KR101823454B1 - 다수의 상관점 동시 측정이 가능한 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서 및 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법 - Google Patents

다수의 상관점 동시 측정이 가능한 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서 및 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법 Download PDF

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Abstract

공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서(spatially-selective Brillouin distributed optical fiber sensor)는, 시험 광섬유; 변조 주파수를 이용하여 레이저 광을 생성하도록 구성된 광원부; 상기 광원부의 레이저 광을 이용하여 펌프 광신호 및 프로브 광신호를 생성하되, 상기 펌프 광신호는 상기 변조 주파수에 기초하여 결정되는 시간 폭을 갖도록 게이팅된 펄스 신호이고, 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호를 서로 상이한 방향으로부터 상기 시험 광섬유에 인가하도록 구성된 광변조부; 및 상기 시험 광섬유에서 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호에 의해 생성되는 브릴루앙 산란광을 검출하고, 상기 브릴루앙 산란광을 시간영역에서 분절함으로써 상기 시험 광섬유상의 복수 개의 상관점에서의 브릴루앙 이득을 산출하는 광검출부를 포함할 수 있다. 상관점이 측정 범위 내에 다수 위치하도록 하고 이를 동시에 측정점으로 이용함으로써 전체 범위의 측정 시간을 단축시킬 수 있다.

Description

다수의 상관점 동시 측정이 가능한 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서 및 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법{SPATIALLY-SELECTIVE BRILLOUIN DISTRIBUTED OPTICAL FIBER SENSOR AND SENSING METHOD USING BRILLOUIN SCATTERING WHICH ALLOWS SIMULTANEOUS SENSING OF MULTIPLE CORRELATION POINTS}
실시예들은 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서(spatially-selective Brillouin distributed optical fiber sensor) 및 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수의 상관점의 동시 측정을 통해 전체 측정 시간을 단축시키는 기술에 대한 것이다.
광섬유 내에서 일어나는 브릴루앙 산란(Brillouin scattering)에 의해 발생하는 브릴루앙 주파수 천이는 광섬유가 겪는 온도와 응력에 따라 선형적으로 변하는 특성을 갖고 있어, 브릴루앙 주파수 천이량을 측정하여 그 지점의 물리 변화를 알 수 있다. 이러한 브릴루앙 산란을 이용한 분포형 센서는 시간영역, 주파수영역, 또는 상관영역 등 다양한 방식이 있다.
그 중 공간선택적 브릴루앙 광상관 영역 분석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis; BOCDA) 방식의 센서는, 펌프(pump)광과 프로브(probe)광의 주파수 차이가 일정한 지점으로서 주기적으로 나타나는 상관점을 센싱점으로 이용함으로써 높은 공간 분해능과 임의의 센싱 지점 선택성 등을 가지는 장점이 있어 매우 유용하다.
그렇지만 BOCDA 방식의 분포형 센서는 연속적인 펌프광 및 프로브광을 광원으로 사용하기 때문에, 특정 상관점에 대한 측정이 인접한 상관점의 측정과 겹치지 않도록 측점 범위 내에 오직 하나의 상관점만이 위치하도록 설정해야 한다. 따라서, 종래의 BOCDA 방식의 분포형 센서는 공간 분해능과 측정 범위가 항상 트레이드 오프(trade-off) 관계에 놓여있게 되어, 높은 공간분해능을 유지하기 위해서는 측정 범위가 제한되는 단점이 있으며, 하나의 상관점만 측정점으로 작용하기 때문에 전 범위를 측정하는데 시간이 오래 걸리는 단점이 있다.
등록특허공보 제10-1358942호
본 발명의 일 측면에 따르면, 브릴루앙 광상관 영역 분석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis; BOCDA) 방식을 이용한 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서(spatially-selective Brillouin distributed optical fiber sensor)에 있어서, 상관점이 측정 범위 내에 다수 위치하도록 하고 이를 동시에 측정점으로 이용함으로써 전체 범위의 측정 시간을 단축시킨 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서 및 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서(spatially-selective Brillouin distributed optical fiber sensor)는, 시험 광섬유; 변조 주파수를 이용하여 레이저 광을 생성하도록 구성된 광원부; 상기 광원부의 레이저 광을 이용하여 펌프 광신호 및 프로브 광신호를 생성하되, 상기 펌프 광신호는 상기 변조 주파수에 기초하여 결정되는 시간 폭을 갖도록 게이팅된 펄스 신호이고, 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호를 서로 상이한 방향으로부터 상기 시험 광섬유에 인가하도록 구성된 광변조부; 및 상기 시험 광섬유에서 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호에 의해 생성되는 브릴루앙 산란광을 검출하고, 상기 브릴루앙 산란광을 시간영역에서 분절함으로써 상기 시험 광섬유상의 복수 개의 상관점에서의 브릴루앙 이득을 산출하는 광검출부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 펌프 광신호는 상기 변조 주파수의 역수와 동일한 시간 폭을 가진 펄스 신호이다.
