KR100943710B1 - Multiplexing Fiber Optic Bragg Grating Sensing System and the Method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중화 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 동일한 브래그 파장을 갖는 다수의 브래그 격자를 각 브래그 파장별로 그룹을 형성하여 광섬유 브래그 격자에 형성하고, 파장가변 레이저광을 연속으로 조사함으로써, 시간 영역에 따라 달라지는 레이저광의 각 파장 영역에서 반응하는 동일한 브래그 파장을 갖는 다수의 브래그 격자로부터 반사광을 얻을 수 있기 때문에, 1개의 광섬유에 수십~수백개의 브래그 격자를 설치할 수 있는 다중화 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 이를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명에 따르는 다중화 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템은, 파장가변 레이저(10); 광섬유 브래그 격자 어레이(100); 파장가변 레이저(10)로부터 생성된 광을 펄스광으로 변조시켜 주는 펄스광 변조기(20); 입사된 펄스광을 광섬유 브래그 격자 어레이(100)에 입사시켜 반사되는 광이 있는 경우, 반사파를 얻는 광섬유 연결수단(30); 반사파로부터 파장의 변화를 검출하는 검출수단(40); 및 광의 파장 및 펄스광을 시간별로 동기화시켜 제어하는 제어기(50);를 포함하여 이루어지며, 제어기(50)는 파장가변 레이저(10)의 주기적인 파장 제어와, 펄스광 변조기(20)의 제어와, 광섬유 연결수단(30)을 통과한 이후의 시간영역 반사신호를 수집하는 시간을 동기화하여 파장의 변화를 검출하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a multiplexed optical fiber Bragg grating sensing system and a method thereof, by forming a plurality of Bragg gratings having the same Bragg wavelength in the optical fiber Bragg grating by forming a group for each Bragg wavelength, by continuously irradiating a wavelength-variable laser light Multiplexed fiber Bragg grating sensing, which can install dozens to hundreds of Bragg gratings in one optical fiber, because the reflected light can be obtained from multiple Bragg gratings having the same Bragg wavelength reacting in each wavelength region of laser light that varies with time domain It is an object of the present invention to provide a system and a method thereof. As a means for solving this problem, the multiplexed optical fiber Bragg grating sensing system according to the present invention comprises: a wavelength tunable laser 10; Optical fiber Bragg grating array 100; A pulsed light modulator 20 for modulating the light generated from the wavelength tunable laser 10 into pulsed light; Optical fiber connecting means 30 for obtaining the reflected wave when the incident pulsed light is incident on the optical fiber Bragg grating array 100 and reflected; Detection means (40) for detecting a change in wavelength from the reflected wave; And a controller 50 for controlling the wavelength of the light and the pulsed light by synchronizing with time. The controller 50 includes periodic wavelength control of the wavelength tunable laser 10 and control of the pulsed light modulator 20. And synchronizing the time for collecting the time-domain reflected signal after passing through the optical fiber connecting means 30 to detect a change in wavelength.

파장 가변 레이저, 광전변조기, 광섬유 브래그 격자 Tunable Laser, Photoelectric Modulator, Fiber Bragg Grating

Description

다중화 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템 및 그 방법{Multiplexing Fiber Optic Bragg Grating Sensing System and the Method thereof}Multiplexed Fiber Optic Bragg Grating Sensing System and the Method

본 발명은 다중화 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 구조물의 온도 및 변형률을 모니터링하기 위하여 하나의 광섬유에 브래그 격자 센서 헤드를 수백 개 이상 설치할 수 있는 다중화 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a multiplexed optical fiber Bragg grating sensing system and method thereof, and more particularly, to a multiplexed optical fiber Bragg grating sensing system and method for installing hundreds of Bragg grating sensor heads in one optical fiber for monitoring the temperature and strain of a structure. It is about.

최근 들어서 교량이나 댐과 같은 토목 건축물이나 고층 빌딩 등의 일반 건축물의 상태라든가 안정성을 모니터링하는 방법으로, 적은 비용을 들여 이러한 건축물들을 검사할 수 있는 광섬유를 이용한 센서를 적용한 시스템이 각광을 받고 있다.Recently, as a method of monitoring the state of general buildings such as bridges and dams or general buildings such as high-rise buildings and stability, a system using a sensor using an optical fiber that can inspect such buildings at a low cost has been in the spotlight.

특히, 다양한 센서 중에서도 온도라든가 변형률 또는 압력 등의 변화에 대하여 거의 선형적으로 변하는 특성을 가진 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다.In particular, many studies have been conducted on the optical fiber Bragg grating sensing system having a characteristic that changes substantially linearly with respect to changes in temperature, strain or pressure, among various sensors.

도 1은 종래의 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템의 일예를 보여준다.1 shows an example of a conventional optical fiber Bragg grating sensing system.

종래의 브래그 격자 센싱 시스템은, 각각 다른 파장을 검출하는 n개의 브래 그 격자(110)가 1개의 광섬유에 형성된 광섬유 브래그 격자 어레이(100)와, 광대역 광을 생성하는 광대역광원(200)과, 광대역 광을 조사받아 상기 광섬유 브래그 격자 어레이(100)에 조사하여 반사되는 파장을 검출하는 광섬유연계기(2x2 커플러,300)와, 반사광으로부터 파장을 검출하는 파장검출기(500)와, 검출된 파장을 처리하는 신호처리기(600)와, 이들 요소들을 제어하는 제어기(400)를 포함하여 이루어진다.The conventional Bragg grating sensing system includes an optical fiber Bragg grating array 100 in which n Bragg gratings 110 detecting different wavelengths are formed on one optical fiber, a broadband light source 200 for generating broadband light, and a broadband An optical fiber linker (2x2 coupler, 300) for detecting the reflected light by irradiating the optical fiber Bragg grating array (100) upon irradiation with light, a wavelength detector (500) for detecting the wavelength from the reflected light, and processing the detected wavelength Signal processor 600 and controller 400 for controlling these elements.

종래의 브래그 격자 센싱 시스템은, 제어기(400)의 제어로 광대역 광을 광섬유 연계기(300)에 조사하게 된다. 도 2a는 광대역 광의 파장 스펙트럼의 일예를 보여준다.The conventional Bragg grating sensing system irradiates the optical fiber linker 300 with broadband light under the control of the controller 400. 2A shows an example of the wavelength spectrum of broadband light.

광섬유 연계기(300)는 입사된 광대역 광을 광섬유 브래그 격자 어레이(100)에 조사하여 그 반사광을 얻게 된다. 반사광은 파장검출기(500)에 입사되고, 파장검출기(500)는 도 2b에서 도시한 바와 같이 반사광의 파장(λ1~λn)을 얻게 된다.The optical fiber linker 300 irradiates the incident broadband light to the optical fiber Bragg grating array 100 to obtain the reflected light. The reflected light is incident on the wavelength detector 500, and the wavelength detector 500 obtains the wavelengths λ1 to λn of the reflected light as shown in FIG. 2B.

이렇게 얻은 파장 변화량을 사용하여 신호처리기(600)에 의해 측정하고자 하는 변형률이라든가 온도와 같은 물리량을 결정하게 된다.The wavelength change amount thus obtained is used to determine a physical quantity such as strain or temperature to be measured by the signal processor 600.

그러나, 종래의 광섬유 브래그 격자 시스템은 다음과 같은 문제가 있다.However, the conventional optical fiber Bragg grating system has the following problems.

1) 광대역 광의 파장 범위 안에서만 센서(격자)를 설치해야 하기 때문에 센서의 설치 갯수에 한계가 있다. 예를 들어, 광대역 광원의 파장 범위가 40nm인 경우, 일반적으로 변형률을 측정할 때의 센서가 작동하는 파장의 범위가 약 4 nm이기 때문에 하나의 광섬유 라인에 약 10개의 브래그 격자밖에 설치할 수 없게 된다.1) The number of sensors installed is limited because the sensor (lattice) must be installed only within the wavelength range of broadband light. For example, when the wavelength range of a broadband light source is 40 nm, only about 10 Bragg gratings can be installed on one optical fiber line because the wavelength range of the sensor operating when measuring strain is generally about 4 nm. .

2) 기존의 방법에서는 한 라인에 10개 정도의 브래그 격자를 설치할 수 없기 때문에, 다중화를 하기 위해서는 감지용 광섬유 라인을 여러 가닥 사용해야 한다.2) In the conventional method, about 10 Bragg gratings cannot be installed in one line, so multiplexing of sensing fiber lines is required for multiplexing.

3) 또한, 반사광으로부터 파장을 검출하기 위해서는 고가의 파장 검출기를 이용해야 한다.3) In addition, an expensive wavelength detector must be used to detect the wavelength from the reflected light.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로, 동일한 브래그 파장을 갖는 다수의 브래그 격자를 각 브래그 파장별로 그룹을 형성하여 광섬유 브래그 격자에 형성하고, 파장가변 레이저광을 연속으로 조사함으로써, 시간 영역에 따라 달라지는 레이저광의 각 파장 영역에서 반응하는 동일한 브래그 파장을 갖는 다수의 브래그 격자로부터 반사광을 얻을 수 있기 때문에, 1개의 광섬유에 수십~수백개의 브래그 격자를 설치할 수 있는 다중화 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of this point, and a plurality of Bragg gratings having the same Bragg wavelength are formed in the optical fiber Bragg grating by forming a group for each Bragg wavelength, and continuously irradiating the wavelength-variable laser light to the time domain. Multiplexed optical fiber Bragg grating sensing system and method capable of installing dozens to hundreds of Bragg gratings in one optical fiber because the reflected light can be obtained from a plurality of Bragg gratings having the same Bragg wavelength reacting in each wavelength region of the laser light depending on The purpose is to provide.

이를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명에 따르는 다중화 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템은,As a means for solving this problem, the multiplexed optical fiber Bragg grating sensing system according to the present invention,

파장가변 레이저(10);Wavelength tunable laser 10;

광섬유 브래그 격자 어레이(100);Optical fiber Bragg grating array 100;

파장가변 레이저(10)로부터 생성된 광을 펄스광으로 변조시켜 주는 펄스광 변조기(20);A pulsed light modulator 20 for modulating the light generated from the wavelength tunable laser 10 into pulsed light;

입사된 펄스광을 광섬유 브래그 격자 어레이(100)에 입사시켜 반사되는 광이 있는 경우, 반사파를 얻는 광섬유 연결수단(30);Optical fiber connecting means 30 for obtaining the reflected wave when the incident pulsed light is incident on the optical fiber Bragg grating array 100 and reflected;

반사파로부터 파장의 변화를 검출하는 검출수단(40); 및Detection means (40) for detecting a change in wavelength from the reflected wave; And

광의 파장 및 펄스광을 시간별로 동기화시켜 제어하는 제어기(50);를 포함하 여 이루어지며,It comprises a; controller 50 for controlling by synchronizing the wavelength and pulsed light of light by time,

제어기(50)는 파장가변 레이저(10)의 주기적인 파장 제어와, 펄스광 변조기(20)의 제어와, 광섬유 연결수단(30)을 통과한 이후의 시간영역 반사신호를 수집하는 시간을 동기화하여 파장의 변화를 검출하는 것을 특징으로 한다.The controller 50 synchronizes the periodic wavelength control of the wavelength tunable laser 10, the control of the pulsed light modulator 20, and the time for collecting the time-domain reflected signal after passing through the optical fiber connecting means 30. It is characterized by detecting a change in wavelength.

