KR100930342B1 - 분포 광섬유 센서 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분포 광섬유 센서 시스템에 관한 것으로서, 감지 광섬유에서 발생하는 후방 산란 광을 라만 산란 광과 브릴루앙 산란 광으로 각각 필터링하고, 필터링된 라만 산란 광 및 브릴루앙 산란 광을 각각 A/D 변환하며, 디지털 처리된 라만 산란 광의 데이터로부터 감지 광섬유의 거리에 따른 온도 변화를 측정하고, 브릴루앙 산란 광의 데이터로부터 감지 광섬유의 거리에 따른 온도 및 변형률 변화를 측정하며, 측정된 데이터를 이용하여 감지 광섬유의 거리에 따른 온도 변화 및 변형률 변화를 각각 분리하여 출력하는 분포 광섬유 센서 시스템이 개시된다.
광섬유, 센서, 펌핑 펄스 광, 프로브 광, 브릴루앙 산란, 라만 산란

Description

분포 광섬유 센서 시스템{ Distributed optical fiber sensor system }
도 1은 분포 광섬유 브릴루앙 센서 시스템의 기본 개념을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 분포 광섬유 센서 시스템의 제1 실시예를 나타낸 블록도.
도 3은 본 발명의 광 필터부에서 라만 산란 광과 브릴루앙 산란 광을 분리하는 일 실시예를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 광 필터부에서 라만 산란 광과 브릴루앙 산란 광을 분리하는 다른 실시예를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 분포 광섬유 센서 시스템의 제2 실시예를 나타낸 블록도.
도 6은 본 발명의 분포 광섬유 센서 시스템의 제3 실시예를 나타낸 블록도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
110 : 제1 광원부 120 : 제1 변조기
130 : 펄스 발생기 140 : 증폭기
150 : 감지 광섬유 160 : 제2 광원부
170 : 제2 변조기 180 : RF 신호 발생기
190 : 광 순환기 200 : 광 필터부
210 : 제1 광 검출기 220 : 제2 광 검출기
230 : 광신호 측정기
본 발명은 분포 광섬유 센서 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 광섬유 센서는 광섬유에 가해지는 외부 물리량의 변화(신호)에 의해 광섬유 내부를 진행하는 빛에 유도되는 여러 가지 특성 변화를 측정하는데, 외부에서 가해지는 물리량의 변화(신호)에는 온도, 압력, 전기장, 자기장, 화학 물질의 농도, 기계적인 움직임 등 거의 모든 종류의 물리량들이 포함된다.
이러한 외부 물리량 변화에 의해 달라지는 빛의 성질에는 세기, 위상, 편광, 파장 등이 있으며, 이들의 미세 변화를 측정할 수 있는 여러 가지 방법들이 동원된다.
좀더 구체적으로 빛의 성질을 변화시키는 물리적 현상의 예로는 굴절률 변화(온도, 압력, 인장력, 화학 물질의 농도 등), 편광 상태의 변화(전기장, 자기장, 압력 등), 파장에 따른 광 손실의 변화(화학 물질의 농도, 구부림 등) 등으로부터 상대론적 위상 변화 및 비선형 현상(라만 산란, 브릴루앙 산란, Kerr 효과 등)들까지 다양하다.
광섬유 센서가 다른 센서들에 비해 갖는 장점은 각종 물리량의 변화를 전자 소자 대신에 빛을 이용해 측정한다는 사실과, 상기 측정 신호의 전달 역시 빛으로 이루어진다는데서 기인한다.
우선 광섬유 센서는 전기가 통하는 전도체가 포함되어 있지 않으므로 주변의 여러 장치에서 발생하는 전자파장애에 의한 잡음이 없고, 전기적인 접지, 누전, 감전 등이 발생할 염려가 없다.
또한, 광섬유 센서는 크기가 작고 가벼워서 측정 대상물의 표면에 부착하거나, 땅 속에 매설하기가 용이하며, 재질이 유리이므로 내 부식성이 우수하다.
게다가, 광섬유 센서는 거의 모든 종류의 물리량 측정에 이용할 수 있으며, 특히 파장이 매우 짧은 빛을 기준으로 측정하게 되어 매우 높은 감도를 보장하고 있다.
뿐만 아니라, 광섬유 센서는 통신의 경우와 마찬가지로 광 손실이 적고, 정보 전송 대역폭이 넓어 많은 수의 센서를 광섬유 한 가닥에 연결하여 동시에 측정할 수 있는 배열형 센서가 가능하며, 수십 km 떨어진 거리에서도 원격 측정을 할 수 있고, 위치에 따른 물리량의 분포를 측정하는 분포 계측이 가능하다.
