DE212017000209U1 - Distributed fiber optic sensor - Google Patents

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Abstract

Verteilter faseroptischer Sensor zur Messung der Verformung und/oder Temperatur nach dem Prinzip der Brillouin-Streuung, bestehend aus einer Quelle der ersten optischen Strahlung, einer Quelle der zweiten optischen Strahlung, einer empfindlichen optischen Faser und einem Detektor optischer Strahlung, wobei das erste Ende der empfindlichen optischen Faser mit der Quelle der ersten optischen Strahlung verbunden ist, das zweite Ende der empfindlichen optischen Faser mit der Quelle der zweiten optischen Strahlung verbunden ist, damit Brillouin-Streuung zwischen der ersten und der zweiten optischen Strahlung entsteht, und wobei der Detektor mit dem ersten Ende der empfindlichen optischen Faser zur Erfassung der Strahlung, die aus der empfindlichen optischen Faser austritt und der Brillouin-Streuung zugeordnet wird, verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die empfindliche optische Faser mit der Quelle der ersten optischen Strahlung und mit dem Detektor der optischen Strahlung durch die faseroptische Übertragungsleitung verbunden ist, deren Länge mindesten die Hälfte der Länge der empfindlichen optischen Faser beträgt, wobei die Quelle der ersten optischen Strahlung mit der empfindlichen optischen Faser bzw. die empfindliche optische Faser mit dem Detektor der optischen Strahlung durch zwei gegeneinander isolierte Linien verbunden sind.

Figure DE212017000209U1_0000
A distributed fiber optic sensor for measuring deformation and / or temperature according to the principle of Brillouin scattering, comprising a source of the first optical radiation, a source of the second optical radiation, a sensitive optical fiber and a detector of optical radiation, the first end of the sensitive optical fiber is connected to the source of the first optical radiation, the second end of the sensitive optical fiber is connected to the source of the second optical radiation, so that Brillouin scattering between the first and the second optical radiation is formed, and wherein the detector with the first end of the sensitive optical fiber for detecting the radiation emerging from the sensitive optical fiber and associated with Brillouin scattering, characterized in that the sensitive optical fiber is connected to the source of the first optical radiation and to the detector of the optical Radiation through the f the optical fiber is connected to the length of at least one half of the length of the sensitive optical fiber, wherein the source of the first optical radiation with the sensitive optical fiber or the sensitive optical fiber with the detector of optical radiation are connected by two mutually insulated lines.
Figure DE212017000209U1_0000

Description

Das Gebrauchsmuster betrifft verteilte faseroptische Sensoren auf Grundlage der Brillouin-Lichtstreuung, mit optischen Fasern als Aufnehmer, die zur Verteilungsmessung mechanischer Spannungen und/oder der Temperatur mit hoher Präzision und Ortsauflösung verwendet werden können.The utility model relates to distributed fiber optic sensors based on Brillouin light scattering, with optical fibers as transducers that can be used for distribution measurement of mechanical stresses and / or temperature with high precision and spatial resolution.

Aus dem Stand der Technik sind faseroptische Sensoren zur Verteilungsmessung solcher physikalischen Größen wie z. B. Temperatur, Verformung oder hydrostatischer Druck entlang einer empfindlichen optischen Faser bekannt, die nach dem Prinzip der Erfassung der Parameterverteilung der Streustrahlung-Feinstruktur und zwar der Brillouin-Lichtstreuung, auch Brillouin-Mandelstam-Streuung genannt, funktionieren. Der Ort der Parametermessung (Druck, Verformung, Temperatur) wird durch die Umrechnung der Verzögerungszeit zwischen der Abtastung und der Streuungssignalerfassung in die Distanz, die dem Weg der Lichtstrahlung in optischer Faser vom Auswertegerät bis zum Streuungsort und zurück entspricht, bestimmt.From the prior art are fiber optic sensors for distribution measurement of such physical variables such. As temperature, deformation or hydrostatic pressure along a sensitive optical fiber known, according to the principle of the detection of the parameter distribution of the scattered fine structure, namely the Brillouin light scattering, also called Brillouin-Mandelstam scattering, work. The location of the parameter measurement (pressure, deformation, temperature) is determined by converting the delay time between sampling and scattering signal detection into the distance corresponding to the path of optical radiation in optical fiber from the evaluator to the scattering location and back.

Die Messung der Verzögerungszeit kann direkt erfolgen, wie z. B. in einem bekannten faseroptischen Brillouin-Auswertegerät (Gebrauchsmusterpatent der RF 140707, veröffentlicht am 20.05.2014). Im bekannten Auswertegerät wird die Methode der Brillouin-Optischen-Zeitbereichsanalyse (BOTDA, Brillouin Optical Time Domain Analysis) auf Basis von Prinzipien der optischen Zeitbereichsreflektometrie (OTDR, Optical Time Domain Reflectometry) verwendet. Im bekannten Auswertegerät wird die Verzögerungszeit zwischen dem Impuls der optischen Strahlung, die an der Brillouin-Streuung teilnimmt, und dem durch die Fotozelle erfassten Signal, das der Brillouin-Streuung zugeordnet wird und in der optischen Faser in der Richtung, die der Richtung des Impulses entgegengesetzt ist, fortschreitet.The measurement of the delay time can be done directly, such. B. in a known fiber optic Brillouin evaluator (Utility Model Patent RF 140707, published on 20.05.2014). The known evaluation device uses the method of Brillouin Optical Time Domain Analysis (BOTDA, Brillouin Optical Time Domain Analysis) based on principles of optical time domain reflectometry (OTDR). In the known evaluation device, the delay time between the pulse of the optical radiation participating in the Brillouin scattering and the signal detected by the photocell, which is assigned to the Brillouin scattering and in the optical fiber in the direction that the direction of the pulse is opposite, progresses.

