Implementación y testeo del método de alineamiento temporal de señales biomédicas basado en autovalores

Una aspecto importante a la hora de obtener una estimación robusta de una señal biológica repetitiva es el alienamiento de los diferentes segmentos de la señal donde encontramos la periodicidad, para su posterior promediado. Actualmente exiten métodos de alineamiento muy eficaces basados en la autocorrelación. En este proyecto proponemos un nuevo método de alineamiento más eficiente en computo basado en los autovalores y autovectores de la matriz de autocorrelación

Unsupervised anomaly detection applied to F-OTDR

Distributed acoustic sensors (DASs) based on direct-detection Φ-OTDR use the light–matter interaction between light pulses and optical fiber to detect mechanical events in the fiber environment. The signals received in Φ-OTDR come from the coherent interference of the portion of the fiber illuminated by the light pulse. Its high sensitivity to minute phase changes in the fiber results in a severe reduction in the signal to noise ratio in the intensity trace that demands processing techniques be able to isolate events. For this purpose, this paper proposes a method based on Unsupervised Anomaly Detection techniques which make use of concepts from the field of deep learning and allow the removal of much of the noise from the Φ-OTDR signals. The fact that this method is unsupervised means that no human-labeled data are needed for training and only event-free data are used for this purpose. Moreover, this method has been implemented and its performance has been tested with real data showing promising results

Desarrollo y caracterización de un sensor acústico distribuido basado en la técnica de medida C-OTDR

En este trabajo se presenta el desarrollo de un sistema DAS (distributed acoustic sensor) de fibra óptica basado en la técnica de reflectometría óptica coherente en dominio temporal (C-OTDR), la caracterización de sus prestaciones de alcance y sensibilidad y el análisis de los fenómenos lineales y no lineales que limitan las capacidades del mismo. Este trabajo se ha realizado en colaboración con la empresa APL (Aragón Photonics Labs)

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 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.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).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.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.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.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 /

Monitorización de flecha en OPPC mediante CP-ФOTDR

La tecnología CP-ФOTDR permite la medida lineal de strain en cables de alta tensión. El análisis en tiempo real de las frecuencias de vibración de la línea posibilita la monitorización del valor de la flecha, lo que viabiliza el ajuste dinámico de la capacidad de la línea, mejorando su seguridad y eficiencia

The application of distributed optical fiber sensors (BOTDA) to sinkhole monitoring. Review and the case of a damaging sinkhole in the Ebro Valley evaporite karst (NE Spain)

Distributed optical fiber sensors (DOFS) have been postulated as a suitable technique for long-range monitoring of sinkhole-related subsidence, and possibly for the anticipation of catastrophic collapse (early-warning systems). The strain data published in previous works refer to artificial experiments considering real and virtual cover collapse sinkholes characterized by rapid subsidence and sharp lateral deformation gradients. The influence of the subsidence mechanism (sagging, collapse, suffosion) on the capability of DOFS to satisfactorily detect active subsidence is discussed. Sagging sinkholes with poorly-defined lateral edges, low lateral deformation gradients and slow subsidence are identified as the most challenging scenario. The performance of BOTDA optical fiber for monitoring such type of sagging sinkholes is evaluated in the active Alcalá sinkhole, which affects a flood-control dike creating a high-risk and -uncertainty scenario. This sinkhole shows active subsidence in sections tens of meters long with maximum subsidence rates ranging between 5 and 35 mm/yr. The comparison of vertical displacement data measured by high-precision leveling and the strain recorded by two types of fiber optic cables shows good spatial and temporal correlation. The subsidence sections are captured in the strain profiles by: (1) troughs of negative strain (contraction) in the area affected by subsidence, with the maximum strain associated with the point of most rapid settlement; and (2) lateral ridges of positive values (extension) in the marginal zones. A subsidence acceleration phase associated with a flood is also captured by substantial increments in the strain values. In this challenging scenario, despite the reasonably good spatial and temporal correlation between the displacement and strain data, the unambiguous identification of the active subsidence area with the fiber optic data alone might be difficult. Better results could be obtained improving the monitoring system (e.g., tighter cable-ground coupling) and testing other types of sinkholes with more localized deformation zones and higher subsidence rates

