Es ist über 50 Jahre her, dass das erste Patent angemeldet wurde, das die Verwendung von Glasfaseroptik als eine Möglichkeit zur Messung von Umweltereignissen in Betracht zog. Das 1967 erteilte US-Patent mit der Nummer 03327584 beschreibt ein Faserbündel, das eine Oberfläche beleuchtet und dabei das reflektierte Licht gleichzeitig wieder erfasst. In den frühen 1980er Jahren wurden faseroptische Akustiksysteme in Sensorarrays für das Unterwasser-Sonar der Virginia-Klasse (Lightweight Wide Aperture Aarray, LWWAA), für Schlepp-Arrays und für andere Überwachungssysteme verwendet.
Der Einsatz von faseroptischer Sensorik für die Überwachung von Bohrlöchern und Tiefbohrlöchern in der Öl- und Gasindustrie ist seit 20 Jahren im Gange. In den 2000er Jahren kam die verteilte Temperaturmessung zum Einsatz, gefolgt von der verteilten akustischen Messung in den 2010er Jahren. Obwohl die Technologie in vielen Fällen wertvolle Erkenntnisse liefert, wird sie bei weitem nicht an jedem Bohrloch eingesetzt. Es besteht jedoch die Aussicht, dass die Faser-Sensorik in bestimmten Anwendungen zum Standard avancieren wird.
In den vergangenen zehn Jahren wurde die verteilte faseroptische Sensorik eingesetzt, um Lecks in Öl- und Gaspipelines an Land zu erkennen und zu verhindern. Ein Beispiel: Im Jahr 2016 erhielt OptaSense den Zuschlag für die Lieferung einer Leck-Erkennungs- und Sicherheitslösung für die Trans-Anatolische Erdgaspipeline (TANAP). Diese Lösung wird mehr als 1.850 Kilometer der Pipeline sowie die Umkreissicherheit aller Anlagenstandorte überwachen. Gegenwärtig werden weltweit mehr als 15.000 Kilometer Pipeline mit Hilfe von Faser-Sensortechnologie überwacht.
Es gibt drei Arten von Faser-Sensor-Netzwerken:
Punktsensornetzwerke - Hier ist jeder Sensor eigenständig und muss per Backhaul einzeln abgerufen werden. Punktsensoren werden gewöhnlich bei kürzeren Distanzen eingesetzt. Die genauen Standorte der Punktsensoren auf einer bestimmten Strecke zu kennen ist entscheidend, um die von der Umgebung empfangenen Daten entsprechend sinnvoll auswerten zu können.
Quasi-dezentrale Sensornetzwerke - Eine Variante der quasi-dezentralen bzw. verteilten Sensorik umfasst die Verwendung von mehreren Bragg-Gittern (Fiber Bragg Grating, FBG), die in die Faser eingebettet sind. Der Brechungsindex des Faserkerns wird so modifiziert, dass bestimmte Wellenlängen des Lichts durchgelassen werden, während andere zur Quelle zurück reflektiert werden. Jedes FBG kann eine bestimmte Wellenlänge reflektieren, so dass jedes einzelne entlang des Faserverlaufs identifizierbar ist. Mit anderen Worten: FBGs wirken wie Inline-Wellenlängenfilter, die bestimmte Wellenlängen zurück zur Quelle reflektieren, und es können mehrere FBGs in einem einzigen Faserverlauf eingesetzt werden. Wie bei Punktsensornetzwerken ist es entscheidend zu wissen, wo sich die FBGs im Verhältnis zu dem, was gemessen wird, befinden. Nur so können die Daten richtig interpretiert werden.
Dezentrale bzw. verteilte Sensornetzwerke - Die Anzahl der Sensoren ist entlang einer optischen Faser verteilt, und sie variiert je nach Länge des Systems, der räumlichen Genauigkeit der Sensoren und der verwendeten Abfrageeinheit. In der Regel beträgt die räumliche Abdeckung jedes Sensors 1 bis 10 Meter. Bei der verteilten Messung wird ein Lichtimpuls über eine Faser gesendet und das von diesem Impuls zurückgestreute Licht interpretiert. Durch Untersuchung der Rayleigh-, Brillouin- und Raman-Rückstreuung ist es möglich, Akustik, Dehnung/Temperatur bzw. Temperatur zu erfassen. Die verteilte Erfassung kann die oft mühsame und kostspielige Integration von Hunderten oder Tausenden separater Sensoren in eine einzige durchgängige Lösung ersetzen.
Drei Haupttypen von verteilten Sensoranwendungen sind zu unterscheiden:
- Bei der "Verteilten akustischen Abtastung" (Distributed Acoustic Sensing, DAS) werden "virtuelle" Mikrofone entlang einer Faser angeordnet. Die Anzahl der Mikrofone ergibt sich aus räumlicher Verteilung, Abstand und Impulslänge. Die Reichweite der Abfrageeinheiten variiert, je nach Anbieter beträgt sie in der Regel 30 bis 50 Kilometer. Mehrere Abfragegeräte können miteinander vernetzt werden, so dass ein einzelner Betreiber Tausende von Kilometern überwachen kann.
- Bei Anwendungen mit "Verteilter Temperaturmessung" (Distributed Temperature Sensing, DTS) werden "virtuelle" Thermometer entlang einer Faser angeordnet. DTS hat eine Reichweite von 10 bis 100 Kilometern, eine räumliche Genauigkeit von 1 bis 5 Metern, Messzeiten von 2 bis 30 Minuten und eine Messgenauigkeit von <0,5 bis <5,5 Grad Celsius. Zu beachten ist jedoch, dass alle diese Charakteristiken voneinander abhängen.
- Die "Verteilte Messung von Zug- oder Dehnungsbelastung" (Distributed Strain Sensing, DSS) umfasst "virtuelle" Belastungsmessgeräte, die entlang einer Faser installiert sind. Manche Lösungsansätze, die ein Brillouin-basiertes System verwenden, ermöglichen es, Dehnungen in einem Bereich von mehr als 65 Kilometern, mit einer räumlichen Genauigkeit von etwa 1 Meter und einer Messgenauigkeit von weniger als 10 Mikroepsilon (Microstrain, µe) zu erfassen.
Wie bereits erwähnt, kann die Rückstreuung (Backscatter) des Lichts in einem verteilten Sensornetzwerk in drei Komponenten zerlegt werden: Rayleigh, Brillouin und Raman.
Die Rayleigh-Rückstreuung wird hauptsächlich für verteilte akustische Anwendungen verwendet. Akustische Signale oder Schallwellen, die auf die Faser einwirken, verursachen kleine Änderungen des Brechungsindexes. Diese Änderungen können bei Rayleigh-Rückstreuung unter Einsatz eines kohärenten optischen Zeitbereichsreflektometers (Coherent Optical Time Domain Reflectometry, COTDR) erfasst werden. Üblicherweise kommt eine Standard-Singlemode-Glasfaser zum Einsatz.
Brillouin-Rückstreuung wird für Dehnungs- und/oder Temperaturmessungen verwendet. Wenn die Faser unter Spannung steht, kann eine Brillouin-Frequenzverschiebung erkannt und ausgewertet werden. Das Brillouin-Zeitbereichsreflektometer (BOTDR) wird verwendet, oder – für erweiterte Funktionen – ein optischer Brillouin-Zeitbereichsanalysator (Brillouin Optical Time Domain Analyzer, BOTDA). Üblicherweise kommt eine Standard-Singlemode-Glasfaser zum Einsatz.
Raman-Rückstreuung wird hauptsächlich für Temperaturmessungen verwendet. Um Temperaturänderungen zu erkennen, werden der temperaturabhängige Anti-Stokes-Raman-Peak und der nahezu temperaturunabhängige Stokes-Raman-Peak verglichen. Die Temperatur wird auf der Grundlage der Differenz zwischen den beiden bestimmt. Für kürzere Distanzen wird normalerweise eine Standard-Multimode-Faser verwendet.