Aus dem Stand der Technik ist ein anderes Verfahren zur Verzögerungszeitmessung bekannt (sh. z. B. europäische Patentanmeldung EP 2110646 A2 , veröffentlicht: 11.12.2013; Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, No. 4, pp. 654-662 1997, veröffentlicht 04.1997). In dem bekannten Verfahren wird die Methode der Brillouin-Optischen-Frequenzbereichsanalyse (BOFDA, Brillouin Optical Frequency Domain Analysis) auf Basis von Prinzipien der optischen Frequenzbereichsreflektometrie (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry) verwendet. In bekannten Einrichtungen wird die Abhängigkeit der Amplitude und der Phase des optischen Signals, das der Brillouin-Streuung zugeordnet wird, von der Modulationsfrequenz einer der optischen Wellen. Dann wird durch die Fourier-Transformation der Frequenzabhängigkeit die Zeitabhängigkeit, die analog der durch die Brillouin-Optischen-Zeitbereichsanalyse erfassten Abhängigkeit ist, berechnet.From the prior art, another method for delay time measurement is known (see, for example, European patent application EP 2110646 A2 , published: 11.12.2013; Journal of Lightwave Technology, Vol. 4, pp. 654-662 1997, published 04.1997). In the known method, the method of Brillouin Optical Frequency Domain Analysis (BOFDA) based on principles of optical frequency domain reflectometry (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry) is used. In known devices, the dependence of the amplitude and phase of the optical signal associated with Brillouin scattering on the modulation frequency of one of the optical waves. Then, by the Fourier transform of the frequency dependence, the time dependence, which is analogous to the dependence detected by the Brillouin optical time domain analysis, is calculated.

Brillouin-Streuung in der optischen Faser kann als Lichtbeugung in beweglicher Gitter der durch die Schallwelle erzeugte Brechzahl betrachtet werden. Das von dem Gitter zurückgestrahlte Signal wird Doppler verschiebt nach Frequenz, da das Gitter sich mit der Schallgeschwindigkeit bewegt. Die Schallgeschwindigkeit ist direkt mit der Werkstoffdichte verbunden und ist von der Werkstofftemperatur sowie von der inneren mechanischen Spannung (Verformung) abhängig. Also enthält die Größe des Brillouin-Offsets die Information über die Temperatur und Verformung im Streuungspunkt. Zur präzisen Verformungsbestimmung wird die Temperaturmessung und Subtrahieren des Temperaturbeitrags im Brillouin-Offset, also Temperaturkompensation, benötigt. Beim Schutz der optischen Faser von äußeren mechanischen Einwirkungen hängt der Brillouin-Offset ausschließlich von der Temperatur ab. Die Messung des Frequenz-Brillouin-Offsets erlaubt also die Temperatur und die Verformung zu messen.Brillouin scattering in the optical fiber can be considered as light diffraction in moving gratings of refractive index generated by the sound wave. The signal reflected back from the grating shifts Doppler by frequency as the grating moves at the speed of sound. The speed of sound is directly related to the material density and depends on the material temperature as well as on the internal mechanical stress (deformation). So the size of the Brillouin offset contains information about the temperature and deformation at the scattering point. Precise deformation determination requires temperature measurement and subtraction of the temperature contribution in the Brillouin offset, ie temperature compensation. When protecting the optical fiber from external mechanical effects, the Brillouin offset depends solely on the temperature. The measurement of the frequency Brillouin offset thus allows to measure the temperature and the deformation.

Es gibt im Handel verfügbare faseroptische Temperatur- und Verformungssensoren auf Grundlage der Brillouin-Lichtstreuung (sh. z. B., URL: http://www.fibristerre.de/products-and-services/, Abrufdatum 13.05.2016; URL:
http://www.neubrex.com/htm/products.htm, Abrufdatum 13.05.2016; URL: http://omnisens.ch/ditest/3511-ditest-aim.php, Abrufdatum 13.05.2016), die dazu bestimmt sind, Leckagen in Rohrleitungen zu detektieren, sowie in Systemen der Bodenbewegungs-, Gebäudezustands-, Anlagenzustands- und Übertragungsleitungskontrolle verwendet zu werden.There are commercially available fiber optic temperature and strain sensors based on Brillouin light scattering (see, for example, URL: http://www.fibristerre.de/products-and-services/, available on 13.05.2016;
http://www.neubrex.com/htm/products.htm, call date 13.05.2016; URL: http://omnisens.ch/ditest/3511-ditest-aim.php, retrieval date 13.05.2016), which are intended to detect leaks in pipelines, as well as in systems of ground motion, building condition, system state and Transmission line control to be used.

