O que é detecção de fibra óptica?

A detecção de fibra óptica usa as propriedades físicas da luz conforme ela se desloca ao longo de uma fibra para detectar mudanças em temperatura, tensionamento, vibração (acústica) e outros parâmetros. A detecção de fibra óptica utiliza a fibra como sensor para criar milhares de pontos de detecção contínuos ao longo da fibra. Isso se chama “detecção de fibra óptica distribuída”, em que a própria fibra atua como um sensor de fibra óptica distribuída.

Geralmente, os dispositivos que medem a fibra em si são chamados de interrogadores. O objetivo é usar uma fibra padrão ou específica para medir a temperatura, o tensionamento ou a vibração ao longo dela usando as técnicas de detecção de fibra óptica distribuída de retroespalhamento de Raman, Brillouin ou Coherent Rayleigh.

Por exemplo, ao usar um interrogador de detecção de fibra, uma pessoa pode:

• Detectar e localizar qualquer ponto de acesso em um cabo de energia;
• Detectar e localizar qualquer tensionamento excessivo em um cabo óptico e reagir antes que ele quebre;
• Detectar interferência de terceiros em tubulações ou interconexões de data center (DCI).

Apresentamos abaixo alguns exemplos de aplicações de detecção de fibra:

• Monitoramento de fadiga
• Vazamentos e bloqueio das linhas de fluxo
• Monitoramento de reservatórios
• Recuperação térmica de petróleo

• Detecção de vazamento
• Monitoramento do movimento do solo

• Detecção e localização de pontos de acesso
• Ampacidade (classificação térmica em tempo real...)
• Rede inteligente

• Detecção de rachaduras
• Gerenciamento e projeto de infraestrutura
• Represa, dique
• Áreas sísmicas

• Monitoramento de cabos de fibra óptica enterrados
• Monitoramento de cabos aéreos
• Identificação de fibra sobrecarregada
• Envelhecimento de fibra

Um cabo de fibra óptica pode atuar como o caminho de comunicação entre uma estação de teste e um sensor externo, que é conhecido como detecção extrínseca. Entretanto, quando a fibra em si atua como o sistema de detecção de fibra óptica, isso é conhecido como detecção de fibra intrínseca.

O benefício deste tipo de tecnologia de detecção de fibra é que não são necessárias mais interfaces discretas entre a fibra e os sensores externos, o que reduz a complexidade e os custos. Para tornar isso possível, a estimulação externa, como temperatura, tensionamento ou vibrações (ondas acústicas), precisa influenciar a luz guiada dentro do cabo de forma mensurável para fornecer dados úteis.

Quando fótons de luz são espalhados aleatoriamente pelo material da fibra, isso é conhecido como “espalhamento de Rayleigh”. Este princípio provou ser útil em vários tipos de técnicas de teste de fibra, como o teste de fibra com OTDR, porque a intensidade, o comprimento de onda e a localização da luz retroespalhada até o detector podem determinar a magnitude e a posição dos eventos de atenuação e reflexão dentro de uma fibra óptica.

De forma semelhante, o espalhamento de Raman produz alterações induzidas pela temperatura nos fótons dispersos de volta à fonte na banda de Stokes. Ao medir a diferença entre a intensidade da luz retroespalhada nas bandas de Stokes e anti-Stokes, a temperatura pode ser determinada com precisão em qualquer local ao longo da fibra.

O espalhamento de Brillouin é um fenômeno semelhante no qual o comprimento de onda da luz retroespalhada é influenciado pela temperatura externa e pela estimulação acústica de forma previsível. Esses dados, quando combinados com o conhecimento da temperatura anterior no mesmo ponto, podem ser usados para determinar com exatidão o tensionamento sofrido pela fibra e analisado para determinar quais áreas (zonas) da fibra estão afetadas.

O espalhamento de Rayleigh coerente pode ser usado para detectar vibrações e ondas acústicas. A mudança de fase da luz é sensível às vibrações e ondas acústicas que o cabo de fibra óptica experimenta. Quando se analisa essas mudanças de fase, a localização e a intensidade das vibrações ao longo de todo o comprimento da fibra podem ser identificadas.

Detecção de fibra óptica distribuída

O espalhamento de Raman, Brillouin e Rayleigh são usados com eficácia na detecção de fibra distribuída (DFS). O espalhamento de Raman é usado para detecção de temperatura distribuída (DTS), o espalhamento de Brillouin é usado para detecção de temperatura e tensionamento distribuída (DTSS) e o espalhamento de Rayleigh é usado para detecção de acústica distribuída (DAS). Tais medições podem ser usadas para monitorar temperatura, tensão e vibrações com precisão ao longo de dezenas de quilômetros.

Neste contexto, “distribuída” simplesmente se refere à tecnologia de detecção da fibra que pode medir continuamente ao longo de todo o comprimento da fibra ou ao sensor óptico de fibra distribuída. Essencialmente, a própria fibra é o sensor. Como esses métodos de detecção de fibra são completamente intrínsecos, uma fibra de telecomunicações padrão pode ser usada como meio, se a temperatura esperada permanecer abaixo de 100 °C (212 ºF) e a fibra não for submetida a produtos químicos excessivos ou a interrupção mecânica.

Como a detecção de fibra evoluiu

Antes de a fibra óptica ter surgido como um método de telecomunicações na década de 1970, o potencial óbvio da fibra para aplicações de detecção já estava sendo percebido. O sensor fotônico, um sensor de fibra extrínseco usado para medições de vibração sem contato, foi patenteado em 1967. Em meados de 1980, os princípios de um giroscópio de fibra óptica foram estabelecidos. Ao rastrear a mudança de fase da fonte de luz laser contida dentro da fibra, podem ser obtidos dados precisos de rotação.

Apresentamos aqui algumas aplicações que podem ser resolvidas com interrogadores de detecção de fibra.

• Detecção de rede óptica: proteger, inspecionar ou monitorar redes de fibra óptica
• Detecção de monitoramento de infraestrutura: uma fibra pode ser usada para conduzir o monitoramento de infraestrutura usando a fibra como um dispositivo de medição. Neste use case, é possível implementar uma fibra ao longo de uma infraestrutura crítica, como uma ponte, tubulação, abertura/ponto de acesso protegido ou parede de barragem, para acionar um alarme se a fibra apresentar uma deformação ou movimento repentino ou a temperatura da fibra colocar a infraestrutura em risco de dano ou falha. Isso pode ser usado para proteger aberturas de acesso protegido, como portas ou portinholas de acesso, a fim de gerar um alarme se a abertura for violada. 
• Proteção de infraestrutura: a detecção acústica pode ser usada para identificar e localizar ameaças (intencionais e não intencionais) em torno de ativos críticos, como bordas, ferrovias, cabos elétricos e tubulações para proteger a infraestrutura.

Há vários aplicativos de monitoramento de infraestrutura disponíveis com interrogadores de detecção de fibra VIAVI.

• Detecção do movimento do solo e interferência de terceiros em uma tubulação
• Detecção de deformação mecânica em oleoduto/gasoduto
• Detecção e localização de qualquer vazamento em uma tubulação, dique, represa etc.
• Detecção e localização de ameaça ou ponto crítico em uma rede óptica de telecomunicações
• Detecção e localização de qualquer ponto de acesso térmico ou avisos de proximidade em um cabo de energia

Usando um instrumento portátil, como a plataforma OneAdvisor com capacidade de DTS ou DTSS, um inspetor pode ir a campo e fazer medições das fibras em campo. Como alternativa, é possível usar o ONMSi e um head teste de fibra montado em rack com capacidade de DTS, DTSS ou DAS – assim, as fibras podem ser monitoradas a longo prazo e os alarmes disparados se forem detectados alterações ou eventos. 

Mostramos abaixo um exemplo do DTSS da VIAVI:

• O interrogador VIAVI DTSS é um OTDR Brillouin (BOTDR). Um pulso de luz curto é lançado na fibra usada como sensor de fibra óptica. A luz propagando avante gera retroespalhamento de luz Brillouin em dois comprimentos de onda distintos, de todos os pontos ao longo da fibra.

• Os comprimentos de onda da luz de retroespalhamento de Brillouin são diferentes da luz incidente avante e são denominadas “Stokes” e “anti-Stokes”. A diferença de nível e frequência de Stokes e Anti-Stokes Brillouin é uma imagem da temperatura e do tensionamento ao longo da fibra.

Como o teste de fibra pode reduzir o tempo de reparo (MTTR) de uma infraestrutura crítica ou de uma rede de fibra?

O monitoramento de fibras ópticas fornece um alarme imediato quando uma alteração é detectada. Ele também pode fornecer um mapa georeferenciado indicando a localização do evento detectado na fibra. Isso permite que a organização envie um técnico para inspecionar a fibra ou para reparar para o local certo todas as vezes e elimina o tempo mais longo que seria necessário para descobrir um problema ao longo de uma fibra. Saiba mais sobre testes de fibras.

Clientes de provedores de serviços de telecomunicações e data centers que alugam fibra apagada (dark fiber) informarão uma interrupção do serviço causada por quebra da fibra, mas em geral quando há uma quebra, o cabo foi tensionado permanentemente em qualquer lado da quebra ou do evento de dano. Vejamos o exemplo de uma retroescavadeira cavando e danificando um cabo. O cabo foi puxado, arrastado e deformado. A inspeção de deformação permitirá que o técnico determine exatamente qual seção dos cabos precisa ser substituída e permite que o dono do cabo responsabilize a parte causadora dos danos, usando como prova a detecção da fibra óptica com o DTSS.  O mesmo é acontece quando há danos causados por clima severo e detritos, como galhos de árvores caindo sobre cabos aéreos.

