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Scuola Dottorato GE 2006 Benevento, 19-21 giugno 2006 Sensing distribuito in fibra ottica Luigi Zeni Seconda Università di Napoli Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione

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Sensing distribuito in fibra ottica

Luigi Zeni

Seconda Università di Napoli Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione

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Sensori distribuiti in fibra ottica

• Misure di profili di deformazione e temperatura

• Misure ad ampio range ed alta risoluzione spaziale

• Elemento sensibile rappresentato da una fibra per TLC

• Immunità alle interferenze elettromagnetiche

• Minima invasività

• Integrabilità nelle strutture

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Applicazioni dei sensori distribuiti

• Monitoraggio della deformazione di grandi strutture(ponti, dighe, edifici, etc.)

• Monitoraggio della stabilità dei pendii

• Sistemi di allarme

• Misure di profili di temperatura in gallerie, fondalimarini, pozzi, aree vulcaniche, etc

• Rilevamento hot-spot in cavi elettrici ad alta potenza

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Fibre ottiche per sensori distribuiti

Fibre monomodo per telecomunicazioni

Dimensioni tipiche di una fibra monomodo per TLC a λ=1550nm:

Diametro Core: 9µm

Diametro Cladding: 125µm

Diametro overcoat: 250µm

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Mercato dei sensori in fibra ottica

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Mercato dei sensori in fibra ottica

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Fenomeni di scattering nelle fibre ottiche

Equazione delle onde

2

2

02

2

22 1

ttc ∂∂

=∂∂

−∇PEE µ

o0 PEχP == )1(ε

E è il campo elettrico, µ0 è la permeabilità magnetica del vuoto, c è la velocità della luce nel vuoto e χ(1) è la suscettività dielettrica del 1°ordine

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Fenomeni di scattering nelle fibre ottiche

In un mezzo omogeneo χ(1) è uno scalare per cui:

02

2

2

22 =

∂−∇

tcn EE

)1(0 1 χεε +==n Indice di rifrazione

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Fenomeni di scattering nelle fibre otticheIn un mezzo non omogeneo è possibile tenere conto dipiccole fluttuazioni spaziali e temporali di χ(1)

considerando un termine additivo

d0 PPE∆χEχP +=+= )1(0

)1(0 εε E∆εPd ⋅=

L’equazione delle onde diventa

2

2

02

2

2

22

ttcn d

∂=

∂−∇

PEE µ

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Fenomeni di scattering nelle fibre ottiche

Il termine tensoriale ∆εij è somma di unacomponente scalare ed una tensoriale

tijijij εεδε ∆+∆=∆

Il termine scalare tiene conto delle fluttuazioni di densità ρ e temperatura T, il termine tensoriale tiene conto dei modi vibrazionali delle molecole

TTT

∆⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∂∂

+∆⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

=∆ρ

ερρεε

Le fluttuazioni di densità possono essere fisse (“congelate” nel materiale) o indotte da onde acustiche

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Meccanismi di scattering in fibra otticautilizzati per il sensing distribuito

• Scattering di Rayleigh (1877-1919)

• Scattering di Raman (1888-1970)

• Scattering di Brillouin (1889-1969)

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Scattering di Rayleigh

• Diffusione di tipo “elastico” della radiazione dovuta alledisomogeneità “congelate” nel materiale vetroso all’atto dellafabbricazione. L’intensità diffusa diminuisce al crescere dellalunghezza d’onda.

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Scattering di Raman

•Lo scattering di Raman è il risultato di una interazione di tipo “anelastico” della radiazione incidente con i modi vibrazionali delle molecole del materiale vetroso

•Quando un segnale intenso viene lanciato in fibra appaiono nellospettro della radiazione retrodiffusa due componenti chiamate Raman Stokes e Raman Anti-Stokes, rispettivamente a frequenza minore e maggiore della frequenza della luce incidente

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Scattering di Raman

•Le molecole che si trovano al livello di energia più basso (ground state) possono essere portate ad un livello vibrazionale più elevato mediante assorbimento di un fotone di energia maggiore della differenza tra i due livelli ed emissione di un fotone di energia minore di quello assorbito (Stokes)

•Le molecole che si trovano già ad un livello di energia superiore possono essere portate al ground state mediante assorbimento di un fotone di energia maggiore della differenza tra i due livelli ed emissione di un fotone di energia maggiore di quello assorbito (Anti-Stokes)

