Simulación de un sensor acústico distribuido en fibra óptica basado en reflectometría óptica en el dominio temporal

Abstract

La sensorización de vibraciones y temperatura, también conocida como sensorización acústica y térmica respectivamente, es relevante en la sociedad e industria actual. Existen diversas aplicaciones en las cuales el monitoreo y los datos obtenidos a través de estos son de suma importancia, como en la industria petrolera, en la fabricación y mantenimiento de puentes, en la industria aeronáutica, por nombrar algunos. La utilización de fibra óptica para la sensorización se vuelve interesante, ya que permite la instalación de sensores distribuidos espacialmente, también conocidos como DAS o DTS. Estos sensores aprovechan un fenómeno físico llamado dispersión de Rayleigh, el cual hace que la luz propagada por una fibra óptica se refleje de vuelta a su punto de emisión. El análisis de esta luz reflejada y la obtención de las trazas resultantes permiten comprender y obtener información respecto a perturbaciones mecánicas y térmicas en la fibra óptica. A este esquema de obtención de datos se le llama reflectometría óptica en el dominio temporal (OTDR por sus siglas en inglés). Por lo tanto, la comprensión de este fenómeno físico y su influencia en la adquisición de datos de vibración y temperatura es de alta relevancia para perfeccionar las técnicas de DAS y DTS. En este proyecto se diseña e implementa en MATLAB un simulador de fibra óptica, este se utiliza para generar los efectos de la dispersión de Rayleigh e implementar dispositivos DAS, DVS (un caso particular de DAS) y DTS. Todo esto se realiza basándose en investigaciones e implementaciones de sistemas realizadas en los últimos años en todo el mundo, como los trabajos de Pedro Tovar [55], Juan Pastor [51], Arthur H. Hartog [47], entre otros. El simulador se basa en el principio de modularidad, separando diferentes sistemas o módulos que reproducen distintas partes del proceso de simulación de todo el sistema. ´Estos se comunican entre sí y se implementan como clases. El simulador requiere que se ingresen datos fundamentales de la fibra óptica y el emisor y puede generar diferentes resultados, desde información sobre la propagación de un pulso de luz en la fibra óptica, hasta la obtención de todos los datos relacionados con los DAS, DVS y DTS. Además, el simulador implementado cuenta con una serie de funcionalidades y capacidades que permiten su uso de varias maneras y su mejora mediante la modificación o adición de nuevos sistemas o módulos. Para corroborar la efectividad del simulador se introducen perturbaciones mecánicas y térmicas en la fibra óptica y estas perturbaciones se recuperan mediante los DAS, DVS y DTS. Los resultados obtenidos muestran una recuperación casi completa de las perturbaciones originales, tanto de manera estática como dinámica. En conclusión, se obtiene un simulador capaz de simular una fibra óptica, la propagación de la luz en la misma, la generación de la luz producida por la dispersión de Rayleigh, su utilización en sistemas llamados Phase Sensitive OTDR y finalmente su uso en sistemas DAS y DTS. El sistema implementado también cuenta con capacidades para probar el funcionamiento de diferentes algoritmos de procesamiento de datos, probar nuevas metodologías de sensorización y probar diferentes modelos estadísticos que describen el comportamiento de la dispersión de Rayleigh.