Bidirektionale inkohärente optische Frequenzbereichsreflektometrie für Temperatursensorik mit Faser-Bragg Gittern

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2023-09-18
Issue Year
2023
Authors
Härteis, Lisa-Sophie
Editor
Abstract

Incoherent optical frequency domain reflectometry (iOFDR) is a powerful approach to facilitate distributed sensing along an optical fiber as it offers a large sensing range and sufficient spatial resolution. The optical fiber itself can be used as transducer for physical measurands such as temperature and strain. This is beneficial as optical fibers unite advantages like light weight, robustness and especially immunity towards electro magnetic fields. A special type of sensors, the so-called fiber Bragg gratings (FBG), are an excellent candidate for hot-spot point sensors along an optical fiber.

Conventional iOFDR concepts are based on electrical demodulation with a high-speed photo detector in combination with a network analyzer for frequency analysis. However, this setup is expensive and large in size. Therefore, this thesis investigates on a slightly different iOFDR approach, that is more compact and significantly reduced in cost. This specific iOFDR topology is based on optical demodulation with a bidirectional use of the Mach-Zehnder Modulator for electro-optical modulation. It is an adaption of similar concepts that have already been using optical demodulation or a bidirectional MZM. However, these approaches often stand out because of a single remarkable feature, like spatial resolution in the cm-range, but e.g. show a lack of wavelength resolution. The combination of these single features is missed in these approaches and thus is targeted in this work. Therefore, a target mark is introduced which combines spatial resolution in the cm-range, measurement range in the km-range as well as a compact and cost-effective solution of iOFDR.

Thus, one novelty in this thesis is the topology of the iOFDR concept, that, compared to conventional iOFDR approaches, is more compact and less expensive in terms of component cost. Due to optical demodulation in the return path, the detector module consisting of a high-speed photodetector and a network analyzer can be avoided. Instead, a slow detector can be implemented for detection of the backscattered light. The use of a CCD-spectrometer allows parallel wavelength detection and embodies a cost-effective and compact detection solution. In addition, a single Mach-Zehnder Modulator is used bidirectionally for both modulation and demodulation which further reduces system cost and complexity.

The conceptual novelty of the setup elaborated in this work is introduced in chapter 3. Earlier approaches by Werzinger et al. used an optical spectrum analyzer (OSA), which leads to increased system cost and size as well as higher measurement durations as the OSA sweeps consecutively through the spectral measurement bandwidth. Chapter 3 includes the derivation of a signal model of the bespoken measurement system as well as a detailed description of MZM behavior, especially when used bidirectionally.

In chapter 4 the investigation of signal processing approaches follows, for extracting the desired physical measurand out of the actual measurement data. For that, different approaches to reconstruct the FBG spectra are presented. The simplest solution is the inverse Fourier Transform whereas a more complex model-based approach, called the transfer matrix method (TMM), considers crosstalk effects.

Chapter 5 applies the elaborated signal processing methods to measurement data acquired with the bidirectional iOFDR concept. The experiments proved the simultaneous time and wavelength division multiplexing capabilites of the system in combination with FBG arrays. With this, the approach of this thesis stands out in comparison to the state of the art as the earlier approaches often lacked of wavelength resolution. In addition the capability for temperature sensing with FBG in combination with the concept of the thesis was verified in this chapter.

With this, a complete system consisting of measurement acquisition and processing to extract the physical measurand could be demonstrated. It offers high flexibility with regard to sensor topologies, because diverse configurations of FBG arrays can be resolved.

For a deeper investigation, chapter 6 approaches the analysis of system boundaries regarding resolvable sensors, spatial resolution as well as precision. Experimental studies in terms of resolvable sensors showed that a combination of time and wavelength division multiplexing of fiber Bragg gratings not only offer exploitation of spatial resolution that ultimately limits the spacing of sensors in TDM. Also, the number of resolvable sensors can be largely increased when combining TDM and WDM as a total number of 501 FBG could be successfully interrogated with the bidirectional iOFDR concept in this work. With these results, thousands of sensors could be interrogated in future studies. In addition, the investigation of signal processing steps offer an improvement of the spatial resolution down to 1,7 cm. The investigation on the system's precision showed, through a measurement series with N=1000 iterations, that the system precision in combination with the inverse Fourier transform approach reaches a remarkable number of 2,6 pm. Considering the temperature sensitivity of 10 pm/K of a FBG results in a temperature uncertainty of way less than 1 K.

