ES2962148T3 - Módulo, sistema y procedimiento de detección distribuida de vibraciones - Google Patents

Abstract

Se divulga una técnica de detección de vibración distribuida basada en luz de Rayleigh retrodispersada (402), que permite la medición de mayores longitudes de fibra óptica (400) mediante el uso de uno o más módulos de regeneración (200) en los que los pulsos de luz óptica (401) emitidos por un maestro dispositivo (100) se reciben, acondicionan y transmiten nuevamente a otro segmento de fibra óptica (400). El acondicionamiento de pulsos puede comprender, por ejemplo, remodelación, filtrado, amplificación y aislamiento. Cada módulo de regeneración (200) comprende además medios de detección que reciben la luz Rayleigh retrodispersada (402) del siguiente segmento de fibra óptica (400). Es decir, cada segmento de fibra óptica (400) es detectado independientemente por un módulo de regeneración (200), que luego transmite la información de detección a un servidor central (600) a través de una red de comunicación (500). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Módulo, sistema y procedimiento de detección distribuida de vibraciones

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención tiene su aplicación dentro del sector de la detección distribuida y, en especial, en el área industrial dedicada a proporcionar sensores de vibraciones distribuidas de fibra óptica.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN - TÉCNICA RELACIONADA

Los sensores de vibración distribuidos (DVS), también conocidos como sensores acústicos distribuidos (DAS), son equipos muy demandados en diversas aplicaciones como la seguridad perimetral, la supervisión de tuberías, los medios de transporte de energía o la monitorización de la salud estructural. En particular, los sistemas DVS basados en fibra óptica son capaces de detectar vibraciones a lo largo de grandes distancias con un único dispositivo activo mediante el análisis de la retrodispersión generada por Rayleigh por un tren de pulsos cortos de luz de sondeo. Dichos pulsos de luz presentan típicamente una frecuencia en el rango de entre cientos y miles de Hercios, y su duración se sitúa en el rango de entre decenas y cientos de nanosegundos. A medida que los pulsos de luz se propagan a través de la fibra, se producen pequeñas reflexiones debidas a la interacción de la luz con el material por el que se propaga, generando pulsos de luz retrodispersados por Rayleigh. Los pulsos retrodispersados son más largos que los pulsos que los generan debido al tiempo de vuelo de la luz dentro de la fibra, y tienen una potencia decreciente debido a la atenuación acumulada de la fibra óptica. Si la luz láser es muy coherente, los pulsos retrodispersados no presentan un decaimiento monótono, al contrario que los sistemas de reflectometría óptica en el dominio del tiempo (OTDR). En su lugar, la luz retrodispersada en DVS presenta patrones de franjas aleatorias, debido a la interferencia óptica, que permanecen estables en ausencia de vibraciones, pero que cambian localmente en presencia de dichas vibraciones.

Los pulsos de luz emitidos en la dirección de avance se extienden por una determinada longitud de fibra que depende de la duración del pulso y de los índices de refracción de la fibra. Por ejemplo, un pulso de 100 ns significa que aproximadamente 20 m de fibra están iluminados simultáneamente por el mismo pulso. Por lo tanto, las señales retrodispersadas por Rayleigh en diferentes puntos de la fibra iluminados por el mismo pulso inyectado son coherentes y pueden interferir, ya que tienen el mismo origen de fase. La interferencia en condiciones estáticas dependerá del desplazamiento de fase inducido por la fibra para cada trayecto, que es desconocido y puede considerarse aleatorio a todos los efectos. Sin embargo, si una sección de la fibra óptica se ve afectada externamente por una vibración, el desplazamiento de fase inducido por este fenómeno externo cambiará, variando el patrón de franjas asociado a esa sección de la fibra. Por lo tanto, analizando las diferencias entre las señales generadas por retrodispersión de Rayleigh de pulsos consecutivos se pueden identificar las secciones en las que se están aplicando estímulos externos. Además, analizando las características de frecuencia de estas variaciones, se puede extraer información sobre la posible causa de los estímulos vibratorios.

Así pues, los sistemas DVS basados en fibra eluden la necesidad de colocar complejas matrices de sensores locales, convirtiendo la propia fibra en un largo sensor distribuido. Además, el único elemento activo del sistema, es decir, el dispositivo que comprende el láser pulsado y el detector, se coloca en un extremo de la fibra, lo que facilita su protección frente a robos o manipulaciones. Sin embargo, a pesar de que las longitudes de detección alcanzables son significativamente largas, normalmente del orden de kilómetros, siguen estando limitadas por el agotamiento energético progresivo que sufren los pulsos de luz durante su propagación debido a la atenuación intrínseca de la fibra óptica. En consecuencia, existe un notable interés por superar esta limitación de alcance del DVS más allá de una simple concatenación de láseres pulsados, que son complejos, sensibles y caros y por lo tanto no es apropiado para múltiples estaciones no protegidas ni controladas a lo largo de la región detectada).

Algunos sistemas DVS, como el divulgado en el documento WO 2016/144620 A1, han propuesto una arquitectura basada en una pluralidad de detectores paralelos situados en el dispositivo que transmite los pulsos de luz. Cada detector se encarga de analizar cada una de la pluralidad de segmentos de fibra consecutivos. Entre cada dos segmentos, un circulador dirige la luz retrodispersada por el fenómeno de Rayleigh hacia una fibra auxiliar conectada al conjunto de detectores. Sin embargo, esta estrategia sólo está pensada para aumentar la frecuencia de repetición de pulsos de luz hacia adelante, y no la distancia de detección. Por lo tanto, esta arquitectura no proporciona ninguna solución a la limitación de alcance mencionada anteriormente. Por el contrario, la necesidad de reencaminar por múltiples fibras auxiliares la hace viable únicamente para aplicaciones concretas, con longitudes de hasta decenas o cientos de metros.

El documento WO 2015/110177 A1 divulga un módulo de detección distribuida de vibraciones basado en luz retrodispersada por Rayleigh generada por pulsos de luz que comprende un amplificador óptico para compensar las pérdidas. Sin embargo, este esquema no compensa ninguna degradación adicional en la forma del pulso, como la degradación debida a la dispersión de la fibra. Además, cada módulo comprende una única entrada y salida, lo que limita las topologías de los segmentos de fibra óptica que pueden implementarse.

