Single-End-Hybrid-Glasfaser-Sensorsystem von Rayleigh Brillouin und Raman

Die Echtzeitüberwachung von Einrichtungen, insbesondere großen Einrichtungen (wie Schienenverkehrssystemen, großen Brücken und Gebäuden), kann Informationen über ihre Umgebung liefern und die Beurteilung ihres Gesundheitszustands ermöglichen, was für die Festlegung des aktuellen Konzepts von wesentlicher Bedeutung ist Intelligente Städte basierend auf dem Internet der Dinge.

Als präzise Echtzeit-Überwachungstechnik sind verteilte faseroptische Sensorsysteme (DFOS), die gleichzeitige Messungen über große Entfernungen entlang einer Sensorfaser erfordern, für verschiedene industrielle Anwendungen sehr gefragt. Allerdings können die meisten DFOS-Systeme nur einen einzigen Parametertyp messen, was den Einsatz in Anwendungen einschränkt. Darüber hinaus ist die Kombination verschiedener DFOS-Systeme komplex und kostspielig.

In einem neuen Artikel veröffentlicht in Licht: Fortschrittliche Fertigungschlug ein Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Professor Xinyu Fan von der Shanghai Jiao Tong University, China, ein vereinfachtes Hybrid-DFOS-System zur gleichzeitigen Messung mehrerer Parameter entlang der Sensorfaser vor. Sie verwendeten eine normale Singlemode-Faser als Sensor, um die Temperatur-, Dehnungs- und Vibrationsinformationen der mehrere Kilometer langen optischen Faser zu erhalten.

Sie integrierten drei Schemata mit unterschiedlichen rückgestreuten Lichtwellen und vereinfachten die Hybridsysteme. Das vorgeschlagene Hybridsystem erfordert nur eine Lichtquelle, zwei Empfangsenden und einen einzigen Zugang zur Faser zum Einstrahlen der Lichtwelle, was die Komplexität der Anwendung erheblich reduziert. Daher kann das vereinfachte Hybridsystem zur Echtzeitüberwachung großer Strukturen, zur automatisierten Steuerung und zur Perimetersicherheit eingesetzt werden. Die Technik kann ein wirksames Instrument zur Förderung des Aufbaus intelligenter Städte sein.

Unter den verschiedenen DFOS-Systemen gibt es eine Technik, die Rayleigh-Rückstreuung nutzt, die als phasenempfindliche optische Zeitbereichsreflektometrie (φ-OTDR) bekannt ist und zur Messung dynamischer Parameter wie Vibrationen verwendet wird.

Die optische Brillouin-Zeitbereichsanalyse (BOTDA) basierend auf stimulierter Brillouin-Streuung wird zur Messung von Temperatur und statischen Dehnungen mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis verwendet. Raman-Streuung kann in der optischen Raman-Zeitbereichsreflektometrie (ROTDR) verwendet werden, um die verteilte Temperatur zu messen, ohne durch Dehnungen gestört zu werden, da sie nur temperaturempfindlich ist.

Das hybride DFOS-System integriert die drei verschiedenen Streuschemata. Die Rayleigh-Streuung wird zur Vibrationsmessung verwendet und fungiert auch als Sonde des Brillouin-Streuungsprozesses zur Messung von Temperatur und Dehnung. Raman-Streuung wird verwendet, um die Temperatur-Dehnungs-Kreuzempfindlichkeit zu überwinden. Pulscodemodulation wird verwendet, um die Raman-Streuung zweier Pulse mit sehr nahe beieinander liegenden optischen Frequenzen zu trennen. Auf diese Weise funktioniert ein vereinfachtes Single-End-Hybrid-DFOS-System erfolgreich für die gleichzeitige Messung mehrerer Parameter.

Das Hybridsystem zeigt seine Fähigkeit, Temperatur, Dehnung und Vibration entlang einer 9 Kilometer langen Singlemode-Faser mit einer günstigen Messgenauigkeit zu messen.