DE69433154T2 - Optische Reflexionsmessung im Zeitbereich - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft Verfahren zur optischen Reflexionsmessung im Zeitbereich (OTDR) und eine Vorrichtung zur Durchführung derartiger Verfahren.
  • Bei der OTDR wird Licht bei einer ersten Wellenlänge (λ0) in ein Ende einer optischen Faser eingespeist, und die entlang der Faser rückgestreute optische Strahlung wird gemessen. Bei der verteilten Erfassung unter Einsatz von OTDR wird die rückgestreute Strahlung dazu verwendet, jeweilige Werte eines physikalischen Parameters an verschiedenen Stellen entlang der Faser zu messen, welche in einem interessierenden Bereich eingesetzt ist. Bei optischen Reflexionsmessern im Zeitbereich, welche für das Charakterisieren von Fasern in ihren Herstellungsumgebungen oder in installierten Kabeln verwendet werden, wird die rückgestreute optische Strahlung beispielsweise dafür verwendet, Fehler in der Faser zu lokalisieren oder die Dämpfungseigenschaften der Faser zu messen.
  • Die rückgestreuten Signale können entweder aus elastischen oder inelastischen Streuprozessen stammen. Rayleigh-Strahlung erzeugt elastisch gestreute Signale mit einer Wellenlängenverteilung, die im wesentlichen gleich dem eingespeisten Signal (λ0) ist. Brillouin- und Raman-Streuung sind demgegenüber inelastische Streuprozesse, welche jeweils Spektralbandpaare erzeugen. Jedes Paar Bänder erster Ordnung weist eines auf (das Stokes-Band), das auf einer längeren Wellenlänge (λ+1) als dasjenige des eingespeisten Signals (λ0) zentriert ist, und das andere Band (das Anti-Stokes-Band) ist auf einer kürzeren Wellenlänge (λ–1) zentriert als dasjenige des eingespeisten Signals, so dass das Paar auf die Wellenlänge des eingespeisten Signals zentriert ist. Das Spektrum enthält normalerweise mehrere aufeinanderfolgende Ordnungen (bei den Wellenlängen λ±n, wobei n = 1, 2, 3...), welche aus einem speziellen Streuprozess stammen, wobei die Intensität der Bänder in zunehmender Ordnung abnimmt. Bei einigen auf Siliciumoxid basierenden Materialien enthält das Raman-Spektrum mehr als ein Band mit signifikanter Intensität, bspw. in einem binären P2O5SiO2-Glas, wobei P2O5 ein Band um 1390 cm–1 zusätzlich zum Hauptband des Silikas bei etwa 440 cm–1 aufweist.
  • Für ein in Silika eingespeistes Signal von 904 nm sind die rückgestreuten Brillouin-Anti-Stokes- und Brillouin-Stokes-Signale um etwa 0,05 nm gegenüber dem eingespeisten Signal verschoben, und die rückgestreuten Raman-Stokes- und Raman-Anti-Stokes-Signale sind um etwa 34 nm verschoben. Die Wellenlängenverschiebungen für die Brillouin- und Raman-gestreuten Signale sind jeweils etwa 0,058 nm und 50 nm für ein Signal von 1,06 μm und etwa 0,084 nm und 100 nm für ein in Silika injiziertes Signal von 1,53 μm.
  • Die rückgestreuten Brillouin- und Raman-Signale weisen Intensitäten in Abhängigkeit von physikalischen Parametern, wie z . B. der Temperatur, auf . Typisch für Silikafasern bei. Zimmertemperatur sind die Raman-Stokes- und Anti-Stokes-Signale weniger intensiv als diejenigen der rückgestreuten Brillouin-Signale, wobei die Raman-Signale Intensitäten erster Ordnung aufweisen, welche niedriger sind als das rückgestreute Rayleigh-Signal bei 1,064 μm um etwa 18 dB bzw. 28 dB, im Vergleich mit den Brillouin-Signalen, die etwa 13 bis 16 dB niedriger sind als das rückgestreute Rayleigh-Signal. Mit 7 ns, 50 Watt Impulsen bei 1,064 μm in einer industriellen Standardmehrfachmodenfaser (50 μm Durchmesser des Kerns, 125 μm Hülle, Kern mit graduiertem Index und einer numerischen Apertur von 0,20), ist die Leistung des Lichts der Raman-Anti-Stokes-Wellenlänge, das aus Rückstreuung in der Nähe des Empfangs-/Einspeisungsendes der Faser resultiert, etwa 50 nW.
  • In einem bekannten OTDR-Verfahren zum verteilten Erfassen, wie es bspw. in der EP 0 213 872 offenbart ist, wird ein moduliertes optisches Signal mit 1,5 Watt der Wellenlänge 8, 54 nm bei 4 kHz mit einer Pulsbreite von 40 ns in ein Ende einer optischen Faser von mehr als einem Kilometer Länge eingespeist. Ein rückgestreutes Signal wird zum ersten Ende zurückgeführt und umfasst die zuvor erwähnten elastisch und inelastisch rückgestreuten Signale, welche dann gefiltert werden, um im Wesentlichen alles außer dem Raman-Anti-Stokes-Signal zu entfernen, das Detektionsmitteln zur Messung seiner Intensität in Bezug auf das gesamte rückgestreute Signal zugeführt wird. Aus der Veränderung der Intensität mit der verstrichenen Zeit aus dem eingespeisten Signal kann auf die Verteilung eines speziellen physikalischen Parameters, wie bspw. der Temperatur; entlang der Faser geschlossen werden.
  • Bei einem früher bekannten OTDR-Verfahren, wie es bpsw. in der GB-2140554 beschrieben ist, wird gepulstes Licht in ein Ende einer optischen Faser eingespeist, und rückgestreute Raman-Stokes- und Anti-Stokes-Signale werden getrennt und gemessen. Aus den Verhältnissen der erhaltenen Messungen kann eine Temperaturverteilung für die Faser abgeleitet werden. Ähnliche OTDR-Verfahren sind auch in "Long Distance Distributed Sensor" (Fumio Wada E. A., Conference on Lasers and Electro-Optics, Band 7, 21. Mai 1990, Anaheim, PP460-461), JP-A-02 201 129 und GB-A-2183821 beschrieben.
  • Bei einem weiteren bekannten OTDR-Verfahren, wie es bspw. in der EP 0 502 283 beschrieben ist, werden optische Signale einer Wellenlänge von 1,32 μm aus einer Quelle, welche einen dioden-gepumpten Festkörperlaser umfasst, durch die Länge einer optischen Faser mit erhöhten Raman-Streueigenschaften, ein Dämpfungselement und einen optischen Filter geschickt, um daraus ein Testsignal der Wellenlänge 1,40 μm zur Einspeisung in eine optische Sensorfaser zum Messen der Temperatur entlang derselben zu emittieren. Die Umwandlung der Wellenlänge zwischen 1,32 und 1,40 μm wird durch stimulierte Raman-Streuung (SRS) der ersten Wellenlänge erhalten, um die zweite, längere Wellenlänge zu erzeugen. Raman-Anti-Stokes und Raman-Stokes-Signale der Wellenlänge 1,32 bzw. 1,50 μm, welche anschließend von Positionen entlang der optischen Sensorfaser aus rückgestreut werden, werden dann detektiert und auf die gleiche Weise wie bei dem zuerst erwähnten OTDR-Verfahren verarbeitet.
  • Der Bereich von Testsignalen in optischen Fasern ist durch Dispersion und Dämpfung beschränkt. Für eine gegebene Faser wird das Testsignal deshalb vorzugsweise so ausgewählt, dass es bei einer Wellenlänge liegt, die einem Minimum der Dämpfungs-/Dispersionseigenschaften der Faser entspricht. Für ein Fasermaterial wie GeO2-dotiertes Siliciumoxid tritt ein Dispersionsminimum für das Material selbst bei einer Wellenlänge von 1,3 μm auf, und das Minimum des Dämpfungskoeffizienten von etwa 0,2 dB/km liegt bei einer Wellenlänge λ = 1,55 μm.
  • Ein verteiltes OTDR-Sensorsystem, das für das Erfassen in einem langen Bereich geeignet ist und bei dem eingespeiste Wellenlängen im Bereich von 1,51 μm bis 1,59 μm eingesetzt werden, ist in der GB 2277147 beschrieben.
  • Das Erfassen über weite Bereiche erfordert Hochleistungsquellen. Jedoch treten bei hoher Leistung nichtlineare optische Effekte auf. Ein besonderes Problem stellt die stimulierte Raman-Streuung dar, welche die in die Faser eingespeiste Wellenlänge in die Stokes-Wellenlänge erster Ordnung umwandelt, hauptsächlich in Vorwärtsrichtung. Wie in den 1(A) und 1(B) der beigefügten Zeichnungen gezeigt, welche Graphen sind, die die Variation der Intensität optischer Strahlung in einer industriellen Standard-Einzelmodenfaser (Indexdifferenz 0,35%, Grenzwellenlänge 1200 nm) bei einer Testwellenlänge λ0 (strichlierte Linie 200) von 1530 nm und die erste Stokes-Raman-Wellenlänge λ+1 (durchgezogene Linie 201) mit Abstand entlang der Faser zum Einspeisen von Leistungen von einem Watt bzw. drei Watt veranschaulichen, wächst die stimulierte Emission entlang der Faser, welche für eine Erfassung über lange Bereiche eine Länge von vielen Kilometern aufweisen kann, bis schließlich im Wesentlichen das gesamte in die Faster eingespeiste Licht in die Stokes-Wellenlänge umgewandelt ist. Die in den 1(A) und 1(B) gegebenen Werte gelten für eine typische Faser und hängen vom Aufbau der Faser und von der eingesetzten Testwellenlänge ab. Die Wachstumsrate ist porportional zur Intensität (Leistung/ Fläche) des Lichts, das in die Faser eingespeist wird, und zu Parametern des Glases und ist deshalb umgekehrt proportional zu der Fläche, auf die die Leistung beschränkt ist.
  • Aufgrund stimulierter Raman-Streuung wird bei verteilten Sensoren, die bei ausreichend hohen Energieniveaus arbeiten (bspw. bei Langstreckenanwendungen), das Signal bei der Stokes-Wellenlänge beduetend größer als es ohne nichtlineare Effekte wäre, und dies stört die Messungen, bei denen das Stokes-Signal als Bezugssignal genommen wird. Zusätzlich wird, da durch die Umwandlung in die Stokes-Wellenlänge in die Faser eingespeiste Leistung verloren geht, das Signal bei der Anti-Stokes-Wellenlänge entsprechend geschwächt. Des Weiteren reflektieren aufgrund des signifikanten Aufbaus der Stokes-Leistung in Vorwärtsrichtung die Verbindungselemente innerhalb der Faser eine große Menge dieser Leistung, welche die Filter im Empfänger übertragen. Das starke Signal, das von den Verbindungselementen reflektiert wird, kann deshalb den Ausgang des Vorverstärkers über nachfolgende Faserabschnitte stören. 2 der beigefügten Zeichnungen, welche die rückgestreuten Signale (auf die Einheit bei 0 Kilometern normiert) bei der Anti-Stokes-Wellenlänge (Strickpunktlinie 202) und der Stokes-Wellenlänge (strichlierte Line 203) über eine Distanz von 50 000 Meter und das Verhältnis jedes der beiden Signale (durchgezogene Line 204) für eine eingespeiste Leistung von 3 Watt bei 1530 nm in einer typischen Einzelmodenfaser veranschaulicht, zeigt, wie das Stokes-Signal mit der Distanz entlang der Faser zunimmt, wobei es schließlich die normalen Effekte der Faserdämpfung übersteigt und somit das Anti-Stokes-/Stokes-Verhältnis stört. 3 der beigefügten Zeichnungen vergleicht die gesamte nach vorne gerichtete Leistung bei der Stokes-Wellenlänge (strichlierte Linie 205), wenn der Raman-Zuwachs berücksichtigt wird, mit derjenigen, die einen rein linearen (spontanen) Ursprung (durchgezogene Linie 206) in einer typischen Einzelmodenfaser für einen eingespeisten Impuls von 1,0 Watt bei 1530 nm aufweist.