Another scientific novelty is investigated in chapter 7 where a concept for optical sensor identification is introduced. In the state of the art, there are numerous approaches which often use some sort of unique concatenation of different FBG as identifying tag. However, most of the approaches are aligned to the identification of communication cables. For optical sensor identification there is no established concept on the market even though it is beneficial in terms of evaluation and historic data of each sensor. With these information, the processing can be automatized and by considering historic data, the measurement quality can be enhanced. Therefore, a specific marker design was developed for unambiguous identification of optical sensor fibers, using a unique pattern of FBG. For readout of the marker, an identification algorithm was developed to identify markers and assign the respective sensor fiber. In the course of verification measurements, two highly similar sensor fibers could be distinguished using their assigned markers and the identification algorithm. Applying this, the processing data could be loaded for further evaluation. The investigation serves as a first milestone with respect to enhancement of measurement quality by consideration of historic sensor data.

As a result, an alternative to a classical iOFDR system with electrical demodulation has been established for temperature sensing with fiber bragg gratings. The target mark of spatical resolution, measurement range, compacteness and cost could be achieved. The elaborated concept comes with the potentiality for an economic system due its reduced cost and compactness.

Abstract

Im Zuge des Klimawandels gewinnt die Erforschung von faseroptischen Messkonzepten zur Überwachung von Energieanlagen immer weiter an Bedeutung. Faseroptische Sensorik bietet den Vorteil, auch in Hochspannungsumgebungen verwendet werden zu können, wodurch die Temperatursensorik von z.B. Generatoren oder Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlagen ermöglicht werden kann. Dies soll vor allem der Wirkungsgradmaximierung und Ausfallsvermeidung dienen, um bestehende Energiesysteme maximal auszunutzen. Oftmals stellen entsprechende Messkonzepte zur faseroptischen Sensorik jedoch keine wirtschaftliche Lösung zur allgemeinen Vermarktung dar, wodurch ein Bedarf an erschwinglichen, kommerziellen Systemen besteht.

Die vorliegende Arbeit widmete sich der Erforschung einer neuartigen Topologie der inkohärenten optischen Frequenzbereichsreflektometrie für faseroptische Sensorik mit Faser-Bragg Gittern. Im Gegensatz zu konventionellen iOFDR-Ansätzen besteht die Topologie dieser Arbeit aus einer verringerten Anzahl und vor allem kostengünstigeren Komponenten, wodurch sich das hier vorgestellte Konzept besonders durch seine Kosteneffizienz und Kompaktheit auszeichnet. So bewirkt die Nutzung eines Mach-Zehnder Modulators im Hin- und Rückpfad des Systems eine zweifache Amplitudenmodulation der Träger-Lichtwelle. Durch die erneute Modulation im Rückpfad kommt es zu einer optischen Demodulation, womit ein kompaktes und kostengünstiges Spektrometer zur Detektion des reflektierten Lichtes ausreichend ist. Dies ersetzt die elektrische Demodulation mit einer breitbandigen Photodiode und der Frequenzanalyse mittels eines teuren Netzwerkanalysators in konventionellen iOFDR-Systemen. Die Besonderheit des hier vorgestellten Konzepts ist außerdem die bidirektionale Nutzung des MZM, womit weiter Systemkosten gesenkt werden konnten. Ähnliche Konzepte wurden in der Literatur vorgestellt, welchen es häufig jedoch an (ausreichender) Wellenlängenauflösung mangelt. Das hier erarbeitete Konzept wurde um die Wellenlängenauflösung erweitert, welche zur Temperatursensorik mit FBG notwendig ist, da diese auf Temperaturänderungen in ihrer unmittelbaren Umgebung mit einer spektralen Verschiebung ihres Reflektivitätsprofils reagieren. Daraus bedingt sich die notwendige Wellenlängenauflösung des Gesamtsystems, um diese spektrale Verschiebung detektieren zu können und die Messgröße Temperatur daraus zu extrahieren.

