KR101095590B1 - Method for measuring temperature distribution using Raman ???? temperature sensor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광섬유 분포형 온도센서(fiber optic distributed temperature sensor)인 라만 OTDR(Optical Time Domain Reflectometer) 센서의 신호 대 잡음비(signal to noise ratio) 향상 및 온도 측정방법에 관한 것으로, 이전의 OTDR 센서에 비해 넓은 폭을 갖는 입력 펄스(Pulse)를 입사시킴으로써 후방 산란광(Back scattering light)의 세기를 증가시켜 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있도록 한 것이다. 측정되는 후방 산란광의 세기를 미분하여 후방산란광 세기의 기울기를 계산함으로써 거리에 따른 온도분포를 측정할 수 있다.The present invention relates to a signal-to-noise ratio improvement and a temperature measuring method of a Raman Optical Time Domain Reflectometer (OTDR) sensor, which is a fiber optic distributed temperature sensor, compared to the previous OTDR sensor. By injecting a wide pulse input pulse, the intensity of back scattering light is increased to improve the signal-to-noise ratio. By calculating the slope of the backscattered light intensity by differentiating the measured intensity of the backscattered light can be measured the temperature distribution over the distance.

광섬유 분포형 온도센서, 라만 산란, 라만 OTDR, 온도 분포 Optical Fiber Distribution Temperature Sensor, Raman Scattering, Raman OTDR, Temperature Distribution

Description

라만 ＯＴＤＲ 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법{Method for measuring temperature distribution using Raman ＯＴＤＲ temperature sensor}Method for measuring temperature distribution using Raman OTDR temperature sensor

본 발명은 광섬유 분포형 온도 센서에 관한 것으로, 구체적으로 후방 산란광을 발생시켜 신호대 잡음비를 증가시키고 이때 측정되는 후방 산란광 세기의 기울기를 계산하여 측정 정밀도 및 효율성을 높인 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical fiber distribution type temperature sensor. Specifically, a temperature distribution measurement is performed in a Raman OTDR temperature sensor that generates a backscattered light to increase a signal-to-noise ratio and calculates a slope of the backscattered light intensity measured at this time to increase measurement accuracy and efficiency. It is about a method.

광섬유 센서는 일반적으로 수 밀리미터에서 수 센티미터에 해당하는 매우 작은 측정 영역을 갖도록 제작되어 한 점에 대한 측정을 수행하며 국부적인 영역에서의 측정에 효과적이다.Fiber optic sensors are typically designed to have very small measurement areas, ranging from a few millimeters to a few centimeters, to measure a point and are effective for local measurements.

이러한 광섬유 센서는 다중화가 용이하기 때문에 큰 구조물에 다수의 센서를 설치하여 하나의 센서 시스템으로 측정을 수행할 수 있다. 하지만, 다중 송신에 사용되는 센서의 개수가 제한되기 때문에 대형 구조물과 같이 넓게 분포된 영역에서의 물리량을 측정하기는 어렵다.Since the optical fiber sensor is easy to be multiplexed, it is possible to install a plurality of sensors in a large structure to perform measurements with one sensor system. However, since the number of sensors used for multiplex transmission is limited, it is difficult to measure physical quantities in a widely distributed area such as a large structure.

반면 분포형 광섬유 센서는 하나의 광섬유를 따라 모든 부분에서 측정이 가능하므로 연속적인 측정량 분포를 얻을 수 있다. 측정거리 또한 수km ~ 수십km 정 도로 매우 길기 때문에 철도, 도로, 터널, 가스관 등의 대형 구조물의 감시에 사용될 수 있다.On the other hand, distributed fiber optic sensors can measure at every part along a single fiber, resulting in continuous measurement distribution. The measuring distance is also very long, ranging from a few kilometers to several tens of kilometers, so it can be used to monitor large structures such as railways, roads, tunnels and gas pipelines.

분포형 광섬유 센서는 주로 광섬유에서 발생하는 산란을 이용한다.Distributed fiber optic sensors mainly use scattering from optical fibers.

광섬유에 광을 입사시키면 구성 원자, 분자 등에 의한 산란, 흡수, 재발광 등이 일어난다. 산란광 중에는 입사광과 동일한 파장 성분인 레이리히(Rayleigh) 산란광과 다른 파장성분인 브릴루앙(Brillouin) 산란광과 라만(Raman) 산란광이 존재한다.When light enters an optical fiber, scattering, absorption, re-emission, etc. are caused by constituent atoms, molecules, and the like. Among the scattered light, Rayleigh scattered light, which is the same wavelength component as incident light, and Brillouin scattered light and Raman scattered light, which are different wavelength components, exist.