Die nächste technische Lösung (Prototyp) ist ein bekannter verteilter faseroptischer Sensor zur Verformungs- und/oder Temperaturmessung (sh. Patent der RF Nr. 2346235, veröffentlicht am 27.07.2008), in dem die Methode der Brillouin-Streuung verwendet wird. Der bekannte Sensor enthält eine Quelle der stufenweisen optischen (Licht-) Strahlung zur Bildung eines optischen Impulses mit stufenweiser Verteilung der in Richtung Zentrum steigender Lichtintensität und eine Quelle der ununterbrochenen Lichtstrahlung zur Bildung der ununterbrochenen Lichtstrahlung. Der Sensor enthält auch empfindliche optische Faser, die den optischen Impuls als sondierende Lichtstrahlung aufnimmt, wobei die ununterbrochene Lichtstrahlung eine auffallende Anregungsstrahlung ist, die die Brillouin-Streuung zwischen der sondierenden Lichtstrahlung und der Lichtanregungsstrahlung hervorruft, und auch den Detektor der Brillouin-Streuung im Zeitbereich zur Erfassung des Brillouin-Abschwächungsbereiches bzw. der Brillouin-Verstärkungsbereiches der Lichtstrahlung, die aus der empfindlichen optischen Faser ausgeht und der Brillouin-Streuung zugeordnet wird. In dem bekannten Sensor wird die Verformung innerhalb der empfindlichen optischen Faser und/oder der Temperatur der empfindlichen optischen Faser anhand eines bestimmten Spektrums der Brillouin-Abschwächung oder Brillouin-Verstärkung gemessen.The next technical solution (prototype) is a well-known distributed fiber optic sensor for deformation and / or temperature measurement (see patent to RF No. 2346235, published on 27.07.2008), in which the method of Brillouin scattering is used. The known sensor includes a source of the stepwise optical (light) radiation for forming an optical pulse with gradual distribution of the light intensity increasing towards the center and a source of the continuous light radiation for forming the continuous light radiation. The sensor also contains sensitive optical fiber which receives the optical pulse as probing light radiation, the continuous light radiation being a striking excitation radiation which causes Brillouin scattering between the probing light radiation and the light excitation radiation, and also the time-domain Brillouin scattering detector for detecting the Brillouin attenuation range or the Brillouin amplification range of the light radiation emanating from the sensitive optical fiber and associated with the Brillouin scattering. In The known sensor measures the deformation within the sensitive optical fiber and / or the temperature of the sensitive optical fiber based on a certain spectrum of Brillouin attenuation or Brillouin amplification.

Der Nachteil des bekannten Sensors besteht darin, dass er den Faserabschnitt mit der Brillouin-Streuung nicht eingrenzen kann, so dass der Detektor das der Brillouin-Streuung zugeordneten Signal enthält, wobei diese Streuung in der ganzen empfindlichen optischen Faser stattfindet, was zur Vergrößerung der Messungsdauer, Minderung des Verhältnisses Signal/Rauschen und Begrenzung der Distanz zwischen den Lichtquellen/dem Detektor und dem entferntesten Abschnitt der empfindlichen optischen Faser führt.The drawback of the known sensor is that it can not confine the fiber portion with the Brillouin scattering so that the detector contains the signal associated with the Brillouin scattering, which scattering takes place in the whole sensitive optical fiber, which increases the measurement duration , Reducing the signal / noise ratio and limiting the distance between the light sources / detector and the farthest section of the sensitive optical fiber leads.

Durch den erfindungsgemäßen Sensor wird folgende Aufgabe gelöst: Verbesserung der betriebstechnischen Eigenschaften und Sicherstellung von Messungen in einem ausreichend großen Abstand von zu Anordnungsbedingungen sensiblen Sensorteilen (Lichtquellen und Detektor).The sensor according to the invention achieves the following object: Improvement of the operational properties and assurance of measurements at a sufficiently large distance from sensor components sensitive to arrangement conditions (light sources and detector).

Technisches Ergebnis des Sensors - Vergrößerung der Distanz von den Lichtquellen und dem Detektor bis zum entferntesten Abschnitt der empfindlichen optischen Faser, Minderung der Messdauer, Erhöhung des Verhältnisses Signal/Rauschen.Technical result of the sensor - increasing the distance from the light sources and the detector to the farthest part of the sensitive optical fiber, reducing the measurement time, increasing the signal / noise ratio.

Dieses Ergebnis wird erreicht durch einen verteilten faseroptischen Sensor zur Messung der Verformung und/oder Temperatur nach dem Prinzip der Brillouin-Streuung, bestehend aus einer Quelle der ersten optischen Strahlung, einer Quelle der zweiten optischen Strahlung, einer empfindlichen optischen Faser und einem Detektor optischer Strahlung, wobei das erste Ende der empfindlichen optischen Faser mit der Quelle der ersten optischen Strahlung verbunden ist, das zweite Ende der empfindlichen optischen Faser mit der Quelle der zweiten optischen Strahlung verbunden ist, damit Brillouin-Streuung zwischen der ersten und der zweiten optischen Strahlung entsteht, und wobei der Detektor mit dem ersten Ende der empfindlichen optischen Faser zur Erfassung der Strahlung, die aus der empfindlichen optischen Faser austritt und der Brillouin-Streuung zugeordnet wird, verbunden ist, wobei die empfindliche optische Faser mit der Quelle der ersten optischen Strahlung und mit dem Detektor der optischen Strahlung durch die faseroptische Übertragungsleitung verbunden ist, deren Länge mindestens die Hälfte der Länge der empfindlichen optischen Faser beträgt, wobei die Quelle der ersten optischen Strahlung mit der empfindlichen optischen Faser bzw. die empfindliche optische Faser mit dem Detektor der optischen Strahlung durch zwei gegeneinander isolierte Linien verbunden sind.This result is achieved by a distributed optical fiber sensor for measuring the deformation and / or temperature according to the principle of Brillouin scattering, comprising a source of the first optical radiation, a source of the second optical radiation, a sensitive optical fiber and a detector of optical radiation wherein the first end of the sensitive optical fiber is connected to the source of the first optical radiation, the second end of the sensitive optical fiber is connected to the source of the second optical radiation to provide Brillouin scattering between the first and second optical radiation. and wherein the detector is connected to the first end of the sensitive optical fiber for detecting the radiation emerging from the sensitive optical fiber and associated with the Brillouin scattering, the sensitive optical fiber being connected to the source of the first optical radiation and to the optical fiber Detector of optical st is connected by the optical fiber transmission line whose length is at least half the length of the sensitive optical fiber, wherein the source of the first optical radiation with the sensitive optical fiber or the sensitive optical fiber with the detector of the optical radiation by two mutually isolated lines are connected.

