Was sind faseroptische Sensoren?

Faseroptische Sensoren (FOS) nutzen die physikalischen Eigenschaften des Lichts bei der Übertragung über eine Glasfaser, um Änderungen an ausgewählten Parametern, wie Temperatur, Dehnung und Schwingungen (Akustik), zu erkennen. Sie verwenden die Glasfaser als Sensor, um Tausende kontinuierliche Messpunkte entlang der optischen Strecke auszuwerten. Diese Struktur ist als Sensorsystem mit Verteilfaser bekannt, bei dem die Glasfaser selbst als verteilter Sensor fungiert.

Die Geräte, die zu diesem Zweck die Glasfaser messen, werden als Auswertegeräte oder Interrogatoren bezeichnet. Das Ziel besteht darin, mithilfe des faseroptischen Raman-, Brillouin- oder Rayleigh-Effekts auf einer speziellen oder Standardfaser die Temperatur, Dehnung oder Schwingungen entlang dieser Faser zu ermitteln.

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Ein faseroptischer Interrogator erlaubt beispielsweise:

• zu starke Erwärmungen (Hotspot) an Stromkabeln zu erkennen und zu lokalisieren.
• übermäßige Dehnungen an Glasfaser-Telekommunikationskabeln zu erkennen und zu lokalisieren, bevor die Faser bricht.
• Fremdeingriffe an Pipelines oder beim Zusammenschalten von Rechenzentren (DCI) zu erkennen.

Nachstehend einige Anwendungsbeispiele für faseroptische Sensoren:

• Ermüdungsüberwachung
• Erkennung von Lecks und Verstopfungen in Pipelines
• Speicherüberwachung
• Thermalöl-Abhitzsysteme

• Leckerkennung
• Überwachung von Erdbewegungen

• Hotspot-Erkennung und -Lokalisierung
• Kabellastüberwachung (RTTR)
• Smart-Grid

• Risserkennung
• Management und Design von Bauwerken
• Dämme, Deiche
• Erdbebengefährdete Gebiete

• Überwachung von Glasfaser-Erdkabeln
• Überwachung von Glasfaser-Luftkabeln
• Identifizierung von überlasteten Glasfasern
• Alterungserscheinungen am Glasfaserkabel

Wenn ein Glasfaserkabel lediglich als Übertragungsleitung zwischen einem Tester und einem externen Sensor genutzt wird, handelt es sich um ein extrinsisches System. Falls die Glasfaser jedoch selbst als Sensor dient, wird dies als intrinsisches System bezeichnet.

Der Vorteil eines intrinsischen Messaufbaus besteht darin, dass auf zusätzliche Schnittstellen zwischen der Glasfaser und den externen Sensoren verzichtet werden kann. Dadurch verringert sich die Komplexität des Gesamtsystems und die Kosten sinken. Hierfür müssen die äußeren Einwirkungen auf die Glasfaser, wie Schwankungen in der Temperatur, der Dehnung oder Vibrationen (Schallwellen), das in der Faser übertragene Lichtsignal auf messbare Weise beeinflussen. Nur dann stehen verwertbare Daten zur Verfügung.

Die zufällige Streuung von Lichtteilchen (Photonen) im Fasermaterial wird als Rayleigh-Streuung bezeichnet. Dieser Effekt wird bei verschiedenen Glasfaser-Testverfahren, wie bei OTDR-Messungen, genutzt. Zu diesem Zweck werden die Intensität, die Wellenlänge und die Position des zum Detektor zurückgestreuten Lichts analysiert, um die Größenordnung und die Position von dämpfenden und reflektierenden Ereignissen auf der Glasfaser zu bestimmen.

Auf ähnliche Weise erzeugt die Raman-Streuung im Stokes-Band temperaturbedingte Veränderungen (Stokes-Verschiebung) in den Lichtteilchen, die zur Quelle zurückgestreut werden. Wenn man die Differenz in der Intensität des zurückgestreuten Lichts im Stokes- und Anti-Stokes-Band misst, kann man die Temperatur an jeder beliebigen Position auf der Glasfaser exakt bestimmen.

Ein ähnlicher Effekt tritt bei der Brillouin-Streuung auf. Hier wird die Wellenlänge des zurückgestreuten Lichts von der Außentemperatur und von akustischen Schwingungen auf vorhersagbare Weise beeinflusst. Diese Daten können in Verbindung mit der am gleichen Punkt gemessenen Temperatur genutzt werden, um die mechanische Belastung (Dehnung) der Glasfaser sowie die Bereiche, in denen diese Dehnung auftritt, zu ermitteln.

