(a) Principio di funzionamento della tecnica TE-?OTDR. La fibra in esame viene sondata da un pettine di frequenza ottica con spaziatura tra i denti e profilo di fase spettrale casuale. La risposta all'impulso della fibra è codificata sul segnale retrodiffuso generato dalla propagazione del pettine della sonda. Questo segnale viene battuto con un oscillatore locale, che è un altro pettine di frequenza ottico con lo stesso profilo di fase spettrale casuale. Il LO e il pettine sonda sono composti dallo stesso numero di linee, ma l'interlinea del LO è leggermente superiore di un importo. La fase di rilevamento consiste in un fotorivelatore bilanciato seguito da un filtro passa basso elettrico. Il battito tra le linee del pettine della sonda e le linee adiacenti del pettine LO dà come risultato un pettine a radiofrequenza con una spaziatura dei denti data da . Ciò comporta una down-conversion della larghezza di banda ottica, essendo il fattore di compressione CF il rapporto tra e . In alternativa, il suddetto processo può essere inteso nel dominio del tempo come una grande espansione temporale del segnale rilevato. (b) Mappa della temperatura di un punto caldo con 2 cm di lunghezza misurata dallo schema TE-OTDR. Si recupera una perturbazione di 0.2 Hz. (c) Mappa di deformazione dinamica intorno a 4 cm di lunghezza ottenuta mediante lo schema TE-OTDR range-extended. In questo caso si recupera una perturbazione di 5 Hz. Credito:Miguel Soriano-Amat, Hugo F. Martins, Vicente Duran, Luis Costa, Sonia Martin Lopez, Miguel Gonzalez-Herreez e María R. Fernández-Ruiz
Il rilevamento distribuito in fibra ottica (DOFS) è attualmente una tecnologia matura che consente di "trasformare" una fibra ottica convenzionale in una serie continua di sensori individuali, che sono distribuiti lungo la sua lunghezza. Tra la panoplia di tecniche sviluppate nel campo dei DOFS, quelli basati sulla riflettometria ottica nel dominio del tempo (ΦOTDR) sensibile alla fase hanno guadagnato molta attenzione, principalmente grazie alla loro capacità di misurare deformazioni e perturbazioni di temperatura in tempo reale. Queste caratteristiche uniche, insieme ad altri vantaggi dei sensori distribuiti (peso ridotto, immunità elettromagnetica e dimensioni ridotte) rendono i sensori ΦOTDR un'ottima soluzione per il monitoraggio di grandi infrastrutture (come ponti e condotte), soprattutto se si considera che il loro costo è inversamente proporzionale al numero dei punti di rilevamento, e la sua risoluzione può raggiungere alcuni metri.
In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazioni della luce , un team di scienziati dell'Università di Alcalá, L'Università Jaume I e il Consiglio spagnolo della ricerca (CSIC) presentano un nuovo interrogatore in fibra ottica per condurre ΦOTDR. Si basa su una nota tecnica interferometrica che impiega due pettini di frequenza ottica reciprocamente coerenti. Questo nuovo interrogatore consente il rilevamento della deformazione e/o della temperatura con risoluzioni sulla scala cm fino a 1 km di distanza (cioè, fornisce> 104 punti di rilevamento distribuiti lungo la fibra ottica). Alla luce dei risultati riportati, questo approccio apre le porte a DOFS convenienti in applicazioni a corto raggio e ad alta risoluzione, come il monitoraggio dello stato di salute della struttura dei componenti aerospaziali e la sorveglianza della produzione di pozzi, che ad oggi hanno un costo proibitivo.
La tecnica presentata nel documento, chiamato ΦOTDR esteso nel tempo (TE-ΦOTDR), si basa sull'uso di un pettine di frequenza ottica ultra-denso intelligentemente progettato per sondare una fibra di rilevamento. Un debole segnale di ritorno è quindi originato dalla diffusione elastica sperimentata dalla luce. Questo segnale viene rilevato facendolo interferire con un secondo pettine, che ha una larghezza di banda e una codifica di fase spettrale simile a quella della sonda, ma una diversa distanza tra i denti. Il risultato è un'interferenza multi-eterodina che produce una "estensione temporale" dei segnali rilevati (vedi Figura). Nel dominio della frequenza, questo processo può essere inteso come una "down-conversion" di frequenza (una mappatura da ottico a elettrico). Nello schema a doppio pettine sviluppato per DOFS, entrambi i pettini sono generati dallo stesso laser ad onda continua, grazie ad una coppia di modulatori elettro-ottici pilotati da un unico generatore di forme d'onda arbitrarie.
Alcune caratteristiche notevoli di questo schema sono:(i) la flessibilità nella progettazione dei pettini, che consente all'utente di ottenere le prestazioni mirate per il sensore; (ii) la ridotta larghezza di banda di rilevamento (nel regime sub-megahertz per risoluzione centimetrica oltre i 200 metri), che è una conseguenza dell'estensione temporale sperimentata dai segnali rilevati; e (iii) la capacità di massimizzare la potenza iniettata nella fibra di rilevamento. Quest'ultima caratteristica è fondamentale per realizzare un vero e proprio rilevamento distribuito, data l'estrema debolezza del fenomeno dello scattering elastico. Introducendo un profilo di fase casuale controllato nei pettini generati, la potenza di picco dei segnali ottici può essere minimizzata, preservando una potenza media elevata per migliorare il rapporto segnale/rumore del sensore. Inoltre, la fase codificata viene demodulata automaticamente al rilevamento, non richiedono ulteriore post-elaborazione.
"Lo schema di rilevamento basato su uno schema convenzionale a doppio pettine ci consente di raggiungere risoluzioni in cm su campi di rilevamento di poche centinaia di metri, mantenendo una velocità di misurazione di decine di hertz. Nella carta, introduciamo anche una strategia per estendere significativamente il range di rilevamento senza ridurre la frequenza di campionamento acustico. L'idea di base è quella di impiegare due pettini di frequenza con spaziatura dei denti molto dissimile, quindi i segnali temporali generati hanno periodi di rapporto quasi intero. Questo schema, precedentemente applicato al campo della spettroscopia, permette di misurare fibre fino a 1 km di lunghezza con una risoluzione spaziale di 4 cm. Questo significa 25, 000 punti di rilevamento individuali lungo la fibra. Questo miglioramento delle prestazioni ha il costo di aumentare in una certa misura la larghezza di banda di rilevamento (fino a pochi megahertz), così come la complessità dell'algoritmo di elaborazione, pur conservando i vantaggi fondamentali del metodo."
"Le tecniche presentate espongono un'arena operativa completamente nuova per i sensori dinamici basati su ΦOTDR, che era limitato a campi che richiedevano il rilevamento lungo decine di chilometri e risoluzioni su scala metrica per presentarsi come una soluzione utile. I risultati dimostrati nel documento sono un passo promettente per progettare un sensore distribuito che fornisca una rapida velocità di acquisizione, larghezza di banda di rilevamento ridotta e risoluzione spaziale nitida, " hanno aggiunto.
