DE112021000577T5 - Verteilte optische Fasererfassung unter Verwendung von Punktsensoren - Google Patents

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Abstract

Aspekte der vorliegenden Offenbarung beschreiben Systeme, Verfahren und Strukturen für eine verteilte optische Fasererfassung, die vorteilhaft Punktsensoren verwenden, die sensorische Daten/Informationen über einen angebrachten, verteilten Glasfasersensor senden, ohne ein separates Netzwerk oder eine Kommunikationseinrichtung zu verwenden.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Offenbarung betrifft Systeme, Verfahren und Strukturen für eine verteilte optische Fasererfassung (DFOS (= distributed optical fiber sensing)). Insbesondere beschreibt sie die Verwendung von Punktsensoren bei DOFS.
  • HINTERGRUND
  • Systeme für eine verteilte optische Fasererfassung haben aufgrund ihrer besonderen Vorteile gegenüber herkömmlichen Techniken großen Nutzen bei einer Anzahl von einzelnen Erfassungsanwendungen gezeigt. Sie können in normalerweise unzugängliche Bereiche integriert werden und können in rauen Umgebungen funktionieren. Sie sind immun gegen Funkfrequenzinterferenz und elektromagnetische Interferenz und können kontinuierliche Echtzeitmessungen entlang einer gesamten Länge eines Glasfaserkabels bzw. Lichtwellenleiters bieten.
  • Gleichermaßen haben Punktsensoren - d.h. Sensoren, die eine spezifische Messung durchführen, einen großen Nutzen bei einer Vielfalt von Erfassungsanwendungen gezeigt. Trotz ihres Nutzens - insbesondere dann, wenn sie mit dedizierten Kommunikationsnetzwerken gekoppelt sind - sind Punktsensoren bei DOFS-Systemen nicht verwendet worden.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung, die auf Systeme, Verfahren und Strukturen für verteilte optische Fasererfassung gerichtet sind, die vorteilhaft Punktsensoren verwenden, werden Schritte nach vorn gemacht.
  • In scharfem Kontrast zum Stand der Technik verwenden Systeme, Verfahren und Strukturen gemäß der vorliegenden Offenbarung Punktsensoren, die sensorische Daten/Informationen über einen angebrachten, verteilten Glasfasersensor senden, ohne ein separates Netzwerk oder eine Kommunikationseinrichtung zu verwenden.
  • Von besonderem Vorteil ist, dass ein Interrogator, der eine Komponente des DOFS-Systems ist, Daten/Informationen eines Punktsensors aus einem empfangenen, optischen DOFS-Abfragesignal empfängt und anschließend decodiert. Von weiterem Vorteil ist, dass Systeme, Verfahren und Strukturen Probleme eliminieren, die mit starker Leistungsschwankung (starken Leistungsschwankungen) verbunden sind, und zwar insbesondere für eine direkte Detektion eines Rayleigh-Rückstreusignals (von Rayleigh-Rückstreusignalen), die oft bestimmte verteilte Erfassungssysteme schwächen.
  • Von einem Aspekt aus betrachtet, verwenden Systeme, Verfahren und Strukturen gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung einen Interrogator für eines verteilten Schwindungssensor (DVS (= Distributed Vibration Sensor)) oder einen verteilten akustischen Sensor (DAS (= Distributed Acoustic Sensor)), welcher Interrogator vorteilhaft Schwingungen detektiert, die an irgendeinem Ort entlang einer Länge einer Erfassungsfaser auftreten.
  • Von einem entlang der Länge der Erfassungsfaser positionierten Punktsensor erzeugte sensorische Daten werden in eine durch den Punktsensor und eine vibrierende bzw. schwingende Vorrichtung, wie beispielsweise einen Vibrationsmotor oder einen Lautsprecher, erzeugte Schwingung bzw. Vibration codiert. Diese vibrierende Vorrichtung ist an der optischen Faser angebracht und erzeugt mechanische Schwingungen bzw. Vibrationen in der optischen Faser. Ein rückgestreutes optisches Signal - d.h. ein rückgestreutes Rayleigh-Signal - übermittelt Daten, die auf erzeugte Schwingungen bzw. Vibrationen hinweisen. Ein Interrogator empfängt das rückgestreute Licht unter Verwendung von entweder direkter Detektion oder kohärenter Detektion und decodiert die Schwingung bzw. Vibration, um eine ursprüngliche Nachricht wiederherzustellen.
