[go: up one dir, main page]

DE102023112656A1 - Apparatus, method and system for quantifying a change in environmental conditions along the length of an optical fiber - Google Patents

Apparatus, method and system for quantifying a change in environmental conditions along the length of an optical fiber Download PDF

Info

Publication number
DE102023112656A1
DE102023112656A1 DE102023112656.3A DE102023112656A DE102023112656A1 DE 102023112656 A1 DE102023112656 A1 DE 102023112656A1 DE 102023112656 A DE102023112656 A DE 102023112656A DE 102023112656 A1 DE102023112656 A1 DE 102023112656A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
optical
frequency
backscattered
optical fiber
interferometer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102023112656.3A
Other languages
German (de)
Inventor
Xin Lu
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bundesrepublik Deutschland Bundesanstalt Fuer Mat und Pruefung
Bundesrepublik Deutschland Bundesanstalt Fuer Materialforschung und Pruefung
Original Assignee
Bundesrepublik Deutschland Bundesanstalt Fuer Mat und Pruefung
Bundesrepublik Deutschland Bundesanstalt Fuer Materialforschung und Pruefung
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bundesrepublik Deutschland Bundesanstalt Fuer Mat und Pruefung, Bundesrepublik Deutschland Bundesanstalt Fuer Materialforschung und Pruefung filed Critical Bundesrepublik Deutschland Bundesanstalt Fuer Mat und Pruefung
Priority to DE102023112656.3A priority Critical patent/DE102023112656A1/en
Priority to PCT/EP2024/062780 priority patent/WO2024235799A1/en
Publication of DE102023112656A1 publication Critical patent/DE102023112656A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical 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
    • G01D5/26Mechanical 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
    • G01D5/32Mechanical 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
    • G01D5/34Mechanical 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
    • G01D5/353Mechanical 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
    • G01D5/35306Mechanical 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 an interferometer arrangement
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical 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
    • G01D5/26Mechanical 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
    • G01D5/32Mechanical 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
    • G01D5/34Mechanical 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
    • G01D5/353Mechanical 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
    • G01D5/35338Mechanical 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
    • G01D5/35354Sensor working in reflection
    • G01D5/35358Sensor working in reflection using backscattering to detect the measured quantity
    • G01D5/35361Sensor working in reflection using backscattering to detect the measured quantity using elastic backscattering to detect the measured quantity, e.g. using Rayleigh backscattering
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical 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
    • G01D5/26Mechanical 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
    • G01D5/32Mechanical 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
    • G01D5/34Mechanical 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
    • G01D5/353Mechanical 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
    • G01D5/35306Mechanical 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 an interferometer arrangement
    • G01D5/35329Mechanical 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 an interferometer arrangement using interferometer with two arms in transmission, e.g. Mach-Zender interferometer

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

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.

DE 10 2018 105 905 B4 und Liehr et al. „Wavelength-scanning coherent OTDR for dynamic high strain resolution sensing“ Optics Express Vol. 26, Ausgabe 8, S. 10573-10588 (2018 ) beschreiben eine Methode, die auf der Änderung der Amplitude/Intensität des zurückgestreuten Lichts basiert. Die optische Frequenz der abfragenden optischen Pulse wird periodisch geändert, um ein Reflexionsspektrum zu erhalten. Eine Veränderung der Faserumgebung führt zu einer Verschiebung des Reflexionsspektrums, und diese Verschiebung kann erkannt werden. Diese Methode ermöglicht die Messung von Umgebungsveränderungen bei einer sehr niedrigen Frequenz (quasi-statisch), da die maximal messbare Frequenz durch die Abtastgeschwindigkeit stark begrenzt ist. Ein ähnliches Verfahren ist in der US 2010 / 0 014 071 A1 offenbart. DE 10 2018 105 905 B4 and Liehr et al. “Wavelength-scanning coherent OTDR for dynamic high strain resolution sensing” Optics Express Vol. 26, Issue 8, pp. 10573-10588 (2018 ) describe a method based on changing the amplitude/intensity of the backscattered light. The optical frequency of the interrogating optical pulses is changed periodically to obtain a reflection spectrum. A change in the fiber environment leads to a shift in the reflection spectrum and this shift can be detected. This method allows the measurement of environmental changes at a very low frequency (quasi-static) since the maximum measurable frequency is strongly limited by the scanning speed. A similar method is described in the US 2010 / 0 014 071 A1 revealed.

Andererseits gibt es im Allgemeinen zwei Methoden, um die Phase des rückgestreuten Lichts in einem φOTDR-System zu erhalten. Eine Methode, wie in US 9 170 149 B2 beschrieben, ist die kohärente Detektion: Das rückgestreute Licht wird mit einem lokalen Oszillator gemischt, sein Schwebungssignal wird detektiert und verarbeitet, um die Phaseninformation zu erhalten. Die andere Methode basiert auf verschiedenen Arten von interferometrischen Strukturen, die die Phaseninformation in optische Intensität umwandeln. Der Ausgang des Interferometers wird durch direkte Detektion aufgezeichnet und das erhaltene Signal wird verarbeitet, um die optische Phaseninformation zu erhalten. Siehe z.B. A. Masoudi et al: „A distributed optical fibre dynamic strain sensor based on phase-OTDR“, Measurement Science and Technology, Band 24 (2013), 085204 ; US 2021 / 0 033 430 A1 , und X. Lu et al: „Evaluating phase errors in phase-sensitive optical time-domain reflectometry based on I/Q demodulation“, Journal of Lightwave Technology, Vol. 38, Nr. 15, (2020), 4133-4141 . Die oben beschriebenen phasenbasierten φOTDR-Systeme können eine sehr hohe Frequenz erreichen, die durch die Länge der Sensorfaser begrenzt ist, aber sie leiden unter unterschiedlichem Rauschen, um die Umweltveränderungen bei niedriger Frequenz zu messen. Daher ist eine fortschrittliche Signalverarbeitung für die Rauschunterdrückung erforderlich, um eine Messung bei niedrigen Frequenzen zu realisieren, wie zum Beispiel in US 2017 / 0 342 814 A1 erläutert.On the other hand, there are generally two methods to obtain the phase of the backscattered light in a φOTDR system. One method, as in US 9 170 149 B2 described is the coherent detection: the backscattered light is mixed with a local oscillator, its beat signal is detected and processed to obtain the phase information. The other method is based on various types of interferometric structures that convert the phase information into optical intensity. The output of the interferometer is recorded by direct detection and the obtained signal is processed to obtain the optical phase information. See eg A. Masoudi et al: “A distributed optical fiber dynamic strain sensor based on phase-OTDR”, Measurement Science and Technology, Volume 24 (2013), 085204 ; US 2021 / 0 033 430 A1 , and X. Lu et al: "Evaluating phase errors in phase-sensitive optical time-domain reflectometry based on I/Q demodulation", Journal of Lightwave Technology, Vol. 38, No. 15, (2020), 4133-4141 . The phase-based φOTDR systems described above can achieve a very high frequency which is limited by the length of the sensor fiber, but they suffer from different noise to measure the environmental changes at low frequency. Therefore, advanced signal processing for noise reduction is required to realize measurement at low frequencies, such as in US 2017 / 0 342 814 A1 explained.

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 Z. Ding et. al: „Distributed Strain and Temperature Discrimination Using Two Types of Fiber in OFDR“, IEEE Photonics Journal, Vol. 8, Nr. 5, (2016 ), Art Nr. 6804608 beschrieben, können zwei verschiedene Arten von optischen Fasern verwendet werden, um Temperatur- und Dehnungsänderungen anhand der Verschiebung des Reflexionsspektrums zu unterscheiden. Oder zwei verteilte Fasermesssysteme, wie z.B. ein φOTDR-System und ein verteiltes Temperaturerfassungssystem, können zur gleichzeitigen Messung von Temperatur- und Dehnungsänderungen verwendet werden, wie in R. Amer et al. beschrieben: „Field Applications of Distributed Fiber Optic Strain and Temperature Sensing for Caprock - Well Integrity and CO2 Leakage Monitoring“, Proceedings of the 16th Greenhouse Gas Control Technologies Conference (GHGT-16) 23-24 , Okt 2022. Folglich ist das gesamte Sensorsystem komplex und teuer.With current φOTDR systems, only one property of the backscattered light, e.g. either the intensity/amplitude or the optical phase, can be determined and used for distributed measurements. However, the determined property is sensitive to many environmental parameters, such as strain and temperature, and it is very difficult to distinguish two environmental parameters based on a single property of the backscattered light. In practice, for example, cross-sensitivity has a negative influence on the strain measurement at low frequencies, since the temperature variations over time can also change the obtained properties of the backscattered light, resulting in an error. Additional sensor fibers or sensor systems are needed to compensate for the influence of the temperature change. As in Z. Ding et. al: “Distributed Strain and Temperature Discrimination Using Two Types of Fiber in OFDR,” IEEE Photonics Journal, Vol. 8, No. 5, (2016 ), Art No. 6804608, two different types of optical fibers can be used to distinguish temperature and strain changes based on the shift in the reflection spectrum. Or two distributed fiber measurement systems, such as a φOTDR system and a distributed temperature acquisition system system, can be used to simultaneously measure temperature and strain changes, as in R. Amer et al. described: “Field Applications of Distributed Fiber Optic Strain and Temperature Sensing for Caprock - Well Integrity and CO2 Leakage Monitoring”, Proceedings of the 16th Greenhouse Gas Control Technologies Conference (GHGT-16) 23-24 , Oct 2022. Consequently, the entire sensor system is complex and expensive.

Es wurden Versuche unternommen, sowohl die Intensität als auch die Phase des rückgestreuten Lichts zu messen, wie z.B. in der oben erwähnten US 2017 / 0 342 814 A1 erwähnt. Die in der US 2010 / 0 014 071 A1 beschriebene Konfiguration benötigt jedoch eine kohärente Detektion, um die Phaseninformation zu erhalten, was eine sehr hohe Kohärenz der Lichtquelle für die Messung über große Entfernungen erfordert.Attempts have been made to measure both the intensity and the phase of the backscattered light, as in the above-mentioned US 2017 / 0 342 814 A1 mentioned. The US 2010 / 0 014 071 A1 However, the configuration described requires coherent detection to obtain the phase information, which requires a very high coherence of the light source for measurement over long distances.

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 claim 1, a system including an optical fiber and an apparatus for quantifying a change in environmental conditions along the length of the optical fiber according to claim 15, and any of the methods according to claims 17-21 are provided to solve the above problem.

