KR100444902B1 - Monitoring System of Environment by Detecting the Birefringence Changes of the Optical Fiber - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광섬유 주변의 급격한 환경변화가 발생될 때 광섬유의 복굴절이 변화하는 현상을 이용한 환경모니터링 시스템에 관한 것으로, 기존에 제시된 광섬유를 센서로 하는 모니터링 기술들은 모두 온도나 스트레인 등의 분포를 매우 정밀하게 측정하는 것은 가능하나, 이를 달성하기 위해 대단히 복잡한 시스템 구성을 필요로 함에 따라, 이러한 구성으로 인해 비용이 과다하게 들뿐 아니라 모니터링이 필요한 구간이 산악 지역 등 설치가 어려운 곳일 경우에는 설치 및 유지·보수가 문제가 되었다.The present invention relates to an environmental monitoring system using a phenomenon in which the birefringence of the optical fiber is changed when a sudden environmental change around the optical fiber occurs, and all the monitoring technologies using the optical fiber as a sensor have a very precise distribution of temperature or strain. Although it is possible to measure it with high accuracy, it requires a very complicated system configuration to achieve this, which is not only expensive, but also requires installation and maintenance when the area to be monitored is difficult to install in a mountainous area. Repair was a problem.
이를 해결하기 위해 본 발명에서는 광섬유의 복굴절이 환경에 민감하게 반응하고 이에 의해 광섬유를 지나는 광의 편광이 변화하는 원리를 활용하여, 원하는 구간에서 심한 바람이나 화재 등으로 인한 급격한 온도 변화 등을 편광소자와 광 검출기를 이용하여 매우 간편하게 검출 가능함에 따라 시스템의 구성이 매우 간단해짐으로써 경제적인 효과는 물론이고 설치 및 유지·보수에도 어려움을 크게 감소시킬 수 있다.In order to solve this problem, the present invention utilizes the principle that the birefringence of the optical fiber is sensitive to the environment and thereby the polarization of the light passing through the optical fiber is changed. As the system can be detected very simply by using a light detector, the configuration of the system is very simple, and economical effects can be greatly reduced as well as installation, maintenance, and maintenance.
특히, 송전철탑과 같이 복합가공지선 내에 광섬유가 이미 설치되어 있는 지역에서는 양단에 광 송신부와 광 검출 및 신호처리부만를 간단히 설치함으로써 전체적인 시스템 구성을 할 수 있어 본 발명은 경제적인 효과가 매우 크다.Particularly, in an area where optical fibers are already installed in the composite processing ground line such as a transmission tower, the entire system can be configured simply by installing only the light transmitting unit and the light detecting and signal processing unit at both ends, so the present invention has a great economic effect.
Description
본 발명은 감시하고자하는 구간에 급격한 환경변화 내지는 이상상태를 감지하기 위한 환경모니터링 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광섬유의 복굴절(Birefringence)변화 및 이에 의한 광섬유 내를 진행하는 광의 편광변화를 감지함으로써, 어떤 구간에서 심한 바람이나 화재 등으로 인한 매우 급격한 온도변화 등 갑작스런 환경변화의 이상상태를 감지하는 환경모니터링 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an environmental monitoring system for detecting a sudden environmental change or an abnormal state in a section to be monitored, and more particularly, by detecting a change in the birefringence of the optical fiber and the polarization change of the light traveling in the optical fiber. The present invention relates to an environmental monitoring system that detects abnormal conditions of sudden environmental changes such as very rapid temperature changes due to severe winds or fires in a certain section.
환경 모니터링을 수행하는 종래 환경모니터링 장치 중, 미국특허 제 5,499,313호는 단지 주변온도 만을 감지하여 이를 알려주는 기술이고, 다른 미국특허 제 5,636,021호는 도 4에 도시된 바와 같이 광섬유(508)로 구성된 Sagnac/ Michelson 간섭계를 이용한 스트레인 센서의 구성을 나타내는데, 이 도면에서 도면부호 102는 광원이고, 도면부호 136,502,504는 광검출기이고, 도면부호 352,358,118은 반사경이고, 도면부호 144는 4개의 광결합분리기이고, 도면부호 520은 전자제어부를 나타낸다.Among the conventional environmental monitoring apparatus for performing environmental monitoring, US Patent No. 5,499,313 is a technology that only detects the ambient temperature and informs it, another US Patent No. 5,636,021 is Sagnac composed of the optical fiber 508 as shown in FIG. Schematic of the strain sensor using a Michelson interferometer, where reference numeral 102 is a light source, 136,502,504 is a photodetector, 352,358,118 is a reflector, 144 is a four optical coupling separator, and 520 denotes an electronic controller.
이와 같은 종래 미국특허 제 5,636,021호는 광섬유로 간섭계를 구성한 것으로, 광의 일부는 환경변화의 영향이 상쇄된 기준 광(Reference Beam)과 환경변화의 영향을 반영하는 광을 서로 간섭시킴으로써 변화가 일어난 지점과 그 크기를 알아내게 되는데, 이러한 종래 기술들은 모두 온도 내지는 스트레인 등의 분포를 매우 정밀하게 측정하기 때문에 자연히 구조가 복잡할 뿐만 아니라 비용 또한 상당히 비싼 문제점 등이 있었다.Such a conventional U.S. Patent No. 5,636,021 constitutes an interferometer with an optical fiber, and a part of the light interferes with the reference beam and the light reflecting the influence of the environmental change. Since the size of the conventional technology is very precisely measured in the distribution of temperature or strain, there is a problem that the structure is complicated and the cost is quite expensive.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 감시하고자하는 구간에서 급격한 환경변화, 예를 들어 강풍이나 화재 등으로 인한 온도변화 등 급격한 환경변화가 야기되었을 때 이를 감지하여 모니터링 할 수 있으면서 유지 및 보수도 비교적 간편하고, 구조 또한 단순하여 경제적인 효과가 큰, 광섬유의 복굴절 변화를 이용한 환경모니터링 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been invented to solve the conventional problems as described above, it is possible to detect and monitor when a sudden environmental change, such as a temperature change caused by a strong wind or fire in the section to be monitored It is an object of the present invention to provide an environmental monitoring system using a birefringent change of an optical fiber, which is relatively simple and easy to maintain and repair, and has a simple economic structure.
도 1(a),(b),(c)는 본 발명을 설명하기 위한 바람의 세기에 따라 광검출기의 출력상태들을 나타낸 그래프들이다.1 (a), (b) and (c) are graphs showing the output states of the photodetector according to the wind intensity for explaining the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유의 복굴절 변화를 이용한 환경모니터링 시스템의 원리구성 블럭도이다.2 is a block diagram illustrating a principle configuration of an environmental monitoring system using a birefringence change of an optical fiber according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유의 복굴절 변화를 이용한 환경모니터링 시스템의 일예를 나타낸 구성도이다.3 is a configuration diagram showing an example of an environmental monitoring system using a birefringence change of the optical fiber according to an embodiment of the present invention.
도 4는 종래의 광섬유를 이용한 환경모니터링 시스템을 나타낸 구성도이다.Figure 4 is a block diagram showing an environmental monitoring system using a conventional optical fiber.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 --Explanation of symbols for the main parts of the drawings-
10 - 광원 11 - 광분리기10-light source 11-light splitter
12 - 편광조절기 20 - 광섬유12-Polarization Controller 20-Fiber Optic
30 - 편광소자 40 - 광검출기30-polarizer 40-photodetector
50 - 신호처리부 80 - 광송신부50-Signal Processing Unit 80-Optical Transmitter
81 - 광수신/신호처리부81-light receiving / signal processing unit
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 발명의 구성은, 광원에 연결되는 광분리기와 편광조절기를 갖춘 광송신부와, 이 광송신부의 신호를 전달하는 광섬유 및, 상기 광송신부의 신호를 수신하기 위하여 편광소자에 연결되는 광검출기와 신호처리부를 갖춘 광수신/신호처리부로 이루어져 있다.As a means for achieving the above object, the configuration of the present invention, an optical transmitter having an optical separator and a polarization controller connected to a light source, an optical fiber for transmitting a signal of the optical transmitter, and receiving the signal of the optical transmitter To this end, it consists of a light detector / signal processor with a photodetector and a signal processor connected to the polarizer.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유의 복굴절 변화를 이용한 환경모니터링 시스템의 일예를 나타낸 구성도이다.3 is a configuration diagram showing an example of an environmental monitoring system using a birefringence change of the optical fiber according to an embodiment of the present invention.
먼저 본 발명의 자세한 설명에 앞서 도 1과 도 2를 참조로 본 발명의 배경을 설명한다.First, the background of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2 before detailed description of the present invention.
본 발명에 따른 환경 모니터링 시스템의 원리는 도 2에 도시된 바와 같이, 광원(10)으로부터 나온 선편광된 광이 광섬유(20)를 따라 진행하고 편광소자(30)를 거쳐 광검출기(40)에서 전기신호로 변화되는데, 이때 상기 광섬유(20) 외부의 온도가 변하거나 이 광섬유(20)에 바람과 같은 외풍이나 외력에 의해 흔들림이 발생하게 되면 이 통과하는 광의 세기가 변화하게 되고, 이에 따라 광검출기(40)에서 발생하는 전기신호의 크기가 변하게 되는 동작특성을 이용한다.The principle of the environmental monitoring system according to the present invention is that, as shown in FIG. 2, the linearly polarized light from the light source 10 travels along the optical fiber 20 and passes through the polarizing element 30 to the photodetector 40. In this case, when the temperature outside the optical fiber 20 is changed or shakes due to external wind or external force such as wind, the intensity of light passing through the optical fiber 20 is changed. The operation characteristic in which the magnitude of the electric signal generated at 40 is changed is used.
신호처리부(50)에서는 상기한 광검출기(40)의 전기신호의 변화를 해석하여 광섬유(20)가 있는 구간내의 환경상태를 감시할 수 있도록 되어 있다.The signal processing unit 50 can monitor the environmental condition in the section in which the optical fiber 20 is analyzed by analyzing the change in the electrical signal of the photodetector 40 described above.
본 발명에서는, 온도 내지는 진동 등의 각종 매개변수의 급격한 변화가 광섬유(20) 내부의 복굴절(Birefringence)을 변화시키고 이것이 다시 그 내부를 통과하는 광의 편광을 변화시키게 되는 바, 이때, 외부환경의 매개변수를 정량적으로 정확히 측정하는 것에 목적이 있지 않으므로 광을 수신하는 쪽에 간단한 편광소자(30)와 광검출기(40)만을 이용하여 본 발명을 달성할 수 있다.In the present invention, a sudden change in various parameters such as temperature or vibration changes the birefringence inside the optical fiber 20, which in turn changes the polarization of the light passing through the inside. Since there is no purpose in accurately measuring the parameters quantitatively, the present invention can be achieved using only a simple polarizer 30 and a photodetector 40 on the light receiving side.
한편 상기와 같은 원리의 적용가능성을 확인해 보기 위해 실험실에서 2m 길이의 광섬유(20)를 사용하여 신호처리부(50)를 제외한 구성을 하고 광검출(40)의 신호를 오실로스코프를 사용하여 관찰해 보았다.On the other hand, in order to confirm the applicability of the above principle, the configuration using the optical fiber 20 of 2m length except the signal processing unit 50 in the laboratory and observed the signal of the light detection 40 using an oscilloscope.
도 1(a)는 광섬유(20)에 아무런 외부자극을 가하지 않고 가만히 오래놓아 두었을 때의 광검출기(40)의 출력 그래프이다.FIG. 1A is an output graph of the photodetector 40 when the optical fiber 20 is left for a long time without applying any external stimulus.
도 1(b)는 선풍기를 사용하여 일정한 세기의 바람을 광섬유(20)에 부여한 후 이 광검출기(40)의 출력 그래프이며, 도 1(c)는 선풍기의 바람을 아주 세게 하였을때 광검출기(40)의 출력그래프이다.Figure 1 (b) is a graph of the output of this photodetector 40 after giving a certain intensity of wind to the optical fiber 20 by using a fan, Figure 1 (c) is a photo detector when the wind of the fan is very strong ( This is an output graph of 40).
이 그래프들에서 알수 있듯이 바람이 없을 때와 비교하여 바람이 있는 경우 광검출기(40)의 출력파형에 점차 고주파 성분이 뚜렷하게 나타나는 것을 알수 있다..As can be seen from these graphs, it can be seen that the high frequency component is gradually seen in the output waveform of the photodetector 40 when there is wind compared to when there is no wind.
이 고주파성분은 실험에 사용된 광섬유가 바람에 흔들리면서 내부의 복굴절이 변하는 것을 나타내는데, 만일 송전선로와 함께 철탑사이에 걸쳐 시설되는 복합가공지선과 같이 광섬유의 길이가 수백미터 정도로 길어진다면 광의 편광이 더욱 크게 달라질 것이므로 광검출기(40)의 출력파형이 상기 실험그래프에서 나타난 것보다 더욱 크게 변화할 것이다.This high frequency component shows the change in the internal birefringence as the optical fiber used in the experiment is shaken by the wind. Since it will vary greatly, the output waveform of the photodetector 40 will vary more than shown in the experimental graph.
한편, 광검출기(40)의 신호처리는 상황에 따라서 다양한 방법을 사용할 수 있는바, 예를 들어 도 1(a)~(c)의 파형을 볼 때 바람이 있는 경우 뚜렷하게 고주파파형이 다르므로 간단한 주파수 분석회로를 사용하여 환경의 변화를 감지할 수 있을 것이며, 그밖에도 광섬유의 길이나 감시하고자 하는 환경변수에 따라 광검출기(40)의 출력특성이 다양한 특징을 가질 것이고, 그에 대응하는 신호처리방법도 다양함을 미리 밝혀둔다.On the other hand, the signal processing of the photodetector 40 can be used in a variety of ways depending on the situation, for example, when looking at the waveforms of Figures 1 (a) to (c) there is a distinctly different high-frequency waveform when the wind is simple The frequency analysis circuit may be used to detect changes in the environment, and in addition, the output characteristics of the photodetector 40 may have various characteristics according to the length of the optical fiber or the environmental variables to be monitored, and the corresponding signal processing method. It also reveals the variety.
이어 본 발명의 일실시예에 대하여 도 3을 참조로 상세히 설명한다.Next, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 3.
본 발명의 실시예는 광원(10)에 연결되는 광분리기(11)와 편광조절기(12)를 갖춘 광송신부(80)와, 이 광송신부(80)의 신호를 전달하는 광섬유(20) 및, 상기 광송신부(80)의 신호를 수신하기 위하여 편광소자(30)에 연결되는 광검출기(40)와 신호처리부(50)를 갖춘 광수신/신호처리부(81)로 이루어져 있다.An embodiment of the present invention includes an optical transmitter 80 having an optical separator 11 and a polarization controller 12 connected to the light source 10, an optical fiber 20 for transmitting a signal of the optical transmitter 80, In order to receive the signal of the optical transmitter 80 is composed of an optical detector 40 connected to the polarizer 30 and the optical receiver / signal processor 81 having a signal processor 50.
도면중 미설명부호 90,91은 송전철탑이다.In the drawings, reference numerals 90 and 91 denote transmission towers.
즉, 본 발명의 실시예는 송전철탑(90,91)사이에 걸쳐 시설되는 복합가공지선 내의 광섬유(20)를 이용한 환경모니터링 시스템으로서, 광을 송신하기 위한 광송신부(80)에서 나온 광이, 광섬유(20)를 통해 수신하고 신호를 해석하는 광수신/신호처리부(81)로 전달된다.That is, the embodiment of the present invention is an environmental monitoring system using the optical fiber 20 in the composite processing branch line installed between the transmission tower (90, 91), the light from the optical transmitter 80 for transmitting light, Received through the optical fiber 20 and transmitted to the optical receiving / signal processing unit 81 for interpreting the signal.
여기서 상기 광송신부(80)의 구조에서 광원(10)은 선평광된 광을 출력으로 내보내는 역할을 하는데, 일반적으로 레이저 다이오드(Laser Diode)로 구성할 수 있으나, 다른 레이저로 구성하여도 상관은 없다.In the structure of the light transmitting unit 80, the light source 10 serves to output linearly flattened light as an output. In general, the light source 10 may be configured as a laser diode, but may be configured as another laser. .
또한, 발광 다이오드(LED)와 같은 넓은 스펙트럼을 가지는 편광되지 않은 광을 출력하는 광원에 파장필터 및 편광소자를 조합하여 사용하는 것도 가능하다.It is also possible to use a combination of a wavelength filter and a polarizer in a light source that outputs unpolarized light having a broad spectrum, such as a light emitting diode (LED).
다음에는 만일 광원(10)으로 레이저를 사용하는 경우 광의 진행 경로상에 있는 광커넥터 등에서 광이 광원 쪽으로 다시 반사하여 들어가는 것을 방지하기 위해 광분리기(11)가 설치되어 있다.Next, if a laser is used as the light source 10, an optical separator 11 is installed to prevent the light from being reflected back to the light source in the optical connector on the light propagation path.
이는 레이저에서 나간 광이 다시 레이저로 들어오게 되면 레이저의 동작이 불안정해지는 경우가 많으므로 경우에 따라서는 상기와 같은 구조를 갖는다.This is because the operation of the laser is often unstable when the light exiting from the laser enters the laser in some cases as described above.
다음으로는 시스템의 반응특성을 높여주기 위해 출력광의 편광을 조절할 수 있는 편광조절기(12)를 설치한다.Next, to increase the response characteristics of the system is installed a polarization controller 12 that can adjust the polarization of the output light.