광섬유 구성 물질의 격자 열 진동 중에서 횡파모드와 상호작용으로 인한 것은 라만 산란광이라 부르며 석영분자에 흡수되어 열진동의 횡파모드를 여기한 후 재발광하면서 광 에너지를 잃은 장파장의 스톡스(Stokes) 광으로 변환되고 횡파모드를 흡수하여 재 발광하면서 에너지를 얻은 단파장의 안티스톡스(anti-Stokes) 광이 된다.Among the lattice thermal vibrations of optical fiber components, the interaction with the shear wave mode is called Raman scattered light, and it is absorbed by quartz molecules to excite the shear wave mode of thermal vibration, and then converts it into long-wave Stokes light that loses its light energy by re-emitting. It absorbs the transverse mode and emits light again, resulting in short wavelength anti-Stokes light.

스톡스 광과 안티 스톡스 광의 파장은 다음과 같다.The wavelengths of Stokes light and anti Stokes light are as follows.

Figure 112009066836732-pat00001
Figure 112009066836732-pat00001

Figure 112009066836732-pat00002
Figure 112009066836732-pat00002

여기서,

Figure 112009066836732-pat00003
는 입사광의 파장,
Figure 112009066836732-pat00004
는 anti-Stokes 광의 파장,
Figure 112009066836732-pat00005
는 스톡스 광의 파장,
Figure 112009066836732-pat00006
는 라만 산란에 의한 파수 변천량을 나타낸다.
Figure 112009066836732-pat00007
는 물체의 재질에 따라 달라지는 것으로써 실리카의 경우에 일반적으로 440cm-1 정도로써 입사광의 파장이 1550nm 일때 스톡스 라만 산란광은 1663nm , 안티 스톡스 라만 산란광은 1451nm의 파장을 가진다.here,
Figure 112009066836732-pat00003
Is the wavelength of the incident light,
Figure 112009066836732-pat00004
The wavelength of anti-Stokes light,
Figure 112009066836732-pat00005
Is the wavelength of Stokes light,
Figure 112009066836732-pat00006
Represents the amount of wave shift caused by Raman scattering.
Figure 112009066836732-pat00007
The temperature varies depending on the material of the object. In the case of silica, it is generally about 440cm -1 . When the incident light has a wavelength of 1550 nm, Stokes Raman scattered light has a wavelength of 1663 nm and anti Stokes Raman scattered light has a wavelength of 1451 nm.

라만 산란광의 세기는 레일리히(Rayleigh) 산란광에 비해 작지만 레일리히 산란광보다 온도에 대해서 훨씬 더 민감하다. 특히 안티 스톡스 산란광은 스톡스 산란광보다 1/3~1/4 정도의 세기이지만 온도에 대한 감도는 7배 정도 크다.The intensity of the Raman scattered light is small compared to the Rayleigh scattered light, but much more sensitive to temperature than the Rayleigh scattered light. In particular, anti-Stokes scattered light is 1/3 to 1/4 the intensity of Stokes scattered light, but the sensitivity to temperature is seven times greater.

왜냐하면, 열평형 상태에서 분자진동, 격자진동 등에 의하여 여기된 분자의 수는 절대온도에 직접적 연관이 있기 때문이다. This is because the number of molecules excited by molecular vibration, lattice vibration, etc. in thermal equilibrium is directly related to absolute temperature.

온도의 계측은 수학식 2에서와 같이 온도 변화에 대한 안티 스톡스 산란광의 세기를 측정하는 방법과 수학식 3에서와 같이 스톡스 광과 안티 스톡스 광의 비

Figure 112009066836732-pat00008
로서 온도를 측정하는 방법이 있다. 후자의 방법은 광원의 파장과 재료가 일정하다면,
Figure 112009066836732-pat00009
는 온도
Figure 112009066836732-pat00010
에 관한 함수이므로
Figure 112009066836732-pat00011
를 측정하는 것에 의한 온도를 계측할 수 있다.The measurement of temperature is a method of measuring the intensity of anti-Stokes scattered light with respect to temperature change as shown in Equation 2 and the ratio of Stokes light and anti-Stocks light as shown in Equation 3.
Figure 112009066836732-pat00008
As a method, there is a method of measuring temperature. The latter method, if the wavelength and material of the light source are constant,
Figure 112009066836732-pat00009
Temperature
Figure 112009066836732-pat00010
Is a function of
Figure 112009066836732-pat00011
By measuring the temperature can be measured.