El documento WO 212/068558 A1 divulga un módulo basado en la retrodispersión coherente de Rayleigh que reenvía múltiples pulsos retrodispersados a través de conductores ópticos ascendentes. Sin embargo, el esquema propuesto no compensa la degradación del pulso que se produce en la fibra óptica.

Por último, el documento WO 03/032549 A2 divulga una arquitectura de red de transporte óptico con módulos de regeneración, remodelación y retemporización, que proporciona compensación electrónica de la dispersión, pero el esquema propuesto está pensado para comunicaciones ópticas y no para detección óptica basada en la retrodispersión de Rayleigh.

El documento US 6101 025 A divulga un repetidor óptico con redundancia.

Por lo tanto, en el estado actual de la técnica existe la necesidad de una técnica DVS que permita superar las limitaciones de longitud de detección de una manera robusta, sin aumentar significativamente la complejidad del sistema, tal y como sucede cuando se realiza a través de dispositivos sensibles tales como láseres pulsados para generar nuevos pulsos, y sin que incremente la complejidad de la disposición de las fibras ópticas o cables a través de largos tramos para el redireccionamiento de la luz retrodispersada.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un módulo de detección distribuida de vibraciones basado en luz retrodispersada por Rayleigh según la reivindicación 1 y a un procedimiento de detección distribuida de vibraciones basado en luz dispersada por Rayleigh según la reivindicación 13. Las realizaciones ventajosas de la invención se describen en las reivindicaciones dependientes.

La presente invención resuelve los problemas antes mencionados mediante una técnica DVS en la que el tren de pulsos hacia adelante generado por un dispositivo maestro se regenera y acondiciona en un repetidor (o una pluralidad de repetidores) situado entre segmentos de fibra óptica. Cada repetidor comprende también un detector independiente que mide la luz retrodispersada por Rayleigh del siguiente segmento de fibra, transmitiéndose la información de detección obtenida a un servidor central que supervisa el dispositivo maestro y los repetidores, lo que permite aumentar las distancias de medición sin necesidad de incorporar más láseres pulsados o diseños de fibra adicionales.

En un primer aspecto de la invención, se divulga un módulo de DVS basado en luz dispersada por Rayleigh. El módulo está adaptado para ser conectado a, al menos, dos segmentos de fibra:

- Un primer segmento a través de un puerto de entrada para recibir pulsos de luz hacia adelante, generados por un dispositivo maestro.

- Un segundo segmento a través de un puerto de entrada/salida para transmitir los pulsos de luz hacia adelante después de la regeneración, y recibir la luz retrodispersada por Rayleigh generada por dichos pulsos en dicho segundo segmento.

Además, el módulo comprende medios de regeneración que reciben los pulsos de luz del primer segmento, acondicionan dichos pulsos de luz y transmiten los pulsos de luz al segundo segmento. Es decir, los medios de regeneración aplican técnicas de tratamiento de señales a los pulsos de luz que mejoran el rendimiento óptico de dichos pulsos para la detección distribuida, como la potencia óptica, la relación señal-ruido (SNR), la forma del pulso o la anchura temporal; en lugar de generar un nuevo tren de pulsos. La generación de pulsos de luz queda así limitada a un dispositivo maestro situado en un extremo de la pluralidad de segmentos de fibra, evitando su manipulación o robo, y facilitando su control y supervisión.

Los medios de regeneración comprenden preferiblemente medios de remodelación, que compensan o mitigan la dispersión y la degradación de la SNR sufridas por los pulsos de luz en el primer segmento óptico antes de llegar al módulo. Preferiblemente, los medios de remodelación incorporan además una fibra óptica de compensación de la dispersión y/o un filtro óptico. Preferiblemente, los medios de regeneración también comprenden un amplificador óptico para compensar el agotamiento sufrido por los pulsos de luz a lo largo del referido primer segmento de fibra óptica. También preferiblemente, el módulo incorpora un aislador óptico en el puerto de entrada adaptado para ser conectado al primer segmento de fibra óptica, con el fin de evitar cualquier otra reflexión o retrodispersión parásita que se superponga con la luz de Rayleigh retrodispersada del primer segmento.

Además, el módulo comprende medios de detección adaptados para recibir la luz retrodispersada por Rayleigh generada por los pulsos de luz introducidos en el segundo segmento de fibra óptica. Es decir, los módulos pueden concatenarse a segmentos de fibra óptica consecutivos, realizando entonces cada módulo DVS mediciones (es decir, recuperando información de detección basada en la luz retrodispersada por Rayleigh detectada) sobre un único segmento. En una opción preferente, los medios de detección son coherentes con una señal de oscilador maestro recibida en el módulo desde el dispositivo maestro que genera originalmente los pulsos de luz hacia adelante. Los medios de detección coherente están configurados además para amplificar y redistribuir la señal del oscilador maestro a los módulos de regeneración subsiguientes. La información de detección recuperada en cada módulo se transmite entonces a un servidor central remoto a través de medios de conexión para cada módulo, que pueden implementarse a través de cualquier tecnología general conocida en el estado de la técnica para enlaces o redes de comunicación (tanto cableada como inalámbrica, aunque preferiblemente inalámbrica). Dependiendo de la implementación particular de la invención, la información de detección transmitida al servidor pueden ser datos brutos que caracterizan la retrodispersión de Rayleigh o datos procesados en los que ya se ha extraído información relevante sobre la vibración, como curvas de vibración frente a posición, información de frecuencia, alarmas, etc.

A partir del esquema descrito, se implementan en el módulo otras combinaciones preferentes de entrada/salida para permitir topologías de segmentos de fibra más complejas, como topologías ramificadas o enlaces redundantes. El módulo también está configurado para recibir pulsos de luz de al menos un tercer segmento de fibra óptica (por ejemplo, una fibra redundante paralela al segundo segmento de fibra), acondicionar los pulsos de luz y transmitir los pulsos de luz a un cuarto segmento de fibra óptica (por ejemplo, una fibra redundante paralela al primer segmento de fibra). Por lo tanto, los medios de regeneración pueden comprender elementos duplicados para el acondicionamiento de la luz en ambos sentidos.

