KR20110075679A - Apparatus of distributed fiber sensor using brillouin optical correlation domain analysis and sensing method thereof - Google Patents

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KR20110075679A KR1020090132196A KR20090132196A KR20110075679A KR 20110075679 A KR20110075679 A KR 20110075679A KR 1020090132196 A KR1020090132196 A KR 1020090132196A KR 20090132196 A KR20090132196 A KR 20090132196A KR 20110075679 A KR20110075679 A KR 20110075679A
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윤혁진
김정석
나희승
송광용
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한국철도기술연구원
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Abstract

PURPOSE: A distributed optical fiber sensor device and method are provided to obtain brillouin transition frequency of high space definition by using a brillouin correlation territory measurement method. CONSTITUTION: A distributed optical fiber sensor device comprises a light source(110), an optical splitter(120), a measuring optical fiber, and an optical detector. The light source supplies light. The optical splitter distributes the light to the pump light and probe light from the light source. The pump light and probe light comes to the measuring optical fiber from the optical splitter in opposite direction. The optical detector detects a Brillouin gain signal from the measuring optical fiber.

Description

브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 센싱 방법{Apparatus of distributed fiber sensor using Brillouin optical correlation domain analysis and sensing method thereof}Apparatus of distributed fiber sensor using Brillouin optical correlation domain analysis and sensing method

본 발명은 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 센싱 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a distributed optical fiber sensor device using a Brillouin correlation region measurement method and a sensing method thereof.

광섬유는 외부 환경 변화에 대해 고유 특성의 변화가 민감하므로 여러 가지 물리 변수에 대한 센서로서 활용될 수 있다. 한편, 그 특성상 긴 길이를 이용하여 구조물 내부에 밀도있게 포설하는 것이 가능하므로 분포형 계측에 유리하다. 광섬유를 이용하는 분포형 계측의 한가지 센싱 방법으로 광섬유내의 비선형 광학 현상의 하나인 브릴루앙 산란(Brillouin scattering)을 이용하는 센싱 방법이 있다. 브릴루앙 산란에 의해 광원의 빛은 브릴루앙 천이 주파수에 해당하는 주파수 이동을 한다. 이러한 브릴루앙 천이 주파수는 광섬유의 물성과 구조에 의해 달라지며, 광섬유 주위의 온도나 스트레인에 따라 선형적으로 변한다. 따라서, 브릴루앙 천이 주파수의 변화를 측정하면 광섬유를 따라 분포하는 온도나 스트레인과 같은 물리 변수의 변화를 측정할 수 있다.Optical fibers can be used as sensors for various physical variables because changes in intrinsic properties are sensitive to changes in the external environment. On the other hand, it is advantageous in the distribution type measurement because it can be densely installed inside the structure by using a long length due to its characteristics. One sensing method of distributed measurement using an optical fiber is a sensing method using Brillouin scattering, which is one of nonlinear optical phenomena in an optical fiber. By Brillouin scattering, the light of the light source performs a frequency shift corresponding to the Brillouin transition frequency. The Brillouin transition frequency depends on the physical properties and structure of the optical fiber, and changes linearly with the temperature and strain around the optical fiber. Therefore, by measuring the change in the Brillouin transition frequency, it is possible to measure changes in physical variables such as temperature and strain distributed along the optical fiber.

브릴루앙 산란을 이용하는 분포형 광섬유 센서 장치는 펌프광원의 형태에 따라, BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry) 방식, BOTDA(Brillouin Optical Time Domain Analysis) 방식, BOCDA(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis) 방식 등이 있다. BOTDR 방식과 BOTDA 방식은 펄스 형태의 광원을 이용하여 브릴루앙 산란된 빛을 시간 영역에서 관찰하는 방식으로 장거리 계측에 용이하다.Distributed optical fiber sensor devices using Brillouin scattering include Brillouin Optical Time Domain Reflectometry (BOTDR), Brillouin Optical Time Domain Analysis (BOTDA), and Brillouin Optical Correlation Domain Analysis (BOCDA), depending on the type of pump light source. . The BOTDR and BOTDA methods use a pulsed light source to observe Brillouin scattered light in the time domain, making it easy to measure long distances.

종래의 브릴루앙 주파수의 시간 영역 분석 장치 및 그 센싱 방법은 먼저 측정용 광섬유 내에 펌프광과 프로브광을 서로 반대방향으로 입사시켜 진행하게 한다. 측정용 광섬유 내에서 펌프광과 프로브광 사이의 간섭은 음파를 발생시키고 브릴루앙 이득 신호를 발생시킨다. 펌프광과 프로브광 사이의 주파수 차이를 변화시켜가면서, 프로브광의 세기 변화로부터 브릴루앙 이득 신호를 취득하여 브릴루앙 천이 주파수를 검출한다.The conventional Brillouin frequency domain analysis device and its sensing method first allow the pump light and the probe light to enter the optical fiber for measurement in opposite directions. Interference between the pump light and the probe light in the optical fiber for measurement generates sound waves and generates a Brillouin gain signal. While varying the frequency difference between the pump light and the probe light, a Brillouin gain signal is obtained from the change in the intensity of the probe light to detect the Brillouin transition frequency.