또한, 파장가변 레이저(10)는 파장의 선폭이 0.5nm이하인 빛을 1540nm~1560nm로 가변되고, 파위가 2mW인 것을 특징으로 한다. 또한, 파장가변 레이저(10)는 파장 선폭 0.5 nm 이하의 통신용 레이저 다이오드를 이용한 파장 가변 레이저를 비롯하여 티타늄 사파이어 레이저, Cr:fosterite 레이저, 파장이동 광섬유레이저 또는 Co:MgF2 레이저인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다. 또한, 파장가변 레이저(10)는 연속발진파를 생성하는 것을 특징으로 한다.In addition, the wavelength tunable laser 10 is characterized in that the line width of the wavelength is 0.5nm or less variable from 1540nm to 1560nm, the wave is 2mW. In addition, the wavelength tunable laser 10 is a titanium sapphire laser, Cr: fosterite laser, wavelength shifting fiber laser or Co: MgF2 laser, including a wavelength tunable laser using a communication laser diode having a wavelength line width of 0.5 nm or less. It is done. In addition, the wavelength tunable laser 10 is characterized by generating a continuous oscillation wave.

또한, 펄스광 변조기(20)는 파장가변 레이저(10)로부터 생성된 광을 전기신호로 변환시켜 주는 광전변조기(21)를 더 포함하여 이루어지며, 펄스폭이 8~12ns인 펄스광을 생성하는 것을 특징으로 한다.In addition, the pulsed light modulator 20 further includes a photoelectric modulator 21 for converting light generated from the wavelength tunable laser 10 into an electric signal, and generates pulsed light having a pulse width of 8 to 12 ns. It is characterized by.

또한, 광섬유 연결수단(30)은 광섬유 서큘레이터 또는 3방향 신호분기 회로소자인 것을 특징으로 한다.In addition, the optical fiber connecting means 30 is characterized in that the optical fiber circulator or three-way signal branch circuit element.

또한, 검출수단(40)은 광섬유 연결수단(30)으로부터 광을 수신받는 광수신기(41); 및 수신된 광신호를 처리하는 신호처리기(42);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the detecting means 40 includes an optical receiver 41 for receiving light from the optical fiber connecting means 30; And a signal processor 42 for processing the received optical signal.

또한, 검출수단(40)은 수신된 광신호로부터 파장의 변화를 통해 가해진 물리량(변형률 또는 온도)을 산출하는 것을 특징으로 한다.In addition, the detection means 40 is characterized by calculating the physical quantity (strain or temperature) applied through the change of the wavelength from the received optical signal.

또한, 제어기(50)는 파장분할방식과 시간분할방식을 병행하여 제어하는 것을 특징으로 한다.In addition, the controller 50 may control the wavelength division method and the time division method in parallel.

또한, 제어기(50)는 파장가변 레이저(10)의 전체 출력을 균등하게 분할하여 광섬유 브래그 격자 어레이(100)의 반사율이 일정하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.In addition, the controller 50 may be configured to control the reflectance of the optical fiber Bragg grating array 100 to be uniform by dividing the entire output of the wavelength tunable laser 10 evenly.

또한, 광섬유 브래그 격자 어레이(100)는 감지하고자 하는 광섬유에 격자가 시간영역에서 구별할 수 있도록 동일한 브래그 파장별로 그룹지어 광섬유에 새겨지고 위치하도록 설치한 것을 특징으로 한다.In addition, the optical fiber Bragg grating array 100 is characterized in that the grating is installed on the optical fiber to be grouped by the same Bragg wavelength inscribed and positioned in the optical fiber to be distinguished in the time domain.

한편, 본 발명에 따르는 다중화 광섬유 브래그 격자 센싱방법은,On the other hand, the multiplexed optical fiber Bragg grating sensing method according to the present invention,

연속파인 파장가변 레이저의 파장의 세기를 설정하는 단계(S100);Setting an intensity of a wavelength of the wavelength tunable laser which is a continuous wave (S100);

파장가변 레이저를 펄스광으로 변조시키는 단계(S200);Modulating the wavelength tunable laser into pulsed light (S200);

펄스광을 광섬유 브래그 격자 어레이(100)에 조사하고, 반사파가 있는 경우 그 반사파를 취득하는 단계(S300);Irradiating the pulsed light onto the optical fiber Bragg grating array 100 and acquiring the reflected wave when the reflected wave is present (S300);

반사파가 최종 파장인가를 판단하는 단계(S400);Determining whether the reflected wave is the final wavelength (S400);

반사파가 최종 파장으로 판단되면, 반사파인 브래그 격자 어레이의 브래그 파장의 변화를 검출하는 검출단계(S500);를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.If the reflected wave is determined as the final wavelength, the detection step (S500) of detecting the change in the Bragg wavelength of the Bragg grating array that is the reflected wave; characterized in that it comprises a.

또한, 파장의 세기 설정단계(S100)는 파장의 선폭이 0.5nm이하인 빛을 1540nm~1560nm로 가변시켜 주고, 파위가 2mW인 것을 특징으로 한다.In addition, the step of setting the intensity of the wavelength (S100) is characterized in that the line width of the wavelength is 0.5nm or less variable to 1540nm ~ 1560nm, the wave is 2mW.

또한, 판단단계(S400)는 반사파가 최종 파장이 아닌 경우, 세기 결정단 계(S100)~취득단계(S300)를 반복하여 반사파가 최종 파장일 때까지 반복하는 것을 특징으로 한다.In addition, when the reflected wave is not the final wavelength, the determining step S400 may be repeated until the reflected wave is the final wavelength by repeating the intensity determining step S100 to acquiring the step S300.

또한, 검출단계(S500)는 브래그 격자 어레이의 브래그 파장을 결정하고 그 이동량을 계산하여 물리량 환산계수를 곱하여 물리량을 결정하는 것을 특징으로 한다.In addition, the detecting step (S500) is characterized by determining the Bragg wavelength of the Bragg grating array, calculate the movement amount and multiply the physical quantity conversion coefficient to determine the physical quantity.

