KR100468612B1 - 광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서시스템과 이를 이용한변형률 측정 방법 - Google Patents

광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서시스템과 이를 이용한변형률 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서 시스템은 1개의 레이저 다이오드와 레이저 다이오드로부터 출사되는 광을 분기하여 각각 별도의 광전변조기로 펌핑 펄스 광 및 CW 프로브 광으로 변조하며, 특히 CW 프로브 광의 주파수를 일정한 주파수 범위에서 일정 주파수 간격으로 스위핑하여 광섬유에서의 후방 광산란을 유도하고 이로부터 광섬유의 브릴루앙 주파수 변화를 추출하여 광섬유의 변형률을 계산함으로써 광섬유가 부착된 대형 구조물의 변형률을 계산할 수 있는 센서 시스템이다.
이와 같은 광섬유의 브릴루앙 산란 현상을 이용한 광섬유 센서를 이용함으로써, 대형 구조물에 작용하는 하중 등의 영향에 의한 광섬유의 길이방향 변화량에 따라 발생하는 브릴루앙 주파수의 변화를 측정함에 의하여 대형 구조물의 변형률을 측정할 수 있다. 또한, 본 발명은 후방 산란광을 측정하여 브릴루앙 주파수 변화를 측정하여 변형률을 구하므로, 변형률의 절대값을 측정하는 것이 가능하다.

Description

광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서시스템과 이를 이용한 변형률 측정 방법 { Fiber Optic Brillouin OTDA(Optical Time Domain Analysis) Sensor System and the Strain Measurement Method of Large Structures }
본 발명은 광섬유를 이용한 산란형 센서에 관한 것으로서, 특히 교량, 건물, 항공기 등의 대형 구조물의 장기적인 변형률을 측정하기 위한 브릴루앙 산란광 증폭과 광학적 시간영역 해석 (Optical Time Domain Analysis)에 의한 광섬유의 브릴루앙 고유 주파수 변화를 알아내는 센서와 이를 이용한 대형 구조물의 변형률 측정 방법에 관한 것이다.
광섬유를 이용한 센서는 그 크기가 작아서 측정 대상물의 표면에 부착하거나, 땅 속에 매설하기가 용이하다. 또한 광섬유는 재질이 유리이므로 내부식성이 우수하며, 전자기파의 영향을 받지 않는다. 특히 광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서는 광섬유의 전체길이를 센서의 감지부로 사용하므로 분포형 물리량을 측정하는 우수한 센서로 광섬유 센서만이 이러한 분포형 물리량을 측정하는 기능을 담당할 수 있다.
광섬유 센서는 간섭형, 파장형, 및 산란형 센서 등이 있으며, 이 중 산란형 광섬유 센서는 다른 형태에서 구현하지 못하는 광섬유 내부를 진행하는 펄스 광을 이용하여 광섬유 외부에서 작용하는 물리량에 따라 변화하는 광섬유 내부의 후방 산란 광을 측정함에 의하여 장거리 광섬유 전체의 분포 물리량을 측정하는 것이 가능하다. 이러한 펄스광을 사용하면서 후방 산란 광을 측정하는 센서를 OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) 센서라고 하며 대부분의 산란형 광섬유 센서는 기본적으로 OTDR 기술을 사용한다. 이러한 산란형 광섬유 센서의 종류로는 레일레이 (Rayleigh) 산란형 센서, 라만 (Raman) 산란형 센서, 브릴루앙 (Brillouin) 산란형 센서 등을 이용하는 여러 종류가 있다.
