EP-4202374-B1 - DEVICE FOR FIBRE-OPTICAL MEASUREMENT AND TRANSPORT OF MEASUREMENT SIGNALS

Inventors

• SCHNABEL, ROMAN

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20211222

Claims (12)

1. Device for fibre-optical measurement and transport of measurement signals, comprising a measuring station which has one or more laser sources and at least two waveguides (F1, F2), which are configured to guide at least one measurement beam and one reference light beam in a respective waveguide, wherein the waveguide (F2) guiding the reference light beam runs within the measuring station and the at least two light beams are brought together at an interferometer unit which has at least one photodetector (D1, D2), wherein the waveguide (F1) guiding the measurement beam is formed as a ring in which both ends are arranged in the measuring station and the measurement beam, coming from the measuring station, passes through the waveguide and re-enters the measuring station and/or the waveguide (F1) guiding the measurement beam originates with one end in the measuring station and has a reflector at its free end, characterized in that a continuous-wave laser light is split into the measurement beam and the reference beam, wherein the continuous-wave laser light is randomly or quasi-randomly modulated in power, phase and/or frequency.
2. Device according to claim 1, characterized in that entangled laser light is provided for the continuous-wave laser light.
3. Device according to one of claims 1 to 2, characterized in that a random interference signal (N) is superimposed on the measurement and reference laser beams (L1, L2) in such a way that the interference signal (N) is removed from the measurement data in the interferometer unit with the reference laser beam.
4. Device according to claim 3, characterized in that the interference signal covers at least half, preferably more than 80%, of a signal frequency band.
5. Device according to claim 3 or 4, characterized in that a quantum random generator is provided for generating the random interference signal.
6. Device according to claims 3 to 5, characterized in that the measurement and reference beams superimposed in the interferometer unit provide beams with squeezed quantum uncertainties.
7. Device according to claim 6, characterized in that the squeezing factor is at least two (corresponds to 3dB).
8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the interferometer unit is configured to read out an interference-free signal amplitude with a first detector and an interference-free signal phase with a second detector.
9. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the interferometer unit is fed by a local oscillator for evaluating the superimposed measurement and reference beams.
10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that one or more sensors are provided in the waveguide of the measurement beam, which modulate a measurement value onto the measurement beam.
11. Device according to claim 10, characterized in that the sensor is configured to detect a local temperature or a local air humidity or a camera image.
12. Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the interferometer unit has two photodetectors (D1, D2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum faser-optischen Messen und Transportieren von Messsignalen. Bei der vorliegenden messtechnischen Aufgabe wird eine dezentrale Messtechnik (distributed sensing) eingesetzt, die räumlich verteilt misst und die verteilt gewonnenen Messergebnisse in einer Messstation zusammenführt. Durch die räumliche Verteilung des Messvorgangs besteht die Möglichkeit, dass nicht-autorisierte Personen sich Zugriff zu den Messdaten verschaffen, diese auslesen oder sogar relevante Messergebnisse aus dem Datenstrom löschen. Ein Beispiel sind Überwachungssysteme für Gelände, die vor unerlaubten Aktivitäten auf dem Gelände, beispielsweise einem Betriebsgelände oder einem Bahngelände, warnen. Der Eingriff bzw. das Abhören von solchen Überwachungssystemen beinhaltet verschiedene Aspekte: Einerseits können die Messergebnisse, die aus der Überwachung stammen, verfälscht werden, um so ein nicht autorisiertes Betreten des überwachten Geländes zu verbergen. Andererseits können die Messergebnisse auch ausgelesen werden, um festzustellen ob sich Personen, wie beispielsweise Wachpersonal, auf dem überwachten Gelände befinden. Ein sehr erfolgreiches Beispiel dezentraler Messtechnik nutz Telekommunikationsglasfasern und gepulstes oder amplitudenmoduliertes Laserlicht, das durch die Glasfaser geschickt wird und bestimmte zeitliche Intensitätsabfolgen und Frequenzanteile hat. Gemessen werden die kleinen Leistungsanteile, die von statistisch verteilten Störstellen im Glas der Faser gegen die eigentliche Strahlrichtung zurückgestreut werden. Dehnt sich die Faser in einem Bereich zwischen zwei Störstellen, so kommt es zu einer Vergrößerung des zeitlichen Abstands zweier rückgestreuter Pulse. Wird die Faser hingegen im selben Bereich gestaucht, so kommt es zu einer Abstandsverkürzung der beiden rückgestreuten Pulse. Die Faser soll einen guten Reibungskontakt zum umgebenen Erdreich haben. In diesem Fall zeigen Dehnungen und Stauchungen der Faser akustische Schwingungen der Umgebung an. Ein solches System wird als DAS-System (Distributed Acoustic Sensing System) bezeichnet. Nachteilig an dem bekannten System ist, dass im Prinzip die Glasfaser angezapft werden kann und über eine optische Diode das rückgestreute Licht abgezweigt und dadurch beliebig gedämpft werden kann. In diesem Fall würde das Messsignal einer nicht-autorisierten Person zufallen. Aus GB 2,442,745 ist eine faser-optische DAS Messeinrichtung bekannt. Vorgesehen ist sie beispielsweise für einen Einbruchalarm. Vorgesehen ist es, Gruppen von Lichtpulsen unterschiedlicher Frequenz durch konventionelle Glasfasern zu schicken und die Interferenz von Lichtanteilen zu beobachten, die an unterschiedlichen Stellen entlang der Faser rückgestreut wurden. Nachteilig ist, dass die Messsignale von einer nicht-autorisierten Person abgegriffen werden können, ohne dass dieses bemerkt wird. Auch können vorhandene Signale gelöscht werden, ohne dass dieses bemerkt wird. Aus WO 2010/020795 ist eine faser-optische DAS Messeinrichtung bekannt. Vorgesehen ist die bekannte dezentrale DAS-Messtechnik beispielsweise für die Überwachung von Öl- und Gaspipelines. Zur Vermessung vorgesehen sind P- und S-Wellen in festen Medien, z.B. im Erdreich. Löst eine Quelle sowohl P-Wellen (Primär- bzw. Druckwellen) und S-Wellen (Sekundär- bzw. Scherwellen) aus, so laufen diese unterschiedlich schnell im Medium. Durch beide Typen von Wellen wird das feste Medium mit der Frequenz der Störung gedehnt und gestaucht. Die optische Faser, die im Kontakt zum festen Medium ist, dehnt bzw. staucht sich mit. Durch die unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit von P-Wellen und S-Wellen können diese unterschieden werden. Nachteilig ist auch hier, dass die Messsignale von einer nicht-autorisierten Person abgegriffen werden können, ohne dass dieses bemerkt wird. Auch können vorhandene Signale gelöscht werden, ohne dass dieses bemerkt wird. Aus WO 2017/093741 A1 ist ein DAS-System zur Überwachung eines Eisenbahnnetzes bekannt. Als messenden Wellenleiter werden herkömmliche Lichtleiter aus dem Bereich der Telekommunikation eingesetzt. Die Fasern werden einfach entlang einem Transportnetzwerk, wie beispielsweise einer Eisenbahntrasse oder Straße, in einem engen Kanal verlegt. Die optische Faser ist in einem Schutzgehäuse angeordnet, so dass keine Wartung erforderlich ist. Ausgehend von einer Messstation werden optische Pulse mit einem bestimmten Frequenzmuster in die messende Faser geleitet. Die Rückstreuung dieser Pulse wird ausgewertet, wobei auf die Rayleigh-Rückstreuung abgestellt wird. Eine Ortsauflösung für die akustische Störung erfolgt mithilfe von den optischen Pulsfolgen aufmodulierter Frequenzen. Nachteilig ist auch hier, dass die Messsignale von einer nicht-autorisierten Person abgegriffen werden können, ohne dass dieses bemerkt wird. Auch können vorhandene Signale gelöscht werden, ohne dass dieses bemerkt wird. Aus US 2016/0025524 A1 ist die Auswertung von Brillouin-Streuung