DE19739563C2

DE19739563C2 - Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtung

Info

Publication number: DE19739563C2
Application number: DE19739563A
Authority: DE
Inventors: Haruyoshi Uchiyama
Original assignee: Ando Electric Co Ltd
Current assignee: Ando Electric Co Ltd
Priority date: 1996-09-12
Filing date: 1997-09-10
Publication date: 2001-04-19
Anticipated expiration: 2017-09-11
Also published as: GB2317229A; GB9718889D0; JP3094917B2; US5821426A; JPH1090120A; DE19739563A1; GB2317229B

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Technischer Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtleitfaser- Verformungs-Meßvorrichtung, welche in der Lage ist, die Verformung einer Lichtleitfaser durch Ermitteln und Analysieren der natürlichen Brillouin-Streuung von Licht innerhalb einer Lichtleitfaser zu messen.

Beschreibung des verwandten Standes der Technik

Aus der US 4 928 004 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dehnungsmessung bekannt, welche auf der Änderung der Laufzeit optischer Impulse in einer Lichtleitfaser bei einer Längenänderung der Faser beruhen. Hierzu werden mittels einer Lichtquelle, vorzugsweise eines Lasers erzeugte Lichtimpulse über einen optischen Strahlteiler in einen Lichtleiter einge koppelt, der aus einer Vielzahl sequentiell aufeinanderfolgender Segmente besteht. Die Verbindungsstellen der Segmente fungieren hierbei als teildurchlässige Reflektoren, d. h. sie reflektieren jeweils einen gewissen Teil der ankommenden Lichtwelle und lassen den überwiegenden Teil passieren. Die durch diese Reflexionen erzeugten Lichtimpulse werden durch besagten Strahlteiler aus der Lichtleitfaser ausgekoppelt und einem Laufzeitmessgerät zugeführt, welches die Laufzeitdifferenzen zwischen den einzelnen Impulsen ermittelt. Durch eine lokale Längenände rung eines Segmentes des Lichtleiters ändert sich die Lauf zeit der Lichtimpulse nur innerhalb dieses Segmentes. Da nur diejenigen Reflexionsimpulse, welche besagtes Segment durch laufen, eine Laufzeitänderung erfahren, kann durch die Mes sung von Laufzeitdifferenzen sowohl das von einer Längenän derung betroffene Segment lokalisiert, als auch das Ausmaß der Längenänderung festgestellt werden.

Verschiedene Modifikationen des vorausgehend beschriebenen Meßprinzips lehrt die US 5 189 299. Unter anderem wird dort vorgeschlagen, einen speziellen Richtkoppler mit vier Anschlüssen vorzusehen und den Lichtleiter als Schleife aus zubilden, welche durch besagten Richtkoppler mit der Licht quelle einerseits und dem Laufzeitmeßgerät andererseits verbunden ist. Durch diese Anordnung wird ein Teil der am Ende der Schleife ankommenden Welle ein erneutes Mal in die Schleife eingekoppelt, wodurch aus jedem einzelnen Lichtim puls der Quelle eine Vielzahl von Impulsen erzeugt wird, welche die Schleife zunehmend öfter durchlaufen haben, bevor sie zum Laufzeitmeßgerät hin ausgekoppelt werden. Auf diese Weise wird die durch die Längenänderung des Lichtleiters verursachte Laufzeitänderung vervielfacht und damit bei gegebener Zeitauflösung des Laufzeitmeßgerätes die Auflösung der Dehnungsmessung entsprechend gesteigert.

Weitere Verbesserungen erbringen nach der US 5 189 299 die Einfügung eines Modulators zur Frequenzverschiebung aufeinan derfolgender Impulse und eines Verstärkers zur Erhöhung des Signal-Rauschabstandes in die Lichtleiterschleife. Ferner kann bei einer Schleifenstruktur der beschriebenen Art am Ende der Lichtleitfaser anstelle des Laufzeitmeßgerätes ein Spiegel angeordnet und das Laufzeitmeßgerät stattdessen über einen zwischen der Lichtquelle und der Lichtleitfaser angeordneten Strahlteiler an das System angeschlossen werden. Diese Variante kombiniert somit den bidirektionalen Betrieb der Lichtleitfaser mit dem Prinzip der Impulsvervielfachung durch einen Richtkoppler und eine Schleife.

Kürzlich wurden Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtungen entwickelt, welche solche Eigenschaften wie Verformung an einer Lichtleitfaser durch Feststellen der natürlichen Brillouin-Streuung von Licht innerhalb einer Lichtleitfaser messen und diese Streuung von Licht analysieren. Der Brillouin-Lichtleitfaser-Ringlaser wird als eine Vorrichtung zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser verwendet und wendet die oben-genannte natürliche Brillouin-Streuung von Licht an. Die Struktur des Brillouin-Lichtleitfaser- Ringlasers wird unten mit Bezug auf Fig. 3 erklärt.

In dieser Figur ist 101 eine Lichtquelle, welche kontinuierliches Licht einer optischen Bezugsfrequenz an einen optischen Richtungskoppler 102 sendet. Der optische Richtungskoppler 102 teilt das kontinuierliche Licht, welches von der Lichtquelle 101 ausgesendet wird, in ein Meßlicht und ein Referenzlicht, und schickt das Meßlicht zu einem Ton- Licht-Schalter 104 und das Referenzlicht an einen optischen Richtungskoppler 113.