상기한 광섬유 레일레이 산란형 센서는 광섬유 내부를 진행하는 펄스 광이 광섬유의 밀도의 불균일 분포에 기인한 산란 광을 측정하는 센서로 펄스광의 세기에 비례하는 후방 산란 광을 얻게 된다. 만약 광섬유가 외부의 측정하고자 하는 요인에 의하여 휘게되면 광섬유 내부를 진행하는 빛이 외부로 누설되고 그에 따라 후방 산란 광의 크기가 감소하는 현상을 이용하는 센서로, 외부의 온도나 변형률 변화에 민감하지 못하며, 특수한 광섬유의 굽힘이 발생하는 경우에만 사용할 수 있는 센서이다. 라만 또는 브릴루앙 산란형 센서는 모두 비선형 광 산란을 이용하는 센서이다. 광섬유 라만 산란형 센서는 외부의 열적 변화에만 라만 산란 광의 크기가 민감하게 변화하여 온도 측정용으로 많이 사용된다. 한편 광섬유 브릴루앙 산란형 센서는 외부에서 작용하는 변형률 및 온도 모두에 민감하게 반응하는 브릴루앙 주파수 변화값을 갖는다. 즉 외부에서 작용하는 변형률 또는 온도에 따라서 광섬유의 브릴루앙 고유 주파수 변화값에 따라 후방산란 광의 크기가 바뀐다. 따라서 외부 물리량의 절대 변화를 브릴루앙 주파수 변화값을 구하면 알아낼 수 있는 장점을 갖고 있다.
광섬유의 브릴루앙 산란을 이용하는 센서는 스위스의 룩 테베나즈(Luc Thevenaz)가 논문지 옵틱스 레터스(Optics Letters) 제21권, 제10호에 1996년에 발표한 논문 "심플 디스트리뷰티드 파이버 센서 베이스트 온 브릴루앙 게인 스펙트럼 어낼리시스(Simple distributed fiber sensor based on Brillouin gain spectrum analysis)"에는 광전변조기와 레이저 다이오드를 각각 1개씩 사용하여 브릴루앙 게인 스펙트럼을 주파수 대역에서 게인 최고점을 구하여 변형률을 구하였다. 즉 광섬유의 종단에 밀러를 설치하고 한 곳에서 입사한 프로브 광이 밀러에서 반사되어 오면 그때 펌핑 펄스광을 다시 동일한 곳에서 입사시키는 방식을 사용하였다. 그러나 이 방법은 CW 프로브 광도 펄스형태를 사용하므로 측정결과를 얻기 위하여 매우 긴 시간을 필요로 하는 단점을 갖고 있다. 그 외에도 일본의 안도(ANDO) 회사에서 개발한 "파이버 옵틱 스트레인/로스 애널라이저(Fiber optic strain/loss analyzer)" 라는 제품이 있으나 이 센서 시스템은 블릴루앙 주파수 변화를 찾기 위해 주파수 제어하는 복잡한 회로를 필요로 하여 고가의 장비로 구현되는 단점을 갖고 있다.
따라서, 전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 1 개의 레이저 다이오드와 2 개의 광전변조기를 사용하여 펌핑 펄스광을 변조하고 주파수 스위핑이 되도록 CW 프로브 광을 변조함으로써 유도 브릴루앙 산란 증폭을 일으키는 브릴루앙 주파수 변화를 찾는 광섬유 브릴루앙 시간영역해석(BOTDA) 센서 시스템과 이를 이용한 간편한 디지털 신호처리에 의한 변형률 측정 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 기본적인 광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서의 구조도.
도 2는 광섬유의 변형률과 브릴루앙 고유 주파수 변화와의 관계를 나타내는 파형.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서의 구조도.
도 4는 펌핑 펄스 광의 증폭 전후의 파형.
도 5는 주파수 스위핑하는 CW 프로브 광의 파장 스펙트럼.
도 6은 본 발명의 센서를 이용하여 대형 구조물의 변형률 측정과정을 설명하기위한 순서도.
도 7은 구조물의 변형률 측정 실험도.
도 8는 본 발명에 따른 광섬유 시간영역해석센서의 후방 산란광 출력 신호의 파장 스펙트럼.
