(a) Arbetsprincipen för TE-?OTDR-tekniken. Fibern som testas sonderas av en optisk frekvenskam med ett tandavstånd och en slumpmässig spektral fasprofil. Fiberns impulssvar kodas på den bakåtspridda signalen som genereras av probekammens utbredning. Denna signal slås med en lokaloscillator, vilket är en annan optisk frekvenskam med samma slumpmässiga spektrala fasprofil. LO och probkammen är sammansatta av samma antal linjer, men radavståndet för LO är något högre med ett belopp. Detekteringssteget består av en balanserad fotodetektor följt av ett elektriskt lågpassfilter. Slagen mellan linjerna i sondkammen och de angränsande linjerna i LO -kammen resulterar i en radiofrekvenskam med ett tandavstånd som ges av. Detta innebär en nedkonvertering av den optiska bandbredden, är kompressionsfaktorn CF förhållandet mellan och . Alternativt, ovanstående process kan förstås i tidsdomänen som en stor tids expansion av den detekterade signalen. (b) Temperaturkarta över en varm punkt med 2 cm längd mätt med TE-OTDR-schemat. En störning på 0,2 Hz återvinns. (c) Dynamisk stamkarta runt en längd på 4 cm erhållen med hjälp av det utökade TE-OTDR-schemat. En störning på 5 Hz återvinns i detta fall. Upphovsman:Miguel Soriano-Amat, Hugo F. Martins, Vicente Durán, Luis Costa, Sonia Martin-Lopez, Miguel Gonzalez-Herraez och María R. Fernández-Ruiz
Distribuerad optisk fiberavkänning (DOFS) är för närvarande en mogen teknologi som gör det möjligt att "omvandla" en konventionell fiberoptik till en kontinuerlig uppsättning individuella sensorer, som är fördelade längs dess längd. Mellan mängden tekniker som utvecklats inom området DOFS, de baserade på faskänslig optisk tidsdomänreflektometri (ΦOTDR) har fått stor uppmärksamhet, främst på grund av deras förmåga att mäta töjnings- och temperaturstörningar i realtid. Dessa unika egenskaper, tillsammans med andra fördelar med distribuerade sensorer (reducerad vikt, elektromagnetisk immunitet och liten storlek) gör ΦOTDR-sensorer till en utmärkt lösning för att övervaka stora infrastrukturer (som broar och rörledningar), särskilt med tanke på att deras kostnad skalas omvänt till antalet avkänningspunkter, och dess upplösning kan nå några meter.
I en ny tidning publicerad i Ljusvetenskap och applikationer , ett team av forskare från universitetet i Alcalá, University Jaume I och det spanska forskningsrådet (CSIC) presenterar en ny fiberoptisk förhörsledare för att genomföra ΦOTDR. Den är baserad på en välkänd interferometrisk teknik som använder två ömsesidigt koherenta optiska frekvenskammar. Denna nya förhörsenhet tillåter spännings- och/eller temperaturavkänning med upplösningar på cm-skalan över upp till 1 km räckvidd (dvs. det ger> 104 avkänningspunkter fördelade längs den optiska fibern). Med tanke på de rapporterade resultaten, detta tillvägagångssätt öppnar dörren för kostnadseffektiv DOFS i korta räckvidd och högupplösta applikationer, såsom strukturhälsoövervakning av flyg- och rymdkomponenter och övervakning av borrhålsproduktion, som hittills har en oöverkomlig kostnad.
Tekniken som presenteras i tidningen, kallad tidsförlängd ΦOTDR (TE-ΦOTDR), förlitar sig på användningen av en smart konstruerad ultratät optisk frekvenskam för att sondera en avkännande fiber. En svag retursignal kommer sedan från den elastiska spridning som ljuset upplever. Denna signal detekteras genom att få den att störa en andra kam, som har en bandbredd och spektral faskodning liknande den för sonden, men ett annat tandavstånd. Resultatet är en multi-heterodyn interferens som ger en "tidsförlängning" av de detekterade signalerna (se figur). På frekvensområdet, denna process kan förstås som en frekvens "nedkonvertering" (en optisk-till-elektrisk mappning). I dubbelkammarschemat som utvecklats för DOFS, båda kammarna genereras från samma kontinuerliga våglaser, tack vare ett par elektrooptiska modulatorer som drivs av en enda godtycklig vågformsgenerator.
Några anmärkningsvärda egenskaper hos detta schema är:(i) flexibiliteten i utformningen av kammarna, som tillåter användaren att uppnå den avsedda prestanda för sensorn; (ii) den reducerade detekteringsbandbredden (i submegahertz-regimen för centimeterupplösning över 200 meter), vilket är en följd av den tidsförlängning som upplevs av de detekterade signalerna; och (iii) förmågan att maximera kraften som injiceras i avkänningsfibern. Denna sista funktion är grundläggande för att utföra verklig distribuerad avkänning, med tanke på den extrema svagheten hos fenomenet elastisk spridning. Genom att införa en kontrollerad slumpmässig fasprofil i de genererade kammarna, toppeffekten för de optiska signalerna kan minimeras, samtidigt som en hög medeleffekt bevaras för att förbättra sensorns signal/brusförhållande. Dessutom, den kodade fasen demoduleras automatiskt vid upptäckt, kräver ingen ytterligare efterbearbetning.
"Avkänningsschemat baserat på ett konventionellt dual-comb-schema tillåter oss att nå cm-skaliga upplösningar över avkänningsavstånd på några hundra meter, samtidigt som man håller en mäthastighet på tiotals hertz. I tidningen, vi introducerar också en strategi för att avsevärt utöka avkänningsområdet utan att minska den akustiska samplingsfrekvensen. Grundidén är att använda två frekvenskammar med mycket olika tandavstånd, så de genererade tidssignalerna har perioder med kvasi-heltalsförhållande. Detta schema, tidigare tillämpat på området spektroskopi, gör det möjligt att mäta fibrer upp till 1 km längd med en rumslig upplösning på 4 cm. Det betyder 25, 000 individuella avkänningspunkter längs fibern. Denna prestandaförbättring är till priset av att i viss mån öka detekteringsbandbredden (upp till några megahertz), liksom komplexiteten i bearbetningsalgoritmen, även om de fortfarande behåller de grundläggande fördelarna med metoden."
"De presenterade teknikerna exponerar en helt ny operationsarena för dynamiska ΦOTDR-baserade sensorer, som var begränsad till fält som kräver avkänning längs tiotals kilometer och upplösningar i meterskala för att uppstå som en värdefull lösning. Resultaten som visas i artikeln är ett lovande steg för att designa distribuerade sensorer som ger snabb insamlingshastighet, liten detekteringsbandbredd och skarp rumsupplösning, " lade de till.
