Un gruppo di ricerca che comprende membri del Tokyo Institute of Technology e della Japan Society for the Promotion of Science ha sviluppato un sistema di rilevamento distribuito in fibra ottica in tempo reale per deformazione e temperatura. Il sistema richiede l'iniezione di luce da una sola estremità della fibra e può raggiungere una frequenza di campionamento di 100 kHz, un miglioramento di oltre 5, 000 volte la tariffa convenzionale.

L'invecchiamento e il danno sismico delle infrastrutture civili rappresentano un serio problema per la società. Una tecnologia promettente per il monitoraggio delle condizioni delle strutture è il rilevamento della fibra ottica. Incorporando lunghe fibre ottiche in una struttura, è possibile rilevare le distribuzioni di deformazione e temperatura lungo le fibre. Tra le varie tipologie di sensori in fibra ottica, sensori di deformazione e temperatura distribuiti basati sullo scattering di Brillouin hanno ricevuto molta attenzione a causa della loro elevata sensibilità e stabilità. In particolare, riflettometria Brillouin nel dominio della correlazione ottica (BOCDR), che opera in base al controllo di correlazione delle onde luminose continue, è noto per essere una tecnica di rilevamento distribuito intrinsecamente a un'estremità con un'elevata risoluzione spaziale ( <1cm). Però, la frequenza di campionamento più alta riportata per BOCDR era 19 Hz, risultando in un tempo totale relativamente lungo di misurazione distribuita (da alcune decine di secondi a diversi minuti). Cercando di risolvere questa mancanza, i ricercatori Yosuke Mizuno e Kentaro Nakamura del Tokyo Institute of Technology, Neisei Hayashi, un borsista della Japan Society for the Promotion of Science dell'Università di Tokyo, e i loro collaboratori sono recentemente riusciti ad aumentare la frequenza di campionamento di BOCDR a 100 kHz, oltre 5000 volte il tasso precedente, consentendo misurazioni distribuite in tempo reale. Il loro studio è pubblicato nel numero di dicembre 2016 di Luce:scienza e applicazioni .

In tutti i sensori Brillouin, la dipendenza dalla deformazione e dalla temperatura dello spostamento di frequenza di Brillouin (BFS) viene sfruttata per derivare la deformazione e la temperatura. Nel BOCDR convenzionale, il BFS si ottiene eseguendo uno sweep di frequenza sull'intero spettro di guadagno di Brillouin (BGS) utilizzando un analizzatore di spettro elettrico. Così, la velocità di scansione dell'analizzatore di spettro limita la frequenza di campionamento a 19 Hz. Scorrendo invece lo spettro di frequenza utilizzando un oscillatore controllato in tensione, i ricercatori sono stati in grado di ottenere un'acquisizione a velocità più elevata (Fig. 1 (a)). Però, derivare il BFS dal BGS limitava ancora la frequenza di campionamento. Per velocizzare ulteriormente il sistema, il BGS è stato convertito in una forma d'onda sinusoidale sincrona utilizzando un filtro passa banda, permettendo al BFS di essere espresso come il suo ritardo di fase. Quindi, utilizzando una porta logica OR esclusivo e un filtro passa basso, il ritardo di fase è stato successivamente convertito in una tensione, che è stato misurato direttamente (Fig. 1 (b)).

Una velocità di campionamento della deformazione fino a 100 kHz è stata verificata sperimentalmente rilevando una deformazione dinamica di 1 kHz applicata in una posizione arbitraria lungo la fibra. Quando le misurazioni distribuite sono state eseguite in 100 punti con una media di 10 volte, una frequenza di ripetizione di 100 Hz è stata verificata inseguendo un'onda meccanica che si propaga lungo la fibra (Fig. 2). Così, i ricercatori sono stati i primi a ottenere il rilevamento Brillouin distribuito in tempo reale con un accesso unico. Una dimostrazione video del sistema è disponibile online.

Si prevede che il sistema di rilevamento sia utile nel monitoraggio della salute di varie strutture, che vanno da edifici e ponti a pale di mulini a vento e ali di aerei. Il sistema ha anche potenziali applicazioni in robotica, agendo come "nervi" elettronici per rilevare il tocco, distorsione, e variazione di temperatura.