DE102018005432B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Brillouin-Frequenzbereichsreflektometrie - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung (100) eingerichtet zur Brillouin-Frequenzbereichsreflektometrie für die örtlich aufgelöste Messung von Temperatur und/oder Dehnung entlang einer optischen Glasfaser, umfassend- mindestens eine Laserquelle (1), deren Licht in die optische Glasfaser eingekoppelt werden kann;- mindestens eine geeignete Einheit (3), um Licht aus der Laserquelle (1) mit einer Modulationsfrequenz fmin der Intensität zu modulieren;- mindestens eine geeignete Einheit (7), um Licht aus der Laserquelle (1) in eine als Sensorfaser verwendete optische Glasfaser (FUT) einzukoppeln, um Brillouin-Rückstreuung zu erzeugen, und dieses durch Brillouin-Rückstreuung entstandene Licht auszukoppeln;- mindestens einen Photoempfänger (15), um Licht aus der optischen Glasfaser zu erfassen und in elektrische Signale umzuwandeln;- mindestens ein dem Photoempfänger (15) nachgeschaltetes elektrisches Bandpassfilter (16), wobei die Filterbandbreite höchstens die doppelte Bandbreite der Intensitätsmodulation beträgt;- einen Frequenzmischer (17) mit einem Lokaloszillator (18), dazu eingerichtet, das Ausgangssignal des elektrischen Bandpassfilters (16) in ein niedrigeres Frequenzband zu mischen;- mindestens einen Analog-Digital-Umsetzer (19) mit nachgeschalteter digitaler Speichereinrichtung, dazu eingerichtet, das Ausgangssignal des elektrischen Bandpassfilters (16) in ein digitales Signal umzusetzen, zu speichern und für die weitere Verarbeitung bereitzustellen, wobei ein digitales Filter, das sich aus drei Bandpassfiltern zusammensetzt, die im Abstand der Modulationsfrequenz fmvoneinander stehen, auf das digitale Signal angewendet wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Brillouin-Frequenzbereichsreflektometrie sowie ein zugehöriges Verfahren zur Brillouin-Frequenzbereichsreflektometrie.
  • Die vorliegende Erfindung ist dazu geeignet, die Frequenzverschiebung der Brillouin-Rückstreuung entlang einer optischen Glasfaser zu messen und örtlich aufzulösen, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung den Zugang zu einem Ende der optischen Glasfaser erfordert, aber nicht zwingend zu beiden Enden.
  • Aus der örtlich aufgelösten Frequenzverschiebung der Brillouin-Rückstreuung kann unter anderem auf den örtlich aufgelösten Temperatur- und Dehnungszustand der optischen Glasfaser geschlossen werden. Somit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und einer geeigneten optischen Glasfaser ein ortsauflösender Sensor zur Messung von Temperatur und Dehnung.
  • Vorrichtungen und Verfahren zur ortsgenau aufgelösten Messung der Brillouin-Frequenzverschiebung sind bereits bekannt, als kommerzielle Produkte verfügbar und in der Praxis als Sensoren im Einsatz.
  • Die Druckschrift „K. Shimizu, T. Horiguchi, Y. Koyamada, T. Kurashima, „Coherent self-heterodyne Brillouin OTDR for measurement of Brillouin frequency shift distribution in optical fibers," J. Light. Technol. 12, pp. 730-736. (1994)„ beschreibt eine Vorrichtung, die nach der Brillouin-Zeitbereichsreflektometrie (BOTDR) arbeitet.
  • Hierbei wird Licht aus einer Laserquelle in eine optische Glasfaser eingekoppelt. Dieses Licht wird in zwei Teile aufgeteilt, von dem ein Teil in diejenige optische Glasfaser geleitet wird, deren Frequenzverschiebung der Brillouin-Rückstreuung örtlich aufgelöst bestimmt werden soll (Sensorfaser).