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 { I ( z ) = P 1 ( z ) / 2 + P 2 ( z ) P 3 ( z ) / 2 Q ( z ) = 3 P 1 ( z ) / 2 + 3 P 3 ( z ) / 2

Figure DE102023112656A1_0001
und A d e ( z ) I 2 ( z ) + Q 2 ( z ) Δ φ ( z ) = tan 1 [ I ( z ) / Q ( z ) ] + 2 k π
Figure DE102023112656A1_0002
bestimmt werden, wobei P1(z), P2(z) und P3(z) die von den Fotodetektoren erhaltenen bzw. erzeugten Signale bezeichnen, und wobei k eine ganze Zahl ist und der Term 2kπ einen Phasenentfaltungsprozess (Engl.: phase unwrapping process) darstellt, um den Wert der tan-1 Funktion zu erweitern.According to an embodiment that can be combined with any other embodiment described here, the phase difference Δφ along the reference section and the detection section and the amplitude information A de (z) are determined according to the following formula { I ( z ) = P 1 ( z ) / 2 + P 2 ( z ) P 3 ( z ) / 2 Q ( z ) = 3 P 1 ( z ) / 2 + 3 P 3 ( z ) / 2
Figure DE102023112656A1_0001
and A d e ( z ) I 2 ( z ) + Q 2 ( z ) Δ φ ( z ) = tan 1 [ I ( z ) / Q ( z ) ] + 2 k π
Figure DE102023112656A1_0002
where P 1 (z), P 2 (z) and P 3 (z) denote the signals received and generated by the photodetectors, respectively, and where k is an integer and the term 2kπ represents a phase unwrapping process to expand the value of the tan -1 function.

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.

  • 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, wobei 4(a) eine schematische Darstellung auf Basis der direkten Erfassung und 4(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 in 3 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) und 8(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.
In the following, embodiments are described with reference to the drawings, without being limited thereto.
  • 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, where 4(a) a schematic representation based on direct recording and 4(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 the 3 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) and 8(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.

zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100, z.B. einer φOTDR-Vorrichtung, zur Quantifizierung einer Änderung der Umgebungsbedingungen entlang einer optischen Faser gemäß einer Ausführungsform. shows a schematic representation of a device 100, eg a φOTDR device, for quantifying a change in environmental conditions along an optical fiber according to an embodiment.

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 device 100 comprises an optical frequency control or sampling of optical pulses, which is embodied here by a generator for frequency-sampling optical pulses 110, hereinafter referred to as pulse generator 110. The Pulse generator 110 is coupled to an optical component 120 that can inject optical pulses generated by pulse generator 110 into an optical fiber 130. Optical fiber 130 is often referred to as a “fiber under test” (FUT).

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 pulse generator 110 is configured to generate optical pulse trains at different optical frequencies. The generated pulses are coherent optical pulses. For example, a pulse train may comprise a plurality of pulses with varying optical frequency, e.g. with increasing or decreasing optical frequency. In a typical application, all pulses of a pulse train have the same pulse width, i.e., duration. The spacing between successive pulses may be chosen such that the next pulse is generated after the backscattered optical signal of the previous pulse has been received, so that successive pulses do not interfere with each other.

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 optical element 120 serves two main purposes, namely coupling the optical pulses generated by the pulse generator 110 into the optical fiber 130 and coupling the backscattered optical signal of an optical pulse into a receiver module 150 that is coupled to the optical element 120. The optical element 120 can be, for example, a circulator, an optical coupler or a fast optical switch.

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 optical fiber 130, or test fiber, is a fiber that can be coupled to the optical element 120 of the device and can be replaced by another optical fiber. Therefore, the device 100 can be used with different fibers and coupled to a fiber 130 that is, for example, integrated into a building or an infrastructure object such as a bridge or a geological site such as a cavern for oil or gas storage. When coupled to an optical fiber 130, the device 100 forms together with the optical fiber 130 a system for quantifying a change in environmental conditions along the length of an optical fiber, i.e. a distributed optical fiber sensor system (DOFS), which can be implemented as a φOTDR system.

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 optical fiber 130 of the φOTDR system comprises a reference section 132 and a detection section 131. The reference section 132 of the optical fiber 130 is maintained under constant environmental conditions to isolate the reference section 132 from environmental changes. Since the reference section 132 is not subject to environmental disturbances, the optical signals backscattered by the reference section 132 can be used to determine the relative frequency change v' of the optical pulses introduced into the optical fiber 130. The detection section 131 serves to detect environmental changes that affect the physical properties of the optical fiber 130 to realize a distributed detection system.

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 optical fiber 130. The Rayleigh scattering is caused by the inhomogeneities in the optical fiber 130. The inhomogeneity scatters the light in all directions, a small part of the scattered light is recaptured by the fiber 130 and propagates backwards to the input of the incident light.

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 optical pulse generator 110, fed into the optical fiber 130 and propagated along it. Each pulse is continuously scattered at the inhomogeneity during propagation. The light that is backscattered within half the length of the pulse arrives at the receiver module 150 at the same time. The detected light at a certain position z is therefore the sum of the light that is backscattered at the inhomogeneities within half the pulse length.

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 φOTDR device 100 detects the change in amplitude, intensity or phase to quantify the change in the environment.

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 φOTDR device 100 uses the frequency shift of the reflection spectrum at a particular position in the optical fiber 130 to capture the local environment information. In this technique, the optical frequency of the pulse is scanned, producing a sequence of pulses with, e.g., increasing optical frequency, and a group of Rayleigh intensity traces are recorded for each frequency scan ("sequence"), which can be viewed as a matrix in the distance and optical frequency domain. At each fiber position, the signal obtained changes with optical frequency, and this signal change is considered to be the local reflection spectrum at the corresponding position. When the local environment changes, this spectrum shifts in the frequency domain compared to the previously obtained spectrum at the same position. The spectral shift Δv can be determined, e.g., by cross-correlating the two spectra. Once the spectral shift is determined, the environment change can be quantified.

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 S. Liehr et al. enthalten: „Wavelength-scanning coherent OTDR for dynamic high strain resolution sensing“, Optics Express, Vol. 26, Ausgabe 8, (2018), 10573-10588 , auf die hier vollumfänglich Bezug genommen wird.The method for determining the spectral shift typically uses linear optical frequency scanning so that the Rayleigh intensity trace is obtained in a uniform frequency step. In practice, linear frequency scanning can be realized by RF modulation of the light, but this requires expensive and sophisticated equipment. Direct modulation of the drive current of the light source, as used here in an embodiment that can be combined with any other embodiment described here, is an economical solution for optical frequency scanning, but usually in a non-linear manner. In this case, interpolation can be used if the optical frequency v can be determined during scanning so that the detected signal of the backscattered light can be reconstructed with a uniform frequency step. In this method, the change in optical frequency is monitored, e.g. by means of the light backscattered from the reference section 132 of the optical fiber 130. Based on the optical frequency change, the reflection spectrum obtained at a certain position after a frequency scan can be interpolated so that the frequency step of the interpolated spectrum is uniform. A more detailed description of the interpolation of the detection spectrum is given in S. Liehr et al. included: “Wavelength-scanning coherent OTDR for dynamic high strain resolution sensing”, Optics Express, Vol. 26, Issue 8, (2018), 10573-10588 , which are incorporated herein by reference in their entirety.

Temperatur- und Dehnungsschwankungen können die Verschiebung des Reflexionsspektrums verursachen, und die induzierte spektrale Verschiebung kann wie folgt ausgedrückt werden Δ v T / v = ( ξ + α ) Δ T 6.92 × 10 6 Δ T

Figure DE102023112656A1_0003
Δ v ξ / v = ( 1 p ε ) Δ ε 0.78 Δ ε
Figure DE102023112656A1_0004
Wobei ΔvT und ΔVε die durch die Temperaturänderung ΔT bzw. die Dehnungsänderung Δε induzierte spektrale Verschiebung sind, ξ den thermooptischen Koeffizienten der Sensorfaser darstellt, α der thermische Ausdehnungskoeffizient der Sensorfaser ist und pε den effektiven optischen Ausdehnungskoeffizienten der Sensorfaser 130 darstellt.Temperature and strain variations can cause the shift of the reflection spectrum, and the induced spectral shift can be expressed as Δ v T / v = ( ξ + α ) Δ T 6.92 × 10 6 Δ T
Figure DE102023112656A1_0003
Δ v ξ / v = ( 1 p ε ) Δ ε 0.78 Δ ε
Figure DE102023112656A1_0004
Where Δv T and ΔV ε are the spectral shift induced by the temperature change ΔT and the strain change Δε, respectively, ξ represents the thermo-optical coefficient of the sensor fiber, α is the thermal expansion coefficient of the sensor fiber and p ε represents the effective optical expansion coefficient of the sensor fiber 130.

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 φOTDR device 100 obtains the phase by coherent detection, in which a local oscillator is used to mix with the backscattered light. Various signal processing methods, such as IQ demodulation and analog circuits, can be used to extract the phase information from the beat signal between the local oscillator and the backscattered light. Based on the coherent detection, the optical phase profile along an optical fiber can be determined for each pulse.

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 φOTDR device 100 described here is configured to obtain the phase information using an interferometric structure, for example a Mach-Zehnder interferometer and a Michelson interferometer. The output of the interferometer can be directly detected. Various signal processing methods can be used to obtain the phase difference Δφ.

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 Δ φ ( z , t ) = 4 π n Δ l v ( t ) / c

Figure DE102023112656A1_0005
wobei t für die Zeit, n für den Brechungsindex der Faser und c für die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum steht. Während des Frequenzscans ändert sich die optische Frequenz mit der Zeit.The phase actually varies randomly with an environmental change, but the phase difference Δφ between two fiber positions has a quasi-linear relationship with the external variation. The position interval Δl used to determine the phase difference is usually set uniformly along the optical fiber 130. The phase difference determined at position z and at measurement time t can be expressed as follows: Δ φ ( z , t ) = 4 π n Δ l v ( t ) / c
Figure DE102023112656A1_0005
where t is time, n is the refractive index of the fiber, and c is the speed of light in vacuum. During the frequency scan, the optical frequency changes with time.

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 Δ φ T = 4 π γ Δ T l T v / c + 4 π n η l T v / c

Figure DE102023112656A1_0006
wobei γ der thermo-optische Koeffizient der optischen Faser 130 ist, η der thermische Ausdehnungskoeffizient der optischen Faser 130 ist, lT gleich dem kleineren Wert zwischen der Faserlänge unter der Temperaturänderung und dem Wert Δl ist.Temperature variations in the environment can change the refractive index and the length of the optical fiber 130, resulting in a change in the phase difference. The temperature-related change in the phase difference can be expressed as follows Δ φ T = 4 π γ Δ T l T v / c + 4 π n η l T v / c
Figure DE102023112656A1_0006
where γ is the thermo-optical coefficient of the optical fiber 130, η is the thermal expansion coefficient of the optical fiber 130, l T is equal to the smaller value between the fiber length under the temperature change and the value Δl.

Die dehnungsinduzierte Phasendifferenzänderung kann wie folgt ausgedrückt werden Δ φ ε 4 π n l Δ ε v / c ( 1 0.1 n 2 ) Δ ε

Figure DE102023112656A1_0007
wobei lΔε gleich dem kleineren Wert zwischen der Faserlänge unter der Dehnungsänderung und dem Wert Δl ist.The strain-induced phase difference change can be expressed as follows Δ φ ε 4 π n l Δ ε v / c ( 1 0.1 n 2 ) Δ ε
Figure DE102023112656A1_0007
where l Δε is equal to the smaller value between the fiber length under the strain change and the value Δl.

