Highly Accurate Distributed Tracking of Thermal Changes in Optical Fibers

La tecnología de sensores distribuidos basados en fibra óptica ha cobrado una creciente presencia en la ingeniería durante las últimas décadas. Su impacto en el diseño y mantenimiento de grandes estructuras hace de ésta una fructífera área de investigación. Los beneficios industriales derivados de la posibilidad de caracterizar, de forma dinámica, la temperatura de centenares o miles de puntos de la fibra, o de convertir cada uno de éstos en un micrófono, son fáciles de imaginar. Si bien aquellas estructuras que presentan una dimensión longitudinal mucho mayor que las otras dos, tales como líneas férreas, oleoductos o tendidos eléctricos son las principales áreas de aplicación de estos sensores, distintos enfoques en el desarrollo de las técnicas de interrogación de la fibra permiten optimizar los sistemas para su integración en entornos de menor tamaño, o adaptarlos a topologías ramificadas. Así es posible hoy en día encontrar estudios de aplicación de sensores distribuidos basados en fibra óptica para escenarios tan dispares como el de la medicina o la monitorización del estado de una aeronave durante su vuelo. En este documento se recoge el trabajo realizado durante el periodo predoctoral del autor en la Universidad de Alcalá (UAH). Se introducen los principios básicos imprescindibles para la comprensión, por un lado, de los fenómenos ópticos y térmicos que se dan en una fibra óptica sometida a los experimentos más tarde discutidos; y por otro, de los mecanismos de la técnica en que se basan los sensores distribuidos desarrollados mediante dichos experimentos: la reflectometría óptica en el dominio temporal sensible a las fases con pulsos chirpados (CP φOTDR, por sus siglas en inglés). En los siguientes capítulos se exponen los resultados experimentales que demuestran tales sensores, que se benefician de las altas prestaciones de la tecnología CP φOTDR relativas a sensibilidad, rapidez y linealidad de sus adquisiciones. En concreto, se presentan y caracterizan dos propuestas que permiten la medición distribuida de presencia de gases (en base a la absorción fototérmica) y la medición distribuida de la velocidad de un flujo, es decir, la anemometría distribuida (en base a la disipación convectiva de energía). Estos experimentos representan, en un caso, el diseño de un sensor novedoso, y en el otro una reducción de las exigencias técnicas de otro sensor cuando se compara con métodos similares. Para finalizar, se ofrece un conjunto de conclusiones globales del trabajo con los correspondientes logros obtenidos durante los estudios de doctorado. Se proponen también varias líneas de investigación a explorar como continuación de los resultados aquí presentados, algunas de las cuales ya se están empezando a desarrollar