Sensores Brillouin de alcance extendido

Abstract

Los sensores de fibra óptica han sido objeto de investigación en los últimos años y se han desarrollado un gran número de esquemas de sensores para medir remotamente cualquier parámetro físico y químico. Algunas de sus propiedades, tales como su pequeño tamaño, su bajo coste y la ausencia de interferencia electromagnética hacen de los sensores de fibra competitivos con respecto a otras tecnologías. Además, la tecnología de fibra óptica ofrece la oportunidad de medir los parámetros de interés de forma remota (una única fibra óptica puede remplazar a un gran número de sensores discretos). Esta característica puede permitir reducir el coste y la complejidad de un sistema sensor, cuando se necesitan un gran número de puntos de medida. Cuando se tienen que monitorizar grandes estructuras, como puentes, túneles, presas... son interesantes los sensores distribuidos. Este trabajo se centra en los sensores distribuidos de fibra basados en el fenómeno de Scattering Brillouin Estimulado (SBS-Stimulated Brillouin Scattering). Entre las diferentes tecnologías, los basados en SBS han atraído el interés de investigaciones debido a su capacidad para medir temperatura y tensión sobre largas distancias y con alta precisión y resolución espacial. El efecto SBS se manifiesta como una transferencia de potencia entre dos ondas de luz separadas en frecuencia y que viajan por la fibra óptica de manera contra-propagante. Siempre que la diferencia en frecuencia entre las dos bandas coincida con una frecuencia de resonancia característica de la fibra (llamado desplazamiento en frecuencia Brillouin), se produce una amplificación de la onda con la frecuencia más baja mientras se propaga. Como el desplazamiento de frecuencia Brillouin depende de algunos parámetros medioambientales, tales como la temperatura y la tensión, estos parámetros pueden ser monitorizados midiendo el SBS. El SBS presenta en realidad dos bandas espectrales: la Stokes (ganancia), con una frecuencia menor que la onda incidente, y la anti-Stokes (perdidas), con frecuencia mayor. Dentro de los sensores distribuidos que emplean este tipo de Scattering Brillouin existen dos técnicas diferentes, una trabaja en el dominio del tiempo y otra en el de la frecuencia. Este trabajo se enfoca a los del dominio del tiempo, que son conocidos como Análisis Óptico en el Dominio del Tiempo basado en Brillouin (BOTDA-Brillouin Optical Time Domain Analysis). Debido a la fuerte dependencia del SBS con la polarización, en los sensores BOTDA es indispensable realizar algún tipo de aleatorización de polarización en alguna de estas dos ondas necesarias para que se produzca el fenómeno de Scattering, o bien en el pulso de bombeo (la de menor frecuencia) o en la señal de sonda (o en ambos). Normalmente se realiza usando sistemas de aleatorización/conmutación de polarización. Éstos, al ser mecánicos, suelen no ser suficientemente robustos. En este trabajo se propone un sistema completamente pasivo, sin partes móviles, que realiza la aleatorización de polarización en un BOTDA. Éste se basa en el uso de la detección balanceada entre las bandas ortogonalmente polarizadas Stokes y anti-Stokes de la señal de sonda. El montaje no requiere ser alineado y presenta un funcionamiento similar a un sensor BOTDA convencional.