Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum vorzeichenrichtigen Bestimmen einer Änderung eines physikalischen Parameters, insbesondere ein faseroptisches Verfahren zum verteilten und vorzeichenrichtigen Bestimmen einer Dehnungsänderung sowie eine entspre chende Vorrichtung mit einer optischen Faser.

Verteilte faseroptische Sensoren haben eine breite Palette von Anwendungen in verschiede nen Bereichen gefunden, von der Bauwerksüberwachung, dem Öl- und Gassektor und der Überwachung des Stromnetzes bis hin zu geotechnischen, oder chemischen Anwendungen. Nichtlineare Streuphänomene in Glasfaserkabeln, wie z.B. Raman- und Brillouin-Streuung, werden häufig für statische (Fern-) Temperatur- (Raman) und Dehnungs-/Temperatur- (Bril- louin) Messanwendungen verwendet.

Eine hochauflösende Dehnungsmessung kann über interferometrische Rayleigh- Rückstreuungsansätze auch für hohe Abtastraten (dynamische Messung) erreicht werden. Diese Techniken der verteilten Vibrationssensorik (DVS, von engl. Distributed Vibration Sensing), oft auch als verteilte akustische Sensorik (DAS, von engl. Distributed Acoustic Sen- sing) bezeichnet, basieren typischerweise auf der kohärenten optischen Zeitbereichsreflekto- metrie (C-OTDR, von engl coherent optical time domain reflectometry) unter Verwendung einer kohärenten optischen Anregungsquelle, und haben in den letzten Jahren sowohl in der Forschung als auch in der industriellen Anwendung einige Fortschritte erzielt. Die Untersu chung der Faser mit kohärenten Pulsen führt zu einer Interferenz der rückgestreuten Rayleigh- Feistung von Streuzentren (Rayleighstreuem), die sich innerhalb der Breite des sich vorwärts ausbreitenden optischen Pulses befinden. Die Faser ähnelt daher einem verteilten Mehrwegin terferometer. Für stabile Faserbedingungen sind die C-OTDR-Rückstreusignale konstant. Kleinste Veränderungen der Abstände der Streuer, z.B. durch lokale Dehnungen oder Tempe raturschwankungen, können als Funktion von rückgestreuten Feistungsschwankungen detek- tiert werden. Die Vorteile dieser interferometrischen DVS-Techniken liegen in der hohen Dehnungsempfindlichkeit, der hohen Messwiederholrate und dem großen Entfernungsbereich (oder: Messlängen/Sensorlängen). DVS-Techniken finden bisher in der hochauflösenden Schwingungsdetektion in der Öl- und Gasindustrie, in der Sicherheits- und Perimeterüberwa chung sowie in geophysikalischen Applikationen breitere Anwendungen. Die Anwendung im Tiefbau und beim Gebäudemonitoring („Structural Health Monitoring“, SHM) ist eine neuere Entwicklung. Die Anforderung an die Messwiederholrate ist bei Strukturüberwachungsan wendungen meist geringer, aber die Messung der korrekten Dehnungsgröße sowie des algeb raischen Vorzeichens der Dehnungsänderung ist in der Regel erforderlich. Diese vorzeichen richtige Messung ist z.B. Voraussetzung für die verteilte Deformationserkennung und Moda lanalyse von schwingenden Strukturen wie Brücken, z.B. Stahlbetonbrücken. Der korrekte Dehnwert einschließlich des Vorzeichens kann von den bekannten DVS-Techniken jedoch nicht oder nur sehr aufwendig bestimmt werden.

Die Mehrheit der Rayleigh-basierten DVS-Prinzipien verwendet Single-Pulse- und Single- Wellenlängen-Direktdetektionsansätze, die nur eine Vibrationsdetektion erlauben. Eine quan titative Dehnungsmessung ist bei der differentiellen Leistungsänderungsauswertung aufgrund der zufälligen Streuverteilung in der Faser und damit einer unbekannten Dehnungsübertra gungsfunktion nicht möglich. Es wurden komplexere Homodyn- und Heterodyn-Kohärenz- Detektionsmethoden vorgeschlagen, von denen einige die quantitative Detektion von Deh nungsänderungen ermöglichen. Andere phasenaufgelöste DVS-Techniken (phase-OTDR oder phi-OTDR) basieren z.B. auf Dual-Puls-Ansätzen. Auch Kreuz-Multiplikations- Demodulationstechniken oder phasenverschobene Pulse ermöglichen die quantitative Mes sung von Dehnungsänderungen. Obwohl diese phasenaufgelösten Techniken im Allgemeinen komplexer sind als einfache Direktdetektionsansätze, und z.B. Laser mit schmaler Linienbrei te, zusätzliche Modulatoren, GHz-Frequenzquellen, zusätzliche Interferometer und Stabilisie rung, Polarisationsmanagement, symmetrische Detektion oder Detektion mit hoher Bandbrei te erfordern, können sie im Allgemeinen nicht das gewünschte Vorzeichen der Dehnungsän derung bestimmen.

Zwar könnten auf Brillouin-Streuung basierende Methoden für eine absolute Dehnungsmes sung einschließlich der Vorzeicheninformation eingesetzt werden. Sie sind aber für viele An wendungen keine Alternative, da die Dehnungsauflösung typischerweise um Größenordnun gen niedriger ist als bei den interferometrischen DVS-Techniken.

Im Hinblick auf das oben Gesagte, schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 25 vor. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum vorzeichenrichtigen Bestim men einer Änderung eines physikalischen Parameters ein Einkoppeln einer ersten Pulsfolge in eine optische Faser, die zumindest in einem Abschnitt Rayleighstreuer aufweist, sodass die erste Pulsfolge mehrere in der optischen Faser jeweils zumindest im Wesentlichen kohärente optische Pulse gleicher Pulsdauer aufweist, wobei sich eine optische Frequenz der Pulse in der ersten Pulsfolge streng monoton, ändert. Es wird ein erstes Fei stungs Spektrum bestimmt. Das Bestimmen des ersten Feistungsspektrums umfasst ein Messen einer jeweiligen Feistung eines von den Rayleighstreuern rückgestreuten Signalanteils für jeden der optischen Pulse der ersten Pulsfolge. Es wird eine zweite Pulsfolge in die optische Faser eingekoppelt. Die zweite Pulsfolge entspricht zumindest im Wesentlichen der ersten Pulsfolge, einer Permutation der ersten Pulsfolge, einem Teil der ersten Pulsfolge oder einer Permutation des Teils der ersten Pulsfolge und/oder eine optische Frequenz in der zweiten Pulsfolge ändert sich streng mono ton. Es wird ein zweites Feistungsspektrums bestimmt. Das Bestimmen des zweiten Feis tungsspektrums umfasst ein Messen einer jeweiligen Feistung eines von den Rayleighstreuern rückgestreuten Signalanteils für jeden der optischen Pulse der zweiten Pulsfolge. Es erfolgt ein vorzeichenrichtiges Bestimmen einer Änderung eines physikalischen Parameters der opti schen Faser. Das vorzeichenrichtige Bestimmen der Änderung des physikalischen Parameters umfasst ein Bestimmen eines Versatzes zwischen dem zweiten Feistungsspektrum und dem ersten Feistungsspektrum. Das Einkoppeln der jeweiligen Pulsfolge umfasst ein monotones Ändern, d.h. entweder ein monotones Verringern oder ein monotones Erhöhen, typischer weise ein streng monotones Ändern, d.h. ein streng monotones Verringern oder ein streng monotones Erhöhen, eines Speisestroms und/oder einer Temperatur eines mit der optischen Faser gekoppelten Dauerstrichlasers.

Das Einkoppeln der jeweiligen Pulsfolge umfasst typischerweise ein Erzeugen und Einleiten einer Pulsfolge in die optische Faser.

Da die optische Frequenz/Wellenlänge des Dauerstrichlasers sowohl vom Speisestrom (der auch als Pumpstrom und Injektionsstrom bezeichnet wird) als auch der Temperatur des Dau erstrichlasers (streng monoton) abhängt, kann die Wellenlänge des Dauerstrichlasers sowohl durch eine Änderung des Speisestroms als auch eine Änderung der Temperatur variiert wer den. Da eine Änderung des Speisestroms eine schnellere Variation der Wellenlänge des Dau erstrichlasers erlaubt, wird typischerweise zum Erzeugen / Einkoppeln der ersten und zweiten Pulsfolge nur der Speisestrom geändert. Dabei kann vorgesehen sein, die Temperatur zu stabi lisieren. Typischerweise wird die optische Frequenz des Dauerstrichlasers über den Speisestrom (beim Erzeugen/Einkoppeln der Pulsfolgen) um zumindest 200 MHz, oder sogar 500 MHz, noch typischer um zumindest 1 GHz, und sogar noch typischer um zumindest 2 GHz oder sogar zumindest 5 GHz geändert.

Aus Gründen der Einfachheit wird in der folgenden Beschreibung das Erzeugen der Pulse der Pulsfolgen mit variierender (mittlerer) optischer Frequenz/Wellenlänge hauptsächlich mit Bezug zur Änderung des Speisestroms erläutert.

Typischerweise werden die jeweiligen Pulse aus einem Laserstrahlsignal des Dauerstrichla- sers erzeugt, insbesondere mittels eines mit der optischen Faser gekoppelten Modulators für das Laserstrahlsignal. Bei dem typischerweise korreliert mit dem Speisestrom modulierten Modulator kann es sich beispielsweise um einen elektrooptischen oder akustikoptischen Mo dulator handeln (oder um einen optischen Halbleiterverstärker als Schalter).

Die Formulierung„zumindest im Wesentlichen kohärenter optischer Puls“, wie sie vorliegend verwendet wird, soll einen optischen Puls mit einer Kohärenzlänge, die zumindest um einen Faktor 2, typischer zumindest um einen Faktor 5, und sogar noch typischer zumindest um einen Faktor 10 größer ist als eine Pulsbreite (Pulsdauer*Lichtgeschwindigkeit in der Faser), d.h. eine Ausdehnung des Pulses in der optischen Faser in Achsrichtung der optischen Faser, beschreiben.

Dementsprechend ist das Laserstrahlsignal typischerweise hinreichend schmalbandig (im We sentlichen monochrom). Genauer gesagt, beträgt eine Kohärenzlänge (auch als Längenkohä renz bezeichnet) des Laserstrahlsignals typischerweise mindestens 1 m, mindestens 10 m oder sogar mindestens 50 m.

