KR102059502B1 - distributed optical fiber sensor apparatus - Google Patents

distributed optical fiber sensor apparatus Download PDF

Info

Publication number
KR102059502B1
KR102059502B1 KR1020180088524A KR20180088524A KR102059502B1 KR 102059502 B1 KR102059502 B1 KR 102059502B1 KR 1020180088524 A KR1020180088524 A KR 1020180088524A KR 20180088524 A KR20180088524 A KR 20180088524A KR 102059502 B1 KR102059502 B1 KR 102059502B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
light
signal
optical fiber
optical
frequency
Prior art date
Application number
KR1020180088524A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
김영호
노병섭
김명진
김영웅
송광용
김영훈
Original Assignee
한국광기술원
중앙대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국광기술원, 중앙대학교 산학협력단 filed Critical 한국광기술원
Priority to KR1020180088524A priority Critical patent/KR102059502B1/en
Priority to PCT/KR2018/016711 priority patent/WO2020027393A1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102059502B1 publication Critical patent/KR102059502B1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
    • G01K11/3206—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres at discrete locations in the fibre, e.g. using Bragg scattering
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
    • G01D21/02—Measuring two or more variables by means not covered by a single other subclass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
    • G01K11/322—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres using Brillouin scattering
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G01L1/242—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre
    • G01L1/246—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre using integrated gratings, e.g. Bragg gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02057—Optical fibres with cladding with or without a coating comprising gratings
    • G02B6/02076—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings
    • G01K2011/322—

Abstract

The present invention relates to a Rayleigh-Brillouin hybrid distribution type optical sensor apparatus for measuring temperature and strain simultaneously. The apparatus includes: a sensing optical fiber installed in a measurement target area; a first measurement part applying a wavelength-changeable first optical signal to the sensing optical fiber and detecting Rayleigh scattering light scattering from the sensing optical fiber; a second measurement part detecting Brillouin scattering light produced from the sensing optical fiber by inputting pump light and probe light into both ends of the sensing optical fiber in opposite directions; and a signal processing part measuring a Rayleigh scattering signal frequency from the Rayleigh scattering light measured by the first measurement part, measuring a Brillouin scattering signal frequency from the Brillouin scattering light measured by the second measurement part, and calculating temperature and strain by location in regard to the sensing optical fiber based on information about the measured Rayleigh scattering signal frequency and the Brillouin scattering signal frequency. Therefore, through the Rayleigh-Brillouin hybrid distribution type optical sensor apparatus for measuring temperature and strain simultaneously, precision in measuring temperature and strain can be increased.

Description

온도 및 변형률 동시 측정용 레일레이-브릴루앙 하이브리드 분포형 광섬유 센서 장치{distributed optical fiber sensor apparatus}Rayleigh-Brillouin hybrid distributed fiber optic sensor device for simultaneous measurement of temperature and strain

본 발명은 온도 및 변형률 동시 측정용 레일레이-브릴루앙 하이브리드 분포형 광섬유 센서 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 온도와 변형률 각각에 대한 측정 정밀도를 높일 수 있는 분포형 광섬유 센서 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a Rayleigh-Brillouin hybrid distributed optical fiber sensor device for simultaneous measurement of temperature and strain, and more particularly, to a distributed optical fiber sensor device capable of increasing measurement accuracy for each of temperature and strain.

최근 광섬유를 이용하여 물리량을 측정하는 기술이 다양하게 제안되어 이용되고 있다.Recently, various techniques for measuring physical quantities using optical fibers have been proposed and used.

일 예로서, 광섬유격자는 온도 또는 스트레인(Strain; '이하 변형율이라 한다')의 크기가 변화되면 광섬유격자로부터 반사되는 광신호의 파장이 변화한다. 따라서, 광섬유격자로부터 반사된 광의 파장변화를 측정하여 그 파장의 변화량으로부터 어떤 크기의 외부 온도, 변형률, 압력 등의 물리량이 가해졌는지를 측정하는 데 이용할 수 있다.As an example, the optical fiber grating changes in wavelength of the optical signal reflected from the optical fiber grating when the temperature or strain ('strain') is changed. Therefore, the wavelength change of the light reflected from the optical fiber grating can be measured and used to measure the magnitude of the external temperature, strain, pressure, etc., from the amount of change in the wavelength.

그런데, 광섬유격자는 온도 및 변형률의 두 가지 물리량이 동시에 가해지는 경우 광섬유격자가 두 물리량에 대해 동시에 반응함으로써 반사파장의 변화량만을 측정하여서는 온도 및 변형률이 각각 얼마씩 변화되었는지를 알 수 없다.However, when two physical quantities of temperature and strain are applied at the same time, the optical fiber grating reacts to both physical quantities at the same time, so it is not known how much the temperature and strain have changed by measuring only the change in the reflected wavelength.

이를 해결하기 위한 방안으로서 국내 공개 특허 제1998-0082465호에는 외경이 다른 두 개의 광섬유격자를 직렬상으로 접합한 광섬유격자쌍을 이용하여 온도 및 변형률을 산출하는 방법이 개시되어 있다.In order to solve this problem, Korean Laid-Open Patent Publication No. 1998-0082465 discloses a method for calculating temperature and strain using an optical fiber grating pair in which two optical fiber gratings having different outer diameters are bonded in series.

그런데, 개시된 온도/변형률 측정방법은 동일한 모재에 대해 외경이 다르게 광섬유격자 쌍을 제작하여 이용하여야 하기 때문에 제작상의 어려움이 있다.However, the disclosed temperature / strain measurement method has difficulty in fabricating a pair of optical fiber gratings having different outer diameters for the same base material.

한편, 최근에는 단일모드 광섬유에서 산란되는 브릴루앙 산란광을 이용하여 온도 및 변형률을 측정하는 방식이 국내 공개특허 제10-2011-0075679 등 다양하게 제안되고 있다. 그런데, 상기 특허 역시 온도 및 변형률의 두 가지 물리량이 동시에 가해지는 경우 광섬유가 두 물리량에 대해 동시에 반응함으로써 측정된 산란광으로부터 온도 및 변형률이 각각 얼마씩 변화되었는지를 알 수 없는 문제점이 있다.On the other hand, in recent years, various methods have been proposed for measuring temperature and strain using Brillouin scattered light scattered from a single-mode optical fiber. However, the patent also has a problem that it is not known how much the temperature and strain are changed from the scattered light measured by the optical fiber reacts to the two physical quantities simultaneously when two physical quantities of temperature and strain are applied at the same time.

본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 단일모드 광섬유를 이용하되 온도와 변형률 각각에 대한 측정 정밀도를 높일 수 있는 온도 및 변형률 동시 측정용 레일레이-브릴루앙 하이브리드 분포형 광섬유 센서 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to solve the above requirements, using a single-mode optical fiber, but Rayleigh-Brillouin hybrid distributed optical fiber sensor for simultaneous measurement of temperature and strain that can increase the measurement accuracy for each temperature and strain The purpose is to provide a device.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 온도 및 변형률 동시 측정용 레일레이-브릴루앙 하이브리드 분포형 광섬유 센서 장치는 측정대상 영역에 설치되는 센싱광섬유와; 상기 센싱광섬유에 파장가변 제1광신호를 인가하고 상기 센싱광섬유로부터 산란된 레일레이 산랑광을 검출하는 제1측정부와; 상기 센싱광섬유의 양단에 프로브광과 펌프광을 상호 반대방향으로 진행되게 입사시켜 상기 센싱광섬유에서 발생되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 제2측정부와; 상기 제1측정부에 의해 측정된 레일레이 산란광으로부터 레일레이 산란신호 주파수를 측정하고, 상기 제2측정부에서 측정된 브릴루앙 산란광으로부터 브릴루앙 산란 신호 주파수를 측정하고, 측정된 레일레이 산란신호 주파수와 브릴루앙 산란 신호 주파수 정보를 이용하여 상기 센싱 광섬유에 대한 위치별 온도 및 변형률을 산출하는 신호처리부;를 구비한다.In order to achieve the above object, the Rayleigh-Brillouin hybrid distribution type optical fiber sensor device for simultaneously measuring temperature and strain according to the present invention includes: sensing optical fiber installed in a measurement target area; A first measuring unit configured to apply a wavelength-variable first optical signal to the sensing optical fiber and detect scattered Ray-ray scattered light from the sensing optical fiber; A second measuring unit which detects Brillouin scattered light generated from the sensing optical fiber by injecting probe light and pump light into opposite ends of the sensing optical fiber in opposite directions; The Rayleigh scattering signal frequency is measured from the Rayleigh scattering light measured by the first measuring unit, the Brillouin scattering signal frequency is measured from the Brillouin scattering light measured by the second measuring unit, and the measured Raylay scattering signal frequency is measured. And a signal processor for calculating temperature and strain for each position of the sensing optical fiber by using the Brillouin scattering signal frequency information.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1측정부는 파장을 가변시킨 제1광신호를 출사하는 제1광원부와; 상기 제1광원부에서 출사되는 제1광신호를 제1분배경로와 제2분배경로로 분배하는 제1광커플러와; 상기 제1분배경로를 통해 진행되는 광을 제3분배경로와 제4분배경로로 분배하는 제2광커플러와; 상기 제3분배경로에서 진행되는 제1광신호를 제1센싱단으로 출력하고, 상기 제1센싱단에서 역으로 진행되는 레일레이 산란광을 제1검출단으로 출력하는 제1광순환기와; 상기 제2분배경로를 통해 진행되는 제1광신호에 대한 주파수를 모니터링할 수 있게 주파수 모니터링 간섭광을 생성하는 주파수 모니터링 간섭계와; 상기 제1광순환기의 상기 제1검출단에서 출력되는 레일레이 산란광과 상기 제4분배경로를 통해 진행되는 제1광신호를 합파하여 출력하는 제3광커플러와; 상기 제3광커플러에서 출력되는 광을 검출하여 상기 신호처리부에 제공하는 제1광검출기와; 상기 주파수 모니터링 간섭계에서 출력되는 광을 검출하여 상기 신호처리부에 제공하는 제2광검출기;를 구비한다.According to an aspect of the invention, the first measuring unit and the first light source for emitting a first optical signal having a variable wavelength; A first optical coupler for distributing a first optical signal emitted from the first light source to a first division background and a second division background; A second optical coupler for distributing light traveling through the first divided background path into a third divided background and a fourth divided background; A first optical circulator for outputting a first optical signal traveling in the third divided background path to a first sensing stage, and outputting Rayleigh scattered light traveling backward from the first sensing stage to a first detection stage; A frequency monitoring interferometer for generating a frequency monitoring interference light so as to monitor a frequency for the first optical signal traveling through the second divided background path; A third optical coupler for combining and outputting the Ray-ray scattered light output from the first detection terminal of the first optical cycler and the first optical signal traveling through the fourth divided background path; A first photodetector for detecting the light output from the third optical coupler and providing the light to the signal processor; And a second photodetector for detecting the light output from the frequency monitoring interferometer and providing the signal to the signal processor.

또한, 상기 제2측정부는 제1주파수로 변조된 광을 출력하는 제2광원부와; 상기 제2광원부에 의해 출력된 광을 이용하여 측대역 신호를 포함하는 상기 프로브광 및 상기 제1주파수로 변조된 광에 대해 상기 펌프광을 생성하고, 상기 프로브광과 상기 펌프광을 상기 센싱광섬유의 일단 및 타단에 각각 인가할 수 있도록 된 광변조부와; 상기 광변조부에서 생성된 상기 펌프광을 제2센싱단을 통해 출력하고, 상기 제2센싱단에서 역으로 진행하는 광을 제2검출단으로 출력하는 제2광순환기와; 상기 센싱광섬유의 일단을 상기 제1센싱단과 상기 제2센싱단 중 어느 하나에 접속할 수 있도록 된 광스위치와; 상기 제2센싱단에서 역으로 진행되어 상기 제2검출단에서 출력되는 브릴루앙 산란광을 검출하여 상기 신호 처리부에 제공하는 제3광검출기;를 구비하고, 상기 신호처리부는 상기 광스위치의 접속경로를 제어하고, 상기 제1 및 제2광검출기에서 출력되는 신호로부터 상기 센싱광섬유에 대한 레일레이 산란신호 주파수를 측정하고, 상기 제3광검출기에서 수신된 신호를 이용하여 브릴루앙 산란 신호 주파수를 측정한다.In addition, the second measuring unit and the second light source for outputting the modulated light at a first frequency; The pump light is generated with respect to the probe light including the sideband signal and the light modulated at the first frequency by using the light output by the second light source unit, and the probe light and the pump light are provided at one end of the sensing optical fiber. And an optical modulator configured to be applied to the other end, respectively. A second light circulator for outputting the pump light generated by the light modulator through a second sensing stage and outputting light traveling backward from the second sensing stage to a second detection stage; An optical switch configured to connect one end of the sensing optical fiber to one of the first sensing end and the second sensing end; And a third photodetector which proceeds backward from the second sensing stage and detects Brillouin scattered light output from the second detection stage and provides the signal to the signal processor. The signal processor includes a connection path of the optical switch. Control and measure the Rayleigh scattering signal frequency of the sensing optical fiber from the signals output from the first and second photodetectors, and measure the Brillouin scattering signal frequency using the signal received from the third photodetector. .

바람직하게는 상기 신호처리부는 상기 제1광검출기를 통해 수신된 신호와 상기 제2광검출기를 통해 수신된 신호를 이용하여 산출된 레일레이 산란신호 주파수(vR)와, 상기 제3광검출기를 통해 수신된 신호를 이용하여 산출된 브릴루앙 산란신호 주파수(vB)에 대해 설정된 측정주기(d) 동안의 레일레이 산란신호 주파수 차이값(ΔvR)과 브릴루앙산란신호 주파수 차이값(ΔvB)으로부터 Preferably, the signal processor may include a Rayleigh scattering signal frequency v R calculated using a signal received through the first photodetector and a signal received through the second photodetector, and the third photodetector. Rayleigh scattering signal frequency difference value Δv R and Brillouin scattering signal frequency difference value Δv B during the measurement period d set for the Brillouin scattering signal frequency v B calculated using the received signal through From

Figure 112018075124125-pat00001
Figure 112018075124125-pat00001

의 산출식에 의해 변화 온도(

Figure 112018075124125-pat00002
)및 변형률 변화값(
Figure 112018075124125-pat00003
)을 산출하고, 여기서,
Figure 112018075124125-pat00004
는 레일레이 신호의 온도에 대한 주파수 감도이고,
Figure 112018075124125-pat00005
는 레일레이 신호의 변형률에 대한 대한 주파수 감도이고,
Figure 112018075124125-pat00006
는 브릴루앙 신호의 온도에 대한 주파수 감도이고,
Figure 112018075124125-pat00007
는 브릴루앙 신호의 변형률에 대한 주파수 감도이다.The change temperature is calculated by
Figure 112018075124125-pat00002
) And strain change value (
Figure 112018075124125-pat00003
), Where
Figure 112018075124125-pat00004
Is the sensitivity of the frequency to the temperature of the Rayleigh signal,
Figure 112018075124125-pat00005
Is the frequency sensitivity to the strain of the Rayleigh signal,
Figure 112018075124125-pat00006
Is the frequency sensitivity to the temperature of the Brillouin signal,
Figure 112018075124125-pat00007
Is the frequency sensitivity to the strain of the Brillouin signal.

