DE102015113581A1

DE102015113581A1 - Fasermessung mit Impulsformung

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Publication number: DE102015113581A1
Application number: DE102015113581.7A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Aiq Dienstleistungen Ug (haftungsbeschrankt)
Current assignee: Aiq Dienstleistungen Ug (haftungsbeschrankt)
Priority date: 2015-08-17
Filing date: 2015-08-17
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2035-08-18
Also published as: US20170052041A1; US10209100B2; EP3141880B1; EP3141880A1; DE102015113581B4

Abstract

Eine Fasermessvorrichtung (100) zum Messen einer physikalischen Größe mittels einer Faser (108), aufweisend eine Quelle (102) von elektromagnetischer Strahlung, die dazu ausgebildet ist, zumindest einen Impuls von in die Faser (108) einzukoppelnder, elektromagnetischer Strahlung als primäre elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, und eine Einstellungseinheit (106), die dazu ausgebildet ist, um vor, während oder nach dem Erzeugen, eine Form des zumindest einen Impulses einzustellen, um eine Abweichung zwischen einer Soll-Form und einer tatsächlichen Form des zumindest einen Impulses zumindest teilweise zu kompensieren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fasermessvorrichtung, auf ein Fasermessverfahren, auf ein Programmelement und auf ein Computer-lesbares Medium.
Verteilte Temperaturmessung(DTS, Distributed Temperature Sensing)-Vorrichtungen sind optoelektronische Vorrichtungen, welche Temperatur messen mittels optischer Fasern, die als lineare Sensoren funktionieren. Temperaturwerte werden entlang des optischen Sensorkabels als ein kontinuierliches Profil aufgenommen. Eine hohe Genauigkeit der Temperaturbestimmung wird über lange Abstände erzielt. Messabstände von mehreren Kilometern können erzielt werden. Die Temperaturabhängigkeit des Raman-Effekts kann für eine DTS-Messung verwendet werden.
In DTS und anderen verteilten Fasermessungs-Technologien kann eine zu testende Faser ausgelesen werden, indem einzelne Impulse oder Abfolgen von Impulsen oder Impulszügen von Licht in die Faser geschickt (oder gesendet) werden. Zurückgestreutes Licht kann nach verschiedenen physikalischen Eigenschaften der Faser analysiert werden und räumlich aufgelöst werden. Beispielsweise gibt Raman-Rückstreuung Information über Temperatur, Brillouin-gestreutes Licht enthält Information über die Temperatur und die Spannung, und Rayleigh-gestreutes Licht kann im Hinblick auf Verluste und reflektierende Abschnitte der Faser (OTDR, optical time domain reflectomety) analysiert werden oder kann für verteiltes akustisches Messen (C-OTDR, coherent optical time domain reflectometry) verwendet werden. Um eine ausreichende räumliche Auflösung zu erlangen, muss der ausgesendete Impuls in einem begrenzten räumlichen Bereich für eine eindeutige Zeit (distinct time) eine Rückstreuung erzeugen; dies erfordert eine Erzeugung von kurzen Impulsen. Wenn das zurückkehrende Signal zeitlich aufgelöst wird, ist es möglich, ein verteiltes Messsignal über der Zeit zu erhalten.
Eine Herangehensweise, welche das Signal-zu-Rausch-Verhältnis vergrößert, ohne die maximale Lichtleistung (peak light power) zu vergrößern und ohne die räumliche Auflösung des erlangten Signals zu beeinträchtigen, besteht darin, Impulszüge zu senden, die einen Code mit geeigneten Eigenschaften darstellen, wie beispielweise etwa, jedoch nicht beschränkt, auf Golay-Codes, Barker-Codes oder Simplex-Codes.
Artefakte bei der Impulserzeugung können zu Artefakten in den Messdaten führen.
EP-2,775,278 offenbart eine Temperaturverteilungs-Messeinrichtung mit einer optischen Faser, welche Einrichtung zum Messen einer Temperaturverteilung entlang einer Längsrichtung einer optischen Faser vorgesehen ist. Die Einrichtung umfasst eine Lichtübertragungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, eine Abfolge von Code-modulierten Lichtimpulsen in die optische Faser einzugeben, eine Lichtempfängereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, Raman-Rückstreuungs-Licht zu empfangen, das durch das Eingeben der Abfolge der Code-modulierten Lichtimpulse in die optische Faser erzeugt wurde, einen Demodulator, der ausgebildet ist, um eine Korrelationsverarbeitung zwischen einem gemessenen Signal, das von dem Lichtempfänger ausgegeben wird, und einer Code-Zeichenfolge (code string), die der Art der von der Lichtübertragungseinrichtung ausgeführten Code-Modulation zugeordnet ist, und dazu ausgebildet ist, das gemessene Signal zu demodulieren. Eine Speichereinrichtung ist bereitgestellt zum Speichern von Korrekturdaten, die verwendet werden sollen, um eine Verzerrung des gemessenen Signals, das von dem Lichtempfänger ausgegeben wird, wenn ein impulsives gepulstes Licht (impulsive pulsed light) aus der Lichtübertragungseinrichtung ausgegeben wird, zu korrigieren. Eine Korrektureinrichtung ist dazu ausgebildet, auf einem von einer von der gemessenen Signalausgabe des Lichtempfängers und einer Ausgabe eines demodulierten Signals aus dem Demodulator, unter Verwendung von in der Speichereinrichtung gespeicherten Korrekturdaten, eine Korrektur auszuführen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Fasermessung mit hoher Genauigkeit zu ermöglichen.
Um das oben definierte Ziel zu erhalten (um die Aufgabe zu lösen), werden eine Fasermessvorrichtung, ein Fasermess-Verfahren, ein Programmelement und ein Computer-lesbares Medium gemäß der unabhängigen Patentansprüche bereitgestellt.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Fasermessvorrichtung zum Messen einer physikalischen Größe (insbesondere ein Wert von einem physikalischen Parameter, wie etwa einer Temperatur oder einer räumlichen Temperaturverteilung) mittels einer Faser bereitgestellt, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: eine Quelle von elektromagnetischer Strahlung (nachfolgend auch kurz elektromagnetische Strahlungsquelle genannt), die dazu ausgebildet ist, zumindest einen Impuls von elektromagnetischer Strahlung (wie etwa sichtbares Licht, infrarotes Licht und/oder ultraviolettes Licht) als in die Faser einzukoppelnde, primäre elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, und eine Einstellungseinheit (beispielsweise ein Prozessor oder ein Teil desselben), die dazu ausgebildet ist, um vor, während oder nach dem Erzeugen eine Form (beispielsweise eine Einhüllende) von zumindest einem Impuls einzustellen (oder zu verändern), um eine (beispielsweise vorbekannte oder bestimmte) Abweichung zwischen einer vordefinierten Soll-Form (target shape) und einer tatsächlichen Form (actual shape) des zumindest einen Impulses zumindest teilweise zu kompensieren.
Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren des Messens einer physikalischen Größe mittels einer Faser bereitgestellt, welches folgendes aufweist: Steuern einer Quelle von elektromagnetischer Strahlung zum Erzeugen von zumindest einem Impuls von elektromagnetischer Strahlung als in die Faser einzukoppelndem primäre elektromagnetische Strahlung, und (vor, während oder nach dem Erzeugen) Einstellen (oder Verändern) von einer Form des zumindest einen Impulses, um eine Abweichung zwischen einer vordefinierten Soll-Form und einer tatsächlichen Form des zumindest einen Impulses zumindest teilweise zu kompensieren.
Gemäß noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Programmelement (beispielsweise eine Software-Routine, als Quell-Code oder als ausführbarer Code) bereitgestellt, welches, wenn es von einem Prozessor (wie etwa einem Mikroprozessor oder einer CPU) ausgeführt wird, dazu ausgebildet ist, ein Verfahren mit den oben genannten Merkmalen zu steuern oder auszuführen.
Gemäß noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Computer-lesbares Medium (beispielsweise eine CD, eine DVD, ein USB-Stick, ein eingebauter Speicher (embedded memory), ein Flash-Speicher, ein NAND-Speicher, eine Floppy-Disk oder eine Festplatte) bereitgestellt, in dem ein Computer-Programm gespeichert ist, welches, wenn es von einem Prozessor (wie etwa einem Mikroprozessor oder einer CPU) ausgeführt wird, dazu ausgebildet ist, ein Verfahren mit den oben genannten Merkmalen zu steuern oder auszuführen. Das Computer-lesbare Medium kann verwendet werden mit, oder kann einen Teil ausbilden von, jeglicher elektronischer Einrichtung, wie etwa einem Computer, z. B. ein PC, oder kann allgemeiner für irgendeine Art einer eingebetteten Einrichtung (embedded device).
Eine Datenverarbeitung, die gemäß Ausführungsformen der Erfindung ausgeführt werden kann, kann realisiert werden mittels eines Computer-Programms, d. h. mittels Software, oder indem ein oder mehrere spezielle elektronische Optimierungsschaltkreise verwendet werden, d. h. in Hardware, oder in hybrider Form, d. h. mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten. Beispielsweise ist es möglich, die Architektur gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung in einem elektronischen Schaltkreis, wie etwa einem analogen Schaltkreis oder einem digitalen Schaltkreis, zu implementieren.
Der Ausdruck „Faser” kann insbesondere ein Element (insbesondere ein opto-elektronisches Element) bezeichnen, das in der Lage ist, elektromagnetische Strahlung zu leiten, um sich entlang eines definierten Pfades durch die Faser auszubreiten. Eine Faser, die beispielsweise aus Quarzglas (fused silica glass) hergestellt ist, kann in der Lage sein, sichtbare und infrarote Strahlung zu transportieren. Folglich kann eine Faser als ein dielektrischer Wellenleiter bezeichnet werden, der für elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise transparent ist.
Der Ausdruck „elektromagnetische Strahlung” kann insbesondere Photonen mit einer geeigneten Wellenlänge, die in der Lage sind, sich durch eine Faser auszubreiten, bezeichnen. Optische Strahlung kann in einem Bereich zwischen 400 nm und 800 nm sein, d. h. sie kann in dem sichtbaren Bereich sein. Infrarote Strahlung, die zur Detektion von teilweiser Entladung (oder Einleitung oder Abfallablagerung) (partial discharge detection) kann in einem Bereich zwischen 800 nm und 5000 nm sein. Beispielsweise ist 1550 nm eine geeignete Messwellenlänge.
In dem Kontext der vorliegenden Anwendung kann der Ausdruck „Fasermessung” insbesondere eine Messung bezeichnen, bei der primäre elektromagnetische Strahlung in eine Faser gekoppelt wird, was zu einer Wechselwirkung zwischen der primären elektromagnetischen Strahlung und dem Fasermaterial führt. Diese Wechselwirkung hängt von physikalischen Größen bei einer jeweiligen Position (respective position) der Faser ab, insbesondere eine lokale Temperatur, das Vorhandensein von lokalen Vibrationen, usw. Die primäre elektromagnetische Strahlung wird gestreut, insbesondere teilweise elastisch und teilweise inelastisch. Ein Strahl von sekundärer elektromagnetischer Strahlung wird deshalb zurückgestreut und breitet sich durch die Faser aus, um mittels eines Detektors für elektromagnetische Strahlung detektiert zu werden. Somit wird die elektromagnetische Strahlung in Kombination mit der Faser als eine Testeinrichtung (probe) für die Messung der physikalischen Größe, wie etwa eine Temperatur oder eine Temperaturverteilung entlang der Faser, eine Vibration oder eine Vibrationsverteilung entlang der Faser, usw., verwendet.