Der Ton-Licht-Schalter 104 wandelt das kontinuierliche Licht, welches vom optischen Richtungskoppler 102 ausgesendet wird, in Lichtpulse um, und schickt Licht an einen Lichtzirkulator 106 mit einer Frequenz, welche durch die Zeit bestimmt wird, welche benötigt wird, um die Länge einer optischen Ringleitung zu durchlaufen (eine Leitung, welche eine Test- Lichtleitfaser 107, einen Lichtleitfaser-Verstärker 109, einen Ton-Licht-Schalter 123, einen optischen Bandpaßfilter 110, einen optischen Richtungskoppler 111, eine Verzögerungs- Lichtleitfaser 112 und einen Licht-Isolator 108 enthält). Während die Lichtpulse zur oben genannten optischen Ringleitung geschickt werden, schickt der Lichtzirkulator 106 das Brillouin-rückgestreute Licht, welches in der Test- Lichtleitfaser 107 erzeugt wurde, an den Ton-Licht-Schalter 123.

Der Ton-Licht-Schalter 123 zieht aus dem Brillouin rückgestreuten Licht nur das rückgestreute Licht, welche an einer vorgeschriebenen Position innerhalb der Test- Lichtleitfaser 107 erzeugt wurde, und schickt dies zum Lichtleitfaser-Verstärker 109. Der Lichtleitfaser-Verstärker 109 gibt den Lichtsignalen, welche am Ton-Licht-Schalter 123 herausgezogen wurden, eine geeignete Verstärkung, um den Lichtübertragungsverlust der optischen Ringleitung auszugleichen.

Der optische Bandpaßfilter 110 beseitigt das spontan ausgesendete Licht und das angeregte Licht, welches am Lichtleitfaser-Verstärker 109 entstanden ist, und erlaubt nur den Lichtsignalen zu passieren. Der optische Richtungskoppler 111 verzweigt die Lichtsignale, welche vom optischen Bandpaßfilter 110 geschickt wurden, und schickt gleichzeitig einen Teil zur Verzögerungs-Lichtleitfaser 112 der optischen Ringschaltung und den anderen Teil zum optischen Richtungskoppler 113.

Die Verzögerungs-Lichtleitfaser 112 erzeugt eine Verzögerung bei den zugehörigen Lichtsignalen. Der Lichtisolator 108 schickt die Lichtsignale, welche bei der Test-Lichtleitfaser 107 eine Verzögerung hervorbringen, während er verhindert, daß das Meßlicht, welches vom Lichtzirkulator 106 geschickt wurde und welches durch die Test-Lichtleitfaser 107 übertragen wurde, passiert (in der Richtung der Verzögerungs- Lichtleitfaser 112). Die Lichtsignale, welche vom Lichtisolator 108 geschickt wurden, erhalten an der oben vorgeschriebenen Position innerhalb der Test-Lichtleitfaser 107 aufgrund des Meßlichts, welches vom Lichtzirkulator 106 geschickt wurde, eine Brillouin-Verstärkung und werden durch den Lichtzirkulator 106 zum Ton-Licht-Schalter 123 geschickt.

Der Ton-Licht-Schalter 123 zieht die Lichtsignale heraus, welche die Brillouin-Verstärkung an der oben vorgeschriebenen Position innerhalb der Test-Lichtleitfaser 107 erhalten haben, und schickt die Lichtsignale zum Lichtleitfaser- Verstärker 109. Diese Lichtsignale passieren den Lichtleitfaser-Verstärker 109 und den optischen Bandpaßfilter 110 und verzweigen sich am optischen Richtungskoppler 111 zur optischen Ringleitung und zum optischen Richtungskoppler 113 hin. Die Wiederholung dieses Vorganges verursacht, daß die Lichtsignale, welche an der oben beschriebenen Position herausgezogen wurden, jedes Mal, wenn die optische Ringleitung durchlaufen wird, eine Brillouin-Verstärkung erhalten.

Inzwischen synthetisiert der optische Richtungskoppler 113 die Lichtsignale, welche von der sekundären Route des optischen Richtungskopplers 111 geschickt wurden, und das Referenzlicht, welches von der sekundären Route des optischen Richtungskopplers 102 geschickt wurde, und schickt das synthetisierte Licht an einen Licht-Auffangabschnitt 121. Der Licht-Auffangabschnitt 121 erhält die Lichtsignale, welche vom optischen Richtungskoppler 113 geschickt wurden, und wandelt die Lichtsignale in elektrische Signale um. Ein elektrischer Spektrum-Analysator 122 ermittelt die elektrischen Signale und mißt den Betrag der Verformung an der oben vorgeschriebenen Position innerhalb der Test- Lichtleitfaser 107.

Es sollte beachtet werden, daß mit Bezug auf die oben beschriebene herkömmliche Lichtleitfaser-Verformungs- Meßvorrichtung es ein Problem bei der Position, wo die Verformung gemessen wird (d. h. die oben erwähnte vorgeschriebene Position) gibt, welche durch die zeitliche Einteilung, bei welcher der Ton-Licht-Schalter 123 das Brillouin-Streulicht herauszieht, begrenzt ist.

