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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.
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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.
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Die Messung der Verzögerungszeit kann direkt erfolgen, wie z. B. in einem bekannten faseroptischen Brillouin-Auswertegerät (Gebrauchsmusterpatent
RU 140 707 , 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.
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Aus dem Stand der Technik ist ein anderes Verfahren zur Verzögerungszeitmessung bekannt (sh. z. B. europäische Patentanmeldung
EP 2 110 646 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 gemessen. Dann wird durch die Fourier-Transformation der Frequenzabhängigkeit die Zeitabhängigkeit, die analog der durch die Brillouin-Optischen-Zeitbereichsanalyse erfassten Abhängigkeit ist, berechnet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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Technisches Ergebnis des Sensors - Vergrößerung der Distanz von den Lichtquellen und dem Detektor bis zum entferntesten Abschnitt der empfindlichen optischen Faser, Minderung der Messungsdauer, Erhöhung des Verhältnisses Signal/Rauschen.
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Dieses Ergebnis wird dadurch erreicht, dass der verteilte faseroptische 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, empfindlicher optischer Faser und dem 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 der Detektor mit dem ersten Ende der empfindlichen optischen Faser zur Erfassung der Strahlung, die aus der empfindlichen optischen Faser ausgeht und der Brillouin-Streuung zugeordnet wird, verbunden ist, mit einer faseroptischen Übertragungsleitung ausgestattet ist, durch die die Quelle der zweiten optischen Strahlung mit empfindlicher optischer Faser verbunden ist, wobei die Länge dieser Leitung mind. die Hälfte der Länge empfindlicher optischer Faser beträgt und die Leitung mit einer Einrichtung zur Vermeidung des Eintritts der optischen Strahlung aus der empfindlichen optischen Faser ausgestattet ist.
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Die Einrichtung zur Vermeidung des Eintritts der optischen Strahlung aus der empfindlichen optischen Faser kann als optischer Isolator ausgeführt sein.
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Die empfindliche optische Faser kann mit der Quelle der ersten optischen Strahlung und dem Detektor durch einen optischen Zirkulator verbunden sein.
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Die Verformung und/oder die Temperatur kann anhand eines bestimmten Spektrums der Brillouin-Abschwächung gemessen werden.
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Die Verformung und/oder die Temperatur kann anhand eines bestimmten Spektrums der Brillouin-Verstärkung gemessen werden.
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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.
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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.
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Ein verteilter faseroptischer Sensor (1) zur Messung der Verformung und/oder Temperatur anhand der Brillouin-Streuung besteht aus einer Quelle 1 der ersten optischen Strahlung, einer Quelle 2 der zweiten optischen Strahlung, einer empfindlichen optischen Faser 3 und einem Detektor 4 für die optische Strahlung.
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Das erste Ende der empfindlichen Faser 3 ist mit der Quelle 1 der ersten optischen Strahlung und mit dem Detektor 4 der optischen Strahlung verbunden. Die Verbindung kann durch einen optischen Zirkulator 5 ausgeführt sein.
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Die Quelle 2 der zweiten optischen Strahlung ist mit dem zweiten Ende der empfindlichen optischen Faser 3 durch eine Übertragungslinie 6 einer faseroptischen Leitung verbunden, deren Länge mind. die Hälfte der Länge der empfindlichen optischen Faser beträgt. Die Übertragungslinie 6 ist mit einer Einrichtung 7 ausgestattet, die den Eintritt optischer Strahlung aus der empfindlichen optischen Faser 3 verhindert. Die Einrichtung 7 zur Vermeidung des Eintritts der optischen Strahlung aus der empfindlichen optischen Faser kann als optischer Isolator ausgeführt sein.
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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.
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Der verteilte faseroptische Sensor (1) funktioniert folgendermaßen.
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Die Quelle 1 strahlt die erste optische Strahlung aus, die in die empfindliche optische Faser 3 gelangt und sich darin ausbreitet. Die Quelle 2 sendet die zweite optische Strahlung, die durch die faseroptische Übertragungslinie 6 und den Isolator 7 in die empfindliche optische Faser 3 gelangt und sich darin gegen die Richtung der ersten optischen Strahlung ausbreitet. Dabei sichert die Linie 6 die Übertragung der zweiten optischen Strahlung mit geforderten Eigenschaften ohne Störungen. 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 auf den Detektor 4 auftrifft. Die empfindliche optische Faser 3 kann mit der Quelle 1 der ersten optischen Strahlung und dem Detektor 4 durch einen optischen Zirkulator 5 verbunden sein.
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Der Zirkulator 5 führt die erste optische Strahlung von der Quelle 1 in die empfindliche optische Faser 3 und die Strahlung aus der empfindlichen optischen Faser 3 auf den Detektor 4. Der Zirkulator 5 vermeidet den störenden Eintritt der ersten optischen Strahlung auf den Detektor 4, sowie den Eintritt der Strahlung von der empfindlichen optischen Faser 3 auf die erste Quelle. Der Zirkulator 5 ermöglicht auch die Strahlungsübertragung von der empfindlichen optischen Faser 3 auf den 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).
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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.
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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.
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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).
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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 Faser. Optische Faser 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, chromatische Dispersion beträgt etwa 20 ps/(nm·km). Wenn optische Strahlung entlang der Linie 6 übertragen wird, nimmt die Amplitude des optischen Signals aufgrund der Abschwächung ab und die zeitliche Signalform kann aufgrund der chromatischen Dispersion verzerrt sein.
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Um die Amplitude des optischen Signals in der Linie 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.
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Neben Wartungseinrichtungen (optischen Verstärkern) können in der Linie 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.
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Die Einrichtung 7 kann als optischer Isolator ausgeführt werden. Optische Isolatoren sind Standardkomponenten und sind im Handel zu beziehen (sh. z. B. URL: https://www.go4fiber.com/laboratory-and-component/isolator, Abrufdatum 13.05.2016). Die Einrichtung 7 verhindert den Eintritt der ersten optischen Strahlung in die Linie 6 der faseroptischen Übertragungsleitung, wodurch unerwünschte nichtlineare Wechselwirkungen (insbesondere die Brillouin-Streuung) der ersten optischen Strahlung und der zweiten optischen Strahlung verhindert werden, die zu Änderungen der Amplitude und Phase der ersten optischen Strahlung in der Linie 6 der faseroptischen Übertragungsleitung führen können. Die Einrichtung 7 begrenzt also den Bereich der Brillouin-Streuung, der der empfindlichen optischen Faser 3 entspricht.
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Die Länge der Linie 6 der faseroptischen Übertragungsleitung beträgt mind. die Hälfte der empfindlichen optischen Faser 3. Die Länge der empfindlichen optischen Faser 3 wird mit L bezeichnet. Wenn die Länge der Linie 6 der faseroptischen Übertragungsleitung L/2 (die Hälfte der Länge der empfindlichen optischen Faser 3) beträgt, beträgt die max. 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 Linie 6 der faseroptischen Übertragungsleitung und die empfindliche optische Faser 3 fluchten, so dass die Linie 6 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 Linie 6 fehlt, ist es offenbar, dass die max. 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% vom L/2. Also erlaubt die Wahl solcher Länge der Linie 6 wesentliche Vergrößerung der max. möglichen Entfernung zwischen dem entferntesten Abschnitt der empfindlichen optischen Faser 3 und den Quellen optischer Strahlungen 1, 2 / Detektor 4.
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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 der zweiten optischen Strahlung von der Quelle 2 bis zur empfindlichen optischen Faser 3 ohne oben genannten Verzerrungen, die bei der Übertragung der Strahlung in empfindlicher optischer Faser entstehen würden, ermöglicht.
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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 6 keine Brillouin-Streuung auftritt, so dass der durch optische Reflektometrie analysierte Faserabschnitt bis auf empfindliche optische Faser 3 gekürzt wird, wodurch die Messzeit - entsprechend der Verringerung der Laufzeit der optischen Strahlung in empfindlicher optischer Faser 3 von der Quelle 1 bis zur Einrichtung 7 und zurück zum Detektor 4 - verringert wird.
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Es ist auch zu erwähnen, dass die typische max. zulässige Länge der empfindlichen optischen Faser 50 km nicht überschreitet, so dass die Länge der Linie 6 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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- RU 140707 [0003]
- EP 2110646 A2 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, No. 4, pp. 654-662 1997, veröffentlicht 04.1997) [0004]
