DE112021004519T5

DE112021004519T5 - Faseroptische abtastung

Info

Publication number: DE112021004519T5
Application number: DE112021004519.9T
Authority: DE
Inventors: Roger Crickmore
Original assignee: Optasense Holdings Ltd
Current assignee: OPTASENSE HOLDINGS LTD., CAMBERLEY, GB
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2021-12-14
Publication date: 2023-07-06
Also published as: US20230375378A1; GB2616978A; GB202020409D0; WO2022136832A1; GB202304220D0

Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine verteilte faseroptische Abtastung. Ein Sensorgerät (200) umfasst eine Abfragevorrichtung (201) zum wiederholten Abfragen einer Abtastlichtleitfaser (102) mit einer optischen Abfragestrahlung und zum Detektieren der Strahlung, die aus dem Innern der Abtastfaser Rayleigh-rückgestreut wird. In einem ersten Polarisationsabtastbetriebsmodus ist die Abfragevorrichtung (201) mit der Abtastfaser (102) über ein optisches System (202), das ein Stück (203) der Lichtleitfaser stromaufwärts von einem Polarisator (204) umfasst, optisch gekoppelt, und die Abfragevorrichtung ist dazu konfiguriert, eine kohärente optische Strahlung mit einer optischen Leistung auszugeben, so dass die Abfragestrahlung nicht-lineare Effekte erfährt, wenn sie sich in dem Stück (203) der Lichtleitfaser ausbreitet, um die Kohärenz der Abfragestrahlung zu reduzieren. Im ersten Modus bestimmt die Abfragevorrichtung das Ausmaß einer eventuellen Schwankung der Polarisation der Rückstreustrahlung. Das Gerät kann auch in einem zweiten, kohärenten Abtastmodus betrieben werden, in dem die Abfragevorrichtung eine optische Strahlung unter einer nicht linearen Schwelle ausgibt.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft Verfahren und Geräte zur faseroptischen Abtastung.
Die verteilte faseroptische Abtastung ist eine bekannte Art der Abtastung, bei der eine Lichtleitfaser als eine Abtastfaser installiert und mit elektromagnetischer Strahlung abgefragt wird, um eine Abtastung von Umgebungsreizen bereitzustellen, welche die Abtastfaser über ihre Länge beeinflussen. Durch Analysieren der Strahlung, die aus dem Innern der Abtastfaser rückgestreut wird, kann basierend auf der Umlaufzeit über verschiedene Entfernungen in die Abtastfaser hinein die Abtastfaser effektiv in eine Vielzahl von diskreten Abtastabschnitten unterteilt werden, die aneinandergrenzend sein können (aber nicht müssen).
Eine Kategorie der verteilten faseroptischen Abtastung basiert auf dem Abfragen der Abtastfaser mit einer kohärenten optischen Strahlung und dem Detektieren eines beliebigen Teils der Abfragestrahlung, der aus dem Innern der Abtastfaser Rayleigh-rückgestreut wurde.
Die Abtastfaser kann wiederholt abgefragt werden, und jede Abfragung kann das Einkoppeln einer kohärenten Abfragestrahlung in ein erstes Ende der Abtastfaser und das Detektieren der Rayleigh-Rückstrahlung aus dieser Abfrage umfassen, d. h. der Strahlung, die mit der gleichen Frequenz wie die Abfragestrahlung elastisch rückgestreut wurde. Wenn sich die Abfragestrahlung in der Abtastfaser ausbreitet, kann sie von diversen Streustellen innerhalb der Lichtleitfaser rückgestreut werden, wobei es sich um inhärente Streustellen, die inhärent in der Lichtleitfaser vorliegen, d. h. nicht bewusst eingeführte Reflexionsstellen handeln kann. Die Rückstreuung, die am ersten Ende der Abtastfaser zu einem beliebigen Zeitpunkt ankommt, umfasst Beiträge der Rückstreuung aus diversen verschiedenen Streustellen aus einem Faserabschnitt, der durch die Abfragestrahlung beleuchtet wird. Da die Abfragestrahlung kohärent ist, interferiert die Rückstreuung aus den verschiedenen Streustellen, um ein Gesamtinterferenzsignal bereitzustellen, das von der Verteilung der inhärenten Streustellen innerhalb der Faser abhängt.
Innerhalb jedes diskreten Abtastabschnitts der Abtastfaser können Störungen der Faser, beispielsweise dynamische Belastungen auf Grund von einfallenden Schallwellen, eine Schwankung der effektiven Lichtweglänge dieses Teilabschnitts verursachen, was zu einer Schwankung der Verteilung der Streustellen und demnach zu einer Schwankung der Eigenschaften des Interferenzsignals führt. Diese Schwankung kann detektiert und analysiert und verwendet werden, um eine Angabe einer Störung der Faser in diesem Abtastabschnitt zu geben. Ein derartiger faseroptischer Sensor dient effektiv als eine lineare Abtastanordnung von Abtastabschnitten der Lichtleitfaser, die auf dynamische Störungen ansprechen, wie etwa auf Belastungen auf Grund von akustischen Reizen, und eine derartige Abtastung wird häufig als verteilte akustische Abtastung (DAS) bezeichnet, obwohl die gleichen Grundlagen auf das Detektieren beliebiger Reize, die zu einer Schwankung der effektiven Lichtweglänge der Abtastfaser führen, wie etwa dynamische Temperaturschwankungen, angewendet werden kann.
Eine derartige kohärente, Rayleigh-basierte, verteilte faseroptische Abtastung kann zweckmäßig bei einer Reihe von verschiedenen Anwendungen genutzt werden. Typischerweise wird eine kohärente, Rayleigh-basierte, verteilte faseroptische Abtastung unter Verwendung einer kohärenten Rayleigh-Abfrageeinheit umgesetzt, die im Gebrauch mit einer Abtastlichtleitfaser verbunden ist und die betriebsfähig ist, um eine geeignete kohärente Abfragestrahlung in die Abtastfaser hinein auszugeben und eine Strahlung, die daraus rückgestreut wird, zu empfangen und zu analysieren.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen Verfahren und Geräte für eine faseroptische verteilte akustische Abtastung, die eine zusätzliche oder alternative Abtastfunktion bereitstellen können.
Somit wird gemäß einem Aspekt ein verteiltes faseroptisches Abtastgerät bereitgestellt, umfassend:

eine Abfragevorrichtung zum wiederholten Abfragen einer Abtastlichtleitfaser mit optischer Abfragestrahlung und zum Detektieren einer Strahlung, die aus dem Innern der Abtastfaser Rayleigh-rückgestreut wird,
wobei das Abtastgerät in einem ersten Betriebsmodus betrieben werden kann, in dem:
- die Abfragevorrichtung mit der Abtastfaser optisch gekoppelt ist, so dass die Abfragestrahlung, die aus der Abfragevorrichtung ausgegeben wird, an die Abtastfaser über ein erstes optisches System durchgelassen wird, das ein erstes Stück der Lichtleitfaser stromaufwärts von einem ersten Polarisator umfasst;
- die Abfragevorrichtung dazu konfiguriert ist, eine kohärente optische Strahlung mit einer optischen Leistung auszugeben, so dass die Abfragestrahlung nicht-lineare Effekte erfährt, wenn sie sich in dem ersten Stück der Lichtleitfaser ausbreitet, um die Kohärenz der Abfragestrahlung zu reduzieren; und
- die Abfragevorrichtung dazu konfiguriert ist, das Ausmaß einer eventuellen Schwankung der Polarisation der Strahlung, die aus dem Innern der Abtastfaser Rayleigh-rückgestreut wird, zu bestimmen.

Bei einigen Beispielen können die optische Leistung der Abfragestrahlung in dem ersten Betriebsmodus und die Länge des ersten Stücks der Lichtleitfaser derart konfiguriert sein, dass die Ausbreitung der Abfragestrahlung durch das erste Stück der Lichtleitfaser in dem ersten Modus dazu führt, dass die Abfragestrahlung im Wesentlichen inkohärent ist.
Bei einigen Beispielen kann das erste optische System ferner ein Polarisationssteuergerät umfassen. Das Polarisationssteuergerät kann dazu konfiguriert sein, eine angewendete Polarisationsmodulation selektiv zu steuern, um eine Abfragestrahlungsmenge zu maximieren, der über den Polarisator an die Abtastlichtleitfaser durchgelassen wird. Bei einigen Umsetzungen kann die Abfragevorrichtung dazu konfiguriert sein, die Abfragestrahlungsmenge zu überwachen, der über den Polarisator an die Abtastlichtleitfaser durchgelassen wird, basierend auf der Rückstreuintensität, die aus dem Anfang der Abtastfaser empfangen wird.
Bei einigen Beispielen ist die Abfragevorrichtung in dem ersten Betriebsmodus mit der Abtastfaser optisch gekoppelt, so dass die Strahlung, die aus dem Innern der Abtastfaser Rayleigh-rückgestreut wird, über einen Rückwegpolarisator an die Abfragevorrichtung zurückgegeben wird. Die Abfragevorrichtung kann mit der Abtastfaser optisch gekoppelt sein, so dass die Strahlung, die aus dem Innern der Abtastfaser Rayleigh-rückgestreut wird, über das erste optische System an die Abfragevorrichtung zurückgegeben wird und der erste Polarisator der Rückwegpolarisator ist. Die Abfragevorrichtung kann dazu konfiguriert sein, das Ausmaß einer eventuellen Schwankung der Polarisation der Strahlung, die Rayleigh-rückgestreut wird, basierend auf der Intensität der rückgestreuten Strahlung, die von dem Rückwegpolarisator durchgelassen wird, zu bestimmen.
Bei einigen Beispielen kann die Abfragevorrichtung einen Polarisationsmischer zum Mischen der rückgestreuten Strahlung mit einem Lokaloszillator umfassen, um ein gemischtes Signal bereitzustellen. Das gemischte Signal kann in zwei verschiedene orthogonale Polarisationskanäle getrennt werden, und die Abfragevorrichtung kann dazu konfiguriert sein, das Ausmaß einer eventuellen Schwankung der Polarisation der Strahlung, die Rayleigh-rückgestreut wird, basierend auf einem Vergleich der beiden Polarisationskanäle zu bestimmen. In dem ersten Betriebsmodus kann die Abfragevorrichtung mit der Abtastfaser optisch gekoppelt sein, so dass die Strahlung, die aus dem Innern der Abtastfaser Rayleigh-rückgestreut wird, über einen Rückweg, der das erste optische System umgeht, an die Abfragevorrichtung zurückgegeben wird. Bei einigen Beispielen kann die Abfragevorrichtung einen Polarisationsanalysator umfassen. In dem ersten Betriebsmodus kann der Polarisationsanalysator dazu konfiguriert sein, die rückgestreute Strahlung zu analysieren, um alle Polarisationseigenschaften der rückgestreuten Strahlung zu bestimmen.