  • Für eine Einzelmodenfaser ohne Dispersionsverschiebung mit einem Brechungsindex des Kerns von 1,45 und einer numerischen Apertur von 0,1 unter Einsatz eines eingespeisten Signals von 1,53 μm, bei welchem sie eine Dämpfung von 0,197 dB/km (0,292 dB/km bei der Anti-Stokes-Raman-Wellenlänge von 1,43 μm und 0,311 dB-km bei der Stokes-Wellenlänge von 1,64 μm) aufweist, ergibt bspw. eine 2%ige Abweichung vom Wert für den linearen Betrieb im Verhältnis des Anti-Stokes-Signals zum Stokes-Signal einen Fehler von etwa 3°C bei Anwendungen zur verteilten Erfassung der Temperatur. Für eine solche Faser von 50000 Meter Länge beginnt bei Einsatz eines eingespeisten Signals der Wellenlänge 1,53 μm der nicht-Linearitäts-Fehler bei einer Eintrittsleistung zwischen 0,9 Watt und 1,0 Watt 2% zu übersteigen, wobei der 2%-Fehler bei einer Distanz von 39650 Meter bei einer Leistung von 1 Watt und bei 12050 Meter bei. einer Leistung von 2 Watt überschritten wird. Obwohl diese Werte stark von einer Anzahl von Faktoren abhängig sind, einschließlich sehr kleiner Veränderungen der Faserverluste, dienen sie dazu, den Effekt der stimulierten Raman-Streuung auf Messungen zu veranschaulichen, welche unter Einsatz dezentralisierter Erfassung gemacht werden.
  • Der frühe Eintritt stimulierter Raman-Streuung kann auch bei optischen Reflexionsmessgeräten im Zeitbereich ein Problem sein, wo es besonders wichtig ist zu gewährleisten, dass die optische Faser im linearen Bereich eingesetzt wird, da der bei der dezentralisierten Erfassung eingesetzte Bezug nicht verfügbar ist.
  • Bislang wurde, um das Einsetzen stimulierter Raman-Streuung zu vermeiden, die Leistung des in die Faser eingespeisten Lichts beschränkt, mit dem Ergebnis, dass der Bereich, über den Messungen erfolgen können, begrenzt ist.
  • Andere Ansätze zur Lösung des Problems stimulierter Raman-Streuung sind auch in der JP-A-57-122404 und der JP-A-57-115042 offenbart.
  • Ähnliche Probleme entstehen aufgrund stimulierter Brillouin-Streuung.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur optischen Reflexionsmessung im Zeitbereich angegeben, um jeweilige Werte eines physikalischen Parameters an verschiedenen Stellen entlang einer optischen Faser zu erfassen, die in einem interessierenden Bereich verteilt sind, wobei gemäß dem Verfahren optische Strahlung einer ersten Wellenlänge in die Faser eingebracht wird und rückgestreute optische Strahlung in mindestens einem zuvor ausgewählten Spektralband dazu verwendet wird, Ausgangssignale in Abhängigkeit von den erfassten Werten zu erzeugen, wobei keines der für die Erzeugung der Ausgangssignale eingesetzten Spektralbänder über einer zweiten Wellenlänge liegt, die gleich der Wellenlänge ist, auf die ein Stokes'sches Spektralband erster Ordnung, das aus inelastischer Streuung optischer Strahlung der ersten Wellenlänge in der Faser stammt, zentriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zunahme der Intensität optischer Strahlung der zweiten Wellenlänge in der Faser gehemmt wird, wodurch die Umwandlung optischer Strahlung der ersten Wellenlänge in optische Strahlung der zweiten Wellenlänge durch stimulierte Streuung in der Faser unterdrückt wird.
  • Da Messungen nicht auf der Basis optischer Strahlung der Stokes-Wellenlänge (zweite Wellenlänge) erfolgen, kann das System so aufgebaut sein, dass ein hoher Verlust bei jener Wellenlänge auftritt, wodurch die Intensität des Lichts bei dieser Wellenlänge in der Faser reduziert wird und das Einsetzen stimulierter Streuung verzögert wird. Zusätzlich ist der Wellenlängenbereich, über den die Faser einen niedrigen Verlust aufweisen muss, enger. Des Weiteren ist die Verwendung des Rayleigh-gestreuten Signals (bei der ersten Wellenlänge) als Bezug anstelle des Stokes-Signals insofern vorteilhaft, als es ein viel stärkeres Signal ist, was Verringerungen der erforderlichen Messzeit ermöglicht und die Messgenauigkeit verbessert.
  • Ein solches Verfahren kann unter Einsatz einer optischen Reflexionsmessungsvorrichtung im Zeitbereich zum Erfassen jeweiliger Werte eines physikalischen Parameters bei verschiedenen Orten in einem interessierenden Bereich erfolgen, welche einen zweiten Aspekt der Erfindung verkörpert, aufweisend eine optische Faser, die dafür ausgelegt ist, in dem interessierenden Bereich eingesetzt zu werden, Quellenmittel zum Einspeisen optischer Strahlung einer ersten Wellenlänge in die Faser, Detektionsmittel zum Empfangen entlang der Faser rückgestreuter optischer Strahlung, aus der jeweilige Werte der physikalischen Parameter abgeleitet werden können, und Filtermittel zum Beschränken der rückgestreuten Strahlung, die dazu verwendet werden, die Werte auf eines oder mehrere zuvor ausgewählte Spektralbänder zu konzentrieren, von denen keines über einer zweiten Wellenlänge liegt, welche gleich der Wellenlänge ist, auf die ein Stokes'sches Spektralband erster Orndung, das aus der inelastischen Streuung optischer Strahlung der ersten Wellenlänge in der Faser resultiert, zentriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Quellenmittel und/oder die optische Faser so ausgewählt und angeordnet sind, dass eine Zunahme der Intensität der optischen Strahlung der zweiten Wellenlänge in der Faser gehemmt wird, wodurch die Umwandlung der optischen Strahlung der ersten Wellenlänge durch stimulierte Streuung in der Faser zu optischer Strahlung der zweiten Wellenlänge unterdrückt wird.
  • Vorzugsweise ist das oder eines der zuvor ausgewählten Spektralbänder ein Anti-Stokes-Band, das aus Raman- oder Brillouin-Streuung in der Faser stammt, und/oder das Spektralband oder ein anderes liegt oberhalb der ersten Wellenlänge.
  • Der zu messende physikalische Parameter kann, muss jedoch nicht, die Temperatur sein.
  • Die Hemmung des Wachstums der Intensität optischer Strahlung der zweiten Wellenlänge kann dadurch erreicht werden, dass die erste Wellenlänge gemäß einer vorgegebenen Dämpfungseigenschaft der Faser ausgewählt wird, so dass die Wellenlänge und die oder jedes Spektralband benachbart einem lokalen Minimum des Dämpfungskoeffizienten liegen, wobei jedoch die zweiten Wellenlänge gegen das lokale Minimun des Dämpfungskoeffizenten versetzt ist, wodurch optische Strahlung der zweiten Wellenlänge in einem bedeutend größeren Ausmaß gedämpft wird als optische Strahlung der ersten Wellenlänge oder in dem oder in jedem Spektralband.
  • Dies kann dadurch erfolgen, dass Sorge dafür getragen wird, dass die zweite Wellenlänge mit einem Maximum der Infrarotabsorption in der Dämpfungseigenschaft der Faser zusammenfällt oder im Wesentlichen auf der Kante kürzerer Wellenlänge eines solchen Absorptionsmaximums liegt, oder mit einem lokalen Absorptionsmaximum in jener Dämpfungseigenschaft entsprechend natürlich auftretenden Verunreinigungen in der Faser, wie bspw. Hydroxidionen, oder dotierten Verunreinigungen in der Faser, wie bpsw. Ionen seltener Erdmetalle. Im Fall von Hydroxidionen kann die erste Wellenlänge vorzugsweise 1320 μm aus einer Nd:YAG-Quelle sein.
  • Alternativ oder zusätzlich dazu kann die optische Faser mit eingebauten Gittern zum Reflektieren optischer Strahlung bei der zweiten Wellenlänge versehen sein, und/oder mindestens ein Abschnitt der Faser kann gebogen sein, um einen Biegeverlust in die Faser bei der zweiten Wellenlänge zu induzieren, und/oder die Wellenleiterstruktur der Faser kann so konstruiert sein, dass der Verlust bei der zweiten Wellenlänge groß ist.
  • Ein bevorzugter Ansatz, der anstelle der vorstehend beschriebenen oder zusätzlich zu diesen eingesetzt werden kann, besteht darin, optische Strahlung einer dritten Wellenlänge, welche gleich der Wellenlänge ist, auf die ein Stokes'sches Spektralband erster Ordnung, das aus inelastischer Streuung optischer Strahlung der zweiten Wellenlänge in der Faser stammt, zentriert ist, in die Faser gleichzeitig mit der optischen Strahlung der ersten Wellenlänge einzuspeisen, wodurch bewirkt wird, dass optische Strahlung der zweiten Wellenlänge in optische Strahlung der dritten Wellenlänge durch stimulierte Streuung umgewandelt wird, so dass die gewünschte Hemmung der Zunahme optischer Strahlung bei der zweiten Wellenlänge erreicht wird.
  • Die Verwendung optischer Strahlung einer solchen dritten Wellenlänge ist insbesondere dann nützlich, wenn andere Techniken nicht eingesetzt werden können. So ist es bspw. bei charakteristischen Fasern unter Einsatz einer optischen Reflexionseinrichtung im Zeitbereich nicht möglich, eine Technik einzusetzen, die Anderes als eine Standardfaser, eine spezifizierte Testwellenlänge oder einen vorgegebenen Fasereinsatzzustand verlangt.
  • Bei einem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, bei dem Licht bei einer dritten Wellenlänge in die Faser mit Licht der ersten Wellenlänge eingespeist wird, um die Zunahme der Intensität optischer Strahlung einer vierten Wellenlänge in der Faser zu hemmen, die gleich der Wellen länge ist, auf die ein Stokes'sches Spektralband erster Ordnung, das aus inelastischer Streuung optischer Strahlung der dritten Wellenlänge in der Fasers stammt, zentriert ist, kann optische Strahlung einer fünften Wellenlänge, die gleich der Wellenlänge ist, auf die ein Stokes'sches Spektralband erster Ordnung, das aus inelastischer Streuung optischer Strahlung der vierten Wellenlänge in der Faser stammt, zentriert ist, in die Faser gleichzeitig mit der optischen Strahlung der dritten Wellenlänge eingespeist werden, wodurch bewirkt wird, dass optische Strahlung der vierten Wellenlänge in optische Strahlung der fünften Wellenlänge durch stimulierte Streuung umgewandelt wird. Diese Technik erhöht die maximale Leistung, mit der Strahlung in die Faser eingespeist werden kann, bevor Probleme aufgrund stimulierter Streuung auftreten.
  • Vorzugsweise wird bei einem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung die erste Wellenlänge gemäß einer vorgegebenen Dämpfungseigenschaft der Faser so ausgewählt, dass ein durchschnittlicher Dämpfungswert, der durch Ermittlung des Durchschnitts der jeweiligen Dämpfungsverluste beider ersten Wellenlänge und bei der Wellenlänge, auf die das zuvor ausgewählte Spektralband zentriert ist, bestimmt wird, im Wesentlichen minimiert ist. Auf diese Weise kann eine Vergrößerung des Erfassungsbereichs erreicht werden.
  • Ein solches Verfahren kann unter Verwendung einer Reflexionsmessungsvorrichtung im Zeitbereich ausgeführt werden, wobei die erste Wellenlänge so ist, dass ein durchschnittlicher Dämpfungswert, der durch Ermitteln des Durchschnitts der jeweiligen Dämpfungsverluste bei der ersten Wellenlänge und derjenigen Wellenlänge, auf die das zuvor ausgewählte Spektralband zentriert ist, bestimmt wird, im Wesentlichen minimiert ist.
  • Eine Zunahme des Erfassungsbereichs kann auch bei einem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und bei ei ner Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung erreicht werden, wenn die erste Wellenlänge so ausgewählt ist, dass für eine vorgegebene Faserlänge der Wert einer Leistungsverlustvariablen für die betroffene Faser im Wesentlichen minimiert wird, welche Variable durch Subtrahieren einer zweiten wellenlängenabhängigen Funktion, welche die maximale nach vorne gerichtete Leistung angibt, die in die Faser eingespeist werden kann, so dass der Leistungsverlust aufgrund stimulierter Streuung in der Faser nicht einen vorgegebenen Wert übersteigt, von einer ersten wellenlängenabhängigen Funktion, welche den gesamten Leistungsverlust der sich nach vorne und hinten ausbreitenden optischen Strahlung entlang der vorgegebenen Faserlänge angibt, bestimmt wird, wobei beide Funktionen in logarithmischen Einheiten ausgedrückt sind.