  • Figurenliste
  • Ein vollständigeres Verstehen der vorliegenden Offenbarung kann durch Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung realisiert werden, in welcher:
    • 1 ein schematisches Diagramm ist, das ein illustratives System mit Interrogator und verteilter optischer Fasererfassung (DOFS) nach dem Stand der Technik zeigt;
    • 2 ein schematisches Diagramm ist, das ein illustratives durch einen Punktsensor erweitertes DOFS-System gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt;
    • 3 Wellenformdiagramme zeigt, die Frequenzbits in einem verteilten Erfassungssystem gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellen;
    • 4 Wellenformdiagramme zeigt, die eine Frequenzsymbol für ein beispielhaftes 2Bit/Symbol in einem verteilten Erfassungssystem gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellen;
    • 5 ein Wellenformdiagramm zeigt, das die Anwendung einer Fensterfunktion auf ein Frequenzsymbol/Bit gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt;
    • 6 Wellenformdiagramme zeigt, die ein beispielhaftes Frame-Format gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellen;
    • 7 Wellenformdiagramme zeigt, die ein beispielhaftes Frame-Format für Informationsbits B1001001 101100010 gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellen;
    • 8 ein schematisches Blockdiagramm zeigt, das eine Mikrosteuerungseinheits-(MCU (= MicroController Unit)-)Betriebszeitgabe gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt; und
    • 9 eine illustrative, flexible Frame-Länge (illustrative, flexible Frame-Längen) mit einem festen Sendeintervall gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt.
  • Die illustrativen Ausführungsformen werden durch die Figuren und die detaillierte Beschreibung vollständiger beschrieben. Ausführungsformen gemäß dieser Offenbarung können jedoch in verschiedenen Formen verkörpert sein und sind nicht auf spezifische oder illustrative Ausführungsformen beschränkt, die in der Zeichnung und der detaillierten Beschreibung beschrieben sind.
  • BESCHREIBUNG
  • Das Folgende stellt lediglich die Prinzipien der Offenbarung dar. Es wird somit eingesehen werden, dass Fachleute auf dem Gebiet in der Lage sein werden, verschiedene Ausgestaltungen zu entwickeln, die, obwohl sie hierin nicht ausdrücklich beschrieben oder gezeigt werden, die Prinzipien der Offenbarung verkörpern und innerhalb ihres Sinngehalts und Schutzumfangs enthalten sind.
  • Weiterhin ist beabsichtigt, dass alle Beispiele und die bedingte Sprache, die hierin vorgetragen werden, nur pädagogischen Zwecken dient, um dem Leser beim Verstehen der Prinzipien der Offenbarung und der Konzepte, die von dem (den) Erfinder(n) zum Voranbringen der Technik beigetragen sind, zu helfen und so auszulegen sind, dass sie ohne Beschränkung auf solche spezifisch vorgetragenen Beispiele und Bedingungen sind.
  • Darüber hinaus ist beabsichtigt, dass alle Angaben, die hierin Prinzipien, Aspekte und Ausführungsformen der Offenbarung vortragen, sowie spezifische Beispiele davon sowohl strukturelle als auch funktionale Äquivalente davon umfassen. Zusätzlich ist beabsichtigt, dass solche Äquivalente sowohl derzeit bekannte Äquivalente sowie in der Zukunft entwickelte Äquivalente enthalten, d.h. irgendwelche entwickelten Elemente, die dieselbe Funktion ungeachtet der Struktur durchführen.
  • Somit wird es zum Beispiel von Fachleuten auf dem Gebiet eingesehen werden, dass irgendwelche Blockdiagramme hierin konzeptionelle Ansichten eines illustrativen Schaltkreises darstellen, die die Prinzipien der Offenbarung verkörpern.
  • Solange es hierin nicht ausdrücklich anders spezifiziert ist, sind die FIG., aus denen die Zeichnung besteht, nicht maßstabsgetreu gezeichnet.
  • Als zusätzlichen Hintergrund beginnen wir dadurch, dass wir anmerken, dass eine verteilte optische Fasererfassung (DOFS) eine wichtige und weit verbreitete Technologie ist, um Umgebungsbedingungen (wie Temperatur, Vibration bzw. Schwingung, Dehnungsniveau, etc.) irgendwo entlang eines Glasfaserkabels, das wiederum mit einem Interrogator verbunden ist, zu erkennen. Wie es bekannt ist, sind moderne Interrogatoren Systeme, die ein Eingangssignal zur Faser erzeugen und das (die) reflektierte(n)/gestreute(n) und anschließend empfangene(n) Signal(e) erkennen/analysieren. Die Signale werden analysiert und eine Ausgabe wird erzeugt, die auf die Umgebungsbedingungen hinweist, auf die man entlang der Länge der Faser trifft. Das (die) so empfangene(n) Signal(e) kann (können) aus Reflexionen in der Faser, wie z.B. Raman-Rückstreuung, Rayleigh-Rückstreuung und Brillouin-Rückstreuung, resultieren. Es kann auch ein Signal in Vorwärtsrichtung sein, das die Geschwindigkeitsdifferenz von mehreren Moden verwendet. Ohne Allgemeingültigkeit zu verlieren, nimmt die folgende Beschreibung ein reflektiertes Signal an, obwohl dieselben Ansätze auch auf weitergeleitete Signale angewendet werden können.
  • Wie es eingesehen werden wird, enthält ein modernes DOFS-System einen Interrogator, der periodisch optische Impulse (oder irgendein codiertes Signal) erzeugt und sie in eine optische Faser injiziert. Das injizierte optische Impulssignal wird entlang der optischen Faser befördert bzw. übertragen.
  • An Orten entlang der Länge der Faser wird ein kleiner Teilbereich eines Signals reflektiert und zum Interrogator zurückbefördert. Das reflektierte Signal trägt Informationen, die der Interrogator verwendet, um beispielsweise eine Änderung eines Leistungspegels, die - zum Beispiel - auf eine mechanische Vibration hinweist, zu erkennen.
  • Das reflektierte Signal wird in einen elektrischen Bereich umgewandelt und innerhalb des Interrogators verarbeitet. Basierend auf der Impulsinjektionszeit und der Erkennung des Zeitsignals bestimmt der Interrogator, von welcher Stelle bzw. welchem Ort entlang der Faser das Signal kommt, und kann so die Aktivität jeder Stelle entlang der Faser erfassen.
  • Wie wir zeigen und beschreiben werden - verwenden Systeme, Verfahren und Strukturen gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung einen Interrogator für einen verteilten Vibrations- bzw. Schwingungssensor DVS (= Distributed Vibration Sensor) oder einen verteilten Akustiksensor DAS (= Distributed Acoustic Sensor), um eine Vibration bzw. Schwingung wiederzugewinnen, die irgendwo entlang einer Erfassungsfaser in äquivalenter Abtastfrequenz der Pulswiederholrate auftritt. Zum Beispiel wird für einen DVS oder einen DAS, der Impulse mit einer Wiederholrate von 20 kHz verwendet, die Vibration an der Stelle von Interesse bei einer Frequenz von 20 kHz abgetastet, die - wie es Fachleute auf dem Gebiet verstehen und einsehen werden - gemäß der Nyquist-Regel in der Lage ist, eine Frequenz von bis zu 10 kHz abzudecken.