  • Das Licht der Brillouin-Rückstreuung, das gegenüber dem eingekoppelten Licht aus der Laserquelle eine Frequenzverschiebung aufweist und sich in entgegengesetzter Richtung in der optischen Glasfaser ausbreitet, wird mittels einer geeigneten Vorrichtung mit dem zweiten Teil des zuvor aufgeteilten Lichts aus der Laserquelle an einem Photoempfänger überlagert. Daraus resultiert ein elektrisches Signal am Ausgang des Photoempfängers, das der Frequenzverschiebung der Brillouin-Rückstreuung entspricht. Bei einer Wellenlänge des Lichts aus der Laserquelle von 1550 nm und in der Nachrichtentechnik üblicherweise verwendeten Singlemode-Glasfasern liegt die Frequenzverschiebung der Brillouin-Rückstreuung üblicherweise zwischen 10 GHz und 11 GHz.
  • In oben angeführten Druckschriften wird beschrieben, wie derjenige Teil des Lichts aus der Laserquelle, der in die Sensorfaser geleitet wird, pulsförmig moduliert wird. Wie allgemein aus Reflektometrieverfahren bekannt, ergibt sich dadurch in der Brillouin-Rückstreuung, die am Photoempfänger empfangen wird, ein zeitlicher Verlauf, der der örtlichen Verteilung der Brillouin-Frequenzverschiebung entlang der Sensorfaser entspricht.
  • Die gesuchte Information, nämlich die örtlich aufgelöste Frequenzverschiebung der Brillouin-Rückstreuung, liegt nun im Ausgangssignal des Photoempfängers, das sowohl zeitlich (örtliche Verteilungsinformation) als auch spektral (Information über Frequenzverschiebung der Brillouin-Rückstreuung) ausgewertet werden muss.
  • In bekannten Verfahren geschieht das, indem das Ausgangssignal mit einem Frequenzmischer in einen niedrigeren Frequenzbereich herabgemischt wird und durch ein schmalbandiges Bandpassfilter gefiltert wird. Diese Filterung dient der spektralen Auswertung der Frequenzverschiebung der Brillouin-Rückstreuung. Anschließend wird das Signal zeitlich aufgezeichnet.
  • Ebenfalls bekannt ist eine ähnliche Vorrichtung gemäß der Druckschrift „X. Wu, Z. Ying, Y. Zhang, X. Zhang, Performance improvement for long-range BOTDR sensing system based on high extinction ratio modulator, Electron. Lett. 50, pp. 1014-1016., (2014)“, in der das Licht der Brillouin-Rückstreuung statt mit einem Teil des Lichts aus der Laserquelle, deren Licht auch in die Sensorfaser geleitet wurde, mit Licht aus einer zweiten Laserquelle an einem Photoempfänger überlagert wird. Das Licht dieser zweiten Laserquelle ist in der Frequenz vom Licht der ersten Laserquelle verschieden in der Art, dass die Überlagerung des Lichts der zweiten Laserquelle mit dem Licht der Brillouin-Rückstreuung ein Signal am Ausgang des Photoempfängers erzeugt, das eine Frequenz aufweist, die niedriger ist als die Frequenzverschiebung der Brillouin-Rückstreuung. Dies dient der einfacheren Weiterverarbeitung des Signals hinter dem Ausgang des Photoempfängers.
  • All den bisher beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren ist gemein, dass die gleichzeitige zeitliche und spektrale Auswertung des Ausgangssignals des Photoempfängers mit sich bringt, dass eine Erhöhung der Genauigkeit in der spektralen Auswertung eine Verringerung der Genauigkeit der zeitlichen Auswertung bedingt und umgekehrt.
  • In der Anwendung der Vorrichtungen und Verfahren als ortsauflösender Sensor zur Messung von Temperatur und Dehnung bedeutet dies, dass eine Erhöhung der Ortsauflösung eine Verringerung der Messgrößenauflösung (Auflösung bezüglich Temperatur und Dehnung) bedingt, und umgekehrt. Dieser Zusammenhang wird unter anderem in der Druckschrift „K. Nishiguchi, C. Li, A. Guzik, and K. Kishida, „Synthetic Spectrum Approach for Brillouin Optical Time-Domain Reflectometry." Sensors, 14(3), pp.4731-4754. (2014)" erläutert.
