Empleo de la Fibra Óptica como Sensor de Movimientos en Masa para Aplicaciones de Prevención de Desastres

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1 Castrillón-Zuluaga et al. (2013) 371 Empleo de la Fibra Óptica como Sensor de Movimientos en Masa para Aplicaciones de Prevención de Desastres Silvana Alejandra CASTRILLON-ZULUAGA, Julián HERNANDEZ-VILLEGAS, Juanita NAVARRO-JARAMILLO, Sergio ORREGO-GONZALEZ, Claudia CARMONA-RODRIGUEZ, Ferney AMAYA-FERNANDEZ Facultad de Ingeniería en Tecnologías de Información y Comunicación; Cir. 1, #70-01, B11, Medellín, Colombia. juanita.navarro alfa.upb.edu.co Resumen: En este trabajo se presenta la utilización de la fibra óptica como sensor de movimientos de terreno en masa para la aplicación en la prevención de desastres, presentando como ventaja respecto a los métodos actuales de sensado, la medición en tiempo real en áreas geográficas extensas. La medición se realiza empleando el método OTDR que analiza la señal óptica reflejada ante una perturbación a lo largo de una, indicando la ubicación e intensidad de un movimiento de terreno en masa. Copyright 2013 UPB Palabras clave: Sensor fotónico, Reflectometria óptica en el dominio del tiempo (OTDR), movimientos de terreno en masa. Abstract: This paper presents the use of fiber optics as a sensing element for disaster prevention applications. This sensing method presents advantages such as real-time measurement over large geographical areas. The measurement is performed using the OTDR method, detecting the optical signal reflected by a disturbance along the fiber, and it allows identifying the location and intensity of a landslide. Keywords: Photonic sensor, Optical time domain reflectometry (OTDR), Landslide. UPB_autoArt , s 20aa-mm-dd

2 Castrillón-Zuluaga et al. (2013) INTRODUCCIÓN Uno de los eventos más frecuentes en desastres ambientales y que se intenta pronosticar adecuadamente es el movimiento en masa de terrenos. Estos eventos pueden cubrir varios tramos en una vía de transporte o incluso un área considerable de un municipio, poniendo en riesgo vidas humanas, cultivos y animales, afectando el crecimiento económico de las regiones y el abastecimiento de alimentos. En la actualidad para detectar deslizamientos se utilizan dispositivos donde se miden puntualmente variables o se realiza análisis de imágenes aéreas para áreas extensas, éste tipo de métodos normalmente no aportan medidas en tiempo real y ofrecen baja sensibilidad, siendo el efecto visible solo en el momento del desastre, lo cual no permite desplegar acciones de prevención. Los sensores basados en fibra óptica ofrecen una solución simple, ya que permiten ubicar el sitio donde ocurrió la perturbación y su intensidad. En general, estos sensores modifican una característica de la luz guiada en respuesta a una variable externa física, química o biológica (López, 2003). Entre las ventajas que ofrecen los sensores de fibra óptica están la no manipulación de señales eléctricas en el punto de medición, proporcionando mayor inmunidad a la interferencia electromagnética y eliminando los problemas relacionados con la tierra eléctrica, bajo consumo energético y la posibilidad de emplear el mismo sensor para medir diferentes variables, además de que su uso puede realizarse en forma distribuida para mediciones en áreas amplias. Varias tecnologías que emplean la fibra óptica como sensor han sido implementadas para la medición de fenómenos físicos y químicos, resaltando entre ellos aplicaciones de tensión, temperatura, humedad, presión, vibración; para vigilancia en estructuras y perímetros, túneles, trenes, entre otros; también se conocen aplicaciones en la medicina, la química y la energía eléctrica. La mayoría de sistemas de mediciones distribuidas en fibra óptica, se basan en mediciones de la potencia óptica reflejada (Optical time domain reflectometry OTDR), en la cual se utiliza la dispersión de la señal de luz en su interacción con la estructura del material, produciendo tres componentes de lectura Rayleigh, Raman y Brillouin (López, 2003). La componente de Rayleigh consiste en una señal óptica reflejada a la misma longitud de onda del pulso enviado y es utilizada para medir pérdidas de potencia o atenuación de la fibra. Por otro lado, los fenómenos de Brillouin y Raman obedecen a efectos no lineales de la fibra óptica y consisten en señales ópticas reflejadas a longitudes de onda diferentes a la del pulso enviado. Estos efectos son utilizados frecuentemente para medir temperatura y desplazamiento físico. En este trabajo se presenta la utilización de la fibra óptica como elemento sensor de movimientos en masa de suelos, lo cual, presenta como ventajas la medición en tiempo real en áreas

3 Castrillón-Zuluaga et al. (2013) 373 geográficas extensas, propiciando su uso en aplicaciones para la prevención de desastres. Esto a diferencia de los métodos de medición actuales en los que se toma una medida semanal o mensual, haciendo lecturas individuales sobre varios sensores ubicados en áreas geográficas extensas. En este caso, la fibra óptica detecta movimiento del suelo y la medición de toda el área se concentra en un solo sitio. Con este método se disminuyen los costos de adquisición en comparación con el área de cobertura. La medición se realiza empleando el método OTDR que detecta la potencia de la señal reflejada ante una perturbación a lo largo de la fibra, y permite identificar a qué distancia se presentó la perturbación. El método permite medir la intensidad de la perturbación a partir de la amplitud de la señal reflejada. Este artículo describe en la sección 2 los diferentes tipos de movimientos en masa en los cuales se puede considerar la utilización de sensores basados en fibra óptica por el método OTDR; en la sección 3 se describe el método que se utilizará para sensar el movimiento en masa; en la sección 4 se presentará el esquema de pruebas y los resultados obtenidos; en la sección 5 se da a conocer el potencial de este trabajo y por último en la sección 6 se encuentran las conclusiones. Es necesario tener en cuenta que este factor es más susceptibles a ocurrir cuando estos son sometidos a solicitaciones (cargas accidentales) extremas como lluvias fuertes o sismos [GEMMA, 2007]. A continuación se presenta una breve descripción de los movimientos que se pueden sensar por medio del método OTDR. 2. MOVIMIENTOS EN MASA La inestabilidad de los terrenos es un factor que ocasiona movimientos en masa, por lo cual es necesario tener en cuenta las causas y condiciones bajo las cuales se presenta este fenómeno. Figura 1. Volcamiento. (Universidad de San Carlos de Guatemala)

4 Castrillón-Zuluaga et al. (2013) Volcamiento El volcamiento es causado por la acción de la gravedad, la presión ejercida por el material situado encima de la masa afectada, y por empujes de las unidades cercanas [GEMMA, 2007]. Lo cual genera ciertas grietas en la superficie y volcamiento de rocas como se muestra en la Figura Deslizamiento El deslizamiento es uno de los tipos de movimiento en masa que más a menudo colocan en riesgo la vida de las personas. Estos son originados por los movimientos y la inestabilidad de la tierra, produciendo una caída sobre tierra estable, que arrasa consigo árboles y rocas. Estos deslizamientos pueden ser rápidos, más peligrosos, o lentos. Los movimientos lentos se pueden prevenir, realizando su detección en sus etapas iniciales ya que deja huellas tales como hundimientos, grietas e inclinación de árboles [GEMMA, 2007]. Los dos tipos de deslizamiento que suelen ser los más comunes en el suelo son: Deslizamiento rotacional: Es un tipo de desplazamiento que ocurre internamente en el material, su ruptura es de forma circular o cóncava como se muestra en la Figura 2. Figura 2. Movimiento rotacional (Universidad de San Carlos de Guatemala) Desplazamiento traslacional: A diferencia del desplazamiento rotacional, la masa de terreno se desplaza hacia afuera y hacia abajo, a lo largo de una superficie relativamente plana, como se muestra en la Figura 3. Estos deslizamientos pueden ser causados por las grietas en las rocas y la resistencia de estas.