En una segunda opción preferente, los medios de regeneración del módulo comprenden además un divisor que encamina los pulsos de luz hacia delante regenerados (acondicionados) en al menos dos puertos de entrada/salida (salida para los pulsos de luz hacia delante, entrada para la luz retrodispersada por Rayleigh), permitiendo una disposición de fibra ramificada. Por consiguiente, los medios de detección DVS están configurados para trabajar sobre, al menos, dos segmentos de fibra óptica conectados a sendos puertos de entrada/salida, y enviar información relativa a ambos segmentos al servidor remoto.

En un segundo aspecto de la presente invención, se presenta un sistema de detección DVS basado en la dispersión de Rayleigh. El sistema está configurado para realizar la detección DVS en una pluralidad de segmentos de fibra regenerando y encaminando el tren de pulsos de luz hacia adelante, y realizando la detección distribuida entre un dispositivo maestro y uno o más módulos de regeneración. Es decir, el sistema comprende al menos:

- Un dispositivo maestro, que comprende un láser pulsado configurado para generar los pulsos de luz óptica hacia adelante y transmitir dichos pulsos a un primer segmento de fibra óptica. El dispositivo maestro también comprende medios de detección configurados para detectar la luz retrodispersada por Rayleigh en dicho primer segmento de fibra óptica, generando así información de detección de dicho primer segmento de fibra óptica. Preferentemente, la información de detección generada en el dispositivo maestro se transmite a un servidor central remoto. No obstante, en determinadas implantaciones, el servidor central puede estar situado dentro del dispositivo maestro, transmitiéndose la información de detección de los módulos de regeneración a dicho dispositivo maestro.

- Al menos un módulo de regeneración, según cualquier realización del primer aspecto de la invención. Es decir, el módulo de regeneración comprende medios de regeneración configurados para recibir, acondicionar y retransmitir de nuevo los pulsos de luz hacia delante. En el caso del primer módulo de regeneración, los pulsos se reciben del dispositivo maestro a través del primer segmento de fibra óptica y se transmiten al segundo segmento de fibra óptica. Si el sistema comprende módulos de regeneración adicionales, el segundo módulo de regeneración recibe los pulsos de luz transmitidos por el primer módulo de regeneración a través del segundo segmento de fibra óptica, y los transmite a través de un tercer segmento de fibra óptica después de la regeneración; y así sucesivamente.

- Un servidor central conectado por cable o de forma inalámbrica al dispositivo maestro y a los módulos de regeneración que recibe y unifica la información de detección medida en todos los segmentos de fibra óptica.

Según las realizaciones preferentes del sistema de la invención, el dispositivo maestro puede tener múltiples puertos de entrada y/o salida/entrada, lo que permite diversas disposiciones de los tendidos de fibra. Por ejemplo, el dispositivo maestro y el módulo (o módulos) de regeneración pueden estar conectados en bucle abierto o en bucle cerrado. En ambos casos, el sistema puede incorporar fibras ópticas redundantes. Dependiendo de la topología, el sistema puede terminar en un módulo de regeneración, un segundo módulo maestro o un módulo de terminación.

Finalmente, en un tercer aspecto de la presente invención, se presenta un procedimiento DVS que comprende los siguientes pasos:

- Recepción de pulsos de luz desde un primer segmento de fibra óptica y un tercer segmento de redundancia de fibra óptica. Los pulsos recibidos pueden recibirse directamente desde un dispositivo maestro, o desde un módulo de regeneración que regenera los pulsos transmitidos desde dicho dispositivo maestro.

- Acondicionamiento de los pulsos de luz, preferentemente mediante amplificación, remodelación y/o filtrado.

- Transmisión de los pulsos de luz acondicionados a un segundo segmento de fibra óptica y a un cuarto segmento de fibra óptica redundante.

- Detección de las vibraciones de la segunda fibra óptica detectando la luz dispersada por Rayleigh generada en el segundo segmento de fibra óptica, generando así información de detección relativa a dicho segundo segmento de fibra óptica.

- Envío de la información de detección a un servidor remoto que supervisa múltiples segmentos de fibra óptica.

Obsérvese que cualquier realización particular u opción preferente del módulo del primer aspecto de la invención también puede aplicarse a realizaciones particulares del procedimiento o sistema de la invención. Asimismo, cualquier realización particular u opción preferente del procedimiento o sistema de la invención puede implementarse como parte de los elementos y/o configuración del módulo de la invención.

Con el módulo, sistema y procedimiento divulgados, el rango de medición del DVS se mejora más allá de los límites de los sistemas convencionales. Además, los módulos regeneradores son autónomos y no requieren la generación de nuevos pulsos, distribución de relojes eléctricos u osciladores locales, ni precisan de elementos auxiliares para la redistribución de la luz retrodispersada. Estas y otras ventajas serán evidentes a la luz de la descripción detallada.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Con el fin de ayudar a la comprensión de las características de la invención, conforme a una realización práctica preferente de la misma y para complementar esta descripción, se adjuntan como parte integrante de la misma las siguientes figuras, que tienen carácter ilustrativo y no limitativo:

La figura 1 representa esquemáticamente una primera arquitectura en bucle abierto según un ejemplo, que no forma parte de la invención.

La figura 2 muestra una segunda arquitectura de bucle cerrado según un ejemplo, que no forma parte de la invención. La figura 3 presenta una tercera arquitectura con redundancia y una terminación implementada con un módulo de regeneración, según una realización preferente del sistema de la invención.

La figura 4 muestra una cuarta arquitectura con redundancia y una terminación implementada con un módulo maestro, según una realización preferente del sistema de la invención.

La figura 5 ilustra una quinta arquitectura de bucle cerrado con redundancia, según una realización preferente del sistema de la invención.

La figura 6 presenta una sexta arquitectura con múltiples ramas según un ejemplo, que no forma parte de la invención. La figura 7 representa esquemáticamente un ejemplo, que no forma parte de la invención, de un módulo maestro del sistema de la invención.

La figura 8 presenta una primera realización preferente de un módulo maestro del sistema de la invención con redundancia.

La figura 9 ilustra un ejemplo, que no forma parte de la invención, de un módulo maestro del sistema de la invención con detección coherente.

La figura 10 muestra una segunda realización preferente de un módulo maestro del sistema de la invención con detección coherente y redundancia.

La figura 11 ejemplifica una tercera realización preferente de un módulo maestro del sistema de la invención con dos puertos y redundancia.

La figura 12 muestra una primera realización preferente de un módulo de regeneración del sistema de la invención. La figura 13 representa una segunda realización preferente de un módulo de regeneración del sistema de la invención con redundancia.

La figura 14 ilustra un ejemplo, que no forma parte de la invención, con salidas dobles para esquemas ramificados. La figura 15 ilustra un ejemplo, que no forma parte de la invención, con distribución de oscilador local.

La figura 16 muestra una primera realización preferente de un módulo de terminación del sistema de la invención.DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Nótese que, en este texto, el término "comprende" y sus derivaciones (tales como "que comprende", “comprendiendo”, etc.) no deben entenderse en un sentido excluyente, es decir, estos términos no deben interpretarse como excluyentes de la posibilidad de que lo descrito y definido pueda incluir otros elementos, pasos, etc.

La figura 1 presenta un primer ejemplo, que no forma parte de la invención, a saber, una arquitectura lineal de bucle abierto no redundante en la que un dispositivo maestro (100) está conectado linealmente a una pluralidad de módulos de regeneración (200) a través de una pluralidad de segmentos de fibra óptica (400) que terminan en un módulo de terminación (300). Para simplificar, en las figuras, los dispositivos maestros (100) también se denominan "Maestro"; los módulos de regeneración (200) también se denominan "nodo 1", "nodo N-1" y "nodo N"; y los módulos de terminación también se denominan "Nodo de terminación ". En esta arquitectura particular (es decir, lineal de bucle abierto no redundante), el dispositivo maestro (100) sólo comprende un puerto de entrada/salida que transmite los pulsos de luz hacia adelante (401) generados en dicho dispositivo maestro (100) y recibe la luz Rayleigh retrodispersada (402) generada por dichos pulsos de luz (401) en un primer segmento de fibra óptica (400). Cada módulo de regeneración comprende un puerto de entrada que recibe los pulsos de luz (401), parcialmente agotados y dispersos tras la propagación por la fibra precedente, y una entrada/salida que transmite los pulsos de luz (401) tras la regeneración y recibe la luz Rayleigh retrodispersada (402) generada por dichos pulsos de luz (401) en el siguiente segmento de fibra óptica (400). Finalmente, el módulo de terminación (300) sólo comprende un puerto de entrada que recibe los pulsos de luz (401) después de propagarse a través del último segmento de fibra óptica (400).

El dispositivo maestro (100), los módulos de regeneración (200) y el módulo de terminación (300) también están conectados a través de conexiones (501) a una red de comunicación (500), que a su vez también está conectada a un servidor central (600). Nótese que las conexiones (501) pueden implementarse a través de tecnologías cableadas o inalámbricas, siguiendo cualquier tecnología y protocolo adecuados conocidos en el estado de la técnica, como por ejemplo, una conexión inalámbrica de protocolo de Internet. Además, en determinadas realizaciones, el servidor central (600) puede ser un dispositivo autónomo, o puede estar integrado en uno de los otros elementos del sistema, típicamente el dispositivo maestro (100).

La figura 2 presenta otro ejemplo, que no forma parte de la invención, correspondiente a una arquitectura de bucle cerrado no redundante. En este caso, en lugar de un módulo de terminación (300), el último módulo de regeneración (200) está conectado al dispositivo maestro (100). Por lo tanto, el dispositivo maestro (100) comprende tanto el mencionado puerto de entrada/salida como un puerto de entrada adicional que recibe los pulsos de luz (401) después de propagarse a través del último segmento de fibra óptica (400).

La figura 3 presenta una primera realización del sistema correspondiente a una arquitectura lineal redundante de bucle abierto. En este caso, el último módulo de regeneración (200), es decir, el nodo N, reenvía los pulsos de luz (401) al módulo de regeneración anterior (200), es decir, al nodo N-1, y así sucesivamente. Por lo tanto, cada enlace de fibra está cubierto por dos fibras ópticas (400), la segunda de las cuales proporciona información redundante sobre la misma distancia de medición. El dispositivo maestro (100) y el último módulo de regeneración (200) comprenden un puerto de entrada que recibe los pulsos de luz (401) y una entrada/salida que transmite los pulsos de luz (401) y recibe la luz Rayleigh retrodispersada (402); mientras que el resto de los módulos de regeneración (200) comprenden dos puertos de entrada y dos puertos de entrada/salida, uno para cada sentido de medición.

La figura 4 presenta una segunda realización del sistema, también una arquitectura lineal redundante de bucle abierto. Sin embargo, en este caso, en lugar de terminar en un módulo de regeneración (200), el último segmento de fibra óptica (400) termina en un segundo dispositivo maestro (100) que genera nuevos pulsos de luz (401) para las fibras ópticas redundantes (400). Ambos dispositivos maestros (100) comprenden un puerto de entrada que recibe los pulsos de luz (401) y una entrada/salida que transmite los pulsos de luz (401) y recibe la luz Rayleigh retrodispersada (402); mientras que todos los módulos de regeneración (200) comprenden dos puertos de entrada y dos puertos de entrada/salida, uno para cada dirección de medición.

La figura 5 presenta una tercera realización del sistema, en una arquitectura redundante de bucle cerrado. Un único dispositivo maestro (100) con dos puertos de entrada y dos puertos de entrada/salida inyecta pulsos de luz (401) en dos anillos de fibra, en direcciones contrapropagadoras. Todos los módulos de regeneración (200) comprenden dos puertos de entrada y dos puertos de entrada/salida, uno para cada dirección de medición, siendo el primer módulo de regeneración (200), es decir, el nodo 1, y el último módulo de regeneración (200), es decir, el nodo N, ambos conectados al dispositivo maestro (100).

