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Diese Erfindung betrifft optische Erfassungssysteme und
insbesondere, aber nicht ausschließlich, solche Systeme, die in
Geräuschempfängern zur Detektion des Auftreffens von
akustischen Wellen auf optische Sensorreihen benutzt werden.
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In unserem Britischen Patent Nr. 2 126 820 B ist ein
optisches Erfassungssystem beschrieben, in welchem elektrische
Pulse der gleichen Frequenz oder geringfügig
unterschiedlicher Frequenzen in eine Sensorreihe aus optischen Fasern
eingespeist werden, wobei entlang dieser Reihe eine Vielzahl
von teilweise reflektierenden Unregelmäßigkeiten angeordnet
ist, durch die ein geringer Teil eines jeden der entlang der
Sensorreihe propagierenden Lichtpulse entlang der
Sensorreihe aus optischen Fasern durch die Unregelmäßigkeiten
zurückreflektiert wird und dazu gebracht wird, mit anderen
reflektierten Signalen oder mit Referenzlichtsignalen auf
Photodetektormitteln zu interferieren, um Änderungen in der
Länge der optischen Faserelemente und somit die auf solche
Elemente auftreffenden akustischen Wellen zu erfassen. Das
optische Erfassungssystem kann ein Überlagerungssystem sein,
bei welchem Paare zeitbeabstandeter Pulse der gleichen Länge
aber mit geringfügig unterschiedlichen Frequenzen F und F+ F
entlang der Sensorfaser übertragen werden, wobei in diesem
Fall von einer anderen Unregelmäßigkeit als der ersten
Unregelmäßigkeit entlang der Sensorfaser zurückreflektierte
Signale mit von der vorhergehenden Unregelmäßigkeit
zurückreflektierten Signalen interferieren. Alternativ kann ein
einziges
Lichtpulssignal der Frequenz F über den optischen
Fasersensor zur Reflexion durch Unregelmäßigkeiten übertragen
werden, während ein kontinuierliches Lichtsignal der
Frequenz F+ F als ein Referenzsignal bei einem Photodetektor
zur Interferenz mit dem reflektierten Signal der Frequenz F
benutzt wird.
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In unserer veröffentlichten europäischen Patentanmeldung mit
Nr. 0 183 502, auf welche hiermit hingewiesen wird, wird
eine pulserzeugende Anordnung zur Erzeugung von
zeitverschobenen, koherenten Pulsen mit zwei geringfügig
unterschiedlichen Frequenzen von einer kontinuierlichen
Wellen-Lichtquelle beschrieben. Diese Pulse können in eine Sensorreihe aus
optischen Fasern eingespeist werden, welche wie oben
beschrieben Unregelmäßigkeiten aufweisen, so daß ein Teil der
Lichtpulse von den Unregelmäßigkeiten zurückreflektiert und
mit anderen reflektierten Signalen oder mit Referenzsignalen
wie vorhergehend beschrieben, zur Erzeugung von
überlagerungssignalen oder modulierten Signalen auf
Photodetektormittel überlagert wird. Die Phasenmodulation der Signale
wird in Abhängigkeit der Längenveränderungen der optischen
Faserelemente zwischen den Unregelmäßigkeiten infolge des
Auftreffens der akustischen Wellen auf den optischen
Fasersensor variieren.
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Die koherenten Pulse mit geringfügig unterschiedlichen
Frequenzen können durch eine Bragg-Zelle erzeugt werden, die so
angeordnet ist, daß sie alternativ durch die Signale der
zwei betroffenen Frequenzen angetrieben wird, so daß die
Zelle zum Erzeugen von zeitverschobenen Ausgangspulsen aus
einem kontinuierlichen Wellen-Lichteingang in die Zelle
umschaltet. Der Austrittswinkel der Ausgangspulse ist genügend
klein, damit beide Pulse in die gleiche optische Faser
eingespeist werden können. Bei der Zelle in ihrem nicht
geschalteten Zustand, bevor, nachdem oder zwischen den Pulsen, geht
der
kontinuierliche Wellen-Lichteingang direkt ohne
Ablenkung durch die Zelle. Das entlang der optischen
Fasersensorreihe von den entlang dieser angeordneten Unregelmäßigkeiten
zurückreflektierte Licht geht auch ohne Ablenkung zurück
durch die Bragg-Zelle und kann so geführt werden, daß es auf
einen Spiegel fällt, welcher das Licht auf ein
Photoerfassungsmittel richtet, das die reflektierten Signale
überlagert. Die Bragg-Zelle soll damit sowohl als
Frequenzverschiebungs- als auch als Schaltvorrichtung dienen.
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Andere frequenzverschiebende Vorrichtungen können anstatt
der Bragg-Zelle in optischen Erfassungssystemen der
beschriebenen Art benutzt werden. Beispielsweise beschreibt unser
Britisches Patent Nr. 2 167 574 B eine
Frequenzverschiebungsvorrichtung oder einen Modulator mit einem piezoelektrischen
Umwandler (z.B. PZT-Zylinder) der in Antwort auf ein an den
Umwandler angelegtes, elektrisches Sägezahnsignal eine
mechanische Beanspruchung einer um den Zylinder gewickelten
optischen Faser erzeugt, so daß die entlang der optischen
Faser propagierenden Lichtsignale frequenzverschoben oder
moduliert werden.
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Die vorliegende Erfindung ist auf ein reflektometrisches
optisches Erfassungssystem gerichtet, welches von der in
unserem Britischen-Patent Nr. 2 126 820 B und unserer anhängigen
veröffentlichten Europäischen Patentanmeldung Nr. 0 183 502
beschriebenen allgemeinen Form ist, aber es einer Vielzahl
von optischen Sensorreihen mit teilweise reflektierenden,
entlang diesen angeordneten Unregelmäßigkeiten aufweisenden
optischen Fasern ermöglicht, daß sie von einer herkömmlichen
Lichtquelle mit Pulsen unterschiedlicher Frequenzen versorgt
werden können, die teilweise bei jeder der
Unregelmäßigkeiten reflektiert und mit anderen Referenzsignalen oder mit
reflektierten Signalen bei Photoerfassungsmitteln überlagert
werden können.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine
durch eine einzige Lichtquelle erzeugte kontinuierliche
Lichtwelle so arrangiert, daß sie auf eine Erste einer Serie
von Bragg-Zellen oder äquivalenten Phasenverschiebungs- und
Umschaltvorrichtungen angelegt werden kann, von denen jede
individuell zugehörige Mittel zum Antreiben der Zelle oder
des Äquivalents mit Pulsen mit verschiedenen Frequenzen
aufweist, wodurch jede Zelle oder jede Äquivalentvorrichtung
Pulse mit verschiedenen Frequenzen in verschiedene
Ablenkrichtungen erzeugt, wodurch die Zelle in Zeitsequenzen
betrieben wird, so daß das Licht von der kontinuierlichen
Wellen-Lichtquelle gerade durch die erste Bragg-Zelle - oder
das Äquivalent - zu der zweiten Bragg-Zelle passiert, wenn
die erste Zelle ihren Lichtpulsausgang erzeugt hat und nicht
länger angetrieben wird, woraufhin die zweite Bragg-Zelle
angetrieben werden kann, um Ausgangspulse zu erzeugen, nach
denen die zweite Zelle nicht mehr angetrieben wird und dem
Licht erlaubt, von der kontinuierlichen Wellen-Lichtquelle
durch sowohl die erste als auch die zweite Zelle zu der
dritten Zelle zu gehen usw., bis die letzte Bragg-Zelle
Ausgangspulse erzeugt hat, woraufhin wieder die erste Bragg-Zelle
zum Erzeugen von Pulsen angetrieben wird.
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Die Bragg-Zellen können jeweils Paare von Pulsen mit
geringfügig unterschiedlicher Frequenz zu unterschiedlichen
Zeitintervallen erzeugen, und diese Paare von Pulsen mit sehr eng
beeinander liegenden Frequenzen können in individuelle,
optische Fasersensorreihen der bereits beschriebenen Art
eingespeist werden. Die reflektierten Signale von jeder
Sensorreihe werden während der Zeit, in der die entsprechende Zelle
nicht angetrieben ist, ohne Ablenkung durch die zugehörige
Bragg-Zelle gehen und auf die individuell zu dieser Zelle
zugehörige Photodetektormittel auftreffen.
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In einer anderen, in Erwägung gezogenen Anordnung können die
Bragg-Zellen der Reihe nach mit einer Vielzahl von Paaren
von Pulen mit geringfügig unterschiedlicher Frequenz erregt
werden, so daß jede Zelle ein Paar von optischen Pulsen mit
geringfügig unterschiedlicher Frequenz entlang
entsprechenden Richtungen erzeugt, welche dann in entsprechende
optische Fasersensorreihen eingespeist werden können.
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In einem weiteren optischen Erfassungssystem gemäß der
vorliegenden Erfindung werden eine Vielzahl von Paaren von
Pulsen mit geringfügig unterschiedlichen Frequenzen, welche der
Reihe nach von jeder der Bragg-Zellen abgeleitet werden, in
entsprechende, optische Fasern eingeführt, von denen jede
durch eine Vielzahl von optischen Sensorreihen, welche in
paralleler und in geeignet zeitverschobener Beziehung
zueinander stehen, abgeschlossen wird.