도 9는 구조물의 변형률 측정 결과를 나타내는 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
31 : 레이저 다이오드 32 : 제1광전변조기
33 : 펄스 발생기 34 : 광섬유 증폭기
35 : 감지 광섬유 36 : 커플러
37 : 제2광전변조기 38 : RF 신호 발생기
39 : 전압조정기 40 : 광섬유 브래그 격자 필터
41 : 광검출기 42 : 광순환기
43 : 신호처리기
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서 시스템은 고출력의 가는 선폭의 광을 출사하는 광원부, 진행하는 광에 의한 후방 산란광을 일으키는 감지 광섬유, 광원부로부터의 광을 분기하여 분기된 광을 각각 펌핑 펄스 광 및 주파수 스위핑 CW 프로브 광으로 변조하여 감지 광섬유의 양단으로 각각 출력하는 광변조부 및 감지 광섬유에서 발생되는 후방 산란광을 감지하여 감지 광섬유의 변형률을 계산하는 광검출부를 포함한다.
또한, 광섬유의 변형률을 계산하여 광섬유가 부착된 대형구조물의 변형률을 측정하는 방법은 상기 광섬유에 입사되는 광을 분기하는 단계, 분기된 광 중 제 1광을 펌핑 펄스 광으로 변조하고 제 2광을 CW 프로브 광으로 변조하는 단계, 펌핑 펄스 광을 광섬유의 일단에 입사시키는 단계, CW 프로브 광을 일정한 주파수 범위에서 일정 주파수 간격으로 스위핑하며 광섬유의 다른 일단으로 입사시키는 단계, 광섬유에 입사된 펌핑 펄스 광과 주파수 스위핑 CW 프로브 광에 의한 후방 산란광을 검출하여 상기 광섬유의 브릴루앙 주파수 변화를 추출하는 단계 및 추출된 브릴루앙 주파수 변화를 이용하여 광섬유의 변형률을 계산하는 단계로 이루어진다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서의 기본 개념을 설명하기 위한 도면이다. 광섬유의 브릴루앙 산란은 광이 물질 중에 생긴 음파와 상호 작용하여 입사광의 주파수와 다른 주파수로 산란하는 현상으로 이 주파수의 차를 브릴루앙 고유 주파수 변화라고 하며 이 주파수는 광섬유의 재료에 크게 의존할 뿐 아니라 광섬유에 인가되는 변형률에 따라서 변화한다. 도 1과 같이 피측정 광섬유의 양단에서 펌핑 펄스 광과 주파수 스위핑 CW 프로브 광을 배치하여 광섬유에 광을 입사시킬 때, 펌핑 펄스 광의 광주파수를, 주파수 수위핑 CW 프로브 광의 광주파수를라 하면 두 광원의 주파수차는가 된다. 두 광원의 광주파수차를 피측정 광섬유의 브릴루앙 주파수 변화와 일치하도록 광원의 광주파수를 조정하면 펌핑 펄스 광은 유도 브릴루앙 산란에 의해 주파수 스위핑 CW 프로브 광으로 광에너지 변환을 하며, 이에 따라 주파수 스위핑 CW 프로브 광은 피측정 광섬유 내에서 브릴루앙 광증폭을 하게된다. 이렇게 함으로써 브릴루앙 신호의 해석이 용이하게 된다. 증폭된 주파수 스위핑 CW 프로브 광신호는 광검출기(PD)에 의해서 전기신호로 변환되며 이 전기신호는 두 광원의 주파수 차 및 시간에 따라서 도 2와 같은 특성을 갖는다. 도 2는 일반적인 단일모드 광섬유에 대하여 30 ns의 펄스폭을 갖는 펌핑 펄스 광에 대하여 이론적인 수식에 의하여 얻어진 그래프이다. 펌핑 펄스 광과 주파수 스위핑 CW 프로브 광사이의 주파수차()가일 때 수신 신호는 최대가 되므로, 도 2에서 주파수 축에서 최대 출력을 얻는 곳이 브릴루앙 고유 주파수 변화를 가질 때의 신호출력임을 알 수 있다. 또한 변형률의 작용에 의한 브릴루앙 고유주파수 변화값이 변화한 것도 볼 수 있다.
광섬유에 작용하는 변형률에 따른 브릴루앙 고유 주파수 변화는 수학식 1과 같이 표현할 수 있다. 즉 대형구조물에 적용된 광섬유가 대형 구조물과 함께 변형을 받아서 그 길이방향으로 변형되면 그에 따라 브릴루앙 주파수 변화도 아래의 수학식 1처럼 변화하게 된다.
vb 0: 변형률이 없을 경우의 브릴루앙 주파수vb: 변형률이 작용할 경우의 브릴루앙 주파수
C : 브릴루앙 주파수 변화의 변형률 계수
광통신용으로 많이 사용되는 석영계 단일모드 광섬유에 1.3 ㎛의 파장을 갖는 입력광원을 사용할 때 변형률이 없으면 주파수 변화는 12~13 Ghz 영역의 값을 가지며, 1.5 ㎛의 입력광원에 대해서는 주파수 변화가 약 10~11 GHz 영역의 값을 가진다. 이러한 광섬유의 브릴루앙 주파수 변화는 변형률과 온도의 변화에 따른 주파수의 변화가 각각 5 MHz/0.01％, 1 MHz/1°K로 알려져 있다. 광섬유의 브릴루앙 산란에 의한 주파수 변화로부터 변형률을 구하고자 할 때는 위와 같은 수학식 1을 사용하면 된다.
광섬유 브릴루앙 산란형 센서의 최종 수신신호인 후방 산란광은 감지용 광섬유의 일정 위치에 압축변형 또는 인장변형이 발생하는 경우 해당 위치에서의 급격한 신호 감소 또는 증가의 형태로 나타나게 되며, 이로부터 변형이 발생한 위치 및 변형정도를 용이하게 판별할 수 있게된다.
도 3은 본 발명의 광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서 시스템의 실제 구성예를 보여준다.
레이저 다이오드(31)는 고출력의 가는 선폭을 갖는 광을 방출하며, 후술될 실시예에서는 최대출력 30 ㎽의 최대 선폭 5 ㎒를 갖는 레이져 다이오드를 사용하였다.
제 1광전변조기(32)는 레이저 다이오드(31)에서 출력되는 광을 펌핑 펄스광으로 변조한다. 이러한 펌핑 펄스광으로의 변조를 위해 펄스 발생기(33)가 사용된다. 후술될 실시예에서 펌핑 펄스 광은 펄스로 변조하기 위하여 펄스 발생기(33)로 구동되는 2.5 Gb/sec 변조 가능한 제1광전변조기(32)를 사용하여 도 4와 같이 펄스 폭 30 ㎱를 발생시켜 실험하였다. 광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서가 측정하는 후방 산란광은 펌핑 펄스광이 광섬유 내부를 지나면서 산란되어 후방으로 되돌아오는 빛을 측정하므로 펄스폭 30 ㎱는 광섬유의 길이로는 3 m에 해당하는 거리에 해당하므로 30 ㎱ 펄스에 의한 실험은 거리 분해능 3 m임을 의미한다.
광섬유 증폭기(34)는 제 1광전변조기(32)에서 펌핑 펄스 광으로 변조된 광을 증폭시킨다. 도 4에서 본 실시예에서 사용되는 펄스 광의 강도는 광섬유 증폭기(34) 앞에서 측정하여 약 0.25 mW 정도임을 알 수 있다. 그리고 광섬유 증폭기(34)를 거친 후 약 120 mW 정도로 증폭된 펄스 광을 얻게된다.
감지 광섬유(35)는 광섬유 증폭기(34)를 통과하여 증폭된 펌핑 펄스 광이 진행하면서 후방 산란광을 일으키는 광섬유이다.
커플러(36)는 2 ×2 광섬유 연계기로 레이져 다이오드로부터의 광을 이용하여 주파수 스위핑 CW 프로브 광을 발생시키기 위해 후술될 제 2광전변조기로 분기한다.
제 2광전변조기(37)는 커플러(36)로부터 분기된 광을 CW 프로브 광으로 변조시킨다.
