DE19746326C2 - Vorrichtung zum Messen der Verformung einer optischen Faser - Google Patents
Vorrichtung zum Messen der Verformung einer optischen FaserInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der
Verformung einer optischen Faser, welche die Verformung einer
optischen Faser dadurch mißt, daß Lichtpulse in eine optische Faser
eingegeben werden, und daß die erzeugte natürliche Brillouin-
Streuung des Lichts erfaßt und analysiert wird.
Aus der DE 44 08 995 A1 ist eine Vorrichtung zum Messen der Verzerrung einer opti
schen Faser bekannt, die umfaßt: eine Lichtquelle, welche kontinuierliches Licht einer
Referenzfrequenz emittiert; erste optische Richtungs-Kopplungsmittel zum Verzweigen
des kontinierlichen Lichts; erste Pulsmittel zum Pulsen des kontinuierlichen Lichts und
zum Ausgeben eines gepulsten Lichts; eine optische Ringschaltung umfassend Licht
verstärkungsmittel zum Verstärken des durch die ersten Richtungs-Kopplungsmittel auf
geteilten kontinuierlichen Lichts, zweite optische Richtungs-Kopplungsmittel, Verzöge
rungsmittel zum Verzögern des eingegebenen Lichts; optische Frequenzumwand
lungsmittel zur Ausgabe eines zweiten optischen Pulses; Lichtempfangsmittel zum
Empfang und Umwandeln des über die ersten optischen Richtungs-Kopplungsmitteln
austretenden kontinuierlichen Lichts in elektrische Signale; Signalverarbeitungsmittel
zum Messen der Verzerrung der optischen Faser, basierend auf den elektrischen Signa
len, welche von den Lichtempfangsmitteln ausgegeben werden.
Aus der US 5 550 731 A ist eine optische Zeitbereichs-Reflektometervorrichtung bekannt.
Aus "tm - Technisches Messen", 59, 1992, S. 378-388 ist ein ortsverteilter Brillouin-
Faserverstärker bekannt.
Aus "Physik in unserer Zeit", 23. Jahrg. 1992, S. 256-258 ist ein faseroptischer Verstär
ker bekannt.
Im allgemeinen gibt eine Vorrichtung zum Messen der Verformung
einer optischen Faser Lichtpulse in ein Ende einer optischen Testfa
ser ein, entfernt das rückgestreute Licht, welches innerhalb der opti
schen Testfaser erzeugt wird, von demselben Ende, von welchem
die obigen Lichtpulse eingegeben werden, empfängt heterodyn
das gebündelte Licht mit einem Fotodetektor, welcher das extra
hierte, rückgestreute licht mit kontinuierlichem Licht (Referenzlicht),
welches eine feste Wellenlänge hat, gebündelt hat, und mißt aus
dem Verhältnis zwischen den erfaßten Signalen und der Zeit, wel
che seit dem Eingeben der obigen Lichtpulse verstrichen ist, die
Verformungsposition der optischen Testfaser.
In den letzten Jahren ist eine Vorrichtung zum Messen der Verfor
mung einer optischen Faser konzipiert worden, um die Verformung
und ähnliches einer optischen Testfaser dadurch zu messen, daß
Lichtpulse in eine optische Testfaser eingegeben werden und das
natürliche, Brillouin-gestreute Licht, welches in der optischen Testfa
ser erzeugt wird, erfaßt und analysiert wird. Eine Vorrichtung, welche
einen optischen Faser-Ring-Laser verwendet, kann als Beispiel für
eine Vorrichtung angegeben werden, welche die Eigenschaften
einer optischen Faser dadurch mißt, daß das natürliche Brillouin-
gestreute Licht erfaßt wird.
Diese Vorrichtung ist aus der Veröffentlichung "A Novel Technique for Measuring a time-varying Optical
Fiber Strain" in Technical Report of the Institute of Electronics, Information and Commu
nication Engineers, OPE 95-102 (1995 - 11), Seiten 31-36, bekannt und mißt die Verformung einer optischen Testfaser
dadurch, daß sie einen optischen Ring hat, welcher einen akusto-
optischen Schalter aufweist, um das natürliche, Brillouin-gestreute
Licht zu pulsen, welches von der optischen Testfaser ausgegeben
wird und daß sie in den optischen Ring die Lichtpulse eingibt, wel
che eine vorbestimmte Wellenlänge aufweisen und daß sie das
ausgebene, natürliche Brillouin-gestreute Licht, welches gepulst
worden ist, heterodyn erfaßt.
Der akusto-optische Schalter ist vorgesehen, um nur das natürliche,
Brillouin-gestreute Licht, welches von einer vorbestimmten Position
innerhalb der optischen Testfaser erzeugt wird, zu erhalten.
Jedoch haben konventionelle Vorrichtungen den Nachteil, daß das
natürliche, Brillouin-gestreute Licht, welches durch den akusto
optischen Schalter erhalten wird, nur auf das natürliche, Brillouin
gestreute Licht beschränkt ist, welches an einer vorbestimmten
Stele innerhalb der optischen Testfaser erzeugt wird.
Zusätzlich ergibt sich der Nachteil, daß, wenn heterodyn erfaßt wird,
das Frequenzband des synthetisierten Lichtes, welches die Frequenz
des natürlichen, Brillouin-gestreuten Lichts und des Referenzlichts
synthetisiert, hoch ist und ungefähr zwischen 10-12 GHz liegt und
das Erfassen schwierig gestaltet.
Da der Zyklus des Lichtpulses, welcher in den optischen Ring einge
geben wird, auf einen Zeitbetrag eingestellt ist, welcher für den
Lichtpuls notwendig ist, die vollständige Länge des optischen Ringes
zu durchlaufen, ist es darüber hinaus nachteilig, daß wenn die Län
ge des optischen Ringes eingestellt ist, es extrem lästig ist, wenn die
Ringlänge des optischen Ringes zu einem späteren Zeitpunkt ver
ändert wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum
Messen der Verformung einer optischen Faser bereitzustellen, wel
che es erlaubt, den Betrag der Verformung an einer willkürlichen
Entfernung innerhalb der optischen Testfaser sowie die Entfernungs-
Verformungs-Verteilung zu erfassen, und welche die Erfassung des
rückgestreuten Lichts vereinfacht und welche es erlaubt, die Länge
des optischen Ringes zu messen.
Um die obige Aufgabe zu lösen, umfaßt die Vorrichtung
folgendes:
eine Lichtquelle, welche kontinuierliches Licht einer Referenzfre quenz emittiert;
erste optische Richtungs-Kopplungsmittel zum Verzweigen des kon tinuierlichen Lichtes in ein Meßlicht und in ein Referenzlicht und zum Ausgeben der beiden resultierenden Lichtbündel;
erste Pulsmittel zum Pulsen des Meßlichtes mit einem vorbestimmten Zyklus und zum Ausgeben eines gepulsten Meßlichtes;
eine optische Ringschaltung umfassend eine optische Testfaser, welche das Objekt einer Verformungsmessung ist, Lichtzirkulations mittel zum Befördern des gepulsten Meßlichtes zur optischen Testfa ser und zum Befördern des innerhalb der optischen Testfaser erzeug ten rückgestreuten Lichtes, Lichtverstärkungsmittel zum Verstärken des von den Lichtzirkulationsmitteln ausgegebenen rückgestreuten Lichtes, optische Rausch-Eliminierungsmittel zum Eliminieren der durch die Lichtverstärkungsmittel erzeugten Rauschkomponente aus dem durch die Lichtverstärkungsmittel verstärkten rückgestreu ten Licht und um nur die Signalkomponente passieren zu lassen, zweite optische Richtungs-Kopplungsmittel zur Ausgabe des von den optischen Rausch-Eliminierungsmitteln ausgegebenen rückge streuten Lichtes, nach dem es in zwei Zweige verzweigt worden ist, Verzögerungsmittel zum Verzögern des ersten Zweiges des rückge streuten Lichtes, welcher von den zweiten optischen Richtungs- Kopplungsmitteln ausgegeben wird, und Lichtisolierungsmittel zur Ausgabe des von den Verzögerungsmitteln ausgegebenen rückge streuten Lichtes an die optische Testfaser und zum Auffangen des gepulsten Meßlichtes, welches die optische Testfaser passiert hat, wobei der Puls-Ausgabezyklus der Pulsmittel durch die Länge der Schaltung definiert ist;
optische Frequenzumwandlungsmittel zur Ausgabe einer Referenz pulsfolge, welche periodisch die optische Frequenz des Referenz lichtes umwandelt, welches von den ersten optischen Richtungs- Kopplungsmitteln ausgegeben wird;
zweite Pulsmittel zum Pulsen der Referenzpulsfolge an einem vorbe stimmten Zeitpunkt und zur Ausgabe eines Abtastpulses;
dritte optische Richtungs-Kopplungsmittel zum Bündeln des zweiten Zweiges, welcher von den zweiten optischen Richtungskopplungs mitteln ausgegeben wird, mit dem Abtastpuls und zur Ausgabe des gebündelten Lichtes;
Lichtempfangsmittel zum heterodynen Empfang und Umwandeln des von den dritten optischen Richtungs-Kopplungsmitteln ausge gebenen gebündelten Lichtes in elektrische Signale;
Signalverarbeitungsmittel zum Messen der Verformung der opti schen Testfaser, basierend auf der elektrischen Signalen, welche von den Lichtempfangsmitteln ausgegeben werden.