Zusätzlich gibt es mit Bezug auf die oben beschriebene herkömmliche Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtung ein Problem, daß die elektrischen Signale aufgrund des hohen Frequenzbandes der sysnthetisierten Lichtsignale, welche durch das Referenzlicht gebildet werden, nicht leicht zu ermitteln sind, und die Lichtsignale, welche von der optischen Ringleitung ausgegeben werden, ungefähr 10-12 GHz betragen.

Zusätzlich gibt es mit Bezug auf die oben beschriebene herkömmliche Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtung ein Problem, daß man nicht in der Lage ist, die Länge der optischen Ringleitung zu messen, welche auch der Zyklus ist, an welchen das Meßlicht geschickt wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde unter solch einem Hintergrund erdacht, und schlägt daher vor, eine Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtung anzubieten, welche die Messung der Verformung an einer beliebigen Position innerhalb einer Lichtleitfaser erlaubt, und welche die Messung der Länge der optischen Ringleitung, welche die Lichtleitfaser enthält, erlaubt.

Die vorliegende Erfindung enthält eine Lichtquelle, welche kontinuierliches Licht einer optischen Bezugsfrequenz aussendet, ein primäres optisches Richtungskopplungsmittel zum Befördern des kontinuierlichen Lichts nach der Verzweigung in zwei, ein optisches Frequenz-Umwandlungsmittel zum Verschieben der optischen Frequenz des ersten Zweiges des kontinuierlichen Lichts, welches vom primären optischen Richtungskopplungsmittel in einer schrittweisen Art für vorgeschriebene Frequenzen während eines gegebenen Zyklus geschickt wird, ein pulsendes Mittel zum Umwandeln der Lichtsignale, welche von dem optischen Frequenz- Umwandlungsmittel geschickt werden, in Pulse und zum Schicken der Lichtpulse in einem vorgeschriebenen Zeitintervall, eine optische Ringleitung, deren Länge die Geschwindigkeit definiert, mit welcher die Pulse durch das pulsende Mittel befördert werden, und welche eine Test- Lichtleitfaser enthält, welche das Ziel der Verformungsmessung ist, ein Lichtzirkulierendes Mittel zum Befördern der Lichtpulse, welche vom pulsenden Mittel zur Test-Lichtleitfaser geschickt werden, während es die rückgestreuten Lichtsignale, welche innerhalb der Test- Lichleitfaser erzeugt werden, empfängt und schickt, ohne ihre Ausbreitungsrichtung zu ändern, ein Lichtverstärkungsmittel zur Verstärkung der rückgestreuten Lichtsignale, welche vom Lichtzirkulationsmittel geschickt werden, ein optisches geräuschbeseitigendes Mittel zur Beseitigung der Geräuschkomponente, welche durch das Lichtverstärkungsmittel von den rückgestreuten Lichtsignalen, welche durch das Lichtverstärkungsmittel verstärkt wurden, erzeugt wurde, ein sekundäres optisches Richtungskopplungsmittel zur Beförderung der rückgestreuten Lichtsignale nach der Verzweigung, welche vom optischen geräuschbeseitigenden Mittel befördert werden, ein Verzögerungsmittel zum Anwenden einer Verzögerung auf den ersten Zweig der rückgestreuten Lichtsignale, welche vom sekundären optischen Richtungskopplungsmittel befördert werden, und ein Lichtisolationsmittel zum Unterbrechen der Lichtpulse, welche die Test-Lichtleitfaser passiert haben, während die rückgestreuten Lichtsignale, welche vom Verzögerungsmittel geschickt wurden, zur Test-Lichtleitfaser geschickt werden, ein tertiäres optisches Richtungskopplungsmittel zum Synthetisieren des zweiten Zweiges der rückgestreuten Lichtsignale, welche vom sekundären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt werden, mit dem zweiten Zweig des kontinuierlichen Lichts, welches vom primären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt wurde, ein Licht-Auffangmittel zur Anwendung eines Interferenz-Empfangsverfahrens, um die Lichtsignale, welche vom tertiären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt wurden, zu empfangen, d. h. das kontinuierliche Licht, welches vom primären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt wird, und die rückgestreuten Lichtsignale, welche vom sekundären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt werden, und zur Umwandlung der Lichtsignale in elektrische Signale, und ein Signal-verarbeitendes Mittel zum Messen der Verformung der Test-Lichtleitfaser durch Verwendung der elektrischen Signale, welche von dem Lichtauffangmittel ausgegeben werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Signalerfassung erleichtert, da das Frequenzband der zu ermittelnden Lichtsignale niedrig gemacht werden kann.

Zusätzlich kann gemäß der vorliegenden Erfindung der Betrag der Verformung an einer beliebigen Position innerhalb der Test-Lichtleitfaser durch Ändern der zeitlichen Leseeinteilung der digitalen Signale, welche vom A/D- Umwandlungsabschnitt ausgegeben werden, erhalten werden, sowie die Raumverteilung der Verformung durch Lesen der Signale bei einer bestimmten Anzahl von verschiedenen zeitlichen Einteilungen.

Zusätzlich kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Länge der optischen Lichtleitung gemessen werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, welches ein Beispiel einer Struktur einer Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, welches ein Beispiel einer Struktur des optischen Frequenz-Umwandlungsabschnitts 3 gemäß der Ausführungsform von Fig. 1 darstellt.

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, welches ein Beispiel einer Struktur einer herkömmlichen Lichtleitfaser-Verformungs- Meßvorrichtung darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unten mit Bezug auf die Zeichnungen erklärt.