RF 신호 발생기(38)는 브릴루앙 산란 증폭을 일으키도록 브릴루앙 주파수 변화를 구하기 위하여 기 설정된 일정한 주파수 범위의 최초 주파수부터 최종 주파수까지 일정한 주파수만큼씩 단계별로 주파수를 바꿔가며 작동한다. 제 2광전변조기(37)는 이러한 RF 신호 발생기(38)를 이용하여 CW 프로브 광을 주파수 스위핑 CW 프로브 광으로 변조시킨다. 이러한 광변조를 위해 후술되는 본 발명의 실시예에서는 20 Gb/sec까지 변조 가능한 제 2광전변조기(37)를 사용하여 약 10 GHz 대역으로 CW 프로브 광을 변조시켰다. 그러나, 제 2광전변조기(37)의 바이어스전압을 조정하지 않으면 도 5a와 같이 10GHz로 완전히 변조되지 않은 기본 파장인 1555 nm가 출력된다. 그러므로, 전압조정기(39)로 제 2광전변조기(37)의 바이어스 전압을 조정하여 최적값으로 변조시켜 도 5b와 같이 기본 파장 대역의 광은 없고 10 GHz 대역에서 변조된 광인 1554.90 nm와 1555.10 nm의 변조된 파장의 광이 출력되도록 한다. 이처럼, 주파수 스위핑 CW 프로브 광원이 제대로 변조될 때에는 브릴루앙 산란광 신호가 크게 출력되므로 항상 10 GHz 대역에서의 광변조가 유효하게 될 수 있도록 바이어스 전압을 조정해주는 것이 필요하다.
바이어스 전압 조정작업 이후에는 제 2광전변조기(37)는 CW 프로브 광의 주파수를 스위핑하기 위하여 RF 신호 발생기(38)를 이용하여 최초 주파수부터 최종 주파수까지 단계 주파수에 의하여 단계별로 CW 프로브 광을 스위핑 시킨후 주파수 스위핑된 CW 프로브 광을 출력하다. 제 2광전변조기(37)로부터 출력된 주파수 스위핑 CW 프로브 광은 광섬유 브래그 격자 필터(40)에서 전압조정기(37)에 의해 조정되어 출력되는 변조된 파장의 광 중에서 1554.90 nm의 변조된 파장의 광이 여과되어 광섬유에 입사된다.
광검출기(41)는 기 설정된 샘플링 주파수로 감지 광섬유(35)에서 발생되는 후방 산란광을 감지하고 이를 고속으로 A/D 변환하여 감지된 후방 산란광 신호를 디지털 신호로 출력한다. 광순환기(42)는 커플러와 같이 광을 분기하나, 제 1광전변조기(32)로부터의 펌핑 펄스 광은 분기하지 않고 펌핑 펄스 광에 의한 광의 진행방향과 반대방향으로 발생하는 산란 즉 후방 산란광을 분기하여 광검출기(41)로 출력한다.
신호처리기(43)는 기 설정된 기본 변수(평균화 횟수, 샘플링 횟수 및 속도, 주파수 조사범위 및 단계 주파수 등)에 따라 본 발명의 센서 시스템의 전체 동작을 제어하며, 광검출기(40)로부터의 일정주기로 샘플링되어 디지털처리된 후방 산란광에 대한 데이터를 수신하여 광섬유의 길이와 브릴루앙 주파수 변화에 대한 신호를 출력한다. 이때, 최대 출력이 얻어지는 주파수가 바로 브릴루앙 주파수 변화가 되며, 신호처리기(43)는 구해진 브릴루앙 주파수 변화를 수학식 1에 대입하여 감지 광섬유(35)의 변형률을 구하게 된다. 즉, 감지 광섬유(35)가 부착된 구조물의 변형률을 구할 수 있게된다.
본 발명에 대한 실시예에서는 125 MHz까지의 대역폭을 갖는 광검출기(38)를 사용하여 CW 프로브 광이 광섬유에 입사되는 시점을 트리거소스로하고 100 MHz의 샘플링 주파수로 후방 산란광 신호를 받아 A/D 변환 한 후 신호처리기(43)로 데이터를 전송한다. 신호처리기(43)는 이를 200회에 걸쳐 후방 산란광을 취득하여 평준화처리한다. 커플러(36) 및 광순환기(42)는 광분할비가 50:50인 것을 사용하였으며, 광섬유는 일반통신용 단일모드 광섬유를 사용한다.
도 6은 본 발명의 센서를 사용하여 대형 구조물에 설치된 광섬유의 변형률을 측정하여 변형된 위치를 찾아내는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본원 발명의 광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서를 안전감시를 위한 대형 구조물의 표면 또는 내부에 설치한다(단계 601). 본 발명의 실시예에서는 대형 구조물에 설치된 광섬유의 변형률을 측정하는 실험을 모사하기 위하여 광섬유의 전체길이를 약 4 Km로 하고, 약 8 m 길이의 보의 상단과 하단에 광섬유를 접착한 후 보의 변형을 유발하기 위해 받침대로 바친 후 자중과 200g의 추를 얹어서 변형을 유발하였다. 도 7은 보의 상단과 하단에 광섬유를 접착하고 보에 변형을 유발하도록 설치한 모습을 도시하고 있다.
다음에, 신호처리기(43)에 기본 변수로 평균화 횟수, 샘플링 갯수 및 속도, CW 프로브 광의 주파수 조사 범위인 최초 주파수와 최종 주파수 및 주파수를 단계적으로 변화시켜 스위핑 시키기 위한 단계 주파수 등을 설정하여 준다(단계 602). 본 발명의 실시예에서는 최초 주파수 및 최종 주파수를 각각 10.790 GHz 및 10.890 GHz로, 평균화 횟수를 200번으로, 단계 주파수는 1 MHz로, 샘플링 주기는 100 MHz로 설정하였다. 도 8a는 감지 광섬유(35)에 아무런 변형이 가해지지 않은 상태에서 펌핑 펄스 광을 입사시켜 발생되는 후발 산란광을 취득하여 광섬유의 길이와 브릴루앙 주파수 변화에 대해 나타낸 것이다. 도면에서 후방 산란광이 최대로 나타나는 부분의 주파수가 브릴루앙 주파수 변화에 해당한다.
다음에, CW 프로브 광의 주파수를 최초 주파수인 10.790 GHz로 설정(단계 603) 한 후 제 1광전변조기(32)를 이용하여 펌핑 펄스광을 발생시키면서, 제 2광전변조기(37)로 CW 프로브 광의 주파수를 기 설정된 최초 주파수(10.790 GHz)로 하여 CW 프로브 광을 감지 광섬유(35)로 입사시켜 감지 광섬유(35)에 후방 산란광을 발생시킨다. 감지 광섬유(35)에서 발생되는 후방 산란광은 광순환기(42)를 통해 광검출기(41)로 인가되고, 광검출기(41)는 인가되는 후방 산란광을 100 MHz 주기로 샘플링하여 취득한다(단계 604).
신호처리기(43)는 감지 광섬유(35)에서 발생되는 후방 산란광을 평균화 횟수(200회)만큼 반복하여 취득한 후 이를 평균화 처리를 행한다(단계 605).