O problema mais comum, embora mais difícil de diagnosticar na fibra de uma rede ocorre quando há um tensionamento excessivo aplicado na fibra. Isso alonga a fibra permanentemente, enfraquecendo-a e potencialmente alterando suas propriedades de transmissão de luz. Abaixo está uma imagem de um teste de deformação que mostra três picos de tensionamento usando o DTSS. Todas as três áreas desta fibra estão comprometidas, entretanto um OTDR de Rayleigh clássico não revelará esse problema. Esses picos indicam que essa fibra precisa ser substituída.

A tecnologia de detecção de fibra oferece uma solução poderosa para concessionárias de serviços públicos para melhorar o monitoramento e a manutenção de sua infraestrutura. Ao utilizar fibras ópticas integradas em cabos de energia, as concessionárias de serviços públicos podem obter monitoramento contínuo em tempo real dos principais parâmetros, permitindo medidas proativas para evitar danos e reparos dispendiosos.

As linhas de transmissão de energia são expostas a várias tensões ambientais e operacionais que podem levar a superaquecimento, tensão mecânica e possíveis falhas. As fibras instaladas ao longo das linhas de transmissão de energia podem ser usadas para monitorar temperatura, tensão e vibração em tempo real. Por exemplo, detectar pontos de acesso pode indicar áreas em que o isolamento pode estar degradando ou em que há uma condição de sobrecarga. Ao identificar esses problemas antecipadamente, as concessionárias de serviços públicos podem agendar a manutenção direcionada antes que um problema menor se transforme em falha grave, evitando assim quedas de energia e reduzindo os custos de reparo.

Outra vantagem significativa da detecção de fibra óptica é sua capacidade de localizar com precisão falhas nas linhas de transmissão energia. Os métodos tradicionais de detecção de falhas podem ser lentos e caros, muitas vezes exigindo inspeção manual extensiva usando caminhões, helicópteros ou drones. A detecção de fibra óptica pode identificar e localizar rapidamente falhas causadas por danos físicos, fatores ambientais ou anomalias operacionais. Essa capacidade de localização rápida de falhas permite que as concessionárias de serviços públicos respondam rapidamente, minimizando o tempo de inatividade e garantindo uma fonte de energia mais confiável

Dado o amplo range de benefícios já percebidos por meio da detecção de fibra óptica em vários mercados, pode-se dizer com segurança que a eficácia e o custo-benefício dos produtos existentes continuarão a melhorar, assim que novas aplicações forem desenvolvidas. A FOSA explorou muitas dessas possibilidades detalhadamente, incluindo o uso de detecção de fibra em “cidades inteligentes”, na integração da Internet das Coisas (IoT) e em novas variações de fibra inovadoras, projetadas especificamente para ambientes mais desafiadores.

A detecção do formato da fibra óptica é um novo processo que permite obter, em tempo real, dados de posicionamento precisos em trechos longos e com geometrias complexas. Com a fibra embutida dentro ou presa em um objeto de interesse, estruturas como turbinas eólicas, túneis e arranha-céus podem ter o seu fator forma monitorado continuamente e rastreado simultaneamente com a temperatura, pressão e outros parâmetros.

Essa mesma capacidade de detecção de formatos pode ser usada até mesmo para explorar e diagnosticar o corpo humano em dispositivos médicos novos e inovadores. A detecção de fibra óptica pode ser usada para acompanhar instrumentos cirúrgicos, apoiar imagens e até mesmo diagnosticar condições vasculares. Com a segurança das fronteiras se tornando cada vez mais relevante, o uso adicional da tecnologia de detecção por fibra óptica também poderia levar a mais implantação de “cercas” de fibra óptica que podem identificar invasões sem barreiras físicas complexas.

Embora os avanços fenomenais na transferência de dados e na comunicação possibilitados por meio da fibra óptica sejam amplamente reconhecidos, a grande variedade de recursos de detecção de fibra distribuída, suportada por esses mesmos componentes básicos, talvez seja menos conhecida. Conforme a sociedade se torna mais conectada, as demandas por monitoramento, segurança e tempos de reação minimizados continuarão a crescer. A utilização criativa da detecção de fibra óptica ajudará a tornar isto possível.

Que tipo de interrogadores de detecção de fibra óptica a VIAVI oferece?

O portfólio de detecção de fibra da VIAVI inclui:

• DTS (detecção de temperatura distribuída) baseado na tecnologia de OTDR Raman
• DTSS (detecção de temperatura e tensionamento distribuída) baseado na tecnologia OTDR Brillouin
• DAS (detecção acústica distribuída) com base na tecnologia coerente de retroespalhamento de Rayleigh