Tidsudvidet fasefølsom optisk tidsdomænereflektometri

Distribueret optisk fiberføling (DOFS) er i øjeblikket en moden teknologi, der gør det muligt at 'transformere' en konventionel fiberoptik til et kontinuerligt udvalg af individuelle sensorer, som fordeles langs dens længde. Mellem et stort antal teknikker udviklet inden for DOFS, dem baseret på fasefølsom optisk tidsdomænereflektometri (DROTDR) har vundet stor opmærksomhed, hovedsagelig på grund af deres evne til at måle belastning og temperaturforstyrrelser i realtid. Disse unikke egenskaber, sammen med andre fordele ved distribuerede sensorer (reduceret vægt, elektromagnetisk immunitet og lille størrelse) gør ΦOTDR -sensorer til en glimrende løsning til overvågning af store infrastrukturer (som broer og rørledninger), især når man overvejer, at deres omkostninger skaler omvendt til antallet af sansepunkter, og dens opløsning kan nå et par meter.

I et nyt papir udgivet i Letvidenskab og applikationer , et team af forskere fra universitetet i Alcalá, Universitetet Jaume I og det spanske forskningsråd (CSIC) præsenterer en ny fiberoptisk spørger til at udføre ΦOTDR. Det er baseret på en velkendt interferometrisk teknik, der anvender to indbyrdes sammenhængende optiske frekvenskamme. Denne nye forhørsleder tillader belastning og/eller temperaturføling med opløsninger på cm -skalaen over op til 1 km rækkevidde (dvs. det giver> 104 følerpunkter fordelt langs den optiske fiber). I betragtning af de rapporterede resultater, denne tilgang åbner døren for omkostningseffektive DOFS i applikationer med kort rækkevidde og høj opløsning, såsom struktur sundhedsovervågning af luftfartskomponenter og overvågning af brøndboring, som til dato har en uoverkommelig pris.

Teknikken præsenteret i papiret, kaldet tidsforlænget ΦOTDR (TE-ΦOTDR), er afhængig af brugen af ​​en smart konstrueret ultratæt optisk frekvenskam til at sonde en sansefibre. Et svagt retursignal stammer derefter fra den elastiske spredning, som lyset oplever. Dette signal opdages ved at få det til at forstyrre en anden kam, som har en båndbredde og spektralfasekodning svarende til sondeens, men en anden tandafstand. Resultatet er en multi-heterodyne interferens, der producerer en "tidsforlængelse" af de detekterede signaler (se figur). I frekvensdomænet, denne proces kan forstås som en frekvens 'ned-konvertering' (en optisk-til-elektrisk kortlægning). I den dobbelte kam-ordning udviklet til DOFS, begge kamme genereres fra den samme kontinuerlige bølgelaser, takket være et par elektro-optiske modulatorer drevet af en enkelt vilkårlig bølgeformgenerator.

Nogle bemærkelsesværdige træk ved denne ordning er:(i) fleksibiliteten i udformningen af ​​kamme, som gør det muligt for brugeren at opnå den målrettede ydelse for sensoren; (ii) den reducerede detektionsbåndbredde (i sub-megahertz-regimet for centimeteropløsning over 200 meter), hvilket er en konsekvens af den tidsforlængelse, som de detekterede signaler oplever; og (iii) evnen til at maksimere den effekt, der injiceres i følerfibrene. Denne sidste funktion er grundlæggende for at udføre reel distribueret sansning, i betragtning af den ekstreme svaghed ved fænomenet elastisk spredning. Ved at indføre en kontrolleret tilfældig faseprofil i de genererede kamme, spidseffekten af ​​de optiske signaler kan minimeres, samtidig med at en høj gennemsnitlig effekt bevares for at forbedre sensorens signal / støjforhold. Ud over, den kodede fase demoduleres automatisk ved detektering, kræver ingen yderligere efterbehandling.

"Sensingsordningen baseret på en konventionel dual-kam-ordning giver os mulighed for at nå opløsninger i cm-skala over sanseområder på et par hundrede meter, samtidig med at der holdes en målehastighed på titalls hertz. I avisen, Vi introducerer også en strategi til betydeligt at udvide sanseområdet uden at reducere den akustiske prøvetagningshastighed. Grundtanken er at anvende to frekvenskamme med meget forskellig tandafstand, så de genererede tidssignaler har perioder med kvasi-heltal-forhold. Denne ordning, tidligere anvendt inden for spektroskopi, gør det muligt at måle fibre op til 1 km længde med en rumlig opløsning på 4 cm. Det betyder 25, 000 individuelle sansepunkter langs fiberen. Denne præstationsforbedring er på bekostning af i nogen grad at øge detekteringsbåndbredden (op til et par megahertz), såvel som kompleksiteten af ​​behandlingsalgoritmen, selvom den stadig bevarer de grundlæggende fordele ved metoden. "

"De præsenterede teknikker afslører en helt ny operationsarena for dynamiske ΦOTDR-baserede sensorer, som var begrænset til felter, der krævede sensing langs snesevis af kilometer og målerstørrelsesopløsninger for at opstå som en værdifuld løsning. Resultaterne vist i avisen er et lovende skridt til at designe distribueret sensor, der giver hurtig optagelseshastighed, lille detekteringsbåndbredde og skarp rumlig opløsning, "tilføjede de.