Die empfindliche optische Faser kann mit den faseroptischen Linien durch einen optischen Zirkulator verbunden sein.The sensitive optical fiber may be connected to the fiber optic lines through an optical circulator.

Die Verformung und/oder die Temperatur kann anhand eines bestimmten Spektrums der Brillouin-Abschwächung gemessen werden.Deformation and / or temperature can be measured by a specific spectrum of Brillouin Attenuation.

Die Verformung und/oder die Temperatur kann anhand eines bestimmten Spektrums der Brillouin-Verstärkung gemessen werden.
Die Quelle der ersten optischen Strahlung, die Quelle der zweiten optischen Strahlung und der Detektor der optischen Strahlung können in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein.Deformation and / or temperature can be measured by a particular Brillouin gain spectrum.
The source of the first optical radiation, the source of the second optical radiation and the detector of the optical radiation may be housed in a common housing.

Die Vorteile und Eigenschaften des erfindungsgemäßen Sensors werden anhand beiliegender Zeichnung erläutert.

  • 1: zeigt das allgemeine Funktionsschema des erfindungsgemäßen verteilten faseroptischen Sensors zur Messung der Verformung und/oder Temperatur nach der Methode der Brillouin-Streuung.
The advantages and properties of the sensor according to the invention will be explained with reference to the accompanying drawings.
  • 1 FIG. 2 shows the general functional diagram of the distributed fiber optic sensor according to the invention for measuring the deformation and / or temperature according to the method of Brillouin scattering.

Ein verteilter faseroptischer Sensor (1) zur Messung der Verformung und/oder Temperatur anhand der Brillouin-Streuung besteht aus einer Quelle 1 einer ersten optischen Strahlung, einer Quelle 2 einer zweiten optischen Strahlung, einer empfindlichen optischen Faser 3 und einem Detektor 4 der optischen Strahlung.A distributed fiber optic sensor ( 1 ) for measuring the deformation and / or temperature based on the Brillouin scattering consists of a source 1 a first optical radiation, a source 2 a second optical radiation, a sensitive optical fiber 3 and a detector 4 the optical radiation.

Das erste Ende der empfindlichen optischen Faser 3 ist mit der Quelle 1 der ersten optischen Strahlung und dem Detektor 4 der optischen Strahlung mit einer faseroptischen Übertragungsleitung verbunden, wobei zwei gegeneinander isolierte Übertragungsleitungen 5 und 6 verwendet werden. Die Verbindung kann durch einen optischen Zirkulator 7 ausgeführt sein.The first end of the delicate optical fiber 3 is with the source 1 the first optical radiation and the detector 4 the optical radiation connected to a fiber optic transmission line, wherein two mutually insulated transmission lines 5 and 6 be used. The connection can be through an optical circulator 7 be executed.

Die Quelle 1 der ersten optischen Strahlung, die Quelle 2 der zweiten optischen Strahlung und der Detektor 4 der optischen Strahlung können in einem gemeinsamen Gehäuse 8 untergebracht sein, z. B. so, wie es aus dem Stand der Technik bei verteilten faseroptischen Sensoren bekannt ist.The source 1 the first optical radiation, the source 2 the second optical radiation and the detector 4 The optical radiation can in a common housing 8th be accommodated, z. Example, as is known in the prior art in distributed fiber optic sensors.

Der verteilte faseroptische Sensor (1) funktioniert folgendermaßen.The distributed fiber optic sensor ( 1 ) works as follows.

Die Quelle 1 sendet die erste optische Strahlung, die durch die erste faseroptische Übertragungslinie 5 und den optischen Zirkulator 7 in die empfindliche optische Faser 3 gelangt und sich darin ausbreitet. Dabei sichert die Linie 5 die Übertragung der ersten optischen Strahlung mit geforderten Eigenschaften ohne Störungen. Die Quelle 2 strahlt die zweite optische Strahlung aus, die in die empfindliche optische Faser 3 gelangt und sich darin entgegen der ersten optischen Strahlung ausbreitet. Die Quellen 1 und 2 verfügen über Eigenschaften, die ihre Verwendbarkeit für entsprechende Brillouin-Optische-Analyse erlauben. In der empfindlichen optischen Faser 3 entsteht die Brillouin-Streuung zwischen der ersten und der zweiten optischen Strahlung, wodurch ein Signal generiert wird, das der Brillouin-Streuung zugeordnet wird, das sich in der empfindlichen optischen Faser 3 ausbreitet und durch die Übertragungsleitung 6 auf den Detektor 4 auftrifft. Dabei sichert die Linie 6 die Übertragung der optischen Strahlung mit geforderten Eigenschaften ohne Störungen. Die empfindliche optische Faser 3 kann mit den faseroptischen Linien 5 und 6 durch einen optischen Zirkulator 7 verbunden sein. Der optische Zirkulator 7 führt die erste optische Strahlung von der mit der Quelle 1 verbundenen Linie 5 in die empfindliche optische Faser 3 und die Strahlung aus der empfindlichen optischen Faser 3 in die Linie 6, die mit dem Detektor 4 verbunden ist. Der Zirkulator 7 vermeidet den störenden Einfluss der ersten optischen Strahlung auf den Detektor 4, den Einfluss der Strahlung von der empfindlichen optischen Faser 3 auf die Quelle 1, und sichert die Strahlungsübertragung aus der empfindlichen optischen Faser 3 zum Detektor 4 mit niedrigen Verlusten. Optische Zirkulatoren sind Standardkomponenten und sind im Handel zu beziehen (sh. z. B. URL:
https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=373, Abrufdatum 13.05.2016).The source 1 sends the first optical radiation through the first fiber optic transmission line 5 and the optical circulator 7 in the sensitive optical fiber 3 arrives and spreads in it. The line secures 5 the transmission of the first optical radiation with required properties without interference. The source 2 emits the second optical radiation that enters the sensitive optical fiber 3 passes and propagates against the first optical radiation. The sources 1 and 2 have properties that allow their usability for appropriate Brillouin optical analysis. In the delicate optical fiber 3 Brillouin scattering occurs between the first and second optical radiation, generating a signal associated with the Brillouin scattering that occurs in the sensitive optical fiber 3 spreads and through the transmission line 6 on the detector 4 incident. The line secures 6 the transmission of optical radiation with required properties without interference. The sensitive optical fiber 3 Can with the fiber optic lines 5 and 6 through an optical circulator 7 be connected. The optical circulator 7 performs the first optical radiation from that with the source 1 connected line 5 into the delicate optical fiber 3 and the radiation from the sensitive optical fiber 3 in the line 6 that with the detector 4 connected is. The circulator 7 avoids the disturbing influence of the first optical radiation on the detector 4 , the influence of radiation from the sensitive optical fiber 3 to the source 1 , and secures the radiation transmission from the sensitive optical fiber 3 to the detector 4 with low losses. Optical circulators are standard components and are commercially available (see eg URL:
https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=373, retrieved 13.05.2016).

Der Detektor 4 erfasst das Spektrum der Brillouin-Abschwächung bzw. der Brillouin-Verstärkung der optischen Strahlung, die aus der empfindlichen optischen Faser 3 austritt und der Brillouin-Streuung zugeordnet wird, und bestimmt die Verformung und/oder Temperatur der empfindlichen optischen Faser 3 anhand eines bestimmten Spektrums der Brillouin-Abschwächung oder Brillouin-Verstärkung.The detector 4 captures the spectrum of Brillouin attenuation or Brillouin amplification of optical radiation coming from the sensitive optical fiber 3 and attributed to the Brillouin scattering, and determines the strain and / or temperature of the sensitive optical fiber 3 using a specific spectrum of Brillouin Attenuation or Brillouin enhancement.

Die Ortsverteilung der Messgröße entlang der empfindlichen optischen Faser wird nach den aus dem Stand der Technik bekannten Methoden bestimmt. Im erfindungsgemäßen Sensor kann das Verfahren der Brillouin-Optischen-Zeitbereichsanalyse (BOTDA) verwendet werden, wenn die erste optische Strahlung ein Impuls ist und der Detektor der optischen Strahlung die aus der empfindlichen optischen Faser austretende und der Brillouin-Streuung zugeordnete Strahlung in Abhängigkeit von der Verzögerungszeit in Bezug auf den Impuls der ersten optischen Strahlung erfasst. Die Distanz zum Messpunkt wird auf Grund der Neuberechnung der entsprechenden Verzögerungszeit berechnet. In diesem Fall können die Quellen 1, 2 und der Detektor 4 auf die gleiche Weise wie bei der nächsten technischen Lösung (Prototyp) ausgeführt werden.The spatial distribution of the measured variable along the sensitive optical fiber is determined by the methods known from the prior art. In the sensor according to the invention, the method of Brillouin Optical Time Domain Analysis (BOTDA) can be used when the first optical radiation is a pulse and the optical radiation detector detects the radiation emerging from the sensitive optical fiber and associated with the Brillouin scattering as a function of the optical radiation Detected delay time with respect to the pulse of the first optical radiation. The distance to the measuring point is calculated on the basis of the recalculation of the corresponding delay time. In this case, the sources 1 . 2 and the detector 4 in the same way as the next technical solution (prototype).

Im erfindungsgemäßen Sensor kann das Verfahren der Brillouin-Optischen-Frequenzbereichsanalyse (BOFDA) verwendet werden, wenn die erste optische Strahlung harmonisch nach Amplitude moduliert wird und der Detektor der optischen Strahlung die Phase und die Amplitude der Strahlung in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz der ersten optischen Strahlung, die aus der empfindlichen optischen Faser austritt und der Brillouin-Streuung zugeordnet wird, erfasst. In diesem Fall können die Quellen 1, 2 und der Detektor 4 auf dieselbe Weise hergestellt werden wie bei dem handelsüblichen System anhand der Brillouin-Streuung, das aus dem Stand der Technik bekannt ist. (sh. URL: http://www.fibristerre.de/products-and-services/, Abrufdatum 13/05/2016).In the sensor according to the invention, the method of Brillouin Optical Frequency Domain Analysis (BOFDA) can be used when the first optical radiation is harmonic modulated in amplitude and the optical radiation detector the phase and amplitude of the radiation as a function of the modulation frequency of the first optical radiation , which emerges from the sensitive optical fiber and is assigned to Brillouin scattering detected. In this case, the sources 1 . 2 and the detector 4 be prepared in the same manner as in the commercial system based on the Brillouin scattering, which is known from the prior art. (see URL: http://www.fibristerre.de/products-and-services/, available on 13/05/2016).