Bei einigen Umsetzungen kann das verteilte faseroptische Abtastgerät in dem ersten Betriebsmodus dazu betriebsfähig sein, für jeden von einer Vielzahl von Abtastabschnitten der Abtastlichtleitfaser ein dynamisches Messsignal zu generieren, das dynamische Änderungen der Polarisation im Verlauf der Zeit angibt. Zusätzlich oder alternativ kann das verteilte faseroptische Abtastgerät dazu betriebsfähig sein, ein statisches Messsignal zur Angabe von Änderungen der Polarisation über die Länge der Abtastfaser zu generieren.
Bei einigen Beispielen kann das Abtastgerät ferner in einem zweiten Betriebsmodus betriebsfähig sein, wobei die Abfragevorrichtung in dem zweiten Betriebsmodus dazu konfiguriert ist, eine kohärente optische Strahlung mit einer optischen Leistung auszugeben, die unterhalb einer Schwelle für maßgebliche nicht-lineare Effekte in einer Lichtleitfaser liegt. In dem zweiten Betriebsmodus kann die Abfragevorrichtung mit der Abtastfaser optisch gekoppelt sein, so dass die Abfragestrahlung, die aus der Abfragevorrichtung ausgegeben wird, über das erste optische System an die Abtastfaser durchgelassen wird. Alternativ kann in dem zweiten Betriebsmodus die Abfragevorrichtung mit der Abtastfaser optisch gekoppelt sein, so dass die Abfragestrahlung, die aus der Abfragevorrichtung ausgegeben wird, über einen Lichtweg, der das erste optische System umgeht, an die Abtastfaser durchgelassen wird. Der zweite Betriebsmodus kann ein verteilter akustischer Abtastbetriebsmodus sein.
Das Abtastgerät kann entsprechend die Abtastlichtleitfaser umfassen. Bei einigen Beispielen kann die Abtastlichtleitfaser eine Lichtleitfaser umfassen, die dazu ausgelegt ist, eine verstärkte Rückstreuung bereitzustellen.
Bei einem anderen Aspekt wird ein Verfahren eines verteilten faseroptischen Abtastgeräts bereitgestellt, umfassend:

Betreiben einer Abfragevorrichtung, zum wiederholten Abfragen einer Abtastlichtleitfaser mit einer optischen Abfragestrahlung und zum Detektieren der Strahlung, die aus dem Innern der Abtastfaser Rayleigh-rückgestreut wird,
wobei das Verfahren das selektive Betreiben in einem ersten Betriebsmodus umfasst, in dem:
- die Abfragevorrichtung mit der Abtastfaser optisch gekoppelt ist, so dass die Abfragestrahlung, die aus der Abfragevorrichtung ausgegeben wird, an die Abtastfaser über ein erstes optisches System, das ein erstes Stück der Lichtleitfaser stromaufwärts von einem ersten Polarisator umfasst, durchgelassen wird;
- die Abfragevorrichtung eine kohärente optische Strahlung mit einer optischen Leistung ausgibt, so dass die Abfragestrahlung nicht-lineare Effekte erfährt, wenn sie sich in dem ersten Stück der Lichtleitfaser ausbreitet, um die Kohärenz der Abfragestrahlung zu reduzieren; und
- Bestimmen des Ausmaßes einer eventuellen Schwankung der Polarisation der Strahlung, die aus dem Innern der Abtastfaser Rayleigh-rückgestreut wird.

Das Verfahren kann durch eine der Ausführungsformen der hier beschriebenen Geräte umgesetzt werden. Das Verfahren kann ferner das selektive Betreiben in einem zweiten Betriebsmodus umfassen, in dem die Abfragevorrichtung eine kohärente optische Strahlung mit einer optischen Leistung ausgibt, die unterhalb einer Schwelle für maßgebliche Effekte in einer Lichtleitfaser liegt.
Bei einem anderen Aspekt wird ein verteiltes faseroptisches Abtastgerät bereitgestellt, umfassend: eine kohärente Rayleigh-Abfragevorrichtung, wobei das Abtastgerät in einem ersten Betriebsmodus betrieben werden kann, in dem eine Abfragestrahlung, die von der Abfragevorrichtung ausgegeben wird, an eine Abtastfaser über ein erstes optisches System, das ein erstes Stück der Lichtleitfaser stromaufwärts von einem ersten Polarisator umfasst, durchgelassen wird, und die Abfragevorrichtung eine kohärente Abfragestrahlungsausgabe mit einer optischen Leistung ausgibt, so dass die Abfragestrahlung nicht-lineare Effekte erfährt, wenn sie sich in dem ersten Stück der Lichtleitfaser ausbreitet.
Ein anderer Aspekt betrifft die Verwendung einer Abfragevorrichtung mit kohärenter Rayleigh-basierte, verteilter faseroptischer Abtastung, um optische Polarisations-Zeitbereichsreflektometrie-Messungen einer Abtastlichtleitfaser vorzunehmen.
Soweit sie nicht insbesondere ausgeschlossen oder an sich unverträglich sind, können alle Merkmale aller hier beschriebenen Ausführungsformen in Kombination mit einem oder mehreren der anderen beschriebenen Merkmale zusammen umgesetzt werden.
Die Ausführungsformen und Merkmale der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden nun rein beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 ein Beispiel eines typischen verteilten faseroptischen Sensorsystems für kohärente Rayleigh-Abtastung;
2 ein verteiltes faseroptisches Sensorsystem, das in einem Polarisationsabtastmodus betrieben werden kann, gemäß einer Ausführungsform;
3 ein anderes Beispiel eines verteilten faseroptischen Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform mit verschiedenen Lichtwegen zur Polarisationsabtastung und kohärenten Abtastung; und
4 ein Beispiel eines verteilten faseroptischen Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform mit einer Abfragevorrichtung mit Polarisationsunterscheidung.

Wie zuvor erwähnt, ist eine kohärente Rayleigh-basierte verteilte faseroptische Abtastung eine bekannte Technik zum Abtasten dynamischer Störungen, die auf eine Abtastfaser einwirken. Die kohärente Rayleigh-basierte verteilte faseroptische Abtastung kann zweckmäßig bei diversen verschiedenen Anwendungen verwendet werden.
1 zeigt ein Schema eines Beispiels einer kohärenten Rayleigh-basierte, verteilten faseroptischen Abtastanordnung 100. Eine Abfragevorrichtung 101 ist im Gebrauch mit einer Lichtleitfaser 102, die für die Abtastung verwendet werden soll, optisch gekoppelt. Die Lichtleitfaser 102 kann hier als Abtastlichtleitfaser oder einfach Abtastfaser (oder gelegentlich als Testfaser) bezeichnet werden.
Die Abtastfaser 102 kann viele Kilometer lang sein, bei einigen Anwendungen Dutzende von Kilometern lang sein, bis zu etwa 40 km oder mehr. Für eine kohärente Rayleigh-basierte, verteilte faseroptische Abtastung kann die Abtastfaser 102 eine standardmäßige, unveränderte Monomode-Lichtleitfaser sein, wie sie gewöhnlich bei Telekommunikationsanwendungen verwendet wird, ohne spezifische Änderungen, wie etwa Bragg-Gitter oder dergleichen, die als Punktsensoren entlang der Länge der Faser dienen. Die Abtastfaser 102 kann in einem zu überwachenden interessierenden Bereich installiert werden, und kann in manchen Fällen spezifisch installiert werden, um eine Abtastung zu ermöglichen. In Abhängigkeit von dem bestimmten Verwendungsfall kann die Abtastfaser relativ permanent installiert werden, z. B. vergraben oder anderweitig an Ort und Stelle gesichert werden. Die Abfragevorrichtung 101 kann mit der Abtastlichtleitfaser 102 abnehmbar gekoppelt sein, und somit kann in manchen Fällen, falls keine durchgehende Überwachung benötigt wird, die Abfragevorrichtung 101 von der Abtastfaser 102 abgenommen werden, wenn keine Abtastung benötigt wird, wobei die Abtastfaser möglicherweise vor Ort bleibt. In manchen Fällen kann eine existierende Lichtleitfaser verwendet werden, die bereits in der interessierenden Region installiert ist und die ursprünglich vielleicht zu anderen Zwecken, z. B. zur Kommunikation, installiert wurde. Es sei zu beachten, dass obwohl die Abtastfaser eine einzige durchgehende Lichtleitfaser sein kann, die Abtastfaser bei einigen Anwendungen aus diversen Lichtleitfaserteilabschnitten, die zusammengespleißt oder anderweitig optisch verbunden wurden, gebildet sein könnte.
Im Gebrauch fragt die Abfragevorrichtung 101 die Abtastlichtleitfaser 101 mit kohärenter optischer Strahlung wiederholt ab und analysiert die Rückstreuung daraus. Die Abfragevorrichtung 101 umfasst somit eine optische Quelle, in diesem Beispiel einen Laser 103, zum Generieren einer kohärenten optischen Strahlung und einen Modulator 104 zum Modulieren der Ausgabe des Lasers. Der Modulator 104 moduliert die Ausgabe des Lasers 103, um die Abtastfaser mit einer optischen Strahlung, die hier als Abfragestrahlung bezeichnet wird, in einer Reihe von Abfragen wiederholt abzufragen.
Es sei zu beachten, dass, wie er hier verwendet wird, der Begriff „optisch“ nicht auf das sichtbare Spektrum eingeschränkt ist, und sich der Begriff „optisch“, wie er hier verwendet wird, auf eine beliebige elektromagnetische Strahlung, die durch eine Lichtleitfaser geleitet werden und aus ihrem Innern gestreut werden kann, bezieht. Zur Klarstellung umfasst die optische Strahlung, wie sie hier verwendet wird, eine Infrarotstrahlung und eine Ultraviolettstrahlung. Ein eventueller Bezug auf „Licht“ ist entsprechend zu verstehen.