  • Bei einem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und bei einer Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird rückgestreute optische Strahlung des ersten und zweiten Spektralbandes, die auf die erste bzw. eine zweite Wellenlänge zentriert ist, welche gleich der Wellenlänge eines Anti-Stokes-Spektralbandes ist, die aus inelastischer Streuung optischer Strahlung der ersten Wellenlänge in der Faser stammt, dazu verwendet, jeweilige erste und zweite Ausgangssignalsätze zu erzeugen, wobei nichtgleichzeitig mit optischer Strahlung der ersten Wellenlänge, optische Strahlung im Wesentlichen bei der zweiten Wellenlänge in die Faser eingespeist wird und rückgestreute optische Strahlung in einem dritten Spektralband, das auf die zweite Wellenlänge zentriert ist, dazu verwendet wird, einen dritten Satz an Ausgangssignalen zu erzeugen, und ein Endsatz an Ausgangssignalen wird in Abhängigkeit von den erfassten Werten durch Nomieren des ersten Satzes an Ausgangssignalen auf den geometrischen Mittelwert der zweiten und dritten Ausgangssignalsätze erzeugt.
  • Diese Technik vergrößert die Genauigkeit, mit der Verluste kalibriert werden können, und entfernt auch im Wesentlichen die Effekte von Änderungen der Fasereigenschaften entlang deren Länge.
  • Nun wird beispielhaft auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
  • die 1(A), 1(B), 2 und 3 (vorstehend beschrieben) Graphen sind;
  • 4(A) eine schematische Skizze ist, die eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung zeigt und 4(B) ein Graph ist, der die Variation des Transmissionskoeffizienten einer Kopplungseinrichtung, welche in 4(A) gezeigt ist, über der Wellenlänge zeigt;
  • 5(A) ein Graph ist, der die gemessene Temperaturverteilung entlang einer Faser zeigt;
  • 5(B) einen Abschnitt des Graphen von 5(A) in vergrößerter Darstellung zeigt;
  • 6 eine Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung zeigt;
  • 7 eine Vorrichtung zur Verwendung mit derjenigen von 6 zeigt;
  • 8 eine Darstellung eines rückgestreuten Anti-Stokes-Signals gegen den Abstand entlang einer Faser zeigt;
  • 9 eine modifizierte Version des in 8 gezeigten Graphen zeigt;
  • 10 eine normierte Version des in 9 gezeigten Graphen zeigt;
  • 11 ein Graph ist, der die Variation des Dämpfungskoeffizienten mit der Wellenlänge für eine typische Faser zeigt:
  • 12 ein Graph ist, der ein Brechungsindexprofil entlang dem Kern einer optischen Faser mit eingebautem Gitter zeigt;
  • Die 13(A) und 13(B) schematische Diagramme jeweiliger Verfahren zum Herstellen periodischer mechanischer Störungen in einer optischen Faser sind;
  • 14 ein Graph ist, der ein Brechungsindexprofil einer optischen Faser zeigt;
  • 15(A) eine schematische Skizze ist, die einen Teil der Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung veranschaulicht;
  • die 15(B) und 15(C) schematische Skizzen optionaler Abschnitte des Teils von 15(A) sind;
  • die 16 und 18 jeweilige Graphen zur Verwendung beim Erläutern eines Verfahrens zur Auswahl einer Testwellenlänge zeigen; und
  • die 19 und 20 jeweilige Graphen zur Verwendung beim Erläutern eines Verfahrens zum Auswählen eines Leistungsniveaus einer Testwellenlänge zeigen.
  • Die Vorrichtung von 4(A) ist zum Ausführen eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung geeignet und umfasst eine optische Quelle 1, welche für das Einspeisen von Pulsen optischer Strahlung bei einer ersten Wellenlänge λ0 in ein Ende A gegen das zweite Ende B einer beliebigen aus einer Anzahl an ausgewählten Sensorfasern 2 angeordnet ist, welche in einem interessierendem Bereich eingesetzt ist, über einen ersten Richtkoppler 4a und eine geeignete Einspeisungsoptik 3.
  • Ein Anteil der eingespeisten Strahlung wird entlang der Faser rückgestreut und wird gegen das Einspeisungsende A rückgeführt. Typischerweise umfasst das rückgestreute Anti-Stokes-Wellenlängensignal für Pulse von 80 ns und 1 Watt bei einer Wellenlänge von 1550 nm, die in eine Einzelmodenfaser mit einer numerischen Apertur von 0,11 eingespeist werden, eine Leistung von etwa 600 pW. Das rückgestreute Licht wird über einen zweiten Richtkoppler 4b zu optischen Filter- und Detektionsmitteln 6 geleitet. In dieser Ausführungsform wird optische Strahlung in zwei zuvor ausgewählten Spektralbändern, von denen eines dasjenige bei λ0 aufgrund von Rayleigh-Streuung ist, und das andere, bei λ–1, das Anti-Stokes-Raman-Band erster Ordnung ist, gemessen. Dementsprechend umfassen die optischen Filter- und Detektionsmittel 6 geeigneterweise zwei Filter 5a, 5b und zwei Detektoren 7a, 7b, welche für jeweilige Wellenlängen λ–1, λ0 ausgelegt sind. Anstelle zweier separater Filter 5a; 5b kann eine bewegliche Filteranorndung vorhanden sein, jedoch kann die gewünschte Filterung auch unter Verwendung einer oder mehrerer beliebiger Vorrichtungen erreicht werden, welche selektiv Licht in einem oder mehreren zuvor ausgewählten Spektralbändern reflektiert, absorbiert, streut, ablenkt, polarisiert oder auf andere Art leitet, einschließlich eines kleinen Anteils (1 bis 20%) der rückgestreuten Rayleigh-Strahlung, jedoch nicht den Rest des Spektrums. Darüber hinaus kann bzw. können die Filtervorrichtung(en) mit den Kopplern 4a, 4b kombiniert werden.
  • Obwohl die Verwendung der Rayleigh- und Anti-Stokes-Raman-Spektralbänder bevorzugt wird, kann jedes geeignete Spektralband verwendet werden, mit Ausnahme derjenigen, bei einer zweiten Wellenlänge λ+1, die gleich der längeren der beiden Wellenlängen der optischen Strahlung ist, welche aus inelastischer Streuung. (Raman- und/oder Brillouin-Streuung) in der Faser von Licht einer Wellenlänge λ0 resultiert. Demgemäß kann das System, da Messungen nicht auf der Basis optischer Strahlung bei λ+1 erfolgen, so konstruiert werden, dass ein hoher Verlust bei λ+1 auftritt, wodurch die Intensität von Licht bei dieser Wellenlänge in der Faser reduziert wird und der Eintritt stimulierter Streuung verzögert wird. Zusätzlich ist der Wellenlängenbereich, über dem die Faser einen geringen Verlust aufweisen muss, enger. In dieser Hinsicht ist für λ0 zwischen 1550 und 1650 nm die Trennung zwischen den jeweiligen Wellenlängen λ0, λ–1, λ+1 in der Größenordnung von 100 nm. Der Faserverlust ist über diesen Wellenlängenbereich oder über den Intensitätsbereich der Signale nicht einheitlich, und die gesamten Systemverluste sind somit höher als in dem Fall, dass näher am Zentrum des Transmissionsfensters gearbeitet wird. Über mehrere zig Ki lometer hinweg können selbst geringe Differenzen (bspw. 0,1 dB/km) wesentliche Effekte auf die Leistung des Systems ausüben.
  • Die Verwendung eines gestreuten Rayleigh-Signals als Bezug anstelle des Stokes-Signals ist auch insofern vorteilhaft, als es ein viel stärkeres Signal ist. Somit kann die Messzeit, die zum Erfassen des Bezugs erforderlicht ist, verringert werden, und die Empfindlichkeit des Verhältnisses von Anti-Stokes- zu Rayleigh-Signalen wird erhöht. Darüber hinaus können Refexionen von Verbindungselementen, welche auch eine starke Rayleigh-Rückstreuung aufweisen, durch die Konstruktion des Vorverstärkers behandelt werden, indem die Empfindlichkeit (Rauschleistung) für einen größeren dynamischen Bereich geopfert wird.
  • Die Richtkoppler 4a, 4b können alle optische dichroische Strahlspaltfasern sein, (auch als Wellenlängen-Teilungsmultiplexer bekannt), welche die nach vorne und hinten laufenden Wellen und die Wellenlängen vorgegebener Werte trennen, oder Vorrichtungen, welche einem ähnlichen Zweck dienen und aus komplexer Optik, integrierter Optik oder einer Mischung aus komplexer Optik und Faseroptik ausgebildet sind.
  • Vorzugsweise können zusammen mit einer Einzelmodenfaser 2, wie in 4(A) gezeigt, jeweilige Koppler 4a, 4b mit verschmolzenen Verjüngungen eingesetzt werden. Die Transmissionseigenschaft des ersten Richtkopplers 4a ist in 4(B) gezeigt. Der Kopplungskoeffizient dieser Vorrichtung 4a kann so ausgelegt sein, dass er im interessierenden Wellenlängenbereich sinusförmig mit der Wellenlänge variiert, um einen hohen Bruchteil des über den Eingang 4 eintretenden Lichts zum Eingang 2 zu übertragen, vorausgesetzt, dass dieses Licht bei einer Testwellenlänge λ0 (oder bei höheren Wellenlängen gerader Ordnung λ±2, ...) liegt,. einen kleinen, aber endlichen Anteil (1 bis 20%) des Rücksignals bei λ0 zwischen den Eingängen 2 und 1 und einen ho hen Anteil des Lichts bei der Wellenlänge λ–1, der über den Eingang 2 eintritt, zum Eingang 1.
  • Somit sollte in der Praxis λ0 vom Eingang 4 nach 2 mit einem minimalen Verlust laufen, und λ–1 sollte vom Eingang 2 nach 1 mit einem minimalen Verlust laufen. Dies ist möglich, da die Wellenlängen verschieden sind. Da λ0 auch vom Eingang 2 nach 1 laufen sollte, sollten einige Begrenzungen für die Übertragung bei derselben Wellenlänge von Eingang 4 nach 2 auferlegt werden. In der Praxis jedoch kann das Problem gelöst werden, indem die Effektivität der Übertragung für die Rayleigh-Streuung geopfert wird, (d. h. von 2 nach 1 bei λ0), da die Rayleigh-Streuung sehr viel intensiver ist als die Raman-Streuung.
  • Die Übertragungseigenschaft des zweiten Richtkopplers 4b ist so, dass ein hoher Bruchteil des Lichts bei λ–1, das durch den Eingang 3 eintritt, zum Eingang 4 übertragen wird, und ein hoher Bruchteil des Lichts bei λ0, das am Eingang 3 eintritt, wird zum Eingang 1 übertragen; aber wenig Licht bei λ–1 wird vom Eingang 3 zum Eingang 1 übertragen und wenig Licht bei λ–0 wird vom Eingang 3 zum Eingang 4 übertragen.
  • Auf die Detektoren 7a, 7b folgen jeweilige rauscharme Vorverstärker 8 (8a und 8b)(und gegebenenfalls weitere Stufen der Verstärkung und elektrischen Filterungen, nicht gezeigt). Die so erzeugten elektrischen Signale werden durch einen Prozessor 9 in digitale Signale umgewandelt und verarbeitet, welcher Prozessor daraus einen Satz an Messwerten erzeugt, in dieser Ausführungsform basierend auf dem Verhältnis der Anti-Stokes und Rayleigh-Signale, welche für eine Verteilung entlang der Faser 2 von einem Ende A zu ihrem anderen Ende B repräsentativ ist. Die 5(A) und 5(B) zeigen eine solche Temperaturverteilung, wenn die Messungen kalibriert und für nicht temperaturabhängige Variationen der Dämpfung eingestellt sind. Dieses Verfahren wird vorzugsweise wiederholt, und es wird über viele rückgeleitete Impulse gemittelt, um die Temperaturverteilung entlang der Faser ausreichend genau zu berechnen. Der Prozessor 9 kann bspw. auch die Quelle 1 steuern, die ausgewählte Faser 2 oder den Filter 5. Idealerweise werden für jeden Laserpuls Proben aus jedem auflösbaren Punkt entlang der Faser genommen. D. h., die ganze Faser wird quasi gleichzeitig vermessen. Dies ist weniger zeitintensiv als die Alternative des Probenehmens bei einem einzigen Punkt in der Faser, bis ein adäquates Signal-/Rauschverhältnis erreicht wird,.und das anschließende Bewegen des Probenpunktes entlang der Faser. Die Ergebnisse können weiter verbessert werden, indem die Messung von jedem Ende der Faser aus durchgeführt wird, um Variationen des Signals, die durch Temperaturfluktuationen hervorgerufen werden, von demjenigen aufgrund von Faserverlusten zu trennen, und aus diesem Grund sind einige der Fasern 2, die in 4(A) gezeigt sind, mit sich selbst rückgeschlossen (dies muss aber offensichtlich nicht so sein). Durch Errechnen des geometrischen Mittelwertes der rückgestreuten Signale, die von beiden Enden der Fasern gemessen werden und von einem speziellen Ort zurückkehren, können die Effekte von Ausbreitungsverlusten eliminiert werden, wobei nur die Effekte von Veränderungen der Rückstreuung des eingespeisten Signals beibehalten werden, d. h. die Veränderungen der numerischen Apertur oder des Streukoeffizienten im interessierenden Spektralband.
