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Monitoraggio su larga scala di deformazioni e/o temperatura mediante sensori distribuiti in fibra ottica

In questi ultimi anni si è riscontrato un crescente interesse verso le problematiche del monitoraggio non invasivo dell'ambiente ed in particolare verso l'impiego di tecniche di diagnostica basate sull'utilizzo di sensori in fibra ottica. Tali sensori hanno infatti piccole dimensioni e basso costo, sono immuni alle interferenze elettromagnetiche, sono ideali per costruire reti di monitoraggio molto estese e sono meccanicamente e chimicamente compatibili con molti materiali. Tuttavia, i sensori in fibra comunemente usati consentono una misura puntuale dei parametri di interesse. Ciò rappresenta una difficoltà allorché si voglia monitorare una grandezza con elevata risoluzione (metri) e su lunghe distanze (chilometri). In questo caso, possono essere infatti necessari anche migliaia di sensori che devono essere interrogati con complesse reti di multiplexing. Queste limitazioni possono essere superate sviluppando un diverso tipo di sensori, chiamati "sensori distribuiti", che consentono di effettuare misure con continuità spaziale su tutta la lunghezza della struttura di interesse. Questo tipo di sensori sta già trovando applicazioni nell'ambito del monitoraggio delle deformazioni di ponti, dighe, oleodotti, acquedotti ed edifici storici o nel monitoraggio della temperatura di cavi elettrici, laghi, fiumi. Il principio di funzionamento di un particolare tipo di questi sensori si basa sul fenomeno dello scattering stimolato di Brillouin che è intrinsecamente presente anche nelle fibre ottiche commerciali e consente il monitoraggio su distanze che possono arrivare a decine di chilometri delle deformazioni e/o della temperatura della struttura investigata. Tuttavia, allo stato attuale, le tecniche sviluppate non consentono una stima quantitativa delle grandezze d'interesse ed inoltre operano nel dominio del tempo, dove la risoluzione ottenibile risulta legata alla possibilità di misurare segnali transitori molto veloci, il che pone limitazioni sul rapporto segnale/rumore. Per superare queste limitazioni presso l'IREA sono stati sviluppati configurazioni di misura ed algoritmi innovativi di analisi di dati per sensori basati sullo scattering stimolato di Brillouin nel dominio della frequenza. In particolare partendo dalla consueta formulazione differenziale esatta che descrive il fenomeno dello scattering stimolato di Brillouin sono stati sviluppati algoritmi per la determinazione del profilo di deformazione/temperatura lungo la fibra. Poiché tali algoritmi lavorano direttamente sulle equazioni che descrivono il fenomeno fisico, essi consentono di evitare i tipici errori sistematici che affiggono le ricostruzioni classiche in particolar modo quando si vogliono ottenere elevate risoluzioni e/o si è interessati al monitoraggio su grandi distanze. Inoltre, poiché le misure vengono effettuate nel dominio della frequenza è possibile utilizzare una tecnica di ricezione sincrona che consente un notevole incremento del rapporto segnale/rumore e quindi un incremento dell' accuratezza della misura. Presso l'IREA è stato allestito un prototipo per monitoraggio di deformazioni e/o temperatura basato sullo scattering di Brillouin nel dominio della frequenza. Le misure sperimentali hanno permesso di verificare la validità degli algoritmi proposti. Le ricostruzioni hanno evidenziato la possibilità di localizzare e caratterizzare perturbazioni di temperatura con una risoluzione spaziale di 1.5m con una accuratezza di 1.5°C su fibre di alcune centinaia di metri

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