또한, 검출단계(S500)는 파장가변 레이저의 주기적인 파장 제어와, 펄스 제어와, 브래그 격자 어레이로부터 반사된 이후의 시간영역 반사신호를 수집하는 시간을 동기화하여 파장의 변화를 검출하는 것을 특징으로 한다.In addition, the detecting step (S500) is characterized by detecting the change in the wavelength by synchronizing the periodic wavelength control of the wavelength tunable laser, the pulse control and the time to collect the time-domain reflected signal after being reflected from the Bragg grating array do.

또한, 검출단계(S500)는 파장가변 레이저의 전체 출력을 균등하게 분할하여 광섬유 브래그 격자 어레이(100)의 반사율이 일정하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.In addition, the detection step (S500) is characterized by controlling the reflectance of the optical fiber Bragg grating array 100 by uniformly dividing the entire output of the wavelength tunable laser.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.According to the present invention has the following effects.

1) 1개의 광섬유에 동일한 브래그 파장을 갖는 다수의 브래그 격자를 그룹별로 구획하여 설치함으로써, 시간 영역에 따라 달라지는 파장을 갖는 레이저광에 대응하는 브래그 격자 그룹을 구성할 수 있게 되어 수십~수백개의 브래그 격자를 설치할 수 있다. 즉 동일한 파장을 갖는 브래그 격자 들을 광섬유의 길이 방향으로 서로 다른 위치에 있게하여 그 반사 광을 검출함에 의하여 수십~수백개를 설치하여 작동시킬 수 있게 된 것이다.1) By arranging a number of Bragg gratings having the same Bragg wavelength in one optical fiber in groups, the Bragg grating groups corresponding to laser light having wavelengths varying in time domain can be formed, thereby forming tens to hundreds of Braggs. The grid can be installed. In other words, by placing Bragg gratings having the same wavelength at different positions in the longitudinal direction of the optical fiber, it is possible to install and operate tens or hundreds by detecting the reflected light.

2) 파장 가변 레이저를 이용하기 때문에, 파장을 쉽게 바꿀 수 있어서 광섬 유 브래그 격자 전체에 대한 반응 시간을 줄일 수 있기 때문에 센싱 효율을 높일 수 있다.2) By using a wavelength tunable laser, the wavelength can be easily changed, which reduces the reaction time for the entire optical fiber Bragg grating, thereby increasing the sensing efficiency.

3) 고가의 파장 분석기를 사용하지 않고도 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템을 구성할 수 있도록 한다.3) A fiber Bragg grating sensing system can be configured without using an expensive wavelength analyzer.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 다중화 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템의 구성도이다.3 is a block diagram of a multiplexed optical fiber Bragg grating sensing system according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 다중화 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템은, 시간 영역별로 다른 파장을 조사하는 파장가변 레이저(10); 동일한 브래그 파장으로 그룹지어진 광섬유 브래그 격자 어레이(100); 펄스광으로 변조시켜 주는 펄스광 변조기(20); 펄스광을 광섬유 브래그 격자 어레이(100)에 조사하여 그 반사광을 얻는 광섬유 연결수단(30); 광섬유 연결수단(30)으로 반사된 반사광으로부터 펄스의 변화를 검출하는 검출수단(40); 및 이들을 제어하는 제어기(50)를 포함하여 이루어진다.The multiplexed optical fiber Bragg grating sensing system according to the present invention comprises: a wavelength tunable laser 10 for irradiating different wavelengths for each time domain; Optical fiber Bragg grating arrays 100 grouped with the same Bragg wavelength; A pulsed light modulator 20 for modulating the pulsed light; Optical fiber connection means 30 for irradiating the pulsed light to the optical fiber Bragg grating array 100 to obtain the reflected light; Detection means (40) for detecting a change in pulse from the reflected light reflected by the optical fiber connection means (30); And a controller 50 for controlling them.

파장가변 레이저(10)는 제어기(50)의 제어를 통해 시간 영역에 따라 다른 파장을 갖는 레이저광을 형성시켜 주게 된다. 레이저광은 파장의 선폭이 0.5 nm 이하이고, 파장의 범위가 1540 nm~1560 nm인 레이저광을 이용하며, 이때의 파워는 약 2 mW정도인 것을 이용한다.The wavelength tunable laser 10 forms a laser light having a different wavelength according to the time domain through the control of the controller 50. The laser beam uses a laser beam having a line width of 0.5 nm or less and a wavelength range of 1540 nm to 1560 nm, and uses a power of about 2 mW at this time.

이러한 레이저광을 얻기 위한 파장 가변 레이저로는 연속발진이 가능한 파장 이동 광섬유 레이저(Wavelength Swept Fiber Laser), 파장가변 통신용 레이저 다이오드, 티타늄 사파이어 레이저, Cr:fosterite 레이저, 또는 Co:MgF2 레이저 등을 이용할 수 있다.Wavelength tunable lasers can be used as wavelength tunable lasers for continuous oscillation, laser diodes for wavelength variable communication, titanium sapphire lasers, Cr: fosterite lasers, or Co: MgF2 lasers. have.

파장가변 레이저(10)는 파장을 신속하게 가변시킬 수 있기 때문에 작동 작시간을 절약할 수 있어서 시스템 전체적으로 작동 효율을 높일 수 있다.Since the wavelength tunable laser 10 can change the wavelength quickly, it is possible to save operating hours, thereby increasing the operating efficiency of the system as a whole.

특히, 파장가변 레이저(10)는 제어기(50)의 제어를 받아 파장이 다른 레이저광을 일정한 시간 영역별로 생성하도록 제어를 받게 된다.In particular, the wavelength tunable laser 10 is controlled to generate laser light having a different wavelength for each predetermined time region under the control of the controller 50.

