KR100622577B1 - Apparatus for improving detection sensitivity of optical fiber sensor and monitoring system using the same - Google Patents
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Abstract
광섬유의 복굴절(birefringence)변화 및 이에 따른 광섬유 내의 진행광의 편광변화를 감지하는 광섬유 센서의 수신감도를 향상시키는 장치 및 이를 이용하여 환경의 급격한 변화 등의 이상 상태를 감지하는 모니터링 시스템에 관해 개시한다. 본 발명의 가장 큰 특징은, 편광변화를 일으킨 광을 편광 빔 분할기에 의해 서로 직교하는 제1 편광 및 제2 편광의 빔들로 나누고 이들에 대해 최대 감도를 가질 수 있도록 별개로 신호검출을 함으로써 광검출기에서 출력되는 전기신호의 감도가 기준점의 흐름으로 인하여 현격히 줄어드는 현상을 방지할 수 있다는 것이다.Disclosed are a device for improving reception sensitivity of an optical fiber sensor for detecting a change in birefringence of an optical fiber and a change in polarization of traveling light in the optical fiber, and a monitoring system for detecting an abnormal state such as a sudden change in the environment using the optical fiber sensor. The biggest feature of the present invention is that the photodetector is divided into beams of the first polarization and the second polarization that are orthogonal to each other by the polarization beam splitter, and the signal detection is performed separately so as to have a maximum sensitivity to them. It is possible to prevent the phenomenon that the sensitivity of the electrical signal output from the sharp decrease due to the flow of the reference point.
편광, 빔, 분할기, 모니터링, 수신감도, 광섬유, 센서Polarization, beam, splitter, monitoring, sensitivity, fiber optic, sensor
Description
도 1은 종래기술인 한국 특허출원 제2001-81444호에 개시된 모니터링 시스템의 원리를 나타내는 구성도;1 is a block diagram showing the principle of the monitoring system disclosed in the prior art Korea Patent Application No. 2001-81444;
도 2는 도 1의 모니터링 시스템의 광검출기에서 측정되는 전기신호의 감도가 기준점(offset point)의 흐름(drift)으로 인하여 현격히 줄어드는 현상을 설명하기 위한 도면;FIG. 2 is a view for explaining a phenomenon in which the sensitivity of an electrical signal measured in the photodetector of the monitoring system of FIG. 1 is significantly reduced due to a drift of an offset point;
도 3은 본 발명의 광섬유 센서의 수신감도 향상장치를 개략적으로 나타내는 구성도; 및Figure 3 is a schematic view showing a reception sensitivity improving device of the optical fiber sensor of the present invention; And
도 4는 본 발명의 광섬유 센서의 수신감도 향상장치를 이용한 모니터링 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.Figure 4 is a schematic diagram showing a monitoring system using a reception sensitivity improving device of the optical fiber sensor of the present invention.
본 발명은 광섬유 센서의 수신감도 향상장치 및 이를 이용한 모니터링 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광섬유의 복굴절(birefringence)변화 및 이에 따른 광섬유 내의 진행광의 편광변화를 감지하는 광섬유 센서의 수신감도를 향상시키는 장치 및 이를 이용하여 환경의 급격한 변화 등의 이상 상태를 감지하는 모니터링 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for improving reception sensitivity of an optical fiber sensor and a monitoring system using the same, and more particularly, to improve reception sensitivity of an optical fiber sensor for detecting a change in birefringence of an optical fiber and a change in polarization of traveling light in the optical fiber. The present invention relates to an apparatus and a monitoring system that detects an abnormal state such as a sudden change of environment by using the same.
지금까지, 온도나 스트레인을 측정하기 위한 다양한 광섬유 센서장치가 개발되어 왔다. 그 중에서, 미국특허 제5,499,313호는 단지 주변 온도만을 감지하여 이를 알려주는 기술을 개시하고 있으며, 미국특허 제5,636,021호는 사냑/마이켈슨(Sagnac/Michelson) 간섭계를 이용한 스트레인 센서(strain sensor)로 구성된 모니터링 장치를 개시하고 있다. 특히, 미국특허 제5,636,021호의 모니터링 장치는, 환경변화의 영향이 반영되지 않은 기준광과 환경변화의 영향을 반영하는 광을 서로 간섭시킴으로써 변화가 일어난 지점과 그 크기를 알아내도록 하고 있다. 그런데, 이와 같은 기술은, 온도나 스트레인 등의 분포를 매우 정밀하게 측정하기 때문에 장치의 구조가 복잡하고 그 비용도 상당히 비싸 환경의 급격한 변화만을 감지하는 데에는 그리 적합하지 못한 문제점이 있었다.Until now, various optical fiber sensor devices for measuring temperature or strain have been developed. Among them, U.S. Patent No. 5,499,313 discloses a technique for detecting only the ambient temperature, and U.S. Patent No. 5,636,021 consists of a strain sensor using a Sagnac / Michelson interferometer. The monitoring device is disclosed. In particular, the monitoring device of US Pat. No. 5,636,021 interfers with the reference light, which does not reflect the influence of environmental change, and the light reflecting the influence of environmental change, to find out the point where the change occurred and its size. However, such a technique has a problem that it is not suitable for detecting a sudden change in the environment because the structure of the device is complicated and its cost is very expensive because the distribution of temperature or strain is measured very precisely.
따라서 이러한 문제점을 개선하기 위해, 본 발명의 발명자들 중의 일부는, 감시하고자 하는 구간에서의 급격한 환경변화, 예컨대 강풍이나 화재 등으로 인한 온도변화 등 급격한 환경변화가 야기되었을 때 이를 감지하여 모니터링할 수 있으면서 유지 및 보수도 비교적 간편하고, 구조 또한 단순하여 경제적인 효과가 큰 광섬유의 복굴절 변화를 이용한 환경모니터링 시스템을 개발하여 한국 특허출원 제2001-81444호로 출원한 바 있다.Therefore, in order to improve such a problem, some of the inventors of the present invention can detect and monitor when a sudden environmental change, such as a temperature change caused by a strong wind or a fire, occurs in the section to be monitored. While maintaining and repairing is relatively simple, and the structure is simple and economical effect, the environmental monitoring system using the birefringence change of the optical fiber has been developed and filed with Korean Patent Application No. 2001-81444.
도 1은 종래기술인 한국 특허출원 제2001-81444호에 개시된 모니터링 시스템의 원리를 나타내는 구성도이다. 도 1을 참조하면, 광원(10)으로부터 나온 선편광된 광이 광섬유(20)를 따라 진행한 후에, 편광자(polarizer; 30)를 거쳐 광검출기(40)에서 전기신호로 변환된다. 그런데, 이 과정에서, 광섬유(20)의 주변의 온도가 급격히 변하거나 광섬유(20)에 외풍이나 외력에 의해 흔들림이 발생하게 되면 편광자를 통과한 광의 세기가 변화하게 되고, 이에 따라 광검출기(40)에서 출력되는 전기신호의 크기가 변하게 된다. 이러한 신호의 변화를 신호처리부(Signal Processing Unit; 50)에서 해석하여 광섬유(20)가 있는 구간 내의 환경상태를 감시할 수 있도록 되어 있다. 즉, 온도나 진동 등의 각종 매개변수의 급격한 변화가 광섬유(20) 내부의 복굴절(birefringence)을 변화시키고 이것이 다시 그 광섬유(20) 내부를 통과하는 광의 편광을 변화시키게 되는 것이다. 이 모니터링 시스템은, 외부 환경의 매개변수를 정량적으로 정확히 측정하는 것을 목적으로 하지 않기 때문에, 광을 수신하는 쪽에 간단한 편광자(30)와 광검출기(40)만을 이용하는 것으로도 충분하다.1 is a block diagram showing the principle of the monitoring system disclosed in the prior art Korean Patent Application No. 2001-81444. Referring to FIG. 1, after linearly polarized light from the
그런데, 이와 같은 구성을 갖는 모니터링 시스템에서는 편광자(30)를 거쳐 광검출기(40)에서 출력되는 전기신호의 감도가, 기준점(offset point)의 흐름(drift)으로 인하여, 현격히 줄어드는 현상, 즉 시그널 패이딩(signal fading) 현상이 발생할 수 있다. 도 2는 이와 같은 현상을 설명하기 위한 도면이다. 도 2에서, Pi는 도 1의 광섬유(20)를 통과한 광의 강도이며, Po는 편광자(30)를 통과한 후의 광의 강도이며, θ는 편광자(30)에 입사하기 전의 광과 편광자(30)의 편광축들 사이의 각도이다. 여기서, 편광자(30)를 통과한 광의 강도 Po는 아래의 수학식 1의 관계를 만족시킨다.By the way, in the monitoring system having such a configuration, the sensitivity of the electrical signal output from the