Mit Bezug auf dieses Diagramm ist 1 eine Lichtquelle, welche kontinuierliches Licht einer optischen Bezugsfrequenz aussendet, und es wird zum Beispiel ein MQW-DFB-LD mit einem Frequenzband von 1,55 µm, welches automatische Temperatursteuerung besitzt, angewendet. 2 ist ein optischer Richtungskoppler, und das kontinuierliche Licht, welches in die Lichteintrittsöffnung eintritt, wird zweigeteilt und wird durch die zwei Lichtausgangsöffnungen ausgelassen. 3 ist ein optischer Frequenz-Umwandlungsabschnitt, welcher das eintretende kontinuierliche Licht in einen Strom von Lichtpulsen umwandelt, deren Frequenzen in einer schrittweisen Art zu vorgeschriebenen Frequenzen verschoben werden.

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, welches ein Beispiel einer Struktur des optischen Frequenz-Umwandlungsabschnitts 3 darstellt.

Mit Bezug auf dieses Diagramm ist 301 ein Ton-Licht- Schalter, welcher das kontinuierliche Licht in Lichtpulse umwandelt. 302 ist ein optischer Richtungskoppler, welcher die Lichtsignale, welche durch zwei Lichteintrittsöffnungen eintreten, zu einer Lichtausgangsöffnung befördert. 303 ist ein Lichtleitfaser-Verstärker, welcher die eintretenden Lichtsignale verstärkt. 304 ist eine Verzögerungs- Lichtleitfaser, welche die eintretenden Lichtsignale um einen vorgeschriebenen Zeitbetrag verzögert. 305 ist ein optischer Bandpaßfilter, welcher zum Beispiel ein Lichtübertragungsband von 5 mm aufweist. 306 ist ein optischer Frequenzverschieber, welcher in Abhängigkeit von externen Steuersignalen die Frequenzen der eintretenden Lichtsignale um einen Betrag verschiebt, welcher mit dem eines RF-Oszillators (nicht dargestellt) identisch ist. Solch ein RF-Oszillator kann zum Beispiel Frequenzen im Bereich von 120 bis 122 Mhz haben. 307 ist ein optischer Richtungskoppler, welcher die Lichtsignale, welche durch eine Lichteintrittsöffnung eintreten, aufteilt und zu zwei Lichtausgangsöffnungen schickt.

Zurück zu Fig. 1, wo 4 ein Ton-Licht-Schalter ist, welcher in Abhängigkeit von externen Steuersignalen die eintretenden Lichtsignale ein- und ausschaltet. 5 ist ein Lichtschalter, welcher, wenn die Verformung einer Test-Lichtleitfaser gemessen wird, die Lichtpulse, welche vom Ton-Licht-Schalter eintreten, zu einem Lichtzirkulator 6 schickt. Dann schickt der Lichtschalter 5 die Lichtpulse, welche vom Ton-Licht- Schalter 4 eingetreten sind, zu einem optischen Richtungskoppler 11, wenn die Länge einer optischen Ringleitung (eine Leitung, welche durch den Lichtzirkulator 6, einen Lichtleitfaser-Verstärker 9, einen optischen Bandpaßfilter 10, eine Verzögerungs-Lichtleitfaser 12, einen Lichtisolator 8 und die Test-Lichtleitfaser 7 gemessen wird.

6 ist der Lichtzirkulator, welcher den Lichtsignalen, welche in jede Öffnung eintreten, Lichtausgangsöffnungen zuteilt. 7 ist die Test-Lichtleitfaser, welche der Gegenstand der Messung der vorliegenden Meßvorrichtung ist. 8 ist der Lichtisolator, welcher die Richtung der Ausbreitung der Lichtsignale beschränkt und nur eine Ausbreitung in einer Richtung erlaubt. 9 ist der Lichtleitfaser-Verstärker, welcher die eintretenden Lichtsignale verstärkt. Der Lichtleitfaser-Verstärker kann zum Beispiel eine Er³⁺-dotierte Faser und eine Lichtquelle zur Anregung der dotierten Faser enthalten, wie eine 1,48 µm Halbleiter-Laserdiode. 10 ist der optische Bandpaßfilter, welcher zum Beispiel einen Durchlaßbereich von 5 nm besitzen kann. 11 ist der optische Richtungskoppler, welcher zwei Lichteintrittsöffnungen und zwei Lichtaustrittsöffnungen besitzt und welcher die Lichtsignale, welche durch die zwei Lichteintrittsöffnungen eingetreten sind, durch die geeigneten Lichtaustrittsöffnung befördert. 12 ist die Verzögerungs-Lichtleitfaser, welche den eintretenden Lichtsignalen eine Verzögerung verleiht. Die Länge der Verzögerungs-Lichtleitfaser 12 ist größer oder gleich wie die der Test-Lichtleitfaser.

