¿Qué es la detección de fibra óptica?

La detección de fibra óptica hace uso de las propiedades físicas de la luz a medida que se transmite a lo largo de la fibra para detectar cambios en la temperatura, la tensión, la vibración (ondas acústicas) y otros parámetros. La detección de fibra óptica emplea la fibra como sensor para crear miles de puntos continuos de detección a lo largo de la fibra. Esto se conoce como detección distribuida de fibra óptica, donde la propia fibra actúa como un sensor distribuido de fibra óptica.

Los dispositivos que miden la fibra en sí se suelen denominar transmisores de interrogación. La finalidad es utilizar una fibra óptica estándar o específica para medir la temperatura, la tensión o la vibración a lo largo de ella por medio de técnicas de detección distribuida de fibra óptica de Raman, de Brillouin o de retrodispersión coherente de Rayleigh.

Por ejemplo, empleando el transmisor de interrogación de fibra, se puede:

• detectar y localizar cualquier punto crítico de un cable de alimentación;
• detectar y localizar cualquier tensión excesiva de un cable de telecomunicaciones de fibra óptica y tomar medidas antes de que se produzcan roturas; y
• detectar interferencias de terceros en conductos o interconexiones de centros de datos (DCI).

A continuación, proporcionamos ejemplos de aplicaciones de la detección de fibra óptica:

• Monitorización de fatiga
• Bloqueo de las líneas de flujo y fugas
• Monitorización de yacimientos
• Recuperación de aceite térmico

• Detección de fugas
• Monitorización de movimientos del suelo

• Detección y localización de puntos críticos
• Ampacidad (clasificación térmica en tiempo real…)
• Red inteligente

• Detección de grietas
• Gestión y diseño de infraestructuras
• Presas y diques
• Zonas sísmicas

• Monitorización de cables de fibra óptica subterráneos
• Monitorización de cables aéreos
• Identificación de fibra óptica sobrecargada
• Envejecimiento de la fibra óptica

Un cable de fibra óptica puede actuar como ruta de comunicación entre una estación de pruebas y un sensor externo, lo que se conoce como detección extrínseca. En cambio, cuando la propia fibra actúa como sistema de detección de fibra óptica, se conoce como detección intrínseca de fibra óptica.

La ventaja de este tipo de tecnología de fibra óptica es que no se requieren interfaces discretas entre los sensores de fibra óptica y los sensores externos, lo que reduce la complejidad y el coste. Para que esto sea posible, la estimulación externa, como las fluctuaciones de la temperatura, la tensión o las vibraciones (ondas acústicas), tiene que dejarse notar en la luz guiada dentro del cable de una manera medible para que se obtengan datos útiles.

Cuando los fotones de luz se dispersan de forma aleatoria por el material de la fibra, esto se conoce como dispersión de Rayleigh. Este principio resulta útil con diversos tipos de técnicas de pruebas de fibra óptica, como las pruebas de fibra óptica con OTDR, ya que la intensidad, la longitud de onda y la ubicación de la luz retrodispersada al detector permiten determinar la magnitud y la ubicación de los eventos de atenuación y reflexión dentro de una fibra óptica.

De forma similar, la dispersión de Raman produce cambios inducidos por la temperatura en los fotones retrodispersados a la fuente en la línea de Stokes. Si se mide la diferencia entre la intensidad de la luz retrodispersada en la línea de Stokes y la línea anti-Stokes, se puede determinar de forma precisa la temperatura en cualquier punto a lo largo de la fibra.

La dispersión de Brillouin es un fenómeno similar en el que la longitud de onda de la luz retrodispersada se ve afectada por la temperatura externa y la estimulación acústica de una manera predecible. Estos datos, junto con conocimientos básicos de la temperatura en el mismo punto, se pueden utilizar para determinar de forma precisa la tensión que soporta la fibra, así como analizarse para concluir que áreas de la fibra se han visto afectadas.

La dispersión coherente de Rayleigh se puede emplear para detectar vibraciones y ondas acústicas. El desplazamiento de fase de la luz es sensible a las vibraciones y las ondas acústicas que experimenta el cable de fibra óptica. Al analizar estos desplazamientos de fase, se puede determinar la ubicación y la intensidad de las vibraciones a lo largo de toda la longitud de la fibra.

Detección distribuida de fibra óptica

Las dispersiones de Raman, de Brillouin y de Rayleigh se utilizan con efectividad en la detección distribuida de fibra óptica (DFS). La dispersión de Raman se emplea para la detección distribuida de la temperatura (DTS), la dispersión de Brillouin para la detección distribuida de la temperatura y la tensión (DTSS) y la dispersión de Rayleigh para la detección acústica distribuida (DAS). Estas mediciones se pueden utilizar para monitorizar de forma precisa la temperatura, la tensión y las vibraciones a lo largo de decenas de kilómetros.