Die Abfragestrahlung kann verschiedene Formen annehmen. Bei einigen Beispielen kann ein einzelner Impuls einer optischen Strahlung bei einer gegebenen Einkoppelfrequenz für jede Abfrage verwendet werden, obwohl bei einigen Ausführungsformen jede Abfrage zwei (oder mehrere) Impulse umfassen kann, in welchem Fall die optischen Impulse unterschiedliche Frequenzen voneinander, z. B. ein Frequenzmuster wie in der GB2,442,745 oder in der WO2020/016556 beschrieben, oder optische Kennzeichen, wie in der WO2012/137022 beschrieben, deren jeweiliger Inhalt hiermit zur Bezugnahme übernommen wird, aufweisen können. Bei einigen Beispielen könnte die Abfragestrahlung mindestens einen Impuls einer optischen Strahlung mit einer zeitvariablen Frequenz, z. B. einen Frequenz-Wobbel- oder Chirp-Impuls, umfassen. Bei einigen Beispielen kann die Abfragestrahlung amplituden- und/oder phasenmoduliert sein, z. B. gemäß einem Code, wie beispielsweise in der US2019/0025094 beschrieben.
Der Modulator 104 moduliert somit die optische Strahlung, die durch den Laser 103 generiert wird, um eine geeignete Abfragestrahlung bereitzustellen. Es versteht sich, dass in 1 der Übersichtlichkeit halber ein einzelner Modulator 104 abgebildet ist, in der Praxis jedoch die Modulatorfunktion durch mehrere Modulatorkomponenten umgesetzt werden könnte.
Das Phänomen der Rayleigh-Rückstreuung führt dazu, dass ein gewisser Anteil der Abfragestrahlung, die in die Abtastfaser eingegeben wird, zu der Abfragevorrichtung zurückreflektiert wird, wo dieser detektiert wird, um ein Ausgangssignal bereitzustellen, das Umgebungsstörungen darstellen kann, die auf die Faser einwirken. Die Abfragevorrichtung 101 umfasst daher mindestens einen Photodetektor 105, der dazu angeordnet ist, eine Strahlung zu detektieren, die aus dem Innern der Abtastfaser 102 Rayleigh-rückgestreut wird. Bei einigen Ausführungsformen kann die Rückstreuung vor der Detektion mit einem Lokaloszillatorsignal gemischt werden.
Für einen kohärenten Rayleigh-basierte, verteilten faseroptischen Sensor ist die Rückstreuung aus der Abtastlichtleitfaser 102 von der Verteilung von inhärenten Streustellen innerhalb der Lichtleitfaser abhängig, die effektiv zufallsmäßig entlang der Länge der Faser variiert. Somit weisen die Rückstreucharakteristiken, z. B. die Intensität, aus einer beliebigen gegebenen Abfrage eine zufällige Schwankung von einem Abtastabschnitt zum anderen vor, doch ohne einen Umgebungsreiz sollten die Rückstreucharakteristiken aus einem beliebigen gegebenen Abtastabschnitt für jede wiederholte Abfrage gleich bleiben (vorausgesetzt die Charakteristiken der Abfragestrahlung, wie etwa die optische Frequenz, Amplitude und Dauer des Impulses oder der Impulse bleiben für jede Abfrage gleich). Ein Umgebungsreiz, der auf den betreffenden Abtastabschnitt der Faser einwirkt, kann jedoch zu einer Änderung der Länge des Lichtwegs für diesen Teilabschnitt der Faser, z. B. durch Dehnen/Komprimieren des betreffenden Teilabschnitts der Faser und/oder eine Modulation des Brechungsindex, führen. Da die Rückstreuung aus den diversen Streustellen innerhalb des Abtastabschnitts der Faser interferiert, um die sich ergebende Intensität zu erzeugen, variiert eine Änderung der Lichtweglänge den Interferenzgrad. Die Schwankung der Verteilung der Streustellen führt zu einer Schwankung der Intensität der Rückstreuung aus einem betroffenen Abtastabschnitt, die detektiert und als eine Angabe einer Störung, die auf die Faser einwirkt, wie etwa eine einfallende Schallwelle, verwendet werden kann. Zusätzlich oder alternativ, falls jede Abfrage räumlich separate Impulse bei voneinander unterschiedlichen Frequenzen umfasst, oder die Rückstreuung mit einem Lokaloszillatorsignal bei einer anderen Frequenz gemischt wird, führt die Änderung der Lichtweglänge für einen Abtastabschnitt zu einer Änderung der Phase eines Trägersignals bei der Differenzfrequenz, was detektiert und als eine Angabe der Störung verwendet werden kann.
Das Signal aus dem Photodetektor kann somit von dem Prozessor 106 der Abfragevorrichtung 101 verarbeitet werden, um ein Messsignal bereitzustellen, das Störungen darstellt, die auf die Abtastabschnitte oder Kanäle der Faser einwirken. Der Prozessor 106 kann bei einigen Umsetzungen die detektierte Rückstreuung, wie beispielsweise in einer von der GB2,442,745 , WO2012/137021 , WO2012/137022 oder WO2020/016556 beschrieben, in Abhängigkeit von der Form der Abfragestrahlung verarbeiten. Bei einigen Umsetzungen kann die Verarbeitung einen Phasenwert aus dem rückgestreuten Licht bestimmen, z. B. die Phase einer Signalkomponente bei einer definierten Trägerfrequenz. Wie zuvor beschrieben, können daher eventuelle Änderungen der effektiven Lichtweglänge innerhalb eines gegebenen Teilabschnitts der Faser, wie sie auf einfallende Druckwellen zurückzuführen wären, die eine Belastung für die Faser verursachen, detektiert werden.
Falls die Abfrage einen Frequenz-Wobbel- oder Chirp-Impuls umfasst, kann die detektierte Rückstreuung verarbeitet werden, indem ein abgepasstes Filtern oder eine Kreuzkorrelation verwendet wird, um die Rückstreuung aus verschiedenen Abtastabschnitten der Abtastfaser zu identifizieren, die dann verarbeitet werden können, um eventuelle Störungen zu bestimmen, die auf diesen Abschnitt der Abtastfaser einwirken. Ebenso kann, falls die Abfrage eine Codierung umfasst, das empfangene Signal mit dem bekannten Code korreliert werden, wie beispielsweise in der US2019/0025094 beschrieben.
Die Form der optischen Eingabe und das Verfahren zum Detektieren und Verarbeiten ermöglichen es, die Abtastfaser, die eine einzelne durchgehende Lichtleitfaser sein kann, räumlich in diskrete Längsabtastabschnitte aufzulösen. D. h. ein Messsignal, das eine Störung in einem Abtastabschnitt angibt, z. B. eine einfallende Schallwelle angibt, kann im Wesentlichen unabhängig von einem Messsignal für einen anderen Abtastabschnitt bereitgestellt werden. Es sei zu beachten, dass der Begriff „akustisch“, wie er hier verwendet wird, eine beliebige Art von Druckwelle oder mechanischer Störung oder variierender Belastung, die an der Lichtleitfaser generiert wird, bedeuten soll, und beispielsweise seismische Wellen oder dergleichen umfasst. Der Begriff „akustisch“ ist dazu gedacht, sich auf die Art des Reizes zu beziehen, der auf die Abtastfaser einwirkt, wird jedoch nicht verwendet, um eine bestimmte Frequenzeinschränkung nahezulegen.
Wie zuvor erwähnt, kann eine Rayleigh-basierte verteilte akustische Abtastung an einer standardmäßigen, unveränderten Lichtleitfaser, wie sie zur Kommunikation verwendet werden könnte, zufriedenstellend ausgeführt werden. Bei einigen Umsetzungen, bei denen die Lichtleitfaser insbesondere für eine Abtastung, z. B. für DAS, installiert wird, kann die Lichtleitfaser jedoch ausgewählt werden, um eine Lichtleitfaser zu sein, die einen relativ hohen Grad an Rayleigh-Rückstreuung, d. h. an elastischer Rückstreuung, bereitstellt. Eine derartige Lichtleitfaser, die als eine Lichtleitfaser mit hoher Rückstreuung oder verstärkter Rückstreuung bezeichnet werden kann, kann derart hergestellt und/oder verarbeitet werden, dass sie die Menge der Rayleigh-Rückstreuung daraus erhöht. Bei einigen Beispielen kann der Produktionsprozess für eine Lichtleitfaser mit verstärkter Rückstreuung zur Bildung von Strukturen in der Lichtleitfaser führen, die eine verstärkte oder zusätzliche elastische Streuung bereitstellen, z. B. zusätzlich zu der vorkommenden inhärenten oder nativen Rayleigh-Streuung. Zur Klarstellung können derartige Lichtleitfasern mit verstärkter Streuung in den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, und wie er hier verwendet wird, umfasst der Begriff „Rayleigh-Streuung“ alle elastischen Streuungen aus einer derartigen Lichtleitfaser mit verstärkter Streuung. Auf jeden Fall ist ein derartiger Sensor als ein vollständig verteilter Sensor anzusehen, da er Streuprozesse verwendet, die über die gesamte Lichtleitfaser verteilt sind, und somit die Abtastfunktion über die gesamte Lichtleitfaser verteilt. Es versteht sich, dass diese Abtastung anders ist als die Verwendung von FBG-Punktsensoren an einem anderen Teil der Faser, wo die Wellenlänge der Strahlung, die von dem Gitter reflektiert wird, mit dem Zwischenraum des Gitters variiert und detektiert wird, um Störungen zu detektieren, die auf ein Gitter einwirken.
Die Messsignale aus der Abfragevorrichtung 101 können bei einigen Umsetzungen an einen Signalprozessor 107 gegeben werden, der sich an der gleichen Stelle wie die Abfragevorrichtung 101 oder davon entfernt befinden kann. Wahlweise kann es auch eine Benutzerschnittstelle/ graphische Anzeige 108 geben, die sich an der gleichen Stelle wie der Signalprozessor oder davon entfernt befinden kann. Der Signalprozessor 107 und die Benutzerschnittstelle/ graphische Anzeige 108 können durch eine geeignet vorgegebene Computervorrichtung, wie etwa einen PC, ausgebildet sein. Der Signalprozessor 107 kann dazu konfiguriert sein, die Messsignale zu verarbeiten, um eine gewisse Abtast- oder Überwachungsfunktion in Abhängigkeit von der Anwendung, für die der Sensor verwendet wird, bereitzustellen.
Während im Allgemeinen der Prozessor 106 der Abfragevorrichtungseinheit dazu betriebsfähig sein kann, Messsignale aus den Abtastabschnitten der Abtastfaser zu generieren, und der Signalprozessor 107 dazu betriebsfähig sein kann, eine beliebige anwendungsspezifische Verarbeitung auf die Messsignale anzuwenden, könnte bei mindestens einigen Umsetzungen mindestens ein Teil der Verarbeitung zum Generieren der Messsignale durch den Signalprozessor 107 ausgeführt werden, oder mindestens ein Teil der Verarbeitung der Messsignale könnte durch den Prozessor 106 ausgeführt werden.
