare con un’altra radiazione ottica di caratteristiche spettrali note, e - almeno un mezzo (39) atto a convertire il segnale ottico risultante in un segnale elettrico variabile nel tempo, e - almeno un mezzo (113, 40) atto a quantificare la distribuzione di intensità del segnale elettrico in funzione della frequenza di oscillazione nel tempo del segnale stesso.
6. 6. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4 caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un sistema di analisi spettrale comprendente: - almeno un mezzo di dispersione cromatica (118) in grado di indurre una dispersione temporale delle componenti spettrali dell’impulso di radiazione ottica da analizzare, e - almeno un mezzo di quantificazione (39, 40) atto a quantificare la distribuzione di intensità di radiazione in funzione del tempo almeno all’interno di una parte della durata temporale dello stesso impulso disperso cromaticamente.
7. 7. Un apparato secondo la rivendicazione 6 caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un sistema di analisi spettrale (301) costituito da almeno un circuito ottico ad anello di dispersione cromatica (114) comprendente: - almeno un mezzo di iniezione della radiazione (115) atto ad accettare in ingresso l’impulso di radiazione da analizzare ed iniettarlo nel circuito secondo un primo verso di propagazione, e - almeno un mezzo di dispersione cromatica (118), non necessariamente distinto dagli altri componenti sopra elencati, atto a deformare la distribuzione nel tempo dell’intensità della radiazione dell’impulso in funzione della lunghezza d’onda attraverso la propagazione dell’impulso stesso in almeno un elemento (117) caratterizzato da un tempo di attraversamento variabile a seconda della lunghezza d’onda della radiazione che vi si propaga, e - almeno un mezzo di ricircolo della radiazione (119), non necessariamente distinto dagli altri componenti sopra elencati, atto a riportare in ingresso al mezzo di dispersione cromatica (118) almeno parte dell’impulso ottico in uscita dal mezzo di dispersione cromatica stesso (118), e - almeno un mezzo di estrazione (121), non necessariamente distinto dagli altri componenti sopra elencati, che sia in grado di estrarre almeno parte dell’impulso di radiazione cromaticamente disperso dal circuito ad anello stesso.
8. 8. Un apparato secondo la rivendicazione 7 in cui il circuito ottico ad anello di dispersione cromatica (114) è caratterizzato dal fatto di comprendere almeno una linea di ritardo ottica (120), non necessariamente distinta dagli altri componenti del circuito, atta a mantenere un opportuno ritardo temporale di separazione tra i fronti iniziale e finale dell’impulso ricircolante rispettivamente rispetto alla fine dell’impulso stesso nel ricircolo immediatamente precedente ed all’inizio dell’impulso stesso nel ricircolo immediatamente successivo, almeno fino al raggiungimento di un opportuno livello di dispersione cromatica totale dell’impulso stesso.
9. 9. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 7 a 8 in cui il circuito ottico ad anello di dispersione cromatica (114) è caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un mezzo di amplificazione ottica (116), non necessariamente distinto dagli altri componenti del circuito, atto a compensare almeno parzialmente l’attenuazione subita dall’impulso in esame ad ogni suo ricircolo nel circuito ad anello (114) stesso.
10. 10. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 7 a 9, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un sistema di depurazione (124) per il circuito ottico di dispersione cromatica ad anello (114) in grado di agire per mezzo di una transitoria interruzione del circuito ad anello (114) e/o attraverso una variazione almeno transitoria dell’attenuazione ottica e/o del guadagno di amplificazione ottica di almeno un elemento del circuito stesso e/o con un altro principio di funzionamento comunque idoneo ad interrompere il ricircolo o sopprimere l’impulso in esame eventualmente al momento ricircolante nel circuito stesso.