Typischerweise beträgt die Pulsdauer der Pulse höchstens 100 ns oder sogar höchstens 50 ns, noch typischer höchstens 20 ns, 10 ns oder sogar höchstens 5 ns.

Daher ist die Kohärenzlänge der Pulse typischerweise nur unwesentlich geringer ist als die Kohärenzlänge des Laserstrahlsignals bei konstantem Speisestrom.

Die Kohärenzlänge der optischen Pulse beträgt typischerweise zumindest 1 m, noch typischer zumindest 10 m oder sogar zumindest 50 m.

Bei dem Dauerstrichlaser handelt es sich typischerweise um einen Diodenlaser oder eine La serdiode, z.B. eine IR-Laserdiode (Wellenlänge im Bereich zwischen 780 nm und 1 mm) oder eine Laserdiode im sichtbaren Spektralbereich des Lichts (von etwa 380 nm bis 780 nm). La serdioden zeichnen sich unter anderem durch geringe Herstellungskosten, einen hohen Wir kungsgrad, eine einfache Stromversorgung, eine geringe Bandbreite des Laserlichts sowie eine gute Winkelkohärenz (Fokussierbarkeit) und gute Längenkohärenz aus. Damit lassen sich die Pulsfolgen zumindest im Wesentlichen kohärenter Pulse mittels Laserdioden beson ders einfach, kostengünstig und gut über den Strom steuerbar erzeugen. Im Ergebnis kann ein besonders einfacher und kostengünstiger Aufbau mit einem direkt Strom-modulierten Dauer strichlaser zum Wellenlängen-Scanning der optischen Faser (und anschließender Auswertung) bereitgestellt werden.

Bei der optischen Faser kann es sich um eine Glasfaser aber auch um eine Polymerfaser han deln. Typischerweise ist die optische Faser eine Monomodefaser (Singlemodefaser). Insbe sondere kann es sich um eine Standard-Silikat-Monomodefaser. Es kann sich aber auch um eine Multimodefaser handeln. Die Rayleighstreuer können in dem Abschnitt der optischen Faser eine erhöhte Konzentration aufweisen. Die Rayleighstreuer können aber auch in der gesamten Faser (zumindest im Mittel entlang der Faserachse) gleichverteilt sein. Daher kann auch eine vergleichsweise kostengünstige Standard-Silikat-Monomodefaser ohne Einschrän kung für die hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtung verwendet werden.

Dadurch, dass der Speisestrom (und/oder die Temperatur) des Dauerstrichlasers beim Erzeu gen der Pulse einer jeweiligen Pulsfolge streng monoton verändert wird, ändert sich auch die (mittlere) Wellenlänge von Puls zu Puls in der Pulsfolge.

Die Formulierung, dass„die zweite Pulsfolge zumindest im Wesentlichen der ersten Pulsfolge oder einer Permutation der ersten Pulsfolge entspricht“, wie sie vorliegend verwendet wird, soll beschreiben, dass zu jedem Puls mit einer jeweiligen (mittleren) Wellenlänge / optischen Frequenz in der ersten Pulsfolge ein Puls mit der gleichen (mittleren) Wellenlänge / optische Frequenz (und der gleichen Pulsdauer) in der zweiten Pulsfolge existiert (und umgekehrt). Typischerweise ist auch die Pulshöhe bzw. Intensität der Pulse in beiden Pulsfolgen gleich. Mit anderen Worten kann die zweite Pulsfolge der ersten Pulsfolge bis auf eine Reihenfolge der Pulse entsprechen. Die zweite Pulsfolge kann sogar identisch zur ersten Pulsfolge sein. Die Reihenfolge der Pulse in der zweiten Pulsfolge kann aber auch umgekehrt zur Reihenfol ge der Pulse der ersten Pulsfolge sein (d.h. einer (zeitlich) invertierten ersten Pulsfolge ent sprechen), beispielsweise dann, wenn die erste Pulsfolge mittels eines linear ansteigenden Speisestroms und die zweite Pulsfolge mittels eines linear fallenden Speisestroms erzeugt wird (oder umgekehrt). Dass die erste Pulsfolge und die zweite Pulsfolge jeweils Pulse unterschiedlicher und bekann ter (mittlerer) Wellenlänge (optischen Frequenz) enthalten, ermöglicht (analog zu interfero- metrischen Verfahren) auch eine zuverlässige Bestimmung der Vorzeicheninformationen der Änderung des physikalischen Parameters und damit ein vorzeichenrichtiges Bestimmen der Änderung des physikalischen Parameters der optischen Faser.

Typischerweise enthalten die erste und zweite Pulsfolge jeweils zumindest 10 Pulse, noch typischer jeweils zumindest 50 Pulse, und sogar noch typischer jeweils zumindest einhundert Pulse, zum Beispiel 150 oder 200 Pulse.

Mit der Erhöhung der Anzahl der Pulse in den Pulsfolgen kann die Genauigkeit der Bestim mung der Änderung des physikalischen Parameters erhöht werden.

Die zeitliche Dauer der jeweiligen Pulsfolgen kann höchstens 250 ms (Millisekunde), typi scherweise höchstens 50 ms oder sogar höchstens 1 ms betragen. Die zeitliche Dauer der je weiligen Pulsfolgen kann sogar in einem Bereich von 0,1 ms bis 1 ms liegen. Dies ermöglicht extrem schnelle (dynamische) Messungen der Änderung des physikalischen Parameters.

Da die Leistungswerte im ersten Leistungsspektrums und im zweiten Leistungsspektrum in der optischen Laser typischerweise ortsaufgelöst bestimmt werden, d. h. hinreichend schnell, z.B. mit einer zeitlichen Auflösung von typischerweise zumindest 50 ns, noch typischer zu mindest 10 ns, und sogar noch typischer zumindest 1 ns detektiert werden, kann auch die Än derung des physikalischen Parameters mit entsprechender Ortsauflösung für viele Orte in der optischen Laser über ein Vergleich der jeweiligen ortsabhängigen ersten und zweiten Leis tungsspektren vorzeichenrichtig bestimmt werden. Beispielsweise kann die Ortsauflösung (in Richtung der Laserachse) zumindest 5 m, zumindest 1 m oder sogar zumindest 0,1 m betra gen.

Der Begriff Leistungsspektrum wie er vorliegend verwendet wird soll (wie in der Optik üb lich) eine Verteilungsfunktion eine Strahlungsleistung als Lunktion einer Lrequenz der Strah lung oder einer Wellenlänge der Strahlung beschreiben. Insbesondere kann das Leistungs spektrum eine entsprechende (geordnete) Tabelle von Messwerten, eine interpolierte Tabelle oder einer mittels Regressionsanalyse angepasste, entsprechende Modellfunktion aufweisen. Aus Gründen der Einfachheit wird in der folgenden Beschreibung davon ausgegangen, dass die Leistungsspektren eine Verteilungsfunktion der Strahlungsleistung (analog der Rückstreu leistung) als Lunktion der Lrequenz repräsentieren. Es versteht sich jedoch, dass die im Lol- genden beschriebenen Verfahren entsprechend modifiziert auch für Leistungsspektren, die eine Verteilungsfunktion der Strahlungsleistung als Funktion der Wellenlänge repräsentieren, angewendet werden können, da Frequenz und Wellenlänge einfach ineinander umrechenbar sind.

Es versteht sich weiterhin, dass unabhängig davon, ob die Reihenfolge der optischen Fre quenz/Wellenlänge den Pulsfolgen unterschiedlich ist, die Reihenfolge der optischen Fre quenz/Wellenlänge in den Leistungsspektren identisch ist. Dies kann gegebenenfalls durch Umordnen erreicht werden.

Typischerweise dient das erste Leistungsspektrum als Referenz Spektrum (Referenzleistungs spektrum) und das zweite Leistungsspektrum als Änderungsspektrum (Änderungsleistungs spektrum). Außerdem können mehrere, zeitlich voneinander beabstandete weitere zweite Leistungsspektren bestimmt werden. Es ist aber auch möglich, dass eines der zweiten Leis tungsspektren als neues Referenz Spektrum für ein folgendes zweites Leistungsspektrum, meh rere oder sogar alle folgenden zweiten Leistungsspektren dient.

Beides ermöglicht eine zeitabhängige Untersuchung der Änderung des physikalischen Para meters.

Referenz Spektrum (erstes Leistungsspektrum) und Änderungsspektrum (zweites Leistungs spektrum) können für den gleichen Lrequenzbereich (der optischen Lrequenzen), sogar für die gleichen optischen Lrequenzen bestimmt werden.

Es kann aber auch vorgesehen sein, das Referenzspektrum für einen größeren Lrequenzbe reich als das Änderung s Spektrum zu bestimmen. Dementsprechend kann die Pulsfolge zur Erzeugung des Referenz Spektrums (erste Pulsfolge) einen größeren Bereich optischer Lre- quenzen abdecken als die Pulsfolge zur Erzeugung des Änderungsspektrums (zweite Pulsfol ge). Das Änderungsspektrum kann dann mit dem breiteren Änderungsspektrum„korreliert“ werden. Dies erlaubt eine einfache Erweiterung des Messbereiches bei gleichzeitiger Verbes serung des Ergebnisses durch eine komplette„Abdeckung“ des Änderung s Spektrums mit dem Referenzspektrum.

Gemäß einer Weiterbildung umfasst das Verfahren ein Befestigen an, insbesondere ein Ein betten der optischen Laser in ein zu untersuchendes bzw. zu überwachen des Objekt, insbe sondere einem Bauwerk. Alternativ dazu können auch bereits vorhandene optische Fasern (Glasfaserkabel) als Sensor verwendet werden, insbesondere zur Bauwerksüberwachung und/oder Messungen von Bo denbewegungen, seismische Signale, Dehnung und/oder Temperatur in Stromkabeln.

Dies ermöglicht eine Untersuchung bzw. ein Monitoring des Objektes über ein zeitliches Ver folgen der Änderung des physikalischen Parameters der optischen Faser.

Da der physikalische Parameter typischerweise eine Dehnung oder eine Temperatur bzw. eine von beiden Parameter abgeleitete Größe ist, z.B, eine Feuchte oder Biegung, kann bei einer zusätzlichen, unabhängigen, relativ einfach zu realisieren Temperaturmessung des Objektes mittels eines oder mehrerer Temperatursensoren, z.B. mittels eines entsprechenden faseropti schen Sensors (Raman- oder Brillouin-Sensors), ein schnelles, genaues und sogar ortsaufge löstes Monitoring der Länge bzw. der Dehnung des Objektes realisiert werden.

Je nach Anwendung kann das zweite Leistungsspektrum bis zu zumindest mehrere Male pro Millisekunde bestimmt werden.

Aufgrund der im Folgenden ebenfalls detaillierter beschriebenen effizienten Auswertealgo rithmen kann sogar das vorzeichenrichtige Bestimmen der Änderung des physikalischen Pa rameters bis zu zumindest einmal oder sogar mehrere Male pro Millisekunde erfolgen.

Es ist natürlich auch möglich, dass das zweite Leistungsspektrum bzw. das Bestimmen der Änderung des physikalischen Parameters nur mehrere hundert Male pro Sekunde, mehrere Male pro Sekunde oder mit einer noch größeren Taktung erfolgt. Beispielweise kann die Än derung des physikalischen Parameters bei der Überwachung von Bauwerken wie Gebäuden, Brücken und Deichen unter Normalbedingungen auch Minuten- oder Stundentakt erfolgen.

Das im Folgenden detaillierter beschriebene vorzeichenrichtige Bestimmen der Änderung des physikalischen Parameters vereinfacht sich typischerweise, wenn sich die optische Frequenz der Pulse innerhalb der jeweiligen Pulsfolge (zumindest im Wesentlichen bzw. in sehr guter Näherung, zum Beispiel mit einer Abweichung von weniger als 2 %, typischer von weniger als einem Prozent) linear mit dem Pulsindex ändert (und sich die optische Frequenzänderung damit zwischen benachbarten Pulsen nicht oder nur unwesentlich ändert).

Daher kann vorab (vor dem Einkoppeln der ersten Pulsfolge) eine Kalibrierungskurve, die die optische Frequenz des Dauerstrichlasers als Funktion des Speisestroms (i) beschreibt, be stimmt werden. Dazu kann der Speisestrom des Dauerstrichlasers variiert werden und die je- weils resultierende Laserstrahlung des Dauerstrichlasers in ein Interferometer mit bekannter Phasendifferenz eingekoppelt werden und die resultierende optische Frequenzänderung des Lasers interferometrisch bestimmt werden.

Mittels der Kalibrierungskurve können etwaige Abweichungen des linearen Verhaltens zwi schen dem Speisestrom und der optischen Frequenz (in einer doppelt-logarithmisch Darstel lung) des Dauerstrichlasers berücksichtigt werden. Die Abhängigkeit der optischen Frequenz einer Laserdiode vom Speisestrom kann oberhalb einer kritischen Stromstärke als Polynom ausgedrückt werden. Aus Gründen der Einfachheit wird im Folgenden vereinfachend häufig jedoch von einer linearen Abhängigkeit gesprochen, die jedoch nur in doppelt logarithmischer Darstellung und zudem häufig nur näherungsweise gilt. Abweichung des linearen Verhaltens in der doppelt logarithmischen Darstellung können bspw. von einer nichtlinearen Änderung des Laserstromes vom bereitgestellten Modulationssignal verursacht werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Kalibrierungskurve zu einer Korrektur des zeitli chen Verlaufs des Speisestroms beim Einkoppeln der jeweiligen Pulsfolge verwendet, die sicherstellt, dass sich die optische Frequenz der Pulse der Pulsfolge linear (streng monoton ansteigend oder fallend) mit der Zeit /dem Pulsindex ändert.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem der Speisestrom beim Einkoppeln der jeweiligen Pulsfolge typischerweise linear geändert wird, werden die bestimmten jeweiligen Leistungsspektren entsprechend der Kalibrierungskurve korrigiert. Dies wird typischerweise durch numerische Interpolation erreicht. Diese Korrektur bzw. Interpolation kann ebenfalls mittels eines trainierten künstlichen neuronalen Netzes erreicht werden. Durch Verwenden des trainierten künstlichen neuronalen Netzes kann die Korrektur bzw. Interpolation beson ders schnell ausgeführt werden.

Das Bestimmen des Versatzes zwischen dem jeweiligen zweiten Leistungsspektrum und dem ersten Leistungsspektrum kann mittels einer Korrelationsanalyse der Leistungsspektren erfol gen, insbesondere einer Korrelation entlang der Frequenzachse (bzw. Wellenlängenachse) zum Beispiel mittels einer entsprechenden Kreuzkorrelation bzw. des Pearson- Korrelationskoeffizienten. Die Berechnung dieser Kreuzkorrelationen ist jedoch numerisch relativ aufwendig und stellt daher insbesondere für sehr schnelle Bestimmungen der Ände rung des physikalischen Parameters hohe Anforderungen an die verwendete Hardware. Es hat sich gezeigt, dass der Versatz zwischen dem jeweiligen zweiten Leistungsspektrum und dem ersten Leistungsspektrum sehr genau, extrem schnell und mit vergleichsweise gerin gem Aufwand (nach der Trainingsphase) mittels trainierter, mehrschichtiger künstlicher neu ronaler Netzwerke, die die beiden Spektren als Eingaben für eine neuronale Eingangsschicht präsentiert bekommen und den Versatz in einer neuronalen Ausgabeschicht ausgeben. Dabei haben sich wohl vollständig vernetzte neuronale Netzwerke (sogenannte mehrschichtige Per- ceptrons mit einer oder mehreren verborgenen Schichten von Neuronen) als auch so genannte faltende neuronale Netzwerke, die auch als CNNs (von engl.: Convolutional Neural Net works) bezeichnet werden, mit einer oder mehreren verborgenen Faltungsschichten (engl.: „convolutional layer“) als besonders geeignet erwiesen. Es können aber auch trainierte rück gekoppelte neuronale Netze, die auch als RNNs bezeichnet werden (von engl“recurrent neu ral networks”), zur effizientenVersatzbestimmung verwendet werden.

Insbesondere CNNs und RNNs erlauben zudem beim vorzeichenrichtigen Bestimmen der Änderung des physikalischen Parameters eine effiziente Berücksichtigung sowohl von jeweils örtlich benachbarten Leistungsspektren als auch von jeweils zeitlich benachbarten Leistungs spektren (3D-Datenanalyse). Dadurch kann die Änderung des physikalischen Parameters bzw. der physikalischen Parameter mit weiter erhöhter Genauigkeit und/oder Zuverlässigkeit bestimmt werden.

Insbesondere in einer Steuer- und Auswerteeinheit können die neuronalen Netzwerke als Software, Firmware, Hardware oder einer beliebigen Kombination davon implementiert sein.

Alternativ zur Verwendung neuronaler Netzwerke kann zum effizienten Bestimmen des Ver satzes eine Berechnung quadratischer bzw. absoluter Abstände zueinander frequenzverscho bener erster und zweiter Leistungsspektren erfolgen.

Dazu kann der (quadratische) Abstand zwischen einem um eine (von null verschiedene) Fre quenzverschiebung verschobenen ersten Leistungsspektrum und dem zweiten Leistungsspekt rum oder zwischen dem ersten Leistungsspektrum und einem um die Frequenzverschiebung verschobenen zweiten Leistungsspektrum berechnet werden.

Durch Summieren der (quadratischen) Abstände von relativ zueinander um in den Leistungs spektren auftretende (linear variierende) Frequenzen bzw. Frequenzverschiebungen verscho bene erste und zweite Leistungsspektrum kann eine von der Anzahl der Summanden abhängi ge Korrelationsfunktion berechnet werden. Zum Bestimmen des jeweiligen Versatzes zwischen den Leistungsspektren kann die Korrela tionsfunktion als Funktion der Summanden minimiert und mit der von der Position im Leis tungsspektrum unabhängigen Frequenzverschiebung zwischen benachbarten Frequenzen bzw. Frequenz Verschiebungen multipliziert werden.

Eine noch höhere Genauigkeit lässt sich erzielen, wenn die Korrelationsfunktion vor dem Mi nimieren interpoliert wird.

Außerdem kann die Änderung des physikalischen Parameters in einer darauffolgenden Mes sung typischerweise noch genauer und in einen größeren Bereich bestimmt werden, wenn das Referenz Spektrum (erste Leistungsspektrum) um Wertepaare von Peaks oder andere Spekt rumsabschnitte eines zweiten Leistungsspektrums ergänzt wird, für die es (noch) keine Ent sprechung im Referenzspektrum (ersten Leistungsspektrum) gibt.

Alternativ und/oder ergänzend zur beschriebenen Korrelationsanalyse entlang der optischen Frequenzachse/W ellenlängenachse kann auch eine entsprechende Korrelationsanalyse entlang der Zeitachse für unterschiedliche optische Frequenzen (Wellenlängen) vorgenommen wer den. Eine Korrelationsanalyse entlang der Zeitachse für zumindest zwei unterschiedliche opti sche Frequenzen (Wellenlängen) erlaubt ebenfalls ein vorzeichenrichtiges Berech nen/Bestimmen der Änderung des physikalischen Parameters.

Typischerweise wird der Pulsabstand in den Pulsfolgen so ausgewählt, dass zu jedem Zeit punkt höchstens einer der Pulse durch die optische Faser propagiert, noch typischer so, dass ein neuer Puls erst dann in die die optische Faser eingekoppelt wird, wenn der von den Ra- yleighstreuem rückgestreute Signalanteil des vorangegangenen Pulses abgeklungen oder aus gekoppelt ist.

