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Título: Aprimoramento de detecção acústica distribuída com os algoritmos de amostragem ilimitada e de diversidade de fase
Título(s) alternativo(s): Enhancing distributed acoustic sensing with the unlimited sampling and phase diversity algorithm
Autor(es): Dureck, Eduardo Henrique
Orientador(es): Silva, Jean Carlos Cardozo da
Palavras-chave: Detectores ópticos
Luz - Espalhamento
Vibração - Medição
Processamento de sinais
Algorítmos - Desenvolvimento
Optical detectors
Light - Scattering
Vibration - Measurement
Signal processing
Algorithms - Development
Data do documento: 9-Mai-2024
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: DURECK, Eduardo Henrique. Aprimoramento de detecção acústica distribuída com os algoritmos de amostragem ilimitada e de diversidade de fase. 2024. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2024.
Resumo: O Sensoriamento Acústico Distribuído (DAS) em fibra óptica é uma tecnologia inovadora que utiliza o fenômeno de espalhamento da luz para medir vibração ao longo de dezenas de quilômetros. Essa capacidade transforma a fibra óptica em um sensor longo e contínuo, permitindo uma vasta gama de aplicações, desde o monitoramento de integridade estrutural até a análise em tempo real do comportamento e condições de escoamento em tubulações. Todavia, os sistemas DAS heteródinos possuem limitações por sofrerem distorções de sinal sob condições específicas como, por exemplo, atenuação da luz retroespalhada e erros de desdobramento de fase, prejudicando significativamente a interpretação dos dados. Neste trabalho são apresentadas técnicas de processamento de sinais, a partir de algoritmo de Amostragem Ilimitada e Diversidade de Fase, com foco especial na otimização dos parâmetros do algoritmo para aprimorar a reconstrução do sinal. A metodologia detalhada da pesquisa inclui a configuração experimental, com ênfase no uso de uma fibra óptica monomodo padrão e na utilização de sistema piezoelétrico para excitar a fibra com diferentes frequências e deformações. O arranjo experimental possibilita testes com boa repetitividade, auxiliando na validação dos algoritmos propostos. Os algoritmos compostos de Diversidade de Fase e técnica de desdobramento de Amostragem Ilimitada são comparados com métodos convencionais como desdobramento de Itoh, demonstrando uma melhoria de 20% em precisão e confiabilidade. Esses métodos mostram-se promissores em superar as limitações tradicionais, especialmente em cenários com altas descontinuidades de fase, sendo cruciais para mitigar os efeitos de distorções impostos aos sinais. Os resultados destacam a importância desta pesquisa em melhorar significativamente a exatidão dos sistemas DAS heteródinos, oferecendo uma base sólida sobre a qual trabalhos subsequentes podem ser construídos, visando aprimoramentos adicionais e aplicações mais amplas no campo.
Abstract: Distributed Acoustic Sensing (DAS) in optical fiber is an innovative technology that uses the phenomenon of light scattering to measure vibration over tens of kilometers. This capability transforms the optical fiber into a long, continuous sensor, allowing for a wide range of applications, from structural integrity monitoring to real-time analysis of flow behavior and conditions in pipelines. However, heterodyne DAS systems have limitations due to signal distortions under specific conditions such as backscattered light attenuation and phase unwrapping errors, significantly hindering data interpretation. This work presents signal processing techniques, based on Unlimited Sampling algorithm and Phase Diversity, with a special focus on optimizing algorithm parameters to enhance signal reconstruction. The detailed methodology of the research includes the experimental setup, emphasizing the use of a standard singlemode optical fiber and the use of a piezoelectric system to excite the fiber at different frequencies and strains. The experimental arrangement allows tests with good repeatability, aiding in the validation of the proposed algorithms. The algorithms composed of Phase Diversity and Unlimited Sampling unwrapping technique are compared with conventional methods like Itoh’s unwrapping, demonstrating a 20% improvement in accuracy and reliability. These methods prove to be promising in overcoming traditional limitations, especially in scenarios with high phase discontinuities, being crucial to mitigate the effects of distortions imposed on the signals. The results highlight the importance of this research in significantly improving the accuracy of heterodyne DAS systems, offering a solid foundation on which subsequent works can be built, aiming for further enhancements and broader applications in the field.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/34373
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