DE102007059551B4

DE102007059551B4 - Einrichtung und Verfahren zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser

Info

Publication number: DE102007059551B4
Application number: DE102007059551.6A
Authority: DE
Inventors: Yahei Koyamada
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2006-12-13
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2016-08-11
Anticipated expiration: 2027-12-12
Also published as: JP5122120B2; CN101201292B; US7873273B2; JP2008145398A; US20080145049A1; CN101201292A; DE102007059551A1

Abstract

Einrichtung zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser (7), wobei die Einrichtung aufweist: einen optischen Impulsgenerator (1) zum Erzeugen einer Gruppe optischer Impulse (3a) jeweils umfassend erste und zweite optische Impulse (3a1, 3a2) aus kohärentem Licht (2a), wobei zwischen den ersten und zweiten optischen Impulsen ein Zeitintervall von mindestens 10 ns vorhanden ist, so dass das Zeitintervall kleiner oder gleich einer Lebensdauer einer Schallwelle in der Lichtleitfaser ist, wobei die Lebensdauer ein Zeitraum vom Auftauchen des Leistungsspitzenwertes der Schallwelle bis zu dem Zeitpunkt ist, an welchem die Leistung der Schallwelle auf nicht mehr als 5% des Leistungsspitzenwerts abgesunken ist, und wobei der optische Impulsgenerator ferner zum Aussenden der Gruppe optischer Impulse zur Lichtleitfaser eingerichtet ist; einen Detektor (8) zum Koppeln des kohärenten Lichts (2b) mit Brillouin-Rückstreulicht (7a), welches das erste Brillouin-Rückstreulicht enthält, das zu dem ersten optischen Impuls (3a1) gehört und das zweite Brillouin-Rückstreulicht enthält, das zu dem zweiten optischen Impuls (3a2) gehört, um ein optisches Signal (81a) zu erzeugen, wobei der Detektor (8) ferner zum Umwandeln des optischen Signals (81a) in ein elektrisches Signal (82a) eingerichtet ist; einen Signalprozessor (14) zum Aufnehmen der Summe des elektrischen Signals (82a) und eines elektrischen Verzögerungssignals (11a2), das gegenüber dem elektrischen Signal um eine Verzögerungszeit entsprechend dem Zeitintervall verzögert ist, um ein Interferenzsignal (11a3) zu erzeugen, wobei der Signalprozessor (14) ferner zum Auffinden der Eigenschaften der Lichtleitfaser (7) auf Grundlage des Interferenzsignals (11a3) eingerichtet ist; und eine Frequenzänderungsvorrichtung (10), die es dem Signalprozessor (14) ermöglicht, ein Brillouin-Spektrum aus dem elektrischen Signal (82a) zu erhalten.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Einrichtung und ein Verfahren zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung eine Einrichtung zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser, wobei die Einrichtung so ausgebildet ist, einen optischen Impuls, der aus kohärentem Licht erzeugt wird, in eine Lichtleitfaser einzubringen, das kohärente Licht und Brillouin-Rückstreuungslicht von der Lichtleitfaser zu mischen, um ein gemischtes Lichtsignal zu erhalten, das gemischte Lichtsignal in ein elektrisches Signal umzuwandeln, und die Eigenschaften der Lichtleitfaser auf Grundlage des elektrischen Signals zu ermitteln.
Es wird die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2006-336200 beansprucht, eingereicht am 13. Dezember 2006, deren Inhalt durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen wird.
Beschreibung des Standes der Technik
Sämtliche Patente, Patentanmeldungen, Patentveröffentlichungen, wissenschaftliche Veröffentlichungen, und dergleichen, die nachstehend in der vorliegenden Anmeldung zitiert oder angegeben werden, werden durch Bezugnahme insgesamt eingeschlossen, um den Stand der Technik deutlicher zu beschreiben, welcher die vorliegende Erfindung betrifft.
Es wurde ein erstes, herkömmliches Verfahren entwickelt, um die Spannungsverteilung und die Temperaturverteilung entlang einer Lichtleitfaser in einer Umgebung zu messen, in welcher die Lichtleitfaser eingesetzt wird. Das erste, herkömmliche Verfahren misst die Zentrumsfrequenz von Brillouin-Streulicht, das von der Lichtleitfaser erzeugt wird, in welche ein optischer Impuls eingebracht wurde. Dieses erste, herkömmliche Verfahren verwendet die vorgesehene Lichtleitfaser als ein Medium zur Erfassung von deren Spannung und Temperatur. Dieses erste herkömmliche Verfahren vereinfacht die Anordnung, die zur Messung ihrer Spannungsverteilung und Temperaturverteilung benötigt wird, im Vergleich dazu, wenn eine Gruppe von Punktsensoren eingesetzt wird.
Typische Beispiele für das erste, herkömmliche Verfahren umfassen die optische Brillouin-Zeitbereichs-Photometrie des Reflexionsgrades (BOTDR) und die optische Brillouin-Zeitbereichsanalyse (BOTDA).
Die optische Brillouin-Zeitbereichs-Photometrie des Reflexionsgrades (BOTDR) ist ein Verfahren zur Messung der Brillouin-Frequenzverschiebung von spontan rückgestreutem Brillouin-Licht, das durch ein akustisches Signal reflektiert wurde, dessen Geschwindigkeit sich in Abhängigkeit von der Spannung und der Temperatur ändert. Die Brillouin-Photometrie des Reflexionsgrades im Zeitbereich (BOTDR) ist nämlich ein Verfahren zur Erfassung des mittels Brillouin-Strahlung zurückgestreuten Lichtes, das von einem Eingangsende einer Lichtleitfaser ausgesandt wird, nachdem ein Lichtimpuls in dieses Ende der Lichtleitfaser eingebracht wurde. Die Brillouin-Photometrie des Reflexionsgrades im Zeitbereich (BOTDR) wird in den japanischen Patenten JP 2 575 794 B2 und JP 3 481 494 B2 beschrieben.
Die Brillouin-Photometrieuntersuchung im Zeitbereich (BOTDA) stellt ein Verfahren zur Messung einer sich ändernden Komponente eines Sondenlichts dar, wobei die Änderung des Sondenlichts infolge eines mittels Brillouin-Streuung stimulierten Effekts auftritt, der durch Pumplicht oder Impulslicht hervorgerufen wird, das eine höhere Intensität aufweist als ein Schwelle, wenn das Pumplicht oder Impulslicht in ein Ende einer Lichtleitfaser eingebracht wird, während das Sondenlicht in das andere Ende der Lichtleitfaser eingegeben wird. Diese Brillouin-Photometrie des Reflexionsgrades im Zeitbereich (BOTDA) wird im japanischen Patent JP 2 589 345 B2 beschrieben.
Es ist bei der Brillouin-Photometrie des Reflexionsgrades im Zeitbereich (BOTDR) und der Brillouin-Analyse im optischen Zeitbereich (BOTDA) bekannt, dass eine Verkleinerung der Impulsbreite des Impulses, der in die Lichtleitfaser eingebracht wird, die räumliche Auflösung verbessert. Ein extremes Verkleinern der Impulsbreite über die Untergrenze hinaus macht es schwierig, exakt die Zentrumsfrequenz des Brillouin-Streulichtes zu messen. Die räumliche Auflösung liegt im Bereich von etwa 2 m bis 3 m.
Ein verteiltes Lichtleitfaser-Abtastsystem, welches Transientenvorgänge einer Schallwelle einsetzt, wurde vorgeschlagen, um die räumliche Auflösung des Messverfahrens zu verbessern, welches das stimulierte Brillouin-Streulicht einsetzt. Dieses System wird in dem Report, Vol. 105, Nr. 242, 0FT2005-16, Seiten 1–6 (2005) vorgeschlagen. Dieses verteilte Lichtleitfaser-Abtastsystem wird dadurch verwirklicht, dass der Transienteneffekt berücksichtigt wird, der eine sofortige Anfangsschwingung verhindert, da die Schallwelle, welche die Brillouin-Streuung hervorruft, eine mechanische Schwingung ist. Nachdem ein erstes Pumplicht durch eine Lichtleitfaser ausgebreitet wurde, wird dann ein zweites Pumplicht, das Brillouin-Streulicht zur Messung hervorruft, durch die Lichtleitfaser ausgebreitet, wodurch verhindert wird, dass der Übergangseffekt bei dem Brillouin-Streulicht für die Messung auftritt, und wobei eine hohe räumliche Auflösung von etwa 10 cm erzielt wird.
Es wurde eine andere Einrichtung vorgeschlagen, zur Erzielung einer hohen räumlichen Auflösung in der Größenordnung von Zentimetern, wobei eine so genannte Brillouin-Optikkorrelationsbereichsanalyse (BOCDA) eingesetzt wird, die sich von einer Zeitbereichsmessung unterscheidet. Dieser Vorschlag wird im japanischen Patent Nr. 3667132 beschrieben. Diese Einrichtung setzt einen Frequenzwandler ein, um die Zentrumsfrequenz von Sondenlicht zu ändern, so dass die Differenz der Zentrumsfrequenz zwischen Pumplicht und Sondenlicht sich an die Brillouin-Frequenzverschiebung annähert. Dann führt die Einrichtung eine Frequenzmodulation für eine Lichtquelle durch, wodurch ein Energieübertrag von dem Pumplicht auf das Sondenlicht an einer Position hervorgerufen wird, an welcher das Pumplicht und das Sondenlicht in Bezug auf die Phase synchronisiert sind. Die Einrichtung setzt einen Photodetektor ein, der die optische Leistung des Sondenlichts erfasst, das von der Lichtleitfaser ausgesandt wurde, wodurch das Brillouin-Spektrum an der Position gemessen wird, an welcher das Pumplicht und das Sondenlicht in Bezug auf die Phase synchronisiert sind. Diese Einrichtung erzielt eine hohe räumliche Auflösung von etwa 1 cm. Dieses Verfahren ist die so genannte Brillouin-Optikkorrelationsbereichsanalyse (BOCDA).
Bei 0FT2005-16, Seiten 1-6 und dem japanischen Patent JP 3 667 132 B2 ist es erforderlich, dass Licht zur Messung in beide Enden einer Lichtleitfaser eingebracht wird. Diese Dokumente schlagen keine Verbesserung der räumlichen Auflösung bei der Brillouin-Photometrie des Reflexionsgrades im Zeitbereich (BOTDR) vor.
Aus der US 2006/0 018 586 A1 ist eine Einrichtung bekannt mit folgenden Merkmalen:

– Zwei aufeinander folgende Impulse werden von einem optischen Impulsgenerator erzeugt, wobei das Zeitintervall zwischen den zwei Impulsen kleiner oder gleich einer Lebensdauer einer Schallwelle in der Lichtfaser ist, und der optische Impulsgenerator die Gruppe erster und zweiter optischer Impulse zur Lichtleitfaser aussendet.
– Das Brillouin-Rückstreulicht, das aus der Lichtleitfaser rückgesteuert wird, und kohärentes Licht, das direkt aus der Lichtquelle erfasst wird, werden gemischt und dieses Lichtsignal wird von einem Detektor in ein elektrisches Signal umgewandelt.
– Eine Frequenzänderungsvorrichtung ermöglicht es, ein Brillouin-Spektrum aus dem elektrischen Signal zu erhalten.
– Ein Signalprozessor ermöglicht es, aus dem erfassten elektrischen Signal Eigenschaften der Lichtleitfaser zu ermitteln.

Bei der Brillouin-Analyse im optischen Zeitbereich (BOTDA) und der Brillouin-Optikkorrelationsbereichsanalyse (BOCDA) ist es erforderlich, dass das Pumplicht und das Sondenlicht in beide Enden einer Lichtleitfaser eingebracht werden. Die Einrichtung, welche die Brillouin-Analyse im optischen Zeitbereich (BOTDA) oder die Brillouin-Optikkorrelationsbereichsanalyse (BOCDA) zur Verfügung stellt, weist daher eine komplizierte Konstruktion auf, und ist äußerst kostenaufwendig.
Für Fachleute auf diesem Gebiet wäre es daher nicht einfach und nahe liegend gewesen, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Erzielung einer hohen räumlichen Auflösung der Brillouin-Photometrie des Reflexionsgrades im Zeitbereich (BOTDR) zu erreichen.
Angesichts der voranstehenden Ausführungen wird für Fachleute auf diesem Gebiet deutlich, dass ein Bedürfnis nach einer verbesserten Einrichtung und einem verbesserten Verfahren zur Erzielung einer hohen räumlichen Auflösung der Brillouin-Photometrie des Reflexionsgrades im Zeitbereich (BOTDR) besteht. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit diesem Erfordernis beim Stand der Technik sowie mit anderen Erfordernissen, was Fachleuten auf diesem Gebiet aus der vorliegenden Beschreibung deutlich werden wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Daher besteht ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung einer Einrichtung zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Einrichtung zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser unter Einsatz des Brillouin-Streueffekts, wobei Signallicht in ein Ende der Lichtleitfaser eingebracht wird, und so eine hohe räumliche Auflösung erzielt wird.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser unter Einsatz des Brillouin-Streueffekts, wobei Signallicht in nur ein Ende der Lichtleitfaser eingebracht wird, und so eine hohe räumliche Auflösung erzielt wird.
Eine erfindungsgemäße Einrichtung umfasst die Merkmale des Anspruchs 1, ein erfindungsgemäßes Verfahren die Merkmale des Anspruchs 5.
Eine Gruppe aus ersten und zweiten optischen Impulsen wird aus kohärentem Licht erzeugt, wobei die ersten und zweiten optischen Impulse zwischen sich einen Zeitabstand aufweisen, der kleiner oder gleich der Lebensdauer einer Schallwelle in der Lichtleitfaser ist. Das kohärente Licht wird mit Brillouin-Rückstreulicht gekoppelt, welches ein erstes und ein zweites Brillouin-Rückstreulicht umfasst, das zu den ersten bzw. zweiten optischen Impulsen gehört, wodurch ein optisches Signal erzeugt wird. Das optische Signal wird in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dann wird eine Summenbildung des elektrischen Signals und eines elektrischen Verzögerungssignals durchgeführt, das gegenüber dem elektrischen Signal um eine Verzögerungszeit entsprechend dem Zeitintervall verzögert ist, wodurch ein Interferenzsignal erzeugt wird. Die Eigenschaften der Lichtleitfaser werden auf Grundlage des Interferenzsignals festgestellt.
Die Polarisationszustands-Änderungseinrichtung kann zumindest entweder einen Polarisationszustand des kohärenten Lichtes oder einen Polarisationszustand des Brillouin-Rückstreulichtes ändern.
Die Einrichtung zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser kann weiterhin eine Entfernungsvorrichtung aufweisen, die unbenötigte Bestandteile aus der Gruppe der ersten und zweiten optischen Impulse entfernt, die an die Lichtleitfaser übertragen werden sollen.
Die Einrichtung zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser kann weiterhin einen Signalgenerator aufweisen, der ein Mischsignal erzeugt, das eine Frequenz aufweist, die im Wesentlichen der Brillouin-Frequenzverschiebung des Brillouin-Rückstreulichtes entspricht.
Die Lebensdauer ist ein Zeitraum von dem Auftreten des Leistungsspitzenwertes der Schallwelle bis zu dem Zeitpunkt sein, an welchem die Leistung der Schallwelle auf nicht mehr als 5% des Leistungsspitzenwertes abgesunken ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Gruppe aus ersten und zweiten optischen Impulsen aus kohärentem Licht erzeugt, wobei die ersten und die zweiten optischen Impulse zwischen sich einen Zeitabstand aufweisen, der kleiner oder gleich der Lebensdauer einer Schallwelle in der Lichtleitfaser ist. Das kohärente Licht wird mit Brillouin-Rückstreulicht gekoppelt, welches erstes und zweites Brillouin-Rückstreulicht umfasst, das zu den ersten bzw. zweiten optischen Impulsen gehört, wodurch ein optisches Signal erzeugt wird. Das optische Signal wird in ein elektrisches Signal umgewandelt. Es wird die Summe des elektrischen Signals und eines verzögerten elektrischen Signals ermittelt, das gegenüber dem elektrischen Signal um eine Verzögerungszeit entsprechend dem Zeitintervall verzögert ist, wodurch ein Interferenzsignal erzeugt wird. Die Eigenschaften der Lichtleitfaser werden auf Grundlage des Interferenzsignals ermittelt. Ein Brillouin-Spektrum, welches das Interferenzsignal enthält, ist steiler als das erste und das zweite Brillouin-Spektrum des ersten bzw. zweiten Brillouin-Rückstreulichts, das zu den ersten bzw. zweiten optischen Impulsen gehört. Die Messung der Eigenschaften der Lichtleitfaser auf Grundlage des Interferenzsignals macht es einfach, die Brillouin-Frequenzverschiebung zu erfassen, wodurch die räumliche Auflösung erhöht wird.
Die vorliegende Erfindung erzielt eine hohe räumliche Auflösung bei der Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser, bei welcher ein optisches Signal in ein Ende der Lichtleitfaser eingebracht wird.
Diese und weitere Ziele, Merkmale, Aspekte, und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten auf diesem Gebiet aus der folgenden, detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen deutlich werden, welche die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den beigefügten Zeichnungen, welche einen Teil dieser Offenbarung bilden, zeigt:
1 ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer Ausbildung einer Einrichtung zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines Beispiels für die Ausbildung einer Signalbearbeitungseinheit, die in der Einrichtung von 1 vorgesehen ist;
3 ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines weiteren Beispiels für die Ausbildung einer Signalbearbeitungseinheit, die in der Einrichtung von 1 vorgesehen ist;
4 ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines weiteren Beispiels für die Ausbildung einer Signalbearbeitungseinheit, die in der Einrichtung von 1 vorgesehen ist;
5 ein Diagramm zur Erläuterung einer Änderung des Signalpegels in Abhängigkeit von der Frequenz zur Erläuterung eines Brillouin-Spektrums eines ersten Optikimpulsbauteils;
6 ein Diagramm zur Erläuterung der Änderung des Signalpegels in Abhängigkeit von der Frequenz zur Erläuterung des Brillouin-Spektrums eines Interferenzsignals;
7 ein Diagramm zur Erläuterung der Änderung eines Signalpegels in Abhängigkeit von der Frequenz und der Zeit zur Erläuterung eines Simulationsergebnisses durch die Einrichtung von 1;
8 ein Diagramm, welches eine Messung der Spannung in Abhängigkeit von der Entfernung erläutert, wobei Spannung absichtlich in die Lichtleitfaser 7 eingebracht wird, zur Messung durch die Einrichtung von 1;
9 ein Diagramm zur Erläuterung der gemessenen Spannung in Abhängigkeit von der Entfernung, wenn absichtlich eine Spannung in die Lichtleitfaser 7 eingebracht wird, zur Messung durch eine herkömmliche Einrichtung, die einen einzigen optischen Impuls einsetzt;
10 ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer Ausbildung einer Einrichtung zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
11 ein Blockdiagramm, das eine Ausbildung einer Einrichtung zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ausgewählte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Fachleuten auf diesem Gebiet wird aufgrund dieser Beschreibung auffallen, dass die nachstehende Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nur zum Zwecke der Erläuterung dient, und nicht zu dem Zweck, die Erfindung einzuschränken, die durch die beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente festgelegt ist.
Erste Ausführungsform:
1 ist ein Blockdiagramm, welches eine Ausbildung einer Einrichtung S1 zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser gemäß dieser ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Die Einrichtung S1 zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser kann eine Lichtquelle 1 aufweisen, einen Abzweigkoppler 2, einen Optikimpulsgenerator 3, einen optischen Verstärker 4, einen Optikrichtungskoppler 5, einen optischen Verbinder 6, eine Lichtleitfaser 7, eine symmetrische Lichtempfangseinheit 8, einen ersten Verstärker 9, einen Signalgenerator 10, einen Mischer 11, ein Tiefpassfilter 12, einen zweiten Verstärker 13, und eine Signalbearbeitungseinheit 14. Bei der Lichtleitfaser 7 wird eine Messung durch die Einrichtung S1 durchgeführt.
Die Lichtquelle 1 ist so ausgebildet, dass sie kohärentes Licht 1a aussendet, das eine schmale Linienbreite und eine Frequenz f₀ aufweist. Die Lichtquelle 1 kann durch einen Halbleiterlaser des Typs mit Mehrfachquantentopf-Verteilungsrückkopplung (MQW-DFB) im 1,55 μm-Band erzielt werden.
Der Abzweigkoppler 2 kann so ausgebildet sein, dass er das kohärente Licht 1a auf erstes und zweites, unterteiltes Licht 2a und 2b aufteilt. Der Abzweigkoppler 2 kann als ein 1 × 2-Abzweigkoppler ausgelegt sein, der einen einzigen Eingangsport und zwei Ausgangsports aufweist. Der einzelne Eingangsport empfängt das kohärente Licht 1a. Der 1 × 2-Abzweigkoppler teilt das kohärente Licht 1a auf erstes und zweites, unterteiltes, kohärentes Licht 2a und 2b auf, und schickt das erste und zweite, unterteilte kohärente Licht 2a und 2b von den beiden Ausgangsports aus.