Time-expanded FOTDR based on Orthogonal Polarization Frequency Comb generation

Phase-sensitive Optical Time-Domain Reflectometry (ΦOTDR) has emerged as an effective and high-performance solution within the realm of Distributed Optical Fiber Sensing (DOFS) technologies, which has promoted its use in an ever-growing number of fields. The challenges arisen by new operation fields demand surpassing the historical trade-offs in this technology, specially aiming for higher resolution without jeopardizing the system simplicity and cost-effectiveness. In this context, time-expanded (TE-)ΦOTDR has been recently proposed as a DOFS solution delivering cm-range resolution with sub-MHz detection and acquisition bandwidths. It is based on the use of an interferometric scheme that employs a dual frequency comb (DFC), consisting of two mutually coherent optical frequency combs with dissimilar repetition rates. In this paper, we present a novel DFC generation scheme for TE-ΦOTDR that exploits the polarization orthogonality. In particular, our approach considerably increases the common path followed by the two frequency combs, thus reducing instability and noise as compared to the conventional generation scheme. Additionally, we employ an IQ modulation scheme with two PRBS generators that increases the scalability of the interrogator while severely reducing its cost and complexity. Results show a reduction in the noise amplitude spectral density especially at low frequency values, which corroborates the stability enhancement of this proposed architecture as compared to the conventional scheme

Monitoring of a highly flexible aircraft model wing using time-expanded phase-sensitive OTDR

In recent years, the use of highly flexible wings in aerial vehicles (e.g., aircraft or drones) has been attracting increasing interest, as they are lightweight, which can improve fuel-efficiency and distinct flight performances. Continuous wing monitoring can provide valuable information to prevent fatal failures and optimize aircraft control. In this paper, we demonstrate the capabilities of a distributed optical fiber sensor based on time-expanded phase-sensitive optical time-domain reflectometry (TE-ΦOTDR) technology for structural health monitoring of highly flexible wings, including static (i.e., bend and torsion), and dynamic (e.g., vibration) structural deformation. This distributed sensing technology provides a remarkable spatial resolution of 2 cm, with detection and processing bandwidths well under the MHz, arising as a novel, highly efficient monitoring methodology for this kind of structure. Conventional optical fibers were embedded in two highly flexible specimens that represented an aircraft wing, and different bending and twisting movements were detected and quantified with high sensitivity and minimal intrusiveness

Unsupervised Anomaly Detection Applied to &Phi;-OTDR

Distributed acoustic sensors (DASs) based on direct-detection &Phi;-OTDR use the light&ndash;matter interaction between light pulses and optical fiber to detect mechanical events in the fiber environment. The signals received in &Phi;-OTDR come from the coherent interference of the portion of the fiber illuminated by the light pulse. Its high sensitivity to minute phase changes in the fiber results in a severe reduction in the signal to noise ratio in the intensity trace that demands processing techniques be able to isolate events. For this purpose, this paper proposes a method based on Unsupervised Anomaly Detection techniques which make use of concepts from the field of deep learning and allow the removal of much of the noise from the &Phi;-OTDR signals. The fact that this method is unsupervised means that no human-labeled data are needed for training and only event-free data are used for this purpose. Moreover, this method has been implemented and its performance has been tested with real data showing promising results

Overhead transmission line sag monitoring using a chirped-pulse phase-sensitive OTDR

The capacity of overhead transmission lines is fixed and determined by the physical properties of the line, which are estimated based on worst-case weather scenarios. Exceeding the capacity limit can cause the conductor to increase the sag excessively, bringing it too close to the ground and creating a safety risk. Real-time monitoring of the sag value enables dynamic capacity configuration, thereby reducing safety risks and improving the efficiency of the transmission line. Distributed acoustic sensing based on chirped-pulse phase-sensitive optical time-domain reflectometry (CP- Φ OTDR) can be used to measure the vibration induced by wind on the cable line taking advantage of the optical fiber already deployed in the power line. An analysis of the recovered strain in the frequency domain reveals multiple frequency components related to the cable’s current mechanical state. By identifying the fundamental frequency, it becomes possible to quantitatively calculate the sag. Tracking the central frequency of each span allows for the monitoring of the sag for each span of the line using just one single-end interrogator