eine Lichtquelle, welche kontinuierliches Licht einer Referenzfre quenz emittiert;
erste optische Richtungs-Kopplungsmittel zum Verzweigen des kon tinuierlichen Lichtes in ein Meßlicht und in ein Referenzlicht und zum Ausgeben der beiden resultierenden Lichtbündel;
erste Pulsmittel zum Pulsen des Meßlichtes mit einem vorbestimmten Zyklus und zum Ausgeben eines gepulsten Meßlichtes;
eine optische Ringschaltung umfassend eine optische Testfaser, welche das Objekt einer Verformungsmessung ist, Lichtzirkulations mittel zum Befördern des gepulsten Meßlichtes zur optischen Testfa ser und zum Befördern des innerhalb der optischen Testfaser erzeug ten rückgestreuten Lichtes, Lichtverstärkungsmittel zum Verstärken des von den Lichtzirkulationsmitteln ausgegebenen rückgestreuten Lichtes, optische Rausch-Eliminierungsmittel zum Eliminieren der durch die Lichtverstärkungsmittel erzeugten Rauschkomponente aus dem durch die Lichtverstärkungsmittel verstärkten rückgestreu ten Licht und um nur die Signalkomponente passieren zu lassen, zweite optische Richtungs-Kopplungsmittel zur Ausgabe des von den optischen Rausch-Eliminierungsmitteln ausgegebenen rückge streuten Lichtes, nach dem es in zwei Zweige verzweigt worden ist, Verzögerungsmittel zum Verzögern des ersten Zweiges des rückge streuten Lichtes, welcher von den zweiten optischen Richtungs- Kopplungsmitteln ausgegeben wird, und Lichtisolierungsmittel zur Ausgabe des von den Verzögerungsmitteln ausgegebenen rückge streuten Lichtes an die optische Testfaser und zum Auffangen des gepulsten Meßlichtes, welches die optische Testfaser passiert hat, wobei der Puls-Ausgabezyklus der Pulsmittel durch die Länge der Schaltung definiert ist;
optische Frequenzumwandlungsmittel zur Ausgabe einer Referenz pulsfolge, welche periodisch die optische Frequenz des Referenz lichtes umwandelt, welches von den ersten optischen Richtungs- Kopplungsmitteln ausgegeben wird;
zweite Pulsmittel zum Pulsen der Referenzpulsfolge an einem vorbe stimmten Zeitpunkt und zur Ausgabe eines Abtastpulses;
dritte optische Richtungs-Kopplungsmittel zum Bündeln des zweiten Zweiges, welcher von den zweiten optischen Richtungskopplungs mitteln ausgegeben wird, mit dem Abtastpuls und zur Ausgabe des gebündelten Lichtes;
Lichtempfangsmittel zum heterodynen Empfang und Umwandeln des von den dritten optischen Richtungs-Kopplungsmitteln ausge gebenen gebündelten Lichtes in elektrische Signale;
Signalverarbeitungsmittel zum Messen der Verformung der opti schen Testfaser, basierend auf der elektrischen Signalen, welche von den Lichtempfangsmitteln ausgegeben werden.
Die vorliegende Erfindung hat den Effekt, daß die Erfassung des
Verformungsbetrages an einer willkürlichen Entfernung innerhalb
einer optischen Testfaser, wie auch die Erfassung der Entfernungs-
Verformungsverteilung vereinfacht wird.
Da die Frequenzen des rückgestreuten Lichtes und des Abtastpulses
sehr dicht beieinanderliegen, wenn sie durch die Lichtempfangsmit
tel empfangen werden, besteht zusätzlich der Effekt, daß der
Empfang des rückgestreuten Lichtes vereinfacht wird.
Da die Länge der optischen Ringschaltung gemessen werden kann,
besteht darüber hinaus keine Notwendigkeit, die Länge der opti
schen Ringschaltung zu verändern, und der Zyklus des gepulsten
Meßlichtes kann auf einfache Weise identisch gemacht werden mit
der Länge der optischen Ringschaltung.
Zusätzlich ist es wünschenswert, daß die Signalverarbeitungsmittel
der vorliegenden Erfindung folgendes umfassen:
Verstärkungsmittel zum Verstärken der elektrischen Signale, einen
Filter, damit nur die Signalkomponente von den verstärkten elektri
schen Signalen passieren kann, einen Analog-Digital-Umwand
lungsabschnitt, um die elektrischen Signale in digitale Signale zu
wandeln und einen Signalverarbeitungsabschnitt, um an den digi
talen Signalen notwendige Prozesse durchzuführen und um die
Verformung zu erhalten.
Zusätzlich ist es wünschenswert, daß die zweiten Pulsmittel gemäß
der vorliegenden Erfindung die Referenzpulsfolge an einem willkürli
chen Zeitpunkt pulsen.
Zusätzlich besitzen die zweiten optischen Richtungs-Kopplungsmittel
gemäß der vorliegenden Erfindung ein Eingabeende, um die Licht
signale in die optische Ringschaltung einzuspeisen. Die vorliegende
Erfindung beinhaltet auch Schaltmittel, welche zwischen den erster
Pulsmitteln und den Lichtzirkulationsmitteln angeordnet sind, um das
gepulste Meßlicht, welches von den ersten Pulsmitteln ausgegeben
worden ist, zum Eingabeende der zweiten optischen Richtungs-
Kopplungsmittel zu befördern. Die signalverarbeitenden Mittel ge
mäß der vorliegenden Erfindung berechnen die Länge der opti
schen Ringschaltung aus der Zeitdifferenz zwischen den elektrischer
Signalen, welche von den Lichtempfangsmitteln ausgegeben wer
den und welche auf dem gepulsten Meßlicht basieren, welches
von den Schaltmitteln ausgegeben wird, und welches, ohne
die optische Ringschaltung zu durchlaufen, über die zweiten opti
schen Richtungs-Kopplungsmittel und die dritten optischen Rich
tungs-Koppungsmittel ausgegeben wird, und den elektrischen Si
gnalen, welche von den Lichtempfangsmitteln ausgegeben wer
den und welche auf dem gepulsten Meßlicht basieren, welches die
optische Ringschaltung durchlaufen hat und über die zweiten Rich
tungs-Kopplungsmittel und die dritten Richtungs-Kopplungsmittel
ausgegeben wird.
Darüber hinaus haben die Schaltmittel gemäß der vorliegenden
Erfindung die Funktion, das gepulste Meßlicht, welches von den er
sten optischen Richtungs-Kopplungsmitteln ausgegeben wird, ent
weder zu den Lichtzirkulationsmitteln zu befördern oder zum Einga
beende der zweiten optischen Richtungs-Kopplungsmittel.
Die Erfindung wird anhand der Figuren
beschrieben, wobei die Fig. 4 den Stand der
Technik zeigt.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, welches die Struktur einer Vor
richtung zum Messen der Verformung einer optischen
Faser gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung darstellt;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, welches die Struktur des Fre
quenzumwandlungsabschnitts 132, welcher in Fig. 1
gezeigt ist, darstellt;
Fig. 3A ist ein Diagramm, welches das gepulste Meßlicht dar
stellt, welches einen Zyklus T besitzt, welcher der Zeit
entspricht, welche notwendig ist, um die optische Ring
schaltung einmal zu durchlaufen;
Fig. 38 ist ein Diagramm, welches das gepulste Meßlicht dar
stellt, dessen Pulsbreite auf eine vorgeschriebene Zeit
eingestellt ist;
Fig. 3C ist ein Diagramm, welches ein Beispiel einer Wellenform
des gesättigten natürlichen Brillouin-rückgestreuten
Lichtes darstellt, welches vom optischen Richtungs-
Koppler 118 ausgegeben wird;
Fig. 3D ist ein Diagramm, welches das Referenzlicht darstellt,
welches von dem optischen Richtungs-Koppler 102
ausgegeben wird;
Fig. 3E ist ein Diagramm, welches eine Wellenform der
Referenzpulsfolge darstellt, welche vom
Frequenzumwandlungsabschnitt 132 ausgegeben
wird;
Fig. 3F ist ein Diagramm, welches die Referenzpulsfolge
darstellt, welche mit der Input-Rate der Steuersignale
gepulst ist;
Fig. 3G ist ein Diagramm, welches den Abtastpuls darstellt, wel
cher vom akusto-optischen Schalter 134 ausgegeben
wird;
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, welches die Struktur einer
Vorrichtung zum Messen der Verformung einer
optischen Faser zeigt, welche den Stand der Technik
der vorliegenden Erfindung darstellt.