Por último, la figura 6 presenta otro ejemplo, que no forma parte de la invención, en una arquitectura ramificada no redundante de bucle abierto. En esta arquitectura uno o más de los módulos de regeneración (200) comprenden un único puerto de entrada, pero dos (o más) puertos de entrada/salida. Es decir, una vez regenerados los pulsos de luz (401), se dividen en dos (o más) segmentos de fibra óptica (400) diferentes, lo que permite una disposición de fibra ramificada. Por lo tanto, el módulo de regeneración (200) también está configurado para detectar la luz Rayleigh retrodispersada (402) de ambos segmentos ramificados de forma independiente, y enviar la información al servidor central (600). Obsérvese que, dependiendo de las realizaciones particulares, el sistema puede comprender múltiples ramas subsiguientes, y que cada rama puede comprender cualquier número de módulos de regeneración (200) y un módulo de terminación independiente (300), o un módulo de terminación común (300).

Obsérvese que determinadas realizaciones del sistema pueden comprender cualquier combinación de las características descritas en las realizaciones anteriores del sistema. Por ejemplo, determinadas realizaciones del sistema de la invención pueden combinar una disposición de fibra ramificada con bucles cerrados y/o fibras redundantes. Además, dichas características pueden estar presentes en algunos, pero no en todos los enlaces de fibra. Por ejemplo, una realización particular del sistema de la invención puede comprender fibras redundantes sólo en parte de sus enlaces. Por último, determinadas realizaciones pueden incluir cualquier conexión óptica, por cable o inalámbrica adicional para distribuir osciladores locales o relojes eléctricos, coordinar el funcionamiento de los dispositivos o cualquier otro fin.

La figura 7 representa esquemáticamente los componentes de un ejemplo, que no forma parte de la invención, del dispositivo maestro (100) que comprende un único puerto de entrada/salida (120). Con el fin de mantener una nomenclatura unívoca, preservando la claridad del texto, cualquier mención a un componente, señal o puerto a partir de este momento hasta que se indique lo contrario se refiere a la instancia de dicho componente, señal o puerto comprendida dentro del dispositivo maestro (100). Es decir, por ejemplo, cualquier mención a un amplificador óptico se refiere al amplificador óptico del dispositivo maestro (103) y no al amplificador óptico del módulo de regeneración (204) hasta que se indique lo contrario.

El dispositivo maestro (100) comprende un láser (101) que emite una señal de onda continua (701) de espectro estrecho y frecuencia de emisión estable. Esta señal de onda continua (701) se modula en un modulador (102) mediante un tren de pulsos eléctricos (709) generado en un generador de pulsos (108). El modulador (102) es, por ejemplo, un modulador acústico-óptico. La señal modulada (702) es entonces amplificada en un amplificador óptico (103), y la señal amplificada (703) es filtrada en un filtro óptico de paso de banda (104), reduciendo el ruido introducido por la emisión espontánea del amplificador óptico (103). A continuación, la señal filtrada (704), que comprende el tren de pulsos de luz (401), se encamina a través de un circulador (105) y el puerto de entrada/salida (120) hacia el segmento de fibra óptica de detección (400). Dicho puerto de entrada/salida (120) también recibe la luz Rayleigh retrodispersada (402). La señal recibida (705) circula a través del circulador (105) y se detecta en un primer fotodetector (106), que produce una primera señal eléctrica (706) proporcional a la luz Rayleigh retrodispersada (402). La primera señal eléctrica detectada (706) se digitaliza en un convertidor analógico-digital (DAQ, 107), que se sincroniza con el generador de pulsos (108) mediante una señal de disparo.

La señal digitalizada (707) es entonces procesada por los medios de procesamiento (109), también señalados como "PC" en la figura. Nótese, no obstante, que los medios de procesamiento (109) pueden comprender medios de código de programa de ordenador adaptados para ejecutarse en un ordenador, un procesador de señal digital, una matriz de puertas programable en campo, un circuito integrado de aplicación específica, un microprocesador, un microcontrolador o cualquier otra forma de hardware programable. La información procesada se transmite entonces al servidor (600) a través de una conexión (501) de una red (500). Nótese que, dependiendo de la realización particular, la información procesada puede ser enviada continuamente, periódicamente o sólo en caso de eventos particulares, y puede comprender trazas medidas completas, información de vibración distribuida ya calculada, o información relacionada con eventos particulares o alarmas. Los medios de procesamiento (109) también pueden generar una o más señales de control (708) adaptadas para controlar parámetros ajustables de otros elementos del dispositivo maestro (100), como la frecuencia o la duración del generador de pulsos (108).

La figura 8 presenta una primera realización del dispositivo maestro (100) de la invención que comprende un puerto de entrada/salida (120) y un puerto de entrada (130) que recibe pulsos de luz (401) de un segmento de fibra óptica (400) redundante o de bucle cerrado. Esto puede aplicarse, por ejemplo, a la segunda, tercera y cuarta realizaciones del sistema de la invención (arquitectura redundante de bucle abierto o arquitecturas no redundantes de bucle cerrado). Más allá de los elementos ya descritos para la primera realización del dispositivo maestro (100), la segunda realización del dispositivo maestro (100) comprende además un aislador (110) conectado al puerto de entrada (130) que impide cualquier retrorreflexión en la fibra redundante que pueda interferir con la medición de la vibración. La señal resultante (710) después del aislador (110) se detecta en un segundo fotodetector (111) generando una segunda señal eléctrica (711) que también se digitaliza en el convertidor analógico a digital (DAQ, 107), se procesa por los medios de procesamiento (109) y se transmite al servidor (600). Nótese que la información extraída de los pulsos de luz (401) recibidos en el puerto de entrada (130) se utiliza para diagnósticos, tales como verificar que los pulsos de luz (401) están llegando correctamente al módulo anterior, que no hay pérdidas de potencia inesperadas, etc. La medición y aplicación de señales de diagnóstico es, por tanto, una característica opcional que puede variar en diferentes realizaciones.

