RT info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
T1 Chirped-pulse phase-sensitive optical time domain reflectometry
A1 Pastor Graells, Juan
K1 Fibras ópticas
K1 Óptica no Lineal
K1 Óptica Física
K1 Propagación de ondas electromagnéticas
K1 Electrónica
K1 Electronics
AB El mundo actual funciona gracias a las grandes infraestructuras que dotan de energía y transporte seguros a sus ciudadanos. Dichas infraestructuras (presas, diques, gaseoductos, oleoductos, puentes, líneas de ferrocarril, carreteras…) típicamente presentan grandes dimensiones y es especialmente difícil monitorizar su buen funcionamiento y su salud estructural además de protegerlas de posibles amenazas. Los sensores distribuidos de fibra óptica son una solución fiable y rentable para esta problemática, ya que permiten medir vibraciones, deformaciones y temperatura a lo largo de todos los puntos de una fibra óptica estándar de comunicaciones.Los sensores de fibra óptica basados en scattering Rayleigh son particularmente útiles cuando las medidas deben ser realizadas en tiempo real, como por ejemplo en la detección y caracterización de vibraciones. En esta tesis, se ha realizado un estudio acerca de distintas soluciones y alternativas a las limitaciones de la tecnología OTDR. Se ha propuesto una nueva técnica, derivada de ésta, que ofrece unas prestaciones que superan notablemente a las de los sistemas OTDR tradicionales. Para ello, en primer lugar, se ha procedido a realizar un estudio en profundidad de los fundamentos y el estado del arte de las técnicas de monitorización basadas en Reflectometría Óptica en el Dominio del Tiempo (OTDR, por sus siglas en inglés) y, en particular, sobre la implementación sensible a la fase, también conocida como OTDR. Se ha estudiado la limitación en rango y resolución de los sistemas OTDR principalmente asociada a la aparición de efectos no lineales como la inestabilidad de modulación. Actualmente, un OTDR tradicional presenta una resolución máxima del orden de los 10 metros para un rango de medida del orden de pocas decenas de km (si no se aplica ningún tipo de técnica de amplificación distribuida). Además de estudiar esta limitación y a qué es debida, se han propuesto dos técnicas para mitigar los efectos perjudiciales de la MI. En primer lugar, se ha realizado un estudio del efecto de la forma de los pulsos ópticos empleados en el sensor en la traza retrodispersada en un OTDR. Se ha podido comprobar cómo los pulsos triangulares o gaussianos presentan mayor robustez que los pulsos rectangulares, tradicionalmente empleados, frente a la MI. En segundo lugar, se ha propuesto una técnica basada en el concepto de Amplificación de Pulsos Chirpeados (CPA, por sus siglas en inglés), que ha permitido desarrollar un OTDR con resoluciones milimétricas. Hasta el momento ningún OTDR había podido llegar a tales resoluciones, lo que abre un nuevo abanico de aplicaciones a la tecnología OTDR donde se requiera alta resolución espacial en la medida.También se ha estudiado la otra gran limitación de este tipo de sensores: su comportamiento no lineal ante una perturbación. Actualmente, salvo que se implementen técnicas de recuperación de fase o barridos en longitud de onda que implican más complejidad, coste y tiempo de medida, no es posible realizar medidas cuantificables de temperatura o deformaciones. Del mismo modo, tampoco se pueden realizar medidas acústicas reales. En este trabajo, en primer lugar, se propone emplear la técnica de Reconstrucción de Fase empleando Diferenciación Óptica Ultrarápida (PROUD, por sus siglas en inglés) para recuperar el campo complejo de una señal OTDR. Con esta medida, el sensor pasaría a comportarse de forma lineal sin la complejidad intrínseca de los métodos tradicionales de detección de fase. En segundo lugar, y de aquí viene el nombre de esta tesis doctoral, se propone el uso de pulsos chirpeados en los sensores OTDR. La nueva técnica llamada Chirped-Pulse OTDR, ha permitido la medida de forma lineal de cambios de temperatura y deformaciones, en un único disparo y sin la necesidad de realizar barridos en frecuencia o implementar detección coherente. A lo largo de este trabajo, se han alcanzado resoluciones de 0.5mK/4n y se ha demostrado la posibilidad de hacer medidas acústicas reales. También se han estudiado las limitaciones de esta técnica y propuesto varias soluciones. Se ha demostrado que el ruido de fase del láser empleado en el sistema, puede ser mitigado con esta nueva técnica. Además, se ha propuesto el uso de amplificación distribuida basada en scattering Raman estimulado para alcanzar rangos de medida mayores, hasta 75 km con una resolución espacial de 10 m.
YR 2018
FD 2018
LK http://hdl.handle.net/10017/42633
UL http://hdl.handle.net/10017/42633
LA eng
DS MINDS@UW
RD 19-abr-2024