일 실시예에서, 상기 프로브 광신호는 연속된 신호이며, 상기 복수 개의 상관점 각각은, 상기 시험 광섬유에서 연속된 신호인 상기 프로브 광신호와 펄스 신호인 상기 펌프 광신호가 동시에 서로 상이한 방향으로 진행하는 영역에 위치한다.
일 실시예에서, 상기 광검출부는, 상기 브릴루앙 산란광을 시간영역에서 해석한 신호를 얻는 데이터 수집부; 및 상기 브릴루앙 산란광을 시간영역에서 해석한 신호를 이용하여 상기 복수 개의 상관점 각각에서의 브릴루앙 이득을 산출하는 연산부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 연산부는, 상기 브릴루앙 이득에 기초하여 상기 복수 개의 상관점 각각에서의 브릴루앙 주파수를 산출하도록 더 구성된다.
일 실시예에서, 상기 광원부는, 상기 변조 주파수를 갖는 변조 신호를 생성하는 제1 파형 발생기를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 광변조부는, 상기 레이저 광의 주파수를 미리 결정된 오프셋 주파수만큼 이동시켜 상기 프로브 광신호를 생성하도록 구성된 제1 변조기; 상기 변조 신호와 동기화된 게이팅 신호를 발생시키는 제2 파형 발생기; 및 상기 게이팅 신호를 이용하여 상기 레이저 광을 게이팅함으로써 상기 펌프 광신호를 생성하도록 구성된 제2 변조기를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 제2 변조기는 반도체 광 증폭기를 포함한다.
일 실시예에 따른, 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법은, 변조 주파수를 갖는 변조 신호에 의해 변조된 레이저 광을 생성하는 단계; 상기 레이저 광의 주파수를 미리 결정된 오프셋 주파수만큼 이동시켜 프로브 광신호를 생성하는 단계; 상기 레이저 광을 상기 변조 주파수에 기초하여 결정되는 시간 폭을 갖도록 게이팅하여 펄스 신호인 펌프 광신호를 생성하는 단계; 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호를 서로 상이한 방향으로부터 시험 광섬유에 인가하는 단계; 및 상기 시험 광섬유에 위치하는 복수 개의 상관점에서 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호에 의해 생성되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따른 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법에서, 상기 펌프 광신호는 상기 변조 주파수의 역수와 동일한 시간 폭을 가진 펄스 신호이다.
일 실시예에 따른 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법에서, 상기 프로브 광신호는 연속된 신호이며, 상기 복수 개의 상관점 각각은, 상기 시험 광섬유에서 연속된 신호인 상기 프로브 광신호와 펄스 신호인 상기 펌프 광신호가 동시에 서로 상이한 방향으로 진행하는 영역에 위치한다.
일 실시예에 따른 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법은, 상기 브릴루앙 산란광을 이용하여 상기 복수 개의 상관점 각각에서의 브릴루앙 이득을 산출하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에 따른 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법은 상기 브릴루앙 이득에 기초하여 상기 복수 개의 상관점 각각에서의 브릴루앙 주파수를 산출하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에 따른 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법에서, 상기 펌프 광신호를 생성하는 단계는, 상기 변조 신호와 동기화된 게이팅 신호를 발생시키는 단계; 및 상기 게이팅 신호를 이용하여 상기 레이저 광을 게이팅하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따른 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법에서, 상기 레이저 광을 게이팅하는 단계는, 반도체 광 증폭기를 이용하여 상기 레이저 광의 세기를 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따른 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서(spatially-selective Brillouin distributed optical fiber sensor) 및 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법에 의하면, 상관점이 측정 범위 내에 다수 위치하도록 하고 이를 동시에 측정점으로 이용함으로써 전체 범위의 측정에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 다수의 상관점이 측정 범위를 이루기 때문에, 높은 공간 분해능을 유지하면서도 측정 범위를 늘릴 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서(spatially-selective Brillouin distributed optical fiber sensor)의 개략적인 구성도이다.
도 2a 내지 2d는 일 실시예에 따른 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서에서 게이팅된 펌프(pump) 펄스와 연속 프로브(probe)광의 상호 작용으로 인한 프로브광의 증폭 과정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 일 실시예에 따른 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서를 이용하여 다수의 상관점에서 동시에 얻은 브릴루앙 이득 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 3의 그래프에서 하나의 상관점에 상응하는 브릴루앙 이득 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법의 순서도이다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1은 일 실시예에 따른 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서(spatially-selective Brillouin distributed optical fiber sensor)의 개략적인 구성도이다.
