Distributed Fiber Ultrasonic Sensor and Pattern Recognition Analytics

Ultrasound interrogation and structural health monitoring technologies have found a wide array of applications in the health care, aerospace, automobile, and energy sectors. To achieve high spatial resolution, large array electrical transducers have been used in these applications to harness sufficient data for both monitoring and diagnoses. Electronic-based sensors have been the standard technology for ultrasonic detection, which are often expensive and cumbersome for use in large scale deployments. Fiber optical sensors have advantageous characteristics of smaller cross-sectional area, humidity-resistance, immunity to electromagnetic interference, as well as compatibility with telemetry and telecommunications applications, which make them attractive alternatives for use as ultrasonic sensors. A unique trait of fiber sensors is its ability to perform distributed acoustic measurements to achieve high spatial resolution detection using a single fiber. Using ultrafast laser direct-writing techniques, nano-reflectors can be induced inside fiber cores to drastically improve the signal-to-noise ratio of distributed fiber sensors. This dissertation explores the applications of laser-fabricated nano-reflectors in optical fiber cores for both multi-point intrinsic Fabry–Perot (FP) interferometer sensors and a distributed phase-sensitive optical time-domain reflectometry (φ-OTDR) to be used in ultrasound detection. Multi-point intrinsic FP interferometer was based on swept-frequency interferometry with optoelectronic phase-locked loop that interrogated cascaded FP cavities to obtain ultrasound patterns. The ultrasound was demodulated through reassigned short time Fourier transform incorporating with maximum-energy ridges tracking. With tens of centimeters cavity length, this approach achieved 20kHz ultrasound detection that was finesse-insensitive, noise-free, high-sensitivity and multiplex-scalability. The use of φ-OTDR with enhanced Rayleigh backscattering compensated the deficiencies of low inherent signal-to-noise ratio (SNR). The dynamic strain between two adjacent nano-reflectors was extracted by using 3×3 coupler demodulation within Michelson interferometer. With an improvement of over 35 dB SNR, this was adequate for the recognition of the subtle differences in signals, such as footstep of human locomotion and abnormal acoustic echoes from pipeline corrosion. With the help of artificial intelligence in pattern recognition, high accuracy of events’ identification can be achieved in perimeter security and structural health monitoring, with further potential that can be harnessed using unsurprised learning

Chirped-pulse phase-sensitive optical time domain reflectometry

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

Optical fiber sensors in physical intrusion detection systems: A review

Fiber optic sensors have become a mainstream sensing technology within a large array of applications due to their inherent benefits. They are now used significantly in structural health monitoring, and are an essential solution for monitoring harsh environments. Since their first development over 30 years ago, they have also found promise in security applications. This paper reviews all of the optical fiber-based techniques used in physical intrusion detection systems. It details the different approaches used for sensing, interrogation, and networking, by research groups, attempting to secure both commercial and residential premises from physical security breaches. The advantages and the disadvantages of the systems are discussed, and each of the different perimeter protection methods is outlined, namely, in-ground, perimeter fence, and window and door protection. This paper reviews the progress in optical fiber-based intrusion detection techniques from the past through to the current state-of-the-art systems and identifies areas, which may provide opportunities for improvement, as well as proposing future directions in this field

Design and fabrication of customized fiber gratings to improve the interrogation of optical fiber sensors

[EN] Fiber grating sensors and devices have demonstrated outstanding capabilities in both telecommunications and sensing areas, due to their well-known advantageous characteristics. Therefore, one of the most important motivations lies in the potential of customized fiber gratings to be suitably employed for improving the interrogation process of optical fiber sensors and systems. This Ph.D. dissertation is focused on the study, design, fabrication and performance evaluation of customized fiber Bragg gratings (FBGs) and long period gratings (LPGs) with the double aim to present novel sensing technologies and to enhance the response of existing sensing systems. In this context, a technique based on time-frequency domain analysis has been studied and applied to interrogate different kind of FBGs-based sensors. The distribution of the central wavelength along the sensing structures has been demonstrated, based on a combination of frequency scanning of the interrogating optical pulse and optical time-domain reflectometry (OTDR), allowing the detection of spot events with good performance in terms of measurand resolution. Moreover, different customized FBGs have been interrogated using a technology inspired on the operation principle of microwave photonics (MWP) filters, enabling the detection of spot events using radio-frequency (RF) devices with modest bandwidth. The sensing capability of these technological platforms has been fruitfully employed for implementing a large scale quasi-distributed sensor, based on an array of cascaded FBGs. The potentiality of LPGs as fiber optic sensors has also been investigated in a new fashion, exploiting the potentials of MWP filtering techniques. Besides, a novel approach for simultaneous measurements based on a half-coated LPG has been proposed and demonstrated. Finally, the feasibility of FBGs as selective wavelength filters has been exploited in sensing applications; an alternative approach to improve the response and performance of Brillouin distributed fiber sensors has been studied and validated via experiments. The performance of the reported sensing platforms have been analyzed and evaluated so as to characterize their impact on the fiber sensing field and to ultimately identify the use of the most suitable technology depending on the processing task to be carried out and on the final goal to reach.[ES] Los sensores y dispositivos en fibra basados en redes de difracción han mostrado excepcionales capacidades en el ámbito de las telecomunicaciones y del sensado, gracias a sus excelentes propiedades. Entre las motivaciones más estimulantes destaca la posibilidad de fabricar redes de difracción ad-hoc para implementar y/o mejorar las prestaciones de los sensores fotónicos. Esta tesis doctoral se ha enfocado en el estudio, diseño, fabricación y evaluación de las prestaciones de redes de difracción de Bragg (FBGs) y de redes de difracción de periodo largo (LPGs) personalizadas con el fin de desarrollar nuevas plataformas de detección y a la vez mejorar la respuesta y las prestaciones de los sensores fotónicos ya existentes. En este contexto, una técnica basada en el análisis tiempofrecuencia se ha estudiado e implementado para la interrogación de sensores en fibra basados en varios tipos y modelos de FBGs. Se ha analizado la distribución de la longitud de onda central a lo largo de la estructura de sensado, gracias a una metodología que conlleva el escaneo en frecuencia del pulso óptico incidente y la técnica conocida como reflectometria óptica en el dominio del tiempo (OTDR). De esta manera se ha llevado a cabo la detección de eventos puntuales, alcanzando muy buenas prestaciones en términos de resolución de la magnitud a medir. Además, se han interrogado varias FBGs a través de una técnica basada en el principio de operación de los filtros de fotónica de microondas (MWP), logrando así la detección de eventos puntuales usando dispositivos de radio-frecuencia (RF) caracterizados por un moderado ancho de banda. La capacidad de sensado de estas plataformas tecnológicas ha sido aprovechada para la realización de un sensor quasi-distribuido de gran alcance, formado por una estructura en cascada de muchas FBGs. Por otro lado, se han puesto a prueba las capacidades de las LPGs como sensores ópticos según un enfoque novedoso; para ello se han aprovechados las potencialidades de los filtros de MWP. Asimismo, se ha estudiado y demostrado un nuevo método para medidas simultáneas de dos parámetros, basado en una LPG parcialmente recubierta por una película polimérica. Finalmente, se ha explotado la viabilidad de las FBGs en cuanto al filtrado selectivo en longitud de onda para aplicaciones de sensado; para ello se ha propuesto un sistema alternativo para la mejora de la respuesta y de las prestaciones de sensores ópticos distribuidos basados en el scattering de Brillouin. En conclusión, se han analizado y evaluado las prestaciones de las plataformas de sensado propuestas para caracterizar su impacto en el ámbito de los sistemas de detección por fibra y además identificar el uso de la tecnología más adecuada dependiendo de la tarea a desarrollar y del objetivo a alcanzar.[CA] Els sensors i dispositius en fibra basats en xarxes de difracció han mostrat excepcionals capacitats en l'àmbit de les telecomunicacions i del sensat, gràcies a les seus excel¿lents propietats. Entre les motivacions més estimulants destaca la possibilitat de fabricar xarxes de difracció ad-hoc per a implementar i/o millorar les prestacions de sensors fotònics. Esta tesi doctoral s'ha enfocat en l'estudi, disseny, fabricació i avaluació de les prestacions de xarxes de difracció de Bragg (FBGs) i de xarxes de difracció de període llarg (LPGs) personalitzades per tal de desenvolupar noves plataformes de detecció i al mateix temps millorar la resposta i les prestacions dels sensors fotònics ja existents. En este context, una tècnica basada en l'anàlisi temps-freqüència s'ha estudiat i implementat per a la interrogació de sensors en fibra basats en diversos tipus i models de FBGs. S'ha analitzat la distribució de la longitud d'ona central al llarg de l'estructura de sensat, gràcies a una metodologia que comporta l'escaneig en freqüència del pols òptic incident i la tècnica coneguda com reflectometria òptica en el domini del temps (OTDR). D'esta manera s'ha dut a terme la detecció d'esdeveniments puntuals, aconseguint molt bones prestacions en termes de resolució de la magnitud a mesurar. A més, s'han interrogat diverses FBGs a través d'una tècnica basada en el principi d'operació dels filtres de fotònica de microones (MWP), aconseguint així la detecció d'esdeveniments puntuals utilitzant dispositius de ràdio-freqüència (RF) caracteritzats per un moderat ample de banda. La capacitat de sensat d'aquestes plataformes tecnològiques ha sigut aprofitada per a la realització d'un sensor quasi-distribuït a llarga escala, format per una estructura en cascada de moltes FBGs. D'altra banda, s'han posat a prova les capacitats de les LPGs com a sensors òptics segons un enfocament nou; per a això s'han aprofitat les potencialitats dels filtres de MWP. Així mateix, s'ha estudiat i demostrat un nou mètode per a mesures simultànies de dos paràmetres, basat en una LPG parcialment recoberta per una pel¿lícula polimèrica. Finalment, s'ha explotat la viabilitat de les FBGs pel que fa al filtrat selectiu en longitud d'ona per a aplicacions de sensat; per això s'ha proposat un sistema alternatiu per a la millora de la resposta i de les prestacions de sensors òptics distribuïts basats en el scattering de Brillouin. S'han analitzat i avaluat les prestacions de les plataformes de sensat propostes per a caracteritzar el seu impacte en l'àmbit dels sistemes de detecció per fibra i a més identificar l'ús de la tecnologia més adequada depenent de la tasca a desenvolupar i de l'objectiu a assolir.Ricchiuti, AL. (2016). Design and fabrication of customized fiber gratings to improve the interrogation of optical fiber sensors [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/66343TESISPremiad