도 2를 참조하면, 각도 θ에 따라 출력되는 광의 강도의 변화폭이 다르게 되는데, θ가 π/4, 3π/4 부근의 값을 갖고 입사광의 강도가 소정의 폭(C)으로 변화할 경우의 출력광의 강도의 변화폭(A)은, 동일한 조건에서 θ가 π/2, π 부근의 값을 갖는 경우의 출력광의 강도의 변화폭(B)에 비해 매우 크다는 것을 알 수 있다. 즉, θ가 π/2, π 부근의 값을 갖는 경우에는 출력광의 강도의 변화폭이 매우 작으므로 전기신호의 감도가 현격히 줄어들게 된다. 따라서 광검출기(40)에서 출력되는 전기신호의 감도를 높일 수 있도록, 편광자(30)에 입사하기 전의 광과 편광자(30)의 편광축들 사이의 각도인 θ를 조절하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 2, the variation in the intensity of the light output varies according to the angle θ, which is output when θ has values of π / 4 and 3π / 4 and the intensity of incident light changes to a predetermined width C. It can be seen that the change width A of the intensity of light is very large compared to the change width B of the intensity of the output light when θ has a value of π / 2 and π vicinity under the same conditions. That is, when θ has a value near π / 2 and π, the change in intensity of the output light is very small, so that the sensitivity of the electric signal is significantly reduced. Therefore, in order to increase the sensitivity of the electrical signal output from the
이를 위해, 도 1의 편광자(30)의 앞단에 편광조절기(polarization controller)를 설치하여 편광자(30)에 들어가는 광의 편광을 최대 감도가 나오도록 조절하는 방안도 고려해 볼 수 있다. 그러나 이 경우에는 피드백(feedback)을 통해 지속적으로 편광자(30)를 조절하는 기계적인 장치가 추가되어야 하므로 시스템이 매우 복잡해진다. 또한, 항상 좋은 감도가 나오도록 편광조절기를 조절하는 알고리듬의 구현도 그리 간단한 문제는 아니다.To this end, by installing a polarization controller (polarization controller) in front of the
따라서 본 발명의 기술적 과제는, 광섬유를 진행하는 광의 편광변화를 감지하는 센서를 이용함에 있어서, 기준점의 흐름으로 인하여 신호의 감도가 현격히 줄어드는 현상을 방지하되, 구성부품을 항상 조절해야 할 필요성이 없는, 광섬유 센서의 수신감도 향상장치 및 이를 이용한 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.
Therefore, the technical problem of the present invention, in using a sensor for detecting the polarization change of the light traveling through the optical fiber, to prevent the phenomenon of the signal sensitivity is significantly reduced due to the flow of the reference point, there is no need to always adjust the components In addition, the present invention provides an apparatus for improving reception sensitivity of a fiber optic sensor and a monitoring system using the same.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 광섬유 센서의 수신감도 향상장치는, 광섬유를 진행하는 광의 편광변화를 감지하는 광섬유 센서에 적용되어 그 수신감도를 향상시키는 것으로서,Receiving sensitivity improving apparatus of the optical fiber sensor of the present invention for solving the above technical problem, is applied to the optical fiber sensor for detecting the polarization change of the light traveling through the optical fiber, and improves the receiving sensitivity,
상기 광섬유를 통과하여 편광변화를 일으킨 광을 받아들여, 직선편광이면서 서로 직교하는 제1 편광 및 제2 편광의 빔들로 나누는 편광 빔 분할기 (Polarization Beam Splitter; PBS)와;A polarization beam splitter (PBS) for receiving light that has undergone polarization change through the optical fiber and dividing the light into linearly orthogonal first and second polarized beams;
상기 제1 편광 빔을 통과시키되, 상기 제1 편광 빔의 편광축과 45도의 각을 이루는 제1 편광자와;A first polarizer passing through the first polarization beam and forming an angle of 45 degrees with a polarization axis of the first polarization beam;
상기 제2 편광 빔을 통과시키되, 상기 제2 편광 빔의 편광축과 45도의 각을 이루는 제2 편광자;A second polarizer passing through the second polarization beam and forming an angle of 45 degrees with a polarization axis of the second polarization beam;
를 구비하는 것을 특징으로 한다.Characterized in having a.
