KR101358942B1 - Distributed optical fiber sensor and method for resolution enhancement in distributed optical fiber sensor - Google Patents

Distributed optical fiber sensor and method for resolution enhancement in distributed optical fiber sensor Download PDF

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Abstract

The present invention may include an optical modulation unit which produces first and second optical signals including a sideband signal by diffracting light from light sources, which modulates the second optical signal using a modulation signal, and which applies the first optical signal and the modulated second signal to both ends of test optical fiber; and an optical detection unit optically connected to the test optical fiber to detect Brillouin scattering light produced by the first and second optical signals. At this moment, the modulation signal has first and second sections alternating with each other according to a first frequency. The first section may be a sinusoidal signal having a second frequency. [Reference numerals] (210) Optical splitter; (225) Signal generator; (530) Phase locking amplifier

Description

분포형 광섬유 센서 및 분포형 광섬유 센서의 공간 분해능 향상 방법{DISTRIBUTED OPTICAL FIBER SENSOR AND METHOD FOR RESOLUTION ENHANCEMENT IN DISTRIBUTED OPTICAL FIBER SENSOR}DISTRIBUTED OPTICAL FIBER SENSOR AND METHOD FOR RESOLUTION ENHANCEMENT IN DISTRIBUTED OPTICAL FIBER SENSOR}

실시예들은 분포형 광섬유 센서(distributed optical fiber sensor) 및 이의 공간 분해능 향상 방법에 대한 것으로서, 보다 구체적으로는 브릴루앙 광학적 공간영역 해석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis) 방식의 분포형 광섬유 센서의 공간 분해능을 향상시키기 위한 방법에 대한 것이다. Embodiments relate to a distributed optical fiber sensor and a method of improving spatial resolution thereof, and more specifically, to a spatial resolution of a distributed optical fiber sensor using a Brillouin Optical Correlation Domain Analysis. It is about how to improve.

일반적으로 광섬유는 외부 환경, 예컨대, 온도나 응력 등과 같은 외부 물리량의 변화로 인한 광섬유 자체의 고유 특성의 변화가 민감하여 센서로 이용할 수 있다. 또한, 광섬유 자체의 특성상 외부 전자기파에 둔감하고 유해한 환경, 예컨대, 가스나 용액 등에 강하고 가볍고 유연하며 소형화가 가능하다. 이러한 장점들 때문에 광섬유는 포설이 용이하고 구조물에 장착하기 쉬운 구조로 되어 있어 센서용으로 매우 적합하다. Generally, the optical fiber is sensitive to changes in the intrinsic characteristics of the optical fiber itself due to changes in the external environment, for example, external physical quantities such as temperature or stress, so that the optical fiber can be used as a sensor. In addition, due to the nature of the optical fiber itself, it is insensitive to external electromagnetic waves and is resistant to harmful environments such as gas and solution, and is light, flexible, and compact. Because of these advantages, the optical fiber is very suitable for the sensor because it is easy to install and easy to install on the structure.

광섬유 센서로는 광섬유 내의 코어의 굴절율을 변화시켜 제작한 광격자 센서가 있으나, 이는 격자가 새겨진 부분만 센서의 역할을 하기 때문에 분포형 광섬유 센서에 비해 상대적으로 취약하다. 또 다른 방식으로는 간섭형, 파장형, 및 산란형 센서가 있다. 이중 산란형 센서는 펼스 광원 또는 연속파(Continuous Wave) 광원을 사용하여, 광섬유에 작용하는 물리량에 따른 광섬유 내부의 후방 산란광을 측정함으로써 장거리 센싱이 가능하다. Fiber optic sensors are optical grating sensors fabricated by changing the refractive index of cores in optical fibers, but they are relatively weaker than distributed optical fiber sensors because only the portions engraved with gratings act as sensors. Other methods include interference, wavelength, and scattering type sensors. The dual scattering type sensor can detect long distance by measuring the back scattering light inside the optical fiber according to the physical quantity acting on the optical fiber by using a light source of a continuous wave or a continuous wave.

이러한 산란형 센서로는 레일레이(Rayleigh) 산란형 광섬유 센서, 라만(Raman) 산란형 광섬유 센서, 브릴루앙(Brillouin) 산란형 광섬유 센서 등이 있다. 레일레이 산란형 광섬유 센서는 펄스광이 광섬유 내부를 진행하는 중 광섬유의 밀도의 불균일 분포에 기인하여 발생하는 산란광을 측정하는 센서로, 펄스광의 세기에 비례하는 후방 산란광을 얻을 수 있다. 그러나, 레일레이 산란형 광섬유 센서는 외부의 온도 또는 변형률 변화에 민감하지 못하며, 특수한 광섬유의 굽힘이 발생하는 경우에만 사용할 수 있다. 라만 산란형 광섬유 센서와 브릴루앙 산란형 광섬유 센서는 모두 비선형 광산란을 이용하는 센서이다. 일 예로, 공개특허공보 제10-2009-0001405호는 감지 광섬유에서 발생하는 후방 산란광 중 라만 산란광과 브릴루앙 산란광을 측정하는 분포 광섬유 센서 시스템을 개시한다. Such scattering type sensors include Rayleigh scattering type optical fiber sensor, Raman scattering type optical fiber sensor, and Brillouin scattering type optical fiber sensor. The Rayleigh scattering type optical fiber sensor measures the scattered light generated due to the nonuniform distribution of the density of the optical fiber while the pulse light travels inside the optical fiber, and the back scattering light proportional to the intensity of the pulse light can be obtained. However, the Rayleigh scattering type optical fiber sensor is not sensitive to changes in external temperature or strain, and can be used only when special optical fiber bending occurs. The Raman scattering type optical fiber sensor and the Brillouin scattering type optical fiber sensor are both sensors using nonlinear light scattering. For example, Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. 10-2009-0001405 discloses a distributed optical fiber sensor system for measuring Raman scattered light and Brillouin scattered light among back scattered light generated in a sensing optical fiber.

라만 산란은 광섬유 내에서 빛이 전달될 때 분자 진동에 의하여 후방 산란 신호가 발생하는 현상을 지칭한다. 이때, 분자의 진동은 열적인 변화에 의해서만 변화하므로, 라만 산란형 광섬유 센서는 대부분 온도 센서로 사용되고 있다. 브릴루앙 산란형 광섬유 센서는, 외부에서 작용하는 온도 또는 응력 등에 따라 광섬유 고유의 브릴루앙 주파수 값이 변화하는데, 이러한 브릴루앙 주파수의 변화량을 구하여 외부 물리량 변화를 측정하는 센서이다. 광섬유 내에 발생하는 브릴루앙 산란은 빛이 광섬유 내에 진행할 때 음파와 결합하여 후방 산란 신호를 만드는 현상을 지칭하는데, 이러한 후방 산란 신호는 광섬유가 위치한 환경에 비례하므로 이를 이용하여 온도 및/또는 응력의 변화량을 측정할 수 있다.Raman scattering refers to a phenomenon in which a backscattering signal is generated by molecular vibration when light is transmitted in an optical fiber. At this time, since the vibration of the molecule changes only by thermal change, the Raman scattering type optical fiber sensor is mostly used as a temperature sensor. The Brillouin scattering optical fiber sensor changes the Brillouin frequency value inherent to the optical fiber according to an external temperature or stress. The Brillouin scattering optical fiber sensor measures a change in the Brillouin frequency and measures a change in the external physical quantity. Brillouin scattering in an optical fiber refers to a phenomenon in which light travels in an optical fiber and combines with sound waves to produce a backscattered signal. Since the backscattered signal is proportional to the environment in which the optical fiber is located, it is used to change the temperature and / or stress. Can be measured.

브릴루앙 산란을 이용한 분포형 광섬유 센서의 종류로는 브릴루앙 광학적 시간영역 반사율 측정(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry; BOTDR) 방식, 브릴루앙 광학적 시간영역 분석(Brillouin Optical Time Domain Analysis; BOTDA) 방식, 및 브릴루앙 광학적 공간영역 해석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis; BOCDA) 방식 등이 있다. 이중 BOTDR 방식과 BOTDA 방식은 펼스 형태의 광원을 이용하여 브릴루앙 산란광을 관찰하는 방식으로, 장거리 센싱에 용이하지만 분해능이 제한되는 단점이 있다. Examples of distributed optical fiber sensors using Brillouin scattering include Brillouin Optical Time Domain Reflectometry (BOTDR), Brillouin Optical Time Domain Analysis (BOTDA) And Brillouin Optical Correlation Domain Analysis (BOCDA). The BOTDR method and the BOTDA method are methods of observing Brillouin scattering light using a light source of a fixed form, which is easy to detect over a long distance but has a disadvantage that the resolution is limited.