Using global existing fiber networks for environmental sensing

We review recent advances in distributed fiber optic sensing (DFOS) and their applications. The scattering mechanisms in glass, which are exploited for reflectometry-based DFOS, are Rayleigh, Brillouin, and Raman scatterings. These are sensitive to either strain and/or temperature, allowing optical fiber cables to monitor their ambient environment in addition to their conventional role as a medium for telecommunications. Recently, DFOS leveraged technologies developed for telecommunications, such as coherent detection, digital signal processing, coding, and spatial/frequency diversity, to achieve improved performance in terms of measurand resolution, reach, spatial resolution, and bandwidth. We review the theory and architecture of commonly used DFOS methods. We provide recent experimental and field trial results where DFOS was used in wide-ranging applications, such as geohazard monitoring, seismic monitoring, traffic monitoring, and infrastructure health monitoring. Events of interest often have unique signatures either in the spatial, temporal, frequency, or wavenumber domains. Based on the temperature and strain raw data obtained from DFOS, downstream postprocessing allows the detection, classification, and localization of events. Combining DFOS with machine learning methods, it is possible to realize complete sensor systems that are compact, low cost, and can operate in harsh environments and difficult-to-access locations, facilitating increased public safety and smarter cities

Fiber Optic Sensors and Fiber Lasers

The optical fiber industry is emerging from the market for selling simple accessories using optical fiber to the new optical-IT convergence sensor market combined with high value-added smart industries such as the bio industry. Among them, fiber optic sensors and fiber lasers are growing faster and more accurately by utilizing fiber optics in various fields such as shipbuilding, construction, energy, military, railway, security, and medical.This Special Issue aims to present novel and innovative applications of sensors and devices based on fiber optic sensors and fiber lasers, and covers a wide range of applications of optical sensors. In this Special Issue, original research articles, as well as reviews, have been published