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Beispielsweise wird die vorliegende Erfindung nun mit Bezug
auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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Fig. 1 eine einzige Sensorreihe eines optischen
Fasererfassungssystems der in unserer
veröffentlichten europäischen Patentanmeldung
mit Nr. 0 183 502 beschriebenen Art zeigt,
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Fig. 2 ein optisches Fasererfassungssystem mit
einem Multisensor gemäß der Erfindung zeigt,
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Fig. 3 ein weiteres optisches Erfassungssystem mit
einem Multisensor gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt,
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Fig. 4 noch ein weiteres optisches Erfassungssystem
mit einem Multisensor gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, und
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Fig. 5 eine allgemeine Umschalt- und
Frequenzverschiebungsanordung gemäß der Erfindung zum
Erzeugen eines zeitmultigeplexten pulsens
einer Vielzahl von Sensorreihen mit
optischen Fasern zeigt.
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Bezugnehmend auf Fig. 1 der Zeichnungen erzeugt eine relativ
lange Kohärentlängen-Laserlichtquelle 1 einem
kontinuierlichen Wellen-Lichtausgang, der durch zwei Spiegel 2 und 3 auf
eine Bragg-Zelle-Frequenzverschiebungsvorrichtung 4
gerichtet wird. Wenn die Zelle 4 nicht angetrieben (d.h.
abgeschaltet) ist, geht der kontinuierliche Wellen-Lichteingang wie
dargestellt ohne Ablenkung durch die Zelle. Wenn die Zelle 4
jedoch durch ein Paar von Kurzzeitpulsen mit sehr nahe
beieinanderliegenden Frequenzen F1 und F1+ F angetrieben wird,
wird der kontinuierliche Wellen-Lichteingang zur Zelle
geschaltet und moduliert, um zeitverschobene, optische Pulse
mit den Frequenzen f1 und f1+ F (f1 bezieht sich auf die
optische Trägerfrequenz und F bezieht sich auf die
Nebenträgerfrequenz, welche auf die Bragg-Zelle angelegt ist) zu
erzeugen, die aufgrund ihrer sehr nahe beieinanderliegenden
Frequenzen mit einer sehr kleinen zwischen diesen
auftretenden Winkelabweichung erzeugt werden, wodurch beide
Ausgangspulse in ein Ende der gleichen optischen Faser 5 eingespeist
werden können, mit der ein optischer Fasersensor 6 mit einer
Vielzahl von teilreflektierenden, gleichmäßig entlang dem
Sensor beabstandeten Unregelmäßigkeiten 7 gekoppelt ist.
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Beim Betrieb des optischen Sensorsystems, welches in
Geräuschempfängern zum Erfassen von auf die Sensorreihe
auftreffenden akustischen Wellen benützt wird, wird die Bragg-
Zelle 4 in Zeitintervallen angetrieben, um Pulse der
Frequenzen f1 und f1+ F zu erzeugen, die entlang der optischen
Sensorreihe 6 propagieren. Ein Teil dieser Pulse wird von den
Unregelmäßigkeiten 7 entlang des optischen Sensors 6 und der
optischen Faser 5 zu der Bragg-Zelle 4 zurückreflektiert,
und es wird dafür gesorgt, daß das von der zweiten und
nachfolgenden Unregelmäßigkeiten 7 reflektierte Licht mit dem
von den vorhergehenden Unregelmäßigkeiten reflektierten
Licht interferiert, und dieses reflektierte Licht wird
mittels einen Photodetektor 8 überlagert, nach dem es
geradewegs ohne Ablenkung durch die Zelle 4 hindurchgelangt ist,
wenn die Zelle 4 sich im Abschaltzustand befindet. Dieser
Photodetektor 8 wird Signale mit der Differenzfrequenz F
erzeugen, von der Phasenmodulationen infolge des Auftreffens
von akustischen Wellensignalen auf die Elemente des
optischen Phasensensors 6 detektiert und gemessen werden können.
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Bezugnehmend nun auf die Fig. 2 der Zeichnungen zeigt diese
eine optische Faser-Erfassungsanordnung gemäß der
vorliegenden Erfindung, welche die Versorgung von vier optischen
Fasersensorreihen 9, 10, 11 und 12 mit Pulsen in Zeitsequenzen
von einem einzigen kontinuierlichem Wellen-Lichtlaser 13
vorsieht.