이에 반해, BOCDA 방식은 공간 선택적으로 유도 브릴루앙 산란을 발생시켜 특정 지점에서만 물리적인 변화를 측정할 수 있으며, BOTDR방식이나 BOTDA 방식과 비교하면 장거리 계측은 어려우나 분해능은 개선된다.　그러나, BOCDA 방식의 분포형 광섬유 센서는 브릴루앙 이득 스펙트럼 상관점 주변에서 로컬 비트 스펙트럼(local beat spectrum)과의 컨볼루션(convolution)으로 인한 잡음 성분을 포함하게 되어 선폭이 넓어지는 문제점이 있으며, 이러한 현상은 센서의 측정 동적 범위와 공간 분해능을 제한하게 된다. In contrast, the BOCDA method generates spatially selective induced Brillouin scattering to measure physical changes only at specific points, and compared to the BOTDR or BOTDA methods, long distance measurement is difficult, but the resolution is improved. However, the BOCDA-type distributed optical fiber sensor includes a noise component due to convolution with a local beat spectrum around a Brillouin gain spectrum correlation point, and thus has a problem in that the line width is widened. The phenomenon limits the sensor's measurement dynamic range and spatial resolution.

공개특허공보 제10-2009-0001405호Published patent publication No. 10-2009-0001405

본 발명의 일 측면에 따르면, 브릴루앙 광학적 공간영역 해석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis) 방식을 이용하여 물리적인 변형 및 온도 등을 측정할 수 있으며, 브릴루앙 이득 스펙트럼이 상관점 주변에서 잡음 성분을 포함하게 되어 선폭이 넓어지는 문제를 해결하고 공간 분해능을 향상시킬 수 있는 분포형 광섬유 센서 및 이의 공간 분해능 향상 방법을 제공할 수 있다.According to an aspect of the present invention, physical deformation and temperature may be measured using the Brillouin Optical Correlation Domain Analysis, and the Brillouin gain spectrum includes a noise component around a correlation point. Therefore, it is possible to provide a distributed optical fiber sensor and a method of improving the spatial resolution thereof, which can solve the problem of widening the line width and improve the spatial resolution.

일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서는, 광원에 의해 출력된 광을 분할하여, 측대역 신호를 포함하는 제1 광신호, 및 제2 광신호를 생성하고, 상기 제2 광신호를 변조 신호를 이용하여 변조하며, 시험 광섬유의 양단에 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호를 각각 인가하는 광변조부; 및 상기 시험 광섬유에 광학적으로 연결되어, 상기 시험 광섬유에서 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호에 의하여 생성된 브릴루앙 산란광을 검출하는 광검출부를 포함할 수 있다. 이때, 상기 변조 신호는 제1 구간 및 제2 구간이 제1 주파수에 따라 교대로 반복 배치되어 이루어지며, 상기 제1 구간은 제2 주파수를 갖는 정현파 신호일 수 있다. The distributed optical fiber sensor according to an embodiment divides light output by a light source to generate a first optical signal including a sideband signal, and a second optical signal, and modulates the second optical signal into a modulated signal. An optical modulator for modulating the first optical signal and the second optical signal at both ends of a test optical fiber; And a photo detector optically connected to the test optical fiber to detect Brillouin scattered light generated by the first optical signal and the second optical signal in the test optical fiber. In this case, the modulated signal may be formed by alternately repeating the first section and the second section according to a first frequency, and the first section may be a sinusoidal signal having a second frequency.

일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서의 공간 분해능 향상 방법은, 광원에 의해 출력된 광을 분할하여, 측대역 신호를 포함하는 제1 광신호, 및 제2 광신호를 생성하는 단계; 제1 구간 및 제2 구간이 제1 주파수에 따라 교대로 반복 배치되어 이루어지며 상기 제1 구간은 제2 주파수를 갖는 정현파 신호인 변조 신호를 이용하여 상기 제2 광신호를 변조하는 단계; 상기 제1 광신호 및 변조된 상기 제2 광신호를 각각 상기 시험 광섬유의 양단에 인가하는 단계; 및 상기 시험 광섬유에서 상기 제1 광신호 및 변조된 상기 제2 광신호에 의하여 생성된 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.According to one or more exemplary embodiments, a method of improving spatial resolution of a distributed optical fiber sensor may include: generating a first optical signal including a sideband signal, and a second optical signal by dividing light output by a light source; Modulating the second optical signal by using a first signal and a second period repeatedly arranged alternately according to a first frequency, wherein the first period is a sine wave signal having a second frequency; Applying the first optical signal and the modulated second optical signal to both ends of the test optical fiber, respectively; And detecting Brillouin scattered light generated by the first optical signal and the modulated second optical signal in the test optical fiber.

본 발명의 일 측면에 따른 분포형 광섬유 센서 및 이의 공간 분해능 항샹 방법에 의하면, 브릴루앙 광학적 공간영역 해석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis) 방식을 이용하여 대형 건축물, 교량, 항공기, 열차 등의 물리적인 변형 및 온도를 측정할 수 있다. 또한, 브릴루앙 산란광을 검출하기 위한 위상잠금(lock-in) 신호에 추가적인 변조를 수행함으로써, 좁은 선폭의 브릴루앙 이득 스펙트럼을 얻을 수 있어 공간 분해능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.According to the distributed optical fiber sensor and its spatial resolution enhancement method according to an aspect of the present invention, physical deformation of a large building, bridge, aircraft, train, etc. using Brillouin Optical Correlation Domain Analysis And temperature can be measured. In addition, by performing additional modulation on a phase lock-in signal for detecting Brillouin scattered light, a Brillouin gain spectrum having a narrow line width can be obtained, thereby improving spatial resolution.

도 1은 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서의 개략도이다.
도 2a 내지 2c는 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서에서 선폭이 좁아진 브릴루앙 이득 스펙트럼을 얻는 원리를 나타내는 그래프들이다.
도 3a는 종래의 분포형 광섬유 센서에서 위상잠금(lock-in) 신호를 얻기 위하여 사용된 초핑(chopping) 신호의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 3b는 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서에서 사용되는 변조 신호의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 3c는 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서에서 도 3b의 변조 신호를 이용하여 얻어지는 출력 신호를 나타낸 그래프이다.
도 4는 시험 광섬유의 예시적인 구성을 나타내는 개략도이다.
도 5a 내지 5d는 도 4에 도시된 시험 광섬유를 이용하여 종래의 분포형 광섬유 센서로부터 출력되는 브릴루앙 이득 스펙트럼을 나타내는 그래프들이다.
도 6a 내지 6d는 도 4에 도시된 시험 광섬유를 이용하여 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서로부터 출력되는 브릴루앙 이득 스펙트럼을 나타내는 그래프들이다.1 is a schematic diagram of a distributed optical fiber sensor according to one embodiment.
2A to 2C are graphs illustrating a principle of obtaining a Brillouin gain spectrum having a narrow line width in a distributed optical fiber sensor according to an exemplary embodiment.
3A is a graph showing waveforms of a chopping signal used to obtain a phase lock-in signal in a conventional distributed optical fiber sensor.
3B is a graph illustrating waveforms of modulated signals used in a distributed optical fiber sensor according to an exemplary embodiment.
3C is a graph illustrating an output signal obtained by using the modulated signal of FIG. 3B in a distributed optical fiber sensor according to an exemplary embodiment.
4 is a schematic view showing an exemplary configuration of a test optical fiber.
5A to 5D are graphs showing Brillouin gain spectra output from a conventional distributed optical fiber sensor using the test optical fiber shown in FIG. 4.
6A through 6D are graphs illustrating Brillouin gain spectra output from a distributed optical fiber sensor according to an exemplary embodiment using the test optical fiber illustrated in FIG. 4.

이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

브릴루앙 광학적 공간영역 해석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis) 방식의 분포형 광섬유 센서(distributed optical fiber sensor)에서는, 시험 광섬유 내에서 서로 반대 방향으로 진행하는 펌프(pump)광 및 프로브(probe)광의 주파수 차이가 광섬유 고유의 브릴루앙 천이 주파수와 일치하거나 이에 근접하게 되면, 광섬유의 전 구간에 걸쳐 유도 브릴루앙 산란 증폭이 일어나 프로브광의 세기가 증폭된다. In the distributed optical fiber sensor of the Brillouin Optical Correlation Domain Analysis, the frequency difference between the pump light and the probe light traveling in opposite directions in the test fiber When is coincident with or close to the intrinsic Brillouin transition frequency, induced Brillouin scattering amplification occurs over the entire section of the optical fiber to amplify the intensity of the probe light.