실시예들에 따른 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서는, 브릴루앙 광상관 영역 분석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis; BOCDA)을 이용한 것이다. 구체적으로는, 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.
이때, 펌프광과 프로브광의 주파수가 공간적으로 사인(sin) 파형을 갖도록 광신호를 변조함으로써, 광섬유 내의 특정 위치에서만 선택적으로 브릴루앙 산란 신호를 얻을 수 있다. 구체적으로는, 광섬유 내의 특정 위치에서는 펌프광의 주파수와 프로브광의 주파수의 차이가 시간이 지나더라도 일정하며, 이를 상관점이라고 지칭한다. 펌프광과 프로브광의 주파수 차이가 일정한 상관점은 펌프광 및 프로브광의 변조 주파수의 반주기마다 나타나며, 펌프광과 프로브광의 주파수 차이가 광섬유 고유의 브릴루앙 천이 주파수와 일치하도록 하면 상관점에서 유도 브릴루앙 산란이 발생하여 산란광을 얻을 수 있게 된다. 유도 브릴루앙 산란은 산란광의 스펙트럼에서 브릴루앙 이득을 가진 피크(peak)의 형태로 나타난다.
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. 펌프광 및 프로브광이 인가될 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.
BOCDA 방식의 센서는 측정 범위 내에 오직 하나의 상관점만이 위치하여야 하므로, 측정 범위는 두 인접한 상관점 사이의 거리가 되며 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016105300493-pat00001
상기 수학식 1에서 R은 측정범위를 나타내며, υg는 시험 광섬유내에서의 광신호의 속도를 나타내고, fm은 광신호의 변조 주파수를 나타내며, c는 빛의 진동 중에서의 속도를 나타내고, n은 광섬유의 유효굴절률을 나타낸다.
그리고 상기의 BOCDA 센서에서의 공간분해능 Δz는 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016105300493-pat00002
상기 수학식 2에서 Δf 는 변조 주파수 fm으로 변조되는 광신호의 실제 주파수의 변화량을 나타내는 것으로, 예컨대, 레이저의 전류를 주파수 fm을 갖는 파형 발생기의 신호를 이용하여 변조하면, 변조되는 전류의 크기에 비례하여 실제 레이저의 광주파수가 변조되는데, 이때 변조되는 광주파수의 크기에 대응된다. 또한, 상기 수학식 2에서 ΔνB는 브릴루앙 이득 스펙트럼의 선폭으로, 브릴루앙 산란 신호가 브릴루앙 주파수 νB에서 최대값을 갖지만, 그 근처 주파수에서도 상당한 정도의 신호가 관측되는데, 이때 ΔνB는 피크를 중심으로 양 방향에 위치하며 신호의 세기가 반으로 줄어드는 두 지점 사이의 폭에 대응된다.
이때 두 인접한 상관점 사이의 거리로 정의되는 측정 범위를 늘리기 위해서는, 광신호의 변조 주파수 fm을 증가시켜야 하나, 상기 수학식 2와 같이 변조 주파수 fm을 증가시키면 공간 분해능 Δz는 낮아지게 되는 트레이드 오프(trade-off) 상태에 놓여있다. 따라서, 종래에는 높은 공간 분해능을 유지하면서 측정 범위를 늘리는 것이 제한적이었다.
반면 본 발명의 실시예들에 의하면, BOCDA 시스템에서 측정 범위 내에 다수의 상관점이 위치하도록 하고, 시간 영역에서 신호를 처리함으로써 다수의 상관점을 동시에 이용할 수 있다. 구체적으로는, 시간 영역에서의 신호 처리를 위해서 펌프광을 연속광이 아닌 펄스 형태로 변조하고, 반대 방향으로 진행하는 펌프광과의 상호작용으로 증폭된 프로브광을 시간 구간 별로 분절하여 분석할 수 있다. 그리하여 측정 범위 내에 위치하는 복수 개, 예컨대, N개의 상관점을 동시에 이용할 수 있게 되고, 그 결과 높은 공간분해능을 유지하면서도 측정 범위는 N배로 확대된다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서는 광원부(10), 광변조부(20), 시험 광섬유(30) 및 광검출부(50)를 포함한다. 시험 광섬유(30)는 광경로상에서 브릴루앙 산란을 이용하여 물리량의 변화를 측정하고자 하는 위치에 배치될 수 있다.
광원부(10)는 분포형 광섬유 센서의 동작에 사용될 광을 공급하기 위한 장치이다. 일 실시예에서, 광원부(10)는 분포형 궤환 레이저 다이오드(Distrubuted Feed-Back Laser Diode; DFB LD)(110) 및 파형 발생기(120)를 포함할 수 있다. 파형 발생기(120)를 이용하여 DFB LD(110)에 대한 공급 전류를 변조함으로써, 소정의 주파수를 갖는 정현파 형태로 변조된 레이저 광을 얻을 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 광원부(10)는 다른 상이한 방식의 레이저 발생 장치를 포함하여 구성될 수도 있다.
광변조부(20)는, 광원부(10)로부터 변조된 레이저 광을 인가받고, 이로부터 펌프 광신호 및 프로브 광신호를 생성하여 시험 광섬유(30)의 양단에 인가하도록 구성된다. 이때, 광변조부(20)에서는, 다수의 상관점에서 각각 일어나는 브릴루앙 산란에 의한 프로브 증폭을 개별적으로 분석하기 위해서, 레이저 광의 변조 주파수에 기초하여 결정되는 시간 폭을 갖도록 레이저 광을 게이팅함으로써 펄스 신호 형태의 펌프 광신호를 생성한다. 일 실시예에서, 펌프 광신호의 펄스의 시간 폭은 레이저 광의 변조를 위한 것으로 변조 주파수 fm을 갖는 변조 신호의 한 주기, 즉, 1/fm이다. 한편, 프로브 광신호는 연속된 신호의 형태일 수 있다.
일 실시예에서, 광변조부(20)는 광분배기(210), 제1 변조기(220) 및 제2 변조기(230)를 포함한다. 광분배기(210)는 광원부(10)로부터 변조된 레이저 광을 수신하고, 수신된 레이저 광을 복수 개로 분기할 수 있다. 예컨대, 광분배기(210)는, 광원부(10)로부터 인가된 레이저 광을, 프로브 광신호를 생성하기 위한 제1 출력광 및 펌프 광신호를 생성하기 위한 제2 출력광으로 분기할 수 있다. 일 실시예에서, 광분배기(210)는 50:50 광분배기일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 변조기(220)는 광분배기(210)와 시험 광섬유(30)의 한쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결되며, 광분배기(210)의 제1 출력광을 이용하여 측대역(sideband) 신호를 포함하는 프로브 광신호를 생성한다. 즉, 제1 변조기(220)는 레이저 광의 주파수를 소정의 오프셋(offset) 주파수만큼 이동시켜 프로브 광신호를 생성한다. 예를 들어, 제1 변조기(220)는 주파수(ν0)를 갖는 제1 출력광을 수신한 후, 오프셋 주파수(νB)만큼 주파수가 천이된 주파수(ν0-νB)의 측대역 신호를 포함하도록 프로브 광신호를 생성하는 단측파대 변조기(Single Side Band Modulator; SSBM)일 수 있다.
한편, 제2 변조기(230)는 광분배기(210)와 시험 광섬유(30)의 다른쪽 끝단 사이에 연결되며, 광분배기(220)의 제2 출력광을 소정의 게이팅 신호에 따라 게이팅함으로써 펄스 형태의 펌프 광신호를 생성한다. 예를 들어, 제2 변조기(230)는 반도체 광 증폭기(Semiconductor Optical Amplifier; SOA)일 수 있다. 광변조부(20)는 게이팅 신호를 제2 변조기(230)에 공급하는 파형 발생기(240)를 더 포함할 수도 있다. 파형 발생기(240)의 게이팅 신호는 광원부(10)의 파형 발생기(120)의 변조 신호와 동기화될 수 있다. 따라서, 사인 형태로 변조하는 변조 주파수가 바뀔 때 펄스 형태의 펌프 광신호의 형태와 위상을 일정하게 유지할 수 있다.
이상과 같이 펌프 광신호를 레이저 광의 변조 주파수와 동기화된 펄스 형태로 구성하면, 브릴루앙 산란광을 시간 영역에서 분절하여 처리함으로써 펄스 형태의 펌프 광신호가 통과하는 각 상관점에서의 브릴루앙 이득을 얻을 수 있고, 따라서 측정 범위 내에 위치하는 복수의 상관점을 동시에 이용할 수 있다.
도 2a 내지 2d는 일 실시예에 따른 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서에서 게이팅된 펌프 펄스와 연속 프로브광의 상호 작용으로 인한 프로브광의 증폭 과정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 2a를 참조하면, 서로 반대 방향으로 펌프 광신호 펄스와 프로브 광신호가 제1 상관점(CP1)을 포함하는 시험 광섬유의 구간을 동시에 통과하며, 이때 제1 상관점(CP1)에서는 펌프 광신호와 프로브 광신호의 주파수 차이가 일정하다. 그 결과, 도 2a에서 Δt 만큼의 시간이 경과한 상태를 나타내는 도 2b에서는 제1 상관점(CP1)을 통과한 프로브 광신호의 진폭이 일정 가량 증가된다. 즉, 프로브 광신호가 증폭되었다.
