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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Auslesen
eines optischen Bragg-Sensors mit einem Bragg-Wellenlängenspektrum, das sich in Abhängigkeit
von einer zu erfassenden Messgröße ändert.
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Mittels
eines derartigen optischen Bragg-Sensors, der insbesondere auch
in einen Lichtwellenleiter integriert sein kann, eignet sich sehr gut
zur Detektion verschiedener Messgrößen, wie beispielsweise einer
Temperatur, einer Vibration, einer Beschleunigung oder eines elektrischen
oder magnetischen Feldes. Die zu erfassende Messgröße bewirkt
eine Veränderung,
insbesondere eine Dehnung oder eine Änderung des Brechungsindex,
der optischen Faser (= Lichtwellenleiter) am Ort des Bragg-Sensors.
Dadurch verändert
sich die spektrale Lage des sensorspezifischen Bragg-Wellenlängenspektrums
eines am Bragg-Sensor reflektierten Antwortlichtsignals. Eine Analyse
dieses Bragg-Wellenlängenspektrums
erlaubt somit einen Rückschluss auf
die zu detektierende Messgröße.
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Hierzu
sind im Wesentlichen zwei Verfahren bekannt. Bei dem ersten Verfahren
wird der Bragg-Sensor mit einem spektral breitbandigen Eingangslichtsignal
beleuchtet, dessen spektrale Bandbreite um beispielsweise bis zu
300 mal größer ist
als das zu erfassende Bragg-Wellenlängenspektrum. Das resultierende
Antwortlichtsignal und insbesondere dessen Wellenlängengehalt
wird mittels einer spektral aufgelösten optischen Detektion erfasst. Hierbei
können
ein Polychromator, ein Fabry-Pérot-Filter
oder vergleichbare optische Empfangseinrichtungen zum Einsatz kommen.
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Beim
zweiten Verfahren wird eine schmalbandige, jedoch spektral durchstimmbare
Lichtquelle verwendet, beispielsweise ein durchstimmbarer Laser
mit einer Emissionsbandbreite, die sehr viel kleiner als 1 nm ist.
Die Emission wird sukzessive über den
gesamten abzudeckenden Lichtwellenbereich, der sich beispielsweise über 20 bis
30 nm erstreckt, durchgestimmt. Die Erfassung der dann jeweils resultierenden
Antwortlichtsignale erfolgt bei diesem zweiten Verfahren mittels
eines breitbandigen optischen Detektors.
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Beide
Verfahren sind mit einem nicht unerheblichen Aufwand verbunden.
Sowohl die beim ersten Verfahren eingesetzte spektral aufgelöste optische
Detektion als auch der beim zweiten Verfahren verwendete wellenlängeneinstellbare
Laser sind technisch aufwändig
und zum Teil auch sehr teuer in der Anschaffung.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren der eingangs
bezeichneten Art anzugeben, das eine einfache Detektion der spektralen
Lage des Bragg-Wellenlängenspektrums
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs 1. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich
um ein solches, bei dem
- a) ein Eingangslichtsignal
mit einem kammartigen Wellenlängenspektrum
aus diskreten Einzelimpulsen bei jeweils unterschiedlicher Impulswellenlänge erzeugt
wird, wobei
a1) die Impulswellenlängen mehrerer der Einzelimpulse
innerhalb des Bragg-Wellenlängenspektrums
liegen, und
a2) jeder der Einzelimpulse mit einer Modulationsfrequenz
moduliert wird,
- c) das Eingangslichtsignal in den Bragg-Sensor eingespeist wird,
- d) ein Antwortlichtsignal des Bragg-Sensors in ein elektrisches
Signal umgewandelt wird,
- e) das elektrische Signal auf umfasste Modulationsfrequenzen
untersucht wird, und
- f) aus den umfassten Modulationsfrequenzen das Bragg-Wellenlängenspektrum
detektiert wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Auslesen eines optischen Bragg-Sensors zeichnet sich dadurch
aus, dass insbesondere die Detektion mit einfachen Mitteln bewerkstelligt
werden kann. Die Umwandlung des Antwortlichtsignals in das elektrische
Signal bedarf keiner aufwändigen
optischen Empfangseinrichtung. Auch die Untersuchung des elektrischen
Signals auf die umfassten Modulationsfrequenzen ist mit Standard-Verfahren
der analogen oder digitalen Signalverarbeitung durchzuführen. Eingangsseitig
ist für
die Erzeugung des insbesondere breitbandigen, d. h. einen in etwa
20 bis 30 nm breiten Wellenbereich umfassenden Eingangslichtsignals
kein wellenlängendurchstimmbarer
Laser wie bei dem vorstehend beschriebenen bekannten Detektionsverfahren
erforderlich. Stattdessen kommt ein Eingangslichtsignal zum Einsatz,
das ein kammartiges Wellenlängenspektrum
aufweist. Derartige Eingangslichtsignale sowie die zugehörigen Lichtquellen
sind beispielsweise in dem Fachartikel „Multiple-wavelength sources
may be the next generation for WDM", Laser Focus World, June 2003, Seiten
117 bis 120, beschrieben. Sie sind auch für die optische Telekommunikationstechnik
von Interesse und kommen dort zum Einsatz.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich
aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
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Günstig ist
eine Variante, bei der das kammartige Wellenlängenspektrum des Eingangslichtsignals
einen Wellenlängenbereich
um 1550 nm erfasst. Gerade in diesem Wellenbereich ist eine spektral
aufgelöste
Detektion entsprechend dem bekannten Verfahren mittels eines Polychromators
besonders aufwändig,
da teuere InGaAs-Zeilen benötigt werden.