Derartige kohärente Rayleigh-basierte, verteilte faseroptische Sensoren, z. B. DAS-Sensoren, können zweckmäßig in einer Reihe von Anwendungen genutzt werden, um Informationen über Umgebungsstörungen bereitzustellen, die auf die Abtastfaser für jeden einer Vielzahl von Abtastabschnitten einwirken. Dies kann beispielsweise verwendet werden, um das Vorkommen von interessierenden Ereignissen zu detektieren, und/oder um eine gewisse Charakterisierung oder Analyse des Ereignisses zu ermöglichen.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen Verfahren und Systeme zur verteilten faseroptischen Abtastung, die selektiv betriebsfähig sein können, um eine zusätzliche oder alternative Abtastfunktion unter Verwendung eines kohärenten, Rayleigh-basierte, verteilten faseroptischen Abtastgeräts bereitzustellen, insbesondere um optische Polarisations-Zeitbereichsreflektometrie- (POTDR) Messungen zu ermöglichen.
Die optische Zeitbereichsreflektometrie (OTDR) ist eine bekannte Technik, die verwendet werden kann, um einen Lichtweg, der aus einer oder mehreren Lichtleitfasern gebildet ist, zu charakterisieren oder zu überwachen. Die OTDR bedingt das Durchlassen einer optischen Strahlung in die getestete Lichtleitfaser und das Überwachen der Reflexion/Rückstreuung aus der Faser. Die Rückstreuung aus verschiedenen Entfernungen in die Faser hinein kann basierend auf der Umlaufzeit bis zu diesem Teil der Faser getrennt analysiert werden, um Informationen über die Charakteristiken der Lichtleitfaser bereitzustellen, und/oder um eventuelle maßgebliche Änderungen zu überwachen. Die Polarisations- (bzw. polarimetrische) optische Zeitbereichsreflektometrie (POTDR) ist eine Variante der OTDR, die eine Schwankung der Polarisation des rückgestreuten Lichts misst. Die POTDR kann beispielsweise verwendet werden, um diverse Charakteristiken der Lichtleitfaser, die sich auf die Polarisation auswirken, zu messen oder zu überwachen.
Die Fähigkeit, Messungen nach Art der POTDR ausführen zu können, kann vorteilhaft sein. Änderungen der Polarisation des rückgestreuten Lichts werden durch gewisse Verformungen der Faser, wie etwa Verbiegen oder Verdrehen, verursacht, die zu einer Änderung der Doppelbrechung der Faser führen. Eine lineare Belastung, die auf die Faser ausgeübt wird, führt jedoch nicht zu einer maßgeblichen Schwankung der Polarisation der Rückstreuung. Somit können Messungen davon, wie die Polarisation der Rückstreuung entlang der Länge der Abtastfaser variiert, zweckmäßig Informationen über die Anordnung der Abtastfaser und insbesondere das Ausmaß einer eventuellen Verdrehung oder Verbiegung der Faser bereitstellen.
Wie zuvor erwähnt, kann in manchen Fällen eine verteilte akustische Abtastung genutzt werden, die eine existierende Lichtleitfaser verwendet, die bereits in einem interessierenden Bereich installiert ist. Es kann daher nützlich sein, die Charakteristiken der Lichtleitfaser, wozu Polarisationscharakteristiken gehören, beispielsweise als Teil der Bestimmung, wie die Lichtleitfaser installiert oder angeordnet ist, z. B. das Ausmaß der Verbiegung usw. zu bestimmen. Das Vornehmen periodischer POTDR-Messungen kann es ermöglichen, eventuelle Änderungen der Faseranordnung zu detektieren und/oder zu überwachen. POTDR-Messungen können beispielsweise Regionen hervorheben, in denen sich beispielsweise eine Verbiegung in der Faser gebildet hat, und falls derartige Messungen regelmäßig vorgenommen würden, könnten sie Teilabschnitte anzeigen, in denen die Verbiegung zunehmend war. Eine derartige Verbiegung könnte auf unterschiedliche Art und Weise entstehen, und kann für die Abtastfaser und/oder eine Anlage, die von der Abtastfaser überwacht wird, schädlich sein. Beispielsweise könnte die Abtastlichtleitfaser Teil einer Unterseekabelstruktur sein, z. B. zur Kommunikation oder Energieübertragung, und das Unterseekabel kann sich in manchen Regionen frei mit den Wasserströmungen bewegen. Eine Übermäßige Verbiegung an sich kann schädlich sein und/oder könnte angeben, dass sich die Kabelstruktur um ein Merkmal auf dem Meeresboden herum verformt. Vergrabene Kabel können durch Absenkungen, Baumwurzelwachstum oder nahegelegene Bau-/Aushubarbeiten gestört werden. Die Möglichkeit, Regionen mit zunehmender Verbiegung oder Verdrehung zu detektieren, könnte es ermöglichen, vorbeugende Maßnahmen zu treffen, bevor die Abtastfaser und/oder die überwachte Anlage zu Schaden kommen.
Zusätzlich oder alternativ bedeutet das Vornehmen von POTDR-Messungen zusätzlich zu dem Vornehmen von kohärenten Rayleigh-Rückstreumessungen, dass zusätzliche Informationen darüber gewonnen werden können, wodurch das Signal verursacht wird, da man ein Verbiegen/Verdrehen von linearen Belastungen unterscheiden kann.
Das Vornehmen derartiger POTDR-Messungen beruht jedoch auf dem Abfragen der Lichtleitfaser mit inkohärenter Strahlung, um eventuelle unerwünschte Interferenzeffekte zu vermeiden. Wenn die Abtastfaser mit kohärenter optischer Strahlung abgefragt würde, wäre es nicht möglich, eventuelle Änderungen der Polarisation von einer Belastung in der Abtastfaser zu unterscheiden. Wie zuvor besprochen, verwendet dagegen eine kohärente, Rayleigh-basierte, verteilte faseroptische Abtastung, wie etwa DAS, interferometrische Techniken und benötigt daher eine kohärente Abfragestrahlung.
Herkömmlicherweise würde man daher davon ausgehen, dass eine dedizierte POTDR-Abfragevorrichtung notwendig wäre, um POTDR-Messungen vorzunehmen, und dass eine separate kohärente Rayleigh-Abfragevorrichtung, z. B. eine DAS-Abfragevorrichtung, nötig wäre, falls es erwünscht wäre, eine kohärente, Rayleigh-basierte, verteilte faseroptische Abtastung vorzunehmen.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ermöglichen es, eine kohärente Rayleigh-Abfragevorrichtung, z. B. eine DAS-Abfragevorrichtung, zu verwenden, um POTDR-Messungen bereitzustellen.
2 bildet eine Abtastanordnung 200 gemäß einer Ausführungsform ab, in der ähnliche Komponenten wie diejenigen, die mit Bezug auf 1 besprochen wurden, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die Abtastanordnung umfasst eine Abfragevorrichtung 201 zum wiederholten Abfragen einer Abtastlichtleitfaser mit einer optischen Abfragestrahlung und zum Detektieren einer Strahlung, die aus dem Innern der Abtastfaser Rayleigh-rückgestreut wird. Die Abtastanordnung umfasst eine Abfragevorrichtung 201, die für eine kohärente, Rayleigh-basierte, verteilte faseroptische Abtastung geeignet ist, und im Allgemeinen ebenso wie die Abfragevorrichtung 101 betrieben werden kann, die mit Bezug auf 1 besprochen wurde. Die Abfragevorrichtung 201 kann somit eine optische Quelle, wie etwa einen Laser 103, zum Generieren einer kohärenten optischen Strahlung, und einen Modulator 104 zum Modulieren der kohärenten Strahlung, um eine kohärente Abfragestrahlung bereitzustellen, umfassen.
In dem Beispiel aus 2 ist die Abfragevorrichtung 201 jedoch dazu eingerichtet, betriebsfähig zu sein, um Abfragelicht an die Abtastlichtleitfaser 102 über ein optisches System 202 auszugeben, das ein erstes Stück 203 der Lichtleitfaser stromaufwärts von einem Polarisator 204 umfasst. Im Gebrauch ist die Abfragevorrichtung 201 in einem Betriebsmodus, der hier als Polarisationsabtastmodus bezeichnet wird, dazu betriebsfähig, die optische Abfragestrahlung mit einer optischen Leistung zu generieren, die stark genug ist, so dass die optische Abfragestrahlung nicht-lineare Effekte erfährt, wenn sie sich in dem ersten Stück 203 der Lichtleitfaser ausbreitet.
Wie es der Fachmann verstehen wird, falls die optische Strahlung mit ausreichender Energie in eine Lichtleitfaser eingekoppelt wird, kann dies zu nicht-linearen Effekten innerhalb der Lichtleitfaser führen, beispielsweise zum Kerr-Effekt und zur Selbstphasenmodulation. Diese Effekte reduzieren die Kohärenz der sich ausbreitenden Strahlung.
Für eine herkömmliche kohärente, auf Rayleigh-Rückstreuung basierte, verteilte faseroptische Abtastung sind derartige nicht-lineare Effekte unerwünscht und sind im Allgemeinen schädlich. Somit wird herkömmlicherweise die maximale Energie für die Abfragestrahlung durch eine Schwelle für den Beginn maßgeblicher nicht-linearer Effekte eingeschränkt. Somit steuert für eine kohärente, Rayleigh-basierte, verteilte faseroptische Abtastung der Modulator 104 im Allgemeinen die optische Leistung der Abfragestrahlung, so dass sie unterhalb einer derartigen nicht-linearen Schwelle liegt, unter der keine maßgeblichen nicht-linearen Effekte zu erwarten sind.
Bei der Ausführungsform aus 2 ist die Abfragevorrichtung jedoch im PolarisationsAbtastbetriebsmodus dazu betriebsfähig, eine optische Abfragestrahlung mit einer optischen Leistung, die stark genug ist, dass keine maßgeblichen nicht-linearen Effekte zu erwarten sind, in das erste Stück 203 der Lichtleitfaser einzukoppeln. Das erste Stück 203 der Lichtleitfaser wird gewählt, um eine Länge aufzuweisen, die lang genug ist, so dass auf Grund derartiger nicht-linearer Effekte eine Ausbreitung einer derartigen relativ starken Abfragestrahlung durch das erste Stück 203 der Lichtleitfaser die Kohärenz der Abfragestrahlung im Wesentlichen aufhebt. Somit ist die Abfragestrahlung, die im Polarisationsabtastmodus eingekoppelt wird, nachdem sie durch das erste Stück 203 der optischen Strahlung gegangen ist, im Wesentlichen inkohärent, so dass die Rückstreuung aus der Abtastfaser 102 keine maßgebliche kohärente Interferenzkomponente umfasst.