  • Eine Vorrichtung und ein Verfahren nach der Brillouin-Frequenzbereichsreflektometrie (BOFDR) wird in der Druckschrift „A. Minardo, R. Bernini, R. Ruiz-Lombera, J. Mirapeix, J. M. Lopez-Higuera and L. Zeni, „Proposal of Brillouin optical frequency-domain reflectometry (BOFDR)" Opt. Express 24, 29994-30001 (2016)" vorgeschlagen. Hier wird entsprechend dem BOTDR-Prinzip ein Teil des Lichts einer Laserquelle in die Sensorfaser geleitet. Das Licht der Brillouin-Rückstreuung wird über einen faseroptischen Zirkulator ausgekoppelt und mittels eines faseroptischen Kopplers mit einem Teil des Lichts der Laserquelle an einem Photoempfänger überlagert. Derjenige Teil des Lichts der Laserquelle, der in die Sensorfaser geleitet wird, wird zuvor sinusförmig in der Intensität moduliert. Da das Licht der Brillouin-Rückstreuung aus diesem modulierten Licht der Laserquelle hervorgeht, ist auch das Licht der Brillouin-Rückstreuung sinusförmig in der Intensität moduliert.
  • Das Signal am Ausgang des Photoempfängers, das eine Frequenz entsprechend der Brillouin-Frequenzverschiebung der Sensorfaser (typischerweise ca. 11 GHz) aufweist, wird auf einen Frequenzmischer geleitet und auf eine niedrigere Frequenz heruntergemischt, die variabel durch den ebenfalls an den Frequenzmischer angeschlossenen Lokaloszillator bestimmt wird. Anschließend wird das Signal durch einen Bandpassfilter geleitet. Indem der Lokaloszillator in der Frequenz durchgestimmt wird, können verschiedene Frequenzanteile des Signals vom Bandpassfilter durchgelassen werden. Diese Frequenzselektion entspricht der spektralen Auflösung der Brillouin-Frequenzverschiebung.
  • Das Signal wird anschließend einem Detektor zugeführt, der die Einhüllende des Signals erfasst. Die Einhüllende entspricht der Modulationsfrequenz des ursprünglichen sinusförmig modulierten Lichts der Laserquelle. Ein analoger vektorieller Netzwerkanalysator wertet diese Einhüllende nach Betrag und Phase für eine Reihe von Modulationsfrequenzen aus, woraus sich die komplexe Übertragungsfunktion der Brillouin-Rückstreuung entlang der Sensorfaser ergibt, die mittels inverser Fouriertransformation in die Impulsantwort und damit in die örtlich aufgelöste Brillouin-Frequenzverschiebung überführt wird.
  • Dieses Verfahren hat wie das BOTDR-Prinzip den Nachteil, dass eine Erhöhung der Ortsauflösung eine Verringerung der Messgrößenauflösung bedingt und umgekehrt. Der Grund ist, dass die Ortsauflösung durch die Bandbreite der sinusförmigen Modulation bestimmt wird. Die Frequenzselektion am Bandpassfilter, die bestimmend für die spektrale Auswertung der Brillouin-Rückstreuung ist und damit für die Messgrößenauflösung, schränkt aber genau diese Modulationsbandbreite ein.
  • Die vorliegende Veröffentlichung zum BOFDR-Verfahren berichtet von einer Modulationsbandbreite bis 100 MHz, was einer Ortsauflösung von 1 m entspricht. Dabei wurde eine Bandbreite für das Bandpassfilter von 110 MHz verwendet, was eine sehr grobe spektrale Auflösung bedeutet und einer Messgrößenauflösung von ca. 100 K für Temperaturmessungen und ca. 2000 µm/m für Dehnungsmessungen entspricht. Gegenüber kommerziellen Messgeräten nach Stand der Technik, die nach dem BOTDR-Prinzip arbeiten (typischerweise 1 K Temperaturauflösung und 20 µm/m Dehnungsauflösung) ist das ein großer Nachteil.
  • Ein weiterer Nachteil ist, dass die Auswertung der Messung mittels eines analogen Vektor-Netzwerk-Analysators (VNA) erfolgt. Ein solches Laborgerät ist für die Integration in ein transportables Messgerät nicht praktikabel.
