Coherent vibration fiber optic sensor integrated with off-the-shelf gateway

Abstract: A peculiar feature of distributed fiber optic sensors is their ability to reconstruct with high spatial resolution temperature, deformation and even vibration profiles along tens of kilometers of fiber. In particular, the Distributed Vibration Sensors (DVS) systems are gaining particular interest in various application areas, e.g. for the detection of leaks along water pipelines and Oil & Gas, for the monitoring of vibrations in large industrial plants or as anti-intrusion systems in remote areas. Commercial DVS systems are based on Optical Time Domain Reflectometry (OTDR) combined with complex interferometric schemes to demodulate backscattered signals from the fiber and extract the vibration information. This complexity, however, turns into high costs that even today limit the spread and effective use of these systems. In the present work an alternative technique has been developed for the monitoring of dynamic phenomena, which exploits an innovative coherent detection scheme of optical signals combined with a ring configuration of the sensing fiber in which vibration localization is achieved by comparing two CW optical signals propagating in opposite directions inside the ring. The exploitation of CW signals and the analysis of directly transmitted, not backscattered, signals ensures significantly higher signal to noise ratios than OTDR techniques, allowing to increase the maximum distance that can be monitored. At the same time, the easiness of realization of the proposed coherent scheme has allowed the integration of the monitoring system with low-cost commercial acquisition boards such as STM Nucleo gateways, offering adequate sampling rates, accuracy and on-board processing capability. Experimental tests of vibration localization carried out in the laboratory and the integration with off-the-shelf gateways have shown that the proposed technology can represent a promising solution in terms of performance and costs for the monitoring of dynamic phenomena.

Abstract: Caratteristica peculiare dei sensori a fibra ottica distribuiti è la loro capacità di poter ricostruire con elevata risoluzione spaziale profili di temperatura, di deformazione e anche di vibrazione lungo decine di km di fibra. In particolare, i sistemi DVS (Distributed Vibration Sensors) stanno riscuotendo particolare interesse in diversi ambiti applicativi, ad es. per la rivelazione di perdite lungo condotte idriche e Oil&Gas, per il monitoraggio di vibrazioni in grandi impianti industriali o come sistemi anti-intrusione in aree remote. I sistemi DVS commerciali si basano su tecniche OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) abbinate a complessi schemi interferometrici per demodulare i segnali retrodiffusi dalla fibra ed estrarre l’informazione di vibrazione. Questa complessità si traduce tuttavia in costi elevati che ancor oggi ne limitano la diffusione e l’effettivo impiego. Nel presente lavoro è stata sviluppata una tecnica di misura alternativa per il monitoraggio di fenomeni dinamici, che sfrutta un innovativo sistema di rivelazione coerente dei segnali ottici abbinato ad una configurazione ad anello della fibra sensore in cui la localizzazione della vibrazione è ottenuta confrontando due segnali ottici in continua (CW) che propagano in direzioni opposte all’interno dell’anello. Il ricorso a segnali CW e all’analisi di segnali direttamente trasmessi e non retrodiffusi garantisce rapporti segnale/rumore decisamente più elevati rispetto alle tecniche OTDR, permettendo di aumentare la massima distanza che può essere monitorata. Parallelamente, la semplicità dello schema coerente proposto ha permesso l’integrazione del sistema di monitoraggio con schede di acquisizione commerciali a basso costo come i gateway STM Nucleo, capaci di offrire adeguati sampling rate, accuratezza e capacità di processing on-board. Le prove sperimentali di localizzazione di vibrazioni condotte in laboratorio e l’integrazione con off-the-shelf gateway hanno dimostrato come la tecnologia proposta possa rappresentare una promettente soluzione in termini di prestazioni e costi per il monitoraggio di fenomeni dinamici.