Fibre Optic Sensing Techniques Based on Incoherent Optical Frequency Domain Reflectometry

Diese Arbeit beschreibt einen alternativen Ansatz zur weit verbreiteten optischen Zeitbereichsreflektometrie, engl.: optical time domain reflectometry (OTDR). Die inkoharente optische Frequenzbereichsreflektometrie, engl.: incoherent optical frequency domain reflectometry (I-OFDR), wird grundlegend analysiert und hinsichtlich ihrer Moglichkeiten zur kontinuierlich ortsaufgelosten (verteilten) Ruckstreumessung in optischen Fasern sowie faseroptischen Sensoranwendungen betrachtet. Im Gegensatz zum OTDR Ansatz wird hier die Ubertragungsfunktion der optischen Faser gemessen, die uber die inverse Fouriertransformation mit der aquivalenten Zeitbereichsantwort verknupft ist. Das grundsatzliche Verfahren hat gewisse Vorteile und wird bereits zur Messung nichtlinearer optischer Effekte in optischen Fasern genutzt. Die allgemeine Ruckstreumesstechnik unterscheidet sich jedoch bezuglich Anforderungen und Einschrankungen und wurde bisher nicht genau untersucht. Verteilte faseroptische Sensoranwendungen mit bemerkenswerter Messauflosung basierend auf Rayleigh-Ruckstreuung 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 Linearitat des I-OFDR Systems werden diskutiert und ein optimierter Messaufbau wird eingefuhrt; 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 fur den Laboraufbau bestimmt. Ein moglicher Ansatz zur Unterdruckung starker Storsignale wird vorgestellt. Die Vorteile des I-OFDR Ansatzes gegenuber der OTDR Technik bezuglich der Umsetzung fur hohe Ortsauflosungen sowie Messauflosung und Signalstabilitat werden gezeigt. Diese Vorteile und dem Frequenzansatz eigene Messmoglichkeiten werden im zweiten Teil der Arbeit fur ortsaufgeloste Sensoranwendungen demonstriert: Eine dampfungsarme polymeroptische Faser (POF) wird erstmals auf ihre Sensoreigenschaften untersucht und zur verteilten Dehnungsmessung verwendet. Die Abhangigkeit der Ruckstreuleistung von der aufgebrachten Dehnung kann genutzt werden, um gedehnte Faserstrecken zu lokalisieren. Weiterhin wird ein Korrelationsalgorithmus eingefuhrt, der es ermoglicht ortsaufgelost Langenanderungen entlang der Faser mit mm-Auflosung zu messen indem die starken Streuzentren in der Faser mit einer Referenzmessung korreliert werden. Untersuchungen auf Querempfindlichkeiten der Sensorfaser bezuglich Temperatur, relativer Feuchte und Modenausbreitung zeigen vernachlassigbare bzw. beherrschbare Abhangigkeiten. In Kombination mit dem hochauflosenden I-OFDR Ansatz ermoglichen die vorgestellten Sensorverfahren vielversprechende neue Messanwendungen. Spezielles Interesse besteht in Bereichen der Bauwerksuberwachung, da die Faser nahezu verlustfrei auf uber 100 % gedehnt werden kann. Ein weiteres Sensorverfahren, basierend auf dem Frequenzbereichsansatz zur dynamischen und quasi-verteilten Messung von Langenanderungen und Leistungsanderungen zwischen Reflexpunkten in der Faser wird prasentiert. Basierend auf der Messung weniger Frequenzpunkte der komplexen Frequenzantwort der Messfaser konnen mehrere Reflexe gleichzeitig und unabhangig voneinander bezuglich Position und reflektierter optischer Leistung ausgewertet werden. Messfrequenzen bis zu 2 kHz konnen erreicht werden und Langenanderungsauflosungen im μm-Bereich bei kleineren Messfrequenzen sind moglich. Das Messverfahren wird auf systematische Fehlereinflusse untersucht und anhand von Demonstratormessungen validiert. Messungen der Deformation eines Gebaudes auf einem Erdbebenversuchsstand demonstrieren die Moglichkeit der Feldanwendung des Verfahrens. Das vorgestellte I-OFDR Verfahren demonstriert konkurrenzfahige Messparameter fur allgemeine und hochauflosende optische Ruckstreumessungen und die vorgestellten faseroptischen Sensorprinzipien zeigen vielversprechende Perspektiven fur Anwendungen z.B. in der Bauwerksuberwachung.