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 v ' ( t ) = [ Δ φ ( t ) Δ φ ( t r e f ) ] c / 4 π n Δ l

Figure DE102023112656A1_0008
wobei tref die Referenzzeit ist. Die erhaltene relative Frequenz v' kann über die gesamte Referenzfaser gemittelt werden, um den Einfluss von Rauschen zu reduzieren und ein genaueres Ergebnis zu erzielen.As can be seen from Eq. (3), the phase difference also depends on the optical frequency v of the pulse. This means that the phase difference Δφ changes with the optical frequency even when there is no environmental variation. Thus, the change of the optical frequency during scanning can be monitored from the phase difference obtained from the reference section 132 of the optical fiber 130, which is well isolated from environmental disturbances. It is advantageous to determine the optical frequency v(t) to interpolate the obtained signal when the optical frequency scanning is not strictly linear. The optical frequency determined during scanning can also be used in a feedback loop to change the drive signal applied to the light source to realize linear scanning. Compared with the absolute optical frequency v, the frequency change v' relative to a reference time during scanning, e.g., at the beginning of each scan, is more important for the φOTDR detection method based on the frequency shift of the reflection spectrum. The relative frequency v' at any time t can be determined by the optical phase difference as v ' ( t ) = [ Δ φ ( t ) Δ φ ( t r e f ) ] c / 4 π n Δ l
Figure DE102023112656A1_0008
where t ref is the reference time. The obtained relative frequency v' can be averaged over the entire reference fiber to reduce the influence of noise and obtain a more accurate result.

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 reference section 132 of the optical fiber 130. Optical pulses are injected at preselected optical frequencies, one of the optical pulses being a reference pulse with a particular optical frequency. The relative optical frequency v' of the injected optical pulses is determined relative to an optical reference frequency, i.e. the predetermined optical frequency of the reference pulse.

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 new φOTDR device 100 and method that can determine both amplitude/intensity and the optical phase, i.e., two properties of the backscattered optical signal, and that can therefore reliably evaluate at least two environmental parameters.

Ein weiteres Beispiel für eine φOTDR-Sensorvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, ist in 2 dargestellt. Die Vorrichtung 100 umfasst eine kohärente Lichtquelle 111, bei der es sich zum Beispiel um einen Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung handeln kann. Ein Treiber 115 liefert ein Treibersignal an die Lichtquelle 111, um die Arbeitstemperatur oder den Strom der Lichtquelle 111 zu ändern, um die optische Frequenz des Ausgangs der Lichtquelle 111 abzutasten. Eine andere Möglichkeit, die Frequenzabtastung zu realisieren, ist die Verwendung eines Frequenzschiebers, wie z.B. eines elektro-optischen Modulators und eines akusto-optischen Modulators, der durch ein HF-Signal mit abstimmbarer Frequenz gesteuert wird. In diesem Fall ist das Treibersignal für die Lichtquelle 111 optional, da die Lichtquelle 111 mit einer festen optischen Frequenz betrieben wird.Another example of a φOTDR sensor device 100 according to an embodiment, which can be combined with any other embodiment described here, is shown in 2 The device 100 includes a coherent light source 111, which may be, for example, a distributed feedback semiconductor laser. A driver 115 provides a drive signal to the light source 111 to change the operating temperature or current of the light source 111 to scan the optical frequency of the output of the light source 111. Another way to realize the frequency scanning is to use a frequency shifter, such as an electro-optic modulator and an acousto-optic modulator, controlled by an RF signal with a tunable frequency. In this case, the drive signal for the light source 111 is optional since the light source 111 is operated at a fixed optical frequency.

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 light source 111 can operate at any wavelength, but typically in the near infrared range, e.g. between about 780 nm and 3 µm. The linewidth of the light source is typically narrow, e.g. on the order of kHz.

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 device 100 also includes an optical gate 112 to convert the continuous wave of the light source 111 into optical pulses. The optical gate 112 may be, for example, an electro-optic modulator, an acousto-optic modulator, and a semiconductor optical amplifier.

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 light source 111 remains fixed over time. An RF pulse with tunable microwave frequency is applied to the modulator (optical gate 112) so that the modulation generates sidebands in the optical frequency range. The optical sidebands are modulated into pulses because the applied RF signal is pulsed. If more than one sideband is generated, an optical filter may be used to select one of the generated sidebands that is the optical pulse with the scanned frequency.

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 optical amplifier 113 may be used in the device 100 to amplify the pulse to a desired level. For example, an erbium-doped fiber amplifier may be used as the optical amplifier 113.

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 light source 111, the optical gate 112, the optical amplifier 113 and the driver 115 may be part of the frequency-scanning optical pulse generator 110. According to an embodiment that may be combined with any other embodiment described herein, the frequency-scanning optical pulse generator 110 is configured to scan the frequency of the optical pulses through a predetermined optical frequency range. According to an embodiment that may be combined with any other embodiment described herein, the frequency-scanning optical pulse generator 110 may further comprise a light source 111 driven by an electrical signal for optical frequency scanning and an optical gate 112 for generating optical pulses.

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 optical pulse generator 110, in the present embodiment the output of the optical amplifier 113, is coupled to the optical element 120. The optical element 120 has three ports (inputs and outputs, respectively) in the present embodiment. One port, designated as port A, is coupled to the frequency-scanning optical pulse generator 110, another port, designated as port B, is coupled to the optical fiber 130, and another port, designated as port C, is coupled to the receiver module. The light received at port A is only passed to port B, while the light received at port B is only passed to port C. No light enters port C.

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 optical component 120 into the optical fiber 130, which includes the reference section 132 and the detection section 131. The optical component 120 also redirects the backscattered light, i.e. the backscattered optical signal, from the optical fiber 130 into the receiver module 150. In the receiver module 150, the backscattered light may be split by a splitter 156, and the partial optical signals generated by the splitter 156 are passed to a submodule 151 for determining amplitude and/or intensity information of the backscattered optical signal and a submodule 152 for determining phase information of the backscattered optical signal.

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 fiber 130 when coherent detection is used to obtain the backscattered light. When an interferometer is used and the output of the interferometer is directly detected, the amplitude information refers to a value obtained as amplitude in the IQ demodulation process and which is proportional to the product of the amplitude of the light backscattered at two different positions. The intensity information in this case is the square of the amplitude. On the other hand, the phase information refers to a value representing the phase or a phase difference of the backscattered light at a particular location (position) in the fiber 130.

Ein weiteres Beispiel für eine φOTDR-Sensorvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, ist in 3 dargestellt, welches ein einziges Submodul innerhalb des Empfängermoduls 150 verwendet, um sowohl Amplituden- und/oder Intensitätsinformationen des rückgestreuten optischen Signals als auch Phaseninformationen des rückgestreuten optischen Signals zu bestimmen.Another example of a φOTDR sensor device 100 according to an embodiment, which can be combined with any other embodiment described here, is shown in 3 which uses a single submodule within the receiver module 150 to determine both amplitude and/or intensity information of the backscattered optical signal and phase information of the backscattered optical signal.

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 receiver module 150 can therefore comprise two submodules, a submodule 151 for determining amplitude and/or intensity information of the backscattered optical signal and a further submodule 152 for determining phase information of the backscattered optical signal, or a single submodule 152, which determines both amplitude and/or intensity information of the backscattered optical signal and phase information of the backscattered optical signal.

zeigt eine schematische Darstellung des Submoduls 151 zur Bestimmung von Amplituden- und/oder Intensitätsinformationen auf der Grundlage einer direkten Erfassung. Das optische Teilsignal 154, das durch den Splitter 156 aus dem rückgestreuten optischen Signal erzeugt wird, gelangt direkt in einen Fotodetektor 161. Der Ausgang des Fotodetektors 161 liefert die Information über die Amplitude und/oder Intensität des rückgestreuten Lichts. shows a schematic representation of the submodule 151 for determining amplitude and/or intensity information based on direct detection. The partial optical signal 154, which is generated by the splitter 156 from the backscattered optical signal, passes directly into a photodetector 161. The output of the photodetector 161 provides the information about the amplitude and/or intensity of the backscattered light.

Ein anderes mögliches Schema für das Submodul 151 zur Bestimmung von Amplituden- und/oder Intensitätsinformationen basiert auf der kohärenten Detektion, wie in gezeigt. Das vom Splitter 156 erzeugte optische Teilsignal 154 und das Licht 153 eines lokalen Oszillators, der mit einer festen Frequenz betrieben wird, werden von einem Koppler 155 kombiniert. Der Ausgang des Kopplers 155 ist auf einen Detektor gerichtet, der aus zwei Fotodetektoren 162, 163 in einer symmetrischen Konfiguration besteht. Der Ausgang des symmetrischen Detektors liefert das Schwebungssignal zwischen dem rückgestreuten Licht 154 und dem Licht 153 des lokalen Oszillators.Another possible scheme for the submodule 151 to determine amplitude and/or intensity information is based on coherent detection, as in The partial optical signal 154 generated by the splitter 156 and the light 153 from a local oscillator operating at a fixed frequency are combined by a coupler 155. The output of the coupler 155 is directed to a detector consisting of two photodetectors 162, 163 in a symmetrical configuration. The output of the symmetrical detector provides the beat signal between the backscattered light 154 and the light 153 from the local oscillator.

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/intensity detection sub-module 151 is processed by a data processing device 158 using cross-correlation or other methods to obtain the spectral shift Δv along the reference section 132 and the detection section 131. The environmental change can then be quantified based on the obtained shift Δv for the low frequency and even quasi-static measurement.

