KR102330484B1 - 소광비를 개선한 분포형 음향 검출장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분포형 음향 검출장치(20)에 관한 것으로, 연속 출력 레이저광을 발생하는 레이저 발진기(11)와, 연속 출력 레이저광을 펄스 광으로 변조하는 제1 광 펄스 변조기(12)와, 펄스 광을 증폭하는 광증폭기(13)와, 광증폭기(13)에서 증폭된 펄스 광을 변조하여 시험용 광파이버(FUT)에 주입하는 제2 광 펄스 변조기(22)를 포함한다.

Description

소광비를 개선한 분포형 음향 검출장치{DISTRIBUTED ACOUSTIC SENSING WITH IMPROVED EXTINCTION RATIO}
본 발명은 분포형 음향 검출장치에 관한 것으로, 특히 신호대 잡음 비(Signal to Noise Ratio) 개선에 의해 소광비(Extinction Ratio)를 개선한 분포형 음향 검출장치에 관한 것이다.
주위나 경계의 감시, 가스관이나 송유관 또는 수도관과 같은 파이프라인의 감시, 도로나 철도와 같은 선형 자산(linear asset)의 감시, 또는, 예를 들어 위험물의 저장이나 격리를 위한 시설물 감시나 계측, 제조설비와 같은 시설물의 환경관리 등을 감시 또는 관리하는 기술로 분포형 음향 검출 기술이 이용되고 있다(예를 들어 특허문헌 1, 2 등 참조).
이 기술은 수 ㎞, 길게는 수십 ㎞의 장거리에 걸쳐서 설치된 광파이버에 레이저광을 입사하고, 당해 광파이버의 길이방향 특정 위치에 작용하는 물리량에 따라서 입사한 레이저광이 다르게 반사하여 되돌아오는 광파이버 내의 후방산란 광의 세기를 측정함으로써 감시나 관리 등을 위한 물리량을 검출한다.
특허문헌 1, 2와 같은 종래의 분포형 음향 검출장치에서는 광원에서 출사하는 연속 출력 레이저를 광 펄스 변조기를 이용하여 수 ㎱ 내지 수십 ㎱의 펄스 파형으로 변조하여 시험용 광파이버(FUT : Fiber Under Test)로 출력한다.
이때 사용되는 광 펄스 변조기에서는 비록 미약한 크기이긴 하나 변조기 오프(off) 시에도 계속해서 광신호가 출력되어서 신호대 잡음 비를 낮추게 된다. 특히, 분포형 음향 검출장치에서는 광 펄스 변조기에서 변조된 광은 통상 광증폭기를 통해서 증폭한 후 시험용 광파이버로 출력하게 되므로, 비록 미약한 크기의 잡음이라도 장치의 민감도에는 큰 영향을 미치며, 결과적으로는 분포형 음향 검출장치의 소광비 저하로 연결되게 된다.
그러나 본 발명자들이 확인한 바로는 특허문헌 1, 2를 비롯한 다른 어디에서도 이와 같은 문제에 대한 해결책을 제시한 선행기술은 발견할 수 없었다.
등록특허 10-1817295호 공보(2018. 1. 10. 공고) WO2017/220985 공개 팸플릿(2017. 12. 28. 공개)
본 발명은 종래기술의 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 광 펄스 변조기 오프 상태에서 발생하는 잡음신호에 의한 소광비 저하의 문제를 개선한 분포형 음향 검출장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 분포형 음향 검출장치는 분포형 음향 검출장치로, 연속 출력 레이저광을 발생하는 레이저 발진기와, 상기 연속 출력 레이저광을 펄스 광으로 변조하는 제1 광 펄스 변조기와, 상기 펄스 광을 증폭하는 광증폭기와, 상기 광증폭기에서 증폭된 펄스 광을 변조하여 상기 시험용 광파이버에 주입하는 제2 광 펄스 변조기를 포함한다.
본 발명에 의하면 분포형 음향 검출장치의 제1 광 펄스 변조기 오프 상태에서 발생하여 제1 광증폭기에서 증폭되어서 광검출기로 유입하는 잡음의 문제가 개선된 분포형 음향 검출장치를 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 일반적인 분포형 음향 검출장치의 개략적인 구성을 나타내는 블록도,
도 2는 도 1의 분포형 음향 검출장치의 광 펄스 변조기 및 광증폭기의 출력을 나타내는 파형도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시형태의 분포형 음향 검출장치의 개략적인 구성을 나타내는 블록도,
도 4는 도 3의 분포형 음향 검출장치의 제2 광 펄스 변조기의 출력을 나타내는 파형도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시형태의 분포형 음향 검출장치에 대해서 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명의 바람직한 실시형태의 분포형 음향 검출장치에 관한 설명에 앞서, 종래의 일반적인 분포형 음향 검출장치에서 소광비가 저하하는 원인에 대해서 설명한다.