Bevor die vorliegende Erfindung erklärt wird, wird der Stand der
Technik, welche den Hintergrund zu der vorliegenden Erfindung bil
det, erläutert.
Dieser Stand der Technik ist aus der bereits genannten Veröffentlichung "A Novel Technique for Measuring
a time-varying Optical Fiber Strain" in Technical Report of the Institute of Electronics,
Information and Communication Engineers, OPE 95-102 (1995 - 11) bekannt.
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, welches die Struktur einer Vorrichtung
zum Messen der Verformung einer optischen Faser darstellt, welche
den Stand der Technik der vorliegenden Erfindung bildet. Gemäß
Fig. 4 ist mit der Bezugszahl 10 eine Lichtquelle bezeichnet, welche
kontinuierliches Licht einer Referenzfrequenz emittiert. Mit der Be
zugszahl 14 ist ein optischer Richtungs-Koppler bezeichnet, welcher
mit der Lichtquelle 10 durch eine optische Faser 12 verbunden ist.
Dieser optische Richtungs-Koppler 14 verzweigt sich in zwei Richtun
gen, wobei das kontinuierliche Licht, welches von der Lichtquelle 10
emittiert wird, eine vorbestimmte Intensität aufweist. Der erste Zweig
des verzweigten kontinuierlichen Lichtes heißt Meßlicht und wird an
eine optische Faser 16 ausgegeben. Der zweite Zweig des verzweig
ten Lichtes heißt Referenzlicht und wird an eine optische Faser 18
ausgegeben.
Ein akusto-optischer Schalter 20 ist mit der optischen Faser 16 ver
bunden und pulst das Meßlicht, welches über die optische Faser
eingegeben wird, und gibt ein gepulstes Meßlicht aus. Dieses gepul
ste Meßlicht ist gepulst und hat einen Zyklus (einen zeitkonvertierten
Wert), welcher identisch mit der Länge der oben erwähnten opti
schen Ringschaltung ist. Bezugszahl 22 bezeichnet einen optischen
Zirkulator mit einem Eingabeende, einem Ausgabeende und einem
Eingabe-/Ausgabeende und hat eine nicht-reversible Funktion. Mit
anderen Worten, Licht, welches am Eingabeende eintritt, tritt durch
das Eingabe-/Ausgabeende aus, und Licht, welches am Eingabe-
/Ausgabeende eintritt, tritt durch das Ausgabeende aus. Das Einga
beende dieses optischen Zirkulators 22 ist mit dem Ausgabeende
des akusto-optischen Schalters 20 durch eine optische Faser ver
bunden.
Der optische Zirkulator 22, ein akusto-optischer Schalter 24, ein opti
scher Verstärker 26, ein optischer Bandpaßfilter 28, ein optischer
Richtungs-Koppler 30, eine optische Verzögerungsfaser 32, ein opti
scher Isolator 34 und eine optische Testfaser 36 sind in dieser Rei
henfolge mit einer optischen Faser verbunden und umfassen eine
optische Ringschaltung. Das Meßlicht, welches vom akusto
optischen Schalter 20 ausgegeben wird, wird durch den optischen
Zirkulator 22 zur optischen Ringschaltung befördert.
Der akusto-optische Schalter 24 schaltet nach jedem vorbestimm
ten Zeitintervall und erlaubt von dem natürlichen Brillouin
rückgestreuten Licht, welches innerhalb der optischen Testfaser 36
erzeugt wird, nur dem natürlichen Brillouin-rückgestreuten Licht,
welches innerhalb der optischen Testfaser 36 an einer vorbestimm
ten Position erzeugt wird, zu passieren.
Der optische Verstärker 26 verstärkt das natürliche, Brillouin
rückgestreute Licht, welches den akusto-optischen Schalter passiert,
um den Lichtausbreitungsverlust wegen der optischen Ringschal
tung zu kompensieren. Der optische Bandpaßfilter 28 eliminiert die
erzeugte natürliche Strahlung und das angeregte Licht und erlaubt
nur dem natürlichen, Brillouin-rückgestreuten Licht, zu passieren.
Der optische Richtungs-Koppler 30 verzweigt mit einer vorbestimm
ten Intensität das natürliche, Brillouin-rückgestreute Licht, welches
vom optischen Bandpaßfilter ausgegeben wird, und befördert den
ersten Zweig des verzweigten Lichts nach außerhalb der optischen
Ringschaltung, während er den zweiten Zweig des verzweigten
Lichtes zur optischen Verzögerungsfaser 32 befördert. Die optische
Verzögerungsfaser 32 verzögert das natürliche, Brillouin
rückgestreute Licht nur um einen vorbestimmten Betrag.
Der optische Isolator 34 befördert das natürliche, Brillouin
rückgestreute Licht, welches von der optischen Verzögerungsfaser
32 ausgegeben wird, zur optischen Testfaser 36 und läßt das von der
optischen Testfaser 36 ausgegebene gepulste Meßlicht zur opti
schen Verzögerungsfaser 32 hindurchdringen. Mit anderen Worten,
in bezug auf die im Diagramm dargestellte optische Ringschaltung
läßt der optische Isolator 34 zu, daß sich Lichtsignale im Gegenuhr
zeigersinn, aber nicht im Uhrzeigersinn bewegen. Die optische Test
faser 36 ist eine optische Faser, an welcher die Verformungsmes
sung durchgeführt wird.
Der optische Richtungs-Koppler 14 und der optische Richtungs-
Koppler 40, der optische Richtungs-Koppler 30 und der optische
Richtungs-Koppler 40 sind miteinander durch eine optische Faser 18
bzw. durch eine optische Faser 38 verbunden und das Referenzlicht
und das natürliche, Brillouin-rückgestreute Licht werden in den opti
schen Richtungs-Koppler 40 eingegeben und gebündelt. Mit der
Bezugszahl 42 ist eine Lichtempfangsschaltung bezeichnet, welche
das vom optischen Richtungs-Koppler 40 ausgegebene und ge
bündelte Licht empfängt und in elektrische Signale umwandelt. Mit
der Bezugszahl 44 ist ein elektrischer Spektrum-Analysator bezeich
net, welcher den Verformungsbetrag an einer vorbestimmten Posi
tion innerhalb der optischen Testfaser mißt, welcher auf dem elektri
schen Signal basiert, welche von der Lichtempfangsschaltung 42
ausgegeben werden.
Gemäß der oben beschriebenen Struktur wird das kontinuierliche
Licht, welches von der Lichtquelle 10 emittiert wird, über die opti
sche Faser 12 in den optischen Richtungs-Koppler 14 eingegeben.
Das in den optischen Richtungs-Koppler 14 eingegebene kontinuier
liche Licht wird in das Meßlicht und das Referenzlicht verzweigt. Das
Meßlicht wird durch den akusto-optischen Schalter 20 gepulst und in
ein gepulstes Meßlicht umgewandelt. Dieses gepulste Meßlicht wird
in den optischen Zirkulator 22 eingegeben und pflanzt sich durch
die optische Testfaser 36 der optischen Ringschaltung im Uhrzeiger
sinn fort. Wenn es durch die optische Testfaser 36 hindurchgeht, wird
ein natürliches, Brillouin-rückgestreutes Licht erzeugt. Dieses natürli
che, Brillouin-rückgestreute Licht passiert die optische Ringschaltung
im Gegenuhrzeigersinn und tritt in das Eingabe-/Ausgabeende des
optischen Zirkulators 22 ein.
Inzwischen kann das gepulste Meßlicht, welches durch die optische
Testfaser 36 hindurchgegangen ist, und den optischen Isolator 34
erreicht, nicht den optischen Isolator 34 passieren.
Das natürliche, Brillouin-rückgestreute Licht, welches in den opti
schen Zirkulator 22 eintritt, wird vom Ausgabeende ausgegeben
und in den akusto-optischen Schalter 24 eingegeben. Nur das na
türliche, Brillouin-rückgestreute Licht, welches an einer vorbestimm
ten Position innerhalb der optischen Testfaser 36 erzeugt wird, wird
durch diesen akusto-optischen Schalter 24 extrahiert, und nur das
natürliche, Brillouin-rückgesfreute Licht wird ausgegeben. Das vom
akusto-optischen Schalter 24 ausgegebene natürliche, Brillouin
rückgestreute Licht wird durch den optischen Verstärker 26 um ei
nen vorbestimmten Betrag verstärkt und als Signallicht ausgegeben.
