Massive serielle FBG-Sensornetzwerke mit CDM-Interrogation (MFBG-CDM)

Faser-Bragg-Gitter (FBG)
Codemultiplex (CDM)

Der Bedarf an Vernetzung im Alltag nimmt stetig zu. Schlagworte, wie Industrie 4.0 oder Internet of Things, erhalten zunehmend Einzug in Wirtschaft und Privatbereich. Neben einer Zunahme an zu übermittelnden Daten werden auch immer mehr Sensoren gefragt, die Auskunft über den Zustand verschiedenster Systeme liefern. In diesem Zeitalter ist der Einsatz von optischen Lichtwellenleitern mit ihren inhärenten Vorteilen, wie EMV-Unabhängigkeit, Feuerfestigkeit, geringes Gewicht und Volumen, und nicht zuletzt die Abhörsicherheit, nicht wegzudenken. Neben Kommunikationssystemen finden Lichtwellenleiter auch in Sensorsystem Anwendung. Faseroptische Messsysteme bieten bisher verschiedene Messmethoden an. Die verteilte Sensorik misst über einen weiten Bereich des LWLs Dehnung oder Temperatur. Jedoch ist die lokale Ortsauflösung dort sehr begrenzt und nur relative Messungen können durchgeführt werden. Bei der Anwendung der Optischen Frequenzbereichsreflektometrie (OFDR) wird nur im Nahbereich (< 50 m) eine hohe Ortsauflösung erreicht. Im Gegensatz dazu steht die Punktsensorik, die mit hoher Ortsauflösung und absoluter Messung auf verschiedenen Längen punkten kann. Dies wird u.A. mit Faser-Bragg-Gittern (FBGs) ermöglicht. Ziel ist es, die Anzahl an FBGs innerhalb einer Faser zu erhöhen; die quasi verteilte Sensorik. Aktuelle Multiplextechniken sind Wellenlängenmultiplex (WDM), oder Optische Zeitbereichsreflektometrie (OTDR). Beide weisen eine enorme Einschränkung im Hinblick auf Anzahl der Sensoren, Messdynamik oder Messzeit auf. Dieses Vorhaben kombiniert die etablierte WDM Technologie mit dem Codemultiplex (CDM), der das spektrale Überlappen mehrerer FBGs erlaubt. Damit wird WDM mit der Anzahl an überlappenden Spektren multipliziert. Die Anzahl an Sensoren soll auf 1500 nahezu frei verteilbare Sensorpunkte erweitert werden. Des Weiteren ermöglicht die Kombination das gleichzeitige Auslesen mehrerer Sensoren eines WDM-Abschnitts. Dies verringert die Messzeit erheblich im Vergleich zum OTDR.

In der Skizze ist das CDM-Verfahren dargestellt. Ein Modulator prägt einen Code auf breitbandiges Gleichlicht des SLED-Quelle. Dieses wird im Sensornetzwerk reflektiert. Dabei werden pro Abschnitt unterschiedliche Wellenlängen reflektiert (WDM) wobei jeder Abschnitt identisch aufgebaut sein kann. Deshalb erreichen gleiche Wellenlängen die beiden Modulatoren auf der Empfangsseite. Das Licht hinterer Abschnitte muss einen längeren Weg zurücklegen, weshalb es später an den Modulatoren eintrifft als Licht vorderer Abschnitte. Durch geeignete Wahl des Codes (möglichst orthogonal) ist es möglich, durch ein Korrelationsverfahren Licht eines bestimmten Abschnittes, was einer bestimmten Zeitverzögerung entspricht, herauszufiltern (CDM). So wird in diesem Projekt ein aus der Datenübertragung bekanntes Verfahren als Multiplextechnik im Bereich optischer Sensornetzwerke verwendet.