La figura 9 presenta otro ejemplo, que no forma parte de la invención, del dispositivo maestro (100) que comprende un puerto de entrada/salida (120) y detección coherente. En la detección coherente, la señal de onda continua (701) se divide en dos trayectorias mediante un divisor (112). La primera señal dividida (701') se inyecta en el modulador (102), cuya portadora eléctrica pulsada (716) se genera en un excitador (116) a partir del tren de pulsos eléctricos (709) del generador de pulsos (108). El excitador (116) modula una señal de radiofrecuencia de alto voltaje, típicamente con una frecuencia en el rango de decenas a cientos de MHz, generada por el propio excitador (116) con el tren de pulsos eléctricos (709) generado por el generador de pulsos (108). La portadora óptica de la señal modulada (702) se desplaza, por lo tanto, por un cierto desplazamiento de frecuencia que es igual a la frecuencia de la señal de radiofrecuencia presente en la señal de conducción, es decir, la portadora eléctrica pulsada (716).

La segunda señal dividida (701"), que actúa como oscilador local, alimenta a un control de polarización (113), que genera una primera señal (712) de un detector balanceado (114). La segunda entrada del detector balanceado es la señal recibida (705) que comprende la luz Rayleigh retrodispersada (402). El detector balanceado (114) comprende un mecanismo de acoplamiento óptico, como un acoplador óptico (que depende de la polarización) o un híbrido óptico de 90° (que es independiente de la polarización). El control de polarización (113) sólo se utiliza si el detector equilibrado (114) no incluye el híbrido de 90°. En ese caso, la polarización del oscilador local se rota entre dos estados de polarización ortogonales alternativamente, de modo que la polarización del oscilador local es ortogonal para cada pulso adyacente de la luz Rayleigh retrodispersada (402).

Obsérvese que, en una realización particular, el oscilador local del dispositivo maestro (100) puede distribuirse a los módulos de regeneración (200) a través de enlaces auxiliares de fibra óptica. Por lo tanto, los dispositivos maestros (100) pueden incluir elementos adicionales tales como divisores, puertos de salida y/o medios de amplificación o acondicionamiento de señal para esta distribución del oscilador local.

La señal diferencial (713) medida por el detector balanceado (114) se inyecta en un demodulador de cuadratura (115), que descompone dicha señal diferencial en componentes de fase y cuadratura (714), que se digitalizan en el convertidor analógico a digital (DAQ, 107). Como la primera señal de entrada (712) y la segunda señal de entrada (705) tienen portadoras ópticas diferentes debido al desplazamiento de frecuencia inducido en los pulsos de luz (401) por el modulador acústico-óptico (102), la señal diferencial (713) producida por el detector balanceado (114) contiene una portadora eléctrica a la frecuencia del desplazamiento de frecuencia. Para obtener la señal de banda base presente en la señal diferencial (713), el demodulador de cuadratura (115) mezcla dicha señal diferencial (713) con un reloj de radiofrecuencia (715) de la frecuencia de la portadora proporcionada por el excitador (116).

La figura 10 presenta una segunda realización del dispositivo maestro (100) de la invención que comprende un puerto de entrada/salida (120), un puerto de entrada (130) y detección coherente. Esto puede aplicarse, por ejemplo, a la segunda, tercera y cuarta realización del sistema de la invención (arquitectura redundante de bucle abierto o arquitecturas no redundantes de bucle cerrado). Esta cuarta realización es una combinación directa de los elementos descritos para la tercera realización del dispositivo maestro (100), con la adición del aislador (110) y el segundo fotodetector (111), ya descritos para la segunda realización del dispositivo maestro (100).

Por último, la figura 11 presenta una tercera realización del dispositivo maestro (100) de la invención que comprende dos puertos de entrada/salida (120) y dos puertos de entrada (130). Esto puede aplicarse, por ejemplo, a la quinta realización del sistema de la invención (arquitectura redundante de bucle cerrado). El funcionamiento del dispositivo maestro (100) es similar al de la primera realización del dispositivo maestro (100), con la diferencia de que el esquema de detección se replica para ambos puertos de entrada/salida (120), y que la señal filtrada (704) se divide mediante un divisor (112) en dos circuladores (105) y se dirige a los dos puertos de entrada/salida (120) para ser transmitida a dos fibras separadas (400). Dichas dos fibras separadas (400) pueden formar parte de dos anillos contrapropagadores de una arquitectura redundante de bucle cerrado, o simplemente de dos ramas copropagantes de una disposición ramificada. Obsérvese que determinadas realizaciones pueden combinar elementos de los esquemas duplicados, como un único convertidor analógico-digital (107) para todos los detectores.

La Figura 12 representa esquemáticamente los componentes del módulo de regeneración (200) de un ejemplo, que no forma parte de la invención, que implementa los pasos de un ejemplo, que no forma parte de la invención. Para mantener una nomenclatura unívoca, preservando la claridad del texto, cualquier mención a un componente, señal o puerto desde este momento, hasta que se indique lo contrario, se refiere a la instancia de dicho componente, señal o puerto comprendida dentro del módulo de regeneración (200). Es decir, por ejemplo, cualquier mención a un amplificador óptico se refiere al amplificador óptico del módulo de regeneración (204) y no al amplificador óptico del dispositivo maestro (103), hasta que se indique lo contrario.

El ejemplo del módulo de regeneración (200) comprende un único puerto de entrada (230) y un único puerto de entrada/salida (220). Esto puede aplicarse, por ejemplo, a los ejemplos del sistema de la invención (arquitecturas no redundantes de bucle abierto y bucle cerrado), y al nodo final de otro ejemplo. Los pulsos de luz recibidos (401), deteriorados tras la propagación por fibra debido a la atenuación y la dispersión, ya no son aptos para la detección distribuida de vibraciones. Dichos pulsos de luz recibidos se hacen pasar a través de un aislador óptico (201). La señal recibida (801) que comprende los pulsos de luz deteriorados (401) se inyecta entonces en una fibra compensadora de dispersión (202) que compensa la dispersión antes mencionada sufrida por los pulsos de luz (401) en el segmento de fibra óptica (400) anterior. La señal compensada de dispersión resultante es dividida por un primer acoplador (203). La primera señal dividida (803) es amplificada por un primer amplificador óptico (204), y la señal amplificada resultante es filtrada por un filtro óptico (205). La señal filtrada (805), que ahora comprende pulsos de luz acondicionados (401), es entonces encaminada por un circulador (206) hacia el puerto de entrada/salida (220), presentando la forma y potencia requeridas para implementar técnicas DVS en el siguiente segmento de fibra óptica (400). En una realización alternativa, el primer amplificador óptico (204) puede colocarse antes del primer acoplador óptico (203), en caso de que se necesite una mayor potencia óptica en el primer fotodetector (207).