Das vom optischen Verstärker 26 ausgegebene Signallicht tritt in
den optischen Bandpaßfilter 28 ein, wobei das beim optischen Ver
stärker 26 erzeugte natürlich strahlende Licht
und das angeregte Licht eliminiert werden und nur das natürliche,
Brillouin-rückgestreute Licht ausgegeben wird. Ein Teil des vom opti
schen Bandpaßfilter 28 ausgegebenen natürlichen, Brillouin-
rückgestreuten Lichts tritt über den optischen Richtungs-Koppler 30,
die optische Verzögerungsfaser 32 und den optischen Isolator 34 in
die optische Testfaser 36 ein.
Zusätzlich wird das gepulste Meßlicht, welches über den optischen
Zirkulator 22 in die optische Ringschaltung eingegeben worden ist
und durch die optische Testfaser 36 in Uhrzeigerrichtung hindurch
tritt, mit dem natürlichen, Brillouin-rückgestreuten Licht, welches
über den optischen Isolator 34 eingegeben wird, gebündelt. Da die
Frequenz-Differenz des gebündelten Lichts identisch mit einer Bril
louin-Frequenzverschiebung ist, wird eine Brillouin-Verstärkung er
zeugt und das natürliche, Brillouin-rückgestreute Licht wird an einer
Steile verstärkt, wo die Synthese stattfindet. Der oben beschriebene
Prozeß wird innerhalb der optischen Ringschaltung kontinuierlich
wiederholt und nur das natürliche, Brillouin-rückgestreute Licht, wel
ches an einer vorbestimmten Stelle innerhalb der optischen Testfa
ser 36 erzeugt wird, wird verstärkt.
Ein Teil des verstärkten, natürlichen, Brillouin-rückgestreuten Lichts
wird vom optischen Richtungs-Koppler 30 ausgegeben und durch
den optischen Richtungs-Koppler 40 mit dem vom optischen Rich
tungs-Koppler 14 ausgegebenen Referenzlicht gebündelt. Das ge
bündelte Licht, welches vom optischen Richtungs-Koppler 40 aus
gegeben wird, wird von der Lichtempfangsschaltung 42 empfan
gen und in elektrische Signale umgewandelt. Der elektrische Spek
trum-Analysator 44 mißt den Verformungsbetrag einer vorbestimm
ten Position innerhalb der optischen Testfaser 36, welcher auf den
elektrischen Signalen basiert, welche von der Lichtempfangsschal
tung 42 ausgegeben werden.
Da jedoch gemäß der oben beschriebenen Vorrichtung zum Mes
sen der Verformung einer optischen Faser von dem natürlichen,
Brillouin-rückgestreuten Licht, welches von der optischen Testfaser
36 ausgegeben wird, nur das natürliche, Brillouin-rückgesfreute Licht,
welches dem Zeitverhalten des akusto-optischen Schalters 24 innerhalb
der optischen Ringschaltung entspricht, durch die Lichtempfangs
schaltung 42 erfaßt wird, kann nur die Verformung an einer vorbe
stimmten Stelle innerhalb der optischen Testfaser 36 gemessen wer
den.
Zusätzlich ist das Frequenzband des synthetisierten Lichtes, welches
das Referenzlicht und das natürliche Brillouin-rückgestreute Licht
synthetisiert, welches von der optischen Ringschaltung ausgegeben
wird, hoch und liegt ungefähr im Bereich von 10-12 GHz, wodurch
sich die Erfassung durch die Lichtempfangsschaltung 42 schwierig
gestaltet.
Da darüber hinaus die Länge der optischen Ringschaltung, welche
auch dem Zyklus des gepulsten Meßlichtes entspricht, nicht gemes
sen werden kann, ist es notwendig, die Länge der optischen Ring
schaltung einzustellen, nachdem der Zyklus gemessen wurde, bei
welchem das gepulste Meßlicht vom akusto-optischen Schalter 20
ausgegeben wird, was sehr umständlich ist.
Im folgenden wird eine Vorrichtung zum Messen der Verformung
einer optischen Faser gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung in bezug auf die Diagramme erläutert.
Fig. 1 ist ein Diagramm, welches die Struktur einer Vorrichtung zum
Messen der Verformung einer optischen Faser gemäß einer Ausfüh
rungsform der Erfindung darstellt.
Gemäß Fig. 1 ist mit der Bezugszahl 100 eine Lichtquelle bezeichnet,
welche kontinuierliches Licht einer optischen Referenzfrequenz, z. B.
eine MQW-DFB-LD (Multi Quantum Well Distributed Feedback Laser-
Diode) mit einer Schwingungs-Wellenlänge von 1,55 µm, welche mit
einer automatischen Temperaturregelung
ausgerüstet ist. Mit der Bezugszahl 102 ist ein optischer
Richtungs-Koppler bezeichnet, welcher ein Eingabeende und zwei
Ausgabeenden besitzt. Dieses Eingabeende ist mit der Lichtquelle
100 durch eine optische Faser verbunden und das kontinuierliche
Licht, welches von der Lichtquelle 100 ausgegeben wird, wird hier
eingegeben. Dieser optische Richtungs-Koppler 102 verzweigt das
eingegebene kontinuierliche Licht in zwei Zweige mit einer vorbe
stimmten Intensität. Der erste Zweig des verzweigten Lichtes heißt
Meßlicht und wird an eine optische Faser 104 ausgegeben. Der
zweite Zweig heißt Referenzlicht und wird an eine optische Faser 106
ausgegeben.
Ein akusto-optischer Schalter 108, welcher gemäß Kontrollsignalen,
welche von einer externen Steuervorrichtung (nicht gezeigt im Dia
gramm) eingegeben werden, arbeitet, wandelt das Meßlicht, wel
ches vom optischen Richtungs-Koppler 102 ausgegeben wird, in ein
gepulstes Meßlicht um. Ein optischer Schalter 110 besitzt ein Eingabeende
und zwei Ausgabeenden. Das gepulste Meßlicht, welches vom aku
sto-optischen Schalter ausgegeben wird, wird in das Eingabeende
eingegeben und schaltet das Ausgabeende gemäß der Steuerung
der oben erwähnten Steuervorrichtung. Mit anderen Worten, der
optische Schalter 110 gibt das eingegebene gepulste Meßlicht an eines
der Ausgabeenden gemäß den Steuersignalen der oben erwähn
ten Steuervorrichtung aus.
Ein optischer Zirkulator 112, ein optischer Verstärker 114, ein opti
scher Bandpaßfilter 116, ein optischer Richtungs-Koppler 118, eine
optische Verzögerungsfaser 120, ein optischer Isolator 122 und eine
optische Testfaser 124 umfassen eine optische Ringschaltung. Der
Unterschied zwischen dieser optischen Ringschaltung und der opti
schen Ringschaltung, welche in Fig. 4 gezeigt ist, besteht darin, daß
der akusto-optische Schalter 24 von Fig. 4 ausgelassen ist und darin,
daß eines der Ausgabeenden des optischen Schalters 110 mit einem der
Eingabeenden des optischen Richtungs-Kopplers 118 verbunden ist.
Der optische Zirkulator 112 besitzt ein Eingabeende, ein Eingabe-
/Ausgabeende und ein Ausgabeende. Der optische Zirkulator 112
gibt vom Eingabe-/Ausgabeende das gepulste Meßlicht aus, wel
ches am Eingabeende eingegeben wird und gibt am Ausgabeen
de das natürliche, Brillouin-rückgestreute Licht aus, welches am Ein
gabe-/Ausgabeende eingegeben wird. Das andere Eingabeende
des optischen Schalters ist mit dem Eingabeende des optischen Zirkulators
112 verbunden.
Der optische Verstärker 114 hat den Zweck, das eingegebene na
türliche, Brillouin-rückgestreute Licht zu verstärken und umfaßt z. B.
eine Er3+ verstärkte Faser und eine Halbleiter Laserdiode mit einer
Schwingungs-Wellenlänge von 1,48 µm oder ähnliches, welches
eine angeregte Lichtquelle ist. Zusätzlich besitzt der optische Band
paßfilter 116 ein Lichtpaßband von 5 nm, welches die Wellenlänge
des natürlichen, Brillouin-rückgestreuten Lichtes, welches innerhalb
der optischen Testfaser 124 erzeugt wird, als die zentrale Wellenlän
ge stützt.
Bezugszahl 118 bezeichnet den optischen Richtungs-Koppler, wel
che zwei Eingabeenden und zwei Ausgabeenden besitzt. Jedes der
beiden Eingabeenden ist mit einem der Ausgabeenden des optischen Schalters
110 bzw. mit dem Ausgabeende des optischen Bandpaß
filters 116 durch optische Fasern verbunden. Der optische Richtungs-
Koppler 118 verzweigt mit einer vorbestimmten Intensität eines der
von den beiden Eingabeenden eingegebenen Lichtsignale und
gibt nach außerhalb der optischen Ringschaltung den ersten Zweig
des verzweigten Lichts aus und gibt an die optische Verzögerungs
faser 120 den zweiten Zweig des verzweigten Lichts aus. Die opti
sche Verzögerungsfaser 120 verzögert das eingegebene, gebün
delte Licht um einen vorbestimmten Verzögerungsbetrag. Die Län
ge dieser optischen Verzögerungsfaser 120 ist passend gewählt
und basiert auf dem gepulsten Meßlicht, welches vom akusto-
optischen Schalter 108 ausgegeben wird. Der Be
trag der Verzögerung steht in Beziehung zum Betrag der Zeit, wel
che die Lichtsignale benötigen, um durch die optische Ringschal
tung zu laufen. Genauer, der Verzögerungsbetrag hat den Zweck,
um den Eingabezyklus des gepulsten Meßlichtes, welches wieder
holt vom optischen Zirkulator 112 eingegeben wird, und die Ausbrei
tungszeit, welche notwendig ist, um die optische Ringschaltung
einmal zu durchlaufen, identisch zu machen.
Der optische Isolator 122 befördert die von der optischen Verzöge
rungsfaser 120 ausgegebenen Lichtsignale zur optischen Testfaser
124 und befördert nicht das gepulste Meßlicht, welches von der op
tischen Testfaser 124 ausgegeben wird, zur optischen Verzöge
rungsfaser 120. Mit anderen Worten erlaubt der optische Isolator 122
gemäß dem Diagramm, daß sich die Lichtsignale entgegen dem
Uhrzeigersinn bewegen, aber er läßt nicht zu, daß sich die Lichtsi
gnale im Uhrzeigersinn bewegen. Die optische Testfaser 124 ist die
optische Faser, an welcher die Verformungsmessung oder Span
nungsmessung durchgeführt wird.
Zusätzlich ist die optische Faser 106, welche mit dem vorher erwähn
ten optischen Richtungs-Koppler 102 verbunden ist, mit dem akusto-
optischen Schalter 130 verbunden. Der akusto-optische Schalter 130
pulst das Referenzlicht in vorbestimmten Zyklen und gibt das Refe
renzpulslicht aus. Mit der Bezugszahl 132 ist ein Frequenzumwand
lungsabschnitt bezeichnet, welcher die optische Frequenz des ein
gegebenen Referenzpulslichtes umwandelt. Der Frequenzum
wandlungsabschnitt 132 wird im folgenden mit Bezug auf Fig. 2 er
läutert.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm R, welches den in Fig. 1 dargestellten Fre
quenzumwandlungsabschnitt 132 darstellt. Gemäß Fig. 2 ist mit der
Bezugszahl 200 das Lichteintrittsende bezeichnet, durch welches
das Referenzpulslicht, welches vom akusto-optischen Schalter 130
ausgegeben wird, eingegeben wird. Mit der Bezugszahl 202 ist ein
optischer Bündler bezeichnet, welcher zwei Eingabeenden und ein
Ausgabeende besitzt und welcher das Licht, welches an den bei
den Eingabeenden eintritt, bündelt und das gebündelte Licht durch
das Ausgabeende ausgibt. Das Referenzpulslicht, welches in das
oben erwähnte Lichteintrittsende eingegeben wird, wird zu einem
der Eingabeenden dieses optischen Bündlers 202 geführt und eines
der verzweigten Lichtbündel, welches von einer unten beschriebe
nen optischen Verzweigungsvorrichtung ausgegeben wird, wird in
das andere Eingabeende geführt.
Mit der Bezugszahl 204 ist ein optischer Faserverstärkungsabschnitt
bezeichnet, welcher das gebündelte Licht verstärkt, welches vom
optischen Bündler 202 ausgegeben wird. Mit der Bezugszahl 206 ist
eine optische Verzögerungsfaser bezeichnet, welche die eingege
benen Lichtsignale um einen vorbestimmten Zeitbetrag verzögert.
Diese Verzögerungszeit der optischen Verzögerungsfaser 206 ist
gemäß der Pulsbreite des Referenzpulslichtes festgelegt, welches in
das Lichteingabeende 200 eingegeben wird. Mit der Bezugszahl 208
ist ein optischer Bandpaßfilter bezeichnet, welcher eine vorbestimm
te Wellenlänge als zentrale Wellenlänge benutzt und beispielsweise
ein Licht-Paß-Band von 5 nm besitzt. Die zentrale Wellenlänge des
optischen Bandpaßfilters 208 kann beispielsweise gleich der Wel
lenlänge des kontinuierlichen Lichts gesetzt werden, welches von
der Lichtquelle von Fig. 1 ausgegeben wird. Mit der Bezugszahl 210
ist ein optischer Frequenzverschieber bezeichnet, welcher über ei
nen RF-Oszillator verfügt, welcher eine Oszillierfrequenz von 120-
122 MHz aufweist. Dieser Frequenzverschieber 210 verschiebt die
Frequenz des eingegebenen Lichts um einen Betrag, welcher iden
tisch mit der Oszillierfrequenz des RF-Oszillators ist, basierend auf den
Steuersignalen, welche von einer externen Quelle eingegeben
werden.
Mit der Bezugszahl 212 ist eine optische Verzweigungsvorrichtung
bezeichnet, welche ein Eingabeende und zwei Ausgabeenden be
sitzt und welche die vom Eingabeende eingegebenen Lichtsignale
verzweigt, damit sie eine vorbestimmte Intensität haben und wel
che über die beiden Ausgabeenden die Lichtsignale ausgibt. Der
erste Zweig des verzweigten Lichts wird zu einem der Eingabeenden
des optischen Bündlers 202 geführt. Der zweite Zweig des verzweig
ten Lichts, welches von der optischen Verzweigungsvorrichtung 212
ausgegeben wird, wird über das Lichtausgabeende 214 ausgege
ben.
Wie oben beschrieben, wird die optische Schleife R durch den opti
schen Bündler 202, den optischen Faserverstärkungsabschnitt 204,
die optische Verzögerungsfaser 206, den optischen Bandpaßfilter
208, den optischen Frequenzverschieber 210 und die optische Ver
zweigungsvorrichtung 212 gebildet. Die Schleifenlänge dieser opti
schen Schleife R (die Schleifenlänge, die hier gemeint ist, ist keine
physikalische Länge, aber eine optische Länge) ist gleich oder grö
ßer der Pulsbreite des Referenzpulslichtes bis zur optischen Verzö
gerungsfaser 206. Das verzweigte Licht, welches vom Frequenzum
wandlungsabschnitt 132 ausgegeben wird, wird im folgenden als
Referenzpulsfolge bezeichnet.
Gemäß Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 134 einen akusto-optischen
Schalter, welcher die Referenzpulsfolge, welche vom Lichtausga
beende 214 des Frequenzumwandlungsabschnitts 132 ausgegeben
wird, gemäß den Steuersignalen, welche von der vorher erwähnten
Steuervorrichtung ausgegeben werden, pulst. Mit der Bezugszahl
136 ist ein optischer Richtungs-Koppler bezeichnet, welcher zwei
Eingabeenden und zwei Ausgabeenden besitzt. Jedes der Einga
beenden des optischen Richtungs-Kopplers ist mit dem akusto
optischen Schalter 134 verbunden bzw. mit einem der Ausgabeen
den des optischen Richtungs-Kopplers 118. Die durch die beiden
Eingabeenden eingegebenen Lichtsignale werden gebündelt und
in zwei verzweigte Lichtbündel verzweigt. Mit der Bezugszahl 138 ist
ein opto-elektrischer Umwandlungsabschnitt bezeichnet, welcher
die beiden eingegebenen verzweigten Lichtbündel heterodyn er
faßt und sie in elektrische Signale umwandelt. Mit der Bezugszahl
140 ist ein Verstärker bezeichnet, welcher die eingegebenen elektri
schen Signale verstärkt. Mit der Bezugszahl 142 ist ein Filter bezeich
net, welcher die Rauschkomponente eliminiert und nur die Signal
komponente passieren läßt. Mit der Bezugszahl 144 ist ein Analog-
Digital-Wandlungsabschnitt bezeichnet (im folgenden als A/D-
Umwandlungsabschnitt bezeichnet), welcher die eingegebenen
Analogsignale in digitale Signale umwandelt. Mit der Bezugszahl 146
ist ein Signalverarbeitungsabschnitt bezeichnet und führt vorbe
stimmte Prozesse wie einen Additionsprozeß oder einen Mittelungsprozeß
durch und mißt den Verformungsbetrag innerhalb der opti
schen Testfaser.