본 발명에 따른 온도 및 변형률 동시 측정용 레일레이-브릴루앙 하이브리드 분포형 광섬유 센서 장치에 의하면, 온도와 변형률 각각에 대한 측정 정밀도를 높일 수 있는 장점을 제공한다.According to the Rayleigh-Brillouin hybrid distribution type optical fiber sensor device for simultaneously measuring the temperature and strain according to the present invention, it is possible to increase the measurement accuracy for each temperature and strain.

도 1은 본 발명에 따른 온도 및 변형률 동시 측정용 레일레이-브릴루앙 하이브리드 분포형 광섬유 센서 장치를 나타내 보인 도면이다.1 is a view showing a Rayleigh-Brillouin hybrid distribution type optical fiber sensor device for simultaneous measurement of temperature and strain according to the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온도 및 변형률 동시 측정용 레일레이-브릴루앙 하이브리드 분포형 광섬유 센서 장치를 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in more detail a Rayleigh-Brillouin hybrid distribution type optical fiber sensor device for simultaneous measurement of temperature and strain according to an embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 온도 및 변형률 동시 측정용 레일레이-브릴루앙 하이브리드 분포형 광섬유 센서 장치를 나타내 보인 도면이다.1 is a view showing a Rayleigh-Brillouin hybrid distribution type optical fiber sensor device for simultaneous measurement of temperature and strain according to the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 분포형 광섬유 센서 장치(10)는 센싱광섬유(30), 제1측정부(100), 제2측정부(200) 및 신호처리부(300)를 구비한다.Referring to FIG. 1, the distributed optical fiber sensor device 10 includes a sensing optical fiber 30, a first measuring unit 100, a second measuring unit 200, and a signal processing unit 300.

센싱광섬유(30)는 측정대상 영역에 설치된다.The sensing optical fiber 30 is installed in the measurement target area.

센싱광섬유(30)는 단일모드 광섬유가 적용되는 것이 바람직하다.The sensing optical fiber 30 is preferably a single mode optical fiber.

제1측정부(100)는 센싱광섬유(30)에 파장가변 제1광신호를 인가하고, 센싱광섬유(30)로부터 산란된 레일레이 산랑광을 검출하여 신호처리부(300)에 제공한다.The first measuring unit 100 applies the wavelength-variable first optical signal to the sensing optical fiber 30, detects the Ray-ray scattered light scattered from the sensing optical fiber 30, and provides the signal to the signal processing unit 300.

제1측정부(100)는 파장가변 레이저(110), 제1광커플러(121), 제2광커플러(122), 제3광커플러(123), 제1광순환기(131), 주파수 모니터링 간섭계(140), 제1광검출기(151), 제2광검출기(152), 편광조절기(160)를 구비한다.The first measuring unit 100 includes a wavelength tunable laser 110, a first optical coupler 121, a second optical coupler 122, a third optical coupler 123, a first optical circulator 131, and a frequency monitoring interferometer. 140, a first photodetector 151, a second photodetector 152, and a polarization controller 160.

파장가변 레이저(110)는 제1광원부로 적용된 것으로서, 신호처리부(300)에 제어되어 파장을 가변시킨 제1광신호를 출사한다.The wavelength tunable laser 110 is applied to the first light source unit and emits a first optical signal controlled by the signal processor 300 to vary the wavelength.

제1광커플러(121)는 파장가변 레이저(110)에서 출사되는 제1광신호를 제1분배경로(121a)와 제2분배경로(121b)로 분배하여 출력한다.The first optical coupler 121 distributes and outputs the first optical signal emitted from the wavelength tunable laser 110 to the first division background 121a and the second division background 121b.

제2광커플러(122)는 제1분배경로(121a)를 통해 진행되는 광을 제3분배경로(122a)와 제4분배경로(122b)로 분배하여 출력한다.The second optical coupler 122 distributes the light traveling through the first divided background path 121a to the third divided background path 122a and the fourth divided background path 122b.

제1광순환기(131)는 제3분배경로(122a)에서 진행되는 제1광신호를 입력단을 통해 입력받아 제1센싱단(131a)으로 출력하고, 제1센싱단(131a)에서 역으로 진행되는 레일레이 산란광을 제1검출단(131b)으로 출력한다.The first optical circulator 131 receives the first optical signal from the third divided background path 122a through the input terminal, outputs the first optical signal to the first sensing terminal 131a, and proceeds in reverse from the first sensing terminal 131a. The Rayleigh scattered light is output to the first detection end 131b.

주파수 모니터링 간섭계(140)는 제2분배경로(121b)를 통해 진행되는 제1광신호에 대한 주파수를 모니터링할 수 있게 주파수 모니터링 간섭광을 생성하여 제2광검출기(152)에 제공한다.The frequency monitoring interferometer 140 generates the frequency monitoring interference light to provide the second photodetector 152 to monitor the frequency of the first optical signal traveling through the second divided background path 121b.

주파수 모니터링 간섭계(140)는 간섭커플러(141), 기준광섬유(142) 및 지연광섬유(143)를 구비한다.The frequency monitoring interferometer 140 includes an interference coupler 141, a reference fiber 142, and a delayed fiber 143.

간섭커플러(141)는 제2분배경로(121b)를 통해 진행되는 광을 기준단(141a)과 지연단(141b)에 각각 분배하여 출력하고, 기준단(141a)과 지연단(141b)으로부터 역으로 진행되어 합파된 모니터링 간섭광을 합파출력단(141c)을 통해 제2광검출기(152)로 출력한다.The interference coupler 141 distributes the light traveling through the second divided background path 121b to the reference stage 141a and the delay stage 141b, respectively, and outputs the light. The interference coupler 141 reverses the reference coupler 141a and the delay stage 141b. Then, the monitoring interference light, which has been combined, is output to the second photodetector 152 through the combining output terminal 141c.

기준광섬유(142)는 간섭 커플러(141)의 기준단(141a)에 접속되어 있다.The reference optical fiber 142 is connected to the reference end 141a of the interference coupler 141.

기준광섬유(142)의 종단은 입사된 광을 반사시켜 역으로 진행될 수 있게 형성되어 있고 일 예로 종단에 반사미러가 설치될 수 있다.The end of the reference optical fiber 142 is formed to reflect the incident light and proceed in reverse, for example, a reflection mirror may be installed at the end.

