DE19950880C1 - Verfahren und Fasersensor zur Korrektur von im Zuge ortsausgelöster Messungen aufgenommenen Brillouin-Spektren - Google Patents

Verfahren und Fasersensor zur Korrektur von im Zuge ortsausgelöster Messungen aufgenommenen Brillouin-Spektren

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Abstract

Es handelt sich um ein Verfahren und einen Fasersensor, insbesondere BOFDA-Fasersensor, zur Korrektur von im Zuge ortsaufgelöster Messungen aufgenommenen Brillouin-Spektren. Dabei wird in einer zugehörigen Meßfaser (1) durch gegenläufige Überlagerung von elektromagnetischen Wellen mit variabler Frequenzdifferenz (f¶D¶) ein fortbewegtes Brechungsindexinterferenzgitter erzeugt. Die Geschwindigkeit dieses Brechungsindexinterferenzgitters entspricht bei einer bestimmten Frequenzdifferenz (Brillouin-Frequenz f¶B¶) der orts-, temperatur- und/oder dehnungsabhängigen charakteristischen Schallgeschwindigkeit (c¶S¶) in der Meßfaser (1). DOLLAR A Erfindungsgemäß besteht die Meßfaser (1) des Fasersensors aus einer Sensorfaser (1a) und einer vorgeschalteten Vorlauffaser (1b) definierter Brillouin-Frequenz (f¶B¶). Auf diese Weise kann ein streckenneutraler, lediglich temperatur- und dehnungsabhängiger, Brillouin-Koeffizient (g¶B¶) als Maß für die Schallgeschwindigkeit (c¶S¶) und damit den Dehnungs- bzw. Temperaturzustand an zu untersuchenden Orten der Meßfaser (1) ermittelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Fasersensor zur Korrektur von im Zuge ortsaufgelöster Messungen auf­ genommenen Brillouin-Spektren.
Im Rahmen der nichtlinearen Optik lassen sich Phänomene beobachten, die sich u. a. auf intensitätsabhängige Änderungen des Brechungsindex zurückführen lassen. Mit anderen Worten können mittels entsprechender Lichtquellen, insbesondere Laser, Lichtintensitäten erzeugt werden, die derartige Effekte in Festkörpern, Flüssigkeiten oder Gasen hervorrufen.
Ein Beispiel für einen solchen nichtlinearen Effekt ist die sogenannte stimulierte Brillouin-Streuung (SBS). Diese läßt sich darauf zurückführen, daß ab einer bestimmten Licht­ intensität, der sogenannten SBS-Schwelle, die eingekoppelte elektromagnetische Strahlung in Rückwärtsrichtung gestreut wird, und zwar an angeregten elastischen Dichteschwankungen im Material. Das zurückgestreute Licht wird Brillouin- Stokes-Licht genannt und ist zu niedrigeren Frequenzen (im Vergleich zur eingestrahlten Lichtfrequenz) hin verschoben.
In der Nachrichtentechnik, insbesondere Lichtfaser­ kommunikationstechnik, sind derartige Effekte störend. Denn sie treten immer dann auf, wenn eine kohärente Lichtquelle, beispielsweise ein Halbleiterlaser, die vorbeschriebene SBS-Schwelle in einer angeschlossenen Lichtfaser über­ schreitet. Dabei kann das zurückgestreute Licht unerwünschte Effekte auf die Lichtquelle selbst ausüben oder sogar die ganze Übertragung über die Lichtfaser stören. Um derartiges zu beherrschen, hat man sowohl in der EP 0 863 630 A2 als auch der WO 98/18219 A1 Gegenmaßnahmen vorgeschlagen.
Man kann sich die Rückwärtsstreuung bzw. die Entstehung des Brillouin-Stokes-Lichtes aber auch vorteilhaft zu Nutze machen. Denn die beschriebene Frequenzverschiebung zwischen dem Brillouin-Stokes-Licht und der eingestrahlten Strahlung wird charakteristische Brillouin-Frequenz genannt und ist temperatur- und dehnungsabhängig. Folglich lassen sich über dieses Phänomen Aussagen dergestalt machen, welche Temperatur und/oder Dehnung an einem bestimmten Punkt (Ort) einer Lichtleiterfaser vorliegt. Typische Anwendungsgebiete für einen derartigen Fasersensor sind darin zu sehen, bei­ spielsweise das Temperaturprofil entlang von Starkstrom­ kabeln oder Pipelines zu ermitteln. Auch lassen sich Dehnungen (ortsaufgelöst) erfassen, beispielsweise in Flug­ zeugen, bei welchen in die Außenhaut Lichtfasern einge­ arbeitet sind.