In dem Kontext der vorliegenden Anwendung kann der Ausdruck „Impuls” insbesondere einen zeitlich und räumlich begrenzten Abschnitt von elektromagnetischer Strahlung bezeichnen. Beispielsweise kann ein derartiger Impuls eine rechteckförmige Form aufweisen. Im Hinblick auf Fasermessungen können die Impulse solche mit GHz-Bandbreite sein. Beispielsweise kann eine Länge eines Impulses in einem Bereich zwischen 100 ps und 100 ns, beispielsweise 5 ns, sein. Beispielsweise kann eine Länge eines Impulszugs in einem Bereich zwischen 500 ns und 100 μs, beispielsweise 5 μs, sein. In dem Kontext der vorliegenden Anwendung kann der Ausdruck „Impulszug” mehrere Impulse, die ein Code-Muster darstellen, bezeichnen.
In dem Kontext der vorliegenden Anwendung kann der Ausdruck „vorbestimmte Soll-Form” (predefined targed shape) insbesondere eine gewünschte oder idealerweise benötigte oder definierte Form oder Einhüllende (envelope) des von der Quelle von elektromagnetischer Strahlung auszusendenden Impulses sein. Eine solche theoretisch gewünschte Soll-Form eines Impulses kann rechteckförmig sein mit einer vertikalen ansteigenden Flanke, einem horizontalen Impulsdauerabschnitt und einer vertikalen abfallenden Flanke sein. Jedoch sind ebenso auch andere Soll-Formen möglich.
In dem Kontext der vorliegenden Anwendung kann der Ausdruck „tatsächliche Form” (actual shape) insbesondere die Form eines Impulses bezeichnen, so wie er tatsächlich von der Quelle elektromagnetischer Strahlung ausgesendet wird. Aufgrund von Unvollkommenheiten und Verzerrungen, wie etwa Verzögerungen am Beginn und/oder am Ende des Impulses, Intensitätsfluktuationen, Fluktuationen in einem Treibersignal, welches die Quelle von elektromagnetischer Strahlung treibt, Pump-Effekte eines Lasers als elektromagnetische Strahlungsquelle, thermische Effekte, optische Artefakte, Rauschen, usw. mag sich die tatsächliche Impulsform von der Soll-Impulsform unterscheiden.
„Abweichungen zwischen der Soll-Form und der tatsächlichen Form” können hinweisen auf: eine Veränderung der Einhüllenden des Impulses (einschließlich eines Überschießens und/oder eines Unterschießen-Phänomens), eine Veränderung der Intensität des gesamten Impulses oder (sogar noch schlechter) von irgendeinem Teil desselben, eine positive oder negative zeitliche Verzögerung eines tatsächlichen Impulses im Vergleich zu einem Soll-Impuls, eine Veränderung in der Impulslänge, eine Veränderung einer Steigung einer ansteigenden Flanke und/oder einer abfallenden Flanke eines Impulses, eine Abweichung von einer rechteckförmigen Form eines Impulses, usw.
Beispielhafte Ausführungsformen beruhen auf der Betrachtung, dass eine Genauigkeit einer Fasermessung signifikant verbessert werden kann, indem eine Form von zumindest einem Impuls des in die Faser einzukoppelnden Teststrahls korrigiert wird. Daher können Unvollkommenheiten der Impulsform teilweise oder vollständig korrigiert werden, so dass die Genauigkeit der Messung einer physikalischen Größe verbessert werden kann. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform werden Maßnahmen zum Korrigieren von Artefakten, wie von unvollkommenen Impulsen (imperfect pulses) herrühren, herangezogen (nur oder auch) auf der Übertrager-/Emitter-Seite, nicht (oder nicht nur) auf einer Empfänger-/Detektor-Seite. Eine Korrektur der Impulsform kann auf dem Niveau von einzelnen Impulsen oder in einem Mittelwert über mehrere Impulse oder in Abfolgen von mehreren Impulsen oder Messungen ausgeführt werden.
Im Folgenden werden weitere beispielhafte Ausführungsformen der Vorrichtung, des Verfahrens, des Programm-Elements und des Computer-lesbaren Mediums erläutert.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Bestimmungseinheit (wie etwa einen Prozessor oder einen Teil derselben), die dazu ausgebildet ist, (insbesondere vor, während oder nach dem Erzeugen) die Abweichung zwischen der Soll-Form und der tatsächlichen Form des zumindest einen Impulses zu bestimmen. Somit kann das System die Form des erzeugten Impulses (d. h. der bereits von der Quelle elektromagnetischer Strahlung ausgesendet ist) aktiv analysieren oder es kann eine erwartete Form des zu erzeugenden Impulses (d. h. vor seiner Aussendung durch die Quelle elektromagnetischer Strahlung) antizipieren oder vorhersagen, und es kann dabei die Merkmale (characteristics) von Impulsverzerrungen überwachen oder vorhersagen.
Genauer gesagt, kann eine Analyse der Impulsform vor der Aussendung des Impulses als eine Impulsform-Vorhersage bezeichnet werden und diese kann erzielt werden, indem beispielsweise die Form eines Treibersignals, welches eine Quelle elektromagnetischer Strahlung zum Aussenden eines Impulses treibt, überwacht und analysiert wird. In dem Fall, dass ein derartiges Treibersignal bereits Verzerrungen enthält, kann darauf geschlossen werden, dass auch der Impuls der elektromagnetischen Strahlung wahrscheinlich auch entsprechende Verzerrungen enthält. Indem zukünftige Verzerrungen von zu erzeugenden Impulsen als eine Folge von verzerrten Treibersignalen vorhergesagt werden, wird es möglich, die Treibersignale zu korrigieren, wodurch indirekt auch zukünftige Impulse korrigiert werden.
Beispielsweise ist es möglich, für eine Quelle von elektromagnetischer Strahlung und/oder einen Modulator ein charakteristisches Verhalten zu bestimmen, gemäß dem die Quelle elektromagnetischer Strahlung und/oder der Modulator auf der Grundlage eines entsprechenden Eingabesignals (wie etwa eines elektrischen Treibersignals) ein Ausgangssignal (wie etwa einen ausgesendeten Impuls von elektromagnetischer Strahlung) erzeugt. Das Ergebnis von diesem bestimmten oder analysierten charakteristischen Verhalten der Quelle von elektromagnetischer Strahlung und/oder des Modulators kann dann zum Verändern, Korrigieren oder Anpassen des Eingabesignals verwendet werden, so dass das modifizierte, korrigierte oder angepasste Eingabesignal zu einem ausgegebenen Signal führt, das frei von Verzerrungen ist.
Folglich kann die Vorrichtung zeitnah (promptly) und dynamisch auf zeitabhängige Veränderungen der Abweichungsmerkmale reagieren. Eine derartige dynamische Korrektur hat den Vorteil, dass sie es möglich macht, eine Korrektur mit hoher Genauigkeit auszuführen.
Alternativ dazu kann eine erwartete (beispielsweise theoretisch erwartete oder empirisch erwartete) Abweichung als eine Grundlage für die Einstellung verwendet werden. In einem solchen Fall kann eine Bestimmungseinheit ausgelassen werden, was vorteilhaft ist. Eine derartige statische Korrektur kann den vorteilhaften Seiteneffekt (oder Zusatzeffekt) aufweisen, dass sie eine Korrektur im Wesentlichen in Echtzeit mit niedriger Berechnungsbelastung (computational burden) ermöglicht.
In einer Ausführungsform ist die Einstellungseinheit dazu ausgebildet, die Form einzustellen, bevor der zumindest eine Impuls in die Faser eingekoppelt wird. Mit anderen Worten kann die Einstellungseinheit dazu ausgebildet sein, die Form des zumindest einen Impulses vor (upstream) (in einer Ausbreitungsrichtung der primären elektromagnetischen Strahlung) der Faser einzustellen. Folglich kann die Korrektur ausgeführt werden, bevor die primäre elektromagnetische Strahlung in die Faser eintritt und die tatsächliche Fasermessung beginnt, d. h. bevor die primäre elektromagnetische Strahlung in die Faser gekoppelt wird. Folglich kann die Impulsform-Korrektur bereits vervollständigt sein, bevor die Impulse in die als eine Testeinrichtung zum Messen der physikalischen Größe fungierende Messfaser eintreten. Dies stellt eine verbesserte Genauigkeit über den gesamten Messpfad sicher.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Detektor für elektromagnetische Strahlung, der dazu ausgebildet ist, sekundäre elektromagnetische Strahlung, welche in Antwort auf das Einkoppeln der primären elektromagnetischen Strahlung in die Faser in der Faser erzeugt wird, zu detektieren. Beispielsweise kann der Detektor für elektromagnetische Strahlung eine Fotodiode oder irgendein anderer Fotodetektor sein, der in der Lage ist, die sekundäre elektromagnetische Strahlung, welche als eine Antwort auf die in die Faser eingekoppelte, primäre elektromagnetische Strahlung erzeugt wird, zu detektieren. Die Quelle von elektromagnetischer Strahlung kann beispielsweise eine Lichtquelle sein, die sichtbares Licht, infrarotes Licht, ultraviolettes Licht, usw. aussendet.
In einer Ausführungsform ist die Einstellungseinheit dazu ausgebildet, die Quelle von elektromagnetischer Strahlung zu steuern, um den zumindest einen Impuls mit der eingestellten Form zu erzeugen. Indem die Form von Treibersignalen auf der Grundlage davon eingestellt wird, welche nachfolgenden Impulse elektromagnetischer Strahlung erzeugt werden, kann ein Impuls bereits mit der korrigierten Form ausgesendet werden. Mit anderen Worten kann die Korrektur gemäß dieser Ausführungsform bereits auf dem Niveau der elektrischen Treibersignale, welche die Quelle elektromagnetischer Strahlung zum Aussenden von Impulsen elektromagnetischer Strahlung treiben, angewendet werden, anstatt dass die bereits erzeugten Impulse elektromagnetischer Strahlung korrigiert werden. Eine entsprechende Fasermessvorrichtung kann eine Lichtquelle enthalten, um einzelne Impulse oder Abfolgen von Impulsen oder Impulszüge auszusenden. Abweichungen der ausgehenden Impulse oder Impulszüge von der Soll-Form können bestimmt werden, und die Ausgabe der Lichtquelle kann für nachfolgende Lichtaussendung (light emission) eingestellt werden, um die Impulsabweichungen für zukünftige Impulse entsprechend zu korrigieren. Zusätzlich oder alternativ kann ein optischer Verstärker bereitgestellt werden, um derartige Impulse zu verstärken, können Ist-Soll-Abweichungen der ausgehenden Impulse oder Impulszüge bestimmt werden, und kann die Ausgabe der Lichtquelle eingestellt werden, um Impulsabweichungen, so wie diese bestimmt worden sind, zu korrigieren. Gemäß der beschriebenen Ausführungsformen kann die Abweichung zwischen tatsächlichen Impulsen und Soll-Impulsen für zukünftige Impulse vor der tatsächlichen Erzeugung der zukünftigen Impulse kompensiert werden. Wenn die Merkmale (Charakteristik) der Quelle von elektromagnetischer Strahlung so ist, dass die Abweichung aufgrund eines intrinsischen Verhaltens der Quelle elektromagnetischer Strahlung verursacht ist, ist es möglich, entsprechende Diskrepanzen zu antizipieren und den Betrieb der Quelle von elektromagnetischer Strahlung einzustellen, um die Abweichung teilweise oder vollständig zu kompensieren.
In einer Ausführungsform ist die Einstellungseinheit dazu ausgebildet, ein Treibersignal, insbesondere eines Treiberstroms oder einer Treiberspannung, der elektromagnetischen Strahlungsquelle einzustellen, um den zumindest einen Impuls mit der eingestellten Form zu erzeugen. Folglich kann die Korrektur ausgeführt werden, indem der Treiberstrom oder die Treiberspannung der Lichtquelle direkt verändert wird. Wenn die elektromagnetische Strahlungsquelle beispielsweise ein Laser ist, kann der Treiberstrom, der einem solchen Laser beaufschlagt wird, mit einem modifizierten Profil beaufschlagt werden, welches Profil invers ist zu der Form der Verzerrung, die für die Abweichung zwischen der Soll-Form und der tatsächlichen Form verantwortlich ist. Indem einfach das Profil oder die Form des Treibersignals angepasst wird, kann eine genaue (oder präzise) Kompensation der Verzerrungen oder Artefakte mit niedrigem Aufwand möglich sein.