In der Kommunikationsindustrie werden faseroptische Übertragungsleitungen häufig zum Senden und Empfangen von optischen Signalen verwendet. Eine faseroptische Übertragungsleitung ist eine Kombination linearer Leitungen von faseroptischen Übertragungssystemen mit einem gemeinsamen optischen Kabel, linearer Einrichtungen und Wartungseinrichtungen innerhalb der Wirkungsgrenzen. Unerlässliche Linienkomponenten einer faseroptischen Übertragungsleitung sind optische Fasern. Optische Fasern werden durch die Dämpfung des optischen Signals und die Dispersionseigenschaften gekennzeichnet. Die typische Dämpfung der Strahlung mit einer Wellenlänge von 1550 nm in verbundenen Singlemode-Lichtleitfasern beträgt 0,19 bis 0,22 dB/km, die chromatische Dispersion beträgt etwa 20 ps/(nm·km). Wenn optische Strahlung entlang den Linien 5 und 6 übertragen wird, nimmt die Amplitude des optischen Signals aufgrund der Abschwächung ab und die zeitliche Signalform kann aufgrund der chromatischen Dispersion verzerrt sein.In the communications industry, fiber optic transmission lines are often used to transmit and receive optical signals. A fiber optic transmission line is a combination of linear lines of fiber optic transmission systems with a common optical cable, linear devices, and servicing equipment within the limits of effect. Essential line components of a fiber optic transmission line are optical fibers. Optical fibers are characterized by the attenuation of the optical signal and the dispersion properties. The typical attenuation of the radiation having a wavelength of 1550 nm in joined single-mode optical fibers is 0.19 to 0.22 dB / km, the chromatic dispersion is about 20 ps / (nm · km). When optical radiation along the lines 5 and 6 is transmitted, the amplitude of the optical signal due to the attenuation decreases and the temporal waveform may be distorted due to the chromatic dispersion.

Um die Amplitude des optischen Signals in den Linien 5 und 6 wiederherzustellen, können in der Kommunikationsbranche weit verbreitete optische Verstärker verwendet werden, beispielsweise Erbium- oder Raman-Verstärker, die in einer bestimmten Distanz installiert werden, so dass der Verstärkungswert die Gesamtdämpfung und den optischen Leistungsverlust im vorherigen Abschnitt kompensiert. Die typische Länge des Linienabschnitts ohne Verstärker beträgt 50 km, was einem Verlust der optischen Signalleistung um 10 dB entspricht.To the amplitude of the optical signal in the lines 5 and 6 For example, in the communications industry, widely used optical amplifiers, such as Erbium or Raman amplifiers, can be used which are installed at a certain distance such that the gain compensates for the overall attenuation and optical power loss in the previous section. The typical length of the line section without amplifier is 50 km, which corresponds to a loss of optical signal power of 10 dB.

Neben Wartungseinrichtungen (optischen Verstärkern) können in den Linien 5 und 6 spektrale optische Filter eingesetzt werden, die das optische Nutzsignal aus dem Wellenlängenspektrum vom spektralen Rauschen optischer Verstärker filtern, beispielsweise von spontaner Emission eines Erbium-Verstärkers. Um die zeitliche Wellenform des Signals wiederherzustellen, können Dispersionskompensatoren (Faser- oder Halbleiterkompensatoren) verwendet werden, die die im vorherigen Abschnitt der Linie akkumulierte Dispersion kompensieren. Die Verwendung von optischen Fasern, die den Polarisationszustand des Signals unterstützen, ermöglicht es, die Polarisationsmodendispersion zu vermeiden und Verzerrungen in der Übertragungsleitung zu reduzieren. Die Kombination eines optischen Verstärkers mit einem in Reihe geschalteten Dispersionskompensator in der Linie stellt einen Repeater dar, der die Form des über die Linie 6 übertragenen Signals zum ursprünglichen Zustand zurückbringen, d. h. das Signal wiederholen, kann.In addition to maintenance equipment (optical amplifiers) may be in the lines 5 and 6 spectral optical filters are used, which filter the useful optical signal from the wavelength spectrum of the spectral noise of optical amplifier, such as spontaneous emission of an erbium amplifier. To recover the temporal waveform of the signal, dispersion compensators (fiber or semiconductor compensators) can be used which compensate for the dispersion accumulated in the previous section of the line. The use of optical fibers containing the Support polarization state of the signal, it allows to avoid the polarization mode dispersion and to reduce distortion in the transmission line. The combination of an optical amplifier with a series-connected dispersion compensator in the line represents a repeater that matches the shape of the line 6 returned signal to the original state, ie repeat the signal can.

