Field Trial of Strain B-OTDR Using Brillouin-Based Fiber Strain Measurements over Long-Distance Aerial Cables.
¿Qué es la detección de fibra óptica?
La detección de fibra óptica hace uso de las propiedades físicas de la luz a medida que se transmite a lo largo de la fibra para detectar cambios en la temperatura, la tensión y otros parámetros. La detección de fibra óptica emplea la fibra como sensor para crear miles de puntos continuos de detección a lo largo de la fibra. Esto se conoce como detección distribuida de fibra óptica.
Los dispositivos que miden la fibra en sí se suelen denominar transmisores de interrogación. La finalidad es utilizar una fibra estándar o específica para medir la temperatura y la tensión a lo largo de ella por medio de las técnicas de detección distribuida de fibra óptica Raman y Brillouin.
Por ejemplo, empleando el transmisor de interrogación de fibra, se puede:
- detectar y localizar cualquier punto crítico del cable de alimentación; y
- detectar y localizar cualquier tensión excesiva del cable de fibra óptica y tomar medidas antes de que se produzcan roturas.
A continuación, proporcionamos ejemplos de aplicaciones de la detección de fibra óptica:
¿Cómo funciona la detección de fibra óptica?
Un cable de fibra óptica puede actuar como ruta de comunicación entre una estación de pruebas y un sensor externo, lo que se conoce como detección extrínseca. En cambio, cuando la propia fibra actúa como sistema de detección de fibra óptica, se conoce como detección intrínseca de fibra óptica.
La ventaja de este tipo de tecnología de fibra óptica es que no se requieren interfaces discretas entre los sensores de fibra óptica y los sensores externos, lo que reduce la complejidad y el coste. Para que esto sea posible, la estimulación externa, como las fluctuaciones de la temperatura y la tensión, tiene que dejarse notar en la fuente de luz dentro del cable de una manera medible de modo que se obtengan datos útiles.
Los fotones de luz, después de entrar en contacto con partículas dentro de una fibra, se dispersan de forma aleatoria. Este fenómeno se conoce como dispersión de Rayleigh. Este principio resulta útil con diversos tipos de técnicas de pruebas de fibra óptica, como las pruebas de fibra óptica con OTDR, ya que el volumen, la longitud de onda y la ubicación de la luz retrodispersada al detector permiten determinar la magnitud y la ubicación de los eventos de atenuación dentro de una fibra óptica.
De la misma manera, la dispersión de Raman produce cambios inducidos por la temperatura en los fotones retrodispersados a la fuente en la línea de Stokes. Si se mide la diferencia entre la intensidad de la luz retrodispersada en la línea de Stokes y la línea anti-Stokes, se puede determinar la temperatura en cualquier punto a lo largo de la fibra.
La dispersión de Brillouin es un fenómeno similar en el que la longitud de onda de la luz retrodispersada se ve afectada por la temperatura externa y la estimulación acústica de una manera predecible. Estos datos, junto con conocimientos básicos de la temperatura en el mismo punto, se pueden utilizar para determinar de forma precisa la tensión que soporta la fibra, así como analizarse para concluir que áreas de la fibra se han visto afectadas.
Detección distribuida de fibra óptica
La dispersión de Raman y la dispersión de Brillouin se utilizan con efectividad en la detección distribuida de fibra óptica (DFS). La dispersión de Raman se emplea para la detección distribuida de temperatura (DTS) y la dispersión de Brillouin se emplea para la detección distribuida de temperatura y tensión (DTSS). Estas mediciones no se ven afectadas por la pérdida óptica de la fibra, por lo que se pueden utilizar para monitorizar la temperatura y la tensión de forma precisa a lo largo de decenas de kilómetros.
En este contexto, “distribuida” hace referencia simplemente a la tecnología de detección de fibra óptica que puede realizar mediciones de forma continuada a lo largo de toda la longitud de la fibra. En esencia, la propia fibra es el sensor. Dado que estos métodos de detección de fibra óptica son completamente intrínsecos, la fibra para telecomunicaciones estándar se puede emplear como el medio, siempre que la temperatura no sobrepase los 100 ˚C (212 ˚F) y la fibra no se someta a una alteración mecánica o química excesiva.
Cómo ha evolucionado la detección de fibra óptica
Antes de que la fibra óptica hubiese salido a escena como método de telecomunicaciones en los años 70, las posibilidades obvias de la fibra óptica para las aplicaciones de detección ya estaban emergiendo. El sensor fotónico, un sensor de fibra óptica extrínseco empleado para mediciones de vibración sin contacto, se patentó en 1967. A mediados de los 80, ya se habían establecido los principios del giroscopio de fibra óptica. Mediante un seguimiento del desplazamiento de fase de la fuente de luz láser en el interior de la fibra, se podían obtener datos rotacionales.