한편, 상기 광송신부(80)에서 출발한 광은 광섬유(20)를 따라 복합가공지선 내의 광섬유(20)에 전달된다.On the other hand, the light from the optical transmitter 80 is transmitted to the optical fiber 20 in the composite processing line along the optical fiber 20.
따라서 광섬유(20)가 가설된 송전철탑(90,91)사이에 급격한 환경변화가 생기면 이 구간을 진행하는 광의 편광도 크게 변화하게 되는데, 상기 송전철탑(91)에 도달하는 광은 광섬유(20)를 따라서 광을 검출하고 신호를 해석하는 광수신/신호처리부(81)에 들어가게 된다.Therefore, when a sudden environmental change occurs between the transmission towers 90 and 91 where the optical fiber 20 is hypothesized, the polarization of the light traveling through this section is also greatly changed, and the light reaching the transmission tower 91 is the optical fiber 20. Then, the optical receiver / signal processor 81 detects light and interprets a signal.
상기 광수신/신호처리부(81)는 편광변화를 겪은 광이 편광소자(30)에 입사하게 되고, 이 편광소자(30)에서는 일정한 편광성분만의 광을 걸러내어 광검출기(40)로 보내게 된다.The light receiving / signal processing unit 81 causes the light undergoing the polarization change to enter the polarizing element 30, and the polarizing element 30 filters only light of a certain polarization component and sends it to the photodetector 40. do.
따라서 광이 진행하면서 많은 편광변화를 겪게 되면 광검출기(40)로 가는 광의 파워가 크게 변하게 되며, 이 광검출기(40)는 광의 파워를 전기신호로 바꾸는 장치이므로 광검출기의 출력전압이 변하게 되고, 이는 신호처리부(50)에서 감지되어 구간내의 급격한 환경변화가 있음을 알게 된다.Therefore, when the light undergoes many polarization changes, the power of the light going to the photodetector 40 is greatly changed. Since the light detector 40 is a device that converts the power of the light into an electrical signal, the output voltage of the photodetector is changed. This is detected by the signal processing unit 50 and finds that there is a sudden environmental change in the section.
도면에는 도시되지 않았지만, 광원(10)과, 광검출기(40) 및, 신호처리부(50)에 전원을 공급하는 전원은 별도로 있으며, 그리고 이 신호처리부(50)에는 통신수단을 설치하여 현재 송신철탑(90,91) 구간의 환경상황을 멀리 떨어져 있는 감시자에게 알릴 수 있도록 되어 있다.Although not shown in the drawing, the light source 10, the photodetector 40, and the power supply for supplying power to the signal processing unit 50 are separately provided, and the signal processing unit 50 is provided with communication means, and is currently provided with a transmission tower. It is intended to inform remote monitors of environmental conditions in sections (90,91).
상술한 바와 같이 기존에 제시된 광섬유를 센서로 하는 모니터링 기술들은 모두 온도나 스트레인 등의 분포를 매우 정밀하게 측정하는 것이 가능하나 이를 달성하기 위해 대단히 복잡한 시스템 구성을 필요로 하고 있다.As described above, all of the conventional monitoring techniques using optical fibers as sensors can measure the distribution of temperature or strain very precisely, but require a very complicated system configuration to achieve this.
이에 비해, 본 발명에서 제안하는 모니터링 시스템은 어떤 구간에서 심한 바람이나 화재 등으로 인한 매우 급격한 온도변화 등, 갑작스런 환경의 이상만을 매우 간단한 구성으로 감지할 수 있는 장점을 갖추게 된다.On the contrary, the monitoring system proposed in the present invention has an advantage of detecting a sudden change of the environment, such as a very rapid temperature change due to severe wind or fire, in a very simple configuration.
따라서, 저렴한 비용으로 모니터링 시스템을 구성할 수 있을 뿐 아니라, 모니터링이 필요한 구간이 산악지역 등 설치가 어려운 곳일 경우에도 쉽게 설치가 가능하고 유지/보수에도 어려움이 크게 감소된다.Therefore, not only the monitoring system can be configured at a low cost, but it can be easily installed even in a difficult place such as a mountainous area where monitoring is required, and the difficulty in maintenance / repair is greatly reduced.
한편, 본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상적 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 물론이다.On the other hand, the present invention is not limited only to the above embodiments, many modifications are possible by those skilled in the art within the technical idea of the present invention.
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