  • Wie wir es zeigen und beschreiben werden - und zwar gemäß der vorliegenden Offenbarung - werden von einem Punktsensor/Transmitter übertragene Daten/Informationen in eine durch den Punktsensor durch die Wirkung einer an der optischen Faser angebrachten Vibrationsvorrichtung - wie beispielsweise einem Vibrationsmotor oder einem Lautsprecher - erzeugte mechanische Vibration bzw. Schwingung codiert. Ein rückgestreutes optisches Signal - insbesondere ein rückgestreutes Rayleigh-Signal - befördert bzw. überträgt die von dem Punktsensor/der Vibrationsvorrichtung erzeugte Schwingung.
  • Der Interrogator empfängt das rückgestreute Licht vorteilhafterweise unter Verwendung von entweder direkter Detektion bzw. Erkennung oder kohärenter Detektion bzw. Erkennung und decodiert anschließend die Vibration, um die ursprüngliche vibrierende „Nachricht“ wiederzugewinnen.
  • Fachleute auf dem Gebiet werden einsehen, dass der Punktsensor/die Vibrationsvorrichtung/der Sender bzw. Transmitter eine Frequenzmodulationsmethode verwendet, um die Nachricht zu senden, was in einer Umgebung einer starken Leistungsschwankung von Rayleigh-Fading hilft. Gesendete Daten/Informationen eines Sensors sind in einem Frame eingekapselt, der mehrere feste Zeitschlitze enthält, von denen jeder eine Frequenz verwendet (was „Frequenzperiode“ genannt wird).
  • Bei einer illustrativen Ausführungsform enthält ein Frame eine oder mehrere Frequenzperioden, so dass der Interrogator unter Verwendung von einer oder mehreren dedizierten Frequenzen einen Startpunkt bestimmen kann. Solche Perioden ähneln bezüglich der Funktion einer Präambel; und einer oder mehreren Frequenzperioden für die Daten/Informationen, über ein Bit (Bits) bis hin zur Frequenzabbildung.
  • Nur anhand eines illustrativen Beispiels kann unter Verwenden von zwei Frequenzen für einen Binärcode eine „0“ auf eine Frequenz A abgebildet bzw. dieser zugeordnet werden, während eine „1“ auf eine Frequenz B abgebildet bzw. dieser zugeordnet wird. Bei einem anderen illustrativen Beispiel kann unter Verwendung von 4 Frequenzen für einen mehrstufigen Code (d.h. ein „Symbol“) „00“ auf die Frequenz A, „01“ auf die Frequenz B, „10“ auf die Frequenz C und „11“ auf die Frequenz D abgebildet bzw. dieser zugeordnet werden.
  • In Betrieb und gemäß illustrativen Aspekten der vorliegenden Offenbarung sendet ein Punktsensor/Transmitter eine Nachricht in einem festen Intervall. Für irgendwelche Zeitperioden, in welchen er keine Nachricht sendet oder eine andere Operation durchführt (z.B. Sammeln von Daten), kann er in den Ruhezustand versetzt werden, um Energie zu sparen.
  • Wenn der Punktsensor einmal fertig ist (Daten sammelt und sie regelmäßig zum Interrogator zurücksendet), scannt eine Interrogator-Logik eine empfangene Eingabe für die Präambel während einer Anfangssynchronisation. In Betrieb kann dies durch kontinuierliches Suchen nach einer Präambel von und/oder verbunden bzw. assoziiert mit einem bestimmten Ort erreicht werden. Wenn eine solche Präambel einmal identifiziert ist und eine Startzeit berechnet ist, wird der Interrogator dann irgendwelche codierten/beförderten Daten/Informationen decodieren. Bei nachfolgenden Operationen wird der Interrogator unter Verwendung desselben Zeitintervalls wie der Transmitter bzw. Sender, der mit dem Punktsensor assoziiert ist, nach einem nächsten Frame suchen.
  • Vorteilhaft kann der Punktsensor - für dringende Informationen - jederzeit unter Verwendung einer stärkeren Vibration bzw. Schwingung senden, so dass der Interrogator ihn unter Verwendung eines regulären Schwingungserkennungsverfahrens identifizieren und dann unter Verwendung eines Decodierungsverfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung nachverfolgen wird - um die Nachricht wiederzugewinnen bzw. wiederherzustellen.
