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Fibre Optic Sensing Techniques Based on Incoherent Optical Frequency Domain Reflectometry

  • In this thesis, an alternative approach to the well-known optical time domain reflectometry (OTDR) technique is presented. A thorough analysis regarding distributed backscatter measurement in optical fibres is provided and its prospects for optical fibre sensing applications are demonstrated and discussed. The measurement approach is referred to as incoherent optical frequency domain reflectometry (I-OFDR): the frequency response of the fibre under test is measured and transferred into its time domain equivalent using inverse Fourier transform. This general technique has been studied and used for the measurement of nonlinear scattering effects in optical fibres. The requirements, limitations and prospects for general backscatter measurement, however, are different and have not been studied in detail prior to this work. Distributed sensing using Rayleigh scattering and reflective events in the fibre is first demonstrated using I-OFDR with remarkable measurement resolution. TheIn this thesis, an alternative approach to the well-known optical time domain reflectometry (OTDR) technique is presented. A thorough analysis regarding distributed backscatter measurement in optical fibres is provided and its prospects for optical fibre sensing applications are demonstrated and discussed. The measurement approach is referred to as incoherent optical frequency domain reflectometry (I-OFDR): the frequency response of the fibre under test is measured and transferred into its time domain equivalent using inverse Fourier transform. This general technique has been studied and used for the measurement of nonlinear scattering effects in optical fibres. The requirements, limitations and prospects for general backscatter measurement, however, are different and have not been studied in detail prior to this work. Distributed sensing using Rayleigh scattering and reflective events in the fibre is first demonstrated using I-OFDR with remarkable measurement resolution. The incoherent detection technique allows for measuring singlemode fibres as well as multimode fibres. The first part of this work deals with the theoretical analysis and optimized implementation of the frequency domain approach. Necessary signal processing and its impact on the time domain response are presented. Sources of deviation from the linearity of the I-OFDR system are identified and an optimized laboratory setup is introduced; the crucial impact of the source coherence is thoroughly discussed. Suitable system parameters for the I-OFDR approach are defined: the system dynamic range and sensitivity are determined. A technique to suppress the dynamic range-limiting signal originating from strong reflections in the fibre is suggested. It is demonstrated that the I-OFDR technique has advantages over OTDR in terms of implementation for high-resolution measurement, measurement accuracy and signal stability. These advantages and measurement possibilities specific to the frequency domain approach are utilized for spatially resolved sensing applications in the second part of this work: A low optical loss polymer optical fibre (POF) is for the first time studied and analyzed for distributed strain sensing. The backscatter level dependence on strain in the fibre can be used to detect and locate strained fibre sections. Also, a correlation algorithm is proposed and demonstrated to measure length changes along the fibre with mm-resolution by correlating the typical backscatter signature of this fibre type. The fibre type is analyzed in detail regarding cross-sensitivities to temperature, relative humidity as well as mode propagation influences. The proposed sensing principles in combination with the highresolution I-OFDR allow for promising distributed sensing applications. Special interest is expressed by the structural health monitoring (SHM) sector since the fibre can measure strain values exceeding 100 %. Another sensing technique, specific to I-OFDR, is proposed for quasi-distributed and dynamic measurement of length changes and optical power changes at reflective events along the fibre. Precise calculation of the positions and reflected powers of multiple reflections can be conducted in parallel from the measurement of a few sampling points of the complex-valued frequency response. That allows for measuring with an increased repetition rate up to 2 kHz or at μm-scale length changes resolution at lower measurement frequencies. The approach is demonstrated in the laboratory and in a field application by measuring the deformation of a masonry building on a seismic shaking table. The I-OFDR exhibits competitive performance for general high-resolution backscatter measurement and the proposed optical fibre sensor principles may have promising prospects in the structural health monitoring (SHM) sector.zeige mehrzeige weniger
