DE102009020115A1 - Error correcting method for optical fiber sensor in e.g. dam, involves determining time course of backscattering behavior based on mechanical model of polymer optical fiber, and compensating determined time course of backscattering behavior - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fehlerkorrekturverfahren für einen faseroptischen Sensor, insbesondere für einen Sensor mit einer optischen Polymerfaser. Weiterhin wird eine Meßvorrichtung bereitgestellt, die ein solches Fehlerkorrekturverfahren ausführt.The The present invention relates to an error correction method for a Fiber optic sensor, in particular for a sensor with a polymer optical fiber. Furthermore, a measuring device is provided, which performs such an error correction process.
Faseroptische Sensoren spielen zunehmend eine Rolle bei der Überwachung ausgedehnter Strukturen wie beispielsweise Gebäude, Dämme oder Deiche. Dabei können die faseroptischen Sensoren unter anderem zur Dehnungsmessung verwendet werden, da sich die Streueigenschaften der Faser für verschiedene Dehnungszustände unterscheiden. Typischerweise. werden für solche Untersuchungen Rückstreu-Meßverfahren eingesetzt. Diese Rückstreu-Meßverfahren erlauben, eine örtliche Verteilung der Meßgröße entlang der Faser zu erfassen. Unter den Rückstreu-Meßverfahren ist die optische Rückstreumessung im Zeitbereich, auch kurz OTDR (engl.: Optical Time Domain Reflectometry) die am weitesten verbreitete Meßtechnik. Beispielsweise wird beim OTDR-Verfahren ein kurzer Lichtpuls in die Faser eingestrahlt und das rückgestreute Licht als Funktion der Zeit aufgezeichnet. Die Laufzeit des Lichts in der Faser ergibt sich zu 2·d/c·n, wobei d die einfache Strecke entlang der Faser zur Streustelle, c die Lichtgeschwindigkeit und n die effektive Brechzahl in der Faser ist. Die Größe c/n entspricht also der effektiven Geschwindigkeit v des Lichts in der Faser. Auf diese Weise kann ein Bezug zwischen dem zeitlichen Verlauf und dem örtlichen Verlauf des Signals hergestellt werden und der Ort eines Streuzentrums in der Faser lokalisiert werden. Neben der Zeitbereichsanalyse (OTDR) sind dem Fachmann weiterhin die Korrelationsbereichsanalyse und die Frequenzbereichsanalyse als Rückstreu-Meßverfahren bekannt.Fiberoptic Sensors are increasingly playing a role in monitoring extended structures such as buildings, Dams or Dikes. It can the fiber optic sensors used, inter alia, for strain measurement be because the scattering properties of the fiber for different strain states differ. Typically. For such investigations, backscatter measuring methods are used used. This backscatter measurement method allow a local Distribution of the measured variable along to capture the fiber. Among the backscatter measurement methods is the optical backscatter measurement in the time domain, also briefly OTDR (English: Optical Time Domain Reflectometry) the most widely used measuring technique. For example, in the OTDR method, a short light pulse in the fiber is irradiated and the backscattered Light recorded as a function of time. The duration of the light in the fiber results in 2 · d / c · n, where d the simple route along the fiber to the scattering site, c the Speed of light and n the effective refractive index in the fiber is. The size c / n corresponds that is, the effective velocity v of the light in the fiber. On this way, a relationship between the time course and the local Course of the signal are produced and the location of a scattering center be located in the fiber. In addition to time domain analysis (OTDR) are the expert further the correlation range analysis and the frequency domain analysis known as backscatter measurement method.
Typischerweise werden Glasfasern als optische Fasersensoren verwendet, wobei bereits faseroptische Dehnungssensoren aus Glasfaser im Stand der Technik bekannt sind. Allerdings sind Glasfasern nicht zur Messung größerer Dehnungen, beispielsweise über 1% geeignet. Im Gegensatz zu den Glasfasersensoren sind Sensoren auf Basis optischer Polymerfasern, kurz POF (engl.: Polymer Optical Fiber), auch zur Dehnungsmessung für Dehnungen bis über 45% geeignet.typically, Glass fibers are used as optical fiber sensors, where already fiber optic strain sensors made of fiberglass in the prior art are known. However, glass fibers are not for measuring larger strains, for example about 1% suitable. In contrast to the fiber optic sensors are sensors based on optical polymer fibers, in short POF (English: Polymer Optical Fiber), also for strain measurement for strains up to more than 45% suitable.
