Los sistemas de detección acústica distribuida (DAS) basados en dispersión Rayleigh utilizan cables de fibra óptica para proporcionar detección de tensión distribuida. En DAS, el cable de fibra óptica se convierte en el elemento sensor y las mediciones se realizan, y en parte se procesan, utilizando un dispositivo optoelectrónico adjunto . Un sistema de este tipo permite detectar señales de tensión de frecuencia acústica a grandes distancias y en entornos hostiles.
En la detección de fibra óptica distribuida basada en dispersión Rayleigh, se envía un pulso láser coherente a lo largo de una fibra óptica y los sitios de dispersión dentro de la fibra hacen que la fibra actúe como un interferómetro distribuido con una longitud de calibre aproximadamente igual a la longitud del pulso. La intensidad de la luz reflejada se mide en función del tiempo después de la transmisión del impulso láser. Esto se conoce como reflectometría coherente en el dominio del tiempo óptico de Rayleigh (COTDR). Cuando el pulso ha tenido tiempo de recorrer toda la longitud de la fibra y regresar, 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 fibra son causados por cambios en la longitud del camino óptico de esa sección de fibra. Este tipo de sistema es muy sensible a las variaciones de tensión y 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 provoca una pérdida total de 0,4 dB. El alcance máximo del sistema se produce cuando la amplitud del pulso reflejado es tan baja que es imposible obtener una señal clara del mismo. No es posible contrarrestar este efecto aumentando la potencia de entrada porque por encima de cierto nivel esto inducirá efectos ópticos no lineales que alterarán el funcionamiento del sistema. Normalmente, el alcance máximo que se puede medir es de entre 40 y 50 km.
El valor máximo de tensión 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 del de una variedad de fuentes, incluido 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 valor típico un pulso de 100 ns que da una resolución de 10 m. 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 más pequeña. Para que dos señales sean independientes, deben obtenerse de dos puntos de la fibra que estén separados al menos por la resolución espacial. Es posible obtener muestras con separaciones inferiores a 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 desde diferentes secciones de la fibra al mismo tiempo y el 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 hasta la frecuencia de Nyquist de 1 kHz. Las fibras más cortas claramente permiten tasas de adquisición más altas.
Aunque el sistema es sensible tanto a las variaciones de temperatura como a las de tensión, estas a menudo se pueden separar, 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 Brillouin o dispersión Raman , la detección acústica distribuida sólo es capaz de detectar cambios de temperatura en lugar de su valor absoluto.
La detección acústica distribuida se basa en la luz retrodispersada por 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 de fibra distribuida que se basan en diferentes mecanismos de dispersión y pueden usarse para medir otros parámetros. La dispersión de Brillouin se produce debido a la interacción entre la luz y los fonones acústicos que viajan a través de la fibra. A medida que la luz es dispersada por un fonón en movimiento, su frecuencia se desplaza por el efecto Doppler en unos 10 GHz. La luz se genera tanto por encima (anti-desplazamiento de 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, al medir los cambios, se pueden calcular los valores absolutos de los dos parámetros utilizando un sistema distribuido de detección de temperatura y tensión (DTSS). La dispersión Brillouin es mucho más débil que la dispersión Rayleigh, por lo que las reflexiones de varios pulsos deben sumarse para permitir realizar las mediciones. Por lo tanto, la frecuencia máxima a la que se pueden medir los cambios utilizando la dispersión Brillouin suele ser de unas pocas decenas de Hz. La dispersión Raman ocurre cuando la luz se dispersa en interacción con vibraciones moleculares en la fibra. Al igual que con la dispersión Brillouin, se producen componentes Stokes y anti-Stokes y estos se desplazan de la longitud de onda de la luz incidente en varias decenas de nanómetros. Al medir la relación de intensidad entre los componentes Stokes y anti-Stokes, se puede medir un valor absoluto de temperatura mediante un sistema de detección de temperatura distribuida (DTS). Los mayores cambios de longitud de onda en comparación con la dispersión de Brillouin significan que es más fácil separar la luz Raman dispersada del componente dispersado 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 realizar un promedio de muchos segundos o minutos para obtener resultados razonables. Por lo tanto, los sistemas basados en Raman sólo 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 los pulsos. 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 mayor que la longitud de su pulso. Un evento cerca de la fibra genera una onda acústica que afecta a la fibra óptica cambiando las fases de los centros de retrodispersión. Un análisis de dichas señales puede revelar su impacto en el sensor y monitorear las fuentes acústicas ubicadas cerca de objetos de fibra.
La sensibilidad y velocidad de la detección basada en Rayleigh permite el monitoreo distribuido de señales acústicas a distancias de más de 100 km [3] desde cada fuente láser. Las aplicaciones típicas incluyen el monitoreo continuo de tuberías para detectar interferencias no deseadas y fugas o irregularidades en el flujo; monitoreo de cables de alimentación para detectar interferencias no deseadas y fallas en los cables; [4] [5] monitorear el tráfico (carreteras, ferrocarriles [6] [7] y trenes [8] ), fronteras y otros perímetros sensibles [9] para detectar actividades inusuales; e incluso aplicaciones de monitoreo de pozos petroleros donde la tecnología permite determinar en tiempo real el estado del pozo en toda su longitud. 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 detección sísmica. Un cable puede proporcionar una línea continua de monitoreo de la actividad sísmica regional y también detectar terremotos a miles de kilómetros de distancia. [11] También se ha demostrado el uso de sensores acústicos distribuidos 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 (CAC). [13]
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