  • Diese Arbeit beschreibt einen alternativen Ansatz zur weit verbreiteten optischen Zeitbereichsreflektometrie, engl.: optical time domain reflectometry (OTDR). Die inkohärente optische Frequenzbereichsreflektometrie, engl.: incoherent optical frequency domain reflectometry (I-OFDR), wird grundlegend analysiert und hinsichtlich ihrer Möglichkeiten zur kontinuierlich ortsaufgelösten (verteilten) Rückstreumessung in optischen Fasern sowie faseroptischen Sensoranwendungen betrachtet. Im Gegensatz zum OTDR Ansatz wird hier die Übertragungsfunktion der optischen Faser gemessen, die über die inverse Fouriertransformation mit der äquivalenten Zeitbereichsantwort verknüpft ist. Das grundsätzliche Verfahren hat gewisse Vorteile und wird bereits zur Messung nichtlinearer optischer Effekte in optischen Fasern genutzt. Die allgemeine Rückstreumesstechnik unterscheidet sich jedoch bezüglich Anforderungen und Einschränkungen und wurde bisher nicht genau untersucht. Verteilte faseroptischeDiese Arbeit beschreibt einen alternativen Ansatz zur weit verbreiteten optischen Zeitbereichsreflektometrie, engl.: optical time domain reflectometry (OTDR). Die inkohärente optische Frequenzbereichsreflektometrie, engl.: incoherent optical frequency domain reflectometry (I-OFDR), wird grundlegend analysiert und hinsichtlich ihrer Möglichkeiten zur kontinuierlich ortsaufgelösten (verteilten) Rückstreumessung in optischen Fasern sowie faseroptischen Sensoranwendungen betrachtet. Im Gegensatz zum OTDR Ansatz wird hier die Übertragungsfunktion der optischen Faser gemessen, die über die inverse Fouriertransformation mit der äquivalenten Zeitbereichsantwort verknüpft ist. Das grundsätzliche Verfahren hat gewisse Vorteile und wird bereits zur Messung nichtlinearer optischer Effekte in optischen Fasern genutzt. Die allgemeine Rückstreumesstechnik unterscheidet sich jedoch bezüglich Anforderungen und Einschränkungen und wurde bisher nicht genau untersucht. Verteilte faseroptische Sensoranwendungen mit bemerkenswerter Messauflösung basierend auf Rayleigh-Rückstreuung und Reflexionsstellen in optischen Fasern werden erstmals vorgestellt. Im ersten Teil der Arbeit wird der Frequenzbereichsansatz theoretisch beschrieben. Notwendige Signalverarbeitung und deren Einfluss auf die Zeitbereichsantwort werden dargestellt. Abweichungen von der Linearität des I-OFDR Systems werden diskutiert und ein optimierter Messaufbau wird eingeführt; der entscheidende Einfluss der spektralen Eigenschaften der optischen Quelle wird im Detail betrachtet. Geeignete Parameter des I-OFDR Ansatzes, wie Dynamikbereich und Empfindlichkeit, werden definiert und für den Laboraufbau bestimmt. Ein möglicher Ansatz zur Unterdrückung starker Störsignale wird vorgestellt. Die Vorteile des I-OFDR Ansatzes gegenüber der OTDR Technik bezüglich der Umsetzung für hohe Ortsauflösungen sowie Messauflösung und Signalstabilität werden gezeigt. Diese Vorteile und dem Frequenzansatz eigene Messmöglichkeiten werden im zweiten Teil der Arbeit für ortsaufgelöste Sensoranwendungen demonstriert: Eine dämpfungsarme polymeroptische Faser (POF) wird erstmals auf ihre Sensoreigenschaften untersucht und zur verteilten Dehnungsmessung verwendet. Die Abhängigkeit der Rückstreuleistung von der aufgebrachten Dehnung kann genutzt werden, um gedehnte Faserstrecken zu lokalisieren. Weiterhin wird ein Korrelationsalgorithmus eingeführt, der es ermöglicht ortsaufgelöst Längenänderungen entlang der Faser mit mm-Auflösung zu messen indem die starken Streuzentren in der Faser mit einer Referenzmessung korreliert werden. Untersuchungen auf Querempfindlichkeiten der Sensorfaser bezüglich Temperatur, relativer Feuchte und Modenausbreitung zeigen vernachlässigbare bzw. beherrschbare Abhängigkeiten. In Kombination mit dem hochauflösenden I-OFDR Ansatz ermöglichen die vorgestellten Sensorverfahren vielversprechende neue Messanwendungen. Spezielles Interesse besteht in Bereichen der Bauwerksüberwachung, da die Faser nahezu verlustfrei auf über 100 % gedehnt werden kann. Ein weiteres Sensorverfahren, basierend auf dem Frequenzbereichsansatz zur dynamischen und quasi-verteilten Messung von Längenänderungen und Leistungsänderungen zwischen Reflexpunkten in der Faser wird präsentiert. Basierend auf der Messung weniger Frequenzpunkte der komplexen Frequenzantwort der Messfaser können mehrere Reflexe gleichzeitig und unabhängig voneinander bezüglich Position und reflektierter optischer Leistung ausgewertet werden. Messfrequenzen bis zu 2 kHz können erreicht werden und Längenänderungsauflösungen im μm-Bereich bei kleineren Messfrequenzen sind möglich. Das Messverfahren wird auf systematische Fehlereinflüsse untersucht und anhand von Demonstratormessungen validiert. Messungen der Deformation eines Gebäudes auf einem Erdbebenversuchsstand demonstrieren die Möglichkeit der Feldanwendung des Verfahrens. Das vorgestellte I-OFDR Verfahren demonstriert konkurrenzfähige Messparameter für allgemeine und hochauflösende optische Rückstreumessungen und die vorgestellten faseroptischen Sensorprinzipien zeigen vielversprechende Perspektiven für Anwendungen z.B. in der Bauwerksüberwachung.zeige mehrzeige weniger

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Metadaten
Autor*innen:Sascha LiehrORCiD
Dokumenttyp:Dissertation
Veröffentlichungsform:Eigenverlag BAM
Schriftenreihe (Bandnummer):BAM Dissertationsreihe (125)
Sprache:Englisch
Jahr der Erstveröffentlichung:2015
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Titel verleihende Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Gutachter*innen:Klaus Petermann, Brian Culshaw, Christian-Alexander Bunge
Datum der Abschlussprüfung:31.10.2014
Verlag:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlagsort:Berlin
Jahrgang/Band:125
Erste Seite:1
Letzte Seite:144
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Angewandte Physik
Freie Schlagwörter:OFDR; distributed backscatter measurement; optical fiber sensor; polymer optical fiber (POF) sensor; structural health monitoring
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-4660
ISBN:978-3-9816668-4-7
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoAllgemeines Deutsches Urheberrecht
Datum der Freischaltung:04.02.2015
Jahr der Fertigstellung:2015
Referierte Publikation:Nein
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