WO2011039116A1 - Optisches verfahren und vorrichtung zur ortsaufgelösten messung mechanischer grössen, insbesondere mechanischer schwingungen mittels glasfasern - Google Patents

Optisches verfahren und vorrichtung zur ortsaufgelösten messung mechanischer grössen, insbesondere mechanischer schwingungen mittels glasfasern Download PDF

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WO2011039116A1
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Wieland Hill
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    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35338—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using other arrangements than interferometer arrangements
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01M11/30—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides
    • G01M11/31—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides with a light emitter and a light receiver being disposed at the same side of a fibre or waveguide end-face, e.g. reflectometers
    • G01M11/3172—Reflectometers detecting the back-scattered light in the frequency-domain, e.g. OFDR, FMCW, heterodyne detection

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for
  • Fiber optic measuring systems for the distributed measurement of mechanical
  • optical fibers of up to 80 km in length with a spatial resolution of about 25 m may be provided by a bidirectional interferometer setup
  • Duty cycle however, can receive only very weak signals.
  • the present invention is an apparatus for rapid distributed measurement of mechanical quantities in optical fibers. Fast measurements are of particular interest when rapid
  • Movements or vibrations are to be measured.
  • the problem underlying the present invention is the disclosure of a method and a device of the aforementioned types, which are sensitive and / or allow a good spatial resolution.
  • Process steps include:
  • the device comprises:
  • At least one laser light source whose light into the optical fiber
  • optical fiber backscattered portions of the light generated by the laser light source can be coupled out of the optical fiber
  • the basic structure may consist of a narrowband
  • Dividers / combiners for dividing the laser light onto the measuring fiber and a reference branch as well as for combining the backscattered light from the measuring fiber with the laser reference component can be incorporated into the optical fiber.
  • Dividers / combiners for dividing the laser light onto the measuring fiber and a reference branch as well as for combining the backscattered light from the measuring fiber with the laser reference component can be incorporated into the optical fiber.
  • Photodetector beat signals with a time delay by the transit time in the optical fiber corresponding frequency components.
  • This so-called OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry) method is known in principle and is used to characterize attenuation and back reflection in optical fibers.
  • a very narrow-band laser light source with a high coherence length for example a fiber laser.
  • a fast wavelength modulator e.g., Fiber Bragg Grating with piezo drive.
  • a fast broadband photodetector optionally with a fast preamplifier and a fast AD converter.
  • Advantages of the OFDR method are the high signal strength and the thus achievable ranges or sensitivities and in the possible high spatial resolution.
  • the laser light source used according to the invention does not necessarily have to emit light in the visible spectral range but can
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic representation of a second embodiment of a device according to the invention.
  • Figures 1 and 2 the same or functionally identical parts are assigned the same reference numerals.
  • the first embodiment comprises a laser light source 1 with internal, not shown, tuning means.
  • the device may comprise external tuning means 2 with which the laser light source 1 can be tuned (see the second embodiment in FIG. 2).
  • the laser light source 1 is formed as a fiber laser.
  • a majority of the device or the entire device may be based on fiber optics.
  • the laser light source 1 as a
  • Wavelength-stabilized, fiber-coupled semiconductor laser may be formed.
  • a laser comprises a semiconductor crystal, which is excited by electrical energy and emits laser light into an optical fiber, and at least one optical grating.
  • Semiconductor crystal is usually mounted on a Peltier element, via which the temperature is stabilized or regulated.
  • the wavelength of the laser light is integrated in a semiconductor crystal (eg distributed feedback (DFB) or distributed Bragg reflector (DBR)) or an external grating (eg fiber Bragg grating (FBG), planar waveguide circuit (PWC), volume phase grating (VPG ) or a conventional optical reflection grating) stabilized in the laser resonator.
  • the laser resonator is formed by the end faces of the semiconductor crystal (Fabry-Perot laser), by two gratings or by a grid and an end face. At the same time, the grid is used for the
  • the laser light source 1 may have a tuning range of the laser frequency of, for example, between 1 GHz and 10 GHz or a tuning range of the laser wavelength of, for example, 5 pm to 50 pm. Furthermore, the laser light source 1 can be very narrow-band, so that the light emitted by the laser light source 1 has a bandwidth of less than 100 kHz. Furthermore, the
  • Laser light source 1 is formed such that the coherence length of the laser light source 1 is emitted light between 10 km and 100 km.
  • a fiber Bragg grating may be provided with a piezo-based control.
  • Fast repetitive tuning can be done by mechanically stretching the fiber Bragg grating through a piezo element.
  • the time within which the laser light source 1 is tuned in each case over its tuning range may be less than 50 ms, preferably less than 10 ms, in particular less than 5 ms, for example about 1 ms.
  • the wavelength can be tuned by varying the grating (period, angle).
  • rapid repeated tuning can also be achieved by mechanical stretching of the fiber Bragg grating through a piezoelement. Even easier is the tuning through a variation of the laser current.
  • the laser current affects the temperature and refractive index in the active region of the semiconductor crystal and thus leads to the desired rapid change of the wavelength.
  • a periodic, linear tuning of the laser wavelength can be achieved via a sawtooth-shaped current profile.
  • the device further comprises an optical fiber 3, which serves as a measuring fiber.
  • the optical fiber 3 may have a comparatively long length of, for example, 50 km. The from the laser light source. 1
  • the transmitting means 2 emerging light is coupled into the optical fiber 3.
  • portions of the light are scattered back, for example by Rayleigh scattering. These portions of the light are coupled out of the optical fiber 3 again.
  • the backscatter is locally dependent on the mechanical variables to be measured in the optical fiber 3, so that the decoupled portions of the light contain spatially resolved information about these variables.
  • the first beam splitter 4 branches off from the light moving in the direction of the optical fiber 3 a portion which can serve as the reference light.
  • an attenuator 6 and a polarization modifier 7 are arranged.
  • the second beam splitter 5 deflects the decoupled from the optical fiber 3 portions of the light or at least parts of these shares, in particular down in Fig. 1.
  • the beam splitter 5 can be used in particular as a directional deflection means, such as
  • Polarization beam splitter may be formed as an optical circulator.
  • the deflected portions of the optical fiber 3 and the reference light are combined in a beam combiner 8 and jointly impinge on a photodetector 9 serving as detection means. Due to the rapid tuning of the laser wavelength
  • the signals of the photodetector 9 are introduced via an amplifier 10 and an AD converter 1 1 in a data processing unit 12.
  • the photodetector 9 may be a faster broadband photodetector.
  • AD converter 11 may operate at a sampling rate of about 100 Ms / s (100,000,000 samples per second).
  • the data processing unit 12 may, for example, as a digital signal
  • DSP Signal processor
  • FPGA field programmable gate array
  • the result of the Fourier transformation can be evaluated by the computer unit and information about the mechanical Stress or the mechanical magnitudes of the optical fiber 3 to be measured as a function of the transit times of the frequency components and thus supply the locations in the optical fiber 3. This allows, for example, locally resolved vibrations in the
  • Detect optical fiber 3 With the devices according to the invention or with the method according to the invention, for example, spatial resolutions of about 1 m can be achieved.
  • FIG. 2 differs from that of FIG. 1 only insignificantly.
  • Embodiment according to FIG. 2 to be provided with internal tuning means.
  • Polarization beam splitter 13 is provided, which is arranged behind the beam combiner 8 and splits the light to be detected in dependence of the polarization into two parts.
  • Photodetectors 9 include, for example, already integrated amplifier.

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Abstract

Vorrichtung zur ortsaufgelösten Messung mechanischer Größen, insbesondere mechanischer Schwingungen, umfassend mindestens eine Lichtleitfaser (3) für die ortsaufgelöste Messung mindestens einer mechanischen Größe, mindestens eine Laserlichtquelle (1 ), deren Licht in die Lichtleitfaser (3) eingekoppelt werden kann, wobei in der Lichtleitfaser (3) zurück gestreute Anteile des von der Laserlichtquelle (1 ) erzeugten Lichts aus der Lichtleitfaser (3) ausgekoppelt werden können, Durchstimmmittel (2), die die Laserlichtquelle (1 ) jeweils innerhalb einer Zeitspanne von weniger als 50 ms durchstimmen können, Erfassungsmittel, die die aus der Lichtleitfaser (3) ausgekoppelten Anteile des zurück gestreuten Lichts erfassen können, sowie Auswertemittel, die aus den erfassten Anteilen des zurück gestreuten Lichts die mindestens eine mechanische Größe der Lichtleitfaser (3) ortsaufgelöst bestimmen können.

Description

Beschreibung
OPTISCHES VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ORTSAUFGELÖSTEN MESSUNG MECHANISCHER GRÖSSEN, INSBESONDERE MECHANISCHER SCHWINGUNGEN MITTELS GLASFASERN
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
ortsaufgelösten Messung mechanischer Größen, insbesondere
mechanischer Schwingungen.
[0002] Faseroptische Messsysteme zur verteilten Messung mechanischer
Größen in Lichtleitern sind aus der Literatur bekannt. Beispielsweise können Lichtleiter mit einer Länge bis zu 80 km mit einer Ortsauflösung von etwa 25 m durch einen bidirektionalen Interferometeraufbau
vermessen werden (US 2008/0191 126 A). Die Ortsauflösung ist hier durch die Genauigkeit der Phasenbestimmung begrenzt. Andere Verfahren benutzen gepulste Laser, um die Ortsbestimmung über die Laufzeit zu erreichen (EP 2 084 505 A und US 2008/297772 A). Durch das kleine
Tastverhältnis lassen sich jedoch insgesamt nur sehr schwache Signale erhalten.
[0003] Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur schnellen verteilten Messung von mechanischen Größen in Lichtleitern. Schnelle Messungen sind insbesondere dann von Interesse, wenn rasche
Bewegungen oder Schwingungen (seismische, akustische, mechanische) zu vermessen sind.
[0004] Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem ist die Angabe eines Verfahrens und einer Vorrichtung der eingangs genannten Arten, die sensitiv sind und/oder eine gute Ortsauflösung ermöglichen.
[0005] Dies wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfahrens durch ein
Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie hinsichtlich der Vorrichtung durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erreicht. Die
Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
[0006] Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass das Verfahren folgende
Verfahrensschritte umfasst:
- Erzeugen von Licht mit einer Laserlichtquelle;
- Durchstimmen der Laserlichtquelle jeweils innerhalb einer Zeitspanne von weniger als 50 ms;
- Einkoppeln des Lichts in eine Lichtleitfaser;
- Auskoppeln der in der Lichtleitfaser zurück gestreuten Anteile des
eingekoppelten Lichts aus der Lichtleitfaser;
- Erfassen von aus der Lichtleitfaser ausgekoppelten Anteilen des zurück gestreuten Lichts;
- Auswerten der erfassten Anteile des zurück gestreuten Lichts zur
ortsaufgelösten Bestimmung mindestens einer mechanischen Größe der Lichtleitfaser.
[0007] Gemäß Anspruch 10 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung umfasst:
- mindestens eine Lichtleitfaser für die ortsaufgelöste Messung
mindestens einer mechanischen Größe;
- mindestens eine Laserlichtquelle, deren Licht in die Lichtleitfaser
eingekoppelt werden kann, wobei in der Lichtleitfaser zurück gestreute Anteile des von der Laserlichtquelle erzeugten Lichts aus der Lichtleitfaser ausgekoppelt werden können;
- Durchstimmmittel, die die Laserlichtquelle jeweils innerhalb einer
Zeitspanne von weniger als 50 ms durchstimmen können;
- Erfassungsmittel, die die aus der Lichtleitfaser ausgekoppelten Anteile des zurück gestreuten Lichts erfassen können;
- Auswerte mittel, die aus den erfassten Anteilen des zurück gestreuten Lichts die mindestens eine mechanische Größe der Lichtleitfaser ortsaufgelöst bestimmen können.
[0008] Der grundlegende Aufbau kann aus einer schmalbandigen,
durchstimmbaren Laserlichtquelle mit angeschlossener Lichtleitfaser bestehen. In die Lichtleitfaser können Teiler/Kombinierer zur Aufteilung des Laserlichts auf die Messfaser und einen Referenzzweig sowie zur Zusammenführung des zurückgestreuten Lichts aus der Messfaser mit dem Laser-Referenzanteil eingebaut sein. Optional sind
polarisationskontrollierende und -teilende Komponenten eingebaut.
Rückgestreutes Licht und Referenzlicht werden gegebenenfalls
entsprechend der Polarisation geteilt und gemeinsam auf ein oder zwei Photodetektoren geleitet. Aufgrund des raschen Durchstimmens der Laserwellenlänge beziehungsweise der Laserfrequenz gibt der
Photodetektor Schwebungssignale mit einem dem Zeitverzug durch die Laufzeit in der Lichtleitfaser entsprechenden Frequenzanteilen. Dieses sogenannte OFDR-Verfahren (Optical Frequency Domain Reflectometry) ist grundsätzlich bekannt und wird zur Charakterisierung von Dämpfung und Rückreflexen in Lichtleitern eingesetzt.
[0009] Für den Einsatz eines solchen Verfahrens zur schnellen Messung zeitlich veränderlicher Größen sind folgende Merkmale von Vorteil:
- Eine sehr schmalbandige Laserlichtquelle mit hoher Kohärenzlänge (z.B. ein Faserlaser).
- Ein schneller Wellenlängenmodulator (z.B. Fibre Bragg Gräting mit Piezo-Ansteuerung).
- Ein schneller breitbandiger Photodetektor gegebenenfalls mit einem schnellen Vorverstärker und einem schnellen AD-Wandler.
- Eine schnelle Datenverarbeitung zur Frequenz- und Phasenanalyse (Fouriertransformation) beispielsweise mittels DSP oder FPGA.
- Software zur Analyse und Bewertung zeitlicher Veränderungen der Frequenz- und Phaseninformation.
[0010] Vorteile des OFDR-Verfahrens liegen in der hohen Signalstärke und den somit erreichbaren Reichweiten beziehungsweise Sensitivitäten sowie in der möglichen hohen Ortsauflösung.
[001 1] Die erfindungsgemäß verwendete Laserlichtquelle muss nicht unbedingt Licht im sichtbaren Spektralbereich emittieren, sondern kann
insbesondere auch langwelligere Strahlung im nahen Infrarotbereich emittieren.
[0012] Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Abbildungen. Darin zeigen
[0013] Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
[0014] Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. [0015] In den Figuren 1 und 2 sind gleichen oder funktional gleichen Teilen gleiche Bezugszeichen zugeordnet.
[0016] Die erste Ausführungsform umfasst eine Laserlichtquelle 1 mit internen, nicht abgebildeten Durchstimmmitteln. Alternativ kann die Vorrichtung externe Durchstimmmittel 2 umfassen, mit denen die Laserlichtquelle 1 durchgestimmt werden kann (siehe die zweite Ausführungsform in Fig. 2).
[0017] Beispielsweise ist die Laserlichtquelle 1 als Faserlaser ausgebildet.
Weiterhin kann ein Großteil der Vorrichtung oder die gesamte Vorrichtung auf Faseroptik basieren.
[0018] Alternativ dazu kann die Laserlichtquelle 1 als ein
wellenlängenstabilisierter, fasergekoppelter Halbleiterlaser (Diodenlaser) ausgebildet sein. Ein derartiger Laser umfasst einen Halbleiterkristall, der mit elektrischer Energie angeregt wird und Laserlicht in eine optische Faser emittiert, sowie mindestens ein optisches Gitter. Der
Halbleiterkristall ist in der Regel auf einem Peltierelement montiert, über welches die Temperatur stabilisiert beziehungsweise geregelt wird. Die Wellenlänge der Laserlichts wird über ein im Halbleiterkristall integriertes (beispielsweise distributed feedback (DFB) oder distributed Bragg reflector (DBR)) oder ein externes Gitter (beispielsweise fibre Bragg grating (FBG), planar waveguide circuit (PWC), volume phase grating (VPG) oder ein konventionelles optisches Reflexionsgitter) im Laserresonator stabilisiert. Der Laserresonator wird durch die Endflächen des Halbleiterkristalls (Fabry-Perot-Laser), durch zwei Gitter oder auch durch ein Gitter und eine Endfläche gebildet. Gleichzeitig dient das Gitter der für die
Sensoranwendung erforderlichen Verringerung der optischen Bandbreite des Lasers.
[0019] Die Laserlichtquelle 1 kann einen Durchstimmbereich der Laserfrequenz von beispielweise zwischen 1 GHz und 10 GHZ beziehungsweise einen Durchstimmbereich der Laserwellenlänge von beispielweise 5 pm bis 50 pm aufweisen. Weiterhin kann die Laserlichtquelle 1 sehr schmalbandig sein, so dass das von der Laserlichtquelle 1 ausgehende Licht eine Bandbreite von weniger als 100 kHz aufweist. Weiterhin kann die
Laserlichtquelle 1 derart ausgebildet ist, dass die Kohärenzlänge des von der Laserlichtquelle 1 ausgesandten Lichts zwischen 10 km und 100 km beträgt.
[0020] Als Durchstimmmittel 2 kann beispielsweise ein Faser-Bragg-Gitter (FBG) mit einer Piezo-basierten Ansteuerung vorgesehen sein. Ein schnelles wiederholtes Durchstimmen kann durch mechanische Dehnung des Faser-Bragg-Gitters durch ein Piezoelement erfolgen. Dabei kann die Zeit, innerhalb der die Laserlichtquelle 1 jeweils über ihren Durchstimmbereich durchgestimmt wird, weniger als 50 ms, vorzugsweise weniger als 10 ms, insbesondere weniger als 5 ms, beispielsweise etwa 1 ms betragen.
[0021] Bei Ausbildung der Laserlichtquelle als wellenlängenstabilisierter
Halbleiterlaser kann die Wellenlänge durch Variation des Gitters (Periode, Winkel) durchgestimmt werden. Wie beim bereits erwähnten Faserlaser kann ein schnelles wiederholtes Durchstimmen auch durch mechanische Dehnung des Faser-Bragg-Gitters durch ein Piezoelement erfolgen. Noch einfacher ist das Durchstimmen durch eine Variation des Laserstroms. Der Laserstrom beeinflusst Temperatur und Brechungsindex im aktiven Bereich des Halbleiterkristalls und führt so zu der gewünschten raschen Änderung der Wellenlänge. Ein periodisches, lineares Durchstimmen der Laserwellenlänge lässt sich über einen sägezahnförmigen Stromverlauf erreichen.
[0022] Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Lichtleitfaser 3, die als Messfaser dient. Die Lichtleitfaser 3 kann eine vergleichsweise große Länge von beispielsweise 50 km aufweisen. Das aus der Laserlichtquelle 1
beziehungsweise den Durchstimmmitteln 2 austretende Licht wird in die Lichtleitfaser 3 eingekoppelt. In der Lichtleitfaser 3 werden Anteile des Lichts, beispielsweise durch Rayleigh-Streuung zurückgestreut. Diese Anteile des Lichts werden aus der Lichtleitfaser 3 wieder ausgekoppelt. Dabei ist die Rückstreuung lokal abhängig von den zu messenden mechanischen Größen in der Lichtleitfaser 3, so dass die ausgekoppelten Anteile des Lichts ortsaufgelöste Informationen über diese Größen beinhalten.
[0023] Zwischen der Laserlichtquelle 1 beziehungsweise den Durchstimmmitteln 2 einerseits und der Lichtleitfaser 3 andererseits sind zwei Strahlteiler 4, 5 vorgesehen. Der erste Strahlteiler 4 zweigt von dem sich in Richtung auf die Lichtleitfaser 3 bewegenden Licht einen Anteil ab, der als Referenzlicht dienen kann. In dem Referenzzweig sind ein Abschwächer 6 und ein Polarisationsveränderer 7 angeordnet.
[0024] Der zweite Strahlteiler 5 lenkt die aus der Lichtleitfaser 3 ausgekoppelten Anteile des Lichts oder zumindest Teile dieser Anteile ab, insbesondere nach unten in Fig. 1. Der Strahlteiler 5 kann dabei insbesondere als richtungsabhängiges Ablenkmittel, wie beispielsweise als
Polarisationsstrahlteiler als optischer Zirkulator ausgebildet sein.
[0025] Die abgelenkten Anteile aus der Lichtleitfaser 3 und das Referenzlicht werden in einem Strahlkombinierer 8 zusammengefasst und treffen gemeinsam auf einen als Erfassungsmittel dienenden Photodetektor 9. Aufgrund des raschen Durchstimmens der Laserwellenlänge
beziehungsweise der Laserfrequenz gibt der Photodetektor 9
Schwebungssignale mit einem dem Zeitverzug durch die Laufzeit in der Lichtleitfaser 3 entsprechenden Frequenzanteilen aus.