Weitere Anwendungsgebiete sind darin zu sehen, daß sich Gasleitungen und Pipelines mit Blick auf Verwerfungen im Erdreich überwachen lassen. Dies ist allein schon aus sicherheitstechnischen Gründen besonders in Erdbeben- oder Bergbaugebieten von großer Bedeutung. Auch Bauwerke wie Brücken, Staudämme und Tunnel können gleichsam fernüber­ wacht werden. Gleiches gilt für Landebahnen von Flughäfen und Hochgeschwindigkeitstrassen für Schnellbahnen. Schließ­ lich bietet sich die Leckage-Überwachung von Fernwärme­ trassen, der Einsatz in Brandmeldesystemen für lange Tunnel sowie im Rahmen der Prozeßüberwachung von Anlagen in Kraft­ werken und in der chemischen Industrie als Einsatzgebiet an.
Dabei wird in der Regel mit in der zugehörigen Lichtfaser bzw. Meßfaser gegenläufigen elektromagnetischen Wellen gearbeitet, die sich mit variabler Frequenzdifferenz über­ lagern. Üblicherweise kommen Pump- und Referenzlaserlicht­ wellen zum Einsatz, die beidseitig der Meßfaser, d. h. an ihren beiden Enden, eingekoppelt werden. Bei dieser Faser kann es sich um eine sogenannte Monomode-Faser, also eine solche Lichtfaser handeln, welche mehr oder minder nur eine Mode des Laserlichtes durchläßt.
Durch das eingestrahlte Pump- und Referenzlaserlicht bildet sich im Innern der Meßfaser ein Interferenzmuster, bestehend aus Wellenbäuchen und Wellenknoten. Dieses Interferenzmuster korrespondiert zu periodischen Dichte­ änderungen im Fasermaterial, welches praktisch wie ein Dielektrikum in einem elektrischen Feld reagiert. Dieser Effekt wird Elektrostriktion genannt und beschreibt die Tatsache, daß Dielektrika in elektrischen Feldern kontra­ hieren (können), wenn sie entlang der Feldlinien aus­ gerichtet sind. Der Annäherung der sich im Innern anziehenden Dipole wirken elastische Kräfte entgegen.
Jedenfalls lassen sich Dichteschwankungen in der Lichtfaser bzw. Meßfaser erzeugen, wobei sich bei einer bestimmten Frequenz zwischen dem Pump- und Referenzlaserlicht das vor­ genannte Interferenzmuster mit Schallgeschwindigkeit aus­ breitet. Diese Frequenzdifferenz wird auch als Brillouin- Frequenz bezeichnet. - Durch die periodischen Dichte­ schwankungen entstehen Schwankungen im Brechungsindex (Brechungsindexgitter), an denen das einfallende Pumplaser­ licht in Rückwärtsrichtung gestreut wird.
Zu beachten ist, daß das durch stimulierte Brillouin- Streuung zurückgeworfene Pumplaserlicht dieselbe Frequenz wie das Referenzlaserlicht aufweist, welche im Vergleich zur Frequenz des Pumplaserlichtes um die Brillouin-Frequenz reduziert ist. Folglich wird die Referenzwelle bzw. das Referenzlaserlicht durch das zurückgestreute Stokes-Licht verstärkt, während die Pumplichtintensität entsprechend zurückgeht. Mit der verstärkten Stokes-Welle wird erneut eine stärke Schallwelle im Inneren der Meßfaser angeregt, an der wiederum das Pumplicht gestreut wird. Durch diesen sich gleichsam aufschaukelten Prozeß treten die Stokes- Welle und die Welle des Pumplasers derart in Wechsel­ wirkung, daß die Leistung der Stokes-Welle verstärkt und die Leistung der Pumpwelle geschwächt wird.
Jedenfalls ist das Maximum dieser beschriebenen Brillouin- Wechselwirkung dann zu beobachten, wenn im Inneren der Meß­ faser ein fortbewegtes Brechungsindexinterferenzgitter durch die sich überlagernden Lichtwellen erzeugt wird, dessen Geschwindigkeit exakt der charakteristischen Schall­ geschwindigkeit an diesem Ort entspricht. In diesem Fall ist die Frequenzdifferenz zwischen Pump- und Referenzlaser gleich der Brillouin-Frequenz. - Die Schallgeschwindigkeit ist bekanntermaßen temperatur- und/oder dehnungsabhängig, so daß sich auf diese Weise die Temperatur und/oder Dehnung der Meßfaser erfassen läßt.
So liegt bei einer ungedehnten Standard-Monomodefaser unter Berücksichtigung einer Lichtwellenlänge von 1,3 µm und bei Raumtemperatur von ca. 23° die Brillouin-Frequenz bei etwa 12,80 GHZ. In Abhängigkeit von der Temperatur steigt diese Brillouin-Frequenz linear um etwa 1,2 MHZ pro Kelvin Temperaturerhöhung an. Außerdem führen Dehnungsänderungen pro jedem Prozent zu einem Anstieg der Brillouin-Frequenz um etwa 500 MHZ (vgl. den Aufsatz "Brillouin Optical-Fiber Frequeny-Domain Analysis for Distributed Temperature and Strain Measurements" von Dieter Garus, Torsten Gogolla, Katerina Krebber und Frank Schließ; Journal of Lightwave Technology Vol. 15, Nr. 4, April 1997, Seite 654 ff).