5 Castrillón-Zuluaga et al. (2013) 375 Figura 3. Movimiento traslacional rotacional (Universidad de San Carlos de Guatemala) 2.3. Propagación lateral Se caracteriza por un movimiento lento de la masa, debido a la deformación interna del material que causa fragmentación del terreno en bloques grandes como se muestra en la Figura 4 [GEMMA, 2007]. Figura 4. Propagación lateral rotacional (Universidad de San Carlos de Guatemala)

6 Castrillón-Zuluaga et al. (2013) MÉTODO OTDR El ODTR es un dispositivo de medida generalmente utilizado para caracterizar la fibra óptica. El OTDR envía pulsos ópticos que son reflejados o dispersados cuando ocurre una curvatura o perturbación mecánica. El OTDR entrega un gráfico de atenuación con respecto a la distancia y es muy empleado en la medición de enlaces ópticos en sistemas de telecomunicaciones. 0 L W z Fig 5. Retrodispersión causada por una perturbación 3.1. Medición del lugar de la perturbación Al ocurrir un movimiento del suelo en masa se produce una curvatura o perturbación en la fibra óptica. Esto produce una reflexión del pulso que envía el OTDR. El OTDR mide el tiempo entre el pulso transmitido y el reflejado, para calcular la distancia a la que ocurrió la perturbación). Esto quiere decir que si a una distancia L ocurre una perturbación en un segmento de ancho W, (ver Fig. 5), la potencia que regresa a la fuente debido a la dispersión en un intervalo infinitesimal dz es: ( ) ( ), (1) donde es el coeficiente de dispersión y es el coeficiente de retro dispersión. El producto representa la fracción de la luz dispersada que regresa en dirección de la fuente desde el sitio de la perturbación. La potencia en el interior del segmento donde ocurrió la perturbación se calcula como: ( ) (2) Remplazando esta potencia en (1) e integrando en el intervalo de 0 a W, se obtiene la potencia dispersada en el segmento donde ocurre la perturbación: ( ) (3) Donde es la potencia al inicio del segmento y es igual a:. (4) Por lo tanto, la potencia dispersada por el segmento donde ocurre la perturbación de la fibra a una distancia L de la fuente y detectada por la misma, puede ser calculada mediante la ecuación: ( ) ( ) (5)

7 Castrillón-Zuluaga et al. (2013) 377 Para calcular la resolución espacial que se puede obtener con el elemento de medida se consideran el ancho del pulso del OTDR y es el índice de refracción de la fibra óptica utilizada y el índice de refracción de la fibra siguiendo esta ecuación: (6) 3.2. Medición de la intensidad de la perturbación En el punto de la perturbación, se genera una curvatura en la fibra ocasionando pérdidas. A mayor la perturbación mayor la atenuación de la señal óptica, lo cual es detectado por el OTDR. Las pérdidas se producen debido a que parte de la energía óptica se escapa del núcleo de la fibra y parte de la luz que viaja por el núcleo se refracta (Instituto Universitario de Microelectronica Aplicada). Se puede medir la intensidad de la perturbación en términos de curvatura que genera en la fibra. Dicha pérdida se representa por [Salinas, Et.al, 2003]: (7) donde R se refiere al radio de curvatura y C 1 y C 2 son contantes. Las pérdidas pueden ser muy bajas, pero cuando superan un umbral se dice que estas pérdidas son elevadas, dicho radio crítico está definido por: Para fibra multimodo: (8) ( ) Para fibra monomodo: (9) ( ) ( ) donde n 1 y n 2 son los índices de refracción del núcleo y el recubrimiento de la fibra, es la longitud de onda de operación y es la longitud de onda de corte para dicha fibra monomodo. 4. DESCRIPCIÓN DE LAS PRUEBAS EXPERIMENTALES La configuración experimental que se muestra en la Figura 6 se utiliza para analizar en un tramo de fibra óptica los eventos medidos por el OTDR y su posible aplicación en la prevención de desastres. Se analiza la perturbación en un segmento de fibra de 1 cm, en cuyos extremos se encuentran dos soportes alineados en el eje horizontal. Sobre uno de los soportes se aplica un peso para emular un desplazamiento de tierra, generando una diferencia entre la posición vertical de los dos soportes, produciendo una curvatura en la fibra. Esta curvatura genera un cambio en la atenuación que presenta el tramo de fibra. Para una primera prueba se utilizó una superficie compuesta por espuma de baja densidad, que emula el efecto de un suelo urbano.

