KR100213800B1 - 광섬유를 이용한 감지시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 펄스 발생수단(1); 레이저 구동수단(8); 상기 레이저 펄스 발생수단(1)으로부터의 레이저 펄스를 입사받아 광섬유의 변화 상태에 따른 반사율을 결정하는 수단(7, 40); 상기 반사율을 결정하는 수단(7, 40)으로 부터 반사되는 광신호를 전기적으로 신호로 변환하여 출력하는 광 검출수단(2); 및 상기 광 검출수단(2)의 출력신호에 따라 절단, 눌림, 늘림 및 굴절 변화 정보를 제공하는 신호 처리수단(9)을 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 감지 시스템에 관한 것으로, 침입자에 의해 발견되거나 절단됨이 없이 반영구적으로 사용되어 인적 자원에 의한 불완전한 경계지능을 보완할 수 있으며, 감시에 요구되는 인적자원 및 이에 소용되는 비용의 절감효과를 기대할 수 있도록 한 것이다.

Description

광섬유를 이용한 감지시스템

제1도는 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 감지시스템의 일실시예 블록 구성도.

제2도는 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 감지시스템의 다른 실시예 블록 구성도.

제3도는 본 발명에 따른 광센서 어레이를 구성하는 광센서 소자열의 일실시예 구성도.

제4a도 내지 b도는 본 발명에 따른 광센서 어레이의 다양한 실시 예시도.

제5도는 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 감지시스템의 또 다른 실시예 블록 구성도.

제6도는 본 발명의 일실시예에 따른 감지시스템의 주요 내부 광펄스열의 파형 예시도.

제7도는 본 발명의 실시예에 따른 보상 간섭계에서 광 위상차에 따른 광출력 변화를 나타낸 광출력 특성 그래프.

제8도는 본 발명에 따른 신호 처리부의 일실시예 상세 구성도.

제9도는 본 발명의 실시예에 따른 감지시스템을 적용한 경보 및 경고 시스템의 구성 예시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 레이저 다이오드 2 : 광검출부

3 : 광분리부 4, 5, 6 : 광결합부

7 : 광센서 어레이 8 : 레이저 구동부

9 : 신호 처리부 10 : 단모드 광섬유

11 : 보상 간섭계 31 : 광센서 소자열

본 발명은 광섬유를 이용한 감지시스템에 관한 것으로, 특히 광섬유를 이용하여 통과 또는 침투의 감지, 그리고 구조물의 파손 감지 등의 기능을 수행하는 감지시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 인력에 의한 침투나 파괴, 또는 노후화나 충격에 의한 파괴 등의 감시는 많은 수의 인원과 비용을 필요로 한다. 또한, 감시자가 잠시동안 부주의 하거나 자리를 비울 때 경계에 실패를 초래할 수도 있으며, 악천후나 시계나 불완전한 야간의 경우 인력에 의한 침투의 감시는 불가능할 수 있다.

따라서, 이러한 군사경계나 중요 시설물의 인력에 의한 감시의 보조 수단 또는 이 보다는 덜 주요한 시설물에 대한 무인 감시를 목적으로 센서를 이용한 자동감시 시스템의 필요성이 대두되었으며, 이를 위해 적외선 카메라나 폐쇠회로 텔레비젼(TV) 등이 등장하였으나, 이러한 경우에는 감시점의 수에 비례하여 카메라와 모니터의 수가 증가하게 되므로 감시점의 수에 절대적인 한계가 뒤따르고, 이 또한 모니터 요원의 상주를 용하여 잠시 동안의 자리 비움이나 부주의로 인해 침투감시에 실패할 수 있는 문제점을 갖는다.

이러한 전자감시의 문제점을 해결하기 위해 경계선의 공중에 적절한 높이로 가설된 광섬유와 OTDR(Optical Time Domain Reflectometry) 계측기를 이용한 자동 침투 감시가 시도된 바와 있었다.

이러한 광섬유에 의한 침투 감시는 경계선의 공중에 가설된 광섬유가 침입자에 의해 절단될 때 절단부 이후의 영역에서 레일레이(Rayleigh) 산란에 의한 반사가 없다는 점과 침투지점을 확인해줄수 있는 OTDR 계측기를 이용하여 침투 여부와 지점을 확인하였으며, 이는 가장 초보적인 침투 감시 시스템이다.

한편, 또 다른 형태의 광섬유 침투센서로는 광섬유내에 희토류 원소가 참가된 특수한 광섬유상에 침투자에 의한 압력이 가해질 때의 반사광의 세기변화를 모니터하는 방식, 그리고 일반 광섬유를 센서소자로 이용하되 간섭성 길이가 일반 레이저 다이오드의 것보다 훨씬 긴 고출력 레이저 시스템을 이용하여 침투자에 의해 압력을 받는 부분의 광섬유의 굴절률 변화에 의한 두 굴절률 경계면에서의 반사광의 간섭을 OTDR 등을 이용하여 침투의 위치확인 및 자동 경보등의 기능을 가질 수 있는 침투 센싱 방식 등이 있다.

그러나, 전술한 바와 같이 설치된 광섬유는 침입자나 통과자, 바람 등의 자연요인, 기타 짐승 등에 의해 쉽게 절단되어 실제 운용상 많은 문제점이 있으며, 유지 보수에 막대한 비용과 인력을 요하므로 전천후 감시 시스템으로 적절하지 못하다.

