Neue faseroptische Sensoren übertragen Daten bis zu hundertmal schneller

Faseroptische Sensoren, die in Krisensituationen wie bei der Erkennung von Bränden in Tunneln, der Lokalisierung von Lecks in Pipelines und der Vorhersage von Erdrutschen eingesetzt werden, werden bald noch schneller und genauer.
Simon Zaslawski, Zhisheng Yan und Prof. Luc Thévenaz © 2020 EPFL / Alain Herzog

Ingenieurinnen und Ingenieure der EPFL haben ein fortschrittliches Kodierungs- und Dekodierungssystem entwickelt, das es Glasfasersensoren erlaubt, Daten bis zu hundertmal schneller und über einen grösseren Bereich zu senden. «Im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren, die an einem bestimmten Punkt messen, wie Thermometer, zeichnen faseroptische Sensoren Daten entlang einer ganzen Faser auf», sagt Luc Thévenaz, Professor an der EPFL-Fakultät für Ingenieurwissenschaft und Technologie und Leiter der Gruppe für Faseroptik (GFO). «Aber die Technologie hat sich in den letzten Jahren kaum verbessert», sagt Luc Thévenaz.

Weit verbreiteter Einsatz in Sicherheitsanwendungen

Faseroptische Sensoren werden häufig in Gefahrenerkennungssystemen eingesetzt, z.B. um Risse in Pipelines zu erkennen, Verformungen in Tiefbaukonstruktionen zu identifizieren und potenzielle Erdrutsche an Berghängen zu erkennen. Die Sensoren können Temperaturmessungen überall dort vornehmen, wo eine Faser platziert ist, und so ein kontinuierliches Wärmeschaubild eines bestimmten Ortes erstellen – selbst wenn sich der Ort über Dutzende von Kilometern erstreckt. Das liefert entscheidende Erkenntnisse über mögliche Unfälle, bevor sie passieren.

Verbesserung der Signalqualität

In Zusammenarbeit mit der Beijing University of Posts and Telecommunications entwickelten zwei GFO-Ingenieure - Postdoc Zhisheng Yang und Doktorand Simon Zaslawski - ein neues System zur Kodierung und Dekodierung von Daten, die über die Fasern gesendet werden. Mit ihrer Methode können Sensoren energiereichere Signale empfangen und schneller dekodieren, was zu schnelleren und flächenhafteren Messungen führt. Ihre Forschungsergebnisse wurden soeben in Nature Communications veröffentlicht.

Die Forschenden beschreiben ihr System so, dass es wie ein Echo funktioniert. Wenn Sie ein einziges Wort schreien, kommt dessen Echo zurück. Wenn Sie aber ein Lied singen, hören Sie eine Mischung von Tönen, die schwer zu unterscheiden sind. Man bräuchte einen «Schlüssel», um die Klänge zu entschlüsseln und verständlich zu machen. Faseroptische Sensoren funktionieren auf ähnliche Weise, nur dass ein Instrument Lichtimpulse – und nicht Töne – über eine Faser aussendet. Die Signale prallen auf der Faser zurück, und ein Gerät dekodiert sie, wodurch die Signale in verwertbare Daten umgewandelt werden.

Um die Sensoren effizienter zu machen, haben Yang und Zaslawski die Lichtimpulse in Sequenzen gruppiert, so dass die Signale mit grösserer Intensität zurückprallen. Das «Echo»-Problem, d.h. die Suche nach einem Schlüssel, um die Signale lesbar zu machen, wurde dadurch jedoch nicht gelöst. Also entwickelten sie eine Methode zur Kodierung der über eine Faser gesendeten Daten; ihre Methode verwendet spezielle genetische Optimierungsalgorithmen, um mit Unvollkommenheiten fertig zu werden. «Andere Systeme sind entweder in ihrem Umfang begrenzt oder teuer», sagt Thévenaz, «aber bei unserem muss man nur ein Software-Programm zur bestehenden Ausrüstung hinzufügen. Sie müssen weder Ihre Sensoren anpassen noch komplexe Geräte verwenden.»