Los sistemas de detección acústica distribuida (DAS) basados en dispersión de Rayleigh utilizan cables de fibra óptica para proporcionar detección de deformación distribuida. En DAS, el cable de fibra óptica se convierte en el elemento de detección y las mediciones se realizan, y en parte se procesan, utilizando un dispositivo optoelectrónico conectado . Un sistema de este tipo permite detectar señales de deformación de frecuencia acústica a grandes distancias y en entornos hostiles.
En la detección distribuida por fibra óptica basada en la dispersión de Rayleigh, se envía un pulso láser coherente a lo largo de una fibra óptica y los puntos de dispersión dentro de la fibra hacen que ésta actúe como un interferómetro distribuido con una longitud de medida aproximadamente igual a la longitud del pulso. La intensidad de la luz reflejada se mide en función del tiempo después de la transmisión del pulso láser. Esto se conoce como reflectometría de dominio temporal óptica de Rayleigh coherente (COTDR). Cuando el pulso ha tenido tiempo de recorrer toda la longitud de la fibra y volver, se puede enviar el siguiente pulso láser a lo largo de la fibra. Los cambios en la intensidad reflejada de pulsos sucesivos de la misma región de la fibra son causados por cambios en la longitud del camino óptico de esa sección de fibra. Este tipo de sistema es muy sensible tanto a las variaciones de tensión como de temperatura de la fibra y las mediciones se pueden realizar casi simultáneamente en todas las secciones de la fibra.
El pulso óptico se atenúa a medida que se propaga a lo largo de la fibra. Para una fibra monomodo que funciona a 1550 nm, una atenuación típica es de 0,2 dB/km. [1] Dado que la luz debe hacer un doble paso a lo largo de cada sección de fibra, esto significa que cada 1 km causa una pérdida total de 0,4 dB. El alcance máximo del sistema se produce cuando la amplitud del pulso reflejado se vuelve tan baja que es imposible obtener una señal clara de él. No es posible contrarrestar este efecto aumentando la potencia de entrada porque por encima de un cierto nivel esto inducirá efectos ópticos no lineales que interrumpirán el funcionamiento del sistema. Normalmente, el alcance máximo que se puede medir es de alrededor de 40 a 50 km.
El valor máximo de deformación que se puede medir depende de la relación portadora/ruido de la señal óptica de retorno. El nivel de la portadora está determinado en gran medida por la amplitud de la señal óptica, mientras que el ruido es una combinación de los ruidos de diversas fuentes, entre ellos el ruido láser, el ruido electrónico y el ruido del detector.
La resolución espacial está determinada principalmente por la duración del pulso transmitido, siendo un pulso de 100 ns que da una resolución de 10 m un valor típico. La cantidad de luz reflejada es proporcional a la longitud del pulso, por lo que existe un equilibrio entre la resolución espacial y el alcance máximo. Para mejorar el alcance máximo, sería deseable utilizar una longitud de pulso más larga para aumentar el nivel de luz reflejada, pero esto conduce a una resolución espacial menor. Para que dos señales sean independientes, deben obtenerse de dos puntos en la fibra que estén separados por al menos la resolución espacial. Es posible obtener muestras en separaciones menores que la resolución espacial y, aunque esto produce señales que no son independientes entre sí, este enfoque ofrece ventajas en algunas aplicaciones. La separación entre los puntos de muestreo a veces se denomina período de muestreo espacial .
Antes de que se pueda transmitir el siguiente pulso láser, el anterior debe haber tenido tiempo de viajar hasta el extremo más alejado de la fibra y de que las reflexiones desde allí regresen, de lo contrario, las reflexiones regresarían de diferentes secciones de la fibra al mismo tiempo y el sistema no funcionaría correctamente. Para una fibra de 50 km de longitud, la frecuencia máxima del pulso es de poco más de 2 kHz. Por lo tanto, se pueden medir deformaciones que varían en frecuencias de hasta 1 kHz de la frecuencia de Nyquist . Las fibras más cortas permiten claramente velocidades de adquisición más altas.
Aunque el sistema es sensible tanto a las variaciones de temperatura como a las de tensión, estas pueden separarse a menudo, ya que las debidas a la temperatura tienden a ocurrir en un rango de frecuencia más bajo que la tensión. A diferencia de otras técnicas de fibra distribuida, como las basadas en la dispersión Brillouin o Raman , la detección acústica distribuida solo puede detectar cambios en la temperatura, en lugar de su valor absoluto.
La detección acústica distribuida se basa en la luz que se retrodispersa mediante el método de Rayleigh a partir de pequeñas variaciones en el índice de refracción de la fibra. La luz retrodispersada tiene la misma frecuencia que la luz transmitida. Existen otras técnicas de detección distribuida por fibra que se basan en diferentes mecanismos de dispersión y que se pueden utilizar para medir otros parámetros. La dispersión de Brillouin se produce debido a la interacción entre la luz y los fonones acústicos que viajan por la fibra. A medida que la luz se dispersa por un fonón en movimiento, su frecuencia se desplaza por el efecto Doppler en unos 10 GHz. La luz se genera tanto por encima (desplazamiento anti-Stokes) como por debajo ( desplazamiento de Stokes ) de la frecuencia óptica original. Los cambios de intensidad y frecuencia de los dos componentes dependen tanto de la temperatura como de la tensión y, midiendo los cambios, se pueden calcular los valores absolutos de los dos parámetros utilizando un sistema de detección distribuida de temperatura y tensión (DTSS). La dispersión de Brillouin es mucho más débil que la dispersión de Rayleigh, por lo que las reflexiones de varios pulsos deben sumarse para poder realizar las mediciones. Por lo tanto, la frecuencia máxima a la que se pueden medir los cambios utilizando la dispersión de Brillouin es normalmente unas pocas decenas de Hz. La dispersión Raman se produce cuando la luz se dispersa en interacción con las vibraciones moleculares en la fibra. Al igual que con la dispersión de Brillouin, se producen componentes de Stokes y anti-Stokes y estos se desplazan con respecto a la longitud de onda de la luz incidente en varias decenas de nanómetros. Al medir la relación de intensidad entre los componentes de Stokes y anti-Stokes, se puede medir un valor absoluto de temperatura mediante un sistema de detección de temperatura distribuida (DTS). Los mayores desplazamientos de longitud de onda en comparación con la dispersión de Brillouin significan que es más fácil separar la luz Raman dispersada del componente de dispersión de Rayleigh no desplazado. Sin embargo, la intensidad de la dispersión Raman es menor que la de la dispersión Brillouin, por lo que normalmente es necesario promediar durante varios segundos o minutos para obtener resultados razonables. Por lo tanto, los sistemas basados en Raman solo son adecuados para medir temperaturas que varían lentamente.
La reflectometría óptica coherente en el dominio del tiempo sensible a la fase (ϕ-OTDR) es una técnica que puede proporcionar suficiente sensibilidad y resolución para estos sistemas de detección acústica distribuida. [2] Las técnicas estándar de reflectometría óptica en el dominio del tiempo utilizan fuentes de luz con longitudes de coherencia, que son más cortas que las longitudes de pulso. Esto puede producir una suma de intensidades retrodispersadas de cada centro de dispersión, lo que permite monitorear empalmes y roturas en cables de fibra óptica. Por el contrario, en los sensores basados en ϕ-OTDR, la longitud de coherencia de los láseres es más larga que su longitud de pulso. Un evento cerca de la fibra genera una onda acústica que afecta a la fibra óptica al cambiar las fases de los centros de retrodispersión. Un análisis de dichas señales puede revelar su impacto en el sensor y monitorear fuentes acústicas ubicadas cerca de objetos de fibra.
La sensibilidad y velocidad de la detección basada en Rayleigh permite la monitorización distribuida de señales acústicas a distancias de más de 100 km [3] desde cada fuente láser. Las aplicaciones típicas incluyen la monitorización continua de tuberías para detectar interferencias no deseadas y fugas o irregularidades en el flujo; la monitorización de cables de alimentación para detectar interferencias no deseadas y fallos en los cables; [4] [5] la monitorización del tráfico (carreteras, ferrocarriles [6] [7] y trenes [8] ), fronteras y otros perímetros sensibles [9] para detectar actividad inusual; e incluso aplicaciones de monitorización de pozos petrolíferos en las que la tecnología permite determinar el estado del pozo a lo largo de toda su longitud en tiempo real. La capacidad de la fibra óptica para funcionar en entornos hostiles hace que la tecnología sea especialmente adecuada para escenarios en los que los sistemas de detección típicos son inutilizables o poco prácticos debido a las condiciones ambientales. [10] El largo alcance de la tecnología también permite su uso en la detección sísmica. Un cable puede proporcionar una línea continua de monitorización de la actividad sísmica regional y también detectar terremotos a miles de kilómetros de distancia. [11] También se ha demostrado el uso de detección acústica distribuida para monitorear la estimulación hidráulica en sistemas geotérmicos mejorados (EGS) [12] así como la inyección de dióxido de carbono en varios proyectos de captura y almacenamiento de carbono (CCS). [13]
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