Es ist aber auch möglich, jeweilige Folgen von Doppelpulsen mit sich monoton ändernder optische Frequenz in die Faser einzukoppeln. Dem entsprechend können die Pulsabstände zwischen den Doppelpulsen und innerhalb der Doppelpulse so ausgewählt werden, dass zu jedem Zeitpunkt höchstens zwei der Pulse (unterschiedliche optische Frequenz) durch die optische Faser propagieren. Typischerweise ist ein Pulsabstand zwischen den Pulsen eines Doppelpulses geringer als ein Pulsabstand zwischen aufeinanderfolgenden Doppelpulsen. Dabei wird typischerweise der Pulsabstand innerhalb eines Doppelpulses so gewählt, dass die beiden Pulse in der optischen Faser miteinander interferieren können. Außerdem ist es möglich, mehrere Pulse mit unterschiedlicher optischer Frequenz gleichzeitig in die Faser einzukoppeln. Durch spektrale Trennung (mittels mehrerer Empfänger) oder spektrale Trennung nach der Detektion im Basisband kann dadurch die Messwiederholrate weiter erhöht werden.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung zum vorzeichenrichtigen Bestim men einer Änderung eines Parameters eine optische Faser, die zumindest in einem Abschnitt Rayleighstreuer aufweist, einen mit der optischen Faser gekoppelten Dauerstrichlaser zum Erzeugen eines zumindest im Wesentlichen kohärenten Lasersignals, einen zwischen dem Dauerstrichlaser und der optischen Faser angeordneten Modulator zum Umwandeln des La sersignals in optische Pulse, einen Signalgenerator aufweisend einen mit einem Steuereingang des Modulators verbundenen ersten Signalausgang zum Ausgeben von Pulssignalen für das Umwandeln des Lasersignals in optische Pulse, und einen mit dem Dauerstrichlaser verbun denen zweiten Signalausgang zum Ausgeben eines sich abschnittsweise typischerweise streng monoton ändernden Steuersignals für einen Speisestrom des Dauerstrichlasers und/oder eine Temperiereinheit des Dauerstrichlasers, und eine mit der optischen Faser gekoppelte Detekti onseinheit zum Messen von jeweiligen Rayleighrückstreuleistungen für die sich in der opti schen Faser ausbreitenden optischen Pulse.

Optional kann eine Direktmodulation des Dauerstrichlasers vorgesehen sein, d.h. sowohl zur Erzeugung der optischen Pulse als auch für die Laserfrequenzmodulation der optischen Pulse. Die optischen Frequenzen der Pulse müssen dabei auch nicht unbedingt streng monoton stei gen oder fallen. Dies kann zwar zu einer Verringerung der Reproduzierbarkeit der Messungen führen, ermöglicht aber einen kostengünstigeren Aufbau.

Typischerweise beträgt eine Kohärenzlänge des Lasersignals und/oder der optischen Pulse in der optischen Faser zumindest 10 m.

Bei dem Dauerstrichlaser handelt es sich typischerweise um eine Laserdiode. Die Verwen dung eines konventionellen, vergleichbaren teuren, durchstimmbaren Lasers ist nicht erforder lich.

Die Pulssignale können Rechteckpulse oder Gaußpulse sein.

Außerdem kann das Steuersignal ein abschnittsweise lineares Signal, insbesondere ein ab schnittsweise linear ansteigendes und abschnittsweise linear fallendes Signal und/oder ein oszillierendes Signal sein. Beispielsweise kann das Steuersignal ein Sägezahnsignal, ein Dreieckssignal, insbesondere ein symmetrisches Sägezahnsignal oder ein unsymmetrisches Dreieckssignal, oder ein Sinus signal, aber auch ein entsprechend einer Kalibrierungskurve korrigiertes entsprechendes Sig nal sein.

Typischerweise sind die Pulssignale zeitlich mit dem Steuersignal korreliert.

Typischerweise umfasst die Vorrichtung eine Steuer- und Auswerteeinheit, die mit dem Sig nalgenerator und der Detektionseinheit verbunden ist.

Die Detektionseinheit kann einen optischen Vorverstärker, einen optischen Filter, und eine Fotodiode aufweisen. Wenn die Fotodiode eine Avalanche-Fotodiode ist, kann auf den Vor verstärker auch verzichtet werden.

Typischerweise weist die Detektionseinheit weiterhin einen mit der Steuer- und Auswerteein heit und einem Triggersignalausgang des Signalgenerators verbundenen Analog-Digital- Wandler auf.

Außerdem ist die Vorrichtung typischerweise eingerichtet, die hierin beschriebenen Verfahren auszuführen.

Insbesondere kann die Vorrichtung eingerichtet sein, die jeweiligen Rayleighrückstreuleistun- gen (Rayleighrückstreuleistungsspektren) in der optischen Faser ortsaufgelöst zu bestimmen.

Der Rayleighstreuer aufweisende Abschnitt bzw. die optische Faser können eine Länge von zumindest 10 m, 1000 m oder sogar 50000 m haben.

Die optische Faser (insbesondere der Rayleighstreuer aufweisende Abschnitt) kann teilweise in ein zu überwachendes Objekt, insbesondere ein Bauwerk, eingebettet sein und/oder an dem Objekt befestigt sein.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten, Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen. Darin zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum vorzeichenrichtigen Bestimmen einer Änderung eines Parameters gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 2 Steuersignale für die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung und resultierende Pulsfolgen in der optischen Faser der Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 3A Leistungsspektren für eine Position in einer optischen Faser als Funktion der Zeit gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 3B ein erstes Leistungsspektrum und ein zweites Leistungsspektrum für einen festen Zeitpunkt;

Fig. 4 ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum vorzeichenrichtigen Bestimmen einer Än derung eines physikalischen Parameters gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 5 in einer optischen Faser gemessene Dehnungsamplituden;

Fig. 6A eine interferometrisch bestimmte Kalibrierungskurve einer Laserdiode gemäß einem Ausgangsbeispiel

Fig. 6B ein mittels der in Figur 6A gezeigten Kalibrierungskurve korrigierten Leistungsspekt rums gemäß einem Ausgangsbeispiel;

Fig. 7A gemessene Leistungsspektren für eine Position in der optischen Faser als Funktion der Zeit gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 7B ein sich während der Messung erweitern des Referenzleistungsspektren für die Positi on in der optischen Faser als Funktion der Zeit gemäß einem Ausführungsbeispiel; und

Fig. 7C eine mittels Korrelationsanalyse bestimmte Dehnungen an einer Position in der opti schen Faser als Funktion der Zeit gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen als Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert werden kann.

Zum besseren Verständnis werden theoretische Betrachtungen vorangestellt.

Die Ursache der Rayleigh-Streuung in Glasfasern liegt in einer Vielzahl von Brechungsin dexvariationen im Subwellenlängengrößenbereich (Rayleighstreuern, die folgenden auch kurz als Steuer bezeichnet werden), die während des Herstellungsprozesses im Faserkern eingefro ren wurden. Die rückgestreute Leistung einer Singlemode-Faser (SMF) kann durch ein eindi mensionales Speckle-Modell als eine Gruppe von N diskreten Rayleighstreuern beschrieben werden, die eine gleichmäßige statistische Positionsverteilung entlang der Faserdistanzachse z aufweisen. Die individuellen Reflexionen der Rayleighstreuer, bezogen auf die einfallende optische Leistung, können auch durch eine statistisch unabhängige Gleichverteilung model liert werden.

Die optische Faser kann periodisch durch eine Reihe von rechteckigen optischen Pulsen mit der Spitzenleistung Io und der Pulsdauer T _J . abgefragt werden. Die Impulse werden als mono chromatisch und linear polarisiert angenommen und treten periodisch zum Zeitpunkt t _z = 0 in die Faser ein. Zusätzlich zu dieser Pulsausbreitungszeitachse t _z (die einer Distanzachse in der optischen Faser entspricht) wird eine zweite Zeitachse t eingeführt, um die Änderungen der rückgestreuten Leistung als Funktion der fortschreitende Messzeit (von Pulsfolge zu Pulsfol ge) zu beschreiben. Die von einem Photodetektor erfasste optische Leistung I(t,t _z ) aus vor wärts austretenden optischen Impulsen entspricht den zeitgemittelten und quadratischen Ab solutwerten der Summe der diskreten rückgestreuten optischen Feldkomponenten. Die gesam te detektierte Leistung I(t,t _z ) setzt sich zusammen aus einer direkten Summenleistungskompo nente I _d (t _z ) und einer kohärenten Leistungskomponente (7, /-):

Dabei beschreibt E ₀ die Amplitude und vo die Frequenz des optischen Feldes. Die Rücklauf zeitverzögerung des Rückstreusignals des i-ten Streuers wird durch t ,· = 2n _gZi /co beschrieben, wobei _Zi die Positionen der Streuer entlang der Faser, c ₀ die Vakuumgeschwindigkeit des Lichts und n _g der effektive Gruppenbrechungsindex der optischen Faser sind. Die rechteckige Impulsausbreitung wird mit der Rechteckfunktion: rect{ [/- - T _j(l) ]/T } = 1 for 0 < { [t _z - r _;( 7)]/ü _/ } < 1, ansonsten 0 beschrieben. Zur detektierten Leistung tragen nur Streuer innerhalb des Faserabschnittes bei, die innerhalb der halben Breite w des Ausbreitungsimpulses in der Faser liegen (w/2 = Co T /(2n _g) . Dadurch wird auch die räumliche Zweipunkt- Auflösung definiert. Sie ent spricht für T _d = 10 ns einer Ortsauflösung von etwa 1 m. Während die Leistungskomponente I _d (t _z ) in guter Näherung unabhängig von relativen Streu verschiebungen über die fortschreitende Zeit t ist, reagiert die kohärente Leistungskomponen te I _coh it t _z ) empfindlich auf zeitliche Verzögerungsänderungen zwischen den Streuern, z.B. durch lokale Dehnungen oder Temperaturschwankungen. I _coh t,tz) kann durch folgende Dop pelsummierung der Phasen Verhältnisse aller Streuer beschrieben werden:

Dabei beschreibt r _;e = t _;· - t _e = 2n _gZie /co die relative Verzögerung der Steuer und z _lc = zi - z _e den Abstand zwischen den individuellen Streuern.

Für die folgenden Betrachtungen wird der Ausbreitungsverlust entlang der Faser vernachläs sigt und die Polarisationserhaltung innerhalb von w/2 angenommen. Der Phasenterm cos[27ivor _;e (/)] in Gleichung 2 bestimmt die lokalen interferometrischen Leistungsvariationen. Jede physikalische Veränderung entlang der optischen Faser kann Auswirkungen auf die zeit lichen Verzögerungen haben. Dies ist typischerweise auf Dehnungs- oder Temperatur schwankungen in der optischen Faser zurückzuführen.