Durch den bevorzugten Betrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens in diesem Wellenbereich kann
dieser hohe Aufwand umgangen werden.
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Weiterhin
kann bei der Erzeugung des Eingangslichtsignals vorzugsweise für die Einzelimpulse ein
jeweils äquidistanter
Wellenlängenabstand
vorgesehen werden. Dann ergibt sich praktisch eine Abtastung des
breitbandigen Wellenlängenbereichs durch
die diskreten Einzelimpulse. So ist sichergestellt, dass jeder Wellenlängenteilbereich
gleichermaßen
berücksichtigt
ist. Die Äquidistanz
zwischen den Einzelimpulsen lässt
sich beispielsweise mittels einer optischen Kavität erzeugen,
in der sich auch stabile Oberwellenmoden ausbilden. Grundsätzlich ist
die vorteilhafte Äquidistanz
der Einzelimpulse für das
erfindungsgemäße Verfahren
jedoch nicht absolut erforderlich.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausgestaltung liegen die Impulswellenlängen von
mindestens von mindestens drei, vorzugsweise fünf Einzelimpulsen innerhalb
des Bragg-Wellenlängenspektrums.
Die im Einzelfall pro Bragg-Wellenlängenspektrum vorgesehene Anzahl
an Einzelimpulsen hängt auch
vom Rauschen ab. Insbesondere wird diese Anzahl so groß gewählt, dass
die kleinste zu erfassende messgrößenbedingte Änderung
des Bragg-Wellenlängenspektrums
noch erkannt werden kann. Die Bestimmung der Änderung des Bragg-Wellenlängenspektrums
kann dabei vorzugsweise mittels einer Schwerpunktbildung für die Einzelimpulse
erfolgen.
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Bei
einer anderen vorteilhaften Variante wird im Zusammenhang mit der
Modulation für
jeden der Einzelimpulse eine unterschiedliche Modulationsfrequenz
vorgesehen. Dadurch ergibt sich bei der Auswertung des elektrischen
Signals eine eindeutige Zuordnung zwischen erkannter umfasster Modulationsfrequenz
zur Impulswellenlänge.
Letztere liegt dann innerhalb des gesuchten Bragg-Wellenlängenspektrums.
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Günstig ist
weiterhin eine Ausgestaltung, bei der die Modulationsfrequenzen
mit Frequenzwerten aus dem kHz- oder MHz-Bereich vorgesehen werden. Dadurch ist
zum einen sichergestellt, dass die Modulationsfrequenzen größer sind
als der höchste Frequenzanteil
der zu erfassenden Messgrößendynamik.
Zum anderen liegen die Modulationsfrequenzen dann aber noch unterhalb
des Frequenzanalogs zur kleinsten zu erfassenden messgrößenbedingten Änderung
des Bragg-Wellenlängenspektrums.
Damit ist eine unerwünschte
Frequenzbeeinflussung ausge schlossen. Je nach aktueller Messgrößendynamik kann
die untere Grenze für
die Modulationsfrequenzen schwanken. Bei einer mittels des Bragg-Sensors durchzuführenden
quasistationären
Temperaturmessung können
niedrigere Modulationsfrequenzen verwendet werden als bei einer
Vibrationsmessung, die eine höhere
Dynamik aufweist.