도 1은 종래의 일반적인 분포형 음향 검출장치의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1에 나타내는 것과 같이, 종래의 분포형 음향 검출장치는 레이저 발진기(11)와 제1 광 펄스 변조기(12)와 제1 광증폭기(13)와 광 서큘레이터(14)와 밴드패스필터(15)와 제1 광검출기(18a)와 제2 광검출기(18b) 및 신호처리기(19)를 포함하며, 이와 같은 구성을 구비한 분포형 음향 검출장치(10)는 시험용 광파이버(FUT)에 펄스 광을 주입하고, 주입한 펄스 광이 시험용 광파이버(FUT)에서 산란하여 주입방향과 역방향으로 진행하여 되돌아오는 후방산란 광을 수신한다.
레이저 발진기(11)는 협 대역의 주파수 선 폭을 갖는 연속 출력 레이저광을 발생하는 레이저 광원이다. 레이저 발진기(11)에서 발생한 연속 출력의 레이저광은 후술하는 신호처리기(19)의 제어에 따라서 동작하는 펄스발생기(12a)가 생성하는 펄스신호에 의해, 제1 광 펄스 변조기(12)를 통해서 예를 들어 수 ㎱ 내지 수십 ㎱의 펄스 폭을 갖는 펄스 광으로 변조된다.
제1 광 펄스 변조기(12)에 의해 변조된 펄스 광은 광 분배기(16)에서 예를 들어 99:1의 비율로 각각 제1 광증폭기(13) 측과 제1 광검출기(18a) 측으로 분배되고, 제1 광검출기(18a)는 분배된 1%의 펄스 광을 검출하여 신호처리기(19)에 제공하여 펄스발생기(12a)의 펄스 출력 시점 결정에 이용하도록 한다. 또, 제1 광검출기(18a)에서 검출된 펄스 광은 후술하는 제2 광검출기(18b)가 신호 검출을 시작하는 시점을 알려주기 위한 트리거 신호로 이용할 수도 있다.
한편, 광 분배기(16)에서 분배되는 99%의 펄스 광은 제1 광증폭기(13)를 통해 증폭되어서 광 서큘레이터(14)의 제1 포트(1) 및 제2 포트(2)를 통해서 시험용 광파이버(FUT)에 주입된다.
시험용 광파이버(FUT)는 분포형 음향 검출장치(10)에 의해 감시나 관리 또는 계측의 대상이 되는 영역에 설치되며, 광 서큘레이터(14)의 제2 포트(2)를 통해서 출력되는 펄스 광은 시험용 광파이버(FUT)에 주입되고, 시험용 광파이버(FUT)에 주입된 펄스 광은 시험용 광파이버(FUT) 내에서의 레일리 산란(Rayleigh scattering)에 의해 주입방향과는 역방향으로 진행하는 후방산란 광이 광 서큘레이터(14)의 제2 포트(2)를 통해서 분포형 음향 검출장치(10)로 입력된다.
광 서큘레이터(14)의 제2 포트(2)로 입력된 후방산란 광은 광 서큘레이터(14)의 제 3 포트(3)를 통해서 광증폭기(17)에 입력되어서 증폭된 후 제2 광검출기(18b)에서 전기신호로서 검출되며, 검출된 전기신호로부터 신호처리기(19)는 분포형 음향 검출장치(10)에 의한 감시나 관리 또는 계측용 신호를 얻는다.
미설명 부호 15는 밴드패스필터이며, 제1 광증폭기(13)에서 발생하는 잡음 성분의 제거 등에 사용된다.
도 2도 함께 참조하면서, 이상의 구성을 구비한 분포형 음향 검출장치(10)에서 소광비가 저하하는 원인에 대해서 설명한다.
도 2는 도 1의 분포형 음향 검출장치의 광 펄스 변조기 및 광증폭기의 출력을 나타내는 파형도이며, 가로축은 시간을, 세로축은 출력 펄스의 크기를 각각 나타낸다. 또, 도 2 (a)는 제1 광 펄스 변조기(12)의 출력(S1)을, (b)는 제1 광증폭기(13)의 출력(S2)을 각각 나타낸다.
도 1의 구성을 구비하는 분포형 음향 검출장치(10)에서는 제1 광 펄스 변조기(12)가 오프(off)인 상태에서도 여전히 미약한 신호를 계속해서 발생하여 신호대 잡음 비를 낮춘다는 문제, 즉, 소광비가 충분하지 않다는 문제가 있으며, 이와 같은 소광비의 문제의 보완을 위해 제1 광 펄스 변조기(12)로는 광 스위치용으로 제작된 반도체 광증폭기(Semiconductor Optical Amplifier : SOA)가 많이 사용된다.
일반적으로 분포형 음향 검출장치(10)의 제1 광 펄스 변조기(12)로 사용되는 반도체 광증폭기는 광신호를 증폭하는 증폭 기능이 있으며, 도 2 (a)에 나타내는 것과 같이, 최대 출력(제1 광 펄스 변조기(12) 온(on) 상태에서의 출력)은 대략 50mW 정도이고, 소광비는 대략 60∼80dB 정도이며, 오프 상태에서도 대략 50pW 정도의 파워를 출력한다.
그러나 앞에서도 설명한 것과 같이, 제1 광 펄스 변조기(12)가 출력하는 펄스 광은 제1 광증폭기(13)를 통해서 증폭되어서 시험용 광파이버(FUT)로 주입되며, 분포형 음향 검출장치(10)에서 제1 광증폭기(13)로 많이 사용되는 광증폭기는 30dB의 이득(gain)을 갖는 증폭기가 주로 사용된다.
오프 상태에서의 제1 광 펄스 변조기(12)의 출력 50pW는 그 자체로는 크게 문제될 정도는 아니라고도 할 수도 있으나, 도 2 (b)에 나타내는 것과 같이, 50pW의 출력이 이득 30dB의 제1 광증폭기(13)를 통과하면 그 출력은 50mW로 커지며(50pW×103=50mW), 이는 제1 광증폭기(13)에서 증폭되기 이전의 제1 광 펄스 변조기(12)의 출력 펄스 광의 크기(50mW)와 동일한 값이다.
따라서 이와 같은 수준의 신호가 잡음(Sn1)으로서 지속적으로 제2 광검출기(18b) 측으로 유입되면 이는 분포형 음향 검출장치(10)의 소광비의 현저한 저하로 연결될 수 있다.
제1 광증폭기(13)는 제1 광 펄스 변조기(12) 온 시의 출력 펄스 광(S1=50mW)을 50W(=50mW×103)로 증폭한 증폭 펄스 광(S2)을 출력한다.
다음에, 종래의 일반적인 분포형 음향 검출장치(10)에서 발생하는 제1 광 펄스 변조기(12) 오프 시의 잡음에 의한 소광비 저하의 문제를 개선하기 위한 방안에 대해서 도 3, 4를 참조하면서 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시형태의 분포형 음향 검출장치의 개략적인 구성을 나타내는 블록도, 도 4는 도 3의 분포형 음향 검출장치의 제2 광 펄스 변조기의 출력을 나타내는 파형도이며, 가로축은 시간을, 세로축은 출력 펄스의 크기를 각각 나타낸다.
도 3에 나타내는 본 발명의 바람직한 실시형태의 분포형 음향 검출장치(20)는 기본적인 구성은 도 1에 나타내는 종래의 분포형 음향 검출장치(10)와 동일하다. 다만, 본 실시형태의 분포형 음향 검출장치(20)는 도 1의 종래의 일반적인 분포형 음향 검출장치(10)의 제1 광증폭기(13) 출력단에 제1 광증폭기(13)가 출력하는 출력펄스 광(S2)의 펄스 파형과 동일한 펄스 파형의 펄스 광을 출력하는 제2 광 펄스 변조기(22)를 추가하고, 또한, 제2 광 펄스 변조기(22)에 펄스 신호를 제공하는 펄스발생기(22a)를 추가한 점에서 차이가 있다.
앞에서도 설명한 것과 같이, 제1 광증폭기(13)에서 증폭된 잡음(Sn1)은 제1 광 펄스 변조기(12)가 펄스 광을 출력하지 않는 시간, 다시 말해 펄스발생기(12a)가 펄스신호를 발생하지 않는 시간에 발생하는 신호이므로, 이 잡음(Sn1)의 제거를 위해 본 실시형태의 분포형 음향 검출장치(20)에서는 제1 광증폭기(13)가 출력하는 펄스 광의 펄스 파형과 동일한 파형으로 구동되는 제2 광 펄스 변조기(22)를 제1 광증폭기(13)의 출력단에 추가하였다.