8 Castrillón-Zuluaga et al. (2013) 378 características del OTDR, obteniendo como resultado una resolución. Figura 6. Montaje experimental luego de someterse a la perturbación. La fibra óptica empleada es marca Corning SMF-28 monomodo que posee una chaqueta protectora que provee una excelente protección y un fácil manejo. La fibra tiene apertura numérica de 0,14, longitud de onda de corte, e índice de refracción de grupo. Basados en esa información y según la Ecuación (9) el radio de curvatura critico es de 3,199µm. Para asegurar la posibilidad de realizar medidas de forma distribuidas se debe tener un radio de curvatura mayor a este valor, garantizando que las pérdidas no atenúen la señal hasta un valor que no pueda ser medido por el OTDR. Durante las pruebas se envía una señal a una longitud de onda de 1550 nm, que es el valor en el que la fibra presenta su menor atenuación. Para medir el efecto de la atenuación se utiliza un equipo OTDR marca EXFO. La resolución espacial de medidas se calcula según la Ecuación (6) tomando un ancho de pulso según las Con el OTDR se midió la atenuación para varios valores de desplazamiento vertical entre los dos soportes, como se presenta en la Figura 7. En la Tabla 1 se presentan resultados medidos, donde se puede observar el aumento de la atenuación al incrementar la separación entre los soportes, producto de un incremento en el peso. Sin embargo, se obtuvieron valores muy diferentes de atenuación para las dos series de muestras realizadas por cada desplazamiento, por esta razón se configuró una segunda prueba para realizar las medidas. Figura 7.Configuración experimental 1 para medidas de pérdidas por curvatura.

9 Castrillón-Zuluaga et al. (2013) 379 Tabla 1. Datos obtenidos por la configuración experimental 1 ATENUACIÓN ATENUACIÓN (db) (db) Muestra 1 Muestra 2 DESPLAZA- MIENTO (cm) ATENUACIÓN (db) PROMEDIO 0 0,9 0,6 0,75 1,1 3,4 1 2, ,19 6,595 3,4 14 6,45 10,225 4,1 18 7,1 12,55 4,4 20 7,7 13,85 Para la segunda configuración experimental, se enrolla un trozo de fibra en una espuma de tal forma que quedan libres sus dos extremos. En el momento que se presente un desplazamiento de tierra, debido al cambio en cualquiera de sus dos extremos (moviendo las cajas en diferentes direcciones) por efectos de presión, el radio de la fibra enrollada disminuye, creando un nivel de atenuación que se puede visualizar en el OTDR, como se visualiza en la Figura 8. Figura 8. Configuración experimental 2 para medidas con variaciones del radio de curvatura. Al comparar la configuración experimental 1 con la configuración experimental 2, se puede comprobar que la configuración 2 es más estable y precisa, obteniendo una resolución en la medida de 0,5 cm, es decir se pueden medir movimientos del terreno muy pequeños. En la Tabla 2 se presentan los resultados de la configuración experimental 2, la cual permite de acuerdo al piso del ruido del OTDR realizar medidas de desplazamiento entre 0 y 4 cm partiendo de una radio de curvatura de 1cm. Como se observa en la tabla para el máximo desplazamiento, el radio no se aproxima al radio crítico, lo que no limitaría la posibilidad de medidas distribuidas.