Die kohärente Rayleigh-Streuung erlaubt, Schwingungen (Vibrationen) und Schallwellen (Akustikwellen) zu erkennen. Die Phasenverschiebung des Lichtes reagiert empfindlich auf Schwingungen und Schallwellen, denen die Glasfaser ausgesetzt ist. Durch die Analyse dieser Phasenverschiebungen ist es möglich, die Position und die Intensität der Schwingungen entlang der gesamten Faserlänge zu ermitteln.

Verteilte faseroptische Sensorsysteme

Die Raman-, Brillouin- und Rayleigh-Streuung werden erfolgreich für die verteilte faseroptische Sensorik (Distributed Fiber Sensing, DFS) genutzt. Die Raman-Streuung kommt insbesondere bei der verteilten faseroptischen Temperaturmessung (Distributed Temperature Sensing, DTS) zum Einsatz, während die Brillouin-Streuung für die verteilte faseroptische Temperatur- und Dehnungsmessung (Distributed Temperature and Strain Sensing, DTSS) und die Rayleigh-Streuung für die verteilte Akustik-Sensorik (Distributed Acoustic Sensing, DAS) analysiert werden. Diese Messungen können eingesetzt werden, um die Temperatur-, Dehnungs- und Schwingungsbelastung über zig Kilometer Faserlänge hinweg exakt zu bestimmen.

In diesem Kontext bedeutet „verteilt“ lediglich, dass die Messung nicht an einem Punkt durchgeführt wird, sondern kontinuierlich über die gesamte Länge der Faser bzw. des verteilten faseroptischen Sensors erfolgen kann. Im Prinzip ist die Glasfaser selbst der Sensor. Da es sich hierbei um ein absolut intrinsisches Messverfahren handelt, ist es möglich, eine Standardglasfaser für Telekommunikationsanwendungen als Übertragungsmedium zu nutzen. Allerdings sollte die Temperatur unter 100 ˚C bleiben und die Glasfaser darf keinen übermäßigen chemischen oder mechanischen Störeinflüssen ausgesetzt sein.

Entwicklung faseroptischer Sensoren

Vor der Einführung der Faseroptik in der Telekommunikation in den 1970er-Jahren hatte man bereits das offensichtliche Potenzial der Glasfaser für Sensoranwendungen erkannt. Bereits 1967 wurde ein photonischer Sensor als extrinsischer Glasfasersensor für berührungslose Schwingungsmessungen patentiert. Mitte der 1980er-Jahre entdeckte man dann das Funktionsprinzip des Faserkreisels (FOG), auch als faseroptischer Rotationssensor bezeichnet. Durch Messung der Phasenverschiebung der Laserlichtquelle in der Faser gelang es, die Rotationsgeschwindigkeit von Objekten exakt zu bestimmen.

Nachstehend folgt eine Auswahl an Anwendungen für faseroptische Sensoren (Interrogatoren).

• Optische Netzwerke: Schutz, Prüfung und Überwachung von Glasfasernetzen
• Infrastruktur-Überwachung: Die Glasfaser wird als Sensor genutzt und zur Infrastruktur-Überwachung eingesetzt. In diesem Fall wird die Glasfaser beispielsweise entlang einer kritischen Infrastrukturkomponente, wie einer Brücke, Pipeline, an einem sicheren Zugangspunkt/Öffnung oder an einer Staumauer, installiert. Sollte an der Faser eine plötzliche Dehnung oder Bewegung auftreten oder sich die Temperatur erhöhen, wird ein entsprechender Alarm ausgelöst, um auf ein Beschädigungs- oder Ausfallrisiko hinzuweisen. Dieses Verfahren erlaubt, Zugänge, wie Türen oder Kontrollschächte, zu sichern, sodass der Betreiber bei einem unbefugten Öffnen alarmiert wird. 
• Infrastruktur-Schutz: Die Akustik-Sensorik erlaubt, unbeabsichtigte sowie böswillige Bedrohungen an kritischen Einrichtungen, wie Grenzen, Eisenbahnstrecken, Stromkabeln und Pipelines, zu identifizieren und zu lokalisieren, um die Infrastruktur zu schützen.

Die faseroptischen Interrogatoren von VIAVI bieten sich unter anderem für den Einsatz für folgende Lösungen zur Infrastruktur-Überwachung an:

• Erkennen von Bodenbewegungen und Fremdeingriffen entlang einer Pipeline
• Erkennen von mechanischen Verformungen der Pipeline
• Erkennen und Lokalisieren von Leckstellen an Pipelines, Deichen, Dämmen und ähnlichen Objekten
• Erkennen und Lokalisieren von kritischen Bedrohungen oder Belastungspunkten in optischen Telekommunikationsnetzen
• Erkennen und Lokalisieren von Hotspots an Stromkabeln oder Ausgabe von Näherungswarnungen

Mit einem portablen Tester, wie der Plattform OneAdvisor von VIAVI mit DTS- oder DTSS-Funktion, kann der kontrollierende Techniker vor Ort Feldmessungen an Glasfasern ausführen.  Alternativ ist es mit dem optischen Fernüberwachungssystem ONMSi und einem rackbasierten Glasfaser-Testkopf (FTH) mit DTS-, DTSS- oder DAS-Funktion möglich, die Glasfasern langfristig zu überwachen und bei erkannten Veränderungen oder Ereignissen einen Alarm auszulösen. 