Der Optikimpulsgenerator 3 kann durch einen Hochgeschwindigkeitsschalter verwirklicht werden. Der Optikimpulsgenerator 3 kann so ausgebildet sein, dass er das erste, unterteilte kohärente Licht 2a von dem Abzweigkoppler 2 empfängt. Der Optikimpulsgenerator 3 kann so ausgebildet sein, dass er eine Gruppe optischer Impulse 3a erzeugt, beispielsweise eine Gruppe aus ersten und zweiten optischen Impulsen 3a1 und 3a2. Jeder der ersten und zweiten optischen Impulse 3a1 und 3a2 weist eine solche Impulsbreite auf, die so schmal ist, dass sie es ermöglicht, dass die Einrichtung S1 eine angeforderte räumliche Auflösung erzielt. Typischerweise liegt die Impulsbreite jedes optischen Impulses 3a in der Größenordnung von einigen wenigen Nanosekunden. Der Optikimpulsgenerator 3 kann so ausgebildet sein, dass er eine Gruppe optischer Impulse 3a aussendet, beispielsweise eine Gruppe aus ersten und zweiten optischen Impulsen 3a1 und 3a2, zu dem optischen Verstärker 4.
Der zweite optische Impuls 3a2 folgt dem ersten optischen Impuls 3a1 in einem Zeitabstand, der kleiner oder gleich der Lebensdauer einer Schallwelle in der Lichtleitfaser 7 ist. Der Zeitabstand zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Impuls 3a1 bzw. 3a2 beträgt vorzugsweise höchstens 5 Nanosekunden. Die Lebensdauer einer Schallwelle bedeutet im Allgemeinen die Lebensdauer einer Schallwelle, die in der Lichtleitfaser 7 erzeugt wird. Die Lebensdauer einer Schallwelle kann ein Zeitraum von der Erzeugung der Schallwelle bis zu deren Verlöschen darstellen. Um die Erzeugung eines Interferenzsignals sicherzustellen, kann die Lebensdauer einer Schallwelle vorzugsweise festgelegt werden als ein Zeitraum von dem Auftauchen des Leistungsspitzenwertes der Schallwelle bis zu dem Zeitpunkt, an welchem die Leistung der Schallwelle auf nicht weniger als 5% der Spitzenleistung abgesunken ist. In einigen Fällen klingt die Energie der Schallwelle auf Grundlage der folgenden Gleichung ab. exp[–t/Ta] (1) wobei Ta den Dämpfungsfaktor einer Schallwelle repräsentiert.
Der Zeitraum ”t” seit dem Auftreten des Leistungsspitzenwertes der Schallwelle bis zu dem Zeitpunkt, an welchem die Leistung der Schallwelle auf nicht mehr als 5% des Leistungsspitzenwertes abgesunken ist, ist durch t > 3 Ta bestimmt.
Der Zyklus der Erzeugung einer Gruppe optischer Impulse 3a kann von der Länge der Lichtleitfaser 7 abhängen, nämlich einem Entfernungsbereich. Wenn der Entfernungsbereich gleich 10 km ist, kann der Erzeugungszyklus etwa 200 Mikrosekunden betragen. Wenn der Entfernungsbereich gleich 1 km ist, kann der Erzeugungszyklus etwa 20 Mikrosekunden betragen.
Der optische Verstärker 4 kann als ein Lichtleitfaserverstärker ausgebildet sein, beispielsweise als eine mit Erbium dotierte Lichtleitfaser. Der optische Verstärker 4 kann so ausgebildet sein, dass er die Gruppe der optischen Impulse 3a von dem Optikimpulsgenerator 3 empfängt. Der optische Verstärker 4 kann so ausgebildet sein, dass er die Gruppe optischer Impulse 3a verstärkt, und eine Gruppe verstärkter optischer Impulse erzeugt. Der optische Verstärker 4 kann so ausgebildet sein, dass er eine Gruppe verstärkter optischer Impulse 3a zum optischen Richtungskoppler 5 aussendet.
Der optische Richtungskoppler 5 kann als optischer Zirkulator ausgebildet sein. Der optische Richtungskoppler 5 kann einen Eingangsport 51 aufweisen, einen Eingangs/Ausgangsport 52, sowie einen Ausgangsport 53. Der Eingangsport 51 empfängt die Gruppe verstärkter optischer Impulse 3a von dem optischen Verstärker 4. Der optische Richtungskoppler 5 gibt die Gruppe verstärkter optischer Impulse 3a aus dem Eingangs/Ausgangsport 52 ab. Der Eingangs/Ausgangsport 52 empfängt darüber hinaus reflektiertes Licht 7a durch den optischen Verbinder 6 von der Lichtleitfaser 7. Der optische Richtungskoppler 5 sendet das reflektierte Licht 7a von dem Ausgangsport 53 aus.
Der optische Verbinder 6 verbindet den Eingangs/Ausgangsport 52 mit einem Ende der Lichtleitfaser 7. Der optische Verbinder 6 ist so ausgebildet, dass er ermöglicht, dass die Gruppe der verstärkten optischen Impulse 3a von dem optischen Richtungskoppler 5 an die Lichtleitfaser 7 übertragen wird. Der optische Verbinder 6 ist so ausgebildet, dass er ermöglicht, dass das reflektierte Licht 7a von der Lichtleitfaser 7 zum optischen Richtungskoppler 5 übertragen wird.
Das von der Lichtleitfaser 7 reflektierte Licht 7a enthält optische Signale, die darüber hinaus spontan Brillouin-Rückstreulicht aufweisen, sowie Rayleigh-Rückstreulicht und Fresnel-Reflexionslicht. Das von der Lichtleitfaser 7 reflektierte Licht 7a weist eine Frequenz f_b auf. Das spontane Brillouin-Rückstreulicht weist eine Frequenzverschiebung f_s gegenüber der Frequenz einer Gruppe optischer Impulse 3a auf, nämlich der Frequenz f₀ des kohärenten Lichtes 1a. Anders ausgedrückt, weist das spontane Brillouin-Streulicht eine Frequenz auf, das um eine Frequenzverschiebung f_s gegenüber der Frequenz f₀ des kohärenten Lichtes 1a verschoben ist. Die Frequenz f_b des reflektierten Lichtes 7a enthält eine Verschiebungsfrequenz, die durch f₀ ± f_s gegeben ist. Das reflektierte Licht 7a von der Lichtleitfaser 7 enthält nicht nur das spontane Brillouin-Rückstreulicht, sondern auch Rayleigh-Rückstreulicht und reflektiertes Fresnel-Licht. Sowohl das Rayleigh-Rückstreulicht als auch das reflektierte Fresnel-Licht weist keine Frequenzverschiebung auf, also f_s = 0. Sowohl das Rayleigh-Streulicht als auch das reflektierte Fresnel-Licht weist eine Frequenz auf, die gleich der Frequenz f₀ des kohärenten Lichtes 1a ist. Die Frequenz f_b des reflektierten Lichts 7a enthält nicht nur eine verschobene Frequenz, die gegeben ist durch f₀ ± f_s, sondern auch die Frequenz f₀.
Wie voranstehend geschildert, weist eine Gruppe der optischen Impulse 3a, die in die Lichtleitfaser 7 eingegeben werden, eine Gruppe aus ersten und zweiten optischen Impulsen 3a1 und 3a2 auf, die eine Zeitabstand aufweisen, der nicht größer ist als die Lebensdauer einer Schallwelle. Das reflektierte Licht 7a von der Lichtleitfaser 7 enthält erstes, reflektiertes Licht des ersten optischen Impulses 3a1 und zweites, reflektiertes Licht des zweiten optischen Impulses 3a2.
Die symmetrische Lichtempfangsschaltung 8 kann so ausgebildet sein, dass sie das zweite, abgeteilte, kohärente Licht 2b von dem Abzweigkoppler 2 und das reflektierte Licht 7a von dem von dem optischen Richtungskoppler 5 empfängt. Die symmetrische Lichtempfangsschaltung 8 kann so ausgebildet sein, dass sie optisch das zweite, abgeteilte, kohärente Licht 2b und das reflektierte Licht 7a koppelt oder vereinigt, wodurch ein vereinigtes optisches Signal erzeugt wird. Die symmetrische Lichtempfangsschaltung 8 kann weiterhin so ausgebildet sein, dass sie das vereinigte optische Signal in ein elektrisches Signal umwandelt. Die symmetrische Lichtempfangsschaltung 8 kann einen Abzweigkoppler 81 und einen Photodetektor 82 aufweisen.
Der Abzweigkoppler 81 ist so ausgebildet, dass er das zweite, abgeteilte, kohärente Licht 2b empfängt, das die Frequenz f₀ aufweist, von dem Abzweigkoppler 2, und das reflektierte Licht 7a, das die Frequenz f_b aufweist, von dem optischen Richtungskoppler 5. Wie voranstehend geschildert, umfasst die Frequenz f_b nicht nur die verschobene Frequenz, die gegeben ist durch f₀ ± f_s, sondern auch die Frequenz f₀. Der Abzweigkoppler 81 ist so ausgebildet, dass er das zweite, abgeteilte, kohärente Licht 2b und das reflektierte Licht 7a koppelt oder vereinigt, wodurch ein optisches Signal 81a erzeugt wird. Das optische Signal 81a weist drei Frequenzkomponenten auf, nämlich f₀ sowie f₀ ± f_s.
Der Photodetektor 82 ist so ausgebildet, dass er das optische Signal 81a von dem Abzweigkoppler 81 empfängt. Der Photodetektor 82 ist so ausgebildet, dass er das optische Signal 81a in ein elektrisches Signal 82a umwandelt.
Die symmetrische Lichtempfangsschaltung 8 kann nämlich so ausgelegt sein, dass sie das elektrische Signal 82a aus dem zweiten, abgeteilten, kohärenten Licht 2b und dem reflektierten Licht 7a erzeugt. Wie voranstehend geschildert, umfasst das reflektierte Licht 7a von der Lichtleitfaser 7 das reflektierte Licht des ersten optischen Impulses 3a1 und das reflektierte Licht des zweiten optischen Impulses 3a2. Das optische Signal 81a, das von dem Abzweigkoppler 81 erzeugt wird, umfasst weiterhin eine erste optische Komponente, die zu dem reflektierten Licht des ersten optischen Impulses 3a1 gehört, und eine zweite optische Komponente, die zu dem reflektierten Licht des zweiten optischen Impulses 3a2 gehört. Das elektrische Signal 82a, das von dem Photodetektor 82 erzeugt wird, enthält eine erste elektrische Komponente, die zu dem reflektierten Licht des ersten optischen Impulses 3a1 gehört, sowie eine zweite elektrische Komponente, die zu dem reflektierten Licht des zweiten optischen Impulses 3a2 gehört. Das Zeitintervall zwischen dem ersten optischen Impuls 3a1 und dem zweiten optischen Impuls 3a2 ist kleiner oder gleich der Lebensdauer einer akustischen Welle in der Lichtleitfaser 7. Das elektrische Signal 82a, das von dem Photodetektor 82 erzeugt wird, weist ein Zeitintervall zwischen der ersten und der zweiten elektrischen Komponente auf, das zu dem reflektierten Licht des ersten bzw. zweiten optischen Impulses 3a1 bzw. 3a2 gehört. Das Zeitintervall des elektrischen Signals 82a ist gleich dem Zeitintervall zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Impuls 3a1 bzw. 3a2.