제1 광 펄스 변조기(12)로 사용되는 반도체 광증폭기는 첨두 출력(peak power)이 포화(saturation)에 의해 제한된다는 특성이 있다.
이에 반해, 본 실시형태의 분포형 음향 검출장치(20)에서 제1 광증폭기(13)의 출력단에 추가하는 제2 광 펄스 변조기(22)로는 첨두 출력의 포화가 없는 전기광학 변조기(Electro Optic Modulator : EOM)를 사용한다. 전기광학 변조기는 증폭 기능이 없는 동시에 첨두 출력에도 제한이 없고, 전기광학 변조기가 온(on)일 때의 투과율은 1이고, 오프(off)일 때의 투과율은 0.001(=10-3)이라는 특성을 가지며, 본 실시형태의 분포형 음향 검출장치(20)에서는 전기 광학 변조기의 이와 같은 특성을 이용하여 소광비 개선을 도모하도록 한다.
또, 도 3에서 점선으로 나타내는 것과 같이, 본 실시형태의 분포형 음향 검출장치(20)에서는 제1 광 펄스 변조기(12)에서 변조되어서 제1 광증폭기(13)에서 증폭된 출력 펄스 광(S2)이 출력되는 시점(출력 펄스 광이 하이(high) 상태인 시점)에 제2 광 펄스 변조기(22)가 온 되고, 출력 펄스 광이 로(low) 상태인 시점에 제2 광 펄스 변조기(22)가 오프 되도록 제1 광 펄스 변조기(12)에 펄스 신호를 제공하는 펄스발생기(12a)와 제2 광 펄스 변조기(22)에 펄스신호를 제공하는 펄스발생기(22a)는 서로 지연 동기가 맞춰져 있다.
이와 같이, 본 실시형태의 분포형 음향 검출장치(20)에서는 제2 광 펄스 변조기(22)로 사용되는 전기광학 변조기는 증폭 기능이 없는 동시에 첨두 출력의 제한도 없고, 온 상태일 때의 투과율은 1이고 오프 상태일 때의 투과율은 0.001이므로, 제2 광 펄스 변조기(22)의 출력단의 출력 펄스 광(S3)은, 도 4에 나타내는 것과 같이, 제2 광 펄스 변조기(22)가 온 상태에서는 제1 광증폭기(13)에 의해 증폭된 50W의 펄스 광을 그대로 출력하고, 제2 광 펄스 변조기(22)가 오프 상태인 때는 제1 광증폭기(13)에 의해 증폭된 50mW의 잡음을 50pW(=50mW×10-3)로 다운시켜서 출력한다.
따라서 본 실시형태의 분포형 음향 검출장치(20)에서는 50pW 정도의 아주 미약한 잡음(Sn2) 만이 제2 광검출기(18b)로 유입되게 되므로 장치 전체의 소광비를 개선할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시형태에 의해 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시형태에 기재된 형태로 한정되는 것은 아니며, 청구범위에 기재된 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 변형 또는 변경 실시할 수 있다.
10, 20 분포형 음향 검출장치
11 레이저 발진기
12 제1 광 펄스 변조기
22 제2 광 펄스 변조기
12a, 22a 펄스발생기
13 제1 광증폭기
14 광 서큘레이터
118a, 18b 광검출기
19 신호처리기
FUT 시험용 광파이버

Claims (3)

  1. 분포형 음향 검출장치로,
    연속 출력 레이저광을 발생하는 레이저 발진기와,
    상기 연속 출력 레이저광을 펄스 광으로 변조하는 제1 광 펄스 변조기와,
    상기 펄스 광을 증폭하는 광증폭기와,
    상기 광증폭기에서 증폭된 펄스 광을 변조하여 상기 광증폭기가 출력하는 출력펄스 광의 펄스 파형과 동일한 펄스 파형의 펄스 광을 출력해서 시험용 광파이버에 주입하는 제2 광 펄스 변조기를 포함하는 분포형 음향 검출장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 광 펄스 변조기는 반도체 광증폭기(Semiconductor Optical Amplifier)이고,
    상기 제2 광 펄스 변조기는 전기광학 변조기(Electro Optic Modulator)인 분포형 음향 검출장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 광 펄스 변조기는 증폭 기능이 없는 동시에 첨두 출력의 포화가 없고, 온 상태에서의 광 투과율은 1이며, 오프 상태에서의 광 투과율은 0.001인 분포형 음향 검출장치.
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