Avanços na Tecnologia BOTDR de Fóton Único

Sensores de fibra ótica distribuídos são super importantes em várias áreas, especialmente na engenharia civil. Eles ajudam a monitorar estruturas como tubulações e cabos subaquáticos. Esses sensores usam um fenômeno chamado espalhamento Brillouin, que permite medir mudanças de temperatura e tensão ao longo de uma fibra.

O espalhamento Brillouin pode ser usado em dois tipos principais de sensores: sensores de Análise de Domínio de Tempo Óptico Brillouin (BOTDA) e Reflectômetros de Domínio de Tempo Óptico Brillouin (BOTDR). Sensores BOTDA precisam de acesso em ambas as extremidades da fibra, enquanto os BOTDR só precisam de acesso em uma extremidade, tornando-os mais simples de usar.

#A Necessidade de Melhorar o Alcance de Medição

Um grande desafio com esses sensores é a relação sinal-ruído (SNR), que influencia até onde o sensor consegue medir. A maioria dos sensores comerciais consegue medir distâncias de cerca de 75 km. Muitas tentativas foram feitas para melhorar a SNR, incluindo o uso de fontes de luz e amplificadores melhores. No entanto, o tipo de fotodetector usado muitas vezes limita o desempenho.

Recentemente, surgiram novas tecnologias com detectores, como os diodos de avalanche de fótons únicos (SPADS), que mostraram potencial para melhorar o alcance de detecção enquanto mantêm uma boa resolução. Apesar disso, não houve muita pesquisa usando SPADs em sistemas BOTDR.

#Introdução ao BOTDR de Fóton Único

Este artigo apresenta um novo tipo de BOTDR que utiliza tecnologia de fótons únicos. Esse sistema pode medir temperaturas ao longo de uma fibra de 120 km com uma resolução espacial de 10 metros. Em vez de usar uma varredura de frequência como os métodos antigos, essa abordagem utiliza uma Rede de Bragg de Fibra (FBG) para detectar mudanças de frequência com base na taxa de contagem de fótons detectados pelo SPAD.

#Medindo Temperatura na Fibra

O SPAD é usado para detectar a luz que foi espalhada de volta ao longo da fibra devido a mudanças de temperatura. A luz espalhada de volta muda de frequência por causa dessas variações de temperatura. Medindo quanto a frequência muda, conseguimos determinar a temperatura ao longo do comprimento da fibra.

Na nossa configuração, projetamos cuidadosamente o sistema para melhorar a SNR. Isso envolve o uso de um laser de banda estreita para enviar sinais pela fibra, onde eles se espalham e retornam. As mudanças de frequência causadas por variações de temperatura são detectadas e processadas para convertê-las em medições de temperatura significativas.

#Benefícios de Usar uma FBG Estreita

Em vez de um método tradicional que requer varredura de frequências, esse sistema usa uma FBG estreita para converter mudanças de frequência em variações de intensidade. Isso nos permite medir a temperatura sem o tempo extra de varredura, possibilitando medições mais rápidas.

A FBG tem uma resposta de frequência específica que podemos monitorar. Essa resposta nos ajuda a interpretar os dados coletados pelo SPAD. Quando a FBG sofre uma mudança de frequência devido a variações de temperatura, conseguimos relacionar essa mudança com as mudanças de temperatura na fibra.

#Configuração Experimental e Resultados

Para estabelecer como o sensor funciona bem, projetamos uma configuração experimental. Usamos um laser sintonizável e uma série de componentes ópticos para criar um sistema de envio e recepção de sinais pela fibra. À medida que a luz passa pela fibra, ela se espalha e uma parte desse espalhamento é capturada pelo SPAD.

Coletamos dados mostrando a taxa de contagem da luz espalhada de volta em função da distância ao longo da fibra. Esses dados confirmaram que nosso sistema consegue detectar sinais a distâncias de até 120 km com uma resolução espacial de 10 metros. A taxa de contagem permanece baixa, permitindo manter uma boa SNR.

#Processo de Medição de Temperatura

No nosso sistema, a temperatura é medida observando a mudança de frequência Brillouin. Normalmente, um oscilador local é usado para ajudar nessas medições. No entanto, essa abordagem não é adequada para nosso detector de fótons únicos, pois interferiria nas medições. Em vez disso, confiamos apenas na inclinação da FBG para determinar mudanças de temperatura.

Através de uma calibração cuidadosa, estabelecemos a relação entre mudanças de frequência e mudanças de temperatura. A inclinação da FBG fornece os ajustes necessários para traduzir mudanças de frequência em valores de temperatura. Esse método agiliza o processo, melhorando a eficiência da medição.

#Monitoramento em Tempo Real de Mudanças Ambientais

Uma das características únicas do nosso sistema é a capacidade de monitorar o ambiente em tempo real. Ao verificar regularmente a relação entre a frequência do laser e a FBG, conseguimos ajustar nossas medições para contabilizar qualquer desvio que possa ocorrer. Isso ajuda a manter uma precisão consistente nas nossas leituras.

Para isso, construímos um modo de monitoramento na nossa configuração. A cada dez minutos, o sistema mede quaisquer mudanças na frequência do laser em relação à FBG. Essas informações nos ajudam a atualizar as medições das mudanças de frequência Brillouin, garantindo que nossos resultados permaneçam precisos ao longo do tempo.

#Abordando a Sensibilidade Cruzada

Um potencial problema com nosso método de medição é a sensibilidade cruzada, onde temperatura e tensão podem afetar o sinal detectado. Para gerenciar isso, implementamos medições de controle adicionais sempre que uma mudança de temperatura é notada. Alterando a frequência do laser, conseguimos medir especificamente a eficiência do espalhamento Brillouin separadamente das mudanças de temperatura.

Podemos comparar dados de dois pontos operacionais diferentes. Um ponto captura os efeitos combinados de temperatura e tensão, enquanto o outro foca apenas na intensidade do espalhamento. Essa separação nos permite derivar as contribuições específicas de temperatura e tensão, levando a medições mais precisas.

#Conclusão

Em resumo, nosso trabalho demonstra o desenvolvimento de um novo sistema BOTDR que utiliza tecnologia de detecção de fótons únicos. Esse método permite medições de temperatura de alta resolução ao longo de uma única fibra ótica, ampliando o alcance dos sensores convencionais. A incorporação de uma FBG estreita como discriminador de frequência agiliza o processo de medição, e o monitoramento em tempo real ajuda a manter a precisão ao longo do tempo.

Graças a essa abordagem inovadora, agora conseguimos diferenciar entre os efeitos de temperatura e tensão sem precisar de métodos de varredura complexos. Esse avanço na tecnologia de sensoriamento óptico abre novas possibilidades para aplicações em várias áreas, fornecendo dados confiáveis para tarefas críticas de monitoramento.