지연광섬유(143)는 간섭커플러(141)의 지연단(141b)에 접속되며 기준광섬유(142)보다 길이가 길게 연장되어 있다.The delayed optical fiber 143 is connected to the delayed end 141b of the interference coupler 141 and extends longer than the reference optical fiber 142.

지연 광섬유(143)의 종단도 입사된 광을 반사시켜 역으로 진행될 수 있게 형성되어 있고 일 예로 종단에 반사미러가 설치될 수 있다.The end of the delayed optical fiber 143 is also formed to reflect the incident light and proceed in reverse. For example, a reflection mirror may be installed at the end.

편광조절기(160)는 제2광커플러(122)의 제4분배경로(122b)를 통해 진행되는 광의 편광을 조정하여 제3광커플러(123)로 출력한다.The polarization controller 160 adjusts the polarization of the light traveling through the fourth divided background path 122b of the second optical coupler 122 and outputs the polarized light to the third optical coupler 123.

편광조절기(160)는 제3분배경로(122a)를 통해 진행되는 광의 편광상태를 조절하기 위해 적용된 것으로 제3광커플러(123)에서 합파된 광의 간섭신호의 이득을 높일 수 있으며 생략될 수 있음은 물론이다.The polarization controller 160 is applied to adjust the polarization state of the light traveling through the third divided background path 122a and may increase the gain of the interference signal of the light synthesized in the third optical coupler 123 and may be omitted. Of course.

제3광커플러(123)는 제1광순환기(131)의 제1검출단(131b)에서 출력되는 레일레이 산란광과 제4분배경로(122b)를 통해 진행되는 제1광신호를 합파하여 제1광검출기(151)로 출력한다.The third optical coupler 123 combines the Ray-ray scattered light output from the first detection terminal 131b of the first optical circulator 131 and the first optical signal traveling through the fourth division path 122b to form a first optical signal. Output to photodetector 151.

제1광검출기(151)는 제3광커플러(123)에서 출력되는 광을 검출하여 신호처리부(300)에 제공한다.The first photodetector 151 detects the light output from the third optical coupler 123 and provides it to the signal processor 300.

제2광검출기(152)는 주파수 모니터링 간섭계(140)에서 출력되는 광을 검출하여 신호처리부(300)에 제공한다.The second photodetector 152 detects the light output from the frequency monitoring interferometer 140 and provides it to the signal processor 300.

제2측정부(200)는 센싱광섬유(30)의 양단에 프로브광과 펌프광을 상호 반대방향으로 진행되게 입사시켜 센싱광섬유(30)에서 발생되는 브릴루앙 산란광을 검출한다.The second measuring unit 200 detects Brillouin scattered light generated from the sensing optical fiber 30 by injecting the probe light and the pump light into opposite ends of the sensing optical fiber 30 in the opposite directions.

제2측정부(200)는 제2광원부(210), 광변조부(220), 제2광순환기(271), 광스위치(271) 및 제3광검출기(273)을 구비한다.The second measuring unit 200 includes a second light source unit 210, an optical modulator 220, a second optical cycle 271, an optical switch 271, and a third photodetector 273.

제2광원부(210)는 제1주파수로 변조된 광을 출력한다.The second light source unit 210 outputs light modulated at the first frequency.

제2광원부(210)는 제1주파수에 대응되는 사인파형 파형을 발생시키는 파형발생기(211)와, 파형발생기(211)에서 발생된 파형에 대응되게 제1주파수로 변조된 광을 출력하는 반도체 레이저(212)로 되어 있다.The second light source unit 210 includes a waveform generator 211 that generates a sinusoidal waveform corresponding to the first frequency, and a semiconductor laser that outputs light modulated at the first frequency corresponding to the waveform generated by the waveform generator 211. (212).

반도체 레이저(212)는 분포형 궤환 레이저 다이오드(Distrubuted Feed-Back Laser Diode; DFB LD)가 적용될 수 있다.The semiconductor laser 212 may be a distributed feed-back laser diode (DFB LD).

광변조부(220)는 제2광원부(210)에 의해 출력된 광을 이용하여 측대역 신호를 포함하는 프로브광 및 제1주파수로 변조된 광에 대해 펌프광을 생성하고, 프로브광과 펌프광을 센싱광섬유(30)의 일단 및 타단에 각각 인가할 수 있도록 되어 있다.The light modulator 220 generates pump light for the probe light including the sideband signal and the light modulated at the first frequency using the light output by the second light source unit 210, and senses the probe light and the pump light. It can be applied to one end and the other end of the optical fiber 30, respectively.

광변조부(220)는 편광유지커플러(231), 제1변조부(240), 제2변조부(260)를 구비한다.The light modulator 220 includes a polarization maintaining coupler 231, a first modulator 240, and a second modulator 260.

편광유지커플러(231)는 제2광원부(210)에서 출력된 광의 편광 상태를 유지하면서 제5분배경로(231a)와 제6분배경로(231b)를 통해 광을 분배하여 출력한다.The polarization maintaining coupler 231 distributes and outputs light through the fifth division background 231a and the sixth division background 231b while maintaining the polarization state of the light output from the second light source unit 210.

편광유지커플러(231)는 제5분배경로(231a)를 통해 진행되는 광과 제6분배경로(231b)를 통해 진행되는 광의 편광상태를 각각 단일측파 변조기(243)와 위상 변조기(262)의 최적 입력 편광과 일치시키기 위해 사용하는 것이며, 이 경우 광 손실을 최소로 줄일 수 있다.The polarization maintaining coupler 231 optimizes the polarization state of the light traveling through the fifth division background path 231a and the light traveling through the sixth division background path 231b, respectively, of the single side wave modulator 243 and the phase modulator 262. It is used to match the input polarization, in which case the light loss can be minimized.

제1변조부(240)는 제5분배경로(231a)를 통해 진행되는 광을 프로브광으로 변조한다.The first modulator 240 modulates the light traveling through the fifth divided background path 231a into the probe light.

제1변조부(240)는 바이어스 제어기(241)와 마이크로파 발생기(242)에서 발생된 신호에 따라 제1주파수의 광신호를 오프셋(offset) 주파수 만큼 주파수가 천이된 측대역 신호를 포함하도록 변조시켜 프로브광을 생성하는 단일측파변조기(single sideband modulator)가 적용되었고, 이에 한정되는 것은 아니다.The first modulator 240 modulates the optical signal of the first frequency to include a sideband signal shifted in frequency by an offset frequency according to the signals generated by the bias controller 241 and the microwave generator 242. A single sideband modulator for generating probe light has been applied, but is not limited thereto.

편광스위치(251)는 제1변조부(240)에서 출력되는 프로브광의 편광을 주기적으로 변경할 수 있다.The polarization switch 251 may periodically change the polarization of the probe light output from the first modulator 240.

예컨대, 편광스위치(251)는 신호발생기(미도시)로부터 신호를 수신하며, 수신된 신호에 따라 프로브광의 편광을 한 번은 0도, 다른 한번은 90도로 번갈아 회전시킬 수 있다. 전술한 0도 및 90도의 편광 각도는 단지 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 편광스위치(251)는 프로브광의 편광을 서로 수직한 임의의 두 편광 사이에서 주기적으로 변경할 수도 있다.For example, the polarization switch 251 receives a signal from a signal generator (not shown), and rotates the polarized light of the probe light alternately at 0 degrees and once at 90 degrees according to the received signal. The aforementioned polarization angles of 0 degrees and 90 degrees are merely exemplary, and in another embodiment, the polarization switch 251 may periodically change the polarization of the probe light between any two polarizations perpendicular to each other.