13 ist ein optischer Richtungskoppler, welcher zwei Lichteintrittsöffnungen und zwei Lichtaustrittsöffnungen aufweist, und welcher die Lichtsignale, welche durch die zwei Lichteintrittsöffnungen eingetreten sind, durch die passenden Lichtaustrittsöffnungen befördert. 14 ist ein photo elektrischer Wandler, welcher die zugeführten Lichtsignale in elektrische Signale umwandelt. 15 ist ein Verstärker, welcher die eingegebenen elektrischen Signale verstärkt. 16 ist ein Bandpaßfilter, welcher die Geräusch-Komponente beseitigt und es nur der Signalkomponente erlaubt, dadurch hindurch zu senden. 17 ist ein Analog-Digital-Umwandlungsabschnitt, welcher die eingegebenen analogen Signale in digitale Signale umwandelt. 18 ist ein Signal-Verarbeitungsbereich, welcher ein vorgeschriebenes Verfahren an den zugeführten elektrischen Signalen durchführt und den Betrag der Verformung der Test-Lichtleitfaser 7 erhält.

Als nächstes wird der Betrieb der oben beschriebenen Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtung mit Bezug auf Fig. 1 und 2 erklärt.

Das kontinuierliche Licht, welches von der Lichtquelle 1 ausgesendet wird, wird durch den optischen Richtungskoppler 2 verzweigt und zum optischen Frequenz-Umwandlungsabschnitt 3 und zum optischen Richtungskoppler 13 geschickt. Die Frequenz des kontinuierlichen Lichts an diesem Punkt wird durch f_o dargestellt.

Das kontinuierliche Licht, welches zum optischen Frequenz- Umwandlungsabschnitt 3 geschickt wird, wird im optischen Frequenz-Umwandlungsabschnitt 3 in einen Strom von Lichtpulsen umgewandelt, deren Frequenzen in einer schrittweisen Art und Weise zu den vorgeschriebenen Frequenzen verschoben werden.

Zuerst wird das kontinuierliche Licht, welches zum optischen Frequenz-Umwandlungsabschnitt 3 geschickt wird, durch einen Ton-Licht-Schalter 301, welcher in Fig. 2 dargestellt ist, als Lichtpuls moduliert. Die Pulsbreite dieser Lichtpulse kann zum Beispiel 2 µs betragen. Zusätzlich kann die Periode dieser Lichtpulse von der Länge der oben-genannten optischen Ringleitung abhängen. Die Länge dieser optischen Ringleitung kann bei der vorliegenden Ausführungsform zum Beispiel 400 µs bei der Zeitumwandlung betragen, und dieser Zeitbetrag ist die Periode der Lichtpulse.

Die Lichtpulse, welche durch den Ton-Licht-Schalter 301 geschickt werden, werden in eine optische Schleife eingeführt, welche einen optischen Richtungskoppler 302, einen Lichtleitfaser-Verstärker 303, eine Verzögerungs- Lichtleitfaser 304, einen optischen Bandpaßfilter 305, einen optischen Frequenzverschieber 306 und einen optischen Richtungskoppler 307 enthält.

Die Lichtpulse, welche in die optische Schleife eintreten, erhalten am Lichtleitfaser-Verstärker 303 eine Verstärkung, welche gleich ist wie der Verlust von der optischen Schleife, erhalten an der Verzögerungs-Lichtleitfaser 304 eine Verzögerung, welche größer oder gleich ist wie die Pulsbreite der Lichtpulse, passieren durch den optischen Bandpaßfilter 305, erhalten am optischen Frequenzverschieber 306 eine Verschiebung der optischen Frequenz für Frequenzen eines RF- Oszillators und werden am optischen Richtungskoppler 307 in Lichtpulse aufgeteilt, welche vom optischen Frequenz- Umwandlungsabschnitt ausgesendet werden und in Lichtpulse, welche in die optische Schleife zurückbefördert werden.

Durch dieses Verfahren wird die optische Frequenz der Lichtpulse, welche vom optischen Richtungskoppler 307 befördert werden, im Verhältnis zu der der ursprünglichen Lichtpulse, welche in den optischen Frequenz- Umwandlungsabschnitt 3 eintreten, verschoben.

Durch Wiederholen des gleichen Vorgangs wird ein Strom von Lichtpulsen, deren optische Frequenzen in einer schrittweisen Art und Weise zu Frequenzen eines RF-Oszillators (z. B. 120 MHz) verschoben werden, aus der Lichtausgangsöffnung des optischen Richtungskopplers 307 befördert. Dieser Strom von Lichtpulsen ist die Ausgabe des optischen Frequenz- Umwandlungsabschnitts 3.

Der Strom der Lichtpulse wird vom optischen Frequenz- Umwandlungsabschnitt 3 zum Ton-Licht-Schalter 4 geschickt, wo Lichtpulse, welche nur eine gewünschte optische Frequenzkomponente besitzen, aus dem Strom der Lichtpulse herausgezogen werden (die herausgezogenen Lichtpulse werden im folgenden als "gepumptes Licht" bezeichnet). Dieses gepumpte Licht passiert dann den Lichtschalter 5 und wird zum Lichtzirkulator 6 befördert.

Eine gewünschte Frequenz der herauszuziehenden Lichtpulse wird durch Einstellen der Frequenz des RF-Oszillators und der Anzahl, wie oft der optische Frequenzverschieber 3 durchlaufen wird, d. h. wie oft die optische Schleife durchlaufen wird (die Position innerhalb des Pulsstromes, an welcher die Pulse herausgezogen werden), bestimmt. Zum Beispiel können die (kann die optische Frequenz der) Lichtpulse eine optische Frequenzverschiebung von ungefähr 10-12 GHz erhalten, welche mit einer Brillouin- Frequenzverschiebung identisch ist. Zusätzlich wird die Pulsbreite der Lichtpulse durch die Länge der Zeit bestimmt, welche der Ton-Licht-Schalter 4 in der An-Position ist, und kann zum Beispiel 1 µs sein. Zusätzlich entspricht die Periode der Lichtpulse der Periode, bei welcher das Pulsen durch den Ton-Licht-Schalter 301 innerhalb dem optischen Frequenz- Umwandlungsabschnitt 3 durchgeführt wird (d. h. die Länge der optischen Ringleitung). Die Frequenz der Lichtpulse an diesem Punkt wird durch f_o + Δf dargestellt.