Temperatur änderungen AT und Dehnungsänderungen Ae = A _Zie / _Zie sind die gebräuchlichsten Messgrößen, die zudem in guter Näherung einen linearen Einfluss auf die zeitliche Streuver zögerungen ii _e haben. Die relative zeitliche Streuverzögerung Ar _;e /r _;e ist proportional zur relativen Frequenzänderung Dn,L'o der optischen Pulse. Für Silikatglasfasern mit einem Deh nungskoeffizient K _E ~ - 0,78 und einen Temperaturkoeffizient K _T ~ - 6.92xl0 ⁶ sich ergeben folgende Relationen:

Dabei beschreibt p _e ~ 0,22 den effektiven Dehnungsoptikkoeffizienten von Siliziumdioxid, x den thermooptischen Koeffizienten von Siliziumdioxid und a den thermischen Ausdehnungs koeffizienten der optischen Faser.

Für realistische Anwendungsszenarien gilt in guter Näherung IAT^ /TJ « 1 und IDn,,/v _’ ol « 1.

Damit ergibt sich:

Durch Ersetzen von Verzögerungen in Gleichung 4 durch entsprechende Frequenzänderungen ergibt sich nach weiteren Umformungen die detektierte gestreute Gesamtleistung schließlich zu:

Gleichung (5) zeigt, dass die optischen Frequenzänderungen D v,, und die Dehnung- /Temperaturänderungen Ae bzw. AT austauschbare Faktoren im Phasenterm sind. Tempera tur- und Dehnungsänderungen können somit durch äquivalente pulsoptische Frequenzände rungen Av _p kompensiert werden. Unter der Bedingung, dass AT und Ae innerhalb w/2 gleich sind, ist die Kompensation vollständig. Anders ausgedrückt, über die Messung der optischen Frequenzänderungen Av _p können dann Dehnung-/Temperaturänderungen Ae bzw. AT in der optischen Faser bestimmt werden.

Die absoluten Positionsänderungen der Streuer t _; (/) und t _c (t) kann für die meisten Anwendun gen vernachlässigt werden. Sie können sich gegebenenfalls aber negativ auf die Korrelations qualität auswirken, wenn sie gegenüber den Pulspositionen stark verschoben sind.

Zum Bestimmen der Dehnung-/Temperaturänderungen Ae bzw. DG können von den Raylei- ghstreuem rückgestreute Leistungen (Signalanteile) über einen Bereich von diskreten opti schen Pulsfrequenzwerten gemessen und die Verschiebung mittels Korrelationsanalyse ent lang der optischen Frequenzachse (Wellenlängenachse) bestimmt werden.

Die Korrelationsanalyse kann alternativ, typischerweise ergänzend auch entlang der optischen Zeitachse für jeweils mindestens zwei optische Frequenzen (Wellenlängen) mit bekanntem Frequenzunterschied vorgenommen werden. Der mittels Korrelationsanalyse ermittelte Ver satz der durch Ae bzw. DG hervorgerufenen Änderungen der rückgestreuten Leistungen ist proportional zu der Dehnungs- bzw. Temperaturänderungen entlang der Zeitachse. Die kumu lative Summe von abschnittsweise über Zeitabschnitte berechneten Verschiebungen eines Korrelationsextremums (Maximum z.B. für Kreuzkorrelation oder Pearson- Korrelationskoeffizient bzw. Minimum für eine Methode des kleinsten quadratischen Abstan des) entspricht einem relativen Dehnungs- bzw. Temperaturänderungswert zur Zeit des Korre- lationsabschnittes und erlaubt ebenfalls die Bestimmung des Vorzeichens der Änderung. Eine Verbesserung der Genauigkeit wird durch eine Interpolation des Korrelationsergebnisses er reicht. Durch Verwenden mehrerer optischer Frequenzen (Wellenlängen) für die Korrelati onsanalyse entlang der Zeitachse mit bekanntem Frequenzunterschied kann über Mittelungen die Genauigkeit beim Bestimmen der Änderung des physikalischen Parameters erhöht wer den.

Typischerweise kann die Änderung des physikalischen Parameters genauer bestimmt werden, wenn die Ergebnisse der Korrelationsanalyse entlang der optischen Frequenzachse und die Ergebnisse der Korrelationsanalyse entlang der optischen Zeitachse berücksichtigt werden. Dadurch erhöht sich allerdings der Aufwand. Insbesondere dann, wenn die Auswertung der eigentlichen Messung nach gelagert ist, ist der erhöhte numerische Aufwand häufig jedoch von untergeordneter Bedeutung.

Der hierin beschriebene Ansatz zielt auf eine dynamische Messung bei erhöhter Dehnungs auflösung unter Verwendung einer möglichst einfachen und robusten Hardware- Implementierung ab, wie sie exemplarisch in Figur 1 dargestellt wird, die sowohl eine Korre lationsanalyse entlang der optischen Frequenzachse als auch eine Korrelationsanalyse entlang der optischen Zeitachse t _z erlaubt.

In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel werden bei aufeinanderfolgenden Rückstreumes sungen identische Pulsfolgen mit der Pulswiederholperiode t _r (Pulsfolgefrequenz f _p = 1 /t _r ) verwendet, wobei die optische Frequenz v _p in jeder Periode/Pulsfolge linear ansteigt.

Zudem kann der Frequenzgang des Dauerstrichlasers 10 der exemplarischen Vorrichtung 100 durch eine einfache direkte Modulation des Faserstroms vorgenommen werden.

Dies wird mit Bezug zu den Figuren 1 und 2 für ein Sägezahnsignal b zur periodischen Modu lation des Faststroms i erläutert, was in dem exemplarischen Ausführungsbeispiel nach Mo dulation des Fasersignals in einem Modulator 50, anschließender Verstärkung in einem Ver stärker 52 und Wellenlängefilterung mittels eines Bandpassfilters 54 zu einem periodischen Einkoppeln identischer Pulsfolgen führt, nämlich jeweils einer Pulsfolge in nerhalb der jeweiligen Pulsfolgendauer (im Folgenden auch als Periode der Pulsfolge be zeichnet) r _s , wobei die optische Frequenz v _p (inverse Wellenlänge) der Pulse P _r innerhalb einer Pulsfolge {P _r } streng monoton ansteigt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in Fi gur 2 nur zwei aufeinanderfolgende Pulsfolgen (teilweise) dargestellt. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel bestimmen sich die optischen Frequenzen v _p der Pulse P _r durch V _P = V _Q + AV _p . Dabei läuft der Index p der Pulsfolge jeweils von 0 bis in (p = 0,1,2... m). Die Frequenzänderung Dn,, (Av _p = pAv) beschreibt den Frequenzunterschied zwischen den Pulsen P _r und Po , und Av den identischen Frequenzunterschied zwischen un mittelbar aufeinanderfolgenden Pulsen P _r , I7 _p+j . Da sich die optische Frequenz v _p des Pulses P _r einfach aus dem Pulsindex p und dem Frequenzunterschied Av ergibt, wird im Folgenden anstelle der sehr große Werte annehmenden optischen Frequenz v _p häufig die optische Fre quenzänderung Av _p zur optischen Frequenz des ersten Pulses IJo angegeben.

Während der Periode r _s , die in dem exemplarischen Ausführungsbeispiel einem ganzzahligen Vielfachen des Pulsabstandes t _r zwischen aufeinanderfolgenden (benachbarten) Pulsen ent spricht, werden die jeweiligen Rayleighrückstreuleistungen /(/„/-) zur Zeit t=t _s der m+l Pulse P _r gemessen. Die effektive Messwiederholrate beträgt f _s = l/r _s .

Die korrespondierenden Dehnungs- bzw. Temperaturänderungswerte A _< v( /,/-), A7 ^' (/,/J) der optischen Faser 60 können durch eine Korrelationsanalyse von I(t _s ,t _z , Av _p ) entlang der Av _p - Frequenzachse für jede Faserposition z = t-coKln,,) ermittelt werden. Die Korrelation wird typischerweise für die effektiven Messzeiten (Samplingzeiten t _s ) t = t _s = m _s und relativ zu einer Referenzmesszeit t = t _re f durchgeführt, zum Beispiel durch die in Figur 1 dargestellte Steuer- und Auswerteeinheit 80.

Das in Fig. 1 dargestellte exemplarische Dehnungsmesssystem 100 verwendet einen mit einer Standard-Silikat-Monomodefaser 60 optisch gekoppelten durchstimmbaren Dauerstrichlaser 10, der als vergleichsweise kostengünstige, im cw-Modus (von engl „continuous wave“) be treibbare Laserdiode 10 mit einer exemplarischen spektralen Breite von 1,3 MHz und einer mittleren Wellenlänge von 1549,89 nm (v ₀ ~ 193.36 THz) ausgeführt sein kann. Die Kohä renzlänge in der mit der Laserdiode 10 gekoppelten Faser 60 liegt dann in der Größenordnung von 50 m. Der Grad des Kohärenzverlustes innerhalb der Pulslänge kann daher bei typischen Pulsbreiten von wenigen Metern vernachlässigt werden.

Als Signalgenerator kann ein (120 MHz) Mehrkanal-Signalgenerator, der das synchronisierte Sägezahnsignal u(t) (Kurve b) für die Frequenzmodulation der Laserdiode 10 (Laserfre quenzmodulation), das Rechtecksignal für die Pulsformung im mit der Laserdiode gekoppel ten Modulator 50, sowie das Trigger- bzw. Synchronisationssignal für einen Analog-digital- Wandler 40 zur Datenerfassung liefert, verwendet werden. Die optischen Impulse P _r werden in dem exemplarischen Ausführungsbeispiel von einem optischen Halbleiterverstärker als Modulator 50 erzeugt, der über einen nicht dargestellten Treiber als schneller optischer Schalter mit einem hohen nominalen Extinktionsverhältnis von 70 dB betrieben werden kann.

Dabei kann vorgesehen sein, die Eingangsleistung der optischen Halbleiterverstärker 50 über einen polarisationserhaltenden variablen optischen Abschwächer 15 einzustellen. Das opti sche Pulssignal kann anschließend durch einen Verstärker 52 verstärkt werden, zum Beispiel mittels eines erbiumdotierten Faserverstärker (EDFA) im Konstantstrombetrieb auf bis zu mehrere hundert mW Spitzenleistung verstärkt werden.

Spontanes Emissionsrauschen kann durch ein kostengünstiges DWDM-Filter 54 (von engl dense wavelength division multiplexer filter) mit einer exemplarischen Bandbreite von 0,2 nm herausgefiltert werden, bevor das Pulssignal über einen polarisationsunempfindlichen opti schen Zirkulator 56 in die Standard Monomodefaser (Singlemodefaser) 60 eingekoppelt wer den kann.

Die gesamte in der Faser 60 rückgestreute Leistung kann von einem Vorverstärker 62, typi scherweise einem weiteren im Konstantstrommodus betriebenen EDFA verstärkt und an schließend von einem zweiten DWDM-Filter 64 rauschgefiltert werden.

In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird das vorverstärkte und gefilterte optische Rückstreusignal durch einen Fotodetektor 70, beispielsweise einen PIN-Fotodetektor mit ei ner Bandbreite von 120 MHz und eine integrierten Transimpedanz- Verstärkung in elektrische Signale umgewandelt.

Die elektrischen Signale können durch einen vom Signalgenerator 20 getriggerten Analog- Digital- Wandler (ADC) 40, zum Beispiel einen ADC mit einer exemplarischen Auflösung von 14 Bit und einer exemplarischen Abtastrate von 500 MS/s (500 10 ⁶ pro Sekunde) abge tastet und digitalisiert werden.

Die gewählte Abtastzeit von 500 MS/s entspricht einer räumlichen Abtastrate in der Faser 60 von ca. 20,4 cm. Das bedeutet, dass bei räumlichen Auflösungen im Meterbereich die be nachbarten Rückstreupunkte eine erhebliche Überlappung der axialen Dehnungsverteilung sowie des Rayleigh-Streuerbeitrags aufweisen können. Die vom ADC digitalisierten Intensitätswerte I können als Messwerte an die Steuer- und Auswerteeinheit 80 übermittelt werden, die ihrerseits typischerweise den Signalgenerator 20 steuern kann.

Als Steuer- und Auswerteeinheit 80 kann typischerweise ein Computer, beispielsweise einen PC dienen, der auch den ADC 40 bereitstellen kann.

Ein erreichbare Genauigkeit von Langzeit- und quasistatische Dehnungs- oder Temperatur messung wird wesentlich durch die Frequenzstabilität der Laserquelle bestimmt. Für das Dehnungsmesssystem 100 ergibt sich eine maximale Dehnung und Temperaturabweichung über 24 Stunden von De ~ ± 120 he (Nano e) bzw. DT ~ ± 13,4 mK. Dehnungseinheiten wer den in der vorliegenden Schrift in e angegeben, wobei gemäß üblicher Definition der Deh nungsmessung gilt: 1 e = 1 m/m.

Die Verwendung eines unsymmetrischen (Sägezahn-) Strommodulationssignal für die Laser diode 10 ermöglicht eine Phasenerkennung der Strommodulation aus Diskontinuitäten des Rückstreusignals.

Damit können ein zweiter Datenerfassungskanal und die entsprechende Auswertung für die Wiederherstellung der Phase entfallen. Somit kann die Vorrichtung 100 besonders einfach aufgebaut und betrieben werden.

Die maximale Pulswiederholrate f _p,max wird durch die Faserlänge z. _max gemäß f _p,max — ('oH 2n,_,7. _max ) begrenzt.

Die maximale Messwiederholrate für den genutzten Frequenz-Scanning-Modus wird jedoch durch die Anzahl der Frequenzschritte in einer Pulsfolge auf f _s reduziert. Wiederholraten im Frequenz-Scanning-Modus können bei Faserlängen von bis zu wenigen Kilometern im kHz- Bereich liegen, was für die Schwingungsanalyse von ausgedehnten Strukturen und allgemeine Anwendungen zur Strukturüberwachung aber mehr als ausreichend ist. Der Frequenzbereich deckt auch die erforderliche Bandbreite für die seismische Messung von etwa 5-150 Hz ab.

Der Messmodus der exemplarischen Vorrichtung 100 kann auch auf eine differentielle Leis tungsänderungsanalyse bei einer optischen Frequenz mit faserlängenbegrenzten Wiederholra ten bis zu fs = 7 MHz umgestellt werden.

Außerdem können mit der Vorrichtung 100 Bestimmungen von Leistungsspektren für typi scherweise höhere Dehnungsraten bei geringerer Dehnungsauflösung und niedrigerer Wie- derholrate durchgeführt werden, und entsprechend einer Korrelationsanalyse entlang der Zeit achse ausgewertet werden.

Mit dem Dehnungsmesssystem 100 über eine Korrelationsanalyse entlang der optischen Fre quenzachse erhaltene Ergebnisse werden unten mit Bezug zu den Figuren 5 und 7A bis 7C erläutert.

Zunächst wird in Fig. 3A jedoch ein simulierter zeitlicher Verlauf von Rayleighrückstreuleis- tungsspektren I für eine Position in einer optischen Faser als Funktion der Zeit (zu diskreten Zeitpunkt t _s ) illustriert. Dabei werden die simulierte Rayleighrückstreuleistung von Pulsfolgen mit f _s = 1 kHz und J _p = 200 kHz während einer sinusförmigen Dehnung mit 1 me Spitzenam plitude einer optischen Faser mit 1000 zufällig verteilten Streuern färb- bzw. grauwertkodiert (von schwarz (Minimum) bis weiß (Maximum)) für Frequenzänderungen Av _p = v _p - v ₀ im Bereich von 0 bis 5 GHz dargestellt. Fig. 3B zeigt Feistungsspektren für die Zeitpunkte 4=0 (Kurve a, ersten Feistungsspektrum, Referenzspektrum) bzw. 4=0 (Kurve b, zweites Feis- tungsspektrum).

In Figur 3B sind zum einen zueinander frequenzverschobene, korrelierende Peaks gut zu er kennen.

Zum anderen gibt es im zweiten Feistungsspektrum einen Peak b*, der im ersten Feistungs spektrum keine bzw. nur eine teilweise Entsprechung hat. Daher kann es günstig sein, das Referenz Spektrum bei einer fortlaufenden Messung um während der Messung neu hinzu kommende Spektrenabschnitte zu ergänzen. Dies wird unten mit Bezug zu den Figuren 7A bis 7C detaillierter erläutert.

Aus den in Figur 3A bzw. Figur 3B dargestellten Feistungsspektren bzw. entsprechenden ge messenen Spektrem lassen sich die Änderungen der Dehnung in der optischen Faser vorzei chenrichtig mit dem im Folgenden mit Bezug zur Figur 4 erläuterten Verfahren 1000 sehr genau rekonstruieren.

In einem Schritt 1100 wird zu einem ersten Zeitpunkt t _re f eine erste Pulsfolge von nacheinan der durch eine Rayleighstreuer aufweisende optische Faser propagierenden, (zumindest im Wesentlichen) kohärenten optischen Pulsen P _r gleicher Pulsdauer T _J und sich streng monoton ändernder optische Frequenz v _p erzeugt. In einem Schritt 1200 wird für den ersten Zeitpunkt t _re f ein erstes Leistungsspektrum I(t _re f, t _z , D v _p ) bestimmt. Dabei wird eine jeweilige Leistung ( I(t _re fJ _z )) eines von den Rayleighstreuem rückgestreuten Signalanteils für jeden der optischen Pulse ( P _r ) der ersten Pulsfolge gemessen und der jeweiligen Pulsfrequenz v,, bzw. Pulsfrequenzänderung Av _p zugeordnet.

In einem Schritt 1300, der auch vor dem Schritt 1200 erfolgen kann, werden zu einem zweiten Zeitpunkt t _s > t _re f nacheinander durch die optische Faser propagierende, (zumindest im We sentlichen) kohärente optische Pulse P _r gleicher Pulsdauer T _J und sich streng monoton än dernder optische Frequenz v _p einer zweiten Pulsfolge erzeugt. Die zweite Pulsfolge entspricht typischerweise zumindest im Wesentlichen der ersten Pulsfolge oder einer Permutation der ersten Pulsfolge.

In einem Schritt 1400 wird für den zweiten Zeitpunkt t _s ein zweites Leistungsspektrum (/(/„ 4, Av _p ) bestimmt. Dabei wird eine jeweilige Leistung (/(/„ t _z ) ) eines von den Rayleighstreu em rückgestreuten Signalanteils für jeden der optischen Pulse ( P _r ) der zweiten Pulsfolge ge messen und der jeweiligen Pulsfrequenz v bzw. Pulsfrequenzänderung Av _p zugeordnet.

Schließlich erfolgt in einem Schritt 1500 ein vorzeichenrichtiges Bestimmen einer Änderung einer Dehnung De (oder eines anderen physikalischen Parameters) der optischen Faser. Dazu wird ein Versatz Av _m zwischen dem zweiten Leistungsspektmm und dem ersten Leistungs spektrum bestimmt.

Die erste Pulsfolge und die zweite Pulsfolge werden über eine jeweilige Modulation des Spei sestroms eines Dauerstrichlaser und eine mit der Modulation des Speisestroms korrelierten Modulation (Verstärkung/Abschwächung) des vom Dauerstrichlaser ausgegebenen Lasersig nals erzeugt.

Typischerweise wird der Speisestrom zum Erzeugen der jeweiligen Pulsfolge monoton, noch typischer streng monoton geändert.

Wie in Figur 4 durch die gestrichelten Pfeile dargestellt wird, können die Schritte 1300, 1400, 1500 des Verfahren 1000 für weitere Zeitpunkte t _s mehrfach wiederholt werden. Dabei reprä sentiert der untere der gestrichelten Pfeile einer Ausführungsform, bei der das vorzeichenrich tige Bestimmen nach der Messung erfolgt, und der obere der gestrichelten Pfeile repräsentiert eine online- Auswertung. Typischerweise werden die Feistungsspektren in den Schritten 1200 und 1400 jeweils für eine Vielzahl von Positionen entlang der Faserachse (ortsaufgelöst) bestimmt.

Wie bereits oben erläutert wurde, kann das vorzeichenrichtige Bestimmen der Änderung mit tels einer Korrelationsanalyse des ersten Feistungsspektrums Hl _{rcj; /} -, Av _p ) und des zweiten Feistungsspektrums /(/„ t _z , Av _p ) entlang der Frequenzachse Av _p erfolgen. Dies wird im Fol genden für eine Ausführungsform einer Kleinste-Quadrate-Korrelationsanalyse zur Bestim mung der Dehnung- bzw. Temperaturänderung äquivalenten (proportionalen) Frequenzver schiebung Av _m noch etwas detaillierter ausgeführt.