Das erste Stück 203 der Lichtleitfaser kann bei einigen Ausführungsformen mehrere Kilometer oder Dutzende Kilometer lang sein. Beispielsweise kann das erste Stück 203 der Lichtleitfaser mindestens 10 km lang sein oder manchmal mindestens 15 km oder mindestens 20 km lang sein. Bei einem Beispiel kann ein erstes Stück 203 der Lichtleitfaser, das ungefähr 20 km lang ist, verwendet werden, um die Abfrage im Wesentlichen inkohärent zu machen, wenn sie mit einer optischen Leistung oberhalb einer nicht-linearen Schwelle für das erste Stück der Lichtleitfaser eingekoppelt wird. Das erste Stück der Lichtleitfaser kann eine beliebige geeignete Lichtleitfaser sein und kann bei einigen Beispielen eine herkömmliche Monomode-Lichtleitfaser sein. Das erste Stück 203 der Lichtleitfaser kann zwischen der Abfragevorrichtung 201 und der Abtastfaser 102 auf beliebige praktische Art und Weise gekoppelt sein und kann beispielsweise als eine Lichtleitfaserrolle installiert werden, die sich an der gleichen Stelle wie die Abfragevorrichtung 201 befindet.
Der Polarisator 204 befindet sich stromabwärts (für eine ausgehende Abfragestrahlung) von dem ersten Stück 203 der Lichtleitfaser. Im Polarisationsabtastmodus polarisiert der Polarisator 204 die im Wesentlichen inkohärente Abfragestrahlung, bevor sie in die Abtastfaser 102 eintritt. Dies stellt sicher, dass die inkohärente Abfragestrahlung, die in die Abtastfaser 102 eingegeben wird, eine definierte Polarisation aufweist. Innerhalb der Abtastfaser 102 führt eine eventuelle Verformung oder Störung der Abtastfaser, die zu einer Änderung der Polarisation führt, daher zu einer Änderung der Polarisation der Rückstreuung von diesem Punkt an, was detektiert werden kann.
Bei mindestens einigen Ausführungsformen kann ein Polarisationssteuergerät 205 als Teil des optischen Systems 202 stromaufwärts von dem Polarisator 204 enthalten sein, um sicherzustellen, dass mindestens ein Teil der Abfragestrahlung durch den Polarisator 204 durchgelassen wird und in die Abtastfaser eintritt. Die Ausbreitung der Abfragestrahlung durch das erste Stück 203 der Lichtleitfaser hindurch kann zu einer Polarisationsmodulation führen, die im Voraus vielleicht unbekannt oder undefiniert ist. Somit könnte es sein, dass in manchen Fällen die Orientierung des Polarisators 204 ansonsten dazu dienen würde, einen wesentlichen Teil der Abfragestrahlung daran zu hindern, in die Abtastfaser 203 einzutreten, was sich folglich auf die Empfindlichkeit auswirkt. Das Polarisationssteuergerät 205 kann somit gesteuert werden, um eine selektiv variable Polarisationsmodulation anzuwenden, um dies zu verhindern, und um sicherzustellen, dass mindestens ein Teil der Abfragestrahlung durch den Polarisator 204 geht. Das Polarisationssteuergerät 205 kann im Allgemeinen gesteuert werden, um die Abfragestrahlungsmenge, die von dem Polarisator 204 durchgelassen wird, zu maximieren. Bei einigen Beispielen kann die Abfragestrahlungsmenge, die von dem Polarisator 204 durchgelassen wird, dadurch bestimmt werden, dass die Rückstreuung von stromabwärts von dem Polarisator 204, z. B. schon vom Anfang der Abtastfaser, analysiert wird. Das Polarisationssteuergerät 205 könnte daher auf die Ausgabe der Abfragevorrichtung 201 ansprechen, um die Intensität vom Anfang der Abtastfaser, z. B. unter der Kontrolle des Signalprozessors 107, wie abgebildet zu maximieren. Es versteht sich jedoch, dass andere Anordnungen möglich sind und bei einigen Beispielen ein Detektor 206 eingerichtet sein könnte, um die Abfragestrahlungsmenge an einem Punkt stromabwärts von dem Polarisator 204 zu überwachen. Es sei zu beachten, dass 2 abbildet, dass sich das Polarisationssteuergerät 205 stromabwärts von dem ersten Stück 203 der Lichtleitfaser befindet, um eine Modulation auf die Abfragestrahlung nach dem Durchlassen durch diese hindurch anzuwenden. Bei einigen Ausführungsformen könnte sich das Polarisationssteuergerät 205 jedoch stromaufwärts von dem ersten Stück 203 der Lichtleitfaser befinden, um eine Vormodulation anzuwenden. In beiden Fällen stellt das Polarisationssteuergerät 205 sicher, dass eine maßgebliche Menge der Abfragestrahlung in die Abtastfaser mit einer definierten Polarisation durchgelassen wird, so dass eine eventuelle Schwankung der Polarisation der Rückstreuung bestimmt werden kann.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie eine eventuelle Schwankung der Polarisation der Rückstreuung aus der Abtastfaser 102 detektiert werden kann. Beispielsweise kann eine eventuelle Schwankung der Polarisation detektiert werden, indem die Rückstreuung über einen Rückwegpolarisator auf dem Weg zurück zur Abfragevorrichtung 201 zurück gegeben wird. Wie in 2 abgebildet, kann die Abfragevorrichtung 201 mit der Abtastfaser optisch gekoppelt sein, so dass die Abfragestrahlung von der Abfragevorrichtung an die Abtastfaser durchgelassen und die Rückstreuung über das optische System 202 an die Abfragevorrichtung zurückgegeben wird, so dass der Polarisator 204 auch als Rückwegpolarisator dient. Eine eventuelle Rückstreuung von innerhalb der Abtastfaser 102 geht nur durch den Polarisator zurück, falls sie die richtige Polarisation aufweist. Das Niveau der Rückstreuung schon vom Anfang der Abtastfaser 102 kann verwendet werden, um eine Basislinie einzustellen. Innerhalb der Abtastfaser 102 führt daher eine eventuelle Verformung oder Störung der Abtastfaser, die zu einer Änderung der Polarisation führt, zu einer Änderung der Rückstreumenge, die durch den Polarisator 204 für diesen Abtastabschnitt und nachfolgende Abtastabschnitte der Abtastfaser zurückkehrt.
Eine Rückstreuung von innerhalb der Abtastfaser 102, welche die richtige Polarisation aufweist, kann somit zurück durch den Polarisator 204 gehen und zu der Abfragevorrichtung 201 zurückkehren, in diesem Fall zurück über das erste Stück 203 der Lichtleitfaser. Obwohl es einen gewissen geringen Ausbreitungsverlust in dem ersten Stück 203 der Lichtleitfaser geben kann, ist die Intensität der Rückstreuung, die an der Abfragevorrichtung 201 zurück erhalten wird, im Allgemeinen von der Rückstreumenge abhängig, die durch den Polarisator 204 zurückgegeben wird. Daher kann das Ausmaß einer eventuellen Schwankung der Polarisation der Strahlung, die Rayleigh-rückgestreut wird, basierend auf der Intensität der rückgestreuten Strahlung, die von dem Rückwegpolarisator durchgelassen wird, bestimmt werden.
Der Photodetektor 105 kann somit die Intensität des rückgestreuten Lichts detektieren, und der Prozessor 106 kann eine Angabe über die Schwankung der Intensität in verschiedenen Abtastabschnitten des Abtastabschnitts gemäß bekannten POTDR-Grundlagen bereitstellen, wobei die Umlaufzeit zu und von der Abtastfaser 102 über das erste Stück 203 der Lichtleitfaser beim Definieren der Abtastabschnitte der Abtastfaser berücksichtigt wird. Bei Ausführungsformen, bei denen die Abfragevorrichtung 201 betrieben wird, um die Rückstreuung mit einem Lokaloszillator vor der Detektion zu mischen, kann der Prozessor nach einer Schwankung der Intensität des Trägersignals suchen.
Im Polarisationsabtastmodus kann die Abfragevorrichtung dazu betriebsfähig sein, dynamische Messungen einer eventuellen Schwankung der Polarisation aus einem oder mehreren der Abtastabschnitte im Verlauf der Zeit zu erfassen. In diesem Fall kann die Abfragevorrichtung 201 dazu betriebsfähig sein, die Abtastfaser 201 wiederholt abzufragen. Jede Abfrage kann das Einkoppeln eines einzelnen durchgehenden Impulses der Abfragestrahlung umfassen. Die detektierte Rückstreuung aus den Abtastabschnitten der Abtastfaser 102 kann analysiert werden, um eventuelle Schwankungen im Verlauf der Zeit zu bestimmen, die vielleicht darauf zurückzuführen sind, dass dynamische Reize auf die Abtastfaser einwirken.
Zusätzlich oder alternativ kann die Abfragevorrichtung im Polarisationsabtastmodus dazu betriebsfähig sein, statische Messungen darüber zu erfassen, wie die Polarisation über die Länge der Abtastfaser variiert. Derartige statische Messungen können vorgenommen werden, indem die durchschnittliche Leistung der Rückstreuung betrachtet wird, die über einen Zeitraum empfangen wird, und wie sie über die Länge der Abtastfaser variiert. Falls die Abtastfaser im Allgemeinen statisch ist, dann würde man über beliebige im Allgemeinen gerade Teilabschnitte der Abtastfaser erwarten, dass die Polarisation der Rückstreuung und somit die Rückstreumenge, die durch den Polarisator 204 hindurch zurückgegeben wird, nur relativ allmählich über die Länge der Abtastfaser variiert, und dass eine eventuelle Schwankung der Polarisation nur über mehrere Dutzend Meter oder mehr vorkommt, z. B. über eine Länge von 50 m oder mehr. Man würde jedoch erwarten, dass eine eventuelle starke Verdrehung oder Verbiegung der Abtastfaser zu einer viel deutlicheren Änderung der Polarisation über eine relativ kurze Entfernung und daher zu einer viel plötzlicheren Änderung der Rückstreumenge als diejenige, die von dem Polarisator 204 durchgelassen wird, führen würde. Somit können durch das Mitteln der Leistung der Rückstreuung im Verlauf der Zeit, um eventuelle dynamische Effekte zu mitteln, alle Stellen mit starker Verbiegung/Verdrehung der Abtastfaser durch Bereiche hindurch identifiziert werden, in denen eine plötzliche Änderung der Leistung der Rückstreuung, die über die Länge der Abtastfaser empfangen wird, vorliegt.
Die Abtastanordnung 200, die mit Bezug auf 2 beschrieben wurde, ist somit in der Lage, eine kohärente Rayleigh-Abfragevorrichtung 201 zu verwenden, um POTDR-Messungen vorzunehmen, wenn sie in einem POTDR-Modus betrieben wird.
Die Abtastanordnung 200 kann auch dazu betriebsfähig sein, in einem anderen Modus, der hier als kohärenter Abtastmodus bezeichnet wird, betrieben zu werden, um eine kohärente, Rayleigh-basierte, verteilte faseroptische Abtastung, z. B. eine DAS-Abtastung, auszuführen.
In dem kohärenten Abtastmodus ist die Abfragevorrichtung 201 dazu betriebsfähig, eine Abfragestrahlung mit einer optischen Einkoppelleistung einzukoppeln, die unterhalb der Schwelle liegt, bei der maßgebliche nicht-lineare Effekte in dem ersten Stück 203 der Lichtleitfaser (und der Abtastfaser 102) erwartet werden. In dem kohärenten Abtastmodus kann der Modulator 104 der Abfragevorrichtung somit die Ausgabe des Lasers 103 modulieren, um eine Abfragestrahlung mit einer optischen Leistung bereitzustellen, von der nicht erwartet wird, dass sie zu maßgeblichen nicht-linearen Effekten führt, wenn sie sich in einer Lichtleitfaser ausbreitet, d. h. mit einer optischen Leistung, die unterhalb einer Schwelle für maßgebliche nicht-lineare Effekte in einer Lichtleitfaser liegt. Ein derartiges Einschränken der optischen Einkoppelleistung ist für eine kohärente, Rayleigh-basierte, verteilte Abtastung üblich, wie zuvor beschrieben.
Die kohärente Abfragestrahlung, die von der Abfragevorrichtung 201 ausgegeben wird, kann sich somit durch das erste Stück 203 der Lichtleitfaser hindurch ohne maßgebliche nicht-lineare Effekte ausbreiten und kann somit im Wesentlichen ihre Kohärenz bewahren. Wie zuvor besprochen, wurde die kohärente, Rayleigh-basierte, verteilte faseroptische Abtastung herkömmlicherweise an Abtastfasern mit einer Länge von mehreren Dutzend Kilometern ausgeführt, z. B. an Abtastfasern mit einer Länge von 40 km oder 50 km oder mehr, und somit wäre die Abfragestrahlung, die etwa durch ein erstes Stück der Lichtleitfaser mit einer Größenordnung von 20 km oder dergleichen geht, zum Abfragen einer Lichtleitfaser mit einer Länge von bis zu 20 km oder 30 km oder mehr gut geeignet.
Das Polarisationssteuergerät 205 kann gegebenenfalls ähnlich betrieben werden, wie zuvor beschrieben, um die Abfragestrahlungsmenge zu maximieren, die durch den Polarisator 204 geht.
In dem kohärenten Abtastmodus wird die Abtastfaser 102 somit mit kohärenter optischer Strahlung abgefragt, und daher ist die Rückstreuung aus der Abtastfaser 102 kohärent. Demnach enthält die Rückstreuung aus der Abtastfaser 102 eine Rückstreukomponente, die aus der Interferenz zwischen der Rückstreuung aus verschiedenen Streustellen innerhalb der Abtastfaser 102 entsteht, und die somit auf Änderungen der Lichtweglänge eines Abtastabschnitts reagiert.
Bei dem Beispiel aus 2, bei dem die Rückstreuung aus der Abtastfaser 102 an die Abfragevorrichtung 204 über den Polarisator 204 zurückgegeben wird, kann das Vorliegen des Polarisators 204 einen Teil der Rückstreuung daran hindern, die Abfragevorrichtung 201 zu erreichen, und die empfangene Rückstreuung umfasst eine Intensitätsmodulation, die auf eine eventuelle Polarisationsmodulation zurückzuführen ist, die durch die Abtastfaser verliehen wird. Die Verarbeitung der Rückstreuung für eine kohärente, Rayleigh-basierte, verteilte faseroptische Abtastung wird jedoch im Allgemeinen durch eine eventuelle Polarisationsmodulation, die auf die statische Anordnung der Lichtleitfaser zurückzuführen ist, nicht beeinträchtigt. Wie zuvor erwähnt, bedeutet die zufällige Verteilung der Streustellen bereits, dass es eine zufällige Beschaffenheit für die Intensität der Rückstreuung aus verschiedenen Abtastabschnitten einer beliebigen gegebenen Abfrage gibt, und somit kann eine beliebige polarisationsbasierte Modulation, die auf die statische Anordnung der Abtastfaser zurückzuführen ist, als ein zusätzlicher Zufallsfaktor angesehen werden. Für einen Rayleigh-basierten Sensor, der ein Messsignal basierend auf Intensitätsschwankungen bestimmt, kann dann eine beliebige dynamische Polarisationsmodulation als eine Signalkomponente erscheinen, doch würde von beliebigen dynamischen Verformungen der Faser, die eine Polarisationsmodulation herbeiführen, auch erwartet werden, dass sie eine Belastungsmodulation herbeiführen, und sie würden somit auf jeden Fall detektiert.
Die Abtastanordnung 200 ermöglicht es somit der Abfragevorrichtung 201, in einem von einem ersten Polarisationsabtastmodus und einem zweiten kohärenten Abtastmodus selektiv betrieben zu werden, indem einfach die Einkoppelleistung der Abfragestrahlung geändert wird, die aus der Abfragevorrichtung eingekoppelt wird. Die Abfragevorrichtung 201 kann somit ein Steuergerät 207 umfassen, um die optische Leistung der Ausgabe, z. B. zum Steuern des Modulators 104, zu steuern.
Das Steuergerät 207 kann auch die Form der Abfragestrahlung in den verschiedenen Modi steuern. Beispielsweise kann das Steuergerät 207 im Polarisationsabtastmodus die Abfragevorrichtung 201 steuern, um einen einzelnen durchgehenden Impuls bei einer gegebenen Einkoppelfrequenz mit einer hohen optischen Leistung auszugeben. Ein einzelner, durchgehender Impuls reicht für den Polarisationsabtastmodus aus, bei dem die Intensität der empfangenen Rückstreuung interessant ist, und ein einzelner durchgehender Impuls ermöglicht eine relativ einfache Verarbeitung, um Messungen mit gutem SNR (Signal-Rausch-Verhältnis) bereitzustellen. In dem kohärenten Abtastmodus steuert das Steuergerät die Abfragevorrichtung 201, um eine Abfragestrahlung mit einer niedrigeren optischen Leistung auszugeben, und kann den Modulator dazu steuern, eine Ausgangsabfragestrahlung mit einer beliebigen gewünschten Form zu generieren. In manchen Fällen kann die Ausgangsabfragestrahlung im kohärenten Abtastmodus auch einen einzelnen durchgehenden Impuls bei einer gegebenen Einkopplung umfassen, doch bei einigen Ausführungsformen kann die Abfragestrahlung im kohärenten Abtastmodus zwei oder mehrere Impulse umfassen, die eine Frequenzdifferenz aufweisen können, und/oder die Abfragestrahlung könnte wie zuvor besprochen beliebig codiert werden. Das Ausmaß einer beliebigen Verarbeitung, die auf den Prozessor 207 angewendet wird, kann auch basierend auf dem Betriebsmodus und der Form der Abfragestrahlung gesteuert werden.
Eine herkömmliche kohärente Rayleigh-Abfragevorrichtung kann im Allgemeinen dazu betriebsfähig sein, eine variable optische Einkoppelleistung bereitzustellen, und kann im Allgemeinen dazu betriebsfähig sein, verschiedene Formen von Abfragestrahlung an ein geeignetes Steuergerät 207 auszugeben, das bereits in mindestens einigen kohärenten Rayleigh-Abfragevorrichtungen vorhanden sein kann. Im Gebrauch kann der Betriebsmodus durch den Benutzer gesteuert werden, beispielsweise über die Benutzerschnittstelle 108.
Bei der Ausführungsform aus 2 wird die Abfragestrahlung über das optische System 202, welches das erste Stück 203 der Lichtleitfaser und den Polarisator 204 umfasst, sowohl im Polarisationsabtastmodus als auch im kohärenten Abtastmodus zu der Abtastfaser durchgelassen und die Rückstreuung wird daraus empfangen. Daher kann der Modulator zwischen dem Polarisationsabtastmodus und dem kohärenten Abtastmodus wechseln, indem er einfach die Abfragestrahlung steuert, die ausgegeben wird. Dies würde es ermöglichen, Messungen im Polarisationsmodus periodisch zu erfassen, während im Allgemeinen eine kohärente Rayleigh-Abtastung mit einigen der Abfragen ausgeführt würde, die ansonsten für eine kohärente Rayleigh-Abtastung verwendet würden, die für POTDR-Messungen verwendet wird.
In manchen Fällen kann eine kohärente Rayleigh-Abfragevorrichtung eine Wellenlängenmultiplexfunktion umfassen, um es zu ermöglichen, eine Abtastfaser mit verschiedenen Reihen von Abfragen bei verschiedenen optischen Wellenlängen abzufragen. Es versteht sich, dass die Abtasttechniken darauf beruhen, die Rückstreuung identifizieren zu können, die mit einem gegebenen Abtastabschnitt verknüpft ist. Dies kann somit bedingen, dass eine Abfrage, die einen oder mehrere Impulse einer optischen Strahlung umfasst, eingekoppelt wird, und dass der optischen Strahlung Zeit gelassen wird, bis zum Ende der Abtastfaser und zurück zu gehen, bevor die nächste Abfrage eingekoppelt wird, so dass die Rückstreuung aus dem betreffenden Teil der Abtastfaser anhand der Ankunftszeit eindeutig identifiziert werden kann. Alternativ könnte jede Abfrage eine Abfrage umfassen, die beliebig codiert ist, so dass die betreffende Rückstreuung aus einem Teilabschnitt der Faser durch Korrelation unterschieden werden kann. Auch dabei sollte jedoch die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Abfragen (unter Verwendung des gleichen Codes) mindestens so lang wie die Umlaufzeit bis zum Ende der Abtastfaser und zurück sein. Diese Laufzeit bis zum Ende der Abtastfaser und zurück (oder mindestens bis zu einer Entfernung, über die hinaus keine maßgebliche Rückstreuung erwartet wird) stellt die Ping-Reichweite ein, d. h. die Frequenz, mit der die Abtastfaser abgefragt werden kann. Es wurde vorgeschlagen, dass eine Wellenlängenmultiplextechnik verwendet werden könnte, um unterschiedliche Abfragen bei verschiedenen Wellenlängen zu ermöglichen, wobei die Rückstreuung aus den separaten Abfragen durch die Wellenlänge unterschieden wird. In diesem Fall könnte die Abfragevorrichtung dazu konfiguriert sein, eine Abfragestrahlung bei einer ersten Wellenlänge mit einer optischen Leistung auszugeben, die hoch genug ist, maßgebliche nicht-lineare Effekte in dem ersten Stück der Lichtleitfaser zu verursachen und auch die Abfragestrahlung bei einer zweiten Wellenlänge mit einer optischen Leistung auszugeben, die niedrig genug ist, keine maßgeblichen nicht-linearen Effekte in dem ersten Stück der Lichtleitfaser zu verursachen. Die Rückstreuung bei der ersten Wellenlänge könnte für eine POTDR-Messung verwendet werden, und die Rückstreuung bei der zweiten Wellenlänge könnte für eine kohärente, Rayleigh-basierte, verteilte faseroptische Abtastung, z. B. DAS, verwendet werden.