Einen weiteren Aspekt stellte die Erarbeitung entsprechender Signalverarbeitungsalgorithmen dar, um die erhobenen Messdaten entweder in den Zeitbereich mittels inverser Fourier-Transformation (IFT) zu transformieren oder die FBG-Spektren direkt aus den Frequenzbereichsdaten zu rekonstruieren. Letzteres greift eine modellbasierte Auswertemethode, namentlich Transfer-Matrix Methode, aus der Literatur auf, welche für das iOFDR-Konzept angepasst wurde. Im Vergleich zur IFT zeichnet sich die TMM besonders durch ihre Fähigkeit zur Berücksichtigung von Crosstalk aus. Dies ist vor allem bei der Verwendung von vielgliedrigen FBG von Vorteil, um Verzerrungen der Bragg-Wellenlänge auszuschließen. Die IFT dagegen stellt eine einfache und rechenarme Auswertemethode dar.

Das Gesamtsystem aus Messwertaufnahme und Signalverarbeitung wurde mit verschiedenen FBG Ketten verifiziert. Daraus zeigte sich, dass aus den erhobenen Messdaten die gewünschte physikalische Messgröße wie Temperatur extrahiert werden kann. Die Funktionalität des Systems hinsichtlich Temperaturmessungen wurde mit einer FBG-Kette mit insgesamt 10 FBG untersucht, wobei Temperaturschritte von mindestens 1K aufgelöst werden konnten. Im Hinblick auf die Topografie auszulesender Sensoren weist das Gesamtsystem eine hohe Flexibilität auf, da verschiedenste Konfigurationen von FBG-Ketten im Zeit- und Wellenlängenmultiplex, sowie derer Kombination, untersucht werden können. Daraus ergeben sich Möglichkeiten zur Erhöhung der auslesbaren FBG, oftmals ohne Anpassung der Messparameter. Im Rahmen einer Analyse der Systemgrenzen des Gesamtsystems wurde eine Ortsauflösung von ca. 1,7 cm erreicht, während sich der Eindeutigkeitsbereich bis etwa 5,7 km erstreckt. Bezüglich der Anzahl der auslesbaren FBG konnten bislang insgesamt 501 FBG mit sehr niedrigen Reflektivitäten von <0,05% im Zeitmultiplex aufgelöst werden. Die Bestimmung der Präzision des Systems ergab Werte von minimal 2,3 pm, welche mit einer Temperaturempfindlichkeit von etwa 10 pm/K für Standard-Singlemodefasern weniger als 1 K Temperaturauflösung bedeuten.

Eine weitere Untersuchung im Rahmen dieser Arbeit stellte die optische Sensoridentifikation dar. In der Literatur ließ sich noch kein etabliertes Konzept zur optischen Identifikation speziell von FBG-Sensoren finden. Daher wurde ein Design für sogenannte Marker entwickelt, um Sensorfasern eindeutig identifizieren zu können. In Zuge dessen wurde ein Identifikations- bzw. Zuordnungsalgorithmus entwickelt, welcher zuverlässig Marker erkennt und die entsprechenden Sensorfaserparameter enthält.

Insgesamt wurde damit in dieser Arbeit ein Gesamtsystem entwickelt, welches sich für Temperatursensorik mit FBG eignet und eine Vielzahl von FBG auslesen kann. Die Einbettung von Sensoridentifikation legt einen ersten Grundstein zur Erhöhung der Messdatenqualität, indem die individuelle Historie von Sensoren bei der Auswertung miteinbezogen wird.

DOI
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