Development of simulation tool for FBG-based phase-OTDR vibration sensors

Abstract

Over the last twenty years, phase-sensitive optical time-domain reflectometer based distributed vibration sensors have attracted increasing attention as a research topic and commercial product. Due to their capability to detect external perturbations along fiber in real-time, they have found applications in several sectors such as oil\&gas pipeline monitoring, border security, transportation, and so on. Recently, the implementation of fiber Bragg gratings into these systems has become popular in order to improve sensing performance and several system configurations adopting a wide range of signal processing techniques have been presented. In this thesis, a simulation tool for distributed vibration sensing systems based on FBG-based phase-sensitive optical time-domain reflectometry is developed. In this context, firstly, the operation principle of optical time-domain reflectometry and system parameters affecting the performance are investigated. Secondly, fiber Bragg grating structures and their implementation into phase-sensitive optical time-domain reflectometer based vibration sensors are studied. By utilizing the one-dimensional impulse response model, fiber Bragg grating implementation-related problems, spectral shadowing crosstalk and multiple reflection crosstalk, and different sensor configurations are analyzed. Based on this model, the numerical simulation tool is developed by constructing fiber, fiber Bragg grating, and probe pulse structures. The operation of the developed simulation tool is verified by comparing obtained results with theory. Then, the capabilities of the developed tool are demonstrated by conducting several simulations with conventional Phase-OTDR and FBG-based Phase-OTDR configurations.

Son yirmi yılda, faza duyarlı zaman bölgesinde optik geri-yansımalı ölçüm tekniği tabanlı dağıtılmış titreşim sensörleri, araştırma konusu ve ticari ürün olarak ilgi çekmiştir. Bu sensörler fiber boyunca dış etkileri gerçek zamanlı olarak tespit etme imkanları saye-sinde, petrol\&gaz boru hattı izleme, sınır güvenliği, ulaşım vb. gibi çeşitli sektörlerde uygulamalar bulmuşlardır. Son zamanlarda, algılama performansını iyileştirmek amacıyla bu sistemlere fiber Bragg ızgaraların entegre edilmesi popüler hale geldi ve çeşitli sinyal işleme tekniklerinin kullanıldığı çok sayıda sistem konfigürasyonu gösterildi. Bu tezde, FBG tabanlı faza duyarlı zaman bölgesinde optik geri-yansımalı ölçüm tekniğine dayalı titreşim algılama sistemleri için bir simülasyon aracı geliştirilmiştir. Bu kapsamda ilk olarak Faz-OTDRın çalışma prensibi ve performansını etkileyen sistem parametreleri incelenmiştir. İkinci olarak, fiber Bragg ızgara yapıları ve bunların faza duyarlı optik zaman alan geri-yansıma ölçüm tabanlı titreşim sensörlerine entegre edilmesi ele alınmıştır. Tek boyutlu darbe yanıt modeli kullanılarak, fiber Bragg ızgara kullanımı ile ilgili problemler, spektral gölgeleme karışması ve çoklu yansıma karışması, ve farklı sensör konfigürasyonları analiz edilmiştir. Bu modele dayalı olarak, sayısal simülasyon aracı, fiber, fiber Bragg ızgarası ve optik darbe yapıların ayrı olarak oluşturulmasıyla geliştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar teori ile karşılaştırılarak geliştirilen simülasyon aracı-nın işleyişi doğrulanmıştır. Daha sonra, geleneksel Faz-OTDR ve FBG-tabanlı Faz-OTDR konfigürasyonları ile çeşitli simülasyonlar gerçekleştirilerek geliştirilen aracın kabiliyetleri gösterilmiştir.