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Scattering di RamanLa popolazione del livello eccitato dipende dalla temperatura T (cresce all’aumentare della temperatura). Le popolazioni dei due livelli sono descritte dalla statistica di Bose-Einstein

kThstateground

eN ν−−

−∝

1

1ν : differenza di energia tra il livello eccitato ed il livello fondamentale.

h : costante di Planck

k : costante di Boltzmann

kTh

kTh

stateexcited

e

eN ν

ν

−∝

1

A temperatura ambiente prevale l’emissione sulla riga di Stokes in quanto il ground state è il livello più popolato. L’intensità di emissione sulla riga di Anti-Stokes cresce all’aumentare della temperatura

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Scattering di Brillouin

Scattering spontaneo di Brillouin

•Lo scattering spontaneo di Brillouin è un processo di scattering di luce da onde acustiche termicamente generatenel mezzo

•La luce diffusa presenta uno shift νB in frequenza rispetto all’onda incidente causato dall’effetto Doppler

Ovviamente se l’onda acustica viaggia in direzione opposta si genera un’onda di Anti-Stokes

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Scattering di BrillouinScattering stimolato di Brillouin

•Quando il campo luminoso incidente è sufficientemente intenso, tale processo può divenire stimolato (SBS). In tal caso, l’onda acustica è generata dal pattern interferenziale formato, ad esempio, dall’onda incidente e l’onda di Stokes contropropagante attraverso il fenomeno dell’elettrostrizione

•L’onda acustica, a sua volta, produce una modulazione dell’indice di rifrazione nel mezzo, che rende possibile un trasferimento di potenza dall’onda incidente all’onda di Stokes per diffrazione

•Bisogna lanciare due segnali contropropaganti denominati onda di pump (onda incidente) e onda di probe (onda di Stokes)

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Scattering di Brillouin

Scattering stimolato di Brillouin

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Scattering di Brillouin

Scattering stimolato di Brillouin

Onda acustica

νac=νpump- νprobe

Onda di pump

Onda di probe

Trasferimento di potenza

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Sensori distribuiti basati sullo scattering diRayleigh

• Consentono di identificare fenomeni esterni in grado di indurrecentri di diffusione o modificarne la distribuzione

• L’utilizzo è limitato alla identificazione di perturbazionisignificative

• L’informazione sulla distribuzione spaziale viene ottenutamediante riflettometria ottica nel dominio del tempo (OTDR)

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Sensori distribuiti basati sullo scattering diRayleigh

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Sensori distribuiti basati sullo scattering diRaman

•Consentono di misurare il profilo di temperatura lungo la fibra ottica

•Si ottengono risoluzioni spaziali dell’ordine di alcuni metri su lunghezze dell’ordine della decina di km

•L’accuratezza in temperatura è dell’ordine del grado centigrado

•L’informazione sulla distribuzione spaziale viene ottenuta mediante OTDR

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Sensori distribuiti basati sullo scattering diRaman

• Il rapporto tra l’intensità della riga di Anti-Stokes e quella della riga di Stokes dipende dalla temperatura. Le righe di Stokes e Anti-Stokes presentano, per la silice, uno spostamento in frequenza νrispetto alla radiazione incidente di circa 13THz

• Il profilo di temperatura lungo la fibra viene determinato misurando le variazioni del rapporto tra l’intensità delle due righe

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛=

kTh

II

StokesAnti

Stokes

Stokes

StokesAnti νλλ

exp4

Frequenza

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Sensori distribuiti basati sullo scattering diRaman

Schema dell’apparato di misura

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Sensori distribuiti basati sullo scattering diBrillouin

Consentono di eseguire misure distribuite di strain e temperatura attraverso la misura dello shift di Brillouin νB.

La relazione fondamentale per comprenderne il funzionamento èla seguente:

0

ν aB

nV=

dove n è l’indice di rifrazione efficace, λ0 è la lunghezza d’onda nel vuoto della luce incidente e Va è la velocità dell’onda acustica.

νB≈11GHz @ λ0=1550nm

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Sensori distribuiti basati sullo scattering diBrillouin

•Va (~5.7km/s) dipende dalla temperatura T e dalla densità del materiale ρ0 (~2.2·103kg/m3). Le proprietà elastiche della silice fanno sì che uno strain indotto produca una variazione di volume, e quindi una variazione nella densità del materiale

•Ogni variazione locale di temperatura e/o di strain in fibra, dunque, agendo sulla velocità acustica produce una variazione nel valore locale dello shift di Brillouin

•Misure sperimentali mostrano un’ottima linearità nella dipendenza dello shift di Brillouin da strain (ε) e temperatura (T)

CT ≈ 1MHz/°C Cε ≈ 500MHz/%@ λ0=1550nmενν ε∆+∆=− CTCTBB 0

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Discriminazione tra strain e temperatura neisensori basati sullo scattering di Brillouin

La variazione dello shift di Brillouin dipende sia dallatemperatura che dallo strain

I due effetti sono indistinguibili!

