Sviluppi nella tecnologia BOTDR a singolo fotone

I sensori a fibra ottica distribuita sono super importanti in vari campi, soprattutto nell'ingegneria civile. Aiutano a monitorare strutture come tubazioni e cavi sottomarini. Questi sensori sfruttano un fenomeno chiamato scattering Brillouin, che permette di misurare i cambiamenti di temperatura e deformazione lungo una fibra.

Lo scattering Brillouin può essere utilizzato in due tipi principali di sensori: i sensori di analisi temporale ottica Brillouin (BOTDA) e i riflettometri di dominio temporale ottico Brillouin (BOTDR). I sensori BOTDA richiedono accesso a entrambe le estremità della fibra, mentre i sensori BOTDR necessitano solo di accesso a un'estremità, rendendoli più facili da usare.

#La necessità di un intervallo di misura migliorato

Una grande sfida con questi sensori è il rapporto segnale-rumore (SNR), che influisce su quanto lontano il sensore può misurare. La maggior parte dei sensori commerciali può misurare distanze di circa 75 km. Sono stati fatti molti sforzi per migliorare il SNR, inclusa l'uso di fonti di luce e amplificatori migliori. Tuttavia, il tipo di fotodetttore usato spesso limita le prestazioni.

Le tecnologie recenti hanno introdotto nuovi rivelatori, come i diodi avalanche a singolo fotone (SPAD), che hanno dimostrato di avere potenziale nel migliorare l'intervallo di rilevamento mantenendo una buona risoluzione. Nonostante ciò, non ci sono stati molti studi sull'uso degli SPAD nei sistemi BOTDR.

#Introduzione al BOTDR a singolo fotone

Questo articolo presenta un nuovo tipo di BOTDR che utilizza la tecnologia a singolo fotone. Questo sistema può misurare temperature lungo una fibra di 120 km con una risoluzione spaziale di 10 metri. Invece di utilizzare una scansione di frequenza come nei metodi più vecchi, questo approccio utilizza un reticolo di Bragg in fibra (FBG) per rilevare i cambiamenti di frequenza basati sul tasso di conteggio dei fotoni rilevati dallo SPAD.

#Misurazione della temperatura nella fibra

Lo SPAD viene utilizzato per rilevare la luce che è stata diffusa all'indietro lungo la fibra a causa dei cambiamenti di temperatura. La luce retrodiffusa cambia frequenza a causa di queste variazioni di temperatura. Misurando quanto cambia la frequenza, possiamo determinare la temperatura lungo la lunghezza della fibra.

Nel nostro setup, progettiamo attentamente il sistema per migliorare il SNR. Questo implica l'uso di un laser a banda ristretta per inviare segnali nella fibra, dove si diffondono e tornano. Le variazioni di frequenza causate dai cambiamenti di temperatura vengono rilevate e elaborate per convertirle in misurazioni di temperatura significative.

#Vantaggi dell'uso di un FBG stretto

Invece di un metodo tradizionale che richiede la scansione delle frequenze, questo sistema utilizza un FBG stretto per convertire i cambiamenti di frequenza in variazioni di intensità. Questo ci consente di misurare la temperatura senza il tempo aggiuntivo della scansione, permettendo misurazioni più rapide.

L'FBG ha una risposta di frequenza specifica che possiamo monitorare. Questa risposta ci aiuta a interpretare i dati raccolti dallo SPAD. Quando l'FBG subisce uno spostamento di frequenza a causa dei cambiamenti di temperatura, possiamo collegare quello spostamento ai cambiamenti di temperatura nella fibra.

#Setup sperimentale e risultati

Per stabilire quanto bene funziona il sensore, abbiamo progettato un setup sperimentale. Abbiamo utilizzato un laser sintonizzabile e una serie di componenti ottici per creare un sistema per inviare e ricevere segnali attraverso la fibra. Quando la luce passa attraverso la fibra, si diffonde e una parte di questo retro-scattering viene catturata dallo SPAD.

Abbiamo raccolto dati mostrando il tasso di conteggio della luce retro-diffusa in funzione della distanza lungo la fibra. Questi dati hanno confermato che il nostro sistema può rilevare segnali a distanze fino a 120 km con una risoluzione spaziale di 10 metri. Il tasso di conteggio rimane basso, consentendoci di mantenere un buon SNR.

#Processo di misurazione della temperatura

Nel nostro sistema, la temperatura viene misurata osservando lo spostamento di frequenza Brillouin. Normalmente, viene utilizzato un oscillatore locale per aiutare in queste misurazioni. Tuttavia, questo approccio non è adatto per il nostro rivelatore a singolo fotone, poiché interferirebbe con le misurazioni. Invece, ci basiamo esclusivamente sulla pendenza dell'FBG per determinare i cambiamenti di temperatura.

Attraverso una calibrazione accurata, abbiamo stabilito la relazione tra spostamenti di frequenza e cambiamenti di temperatura. La pendenza dell'FBG fornisce le regolazioni necessarie per tradurre i cambiamenti di frequenza in valori di temperatura. Questo metodo semplifica il processo, aumentando l'efficienza delle misurazioni.

#Monitoraggio in tempo reale dei cambiamenti ambientali

Una delle caratteristiche uniche del nostro sistema è la sua capacità di monitorare l'ambiente in tempo reale. Controllando regolarmente la relazione tra la frequenza del laser e l'FBG, possiamo aggiustare le nostre misurazioni per tenere conto di eventuali deriva che può verificarsi. Questo aiuta a mantenere un'accuratezza costante nelle nostre letture.

Per raggiungere questo, abbiamo integrato una modalità di monitoraggio nel nostro setup. Ogni dieci minuti, il sistema misura eventuali cambiamenti nella frequenza del laser rispetto all'FBG. Queste informazioni ci aiutano ad aggiornare le misurazioni degli spostamenti di frequenza Brillouin, garantendo che i nostri risultati rimangano accurati nel tempo.

#Affrontare la cross-sensibilità

Un potenziale problema con il nostro metodo di misurazione è la cross-sensibilità, dove sia la temperatura che la deformazione possono influenzare il segnale rilevato. Per gestire questo, implementiamo misurazioni di controllo aggiuntive ogni volta che viene notato uno spostamento di temperatura. Alterando la frequenza del laser, possiamo misurare specificamente l'efficienza dello scattering Brillouin separatamente dai cambiamenti di temperatura.

Possiamo confrontare i dati provenienti da due diversi punti operativi. Un punto cattura gli effetti combinati di temperatura e deformazione, mentre l'altro punta solo all'intensità dello scattering. Questa separazione ci consente di derivare i contributi specifici di temperatura e deformazione, portando a misurazioni più precise.

#Conclusione

In sintesi, il nostro lavoro dimostra lo sviluppo di un nuovo sistema BOTDR che utilizza la tecnologia di rilevamento a singolo fotone. Questo metodo consente misurazioni di temperatura ad alta risoluzione lungo una singola fibra ottica, estendendo l'intervallo dei sensori convenzionali. L'incorporazione di un FBG stretto come discriminatore di frequenza semplifica il processo di misurazione, e il monitoraggio in tempo reale aiuta a mantenere l'accuratezza nel tempo.

Grazie a questo approccio innovativo, ora siamo in grado di differenziare tra gli effetti di temperatura e deformazione senza la necessità di metodi di scansione complessi. Questo progresso nella tecnologia di sensing ottico apre nuove possibilità di applicazione in vari campi, fornendo dati affidabili per compiti di monitoraggio critici.