펄스광 변조기(20)는 파장가변 레이저광을 펄스광을 변조시켜 주기 위한 구성요소이다. 특히, 펄스광을 얻기 위하여 파장가변 레이저광을 광전변조기(21)에 입력시키고 펄스광 변조기(20)를 통해 펄스폭이 8~12ns인 펄스광, 바람직하기로는 약 10ns의 펄스폭의 펄스광을 얻게 된다.The pulsed light modulator 20 is a component for modulating the pulsed light of the wavelength variable laser light. In particular, in order to obtain pulsed light, the wavelength-variable laser light is inputted to the photoelectric modulator 21, and pulsed light having a pulse width of 8 to 12ns, preferably pulsed light having a pulse width of about 10ns through the pulsed light modulator 20. You get

광섬유 연결수단(30)은 펄스광 변조기(20)에서 출력된 펄스광을 광섬유 브래그 격자 어레이(100)에 입사시켜 반사광을 얻는 구성요소로, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 광섬유 연결수단(30)으로서 광섬유 서큘레이터 또는 3방향 신호분기 회로소자를 이용한다.The optical fiber connecting means 30 is a component that obtains reflected light by injecting the pulsed light output from the pulsed light modulator 20 into the optical fiber Bragg grating array 100, in the preferred embodiment of the present invention as the optical fiber connecting means 30 Fiber optic circulators or three-way signal branch circuit elements are used.

검출수단(40)은 광섬유 연결수단(30)으로 반사된 반사광으로부터 펄스의 변화를 검출한다. 이러한 검출수단(40)은 반사광을 수신하는 광수신기(41)와 수신 된 신호를 처리하는 신호처리기(42)를 포함하여 이루어진다.The detecting means 40 detects a change in pulse from the reflected light reflected by the optical fiber connecting means 30. The detection means 40 includes an optical receiver 41 for receiving the reflected light and a signal processor 42 for processing the received signal.

특히, 신호처리기(42)는 수신된 상기 광신호로부터 파장의 변화, 즉 온도라든가 인장 강도의 변화에 의해 브래그 격자에 가해진 물리량(변형률 또는 온도)을 산출한다.In particular, the signal processor 42 calculates the physical quantity (strain or temperature) applied to the Bragg grating by a change in wavelength, that is, a temperature or a change in tensile strength, from the received optical signal.

제어기(50)는 파장가변 레이저(10)로부터 조사되는 레이저광이 일정한 시간 영역에서 조사가 이루어지도록 제어를 한다. 또한, 제어기(50)는 광전변조기(21)의 제어를 통해 펄스광 변조기(20)에 의해 생성되는 펄스광의 펄스폭을 제어한다.The controller 50 controls the laser light irradiated from the wavelength tunable laser 10 to be irradiated in a constant time region. The controller 50 also controls the pulse width of the pulsed light generated by the pulsed light modulator 20 through the control of the photoelectric modulator 21.

특히, 제어기(50)는 레이저광의 시간 분할과 펄스광 변조기(20)의 파장 분할 방식을 통하여 본 발명의 시스템 전체를 제어하게 된다. 또한, 제어기(50)는 파장가변 레이저빔의 전체 출력을 균등하게 분할 제어를 하여 각 브래그 격자에서 일정한 반사율을 얻을 수 있도록 한다.In particular, the controller 50 controls the entire system of the present invention through the time division of the laser light and the wavelength division method of the pulsed light modulator 20. In addition, the controller 50 performs equal division control on the entire output of the wavelength tunable laser beam so as to obtain a constant reflectance in each Bragg grating.

광섬유 브래그 격자 어레이(100)는 1개의 광섬유에 여러 개의 브래그 격자를 설치하여 이루어진다.The optical fiber Bragg grating array 100 is formed by installing several Bragg gratings in one optical fiber.

본 발명에 따른 브래그 격자의 설치예를 설명하기에 앞서, 그 설치 원리를 설명하면 다음과 같다. 도 4a에서는 서로 다른 브래그 파장을 갖는 3개의 브래그 격자(110~112)가 설치된 예를 보여 주고 있으며, 도 4b는 각 시간영역별로 연속발진된 레이저광에 의해 각 브래그 격자에서 반사된 반사광의 신호를 보여주는 그래프이다. 도 4b에서 파장(λ)은 파장가변 레이저광의 주파수를 나타내고, 파 형(110'~112')는 각 브래그 격자(110~112)로부터 반사된 반사파의 신호를 각각 나타낸다.Before explaining an installation example of Bragg grating according to the present invention, the installation principle will be described. 4A illustrates an example in which three Bragg gratings 110 to 112 having different Bragg wavelengths are installed. FIG. 4B shows a signal of reflected light reflected from each Bragg grating by laser light continuously oscillated in each time domain. It is a graph showing. In FIG. 4B, the wavelength λ represents the frequency of the tunable laser light, and the waveforms 110 ′ through 112 ′ represent signals of the reflected waves reflected from the respective Bragg gratings 110 through 112.

이러한 원리를 이용하여, 본 발명의 광섬유 브래그 격자 어레이(100)는 도 3과 도 5a에서 도시한 바와 같이, 동일한 브래그 파장을 갖는 브래그 격자를 각각의 브래그 격자그룹(G1~Gn)으로 구성하게 된다. 도 3에서는 n개의 브래그 격자를 하나의 그룹으로 도시한 것을 보여주고 있으며, 도 5b에서는 50개의 브래그 격자를 하나의 그룹으로 도시한 예를 보여주고 있다. 또한, 도 5b에서, 파장(λ1~λ10)은 각각 파장이 다른 10개의 레이저광을 의미하며, 파장(λ1R1~λnRm)에서 n과 m은 자연수를, R은 브래그 파장을 각각 나타낸다.Using this principle, the optical fiber Bragg grating array 100 of the present invention, as shown in Figures 3 and 5a, constitutes Bragg gratings having the same Bragg wavelength as each Bragg grating group G1 to Gn. . FIG. 3 shows n Bragg gratings as one group, and FIG. 5B shows an example of 50 Bragg gratings as one group. In addition, in FIG. 5B, wavelengths (lambda) 1-(lambda) 10 mean ten laser beams from which a wavelength differs, respectively, n and m represent a natural number, and R represents Bragg wavelength, respectively, in wavelength (lambda) 1R1-(lambda) nRm.

여기서, 각 브래그 격자는 반사율을 조정하여 약 2%정도만 반사되도록 조정하게 된다. 이에 따라, 각 브래그 격자의 갯수(n)는 각 레이저광의 전체 출력이 2mV이므로, 반사율이 2%인 경우 그 출력이 2 mW x 2/100 = 40 micro-W이므로 이는 광수신기(41)에서 검출할 수 있는 충분한 광량이다. 이는 1개의 브래그 격자 그룹에 약 50개의 브래그 격자를 설치할 수 있는 것을 의미한다.Here, each Bragg grating is adjusted to reflect only about 2% by adjusting the reflectance. Accordingly, the number n of each Bragg grating is 2 mV because the total output of each laser beam is 2 mV, and when the reflectance is 2%, the output is 2 mW x 2/100 = 40 micro-W, which is detected by the optical receiver 41. That's enough light to do. This means that about 50 Bragg grids can be installed in one Bragg grid group.

따라서, 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 어레이(100)는 레이저광의 파장을 신호를 얻을 수 있는 폭으로 나눈 수를 그룹수로 보고, 여기에 브래그 격자의 갯수(n)를 곱하여 수십~수백개의 브래그 격자로부터 신호를 얻는 것이 가능하게 된다. 물론 이러한 각 그룹 안의 브래그 격자의 광섬유 길이 방향으로의 위치는 임의의 위치에 설치될 수 있다.Therefore, the optical fiber Bragg grating array 100 according to the present invention sees the number divided by the width of the laser beam divided by the width to obtain a signal as a group number, and multiplies the number of Bragg gratings (n) by several tens to hundreds of Bragg gratings It is possible to obtain a signal from. Of course, the position of the Bragg grating in each of these groups in the optical fiber longitudinal direction may be installed at any position.

이하, 본 발명에 따른 다중화 광섬유 브래그 격자 센싱방법을 살펴보면 다음 과 같다.Hereinafter, the multiplexed optical fiber Bragg grating sensing method according to the present invention will be described.

도 6은 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 센싱방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.6 is a flowchart for explaining a fiber Bragg grating sensing method according to the present invention.

우선, 연속파인 파장가변 레이저광의 세기를 설정하는 단계(S100)를 거친다. 이때, 파장의 세기는 미리 제어기(50)에 입력된 파장의 범위 안에서 결정되며, 그 결정 순서는 제어기(50)에 의해 이루어진다.First, a step (S100) of setting the intensity of the wavelength tunable laser light that is a continuous wave is performed. At this time, the intensity of the wavelength is determined within the range of the wavelength input to the controller 50 in advance, the determination order is made by the controller 50.

이때, 제어기(50)는 레이저광의 파장 선폭이 0.5nm이하인 광을 1540nm~1560nm로 가변시켜 주고, 파위가 2mW이 되도록 제어한다.At this time, the controller 50 varies the light having a wavelength line width of the laser light of 0.5 nm or less to 1540 nm to 1560 nm, and controls the wave to be 2 mW.

이와 같이 레이저광이 생성되면, 이 레이저광을 펄스광으로 변조시키는 단계(S200)를 거친다. 펄스광은 광섬유 브래그 격자(100)에 조사시켜 주기 위한 것으로, 제어기(50)의 제어에 의해 펄스광 변조기(20)의 광전변조기(21)를 통해 펄스폭이 8~12ns인 펄스광, 바람직하기로는 약 10ns의 펄스폭의 펄스광을 얻게 된다.When the laser light is generated as described above, the laser light is modulated into pulsed light (S200). The pulsed light is for irradiating the optical fiber Bragg grating 100, the pulsed light having a pulse width of 8 ~ 12ns through the photoelectric modulator 21 of the pulsed light modulator 20 under the control of the controller 50, preferably The pulsed light has a pulse width of about 10 ns.

이어, 반사파를 얻는 단계(S300)를 거친다. 펄스광은 광섬유 연결수단(30)를 거쳐 광섬유 브래그 격자(100)에 조사되어 반사된 반사광을 다시 광섬유 연결수단(30)에서 취득하게 된다. 이때 취득한 신호는 광수신기(41)를 통해 신호처리기(42)에 저장된다.Subsequently, a step S300 of obtaining a reflected wave is performed. The pulsed light is irradiated onto the optical fiber Bragg grating 100 via the optical fiber connecting means 30 to reflect the reflected light back to the optical fiber connecting means 30. The signal obtained at this time is stored in the signal processor 42 through the optical receiver 41.

그 다음 단계로, 검출된 반사파가 최종 파장인가를 판단하는 단계(S400)를 거친다. 조사된 레이저광의 파장이 미리 설정된 파장보다 작으면 그 다음 파장의 레이저광을 생성하여 상술한 단계(S100~S300)를 반복하여 수행한다. 만일, 레이저광의 파장이 설정된 파장보다 크면, 저장된 신호를 바탕으로 검출단계(S500)를 거친다.In the next step, it is determined whether the detected reflected wave is the final wavelength (S400). When the wavelength of the irradiated laser light is smaller than the preset wavelength, the laser light of the next wavelength is generated and the above-described steps S100 to S300 are repeated. If the wavelength of the laser light is larger than the set wavelength, the detection step S500 is performed based on the stored signal.

검출단계(S500)는 저장된 신호로부터 신호처리를 수행하고 변형률 또는 온도 환산계수를 사용하여 브래그 파장으로부터 물리량을 검출하게 된다.The detecting step S500 performs signal processing from the stored signal and detects the physical quantity from the Bragg wavelength using the strain or the temperature conversion coefficient.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred embodiments, it is possible to make various modifications or variations without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the appended claims will cover such modifications and variations as fall within the spirit of the invention.