Allerdings ist die Höhe der Rückstreuung in POF-Sensoren ab etwa 1% Dehnung nicht mehr allein abhängig von der Dehnung sondern auch vom zeitlichen Verlauf der Dehnung, d. h. beispielsweise dem Zeitpunkt der Dehnung in Bezug zum Meßzeitpunkt aber auch wie schnell die Dehnung durchgeführt wurde.Indeed is the height the backscatter in POF sensors from about 1% strain no longer depends solely on the stretching but also the time course of the stretching, d. H. for example, the time of stretching in relation to the measurement time but also how fast the stretching was done.
Aufgrund der Zeitabhängigkeit der Rückstreuung wird die Auswertung der Meßsignale erschwert. Der Fehler, der durch die zeitliche Abnahme der Streuung entsteht, kann eine zuverlässige quantitative Auswertung des Streuprofils in ein Dehnungsprofil für Dehnungen oberhalb von ca. 2–5% praktisch unmöglich machen.by virtue of the time dependence the backscatter becomes the evaluation of the measuring signals difficult. The error caused by the temporal decrease of the scatter arises, can be a reliable quantitative evaluation of the scattering profile in a strain profile for strains above about 2-5% practically impossible do.
Im Hinblick auf das oben Gesagte wird ein Fehlerkorrekturverfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Meßvorrichtung gemäß Anspruch 16 bereitgestellt. Weitere Aspekte, Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen.in the In view of the above, an error correction method according to claim 1 and a measuring device according to claim 16 provided. Other aspects, details, benefits and features The present invention will become apparent from the dependent claims, the Description as well as the attached Drawings.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Fehlerkorrekturverfahren für einen faseroptischen Sensor bereitgestellt. Dabei werden zunächst Rückstreu-Meßdaten bereitgestellt, insbesondere Rückstreu-Meßdaten, die aus einer optischen Polymerfaser gewonnen wurden. Aus den Rückstreu-Meßdaten wird ein gemessenes Streuprofil ermittelt. Weiterhin wird ein Modells der optischen Polymerfaser bereitgestellt. Das Modell ist angepaßt, einen Zeitverlauf des Rückstreuverhaltens der optischen Polymerfaser zu beschreiben. Anhand dieses Modells wird nun der Zeitverlauf des Rückstreuverhaltens ermittelt. Der so anhand des Modells ermittelte Zeitverlauf des Rückstreuverhaltens wird nun verwendet, um das Zeitverhalten der Sensorfaser zu kompensieren. Auf diese Weise kann ein korrigiertes Dehnungsprofil erhalten werden.According to one embodiment becomes an error correction method for a fiber optic sensor provided. It will be first Backscatter measurement data provided, in particular backscatter measurement data, which were obtained from a polymer optical fiber. From the backscatter data is a measured scatter profile determined. Furthermore, a model of the optical polymer fiber. The model is adapted, one Time course of the backscatter behavior to describe the optical polymer fiber. Based on this model now becomes the time course of the backscatter behavior determined. The time course of the so determined by the model Backscatter behavior is now used to compensate for the timing behavior of the sensor fiber. On In this way, a corrected strain profile can be obtained.
