Aplicações De Métodos De Sensoriamento De Vibração Baseados Em Técnicas

Orientadores: Fabiano Fruett, Claudio FloridiaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Sensores à fibra óptica distribuídos têm sido empregados para monitorar vários parâmetros, tais como temperatura, vibração, tensão mecânica, campo magnético e corrente elétrica. Quando comparados a outras técnicas convencionais, tais sensores são vantajosos devido a suas pequenas dimensões, imunidade a interferências eletromagnéticas, alta adaptabilidade, robustez a ambientes nocivos, dentre outros. Sensores acústicos distribuídos em particular são interessantes devido a sua capacidade em serem usados em aplicações tais como monitoração de saúde de estruturas e vigilância de perímetros. Através da análise em frequência da estrutura, por exemplo uma aeronave, uma ponte, um edifício ou mesmo máquinas em uma fábrica, é possível avaliar sua condição e detectar danos e falhas em um estágio primário. Tais soluções podem cobrir ambas as aplicações de detecção de intrusão e monitoração estrutural com mínimas adaptações no sistema sensor. Desta forma, vibrações e distúrbios pequenas estruturas com resolução de dezenas de centímetros e em grandes estruturas ou perímetros com alguns metros de resolução espacial e centenas de quilômetros de alcance podem ser detectadas. Outra característica útil desta solução baseada em fibra óptica é a possibilidade de ser combinada com técnicas de processamento digital de sinais, permitindo a detecção e localização de perturbações rápidas, reconhecimento de padrões de intrusão em tempo real e multiplexação de dados de superfícies estruturais para aplicações SHM. O principal objetivo desta tese é fazer uso desses recursos para empregar técnicas de DAS como soluções de tecnologias- chave para várias aplicações. Neste trabalho, as técnicas de phase-OTDR foram estudadas e as principais contribuições da tese focaram em trazer soluções inovadoras e validações para aplicações de vigilância e vigilância. Este doutorado teve um período sanduíche nas instalações da RISE Acreo AB, Estocolmo, Suécia, onde experimentos foram realizados e foi parte da 42ª Chamada CISB/Saab/CNPqAbstract: Distributed optical fiber sensors have been increasingly employed for monitoring several parameters, such as temperature, vibration, strain, magnetic field and current. When compared to other conventional techniques, these sensors are advantageous due to their small dimensions, lightweight, immunity to electromagnetic interference, high adaptability, robustness to hazardous environments, less complex data multiplexing, the feasibility to be embedded into structures with minimum invasion, the capability to extract data with high resolution from long perimeters using a single optical fiber and detect multiple events along the fiber. In particular, distributed acoustic sensors (DAS) based on optical time domain reflectometry (OTDR), are of high interest, due to their capability to be used in applications such as structural health monitoring (SHM) and perimeter surveillance. Through the frequency analysis of a structure, for instance an aircraft, a bridge, a building or even machines in a workshop, it is possible to evaluate its condition and detect damages and failures at an early stage. Also, OTDR based solutions for vibration monitoring can be easily adapted with minimum setup modifications to detect intrusion in a perimeter, a useful tool for surveillance of military facilities, laboratories, power plants and homeland security. The same OTDR technique can be used as a non-destructive diagnostic tool to evaluate vibrations and disturbances on both small structures with some dozens of centimeters¿ resolution and in big structures or perimeters with some meters of spatial resolution and hundreds of kilometers of reach. Another useful feature of this optical fiber based solution is the possibility to be combined with high-performance digital signal processing techniques, enabling fast disturbance detection and location, real-time intrusion pattern recognition and fast data multiplexing of structure surfaces for SHM applications. The main goal of this thesis is to make use of these features to employ DAS techniques as key enabling technologies solutions for several applications. In this work, OTDR based techniques were studied and the thesis main contributions were focused on bringing innovative solutions and validations for SHM and surveillance applications. This PhD had a sandwich period at Acreo AB, Stockholm, Sweden, where experimental tests were performed and it was part of the 42ª CISB/Saab/CNPq CalDoutoradoEletrônica, Microeletrônica e OptoeletrônicaDoutora em Engenharia Elétrica202816/2015-0CAPESCNP