En este contexto, “distribuida” hace referencia simplemente a la tecnología de detección de fibra óptica que puede realizar mediciones de forma continuada a lo largo de toda la longitud de la fibra o un sensor distribuido de fibra óptica. En esencia, la propia fibra es el sensor. Dado que estos métodos de detección de fibra óptica son completamente intrínsecos, la fibra estándar para telecomunicaciones se puede emplear como el medio, si la temperatura no sobrepasa los 100 ˚C (212 ˚F) y la fibra óptica no se somete a una alteración mecánica o química excesiva.

Cómo ha evolucionado la detección de fibra óptica

Antes de que la fibra óptica hubiese salido a escena como método de telecomunicaciones en los años 70, las posibilidades obvias de la fibra óptica para las aplicaciones de detección ya estaban emergiendo. El sensor fotónico, un sensor de fibra óptica extrínseco empleado para mediciones de vibración sin contacto, se patentó en 1967. A mediados de los 80, ya se habían establecido los principios del giroscopio de fibra óptica. Mediante un seguimiento del desplazamiento de fase de la fuente de luz láser en el interior de la fibra, se podían obtener datos rotacionales.

A continuación, se proporcionan algunas aplicaciones que se pueden abordar con transmisores de interrogación de detección de fibra óptica.

• Detección de redes de fibra óptica: protección, inspección y monitorización de redes de fibra óptica
• Detección de monitorización de infraestructura: una fibra se puede utilizar para llevar a cabo una monitorización de infraestructura al emplear la fibra como si se tratase de un dispositivo de sondeo. En este caso práctico, se puede implementar una fibra a lo largo de una infraestructura crítica como un puente, un conducto, un punto de acceso o abertura seguros, o el espaldón de una presa para activar una alarma si la fibra óptica pone de manifiesto una tensión repentina o un movimiento, o si la temperatura supone un riesgo de que la infraestructura sufra daños o experimente fallos. Se puede emplear para proteger aberturas como puertas o tapas de alcantarillado de modo que se genere una alarma si se traspasa la abertura. 
• Protección de la infraestructura: la detección acústica se puede utilizar para identificar y localizar amenazas (intencionadas o no intencionadas) en torno a activos críticos como límites, vías férreas, cables eléctricos y conductos a fin de proteger la infraestructura.

Hay disponibles diversas aplicaciones de monitorización de infraestructura con los transmisores de interrogación de detección de fibra óptica de VIAVI.

• Detección de movimientos de suelo e interferencias de terceros a lo largo de un conducto
• Detección de deformaciones mecánicas en un conducto
• Detección y localización de cualquier fuga a lo largo de un conducto, dique, presa, etc.
• Detección y localización de cualquier amenaza o punto crítico en una red de telecomunicaciones de fibra óptica
• Detección y localización de cualquier punto térmico crítico o advertencias de proximidad a lo largo de un cable de alimentación

Con un dispositivo portátil, como la plataforma OneAdvisor con funciones de DTS o DTSS, un inspector puede realizar mediciones de campo sobre el terreno en las fibras.  Asimismo, mediante el sistema ONMSi y un cabezal de pruebas de fibra óptica montado en bastidor con funciones DTS, DTSS o DAS, es posible monitorizar las fibras a largo plazo y activar alarmas si se detectan cambios o eventos. 

A continuación, proporcionamos un ejemplo de sistema DTSS de VIAVI:

• El transmisor de interrogación de DTSS de VIAVI es un OTDR de tipo Brillouin (BOTDR). Se emite un pulso corto de luz en la fibra, que se emplea como sensor de fibra óptica. La luz, que se propaga hacia delante, genera luz retrodispersada de tipo Brillouin en dos longitudes de onda distintas desde todos los puntos de la fibra.

• Las longitudes de onda de la luz retrodispersada son diferentes de las de la luz que incide hacia delante, y se denominan “Stokes” y “anti-Stokes”. La diferencia de frecuencia y nivel de Brillouin de la línea de Stokes y la línea anti-Stokes es una imagen de la temperatura y la tensión a lo largo de la fibra.

¿Cómo pueden las pruebas de la fibra óptica reducir el tiempo medio de reparación de la infraestructura crítica o de una red de fibra óptica?

La monitorización de fibra constituye una alarma inmediata cuando se detecta un cambio. Además, puede proporcionar un punto en un mapa geolocalizado para ubicar el evento detectado en la fibra óptica. Esto permite a la organización enviar a un técnico para la inspección de la fibra óptica, o reparar siempre el punto correcto y evitar el mayor período de tiempo que se requeriría para localizar un problema a lo largo de la fibra. Obtenga más información sobre las pruebas de fibra óptica.

Aunque los clientes de proveedores de servicios de telecomunicaciones y centros de datos con fibra oscura alquilada informen de una avería en el servicio debido a una rotura de la fibra óptica, a menudo, cuando se produce una rotura, el cable se ha tensado permanentemente en alguno de los lados del evento de rotura o daño. Piense, por ejemplo, en una excavadora que desentierra un cable. El cable resulta tirado, arrastrado y tensado. Mediante la inspección de la tensión, el técnico puede determinar exactamente qué sección de los cables es necesario sustituir, y el propietario del cable puede determinar qué parte es la responsable de los daños mediante la evidencia de la detección de fibra óptica de DTSS. Lo mismo ocurre con los daños causados por las inclemencias del tiempo y la suciedad, como la caída de ramas de árboles sobre cables aéreos.