Um die temperatur- und/oder dehnungsabhängige, charakteristische Schallgeschwindigkeit und damit die Brillouin-Frequenz ortsaufgelöst messen zu können, wird im Stand der Technik mit gepulsten Pump- und Referenzlasern gearbeitet (vgl. EP 0 348 235 A2). Aus der sich ergebenden Laufzeit läßt sich unter Berücksichtigung der Proportionalitäten:
Brillouin-Frequenz ∝ Temperatur und
Signallaufzeit ∝ zum Ort
die ortsaufgelöste Temperaturfunktion ermitteln.
Ähnlich wird bei einer bekannten Vorrichtung zum Messen der Verformung einer optischen Faser vorgegangen. Hier sind erste Pulsmittel zum Pulsen eines Messlichtes mit einem vorbestimmten Zyklus und zum Ausgeben des gepulsten Messlichtes vorgesehen. Ebenso finden sich zweite Pulsmittel zum Pulsen einer Referenzpulsfolge an einem bestimmten Zeitpunkt und zur Abgabe eines zugehörigen Abtastpulses. Hierdurch versucht man, sowohl den Verformungsbetrag an einer willkürlichen Stelle innerhalb der optischen Testfaser zu erfassen als auch die Verformungsverteilung in Abhängigkeit von der Entfernung aufzunehmen (vgl. DE 197 46 326 A1).
Anders wird in der Literaturstelle "Brillouin Optical-Fiber Frequency-Domain Analysis for Distributed Temperature and Strain Measurementes" vorgegangen. Denn hier wird nicht zeitaufgelöst gearbeitet, sondern vielmehr unter Rückgriff auf das sogenannte BOFDA(Brillouin Optical-Fiber Frequency-Domain Analysis)-Verfahren, welches mit Bezug auf die Figurenbeschreibung näher erläutert wird. Kernpunkt dieser Vorgehensweise ist die Tatsache, daß nicht mit gepulstem Pump- und/oder Referenzlaserlicht gearbeitet wird, sondern dem Pump- und/oder Referenzlaser eine (sinusförmige) Intensitätsmodulation aufgeprägt wird. Bei einem modulierten Referenzlaser spricht man vom sogenannten "Loss-Verfahren", welches im Rahmen der vorliegenden Anmeldung beispielhaft Berücksichtigung findet. Selbstverständlich läßt sich auch mit moduliertem Pumplaserlicht arbeiten, wobei dann vom sogenannten "Gain- Verfahren" gesprochen wird.
Jedenfalls führt eine Modulation der Laserlichtintensität des Referenzlasers (mit Hilfe eines elektrooptischen Modulators) dazu, daß bei Variation der Modulationsfrequenzen im Bereich zwischen beispielsweise 10 Hz bis 80 MHz die eingangs kontinuierliche Pumpwelle von der modulierten Stokes-Welle beeinflußt wird. Die Pumpwelle wird also mit einer Intensitätsmodulation überlagert, welche von der Modulierung des Referenzlaserlichtes her­ rührt. Sowohl Phase als auch Amplitude der Modulation von Referenz- und Pumplaserlicht werden (bei äquidistanten Modulationsfrequenzen) aufgezeichnet. Hieraus wird eine Modulationsübertragungsfunktion für die jeweils ein­ gestellte Frequenzdifferenz zwischen beiden Lasern abge­ leitet. Diese Modulationsübertragungsfunktion hängt im wesentlichen von der jeweils eingestellten Modulations­ frequenz ab. Führt man eine inverse Fouriertransformation dieser Modulationsübertragungsfunktion durch, so läßt sich hieraus die Impulsantwort ableiten, also gleichsam eine zeitaufgelöste Messung simulieren. Die Impulsantwort ist zeitabhängig, wobei sich über die Lichtgeschwindigkeit die entsprechende Ortsabhängigkeit errechnen läßt (vgl. den vorgenannten Artikel "Brillouin Optical-Fiber . . .).