5 ist eine schematische Darstellung eines möglichen Submoduls 152 zur Bestimmung der Phaseninformation. Das rückgestreute Licht 154 wird durch einen Splitter 172 geteilt und durchläuft einen ersten Arm 173 und einen zweiten Arm 174 eines Mach-Zehnder-Interferometers 170. Der erste Arm 173 und der zweite Arm 174 sind auf zwei Eingänge eines [3×3]-Kopplers 171 gerichtet, so dass das Licht, das durch die beiden Arme 173, 174 läuft, gekoppelt wird und am [3×3]-Koppler 171 interferiert. Der dritte Eingang des [3×3]-Kopplers 171 ist ungenutzt und kann blockiert werden. Der [3×3]-Koppler 171 teilt das einfallende Licht nicht nur gleichmäßig auf drei Ausgänge auf, sondern führt auch eine Phasenverschiebung von 120° zwischen den Ausgängen ein. Die Länge des ersten Arms 173 ist anders als die Länge des zweiten Arms 174. Zum Beispiel ist der erste Arm 173 in länger, so dass das Licht, das sich entlang dieses Weges bewegt, im Vergleich zum Licht im zweiten Arm 174 verzögert wird. Daher hängt das Interferenzergebnis des Lichts, das sich entlang der beiden Arme 173, 174 des Interferometers 170 bewegt, von der Phasendifferenz des reflektierten Lichts von zwei Stellen (Positionen) innerhalb der Faser ab, die einen Abstand haben, der dem Längenunterschied der beiden Arme 173, 174 entspricht. Der Längenunterschied zwischen dem ersten Arm 173 und dem zweiten Arm 174, ausgedrückt als Δl in Gl. (3), ist ungefähr gleich oder größer als die Länge des optischen Pulses. Man beachte, dass das in 5 gezeigte Mach-Zehnder-Interferometer 170 nur ein Beispiel ist. Andere Interferometerstrukturen, wie z.B. das Michelson-Interferometer, können die gleiche Funktionalität ebenfalls realisieren. 5 is a schematic representation of a possible submodule 152 for determining the phase information. The backscattered light 154 is split by a splitter 172 and passes through a first arm 173 and a second arm 174 of a Mach-Zehnder interferometer 170. The first arm 173 and the second arm 174 are directed to two inputs of a [3×3] coupler 171, so that the light passing through the two arms 173, 174 is coupled and interferes at the [3×3] coupler 171. The third input of the [3×3] coupler 171 is unused and can be blocked. The [3×3] coupler 171 not only splits the incident light equally between three outputs, but also introduces a phase shift of 120° between the outputs. The length of the first arm 173 is different from the length of the second arm 174. For example, the first arm 173 is in longer, so that the light traveling along this path is delayed compared to the light in the second arm 174. Therefore, the interference result of the light traveling along the two arms 173, 174 of the interferometer 170 depends on the phase difference of the reflected light from two locations (positions) within the fiber that are spaced apart equal to the difference in length of the two arms 173, 174. The difference in length between the first arm 173 and the second arm 174, expressed as Δl in Eq. (3), is approximately equal to or greater than the length of the optical pulse. Note that the 5 The Mach-Zehnder interferometer 170 shown is only an example. Other interferometer structures, such as the Michelson interferometer, can also realize the same functionality.

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 phase interrogation submodule 152 can be processed to obtain the phase difference Δφ. For example, a differential and cross demodulation method can be used to obtain the phase difference Δφ along the reference and detection sections 131. The phase difference can be used to quantify environmental changes. In coherent detection, the optical phase along the fiber is first determined and then the difference is calculated. In direct detection using interferometers, the phase difference can be calculated directly.

Eine andere Methode besteht darin, die Ausgabe des Interferometers P1(z), P2(z), P3(z) als { I ( z ) = P 1 ( z ) / 2 + P 2 ( z ) P 3 ( z ) / 2 Q ( z ) = 3 P 1 ( z ) / 2 + 3 P 3 ( z ) / 2

Figure DE102023112656A1_0009
zu verarbeiten, wobei P1(z), P2(z), P3(z) die Signale bezeichnen, die von den Fotodetektoren 164, 165 bzw. 166 erhalten bzw. erzeugt werden.Another method is to use the output of the interferometer P 1 (z), P 2 (z), P 3 (z) as { I ( z ) = P 1 ( z ) / 2 + P 2 ( z ) P 3 ( z ) / 2 Q ( z ) = 3 P 1 ( z ) / 2 + 3 P 3 ( z ) / 2
Figure DE102023112656A1_0009
where P 1 (z), P 2 (z), P 3 (z) denote the signals received and generated by the photodetectors 164, 165 and 166, respectively.

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 E A = 1 2 E ( z ) e j 2 π λ Δ l

Figure DE102023112656A1_0010
und E B = 1 2 E ( z + Δ l ) e j π 2 ,
Figure DE102023112656A1_0011
wobei E(z) das optische Feld des rückgestreuten optischen Signals an der Position z darstellt, das Amplituden- und Phaseninformationen enthält, λ die Wellenlänge darstellt und der Koefffizient √1/2 und die π/2-Phasenverschiebung in EB durch den Splitter 172 induziert werden.The first arm 173 of the interferometer 170 is longer than the second arm 174 by a length of Δl, which can be considered as the measuring length of the sensor. The light passing through the first arm 173 is delayed so that the optical signals appearing simultaneously at the inputs of the [3×3] coupler can be written as E A = 1 2 E ( z ) e j 2 π λ Δ l
Figure DE102023112656A1_0010
and E B = 1 2 E ( z + Δ l ) e j π 2 ,
Figure DE102023112656A1_0011
where E(z) represents the optical field of the backscattered optical signal at position z, which contains amplitude and phase information, λ represents the wavelength, and the coefficient √1/2 and the π/2 phase shift in E B are induced by the splitter 172.

Die drei optischen Ausgänge des Interferometers 170 sind gegeben durch { E 1 = 1 3 ( E A + E B e j 2 π / 3 ) E 2 = 1 3 ( E A e j 2 π / 3 + E B e j 2 π / 3 ) E 1 = 1 3 ( E A e j 2 π / 3 + E B )

Figure DE102023112656A1_0012
The three optical outputs of the interferometer 170 are given by { E 1 = 1 3 ( E A + E B e j 2 π / 3 ) E 2 = 1 3 ( E A e j 2 π / 3 + E B e j 2 π / 3 ) E 1 = 1 3 ( E A e j 2 π / 3 + E B )
Figure DE102023112656A1_0012

Da P i = E i E i *

Figure DE102023112656A1_0013
ist, kann die obige Formel umgeschrieben werden in: { P 1 ( z ) = P DC ( z ) P AC ( z ) sin [ Δφ ( z ) + 2 π / 3 ] P 2 ( z ) = P DC ( z ) P AC ( z ) sin Δφ ( z ) P 3 ( z ) = P DC ( z ) P AC ( z ) sin [ Δφ ( z ) 2 π / 3 ]
Figure DE102023112656A1_0014
wobei Δφ = φ(z + Δl) - φ(z) -2π·Δl/λ die Phasendifferenz zwischen der Faserposition z und z + Δl ist, PDC = [P(z) + P[z + Δl)]/6, und PAC = /E(z)//E(z + Δl)//3, wobei /E(z)/ die Feldamplitude des rückgestreuten optischen Signals an der Position z darstellt. Der Term 2π·Δl/λ, der in der Verzögerung des ersten Arms 173 enthalten ist, kann als Konstante betrachtet werden und wird daher bei der Berechnung vernachlässigt.Da P i = E i E i *
Figure DE102023112656A1_0013
the above formula can be rewritten as: { P 1 ( z ) = P DC ( z ) P AC ( z ) sin [ Δφ ( z ) + 2 π / 3 ] P 2 ( z ) = P DC ( z ) P AC ( z ) sin Δφ ( z ) P 3 ( z ) = P DC ( z ) P AC ( z ) sin [ Δφ ( z ) 2 π / 3 ]
Figure DE102023112656A1_0014
where Δφ = φ(z + Δl) - φ(z) -2π·Δl/λ is the phase difference between fiber position z and z + Δl, P DC = [P(z) + P[z + Δl)]/6, and P AC = /E(z)//E(z + Δl)//3, where /E(z)/ is the field amplitude of the backscattered optical signal at position z. The term 2π·Δl/λ contained in the delay of the first arm 173 can be considered as a constant and is therefore neglected in the calculation.

Dann können die Amplitudeninformation Ade(z) und die Phasendifferenz wie folgt berechnet werden A d e ( z ) I 2 ( z ) + Q 2 ( z ) Δ φ ( z ) = tan 1 [ I ( z ) / Q ( z ) ] + 2 k π

Figure DE102023112656A1_0015
wobei k eine ganze Zahl ist und der Term 2kπ einen Phasenentfaltungsprozess darstellt, um den Wert der tan-1 Funktion zu erweitern. Der Phasenentfaltungsprozess ist in der Regel notwendig, weil das Ergebnis der tan-1 Funktion auf den Bereich [-π/2, π/2] begrenzt ist, der vom tatsächlichen Wert der Phasendifferenz abweichen kann. Ein Phasenentfaltungsprozess ist in der Lage, das Ergebnis der tan-1 Funktion so zu erweitern, dass die richtige Phasendifferenz erhalten wird.Then the amplitude information A de (z) and the phase difference can be calculated as follows A d e ( z ) I 2 ( z ) + Q 2 ( z ) Δ φ ( z ) = tan 1 [ I ( z ) / Q ( z ) ] + 2 k π
Figure DE102023112656A1_0015
where k is an integer and the term 2kπ represents a phase unfolding process to expand the value of the tan -1 function. The phase unfolding process is usually necessary because the result of the tan -1 function is limited to the range [-π/2, π/2], which may deviate from the actual value of the phase difference. A phase unfolding process is able to expand the result of the tan -1 function so that the correct phase difference is obtained.

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 gezeigte Konfiguration des Submoduls 152 kann auch als einzelnes Submodul sowohl für die Phasen- als auch für die Amplituden-/Intensitätserkennung 150 in der in gezeigten Konfiguration verwendet werden. Die Phasendifferenz kann wie oben beschrieben ermittelt werden. Die spektrale Verschiebung wird auf der Grundlage der Amplitudeninformation Ade(z) bestimmt, die durch Gleichung (10) erhalten wird. Das erhaltene Signal Ade(z) ist im Grunde proportional zum Produkt aus A(z) und A(z+Δl) des zurückgestreuten Lichts, daher entspricht Ade(z) dem Produkt der Reflexionsspektren an zwei verschiedenen Positionen z und z+Δl. Die beiden Spektren können als unabhängig betrachtet werden, wenn die beiden Positionen einen Abstand haben, der größer ist als die Pulslänge. Folglich kann die spektrale Verschiebung auch aus der Amplitudeninformation Ade(z) für die Niederfrequenzmessung gewonnen werden.The in The configuration of the submodule 152 shown can also be used as a single submodule for both the phase and the amplitude/intensity detection 150 in the shown configuration. The phase difference can be obtained as described above. The spectral shift is determined based on the amplitude information A de (z) obtained by equation (10). The obtained signal A de (z) is basically proportional to the product of A(z) and A(z+Δl) of the backscattered light, therefore A de (z) corresponds to the product of the reflection spectra at two different positions z and z+Δl. The two spectra can be considered independent if the two positions are separated by a distance greater than the pulse length. Consequently, the spectral shift can also be obtained from the amplitude information A de (z) for the low frequency measurement.

Das Empfängermodul 150 kann das in 5 gezeigte Submodul 152 in Kombination mit einem der in 4(a) oder 4(b) gezeigten Submodule 151 umfassen, oder es kann alternativ nur das in 5 gezeigte Submodul 152 umfassen, da das Submodul 152 es ermöglicht, sowohl die Amplitude/Intensität als auch die Phase auf der Grundlage der Auswertung der Signale der Fotodetektoren 164, 165, 166 wie oben beschrieben zu bestimmen. Die Verwendung eines der Submodule 151 zusätzlich zum Submodul 152 sorgt für eine direktere Erfassung der Amplitude/Intensität und kann die Datenverarbeitungsvorrichtung 158 entlasten. Es ermöglicht auch die Auswahl nur eines Submoduls, wenn nur ein Umgebungsparameter von Interesse ist oder erkannt werden soll.The receiver module 150 can 5 Submodule 152 shown in combination with one of the 4(a) or 4(b) shown submodules 151, or alternatively it may only include the one shown in 5 shown submodule 152, since submodule 152 allows both the amplitude/intensity and the phase to be determined based on the evaluation of the signals from photodetectors 164, 165, 166 as described above. The use of one of the submodules 151 in addition to submodule 152 provides a more direct detection of the amplitude/intensity and can relieve the data processing device 158. It also allows the selection of only one submodule if only one environmental parameter is of interest or is to be detected.