한편, 도 2b에 도시된 펌프 광신호 펄스와 프로브 광신호는 양 신호의 주파수 차이가 일정한 제2 상관점(CP2)에서 다시 만나게 된다. 그 결과, 도 2a에서 2Δt 만큼의 시간이 경과한 상태를 나타내는 도 2c에서는 제2 상관점(CP2)을 통과한 프로브 광신호가 증폭되었다. 이상의 과정이 도 2d에 도시된 것과 같이 펌프 광신호 펄스가 통과하는 모든 상관점(CP3 등)에서 이루어진다. 그 결과 생성된 브릴루앙 산란광을 펌프 광신호 펄스가 상관점을 지나는 각 시간 구간별로 분절하여 분석하면, 측정 범위 내에 위치하는 복수 개, 예컨대, N개의 상관점을 동시에 이용할 수 있게 되고, 그 결과 높은 공간 분해능을 유지하면서도 측정 범위는 N배로 확대된다.
다시 도 1을 참조하면, 일 실시예에서, 광변조부(20)는, 광분배기(210)의 출력광을 이용하여 펌프 및 프로브 광신호를 생성하기에 앞서 광분배기(210)의 제1 및 제2 출력광의 편광을 일치시키기 위한 제1 편광 조절기(Polarization Controller; PC)(250) 및 제2 편광 조절기(255)를 더 포함한다. 즉, 제1 및 제2 편광 조절기(250, 255)는 입사된 레이저 광을 동일한 방향으로 편광시킨다.
또한 일 실시예에서, 광변조부(20)는 편광 스위치(260)를 더 포함한다. 프로브 광신호와 펌프 광신호의 편광이 일치할 때 유도 브릴루앙 산란 증폭이 일어나므로, 편광 스위치(260)를 이용하여 펌프 광신호 및 프로브 광신호의 편광을 동일하게 조절할 수 있다. 본 실시예에서는 편광 스위치(260)가 펌프 광신호의 편광을 조절하도록 제2 변조기(230)과 시험 광섬유(30) 사이에 광학적으로 연결되었으나, 다른 실시예에서는 편광 스위치(260)에 의하여 프로브 광신호의 편광을 조절하는 것도 가능하다.
일 실시예에서, 편광 스위치(260)는 펌프 광신호 또는 프로브 광신호의 편광을 한 번은 0도, 다른 한번은 90도로 번갈아 회전시키도록 구성한다. 펌프 광신호와 프로브 광신호의 편광이 일치할 때 유도 브릴루앙 산란 증폭이 일어나나, 펌프 광신호 및/또는 프로브 광신호의 편광은 시간 및 공간에 따라 변화할 수 있다. 따라서, 편광 스위치(260)를 이용하여 펌프 광신호 또는 프로브 광신호의 편광을 변화시켜가면서 측정을 수행하고, 측정된 값의 평균값을 이용함으로써 편광 문제를 해결할 수 있다. 전술한 0도 및 90도의 편광 각도는 단지 예시적인 것으로서, 펌프 광신호 또는 프로브 광신호의 편광을 이와 상이한 다른 각도로 주기적으로 변경할 수도 있다.
일 실시예에서, 광변조부(20)는 프로브 광신호 및 펌프 광신호를 각각 증폭하기 위한 제1 및 제2 광섬유 증폭기(270, 275)를 더 포함한다. 제1 광섬유 증폭기(270)는 제1 변조기(220)와 시험 광섬유(30)의 한쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결될 수 있다. 또한, 제2 광섬유 증폭기(275)는 제2 변조기(230)와 시험 광섬유(30)의 다른쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결될 수 있다. 제1 및 제2 광섬유 증폭기(270, 275)는 어븀첨가광섬유증폭기(Erbium-Doped Fiber Amplifier; EDFA)일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에서, 광변조부(20)는 시험 광섬유(30)와 광학적으로 연결되는 지연 광섬유(280)를 더 포함한다. 지연 광섬유(280)는 변조 주파수를 변화시켜도 위치가 변하지 않는, 펌프 광신호 및 프로브 광신호의 진행 경로 한 가운데의 상관점(차수 q=0)이 시험 광섬유(30) 내에 위치하지 않도록 하기 위해 사용하는 보조 광섬유로서, 지연 광섬유(280)의 길이를 적절하게 조절함으로써 시험 광섬유(30)에 브릴루앙 이득 피크가 발생되는 상관점의 차수를 조절할 수 있다.