[0026] Die Signale des Photodetektors 9 werden über einen Verstärker 10 und einen AD-Wandler 1 1 in eine Datenverarbeitungseinheit 12 eingebracht. Die Datenverarbeitungseinheit 12, der Verstärker 10 und der AD-Wandler 1 1 bilden zusammen mit einer gegebenenfalls zusätzlichen, nicht abgebildeten Rechnereinheit die Auswertemittel.
[0027] Der Photodetektor 9 kann ein schneller breitbandiger Photodetektor sein.
Der AD-Wandler 1 1 kann beispielsweise mit einer Abtastrate von etwa 100 Ms/s (100.000.000 Samples pro Sekunde) arbeiten.
[0028] Die Datenverarbeitungseinheit 12 kann beispielsweise als digitaler
Signalprozessor (DSP) oder als Field Programmable Gate Array (FPGA) ausgebildet sein und eine schnelle Frequenz- und Phasenanalyse, insbesondere eine Fouriertransformation der von dem Photodetektor 9 ausgegebenen Signale durchführen. Dabei kann die Fouriertransformation mit einer Punktezahl von etwa 64.000 in einer Zeitspanne von etwa 1 ms durchgeführt werden.
[0029] Das Ergebnis der Fouriertransformation kann von der Rechnereinheit ausgewertet werden und Informationen über die mechanische Beanspruchung beziehungsweise die zu messenden mechanischen Größen der Lichtleitfaser 3 in Abhängigkeit von den Laufzeiten der Frequenzanteile und damit den Orten in der Lichtleitfaser 3 liefern. Damit lassen sich beispielsweise ortsaufgelöst Schwingungen in der
Lichtleitfaser 3 ermitteln. Mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen beziehungsweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich beispielsweise Ortsauflösungen von etwa 1 m erreichen.
[0030] Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 1 nur unwesentlich.
[0031] Wie bereits erwähnt sind bei der zweiten Ausführungsform im Gegensatz zur ersten Ausführungsform externe Durchstimmmittel 2 vorgesehen. Es besteht allerdings durchaus die Möglichkeit, die erste Ausführungsform gemäß Fig. 1 mit externen Durchstimmmitteln und die zweite
Ausführungsform gemäß Fig. 2 mit internen Durchstimmmitteln zu versehen.
[0032] Weiterhin ist bei der zweiten Ausführungsform ein zusätzlicher
Polarisationsstrahlteiler 13 vorgesehen, der hinter dem Strahlkombinierer 8 angeordnet ist und das zu erfassende Licht in Abhängigkeit von der Polarisation in zwei Anteile aufspaltet.
[0033] Dementsprechend sind zwei Photodetektoren 9 und zwei AD-Wandler 1 1 für jeden der beiden Anteile vorgesehen. Dabei können die
Photodetektoren 9 beispielsweise bereits integrierte Verstärker umfassen.
[0034] Die Signale aus beiden AD-Wandlern 1 1 werden in die
Datenverarbeitungseinheit 12 eingebracht und wie bei der ersten
Ausführungsform von dieser fouriertransformiert.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur ortsaufgelösten Messung mechanischer Größen, insbesondere mechanischer Schwingungen, umfassend folgende Verfahrensschritte:
- Erzeugen von Licht mit einer Laserlichtquelle (1 );
- Durchstimmen der Laserlichtquelle (1 ) jeweils innerhalb einer Zeitspanne von weniger als 50 ms;
- Einkoppeln des Lichts in eine Lichtleitfaser (3);
- Auskoppeln der in der Lichtleitfaser (3) zurück gestreuten Anteile des eingekoppelten Lichts aus der Lichtleitfaser (3);
- Erfassen von aus der Lichtleitfaser (3) ausgekoppelten Anteilen des zurück gestreuten Lichts;
- Auswerten der erfassten Anteile des zurück gestreuten Lichts zur
ortsaufgelösten Bestimmung mindestens einer mechanischen Größe der Lichtleitfaser (3).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Durchstimmen der Laserlichtquelle (1 ) zum Entstehen von Schwebungssignalen führt, die ausgewertet werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein OFDR-Verfahren (Optical Frequency Domain Reflectometry) ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchstimmen der Laserlichtquelle (1 ) jeweils innerhalb einer Zeitspanne von weniger als 10 ms, insbesondere von weniger als 5 ms, beispielsweise jeweils innerhalb einer Zeitspanne zwischen 0,8 ms bis 1 ,2 ms erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchstimmbereich zwischen 0,1 GHz und 50 GHz, vorzugsweise zwischen 0,5 GHz und 20 GHz, insbesondere zwischen 1 GHz und 10 GHZ liegt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Lichtleitfaser (3) ausgekoppelten Anteilen des zurück gestreuten Lichts mit einer Abtastrate von mindestens 1 Ms/s, vorzugsweise von mindestens 10 Ms/s, insbesondere von mindestens 100 Ms/s erfasst werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerten der erfassten Anteile eine Fouriertransformation umfasst.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die
Fouriertransformation mit einer Punktezahl zwischen 1024 und 131.072, vorzugsweise mit einer Punktezahl zwischen 4096 und 65.536, beispielsweise mit einer Punktezahl von 8192, 16.384 oder 32768 durchgeführt wird, wobei die Punktzahl insbesondere gleich 2n mit n = 1 , 2, 3, ... ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fouriertransformation in einer Zeitspanne von weniger als 10 ms, vorzugsweise von weniger als 2 ms, insbesondere in einer Zeitspanne zwischen 0,2 ms und 1 ,0 ms durchgeführt wird.
10. Vorrichtung zur ortsaufgelösten Messung mechanischer Größen, insbesondere mechanischer Schwingungen, umfassend
- mindestens eine Lichtleitfaser (3) für die ortsaufgelöste Messung mindestens einer mechanischen Größe;
- mindestens eine Laserlichtquelle (1 ), deren Licht in die Lichtleitfaser (3) eingekoppelt werden kann, wobei in der Lichtleitfaser (3) zurück gestreute Anteile des von der Laserlichtquelle (1 ) erzeugten Lichts aus der Lichtleitfaser (3) ausgekoppelt werden können;
- Durchstimmmittel (2), die die Laserlichtquelle (1 ) jeweils innerhalb einer Zeitspanne von weniger als 50 ms durchstimmen können;
- Erfassungsmittel, die die aus der Lichtleitfaser (3) ausgekoppelten Anteile des zurück gestreuten Lichts erfassen können;
- Auswertemittel, die aus den erfassten Anteilen des zurück gestreuten Lichts die mindestens eine mechanische Größe der Lichtleitfaser (3) ortsaufgelöst bestimmen können.
1 1. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die
Laserlichtquelle (1 ) derart ausgebildet ist, dass die Bandbreite des von der Laserlichtquelle(l ) ausgesandten Lichts weniger als 500 kHz, vorzugsweise weniger als 200 kHz, insbesondere weniger als 100 kHz beträgt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (1 ) derart ausgebildet ist, dass die Kohärenzlänge des von der Laserlichtquelle (1 ) ausgesandten Lichts mehr als 1 km beträgt, vorzugsweise mehr als 5 km beträgt, insbesondere zwischen 10 km und 100 km beträgt.
13. Vorrichtung einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertemittel einen digitalen Signalprozessor (DSP) oder ein Field
Programmable Gate Array (FPGA) umfassen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die
Auswertemittel einen AD-Wandler (1 1 ) umfassen, der dem digitalen
Signalprozessor (DSP) oder dem Field Programmable Gate Array (FPGA) vorgeschaltet ist.
15. Vorrichtung einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchstimmmittel (2) einen Wellenlängenmodulator wie beispielsweise ein Faser Bragg Gitter (FBG) umfassen, das insbesondere mit einer
Piezo-basierten Ansteuerung versehen ist.
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9222850B2 (en) 2013-03-14 2015-12-29 Axonoptics, Llc Integrated optics reflectometer
US9557243B2 (en) 2012-03-14 2017-01-31 Axonoptics Llc Integrated optics reflectometer
WO2015199839A1 (en) * 2014-06-26 2015-12-30 Baker Hughes Incorporated Ofdr system for localized vibration detection
CN105067103B (zh) * 2015-08-31 2018-01-02 上海交通大学 基于光频域反射计的振动检测装置及其方法
DE102015114670A1 (de) * 2015-09-02 2017-03-02 Lios Technology Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur ortsaufgelösten Messung von Temperatur und/oder Dehnung vermittels Brillouin-Streuung
CN106949956A (zh) * 2017-04-28 2017-07-14 安徽师范大学 一种分布式光纤振动传感数据处理装置及方法
JP7331373B2 (ja) * 2019-02-12 2023-08-23 日本電信電話株式会社 光周波数反射計測装置およびその計測方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6160826A (en) * 1991-04-29 2000-12-12 Massachusetts Institute Of Technology Method and apparatus for performing optical frequency domain reflectometry
WO2006027369A1 (en) * 2004-09-10 2006-03-16 Lios Technology Gmbh Calibrating an optical fmcw backscattering measurement system
US20080191126A1 (en) 2007-02-13 2008-08-14 Future Fibre Technologies Pty Ltd. Apparatus and method for using a counter-propagating signal method for locating events
WO2008105322A1 (ja) * 2007-02-28 2008-09-04 Nippon Telegraph And Telephone Corporation 光リフレクトメトリ測定方法および装置
US20080297772A1 (en) 2004-11-03 2008-12-04 Polarmetric Limited Detecting a Disturbance in the Propagation of Light in an Optical Waveguide
EP2084505A1 (de) 2006-11-08 2009-08-05 Fotech Solutions Limited Detektieren einer störung in der phase von sich in einem optischen wellenleiter ausbreitendem licht

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5748312A (en) * 1995-09-19 1998-05-05 United States Of American As Represented By The Secretary Of The Navy Sensing apparatus and method for detecting strain between fiber bragg grating sensors inscribed into an optical fiber
US6246048B1 (en) * 1999-05-18 2001-06-12 Schlumberger Technology Corporation Methods and apparatus for mechanically enhancing the sensitivity of longitudinally loaded fiber optic sensors
US6337737B1 (en) * 2001-03-09 2002-01-08 Ciena Corporation Fiber-Bragg-grating-based strain measuring apparatus, system and method
GB0302434D0 (en) * 2003-02-03 2003-03-05 Sensor Highway Ltd Interferometric method and apparatus for measuring physical parameters
US6961120B2 (en) * 2003-11-05 2005-11-01 Korea Electric Power Corporation Strain measurement module with tunable light generator and strain measurement system using the same
US7122783B1 (en) * 2004-11-02 2006-10-17 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Seismic activity monitor based on optical fiber Bragg gratings
EP2035792B1 (de) * 2006-06-16 2018-05-23 Intuitive Surgical Operations, Inc. Verteilte spannungs- und temperaturdiskrimination in polarisationserhaltender faser
US7539361B2 (en) * 2006-10-05 2009-05-26 Harris Corporation Fiber optic device for measuring a parameter of interest
JP4308247B2 (ja) * 2006-12-25 2009-08-05 サンテック株式会社 光ファイバセンサシステム

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6160826A (en) * 1991-04-29 2000-12-12 Massachusetts Institute Of Technology Method and apparatus for performing optical frequency domain reflectometry
WO2006027369A1 (en) * 2004-09-10 2006-03-16 Lios Technology Gmbh Calibrating an optical fmcw backscattering measurement system
US20080297772A1 (en) 2004-11-03 2008-12-04 Polarmetric Limited Detecting a Disturbance in the Propagation of Light in an Optical Waveguide
EP2084505A1 (de) 2006-11-08 2009-08-05 Fotech Solutions Limited Detektieren einer störung in der phase von sich in einem optischen wellenleiter ausbreitendem licht
US20080191126A1 (en) 2007-02-13 2008-08-14 Future Fibre Technologies Pty Ltd. Apparatus and method for using a counter-propagating signal method for locating events
WO2008105322A1 (ja) * 2007-02-28 2008-09-04 Nippon Telegraph And Telephone Corporation 光リフレクトメトリ測定方法および装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Fiber Lasers advance sensing applications", 1 June 2004 (2004-06-01), XP002618053, Retrieved from the Internet <URL:http://www.optoiq.com/index/photonics-technologies-applications/lfw-display/lfw-article-display.articles.laser-focus-world.volume-40.issue-6.features.fiber-sensing.fiber-lasers-advance-sensing-applications.html> [retrieved on 20040601] *

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