도 1은 종래의 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템의 개념도.1 is a conceptual diagram of a conventional optical fiber Bragg grating sensing system.

도 2a는 종래의 레이저광의 파장 스펙트럼.2A is a wavelength spectrum of a conventional laser light.

도 2b는 종래의 브래그 격자의 반사 파장 스펙트럼.2B is a reflection wavelength spectrum of a conventional Bragg grating.

도 3은 본 발명에 따른 다중화 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템의 구성도.3 is a block diagram of a multiplexed optical fiber Bragg grating sensing system according to the present invention.

도 4a는 단일 브래그 파장 격자의 설치 예를 보여주는 개략도.4A is a schematic diagram showing an installation example of a single Bragg wavelength grating.

도 4b는 단일 브래그 파장 격자의 센싱 신호를 보여주는 그래프.4B is a graph showing a sensing signal of a single Bragg wavelength grating.

도 5a는 본 발명에 따라 500개의 브래그 격자를 설치한 상태를 보여주는 개략도.5A is a schematic diagram showing a state in which 500 Bragg gratings are installed in accordance with the present invention;

도 5b는 본 발명에 따라 설치된 500개의 브래그 격자의 신호 특성을 설명하기 위한 그래프.5b is a graph for explaining signal characteristics of 500 Bragg gratings installed in accordance with the present invention;

도 6은 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 센싱방법을 설명하기 위한 플로우챠트.Figure 6 is a flow chart for explaining the optical fiber Bragg grating sensing method according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

10 : 파장가변 레이저10: wavelength tunable laser

20 : 펄스광 변조기20: pulsed light modulator

21 : 광전 변조기21: photoelectric modulator

30 : 광섬유 연결수단30: optical fiber connection means

40 : 검출수단40: detection means

41 : 광수신기41: optical receiver

42, 600 : 신호처리기42, 600: Signal processor

50, 430 : 제어기50, 430 controller

100 : 광섬유 브래그 격자100: Fiber Bragg Grating

110~112 : 브래그 격자110 ~ 112: Bragg grid

110'~112' : 파형110 '~ 112': Waveform

200 : 광대역 광원200: broadband light source

300 : 광섬유 연계기300: fiber optic linker

400 : 제어기400: controller

500 : 파장검출기500: wavelength detector

G1~Gn : 브래그 격자 그룹G1 ~ Gn: Bragg grid group

Claims (19)