도 1의 구성에서 여러 광소자와 광섬유를 포함한 폐루프의 중앙이 q=0 지점이며, q번째 차수의 상관점의 위치 zq는 하기 수학식 3과 같다.
Figure 112016105300493-pat00003
q번째 차수의 상관점의 위치 zq를 변화시키기 위하여 변조주파수 fm 을 Δf m 만큼 변화시킬 때 위치변화 Δz q 는 하기 수학식 4와 같다.
Figure 112016105300493-pat00004
상기 수학식 4에서 위치변화 Δz q 는 상관점의 차수 q에 비례하므로, 일 실시예에서는 지연 광섬유(280)의 길이를 시험 광섬유(30) 보다 10배 이상으로 충분히 길게 함으로써, 분포측정을 위한 레이저의 변조주파수를 변화시켜 측정 위치를 변화시킬 때 상관점의 차수에 따른 측정 간격의 변화를 줄일 수 있다.
일 실시예에서, 광변조부(20)는 지연 광섬유(280)와 시험 광섬유(30) 사이에 광학적으로 연결된 광 고립기(290)를 더 포함한다. 광 고립기(290)는 고출력의 펌프 광신호가 시험 광섬유(30)를 통과한 후 지연 광섬유(280)에 역 방향으로 입사되는 것을 차단하는 역할을 할 수 있다.
광검출부(50)는 시험 광섬유(30)에서 발생한 브릴루앙 산란광을 검출하고, 브릴루앙 산란광을 시간 영역에서 처리함으로써 펄스 형태의 펌프 광신호가 통과하는 복수 개의 상관점 각각에서의 브릴루앙 이득을 얻는다.
일 실시예에서, 광검출부(50)는 제2 광섬유 증폭기(275)와 시험 광섬유(30) 사이에 광학적으로 연결된 광 순환기(510)를 포함한다. 광 순환기(510)는 시간 게이팅을 거친 펄스 형태의 펌프 광신호를 시험 광섬유(30)에 인가하며, 시험 광섬유(30)에서 발생되는 브릴루앙 산란광을 광검출부(50)의 다른 컴포넌트들의 방향으로 분기하는 역할을 한다.
일 실시예에서, 광검출부(50)는 신호의 크기 조절 및 변환을 위한 가변 광세기 조절기(Variable Optical Attenuator; VOA)(520) 및 광검출기(Photo Detector; PD)(530)를 포함한다. 펌프 광신호 및 프로브 광신호가 시험 광섬유(30)를 통과하는 동안 발생된 브릴루앙 산란광이 광순환기(510)에서 분기되어 VOA(520)에 입사되며, VOA(520)는 입사된 브릴루앙 산란광의 크기를 감쇄시켜 PD(530)에 입사시키고, PD(530)에서는 입사된 광신호를 전기 신호로 변환할 수 있다.
일 실시예에서, 광검출부(50)는 데이터 수집부(data acquisition; DAQ)(540) 및 연산부(550)를 더 포함한다. 예를 들어, DAQ(540)는 전기 신호를 시간영역에서 얻기 위한 오실로스코프(oscilloscope)를 포함하며, 연산부(550)는 오실로스코프의 신호를 분석하기 위한 개인용 컴퓨터(Personal Computer)를 포함할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서는 다른 상이한 하나 이상의 데이터 처리 수단을 더 이용하여 신호 처리 및 분석을 수행할 수도 있다.
브릴루앙 산란광에 해당하는 전기 신호를 DAQ(540)에서 수신하고, 수신된 신호들을 연산부(550)에서 처리함으로써 시험 광섬유(30)의 물리적인 변화를 측정할 수 있다. 구체적으로, 연산부(550)는 브릴루앙 산란광을 시간 영역에서 분절함으로써, 복수 개의 상관점 각각에서의 브릴루앙 이득을 산출한다. 또한 연산부(550)는, 산출된 브릴루앙 이득에 기초하여 복수 개의 상관점 각각에서의 브릴루앙 주파수를 산출한다.
위상잠금 증폭기(Lock-in amplifier)를 사용하는 종래의 시스템과 달리, 본 발명의 실시예들에서는 제2 변조기(230)에 의한 게이팅 신호가 온 상태일 때의 프로브 광신호(즉, 브릴루앙 산란광)와 게이팅 신호가 오프 상태일 때의 프로브 광신호의 차이를 연산부(550)에서 신호 처리하여 브릴루앙 이득을 얻을 수 있어 경제적으로 효율적이다.
