Time-expanded phase sensitive optical time-domain reflectometry

Resumen

Los sensores distribuidos de fibra óptica (DOFS por sus siglas en inglés) han resultado ser una herramienta muy útil, versátil y rentable en la monitorización de procesos que requieren una red de sensores con un elevado número de puntos de medida, típicamente superior al millar. Generalmente, este tipo de sensores se utiliza para vigilar túneles, presas, líneas de alta tensión o cables submarinos. A día de hoy, algunas de las tecnologías de sensado distribuido más prometedoras están basadas en dispersión Rayleigh, entre las que destacan la reflectometría óptica en el dominio del tiempo sensible a la fase (OTDR) y la reflectometría óptica en el dominio de la frecuencia (OFDR). Por una parte, los sistemas OTDR sobresalen por su elevado rango de medida y una alta tasa de muestreo que llega a frecuencias acústicas, aunque su resolución espacial típica está limitada a unos pocos metros. Por otra parte, la tecnología OFDR permite recuperar la respuesta espectral una fibra óptica bajo prueba con una alta resolución espacial, alcanzando el rango milimétrico. Sin embargo, dicha resolución se consigue a costa de reducir su rango de medida y la tasa de muestreo. En esta Tesis se ha propuesto un novedoso sistema de interrogación de alta resolución basado en la técnica OTDR. El principal objetivo es ofrecer unas características de interrogación que permitan monitorizar de forma dinámica una fibra óptica bajo prueba con resolución espacial centimétrica. Para ello, ha sido clave la incorporación de la tecnología de peine de frecuencia dual (DFC). El proceso de compresión espectral asociado al uso de DFCs ha permitido recuperar respuestas de fibras ópticas con alta resolución espacial (gracias al uso de una señal con un ancho de banda óptico amplio) con unos anchos de banda eléctricos en detección reducidos, hasta cinco veces más pequeños que los requeridos en el caso convencional. En el dominio del tiempo, este desacoplamiento entre los anchos de banda óptico y eléctrico en detección da lugar a un proceso de expansión temporal de las trazas retrodispersadas recuperadas. Por este motivo, la nueva técnica de interrogación se conoce como reflectometría óptica en el dominio del tiempo sensible a la fase de tiempo expandido (TE-OTDR). Otra ventaja asociada al uso de DFC es la posibilidad de implementar estrategias de codificación de fase espectral eficientes con decodificación automática (es decir, sin tener que aplicar estrategias de decodificación digitales o basadas en una medida de referencia). Todo ello da lugar a una técnica de detección eficaz, flexible y distribuida, con un sistema de detección sencillo que tiene el potencial de ofrecer mediciones dinámicas de alta resolución en tiempo real. Experimentalmente, se han llevado a cabo diferentes pruebas de concepto con el fin de validar la técnica de sensado. En particular, se han estudiado los efectos de la expansión temporal sobre la señal retrodispersada. Así, alargar la duración de las señales retrodispersadas mejora la relación señal-ruido (SNR) de las mismas. Por otra parte, se ha trabajado en diferentes técnicas de codificación de fase espectral que han permitido mejorar el nivel de potencia de las señales ópticas utilizadas para interrogar una fibra bajo prueba. De esta forma, se ha podido compensar la pérdida de SNR que conlleva el incremento de la resolución espacial y la tasa de muestreo acústico. De forma adicional, se ha realizado una demostración de monitorización de la integridad de un espécimen de ala flexible de un avión no tripulado, verificando la aplicabilidad de esta técnica en un proceso de medida completamente distribuido.