Distributed Fiber Sensors in River Embankments: Advancing and Implementing the Brillouin Optical Frequency Domain Analysis: Fid-Bau Portal

Distributed Fiber Sensors in River Embankments: Advancing and Implementing the Brillouin Optical Frequency Domain Analysis

Nöther, Nils

Abstract

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Systems zur verteilten Dehnungsmessung in optischen Glasfasern. Das System wurde zur Überwachung der strukturellen Integrität von Flussdeichen bei einer Messlänge von mindestens 5 km und einer Ortsauflösung von höchstens 5 m entwickelt. Grundlage des Messsystems ist der nichtlineare optische Effekt der stimulierten Brillouinstreuung (SBS), der die Dehnung einer optischen Glasfaser in eine messbare Frequenzverschiebung des Rückstreulichts eines optischen Signals überträgt. Die in dieser Arbeit angewendete und grundlegend weiterentwickelte Messtechnik ist die optische Brillouin-Frequenzbereichsanalyse (BOFDA). Die grundsätzliche Funktionalität dieser Technik war bereits vor Beginn der Untersuchungen zu dieser Arbeit gezeigt worden. Allerdings war ihre Entwicklung der Brillouin-Zeitbereichsanalyse (BOTDA), die den Stand der Technik darstellt, in Bezug auf ihre Sensoreigenschaften, ihre theoretischen Grundlagen, ihre Integrierbarkeit und ihre Robustheit für praktische Anwendungen weit unterlegen. Die Arbeit umfasst den theoretischen Hintergrund des Messsystems, verschiedene Weiterentwicklungen der Implementierung in ein anwendungsorientiertes Messgerät (u.a. neue Konzepte für Signalkorrekturverfahren zur Verbesserung der Sensoreigenschaften) und die Evaluierung des Systems in experimentellen Untersuchungen.

This thesis reports on the development of a system for distributed strain measurement in silica optical fibers. The system was developed to provide a solution for monitoring the structural health of river embankments with a measurement length > 5 km and a spatial resolution < 5 m. It is based on stimulated Brillouin scattering (SBS), a nonlinear optical effect which converts the mechanical strain of an optical fiber into a frequency shift of the backscattered light of an optical signal. The measurement technique that is employed and significantly advanced within this work is the Brillouin optical frequency domain analysis (BOFDA). Prior to this work, this technique had been presented as a laboratory setup providing its proof of concept; however, at this development stage, the technique had been limited in performance, theoretical foundation, integrability and robustness for real-life applications when compared to the state-of-the-art Brillouin optical time domain analysis (BOTDA). The thesis comprises the theoretical background of the measurement system, advancements regarding its implementation into a practically applicable device - including the proposal of techniques for performance enhancements in signal processing - as well as the evaluation of the system performance in experimental studies.