Desenvolvimento de um transponder OTDR para sensoriamento distribuído Brillouin

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Marques, Felipe Lima dos Reis, 1987-
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1636070
Resumo: Orientadores: Fabiano Fruett, Claudio Floridia
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spelling Desenvolvimento de um transponder OTDR para sensoriamento distribuído BrillouinDevelopment of an OTDR transponder for Brillouin distributed sensingRetro-espalhamento BrillouinFibras óticasSensor opticoTemperaturaDeformação mecânicaRetro-scattering BrillouinOptical fibersOptical sensorTemperatureMechanical deformationTransceptoresOrientadores: Fabiano Fruett, Claudio FloridiaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Este trabalho apresenta o estudo e desenvolvimento de um transponder para uso em conjunto com um Reflectômetro Óptico no Domínio do Tempo (OTDR) em aplicações de sensoriamento distri-buído por meio do fenômeno de espalhamento óptico Brillouin. Foi empregada especificamente a técnica de análise no domínio do tempo do retroespalhamento óptico Brillouin estimulado (BOTDA ¿ Brillouin Optical Time Domain Analysis) possibilitando a conversão de um OTDR convencional em um sistema BOTDA completo. O transponder BOTDA (ou T-BOTDA) desen-volvido neste trabalho emprega uma única fonte de luz simplificando o sistema e aumentando sua confiabilidade. O T-BOTDA desenvolvido foi empregado em um enlace contendo três fibras monomodo sendo que a fibra de teste possuía 100 m e as demais 2,1 km e 6,1 km correspondendo a um total de 8,3 km. O sistema identificou a fibra de 100 m variando a temperatura de 50°C para 60°C. A di-ferença de deslocamento da frequência Brillouin foi de 20 MHz, o dobro do valor esperado na literatura, mas da mesma ordem de grandeza. Na segunda configuração, uma fibra SMF foi con-catenada com uma fibra de alta Dispersão por Modo de Polarização (PM) de 5,6 ps com compri-mento de 4,3 km e enlace total de 6,4 km. O sistema conseguiu distinguir entre essas duas fibras e além disso, o sistema identificou a diferença de deformação intrínseca de aproximadamente 1000 µ?. Este valor de deformação correspondendo à variação de 1,3 ps sobre a Atraso Diferen-cial de Grupo (DGD) na fibra de alta PMD. Nesta dissertação foi também proposta uma técnica para separação das informações de temperatu-ra e deformação usando uma única fibra, bem como sua formulação matemática baseada no em-prego da matriz inversa de Moore¿Penrose. Foram realizadas simulações matemáticas e experi-mentos reais. Os resultados de simulação comparam erros de desvio padrão entre o método pro-posto empregando múltiplos comprimentos de onda dentro da banda C, com a literatura que por sua vez propõe uma técnica com dois comprimentos de onda em diferentes bandas ópticas: 1310 nm e 1550 nm. Os resultados demostram uma melhoria de duas ordens de grandeza na precisão da temperatura e da deformação. Experimentalmente, a técnica foi aplicada em dois casos. No primeiro deles mantinha-se a fibra sem deformação, variando-se apenas a temperatura, enquanto o segundo teste mantinha a temperatura fixa e enquanto variava-se a deformação aplicada. No pri-meiro caso, o método funcionou com sucesso para diferentes valores de variação térmica ?T (15, 30 e 45°C) aplicados. No segundo caso, a convergência foi alcançada apenas para ?? = 150 µ?. Por fim, foi realizada uma análise comparativa entre o sistema T-BOTDA aperfeiçoado e um transponder baseado no espalhamento Raman. Nesta etapa, foi empregado três rolos de fibra óp-tica, somando 12 m e o OTDR foi configurado para a resolução de 2 m. Os resultados finais desta análise mostraram que o T-BOTDA possui sensibilidade de aproximadamente nove vezes maior e 10dB a mais de potência do sinal contrapropagante que o transponder Raman. Nesta mesma seção do trabalho foram apresentados resultados de uma implementação baseada na automação do ar-ranjo experimental, visando o desenvolvimento de um protótipo T-BOTDA. A caracterização mostrou coerência com a literatura, pois, o coeficiente de temperatura encontrado foi de 1,028 °C/MHz, comparável ao da literatura (1,119 °C/MHz)Abstract: This work presents the study and development of a transponder for use with a Time Domain Opti-cal Reflector (OTDR) in distributed sensing applications through the Brillouin optical scattering phenomenon. The technique of Brillouin Optical Time-domain Analysis (BOTDA), which is based on stimulated Brillouin optical backscattering, was used to enable the conversion of a conventional OTDR into a complete BOTDA system. The BOTDA transponder (or T-BOTDA) developed in this work employs a single light source simplifying the system and increasing its reliability. The developed T-BOTDA was used in a link containing three single-mode fibers, where the test fiber had 100 m and the others 2.1 km and 6.1 km corresponding to a total of 8.3 km. The system identified the 100 m fiber by varying the temperature from 50°C to 60°C. The difference in Bril-louin frequency was 20 MHz, twice the expected value in the literature, although it has the same order of magnitude. In the second configuration, an SMF fiber was concatenated with a high PMD fiber (5.6 ps) with a length of 4.3 km and a total link of 6.4 km. The system was able to distinguish between these two fibers and in addition, the system identified the intrinsic deformation difference of approximately 1000 µ?. This deformation value corresponds to the variation of 1.3 ps on the DGD in the high PMD fiber. In this dissertation, a technique for separating temperature and deformation information was pro-posed as well as its mathematical formulation based on the use of the Moore-Penrose inverse ma-trix. Mathematical simulations and real experiments were performed. The simulation results com-pare errors of standard deviation between the proposed method using multiple wavelengths within the C band, with the literature that in turn proposes a technique with two wavelengths in different optical bands: 1310 nm and 1550 nm. The results show an improvement of two orders of magni-tude in the accuracy of temperature and deformation. Experimentally, the technique was applied in two cases. In the first one, the fiber was maintained without deformation, only changing the tem-perature, while the second test kept the temperature fixed and while varying the applied defor-mation. In the first case, the method worked successfully for different values of thermal variation ?T (15, 30 and 45 °C) applied. The second case, the convergence was only achieved for ?? = 150 µ?. Finally, a comparative analysis was performed between the improved T-BOTDA system and a transponder based on Raman scattering. In this step, three rolls of optical fiber were used; totaling 12 m and the OTDR was configured for a resolution of 2 m. The results of this analysis showed which the T-BOTDA has a sensitivity of approximately nine times greater and 10dB more counter-propagating signal power than the Raman transponder. In this same section of the present work, we present results of an implementation based on the automation of experimental setup. The char-acterization showed coherence with the literature, since the temperature coefficient found was 1.028 °C / MHz, comparable to the literature (1.119 °C / MHz)MestradoEletrônica, Microeletrônica e OptoeletrônicaMestre em Engenharia Elétrica[s.n.]Fruett, Fabiano, 1970-Floridia, ClaudioPirota, Kleber RobertoPagan, Cesar Jose BonjuaniUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASMarques, Felipe Lima dos Reis, 1987-20192019-01-17T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdf1 recurso online (124 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/1636070MARQUES, Felipe Lima dos Reis. Desenvolvimento de um transponder OTDR para sensoriamento distribuído Brillouin. 2019. 1 recurso online (124 p.) Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1636070. Acesso em: 3 set. 2024.https://repositorio.unicamp.br/acervo/detalhe/1087947Requisitos do sistema: Software para leitura de arquivo em PDFporreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instname:Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instacron:UNICAMPinfo:eu-repo/semantics/openAccess2021-02-16T10:16:03Zoai::1087947Biblioteca Digital de Teses e DissertaçõesPUBhttp://repositorio.unicamp.br/oai/tese/oai.aspsbubd@unicamp.bropendoar:2021-02-16T10:16:03Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)false
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