프로브광과 펌프광의 편광이 상호 일치할 때 유도 브릴루앙 산란 증폭이 최대로 일어나나, 프로브광과 펌프광의 편광은 시간 및 공간에 따라 변화할 수 있기 때문에 편광스위치(251)를 이용하여 프로브광의 편광을 변화시켜가면서 측정을 수행하고, 측정된 값의 평균값을 이용함으로써 편광 문제를 해결할 수 있다.Induced Brillouin scattering amplification occurs when the polarizations of the probe light and the pump light coincide with each other. However, since the polarization of the probe light and the pump light may change with time and space, the polarization of the probe light using the polarization switch 251 is used. The polarization problem can be solved by performing the measurement while changing the value and using the average value of the measured values.

지연광섬유(253)는 길이를 적절하게 조절함으로써 전체 광경로의 정 중앙에서 양쪽에 있는 브릴루앙 이득 피크 중 어느 하나가 센싱 광섬유(30)에 위치하도록 할 수 있다.The delayed optical fiber 253 may be properly adjusted in length so that any one of the Brillouin gain peaks at both centers of the optical path may be positioned in the sensing optical fiber 30.

광증폭기(255)는 광신호를 증폭시킨다.The optical amplifier 255 amplifies the optical signal.

광분리기(257)는 고출력의 펌프광이 센싱 광섬유(30)를 거쳐 제1변조부(240)로 진행하는 것을 차단하는 역할을 하며 광아이솔레이터가 적용될 수 있다.The optical separator 257 serves to block the high output pump light from traveling to the first modulator 240 through the sensing optical fiber 30 and an optical isolator may be applied.

제2변조부(260)는 제1주파수로 변조되어 제6분배경로(231b)를 통해 진행되는 광을 미리 설정된 비율을 갖는 제2주파수로 추가로 변조된 펌프광을 생성한다.The second modulator 260 generates the pump light modulated with the first frequency and further modulated with light traveling through the sixth sub-divisional path 231b with the second frequency having a preset ratio.

제2변조부(260)는 편광유지 커플러(231)로부터 광신호를 함수발생기(261)에서 발생된 변조신호에 따라 위상변조하는 위상 변조기(262)로 되어 있고, 이에 한정되는 것은 아니다.The second modulator 260 is a phase modulator 262 which modulates an optical signal from the polarization maintaining coupler 231 according to a modulation signal generated by the function generator 261, but is not limited thereto.

광증폭기(265)는 펌프광을 증폭하여 출력한다.The optical amplifier 265 amplifies and outputs the pump light.

제2광순환기(271)는 제2변조부(260)에서 생성된 펌프광을 제2센싱단(271a)을 통해 출력하고, 제2센싱단(271a)에서 역으로 진행하는 브릴루앙 산란광을 제2검출단(271b)으로 출력한다.The second light circulator 271 outputs the pump light generated by the second modulator 260 through the second sensing stage 271a, and outputs the Brillouin scattered light which is reversed from the second sensing stage 271a. Output to detection stage 271b.

광스위치(272)는 신호처리부(300)에 제어되어 센싱광섬유(30)의 일단을 제1센싱단(131a)과 제2센싱단(271a) 중 어느 하나에 접속할 수 있도록 되어 있다.The optical switch 272 is controlled by the signal processing unit 300 to connect one end of the sensing optical fiber 30 to either one of the first sensing end 131a and the second sensing end 271a.

제3광검출기(273)는 제2센싱단(271a)에서 역으로 진행되어 제2검출단(271b)에서 출력되는 브릴루앙 산란광을 검출하여 전기적 신호로 출력한다.The third photodetector 273 proceeds backward from the second sensing stage 271a and detects Brillouin scattered light output from the second sensing stage 271b and outputs the electrical signal as an electrical signal.

락인앰프(280)는 제3광검출기(272)에서 출력되는 신호를 제2변조기(260)의 함수 발생기(261)에 동기되어 브릴루앙 산란광을 단속적으로 검출하여 노이즈가 제거된 신호를 신호처리부(300)에 제공한다.The lock-in amplifier 280 detects the Brillouin scattered light intermittently by synchronizing the signal output from the third photodetector 272 to the function generator 261 of the second modulator 260 and outputs a signal from which the noise is removed. 300).

신호처리부(300)는 광스위치(272)의 접속경로를 제어한다.The signal processor 300 controls the connection path of the optical switch 272.

즉, 신호처리부(300)는 센싱광섬유(30)의 일단이 제1광순환기(131)의 제1센싱단(131a)에 접속되게 광스위치(272)를 제어한 상태에서 파장가변레이저(110)의 파장이 가변되게 하면서 제1광순환기(131)의 제1센싱단(131a) 및 광스위치(272)를 통해 센싱 광섬유(30)로 전송된 광에 대해 산란되어 제1광순환기(131)의 제1검출단(131b)으로 진행된 레일레이 산란광에 대해 제1광검출기(151)에서 검출된 신호와 제2광검출기(152)에서 검출된 신호를 이용하여 레일레이 산란신호 주파수를 측정한다.That is, the signal processing unit 300 controls the optical switch 272 so that one end of the sensing optical fiber 30 is connected to the first sensing end 131a of the first optical circulator 131. While the wavelength of the light is varied, the light is transmitted to the sensing optical fiber 30 through the first sensing stage 131a and the optical switch 272 of the first optical circulator 131 and is scattered. The Rayleigh scattering signal frequency is measured using the signal detected by the first photodetector 151 and the signal detected by the second photodetector 152 with respect to the Rayleigh scattered light traveling to the first detector 131b.

여기서, 제2광검출(152)에서 검출되는 신호로부터 파장가변 레이저(110)에서 출사되는 제1광신호의 주파수를 파악하고, 파악된 제1광신호의 주파수 정보를 기준으로 제1광검출기(151)에서 출력되는 신호에 대한 레일레이 산란 주파수를 산출한다.Here, the frequency of the first optical signal emitted from the wavelength tunable laser 110 is determined from the signal detected by the second photodetector 152, and the first photodetector ( The Rayleigh scattering frequency of the signal output from 151 is calculated.

또한, 신호처리부(300)는 센싱광섬유(30)의 일단이 제2광순환기(271)의 제2센싱단(171a)에 접속되게 광스위치(272)를 제어한 상태에서 제2광순환기(271)에서 제2센싱단(271a) 및 광스위치(272)를 통해 센싱 광섬유(30)로 전송된 펌프광과 센싱광섬유(30)의 타단으로 전송된 프로브광으로부터 산란에 의해 생성되어 제2광순환기(271)의 제2검출단(271b)으로 진행된 브릴루앙 산란신호에 대해 제3광검출기(272) 및 락인앰프(280)를 통해 수신된 신호로부터 브릴루앙 산란 신호 주파수를 측정한다.In addition, the signal processing unit 300 controls the optical switch 272 so that one end of the sensing optical fiber 30 is connected to the second sensing end 171a of the second optical cycle 271. ) Is generated by scattering from the pump light transmitted to the sensing optical fiber 30 and the probe light transmitted to the other end of the sensing optical fiber 30 through the second sensing stage 271a and the optical switch 272. The Brillouin scattering signal frequency is measured from the signal received through the third photodetector 272 and the lock-in amplifier 280 with respect to the Brillouin scattering signal propagated to the second detection terminal 271b of 271.