Dabei wird die Frequenzverschiebung Av _m des zweiten Leistungsspektrums zum Zeitpunkt t _s relativ zum ersten Leistungsspektrum zu einer Referenzzeit t _re f als kleinstes (minimales) Ar gument der Korrelationsfunktion R _re f _s (q ) gemäß der folgenden Gleichungen 6, 7 bestimmt:

( ) wobei Iql < m.

Dieser Korrelationsalgorithmus zeigt eine verbesserte Stabilität und Leistung in Bezug auf fehlerhafte Korrelationsergebnisse und Präzision im Vergleich zur Standard- Kreuzkorrelationsanalyse.

Insbesondere zeigt der vorgeschlagene Algorithmus vergleichbare Ergebnisse wie eine Pear- sons Korrelationskoeffizientenanalyse, bei erheblich reduziertem Rechenaufwand.

Außerdem zeigt sich, dass sich die Auflösung der gemessenen Frequenzverschiebung Av _m durch eine Interpolation der Korrelationsfunktion R _re f _s q ) effektiv um mehr als zwei Größen ordnungen über die verwendete Frequenzschrittweite Av beim Abtasten der optischen Faser mit den Pulsfolgen hinaus erhöhen lässt. Insbesondere durch die Verwendung eines kubischen Interpolationspolynoms R’ _r ^ _s (q’) anstelle von R _re fJq) in den Gleichungen 6, 7 kann die Fre quenzverschiebung durch die Argmin-Operation (Bestimmen des Arguments für das die je weilige Funktion eines Minimum aufweist) hoch aufgelöst berechnet werden. Typischerweise ist der Interpolationsfaktor k _p (k _p = Dn/Dn’) größer als oder gleich 50 noch typischer größer als oder gleich 100.

Die in Figur 5 präsentierten Ergebnisse wurden mit einem exemplarischen Interpolationsfak tor von k _p = 500 erzielt. Figur 5 zeigt Dehnungsspitzenamplituden As _s , die aus Leistungsspek tren einer optischen Faser bestimmt wurden, deren Länge über die an ein Piezoelement ange legte Spannung V _p variiert wurde. Der Wert für die Dehnungsspitzenamplitude As _s ~ 79 ne entspricht einer äquivalenten Messfrequenzschrittweite von Dn ~ 11,94 MHz.

Die Dehnungsantwort As _s ändert sich in der doppelt-logarithmischen Beauftragung mit der Spannung V _p linear über mehr als vier Größenordnungen (von 47,5 pe bis 778 ne), und über mehr als drei Größenordnungen unterhalb des Dn-Äquivalentdehnungswertes As _s = 79 rv; für die gewählte Einstellungen AVTJ ~ 0,24. Dies bestätigt die Anwendbarkeit des Interpolations ansatzes und zeigt, dass das die hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtung für die quan titative, verteilte Dehnungsmessung im Bereich Piko-e eingesetzt werden können.

Um die Figur 5 dargestellten Ergebnisse zu erzielen, wurde zudem eine Korrektur der nicht vollkommen linearen Abhängigkeit der optischen Frequenz der verwendeten Laserdiode vom monoton steigenden oder fallenden Modulationssignal des Signalgenerators 20 vorgenom men, wie sie mit Bezug zu den Figuren 6A, 6B unten erläutert wird.

Für eine möglichst genaue Minimierung der interpolierten Korrelationsfunktion R'ref,s(q') und eine lineare Dehnungsantwort ist es typischerweise wichtig, dass die Breiten der Minima der Korrelationsfunktion R _re f _s q ) mehrere Abtastpulse (Samples) breit (mehrere Av _m breit) sind. Dies impliziert, dass auch die durchschnittlichen Breiten von /( Av _p ) mehrere Abtastpulse breit sind (vgl. dazu auch Fig. 3B).

Dies kann aber durch die Berücksichtigung physikalischer Streustatistiken sichergestellt und sogar optimiert werden. Da die mittlere Periodizität und damit auch die mittlere Breite der Rückstreupeaks von /( Av _p ) statistisch durch die mittlere Streuverzögerung x _c innerhalb von w/2 bestimmt wird, kann ein geeigneter Wert des Frequenzschrittes Av für eine gegebene Pulsdauer T _J gewählt werden, um diese Anforderung zu erfüllen. Die theoretische maximale Merkmalsperiodizität von /( Av _p ) wird durch die maximale Streuverzögerung x _c begrenzt.

In Untersuchungen konnte ein praktikabler Wert für den Relationskoeffizienten g = Dnt^ er mittelt werden, der in der Größenordnung von g ~ 0,25 für Rechteckimpulse liegt. Auf diese Weise können die Wiederholrate und der Frequenzbereich für eine bestimmte Pulsdauer ma ximiert werden.

Fig. 6A zeigt eine Kalibrierungskurve a für die verwendete Faserdiode (einem sogenannten distributed feedback (DFB) Faser), nämlich die resultierende Frequenzänderung Av _p während der Faserstrommodulation (mit linear mit der Zeit t ansteigenden Speisestrom der Faserdio de), wie sie aus einer Phasenwechselanalyse in einem unsymmetrischen Mach-Zehnder- Interferometer gewonnen wurde (f _s = 1 kHz, f _p = 200 kHz, T _J = 10 ns, Av ~ 23.07 MHz). Zum Vergleich zeigt die Kurve b den idealen linearen Verlauf.

Während die Frequenzverbreitung (Chirp) während der Pulsdauer T _J typischerweise vernach lässigt werden kann, kann die Abweichung der linearen Beziehung zwischen dem Spei sestrom der Faserdiode und der optischen Frequenzänderung (optischen Frequenz) der Faser strahlung insbesondere für große Dehnungswerte zu signifikanten Abweichungen führen. Da her werden die gemessenen Feistungsspektren typischerweise anhand der Kalibrierungskurve korrigiert. Figur 6B zeigt in den Kurven a, b ein angemessenes Feistungsspektrum (Kurve a) und ein gemäß der Kalibrierungskurve a in Figur 6A korrigiertes Feistungsspektrum (Kurve b).

Im Ergebnis können die Dehnungsänderungen aus D v _m (t _s ,t _z ) berechnet und die interpolierten Korrelationsfunktion R’ _re f _s (q’) mit den numerisch linearisierten Sweepsequenzen I(t _s ,t _z , v _p ) als Eingangsvektoren für jede Abtastzeit t _s und jede Position t _z in der optischen Faser gemäß berechnet werden.

Alternativ dazu kann auch der Speisestrom für den Faser entsprechend der Kalibrierung skur ve angepasst werden.

Der Vorteil des hierin beschriebenen Wellenlängen-Scanning- Ansatzes liegt in der nichtver zerrten Abhängigkeit zwischen I(Av _p ) und der Dehnung. Es treten nur Signal Verschiebungen auf. Dies gewährleistet eine langzeitstabile Messung über einen größeren Dehnungsbereich durch den Vergleich mit einer hoch korrelierten Referenz. Die nichtverzerrte I(t _s ,Av _p ) -Verschiebung als Funktion der Dehnung hat eine weitere positive Auswirkung. Obwohl der messbare Dehnungsbereich methodisch durch die Einhüllende der Frequenzverschiebung des Laser-Sweeps Av _p begrenzt wird, kann diese Einschränkung durch die Verwendung der rückgestreuten Leistungsdaten von Dehnungsverschiebungen neuer Mes sergebnisse I(t _s ,Av _p ), die nach der Korrelation die Dn,, -Grenze überschreiten, aufgehoben werden. Diese neuen Daten können verwendet werden, um die Leistungsreferenzspektren /(/ _«/ , /-,Dn,/) über Av _p hinaus kontinuierlich zu erweitern, indem jeweils neue Leistungsspek trenabschnitte, die über den Bereich von Dn,, hinausgehen, angehängt werden.

Ein Beispiel für eine Messung I(t _s ,Av _p ) während einer amplitudenmodulierten harmonischen Dehnungsanregung einer optischen Faser ist in Figur 7A dargestellt. Das sich kontinuierlich erweiternde Referenz Spektrum I(t _ref ,Av _p' ) gemäß dieser Messung ist in Figur 7B dargestellt. Das gemessene Dehnungsergebnis, das sich aus der Korrelationsanalyse mit I(t _re f, Av _p' ) ergibt, ist in Figur 7C dargestellt.

Die beschriebene Erweiterung des Referenzspektrums I(t _re f,Av _P' ) kann zudem die Korrelati onsergebnisse durch einen größeren Korrelationsreferenzbereich verbessern. Der Dehnungs bereich bei einer kontinuierlichen Messung wird damit nur durch den physikalischen Deh nungsbereich der Faser begrenzt. Es sind keine abstimmbare Laserquelle, abstimmbare Filter oder eine externe Modulation mit hoher Bandbreite erforderlich. Die einzige Einschränkung ist dann die maximale Dehnungsrate, die immer noch teilweise überlappende Sweep- Ergebnisse für eine korrekte Korrelation sicherstellt und ein kontinuierliches Anpassen des Referenz Spektrums ermöglicht.

Durch die Speicherung des erweiterten Referenz Spektrums ist es zudem auch möglich, eine unterbrochene Messung wieder aufzunehmen und/oder in unregelmäßigen Abständen relative Dehnungsänderungs-Messungen durchzuführen.

Da die rückgestreute Leistungssignatur als Funktion von Av eindeutig und nicht-periodisch ist, liefert die Korrelation von wieder auf genommenen Messungen mit /(/ _«/ , /-,Dn,/) korrekte und eindeutige Verschiebungsergebnisse.

Diese Funktionalität ist sehr nützlich für Langzeitüberwachungsanwendungen, bei denen zu sätzliche Informationen zur absoluten Dehnungsänderung benötigt werden. Bekannte Phasen demodulationsverfahren sind dafür in der Regel ungeeignet. Der mit Bezug zur Figur 1 beschriebene Aufbau wurde zudem in einer realen Strukturüber wachung san wendung getestet. Für die statische und modale Schwingungsanalyse wurde dabei ein 24,4 m langes Stahlbetonbrückenmodell mit über die ganze Länge angeklebter optischer Faser erstellt. Die Dehnungsverteilung wurde mit einer Wiederholrate f _s = 1 kHz und einer Ortsauflösung von 1 m (r^ = 10 ns) während einer Schwingungsanregung mit weißem Rau schen (< 80 Hz) gemessen, bei der ein Schwingerreger auf der Brücke in nicht zentrierter Po sition zwischen zwei Stützen platziert wurde. Die Übergänge zwischen verschiedenen Schwingungsmodi des Stahlbetonbrückenmodells konnte mit hoher Auflösung analysiert werden. Auf die Darstellung von Details wird hier jedoch verzichtet.