파장가변 레이저(10);Wavelength tunable laser 10; 감지하고자 하는 광섬유에 격자가 시간영역에서 구별할 수 있도록 상기 광섬유 위의 임의의 위치에 설치되거나 동일한 브래그 파장별로 그룹지어 상기 광섬유에 새겨진 광섬유 브래그 격자 어레이(100);An optical fiber Bragg grating array 100 installed at an arbitrary position on the optical fiber or grouped by the same Bragg wavelength so that the grating is distinguished in the time domain in the optical fiber to be detected; 상기 파장가변 레이저(10)로부터 생성된 광을 펄스광으로 변조시켜 주는 펄스광 변조기(20);A pulsed light modulator 20 for modulating the light generated by the wavelength tunable laser 10 into pulsed light; 상기 파장가변 레이저(10)로부터 생성된 광을 전기신호로 변환시켜 주는 광전변조기(21);A photoelectric modulator (21) for converting light generated from the wavelength tunable laser (10) into an electrical signal; 입사된 상기 펄스광을 브래그 상기 격자 어레이(100)에 입사시켜 반사되는 광이 있는 경우, 반사파를 얻는 광섬유 연결수단(30);Optical fiber connection means (30) which obtains a reflected wave when there is light reflected by incident the pulsed light incident on the bragg grating array (100); 상기 반사파로부터 파장의 변화를 검출하여 검출수단(40); 및Detection means (40) for detecting a change in wavelength from the reflected wave; And 상기 광의 파장 및 상기 펄스광을 시간별로 동기화시켜 제어하는 제어기(50);를 포함하여 이루어지며,And a controller 50 for controlling the wavelength of the light and the pulsed light by synchronizing with time. 상기 제어기(50)는 파장분할방식과 시간분할방식을 병행하여 이용하고, 상기 파장가변 레이저(10)의 전체 출력을 균등하게 분할하여 상기 광섬유 브래그 격자 어레이(100)의 반사율이 일정하도록 제어하며, 상기 파장가변 레이저(10)의 주기적인 파장 제어와, 펄스광 변조기(20)의 펄스 제어와, 광섬유 연결수단(30)을 통과한 이후의 시간영역 반사신호를 수집하는 시간을 동기화시켜 검출수단(40)을 제어하는 것을 특징으로 하는 다중화 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템.The controller 50 uses the wavelength division method and the time division method in parallel, and evenly divides the entire output of the wavelength tunable laser 10 to control the reflectivity of the optical fiber Bragg grating array 100 to be constant, Periodic wavelength control of the wavelength tunable laser 10, pulse control of the pulsed light modulator 20, and the time for collecting the time-domain reflected signal after passing through the optical fiber connecting means 30, the detection means ( 40) Multiplexed fiber Bragg grating sensing system, characterized in that for controlling. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 파장가변 레이저(10)는 파장의 선폭이 0.5nm이하인 빛을 1540nm~1560nm로 가변되고, 파위가 2mW인 레이저빔을 생성하는 것을 특징으로 하는 다중화 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템.The wavelength tunable laser (10) is a multiplexed optical fiber Bragg grating sensing system, characterized in that for generating a laser beam having a wavelength of 2nmW or less, varying from 1540nm to 1560nm, the line width of less than 0.5nm. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 파장가변 레이저(10)는 티타늄 사파이어 레이저, Cr:fosterite 레이저, 파장이동 광섬유레이저 또는 Co:MgF2 레이저인 것을 특징으로 하는 다중화 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템.The wavelength tunable laser (10) is a multiplexed fiber Bragg grating sensing system, characterized in that the titanium sapphire laser, Cr: fosterite laser, wavelength shifting fiber laser or Co: MgF2 laser. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 파장가변 레이저(10)는 연속발진 레이저광을 생성하는 것을 특징으로 하는 다중화 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템.The wavelength tunable laser (10) is a multiplexed optical fiber Bragg grating sensing system, characterized in that for generating a continuous oscillation laser light. 삭제delete 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 펄스광 변조기(20)는 펄스폭이 8~12ns인 펄스광을 생성하는 것을 특징으로 하는 다중화 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템.The pulsed light modulator 20 generates a pulsed light having a pulse width of 8 to 12 ns. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광섬유 연결수단(30)은 광섬유 서큘레이터인 것을 특징으로 하는 다중화 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템.The optical fiber connecting means 30 is a multiplexed optical fiber Bragg grating sensing system, characterized in that the optical fiber circulator. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광섬유 연결수단(30)은 3방향 신호분기 회로소자인 것을 특징으로 하는 다중화 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템.The optical fiber connecting means (30) is a multiplexed optical fiber Bragg grating sensing system, characterized in that the three-way signal branch circuit element. 제 1 항에 있어서, 상기 검출수단(40)은The method of claim 1, wherein the detecting means 40 상기 광섬유 연결수단(30)으로부터 광을 수신받는 광수신기(41); 및 An optical receiver (41) for receiving light from the optical fiber connecting means (30); And 수신된 광신호를 처리하는 신호처리기(42);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중화 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템.And a signal processor (42) for processing the received optical signal. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서,The method according to claim 1 or 9, 상기 검출수단(40)은 수신된 상기 광신호로부터 파장의 변화를 통해 가해진 물리량을 산출하는 것을 특징으로 하는 다중화 광섬유 브래그 격자 센싱 시스템.The detecting means (40) is to calculate the physical quantity applied through the change of the wavelength from the received optical signal, multiplexed optical fiber Bragg grating sensing system. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 연속파인 파장가변 레이저의 파장의 세기를 설정하는 단계(S100);Setting an intensity of a wavelength of the wavelength tunable laser which is a continuous wave (S100); 상기 파장가변 레이저로부터 생성된 레이저광을 펄스광으로 변조시키는 단계(S200);Modulating the laser light generated from the wavelength tunable laser into pulsed light (S200); 감지하고자 하는 광섬유에 격자가 시간영역에서 구별할 수 있도록 상기 광섬유 위의 임의의 위치에 설치되거나 동일한 브래그 파장별로 그룹지어 상기 광섬유에 새겨진 광섬유 브래그 격자 어레이(100)에 상기 펄스광을 조사하고, 반사파가 있는 경우 그 반사파를 취득하는 단계(S300);The pulsed light is irradiated to the optical fiber Bragg grating array 100 installed at an arbitrary position on the optical fiber or grouped by the same Bragg wavelength so that the grating is distinguished in the time domain to the optical fiber to be detected and engraved in the optical fiber, and the reflected wave Acquiring the reflected wave, if any (S300); 상기 반사파가 최종 파장인가를 판단하는 단계(S400);Determining whether the reflected wave is a final wavelength (S400); 상기 반사파가 최종 파장으로 판단되면, 상기 반사파인 브래그 격자 어레이의 브래그 파장의 변화를 검출하는 검출단계(S500);를 포함하고,And detecting the change of the Bragg wavelength of the Bragg grating array, which is the reflected wave, when the reflected wave is determined as the final wavelength (S500). 상기 검출단계(S500)는 상기 파장가변 레이저의 전체 출력을 균등하게 분할하여 상기 광섬유 브래그 격자 어레이(100)의 반사율이 일정하게 제어되도록 하고, 상기 브래그 격자 어레이의 브래그 파장 결정에 기초하여 그 이동량을 계산 및 물리량을 결정하며, 상기 파장가변 레이저의 주기적인 파장 제어와, 상기 펄스 제어와, 상기 브래그 격자 어레이로부터 반사된 이후의 시간영역 반사신호를 수집하는 시간을 동기화하여 파장의 변화를 검출하는 단계인 것을 특징으로 하는 다중화 광섬유 브래그 격자 센싱방법.The detecting step (S500) divides the entire output of the wavelength tunable laser evenly so that the reflectance of the optical fiber Bragg grating array 100 is constantly controlled, and based on the Bragg wavelength determination of the Bragg grating array, Determining a calculation and physical quantity, and detecting a change in wavelength by synchronizing the periodic wavelength control of the wavelength tunable laser, the pulse control and the time for collecting the time-domain reflected signal after being reflected from the Bragg grating array Multiplexed optical fiber Bragg grating sensing method, characterized in that. 제 14 항에 있어서,The method of claim 14, 상기 파장의 세기 설정단계(S100)는 파장의 선폭이 0.5nm이하인 빛을 1540nm~1560nm로 가변시켜 주고, 파위가 2mW인 것을 특징으로 하는 다중화 광섬유 브래그 격자 센싱방법.The intensity setting step of the wavelength (S100) is a multiplexing optical fiber Bragg grating sensing method, characterized in that for varying light having a line width of 0.5nm or less to 1540nm ~ 1560nm, the wave is 2mW. 제 14 항에 있어서,The method of claim 14, 상기 판단단계(S400)는 상기 반사파가 최종 파장이 아닌 경우, 세기 결정단계(S100)~취득단계(S300)를 반복하여 상기 반사파가 최종 파장일 때까지 반복하는 것을 특징으로 하는 다중화 광섬유 브래그 격자 센싱방법.In the determining step (S400), if the reflected wave is not the final wavelength, the multiplexing optical fiber Bragg grating sensing is repeated until the reflected wave is the final wavelength by repeating the intensity determining step (S100) to the obtaining step (S300). Way. 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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