Bei einigen Ausführungsformen könnten jedoch unterschiedliche Lichtwege selektiv verwendet werden, um die Abfragevorrichtung mit der Abtastfaser in verschiedenen Betriebsmodi zu koppeln.
3 bildet ein anderes Beispiel einer Abtastanordnung 300 ab, die dazu betriebsfähig ist, einen Polarisationsabtastmodus und einen kohärenten Rayleigh-Abtastmodus bereitzustellen, in der ähnliche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen identifiziert sind.
3 bildet ab, dass eine kohärente Abfragevorrichtung 202 über optische Schalter 301a und 301b mit der Abtastfaser 102 entweder über einen ersten Lichtweg, der in dem optischen System 202 enthalten ist, oder durch einen zweiten Lichtweg 302 selektiv optisch gekoppelt werden kann. Der erste Lichtweg umfasst somit das erste Stück 203 der Lichtleitfaser und den Polarisator 204 und gegebenenfalls das Polarisationssteuergerät 205.
Im Polarisationsbetriebsmodus können die Schalter 301a und 301b dazu gesteuert werden, den ersten Lichtweg auszuwählen, und die Abfragevorrichtung 201 kann eine Abfragestrahlung mit einer optischen Leistung generieren, die zu nicht-linearen Effekten in dem ersten Stück 203 der Lichtleitfaser führt, um die Kohärenz der Abfragestrahlung aufzuheben, wie mit Bezug auf 2 beschrieben. Im Polarisationsabtastmodus ist die Abfragevorrichtung 201 somit mit der Abtastfaser optisch gekoppelt, so dass die Abfragestrahlung, die aus der Abfragevorrichtung ausgegeben wird, an die Abtastfaser über das erste optische System durchgelassen wird, welches das erste Stück der Lichtleitfaser stromaufwärts und den Polarisator umfasst.
Im kohärenten Abtastmodus können die Schalter 301a und 301b dazu gesteuert werden, den zweiten Lichtweg auszuwählen, und die Abfragevorrichtung 201 kann eine Abfragestrahlung mit einer optischen Leistung generieren, die unterhalb einer nicht-linearen Schwelle liegt. Der zweite Lichtweg umgeht mindestens das erste Stück 203 der Lichtleitfaser und kann praktischerweise auch den Polarisator 204 umgehen. Der zweite Lichtweg kann eine beliebige geeignete Verbindung zwischen den Schaltern umfassen, wie etwa ein relativ kurzes Stück der Lichtleitfaser, das etwa ein paar Meter oder weniger lang sein kann. Die Verwendung des zweiten Lichtwegs für den kohärenten Abtastmodus vermeidet das erste Stück 203 der Lichtleitfaser und vermeidet somit die Ausbreitungsverluste und die Verzögerung, die mit der Ausbreitung durch das erste Stück der Lichtleitfaser hindurch verknüpft sind, und die sich daraus ergebende Auswirkung auf die Ping-Frequenz und das SNR. Der zweite Lichtweg kann auch jeglichen Verlust an Rückstreuung und somit eine Reduzierung des SNR auf Grund des Polarisators 204 auf dem Rückweg vermeiden.
Die Schalter 301a und 302a können zusammen mit dem Betriebsmodus der Abfragevorrichtung 201 elektronisch gesteuert werden.
Bei der Ausführungsform aus 3, bei welcher der erste Lichtweg nur für den Polarisationsabtastmodus verwendet wird und der kohärente Abtastmodus den zweiten, anderen Lichtweg verwendet, kann das erste Stück 203 der Lichtleitfaser dazu ausgewählt werden, vorteilhafte Eigenschaften für den Polarisationsabtastbetriebsmodus aufzuweisen. Beispielsweise kann das erste Stück 203 der Lichtleitfaser als ein solches ausgewählt werden, das einen relativ hohen Grad an nicht-linearen Effekten vorweist. Gewisse Arten von Lichtleitfasern neigen dazu, relativ hohe nicht-lineare Effekte vorzuweisen, und somit könnte ein kürzeres Stück dieser Lichtleitfaser verwendet werden, um die Kohärenz der Abfragestrahlung aufzuheben. Derartige Fasern können jedoch eine größere Dämpfung aufweisen, und somit kann die Auswahl der Lichtleitfaser ein Kompromiss zwischen diversen Faktoren sein, wie beispielsweise Nicht-Linearität und Dämpfung, sein.
Bei den Ausführungsformen aus 2 und 3 wird im Polarisationsabtastmodus eine eventuelle Schwankung der Polarisation in der Rückstreuung aus der Abtastfaser bestimmt, indem die Rückstreuung durch den Polarisator 204 zurückgegeben wird, so dass die Intensität der Rückstreuung, die an der Abfragevorrichtung empfangen wird, mit einer eventuellen Polarisationsmodulation variiert, die durch die Abtastfaser 102 verliehen wird. In manchen Fällen kann die Abfragevorrichtung 201 jedoch eine gewisse Polarisationsunterscheidung umfassen, die verwendet werden kann, um die Schwankung in Rückstreuung aus der Abtastfaser zu bestimmen.
Beispielsweise beschreibt die WO2020/016556 eine Abfragevorrichtung, die das Rückstreusignal vor der Detektion mit einem Lokaloszillator mischt und das Signal bei einer definierten Trägerfrequenz verarbeitet. Um Probleme mit Polarisationsschwund zu vermeiden, bei denen, falls die Rückstreuung einen orthogonalen Polarisationszustand gegenüber dem Lokaloszillator aufweist, es kein Mischen gäbe und das Trägersignal im Polarisationsschwundzustand vorliegen würde, ist die Abfragevorrichtung dazu konfiguriert, die Rückstreuung mit dem Lokaloszillator in zwei verschiedenen Polarisationszuständen zu mischen.
4 bildet somit ab, dass die Abfragevorrichtung 201 einen Polarisationsmischer 401 zum Mischen der Rückstreuung, die an der Abfragevorrichtung 201 empfangen wird, mit einem Lokaloszillator LO, der aus dem Laser 103 abgeleitet wird, umfassen kann. Der Polarisationsmischer mischt die Rückstreuung mit dem Licht in dem Lokaloszillator in einem ersten Polarisationszustand X, um ein erstes gemischtes Signal PX bereitzustellen, und mit dem Licht in dem Lokaloszillator in einem zweiten orthogonalen Polarisationszustand Y, um ein zweites gemischtes Signal PY bereitzustellen. Die beiden verschiedenen Polarisationskanäle können durch separate Detektoren 105X und 105Y detektiert werden.
Eine derartige Abfragevorrichtung kann in einem Polarisationsabtastmodus verwendet werden, wie zuvor besprochen, und in diesem Fall kann die relative Leistung des Trägersignals in den beiden verschiedenen Polarisationskanälen, wie durch die Detektoren 105X und 105Y detektiert, verwendet werden, um eine eventuelle Schwankung der Polarisation zu bestimmen.
In diesem Fall kann die Rückstreustrahlung aus der Abtastfaser 102 zu der Abfragevorrichtung 210 über einen Weg 402 zurückgegeben werden, der den Polarisator 204 umgeht. In diesem Fall können Zirkulatoren 403a und 403b derart angeordnet sein, dass eine ausgehende Abfragestrahlung aus der Abfragevorrichtung 201 an die Abtastfaser über das optische System 202, welches das erste Stück 203 der Lichtleitfaser und den Polarisator 204 umfasst, durchgelassen wird, jedoch über den Weg 402, der die Komponenten des optischen Systems 202 umgeht, zurückgegeben wird. In anderen Fällen, in denen der Polarisator 204 sowohl auf ausgehenden als auch auf empfangenden Wegen notwendig ist, könnte eine ähnliche Anordnung von Zirkulatoren verwendet werden, wobei der Polarisator 204 jedoch zwischen dem Zirkulator 403b und der Testfaser 102 angeordnet wäre.
Für ein System, das kein Mischen mit einem LO-Signal verwendet, könnte eine ähnliche Anordnung wie in 4 verwendet werden, bei der die Komponente 401 dann ein Polarisationsteiler wäre, der das zurückkehrende Licht in zwei Komponenten PX und PY teilt, und das Verhältnis dazwischen als Maß für den zurückkehrenden Polarisationszustand verwendet wird. Die Komponente 401 und ihre beiden Detektoren 105X und 105Y könnten auch durch eine komplexere Version eines Polarisationsanalysators ersetzt werden, wie etwa durch einen Stokes-Analysator, der in der Lage ist, eine vollständige Bestimmung des Polarisationszustands des zurückkehrenden Lichts zu erbringen.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ermöglichen es somit, eine Abfragevorrichtung für eine kohärente, Rayleigh-basierte, verteilte faseroptische Abtastung, z. B. eine DAS-Abfragevorrichtung, zusätzlich oder alternativ zu verwenden, um POTDR-Messungen vorzunehmen.