Im Ergebnis kann aus dem transmittierten Pumplaserlicht infolge der Modulation eine Impulsantwort als Funktion des Faserortes abgeleitet werden. Die Faserbereiche, deren temperatur- und dehnungsabhängige charakteristische Brillouin-Frequenz der eingestellten Frequenzdifferenz zwischen beiden Lasern entspricht, lassen sich auf diese Weise entlang der Meßfaser lokalisieren. Zur Untersuchung anderer Faserbereiche mit anderen Temperatur- oder Dehnungszuständen muß die Frequenzdifferenz zwischen Pump­ laserlicht und Referenzlaserlicht an die jeweils charakteristische Brillouin-Frequenz in diesen Bereichen angepaßt werden. Dies ist im einzelnen in dem vorerwähnten Aufsatz "Brillouin Optical-Fiber Frequency-Domain Analysis for Distributed Temperature and Strain Measurements" beschrieben.
Das vorgenannte Verfahren hat sich grundsätzlich bewährt, wirft jedoch Probleme auf, weil die hieraus ermittelten einzelnen Brillouin-Spektren (Impulsantwort an einem bestimmten Ort als Funktion der Frequenzdifferenz zwischen Pump- und Referenzlaser) verzerrt sind. Dies läßt sich dem Grunde nach darauf zurückführen, daß die Meßfaser über­ wiegend ungedehnt ist und folglich eine große Wechsel­ wirkungslänge für das Pumplaserlicht und Referenzlaserlicht darstellt. Dies führt dazu, daß die ortsaufgelösten Brillouin-Spektren zum Teil frequenzverschoben sind. - Hier will die Erfindung insgesamt Abhilfe schaffen.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und einen Fasersensor zur Korrektur von im Zuge ortsaufgelöster Messungen aufgenommenen Brillouin-Spektren anzugeben, welches bzw. welcher eine korrekte Ermittlung der Dehnung und/oder Temperatur ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Ver­ fahren zur Korrektur von im Zuge ortsaufgelöster Messungen mittels eines Fasersensors, insbesondere BOFDA-Faser­ sensors, aufgenommenen Brillouin-Spektren vor, wonach:
  • - in einer zugehörigen Meßfaser durch gegenläufige Über­ lagerung von kontinuierlichen elektromagnetischen Laserlichtwellen mit variabler Frequenzdifferenz eines Pumplasers und eines Referenzlasers ein fortbewegtes Brechungsindexinterferenzgitter erzeugt wird, dessen Geschwindigkeit bei einer bestimmten Frequenzdifferenz der orts-, temperatur- und/oder dehnungsabhängigen charakteristischen Schallgeschwindigkeit in der Meßfaser entspricht, wobei
  • - dem Pump- und/oder Referenzlaser eine vorzugsweise sinusförmige Intensitätsmodulation zur Ableitung einer Modulationsübertragungsfunktion aufgeprägt wird, mit deren Hilfe durch inverse Fouriertransformation die Impulsantwort abgeleitet wird, und wonach
  • - zur Eichung des Fasersensors, insbesondere BOFDA-Faser­ sensors, die Meßfaser im wesentlichen aus einer Sensor­ faser und einer vorgeschalteten Vorlauffaser definierter Brillouin-Frequenz besteht, so daß ein streckenneutraler, lediglich temperatur- und dehnungs­ abhängiger Brillouin-Koeffizient als Maß für die Schallgeschwindigkeit und damit den Dehnungs- und/oder Temperaturzustand zu untersuchender Orte der Meßfaser ermittelt werden kann.
Vorzugsweise werden zur Bestimmung des streckenneutralen Brillouin-Koeffizienten zusätzlich die jeweils integrale Leistung der eingespeisten elektromagnetischen Wellen und die gemessene Modulations-Übertragungsfunktion ausgewertet.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Fasersensor, ins­ besondere BOFDA-Fasersensor, wie er im Anspruch 3 beschrieben wird. - Im Rahmen der Erfindung erfolgt also eine Eichung des Fasersensors unter Rückgriff auf die Vor­ lauffaser. Diese Vorlauffaser weist eine bekannte Temperatur und Dehnung, folglich eine definierte Brillouin- Frequenz auf. Mit ihrer Hilfe läßt sich zusammen mit gemessenen Leistungen der Pump- und Referenzwelle der sogenannte Brillouin-Koeffizient ermitteln, welcher ledig­ lich von der Temperatur und/oder Dehnung an einem betrachteten Ort in der Faser abhängt und nicht von Ein­ flüssen anderer Orte. Dieser Brillouin-Koeffizient läßt sich näherungsweise berechnen, wie dies in der Figuren­ beschreibung näher erläutert wird. Vorraussetzung für eine zutreffende Korrektur ist ferner, daß eine schwache Wechselwirkung zwischen Pumplaserlicht und Referenzlaser­ licht in der Meßfaser vorherrscht.
Im Ergebnis lassen sich die erhaltenden BOFDA-Spektren selbst bei Längen der Meßfaser von mehr als 10 km korrigieren, so daß die für den praktischen Einsatz not­ wendige Streckenneutralität gegebenen ist. Da zudem die mit dem beschriebenen Korrekturverfahren überwundenen Verzerrungen der BOFDA-Spektren mit steigender Pump- und Referenzlaserleistung anwachsen, lassen sich durch Anwendung des beschriebenen Korrekturverfahrens die Leistungen erhöhen, woraus bessere Signal-/Rauschabstände und bessere Empfindlichkeiten resultieren. Darüber hinaus bietet das beschriebene Frequenzbereichsverfahren - im Gegensatz zu der bekannten Messung der Laufzeiten von Laserpulsen - den Vorteil, daß dieses grundsätzlich kosten­ günstiger arbeitet. Denn hier werden sinusförmige Hoch­ frequenzsignale schmalbandig ausgewertet, wobei zur Signal­ verarbeitung handelsübliche HF(Hochfrequenz-)-Bausteine der Telekommunikationstechnik genutzt werden können. Diese Meßsignale lassen sich mit einem herkömmlichen Mischer auf den Niederfrequenzbereich übertragen, so daß weiteres Kosteneinsparpotential gegeben ist.
Demgegenüber ist es bei dem bekannten Zeitbereichsverfahren erforderlich, mit schnellen Transientenrekordern zu arbeiten, die sehr kostenintensiv sind. Außerdem läßt sich störendes Rauschen reduzieren und der Einsatz von Laser­ quellen mit relativ geringen Leistungen (< 2 mW für den Pumplaser, < 0,2 mW für den Referenzlaser) realisieren. Hinzu kommt, daß durch direkte Strommodulation eines ein­ setzbaren Diodenlasers die Benutzung externer Modulatoren nicht erforderlich ist. Vielmehr kann auf (handelsübliche und kostengünstige) Halbleiterlaser zurückgegriffen werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Erläuterung der Brillouin- Wechselwirkung in einer Meßfaser,
Fig. 2 den erfindungsgemäßen Fasersensor,
Fig. 3 ein Flußdiagramm des zugrundelegten Korrekturver­ fahrens,
Fig. 4 ein unkorrigiertes Brillouin-Spektrum und
Fig. 5 das nach dem erfindungsgemäßen Korrekturverfahren bearbeitete Spektrum gemäß Fig. 4.
In der Fig. 1 ist das dem vorliegenden Verfahren zugrunde­ liegende physikalische Prinzip zeichnerisch dargestellt. Danach wird im Rahmen des Anmeldungsgegenstandes der nicht­ lineare optische Effekt der stimulierten Brillouin-Streuung (SBS) in einer Lichtleitfaser bzw. Meßfaser 1 genutzt. Bei dieser Meßfaser 1 handelt es sich um eine Monomodefaser, also eine solche, die nur eine bestimmte Mode eines Pump­ lasers 2 bzw. Referenzlasers 3 durchläßt. Üblicherweise handelt es sich bei dieser Mode um die Transversalmode TEM00, also die transversale Fundamentalmode. - Grundsätz­ lich können natürlich auch andere Lichtleiterfasern, ebenso wie andere Lichtquellen, zum Einsatz kommen.
Entscheidend ist, daß in der Meßfaser 1 periodische Dichte­ schwankungen im Material erzeugt werden, die sich in die eine oder andere Richtung vorzugsweise mit der charakteristischen Schallgeschwindigkeit fortbewegen. Diese Schallgeschwindigkeit cS hängt sowohl von der mittleren Dichte ρ0 der Meßfaser 1 (und damit dem Brechungsindex n) als auch einer nachfolgend noch erläuterten charakteristischen Brillouin-Frequenz fB wie folgt ab:
Infolge der vorerwähnten Abhängigkeit der Schallge­ schwindigkeit cS von der mittleren Dichte ρ0 erklärt sich die Möglichkeit, mit dem beschriebenen Fasersensor ortsauf­ gelöste Dehnungs- und Temperaturmessungen durchführen zu können. Denn diese Dichte ρ0 ist abhängig von der lokalen Temperatur T und der Dehnung ε in der Meßfaser 1.
Die vorerwähnten periodischen Dichteschwankungen werden in der Meßfaser 1 durch eine gegenläufige Überlagerung elektromagnetischer Wellen mit variabler Frequenzdifferenz fD erzeugt, nach dem Ausführungsbeispiel durch das Ein­ koppeln von Laserlicht des Pumplasers 2 an einem Ende der Meßfaser 1 und Laserlicht des Referenzlasers 3 am anderen Ende der Meßfaser 1 (vgl. Fig. 2). Hierdurch wird im Innern der Meßfaser 1 ein Interferenzmuster gebildet, welches dem Lichtfasermaterial elastische Dichteschwankungen aufprägt - ähnlich einem Dielektrikum (vgl. auch die einleitenden Aus­ führungen zu dem grundlegenden Effekt der Elektro­ striktion). Jedenfalls ändert sich der Brechungsindex n des Materials entsprechend der angedeuteten Feldverteilung. Bei einer bestimmten Frequenzdifferenz fD zwischen der Laser­ strahlung des Pumplasers 2 im Vergleich zur Laserstrahlung des Referenzlasers 3 breitet sich das in Fig. 1 dar­ gestellte Interferenzmuster mit der Schallgeschwindigkeit cS in Pfeilrichtung aus, so daß eine Schallwelle im Material der Meßfaser 1 angeregt wird.
Nach dem Ausführungsbeispiel besitzt der Referenzlaser 3 eine um etwa 13 GHz geringere Frequenz als der Pumplaser 2, so daß sich das Dichte- bzw. Brechungsindexgitter in Fig. 1 nach rechts mit der Geschwindigkeit cS ausbreitet. An diesem Brechungsindexgitter wird die Laserstrahlung des Pumplasers 2 gestreut und ist wegen des Doppler-Effektes zu niedrigeren Frequenzen hin verschoben. Diese Frequenz­ verschiebung entspricht exakt der Frequenzdifferenz fD zwischen Pumplaser 2 und Referenzlaser 3, nämlich ca. 13 GHz, so daß das gestreute Licht dieselbe Frequenz wie die Lichtstrahlung aus dem Referenzlaser 3 - die Stokes-Welle - besitzt.
Im Ergebnis wird das Streulicht verstärkt (vgl. die Pfeile "reflektierte Teilwellen") und das Licht des Pumplasers 2 um den entsprechenden Betrag reduziert. Dieser Prozeß schaukelt sich mit dem Ergebnis auf, daß insgesamt die Lichtintensität der Stokes-Welle verstärkt und die Leistung der Pumpwelle entsprechend geschwächt wird. Derartiges ist grundsätzlich u. a. durch den Beitrag von R. Hereth "Stimulierte Brillouin-Streuung in Lichtleitfaser-Ring­ resonatoren" VDI-Verlag, Düsseldorf, Reihe 9: Elektronik Nummer 140, Dissertation der Ruhruniversität, 1992, bekannt geworden.
Die Frequenzdifferenz fD, bei der der vorgenannte Effekt des Aufschaukelns bzw. der Verstärkung der Stokes-Welle maximal ist, wird auch charakteristische Brillouin-Frequenz fB genannt. Das heißt hier gilt fD = fB. Ausgehend von Gleichung 1.1) läßt sich folgende Temperatur- und Dehnungs­ abhängigkeit für die Brillouin-Frequenz fB angeben:
Dabei wird eine ungedehnte Standard-Monomodefaser mit fB = 12,80 GHz bei einer Temperatur von 23°C zugrunde­ gelegt. Eine derartige Meßfaser 1 weist einen Gruppen­ brechungsindex n von 1,47 auf, woraus sich bei einer Wellenlänge des Pumplasers 2 von 1319 nm eine Schall­ geschwindigkeit cS von 5743 m/s ergibt.
Bei bekannter Temperaturverteilung entlang der Meßfaser 1 kann demnach durch Messung von fB die Dehnung ε ermittelt werden, und bei bekannter Dehnungsverteilung läßt sich umgekehrt die Temperatur T bestimmen. Dies geschieht durch den in Fig. 2 dargestellten Meßaufbau. Dieser zeichnet sich zunächst einmal durch den Pumplaser 2 sowie den Referenz­ laser 3 aus, die mit variabler Frequenzdifferenz fD elektromagnetische Lichtwellen gegenläufig in der Meßfaser 1 zur Überlagerung bringen. Diese Meßfaser 1 ist erfindungsgemäß gleichsam zweigeteilt und besteht im wesentlichen aus der eigentlichen Sensorfaser 1a und einer Vorlauffaser 1b. Beide Fasern zusammengenommen weisen eine bestimmte Gesamtlänge Lges auf. Dies ist durch die jeweilige Ortskoordinate z bzw. z' dargestellt. Mit Hilfe mehrerer Fotoempfänger 4, 5, 6 und 7 läßt sich die jeweils durch die Meßfaser 1 transmittierte Lichtleistung ermitteln. Ein zusätzliches Dämpfungsglied 8 dient zur Einstellung der jeweils eingekoppelten Leistungswerte, damit beispielsweise das Signal-/Rauschverhältnis geringe Werte annimmt.
Mit Hilfe des Fotoempfängers 7 läßt sich am Ort z' = 0 bzw. z = Lges die transmittierte und vom Pumplaser 2 ausgesandte Lichtleistung Pp(0, fD) ermitteln, welche durch die in der Meßfaser 1 stattfindende Brillouin-Wechselwirkung moduliert ist. Dies geschieht dergestalt, daß vorliegend das aus dem Referenzlaser 3 austretende Laserlicht bzw. dessen Intensität sinusförmig moduliert wird, wobei die Modulationsfrequenzen sukzessive und äquidistant im Bereich von 10 Hz bis 80 MHz variiert werden. Das erfolgt bei jeweils fest eingestellter (Laser-)Frequenzdifferenz fD zwischen der Frequenz fP des Pumplasers 2 und der Frequenz fR des Referenzlasers 3:
fD = fP - fR 1.3).
Durch die frequenzabhängige Intensitätsmodulation der Leistung des Referenzlasers 3 wird praktisch ein Frequenz­ spektrum eines Lichtimpulses nachgebildet, welcher die Meß­ faser 1 - ausgehend vom Referenzlaser 3 - passiert. Sowohl die Pumplaser- als auch die Referenzlaserintensität werden durch die beschriebene Brillouin-Wechselwirkung beeinflußt und stellen somit Frequenzspektren zugehöriger Impulse dar. Diese Frequenzspektren der modulierten transmittierten Pumpleistung und der eingekoppelten Referenzleistung können nach Amplitude und Phase bei den verschiedenen Modulationsfrequenzen gemessen werden, so daß sich hieraus die soge­ nannte Modulationsübertragungsfunktion H bezüglich der ein­ gestellten Frequenzdifferenz zwischen den beiden Lasern 2, 3 und mittels Fouriertransformation gleichsam die Impuls­ antwort der Meßfaser 1 darstellen läßt.
Hieraus kann dann eine ortsabhängige Impulsantwort sL(z', fD) (L-Loss-Signal) als Funktion des Faserortes z' sowie der vorgegebenen Laserfrequenzdifferenz fD unter Rückgriff auf die Lichtgeschwindigkeit c in Vakuum sowie den Brechungsindex n abgeleitet werden, wie dies grundsätzlich in dem eingangs bereits angeführten Aufsatz "Brillouin Optical-Fiber Frequency-Domain Analysis for Distributed Temperature and Strain Measurements" beschrieben ist. Die Darstellung einer solchen Impulsantwort SL(fD, z') als Funktion von fD für verschiedene z'-Werte findet sich in Fig. 4.
Mit Hilfe der Vorlauffaser 1b gelingt es nun, die in der Beschreibungseinleitung skizzierten Verzerrungen aus­ gleichen zu können, und zwar unter Rückgriff auf das in Fig. 3 dargestellte Flußdiagramm des Korrekturverfahrens. Dieses greift nicht nur auf die mit Hilfe des Foto­ empfängers 7 erfaßbare, transmittierte und durch die Brillouin-Wechselwirkung modulierte Pumpleistung Pp(0, fD) zurück. Sondern es wird auch die am Ort z' = 0 eingespeiste Leistung PR(0) des Referenzlasers 3 mit Hilfe des Foto­ empfängers 6 ausgewertet. Der Fotoempfänger 5 dient dazu, die eingespeiste, konstante Leistung Pp(Lges) des Pump­ lasers 2 am Ort z' = Lges zu erfassen, während schließlich der Fotoempfänger 4 die jeweils transmittierte Stokes-Welle PS(Lges, fD) (vgl. Fig. 1) am Ort z' = Lges auswertet. Ins­ besondere anhand der Meßwerte der Fotoempfänger 4 und 7, läßt sich mit Hilfe der sinusförmig modulierten Empfangs­ leistungen PS und Pp die von der Brillouin-Wechselwirkung in der Meßfaser 1 beeinflußte Modulationsübertragungs­ funktion ableiten, welche zu der ortsabhängigen Impuls­ antwort sL(z', fD) bezüglich der eingestellten Frequenz­ differenz fD führt.
Einzelne solchermaßen aufgenommene Meßwerte für ver­ schiedene Faserorte z' sind - wie gesagt - in der Fig. 4 dargestellt. Hier ist die vorgenannte Impulsantwort sL gegenüber der Frequenzdifferenz fD aufgetragen. Man erkennt, daß die Maxima der einzeln dargestellten Kurven voneinander abweichen, was grundsätzlich zu unterschied­ lichen Dehnungen ε korrespondieren würde, obwohl mit einer konstanten Temperatur T von 23°C der Meßfaser 1 gearbeitet wurde. Diese Abweichungen lassen sich dadurch erklären, daß an Orten großer Brillouin-Wechselwirkung die Spektren ver­ zerrt werden und sich folglich die Maxima verschieben.