또한, 신호처리부(300)는 센싱광섬유(300)에 대해 측정된 레일레이 산란신호 주파수와 브릴루앙 산란 신호 주파수로부터 센싱 광섬유(30)에 대한 위치별 온도 및 변형률을 산출한다.In addition, the signal processor 300 calculates a position-specific temperature and strain rate for the sensing optical fiber 30 from the Rayleigh scattering signal frequency and the Brillouin scattering signal frequency measured for the sensing optical fiber 300.

이하에서는 이러한 신호처리부(300)의 온도 및 변형률 측정과정을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the temperature and strain measurement process of the signal processor 300 will be described in more detail.

먼저, 제1측정부(100)를 통해 측정된 레일레이 산란 주파수(vR)는 아래의 수학식1로 나타낼 수 있다.First, the Rayleigh scattering frequency v R measured by the first measuring unit 100 may be represented by Equation 1 below.

Figure 112018075124125-pat00008
Figure 112018075124125-pat00008

또한, 제2측정부(100)를 통해 측정된 브릴루앙 산란 주파수(vB)는 아래의 수학식2로 나타낼 수 있다.In addition, the Brillouin scattering frequency v B measured by the second measuring unit 100 may be represented by Equation 2 below.

Figure 112018075124125-pat00009
Figure 112018075124125-pat00009

여기서,

Figure 112018075124125-pat00010
는초기 레일레이 산란 신호 주파수이고,
Figure 112018075124125-pat00011
초기 브릴루앙 산란 신호 주파수이고,
Figure 112018075124125-pat00012
는 레일레이 신호의 온도에 대한 주파수 감도이고,
Figure 112018075124125-pat00013
는 레일레이 신호의 변형률에 대한 대한 주파수 감도이고,
Figure 112018075124125-pat00014
는 브릴루앙 신호의 온도에 대한 주파수 감도이고,
Figure 112018075124125-pat00015
는 브릴루앙 신호의 변형률에 대한 주파수 감도이고,
Figure 112018075124125-pat00016
는 측정주기(d) 동안 온도 변화량이고,
Figure 112018075124125-pat00017
는 측정주기(d) 동안 변형률 변화량이다. here,
Figure 112018075124125-pat00010
Is the initial Rayleigh scattering signal frequency,
Figure 112018075124125-pat00011
The initial Brillouin scattering signal frequency,
Figure 112018075124125-pat00012
Is the sensitivity of the frequency to the temperature of the Rayleigh signal,
Figure 112018075124125-pat00013
Is the frequency sensitivity to the strain of the Rayleigh signal,
Figure 112018075124125-pat00014
Is the frequency sensitivity to the temperature of the Brillouin signal,
Figure 112018075124125-pat00015
Is the frequency sensitivity to the strain of the Brillouin signal,
Figure 112018075124125-pat00016
Is the change in temperature during the measurement period (d),
Figure 112018075124125-pat00017
Is the amount of change in strain during the measurement period d.

여기서,

Figure 112018075124125-pat00018
및
Figure 112018075124125-pat00019
는 초기에 산출되는 값이고,
Figure 112018075124125-pat00020
,
Figure 112018075124125-pat00021
,
Figure 112018075124125-pat00022
,
Figure 112018075124125-pat00023
는 실험에 의해 산출되어 알고 있는 값이고 신호처리부(300)에 기록되어 있다.here,
Figure 112018075124125-pat00018
And
Figure 112018075124125-pat00019
Is the value initially calculated,
Figure 112018075124125-pat00020
,
Figure 112018075124125-pat00021
,
Figure 112018075124125-pat00022
,
Figure 112018075124125-pat00023
Is a known value calculated by the experiment and recorded in the signal processor 300.

일 예로서, 레일레이 신호의 온도에 대한 주파수 감도는 1.25 GHz/℃ 가 적용되고, 레일레이 신호의 변형률에 대한 주파수 감도는 0.152 GHz/με 적용되고, 브릴루앙 신호의 온도에 대한 주파수 감도는 1.10 MHz/℃ 가 적용되고, 브릴루앙 신호의 변형률에 대한 주파수 감도는 0.048 MHz/με 적용된다.As an example, 1.25 GHz / ° C. is applied to the temperature sensitivity of the Rayleigh signal, 0.152 GHz / με is applied to the strain of the Rayleigh signal, and 1.10 GHz / με is applied to the temperature of the Brillouin signal. MHz / ° C. is applied and the frequency sensitivity to strain of the Brillouin signal is applied to 0.048 MHz / με.

따라서, 수학식 1 및 2로부터 측정 주기(d) 사이에 각각 측정된 값의 차이값인 레일레이 신호 주파수 차이값(

Figure 112018075124125-pat00024
)과, 브릴루앙 신호 주파수 차이값(
Figure 112018075124125-pat00025
)을 이용하면 아래의 수학식 3의 관계식을 얻을 수 있다.Therefore, the Rayleigh signal frequency difference value (the difference value of the measured value between the measurement periods d from Equations 1 and 2,
Figure 112018075124125-pat00024
) And the Brillouin signal frequency difference (
Figure 112018075124125-pat00025
) Can be used to obtain the following equation (3).

여기서,

Figure 112018075124125-pat00026
은 현재시간(P)에 측정한 vR(P)에서 d시간 이전에 측정한 vR에(P-1)을 차감한 값이고,
Figure 112018075124125-pat00027
는 현재시간(P)에 측정한 vB(P)에서 d시간 이전에 측정한 vB에(P-1)을 차감한 값이다.here,
Figure 112018075124125-pat00026
Is the value of v R (P) measured at present time (P) minus (P-1) to v R measured before d hours,
Figure 112018075124125-pat00027
Is the value obtained by subtracting v B (P-1) measured before d hours from v B (P) measured at the current time P.

Figure 112018075124125-pat00028
Figure 112018075124125-pat00028

또한, 위 수학식 3으로부터 온도변화 및 변형률 변화값은 아래의 수학식 4를 통해 산출할 수 있다.In addition, the temperature change and the strain change value from the above Equation 3 can be calculated through the following Equation 4.

Figure 112018075124125-pat00029
Figure 112018075124125-pat00029

이상에서 설명된 온도 및 변형률 동시 측정용 레일레이-브릴루앙 하이브리드 분포형 광섬유 센서 장치에 의하면, 온도와 변형률이 모두 센싱광섬유에 인가되어도 온도 및 변형률 각각에 대한 측정 정밀도를 높일 수 있는 장점을 제공한다.According to the Rayleigh-Brillouin hybrid distribution type optical fiber sensor device for simultaneously measuring temperature and strain, the temperature and strain are both applied to the sensing optical fiber, thereby providing an advantage of increasing the measurement accuracy for each temperature and strain. .