La segunda señal dividida (808) se detecta en el primer fotodetector (207) generando una primera señal eléctrica (809). Por otra parte, la señal retrodispersada (806) que comprende la luz Rayleigh retrodispersada recibida (402), se detecta en un segundo fotodetector (208) generando una segunda señal eléctrica (807). Tanto la primera señal eléctrica (809) como la segunda señal eléctrica (807) se digitalizan en un convertidor analógico-digital (209), tal como una tarjeta de adquisición de datos. La primera señal eléctrica (809) puede utilizarse como disparador para la digitalización de la segunda señal eléctrica (807). Para este propósito, se pueden incluir amplificadores eléctricos adicionales, rectificadores y/o líneas de retardo ópticas. A continuación, las señales digitalizadas (810) son procesadas por los medios de procesamiento (210) y transmitidas al servidor (600) a través de la red (500). Obsérvese que los medios de procesamiento (210) pueden comprender medios de código de programa de ordenador adaptados para ejecutarse en un ordenador, un procesador digital de señales, una matriz de puertas programable en campo, un circuito integrado de aplicación específica, un microprocesador, un microcontrolador o cualquier otra forma de hardware programable. Obsérvese también que, dependiendo de la realización de que se trate, la información procesada puede enviarse de forma continua, periódica o sólo en caso de que se produzcan determinados acontecimientos, y puede comprender trazas medidas completas, información de vibraciones distribuida ya calculada, o información relacionada con determinados acontecimientos o alarmas.

La figura 13 presenta una segunda realización del módulo de regeneración (200) de la invención, que comprende dos puertos de entrada (230) y dos puertos de entrada/salida (220). Esto puede aplicarse, por ejemplo, a la tercera y cuarta realizaciones del sistema de la invención (arquitecturas redundantes de bucle abierto y bucle cerrado). El funcionamiento del dispositivo es similar al de la primera realización del módulo de regeneración, simplemente replicando los esquemas de regeneración y detección para ambas direcciones. Obsérvese que determinadas realizaciones pueden combinar elementos de los esquemas duplicados, como un único convertidor analógico-digital (209) para todos los detectores.

La figura 14 presenta el módulo de regeneración (200) de un ejemplo, que no forma parte de la invención, que comprende un puerto de entrada (230) y dos puertos de entrada/salida (220). Esto puede aplicarse, por ejemplo, a un ejemplo del sistema (arquitecturas ramificadas). El funcionamiento del dispositivo es similar al de la primera realización del módulo de regeneración, pero el esquema de detección se replica para ambos puertos de entrada/salida (220), y la señal filtrada (805) es dividida mediante un segundo divisor (211) para ser entregada a dos circuladores (206) y dirigida a los dos puertos de entrada/salida (220) para transmitirse a dos fibras separadas (400).

La figura 15 presenta un ejemplo, que no forma parte de la invención, del módulo de regeneración (200) en el que el oscilador local del dispositivo maestro se transmite al módulo de regeneración (200) como señal del oscilador maestro (403), lo que permite la detección coherente en el módulo de regeneración (200). La detección coherente mejora la sensibilidad de detección, normalmente en un factor de 10 dB, que, en una realización típica, permite aumentar la distancia de medición del módulo de regeneración (200) en decenas de kilómetros.

La señal del oscilador maestro (403) se recibe normalmente a través de una fibra auxiliar y un puerto de entrada adicional. La señal del oscilador maestro (403) se amplifica en un segundo amplificador óptico (212) y la señal amplificada del oscilador maestro (811) se divide mediante un segundo acoplador (213). Una primera señal de oscilador maestro dividida (816) se transmite al siguiente módulo de regeneración (200). Una segunda señal de oscilador maestro dividida (812) se transmite a un controlador de polarización en línea (214, denominado "Cont. de Pol. en línea" en la figura). La señal del oscilador de polarización controlada resultante (813) se utiliza en un detector balanceado (215) para detectar la señal retrodispersada (806). La señal detectada (814) pasa por un detector de envolvente (216). Finalmente, la señal de salida del detector de envolvente (815) se digitaliza en el convertidor analógico-digital (209) y se transmite al servidor central (500).

Obsérvese que en el módulo de regeneración (200), la detección coherente no se realiza a través de un demodulador en cuadratura, a fin de eludir la necesidad de distribuir el reloj de radiofrecuencia del dispositivo maestro para reducir la frecuencia de la señal a la banda base. En su lugar, el detector de envolvente (216) actúa como filtro de paso bajo, eliminando el tono de la señal. Nótese también que la polarización de la señal procedente del oscilador maestro (403) es alterada por su propagación a través de la fibra óptica. Por lo tanto, en lugar del control de polarización clásico, se utiliza el controlador de polarización en línea (214). Los controladores de polarización en línea (214), ya conocidos en el estado de la técnica, permiten obtener una polarización de salida deseada mediante el seguimiento de una polarización de entrada arbitraria, siempre que los cambios de polarización en la polarización de entrada sean relativamente lentos (como es el caso de este escenario). Por último, obsérvese que la distribución del oscilador local puede utilizarse junto con cualquier otra característica divulgada para otras realizaciones del módulo de regeneración de la invención.

La figura 16 representa esquemáticamente los componentes el módulo de terminación (300) de un ejemplo, que no forma parte de la invención. Con el fin de mantener una nomenclatura unívoca, preservando la claridad del texto, cualquier mención a un componente, señal o puerto desde este momento hasta que se indique lo contrario se refiere a la instancia de dicho componente, señal o puerto comprendida dentro del módulo de terminación (300). Es decir, por ejemplo, cualquier mención a un aislador se refiere al aislador del módulo de terminación (301) y no al aislador del módulo de regeneración (201) hasta que se indique lo contrario.