In einer Ausführungsform ist die Einstellungseinheit dazu ausgebildet, die Form des zumindest einen Impulses nach seiner Erzeugung durch die Quelle von elektromagnetischer Strahlung einzustellen. Zusätzlich oder alternativ zu der spezifischen Auswahl eines Treibersignals für die elektromagnetische Strahlungsquelle, welches eine ungewünschte, fehlerhafte Formung eines ausgesendeten Impulses verhindert, ist es möglich, die Impulsform nach ihrer Erzeugung und während ihrer Ausbreitung in Richtung zu dem Strahleinlass in die Messfaser einzustellen. Insbesondere können jegliche verbleibenden Ungenauigkeiten nach der Erzeugung des entsprechenden Impulses mittels einer optischen Manipulation vor (upstream) der Faser kompensiert werden.
In einer Ausführungsform umfasst die Einstellungseinheit eine Manipulator-Einrichtung (nachfolgend auch kurz Manipulator genannt) für elektromagnetische Strahlung (wie etwa einen elektro-optischen Manipulator (EOM) oder einen akusto-optischen Manipulator (AOM)), welche Einrichtung dazu ausgebildet ist, die Form des bereits ausgesendeten, zumindest einen Impulses einzustellen, indem die erzeugte primäre elektromagnetische Strahlung bearbeitet (oder manipuliert) wird. Eine derartige Manipulationseinrichtung für elektromagnetische Strahlung kann entweder ein passiver Manipulator für elektromagnetische Strahlung oder ein aktiver Manipulator für elektromagnetische Strahlung sein. Ein passiver Manipulator für elektromagnetische Strahlung kann so ausgebildet sein, dass er die Impulsform in einer vordefinierten, statischen Weise verändert, beispielsweise zum Kompensieren von vorbekannten, konstanten Verzerrungen. Alternativ kann ein einstellbarer Manipulator für elektromagnetische Strahlung bereitgestellt werden, der in der Lage sein kann, eine definierbare Einhüllende (definable envelope) auf einen tatsächlichen Impuls anzuwenden, so dass dieser neu geformt wird, um die Soll-Form oder eine Form dichter an der Soll-Form als die tatsächliche Form anzunehmen.
In einer Ausführungsform ist die Manipulationseinrichtung für elektromagnetische Strahlung dazu ausgebildet, den zumindest einen Impuls zum Einstellen seiner Form zumindest eines von abzuschwächen und/oder zu verstärken. Insbesondere kann eine Abschwächung und/oder Verstärkung des zumindest einen Impulses in Abhängigkeit von einem Intensitätsprofil des zumindest einen Impulses ausgeführt werden. Beispielsweise kann ein unebenes Intensitätsprofil entlang eines Impulses abgeflacht oder geglättet werden, indem relativ intensive Abschnitte eines Impulses selektiv abgeschwächt werden, während relativ schwache Abschnitte des Impulses selektiv verstärkt werden. Mit anderen Worten kann ein variabler Verstärkungsfaktor (welcher größer als eins oder kleiner als eins sein kann) auf individuelle Abschnitte des tatsächlichen Impulses angewendet werden. Folglich kann die Korrektur ausgeführt werden, indem ein Manipulator verwendet wird, der in der Lage ist, abzuschwächen, zu verstärken oder beides, um die Signalform einzustellen. In einer Ausführungsform wird diese Korrektur ausgeführt, indem ein existierender optischer Verstärker verwendet wird, um die Signalform einzustellen.
In einer Ausführungsform ist die Bestimmungseinheit dazu ausgebildet, die Abweichung mittels eines Sensors für elektromagnetische Strahlung, der dazu ausgebildet ist, für die tatsächliche Form indikative Information zu messen, zu bestimmen. In einer derartigen Ausführungsform wird die Abweichung des ausgehenden Signals mit einem gesonderten optischen Detektor überwacht. In einer derartigen Ausführungsform überwacht ein zweckgebundener Sensor für elektromagnetische Strahlung (nachfolgend auch kurz elektromagnetischer Strahlungssensor genannt) die Form der entsprechenden Impulse. In dem Fall, dass der elektromagnetische Strahlungssensor, der eine Fotodiode sein kann, eine Abweichung der Impulsform von der Soll-Form detektiert, kann er diese Information in eine Rückkopplungsschleife bereitstellen, um die Quelle von elektromagnetischer Strahlung so zu steuern, dass nachfolgende Impulse in einer korrigierten Weise erzeugt werden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der elektromagnetische Strahlungssensor die für die Abweichung indikative Information auch an eine Manipulationseinrichtung für elektromagnetische Strahlung senden, die nach (downstream) der Analyseposition des tatsächlichen Impulses, jedoch vor (upstream) der Messfaser angeordnet ist, so dass die Kompensation oder Korrektur des tatsächlichen Impulses von diesem Manipulator für elektromagnetische Strahlung kann auf der Grundlage des Detektionsergebnisses (detection result) des elektromagnetischen Strahlungssensors ausgeführt werden.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Strahlteiler (beam splitter), der dazu ausgebildet ist, die primäre elektromagnetische Strahlung aufzuteilen in einen ersten Anteil, der in die Faser eingekoppelt werden soll, und in einen zweiten Anteil, der insbesondere kleiner (beispielsweise mindestens 100 mal kleiner) als der erste Anteil ist, der in den Sensor für elektromagnetische Strahlung gekoppelt wird. Ein derartiger Strahlteiler oder Abzapfeinrichtung (tap) kann eine kleine Menge der Intensität der primären elektromagnetischen Strahlung auskoppeln, welche dann als eine von dem elektromagnetischen Strahlungssensor detektierte Probe (oder Messgröße, probe) verwendet wird, um die Form des Impulses zu analysieren. Im Gegensatz dazu wird die große Mehrheit der Intensität der primären elektromagnetischen Strahlung (beispielsweise zumindest 99% oder 99,9% der gesamten Intensität) in die Messfaser eingekoppelt. Dies hat den Vorteil, dass die tatsächliche Fasermessung im Wesentlichen ungestört verbleibt, während die Abzapfeinrichtung oder der Strahlteiler es möglich macht, die Impulsform dynamisch und kontinuierlich zu überwachen, um so in der Lage zu sein, die Impulsform online oder während der Messung zu korrigieren, wenn dies erforderlich oder gewünscht ist.
In einer Ausführungsform ist die Bestimmungseinheit dazu ausgebildet, die Abweichung zu bestimmen, indem tatsächlich detektierte, sekundäre elektromagnetische Strahlung, die sich auf ein vordefiniertes Referenzmessungsmerkmal bezieht, das mit dem zumindest einen Impuls, der die tatsächliche Form anstelle der Soll-Form aufweist, analysiert wird. Somit kann ein wohl bekanntes, detektierbares Referenzereignis (wie etwa ein definiertes Temperaturereignis an der Faser oder an einer vorbestimmten Position derselben) analysiert werden, und die Antwort der gemessenen sekundären elektromagnetischen Strahlung auf dieses Referenzereignis detektiert werden. Die tatsächlich gemessenen Detektionsdaten sind dann indikativ für eine Faltung (oder lineare Überlagerung, convolution) der tatsächlichen Impulsform und dem vorbestimmten Referenzmessungsmerkmal. Eine Entfaltung (deconvolution) der tatsächlich gemessenen Detektionsdaten, unter Verwendung der bekannten Information über das vorbestimmte Referenzmessmerkmal, ermöglicht es dann, Information über die tatsächliche Impulsform abzuleiten. Somit kann die Formabweichung des tatsächlichen Signals mittels der Systemantwort auf ein gemessenes Merkmal mit bekannten Eigenschaften bestimmt werden. Nach dieser Detektion kann eine der oben genannten Maßnahmen ausgeführt werden (wie etwa eine Einstellung der Steuerung des Treibers (oder des Treibens) der Quelle von elektromagnetischer Strahlung oder eine entsprechende Einstellung einer Manipulationseinrichtung für elektromagnetische Strahlung), bis die Abweichung in den gemessenen Daten unter einen Schwellenwert fällt oder Null wird. Dies kann mittels einer Kalibrierung auf der Nutzerseite oder eine Selbstkalibrierung ausgeführt werden.
Insbesondere kann die Bestimmungseinheit dazu ausgebildet sein, die Abweichung zu bestimmen, indem einerseits tatsächlich detektierte, sekundäre elektromagnetische Strahlung betreffend eines vordefinierten Referenzmessmerkmals, das mit dem zumindest einen die tatsächliche Form aufweisenden Impulses erlangt worden ist, und andererseits erwartete, sekundäre elektromagnetische Soll-Strahlung betreffend das vorbestimmte Referenzmessmerkmal für den zumindest einen die Soll-Formenden Impuls verglichen werden. Folglich kann die Verzerrung der Impulsform auch aus einem Vergleich zwischen sauberen oder nicht gestörten Messdaten, welche für das vordefinierte Referenzmessmerkmal (beispielsweise ein standardmäßiges Temperaturereignis), das eine ideale oder nicht gestörte Impulsform aufweist, gemessen werden (welche Messdaten während eines Kalibrationsvorgangs, der beispielsweise auf einer Fabrikseite ausgeführt wird, erlangt werden können) und tatsächlichen Messdaten als einem Fingerabdruck (fingerprint) der verzerrten Impulsform abgeleitet werden. In einer derartigen Ausführungsform kann ein bekanntes Merkmal, beispielsweise ein bekanntes Temperaturereignis bei einer bekannten Position an der Faser, für die tatsächliche Impulsform gemessen werden und kann mit einer Referenzmessung bezüglich einer idealen Soll-Form (beispielsweise einen rechteckförmigen Impuls) für dieses Referenztemperaturereignis verglichen werden. Die Abweichung des erwarteten Detektionssignals von dem tatsächlich detektierten Detektionssignals kann es dann ermöglichen, Information über eine mögliche fehlerhafte Impulsform abzuleiten.
In einer Ausführungsform ist die Bestimmungseinheit dazu ausgebildet, die Abweichung auf der Grundlage eines vordefinierten Modells hinsichtlich der Unvollkommenheit der Form des zumindest einen Impulses, bevor dieser in die Faser eingekoppelt wird, zu bestimmen. Ein derartiges (beispielsweise theoretisches oder empirisches) Modell kann beschreiben, wie die Effekte innerhalb der elektromagnetischen Strahlungsquelle und/oder entlang eines optischen Pfads von der elektromagnetischen Strahlungsquelle zu dem Einlass der Faser die Impulsform beeinflussen. Folglich kann die Abweichung der ausgehenden Impulsform aus der Modellierung abgeschätzt werden. In dieser Ausführungsform kann die Bestimmung der Abweichung ausgeführt werden, ohne dass irgendeine zusätzliche Messung ausgeführt wird, lediglich auf der Grundlage von Expertenwissen (expert knowledge) oder von empirischen Daten hinsichtlich der Abweichung einer tatsächlichen Impulsform von einer Soll-Form. Die Impulserzeugung in der elektromagnetischen Strahlungsquelle und/oder die Impulsmanipulation entlang eines Ausbreitungspfads zwischen der elektromagnetischen Strahlungsquelle und der Faser kann dann entsprechend angepasst werden, um die vorbekannten Unvollkommenheiten der Impulsform zu kompensieren. Dies ist eine sehr einfache Maßnahme des Ausführens der Korrektur, die nicht irgendwelche zusätzliche Hardware und/oder Optiken erfordert.
Die genannten Unvollkommenheiten (imperfections) (vergleiche auch 3 und 4 im Vergleich zu 2), die für die Impulsformkorrektur modelliert werden können, können eines oder mehrere der folgenden Einflüsse umfassen:

