KR20130085037A - 간섭계 시스템 - Google Patents

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KR20130085037A
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에드워드 타파네스
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파이버 센시스, 인크.
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Abstract

광섬유 센서는 미켈슨 센서 부분과 마흐-젠더 센서 부분을 가질 수 있다. 제1 분할기-결합기가 제1 섬유 부분과 제2 섬유 부분 사이에서 입력 광을 분할하도록 구성될 수 있다. 제1 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스가 제1 섬유 부분에 대응하는 입력 광의 편광 위상을 컨쥬게이트하도록 구성될 수 있고, 제2 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스가 제2 섬유 부분에 대응하는 입력 광의 편광 위상을 컨쥬게이트하도록 구성될 수 있다. 제1 및 제2 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스 각각은 검출기를 향해서 그리고 각각의 제1 및 제2 섬유 부분을 통해 광을 반사하도록 구성될 수 있다. 결합기가 제1 섬유 부분에서의 광을 제2 섬유 부분에서의 광과 결합하도록 구성될 수 있고, 제3 섬유 부분이 결합기로부터 광을 수광하여 제2 검출기를 조명하도록 구성될 수 있다.

Description

간섭계 시스템{INTERFEROMETER SYSTEMS}
본 출원은 미국 가특허출원 일련번호 제61/393,298호 및 미국 가특허출원 일련번호 제61/393,321호의 이익 및 그에 대한 우선권을 청구하며, 이들 두 가특허출원은 2010년 10월 14일에 출원되었고, 그 내용은, 모든 목적을 위해 본 명세서에서 전체가 기재되어 있는 것처럼 여기서 참조로서 병합된다.
본 명세서에 개시한 혁신적인 발명은 간섭계 시스템에 관한 것이며, 더 상세하게는, 그러나 비-배타적으로는, 예컨대 보안, 감시 또는 모니터링 응용에서 사용된 시스템과 같은 광섬유 간섭계 시스템에 관한 것이다. 일부 개시된 간섭계 시스템은 하나 이상의 수동 센서로 장애(disturbance)(특히, 펜스(fence) 상의 "절단(cut)"과 같은 보안 외곽(secure perimeter)에 대한 장애, 파이프라인으로부터의 누출, 건물의 구조적 완전성의 변화, 통신선에 대한 장애, 컨베이어 벨트의 동작 변화, 표면 또는 음향 잡음에 대한 충격)를 검출하고 그 위치를 찾는 것에 관한 것이다.
장애를 검출하기 위해 간섭계-기반 시스템을 사용하는 것의 초기 시도들은 다양한 성공도(degrees of success)를 충족하였다. 예컨대, 마흐-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계는 단일 시준 빔으로부터 분리된 두 광 빔 사이에서 위상-시프트를 검출할 수 있다. 각각의 두 광 경로 길이가 상이할 때, 각각의 빔은 통상 위상차가 날 것이며, 마흐-젠더 간섭계는 그러한 위상차를 검출할 수 있다. 따라서, 마흐-젠더 간섭계는, 광 신호를 전달하는 광 도관(optical conduit) 쌍 중 하나의 도관이 이 쌍 중 다른 하나의 도관과 상이하게 교란될 때 발생할 수 있는 것과 같은 상대적인 광-경로 길이의 변화를 검출할 수 있다. 그럼에도, 마흐-젠더 간섭계 단독으로는 그러한 장애의 위치나 경로 길이 차의 크기를 제공할 수 없다.
장애를 검출하도록 구성된 간섭계를 포함한 시스템이 제안되어왔다. 예컨대, 미국 특허 제6,778,717호는, 간섭계의 교란("장애" 또는 "이벤트"라고도 지칭됨)에 의해 변경될 수 있는 정반대-전파 광 신호를 형성하기 위해 단일 마흐-젠더 간섭계를 통해 정반대 방향으로 광을 입사하는 단계를 포함하는 방법을 개시한다. '717 특허는, 그러한 이벤트의 위치가 실질적으로는 계속해서 그리고 동시에 각각의 변경된 정반대-전파 광 신호를 모니터링하고 개별적으로 검출된 변경된 신호 사이의 시간차를 결정함으로써 결정될 수 있다고 개시하고 있다. '717 특허의 개시는 그 전체가 참조로서 본 명세서에 병합되어 있다.
미국 특허 제7,499,176호 및 제7,499,177호는 미국 특허 제6,778,717호에 개시된 기술에 대한 개선을 개시한다. '176 및 '177 특허는, 마흐-젠더 간섭계를 통과하는 정반대-전파 광 신호의 편광 상태를 능동적으로 제어하여, 이러한 정반대-전파 신호 사이의 위상 및/또는 진폭을 매칭시키는 방법 및 장치에 관한 것이다. 미국특허 제6,778,717호에 개시된 기술을 통해, 실질적으로 매칭된 편광 상태는, 정반대-전파 신호 각각에 대응하는 출력을 다른 각각의 신호 출력에 상관하기 위해 필요하다. 그러한 간섭계는 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. '176 및 '177 특허에서의 개시는 그 전체가 참조로서 본 명세서에 병합되어 있다.
정반대-전파 신호의 편광 상태를 능동적으로 제어하기 위해, 편광 제어기가 마흐-젠더 간섭계의 광 경로의 각 입력에서 필요하다. 매칭된 편광 상태를 제공하는 그러한 편광 제어기는 고가이다. 또한, 적어도 일부 편광 제어기는 편광 상태에 동조하도록 구성되어 있어서, 센서가 순간적으로 교란되어 정반대-전파 신호 사이의 편광-유도 위상-시프트가 그에 따라 삽입될 때, 관찰한 출력 신호가 그 사이에 진폭-시프트 또는 위상-시프트를 갖지 않을 수 있으므로, 교란 이후 편광 제어기가 적절하게 매칭된 편광 상태를 가져 후속한 교란을 검출하기 전에 상당한 양의 시간이 경과할 수 있다. 그러므로 후속한 장애가 검출될 수 있어서 정확히 그 위치가 찾아질 수 있기 전에 상당한 양의 시간이 경과할 수 있다.
그러므로 미국 특허 제7,499,176호, 제7,499,177호 및 제6,778,717호에 개시한 시스템은 심각한 결함을 갖고 있다. 예컨대, 그러한 시스템을 병합하고 있는 보안 외곽 시스템은, 편광 제어기가 "리셋"되고 있는 동안(예컨대, 편광 상태의 리-매칭을 시도하고 있는 동안) 하나의 위치에서 견제 장애(diversionary disturbance)를 삽입하고 후속하여 견제 장애의 위치로부터 일정 거리 떨어진 다른 위치에서 모니터링된 외곽을 횡단함으로써 바이패스될 수 있다.
장애를 검출하는 다른 접근법이 또한 제안되어왔다. 예컨대, 미국 특허 제7,514,670호는 분포된 다수의 민감 "구역"을 갖는 저가 시스템을 기술하고 있다. 특히, '670 특허는, 다수의 민감 영역을 지나간 광을 전달하고 광의 부분을 각각의 민감 영역으로 분할하도록 구성된 광 도관을 갖는 시스템을 개시한다. 각각의 민감 영역은 예컨대 장애를 검출하도록 구성된 간섭계를 포함한다.
입력 광 빔의 일부분이 각각의 민감 영역(또는 구역)으로 우회되므로, 그러한 시스템은 소정의 광원을 사용할 때 가능한 구역의 개수가 실제로 제한되어 있다. 특정한 개수의 구역으로 제한된 결과, 그러한 시스템으로 모니터링할 수 있는 외곽의 길이도 실제로 제한되어 있다.
'670 특허는, 장애의 존재가 특정한 구역으로 격리될 수 있어서, 시스템이 일반적으로 장애의 위치를 식별할 수 있는 것을 개시하고 있다. 그러나 그러한 구역은, 많은 보안 응용에게 원하는 공간 해상도를 제공할 수 없을 수 있는 상대적으로 먼 거리에 걸쳐서 있을 수 있다. 예컨대, 일부 보안 응용은, (예컨대 대략 3미터와 대략 5미터 사이 이내까지와 같이) 수 미터(예컨대 대략 10미터 미만) 이내까지 장애 위치를 식별할 것을 요구한다.
따라서, 장애의 존재, 위치 또는 크기를 정확히 검출하는 더 간단하고 고가이지 않은 시스템에 대한 필요가 남아 있다. 또한, 수 킬로미터의 거리에 걸쳐서 이들 장점을 제공하는 시스템에 대한 필요가 남아 있다. 또한, 초기 이벤트나 장애의 대략 3초 미만 내에서 후속한 장애의 존재, 위치 또는 크기를 검출할 수 있는 시스템에 대한 필요가 남아 있다.
전술한 또는 기타 필요 중 하나 이상을 극복하는 혁신적인 간섭계 시스템을 기재한다. 그러한 혁신적인 시스템의 일부 실시예는, 광 도관에 대한 장애(종종 "이벤트" 또는 "타겟"으로도 지칭됨)를 검출하도록 구성된 장치를 포함한다. 일부 예에서, 장애의 존재는, 장애의 위치와 함께, 검출될 수 있다. 일부 혁신적인 시스템은 그러한 장애와 그 위치를 검출하는 방법을 포함한다. 그러한 혁신적인 시스템의 일부 실시예로, 그러한 장애의 크기를 또한 결정할 수 있다. 예컨대, 광(예컨대, 광섬유) 센서 시스템의 일부 개시한 실시예는, 수동적으로 종결된 광섬유 센서를 사용하여 능동 회로로부터 대략 50㎞까지 그리고 그보다 훨씬 더 떨어진 거리에 걸쳐서 다음의 장점 중 하나 이상을 제공한다:
(1) 장애의 존재의 검출;
(2) 장애의 위치의 검출; 및
(3) 장애의 크기의 검출.
일부 혁신적인 시스템은 하나의 수동 센서로 예컨대 대략 65킬로미터(㎞)에 이르는 거리에 걸쳐서 그리고, 정반대 방향으로 연장되는 제1 및 제2 수동 센서로 대략 130㎞에 이르는 거리에 걸쳐서 이들 및 다른 장점을 제공할 수 있다.
이들 및 다른 이전에 얻을 수 없었던 장점은, 마흐-젠더 센서의 구성과 미켈슨(Michelson) 센서의 구성을 병합한 혁신적인 간섭계-기반 센서에 의해, 적어도 부분적으로 가능하게 된다.
일부 혁신적인 시스템에서, 미켈슨 센서 부분은 제1 섬유 부분과 제2 섬유 부분을 포함한다. 제1 분할기-결합기는 제1 섬유 부분과 제2 섬유 부분 사이에서 입력 광을 분할하도록 구성될 수 있다. 제1 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스가 제1 섬유 부분에 대응하는 입력 광의 편광 위상을 컨쥬게이트하도록 구성될 수 있고, 제2 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스가 제2 섬유 부분에 대응하는 입력 광의 편광 위상을 컨쥬게이트하도록 구성될 수 있다. 제1 및 제2 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스 각각은 광을 검출기(종종 "미켈슨 검출기"로 지칭됨)를 향해 각각의 제1 및 제2 섬유 부분을 거쳐서 반사하도록 구성될 수 있다. 미켈슨 검출기는 제1 및 제2 도관의 각각의 근단(proximal end) 인근에 위치할 수 있고, 각각의 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스는 제1 및 제2 도관의 각각의 원단(distal end) 인근에 위치할 수 있다.