  • Ein bevorzugtes Verfahren des Bestimmens der Effekte der Ausbreitungsverluste in der Faser und des Reduzierens derselben bei den Ergebnissen, während auch für den erfassten Messwert relevante Daten gesammelt werden, besteht darin, zwei Sätze an Messwerten zu erstellen, einen bei der Testwellenlänge λ0, wobei die Spektralbänder bei λ0 und λ–1 gemessen werden, und der andere bei der Wellenlänge λ–1, wobei das Spektralband bei λ–1 gemessen wird.
  • Insbesondere wird das Erfassen (bspw. der Temperatur) ausgeführt, indem Licht bei der Wellenlänge λ0 eingespeist wird und die entsprechende Anti-Stokes-Strahlung bei der Wellenlänge λ–1 detektiert wird. Um die Faser zum Zeitpunkt der Messung zu kennzeichnen, werden zwei weitere Messungen bei den relevanten Wellenlängen ausgeführt, namentlich λ0 und λ–1'. Die Wellenlänge λ–1' fällt mit der Anti-Stokes-Wellenlänge von λ–1 zusammen, wird jedoch als λ–1' gekennzeichnet, um es zu ermöglichen, dass Verarbeitungskorrekturen ausgeführt werden, wenn Fehler im Auswahlverfahren für die Wellenlänge auftreten. In den meisten in der Praxisauftretenden Fällen sind diese Fehler jedoch vernachlässigbar. Die erste dieser Messungen kann erhalten werden, indem auch die Rayleigh-Streuung gemessen wird, wenn Licht bei λ0 in die Faser für die Sensormessung (entweder gleichzeitig oder nacheinander) eingespeist wird, und im zweiten Fall durch Einspeisen mit der Wellenlänge λ–1' und Messen der Rayleigh-Streuung.
  • Diese beiden Messungen bei λ0 und λ–1' kalibrieren nicht nur die lokalen Verluste so genau wie möglich, sondern entfernen auch den Effekt der Veränderungen von Fasereigenschaften (bspw. numerische Apertur oder Kerndurchmesser) entlang der Faser in beträchtlichem Maße. Die Empfindlichkeit für diese Effekte wird um einen Faktor von etwa 20 verringert, hauptsächlich weil sie alle drei Messungen auf ähnliche Weise beeinflussen. Bspw. führt eine Zunahme der numerischen Apertur in der Faser entlang deren Länge (bspw. aufgrund von Herstellungstoleranzen) zu einer Zunahme der Effizienz des Einfangs des gestreuten Lichts, d. h. zu einer Zunahme des rückgestreuten Signals, was als eine Zunahme der Temperatur interpretiert würde, wenn nur der Streuprozess von λ0 nach λ–1 betrachtet würde. Um die erfassten Parameter zu berechnen, kann eine Wellenform verwendet werden, die durch Normieren der Streumessung von λ0 nach λ–1 auf den geometrischen Mittelwert der beiden Bezugsmessungen, namentlich der Rückstreumessungen von λ0 nach λ0 und λ–1' nach λ–1',, erhalten wird. Diese erfahren nahezu identische Störungen durch Veränderungen der Fasereigenschaften und eliminieren somit diese Fehlerart weitgehend. Wenn bspw. an einem Punkt entlang der Faser die numerische Apertur um 10% variieren sollte, würde dies ohne Normierung zu einer Veränderung des Grades an Rückstreuung von 22% führen, was wiederum (bei der Erfassung der Temperatur) zu einem Fehler von etwa 28°C führen würde. Wenn jedoch das vorgeschlagene Signalverarbeitungsverfahren eingesetzt wird, wird ein solcher Fehler auf weniger als 1°C reduziert.
  • Obwohl zwei getrennte Quellen dazu verwendet werden können, Licht der Wellenlängen λ0 bzw. λ–1' bereitzustellen, ist es günstig, eine einzelne Laserquelle bei λ–1' zu verwenden und λ0 durch stimulierte Umwandlung in einer mit der Qeulle verbundenen Faser zu erzeugen, wie in 6 gezeigt.
  • Bei der Anordnung von 6 wird Licht bei der Wellenlänge λ–1', das von einer Quelle 1 erzeugt wird, in den Eingang 1 eines ersten Kopplers D eingespeist, der dafür ausgelegt ist, einen kleinen Anteil (etwa 10%) des Lichts bei λ–1' zu seinem Eingang 2 zu übertragen, mit dem ein Ende einer Verzögerungsleitung 21 verbunden ist, und der Rest des Lichts (etwa 90%) wird zu seinem Eingang 3 übertragen, welcher mit einem Ende. einer Länge einer Faser 22 verbunden ist, welche eine hohe Raman-Verstärkung aufweist. Die Faser 22 mit der Raman-Verschiebung wandelt den Großteil des Lichts bei λ–1' in die erste Raman-Stokes-Wellenlänge um, d. h. zu Licht bei λ0, und zwar durch stimulierte Raman-Streuung, jedoch keinen signifikanten Anteil in die zweite Raman-Stokes-Wellenlänge. Das andere Ende der Faser 22 mit Raman-Verschiebung ist mit einem Bandpassfilter 52 verbunden, der dafür ausgelegt ist, Licht bei λ0 auszugeben.
  • Es wäre möglich, den gesamten Laserausgang bei λ–1' in die Faser 22 mit Raman-Verschiebung einzuspeisen und die λ–1'- und λ0-Ausgänge anschließend auszusortieren (wobei beide erforderlich sind). Dies ist jedoch etwas weniger wünschenswert, da die bei λ–1' verbleibende Leistung wahrscheinlich sehr viel instabiler ist als die ursprüngliche Leistung, was zu praktischen Schwierigkeiten beim Aufstellen und Betätigen des Instruments führt.
  • Die erforderliche Länge der Faser 22 mit Raman-Verschiebung kann gering sein, insbesondere, wenn eine die Polarisation beibehaltende Faser mit einer sehr großen Differenz der Brechungsindizes verwendet wird. Bei einer im Handel erhältlichen, die Polarisation beibehaltenden (stark doppelbrechenden) Einzelmodenfaser (bspw. HB1550 von Fibercore Ltd, Chandler's Ford, UK) mit einer numerischen Apertur von 0,15 ist eine eingespeiste Leistung von etwa 100 Watt bei λ–1' = 1530 nm ausreichend, um eine effiziente Umwandlung in die ersten Stokes-Wellenlänge, λ0 = 1640 nm, in einer Faserlänge von etwa 130 m zu erhalten. Bei Einsatz einer Standard-Einzelmodenfaser, die für gewöhnlich weit preisgünstiger ist, wären typischerweise 50 Watt-Pulse erforderlich, um eine hohe Umwandlungseffizienz in 800 m Faser zu erhalten, oder 100 Watt bei einer 400 m-Faser.
  • Aus Gründen, welche später beschrieben werden, beträgt der Optimalwert der Wellenlänge λ0 für einen Bereich von etwa 30 km etwa 1640 bis 1650 nm. Dies fällt mit der ersten Raman-Stokes-Wellenlänge eines mit Erbium dotierten Faserlasers zusammen (mit Erbium dotierte Fasern haben Spitzenverstärkungen bei etwa 1530 bis 1540 nm), so dass ein mit Erbium dotierter gütegeschalteter Faserlaser, welcher bei 1537 nm arbeitet, was zu einem λ0 von 1648 nm führt, besonders geeignet als Quelle für diesen Bereich wäre.
  • Eine bevorzugte Art des Erzeugens von λ0 aus λ–1' ist in 7 gezeigt. Wie in 6, wird Licht bei λ–1' durch den ersten Koppler D in zwei Komponenten aufgespalten, wobei ein kleiner Anteil (etwa 10%) des Lichts vom Eingang 1 zum Eingang 3 verläuft, welcher mit einer optischen Verzöge rungsleitung 21 und einem optionalen Bandpassfilter 51 verbunden ist, welcher dafür ausgelegt ist, Licht bei λ–1' auszugeben. Der Rest (etwa 90%) wird vom Eingang 1 zum Eingang 2 übertragen. Der Eingang 2 ist mit einem Ende der Faser 22 zur Wellenlängenverschiebung verbunden, deren anderes Ende reflektierend ist, so dass Licht bei λ–1' effektiv durch das Zweifache der Länge der Faser 22 gestreut wird, wobei es hierdurch in die Wellenlänge λ0 umgewandelt wird. Dies ermöglicht es, dass die Länge der Faser 22 zur Wellenlängenverschiebung halbiert wird. Des Weiteren ist diese Anordnung für den Fall geeignet, in dem die Anti-Stokes-Brillouin-Linie gemessen werden soll, da Brillouin-Streuung im Wesentlichen ein rückwärts gerichteter Prozess ist, in welchem Fall das andere Ende der Faser 22 nicht reflektiv sein muss. Der Koppler D ist dafür ausgelegt, Licht bei λ0 vom Eingang 2 zum Eingang 4 zu übertragen, welcher mit einem Bandpassfilter 52 verbunden ist, der dafür ausgelegt ist, Licht bei λ0 durchzulassen.
  • Es ist ersichtlich, dass die Aufgaben des Einspeisens und Sammelns der verschiedenen Wellenlängen schwierig zu lösen sind, wenn tatsächlich eine einfach getriggerte Quelle verwendet wird, d. h. eine, bei der die verschiedenen Wellenlängen durch dieselbe Quelle erzeugt werden und nicht unabhängig voneinander ein- und ausgeschaltet werden können. Solche Schwierigkeiten können nur durch eine Art des Schaltens gelöst werden.
  • Das Schalten kann am Ausgang der Quelle 1 erfolgen, mittels eines regelbaren Filters (bspw. mechanisch unter Einsatz eines Filterrades, Fabry-Perot-Etalons oder einer Monochromatoranordnung oder unter Einsatz einer Vielzahl von Mitteln zum elektrischen Einstellen der Transmission, bpsw. Akusto-Optiken, Elektro-Optiken, Flüssigkristallzellen usw.). Alternativ dazu kann das Schalten durch Abtrennen der optischen Signale in verschiedene Pfade erfolgen und , durch Ein- und Ausschalten derselben unter Einsatz von Elektro-Optiken, Akusto-Optiken oder sogar mechanischer Schalter.
  • Obwohl die Schaltung integrierte Optiken umfassen kann, besteht sie vorzugsweise aus einer mechanischen Faser-zu-Faser-Schaltung, da diese niedrige Verluste aufweist, relativ preiswert und verfügbar ist. Eine solche Anorndung, welche relativ leicht zu implementieren ist, ist eine Schleife mit einem Eingangs-Auswahlschalter 10, wie in 6 gezeigt. In diesem Fall ist es notwendig, sich darauf zu verlassen, dass die Kreuzkopplung des Schalters sehr niedrig ist (so dass zu einem Zeitpunkt nur eine einzelne Faser angesprochen wird), und auch auf die sehr niedrige Wahrscheinlichkeit, dass eine ausgerichtete Position für eine Eingangsfaser dazu führt, dass die zweite Eingangsfaser ebenfalls Licht in eine andere Faser des Ausgangsbündels einspeist.
  • Bei der in 6 gezeigten Anordnung ist ein Netzwerk aus Faserkopplern A, B, C und D mit verschmolzenen Verjüngungen eingesetzt. Der Eingang 1 des Kopplers A ist mit dem Bandpassfilter 52 verbunden, welcher λ0 durchlässt, der Eingang 2 desselben ist mit dem Schalter 10 und der Eingang 4 desselben ist mit dem Eingang 2 des Kopplers B verbunden. Der Eingang 1 des Kopplers B ist mit einem kombinierten Filter 5b und Detektor 7b zum Empfangen von Licht bei λ0 verbunden, der Eingang 4 desselben ist mit einem anderen kombinierten Filter 5a und Detektor 7a zum Empfangen von Licht bei λ–1' verbunden, und der Eingang 3 desselben ist mit dem Eingang 1 des Kopplers C verbunden. Der Eingang 2 des Kopplers C ist mit dem Schalter 10 verbunden und der Eingang 4 ist mit der Verzögerungsleitung 21 verbunden. Die Übertragungseigenschaften der Koppler A, B, C und D sind wünschenswert, jedoch nicht notwendig, wie in der folgenden Tabelle gezeigt ist:
    Figure 00240001
  • Es ist wichtig zu gewährleisten, dass der Pfad von der Sensorfaser 2 durch die Koppler A bis B zu dem Detektor 7a für λ–1 den geringsmöglichen Verlust aufweist. Es wurden einige Kompromisse eingegangen, um es zu ermöglichen, dass eine nominelle Transmission von 10% vom Eingang 3 nach 4 des Kopplers B stattfindet, um die Rayleigh-Rückstreuung, wenn Licht bei λ–1 in die Faser 2 eingespeist wird, den λ–1-Detektor 7a erreichen zu lassen. Die für die Kopplertransmissionen gegebenen Werte gelten nur andeutungsweise (100% bedeutet "so hoch wie möglich", 0% "so niedrig wie möglich", 90% "nicht ganz vollständige Transmision" und 10% "eine geringe, aber endliche Transmission"). In 6 sind jegliche nichtbenütze Kopplereingänge für Niedrigreflexion abgeschlossen. Sie können für die Leistungsüberwachung eingesetzt werden.