La tecnica più usata per misurare strain e temperatura consiste nella applicazione didue fibre ottiche adiacenti di cui una vincolataalla struttura (in grado quindi di sentire le deformazioni e la temperatura) l’altra non rigidamente vincolata (in grado quindi disentire solo le variazioni di temperatura).

La discriminazione strain-temperatura avviene per confronto

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Scattering spontaneo vs. scattering stimolatodi Brillouin

Scattering spontaneo• Fornisce un segnale debole

• Richiede l’accesso ad una sola estremità della fibra

• Può essere utilizzato per distanze di misura relativamente piccole(trade-off tra distanza di misura, risoluzione spaziale e tempo dimisura)

Scattering stimolato• Fornisce un segnale notevolmente più intenso

• Richiede l’accesso ad entrambe le estremità della fibra

• Può essere utilizzato per grandi distanze di misura (~20km)

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Sensori distribuiti basati sullo scattering stimolato di Brillouin

λpump Fibra di sensing λprobe

L Pprobe(L)Pprobe(0)

La potenza di probe a z = 0 è massima quando la differenza difrequenza dei due segnali è ∆ν = νB

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Sensori distribuiti basati sullo scattering stimolato di Brillouin

Relazioni fondamentali

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

+−=

−−=

probeprobepumpBprobe

pumpprobepumpBpump

PPPgdz

dP

PPPgdz

dP

α

αStato stazionario

Dove gB è il guadagno di Brillouin e α ∼ 4.6 ·10-5 m-1 è l’attenuazionedella fibra ottica

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Sensori distribuiti basati sullo scattering stimolato di Brillouin

Relazioni fondamentali

( ) 20

20

21

21 ⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛∆−

+

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∆∆

+

=∆

B

B

B

B

BB

ggg

ννν

νν

ν

Attenuazionedell’onda acustica

τB = tempo di vita dei fononi (~10ns)

tBet Γ−∆=∆ 22 )0()( ρρ

ππτν B

BB

Γ==∆

1

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Sensori distribuiti basati sullo scattering stimolato di Brillouin

Misura dello shift di Brillouin

-80 -40 0 40 800

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

x 10-11

][MHzBνν −

La FWHM della curva è dell’ordine di 50MHz

La misura dello shift di Brillouin lungo la fibra viene effettuata misurando lo spettro di guadagno sezione per sezione e determinando la frequenzacorrispondente al picco mediante fitting con una curva Lorentziana

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Sensori distribuiti basati sullo scattering stimolato di Brillouin

Misura dello shift di Brillouin

10.4 10.45 10.5 10.55 10.6 10.650

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

Pump - Probe frequency offset [GHz]

Nor

mal

ized

Bril

loui

n si

gnal

[n.

u.]

measurement pointsdata fitting

Brillouin frequency shift

Distance [m]

Frequency offset [GHz]

Bril

loui

n si

gnal

[a.u

.]

Andamento del profilo di guadagno lungo una fibra di circa 1km. E’ evidente lo spostamento del picco della Lorentziana nelle diverse sezioni.

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Sensori distribuiti basati sullo scattering stimolato di Brillouin

Approccio pump-probe nel dominio del tempo

Tipicamente vengono utilizzati due fasci laser, uno pulsato ed uno in continua (CW)

Le variazioni di potenza ricevuta dell’onda CW sono misurate in funzione del tempo, operando una scansione dell’offset in frequenza tra i due fasci

Offset in frequenza pump-probe accordato allo shift di Brillouin della fibra imperturbata

La risoluzione spaziale effettiva è legata alla durata dell’impulso (tipicamente 1m con 10ns)

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Sensori distribuiti basati sullo scattering stimolato di Brillouin

Approccio pump-probe nel dominio del tempo – Apparato di misura

Il modulatore elettro-ottico (EOM) con soppressione della portante genera due bande laterali tunabili variando il segnale a microonde.

Il modulatore acusto-ottico (AOM) agisce sia come pulsatore sia come frequency-shifter, spostando la frequenza dell’impulso di pump di circa 300MHz ed inibendo l’interazione SBS per una delle due bande laterali in uscita dall’EOM.