Figure 112009066836732-pat00012
Figure 112009066836732-pat00012

Figure 112009066836732-pat00013
Figure 112009066836732-pat00013

Figure 112009066836732-pat00014
는 Anti-Stokes 후방산란광의 세기,
Figure 112009066836732-pat00015
는 펄스광의 최대 크기,
Figure 112009066836732-pat00016
는 펄스광의 펄스폭,
Figure 112009066836732-pat00017
는 광파이버에서 재결합되는 Anti-Stokes 산란광의비,
Figure 112009066836732-pat00018
는 Anti-Stokes 산란광에 의한 산란계수,
Figure 112009066836732-pat00019
는 거리
Figure 112009066836732-pat00020
에서의 감쇠계수,
Figure 112009066836732-pat00021
는 비례상수,
Figure 112009066836732-pat00022
는 플랑크 상수,
Figure 112009066836732-pat00023
는 진공중의 빛의 속도,
Figure 112009066836732-pat00024
는 주파수 변천량,
Figure 112009066836732-pat00025
는 볼츠만 상수,
Figure 112009066836732-pat00026
는 광파이버의 절대온도를 나타낸다.
Figure 112009066836732-pat00014
The strength of the Anti-Stokes backscattered light,
Figure 112009066836732-pat00015
Is the maximum size of the pulsed light,
Figure 112009066836732-pat00016
Is the pulse width of the pulsed light,
Figure 112009066836732-pat00017
Ratio of Anti-Stokes scattered light recombined in optical fiber,
Figure 112009066836732-pat00018
Is the scattering coefficient due to the Anti-Stokes scattered light,
Figure 112009066836732-pat00019
Distance
Figure 112009066836732-pat00020
Damping coefficient at,
Figure 112009066836732-pat00021
Is proportional constant,
Figure 112009066836732-pat00022
Is Planck's constant,
Figure 112009066836732-pat00023
Is the speed of light in vacuum,
Figure 112009066836732-pat00024
Is the frequency variation,
Figure 112009066836732-pat00025
Is Boltzmann constant,
Figure 112009066836732-pat00026
Denotes the absolute temperature of the optical fiber.

그러나 이와 같은 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법은 다음과 같은 문제가 있다.However, the method of measuring the temperature distribution in the Raman OTDR temperature sensor has the following problems.

라만 산란광은 입력 펄스의 세기와 폭에 비례하여 발생하는데 그 세기가 매우 작아서 일반적으로 쉽게 감지되지 않는다. 따라서 가능한 입력 펄스광의 세기를 크게 하여 보다 많은 산란광을 발생시킨 후, 출력단에서 감지된 후방산란광을 증폭하여 이용하게 된다. 하지만, 입력 펄스광의 세기는 무한정 크게 할 수는 없으며 또한, 펄스광의 최대 세기가 너무 크면 원치 않는 비선형 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 측정 효율성 및 정밀도를 높이는데 한계가 있다.Raman scattered light occurs in proportion to the intensity and width of the input pulse, which is so small that it is generally not easily detected. Therefore, the intensity of the input pulsed light is increased to generate more scattered light, and then the amplified backscattered light detected at the output terminal is used. However, the intensity of the input pulsed light cannot be increased indefinitely, and an unwanted nonlinear phenomenon can occur if the maximum intensity of the pulsed light is too large. Therefore, there is a limit in increasing measurement efficiency and precision.

그리고 OTDR 센서에서 입력 펄스광의 폭은 거리해상도와 직접적인 상관관계가 있어서, 산란광을 많이 발생시키기 위하여 입력광의 펄스폭을 넓히게 되면 거리해상도가 나빠지게 된다. 특히 펄스광이 아닌 연속파(continuous wave)형태의 입력광을 사용하게 되면 후방산란광은 포화되어 거리에 따른 특성을 측정할 수 없게 된다. 이러한 상관관계들 때문에 OTDR센서의 입력펄스광은 펄스의 폭이 좁고 최대세기는 큰 것이 이상적이라 할 수 있다. 하지만 고출력의 폭이 좁은 펄스광 발생은 기술적으로나 가격적으로 쉽지 않다.In the OTDR sensor, the width of the input pulsed light is directly correlated with the distance resolution, so that the distance resolution becomes worse when the pulse width of the input light is widened to generate more scattered light. In particular, when using continuous wave type input light instead of pulsed light, the backscattered light is saturated and the characteristic according to the distance cannot be measured. Because of these correlations, it is ideal that the input pulsed light of the OTDR sensor has a narrow pulse width and a high maximum intensity. However, the generation of high output narrow pulsed light is not easy technically or costly.

또한, 앞서 설명한 것처럼 산란광의 세기가 약하기 때문에 감지부에서도 신호 증폭이 필요한데 증폭기는 이득과 동작 대역폭 간에 트레이트오프(trade off) 관계가 있어서 고 증폭을 하게 되면 대역폭이 감소한다. In addition, as described above, since the intensity of the scattered light is weak, a signal amplification is also required in the detector. Since the amplifier has a trade-off relationship between gain and operating bandwidth, the bandwidth is reduced when high amplification is performed.

결국 미약한 센서 신호를 보다 쉽게 신호처리하기 위하여 고 증폭을 하게 되면 센서의 거리해상도가 입력광의 펄스폭보다 증폭기의 동작 대역폭에 제한받게 된다.As a result, when amplification is performed to easily process the weak sensor signal, the distance resolution of the sensor is limited to the operating bandwidth of the amplifier rather than the pulse width of the input light.

본 발명은 폭이 넓은 입력 펄스광을 입사하여 라만 후방 산란광의 세기를 증가시켜 측정 단에서 신호 대 잡음비를 향상시킨 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for measuring temperature distribution in a Raman OTDR temperature sensor in which a wide input pulsed light is incident to increase the intensity of the Raman backscattered light to improve a signal-to-noise ratio in the measurement stage.

본 발명은 폭이 넓은 입력 펄스광 광섬유에 입사시킴으로써 후방 산란광을 발생시켜 신호대 잡음비를 증가시키고 이때 측정되는 후방 산란광 세기의 기울기를 계산하여 측정 정밀도 및 효율성을 높인 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention generates a backscattered light by entering a wide input pulsed optical fiber to increase the signal-to-noise ratio and calculates the slope of the backscattered light intensity measured at this time to increase the measurement accuracy and efficiency in the Raman OTDR temperature sensor The purpose is to provide.

본 발명은 광섬유에 입사되는 입력 펄스광의 폭을 설치된 감지 광섬유의 길이를 기준으로 입력 광이 감지 광섬유의 끝단에서 되돌아와서 도착할 때의 시간을 계산하여 같거나 조금 크게 설정하고 듀티비(duty rate, duty cycle)는 50%로 설정하여 측정 정밀도 및 효율성을 높인 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.According to the present invention, the width of the input pulsed light incident on the optical fiber is set equal to or slightly larger by calculating the time when the input light arrives from the end of the sensed fiber based on the length of the installed sensing fiber and sets the duty rate, duty. cycle) is set to 50% to provide a method for measuring the temperature distribution in Raman OTDR temperature sensors with improved measurement accuracy and efficiency.

본 발명은 라만산란광의 세기를 증가시켜 증폭기의 이득을 낮추어 동작대역폭이 넓은 증폭기를 사용할 수 있도록 하여 거리해상도를 높인 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a method for measuring the temperature distribution in a Raman OTDR temperature sensor, which increases the distance resolution by increasing the intensity of the Raman scattered light to lower the gain of the amplifier so that an amplifier having a wide operating bandwidth can be used.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법은 설치된 감지 광섬유의 길이를 기준으로 입력 광이 감지 광섬유의 끝단에서 되돌아와서 도착할 때의 시간을 계산하여 이를 기준으로 온도 분포 측정을 위한 입력 펄스광의 폭 및 듀티비를 설정하는 단계;상기 설정된 입력 펄스광의 폭 및 듀티비에 맞도록 입력 단에서 광원을 변조시켜 설정된 폭의 펄스광으로 만들어 광순환기를 거쳐 측정용 감지 광섬유에 입사되도록 하는 단계;상기 입사된 펄스광이 측정용 감지 광섬유에 의해 산란되어 후방으로 되돌아 나오면 라만 후면 산란광을 검출하고, 검출된 라만 후면 산란광의 세기를 미분하여 기울기를 계산하는 단계;상기 계산된 기울기를 기준으로 거리에 따른 광섬유의 온도 및 온도 변화 구간을 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the temperature distribution measurement method of the Raman OTDR temperature sensor according to the present invention calculates the time when the input light arrives from the end of the sensing fiber and arrives based on the length of the sensing fiber. Setting a width and a duty ratio of an input pulsed light for measuring a temperature distribution; modulating a light source at an input terminal to correspond to the set width and duty ratio of the input pulsed light to form a pulsed light having a set width, and detecting the measurement through an optical circulator Injecting the incident light into the optical fiber; When the incident pulse light is scattered by the sensing optical fiber for measuring the Raman back scattered light, and calculating the slope by differentiating the intensity of the detected Raman back scattered light; To measure the temperature and the temperature change interval of the optical fiber according to the distance It characterized in that it comprises a step.

그리고 상기 입력 펄스광의 폭 및 듀티비를 설정은,설치된 감지 광섬유의 길이를 기준으로 입력 광이 감지 광섬유의 끝단에서 되돌아와서 도착할 때의 시간을 계산하여 같거나 크게 설정하고 듀티비(duty rate, duty cycle)는 50%로 설정하는 것을 특징으로 한다.The width and duty ratio of the input pulsed light may be calculated by setting the time when the input light arrives from the end of the sensed fiber based on the length of the installed sensing fiber and arrives at the end of the sensed fiber, and set the duty rate, duty. cycle) is set to 50%.