  • Obwohl die mit Bezug auf die 6 und 7 beschriebenen Anordnungen ganz auf Kopplern mit verschmolzenen Verjüngungen basieren, welche aufgrund der niedrigen Verluste, die mit solchen Kopplern erzielt werden können, bevorzugt werden, können dieselben Funktionen natürlich bei komplexen Optiken (oder sogar bei integrierten Optiken) erzielt werden.
  • Alternativ dazu können getrennte Quellen dazu verwendet werden, Pulse bei λ0 und λ–1 zu erzeugen, in welchen Fällen die Objekte 21, 22 und 52 und der Koppler D entfernt würden und die bei λ–1 emittierende Quelle direkt mit dem Eingang 4 des Kopplers C verbunden würde, und die bei λ0 emittierende Quelle würde mit dem Eingang 1 des Kopplers A verbunden.
  • Obwohl anzumerken ist, dass die tatsächlich erhaltenen Werte offensichtlich in Abhängigkeit von der eingesetzten Sensorfaser und den Bedingungen unter denen die Messungen erfolgen, variieren, veranschaulichen die 8, 9 und 10 beispielhaft die Ergebnisse, die unter Verwendung des vorstehend erwähnten Signalverarbeitungsverfahrens mit einer Anordnung erhalten werden, welche eine Einfachmodenfaser mit Stufenindex und ohne Dispersionsverschiebung umfasst, welche einen Brechungsindex des Kerns von 1,45 aufweist, eine numerische Apertur von 0,123 bei Abständen unterhalb von 22,5 km und 0,135 oberhalb jenes Abstands, eine Grenzwellenlänge von 1,33 μm und einen nominellen Kernradius von 4,15 μm (aber um 10% gegenüber demjenigen Wert zwischen 15 km und 18 km und jenseits von 36 km angehoben), wenn λ0 1,648 μm beträgt, die Raman-Verschiebung 440 cm–1 ist und der Fehler zwischen λ–1, und λ–1 als vernachlässigbar angenommen wird. 8 zeigt die Variation in dem rückgestreuten Anti-Stokes-Signal (normiert auf eins bei null Kilometer) mit dem Abstand in dieser Faser, wobei für die Ausbreitungsverluste keine Toleranz gegeben wird. Auf dieser logarhitmischen Darstellung können die Abweichungen von einer geraden Linie den vorstehend erwähnten Diskontinuitäten in den Eigenschaften der Faser und der Temperaturzunahme in einem einzelnen Faserabschnitt zwischen 45 km und 47 km zugeordnet werden. 9 zeigt das Signal mit dem Effekt, dass Ausbreitungsverluste entfernt sind. Jedoch ruft die Variation in dem Rückstreuungs-Einfangsteil der Faser noch eine Störung hervor. Wenn das rückgestreute Anti-Stokes-Signal Punkt für Punkt durch den geometrischen Mittelwert der beiden Rayleigh-Streumessungen bei λ0 und λ–1 dividiert wird, wird der in 10 gezeigte Graph erhalten.
  • Die Kurve von 10, welche die Funktion ist, welche die unter Einsatz der vorgeschlagenen Form der Signalverarbeitung gewonnenen Temperaturinformation enthält, zeigt den vorweggenommenen Fehler, der durch Änderungen im Faserkerndurchmesser (10%ige Änderung bei 15 bis 17 km), der numerischen Apertur der Faser (10%ige Veränderung bei 22,5 km) und dem kombinierten Effekt der erhöhten numerischen Apertur und des erhöhten Kerndurchmessers jenseits von 36 km hervorgerufen wird. Um ein Gefühl für den Maßstab zu bekommen, zeigt das Merkmal zwischen 45 km und 47 km den Effekt einer lokalisierten Temperaturzunahme von 10°C. Wie ersichtlich ist, führen die Veränderungen des Kerndurchmessers und der numerischen Apertur zu einem Messfehler von etwas über 1°C.
  • Die nach dem Stand der Technik für die Kalibrierung der Faser in Bezug auf eine Variation der Dämpfungs aufgrund von Faktoren, die unabhängig vom zu messenden physikalischen Parameter sind, bspw. der Streukoeffizient oder der Einfangsbruchteil der Faser, und zur Verbesserung der räumlichen Auflösung entlang der Faser, können in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt werden.
  • Die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Fasern 2 können Mehrfachmodenfasern, Einfachmodenfasern oder Fasern mit einfacher Polarisation sein, je nach spezieller Anwendung. Falls nichts anderes erwähnt ist, wird bei den beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung eine Faser eingesetzt, welche einen geringen Verlust aufweist, deren Dispersion kompensiert ist und die ein Minimum des linearen Dämpfungskoeffizienten bei 1550 nm aufweist. Der Dämpfungskoeffizient für eine solche Faserart ist in 11 gezeigt.
  • Für eine maximale Dispersionskompensation ist die Faser vorzugsweise eine Einzelmodenfaser. Obwohl nicht immer die bestmögliche Güte erhalten wird, weisen Messungen auf Einzelmodenfasern auch den Vorteil auf, dass eine vergleichsweise preiswerte Faser verwendet wird und, was wichtiger ist, sind sie häufig Fasern, die bereits entlang der zu überwachenden Struktur installiert sind, bspw. Energieversorgungskabel.
  • Eine Quelle 1, die zur Verwendung mit einer solchen Faser 2 geeignet ist, erzeugt Pulse einer optischen Strahlung mit einer typischen Halbwertsimpulsbreite von 40 bis 80 ns bei einer ausgewählten Wellenlänge und einer Spitzenleistung, welche zwischen etwa 1 Watt und vielen zig Watt variieren kann. Die Quelle ist vorzugsweise, jedoch nicht zwingend, ein amplitudenmodulierter Halbleiterlaser, dessen Ausgang durch einen mit Erbium dotierten Faserverstärker verstärkt wird, bevor er in die Sensorfaser eingespeist wird. Diese Quelle hat den Vorteil, dass sie von vielen Herstellern für Telekommunikationsausrüstung erhältlich ist und sie es darüber hinaus ermöglicht, die durchschnittliche in die Faser eingespeiste Leistung zu erhöhen, indem Pulskompressions-Codierungsschemen eingesetzt werden. Solche Schemen sind relativ einfach zu implementieren aufgrund der Einfachheit der Modulation des Halbleiterlesers durch die Variation seines Ruhestroms.
  • Alternativ dazu kann die Quelle 1 ein durch Dioden gepumpter Festkörperlaser sein, insbesondere ein Er-dotierter Faserlaser mit Güteschaltung, dessen Ausgangs-Spektralbreite vorzugsweise unterhalb von 20 nm liegt, wobei die Halbwertsbreite der Leistung durch Variieren der Länge der Faser in seinem Hohlraum gesteuert werden kann. Ein solcher Laser mit Güterschaltung, welcher preiswerter ist als die zuvor erwähnte Quelle, kann bei 980, 1480 oder 810 nm unter Einsatz eines Halbleiterlasers gepumpt werden, oder bei 514 nm unter Einsatz anderer Laser, wie bspw. eines Ti-Safirla sers, bestimmter Farbstofflaser und dergleichen. Halbleiterlaser sind wahrscheinlich die vorteilhafteste Pumpquelle, da sie potentiell preisgünstig, energieeffizient und kompakt sind.
  • Eine andere Alternative für die Quelle 1 ist ein Er-Glaslaser mit massiver Optik.
  • Die Kontrolle der Pulsbreite der eingesetzten Quelle muss so erfolgen, dass für spezielle Faserarten die eingespeiste Energie maximiert wird, indem ihre Spitzenleistung und/oder ihre Dauer erhöht wird, da dies die Temperaturauflösung der Vorrichtung bestimmt, während eine minimale Ortsauflösung beibehalten wird, die mit zunehmender Pulsdauer verschlechtert wird.
  • Um einen hohen Verlust bei λ+1' bei gleichzeitigem geringen Verlust der Faser bei den interessierenden Wellenlängen zu erreichen, können eine oder mehrere der folgenden Techniken eingesetzt werden (obwohl anzumerken ist, dass andere geeignete Techniken, die nachstehend nicht beschrieben sind, eingesetzt werden können). Die Techniken werden für den Fall beschrieben, dass die Messungen auf dem Rayleigh-gestreuten Signal bei λ0 und dem Anti-Stokes-Raman-Signal bei λ–1 basieren sollen, können jedoch leicht an Situationen angepasst werden, in denen andere Spektralbänder verwendet werden sollten (falls notwendig).
  • Eine größere Dämpfung bei der Stokes-Wellenlänge λ+1 kann erreicht werden, indem λ0 so ausgewählt wird, dass λ0 und λ–1 etwa symmetrisch um ein Transmissionsfenster liegen, d. h. auf jeder Seite eines lokalen Dämpfungsminimums.
  • Jedoch kann λ0 so ausgewählt werden, dass λ+1 mit einem lokalen Absorbtionsmaximum zusammenfällt (oder im Wesentlichen auf der Kante kürzerer Wellenlänge eines solchen Maximums liegt), bspw. aufgrund des Infrarot-Absorptionsbandes oder der Infrarot-Absorptionsbänder, die durch die natürlich auftretenden oder dotierten Verunreinigungen in der Faser hervorgerufen werden. Vorzugsweise ist die Kante mit längerer Wellenlänge des Transmissionsbandes bei 1550 nm das IR-Absorptionsband (siehe 11), und λ0 kann so ausgewählt werden, dass der Verlust bei λ+1 mindestens drei mal so hoch ist wie in dem Fall, dass λ0 und λ–1 symmetrisch um das Zentrum des Transmissionsfensters liegen, was zu einer merklichen Zunahme des einsetzbaren Leistungsniveaus führt. Lokale Absorptionsmaxima treten in Fasern aufgrund natürlich auftretender Verunreinigungen auf, wie bspw. Hydroxidionen oder Wasserstoffgas. Das lokale Absorptionsmaximum für Hydroxidionen liegt bei 1390 nm, so dass vorzugsweise ein λ0 von etwa 1310 nm eingesetzt werden kann (oder 1320 nm bei Verwendung einer Nd-YAG-Quelle). Wenn es möglich ist, eine spezielle Faser einzusetzen, kann diese dotiert sein, bspw. mit Ionen eines seltenen Erbmetalls, um ein lokales Dämpfungsmaximum bei λ+1 zu schaffen. Auf ähnliche Weise können auch die lokalen Absorptionsmaxima verwendet werden, die durch bereits in der Faser vorhandene Dotierungen hervorgerufen werden.
  • Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine spezielle Faser mit eingebauten Gittern bereitzustellen, die bspw. durch Erzeugung von Farbzentren unter UV-Beleuchtung ausgebildet werden. Diese eingebauten Gitter können erzeugt werden, indem das Brechungsindexprofil des Kerns der Faser moduliert wird, wie in 12 gezeigt. Die Tiefe dm dieser Modulation kann typischerweise 3 × 10–4 oder weniger betragen. Solche Gitter reflektieren auf stark wellenlängenabhängige Weise und können entweder kontinuierlich oder in Intervahlen über die Faser hinweg eingebaut werden, um den Aufbau von Leistung bei λ+1 zu verhindern.
  • Alternativ dazu kann es möglich sein, es so einzurichten, dass λ+1 wesentlich höhere Verluste aufgrund von Biegung aufweist als λ0 oder λ–1. Dies kann erfolgen, ohne dass Stö rungen in der Faser hervorgerufen werden, indem λ0 so lang wie möglich in Bezug auf die kritische Wellenlänge der Faser gewählt wird. In der Praxis erleidet eine gegebene Faser einen zunehmenden Biegeverlust, wenn die Wellenlänge vom Zentrum des Transmissionsfensters aus anwächst. Falls möglich, können Biegungen auf überlegte Weise in die Faser induziert werden, entweder entlang ihrer gesamten Länge durch eine Art von Struktur im Kabel, bpsw. durch eine schraubenförmige Anordnung, eine Ringwellung innerhalb des Kabels oder eine zufällige Rauhigkeit, oder in Intervallen entlang der Faser, bspw. durch Anlegen einer periodischen mechanischen Störung, wie in den 13(A) und 13(B) gezeigt. In jedem Fall werden die Biegungen bezüglich ihrer Amplitude, ihres Krümmungsradius und ihrer Periodizität ausgewählt, um den Verlust bei λ+1 zu erhöhen, während sie auf die anderen interessierenden Wellenlängen nur einen minimalen Effekt haben.
  • Ein Verfahren zum Anlegen einer periodischen mechanischen Störung an eine Faser ist in 13(A) gezeigt. Unter Einsatz dieses Verfahrens kann eine typisch installierte Einzelmodenfaser, bei der eine kurze Länge, bspw. einige dutzend Meter, in eine Schleife eines sorgfältig ausgewählten Durchmessers dl gebogen wurde und die in einer Schutzhülle aufgenommen ist, einen Verlust von etwa 10 dB bei λ+1 aufweisen, wobei der Verlust bei λ0 um nur 0, 1 dB erhöht ist.
  • Ein anderes Verfahren des Anlegens einer solchen Störung an eine Faser ist in 13(B) gezeigt. Die Amplitude d2 und die Periode s sind so gewählt, dass die Dämpfung bei λ+1 maximiert wird, während die Dämpfung bei λ0 und λ–1 minimiert wird.
  • Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Wellenleiterstruktur der Faser so zu konstruieren, dass der Verlust bei λ+1 erhöht wird, während die Dämpfung bei λ0 und λ–1 mini miert wird, bspw. durch Einsatz einer Faser mit einem Brechungsindexprofil, wie es in 14 gezeigt ist. Typischerweise ist das Verhältnis zwischen dem Kernradius (a) und dem inneren Mantelradius (a') wie folgt: 1,2a < a' < 3a.
  • Die Brechungsindizes des Kerns, des inneren Mantels und des äußeren Mantels sind durch n1, n'1 und n2 dargestellt und haben zueinander typischerweise das folgende Verhältnis: 5(n1 – n2) > n2 – n'1 > 0,2(n1 – n2).
  • Eine weitere Technik zum Induzieren hoher Verluste bei λ+1 besteht darin, ein "Schutz"-Signal bei eine Wellenlänge λ+2 einzuspeisen, wobei λ+2 = λ+1 + einer Wellenlängenverschiebung aufgrund eines inelastischen Streuprozesses, gleichzeitig mit einem Signal bei λ0. Auf diese Weise wird, sobald Licht bei λ+1 durch spontane Emission erzeugt wird, dieses durch stimulierte Streuung in Licht bei λ+2 umgewandelt, wodurch die Entstehung von Licht bei λ+1 verhindert wird und somit das Auftreten von Problemen aufgrund stimulierter Streuung von Licht bei λ0 verzögert wird.
  • Diese Technik wird weiter mit Bezug auf 15(A) erläutert, welche ein Mittel 12 zur Erzeugung eines Schutzsignals zeigt, welche ein Schutzsignal bei λ+2 erzeugt, der Raman-Stokes-Wellenlänge zweiter Ordnung. Das Mittel 12 zur Erzeugung des Schutzsignals ist vorzugsweise zwischen der Quelle 1 und dem ersten Richtkoppler 4a in der Vorrichtung von 4(A) angeordnet, so dass optische Strahlung gleichzeitig bei den beiden Wellenlängen λ0 und λ+2 in den Koppler 4a eingespeist wird.
  • Das Quellensignal λ0, das in 15(A) in das Mittel 12 zur Erzeugung des Schutzsignals eintritt, wird in zwei Komponenten 121, 122 aufgespaltet, entweder durch einen Signalspalter 123, bspw. einen aus massiver Optik oder einen Vollfaser-Richtkoppler, wie bpsw. einen Koppler mit verschmolzener Verjüngung oder einen polierten Koppler. Die Komponenten 121, 122, treten dann durch jeweiligen Längen von Faserschlingen 21, 22, von denen eine eine Faser 22 mit verbesserten Raman-Streueigenschaften umfasst, und die andere 21 als Verzögerungsleitung mit niedriger Raman-Verstärkung wirkt. Die Raman-Streueigenschaften der Faser 22 können auf vielerlei Art erhöht werden. Bspw. kann die Faser 22 mit GeO2 dotiert werden oder kann so ausgewählt werden, dass sie eine große Differenz des Brechungsindex aufweist (bspw. aufgrund einer großen Konzentration von GeO2-Zuschagstoffen) , was zu einem kleineren Modenfeld führt und somit zu einer Zunahme der optischen Intensität, oder kann so ausgewählt werden, dass es eine die Polarisation aufrecht erhaltende Faser ist, wodurch der Verstärkungskoeffizient stimulierter Streuung im Vergleich zu einer Faser ohne Aufrechterhaltung der Polarisation verdoppelt wird (deren Länge das zweifache derjenigen der die Polarisation aufrecht erhaltenden Faser sein müsste, um dieselbe Raman-Verstärkung unter denselben Bedingungen zu erhalten). Umgekehrt kann die Verzögerungsleitungsfaser 21 so hergestellt werden, dass sie eine verringerte Raman-Verstärkung hat, indem die Indexdifferenz und GeO2-Konzentration im Kern auf moderatem Niveau gehalten werden und eine die Polarisation nicht haltende Faser gewählt wird. Die durch die Faser 22 mit hoher Raman-Verstärkung laufenden Signale werden durch stimulierte Raman-Streuung von λ0 nach λ+2 umgewandelt, wobei die Signale durch die Verzögerungsleitungsfaser 21 laufen und beim Austritt daraus eine näherungsweise ähnliche Zeitverzögerung wie die gestreuten Signale in der anderen Faser aufweisen. Die beiden separaten Signale bei λ0, λ+2 laufen dann über Filter 151, 152 zu einem gemeinsamen Ausgang 124, wie bspw. einem dichroischen Koppler oder einem anderen geeigneten Mittel, bei welchem die separaten Signale wiedervereinigt werden. Wenn keine Filterung 151, 152 enthalten ist, können viele Ordnungen an Stokes- und Anti-Stokes-Signalen emittiert werden, was die Effektivität des Schutzsignals verringern kann.
  • Wenn es möglich ist, Signale ohne die erhöhte Dämpfung, die bei der zweiten Ordnung (λ+2) in der Faser existiert, weiter zu leiten, könnte die Bereichsbegrenzung, die von der stimulierten Raman-Streuung herrührt, aufgehoben werden und die Begrenzung der Leistung für die Quelle bei der ersten Wellenlänge λ0 würde dann durch andere Effekte begrenzt. Theoretisch können mehrere Größenordnungen des Bereichs und empfangene Leistung aus rückgestreuten Signalen gewonnen werden. In der Praxis jedoch wird die Leistung bei der zweiten Ordnung λ+2 selbst in eine dritte Ordnung λ+3 umgewandelt, und zwar aufgrund stimulierter Streuung, wenn sich die Strahlung entlang der Faser ausbreitet, und ihre Wirkung als Schutzimpuls verschwindet allmählich. Dennoch können sehr nützliche Erhöhungen der übertragenen Leistung erreicht werden, und des Weiteren kann das Einsetzen von Raman-Streuung bei λ+2 unterdrückt oder verzögert werden, wie vorstehend im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben, oder es könnte tatsächlich ein dritter Puls bei einer vierten Ordnung λ+4 (= λ+3 + Streuverschiebung) gleichzeitig mit der zweiten Ordnung λ+2 eingespeist werden, um die Verluste des Signals der zweiten Ordnung λ+2 zu begrenzen.
  • Dieser dritte Puls (λ+4) kann vom Puls λ+2 auf dieselbe Weise abgeleitet werden, wie der λ+2-Puls vom λ0-Puls hergeleitet wird, oder kann von einer unabhängigen Quelle geliefert werden. Ein Koppler 113, welcher detailliert in 15(B) gezeigt ist, kann mit dem Eingang 2 des Kopplers 124 von 15(A) verbunden werden, sodass der λ+4-Puls in die Faser eingespeist werden kann. Alternativ dazu kann der Koppler 113 zwischen dem Koppler 124 und einem der Filter 151 und 152 eingesetzt werden.
  • Die bevorzugte Leistung jeder Ordnung hängt natürlich von der Dämpfung der relevanten Wellenlänge in der betroffenen Faser ab, was es notwendig macht, dass es möglich ist, die Leistung jedes Signals bei jeder Wellenlänge unabhängig von den anderen einzustellen, um die Ausbreitung des Testsignals bei der ersten Wellenlänge zu maximieren. Die Wellenlänge des Schutzpulses muss auch innerhalb der Bandbreite des Raman-Verstärkungskoeffizienten für die Faser liegen, welche für Silikafasern sehr breit ist (etwa 200 cm–1), so dass ausreichende Raman-Streuung bei jeder Wellenlänge auftritt. Die Breite oder Dauer des Schutzpulses sollte so gewählt werden, dass sie größer ist als diejenige des Quellenpulses, um eine chromatische Dispersion der beiden Signale über die interessierenden Längen zu ermöglichen.
  • Die Pulsbreite des Schutzsignals kann durch eine Faser-Netzwerkanordnung 112 erhöht werden, wie sie bspw. in 15(C) gezeigt ist, welche zwichen die Raman-Verstärkungsfaser 22 und den Filter 152 gesetzt ist. Die Faser-Netzwerkanorndung 112 umfasst einen Strahlspalter zum Spalten des aus der Raman-Verstärungsfaser 22 austretenden Lichts in zwei Komponenten und zwei Fasern 1221, 1222 zum Empfangen jeweiliger Komponenten der Signale, wobei eine der Fasern 1222 länger ist als die andere, so dass die Komponente, die durch sie hindurch verläuft, um etwa die Hälfte der Pulsbreite verzögert wird. Die beiden Komponenten werden dann rekombiniert und zum Filter 152 geleitet.
  • Obwohl die vorstehend erörterten Ausführungsformen weitgehend mit Bezug auf das Verhindern der stimulierten Raman-Streuung beschrieben wurden, ist anzumerken, dass ähnliche Techniken eingesetzt werden können, um die Zunahme von Licht der Brillouin-Stokes-Wellenlänge erster Ordnung in der Faser zu hemmen, wodurch das Eintreten von Problemen aufgrund stimulierter Brillouin-Streuung verzögert wird.
  • Wie bereits erwähnt, verringert stimulierte Streuung auch den linearen Bereich der ausgeführten Messungen, wenn Fasern unter Einsatz von optischen Reflexionsmessgeräten im Zeitbereich charakterisiert werden. Da in diesem Fall die Messungen bei einer zuvor vorgegebenen Wellenlänge auf einer Standardfaser in einem gut spezifizierten Einsatzzustand ausgeführt werden müssen, besteht keine Möglichkeit, die mit Bezug auf die erste Ausführungsform erörterten Techniken anzuwenden, bspw. das Auswählen einer geeigneten Quellenwellenlänge, das Dotieren der Faser oder das Induzieren von Biegeverlusten. Jedoch ist gegen das Einspeisen eines zweiten Pulses in die Faser als Schutzsignal unter den meisten Umständen nichts einzuwenden, und dies würde den linearen Messbereich vergrößern.
  • Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen kann deshalb erhöhte Leistung in die Faser eingespeist werden, um den Sensorbereich zu vergrößern, bevor nicht-lineare Effekte zu dominieren beginnen.
  • Allgemein wird auch die Testwellenlänge (zur Verwendung in einer Vorrichtung, die wie in den vorstehenden Figuren ausgebildet sein kann) so ausgewählt, dass der Transmissionsverlust für die spezielle Faser und die eingesetzten Bedingungen minimiert wird, wie nachstehend erörtert wird.
  • Beim Auswählen einer Testwellenlänge wird vorzugsweise der Durchschnittswert der Verluste bei den Testwellenlängen und detektierten Wellenlängen betrachtet. Beim Detektieren einer Brillouin-Linie ist die Frequenzverschiebung so gering, dass keine wahrnehmbare Änderung im Verlust zwischen den Wellenlängen auftritt, wenn sie nicht künstlich eingeleitet wird (bspw. Schmalband-Beugungsgitter), wobei jedoch für Raman-Linien die Frequenzverschiebung so ist, dass eine signifikante Veränderung der Dämpfung auftritt. 16 ist ein Graph, der den Verlust einer Einzelmodenfaser (Stufenindex, ohne Dispersionsverschiebung, Brechungsindex des Kerns 1,45) als Funktion der Wellenlänge veranschaulicht. Die durchgezogene Kurve 207 stellt den Verlust bei der Testwellenlänge λ0 dar, und die gepunktete Kurve 208 zeigt den Verlust bei der Wellenlänge λ–1 des Raman-Anti-Stokes- Signals aus einem Testpuls der Wellenlänge λ0. Erwartungsgemäß weist die durchgezogene Kurve 207 ein Minimum bei 1550 nm auf, und der Anti-Stokes-Verlust wird minimal, wenn λ0 etwa 1650 nm beträgt (um so ein Anti-Stokes-Signal am Verlustminimum der Faser zu erzeugen). Wie durch die strichlierte Kurve 209 gezeigt, welche den Durchschnittsverlust [α(λ0) + α(λ–1)]/2 bei den beiden Wellenlängen λ0, λ–1 für ein gegebenes λ0 darstellt, liegt der minimale Gesamtverlust für eine Testwellenlänge irgendwo dazwischen bei etwa 1590 nm.
  • Jedoch ist die Auswahl einer Testwellenlänge nicht immer so einfach, da die Dämpfung der Faser mit zunehmender Wellenlänge jenseits von 1550 nm aufgrund der Infrarotabsorption schnell zunimmt, so dass die Leistung, die in die Faser eingespeist werden kann, bevor nicht-lineare Effekte stattfinden, ebenfalls eine Funktion der Wellenlänge ist. 17 ist ein Graph, der das Leistungsniveau, bei dem der Faserverlust im Durchschnitt (über 80 km) um 0,01 dB/km aufgrund stimulierter Raman-Streuung in einer industriellen Standard-Einzelmodenfaser (NA = 0,123, Grenze = 1334 nm) zunimmt, als eine Funktion der Testwellenlänge veranschaulicht. Wie zu erkennen ist, muss eine wesentliche Zunahme der eingespeisten Leistung eingesetzt werden, wenn die Testwellenlänge zunimmt. Dies muss gegen Betrachtungen der Faserdämpfung abgewogen werden. Ein solcher Vergleich kann nur für eine spezielle Länge der Sensorfaser gemacht werden. Beispielhaft zeigt 18(A) die Faserverluste (durchgezogene Kurve 210) für eine 30 km lange Einzelmodenfaser (dB Gesamtverlust nach zweiseitiger Ausbreitung), zusammen mit einem Nutzfaktor (punktierte Kurve 211, ebenfalls in dB gezeigt, auf 0 dB bei 1550 nm normiert), welcher der Variation der zulässigen eingespeisten Leistung mit der Testwellenlänge zugeordnet werden kann, wobei 18(B) dieselben Daten in vergrößertem Maßstab zeigt. Die strichlierte Kurve 212, (die durch die Differenz zwischen der durchgezogenen Kurve und der punktierten Kurve gegeben ist) zeigt, wie das Einschließen der verbesserten einge speisten Leistung bei den längeren Wellenlängen die optimale Wellenlänge von 1590 nm nach 1640 nm für eine 30 km lange Faser verschiebt. Es ist anzumerken, dass die Verwendung künstlicher Verfahren zum Unterdrücken der stimulierten Streuung diesen Wert verändern könnte.
  • Somit kann man, falls es nicht möglich ist, genug Leistung einzuspeisen, die durch nicht-lineare Effekte begrenzt wird, eine bevorzugte Testwellenlänge wählen, welche dem minimalen gesamten Faserverlust entspricht, d. h. dort, wo die Summe oder der Durchschnitt der Verluste bei der Testwellenlänge und der detektierten Wellenlänge (oder die Summe oder der Durchschnitt der Verluste bei der Testwellenlänge und der kritischten der detektierten Wellenlängen, wenn es mehr als eine detektierte Wellenlänge gibt) minimiert ist. Wenn alle Signale nahe beieinander liegen (bspw. Brillouin-Streuung) beträgt diese bevorzugte Wellenlänge etwa 1550 nm. Für Raman-Streuung liegt die optimale Testwellenlänge bei etwa 1590 nm, bei welcher Wellenlänge die Summe oder der Durchschnitt der Verluste bei der Prüf- und der Anti-Stokes-Wellenlänge minimiert ist.
  • Wenn eine übrige Energiequelle vorhanden ist, kann die bevorzugte Testwellenlänge leicht verändert werden, wie vorstehend erörtert, da eine veränderte Testwellenlänge zu einer größeren Zunahme der zulässigen einspeisbaren Leistung führen könnte als der (lineare) Faserverlust durch die Veränderung der Testwellenlänge zunimmt. Mit anderen Worten wird die Wellenlänge vorzugsweise so gewählt, dass sie den besten Durchsatz bei einem definierten Abstand der Faser liefert, wenn der Effekt des Faserverlustes bei der maximalen Einspeiseleistung berücksichtigt wird. Aufgrund der Verfügbarkeit geeigneter Quellen liegt eine geeignete Wellenlänge bei etwa 1620 nm bis 1680 nm, welche aus Quellen erzeugt wird, die für das Fenster des niedrigen Verlustes von Silikafasern von etwa 1550 nm geeignet sind.
  • Das beim Darstellen von 17 eingesetzte Kriterium, welches das Leistungsniveau auf ein solches begrenzt, das eine bestimmte durchschnittliche Zunahme des optischen Verlustes bei der Testwellenlänge über eine bestimmte Faserlänge hervorruft, ist ein etwas grobes Mittel zum Bestimmen der besten Leistung zum Einspeisen in die Faser. Unter der Annahme, dass eine ausreichende Quellenleistung verfügbar ist, besteht eine genauere Art des Optimierens der Systemleistung darin, die in die Faser eingespeiste Leistung einzustellen, um die Testleistung, welche zu dem entferntesten zu überwachenden Punkt übertragen wird, zu maximieren. Es existiert ein deutliches Optimum, da bei Leistungen unterhalb eines bestimmten Werts mehr Leistung eingespeist werden kann und deshalb zurückgegeben werden kann, wobei bei höheren Leistungen der Nutzen einer höheren Anfangsleistung durch die höheren Verluste aufgrund nicht linearer Effekte mehr als ausgeglichen wird. Die 19 und 20 zeigen die (berechnete) Variation der Rayleigh-Rückstreuleistung, die über eine gegebene Distanz entlang einer Standard-Einzelmodenfaser (ohne Dispersionsverschiebung, ausgelegt für einen Einsatz bei 1550 nm) als Funktion der eingespeisten Leistung (für eine Pulsbreite von 80 ns) zurückkehrt. Aufgrund der nicht linearen Effekte liegt keine monotone Funktion der eingespeisten Leistung vor: Für jeden Abstand gibt es eine optimale Leistung, welche die Rück-Streuung maximiert (Rayleigh- oder Anti-Stokes-Raman), welche von jenem Punkt zurückkehrt.
  • In dem Fall, dass die rückgestreuten Signale bei den Anti-Stokes- und Stokes-Wellenlängen beide eingesetzt werden und die Quellenleistung niedrig genug ist, um die stimulierte Streuung zu ignorieren, kann es schwieriger sein, die Testwellenlänge zu optimieren, da (a) nun drei Wellenlängen involviert sind, (b) die Stärke der Anti-Stokes- und Stokes-Wellenlängen sich, wenn sie erzeugt sind, unterscheiden, und (c) sich die Verluste unterscheiden. Allgemein sollte es so eingerichtet werden, dass die einfallende Wellenlänge etwa im Zentrum des Fensters der Transmissionsverluste liegt, (bspw. bei 1550 nm) . In diesem Fall wäre das Leistungsverhalten schlechter als bei dem vorstehend vorgeschlagenen Ansatz, da beide Raman-Wellenlängen höhere Transmissionsverluste als die einfallende Wellenlänge erleiden würden. Diese Diskussion ist natürlich hauptsächlich für Raman-Streuung relevant, da die Wellenlängentrennung für Brillouin-Streuung weit enger ist.
  • Es ist anzumerken, dass es Umstände gibt, bei denen es wünschenswert ist, die stimulierte Streuung zu unterdrücken, selbst wenn nicht bei einer Wellenlänge gearbeitet wird, welche den Transmissionsverlust minimiert. Ein Beispiel dafür ist der Fall, dass der gewünschte Bereich (bezüglich der Abdeckung der Distanz) des Sensors relativ kurz ist, aber das Leistungsverhalten in anderer Hinsicht optimiert werden muss (für kurze Messzeiten oder hohe räumliche Auflösung). In diesem Fall wünscht man, so viel Leistung wie möglich zu übertragen. Es kann andere Gründe geben, dass man nicht bei einer Wellenlänge arbeitet, welche den Verlust minimiert. Bspw. wird bei kurzen Abständen der Verlust der Faser selbst weniger bedeutend, oder es können andere Betrachtungen vorhanden sein, wie die Intensität des rückgestreuten Signals, welches zunimmt, wenn die Wellenlänge verringert wird, oder die Effizienz des Detektors, die unterhalb von 1100 nm merklich verbessert wird, wenn Silikondetektoren eingesetzt werden können.
  • Ähnlich können Fälle auftreten, gemäß denen es aufgrund der Verwendung einer Testwellenlänge, die den Transmissionsverlust minimiert und somit den Bereich vergrößert, über den eine Erfassung erfolgen kann, bevor stimulierte Streueffekte bedeutsam werden, nicht notwendig oder wünschenswert ist, das System so zu konstruieren, dass stimulierte Streuung auf die früher erörterte Weise unterdrückt wird.

