KR20180123227A - Raman 광증폭을 통한 위상 분석 기반의 시간대역 광반사 음향 주파수 감지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Raman 광증폭을 통한 위상 분석 기반의 시간대역 광반사 장거리 음향 주파수 감지 시스템에 관한 것으로 위상 분석을 통한 장거리 음향 주파수 감지를 위해서 높은 결맞음 통해 긴 가간섭을 가지는 고출력의 고품질 펄스광원이 요구되고 본 발명에서는 고비용의 고출력, 고품질 펄스광원을 대신하여 저비용의 저출력, 고품질의 연속파 광원을 Raman 펌프, 이득매질인 단일모드광섬유와 희토류첨가 광섬유, 광진폭변조기를 통하여 고출력의 고품질 펄스를 발진한다. 생성된 고출력의, 고품질 펄스를 레일라이 산란 (Rayleigh scattering) 유도용 광섬유에 주입하여 발생하는 레일라이 후방 산란 신호를 연속파 신호와 광간섭하여 밸런스 고속 광검출기를 통해 레일라이 산란 유도용 광섬유의 특정 위치에서 발생하는 외부환경의 변화를 감지하는 할 수 있다. 기존의 시간대역 광반사 시스템에서 측정을 할 수 없는 외부에서 발생하는 주파수를 감지 할 수 있으며, 어븀 (Erbium) 첨가 광섬유 광증폭기를 대신 Raman 광증폭을 사용하여 생성된 고출력의 고품질 펄스는 높은 신호 대 잡음비를 얻을 수 있다.

Description

Raman 광증폭을 통한 위상 분석 기반의 시간대역 광반사 음향 주파수 감지 시스템{Acoustic frequency detection based on phase optical time domain reflectometer system with Raman power amplifier}

본 발명은 Raman 광증폭을 통한 위상 분석 기반의 시간대역 광반사 음향 주파수 감지 시스템에 관한 것이다.

기존 시간대역 광반사 감지 시스템은 탐지가 필요한 부분에 광섬유를 설치를 하여 장거리도 모니터링이 가능한 기술이다. 펄스광을 측정 광섬유에 주입을 하면 펄스광이 광섬유를 통과하면서 레일라이 후방 산란을 발생한다. 발생한 레일라이 후방 산란 신호의 강도와 시간을 분석하여 특정 광섬유 위치에서 문제의 발생 여부를 실시간으로 모니터링 하는 기술이다.

기존의 시간대역 광반사 측정기는 레일라이 산란 유도용 광섬유 내부에서 빛이 산란 되어 나오는 강도와 시간만을 가지고 있어 모니터링을 하기 때문에 분석 할 수 있는 정보가 부족하여 문제의 원인을 파악할 수가 없다. 높은 결맞음의 고품질 광원을 사용하는 위상 분석 기반의 시간대역 광반사 음향 주파수 감지 시스템은 광섬유에 문제가 발생 시 주파수 분석을 통한 문제 원인을 알 수 있다. 그러나 위상 기반의 시간대역 광반사 측정기는 고출력 고품질의 광원이 요구되어 고가의 장비를 필요로 한 문제점이 있다.

기존 기술인 시간대역 광반사 측정기는 레일라이 후방 산란의 강도만을 가지고 분석을 하기 때문에 민감도가 낮으며 문제 발생 유무는 알 수 있지만, 외부에서 발생한 상황은 알 수 없다. 그러나 위상 기반 시간대역 광반사 측정기는 위상의 변화를 분석을 통해 외부에서 발생하는 주파수를 분석이 가능하기 때문에 문제가 발생한 외부 요인을 분석 할 수 있으며 민감도가 높다. 하지만 위상 기반 시간대역 광반사 측정기를 통해 장거리 측정 시 고출력, 고품질의 고비용의 펄스광원이 요구 된다. 기존에는 펄스증폭을 어븀 첨가 광섬유 광증폭기를 사용하였으나. 이득매질의 밀리세컨드의 반응으로 인해 펄스의 품질이 감소하는 현상이 나타나 신호 대 잡음비가 감소하는 현상이 발생한다. 그러므로 저출력, 고품질의 저비용의 광원을 잡음 생성이 적은 Raman 광증폭을 이용하여 고품질 고출력의 펄스를 생성하여 저비용의 시간대역 광반사 측정기를 구현할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 Raman 광증폭을 통한 위상 분석 기반 음향 주파수 감지 시스템은 저출력 연속파 광원에서 발진하는 고품질의 빛을 Raman 펌프와 이득매질인 단일모드 광섬유를 이용하여 Raman 광증폭하는 연속파증폭부; 연속파를 광진폭변조기로 펄스광으로 변조하는 펄스광 변조부; 펄스광 변조로 인해 감소하는 에너지를 희토류첨가 광섬유와 잔여 Raman 펌프의 에너지 또는 추가 Raman 펌프를 이용하여 고품질 펄스로 증폭하는 펄스증폭부; 입사된 펄스광으로 인해 레일라이 후방 산란 신호를 발생시키는 레일라이 산란 유도용 광섬유를 포함하고 외부 변화가 가해지는 측정부; 저출력 연속파 광원 신호를 광간섭하고 밸런스 고속 광검출기에서 직류 신호 성분을 제거, 교류 신호 성분을 증폭한 정보를 데이터 수집 장치로 획득하여 주파수를 분석하는 신호분석부;를 포함한다.