El módulo de terminación (300) comprende un aislador (301) conectado a un único puerto de entrada (330) que impide cualquier reflexión hacia atrás en la fibra que pueda interferir con la medición de la vibración. La señal resultante (901) tras el aislador (301) se detecta en un fotodetector (302) generando una señal eléctrica (902) que se digitaliza en un convertidor digital a analógico (303), se procesa por medios de procesamiento (304) y se transmite al servidor (600). Obsérvese que la información extraída de los pulsos de luz (401) recibidos en el puerto de entrada (330) se utiliza para diagnósticos, tales como verificar si los pulsos de luz (401) están llegando correctamente al módulo anterior, que no hay pérdidas de potencia inesperadas, etc. La medición y aplicación de señales de diagnóstico es, por tanto, una característica opcional que puede variar en diferentes realizaciones.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Módulo (200) de detección distribuida de vibraciones basado en luz de Rayleigh retrodispersada (402) generada por pulsos de luz (401),caracterizado porqueel módulo (200) comprende:

- medios de regeneración adaptados para

recibir pulsos de luz (401) de un primer segmento de fibra óptica (400), acondicionar los pulsos de luz (401) y transmitir los pulsos de luz (401) a un segundo segmento de fibra óptica (400),

y adaptado además para

recibir pulsos de luz (401) procedentes de un tercer segmento de redundancia de fibra óptica (400) paralelo al segundo segmento de fibra óptica (400), acondicionar los pulsos de luz (401) y transmitir los pulsos de luz (401) a un cuarto segmento de redundancia de fibra óptica (400) paralelo al primer segmento de fibra óptica (400); - medios de detección adaptados para detectar la luz de Rayleigh retrodispersada (402) recibida, generada en el segundo segmento de fibra óptica (400) y el cuarto segmento de redundancia de fibra óptica (400);

- medios de conexión adaptados para enviar información de detección basada en la luz de Rayleigh retrodispersada (402) detectada a un servidor remoto (600) que supervisa múltiples segmentos de fibra óptica (400).

2. Módulo (200) según la reivindicación 1,caracterizado porquelos medios de regeneración comprenden una fibra óptica (202) compensadora de dispersión.

3. Módulo (200) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizado porquelos medios de regeneración comprenden un filtro óptico (205).

4. Módulo (200) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizado porquelos medios de regeneración comprenden al menos un amplificador óptico (204).

5. Módulo (200) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizado porqueel módulo (200) comprende además un aislador óptico (201) en una entrada donde se reciben los pulsos de luz (401) procedentes del primer segmento de fibra óptica (400).

6. Módulo (200) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizado porqueel módulo (200) comprende además un convertidor analógico a digital (209) que digitaliza la luz de Rayleigh retrodispersada (402) recibida desde el segundo segmento de fibra óptica (400) utilizando como disparador los pulsos de luz (401) recibidos desde el primer segmento de fibra óptica (400).

7. Módulo (200) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizado porquelos medios de regeneración comprenden además un divisor (211) adaptado para transmitir un mismo pulso de luz acondicionado (401) a al menos dos puertos de entrada/salida (220).

8. Módulo (200) según cualquiera de las reivindicaciones anteriorescaracterizado porquelos medios de detección son medios de detección coherente configurados para recibir, amplificar y redistribuir una señal osciladora maestra (403) recibida desde un dispositivo maestro que también genera los pulsos de luz (401).

9. Sistema de detección distribuida de vibraciones basado en luz dispersada Rayleigh (402) generada por pulsos de luz (401), que comprende:

- un dispositivo maestro (100) adaptado para generar los pulsos de luz (401) y transmitir los pulsos de luz a un primer segmento de fibra óptica (400);

caracterizado porqueel sistema comprende, además:

- al menos, un módulo de regeneración (200) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, adaptado para recibir los pulsos de luz (401) del dispositivo maestro (100) a través del primer segmento de fibra óptica (400); acondicionar los pulsos de luz (401) y transmitir los pulsos de luz (401) a un segundo segmento de fibra óptica (400),

y adaptado además para

recibir pulsos de luz (401) del dispositivo maestro (100) a través de un tercer segmento de redundancia de fibra óptica (400) paralelo al segundo segmento de fibra óptica (400), acondicionar los pulsos de luz (401) y transmitir los pulsos de luz (401) a un cuarto segmento de redundancia de fibra óptica (400) paralelo al primer segmento de fibra óptica (400);

y

- un servidor (600) adaptado para recibir información de detección de al menos el dispositivo maestro (100) y el al menos un módulo de regeneración (200).

10. Sistema según la reivindicación 9,caracterizado porqueel dispositivo maestro (100) está conectado al menos a un módulo de regeneración (200) a través del primer segmento de fibra óptica (400) en una configuración de bucle abierto.

11. Sistema según la reivindicación 9,caracterizado porqueel dispositivo maestro (100) está conectado al menos a un módulo de regeneración (200) a través del primer segmento de fibra óptica (400) en una configuración de bucle cerrado.

12. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11,caracterizado porqueel dispositivo maestro (100) comprende medios de detección coherente.

13. Procedimiento de detección distribuida de vibraciones basado en luz dispersada de Rayleigh (402) generada por pulsos de luz (401),caracterizado porqueel procedimiento comprende:

- recibir pulsos de luz (401) desde un primer segmento de fibra óptica (400), acondicionar los pulsos de luz (401) y transmitir los pulsos de luz (401) a un segundo segmento de fibra óptica (400);

- recibir pulsos de luz (401) procedentes de un tercer segmento de redundancia de fibra óptica (400) paralelo al segundo segmento de fibra óptica (400), acondicionar los pulsos de luz (401) y transmitir los pulsos de luz (401) a un cuarto segmento de redundancia de fibra óptica (400) paralelo al primer segmento de fibra óptica (400) - detectar la luz dispersada de Rayleigh recibida (402) generada en el segundo segmento de fibra óptica (400) y en el cuarto segmento redundante de fibra óptica (400); y

- enviar información de detección basada en la luz dispersa de Rayleigh detectada (402) a un servidor remoto (600) que supervisa múltiples segmentos de fibra óptica (400).