Es sei zu beachten, dass die zuvor erwähnten Ausführungsformen die Erfindung eher erläutern als einschränken, und dass der Fachmann in der Lage ist, zahlreiche alternative Ausführungsformen zu erdenken, ohne den Umfang der beiliegenden Ansprüche zu verlassen. Das Wort „umfassend“ schließt das Vorliegen von anderen Elementen und Schritten, als denen, die in einem Anspruch aufgezählt werden, nicht aus, „ein, eine, ein“ schließt eine Vielzahl nicht aus, und ein einzelner Prozessor oder eine andere Einheit kann die Funktionen von mehreren Einheiten erfüllen, die in den Ansprüchen erwähnt werden. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen für ihren Umfang anzusehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

GB 2442745 [0027, 0031]
WO 2020/016556 [0027, 0031, 0079]
WO 2012137022 [0027, 0031]
US 20190025094 [0027, 0032]
WO 2012137021 [0031]

Claims

Verteiltes faseroptisches Abtastgerät, umfassend: eine Abfragevorrichtung zum wiederholten Abfragen einer Abtastlichtleitfaser mit einer optischen Abfragestrahlung und zum Detektieren einer Strahlung, die aus dem Innern der Abtastfaser Rayleigh-rückgestreut wird, wobei das Abtastgerät in einem ersten Betriebsmodus betrieben werden kann, in dem: die Abfragevorrichtung mit der Abtastfaser optisch gekoppelt ist, so dass die Abfragestrahlung, die aus der Abfragevorrichtung ausgegeben wird, an die Abtastfaser über ein erstes optisches System durchgelassen wird, das ein erstes Stück der Lichtleitfaser stromaufwärts von einem ersten Polarisator umfasst; die Abfragevorrichtung dazu konfiguriert ist, eine kohärente optische Strahlung mit einer optischen Leistung auszugeben, so dass die Abfragestrahlung nicht-lineare Effekte erfährt, wenn sie sich in dem ersten Stück der Lichtleitfaser ausbreitet, um die Kohärenz der Abfragestrahlung zu reduzieren; und die Abfragevorrichtung dazu konfiguriert ist, das Ausmaß einer eventuellen Schwankung der Polarisation der Strahlung, die aus dem Innern der Abtastfaser Rayleigh-rückgestreut wird, zu bestimmen.
Verteiltes faseroptisches Abtastgerät nach Anspruch 1, wobei die optische Leistung der Abfragestrahlung in dem ersten Betriebsmodus und die Länge des ersten Stücks der Lichtleitfaser derart konfiguriert sind, dass eine Ausbreitung der Abfragestrahlung durch das erste Stück der Lichtleitfaser in dem ersten Modus dazu führt, dass die Abfragestrahlung im Wesentlichen inkohärent ist.
Verteiltes faseroptisches Abtastgerät nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das erste optische System ferner ein Polarisationssteuergerät umfasst.
Verteiltes faseroptisches Abtastgerät nach Anspruch 3, wobei das Polarisationssteuergerät dazu konfiguriert ist, eine Polarisationsmodulation selektiv zu steuern, die angewendet wird, um eine Abfragestrahlungsmenge zu maximieren, die über den Polarisator an die Abtastlichtleitfaser durchgelassen wird.
Verteiltes faseroptisches Abtastgerät nach Anspruch 4, wobei die Abfragevorrichtung dazu konfiguriert ist, die Abfragestrahlungsmenge, die über den Polarisator an die Abtastlichtleitfaser durchgelassen wird, basierend auf der Rückstreuungsintensität, die vom Anfang der Abtastfaser empfangen wird, zu überwachen.
Verteiltes faseroptisches Abtastgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem ersten Betriebsmodus die Abfragevorrichtung mit der Abtastfaser optisch gekoppelt ist, so dass eine Strahlung, die aus dem Innern der Abtastfaser Rayleigh-rückgestreut wird, an die Abfragevorrichtung über einen Rückwegpolarisator zurückgegeben wird.
Verteiltes faseroptisches Abtastgerät nach Anspruch 6, wobei in dem ersten Betriebsmodus die Abfragevorrichtung mit der Abtastfaser optisch gekoppelt ist, so dass eine Strahlung, die aus dem Innern der Abtastfaser Rayleigh-rückgestreut wird, über das erste optische System an die Abfragevorrichtung zurückgegeben wird und der erste Polarisator der Rückwegpolarisator ist.
Verteiltes faseroptisches Abtastgerät nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei in dem ersten Betriebsmodus die Abfragevorrichtung dazu konfiguriert ist, das Ausmaß einer eventuellen Schwankung der Polarisation der Strahlung, die Rayleigh-rückgestreut wird, basierend auf der Intensität der rückgestreuten Strahlung, die von dem Rückwegpolarisator durchgelassen wird, zu bestimmen.
Verteiltes faseroptisches Abtastgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Abfragevorrichtung einen Polarisationsmischer zum Mischen der rückgestreuten Strahlung mit einem Lokaloszillator umfasst, um ein gemischtes Signal zu bilden, wobei das gemischte Signal in zwei verschiedene orthogonale Polarisationskanäle getrennt wird und die Abfragevorrichtung dazu konfiguriert ist, das Ausmaß einer eventuellen Schwankung der Polarisation der Strahlung, die Rayleigh-rückgestreut wird, basierend auf einem Vergleich der beiden Polarisationskanäle zu bestimmen.
Verteiltes faseroptisches Abtastgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abfragevorrichtung im ersten Betriebsmodus mit der Abtastfaser optisch gekoppelt ist, so dass eine Strahlung, die aus dem Innern der Abtastfaser Rayleigh-rückgestreut wird, über einen Rückweg, der das erste optische System umgeht, an die Abfragevorrichtung zurückgegeben wird.
Verteiltes faseroptisches Abtastgerät nach Anspruch 10, wobei die Abfragevorrichtung einen Polarisationsanalysator umfasst, und wobei der Polarisationsanalysator im ersten Betriebsmodus dazu konfiguriert ist, die rückgestreute Strahlung zu analysieren, um vollständige Polarisationseigenschaften der rückgestreuten Strahlung zu bestimmen.
Verteiltes faseroptisches Abtastgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das verteilte faseroptische Abtastgerät im ersten Betriebsmodus dazu betriebsfähig ist, ein dynamisches Messsignal für jeden einer Vielzahl von Abtastabschnitten der Abtastlichtleitfaser zu generieren, die dynamische Änderungen der Polarisation im Verlauf der Zeit angeben.
Verteiltes faseroptisches Abtastgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das verteilte faseroptische Abtastgerät im ersten Betriebsmodus dazu betriebsfähig ist, ein statisches Messsignal zur Angabe von Änderungen der Polarisation über die Länge der Abtastfaser zu generieren.
Verteiltes faseroptisches Abtastgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abtastgerät ferner in einem zweiten Betriebsmodus betrieben werden kann, wobei die Abfragevorrichtung im zweiten Betriebsmodus dazu konfiguriert ist, eine kohärente optische Strahlung mit einer optischen Leistung auszugeben, die unterhalb einer Schwelle für maßgebliche nicht-lineare Effekte in einer Lichtleitfaser liegt.
Verteiltes faseroptisches Abtastgerät nach Anspruch 14, wobei die Abfragevorrichtung im zweiten Betriebsmodus mit der Abtastfaser optisch gekoppelt ist, so dass die Abfragestrahlung, die aus der Abfragevorrichtung ausgegeben wird, über das erste optische System an die Abtastfaser durchgelassen wird.
Verteiltes faseroptisches Abtastgerät nach Anspruch 14, wobei die Abfragevorrichtung im zweiten Betriebsmodus mit der Abtastfaser optisch gekoppelt ist, so dass die Abfragestrahlung, die aus der Abfragevorrichtung ausgegeben wird, über einen Lichtweg, der das erste optische System umgeht, an die Abtastfaser durchgelassen wird.
Verteiltes faseroptisches Abtastgerät nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der zweite Betriebsmodus ein verteilter akustischer Abtastbetriebsmodus ist.
Verteiltes faseroptisches Abtastgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Abtastlichtleitfaser, wobei die Abtastlichtleitfaser eine Lichtleitfaser umfasst, die dazu verarbeitet ist, eine verstärkte Rückstreuung bereitzustellen.
Verfahren für ein verteiltes faseroptisches Abtastgerät, umfassend: Betreiben einer Abfragevorrichtung zum wiederholten Abfragen einer Abtastlichtleitfaser mit einer optischen Abfragestrahlung und zum Detektieren einer Strahlung, die aus dem Innern der Abtastfaser Rayleigh-rückgestreut wird, wobei das Verfahren das selektive Betreiben in einem ersten Betriebsmodus umfasst, in dem: die Abfragevorrichtung mit der Abtastfaser optisch gekoppelt ist, so dass die Abfragestrahlung, die aus der Abfragevorrichtung ausgegeben wird, über ein erstes optisches System, das ein erstes Stück der Lichtleitfaser stromaufwärts von einem ersten Polarisator umfasst, an die Abtastfaser durchgelassen wird; die Abfragevorrichtung eine kohärente optischen Strahlung mit einer optischen Leistung ausgibt, so dass die Abfragestrahlung nicht-lineare Effekte erfährt, wenn sie sich in dem ersten Stück der Lichtleitfaser ausbreitet, um die Kohärenz der Abfragestrahlung zu reduzieren; und Bestimmen des Ausmaßes einer eventuellen Schwankung der Polarisation der Strahlung, die aus dem Innern der Abtastfaser Rayleigh-rückgestreut wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Verfahren ferner den selektiven Betrieb in einem zweiten Betriebsmodus umfasst, in dem die Abfragevorrichtung eine kohärente optische Strahlung mit einer optischen Leistung ausgibt, die unterhalb einer Schwelle für maßgebliche nicht-lineare Effekte in einer Lichtleitfaser liegt.
Verteiltes faseroptisches Abtastgerät, umfassend: eine kohärente Rayleigh-Abfragevorrichtung, wobei das Abtastgerät in einem ersten Betriebsmodus betrieben werden kann, in dem eine Abfragestrahlung, die aus der Abfragevorrichtung ausgegeben wird, über ein erstes optisches System, das ein erstes Stück der Lichtleitfaser stromaufwärts von einem ersten Polarisator umfasst, an eine Abtastfaser durchgelassen wird, und die Abfragevorrichtung eine kohärente Abfragestrahlung ausgibt, die mit einer optischen Leistung ausgegeben wird, so dass die Abfragestrahlung nicht-lineare Effekte erfährt, wenn sie sich in dem ersten Stück der Lichtleitfaser ausbreitet.
Verwendung einer Abfragevorrichtung zur kohärenten, Rayleigh-basierten, verteilten faseroptischen Abtastung, um optische Polarisations-Zeitbereichsreflektometrie-Messungen einer Abtastlichtleitfaser vorzunehmen.