Sensori distribuiti di temperatura a basso costo
ed alte prestazioni basati su effetto Raman ed
OTDR codificato
G. Bolognini1, F. Di Pasquale1 , J. Park2, P. Kim2, D. Lee2, and N. Park2
(1) Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa
(2) Seoul National University
email: [email protected]
Riunione Annuale GE 2006
Ischia, 21-23 giugno 2006
Introduzione
Sensori di Temperatura Distribuiti (DTS) basati su: Raman, Brillouin + OTDR
(OTDR: Optical Time Domain Reflectometer)
Raman DTS: + T sensitive, - backscattered power, + PIN (~1 W)
Brillouin DTS: - T sensitive, + backscattered power, + PIN, + complex detection
OTDR codificato migliora SNR al ricevitore
(+ resoluzione, + sensitivity, - potenza)
Idea chiave :
Utilizzare codoci Simplex in Raman DTS  riduzione della PIN
 migliori prestazioni a costo inferiore
 Sviluppo di sensori di temperatura distribuiti basati su effetto Raman in
fibra ottica ed OTDR codificato
Riunione Annuale GE 2006
Ischia, 21-23 giugno 2006
Schema del sensore
TCC
FP-LD OUTPUT
CODIFICATO
sig OUT
LD
driver
BPF
APD
TIA
Fiber A
10 km
Fiber B
1.7 km
ADC
Fiber C
20 km
FP-LD output power [A.U.]
FP-LD sig IN
0.030
1st code among 63 S-codes
0.025
0.020
0.015
0.010
0.005
0.000
0
DSP
4
8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64
Time [x 100ns]
PC
Scheda per ODTR standard e codificato (Codici Simplex)
Laser FP-LD (10 nm FWHM), potenza di picco: 80 mW
Singoli impulsi OTDR da 100 ns
31.7 km standard SSMF, 1.7 Km SSMF (entro camera climatica)
BPF selezionano Anti-Stokes e backscatting della pompa
Riunione Annuale GE 2006
Ischia, 21-23 giugno 2006
Tracce ODTR
OTDR CONVENZIONALE
TRACCIA OTDR DELLA POMPA (BACKSCATTERING)
Rayleigh Scattered Trace
300K+300K+300K
300K+330K+300K
Power variation [dB]
22
21
No temperature dependence
20
~ 40 dB below input peak power
19
180000 avg no.
18
17
0
5
10
15
20
25
Distance [km]
Riunione Annuale GE 2006
Ischia, 21-23 giugno 2006
Tracce ODTR
TRACE OTDR POTENZA DI ANTI-STOKES RAMAN
OTDR CODIFICATO
OTDR CONVENZIONALE
Power variation [dB]
12
11
10
9
8
7
6
12
Power variation [dB]
Anti-Stokes (conventional)
300K+300K+300K
300K+330K+300K
Anti-Stokes (63-bit S-code)
300K+300K+300K
300K+330K+300K
11
10
9
8
7
6
5
0
5
10
15
20
Distance [km]
25
5
0
traccia mediata
180000 medie
 Forte dipendenza dalla temperatura
 traccia ~30 dB sotto il backscattering della pompa
 Miglioramento SNR con codici (stesso n. di medie)
Riunione Annuale GE 2006
5
10
15
20
25
Distance [km]
traccia decodificata
2857 medie per singolo codice
180000 medie (in totale)
Ischia, 21-23 giugno 2006
Distribuzione di Temperatura
Analisi delle tracce R(T)=PAS/ PS :

 h R
R(T )  exp 
 kBT

 
  1
 
-1
(1)
In intensity ratio, SNR limitation come from Anti-Stokes trace
400
Conventional DTS
63bit S-code DTS
380
Temperature [K]
360
Spool B
340
320
300
280
260
240
220
200
5
10
15
20
25
Distance [km]
Risoluzione in T: 2 K con OTDR codificato, 10 K con OTDR convenzionale
Riunione Annuale GE 2006
Ischia, 21-23 giugno 2006
Risoluzione in Temperatura (rms)
La risoluzione in T utilizzando RMS delle variazioni di intensità
RISOLUZIONE IN TEMPERATURA (RMS)
RMS Temperature Resolution [K]
30
Conventional DTS
63bit S-code DTS
Exponential Fit
25
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
Distance [km]
Risoluzione 5 K  5 Km con OTDR convenzionale, 17 km con codici Simplex
Riunione Annuale GE 2006
Ischia, 21-23 giugno 2006
E-mail: [email protected]
Riunione Annuale GE 2006
Ischia, 21-23 giugno 2006