10 Castrillón-Zuluaga et al. (2013) 380 Tabla 2. Datos obtenidos por la configuración experimental 2 DESPLAZAMIENTO ATENUACIÓN RADIO (cm) (cm) (db) 1 0 0,108 0, ,5 0,155 0, ,0 0,282 0, ,5 0,579 0, ,0 0,959 0, ,5 2,046 0, ,0 5,416 0, ,5 14,824 0, ,0 19,394 Se debe resaltar que esta segunda configuración presenta una tendencia logarítmica lo que facilita la obtención de la medida de desplazamiento a partir de la medida de potencia entregada por el OTDR. El cálculo de desplazamiento D en centímetros a partir del valor de la atenuación At en db se obtiene a partir de la siguiente ecuación: ( ) (10) La Figura 9 presenta los datos obtenidos de la segunda configuración. Figura 9. Desplazamiento en función de la atenuación para la configuración experimental 2. Por medio de la Figura 9 se comprueba que a menor radio de la circunferencia mayor es la atenuación, es decir a mayor radio curvatura en la fibra óptica el haz de luz que es inyectado por el OTDR se devuelve con una mayor reflexión, obteniendo un mayor valor de atenuación, obteniendo así una gráfica con un crecimiento logarítmico.

11 Castrillón-Zuluaga et al. (2013) POTENCIAL DEL DESARROLLO REALIZADO Nuestra región se ve afectada frecuentemente por deslizamientos de tierra debido a los cambios climáticos; afectando la calidad de vida de los habitantes. Este proyecto evalúa la posibilidad de utilizar la fibra óptica como elemento sensor distribuido, para tomar medidas en forma remota y en tiempo real, con el cual se pueda pronosticar movimientos en masa en un área extensa. Como continuación del proyecto se requiere escalar las medidas a condiciones reales realizando mediciones de atenuación con diferentes pesos. 6. CONCLUSIONES Se utilizó experimentalmente fibra óptica para encontrar perturbaciones en una superficie por medio del método OTDR y se evaluaron dos configuraciones para sensar desplazamientos y movimientos del suelo, para aplicaciones en la prevención de desastres. La resolución ofrecida por el OTDR permite detectar movimientos cada 2 m, permitiendo hacer una distribución sobre el área a sensar evaluando varios puntos sobre el terreno. La configuración propuesta basada en el radio de curvatura presentó variaciones hasta de 4 cm y atenuación de hasta 20 db, en caso de requerir medir desplazamientos superiores se requiere evaluar si se amplía el radio de curvatura inicial o si se requiere un OTDR con menos piso de ruido. Para usar la fibra óptica como sensor con el fin de detectar ciertos tipos de movimientos en masa, es necesario realizar un estudio que permita analizar cuán factible es la medida en un segmento de tierra por el método OTDR, y determinar cuál es la configuración ideal al instalar la fibra, dependiendo del tipo de movimiento que se desea medir y sobre el cual se desea tener un control para prevenir una situación. Los dos métodos utilizados para hallar un deslizamiento por curvatura (configuración experimental 1) o por radio de curvatura (configuración experimental 2) permiten hacer una prevención eficaz de cualquier movimiento de tierra, se debe tener en cuenta que es más preciso el método por radio de curvatura, pues este permite obtener un valor acertado del movimiento del terreno, con lo cual se puede llevar un estudio detallado de estos movimientos y así determinar cuándo va a ocurrir un desastre natural. Las mediciones se convierten en un factor crítico para garantizar el óptimo desempeño del modelo experimental, las condiciones ambientales en las situaciones reales son bastante variables, por lo que para este caso las mediciones deben poder soportarse en el modelo experimental para tener una medición confiable. AGRADECIMIENTO Los autores agradecen al CIDI UPB por el patrocinio del proyecto Consolidación Línea de Investigación en Fotónica UPB aceptado en la modalidad de proyecto interno. Al Ingeniero geólogo Remberto Luis Rhenals G. y al diseñador gráfico David