참고적으로, 특허 문헌이나 상용화된 제품으로 소개되고 있는 대부분의 침투 감시 센서는 울타리에 감지선을 늘어뜨린 후에, 이 감시선이 침투자에 의해 끊어질때의 신호의 변화를 이용하여 침투와 침투지점을 확인하여 경보하는 형태이다.

예를 들면, 영국 특허 제2098770호, 제2038060호, 제2046971호, 제2062321호, 미국 특허 제4292628호, 제4399430호 등은 광섬유를 이용한 감지장치로서, 그 원리상담장에 가설될 광섬유가 침투자에 의해 끊어지거나 뒤틀릴 때 광케이블을 통한 광신호의 감쇄를 이용하여 침입을 검출하며, 영국특허 제2077471호의 경우에는 광섬유를 복합재료(탄소섬유 또는 유리섬유 등을 접착제로 접착하여 만든 재료)에 식재한 후에 이 광섬유에 가해진 압력을 감지하므로써 침투를 감지하고, 미국특허 제4777476호의 경우에는 광섬유가 휘어질 때의 손실 특성을 이용하여 침투를 감지한다.

이러한 방법들은 상기한 바와 같이 침입자나 통과자, 바람 등의 자연요인, 기타 짐승 등에 의해 광섬유가 쉽게 절단되는 문제점이 있었다.

한편, 땅속에 매설한 광섬유를 이용하여 침투를 감지하는 장치로는 미국특허 제5061847호, 제5028801호 등이 있으며, 미국특허 제5061847호의 경우에는 침투자에 의한 압력이 광섬유에 가해질 때 광섬유의 광탄성 효과에 의해 광섬유의 편광이 변조되는 특성을 이용하며, 미국특허 제5028801호의 경우에는 광섬유 결합기의 광분배 비율이 감지 대상 물리량의 변화에 따라 변하는 특성을 이용한다. 그러나, 이들 장치들은 광학 구성자체의 감도제한 때문에 매설 깊이에 제약이 따르며, 그 구성이 복잡성 때문에 센서구간 또는 소자수가 제한되는 문제점이 있었다.

일반적으로, 광섬유와 OTDR을 이용한 침투 감시 시스템의 경우에 공중에 가설된 광섬유는 그 강도가 약하기 때문에 지나가는 동물이나 바람에 흔들리는 나무 등에 의해 쉽게 끊어질 수 있으며, 이 점을 보완하기 위해 강도가 보강된 굵은 광섬유를 사용할 경우에는 쉽게 침입자에 노출되거나 끊어지지 않으므로 적절한 침투 감시 시스템이 될 수가 없다. 또한, 일단 광섬유가 끊어지게 되면 전문인력이 투입되어 보수되기 전에는 재 사용이 불가능하며, 자동 경보기능이나 보고기능이 주어져 있지 않으므로 실용화 가능성이 전혀 없다.

한편, 침투자가 특수 광섬유를 지나갈 때 가해지는 압력에 의한 반사광의 세기를 모니터하는 방식은 보다 안전한 땅속에 매설되어 사용될 수가 있으나, 이러한 경우에 반사광의 세기변화는 극히 미소하여 효율적인 대인 침투센서가 될 수가 없다.

마지막으로, 센서소자로 일반 광섬유를 이용하고 가간섭성 길이가 일반 레이저 다이오드의 것보다 훨씬 긴 고가의 고출력 레이저 시스템을 이용하여 침투자에 의해 가해지는 압력을 받는 부분의 광섬유의 굴절률 변화에 의한 두 굴절률 경계면에서의 반사광의 간섭을 OTDR 등을 이용하여 침투의 위치와 자동경보 등의 기능을 가질 수 있는 침투 센싱 방식은 센서의 감도가 떨어지며, 센서 시스템의 가격이 엄청나므로 쉽게 상용화될 수 없다.

따라서, 상기한 바와 같은 제반 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 일정 간격으로 거울이 내장된 광섬유로 구성된 광센서 어레이를 경계지역에 매설하거나 보호 재료에 식재하여 해당 지역으로의 침투여부와 침투지점, 침투대상을 확인할 수 있으며, 또한 교량, 댐 등과 같은 중요 구조물의 제작시에 구조물의 기계적 강도에 영향을 미치지 않으면서 구조물내에 식재되어 구조물의 균형 상태를 모니터하므로써 구조물의 파괴 감시 또는 예측하기 위한 반영구적인 전천후 고감도 감지시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 광섬유를 이용한 감지 장치에 있어서, 광 펄스를 발생시키기 위한 광 펄스 발생수단; 상기 광 펄스 발생수단을 구동시키기 위한 광 구동수단; 상기 광 펄스 발생수단으로부터 광 펄스를 입사받아 광섬유의 변화 상태에 따른 반사율을 결정하기 위한 반사율 결정수단; 및 상기 반사율 결정수단으로부터 반사되는 광신호를 전기적인 신호로 변환하여 출력하는 광 검출수단을 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 감지시스템의 일실시예에 블록 구성도로서, 도면에서 1은 레이저 다이오드, 2는 광검출부, 3은 광분리부(ISO : Optical isolator), 4 내지 6은 광결합부, 7은 광센서 어레이, 8은 레이저 구동부, 9는 신호 처리부, 10은 광섬유, 그리고 11은 보상 간섭계를 각각 나타낸다.