30: 센싱광섬유 100: 제1측정부
200: 제2측정부 300: 신호처리부30: sensing optical fiber 100: first measuring unit
200: second measuring unit 300: signal processing unit

Claims (7)

삭제delete 삭제delete 측정대상 영역에 설치되는 센싱광섬유와;
상기 센싱광섬유에 파장가변 제1광신호를 인가하고 상기 센싱광섬유로부터 산란된 레일레이 산랑광을 검출하는 제1측정부와;
상기 센싱광섬유의 양단에 프로브광과 펌프광을 상호 반대방향으로 진행되게 입사시켜 상기 센싱광섬유에서 발생되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 제2측정부와;
상기 제1측정부에 의해 측정된 레일레이 산란광으로부터 레일레이 산란신호 주파수를 측정하고, 상기 제2측정부에서 측정된 브릴루앙 산란광으로부터 브릴루앙 산란 신호 주파수를 측정하고, 측정된 레일레이 산란신호 주파수와 브릴루앙 산란 신호 주파수 정보를 이용하여 상기 센싱 광섬유에 대한 위치별 온도 및 변형률을 산출하는 신호처리부;를 구비하고,
상기 제1측정부는
파장을 가변시킨 제1광신호를 출사하는 제1광원부와;
상기 제1광원부에서 출사되는 제1광신호를 제1분배경로와 제2분배경로로 분배하는 제1광커플러와;
상기 제1분배경로를 통해 진행되는 광을 제3분배경로와 제4분배경로로 분배하는 제2광커플러와;
상기 제3분배경로에서 진행되는 제1광신호를 제1센싱단으로 출력하고, 상기 제1센싱단에서 역으로 진행되는 레일레이 산란광을 제1검출단으로 출력하는 제1광순환기와;
상기 제2분배경로를 통해 진행되는 제1광신호에 대한 주파수를 모니터링할 수 있게 주파수 모니터링 간섭광을 생성하는 주파수 모니터링 간섭계와;
상기 제1광순환기의 상기 제1검출단에서 출력되는 레일레이 산란광과 상기 제4분배경로를 통해 진행되는 제1광신호를 합파하여 출력하는 제3광커플러와;
상기 제3광커플러에서 출력되는 광을 검출하여 상기 신호처리부에 제공하는 제1광검출기와;
상기 주파수 모니터링 간섭계에서 출력되는 광을 검출하여 상기 신호처리부에 제공하는 제2광검출기;를 구비하며,
상기 제2측정부는
제1주파수로 변조된 광을 출력하는 제2광원부와;
상기 제2광원부에 의해 출력된 광을 이용하여 측대역 신호를 포함하는 상기 프로브광 및 상기 제1주파수로 변조된 광에 대해 상기 펌프광을 생성하고, 상기 프로브광과 상기 펌프광을 상기 센싱광섬유의 일단 및 타단에 각각 인가할 수 있도록 된 광변조부와;
상기 광변조부에서 생성된 상기 펌프광을 제2센싱단을 통해 출력하고, 상기 제2센싱단에서 역으로 진행하는 광을 제2검출단으로 출력하는 제2광순환기와;
상기 센싱광섬유의 일단을 상기 제1센싱단과 상기 제2센싱단 중 어느 하나에 접속할 수 있도록 된 광스위치와;
상기 제2센싱단에서 역으로 진행되어 상기 제2검출단에서 출력되는 브릴루앙 산란광을 검출하여 상기 신호 처리부에 제공하는 제3광검출기;를 구비하고,
상기 신호처리부는 상기 광스위치의 접속경로를 제어하고, 상기 제1 및 제2광검출기에서 출력되는 신호로부터 상기 센싱광섬유에 대한 레일레이 산란신호 주파수를 측정하고, 상기 제3광검출기에서 수신된 신호를 이용하여 브릴루앙 산란 신호 주파수를 측정하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서장치.Sensing optical fibers installed in the measurement target region;
A first measuring unit configured to apply a wavelength-variable first optical signal to the sensing optical fiber and detect scattered Ray-ray scattered light from the sensing optical fiber;
A second measuring unit which detects Brillouin scattered light generated from the sensing optical fiber by injecting probe light and pump light into opposite ends of the sensing optical fiber in opposite directions;
The Rayleigh scattering signal frequency is measured from the Rayleigh scattering light measured by the first measuring unit, the Brillouin scattering signal frequency is measured from the Brillouin scattering light measured by the second measuring unit, and the measured Raylay scattering signal frequency is measured. And a signal processor for calculating temperature and strain for each position of the sensing optical fiber by using the Brillouin scattering signal frequency information.
The first measuring unit
A first light source unit for emitting a first optical signal having a variable wavelength;
A first optical coupler for distributing a first optical signal emitted from the first light source to a first division background and a second division background;
A second optical coupler for distributing light traveling through the first divided background path into a third divided background and a fourth divided background;
A first optical circulator for outputting a first optical signal traveling in the third divided background path to a first sensing stage, and outputting Rayleigh scattered light traveling backward from the first sensing stage to a first detection stage;
A frequency monitoring interferometer for generating a frequency monitoring interference light to monitor a frequency of the first optical signal traveling through the second divided background path;
A third optical coupler for combining and outputting the Ray-ray scattered light output from the first detection terminal of the first optical cycler and the first optical signal traveling through the fourth divided background path;
A first photodetector for detecting the light output from the third optical coupler and providing the light to the signal processor;
And a second photodetector for detecting the light output from the frequency monitoring interferometer and providing the signal to the signal processor.
The second measuring unit
A second light source unit for outputting light modulated at a first frequency;
The pump light is generated with respect to the probe light including the sideband signal and the light modulated at the first frequency by using the light output by the second light source unit, and the probe light and the pump light are provided at one end of the sensing optical fiber. And an optical modulator configured to be applied to the other end, respectively.
A second light circulator for outputting the pump light generated by the light modulator through a second sensing stage and outputting light traveling backward from the second sensing stage to a second detection stage;
An optical switch configured to connect one end of the sensing optical fiber to any one of the first sensing end and the second sensing end;
And a third photodetector which proceeds backward from the second sensing stage and detects Brillouin scattered light output from the second sensing stage and provides it to the signal processor.
The signal processor controls a connection path of the optical switch, measures a Rayleigh scattering signal frequency for the sensing optical fiber from signals output from the first and second photodetectors, and receives a signal received from the third photodetector. Distributed optical fiber sensor device characterized in that for measuring the Brillouin scattering signal frequency using. 제3항에 있어서, 상기 신호처리부는
상기 제1광검출기를 통해 수신된 신호와 상기 제2광검출기를 통해 수신된 신호를 이용하여 산출된 레일레이 산란신호 주파수(vR)와, 상기 제3광검출기를 통해 수신된 신호를 이용하여 산출된 브릴루앙 산란신호 주파수(vB)에 대해 설정된 측정주기(d) 동안의 레일레이 산란신호 주파수 차이값(ΔvR)과 브릴루앙산란신호 주파수 차이값(ΔvB)으로부터
Figure 112018075124125-pat00030

의 산출식에 의해 변화 온도(
Figure 112018075124125-pat00031
)및 변형률 변화값(
Figure 112018075124125-pat00032
)을 산출하고,
여기서,
Figure 112018075124125-pat00033
는 레일레이 신호의 온도에 대한 주파수 감도이고,
Figure 112018075124125-pat00034
는 레일레이 신호의 변형률에 대한 대한 주파수 감도이고,
Figure 112018075124125-pat00035
는 브릴루앙 신호의 온도에 대한 주파수 감도이고,
Figure 112018075124125-pat00036
는 브릴루앙 신호의 변형률에 대한 주파수 감도인 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서장치.The method of claim 3, wherein the signal processing unit
By using the Ray-ray scattering signal frequency (v R ) calculated using the signal received through the first photodetector and the signal received through the second photodetector, and using the signal received through the third photodetector from the measurement cycle (d) the Rayleigh scattered signal frequency difference value (Δv R) and Brillouin scattered signal frequency difference value (Δv B) for the set for the Brillouin scattered signal frequency output (v B)
Figure 112018075124125-pat00030