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Jede der Sensorreihen 9, 10, 11 und 12 kann von der gleichen
Form wie die Reihe 6 in Fig. 1 sein, und die Sensorreihen
sind mit den Ausgängen der entsprechenden Bragg-Zellen 14,
15, 16 und 17 verbunden. Diese Bragg-Zellen sind so
angeordnet, daß sie in der mit Bezug auf die Zelle 4 beschriebenen
Art in Fig. 1 arbeiten, aber sie werden der Reihe nach durch
zeitverschobene Paare von Pulen mit den Frequenzen F1 und
F1+ F angetrieben. Mit der angetriebenen Bragg-Zelle 14 wird
das durch die Zelle erzeugte Paar von Lichtpulsen -
angegeben bei als P14 - in die Sensorreihe 9 eingespeist und das
reflektierte Licht von der Reihe 9 wird gerade durch die
Zelle auf den Photodetektor 18 gelangen, wenn die Zelle 14
nicht angetrieben ist oder sich in ihrem Abschaltzustand
befindet. Das Licht vom Laser 13 wird auch durch die Zelle
14 zu der nächsten Bragg-Zelle 15 gehen, welche dann durch
ein Paar von Pulsen mit den Frequenzen F1 und F1+ F
angetrieben wird, so daß sie ein Paar von Ausgangspulsen P15
schafft. Dieser Vorgang wird dann für die übrigen der Bragg-
Zellen 16 und 17 wiederholt, nach welchen die Bragg-Zelle 14
wieder betrieben wird usw..
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Fig. 3 zeigt ein anderes optisches Erfassungssystem ähnlich
zu dem in Fig. 2 dargestellten System, in dem jede der
Bragg-Zellen 22, 23 und 24 angeordnet ist, um Licht von
einer Laserquelle 25 zu erhalten, wenn die vorhergehende
Zelle nicht angetrieben ist. Die Zellen werden der Reihe
nach durch Paare von Pulsen mit unterschiedlichen Frequenzen
F1 und F1+ F, und F2 und F2+ F, F3 und F3+ F, F4 und F4+ F
erregt, welche der Reihe nach oder parallel erzeugt werden,
so daß Ausgangspulspaare (z.B. f1 und f1+ F) in vier
verschiedene Richtungen von den Bragg-Zellen wie angegeben
erzeugt werden. Jedes dieser Paare von Pulsen mit
verschiedenen Frequenzen wird in verschiedene optische
Faser-Sensorreihen mit der geeigneten Zeitverzögerung eingespeist, und das
von den Unregelmäßigkeiten entlang den Sensorreihen
reflektierte Licht wird dazu gebracht, mit anderen reflektierten
Signalen auf entsprechenden Photodetektoren 26, 27 und 28 zu
interferieren.
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In der Anordnung nach Fig. 4 werden vier verschiedene
Frequenzausgangspulspaare (z.B. f1 und f1+ F) von den der Reihe
nach angetriebenen Bragg-Zellen 29, 30, 31 und 32 in
optische Fasern eingespeist, von denen jede durch
zeitverschobene, parallele optische Sensorreihen, wie die Reihen 33, 34,
35 und 36 mit den geeigneten Verzögerungen, abgeschlossen
wird. Die Anzahl der durch eine einzige Laserlichtquelle 57
versorgten Sensorreihen soll durch diese Anordnung
wesentlich erhöht werden. Der Betrieb des Erfassungssystems ist
ähnlich zu dem mit Bezug auf Fig. 3 beschriebenen.
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Schließlich wird nach Fig. 5 der kontinuerlichen
Wellen-Lichtausgang von einem Laser 37 in einen Koppler 38
gespeist, dessen Ausgang zu den Frequenzverschiebern 39 und
40 geführt wird, welche kontinuierlich durch alternierende
Pulse mit den Frequenzen F1 und F1+ F von den Pulserzeugern
41 und 42 angetrieben werden. Die Pulsausgänge aus den
Frequenzverschiebern werden in entsprechende Koppler 43 und
44 gespeist, welche die alternativen Pulse mit den
Frequenzen f1 und f1+ F mit den geschalteten Kopplern 45,
46, 47, 48 und 49, 50, 51 und 52 koppeln, die unter der
Steuerung von entsprechenden Zeitgliedern 53 und 54
geschaltet werden.
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Da jeder der geschalteten Koppler durch die diesen
zugehörigen Zeitglieder geschaltet werden, werden die Pulse mit den
Frequenzen f1 und f1+ F zu den optischen Fasersensorreihen
geführt, welche mit den Ausgängen der betreffenden Koppler
verbunden sind, und das reflektierte Licht (d.h. R1, R2, R3
oder R4 oder R1', R2', R3' oder R4') geht zurück durch die
Koppler zu einem photoleitungsempfänger 55 oder 56.
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Wie leitht aus dem vorher Beschriebenen ersehen werden kann,
ermöglicht das optische Erfassungssystem gemäß der
vorliegenden Erfindung den Betrieb einer relativ großen Anzahl von
Sensorreihen mittels eine einzige Laserlichtquelle.