PMD distributed measurement technique based on pOTDR

Orientadores: Fabiano Fruett, Claudio FloridiaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Neste trabalho foi proposto e demonstrado experimentalmente uma técnica para medição de Dis-persão dos Modos de Polarização (PMD) distribuída em enlaces ópticos baseada no uso de Refle-tômetro Óptico no Domínio do Tempo (OTDR) e de polarização da luz. A motivação deste traba-lho reside no constante aumento da demanda por informação e transmissão de dados, fato que tem causado a evolução de sistemas de comunicação óptica para operar em elevadas taxas de bits. Estes sofisticados sistemas de comunicação requerem sensores paramétricos precisos, exatos, estáveis e capazes de monitorar os parâmetros dos enlaces de fibra óptica e sinais ópticos que compõe esta rede. Dentre os parâmetros a serem monitorados está a PMD, dispersão modal que defasa os modos de polarização de um sinal óptico, causando o alargamento temporal do pulso óptico transmitido. Este alargamento aumenta a interferência inter-simbólica do sinal e, conse-quentemente, degrada o desempenho da recepção do sinal. Foi realizada uma revisão bibliográfica a fim de identificar os métodos propostos até o momento para medição de PMD de primeira ordem, também conhecida como Atraso Diferencial de Grupo (DGD). Os métodos analisados compreenderam tanto medições ponto a ponto quanto medições distribuídas de DGD. Ao final da revisão, concluiu-se que, dentre as técnicas propostas até o momento, as que apresentam maior vantagem são as que possibilitam a medição distribuída da PMD ao longo do enlace. Desta forma, não é necessário desconectar cada trecho de fibra do enla-ce para medir sua DGD separadamente, economizando tempo, investimento financeiro e deslo-camento de operadores por longas extensões. Visando este cenário, foi definida como meta deste trabalho a proposta de um método capaz de localizar, qualitativa e quantitativamente, trechos de elevada PMD em um enlace óptico. Para atingir esta meta foi proposta neste trabalho uma técnica baseada em polarização da luz e refletometria óptica no domínio do tempo (pOTDR). Esta técnica se destaca por sua simplicidade de implementação e o uso de componentes passivos, sendo o OTDR o único instrumento ativo. O método proposto foi testado em enlaces ópticos laboratoriais e em uma rede óptica de tráfego real. A técnica proposta é inovadora e o estudo detalhado do estado da arte de métodos de medir PMD em fibras ópticas provou que sua concepção e validação foram ambas realizadas pela pri-meira vez que se tenha conhecimentoAbstract: In this work was proposed and experimentally demonstrated a Polarization Mode Dispersion (PMD) distributed measurement technique based on Optical Time Domain Reflectometer (OTDR) and optical polarization. The main motivation of this research is the constant growth of information and data traffic demands, which leads the evolution of optical communication systems to operate on higher data rates. These sophisticated communication systems require parametric, precise and stable sensors; able to monitor the optical fiber links parameters and the propagating optical signals condition. Among the monitored parameters is the PMD, a modal dispersion that delays the polarization modes of a propagating optical signal over an optical fiber. This dispersion results in a pulse broadening in time domain, causing inter-symbol interference (ISI), which degrades the received signal performance. It was performed a state of the art bibliographic review in order to identify the first order PMD monitoring methods proposed so far. The analyzed methods cover both point-to-point and dis-tributed PMD measurement. After the review, it was concluded that the most advantageous meth-ods are those that allow PMD distributed measurement along a fiber link. Therefore, it excludes the need of disconnect each fiber section link to point-to-point measure its global PMD. It saves time, finantial investment and technician displacement through long distances. In this sceneraio, it was defined as target of this work the proposal of a method capable to localize, quantitatively and qualitatively, high PMD sections in an optical fiber link. In order to achieve this goal, it was proposed a technique based on optical polarization and optical time domain reflectometer (pOTDR). This technique stands out for its implementation simplicity and the use of passive optical elements, besides the OTDR. The proposed method was tested both in laboratorial and field optical links. The detailed state-of-the art studies of PMD monitoring techniques proved that the conception and validation of the proposed method was performed for the first time known. Keywords: Polarization. Sensor. Fiber Optics. PMD. OTDRMestradoEletrônica, Microeletrônica e OptoeletrônicaMestra em Engenharia Elétric