Nachstehend ein Beispiel für eine DTSS-Messung mit Messtechnik von VIAVI:

• Als VIAVI DTSS-Interrogator kommt ein Brillouin-OTDR (BOTDR) zum Einsatz. Dieses speist einen kurzen Puls in die Glasfaser, die als faseroptischer Sensor genutzt wird, ein. Das sich zum Faserende (Vorwärtsrichtung) ausbreitende Licht erzeugt an allen Punkten entlang der Glasfaser eine Brillouin-Streuung in Rückwärtsrichtung mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen.

• Diese Wellenlängen der Brillouin-Streuung unterscheiden sich von dem in Vorwärtsrichtung einfallenden Licht und werden als „Stokes“ und „Anti-Stokes“ bezeichnet. Der Unterschied zwischen dem Pegel und der Frequenz der Stokes und Anti-Stokes der Brillouin-Streuung erlaubt, eine zuverlässige Aussage über die Temperatur und Dehnung entlang der Glasfaser zu treffen.

Schnellere Reparaturen (MTTR) an kritischen Infrastrukturelementen mithilfe von Fasertests

Die Glasfaser-Überwachung löst sofort einen Alarm aus, wenn eine Veränderung erkannt wird. Das System kann ebenfalls eine geolokalisierte Landkarte anzeigen, auf dem die genaue Position des auf der Glasfaser erkannten Ereignisses automatisch eingetragen ist. Der Betreiber ist also in der Lage, den Techniker für die Inspektion der Glasfaser oder zur Reparatur jedes Mal genau an die ermittelte Fehlerstelle auszusenden. Damit wird der größere Zeitaufwand vermieden, der erforderlich wäre, um die Problemstelle manuell auf der Glasfaser zu finden. Hier erfahren Sie mehr über Glasfaser-Tests.

Kunden von Telekommunikationsanbietern oder Rechenzentren, die Dark Fibers gemietet haben, melden einen Ausfall des Dienstes, der durch einen Faserbruch verursacht wurde. Bei einem Bruch wurde das Glasfaserkabel jedoch häufig auf beiden Seiten der Bruch- oder Schadensstelle dauerhaft gedehnt. Wenn beispielsweise ein Bagger versehentlich ein Glasfaserkabel ausgräbt, wird dieses Kabel gezogen, gezerrt und gedehnt.  Die Dehnungsprüfung erlaubt dem Techniker zu ermitteln, in welchem Bereich das Kabel ausgetauscht werden muss. Auch kann der Eigentümer des Kabels den Schadensverursacher anhand des DTSS-Messprotokolls zur Rechenschaft ziehen.  Das gleiche gilt für Schäden, die zum Beispiel durch Unwetter und Bäume, die Luftkabel herunterreißen, verursacht werden.

Die häufigste, jedoch am schwierigsten nachzuweisende Störung in Glasfasernetzen tritt jedoch auf, wenn die Faser zu stark gedehnt wird. Dadurch wird sie dauerhaft in die Länge gezogen und schwächer, sodass ihre Übertragungseigenschaften möglicherweise beeinträchtigt werden. In der nebenstehenden Abbildung ist ersichtlich, wie ein DTSS-Test auf der OTDR-Kurve drei Dehnungsspitzen anzeigt. An diesen drei Stellen wurde die Glasfaser beschädigt. Die Messung mit einem klassischen Rayleigh-OTDR hätte hier jedoch keine Auffälligkeiten ergeben. Die Dehnungsspitzen machen deutlich, dass die Glasfaser ausgetauscht werden muss.

Faseroptische Sensoren bietet den Versorgungsunternehmen leistungsstarke Lösungen zur verbesserten Überwachung und Wartung ihrer Infrastruktur. Glasfasern, die in die Starkstromkabel integriert werden, erlauben den Netzbetreibern, kritische Parameter kontinuierlich in Echtzeit zu überwachen. Damit sind sie in der Lage, proaktive Maßnahmen einzuleiten und Schäden sowie teure Reparaturen zu vermeiden.

Stromkabel sind verschiedenen umgebungs- und betriebsbedingten Belastungen ausgesetzt, die zu einer Überhitzung, zu mechanischer Überlastung und zu Ausfällen führen können. Glasfasern, die entlang der Stromkabel installiert werden, erlauben, die Temperatur, Dehnung und Schwingungen in Echtzeit zu überwachen. Beispielsweise können erkannte Hotspots an den Stromkabeln einen Hinweis auf eine mangelhafte Isolierung oder auf eine Überlastung geben. Die frühzeitige Erkennung dieser Problemstellen ermöglicht dem Netzbetreiber, Wartungsmaßnahmen einzuplanen, noch bevor es zu einer schwerwiegenden Störung kommen kann, so dass Stromausfälle vermieden und Reparaturkosten gesenkt werden.

Ein weiterer wichtiger Vorteil der faseroptischen Sensoren besteht in deren Fähigkeit, Störstellen entlang von Stromversorgungskabeln exakt zu lokalisieren. Die traditionellen Fehlererkennungsmethoden sind möglicherweise mit einem zu großen Zeit- und Kostenaufwand verbunden und erfordern häufig eine umfassende manuelle Inspektion mit Servicefahrzeugen, Helikoptern oder Drohnen. Faseroptische Sensoren können dagegen Fehlerstellen, die durch physische Beschädigung, Umwelteinflüsse oder Betriebsstörungen verursacht wurden, umgehend identifizieren und lokalisieren. Diese schnelle Fehlerlokalisierung versetzt die Energieversorger in die Lage, unverzüglich zu reagieren, Ausfallzeiten weitestgehend zu verkürzen und eine stabilere Stromversorgung sicherzustellen.

Angesichts der vielfältigen und zahlreichen Vorteile, die faseroptische Sensoren heute schon verschiedenen Branchen bieten, kann man sicher davon ausgehen, dass die aktuell verfügbaren Produkte immer besser und preiswerter werden. Auch neue Einsatzgebiete werden hinzukommen. Die FOSA hat viele dieser Nutzungsfälle bereits umfassend untersucht. Dazu zählen auch faseroptische Sensoren für „Smart City“-Anwendungen, die Integration in das Internet der Dinge (IoT) sowie neue Faserausführungen speziell für anspruchsvollere Einsatzumgebungen.

Faseroptische Krümmungssensoren (Fiber Optic Shape Sensing, FOSS) sind neue Produkte, die es erlauben, über lange Faserstrecken und komplexe Geometrien exakte Echtzeit-Positionsdaten zu ermitteln. Hierfür wird die Glasfaser entweder in die betreffende Konstruktion eingebettet oder daran befestigt. So ist es möglich, die Form von Objekten, wie Windturbinen, Tunnel, Hochhäuser, kontinuierlich zu überwachen und gleichzeitig kritische Parameter, wie Temperatur und Druck, zu kontrollieren.

Auch können FOSS-Sensoren genutzt werden, um den menschlichen Körper mit neuen medizinischen Geräten zu untersuchen. Beispielsweise ist es möglich, mit dieser Technik die Position von chirurgischen Instrumenten zu überwachen, bildgebende Untersuchungsverfahren zu unterstützen und sogar Erkrankungen der Gefäße zu diagnostizieren. Die Sicherung der Landesgrenzen gewinnt ebenfalls an Bedeutung. Hier könnten neue Sensor-Technologien auch die Errichtung faseroptischer „Zäune“ ermöglichen, die illegale Grenzübertritte ohne aufwändige physische Barrieren erkennen.

Die bahnbrechenden Fortschritte in der Datenübertragung und Kommunikation, die die Glasfasertechnik erst ermöglicht hat, sind allgemein anerkannt. Das breite Spektrum an verteilten faseroptischen Sensormessungen, die auf der gleichen Technologie basieren, ist dagegen weniger gut bekannt. Mit der weiteren Vernetzung der Gesellschaft wird sich die Nachfrage nach Überwachungs- und Sicherheitsanwendungen sowie nach immer kürzeren Reaktionszeiten weiter erhöhen. Der kreative Einsatz faseroptischer Sensoren kann dazu beitragen, diese Nachfrage zu befriedigen.

Welche Arten von Interrogatoren für faseroptische Sensoren bietet VIAVI an?

Das von VIAVI angebotene Portfolio an faseroptischen Sensorsystemen umfasst:

• die verteilte Temperaturmessung (Distributed Temperature Sensing, DTS) auf Grundlage der Raman-OTDR-Technologie.
• die verteilte Temperatur- und Dehnungsmessung (Distributed Temperature and Strain Sensing, DTSS) auf Grundlage der Brillouin-OTDR-Technologie.
• die verteilte Akustik-Sensorik zur Schwingungsmessung (Distributed Acoustic Sensing, DAS) auf Grundlage der kohärenten Rayleigh-Rückstreu-Technologie.