Integración de sistemas de sensado distribuido sobre fibra óptica y estudio de aplicaciones de uso

El sensado distribuido sobre fibra óptica hace posible que, mediante el uso de un único interrogador y una fibra ya desplegada, se consiga obtener el equivalente a una gran cantidad de sensores independientes que captan estímulos en el entorno de la fibra. Existen diversas técnicas que nos permiten...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autores: Preciado Garbayo, Javier, Heras Vila, Carlos David, Juan José, Martínez Muro
Tipo de recurso: tesis de maestría
Estado:Versión publicada
Fecha de publicación:2023
País:España
Institución:Universidad de Zaragoza
Repositorio:Zaguán. Repositorio Digital de la Universidad de Zaragoza
OAI Identifier:oai:zaguan.unizar.es:126894
Acceso en línea:http://zaguan.unizar.es/record/126894
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:fibra óptica
óptica no lineal
interacción de ondas electromagnéticas con la materia
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description El sensado distribuido sobre fibra óptica hace posible que, mediante el uso de un único interrogador y una fibra ya desplegada, se consiga obtener el equivalente a una gran cantidad de sensores independientes que captan estímulos en el entorno de la fibra. Existen diversas técnicas que nos permiten generar este sensado distribuido. En esta tesis industrial se han implementado e integrado algunas de ellas. Dichas técnicas han sido desarrolladas previamente en grupos de investigación pertenecientes a varias universidades españolas. En cada técnica se identifican unos parámetros clave que definen las prestaciones del sensor distribuido o interrogador que las implementa. Éstas son: resolución espacial, resolución temporal, sensibilidad y alcance. Esto hace que, dependiendo de la aplicación a la que se destina el interrogador, unas técnicas sean más apropiadas que otras.<br />En la primera parte de esta tesis se revisan aspectos fundamentales de la fibra óptica, así como los fenómenos físicos en los que se basan dichos sensores (difusión Rayleigh, y difusión Raman y Brillouin estimulada), siendo dos de ellos la base de funcionamiento de los interrogadores industrializados en la tesis industrial (de nombre comercial HECTOR, HDAS y BLAST).<br />En el capítulo de HECTOR, se explica el principio de medida de los sistemas C-OTDR (Coherent Optical Time Domain Reflectometer) basados en amplitud y se realiza un proceso de integración y mejora donde se prueban y comparan componentes de varios fabricantes llegando a una solución que mantiene un compromiso entre coste del interrogador y prestaciones. Además, se realizan dos pruebas de concepto para la extensión de alcance; primero con la amplificación distribuida con Raman y después con el uso de módulos repetidores ópticos. En último lugar se muestran casos de aplicación como la vigilancia perimetral y TPI (Third Party Intrussion) en grandes infraestructuras. Gracias al proceso de industrialización completado, el HECTOR forma parte de soluciones integradas para grandes operadoras de infraestructuras.<br />En el capítulo de HDAS, se explica el principio de medida de un novedoso sistema de medida CP C-OTDR (Chirped-Pulse Coherent Optical Time Domain Reflectometer) basado en pulso chirpado y se realiza un proceso de integración de mejoras como: la extensión de rango (con el RE) incluyendo el protocolo de seguridad ante el acceso al enlace y el filtrado temporal y frecuencial para reducir el ruido ASE en la medida. Con ello se consigue un incremento del alcance y sensibilidad del HDAS, además de reducir los requisitos de seguridad y formación para su uso. Se prueba el interrogador en las siguientes aplicaciones: seguimiento de estímulos mecánicos y térmicos (carga-rotura y calentamiento en cable OPGW); monitorización de grandes infraestructuras y TPI; y detección de sismos. Gracias al proceso de industrialización completado, el HDAS es una herramienta de referencia en grupos de investigación para la monitorización de sismos, fenómenos volcánicos y fenómenos oceanográficos.<br />En el capítulo de BLAST, se explica el principio de medida de los sistemas BOTDA (Brillouin Optical Time Domain Analysis) y se realiza un proceso de integración de mejoras como: la optimización de la fuente láser (sonda y bombeo), la reducción del ruido en polarización y la extensión del rango mediante amplificación distribuida. Con ello se consigue un incremento del alcance y sensibilidad del BLAST. Se prueba el interrogador en las siguientes aplicaciones: seguimiento de deformaciones en el terreno (en el margen del río Ebro) y detección de fugas en gasoductos. Varios de los desarrollos que están en progreso son la optimización del pulso del bombeo (pulsos estrechos y rectangulares) y la mejora continua de bombeo y sonda. Gracias al proceso de industrialización completado, el BLAST se está usando en medidas térmicas avanzadas de laboratorio y en monitorización de fugas en industria Oil & Gas.<br />En el último capítulo, se explica el novedoso principio de medida de los sistemas TE C-OTDR (Time-Expanded Coherent Optical Time Domain Reflectometry) con doble peine frecuencial y se muestran dos pruebas de concepto por medio de dos arquitecturas de la técnica. Con ello, se prueba que el uso de secuencias binarias como elemento principal de la señal moduladora de sonda y oscilador local es una solución viable. Se abre el camino hacia una futura integración al no requerir de complejos y costosos AWGs. Se realizan pruebas de concepto en la estimación de flecha en un setup a escala en entorno controlado que permite validar nuevamente la técnica de medida para esta aplicación. Gracias a las pruebas de concepto realizadas, esta técnica de medida pasa a formar parte del porfolio de patentes de la empresa Aragón Photonics Labs.<br />
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Éstas son: resolución espacial, resolución temporal, sensibilidad y alcance. Esto hace que, dependiendo de la aplicación a la que se destina el interrogador, unas técnicas sean más apropiadas que otras.<br />En la primera parte de esta tesis se revisan aspectos fundamentales de la fibra óptica, así como los fenómenos físicos en los que se basan dichos sensores (difusión Rayleigh, y difusión Raman y Brillouin estimulada), siendo dos de ellos la base de funcionamiento de los interrogadores industrializados en la tesis industrial (de nombre comercial HECTOR, HDAS y BLAST).<br />En el capítulo de HECTOR, se explica el principio de medida de los sistemas C-OTDR (Coherent Optical Time Domain Reflectometer) basados en amplitud y se realiza un proceso de integración y mejora donde se prueban y comparan componentes de varios fabricantes llegando a una solución que mantiene un compromiso entre coste del interrogador y prestaciones. Además, se realizan dos pruebas de concepto para la extensión de alcance; primero con la amplificación distribuida con Raman y después con el uso de módulos repetidores ópticos. En último lugar se muestran casos de aplicación como la vigilancia perimetral y TPI (Third Party Intrussion) en grandes infraestructuras. Gracias al proceso de industrialización completado, el HECTOR forma parte de soluciones integradas para grandes operadoras de infraestructuras.<br />En el capítulo de HDAS, se explica el principio de medida de un novedoso sistema de medida CP C-OTDR (Chirped-Pulse Coherent Optical Time Domain Reflectometer) basado en pulso chirpado y se realiza un proceso de integración de mejoras como: la extensión de rango (con el RE) incluyendo el protocolo de seguridad ante el acceso al enlace y el filtrado temporal y frecuencial para reducir el ruido ASE en la medida. Con ello se consigue un incremento del alcance y sensibilidad del HDAS, además de reducir los requisitos de seguridad y formación para su uso. Se prueba el interrogador en las siguientes aplicaciones: seguimiento de estímulos mecánicos y térmicos (carga-rotura y calentamiento en cable OPGW); monitorización de grandes infraestructuras y TPI; y detección de sismos. Gracias al proceso de industrialización completado, el HDAS es una herramienta de referencia en grupos de investigación para la monitorización de sismos, fenómenos volcánicos y fenómenos oceanográficos.<br />En el capítulo de BLAST, se explica el principio de medida de los sistemas BOTDA (Brillouin Optical Time Domain Analysis) y se realiza un proceso de integración de mejoras como: la optimización de la fuente láser (sonda y bombeo), la reducción del ruido en polarización y la extensión del rango mediante amplificación distribuida. Con ello se consigue un incremento del alcance y sensibilidad del BLAST. Se prueba el interrogador en las siguientes aplicaciones: seguimiento de deformaciones en el terreno (en el margen del río Ebro) y detección de fugas en gasoductos. Varios de los desarrollos que están en progreso son la optimización del pulso del bombeo (pulsos estrechos y rectangulares) y la mejora continua de bombeo y sonda. Gracias al proceso de industrialización completado, el BLAST se está usando en medidas térmicas avanzadas de laboratorio y en monitorización de fugas en industria Oil & Gas.<br />En el último capítulo, se explica el novedoso principio de medida de los sistemas TE C-OTDR (Time-Expanded Coherent Optical Time Domain Reflectometry) con doble peine frecuencial y se muestran dos pruebas de concepto por medio de dos arquitecturas de la técnica. Con ello, se prueba que el uso de secuencias binarias como elemento principal de la señal moduladora de sonda y oscilador local es una solución viable. Se abre el camino hacia una futura integración al no requerir de complejos y costosos AWGs. Se realizan pruebas de concepto en la estimación de flecha en un setup a escala en entorno controlado que permite validar nuevamente la técnica de medida para esta aplicación. Gracias a las pruebas de concepto realizadas, esta técnica de medida pasa a formar parte del porfolio de patentes de la empresa Aragón Photonics Labs.<br /><br />Universidad de Zaragoza, Prensas de la Universidad2023info:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionapplication/pdfhttp://zaguan.unizar.es/record/126894reponame:Zaguán. Repositorio Digital de la Universidad de Zaragozainstname:Universidad de ZaragozaEspañolinfo:eu-repo/semantics/openAccessoai:zaguan.unizar.es:1268942026-05-29T13:59:51Z
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