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Sensori distribuiti basati sullo scattering stimolato di Brillouin

Approccio pump-probe nel dominio della frequenza

z0 L

IPump IProbez

CW

Viene misurata una funzione di trasferimento complessa H(ω,νi) mediante un’onda di pumpcontinua ed un’onda di probe modulata

0 1 2 3 4 5-60

-40

-20

0

modulation frequency [MHz]am

plitu

de[d

B]

0 1 2 3 4 5-400

-300

-200

-100

0

modulation frequency [MHz]

phas

e[r

ad]

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Sensori distribuiti basati sullo scattering stimolato di Brillouin

Approccio pump-probe nel dominio della frequenza

),(),( iIFFT

i thH ννω ⎯⎯ →⎯

Spettro di guadagno di Brillouin per ciascuna sezione

Determinazione dello shift di Brillouin

La risoluzione spaziale effettiva è legata alla massima frequenza di modulazione

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Sensori distribuiti basati sullo scattering stimolato di Brillouin

Approccio pump-probe nel dominio della frequenza – Apparato di misura

EOM: Modulatore elettro-otticoPD: FotodiodoOF:Filtro otticoOI: Isolatore otticoPS: Scrambler di polarizzazione

1/99Accoppiatore

Fibra di Sensing

O I

Diodo Laser DFB

Generatore a

99%

1%

O F

50/50AccoppiatoreO I

Networkanalyzer

PD PDfm

P S

1/99

O I

1.55 µm

microonde

99%

1%

O F

50/50O I

Networkanalyzer

PD PDfm

P S

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Sensori distribuiti basati sullo scattering stimolato di Brillouin

Problemi nella ricostruzione dei profili di shift di Brillouin

Effetti di non-località

comportano errori sistematici che nascono per elevate distanze di misura e elevata potenza dei segnali

Massima risoluzione spaziale

dipende dalla durata minima dell’impulso di pump o, equivalentemente, dalla massima frequenza di modulazione del segnale di probe

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Sensori distribuiti basati sullo scattering stimolato di Brillouin

Effetti di non-località

Nell’approccio classico le equazioni SBS vengono risolte trascurando le variazioni di intensitàdel segnale di pump dovute alla interazione di Brillouin e considerando solo l’attenuazionedella fibra.

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

+−=

−−=

probeprobepumpBprobe

pumpprobepumpBpump

PPPgdz

dP

PPPgdz

dP

α

α

Ciò comporta l’insorgenza di errori sistematici che crescono all’aumentare della lunghezzadella fibra di misura e della potenza dei segnali. Costringono quindi a lavorare con segnali dibassa potenza proprio su fibre di notevole lunghezza dove sarebbe opportuno utilizzarepotenze elevate per facilitare le misure.

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Sensori distribuiti basati sullo scattering stimolato di Brillouin

Effetti di non-località

0 200 400 600 800 10000

5

10

15

20

Distanza [m]

∆T

C]

Profilo reale

Ricostruzione classica

Errore > 6°C

Dati sintetici

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Sensori distribuiti basati sullo scattering stimolato di Brillouin

Approccio armonico per la ricostruzione dei profili di shift di Brillouin

Segnali misurati

∑−=

=∆N

Nn

zjnn

feMzM ω)(

Profilo di temperatura/strain

Risolvi equazioni SBS

Ricostruzione effettuata

SI

Segnali di modello

FIT?

NO

Mn

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Sensori distribuiti basati sullo scattering stimolato di Brillouin

Approccio armonico per la ricostruzione dei profili di shift di Brillouin

Dati sintetici

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-5

0

5

10

15

20

Nuovo approccio Ricostruzione classica Profilo reale

∆T

[°C

]

Distanza [m]

Ppump = 30mWPprobe = 10mWN=24

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Sensori distribuiti basati sullo scattering stimolato di Brillouin

Approccio armonico per la ricostruzione dei profili di shift di Brillouin

0 1000 2000 3000 4000 5000 60001.05

1.051

1.052

1.053

1.054

1.055

1.056

1.057

1.058x 10

4

Bril

loui

n F

requ

ency

Shi

ft

[M

Hz]

c lass ical recons truc tion P CWL = 530 µW

class ical recons truc tion P CWL = 1000 µW

class ical recons truc tion P CWL = 2045 µW

class ical recons truc tion P CWL = 3040 µW

class ical recons truc tion P CWL = 4035 µW

class ical recons truc tion P CWL = 5000 µW

Pos ition [m ]

Errore > 35 MHz

Ppump = 370mW

Dati reali

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Sensori distribuiti basati sullo scattering stimolato di Brillouin

Approccio armonico per la ricostruzione dei profili di shift di Brillouin

Dati reali

Ppump = 370mWPprobe = 5mW

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 70001.05

1.051

1.052

1.053

1.054

1.055

1.056

1.057x 10

4

Position [m]

Bril

loui

n fre

quen

cy S

hift

[

MH

z]

c lass ical reconstructionharmonic reconstructionreference profile

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Sensori distribuiti basati sullo scattering stimolato di Brillouin

Massima risoluzione spaziale

Se la durata dell’impulso di pump è minore del tempo di vita medio dei fononinella silice (∼10ns) o se la frequenza di modulazione si avvicina alla FWHM della riga di guadagno di Brillouin (∼50MHz) non è possibile utilizzare le equazioni SBS che valgono nella ipotesi di modello quasi-stazionario

La riga di guadagno di Brillouin risulta distorta e per la correttaricostruzione dei profili bisogna complicare il modello tenendo contodell’allontanamento dalla riga Lorentziana

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Sensori distribuiti basati sullo scattering stimolato di Brillouin

Massima risoluzione spaziale

fm = 56.1 MHz fm = 75.5 MHz

Distorsione della riga di guadagno di Brillouin all’aumentare dellafrequenza di modulazione

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Sensori distribuiti basati sullo scattering stimolato di Brillouin

Miglioramento della risoluzione spaziale

0 5 10 15 20 25 30 35-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

Posizione [m]

Shi

ft di

Bril

loui

n -1

0870

[M

Hz]

Ricostruzione classicaApproccio armonico

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Sensori distribuiti basati sullo scattering stimolato di Brillouin

Esempio di applicazione: Identificazione di difetti in strutture civili

0 1 2 3 4 5 6 7 8-300

-200

-100

0

100

200

300

Location [m]

Axi

al d

efor

mat

ion

[ µε]

Experimental dataThoretical profile

0 1 2 3 4 5 6 7 8

-200

-100

0

100

200

300

Location [m]

Axi

al s

train

[ µε]

Theoretical profileExperimental data

difettoF F

Difetto di 10cm in una trave di acciaio lunga 8m

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Sensori distribuiti basati sullo scattering stimolato di Brillouin

Esempio di applicazione: Profilo di temperatura su binari ferroviari

-150 -100 -50 0 50 100 15020

30

40

50

60

70

80

Posizione [m]

Tem

pera

tura

C]

dopo 15 minuti

dopo 29 minuti

dopo 35 minuti

•Evoluzione del profilo di temperatura nel tempo misurato da entrambi i tratti di fibra. La fibra incollata sente direttamente la temperatura del binario, a meno di un fattore di riduzione dipendente dalla conduzione del calore attraverso la colla ed il rivestimento della fibra.

•La fibra non incollata rileva una temperatura più bassa in quanto il calore viene trasmesso per irraggiamento dal binario alla fibra stessa

La fibra ottica di misura è posizionata in modo che una metà risulta incollata al binario con un adesivo elasticonon in grado di trasmettere gli sforzi e l’altra metà passa in vicinanza del binario senza essere incollata. Il tratto di binario riscaldato, mediante fiamma a metano, è lungo circa 7m.

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Sensori distribuiti in fibra otticaEsempi di applicazione

Monitoraggio di grandi strutture

Deformation

SandGravel

-0.20

0.20.40.60.8

11.21.41.6

43m 42m 41m 40m 39m 38m 37m 36m 35m 34mDistance from instrument (m)

Stra

in (%

)

20mm40mm60mm80mm100mm120mm140mm160mm180mm200mm

Deformation

Deformation

SandGravel

-0.20

0.20.40.60.8

11.21.41.6

43m 42m 41m 40m 39m 38m 37m 36m 35m 34mDistance from instrument (m)

Stra

in (%

)

20mm40mm60mm80mm100mm120mm140mm160mm180mm200mm

Deformation

-0.20

0.20.40.60.8

11.21.41.6

43m 42m 41m 40m 39m 38m 37m 36m 35m 34mDistance from instrument (m)

Stra

in (%

)

20mm40mm60mm80mm100mm120mm140mm160mm180mm200mm

Deformation

Monitoraggio frane

Monitoraggio dighe

Monitoraggio conduttureAllarme incendi gallerie

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Bibliografia

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