일부 혁신적인 시스템에서, 마흐-젠더 센서 부분은 제1 섬유 부분과 제2 섬유 부분을 포함하며, 제1 분할기-결합기는 제1 섬유 부분과 제2 섬유 부분 사이에서 입력 광을 분할하도록 구성된다. 결합기는 제1 섬유 부분에서의 광의 부분과 제2 섬유 부분에서의 광의 부분을 결합하도록 구성될 수 있고, 제3 섬유 부분은 결합기로부터 광을 수광하고, 제2 검출기(종종 "마흐-젠더 검출기"로 지칭됨)를 조명하도록 구성될 수 있다. 제3 섬유 부분을 통과하는 광은 제1 또는 제2 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스에 의해 반사된 광과 독립적으로 제2 검출기를 조명할 수 있다.
일부 예에서, 혁신적인 간섭계 시스템은 또한, 제1 및 제2 섬유 센서 부분에 들어온 광의 편광 상태를 변경하도록 구성된 편광 스크램블러(polarization scrambler)를 포함한다. 스크램블러는, 마흐-젠더 검출기에서 (예컨대, 혁신적인 간섭계의 마흐-젠더 센서 부분을 통해) 적절한 신호 대 잡음비를 유지하도록 편광을 간헐적으로(예컨대, 선택적으로, 주기적으로 또는 비주기적으로) 변경할 수 있다.
제1 섬유 부분과 제2 섬유 부분은 하나의 수동적으로 종결된 광섬유 케이블을 종방향으로 연장할 수 있다. 광섬유 케이블의 근단은, 미켈슨 센서 부분이 제1 검출기를 조명할 수 있도록 제1 검출기에 결합되도록 구성될 수 있다. 광섬유 케이블의 근단은, 마흐-젠더 센서 부분이 제2 검출기를 조명할 수 있도록 제2 검출기에 결합되도록 구성될 수 있다. 미켈슨 센서 부분과 마흐-젠더 센서 부분 사이의 동작 결합부(operative coupling)는 광섬유 케이블의 원단 인근에 위치할 수 있다. 각각의 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스는 광섬유 케이블의 원단 인근에 위치할 수 있다. 그러한 수동적으로 종결된 광섬유 케이블은, 예컨대 검출기로부터 대략 40㎞ 내지 대략 65㎞ 사이에서 떨어진 것과 같이 제1 및 제2 검출기로부터 대략 65㎞까지 떨어져 연장할 수 있다. 다른 예에서, 수동적으로 종결된 광섬유 케이블은 예컨대 제1 및 제2 검출기로부터 대략 1㎞ 내지 대략 10㎞ 사이에서 떨어져 연장할 수 있다. 예컨대 대략 10㎞ 내지 대략 20㎞ 사이에, 대략 20㎞ 내지 대략 30㎞ 사이 그리고 대략 30㎞ 내지 대략 40㎞ 사이와 같은 다른 거리도 가능하다.
장애의 위치를 식별하는 혁신적인 방법을 개시한다. 예컨대, 미켈슨 센서 부분, 마흐-젠더 센서 부분 및 그 사이의 동작 결합부를 갖는 간섭계-기반 센서에 광이 입사될 수 있다. 결합된 제1 신호 부분과 제2 신호 부분은 미켈슨 센서 부분에 의해 관찰될 수 있다. 제1 신호 부분은 마흐-젠더 센서 부분에 의해 관찰될 수 있다. 장애의 위치는 제1 신호 부분을 제2 신호 부분에 비교하여 결정될 수 있다. 예컨대, 마흐-젠더 센서 부분에 의해 관찰된 제1 신호 부분은 미켈슨 센서 부분에 의해 관찰된 결합된 제1 신호 부분과 제2 신호 부분으로부터 감산될 수 있다.
장애의 크기는, 적어도 부분적으로, 관찰된 제1 및 제2 신호 부분과, 제1 신호 부분과 제2 신호 부분 사이의 관찰된 위상-시프트와, 또는 이들 두 가지로부터 결정할 수 있다. 예컨대, 장애의 크기는, 부분적으로, 프린지(fringe)를 명백하게 계수함으로써, 관찰된 위상-시프트를 명시한 기간에 걸쳐서 명백하게 적분함으로써, 또는 두 가지 모두를 수행함으로써(예컨대, 프린지를 명백하게 계수하고 위상 변화를 명백하게 적분함으로써 결정된 각각의 크기의 평균을 구함으로써) 결정할 수 있다.
컴퓨터-판독 가능 매체 및 컴퓨터-실행 가능 방법이 개시되어 있다. 그러한 매체는, 컴퓨팅 환경이 본 명세서에 개시한 혁신적인 방법을 실행하게 하는 컴퓨터-수행 가능 명령을 저장, 규정(define) 또는 그 밖의 방식으로 포함할 수 있다. 관련된 컴퓨팅 환경을 또한 개시하며, 특별한 용도나 범용의 컴퓨팅 환경일 수 있다.
전술한 및 기타 특성과 장점은 첨부 도면을 참조하여 기술되는 다음의 상세한 설명으로부터 더 명백하게 될 것이다.
수반하는 도면은, 종래기술로부터 알려진 특성을 보여주는 것으로 명시적으로 식별되지 않는다면 본 명세서에 개시한 혁신적인 시스템의 구성을 도시한다.
도 1은, 능동적으로 매칭된 편광 상태를 갖는 정반대-전파 광학 신호를 사용하도록 구성된, 상업적으로 이용 가능한 마흐 젠더 간섭계의 개략적인 예시를 도시하는 도면;
도 2는, 본 명세서에서 개시한 형태의 혁신적인 간섭계의 구성을 도시하는 도면;
도 3은, 본 명세서에서 개시한 형태의 혁신적인 간섭계 시스템의 구성을 도시하는 도면;
도 4는, 본 명세서에서 개시한 혁신적인 장애 검출기의 구성을 도시하는 도면;
도 5는, 도 4에 도시한 장애 검출기와 사용하기 위해 구성된 디지털 프로세서의 구성을 도시하는 도면;
도 6은, 본 명세서에서 개시한 형태의 혁신적인 간섭계의 동작 실시예로부터의 제1 페이저 출력의 두 시변 성분의 플롯을 도시하는 도면;
도 7은, 본 명세서에서 개시한 형태의 혁신적인 간섭계의 동작 실시예로부터의 제2 페이저 출력의 두 시변 성분의 플롯을 도시하는 도면;
도 8은, 제1 및 제2 페이저 출력 각각에 대한 시변 총 위상 시프트의 플롯을 도시하는 도면;
도 9는, 본 명세서에서 개시한 컴퓨팅 환경의 블록도를 도시하는 도면;
도 10은, 장애의 존재와 위치를 검출하기 위해 제1 및 제2 광원과 변조 분리를 사용하도록 구성된 대안적인 시스템의 구성을 도시하는 도면;
도 11(A)는 극 좌표로 표시한 제1 페이저 출력을 도시하는 도면이고, 도 11(B)는 극 좌표로 표시한 제2 페이저 출력을 도시하는 도면;
도 12는 본 명세서에서 개시한 혁신적인 방법을 요약한 표;
도 13은 본 명세서에서 개시한 다른 혁신적인 방법을 요약한 표이다.
간섭계 시스템과 관련된 여러 원리가 예시적인 실시예를 참조하여 본 명세서에서 기술될 것이다. 개시한 원리 중 하나 이상은 하나 이상의 간섭계 시스템 특징을 달성하기 위해 여러 시스템 구성에서 병합될 수 있다. 외곽 보안 응용에 관련된 시스템은 단지 혁신적인 간섭계 시스템의 예이며, 본 명세서에서 개시한 여러 원리의 구성을 예시하기 위해 본 명세서에서 기술할 것이다. 개시한 혁신의 일부 예는, 예컨대 파이프라인에서 누출을 검출하는 것, 구조의 고장을 검출하는 것, 지표면에 대한 장애를 검출하는 것, 컨베이어 동작의 변화를 검출하는 것 등과 같은 많은 다른 응용에서 사용하도록 또한 적용될 수 도 있다.
혁신적인 간섭계 시스템의 개요
본 명세서에 개시한 간섭계 시스템은, 제1(예컨대, "기준") 광 도관과 제2(예컨대, "센서") 광 도관을 통해 일주한, 관찰된 제1 광 신호와 제2 광 신호 사이의 위상 시프트를 비교함으로써, 센서 부분에 대한 장애를 검출할 수 있다.
예컨대, 도 2에 도시한 혁신적인 간섭계(100)는, (화살표(112a 및 112b)로 표시한) 변조된 광을 제1 및 제2 광 도관(114a 및 114b)(예컨대, 단일-모드 광섬유와 같은 광섬유)로 분할하도록 구성되는 제1 분할기/결합기(110)를 갖는다. 각각의 제1 및 제2 도관의 원(종(terminal))단(118) 인근에 위치한 제1 및 제2 종단 분할기/결합기(116a 및 116b)가 도관에서의 광의 부분을, (1) 제1 및 제2 도관(114a 및 114b)으로부터의 광을 재결합하도록 구성된 다른 결합기(120)(본 명세서에서 "마흐-젠더 결합기"로 지칭됨)나, (2) 입력 광의 편광 위상을 컨쥬게이트하도록 구성된 각각의 제1 및 제2 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스(122a 및 122b)에 보내도록 구성된다. 그러한 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스(122a 및 122b)의 예는, 도 2에 표시한 바와 같이, 패러데이 회전 미러(Faraday rotational mirror)이다. 적절한 패러데이 회전 미러를 OFR MF1-1310-A(http://www.ofr.com/fo-53_mfi.htm)으로부터 얻을 수 있다.
미켈슨 간섭계는 제1 광 경로와 제2 광 경로 사이의 길이 차와 그에 따라 광 경로 쌍 중 하나의 광 경로에 대한 장애를 검출할 수 있다. 미켈슨 간섭계는 시준된 광 빔을, (예컨대, 단일-모드 광섬유와 같은 광 도관을 통해) 각각의 광 경로를 따르는 광 빔 쌍으로 분할한다. 각각의 광 경로의 종단에서, 각각의 빔은, 첫 번째로 빔이 동일한 각각의 광 경로를 통과했을 때와 비교하여 정반대 방향일지라도 두 번째로 이 각각의 광 경로를 통과하도록 반사된다. 반사된 빔 쌍 사이의 위상 시프트는, 각각의 광 경로가 상이한 광 길이를 가짐을 나타낸다. 따라서, 미켈슨 간섭계는, 상대적인 광 경로 길이의 순 변화를 초래하는 광 경로 쌍에 대한 장애를 검출하는데 사용될 수 있다. 마흐-젠더 간섭계와 같이, 미켈슨 간섭계 단독으로는 그러한 장애의 위치나 크기를 식별할 수 없다.
도 2에 도시한 바와 같이 배치될 때, 제1 분할기/결합기(110), 광 도관 쌍(114a 및 114b)(예컨대, 섬유) 및 각각의 제1 및 제2 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스(122a 및 122b)는, 적어도 부분적으로, 미켈슨 간섭계 부분을 형성한다. 예컨대, 도 2에 도시한 실시예에서의 패러데이 회전 미러와 같은 각각의 제1 및 제2 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스(122a 및 122b)는 반사된 광의 고속 및 저속 편광 축을 교환하도록 구성될 수 있다. 따라서, 각각의 디바이스(122a 및 122b)로부터 도관(114a 및 114b) 각각을 통해 제1 분할기/결합기(110)로 복귀하는 각각의 반사된 광 빔의 편광 상태는, 분할기(110)로부터 디바이스(122a 및 122b)로 일주한 광의 편광 상태와 컨쥬게이트될 수 있다. 제1 분할기/결합기(110)는 각각의 도관(114a 및 114b)에서 일주하고 있는 반사된 광의 각각의 빔을 결합하고, 결합된 광의 부분을 제1 검출기(124)(본 명세서에서 "미켈슨 검출기"로 지칭됨)를 조명하기 위해 우회하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 검출기는 단일 모드 섬유 피그테일드(pigtailed) InGaAs 광다이오드로서 구성된다.
마흐-젠더 결합기(120)에 보내지는 제1 및 제2 도관(114a 및 114b)에서의 광의 각 부분은 결합기에 의해 재결합될 수 있고, 제2 검출기(128)(본 명세서에서는 "마흐-젠더 검출기"로 지칭됨)에 광학적으로 결합된 복귀 도관(126)(예컨대, 제3 단일-모드 섬유)로 보내져서, 복귀 도관에서의 광 신호가 제2 검출기를 조명할 수 있다. 일부 실시예에서, 결합기(120)는 단일 모드 3dB 융착(fused) 결합기이다. 미켈슨 검출기(124)에서처럼, 마흐-젠더 검출기는 단일 모드 섬유 피그테일드 InGaAs 광다이오드로서 구성될 수 있다.
마흐-젠더 검출기(128)가 변조된 광원(도 2에서 "변조 제어"로 식별됨), 미켈슨 검출기(124), 또는 둘 모두의 인근에 위치할 수 있다. 그러한 구성은, 많게는 50㎞만큼 또는 그 이상 능동 부분(132a)으로부터 떨어져 연장되는 완전 수동 광 센서 부분(130)을 제공할 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 능동 부분(132a 및 132b)은 각각 변조된 광원, 검출기(124 및 128) 및 복조기를 포함한다. 능동 부분(132b)은 또한 편광 스크램블러를 포함한다. 그러한 광원은 협선폭(narrow line-width), 단일 모드 피그테일드 섬유 레이저나 협선폭을 갖는 다른 레이저 디바이스일 수 있다. 적절한 변조기는 Agiltron NOPS-115111331 디바이스이다. 수동 부분(130)은 광 도관(114a, 114b 및 126), 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스(122a 및 122b) 및 원단(118) 인근에 위치한 분할기/결합기(116a, 116b 및 120)를 포함한다.
그러한 간섭계(100)를 통해, 미켈슨 검출기(124)에서 검출한 신호는, 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스(122a 및 122b)에 의해 검출된 인바운드 광에 대응하는 신호 부분과 혼합되고 컨파운드(confound)된 아웃바운드 광에 대응하는 신호 부분을 포함한다. 마흐-젠더 검출기(128)에서 검출된 신호는 아웃바운드 광에 대응하는 신호 부분을 포함한다. (일부 경우, 미켈슨 또는 마흐-젠더 검출기에 의해 관찰된 하나 이상의 신호 부분은 반사로 인해 발생한 더 고차의 고조파에 대응한다. 그러한 고조파는 저역 통과 필터로 적절히 필터링할 수 있다.)
각각의 검출기(124 및 128)로부터의 신호는 복조기에 제공될 수 있고, 복조기는 (후술된) 각각의 페이저 출력(I 및 Q)을 예컨대, 후술된 컴퓨팅 환경과 같은 후-처리 장치에 제공할 수 있다. 페이저 출력이 주어진 임계치를 초과할 때(예컨대, 장애를 검출할 때), 후-처리 장치는 예컨대 장애의 존재를 지시하는 알람을 제공할 수 있다.
예컨대, 광 도관(114a 및 114b) 중 하나가 지점(101)에서 장애가 있다면, 분할기/결합기(110)로부터의 아웃바운드 광은 제1 시간(T1) 이후 지점(101)에 도달할 수 있고, 반사된 광 부분은 제2 시간(T1+T2+T2)에서 다시 지점(101)에 도달할 수 있다. 그러한 경우에, 미켈슨 검출기(124)에서 감지된 광 신호는, 인바운드(반사된) 광의 교란으로 인해 발생한 제2 신호 부분과 혼합되고 컨파운드된 아웃바운드 광의 교란으로 인해 발생한 제1 신호 부분을 포함할 수 있다. 혼합되고 컨파운드된 제1 및 제2 부분("미켈슨 신호 성분")이 단일 검출기(124)로 관찰되므로, 이들 부분은 독립적으로 관찰될 수 없다. 달리 표현한다면, 두 미켈슨 신호 성분(아웃바운드 및 인바운드)은 컨파운드된 혼합으로부터 분리될 수 없다.
이와 대조적으로, 마흐-젠더 검출기(128)에서 관찰된 신호는 아웃바운드 광만의 교란으로 인해 발생한 신호 부분을 포함할 수 있다. 따라서, 일부 개시한 접근법에서, 마흐-젠더 검출기로부터의 신호는 제2 신호 부분을 얻기 위해 미켈슨 검출기에서 관찰된 신호(제1 아웃바운드 신호 부분과 제2 인바운드 신호 부분의 컨파운드된 혼합)로부터 감산될 수 있다. 그러한 제2 신호 부분은 따라서 미켈슨 제1 신호 부분을 추출하는데 사용될 수 있고, 이것은 마흐-젠더 검출기에 의해 관찰된 제1 신호 부분에 비교할 수 있다. 각각의 간섭계의 제1 신호 부분 사이의 위상 또는 시간-시프트는 더 자세하게 후술할 바와 같이 장애의 위치의 측정을 제공할 수 있다. 택일적으로, 또는 추가로, 제1 신호 부분 및 제2 신호 부분의 비교는, 미켈슨 검출기의 신호로부터 분리되면, 장애의 위치의 측정을 제공할 수 있다. 마찬가지로, 미켈슨 센서의 제1 및 제2 분리된 신호 부분을 비교할 수 있는 구성은 장애의 위치의 측정을 제공하기 위해 활용될 수 있다.
위상-시프트로부터, 광이 센서(130)에 입사된 시간과 광이 장애 지점(101)에 도달한 시간 사이의 지연(T1)과, 광이 센서(130)에 입사된 시간과 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스(122a 및 122b)에 의해 반사된 광이 장애 지점(101)에 도달한 시간 사이의 지연(T1+T2+T2)을 결정할 수 있다. 각각의 지연의 인식을 통해, 센서(130)에 따른 장애 지점(101)의 위치는 개시한 방법을 사용하여 계산할 수 있다. 게다가, 장애의 크기는 또한 후술할 방법을 사용하여 결정할 수 있다.
마흐-젠더 검출기(128)에서의 신호 진폭은, 적어도 부분적으로, 제1 분할기/결합기(110)에 들어가는 광(112)의 편광 상태에 대응할 수 있다. 입력 광의 편광 상태가 이동함에 따라, 마흐-젠더 검출기로부터의 출력은 그에 따라 변화한다. 예컨대, 일부 편광 상태 하에서, 마흐-젠더 센서의 출력은 부적절하게 낮은 신호 대 잡음비를 가질 수 있고, 이것은 결국 마흐-젠더 검출기로부터의 출력의 소위 "편광 페이딩"을 야기할 수 있다. 그러한 편광 페이딩은, 비록 입력 광 빔의 정확한 편광 상태가 중요치 않을지라도, 적절한 신호 대 잡음비를 유지하기 위해 입력 광의 편광 상태를 임의로 조정함으로써 감소될 수 있거나 제거될 수 있음을 발견하였다. 따라서, 편광 상태는 임의로 변경될 수 있어서, 광원의 편광 상태는 푸앵카레 구(Poincare Sphere)의 표면을 통해 연장되는 것을 발견하였다.
도 3에서, 센서(100a)는, 마흐-젠더 검출기(128)에서 적절한 신호 대 잡음비를 유지하기 위해 입력 광(112)의 편광 상태를 간헐적으로 조정하도록 구성된 편광 스크램블러(132)를 포함한다. 편광 스크램블러는 센서의 미켈슨 부분에 거의 영향이 없거나 전혀 영향이 없으며, 그 이유는, 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스(예컨대, 패러데이 회전 미러)가 반사된 광의 편광 상태와 컨쥬게이트하여, 광이 순방향 경로에서 분할기(110)와 디바이스(122a 및 122b) 사이에서 일주하며 그 후 디바이스로부터 다시 분할기/결합기와 미켈슨 검출기(124)로 일주함에 따라 편광의 변화가 가질 수 있었던 임의의 효과를 효과적으로 무효화하기 때문이다.
적절한 편광 스크램블러(132)는, Agiltron이 생산한 타입, 모델 NOPS-115111331의 전기 구동 편광 제어기-스크램블러이다. 그러한 디바이스는, 적절한 전압 범위에 걸쳐서 변경될 수 있어서 무수한 편광 상태를 제공할 수 있는 3 또는 4개(예컨대, 모델에 따라 다름)의 입력 전압에 의해 제어될 수 있다. 하나의 동작 실시예에서, 상이한 구동 신호가 스크램블러 요소 각각(예컨대, 3 또는 4개)에 인가될 수 있다. 각각의 구동 신호가 선택될 수 있어서, 막대한 수의 편광 상태가 시변 임의 방식으로 스위핑될 수 있게 할 수 있다.
그러한 편광의 임의 조정은 미국 특허 제7,499,176호, 제7,499,177호 및 제6,778,717호에서 개시한 타입의 센서에 필요한 독립적인 광 빔의 능동 제어 및 매칭 편광 상태와는 상당히 상이하다. 그러한 능동 제어는 매우 복잡한 편광 제어기 구조를 필요로 하며, 구현하기에 고가이다. 게다가, 종래기술의 능동 편광 제어는, 새로운 적절한 편광 상태를 갖는 광이 검출된 장애에 후속하여 정반대-전파되는 동안, 센서가 간헐적으로 중지하는 것을 필요로 한다. 이와 대조적으로, 센서(100a)가 후속한 장애를 검출하기 위해서는 거의 지연이 필요치 않거나 전혀 지연이 필요치 않다. 따라서, 센서(100 및 100a)는 제1 (예컨대, "견제") 장애에 후속한 장애를 검출할 수 있고, 그러한 제1 장애를 사용하여 센서를 방해하도록 쉽게 바이패스될 수 없어서, 종래기술의 심각하고 오랫동안 느꼈던 결함을 극복할 수 있다.
그렇게 기술한 바와 같이 편광 상태를 임의로 변경할 수 있는 디바이스(132)는, 미국특허 제6,778,717호에 개시된 시스템에 의해 필요로 하는 바와 같이, 상이한 광 빔의 편광 상태를 매칭하도록 구성된 편광 제어기보다 실질적으로 덜 고가이다. 게다가, 입력 광(112)의 편광 상태를 임의로 변경시키는 것은, 광 빔 쌍의 편광 상태를 서로 매칭시키는 것보다 훨씬 더 신속하게 일어날 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 개시된 하이브리드 미켈슨/마흐-젠더 시스템은, 상이한 광 빔의 매칭된 편광 상태를 필요로 하는 시스템보다 후속한 장애에 더 신속하게 응답할 수 있고, 이전에 제안한 센서보다 더 저가로 생산할 수 있다.
개시한 간섭계 시스템을 통한 광 경로
도 2 및 도 3을 참조하면, 변조 제어는, 광(112)을 제1 광 도관(114a)을 통해 일주하는 제1 부분과, 제2 광 도관(114b)을 통해 일주하는 제2 부분으로 분할하는 분할기/결합기(110)에 들어가는 매우 코히어런트한 광 빔(112)을 방출할 수 있다. 제1 광 도관(114a)을 일주하는 광은 제1 광 도관의 원단(118) 인근에 위치한 광 분할기(116a)에 들어가며, 제2 광 도관(114b)을 일주하는 광은 제2 광 도관의 원단 인근에 위치한 광 분할기(116b)에 들어간다. 각각의 광 분할기(116a 및 116b)는 각각의 광 빔을, 원단의 결합기(120)에 들어가는 각각의 부분과 각각의 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스(122a 및 122b) 상에 충돌하는 각각의 부분으로 분할할 수 있다.
디바이스(122a 및 122b) 상에 충돌하는 광의 부분은 반사되며, 디바이스 각각은 각각의 광 부분의 편광 상태를 컨쥬게이트할 수 있다. 반사된 광 부분은 분할기(116a 및 116b)를 통해 각각의 도관(114a 및 114b)으로 그리고 다시 근단의 분할기/결합기(110)로 일주할 수 있다. 반사된 광 부분은 결합기(110)에서 재결합될 수 있으며, 재결합된 광의 부분은 미켈슨 검출기(124)를 조명할 수 있다. 미켈슨 검출기를 조명하는 광은, 도관에 대한 임의의 장애를 포함하는, 광 도관(114a 및 114b) 각각에 의해 영향을 받는 광 신호를 규정할 수 있다. 미켈슨 검출기를 조명하는 광은 도관(114a 및 114b) 쌍을 두 번-한 번은 각각의 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스를 조명하기 전 그리고 두 번째는 그로부터 반사된 후- 통과하였으며, 따라서 동일한 교란에 의해 두 번 영향을 받을 수 있다. 결과적인 광 신호는, 광 신호가 통과하지만 장애 광 경로를 한 번 통과하는 예컨대 마흐-젠더 또는 기타 간섭계에 비해 두 배의 민감도를 제공할 수 있다.
원단의 결합기(120)에 들어가는 각각의 부분은 결합될 수 있어서, 복귀 도관(126)을 통과할 수 있으며(이점은 통상 T1+T2와 같을 수 있는 추가 광 지연(예컨대, TL)을 부과함), 마흐-젠더 검출기(128)를 조명할 수 있다. 미켈슨 검출기(124)를 조명하는 광과 대조적으로, 마흐 젠더 검출기(128)를 조명하는 광의 주요한 부분(예컨대, 반사 및 기타 "잡음"을 제외함)은 광 도관(114a 및 114b)의 쌍을 한 번 통과하였고, 따라서 주어진 교란에 의해 한 번 영향을 받았다. 이와 대조적으로, 미켈슨 검출기(124)에 의해 수광된 광은, 전술한 바와 같이 동일한 장애에 의해 두 번 영향을 받았다.
수동 광 센서
일부 예에서, 제1 및 제2 광 도관(114a 및 114b)은 유사한 광 속성 및 유사한 길이를 가질 수 있으며, 그러한 예에서, 어떤 도관이 감지 도관 및 기준 도관으로 간주되는 지는 중요치 않다. 일부 실시예에서, 기준 및 센서 광 도관(114a 및 114b)은, "번들(bundle)"("케이블"로도 지칭됨)에서 서로 인근에 위치한 물리적으로 분리된 도관이다. 일부 실시예에서, 광 도관(114a 및 114b)은 물리적으로 분리된 케이블로 되어 있다.
예컨대, 종래의 광섬유 번들은, 하나 이상의 외부 외장(outer sheath)에 의해 뒤덮인 여러 개의 개별 광섬유(예컨대, 단일-모드 섬유)를 포함할 수 있다. 개별 광섬유 중 하나는 센서 도관(예컨대, 114a)을 규정할 수 있고, 개별 광섬유 중 다른 하나는 기준 도관(예컨대, 114b)을 규정할 수 있다. 개별 광섬유 중 다른 하나는 복귀 도관(126)을 규정할 수 있다. 도관(114a, 114b 및 126)을 규정하는 모든 섬유는 공통 외부 외장(들) 내에서 위치할 수 있고 그에 의해 덮일 수 있다. 그러한 광섬유가 (예컨대, 서로 간에 수 밀리미터 내에서) 서로 상대적으로 가까이에 위치할지라도, 외부 외장(들)에 적용된 물리적인 장애(예컨대, 충격이나 교란)는 약간 상이하게 개별 섬유 각각에 전달될 것이다. 게다가, 개별 섬유 각각은 다소 상이하게 동일한 부하에 응답할 수 있다(예컨대, 변형할 수 있거나 순간적으로 변경되는 그 각자의 굴절률을 가질 수 있다). 따라서, 실제로, 케이블에 대한 장애는 일반적으로 기준 및 신호 도관(114a 및 114b)을 상이하게 교란할 것이다.
물리적인 응답은 통상 "센서" 도관과 "기준" 도관 사이에서 상이하므로, "센서" 도관을 일주하는 광은, "기준" 도관을 통해 일주하는 광보다는, 약간 상이한 시간에 그리고 가능하게는 상이한 편광 상태로 센서 도관의 종단(118)에 도달할 수 있다. 따라서, 각각의 종단에서 관찰한 광 신호는 보통 공칭량만큼 서로로부터 위상차가 날 것이다. 센서 및 기준 도관 중 어느 하나나 둘 모두가 장애가 있을 때, 각각의 종단에서 관찰한 광 신호의 상대 위상은 장애가 없는 도관으로부터의 공칭 레벨로부터 시프트하는 경향이 있을 것이다. 광 신호의 제1(아웃바운드) 신호를 수신하는 것과, 광 신호의 제2(인바운드) 신호를 수신하는 것을 분리할 수 있고 그 사이의 지연(예컨대, 신호 사이의 관찰된 시간-시프트)을 비교할 수 있는 성능을 갖고, 간섭계 구성요소의 특징(예컨대, 광 도관의 길이, 도관을 통한 광속)을 처리하는 미켈슨 간섭계의 경우에, 장애의 위치가 결정될 수 있다. 다른 접근법에서, 마흐-젠더 검출기에 의해 관찰된 제1 신호 부분은 미켈슨 간섭계에 의해 관찰된, 추출된 제1 신호 부분에 비교될 수 있어서, 장애의 위치의 측정을 제공할 수 있다.
많은 인자가 제1 및 제2 광 도관을 통해 전달된 신호 사이의 관찰된 위상 시프트를 초래할 수 있지만, 장애가 없는 기준 및 센서 도관의 관찰된 신호 사이의, 공칭, 즉 기준치인 위상 시프트가 결정될 수 있다. 따라서, 기준치 위상 시프트로부터의 충분히 큰(또는 임계치) 편차가 관찰될 때, 센서 케이블(예컨대, 센서 도관 및 기준 도관을 갖는 번들)이 장애가 있음을 추론할 수 있다. 게다가, 센서 케이블의 특징(예컨대, 그 길이, 광이 광 도관 각각을 일주하는 속도)과 결합하여, 총 광 경로(예컨대, 아웃바운드 및 인바운드 신호)에서의 하나 보다 많은 위치에서 그러한 위상-시프트를 관찰하면, 장애의 위치를 추론할 수 있다.
일부 실시예에서, 마흐 젠더 간섭계에 대해 TL인 추가 신호 시간 지연을 부과하는 제3의 둔감한 도관(126)이 센서 도관(예컨대, 도관(114a))과 기준 도관(예컨대, 도관(114b)) 중 하나나 둘 모두에 인접해 위치할 수 있다. 예컨대, 광 케이블은 후술한 바와 같이 공통 외장(들) 내부에 다수의 광 도관을 가질 수 있다. 광 도관 중 하나는, 광을 마흐-젠더 검출기(128)에 복귀시키도록 구성된 둔감한 도관(126)을 형성할 수 있고, 다른 두 도관은 각각 센서 도관과 기준 도관을 형성할 수 있다. 그러한 실시예에서, 기준 및 센서 도관은, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 광 케이블의 원단(118) 인근에서 수동적으로 종결될 수 있다.
예컨대, 각각의 분할기(116a 및 116b)와, 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스(122a 및 122b)와, 원단의 결합기(120)는 광 케이블(130)의 원단(118) 인근에 위치할 수 있다. 그러한 구성은, 능동 구성요소(예컨대, 광원, 미켈슨 검출기, 마흐-젠더 검출기, 컴퓨팅 환경 등)로부터 예컨대 대략 65㎞까지의 거리 동안 연장되는 전체 수동 센서를 제공할 수 있다.
(더 상세하게 후술된) 일부 실시예에서, 제2 수동 센서는, 예컨대 대략 65㎞까지의 거리 동안 제1 수동 센서로부터 정반대 방향으로 연장할 수 있다. 그러한 실시예에서, 센서 시스템은 예컨대 대략 130㎞까지 연장할 수 있고, 이때 능동 구성요소(132a 및 132b)는 센서 시스템의 대략 중간 지점에 위치한다.
호모다인 ( homodyne ) 복조되고 다중화된 위상으로 생성된 반송파
레이저(예컨대, 다이오드 레이저)로의 전류의 변조는 방출된 광의 진폭과 파장(광 주파수) 모두에 영향을 줄 수 있다. 어느 효과(진폭이나 파장)가 본 명세서에 개시한 센서를 구동하는데 사용될 수 있다. 예컨대, 센서 도관과 기준 도관이 실질적으로 동일하다면, 진폭 변조 효과가 센서의 응답을 지배할 수 있다. 다른 한편, 도관 중 하나가 다른 하나보다 예컨대 수 미터만큼 짧다면, 주파수 변조 효과가 센서의 응답을 지배할 수 있다. 본 명세서에서 기술한 센서는 어느 접근법도 사용할 수 있다.
단순성 및 간결성을 위해, 주파수 변조 효과(및 그에 따른 상이한 길이의 센서 및 기준 도관을 갖는 간섭계에 관한 방법)를 상세하게 기술한다. 그럼에도, 당업자라면, 동일한 길이의 센서와 기준 도관을 갖는 간섭계와, 대응하는 진폭 변조를 사용하여 장애 및 위치 정보를 얻는 유사한 방법을 인식할 것이다. 다음의 방법은, 상세하게 후술될 바와 같이, 컴퓨팅 환경에서 구현될 수 있다.
장애 및 그 위치를 검출하는 것에 관련된 혁신적인 방법의 예
미켈슨 센서 부분은 두 개의 정보 성분을 갖는 광 신호를 제공할 수 있다. 하나의 성분(I)은, 광이 광원(근단)으로부터 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스(원단)로 일주함에 따라, 장애로부터 얻은 정보를 포함할 수 있다. 제2 성분(II)은, 광이 원단으로부터 근단으로 다시 전파함에 따라 얻은 정보를 포함할 수 있다. 마흐 젠더 센서 부분은, 하나의 정보 구성요소, 즉 광이 광원(근단)으로부터 결합기(원단)로 일주함에 따라, 장애로부터 얻은 정보를 갖는 광 신호를 제공할 수 있다. 근사치로서, 마흐 젠더 센서 부분의 응답은 미켈슨 센서 부분의 응답의 제1 성분(I)과, 특히 이들이 동일한 광 도관을 공유한다면, 동일하다고 가정할 수 있으며, 제2 성분(II)을 미켈슨 간섭계 응답으로부터 격리하기 위해 변환 시 사용될 수 있다. 제1 응답(I)과 제2 응답(II) 사이의 시간 지연은 센서의 길이를 따라 장애의 위치의 측정을 제공할 수 있다. 그러한 변환을 이제 기술한다.
미켈슨 센서 부분의 응답(MI)은 페이저, 예컨대 그 동위상(I) 및 직교위상(Q) 응답 성분에 의해 기술될 수 있다.
Figure pct00001
(1)
Figure pct00002
(2)
여기서 TL=T1+T2.
미켈슨 간섭계의 제1 성분(I)과 제2 성분(II)은 수학식 (1) 및 (2) 각각에서 제1 및 제2 위상각 항(term)이다.
마흐 젠더 센서 부분의 응답(MZ)은 또한 그 페이저 성분(I 및 Q)에 의해 기술될 수 있다.
Figure pct00003
(3)
Figure pct00004
(4)
미켈슨 센서 부분과 마흐 젠더 센서 부분은 동일한 센서 및 기준 도관(예컨대, 도 2 및 도 3에서 도관(114a 및 114b))을 공유하므로, 각 센서 부분은 동일한 장애를 "본다". 일반적으로, 마흐 젠더 응답은 지연되며 그 이유는, 마흐-젠더 센서 부분이, 마흐-젠더의 광 신호를 마흐-젠더 검출기(128)에 복귀시키는 둔감한 도관(126)을 포함하기 때문이다. 수학적으로, 이 지연은 TL로서 표시될 수 있다. 수학식 (1) 및 (2)에서의 미켈슨 센서 부분의 응답을 케이블 지연(TL)만큼 시프트시키면, 수학식 (5) 및 (6)은 다음에 도달한다:
Figure pct00005
(5)
Figure pct00006
(6)
수학식 (5) 및 (6)의 제1(I) 성분은, 예상한 바와 같이 수학식 (3) 및 (4)에서의 마흐 젠더 응답의 성분과 동일한 타이밍을 가지며, 그 이유는 아웃바운드 광이 미켈슨 센서 부분과 마흐-젠더 센서 부분에서 제1 성분(I)에 대해 동일한 경로를 일주하기 때문이다. 수학식 (5) 및 (6)은 따라서 삼각법 공식(trigonometric identities)을 사용하여 재배치될 수 있어서 다음에 도달할 수 있다:
Figure pct00007
(7)
Figure pct00008
(8)
수학식 (3) 및 (4)에 기재한 마흐 젠더 응답을 수학식 (7) 및 (8)에 대체함으로써, 수학식 (9) 및 (10)을 얻는다:
Figure pct00009
(9)
Figure pct00010
(10)
"X" 응답은 다음과 같이 규정될 수 있다:
Figure pct00011
(11)
Figure pct00012
(12)
수학식 (11) 및 (12)을 (9) 및 (10)에 대체함으로써, 수학식 (13) 및 (14)을 얻는다:
Figure pct00013
(13)
Figure pct00014
(14)
IX(t) 및 QX(t)에 대해 수학식 (13) 및 (14)의 해를 구하면, 수학식 (15) 및 (16)을 얻는다:
Figure pct00015
(15)
Figure pct00016
(16)
전술한 기재에서 유도한 수학식은 시간의 연속 함수를 기초로 한다. 그럼에도, 검출기(124 및 128) 출력 및 이들 수학식은 디지털화될 수 있어서, 알려진 접근법을 사용하여 샘플 데이터 등가치로 변환될 수 있다. 따라서, 앞서 기술한 수학식은 디지털 컴퓨팅 환경에서 구현될 수 있다. 도 3에 도시한 시스템(100a)의 디지털 실시예(200)를 도 4에 예시한다.
각각의 마흐-젠더 및 미켈슨 신호를 비교하기 전에, 미켈슨 데이터는, 예컨대 센서 길이(TL)에 대응하는 고정량만큼 수학적으로 지연될 수 있다. 그러한 삽입된 지연은 마흐-젠더 간섭계 구성과 미켈슨 간섭계 구성 사이의 차이를 다루는데 사용될 수 있다.
샘플링 및 변조
일 실시예에서, fs=10㎒(Ts=0.1밀리초의 샘플 주기)의 샘플 주파수를 사용할 수 있다. (진공 중의 광속에 비교한) 68.13%의 광 신호의 상대 속도는 샘플 주기 당 10.36미터에 대응한다. 이 샘플률에 기초하여, 1㎞ 센서가 97탭의 지연 라인을 가질 수 있다. 용이한 계산을 위해, 100탭/㎞의 센서를 가정한다(예컨대, 20㎞ 센서는 2000개의 탭 지연 라인을 필요로 할 것이다).
제안된 변조 주파수는:
fm=fs/8=1.25㎒ (17)
이것이 동위상(I) 성분과 관련된 반송파 주파수가 될 수 있고, 직교위상(Q) 성분에 대한 반송파는 제2 고조파에 있을 수 있다:
2fm=fs/4=2.5㎒ (18)
10㎒의 샘플 주파수로, 이것은 검출기 이후 및 ADC 이전에 아날로그 안티-에일리어스(anti-alias) 필터를 위한 충분한 공간을 제공할 수 있다. 각 검출기에 대한 대표적인 샘플링 및 변조 타이밍 도를 도 5에 예시한다.
주파수(fu)는 응답의 상부 주파수 내용을 나타낼 수 있고, 일부 예에서, fu는 대략 700㎑일 수 있다. 연구실 환경의 동작 실시예에서, 지금까지 연구실 시스템으로 관찰된 최고 주파수는 미켈슨 센서 부분의 경우 대략 400㎑이며, 마흐 젠더 센서 부분의 경우 대략 200㎑이다. 많은 경우, 미켈슨 센서 부분의 응답 주파수는 대략 200㎑ 미만이다.
변조 구동 신호는, 간섭계의 길이로부터 발생한 시간 지연을 처리하기 위해 복조 신호로부터 (예컨대, TL만큼) 앞설 수 있다. 이러한 앞섬의 크기는 마흐 젠더 결합기와 마흐 젠더 검출기 사이의 지연만큼 감소할 수 있다.
센서 성능은, 일부 경우, 아날로그 안티-에일리어싱 필터의 성능에 대응할 수 있다. 예컨대, 전술한 변조 방식은 검출기 출력이 고조파에서 풍부하게 할 수 있다.
관찰된 위상- 또는 시간- 시프트로부터의 장애의 위치 찾기
장애의 위치를 결정하기 위한 위상 적분 접근법의 동작 실시예를 기술한다. 이러한 접근법 하에서, 광 도관의 물리적인 변형으로 인해 발생한, 미켈슨 센서 부분과 마흐-젠더 부분의 출력 사이의 시간차를 결정한다. 상술한 수학식에 의해 표시한 바와 같이, 그러한 위상 시프트는, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 하이브리드 미켈슨 및 마흐 젠더 센서(100 및 100a)의 민감 부분을 따른 장애의 위치에 대응할 수 있다. 그러한 혁신적인 접근법은 종래기술 센서(예컨대, 동축 케이블, 전계 또는 음향 케이블)의 많은 결함(및 부수적인 성능 제한)을 극복한다.
미켈슨 센서 부분에 대한 도 6과 마흐 젠더 센서 부분에 대한 도 7에 도시한 페이저 출력 I 및 Q 응답을 각각 수학식 (1), (2), (3) 및 (4)에 의해 표현한다.
예컨대, 대략 10-20밀리초와 같은 짧은 시간 기간에 걸친, 각 간섭계 각각에 대한 증분 위상 측정의 적분이, 간섭계 각각에 대해 선택된 적분 시간에 걸쳐 서로에 대한 광 도관(114a 및 114b)의 길이 변화의 측정을 제공할 수 있다. 두 간섭계는 동일한 광 도관을 공유하므로, 각 간섭계의 각각에 대한 적분된 증분 위상 측정은 동일해야 하지만, 장애의 위치에 따라 시간적으로 시프트되어야 한다. 그러한 적분의 결과가 도 8에 도시되어 있고, 이 도면은 장애의 위치를 결정하는데 사용될 수 있는 신호 사이의 시간 지연뿐만 아니라 두 간섭계 사이의 유사한 적분된 위상 패턴을 도시한다.
도 8에서, 수직 축은 라디안 단위의 위상 각을 나타낸다. 예컨대, 1,550나노미터의 파장을 갖는 광원이 예시적인 실시예에서 사용된다고 가정하면, 대략 -24라디안과 대략 +35라디안 사이의 응답 범위는, 센서 도관과 기준 도관의 상대 길이에서의 대략 14.57마이크로미터 변화에 대응하는 대략 9.4사이클(프린지)에 대응할 수 있다. 이 예에서, 9.4사이클 응답이 대략 0.25밀리초의 기간 동안 일어날 수 있으며, 이것은 대략 37.6㎑의 평균 주파수 응답을 나타낸다. 응답 사이의 시간 시프트는 하이브리드 간섭계의 민감 부분에 대한 기저의 장애 위치의 측정을 제공한다.
장애 위치의 위치를 결정하기 위해, 하나의 적분된 위상 복귀가 상이한 시간 시프트를 갖는 다른 적분된 위상 복귀로부터 연속해서 감산될 수 있고, 결과 데이터의 최소 제곱치(least squares fit)가 계산될 수 있다. 그러한 접근법은 일반적으로 "V" 형상 상관 곡선을 산출할 수 있으며, 장애의 추론된 위치는 "V"의 정점에 위치한다.
장애의 위치를 결정할 때, 변위 프로파일 중 하나가, 최적합치를 찾기 위해 앞서 개괄적으로 기재한 바와 같이 상이한 지연 파라미터를 갖는 다른 하나로부터 감산될 수 있다. 하나의 동작 실시예에서, 두 개의 응답은 대략 0개의 샘플 지점과 대략 2000개의 샘플 지점 사이에서 변위하였다. 10㎒ 샘플률에서, 범위 빈(bin) 정확도는 대략 10미터였다. 이것은, "V"의 정점의 위치를 보간함으로써 더 개선될 수 있다.
상술한 그리고 본 절에서의 수학식은 다음의 절에서 샘플 데이터(예컨대, 디지털화된) 형태로 요약된다. 디지털화된 형태는 컴퓨터로 구현 가능한 방법에서 사용될 수 있다.
관찰된 신호로부터의 장애 타입을 결정
광 신호는, 발생한 장애 타입과 관련된 정보를 전달할 수 있다. 일부 예에서, 관찰된 광 신호(예컨대, 위상-시프트, 진폭 변화, 또는 둘 모두를 갖는 신호)는 주어진 장애 타입(예컨대, 파이프라인에서의 누출, 지하 굴착 행위, 절단된 펜스)에 대응할 수 있다. 센서로부터의 광 신호가 상이한 장애에 응답하여 어떻게 변하는지를 인식하면, 사용자는 어떠한 타입의 장애가 발생하였는지를, 적어도 부분적으로는, 관찰된 신호를 알려진 장애에 응답하여 생성된 다른 관찰된 신호에 비교함에 기초하여, 결정할 수 있게 된다.
예컨대, 주어진 장애는, 장애가 발생할 때마다 실질적으로 동일한 방식으로 주어진 환경을 촉발시킬 수 있어서, 결과적으로 장애가 발생할 때마다 주어진 센서에 실질적으로 동일한 교란을 초래할 수 있다. 센서가 주어진 방식으로 교란될 때, 이것은 대응하는 방식으로 물리적으로 응답할 수 있고(예컨대, 스트레인(strain) 또는 다른 변형을 겪을 수 있고), 그리하여 대응하는 방식으로 광 신호를 변경시킬 수 있다.
일부 예에서, 센서는, 다양한 상이한 장애 각각으로부터 발생한 각각의 관찰된 광 신호를 기록함으로써 상이한 장애에 대해 시준될 수 있다. 예컨대, 각각의 장애에 대응하는 신호의 "룩 업" 표를 생성할 수 있다. (예컨대, 미지의 장애 타입으로부터 발생한) 후속하여 관찰된 광 신호는 기록된 관찰된 광 신호 각각에 비교될 수 있으며, 관찰된 광 신호가 이전에 기록된 광 신호와 적절히 매칭할 때, 대응하는 장애 타입을 추론할 수 있다.
앞서 주목한 바와 같이, 센서는 다른 환경에 비교하여 하나의 환경에서 상이하게 촉발될 수 있다(및 그에 따라 응답할 수 있다). 일부 예에서, 센서 시준(예컨대, "룩-업" 표의 생성)은 센서가 설치된 후 완료될 수 있다.
장애 위치를 결정하기 위한 디지털화된 수학식
상술한 수학식은 그들의 연속적인 시간 형태로 표현된다. 그럼에도, 상술한 분석은 디지털 방식으로 실행될 수 있다. 따라서, 수학식은 본 명세서에서 디지털화된 형태로 표시된다.
관찰된(예컨대, 측정된) 파라미터는 순간("i")에서 취한 미켈슨 및 마흐 젠더 페이저({IMIi, QMIi} 및 {IMZi, QMZi})이다. 측정된 파라미터로부터, {IXi, QXi}는 다음의 수학식을 사용하여 결정될 수 있다:
Figure pct00017
(19)
Figure pct00018
(20)
색인 상수(M)는 시간 지연(TL)에 대응하는 샘플 수에 관한 것이다. 수학식 (15) 및 (16)에서 MZ 항은, 이들이 작은 각도의 탄젠트 근사를 계산할 때 삭제되므로 무시함을 주의해야 한다.
마흐 젠더 응답({IMZi, QMZi})은 다음의 수학식을 사용하여 마흐 젠더 증분 각도를 계산하는데 사용될 수 있다:
Figure pct00019
(21)
그리고 유도한 "X" 응답({IXi, QXi})은 다음의 수학식을 사용하여 증분 "X" 각도를 계산하는데 사용될 수 있다:
Figure pct00020
(22)
장애가 검출될 때(예컨대, 임계치가 초과될 때), 두 개의 변위 프로파일이 계산될 수 있다:
Figure pct00021
(23)
Figure pct00022
(24)
결과적인 변위 프로파일은 장애의 위치를 결정하기 위해 시간적으로 상관될 수 있다.
컴퓨팅 환경
도 9는, 기술한 방법, 실시예, 기법 및 기술이 구현될 수 있는 적절한 컴퓨팅 실시예(1100)의 일반 예를 예시한다. 컴퓨팅 환경(1100)은 기술의 사용이나 기능의 범위에 대한 어떤 제한을 제안하고자 하는 것은 아니며, 이는 기술이 다양한 일반 용도 또는 특별한 용도의 컴퓨팅 환경에서 구현될 수 있기 때문이다. 예컨대, 개시된 기술은, 휴대용 디바이스, 멀티프로세서 시스템, 마이크로프로세서 기반 또는 프로그램 가능한 가전장치, 네트워크 PC, 미니컴퓨터, 메인프레임 컴퓨터 등을 포함하는 다른 컴퓨터 시스템 구성으로 구현될 수 있다. 개시한 기술은 또한, 통신 네트워크를 통해 링크된 원격 처리 디바이스에 의해 작업이 실행되는 분산된 컴퓨팅 환경에서 실행될 수 있다. 분산된 컴퓨팅 환경에서, 프로그램 모듈은 국지적 및 원격 메모리 저장 디바이스 모두에서 위치할 수 있다.
도 9를 참조하면, 컴퓨팅 환경(1100)은 적어도 하나의 중앙 처리 장치(1110)와 메모리(1120)를 포함한다. 도 9에서, 이 가장 기본적인 구성(1130)은 점선 내에 포함된다. 중앙 처리 장치(1110)는 컴퓨터로 수행 가능한 명령을 수행하며, 실제 도는 가상의 프로세서일 수 있다. 다중-처리 시스템에서, 다중 처리부가 처리 능력을 높이기 위해 컴퓨터로 수행 가능한 명령을 수행하며, 이처럼, 다중 프로세서는 동시에 실행될 수 있다. 메모리(1120)는 휘발성 메모리(예컨대, 레지스터, 캐쉬, RAM), 비휘발성 메모리(예컨대, ROM, EEPROM, 플래시 메모리 등), 또는 이들 둘의 어떠한 조합일 수 있다. 메모리(1120)는, 예컨대 본 명세서에서 기술한 혁신적인 기술 중 하나 이상을 구현할 수 있는 소프트웨어(1180)를 저장한다. 컴퓨팅 환경은 추가적인 특성을 가질 수 있다. 예컨대, 컴퓨팅 환경(1100)은 저장부(1140), 하나 이상의 입력 디바이스(1150), 하나 이상의 출력 디바이스(1160), 및 하나 이상의 통신 연결(1170)을 포함한다. 버스, 제어기, 또는 네트워크와 같은 상호연결 메커니즘(미도시)은 컴퓨팅 환경(1100)의 구성요소를 상호연결한다. 통상, 운영 시스템 소프트웨어(미도시)는 컴퓨팅 환경(1100)에서 수행되는 다른 소프트웨어를 위한 운영 시스템을 제공하며, 컴퓨팅 환경(1100)의 구성요소의 동작을 조정한다.
저장부(1140)는 탈착 가능하거나 탈착 불가능할 수 있으며, 정보를 저장하는데 사용될 수 있고 컴퓨팅 환경(1100) 내에서 액세스될 수 있는 자기 디스크, 자기 테이프 또는 카세트, CD-ROM, CD-RW, DVD 또는 임의의 다른 매체를 포함한다. 저장부(1140)는, 본 명세서에서 기술한 기술을 구현할 수 있는 소프트웨어(1180)에 대한 명령을 저장한다.
입력 디바이스(들)(1150)는, 컴퓨팅 환경(1100)에 입력을 제공하는 키보드, 키패드, 마우스, 펜, 또는 트랙볼과 같은 터치 입력 디바이스, 음성 입력 디바이스, 스캐닝 디바이스, 또는 다른 디바이스일 수 있다. 오디오의 경우, 입력 디바이스(들)(1150)는, 아날로그 또는 디지털 형태로 오디오 입력을 수신하는 사운드 카드나 유사한 디바이스일 수 있거나, 오디오 샘플을 컴퓨팅 환경(1100)에 제공하는 CD-ROM 판독기일 수 있다. 출력 디바이스(들)(1160)는, 컴퓨팅 환경(1100)으로부터 출력을 제공하는 디스플레이, 프린터, 스피커, CD-기록기 또는 다른 디바이스일 수 있다.
통신 연결(들)(1170)은 통신 매체(예컨대, 연결 네트워크)를 통해 다른 컴퓨팅 개체에 통신할 수 있다. 통신 매체는 변조된 데이터 신호에서 컴퓨터로 수행 가능한 명령, 압축된 그래픽 정보, 또는 다른 데이터와 같은 정보를 전달한다.
컴퓨터로 판독 가능한 매체는, 컴퓨팅 환경(1100) 내에 액세스될 수 있는 임의의 이용 가능한 매체이다. 예컨대, 그리고 제한 없이, 컴퓨팅 환경(1100)으로, 컴퓨터로 판독 가능한 매체는 메모리(1120), 저장부(1140), 통신 매체(미도시) 및 이들 중 어느 것의 조합을 포함한다.
기타 실시예
본 명세서에서 개시한 원리를 사용하여, 당업자라면, 간섭계 시스템, 특히 장애를 검출하도록 구성된 시스템의 광범위한 가능 실시예를 이해할 것이다. 예컨대, 장애는, 변조 분리에 추가하거나 그 대신에, 편광 분리, 파장 분리, 또는 둘 모두를 관찰함으로부터 검출될 수 있다.
다수의 광원을 사용한 변조 분리
단일 광원을 포함하는 혁신적인 간섭계 시스템(100, 100a 및 200)이 상술되었지만, 다수의 광원이, 예컨대 도 10에 도시한 바와 같이, 시스템(500)에서 사용될 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2 광원(도 10에서 "레이저 원 1"과 "레이저 원 2"으로 각각 표시됨)의 각각의 진폭은 각각의 제1 및 제2 주파수에서 변조될 수 있다. 각각의 검출기(D1 및 D2)의 출력은 각각의 간섭계 응답을 유도하기 위해 복조될 수 있다. 도 10에 도시한 바와 같이, 그러한 시스템은, 간섭계의 각각의 광 도관에 대응하는 두 개의 편광 위상 컨쥬게이션 디바이스(도 10에서 "패러데이 회전 미러"로 표시됨)를 포함할 수 있다.
그러한 시스템(500)에서, 제1 및 제2 변조 주파수는, 장애에 대한 적절한 민감도를 달성하기 위해 바람직하게는 타겟 응답 주파수 대역보다 충분히 높다. 예컨대, 변조 주파수의 범위는 대략 50㎑와 750㎑ 사이일 수 있다. 이 예에서, 20㎒와 30㎒의 변조 주파수를 사용할 것을 제안한다. 그러한 주파수 선택으로 인해 각각의 응답은 명백히 구별 가능하고 분리 가능하게 된다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 혼합기가 각각의 응답을 적절한 저역 통과 필터로 필터링하기 전에 기저대역으로 강하시키기 위해 사용될 수 있다.
도 10에서, 레이저 원 #1은 제1 주파수(f1)에서 변조될 수 있다. 레이저 #1의 변조된 출력은 인입 케이블 및 미켈슨 간섭계 #1에 결합될 수 있다. 검출기(D1)에서 측정한 이 간섭계로부터의 응답은 동작적으로 프로세서에 결합될 수 있다.
레이저 원 #2는 제2 주파수(f2)에서 변조될 수 있다. 레이저 #2의 변조된 출력은 인입 케이블 및 미켈슨 간섭계 #2에 결합될 수 있다. 검출기(D2)에서 측정한 이 간섭계로부터의 응답은 동작적으로 프로세서에 결합될 수 있다.
예컨대, 각 검출기(D1 및 D2)의 각각의 출력은 고주파 성분을 제거하기 위해 안티-에일리어스 필터를 통과할 수 있어서, 아날로그-디지털 변환기(ADC #1 및 #2)의 출력은 검출기의 원하는 아날로그 출력을 충실히 표시한다. ADC 변환기의 샘플링률은 fs일 수 있다. 안티-에일리어스의 코너 주파수는 나이키스트 샘플링 기준에 일치하도록 샘플링 주파수의 대략 절반 미만일 수 있다.
디지털 신호를 처리할 때, 검출기의 출력은 변조 주파수 주위에서 대역통과 필터를 통과할 수 있다. 그러한 필터는 혼합 전에 원치 않는 항(예컨대, 혼합 시 발생할 수 있는 원치 않는 크로스-프로덕트)을 제거할 수 있다. 필터 각각의 대역폭은 상부 응답 주파수의 두 배(즉, 2fu)일 수 있다. 그러한 필터는 검출 프로세스로부터 기저대역 성분을 제거하게 되며, 복조 동안에 사용된 변조 주파수만, 예컨대 ω1 및 ω2 항과 이들 주파수의 두 배를 남겨둔다.
신호는, 적절한 변조 주파수와 곱함으로써(예컨대, 적절한 변조율; f1, 2f1, f2 및 2f2에서 +1 및 -1과 곱함으로써) 복조될 수 있다. 이것은 응답을 기저대역으로 하향 변환하며, 이 대역에서, 이들 응답은 원하는 페이저 출력([I1(t), Q1(t)] 및 [I2(t), Q2(t)])을 얻기 위해 대역 통과 필터링된다.
I 및 Q 응답을 해석
도 10에서 (또는 도 2 및 도 3에서) 도시한 간섭계로부터의 응답은, 도 11(A) 및 도 11(B)에 도시한 바와 같이, 원을 그리는 회전 벡터로서 보일 수 있다.
회전 방향은 센서 도관과 기준 도관의 길이의 상대적인 변화에 의해 결정될 수 있다. 일반적으로, 응답은, 장애의 영양 하에서 다수의 사이클에 대해 한 방향으로 회전할 것으로 기대할 수 있고, 도관들이 그 각자의 장애 없는 조건으로 복귀함에 따라 정반대 방향으로 회전할 것으로 기대할 수 있다.
응답은 통상 많은 상이한 주파수 성분을 포함하므로, 회전의 각속도가 시간에 따라 상당히 변화할 수 있을지라도, 회전의 방향은 일정하게 보일 수 있다. 결과적인 패턴은 일반적으로 각 장애에 대해 고유하지만, 일반적으로 두 검출기로부터 동일한 것으로 관찰되며, 그 이유는 두 검출기가 동일한 장애에 응답하는 동일한 섬유로부터 신호를 수신하고 있기 때문이다. 그럼에도, 각각의 경로 길이가 두 간섭계에 대해 상이하므로, 검출기는 상이한 시간에 광 신호를 수신한다. 따라서, 장애 타겟의 위치는 응답 #1을 응답 #2와 상관시킴으로써 식별할 수 있다.
앞서 주목한 바와 같이, 민감한 도관에 대한 각각의 장애는 다수의 사이클 면에서 고유한 응답을 만든다.
도 12에 도시한 표는, 본 명세서에 개시한 혁신적인 방법을 함께 형성하는 여러 가지 단계를 식별한다. 예컨대, 도 2 및 도 3에 도시한 시스템과 도 12의 표를 참조하면, 광이 섬유에 입사될 수 있다(1201). 광은 제1 아웃바운드 부분과 제2 아웃바운드 부분으로 분할될 수 있다(1202). 제1 아웃바운드 부분은 제1 반사 부분 및 대응하는 제1 결합 부분으로 분할될 수 있다(1203). 제2 아웃바운드 부분은 제2 반사 부분 및 대응하는 제2 결합 부분으로 분할될 수 있다(1204). 제1 반사 부분은 제1 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스로 반사될 수 있고, 제2 부분은 제2 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스로 반사될 수 있다(1205). 제1 반사 부분과 제2 반사 부분은 결합될 수 있다(1206). 제1 결합 부분과 제2 결합 부분은 결합될 수 있다(1207).
도 13에 도시한 표는, 본 명세서에서 개시한 다른 혁신적인 방법을 함께 형성하는 여러 가지 단계를 식별한다. 예컨대, 도 2 및 도 3에 도시한 시스템과 데 13에 도시한 표를 참조하면, 광은, 미켈슨 센서 부분, 마흐-젠더 센서 부분 및 그 사이에 동작 결합부를 포함하는 광섬유 센서에 입사될 수 있다. 결합된 제1 신호 부분과 제2 신호 부분은 미켈슨 센서 부분으로부터 검출될 수 있다(1301). 제1 신호 부분은 마흐-젠더 센서 부분으로부터 검출될 수 있다(1202). 장애의 위치는, 적어도 부분적으로, 제1 신호 부분과 제2 신호 부분의 비교를 기초로 감지될 수 있다(1304).
개시된 원리는 기재된 실시예로 제한되지 않음
본 개시는 그 부분을 형성하는 수반하는 도면을 참조하며, 이들 도면에서 유사한 참조번호는 도면에 걸쳐서 유사한 부분을 지시한다. 도면은 특정 실시예를 예시하지만, 다른 실시예가 형성될 수 있고, 본 개시의 의도한 범위로부터 벗어나지 않는다면 구조적 변화가 있을 수 있다. 방향 및 참조번호(예컨대, 위, 아래, 정상, 바닥, 좌측, 우측, 후방, 전방 등)는 도면의 설명을 용이하게 하기 위해 사용될 수 있지만, 제한하고자 하는 것은 아니다. 예컨대, "위", "아래", "상부", "하부", "수평", "수직", "좌측", "우측" 등과 같은 특정한 용어가 사용될 수 있다. 이들 용어는, 적절한 경우, 특히 예시한 실시예에 있어서, 상대적인 관계를 다룰 때 일부 설명의 명료성을 제공하기 위해 사용된다. 그러한 용어는, 그러나, 절대적인 관계, 위치 및/또는 배향을 나타내고자 하는 것은 아니다. 예컨대, 대상에 있어서, "상부" 표면은, 단순히 대상을 뒤집음으로써 "하부" 표면이 될 수 있다. 그럼에도, 이것은 여전히 동일한 표면이며, 대상은 동일하다. 본 명세서에서 사용될 때, "및/또는"은 "및" 그리고 "또는" 뿐만 아니라 "및"을 의미한다.
따라서, 본 상세한 설명은 제한적인 의미로 해석되지 않아야 하며, 본 개시를 검토하면서, 당업자라면, 본 명세서에서 개시한 여러 개념을 사용하여 개발될 수 있고 해석될 수 있는 광범위한 간섭계 시스템을 이해하게 될 것이다. 게다가, 당업자라면, 본 명세서에 개시한 예시적인 실시예가 개시한 개념으로부터 벗어나지 않고 여러 구성으로 적응될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 개시한 원리가 적용될 수 있는 많은 가능한 실시예에 비추어볼 때, 상술한 실시예가 오직 예이며, 범위를 제한하는 것으로 취급되지는 않아야 함을 인식해야 한다. 또한, 상세한 청구범위가 본 명세서에서 제시되지는 않았을지라도, 청구범위가 가특허출원에 필수적인 구성요소는 아니므로, 본 발명자는, 다음의 문단들의 범위와 사상 내에 있는 모든 것을 포함하며, 이들로 제한되지는 않는 본 명세서에 개시한 요지의 범위와 사상 내에 있는 모든 것을 본 발명자의 발명으로서 청구할 권리를 보유한다.

Claims (26)

  1. 미켈슨(Michelson) 센서 부분 및 마흐-젠더(Mich-Zehnder) 센서 부분과, 센서가 장애를 검출할 수 있게 하도록 구성된 이들 부분 사이에 있는 동작 결합부(operative coupling)를 포함하는 광섬유 센서로서,
    상기 센서의 민감 부분을 규정하며, 각각의 근단(proximal end)과 원단(distal end) 사이에서 각각 연장되는 제1 섬유 부분 및 제2 섬유 부분;
    상기 제1 섬유 부분과 상기 제2 섬유 부분의 근단 인근에 위치하고, 상기 제1 섬유 부분과 상기 제2 섬유 부분 사이에서 입력 광을 분할하도록 구성된 제1 분할기-결합기;
    상기 제1 섬유 부분과 상기 제2 섬유 부분의 각각의 원단 인근에 위치한 결합기;
    상기 제1 섬유 부분에 대응하는 입력 광의 편광 위상을 컨쥬게이트(conjugate)하도록 구성된 제1 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스 및, 상기 제2 섬유 부분에 대응하는 입력 광의 편광 위상을 컨쥬게이트하도록 구성된 제2 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스;
    상기 제1 섬유 부분의 원단 인근에 위치하고, 상기 제1 섬유 부분으로부터의 광을 상기 제1 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스를 향해 그리고 상기 결합기를 향해 분할하도록 구성된 제2 분할기-결합기;
    상기 제2 섬유 부분의 원단 인근에 위치하고, 상기 제1 섬유 부분으로부터의 광을 상기 제2 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스를 향해 그리고 상기 결합기를 향해 분할하도록 구성된 제3 분할기-결합기로서, 상기 제1 분할기-결합기는, 상기 제1 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스에 의해 상기 제1 섬유 부분을 통해 반사된 광을 상기 제2 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스에 의해 상기 제2 섬유 부분을 통해 반사된 광과 결합하고, 결합된 광을 제1 검출기를 향해 보내도록 더 구성된, 제3 분할기-결합기; 및
    상기 센서의 둔감 부분을 규정하고, 상기 결합기로부터 광을 수광하도록 구성된 원단과 상기 결합기로부터 제2 검출기를 향해 광을 보내도록 구성된 근단을 갖는 제3 섬유 부분으로서, 상기 제3 섬유 부분의 원단은 상기 제1 섬유 부분과 상기 제2 섬유 부분의 각각의 원단 인근에 위치하고, 상기 제3 섬유 부분의 근단은 상기 제1 섬유 부분과 상기 제2 섬유 부분의 각각의 근단 인근에 위치하는 제3 섬유 부분을 포함하되,
    상기 센서는, 상기 제1 검출기에 의해 검출된 제1 광 신호와 상기 제2 검출기에 의해 검출된 제2 광 신호가 상기 센서의 민감 부분에 대한 장애의 위치를 추정하기에 충분한 정보를 전달하도록 구성된, 광섬유 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 센서는 장애의 위치, 상기 장애의 크기, 또는 둘 모두를 검출하도록 더 구성된 것인 광섬유 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스와 상기 제2 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스에 의해 반사된 광을 수광하도록 구성된 제1 검출기; 및
    상기 제3 섬유 부분으로부터 광을 수광하도록 구성된 제2 검출기를 더 포함하되,
    상기 제3 섬유 부분을 통과하는 광은, 상기 제1 또는 제2 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스에 의해 반사된 광과는 독립적으로 상기 제2 검출기를 조명하는 것인 광섬유 센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 마흐-젠더 센서 부분에서 적절한 신호대잡음비를 유지하기 위해 상기 제1 및 제2 섬유 센서 부분에 들어가는 광의 편광 상태를 간헐적인 방식으로 변경하도록 구성된 편광 스크램블러를 더 포함하는 광섬유 센서.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제 섬유 부분, 제2 섬유 부분 및 제3 섬유 부분은 하나의 수동적으로 종결된 광섬유 케이블을 포함하는 것인 광섬유 센서.
  6. 제5항에 있어서, 상기 광섬유 케이블의 근단(proximal end)은 (i) 상기 제1 분할기-결합기로부터의 광이 제1 검출기를 조명할 수 있도록 상기 제1 검출기에 결합하도록 구성되고, (ii) 상기 제3 섬유 부분으로부터의 광이 제2 검출기를 조명할 수 있도록 상기 제2 검출기에 결합하도록 구성된 것인 광섬유 센서.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 섬유 부분과 상기 제2 섬유 부분 각각의 각 길이는 대략 1㎞ 내지 대략 65㎞ 사이인 것인 광섬유 센서.
  8. 제5항에 있어서, 상기 광섬유 케이블의 길이는 대략 1㎞ 내지 대략 65㎞ 사이로 측정되는 것인 광섬유 센서.
  9. 수동적으로 종결된 광섬유 센서를 사용하여 장애를 검출하는 방법으로서,
    (i) 상기 센서의 민감 부분을 규정하는 제1 섬유 부분과 제2 섬유 부분, 및 상기 센서의 둔감 부분을 규정하는 제3 섬유 부분으로서, 상기 제1, 제2 및 제3 섬유 부분 각각은 각 근단과 원단 사이에서 연장되는, 제1, 제2 및 제3 섬유 부분, (ii) 상기 제1 섬유 부분과 상기 제2 섬유 부분의 근단 인근에 위치되고, 상기 제1 섬유 부분과 상기 제2 섬유 부분 사이에서 입력 광을 분할하도록 구성된 제1 분할기-결합기, (iii) 상기 제1 섬유 부분과 상기 제2 섬유 부분의 각 원단 인근에 위치되고, 상기 제1 섬유 부분으로부터의 광을 상기 제2 섬유 부분으로부터의 광과 결합하여 결합된 광을 상기 제3 섬유 부분으로 보내도록 구성된 결합기, 및 (iv) 상기 제1 섬유 부분에 대응하는 입력 광의 편광 위상을 콘쥬게이트하도록 구성된 제1 편광-위상 콘쥬게이션 디바이스 및 상기 제2 섬유 부분에 대응하는 입력 광의 편광 위상을 콘주게이트하도록 구성된 제2 편광-위상 콘쥬게이션 디바이스를 포함하는 광섬유 센서에 광을 입사하는 단계;
    상기 제1 편광-위상 콘쥬게이션 디바이스에 의해 반사된 광과 상기 제2 편광-위상 콘쥬게이션 디바이스에 의해 반사된 광으로부터 결합된 제1 신호 부분과 제2 신호 부분을 제1 검출기로 검출하는 단계;
    상기 결합기에 의해 결합되어 상기 제3 섬유 부분으로 보내지는 광으로부터 상기 제1 신호 부분을 제2 검출기로 검출하는 단계; 및
    적어도 부분적으로 상기 제1 신호 부분과 상기 제2 신호 부분의 비교에 기초하여 장애의 위치를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 장애의 위치를 결정하는 단계는 상기 결합된 제1 신호 부분과 제2 신호 부분으로부터 상기 제1 신호 부분을 감산하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제1 검출기, 상기 제2 검출기, 또는 이들 둘 모두에 의해 검출된 위상 시프트를 부분적으로 기초로 하여 상기 장애의 크기를 결정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 장애의 크기를 결정하는 단계는 프린지(fringes)를 명백하게 계수하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 장애의 크기를 결정하는 단계는 상기 위상 시프트를 명백하게 적분하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 장애의 크기를 결정하는 단계는 상기 위상 시프트를 명백하게 적분하는 단계와, 상기 위상 시프트를 적분함으로부터 결정된 상기 장애의 크기와 프린지를 명백하게 계수하는 단계로부터 결정된 장애의 크기를 평균내는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  15. 모니터링된 장치로서,
    모니터 영역; 및
    (i) 수동적으로 종결된 민감 광 센서로서, 상기 센서의 민감 부분을 규정하는 제1 섬유 부분 및 제2 섬유 부분과, 상기 센서의 둔감 부분을 규정하는 제3 섬유 부분으로서, 상기 제1, 제2 및 제3 섬유 부분 각각은 각각의 근단과 원단 사이에서 연장되는, 제1, 제2 및 제3 섬유 부분, (ii) 상기 제1 섬유 부분과 상기 제2 섬유 부분의 근단 인근에 위치하고, 상기 제1 섬유 부분과 상기 제2 섬유 부분 사이에서 입력 광을 분할하도록 구성된 제1 분할기-결합기, (iii) 상기 제1 섬유 부분과 상기 제2 섬유 부분의 각각의 원단 인근에 위치하고, 상기 제1 섬유 부분으로부터의 광을 상기 제2 섬유 부분으로부터의 광과 결합하여 결합된 광을 상기 제3 섬유 부분에 보내도록 구성된 결합기, 및 (iv) 상기 제1 섬유 부분에 대응하는 입력 광의 편광 위상을 컨쥬게이트하도록 구성된 제1 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스 및, 상기 제2 섬유 부분에 대응하는 입력 광의 편광 위상을 컨쥬게이트하도록 구성된 제2 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스를 포함하는 수동적으로 종결된 민감 광 센서를 포함하되,
    상기 센서는, 상기 센서의 민감 부분에 대한 장애에 응답하여, 상기 결합기에 의해 결합되어 상기 제3 섬유 부분으로 보내진 광으로부터 제1 신호 부분을 제공하고, 상기 제1 신호 부분을, 상기 제1 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스에 의해 반사된 광과 상기 제2 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스에 의해 반사된 광으로부터의 제2 신호 부분과 결합하여, 제공하도록 구성되어, 상기 제1 신호 및 상기 결합된 제1 및 제2 신호가 상기 센서의 민감 부분에 대한 장애의 위치를 추정하기에 충분한 정보를 전달하며, 상기 센서의 민감 부분은 상기 모니터 영역에 대한 장애에 의해 장애를 겪을 수 있도록 상기 모니터 영역 인근에 동작적으로 위치하는 것인 모니터링된 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 모니터 영역은, 펜스, 파이프라인, 레일 라인, 통신 라인, 컨베이어, 접지에 고정된 구조 및 외곽(perimeter) 중 하나 이상을 포함하는 것인 모니터링된 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 광 센서에 광학적으로 결합된 능동 부분을 더 포함하되, 상기 능동 부분은 (i) 광을 상기 광 센서에 방출하도록 구성된 변조된 광원; (ii) 상기 결합된 제1 및 제2 신호를 검출하도록 구성된 제1 검출기; 및 (iii) 상기 제3 섬유 부분에 결합되고, 상기 제1 신호를 검출하도록 구성된 제2 검출기를 포함하며, 상기 수동적으로 종결된 민감 광 센서는 대략 1㎞ 내지 대략 65㎞ 사이에서 상기 능동 부분으로부터 떨어져 연장되는 것인 모니터링된 장치.
  18. 제15항에 있어서, 상기 능동 부분에 광학적으로 결합되며, 대략 1㎞ 내지 대략 65㎞ 사이에서 상기 능동 부분으로부터 떨어져 연장되는 제2 광 센서를 더 포함하는 모니터링된 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 광 센서들은 대략 100㎞ 내지 대략 130㎞ 사이에서 연장되는 영역을 규정하며, 상기 영역에 걸쳐서, 장애가 상기 센서들 중 하나 또는 둘 모두에 의해 검출될 수 있는 것인 모니터링된 장치.
  20. 실행가능한 명령들을 포함하는 컴퓨터로 판독 가능한 매체로서,
    상기 명령들은, 실행될 때, 장치로 하여금,
    (i) 상기 센서의 민감 부분을 규정하는 제1 섬유 부분 및 제2 섬유 부분, 및 상기 센서의 둔감 부분을 규정하는 제3 섬유 부분으로서, 상기 제1, 제2 및 제3 섬유 부분 각각은 각 근단과 원단 사이에서 연장되는, 제1, 제2 및 제3 섬유 부분, (ii) 상기 제1 섬유 부분과 상기 제2 섬유 부분의 근단 인근에 위치되고, 상기 제1 섬유 부분과 상기 제2 섬유 부분 사이에서 입력 광을 분할하도록 구성된 제1 분할기-결합기, (iii) 상기 제1 섬유 부분과 상기 제2 섬유 부분의 각 원단 인근에 위치되고, 상기 제1 섬유 부분으로부터의 광을 상기 제2 섬유 부분으로부터의 광과 결합하여 결합된 광을 상기 제3 섬유 부분으로 보내도록 구성된 결합기, 및 (iv) 상기 제1 섬유 부분에 대응하는 입력 광의 편광 위상을 콘쥬게이트하도록 구성된 제1 편광-위상 콘쥬게이션 디바이스 및 상기 제2 섬유 부분에 대응하는 입력 광의 편광 위상을 콘주게이트하도록 구성된 제2 편광-위상 콘쥬게이션 디바이스를 포함하는 광섬유 센서에 광을 입사하는 단계;
    상기 제1 편광-위상 콘쥬게이션 디바이스에 의해 반사된 광과 상기 제2 편광-위상 콘쥬게이션 디바이스에 의해 반사된 광으로부터 결합된 제1 신호 부분과 제2 신호 부분을 제1 검출기로 검출하는 단계;
    상기 결합기에 의해 결합되어 상기 제3 섬유 부분으로 보내지는 광으로부터 상기 제1 신호 부분을 제2 검출기로 검출하는 단계; 및
    적어도 부분적으로 상기 제1 신호 부분과 상기 제2 신호 부분의 비교에 기초하여 장애의 위치를 결정하는 단계를 포함하는 방법을 수행하게 하는 것인, 컴퓨터로 판독 가능한 매체.
  21. 제20항에 있어서, 상기 장애의 위치를 결정하는 단계는 상기 결합된 제1 신호 부분과 제2 신호 부분으로부터 상기 제1 신호 부분을 감산하는 단계를 포함하는 것인, 컴퓨터로 판독 가능한 매체.
  22. 제20항에 있어서, 상기 방법은, 상기 제1 검출기, 상기 제2 검출기, 또는 둘 모두에 의해 검출된 위상 시프트에 부분적으로 기초하여 상기 장애의 크기를 결정하는 단계를 더 포함하는 것인, 컴퓨터로 판독 가능한 매체.
  23. 제22항에 있어서, 상기 장애의 크기를 결정하는 단계는 프린지를 명백하게 계수하는 단계를 포함하는 것인, 컴퓨터로 판독 가능한 매체.
  24. 제22항에 있어서, 상기 장애의 크기를 결정하는 단계는 상기 위상 시프트를 명백하게 적분하는 단계를 포함하는, 컴퓨터로 판독 가능한 매체.
  25. 제23항에 있어서, 상기 장애의 크기를 결정하는 단계는, 상기 위상 시프트를 명백하게 적분하는 단계와, 상기 위상 시프트를 적분함으로부터 결정된 상기 장애의 크기와 프린지를 명백하게 계수하는 단계로부터 결정된 장애의 크기를 평균내는 단계를 더 포함하는 것인, 컴퓨터로 판독 가능한 매체.
  26. 광섬유 센서를 구성하는 방법으로서,
    민감 센서 부분을 규정하는 제1 섬유 부분 및 제2 섬유 부분을 제공하는 단계;
    둔감 센서 부분을 규정하는 제3 섬유 부분을 제공하는 단계로서, 상기 제1, 제2 및 제3 섬유 부분 각각은 각각의 근단과 원단 사이에서 연장되는 것인, 상기 제3 섬유 부분을 제공하는 단계;
    제1 분할기-결합기가 상기 제1 섬유 부분과 상기 제2 섬유 부분 사이에서 입력 광을 분할하도록 구성되도록 상기 제1 분할기-결합기를 상기 제1 섬유 부분과 상기 제2 섬유 부분의 근단에 동작적으로 결합하는 단계;
    결합기가 상기 제1 섬유 부분으로부터의 광을 상기 제2 섬유 부분으로부터의 광과 결합하여 결합된 광을 상기 제3 섬유 부분에 보내도록 구성되도록 상기 결합기를 상기 제1 섬유 부분과 상기 제2 섬유 부분의 각각의 원단에 동작적으로 결합하는 단계;
    상기 제1 섬유 부분에 대응하는 입력 광의 편광 위상을 컨쥬게이트하도록 구성된 제1 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스 및, 상기 제2 섬유 부분에 대응하는 입력 광의 편광 위상을 컨쥬게이트하도록 구성된 제2 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스를 제공하는 단계로서, 이를 통해 상기 센서가, 상기 센서의 민감 부분에 대한 장애에 응답하여, 상기 결합기에 의해 결합되어 상기 제3 섬유 부분에 보내지는 광으로부터 제1 신호 부분을 제공하고, 상기 제1 신호 부분을, 상기 제1 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스에 의해 반사된 광과 상기 제2 편광-위상 컨쥬게이션 디바이스에 의해 반사된 광으로부터의 제2 신호 부분과 결합하여 제공하도록 구성되도록 하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 신호 및 상기 결합된 제1 및 제2 신호는 상기 센서의 민감 부분에 대한 장애의 위치를 추정하기에 충분한 정보를 전달하는 것인, 광섬유 센서를 구성하는 방법.
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