최초 주파수에 대해 후방 산란광 신호가 평균화 처리되면, CW 프로브 광의 주파수가 기 설정된 최종 주파수가 될 때까지(단계 606) 제 2광전변조기(37)는 RF 신호 발생기(38)의 주파수 스위핑 동작에 따라 CW 프로브 광의 주파수를 단계 주파수(1 MHz)만큼씩 증가(단계 607)시킨 후 이를 다시 감지 광섬유(35)에 입사시켜 해당 주파수에 대한 펌핑 펄스 광의 후방 산란광이 발생되도록 한다. 신호처리기(43)는 단계 605에서와 같이 매 단계 주파수마다 동일한 샘플링 주기로 200회씩 취득된 후방 산란광을 평균화 처리한다. 이렇게 매 단계 주파수마다 취득되어 평균화된 후방 산란광의 광섬유의 길이와 브릴루앙 주파수 변화에 대하여 출력신호는 도 8b와 같이 나타난다. 도 8b는 도 8a에 비해 후방 산란광의 증폭정도가 더 크게 나타나고 있으며, 최대 출력이 얻어지는 주파수도 주파수 축에 대해서 다소 이동하였다. 감지 광섬유(35)가 외부에서 작용하는 힘 등에 의하여 변형을 받게 되면 광섬유(35) 내부를 진행하는 광의 브릴루앙 주파수 변화가 변화되고, RF 신호 발생기(38)에 의한 제 2광전변조기(37)의 주파수가 변환된 브릴루앙 주파수 변화와 동일할 때 광섬유(35)의 후방 산란광이 도 8b에서와 같이 증폭된다. 이때, 최대 출력이 얻어지는 주파수가 브릴루앙 주파수 변화가 된다. 도 8b에서 광섬유가 접착되어 있는 구간인 약 2.48 구간과 약 2.46 구간에서 브릴루앙 고유 주파수 변화값이 변화되고 있음을 볼 수 있다.
도 8b과 같은 신호출력에서 신호처리기(43)는 후방 산란광의 최대출력을 얻게 되는 CW 프로브 광 주파수를 추출하여 브릴루앙 주파수 변화로 사용한다(단계 608). 이렇게 얻어진 브릴루앙 주파수 변화를 변형률 계수는 5MHz/0.01%로 하여 수학식 1에 대입하면 감지 광섬유(35)의 변형률이 계산된다(단계 609). 단계 609에서 계산된 변형률을 근거로 하여 광섬유의 길이에 분포된 변형률을 구할 수 있으며 이러한 변형률 분포는 도 9에 도시되어 있다.
본 실시예에서와 같이 30 ㎱ 펄스에 의한 실험은 거리 분해능 3 m에 해당하고 광검출기(41)에서 후방 산란광을 검출하는 샘플링 주기가 100 MHz이므로 도 9에서 각 점들간은 1 m 거리를 의미한다.
이상에서 본 발명은 광섬유의 브릴루앙 산란현상을 이용한 대형 구조물의 변형률을 측정하는 방법을 광섬유 약 4 Km에 대해서만 실시예로 기술하였으나, 광섬유 길이를 수십 Km까지 확장하여 이 센서를 사용할 수 있으며, 그 외에 온도도 유사한 방법으로 브릴루앙 고유 주파수 변화 값을 구함에 의하여 측정할 수 있다.
상술한 바와 같이, 광섬유의 브릴루앙 산란 현상을 이용한 광섬유 센서를 이용함으로써, 대형 구조물에 작용하는 하중 등의 영향에 의한 광섬유의 길이방향 변화량에 따라 발생하는 브릴루앙 주파수의 변화를 측정함에 의하여 대형 구조물의 변형률을 측정할 수 있다. 또한, 본 발명은 후방 산란광을 측정하여 브릴루앙 주파수 변화를 측정하여 변형률을 구하므로, 변형률의 절대값을 측정하는 것이 가능하다.