Claims (29)

  1. Verfahren zur optischen Reflexionsmessung im Zeitbereich, wobei jeweilige Werte physikalischer Parameter an verschiedenen Orten entlang einer optischen Faser erfasst werden, die in einem interessierenden Bereich verteilt sind, wobei optische Strahlung bei einer ersten Wellenlänge (λ0) in die Faser eingebracht wird und zurückgestreute optische Strahlung in mindestens einem zuvor ausgewählten Spektralband dazu verwendet wird, Ausgangssignale in Abhängigkeit von den erfassten Werten zu erzeugen, wobei keines der für die Erzeugung der Ausgangssignale benutzten Spektralbänder über einer zweiten Wellenlänge (λ+1) liegt, die gleich der Wellenlänge ist, auf die ein Stokessches Spektralband erster Ordnung, das aus einer inelastischen Streuung der optischen Strahlung bei der ersten Wellenlänge (λ0) in der Faser stammt, zentriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zunahme der Intensität der optischen Strahlung bei der zweiten Wellenlänge (λ+1) in der Faser gehemmt wird, wodurch die Umwandlung optischer Strahlung der ersten Wellenlänge (λ0) durch stimuliertes Streuen zu optischer Strahlung der zweiten Wellenlänge (λ+1) in der Faser unterdrückt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass keines der Spektralbänder, die zur Erzeugung der Ausgangssignale verwendet werden, über einer weiteren Wellenlänge liegt, die gleich der Wellenlänge ist, auf die ein weiteres Stokessches Spektralband erster Ordnung, das aus einem anderen inelastischen Streuprozess der optischen Strahlung der ersten Wellenlänge (λ0) in der Faser stammt, zentriert ist, und die relative Zunahme der Intensität der optischen Strahlung bei der weiteren Wellenlänge in der Faser ebenfalls gehemmt wird, um dadurch die Umwandlung optischer Strahlung der ersten Wellenlänge (λ0) durch stimuliertes Streuen in optische Strahlung der weiteren Wellenlänge in der Faser zu unterdrücken.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das eine zuvor ausgewählte Spektralband (λ–1) ein Anti-Stokes-Band ist, das aus Raman-Streuung in der Faser stammt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das eine zuvor ausgewählte Spektralband (λ–1) ein Anti-Stokes-Band ist, das aus Brillouin-Streuung in der Faser stammt.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zurückgestreute optische Strahlung bei einem anderen zuvor ausgewählten Spektralband, das die erste Wellenlänge (λ0) umfasst, zusätzlich zu dem einen zuvor ausgewählten Spektralband dazu verwendet wird, die Ausgangssignale zu erzeugen.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wellenlänge (λ0) gemäß einer vorgegebenen Dämpfungseigenschaft der Faser gewählt wird, so dass die erste Wellenlänge (λ0) und das oder jedes Spektralband benachbart einem lokalen Minimum des Dämpfungskoeffizienten liegen, aber die zweite Wellenlänge (λ+1) gegen das lokale Minimum des Dämpfungskoeffizienten verschoben ist, wodurch die optische Strahlung der zweiten Wellenlänge (λ+1) in bedeutend größerem Umfang gedämpft wird als die optische Strahlung bei der ersten Wellenlänge (λ0) oder in dem oder jedem Spektralband.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass optische Strahlung einer dritten Wellenlänge (λ+2), die gleich der Wellenlänge ist, auf die ein Stokessches Spektralband erster Ordnung, das aus inelastischer Streuung optischer Strahlung der zweiten Wellenlänge in der Faser stammt, zentriert ist, in die Faser gleichzeitig mit der optischen Strahlung der ersten Wellenlänge (λ0) eingespeist wird, wodurch bewirkt wird, dass optische Strahlung der zweiten Wellenlänge (λ+1) durch stimulierte Streuung in optische Strahlung der dritten Wellenlänge (λ+2) umgewandelt wird, so dass die gewünschte Hemmung der Zunahme optischer Strahlung der zweiten Wellenlänge (λ+1) erreicht wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Hemmen der Zunahme der Intensität der optischen Strahlung einer vierten Wellenlänge (λ+3) in der Faser, die gleich der Wellenlänge ist, auf die ein Stokessches Spektralband erster Ordnung, das aus inelastischer Streuung optischer Strahlung der dritten Wellenlänge (λ+2) in der Faser stammt, zentriert ist, optische Strahlung einer fünften Wellenlänge (λ+4) , die gleich der Wellenlänge ist, auf die ein Stokessches Spektralband erster Ordnung, das aus inelastischer Streuung optischer Strahlung der vierten Wellenlänge (λ+3) in der Faser stammt, zentriert ist, in die Faser gleichzeitig mit der optischen Strahlung der dritten Wellenlänge (λ+2) eingespeist wird, wodurch bewirkt wird, dass optische Strahlung der vierten Wellenlänge (λ+3) durch stimulierte Streuung in optische Strahlung der fünften Wellenlänge (λ+4) umgewandelt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wellenlänge (λ0) gemäß einer vorgegebenen Dämpfungseigenschaft der Faser ausgewählt wird, so dass ein durchschnittlicher Dämpfungswert, der durch Ermittlung des Durchschnitts der jeweiligen Dämpfungsverluste bei der ersten Wellenlänge (λ0) und bei der Wellenlänge, auf die das zuvor ausgewählte Spektralband zentriert ist, bestimmt wird, im Wesentlichen minimiert wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wellenlänge (λ0) so ausgewählt wird, dass für eine vorgegebene Länge der Faser der Wert einer Leistungsverlustvariablen für die betroffene Faser im Wesentlichen minimiert wird, welche Variable bestimmt wird, indem von einer ersten wellenlängenabhängigen Funktion, die den gesamten Leistungsverlust der sich nach vorne und hinten ausbreitenden optischen Strahlung entlang der vorgegebenen Faserlänge angibt, eine zweite wellenlängenabhängige Funktion subtrahiert wird, welche die maximale nach vorne wandernde Leistung angibt, die in die Faser eingespeist werden kann, so dass der Leistungsverlust aufgrund stimulierter Streuung in der Faser nicht einen vorgegebenen Wert überschreitet, wobei beide Funktionen in logarithmischen Einheiten ausgedrückt sind.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die rückgestreute optische Strahlung des ersten und zweiten Spektralbandes, die auf die erste Wellenlänge (λ0) bzw. eine zweite Wellenlänge (λ–1) , welche gleich der Wellenlänge eines Anti-Stokes-Spektralbandes ist, die aus inelastischer Streuung der optischen Strahlung der ersten Wellenlänge (λ0) in der Faser stammt, zentriert ist, dazu verwendet wird, jeweilige erste und zweite Ausgangssignalsätze zu erzeugen, und wobei optische Strahlung im Wesentlichen bei einer zweiten Wellenlänge (λ–1') nicht gleichzeitig mit der optischen Strahlung der ersten Wellenlänge (λ0) in die Faser eingespeist wird und rückgestreute optische Strahlung in einem dritten Spektralband, das auf die zweite Wellenlänge (λ–1), zentriert ist, dazu verwendet wird, einen dritten Ausgangssignalsatz zu erzeugen, wobei ein Endsatz an Ausgangssignalen in Abhängigkeit von den erfassten Werten durch Normieren des ersten Satzes an Ausgangssignalen auf den geometrischen Mittelwert der zweiten und dritten Ausgangssignalsätze erzeugt wird.
  12. Vorrichtung zur optischen Reflexionsmessung im Zeitbereich zum Erfassen jeweiliger Werte eines physikalischen Parameters bei verschiedenen Orten in einem interessierenden Bereich, aufweisend eine optische Faser (2), die dafür ausgelegt ist, in dem interessierenden Bereich eingesetzt zu werden, Quellenmittel (1) zum Einspeisen optischer Strahlung einer ersten Wellenlänge (λ0) in die Faser, Detektionsmittel (7a, 7b) zum Empfangen entlang der Faser rückgestreuter optischer Strahlung, aus der jeweilige Werte der physikalischen Parameter abgeleitet werden können, und Filtermittel (5a, 5b) zum Beschränken der rückgestreuten Strahlung, die dazu verwendet werden, die Werte auf ein oder mehrere zuvor ausgewählte Spektralbänder zu konzentrieren, von denen keines über einer zweiten Wellenlänge (λ+1) liegt, welche gleich der Wellenlänge ist, auf die ein Stokessches Spektralband erster Ordnung, das aus der inelastischen Streuung optischer Strahlung der ersten Wellenlänge (λ0) in der Faser resultiert, zentriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Quellenmittel (1) und/oder die optische Faser (2) so ausgewählt und angeordnet sind, dass eine Zunahme der Intensität der optischen Strahlung der zweiten Wellenlänge (λ+1) in der Faser gehemmt wird, wodurch die Umwandlung der optischen Strahlung der ersten Wellenlänge (λ0) durch stimulierte Streuung in der Faser zu optischer Strahlung der zweiten Wellenlänge (λ+1) unterdrückt wird.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das oder eines der zuvor ausgewählten Spektral bänder ein Anti-Stokes-Band ist, das aus Raman-Streuung in der Faser stammt.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das oder eines der zuvor ausgewählten Spektralbänder ein Anti-Stokes-Band ist, das aus Brillouin-Streuung in der Faser stammt.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein anderes zuvor ausgewähltes Spektralband, das zur Erzeugung der Ausgangssignale-verwendet wird, oberhalb der ersten Wellenlänge (λ0) liegt.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 12, 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Quellenmittel (1) gemäß einer vorgegebenen Dämpfungseigenschaft der Faser (2) so ausgewählt ist, dass die erste Wellenlänge (λ0) und das oder jedes Spektralband benachbart einem lokalen Minimum des Dämpfungskoeffizienten liegen, aber die zweite Wellenlänge (λ+1) gegen das lokale Minimum des Dämpfungskoeffizienten verschoben ist, wodurch optische Strahlung der zweiten Wellenlänge (λ+1) um ein beträchtlich höheres Maß gedämpft wird als optische Strahlung der ersten Wellenlänge (λ0) und in dem oder jedem Spektralband.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Quellenmittel (1) so ausgewählt ist, dass die zweite Wellenlänge (λ+1) mit einem Maximum der Infrarotabsorption in der Dämpfungseigenschaft der Faser zusammenfällt oder im Wesentlichen auf der Kante kürzerer Wellenlänge eines solchen Absorptionsmaximums liegt.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiterstruktur der Faser so ausgebildet ist, dass der Verlust bei der zweiten Wellenlänge (λ+1) größer ist als bei der ersten Wellenlänge (λ0).
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Dämpfungseigenschaft der Faser (2) ein lokales Absorptionsmaximum entsprechend natürlich auftretender oder dotierter Verunreinigungen in der Faser aufweist und dass das Quellenmittel (1) so ausgewählt ist, dass die zweite Wellenlänge (λ+1) mit dem lokalen Dämpfungsmaximum zusammenfällt oder im Wesentlichen auf der Kante kürzerer Wellenlänge eines solchen Absorptionsmaximums liegt.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Verunreinigungen Hydroxidionen sind.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Verunreinigungen Ionen seltener Erdmetalle sind.
  22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (2) mit eingebauten Gittern versehen ist, um optische Strahlung der zweiten Wellenlänge zu reflektieren.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abschnitt der Faser so gebogen ist, dass bei der zweiten Wellenlänge (λ+1) ein Biegeverlust induziert wird.
  24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Quellenmittel (1) so betreibbar ist, dass optische Strahlung einer dritten Wellenlänge (λ+2), welche gleich der Wellenlänge ist, auf die ein Stokessches Spektralband erster Ordnung, das aus inelastischer Streuung optischer Strahlung der zweiten Wellenlänge in der Faser stammt, zentriert ist, in die Faser gleichzeitig mit der optischen Strahlung der ersten Wellenlänge (λ0) eingekoppelt wird, wodurch bewirkt wird, dass optische Strahlung der zweiten Wellenlänge (λ+1) durch stimulierte Streuung in optische Strahlung der dritten Wellenlänge (λ+2) umgewandelt wird.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass zum Hemmen der Zunahme der Intensität optischer Strahlung einer vierten Wellenlänge (λ+3) in der Faser, welche gleich der Wellenlänge ist, auf die ein Stokessches Spektralband erster Ordnung zentriert ist, welches aus inelastischer Streuung optischer Strahlung der dritten Wellenlänge (λ+2) in der Faser stammt, das Quellenmittel auch so betreibbar ist, dass optische Strahlung einer fünften Wellenlänge (λ+4), die gleich der Wellenlänge ist, auf die ein Stokessches Spektralband erster Ordnung zentriert ist, welches aus inelastischer Streuung optischer Strahlung der vierten Wellenlänge (λ+3) in der Faser stammt, gleichzeitig mit der optischen Strahlung der dritten Wellenlänge (λ+2) in die Faser eingekoppelt wird, wodurch bewirkt wird, dass optische Strahlung der vierten Wellenlänge (λ+3) durch stimulierte Streuung in optische Strahlung der fünften Wellenlänge (λ+4) umgewandelt wird.
  26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wellenlänge (λ0) so ist, dass ein durchschnittlicher Dämpfungswert, der durch Ermitteln des Durchschnitts der jeweiligen Dämpfungsverluste bei der ersten Wellenlänge (λ0) und der Wellenlänge, auf die das zuvor ausgewählte Spektralband zentriert ist, bestimmt wird, im Wesentlichen minimiert wird.
  27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wellenlänge (λ0) so ist, dass für eine vorgegebene Länge der Faser der Wert einer Leistungsverlustvariablen für die betroffene Faser im Wesentlichen minimiert wird, welche Variable bestimmt wird, indem von einer ersten wellenlängenabhängigen Funktion, die den Gesamtleistungsverlust sich nach vorwärts und rückwärts ausbreitender optischer Strahlung entlang der vorgegebenen Faserlänge wiedergibt, eine zweite wellenlängenabhängige Funktion subtrahiert wird, welche die maximale nach vorne wandernde Leistung wiedergibt, welche in die Faser eingekoppelt werden kann, so dass der Leistungsverlust aufgrund stimulierter Streuung in der Faser nicht einen vorgegebenen Wert übersteigt, wobei beide Funktionen in logarithmischen Einheiten ausgedrückt sind.
  28. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Signalverarbeitungsmittel aufweist, zur Verwendung der rückgestreuten optischen Strahlung des ersten und zweiten Spektralbandes, welche jeweils auf die erste Wellenlänge (λ0) und eine zweite Wellenlänge (λ–1), welche gleich der Wellenlänge eines Anti-Stokes-Spektralbandes ist, die aus einer inelastischen Streuung optischer Strahlung der ersten Wellenlänge (λ0) in der Faser stammt, zentriert sind, um jeweilige erste und zweite Ausgangssignalsätze zu erzeugen, wobei das Quellenmittel auch selektiv betreibbar ist, um optische Strahlung im Wesentlichen bei der zweiten Wellenlänge (λ–1') in die Faser einzukoppeln, und zwar nicht gleichzeitig mit der optischen Strahlung der ersten Wellenlänge (λ0), und die Signalverarbeitungsmittel betreibbar sind, um die resultierende rückgestreute optische Strahlung in einem dritten Spektralband zu verwenden, das auf die zweite Wellenlänge (λ–1) zentriert ist, um einen dritten Ausgangssignalsatz zu erzeugen, und darüber hinaus betreibbar sind, um einen Endsatz an Ausgangssignalen in Abhängigkeit der erfassten Werte zu erzeugen, indem der erste Satz Ausgangssignale auf den geometrischen Mittelwert der zweiten und dritten Ausgangssignalsätze normiert wird.
  29. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der physikalische Parameter eine Temperatur ist.
DE69433154T 1993-07-22 1994-07-19 Optische Reflexionsmessung im Zeitbereich Expired - Lifetime DE69433154T2 (de)

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