DE102023112656A1 - Apparatus, method and system for quantifying a change in environmental conditions along the length of an optical fiber - Google Patents
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Abstract
Eine Vorrichtung (100) zur Quantifizierung einer Änderung der Umgebungsbedingungen entlang der Länge einer optischen Faser (130) umfasst einen Generator für frequenzabtastende optische Pulse (110), um Pulsfolgen von optischen Pulsen zu erzeugen; eine optische Komponente (120), die mit dem Pulsgenerator (110) gekoppelt ist, um die optischen Pulse in eine optische Faser (130) einzuspeisen und das rückgestreute optische Signal von der optischen Faser (130) umzulenken; und ein Empfängermodul (150), das mit der optischen Komponente (120) gekoppelt ist. Das Empfängermodul (150) enthält ein Interferometer (170) zur Bestimmung der Phaseninformation des rückgestreuten optischen Signals als Funktion der Zeit und der optischen Frequenz. An apparatus (100) for quantifying a change in environmental conditions along the length of an optical fiber (130) comprises a frequency-scanning optical pulse generator (110) for generating pulse trains of optical pulses; an optical component (120) coupled to the pulse generator (110) for injecting the optical pulses into an optical fiber (130) and redirecting the backscattered optical signal from the optical fiber (130); and a receiver module (150) coupled to the optical component (120). The receiver module (150) includes an interferometer (170) for determining the phase information of the backscattered optical signal as a function of time and optical frequency.
Description
Hintergrundbackground
Ein verteiltes faseroptisches Sensorsystem (DOFS) verwendet eine optische Faser als Sensorelement zur Erfassung von Umweltveränderungen. Solche Systeme ermöglichen nahtlose und räumlich aufgelöste Messungen entlang der Faser. Ein phasenempfindliches optisches Zeitbereichsreflektometer (φOTDR; engl.: phase-sensitive optical time domain reflectometry) ist ein solches Sensorsystem und basiert auf der Rayleigh-Streuung innerhalb der optischen Faser. Wenn eine Reihe von optischen Abfragepulsen in die optische Faser eingekoppelt wird, wird das Licht an zufällig verteilten Inhomogenitäten des Fasermaterials zurückgestreut. Das zurückgestreute optische Signal ist ein Fingerabdruck der optischen Faser, der sich verändert, wenn die Faser Umgebungsschwankungen wie Temperaturänderungen oder mechanischer Belastung ausgesetzt ist. In den letzten Jahren wurde dieses Sensorsystem in vielen Bereichen eingesetzt, z.B. bei der Überwachung des baulichen Zustands, der Überwachung von Eindringlingen und der Erkennung seismischer Ereignisse.A distributed fiber optic sensor system (DOFS) uses an optical fiber as a sensor element to detect environmental changes. Such systems enable seamless and spatially resolved measurements along the fiber. A phase-sensitive optical time domain reflectometry (φOTDR) is such a sensor system and is based on Rayleigh scattering within the optical fiber. When a series of optical interrogation pulses are coupled into the optical fiber, the light is backscattered at randomly distributed inhomogeneities in the fiber material. The backscattered optical signal is a fingerprint of the optical fiber that changes when the fiber is exposed to environmental variations such as temperature changes or mechanical stress. In recent years, this sensor system has been used in many fields, e.g. in structural health monitoring, intrusion monitoring, and seismic event detection.
Ein φOTDR-System speist kohärente optische Pulse in eine Sensorfaser und zeichnet das von den Pulsen zurückgestreute Rayleigh-Licht als Funktion der Zeit auf. Das erhaltene Signal im Zeitbereich (time domain) kann auf der Grundlage der Laufzeit des Lichts in eine Entfernung umgerechnet werden. Die Umgebungsschwankungen können die Eigenschaften der lokalen Faser verändern, z.B. den Brechungsindex und die Größe des Faserabschnitts, so dass sich die Amplitude/Intensität und die Phase des von der entsprechenden Stelle zurückgestreuten Lichts ändert. Die Umgebungsschwankungen können anhand der Änderung der Amplitude/Intensität oder der optischen Phase quantifiziert werden.A φOTDR system feeds coherent optical pulses into a sensor fiber and records the Rayleigh light backscattered by the pulses as a function of time. The obtained time domain signal can be converted to a distance based on the time of flight of the light. The environmental variations can change the properties of the local fiber, e.g. the refractive index and the size of the fiber section, so that the amplitude/intensity and the phase of the light backscattered from the corresponding location changes. The environmental variations can be quantified by the change in amplitude/intensity or the optical phase.
Andererseits gibt es im Allgemeinen zwei Methoden, um die Phase des rückgestreuten Lichts in einem φOTDR-System zu erhalten. Eine Methode, wie in
Mit aktuellen φOTDR-Systemen kann nur eine Eigenschaft des rückgestreuten Lichts, z.B. entweder die Intensität/Amplitude oder die optische Phase, bestimmt und für verteilte Messungen verwendet werden. Die ermittelte Eigenschaft ist jedoch empfindlich gegenüber vielen Umgebungsparametern, wie Dehnung und Temperatur, und es ist sehr schwierig, zwei Umgebungsparameter anhand einer einzigen Eigenschaft des rückgestreuten Lichts zu unterscheiden. In der Praxis hat die Querempfindlichkeit beispielsweise einen negativen Einfluss auf die Dehnungsmessung bei niedrigen Frequenzen, da die Temperaturschwankungen im Laufe der Zeit auch die erhaltenen Eigenschaften des rückgestreuten Lichts verändern können, was zu einem Fehler führt. Es werden zusätzliche Sensorfasern oder Sensorsysteme benötigt, um den Einfluss der Temperaturänderung zu kompensieren. Wie in
Es wurden Versuche unternommen, sowohl die Intensität als auch die Phase des rückgestreuten Lichts zu messen, wie z.B. in der oben erwähnten
Daher ist es notwendig, den Frequenzmessbereich zu erweitern und zwischen Dehnungs- und Temperaturänderungen zu unterscheiden, um sowohl hoch- als auch niederfrequente Messungen von Umweltparametern von Interesse durchzuführen. Therefore, it is necessary to extend the frequency measurement range and to distinguish between strain and temperature changes in order to perform both high and low frequency measurements of environmental parameters of interest.
ZusammenfassungSummary
In Anbetracht der obigen Ausführungen wird eine Vorrichtung zur Quantifizierung einer Änderung der Umgebungsbedingungen entlang der Länge einer optischen Faser vorgeschlagen. Die Vorrichtung ermöglicht die Bestimmung von zwei Eigenschaften des reflektierten optischen Signals, indem sie eine neue Konfiguration für die abfragende Vorrichtung verwendet, so dass mindestens zwei Umgebungsparameter, die die physikalischen Eigenschaften der optischen Faser beeinflussen, gemessen werden können. Insbesondere können die Phase und die Intensität/Amplitude des zurückgestreuten optischen Signals bestimmt werden, wodurch sowohl hochfrequente Umgebungsänderungen wie Vibrationen und Dehnungen als auch niederfrequente Umgebungsänderungen wie Temperaturänderungen zuverlässig gemessen werden können. Die Vorrichtung, die mit einer optischen Faser gekoppelt ist, stellt ein DOFS-System (Distributed Optical Fiber Sensing) dar.In view of the above, a device for quantifying a change in environmental conditions along the length of an optical fiber is proposed. The device enables the determination of two properties of the reflected optical signal by using a new configuration for the interrogating device such that at least two environmental parameters that affect the physical properties of the optical fiber can be measured. In particular, the phase and the intensity/amplitude of the backscattered optical signal can be determined, thereby reliably measuring both high frequency environmental changes such as vibrations and strains and low frequency environmental changes such as temperature changes. The device, which is coupled to an optical fiber, represents a distributed optical fiber sensing (DOFS) system.
Das hier beschriebene System und die Verfahren basieren sowohl auf der Phase als auch auf der Amplitude/Intensität des rückgestreuten Rayleigh-Lichts. Das System sendet frequenzabtastende optische Pulse in eine optische Faser und detektiert rückgestreutes Licht (rückgestreute optische Signale) aus der Faser. Die Korrelation der Amplitude/Intensität des rückgestreuten Lichts, die während der Abtastung entlang der optischen Faser erhalten wird, liefert eine Größe der spektralen Verschiebung, die für Niederfrequenzmessung verwendet werden kann. Anhand der Ausgaben eines Interferometers im Messsystem wird eine Phasendifferenz berechnet, die für die Hochfrequenzmessung verwendet werden kann. Die Phasendifferenz, die aus einem Faserabschnitt gewonnen wird, der von Umgebungsstörungen isoliert ist, kann auch zur Bestimmung der relativen Frequenzänderung während der Abtastung verwendet werden. Eine Kombination aus der erhaltenen spektralen Verschiebung und der Phasendifferenz ermöglicht es, die Änderungen zweier Parameter von Interesse zu bestimmen.The system and methods described here are based on both the phase and the amplitude/intensity of the backscattered Rayleigh light. The system sends frequency-sampling optical pulses into an optical fiber and detects backscattered light (backscattered optical signals) from the fiber. The amplitude/intensity correlation of the backscattered light obtained during scanning along the optical fiber provides a magnitude of the spectral shift that can be used for low frequency measurement. From the outputs of an interferometer in the measurement system, a phase difference is calculated that can be used for high frequency measurement. The phase difference obtained from a section of fiber isolated from environmental noise can also be used to determine the relative frequency change during scanning. A combination of the obtained spectral shift and the phase difference allows the changes in two parameters of interest to be determined.