Los mismos componentes y la misma infraestructura desarrollados para la fibra óptica para comunicaciones, incluidos la fibra óptica monomodo, acopladores y splitters, eran igual de válidos para la infraestructura de detección de fibra óptica. La inmunidad a los estímulos eléctricos, el rango de larga distancia y la resistencia a la corrosión fueron las otras cualidades que planteaban ventajas para la detección de fibra óptica. Aunque la primera detección de fibra óptica intrínseca se desarrolló en los años 70, no fue hasta principios de la década de los 90 cuando la detección distribuida de fibra óptica se comenzó a utilizar de forma extendida para realizar mediciones de temperatura, tensión, presión y acústica, entre otras. El sector del petróleo y el gas fue uno de los primeros en darse cuenta de las enormes ventajas que suponía un sistema de detección distribuida de la temperatura de la fibra óptica a finales de los años 90.
Durante este mismo período, la malla reticular de Bragg para fibra óptica se estaba desarrollando mediante una estructura de fibra modificada con “espejos” ópticos microscópicos integrados a lo largo de toda la fibra. Aunque este descubrimiento se hizo por accidente durante una serie de experimentos con luz de argón ionizado, resulta de utilidad para algunos tipos de detección de fibra óptica.
Las mallas reticulares actúan como un filtro, de modo que reflejan las longitudes de onda seleccionadas y permiten el paso al resto. La longitud de onda reflejada también varía en función de la temperatura, la tensión y la presión, así que se crea un sello específico en cada malla reticular de la fibra. Aunque este formato se ha utilizado de forma eficaz en numerosos sectores, requiere una estructura especializada de la fibra y un análisis de la longitud de onda de muy alta resolución, por lo que el coste resulta prohibitivo para algunas aplicaciones de detección distribuida de fibra óptica.
En 2017, se fundó la organización sin ánimo de lucro de detección de fibra ópticaFOSA (del inglés Fiber Optic Sensing Association) con el objetivo de dar a conocer al público, el gobierno y los expertos del sector las ventajas de la detección de fibra óptica. FOSA, en base a una enorme cantidad de ventajas reales y posibles, crea contenidos educativos que apoyan el uso de la detección de fibra óptica para incidir en temas tan diversos y de largo alcance como la actividad sísmica, la trata de personas y el transporte. La asociación y sus dirigentes han dado voz a la revolucionaria tecnología de la detección de fibra óptica.
¿Cuáles son las aplicaciones de la detección distribuida de fibra óptica?
A continuación, se proporcionan algunas aplicaciones que se pueden abordar con transmisores de interrogación de detección de fibra óptica.
- Detección de redes de fibra óptica: protección, inspección y monitorización de redes de fibra óptica
- Detección de monitorización de infraestructura: una fibra se puede utilizar para llevar a cabo una monitorización de infraestructura al emplear la fibra como si se tratase de un dispositivo de sondeo. En este caso práctico, se puede implementar una fibra a lo largo de una infraestructura crítica como un puente, un conducto, una abertura segura o el espaldón de una presa para activar una alarma si la fibra óptica pone de manifiesto una tensión repentina o un movimiento, o si la temperatura supone un riesgo de que la infraestructura sufra daños o experimente fallos. Se puede emplear para proteger aberturas como puertas o tapas de alcantarillado de modo que se genere una alarma si se traspasa la abertura.
Hay disponibles diversas aplicaciones de monitorización de infraestructura con los transmisores de interrogación de detección de fibra óptica de VIAVI.
- Detección de movimientos de suelo a lo largo de un conducto
- Detección de deformaciones mecánicas en un conducto
- Detección y localización de cualquier fuga a lo largo de un conducto, dique, presa, etc.
- Detección y localización de cualquier punto crítico en una red de telecomunicaciones de fibra óptica
- Detección y localización de cualquier punto crítico a lo largo de un cable de alimentación
¿Qué tipo de transmisores de interrogación de detección de fibra ofrece VIAVI?
La cartera de productos de detección de fibra óptica de VIAVI incluye lo siguiente:
- Detección distribuida de temperatura (DTS) basada en la tecnología de OTDR de tipo Raman
- Detección distribuida de temperatura y tensión (DTSS) basada en la tecnología de OTDR de tipo Brillouin
¿Cómo se puede inspeccionar la infraestructura de forma periódica?
Con un dispositivo portátil, como la plataforma MTS-8000 de VIAVI con un módulo DTS o DTSS, un inspector puede realizar mediciones de campo sobre el terreno en las fibras. Asimismo, con un sistema de monitorización de redes ópticas (ONMSi) y una unidad para pruebas ópticas (OTU) montada en bastidor con un módulo DTS o DTSS, se pueden monitorizar las fibras mediante trazas periódicas definidas para generar una alarma si se produce un cambio con respecto a la traza de referencia de inicio.
A continuación, proporcionamos un ejemplo de sistema DTSS de VIAVI:
- El transmisor de interrogación de DTSS de VIAVI es un OTDR de tipo Brillouin (BOTDR). Se emite un pulso corto de luz en la fibra, que se emplea como sensor de fibra óptica. La luz, que se propaga hacia delante, genera luz retrodispersada de tipo Brillouin en dos longitudes de onda distintas desde todos los puntos de la fibra.
- Las longitudes de onda de la luz retrodispersada son diferentes de la de la luz que incide hacia delante y se denominan “línea de Stokes” y “línea anti-Stokes”. La diferencia de frecuencia y nivel de Brillouin de la línea de Stokes y la línea anti-Stokes es una imagen de la temperatura y la tensión a lo largo de la fibra.
¿Cómo pueden las pruebas de la fibra óptica reducir el tiempo medio de reparación de la infraestructura crítica o de una red de fibra óptica?
La monitorización de fibra constituye una alarma inmediata cuando se detecta un cambio. Además, puede proporcionar un punto en un mapa geolocalizado para ubicar el evento detectado en la fibra óptica. Esto permite a la organización enviar a un técnico para la inspección de la fibra óptica, o reparar el punto correcto siempre y evitar el largo período de tiempo que se requeriría para localizar un problema a lo largo de la fibra. Puede obtener más información sobre las pruebas de fibra óptica aquí.
Aunque los clientes informen de una avería en el servicio debido a una rotura de la fibra óptica, a menudo, cuando se produce una rotura, el cable se ha tensado permanentemente en alguno de los lados del evento de rotura o daño. Piense, por ejemplo, en una excavadora que desentierra un cable. Se tira del cable y se deforma. Mediante la inspección de la tensión, el técnico puede determinar exactamente qué sección de los cables es necesario sustituir y el propietario del cable puede determinar qué parte es la responsable de los daños mediante las pruebas de fibra óptica de DTSS. Lo mismo ocurre con los daños causados por las inclemencias del tiempo y la suciedad, como la caída de ramas de árboles sobre cables aéreos.
El problema más común y difícil de diagnosticar en la fibra óptica de una red surge cuando se ejerce una tensión excesiva en la fibra. Se produce una elongación permanente en la fibra que la debilita y suele alterar sus propiedades de transmisión de la luz. A continuación, proporcionamos una imagen de unas pruebas de tensión en la que se muestran tres picos de tensión mediante DTSS. Estos tres puntos de la fibra presentan deficiencias, pero un OTDR clásico de tipo Rayleigh no sacaría a relucir el problema. Estos picos indican que la fibra se debe sustituir.
¿Qué le depara el futuro a la detección de fibra?
Dada la amplia diversidad de ventajas que ya se ofrecen por medio de la detección de fibra óptica en diversos sectores, se puede asumir con seguridad que la eficacia y la rentabilidad de los productos existentes continuarán mejorando a medida que se desarrollen nuevas aplicaciones. La FOSA ha explorado en profundidad muchas de estas posibilidades, incluidos el uso de la detección de fibra óptica en “ciudades inteligentes”, la integración del Internet de las cosas (IdC) e innovadoras variaciones de la fibra óptica diseñadas específicamente para entornos más exigentes.
La detección de formas de fibra óptica es un nuevo proceso que proporciona datos de posicionamiento precisos y en tiempo real en geometrías complejas y tramos largos. Con la fibra encastrada en el interior o fijada al objeto de interés, se puede monitorizar y realizar un seguimiento continuo del factor de forma de estructuras como turbinas eólicas, túneles y edificios de gran altura, junto con la temperatura, la presión y otros parámetros.
Esta capacidad de detección de la forma se puede utilizar también para explorar el cuerpo humano y obtener un diagnóstico con nuevos dispositivos médicos. La detección de fibra óptica se puede emplear para realizar un seguimiento de instrumentos quirúrgicos, como apoyo de imágenes e incluso para diagnosticar trastornos vasculares. Dado que la seguridad de las fronteras cobra cada vez más importancia, el uso de la tecnología de detección de fibra óptica también podría derivar en una mayor implementación de “muros” de fibra óptica capaces de identificar intrusiones sin incómodas barreras físicas.
Aunque los espectaculares avances en comunicación y transferencia de datos que se han conseguido gracias a la fibra óptica gozan de amplio reconocimiento, quizá no se conozcan tan bien las numerosas capacidades de la detección distribuida de fibra óptica que han permitido estos mismos componentes básicos. A medida que la sociedad adopte cada vez más conexiones, la demanda de monitorización, seguridad y tiempos de reacción mínimos continuará creciendo. La utilización creativa de la detección de fibra óptica contribuirá a ello.
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