광섬유 센서는 간섭형, 파장형 및 산란형 센서 등이 있으며, 이 중 산란형 광섬유 센서는 광섬유 내부를 진행하는 펄스 광을 이용하여 광섬유 외부에서 작용하는 물리량에 따라 변화하는 광섬유 내부의 후방 산란 광을 측정함으로써, 장거리 광섬유 전체의 분포 물리량을 측정하는 것이 가능하다.
이러한 펄스 광을 사용하면서 후방 산란 광을 측정하는 센서를 OTDR(Optical Time Domain Reflectometry) 센서라고 하며, 대부분의 산란형 광섬유 센서는 기본적으로 OTDR 기술을 사용한다.
이러한 산란형 광섬유 센서는 레일레이(Rayleigh) 산란형 광섬유 센서, 라만(Raman) 산란형 광섬유 센서, 브릴루앙(Brillouin) 산란형 광섬유 센서 등으로 구분된다.
상기 레일레이 산란형 광섬유 센서는 광섬유 내부를 진행하는 펄스 광이 광섬유의 밀도의 불균일 분포에 기인한 산란 광을 측정하는 센서로, 펄스 광의 세기에 비례하는 후방 산란 광을 얻게 된다.
예를 들어, 광섬유가 외부의 측정하고자 하는 요인에 의하여 휘게 되면 광섬유 내부를 진행하는 빛이 외부로 누설되고 그에 따라 후방 산란 광의 크기가 감소하는 현상을 이용하는 센서로, 외부의 온도나 변형률 변화에 민감하지 못하며, 특수한 광섬유의 굽힘이 발생하는 경우에만 사용할 수 있는 센서이다.
라만 또는 브릴루앙 산란형 광섬유 센서는 모두 비선형 광 산란을 이용하는 센서로서, 라만 산란형 광섬유 센서는 라만 산란 광의 크기가 외부의 열적 변화에만 민감하게 변화하므로 온도 측정용으로 많이 사용된다.
즉, 라만 산란은 광섬유 내에서 빛이 전달될 때 분자 진동에 의하여 발생하는 후방 산란 신호로서, 광섬유 내의 분자 진동은 온도에 의하여만 값이 변화하는 특성을 가지고 있다.
한편, 브릴루앙 산란형 광섬유 센서는 외부에서 작용하는 변형률 및 온도에 따라 광섬유의 브릴루앙 고유 주파수 값이 변화하는데, 이러한 브릴루앙 주파수 변화 값을 구하면 외부 물리량(온도 및 변형률)의 절대 변화를 측정할 수 있다.
즉, 광섬유 내에 발생하는 브릴루앙 산란은 빛이 광섬유 내에 진행할 때 음 파(Accoustic Phonon)와 결합하여 후방 산란 신호를 만들게 되는데, 이러한 후방 산란 신호는 광섬유가 위치한 환경에 비례하여 온도 및 변형률 정보를 가지고 온다.
이와 같이, 상기 브릴루앙 산란형 광섬유 센서는 변형률과 온도를 동시에 측정할 수 있다는 장점을 갖고 있으나, 후방 산란 신호 내에서 온도 및 변형률에 대한 정보를 따로 구분할 수 없다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 광 필터부를 이용하여 감지 광섬유에서 발생하는 후방 산란 광에서 라만 산란 광과 브릴루앙 산란 광을 각각 분리하고, 상기 광 필터부에서 분리된 라만 산란 광 및 브릴루앙 산란 광을 각각 A/D 변환하며, 변환된 데이터를 이용하여 상기 감지 광섬유의 거리에 따른 온도 변화 및 변형률 변화를 각각 분리하여 출력하는 분포 광섬유 센서 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 분포 광섬유 센서 시스템의 바람직한 일 실시예는, 제1 광원부에서 출력하는 광을 펌핑 펄스 광(Pumping Pulse Light)으로 변조하여 감지 광섬유의 일단으로 전송하는 제1 광 변조부와, 제2 광원부에서 출력하는 광을 프로브 광(Probe Light)으로 변조하여 상기 감지 광섬유의 타단으로 전송하는 제2 광 변조부와, 상기 감지 광섬유에서 발생되는 후방 산란 광을 분기하는 광 순환기와, 상기 광 순환기에서 분기된 후방 산란 광 중에서 라만 산란 광과 브릴루앙 산란 광을 각각 필터링하는 광 필터부와, 상기 광 필터부에서 필터링 된 라만 산란 광 및 브릴루앙 산란 광을 각각 A/D 변환하고, 변환된 데이터를 이용하여 상기 감지 광섬유의 거리에 따른 온도 변화 및 변형률 변화를 각각 분리 측정하는 물리량 변화 측정부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 분포 광섬유 센서 시스템의 바람직한 다른 실시예는, 광원부에서 출력하는 광을 펌핑 펄스 광으로 변조하여 감지 광섬유로 전송하는 광 변조부와, 상기 감지 광섬유에서 발생되는 후방 산란 광을 분기하는 광 순환기와, 상기 광 순환기에서 분기된 후방 산란 광 중에서 라만 산란 광과 브릴루앙 산란 광을 각각 필터링하는 광 필터부와, 상기 광 필터부에서 필터링 된 라만 산란 광 및 브릴루앙 산란 광을 각각 A/D 변환하고, 변환된 데이터를 이용하여 상기 감지 광섬유의 거리에 따른 온도 변화 및 변형률 변화를 각각 분리 측정하는 물리량 변화 측정부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 분포 광섬유 센서 시스템의 바람직한 또 다른 실시예는, 광원부에서 출력하는 광을 분기하는 스플리터(Splitter)와, 상기 스플리터에서 분기된 광을 펌핑 펄스 광으로 변조하는 제1 광 변조부와, 상기 스플리터에서 분기된 광을 프로브 광으로 변조하는 제2 광 변조부와, 상기 펌핑 펄스 광 및 상기 프로브 광을 증폭시켜 감지 광섬유로 전송하는 증폭기와, 상기 감지 광섬유의 끝 단에 형성되어 상기 프로브 광을 반사시키는 반사기와, 상기 감지 광섬유에서 발생되는 후방 산란 광을 분기하는 광 순환기와, 상기 광 순환기에서 분기된 후방 산란 광 중에서 라만 산란 광과 브릴루앙 산란 광을 각각 필터링하는 광 필터부와, 상기 광 필터부에서 필터링 된 라만 산란 광 및 브릴루앙 산란 광을 각각 A/D 변환하고, 변환된 데이터를 이용하여 상기 감지 광섬유의 거리에 따른 온도 변화 및 변형률 변화를 각각 분리 측정하는 물리량 변화 측정부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광 필터부는, 상기 광 순환기에서 분기된 후방 산란 광 중에서 라만 산란 광만을 통과시키는 라만 통과 필터와, 상기 광 순환기에서 분기된 후방 산란 광 중에서 브릴루앙 산란 광만을 통과시키는 브릴루앙 통과 필터와, 상기 광 순환기에서 분기된 후방 산란 광을 상기 라만 통과 필터 및 브릴루앙 통과 필터로 각각 분기하는 스플리터로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
삭제
또한, 상기 물리량 변화 측정부는, 상기 광 필터부에서 분리된 라만 산란 광을 검출하고 A/D 변환하여 출력하는 제1 광 검출기와, 상기 광 필터부에서 분리된 브릴루앙 산란 광을 검출하고 A/D 변환하여 출력하는 제2 광 검출기와, 상기 제1 광 검출기에서 출력된 데이터에서 상기 감지 광섬유의 거리에 따른 온도 변화를 측정하고, 상기 제2 광 검출기에서 출력된 데이터에서 상기 감지 광섬유의 거리에 따른 온도 및 변형률 변화를 측정하며, 상기 측정된 데이터를 이용하여 상기 감지 광섬유의 거리에 따른 온도 변화 및 변형률 변화를 각각 분리하여 측정하는 광신호 측정기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 분포 광섬유 센서 시스템에 관해 상세히 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 분포 광섬유 브릴루앙 센서 시스템의 기본 개념을 설명하기 위한 도면이다.
광섬유의 브릴루앙 산란은 광이 물질 중에 생긴 음파(Acoustic Phonon)와 상호 작용하여 입사광의 주파수와 다른 주파수로 산란하는 현상으로, 이 주파수의 차를 브릴루앙 고유 주파수 변화라고 하며, 이 주파수는 광섬유의 재료에 크게 의존할 뿐 아니라 광섬유에 인가되는 변형률에 따라서 변화한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 광섬유(10)의 양단에 펌핑 펄스 광(Pumping Pulse Light) 및 프로브 광(Probe Light)을 상기 광섬유(10)에 각각 전송하는 제1 광원 부(20) 및 제2 광원부(30)가 대향 배치되어 있다.
그리고, 상기 광섬유(10)에 광 검출기(40)가 연계되어 광섬유(10)의 감지 구간(Test Fiber)의 외부 물리량 변화에 따라 반송되는 산란 광 주파수와, 펌핑 펄스 광 및 프로브 광의 주파수 차이를 비교함으로써 외부 물리량 변화를 측정하게 된다.
여기서, 제1 광원부(20)에서 전송하는 펌핑 펄스 광의 주파수를 υp라 하고, 제2 광원부(30)에서 전송하는 프로브 광의 주파수를 υcw라고 하면, 펌핑 펄스 광과 프로브 광의 주파수 차이는 Δυ=υp - υcw가 된다.
상기 펌핑 펄스 광과 프로브 광주파수 차 Δυ를 광섬유(10)의 브릴루앙 주파수 천이(Shift)와 일치시키도록 광원의 광주파수를 조정하면, 펌핑 펄스 광은 유도 브릴루앙 산란에 의해 프로브 광으로 광 에너지 변환을 하며, 이에 따라 프로브 광은 광섬유(10) 내에서 브릴루앙 광증폭을 하게 되어 브릴루앙 신호의 해석이 용이하게 된다.
브릴루앙 산란형 광섬유 센서의 최종 수신신호인 후방 산란광은 감지용 광섬유의 일정 위치에 압축 변형 또는 인장 변형이 발생하는 경우, 해당 위치에서의 급격한 신호 감소 또는 증가의 형태로 나타나게 되며, 이것으로부터 변형이 발생한 위치 및 변형 정도를 용이하게 판별할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 분포 광섬유 센서 시스템의 제1 실시예를 나타낸 블록도이 다.
이에 도시된 바와 같이, 제1 광원부(110), 제1 변조기(120), 펄스 발생기(Pulse Generator)(130), 증폭기(Amplifier)(140), 감지 광섬유(Test Optical Fiber)(150), 제2 광원부(160), 제2 변조기(170), RF 신호 발생기(180), 광 순환기(Circulator)(190), 광 필터부(200), 제1 광 검출기(210), 제2 광 검출기(220), 광신호 측정기(230)를 포함하여 이루어진다.
제1 광원부(110)는 고출력의 가는 선 폭을 갖는 광을 출력하며, 상기 제1 광원부(110)로는 주로 분포 궤환형 레이저(Distributed Feedback Laser : DFB)가 사용된다.
제1 변조기(120)는 제1 광원부(110)에서 출력되는 광을 펌핑 펄스 광(Pumping Pulse Light)으로 변조한다. 이러한 펄스 형태의 광은 펄스 폭에 따른 거리 분해능을 가지기 때문에 전체 구간 중 특정 위치에서의 물리량 값을 측정하는 분포 센서에 적합하다.
펄스 발생기(Pulse Generator)(130)는 상기 제1 광원부(110)에서 출력되는 광을 펌핑 펄스 광(Pumping Pulse Light)으로 변조하기 위해 일정한 폭을 가지는 펄스를 발생시킨다.
만약, 제1 변조기(120) 및 펄스 발생기(130)를 사용하여 펄스 폭이 30ns인 펌핑 펄스 광을 발생시키는 경우, 분포 광섬유 센서 시스템의 거리 분해능은 3m에 해당하게 된다.
즉, 분포 광섬유 센서 시스템은 이러한 펌핑 펄스 광이 광섬유의 감지구간을 지나면서 산란되어 반송되는 산란 광을 측정하는데, 펄스 폭 30ns는 광섬유의 길이로 약 3m에 해당하는 거리이므로 분포 광섬유 센서 시스템의 거리 분해능은 3m가 된다.
증폭기(Amplifier)(140)는 제1 변조기(120)에서 펌핑 펄스 광으로 변조된 광을 증폭시킨다.
즉, 상기 제1 변조기(120) 및 펄스 발생기(130)를 거쳐 출력되는 펌핑 펄스 광의 경우, 광 강도가 미약하기 때문에 상기 증폭기(140)를 통해 펌핑 펄스 광을 증폭시켜 주어 측정을 용이하게 한다.
상기 증폭기(140)는 EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)를 사용하는 것이 바람직한데, EDFA는 반도체 레이저 증폭기에 비하여 이득이 크고, 고속 신호 전송에도 열화되지 않으며, 잡음 지수가 적다는 장점이 있다.
감지 광섬유(Test Optical Fiber)(150)는 상기 증폭기(140)를 통과하여 증폭된 펌핑 펄스 광이 진행하면서 후방 산란 광을 일으키는 광섬유이다.
제2 광원부(160)는 상기 펌핑 펄스 광의 중심 주파수 천이 여부를 확인하기 위한 광을 상기 감지 광섬유(150)로 출력한다.
제2 변조기(170)는 제2 광원부(160)에서 출력되는 광을 프로브 광(Probe Light)으로 변조시킨다.
RF 신호 발생기(180)는 상기 프로브 광의 주파수를 단계적으로 증가시켜 브릴루앙 산란 증폭을 일으키는 브릴루앙 주파수 변화를 구하도록 한다.
즉, RF 신호 발생기(180)는 브릴루앙 주파수 변화를 구하기 위하여 기 설정 된 일정한 주파수 범위의 최초 주파수부터 최종 주파수까지 일정한 주파수만큼 씩 단계별로 주파수를 바꿔가며 작동한다.
그리고 상기 제2 변조기(170)는 이러한 RF 신호 발생기(180)를 이용하여 제2 레이저 광원(160)에서 출력되는 광을 프로브 광으로 변조시킨다.
광 순환기(Circulator)(190)는 상기 펌핑 펄스 광의 진행방향과 반대방향으로 발생하는 산란 광 즉, 상기 감지 광섬유(150)에서 후방 산란되는 광을 분기하여 광 필터부(200)로 출력한다.
그리고 광 순환기(190)는 상기 증폭기(140)와 감지 광섬유(150) 사이에 배치되어, 상기 펌핑 펄스 광이 감지 광섬유(150)로 전송될 경우, 펌핑 펄스 광의 일부가 광 필터부(200)로 곧바로 전입되는 것을 방지한다.
광 필터부(200)는 상기 감지 광섬유(150)에서 후방 산란되는 광 중 라만 산란 광과 브릴루앙 산란 광만을 각각 투과시킨다.
즉, 광 필터부(200)는 라만 필터(Raman Filter)(201)와 브릴루앙 필터(Brillouin Filter)(205)로 이루어지며, 상기 라만 필터(201)는 상기 후방 산란되는 광 중 라만 산란에 해당하는 광만을 투과시키고, 상기 브릴루앙 필터(205)는 상기 후방 산란되는 광 중 브릴루앙 산란에 해당하는 광만을 투과시킨다.
예를 들어, 입사파장이 1550nm일 경우 라만 필터(201)는 상기 후방 산란되는 광 중 파장이 1450 또는 1650nm에 해당하는 광을 투과시키고, 상기 브릴루앙 필터(205)는 상기 후방 산란되는 광 중 파장이 1550.08nm에 해당하는 광을 투과시킨다.
제1 광 검출기(210)는 상기 라만 필터(201)에서 투과되는 광을 감지하고 이를 고속으로 아날로그-디지털 변환(Analog to Digital Conversion)하여 감지된 라만 산란 광신호를 디지털 신호로 출력한다.
상기 라만 산란 광신호는 광섬유의 일정한 위치에서의 온도 변화에 대한 정보를 포함하고 있다.
제2 광 검출기(220)는 상기 브릴루앙 필터(205)에서 투과되는 광을 감지하고 이를 고속으로 아날로그-디지털 변환(Analog to Digital Conversion)하여 감지된 브릴루앙 산란 광신호를 디지털 신호로 출력한다.
상기 브릴루앙 산란 광신호는 광섬유의 일정한 위치에서의 변형률 및 온도 변화에 대한 정보를 포함하고 있다.
상기 제1 광 검출기(210) 및 제2 광 검출기(220)는 감지 광섬유(150)에서의 후방 산란 광을 순차적으로 검출하는데, 상기 제1 광 검출기(210) 및 제2 광 검출기(220)에서 후방 산란 광이 시간차를 두고 검출되는 것은, 광섬유의 각 위치의 거리차에 따른 온도 및 변형률의 변화를 감지할 수 있게 한다.
즉, 상기 후방 산란 광의 시간차 검출을 통해 광섬유의 각 위치에서의 온도 및 변형률의 변화를 읽어낼 수 있게 된다.
광신호 측정기(230)는 기 설정된 기본 변수(평균화 횟수, 샘플링 횟수 및 속도, 주파수 조사 범위 및 단계 주파수 등)에 따라 본 발명의 분포 광센서 시스템의 전체 동작을 제어하며, 제1 광 검출기(210) 및 제2 광 검출기(220)로부터 각각 디지털 처리된 라만 산란 광 및 브릴루앙 산란 광에 대한 데이터를 수신하여 광섬유 의 길이, 광 강도(Intensity) 및 브릴루앙 주파수 변화에 대한 신호를 출력한다.
상기 광신호 측정기(230)는 상기 제1 광 검출기(210)로부터 수신한 라만 산란 광에 대한 데이터로부터 거리별 온도 정보를 얻을 수 있고, 상기 제2 광 검출기(220)로부터 수신한 브릴루앙 산란 광에 대한 데이터로부터 거리별 온도 및 변형률 정보를 얻을 수 있는데, 이러한 정보를 통해 감지 광섬유(150)의 거리에 따른 온도 및 변형률에 대한 정보를 분리하여 측정할 수 있게 된다.
이를 하기의 수학식 1 및 수학식 2와 관련하여 설명하면 다음과 같다.
RS(i) = T(i)
BS(f) = T(f) + e(f)
여기서, 수학식 1은 라만 산란 광 측정시 거리별 온도(T)에 따른 광 강도(i : intensity)의 변화를 나타내는 식이며, 수학식 2는 브릴루앙 산란 광 측정시 거리별 온도(T) 및 변형률(e)에 따른 광 주파수(f : frequency)의 변화를 나타내는 식이다.
상기 수학식 1과 수학식 2에서 온도 항목을 공통으로 측정할 수 있으므로, 제1 광 검출기(210) 및 제2 광 검출기(220)로부터 수신된 데이터를 서로 차등하면, 거리에 따른 변형률을 측정할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명에 의하면 감지 광섬유(150)에서 후방 산란되는 광을 광 필터부(200)에서 라만 산란 광과 브릴루앙 산란 광으로 각각 필터링하여 분리하고, 제1 광 검출기(210) 및 제2 광 검출기(220)를 통해 라만 산란 광에 대한 데이터 및 브릴루앙 산란 광에 대한 데이터를 동시에 측정함으로써, 거리에 따른 온도 및 변형률의 변화를 각각 분리하여 측정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 광 필터부에서 라만 산란 광과 브릴루앙 산란 광을 분리하는 일 실시예를 나타낸 도면이다.
이에 도시된 바와 같이, 광 필터부(300)는 라만 반사 필터(Raman Reflected Filter)(310)와 브릴루앙 투과 필터(Brillouin Pass Filter)(320)로 이루어진다.
상기 라만 반사 필터(310) 및 브릴루앙 투과 필터(320)는 박막 필터로 구현할 수 있다.
이와 같이 구성된 광 필터부에 있어서, 광 순환기(미도시)에서 분기된 후방 산란 광이 광 필터부(300)로 입력되면, 라만 반사 필터(Raman Reflected Filter)(310)는 후방 산란 광 중에서 라만 산란 광을 제1 광 검출기(370)로 반사시킨다.
즉, 상기 후방 산란 광은 브릴루앙 산란 광, 레일레이 산란 광, 라만 산란 광으로 이루어지는데, 상기 라만 반사 필터(310)는 이 중에서 라만 산란 광을 제1 광 검출기(370)로 반사시킨다.
그리고, 상기 라만 반사 필터(310)에서 반사되지 않은 후방 산란 광 즉, 브릴루앙 산란 광 및 레일레이 산란 광은 브릴루앙 투과 필터(320)로 입력되는데, 브 릴루앙 투과 필터(320)는 입력되는 산란 광 중 브릴루앙 산란 광만을 투과시켜 제2 광 검출기(380)로 전송한다.
도 4는 본 발명의 광 필터부에서 라만 산란 광과 브릴루앙 산란 광을 분리하는 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
이에 도시된 바와 같이, 광 필터부(300)는 스플리터(Splitter)(330), 라만 투과 필터(Raman Pass Filter)(340), 브릴루앙 투과 필터(Brillouin Pass Filter)(350)로 이루어진다.
이와 같이 구성된 광 필터부에 있어서, 광 순환기(미도시)에서 분기된 후방 산란 광이 광 필터부(300)로 입력되면, 스플리터(Splitter)(330)에서 상기 후방 산란 광을 라만 투과 필터(Raman Pass Filter)(340)와, 브릴루앙 투과 필터(Brillouin Pass Filter)(350)로 분배한다.
상기 라만 투과 필터(340)는 입력되는 후방 산란 광 중에서 라만 산란 광만을 투과시켜 제1 광 검출기(370)로 전송하고, 상기 브릴루앙 투과 필터(350)는 입력되는 후방 산란 광 중에서 브릴루앙 산란 광만을 투과시켜 제2 광 검출기(380)로 전송한다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 광 필터부를 구성하면, 후방 산란되는 광 중에서 라만 산란 광과 브릴루앙 산란 광을 필터링하여 분리시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 분포 광섬유 센서 시스템의 제2 실시예를 나타낸 블록도이 다.
이에 도시된 바와 같이, 광원부(410), 변조기(420), 펄스 발생기(430), 증폭기(440), 광 순환기(450), 광 필터부(460), 제1 광 검출기(470), 제2 광 검출기(480), 광신호 측정기(490)로 이루어진다.
이와 같이 구성된 본 발명의 분포 광섬유 센서 시스템에 있어서, 광원부(410)에서 출력하는 광은 변조기(420) 및 펄스 발생기(430)를 통해 펌핑 펄스 광으로 변조되어 광섬유(Optical Fiber)로 전송된다.
그리고 상기 광섬유에서 후방 산란되는 광은 광 필터부(460)를 통해 라만 산란 광과 브릴루앙 산란 광으로 각각 필터링 되며, 제1 광 검출기(470) 및 제2 광 검출기(480)에서 각각 검출된다.
그 후, 광신호 측정기(490)는 상기 검출된 라만 산란 광의 데이터로부터 거리별 온도 변화를 측정하게 되고, 상기 검출된 브릴루앙 산란 광의 데이터로부터 거리별 온도 및 변형률의 변화를 측정하게 되며, 이러한 정보를 토대로 거리별 온도 변화와 거리별 변형률의 변화를 각각 측정하게 된다.
본 실시예의 경우, 펌핑 펄스 광만을 발생시키고 브릴루앙 산란 광의 주파수 천이 여부를 확인하기 위한 별도의 프로브 광은 발생시키지 않는데, 이 경우 상기 광신호 측정기(490)에서 자체적으로 브릴루앙 산란 광을 분석하여 거리별 온도 및 변형률의 변화를 측정한다.
즉, 상기 광섬유에서 후방 산란되는 브릴루앙 산란 광에는 상기 펌핑 펄스 광 이외에 브릴루앙 산란으로 인한 자체 주파수 성분(10.8Ghz에 해당하는)이 포함 되어 있으므로, 상기 광신호 측정기(490)에서 이러한 성분을 분석하여 거리별 온도 및 변형률의 변화를 읽어내게 된다.
도 6은 본 발명의 분포 광섬유 센서 시스템의 제3 실시예를 나타낸 블록도이다.
이에 도시된 바와 같이, 광원부(510), 스플리터(520), 제1 변조기(530), 펄스 발생기(540), 제2 변조기(550), RF 신호 발생기(560), 결합기(570), 증폭기(580), 광 순환기(590), 반사기(600), 광 필터부(610), 제1 광 검출기(620), 제2 광 검출기(630), 광신호 측정기(640)로 이루어진다.
이와 같이 구성된 본 발명의 분포 광섬유 센서 시스템에 있어서, 광원부(510)에서 출력되는 광은 스플리터(520)에 의해 제1 변조기(530) 및 제2 변조기(550)로 분배되어 입력된다.
상기 광원부(510)에서 출력되는 광은 제1 변조기(530) 및 펄스 발생기(540)를 통해 펌핑 펄스 광으로 변조되고, 제2 변조기(550) 및 RF 신호 발생기(560)를 통해 프로브 광으로 변조된다.
상기 제1 변조기(530) 및 펄스 발생기(540)에 의해 변조된 펌핑 펄스 광과 상기 제2 변조기(550) 및 RF 신호 발생기(560)에 의해 변조된 프로브 광은 결합기(570)에 의해 증폭기(580)로 전달되어 증폭된다.
상기 증폭기(580)에서 증폭된 펌핑 펄스 광과 프로브 광은 광섬유(Optical Fiber)로 전달되며, 상기 광섬유의 끝 단에 형성된 반사기(600)에 의해 반사되어 반대 방향으로 진행한다.
상기 광 순환기(590)는 광섬유에서 후방 산란되는 광을 광 필터부(610)로 전달하며, 광 필터부(610)는 상기 후방 산란되는 광 중에서 라만 산란 광과 브릴루앙 산란 광을 필터링 한다.
상기 광 필터부(610)에 의해 필터링 된 라만 산란 광과 브릴루앙 산란 광은 각각 제1 광 검출기(620) 및 제2 광 검출기(630)에 의해 검출된다.
상기 광신호 측정기(640)는 상기 검출된 라만 산란 광의 데이터로부터 거리별 온도 변화를 측정하게 되고, 상기 검출된 브릴루앙 산란 광의 데이터로부터 거리별 온도 및 변형률의 변화를 측정하게 되며, 이러한 정보를 토대로 거리별 온도 변화와 거리별 변형률의 변화를 각각 측정하게 된다.
본 실시예에서는, 한 개의 광원부(510)를 이용하여 펌핑 펄스 광과 프로브 광을 발생시키는데, 이를 위해 스플리터(520)를 통해 광원부(510)에서 출력된 광을 제1 변조기(530)와 제2 변조기(550)로 분배하여 펌핑 펄스 광과 프로브 광으로 변조한다.
그리고, 본 실시예에 의하면 펌핑 펄스 광과 프로브 광이 동일한 방향에서 광섬유로 전송되므로, 광섬유의 끝 단에 반사기(600)를 형성하여 프로브 광이 상기 반사기(600)에서 반사되어 반대 방향으로 진행하도록 함으로써, 펌핑 펄스 광의 중심 주파수 천이 여부를 확인할 수 있도록 한다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으 나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면 광 필터부를 이용하여 감지 광섬유에서 발생하는 후방 산란 광에서 라만 산란 광과 브릴루앙 산란 광을 각각 분리하고, 상기 광 필터부에서 분리된 라만 산란 광 및 브릴루앙 산란 광을 각각 A/D 변환하며, 변환된 데이터를 이용하여 상기 감지 광섬유의 거리에 따른 온도 변화 및 변형률 변화를 각각 분리하여 측정할 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면 감지 광섬유의 거리에 따른 온도 변화를 측정하는 센서와 변형률 변화를 측정하는 센서를 따로 둘 필요 없이, 한 개의 센서 시스템으로 감지 광섬유의 거리에 따른 온도 변화 및 변형률의 변화를 각각 분리하여 측정할 수 있다.

Claims (9)

  1. 제1 광원부에서 출력하는 광을 펌핑 펄스 광(Pumping Pulse Light)으로 변조하여 감지 광섬유의 일단으로 전송하는 제1 광 변조부;
    제2 광원부에서 출력하는 광을 프로브 광(Probe Light)으로 변조하여 상기 감지 광섬유의 타단으로 전송하는 제2 광 변조부;
    상기 감지 광섬유에서 발생되는 후방 산란 광을 분기하는 광 순환기;
    상기 광 순환기에서 분기된 후방 산란 광 중에서 라만 산란 광과 브릴루앙 산란 광을 각각 필터링하는 광 필터부; 및
    상기 광 필터부에서 필터링 된 라만 산란 광 및 브릴루앙 산란 광을 각각 A/D 변환하고, 변환된 데이터를 이용하여 상기 감지 광섬유의 거리에 따른 온도 변화 및 변형률 변화를 각각 분리 측정하는 물리량 변화 측정부를 포함하여 이루어지는 분포 광섬유 센서 시스템.
  2. 광원부에서 출력하는 광을 펌핑 펄스 광으로 변조하여 감지 광섬유로 전송하는 광 변조부;
    상기 감지 광섬유에서 발생되는 후방 산란 광을 분기하는 광 순환기;
    상기 광 순환기에서 분기된 후방 산란 광 중에서 라만 산란 광과 브릴루앙 산란 광을 필터링하는 광 필터부; 및
    상기 광 필터부에서 필터링 된 라만 산란 광 및 브릴루앙 산란 광을 각각 A/D 변환하고, 변환된 데이터를 이용하여 상기 감지 광섬유의 거리에 따른 온도 변화 및 변형률 변화를 각각 분리 측정하는 물리량 변화 측정부를 포함하여 이루어지는 분포 광섬유 센서 시스템.
  3. 광원부에서 출력하는 광을 분기하는 스플리터(Splitter);
    상기 스플리터에서 분기된 광을 펌핑 펄스 광으로 변조하는 제1 광 변조부;
    상기 스플리터에서 분기된 광을 프로브 광으로 변조하는 제2 광 변조부;
    상기 펌핑 펄스 광 및 상기 프로브 광을 증폭시켜 감지 광섬유로 전송하는 증폭기;
    상기 감지 광섬유의 끝 단에 형성되어 상기 프로브 광을 반사시키는 반사기;
    상기 감지 광섬유에서 발생되는 후방 산란 광을 분기하는 광 순환기;
    상기 광 순환기에서 분기된 후방 산란 광 중에서 라만 산란 광과 브릴루앙 산란 광을 각각 필터링하는 광 필터부; 및
    상기 광 필터부에서 필터링 된 라만 산란 광 및 브릴루앙 산란 광을 각각 A/D 변환하고, 변환된 데이터를 이용하여 상기 감지 광섬유의 거리에 따른 온도 변화 및 변형률 변화를 각각 분리 측정하는 물리량 변화 측정부를 포함하여 이루어지는 분포 광섬유 센서 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 광 필터부는,
    상기 광 순환기에서 분기된 후방 산란 광 중에서 라만 산란 광만을 투과시키는 라만 투과 필터;
    상기 광 순환기에서 분기된 후방 산란 광 중에서 브릴루앙 산란 광만을 투과시키는 브릴루앙 투과 필터; 및
    상기 광 순환기에서 분기된 후방 산란 광을 상기 라만 투과 필터 및 브릴루앙 투과 필터로 각각 분기하는 스플리터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 분포 광섬유 센서 시스템.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 물리량 변화 측정부는,
    상기 광 필터부에서 필터링 된 라만 산란 광을 검출하고 A/D 변환하여 출력하는 제1 광 검출기;
    상기 광 필터부에서 필터링 된 브릴루앙 산란 광을 검출하고 A/D 변환하여 출력하는 제2 광 검출기; 및
    상기 제1 광 검출기에서 출력된 데이터에서 상기 감지 광섬유의 거리에 따른 온도 변화를 측정하고, 상기 제2 광 검출기에서 출력된 데이터에서 상기 감지 광섬유의 거리에 따른 온도 및 변형률 변화를 측정하며, 상기 측정된 데이터를 이용하여 상기 감지 광섬유의 거리에 따른 온도 변화 및 변형률 변화를 각각 분리하여 출력하는 광신호 측정기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 분포 광섬유 센서 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광 변조부는,
    펌핑 펄스를 발생하는 펄스 발생기;
    상기 펄스 발생기를 이용하여 상기 제1 광원부에서 출력되는 광을 펌핑 펄스 광으로 변조하는 제1 변조기;
    상기 제1 변조기에서 변조된 펌핑 펄스 광을 증폭시키는 증폭기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 분포 광섬유 센서 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 광 변조부는,
    기 설정된 주파수 범위의 최초 주파수부터 최종 주파수까지 일정 주파수 단위로 RF 신호를 발생하는 RF 신호 발생기; 및
    RF 신호 발생기를 이용하여 상기 제2 광원부에서 출력되는 광을 프로브 광으로 변조시키는 제2 변조기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 분포 광섬유 센서 시스템.
  9. 삭제
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