Vorrichtung zur Quantifizierung einer Änderung von Umgebungsbedingungen entlang der Länge einer optischen Faser nach Anspruch 1, ein System, das eine optische Faser und eine Vorrichtung zur Quantifizierung einer Änderung von Umgebungsbedingungen entlang der Länge der optischen Faser nach Anspruch 15 einschließt, und eines der Verfahren nach den Ansprüchen 17-21 werden zur Lösung des obigen Problems bereitgestellt.An apparatus for quantifying a change in environmental conditions along the length of an optical fiber according to
Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung zur Quantifizierung einer Änderung von Umgebungsbedingungen entlang der Länge einer optischen Faser einen Generator für frequenzabtastende optische Pulse, eine optische Komponente und ein Empfängermodul, das ein Interferometer, Fotodetektoren und eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfasst. Der Generator für frequenzabtastende optische Pulse ist so konfiguriert, dass er Pulsfolgen von optischen Pulsen mit variablen optischen Frequenzen erzeugt. Die optische Komponente ist mit dem Generator für frequenzabtastende optische Pulse gekoppelt, um die optischen Pulse in eine optische Faser einzuspeisen und das von der optischen Faser zurückgestreute optische Signal umzulenken. Das Empfängermodul ist mit der optischen Komponente gekoppelt. Das Interferometer des Empfängermoduls hat einen Eingang zum Empfangen des rückgestreuten optischen Signals und einen Koppler zum Bereitstellen optischer Signalausgänge mit verschobener Phase, wobei jeder optische Signalausgang des Kopplers mit einem der Fotodetektoren zum Bereitstellen elektrischer Signale gekoppelt ist. Die Datenverarbeitungsvorrichtung ist mit den Fotodetektoren gekoppelt, um die elektrischen Signale zu erhalten. Die Datenverarbeitungsvorrichtung ist so konfiguriert, dass sie die Phaseninformation des rückgestreuten optischen Signals aus den elektrischen Signalen als Funktion der Zeit und der optischen Frequenz ableitet.According to one embodiment, an apparatus for quantifying a change in environmental conditions along the length of an optical fiber comprises a frequency-sampling optical pulse generator, an optical component, and a receiver module comprising an interferometer, photodetectors, and a data processing device. The frequency-sampling optical pulse generator is configured to generate pulse trains of optical pulses having variable optical frequencies. The optical component is coupled to the frequency-sampling optical pulse generator to inject the optical pulses into an optical fiber and redirect the optical signal backscattered from the optical fiber. The receiver module is coupled to the optical component. The interferometer of the receiver module has an input for receiving the backscattered optical signal and a coupler for providing phase-shifted optical signal outputs, each optical signal output of the coupler being coupled to one of the photodetectors for providing electrical signals. The data processing device is coupled to the photodetectors for obtaining the electrical signals. The data processing device is configured to derive the phase information of the backscattered optical signal from the electrical signals as a function of time and optical frequency.
Die Verwendung eines Interferometers ermöglicht es, die Phase des rückgestreuten optischen Signals mit hoher Zuverlässigkeit zu bestimmen. Das Interferometer liefert optische Signalausgänge mit relativ zueinander verschobenen Phasen, so dass bei Verwendung geeigneter Demodulationsverarbeitungsmethoden, wie IQ-Demodulation, Differenzierung und Kreuzmultiplikationsalgorithmus (engl: differentiation and cross-multiplication algorithm), die Phase des rückgestreuten Signals oder die Phasendifferenz des rückgestreuten Lichts entlang der optischen Faser ermittelt werden kann.The use of an interferometer makes it possible to determine the phase of the backscattered optical signal with high reliability. The interferometer provides optical signal outputs with phases shifted relative to each other, so that when using suitable demodulation processing methods such as IQ demodulation, differentiation and cross-multiplication algorithm, the phase of the backscattered signal or the phase difference of the backscattered light along the optical fiber can be determined.
In einer einfachen Konfiguration hat das Interferometer zwei optische Ausgänge mit einer Phasenverschiebung von z.B. 120°. Die Fotodetektoren können so angeordnet werden, dass sie einen symmetrischen Detektor (Engl.: balanced detector) bilden. Bei Erweiterung dieser Konfiguration hat das Interferometer drei Ausgänge mit einer verschobenen Phase von beispielsweise 120°, wobei jeder optische Ausgang des Interferometers mit einem entsprechenden Fotodetektor gekoppelt ist.In a simple configuration, the interferometer has two optical outputs with a phase shift of, for example, 120°. The photodetectors can be arranged to form a balanced detector. If this configuration is extended, the interferometer has three outputs with a phase shift of, for example, 120°, with each optical output of the interferometer coupled to a corresponding photodetector.
Der Generator für frequenzabtastende optische Pulse liefert kohärente Pulse, so dass die zurückgestreuten optischen Signale im Interferometer interferieren können.The frequency-scanning optical pulse generator delivers coherent pulses so that the backscattered optical signals can interfere in the interferometer.
Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, ist die Datenverarbeitungsvorrichtung so konfiguriert, dass sie zusätzlich zu den Phaseninformationen auch Amplituden- und/oder Intensitätsinformationen des rückgestreuten optischen Signals aus den elektrischen Signalen als Funktion der Zeit und der optischen Frequenz ableitet. Die Amplituden- und/oder Intensitätsinformationen können aus der Auswertung der von den Fotodetektoren gelieferten elektrischen Signale gewonnen werden.According to an embodiment that can be combined with any other embodiment described here, the data processing device is configured to derive, in addition to the phase information, amplitude and/or intensity information of the backscattered optical signal from the electrical signals as a function of time and the optical frequency. The amplitude and/or intensity information can be obtained from the evaluation of the electrical signals provided by the photodetectors.
Da nur eine optische Quelle für die Bestimmung der Phase und der Amplitude/Intensität benötigt wird, ist die Vorrichtung kosteneffizient und platzsparend.Since only one optical source is required for determining the phase and amplitude/intensity, the device is cost-effective and space-saving.
Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, ist der Generator für frequenzabtastende optische Pulse so konfiguriert, dass er die optische Frequenz der optischen Pulse periodisch oder wiederholt durch einen vorbestimmten optischen Frequenzbereich scannt. Wenn die optische Frequenz wiederholt abgetastet wird, um eine Vielzahl von Folgen optischer Pulse zu erzeugen, kann jede Folge verwendet werden, um ein Reflexionsspektrum zu erhalten. Veränderungen im Reflexionsspektrum, wie z.B. eine Verschiebung des Reflexionsspektrums, können als Parameter zur Quantifizierung einer Umgebungsveränderung (Parameter von Interesse) verwendet werden. Ein Beispiel sind Temperaturschwankungen.According to an embodiment that can be combined with any other embodiment described herein, the frequency-scanning optical pulse generator is configured to periodically or repeatedly scan the optical frequency of the optical pulses through a predetermined optical frequency range. When the optical frequency is repeatedly scanned to generate a plurality of sequences of optical pulses, each sequence can be used to obtain a reflection spectrum. Changes in the reflection spectrum, such as a shift in the reflection spectrum, can be used as a parameter to quantify an environmental change (parameter of interest). One example is temperature variations.
Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, umfasst der Generator für frequenzabtastende optische Pulse eine kohärente Lichtquelle, die so konfiguriert ist, dass sie ein elektrisches Treibersignal empfängt, das die Lichtquelle veranlasst, eine optische Frequenzabtastung durchzuführen, und ein optisches Gate (optischer Schalter bzw. optisches Tor), das so konfiguriert ist, dass es Licht von der Lichtquelle empfängt und optische Pulse erzeugt. Das Treibersignal kann von einem Treiber bereitgestellt werden, um die optische Frequenz wiederholt oder periodisch abzutasten. Eine lineare Änderung der optischen Frequenz innerhalb einer Folge von Pulsen, wobei die optische Frequenz für einen einzelnen optischen Puls konstant bleibt, ist für die Bestimmung der spektralen Verschiebung auf der Grundlage der Amplituden-/Intensitätsinformationen von Vorteil. Die optische Frequenz eines einzelnen optischen Pulses kann als konstant angesehen werden, da die Abtastrate der optischen Frequenz sehr niedrig ist, im kHz- oder Sub-kHz-Bereich, und der optische Abtastbereich vergleichsweise klein ist, z.B. einige GHz. Bei einer typischen Pulsdauer (einige zehn ns) kann die optische Frequenz innerhalb der Dauer eines Pulses näherungsweise als konstant angenommen werden.According to an embodiment that can be combined with any other embodiment described herein, the frequency-sampling optical pulse generator comprises a coherent light source configured to receive an electrical drive signal that causes the light source to perform optical frequency scanning, and an optical gate configured to receive light from the light source and generate optical pulses. The drive signal can be provided by a driver to repeatedly or periodically scan the optical frequency. A linear change in the optical frequency within a sequence of pulses, with the optical frequency remaining constant for a single optical pulse, is advantageous for determining the spectral shift based on the amplitude/intensity information. The optical frequency of a single optical pulse can be considered constant because the sampling rate of the optical frequency is very low, in the kHz or sub-kHz range, and the optical sampling range is comparatively small, e.g., a few GHz. For a typical pulse duration (several tens of ns), the optical frequency can be approximately assumed to be constant within the duration of a pulse.
Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, umfasst der Generator für frequenzabtastende optische Pulse eine kohärente Lichtquelle, die so konfiguriert ist, dass sie mit einer festen optischen Frequenz arbeitet, einen Modulator, der so konfiguriert ist, dass er von einem HF-Signal mit einer abgetasteten Mikrowellenfrequenz angesteuert wird, ein optionales schmales Filter, um ein Seitenband nach der Modulation für die optische Frequenzabtastung auszuwählen, und ein optisches Gate zur Erzeugung optischer Pulse. Der Modulator erzeugt Seitenbänder des vom Generator für frequenzabtastende optische Pulse erzeugten Lichts, zum Beispiel durch Amplitudenmodulation mit Mikrowellenfrequenz. Das schmale Filter wählt das gewünschte Seitenband aus. Das schmale Filter ist jedoch optional, wenn der Modulator nur ein Seitenband erzeugt oder wenn der Modulator bereits unerwünschte Seitenbänder unterdrückt.According to an embodiment that can be combined with any other embodiment described herein, the frequency-swept optical pulse generator comprises a coherent light source configured to operate at a fixed optical frequency, a modulator configured to be driven by an RF signal at a scanned microwave frequency, an optional narrow filter to select a sideband after modulation for optical frequency scanning, and an optical gate for generating optical pulses. The modulator generates sidebands of the light generated by the frequency-swept optical pulse generator, for example by amplitude modulation at microwave frequency. The narrow filter selects the desired sideband. However, the narrow filter is optional if the modulator only generates one sideband or if the modulator already suppresses unwanted sidebands.
Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, umfasst der Generator für frequenzabtastende optische Pulse eine kohärente Lichtquelle, die so konfiguriert ist, dass sie mit einer festen optischen Frequenz arbeitet, einen Modulator, der so konfiguriert ist, dass er von einem HF-Pulssignal angesteuert wird, und ein optionales Schmalfilter, um ein Seitenband nach der Modulation für die optische Frequenzabtastung auszuwählen.According to an embodiment that can be combined with any other embodiment described herein, the frequency-sweeping optical pulse generator comprises a coherent light source configured to operate at a fixed optical frequency, a modulator configured to be driven by an RF pulse signal, and an optional narrow filter to select a post-modulation sideband for optical frequency scanning.
Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, ist das Empfängermodul so konfiguriert, dass es die relative optische Frequenz v' der eingespeisten optischen Pulse relativ zu einer optischen Referenzfrequenz während der Abtastung auf der Grundlage des vom Referenzabschnitt der optischen Faser rückgestreuten optischen Signals bestimmt. Für die Ermittlung der Phase und der Amplitude, insbesondere für die Gewinnung von Reflexionsspektren, ist eine lineare Änderung der optischen Frequenz der Pulse erwünscht. Die Erfassung der optischen Frequenz v' der eingespeisten optischen Pulse im Verhältnis zu einer optischen Referenzfrequenz während der Abtastung bietet eine Rückkopplungsmöglichkeit, um das dem Generator für frequenzabtastende optische Pulse, insbesondere der Lichtquelle, zugeführte Treibersignal anzupassen. Alternativ oder zusätzlich kann die ermittelte optische Frequenz v' der eingespeisten optischen Pulse zur Interpolation des erhaltenen Reflexionsspektrums verwendet werden, zum Beispiel wenn die optische Frequenz nicht linear verändert wurde. Insgesamt können die Reflexionsspektren zuverlässiger bestimmt werden, da man Informationen über die tatsächlich emittierte optische Frequenz erhält.According to an embodiment that is compatible with any other embodiment described herein can be combined, the receiver module is configured to determine the relative optical frequency v' of the injected optical pulses relative to an optical reference frequency during scanning on the basis of the optical signal backscattered from the reference section of the optical fiber. For determining the phase and amplitude, in particular for obtaining reflection spectra, a linear change in the optical frequency of the pulses is desired. Determining the optical frequency v' of the injected optical pulses relative to an optical reference frequency during scanning offers a feedback option for adjusting the drive signal supplied to the generator for frequency-sampling optical pulses, in particular the light source. Alternatively or additionally, the determined optical frequency v' of the injected optical pulses can be used to interpolate the obtained reflection spectrum, for example if the optical frequency has not been changed linearly. Overall, the reflection spectra can be determined more reliably since information about the actually emitted optical frequency is obtained.
Um die optische Frequenz v' der eingespeisten optischen Pulse zu ermitteln, können optische Signale verwendet werden, die von einem Referenzabschnitt der optischen Fasern zurückgestreut werden. Der Referenzabschnitt wird unter definierten und konstanten Umgebungsbedingungen gehalten.To determine the optical frequency v' of the injected optical pulses, optical signals can be used that are scattered back from a reference section of the optical fibers. The reference section is kept under defined and constant environmental conditions.
Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, ist das Empfängermodul so konfiguriert, dass es Reflexionsspektren für eine bestimmte Position in der optischen Faser auf der Grundlage von Folgen von Pulsen erhält, wobei das Empfängermodul ferner so konfiguriert ist, dass es eine Frequenzverschiebung der Reflexionsspektren erkennt, um die lokalen Umgebungsinformationen zu erfassen.According to an embodiment that can be combined with any other embodiment described herein, the receiver module is configured to obtain reflection spectra for a particular position in the optical fiber based on sequences of pulses, wherein the receiver module is further configured to detect a frequency shift of the reflection spectra to acquire the local environmental information.
Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, umfasst das Interferometer zwei Arme mit unterschiedlichen Weglängen, wobei die Differenz zwischen den beiden Armen gleich oder größer ist als die Länge eines optischen Pulses.According to an embodiment, which can be combined with any other embodiment described here, the interferometer comprises two arms with different path lengths, the difference between the two arms being equal to or greater than the length of an optical pulse.
Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, umfasst das Empfängermodul einen Splitter (Aufteiler) zum Aufteilen des rückgestreuten optischen Signals in zwei optische Teilsignale, ein Submodul zur Bestimmung von Amplituden- und/oder Intensitätsinformationen des rückgestreuten optischen Signals und ein Submodul zur Bestimmung von Phaseninformationen des rückgestreuten optischen Signals. Das Submodul zur Bestimmung von Amplituden- und/oder Intensitätsinformationen ist mit dem Splitter gekoppelt, um ein optisches Teilsignal des rückgestreuten optischen Signals zu empfangen, und das Submodul zur Bestimmung von Phaseninformationen ist mit dem Splitter gekoppelt, um das andere optische Teilsignal des rückgestreuten optischen Signals zu empfangen.According to an embodiment that can be combined with any other embodiment described here, the receiver module comprises a splitter for splitting the backscattered optical signal into two optical sub-signals, a sub-module for determining amplitude and/or intensity information of the backscattered optical signal and a sub-module for determining phase information of the backscattered optical signal. The sub-module for determining amplitude and/or intensity information is coupled to the splitter to receive one optical sub-signal of the backscattered optical signal and the sub-module for determining phase information is coupled to the splitter to receive the other optical sub-signal of the backscattered optical signal.
Das Empfängermodul kann daher zwei optische Zweige enthalten, einen für die Bestimmung der Amplitude/Intensität und einen weiteren für die Bestimmung der Phase. Dadurch ergeben sich mehr Möglichkeiten beim Betrieb der Vorrichtung. Wenn z.B. für eine bestimmte Zeit nur Informationen über die Amplitude/Intensität gewünscht werden, z.B. um die Reflexionsspektren zu erhalten, die die Bestimmung von niederfrequenten Umgebungsveränderungen ermöglichen, dann kann nur ein Zweig, d.h. nur ein Submodul in Betrieb sein. Dies reduziert die Menge der erzeugten Daten und erleichtert so die Datenverarbeitung.The receiver module can therefore contain two optical branches, one for determining the amplitude/intensity and another for determining the phase. This opens up more possibilities in the operation of the device. For example, if only information on the amplitude/intensity is required for a certain time, e.g. to obtain the reflection spectra that allow the determination of low-frequency environmental changes, then only one branch, i.e. only one sub-module, can be in operation. This reduces the amount of data generated and thus facilitates data processing.
Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, umfasst das Submodul zur Bestimmung von Amplituden- und/oder Intensitätsinformationen einen Koppler zum Mischen des optischen Teilsignals mit einem lokalen Oszillator und einen symmetrischen Detektor zur Erfassung des Ausgangs des Kopplers. Der symmetrische Detektor kann zwei Fotodetektoren umfassen. Ein Schwebungssignal des gemischten optischen Teilsignals und das Signal des lokalen Oszillators.According to an embodiment that can be combined with any other embodiment described here, the submodule for determining amplitude and/or intensity information comprises a coupler for mixing the optical sub-signal with a local oscillator and a symmetrical detector for detecting the output of the coupler. The symmetrical detector can comprise two photodetectors: a beat signal of the mixed optical sub-signal and the signal of the local oscillator.
Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, umfasst das Submodul zur Bestimmung der Phaseninformation das Interferometer und die Fotodetektoren zur Erfassung der Ausgabe des Interferometers.According to an embodiment that can be combined with any other embodiment described herein, the submodule for determining the phase information comprises the interferometer and the photodetectors for detecting the output of the interferometer.
Das Interferometer kann zwei Arme umfassen, wobei ein Arm eine Verzögerung von Δl bewirkt. Es ist zu beachten, dass ein längerer optischer Weg einer Verzögerung entspricht, da Weg und Zeit durch die Lichtgeschwindigkeit gekoppelt sind. Das vom Interferometer gelieferte Signal kann also als proportional zu E(vi,z,tm) * E(vi,z + Δl,tm) beschrieben werden, wobei z eine Position in der optischen Faser darstellt und vi die optische Frequenz des Pulses ist. Die Zeit tm steht hier für die Zeit, zu der die Messung durchgeführt wurde. Um ein einzelnes Reflexionsspektrum für optische Frequenzen von v1 bis vp, zu erhalten, wird davon ausgegangen, dass sich der Parameter von Interesse mit einer niedrigen Frequenz ändert und über den Zeitraum, der für die Aufnahme eines einzelnen Reflexionsspektrums benötigt wird, als konstant angesehen werden kann. Eine Änderung des Parameters von Interesse, wie z.B. der Temperatur, kann durch den Vergleich von Reflexionsspektren, die z.B. bei tm und tm+q aufgenommen wurden, festgestellt werden.The interferometer may comprise two arms, with one arm providing a delay of Δl. Note that a longer optical path corresponds to a delay, since path and time are coupled by the speed of light. The signal provided by the interferometer can thus be described as proportional to E(v i ,z,t m ) * E(v i ,z + Δl,t m ), where z represents a position in the optical fiber and v i is the optical frequency of the pulse. The time t m here represents the time at which the measurement was made. To obtain a single reflection spectrum for optical frequencies from v 1 to v p , it is assumed that the parameter of interest changes at a low frequency and can be considered constant over the time period needed to acquire a single reflection spectrum. A change in the parameter of interest, such as eg the temperature, can be determined by comparing reflection spectra recorded eg at t m and t m+q .
Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, umfasst das Interferometer einen ersten Arm und einen zweiten Arm, wobei der erste Arm einen längeren optischen Weg hat als der zweite Arm. Der Koppler ist ein [3×3]-Koppler, der so konfiguriert ist, dass er drei optische Signale mit einer Phasenverschiebung von 120° ausgibt, wobei der erste Arm und der zweite Arm mit den jeweiligen Eingängen des [3×3]-Kopplers gekoppelt sind. Jeder optische Signalausgang des [3×3]-Kopplers ist mit einem der Fotodetektoren gekoppelt, um die elektrischen Signale zu liefern. Der erste Arm führt, wie oben erläutert, eine optische Verzögerung ein.According to an embodiment that can be combined with any other embodiment described herein, the interferometer comprises a first arm and a second arm, the first arm having a longer optical path than the second arm. The coupler is a [3×3] coupler configured to output three optical signals with a phase shift of 120°, the first arm and the second arm being coupled to the respective inputs of the [3×3] coupler. Each optical signal output of the [3×3] coupler is coupled to one of the photodetectors to provide the electrical signals. The first arm introduces an optical delay as explained above.
Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, werden die Phasendifferenz Δφ entlang des Referenzabschnitts und des Erfassungsabschnitts und die Amplitudeninformation Ade(z) gemäß der folgenden Formel
Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, umfasst ein System zur Quantifizierung einer Änderung der Umgebungsbedingungen entlang der Länge einer optischen Faser eine Vorrichtung gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsformen und eine optische Faser, die mit der optischen Komponente der Vorrichtung gekoppelt ist. Die mit einer optischen Faser gekoppelte Vorrichtung bildet ein funktionsfähiges System zur verteilten optischen Faserüberwachung (DOFS), das auf phasenempfindlicher optischer Zeitbereichsreflektometrie (φOTDR) basiert.According to an embodiment that can be combined with any other embodiment described herein, a system for quantifying a change in environmental conditions along the length of an optical fiber comprises a device according to any of the embodiments described herein and an optical fiber coupled to the optical component of the device. The device coupled to an optical fiber forms an operational system for distributed optical fiber monitoring (DOFS) based on phase-sensitive optical time domain reflectometry (φOTDR).
Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, umfasst die optische Faser einen Referenzabschnitt, der von Umgebungsstörungen isoliert ist, und einen Erfassungsabschnitt. Der Referenzabschnitt kann zur Ermittlung der optischen Frequenz v' der eingespeisten optischen Pulse verwendet werden, wie oben beschrieben. Der Erfassungsabschnitt kann dazu verwendet werden, den oder die Parameter von Interesse in der Umgebung zu ermitteln.According to an embodiment that can be combined with any other embodiment described herein, the optical fiber comprises a reference section isolated from environmental disturbances and a detection section. The reference section can be used to determine the optical frequency v' of the injected optical pulses, as described above. The detection section can be used to determine the parameter(s) of interest in the environment.
Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hierin beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, umfasst ein Verfahren zur Bestimmung von Änderungen von Parametern von Interesse entlang der optischen Faser für Nieder- und Hochfrequenzmessungen die folgenden Prozesse: Bereitstellen von optischen Pulsen unterschiedlicher optischer Frequenzen; Einspeisen der optischen Pulse in eine optische Faser; Empfangen eines optischen Signals, das von der optischen Faser Rayleigh-rückgestreut wird; Aufteilen des optischen Signals in zwei optische Teilsignale; Erfassen eines der beiden optischen Teilsignale als Intensität des rückgestreuten optischen Signals als Funktion der Zeit, um Reflexionsspektren entlang der optischen Faser zu erhalten; Einleiten des anderen der beiden optischen Signale in ein Interferometer und Erfassen des Ausgangs des Interferometers als eine Phase des von der optischen Faser rückgestreuten optischen Signals als Funktion der Zeit; und Berechnen einer Spektralfrequenz auf der Grundlage der Korrelation des Reflexionsspektrums entlang der optischen Faser für eine Niederfrequenzmessung und einer Phasendifferenz auf der Grundlage des Ausgangs des Interferometers für eine Hochfrequenzmessung.According to an embodiment that can be combined with any other embodiment described herein, a method for determining changes in parameters of interest along the optical fiber for low and high frequency measurements comprises the following processes: providing optical pulses of different optical frequencies; injecting the optical pulses into an optical fiber; receiving an optical signal that is Rayleigh backscattered from the optical fiber; splitting the optical signal into two optical sub-signals; detecting one of the two optical sub-signals as an intensity of the backscattered optical signal as a function of time to obtain reflection spectra along the optical fiber; introducing the other of the two optical signals into an interferometer and detecting the output of the interferometer as a phase of the optical signal backscattered from the optical fiber as a function of time; and calculating a spectral frequency based on the correlation of the reflection spectrum along the optical fiber for a low frequency measurement and a phase difference based on the output of the interferometer for a high frequency measurement.
In dieser Ausführungsform wird das zurückgestreute Licht aufgeteilt, die Intensität wird direkt ermittelt und die Phase oder Phasendifferenz wird mit Hilfe des Interferometers bestimmt. Niederfrequente Änderungen der Umgebungsbedingungen werden anhand einer Korrelation zwischen den Reflexionsspektren bestimmt, während hochfrequente Änderungen anhand der Phasendifferenz ermittelt werden.In this embodiment, the backscattered light is split, the intensity is determined directly, and the phase or phase difference is determined using the interferometer. Low frequency changes in the ambient conditions are determined using a correlation between the reflection spectra, while high frequency changes are determined using the phase difference.
Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, umfasst ein Verfahren zur Bestimmung von Änderungen von Parametern von Interesse entlang der optischen Faser für die Messung von niedrigen und hohen Frequenzen die folgenden Prozesse: Bereitstellen von optischen Pulsen unterschiedlicher optischer Frequenzen; Einspeisen der optischen Pulse in eine optische Faser; Empfangen eines von der optischen Faser Rayleigh-rückgestreuten optischen Signals, das in ein Interferometer eingespeist wird; Erfassen des Ausgangs des Interferometers als Funktion der Zeit; Berechnen der Amplitudeninformation Ade und der Phasendifferenz des rückgestreuten optischen Signals auf der Grundlage des Ausgangs des Interferometers und Erhalten von Reflexionsspektren auf der Grundlage der Amplitudeninformation Ade; und Berechnen einer Spektralfrequenz auf der Grundlage der Korrelation des Reflexionsspektrums und der Amplitudeninformation Ade für eine Niederfrequenzmessung und der erhaltenen Phasendifferenz für eine Hochfrequenzmessung.According to an embodiment that can be combined with any other embodiment described herein, a method for determining changes of parameters of interest along the optical fiber for the measurement of low and high frequencies comprises the following processes: providing optical pulses of different optical frequencies; feeding the optical pulses into an optical fiber; receiving an optical signal Rayleigh backscattered from the optical fiber, which is fed into an interferometer; detecting the output of the interferometer as a function of time; calculating the amplitude information A de and the phase difference of the backscattered optical signal based on the output of the interferometer and obtaining reflection spectra based on the amplitude information A de ; and calculating a spectral frequency based on the correlation of the reflection spectrum and the amplitude information A de for a low frequency measurement and the obtained phase difference for a high frequency measurement.
Bei dieser Ausführungsform wird das rückgestreute Licht nicht geteilt und das Interferometer wird zur Bestimmung sowohl der Amplitude (oder Intensität) als auch der Phasendifferenz verwendet. Eine direkte Bestimmung der Intensität durch ein separates Submodul ist nicht erforderlich. Die Reflexionsspektren werden anhand der Amplitude bestimmt. Niederfrequente Änderungen der Umgebungsbedingungen werden anhand einer Korrelation zwischen den Reflexionsspektren bestimmt, während hochfrequente Änderungen anhand der Phasendifferenz ermittelt werden.In this embodiment, the backscattered light is not split and the interferometer is used to determine both the amplitude (or intensity) and the phase difference. A direct determination of the intensity by a separate submodule is not required. The reflection spectra are determined from the amplitude. Low frequency changes in the environmental conditions are determined from a correlation between the reflection spectra, while high frequency changes are determined from the phase difference.
Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hierin beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, umfasst ein Verfahren zur Bestimmung von Änderungen von Parametern von Interesse entlang der optischen Faser auf der Grundlage der spektralen Verschiebung und der Phasendifferenz die folgenden Prozesse: Bereitstellen von optischen Pulsen unterschiedlicher optischer Frequenzen; Einspeisen der optischen Pulse in eine optische Faser; Empfangen eines optischen Signals, das von der optischen Faser Rayleigh-rückgestreut wird; Aufspalten des optischen Signals in zwei optische Teilsignale; Erfassen eines der beiden optischen Teilsignale als Intensität des rückgestreuten optischen Signals als Funktion der Zeit, um Reflexionsspektren entlang der optischen Faser zu erhalten; Einleiten des anderen der beiden optischen Signale in ein Interferometer und Erfassen des Ausgangs des Interferometers als eine Phase des von der optischen Faser rückgestreuten optischen Signals als Funktion der Zeit; Berechnen einer Spektralfrequenz auf der Grundlage der Korrelation des Reflexionsspektrums entlang der optischen Faser und einer Phasendifferenz auf der Grundlage des Ausgangs des Interferometers; und Berechnen der Änderung der beiden Parameter von Interesse auf der Grundlage der Spektralfrequenz und der Phasendifferenz.According to an embodiment that can be combined with any other embodiment described herein, a method for determining changes in parameters of interest along the optical fiber based on spectral shift and phase difference comprises the following processes: providing optical pulses of different optical frequencies; injecting the optical pulses into an optical fiber; receiving an optical signal that is Rayleigh backscattered from the optical fiber; splitting the optical signal into two optical sub-signals; detecting one of the two optical sub-signals as an intensity of the backscattered optical signal as a function of time to obtain reflection spectra along the optical fiber; introducing the other of the two optical signals into an interferometer and detecting the output of the interferometer as a phase of the optical signal backscattered from the optical fiber as a function of time; calculating a spectral frequency based on the correlation of the reflection spectrum along the optical fiber and a phase difference based on the output of the interferometer; and calculating the change in the two parameters of interest based on the spectral frequency and the phase difference.
In dieser Ausführungsform wird das rückgestreute Licht geteilt, die Intensität direkt ermittelt und die Phase bzw. Phasendifferenz mit Hilfe des Interferometers bestimmt. Die Reflexionsspektren werden anhand der Intensität bestimmt. Anhand der Spektralfrequenz, die sich aus der Korrelation der Reflexionsspektren ergibt, und der Phasendifferenz werden die Veränderungen von zwei Parametern der Umgebung bestimmt.In this embodiment, the backscattered light is split, the intensity is determined directly and the phase or phase difference is determined using the interferometer. The reflection spectra are determined based on the intensity. The changes in two parameters of the environment are determined based on the spectral frequency, which results from the correlation of the reflection spectra, and the phase difference.
Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hierin beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, umfasst ein Verfahren zur Bestimmung von Änderungen von Parametern von Interesse entlang der optischen Faser auf der Grundlage der spektralen Verschiebung und der Phasendifferenz die folgenden Prozesse: Bereitstellen von optischen Pulsen unterschiedlicher optischer Frequenzen; Einspeisen der optischen Pulse in eine optische Faser; Erfassen des Ausgangs des Interferometers als Funktion der Zeit; Berechnen der Amplitudeninformation Ade und der Phasendifferenz des zurückgestreuten optischen Signals auf der Grundlage des Ausgangs des Interferometers und Erhalten von Reflexionsspektren auf der Grundlage der Amplitudeninformation Ade; Berechnen einer Spektralfrequenz auf der Grundlage der Korrelation des Reflexionsspektrums und der Amplitudeninformation Ade; und Berechnen der Änderung der beiden Parameter von Interesse gemäß einem Gleichungssystem auf der Grundlage der Spektralfrequenz und der Phasendifferenz.According to an embodiment that can be combined with any other embodiment described herein, a method for determining changes of parameters of interest along the optical fiber based on the spectral shift and the phase difference comprises the following processes: providing optical pulses of different optical frequencies; feeding the optical pulses into an optical fiber; detecting the output of the interferometer as a function of time; calculating the amplitude information A de and the phase difference of the backscattered optical signal based on the output of the interferometer and obtaining reflection spectra based on the amplitude information A de ; calculating a spectral frequency based on the correlation of the reflection spectrum and the amplitude information A de ; and calculating the change of the two parameters of interest according to a system of equations based on the spectral frequency and the phase difference.
Bei dieser Ausführungsform wird das rückgestreute Licht nicht aufgeteilt und das Interferometer wird zur Bestimmung sowohl der Amplitude als auch der Phasendifferenz verwendet. Eine direkte Bestimmung der Intensität durch ein separates Submodul ist nicht erforderlich. Anhand der Spektralfrequenz, die aus der Korrelation der Reflexionsspektren gewonnen wird, und der Phasendifferenz werden die Veränderungen von zwei Parametern der Umgebung bestimmt.In this embodiment, the backscattered light is not split and the interferometer is used to determine both the amplitude and the phase difference. A direct determination of the intensity by a separate submodule is not required. The changes in two parameters of the environment are determined using the spectral frequency, which is obtained from the correlation of the reflection spectra, and the phase difference.
Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hierin beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, umfasst ein Verfahren zur Bestimmung von Änderungen von Parametern von Interesse entlang der optischen Faser auf der Grundlage der spektralen Verschiebung und der Phasendifferenz die folgenden Prozesse: Bereitstellen von optischen Pulsen bei vorgewählten optischen Frequenzen, wobei einer der optischen Pulse ein Referenzpuls bei einer gegebenen optischen Frequenz ist; Einspeisen der optischen Pulse in eine optische Faser, die einen Referenzabschnitt und einen Erfassungsabschnitt umfasst, wobei der Referenzabschnitt unter definierten und konstanten Umgebungsbedingungen gehalten wird; Empfangen von optischen Signalen, die von dem Referenzabschnitt der optischen Faser für jeden Puls Rayleigh-zurückgestreut werden, wobei die optischen Signale in ein Interferometer eingeführt werden; Erfassen der Ausgabe des Interferometers als eine Funktion der Zeit; Berechnen einer Phasendifferenz an dem Referenzabschnitt der optischen Faser basierend auf der Ausgabe des Interferometers; und Berechnen der relativen Änderung der optischen Frequenz relativ zu der gegebenen optischen Frequenz des Referenzpulses basierend auf der erhaltenen Phasendifferenz.According to an embodiment that can be combined with any other embodiment described herein, a method for determining changes in parameters of interest along the optical fiber based on the spectral shift and the phase difference comprises the following processes: providing optical pulses at preselected optical frequencies, one of the optical pulses being a reference pulse at a given optical frequency; injecting the optical pulses into an optical fiber comprising a reference section and a detection section, the reference section being maintained under defined and constant environmental conditions; receiving optical signals Rayleigh backscattered from the reference section of the optical fiber for each pulse, the optical signals being introduced into an interferometer; detecting the output of the interferometer as a function of time; calculating a phase difference at the reference section of the optical fiber based on the output of the interferometer; and calculating the relative ven change of the optical frequency relative to the given optical frequency of the reference pulse based on the obtained phase difference.
Gemäß dieser Ausführungsform kann die Änderung der optischen Frequenz der Pulse relativ zur optischen Frequenz eines Referenzpulses bestimmt werden. Dies kann entweder als Rückkopplung für die Ansteuerung des Generators für frequenzabtastende optische Pulse einschließlich der kohärenten Lichtquelle oder zur Interpolation der optischen Frequenz bei der Bestimmung der Reflexionsspektren verwendet werden. Die Bestimmung der Änderung der optischen Frequenz der Pulse kann in Kombination mit einer der oben genannten Methoden verwendet werden.According to this embodiment, the change in the optical frequency of the pulses can be determined relative to the optical frequency of a reference pulse. This can be used either as feedback for driving the generator for frequency-scanning optical pulses including the coherent light source or for interpolating the optical frequency when determining the reflection spectra. The determination of the change in the optical frequency of the pulses can be used in combination with one of the above methods.
Darüber hinaus kann jede der oben genannten Methoden mit der hier offengelegten Vorrichtung und dem System durchgeführt werden.Furthermore, any of the above methods can be performed with the apparatus and system disclosed herein.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings
Im Folgenden werden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, ohne darauf beschränkt zu sein.
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zeigt eine schematische Darstellung einer grundlegenden Ausführungsform für die verteilte Faserabtastung mit optischen Pulsen mit abgetasteter optischer Frequenz. -
zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform, die auf zwei Submodulen für die optische Phasenerfassung bzw. die Amplituden-/Intensitätserfassung basiert. -
zeigt eine schematische Darstellung einer anderen beispielhaften Ausführungsform, die auf einem einzigen Submodul zur gleichzeitigen Erfassung von optischer Phase und Amplitude/Intensität basiert. -
4 zeigt mögliche Implementierungen des Submoduls für die Amplituden-/Intensitätserkennung, wobei4(a) eine schematische Darstellung auf Basis der direkten Erfassung und4(b) eine schematische Darstellung auf Basis der kohärenten Erfassung zeigt. -
5 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Submoduls für die optische Phasenerfassung, das auch als Submodul für die Phasen- und Amplituden-/Intensitätserfassung verwendet werden kann. -
6 zeigt einen beispielhaften Versuchsaufbau zur Demonstration einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, basierend auf der in3 gezeigten Ausführungsform. -
zeigt eine optische Phasendifferenz, die an einer Position des Referenzabschnitts der optischen Faser erhalten wurde, und die berechnete relative optische Frequenzänderung der Lichtquelle. -
8 zeigt eine optische Phasendifferenz, die an einem Erfassungsabschnitt der optischen Faser erhalten wurde, der einer Vibration ausgesetzt war, wobei -
8(a) und8(b) die ungefilterte und die gefilterte Phasendifferenz über die Zeit zeigen. -
zeigt das Ergebnis der Kreuzkorrelation der Reflexionsspektren, die an einem Erfassungsabschnitt der optischen Faser, die Vibrationen ausgesetzt war, erhalten wurden. -
zeigt die spektralen Verschiebungen, die an einer ungestörten Position (1391,30 m) und einer Position (1407,65 m) des Erfassungsabschnitts der optischen Faser, die Vibrationen ausgesetzt war, erhalten wurden.
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shows a schematic representation of a basic embodiment for distributed fiber sensing with optical pulses of sampled optical frequency. -
shows a schematic representation of an exemplary embodiment based on two submodules for optical phase detection and amplitude/intensity detection, respectively. -
shows a schematic representation of another exemplary embodiment based on a single submodule for simultaneous detection of optical phase and amplitude/intensity. -
4 shows possible implementations of the submodule for amplitude/intensity detection, where4(a) a schematic representation based on direct recording and4(b) shows a schematic representation based on coherent detection. -
5 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a submodule for optical phase detection, which can also be used as a submodule for phase and amplitude/intensity detection. -
6 shows an exemplary experimental setup for demonstrating an embodiment of the present invention, based on the3 embodiment shown. -
shows an optical phase difference obtained at a position of the reference section of the optical fiber and the calculated relative optical frequency change of the light source. -
8 shows an optical phase difference obtained at a detection portion of the optical fiber subjected to vibration, wherein -
8(a) and8(b) show the unfiltered and filtered phase difference over time. -
shows the result of cross-correlation of the reflection spectra obtained at a detection section of the optical fiber subjected to vibrations. -
shows the spectral shifts obtained at an undisturbed position (1391.30 m) and a position (1407.65 m) of the optical fiber sensing section subjected to vibrations.
Ausführliche BeschreibungDetailed description
Die vorliegende Offenbarung stellt eine neue Vorrichtung, ein Verfahren und ein System zur Verfügung, um die Änderung eines oder mehrerer Parameter von Interesse, zum Beispiel Temperatur und Dehnung, entlang einer Sensorfaser zu messen oder zu bestimmen. Das Verfahren basiert auf dem Reflexionsspektrum und der optischen Phase des rückgestreuten Lichts, das mit einer einzigen Vorrichtung wie einer φOTDR-Vorrichtung gewonnen werden kann.The present disclosure provides a novel apparatus, method and system for measuring or determining the change of one or more parameters of interest, e.g. temperature and strain, along a sensor fiber. The method is based on the reflection spectrum and optical phase of the backscattered light, which can be obtained with a single device such as a φOTDR device.
Wenn in der vorliegenden Offenbarung von „Licht“ oder „Lichtquelle“ die Rede ist, ist nicht nur das sichtbare Licht gemeint, sondern elektromagnetische Strahlung oder eine „Lichtquelle“, die in der Lage ist, elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich und auch im nicht sichtbaren Bereich wie Ultraviolett, nahes Infrarot und mittleres Infrarot zu erzeugen. Ein typischer Arbeitsbereich ist das nahe Infrarot zwischen etwa 780 nm und 3 µm. Nur der Einfachheit halber wird im Folgenden der Begriff „Licht“ oder „Lichtquelle“ verwendet, ohne auf das sichtbare Licht beschränkt zu sein.When the present disclosure refers to "light" or "light source", this does not only mean visible light, but electromagnetic radiation or a "light source" that is capable of generating electromagnetic radiation in the visible range and also in the non-visible range such as ultraviolet, near infrared and mid-infrared. A typical operating range is the near infrared between about 780 nm and 3 µm. For the sake of simplicity, the term "light" or "light source" is used below without being limited to visible light.
Die Vorrichtung 100 umfasst eine optische Frequenzsteuerung oder Abtastung optischer Pulse, die hier durch einen Generator für frequenzabtastende optische Pulse 110, im Folgenden als Pulsgenerator 110 bezeichnet, verkörpert wird. Der Pulsgenerator 110 ist mit einer optischen Komponente 120 gekoppelt, die optische Pulse, die vom Pulsgenerator 110 erzeugt werden, in eine optische Faser 130 einspeisen kann. Die optische Faser 130 wird oft auch als „Fiber under Test“ (FUT), d.h. Testfaser, bezeichnet.The
Der Pulsgenerator 110 ist so konfiguriert, dass er optische Pulsfolgen bei verschiedenen optischen Frequenzen erzeugt. Die erzeugten Pulse sind kohärente optische Pulse. Eine Pulsfolge kann zum Beispiel eine Vielzahl von Pulsen mit variierender optischer Frequenz umfassen, z.B. mit zunehmender oder abnehmender optischer Frequenz. In einer typischen Anwendung haben alle Pulse einer Pulsfolge die gleiche Pulsbreite, d.h. Dauer. Der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen kann so gewählt werden, dass der nächste Puls erzeugt wird, nachdem das rückgestreute optische Signal des vorherigen Pulses empfangen wurde, so dass aufeinanderfolgende Pulse sich nicht gegenseitig stören.The
Das optische Element 120 dient hauptsächlich zwei Zwecken, nämlich der Einkopplung der vom Pulsgenerator 110 erzeugten optischen Pulse in die optische Faser 130 und der Einkopplung des rückgestreuten optischen Signals eines optischen Pulses in ein Empfängermodul 150, das mit dem optischen Element 120 gekoppelt ist. Das optische Element 120 kann z.B. ein Zirkulator, ein optischer Koppler oder ein schneller optischer Schalter sein.The
Die optische Faser 130, oder Testfaser, ist eine Faser, die mit dem optischen Element 120 der Vorrichtung gekoppelt werden kann und durch eine andere optische Faser ersetzt werden kann. Daher kann die Vorrichtung 100 mit verschiedenen Fasern verwendet und mit einer Faser 130 gekoppelt werden, die z.B. in ein Gebäude oder ein Infrastrukturobjekt wie eine Brücke oder eine geologische Stätte wie eine Kaverne zur Öl- oder Gaslagerung integriert ist. Wenn die Vorrichtung 100 mit einer optischen Faser 130 gekoppelt ist, bildet sie zusammen mit der optischen Faser 130 ein System zur Quantifizierung einer Veränderung der Umgebungsbedingungen entlang der Länge einer optischen Faser, d.h. ein verteiltes optisches Fasersensorsystem (DOFS), das als φOTDR-System ausgeführt werden kann.The
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die optische Faser 130 des φOTDR-Systems einen Referenzabschnitt 132 und einen Erfassungsabschnitt 131. Der Referenzabschnitt 132 der optischen Faser 130 wird unter konstanten Umgebungsbedingungen gehalten, um den Referenzabschnitt 132 von Umgebungsänderungen zu isolieren. Da der Referenzabschnitt 132 keinen Umgebungsstörungen ausgesetzt ist, können die vom Referenzabschnitt 132 zurückgestreuten optischen Signale verwendet werden, um die relative Frequenzänderung v' der in die optische Faser 130 eingeleiteten optischen Pulse zu bestimmen. Der Erfassungsabschnitt 131 dient zur Erfassung von Umgebungsänderungen, die die physikalischen Eigenschaften der optischen Faser 130 beeinflussen, um ein verteiltes Erfassungssystem zu realisieren.According to one embodiment, the
Wie oben erwähnt, erfasst eine φOTDR-Vorrichtung das Rayleigh-rückgestreute Signal entlang der optischen Faser 130. Die Rayleigh-Streuung entsteht durch die Inhomogenitäten in der optischen Faser 130. Die Inhomogenität streut das Licht in alle Richtungen, ein kleiner Teil des gestreuten Lichts wird von der Faser 130 wieder eingefangen und breitet sich rückwärts aus, zum Eingang des einfallenden Lichts.As mentioned above, a φOTDR device detects the Rayleigh backscattered signal along the
In einem φOTDR-System werden kohärente optische Pulse durch den Generator für frequenzabtastende optische Pulse 110 erzeugt, in die optische Faser 130 eingespeist und breiten sich entlang dieser aus. Jeder Impuls wird während der Ausbreitung kontinuierlich an der Inhomogenität gestreut. Das Licht, das innerhalb der halben Länge des Pulses zurückgestreut wird, kommt gleichzeitig am Empfängermodul 150 an. Das detektierte Licht an einer bestimmten Position z ist also die Summe des Lichts, das an den Inhomogenitäten innerhalb der halben Pulslänge zurückgestreut wird.In a φOTDR system, coherent optical pulses are generated by the frequency-scanning
Das in einem φOTDR-System erhaltene optische Signal hängt von der optischen Frequenz des Pulses und den Streuungsbedingungen ab. Die Eigenschaften der Inhomogenität, wie Lage, Größe, Dichte und Brechungsindex, variieren zufällig entlang der Faser. Daher sind die Streuungsbedingungen an jeder Faserposition unterschiedlich. Infolgedessen weist das detektierte rückgestreute Licht, d.h. das rückgestreute optische Signal, z.B. die Rayleigh-Intensitätsspur, ein stochastisches Profil entlang der Faser auf. Dieses rauschähnliche Profil ist statisch, wenn die Arbeitsbedingungen konstant bleiben, z.B. keine Temperatur- und Dehnungsschwankungen und keine optische Frequenzänderung der einfallenden Pulse.The optical signal obtained in a φOTDR system depends on the optical frequency of the pulse and the scattering conditions. The properties of the inhomogeneity, such as location, size, density and refractive index, vary randomly along the fiber. Therefore, the scattering conditions are different at each fiber position. As a result, the detected backscattered light, i.e. the backscattered optical signal, e.g. the Rayleigh intensity trace, exhibits a stochastic profile along the fiber. This noise-like profile is static if the working conditions remain constant, e.g. no temperature and strain variations and no optical frequency change of the incident pulses.
Wenn die Umgebungsbedingungen und/oder die optische Frequenz der Pulse variieren, ändern sich die Streuungsbedingungen. Infolgedessen ändern sich auch die Amplitude A(z), die Intensität |A(z)|2 und die Phase φ(z) des zurückgestreuten Lichts. Die φOTDR Vorrichtung 100 ermittelt die Änderung der Amplitude, der Intensität oder der Phase, um die Veränderung der Umgebung zu quantifizieren.When the ambient conditions and/or the optical frequency of the pulses vary, the scattering conditions change. As a result, the amplitude A(z), the intensity |A(z)| 2 and the phase φ(z) of the backscattered light also change. The
Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, verwendet die φOTDR-Vorrichtung 100 die Frequenzverschiebung des Reflexionsspektrums an einer bestimmten Position in der optischen Faser 130, um die lokalen Umgebungsinformationen zu erfassen. Bei dieser Technik wird die optische Frequenz des Pulses abgefahren, wodurch eine Folge von Pulsen mit z.B. ansteigender optischer Frequenz erzeugt wird, und eine Gruppe von Rayleigh-Intensitätsspuren für jede Frequenzabtastung („Folge“) aufgezeichnet, die als Matrix im Abstands- und optischen Frequenzbereich betrachtet werden kann. An jeder Faserposition ändert sich das erhaltene Signal mit der optischen Frequenz, und diese Signaländerung wird als das lokale Reflexionsspektrum an der entsprechenden Position betrachtet. Wenn sich die lokale Umgebung ändert, verschiebt sich dieses Spektrum im Frequenzbereich im Vergleich zu dem zuvor erhaltenen Spektrum an der gleichen Position. Die spektrale Verschiebung Δv kann z.B. durch Kreuzkorrelation der beiden Spektren bestimmt werden. Sobald die spektrale Verschiebung bestimmt ist, kann die Umgebungsveränderung quantifiziert werden.According to an embodiment that is compatible with any other embodiment described herein bind, the
Die Methode zur Bestimmung der spektralen Verschiebung verwendet typischerweise eine lineare optische Frequenzabtastung, so dass die Rayleigh-Intensitätsspur in einem einheitlichen Frequenzschritt erhalten wird. In der Praxis kann eine lineare Frequenzabtastung durch HF-Modulation des Lichts realisiert werden, wofür jedoch eine teure und hochentwickelte Ausrüstung benötigt wird. Die direkte Modulation des Treiberstroms der Lichtquelle, wie sie hier in einer Ausführungsform verwendet wird, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, ist eine wirtschaftliche Lösung für die optische Frequenzabtastung, allerdings in der Regel auf nichtlineare Weise. In diesem Fall kann eine Interpolation verwendet werden, wenn die optische Frequenz v während der Abtastung bestimmt werden kann, so dass das detektierte Signal des zurückgestreuten Lichts mit einem einheitlichen Frequenzschritt rekonstruiert werden kann. Bei dieser Methode wird die Änderung der optischen Frequenz überwacht, z.B. mit Hilfe des vom Referenzabschnitt 132 der optischen Faser 130 rückgestreuten Lichts. Auf der Grundlage der optischen Frequenzänderung kann das Reflexionsspektrum, das an einer bestimmten Position nach einer Frequenzabtastung erhalten wurde, so interpoliert werden, dass der Frequenzschritt des interpolierten Spektrums einheitlich ist. Eine detailliertere Beschreibung der Interpolation des Detektionsspektrums ist in
Temperatur- und Dehnungsschwankungen können die Verschiebung des Reflexionsspektrums verursachen, und die induzierte spektrale Verschiebung kann wie folgt ausgedrückt werden
Die optische Phase φ(z) des rückgestreuten Lichts (rückgestreutes optisches Signal) ist von den Umgebungsbedingungen abhängig und kann auch für quantitative Messungen verwendet werden. Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, erhält die φOTDR-Vorrichtung 100 die Phase durch kohärente Detektion, bei der ein lokaler Oszillator zur Mischung mit dem rückgestreuten Licht verwendet wird. Verschiedene Signalverarbeitungsmethoden, wie IQ-Demodulation und analoge Schaltungen, können verwendet werden, um die Phaseninformation aus dem Schwebungssignal zwischen dem lokalen Oszillator und dem rückgestreuten Licht zu gewinnen. Auf der Grundlage der kohärenten Detektion kann das optische Phasenprofil entlang einer optischen Faser für jeden Puls ermittelt werden.The optical phase φ(z) of the backscattered light (backscattered optical signal) depends on the environmental conditions and can also be used for quantitative measurements. According to an embodiment that can be combined with any other embodiment described here, the
Die Phaseninformation geht verloren, wenn das zurückgestreute Licht direkt auf einen quadratischen Detektor trifft. Die hier beschriebene φOTDR Vorrichtung 100 ist jedoch so konfiguriert, dass sie die Phaseninformation mit Hilfe einer interferometrischen Struktur, zum Beispiel einem Mach-Zehnder-Interferometer und einem Michelson-Interferometer, erhält. Die Ausgabe des Interferometers kann direkt erfasst werden. Zur Gewinnung der Phasendifferenz Δφ können verschiedene Signalverarbeitungsmethoden verwendet werden.The phase information is lost when the backscattered light directly hits a square detector. However, the
Die Phase variiert tatsächlich zufällig mit einer Umgebungsänderung, aber die Phasendifferenz Δφ zwischen zwei Faserpositionen weist eine quasi-lineare Beziehung zu der externen Variation auf. Das Positionsintervall Δl, das zur Ermittlung der Phasendifferenz verwendet wird, ist in der Regel gleichmäßig entlang der optischen Faser 130 eingestellt. Die Phasendifferenz, die an der Position z und zum Messzeitpunkt t ermittelt wird, kann wie folgt ausgedrückt werden
Temperaturschwankungen in der Umgebung können den Brechungsindex und die Länge der optischen Faser 130 verändern, was zu einer Änderung der Phasendifferenz führt. Die temperaturbedingte Änderung der Phasendifferenz kann wie folgt ausgedrückt werden
Die dehnungsinduzierte Phasendifferenzänderung kann wie folgt ausgedrückt werden
Wie aus Gl. (3) hervorgeht, ist die Phasendifferenz auch von der optischen Frequenz v des Pulses abhängig. Das bedeutet, dass sich die Phasendifferenz Δφ mit der optischen Frequenz ändert, auch wenn es keine Umgebungsschwankungen gibt. So kann die Änderung der optischen Frequenz während des Scannens anhand der Phasendifferenz überwacht werden, die aus dem Referenzabschnitt 132 der optischen Faser 130 gewonnen wird, der von Umgebungsstörungen gut isoliert ist. Es ist vorteilhaft, die optische Frequenz v(t) zur Interpolation des erhaltenen Signals zu bestimmen, wenn die optische Frequenzabtastung nicht streng linear ist. Die während der Abtastung ermittelte optische Frequenz kann auch in einer Rückkopplungsschleife verwendet werden, um das an die Lichtquelle angelegte Treibersignal zu ändern, um eine lineare Abtastung zu realisieren. Verglichen mit der absoluten optischen Frequenz v ist die Frequenzänderung v' relativ zu einem Referenzzeitpunkt während der Abtastung, z.B. zu Beginn jeder Abtastung, für die auf der Frequenzverschiebung des Reflexionsspektrums basierende φOTDR-Erfassungsmethode wichtiger. Die relative Frequenz v' zu einem beliebigen Zeitpunkt t kann durch die optische Phasendifferenz bestimmt werden als
Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, wird die relative optische Frequenz v' der eingespeisten optischen Pulse relativ zu einer optischen Referenzfrequenz während der Abtastung auf der Grundlage des vom Referenzabschnitt 132 der optischen Faser 130 zurückgestreuten optischen Signals bestimmt. Optische Pulse werden mit vorgewählten optischen Frequenzen eingespeist, wobei einer der optischen Pulse ein Referenzpuls mit einer bestimmten optischen Frequenz ist. Die relative optische Frequenz v' der eingespeisten optischen Pulse wird relativ zu einer optischen Referenzfrequenz bestimmt, d.h. der vorgegebenen optischen Frequenz des Referenzpulses.According to an embodiment that can be combined with any other embodiment described herein, the relative optical frequency v' of the injected optical pulses relative to an optical reference frequency is determined during scanning based on the optical signal backscattered from the
Herkömmliche φOTDR-Vorrichtungen können nur entweder die Amplitude/Intensität oder die optische Phase des rückgestreuten Lichts bestimmen, um quantitative Messungen durchzuführen. Im Gegensatz dazu sieht die vorliegende Offenbarung eine neue φOTDR-Vorrichtung 100 und ein Verfahren vor, die sowohl Amplitude/Intensität als auch die optische Phase, d.h. zwei Eigenschaften des rückgestreuten optischen Signals, bestimmen können und die daher mindestens zwei Umweltparameter zuverlässig auswerten können.Conventional φOTDR devices can only determine either the amplitude/intensity or the optical phase of the backscattered light to perform quantitative measurements. In contrast, the present disclosure provides a
Ein weiteres Beispiel für eine φOTDR-Sensorvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, ist in
Die kohärente Lichtquelle 111 kann bei jeder Wellenlänge arbeiten, aber normalerweise im nahen Infrarotbereich, z.B. zwischen etwa 780 nm und 3 µm. Die Linienbreite der Lichtquelle ist in der Regel schmal, zum Beispiel in der Größenordnung von kHz.The coherent
Die Vorrichtung 100 umfasst auch ein optisches Gate 112, um die kontinuierliche Welle der Lichtquelle 111 in optische Pulse umzuwandeln. Das optische Gate 112 kann zum Beispiel ein elektro-optischer Modulator, ein akusto-optischer Modulator und ein optischer Halbleiterverstärker sein.The
In einer Abwandlung können die optische Frequenzabtastung und die Pulserzeugung auch nur von einer optoelektrischen Komponente, z.B. einem elektro-optischen Modulator, durchgeführt werden. In diesem Fall bleibt die optische Frequenz der Lichtquelle 111 über die Zeit fest. Ein HF-Puls mit abstimmbarer Mikrowellenfrequenz wird an den Modulator (optisches Gate 112) angelegt, so dass durch die Modulation Seitenbänder im optischen Frequenzbereich erzeugt werden. Die optischen Seitenbänder werden zu Pulsen moduliert, da das angelegte HF-Signal gepulst ist. Wenn mehr als ein Seitenband erzeugt wird, kann ein optischer Filter verwendet werden, um eines der erzeugten Seitenbänder auszuwählen, das der optische Puls mit der abgetasteten Frequenz ist.Alternatively, the optical frequency scanning and pulse generation may be performed by only one opto-electrical component, e.g. an electro-optical modulator. In this case, the optical frequency of the
Nach der Pulsumwandlung kann ein optischer Verstärker 113 in der Vorrichtung 100 verwendet werden, um den Puls auf ein gewünschtes Niveau zu verstärken. Als optischer Verstärker 113 kann zum Beispiel ein Erbium-dotierter Faserverstärker verwendet werden.After pulse conversion, an
Die kohärente Lichtquelle 111, das optische Gate 112, der optische Verstärker 113 und der Treiber 115 können Teil des Generators für frequenzabtastende optische Pulse 110 sein. Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, ist der Generator für frequenzabtastende optische Pulse 110 so konfiguriert, dass er die Frequenz der optischen Pulse durch einen vorbestimmten optischen Frequenzbereich scannt. Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, kann der Generator für frequenzabtastende optische Pulse 110 außerdem eine Lichtquelle 111, die durch ein elektrisches Signal zur optischen Frequenzabtastung angesteuert wird, und ein optisches Gate 112 zur Erzeugung optischer Pulse umfassen.The coherent
Der Ausgang des Generators für frequenzabtastende optische Pulse 110, in der vorliegenden Ausführungsform der Ausgang des optischen Verstärkers 113, ist mit dem optischen Element 120 gekoppelt. Das optische Element 120 hat in der vorliegenden Ausführungsform drei Ports (Eingänge bzw. Ausgänge). Ein Port, gekennzeichnet als Port A, ist mit dem Generator für frequenzabtastende optische Pulse 110 gekoppelt, ein anderer Port, gekennzeichnet als Port B, ist mit der optischen Faser 130 gekoppelt, und ein weiterer Port, gekennzeichnet als Port C, ist mit dem Empfängermodul gekoppelt. Das an Port A empfangene Licht wird nur zu Port B geleitet, während das an Port B empfangene Licht nur zu Port C geleitet wird. In Port C gelangt kein Licht.The output of the frequency-scanning
Jeder Puls der Pulsfolgen wird über die optische Komponente 120 in die optische Faser 130 eingespeist, die den Referenzabschnitt 132 und den Erfassungsabschnitt 131 umfasst. Die optische Komponente 120 leitet auch das rückgestreute Licht, d.h. das rückgestreute optische Signal, von der optischen Faser 130 in das Empfängermodul 150 um. Im Empfängermodul 150 kann das rückgestreute Licht durch einen Splitter 156 geteilt werden, und die vom Splitter 156 erzeugten optischen Teilsignale werden an ein Submodul 151 zur Bestimmung von Amplituden- und/oder Intensitätsinformationen des rückgestreuten optischen Signals und ein Submodul 152 zur Bestimmung von Phaseninformationen des rückgestreuten optischen Signals geleitet.Each pulse of the pulse trains is fed via the
Amplituden- und/oder Intensitätsinformationen beziehen sich auf einen oder mehrere Werte, die die Amplitude und/oder Intensität des rückgestreuten Lichts repräsentieren, das für eine bestimmte Stelle (Position) in der Faser 130 repräsentativ ist, wenn eine kohärente Detektion verwendet wird, um das rückgestreute Licht zu erhalten. Wenn ein Interferometer verwendet wird und die Ausgabe des Interferometers direkt erfasst wird, bezieht sich die Amplitudeninformation auf einen Wert, der als Amplitude im IQ-Demodulationsprozess erhalten wird und der proportional zum Produkt der Amplitude des an zwei verschiedenen Positionen rückgestreuten Lichts ist. Die Intensitätsinformation ist in diesem Fall das Quadrat der Amplitude. Andererseits bezieht sich die Phaseninformation auf einen Wert, der die Phase oder eine Phasendifferenz des rückgestreuten Lichts an einer bestimmten Stelle (Position) in der Faser 130 repräsentiert.Amplitude and/or intensity information refers to one or more values representing the amplitude and/or intensity of the backscattered light representative of a particular location (position) in the
Ein weiteres Beispiel für eine φOTDR-Sensorvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, ist in
Das Empfängermodul 150 kann daher zwei Submodule umfassen, ein Submodul 151 zur Bestimmung von Amplituden- und/oder Intensitätsinformationen des rückgestreuten optischen Signals und ein weiteres Submodul 152 zur Bestimmung von Phaseninformationen des rückgestreuten optischen Signals, oder ein einziges Submodul 152, das sowohl Amplituden- und/oder Intensitätsinformationen des rückgestreuten optischen Signals als auch Phaseninformationen des rückgestreuten optischen Signals bestimmt.The
Ein anderes mögliches Schema für das Submodul 151 zur Bestimmung von Amplituden- und/oder Intensitätsinformationen basiert auf der kohärenten Detektion, wie in
Die Ausgabe des Submoduls 151 zur Amplituden-/Intensitätserfassung wird von einer Datenverarbeitungsvorrichtung 158 unter Verwendung der Kreuzkorrelation oder anderer Methoden verarbeitet, um die spektrale Verschiebung Δv entlang des Referenzabschnitts 132 und des Erfassungsabschnitts 131 zu erhalten. Die Umgebungsveränderung kann dann auf der Grundlage der erhaltenen Verschiebung Δv für die niederfrequente und sogar quasi-statische Messung quantifiziert werden.The output of the amplitude/
Die Ausgaben des Submoduls 152 für die Phasenabfrage können so verarbeitet werden, dass die Phasendifferenz Δφ ermittelt wird. Zum Beispiel kann eine differenzielle und kreuzweise Demodulationsmethode verwendet werden, um die Phasendifferenz Δφ entlang des Referenz- und des Erfassungsabschnitts 131 zu erhalten. Die Phasendifferenz kann zur Quantifizierung von Umgebungsveränderungen verwendet werden. Bei der kohärenten Erfassung wird zunächst die optische Phase entlang der Faser ermittelt und dann die Differenz berechnet. Bei der direkten Erfassung mit Hilfe von Interferometern kann die Phasendifferenz direkt berechnet werden.The outputs of the
Eine andere Methode besteht darin, die Ausgabe des Interferometers P1(z), P2(z), P3(z) als
Der erste Arm 173 des Interferometers 170 ist um eine Länge von Δl länger als der zweite Arm 174, was als Messlänge des Sensors betrachtet werden kann. Das Licht, das den ersten Arm 173 durchläuft, ist verzögert, so dass die optischen Signale, die gleichzeitig an den Eingängen des [3×3]-Kopplers erscheinen, geschrieben werden können als
Die drei optischen Ausgänge des Interferometers 170 sind gegeben durch
Da
Dann können die Amplitudeninformation Ade(z) und die Phasendifferenz wie folgt berechnet werden
Die erhaltene Phasendifferenz ändert sich während der Frequenzabtastung wie in Gl. (3) gezeigt. Der Einfluss der Frequenzabtastung auf die Phasendifferenz kann leicht durch Frequenzfilterung entfernt werden. Zum Beispiel kann ein Kerb-Filter (Engl.: Notch-Filter) verwendet werden, um die Phasendifferenz bei der Abtastfrequenz zu unterdrücken. Auf der Grundlage der erhaltenen Phasendifferenz kann eine Hochfrequenzmessung durchgeführt werden. Die Umgebungsschwankungen können anhand der gefilterten Phasendifferenz quantifiziert werden.The obtained phase difference changes during frequency sampling as shown in Eq. (3). The influence of frequency sampling on the phase difference can be easily removed by frequency filtering. For example, a notch filter can be used to suppress the phase difference at the sampling frequency. Based on the obtained phase difference, a high frequency measurement can be performed. The environmental fluctuations can be quantified from the filtered phase difference.
Die in
Das Empfängermodul 150 kann das in
Die Datenverarbeitungsvorrichtung 158 empfängt die elektrischen Signale der Fotodetektoren, die auch vorverarbeitet sein können, und führt die hier beschriebenen Berechnungen durch. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 158 kann AD-Wandler enthalten, um digitale Werte zu erzeugen, die von einem Computer als Eingabe für die Berechnung verwendet werden.The
Mit der in
Sowohl die spektrale Verschiebung Δv als auch die Phasendifferenz Δφ reagieren empfindlich auf Temperatur- und Dehnungsänderungen, so dass ein Gleichungssystem wie folgt aufgestellt werden kann
Wie in
Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, kann die Anzahl der in
Zur Demonstration einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Versuchsaufbau der in
Die erzeugten Pulse werden durch einen Erbium-dotierten Faserverstärker (EDFA) 113 verstärkt. Ein Schmalbandfilter 114 mit einer Bandbreite von ±12,5 GHz wird verwendet, um die verstärkte spontane Emission des EDFA zu unterdrücken, und ein optionales Dämpfungsglied 116 kann verwendet werden, um die Intensität der Pulse anzupassen. Dann werden die optischen Pulse über einen Zirkulator 120, der hier das optische Element ist, in eine zu testende Faser 130 eingeleitet. Der Zirkulator 120 leitet auch das schwache rückgestreute Licht zur Vorverstärkung in einen weiteren EDFA (optischer Verstärker 141) um, und ein weiteres Filter 142 wird zur Unterdrückung der verstärkten spontanen Emission (ASE) verwendet. Anschließend gelangt das verstärkte Licht in das Submodul 152, um sowohl Amplituden- und/oder Intensitätsinformationen des rückgestreuten optischen Signals als auch Phaseninformationen zu bestimmen. Das Submodul 152 enthält ein Mach-Zehnder-Interferometer, wie in
Die Faser 130 ist etwa 1450 m lang. Die ersten 400 m der Faser 130 bilden einen Referenzabschnitt 132, der in einem Gehäuse gut isoliert ist und zur Messung der relativen Frequenzänderung der Lichtquelle 111 verwendet werden kann. Der Rest der Faser 130 befindet sich im Freien und dient als Erfassungsabschnitt 131. Ein kurzer Teil des Erfassungsabschnitts 131 von etwa 10 m Länge ist für die Vibrationsmessung um ein piezoelektrisches Rohr (PZT) gewickelt. An das PZT wird eine sinusförmige Spannung angelegt, so dass die umwickelte Faser entsprechend gedehnt wird. Die Schwingungsfrequenz des PZT ist auf 2 Hz bzw. 1 kHz für Niederfrequenz- und Hochfrequenzmessungen eingestellt.The
Der Ausgang der Fotodetektoren 164, 165, 166 wird mit einer Rate von 250 MS/s digitalisiert und das digitalisierte Signal wird von einem Computer (Datenverarbeitungsvorrichtung 158) verarbeitet. Die durch Gl. (7) und (10) erhaltene Amplitude wird verwendet, um das Reflexionsspektrum an jeder Position entlang der gesamten Faser 130 zu erstellen. Anschließend kann die spektrale Verschiebung durch Kreuzkorrelation der Reflexionsspektren ermittelt und zur Quantifizierung der Umgebungsveränderung bei einer niedrigen Frequenz verwendet werden, die der Hälfte der Rampenfrequenz (in diesem Fall 25 Hz) entspricht.The output of the photodetectors 164, 165, 166 is digitized at a rate of 250 MS/s and the digitized signal is processed by a computer (data processing device 158). The amplitude obtained by Eqs. (7) and (10) is used to create the reflection spectrum at each position along the
Die Phasendifferenz kann auch durch Gl. (7) und (10) auf der Grundlage des digitalisierten Signals berechnet werden. Die im Referenzabschnitt 132 der Faser 130 erhaltene Phasendifferenz wird zur Berechnung der relativen Frequenzverschiebung der Lichtquelle 111 verwendet, die im Erfassungsabschnitt 131 der Faser 130 erhaltene Phasendifferenz wird zur Quantifizierung der Umgebungsveränderung bei einer hohen Frequenz verwendet, die die Hälfte der Impulswiederholungsrate (in diesem Fall 10 kHz) beträgt.The phase difference can also be calculated by Eqs. (7) and (10) based on the digitized signal. The phase difference obtained in the
Die Vibrationsfrequenz des PZT ist für die Messung der niedrigen Frequenzen auf 2 Hz eingestellt. Auf der Grundlage der erhaltenen relativen optischen Frequenzänderung wird das Reflexionsspektrum an jeder Position entlang der Faser 130 interpoliert.
Bezugszeichenreference sign
- 100100
- Vorrichtungdevice
- 110110
- Generator für frequenzabtastende optische Pulsegenerator for frequency-sensing optical pulses
- 111111
- kohärente Lichtquelle / Lasercoherent light source / laser
- 112112
- optisches Gateoptical gate
- 113113
- optischer Verstärkeroptical amplifier
- 114114
- optisches Filteroptical filter
- 115115
- Treiber für kohärente Lichtquelledriver for coherent light source
- 116116
- Dämpfungsgliedattenuator
- 117117
- Treiber für optisches Gateoptical gate driver
- 120120
- optische Komponente / Zirkulatoroptical component / circulator
- 130130
- optische Faseroptical fiber
- 131131
- Erfassungsabschnittregistration section
- 132132
- Referenzabschnittreference section
- 141141
- optischer Verstärkeroptical amplifier
- 142142
- optisches Filteroptical filter
- 150150
- Empfängermodulreceiver module
- 151151
- Submodul (151) zur Bestimmung von Amplituden- und/oder IntensitätsinformationenSubmodule (151) for determining amplitude and/or intensity information
- 152152
- Submodul (152) zur Bestimmung der PhaseninformationSubmodule (152) for determining the phase information
- 153153
- Licht vom lokalen Oszillatorlight from the local oscillator
- 154154
- rückgestreutes Licht / rückgestreutes optisches Signalbackscattered light / backscattered optical signal
- 155155
- Kopplercoupler
- 156156
- Splitter (Aufteiler)splitter (divider)
- 158158
- Datenverarbeitungsvorrichtungdata processing device
- 161, 162, 163161, 162, 163
- Fotodetektorphotodetector
- 170170
- Interferometerinterferometer
- 171171
- [3×3] Koppler[3×3] coupler
- 172172
- Splitter (Aufteiler)splitter (divider)
- 173173
- erster Arm des Interferometersfirst arm of the interferometer
- 174174
- zweiter Arm des Interferometerssecond arm of the interferometer
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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DE 10 2018 105 905 B4 [0003]
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