Der erste Verstärker 9 kann so ausgebildet sein, dass er das elektrische Signal 82a von der symmetrischen Lichtempfangsschaltung 8 empfängt. Der erste Verstärker 9 kann so ausgebildet sein, dass er das elektrische Signal 82a bis zu einem geeigneten Niveau verstärkt, welches den weiteren Betrieb des Mischers 11 ermöglicht.
Das elektrische Signal 82a weist eine Gleichspannungskomponente auf, die durch die Wechselstromkopplung entfernt wird.
Der Signalgenerator 10 kann einen Signalgenerator 101 und eine Steuerschaltung 102 aufweisen. Der Signalgenerator 101 ist so ausgebildet, dass er ein Funkfrequenzsignal 10a in Form eines Sinussignals erzeugt, das mit dem verstärkten elektrischen Signal 82a durch den Mischer 11 gemischt werden soll. Das Funkfrequenzsignal 10a weist eine Frequenz FF auf. Die Steuerschaltung 102 ist an den Signalgenerator 101 angeschlossen. Die Steuerschaltung 102 steuert die Frequenz f_r des Funkfrequenzsignals 10a oder stellt diese ein. Bei dieser Ausführungsform wird die Frequenz f_r des Funkfrequenzsignals 10a in dem Bereich von etwa 8 GHz bis etwa 12 GHz in der Nähe der Frequenzverschiebung f_s des reflektierten Lichts variiert, um das Brillouin-Streulicht zu erfassen. Der Signalgenerator 10 variiert die Frequenz f_r des Funkfrequenzsignals 10a so, dass das Spektrum des verstärkten elektrischen Signals 82a gemessen wird. Der Signalgenerator 10 ist nämlich so ausgebildet, dass er die Frequenz f_r des Funkfrequenzsignals 10a variiert. Der Signalgenerator 10 dient als Frequenzänderungseinrichtung, welche die Frequenz f_r des Funkfrequenzsignals 10a ändert. Anders ausgedrückt, dient der Signalgenerator 10 als eine Frequenzänderungseinrichtung, welche es ermöglicht, ein Brillouin-Spektrum aus dem elektrischen Signal zu erhalten.
Der Mischer 11 kann so ausgebildet sein, dass er das verstärkte elektrische Signal 82a von dem ersten Verstärker 9 und das Funkfrequenzsignal 10a von dem Signalgenerator 10 empfängt. Der Mischer 11 kann so ausgebildet sein, dass er das verstärkte elektrische Signal 82a und das Funkfrequenzsignal 10a mischt, wodurch ein elektrisches Signal 11a erzeugt wird. Das elektrische Signal 11a wird aus dem verstärkten elektrischen Signal 82a durch Verschiebung nach unten der Frequenz des verstärkten elektrischen Signals 82a um die Brillouin-Frequenzverschiebung f_s des reflektierten Lichts erzeugt. Anders ausgedrückt, ist das elektrische Signal 11a ein Basisbandsignal. Die Frequenz f_r des Funkfrequenzsignals 10a wird auf die Nähe der Brillouin-Frequenzverschiebung f_s des reflektierten Lichtes eingestellt. Die Frequenzkomponente, die um die Frequenz f_r des Funkfrequenzsignals 10a unter der Brillouin-Frequenzverschiebung f_s des reflektierten Lichts verschoben wird, gelangt in die Nähe der Gleichspannungskomponente (Basisband). Die Frequenzkomponente gelangt in jenes Frequenzband, welches es dem Tiefpassfilter 12, dem zweiten Verstärker 13 und der Signalbearbeitungseinheit 14 ermöglicht, eine einfache Bearbeitung durchzuführen.
Die symmetrische Lichtempfangsschaltung 8 gibt das elektrische Signal 82a aus, welches die ersten und die zweiten elektrischen Komponenten enthält, die jeweils zum reflektierten Licht des ersten bzw. zweiten optischen Impulses 3a1 und 3a2 gehören, wobei das Zeitintervall zwischen der ersten und der zweiten elektrischen Komponente gleich dem Zeitintervall zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Impuls 3a1 und 3a2 ist. Das elektrische Signal 11a, das von dem Mischer 11 erzeugt wird, enthält daher auch dritte und vierte elektrische Komponenten, die jeweils zu dem reflektierten Licht des ersten bzw. zweiten optischen Impulses 3a1 bzw. 3a2 gehören, wodurch das Zeitintervall zwischen der dritten und vierten elektrischen Komponente gleich dem Zeitintervall zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Impuls 3a1 bzw. 3a2 ist.
Bei dieser Ausführungsform werden der Mischer 11 und der Signalgenerator 10 dazu verwendet, das elektrische Signal 11a zu erhalten. Es ist als Abänderung ebenfalls möglich, dass mit dem kohärentem Licht, das gekoppelt werden soll, eine Frequenzumwandlung durchgeführt wird, um Frequenzgewandeltes, kohärentes Licht zu erzeugen, das eine Frequenz im Wesentlichen gleich der Frequenz des Brillouin-Streulichtes aufweist. Das Frequenz-gewandelte, kohärente Licht wird dann mit dem reflektierten Licht 7a gekoppelt oder vereinigt, wodurch das optische Signal 81a erzeugt wird, und die gleichen Effekte wie voranstehend geschildert erzielt werden. Als weitere Abänderung ist es ebenfalls möglich, dass ein Lichtfrequenzwandler dazu eingesetzt wird, die Frequenz der optischen Impulse 3a um ein Ausmaß zu verschieben, das im Wesentlichen gleich der Frequenz des rückgestreuten Lichtes ist, wodurch die gleichen Auswirkungen wie voranstehend geschildert erzielt werden.
Das Tiefpassfilter 12 kann so ausgebildet sein, dass es das elektrische Signal 11a von dem Mischer 11 empfängt. Das Tiefpassfilter 12 kann so ausgelegt sein, dass es Hochfrequenzkomponenten entfernt, beispielsweise Rauschen, von dem elektrischen Signal 11a, wodurch das Signal-Rauschverhältnis des elektrischen Signals 11a verbessert wird.
Der zweite Verstärker 13 kann so ausgelegt sein, dass er das gefilterte elektrische Signal 11a von dem Tiefpassfilter 12 empfängt. Der zweite Verstärker 13 kann so ausgebildet sein, dass er das gefilterte elektrische Signal 11a auf einen höheren Pegel verstärkt, der es ermöglicht, dass die Signalbearbeitungseinheit 14 das Signal bearbeitet.
Die Signalbearbeitungseinheit 14 kann so ausgebildet sein, dass sie das verstärkte elektrische Signal 11a von dem zweiten Verstärker 13 empfängt. Die Signalbearbeitungseinheit 14 kann so ausgelegt sein, dass sie die Summe des verstärkten elektrischen Signals 11a und eines elektrischen Signals empfängt, das durch Verzögerung des verstärkten elektrischen Signals 11a infolge des Zeitintervalls zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Impuls 3a1 bzw. 3a2 erzeugt wurde, so dass die Signalbearbeitungseinheit 14 ein Interferenzsignal erzeugt. Die Signalbearbeitungseinheit 14 kann so ausgelegt sein, dass sie die Summe der ersten und der zweiten elektrischen Komponente aufnimmt, die zu dem Brillouin-Rückstreulicht der ersten bzw. zweiten optischen Impulse 3a1 bis 3a2 gehören, während jeweilige Zeitachsen der ersten und zweiten elektrischen Komponenten zueinander eingestellt werden. Die erste und die zweite elektrische Komponente sind in dem elektrischen Signal 11a enthalten. Die Summe der ersten und der zweiten elektrischen Komponenten wird daher vorgesehen, während die jeweiligen Zeitachsen der ersten und zweiten elektrischen Komponenten eingestellt werden. Die ersten und zweiten elektrischen Komponenten werden hierbei als erste bzw. zweite Bezugskomponenten für den ersten bzw. zweiten optischen Impuls bezeichnet. Die Signalbearbeitungseinheit 14 kann so ausgelegt sein, dass sie die Summe der ersten und zweiten Bezugskomponenten für die optischen Impulse aufnimmt, wodurch ein Interferenzsignal erzeugt wird, so dass die Eigenschaften der Lichtleitfaser 7 auf Grundlage des Interferenzsignals gemessen werden.
2 ist ein Blockdiagramm, welches ein Beispiel für die Ausbildung der Signalbearbeitungseinheit 14 zeigt. Die Signalbearbeitungseinheit 14 kann einen A/D-Wandler 141 aufweisen, eine Verzögerungseinheit 142, einen Addierer 143, und einen einer quadratischen Funktion folgenden Detektor 144. Der A/D-Wandler 141 kann so ausgebildet sein, dass er das elektrische Signal 11a als Analogsignal von dem zweiten Verstärker 13 empfängt. Das elektrische Signal 11a enthält Komponenten in Bezug auf den ersten und den zweiten optischen Impuls. Der A/D-Wandler 141 kann so ausgebildet sein, dass er das elektrische Signal 11a in ein Digitalsignal 11a1 umwandelt. Der A/D-Wandler 141 kann so ausgebildet sein, dass er das Digitalsignal 11a1 parallel der Verzögerungseinheit 142 und dem Addierer 143 zuführt.
Die Verzögerungseinheit 142 kann so ausgebildet sein, dass sie das Digitalsignal 11a1 von dem A/D-Wandler 141 empfängt. Die Verzögerungseinheit 142 kann so ausgebildet sein, dass sie das Digitalsignal 1a1 um eine Verzögerungszeit verzögert, welche dem Zeitintervall zwischen den ersten und zweiten optischen Impulsen 3a1 und 3a2 entspricht, wodurch ein verzögertes Digitalsignal 11a2 erzeugt wird. Die Verzögerungseinheit 142 kann so ausgebildet sein, dass sie das verzögerte Digitalsignal 11a2 dem Addierer 143 zuführt.
Der Addierer 143 kann so ausgebildet sein, dass er das Digitalsignal 11a1 von dem A/D-Wandler 141 empfängt, sowie das verzögerte Digitalsignal 11a2 von der Verzögerungseinheit 142. Der Addierer 143 kann so ausgebildet werden, dass er das Digitalsignal 11a1 und das verzögerte Digitalsignal 11a2 addiert, wodurch ein Interferenzsignal 11a3 erzeugt wird. Der Addierer 143 kann so ausgebildet sein, dass er das Interferenzsignal 11a3 dem einer quadratischen Funktion folgenden Detektor 144 zuführt.
Der einer quadratischen Funktion folgende Detektor 144 kann so ausgebildet sein, dass er das Brillouin-Rückstreusignal empfängt, welches das Interferenzsignal 11a3 enthält, von dem Addierer 143. Der einer quadratischen Funktion folgende Detektor 144 kann so ausgebildet sein, dass er einen Vorgang zur Erfassung einer quadratischen Funktion bei dem Brillouin-Rückstreusignal durchführt, welches das Interferenzsignal 11a3 enthält.
Es ist als Abänderung möglich, dass die Funktionsweise der Verzögerungseinheit 142 durch Software realisiert wird.
3 ist ein Blockdiagramm, das ein weiteres Beispiel für die Ausbildung der Signalbearbeitungseinheit 14 erläutert. Die Signalbearbeitungseinheit 14 kann einen ersten A/D-Wandler 145 aufweisen, einen zweiten A/D-Wandler 146, eine Verzögerungseinheit 142, einen Addierer 143, und einen Detektor 144 und einen einer quadratischen Funktion folgenden Detektor 144. Das elektrische Signal 11a als Analogsignal von dem zweiten Verstärker 13 wird auf ein erstes und ein zweites elektrisches Signal 11a aufgeteilt. Der erste A/D-Wandler 145 kann so ausgebildet sein, dass er das erste, abgeteilte elektrische Signal 11a als Analogsignal empfängt. Das abgeteilte, elektrische Signal 11a enthält die Bestandteile in Bezug auf den ersten und den zweiten optischen Impuls. Der erste A/D-Wandler 145 kann so ausgebildet sein, dass er das erste abgeteilte elektrische Signal 11a in ein erstes Digitalsignal 11a1 umwandelt. Der erste A/D-Wandler 141 kann so ausgebildet sein, dass er das erste Digitalsignal 11a1 dem Addierer 143 zuführt.
Der zweite A/D-Wandler 146 kann so ausgebildet sein, dass er das zweite, abgeteilte elektrische Signal 11a als Analogsignal empfängt. Das zweite, abgeteilte elektrische Signal 11a enthält ebenfalls die Komponenten in Bezug auf den ersten und den zweiten optischen Impuls. Der zweite A/D-Wandler 146 kann so ausgebildet sein, dass er das zweite, abgeteilte elektrische Signal 11a in ein zweites Digitalsignal 11a1 umwandelt. Der zweite A/D-Wandler 141 kann so ausgebildet sein, dass er das zweite Digitalsignal 11a1 der Verzögerungseinheit 142 zuführt.
Die Verzögerungseinheit 142 kann so ausgebildet sein, dass sie das zweite Digitalsignal 11a1 von dem zweiten A/D-Wandler 146 empfängt. Die Verzögerungseinheit 142 kann so ausgebildet sein, dass sie das Digitalsignal 11a1 um eine Verzögerungszeit verzögert, welche dem Zeitabstand zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Impuls 3a1 bzw. 3a2 entspricht, wodurch ein verzögertes Digitalsignal 11a2 erzeugt wird. Die Verzögerungseinheit 142 kann so ausgebildet sein, dass sie das verzögerte Digitalsignal 11a2 dem Addierer 143 zuführt.
Der Addierer 143 kann so ausgebildet sein, dass er das erste abgeteilte Digitalsignal 11a1 von dem ersten A/D-Wandler 145 und das verzögerte Digitalsignal 11a2 von der Verzögerungseinheit 142 empfängt. Der Addierer 143 kann so ausgebildet sein, dass er das erste abgeteilte Digitalsignal 11a1 und das verzögerte Digitalsignal 11a2 addiert, wodurch ein Interferenzsignal 11a3 erzeugt wird. Der Addierer 143 kann so ausgebildet sein, dass er das Interferenzsignal 11a3 dem Detektor 144 für eine quadratische Funktion zuführt.
Der Detektor 144 für eine quadratische Funktion kann so ausgebildet sein, dass er das Interferenzsignal 11a3 von dem Addierer 143 empfängt. Der Detektor 144, der einer quadratischen Funktion folgt, kann so ausgebildet sein, dass er einen Vorgang der Erfassung einer quadratischen Funktion bei dem Interferenzsignal 11a3 durchführt. Als Abänderung ist möglich, dass die Funktionsweise der Verzögerungseinheit 142 durch Software erreicht wird.
4 ist ein Blockdiagramm, das ein weiteres Beispiel für die Ausbildung der Signalbearbeitungseinheit 14 erläutert. Die Signalbearbeitungseinheit 14 kann eine Verzögerungseinheit 147 aufweisen, einen Addierer 148, einen A/D-Wandler 149, und einen Detektor 144 für eine quadratische Funktion. Das elektrische Signal 11a als Analogsignal von dem zweiten Verstärker 13 wird auf ein erstes und ein zweites, unterteiltes Signal 11a aufgeteilt. Das erste, abgeteilte elektrische Signal 11a wird dem Addierer 148 zugeführt. Das zweite, abgeteilte elektrische Signal 11a wird der Verzögerungseinheit 147 zugeführt.
Die Verzögerungseinheit 147 kann so ausgebildet sein, dass sie das zweite, abgeteilte elektrische Signal 11a als Analogsignal empfängt. Die Verzögerungseinheit 147 kann so ausgebildet sein, dass sie das zweite, abgeteilte elektrische Signal 11a um eine Verzögerungszeit verzögert, welche dem Zeitabstand zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Impuls 3a1 bzw. 3a2 entspricht, wodurch ein verzögertes Analogsignal 11a4 erzeugt wird. Die Verzögerungseinheit 147 kann so ausgebildet sein, dass sie das verzögerte Analogsignal 11a4 dem A/D-Wandler 149 zuführt.
Der Addierer 148 kann so ausgebildet sein, dass er das erste, abgeteilte elektrische Signal 11a und das verzögerte Analogsignal 11a4 von der Verzögerungseinheit 147 empfängt. Der Addierer 148 kann so ausgebildet sein, dass er das erste, abgeteilte elektrische Signal 11a und das verzögerte Analogsignal 11a4 addiert, wodurch ein Interferenzsignal 11a5 als Analogsignal erzeugt wird. Der Addierer 148 kann so ausgebildet sein, dass er das Interferenzsignal 11a5 dem A/D-Wandler 149 zuführt.
Der A/D-Wandler 149 kann so ausgebildet sein, dass er das Interferenzsignal 11a5 als Analogsignal von dem Addierer 148 empfängt. Der A/D-Wandler 149 kann so ausgebildet sein, dass er das Interferenzsignal 11a5 als Analogsignal in ein digitales Interferenzsignal 11a3 umwandelt. Der A/D-Wandler 149 kann so ausgebildet sein, dass er das digitale Interferenzsignal 11a3 dem Detektor 144 für eine quadratische Funktion zuführt.
Der Detektor 144 für eine quadratische Funktion kann so ausgebildet sein, dass er das Interferenzsignal 11a3 von dem A/D-Wandler 149 empfängt. Der Detektor 144 für eine quadratische Funktion kann so ausgebildet sein, dass er einen Vorgang der Erfassung einer quadratischen Funktion bei dem Interferenzsignal 11a3 durchführt.
Als Abänderung ist es möglich, dass die Funktionsweise der Verzögerungseinheit 147 durch Software erzielt wird. Bei diesem Beispiel wird der Vorgang der Erfassung einer quadratischen Funktion des Interferenzsignals 11a3 mittels Software durchgeführt, wobei das Interferenzsignal 11a3 ein Digitalsignal sein muss. Daher ist der A/D-Wandler erforderlich. Wenn der Vorgang der Erfassung einer quadratischen Funktion eines analogen Interferenzsignals durch Hardware durchgeführt wird, ist kein A/D-Wandler erforderlich.
Die Frequenz f_r des Funkfrequenzsignals 10a wird in der Nähe der Brillouin-Frequenzverschiebung f_s des reflektierten Lichts geändert, um das durch Brillouin-Streuung erzeugte Licht zu erfassen. Die voranstehend geschilderten Prozesse werden wiederholt, bis das Brillouin-Spektrum erhalten wird.
Nachdem das Brillouin-Spektrum erhalten wurde, erhält die Signalbearbeitungseinheit 14 die Verteilungen der Spannung und der Temperatur entlang der Lichtleitfaser.
Das Brillouin-Streulicht weist folgende Eigenschaften auf. Eine Interferenz tritt zwischen dem Brillouin-Streulicht auf, das durch Reflexion optischer Impulse von derselben Schallwelle in der Lichtleitfaser 7 erzeugt wurde. Es tritt keine Interferenz zwischen Brillouin-Streulicht auf, das durch Reflexion optischer Impulse von unterschiedlichen Schallwellen in der Lichtleitfaser 7 erzeugt wurde. Eine Schallwelle weist eine bestimmte Ausbreitungsgeschwindigkeit auf, die extrem kleiner ist als die Geschwindigkeit eines optischen Impulses. Es lässt sich annähernd überlegen, dass Brillouin-Streulicht, das durch Reflexion optischer Impulse von derselben Schallwelle in der Lichtleitfaser 7 erzeugt wird, an demselben Ort erzeugt wird. Es tritt eine Interferenz zwischen Brillouin-Streulicht, das an derselben Position erzeugt wurde, in der Lichtleitfaser 7 auf. Es tritt keine Interferenz zwischen Brillouin-Streulicht auf, das an unterschiedlichen Positionen in der Lichtleitfaser 7 hervorgerufen wurde.
Wie voranstehend geschildert, ist der Zeitabstand zwischen den ersten und den zweiten optischen Impulsen 3a1 und 3a2 kleiner oder gleich der Lebensdauer der Schallwelle in der Lichtleitfaser 7. Der erste optische Impuls 3a1 wird durch eine Schallwelle in der Lichtleitfaser 7 reflektiert, wodurch Brillouin-Rückstreulicht erzeugt wird, wogegen der zweite optische Impuls 3a2 durch dieselbe Schallwelle reflektiert wird. Dies führt dazu, dass das reflektierte Licht 7a Brillouin-Rückstreulicht enthält, das miteinander interferieren kann. Die Signalbearbeitungseinheit 14 erfasst die Summe des Brillouin-Rückstreulichts, wobei jeweilige Zeitachsen von diesem eingestellt werden, wodurch ein Interferenzsignal erzeugt wird.
Der längste Zeitabstand zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Impuls 3al bzw. 3a2, der interferierbares Brillouin-Rückstreulicht erzeugen kann, ist im Wesentlichen gleich der Lebensdauer einer Schallwelle in der Lichtleitfaser 7. In diesem Fall ist es möglich, dass der erste optische Impuls 3a1 durch eine Schallwelle reflektiert wird, die gerade verschwinden wird, bevor die Schallwelle vor der Ankunft des zweiten optischen Impulses 3a2 verschwunden ist. In diesem Fall ist kein Brillouin-Rückstreulicht vorhanden, das mit dem Brillouin-Rückstreulicht interferieren kann, das von dem ersten optischen Impuls 3a1 erzeugt wurde. Daher erzeugt die Signalbearbeitungseinheit 14 kein Interferenzsignal. Soweit der Zeitabstand zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Impuls 3a1 bzw. 3a2 kleiner oder gleich der Lebensdauer einer Schallwelle ist, ist es unmöglich, dass Brillouin-Rückstreulicht auftritt, das kein Gegenstück aufweist, mit welchem es interferieren kann. Daher ermöglicht der Zeitabstand, der kleiner oder gleich der Lebensdauer einer Schallwelle ist, dass die Signalbearbeitungseinheit 14 ein Interferenzsignal erzeugt, und die Eigenschaften der Lichtleitfaser 7 auf Grundlage des Interferenzsignals misst. Die Messung der Eigenschaften kann nämlich über die gesamte Länge der Lichtleitfaser 7 durchgeführt werden.