  • 1 ist ein schematisches Diagramm, das illustrativ ein System mit einen Interrogator und zur verteilten Fasererfassung (DOFS (= Distributed Optical Fiber Sensing)) nach dem Stand der Technik zeigt. Wie es aus dieser Figur beobachtet werden kann, kann ein solches System einen DVS oder einen DAS umfassen, der einen Interrogator und seine angebrachte Erfassungsfaser umfasst. Wie es bereits erwähnt ist, liefert/injiziert der Interrogator periodisch optische Impulse zur Faser. Ein kleiner Teilbereich des (der) angelegten Impulses (Impulse) wird an jeder Stelle entlang der Faser reflektiert, während ein solcher Impuls (solche Impulse) die Länge der Faser durchqueren. Das reflektierte Signal (Die reflektierten Signale) überträgt (übertragen) Informationen (z.B. Vibration an der Faser) zum Interrogator. Der Interrogator tastet das rückgestreute Signal kontinuierlich ab, führt eine Vorverarbeitung (wie beispielsweise Filterung, Normalisierung) durch und führt möglicherweise eine Verarbeitung pro Standort durch. Für einen Standort i ist ein solcher Standort mit Signalen einer Zeit ti+n*T assoziiert, wobei ti die Zeit ist, zu der der Interrogator eine Reflexion des Standorts i empfängt; Teine Länge eines Pulswiederholzyklus ist; und n = 0, 1, 2, .... Vorteilhafterweise kann (können) der (die) periodische(n) Impuls(e) auch eine Codesequenz umfassen, um die Systemempfindlichkeit und Auflösung zu erhöhen.
  • 2 ist ein schematisches Diagramm, das ein illustratives, mit einem Punktsensor erweitertes DOFS-System gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt. Nimmt man Bezug auf diese Figur, kann beobachtet werden, dass ein oder mehrere Punktsensoren an der Faser angebracht sind, um jeweilige erfasste Daten/Informationen zum Interrogator zu senden, wie sie in die optische Faser über mechanische Vibration bzw. Schwingung übermittelt sind. Wie es bereits erwähnt ist, enthält ein Punktsensor allgemein Strukturen/Schaltkreise/Mechanismen, um eine spezifische Eigenschaft zu erfassen, wie beispielsweise einen Thermistor zur Temperaturerfassung, einen akustischen Modulator, der digitalen Daten, die repräsentativ für die erfasste Eigenschaft sind, in ein akustisch moduliertes Signal umwandelt, und einen Generator für akustische Schwingungen, der das akustisch modulierte Signal in eine mechanische Schwingung umwandelt. Der Schwingungsgenerator - der an der Faser befestigt ist - übermittelt ein moduliertes Signal an rückgestreutes Licht, das anschließend vom Interrogator erkannt und decodiert wird, um daraus irgendwelche Informationen wiederherzustellen.
  • Bei einer illustrativen Ausführungsform verwendet der akustische Modulator Frequenzmodulation. In einem einfachen binären Fall gibt es zwei Frequenzen f0 und f1 (Wellenform cos(2πf0t) und cos(2πf1t)), die verwendet werden, um jeweils binär „0“ und „1“ darzustellen, die als Frequenzbit bezeichnet werden. Die Frequenzen f0 und f1 werden innerhalb einer Nyquist-Bandbreite ausgewählt, die unter ½ der optischen Pulswiederholrate des Interrogators liegt. Um eine Interferenz zu vermeiden, sind f0 und f1 ausreichend entfernt von harmonischen Frequenzen des jeweils anderen. Die Frequenzen können auch auswählbar sein, um Feldinterferenz zu vermeiden.
  • In einem solchen illustrativen Schema dauert jedes Frequenzbit eine feste Zeitperiode Tb, wie es in 3 dargestellt ist. Bei einer illustrativen Ausführungsform verwendet der akustische Modulator 2^n Frequenzen f0, f1, .... fn-1, um ein Symbol von n-bit darzustellen. Jede Frequenz wird als Frequenzsymbol bezeichnet.
