Detecção de fibra óptica

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 na temperatura, tensionamento e outros parâmetros. A detecção de fibra óptica utiliza a fibra como sensor para criar milhares de pontos contínuos de detecção ao longo da fibra. Isso é chamado de detecção distribuída de fibra óptica.

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 e o tensionamento ao longo dela usando as técnicas de detecção de fibra distribuída de Raman e Brillouin.

Fiber Optic Sensing


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

  • Detectar e localizar qualquer ponto quente ao longo de um cabo de energia.
  • Detectar e localizar qualquer tensionamento excessivo em seu cabo óptico e reagir antes que ele quebre.

Apresentamos abaixo alguns exemplos de aplicações de detecção de fibra:

Fiber Optic Sensing

Como funciona a detecção 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, uma estimulação externa, como flutuação na temperatura e no tensionamento, precisa influenciar a fonte de luz dentro do cabo de forma mensurável para fornecer dados úteis.

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

De maneira similar, o Espalhamento de Raman produz mudanças induzidas pela temperatura nos fótons retroespalhados 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 exatidão em qualquer ponto 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.

Detecção de fibra óptica distribuída

O Espalhamento de Raman e Brillouin são usados com eficácia na detecção de fibra distribuída (DFS). O Espalhamento de Raman é usado para detecção de temperatura distribuída (DTS) e o espalhamento de Brillouin é usado para detecção de temperatura e tensionamento distribuída (DTSS). Essas medições não são influenciadas pela perda óptica da fibra, portanto elas podem ser usadas para monitorar a temperatura e o tensionamento com exatidão em dezenas de quilômetros.

Neste contexto, “distribuído” refere-se simplesmente à tecnologia de detecção da fibra que pode medir continuamente ao longo de todo o comprimento da fibra. 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, desde que a temperatura esperada permaneça abaixo de 100 °C (212 ºF) e a fibra não seja 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.

Os mesmos componentes e infraestrutura desenvolvidos para fibra óptica de comunicação, incluindo fibra monomodo e acopladores e divisores, foram igualmente adequados para infraestrutura de detecção de fibra óptica. Imunidade a estímulos elétricos, range de longa distância e resistência à corrosão foram atributos adicionais, que eram vantajosos para a detecção de fibras. Embora o primeiro detector de fibra intrínseco tenha sido desenvolvido na década de 1970, foi apenas no início de 1990 que a detecção de fibra óptica distribuída começou a ser usada amplamente para medir temperatura, tensionamento, pressão, acústica e fazer outras medições. O mercado de petróleo e gás foi um dos primeiros a perceber os amplos benefícios de um sistema de detecção de temperatura por fibra óptica distribuída no final de 1990.

Durante esse mesmo período, o sensor FBG ou grade de fibra Bragg estava sendo desenvolvido utilizando-se uma construção de fibra modificada com “espelhos” ópticos microscópicos distribuídos ao longo de todo o comprimento da fibra. Embora essa descoberta tenha sido feita acidentalmente durante uma série de experimentos com luz de íons de argônio, ela se mostrou útil para alguns tipos de detecção de fibra óptica.

A grade atua como um filtro, refletindo comprimentos de onda selecionados e permitindo que outros passem. O comprimento de onda refletido também pode variar dependendo da temperatura, tensionamento ou pressão, de forma que uma assinatura específica seja criada em cada grade na fibra. Embora esse formato tenha sido usado efetivamente em muitos setores, ele requer uma construção de fibra especializada e análise de comprimento de onda de alta resolução, tornando o seu custo proibitivo para algumas aplicações de detecção de fibra óptica distribuída.

Em 2017, a Associação de Detecção de Fibra Óptica (FOSA) foi criada, sem fins lucrativos, para educar o público em geral, o governo e especialistas do mercado sobre os benefícios da detecção de fibra. Com base na ampla gama de benefícios atuais e em potencial, a FOSA produz conteúdo educacional, advogando a adoção do uso de detecção de fibra óptica para influenciar assuntos tão diversos quanto de difícil compreensão como atividade sísmica, tráfico humano e transporte. A associação e sua liderança deram voz à tecnologia inovadora de detecção de fibras.


Quais são as aplicações da detecção de fibra óptica distribuída?

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, pode-se implementar uma fibra ao longo de uma infraestrutura crítica, como uma ponte, tubulação, abertura 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. 

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

  • Detecção do movimento do solo ao longo de uma tubulação
  • Detecção de deformação mecânica em oleoduto/gasoduto
  • Detecção e localização de qualquer vazamento ao longo de uma tubulação, dique, represa etc.
  • Detecção e localização de qualquer ponto crítico em uma rede óptica de telecomunicações
  • Detecção e localização de qualquer ponto quente ao longo de um cabo de energia
Hotspots and leakage

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 de OTDR Brillouin

Como a infraestrutura pode ser inspecionada periodicamente?

Usando um dispositivo portátil, como a plataforma VIAVI MTS-8000 com um módulo DTS ou DTSS, um inspetor pode ir a campo e fazer medições em campo das fibras.  Alternativamente, usando o ONMSi e uma OTU (unidade de teste óptico) montada em rack com um módulo DTS ou DTSS, as fibras podem ser monitoradas usando traços periódicos que são configurados para informar se houver uma alteração a partir do início do traço de referência. 

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.
DTSS MTS Strain

Fiber Sensor Under Test

  • Os comprimentos de onda da luz de retroespalhamento Brillouin são diferentes da luz incidente avante e são denominadas de “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.

Brillouin Spectra

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 o local certo todas as vezes e elimina o tempo longo que seria necessário para descobrir um problema ao longo de uma fibra. Saiba mais sobre teste de fibras.

Os clientes informam uma interrupção do serviço causada por quebra da fibra, mas em geral quando há uma quebra, o cabo fica 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 um 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 verdadeiro para danos causados por clima severo e detritos, como galhos de árvores caindo sobre cabos aéreos.

Fiber Optic Sensing       Fiber Optic Sensing

O problema mais comum, entretanto, 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.

Fiber Optic Sensing

O que o futuro reserva para a detecção de fibra?

Dada o amplo range de benefícios já percebidos por meio da detecção de fibra óptica em vários setores, 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.


 

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