제1도에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유(10)를 이용한 감시시스템은, 광 펄스를 발생시키기 위한 레이저 다이오드(1)와, 레이저 다이오드(1)를 구동시키기 위한 레이저 구동부(8)와, 레이저 다이오드(1)로부터 광 펄스를 입사받아 광섬유의 변화 상태(절단, 눌림, 및 굴절 등)에 따른 반사율을 결정하기 위한 광센서 어레이(7)와, 광센서 어레이(7)로부터 반사되는 광신호를 전기적인 신호로 변환하여 출력하는 광 검출부(2)를 포함한다. 또한, 본 발명은, 레이저 다이오드(1)와 광센서 어레이(7) 사이에 연결되며, 센서 구간의 길이가 레이저의 가간섭 길이보다 큰 경우에도 광 간섭 현상을 이용하기 위하여 레이저 다이오드(1)로부터의 레이저 펄스 하나에 대하여 2개의 레이저 펄스 또는 펄스 폭을 크게한 하나의 레이저 펄스를 발생시켜 레이저 다이오드(1)로 출력하거나, 광센서 어레이(7)와 광 검출부(2) 사이에 연결되어, 광센서 어레이(7)의 출력을 입력받아 간섭 출력을 발생시키는 보상 간섭계(11)를 더 포함한다. 또한, 본 발명은, 반사광이 레이저 다이오드(1)로 궤환하는 것을 방지하는 광분리부(3)를 더 포함한다. 또한, 본 발명은, 광 검출부(2)의 출력신호에 따라 절단, 눌림, 늘림 및 굴절 변화 정보를 제공하는 신호 처리부(9)를 더 포함한다.

레이저 다이오드(1)는 광 펄스(즉, 레이저 빔)를 발생시키며, 레이저 구동부(8)에 의해 구동된다.

광분리부(ISO)(3)는 반사광이 레이저 다이오드(1)로 궤환하여 레이저 다이오드(1)의 작동을 불안정하게 하는 것을 방지한다.

보상 간섭계(11)는 마하-젠더(Mach-Zehnder) 형태를 가지도록 길이 L₁과 L₂인 2가닥의 광섬유와 2개의 2x 2형 광결합부(4, 5)로 구성되며, 광분리부(3)를 통한 하나의 광 펄스에 대하여 2개의 광 펄스 또는 펄스폭을 크게 한 하나의 광 펄스를 출력한다.

광센서 어레이(7)는 코팅이 되어 있거나 벗겨진 상태의 광섬유 가닥에 적어도 두개 이상의 거울을 포함하여 광섬유의 굴절율의 변화 및 절단 등의 상태를 감지한다.

광검출부(2)는 광센서 어레이(7)로부터의 센싱된 정보를 포함하여 반사되는 광신호를 전기적인 신호로 변환한다.

신호 처리부(9)는 광검출부(2)의 출력신호를 처리하여 침투 또는 절단 등을 감지한다.

참고적으로, 본 실시예에서 신호 처리부(9)는 개인용 컴퓨터나 워크스테이션 같은 범용 컴퓨터의 확장 슬롯에 부착되어 기존 시스템의 자원을 이용하거나, 독립된 별도의 시스템으로 구성될 수 있다. 또한, 광분리부(3)는 필요에 따라 포함되지 않을 수도 있다.

그리고, 본 실시예에서 레이저 다이오드(1)와 광섬유(10)의 결합 부위에서의 광 궤환을 줄이기 위해 광섬유(10)의 끝단을 구형 또는 반구 형태로 형성하거나, 광섬유(10)의 끝단을 직각이 아닌 일정 각도를 주어 결합할 수도 있다. 또한 광섬유(10)로는 단모드 광섬유나 편광 유지 광섬유를 사용할 수 있다. 또한, 광분리부(3)의 사용을 피하기 위해서 레이저 광펄스와 센서 소자열로 부터의 반사광이 시간적으로 중복되지 않을 조건을 만족하는 길리의 광섬유 지연 코일을 사용할 수도 있다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 감지시스템의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 레이저 구동부(8)에 의해 레이저 다이오드(1)에서 발생되는 광펄스는 단모드 광섬유(10)에 결합되어 필요에 따라 광분리부(3)를 거쳐 광결합부(4)로 입력된다.

이후, 보상 간섭계(11)에서 광결합부(4)에 유도된 빛이 50 대 50으로 분리되어 각각 길이 L₁, L₂의 광섬유를 지나 또 다른 광결합부(5)에 의해 합쳐진다. 이때, 레이저 펄스의 폭은 빛이 길이 L₂-L₁의 광섬유를 통과하는데 소요되는 시간보다 작거나 같게 하여 광결합부(5) 이후에서는 레이저 펄스 한 개당 2개의 펄스열 또는 펄스 폭이 2배인 1개의 광펄스로 변환된다.

다음으로, 보상 간섭계(11)로부터의 광펄스는 2 x 2형 또는 2 x N형의 광섬유 결합기(6)와 1개 이상의 광센서 소자열(31)로 구성된 광센서 어레이(7)로 들어가며, 이 빛의 일부는 광센서 어레이(7)내의 거울들에 의해 반사/간섭되어 광결합부(6)로 되돌아온다. 이 빛은 광검출부(2)와 연결된 광섬유(10)를 통하여 광검출부(2)에 유도된 후 전기적 신호로 변환되며, 이 전기적 신호는 신호 처리부(9)로 입력되어 통과/침투/파괴 여부, 통과/침투/파괴 지점, 침투 대상 등을 확인하기 위해 사용되며, 이 정보에 따라 침입자에 대한 경고, 감시자에 대한 경보 및 보고 등의 기능을 수행한다.

상기한 바와 같은 구성 및 동작을 갖는 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 감지시스템은, 제2도에 도시된 바와 같이 광센서 어레이(7)에서 반사된 펄스열이 보상 간섭계(11)에 의해 간섭 펄스열로 바뀐 뒤 신호 처리부(9)로 들어가도록 구성할 수도 있다.

제3도는 본 발명에 따른 광센서 어레이를 구성하는 광센서 소자열의 일실시예 구성도로서, 도면에서 21은 광섬유, 22는 광 펄스, 그리고 23은 반사광 펄스열을 각각 나타낸다.

제3도에 도시된 바와 같이, 광센서 어레이(7)를 구성하는 광센서 소자열은 일정한 간격 L을 두고 반사율이 1보다 적은 거울(M₁, M₂, .....)이 내부에 포함된 코팅되어 있거나 벗겨진 상태의 광섬유(21)로서, 각 거울(M₁, M₂, .....)은 입사 광 펄스(22)에 대해 역방향으로 진행하는 반사광 펄스열(23)을 발생시킨다.

제4a도 내지 b도는 본 발명에 따른 광센서 어레이의 다양한 실시 예시도로서, 도면에서 31은 광센서 소자열, 32는 광지연 코일, 그리고 33은 광결합부를 각각 나타낸다.

시스템당 감시점의 수를 늘리고 신호처리를 효율적으로 하기 위해, 즉 광결합부(2 x 2형 또는 2 x N형)(6, 33)와 광지연 코일(32)을 이용하여 광결합부(6)로 입사하는 광펄스 하나에 대한 각각의 광센서 소자열(31)에서의 반사파가 서로 중복되지 않은 반사광 펄스열을 발생시키기 위하여, 제4도에 도시된 바와 같이 광센서 어레이(7)는 직렬(a), 직렬-병렬(b), 병렬(c) 구조의 접속구조를 갖는다. 여기서, 광센서 소자열(31)은 제3도와 같은 구조를 가지며, 광지연 코일(32) 및 광결합부(33)는 광센서 소자열(31)로부터의 반사파 펄스열의 지연정도가 다르도록 연결하므로써 입사하는 광펄스 하나에 대한 각각의 반사파가 서로 중복되지 않도록 할 수 있다.

제5도는 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 감지시스템의 또 다른 실시예 블록 구성도 로서, 도면에서 40은 광센서 소자열을 나타낸다.

제5도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광섬유를 이용한 감지시스템은, 레이저 구동부(8), 레이저 다이오드(1), 광분리부(3), 광센서 소자열(40), 광결합부(6), 광검출부(2), 신호 처리부(9), 및 광섬유(10)를 구비한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 감지시스템이 상기 제1도를 통하여 설명한 본 발명의 일실시예에 따른 감지시스템과 다른 점은, 제1도의 보상 간섭계(11)가 없고, 제3도와는 달리 광섬유내에 거울 2개를 수 ㎝이내의 간격으로 배치한 광섬유 에프피(FP)간섭계(41)를 광지연 코일(42)을 사이에 두고 일정 간격으로 배치한 구조를 취한 것이다. 여기서, 광센서 소자열(40)은 광센서 소자열(31)과 대체되어 제4도의 접속구조를 가지는 광센서 어레이로 구성될 수 있다.

한편, 제6도는 본 발명의 일실시예에 따른 감지시스템의 주요 내부 광펄스열의 파형 예시도로서, 파형(a)은 레이저 다이오드 구동 펄스열에 의해 발생된 레이저 펄스열을 나타내고, 파형(b)은 보상 간섭계(11)에 의해 레이저 펄스 하나에 대해 2개씩의 광펄스로 나누어진 광펄스열을 나타낸다. 그리고, 파형(c)은 광센서 어레이(7)에 의해 반사, 간섭/변조되어 광검출부(2)에 도달한 광펄스열을 나타낸다.

일예로, 광센서 소자열 한 개만 사용할 경우에 감시구간의 수가 M개일 때 레이저 다이오드로부터의 광펄스 한 개당 M+2개의 광펄스가 광검출부로 들어온다. 이들 펄스중 중간의 M개의 광펄스는 M개 감시구간의 정보를 포함한 간섭 파형이며, 나머지 2개의 단순반사 파형이다.

제7도는 본 발명의 실시예에 따은 보상 간섭계에서 광 위상차에 따른 광출력 변화를 나타낸 광출력 특성 그래프이다.

제7도를 참조하면, 광검출부에서 임의의 간섭광 펄스의 세기는 해당 감시구간(제3도 참조 : 거울쌍(M_m, M_m+1)사이의 구간, 거울(M_m+1)이 레이저로부터 더 먼 위치에 있다고 가정할 때)에 가해지는 압력/스트레인에 의해 거울(M_m)에 의해 반사된 P₂펄스(제6도의 파형(b)에서)와 거울(M_m+1)에 의해 반사된 P₁펄스(제6도의 파형(b)에서) 사이의 광위상차 ψ(x)에 따른 광출력의 변화를 나타내며, 도면에서 파선은 하기의 제8도의 바이어스 스위칭 회로에 의한 레이저 다이오드의 구동 전류의 변화 또는 레이저의 온도 변화에 의해 유도된 레이저 광주파수의 변화를 이용하여 발생시킨 또 하나의 위상차 대 광출력 특성 곡선으로 두 특성곡선의 위상차이는 90°를 유지하는 것이 가장 좋다.