Der Lichtzirkulator 6 schickt die durch den Ton-Licht- Schalter 4 herausgezogenen Lichtpulse zur Test-Lichtleitfaser 7. Die zugehörigen Lichtpulse durchlaufen die ganze Länge der Test-Lichtleitfaser 7, und es tritt eine Brillouin-Streuung auf, welche die Frequenzverschiebung f_b von ungefähr 10-12 GHz begleitet.

Das Brillouin-rückgestreute Licht, welches durch die Brillouin-Streuung erzeugt wurde, passiert den Lichtzirkulator 6 und wird zur oben genannten optischen Ringleitung befördert. An diesem Punkt gibt der Lichtleitfaser-Verstärker 9 dem Brillouin-rückgestreuten Licht eine geeignete Verstärkung, um den Lichtübertragungsverlust der optischen Ringleitung auszugleichen. Zusätzlich beseitigt der optische Bandpaßfilter 10 das spontan ausgesendete Licht und das angeregte Licht, welches am Lichtleitfaser-Verstärker 9 erzeugt wurde.

Als nächstes verzweigt sich das Brillouin-rückgestreute Licht am optischen Richtungskoppler 11 zur optischen Ringleitung und zum optischen Richtungskoppler 13.

Das Brillouin-rückgestreute Licht, welches zur optischen Ringleitung geschickt wurde, nachdem es durch die Verzögerungs-Lichtleitfaser 12 eine Verzögerung erfahren hat, welche der der Test-Lichtleitfaser 7 entspricht, verläuft durch den Lichtisolator 8 und tritt in die Test- Lichtleitfaser 7 von einem Ende ein, welches dem gegenüberliegt, wo das gepumpte Licht eintritt. An diesem Punkt werden die Lichtpulse (gepumptes Licht) zuvor durch den Lichtzirkulator 6 mit einer Periode, welche mit der identisch ist, welche durch die Länge der optischen Ringleitung bestimmt ist, in die Test-Lichtleitfaser 7 eingeführt, und das Brillouin-rückgestreute Licht, welches sich durch die optische Ringleitung ausgebreitet hat, kollidiert mit den Lichtpulsen (gepumptem Licht) an einer Position, welche mit der identisch ist, wo die Brillouin-Streuung zuvor entstanden ist. Da die Frequenz des Brillouin-rückgestreuten Lichts f_o + Δf + f_b ist, und die Frequenz des gepumpten Lichts f_o + Δf ist, ist ihre Differenz f_b, was das gleiche ist, wie der Wert der Brillouin-Frequenzverschiebung. Wenn Lichtsignale mit dieser Art von Unterschied in den Frequenzen kollidieren, tritt ein Brillouin-Verstärkungsphänomen auf, wobei das Brillouin-rückgestreute Licht verstärkt wird.

Außerdem wird, da das gepumpte Licht, welches durch den Lichtzirkulator 6 befördert wurde, durch den Lichtisolator 8 unterbrochen wird, nachdem es durch die Test-Lichtleitfaser 7 verlaufen ist, es sich nicht durch die ganze optische Ringleitung ausbreiten.

Das Brillouin-verstärkte rückgestreute Licht passiert den Lichtzirkulator 6 auf die gleiche Weise wie das frühere Brillouin-rückgestreute Licht, und nach Erhalt einer Verstärkung durch den Lichtleitfaser-Verstärker 9, verläuft es durch den optischen Bandpaßfilter 10 und wird zum optischen Richtungskoppler 11 geschickt.

Der optische Richtungskoppler 11 verzweigt das eintretende Licht nochmals. Das verzweigte Brillouin-verstärkte rückgestreute Licht wird zurück in die optische Ringleitung und zum optischen Richtungskoppler 13 gerichtet.

Das rückgestreute Licht, welches zur optischen Ringleitung geschickt wurde, kollidiert innerhalb der Test-Lichtleitfaser 7 mit dem gepumpten Licht, welches vom Lichtzirkulator 6 auf die gleiche Weise wie oben beschrieben, befördert wurde, und wird folglich verstärkt. Auf diese Weise unterzieht sich das Brillouin-rückgestreute Licht jedes Mal einer Brillouin- Verstärkung innerhalb der Test-Lichtleitfaser 7, wenn der ganze Zyklus der optischen Ringleitung beendet ist.

Inzwischen wird das rückgestreute Licht, welches vom optischen Richtungskoppler 11 zum optischen Richtungskoppler 13 geschickt wurde, mit dem Referenzlicht des kontinuierlichen Lichts mit einer Frequenzkomponente f_o, welches vom optischen Richtungskoppler 2 geschickt wurde, synthetisiert.

Die Lichtsignale, welche vom optischen Richtungskoppler 13 befördert wurden, werden durch den photoelektrischen Konverter 14 empfangen und in elektrische Signale umgewandelt. Der photoelektrische Konverter 14 ermittelt nur Signale eines niedrigen Bandes mit einer Frequenzkomponente von Δf - f_b. Außerdem ist das Frequenzband der Lichtsignale, welche ermittelt werden können, im Bereich von einigen hundert MHz; und die Lichtsignale können in elektrische Signale umgewandelt werden, wenn der Betrag der Frequenzverschiebung Δf durch den optischen Frequenz- Umwandlungsabschnitt 3 und der Betrag der Brillouin- Frequenzverschiebung f_b, welche innerhalb der Test- Lichtleitfaser 7 erzeugt wird, fast identisch ist.

Danach verstärkt der Verstärker 15 das Niveau der umgewandelten elektrischen Signale. Der Bandpaßfilter 16 beseitigt die Geräuschkomponente von den verstärkten elektrischen Signalen und übermittelt nur die Signalkomponente. Der A/D-Umwandlungsabschnitt 17 wandelt die elektrischen Signale (analoge Signale) in digitale Signale um.

Der Signal-Verarbeitungsabschnitt 18 nimmt von den digitalen Signalen bei beliebigem Timing Proben, führt die erforderlichen Prozesse durch und ermittelt den Betrag der Verformung. Durch Steuerung des Probennahme-Timings an diesem Punkt, kann das Brillouin-rückgestreute Licht von einer gewünschten Position innerhalb der Test-Lichtleitfaser 7 ermittelt und folglich der Betrag der Verformung erhalten werden. Zusätzlich kann durch Vorsehen einer Vielzahl von Probennahme-Timings der Betrag der Verformung einer Vielzahl von verschiedenen Positionen innerhalb der Test- Lichtleitfaser 7 ermittelt und die Raumverteilung der Verformung gemessen werden.

Als nächstes wird der Betrieb der vorliegenden Vorrichtung erklärt, wenn die Länge der optischen Ringleitung gemessen wird. In diesem Fall wird, da der Betrieb der Lichtquelle 1, des optischen Richtungskopplers 2, des optischen Frequenz- Umwandlungsabschnitts 3 und des Ton-Licht-Schalters 4 mit dem identisch ist, wenn die Verformung gemessen wird, wenn die Tatsache ausgeschlossen wird, daß der Lichtpuls, der in den Lichtschalter 5 eintritt, ein einzelner Puls ist (d. h. kein wiederholter Puls), auf ihre Erklärungen verzichtet.

Als nächstes schickt der Lichtschalter 5, wenn die Länge der optischen Ringleitung gemessen wird, die Lichtpulse vom Ton- Licht-Schalter 4 zum optischen Richtungskoppler 11. Der optische Richtungskoppler 11 verzweigt die Lichtpulse, welche vom Lichtschalter 5 geschickt werden in zwei, und schickt die Lichtpulse von der primären Strecke zur optischen Ringleitung, während die Lichtpulse von der sekundären Strecke zum optischen Richtungskoppler 13 geschickt werden. Zusätzlich schickt der optische Richtungskoppler 11 die Lichtpulse, welche zuvor durch die primäre Strecke des optischen Richtungskopplers 11 zur optischen Ringleitung geschickt wurden, und welche sich durch die optische Ringleitung ausgebreitet haben, zum tertiären optischen Richtungskoppler.

Der optische Richtungskoppler 13 schickt dem Licht- Auffangabschnitt die beiden Typen von Lichtpulsen, welche vom optischen Richtungskoppler 11 geschickt wurden (die Lichtpulse, welche sich nicht durch die optische Ringleitung ausgebreitet haben, und die Lichtpulse, welche sich durch die optische Ringleitung ausgebreitet haben). Der photo elektrische Konverter 14 wandelt die beiden Typen der Lichtpulse in elektrische Signale um. Der Signal- Verarbeitungsabschnitt 18 ermittelt die zwei Typen von Lichtpulsen, welche in elektrische Signale umgewandelt wurden, und erhält durch Messen des Intervalls beider Lichtpulse die Länge der optischen Ringleitung unter Verwendung des gemessenen Intervalls und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Lichtpulse.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde mit Bezug auf ihre Zeichnungen im Detail beschrieben, aber es wird verstanden, daß Variationen und Abwandlungen im Geist und Rahmen der Erfindung durchgeführt werden können.

