Gedistribueerde optische vezeldetectie (DOFS) is momenteel een volwassen technologie die het mogelijk maakt om een ​​conventionele glasvezel te 'transformeren' in een continue reeks individuele sensoren, die over de lengte zijn verdeeld. Tussen het arsenaal aan technieken ontwikkeld op het gebied van DOFS, die gebaseerd op fasegevoelige optische tijddomeinreflectometrie (ΦOTDR) hebben veel aandacht gekregen, voornamelijk vanwege hun vermogen om spannings- en temperatuurverstoringen in realtime te meten. Deze unieke eigenschappen, samen met andere voordelen van gedistribueerde sensoren (verminderd gewicht, elektromagnetische immuniteit en kleine afmetingen) maken ΦOTDR-sensoren een uitstekende oplossing voor het bewaken van grote infrastructuren (zoals bruggen en pijpleidingen), vooral als je bedenkt dat hun kosten omgekeerd evenredig zijn met het aantal meetpunten, en de resolutie kan een paar meter bereiken.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassingen , een team van wetenschappers van de Universiteit van Alcalá, Universiteit Jaume I en de Spaanse Onderzoeksraad (CSIC) presenteren een nieuwe glasvezelondervrager om ΦOTDR uit te voeren. Het is gebaseerd op een bekende interferometrische techniek die gebruik maakt van twee onderling coherente optische frequentiekammen. Deze nieuwe ondervrager maakt spannings- en/of temperatuurmeting mogelijk met resoluties op de cm-schaal over een bereik van maximaal 1 km (d.w.z. het biedt> 104 meetpunten verdeeld over de optische vezel). Gezien de gerapporteerde resultaten, deze benadering opent de deur voor kosteneffectieve DOFS in toepassingen op korte afstand en hoge resolutie, zoals structuurgezondheidsmonitoring van lucht- en ruimtevaartcomponenten en bewaking van boorputproductie, die tot op heden onbetaalbare kosten hebben.

De techniek die in de krant wordt gepresenteerd, genaamd time-extended ΦOTDR (TE-ΦOTDR), vertrouwt op het gebruik van een slim ontworpen ultradichte optische frequentiekam om een ​​detectievezel te sonderen. Een zwak retoursignaal wordt dan veroorzaakt door de elastische verstrooiing die door het licht wordt ervaren. Dit signaal wordt gedetecteerd door het te laten interfereren met een tweede kam, die een bandbreedte en spectrale fasecodering heeft die vergelijkbaar is met die van de sonde, maar een andere tandafstand. Het resultaat is een multi-heterodyne interferentie die een "tijdverlenging" van de gedetecteerde signalen produceert (zie afbeelding). In het frequentiedomein dit proces kan worden opgevat als een frequentie 'down-conversie' (een optisch-naar-elektrische mapping). In het dual-comb-schema dat is ontwikkeld voor DOFS, beide kammen worden gegenereerd door dezelfde continue golflaser, dankzij een paar elektro-optische modulatoren aangedreven door een enkele willekeurige golfvormgenerator.

Enkele opmerkelijke kenmerken van dit schema zijn:(i) de flexibiliteit in het ontwerp van de kammen, waarmee de gebruiker de beoogde prestaties voor de sensor kan bereiken; (ii) de verminderde detectiebandbreedte (in het sub-megahertz-regime voor centimeterresolutie over 200 meter), wat een gevolg is van de tijdsverlenging die wordt ervaren door de gedetecteerde signalen; en (iii) het vermogen om het in de sensorvezel geïnjecteerde vermogen te maximaliseren. Deze laatste functie is van fundamenteel belang om echte gedistribueerde detectie uit te voeren, gezien de extreme zwakte van het fenomeen elastische verstrooiing. Door een gecontroleerd willekeurig faseprofiel in de gegenereerde kammen te introduceren, het piekvermogen van de optische signalen kan worden geminimaliseerd, terwijl een hoog gemiddeld vermogen behouden blijft om de signaal-ruisverhouding van de sensor te verbeteren. In aanvulling, de gecodeerde fase wordt automatisch gedemoduleerd bij detectie, zonder verdere nabewerking.

"Het detectieschema op basis van een conventioneel dual-kamschema stelt ons in staat om resoluties op cm-schaal te bereiken over detectiebereiken van enkele honderden meters, terwijl een meetsnelheid van tientallen hertz wordt aangehouden. In de krant, we introduceren ook een strategie om het detectiebereik aanzienlijk uit te breiden zonder de akoestische bemonsteringssnelheid te verminderen. Het basisidee is om twee frequentiekammen te gebruiken met zeer ongelijke tandafstand, dus de gegenereerde tijdsignalen hebben quasi-integer-verhoudingsperioden. Dit schema, eerder toegepast op het gebied van spectroscopie, maakt het mogelijk om vezels tot 1 km lengte te meten met een ruimtelijke resolutie van 4 cm. Dit betekent 25, 000 individuele detectiepunten langs de vezel. Deze prestatieverbetering gaat ten koste van het tot op zekere hoogte vergroten van de detectiebandbreedte (tot enkele megahertz), evenals de complexiteit van het verwerkingsalgoritme, hoewel nog steeds de fundamentele voordelen van de methode behouden blijven."

"De gepresenteerde technieken leggen een volledig nieuwe operatiearena bloot voor dynamische op OTDR gebaseerde sensoren, die beperkt was tot velden die tientallen kilometers aftasten en resoluties op meterschaal nodig hadden om als een waardevolle oplossing te ontstaan. De resultaten die in het artikel worden gedemonstreerd, zijn een veelbelovende stap om een ​​gedistribueerde sensor te ontwerpen die een snelle acquisitiesnelheid biedt, kleine detectiebandbreedte en scherpe ruimtelijke resolutie, " voegden ze eraan toe.