DE102009020115B4 - Error correction method for a fiber optic sensor and measuring device - Google Patents
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Abstract
Fehlerkorrekturverfahren für einen faseroptischen Sensor, umfassend (a) Bereitstellen von Rückstreu-Meßdaten einer optischen Polymerfaser; (b) Ermitteln eines gemessenen Streuprofils aus den Rückstreu-Meßdaten; (c) Bereitstellen eines Modells der optischen Polymerfaser, wobei das Modell angepaßt ist, einen Zeitverlauf des Rückstreuverhaltens der optischen Polymerfaser zu beschreiben; (d) Ermitteln des Zeitverlaufs des Rückstreuverhaltens anhand des Modells; und (e) Kompensieren des ermittelten Zeitverlaufs des Rückstreuverhaltens.An error correction method for a fiber optic sensor, comprising (a) providing backscatter measurement data of an optical polymer fiber; (b) determining a measured scattering profile from the backscatter measurement data; (c) providing a model of the optical polymer fiber, wherein the model is adapted to describe a time course of the backscattering behavior of the optical polymer fiber; (d) determining the time course of the backscatter behavior using the model; and (e) compensating the determined time course of the backscattering behavior.
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 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 carries out such an error correction method.
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.Fiber optic sensors are increasingly playing a role in monitoring extended structures such as buildings, dams or dykes. The fiber optic sensors can be used, inter alia, for strain measurement, since the scattering properties of the fiber differ for different strain states. Typically, backscatter measurements are used for such studies. These backscatter measuring methods allow to detect a local distribution of the measured quantity along the fiber. Among the backscatter measuring methods, the optical backscatter measurement in the time domain, also known as OTDR (Optical Time Domain Reflectometry), is the most widely used measuring technique. For example, in the OTDR method, a short pulse of light is radiated into the fiber and the backscattered light is recorded as a function of time. The transit time of the light in the fiber is 2 × d / c × n, where d is the simple distance along the fiber to the scattering point, c is the speed of light, and n is the effective refractive index in the fiber. The quantity c / n thus corresponds to the effective velocity v of the light in the fiber. In this way, a relationship between the time course and the local course of the signal can be established and the location of a scattering center in the fiber can be located. In addition to time domain analysis (OTDR), those skilled in the art are also familiar with correlation range analysis and frequency domain analysis as backscatter measurement methods.
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, fiber optic strain sensors made of glass fiber already being known in the art. However, glass fibers are not suitable for measuring larger strains, for example over 1%. In contrast to the glass fiber sensors, sensors based on optical polymer fibers, in short POF (English: Polymer Optical Fiber), are also suitable for strain measurement for strains of more than 45%.
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.However, the amount of backscattering in POF sensors from about 1% strain no longer depends solely on the elongation but also on the time course of the elongation, d. H. For example, the time of stretching in relation to the time of measurement but also how fast the strain was performed.
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.Due to the time dependence of the backscatter the evaluation of the measuring signals is made more difficult. The error caused by the temporal decrease in scattering can make a reliable quantitative evaluation of the scattering profile in a strain profile for strains above about 2-5% virtually impossible.
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 view of the above, an error correction method according to
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, an error correction method for a fiber optic sensor is provided. First, backscatter measurement data are provided, in particular backscatter measurement data obtained from a polymer optical fiber. From the backscatter measurement data, a measured scattering profile is determined. Furthermore, a model of the optical polymer fiber is provided. The model is adapted to describe a time course of the backscattering behavior of the optical polymer fiber. Based on this model, the time course of the backscatter behavior is determined. The time response of the backscatter behavior thus determined by the model is now used to compensate for the time behavior of the sensor fiber. 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 makes it possible to compensate for temporal changes in the backscattering behavior of the sensor fiber. In this way, the evaluation of the backscatter measurement data can be improved. In particular, the error correction method allows a reliable quantitative evaluation of backscatter measurement data from POF sensors. These are typically backscatter measurements obtained by time domain optical backscatter, optical backscatter in the correlation domain, or optical backscatter in the frequency domain. Furthermore, a corrected elongation profile of the optical polymer fiber can be determined, wherein 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.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das zur Fehlerkorrektur verwendete Modell ein nichtlineares Zeitverhalten auf.According to one embodiment, the model used for error correction has a non-linear time response.
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 indicates 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, the time-back scattering behavior of the sensor fiber can be predicted sufficiently well. In particular, mechanical models of the sensor fiber are well suited for describing the backscattering behavior. The mechanical models can be displayed relatively easily and can therefore be solved 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 that is solved to obtain the time course of the backscattering behavior. For some model classes, as described below, the differential equation system can be easily solved by the Euler method. In this way, the error correction with relatively little computational effort and in particular can be performed 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 a further exemplary embodiment, a model scattering profile is determined on the basis of the model. The model scattering profile is then compared with the measured scattering profile, after which at least one parameter of the model is adapted in such a way that an error between the measured scattering profile and the adapted model scattering profile becomes as small as possible.
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.In this way deviations between the model and the real behavior of the fiber can be reduced. As a result, the model of the sensor fiber can be improved based on actually measured values, and then provides more accurate values for the time response of the backscatter. In particular, the method can be carried out iteratively in such a way that several measurements of backscatter measurement data take place in succession. For each of these measurements, the model scattering profile is then adapted as described, wherein in the adaptation of each of the adapted model scattering profile of the previous measurement is assumed. In this way, the model improves with each measurement and the error correction gets better and 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 another embodiment, a model strain profile is determined from the model, the model strain profile is compared to the measured strain profile, and at least one parameter of the model is adjusted such that an error between the measured strain profile and the fitted model strain profile becomes as small as possible , In this variant, therefore, the expansion profile is optimized directly, without the intermediate step must be gone through a correction of the measured scattering profile.
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 another embodiment, there is provided a measuring device comprising a polymer optical fiber, a light source adapted to introduce light pulses into the optical polymer fiber, a detector adapted to receive backscattered light from the optical polymer fiber as backscattered measurement data, and an evaluation unit which is arranged to execute on the backscatter measurement data the error correction method described above. Typically, the optical polymer fiber comprises polymethyl methacrylate, a fluoropolymer or a perfluoropolymer as an ingredient. Furthermore, the optical polymer fiber may be formed as gradient index fiber or step index fiber.
Insbesondere können einige der optischen Polymerfasern einer Dehnung bis zu 45% ohne Beschädigung ausgesetzt werden.In particular, some of the optical polymer fibers can be subjected to elongation of up to 45% without damage.
Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert. Dabei zeigt:Reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will now be explained. 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 be made, for example, from thermoplastics. Among the thermoplastics, for example, optical fibers made of polycarbonate or polystyrene can be produced in addition to PMMA. Furthermore, optical fibers can be made from cyclic polyolefins. Other fluoropolymers suitable for making optical fibers include hexafluoroisopropyl 2-fluoroacrylate (HFIP 2-FA), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene (PFE), and tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinyl ether (PFA). Furthermore, optical fibers can also be made with deuterated polymer based on PMMA. In addition to these thermoplastics, optical fibers can also be made from elastomers such as polysiloxanes.
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.Due to the time dependence of the backscatter the evaluation of the measuring signals is made more difficult. In other words, after a certain amount of time, the strain appears smaller than it really is. Due to the uncorrected measurement data, one would thus underestimate the strain in the sensor fiber systematically, whereby the error is time-dependent. The error caused by the temporal decrease in scattering thus makes a reliable quantitative evaluation of the scattering profile in a strain profile for strains above approximately 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 makes it possible to compensate for temporal changes in the backscattering behavior of the sensor fiber. In this way, the evaluation of the backscatter measurement data can be improved. In particular, the error correction method allows a reliable quantitative evaluation of backscatter measurement data from POF sensors. Furthermore, a strain profile of the optical polymer fiber can be determined on the basis of the corrected backscatter profile, wherein 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 reliably determined quantitatively.
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 1 = zn 1·S1 über eine Funktion g(Fn 1) 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 1, 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 F1(t) an einer Feder ist zeitabhängig und gegeben durch das Produkt aus Federkonstante S1 und Auslenkung z1
Dadurch wird auch der aus Fn 1 berechnete Streufaktor zeitabhängig, wodurch sich beispielsweise das in
Dabei ist d/dt(z – z1) die Änderung der Auslenkung des Dämpfungsglieds mit der Zeit 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 1 ) is the change of the attenuation of the attenuator with time 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.In principle, other than polynomial functional characteristics (m = 1, 2, 3...) Can also be used in the model. However, even the relatively simple model shown with two nonlinear attenuators arranged in parallel shows good results for m = 2. It should be noted, however, that in principle the number of springs and attenuators in the model is arbitrary. Likewise, the topology of the network, which describes the couplings of the mechanical members together, is basically arbitrary. However, it makes sense to quickly and easily determine the timing, a simple network topology with as few nodes as possible, d. H. mechanical links, to use.
Das Modell liefert zunächst eine Reihe gewöhnlicher Differentialgleichungen für F1(t). Weiterhin sind die Konstanten S1 und D1 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 z1 der jeweiligen Federn. Durch Lösung des Differentialgleichungssystems für jeden Ort entlang der Faser können nun die F1 bestimmt werden. Die Zeitabhängigkeit wird dabei so berücksichtigt, daß die F1(t) jeweils für Meßzeitpunkte n = 1, 2, 3, ... als Fn 1 bestimmt werden. Dazu werden aus vorherigen Messungen die Startwerte zn, zn 1 des Modells verwendet, sowie ein geschätztes Δz und das Zeitintervall Δtn zwischen der aktuellen und der vorhergehenden Messung. Aus den Fn 1 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 gives a series of ordinary differential equations for F 1 (t). Furthermore, the constants S 1 and D 1 are selected identically at each location of the fiber. However, there is for each location along the fiber in each case an expansion z or ε and own displacements z 1 of the respective springs. By solving the differential equation system for each location along the fiber, the F 1 can now be determined. The time dependence is taken into account so that the F 1 (t) in each case for measurement times n = 1, 2, 3, ... as F n 1 are determined. For this purpose, the starting values z n , z n 1 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 1 . 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.In the iterative method, therefore, a model scattering profile is determined on the basis of the model, the model scattering profile is compared with the measured scattering profile, and then the estimated elongation adjusted in such a way that the error between the measured scattering profile and the matched model scattering profile is as far as possible gets small. For example, this optimization can be done with the least squares method, but other optimization methods are also suitable. Typically, as described above, the method is carried out iteratively in such a way that several measurements of backscatter measurement data are made and for each measurement the model scattering profile is adapted. In the adaptation, it is assumed in each case of the adapted model scattering profile of the previous measurement.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollten keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden.The present invention has been explained with reference to exemplary embodiments. These embodiments should by no means be construed as limiting the present invention.
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