Das beschriebene Fehlerkorrekturverfahren erlaubt es, zeitliche Veränderungen im Rückstreuverhalten der Sensorfaser zu kompensieren. Auf diese Weise kann die Auswertung der Rückstreu-Meßdaten verbessert werden. Insbesondere erlaubt das Fehlerkorrekturverfahren eine verläßliche quantitative Auswertung von Rückstreu-Meßdaten aus POF-Sensoren. Dabei handelt es sich typischerweise um Rückstreu-Meßdaten, die durch eine optische Rückstreumessung im Zeitbereich, eine optische Rückstreumessung im Korrelationsbereich, oder eine optische Rückstreumessung im Frequenzbereich erhalten wurden. Weiterhin kann ein korrigiertes Dehnungsprofil der optischen Polymerfaser ermittelt werden, wobei aufgrund des Fehlerkorrekturverfahrens auch größere Dehnungen, insbesondere Dehnungen im Bereich von 3% bis 50% der Faserlänge, quantitativ bestimmt werden können.The described error correction method allows temporal changes in the backscatter behavior to compensate the sensor fiber. This way the evaluation can be done the backscatter measurement data improved become. In particular, the error correction method allows a reliable quantitative Evaluation of backscatter data from POF sensors. These are typically backscatter measurements obtained by optical backscatter measurement in the time domain, an optical backscatter measurement in the correlation range, or an optical backscatter measurement in the frequency domain were obtained. Furthermore, a corrected strain profile the optical polymer fiber are determined, due to the Error correction method even larger strains, in particular Strains in the range of 3% to 50% of the fiber length can be determined quantitatively can.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das zur Fehlerkorrektur verwendete Modell ein nichtlineares Zeitverhalten auf.According to one embodiment For example, the model used for error correction has a nonlinear one Timing up.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Modell als ein mechanisches Modell ausgebildet. Beispielsweise weist das mechanische Modell mindestens eine Feder und mindestens ein Dämpfungsglied auf. Dabei können die mindestens eine Feder und das mindestens eine Dämpfungsglied parallel oder in Reihe angeordnet sein. Selbstverständlich kann das Modell mehrere Federn und/oder Dämpfungsglieder aufweisen, die jeweils parallel und/oder in Reihe angeordnet sind. Gemäß einer Weiterbildung weist das mindestens eine Dämpfungsglied ein nichtlineares Verhalten auf. Insbesondere kann die Spannung an einem Stoßdämpfer, abhängig von der ersten zeitlichen Ableitung der Auslenkung an einem Dämpfungsglied, ein polynomiales Verhalten aufweisen. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das Modell auch weitere Glieder aufweisen, die ein anderes Verhalten als Federn oder Dämpfungsglieder zeigen.According to one embodiment, the model is designed as a mechanical model. For example, the mechanical model has min at least one spring and at least one attenuator. In this case, the at least one spring and the at least one attenuator can be arranged in parallel or in series. Of course, the model may comprise a plurality of springs and / or attenuators, which are each arranged in parallel and / or in series. According to a development, the at least one attenuator has a non-linear behavior. In particular, the voltage on a shock absorber, depending on the first time derivative of the deflection on an attenuator, have a polynomial behavior. According to further embodiments, the model may also have other members that exhibit behavior other than springs or attenuators.
Durch Modelle, wie sie oben beschrieben sind, kann das zeitliche Rückstreuverhalten der Sensorfaser hinreichend gut vorhergesagt werden. Insbesondere mechanische Modelle der Sensorfaser sind gut zur Beschreibung des Rückstreuverhaltens geeignet. Dabei lassen sich die mechanischen Modelle relativ einfach darstellen und daher auch schnell und stabil numerisch lösen.By Models, as described above, can the time backscatter behavior the sensor fiber can be predicted sufficiently well. Especially Mechanical models of the sensor fiber are good for describing the Backscatter behavior suitable. The mechanical models can be displayed relatively easily and therefore also solve quickly and stably numerically.
Typischerweise wird das Modell durch ein Differentialgleichungssystem dargestellt, das zur Gewinnung des Zeitverlaufs des Rückstreuverhaltens gelöst wird. Für einige Modellklassen, wie sie weiter unten beschrieben werden, kann das Differentialgleichungssystem auf einfache Weise mittels des Euler-Verfahrens gelöst werden. Auf diese Weise kann die Fehlerkorrektur mit relativ geringem Rechenaufwand und insbesondere sehr schnell durchgeführt werden.typically, the model is represented by a differential equation system, which is solved to obtain the time course of the backscatter behavior. For some Model classes, as described below, can do that Differential equation system in a simple way by means of the Euler method solved become. In this way, the error correction can be done with relatively little Computing and in particular be carried out very quickly.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Modell-Streuprofil anhand des Modells ermittelt. Das Modell-Streuprofil wird anschließend mit dem gemessenen Streuprofil verglichen, wonach zumindest ein Parameter des Modells in der Weise angepaßt wird, daß ein Fehler zwischen dem gemessenen Streuprofil und dem angepaßten Modell-Streuprofil möglichst klein wird.According to one another embodiment is a model scattering profile determined based on the model. The model scattering profile will follow compared with the measured scattering profile, after which at least one Parameter of the model is adjusted in such a way that an error between the measured Scatter profile and the adapted Model scattering profile as possible gets small.