Claims (9)

  1. 광섬유의 브릴루앙 산란현상을 이용하는 시간영역해석 센서시스템에 있어서,
    고출력의 가는 선폭의 광을 출사하는 광원부;
    진행하는 광에 의한 후방 산란광을 일으키는 감지 광섬유;
    상기 광원부로부터의 광을 분기하는 커플러;
    상기 커플러에서 분기된 광 중 어느 한 광을 펌핑 펄스 광으로 변조하여 상기 감지 광섬유의 일단으로 출력하기 위한 제 1광변조부;
    상기 커플러에서 분기된 광 중 다른 한 광을, 기 설정된 일정한 주파수 범위의 최초 주파수부터 최종 주파수까지 단계별로 단계 주파수만큼 주파수 스위핑 CW 프로브 광으로 변조하여 상기 감지 광섬유의 다른 일단으로 출력하기 위한 제 2광변조부; 및
    상기 감지 광섬유에서 발생되는 후방 산란광을 감지하여 상기 감지 광섬유의 변형률을 계산하는 광검출부를 포함하는 광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1광변조부는
    펌핑 펄스를 발생하는 펄스 발생기;
    상기 펄스 발생기를 이용하여 상기 분기된 광 중 어느 한 광을 펌핑 펄스 광으로 변조하는 제 1광전변조기; 및
    상기 제 1광전변조기에서 변조된 펌핑 펄스광을 증폭하는 광섬유증폭기를 구비함을 특징으로 하는 광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 광검출부는
    상기 감지 광섬유에서 발생되는 후방 산란광을 분기하는 광순환기;
    상기 광순환기에 의해 분기된 광의 후방 산란광을 기 설정된 샘플링 주기로 감지하고 이를 A/D 변환하여 출력하는 광검출기; 및
    상기 광검출기로부터의 취득된 데이터를 이용하여 상기 감지 광섬유의 브릴루앙 주파수 변화를 추출하고 상기 브릴루앙 주파수 변화를 이용하여 상기 감지 광섬유의 변형률을 계산하는 신호처리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서 시스템.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 신호처리기는 기 설정된 일정횟수 동안 후방 산란광을 취득한 후 이를 평준화 하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서 시스템.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 신호처리기는 추출된 브릴루앙 주파수 변화를 다음의 식에 입력하여 상기 감지 광섬유의 변형률을 계산하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서 시스템.
    vb 0: 변형률이 없을 경우의 브릴루앙 주파수
    vb: 변형률이 작용할 경우의 브릴루앙 주파수
    C : 브릴루앙 주파수 변화의 변형률 계수
  6. 광섬유의 브릴루앙 산란현상을 이용하여 상기 광섬유가 부착된 대형 구조물의 변형률을 측정하기 위한 측정방법에 있어서,
    1) 상기 광섬유에 입사되는 광을 분기하는 단계;
    2) 상기 분기된 광 중 제 1광을 펌핑 펄스 광으로 변조하고 제 2광을 CW 프로브 광으로 변조하는 단계;
    3) 상기 펌핑 펄스 광을 상기 광섬유의 일단에 입사시키는 단계;
    4) 상기 CW 프로브 광을 일정한 주파수 범위에서 일정 주파수 간격으로 스위핑하며 상기 광섬유의 다른 일단으로 입사시키는 단계;
    5) 상기 광섬유에 입사된 펌핑 펄스 광과 주파수 스위핑 CW 프로브 광에 의한 후방 산란광을 검출하는 단계;
    6) 검출된 상기 광섬유의 후방 산란광을 기 설정된 샘플링 주기로 일정한 횟수만큼 인가받아 이를 평준화하여 후방 산란광이 최대가 되는 주파수를 상기 광섬유의 브릴루앙 주파수 변화로 추출하는 단계; 및
    7) 상기 추출된 브릴루앙 주파수 변화를 이용하여 상기 광섬유의 변형률을 계산하는 단계로 이루어지는 변형률 측정 방법.
  7. 삭제
  8. 제 6항에 있어서, 상기 단계 7)의 변형률 계산은 상기 단계 6)에서 추출된 브릴루앙 주파수 변화를 다음식에 입력하여 계산하는 것을 특징으로 하는 변형률 측정 방법.
    vb 0: 변형률이 없을 경우의 브릴루앙 주파수
    vb: 변형률이 작용하는 경우의 브릴루앙 주파수
    C : 브릴루앙 주파수 변화의 변형률 계수
  9. 제 1항에 있어서, 상기 제 2광변조부는
    기 설정된 일정한 주파수 범위의 최초 주파수부터 최종 주파수까지 일정한 주파수 간격으로 단계별로 주파수를 바꿔가며 작동하는 RF 신호 발생기;
    상기 RF 신호 발생기를 이용하여 상기 분기된 다른 한 광을 주파수 스위핑 CW 프로브 광으로 변조하는 제 2광전변조기; 및
    상기 제 2광전변조기의 바이어스전압을 조정하는 전압조정기를 구비함을 특징으로 하는 광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서 시스템.
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