또한, 상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 모니터링 시스템은, 광섬유를 진행하는 광의 편광변화를 감지하여 주변 환경을 모니터링하는 것으로서,In addition, the monitoring system of the present invention for solving the above technical problem, as detecting the polarization change of the light traveling through the optical fiber to monitor the surrounding environment,
광원과;A light source;
상기 광원에서 나온 광을 통과시키며, 환경변화에 따른 편광변화를 유발하는 광섬유와;An optical fiber passing through the light emitted from the light source and causing a polarization change according to an environment change;
상기 광섬유를 통과하여 편광변화를 일으킨 광을 받아들여, 직선편광이면서 서로 직교하는 제1 편광 및 제2 편광의 빔들로 나누는 편광 빔 분할기와;A polarization beam splitter which receives the light that has undergone polarization change through the optical fiber and divides the first polarized light into the first polarized light and the second polarized light beams which are linearly orthogonal to each other;
상기 제1 편광 빔을 통과시키되, 상기 제1 편광 빔의 편광축과 45도의 각을 이루는 제1 편광자와;A first polarizer passing through the first polarization beam and forming an angle of 45 degrees with a polarization axis of the first polarization beam;
상기 제2 편광 빔을 통과시키되, 상기 제2 편광 빔의 편광축과 45도의 각을 이루는 제2 편광자와;A second polarizer passing through the second polarization beam and forming an angle of 45 degrees with a polarization axis of the second polarization beam;
상기 제1 및 제2 편광자들을 각각 통과한 광의 파워를 전기신호를 바꾸는 제1 및 제2 광검출기;First and second photodetectors for changing an electrical signal of power of light passing through the first and second polarizers, respectively;
상기 제1 및 제2 광검출기에서 변환된 전기신호들을 처리하는 신호처리수단;Signal processing means for processing the electrical signals converted by the first and second photodetectors;
을 구비하는 것을 특징으로 한다. It characterized by having a.
또한, 상기 광원에서 나온 광이 광원방향으로 후방산란하여 이 광원에 다시 입사하는 것을 차단하기 위해, 상기 광원에 이어 추가적으로 광 분리기를 구비하여도 좋다.In addition, in order to block the light emitted from the light source from backscattering toward the light source and re-entering the light source, a light separator may be additionally provided after the light source.
또한, 상기 신호처리수단이, 원격지에 있는 감시자에게 모니터링 상황을 실시간으로 알려줄 수 있도록 하는 원격 통신수단을 추가적으로 구비하여도 좋다.In addition, the signal processing means may further include a remote communication means for informing the monitor at the remote location in real time of the monitoring situation.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다. 도 면에서 동일 참조번호는 동일한 구성요소를 나타내며, 이에 대한 중복적인 설명은 생략한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a preferred embodiment of the present invention. In the drawings, the same reference numerals denote the same components, and redundant description thereof will be omitted.