제8도는 본 발명에 따른 신호 처리부의 일실시예 상세 구성도로서, 도면에서 50은 중폭기, 51은 아날로그/디지털 변환기(ADC : Analog to Digital Converter), 52는 평균기, 53은 시스템 제어 신호 발생기, 54는 발진기(OSC), 55는 컴퓨터, 그리고 56은 모니터를 각각 나타낸다.

먼저, 광검출부(2)에 의해 전기적 신호로 변환된 신호는 신호처리부(9)에서 통과/침투/절단 여부, 통과/침투/절단 구간(지점), 침투대상을 확인하고, 경고, 경보, 보고 등을 수행하게 된다.

그리고, 레이저 구동부(8)는 상용 컴퓨터(55)의 확장슬롯을 통하여 가해진 제어신호에 따라 레이저 다이오드(1)를 펄스 변조한다.

제8도에 도시된 바와 같이, 신호 처리부(9)는 광검출부(2)의 출력을 중폭시키는 증폭기(50)와, 증폭기(50)의 출력을 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기(51)와, 아날로그/디지털 변환기(51)의 출력을 입력받아 일정 수의 샘플을 평균하고, 그 평균값을 출력하는 평균기(52)와, 중앙제어부(55)의 명령과 발진기(54)의 출력에 따라 상기 아날로그/디지털 변환기(51), 평균기 및 외부 레이저 구동부(8)를 관장하고, 중앙제어부(55)에 데이터의 출력 시점을 알려주는 시스템 제어 신호 발생기(53)와, 시스템 제어 신호 발생기(53)의 출력에 따라 침투/절단 여부, 침투/절단 구간(지점), 침투대상을 확인하고, 경고, 보고 등을 행하는 중앙 제어부(55, 56)를 포함한다.

중앙 제어부(55, 56)은 상용 컴퓨터의 확장슬롯을 통하여 평균기(52)의 출력을 입력받아 그 정보를 분석하여 경고, 경보, 보고 등을 행하여 컴퓨터(55)와, 경고, 경보, 보고 등의 정보를 시각적으로 표시하는 모니터(56)를 구비한다.

시스템 제어신호 발생기(53)는 발진기(54)의 출력 및 컴퓨터(55)의 제어에 따라 아날로그/디지털 변환기(51), 평균기(52) 및 외부의 레이지 구동부(8)(레이저의 펄스폭, 주기, 레이저 다이오드로 공급되는 전류량, 레이저 다이오드의 변조율, 온도등을 제어) 각각을 제어하기 위한 제어신호를 발생시킨다.

평균기(52)는 잡음을 줄여 잡음대 노이즈비(S/N비)를 향상시키는 기능 블록으로, 이를 구비하는 것이 신호처리에 효율적이다.

제9도는 본 발명의 실시예에 따른 감지시스템을 적용한 경보 및 경고 시스템의 구성 예시도로서, 도면에서 100, 200, 300은 센서 시스템, 400은 경고 시스템, 500, 800은 스피커, 600은 중앙 감시 장치, 700은 경보 시스템, 그리고 900은 상기 제1도, 제2도 또는 제5도중 어느 하나의 구조를 가지는 감시 시스템을 각각 나타낸다.

제9도에 도시된 바와 같이, 여러 개의 센서 시스템(100, 200, 300)이 전화선등을 통하여 중앙 감시 장치(600)로 연결되어 각 센서 시스템의 상황을 인위적인 중계없이도 전송하거나 경고시스템(400)을 통한 경고음 발생 또는 경보시스템(700)을 통한 경보음을 발할 수 있다. 즉, 평균기(52)를 통해 일정 수의 샘플을 평균한 데이터는 상용 컴퓨터(55)의 확장 슬롯을 통하여 컴퓨터의 주 메모리와 중앙처리장치로 이동되고, 이 데이터를 처리하기 위한 소프트웨어에 의해 정보처리된 후에 필요한 정보를 추출하여 모니터(56)상에 출력하고 동시에 제9도에서와 같이 전화선등을 통하여 중앙감시장치(600)로 보고하고, 경고시스템(400)과 스피커(500)를 통하여 침입자에 경고음을 발하거나 경보시스템(700)을 이용하여 경보를 발할 수 있다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 감지시스템을 적용한 경보 및 경고 시스템의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

본 발명의 감지부는 제3도의 광센서 어레이중 연속적인 2개의 거울사이의 길이 L의 광섬유 자체가 센서소자가 된다. 따라서, 광센서 소자열을 여러 개의 센서구간이 빈 공간이 없이 직렬로 연결된 형태로 구성되어 있으며, 센서소자의 수를 늘리기 위해 제4도에 제시한 여러 가지의 접속구조를 이용하여 접속되어 있다. 여기서, 센서구간의 수는 수 개에서 수백개로 될 수 있으며, 센서구간의 거리는 수십센티미터 내지 수십 미터, 그리고 이를 위한 제8도의 발진기(54)의 발진 주파수는 수십 KHz에서 수백 KIIz로 된다.

제3도의 광섬유에 내장된 거울은 광섬유 단면에 광손실이 적으면서 굴절귤이 광섬유의 굴절률과 다른 물질을 코팅한 후에 광섬유 용융접착기 또는 기계적 결합기를 이용하여 접속한 것을 사용하거나 레이저 광을 이용하여 광섬유내에 형성시킨 그래팅들(Gratings)을 사용한다. 또한, 직각으로 잘라낸 광섬유 2개를 기계적 결합기를 이용하여 레이저 파장 단위의 공극을 두고 접속한 것을 이용할 수도 있다.

이렇게 구성된 광센서 어레이는 지하 수 센티미터 내지 수 미터에 매설하거나 기타 광섬유를 식재할 수 있는 재료(예로서, 고무, 유리, 플라스틱, 콘크리트, 복합재료( 본 실시예에서는 일예로서 탄소섬유 또는 유리섬유 등을 접착제로 접착하여 만든 재료를 예로 함) 등)에 매설되어 모 재료의 파괴에 의한 광섬유의 절단이나, 사람을 포함한 동물이 이 광섬유가 매설될 지역을 통과할 때 광섬유에 가해지는 압력 또는 충격에 의한 스트레인을 이용하여 침투를 위치와 함께 감시할 수 있는 고성능 통과/침투/파괴 감지시스템의 감지소자로 이용된다. 이를 위해, 제1도 및 제2도의 │L₂-L₁│ 이 레이저 다이오드에서 발생되는 광의 간섭성 길이 범위내에서 제3도의 거울 사이의 간격 L의 두배와 같아야 하며, 총 감시구간의 수와 매설 깊이, 위치의 분해능력에 따른 신호처리상의 편의와 신호처리 속도, 그리고 센서소자의 센싱감도를 위해 L은 보통 수십 센티미터 내지 수십 미터로 제조한다.

제1도의 레이저 다이오드에서 정기적으로 발생되어 나오는 레이저 펄스는 광섬유에 결합된 후 광결합부(4)에 도달하여 50대 50의 비율로 (3dB 결합기) 나뉘어지며, 각각의 빔은 길이 L₁과 L₂의 광섬유를 통과한 후에 광결합부(5)에서 합쳐서 레이저 펄스 한 개당 2개의 펄스 또는 펄스폭이 레이저 펄스 폭보다 큰 1개의 펄스를 만들게 된다. 이 펄스는 광결합부(6)에서 똑같은 비율로 나뉘어져 광센서 어레이(7)로 들어가며, 광센서 어레이(7)의 일부인 광센서 어레이(제3도)의 M₁, M₂, .....등의 거울에서 반사되어 광결합부(6)를 거쳐 광검출부(2)에 도달한 후에 전기적인 신호로 바뀌어진다.

제1도의 간섭 보조장치(11)에서 L₁과 L₂의 차이가 레이저 다이오드의 광간섭 길이의 오차 범위내에서 제3도에서의 거울사이의 간격 L의 두배일 경우에 M₁과 M₂쌍, M₂와 M₃쌍, ....의 거울에서 반사된 광펄스열은 서로 간섭하여 제6c도와 같이 되며, 이때 제6c도의 두 번째 펄스(C₃)는 거울(M₁)과 거울(M₂) 사이구간, 제6c도의 세 번째 펄스(C₄)는 거울(M₂)과 거울(M₃) 사이구간 등에 가해지는 압력, 스트레인 등의 정보를 포함하게 되며, 제6c도의 첫 번째 펄스(C₂)는 해당 광센서 어레이에 입사하는 광의 세기에 대한 정보를 포함하게 된다. 따라서, 광검출부에서의 전기 신호의 변화를 모니터하여 광섬유 각 구간의 침투를 감지할 수 있고, 또한 센서 광섬유가 절단될 때 그 이후의 거울로부터의 반사파가 없어지는 점을 이용하여 침입자에 의한 광섬유의 절단 또는 구조물의 파괴를 통한 광섬유의 절단을 감지할 수 있다. 또한, 광검출부(2)로 입사하는 광펄스열의 위치로 부터 침투위치와 절단위치 등을 판별할 수 있으며, 각 펄스신호의 변화를 추적/신호처리하므로써 침투의 경우에 동물, 인간, 차량 등을 판별한다.

거울(M_m)과 거울(M_m+1) 사이의 센서구간, 즉 m번째 감지구간의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

제6a도의 레이저 광펄스는 보상 간섭계(11)에 의해 제6b도와 같이 한 개의 레이저 펄스당 2개의 펄스로 분리되며, 이 두 개의 광펄스가 광센서 어레이(7)로 입사된다. 이때, 거울(M_m)에 의해 반사된 제6도의 파형(b)의 두 번째 광펄스(P₂)와 거울(M_m+1)에 의해 반사된 파형(b)의 첫 번째 광펄스(P₁)는 서로 간섭하게 되며, 광섬유의 굴절귤이 n이고 두 거울사이의 거리가 L인 경우에 m번째 감지구간에 침입자가 통과할 때 가해지는 압력 P(또는 스트레인 S)에 의해 두 반사파간의 위상차의 변화(Δψ)를 수학식으로 표현하면 (수학식 1)과 같다.

Δψ = βΔL + LΔβ, 단 β = 2πn /λ_O

(수학식 1)을 참조하면, 첫 번째 항(βΔL)은 압력 또는 스트레인에 의해 광섬유에 가해지는 스트레인의 영향이며, LΔβ는 광탄성 효과 또는 스트레인 광학효과에 의한 광위상의 변화를 나타낸다. 여기서, 레이저의 발진파장(λ_O)이 632.8nm이고 실리카 광섬유를 사용하는 경우에, 이를 수학식으로 표현하면 (수학식 2)와 같다.

Δφ = -4.1 × 10^-5× LP red / Pa-m

(수학식 2)를 참조하면, 위상차의 변이량 Δφ는 감도값으로 절대치를 나타낸다. 따라서, 감지구간의 거리 L이 클수록 증가하므로 L이 충분할 때 점토 등으로 구성된 땅속이나 기타 구조물이 식재된 광섬유에 가해지는 침입자의 체중은 충분히 감지 가능한 량의 Δφ를 유도한다. 이때, 각 거울의 반사율이 R일 때(R1), 간섭광의 세기를 수학식으로 표현하면 (수학식 2)와 같다.

Pout = 2 R [1 + cos(ψ_{O +}Δφ)]

여기서, ψ_O는 스트레인이 가해지지 않은 상태, 즉 침투가 발생하지 않았을 때의 앞에서 말한 두 반사파 사이의 위상차이다. 이 간섭광 출력은 ψ_O= 0 인 경우에 제7도의 실선과 같이 다함수 형태의 출력 특성을 갖게 된다. 따라서, 각 감지구간의 물리량 정보는 제6c도의 광펄스열에서 해당 펄스의 높이 변화로 나타난다. 출력특성의 기울기, 즉 센서소자의 감도는 극점 부근에서 급격히 감소하게 된다. 이러한 극점 부근에서의 센서감도의 저하를 피하면서 다함수 형태를 일대일 대응함수로 바꾸고, 또한 감지구간에 가해지는 물리량의 변화방향을 결정하기 위해 제8도의 레이저 구동부(8)를 이용하여 반도체 레이저 다이오드(1)의 전류변화를 유도하거나 레이저 변조 펄스 기간 동안의 레이저의 온도변화에 의한 광주파수의 변화(chirping)를 유도하므로써 제7도의 파선의 특성곡선을 얻는다. 신호 처리부(9)에서는 이 두 특성곡선을 이용하여 극점에서의 감도저하방지, 물리량의 변화방향 및 크기를 결정하고, 이 물리량의 시간에 따른 변화를 모니터링하므로써 침투대상을 판별할 수 있다. 또한, OTDR에서와 유사하게 각 센서 구간을 시간차를 두고 모니터링하므로써 침투위치를 판별할 수 있으며, 시스템을 운용하고 있는 시스템 매니저에게 경보를 제공하거나 제9도의 경보 및 경고시스템을 통하여 침입자에게 경고 신호를 제공할 수 있고, 또한 전화선을 통하여 여러개의 센서 시스템을 중앙 감시 장치에 연결하므로써 원거리 감시 또한 가능하다.

참고적으로, 중앙 제어부 및 레이저 구동부는 센서 출력 특성의 극점 부근에서의 저 센싱감도를 피하고, 감지 대상량의 변화방향과 크기를 결정하기 위해 레이저 펄스 발생수단의 바이어스 전류 스위칭에 의한 레이저 광의 주파수 변화, 또는 레이저 펄스 발생수단에 전류 펄스가 가해지는 동안의 레이저 광 주파수의 변화를 이용하도록 구성하는 것이 센싱 감도를 향상시키기에 효과적이다.

상기한 바와 같은 본 발명은, 군사 경계지역이나 중요 시설물의 경계, 발전소나 폭발성 물질의 저장 탱크 등과 같은 접근 금지구역, 감옥이나 개인용 부동산의 경계 등의 지하에 깊이 수 센티미터 내지 수 미터로 매설하거나 유리, 고무, 콘크리트, 플라스틱, 금속, 복합재료(본 실시예에서는 일예로서 탄소섬유 또는 유리섬유등을 접착제로 접착하여 만든 재료를 예로함)등에 식재하여 침입자에 의해 발견되거나 절단됨이 없이 간섭형 광섬유 센서의 원리를 이용하여 센서가 설치된 광범위한 영역에 걸쳐 침투여부, 위치, 대상 등을 판별하고 필요에 따라 경고, 경보, 또는 신고할 수 있는 침투 감시 기능 지정 경계선의 통과수를 셈으로써 교통량 등과 같은 통과수의 셈 기능, 및 교량, 댐 등의 중요 구조물에 식재되어 노후화 등에 따른 균열을 감지하여 경고하므로써 피해를 사전에 예방할 수 있는 특유의 효과가 있다.

그리고, 본 발명의 침입자에 의해 발견되거나 절단됨이 없이 반영구적으로 사용되어 인적 자원에 의한 불완전한 경계기능을 보완할 수 있으며, 응용대상에 따라 무인 침투감시 시스템 또는 자동경고 시스템의 기능을 수행할 수 있으므로 이러한 기능이 요구되는 제 분야에서 감시에 요구되는 인적자원 및 이에 소용되는 비용의 절감효과를 기대할 수 있다. 또한, 본 발명은 파괴 감지시스템으로서 구조물의 노후화나 파손정도에 대한 정보를 사전에 제공하므로써 대형사고를 예방할 수 있다.

Claims (15)

1. 광섬유를 이용한 감지 장치에 있어서, 광 펄스를 발생시키기 위한 광 펄스 발생수단; 상기 광 펄스 발생수단을 구동시키기 위한 광 구동수단; 상기 광 펄스 발생수단으로부터 광 펄스를 입사받아 광섬유의 변화 상태에 따른 반사율을 결정하기 위한 반사율 결정수단; 및 상기 반사율 결정수단으로부터 반사되는 광신호를 전기적인 신호로 변환하여 출력하는 광 검출수단을 포함하여 이루어진 광섬유를 이용한 감지시스템.
2. 제1항에 있어서, 반사광이 상기 광 펄스 발생수단으로 궤환하는 것을 방지하는 광 분리수단을 더 포함하여 이루어진 광섬유를 이용한 감지시스템.
3. 상기 반사율 결정수단은, 상기 광섬유의 절단, 눌림, 늘림 및 굴절의 변화 상태에 따라 반사율을 달리 결정하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 감지시스템.
4. 제3항에 있어서, 상기 반사율 결정수단은, 시스템당 감시점의 수를 늘리고 신호 처리를 효율적으로 하기 위해, 2 × 2형이나 2 × N형의 광결합부와 광지연 코일을 이용하여 직렬, 직렬-병렬, 병렬 구조중 어느 하나의 접속구조를 가져 반사파가 서로 중복되지 않은 반사 레이저 펄스열을 발생시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 감지시스템.
5. 제3항에 있어서, 상기 광 검출수단의 출력신호에 따라 절단, 눌림, 늘림 및 굴절 변화 정보를 제공하는 신호처리수단을 더 포함하여 이루어진 광섬유를 이용한 감지시스템.
6. 제5항에 있어서, 상기 신호처리수단은, 상기 광 검출수단의 출력을 증폭시키는 증폭수단; 상기 증폭수단의 아날로그 출력을 디지털 신호로 변환하는 신호변환수단; 상기 신호변환수단의 출력을 입력받아 소정 수의 샘플을 평균하고, 그 평균값을 출력하는 평균수단; 및 상기 신호변환수단, 상기 평균수단 및 상기 광 구동수단을 관장하여 상기 평균수단의 출력에 따라 침투/절단 여부, 침투/절단 구간(지점), 침투대상을 확인하고,경고, 경보, 보고를 수행하는 제어수단을 포함하여 이루어진 광섬유를 이용한 감지시스템.
7. 제6항에 있어서, 상기 제어수단 및 상기 광 구동수단은 각각, 센서 출력 특성의 극점 부근에서의 저 센싱감도를 피하고 감지 대상량의 변화방향과 크기를 결정하기 위해, 상기 광 펄스 발생수단의 바이어스 전류 스위칭에 의한 레이저 광의 주파수 변화나 상기 광 펄스 발생수단에 전류 펄스가 가해지는 동안의 레이저 광 주파수의 변화중 어느 하나의 변화를 이용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 감지시스템.
8. 제3항에 있어서, 상기 광 펄스 발생수단과 상기 반사율 결정수단 사이에 연결되며, 센서 구간의 길이가 레이저의 가간섭 길이보다 큰 경우에도 광 간섭 현상을 이용하기 위하여 상기 광 펄스 발생수단으로부터의 레이저 펄스 하나에 대하여 2개의 레이저 펄스 또는 펄스 폭을 크게한 하나의 레이저 펄스를 발생시켜 상기 반사율 결정수단으로 출력하거나, 상기 반사율 결정수단과 상기 광 검출수단 사이에 연결되어, 상기 반사율 결정 수단의 출력을 입력받아 간섭 출력을 발생시키는 보상 간섭수단을 더 포함하여 이루어진 광섬유를 이용한 감지시스템.
9. 제1항 내지 제8항중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사율 결정수단은, 적어도 하나의 광센서 소자열을 구비하되, 상기 관센서 소자열을 일정한 길이의 간격을 두고 반사율이 1보다 적은 다수의 거울(M₁, M₂, .....)이 내부에 포함된 다수의 광섬유를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 감지시스템.
10. 제9항에 있어서, 상기 다수의 거울은, 유전체를 코팅한 거울을 용융 접속한 것, 기계적 결합기를 이용하여 접속한 것, 레이저광을 이용하여 상기 광센서 소자열의 광섬유내에 형성한 그래팅, 또는 직각으로 절단하거나 연마한 광섬유 단면을 일정거리의 공극을 두고 접속한 것중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 감지시스템.
11. 제10항에 있어서, 상기 반사율 결정수단은, 실질적으로, 땅속, 유리질, 고무, 콘크리트, 복합재료(바람직하게는 탄소섬유 또는 유리섬유를 접착제로 접착하여 만든 재료) 또는 플라스틱중 어느 하나에 매설되거나 식재되는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 감지시스템.
12. 제11항에 있어서, 상기 보상 간섭수단은, 상기 보상 간섭수단에 포함된 광섬유위 길이 차이가 상기 반사율 결정수단에 포함된 광섬유 가닥의 길이(거울간의 간격)의 두배가 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 감지시스템.
13. 제12항에 있어서, 상기 광섬유는, 실질적으로, 단모드 광섬유나 편광 유지 광섬유중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 감지시스템.
14. 제13항에 있어서, 상기 보상 간섭수단은, 서로 길이가 다른 2가닥의 광섬유를 포함하여 거울쌍에 의한 반사파가 간섭을 이루게 하는 마하-젠더형인 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 감지시스템.
15. 제10항에 있어서, 상기 광센서 소자열은, 다수의 광지연 코일과, 상기 다수의 광지연 코일을 사이에 두고 일정 간격으로 배치한 광섬유 에프피(FP)간섭계를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 감지시스템.