– Einflüsse aus der Quelle von elektromagnetischer Strahlung, die Verzerrungen der Treiber-Signalamplitude bewirken,
– Einflüsse aus der Quelle von elektromagnetischer Strahlung, die eine Ausbreitungsverzögerung bewirken,
– thermische Fluktuationen in der Quelle von elektromagnetischer Strahlung,
– Modulationseffekte im Hinblick auf die Erzeugung des zumindest einen Impulses durch die elektromagnetische Strahlungsquelle, wobei die Erzeugung eine Modulationseinrichtung einbezieht, und/oder
– Einflüsse hinsichtlich einer Verstärkung des zumindest einen Impulses nach (downstream) der Quelle von elektromagnetischer Strahlung, usw.

In einer Ausführungsform ist die Einstellungseinheit dazu ausgebildet, die Form einzustellen, indem mehrere Impulse eines Impulszugs gemittelt werden (insbesondere eine zeitliche Mittelung der Rückstreuung desselben ausgeführt wird). In diesem Zusammenhang kann der Ausdruck „Impulszug” insbesondere eine Abfolge von aufeinanderfolgenden Impulsen, welche in die Faser eingeführt oder eingekoppelt werden, bezeichnen. Beispielsweise kann ein derartiger Impulszug 256 Impulse oder 512 Impulse (wobei auch andere Anzahlen von Impulsen selbstverständlich möglich sind) umfassen. Ein Mitteln über mehrere Impulse mittelt auch individuelle Verzerrungen der tatsächlichen Form, was eine Verbesserung der Genauigkeit liefert.
Genauer ausgedrückt, kann die Einstellungseinheit dazu ausgebildet sein, die Form einzustellen, indem zumindest ein Teil der gemittelten mehreren Impulse manipuliert werden, insbesondere verändert oder ausgeschaltet werden. Die Rückstreuung von mehreren Schüssen (multiple shots) eines Impulszuges kann gemittelt werden und die Korrektur kann ausgeführt werden, indem einzelne oder individuelle Impulse in einem Bruchteil der gemittelten Schüsse beibehalten, verändert oder ausgeschaltet werden. Indem die elektromagnetische Strahlungsquelle vorübergehend ausgeschaltet wird, können beispielsweise fehlerhaft geformte Impulse beseitigt (oder eliminiert) werden. Insbesondere können Impulse von einem Impulszug, der eine Energie aufweist, die einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, verringert werden, indem die elektromagnetische Strahlungsquelle für einen oder mehrere entsprechende Impulse während einer bestimmten Anzahl von Schüssen ausgeschaltet wird, so dass eine Mittelung über die Schüsse ein vordefiniertes Energiekriterium erfüllt.
Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Einstellungseinheit dazu ausgebildet sein, um hinsichtlich der Mittelung die Form einzustellen, indem nur Impulse ausgesendet werden, die eine Leistung über einem vordefinierten Leistungswert aufweisen, und ein Rückstreuungssignal subtrahiert wird. Daher können mehrere Schüsse eines Impulszuges gemittelt werden und die Korrektur kann ausgeführt werden, indem nur die Impulse mit der ursprünglichen oder der modifizierten Leistung ausgesendet werden, die während einer Anzahl von Schüssen zu stark sind und das entsprechende Rückstreusignal subtrahiert wird.
In einer Ausführungsform ist die Einstellungseinheit dazu ausgebildet, um hinsichtlich der Mittelung, die Form einzustellen, indem nur Impulse gesendet werden, die eine Leistung unterhalb eines vordefinierten Leistungswerts aufweisen. Mehrere Schüsse eines Impulszuges können gemittelt werden und die Korrektur kann ausgeführt werden, indem nur die Impulse mit der ursprünglichen oder modifizierten Leistung eines Zuges ausgesendet werden, die während eines Bruchteils der gemittelten Schüsse zu schwach sind.
In einer Ausführungsform bilden die Bestimmungseinheit und die Einstellungseinheit einen Teil einer Steuerungsschleife, in der die Abweichung bestimmt wird und die Form eingestellt wird. Folglich ist es möglich, eine Steuerungsschleife, eine Einstellungsschleife oder eine Rückkopplungsschleife zu verwenden, um die Korrektur zu bestimmen und anzuwenden. Folglich kann eine Vorwärtsschleife die Impulse von der elektromagnetischen Strahlungsquelle in die Faser transportieren, wohingegen eine Rückkopplungsschleife oder Steuerungsschleife parallel dazu mögliche Abweichungen einer tatsächlichen Impulsform im Vergleich zu einer Soll-Impulsform bestimmen kann und eine entsprechende teilweise oder vollständige Kompensation oder Korrektur ausführen kann. Diese Architektur belässt die tatsächliche Messung ungestört, während eine gute Genauigkeit der Impulsform sichergestellt ist.
In einer Ausführungsform sind die Bestimmungseinheit und die Einstellungseinheit dazu ausgebildet, die Abweichung zu bestimmen und die Form vor oder während der Ausführung einer Fasermessung einzustellen. In einer Ausführungsform kann die Steuerungsschleife online parallel zu dem Ausführen einer Messung arbeiten. In einer anderen Ausführungsform kann die Steuerungsschleife verwendet werden, um das Instrument vor dem Messungsbeginn selbst zu kalibrieren (self-calibrate). In noch einer anderen Ausführungsform kann die Steuerungsschleife zur Kalibrierung benutzt werden, insbesondere während einer Fabrikkalibrierung oder einer vorgesehenen (scheduled) Neukalibrierung. Das Ausführen der Impulseinstellung bereits vor dem Beginn der Fasermessung stellt sicher, dass die gesamte Fasermessung mit einer richtigen (korrekten) Impulsform ausgeführt werden kann. Das Ausführen der Korrektur während der Messung erlaubt auch, auf dynamische Veränderungen der Impulsform, beispielsweise aufgrund von einer Veränderung der Temperatur der elektromagnetischen Strahlungsquelle, von Alterungseffekten oder von Veränderungen von Betriebsparametern usw., zu reagieren.
In einer Ausführungsform ist die Quelle von elektromagnetischer Strahlung dazu ausgebildet, als den zumindest einen Impuls einen aus der Gruppe, die folgendes umfasst: einen Einzelimpuls, eine Abfolge von Impulsen oder einen Impulszug, zu erzeugen. Beispielsweise kann ein Einzelimpuls eine Dauer von mehreren Nanosekunden aufweisen. Ein vollständiger Impulszug kann eine Dauer von mehreren Mikrosekunden aufweisen.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Auswertungseinheit, die dazu ausgebildet ist, die detektierte sekundäre elektromagnetische Strahlung auszuwerten, um Information, die für die physikalische Größe indikativ ist, zu bestimmen. Die physikalische Größe kann ein Wert von einem physikalischen Parameter sein, beispielsweise eine Temperatur, eine Vibration oder eine mechanische Last, usw.
In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung als eine verteilte Temperaturmess(DTS, Distributed Temperature Sensing)-Vorrichtung, eine verteilte akustische Mess(DAS, Distributed Acoustic Sensing)-Vorrichtung und/oder als eine optische Zeitbereichs-Reflektometer(OTDR, Optica/Time-Domain Reflectometer)-Vorrichtung konfiguriert. Mit DTS ist es möglich, eine Temperatur oder eine Temperaturverteilung entlang der Faser zu bestimmen. Mit DAS ist es möglich, Vibrationen oder eine mechanische Last, und insbesondere eine entsprechende räumliche Verteilung derselben entlang der Ausdehnung der Faser, zu detektieren. Ein OTDR ist ein opto-elektronisches Instrument, das verwendet werden kann, um die Faserverluste und -reflexionen zu charakterisieren.
Die oben definierten Aspekte und die weiteren Aspekte der Erfindung werden aus den Beispielen von Ausführungsformen, die nachfolgend beschrieben werden sollen, offensichtlich und werden mit Verweis auf diese Beispiele von Ausführungsformen erläutert.
Die Erfindung wird nachfolgend in näherer Einzelheit mit Verweis auf Beispiele von Ausführungsformen, auf welche die Erfindung nicht beschränkt ist, beschrieben.
1 veranschaulicht eine Fasermessvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
2 veranschaulicht eine ideale Soll-Form von einer Abfolge von Impulsen.
3 und 4 veranschaulichen für die Abfolge der Impulse gemäß 2 eine tatsächliche Impulsfolge, so wie die während einer realen Messung auftritt, wobei die Messung verschiedene Impulsform-Abweichungen oder -Unvollkommen-heiten zeigt, welche berücksichtigt werden können, um diese zumindest teilweise zu kompensieren, gemäß beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung.
5 zeigt eine Verstärkerbelastung und -erschöpfung (amplifier loading and depletion) und entsprechende Impulsform-Artefakte, welche zumindest teilweise kompensiert werden können, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt Schaubilder, die beispielsweise für einen Einzelimpuls eine Abhängigkeit der Eingangsleistung und der Ausgangsleistung von der Zeit für eine konstante Eingabe und für eine kompensierte Eingabe veranschaulichen, gemäß beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung.
7 zeigt Schaubilder, die beispielsweise für einen Impulszug, einer Abhängigkeit der Eingangsleistung und der Ausgangsleistung von der Zeit für verschiedene Arten der Kompensation veranschaulichen, gemäß beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung.
Die Darstellung in den Zeichnungen ist schematisch. In verschiedenen Zeichnungen sind ähnliche oder identische Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
Vor dem Beschreiben der Figuren in näheren Einzelheiten werden einige grundlegende Betrachtungen der vorliegenden Erfinder zusammengefasst, auf deren Grundlage die beispielhaften Ausführungsformen entwickelt worden sind.
Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung legt Nachdruck auf Unvollkommenheiten von Lichtimpulsen, und verringert oder eliminiert sogar derartige Impulsunvollkommenheiten durch Impulsformung.
Unvollkommenheiten von erzeugten Impulsen (siehe auch 3 und 4 im Vergleich zu der 2) können Verzerrungen des aufgenommenen und entfalteten (acqulred and deconvoluted) Messsignals im Hinblick auf die Fasermessung bewirken. Im Folgenden werden Beispiele für derartige Unvollkommenheiten von Impulsen angegeben. Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unterdrücken oder eliminieren sogar derartige und andere Unvollkommenheiten:

