Brillouin distributed time-domain sensing in optical fibers: state of the art and perspectives

Abstract

Optical fiber sensors based on stimulated Brillouin scattering have now clearly demonstrated their excellent capability for long-range distributed strain and temperature measurements. The fiber is used as sensing element, and a value for temperature and/or strain can be obtained from any point along the fiber. After explaining the principle and presenting the standard implementation, the latest developments in this class of sensors will be introduced, such as the possibility to measure with a spatial resolution of 10 cm and below while preserving the full accuracy on the determination of temperature and strain.

Capteur Brillouin réparti à fibre optique à haute résolution et longue portée

“…Afin d'améliorer la résolution des capteurs Brillouin, une nouvelle technique de mesures distribuées dite « d'écho Brillouin » (BEDS : Brillouin Echo Distributed Sensing) a été développée initialement, par l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Thévenaz, 2010). Cette technique est une méthode différentielle fondée sur l'utilisation d'une impulsion pompe modulée avec un saut abrupt de phase de π radians.…”

“…La résolution peut être nettement améliorée par des méthodes différentielles utilisant plusieurs impulsions de profils ou de durées différentes (Brown et al, 2007 ;Li et al, 2008). Une alternative plus récente consiste à utiliser des sauts de phase très courts dans l'impulsion pompe qui vont bloquer subitement l'interaction acousto-optique et générer ce que l'on appelle des échos Brillouin (Thévenaz, 2010 ;Foaleng et al, 2011 ;Lee et al, 2012). La résolution spatiale peut ainsi dépasser la limite physique imposée par le temps de vie des phonons acoustiques et atteindre quelques centimètres (Thévenaz, 2010).…”

“…Une alternative plus récente consiste à utiliser des sauts de phase très courts dans l'impulsion pompe qui vont bloquer subitement l'interaction acousto-optique et générer ce que l'on appelle des échos Brillouin (Thévenaz, 2010 ;Foaleng et al, 2011 ;Lee et al, 2012). La résolution spatiale peut ainsi dépasser la limite physique imposée par le temps de vie des phonons acoustiques et atteindre quelques centimètres (Thévenaz, 2010). Par ailleurs, la portée des capteurs Brillouin a été récemment étendue à 100 km en utilisant l'amplification Raman distribuée le long de fibres (Angulo-Vinuesa et al, 2011), 120 km à l'aide de la technique de codage des impulsions optiques (Bernini et al, 2011), et très récemment à 150 km en combinant différentes fibres optiques à l'amplification par fibre dopée à l'Erbium (Dong et al, 2012).…”

High-resolution Brillouin fiber sensing using random phase coding of the pump and probe waves

“…Standard B-OTDA techniques, which rely on the transmission of pulsed pump or probe waves, are restricted to meter-scale resolution: the use of pulses shorter than the acoustic damping time of τ ~ 12 ns both weakens the SBS interaction and broadens its spectrum [1][2][3][4] . In recent years, more elaborate B-OTDA methods had employed multiple pulse patterns and multiple scans to provide an order-of-magnitude higher resolution, at the cost of added complexity [5][6][7][8] .…”

Differential Phase-Shift-Keying Technique-Based Brillouin Echo-Distributed Sensing

“…other techniques have been developed such as dark-pulse Brillouin scattering [10], differential pulse-width pair BOTDA [11] and Brillouin echo-distributed sensing (BEDS) [12], [13]. They all have neither physical nor technical limit down to 1-cm resolution sensing.…”