이러한 종래 기술은 프로브광으로서 연속발진 광원을 사용하나, 펌프광은 펄스광을 사용한다. 이 경우 펌프광이 측정용 광섬유를 모두 통과하면서 발생시키는 브릴루앙 산란을 순서대로 측정하므로, 측정위치를 임의로 선택할 수 없고, 높은 공간 해상도를 얻기 위하여 좁은 펄스폭을 가지는 펌프광을 사용할 경우 광대역의 브릴루앙 이득 선폭을 취득하게 된다. 브릴루앙 이득 선폭이 넓어질수록 브릴루앙 천이 주파수를 정확히 취득할 수 없으므로, 공간 해상도를 향상시키는데 한계가 있다.This prior art uses a continuous oscillation light source as the probe light, but the pump light uses pulsed light. In this case, the Brillouin scattering generated by the pump light while passing through all the optical fibers is measured in order. Therefore, the measurement position cannot be arbitrarily selected. The line width is obtained. As the Brillouin gain line width becomes wider, the Brillouin transition frequency cannot be accurately obtained, and thus there is a limit to improving the spatial resolution.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 높은 공간 해상도로 측정 위치를 선택하여, 높은 공간 해상도로 브릴루앙 천이 주파수를 취득할 수 있는 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 센싱 방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a distributed optical fiber sensor device and a sensing method using a Brillouin correlation region measurement method capable of selecting a measurement position at a high spatial resolution and obtaining a Brillouin transition frequency at a high spatial resolution. have.

본 발명에 의한 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치는 광을 제공하는 광원; 상기 광원으로부터의 광을 펌프광과 프로브광으로 분배하는 광분배기; 상기 광분배기로부터의 펌프광 및 프로브광이 서로 반대 방향으로 입사되는 측정용 광섬유; 및, 상기 측정용 광섬유로부터 브릴루앙 이득 신호를 검출하는 광검출기를 포함한다.Distributed optical fiber sensor device using the Brillouin correlation region measurement method according to the present invention comprises a light source for providing light; An optical splitter that distributes the light from the light source into pump light and probe light; A measurement optical fiber in which the pump light and the probe light from the optical splitter are incident in opposite directions; And a photodetector for detecting a Brillouin gain signal from the measurement optical fiber.

상기 광원의 광은 연속발진광일 수 있다.The light of the light source may be continuous oscillation light.

상기 광원에는 함수 발생기를 이용하여 사인파 형태의 주파수를 인가함으로써, 상기 광원이 사인파 형태의 주파수 변화를 갖는 광을 출력할 수 있다.By applying a sinusoidal frequency to the light source using a function generator, the light source can output light having a sinusoidal frequency change.

상기 광분배기와 상기 측정용 광섬유의 사이에는 상기 펌프광이 통과하는 전기광학변조기, 지연광섬유, 제1EDF 증폭기 및 광순환기가 순차적으로 연결될 수 있다. 상기 전기광학변조기에는 주파수를 갖는 전기 신호를 출력하는 전기광학변조기 제어기가 더 연결될 수 있다. 상기 광검출기에는 상기 전기광학변조기 제어기로부터 출력되는 전기 신호의 주파수와 같은 위상을 갖는 동기 신호가 입력되는 락인 앰프가 연결되고, 상기 락인 앰프에 브릴루앙 이득 신호로부터 브릴루앙 천이 주파수를 검출하는 신호 처리부가 연결될 수 있다.An electro-optic modulator, a delayed optical fiber, a first EDF amplifier, and an optical circulator may be sequentially connected between the optical splitter and the optical fiber for measurement. The electro-optic modulator may be further connected to an electro-optic modulator controller for outputting an electric signal having a frequency. The photodetector is connected to a lock in amplifier to which a synchronous signal having a phase equal to the frequency of an electrical signal output from the electro-optic modulator controller is input, and a signal processing for detecting a Brillouin transition frequency from a Brillouin gain signal to the lock in amplifier. An additional connection can be made.

상기 프로브광은 주파수가 하향 이동될 수 있다.The probe light may move downward in frequency.

상기 프로브광의 주파수는 펌프광의 주파수에서 특정 주파수만큼 하향 이동되고 그 특정 주파수는 브릴루앙 주파수 부근에서 훑어질 수 있다.The frequency of the probe light is shifted downward by a certain frequency from the frequency of the pump light and the specific frequency can be sweeped around the Brillouin frequency.

상기 광분배기와 상기 측정용 광섬유의 사이에는 프로브광이 통과하는 단일측파변조기, 편광스위치, 제2EDF 증폭기가 순차적으로 연결될 수 있다. 상기 단일측파변조기에는 마이크로파발생기가 연결되어, 마이크로파가 인가될 수 있다. 상기 편광스위치는 프로브광을 시간에 따라 순차적으로 두 개의 서로 수직인 직선 편광으로 변환하여 출력할 수 있다.A single side wave modulator, a polarization switch, and a second EDF amplifier through which probe light passes may be sequentially connected between the optical splitter and the optical fiber for measurement. A microwave generator is connected to the single side wave modulator, and microwaves may be applied. The polarization switch may convert the probe light into two linearly polarized light which are perpendicular to each other sequentially and output the probe light.

또한, 본 발명은 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센싱 방법은 광원을 이용하여 광을 제공하는 광 제공 단계; 상기 광을 광분배기를 이용하여 펌프광과 프로브광으로 분배하는 광분배 단계; 상기 펌프광 및 프로브광을 측정용 광섬유에 서로 반대 방향으로 입사하는 광 입사 단계; 및, 상기 측정용 광섬유로부터 광검출기를 이용하여 브릴루앙 이득 신호를 검출하는 광검출 단계를 포함한다.The present invention also provides a distributed optical fiber sensing method using a Brillouin correlation region measurement method comprising: providing a light using a light source; A light distribution step of distributing the light into a pump light and a probe light by using a light splitter; A light incident step of injecting the pump light and the probe light into the optical fiber for measurement in opposite directions; And a photodetection step of detecting a Brillouin gain signal using the photodetector from the optical fiber for measurement.

상기 광은 연속발진광일 수 있다.The light may be continuous oscillation light.

상기 광에는 함수 발생기를 이용하여 사인파 형태의 주파수를 인가함으로써, 상기 광이 사인파 형태의 주파수 변화를 갖도록 할 수 있다.By applying a sinusoidal frequency to the light using a function generator, the light may have a sinusoidal frequency change.

상기 광분배기와 상기 측정용 광섬유의 사이에는 상기 펌프광이 통과하는 전기광학변조기, 지연광섬유, 제1EDF 증폭기 및 광순환기가 순차적으로 연결될 수 있다.An electro-optic modulator, a delayed optical fiber, a first EDF amplifier, and an optical circulator may be sequentially connected between the optical splitter and the optical fiber for measurement.

상기 전기광학변조기에는 주파수를 갖는 전기 신호를 출력하는 전기광학변조기 제어기가 더 연결될 수 있다. 상기 광검출기에는 상기 전기광학변조기 제어기로부터 출력되는 전기 신호의 주파수와 같은 위상을 갖는 동기 신호가 입력되는 락인 앰프가 연결되고, 상기 락인 앰프에 브릴루앙 이득 신호로부터 브릴루앙 천이 주파수를 검출하는 신호 처리부가 연결될 수 있다.The electro-optic modulator may be further connected to an electro-optic modulator controller for outputting an electric signal having a frequency. The photodetector is connected to a lock in amplifier to which a synchronous signal having a phase equal to the frequency of an electrical signal output from the electro-optic modulator controller is input, and a signal processing for detecting a Brillouin transition frequency from a Brillouin gain signal to the lock in amplifier. An additional connection can be made.

상기 프로브광은 주파수가 하향 이동될 수 있다.The probe light may move downward in frequency.

상기 프로브광의 하향 이동 주파수가 브릴루앙 주파수를 중심으로 훑어질 수 있다.The downward movement frequency of the probe light may be swept around the Brillouin frequency.

상기 광분배기와 상기 측정용 광섬유의 사이에는 프로브광이 통과하는 단일측파변조기, 편광스위치, 제2EDF 증폭기가 순차적으로 연결될 수 있다. 상기 단일측파변조기에는 마이크로파발생기가 연결되어, 마이크로파가 인가될 수 있다. 상기 편광스위치는 프로브광을 두개의 서로 수직인 직선 편광으로 시간에 따라 순차적으로 변환하여 출력할 수 있다.A single side wave modulator, a polarization switch, and a second EDF amplifier through which probe light passes may be sequentially connected between the optical splitter and the optical fiber for measurement. A microwave generator is connected to the single side wave modulator, and microwaves may be applied. The polarization switch may convert the probe light into linear polarized light perpendicular to each other and sequentially convert the probe light according to time.

본 발명은 펌프광의 브릴루앙 산란에 의하여 발생한 프로브광의 이득으로부터 브릴루앙 천이 주파수를 검출한다. 즉, 본 발명에 의한 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 센싱 방법은 펌프광과 프로브광으로서 연속발진 광원을 이용하며, 광원의 주파수 변조를 통해서 측정 위치를 선택하여 높은 공간 해상도로 브릴루앙 주파수를 측정할 수 있다.The present invention detects the Brillouin transition frequency from the gain of the probe light caused by Brillouin scattering of the pump light. That is, the distributed optical fiber sensor device and the sensing method using the Brillouin correlation region measuring method according to the present invention uses a continuous oscillation light source as the pump light and the probe light, and selects a measurement position through frequency modulation of the light source to achieve high spatial resolution. The Brillouin frequency can be measured.

또한, 브릴루앙 이득 신호에서 검출된 브릴루앙 천이 주파수의 변화는 광섬 유에 가해지는 온도나 변형률의 변화에 선형적으로 의존하므로, 본 발명의 장치 및 방법은 높은 공간해상도를 가지고 측정위치를 선택하여 온도나 변형률을 측정하기 위한 분포형 광섬유 센서로서 유용하게 사용될 수 있다. In addition, since the change in the Brillouin transition frequency detected in the Brillouin gain signal is linearly dependent on the change in the temperature or strain applied to the optical fiber, the apparatus and method of the present invention have a high spatial resolution and select a measurement position with a high spatial resolution. B) It can be usefully used as a distributed optical fiber sensor for measuring strain.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 센싱 방법을 도시한 개략도이다.1 is a schematic diagram illustrating a distributed optical fiber sensor device and a sensing method thereof using the Brillouin correlation region measurement method according to the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 센싱 방법(100)은 광원(110), 광분배기(120), 측정용 광섬유(150), 광검출기(160) 및 신호 처리부(170)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the distributed optical fiber sensor device and the sensing method 100 using the Brillouin correlation region measuring method according to the present invention include a light source 110, an optical splitter 120, an optical fiber 150 for measurement, The photodetector 160 and the signal processor 170 are included.

여기서, 상기 광원(110)에는 광원 제어기(111), 함수 발생기(112), 바이어스 티(113)가 연결된다. 더불어, 상기 함수 발생기(112)는 상기 신호 처리부(170)에 의해 제어된다.The light source controller 111, the function generator 112, and the bias tee 113 are connected to the light source 110. In addition, the function generator 112 is controlled by the signal processor 170.

또한, 상기 광분배기(120)와 상기 측정용 광섬유(150)의 사이에는 펌프광이 통과하는 전기광학변조기(131), 지연광섬유(132), 제1EDF 증폭기(133) 및 광순환기(134)가 순차적으로 연결된다.In addition, an electro-optic modulator 131, a delayed optical fiber 132, a first EDF amplifier 133, and an optical circulator 134 sequentially pass pump light between the optical splitter 120 and the measurement optical fiber 150. Is connected.

여기서, 상기 전기광학변조기(131)에는 전기광학변조기 제어기(135)가 연결 된다. 상기 전기광학변조기 제어기(135)에는 하기할 락인앰프(162)도 연결된다. 더불어, 상기 전기광학변조기(131)는 상기 신호 처리부(170)에 의해 제어된다.Here, the electro-optic modulator controller 135 is connected to the electro-optic modulator 131. The electro-optic modulator controller 135 is also connected to the lock-in amplifier 162 to be described later. In addition, the electro-optic modulator 131 is controlled by the signal processor 170.

또한, 상기 광분배기(120)와 상기 측정용 광섬유(150)의 사이에는 프로브광이 통과하는 단일측파변조기(141), 편광 스위치(142) 및 제2EDF 증폭기(143)가 순차적으로 연결된다.In addition, a single side wave modulator 141, a polarization switch 142, and a second EDF amplifier 143, through which probe light passes, are sequentially connected between the optical splitter 120 and the optical fiber 150 for measurement.

여기서, 상기 단일측파변조기(141)에는 마이크로파 발생기(141a), 마이크로파 앰프(141b), 하이브리드 커플러(141c), 바이어스 티(141d) 및 직류 전압 공급기(141e)가 연결된다. 또한, 상기 마이크로파 발생기(141a)는 상기 신호 처리부(170)에 의해 제어된다. 또한, 상기 편광 스위치(142)는 편광 스위치 제어기(142a)에 연결된다. 상기 편광 스위치 제어기(142a)는 상기 신호처리부(170)에 의해 제어된다.Here, the single side wave modulator 141 is connected to a microwave generator 141a, a microwave amplifier 141b, a hybrid coupler 141c, a bias tee 141d, and a DC voltage supply 141e. In addition, the microwave generator 141a is controlled by the signal processor 170. In addition, the polarization switch 142 is connected to the polarization switch controller 142a. The polarization switch controller 142a is controlled by the signal processor 170.

또한, 상기 광순환기(134)에는 가변 광학 감쇄기(161), 광검출기(160), 락인앰프(162) 및 신호 처리부(170)가 연결된다. In addition, the optical circulator 134 is connected to the variable optical attenuator 161, the photodetector 160, the lock-in amplifier 162, and the signal processor 170.

여기서, 상기 신호 처리부(170)는 브릴루앙 이득 신호로부터 브릴루앙 천이 주파수를 검출하는 역할도 하지만, 하드웨어 및 소프트웨어에 의해 상술한 바와 같이 함수 발생기(112), 전기광학제어기(135), 마이크로파 발생기(141a), 편광스위치 제어기(142a)를 제어한다. 실질적으로, 이러한 신호 처리부(170)는 컴퓨터일 수 있으나, 이러한 종류로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.Here, the signal processor 170 may also detect the Brillouin transition frequency from the Brillouin gain signal, but as described above by hardware and software, the function generator 112, the electro-optical controller 135, and the microwave generator ( 141a), the polarization switch controller 142a is controlled. In practice, the signal processor 170 may be a computer, but the present invention is not limited thereto.

이러한 구성의 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장 치 및 그 센싱 방법(100)의 동작을 설명한다.The operation of the distributed optical fiber sensor device and the sensing method 100 using the Brillouin correlation region measuring method having such a configuration will be described.

상기 광원(110)은 연속발진광을 출력한다. 즉, 광원 제어기(111), 함수 발생기(112), 바이어스 티(113)의 동작에 의해, 광원(110)은 사인파 형태의 주파수 변화를 갖는 광을 출력한다. 즉, 신호 처리부(170)에 의해 제어되는 함수 발생기(112)가 사인파 형태의 전류 변화를 상기 광원(110)에 인가함으로써, 상기 광원(110)이 사인파 형태의 주파수 변화를 갖는 광을 출력한다. 더욱이, 상기 함수 발생기(112)에 의해 인가된 사인파의 주파수에 따라 측정 위치가 달라지며, 이를 통해 측정 위치를 선택할 수 있게 된다. 인가된 사인파의 주파수와 그로 의해 발생한 광원(110)의 광 주파수 변화의 진폭은 측정의 공간 분해능과 측정 범위를 결정한다.The light source 110 outputs continuous oscillation light. That is, by the operation of the light source controller 111, the function generator 112, and the bias tee 113, the light source 110 outputs light having a frequency change in the form of a sinusoidal wave. That is, the function generator 112 controlled by the signal processor 170 applies a sinusoidal current change to the light source 110 so that the light source 110 outputs light having a sinusoidal frequency change. In addition, the measurement position is changed according to the frequency of the sine wave applied by the function generator 112, through which the measurement position can be selected. The frequency of the applied sine wave and the amplitude of the optical frequency change of the light source 110 generated thereby determine the spatial resolution of the measurement and the measurement range.

상기 광분배기(120)는 상기 광을 펌프광과 프로브광으로 나눠 분배한다. 즉, 상기 광분배기(120)는 상기 광원(110)으로부터의 광을 대략 50:50으로 펌프광 및 프로브광으로 나눠 분배한다.The light splitter 120 divides the light into a pump light and a probe light. That is, the light splitter 120 divides the light from the light source 110 into a pump light and a probe light at approximately 50:50.

상기 펌프광은 전기광학변조기(131), 지연광섬유(132), 제1EDF 증폭기(133) 및 광순환기(134)를 통하여 측정용 광섬유(150)에 입사된다.The pump light is incident on the optical fiber 150 for measurement through the electro-optic modulator 131, the delayed optical fiber 132, the first EDF amplifier 133, and the optical circulator 134.

상기 전기광학변조기(131)는 상기 펌프광의 세기를 변조시킨다. 즉, 상기 전기광학변조기(131)에는 신호처리부(170)에 의해 제어되는 전기광학변조기 제어기(135)가 연결되어 있는데, 이러한 상기 전기광학변조기 제어기(135)로부터 일정한 주파수의 전기 신호가 상기 전기광학변조기(131)에 입력됨으로써, 결국 상기 펌 프광의 세기가 변조된다. The electro-optic modulator 131 modulates the intensity of the pump light. That is, an electro-optic modulator controller 135 controlled by the signal processor 170 is connected to the electro-optic modulator 131. An electric signal of a constant frequency is transmitted from the electro-optic modulator controller 135. By being input to the modulator 131, the intensity of the pump light is modulated eventually.

이와 같이 변조된 펌프광은 지연광섬유(132)를 통하여 소정 시간 지연되고, 제1EDF 증폭기(133)를 통하여 증폭된 후, 마지막으로 광순환기(134)를 통하여 측정용 광섬유(150)에 입사된다.The pump light modulated as described above is delayed for a predetermined time through the delayed optical fiber 132, amplified through the first EF amplifier 133, and finally input to the measurement optical fiber 150 through the optical circulator 134.

한편, 상기 프로브광은 단일측파변조기(141), 편광 스위치(142) 및 제2EDF 증폭기(143)를 통하여 측정용 광섬유(150)에 입사된다. The probe light is incident on the optical fiber 150 for measurement through the single side wave modulator 141, the polarization switch 142, and the second EDF amplifier 143.

상기 단일측파변조기(141)에는 마이크로파 발생기(141a), 마이크로파 앰프(141b), 하이브리드 커플러(141c), 바이어스 티(141d) 및 직류 전압 공급기(141e)가 연결됨으로써, 상기 프로브광의 주파수는 하향 이동될 수 있다. 즉, 상기 단일측파변조기(141)에 의해 상기 프로브광의 주파수는 특정 주파수만큼 하향 이동될 수 있는데, 그 특정 주파수는 측정용 광섬유(150)의 브릴루앙 천이 주파수를 중심으로 연속적으로 변화되도록 제어될 수 있다. 다르게 설명하면, 신호 처리부(170)에 의해 제어되는 마이크로파 발생기(141a)에 의해 마이크로파의 주파수가 제어되고, 이에 따라 단일측파변조기(141)를 통과하는 프로브광의 주파수가 특정 주파수만큼 하향 이동되는데 그 특정 주파수는 측정용 광섬유(150)의 브릴루앙 천이 주파수를 중심으로 연속적으로 변화된다.A microwave generator 141a, a microwave amplifier 141b, a hybrid coupler 141c, a bias tee 141d, and a DC voltage supply 141e are connected to the single side wave modulator 141, so that the frequency of the probe light may be moved downward. Can be. That is, the frequency of the probe light may be moved downward by a specific frequency by the single side wave modulator 141, and the specific frequency may be controlled to continuously change around the Brillouin transition frequency of the optical fiber 150 for measurement. have. In other words, the frequency of the microwave is controlled by the microwave generator 141a controlled by the signal processor 170, and thus the frequency of the probe light passing through the single side modulator 141 is moved downward by a specific frequency. The frequency is continuously changed around the Brillouin transition frequency of the measurement optical fiber 150.

상기 편광 스위치(142)는 신호 처리부(170)에 의해 제어되는 편광 스위치 제어기(142a)의 제어에 의해, 상기 프로브광의 편광을 순차적으로 전환시켜 출력한다. 즉, 상기 편광 스위치(142)는 프로브광을 서로 수직인 두 개의 직선 편광 상태 로 시간에 따라 교대로 출력한다.The polarization switch 142 sequentially outputs the polarized light of the probe light under the control of the polarization switch controller 142a controlled by the signal processor 170. That is, the polarization switch 142 alternately outputs the probe light with time in two linearly polarized states perpendicular to each other.

이러한 프로브광은 제2EDF 증폭기(143)에 의해 증폭된 후, 상기 측정용 광섬유(150)에 입사된다.The probe light is amplified by the second EDF amplifier 143 and then incident on the optical fiber 150 for measurement.

이와 같이 하여, 상기 펌프광과 상기 프로브광의 진행 방향은 서로 반대가 된다.In this way, the advancing directions of the pump light and the probe light are opposite to each other.

계속해서, 상기 측정용 광섬유(150)를 통과한 프로브광은 광순환기(134) 및 가변광학감쇄기(161)를 통하여 광검출기(160)를 통해 검출된다. Subsequently, the probe light passing through the optical fiber 150 for measurement is detected through the photodetector 160 through the optical circulator 134 and the variable optical attenuator 161.

상기 광검출기(160)를 통해 검출된 신호는 락인앰프(162)를 통해 잡음이 제거된 상태로 신호처리부(170)에 의해 신호 처리된다.The signal detected by the photodetector 160 is signal-processed by the signal processor 170 while the noise is removed through the lock-in amplifier 162.

여기서, 상기 락인앰프(162)에는 상기 전기광학변조기 제어기(135)로부터 출력되는 전기 신호의 주파수와 같은 위상을 갖는 동기 신호가 입력됨으로써, 상기 락인앰프(162)를 통과하는 브릴루앙 이득 신호로부터 노이즈가 제거된다.Here, the lock-in amplifier 162 is inputted with a synchronization signal having a phase equal to the frequency of the electrical signal output from the electro-optic modulator controller 135, thereby reducing noise from the Brillouin gain signal passing through the lock-in amplifier 162. Is removed.

도 2는 본 발명에 따른 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 센싱 방법 중에서 측정용 광섬유 내에서 발생하는 프로브광의 세기 증폭 원리를 도시한 그래프이다. 여기서, 도 1을 함께 참조한다.FIG. 2 is a graph illustrating a principle of intensity amplification of probe light generated in an optical fiber for measurement in a distributed optical fiber sensor device using a Brillouin correlation region measuring method and a sensing method thereof according to the present invention. Reference is made to FIG. 1 together.

상술한 바와 같이, 측정용 광섬유(150)에 펌프광과 프로브광을 서로 반대 방향으로 입사시켜 진행시킨다.As described above, the pump light and the probe light are incident to the measuring optical fiber 150 in opposite directions to advance.

여기서, 상기 프로브광은 상기 펌프광에 비해 특정 주파수(쿠)만큼 하향 이 동된 주파수를 가지며, 그 특정 주파수는 측정용 광섬유(150)의 브릴루앙 천이 주파수를 중심으로 시간에 따라 선형적으로 훑어진다.Here, the probe light has a frequency shifted downward by a specific frequency (cu) relative to the pump light, and the specific frequency is linearly swept over time with respect to the Brillouin transition frequency of the optical fiber 150 for measurement.

또한, 상기 측정용 광섬유(150) 내에서 프로브광과 펌프광 사이의 간섭은 음파를 발생시키고, 발생된 음파는 광섬유에 굴절률 격자를 생성시킨다.In addition, the interference between the probe light and the pump light in the measurement optical fiber 150 generates a sound wave, the generated sound wave generates a refractive index grating in the optical fiber.

이와 같이 생성된 굴절률 격자는 펌프광을 반사시켜 프로브광에 더하므로 프로브광은 브릴루앙 이득을 얻는다. 상기 프로브광으로부터 브릴루앙 이득 신호를 취득하여 브릴루앙 천이 주파수(B)를 검출하도록 한다.The refractive index grating thus generated reflects the pump light and adds it to the probe light, so that the probe light obtains a Brillouin gain. A Brillouin gain signal is acquired from the probe light so as to detect the Brillouin transition frequency B.

종래의 브릴루앙 시간 영역 측정 방법을 이용하여 브릴루앙 이득 신호를 취득하는 방법으로는, 높은 공간해상도를 얻기 위하여 좁은 펄스폭을 가지는 프로브광을 사용할 경우 광대역의 브릴루앙 이득 선폭을 취득하게 되었다. 브릴루앙 이득 선폭이 넓어질수록 브릴루앙 천이 주파수를 정확히 취득할 수 없으므로, 공간 해상도를 향상시키는데 한계가 있었다.As a method of acquiring a Brillouin gain signal using a conventional Brillouin time domain measurement method, when a probe light having a narrow pulse width is used to obtain high spatial resolution, a wide Brillouin gain line width is acquired. As the Brillouin gain line width was wider, the Brillouin transition frequency could not be obtained accurately, and there was a limit to improving the spatial resolution.

그러나 본 방법을 사용하면 연속발진 광원을 사용하므로 공간 해상도의 제약이 없어 높은 공간 해상도로 측정 위치를 선택하여 브릴루앙 천이 주파수를 취득할 수 있다. However, this method uses a continuous oscillation light source, so there is no limitation of spatial resolution, so that the Brillouin transition frequency can be obtained by selecting a measurement position with a high spatial resolution.

브릴루앙 이득 신호에서 검출된 브릴루앙 주파수의 변화는 광섬유에 가해지는 온도나 변형률의 변화에 선형적으로 의존하므로, 본 발명의 장치 및 방법은 높은 공간 해상도를 가지고 측정 위치를 선택하여 온도나 변형률을 측정하기 위한 분 포형 광섬유 센서로서 유용하게 사용될 수 있다.Since the change in the Brillouin frequency detected in the Brillouin gain signal is linearly dependent on the change in temperature or strain applied to the optical fiber, the apparatus and method of the present invention have a high spatial resolution to select a measurement position to select a temperature or strain rate. It can be usefully used as a distributed optical fiber sensor for measuring.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 센싱 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.What has been described above is just one embodiment for implementing the distributed optical fiber sensor device and the sensing method using the Brillouin correlation region measurement method according to the present invention, the present invention is not limited to the above-described embodiment, As claimed in the claims, any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention will have the technical spirit of the present invention to the extent that various modifications can be made.

도 1은 본 발명에 따른 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 센싱 방법을 도시한 개략도이다.1 is a schematic diagram illustrating a distributed optical fiber sensor device and a sensing method thereof using the Brillouin correlation region measurement method according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 센싱 방법 중에서 측정용 광섬유 내에서 발생하는 프로브광의 세기 증폭 원리를 도시한 그래프이다.FIG. 2 is a graph illustrating a principle of intensity amplification of probe light generated in an optical fiber for measurement in a distributed optical fiber sensor device using a Brillouin correlation region measuring method and a sensing method thereof according to the present invention.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>

100; 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치100; Distributed Fiber Optic Sensor Device Using Brillouin Correlation Range Measurement

110; 광원 111; 광원 제어기110; Light source 111; Light source controller

112; 함수 발생기 113; 바이어스 티112; Function generator 113; Bias tee

120; 광분배기 131; 전기광학변조기120; Optical splitter 131; Electro-optic modulator

132; 지연광섬유 133; 제1EDF 증폭기132; Delayed optical fiber 133; 1EDF amplifier

134; 광순환기 135; 전기광학변조기 제어기134; Photocycler 135; Electro-optic Modulator Controller

141; 단일측파변조기 141a; 마이크로파 발생기141; Single side wave modulator 141a; Microwave generator

141b; 마이크로파 앰프 141c; 하이브리드 커플러141b; Microwave amplifier 141c; Hybrid coupler

141d; 바이어스 티 141e; 직류 전압 공급기141d; Bias tee 141e; DC voltage supply

142; 편광스위치 142a; 편광스위치 제어기142; Polarization switch 142a; Polarization Switch Controller

143; 제2EDF 증폭기 150; 측정용 광섬유143; Second EDF amplifier 150; Optical fiber for measurement

160 ; 광검출기 161; 가변 광학 감쇄기160; Photodetector 161; Variable optical attenuator

162; 락인앰프 170; 신호 처리부162; Lock-in amplifier 170; Signal processor

Claims (22)

광을 제공하는 광원;A light source for providing light; 상기 광원으로부터의 광을 펌프광과 프로브광으로 분배하는 광분배기;An optical splitter that distributes the light from the light source into pump light and probe light; 상기 광분배기로부터의 펌프광 및 프로브광이 서로 반대 방향으로 입사되는 측정용 광섬유; 및,A measurement optical fiber in which the pump light and the probe light from the optical splitter are incident in opposite directions; And, 상기 측정용 광섬유로부터 브릴루앙 이득 신호를 검출하는 광검출기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치.Distributed optical fiber sensor device using a Brillouin correlation region measurement method comprising a photodetector for detecting a Brillouin gain signal from the measuring optical fiber. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광원의 광은 연속발진광인 것을 특징으로 하는 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치.Light of the light source is a distributed optical fiber sensor device using a Brillouin correlation region measurement method characterized in that the continuous oscillation light. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광원에는 함수 발생기를 이용하여 사인파 형태의 주파수를 인가함으로써, 상기 광원이 사인파 형태의 주파수 변화를 갖는 광을 출력하도록 함을 특징으로 하는 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치.And a sinusoidal frequency is applied to the light source by using a function generator, so that the light source outputs light having a sinusoidal frequency change. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광분배기와 상기 측정용 광섬유의 사이에는Between the optical splitter and the optical fiber for measurement 상기 펌프광이 통과하는 전기광학변조기, 지연광섬유, 제1EDF 증폭기 및 광순환기가 순차적으로 연결된 것을 특징으로 하는 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치.The distributed optical fiber sensor device using the Brillouin correlation region measurement method characterized in that the electro-optic modulator, the delayed optical fiber, the first EDF amplifier and the optical circulator are passed sequentially. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 전기광학변조기에는The electro-optic modulator 주파수를 갖는 전기 신호를 출력하는 전기광학변조기 제어기가 더 연결된 것을 특징으로 하는 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치.A distributed optical fiber sensor device using a Brillouin correlation region measurement method, further comprising an electro-optic modulator controller for outputting an electric signal having a frequency. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 광검출기에는 상기 전기광학변조기 제어기로부터 출력되는 전기 신호의 주파수와 같은 위상을 갖는 동기 신호가 입력되는 락인 앰프가 연결되고,The photodetector is connected to a lock-in amplifier to which a synchronization signal having a phase equal to a frequency of an electrical signal output from the electro-optic modulator controller is input. 상기 락인 앰프에 브릴루앙 이득 신호로부터 브릴루앙 천이 주파수를 검출하는 신호 처리부가 연결된 것을 특징으로 하는 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치.And a signal processing unit for detecting a Brillouin transition frequency from a Brillouin gain signal connected to the lock-in amplifier. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 프로브광은 주파수가 하향 이동됨을 특징으로 하는 특징으로 하는 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치.The probe light is a distributed optical fiber sensor device using a Brillouin correlation region measurement method characterized in that the frequency is moved downward. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 프로브광의 주파수는 펌프광의 주파수에서 특정 주파수만큼 하향 이동되고 그 특정 주파수는 브릴루앙 주파수 부근에서 훑어짐을 특징으로 하는 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치.And the frequency of the probe light is moved downward by a specific frequency from the frequency of the pump light, and the specific frequency is swept around the Brillouin frequency. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광분배기와 상기 측정용 광섬유의 사이에는Between the optical splitter and the optical fiber for measurement 프로브광이 통과하는 단일측파변조기, 편광스위치, 제2EDF 증폭기가 순차적으로 연결된 것을 특징으로 하는 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치.A distributed optical fiber sensor device using a Brillouin correlation domain measurement method characterized in that the probe side passes through the single-side modulator, the polarization switch, the second EDF amplifier is sequentially connected. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 단일측파변조기에는 마이크로파발생기가 연결되어, 마이크로파가 인가됨을 특징으로 하는 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치.Microwave generator is connected to the single-side wave modulator, the distributed optical fiber sensor device using a Brillouin correlation region measurement method characterized in that the microwave is applied. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 편광스위치는 프로브광을 시간에 따라 순차적으로 두 개의 서로 수직인 직선 편광으로 변환하여 출력함을 특징으로 하는 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이 용한 분포형 광섬유 센서 장치.The polarization switch is a distributed optical fiber sensor device using the Brillouin correlation region measurement method characterized in that the probe light is sequentially converted to two mutually perpendicular linearly polarized with time. 광원을 이용하여 광을 제공하는 광 제공 단계;Providing a light using a light source; 상기 광을 광분배기를 이용하여 펌프광과 프로브광으로 분배하는 광분배 단계;A light distribution step of distributing the light into a pump light and a probe light by using a light splitter; 상기 펌프광 및 프로브광을 측정용 광섬유에 서로 반대 방향으로 입사하는 광 입사 단계; 및,A light incident step of injecting the pump light and the probe light into the optical fiber for measurement in opposite directions; And, 상기 측정용 광섬유로부터 광검출기를 이용하여 브릴루앙 이득 신호를 검출하는 광검출 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센싱 방법.And a photodetection step of detecting a Brillouin gain signal using the photodetector from the optical fiber for measurement. 제 12 항에 있어서,13. The method of claim 12, 상기 광은 연속발진광인 것을 특징으로 하는 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센싱 방법.The optical fiber sensing method using the Brillouin correlation region measurement method characterized in that the light is a continuous oscillation light. 제 12 항에 있어서,13. The method of claim 12, 상기 광에는 함수 발생기를 이용하여 사인파 형태의 주파수를 인가함으로써, 상기 광이 사인파 형태의 주파수 변화를 갖도록 함을 특징으로 하는 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센싱 방법.The optical fiber sensing method using the Brillouin correlation domain measurement method, characterized in that by applying a sinusoidal frequency to the light using a function generator, the light has a sinusoidal frequency change. 제 12 항에 있어서,13. The method of claim 12, 상기 광분배기와 상기 측정용 광섬유의 사이에는Between the optical splitter and the optical fiber for measurement 상기 펌프광이 통과하는 전기광학변조기, 지연광섬유, 제1EDF 증폭기 및 광순환기가 순차적으로 연결된 것을 특징으로 하는 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센싱 방법.The distributed optical fiber sensing method using the Brillouin correlation region measurement method characterized in that the electro-optic modulator, the delayed optical fiber, the first EDF amplifier and the optical circulator are sequentially connected to the pump light. 제 15 항에 있어서,The method of claim 15, 상기 전기광학변조기에는The electro-optic modulator 주파수를 갖는 전기 신호를 출력하는 전기광학변조기 제어기가 더 연결된 것을 특징으로 하는 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센싱 방법.A distributed optical fiber sensing method using a Brillouin correlation domain measurement method, further comprising an electro-optic modulator controller for outputting an electrical signal having a frequency. 제 16 항에 있어서,The method of claim 16, 상기 광검출기에는 상기 전기광학변조기 제어기로부터 출력되는 전기 신호의 주파수와 같은 위상을 갖는 동기 신호가 입력되는 락인 앰프가 연결되고,The photodetector is connected to a lock-in amplifier to which a synchronization signal having a phase equal to a frequency of an electrical signal output from the electro-optic modulator controller is input. 상기 락인 앰프에 브릴루앙 이득 신호로부터 브릴루앙 천이 주파수를 검출하는 신호 처리부가 연결된 것을 특징으로 하는 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센싱 방법.And a signal processing unit for detecting a Brillouin transition frequency from a Brillouin gain signal connected to the lock-in amplifier. 제 12 항에 있어서,13. The method of claim 12, 상기 프로브광은 주파수가 하향 이동됨을 특징으로 하는 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센싱 방법.The probe light is a distributed optical fiber sensing method using a Brillouin correlation region measurement method characterized in that the frequency is moved downward. 제 12 항에 있어서,13. The method of claim 12, 상기 프로브광의 하향 이동 주파수가 브릴루앙 주파수를 중심으로 훑어짐을 특징으로 하는 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센싱 방법.The distributed optical fiber sensing method using the Brillouin correlation region measurement method characterized in that the downward movement frequency of the probe light is flipped around the Brillouin frequency. 제 12 항에 있어서,13. The method of claim 12, 상기 광분배기와 상기 측정용 광섬유의 사이에는Between the optical splitter and the optical fiber for measurement 프로브광이 통과하는 단일측파변조기, 편광스위치, 제2EDF 증폭기가 순차적으로 연결된 것을 특징으로 하는 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센싱 방법.A distributed optical fiber sensing method using a Brillouin correlation region measurement method, in which a single side wave modulator through which probe light passes, a polarization switch, and a second EDF amplifier are sequentially connected. 제 20 항에 있어서,The method of claim 20, 상기 단일측파변조기에는 마이크로파발생기가 연결되어, 마이크로파가 인가됨을 특징으로 하는 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센싱 방법.The single-side wave modulator is connected to a microwave generator, the distributed optical fiber sensing method using a Brillouin correlation region measurement method characterized in that the microwave is applied. 제 20 항에 있어서,The method of claim 20, 상기 편광스위치는 프로브광을 두개의 서로 수직인 직선 편광으로 시간에 따라 순차적으로 변환하여 출력함을 특징으로 하는 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이 용한 분포형 광섬유 센싱 방법.The polarization switch is a distributed optical fiber sensing method using the Brillouin correlation region measurement method characterized in that the probe light is sequentially converted to two mutually perpendicular linearly polarized light over time.
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