그리고 상기 광섬유의 온도 및 온도 변화 구간의 측정시에,온도가 일정한 구간에서는 일정한 기울기를 가지며 점차적으로 산란광의 세기가 증가하다가 가열지역에서는 증가하는 기울기가 커지고, 가열지역이 지나가면 다시 원래의 기울기를 가지며 증가하다가 펄스입력이 사라지면 또 다시 일정한 기울기를 가지며 감소하는 특성을 이용하는 것을 특징으로 한다.In the measurement of the temperature and temperature change intervals of the optical fiber, the temperature has a constant slope, and the intensity of the scattered light gradually increases, but the increase in the heating zone increases, and when the heating zone passes, the original slope again. It is characterized by using the characteristic that increases and decreases again with a constant slope when the pulse input disappears.

이와 같은 본 발명에 따른 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.Such a temperature distribution measurement method in the Raman OTDR temperature sensor according to the present invention has the following effects.

첫째, 넓은 폭을 갖는 입력 펄스광을 입사시킴으로써 후방 산란광의 세기를 증가시켜 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있다.First, by injecting a wide width input pulsed light can increase the intensity of the backscattered light to improve the signal-to-noise ratio.

둘째, 후방 산란광의 세기를 미분하여 후방산란광 세기의 기울기를 계산함으로써 거리에 따른 온도분포를 효율적으로 측정할 수 있다.Second, by calculating the slope of the backscattered light intensity by differentiating the intensity of the backscattered light, it is possible to efficiently measure the temperature distribution according to the distance.

셋째, 입력 펄스광의 폭이 넓기 때문에 펄스제어신호의 발생이 용이하고 고가의 고출력 광원을 사용하지 않아도 된다.Third, since the width of the input pulsed light is wide, it is easy to generate a pulse control signal and it is not necessary to use an expensive high output light source.

넷째, 감지부에서 대역폭이 넓은 증폭기 사용이 가능하여 거리 해상도를 개선할 수 있다.Fourth, it is possible to use a wider amplifier in the sensing unit can improve the distance resolution.

다섯째, 신호 대 잡음비가 향상되어 평균화 과정을 줄여 측정 시간을 단축할 수 있다. Fifth, the signal-to-noise ratio is improved, which reduces the averaging process, thereby reducing the measurement time.

이하, 본 발명에 따른 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of the method for measuring the temperature distribution in a Raman OTDR temperature sensor according to the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Features and advantages of the method for measuring the temperature distribution in the Raman OTDR temperature sensor according to the present invention will become apparent from the detailed description of each embodiment below.

도 1은 본 발명에 따른 라만 OTDR 온도 센서의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법을 나타낸 플로우차트이다.1 is a configuration diagram of a Raman OTDR temperature sensor according to the present invention, Figure 2 is a flowchart showing a temperature distribution measuring method in the Raman OTDR temperature sensor according to the present invention.

본 발명은 폭이 넓은 입력 펄스광 광섬유에 입사시킴으로써 후방 산란광을 발생시켜 신호대 잡음비를 증가시키고 이때 측정되는 후방 산란광 세기의 기울기를 계산하여 측정 정밀도 및 효율성을 높인 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법에 관한 것이다.The present invention generates a backscattered light by entering a wide input pulsed optical fiber to increase the signal-to-noise ratio and calculates the slope of the backscattered light intensity measured at this time to increase the measurement accuracy and efficiency in the Raman OTDR temperature sensor It is about.

본 발명에 따른 광섬유 라만 OTDR 온도 센서는 도 1에서와 같이, 입력 단에서 광원(11)을 변조시켜 펄스광으로 만들어 광순환기(12)를 거쳐 측정용 감지 광섬유에 입사하게 되고, 후방 산란광은 후방으로 되돌아 나와서 다시 광순환기(12)와 산란광 필터(13)을 거쳐 광신호 디텍터(14)에서 검출되며 검출된 광 신호는 광신호 증폭기(15)와 신호 처리부(17)를 거쳐 PC(18)로 데이터를 출력하게 된다. The optical fiber Raman OTDR temperature sensor according to the present invention modulates the light source 11 at the input stage into pulsed light and enters the sensing optical fiber for measurement through the optical circulator 12, as shown in FIG. The optical signal detector 14 is returned to the PC 18 via the optical signal amplifier 15 and the signal processor 17 through the optical circulator 12 and the scattered light filter 13. Will output the data.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법은 도 2에서와 같이, 입력 펄스광의 폭 및 듀티비를 설정한다.(S201)In the method for measuring the temperature distribution in the Raman OTDR temperature sensor according to the present invention having the above configuration, as shown in FIG.

본 발명에 따른 일실시예에서는 광섬유에 입사되는 입력 펄스광의 폭을 설치된 감지 광섬유의 길이를 기준으로 입력 광이 감지 광섬유의 끝단에서 되돌아와서 도착할 때의 시간을 계산하여 같거나 조금 크게 설정하고 듀티비(duty rate, duty cycle)는 50%로 설정한다.In one embodiment according to the present invention, the width of the input pulsed light incident on the optical fiber is set equal to or slightly larger by calculating the time when the input light arrives from the end of the sensed fiber based on the length of the installed sensing fiber. (duty rate, duty cycle) is set to 50%.