이때, 펌프광과 프로브광의 주파수가 공간적으로 사인(sin) 파형을 갖도록 광신호를 변조함으로써, 시험 광섬유 내의 특정 위치에서만 선택적으로 브릴루앙 산란 신호를 얻을 수 있다. 측정 지점은 펌프광과 프로브광을 생성하기 위한 레이저 광의 변조 주파수에 기초하여 결정될 수 있다. 펌프광과 프로브광 사이의 오프셋(offset) 주파수를 변화시키면서 브릴루앙 이득 스펙트럼을 측정할 수 있다. 시험 광섬유의 브릴루앙 천이 주파수는 외부에서 작용하는 온도 또는 응력 등 물리적인 특성에 의존하므로, 브릴루앙 이득 스펙트럼이 최대값을 갖는 주파수를 이용하여 시험 광섬유의 물리적인 특성 변화를 측정할 수 있다.At this time, by modulating the optical signal so that the frequency of the pump light and the probe light spatially has a sin waveform, it is possible to selectively obtain a Brillouin scattering signal only at a specific position in the test optical fiber. The measurement point can be determined based on the modulation frequency of the laser light to generate the pump light and the probe light. The Brillouin gain spectrum can be measured while varying the offset frequency between the pump light and the probe light. Since the Brillouin transition frequency of the test fiber depends on physical properties such as external temperature or stress, the frequency of the Brillouin gain spectrum having the maximum value can be used to measure the change in physical properties of the test fiber.

도 1은 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서를 나타내는 개략도이다. 1 is a schematic diagram illustrating a distributed optical fiber sensor according to an embodiment.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서는 광변조부(20) 및 광검출부(50)를 포함할 수 있다. 또한, 분포형 광섬유 센서는 광원부(10) 및/또는 시험 광섬유(30)를 더 포함할 수도 있다. 광원부(10)는 광변조부(20)에 광을 인가할 수 있다. 시험 광섬유(30)는 광변조부(20) 및 광검출부(50)에 광학적으로 연결되어, 광경로상에서 브릴루앙 산란을 이용하여 물리량의 변화를 측정하고자 하는 위치에 배치될 수 있다. Referring to FIG. 1, a distributed optical fiber sensor according to an embodiment may include an optical modulator 20 and a photodetector 50. Further, the distributed optical fiber sensor may further include the light source portion 10 and / or the test optical fiber 30. The light source unit 10 can apply light to the light modulation unit 20. The test optical fiber 30 may be optically connected to the optical modulator 20 and the optical detector 50 and disposed at a position where a change in physical quantity is to be measured using Brillouin scattering on the optical path.

광원부(10)는 분포형 광섬유 센서에 사용될 광을 공급하기 위한 장치이다. 일 실시예에서, 광원부(10)는 분포형 궤환 레이저 다이오드(Distrubuted Feed-Back Laser Diode; DFB LD)(110) 및 신호발생기(120)를 포함할 수 있다. 신호발생기(120)를 이용하여 DFB LD(110)에 대한 공급 전류를 변조함으로써, 소정의 변조 주파수(fm)를 갖는 정현파 형태로 변조되며 변조 신호의 크기가 △f인 광을 얻을 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 광원부(10)는 다른 상이한 방식의 레이저 발생 장치를 포함하여 구성될 수도 있다.The light source unit 10 is a device for supplying light to be used in a distributed optical fiber sensor. In one embodiment, the light source unit 10 may include a distributed feed-back laser diode (DFB LD) 110 and a signal generator 120. By modulating the supply current to the DFB LD 110 by using the signal generator 120, it is possible to obtain a light that is modulated in the form of a sine wave having a predetermined modulation frequency f m and whose modulation signal is Δf. However, this is exemplary, and in other embodiments, the light source unit 10 may be configured to include other different types of laser generating apparatuses.

광변조부(20)는 광원부(10)로부터 변조된 광을 인가받고, 이로부터 제1 광신호 및 제2 광신호를 생성하여 시험 광섬유(30)의 양단에 인가할 수 있다. 일 실시예에서, 광변조부(20)는 광분배기(210) 및 광변조기(220) 및 광변조기(280)를 포함할 수 있다. 광분배기(210)는 광원부(10)로부터 변조된 광을 수신하고, 수신된 광을 제1 광신호 및 제2 광신호를 생성하기 위한 두 광신호로 분기할 수 있다. 예컨대, 제1 광신호는 프로브광이며, 제2 광신호는 펌프광일 수 있다. The light modulator 20 may receive the modulated light from the light source unit 10, generate a first optical signal and a second optical signal from the light source unit 10, and apply the light to the both ends of the test optical fiber 30. In one embodiment, the light modulator 20 may include an optical splitter 210, an optical modulator 220, and an optical modulator 280. The optical splitter 210 may receive the modulated light from the light source unit 10 and split the received light into two optical signals for generating the first optical signal and the second optical signal. For example, the first optical signal may be probe light and the second optical signal may be pump light.

광변조기(220)는 광분배기(210)와 시험 광섬유(30)의 한쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결되어, 광분배기(210)로부터 인가된 광을 이용하여 측대역(sideband) 신호를 포함하는 제1 광신호를 생성할 수 있다. 제1 광변조기(220)는 신호발생기(225)로부터 신호를 수신하며, 기존의 주파수에서 신호발생기(225)로부터 수신된 오프셋(offset) 주파수(νB)만큼 주파수가 천이된 측대역 신호를 포함하도록 제1 광신호를 변조시킬 수 있다. 예컨대, 제1 광변조기(220)는 단측파대 변조기(single sideband modulator)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The optical modulator 220 is optically connected between the optical splitter 210 and one end of the test optical fiber 30 to include a first sideband signal using light applied from the optical splitter 210. An optical signal can be generated. The first optical modulator 220 receives a signal from the signal generator 225 and includes a sideband signal whose frequency is shifted by an offset frequency ν B received from the signal generator 225 at an existing frequency. The first optical signal may be modulated so as to be modulated. For example, the first optical modulator 220 may be a single sideband modulator, but is not limited thereto.

한편, 광분배기(210)에서 분기된 다른 광신호는 제2 광신호가 된다. 광변조기(280)는 광분배기(210)와 시험 광섬유(30)의 다른쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결되어, 광분배기(210)로부터 인가된 제2 광신호를 소정의 변조 신호에 따라 따라 변조할 수 있다. 제2 광변조기(280)는 신호발생기(285) 및 신호발생기(286)를 통해 변조 신호를 수신하며, 제2 광신호를 변조 신호에 따라 변조할 수 있다. 변조 신호에 대해서는 상세히 후술한다. 일 실시예에서, 제2 광변조기(280)는 위상 변조기(phase modulator)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. Meanwhile, another optical signal branched from the optical splitter 210 becomes a second optical signal. The optical modulator 280 is optically connected between the optical splitter 210 and the other end of the test optical fiber 30 to modulate the second optical signal applied from the optical splitter 210 according to a predetermined modulation signal. Can be. The second optical modulator 280 receives a modulated signal through the signal generator 285 and the signal generator 286, and modulates the second optical signal according to the modulated signal. The modulated signal will be described later in detail. In one embodiment, the second optical modulator 280 may be a phase modulator, but is not limited thereto.

이상과 같은 구성의 결과, 시험 광섬유(30) 내에서 제1 광신호 및 제2 광신호는 서로 반대 방향으로 진행된다. 이때, 제2 광신호는 주파수(ν0)를 중심으로 광원부(10)의 변조 주파수(fm)의 정현파로 광주파수 변조된 신호이며, 제1 광신호는 상기 주파수(ν0)로부터 오프셋 주파수(νB)만큼 하향천이된 주파수(ν0 - νB)를 중심으로 광원부(10)의 변조 주파수(fm)의 정현파로 광주파수 변조된 신호이다. 주파수(ν0) 및 오프셋 주파수(νB)의 값은 광섬유에 따라 다르며, 특정 수치에 한정되지 않는다. 한편 제 1광신호와 제 2광신호가 서로 반대방향으로 시험광섬유(30)에 입사되어 진행하면 광섬유내 특정위치(상관점)에서 두 광신호의 광주파수 차이가 시간에 무관하게 일정하게 된다. 이때 두 광신호의 광주파수 차이가 브릴루앙 천이주파수와 일치하는 경우 브릴루앙 이득이 항상 최대가 된다. 상기 상관점은 광섬유내 공간영역에서 주기적으로 분포하는데 이때 변조 주파수(fm)를 바꾸면 상관점의 위치를 조절할 수 있다. As a result of the above configuration, in the test optical fiber 30, the first optical signal and the second optical signal proceed in opposite directions to each other. In this case, the second optical signal is a signal that is optically frequency-modulated with a sine wave of the modulation frequency f m of the light source unit 10 around the frequency ν 0 , and the first optical signal is an offset frequency from the frequency ν 0 . an optical frequency-modulated signal to a sine wave of the modulation frequency (f m) of the center of the - (ν 0 ν B) a light source (10) (ν B) down-shifted frequency equal to the difference. The values of the frequency ν 0 and the offset frequency ν B depend on the optical fiber, and are not limited to specific values. On the other hand, when the first optical signal and the second optical signal is incident to the test optical fiber 30 in the opposite direction and proceeds, the optical frequency difference between the two optical signals at a specific position (correlation point) in the optical fiber becomes constant regardless of time. In this case, when the optical frequency difference of the two optical signals coincides with the Brillouin transition frequency, the Brillouin gain is always maximized. The correlation points are periodically distributed in the spatial region in the optical fiber, and the position of the correlation points can be adjusted by changing the modulation frequency f m .