Auf diese Weise können Abweichungen zwischen dem Modell und dem realen Verhalten der Faser verringert werden. Dadurch kann das Modell der Sensorfaser anhand tatsächlich gemessener Werte verbessert werden, und liefert dann genauere Werte für das Zeitverhalten der Rückstreuung. Insbesondere kann das Verfahren in der Weise iterativ durchgeführt werden, daß hintereinander mehrere Messungen von Rückstreu-Meßdaten erfolgen. Für eine jeweilige dieser Messung wird dann das Modell-Streuprofil wie beschrieben angepaßt, wobei bei der Anpassung jeweils von dem angepaßten Modell-Streuprofil der vorhergehenden Messung ausgegangen wird. Auf diese Weise wird das Modell mit jeder Messung verbessert und die Fehlerkorrektur immer besser.On this way you can Deviations between the model and the real behavior of the fiber be reduced. This allows the model of the sensor fiber based indeed measured values and then provides more accurate timing values the backscatter. In particular, the method can be carried out iteratively in the manner that in a row several measurements of backscatter measurements are made. For one each of these measurements then becomes the model scattering profile as described customized, wherein in the adaptation of each of the adapted model scattering profile of the previous measurement. That's how it works Model with each measurement improves and the error correction always better.
Gemäß einem anderen Ausfürhungsbeispiel wird ein Modell-Dehnungsprofil anhand des Modells ermittelt, das Modell-Dehnungsprofil mit dem gemessenen Dehnungsprofil verglichen und zumindest ein Parameter des Modells in der Weise angepaßt, daß ein Fehler zwischen dem gemessenen Dehnungsprofil und dem angepaßten Modell-Dehnungsprofil möglichst klein wird. Bei dieser Variante wird also direkt das Dehnungsprofil optimiert, ohne daß der Zwischenschritt über eine Korrektur des gemessenen Streuprofils gegangen werden muß.According to one Another embodiment will be a model strain profile is determined based on the model, the model strain profile compared with the measured strain profile and at least one parameter adapted to the model in the way the existence Error between the measured strain profile and the adapted model strain profile as possible gets small. In this variant, therefore, the strain profile is directly optimized without the Intermediate step over a correction of the measured scattering profile must be gone.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Meßvorrichtung bereitgestellt, die eine optische Polymerfaser, eine Lichtquelle, die eingerichtet ist, Lichtpulse in die optische Polymerfaser einzuleiten, einen Detektor, der eingerichtet ist, aus der optischen Polymerfaser rückgestreutes Licht als Rückstreu-Meßdaten aufzunehmen, und eine Auswerteeinheit, die eingerichtet ist, auf den Rückstreu-Meßdaten das oben beschriebene Fehlerkorrekturverfahren auszuführen, umfaßt. Typischerweise weist die optische Polymerfaser als Bestandteil Polymethylmethacrylat, ein Fluoropolymer oder ein Perfluorpolymer auf. Weiterhin kann die optische Polymerfaser als. Gradientenindexfaser oder Stufenindexfaser ausgebildet sein.According to one another embodiment is a measuring device comprising a polymer optical fiber, a light source, which is set up to introduce light pulses into the optical polymer fiber, a detector, which is made of the optical polymer fiber backscattered To record light as backscatter data, and an evaluation unit, which is arranged on the backscatter measurement data to execute the above-described error correction method. typically, comprises the optical polymer fiber as a constituent polymethyl methacrylate, a fluoropolymer or a perfluoropolymer. Furthermore, the optical polymer fiber as. Gradient index fiber or step index fiber formed be.
Insbesondere können einige der optischen Polymerfasern einer Dehnung bis zu 45% ohne Beschädigung ausgesetzt werden.Especially can some of the optical polymer fibers have an elongation of up to 45% without damage get abandoned.
Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert. Dabei zeigt:Based the attached Drawings will now be exemplary embodiments of the present invention. Showing:
Die
In
typischen Ausführungsbeispielen
ist der Fasersensor als optische Polymerfaser (POF) ausgeführt. Dabei
kann der POF-Sensor als Bestandteil Polymethylmethacrylat (PMMA),
ein Fluoropolymer oder ein Perfluorpolymer aufweisen. Weiterhin
kann die optische Polymerfaser als Gradientenindexfaser oder als
Stufenindexfaser ausgeführt
sein. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
wird eine Sensorfaser aus PMMA mit einem Kerndurchmesser von 1 mm und
einem Stufenindexpofil verwendet. Solche Fasern sind beispielsweise
von den Firmen Mitsubishi, Toray und Asahi erhältlich. Die Fasern sind auch
mit anderen Kerndurchmessern bei gleichem Material verfügbar. Die
Fasern lassen sich ohne Beschädigung
einige zehn Prozent dehnen (> 45%)
und weisen eine mit der Dehnung stetig steigende Streuung auf. Weiterhin
zeigen diese Fasern eine Dämpfung im
Bereich von 160 dB/km bei der üblichen
Wellenlänge
von 650 nm. Darüber
hinaus weiten sich die eingespeisten Lichtpulse aufgrund des Stufenindexprofils
entlang der Faser stark auf. Eine Gradientenindexfaser aus PMMA
mit 1 mm Kerndurchmesser ist von der Firma optimedia erhältlich.
Diese Faser weist nur im Dehnbereich zwischen 1,5% und 6% erhöhte Streuung
auf. Darüber
hinaus ist diese Faser deutlich zerbrechlicher als die oben genannten
Stufenindexfasern. Alle diese PMMA-Fasern werden typischerweise
mit Lichtquellen
Gemäß anderen
Ausführungsbeispielen werden
für den
Fasersensor
Polymerfasern können beispielsweise aus Thermoplasten hergestellt werden. Unter den Thermoplasten können neben PMMA beispielsweise auch optische Fasern aus Polycarbonat oder Polystyrol hergestellt werden. Weiterhin können auch optische Fasern aus zyklischen Polyolefinen hergestellt werden. Weitere Fluoropolymere, die zur Herstellung optischer Fasern geeignet sind, umfassen Hexafluoroisopropyl 2-Fluoroacrylat (HFIP 2-FA), Polytetrafluoroethylen (PTFE), Tetrafluoroethylen-Hexafluoropropylen (PFE) und Tetrafluoroethylen-Perfluoroalkylvinyl-Ether (PFA). Weiterhin können optische Fasern auch mit deuteriertem Polymer auf Basis von PMMA hergestellt werden. Neben diesen Thermoplasten können optische Fasern auch aus Elastomeren wie beispielsweise Polysiloxanen hergestellt werden.polymer fibers can For example, be made of thermoplastics. Under the thermoplastics can In addition to PMMA, for example, optical fibers made of polycarbonate or polystyrene. Furthermore, optical fibers can also be made cyclic polyolefins are produced. Other fluoropolymers, suitable for making optical fibers include hexafluoroisopropyl 2-fluoroacrylate (HFIP 2-FA), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene (PFE) and tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinyl-ether (PFA). Farther can optical fibers also made with deuterated polymer based on PMMA become. In addition to these thermoplastics, optical fibers can also be made Elastomers such as polysiloxanes are produced.
Weiterhin
umfaßt
die Meßvorrichtung
Schließlich umfaßt die Meßvorrichtung
In
In
Allerdings
ist die Höhe
der Rückstreuung
in POF-Sensoren ab etwa 1% Dehnung nicht mehr allein abhängig von
der Dehnung selbst sondern ist auch zeitabhängig. Insbesondere zeigen die POF-Sensoren
eine Abnahme der erhöhten
Streuung mit der Zeit, d. h. ein Relaxationsverhalten. Dies ist
in
Aufgrund der Zeitabhängigkeit der Rückstreuung wird die Auswertung der Meßsignale erschwert. Mit anderen Worten erscheint die Dehnung nach einer gewissen Zeit kleiner, als sie tatsächlich ist. Aufgrund der unkorrigierten Meßdaten würde man also die Dehnung in der Sensorfaser systematisch unterschätzen, wobei auch der Fehler zeitabhängig ist. Der Fehler, der durch die zeitliche Abnahme der Streuung entsteht, macht somit eine zuverlässige quantitative Auswertung des Streuprofils in ein Dehnungsprofil für Dehnungen oberhalb von ca. 2–5% ohne entsprechende Fehlerkorrektur unmöglich.by virtue of the time dependence the backscatter becomes the evaluation of the measuring signals difficult. In other words, the strain appears after a certain amount Time smaller than it actually is. Due to the uncorrected measurement data you would So underestimate the strain in the sensor fiber systematically, where also the error time-dependent is. The error caused by the temporal decrease of scattering makes a reliable quantitative evaluation of the scattering profile in a strain profile for strains above about 2-5% impossible without corresponding error correction.
In
Das beschriebene Fehlerkorrekturverfahren erlaubt es, zeitliche Veränderungen im Rückstreuverhalten der Sensorfaser zu kompensieren. Auf diese Weise kann die Auswertung der Rückstreu-Meßdaten verbessert werden. Insbesondere erlaubt das Fehlerkorrekturverfahren eine verläßliche quantitative Auswertung von Rückstreu-Meßdaten aus POF-Sensoren. Weiterhin kann ein Dehnungsprofil der optischen Polymerfaser anhand des korrigierten Rückstreuprofils ermittelt werden, wobei aufgrund des Fehlerkorrekturverfahrens auch größere Dehnungen, insbesondere Dehnungen im Bereich von 3% bis 50% der Faserlänge, quantitativ zuverlässig bestimmt werden können.The described error correction method allows temporal changes in the backscatter behavior to compensate the sensor fiber. This way the evaluation can be done the backscatter measurement data improved become. In particular, the error correction method allows a reliable quantitative Evaluation of backscatter data from POF sensors. Furthermore, an expansion profile of the optical polymer fiber based the corrected backscatter profile are determined, due to the error correction method also larger strains, in particular strains in the range of 3% to 50% of the fiber length, quantitatively reliably determined can be.
In
Das
oben beschriebene Modell ist geeignet, die Abnahme der Streuungsintensität mit der
Zeit quantitativ korrekt wiederzugeben. Dabei werden die Spannungen
an den einzelnen Federn Fn i =
zn i·Si über
eine Funktion g(Fn i)
in einen Streufaktor umgerechnet. Dabei steht der Index i für die verschiedenen Zweige
im Modell und der Index n für
die Messung bzw. den Zeitpunkt der Messung. Im einfachsten Fall entspricht
die Funktion g einer gewichteten Summe der Komponenten aus Fn i, so daß die Umrechnung über eine
einfache Multiplikation mit diesen Konstanten erfolgt. Die Summe
der einzelnen Streufaktoren bildet dann den Streufaktor, der auch
im Streuprofil wiederzufinden ist. Die Spannung Fi(t)
an einer Feder ist zeitabhängig
und gegeben durch das Produkt aus Federkonstante Si und
Auslenkung zi
Dadurch
wird auch der aus Fn i berechnete Streufaktor
zeitabhängig,
wodurch sich beispielsweise das in
Dabei ist d/dt (z–zi) die Änderung der Auslenkung des Dämpfungsglieds mit der Zelt und m ein Exponent. Die Variable z ist dabei äquivalent zur Dehnung ε am jeweiligen Ort der Faser. Insofern ist also die zeitliche Änderung von z äquivalent zur zeitlichen Änderung der Dehnung ε. Im einfachsten Fall wird angenommen, dass sich die Änderung der Dehnung gleichförmig über das Zeitintervall zwischen den Messungen dt verteilt. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen werden aber auch Modelle mit anderen zeitlichen Dehnungsverläufen verwendet.Here d / dt (z-z i ) is the change in the deflection of the attenuator with the tent and m is an exponent. The variable z is equivalent to the strain ε at the respective location of the fiber. In this respect, therefore, the temporal change of z is equivalent to the temporal change of the strain ε. In the simplest case, it is assumed that the change in the elongation is uniformly distributed over the time interval between the measurements dt. According to other embodiments, however, models with different temporal expansion curves are also used.
Grundsätzlich können in dem Modell auch andere als polynomielle Funktionsverläufe (m = 1, 2, 3 ...) verwendet werden. Jedoch zeigt bereits das relativ einfache abgebildete Modell mit zwei parallel angeordneten nichtlinearen Dämpfungsgliedern gute Ergebnisse für m = 2. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß grundsätzlich die Anzahl der Federn und Dämpfungsglieder in dem Modell beliebig ist. Genauso ist die Topologie des Netzwerks, das die Kopplungen der mechanischen Glieder miteinander beschreibt, grundsätzlich beliebig. Jedoch ist es zur schnellen und einfachen Ermittlung des Zeitverhaltens sinnvoll, eine möglichst einfache Netzwerktopologie mit möglichst wenigen Knoten, d. h. mechanischen Gliedern, zu verwenden.Basically, in the model also other than polynomial function curves (m = 1, 2, 3 ...) are used. However, that already shows the relative simple pictured model with two parallel non-linear attenuators good results for m = 2. It should be noted, however, that in principle the number of springs and attenuators in the model is arbitrary. So is the topology of the network, which describes the couplings of the mechanical links with each other, in principle any. However, it is for quick and easy determination of the Time behavior makes sense, one possible simple network topology with as possible few nodes, d. H. mechanical links, to use.
Das Modell liefert zunächst eine Reihe gewöhnlicher Differentialgleichungen für Fi(t). Weiterhin sind die Konstanten Si und Di an jedem Ort der Faser identisch gewählt. Allerdings gibt es für jeden Ortspunkt entlang der Faser jeweils eine Dehnung z bzw. ε sowie eigene Auslenkungen zi der jeweiligen Federn. Durch Lösung des Differentialgleichungssystems für jeden Ort entlang der Faser können nun die Fi bestimmt werden. Die Zeitabhängigkeit wird dabei so berücksichtigt, daß die Fi(t) jeweils für Meßzeitpunkte n = 1, 2, 3, ... als Fn i bestimmt werden. Dazu werden aus vorherigen Messungen die Startwerte zn, zn i des Modells verwendet, sowie ein geschätztes Δz und das Zeitintervall Δtn zwischen der aktuellen und der vorhergehenden Messung. Aus den Fn i lassen sich dann die Streufaktoren für den jeweiligen Ort der Faser neu ermitteln. Diese können nun zum Abgleich mit den gemessenen Streufaktoren verwendet werden. Die ermittelte Zeitabhängigkeit der lokalen Streufaktoren kann nun dazu verwendet werden, um in dem gemessenen Streuprofil die Zeitabhängigkeit zu kompensieren. Mit anderen Worten kann nun die zeitabhängige Abnahme der Streuintensität berücksichtigt werden.The model first provides a series of ordinary differential equations for F i (t). Furthermore, the constants S i and D i are selected identically at each location of the fiber. However, there is an expansion z or ε as well as own displacements z i of the respective springs for each location point along the fiber. By solving the differential equation system for each location along the fiber, the F i can now be determined. The time dependence is taken into account such that the F i (t) are respectively determined for measurement times n = 1, 2, 3,... As F n i . For this purpose, the starting values z n , z n i of the model are used from previous measurements, as well as an estimated Δz and the time interval Δt n between the current and the preceding measurement. The scatter factors for the respective location of the fiber can then be newly determined from the F n i . These can now be used for comparison with the measured dispersion factors. The determined time dependence of the local scattering factors can now be used to compensate for the time dependence in the measured scattering profile. In other words, the time-dependent decrease of the scattering intensity can now be taken into account.
In
Bei dem iterativen Verfahren wird also ein Modell-Streuprofil anhand des Modells ermittelt, das Modell-Streuprofil mit dem gemessenen Streuprofil verglichen wird, und anschließend die geschätzte Dehnung in der Weise angepaßt, daß der Fehler zwischen dem gemessenen Streuprofil und dem angepaßten Modell-Streuprofil möglichst klein wird. Beispielsweise kann diese Optimierung mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate erfolgen, jedoch sind auch andere Optimierungsverfahren geeigent. Typischerweise wird das Verfahren wie beschrieben in der Weise iterativ durchgeführt, daß mehrere Messungen von Rückstreu-Meßdaten erfolgen und für eine jeweilige Messung das Modell-Streuprofil angepaßt wird. Bei der Anpassung wird jeweils von dem angepaßten Modell-Streuprofil der vorhergehenden Messung ausgegangen wird.at The iterative method is thus based on a model scattering profile of the model, the model scattering profile with the measured Compared to the scattering profile, and then the estimated strain adapted in the way that the Error between the measured scattering profile and the adapted model scattering profile preferably gets small. For example, this optimization can be done with the method of smallest error squares occur, but other optimization methods are also used geeigent. Typically, the process will be as described in U.S. Patent Nos. 5,342,066 Manner performed iteratively, that several Measurements of backscatter data are made and for one respective measurement is adapted to the model scattering profile. When adjusting is in each case of the adapted Model scattering profile of the previous measurement is assumed.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollten keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden.The The present invention has been explained with reference to exemplary embodiments. These embodiments should by no means be construed as limiting the present Be understood invention.
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