  • Im Hinblick auf die oben genannten Nachteile des Standes der Technik ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Brillouin-Frequenzbereichsreflektometrie bereitzustellen, die die genannten Nachteile zumindest teilweise überwindet.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Brillouin-Frequenzbereichsreflektometrie gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Brillouin-Frequenzbereichsreflektometrie gemäß Anspruch 4. Weitere Aspekte, Einzelheiten, Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung, die zur Brillouin-Frequenzbereichsreflektometrie eingerichtet ist und eine Auswerteeinheit zum Ermitteln der komplexen Übertragungsfunktion und gleichzeitigen spektralen Auswertung der Brillouin-Rückstreuung einer als Sensorfaser verwendeten optischen Glasfaser umfasst.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 1 umfasst:
    • - mindestens eine Laserquelle (1), deren Licht in die optische Glasfaser eingekoppelt werden kann;
    • - mindestens eine geeignete Einheit (3), um Licht aus der Laserquelle (1) mit einer Modulationsfrequenz fm in der Intensität zu modulieren;
    • - mindestens eine geeignete Einheit (7), um Licht aus der Laserquelle (1) in eine als Sensorfaser verwendete optische Glasfaser (FUT) einzukoppeln, um Brillouin-Rückstreuung zu erzeugen, und dieses durch Brillouin-Rückstreuung entstandene Licht auszukoppeln;
    • - mindestens einen Photoempfänger (15), um Licht aus der optischen Glasfaser zu erfassen und in elektrische Signale umzuwandeln;
    • - mindestens ein dem Photoempfänger (15) nachgeschaltetes elektrisches Bandpassfilter (16), wobei die Filterbandbreite höchstens die doppelte Bandbreite der Intensitätsmodulation beträgt;
    • - einen Frequenzmischer (17) mit einem Lokaloszillator (18), dazu eingerichtet, das Ausgangssignal des Bandpassfilters (16) in ein niedrigeres Frequenzband zu mischen;
    • - mindestens einen Analog-Digital-Umsetzer (19) mit nachgeschalteter digitaler Speichereinrichtung, dazu eingerichtet, das Ausgangssignal des elektrischen Bandpassfilters in ein digitales Signal umzusetzen, zu speichern und für die weitere Verarbeitung bereitzustellen, wobei ein digitales Filter, das sich aus drei Bandpassfiltern zusammensetzt, die im Abstand der Modulationsfrequenz fm voneinander stehen, auf das digitale Signal angewendet wird.
  • Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert. Dabei zeigt:
    • 1: eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 2: eine schematische Darstellung des Verfahrens, um aus dem Licht der Brillouin-Rückstreuung einer optischen Glasfaser gemäß der vorliegenden Erfindung auf die örtlich aufgelöste Brillouin-Frequenzverschiebung zu schließen
  • Gemäß der dargestellten Ausführungsform in 1 wird Licht aus einer Laserquelle (1), als Pump-Licht bezeichnet, durch einen faseroptischen Koppler (2) geleitet, in dem das Licht in zwei Teile aufgeteilt wird. Ein Teil wird in einen elektrooptischen Intensitätsmodulator (3) geleitet, an dem ein Modulationssignal (4) mit variabler Frequenz fm anliegt. Das Licht wird anschließend durch einen Polarisationsscrambler (5), einen faseroptischen Verstärker (6), einen faseroptischen Zirkulator (7) und schließlich in die Sensorfaser FUT (Fiber Under Test) geleitet.