Es ist zu erwähnen, dass in der Linie 6 keine Brillouin-Streuung auftritt, die durch die Wechselwirkung der ersten und zweiten optischen Strahlung, die sich gegeneinander ausbreiten, verursacht wird, da sich keine erste optische Strahlung in die Gegenrichtung ausbreitet. Somit verhindert die Verwendung der Linie 6 zur Verbindung der empfindlichen optischen Faser 3 mit dem Detektor 4 nichtlineare Verzerrungen der übertragenen optischen Strahlung und begrenzt den Bereich, in dem die Brillouin-Streuung auftritt, bis auf die empfindliche optische Faser 3.It should be noted that in the line 6 no Brillouin scattering occurs, which is caused by the interaction of the first and second optical radiation propagating against each other, since no first optical radiation propagates in the opposite direction. Thus, the use of the line prevents 6 for connecting the sensitive optical fiber 3 with the detector 4 non-linear distortions of the transmitted optical radiation and limits the area in which the Brillouin scattering occurs, except for the sensitive optical fiber 3 ,

Die Länge der faseroptischen Übertragungsleitung beträgt mindestens die Hälfte der empfindlichen optischen Faser 3. Die Länge der empfindlichen optischen Faser 3 wird mit L bezeichnet. Wenn die Länge der faseroptischen Übertragungsleitung L/2 (die Hälfte der Länge der empfindlichen optischen Faser 3) beträgt, beträgt die maximale Entfernung bis zum entferntesten Abschnitt der empfindlichen optischen Faser 3 von den Quellen optischer Strahlungen 1, 2 und vom Detektor 4 den Wert 3L/4. Wenn z. B. die Quellen optischer Strahlungen 1, 2 und der Detektor 4 in einem gemeinsamen Gehäuse 8 untergebracht sind, wird diese Entfernung erreicht, wenn die faseroptische Übertragungsleitung und die empfindliche optische Faser 3 fluchten, so dass die faseroptische Übertragungsleitung mit der empfindlichen optischen Faser in der Entfernung L/2 vom Gehäuse 8 verbunden wird, die empfindliche optische Faser zusätzlich bis L/4 reicht und dann zurückgeführt wird, so dass die restliche Länge 3L/4 für die Verbindung mit in einem gemeinsamen Gehäuse 8 untergebrachten Quelle 1 und Detektor 4 ausreicht. Wenn die faseroptische Übertragungsleitung fehlt, ist es offensichtlich, dass die maximal mögliche Entfernung bis zum entferntesten Abschnitt der empfindlichen optischen Faser 3 von den Quellen optischer Strahlungen 1, 2 und vom Detektor 4 den Wert L/2 beträgt. Also beträgt die Vergrößerung der oben genannten Entfernung bei Verwendung der Linie 6 den Wert L/4, d. h. 50% von L/2. Also erlaubt die Wahl solcher Länge der faseroptischen Übertragungsleitung eine wesentliche Vergrößerung der maximal möglichen Entfernung zwischen dem entferntesten Abschnitt der empfindlichen optischen Faser 3 und den Quellen optischer Strahlungen 1, 2 / Detektor 4.The length of the fiber optic transmission line is at least half of the sensitive optical fiber 3 , The length of the sensitive optical fiber 3 is denoted by L. When the length of the optical fiber transmission line L / 2 (half the length of the sensitive optical fiber 3 ), the maximum distance is up to the most distant portion of the sensitive optical fiber 3 from the sources of optical radiation 1 . 2 and from the detector 4 the value 3L / 4 , If z. B. the sources of optical radiation 1 . 2 and the detector 4 in a common housing 8th are housed, this distance is achieved when the fiber optic transmission line and the sensitive optical fiber 3 Align so that the fiber optic transmission line with the sensitive optical fiber at a distance L / 2 from the housing 8th is connected, the sensitive optical fiber additionally extends to L / 4 and then returned, leaving the remaining length 3L / 4 for connection with in a common housing 8th accommodated source 1 and detector 4 sufficient. If the fiber optic transmission line is missing, it is obvious that the maximum possible distance to the farthest portion of the sensitive optical fiber 3 from the sources of optical radiation 1 . 2 and from the detector 4 the value is L / 2. So the magnification of the above distance is when using the line 6 the value L / 4, ie 50% of L / 2. Thus, the choice of such length of fiber optic transmission line allows a substantial increase in the maximum possible distance between the farthest portion of the sensitive optical fiber 3 and the sources of optical radiation 1 . 2 / Detector 4 ,

Eine Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses wird für Sensoren erreicht, wenn Messungen in einer Entfernung von optischen Strahlungsquellen 1, 2 und dem Detektor 4 erforderlich sind, da die Linie 6 die Übertragung optischer Strahlung von der empfindlichen optischen Faser 3 zum Detektor 4 ohne oben genannten Verzerrungen, die bei der Übertragung der Strahlung in empfindlicher optischer Faser entstehen würden, ermöglicht. Es ist auch zu erwähnen, dass die Verwendung des Zirkulators 7 verhindert, dass die Strahlung aus der empfindlichen optischen Faser 3 in die Linie 5 eintritt, was eine Brillouin-Streuung verhindert, die durch die Wechselwirkung der ersten und der zweiten sich gegeneinander ausbreitenden optischen Strahlung entsteht, und somit die Übertragung der ersten optischen Strahlung von der Quelle 1 bis zur empfindlichen optischen Faser 3 ohne oben genannten Verzerrungen ermöglicht, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis weiter erhöht wird.An increase in signal-to-noise ratio is achieved for sensors when measuring at a distance from optical radiation sources 1 . 2 and the detector 4 are required as the line 6 the transmission of optical radiation from the sensitive optical fiber 3 to the detector 4 without the above-mentioned distortions that would arise in the transmission of radiation in sensitive optical fiber allows. It is also worth mentioning that the use of the circulator 7 prevents the radiation from the sensitive optical fiber 3 in the line 5 which prevents Brillouin scattering caused by the interaction of the first and second propagating optical radiation, and thus the transmission of the first optical radiation from the source 1 to the sensitive optical fiber 3 without the above-mentioned distortion, whereby the signal-to-noise ratio is further increased.

Eine Verringerung der Messzeit wird für Sensoren erreicht, wenn Messungen in einer Entfernung von den Quellen der optischen Strahlung 1, 2 und dem Detektor 4 erforderlich sind, da in der Linie 5 keine Brillouin-Streuung auftritt, so dass der durch optische Reflektometrie analysierte Faserabschnitt bis auf die empfindliche optische Faser 3 gekürzt wird, wodurch die Messzeit - entsprechend der Verringerung der Laufzeit der ersten optischen Strahlung in der empfindlichen optischen Faser 3 von der faseroptischen Übertragungsleitung bis zur Quelle 2 und zurück zum Detektor 4 - verringert wird.A reduction in measurement time is achieved for sensors when measurements are taken at a distance from the sources of optical radiation 1 . 2 and the detector 4 are required, because in the line 5 no Brillouin scattering occurs, so the fiber section analyzed by optical reflectometry down to the sensitive optical fiber 3 is shortened, reducing the measurement time - corresponding to the reduction in the transit time of the first optical radiation in the sensitive optical fiber 3 from the fiber optic transmission line to the source 2 and back to the detector 4 - is reduced.

Es ist auch zu erwähnen, dass die typische maximal zulässige Länge der empfindlichen optischen Faser 50 km nicht überschreitet, so dass die Länge der faseroptischen Übertragungsleitung nicht weniger als die Hälfte der Länge der empfindlichen optischen Faser 3 beträgt, die unter Verwendung von standardisierten Kommunikationslösungen einfach realisierbar ist.It is also to be noted that the typical maximum permissible length of the sensitive optical fiber does not exceed 50 km, so that the length of the optical fiber transmission line is not less than half the length of the sensitive optical fiber 3 which is easily realizable using standardized communication solutions.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 2110646 A2 [0004]EP 2110646 A2 [0004]

Claims (5)

Verteilter faseroptischer Sensor zur Messung der Verformung und/oder Temperatur nach dem Prinzip der Brillouin-Streuung, bestehend aus einer Quelle der ersten optischen Strahlung, einer Quelle der zweiten optischen Strahlung, einer empfindlichen optischen Faser und einem Detektor optischer Strahlung, wobei das erste Ende der empfindlichen optischen Faser mit der Quelle der ersten optischen Strahlung verbunden ist, das zweite Ende der empfindlichen optischen Faser mit der Quelle der zweiten optischen Strahlung verbunden ist, damit Brillouin-Streuung zwischen der ersten und der zweiten optischen Strahlung entsteht, und wobei der Detektor mit dem ersten Ende der empfindlichen optischen Faser zur Erfassung der Strahlung, die aus der empfindlichen optischen Faser austritt und der Brillouin-Streuung zugeordnet wird, verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die empfindliche optische Faser mit der Quelle der ersten optischen Strahlung und mit dem Detektor der optischen Strahlung durch die faseroptische Übertragungsleitung verbunden ist, deren Länge mindesten die Hälfte der Länge der empfindlichen optischen Faser beträgt, wobei die Quelle der ersten optischen Strahlung mit der empfindlichen optischen Faser bzw. die empfindliche optische Faser mit dem Detektor der optischen Strahlung durch zwei gegeneinander isolierte Linien verbunden sind.A distributed fiber optic sensor for measuring deformation and / or temperature according to the principle of Brillouin scattering, comprising a source of the first optical radiation, a source of the second optical radiation, a sensitive optical fiber and a detector of optical radiation, the first end of the sensitive optical fiber is connected to the source of the first optical radiation, the second end of the sensitive optical fiber is connected to the source of the second optical radiation, so that Brillouin scattering between the first and the second optical radiation is formed, and wherein the detector with the first end of the sensitive optical fiber for detecting the radiation emerging from the sensitive optical fiber and associated with Brillouin scattering, characterized in that the sensitive optical fiber is connected to the source of the first optical radiation and to the detector of the optical Radiation through the fiber optic transmission line whose length is at least half the length of the sensitive optical fiber, wherein the source of the first optical radiation with the sensitive optical fiber or the sensitive optical fiber with the detector of optical radiation are connected by two mutually insulated lines. Verteilter faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die empfindliche optische Faser mit den faseroptischen Übertragungsleitungen durch einen optischen Zirkulator verbunden ist.Distributed fiber optic sensor after Claim 1 , characterized in that the sensitive optical fiber is connected to the optical fiber transmission lines by an optical circulator. Verteilter faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung und/oder Temperatur anhand eines bestimmten Spektrums der Brillouin-Abschwächung gemessen wird.Distributed fiber optic sensor after Claim 1 , characterized in that the deformation and / or temperature is measured by means of a certain spectrum of the Brillouin attenuation. Verteilter faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung und/oder Temperatur anhand eines bestimmten Spektrums der Brillouin-Verstärkung gemessen wird.Distributed fiber optic sensor after Claim 1 , characterized in that the deformation and / or temperature is measured by means of a certain spectrum of Brillouin amplification. Verteilter faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle der ersten optischen Strahlung, die Quelle der zweiten optischen Strahlung und der Detektor der optischen Strahlung in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.Distributed fiber optic sensor after Claim 1 , characterized in that the source of the first optical radiation, the source of the second optical radiation and the detector of the optical radiation are housed in a common housing.
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