Claims

1. Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtung enthaltend:
eine Lichtquelle, welche kontinuierliches Licht eine optischen Bezugsfrequenz aussendet;
ein primäres optisches Richtungskopplungsmittel zum Befördern des kontinuierlichen Lichts nach der Verzweigung in zwei Zweige;
ein optisches Frequenz-Umwandlungsmittel zum Verschieben der optischen Frequenz des ersten der zwei Zweige des kontinuierlichen Lichts, welches vom primären optischen Richtungskopplungsmittel in einer schrittweisen Art für vorgeschriebene Frequenzen während eines gegebenen Zyklus geschickt wird;
ein pulsendes Mittel zum Umwandeln der Lichtsignale, welche von dem optischen Frequenz-Umwandlungsmittel geschickt werden, in Pulse und zum Schicken der Lichtpulse in einem vorgeschriebenen Zeitintervall;
eine optische Ringleitung, deren Länge die Geschwindigkeit definiert, mit welcher die Pulse durch das pulsende Mittel befördert werden, welche eine Test-Lichtleitfaser enthält, welche das Ziel der Verformungsmessung ist, ein Licht zirkulierendes Mittel zum Befördern der Lichtpulse, welche vom pulsenden Mittel zur Test-Lichtleitfaser geschickt werden, während es die rückgestreuten Lichtsignale, welche innerhalb der Test-Lichleitfaser erzeugt werden, empfängt und schickt, ohne ihre Ausbreitungsrichtung zu ändern, ein Lichtverstärkungsmittel zur Verstärkung der rückgestreuten Lichtsignale, welche vom Lichtzirkulationsmittel geschickt werden, ein optisches geräuschbeseitigendes Mittel zur Beseitigung der Geräuschkomponente, welche durch das Lichtverstärkungsmittel von den rückgestreuten Lichtsignalen, welche durch das Lichtverstärkungsmittel verstärkt wurden, erzeugt wurde, ein sekundäres optisches Richtungskopplungsmittel zur Beförderung der rückgestreuten Lichtsignale nach der Verzweigung, welche vom optischen geräuschbeseitigenden Mittel befördert werden, ein Verzögerungsmittel zum Anwenden einer Verzögerung auf den ersten der zwei Zweige der rückgestreuten Lichtsignale, welche vom sekundären optischen Richtungskopplungsmittel befördert werden, und ein Lichtisolationsmittel zum Unterbrechen der Lichtpulse, welche die Test-Lichtleitfaser passiert haben, während die rückgestreuten Lichtsignale, welche vom Verzögerungsmittel geschickt wurden, zur Test- Lichtleitfaser geschickt werden;
ein tertiäres optisches Richtungskopplungsmittel zum Synthetisieren des zweiten der zwei Zweige der rückgestreuten Lichtsignale, welche vom sekundären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt werden, mit dem zweiten Zweig des kontinuierlichen Lichts, welches vom primären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt wurde;
ein Licht-Auffangmittel zur Anwendung eines Interferenz- Empfangsverfahrens, um die Lichtsignale, welche vom tertiären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt wurden, zu empfangen, d. h. das kontinuierliche Licht, welches vom primären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt wird, und die rückgestreuten Lichtsignale, welche vom sekundären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt werden, und zur Umwandlung der Lichtsignale in elektrische Signale; und
ein Signal-verarbeitendes Mittel zum Messen der Verformung der Test-Lichtleitfaser durch Verwendung der elektrischen Signale, welche von dem Lichtauffangmittel ausgegeben werden.

2. Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtung nach Anspruch 1, worin der Betrag der Frequenzverschiebung gemäß dem optischen Frequenz-Umwandlungsmittel beliebig festgesetzt werden kann.

3. Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin der Betrag der Frequenzverschiebung gemäß dem optischen Frequenz-Umwandlungsmittel mit dem einer Brillouin- Frequenzverschiebung von ungefähr 10-12 GHz identisch ist.

4. Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher das Signalverarbeitungsmittel folgendes enthält:
einen Verstärkungsabschnitt, welcher die vom Licht- Auffangmittel ausgegebenen elektrischen Signale verstärkt;
einen Bandpaßfilter, welcher nur die Übertragung von Signalkomponenten der elektrischen Signale, welche durch den Verstärkungsabschnitt verstärkt wurden, erlaubt;
einen A/D-Umwandlungsabschnitt, welcher die elektrischen Signale, welche vom Bandpaßfilter ausgegeben werden, in digitale Signale umwandelt; und
einen Signalverarbeitungsabschnitt, welcher bei variablem Timing die digitalen Signale, welche vom A/D- Umwandlungsabschnitt ausgegeben werden, liest und welcher die Verformung der Test-Lichtleitfaser auf der Basis der digitalen Signale erhält.

5. Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, welche ferner einen Lichtschalter enthält, welcher die Lichtpulse, welche von dem pulsenden Mittel geschickt werden, entweder zum Lichtzirkulationsmittel oder zum sekundären optischen Richtungskopplungsmittel schickt, und wobei
das sekundäre optische Richtungskopplungsmittel die Lichtpulse, welche vom Lichtschalter geschickt werden in zwei verzweigt, den ersten der zwei Zweige zum Verzögerungsmittel schickt und den zweiten der zwei Zweige zum tertiären optischen Richtungskopplungsmittel schickt, während dem tertiären optischen Richtungs-Kopplungsmittel die Lichtpulse geschickt werden, welche vom sekundären optischen Richtungskopplungsmittel zum Verzögerungsmittel geschickt wurden und welche sich durch die optische Ringleitung ausgebreitet haben;
das tertiäre optische Richtungskopplungsmittel die Lichtpulse aussendet, welche vom sekundären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt wurden, d. h. die Lichtpulse, welche sich nicht durch die optische Ringleitung ausgebreitet haben und die Lichtpulse, welche sich durch die optische Ringleitung ausgebreitet haben;
das Licht-Auffangmittel die Lichtpulse, welche sich nicht durch die optische Ringleitung ausgebreitet haben, und die Lichtpulse, welche sich durch die optische Ringleitung ausgebreitet haben, in elektrische Signale umwandelt; und
das Signal-Verarbeitungsmittel das Intervall der Lichtpulse mißt, welche durch die elektrischen Signale, welche vom Licht-Auffangmittel ausgegeben werden, angegeben werden, und die Länge der optischen Ringleitung auf dem Intervall und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Lichtpulse basierend erhält.