상기와 같이 입력 펄스광의 폭 및 듀티비를 설정하고 입력 단에서 광원을 변조시켜 펄스광으로 만들어 광순환기를 거쳐 측정용 감지 광섬유에 입사되도록 한다.(S202)As described above, the width and duty ratio of the input pulsed light are set, and the light source is modulated at the input terminal to make the pulsed light to enter the sensing optical fiber through the optical circulator (S202).

그리고 라만 후면 산란광의 세기를 미분하여 기울기를 계산하여(S203), 거리에 따른 광섬유의 온도 및 온도 변화 구간을 측정한다.(S204)In addition, the slope of the scattered light by Raman is differentiated (S203), and the temperature and the temperature change section of the optical fiber are measured according to the distance (S204).

도 3은 라만 OTDR 온도 센서에서 입력 펄스광과 후방 라만 산란광의 전형적인 광 입출력 그래프를 나타낸 것으로 가로축은 시간축이고 세로축은 광 출력이다. Figure 3 shows a typical optical input and output graph of the input pulsed light and the rear Raman scattered light in the Raman OTDR temperature sensor, the horizontal axis is the time axis and the vertical axis is the light output.

여기서 가로축인 시간 축은 광섬유 코어(core)에서의 광속을 고려하면 거리로 변환할 수 있기 때문에 도 3과 같은 그래프의 광세기를 측정하여 광섬유의 위치에 따른 온도 분포를 측정할 수 있다.In this case, the horizontal axis can be converted into a distance in consideration of the luminous flux in the optical fiber core, so that the temperature distribution according to the position of the optical fiber can be measured by measuring the light intensity of the graph as shown in FIG. 3.

도 3에서 감지 광섬유의 온도가 일정하다면 후방 산란광은 시간(거리)에 따라 점차적으로 감소하게 된다. 하지만 특정 위치에서 온도가 상승한 가열지역이 존재한다면 그 위치에서는 더 많은 라만산란광의 발생으로 인하여 광 출력이 증가하게 된다.In FIG. 3, if the temperature of the sensing optical fiber is constant, the backscattered light gradually decreases with time (distance). However, if there is a heating zone where the temperature rises at a particular location, the light output will increase at that location due to the generation of more Raman scattered light.

여기에서 거리해상도는 입력 펄스광의 펄스폭에 매우 의존적이다. 입력 펄스광의 폭이 좁을수록 더욱 정밀하게 위치에 따른 온도분포를 측정할 수 있다. The distance resolution here is very dependent on the pulse width of the input pulsed light. The narrower the width of the input pulsed light, the more precisely the positional temperature distribution can be measured.

후방 라만 산란광은 그 세기가 매우 작아서 감지가 용이하지 않으며 신호처리를 위해 많은 증폭이 요구된다. 또한 신호 대 잡음비가 좋지 않아 이를 개선하기 위해 많은 횟수의 평균화과정을 거치게 된다.The back Raman scattered light is so small that it is not easy to detect and requires a lot of amplification for signal processing. In addition, the signal-to-noise ratio is poor, and a lot of averaging processes are required to improve it.

수학식 2에서 보면, 후방 라만산란광의 세기는 입력펄스광의 세기와 입력펄스광의 폭에 비례한다. 따라서 후방 산란광의 강도를 증가시키려면 넓은 펄스폭, 고출력의 입력 펄스광이 요구된다.In Equation 2, the intensity of the rear Raman scattered light is proportional to the intensity of the input pulsed light and the width of the input pulsed light. Therefore, in order to increase the intensity of backscattered light, a wide pulse width and high power input pulsed light are required.

그러나 넓은 펄스폭은 거리 해상도를 떨어지게 하므로 기존의 측정방법으로는 거리해상도를 희생해야만 한다. 본 발명에서는 새로운 측정방법을 통하여 거리해상도의 희생 없이 넓은 펄스폭을 가진 입력 펄스광을 사용하여 보다 많은 후방 라만 산란광을 취득함으로써 신호 대 잡음비를 개선할 수 있도록 한 것이다.However, wide pulse widths degrade the distance resolution, so conventional resolution methods must sacrifice distance resolution. In the present invention, the signal-to-noise ratio can be improved by acquiring more rear Raman scattered light using an input pulsed light having a wide pulse width without sacrificing distance resolution through a new measuring method.

도 4는 넓은 펄스폭을 가진 입력 펄스광을 사용하였을 때 입력 펄스광과 후방 라만 산란광의 상관관계 및 출력 파형을 나타낸 그래프이고, 도 5는 넓은 펄스폭을 가진 입력 펄스광을 사용하였을 때의 온도에 따른 후방 라만 산란광의 출력 파형 그래프이다.4 is a graph illustrating the correlation and output waveforms of the input pulsed light and the rear Raman scattered light when the input pulsed light having a wide pulse width is used, and FIG. 5 is the temperature when the input pulsed light having the wide pulse width is used. The output waveform graph of the rear Raman scattered light according to.

도 4는 넓은 펄스폭을 가진 입력 펄스광을 좁은 펄스폭을 가진 입력 펄스광의 합으로 간주하고, 이 때 예상되는 후방 라만산란광을 표현한 것이다.4 regards input pulsed light having a wide pulse width as the sum of input pulsed light having a narrow pulse width, and expresses the expected rear Raman scattered light.

도 4에서처럼 입력펄스광을

Figure 112009066836732-pat00027
, 후방 라만산란광을
Figure 112009066836732-pat00028
로 하면 각각은 다음과 같이 나타낼 수 있다.Input pulsed light as shown in FIG.
Figure 112009066836732-pat00027
Rear Raman scattering light
Figure 112009066836732-pat00028
Each can be expressed as follows.

Figure 112009066836732-pat00029
Figure 112009066836732-pat00029

Figure 112009066836732-pat00030
Figure 112009066836732-pat00030

여기서

Figure 112009066836732-pat00031
는 입력 펄스광을 좁은 펄스광으로 분리했을 때 각각의 펄스광을 표현한 것이고,
Figure 112009066836732-pat00032
는 각각의 좁은 펄스광에 의한 후방 라만산란광을 표현한 것이다.here
Figure 112009066836732-pat00031
Represents each pulsed light when the input pulsed light is divided into narrow pulsed light,
Figure 112009066836732-pat00032
Represents the rear Raman scattered light by each narrow pulsed light.

도 4에서와 같이 넓은 펄스폭을 가진 입력 펄스광을 좁은 펄스광의 합으로 간주할 경우, 전체 후방 라만산란광은 각각의 좁은 펄스광에 의한 후방 라만산란광의 합으로 간주할 수 있다.When the input pulsed light having a wide pulse width as shown in FIG. 4 is regarded as the sum of the narrow pulsed light, the entire rear Raman scattered light may be regarded as the sum of the rear Raman scattered light by each narrow pulsed light.

따라서 이전의 좁은 펄스광을 입사하는 방법에 비해 후방 산란광의 세기가 커지게 된다.Therefore, the intensity of the backscattered light becomes larger than the method of injecting the narrow pulsed light.

도 4에서 전체 후방 라만산란광 그래프를 보면 온도가 일정한 구간에서는 일정한 기울기를 가지며 점차적으로 산란광의 세기가 증가하다가 가열지역에서는 증가하는 기울기가 커지게 된다.Referring to the entire rear Raman scattered light graph in FIG. 4, the temperature has a constant slope in a constant section, and the intensity of the scattered light gradually increases, and the increasing slope increases in the heating zone.

가열지역이 지나가면 다시 원래의 기울기를 가지며 증가하다가 펄스입력이 사라지면 또 다시 일정한 기울기를 가지며 감소하게 된다. 따라서 감지 광섬유 전체 거리에서 라만 후면 산란광의 기울기를 계산함으로써 광섬유의 온도와 온도가 변화한 구간을 측정할 수 있다.As the heating zone passes, it increases with its original slope again and then decreases with a constant slope again when the pulse input disappears. Therefore, by calculating the slope of the scattered light of the Raman back from the total distance of the sensing optical fiber, it is possible to measure the temperature of the optical fiber and the interval of the temperature change.

도 5는 펄스폭이 20㎲ 인 입력 펄스광을 2km 길이의 감지광섬유에 입사하고 감지광섬유 전체를 온도 챔버에 넣고 24℃, 74℃, 104℃에서 각각 측정한 결과이다. 높은 온도에서 증가하는 기울기가 커짐을 알 수 있다.5 is a result of measuring the input pulsed light having a pulse width of 20 에 to a sensing optical fiber of 2km length and putting the whole sensing optical fiber into a temperature chamber at 24 ° C., 74 ° C., and 104 ° C., respectively. It can be seen that the slope increases at higher temperatures.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법은 폭이 넓은 입력 펄스광 광섬유에 입사시킴으로써 후방 산란광을 발생시켜 신호대 잡음비를 증가시키고 이때 측정되는 후방 산란광 세기의 기울기를 계산하여 측정 정밀도 및 효율성을 높인 것이다.In the Raman OTDR temperature sensor according to the present invention described above, the temperature distribution measurement method generates a backscattered light by incidence on a wide input pulsed optical fiber to increase the signal-to-noise ratio and calculates the measured slope of the backscattered light intensity. Increased precision and efficiency.

본 발명이 속하는 기술 분야에서 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be understood that the present invention is embodied in a modified form without departing from the essential features of the present invention.

그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.Therefore, the described embodiments should be considered in descriptive sense only and not for purposes of limitation, and the scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope are included in the present invention. It should be interpreted.

