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Long-distance fiber optic vibration sensing using convolutional neural networks as real-time denoisers

  • A long distance range over tens of kilometers is a prerequisite for a wide range of distributed fiber optic vibration sensing applications. We significantly extend the attenuation-limited distance range by making use of the multidimensionality of distributed Rayleigh backscatter data: Using the wavelength-scanning coherent optical time domain reflectometry (WS-COTDR) technique, backscatter data is measured along the distance and optical frequency dimensions. In this work, we develop, train, and test deep convolutional neural networks (CNNs) for fast denoising of these two-dimensional backscattering results. The very compact and efficient CNN denoiser “DnOTDR” outperforms state-of-the-art image denoising algorithms for this task and enables denoising data rates of 1.2 GB/s in real time. We demonstrate that, using the CNN denoiser, the quantitative strain measurement with nm/m resolution can be conducted with up to 100 km distance without the use of backscatter-enhanced fibers orA long distance range over tens of kilometers is a prerequisite for a wide range of distributed fiber optic vibration sensing applications. We significantly extend the attenuation-limited distance range by making use of the multidimensionality of distributed Rayleigh backscatter data: Using the wavelength-scanning coherent optical time domain reflectometry (WS-COTDR) technique, backscatter data is measured along the distance and optical frequency dimensions. In this work, we develop, train, and test deep convolutional neural networks (CNNs) for fast denoising of these two-dimensional backscattering results. The very compact and efficient CNN denoiser “DnOTDR” outperforms state-of-the-art image denoising algorithms for this task and enables denoising data rates of 1.2 GB/s in real time. We demonstrate that, using the CNN denoiser, the quantitative strain measurement with nm/m resolution can be conducted with up to 100 km distance without the use of backscatter-enhanced fibers or distributed Raman or Brillouin amplification.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Sascha LiehrORCiD, Sven Münzenberger, Christopher Borchardt
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):Optics Express
Jahr der Erstveröffentlichung:2020
Organisationseinheit der BAM:8 Zerstörungsfreie Prüfung
8 Zerstörungsfreie Prüfung / 8.6 Faseroptische Sensorik
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Jahrgang/Band:28
Ausgabe/Heft:26
Erste Seite:39325
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurbau
Freie Schlagwörter:Fiber optic; Neural networks; Vibration sensing
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Infrastruktur
DOI:10.1364/OE.402789
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-518694
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:28.12.2020
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:14.01.2021
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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