Tesis:
Massive Quasi-Distributed FBG Sensor Networks Interrogated with a CDM-WDM System
- Autor: GÖTTEN, Marek
- Título: Massive Quasi-Distributed FBG Sensor Networks Interrogated with a CDM-WDM System
- Fecha: 2022
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S.I. Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN
- Departamentos: INGENIERIA AUDIOVISUAL Y COMUNICACIONES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/70352/
- Director/a 1º: BENAVENTE PECES, César
- Director/a 2º: AHRENS, Andreas
- Resumen: Esta tesis presenta una técnica de interrogación novedosa para redes de sensores cuasidistribuidas masivas. La combinación de multiplexación por división de código (CDM) y multiplexación por división de longitud de onda (WDM) permite transmitir miles de redes de Bragg en fibra (FBGs) seriales dentro de una sola fibra óptica. La WDM se basa en el uso de diferentes bandas espectrales para cada sensor que no pueden traslaparse. La CDM permite la superposición espectral mediante el uso de trayectorias ópticas con diferentes longitudes para cada sensor. La detección se basa en la longitud de onda reflejada, que cambia ante la tensión aplicada y con la temperatura. Se crea un código especial que se transmite a la red óptica modulando la luz de banda ancha. Dependiendo de la ubicación de los sensores, los códigos reflejados alcanzan una segunda modulación en un momento distinto, que actúa como una multiplicación de los mismos con otro código. Se determina el desplazamiento de la longitud de onda con un espectrómetro, que recoge la luz después de la multiplicación. Ambos pasos corresponden a una correlación de estos códigos. Un diseño de código adecuado logra la supresión de la luz reflejada de los sensores no sincronizados. Esto se logra con un esquema, que consiste en una doble correlación. Por ello, numerosas secciones que contienen FBG multiplexadas por división de longitud de onda (secciones WDM) pueden procesarse independientemente por medio de la CDM. Esta tesis propone una configuración que se usa para interrogar a diferentes redes de sensores ópticos que constan de hasta 4000 puntos de detección, 200 secciones WDM y longitudes de red de hasta 1,6 km. Se analizan las limitaciones del diseño de la red, tales como reflectancias máximas, efectos de sombreado, distancias mínimas de los sensores o longitud máxima de la red. La evaluación de la precisión demuestra la aplicabilidad de un sistema CDM-WDM. Se logra una desviación estándar para el cambio de la longitud de onda de hasta 1 pm en el caso estático. Para los sistemas dinámicos, se define un gradiente que describe la desviación en picómetro por picómetro del cambio de longitud de onda entre las dos correlaciones. Dependiendo de la velocidad del cambio de longitud de onda y la tasa de adquisición de los dos espectros para la doble correlación, se puede estimar la desviación del cambio de longitud de onda. Los gradientes entre —4 pm/pm y 0 pm/pm se logran usando el esquema de interrogación presentado. El manuscrito describe posibles aplicaciones en el campo de monitorización de salud estructural (SHM) y detección de formas, mientras que el prototipo muestra los beneficios del sistema y su interés dentro de la industria. Se concluye que la técnica de interrogación CDM-WDM en redes masivas de sensores ópticos cuasi-distribuidos tiene propiedades que la convierten en una técnica prometedora para mejorar el campo de aplicación de las FBGs. ----------ABSTRACT---------- This dissertation presents a novel interrogation technique for massive quasi-distributed sensor networks. A combination of code-division multiplex (CDM) and wavelength-division multiplex (WDM) allows addressing thousands of serial fiber-Bragg gratings (FBGs) within a single optical fiber. WDM is based on different spectral operation bands for each sensor that cannot overlap. CDM allows spectral overlapping by using the different optical path lengths of each sensor in the network. The sensing result is based on reflected light and its corresponding wavelength. It shifts according to applied strain or temperature changes which makes FBGs a sensitive sensor device for these physical parameters. A special designed code is sent into the optical network by modulating broadband light. Depending on the location of sensors, the corresponding reflected light reaches a second modulation scheme at a distinct time. The second modulation acts as a multiplication of the delayed reflected codes with another code. A spectrometer is used to determine the wavelength shift. Thus, the light after multiplication is collected by the spectrometer device. Both steps correspond to a correlation of these codes. A proper code design achieves the suppression of reflected light from non-synchronized sensors. This is achieved with a correlation scheme consisting of a double correlation and the implementation of sequence inverse keying (SIK). Thus, numerous sections containing wavelength-division multiplexed FBGs (WDM sections) can be independently addressed by means of CDM. A setup is proposed that is used to interrogate different optical sensor networks consisting of up to 4000 sensing points, 200 WDM sections, and network lengths up to 1.6 km. Limitations to the network design, such as maximum reflectances, shading effects, minimum sensor distances, or maximum network length are analyzed, and possible solutions are presented. The evaluation of accuracy proves the applicability of a CDM-WDM system. A standard deviation for the wavelength shift of down to 1pm in the static case is achieved. For dynamic systems, a gradient describing the deviation in picometer per picometer wavelength shift between two correlations is defined. Depending on the speed of wavelength shift and the acquisition rate of the two spectra for double correlation and SIK, the deviation of wavelength shift can be estimated. Gradients between -4 pm/pm and 0pm/pm are achieved with the presented interrogation scheme. Possible applications in the field of structural health monitoring (SHM) and shape sensing are outlined and a prototype proves the benefits of such a system and the interest within the industry. The CDM-WDM interrogation for massive quasi-distributed optical sensor networks is a promising technique to enhance the application field of FBGs.