Im folgenden wird die Operation einer Vorrichtung zum Messen der
Verformung einer optischen Faser gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung erläutert,
wenn die Verformung einer optischen Testfaser 124
gemessen wird.
Fig. 3A-3G ist ein Diagramm, welches jeden Teil der Signale wäh
rend der Verformungsmessung durch eine Vorrichtung zum Messen
der Verformung einer optischen Faser gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung darstellt. Im weiteren bezeichnet die
horizontale Achse der Fig. 3A-3G die Zeitachse. Auch wird wäh
rend der Verformungsmessung der optischen Testfaser 124 der opti
sche Schalter 110 so geschaltet, daß das eingegebene gepulste
Meßlicht zum optischen Zirkulator 112 befördert wird.
Das kontinuierliche Licht, welches von der Lichtquelle 100 emittiert
wird, wird durch den optischen Richtungs-Koppler 102 verzweigt
und das Meßlicht und das Referenzlicht werden zu den akusto-
optischen Schaltern 108, bzw. 130 befördert. Die Frequenz dieses
kontinuierlichen Lichtes sei f0. Das Meßlicht, welches in den akusto-
optischen Schalter 108 eingegeben wird, wird gepulst und in das
gepulste Meßlicht umgewandelt, welches einen Zyklus T besitzt,
welcher der Zeit entspricht, welche notwendig ist, um die optische
Ringschaltung einmal zu durchlaufen (siehe Fig. 3A, 3B. Fig. 3B ist ein
vergrößertes Diagramm von Fig. 3A). Im weiteren wird die Pulsbreite
des gepulsten Meßlichts auf eine vorbestimmte Zeitbreite festge
setzt.
Das gepulste Meßlicht, welches vom akusto-optischen Schalter 108
ausgegeben wird, wird in den optischen Schalter 110 eingegeben.
Da während der Messung der optische Schalter 110 so geschaltet
ist, daß er das eingegebene gepulste Meßlicht zum optischen Zir
kulator 112 ausgibt, wird das gepulste Meßlicht zum optischen Zirku
lator 112 befördert. Das in den optischen Zirkulator 112 eingegebe
ne gepulste Meßlicht wird am Eingabe-/Ausgabeende ausgegeben
und zur optischen Testfaser 124 befördert und pflanzt sich durch die
optische Testfaser 124 fort. Wenn sich das gepulste Meßlicht durch
die optische Testfaser 124 fortpflanzt, wird durch die ganze optische
Testfaser 124 hindurch ein natürliches Brillouin-rückgestreutes Licht
erzeugt. Dieses natürliche Brillouin-rückgestreute Licht begleitet eine
Frequenzverschiebung fb von 10-12 GHz. Das bedeutet, daß die
Frequenz des natürlichen Brillouin-rückgestreuten Lichts gleich f0 +
fb ist. Dieses natürliche Brillouin-rückgestreute Licht wird in das Ein
gabe-/Ausgabeende des optischen Zirkulators 112 eingegeben.
Inzwischen kann das gepulste Meßlicht, nachdem es sich durch die
optische Testfaser 124 hindurch ausgebreitet hat, nicht durch den
optischen Isolator 122 hindurchgehen.
Das in den optischen Zirkulator 112 eingegebene natürliche Brillouin-
rückgestreute Licht wird an dessen Ausgabeende ausgegeben und
vom optischen Verstärker 114 mit einem vorbestimmten Verstär
kungsfaktor verstärkt (Verstärkungsfaktor, um den Ausbreitungsver
lust innerhalb der optischen Ringschaltung auszugleichen) und wird
als Lichtsignal ausgegeben. Das vom optischen Verstärker 114 aus
gegebene Lichtsignal wird zum optischen Bandpaßfilter 116 beför
dert, wo das beim optischen Verstärker 114 erzeugte natürlich
strahlende Licht und das angeregte Licht eliminiert werden und nur
das natürliche Brillouin-rückgestreute Licht ausgegeben wird. Ein Teil
des vom optischen Bandpaßfilter 116 ausgegebenen natürlichen
Brillouin-rückgestreuten Lichts wird über den optischen Richtungs-
Koppler 118 zur optischen Verzögerungsfaser 120 befördert.
Der Verzögerungsbetrag des in die optische Verzögerungsfaser 120
eingegebenen natürlichen Brillouin-rückgestreuten Lichtes ist so
groß, daß der Eingabezyklus des vom optischen Zirkulator 112 wie
derholt eingegebenen gepulsten Meßlichtes identisch ist mit der
Ausbreitungszeit, welche notwendig ist, um die optische Ringschal
tung einmal zu durchlaufen. Das von der optischen Verzögerungs
faser 120 ausgegebene natürliche Brillouin-rückgestreute Licht wird
in die optische Testfaser 124 über den optischen Isolator 122 einge
geben und mit dem vom optischen Zirkulator 112 ausgegebenen
gepulsten Meßlicht gebündelt. Da die Frequenzdifferenz der ge
bündelten Lichter identisch ist mit der Brillouin-Frequenzanhebung,
findet eine Brillouin-Verstärkung statt und das natürliche Brillouin
rückgestreute Licht wird an einer Stelle verstärkt, wo die Bündelung
stattfindet. Eine identische Operation wird wiederholt weiter unten
durchgeführt, und obwohl das Signalniveau bei jedem Durchlauf
der optischen Ringschaltung des natürlichen Brillouin-rückgestreuten
Lichts ansteigt, ist das Signalniveau gesättigt, wenn ein bestimmtes
Signalniveau erreicht wird. Dieses natürliche Brillouin-rückgestreute
Licht wird vom optischen Richtungs-Koppler 118 ausgegeben. Fig. 3
C zeigt ein Beispiel einer Wellenform des gesättigten natürlichen
Brillouin-rückgestreuten Lichtes, welches vom optischen Richtungs-
Koppler 118 ausgegeben wird.
Auf der anderen Seite wird das vom optischen Richtungs-Koppler
102 ausgegebene Referenzlicht in den akusto-optischen Schalter
130 eingegeben und in das Referenzpulslicht umgewandelt, wel
ches in Fig. 3D dargestellt ist. Die Pulsbreite des Referenzpulslichts
wird beispielsweise auf 1 µsec gesetzt und dessen Zyklus, wenn um
gewandelt in Längeneinheiten, wird identisch zur Länge der opti
schen Ringschaltung gesetzt. Dieses Referenzpulslicht tritt dann in
den Frequenzumwandlungsabschnitt 132 ein. Das Referenzpulslicht,
welches in den Frequenzumwandlungsabschnitt 132 eingetreten ist,
wird vom Lichteingabeende 200 zum optischen Bündler 202 geführt,
wie dies in Fig. 2 dargestellt ist und tritt dann in den optischen Faser
verstärkungsabschnitt 204 ein. Dieses Referenzpulslicht erfährt eine
Verstärkung, welche identisch ist mit dem Betrag, welcher von der
optischen Schleife R bis zum optischen Faserverstärkungsabschnitt
204 verloren wird und erfährt durch die optische Verzögerungsfaser
206 eine Verzögerung, welche größer oder gleich ist der Pulsbreite
des Referenzpulslichtes. Das Referenzpulslicht trägt ein Rauschen,
welches durch den optischen Bandpaßfilter 208 eliminiert wird, und
erfährt eine Frequenzverschiebung durch den optischen Frequenz
verschieber 210 um den Frequenzbetrag des RF-Oszillators und wird
durch die optische Verzweigungsvorrichtung 212 verzweigt. Ein
Zweig des verzweigten Lichtes wird durch das Lichtausgabeende
214 als Teil der Referenzpulsfolge nach draußen befördert, während
der andere Zweig des verzweigten Lichts zurück in die optische
Schleife befördert wird.
Mit anderen Worten, wenn ein in Fig. 3D gezeigter Lichtpuls einge
geben wird, wandelt der Frequenzumwandlungsabschnitt 132 die
Frequenz des eingegebenen Lichtpulses um, z. B. nur die Frequenz
von 120 MHz, während er auch um einen Zeitbetrag verzögert wird,
welcher gleich der Zeitbreite des eingegebenen Lichtpulses ist und
wiederholt ausgegeben wird. Darüber hinaus hat die Wellenform
der vom Frequenzumwandlungsabschnitt 132 ausgegebenen Re
ferenzpulsfolge eine Wellenform, wie sie in Fig. 3E dargestellt ist und
wird nacheinander in eine Pulsfolge mit stufenartigem Aussehen
umgewandelt, welche nur eine Frequenz von 120 MHz hat.
Die vom Frequenzumwandlungsabschnitt 132 ausgegebene Refe
renzpulsfolge wird zum akusto-optischen Schalter 134 befördert und
wird mit der eingegebenen Rate der Steuersignale gepulst (siehe
Fig. 3F). Die Frequenz dieses Lichtpulses (im folgenden als Abtastpuls
bezeichnet) sei f0 + Δf. Der vom akusto-optischen Schalter 134 aus
gegebene Abtastpuls wird in das erste Eingabeende des optischen
Richtungs-Kopplers 136 eingegeben. Auch wird das vom optischen
Richtungs-Koppler 118 beförderte natürliche Brillouin-rückgestreute
Licht durch das zweite Eingabeende des optischen Richtungs-
Kopplers 136 eingegeben. Der in den optischen Richtungs-Koppler
136 eingegebene Abtastpuls wird mit dem natürlichen Brillouin-
rückgestreuten Licht gebündelt und in zwei Zweige verzweigt. Die
beiden verzweigten Lichtbündel werden in den opto-elektrischen
Umwandlungsabschnitt 138 eingegeben, dort heterodyn erfaßt und
in elektrische Signale umgewandelt.
Da jedes der in den opto-elektrischen Umwandlungsabschnitt 138
eingegebenen verzweigten Lichter ein gebündeltes Licht ist, beste
hen aus dem Abtastpuls, welcher eine Frequenz f0 + Δf aufweist,
und aus dem natürlichen Brillouin-rückgestreuten Licht, welches ei
ne Frequenz f0 + fb hat, beinhalten die Frequenzkomponenten des
gebündelten Lichtes die folgenden 4 Komponenten: (f0 + Δf) ± (f0
+ fb), f0 + Δf, und f0 + fb. Unter dieser 4 Frequenzkomponenten
hat die Frequenzkomponente (f0 + Δf) - (f0 + fb), das heißt die Δf-
fb-Komponente, die niedrigste Frequenz und daher kann die Erfas
sung in gewünschter Weise durchgeführt werden.
Das vom opto-elektrischen Umwandlungsabschnitt 138 ausgege
bene elektrische Signal wird durch den Verstärker 140 verstärkt und
die unnötige Rauschkomponente wird durch den Filter 142 eliminiert
und nur die Signalkomponente wird zum A/D-Umwandiungs
abschnitt 144 befördert. Das elektrische Signal wird im A/D-
Umwandlungsabschnitt 144 von einem Analog-Signal in ein Digital-
Signal umgewandelt.
Der Signalverarbeitungsabschnitt 146 führt bei den vom A/D-
Umwandlungsabschnitt 144 ausgegebenen digitalen Signalen die
vorbestimmten Prozesse durch, wie z. B. einen Mittelungsprozeß oder ei
nen Additionsprozeß, und berechnet den Verformungsbetrag.
Wie bereits oben beschrieben, kann, wenn die Frequenz des in den
opto-elektrischen Umwandlungsabschnitt 138 eintretenden ver
zweigten Lichtes = Δf - fb ist, die Erfassung in gewünschter Weise
durchgeführt werden. Mit anderen Worten kann die Erfassung in
gewünschter Weise nur in dem Augenblick erfolgen, wenn das vom
optischen Richtungs-Koppler 118 ausgegebene natürliche Brillouin-
rückgestreute Licht (s. Fig. 3C) durch den Abtastpuls reguliert wird,
welcher vom akusto-optischen Schalter 134 ausgegeben wird (der
Zeitpunkt ist mit Ts in Fig. 3F bezeichnet). Daher reguliert der vom
akusto-optischen Schalter 134 ausgegebene Abtastpuls die Ab
tastzeit, wie in Fig. 3G dargestellt, und indem man die Zeit ändert,
bei welcher der Abtastpuls ausgegeben wird, ist es möglich, den
Verformungsbetrag an einer willkürlichen Position innerhalb der opti
schen Testfaser 124 und darüber hinaus die Verformungsverteilung
der optischen Testfaser 124 zu erhalten.
Wenn die Länger der optischen Ringschaltung gemessen wird, wird
der optische Schalter 110 so geschaltet, daß er das eingegebene
gepulste Meßlicht zum optischen Richtungs-Koppler 118 befördert.
Das vom akusto-optischen Schalter 108 ausgegebene gepulste
Meßlicht wird zum optischen Schalter 110 befördert und dann zum
optischen Richtungs-Koppler 118. Dieses gepulste Meßlicht wird
durch den optischen Richtungs-Koppler 118 in zwei verzweigte Lich
ter verzweigt. Der erste Zweig der verzweigten Lichter wird in die op
tische Ringschaltung befördert und der zweite Zweig der verzweig
ten Lichter wird über den optischen Richtungs-Koppler 136 zum op
to-elektrischen Umwandlungsabschnitt 138 befördert. Das in den
opto-elektrischen Umwandlungsabschnitt 138 eingegebene ver
zweigte Licht wird in elektrische Signale umgewandelt. Dieses elek
trische Signal wird durch den Verstärker 140 verstärkt und weist eine
unnötige Rauschkomponente auf, welche durch den Filter 142 eli
miniert wird, welcher nur die Signalkomponente zum A/D-
Umwandlungsabschnitt 144 durchläßt. Das elektrische Signal wird
durch den A/D-Umwandlungsabschnitt 144 von analogen Signalen
in digitale Signale umgewandelt und dieses digitale Signal wird in
den Signalverarbeitungsabschnitt 146 eingegeben.
Auf der anderen Seite geht das verzweigte Licht, welches in die op
tische Ringschaltung eingegeben wird, durch die optische Verzö
gerungsfaser 120, den optischen Isolator 122, die optische Testfaser
124, den optischen Zirkulator 112, den optischen Verstärker 114, den
optischen Bandpaßfilter 116 und kommt beim optischen Richtungs-
Koppler 118 an. Das verzweigte Licht, welches die optische Ring
schaltung durchlaufen hat, wird durch den optischen Richtungs-
Koppler 118 weiter verzweigt und der erste Zweig des verzweigten
Lichts wird in die optische Ringschaltung eingegeben, während der
zweite Zweig des verzweigten Lichtes in den optischen Richtungs-
Koppler 136 eingegeben wird. Das in den optischen Richtungs-
Koppler 136 eingegebene Licht wird in den opto-elektrischen Um
wandlungsabschnitt 138 eingegeben und in elektrische Signale
umgewandelt. Dieses elektrische Signal wird, wie oben beschrieben,
über den Verstärker 140, den Filter 142 und den A/D-Umwandlungs
abschnitt 144 in den Signalverarbeitungsabschnitt 146 eingegeben.
Das digitale Signal, welches auf dem verzweigten Licht basiert, wel
ches nicht die optische Ringschaltung umlaufen hat, und das digi
tale Signal, welches auf dem verzweigten Licht basiert, welches die
optische Ringschaltung durchlaufen hat, werden in den Signalver
arbeitungsabschnitt 146 eingegeben. Wenn diese digitalen Signale
in den Signalverarbeitungsabschnitt 146 eintreten, weisen sie ein
Zeitintervall auf, welches gleich der Zeit ist, welche das verzweigte
Licht benötigt, um die optische Ringschaltung einmal zu durchlau
fen. Indem man dieses Zeitintervall erhält, ist es außerdem möglich,
die Länge der optischen Ringschaltung zu messen.
Claims (5)
1. Vorrichtung zum Messen der Verformung einer optischen Faser,
welche folgendes umfaßt:
eine Lichtquelle (100), welche kontinuierliches Licht einer Referenzfre quenz emittiert;
erste optische Richtungs-Kopplungsmittel (102) zum Verzweigen des kontinuierlichen Lichtes in ein Meßlicht und in ein Referenzlicht und zum Ausgeben der beiden resultierenden Lichtbündel;
erste Pulsmittel (108) zum Pulsen des Meßlichtes mit einem vorbestimm ten Zyklus und zum Ausgeben eines gepulsten Meßlichtes;
eine optische Ringschaltung umfassend eine optische Testfaser (124), welche das Objekt einer Verformungsmessung ist, Lichtzirkulati onsmittel (112) zum Befördern des gepulsten Meßlichtes zur optischen Testfaser (124) und zum Befördern des innerhalb der optischen Testfaser (124) erzeugten rückgestreuten Lichtes, Lichtverstärkungsmittel (114) zum Verstärken des von den Lichtzirkulationsmitteln (112) ausgegebene rückgestreuten Lichtes, optische Rausch-Eliminierungsmittel (116) zum Eliminieren der durch die Lichtverstärkungsmittel (114) erzeugten Rauschkomponente aus dem durch die Lichtverstärkungsmittel (114) verstärkten rückgestreuten Licht und um nur die Signalkomponen te passieren zu lassen, zweite optische Richtungs-Kopplungsmittel (118) zur Ausgabe des von den optischen Rausch-Eliminierungsmitteln (116) ausgegebenen rückgestreuten Lichtes, nachdem es in zwei Zweige verzweigt worden ist, Verzögerungsmittel (120) zum Verzögern des ersten Zweiges des rückgestreuten Lichtes, welcher von den zweiten optischen Richtungs-Kopplungsmitteln (118) ausgegeben wird, und Lichtisolierungsmittel (122) zur Ausgabe des von den Verzöge rungsmitteln (120) ausgegebenen rückgestreuten Lichtes an die opti sche Testfaser (124) und zum Auffangen des gepulsten Meßlichtes, welches die optische Testfaser (124) passier hat, wobei der Puls- Ausgabezyklus der Pulsmittel durch die Länge der Schaltung defi niert ist;
optische Frequenzumwandlungsmittel (132) zur Ausgabe einer Refe renzpulsfolge, welche periodisch die optische Frequenz des Re ferenzlichtes umwandelt, welches von den ersten optischen Rich tungs-Kopplungsmitteln (102) ausgegeben wird;
zweite Pulsmittel (130) zum Pulsen der Referenzpulsfolge an einem vor bestimmten Zeitpunkt und zur Ausgabe eines Abtastpulses; dritte optische Richtungs-Kopplungsmittel (136) zum Bündeln des zwei ten Zweiges, welcher von den zweiten optischen Richtungs- Kopplungsmitteln (118) ausgegeben wird, mit dem Abtastpuls und zur Ausgabe des gebündelten Lichtes;
Lichtempfangsmittel (138) zum heterodynen Empfang und Umwandeln des von den dritten optischen Richtungs-Kopplungsmitteln (136) aus gegebenen gebündelten Lichtes in elektrische Signale;
Signalverarbeitungsmittel zum Messen der Verformung der opti schen Testfaser (124), basierend auf den elektrischen Signalen, welche von den Lichtempfangsmitteln (138) ausgegeben werden.
eine Lichtquelle (100), welche kontinuierliches Licht einer Referenzfre quenz emittiert;
erste optische Richtungs-Kopplungsmittel (102) zum Verzweigen des kontinuierlichen Lichtes in ein Meßlicht und in ein Referenzlicht und zum Ausgeben der beiden resultierenden Lichtbündel;
erste Pulsmittel (108) zum Pulsen des Meßlichtes mit einem vorbestimm ten Zyklus und zum Ausgeben eines gepulsten Meßlichtes;
eine optische Ringschaltung umfassend eine optische Testfaser (124), welche das Objekt einer Verformungsmessung ist, Lichtzirkulati onsmittel (112) zum Befördern des gepulsten Meßlichtes zur optischen Testfaser (124) und zum Befördern des innerhalb der optischen Testfaser (124) erzeugten rückgestreuten Lichtes, Lichtverstärkungsmittel (114) zum Verstärken des von den Lichtzirkulationsmitteln (112) ausgegebene rückgestreuten Lichtes, optische Rausch-Eliminierungsmittel (116) zum Eliminieren der durch die Lichtverstärkungsmittel (114) erzeugten Rauschkomponente aus dem durch die Lichtverstärkungsmittel (114) verstärkten rückgestreuten Licht und um nur die Signalkomponen te passieren zu lassen, zweite optische Richtungs-Kopplungsmittel (118) zur Ausgabe des von den optischen Rausch-Eliminierungsmitteln (116) ausgegebenen rückgestreuten Lichtes, nachdem es in zwei Zweige verzweigt worden ist, Verzögerungsmittel (120) zum Verzögern des ersten Zweiges des rückgestreuten Lichtes, welcher von den zweiten optischen Richtungs-Kopplungsmitteln (118) ausgegeben wird, und Lichtisolierungsmittel (122) zur Ausgabe des von den Verzöge rungsmitteln (120) ausgegebenen rückgestreuten Lichtes an die opti sche Testfaser (124) und zum Auffangen des gepulsten Meßlichtes, welches die optische Testfaser (124) passier hat, wobei der Puls- Ausgabezyklus der Pulsmittel durch die Länge der Schaltung defi niert ist;
optische Frequenzumwandlungsmittel (132) zur Ausgabe einer Refe renzpulsfolge, welche periodisch die optische Frequenz des Re ferenzlichtes umwandelt, welches von den ersten optischen Rich tungs-Kopplungsmitteln (102) ausgegeben wird;
zweite Pulsmittel (130) zum Pulsen der Referenzpulsfolge an einem vor bestimmten Zeitpunkt und zur Ausgabe eines Abtastpulses; dritte optische Richtungs-Kopplungsmittel (136) zum Bündeln des zwei ten Zweiges, welcher von den zweiten optischen Richtungs- Kopplungsmitteln (118) ausgegeben wird, mit dem Abtastpuls und zur Ausgabe des gebündelten Lichtes;
Lichtempfangsmittel (138) zum heterodynen Empfang und Umwandeln des von den dritten optischen Richtungs-Kopplungsmitteln (136) aus gegebenen gebündelten Lichtes in elektrische Signale;
Signalverarbeitungsmittel zum Messen der Verformung der opti schen Testfaser (124), basierend auf den elektrischen Signalen, welche von den Lichtempfangsmitteln (138) ausgegeben werden.
2. Vorrichtung zum Messen der Verformung einer optischen Faser
gemäß Anspruch 1, wobei die Signalverarbeitungsmittel im wei
teren folgendes umfassen:
Verstärkungsmittel (140) zum Verstärken der elektrischen Signale;
einen Filter (142), damit nur die Signalkomponente von den verstärkten elektrischen Signalen passieren kann;
einen A/D-Umwandlungsabschnitt (144), um die elektrischen Signale in digitale Signale zu wandeln; und
einen Signalverarbeitungsabschnitt (146), um an den digitalen Signalen notwendige Prozesse durchzuführen und um die Verformung zu erhalten.
Verstärkungsmittel (140) zum Verstärken der elektrischen Signale;
einen Filter (142), damit nur die Signalkomponente von den verstärkten elektrischen Signalen passieren kann;
einen A/D-Umwandlungsabschnitt (144), um die elektrischen Signale in digitale Signale zu wandeln; und
einen Signalverarbeitungsabschnitt (146), um an den digitalen Signalen notwendige Prozesse durchzuführen und um die Verformung zu erhalten.
3. Vorrichtung zum Messen der Verformung einer optischen Faser
gemäß Anspruch 1, wobei die zweiten Pulsmittel (130) die Referenz
pulsfolge an einem willkürlichen Zeitpunkt pulsen.
4. Vorrichtung zum Messen der Verformung einer optischen Faser
gemäß Anspruch 1, wobei die zweiten optischen Richtungs-
Kopplungsmittel (118) ein Eingabeende besitzen, um die Lichtsignale in
die optische Ringschaltung zu führen, die im weiteren
Schaltmittel (110) umfaßt, welche zwischen den ersten Pulsmitteln (108) und
den Lichtzirkulationsmitteln (112) vorgesehen sind, um das von den er
sten Pulsmitteln (108) ausgegebene, gepulste Meßlicht zum Eingabe
ende der zweiten optischen Richtungs-Kopplungsmittel (118) zu beför
dern; und wobei die Signalverarbeitungsmittel die Länge der opti
schen Ringschaltung aus der Zeitdifferenz zwischen den elektri
schen Signalen berechnet, welche von den Lichtempfangsmit
teln (138) ausgegeben werden und welche auf dem gepulsten Meß
licht basieren, welches von den Schaltmitteln (110) ausgegeben wird,
und welches, ohne die optische Ringschaltung zu durchlaufen,
über die zweiten Richtungs-Kopplungsmittel (118) und die dritten Rich
tungs-Kopplungsmittel (136) ausgegeben wird, und den elektrischen
Signalen, welche von den Lichtempfangsmitteln (138) ausgegeben
werden und welche auf dem gepulsten Meßlicht basieren, wel
ches die optische Ringschaltung durchlaufen hat und über die
zweiten Richtungs-Kopplungsmittel (118) und dritten Richtungs-
Kopplungsmittel (136) ausgegeben wird.
5. Vorrichtung zum Messen der Verformung einer Testfaser gemäß
Anspruch 4, wobei die Schaltmittel (110) die Funktion besitzen, das von
den ersten optischen Richtungs-Kopplungsmitteln (102) ausgegebene,
gepulste Meßlicht entweder zu den Lichtzirkulationsmitteln (112) zu
befördern oder es zum Eingabeende der zweiten optischen Rich
tungs-Kopplungsmittel (118) zu befördern.
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