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Bevorzugt
ist es weiterhin, dass das Antwortlichtsignal mittels einer insbesondere
breitbandigen Photodiode umgewandelt wird. Es handelt sich um ein
gebräuchliches,
einfaches und preiswertes opto-elektrisches Wandlungselement.
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Weiterhin
kann zur Untersuchung des elektrischen Signals auf umfasste Modulationsfrequenzen vorzugsweise
eine Fourier-Analyse
durchgeführt werden.
Dies ist ein Standardverfahren der digitalen Signalverarbeitung,
das ein Frequenzspektrum des elektrischen Signals liefert. Insbesondere
sind auch die maßgeblichen
Modulationsfrequenzen in diesem von der Fourier-Analyse gelieferten Frequenzspektrum
enthalten. Aus den Amplitudenwerten der umfassten Modulationsfrequenzen
lassen sich dann die aktuelle spektrale Lage des Bragg-Wellenlängenspektrums
und damit die gesuchte Messgröße inklusive
einer etwa vorliegenden Messgrößenänderung ermitteln.
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Vorzugsweise
können
die zur Erzeugung des Eingangslichtsignals verwendeten Modulationsfrequenzen
außerdem
auch zur Untersuchung des elektrischen Signals auf umfasste Modulationsfrequenzen
insbesondere mittels einer Demodulation eingesetzt werden. Die Modulationsfrequenzen
stehen dann sowohl eingangs- als auch ausgangsseitig für die Erzeugung
des Eingangslichtsignals bzw. für die
Auswertung des elektrischen Signals zur Verfügung. Die für die Rekonstruktion der spektralen
Lage des Bragg-Wellenlängenspektrums
benötigten
Amplitudenwerte bei den umfassten Modulationsfrequenzen können anstelle
mittels einer Fourier-Analyse auch mittels eines in der Signalverarbeitung
ebenso geläufigen
Demodulationsverfahrens bestimmt werden. So werden beispielsweise
für eine
Amplitudendemodulation lediglich ein Mischer und ein Tiefpass benötigt. Bei
beiden handelt es sich um übliche
Standard-Komponenten.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung der
eingangs bezeichneten Art anzugeben, die eine einfache Detektion
der spektralen Lage des Bragg-Wellenlängenspektrums ermöglicht.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird eine Anordnung entsprechend den Merkmalen des
Patentanspruches 10 angegeben. Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst
- a) eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Eingangslichtsignals
mit einem kammartigen Wellenlängenspektrum
aus diskreten Einzelimpulsen bei jeweils unterschiedlicher Impulswellenlänge, wobei
a1)
die Impulswellenlängen
mehrerer der Einzelimpulse innerhalb des Bragg-Wellenlängenspektrums
liegen, und
a2) Modulationsmittel zur Modulation jeder der Einzelimpulse
mit einer Modulationsfrequenz vorgesehen sind,
- c) Einspeisemittel zur Einspeisung des Eingangslichtsignals
in den Bragg-Sensor,
- d) einen Empfangswandler zur Umwandlung eines Antwortlichtsignals
des Bragg-Sensors in ein elektrisches Signal,
- e) eine Auswerteeinheit zur Untersuchung des elektrischen Signals
auf umfasste Modulationsfrequenzen und zur Detektion des Bragg-Wellenlängenspektrums
aus den umfassten Modulationsfrequenzen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich
aus den von Anspruch 10 abhängigen
Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Anordnung
und ihre Ausgestaltungen bieten im Wesentlichen die gleichen Vorteile,
die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
und dessen Varianten beschrieben worden sind.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung. Es zeigt:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer Anordnung zum Auslesen von optischen Bragg-Sensoren,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer Anordnung zum Auslesen eines optischen Bragg-Sensors und
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3 Wellenlängenspektren
eines Eingangslichtsignals und eines Antwortlichtsignals der Anordnungen
gemäß 1 und 2 sowie
ein Frequenzspektrum eines aus dem Antwortlichtsignal erzeugten
elektrischen Signals.
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Einander
entsprechende Teile sind in 1 bis 3 mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
einer Anordnung 1 zum Auslesen mehrerer Bragg-Sensoren,
von denen im Beispiel zwei Bragg-Sensoren 2 und 3 wiedergegeben
sind, gezeigt. Die Bragg-Sensoren 2 und 3 sind
faseroptisch ausgeführt,
d. h. sie sind in eine optische Faser 4 (= Lichtwellenleiter)
an verschiedenen Orten eingeschrieben, an denen eine Erfassung einer
jeweils nicht näher
gezeigten Messgröße erfolgen
soll.
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Die
die Bragg-Sensoren 2 und 3 umfassende optische
Faser 4 ist mittels eines optischen Kopplers 5 sowohl
an eine einen Modulator 6 umfassende Lichtquelle 7 als
auch an einen opto-elektrischen Empfangswandler 8 optisch
angeschlossen. Ein elektrischer Ausgang des als breitbandige Photodiode
ausgeführten
Empfangswandlers 8 ist elektrisch an eine Auswerteeinheit 9 angeschlossen.
Letztere umfasst eine Fourier-Untereinheit 10.
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In 2 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Anordnung 11 zum Auslesen des Bragg-Sensors 2 dargestellt.
Sie weist nur geringe Unterschiede zur Anordnung 1 auf.
So umfasst die optische Faser 4 anstelle mehrerer Bragg-Sensoren
lediglich den einen Bragg-Sensor 2. Außerdem ist der Empfangswandler 8 an
eine geringfügig
modifizierte Auswerteeinheit 12 ange schlossen, die anstelle
der Fourier-Untereinheit 10 einen Demodulator 13 umfasst. Zwischen
dem Modulator 6 der Lichtquelle 7 und dem Demodulator 13 der
Auswerteeinheit 12 besteht eine elektrische Verbindung 14.
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Im
Folgenden wird auch unter Bezugnahme auf 3 die Funktionsweise
der beiden Anordnungen 1 und 11 näher beschrieben.
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In
der Lichtquelle 7 wird ein Eingangslichtsignal LE mit einem
kammartigen Wellenlängenspektrum
aus diskreten Einzelimpulsen bei jeweils unterschiedlicher Impulswellenlänge λ1 bis λn und mit
im Wesentlichen identischer optischer Impulsleistung erzeugt. Die
Einzelimpulse sind gleichmäßig über das
kammartige Wellenlängenspektrum
des Eingangslichtsignals LE verteilt. Sie liegen einige pm auseinander.
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Das
kammartige Wellenlängenspektrum
liegt im Wellenlängenbereich
um 1550 nm und deckt eine vergleichsweise große Bandbreite von etwa 20 bis
30 nm ab. Eine optische Leistung Popt des
Eingangslichtsignals LE mit dem kammartigen Wellenlängenspektrum
ist in dem oberen Diagramm von 3 über der Wellenlänge λ aufgetragen.
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Jeder
der n Einzelimpulse des kammartigen Wellenlängenspektrums wird mittels
des Modulators 6 mit einer unterschiedlichen Modulationsfrequenz
f1 bis fn intensitätsmoduliert.
Die Modulationsfrequenzen f1 bis fn nehmen Frequenzwerte aus dem
kHz- oder MHz-Bereich an.
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Das
Eingangslichtsignal LE wird mittels des Kopplers 5 in die
optische Faser 4 eingespeist und damit den Bragg-Sensoren 2 und 3 (bei
Anordnung 1 gemäß 1)
bzw. dem Bragg-Sensor 2 (bei Anordnung 11 gemäß 2)
zugeführt.
Die Bragg-Sensoren 2 und 3 weisen ein jeweils
spezifisches Bragg-Wellenlängenspektrum ΔλBr2 bzw. ΔλBr3 auf, das
jeweils eine Bandbreite in der Größenordnung von 0,1 bis 1 nm
aufweist. Die Schwerpunktwellenlängen
dieser Bragg-Wellenlängenspektren ΔλBr2 und ΔλBr3 sind
jeweils im Wellenlängenbereich
um 1550 nm angesie delt. Alle Bragg-Wellenlängenspektren ΔλBr2 und ΔλBr3 liegen
innerhalb des kammartigen Wellenlängenspektrums des Eingangslichtsignals
LE.
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Beispielhaft
wird in 3 die Funktionsweise anhand
des Bragg-Sensors 2 erläutert.
Das eingespeiste Eingangslichtsignal LE ruft am Bragg-Sensor 2 ein
reflektiertes Antwortlichtsignal LA hervor, das über den Koppler 5 dem
opto-elektrischen Empfangswandler 8 zugeführt wird.
Letzterer weist ein breitbandiges Empfangsspektrum auf und kann sämtliche
Wellenlängen
des kammartigen Wellenlängenspektrums
des Eingangslichtsignals LE empfangen. Grundsätzlich können bei einer anderen Ausführungsform
auch mehrere jeweils nur für
einen Teilwellenlängenbereich
empfindliche Photodioden parallel betrieben werden.
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Der
Bragg-Sensor 2 ruft innerhalb seines spezifischen Bragg-Wellenlängenspektrums ΔλBr2 eine
Reflexion hervor, sodass das Antwortlichtsignal LA, wie im mittleren
Diagramm von 3 wiedergegeben, nicht mehr
alle Einzelimpulse des kammartigen Wellenlängenspektrums, sondern nur
die bei den Impulswellenlängen λi bis λj umfasst.
Im Übrigen werden
nicht alle Impulswellenlängen λi bis λj mit der gleichen
Intensität
reflektiert. Der Bragg-Sensor 2 weist eine nicht näher bezeichnete
Schwerpunktwellenlänge
auf, bei der eine maximale Reflexion erfolgt. Die benachbarten Impulswellenlängen erfahren
dagegen eine geringere Reflektivität. Demzufolge haben die Einzelimpulse
dieser benachbarten Impulswellenlängen im Antwortlichtsignal
LA eine niedrigere optische Leistung. Die werte der optischen Leistungen
bei den reflektierten Impulswellenlängen λi bis λj entsprechen einer Abtastung
des im mittleren Diagramm von 3 ebenfalls
mit eingetragenen Bragg-Wellenlängenspektrums ΔλBr2 des Bragg-Sensors 2.
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Im
opto-elektrischen Empfangswandler 8 wird das Antwortlichtsignal
LA in ein elektrisches Signal SE umgewandelt, das in der Auswerteeinheit 9 bzw. 12 einer
näheren
Untersuchung unterzogen wird.
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Diese
umfasst im Falle der Anordnung 1 eine Fourier-Analyse des
elektrischen Signals SE, die in der Fourier-Untereinheit 10 durchgeführt wird.
Das resultierende Frequenzspektrum des elektrischen Signals SE ist
im unteren Diagramm von 3 wiedergegeben. Aufgetragen
ist der Amplitudenwert Ü über der
Frequenz f. Das Frequenzspektrum umfasst genau die Modulationsfrequenzen
fi bis fj, mit denen die Einzelimpulse der Impulswellenlängen λi bis λj intensitätsmoduliert
sind. Anstelle der optisch nur mit großem Aufwand durchzuführenden
Spektralanalyse des Antwortlichtsignals LA auf die jeweils umfassten Impulswellenlängen λi bis λj wird eine
elektrisch sehr viel einfachere Analyse des Frequenzgehalts im elektrischen
Signal SE durchgeführt.
Dabei können die
Amplitudenwerte Ü über die
im elektrischen Signal SE enthaltenen Modulationsfrequenzen fi bis
fj den jeweils zugehörigen
Impulswellenlängen λi bis λj zugeordnet
werden. Dadurch lässt
sich spektrale Lage des Bragg-Wellenlängenspektrums ΔλBr2 als Maß für die eigentlich
gesuchte Messgröße rekonstruieren.
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Im
Fall der Anordnung 11 erfolgt die Untersuchung des elektrischen
Signals SE auf den Frequenzgehalt nicht mittels einer Fourier-Analyse,
sondern mittels einer ebenso einfach vorzunehmenden Amplitudendemodulation.
Hierzu stehen die im Modulator 6 der Lichtquelle 7 zur
Intensitätsmodulation des
Eingangslichtsignals LE verwendeten Modulationsfrequenzen f1 bis
f9 auch dem Modulator 13 der Auswerteeinheit 12 zur
Verfügung.
Mittels einer im Rahmen einer Amplitudendemodulation üblichen
Mischung und anschließenden
Tiefpassfilterung lassen dann die Frequenzanteile des elektrischen
Signals SE aufgeschlüsselt
nach den umfassten Modulationsfrequenzen fi bis fj und mit den jeweils
zugehörigen
Amplitudenwerten Ü problemlos
bestimmen. Die weitere Auswertung, also die Rekonstruktion der aktuellen
spektralen Lage des Bragg-Wellenlängenspektrums ΔλBr2, erfolgt
wie vorstehend bereits für die
Anordnung 1 beschrieben.