본 발명의 위상 분석 기반의 시간대역 광반사 음향 주파수 감지 시스템은 주변 환경에 변화에 민감하며, 문제 발생 지점의 주파수 분석을 통한 문제요인을 판단 할 수 있기 때문에 지진 감지 센서, 건물 안전성 측정 시스템, 지상 및 수중 설치를 통한 경비 시스템에 적용이 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 장거리 측정이 가능한 위상 분석 기반의 시간대역 광반사 음향 감지 시스템을 통해 선로 및 파이프에서 발생하는 문제를 빠르게 탐지하여 사고 발생을 방지하고, 직접 관측 및 탐지가 어려운 침입경로에 설치하여 외부의 침입을 모니터링 할 수 있기 때문에 안전시설 분야 및 군수 분야에서 활용이 가능하다.

또한, 본 발병은 시간대역 광반사 측정기 성능의 향상을 통해 장거리 관측 및 정확도 높은 탐지가 필요한 군수 분야 및 경비 산업분야에 사용하여 적의 침입 및 상황 변화를 실시간으로 인지 하는 기술에 활용가능하다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 Raman 광증폭을 통한 위상 분석 기반의 시간대역 광반사 음향 주파수 감지 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 Residual Raman 광증폭을 사용한 구조를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

본 발명은 저출력, 고품질의 연속파 광원을 고출력, 고품질 펄스로 변조하고 측정단인 레일라이 산란 광섬유를 통해 외부 변화를 관측하는 기술이다. 레일라이 산란 광섬유에 도파되는 펄스광에서 발생하는 레일라이 후방 산란 신호의 위상과 시간 정보를 수집하여 레일라이 산란 광섬유에 가해진 외부 변화의 주파수와 위치를 분석한다. 본 발명의 위상 분석 기반의 시간대역 광반사 음향 주파수 감지 시스템은 정확한 위상의 변화를 관측이 필요하기 때문에 높은 결맞음을 가지는 고품질의 광원이 요구되며, 장거리 측정을 위해서는 고출력이 필요하다.

본 발명에서는 저출력의 고품질 연속파 광원를 기반으로 단일모드광섬유와 Raman 펌프를 이용하여 연속파를 증폭한다. 증폭한 연속파 광원을 광진폭변조기를 통해 펄스를 구현한다. 광진폭변조기는 펄스의 반복율과 폭 변경에 용이하지만 광파워의 손실이 있기 때문에 추가 증폭이 필요하다. 증폭 방식은 희토류첨가 광섬유를 이용하여 도 1과 같이 추가로 라만 Raman 펌프를 사용하거나 도 2와 같이 파장분할기를 통해 잔여 Raman 펌프 에너지를 사용하여 펄스를 증폭하는 방식이다. 펄스를 증폭하고 남은 잔여 Raman 펌프광은 파장투과필터에 의해 도파를 막고 고출력의 고품질 펄스만 남게 된다.

종래에는 어븀 첨가 광섬유 광증폭기를 통해 증폭을 하였지만, Raman 광증폭에 비해 낮은 신호 대 잡음비를 가지기 때문에 저하된 품질의 펄스가 생성되며 불필요한 광 잡음이 발생한다. 저하된 품질의 펄스와 불필요한 광 잡음은 레일라이 후방 산란 측정에 원하지 않은 신호를 발생하기 때문에 주파수 분석의 방해 요인이 된다.

고출력의 고품질 펄스는 서큘레이터를 통해 레일라이 산란 광섬유로 주입되고, 도파되는 펄스로 인해 발생하는 레일라이 후방 산란 신호를 연속파 광원의 일부와 광신호결합기를 통해 광결합을 하면 다음과 같은 수식으로 표현 할 수 있다.