  • Zum Beispiel können für ein 2-Bit-Symbol 2^2=4 Frequenzen verwendet werden: 'b00 (d.h. Binärwert 00), dargestellt durch f0, 'b01 durch f1, 'b10 durch f2 und 'b11 durch f3, wie es in 4 dargestellt ist. Ähnlich einem binären Fall dauert ein Frequenzsymbol eine feste Zeitperiode Ts.
  • Bei einer illustrativen Ausführungsform wird eine Fensterfunktion auf ein Frequenzbit/-symbol angewendet, und zwar für einen reibungslosen Übergang von einer Kosinuswelle zu Null plus bestimmten Nullperioden, für eine bessere Zeitgabefehlertoleranz am Interrogator. Dies ist illustrativ in 5 gezeigt.
  • Die zum Interrogator zu sendenden Informationen sind in einem Frame eines festen Formats eingekapselt. Bei einer illustrativen Ausführungsform enthält der Frame eine Präambel, gefolgt von einem Informationsfeld. Die Präambel kann eine oder mehrere Bit-/Symbolperioden enthalten, wobei eine einzelne Frequenz oder die Kombination von mehreren Frequenzen verwendet wird. Die Präambel kann dieselben Frequenzen wie das Informationsfeld verwenden oder sie kann andere Frequenzen verwenden.
  • Bei einer illustrativen Ausführungsform verwendet die Präambel eine einzelne Frequenz, gefolgt von einer Ruheperiode vor dem Informationsfeld, wie es in 6 gezeigt ist (Frame-Darstellung, die Präambel, Ruheperiode und Informationsfeld hat). Die Ruheperiode hilft dabei, das Zentrum der Präambel zu identifizieren, während eine Interferenz vom Informationsfeld vermieden wird, und zwar insbesondere dann, wenn die Präambel-Frequenz auch im Informationsfeld verwendet wird.
  • Bei einer illustrativen Implementierung verwendet der Frame Frequenzen von 600 Hz, 700 Hz, 800 Hz und 900 Hz, um eine Pulswiederholrate von 2 kHz zu unterstützen. Jedes Frequenzintervall ist für ein 2-Bit-Symbol, z.B. 600 Hz für 'b00, 700 Hz für 'b01, 800 Hz für 'b10 und 900 Hz für 'b11. Die Präambel verwendet 600 Hz (oder irgendeine der anderen Frequenzen, die eine bessere Antwort bzw. Reaktion hat). Angenommen, dass eine Frequenzperiode 50ms beträgt, dann ist der Frame für die Information 'b1001001101100010 in 7 dargestellt.
  • Vorteilhafterweise kann ein akustischer Modulator gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung eine Mikrosteuerungseinheit MCU (= Micro-Controller Unit) plus ein Digital-Analog-Wandler DAC (= Digital-to-Analog Converter) sein, wobei die MCU die Symbole in diskrete Fensterwellenformen abbildet und zum DAC ausgibt, gefolgt von einem Tiefpassfilter zur Entfernung hochfrequenter Oberschwingungen. Die MCU und der DAC können in einen einzigen Chip oder verschiedene Chips (d.h. MCU und einen dedizierten Audiochip), die durch eine I2S-(Inter-IC Sound-)Schnittstelle verbunden sind, integriert sein. Der akustische Modulator kann auch das integrierte PWM-(= Pulse-Width Modulation)Modul der MCU verwenden, um die gewünschte Frequenz durch Ändern der PWM-Zykluslänge zu erzeugen.
  • Wie es für Fachleute auf dem Gebiet ohne weiteres offensichtlich sein wird, zeigt ein DVS oder ein DAS gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung die Fähigkeit, induzierte Schwingung von irgendeinem Standort entlang der Faser zu erkennen. Durch Verwenden dieses Merkmals kann der Punktsensor die Informationen jederzeit aussenden.