  • Wie in 2 dargestellt, wird das Pump-Licht, das in der spektralen Betrachtung eine optische Trägerfrequenz und aufgrund der Intensitätsmodulation zwei Seitenbänder im Abstand von jeweils fm zur Trägerfrequenz aufweist, entlang der Sensorfaser teilweise zurückgestreut. Derjenige Anteil der Rückstreuung, der hier betrachtet wird, entsteht aufgrund des bekannten Effekts der Brillouin-Rückstreuung. Das Licht der Brillouin-Rückstreuung erfährt eine Frequenzverschiebung, die typischerweise ca. 11 GHz beträgt, jedoch mit Temperatur und Dehnung der Sensorfaser variiert. In der spektralen Betrachtung hat das Licht der Brillouin-Rückstreuung eine Bandbreite von typischerweise ca. 30 MHz. Im vorliegenden Fall der Rückstreuung eines intensitätsmodulierten Pump-Lichts mit Modulationsfrequenz fm ist auch das Licht der Brillouin-Rückstreuung intensitätsmoduliert mit Modulationsfrequenz fm.
  • Das Licht der Brillouin-Rückstreuung breitet sich in der Sensorfaser in entgegengesetzter Richtung zum Pump-Licht aus. Gemäß der Ausführung in 1 wird es am faseroptischen Zirkulator (7) ausgekoppelt und in einem faseroptischen Verstärker (12) verstärkt. Mittels eines faseroptischen Filters (13) wird das Licht der Brillouin-Rückstreuung separiert von störenden Lichtanteilen, die aus anderen Rückstreueffekten entlang der Sensorfaser resultieren.
  • Eine zweite Laserquelle (8) dient als optischer Lokaloszillator (OLO). Die optische Frequenz des OLO-Lichts wird mit Bezug auf die optische Frequenz des Pump-Lichts durch eine geeignete Lasersteuer-Einrichtung (11), zum Beispiel eine optische Phasen-Regelschleife, fest eingestellt.
  • Das OLO-Licht und das gefilterte Licht der Brillouin-Rückstreuung werden auf je einen Eingang eines faseroptischen Kopplers (14) geleitet. Die so erzeugte Überlagerung wird auf einen Photoempfänger (15) geleitet.
  • Wie in der schematischen Darstellung in 2 dargestellt, wird die Frequenz des OLO derart eingestellt, dass die Überlagerung mit dem Licht der Brillouin-Rückstreuung am Photoempfänger an dessen Ausgang ein elektrisches Signal erzeugt, dessen Frequenz mit dem anschließend in der Vorrichtung vorhandenen Bandpassfilter (16) übereinstimmt. Hierfür kann in der dargestellten Ausführung ein Bandpassfilter mit einer Mittenfrequenz von 2,4 GHz und einer Bandbreite von 100 MHz gewählt werden.
  • Weist das Licht der Brillouin-Rückstreuung eine spektrale Bandbreite auf, die diejenige Bandbreite des Bandpassfilters übersteigt, wird entsprechend nur ein spektraler Teilbereich des gesamten Signals vom Filter durchgelassen.
  • Das derart gefilterte Signal wird auf einen Frequenzmischer (17) geleitet, an den ein Lokaloszillator (18) angeschlossen ist. Am Ausgang des Frequenzmischers ist ein Analog-Digital-Umsetzer (19) angeschlossen. Die Frequenz des Lokaloszillators wird so gewählt, dass das Signal vom Analog-Digital-Umsetzer eindeutig abgetastet und als digitales Signal am Ausgang zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt werden kann. Hierfür eignet sich ein digitaler Speicher, auf dessen Inhalt die nachfolgenden Teilverfahren zugreifen.
  • Gemäß der dargestellten Ausführungsform kann eine Frequenz des Lokaloszillators von 2,35 GHz gewählt werden. Die Eingangsbandbreite und Abtastrate des Analog-Digital-Umsetzer kann so gewählt werden, dass Signale im Frequenzbereich 0-100 MHz eindeutig abgetastet und umgesetzt werden.
  • Gemäß der schematischen Darstellung in 2 entspricht das digitale Signal im Frequenzbereich (spektrale Betrachtung) der spektralen Darstellung des Lichts der Brillouin-Rückstreuung des intensitätsmodulierten Pump-Lichts. Darin überlagern sich für jeden entlang der Sensorfaser vorhandenen Wert der Brillouin-Frequenzverschiebung jeweils das charakteristische Spektrum der Brillouin-Rückstreuung der Trägerfrequenz des Pump-Lichts und die jeweiligen Spektren der Brillouin-Rückstreuung der Seitenbänder, die dem Pump-Licht durch die Intensitätsmodulation hinzugefügt wurden.
  • Um dieses Signal sowohl spektral als auch örtlich aufzulösen, muss es spektral abgetastet werden, ohne dass hierbei die enthaltene Information über die Intensitätsmodulation verloren geht.
  • Hierfür wird im Verfahren gem. 2 ein digitales Filter auf das Signal angewendet, das sich aus drei Bandpassfiltern zusammensetzt (digitales Filter-Tripel). Diese Bandpassfilter weisen jeweils die Bandbreite auf, die der gewünschten spektralen Auflösung der Brillouin-Frequenzverschiebung entspricht, und befinden sich in einem Abstand zueinander, der jeweils der Modulationsfrequenz fm entspricht.
  • Das resultierende Signal, im Zeitbereich betrachtet wie in 2 dargestellt, weist nun eine Einhüllende der Modulationsfrequenz fm auf. Die Auswertung nach Betrag und Phase dieser Einhüllenden kann zum Beispiel durch die numerische Multiplikation des Signals mit sich selbst (Quadrierung) erfolgen.
  • Das Resultat der Ermittlung von Betrag und Phase der Einhüllenden bei Frequenz fm wird als Ergebniswert gespeichert und entspricht der Systemantwort für Anregung bei der gewählten Modulationsfrequenz fm für eine Position des digitalen Filter-Tripels. Durch erneute Auswertung des gespeicherten digitalen Signals und gleichzeitige Verschiebung des digitalen Filter-Tripels über die Frequenz ergibt sich die Systemantwort für Anregung bei der gewählten Modulationsfrequenz fm mit spektraler Auflösung der Brillouin-Frequenzverschiebung.
  • Dieses Verfahren kann für eine Serie von Modulationsfrequenzen fm wiederholt werden. Daraus ergibt sich die komplexe Übertragungsfunktion der Brillouin-Rückstreuung der Sensorfaser mit spektraler Auflösung der Brillouin-Frequenzverschiebung.
  • Typischerweise wird aus der komplexen Übertragungsfunktion der Brillouin-Rückstreuung der Sensorfaser für jede Frequenzposition des digitalen Filter-Tripels die Impulsantwort der Brillouin-Rückstreuung der Sensorfaser ermittelt. Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass dies mittels einer inversen Fouriertransformation möglich ist. Die Impulsantworten für alle ermittelten Frequenzpositionen des digitalen Filter-Tripels ergeben gemeinsam die örtlich und spektral aufgelöste Brillouin-Frequenzverschiebung der Sensorfaser.
  • Hierbei entsteht im Gegensatz zum Stand der Technik keine Einschränkung dahingehend, dass mit einer Erhöhung der Ortsauflösung (bestimmt durch die Bandbreite der Modulationsfrequenz fm) eine Verringerung der Messgrößenauflösung (bedingt durch die spektrale Auflösung der Brillouin-Frequenzverschiebung, also die Bandbreite des Bandpassfilters) einhergeht. Die Bandbreite der einzelnen Bandpassfilter des digitalen Filter-Tripels kann konstant schmal gehalten werden (z.B. 5 MHz). Da die Information über die örtliche Auflösung entlang der Sensorfaser in der Einhüllenden bei Modulationsfrequenz fm liegt, geht diese durch die schmalbandige Filterung nicht verloren, sofern, wie in der dargestellten Ausführung der vorliegenden Erfindung vorgesehen, die Seitenbänder der Intensitätsmodulation berücksichtigt werden. Für diese Berücksichtigung ist in dem in 2 dargestellten Verfahren das digitale Filter-Tripel mit seinen drei Bandpassfiltern vorgesehen.
  • Ein weiterer Aspekt der dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik ist, dass die spektrale und örtliche Auflösung durch digitale Signalverarbeitung von gespeicherten Digitalsignalen erfolgt. Hierdurch kann auf aufwändige analoge Gerätetechnik wie einen VNA verzichtet werden.
  • 3 (a) zeigt die durch Vorrichtung und Verfahren in der dargestellten Ausführungsform erlangte örtlich und spektral aufgelöste Brillouin-Rückstreuung entlang einer Sensorfaser von 100 m Länge. Bei dieser Sensorfaser wurden zu Validierungszwecken mehrere Abschnitte optischer Glasfasern mit verschiedenen charakteristischen Werten für die Brillouin-Frequenzverschiebung miteinander verbunden. Abschnitte mit einer Länger ab 1 m werden örtlich und spektral korrekt aufgelöst.
  • 3 (b) zeigt für zwei verschiedene örtliche Positionen entlang der Sensorfaser die spektral aufgelöste Brillouin-Rückstreuung. Die Breite des Frequenzspektrums der Brillouin-Rückstreuung entspricht dem aus der Literatur bekannten Wert von ca. 30 MHz. Dies ist ein Beleg für die Vorteile der vorliegenden Erfindung. Bei gleicher örtlicher Auflösung kann nach den Verfahren gemäß dem Stand der Technik nur ein deutlich verbreitertes Frequenzspektrum der Brillouin-Rückstreuung dargestellt werden, was unmittelbar zu Lasten der Messgrößenauflösung geht.
  • 4 zeigt die resultierende örtliche Auflösung der Brillouin-Frequenzverschiebung, die für jeden Ort entlang der Sensorfaser dem Maximum der örtlich und spektral aufgelösten Brillouin-Rückstreuung wie in 3 (a) entspricht.
  • Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollten keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden.
  • Bezugszeichenliste
    • (1)
    Laserquelle
    (2)
    Faseroptischer Koppler
    (3)
    Optischer Intensitätsmodulator
    (4)
    Signalquelle der Intensitätsmodulation
    (5)
    Polarisationsscrambler
    (6)
    Faseroptischer Verstärker
    (7)
    Faseroptischer Zirkulator
    (8)
    Laserquelle (OLO)
    (9)
    Faseroptischer Koppler
    (10)
    Faseroptischer Koppler
    (11)
    Optische Phasenregelschleife
    (12)
    Faseroptischer Verstärker
    (13)
    Faseroptisches Filter
    (14)
    Faseroptischer Koppler
    (15)
    Photoempfänger
    (16)
    Bandpassfilter
    (17)
    Frequenzmischer
    (18)
    Lokaloszillator
    (19)
    Analog-Digital-Umsetzer
    (FUT)
    „Fiber Under Test“ - Sensorfaser

Claims (9)

  1. Vorrichtung (100) eingerichtet zur Brillouin-Frequenzbereichsreflektometrie für die örtlich aufgelöste Messung von Temperatur und/oder Dehnung entlang einer optischen Glasfaser, umfassend - mindestens eine Laserquelle (1), deren Licht in die optische Glasfaser eingekoppelt werden kann; - mindestens eine geeignete Einheit (3), um Licht aus der Laserquelle (1) mit einer Modulationsfrequenz fm in der Intensität zu modulieren; - mindestens eine geeignete Einheit (7), um Licht aus der Laserquelle (1) in eine als Sensorfaser verwendete optische Glasfaser (FUT) einzukoppeln, um Brillouin-Rückstreuung zu erzeugen, und dieses durch Brillouin-Rückstreuung entstandene Licht auszukoppeln; - mindestens einen Photoempfänger (15), um Licht aus der optischen Glasfaser zu erfassen und in elektrische Signale umzuwandeln; - mindestens ein dem Photoempfänger (15) nachgeschaltetes elektrisches Bandpassfilter (16), wobei die Filterbandbreite höchstens die doppelte Bandbreite der Intensitätsmodulation beträgt; - einen Frequenzmischer (17) mit einem Lokaloszillator (18), dazu eingerichtet, das Ausgangssignal des elektrischen Bandpassfilters (16) in ein niedrigeres Frequenzband zu mischen; - mindestens einen Analog-Digital-Umsetzer (19) mit nachgeschalteter digitaler Speichereinrichtung, dazu eingerichtet, das Ausgangssignal des elektrischen Bandpassfilters (16) in ein digitales Signal umzusetzen, zu speichern und für die weitere Verarbeitung bereitzustellen, wobei ein digitales Filter, das sich aus drei Bandpassfiltern zusammensetzt, die im Abstand der Modulationsfrequenz fm voneinander stehen, auf das digitale Signal angewendet wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend ein optisches Filter (13), das eingerichtet ist, durch Brillouin-Rückstreuung entstandenes Licht vom Licht der Laserquelle (1), welches diese Brillouin-Rückstreuung erzeugt hat, zu trennen und am Ausgang bereitzustellen.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, weiterhin umfassend eine weitere Laserquelle (8), die in ihrer Frequenz durch eine geeignete Regeleinrichtung (11) relativ zur Frequenz der Laserquelle (1) eingestellt und stabil gehalten wird, wodurch diese Laserquelle (1) als optischer Lokaloszillator wirkt, und dem Licht der Brillouin-Rückstreuung am Photoempfänger (15) überlagert wird.
  4. Verfahren eingerichtet zur Brillouin-Frequenzbereichsreflektometrie für die örtlich aufgelöste Messung von Temperatur und/oder Dehnung entlang einer optischen Glasfaser, umfassend folgende Verfahrensschritte: a) Erzeugen einer Laserstrahlung b) Sinusförmiges Modulieren der Laserstrahlung mit einer Modulationsfrequenz fm c) Einkoppeln der Laserstrahlung in eine als Sensorfaser dienende optische Glasfaser (FUT) d) Auskoppeln von durch Brillouin-Rückstreuung entstandenem Licht aus der Sensorfaser e) Überlagerung des ausgekoppelten Lichts mit dem Licht eines optischen Lokaloszillators, wobei der optische Lokaloszillator in seiner Frequenz so eingestellt ist, dass ein aus der Überlagerung resultierendes Lichtsignal in seiner Frequenz mindestens anteilig mit dem Durchlassbereich eines Bandpassfilters (16) übereinstimmt f) Umwandeln des aus der Überlagerung entstandenen Lichtsignals in ein elektrisches Signal g) Filtern des elektrischen Signals mittels des Bandpassfilters (16) h) Heruntermischen des elektrischen Signals in der Frequenz, derart, dass es mit seiner vollen spektralen Bandbreite von einem Analog-Digital-Umsetzer (19) mit nachgeschalteter digitaler Speichereinrichtung eindeutig abgetastet, umgesetzt und gespeichert wird i) Umwandeln des elektrischen Signals in ein digitales Signal und speichern als digitales Signal j) Anwenden eines digitalen Filters auf das digital gespeicherte Signal, wobei das digitale Filter im Frequenzbereich aus einer Überlagerung von drei Bandpassfiltern besteht, die im Abstand der Modulationsfrequenz fm voneinander stehen k) Ermitteln der örtlich und spektral aufgelösten Brillouin-Rückstreuung aus dem gespeicherten digitalen Signal
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei Betrag und Phase einer Einhüllenden des aus der digitalen Filterung resultierenden Signals detektiert werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Detektion der Einhüllenden geschieht, indem das Signal mittels einer inversen Fourier-Transformation in den Zeitbereich transformiert wird, anschließend quadriert wird und mit einer Fourier-Transformation zurück in den Frequenzbereich transformiert wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die dort beschriebenen Verfahrensschritte für eine Reihe von Mittenfrequenzen des digitalen Filters wiederholt werden und Betrag und Phase der detektierten Einhüllenden jeweils gespeichert werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die in Anspruch 4 bis 7 beschriebenen Verfahrensschritte für eine Reihe von Modulationsfrequenzen fm wiederholt werden und Betrag und Phase der detektierten Einhüllenden für die jeweilige Reihe von Mittenfrequenzen des digitalen Filters jeweils gespeichert werden und damit die spektral aufgelöste Übertragungsfunktion der Brillouin-Rückstreuung entlang der Sensorfaser aufgezeichnet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Ermittlung der örtlich und spektral aufgelösten Brillouin-Rückstreuung entlang der Sensorfaser aus der inversen Fourier-Transformation der Übertragungsfunktion gewonnen wird.
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