– für eine Architektur, bei der die Quelle von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere ein Laser, durch den treibenden Strom direkt moduliert wird, können Induktivitäten im Gehäuse und im Schaltkreis Spannungsüberschwingungen (voltage overshoots) bewirken, wenn das Schalten des Stroms Überschwingungen in den ausgesendeten Lichtimpulsen bewirkt. Des Weiteren können Induktivitäten Ausbreitungsverzögerungen von der Stromveränderung bis zur Aussendung von Licht bewirken, so dass ein Schalten des Lichts sowohl beim Einschalten als auch beim Ausschalten verzögert wird. Beide können die Energie von Teilen des Impulses für ein entsprechendes Fenster verändern. Darüber hinaus können thermische Fluktuationen in der Quelle von elektromagnetischer Strahlung (wie etwa einem Laser) oder deren Treiberschaltkreisen zeitlich veränderliche Einhüllende von Einzelimpulsen oder Impulszüge verursachen.
– Im Fall von indirekter Modulation, bei dem das Licht von der Quelle von elektromagnetischer Strahlung kontinuierlich ausgesendet wird und optisch moduliert wird, beispielsweise mittels eines elektro-optischen Elements, eines akusto-optischen Elements, eines MEMS (mikromechanisches System), einer Halbleiter-Abschwächeinrichtung, usw., können die spezifischen Merkmale, beispielsweise Verzögerungen oder Überschwingungen, der Modulatoreinrichtung die Form der Impulse beeinflussen.
– Des Weiteren kann eine nachfolgende optische Verstärkung der primären elektromagnetischen Strahlung Unvollkommenheiten von Impulsen und Impulszügen einfügen oder einführen. Faserverstärker liefern eine hohe Verstärkung, haben jedoch lange Zeitkonstanten des Pumpens des aktiven Mediums im Vergleich zu der Dauer des Impulses oder Impulszugs. Folglich wird der Verstärker während der Lichtaussendung erschöpft oder abgebaut (depleted) und jeder Impuls eines Impulszugs oder der Impuls selbst für einen einzelnen Impuls erhält weniger Verstärkung als derjenige davor. Der Verstärker wird neu gepumpt (gets re-pumped) bis zu dem nächsten Impuls und wird dann wieder einigen Zerfall zeigen (siehe 5).

Diese und andere Phänomene von Impulsform-Verzerrungen können bestimmt werden, beispielsweise indem eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen getroffen werden:

– Die Bestimmung der Abweichung von einer optimalen Soll-Impulsform kann direkt erlangt werden über einen Abzapf-Koppler (tap-coupler) und einen schnellen Fotodetektor.
– Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, das aufgenommene Signal auf individuelle (distinct) und bekannte Merkmale entlang des Messabschnitts der Faser hin zu analysieren, um die Verzerrung der ausgesendeten Impulse zu extrahieren.
– Wenn die Abweichung des Lichtsignals aus grundlegenden physikalischen Betrachtungen oder Parametrisierungen eines empirischen Modells modelliert werden kann, kann eine Kompensationseingabe berechnet werden, um die Effekte zu unterdrücken oder sogar zu eliminieren. Das Modell kann optional mit geeigneten Parametern während einer anfänglichen Kalibrierung, bei einem Selbsttest oder während einer laufenden Messung kalibriert werden.

Insbesondere ist es möglich, eine Rückkopplungsschleife zu implementieren, um individuelle Impulsintensitäten zu korrigieren.
Es gibt mehrere Arten, um diese Unvollkommenheiten zu kompensieren, gemäß beispielhafter Ausführungsformen der Erfindungen. Einige von diesen sind die folgenden:

– Der Treiberstrom der elektromagnetischen Strahlungsquelle kann mit einem Hochgeschwindigkeits-Digital-Analog-Wandler verändert werden, welcher die Stromquelle steuert, um die Energie und die Form von jedem Impuls ebenso wie die Einhüllende in der Art einer Rückkopplungsschleife oder aus dem abgeleiteten Modell einzustellen.
– Optische Modulatoren, wie etwa ein elektro-optischer Modulator (EOM), ein akusto-optischer Modulator (AOM) oder ein schneller Verstärker, wie etwa ein optischer Halbleiter-Verstärker (SOA; semi-conductor optical amplifier) können verwendet werden, um die Intensität auf ihren Soll-Wert zu verändern. Ein solcher einer oder mehrere Modulatoren können an mehreren Positionen in einer Abfolge von optischen Elementen, welche Impulse oder Impulszüge erzeugen, positioniert (oder angeordnet) werden.
– In Aufbauten, wo mehrere Schüsse (multiple shots) gemittelt werden, kann die gemittelte Intensität von einzelnen Impulsen oder einem Impulszug modifiziert werden durch zeitliche Gewichtung:
– Beispielsweise können Impulse eines Zugs, der zu viel Energie aufweist, verringert werden, indem das Licht von dem spezifischen Impuls für eine bestimmte Anzahl von Schüssen ausgeschaltet wird, so dass der Mittelwert von allen Schüssen die gewünschte Energie zeigt. Es ist auch möglich, dass Impulse eines Zugs, der zu viel Energie aufweist, verringert werden kann, indem nur die entsprechenden Impulse ausgesendet werden und das Signal von dem ursprünglichen einen subtrahiert wird.
– Impulse von einem Zug, der zu wenig Energie aufweist, können erneut gesendet werden und zu dem ursprünglichen Signal addiert werden.

1 zeigt eine Fasermessvorrichtung 100, die als ein verteiltes Temperaturmess-(DTS)-System ausgeführt ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
Die Fasermessvorrichtung 100 umfasst einen Laser als eine Quelle 102 von elektromagnetischer Strahlung, die dazu ausgebildet ist, Impulse von elektromagnetischer Strahlung als primäre elektromagnetische Strahlung, die in einer Faser (einem Lichtleiter) 108 für eine DTS-Messung eingekoppelt werden sollen, zu erzeugen. Die von der elektromagnetischen Strahlungsquelle 102 ausgesendete elektromagnetische Strahlung kann Licht im nahen Infrarot sein, beispielsweise mit einer Wellenlänge in einem Bereich zwischen 1000 nm und 1600 nm. Die Länge von individuellen Impulsen kann mehrere Nanosekunden, beispielsweise 5 ns, sein.
Für die nachfolgende Beschreibung werden insbesondere zwei Einheiten eingeführt: eine Bestimmungseinheit 104 ist bereitgestellt und dazu ausgebildet eine mögliche Abweichung zwischen einer vorbestimmten Soll-Form und einer tatsächlichen Form der Impulse, die von der Quelle 102 elektromagnetischer Strahlung erzeugt und ausgesendet werden, zu bestimmen. Eine Einstellungseinheit 106 kann dazu ausgebildet sein, die Form der Impulse einzustellen, um die Abweichung zwischen der theoretisch gewünschten Soll-Form und der realen oder tatsächlichen Form, so wie sie von der elektromagnetischen Strahlungsquelle 102 ausgesendet werden, zu korrigieren oder zu kompensieren, obwohl versucht wird, Impulse mit der Soll-Form zu erzeugen. Die Bestimmungseinheit 104 und die Einstellungseinheit 106, die als einzelne Prozessoren oder als ein gemeinsamer Prozessor ausgeführt sein können, enthalten mehrere Teilkomponenten, die nachfolgend in näherer Einzelheit beschrieben werden.
Die Impulse der primären elektromagnetischen Strahlung, die von der elektromagnetischen Strahlungsquelle 102 erzeugt und ausgesendet werden, breiten sich entlang eines optischen Pfads 122 aus, werden optional mittels eines optionalen Verstärkers 114 optisch verstärkt, und werden dann in eine Messfaser 108 eingekoppelt. Der Verstärker 114 kann einen Faserverstärker (wie etwa ein Teil einer gepumpten Faser zum Stimulieren von Emission, beispielsweise ein mit Erbium dotierter Faserverstärker (EDFA, erbium doped fiber amplifier) oder ein Festkörperlaser sein.
Die primäre elektromagnetische Strahlung breitet sich dann in einer Weise, die für die Fachleute in dem Gebiet von DTS bekannt ist, entlang der Faser 108 aus und wird zurückgestreut, so dass sich sekundäre elektromagnetische Strahlung entlang der Faser 108 rückwärts ausbreitet. Die rückgestreute, sekundäre elektromagnetische Strahlung enthält Information bezüglich der zu messenden physikalischen Größe, wie etwa eine Temperaturverteilung entlang der räumlichen Ausdehnung der Faser 108. Ein Detektor 110 für elektromagnetische Strahlung, beispielsweise ein Fotodetektor ist dazu ausgebildet, die sekundäre elektromagnetische Strahlung, die in der Faser 108 in Antwort auf das Einkoppeln der primären elektromagnetischen Strahlung in die Faser 108 erzeugt worden ist, zu detektieren. So wie das in 1 angedeutet ist, ist es optional möglich, eine Vorverarbeitungseinheit 110a bereitzustellen (die entweder ein Teil des elektromagnetischen Strahlungsdetektors 110 sein kann oder die in einem Signalflusspfad nach (downstream) des elektromagnetischen Strahlungsdetektors 110 bereitgestellt werden kann), die dazu ausgebildet ist, die Detektionssignale vorzuverarbeiten (pre-processing), bevor diese (dann vorverarbeiteten) Detektionssignale an eine oder mehrere der mit den Bezugszeichen 132, 130 angedeuteten Einheiten weitergeleitet werden. Eine Auswertungseinheit 130 ist dazu ausgebildet, die detektierte, sekundäre elektromagnetische Strahlung auszuwerten, um Information, welche für die physikalische Größe indikativ ist, zu bestimmen, d. h. um die Temperaturverteilung entlang der Faser 108 zu bestimmen.
In einem Szenario, indem eine tatsächliche Impulsform (siehe beispielsweise 3 und 4) sich unterscheidet oder abweicht von einer vordefinierten Soll-Form (siehe z. B. 2), werden Artefakte in die Fasermessvorrichtung 100 eingeführt, welche die Genauigkeit der detektierten physikalischen Größe verringern können. Die Bestimmungseinheit 104 und die Einstellungseinheit 106 arbeiten und kooperieren funktionell zum Verbessern der Genauigkeit der Impulsformung, wobei auch die Genauigkeit der detektierten physikalischen Größe verbessert wird. Im Folgenden werden mehrere Möglichkeiten des Bestimmens und Einstellens beschrieben werden. Es ist jedoch für einen Fachmann offensichtlich, dass eine der genannten Möglichkeiten zum Bestimmen und eine der genannten Möglichkeiten des Einstellens ausreichend sind, um die Genauigkeit zu verbessern. Folglich ist jede mögliche Kombination der verschiedenen Möglichkeiten des Bestimmens und der verschiedenen Möglichkeiten des Einstellens möglich, sogar ein Bestimmen mit mehreren dieser Möglichkeiten und/oder ein Einstellen mit mehreren dieser Möglichkeiten. In noch einer anderen Ausführungsform kann eine Bestimmungseinheit 104 in einem Szenario, in dem eine Abweichung zwischen einer Soll-Impulsform und einer tatsächlichen Impulsform bereits bekannt ist, beispielsweise aus historischen Messungen, sogar ausgelassen werden.
Gemäß einer Möglichkeit des Bestimmens ist die Bestimmungseinheit 104 dazu ausgebildet, die Abweichung mittels eines gesonderten elektromagnetischen Strahlungssenors 116, wie etwa einer Fotodiode, zu bestimmen. In diesem Zusammenhang kann ein Strahlteiler 118 oder Abzapfer (tap) bereitgestellt werden, um die primäre elektromagnetische Strahlung aufzuteilen in einen großen ersten Anteil, der in die Faser 108 eingekoppelt werden soll, und in einen viel kleineren zweiten Anteil, der in den elektromagnetischen Strahlungssensor 116 eingekoppelt werden soll. Der Sensor 116 der elektromagnetischen Strahlung kann dann den zweiten Anteil detektieren und kann die entsprechenden Detektionsdaten verwenden, um die Impulsform zu analysieren, um dabei die tatsächliche Impulsform zu bestimmen. Die bestimmte tatsächliche Impulsform kann dann mit der vorbestimmten Soll-Form verglichen werden, um die Abweichung zu bestimmen.
Gemäß einer anderen Möglichkeit der Bestimmung ist die Bestimmungseinheit 104 dazu ausgebildet, die Abweichung zu bestimmen, indem tatsächlich detektierte, sekundäre elektromagnetische Strahlung bezüglich eines vorbestimmten Referenzmessungsmerkmals, das mit den die tatsächliche Form aufweisenden Impulsen (d. h. ohne Korrektur oder Kompensation) erhalten worden sind, analysiert werden. Beispielsweise kann ein standardmäßiges räumliches Temperaturereignis (wie etwa ein Temperaturschritt von 100°C an einer vorbestimmten Position entlang der Faser 108) angewendet und gemessen werden. Die entsprechende sekundäre elektromagnetische Strahlung, die von dem elektromagnetischen Strahlungsdetektor 110 detektiert wird (wobei der Strahlteiler 118 die sekundäre elektromagnetische Strahlung oder einen Teil davon auf den elektromagnetischen Strahlungsdetektor 110 richten kann) kann dann ausgewertet werden mit der Kenntnis, dass die Temperaturdifferenz von 100°C bei der vorbestimmten Position der Faser 108 ist. Eine Diskrepanz zwischen der tatsächlich detektierten, sekundären elektromagnetischen Strahlung und der sekundären elektromagnetischen Strahlung, die für dieses standardmäßige Temperaturereignis erwartet wird, ist dann aufgrund von Impulsform-Artefakten vorhanden, was es ermöglicht, die Abweichung der tatsächlichen Impulsform von der vordefinierten Soll-Impulsform zu berechnen.
In noch einer anderen Möglichkeit der Bestimmung ist die Bestimmungseinheit 104 dazu ausgebildet, die Abweichung auf der Grundlage eines vordefinierten Modells bezüglich der Unvollkommenheit (imperfection) der Form des Impulses, bevor er in die Faser 108 eingekoppelt wird, zu bestimmen. Eine Datenbank 134 kann entsprechende Daten von einem solchen Modell von Unvollkommenheiten der Form der Impulse umfassen.
Gemäß einer Möglichkeit des Einstellens ist die Einstellungseinheit 106 dazu ausgebildet, unter der Steuerung einer Steuerungseinheit 132 (wie etwa einem Prozessor, der ein gesonderter Prozessor sein kann oder der einen Teil von einem der oben genannten Prozessoren sein kann) die Quelle 102 von elektromagnetischer Strahlung zu steuern, um die Impulse bereits mit der eingestellten Form zu erzeugen. Genauer gesagt kann die Steuerungseinheit 132 der Einstellungseinheit 106 dazu ausgebildet sein, einen Treiberstrom oder eine Treiberspannung der elektromagnetischen Strahlungsquelle 102 einzustellen, um die Impulse mit der eingestellten Form zu erzeugen. Folglich können zukünftige Impulse bereits mittels der elektromagnetischen Strahlungsquelle 102 mit einer korrigierten Impulsform ausgesendet werden.