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 data processing device 158 receives the electrical signals from the photodetectors, which may also be preprocessed, and performs the calculations described herein. The data processing device 158 may include A/D converters to generate digital values that are used by a computer as input for the calculation.

Mit der in 1 bis 6 dargestellten Erfassungsvorrichtung können sowohl die spektrale Verschiebung Δv als auch die Phasendifferenz Δφ gleichzeitig bestimmt werden. Die spektrale Verschiebung kann zur Messung von Umweltveränderungen im niedrigen Frequenzbereich verwendet werden, während die Phasendifferenz für die Hochfrequenzmessung genutzt werden kann. Darüber hinaus kann die Phasendifferenz, die am Referenzabschnitt der Faser ermittelt wird, auch zur Bestimmung der relativen Frequenzänderung während der Abtastung verwendet werden, wie in Gl. (6) gezeigt.With the 1 until 6 In the detection device shown, both the spectral shift Δv and the phase difference Δφ can be determined simultaneously. The spectral shift can be used to measure environmental changes in the low frequency range, while the phase difference can be used for high frequency measurement. In addition, the phase difference determined at the reference section of the fiber can also be used to determine the relative frequency change during scanning, as shown in Eq. (6).

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 { Δ v ( z ) = K v , T Δ T + K v , ε Δ ε Δφ ( z ) = K φ , T Δ T + K φ , ε Δ ε

Figure DE102023112656A1_0016
wobei Kv,T und Kv,ε jeweils die Temperatur- und Dehnungsempfindlichkeiten für das Reflexionsspektrum und Kφ,T und Kφ,ε jeweils die Temperatur- und Dehnungsempfindlichkeiten für die optische Phase darstellen. Folglich können die Temperatur- und Dehnungsänderungen entlang der Sensorfaser gleichzeitig durch die spektrale Verschiebung Δv und die Phasendifferenz Δφ ermittelt werden: { Δ T ( z ) = K φ , ε Δ v ( z ) K v , ε Δ φ ( z ) K v , ε K φ , T K φ , ε K v , T Δ ε ( z ) = K φ , T Δ v ( z ) K v , T Δ φ ( z ) K v , ε K φ , T K φ , ε K v , T
Figure DE102023112656A1_0017
Both the spectral shift Δv and the phase difference Δφ are sensitive to temperature and strain changes, so that a system of equations can be set up as follows { Δ v ( z ) = K v , T Δ T + K v , ε Δ ε Δφ ( z ) = K φ , T Δ T + K φ , ε Δ ε
Figure DE102023112656A1_0016
where K v,T and K v,ε are the temperature and strain sensitivities for the reflection spectrum, respectively, and K φ,T and K φ,ε are the temperature and strain sensitivities for the optical phase, respectively. Consequently, the temperature and strain changes along the sensor fiber can be determined simultaneously by the spectral shift Δv and the phase difference Δφ: { Δ T ( z ) = K φ , ε Δ v ( z ) K v , ε Δ φ ( z ) K v , ε K φ , T K φ , ε K v , T Δ ε ( z ) = K φ , T Δ v ( z ) K v , T Δ φ ( z ) K v , ε K φ , T K φ , ε K v , T
Figure DE102023112656A1_0017

Wie in gezeigt, werden drei Fotodetektoren 164, 165, 166 verwendet, was die Menge der gewonnenen Daten erhöht, da eine Standard-φOTDR Vorrichtung normalerweise nur einen Fotodetektor verwendet. Die Verwendung der drei Fotodetektoren 164, 165, 166 verbessert jedoch auch die Zuverlässigkeit der Bestimmung von Phase und Amplitude/Intensität.As in As shown, three photodetectors 164, 165, 166 are used, which increases the amount of data acquired since a standard φOTDR device normally uses only one photodetector. However, the use of the three photodetectors 164, 165, 166 also improves the reliability of the phase and amplitude/intensity determination.

Gemäß einer Ausführungsform, die mit jeder anderen hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden kann, kann die Anzahl der in 5 verwendeten Fotodetektoren reduziert werden. Wie aus Gleichung (7) hervorgeht, ist die Quadraturkomponente Q proportional zur Signaldifferenz der beiden Ausgänge. Daher können nur zwei Fotodetektoren verwendet werden, um das Signal von zwei beliebigen Ausgängen des [3×3]-Kopplers 171 zu erhalten, und die Signaldifferenz zwischen den beiden verwendeten Fotodetektoren wird als Quadraturkomponente Q betrachtet. Oder zwei beliebige Ausgänge des [3×3]-Kopplers 171 können direkt mit zwei Eingängen eines symmetrischen Fotodetektors verbunden werden, der die Signaldifferenz direkt liefert. Sobald die Quadraturkomponente bestimmt ist, kann die In-Phase-Komponente als Hilbert-Transformation von Q berechnet werden, so dass die Amplitudeninformation Ade(z) und die Phasendifferenz mit Gleichung (10) berechnet werden können. Es ist zu beachten, dass die erhaltene Phasendifferenz einen Offset von ±2π/3 aufweisen kann, abhängig von der Wahl der [3×3]-Kopplerausgänge. Dieser Phasenversatz ist eine Konstante und kann für dynamische Messungen leicht entfernt werden. Wenn ein einzelner symmetrischer Fotodetektor oder zwei Fotodetektoren verwendet werden, verringert sich die Menge der erfassten Daten im Vergleich zum Fall von drei Fotodetektoren, was die Datenspeicherung, Datenverarbeitung und Datenübertragung erleichtert.According to an embodiment that can be combined with any other embodiment described here, the number of 5 used photodetectors. As can be seen from equation (7), the quadrature component Q is proportional to the signal difference of the two outputs. Therefore, only two photodetectors can be used to obtain the signal from any two outputs of the [3×3] coupler 171, and the signal difference between the two photodetectors used is considered as the quadrature component Q. Or any two outputs of the [3×3] coupler 171 can be directly connected to two inputs of a balanced photodetector, which directly provides the signal difference. Once the quadrature component is determined, the in-phase component can be calculated as the Hilbert transform of Q, so that the amplitude information A de (z) and the phase difference can be calculated using equation (10). Note that the obtained phase difference may have an offset of ±2π/3, depending on the choice of the [3×3] coupler outputs. This phase offset is a constant and can be easily removed for dynamic measurements. When a single symmetric photodetector or two photodetectors are used, the amount of data acquired is reduced compared to the case of three photodetectors, which facilitates data storage, data processing and data transmission.

Zur Demonstration einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Versuchsaufbau der in 6 gezeigten Vorrichtung verwendet. Die verwendete Lichtquelle 111 ist ein Halbleiterlaser, der bei 1550 nm mit einer schmalen Linienbreite von 3 kHz arbeitet. Die optische Frequenz des Lasers wird durch ein Rampensignal (Treibersignal) mit 50 Hz moduliert, das durch den Treiber 115 bereitgestellt wird, um eine Frequenzabtastung zu realisieren. Ein optischer Halbleiterverstärker 112, der ein Treibersignal von einem Treiber 117 empfängt, wird verwendet, um das Licht des Lasers 111 in optische Pulse umzuwandeln. Man beachte, dass das optische Gate auch durch den optischen Halbleiterverstärker 112 realisiert werden kann. Die Pulsbreite ist auf 10 ns und die Pulswiederholrate auf 20 kHz eingestellt.To demonstrate an embodiment of the invention, a test setup of the type described in 6 The light source 111 used is a semiconductor laser operating at 1550 nm with a narrow line width of 3 kHz. The optical frequency of the laser is modulated by a ramp signal (drive signal) of 50 Hz provided by the driver 115 to realize frequency scanning. A semiconductor optical amplifier 112 receiving a drive signal from a driver 117 is used to convert the light of the laser 111 into optical pulses. Note that the optical gate can also be realized by the semiconductor optical amplifier 112. The pulse width is set to 10 ns and the pulse repetition rate to 20 kHz.

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 gezeigt. Der Längenunterschied der beiden Arme 173, 174 im Interferometer 170 ist auf 2 m eingestellt. Drei Fotodetektoren 164, 165, 166 mit sehr ähnlicher Leistung werden zur Erfassung der Ausgaben des Interferometers 170 eingesetzt.The generated pulses are amplified by an erbium-doped fiber amplifier (EDFA) 113. A narrowband filter 114 with a bandwidth of ±12.5 GHz is used to suppress the amplified spontaneous emission of the EDFA, and an optional attenuator 116 can be used to adjust the intensity of the pulses. Then the optical pulses are introduced into a fiber under test 130 via a circulator 120, which is the optical element here. The circulator 120 also redirects the weak backscattered light into another EDFA (optical amplifier 141) for pre-amplification, and another filter 142 is used to suppress the amplified spontaneous emission (ASE). The amplified light then enters the submodule 152 to determine both amplitude and/or intensity information of the backscattered optical signal as well as phase information. Submodule 152 contains a Mach-Zehnder interferometer as shown in The difference in length of the two arms 173, 174 in the interferometer 170 is set to 2 m. Three photodetectors 164, 165, 166 with very similar performance are used to detect the outputs of the interferometer 170.

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 fiber 130 is about 1450 m long. The first 400 m of the fiber 130 form a reference section 132, which is well insulated in a housing and can be used to measure the relative frequency change of the light source 111. The rest of the fiber 130 is located outdoors and serves as the detection section 131. A short part of the detection section 131, about 10 m long, is wound around a piezoelectric tube (PZT) for vibration measurement. A sinusoidal voltage is applied to the PZT so that the wrapped fiber is stretched accordingly. The oscillation frequency of the PZT is set to 2 Hz and 1 kHz for low frequency and high frequency measurements, respectively.

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 entire fiber 130. The spectral shift can then be determined by cross-correlating the reflection spectra and used to quantify the environmental change at a low frequency equal to half the ramp frequency (in this case 25 Hz).