또한, 본 발명의 실시예들에서 변조 주파수 fm을 조금씩 변경하여 상관점들의 위치를 조금씩 움직여 가면서 시험 광섬유(30)의 전 범위를 측정할 수 있다. 동일한 길이의 긴 범위를 측정할 때, 종래의 시스템에서는 한 번에 하나의 측정점만을 측정하면서 전 범위를 움직여가며 측정을 반복하여야 하였다(예컨대, 1초에 10번 측정). 그러나, 이와 달리, 실시예들에 의하면 일정한 간격으로 배치된 복수 개의 측정점을 동시에 움직여 가면서 각 상관점에 대해서는 인접 상관점까지의 범위만 측정하도록 신호를 시간 영역에서 처리하기 때문에 측정 시간을 현저하게 단축시킬 수 있다.
실례로, 종래의 BOCDA 시스템에서 fm = 10 MHz, Δf = 1.95 GHz로 광원을 변조하며, 시험 광섬유의 유효 굴절률 n 값이 1.45일 경우, 수학식 1 에 의해 산출되는 측정 범위는 인접 상관점 간의 거리인 약 10.34 m 가 된다. 하지만 측정 범위를 약 1.5 km로 늘려 약 150개의 상관점이 측정 범위 내에 위치하도록 하고, 본 발명의 실시예들을 이용하여 펌프 광신호와 프로브 광신호의 주파수 차이를 브릴루앙 주파수 주변 200 MHz 구간에서 2 MHz 간격으로 변화시켜 가면서 다수의 상관점을 동시 측정하게 되면, 다수의 상관점 각각에서의 브릴루앙 이득을 개별적으로 얻을 수 있고, 얻은 브릴루앙 이득을 분석하여 다수의 상관점 각각에서의 브릴루앙 주파수를 측정할 수 있다.
도 3 및 도 4는 이상과 같은 방법에 의하여 얻은 결과를 나타내는 것으로서, 도 3은 일 실시예에 따른 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서를 이용하여 다수의 상관점에서 동시에 얻은 브릴루앙 이득 스펙트럼을 나타내는 그래프이며, 도 4는 도 3의 그래프에서 하나의 상관점에 상응하는 브릴루앙 이득 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 3 및 도 4에 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예를 적용한 결과 측정 범위는 종래의 BOCDA 시스템의 측정 범위의 약 150 배가 되고, 이때의 공간 분해능은 단일모드 광섬유의 ΔνB 값 30 MHz를 수학식 2에 적용하면 약 5 cm로 높게 유지된다. 더불어, 측정 시간이 하나의 측정점을 측정하는데 0.1초로 제한되었던 종래의 시스템에 비해, 본 발명의 실시예들에서는 펌프 광신호의 펄스 주기를 20 μs 로 설정할 경우, 약 0.8 초에 150 개의 측정점을 측정 할 수 있어, 종래에 비해 약 20배 빠른 측정이 가능하다.
도 5는 일 실시예에 따른 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법의 순서도이다.
도 5를 참조하면, 먼저 변조 주파수 fm을 갖는 변조 신호에 의해 변조된 레이저 광을 생성할 수 있다(S1). 다음으로, 레이저 광의 주파수를 미리 결정된 오프셋 주파수만큼 이동시켜 프로브 광신호를 생성할 수 있다(S2). 또한, 레이저 광을 상기 변조 주파수에 기초하여 결정되는 시간 폭을 갖도록 게이팅하여 펄스 신호 형태의 펌프 광신호를 생성할 수 있다(S3). 이때, 다수의 상관점에서 각각 일어나는 브릴루랑 산란에 의한 프로브광의 증폭을 개별적으로 분석하기 위해서 펌프 광신호의 펄스의 폭은 변조 주파수 fm을 갖는 사인 형태의 변조 신호의 한 주기와 동일하게 결정될 수 있다.
다음으로, 생성된 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호를 서로 상이한 방향으로부터 시험 광섬유에 인가할 수 있다(S4). 시험 광섬유에서는 반대로 진행하는 펌프 광신호의 펄스와 연속적인 프로브 광신호의 상호 작용으로 인하여 프로브 광신호의 증폭이 일어난다. 이와 같이 시험 광섬유에서 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호에 의해 생성되는 브릴루앙 산란광을 검출하고(S5), 검출한 브릴루앙 산란광을 시간영역에서 분절함으로써 시험 광섬유상의 복수 개의 상관점에서의 브릴루앙 이득을 산출할 수 있다(S6).
브릴루앙 이득이 최대가 되는 브릴루앙 주파수는 광섬유가 겪는 온도와 응력에 따라 선형적으로 변하는 특성을 갖고 있으므로, 시험 광섬유 상의 복수 개의 상관점에서의 브릴루앙 이득을 산출함으로써 해당 지점의 물리적인 특성 변화를 측정할 수 있다. 또한, 이상의 과정을 변조 주파수 fm을 조금씩 변경하여 상관점들의 위치를 조금씩 움직여 가면서 반복함으로써, 시험 광섬유의 전 범위를 측정할 수 있다(S7).
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.

Claims (15)

  1. 시험 광섬유;
    변조 주파수를 이용하여 레이저 광을 생성하도록 구성된 광원부;
    상기 광원부의 레이저 광을 이용하여 펌프 광신호 및 프로브 광신호를 생성하되, 상기 펌프 광신호는 상기 변조 주파수에 기초하여 결정되는 시간 폭을 갖도록 게이팅된 펄스 신호이고, 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호를 서로 상이한 방향으로부터 상기 시험 광섬유에 인가하도록 구성된 광변조부; 및
    상기 시험 광섬유에서 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호에 의해 생성되는 브릴루앙 산란광을 검출하고, 상기 브릴루앙 산란광을 시간영역에서 분절함으로써 상기 시험 광섬유상의 복수 개의 상관점에서의 브릴루앙 이득을 산출하는 광검출부를 포함하며,
    상기 광검출부는,
    상기 브릴루앙 산란광을 시간 영역에서 해석한 신호를 얻는 데이터 수집부; 및
    상기 브릴루앙 산란광을 시간 영역에서 해석한 신호를 이용하여 상기 복수 개의 상관점 각각에서의 브릴루앙 이득을 산출하는 연산부를 포함하는 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 펌프 광신호는 상기 변조 주파수의 역수와 동일한 시간 폭을 가진 펄스 신호인 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 프로브 광신호는 연속된 신호이며,
    상기 복수 개의 상관점 각각은, 상기 시험 광섬유에서 연속된 신호인 상기 프로브 광신호와 펄스 신호인 상기 펌프 광신호가 동시에 서로 상이한 방향으로 진행하는 영역에 위치하는 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 연산부는, 상기 브릴루앙 이득에 기초하여 상기 복수 개의 상관점 각각에서의 브릴루앙 주파수를 산출하도록 더 구성된 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 광원부는, 상기 변조 주파수를 갖는 변조 신호를 생성하는 제1 파형 발생기를 포함하는 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 광변조부는,
    상기 레이저 광의 주파수를 미리 결정된 오프셋 주파수만큼 이동시켜 상기 프로브 광신호를 생성하도록 구성된 제1 변조기;
    상기 변조 신호와 동기화된 게이팅 신호를 발생시키는 제2 파형 발생기; 및
    상기 게이팅 신호를 이용하여 상기 레이저 광을 게이팅함으로써 상기 펌프 광신호를 생성하도록 구성된 제2 변조기를 포함하는 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제2 변조기는 반도체 광 증폭기를 포함하는 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서.
  9. 변조 주파수를 갖는 변조 신호에 의해 변조된 레이저 광을 생성하는 단계;
    상기 레이저 광의 주파수를 미리 결정된 오프셋 주파수만큼 이동시켜 프로브 광신호를 생성하는 단계;
    상기 레이저 광을 상기 변조 주파수에 기초하여 결정되는 시간 폭을 갖도록 게이팅하여 펄스 신호인 펌프 광신호를 생성하는 단계;
    상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호를 서로 상이한 방향으로부터 시험 광섬유에 인가하는 단계;
    상기 시험 광섬유에 위치하는 복수 개의 상관점에서 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호에 의해 생성되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계; 및
    상기 브릴루앙 산란광을 이용하여 상기 복수 개의 상관점 각각에서의 브릴루앙 이득을 산출하는 단계를 포함하는 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 펌프 광신호는 상기 변조 주파수의 역수와 동일한 시간 폭을 가진 펄스 신호인 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법.
  11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서,
    상기 프로브 광신호는 연속된 신호이며,
    상기 복수 개의 상관점 각각은, 상기 시험 광섬유에서 연속된 신호인 상기 프로브 광신호와 펄스 신호인 상기 펌프 광신호가 동시에 서로 상이한 방향으로 진행하는 영역에 위치하는 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법.
  12. 삭제
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 브릴루앙 이득에 기초하여 상기 복수 개의 상관점 각각에서의 브릴루앙 주파수를 산출하는 단계를 더 포함하는 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 펌프 광신호를 생성하는 단계는,
    상기 변조 신호와 동기화된 게이팅 신호를 발생시키는 단계; 및
    상기 게이팅 신호를 이용하여 상기 레이저 광을 게이팅하는 단계를 포함하는 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 레이저 광을 게이팅하는 단계는, 반도체 광 증폭기를 이용하여 상기 레이저 광의 세기를 조절하는 단계를 포함하는 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법.
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