  • In Betrieb führt der DVS- oder DAS-Interrogator regelmäßig Schwingungserkennungsoperationen für Standorte von Interesse entlang der Faser durch. Wenn einmal eine Schwingung von dort erkannt ist, wo ein Punktsensor montiert ist, und als gültiges Signal angesehen wird (z.B. über einer bestimmten Schwelle), wird der Demodulator innerhalb des Interrogators das empfangene Signal von diesem Standort verarbeiten und die Demodulation durchführen. Wie es eingesehen werden wird, erfordert eine solche Operation ein bestimmtes Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) für ein am Interrogator empfangenes Signal, um die Schwingung erkennen zu können, was wiederum einen bestimmten Leistungspegel vom Schwingungsgenerator erfordert.
  • Fachleute auf dem Gebiet werden einsehen, dass eine Frequenzmodulation den Vorteil hat, dass der Empfänger selbst dann, wenn das SNR niedrig ist, noch in der Lage sein kann, ein Spitzenspektrum durch schnelle Fouriertransformation FFT (= Fast Fourier Transform) zu erhalten. Dies bedeutet, dass das Signal selbst dann richtig demoduliert werden kann, wenn es keine durch den Interrogator unter Verwendung eines regulären Ansatzes erkannte Schwingung gibt. Um die Arbeitslast des Interrogators zu reduzieren, kann ein Punktsensor die Informationen in einem festen Intervall senden, so dass der Interrogator nur während dieses Intervalls empfangene Signale verarbeiten muss, wenn einmal eine Synchronisation erreicht ist.
  • Bei einer illustrativen operativen Ausführungsform - während die MCU in einem normalen Modus ist und keine Informationen verarbeitet oder sendet, kann sie in einen Ruhemodus versetzt werden. Auf ein Aufwecken hin stellt sie einen ersten Zeitgeber ein und dann führt sie eine reguläre Verarbeitung, wie beispielsweise ein Sammeln von Daten, durch. Wenn der erste Zeitgeber einmal abläuft, stellt die MCU einen zweiten Zeitgeber ein und sendet dann Informationen über den akustischen Modulator aus. Nachdem diese Informationen gesendet sind, beendet die MCU einen Verarbeitungszyklus und kann wieder zum Ruhemodus zurückkehren. Der Ablauf des zweiten Zeitgebers weckt die MCU für eine weitere Verarbeitungsrunde auf. Die Summe aus dem ersten und den zweiten Zeitgeber ist das Sendeintervall für Informationen, das ungefähr ein konstanter Wert ist. Die Periode des zweiten Zeitgebers ist für die MCU lang genug, um ein Sammeln von Daten und andere notwendige Operationen durchzuführen, während sie so kurz wie möglich ist, damit die gesendeten Informationen den neuesten Status widerspiegeln. Diese Prozedur ist in 8 gezeigt.
  • Die obigen zwei illustrativen Ansätze können mit demselben Punktsensor verwendet werden. Bei einer normalen Operation sendet der Punktsensor Informationen in einem festen Intervall mit einem niedrigeren Schwingungspegel. Für dringendere sofort zusendende Informationen - wie beispielsweise eine Alarmmeldung - wird der Punktsensor einen höheren Schwingungspegel verwenden, um den Interrogator auszulösen.
  • Für Anwendungen, die eine globale Synchronisierung erfordern, können die Punktsensoren eine globale Zeitgabevorrichtung, wie beispielsweise GPS, haben, um Informationen nur bei den zugeordneten Zeitschlitzen zu senden. Dies ermöglicht es dem Interrogator, nur bei diesen Intervallen zu arbeiten/demodulieren.