여기서

는 광결합 된 빛의 강도,

는 연속파의 신호,

는 레일라이 신호,

는 광진폭변조기로 인해 변조된 주파수,

는 레일라이 신호의 위상이다. 광결합된 신호는 밸런스 고속 광검출기를 통해 직류 성분 신호를 제거하고, 교류 성분의 신호를 선별을 통해 광의 위상차에 의한 간섭신호만을 추출하게 된다. 추출한 간섭 신호의 위상 변화 정보를 데이터 수집 장치를 통해 획득하고, 위상 변화를 푸리에 분석하여 레일라이 산란 광섬유에 인가된 주파수를 분석할 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 Raman 광증폭을 통한 위상 분석 기반 음향 주파수 감지 시스템은 저출력 연속파 광원에서 발진하는 고품질의 빛을 Raman 펌프와 이득매질인 단일모드 광섬유를 이용하여 Raman 광증폭하는 연속파증폭부; 연속파를 광진폭변조기로 펄스광으로 변조하는 펄스광 변조부; 펄스광 변조로 인해 감소하는 에너지를 희토류첨가 광섬유와 잔여 Raman 펌프의 에너지 또는 추가 Raman 펌프를 이용하여 고품질 펄스로 증폭하는 펄스증폭부; 입사된 펄스광으로 인해 레일라이 후방 산란 신호를 발생시키는 레일라이 산란 유도용 광섬유를 포함하고 외부 변화가 가해지는 측정부; 저출력 연속파 광원 신호를 광간섭하고 밸런스 고속 광검출기에서 직류 신호 성분을 제거, 교류 신호 성분을 증폭한 정보를 데이터 수집 장치로 획득하여 주파수를 분석하는 신호분석부;를 포함한다.

또한, 외부 환경의 변화에 따라 레일라이 산란 유도용 광섬유에서 변화하는 레일라이 후방 산란 신호의 위상을 분석하여 외부 주파수의 변화를 모니터링한다.

또한, 고출력의 고품질 펄스 발진은 저출력 고품질연속파 광원, 광 이득매질인 단일모드 광섬유, 아이솔레이터, 파장분할기, Raman 펌프, 파장투과필터가 포함된 연속파증폭부와 함수발생기, 편광조절기, 광진폭변조기가 포함된 펄스광 변조부와 광 이득매질인 희토류첨가 광섬유, Raman 펌프, 아이솔레이터, 파장투과필터가 포함된 펄스증폭부로 구성된다.

또한, 상기 측정부는 서큘레이터, 레일라이 산란 유도용 광섬유로 구성 되어 있으며, 레일라이 산란 유도용 광섬유는 단일모드 광섬유, 다중모드광섬유, 얇은코어광섬유, 다수의 브래그 격자가 새겨진 광섬유 등을 포함한다.

또한, 상기 신호분석부는 편광조절기, 광신호결합기, 밸런스 고속 광검출기, 데이터 수집 장치, 컴퓨터로 구성된다.

또한, 상기 증폭 구조에서 어븀 첨가 광섬유 광증폭기를 단일모드 광섬유, 희토류 첨가 광섬유, Raman 펌프로 대체한 구조로 높은 신호 대 잡음비의 고품질의 빛으로 증폭한다.

또한, 상기 펄스광 변조부는 연속파 광원에서 출력되는 빛을 광진폭변조기를 이용한 외부변조 기술로 광원과 변조기의 분리를 통해 펄스광 반복율 변조를 안정적으로 한다.

또한, 상기 파장투과필터의 종류로써, 페브릿페럿 필터, 브래그 격자 필터, 가변파장 필터 등을 포함한다.

또한, 상기 밸런스 고속 광검출기를 이용한 신호분석부는 연속파 광원의 신호와 레일라이 후방 산란 신호를 광신호결합기를 통해 광결합 신호를 형성 후 밸런스 고속 광검출기를 통해 직류 성분의 신호를 제거하고 증폭된 교류 성분의 신호를 선별하여 신호 대 잡음비를 향상시킨다.

또한, 상기 광진폭변조기의 종류로써 electro-optic modulator (EOM), acoustic optical modulator (AOM), electro absorption modulator (EAM) 등의 변조기를 포함한다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

1: 연속파 광원
2: 광분리기
3: Raman 펌프
4: 광파워분할기
5: 파장분할기
6: 편광조절기
7: 광진폭변조기
8: 함수발생기
9: 광신호결합기
10: 파장투과필터
11: 서큘레이터
12: 단일모드 광섬유
13: 희토류첨가 광섬유
14: 레일라이 산란 유도용 광섬유
15: 밸런스 고속 광검출기
16: 데이터 수집 장치
17: 컴퓨터

Claims (1)

1. 저출력 연속파 광원에서 발진하는 고품질의 빛을 Raman 펌프와 이득매질인 단일모드 광섬유를 이용하여 Raman 광증폭하는 연속파증폭부;
   연속파를 광진폭변조기로 펄스광으로 변조하는 펄스광 변조부;
   펄스광 변조로 인해 감소하는 에너지를 희토류첨가 광섬유와 잔여 Raman 펌프의 에너지 또는 추가 Raman 펌프를 이용하여 고품질 펄스로 증폭하는 펄스증폭부;
   입사된 펄스광으로 인해 레일라이 후방 산란 신호를 발생시키는 레일라이 산란 유도용 광섬유를 포함하고 외부 변화가 가해지는 측정부;
   저출력 연속파 광원 신호를 광간섭하고 밸런스 고속 광검출기에서 직류 신호 성분을 제거, 교류 신호 성분을 증폭한 정보를 데이터 수집 장치로 획득하여 주파수를 분석하는 신호분석부;
   로 구성된 Raman 광증폭을 통한 위상 분석 기반 음향 주파수 감지 시스템.

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