일 실시예에서, 광변조부(20)는 시험 광섬유(30)와 광학적으로 연결되는 지연 광섬유(270)를 포함할 수 있다. 일반적인 브릴루앙 공간영역 해석 방식에서 상관점들은 변조 주파수(fm)를 바꾸어 위치를 조절할 수 있다. 하지만 전체 광 경로를 구성하는 광섬유의 정 중앙에서는 변조 주파수(fm)를 변경하여도 브릴루앙 이득 피크의 위치가 변하지 않으며, 광 섬유의 정 중앙을 기준으로 양쪽의 피크들의 위치가 변조 주파수(fm)에 따라 조절된다. 따라서, 지연 광섬유(270)가 없는 경우에는 상관점의 위치조절이 불가능한 피크가 시험 광섬유(30)의 중앙에 위치하게 된다. In one embodiment, the light modulator 20 may include a delayed optical fiber 270 optically connected to the test optical fiber 30. In the general Brillouin spatial domain analysis method, the correlation points can be adjusted by changing the modulation frequency f m . However, the position of the Brillouin gain peak does not change even if the modulation frequency f m is changed at the center of the optical fiber constituting the entire optical path. m ). Therefore, in the absence of the delayed optical fiber 270, the peak at which the position of the correlation point cannot be adjusted is positioned at the center of the test optical fiber 30.

이러한 이유 때문에 지연 광섬유(270)를 사용하며, 지연 광섬유(270)의 길이를 적절하게 조절함으로써 전체 광 경로의 정 중앙에서 양쪽에 있는 브릴루앙 이득 피크 중 어느 하나가 시험 광섬유(30)상에 위치하도록 할 수 있다. 또한, 지연 광섬유(270)는 광순환기(510)를 통해 시험 광섬유(30)에 광학적으로 연결되며, 제1 광신호는 광순환기(510)에 의하여 분기되어 지연 광섬유(270)에 입력되지 않으므로, 시험 광섬유(30)에서만 브릴루앙 산란광이 발생될 수 있다. 일 실시예에서, 지연 광섬유(270)는 시험 광섬유(30)와 동일한 재질로 이루어질 수도 있다. For this reason, the delayed fiber 270 is used, and by adjusting the length of the delayed fiber 270 properly, any one of the Brillouin gain peaks on both sides of the center of the entire optical path is located on the test fiber 30. You can do that. In addition, the delay optical fiber 270 is optically connected to the test optical fiber 30 through the optical circulator 510, since the first optical signal is branched by the optical circulator 510 and is not input to the delay optical fiber 270, Only Brillouin scattered light may be generated in the test optical fiber 30. In one embodiment, the delayed optical fiber 270 may be made of the same material as the test fiber 30.

또한 일 실시예에서, 광변조부(20)는 하나 이상의 편광조절기(240, 245)를 포함할 수도 있다. 예컨대, 광변조부(20)는 광분배기(210)와 제1 광변조기(220) 사이에 광학적으로 연결되는 편광조절기(240) 및 광분배기(210)와 제2 광변조기(280) 사이에 광학적으로 연결되는 편광조절기(245)를 포함할 수도 있다. 제1 광신호와 제2 광신호의 편광이 일치할 때 유도 브릴루앙 산란 증폭이 최대로 일어나므로, 하나 이상의 편광조절기를 이용하여 제1 광신호 및 제2 광신호의 편광을 동일하게 조절할 수 있다. Also, in one embodiment, the light modulator 20 may include one or more polarization controllers 240 and 245. For example, the optical modulator 20 is optically connected between the optical splitter 210 and the first optical modulator 220 and between the optical splitter 210 and the second optical modulator 280. It may include a polarization controller 245 connected to. Since the induced Brillouin scattering amplification occurs when the polarization of the first optical signal and the second optical signal coincide with each other, the polarization of the first optical signal and the second optical signal may be equally adjusted using one or more polarization controllers. .

또한 일 실시예에서, 광변조부(20)는 편광스위치(Polarization Switch; PSW)(230)를 포함할 수도 있다. 편광스위치(230)는 광변조기(220)와 시험 광섬유(30)사이에 광학적으로 연결되어, 제1 광신호의 편광을 주기적으로 변경할 수 있다. 예컨대, 편광스위치(230)는 신호발생기(235)로부터 신호를 수신하며, 수신된 신호에 따라 제1 광신호의 편광을 한 번은 0도, 다른 한번은 90도로 번갈아 회전시킬 수 있다. 전술한 0도 및 90도의 편광 각도는 단지 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 편광스위치(230)는 제1 광신호의 편광을 이와 상이한 다른 각도로 주기적으로 변경할 수도 있다. Also, in one embodiment, the light modulator 20 may include a polarization switch (PSW) 230. The polarization switch 230 may be optically connected between the optical modulator 220 and the test optical fiber 30 to periodically change the polarization of the first optical signal. For example, the polarization switch 230 receives a signal from the signal generator 235, and rotates the polarization of the first optical signal alternately at 0 degrees and once at 90 degrees according to the received signal. The above-described polarization angles of 0 degrees and 90 degrees are merely exemplary, and in other embodiments, the polarization switch 230 may periodically change the polarization of the first optical signal to another different angle.

제1 광신호와 제2 광신호의 편광일 일치할 때 유도 브릴루앙 산란 증폭이 일어나나, 제1 광신호 및/또는 제2 광신호의 편광은 시간 및 공간에 따라 변화할 수 있다. 따라서, 편광스위치(230)를 이용하여 제1 광신호의 편광을 변화시켜가면서 측정을 수행하고, 측정된 값의 평균값을 이용함으로써 편광 문제를 해결할 수 있다. Although the induced Brillouin scattering amplification occurs when the polarization of the first optical signal and the second optical signal coincide, the polarization of the first optical signal and / or the second optical signal may change with time and space. Accordingly, the polarization problem may be solved by changing the polarization of the first optical signal using the polarization switch 230 and using the average value of the measured values.

또한 일 실시예에서, 광변조부(20)는 하나 이상의 광증폭기(250, 255)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 광변조부(20)는 광변조기(220)와 시험 광섬유(30) 사이에 광학적으로 연결되는 광증폭기(250)를 포함할 수 있다. 또한, 광변조부(20)는 지연 광섬유(270)와 광순환기(510) 사이에 광학적으로 연결되는 광증폭기(255)를 포함할 수도 있다. 광증폭기(250) 및 광증폭기(255)는 각각 제1 광신호 및 제2 광신호의 크기를 증가시키는 역할을 할 수 있으며, 특히, 광증폭기(255)는 펌프 신호의 브릴루앙 산란 효과를 발생시키기 위하여 펌프 신호의 세기를 증폭시켜 브릴루앙 임계치 이상으로 만드는 역할을 한다. In addition, in one embodiment, the light modulator 20 may include one or more optical amplifiers 250 and 255. For example, the optical modulator 20 may include an optical amplifier 250 optically connected between the optical modulator 220 and the test optical fiber 30. In addition, the optical modulator 20 may include an optical amplifier 255 optically connected between the delayed optical fiber 270 and the optical circulator 510. The optical amplifier 250 and the optical amplifier 255 may serve to increase the magnitude of the first optical signal and the second optical signal, respectively. In particular, the optical amplifier 255 generates a Brillouin scattering effect of the pump signal. In order to achieve this, the signal amplifies the strength of the pump signal to be above the Brillouin threshold.

또한 일 실시예에서, 광변조부(20)는 광고립기(260)를 포함할 수도 있다. 광고립기(260)는 시험 광섬유(30)와 광변조기(220) 사이에 광학적으로 연결되어, 고출력의 제2 광신호가 지연 광섬유(270) 및 시험 광섬유(30)를 거쳐 광변조기(220)로 진행하는 것을 차단하는 역할을 할 수 있다. In addition, in one embodiment, the light modulator 20 may include an advertiser 260. The advertiser 260 is optically connected between the test optical fiber 30 and the optical modulator 220 so that a high power second optical signal passes through the delay optical fiber 270 and the test optical fiber 30 to the optical modulator 220. It can play a role in blocking things.

광검출부(50)는 시험 광섬유(30)에서 발생한 브릴루앙 산란광을 검출하기 위한 장치이다. 광검출부(50)는 광순환기(510), 포토다이오드(Photo Diode; PD)(520) 및 위상잠금 증폭기(Lock-in amplifier)(530)를 포함할 수 있다. 광순환기(510)는 시험 광섬유(30) 및 지연 광섬유(270) 사이에 광학적으로 연결되어, 시험 광섬유(30)에서 발생된 브릴루앙 산란광을 분기할 수 있다. PD(520)는 광순환기(510)에 의해 분기된 산란광을 수신하고 이를 전기 신호로 변환할 수 있다. The photodetector 50 is a device for detecting the Brillouin scattered light generated in the test optical fiber 30. The photodetector 50 may include a light circulator 510, a photodiode (PD) 520, and a lock-in amplifier 530. The optical circulator 510 may be optically connected between the test optical fiber 30 and the delay optical fiber 270 to branch the Brillouin scattered light generated by the test optical fiber 30. The PD 520 can receive the scattered light split by the optical circulator 510 and convert it into an electrical signal.

위상잠금 증폭기(530)는 변환된 전기 신호를 수신하고, 제2 광신호의 변조를 위하여 신호발생기(285)에서 발생된 기준 신호를 이용하여 브릴루앙 산란광을 단속적으로 검출할 수 있다. 위상잠금 증폭기(530)의 기능 및 이에 의해 검출되는 브릴루앙 이득 스펙트럼에 대해서는 상세히 후술한다. 위상잠금 증폭기(530)는 교류신호 채널(AC signal channel), 믹서(mixer), 직류 증폭기(DC amplifier) 및 저역통과 필터(low-pass filter) 등으로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The phase lock amplifier 530 may receive the converted electrical signal and intermittently detect the Brillouin scattered light by using the reference signal generated by the signal generator 285 to modulate the second optical signal. The function of the phase lock amplifier 530 and the Brillouin gain spectrum detected thereby will be described in detail later. The phase lock amplifier 530 may include an AC signal channel, a mixer, a DC amplifier, a low-pass filter, and the like, but is not limited thereto.

광검출부(50)는 데이터 수집부(data acquisition; DAQ)(540) 및 개인용 컴퓨터(Personal Computer; PC)(550)를 포함할 수도 있다. 위상잠금 증폭기(530)에서 출력된 직류 전압 신호를 DAQ(540) 및 PC(550)에서 수신하고, 수신된 신호를 브릴루앙 이득 스펙트럼의 형태로 변환하여 시험 광섬유(30)의 물리적인 변화를 측정할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서는 다른 상이한 하나 이상의 데이터 처리 수단을 이용하여 신호 처리 및 분석을 수행할 수도 있다. The light detector 50 may include a data acquisition (DAQ) 540 and a personal computer (PC) 550. The DC voltage signal output from the phase lock amplifier 530 is received by the DAQ 540 and the PC 550, and the received signal is converted into a Brillouin gain spectrum to measure the physical change of the test optical fiber 30. can do. However, this is exemplary and in other embodiments signal processing and analysis may be performed using one or more different data processing means.

이상과 같은 구성에 의하여, 시험 광섬유(30) 내에서는 제1 광신호 및 제2 광신호가 서로 반대 방향으로 진행하게 된다. 제1 광신호는 오프셋 주파수만큼 주파수가 천이된 측대역 신호를 포함하므로, 측대역 신호와 제2 광신호의 주파수 차이가 시험 광섬유(30) 고유의 브릴루앙 천이 주파수와 일치하거나 또는 이에 근접하도록 조절할 경우 시험 광섬유(30)에서 유도 브릴루앙 산란이 일어나 시험 광섬유(30)의 특정 구간에서 광신호가 증폭될 수 있다. 증폭된 광신호를 광검출부(50)에서 검출하여 브릴루앙 이득 스펙트럼을 구성할 수 있으며, 이를 이용하여 시험 광섬유(30)의 특정 지점에서 물리적인 특성 변화를 측정할 수 있다. With the above configuration, in the test optical fiber 30, the first optical signal and the second optical signal travel in opposite directions to each other. Since the first optical signal includes a sideband signal shifted in frequency by an offset frequency, the frequency difference between the sideband signal and the second optical signal is adjusted to match or approximate the Brillouin transition frequency inherent in the test fiber 30. In this case, induced Brillouin scattering may occur in the test optical fiber 30 so that an optical signal may be amplified in a specific section of the test optical fiber 30. The amplified optical signal may be detected by the photodetector 50 to form a Brillouin gain spectrum, and the change in physical characteristics may be measured at a specific point of the test optical fiber 30 using the optical signal.

도 2a 내지 2c는 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서에서 선폭이 좁아진 브릴루앙 이득 스펙트럼을 얻는 원리를 나타내는 그래프들이다. 2A to 2C are graphs illustrating a principle of obtaining a Brillouin gain spectrum having a narrow line width in a distributed optical fiber sensor according to an exemplary embodiment.

도 2a를 참조하면, 제2 광신호가 변조되지 않을 경우, 브릴루앙 산란에만 기인하는 브릴루앙 이득 신호(2001)는 도시된 것과 같은 형태를 가질 수 있다. 그러나, 시험 광섬유(Fiber Under Test; FUT)의 상관점 주변에서 발생하는 브릴루앙 이득 신호(2001)와 로컬 비트 스펙트럼(local beat spectrim)(2002)의 컨벌루션(convolution)으로 인하여, 실제로 시험 광섬유에서 검출되는 브릴루앙 이득 신호(2003)는 도시되는 것과 같이 잡음을 포함하는 넓은 선폭을 갖는다. Referring to FIG. 2A, when the second optical signal is not modulated, the Brillouin gain signal 2001 due to only Brillouin scattering may have a shape as shown. However, due to the convolution of the Brillouin gain signal 2001 and the local beat spectrum 2002 occurring around the correlation point of the fiber under test (FUT), it is actually detected in the test fiber. The Brillouin gain signal 2003, as shown, has a wide linewidth that includes noise as shown.

도 2b를 참조하면, 펌프광신호를 소정의 주파수(Ω)에 따라 변조하여, 기존 펌프광신호 주파수(ν0) 성분을 제거하거나 무시할 수 있을 정도로 작게 하고, 기존 펌프광신호 주파수(ν0)에서 상기 주파수(Ω)만큼 크거나 작은 첫 번째 측대역(sideband) 성분만 남게할 수 있다. 그 결과, 브릴루앙 이득 신호(2011)는 도시되는 것과 같은 형태가 된다. 예컨대, 주파수(Ω)가 5 Mhz이면 브릴루앙 이득 신호(2011)는 도 2a의 브릴루앙 이득 신호(2001)에서 양쪽으로 피크가 5 Mhz씩 이동한 형태를 갖는다. 또한, 브릴루앙 이득 신호(2011)와 로컬 비트 스펙트럼(2012)과의 컨벌루션 결과, 실제로 시험 광섬유에서 검출되는 브릴루앙 이득 신호(2013)는 도시되는 것과 같은 형태가 된다. Referring to Figure 2b, and modulates the pump signal at a predetermined frequency (Ω), and small enough to remove or ignore the existing pump signal frequency (ν 0) component, the frequency in the conventional pump-signal frequency (ν 0) Only the first sideband component, which is as large or small as (Ω), can be left. As a result, the Brillouin gain signal 2011 is shaped as shown. For example, when the frequency Ω is 5 Mhz, the Brillouin gain signal 2011 has a form in which peaks are shifted by 5 Mhz on both sides of the Brillouin gain signal 2001 of FIG. 2A. In addition, as a result of the convolution of the Brillouin gain signal 2011 and the local bit spectrum 2012, the Brillouin gain signal 2013 actually detected in the test optical fiber is shaped as shown.

도 2c를 참조하면, 본 발명의 실시예들에서는, 주파수가 변조된 펌프광신호를 이용하여 얻어지는 브릴루앙 이득 신호(2013)와 주파수가 변조되지 않은 펌프광신호를 이용하여 얻어지는 브릴루앙 이득 신호(2003)의 차이를 이용하여 잡음을 포함하지 않는 순수한 브릴루앙 이득에 대응되는 신호(2023)를 얻을 수 있다. 즉, 신호(2013)와 신호(2003)의 차이로 얻어지는 신호(2023)를 최종 신호로 할 수 있다. 최종 신호(2023)의 선폭은 펌프광신호를 변조하는 주파수(Ω)에 따라 결정될 수 있다. 예컨대, 주파수(Ω)가 1MHz라면 펌프광신호는 기존 피크에서 양쪽으로 각각 1MHz씩 천이한 위치에 피크를 가지므로, 이로부터 생성된 브릴루앙 이득 신호(2023)의 선폭은 대략 2MHz가 된다.Referring to FIG. 2C, in the embodiments of the present invention, a Brillouin gain signal 2013 obtained using a frequency modulated pump light signal and a Brillouin gain signal 2003 obtained using a frequency modulated pump light signal are shown. By using the difference, a signal 2023 corresponding to pure Brillouin gain without noise may be obtained. That is, the signal 2023 obtained by the difference between the signal 2013 and the signal 2003 can be used as the final signal. The line width of the final signal 2023 may be determined according to the frequency Ω that modulates the pump optical signal. For example, if the frequency Ω is 1 MHz, the pump optical signal has a peak at a position shifted by 1 MHz from both sides of the existing peak, so that the line width of the Brillouin gain signal 2023 generated therefrom is approximately 2 MHz.

도 2c에서 최종 신호(2023)는 브릴루앙 신호의 크기를 나타내기 위하여 출력 신호의 절대값으로 표시되었으나, 이는 예시적인 것으로서 신호의 출력값은 위상잠금 증폭기의 설정 등에 따라 도시된 것과 상이할 수 있다. In FIG. 2C, the final signal 2023 is represented as an absolute value of the output signal in order to indicate the magnitude of the Brillouin signal. However, the final signal 2023 may be different from that shown in accordance with the configuration of the phase lock amplifier.

이상의 원리를 이용한 실시예들에 따른 분포형 광섬유 센서가 이하에서 도 3a 내지 3c를 참조하여 더 설명된다. 설명의 편의를 위하여, 도 1에 도시된 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서를 참조하여 분포형 광섬유 센서의 동작에 대하여 설명한다. A distributed optical fiber sensor according to embodiments using the above principle is further described below with reference to FIGS. 3A-3C. For convenience of description, the operation of the distributed optical fiber sensor will be described with reference to the distributed optical fiber sensor according to the embodiment shown in FIG. 1.

도 3a는 종래의 분포형 광섬유 센서에서 위상잠금(lock-in) 신호를 얻기 위하여 사용된 초핑(chopping) 신호의 파형을 나타내는 그래프이다. 도 3a를 참조하면, 종래에는 광원의 제2 광신호(즉, 펌프광신호)를 소정의 주파수(fL)를 갖는 구형파 초핑 신호(3001)에 따라 초핑하다. 즉, 제2 광신호는 초핑 신호에 따라 온/오프 방식으로 세기가 변조되었다. 상기 초핑 신호의 주파수를 위상잠금 증폭기의 기준 주파수로 이용하여 브릴루앙 이득 신호를 검출하였다. 3A is a graph showing waveforms of a chopping signal used to obtain a phase lock-in signal in a conventional distributed optical fiber sensor. Referring to FIG. 3A, a second optical signal (ie, a pump optical signal) of a light source is conventionally chopped according to a square wave chopping signal 3001 having a predetermined frequency f L. That is, the intensity of the second optical signal is modulated in an on / off manner according to the chopping signal. The Brillouin gain signal was detected using the frequency of the chopping signal as the reference frequency of the phase lock amplifier.

도 3b는 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서에서 사용되는 진폭편이변조(Amplitude Shift Keying Modulation)를 위한 변조 신호(3002)의 파형을 나타내는 그래프이다. 본 실시예에 따른 변조 신호(3002)는, 제1 주파수(fL)에 따라 제1 구간(3021) 및 제2 구간(3022)으로 나누어 질 수 있으며, 제1 구간(3021) 은 특정한 정현파로 변조되어 지며 제2 구간(3022)은 변조가 안 이루어 진다. 즉, 제1 구간(3021)이 반복되는 주기(T)는 1/fL일 수 있다. 변조 신호(3002)의 제2 구간(3022)은 일정한 세기를 갖는 신호일 수 있다. 3B is a graph illustrating a waveform of a modulated signal 3002 for amplitude shift keying modulation used in a distributed optical fiber sensor, according to an exemplary embodiment. The modulated signal 3002 according to the present embodiment may be divided into a first section 3021 and a second section 3022 according to the first frequency f L , and the first section 3021 may be a specific sine wave. It is modulated and the second section 3022 is not modulated. That is, the period T in which the first section 3021 is repeated may be 1 / f L. The second period 3022 of the modulated signal 3002 may be a signal having a constant intensity.

변조 신호(3002)를 생성하기 위해, 광변조부(20)는 신호발생기(285) 를 포함할 수 있다. 신호발생기(285)는 제1 주파수를 갖는 기준 신호를 제공할 수 있다. 예를 들어, 신호발생기(285)에 의하여 제공되는 기준 신호는 도 3a에 도시된 초핑 신호(3001)와 동일 또는 유사한 파형을 갖는 구형파 신호일 수 있다. 또한 신호발생기(285)는, 제2 주파수를 갖는 정현파 신호를 제1 주파수의 기준 신호에 따라 진폭편이변조(Amplitude Shift Keying Modulation)하여 변조 신호(3002)를 생성할 수 있다. 이때, 제2 주파수는 제1 주파수보다 클 수 있다.To generate the modulated signal 3002, the light modulator 20 may include a signal generator 285. Signal generator 285 may provide a reference signal having a first frequency. For example, the reference signal provided by the signal generator 285 may be a square wave signal having the same or similar waveform as the chopping signal 3001 shown in FIG. 3A. In addition, the signal generator 285 may generate the modulated signal 3002 by performing amplitude shift keying modulation on the sine wave signal having the second frequency according to the reference signal of the first frequency. In this case, the second frequency may be greater than the first frequency.

신호발생기(285)는, 생성된 변조 신호(3002)를 광변조기(280)에 전달할 수 있다. 광변조기(280)는, 광원부(10)로부터 수신된 제2 광신호를 변조 신호(3002)에 따라 위상 변조하여 시험 광섬유(30)에 인가할 수 있다. 그러나, 광변조기(280)에 의한 변조 방식은 위상 변조에 한정되는 것은 아니며, 예컨대 다른 실시예에서 광변조기(280)는 세기 변조기(intensity modulator)로 구성될 수도 있다. The signal generator 285 may transmit the generated modulated signal 3002 to the optical modulator 280. The optical modulator 280 may phase modulate the second optical signal received from the light source unit 10 according to the modulation signal 3002, and apply the phase modulated signal to the test optical fiber 30. However, the modulation scheme by the optical modulator 280 is not limited to phase modulation. For example, the optical modulator 280 may be configured as an intensity modulator.

신호발생기(285)에 의해 생성된, 제1 주파수를 갖는 기준 신호는 광검출부(50)의 위상잠금 증폭기(530)에도 전달될 수 있다. 위상잠금 증폭기(530)는 제1 주파수에 위상잠금된 브릴루앙 산란광을 검출할 수 있다. 즉, 위상잠금 증폭기(530)는 제1 주파수를 기준 주파수로 하여 브릴루앙 산란광을 단속하여 검출함으로써 브릴루앙 이득 신호를 검출할 수 있다. The reference signal having the first frequency, generated by the signal generator 285, may also be transmitted to the phase lock amplifier 530 of the photodetector 50. The phase lock amplifier 530 may detect Brillouin scattered light phase locked to the first frequency. That is, the phase lock amplifier 530 may detect the Brillouin gain signal by intermittently detecting and detecting the Brillouin scattered light using the first frequency as the reference frequency.

도 3c는 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서의 광검출부에서 도 3b의 변조 신호를 이용하여 얻어지는 출력 신호를 나타낸 그래프이다. 도 3b를 참조하여 전술한 것과 같이, 제2 광신호를 변조하기 위한 변조 신호(3002)는 제2 주파수로 변조된 제1 구간(3021) 및 일정한 세기를 갖는 제2 구간(3022)을 포함한다. 그 결과, 제2 광신호를 펌프광신호로 하여 생성되는 브릴루앙 이득 신호는, 도 3c에 도시된 것과 같이 제1 브릴루앙 이득 신호(3031) 및 제2 브릴루앙 이득 신호(3032)를 포함할 수 있다. 제1 브릴루앙 이득 신호(3031)는 제1 구간(3021)에 의해 변조된 제2 광신호로부터 생성되는 신호이며, 제2 브릴루앙 이득 신호(3032)는 제2 구간(3032)에 의해 변조된 제2 광신호로부터 생성되는 신호이다. 3C is a graph illustrating an output signal obtained by using the modulation signal of FIG. 3B in the photodetector of the distributed optical fiber sensor, according to an exemplary embodiment. As described above with reference to FIG. 3B, the modulated signal 3002 for modulating the second optical signal includes a first section 3021 modulated at a second frequency and a second section 3022 having a constant intensity. . As a result, the Brillouin gain signal generated by using the second optical signal as the pump optical signal may include the first Brillouin gain signal 3031 and the second Brillouin gain signal 3032 as shown in FIG. 3C. have. The first Brillouin gain signal 3031 is a signal generated from the second optical signal modulated by the first interval 3021, and the second Brillouin gain signal 3032 is modulated by the second interval 3032. It is a signal generated from the second optical signal.

위상잠금 증폭기(530)는, 제1 브릴루앙 이득 신호(3031)와 제2 브릴루앙 이득 신호(3032)의 차이를 이용하여, 잡음을 제거 및/또는 감소시키고 순수한 브릴루앙 이득에만 대응되는 최종 브릴루앙 이득 신호(3033)를 검출할 수 있다. 예컨대, 위상잠금 증폭기(530)는 제1 브릴루앙 이득 신호(3031)와 제2 브릴루앙 이득 신호(3032)의 차이에 해당하는 신호를 최종 신호(3033)로 출력할 수 있다. 이때 신호(3023)의 선폭은 제2 주파수를 바꿈으로써 변화시킬 수 있다. 예를 들어 제2 주파수가 1MHz라면 변조 신호의 제1 구간에 의해 변조된 제2 광신호는 기존 피크에서 양쪽으로 각각 1MHz씩 천이한 위치에 피크를 가지므로, 이로부터 생성된 최종 브릴루앙 이득 신호(3023)의 선폭은 대략 2MHz가 된다. The phase lock amplifier 530 uses the difference between the first Brillouin gain signal 3031 and the second Brillouin gain signal 3032 to remove and / or reduce noise and to make the final brill corresponding to pure Brillouin gain only. The luang gain signal 3033 may be detected. For example, the phase lock amplifier 530 may output a signal corresponding to the difference between the first Brillouin gain signal 3031 and the second Brillouin gain signal 3032 as the final signal 3033. In this case, the line width of the signal 3023 may be changed by changing the second frequency. For example, if the second frequency is 1 MHz, the second optical signal modulated by the first section of the modulated signal has a peak at a position shifted by 1 MHz from both sides of the existing peak, and thus the final Brillouin gain signal generated therefrom. The line width of 3023 is approximately 2 MHz.

도 4는 시험 광섬유의 예시적인 구성을 나타내는 개략도이다. 4 is a schematic view showing an exemplary configuration of a test optical fiber.

도 4를 참조하면, 시험 광섬유(30)는 약 50m 길이의 단일 모드 광섬유(Single Mode Fiber; SMF)에 총 8 구간의 분산 편이 광섬유(Dispersion Shifted Fiber; DSF)를 각각 약 15cm, 약 12cm, 약 10cm, 약 5cm, 약 3cm, 약 2.5cm, 약 2cm 및 약 1cm의 길이로 융착 접속하여 구성되었다. 8개의 DSF는 광고립기(260)의 위치를 원점으로 하여 각각 약 8.0m, 약 9.1m, 약 10.2m, 약 11.3m, 약 12.3m, 약 13.1m, 약 14.1m 및 약 15.1m의 위치에 DSF의 중앙이 위치하도록 배치되었다. 이때, 광원부의 변조 주파수(fm)는 약 1.9MHz이며 변조 신호의 크기 △f는 약 4GHz이었다. 시험 광섬유(30)의 측정 구간의 총 길이는 약 50m이며 공간 분해능은 10cm로 설정되었다. Referring to FIG. 4, the test optical fiber 30 has 8 division dispersion shifted fibers (DSFs) of about 15 cm, about 12 cm, and about 50 m of single mode fiber (SMF). It was constructed by fusion splicing in lengths of 10 cm, about 5 cm, about 3 cm, about 2.5 cm, about 2 cm and about 1 cm. The eight DSFs are located at positions of about 8.0m, about 9.1m, about 10.2m, about 11.3m, about 12.3m, about 13.1m, about 14.1m, and about 15.1m, respectively, based on the position of the advertiser 260. The center of the DSF was positioned. At this time, the modulation frequency f m of the light source unit was about 1.9 MHz and the magnitude Δf of the modulated signal was about 4 GHz. The total length of the measurement section of the test optical fiber 30 was about 50 m and the spatial resolution was set to 10 cm.

그러나 전술한 시험 광섬유의 구성은 단지 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 시험 광섬유는 다른 상이한 구성을 가질 수도 있다. However, the above-described configuration of the test optical fiber is merely exemplary, and in other embodiments, the test optical fiber may have other different configurations.

도 5a 내지 5d는 도 4에 도시된 시험 광섬유를 이용하여 종래의 분포형 광섬유 센서로부터 출력되는 브릴루앙 이득 스펙트럼을 나타내는 그래프들이다. 5A to 5D are graphs showing Brillouin gain spectra output from a conventional distributed optical fiber sensor using the test optical fiber shown in FIG. 4.

도 5a는 주파수 오프셋 및 위치에 따른 브릴루앙 이득 스펙트럼을 나타낸다. 도 5b는 약 9m 위치(약 12cm 길이의 DSF)에서의 브릴루앙 이득 스펙트럼의 신호 및 잡음을 나타내고, 도 5c는 약 8m 위치(약 15cm 길이의 DSF)에서의 브릴루앙 이득 스펙트럼의 신호 및 잡음을 나타낸다. 또한, 도 5d는 위치에 따른 주파수 오프셋을 나타낸다. 도시되는 바와 같이, 종래의 분포형 광섬유 센서에서는 시험 광섬유 내의 DSF 길이가 약 15cm일때는 잡음이 신호보다 작아 측정이 가능하나, DSF 길이가 약 12cm일때는 잡음이 신호보다 커 측정이 어려워지는 것을 확인할 수 있다. 5A shows the Brillouin gain spectrum according to frequency offset and position. FIG. 5B shows the signal and noise of the Brillouin gain spectrum at about 9 m position (DSF about 12 cm long), and FIG. 5C shows the signal and noise of the Brillouin gain spectrum at about 8 m position (DSF about 15 cm long). Indicates. 5D also shows the frequency offset according to the position. As shown, in the conventional distributed optical fiber sensor, when the DSF length in the test fiber is about 15 cm, the noise is smaller than the signal, and the measurement is possible. However, when the DSF length is about 12 cm, the noise is larger than the signal, making it difficult to measure. Can be.

한편, 도 6a 내지 6d는 도 4에 도시된 시험 광섬유를 이용하여 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서로부터 출력되는 브릴루앙 이득 스펙트럼을 나타내는 그래프들이다.6A to 6D are graphs illustrating Brillouin gain spectra output from a distributed optical fiber sensor according to an exemplary embodiment using the test optical fiber illustrated in FIG. 4.

도 6a는 주파수 오프셋 및 위치에 따른 브릴루앙 이득 스펙트럼을 나타낸다. 도 6b는 약 9.1m 위치(약 12cm 길이의 DSF)에서의 브릴루앙 이득 스펙트럼의 신호 및 잡음을 나타내고, 도 6c는 약 14m 위치(약 2cm 길이의 DSF)에서의 브릴루앙 이득 스펙트럼의 신호 및 잡음을 나타낸다. 또한, 도 6d는 위치에 따른 주파수 오프셋을 나타낸다. 도시되는 바와 같이, 펌프광신호의 변조 방식의 변화로 인하여 약 2cm 길이의 DSF까지도 측정이 가능한 것을 확인할 수 있다. 6A shows Brillouin gain spectrum according to frequency offset and position. FIG. 6B shows the signal and noise of the Brillouin gain spectrum at about 9.1 m position (about 12 cm long DSF), and FIG. 6C shows the signal and noise of the Brillouin gain spectrum at about 14 m position (about 2 cm long DSF). Indicates. 6D also shows the frequency offset according to the position. As shown, it can be seen that even a DSF of about 2 cm in length can be measured due to the change in the modulation scheme of the pump optical signal.

전술한 실시예들에 따른 분포형 광섬유 센서 및 이의 공간 분해능 항샹 방법에 의하면, 브릴루앙 광학적 공간영역 해석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis) 방식을 이용하여 대형 건축물, 교량, 항공기, 열차 등의 물리적인 변형 및 온도를 측정할 수 있다. 또한, 브릴루앙 산란광을 검출하기 위한 위상잠금 신호에 추가적인 위상 변조를 수행함으로써, 좁은 선폭의 브릴루앙 이득 스펙트럼을 얻을 수 있어 공간 분해능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.According to the distributed optical fiber sensor and its spatial resolution enhancement method according to the above embodiments, physical deformation of large buildings, bridges, aircrafts, trains, etc. using Brillouin Optical Correlation Domain Analysis And temperature can be measured. In addition, by performing an additional phase modulation on the phase lock signal for detecting the Brillouin scattered light, a Brillouin gain spectrum having a narrow line width can be obtained, thereby improving spatial resolution.

이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.While the invention has been shown and described with reference to certain embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. However, it should be understood that such modifications are within the technical scope of the present invention. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

Claims (16)

광원에 의해 출력된 광을 분할하여, 측대역 신호를 포함하는 제1 광신호, 및 제2 광신호를 생성하고, 상기 제2 광신호를 변조 신호를 이용하여 변조하며, 시험 광섬유의 양단에 상기 제1 광신호 및 변조된 상기 제2 광신호를 각각 인가하는 광변조부; 및
상기 시험 광섬유에 광학적으로 연결되어, 상기 시험 광섬유에서 상기 제1 광신호 및 변조된 상기 제2 광신호에 의하여 생성된 브릴루앙 산란광을 검출하는 광검출부를 포함하되,
상기 변조 신호는 제1 주파수에 따라 제1 구간 및 제2 구간이 교대로 반복 배치되어 이루어지며, 상기 제1 구간은 제2 주파수를 갖는 정현파 신호이고,
상기 광검출부는, 상기 제1 구간에 의해 변조된 상기 제2 광신호로부터 생성된 제1 브릴루앙 산란 신호와, 상기 제2 구간에 의해 변조된 상기 제2 광신호로부터 생성된 제2 브릴루앙 산란 신호의 차이를 검출하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
Splitting the light output by the light source to generate a first optical signal including a sideband signal, and a second optical signal, and modulating the second optical signal using a modulation signal; An optical modulator for applying a first optical signal and the modulated second optical signal, respectively; And
An optical detection unit optically connected to the test optical fiber and detecting a Brillouin scattered light generated by the first optical signal and the modulated second optical signal in the test optical fiber,
The modulation signal is formed by alternately repeating the first section and the second section in accordance with a first frequency, the first section is a sinusoidal signal having a second frequency,
The photodetector may include a first Brillouin scattering signal generated from the second optical signal modulated by the first section and a second Brillouin scattering generated from the second optical signal modulated by the second section. Distributed optical fiber sensor, characterized in that for detecting the difference of the signal.
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 제2 주파수는 상기 제1 주파수보다 큰 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
The method of claim 1,
And said second frequency is greater than said first frequency.
제 1항에 있어서,
상기 변조 신호에서, 상기 제2 구간은 일정한 세기를 갖는 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
The method of claim 1,
In the modulated signal, wherein the second section has a constant intensity.
제 1항에 있어서,
상기 광변조부는,
상기 제1 주파수를 갖는 구형파 형태의 기준 신호를 생성하는 제1 신호발생기;
상기 제2 주파수를 갖는 정현파 신호를 상기 기준 신호를 이용하여 세기 변조함으로써 상기 변조 신호를 생성하는 제2 신호발생기; 및
상기 제2 광신호를 상기 변조 신호를 이용하여 변조하는 광변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
The method of claim 1,
Wherein the optical modulator comprises:
A first signal generator for generating a square wave shaped reference signal having the first frequency;
A second signal generator generating the modulated signal by intensity modulating a sinusoidal signal having the second frequency using the reference signal; And
And an optical modulator for modulating the second optical signal using the modulated signal.
제 5항에 있어서,
상기 광검출부는, 상기 제1 신호발생기에 광학적으로 연결되며, 상기 기준 신호에 위상잠금된 상기 브릴루앙 산란광을 검출하는 위상잠금 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
6. The method of claim 5,
The light detecting unit includes a phase lock amplifier optically coupled to the first signal generator and detects the Brillouin scattered light phase locked to the reference signal.
제 5항에 있어서,
상기 광변조기는 위상 변조기인 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
6. The method of claim 5,
The optical modulator of claim 1, wherein the optical modulator is a phase modulator.
제 1항에 있어서,
상기 제1 광신호는 프로브광이며, 상기 제2 광신호는 펌프광인 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
The method of claim 1,
And said first optical signal is probe light and said second optical signal is pump light.
광원에 의해 출력된 광을 분할하여, 측대역 신호를 포함하는 제1 광신호, 및 제2 광신호를 생성하는 단계;
제1 구간 및 제2 구간이 제1 주파수에 따라 교대로 반복 배치되어 이루어지며 상기 제1 구간은 제2 주파수를 갖는 정현파 신호인 변조 신호를 이용하여 상기 제2 광신호를 변조하는 단계;
상기 제1 광신호 및 변조된 상기 제2 광신호를 각각 시험 광섬유의 양단에 인가하는 단계; 및
상기 시험 광섬유에서 상기 제1 광신호 및 변조된 상기 제2 광신호에 의하여 생성된 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계를 포함하되,
상기 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계는,
상기 제1 구간에 의해 변조된 상기 제2 광신호로부터 생성된 제1 브릴루앙 산란 신호와, 상기 제2 구간에 의해 변조된 상기 제2 광신호로부터 생성된 제2 브릴루앙 산란 신호의 차이를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서의 공간 분해능 향상 방법.
Dividing the light output by the light source to generate a first optical signal and a second optical signal including a sideband signal;
Modulating the second optical signal by using a first signal and a second period repeatedly arranged alternately according to a first frequency, wherein the first period is a sine wave signal having a second frequency;
Applying the first optical signal and the modulated second optical signal to both ends of a test optical fiber, respectively; And
Detecting the Brillouin scattered light generated by the first optical signal and the modulated second optical signal in the test optical fiber,
Detecting the Brillouin scattered light,
Detecting a difference between a first Brillouin scattering signal generated from the second optical signal modulated by the first section and a second Brillouin scattering signal generated from the second optical signal modulated by the second section Method for improving the spatial resolution of a distributed optical fiber sensor comprising the step of.
삭제delete 제 9항에 있어서,
상기 제2 주파수는 상기 제1 주파수보다 큰 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서의 공간 분해능 향상 방법.
The method of claim 9,
And said second frequency is greater than said first frequency.
제 9항에 있어서,
상기 변조 신호에서, 상기 제2 구간은 일정한 세기를 갖는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서의 공간 분해능 향상 방법.
The method of claim 9,
In the modulated signal, the second section has a constant intensity method of improving spatial resolution of a distributed optical fiber sensor.
제 9항에 있어서,
상기 제2 광신호를 변조하는 단계는,
상기 제1 주파수를 갖는 구형파 형태의 기준 신호를 생성하는 단계; 및
상기 제2 주파수를 갖는 정현파 신호를 상기 기준 신호를 이용하여 세기 변조함으로써 상기 변조 신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서의 공간 분해능 향상 방법.
The method of claim 9,
Modulating the second optical signal,
Generating a square wave shaped reference signal having the first frequency; And
And generating the modulated signal by intensity modulating the sinusoidal signal having the second frequency by using the reference signal.
제 13항에 있어서,
상기 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계는, 상기 기준 신호에 위상잠금된 상기 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서의 공간 분해능 향상 방법.
14. The method of claim 13,
The detecting of the Brillouin scattered light comprises: detecting the Brillouin scattered light phase locked to the reference signal.
제 13항에 있어서,
상기 제2 광신호를 변조하는 단계는, 상기 변조 신호를 이용하여 상기 제2 광신호를 위상 변조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서의 공간 분해능 향상 방법.
14. The method of claim 13,
The modulating the second optical signal may further include phase modulating the second optical signal by using the modulated signal.
제 9항에 있어서,
상기 제1 광신호는 프로브광이며, 상기 제2 광신호는 펌프광인 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서의 공간 분해능 향상 방법.The method of claim 9,
And said first optical signal is a probe light and said second optical signal is a pump light.
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