Es wird der Betriebsablauf der Einrichtung S1 zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser beschrieben, unter der Annahme, dass der erste und der zweite optische Impuls 3a1 bzw. 3a2 dieselbe Schallwelle in der Lichtleitfaser 7 erreichen, bei welcher die Messung durchgeführt werden soll
Kohärentes Licht 1a, das eine schmale Linienbreite aufweist, und eine Frequenz f₀, wird von der Lichtquelle 1 ausgesandt. Das kohärente Licht 1a wird in den Abzweigkoppler 2 eingegeben. Das kohärente Licht 1a wird durch den Abzweigkoppler 2 auf erstes und zweites, unterteiltes, kohärentes Licht 2a bzw. 2b aufgeteilt oder unterteilt. Das erste, abgeteilte, kohärente Licht 2a wird an den Optikimpulsgenerator 3 übertragen. Das zweite, abgeteilte, kohärente Licht 2b wird an die symmetrische Lichtempfangseinheit 8 übertragen.
Das erste, abgeteilte, kohärente Licht 2a wird in den Optikimpulsgenerator 3 eingegeben. Eine Gruppe optischer Impulse 3a, beispielsweise eine Gruppe aus ersten und zweiten Optikimpulsen 3a1 und 3a2, wird von dem Optikimpulsgenerator 3 erzeugt. Der Zeitabstand zwischen den ersten und zweiten Optikimpulsen 3a1 und 3a2 ist kleiner oder gleich der Lebensdauer einer Schallwelle in der Lichtleitfaser 7. Die Lebensdauer einer Schallwelle kann ein Zeitraum von der Erzeugung einer Schallwelle bis zu deren Abklingen sein. Um die Erzeugung eines Interferenzsignals sicherzustellen, kann die Lebensdauer einer Schallwelle vorzugsweise ein Zeitraum von dem Auftreten des Leistungspeaks der Schallwelle bis zu dem Zeitpunkt sein, an welchem die Leistung der Schallwelle auf nicht mehr als 5% der Spitzenwertleistung abgesunken ist.
Die Gruppe der Optikimpulse 3a wird dann an den optischen Verstärker 4 übertragen. Die Gruppe der Optikimpulse 3a wird durch den optischen Verstärker 4 verstärkt, wodurch eine Gruppe verstärkter Optikimpulse erzeugt wird. Die Gruppe verstärkter Optikimpulse wird an den optischen Richtungskoppler 5 übertragen. Beispielsweise trifft die Gruppe verstärkter Optikimpulse 3a auf den Eingangsport 51 des optischen Richtungskopplers 5 auf. Die Gruppe der verstärkten Optikimpulse 3a wird dann von dem Eingangs/Ausgangsport 52 des optischen Richtungskopplers 5 abgegeben. Die Gruppe der verstärkten Optikimpulse 3a wird dann durch den optischen Verbinder 6 an die Lichtleitfaser 7 übertragen. Die Gruppe verstärkter Optikimpulse 3a wird in das eine Ende der Lichtleitfaser 7 eingegeben.
Die Gruppe der Optikimpulse 3a breitet sich durch die Lichtleitfaser 7 aus. Die Gruppe der Optikimpulse 3a ist die Gruppe aus den ersten und zweiten Optikimpulsen 3a1 und 3a2. Wie voranstehend geschildert, ist der Zeitabstand zwischen den ersten und zweiten Optikimpulsen 3a1 und 3a2 so kurz, dass die ersten und zweiten Optikimpulse 3a1 und 3a2 dieselbe Schallwelle in der Lichtleitfaser 7 erreichen, wodurch Brillouin-Streulicht erzeugt wird. Daher weist das reflektierte Licht 7a von der Lichtleitfaser 7 erste und zweite Brillouin-Rückstreulichtkomponenten der ersten und zweiten Optikimpulse 3a1 und 3a2 auf. Die ersten und zweiten Brillouin-Rückstreulichtkomponenten überlappen sich teilweise gegenseitig, und weisen eine zeitliche Verzögerung auf, welche dem Zeitabstand zwischen den ersten und zweiten Optikimpulsen 3a1 und 3a2 entspricht.
Wie voranstehend geschildert, weist das reflektierte Licht 7a von der Lichtleitfaser 7 eine Komponente der Brillouin-Frequenzverschiebung f_s die durch den Brillouin-Streueffekt hervorgerufen wurde. Das reflektierte Licht 7a weist daher eine Frequenz f_b auf, die gegeben ist durch f₀ ± f_s. Des reflektiert Licht 7a von der Lichtleitfaser 7 weist weiterhin Rayleigh-Rückstreulicht und Fresnel-Reflexionslicht auf. Sowohl das Rayleigh-Rückstreulicht als auch das Fresnel-Reflexionslicht weist eine Frequenz auf, die gleich der Frequenz f₀ des kohärenten Lichtes 1a ist. Die Frequenz f_b des reflektierten Lichts 7a enthält nur nicht nur die verschobene Frequenz, die durch f₀ ± f_s gegeben ist, sondern auch die Frequenz f₀.
Das reflektierte Licht 7a wird über den Verbinder 6 an den optischen Richtungskoppler 5 übertragen. Das reflektierte Licht 7a fällt auf den Eingangs/Ausgangsport 52 des optischen Richtungskopplers 5 ein. Das reflektierte Licht 7a wird von dem Ausgangsport 53 des optischen Richtungskopplers 5 ausgesandt. Das reflektierte Licht 7a wird dann an die symmetrische Lichtempfangsschaltung 8 übertragen. Das reflektierte Licht 7a fällt auf den Abzweigkoppler 81 auf, der in der symmetrischen Lichtempfangsschaltung 8 vorhanden ist. Das zweite, abgeteilte, kohärente Licht 2b wird ebenfalls von dem Abzweigkoppler 2b an die symmetrische Lichtempfangsschaltung 8 übertragen. Das zweite, abgeteilte, kohärente Licht 2b trifft auf den Abzweigkoppler 81 auf, der in der symmetrischen Lichtempfangsschaltung 8 vorhanden ist. Das reflektierte Licht 7a wird mit dem zweiten, abgeteilten, kohärenten Licht 2b durch den Abzweigkoppler 81 gekoppelt, wodurch ein optisches Signal 81a erzeugt wird. Das optische Signal 81a wird dann an den Photodetektor 82 übertragen, der in der symmetrischen Lichtempfangsschaltung 8 enthalten ist. Das optische Signal 81a wird durch den Photodetektor 82 in ein elektrisches Signal 82a umgewandelt.
Wie voranstehend geschildert, enthält die Frequenz f_b nicht nur die Brillouin-Verschiebungsfrequenz, die gegeben ist durch f₀ ± f_s, sondern auch die Frequenz f₀. Das Optiksignal 81a weist drei Frequenzkomponenten auf, nämlich f₀, und f₀ ± f_s. Das Optiksignal 81a, das durch den Abzweigkoppler 81 erzeugt wird, weist weiterhin eine erste optische Komponente auf, die zu dem reflektierten Licht des ersten Optikimpulses 3a1 gehört, und eine zweite optische Komponente, die zu dem reflektierten Licht des zweiten Optikimpulses 3a2 gehört. Daher enthält das elektrische Signal 82a, das von dem Photodetektor 82 erzeugt wird, eine erste elektrische Komponente, die zu dem reflektierten Licht des ersten Optikimpulses 3a1 gehört, und eine zweite elektrische Komponente, die zu dem reflektierten Licht des zweiten Optikimpulses 3a2 gehört. Der Zeitabstand zwischen dem ersten optischen Impuls 3a1 und dem zweiten optischen Impuls 3a2 ist kleiner gleich der Lebensdauer einer Schallwelle, die sich in der Lichtleitfaser 7 ausbreitet. Das elektrische Signal 82a, das von dem Photodetektor 82 erzeugt wird, weist einen Zeitabstand zwischen der ersten und der zweiten elektrischen Komponente auf, der zu dem reflektierten Licht des ersten bzw. zweiten optischen Impulses 3a1 und 3a2 gehört. Der Zeitabstand des elektrischen Signals 82a ist gleich dem Zeitabstand zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Impuls 3a1 bzw. 3a2.
Das elektrische Signal 82a, das von dem Photodetektor 82 erzeugt wird, wird dann an den ersten Verstärker 9 übertragen. Das elektrische Signal 82a wird durch den ersten Verstärker 9 verstärkt, wobei die Gleichstromkomponente f₀ von der Frequenz f_b abgetrennt wird, wodurch das verstärkte, elektrische Signal 82a erzeugt wird. Das verstärkte, elektrische Signal 82a wird an den Mischer 11 übertragen.
Bei dem Signalgenerator 10 steuert die Steuerschaltung 102 den Signalgenerator 101 so, dass ein Funkfrequenzsignal 10a erzeugt wird, das eine Frequenz f_r aufweist, die sich im Bereich von etwa 8 GHz bis etwa 12 GHz in der Nähe der Brillouin-Frequenzverschiebung f_s des reflektierten Lichtes ändert, um das Brillouin-Streulicht zu erfassen. Das Funkfrequenzsignal 10a wird dann dem Mischer 11 zugeführt. Das verstärkte, elektrische Signal 82a wird mit dem Funkfrequenzsignal 10a durch den Mischer 11 gemischt, wodurch ein elektrisches Signal 11a erzeugt wird. Das elektrische Signal 11a wird aus dem verstärkten elektrischen Signal 82a erzeugt, durch Verschiebung nach unten der Frequenz des verstärkten elektrischen Signals 82a um die Frequenz f_r. Es kann ein elektrisches Signal 11a erhalten werden, welches die Frequenzkomponente aufweist, die bis zum Basisband des Brillouin-Streulichts herunter verringert ist. Das elektrische Signal 11a, das von dem Mischer 11 erzeugt wird, wird dann an das Tiefpassfilter 12 übertragen. Hochfrequenzkomponenten, beispielsweise Rauschen, werden aus dem elektrischen Signal 11a durch das Tiefpassfilter 12 entfernt, wodurch das Signal-Rauschverhältnis des elektrischen Signals 11a verbessert wird.
Bei den drei Frequenzkomponenten, die in dem verstärkten elektrischen Signal 82a enthalten sind, wird nur die Signalkomponente der Frequenz (f_s – f_r) erfasst, wodurch dem Signalprozessor 14 ermöglicht wird, ein elektrisches Signal zu verarbeiten, das in Beziehung zu dem Brillouin-Rückstreulicht steht.
Das gefilterte elektrische Signal 11a wird dann an den zweiten Verstärker 13 übertragen. Das gefilterte elektrische Signal 11a wird durch den zweiten Verstärker 13 verstärkt.
Das verstärkte, elektrische Signal 11a als Analogsignal wird dann an die Signalbearbeitungseinheit 14 übertragen. Das verstärkte, elektrische Signal 11a enthält erste und zweite Komponenten, wobei die erste Komponente zu dem ersten Brillouin-Rückstreulicht des ersten Optikimpulses 3a1 gehört, wogegen die zweite Komponente zu dem zweiten Brillouin-Rückstreulicht des zweiten Optikimpulses 3a2 gehört. Es ist eine Differenz in Bezug auf die Phase zwischen dem ersten und dem zweiten Brillouin-Rückstreulicht vorhanden, die jeweils zu den ersten bzw. zweiten Komponenten in Bezug auf die Optikimpulse gehört, wobei die Phasendifferenz dem Zeitabstand zwischen den ersten und zweiten Optikimpulsen 3a1 und 3a2 entspricht.
5 ist ein Diagramm, das eine Änderung des Signalpegels in Abhängigkeit von der Frequenz erläutert, um das Brillouin-Spektrum der ersten Komponente in Bezug auf einen Optikimpuls zu erläutern.
Das erste Brillouin-Spektrum, das zu der ersten in Bezug auf einen Optikimpuls stehenden Komponente gehört, ist so breit, wie dies in 5 dargestellt ist, und wird so erhalten, wenn ein einzelner Optikimpuls in die Lichtleitfaser 7 eingegeben wird. Das zweite Brillouin-Spektrum, das zu der zweiten, einen Optikimpuls betreffenden Komponente gehört, ist so breit wie das erste Brillouin-Spektrum.
Die Einrichtung S1 nimm die Summe des elektrischen Signals 11a und des verzögerten elektrischen Signals auf, das dadurch erzeugt wurde, dass das elektrische Signal 11a um eine Verzögerungszeit verzögert wurde, welche dem Zeitabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Optikimpuls 3a1 und 3a2 entspricht. Die Einrichtung S1 empfängt die Summe der ersten und zweiten Komponenten in Bezug auf die Optikimpulse, während die Zeitachsen eingestellt werden, wodurch das Interferenzsignal 11a3 erzeugt wird. Die Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Brillouin-Rückstreulicht der ersten und zweiten Komponenten in Bezug auf Optikimpulse entspricht dem Zeitabstand zwischen den ersten und zweiten Optikimpulsen 3a1 und 3a2. 6 zeigt schematisch eine Änderung des Signalpegels in Abhängigkeit von der Frequenz zur Erläuterung des Brillouin-Spektrums des Interferenzsignals 11a3. Das Brillouin-Spektrum des Interferenzsignals 11a3 ist verkleinert und steiler ausgebildet, wie in 6 dargestellt ist. Die Signalverarbeitungseinheit 14 misst die Eigenschaften der Lichtleitfaser 7 unter Verwendung des Interferenzsignals 11a3, welches das verschmälerte und steilere Brillouin-Spektrum aufweist, wie dies in 6 gezeigt ist. Der Einsatz des Interferenzsignals 11a3 mit dem verschmälerten und steileren Brillouin-Spektrum ermöglicht eine hoch exakte Messung der Brillouin-Frequenzverschiebung, wodurch die räumliche Auflösung verbessert wird.
Die Einrichtung S1 zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser ist so ausgebildet, wie dies voranstehend beschrieben wurde. Eine Gruppe erster und zweiter Optikimpulse 3a1 und 3a2 wird aus dem kohärenten Licht 1a erzeugt, wobei der Zeitabstand zwischen den ersten und den zweiten Optikimpulsen 3a1 und 3a2 kleiner oder gleich ist als die Lebensdauer der Schallwelle in der Lichtleitfaser 7. Ein Optiksignal, welches das erste und zweite Brillouin-Rückstreulicht der ersten und zweiten Optikimpulse 3a1 und 3a2 enthält, wird optisch mit dem kohärenten Licht kombiniert, wodurch das Optiksignal 81a erzeugt wird. Das optische Signal 81a wird dann in ein elektrisches Signal 82a umgewandelt. Dann erfolgt eine Summierung erster und zweiter elektrischer Komponenten, die zu dem reflektierten Licht der ersten bzw. zweiten Optikimpulse 3a1 bzw. 3a2 gehören, während die jeweiligen Zeitachsen der ersten und zweiten elektrischen Komponenten zueinander eingestellt werden, wodurch ein Interferenzsignal 11a3 erzeugt wird. Das Interferenzsignal 11a3 repräsentiert ein Brillouin-Spektrum, das enger und schmäler ist als das Brillouin-Spektrum auf Grundlage der Komponente in Bezug auf den ersten Optikimpuls und das Brillouin-Spektrum auf Grundlage der Komponente in Bezug auf den zweiten Optikimpuls. Eine Bewertung der Eigenschaften der Lichtleitfaser 7 auf Grundlage des Interferenzsignals 11a3 macht es einfach, die Brillouin-Frequenzverschiebung zu erfassen, wodurch wirksam die räumliche Auflösung verbessert wird.
Die Einrichtung S1 zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser stellt ein Optiksignal zur Verfügung, das in ein Ende der Lichtleitfaser eingegeben wird, um den Brillouin-Streueffekt zur Messung der Eigenschaften der Lichtleitfaser einzusetzen, wodurch die räumliche Auflösung verbessert wird.
7 ist ein Diagramm, das eine Änderung des Signalpegels in Abhängigkeit von der Frequenz und Zeit erläutert, um ein Simulationsergebnis infolge der Einrichtung S1 von 1 zu erläutern. 7 erläutert das Simulationsergebnis des gemessenen Signals des Brillouin-Rückstreulichtes, das in Rückwärtsrichtung von einem Punkt der Lichtleitfaser 7 in dem Zustand übertragen wurde, in welchem der Zeitabstand zwischen den ersten und den zweiten Optikimpulsen 3a1 und 3a2 gleich 5 Nanosekunden ist, und die Impulsbreite der ersten und zweiten Optikimpulse 3a1 und 3a2 gleich 2 Nanosekunden ist. Die Impulsbreite ist kleiner als die Hälfte des Zeitintervalls zwischen dem ersten und dem zweiten Optikimpuls 3a1 und 3a2. Ein Signal, das bei –5 Nanosekunden auftritt, repräsentiert das Brillouin-Spektrum, das zu der ersten einen Optikimpuls betreffenden Komponente gehört. Ein anderes Signal, das bei 5 Nanosekunden auftritt, repräsentiert das Brillouin-Spektrum, das zu der Komponente in Bezug auf einen zweiten Optikimpuls gehört. Ein anderes Signal, das bei 0 Nanosekunden auftritt, repräsentiert das Brillouin-Spektrum, das zu dem Interferenzsignal 11a3 gehört, das dadurch erzeugt wurde, dass die Summe der ersten Komponenten in Bezug auf den ersten und den zweiten Optikimpuls erzeugt wird, wobei deren Zeitachsen eingestellt werden.
Dieses Simulationsergebnis demonstriert, dass durch Summierung der Komponenten in Bezug auf den ersten und den zweiten Optikimpuls, die breite Brillouin-Spektren aufweisen, während deren Zeitachsen eingestellt werden, das Interferenzsignal 11a3 erzeugt wird, welches das verschmälerte und steilere Brillouin-Spektrum aufweist.
8 ist ein Diagramm, das die gemessene Spannung in Abhängigkeit von der Entfernung darstellt, wobei die Spannung absichtlich in die Lichtleitfaser 7 eingeführt wird, zur Messung durch die Einrichtung 31 von 1. 9 ist ein Diagramm, das die gemessene Abhängigkeit der Spannung von der Entfernung darstellt, wobei eine mechanische Spannung absichtlich in die Lichtleitfaser 7 eingeführt wird, zur Messung durch eine herkömmliche Einrichtung, die einen einzigen Optikimpuls einsetzt.
Das Ergebnis der Messung der Spannung, das in 8 dargestellt ist, durch die Einrichtung S1 von 1, liegt näher an der Verteilung der Spannung, die in die Lichtleitfaser 7 eingeführt wurde, im Vergleich zum Ergebnis der Messung der Spannung, die in 9 gezeigt ist, bei der herkömmlichen Einrichtung. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Einrichtung S1 von 1 die räumliche Auflösung effizient verbessert.
Das Messergebnis von 8 wurde dadurch erhalten, dass Rohdaten durch den Signalprozessor 14 bearbeitet wurden. Es ist ebenfalls möglich, einen Filterprozess bei den Rohdaten durchzuführen, wodurch eine exaktere Spannungsverteilungsmessung erzielt wird. Typische Beispiele für verfügbare Filterprozesse können umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, ein Rauschverringerungsfilter bei dem Brillouin-Spektrum, eine Kurvenanpassung als Approximation, und einen Filtervorgang, der so eingestellt ist, dass er eine zyklische Änderung des Brillouin-Spektrums durchführt.
Zweite Ausführungsform:
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die zweite Ausführungsform stellt eine Einrichtung S2 zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser zur Verfügung. Die Einrichtung S2 unterscheidet sich von der voranstehend geschilderten Einrichtung S1. Die nachstehende Beschreibung konzentriert sich auf den Unterschied der Einrichtung S2 gegenüber der Einrichtung S1, damit eine wiederholte Beschreibung vermieden wird.
10 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Einrichtung zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Die Einrichtung S2 zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser kann eine Lichtquelle 1 aufweisen, einen Abzweigkoppler 2, einen Optikimpulsgenerator 3, einen optischen Verstärker 4, einen optischen Richtungskoppler 5, einen optischen Verbinder 6, eine Lichtleitfaser 7, eine symmetrische Lichtempfangseinheit 8, einen ersten Verstärker 9, einen Signalgenerator 10, einen Mischer 11, ein Tiefpassfilter 12, einen zweiten Verstärker 13, eine Signalverarbeitungseinheit 14, und eine Polarisationssteuerung 20.
Die Polarisationssteuerung 20 ist zwischen dem Abzweigkoppler 2 und der symmetrischen Lichtempfangsschaltung 8 angeordnet. Die Polarisationssteuerung 20 ist so ausgebildet, dass sie den Polarisationszustand von kohärentem Licht 2b mit hoher Geschwindigkeit ändert, wodurch eine statistische Änderung hervorgerufen wird.
Bei der voranstehend geschilderten, ersten Ausführungsform wurde angenommen, dass eine konstante Polarisationsbeziehung zwischen dem reflektierten Licht 7a und dem kohärenten Licht 2b vorhanden ist, welches in den Abzweigkoppler 81 in der symmetrischen Lichtempfangsschaltung 8 einfällt. Es ist bekannt, dass eine konstante Polarisationsbeziehung zwischen dem reflektierten Licht 7a und dem kohärenten Licht 2b nur dann vorhanden ist, wenn die Lichtleitfaser 7 eine die Polarisation aufrechterhaltende Lichtleitfaser oder eine Multimoden-Lichtleitfaser ist, die einen statistischen Polarisationszustand aufweist. Wenn die Lichtleitfaser 7 eine allgemeine Lichtleitfaser ist, ist die Beziehung der Polarisation zwischen dem reflektierten Licht 7a und dem kohärenten Licht 2b nicht konstant.
Die Messempfindlichkeit der symmetrischen Lichtempfangsschaltung 8 hängt vom Polarisationszustand ab, so dass der Maximalwert erreicht wird, wenn die Polarisationsachse des kohärenten Lichts 2b gleich der Polarisationsachse des reflektierten Lichts 7a ist, wogegen die Messempfindlichkeit gleich Null ist, wenn die Polarisationsachse des kohärenten Lichts 2b senkrecht zur Polarisationsachse des reflektierten Lichts 7a verläuft.
Bei der Einrichtung 32 zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser ist die Polarisationssteuerung 20 so ausgebildet, dass sie eine Änderung des Polarisationszustands des kohärenten Lichts 2b mit hoher Geschwindigkeit hervorruft, wodurch eine statistische Änderung bewirkt wird, um so die Messempfindlichkeit der symmetrischen Lichtempfangsschaltung 8 zu mitteln. Dies führt dazu, dass die Polarisationsabhängigkeit der symmetrischen Lichtempfangsschaltung 8 ausgeglichen werden kann.
Es ist ebenfalls möglich, dass die Polarisationssteuerung 20 so ausgebildet ist, dass sie um 90 Grad pro vorbestimmter Zeiteinheit den Polarisationszustand des kohärenten Lichts 2b ändert, um so die mittlere Summe der Quadrate von zwei Messergebnissen zu unterschiedlichen Zeiten zu berechnen, und hierdurch die Polarisationsabhängigkeit der symmetrischen Lichtempfangsschaltung 8 auszugleichen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Polarisationssteuerung 20 zwischen dem Abzweigkoppler 2 und der symmetrischen Lichtempfangsschaltung 8 angeordnet. Als Abänderung ist es möglich, dass die Polarisationssteuerung 20 zwischen dem Abzweigkoppler 2 und dem optischen Richtungskoppler 5 angeordnet ist, so dass die Polarisationssteuerung 20 die Polarisation einer Gruppe von Impulsen 3a ändert, wodurch die Polarisationsabhängigkeit der symmetrischen Lichtempfangsschaltung 8 ausgeglichen wird. Als weitere Abänderung ist es ebenfalls möglich, dass die Polarisationssteuerung 20 zwischen dem optischen Richtungskoppler 5 und der Lichtleitfaser 7 angeordnet ist, so dass die Polarisationssteuerung 20 die Polarisation des reflektierten Lichts 7a ändert, wodurch die Polarisationsabhängigkeit der symmetrischen Lichtempfangsschaltung 8 ausgeglichen wird.
Dritte Ausführungsform:
Es wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die dritte Ausführungsform stellt eine Einrichtung S3 zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser zur Verfügung. Die Einrichtung S3 unterscheidet sich von der voranstehend beschriebenen Einrichtung S1. Die folgende Beschreibung konzentriert sich auf die Unterschiede der Einrichtung S3 gegenüber der Einrichtug S1, um deren erneute Beschreibung zu vermeiden. Die Einrichtung S3 zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser kann eine Lichtquelle 1 aufweisen, einen Abzweigkoppler 2, einen Optikimpulsgenerator 3, einen optischen Verstärker 4, einen optischen Richtungskoppler 5, einen optischen Verbinder 6, eine Lichtleitfaser 7, eine symmetrische Lichtempfangsschaltung 8, einen ersten Verstärker 9, einen Signalgenerator 10, einen Mischer 11, ein Tiefpassfilter 12, einen zweiten Verstärker 13, eine Signalverarbeitungseinheit 14, und einen ASE-Lichtentfernungs-Optikschalter 30.
Der ASE-Lichtentfernungs-Optikschalter 30 ist zwischen dem optischen Verstärker 4 und dem optischen Richtungskoppler 5 angeordnet. Der ASE-Lichtentfernungs-Optikschalter 30 ist so ausgebildet, dass er ASE-Licht als Rauschkomponente aus der Gruppe optischer Impulse 3a entfernt, die von dem optischen Verstärker 4 erzeugt wurde.
Bei der voranstehend geschilderten, ersten Ausführungsform werden die von dem optischen Verstärker 4 erzeugten Rauschkomponenten nicht entfernt, und diese Rauschkomponenten können das reflektierte Licht 7a beeinträchtigen. Es ist daher erwünscht, die Rauschkomponenten aus der Gruppe optischer Impulse 3a zu entfernen, die von dem optischen Verstärker 4 erzeugt wurden. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der ASE-Lichtentfernungs-Optikschalter 30 zwischen dem optischen Verstärker 4 und dem optischen Richtungskoppler 5 angeordnet, um ASE-Licht als Rauschkomponente aus der Gruppe optischer Impulse 3a zu entfernen, die durch den optischen Verstärker 4 erzeugt wurde. Der ASE-Lichtentfernungs-Optikschalter 30 verhindert eine Verschlechterung des Signal-Rauschverhältnisses (S/N) des reflektierten Lichts 7a. Der ASE-Lichtentfernungs-Optikschalter 30 dient nämlich als Entfernungseinrichtung, welche unnötige Komponenten aus der Gruppe erster und zweiter optischer Impulse entfernt, die an die Lichtleitfaser 7 übertragen werden sollen. Die unnötige Komponente ist ASE-Licht.
Unter demselben Gesichtspunkt, die Rauschkomponente zu entfernen, die mit der Gruppe optischer Impulse 3 übertragen wird, ist es ebenfalls möglich, eine Entfernungsvorrichtung in der Stufe folgend auf den Optikimpulsgenerator 3 anzuordnen, wobei die Entfernungsvorrichtung Kriechlicht in Ausschaltzeiten des optischen Impulsgenerators 3 entfernt.
Der Begriff ”ausgebildet” wird dazu verwendet, ein Bauteil, einen Abschnitt oder ein Teil einer Vorrichtung zu beschreiben, einschließlich Hardware und/oder Software, die so konstruiert und/oder programmiert sind, die gewünschte Funktion auszuführen.

Claims

Einrichtung zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser (7), wobei die Einrichtung aufweist: einen optischen Impulsgenerator (1) zum Erzeugen einer Gruppe optischer Impulse (3a) jeweils umfassend erste und zweite optische Impulse (3a1, 3a2) aus kohärentem Licht (2a), wobei zwischen den ersten und zweiten optischen Impulsen ein Zeitintervall von mindestens 10 ns vorhanden ist, so dass das Zeitintervall kleiner oder gleich einer Lebensdauer einer Schallwelle in der Lichtleitfaser ist, wobei die Lebensdauer ein Zeitraum vom Auftauchen des Leistungsspitzenwertes der Schallwelle bis zu dem Zeitpunkt ist, an welchem die Leistung der Schallwelle auf nicht mehr als 5% des Leistungsspitzenwerts abgesunken ist, und wobei der optische Impulsgenerator ferner zum Aussenden der Gruppe optischer Impulse zur Lichtleitfaser eingerichtet ist; einen Detektor (8) zum Koppeln des kohärenten Lichts (2b) mit Brillouin-Rückstreulicht (7a), welches das erste Brillouin-Rückstreulicht enthält, das zu dem ersten optischen Impuls (3a1) gehört und das zweite Brillouin-Rückstreulicht enthält, das zu dem zweiten optischen Impuls (3a2) gehört, um ein optisches Signal (81a) zu erzeugen, wobei der Detektor (8) ferner zum Umwandeln des optischen Signals (81a) in ein elektrisches Signal (82a) eingerichtet ist; einen Signalprozessor (14) zum Aufnehmen der Summe des elektrischen Signals (82a) und eines elektrischen Verzögerungssignals (11a2), das gegenüber dem elektrischen Signal um eine Verzögerungszeit entsprechend dem Zeitintervall verzögert ist, um ein Interferenzsignal (11a3) zu erzeugen, wobei der Signalprozessor (14) ferner zum Auffinden der Eigenschaften der Lichtleitfaser (7) auf Grundlage des Interferenzsignals (11a3) eingerichtet ist; und eine Frequenzänderungsvorrichtung (10), die es dem Signalprozessor (14) ermöglicht, ein Brillouin-Spektrum aus dem elektrischen Signal (82a) zu erhalten.
Einrichtung nach Anspruch 1, welche weiterhin aufweist: eine Polarisationszustands-Änderungsvorrichtung (20), die eingerichtet ist, zumindest entweder einen Polarisationszustand des kohärenten Lichts (2b) oder einen Polarisationszustand des Brillouin-Rückstreulichts (7a) zu ändern.
Einrichtung nach Anspruch 1, welche weiterhin aufweist: eine Entfernungsvorrichtung (30) zum Entfernen einer unnötigen Komponente aus der Gruppe der optischen Impulse (3a), die an die Lichtleitfaser (7) übertragen werden sollen.
Einrichtung nach Anspruch 1, welche weiterhin aufweist: einen Signalgenerator (11) zum Erzeugen eines Mischsignals (11a), das eine Frequenz aufweist, die im Wesentlichen der Brillouin-Frequenzverschiebung der Lichtleitfaser (7) entspricht.
Verfahren zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Erzeugen einer Gruppe optischer Impulse jeweils umfassend erste und zweite optische Impulse aus kohärentem Licht, wobei zwischen den ersten und zweiten optischen Impulsen ein Zeitintervall von mindestens 10 ns vorhanden ist, so dass das Zeitintervall kleiner oder gleich einer Lebensdauer einer Schallwelle in der Lichtleitfaser ist, und wobei die Lebensdauer ein Zeitraum vom Auftauchen des Leistungsspitzenwertes der Schallwelle bis zu dem Zeitpunkt ist, an welchem die Leistung der Schallwelle auf nicht mehr als 5% des Leistungsspitzenwerts abgesunken ist; Aussenden der Gruppe optischer Impulse zur Lichtleitfaser; Koppeln des kohärenten Lichts mit Brillouin-Rückstreulicht, welches erstes Brillouin-Rückstreulicht enthält, das zu dem ersten optischen Impuls gehört und zweites Brillouin-Rückstreulicht enthält, das zu dem zweiten optischen Impuls gehört, wodurch ein optisches Signal erzeugt wird; Umwandeln des optischen Signals in ein elektrisches Signal; Aufnehmen der Summe des elektrischen Signals und eines elektrischen Verzögerungssignals, das gegenüber dem elektrischen Signal um eine Verzögerungszeit entsprechend dem Zeitintervall verzögert ist, wodurch ein Interferenzsignal erzeugt wird, und Auffinden der Eigenschaften der Lichtleitfaser auf Grundlage des Interferenzsignals durch Signalverarbeitung; und Gewinnen eines Brillouin-Spektrums aus dem elektrischen Signal durch Frequenz verändernde Signalverarbeitung.