Cost-effective solution for Brillouin distributed fiber optic sensing

Distributed fiber optic sensors are ideal for monitoring large critical infrastructures and facilities like water pipelines, bridges, dams and high-voltage power lines because they allow to perform continuous and real time measurements along lengths of many kilometer of a fiber with a very high spatial resolution of up to 1m. Distributed sensors rely on different scattering phenomenon like Rayleigh, Raman and Brillouin and each one of these can determine temperature, strain and vibration information accurately. The most promising distributed sensor is called Stimulated Brillouin Optical Time Domain Reflectometry (BOTDR) that can reconstruct temperature and strain profile over 100 km of fiber sensing length. Stimulated BOTDR sensors are nowadays widely exploited in the Oil and Gas sector but are still complex and expensive to be adopted for many other industrial fields. Thus, the goal of my thesis has been the development of a novel and cost-effective Stimulated BOTDR distributed fiber optic sensor in order to make available the peculiar advantages of the distributed Brillouin sensors for a wider range of industrial applications. This goal has been achieved by exploiting the recent technological advancements in the field of high-bit rate optical communications. Novel components such cheap microwave signal generators at 10 GHz and directly modulated Semiconductor Optical Amplifier (SOA) switches have been exploited inside a new configuration to develop a novel and cost-effective Stimulated Brillouin distributed sensor. The feasibility of the proposed solution has been experimentally proved by systematic measurements carried out in the POLICOM Lab and its performance in terms of hot-spot localization and temperature accuracy has been proved to be in line with the standard Stimulated BOTDR sensors already present in the market.

I sensori a fibra ottica distribuiti sono ideali per il monitoraggio di grandi infrastrutture critiche e strutture come condotte idriche, ponti, dighe e linee elettriche ad alta tensione perché consentono di eseguire misure continue e in tempo reale su fibre chilometriche con una risoluzione spaziale molto elevata, fino a 1m. I sensori distribuiti si basano su diversi fenomeni di scattering come Rayleigh, Raman e Brillouin e ognuno di questi può determinare con precisione le informazioni riguardanti temperatura, deformazione e vibrazione. Il sensore distribuito più promettente è chiamato Stimulated Brillouin Optical Time Domain Reflectometry (BOTDR) il quale è in grado di ricostruire la temperatura e il profilo di deformazione con oltre 100km della lunghezza di fibra sensore. A oggi, i sensori Stimulated BOTDR sono ampiamente impiegati nel “Oil and Gas sector”, ma sono ancora molto complessi e costosi da adottare per altri settori industriali. Pertanto, l'obiettivo della mia tesi è stato lo sviluppo di un sensore a fibra ottica distribuito Stimulated BOTDR innovativo e conveniente al fine di rendere disponibili i vantaggi peculiari dei sensori Brillouin distribuiti per una più ampia gamma di applicazioni industriali. Questo obiettivo è stato raggiunto sfruttando i recenti progressi tecnologici nel campo delle comunicazioni ottiche a elevato bit rate. Nuovi componenti, come i generatori di segnale a microonde a basso costo a 10 GHz e gli interruttori SOA (Semiconductor Optical Amplifier) modulati direttamente, sono stati sfruttati all'interno di una nuova configurazione per sviluppare un sensore distribuito che utilizza l’effetto Brillouin stimolato, nuovo ed economico. La fattibilità della soluzione proposta è stata provata sperimentalmente mediante misurazioni sistematiche effettuate nel laboratorio POLICOM e le sue prestazioni in termini di localizzazione degli hot spot e di accuratezza della temperatura si sono dimostrate in linea con i sensori Stimulated BOTDR già presenti sul mercato.