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 reference section 132 of the fiber 130 is used to calculate the relative frequency shift of the light source 111, the phase difference obtained in the detection section 131 of the fiber 130 is used to quantify the environmental change at a high frequency which is half the pulse repetition rate (in this case 10 kHz).

zeigt die Phasendifferenz, die an einer bestimmten Position im Referenzabschnitt 132 ermittelt wurde. Die Phasendifferenz ändert sich mit einer Periode von 20 ms aufgrund des an den Laser 111 angelegten Rampensignals. Die relative optische Frequenzänderung kann gemäß Gleichung (6) auf der Grundlage dieser Phasendifferenz berechnet werden, die durch die y-Achse auf der rechten Seite von dargestellt ist. Daher kann die relative optische Frequenzänderung zur Überwachung jedes Frequenzscans und zur Bestimmung der spektralen Verschiebung verwendet werden. shows the phase difference detected at a specific position in the reference section 132. The phase difference changes with a period of 20 ms due to the ramp signal applied to the laser 111. The relative optical frequency change can be calculated according to equation (6) based on this phase difference, which is represented by the y-axis on the right side of Therefore, the relative optical frequency change can be used to monitor each frequency scan and determine the spectral shift.

zeigt die Phasendifferenz bei 1407,65 m, die durch die 1-kHz-Vibration des PZT erzeugt wird. Die in gezeigte zeitliche Form ist eine Kombination aus einer Quasi-Rampenwelle bei 50 Hz und einer Sinuswelle bei 1 kHz, die durch die Frequenzabtastung bzw. die angelegte Vibration verursacht werden. Die beiden oszillierenden Signale können im Frequenzbereich getrennt werden. Da die Abtastfrequenz des Lasers bekannt ist, können die Signale bei dieser Frequenz leicht durch Kerb-Filterung entfernt werden. Das Ergebnis der Filterung zeigt eine sinusförmige Wellenform bei 1 kHz, wie in dargestellt. Dies zeigt, dass diese Erfindung in der Lage ist, dynamische Messungen bei hohen Frequenzen auf der Grundlage der Phasendifferenz durchzuführen. shows the phase difference at 1407.65 m, which is generated by the 1 kHz vibration of the PZT. The The temporal shape shown is a combination of a quasi-ramp wave at 50 Hz and a sine wave at 1 kHz, caused by the frequency sampling and the applied vibration, respectively. The two oscillating signals can be separated in the frequency domain. Since the sampling frequency of the laser is known, the signals at this frequency can easily be removed by notch filtering. The result of the filtering shows a sinusoidal waveform at 1 kHz, as shown in This shows that this invention is capable of performing dynamic measurements at high frequencies based on the phase difference.

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. zeigt das Ergebnis der Kreuzkorrelation zwischen dem Reflexionsspektrum, das beim ersten Scan und später bei der Faserposition 1407,65 m erhalten wurde. Die Position des Korrelationspeaks im Frequenzbereich zeigt die entsprechende spektrale Verschiebung an.The vibration frequency of the PZT is set to 2 Hz for measuring the low frequencies. Based on the obtained relative optical frequency change, the reflection spectrum is interpolated at each position along the fiber 130. shows the result of the cross-correlation between the reflection spectrum obtained at the first scan and later at the fiber position 1407.65 m. The position of the correlation peak in the frequency domain indicates the corresponding spectral shift.

zeigt die zeitliche Veränderung der spektralen Verschiebungen, die an zwei verschiedenen Faserpositionen erhalten wurden. Die spektrale Verschiebung bei 1407,65 m Faser zeigt eine deutliche Oszillation bei 2 Hz, da die Faser an dieser Position der 2-Hz-Schwingung ausgesetzt ist. Die spektrale Verschiebung bei 1391,30 m, einer ungestörten Position, schwankt leicht um 0 MHz, was darauf hindeutet, dass es keine Veränderungen in der Umgebung gibt. shows the temporal variation of the spectral shifts obtained at two different fiber positions. The spectral shift at 1407.65 m fiber shows a clear oscillation at 2 Hz, since the fiber at this position is subject to the 2 Hz oscillation. The spectral shift at 1391.30 m, an undisturbed position, fluctuates slightly around 0 MHz, indicating that there are no changes in the environment.

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

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA accepts no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10 2018 105 905 B4 [0003]DE 10 2018 105 905 B4 [0003]
  • US 2010 / 0 014 071 A1 [0003, 0006]US 2010 / 0 014 071 A1 [0003, 0006]
  • US 9 170 149 B2 [0004]US 9 170 149 B2 [0004]
  • US 2021 / 0 033 430 A1 [0004]US 2021 / 0 033 430 A1 [0004]
  • US 2017 / 0 342 814 A1 [0004, 0006]US 2017 / 0 342 814 A1 [0004, 0006]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Liehr et al. „Wavelength-scanning coherent OTDR for dynamic high strain resolution sensing“ Optics Express Vol. 26, Ausgabe 8, S. 10573-10588 (2018 [0003]Liehr et al. “Wavelength-scanning coherent OTDR for dynamic high strain resolution sensing” Optics Express Vol. 26, Issue 8, pp. 10573-10588 (2018 [0003]
  • A. Masoudi et al: „A distributed optical fibre dynamic strain sensor based on phase-OTDR“, Measurement Science and Technology, Band 24 (2013), 085204 [0004]A. Masoudi et al: “A distributed optical fiber dynamic strain sensor based on phase-OTDR”, Measurement Science and Technology, Volume 24 (2013), 085204 [0004]
  • X. Lu et al: „Evaluating phase errors in phase-sensitive optical time-domain reflectometry based on I/Q demodulation“, Journal of Lightwave Technology, Vol. 38, Nr. 15, (2020), 4133-4141 [0004]X. Lu et al: “Evaluating phase errors in phase-sensitive optical time-domain reflectometry based on I/Q demodulation”, Journal of Lightwave Technology, Vol. 38, No. 15, (2020), 4133-4141 [0004]
  • Z. Ding et. al: „Distributed Strain and Temperature Discrimination Using Two Types of Fiber in OFDR“, IEEE Photonics Journal, Vol. 8, Nr. 5, (2016 [0005]Z. Ding et. al: “Distributed Strain and Temperature Discrimination Using Two Types of Fiber in OFDR”, IEEE Photonics Journal, Vol. 8, No. 5, (2016 [0005]
  • R. Amer et al. beschrieben: „Field Applications of Distributed Fiber Optic Strain and Temperature Sensing for Caprock - Well Integrity and CO2 Leakage Monitoring“, Proceedings of the 16th Greenhouse Gas Control Technologies Conference (GHGT-16) 23-24 [0005]R. Amer et al. described: “Field Applications of Distributed Fiber Optic Strain and Temperature Sensing for Caprock - Well Integrity and CO2 Leakage Monitoring”, Proceedings of the 16th Greenhouse Gas Control Technologies Conference (GHGT-16) 23-24 [0005]
  • S. Liehr et al. enthalten: „Wavelength-scanning coherent OTDR for dynamic high strain resolution sensing“, Optics Express, Vol. 26, Ausgabe 8, (2018), 10573-10588 [0059]S. Liehr et al. included: “Wavelength-scanning coherent OTDR for dynamic high strain resolution sensing”, Optics Express, Vol. 26, Issue 8, (2018), 10573-10588 [0059]

Claims (21)

Vorrichtung (100) zur Quantifizierung einer Änderung von Umgebungsbedingungen entlang der Länge einer optischen Faser (130), aufweisend: einen Generator für frequenzabtastende optische Pulse (110), der so konfiguriert ist, dass er Pulsfolgen von optischen Pulsen mit variablen optischen Frequenzen erzeugt; eine optische Komponente (120), die mit dem Generator für frequenzabtastende optische Pulse (110) gekoppelt ist, um die optischen Pulse in eine optische Faser (130) einzuspeisen und um das von der optischen Faser (130) zurückgestreute optische Signal umzulenken; und ein Empfängermodul (150), das mit der optischen Komponente (120) gekoppelt ist, wobei das Empfängermodul (150) folgendes aufweist ein Interferometer (170) und Fotodetektoren (164, 165, 166), wobei das Interferometer (170) einen Eingang zum Empfangen des rückgestreuten optischen Signals und einen Koppler (171) zum Bereitstellen optischer Signalausgänge mit verschobenen Phasen aufweist, wobei jeder optische Signalausgang des Kopplers (171) mit einem der Fotodetektoren (164, 165, 166) zum Bereitstellen elektrischer Signale gekoppelt ist; und eine Datenverarbeitungsvorrichtung (158), die mit den Fotodetektoren (164, 165, 166) gekoppelt ist, um die elektrischen Signale zu empfangen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung (158) so konfiguriert ist, dass sie Phaseninformationen des rückgestreuten optischen Signals aus den elektrischen Signalen als eine Funktion der Zeit und der optischen Frequenz ableitet.An apparatus (100) for quantifying a change in environmental conditions along the length of an optical fiber (130), comprising: a frequency-sweeping optical pulse generator (110) configured to generate pulse trains of optical pulses having variable optical frequencies; an optical component (120) coupled to the frequency-sweeping optical pulse generator (110) for injecting the optical pulses into an optical fiber (130) and for redirecting the optical signal backscattered from the optical fiber (130); and a receiver module (150) coupled to the optical component (120), the receiver module (150) comprising an interferometer (170) and photodetectors (164, 165, 166), the interferometer (170) having an input for receiving the backscattered optical signal and a coupler (171) for providing optical signal outputs with shifted phases, each optical signal output of the coupler (171) being coupled to one of the photodetectors (164, 165, 166) for providing electrical signals; and a data processing device (158) coupled to the photodetectors (164, 165, 166) to receive the electrical signals, the data processing device (158) configured to derive phase information of the backscattered optical signal from the electrical signals as a function of time and optical frequency. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung (158) so konfiguriert ist, 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.Device (100) according to claim 1 , wherein the data processing device (158) 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. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Generator für frequenzabtastende optische Pulse (110) so konfiguriert ist, dass er die optische Frequenz der optischen Pulse periodisch durch einen vorgegebenen optischen Frequenzbereich abtastet.Device (100) according to claim 1 or 2 wherein the frequency-sampling optical pulse generator (110) is configured to periodically scan the optical frequency of the optical pulses through a predetermined optical frequency range. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Generator für frequenzabtastende optische Pulse (110) eine kohärente Lichtquelle (111) aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie ein elektrisches Treibersignal empfängt, das die Lichtquelle (111) veranlasst, eine optische Frequenzabtastung durchzuführen, und ein optisches Gate (112), das so konfiguriert ist, dass es Licht von der Lichtquelle (111) empfängt und optische Pulse erzeugt.The apparatus (100) of any preceding claim, wherein the frequency-sweeping optical pulse generator (110) comprises a coherent light source (111) configured to receive an electrical drive signal that causes the light source (111) to perform optical frequency scanning, and an optical gate (112) configured to receive light from the light source (111) and generate optical pulses. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Generator für frequenzabtastende optische Pulse (110) eine kohärente Lichtquelle (111) aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie bei einer festen optischen Frequenz arbeitet, einen Modulator, der so konfiguriert ist, dass er von einem HF-Signal mit einer abgetasteten Mikrowellenfrequenz und ein optionales schmales Filter angesteuert wird, um ein Seitenband nach der Modulation für die optische Frequenzabtastung auszuwählen, und ein optisches Gate (112) zur Erzeugung optischer Pulse.Device (100) according to one of the Claims 1 until 3 wherein the frequency-swept optical pulse generator (110) comprises a coherent light source (111) configured to operate at a fixed optical frequency, a modulator configured to be driven by an RF signal having a sampled microwave frequency and an optional narrow filter to select a post-modulation sideband for optical frequency scanning, and an optical gate (112) for generating optical pulses. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Generator für frequenzabtastende optische Pulse (110) eine kohärente Lichtquelle (111) aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie bei einer festen optischen Frequenz arbeitet, einen Modulator, der so konfiguriert ist, dass er von einem HF-Pulssignal angesteuert wird, und ein optionales schmales Filter, um ein Seitenband nach der Modulation für die optische Frequenzabtastung auszuwählen.Device (100) according to one of the Claims 1 until 3 wherein the frequency-swept optical pulse generator (110) comprises a coherent light source (111) 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. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Empfängermodul (150) so konfiguriert ist, dass es die relative optische Frequenz v' der eingespeisten optischen Pulse relativ zu einer optischen Referenzfrequenz während der Abtastung auf der Grundlage des von einem Referenzabschnitt (132) der optischen Faser (130) rückgestreuten optischen Signals bestimmt.The apparatus (100) of any preceding claim, wherein the receiver module (150) is configured to determine the relative optical frequency v' of the injected optical pulses relative to an optical reference frequency during scanning based on the optical signal backscattered from a reference portion (132) of the optical fiber (130). Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Empfängermodul (150) so konfiguriert ist, dass es Reflexionsspektren für eine gegebene Position in der optischen Faser (130) auf der Grundlage von Pulsfolgen erhält, wobei das Empfängermodul (150) ferner so konfiguriert ist, dass es eine Frequenzverschiebung der Reflexionsspektren erfasst, um lokale Umgebungsinformationen zu erhalten.The apparatus (100) of any preceding claim, wherein the receiver module (150) is configured to obtain reflection spectra for a given position in the optical fiber (130) based on pulse sequences, the receiver module (150) further configured to detect a frequency shift of the reflection spectra to obtain local environmental information. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Interferometer (170) zwei Arme (173, 174) mit unterschiedlichen Weglängen aufweist, wobei die Differenz zwischen den beiden Armen (173, 174) gleich oder größer ist als die Länge eines optischen Pulses.Device (100) according to one of the preceding claims, wherein the interferometer (170) has two arms (173, 174) with different path lengths, the difference between the two arms (173, 174) being equal to or greater than the length of an optical pulse. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Empfängermodul (150) einen Splitter (156) zum Aufteilen des rückgestreuten optischen Signals in zwei optische Teilsignale, 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 aufweist, wobei das Submodul (151) zur Bestimmung von Amplituden- und/oder Intensitätsinformationen mit dem Splitter (151) gekoppelt ist, um ein optisches Teilsignal des rückgestreuten optischen Signals zu empfangen, und das Submodul (152) zur Bestimmung von Phaseninformationen mit dem Splitter (151) gekoppelt ist, um das andere optische Teilsignal des rückgestreuten optischen Signals zu empfangen.Device (100) according to one of the preceding claims, wherein the receiver module (150) comprises a splitter (156) for splitting the backscattered optical signal into two optical sub-signals, a submodule (151) for determining amplitude and/or intensity information of the backscattered optical signal and a submodule (152) for determining phase information of the backscattered optical signal, wherein the submodule (151) for determining amplitude and/or intensity information is coupled to the splitter (151) to receive one optical partial signal of the backscattered optical signal, and the submodule (152) for determining phase information is coupled to the splitter (151) to receive the other optical partial signal of the backscattered optical signal. Vorrichtung (100) nach Anspruch 10, wobei das Submodul (151) zur Bestimmung von Amplituden- und/oder Intensitätsinformationen einen Koppler (155) zum Mischen des optischen Teilsignals mit einem lokalen Oszillator und einen symmetrischen Detektor (162, 163) zur Erfassung des Ausgangs des Kopplers (155) aufweist.Device (100) according to claim 10 , wherein the submodule (151) for determining amplitude and/or intensity information has a coupler (155) for mixing the optical partial signal with a local oscillator and a symmetrical detector (162, 163) for detecting the output of the coupler (155). Vorrichtung (100) nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Submodul (152) zur Bestimmung der Phaseninformation das Interferometer (170) und die Fotodetektoren (164, 165, 166) zur Erfassung des Ausgangs des Interferometers (170) aufweist.Device (100) according to claim 10 or 11 , wherein the submodule (152) for determining the phase information comprises the interferometer (170) and the photodetectors (164, 165, 166) for detecting the output of the interferometer (170). Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Interferometer (170) einen ersten Arm (173) und einen zweiten Arm (174) aufweist, wobei der erste Arm (173) einen längeren optischen Weg hat als der zweite Arm (174), und wobei der Koppler ein [3×3]-Koppler (171) ist, der so konfiguriert ist, dass er drei optische Signale mit verschobenen Phasen von 120° ausgibt, wobei der erste Arm (173) und der zweite Arm (174) mit jeweiligen Eingängen des [3×3]-Kopplers (171) gekoppelt sind, wobei jeder optische Signalausgang des [3×3]-Kopplers (171) mit einem der Fotodetektoren (161, 162, 163) gekoppelt ist, um die elektrischen Signale bereitzustellen.The apparatus (100) of any preceding claim, wherein the interferometer (170) comprises a first arm (173) and a second arm (174), the first arm (173) having a longer optical path than the second arm (174), and the coupler is a [3×3] coupler (171) configured to output three optical signals with 120° phase shifts, the first arm (173) and the second arm (174) being coupled to respective inputs of the [3×3] coupler (171), each optical signal output of the [3×3] coupler (171) being coupled to one of the photodetectors (161, 162, 163) to provide the electrical signals. Vorrichtung (100) nach Anspruch 13, wobei die Phasendifferenz Δφ entlang des Referenzabschnitts (132) und eines Erfassungsabschnitts (131) der optischen Faser (130) und die Amplitudeninformation Ade(z) bestimmt wird gemäß { I ( z ) = P 1 ( z ) / 2 + P 2 ( z ) P 3 ( z ) / 2 Q ( z ) = 3 P 1 ( z ) / 2 + 3 P 3 ( z ) / 2
Figure DE102023112656A1_0018
und A d e ( z ) I 2 ( z ) + Q 2 ( z ) Δ φ ( z ) = tan 1 [ I ( z ) / Q ( z ) ] + 2 k π
Figure DE102023112656A1_0019
wobei P1(z), P2(z) und P3(z) die von den Fotodetektoren (161, 162 und 163) erhaltenen bzw. erzeugten Signale bezeichnen, und wobei k eine ganze Zahl ist und der Term 2kπ einen Phasenentfaltungsprozess darstellt, um den Wert der tan-1 Funktion zu erweitern.
Device (100) according to claim 13 , wherein the phase difference Δφ along the reference section (132) and a detection section (131) of the optical fiber (130) and the amplitude information A de (z) is determined according to { I ( z ) = P 1 ( z ) / 2 + P 2 ( z ) P 3 ( z ) / 2 Q ( z ) = 3 P 1 ( z ) / 2 + 3 P 3 ( z ) / 2
Figure DE102023112656A1_0018
and A d e ( z ) I 2 ( z ) + Q 2 ( z ) Δ φ ( z ) = tan 1 [ I ( z ) / Q ( z ) ] + 2 k π
Figure DE102023112656A1_0019
where P 1 (z), P 2 (z) and P 3 (z) denote the signals received and generated by the photodetectors (161, 162 and 163), respectively, and where k is an integer and the term 2kπ represents a phase unfolding process to expand the value of the tan -1 function.
System zur Quantifizierung einer Änderung von Umgebungsbedingungen entlang der Länge einer optischen Faser (130), aufweisend: eine Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und eine optische Faser (130), die mit der optischen Komponente (120) der Vorrichtung (100) gekoppelt ist.A system for quantifying a change in environmental conditions along the length of an optical fiber (130), comprising: a device (100) according to any one of the preceding claims, and an optical fiber (130) coupled to the optical component (120) of the device (100). System nach Anspruch 15, wobei die optische Faser (130) einen Referenzabschnitt (132), der von Umgebungsstörungen isoliert ist, und einen Erfassungsabschnitt (131) aufweist.system according to claim 15 wherein the optical fiber (130) has a reference section (132) isolated from environmental noise and a detection section (131). Verfahren zur Bestimmung von Änderungen von Parametern von Interesse entlang einer optischen Faser für Nieder- und Hochfrequenzmessungen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellung optischer Pulse mit unterschiedlichen optischen Frequenzen; Einspeisen der optischen Pulse in eine optische Faser (130); Empfangen eines Rayleigh-rückgestreuten optischen Signals aus der optischen Faser (130); 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 (170) und Erfassen des Ausgangs des Interferometers (170) als eine Phase des von der optischen Faser (130) zurückgestreuten optischen Signals als Funktion der Zeit; und Berechnen einer Spektralfrequenz basierend auf der Korrelation des Reflexionsspektrums entlang der optischen Faser für eine Niederfrequenzmessung und einer Phasendifferenz basierend auf dem Ausgang des Interferometers für eine Hochfrequenzmessung.A method for determining changes in parameters of interest along an optical fiber for low and high frequency measurements, the method comprising the steps of: providing optical pulses at different optical frequencies; injecting the optical pulses into an optical fiber (130); receiving a Rayleigh backscattered optical signal from the optical fiber (130); 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; injecting the other of the two optical signals into an interferometer (170) and detecting the output of the interferometer (170) as a phase of the optical signal backscattered from the optical fiber (130) 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. Verfahren zur Bestimmung von Änderungen von Parametern von Interesse entlang einer optischen Faser für Nieder- und Hochfrequenzmessungen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellung optischer Pulse mit unterschiedlichen optischen Frequenzen; Einspeisen der optischen Pulse in eine optische Faser (130); Empfangen eines Rayleigh-rückgestreuten optischen Signals aus der optischen Faser (130), das in ein Interferometer (170) eingeführt wird; Erfassen des Ausgangs des Interferometers als Funktion der Zeit; Berechnen der Amplitudeninformation Ade und der Phasendifferenz des rückgestreuten optischen Signals basierend auf dem Ausgang des Interferometers (170) und Erhalten von Reflexionsspektren basierend auf der Amplitudeninformation Ade; und Berechnen einer Spektralfrequenz basierend auf der Korrelation des Reflexionsspektrums und der Amplitudeninformation Ade für die Messung niedriger Frequenzen und der erhaltenen Phasendifferenz für die Messung hoher Frequenzen.A method for determining changes in parameters of interest along an optical fiber for low and high frequency measurements, the method comprising the steps of: providing optical pulses at different optical frequencies; injecting the optical pulses into an optical fiber (130); receiving a Rayleigh backscattered optical signal from the optical fiber (130) which is introduced into an interferometer (170); detecting the output of the interferometer as 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 (170) 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 the measurement of low frequencies and the obtained phase difference for the measurement of high frequencies. Verfahren zur Bestimmung von Änderungen von Parametern von Interesse entlang einer optischen Faser basierend auf der spektralen Verschiebung und der Phasendifferenz, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist Bereitstellen optischer Pulse mit unterschiedlichen optischen Frequenzen; Einspeisen der optischen Pulse in eine optische Faser (130); Empfangen eines Rayleigh-rückgestreuten optischen Signals aus der optischen Faser (130); 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 (170) und Erfassen des Ausgangs des Interferometers (170) als Phase des von der optischen Faser (130) rückgestreuten optischen Signals als Funktion der Zeit; Berechnen einer Spektralfrequenz basierend auf der Korrelation des Reflexionsspektrums entlang der optischen Faser und einer Phasendifferenz basierend auf dem Ausgang des Interferometers (170); und Berechnen der Änderung der beiden Parameter von Interesse auf der Grundlage der Spektralfrequenz und der Phasendifferenz.A method for determining changes in parameters of interest along an optical fiber based on spectral shift and phase difference, the method comprising the steps of providing optical pulses having different optical frequencies; injecting the optical pulses into an optical fiber (130); receiving a Rayleigh backscattered optical signal from the optical fiber (130); splitting the optical signal into two optical sub-signals; detecting one of the two optical sub-signals as the intensity of the backscattered optical signal as a function of time to obtain reflection spectra along the optical fiber; injecting the other of the two optical signals into an interferometer (170) and detecting the output of the interferometer (170) as the phase of the optical signal backscattered from the optical fiber (130) 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 (170); and calculating the change in the two parameters of interest based on the spectral frequency and the phase difference. Verfahren zur Bestimmung von Änderungen zweier Parameter von Interesse entlang einer optischen Faser basierend auf der spektralen Verschiebung und der Phasendifferenz, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen optischer Pulse mit unterschiedlichen optischen Frequenzen; Einspeisen der optischen Pulse in eine optische Faser (130); Empfangen eines Rayleigh-rückgestreuten optischen Signals aus der optischen Faser (130), das in ein Interferometer (170) eingeführt 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 (170) und Erhalten von Reflexionsspektren auf der Grundlage der Amplitudeninformation Ade; Berechnen einer Spektralfrequenz basierend auf 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.A method for determining changes in two parameters of interest along an optical fiber based on spectral shift and phase difference, the method comprising the steps of: providing optical pulses with different optical frequencies; feeding the optical pulses into an optical fiber (130); receiving a Rayleigh backscattered optical signal from the optical fiber (130) which is introduced into an interferometer (170); 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 (170) 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 in the two parameters of interest according to a system of equations based on the spectral frequency and the phase difference. Verfahren zur Bestimmung einer relativen Änderung der optischen Frequenz der Pulse, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen optischer Pulse mit vorgewählten optischen Frequenzen, wobei einer der optischen Pulse ein Referenzpuls mit einer gegebenen optischen Frequenz ist; Einspeisen der optischen Pulse in eine optische Faser (130), die einen Referenzabschnitt (132) und einen Erfassungsabschnitt (131) aufweist, wobei der Referenzabschnitt (132) unter definierten und konstanten Umgebungsbedingungen gehalten wird; Empfangen von Rayleigh-rückgestreuten optischen Signalen aus dem Referenzabschnitt (132) der optischen Faser (130) für die Pulse, wobei die optischen Signale in ein Interferometer (170) eingeführt werden; Erfassen der Ausgabe des Interferometers (170) als eine Funktion der Zeit; Berechnen einer Phasendifferenz am Referenzabschnitt (132) der optischen Faser (130) basierend auf dem Ausgang des Interferometers (170); und Berechnen der relativen Änderung der optischen Frequenz relativ zu der gegebenen optischen Frequenz des optischen Pulses auf der Grundlage der erhaltenen Phasendifferenz.A method for determining a relative change in the optical frequency of the pulses, the method comprising the steps of: 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 (130) having a reference section (132) and a detection section (131), the reference section (132) being maintained under defined and constant environmental conditions; receiving Rayleigh backscattered optical signals from the reference section (132) of the optical fiber (130) for the pulses, the optical signals being introduced into an interferometer (170); detecting the output of the interferometer (170) as a function of time; calculating a phase difference at the reference section (132) of the optical fiber (130) based on the output of the interferometer (170); and calculating the relative change in optical frequency relative to the given optical frequency of the optical pulse based on the obtained phase difference.
DE102023112656.3A 2023-05-12 2023-05-12 Apparatus, method and system for quantifying a change in environmental conditions along the length of an optical fiber Pending DE102023112656A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102023112656.3A DE102023112656A1 (en) 2023-05-12 2023-05-12 Apparatus, method and system for quantifying a change in environmental conditions along the length of an optical fiber
PCT/EP2024/062780 WO2024235799A1 (en) 2023-05-12 2024-05-08 Device, method and system for quantifying a change in environmental conditions along the length of an optical fiber

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102023112656.3A DE102023112656A1 (en) 2023-05-12 2023-05-12 Apparatus, method and system for quantifying a change in environmental conditions along the length of an optical fiber

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102023112656A1 true DE102023112656A1 (en) 2024-11-14

Family

ID=91082265

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102023112656.3A Pending DE102023112656A1 (en) 2023-05-12 2023-05-12 Apparatus, method and system for quantifying a change in environmental conditions along the length of an optical fiber

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102023112656A1 (en)
WO (1) WO2024235799A1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100014071A1 (en) 2008-07-17 2010-01-21 Schlumberger Technology Corporation Frequency-scanned optical time domain reflectometry
US20120060615A1 (en) * 2009-05-27 2012-03-15 Mahmoud Farhadiroushan Method and apparatus for optical sensing
US20140152995A1 (en) * 2012-11-27 2014-06-05 Sentek Instrument LLC Serial weak fbg interrogator
US9170149B2 (en) 2010-09-01 2015-10-27 Schlumberger Technology Corporation Distributed fiber optic sensor system with improved linearity
US20170342814A1 (en) 2016-03-09 2017-11-30 Conocophillips Company Low-frequency das snr improvement
DE102018105905A1 (en) * 2018-03-14 2019-09-19 Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch die Bundesministerin für Wirtschaft und Energie, diese vertreten durch den Präsidenten der Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) A method for correct sign determining a change of a physical parameter and apparatus with an optical fiber
US20210033430A1 (en) 2018-02-20 2021-02-04 University Of Southampton Optical fiber sensing

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2596260B1 (en) * 2015-06-05 2017-10-19 Universidad De Alcalá SYSTEM AND METHOD OF DISTRIBUTED CHARACTERIZATION OF DISPERSION PROFILE OF AN OPTICAL FIBER

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100014071A1 (en) 2008-07-17 2010-01-21 Schlumberger Technology Corporation Frequency-scanned optical time domain reflectometry
US20120060615A1 (en) * 2009-05-27 2012-03-15 Mahmoud Farhadiroushan Method and apparatus for optical sensing
US9170149B2 (en) 2010-09-01 2015-10-27 Schlumberger Technology Corporation Distributed fiber optic sensor system with improved linearity
US20140152995A1 (en) * 2012-11-27 2014-06-05 Sentek Instrument LLC Serial weak fbg interrogator
US20170342814A1 (en) 2016-03-09 2017-11-30 Conocophillips Company Low-frequency das snr improvement
US20210033430A1 (en) 2018-02-20 2021-02-04 University Of Southampton Optical fiber sensing
DE102018105905A1 (en) * 2018-03-14 2019-09-19 Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch die Bundesministerin für Wirtschaft und Energie, diese vertreten durch den Präsidenten der Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) A method for correct sign determining a change of a physical parameter and apparatus with an optical fiber
DE102018105905B4 (en) 2018-03-14 2020-12-31 Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch die Bundesministerin für Wirtschaft und Energie, diese vertreten durch den Präsidenten der Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) Method for determining a change of a physical parameter with the correct sign and device with an optical fiber

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. Masoudi et al: „A distributed optical fibre dynamic strain sensor based on phase-OTDR", Measurement Science and Technology, Band 24 (2013), 085204
Liehr et al. „Wavelength-scanning coherent OTDR for dynamic high strain resolution sensing" Optics Express Vol. 26, Ausgabe 8, S. 10573-10588 (2018
R. Amer et al. beschrieben: „Field Applications of Distributed Fiber Optic Strain and Temperature Sensing for Caprock - Well Integrity and CO2 Leakage Monitoring", Proceedings of the 16th Greenhouse Gas Control Technologies Conference (GHGT-16) 23-24
S. Liehr et al. enthalten: „Wavelength-scanning coherent OTDR for dynamic high strain resolution sensing", Optics Express, Vol. 26, Ausgabe 8, (2018), 10573-10588
X. Lu et al: „Evaluating phase errors in phase-sensitive optical time-domain reflectometry based on I/Q demodulation", Journal of Lightwave Technology, Vol. 38, Nr. 15, (2020), 4133-4141
Z. Ding et. al: „Distributed Strain and Temperature Discrimination Using Two Types of Fiber in OFDR", IEEE Photonics Journal, Vol. 8, Nr. 5, (2016

Also Published As

Publication number Publication date
WO2024235799A1 (en) 2024-11-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3765824B1 (en) Method for determining, with the correct sign, a change in a physical parameter, and device having an optical fiber
DE68913369T2 (en) Method and device for assessing an optical fiber with Brillouin amplification.
EP2917763B1 (en) Lidar measuring system and lidar measuring process
EP1851504B1 (en) Phase noise compensation for an interferometer measuring absolute distance
DE69302232T2 (en) Optical reflectometer with low coherence and a delay sequence
DE102007059551B4 (en) Device and method for measuring the properties of an optical fiber
US7480460B2 (en) Dynamic strain distributed fiber optic sensor
EP2128560B1 (en) Interferometric distance measuring method with spectrally separable double chirp and device
DE69310803T2 (en) Fiber optic load detector
DE202014101699U1 (en) Absolutely removal laser interferometer
DE69800326T2 (en) Process for the production of an optical fiber with a certain dispersion averaged over its length
DE102020208207A1 (en) Measuring device and measuring method
DE102019211832A1 (en) MEASURING DEVICE AND MEASURING METHOD
DE102009058520B4 (en) Apparatus and method for rapid strain measurement
DE102023112656A1 (en) Apparatus, method and system for quantifying a change in environmental conditions along the length of an optical fiber
EP3401634A1 (en) Distance measuring assembly for determining the distance to an object
DE102009048155B4 (en) Method and apparatus for determining a strain profile in an optical fiber
DE102008038883B4 (en) microphone array
DE102010021476B4 (en) Method and device for absolute length and distance measurement with continuous, tunable THz radiation
EP2564175B1 (en) Device and method for measuring a measured variable in a quasi-distributed manner
DE102012024692B3 (en) Phase noise measuring instrument
DE102018105011A1 (en) Thickness measuring device for measuring a thickness of flat workpieces and associated method
DE102018005432A1 (en) Device and method for Brillouin frequency domain reflectometry
DE4229745C2 (en) Method for measuring the amplitude and phase of several high-frequency signals
DE112023003249T5 (en) FIBER OPTIC SCANNING

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication