KR100620868B1

KR100620868B1 - 산사태의 발생 위치를 검출하기 위한 ｏｔｄｒ 계측 시스템

Info

Publication number: KR100620868B1
Application number: KR1020040002269A
Authority: KR
Inventors: 구호본; 백용; 배규진
Original assignee: 한국건설기술연구원
Priority date: 2004-01-13
Filing date: 2004-01-13
Publication date: 2006-09-13
Also published as: KR20050074053A

Abstract

본 발명은 광섬유 케이블을 이용하여 산사태 발생 및 사면 붕괴 시 발생되는 징후를 효과적으로 검출할 수 있는 산사태 발생 위치 검출용 ＯＴＤＲ 계측 시스템에 관한 것이다. 이 목적을 위하여 본 발명에 따른 산사태 발생 위치 검출용 ＯＴＤＲ 계측 시스템은, 소정의 펄스 주기와 펄스 폭을 갖는 전기적 펄스 신호를 생성하는 펄스 발생 수단과; 상기 펄스 발생 수단에서 생성된 전기적 펄스 신호에 따라 펄스 광을 출력하는 레이저 다이오드와; 상기 레이저 다이오드에서 상기 펄스 주기로 강한 펄스 광을 광섬유에 커플링시키고, 상기 광섬유의 특성에 의해 후방으로 산란된 펄스 광을 출력하는 커플링 수단과; 상기 커플링 수단으로부터 펄스 광의 광 파워를 측정하고, 측정된 광 파워를 전기적인 신호로 변환하는 광 검출기와; 상기 광 검출기에서 출력되는 전기적인 신호를 증폭하는 증폭기와; 2개의 입출력 채널을 가지며, 상기 증폭기에서 증폭된 전기 신호를, 최대 300MHz의 샘플링 속도 내에서 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터와; 상기 AD 컨버터의 2개의 입출력 채널을 통해 입력받은 디지털 신호를 저장하는 한편, 디지털 신호의 평균화 및 신호의 분석을 수행하여 분석 데이터를 외부 디스플레이로 출력하며, 상기 분석 데이터에 따라 펄스폭과 펄스 주기를 조절하기 위한 제어 신호와, 샘플링 속도를 조절하기 위한 설정 신호를 출력하는, 신호 처리부를 포함한다.

Description

산사태의 발생 위치를 검출하기 위한 ＯＴＤＲ 계측 시스템{ＯＴＤＲ SYSTEM FOR DETECTING POSITIONS OF MULTIPLE LANDSLIDES}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 산사태 발생 위치 검출용 ＯＴＤＲ 계측 시스템을 나타낸 블록도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 산사태 발생 위치 검출용 ＯＴＤＲ 계측 시스템에 장착된 펄스 발생 수단을 나타낸 블록도,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 산사태 발생 위치 검출용 ＯＴＤＲ 계측 시스템와 함께 사용되는, 경사면에 매설되는 꽈리형상의 광섬유를 예시하는 도면.

도 4는 도 3에서 도시된 꽈리형상의 광섬유의 직경에 대한 후방 산란된 광량 감쇠율을 도시하는 그래프.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 펄스 발생 수단 120 : 레이저 다이오드

130 : 커플링 수단 140 : 광 검출기

150 : 증폭기 160 : AD 컨버터

170 : 신호 처리부

본 발명은 산사태 발생 위치 검출용 ＯＴＤＲ 계측 시스템에 관한 것으로, 특히, 첨단 소재인 광섬유 센서를 사용하여 산사태의 발생 징후를 사전에 신속하고 정확하게 검출함으로써 자연 재해를 최소화할 수 있는 산사태 발생 위치 검출용 ＯＴＤＲ 계측 시스템에 관한 것이다.

광섬유를 이용하여 산사태를 계측하는 기법은 전 세계적으로 기술 개발이 아직 초기 단계에 있다. 현재 사용되는 광섬유 센서로는 여러 가지가 있으며, 대표적인 것으로는 FRB(Fiber Bragg Grating) 센서, 분포형 광섬유(Distributed Fiber Optic) 센서, MDM(Macro Distortion Monitor) 시스템이 있다. 여기서 분포형 광섬유 센서로는 Rayleigh 산란형 OTDR(일반적인 OTDR), Brillouin 산란형 OTDR (BOTDR), 및 Raman 산란형 OTDR(ROTDR)이 있다.

일반적으로, 이 ＯＴＤＲ(Optical Time Domain Reflectometry) 방식은 1976년 처음 보고된 이후 구조물 계측분야에 많이 적용되고 있는 기법이다. 이 ＯＴＤＲ 방식의 주요 응용 대상은 광섬유 통신망에서 결함을 찾거나 진행광의 감쇠를 감시하는 것이다. ＯＴＤＲ 방식은 펄스 광원으로부터 광섬유로 입사된 빛의 후방 산란을 이용한다. 광섬유를 진행하는 빛은 광섬유 코어 굴절률의 미세한 변동으로 인해 레일리 산란(Rayleigh scattering)을 일으킨다. 또한, 광섬유의 불연속 지점, 연결부, 끊어진 곳 등에서 빛의 반사가 일어난다. ＯＴＤＲ 방식의 구성에서 후방 산란광의 출력 P(z)는 광섬유에서 산란이 일어난 지점의 위치 z에 대하여 하기 식 1과 같이 기술된다.

[식 1]

위의 식 1에서 S(z)는 산란광 중 후방 산란되는 비율을 의미하며, α_s(z)는 광섬유의 감쇠 계수이다. 또한, V_g는 빛의 그룹 속도(group velocity)이며 α_f와 α_b는 각각 광섬유의 전후방 방향으로의 감쇠 계수로서, 일반적으로 같은 값을 갖는다( α_f= α_b = α ). 빛의 반사 위치(z)는, 신호의 출발 후 도달 시간이 2t라 할 때, z = tV_g 의 관계를 갖는다.

한편, 감쇠 계수와 후방 산란 비율이 일정할 때 감지되는 후방 산란광의 출력은 다음 식 2와 같이 시간에 대한 지수 함수 형태로 나타난다.

[식 2]

여기서, 광섬유의 상태가 일정한 경우 A₁과 B₁은 상수 값이다.

이 ＯＴＤＲ 방식은 산란계수 α_s와 후방 산란 비율 s가 일정할 때 감쇠계수 α의 변화를 감지할 수 있다. 이러한 조건 하에서 감지되는 후방 산란광의 출력은 하기 식 3과 같다.

[식 3]

위의 식 3에서 A₂는 상수이다.

한편, 감지 신호의 변화율을 감쇠계수에 비례한다. 또는 α와 S가 일정할 때 다음 식 4와 같이 α_s의 변화를 확인할 수도 있다.

[식 4]

엄밀하게는 α값이 일반적으로 α_s에 대해 변화하는데, 식 4의 지수 함수 내부의 적분 값이 작다면 그 오차는 줄어들게 된다.

수 cm 정도의 점진적인 광섬유 굽힘에 의해서는 광 감쇠가 적게 나타나지만 매우 작은 영역에서의 굽힘이나 꺾임과 같은 미소 굽힘에서는 단일 모드, 다중 모드 광섬유 모두에서 뚜렷한 광 손실이 감지된다. 단일 모드 광섬유에서의 미소 굽힘 손실은 주 모드에서 에너지 손실을 계산하면 되므로 이론적인 해석이 가능하다. 따라서, 간단히 단일 모드 광섬유의 광 감쇠량을 측정하게 되면 굽힘 변형 형상을 정량적으로 알 수 있게 된다. 반면, 다중 모드 광섬유는 그 굽힘 손실 거동을 알기가 어렵다.

지금까지는 대부분의 경사지면에 대해 특단의 안전대책이 마련되어 있지 않거나, 안전대책이 있는 경우에도 산사태의 발생 위험이 높은 곳에 대해 인공절개면이나 성토사면 또는 산사태의 경사 지면에 배수, 옹벽, 또는 낙석 저지 철망 등 소규모의 안전대책만 일부 사용되고 있는 실정이다.

그러나, 산사태나 낙석에 대한 이러한 안전대책만으로는 국토의 70%가 산지 에 해당하고 장마철과 같은 집중호우로 인해 대규모의 산사태가 연례적으로 발생하는 우리나라에서는 적절한 안전대책이라고 할 수 없다. 또 상기와 같은 안전대책이라 하더라도, 경사지면에 있어 경사 지면이나 지하 암반의 특성이나 균열 등을 고려하여 최적의 설치 장소나 설치 방법이 규정되어 있지 않고 당해 시공자의 실무 경험에 의해 적절히 정해지기 때문에, 설치위치와 방법이 부적절하거나 임의로 시공되어 이로 인해 인적·물적 피해가 여전히 발생하는 경우가 많으며, 또한 일단 시공된 안전대책이라 하더라도 이후 시간이나 주변환경의 변화에 대해서 대응하지 못하므로 산사태가 발생한 이후 다시 2차, 3차로 경사지면의 특성에 따른 안전대책을 세워야 하는 문제점이 있다. 한편, 암반의 균열은 아주 미세한 간격으로 시작되어 그 진전되는 속도가 느리기 때문에, 시공시에는 균열의 정도 및 그 진전속도 등을 예측하여 이에 맞는 안전대책을 세우기 어려운 문제점이 있다.

상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 산사태의 발생 우려가 높은 곳에 설치하여 집중 호우나 지진으로 인한 자연 재해를 최소화하기 위하여 광섬유 케이블을 이용하여 특정 산사태 발생 징후나 경사면의 붕괴 징후, 대규모의 산사태의 발생 징후 뿐만 아니라 그 발생 위치를 사전에 정확히 검출할 수 있는 산사태 발생 위치 검출용 ＯＴＤＲ 계측 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 산사태 발생 위치 검출용 ＯＴＤＲ 계측 시스템은, 제어 신호에 따라 소정의 펄스 주기와 펄스 폭을 갖는 전기 적 펄스 신호를 생성하는 펄스 발생 수단과; 상기 펄스 발생 수단에서 생성된 전기적 펄스 신호에 따라 고출력 펄스 광을 출력하는 레이저 다이오드와; 상기 레이저 다이오드에서 상기 펄스 주기로 출력되는 강한 펄스 광을 광섬유에 커플링시키고, 상기 광섬유의 특성에 의해 후방으로 산란된 펄스 광을 출력하는 커플링 수단과; 상기 커플링 수단으로부터 입력되는 상기 후방 산란된 펄스 광의 광 파워를 측정하고, 측정된 광 파워를 전기적인 신호로 변환하는 광 검출기와; 상기 광 검출기에서 출력되는 전기적인 신호를 증폭하는 증폭기와; 2개의 입출력 채널을 가지며, 상기 증폭기에서 증폭된 전기 신호를, 소정의 설정 신호에 따라 최대 300MHz의 샘플링 속도에서 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터와; 상기 AD 컨버터의 2개의 입출력 채널을 통해 입력받은 디지털 신호를 저장하는 한편, 상기 채널로부터의 디지털 신호의 평균화 및 신호의 분석을 수행하여 분석 데이터를 외부 디스플레이로 출력하며, 상기 분석 데이터에 따라 펄스폭과 펄스 주기를 조절하는 제어 신호를 상기 펄스 발생 수단으로 출력하며, 샘플링 속도를 조절하는 설정 신호를 상기 AD 컨버터로 출력하는, 신호 처리부를 포함한다.

상기와 같은 구성을 포함함으로써, 본 발명은 디지털 신호의 샘플링 속도를 향상시켜 산사태의 발생 징후를 사전에 정확하게 파악할 수 있는 효과를 제공할 수 있다. 이외에 본 발명은 첨단 소재인 광섬유를 이용하여 여러 지점의 변위를 동시에 측정할 수 있기 때문에 산사태 발생 징후를 보다 광범위하게 파악할 수 있다. 산사태의 발생이 없는 경우에도 장기적으로 특정 지역의 산사태의 거동을 지속적으로 파악할 수 있을 뿐만 아니라 그 지역의 지질 특성을 알 수도 있으며, 실시간으 로 기록 및 저장하여 향후 지질 조사에 사용할 수 도 있을 것이다.

또, 본 발명에 따라, 상기 광섬유는 산사태가 발생될 가능성이 높은 구역에서 산사태 발생 위치를 보다 정밀하게 검출하기 위하여 복수개의 꽈리형상으로 형성되어 있다.

상기 구성을 더 포함함으로 인해, 광섬유의 형상을 복수개의 꽈리형상으로 만듦으로써, 경사지면의 변위 상태를 보다 정밀하게 검출할 수 있다.

한편, 본 발명의 구성에서 본 발명은 신호 처리부에 상기 디지털 전기 신호를 인터리빙하는 인터리버를 더 구비하는데, 이 인터리버에 의하여 실시간으로 최대 2GHz 의 샘플링에 해당하는 것과 동일한 분해능을 제공할 수 있다.

본 발명의 구성에서, 본 시스템은 상기 신호 처리부의 출력에 연결되어 상기 신호 처리부로부터 경보 신호를 수신하여 산사태가 발생한다는 것을 알리기 위한 경보음을 발생시키기 위한 복수의 스피커를 더 포함하며, 그리고 상기 신호 처리부는, 디지털 신호의 처리 결과에 따라 경미한 산사태가 발생될 것으로 판단한 경우에는 경미한 산사태의 발생을 나타내는 경보 신호를 관리자에게 알리기 위해 관리자의 디스플레이에 출력함과 동시에 경보음을 관리자의 스피커에 발생시키며, 또한 디지털 신호의 처리 결과에 기초하여 광섬유가 커팅된 것이라고 판단한 경우, 대규모 산사태의 위험을 신속히 관리자 및 광섬유가 매설된 주변에 알리기 위해 경보 신호를 관리자의 디스플레이에 디스플레이하고 그 경보음을 관리자의 스피커에 발생시키는 동시에 광섬유가 매설된 지역에 있는 복수의 스피커에도 경보음을 발생시키는데,

이 구성에 의해 본 발명은 실시간으로 산사태의 발생 징후에 의거하여 이 지역에 대한 통행 위험 경고, 주민 통행의 금지, 도로 교통의 통제, 또는 지역 주민의 대피 등을 효과적으로 시행할 수 있으며, 관리자 스피커 및 산사태 주변에 매설된 스피커를 통하여 경보를 발생시킴으로써 재산 피해와 인명 피해에 대비해 미연에 신속하게 대처할 수 있게 하며 또한 이를 인지하지 못한 주변 통행인에게도 효과적으로 산사태의 위험을 사전에 경고할 수 있다.

본 발명에 따른 산사태의 발생 위치를 검출하기 위한 방법은, 제어 신호에 따라 소정의 펄스 주기와 펄스 폭을 갖는 전기적 펄스 신호를 생성하는 단계와; 상기 전기 펄스 신호 생성 단계에서 생성된 전기적 펄스 신호에 따라 고출력 펄스 광을 출력하는 단계와; 상기 펄스 광 출력 단계에서 상기 펄스 주기로 출력되는 강한 펄스 광을 광섬유에 커플링시키고, 상기 광섬유의 특성에 의해 후방으로 산란된 펄스 광을 출력하는 단계와; 상기 광섬유로부터 입력되는 상기 후방 산란된 펄스 광의 광 파워를 측정하고, 측정된 광 파워를 전기적인 신호로 변환하는 단계와; 상기 변환된 전기적 신호를 증폭하는 단계와; 상기 증폭된 전기적 신호를, 2개의 입출력 채널을 통해 설정 신호에 따라 최대 300MHz 범위에서 디지털 신호로 변환하는 단계와; 상기 2개의 입출력 채널을 통해 입력받은 디지털 신호를 저장하는 한편, 상기 채널로부터의 디지털 신호의 평균화 및 신호의 분석을 수행하여 분석 데이터를 외부 디스플레이로 출력하며, 상기 분석 데이터에 따라 펄스폭과 펄스주기를 조절하는 제어 신호를 상기 펄스 발생 수단으로 출력하며, 샘플링 속도를 조절하는 설정 신호를 상기 AD 컨버터로 출력하는 신호 처리 단계를 포함하며, 이 구성에 의해 제1항에서와 같은 효과를 제공할 수 있다.

본 발명의 구성에서 상기 신호 처리 단계에서, 디지털 신호의 처리 결과값에 따라 토사의 흘러내림과 같은 경미한 산사태가 발생될 것으로 판단한 경우에는, 경미한 산사태의 발생을 나타내는 경보 신호를 관리자에게 알리기 위해 관리자의 디스플레이(180)에 그래프 출력함과 동시에 관리자 스피커(190)에 경보음을 발생시키고, 또한 디지털 신호의 처리 결과에 기초하여 광섬유가 커팅된 것이라고 판단한 경우, 암반의 낙하와 같은 대규모 산사태의 위험을 신속히 관리자 뿐만 아니라 광섬유가 매설된 주변에 알리기 위해, 대규모 산사태가 발생한다는 경보 신호를 관리자의 디스플레이(180)에 디스플레이 함과 함께 관리자 스피커(190)에 경보음을 출력하는 동시에 광섬유가 매설된 주변에 설치된 복수의 스피커(192)에도 경보음을 발생시키는 단계를 포함하며, 이에 의해 제4항의 효과를 제공할 수 있다.

(실시예)

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 본 발명의 가장 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 산사태 발생 위치 검출용 ＯＴＤＲ 계측 시스템을 나타낸 블록도이다. 이 ＯＴＤＲ 계측 시스템은 소정 주기와 폭을 갖는 광 펄스를 출력한 뒤 광 펄스가 되돌아오는 시간과 강도를 측정함으로써 광섬유의 물리적 상태를 계측한다. 본 발명의 산사태 발생 위치 검출용 ＯＴＤＲ 계측 시스템은, 펄스 발생 수단(110), 레이저 다이오드(Laser Diode)(120), 커플링 수단(130), 광 검출기(Photodetector)(140), 증폭기(Amplifier)(150), 아날로그-디지털 컨버터(Analog Digital Convertor)(160), 및 신호 처리부(170)를 포함하고 있다.

여기서 펄스 발생 수단(110)은, 신호 처리부(170)로부터의 제어 신호에 따라 소정의 펄스 주기와 펄스 폭을 갖는 전기적 펄스 신호를 생성하여 레이저 다이오드(120)로 출력한다. 이 펄스 발생 수단(110)은 레이저 다이오드(120)의 pump-LD에서 펄스 광을 출력하도록 하는데 필요한 펄스 파형을 만든다. 그리고 펄스 발생 수단(110)은, 출력되는 전기적 펄스 신호가 측정대상 광섬유의 길이, 광섬유의 벤딩의 감쇠량, 벤딩 발생 위치 등의 환경에 따라 적합한 펄스 주기와 펄스 폭을 가지도록 조절할 수 있는 기능을 제공한다. 이러한 기능을 갖는 펄스 발생 수단은 도 2에 도시되어 있다.

여기서 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 산사태 발생 위치 검출용 ＯＴＤＲ 계측 시스템 내에 장착된 펄스 발생 수단(110)을 개략적으로 나타낸 블록도로서, 제 1 딥스(deep switch)(202), 제 2 딥스(204) 및 제어부(206)를 포함한다.

상기 펄스 발생 수단(110) 내에 장착된 제 1 딥스(202)는, 신호 처리부(170)의 제어 신호에 응답하여 위치 입력에 따라 펄스 폭을 조절한다. 여기서 상기 제1 딥스(202)는, 바람직하게는, 16 비트(0~255)의 입력값을 갖는다.

상기 펄스 발생 수단(110) 내에 장착된 제 2 딥스(204)는, 신호 처리부(170)의 제어 신호에 응답하여 위치 입력에 따라 펄스 주기를 조절한다. 여기서 상기 제2 딥스(204)는, 바람직하게는, 16 비트(0~255)의 입력값을 갖는다.

상기 펄스 발생 수단(110) 내에 장착된 제어부(206)는 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 응용하여 설계되며, 예를 들어, Altera EPF 10K40RC208-4 칩으로 구현하여 펄스 발생 수단의 CPU로서 사용되는 것이며, 신호 처리부(170)의 제어 신호에 응답하여 미리 결정된 펄스 폭과 펄스 주기를 갖는 전기적 펄스 신호와, 펄스광이 발생하는 시점을 알려주기 위해 동기를 맞추도록 하는 트리거 신호를 출력하는 역할을 한다.

출력되는 펄스 신호의 펄스주기 및 펄스폭은 이들 딥스(202, 204)의 입력값과 클럭의 동작 속도에 의하여 결정되며, 일예로 펄스주기는 약 20㎲~1.6㎳ 이며, 펄스 폭은 약 10㎱~20㎲의 범위를 가지고 있다. 일 실시예로 FPGA는 VHDL(VHSIC Hardware Description Language) 프로그래밍 언어를 사용하여 아래 표 1과 같이 프로그램을 작성될 수 있다.

[표 1]

위 프로그램에 따라 입력 주기와 펄스 폭에 따른 출력 파형은 일례로 다음 표 2와 같다.

[표 2]

한편, 펄스 발생 수단(110)으로부터 펄스 신호를 수신한 레이저 다이오드(120)는, 상기 펄스 발생 수단(110)에서 출력한 트리거 신호에 맞춰 전기적 펄스 신호에 따라 커플링 수단(130)으로 강한 펄스 광을 생성하는 기능을 한다. 여기서, 본 발명의 ＯＴＤＲ 장비에서는, 바람직하게, 레이저 다이오드(120)의 광원으로 광파워가 큰 펌프식 레이저 다이오드(Pump-LD)를 사용할 수 있으며, 이러한 펌프식 레이저 다이오드에서 생성된 펄스 광의 중심 파장은 1464㎚, -10㏈에서 약 15㎚의 선폭을 갖는다. 펄스 신호로 변조시키지 않았을 때의 계측 결과의 실례가 표 3에 도시되어 있다.

[표 3]

한편, 커플링 수단(130)은, 광 커플링부(132)에서 상기 레이저 다이오드(120)에서 주기적으로 출력하는 강한 펄스 광을 광섬유에 커플링시키고, 상기 펄스 광이 진행하는 동안 광섬유의 접합, 벤딩, 커팅, 인장, 압축 등의 광섬유의 특성에 따라 후방 산란된 펄스 광을 광 검출기(140)로 출력하는 역할을 한다. 이 커플링 수단(130)은 광 커넥터(134)를 통하여 광섬유(136)와 커플링된다.

한편, 이 커플링 수단(130)에 연결되는 광 섬유(136)는 산사태의 위험이 있는 지역에 매설되어, 매설된 지역의 경사면의 붕괴, 대규모 산사태의 발생, 암반의 낙석, 또는 토사의 유실에 따라 벤딩, 커팅, 인장, 또는 압축을 받는다. 이때, 광 섬유(136) 속을 진행하는 펄스 광은 그 지역에서 레일리 산란을 일으켜 일부는 소실되고 일부는 반사하게 된다. 여기서 일 실시예에 따라, 이 광 섬유(136)를 도 3과 같이 지름 Φ의 곡률을 갖는 꽈리 형상이 되도록 매설하면, 내부를 진행 중인 펄스 광의 광 섬유 외부로 소실되는 광량이 크게 일어나므로, 이 광량의 변화를 검출하면, 경사면의 미세한 변위도 정확하게 검출할 수 있게 된다. 이때 나타나는 꽈리형상의 직경 Φ와 광량 감쇠 사이의 관계는 도 4와 같다. 그러므로, 도 4에서 잘 알 수 있는 바와 같이, 광량 감쇠량을 측정하면 꽈리 형상의 광섬유에 대한 변위 정도를 정확하게 측정할 수 있는 것이다.

이제 도 1을 참조하면, 위와 같이 광섬유(136)로부터 후방 산란된 감쇠된 펄스 광은 광 커플링 수단(130)을 거쳐 광 검출기(140)로 입력된다. 여기서 광 검출기(140)는 상기 커플링 수단(130)으로부터 입력된 광 신호의 광 파워를 측정하고, 측정된 광 파워를 전기적인 신호로 변환하여 증폭기(150)에 출력하는 역할을 한다.

한편, 증폭기(150)는, 상기 광 검출기(140)에서 입력된 아날로그 전기 신호를 증폭하여 AD(Analog to Digital) 컨버터(160)에 출력한다.

또한, AD 컨버터(160)는, 신호 처리부(170)의 설정 신호에 따라 상기 증폭기(150)에서 입력된 아날로그 전기 신호를 디지털 신호로 변환하여 신호 처리부(170)에 출력하는 역할을 한다. 여기서, 상기 AD 컨버터(160)는, 바람직하게는, National Instrument사의 NI5911 PCI를 사용하여 설계될 수 있다. NI5911보드는 아래 표 4와 같이, 샘플링 속도에 따라 각기 다른 양자화 비트를 제공한다.

[표 4]

본 발명의 실시예에서는 AD 컨버터(160)는 최대 300MHz 샘플링이 가능한 2개의 입출력 채널을 가지고 있어, 기존의 경우보다 계측되는 실시간 변위량의 검출 분해능이 3배 정도 개선된 분해능을 제공하여 보다 미세 변위도 효과적으로 검출할 수 있을 뿐아니라 2개의 입출력 채널을 사용하여 여러 지점의 변위를 동시 다발적으로 검출할 수 있다.

일반적으로 샘플링 속도가 향상되면 거리 분해능이 우수하게 된다. 예를 들어, 100MHz의 샘플링 속도인 경우, 거리 분해능은 1m가 되며, 300MHz 의 경우, 거리 분해능은 30㎝가 되며, 또 2GHz 의 경우, 거리 분해능은 5㎝가 되므로, 샘플링 속도를 향상시키면, 그만큼 광섬유의 변위량도 더 미세하게 검출할 수 있는 것이다.

또한 본 발명은 신호 처리부(170)에 상기 디지털 전기 신호를 인터리빙하기 위한 인터리버(interleaver)(176)를 구비할 수 있으며, 이 인터리버에서 인터리빙 기법을 사용하여 2GB의 샘플링에 해당하는 것과 동일한 분해능을 제공할 수 있다.

또한 상기 AD 컨버터는 PCI 카드 형태를 취하고 있어 PC 컴퓨터, 즉 신호 처리부(170)와 원활한 데이터 통신이 가능하다.

한편, 신호 처리부(170)는, 상기 신호 처리부(170)는, 데이터 취득부(171) 및 연산 처리부(172)를 포함하며, 여기에서 상기 AD 컨버터(160)에서 입력받은 디지털 데이터를 저장하는 동시에 디지털 데이터를 처리하며, 이 연산 처리부(172)에서는 상기 디지털 데이터를 평균화시키는 기능, 트리거 기능, 전압 형태의 ㏈ 스케일로 변환하며, 그 결과 데이터를 외부 디스플레이(180)로 출력하는, 외에 상기 펄스 발생 수단(110)으로 제어 신호를 출력하는 역할을 한다.

또한 신호 처리부(170)는, 상기 AD 컨버터(160)로부터 그래픽 프로그래밍 언어(Graphical Programming Language : GPL)를 사용하여 데이터를 취득하고, AD 컨버터의 초기화, 입력 전압 범위, 샘플링 속도 및 레코드 길이(record length)를 설정하는 설정 신호를 상기 AD 컨버터(160)로 출력한다.

상기 신호 처리부(170)는, 바람직하게는, 분석 결과를 그래프로 출력하는데, 상기 입력받은 광 신호에 대한 전압 형태의 결과 값을 dB 스케일로 그래프로 표시할 수 있다. 이를 위해 상기 신호 처리부(170)는, 바람직하게는, National Instrument 사의 LabVIEW6i를 이용하여 구현할 수 있다. 예를 들어 그 결과 값의 일예는 아래 표 5와 같다.

[표 5]

위 표 5를 보면, 광섬유의 거리에 따른 후방 산란된 펄스 광의 전압 ㏈ 스케일을 잘 알 수 있다. 여기에서, 양의 피크를 이루는 부분은 후방 산란이 많은 곳으로 대표적으로 광 커넥터 부분, 광섬유 접합 부분, 크랙 발생 부분, 광섬유 말단이며, 펄스 광의 ㏈ 스케일이 크게 감소된 부분은 투과 손실이 생긴 부분으로서 대표적으로 광섬유의 벤딩(bending) 부분, 크랙(crack) 부분, 및 커팅(cutting) 부분 등에서 나타난다. 여기서, 광 커넥터 부분, 광섬유 접합 부분, 또는 광섬유 말단에서 일어나는 후방 산란은 검출된 시간과 거리에 의해 표 5에서 쉽게 확인될 수 있다. 이 표 5를 통해 특정 지역에 매설된 광섬유에서 발생되는 후방 산란된 광 ㏈ 스케일의 변동 상태를 살펴보면, 광섬유에 발생된 물리적 변화를 정확하게 검출할 수 있다.

예를 들어, 만약 매설된 광섬유가 산사태나 경사면의 변위에 의해 벤딩되거나 크랙이 발생하거나 또는 커팅되는 등 물리적 변화를 받는 경우에는 새로운 후방 산란된 펄스 광의 전압 ㏈ 스케일에 큰 낙차를 유발할 것이다. 광섬유가 매설된 곳에 토사의 흘러내림이나 일부 암석의 낙하가 일어나면 광섬유가 벤딩될 수 있으며, 이때에는 전압 스케일에 큰 낙차가 나타나는 것이다. 한편 광섬유가 매설된 곳에 거대한 암반의 낙하하거나 대규모의 산사태가 발생하는 경우에는 매설된 광섬유가 커팅될 수 있으며, 이 경우에는, 커팅된 부분을 투과하여 펄스 광이 대부분 손실되므로 검출되는 광의 전압 낙차가 매우 크게 나타날 것이다. 그 일례가 다음 표 6에 나타나 있다.

[표 6]

위 경우, 광섬유 케이블에 약 3kg의 하중이 가해지는 경우, 커팅되는 것을 알 수 있다. 검출되는 전압 낙차가 크게 나타나는 이상 지역에서는 광섬유가 커팅된 것으로 판단할 수 있고, 이 때에는 암반의 낙하나 대규모의 산사태가 일어난 것으로 판단한다. 그러므로, 광섬유 케이블이 커팅되기 전에 경보를 울려 대처하게 한다면 재해를 사전에 방지할 수 있을 것이다.

구체적으로, 이러한 산사태가 일어날 때, 본 시스템(100)은 상기 신호 처리부의 출력에 연결되어 상기 신호 처리부의 경보 신호를 수신하여 산사태가 발생한다는 것을 관리자에게 및 광섬유가 매설된 주변에 신속히 알리기 위해 경보음을 발생시키기 위한 복수의 스피커(190, 192)를 더 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 신호 처리부(170)는, 위 표 5와 표 6에서 디지털 신호의 처리 결과값에 따라 토사의 흘러내림과 같은 경미한 산사태가 발생될 것으로 판단한 경우에는 경미한 산사태의 발생을 나타내는 경보 신호를 관리자에게 알리기 위해 관리자의 디스플레이(180)에 그래프 출력함과 동시에 관리자 스피커(190)에 경보음을 발생시킬 수 있고, 또한 디지털 신호의 처리 결과에 기초하여 광섬유가 커팅된 것이라고 판단한 경우, 암반의 낙하와 같은 대규모 산사태의 위험을 신속히 관리자 뿐만 아니라 광섬유가 매설된 주변에 알리기 위해 그 경보 신호를 관리자의 디스플레이(180)에 디스플레이 하면서 경보음을 관리자 스피커(190)에 발생시킴과 동시에 광섬유가 매설된 주변에 설치된 복수의 스피커(192)에도 경보음을 발생시키는 기능을 수행한다.

상술한 본 발명의 산사태 발생 위치 검출용 ＯＴＤＲ 계측 시스템의 동작에 관하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 펄스 발생 수단(110)에서 펄스 신호를 레이저 다이오드(120)로 출력하면, 레이저 다이오드(120)는 커플링 수단(130)내의 광섬유에 펄스광을 출력한다. 이 때, 외부 요인에 의해 광섬유가 산사태 등의 발생 징후에 의해 물리적으로 교란되면, 광의 각 모드는 다른 모드로 전이가 일어나서 각 모드간 광 파워의 배분이 달라지게 된다. 또 물리적으로 교란된 광은 후방으로 반사하거나 또는 전방으로 투 과하며, 후방 산란된 펄스 광이 광섬유를 따라 되돌아온다. 이때 커플링 수단(130)은 되돌아온 광 파워를 광 검출기(140)로 출력한다. 후방 산란되어 출력된 광 파워는 광 검출기(140) 및 증폭기(150)에 의해 전기적인 신호로 변환되며 증폭되어, AD 컨버터(160)에 입력된다. 이후에, AD 컨버터(160)는 최대 300MHz의 샘플링 속도로 2개의 입출력 채널을 통해 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환하고, 이후 신호 처리부(170)는 변환된 디지털 데이터를 디스플레이(180)에 예를 들어 그래프로 출력하여 표시하거나 또는 광섬유 커팅과 같이 급박한 산사태의 발생이 있는 경우 산사태가 발생하였음을 직접 알리는 경보 신호를 복수의 스피커(190, 192)에 발신하며 이때 복수의 스피커(192)는 관리자 및 산사태 발생 주변을 통행하는 사람들에게 경보음을 울리게 된다.

이에 의해 본 발명은 실시간으로 산사태의 발생 징후에 의거하여 이 지역에 대한 통행 위험 경고, 주민 통행의 금지, 도로 교통의 통제, 또는 지역 주민의 대피 등을 효과적으로 수행할 수 있으며, 관리자 스피커 및 산사태 발생 지역에 매설된 스피커를 통하여 경보를 발함으로써 재산 재해 및 인명 피해를 신속하게 대처할 수 있게 하며 미처 인지하지 못한 주변 통행인에게도 효과적으로 산사태의 위험을 경고할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따라 산사태 발생 검출용 ＯＴＤＲ 계측 시스템이 예를 들어 설명되어 있지만, 본 발명은, 이 기술분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 첨단 소재인 광섬유를 사용하며 300MHz 샘플링에서 2개의 입출력 채널을 사용하는 것에 의해, 디지털 신호의 샘플링 속도를 향상시켜 산사태의 발생 징후를 사전에 정확하게 파악할 수 있는 외에 여러 지점의 변위를 동시에 측정할 수 있기 때문에 산사태 발생 징후를 보다 광범위하게 파악할 수 있다. 본 발명은 산사태의 위험이 있는 지역에 광섬유의 형상을 복수개의 꽈리 형상으로 만듦으로써 경사지면의 변위 상태를 보다 정밀하게 검출할 수 있으며, 긴급한 경우 복수의 스피커를 통해 경보음을 울리게 함으로써 실시간으로 산사태의 발생 징후에 의거하여 이 지역에 대한 통행 위험 경고, 주민 통행의 금지, 도로 교통의 통제, 또는 지역 주민의 대피 등을 선택적으로 시행할 수 있어, 재산 피해 및 인명 피해를 최소로 할 수 있는 이점과 동시에 PCI 카드를 사용하여 실시간으로 자동화된 분석으로 사용자가 편리하게 사용할 수 있는 이점이 있다.

Claims

산사태의 발생 위치를 검출하기 위한 시스템에 있어서,

제어 신호에 따라 소정의 펄스 주기와 펄스 폭을 갖는 전기적 펄스 신호를 생성하는 펄스 발생 수단(110)과;

상기 펄스 발생 수단(110)에서 생성된 전기적 펄스 신호에 따라 고출력 펄스 광을 출력하는 레이저 다이오드(120)와;

상기 레이저 다이오드(120)에서 상기 펄스 주기로 출력되는 강한 펄스 광을 광섬유에 커플링시키고, 상기 광섬유의 특성에 의해 후방으로 산란된 펄스 광을 출력하는 커플링 수단(130)과;

상기 커플링 수단(130)으로부터 입력되는 상기 후방 산란된 펄스 광의 광 파워를 측정하고, 측정된 광 파워를 전기적인 신호로 변환하는 광 검출기(140)와;

상기 광 검출기(140)에서 출력되는 전기적인 신호를 증폭하는 증폭기(150)와;

2개의 입출력 채널을 가지며, 상기 증폭기(150)에서 증폭된 전기 신호를, 소정의 설정 신호에 따라 최대 300MHz의 샘플링 속도 내에서 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터(160)와;

상기 AD 컨버터(160)의 2개의 입출력 채널을 통해 입력받은 디지털 신호를 저장하는 한편, 상기 채널로부터의 디지털 신호의 평균화 및 신호의 분석을 수행하여 분석 데이터를 외부 디스플레이(180)로 출력하며, 상기 분석 데이터에 따라 펄스 폭과 펄스 주기를 조절하는 제어 신호를 상기 펄스 발생 수단(110)으로 출력하며, 샘플링 속도를 조절하는 설정 신호를 상기 AD 컨버터(160)로 출력하는, 신호 처리부(170)로서, 상기 전기적 신호를 인터리빙 하는 인터리버(176)를 더 구비하는 신호 처리부(170)와;

상기 신호 처리부의 출력에 연결되어 상기 신호 처리부(170)의 경보 신호를 수신하여 산사태가 발생한다는 것을 알리기 위한 경보음을 발생시키는 복수의 스피커(190, 192)를 포함하는 것을 특징으로 하는,

산사태의 발생 위치를 검출하기 위한 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 광섬유(132)는 산사태 발생 위치를 보다 정밀하게 검출하기 위하여 복수개의 꽈리형상(300)으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 산사태의 발생 위치를 검출하기 위한 시스템.
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제 2 항에 있어서, 상기 신호 처리부(170)는, 디지털 신호의 처리 결과값에 따라 토사의 흘러내림과 같은 경미한 산사태가 발생될 것으로 판단한 경우에는, 경미한 산사태의 발생을 나타내는 경보 신호를 관리자의 디스플레이(180)에 그래프 출력함과 동시에 관리자의 스피커(190)에 경보음을 발생시키고, 또한 디지털 신호의 처리 결과에 기초하여 광섬유가 커팅된 것이라고 판단한 경우, 암반의 낙하와 같은 대규모 산사태의 위험을 신속히 관리자 뿐만 아니라 광섬유가 매설된 주변에 알리기 위해, 대규모 산사태가 발생한다는 경보 신호를 관리자의 디스플레이(180)에 디스플레이 함과 동시에 관리자 스피커(190)에 경보음을 발생시키고, 또한 광섬유가 매설된 주변에 설치된 복수의 스피커(192)에도 경보음을 발생시키는 것을 특징으로 하는, 산사태의 발생 위치를 검출하기 위한 시스템.
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