Gemäß einer anderen Möglichkeit des Einstellens kann die Einstellungseinheit 106 dazu ausgebildet sein, die Form der Impulse nach deren Erzeugung durch die elektromagnetische Strahlungsquelle 102 einzustellen. Zu diesem Zweck kann die Einstellungseinheit 106 eine Manipulationseinrichtung 112 für elektromagnetische Strahlung (wie etwa einen AOM oder einem EOM) aufweisen, die dazu ausgebildet ist, die Form der Impulse einzustellen, indem die erzeugte, primäre elektromagnetische Strahlung manipuliert wird bevor sie in die Faser 108 eingekoppelt wird. Optional kann ein bereits vorhandener Verstärker 114 in synergetischer Weise für diesen Zweck verwendet werden. In der 1 können die Positionen der Manipulationseinrichtung 112 für elektromagnetische Strahlung und die des Verstärkers 114 auch untereinander ausgetauscht werden. Der elektromagnetische Strahlungsmanipulator 112 kann auch dazu ausgebildet sein, ein Intensitätsprofil der Impulse zum Einstellen von deren Form abzuschwächen und/oder zu verstärken. Die entsprechenden Impulse können in dem elektromagnetischen Strahlungsmanipulator 112 geformt werden und können sich dann auf ihrem Pfad in Richtung zu dem optionalen optischen Verstärker 114 weiter ausbreiten.
Gemäß noch einer anderen Möglichkeit des Einstellens kann die Einstellungseinheit 106 dazu ausgebildet sein, die Form einzustellen, indem das aufgenommene Rückstreusignal über mehrere Aussendungen (Emissionen) eines Impulszugs gemittelt wird. Dies kann ausgeführt werden, indem ein Teil der gemittelten mehreren Impulse manipuliert wird, insbesondere verändert oder ausgeschaltet wird. Dies kann auch ausgeführt werden, indem nur Impulse mit einer Leistung oberhalb eines vorbestimmten Leistungswerts ausgesendet werden und ein Rückstreusignal der sekundären elektromagnetischen Strahlung subtrahiert wird. Des Weiteren kann dies ausgeführt werden, indem nur Impulse, die eine Leistung unterhalb eines vorbestimmten Leistungswerts aufweisen, ausgesendet werden.
So wie das der 1 entnommen werden kann, bilden die Bestimmungseinheit 104 und die Einstellungseinheit 106 einen Teil einer Steuerschleife 120, in der die Abweichung bestimmt und die Form eingestellt wird. Die Steuerschleife 120 kann parallel zu dem Messpfad oder optischen Pfad 122 bereitgestellt werden, so dass die Messung während der Impulsform-Korrektur fortgesetzt werden kann.
Die Bezugszeichen 116 und/oder 110 und/oder 134 können daher die Bestimmungseinheit 104 ausbilden, die eine Abweichung zwischen einer vordefinierten Soll-Form und einer tatsächlichen Form der Impulse bestimmt. Die Steuerungseinheit 132, die die Impulserzeugung der Fasermessvorrichtung 100 steuert, kann mit den Daten aus der Bestimmungseinheit 104, die für die Abweichung zwischen der Soll-Form und der tatsächlichen Form indikativ sind, versorgt werden. In einer Alternative können die Impulserzeugung und Korrektur unabhängig von der gesamten Messungsauswertung ablaufen. Auf der Grundlage von dieser Diskrepanz kann die Steuerungseinheit 132 die elektromagnetische Strahlungsquelle 102 und/oder den elektromagnetischen Strahlungsmanipulator 112 und/oder den optionalen Verstärker 114 steuern, so dass die Abweichung teilweise oder vollständig kompensiert wird. So wie das in der 1 angedeutet ist, ist es optional auch möglich, eine Steuerungseinheit 132a für die elektromagnetische Strahlungsquelle bereitzustellen, welche Einheit dazu ausgebildet ist, die Aussendung der elektromagnetischen Strahlung von der elektromagnetischen Strahlungsquelle 102 auf der Grundlage von Steuerungssignalen, die von der Steuerungseinheit 132 empfangen werden, zu steuern. Somit kann nach der Impulsformung, die von der Einstellungseinheit 106 (ausgebildet durch die Bezugszeichen 132 und/oder 112 und/oder 114) ausgeführt wird, die tatsächliche Form der Soll-Form entsprechen. In vorteilhafter Weise kann die Impulsform-Korrektur vor der Detektion der sekundären elektromagnetischen Strahlung mittels des elektromagnetischen Strahlungsdetektors 110 ausgeführt werden, insbesondere bevor die primäre elektromagnetische Strahlung in die Faser 108 eingekoppelt wird.
Es sollte des Weiteren angemerkt werden, dass es als eine Alternative zu dem Strahlteiler 118, insbesondere was das Auskoppeln des Strahls der sekundären elektromagnetischen Strahlung betrifft, auch möglich ist, einen Wellenlängenteiler (wie etwa ein WDM-Element, einen Wellenlängen-Teilungsmultiplexer (wave-length division multiplexer)) oder einen Zirkulator zu implementieren.
So wie das in der 1 mit dem Bezugszeichen 149 schematisch angedeutet ist, ist es möglich, dass ein vorbekanntes räumliches Referenzereignis an der Messfaser 108 alternativ innerhalb des Instruments entlang des Messpfads (wie etwa eine Stelle mit hoher Temperatur bei einer bestimmten Position entlang der Messfaser 108) vorhanden ist. Es ist des Weiteren möglich, dass das Bestimmen und Einstellen in der Anwesenheit von einem solchen vorbekannten räumlichen Referenzereignis erzielt wird.
Gemäß der 1 ist die Steuerung der Treiberspannung zum Treiben der elektromagnetischen Strahlungsquelle 102 in der Steuerungseinheit 132 integriert. Jedoch kann alternativ die Treiberspannung oder irgendein anderes Treibersignal auch von einer anderen Entität als der Steuerungseinheit 132 erzeugt und/oder gesteuert werden.
So wie das der 1 entnommen werden kann, wird die Bestimmung der Abweichung mittels der Bestimmungseinheit 104 auf der Grundlage der erzeugten anfänglichen Impulse (siehe Bezugszeichen 116) und/oder auf der Grundlage der detektierten Antwortimpulse (siehe Bezugszeichen 110) und/oder auf der Grundlage von Modelldaten (siehe Bezugszeichen 134) ausgeführt. Es sollte jedoch betont werden, dass zusätzlich oder alternativ dazu die Bestimmung der Abweichung mittels der Bestimmungseinheit 104 auch auf der Grundlage von einem Zwischen- oder End-Ergebnis der zu bestimmenden physikalischen Größe (wie etwa auf der Grundlage eines Temperatursignals oder einer Vorform dazu) ausgeführt werden kann. Beispielsweise werden in dem Fall von DTS das Stokes-Signal und das Antistokes-Signal aus dem von dem elektromagnetischen Strahlungsdetektor 110 detektierten Detektionssignal extrahiert. Die Temperaturmessung entlang der Messfaser 108 wird dann auf der Grundlage eines Verhältnisses zwischen dem Stokes-Signal und dem Antistokes-Signal bestimmt. Folglich werden bestimmte Berechnungen ausgeführt, um die physikalische Größe auf der Grundlage des Detektionssignals zu erlangen. Während dieser Berechnung werden Zwischenergebnisse und ein Endergebnis erhalten. Jedes von diesen Zwischenergebnissen (siehe Bezugszeichen 110a) oder Endergebnissen (siehe Bezugszeichen 130) kann als eine Grundlage für die Bestimmung der Verzerrung verwendet werden.
2 zeigt eine ideale Soll-Form 200 von einer Abfolge von Impulsen 202. Die Soll-Form 200 ist in diesem Szenario eine rechteckförmige Form, wobei verschiedene Impulse 202 des gezeigten Impulszugs verschiedene Längen in der Zeit oder im Raum aufweisen.
3 und 4 zeigen für die Abfolge der Impulse 202 gemäß der 2 tatsächliche Impulsformen 300 so wie sie während einer realen Messung auftreten. Folglich zeigen die 3 und die 4 verschiedene Impulsform-Abweichungen oder -Unvollkommenheiten, die berücksichtigt werden können, um diese zumindest teilweise zu kompensieren, gemäß beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung. Die Artefakte gemäß der 3 beziehen sich auf Induktivitätseffekte. Die in 3 gezeigten Abweichungsmerkmale sind Überschwingungen 302, Verzögerungen 304 und abgerundete Kanten 306. Die 4 zeigt zusätzlich Artefakte, die von einem Verstärker herrühren, genauer gesagt von einem Verstärkungsabfall eines vorgepumpten Verstärkers (pre-pumped amplifier). Dies führt zu einer nicht-horizontalen Einhüllenden 400, die einen Einfluss auf die Intensität der Impulse 202 hat. Mit anderen Worten, die Einhüllende 400 bewirkt, dass die Intensität der Impulse 202 ungleich ist.
5 zeigt ein Schaubild 500 mit einer Abszisse 502, entlang der die Zeit gezeichnet ist. Entlang einer Ordinate 504 ist eine Verstärkung gezeichnet. Die 5 zeigt Impulszüge 508 von einzelnen Impulsen 202. Intervalle des Neupumpens (re-pumping) sind mit dem Bezugszeichen 510 bezeichnet. Beispielsweise dauert ein Intervall des Neupumpens 510 mehrere Millisekunden, wohingegen ein Intervall eines Impulszugs 508 mehrere Mikrosekunden dauert. Eine Einhüllende 400 ist gezeigt. Die 5 zeigt daher eine Verstärkeraufladung und -abreicherung und (amplifier loading and depletion) und zeigt auch entsprechende Impulsform-Artefakte, die gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zumindest teilweise kompensiert werden können.
Als ein Beispiel wird im Folgenden ein Kompensationsmodell für die Kompensation einer Verstärkerabreicherung vorgestellt. Genauer gesagt wird ein Beispiel eines Faserverstärkers, der während der Messung abgereichert wird, angegeben.
Es mag ein Ziel sein, die Ausgangsleistung (P_aus, englischsprachig: P_out) der Verstärkerkonstante über der Zeit t während der Aussendung eines einzelnen Impulses (Eingangsleistung P_ein, englischsprachig: P_in) konstant zu halten: P_out(t) = G(t)P_in(t) = P₀ = const

G(t):: aktuelle Verstärkung des Verstärkers
P₀:: Soll-Ausgangsleistung

Ein Verstärkermodell kann mit einer optischen Aufladung zusammenhängen. Folglich kann die Verstärkung sich proportional mit der ausgesendeten Leistung verringern. Es kann angenommen werden, dass das Neupumpen auf einer viel längeren Zeitskala als eine Impulslänge auftritt, weshalb ein Neupumpen während der Aussendung ausgelassen oder vernachlässigt wird.

β:: Zerfallskonstante der Verstärkung des Verstärkers

Ġ(t) = –βP_out(t) → Ġ(t) = –βP₀ ⇒ G(t) = –βP₀t + G₀

₀

Diese Ergebnisse ergeben kombiniert (englischsprachig: P_in = deutschsprachig P_ein):
Für Impulszüge kann eine gute Kompensation erzielt werden, wenn die Kompensationsfunktion nicht zur Echtzeit (real time), sondern zu der integrierten Zeit t_comp, während der das Eingabelicht eingeschaltet war, angewendet wird.
Als ein Beispiel wird im Folgenden ein Einzelimpuls betrachtet (diese Betrachtung gilt auch für eine Abfolge von Impulsen):
6 zeigt Schaubilder 600 und 650. In dem Schaubild 600 ist die Zeit (in Mikrosekunden) entlang einer Abszisse 602 gezeichnet, wohingegen die Eingangsleistung P_in (in = Eingang) entlang einer Ordinate 604 gezeichnet ist. Eine erste Kurve 606 bezieht sich auf eine konstante Eingangsleistung P_in. Eine zweite Kurve 608 bezieht sich auf eine Eingangsleistung P_in, die mit der Zeit anwächst. In dem Schaubild 650 ist die Zeit (in Mikrosekunden) entlang einer Abszisse 602 gezeichnet, wohingegen eine Ausgangsleistung P_out (out = Ausgang) entlang einer Ordinate 652 gezeichnet ist. Eine erste Kurve 654 in dem Schaubild 650 bezieht sich auf die konstante Eingangsleistung P_in gemäß der ersten Kurve 606 in dem Schaubild 600. Eine zweite Kurve 656 in dem Schaubild 650 bezieht sich auf die Eingangsleistung P_in, die mit der Zeit zunimmt, gemäß der zweiten Kurve 608 in dem Schaubild 600.
Die 6 veranschaulicht folglich, beispielsweise für einen Einzelimpuls, eine Abhängigkeit der Eingangsleistung P_in und der Ausgangsleistung P_out über der Zeit für eine konstante Eingabe (siehe Kurven 606, 654) und für eine kompensierte Eingabe (siehe Kurven 608, 656) gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. So wie das der 6 entnommen werden kann, zeigt eine konstante Eingabe an dem Ausgang einen exponentiellen Abfall (siehe Kurven 606, 654). Die kompensierte Einhüllende zeigt eine konstante Ausgabe (siehe Kurven 608, 656).
Als ein anderes Beispiel wird im Folgenden ein Impulszug betrachtet:
7 zeigt Schaubilder 700 und 750. In dem Schaubild 700 ist die Zeit (in Mikrosekunden) entlang einer Abszisse 702 gezeichnet, wohingegen eine Eingangsleistung P_in entlang einer Ordinate 704 gezeichnet ist. Eine erste Kurve 706 bezieht sich auf ein Szenario mit einem vollständig kompensierten Code A (wobei Code A eine bestimmte Code-Art bezeichnet). Eine zweite Kurve 708 bezieht sich auf ein Szenario mit einem vollständig kompensierten Code NA, wobei Code NA das logisch Inverse des Codes A bezeichnet (d. h. Code NA nimmt einen logischen Wert „1” an, wenn der Code A einen logischen Wert „0” annimmt, und umgekehrt). In dem Schaubild 750 ist die Zeit (in Mikrosekunden) entlang einer Abszisse 702 gezeichnet, wohingegen eine Ausgangsleistung P_out entlang einer Ordinate 752 gezeichnet ist. Eine erste Kurve 754 in dem Schaubild 750 bezieht sich auf das Szenario des vollständig kompensierten Codes A gemäß der ersten Kurve 706 in dem Schaubild 700. Eine zweite Kurve 756 in dem Schaubild 750 bezieht sich auf das Szenario mit dem vollständig kompensierten Code NA gemäß der zweiten Kurve 708 in dem Schaubild 700.
Somit zeigt 7 Schaubilder 700 und 750, die, nur für das Beispiel eines Impulszugs, eine Abhängigkeit der Eingangsleistung und der Ausgangsleistung mit der Zeit für verschiedene Arten der Kompensation gemäß beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung zeigt.
Es sollte angemerkt werden, dass der Ausdruck „aufweisen/aufweisend” andere Elemente oder Merkmale nicht ausschließt, und dass das der Ausdruck „ein” oder „eine” eine Mehrzahl nicht ausschließt. Auch können Elemente, die im Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsformen beschrieben sind, kombiniert werden.
Es wird auch angemerkt werden, dass die Bezugszeichen in den Patentansprüchen nicht so ausgelegt werden sollen, dass sie den Schutzumfang der Patentansprüche beschränken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2775278 [0006]

Claims

Eine Fasermessvorrichtung (100) zum Messen einer physikalischen Größe mittels einer Faser (108), wobei die Fasermessvorrichtung (100) folgendes aufweist: eine Quelle (102) von elektromagnetischer Strahlung, die dazu ausgebildet ist, zumindest einen Impuls einer in die Faser (108) einzukoppelnden, elektromagnetischen Strahlung als primäre elektromagnetische Strahlung zu erzeugen; eine Einstellungseinheit (106), die dazu ausgebildet ist, vor, während oder nach dem Erzeugen, eine Form von dem zumindest einen Impuls einzustellen, um eine Abweichung zwischen einer vorbestimmten Soll-Form und einer tatsächlichen Form des zumindest einen Impulses zumindest teilweise zu kompensieren.
Die Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, aufweisend eine Bestimmungseinheit (104), die dazu ausgebildet ist, um vor, während oder nach dem Erzeugen, die Abweichung zwischen der Soll-Form und der tatsächlichen Form des zumindest einen Impulses zu bestimmen.
Die Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, aufweisend einen Detektor (110) für elektromagnetische Strahlung, der dazu ausgebildet ist, sekundäre elektromagnetische Strahlung, die in der Faser (108) in Antwort auf das Einkoppeln der primären elektromagnetischen Strahlung in die Faser (108) erzeugt worden ist, zu detektieren.
Die Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Einstellungseinheit (106) dazu ausgebildet ist, die Quelle (102) von elektromagnetischer Strahlung zu steuern, um den zumindest einen Impulses mit der eingestellten Form zu erzeugen.
Die Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 4, wobei die Einstellungseinheit (106) dazu ausgebildet, ein Treibersignal, insbesondere einen Treiberstrom oder eine Treiberspannung, der Quelle (102) von elektromagnetischer Strahlung einzustellen, um den zumindest einen Impulses mit der eingestellten Form zu erzeugen.
Die Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Einstelleinheit (106) dazu ausgebildet ist, die Form des zumindest einen Impulses nach seiner Erzeugung durch die Quelle (102) von elektromagnetischer Strahlung einzustellen.
Die Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 6, wobei die Einstellungseinheit (106) eine Manipulationseinrichtung (112, 114) für elektromagnetische Strahlung aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Form des zumindest einen Impulses einzustellen, indem die primäre elektromagnetische Strahlung nach ihrer Erzeugung manipuliert wird.
Die Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 7, wobei die Manipulationseinrichtung (112, 114) für elektromagnetische Strahlung dazu ausgebildet ist, den zumindest einen Impuls zum Einstellen seiner Form zumindest eines von abzuschwächen und zu verstärken, insbesondere um in Abhängigkeit von einem Intensitätsprofil des zumindest einen Impulses zumindest eines von abzuschwächen und zu verstärken.
Die Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die Bestimmungseinheit (104) dazu ausgebildet ist, die Abweichung zu bestimmen mittels eines Sensors (116) für elektromagnetische Strahlung, der dazu ausgebildet ist, für die tatsächliche Form indikative Information zu messen.
Die Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 9, aufweisend einen Strahlteiler (118), der dazu ausgebildet ist, die primäre elektromagnetische Strahlung aufzuteilen in einen in die Faser (108) einzukoppelnden, ersten Anteil und einen in den Sensor (116) für elektromagnetische Strahlung einzukoppelnden, zweiten Anteil, der insbesondere kleiner als der erste Anteil ist.
Die Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei die Bestimmungseinheit (104) dazu ausgebildet ist, die Abweichung zu bestimmen, indem tatsächlich detektierte, sekundäre elektromagnetische Strahlung bezüglich einem vorbestimmten Referenzmessungsmerkmal, das mit dem zumindest einen Impuls, der die tatsächliche Form aufweist, erhalten worden ist, analysiert wird.
Die Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei die Bestimmungseinheit (104) dazu ausgebildet ist, die Abweichung auf der Grundlage eines vorbestimmten Modells bezüglich der Unvollkommenheit der Form des zumindest einen Impulses zu bestimmen.
Die Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Einstellungseinheit (106) dazu ausgebildet ist, die Form einzustellen, indem über mehrere Aussendungen (Emissionen) von Impulsen oder Impulszügen gemittelt wird.
Die Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 13, wobei die Bestimmungseinheit (104) und die Einstellungseinheit (106) einen Teil von einer Steuerungsschleife (120), in der die Abweichung bestimmt wird und die Form eingestellt wird, ausbilden.
Die Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Bestimmungseinheit (104) dazu ausgebildet ist, die Abweichung zu bestimmen und/oder wobei die Einstellungseinheit (106) dazu ausgebildet ist, die Form vor oder während des Ausführens einer Fasermessung einzustellen.
Die Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Einstellungseinheit (106) dazu ausgebildet ist, die Form des zumindest einen Impulses vor (upstream) der Faser (108) einzustellen.
Die Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Quelle (102) für elektromagnetische Strahlung dazu ausgebildet ist, als den zumindest einen Impuls einen aus der Gruppe, die aus einem einzelnen Impuls, einer Abfolge von Impuls, einem Impulszug oder einem Modulationsmuster besteht, zu erzeugen.
Die Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, die als eine aus der Gruppe, die aus einer verteilten Temperaturmessvorrichtung, einer verteilten akustischen Messvorrichtung, einer verteilten Spannungsmessvorrichtung und einer optischen Zeitbereichs-Reflektormeter-Vorrichtung besteht, ausgebildet ist.
Die Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die gemessene physikalische Größe zumindest eine aus der Gruppe, die aus Temperatur, Schall, Vibration, Druck, Spannung, Torsion, elektromagnetische Felder, elektromagnetische Strahlung, radioaktive Strahlung und chemische Substanzen besteht, umfasst.
Ein Verfahren zum Messen einer physikalischen Größe mittels einer Faser (108), das Verfahren aufweisend: Steuern einer Quelle (102) von elektromagnetischer Strahlung zum Erzeugen von zumindest einem Impuls von in die Faser (108) einzukoppelnder, elektromagnetischer Strahlung als primäre elektromagnetische Strahlung; vor, während oder nach dem Erzeugen, Einstellen einer Form des zumindest einen Impulses, um eine Abweichung zwischen einer vorbestimmten Soll-Form und einer tatsächlichen Form des zumindest einen Impulses zumindest teilweise zu kompensieren.
Ein Computer-lesbares Medium, in dem ein Computerprogramm zum Messen einer physikalischen Größe mittels einer Faser (108) gespeichert ist, welches Computerprogramm, wenn es von einem Prozessor (104, 106, 132) ausgeführt wird, dazu ausgebildet ist, ein Verfahren gemäß Anspruch 20 auszuführen oder zu steuern.
Ein Programmelement des Messens einer physikalischen Größe mittels einer Faser (108), welches Programmelement, wenn es von einem Prozessor (104, 106, 132) ausgeführt wird, dazu ausgebildet ist, ein Verfahren gemäß Anspruch 20 auszuführen oder zu steuern.