Um hier eine Korrektur zu bewirken, dient die Vorlauffaser 1b als gleichsam Eichung, weil sie eine definierte Temperatur und Dehnung aufweist. Der springende Punkt ist, daß bei der Korrektur auf einen berechenbaren Koeffizienten gB zurückgegriffen wird, welcher das in Fig. 4 für jeden Faserort z' zu erkennende Lorentzprofil repräsentiert:
Dieser sogenannte streckenneutrale Brillouin-Verstärkungs­ koeffizient gB ist dem Grundsatz nach streckenneutral, d. h. er hängt an einem bestimmten Ort der Meßfaser 1 nur von deren Dehnung und der Temperatur an diesem Ort ab, nicht jedoch von Gegebenheiten an anderen Orten. Diese Strecken­ neutralität ist beim gemessenen BOFDA-Loss-Signal sL nicht gegeben. Entsprechend der Gleichung 1.4) besteht lediglich eine Abhängigkeit zur Differenz fD = fP - fR gemäß Gleichung 1.3) und von der charakteristischen Brillouin-Frequenz fB. Dabei bezeichnet ΔfB die 3-dB-Linienbreite des Brillouin-(Verstärkungs-)Koeffizienten gB.
Infolge der Tatsache, daß die charakteristische Brillouin- Frequenz fB von den ortsabhängigen Größen ε(z') und T(z') entsprechend der Gleichung 1.2) abhängt, besitzt fB ebenso diese Abhängigkeit. Bei der Korrektur wird die Impuls­ antwort sL entsprechend dem Flußdiagramm in Fig. 3 zur in Fig. 5 dargestellten Korrektur der Brillouin-Spektren bei gleicher Dehnung herangezogen.
Man erkennt aus dieser Darstellung, daß der Brillouin-(Ver­ stärkungs-)Koeffizient gB (in Meter/Watt) zu einer überein­ stimmenden Dehnung von ε = 0,05% korrespondiert, und zwar bei einer durchgängig gleichen Temperatur von 23°C. Hierzu gehört die charakteristische Brillouin-Frequenz fB von 12,825 GHz. Demgegenüber stellt sich bei einer ungedehnten Faser eine Brillouin-Frequenz von 12,80 GHz ein.

Claims (3)

1. Verfahren zur Korrektur von im Zuge ortsaufgelöster Messungen mittels eines Fasersensors aufgenommenen Brillouin-Spektren, wonach:
  • - in einer zugehörigen Meßfaser (1) durch gegenläufige Überlagerung von kontinuierlichen elektromagnetischen Laserlichtwellen mit variabler Frequenzdifferenz (fD) eines Pumplasers (2) und eines Referenzlasers (3) ein fortbewegtes Brechungsindexinterferenzgitter erzeugt wird, dessen Geschwindigkeit bei einer bestimmten Frequenzdifferenz (fD = fB mit fB der Brillouin- Frequenz) der orts-, temperatur- und/oder dehnungs­ abhängigen charakteristischen Schallgeschwindigkeit (cS) in der Meßfaser (1) entspricht, wobei
  • - dem Pumplaser (2) und/oder Referenzlaser (3) eine vorzugsweise sinusförmige Intensitätsmodulation zur Ableitung einer Modulationsübertragungsfunktion (H) aufgeprägt wird, mit deren Hilfe durch inverse Fouriertransformation die Impulsantwort abgeleitet wird, und wonach
  • - zur Eichung des Fasersensors die Meßfaser (1) im wesentlichen aus einer Sensorfaser (1a) und einer vor­ geschalteten Vorlauffaser (1b) definierter Brillouin- Frequenz (fB) besteht, so daß ein streckenneutraler, lediglich temperatur- und dehnungsabhängiger, Brillouin-Koeffizient (gB) als Maß für die Schallgeschwindigkeit (cS) und damit den Dehnungs- und/oder Temperaturzustand an einem zu betrachtenden Ort der Meßfaser (1) ermittelt werden kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Bestimmung des streckenneutralen Brillouin-Koeffizienten (gB) zusätzlich die jeweils integrale Leistung der eingespeisten elektromagnetischen Wellen und die gemessene Modulationsübertragungsfunktion (H) ausgewertet wird.
3. Fasersensor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit:
  • - einer Meßfaser (1), welche im wesentlichen aus einer Sensorfaser (1a) und einer vorgeschalteten Vorlauffaser (1b) besteht,
  • - einem Pumplaser (2),
  • - einem Referenzlaser (3) und mit
  • - Fotoempfängern (4, 5, 6, 7) zur Erfassung der transmittierten Lichtleistungen sowie der ein­ gekoppelten Lichtleistungen,
wobei der Pumplaser (2) und/oder der Referenzlaser (3) vorzugsweise sinusförmig zur Ableitung der Modulations­ übertragungsfunktion (H) intensitätsmoduliert werden, und wobei eine Eichung des Fasersensors mit Hilfe der Vorlauf­ faser (1b) durchführbar ist, indem mittels einer Steuer-/Auswerteeinrichtung (9) der lediglich temperatur- und dehnungsabhängige Brillouin-Koeffizient (gB) als Maß für die Schallgeschwindigkeit (cS) und damit den Dehnungs- und/oder Temperaturzustand der zu untersuchenden Orte der Meßfaser (1) ermittelbar ist.
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