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

Single-shot distributed temperature and strain tracking using direct detection phase-sensitive OTDR with chirped pulses

So far, the optical pulses used in phase-sensitive OTDR (ΦOTDR) were typically engineered so as to have a constant phase along the pulse. In this work, it is demonstrated that by acting on the phase profile of the optical pulses, it is possible to introduce important conceptual and practical changes to the traditional ΦOTDR operation, thus opening a door for new possibilities which are yet to be explored. Using a ΦOTDR with linearly chirped pulses and direct detection, the distributed measurement of temperature/strain changes from trace to trace, with 1mK/4nε resolution, is theoreticaly and experimentaly demonstrated. The measurand resolution and sensitivity can be tuned by acting on the pulse chirp profile. The technique does not require a frequency sweep, thus greatly decreasing the measurement time and complexity of the system, while maintaining the potential for metric spatial resolutions over tens of kilometers as in conventional ΦOTDR. The technique allows for measurements at kHz rates, while maintaining reliability over several hours.European CommissionMinisterio de Economía y CompetitividadComunidad de Madri

Long-range, Power-efficient Distributed Flow Measurements Using Chirped-pulse Phase-sensitive Reflectometry

The Optical Networking and Communication Conference & Exhibition,, 11/03/2018-15/03/2018, San Diego, Estados Unidos.We demonstrate a technique allowing to perform distributed wind speed measurements over >17 km with <0.6 km/h uncertainty at only 60 mW/m of power dissipation. Applications in dynamic line rating and catenary monitoring are envisaged.European CommissionMInisterio de Economía y CompetitividadComunidad de MadridUniversidad de Alcal

> 10 dB SNR Enhancement in Distributed Acoustic Sensors through First Order Phase Noise Cancellation

The Optical Networking and Communication Conference & Exhibition, 11/03/2018-15/03/2018, San Diego, Estados Unidos.The performance of Rayleigh-based distributed acoustic sensors (DAS) is strongly dependent on the coherence of the laser source. We present a simple methodology to reduce the impact of the laser phase noise in chirped-pulse DAS.European CommissionMinisterio de Economía y Competitivida

Laser Phase-noise Cancellation in Chirped-pulse Distributed Acoustic Sensors

European CommissionMinisterio de Economía y CompetitividadComunidad de Madri

Protecting fiber-optic links from third party intrusion using distributed acoustic sensors

19th International Conference on Transparent Optical Networks, 02/07/2017-06/07/2017, Girona, España.European CommissionMinisterio de Economía y CompetitividadComunidad de Madri

Distributed gas detection along microstructured optical fibers through photothermal absorption

X Reunión Española de Optoelectrónica (OPTOEL17), 12/07/2017-14/07/2017, Santiago de Compostela, España.Chirped-pulse phase-sensitive optical time domain reflectometry has shown a remarkable performance when applied to dynamic measurements of strain and temperature, recently reaching ranges of several kilometers while interrogating the fiber at acoustic frequencies. In this work, its sensitivity, fast response, and high spatial resolution are exploited to demonstrate the reliability of a selective distributed chemical sensor based on the photothermal effect. The presented scheme performs distributed spectroscopic detection of acetylene along a holey fiber. This potentially gives rise to a new kind of distributed chemical sensors able to track the concentration of chemical species over kilometres.European CommissionMinisterio de Economía y CompetitividadComunidad de Madri

Chirped-pulse phase-sensitive reflectometry

X Reunión Española de Optoelectrónica (OPTOEL17), 12/07/2017-14/07/2017, Santiago de Compostela, España.In this work, a new distributed fiber sensor named chirped-pulse phase-sensitive OTDR is presented. It is based on a phase-sensitive OTDR using direct detection and linearly chirped pulses. The new sensor allows the dynamic and quantitative measurement of temperature/strain changes, with mK/nå resolution. The technique does not require a frequency sweep or coherent detection. It is presented the fundamentals of the sensor and measurements of temperature, vibrations and music.European CommissionMinisterio de Economía y CompetitividadComunidad de Madri

Chirped-pulse Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometry

Asia Communications and Photonics Conference, 02/11/2016-05/11/2016, Wuhan, China.European CommissionMinisterio de Economía y CompetitividadComunidad de Madri

Chirped-pulse Phase-sensitive Reflectometer Assisted by First Order Raman Amplification

The use of linearly chirped probe pulses in phase sensitive-(Phi)OTDR technology has been recently demonstrated to allow for high-resolution, quantitative and dynamic temperature or strain variation measurements in a simple and very robust manner. This new sensing technology, known as chirped-pulse PhiOTDR, had a maximum reported sensing range of 11 km. In this paper, a 75 km sensing range with 10 m spatial resolution is demonstrated by using bidirectional first order Raman amplification. The system is capable of performing truly linear, single-shot measurements of strain perturbations with an update rate of 1 kHz and 1 nepsilon resolution. The time-domain trace of the sensor exhibits a signal to noise ratio (SNR) in the worst point of >3 dB, allowing to monitor vibrations up to 500 Hz with remarkable accuracy. To demonstrate the capabilities of the proposed system, we apply 20 dB (with only 300 ms analysis window and no post-processing) and no evidence of nonlinearity in the acoustic response. The optical nonlinear effects that the probe pulse could suffer along the sensing fiber are thoroughly studied, paying special attention to potential distortions of the pulse shape, particularly in its instantaneous frequency profile. Our analysis reveals that, for proper values of peak power, the pulse does not suffer any major distortion and therefore the system performance is not compromised.European CommissionMinisterio de Economía y CompetitividadComunidad de Madri