12 Castrillón-Zuluaga et al. (2013) 382 Montoya Betancur por su asesoría y colaboración para el desarrollo del proyecto. REFERENCIAS Grupo de Estándares para Movimientos en Masa (GEMMA). (2007). Movimientos en masa en la región andina: Una guía para la evaluación de amenzas. Publicación geológica multinacional No. 4. ISSN: En línea: Instituto Universitario de Microelectronica Aplicada. (s.f.). Recuperado el 11 de septiembre de 2013, de om_opt_i/temario/caracteristicas.pdf López, R. (2003). Sensor de fibra óptica distribuido para medición de fugas de hidrocarburos. Tesis PhD Division de Fisica Aplicada.Centr de Investigación Cientifica y Educacion Superior de Ensenada Apdo.Post No.2732,CP22860,Ensenada,B.C.Mexico.Ensenada,Baja California Salinas, I., Lopez, A., Garcés, I., Alonso, R., & Llobera, A. (2003). Estudio teórico y experimental de los mecanismos de atenuación. Universidad de Zaragoza. Barcelona, España. Recuperado el 12 de Septiembre de 2013, de %20experimental%20de%20los%20mecanismos%20de%20atenuacion %20de%20guias%20de%20onda%20rib%20ARROW%20curvas.pdf Universidad de San Carlos de Guatemala. (s.f.). Recuperado el 12 de Septiembre de 2013, de spa-4.pdf AUTORES CASTRILLÓN ZULUAGA, Silvana Alejandra. Estudiante de octavo semestre de Ingeniería de Telecomunicaciones en la Universidad Pontificia Bolivariana. Nacida el 2 de Junio de 1990 en la ciudad de Medellín, realizó sus estudios de primaria en los colegios Barbara Micarelli, y el Colegio de la Inmaculada, en el cual continuó y finalizo sus estudios de bachillerato, durante el mismo fue reconocida con varias menciones de honor gracias a su rendimiento académico. Perteneció a la Red de Escuelas durante los años 2001 al 2006, interpretando la Viola. Ganadora del segundo puesto Ingeniar 2007 en la categoría de principiante. Actualmente desempeña el cargo de presidente de la Rama Estudiantil IEEE UPB y recibió recientemente a mención a estudiante distinguida en la Facultad de Ingeniería de Telecomunicaciones HERNANDEZ VILLEGAS Julián Andrés. Estudiante de séptimo semestre de Ingeniería de telecomunicaciones. Nacido en Medellín el 28 de febrero de 1991, realizo estudios de primaria y bachillerato en el Liceo Salazar y Herrera de Medellín, actualmente curso último semestre de tecnología en telecomunicaciones en el instinto tecnológico metropolitano y participo de los grupos de extensión cultural de la UPB como vocalista.

13 Castrillón-Zuluaga et al. (2013) 383 NAVARRO JARAMILLO Juanita. Estudiante de octavo semestre de Ingeniería de telecomunicaciones. Nacida en Girardota el 5 de septiembre de 1991, realizo estudios de primaria y bachillerato en el Instituto Parroquial Nuestra Señora de la Presentación de Girardota, obteniendo mención de honor por logros académicos en diferentes periodos, al igual fue personera estudiantil en su institución, obteniendo por 3 años seguido medalla de sentido de pertenencia y medalla de honor y mérito en su último año de estudio, siempre fue parte de la selección de baloncesto tanto del colegio como de Girardota. ORREGO GONZÁLEZ Sergio Iván. Estudiante de octavo semestre de ingeniería de telecomunicaciones. Nacido en Medellín el 7 de Marzo de 1992, estudios de primaria realizados en la Universidad Pontifica Bolivariana, y el colegio Jorge Zeledón Brenes de Costa Rica, logrando el primer puesto en las pruebas académicas del Estado en el grado sexto, bachillerato cursado en la UPB obteniendo mención de honor por logros académicos en diferentes trimestres. Pontificia Bolivariana. Magister en Ingeniería de Telecomunicaciones de la Universidad de Antioquia. AMAYA-FERNÁNDEZ, Ferney. Docente asociado de la Facultad de Ingeniería en Tecnologías de Información y Comunicación de la Universidad Pontificia Bolivariana. Miembro del grupo de investigación GIDATI de la misma universidad. Ingeniero Electrónico, Magister en Ingeniería de la Universidad del Valle y Doctor en Ingeniería de la. CARMONA RODRIGUEZ, Claudia. Docente asociada de la Facultad de Ingeniería en Tecnologías de Información y Comunicación de la. Miembro del grupo de investigación GIDATI de la misma universidad. Ingeniera Electrónica y Especialista en Telecomunicaciones de la Universidad