Die hierin beschriebene spektrale Rückstreuanalyse ermöglicht auch die Bestimmung des algebraischen Vorzeichens der Dehnungsänderung, die für eine Vielzahl von Sensoranwen dungen von entscheidender Bedeutung ist. Der verwendete Aufbau zum vorzeichenrichtigen Bestimmen einer Änderung eines Parameters zeichnet sich durch eine einfache, robuste und kostengünstige Architektur aus und realisiert ein Wellenlängen-Scanning durch direkte Laser strommodulation.

Andere phasenaufgelöste Ansätze sind deutlich aufwendiger. Sie benötigen oftmals eine hochkohärente Lichtquelle, ein aufwändiges Polarisationsmanagement, abstimmbare Laser und Filter, eine Interferometerstabilisierung, eine Hochfrequenz signalgenerierung oder/oder eine Detektion mit hoher Bandbreite.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum vorzeichenrichtigen Bestimmen einer Änderung eines physikalischen Parameters ein Einkoppeln einer ersten Pulsfolge in eine optische Faser, die zumindest in einem Abschnitt Rayleighstreuer aufweist, wobei die erste Pulsfolge eine Vielzahl in der optischen Faser jeweils zumindest im Wesentlichen kohärenter optischer Pulse gleicher Pulsdauer aufweist, und wobei sich eine optische Frequenz der Pulse in der ersten Pulsfolge streng monoton ändert. Es wird ein erstes Leistungsspektrum be stimmt. Das Bestimmen des ersten Leistungsspektrums umfasst ein Messen einer jeweiligen Leistung eines von den Rayleighstreuem in der optischen Laser rückgestreuten Signalanteils für jeden der optischen Pulse der ersten Pulsfolge. Es wird eine zweite Pulsfolge in die opti sche Laser eingekoppelt, wobei die zweite Pulsfolge zumindest im Wesentlichen der ersten Pulsfolge oder einer Permutation der ersten Pulsfolge entspricht. Es wird ein zweites Leis tungsspektrum bestimmt. Das Bestimmen des zweiten Leistungsspektrums umfasst ein Mes sen einer jeweiligen Leistung eines von den Rayleighstreuem in der optischen Laser rückge streuten Signalanteils für jeden der optischen Pulse der zweiten Pulsfolge. Es erfolgt ein vor- zeichenrichtiges Bestimmen einer Änderung eines physikalischen Parameters, insbesondere eine Dehnung und/oder einer Temperatur der optischen Faser. Das vorzeichenrichtige Be stimmen der Änderung des physikalischen Parameters umfasst ein Bestimmen eines Versatzes zwischen dem zweiten Leistungsspektrums und dem ersten Leistungsspektrums. Das Einkop peln der jeweiligen Pulsfolge umfasst eine (direkte) Modulation eines Speisestroms und/oder einer Temperatur eines mit der optischen Faser gekoppelten Dauerstrichlasers.

Typischerweise umfasst die Modulation des Speisestroms ein monotones Ändern, noch typi scher ein streng monotones Ändern des Speisestroms.

Typischerweise wird der Speisestrom des Dauerstrichlasers während der gesamten Zeitdauer des Einkoppelns der jeweiligen Pulsfolge streng monoton geändert.

Außerdem werden das erste und das zweite Leistungsspektrum typischerweise für mehrere in Richtung einer Faserachse der optischen Faser voneinander beabstandete Orte im Raylei- ghstreuer aufweisenden Abschnitt der optischen Faser bestimmt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum vorzeichenrichtigen Bestim men einer Änderung eines physikalischen Parameters ein Einkoppeln einer ersten Pulsfolge in eine optische Faser, die zumindest in einem Abschnitt Rayleighstreuer aufweist, sodass die erste Pulsfolge mehrere in der optischen Faser jeweils zumindest im Wesentlichen kohärente optische Pulse gleicher Pulsdauer aufweist, wobei sich eine optische Frequenz der Pulse in der ersten Pulsfolge streng monoton, ändert. Es wird ein erstes Lei stungs Spektrum bestimmt. Das Bestimmen des ersten Leistungsspektrums umfasst ein Messen einer jeweiligen Leistung eines von den Rayleighstreuern rückgestreuten Signalanteils für jeden der optischen Pulse der ersten Pulsfolge. Es wird eine zweite Pulsfolge in die optische Faser eingekoppelt, sodass die zweite Pulsfolge mehrere in der optischen Faser jeweils zumindest im Wesentlichen kohären te optische Pulse gleicher Pulsdauer aufweist, wobei sich eine optische Frequenz der Pulse in der zweiten Pulsfolge streng monoton, ändert. Es wird ein zweites Leistungsspektrum be stimmt. Das Bestimmen des zweiten Leistungsspektrums umfasst ein Messen einer jeweiligen Leistung eines von den Rayleighstreuern rückgestreuten Signalanteils für jeden der optischen Pulse der zweiten Pulsfolge. Es erfolgt ein vorzeichenrichtiges Bestimmen einer Änderung eines physikalischen Parameters der optischen Faser. Das vorzeichenrichtige Bestimmen der Änderung des physikalischen Parameters umfasst ein Bestimmen eines Versatzes zwischen dem zweiten Leistungsspektrum und dem ersten Leistungsspektrum. Das Einkoppeln der je weiligen Pulsfolge umfasst ein monotones Ändern, d.h. entweder ein monotones Verringern oder ein monotones Erhöhen, typischerweise ein streng monotones Ändern, d.h. ein streng monotones Verringern oder ein streng monotones Erhöhen, eines Speisestroms und/oder einer Temperatur eines mit der optischen Faser gekoppelten Dauerstrichlasers.

Die Pulsdauer in der zweiten Pulsfolge entspricht typischerweise der Pulsdauer in der ersten Pulsfolge.

Die optischen Frequenzen der Pulse in der zweiten Pulsfolge können den optischen Frequen zen der Pulse in der ersten Pulsfolge entsprechen.

Eine Reihenfolge der optischen Frequenzen der optischen Pulse der zweiten Pulsfolge kann zumindest im Wesentlichen einer Reihenfolge der optischen Frequenzen der optischen Pulse der ersten Pulsfolge oder einer Permutation davon, insbesondere einer umgekehrten Reihen folge der optischen Frequenzen der optischen Pulse der ersten Pulsfolge entsprechen.

Die zweite Pulsfolge kann sogar zumindest im Wesentlichen der ersten Pulsfolge, einer Per mutation der ersten Pulsfolge, einem Teil der ersten Pulsfolge oder einer Permutation des Teils der ersten Pulsfolge entsprechen.

Es ist aber auch möglich, dass die Reihenfolge der optischen Frequenzen der optische Pulse der ersten Pulsfolge einer Reihenfolge der optischen Frequenzen der optischen Pulse eines (zusammenhängenden) Teils der zweiten Pulsfolge, einer Permutation davon, insbesondere einer umgekehrten Reihenfolge der optischen Frequenzen der optischen Pulse des Teils der zweiten Pulsfolge entsprechen, oder sogar, dass die erste Pulsfolge zumindest im Wesentli chen einem Teil der zweiten Pulsfolge oder einer Permutation des Teils der zweiten Pulsfolge entspricht.

Die Menge der optischen Frequenzen der Pulse in der zweiten Pulsfolge kann eine (echte) Teilmenge der optischen Frequenzen der Pulse in der ersten Pulsfolge sein.

Es ist aber auch möglich, dass die Menge der optischen Frequenzen der Pulse in der zweiten Pulsfolge disjunkt zur Menge der optischen Frequenzen der Pulse in der ersten Pulsfolge ist, bspw. dann, wenn sich Absolutwerte der Anstiege beim Verringern oder Erhöhen des Spei sestroms und/oder der Temperatur des Dauerstrichlasers beim Erzeugen/Einkoppeln der ers ten und zweiten Pulsfolge geeignet voneinander unterscheiden, und/oder wenn für die Steue rung des Speisestroms und/oder der Temperatur des Dauerstrichlasers ein an eine nichtlineare Abhängigkeit der optischen Frequenz des Dauerstrichlasers vom Speisestrom und/oder der Temperatur geeignet angepasstes (periodisches) Steuersignal verwendet wird (asymmetrische Frequenzabtastung). Auch dann kann der Versatz zwischen dem zweiten Leistungsspektrum und dem ersten Leistungsspektrum numerisch oder mittels eines neuronalen Netzwerkes ge nau bestimmt werden.

Ein von den optischen Frequenzen der Pulse in der zweiten Pulsfolge abgedeckter zweiter Frequenzbereich überlappt typischerweise aber zumindest teilweise mit einem von den opti schen Frequenzen der Pulse in der ersten Pulsfolge abgedecktem ersten Frequenzbereich.

Der zweite Frequenzbereich kann ein (echter) Teilbereich des ersten Frequenzbereichs sein.

Beispielsweise kann vorgesehen sein, für die erste Pulsfolge (Referenzmessung) im Vergleich zur zweiten Pulsfolge einen größeren ersten Frequenzbereich und/oder eine höhere Abtastrate / kleinere Schrittweite zwischen aufeinanderfolgenden optischen Frequenzen zu verwenden.

Dies ermöglicht, beispielsweise über eine Mittelung und/oder Interpolation ein besonders rauscharmes Referenz Spektrum zu erzeugen. Da das Änderungsspektrum (zweites Feistungs- spektrum) bzw. die Änderungsspektren mit geringerer Frequenzauflösung der Pulse bestimmt werden, wird die gesamte Messzeit nur unwesentlich verlängert.

Es ist aber auch möglich, dass der erste Frequenzbereich ein Teilbereich des zweiten Fre quenzbereichs ist, und/oder dass die Menge der optischen Frequenzen der Pulse in der ersten Pulsfolge eine (echte) Teilmenge der optischen Frequenzen der Pulse in der zweiten Pulsfolge ist.

Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Aus führungsbeispiele sollen keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstan den werden. Insbesondere können einzelne Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispie le in andere Ausführungsformen übernommen werden oder verschiedene Ausführungsbeispie le miteinander kombiniert werden, solange sich die kombinierten Merkmale nicht technisch bedingt gegenseitig ausschließen.