도 1은 본 발명에 따른 라만 OTDR 온도 센서의 구성도1 is a block diagram of a Raman OTDR temperature sensor according to the present invention

도 2는 본 발명에 따른 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법을 나타낸 플로우차트2 is a flowchart showing a temperature distribution measuring method in a Raman OTDR temperature sensor according to the present invention.

도 3은 라만 OTDR 온도 센서에서 입력 펄스광과 후방 라만 산란광의 전형적인 광 입출력 그래프3 is a typical optical input / output graph of input pulsed light and rear Raman scattered light in a Raman OTDR temperature sensor.

도 4는 넓은 펄스폭을 가진 입력 펄스광을 사용하였을 때 입력 펄스광과 후방 라만 산란광의 상관관계 및 출력 파형을 나타낸 그래프4 is a graph showing the correlation and output waveforms of input pulsed light and rear Raman scattered light when input pulsed light having a wide pulse width is used.

도 5는 넓은 펄스폭을 가진 입력 펄스광을 사용하였을 때의 온도에 따른 후방 라만 산란광의 출력 파형 그래프5 is a graph of the output waveform of the rear Raman scattered light according to the temperature when using the input pulsed light having a wide pulse width

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings

11.광원 12. 광순환기11.Light source 12. Optical circulator

13. 산란광 필터 14. 광신호 디텍터13. Scattered Light Filter 14. Optical Signal Detector

15. 광신호 증폭기 16. 제어부15. Optical signal amplifier 16. Control part

17. DAQ 18. PC17.DAQ 18.PC

Claims (3)

설치된 감지 광섬유의 길이를 기준으로 입력 광이 감지 광섬유의 끝단에서 되돌아와서 도착할 때의 시간을 계산하여 이를 기준으로 온도 분포 측정을 위한 입력 펄스광의 폭 및 듀티비를 설정하는 단계;Calculating the time when the input light arrives from the end of the sensing fiber based on the length of the installed sensing fiber and sets the width and duty ratio of the input pulsed light for measuring the temperature distribution based on the time; 상기 설정된 입력 펄스광의 폭 및 듀티비에 맞도록 입력 단에서 광원을 변조시켜 설정된 폭의 펄스광으로 만들어 광순환기를 거쳐 측정용 감지 광섬유에 입사되도록 하는 단계;Modulating a light source at an input terminal to match the set width and duty ratio of the set input pulsed light to make the pulsed light having a set width to be incident on a sensing optical fiber through a light circulator; 상기 입사된 펄스광이 측정용 감지 광섬유에 의해 산란되어 후방으로 되돌아 나오면 라만 후면 산란광을 검출하고, 검출된 라만 후면 산란광의 세기를 미분하여 기울기를 계산하는 단계;Detecting the Raman backscattered light when the incident pulsed light is scattered by the measurement sensing optical fiber and returned to the rear, and calculating a slope by differentiating the intensity of the detected Raman backscattered light; 상기 계산된 기울기를 기준으로 거리에 따른 광섬유의 온도 및 온도 변화 구간을 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법.Measuring temperature distribution of the optical fiber according to the distance and the temperature change interval based on the calculated slope; Temperature distribution measurement method in a Raman OTDR temperature sensor comprising a. 제 1 항에 있어서, 상기 입력 펄스광의 폭 및 듀티비를 설정은,The method of claim 1, wherein setting the width and duty ratio of the input pulsed light includes: 설치된 감지 광섬유의 길이를 기준으로 입력 광이 감지 광섬유의 끝단에서 되돌아와서 도착할 때의 시간을 계산하여 같거나 크게 설정하고 듀티비(duty rate, duty cycle)는 50%로 설정하는 것을 특징으로 하는 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법.Based on the length of the installed sensing fiber, the time when the input light arrives from the end of the sensing fiber when it arrives is calculated to be equal to or greater than that and the duty rate (duty cycle) is set to 50%. Method of measuring temperature distribution in OTDR temperature sensor. 제 1 항에 있어서, 상기 광섬유의 온도 및 온도 변화 구간의 측정시에,The method of claim 1, wherein in measuring the temperature and the temperature change interval of the optical fiber, 온도가 일정한 구간에서는 일정한 기울기를 가지며 점차적으로 산란광의 세기가 증가하다가 가열지역에서는 증가하는 기울기가 커지고,In the section where the temperature is constant, it has a constant slope, and the intensity of the scattered light gradually increases, but in the heating zone, the slope increases. 가열지역이 지나가면 다시 원래의 기울기를 가지며 증가하다가 펄스입력이 사라지면 또 다시 일정한 기울기를 가지며 감소하는 특성을 이용하는 것을 특징으로 하는 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법.A method of measuring temperature distribution in a Raman OTDR temperature sensor, characterized in that the heating zone passes with the original slope again and then increases and then the pulse input disappears again with a constant slope.
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