El problema más común y difícil de diagnosticar en la fibra óptica de una red surge cuando se ejerce una tensión excesiva en la fibra. Se produce una elongación permanente en la fibra que la debilita y suele alterar sus propiedades de transmisión de la luz. A continuación, proporcionamos una imagen de pruebas de tensión en la que se muestran tres picos de tensión mediante DTSS. Estos tres puntos de la fibra presentan deficiencias, pero un OTDR clásico de tipo Rayleigh no sacaría a relucir el problema. Estos picos indican que la fibra se debe sustituir.

La tecnología de detección de fibra óptica ofrece una solución eficaz para que las compañías eléctricas puedan mejorar la monitorización y el mantenimiento de su infraestructura. Al utilizar fibras ópticas integradas en los cables de alimentación, las compañías pueden conseguir una monitorización continua y en tiempo real de parámetros clave, lo que permite aplicar medidas proactivas para evitar daños y reparaciones costosas.

Las líneas eléctricas están expuestas a diversos factores de tensión medioambiental y operativa que puede derivar en sobrecalentamientos, tensión mecánica y posibles fallos. Las fibras instaladas en las líneas eléctricas se pueden utilizar para monitorizar la temperatura, la tensión y la vibración en tiempo real. Por ejemplo, la detección de puntos críticos puede ser indicativa de zonas donde el aislamiento puede estar degradándose o existe un estado de sobrecarga. Al identificar estos problemas pronto, las compañías pueden programar un mantenimiento específico antes de que un problema menor se convierta en un fallo importante, con lo que se evitan cortes de suministro eléctrico y se reducen los costes de reparación.

Otra ventaja significativa de la detección de fibra óptica es su capacidad de localizar fallos de forma precisa en las líneas eléctricas. Los métodos tradicionales de detección de fallos pueden resultar lentos y costosos, y requerir a menudo inspecciones con camiones, helicópteros o drones. La detección de fibra óptica puede identificar y localizar fallos rápidamente provocados por daños físicos, factores medioambientales o anomalías operativas. Esta función de localización rápida de fallos permite a las compañías eléctricas responder con rapidez, minimizar los tiempos de inactividad y garantizar un suministro de energía más confiable.

Dada la amplia diversidad de ventajas que ya se ofrecen por medio de la detección de fibra óptica en diversos sectores, se puede asumir con seguridad que la eficacia y la rentabilidad de los productos existentes continuarán mejorando a medida que se desarrollen nuevas aplicaciones. La FOSA ha explorado en profundidad muchas de estas posibilidades, incluidos el uso de la detección de fibra óptica en “ciudades inteligentes”, la integración del Internet de las cosas (IoT) e innovadoras variaciones de la fibra óptica diseñadas específicamente para entornos más exigentes.

La detección de formas de fibra óptica es un nuevo proceso que proporciona datos de posicionamiento precisos y en tiempo real en geometrías complejas y tramos largos. Con la fibra encastrada en el interior o fijada al objeto de interés, se puede monitorizar y realizar un seguimiento continuo del factor de forma de estructuras como turbinas eólicas, túneles y edificios de gran altura, junto con la temperatura, la presión y otros parámetros.

Esta capacidad de detección de la forma se puede utilizar también para explorar el cuerpo humano y obtener un diagnóstico con nuevos dispositivos médicos. La detección de fibra óptica se puede emplear para realizar un seguimiento de instrumentos quirúrgicos, como apoyo de imágenes e incluso para diagnosticar trastornos vasculares. Dado que la seguridad de las fronteras cobra cada vez más importancia, el uso de la tecnología de detección de fibra óptica también podría derivar en una mayor implementación de “muros” de fibra óptica capaces de identificar intrusiones sin incómodas barreras físicas.

Aunque los espectaculares avances en comunicación y transferencia de datos que se han conseguido gracias a la fibra óptica gozan de amplio reconocimiento, quizá no se conozcan tan bien las numerosas capacidades de la detección distribuida de fibra óptica que han permitido estos mismos componentes básicos. A medida que la sociedad adopte cada vez más conexiones, la demanda de monitorización, seguridad y tiempos de reacción mínimos continuará creciendo. La utilización creativa de la detección de fibra óptica contribuirá a ello.

¿Qué tipo de transmisores de interrogación de detección de fibra ofrece VIAVI?

La cartera de productos de detección de fibra óptica de VIAVI incluye lo siguiente:

• Detección distribuida de temperatura (DTS) basada en la tecnología de OTDR de tipo Raman
• Detección distribuida de temperatura y tensión (DTSS) basada en la tecnología de OTDR de tipo Brillouin
• Detección acústica distribuida (DAS) basada en la tecnología de retrodispersión coherente de Rayleigh