도 3은 본 발명의 광섬유 센서의 수신감도 향상장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다. 도 3을 참조하면, 편광변화를 유발하는 광섬유를 진행한 후의 통과광(Pi)이, 편광 빔 분할기(300)에 입사된다. 편광 빔 분할기(300)는 이 광을 직선편광이면서 서로 직교하는 제1 편광의 빔과 제2 편광의 빔으로 나눈다. 이어서, 제1 편광 빔은 제1 편광빔의 편광축과 45도의 각을 이루는 제1 편광자(30a)를 거치며, 제2 편광 빔은 미러(310)에 의해 광로를 변경한 상태에서 제2 편광 빔의 편광축과 45도의 각을 이루는 제2 편광자(30b)를 각각 거친다. 제1 편광자(30a) 및 제2 편광자(30b)를 통과한 빔들은 각각 제1 및 제2 광검출기들(40a, 40b)에 의해 그 파워가 전기신호로 변환된다.3 is a configuration diagram schematically showing an apparatus for improving reception sensitivity of an optical fiber sensor according to the present invention. Referring to FIG. 3, the passing light Pi after the optical fiber causing the change in polarization is incident on the
도 3에 도시한 바와 같이 광섬유 센서의 수신감도 향상장치를 구성하면, 광섬유를 진행한 후의 통과광(Pi)이 제1 편광만으로 이루어져 있을 경우, 이는 편광 빔 분할기(300)를 거친 후, 제1 편광자(30a) 쪽으로만 진행하게 되고, 제2 편광자(30b) 쪽으로 진행하는 광은 없게 된다. 그런데, 직선 편광의 제1 편광 빔의 편광축이 제1 편광자(30a)와 45도의 각도를 이루기 때문에 제1 광검출기(40a)에서 최대의 감도로 신호의 수신이 이루어지게 된다. 광섬유를 진행한 후의 통과광(Pi)이 제2 편광만으로 이루어져 있을 경우, 이는 편광 빔 분할기(300)를 거친 후, 제2 편광자(30b) 쪽으로만 진행하게 되고, 제1 편광자(30a) 쪽으로 진행하는 광은 없게 된다. 여기서도, 직선 편광의 제2 편광 빔의 편광축이 제2 편광자(30b)와 45도의 각도를 이루기 때문에 제2 광검출기(40b)에서 최대의 감도로 신호의 수신이 이루어지게 된다. 한편, 광섬유를 진행한 후의 통과광(Pi)이 제1 편광과 제2 편광이 섞인 상태로 되어 있을 경우, 이는 편광 빔 분할기(300)를 거친 후, 제1 편광상태의 빔은 제1 편광자(30a) 쪽으로, 제2 편광상태의 빔은 제2 편광자(30b) 쪽으로 각각 진행하게 된다. 이 때는, 제1 및 제2 광검출기들(40a 40b)에서 각각 최대의 감도로 신호의 수신이 이루어지게 된다.As shown in FIG. 3, when the reception sensitivity improving apparatus of the optical fiber sensor is configured, when the passing light Pi after the optical fiber is composed of only the first polarized light, the first light passes through the
따라서 광섬유를 진행한 후의 통과광(Pi)이 어떤 편광상태를 갖는지에 무관하게 항상 최대의 감도로 신호의 수신을 할 수 있으므로, 결국 광섬유 센서의 수신감도를 향상시킬 수 있게 된다.Therefore, regardless of what polarization state the passing light Pi undergoes the optical fiber, the signal can be always received at the maximum sensitivity, so that the reception sensitivity of the optical fiber sensor can be improved.
한편, 위에 설명된 편광 빔 분할기(300)로서 그 입력단과 출력단이 광섬유로 피그테일된(pigtailed) 것을 사용할 수 있다. 그런데, 출력단 광섬유가 너무 길 경우 제1 편광자(30a) 또는 제2 편광자(30b)에 입사되는 광에 대해 광섬유에 의해 유발된 편광변화가 발생할 수 있으므로, 출력단 광섬유로서 그 길이가 충분히 짧거나, 편광유지 광섬유(Polarization Maintaining Fiber) 등과 같이 편광변화를 억제할 수 있는 광섬유를 사용하는 것이 바람직하다.On the other hand, as the
종래기술인 한국 특허출원 제2001-81444호와 비교할 경우, 명백한 차이점은 종래기술에서는 광섬유를 진행한 후의 통과광(Pi)이 편광자에 직접 입사되기 때문에, 광섬유를 진행한 후의 통과광(Pi)의 편광상태에 따라 신호감도가 떨어지는 현상이 발생하는 문제점이 있었으나, 본 발명에서는 편광 빔 분할기(300)에 의해 결정된 편광상태를 갖는 광이 편광자에 입사되므로 신호감도를 높일 수 있다는 것이 다.Compared with the prior art Korean Patent Application No. 2001-81444, the obvious difference is that in the prior art, since the passing light Pi is directly incident on the polarizer, the polarization of the passing light Pi after the optical fiber is advanced. In the present invention, there is a problem in that the signal sensitivity decreases depending on the state, but in the present invention, since the light having the polarization state determined by the
도 4는 본 발명의 광섬유 센서의 수신감도 향상장치를 이용한 모니터링 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다. 본 모니터링 시스템은, 송전철탑들(90, 91) 사이에 설치되어 광섬유(20)에 가해지는 급격한 환경변화를 모니터링하기 위한 것이다. 도 4를 참조하면, 모니터링 시스템은 크게 광송신부(80), 광섬유(20), 광수신/신호처리부(81)로 구성되어, 광송신부(80)에서 나온 광이 광섬유(20)를 거쳐, 광수신/신호처리부(81)로 전달된다. 광송신부(80)는 선편광된 광을 내보내는 역할을 수행하는데, 이에 포함된 광원(10)은 선편광된 광을 출력하는 레이저 다이오드 등을 채용할 수 있다. 또는, LED와 같이 넓은 스펙트럼을 가지는 편광되지 않은 광을 출력하는 광원에 파장필터 및 편광소자를 조합하여 사용할 수도 있다. 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. 이는 레이저에서 나간 광이 다시 레이저로 들어오게 되면 레이저의 동작이 불안정해지는 경우가 많기 때문이다.Figure 4 is a schematic diagram showing a monitoring system using a reception sensitivity improving device of the optical fiber sensor of the present invention. The present monitoring system is installed between the transmission towers 90 and 91 to monitor a sudden environmental change applied to the
한편, 광송신부(80)에서 출발한 광은 광섬유(20)를 따라 복합가공지선 내의 광섬유(20)를 통해 전달된다. 따라서 광섬유(20)가 가설된 송전철탑(90,91)사이에 급격한 환경변화가 생기면 이 구간을 진행하는 광의 편광도 크게 변화하게 되는데, 송전철탑(91)에 도달하는 광은 광섬유(20)를 따라서 광을 검출하고 신호를 해석하는 광수신/신호처리부(81)로 들어가게 된다. 이 이후의 광수신/신호처리부(81)의 동작은 도 3의 설명을 통해 자세히 개시하였으므로 중복적인 설명은 피하기로 한 다. 결국, 본 발명의 모니터링 시스템은 앞서 설명된 광섬유 센서의 수신감도 향상장치를 채용함으로써, 편광자에 입사되는 광의 편광축과 편광자의 각도가 맞지 않을 경우에 발생하는 출력 전기신호의 감도의 현저한 감소현상이 발생되지 않고, 높은 수신감도를 나타내게 된다. 도면에는 도시되지 않았지만, 광원(10)과, 광검출기들(40a, 40b) 및, 신호처리부(50)에 전력을 공급하는 전원은 별도로 있으며, 신호처리부(50)에는 통신수단(320)이 마련되어 송신철탑(90,91) 구간의 환경상황을 원격 감시자에게 알릴 수 있도록 되어 있다.On the other hand, the light from the
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 기준점의 흐름으로 인하여 신호의 감도가 현격히 줄어드는 현상을 방지하되, 구성부품을 수시로 조절해야 할 필요성이 없기 때문에 간단하면서도 저렴한 비용으로 광섬유 센서의 수신감도를 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 손쉽게 환경 모니터링을 행할 수 있다.As described above, according to the present invention, the signal sensitivity is significantly reduced due to the flow of the reference point, but since the components do not need to be adjusted at any time, the reception sensitivity of the optical fiber sensor can be improved at a simple and low cost. In addition, environmental monitoring can be easily performed.
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