The change temperature is calculated by
Figure 112018075124125-pat00031
) And strain change value (
Figure 112018075124125-pat00032
),
here,
Figure 112018075124125-pat00033
Is the sensitivity of the frequency to the temperature of the Rayleigh signal,
Figure 112018075124125-pat00034
Is the frequency sensitivity to the strain of the Rayleigh signal,
Figure 112018075124125-pat00035
Is the frequency sensitivity to the temperature of the Brillouin signal,
Figure 112018075124125-pat00036
The distributed optical fiber sensor device, characterized in that the frequency sensitivity to the strain of the Brillouin signal. 제4항에 있어서, 상기 광변조부는
상기 제2광원부에서 출력된 광의 편광 상태를 유지하면서 제5분배경로와 제6분배경로를 통해 광을 분배하는 편광유지커플러와;
상기 제5분배경로를 통해 진행되는 광을 상기 프로브광으로 변조하는 제1변조부와;
상기 제6분배경로를 통해 진행되는 광을 상기 펌프광으로 변조하는 제2변조부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서장치.The optical modulator of claim 4, wherein
A polarization maintaining coupler for distributing light through the fifth division background and the sixth division background while maintaining the polarization state of the light output from the second light source unit;
A first modulator for modulating the light traveling through the fifth divided background path into the probe light;
And a second modulator for modulating the light traveling through the sixth minute background path into the pump light. 제5항에 있어서, 상기 주파수 모니터링 간섭계는
상기 제2분배경로를 통해 진행되는 광을 기준단과 지연단에 각각 분배하여 출력하고, 상기 기준단과 상기 지연단으로부터 역으로 진행되어 합파된 모니터링 간섭광을 상기 제2광검출기로 출력하는 간섭커플러와;
상기 기준단에 접속된 기준광섬유와;
상기 지연단에 접속되며 상기 기준광섬유보다 길이가 길게 연장된 지연 광섬유;를 구비하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서장치.The method of claim 5, wherein the frequency monitoring interferometer
An interference coupler for distributing the light traveling through the second divided background path to the reference stage and the delay stage, respectively, and outputting the monitoring interference light that has been reversed from the reference stage and the delay stage to the second photodetector; ;
A reference optical fiber connected to said reference end;
And a delayed optical fiber connected to the delayed end and extending longer than the reference optical fiber. 제6항에 있어서, 상기 제2광커플러의 상기 제4분배경로를 통해 진행되는 광의 편광을 조정하여 상기 제3광커플러로 출력하는 편광조절기;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서장치.

The distributed optical fiber sensor device of claim 6, further comprising a polarization controller configured to adjust the polarization of the light propagated through the fourth divided background of the second optical coupler and output the polarized light to the third optical coupler. .

KR1020180088524A 2018-07-30 2018-07-30 distributed optical fiber sensor apparatus KR102059502B1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180088524A KR102059502B1 (en) 2018-07-30 2018-07-30 distributed optical fiber sensor apparatus
PCT/KR2018/016711 WO2020027393A1 (en) 2018-07-30 2018-12-27 Distributed optical fiber sensor device and method for controlling same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180088524A KR102059502B1 (en) 2018-07-30 2018-07-30 distributed optical fiber sensor apparatus

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102059502B1 true KR102059502B1 (en) 2019-12-26

Family

ID=69103574

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180088524A KR102059502B1 (en) 2018-07-30 2018-07-30 distributed optical fiber sensor apparatus

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102059502B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024019227A1 (en) * 2022-07-21 2024-01-25 한국광기술원 Compressive-sensing-based brillouin frequency domain distribution type optical fiber sensor device

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010190728A (en) * 2009-02-18 2010-09-02 Yokogawa Electric Corp Optical fiber characteristic measuring device
JP5322162B2 (en) * 2009-03-13 2013-10-23 ニューブレクス株式会社 Distributed fiber optic pressure sensor
KR101447090B1 (en) 2013-04-29 2014-11-03 한국과학기술연구원 Distributed optical fiber sensor and sensing method using the same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010190728A (en) * 2009-02-18 2010-09-02 Yokogawa Electric Corp Optical fiber characteristic measuring device
JP5322162B2 (en) * 2009-03-13 2013-10-23 ニューブレクス株式会社 Distributed fiber optic pressure sensor
KR101447090B1 (en) 2013-04-29 2014-11-03 한국과학기술연구원 Distributed optical fiber sensor and sensing method using the same

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024019227A1 (en) * 2022-07-21 2024-01-25 한국광기술원 Compressive-sensing-based brillouin frequency domain distribution type optical fiber sensor device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102163517B1 (en) distributed optical fiber sensor apparatus and control method thereof
EP0348235B1 (en) Optical fiber evaluation methods and system using Brillouin amplification
CN113405577B (en) Measuring method and measuring device
US9784643B2 (en) Optical fiber property measuring device and optical fiber property measuring method
KR101182650B1 (en) Distributed optical fiber sensor and sensing method using bbrillouin scattering
CN102047071A (en) Interferometric distance-measuring method with delayed chirp signal and such an apparatus
KR102040598B1 (en) Fiber optic BOCDA sensor using phase code modulation of pump and probe light with time difference
JP5043714B2 (en) Optical fiber characteristic measuring apparatus and method
CN105091776A (en) Fiber laser static-state strain beat frequency demodulation system based on single-sideband frequency sweep modulation
KR101195596B1 (en) Detecting System for Physical Quantity of Structure
JP3553534B2 (en) Optical fiber distribution type measuring method and apparatus
KR101310783B1 (en) Distributed optical fiber sensor and sensing method using simultaneous sensing of brillouin gain and loss
CN110285843B (en) Large-amplitude signal distributed weak grating array sensing system and demodulation method
US20220163355A1 (en) Brillouin distributed optical fiber sensor capable of measuring long measuring distance
KR20190006659A (en) Shape sensing device, method and system using brillouin scattering
KR102171888B1 (en) Sensing device and sensing mehtod using brillouin scattering
KR102059502B1 (en) distributed optical fiber sensor apparatus
KR20180010049A (en) Spatially-selective brillouin distributed optical fiber sensor with increased effective sensing points and sensing method using brillouin scattering
KR100483147B1 (en) System and method for measuring length of optical fiber
KR102048459B1 (en) Dual brillouin distributed optical fiber sensor and sensing method using brillouin scattering which allow high-speed event detection and precise measurement
US7312435B2 (en) Determination of a physical state of an optical device
KR101292549B1 (en) Distributed optical fiber sensor and method for suppressing beat noise in distributed optical fiber sensor
US9080847B2 (en) Interferometric device with extrinsic optical fiber for measuring a physical parameter
KR100766187B1 (en) Measurement system of nonlinear frequency chirp in a wavelength sweeping laser with a simple self-homodyne method and Hilbert transformation
JPH03175333A (en) Light transmission line measuring device

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant