Was ist die „Rayleigh-Streuung“?

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Ist das ein natürlich vorkommendes „Rauschen“ in der Glasfaser? Warum kann es zur Vibrationsmessung verwendet werden?

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Was ist „Rayleigh-Streuung“ und ist sie ein natürlich vorkommendes „Rauschen“ in Glasfasern?

Aus Sicht der Glasfaserherstellung und der Signalübertragung kann die Rayleigh-Streuung (Rayleigh Scattering) tatsächlich als eine unvermeidliche, natürliche Art von „Rauschen“ oder Dämpfungsquelle betrachtet werden. Im Bereich der Glasfasersensorik hingegen ist sie kein nutzloser Lärm, sondern ein unverzichtbarer Träger physikalischer Signale.

1. Physikalische Essenz

Rayleigh-Streuung ist ein elastisches Streuphänomen, das auftritt, wenn Licht in einem inhomogenen Medium propagiert.
Bei der Herstellung von Quarzglasfasern bleiben während des Abkühlens und Verfestigens des geschmolzenen Glases mikroskopische Dichteinhomogenitäten und Brechungsindexschwankungen im Inneren zurück. Die Größe dieser inhomogenen Bereiche (normalerweise im Nanometerbereich) ist weit kleiner als die Wellenlänge des einfallenden Lichts, typischerweise kleiner als \lambda / 10 .

Wenn Licht in der Glasfaser propagiert, verursachen diese mikroskopischen Brechungsindexschwankungen eine zufällige Streuung des Lichts. Ein kleiner Teil des gestreuten Lichts wird in die entgegengesetzte Richtung der Faser zurückgestreut, was als rückwärtsgerichtete Rayleigh-Streuung (Rayleigh Backscattering) bezeichnet wird.

2. Warum sie in der Kommunikation „Rauschen“ ist

Für die Glasfaserkommunikation ist die Rayleigh-Streuung die Hauptursache für die inhärente Dämpfung der Faser. Sie bestimmt die theoretische untere Grenze der Dämpfung von Monomode-Quarzglasfasern im nahen Infrarotbereich (z. B. im 1550 nm-Bereich), die bei etwa 0,14 dB/km liegt. Da das gestreute Licht zufällige Richtungen hat und überall auftritt, erzeugt es auch Echo-Rauschen und begrenzt das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) bei der Hochgeschwindigkeits-Fernkommunikation. Daher ist die Rayleigh-Streuung in der Kommunikationstechnik tatsächlich ein natürliches „Hintergrundrauschen“, das nachdrücklich überwunden werden muss.

3. Warum sie in der Sensorik ein „unschätzbarer Schatz“ ist

In der verteilten Glasfasersensorik (Distributed Fiber Optic Sensing, DOFS) werden diese „Störgeräusche“ zu den empfindlichsten „Detektoren“. Da die rückwärtsgerichtete Rayleigh-Streuung ständig innerhalb der Faser auftritt, trägt sie nicht nur Positionsinformationen von jedem Punkt der Faser, sondern ist auch äußerst empfindlich gegenüber winzigen äußeren Störungen (wie Temperatur, Dehnung, Vibration), denen die Faser ausgesetzt ist. Solange diese zurückgestreuten Echos demoduliert werden, kann die gesamte Faser zu einem verteilten kontinuierlichen Sensor werden.

Warum kann Rayleigh-Streuung zur Messung von Vibrationen verwendet werden?

Die Messung von Vibrationen mithilfe der Rayleigh-Streuung basiert hauptsächlich auf der phasensensitiven optischen Zeitbereichsreflektometrie ( \Phi-OTDR ) oder der kohärenten optischen Frequenzbereichsreflektometrie ( OFDR ). Die physikalischen und technischen Demodulationsprinzipien sind wie folgt:

1. Kohärente Interferenz und der „Interferenz-Fingerabdruck“ der Glasfaser

Wenn das System einen kohärenten Laserpuls mit extrem schmaler Linienbreite in die Glasfaser einspeist, werden die rückwärts gestreuten Lichtwellen von Tausenden von mikroskopischen Rayleigh-Streuzentren innerhalb des räumlichen Bereichs, der von der Pulsbreite abgedeckt wird, zurückgesendet. Da diese Echos die gleiche Frequenz und eine konstante Phasenbeziehung haben, treten sie am Empfänger in konstruktiver oder destruktiver Interferenz auf, wodurch ein zufälliges, aber für diese Glasfaser einzigartiges Interferenzmuster (der „kohärente Rayleigh-Brechungsindex-Fingerabdruck“) entsteht.

2. Phasenmodulation durch äußere Vibration (photoelastischer Effekt)

Wenn äußere physikalische Vibrationen, Schallwellen oder kurzzeitige mechanische Störungen auf die Glasfaser einwirken, übt die physikalische Kraft eine Kraft auf die Glasfaser aus, die zu mikroskopischen geometrischen Verformungen der Glasfaser führt und durch den photoelastischen Effekt (Photoelastic Effect) den lokalen Brechungsindex momentan verändert.
Diese winzige Änderung des Brechungsindex und der physikalischen Länge ändert die relativen räumlichen Positionen und Phasendifferenzen zwischen den einzelnen Streuzentren im gestörten Bereich, was zu drastischen Änderungen der Intensität und Phase des Interferenzmusters am Empfänger führt.

3. Präzise Lokalisierung und Auswertung physikalischer Größen

  • Lokalisierungsprinzip: Durch Messung der Zeitdifferenz \Delta t zwischen dem Senden des Laserpulses und dem Empfang des gestörten Echos sowie unter Berücksichtigung der Lichtgeschwindigkeit im Glasfasermedium v = c/n kann die genaue Position der Vibration mithilfe der Zeitbereichsreflektometrie-Formel präzise berechnet werden:
    z = \frac{c \cdot \Delta t}{2n}
  • Rekonstruktion der Vibration: Durch hochfrequente Erfassung und Phasen-Demodulation des Echosignals kann das System nicht nur das Auftreten von Vibrationen erkennen und präzise lokalisieren, sondern auch die Frequenz und die relative Amplitude der Vibration vollständig rekonstruieren, wodurch eine langreichweitige Echtzeit-Dynamiküberwachung mit hoher Auflösung entlang der gesamten Linie ermöglicht wird. Dies ist auch das Kernprinzip von verteilten Vibrations-/Schallsensoriksystemen ( DVS / DAS ).

Empfohlene zugehörige Sensorprodukte von OFSCN®

Bei hochpräzisen verteilten Temperatur-, Dehnungs- und Vibrationsmessungen können herkömmliche Kommunikationsglasfaserkabel aufgrund ihrer lockeren Mantelstruktur die verlustfreie Übertragung von mikroskopischen Dehnungs- und lokalen Temperaturänderungen nicht gewährleisten.

Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) hat spezielle, ultrafeine, vollmetallische nahtlose Stahlrohr-verkapselte verteilte Faser-Temperatur- und Dehnungssensoren für die verteilte Glasfasersensorik entwickelt. Diese hochzuverlässigen Sensoren bieten eine hervorragende Übertragungseffizienz für Dehnung und Temperatur und sind perfekt auf Sensoriksysteme abgestimmt, die auf physikalischen Effekten wie der Rayleigh-Streuung basieren:

1. OFSCN® Serie von intelligenten verteilten Glasfaser-Temperatursensoren

Diese Produktserie ist für die verteilte Mehrpunkt-Temperaturmessung in weiten Temperaturbereichen konzipiert und kann perfekt mit Sensorgeräten kombiniert werden, die auf „Rayleigh-Streuung OFDR“, „Raman-Streuung Raman-DTS“ oder „Brillouin-Streuung Brillouin-DTSS“ basieren:

2. OFSCN® Ultrafeine Vollmetall-Dehnungssensoren für OFDR

Diese Produktserie verwendet eine ultrafeine (0,6 mm) elastische Metallrohrstruktur für eine extrem enge Passform und bietet eine hohe Empfindlichkeit und Nullhysterese bei der Kraftübertragung. Sie wird häufig in Verbindung mit hochpräzisen OFDR (basierend auf Rayleigh-Streuung) Demodulationsgeräten zur Messung von Mikrodehnungen in Bauteilen oder Materialien eingesetzt: