Reflectometría óptica en el dominio del tiempo basada en

Con el fin de obtener información espacial en un sensor distribuido de temperatu- ra basado en esparcimiento Raman espontáneo, la técnica usualmente explotada es reflectometría óptica en el dominio del tiempo (OTDR) (Kikuchiet al._{, 1988). Este mé-} todo es comúnmente llamado Raman-OTDR, y consiste en mandar pulsos cortos de luz láser en la fibra de detección y medir la luz retroesparcida de Raman (en lugar del componente Rayleigh) mediante la técnica de OTDR convencional.

Un esquema general de un sensor distribuido de temperatura basado en OTDR con detección de retroesparcimiento Raman se muestra en la figura 11. Aquí, los pulsos ópticos pueden obtenerse ya sea por un láser pulsado de alta potencia o por un diodo láser de semiconductor en funcionamiento de onda continua modulado externamente. Los pulsos son enviados en la fibra de detección a través de un acoplador o circulador óptico. La luz retroesparcida de Raman que regresa al inicio de la fibra es direcciona- da a través del circulador hacia un bloque de detección. Esta unidad está compuesta típicamente por filtros selectivos de longitud de onda, separando el componente anti- Stokes del componente Stokes o del retroesparcimiento Rayleigh. Aquí se utiliza un esquema con dos fotodetectores para medir la señal anti-Stokes, cual depende de la temperatura, y cualquiera de los componentes Stokes o Rayleigh, utilizados para nor- malizar la potencia de Raman anti-Stokes. Debido a la baja intensidad del esparcimien- to Raman espontáneo, usualmente el detector esta compuesto por un fotodetector de avalancha (APD), seguido por un amplificador de transimpedancia de alta ganancia (TIA) y un convertidor analógico digital (ADC) conectado a una unidad procesadora de datos. Aquí, se requieren de tiempos largos de promediación de la señal anti-Stokes para obtener una resolución aceptable en temperatura, tiempo de alrededor de unos minutos.

En sensores distribuidos de temperatura basados en Raman-OTDR, la potencia del componente anti-Stokes es medido debido a que presenta una dependencia cuasi li- neal con la temperatura (Hartoget al._{, 1985). En la practica, la razón entre la potencia} óptica de las onda de esparcimiento espontáneo anti-Stokes y Stokes/Rayleigh es utili- zada para recuperar la información de la temperatura con el fin de compensar pérdidas inducidas por dobleces o empalmes. Por ejemplo, en Raman-OTDR la razón entre las

Figura 11._{Esquema general de un sensor distribuido de temperatura basado en la detección de retro-}

esparcimiento Raman mediante reflectometría óptica en el dominio del tiempo.

ondas anti-Stokes y Stokes para una posición dada de z está descrita por (Hernández, 2011): AS(z) _S(z) = KAS K_S ·exp {−[ α_AS(z)₋α_S(z)]_{} exp} − h_Δν k T(Z) , ₍₃₃₎

donde las constantes KAS y KS no dependen de la posición y como se mostró en la

ecuación 8 representan las pérdidas sufridas por cada señal en el sistema óptico.

El rango de detección de un sistema Raman-OTDR se encuentra limitado típica- mente a longitudes de fibra de alrededor de los 10 km. Esta limitación se debe en gran parte a la débil señal del componente anti-Stokes de retroesparcimiento Raman (aproximadamente 20 - 30 dB más débil que esparcimiento Rayleigh) y a las pérdidas de la fibra. En la literatura han sido reportados sistemas Raman-OTDR con resolucio- nes de 1 m sobre distancias de fibra óptica mayores a 10 km con una resolución típica de temperatura de 0.1 K para tiempos de adquisición de señal de unos cuantos minu- tos (Bolognini y Hartog, 2013).

3.2.1.2. Reflectometría óptica en el dominio del tiempo basada en esparci- miento Brillouin

La dependencia a deformaciones por tensión y temperatura del desplazamiento de la frecuencia Brillouin en una fibra óptica, son aplicables para el sensado distribuido a lo largo de grandes distancias de fibra óptica para la detección de tensión y tempe- ratura, respectivamente (Maughan et al._{, 2001a). En esta técnica, un pulso óptico es}

mandado en una fibra de detección y el desplazamiento en frecuencia de la luz retro- esparcida de Brillouin es medido en función del tiempo en forma similar a un sistema OTDR convencional. Para obtener el desplazamiento de la frecuencia Brillouin, general- mente se utiliza Brillouin OTDR con detección coherente. La luz de retroesparcimiento Brillouin es mezclada con un oscilador local óptico (LO) y el batimiento es detecta- do por el receptor. Mediante el escaneo en frecuencia del LO, el espectro Brillouin se obtiene con precisión y el desplazamiento en frecuencia Brillouin puede determinarse mediante un ajuste Lorentziano (Maughan et al._{, 2001a). Además, la medición de la} potencia de retroesparcimiento Brillouin (normalizada con la potencia de retroesparci- miento Rayleigh, que esta es insensible a la temperatura y tensión) en conjunto con la medición del desplazamiento de la frecuencia Brillouin, permite realizar mediciones simultáneas de temperatura y tensión, ya que tanto la frecuencia como la potencia Brillouin dependen de estos dos parámetros externos. Por otro lado, el espectro de es- parcimiento Brillouin tiene un ancho de línea que también depende de la temperatura. Sin embargo, este parámetro exhibe un débil dependencia.

Comparado con los sensores basados en retroesparcimiento Raman, los sensores basados en retroesparcimiento Brillouin se caracterizan por tener una mayor intensi- dad de retroesparcimiento y ser menos sensibles a perdidas dependientes de la longi- tud de onda, pero generalmente necesitan de esquemas más complejos. Aunque los sensores basados en esparcimiento Brillouin funcionan bien a temperatura ambiente, el desplazamiento de frecuencia, intensidad y ancho espectral se comportan de forma inesperada bajo condiciones criogénicas debido a las no linealidades de la velocidad acústica y a la atenuación a bajas temperaturas (Vacher y Pelous, 1976).

3.2.2. OTDR con sensibilidad a la fase óptica para detección distribuida de