  • Um irgendeine Toleranz gegenüber Rayleigh-Fading zu erhöhen - für Informationen, die eine höhere Liefersicherheit erfordern - kann die MCU duplizierte Frames, die den regulären folgen, senden. In Betrieb prüft der Interrogator/Empfänger, ob nach dem ersten Frame gültige Spektrumspitzen gefunden werden, um zu entscheiden, ob es einen duplizierten Frame (oder mehrere) gibt, der (die) zu empfangen ist (sind). Ein ähnlicher Ansatz kann für variable Informationslängen verwendet werden, da die Frames immer von dem festen Intervall aus beginnen und ein zusätzliche gültige Spektrumspitze bedeutet, dass ein längerer Frame empfangen wird. Dies ist in 9 gezeigt. Es ist zu beachten, dass eine Korrektheit einer Frame-Lieferung auch durch Verwenden eine Paritätsprüfung und/oder Verwenden eines Fehlerkorrekturcodes verbessert werden kann.
  • An dieser Stelle werden, während wir diese Offenbarung unter Verwendung einiger spezifischer Beispiele präsentiert haben, Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass unsere Lehren nicht so begrenzt sind. Demgemäß sollte diese Offenbarung nur durch den Schutzumfang der hierzu beigefügten Ansprüche eingeschränkt sein.

Claims (15)

  1. System für eine optische Fasererfassung (DOFS (= Distributed Optical Fiber Sensing)), umfassend: ein langes Glasfaserkabel; ein DOFS-Interrogatorsystem in optischer Kommunikation mit dem Glasfaserkabel; und ein oder mehrere Punktsensorsysteme in mechanischer Kommunikation mit der Länge eines Glasfaserkabels.
  2. DOFS-System nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren Punktsensorsysteme folgendes enthält oder enthalten: einen Sensor, einen akustischen Modulator und einen akustischen Schwingungsgenerator.
  3. DOFS-System nach Anspruch 2, wobei der Sensor einer ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Temperatursensor, Schwingungssensor und Dehnungssensor besteht.
  4. DOFS-System nach Anspruch 2, wobei der akustische Modulator digitale Daten, die für eine durch den Sensor erfasste Umgebungsbedingung repräsentativ sind, in ein akustisch moduliertes Signal umwandelt.
  5. DOFS-System nach Anspruch 2, wobei dem der akustische Schwingungsgenerator das akustisch modulierte Signal in eine mechanische Schwingung umwandelt, die an die optische Faser angelegt wird.
  6. DOFS-System nach Anspruch 5, wobei ein akustisch moduliertes Signal ein frequenzmoduliertes Signal ist.
  7. DOFS-System nach Anspruch 6, wobei das frequenzmodulierte Signal zwei Frequenzen f0 und f1 (Wellenform cos(2πf0t) und cos(2πf1t)) enthält, die verwendet werden, um jeweils binär „0“ und „1“ darzustellen.
  8. DOFS-System nach Anspruch 7, wobei Frequenzen f0 und f1 innerhalb einer Nyquist-Bandbreite ausgewählt werden, die unter 1/2 einer optischen Pulswiederholrate des Interrogators liegt.
  9. DOFS-System nach Anspruch 8, wobei f0 und f1 ausreichend beabstandet sind von den harmonischen Frequenzen des jeweils anderen und ausgewählt werden, um eine Feldinterferenz zu vermeiden.
  10. DOFS-System nach Anspruch 8, wobei jedes Frequenzbit eine feste Zeitperiode Tb dauert und der akustische Modulator 2^n Frequenzen f0, f1, .... fn-1 verwendet, um ein Symbol von n-bit darzustellen.
  11. DOFS-System nach Anspruch 10, wobei jedes Frequenzbit mit einem Fenster versehen ist.
  12. DOFS-System nach Anspruch 6, wobei das frequenzmodulierte Signal Informationen enthielt, die in Frames eingekapselt sind, wobei jeder Frame eine Präambel hat, wobei die Präambel bei einer festen Frequenz codiert ist.
  13. DOFS-System nach Anspruch 12, wobei die Präambel Daten enthält, die auf eine Ruheperiode hinweisen, die keine mechanischen Schwingungen darstellt.
  14. DOFS-System nach Anspruch 13, wobei der Frame eine feste Länge ist.
  15. DOFS-System nach Anspruch 13, wobei der Frame von einem Frame zu einem anderen von variabler Länge ist, und zwar einschließlich duplizierter Informationen.
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