KR101292549B1 - 분포형 광섬유 센서 및 분포형 광섬유 센서의 비트 노이즈 억제 방법 - Google Patents

분포형 광섬유 센서 및 분포형 광섬유 센서의 비트 노이즈 억제 방법 Download PDF

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Abstract

분포형 광섬유 센서는, 시험 광섬유; 제1 주파수로 변조된 광을 출력하는 광원부; 상기 광원부에 의해 출력된 광을 이용하여, 측대역 신호를 포함하는 제1 광신호 및 상기 제1 주파수에 대해 미리 설정된 비율을 갖는 제2 주파수로 처핑된 제2 광신호를 생성하고, 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호를 상기 시험 광섬유의 양단에 각각 인가하는 광변조부; 및 상기 시험 광섬유에서 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호에 의하여 생성된 브릴루앙(Brillouin) 산란광을 검출하는 광검출부를 포함할 수 있다. 제2 광신호를 제1 주파수에 대해 소정의 비율로 처핑(chopping) 함으로써, 분포형 광섬유 센서에서 발생할 수 있는 비트 노이즈(beat noise)를 억제하여 브릴루앙 이득 스펙트럼의 왜곡 현상을 피할 수 있다.

Description

분포형 광섬유 센서 및 분포형 광섬유 센서의 비트 노이즈 억제 방법{DISTRIBUTED OPTICAL FIBER SENSOR AND METHOD FOR SUPPRESSING BEAT NOISE IN DISTRIBUTED OPTICAL FIBER SENSOR}
실시예들은 분포형 광섬유 센서(distributed optical fiber sensor) 및 분포형 광섬유 센서의 비트 노이즈(beat noise) 억제 방법에 대한 것으로서, 구체적으로는 비트 노이즈를 억제하여 이에 의한 브릴루앙 이득 스펙트럼(Brillouin Gain Spectrum)의 왜곡 현상을 회피할 수 있는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 광섬유는 외부 환경, 예컨대, 온도나 응력 등과 같은 외부 물리량의 변화로 인한 광섬유 자체의 고유 특성의 변화가 민감하여 센서로 이용할 수 있다. 또한, 광섬유 자체의 특성상 외부 전자기파에 둔감하고 유해한 환경, 예컨대, 가스나 용액 등에 강하고 가볍고 유연하며 소형화가 가능하다. 이러한 장점들 때문에 광섬유는 포설이 용이하고 구조물에 장착하기 쉬운 구조로 되어 있어 센서용으로 매우 적합하다.
광섬유 센서로는 광섬유 내의 코어의 굴절율을 변화시켜 제작한 광격자 센서가 있으나, 이는 격자가 새겨진 부분만 센서의 역할을 하기 때문에 분포형 광섬유 센서에 비해 상대적으로 취약하다. 또 다른 방식으로는 간섭형, 파장형, 및 산란형 센서가 있다. 이중 산란형 센서는 펼스 광원 또는 연속파(Continuous Wave) 광원을 사용하여, 광섬유에 작용하는 물리량에 따른 광섬유 내부의 후방 산란광을 측정함으로써 장거리 센싱이 가능하다.
이러한 산란형 센서로는 레일레이(Rayleigh) 산란형 광섬유 센서, 라만(Raman) 산란형 광섬유 센서, 브릴루앙(Brillouin) 산란형 광섬유 센서 등이 있다. 레일레이 산란형 광섬유 센서는 펄스광이 광섬유 내부를 진행하는 중 광섬유의 밀도의 불균일 분포에 기인하여 발생하는 산란광을 측정하는 센서로, 펄스광의 세기에 비례하는 후방 산란광을 얻을 수 있다. 그러나, 레일레이 산란형 광섬유 센서는 외부의 온도 또는 변형률 변화에 민감하지 못하며, 특수한 광섬유의 굽힘이 발생하는 경우에만 사용할 수 있다. 라만 산란형 광섬유 센서와 브릴루앙 산란형 광섬유 센서는 모두 비선형 광산란을 이용하는 센서이다. 일 예로, 공개특허공보 제10-2009-0001405호는 감지 광섬유에서 발생하는 후방 산란광 중 라만 산란광과 브릴루앙 산란광을 측정하는 분포 광섬유 센서 시스템을 개시한다.
라만 산란은 광섬유 내에서 빛이 전달될 때 분자 진동에 의하여 후방 산란 신호가 발생하는 현상을 지칭한다. 이때, 분자의 진동은 열적인 변화에 의해서만 변화하므로, 라만 산란형 광섬유 센서는 대부분 온도 센서로 사용되고 있다. 브릴루앙 산란형 광섬유 센서는, 외부에서 작용하는 온도 또는 응력 등에 따라 광섬유 고유의 브릴루앙 주파수 값이 변화하는데, 이러한 브릴루앙 주파수의 변화량을 구하여 외부 물리량 변화를 측정하는 센서이다. 광섬유 내에 발생하는 브릴루앙 산란은 빛이 광섬유 내에 진행할 때 음파와 결합하여 후방 산란 신호를 만드는 현상을 지칭하는데, 이러한 후방 산란 신호는 광섬유가 위치한 환경에 비례하므로 이를 이용하여 온도 및/또는 응력의 변화량을 측정할 수 있다.
브릴루앙 산란을 이용한 분포형 광섬유 센서의 종류로는 브릴루앙 광학적 시간영역 반사율 측정(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry; BOTDR) 방식, 브릴루앙 광학적 시간영역 분석(Brillouin Optical Time Domain Analysis; BOTDA) 방식, 및 브릴루앙 광학적 공간영역 해석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis; BOCDA) 방식 등이 있다. 이중 BOTDR 방식과 BOTDA 방식은 펼스 형태의 광원을 이용하여 브릴루앙 산란광을 관찰하는 방식으로, 장거리 센싱에 용이하지만 분해능이 제한되는 단점이 있다. 이에 반해, BOCDA 방식은 공간 선택적으로 브릴루앙 산란을 발생시켜 특정 지점에서만 물리적인 변화를 측정할 수 있으며, BOTDR방식이나 BOTDA 방식과 비교하면 장거리 계측은 어려우나 분해능은 개선된다.　
공개특허공보 제10-2009-0001405호
본 발명의 일 측면에 따르면, 브릴루앙 광학적 공간영역 해석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis; BOCDA) 방식을 이용하여 물리적인 변형 및 온도 등을 측정할 수 있으며, 종래의 BOCDA 방식의 분포형 광섬유 센서 시스템에서 발생될 수 있는 비트 노이즈(beat noise) 현상을 억제시킬 수 있는 분포형 광섬유 센서 및 분포형 광섬유 센서의 비트 노이즈 억제 방법을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서는, 시험 광섬유; 제1 주파수로 변조된 광을 출력하는 광원부; 상기 광원부에 의해 출력된 광을 이용하여, 측대역 신호를 포함하는 제1 광신호 및 상기 제1 주파수에 대해 미리 설정된 비율을 갖는 제2 주파수로 처핑된 제2 광신호를 생성하고, 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호를 상기 시험 광섬유의 양단에 각각 인가하는 광변조부; 및 상기 시험 광섬유에서 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호에 의하여 생성된 브릴루앙(Brillouin) 산란광을 검출하는 광검출부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서의 비트 노이즈(beat noise) 억제 방법은, 제1 주파수로 변조된 광을 출력하는 단계; 출력된 광을 이용하여 측대역 신호를 포함하는 제1 광신호를 생성하는 단계; 출력된 광을 상기 제1 주파수에 대해 미리 설정된 비율을 갖는 제2 주파수로 처핑하여 제2 광신호를 생성하는 단계; 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호를 각각 상기 시험 광섬유의 양단에 인가하는 단계; 및 상기 시험 광섬유에서 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호에 의하여 생성된 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 분포형 광섬유 센서 및 분포형 광섬유 센서의 비트 노이즈(beat noise) 억제 방법에 의하면, 브릴루앙 광학적 공간영역 해석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis; BOCDA) 방식을 이용하여 대형 건축물, 교량, 항공기, 열차 등의 물리적인 변형 및 온도를 측정할 수 있으며, BOCDA 방식의 시스템에서 발생할 수 있는 비트 노이즈를 제거할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서의 개략도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서의 원리와 비트 노이즈(beat noise)를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3a 및 3b는 제1 주파수와 제2 주파수 사이의 비율을 17로 설정하였을 경우 브릴루앙(Brillouin) 산란광의 파형 및 이득 스펙트럼을 각각 나타내는 그래프들이다.
도 4a 및 4b는 제1 주파수와 제2 주파수 사이의 비율 3.01로 설정하였을 경우 브릴루앙 산란광의 파형 및 이득 스펙트럼을 각각 나타내는 그래프들이다.
도 5a 및 5b는 일 실시예에 따라 제1 주파수와 제2 주파수 사이의 비율 2로 설정하였을 경우 브릴루앙 산란광의 파형 및 이득 스펙트럼을 각각 나타내는 그래프들이다.
도 6은 제1 주파수와 제2 주파수 사이의 비율을 변화시키면서 브릴루앙 이득 스펙트럼의 최대값에 해당하는 지점의 신호 크기의 분산값을 측정한 그래프이다.
도 7은 제1 주파수와 제2 주파수 사이의 비율을 변화시키면서 브릴루앙 이득 스펙트럼의 최대값에 해당하는 지점의 주파수의 분산값을 측정한 그래프이다.
도 8a는 제2 주파수를 고정시키고 제1 주파수를 변화시키면서 측정된 브릴루앙 이득 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 8b는 일 실시예에 따라 제1 주파수와 제2 주파수 사이의 비율을 짝수로 하고 제1 주파수를 변화시키면서 측정된 브릴루앙 이득 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
브릴루앙 광학적 공간영역 해석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis; BOCDA) 방식의 분포형 광섬유 센서(distributed optical fiber sensor)에 있어서, 광섬유 내에서 서로 반대 방향으로 진행하는 펌프(pump)광 및 프로브(probe)광의 주파수 차이가 광섬유 고유의 브릴루앙 천이 주파수와 일치하거나 이에 근접하게 되면, 광섬유의 전 구간에 걸쳐 유도 브릴루앙 산란 증폭이 일어나 프로브광의 세기가 증폭된다.
이때, 펌프광과 프로브광의 주파수가 공간적으로 사인(sin) 파형을 갖도록 광신호를 변조함으로써, 광섬유 내의 특정 위치에서만 선택적으로 브릴루앙 산란 신호를 얻을 수 있다. 측정 지점은 펌프광과 프로브광을 생성하기 위한 레이저 광의 변조 주파수에 기초하여 결정될 수 있다. 펌프광과 프로브광 사이의 오프셋(offset) 주파수를 변화시키면서 브릴루앙 이득 스펙트럼을 측정할 수 있다. 시험 광섬유의 브릴루앙 천이 주파수는 외부에서 작용하는 온도 또는 응력 등 물리적인 특성에 의존하므로, 브릴루앙 이득 스펙트럼이 최대값을 갖는 주파수를 이용하여 시험 광섬유의 물리적인 특성 변화를 측정할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서를 나타내는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서는 광원부(10), 광변조부(20), 시험 광섬유(30) 및 광검출부(50)를 포함할 수 있다. 시험 광섬유(30)는 광경로상에서 브릴루앙 산란을 이용하여 물리량의 변화를 측정하고자 하는 위치에 배치될 수 있다.
광원부(10)는 분포형 광섬유 센서에 사용될 광을 공급하기 위한 장치이다. 일 실시예에서, 광원부(10)는 분포형 궤환 레이저 다이오드(Distrubuted Feed-Back Laser Diode; DFB LD)(110) 및 함수 발생기(120)를 포함할 수 있다. 함수 발생기(120)를 이용하여 DFB LD(110)에 대한 공급 전류를 변조함으로써, 제1 주파수(fm)를 갖는 정현파 형태로 변조되며 변조 신호의 크기가 △f인 광을 얻을 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 광원부(10)는 다른 상이한 방식의 레이저 발생 장치를 포함하여 구성될 수도 있다.
광변조부(20)는 광원부(10)로부터 제1 주파수로 변조된 광을 인가받고, 이로부터 제1 광신호 및 제2 광신호를 생성하여 시험 광섬유(30)의 양단에 인가할 수 있다. 일 실시예에서, 광변조부(20)는 광분배기(210), 제1 광변조기(220) 및 제2 광변조기(280)를 포함할 수 있다. 광분배기(210)는 광원부(10)로부터 변조된 광을 수신하고, 수신된 광을 제1 광신호 및 제2 광신호를 생성하기 위한 두 광신호로 분기할 수 있다. 예컨대, 제1 광신호는 프로브광이며, 제2 광신호는 펌프광일 수 있다.
제1 광변조기(220)는 광분배기(210)와 시험 광섬유(30)의 한쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결되어, 광분배기(210)로부터 인가된 광을 이용하여 측대역(sideband) 신호를 포함하는 제1 광신호를 생성할 수 있다. 제1 광변조기(220)는 제1 신호발생기(225)로부터 신호를 수신하며, 제1 주파수(즉, 변조 주파수)에서 제1 신호발생기(225)로부터 수신된 오프셋(offset) 주파수만큼 주파수가 천이된 측대역 신호를 포함하도록 제1 광신호를 변조시킬 수 있다. 예컨대, 제1 광변조기(220)는 단측파대 변조기(single sideband modulator)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 광변조기(280)는 광분배기(210)와 시험 광섬유(30)의 다른쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결되어, 광분배기(210)로부터 인가된 광을 제2 주파수에 따라 처핑(chopping)하여 제2 광신호를 생성할 수 있다. 제2 광변조기(280)는 제2 신호발생기(285)로부터 제2 주파수를 갖는 기준 신호를 수신하며, 제1 주파수로 변조된 광을 기준 신호에 따라 단속하여 제2 광신호를 생성할 수 있다. 예컨대, 기준 신호는 사각파 형태일 수 있다. 또한, 제2 광변조기(280)는 전기광학 변조기(electro-optic modulator)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 광신호를 생성하는 데에 있어서, 제2 주파수(즉, 처핑 주파수)는 제1 주파수(즉, 변조 주파수)에 대하여 미리 설정된 비율을 갖도록 결정될 수 있다. 또한, 분포형 광섬유 센서를 이용한 측정에 있어 제1 주파수를 변화시키면서 브릴루앙 산란 신호를 측정하게 되는데, 이때 제2 주파수는 제1 주파수의 변화에 대응하여 변화된 제1 주파수에 대해 상기 미리 설정된 비율을 유지하도록 조절될 수 있다. 본 명세서에서는, 제1 주파수를 fm으로 지칭하며, 제2 주파수를 fl로 지칭하고, 제1 주파수를 제2 주파수로 나눈 값(fm/fl)을 제1 주파수와 제2 주파수 사이의 비율로 지칭하기로 한다. 일 실시예에서는, 제1 주파수와 제2 주파수 사이의 비율이 짝수가 되도록 조절할 수도 있다. 이에 대해서는 상세히 후술한다.
광변조부(20)는 시험 광섬유(30)와 광학적으로 연결되는 지연 광섬유(270)를 포함할 수 있다. 지연 광섬유(270)는 시험 광섬유(30)의 물리적인 변화를 측정하는 것이 가능하게 하기 위한 보조 광섬유로서, 지연 광섬유(270)의 길이를 적절하게 조절함으로써 브릴루앙 이득 피크가 시험 광섬유(30)상에 위치하도록 할 수 있다. 또한, 지연 광섬유(270)는 광순환기(510)를 통해 시험 광섬유(30)에 광학적으로 연결되며, 제1 광신호는 광순환기(510)에 의하여 분기되어 지연 광섬유(270)에 입력되지 않으므로, 시험 광섬유(30)에서만 브릴루앙 산란광이 발생될 수 있다. 일 실시예에서, 지연 광섬유(270)는 시험 광섬유(30)와 동일한 재질로 이루어질 수도 있다.
광변조부(20)는 하나 이상의 편광조절기(240, 245, 265)를 포함할 수도 있다. 예컨대, 광변조부(20)는 광분배기(210)와 제1 광변조기(220) 사이에 광학적으로 연결되는 제1 편광조절기(240), 광분배기(210)와 제2 광변조기(280) 사이에 광학적으로 연결되는 제2 편광조절기(245) 및/또는 편광스위치(230)와 광증폭기(250) 사이에 광학적으로 연결되는 제3 편광조절기(265)를 포함할 수도 있다. 제1 광신호와 제2 광신호의 편광이 일치할 때 유도 브릴루앙 산란 증폭이 일어나므로, 하나 이상의 편광조절기를 이용하여 제1 광신호 및 제2 광신호의 편광을 동일하게 조절할 수 있다.
또한, 광변조부(20)는 편광스위치(Polarization Switch; PSW)(230)를 포함할 수도 있다. 편광스위치(230)는 광변조기(220)와 시험 광섬유(30)사이에 광학적으로 연결되어, 제1 광신호의 편광을 주기적으로 변경할 수 있다. 예컨대, 편광스위치(230)는 함수 발생기(235)로부터 신호를 수신하며, 수신된 신호에 따라 제1 광신호의 편광을 한 번은 0도, 다른 한번은 90도로 번갈아 회전시킬 수 있다. 전술한 0도 및 90도의 편광 각도는 단지 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 편광스위치(230)는 제1 광신호의 편광을 이와 상이한 다른 각도로 주기적으로 변경할 수도 있다.
제1 광신호와 제2 광신호의 편광일 일치할 때 유도 브릴루앙 산란 증폭이 일어나나, 제1 광신호 및/또는 제2 광신호의 편광은 시간 및 공간에 따라 변화할 수 있다. 따라서, 편광스위치(230)를 이용하여 제1 광신호의 편광을 변화시켜가면서 측정을 수행하고, 측정된 값의 평균값을 이용함으로써 편광 문제를 해결할 수 있다.
또한, 광변조부(20)는 하나 이상의 광증폭기(250, 255)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 광변조부(20)는 제3 편광조절기(265)와 시험 광섬유(30) 사이에 광학적으로 연결되는 제1 광증폭기(250)를 포함할 수 있다. 또한, 광변조부(20)는 제2 편광조절기(245)와 지연 광섬유(270) 사이에 광학적으로 연결되는 제2 광증폭기(255)를 포함할 수도 있다. 제1 광증폭기(250) 및 제2 광증폭기(255)는 각각 제1 광신호 및 제2 광신호의 크기를 증가시키는 역할을 할 수 있다.
또한, 광변조부(20)는 광고립기(260)를 포함할 수도 있다. 광고립기(260)는 시험 광섬유(30)와 제1 광변조기(220) 사이에 광학적으로 연결되어, 고출력의 제2 광신호가 지연 광섬유(270) 및 시험 광섬유(30)를 거쳐 제1 광변조기(220)로 진행하는 것을 차단하는 역할을 할 수 있다.
광검출부(50)는 시험 광섬유(30)에서 발생한 브릴루앙 산란광을 검출하기 위한 장치이다. 광검출부(50)는 광순환기(510), 포토다이오드(Photo Diode; PD)(520) 및 위상잠금 증폭기(Lock-in amplifier)(530)를 포함할 수 있다. 광순환기(510)는 시험 광섬유(30) 및 지연 광섬유(270) 사이에 광학적으로 연결되어, 시험 광섬유(30)에서 발생된 브릴루앙 산란광을 분기할 수 있다. PD(520)는 광순환기(510)에 의해 분기된 산란광을 수신하고 이를 전기 신호로 변환할 수 있다.
위상잠금 증폭기(530)는 변환된 전기 신호를 수신하고, 수신된 신호에서 잡음을 제거할 수 있다. 위상잠금 증폭기(530)는, 제2 광신호의 처핑을 위하여 제2 신호발생기(285)에서 발생된 기준 신호를 이용하여 잡음 신호를 제거할 수 있다. 즉, 위상잠금 증폭기(530)는 PD(520)에 의해 광전 변환된 신호를 수신하고, 수신된 신호에서 기준 신호의 주파수인 제2 주파수(즉, 처핑 주파수)의 성분만을 추출할 수 있다. 따라서, 주파수가 상이한 잠음 신호는 위상잠금 증폭기(530)에 의해 제거될 수 있다. 위상잠금 증폭기(530)는 교류신호 채널(AC signal channel), 믹서(mixer), 직류 증폭기(DC amplifier) 및 저역통과 필터(low-pass filter) 등으로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
광검출부(50)는 데이터 수집부(data acquisition; DAQ)(540) 및 개인용 컴퓨터(Personal Computer; PC)(550)를 포함할 수도 있다. 위상잠금 증폭기(530)에서 출력된 직류 전압 신호를 DAQ(540) 및 PC(550)에서 수신하고, 수신된 신호를 브릴루앙 이득 스펙트럼의 형태로 변환하여 시험 광섬유(30)의 물리적인 변화를 측정할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서는 다른 상이한 하나 이상의 데이터 처리 수단을 이용하여 신호 처리 및 분석을 수행할 수도 있다.
이상과 같은 구성에 의하여, 시험 광섬유(30) 내에서는 제1 광신호 및 제2 광신호가 서로 반대 방향으로 진행하게 된다. 제1 광신호는 오프셋 주파수만큼 주파수가 천이된 측대역 신호를 포함하므로, 측대역 신호와 제2 광신호의 주파수 차이가 시험 광섬유(30) 고유의 브릴루앙 천이 주파수와 일치하거나 또는 이에 근접하도록 조절할 경우 시험 광섬유(30)에서 유도 브릴루앙 산란이 일어나 시험 광섬유(30)의 전 구간에 걸쳐 광신호가 증폭될 수 있다. 증폭된 광신호를 광검출부(50)에서 검출하여 브릴루앙 이득 스펙트럼을 구성할 수 있으며, 이를 이용하여 시험 광섬유(30)의 물리적인 특성 변화를 측정할 수 있다.
이때, 광변조부(20)는 제2 광신호를 처핑하기 위한 제2 주파수가 광원부(10)에서 광을 생성하기 위한 변조 주파수인 제1 주파수에 대하여 미리 설정된 비율을 갖도록 조절할 수 있다. 그 결과, 시험 광섬유(30)에서 증폭된 브릴루앙 산란광에서 비트 노이즈(beat noise)를 제거할 수 있다. 이하에서 상세히 설명한다.
도 2는 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서의 원리와 비트 노이즈(beat noise)를 설명하기 위한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 시험 광섬유 내에서 제1 광신호(1) 및 제2 광신호(2)는 서로 반대 방향으로 진행된다. 또한 제2 광신호(2)는 제2 주파수에 따라 처핑되어 신호가 존재하는 구간(3) 및 신호가 존재하지 않는 구간(4)을 포함한다. 광원부에서 제1 주파수로 변조된 광을 출력하기 위한 변조 심도(modulation depth)를 A (A는 0 내지 1)라 할 경우, 제2 광신호(2)의 신호 크기 Ipump 및 제1 광신호(1)의 신호 크기 Iprobe는 각각 하기 수학식 1 및 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011099344599-pat00001
Figure 112011099344599-pat00002
상기 수학식 1 및 수학식 2에서 I1 및 I0는 각각 제2 광신호(2)와 제1 광신호(1)의 초기 크기를 나타낸다. 또한, 상기 수학식 1 및 수학식 2에서 ωm은 제2 광신호(2)와 제1 광신호(1)을 변조하기 위한 제1 주파수 fm에 기초하여 다음의 수학식 3과 같이 정의된다.
Figure 112011099344599-pat00003
시험 광섬유 내의 특정 상관점(correlation peak)에서는 제2 광신호(2)와 제1 광신호(1)의 위상 차이가 시간이 지나더라도 일정할 수 있다. 상관점의 피크의 유효 길이를 △z라 하고, 브릴루앙 이득의 계수를 gb라 하면, 브릴루앙 이득이 충분히 작다면 상관점의 피크에서 제1 광신호(1)의 강도는 제2 광신호(2)의 유무에 따라 하기 수학식 4 및 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011099344599-pat00004
Figure 112011099344599-pat00005
상기 수학식 4의 Ia는 처핑된 제2 광신호(2)의 신호가 존재하는 구간(3)에서 상관점 피크의 제1 광신호(1) 세기를 나타내며, 상기 수학식 5의 Ib는 처핑된 제2 광신호(2)의 신호가 존재하지 않는 구간(4)에서 상관점 피크의 제1 광신호(1) 세기를 나타낸다. 상기 수학식 4 및 수학식 5로 표현되는 제1 광신호(1)는 광검출부에 의한 광전 변환을 거쳐 전압의 형태로 검출될 수 있다. 이때, 변조 주파수인 제1 주파수와, 제2 광신호(2)를 둘러싸는 점선으로 도시된 기준 신호의 주파수인 제2 주파수(즉, 처핑 주파수) 사이의 비율을 조절함으로써, 최종 검출되는 전압 신호에서 비트 노이즈에 의한 브릴루앙 이득 스펙트럼의 왜곡을 회피할 수 있다.
광검출부에 의하여 검출되는 전압 신호 Vout은, 포토 다이오드로 인한 변환 계수를 B라 할 경우 다음의 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011099344599-pat00006
상기 수학식 6에서 τ는 광검출부에 의한 위상 검출의 시작 시간을 나타내며,
Figure 112011099344599-pat00007
는 제1 주파수와 제2 주파수 사이의 관계 위상으로서 하기 수학식 7과 같이 정의된다.
Figure 112011099344599-pat00008
상기 수학식 7에서
Figure 112011099344599-pat00009
는 상수이다. 또한, 상기 수학식 6에서 C1 및 C2는 각각 아래의 수학식 8 및 수학식 9와 같이 정의된다.
Figure 112011099344599-pat00010
Figure 112011099344599-pat00011
한편, 상기 수학식 6에서 ωl은 제2 주파수 fl에 기초하여 다음의 수학식 10과 같이 정의된다.
Figure 112011099344599-pat00012
상기 수학식 6에서 적분을 유도하고 C1 및 C2에 대하여 정렬하면, 다음의 수학식 11을 얻을 수 있다.
Figure 112011099344599-pat00013
상기 수학식 11에서 Vout은 (4ωm - ωl), (4ωm - 2ωl)과 같은 비트 노이즈를 포함하는 함수이다. 실제로 강도 변조 또는 제2 광신호의 처핑 강도 변조는 고차 하모닉 성분을 포함하고 있으므로 Vout에 보다 많은 주파수 성분이 있도록 한다. ωm은 측정 지점에 따라 변하기 때문에 위상잠금 증폭기의 저역통과 필터를 통과한 출력에 비트 노이즈에 해당하는 주파수 성분이 존재할 수 있다. 비트 노이즈는 브릴루앙 이득 스펙트럼을 왜곡한다.
이를 방지하기 위하여, 일 실시예에서는 제1 주파수와 제2 주파수 사이의 비율이 짝수가 되도록 제어할 수 있다. 즉, ωm과 ωl이 양의 정수 n에 대하여 다음 수학식 12를 만족하도록 제어할 수 있다.
Figure 112011099344599-pat00014
상기 수학식 12가 만족되는 경우, 수학식 11에 기재된 Vout에서 τ에 관련된 항은 제거되므로 수학식 11은 다음의 수학식 13과 같이 간단히 표현될 수 있다.
Figure 112011099344599-pat00015
결론적으로, 제1 주파수(즉, 변조 주파수)와 제2 주파수(즉, 처핑 주파수)가 다음의 수학식 14를 만족하도록 제어할 경우, 시간(τ)에 관련된 항은 제거되므로 시간(τ)에 무관하게 항상 같은 출력(Vout)을 유지할 수 있다. 따라서 광검출부에 수신되는 신호에서 비트 노이즈를 억제하여 이에 의한 브릴루앙 이득 스펙트럼의 왜곡을 피하여 순수한 브릴루앙 이득 스펙트럼을 얻을 수 있다.
Figure 112011099344599-pat00016
도 3a 및 3b는 제1 주파수가 3 MHz인 경우 제2 주파수를 176.47 kHz로 조절하여 제1 주파수와 제2 주파수 사이의 비율(fm/fl)을 약 17로 설정하였을 경우 브릴루앙 산란광의 파형 및 이득 스펙트럼을 각각 나타내는 그래프들이다. 또한, 도 4a 및 4b는 제1 주파수가 3 MHz인 경우 제2 주파수를 997 kHz로 조절하여 제1 주파수와 제2 주파수 사이의 비율을 약 3.01로 설정하였을 경우 브릴루앙 산란광의 파형 및 이득 스펙트럼을 각각 나타내는 그래프들이다. 도 3b 및 4b에 도시되는 바와 같이, 브릴루앙 이득 스펙트럼에 왜곡이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 5a 및 5b는 일 실시예에 따라 제1 주파수가 3 MHz인 경우 제2 주파수를 1.5 MHz로 조절하여 제1 주파수와 제2 주파수 사이의 비율을 2로 설정 하였을 경우 브릴루앙 산란광의 파형 및 이득 스펙트럼을 각각 나타내는 그래프들이다. 도 5b에 도시되는 바와 같이, 브릴루앙 이득 스펙트럼에서 비트 노이즈에 해당하는 성분이 없으므로 왜곡이 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 제1 주파수와 제2 주파수 사이의 비율(fm/fl)을 변화시키면서 브릴루앙 이득 스펙트럼의 최대값에 해당하는 지점의 신호 크기의 분산값을 측정한 그래프이며, 도 7은 제1 주파수와 제2 주파수 사이의 비율(fm/fl)을 변화시키면서 브릴루앙 이득 스펙트럼의 최대값에 해당하는 지점의 주파수의 분산값을 측정한 그래프이다. 도 6 및 7에 도시된 결과는 제1 주파수를 고정시키고 제2 주파수를 변화시키면서 실험한 결과를 나타낸다. 제1 주파수와 제2 주파수 사이의 비율이 홀수일 때 신호 크기 및 주파수의 변화가 크며, 상기 비율이 짝수일 때 변화가 적은 안정한 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 8a는 제2 주파수를 2.965421 MHz로 고정시키고 제1 주파수를 변화시키면서 시험 광섬유 내의 위치에 따른 브릴루앙 이득 스펙트럼을 펌프광과 프로브광 사이의 주파수 오프셋에 따라 나타낸 것이다. 파형에서 이득이 불규칙적으로 상승하는 부분이 있어 비트 노이즈가 발생한 것을 확인할 수 있다. 반면, 도 8b는 일 실시예에 따라 제1 주파수와 제2 주파수 사이의 비율을 2로 하고 제1 주파수를 변화시키면서 측정된 브릴루앙 이득 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 도 8b에 도시된 결과는 시험 광섬유 내의 위치에 따른 이득을 펌프광과 프로브광 사이의 주파수 오프셋에 따라 나타낸다. 도시되는 바와 같이, 전 구간에서 노이즈가 발생하지 않는 안정적인 파형을 얻을 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 시험 광섬유;
    제1 주파수로 변조된 광을 출력하는 광원부;
    상기 광원부에 의해 출력된 광을 이용하여, 측대역 신호를 포함하는 제1 광신호 및 상기 제1 주파수에 대해 미리 설정된 비율을 갖는 제2 주파수로 처핑된 제2 광신호를 생성하고, 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호를 상기 시험 광섬유의 양단에 각각 인가하는 광변조부; 및
    상기 시험 광섬유에서 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호에 의하여 생성된 브릴루앙 산란광을 검출하는 광검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광원부는 상기 제1 주파수를 변화시키면서 변조된 광을 출력하며,
    상기 광변조부는 상기 제1 주파수가 변화되면 상기 제1 주파수에 대하여 상기 미리 설정된 비율을 갖도록 상기 제2 주파수를 변화시키는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 미리 설정된 비율은, 상기 제1 주파수를 fm, 상기 제2 주파수를 fl이라고 할 때
    Figure 112011099344599-pat00017
    (n은 양의 정수)의 수학식에 의하여 정의되는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 광변조부는,
    상기 제2 주파수를 갖는 기준 신호를 생성하는 신호 발생기; 및
    상기 광원부에 의해 출력된 광을 상기 기준 신호를 이용하여 변조하여 상기 제2 광신호를 생성하는 광변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 광검출부는,
    상기 기준 신호를 수신하며, 상기 브릴루앙 산란광에서 상기 제2 주파수를 갖는 성분을 검출하는 위상잠금 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 광신호는 프로브광이며, 상기 제2 광신호는 펌프광인 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
  7. 제1 주파수로 변조된 광을 출력하는 단계;
    출력된 광을 이용하여 측대역 신호를 포함하는 제1 광신호를 생성하는 단계;
    출력된 광을 상기 제1 주파수에 대해 미리 설정된 비율을 갖는 제2 주파수로 처핑하여 제2 광신호를 생성하는 단계;
    상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호를 각각 시험 광섬유의 양단에 인가하는 단계; 및
    상기 시험 광섬유에서 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호에 의하여 생성된 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서의 비트 노이즈 억제 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 주파수로 변조된 광을 출력하는 단계는, 상기 제1 주파수를 변화시키면서 변조된 광을 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서의 비트 노이즈 억제 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제2 광신호를 생성하는 단계는, 상기 제1 주파수가 변화되면 상기 제1 주파수에 대하여 상기 미리 설정된 비율을 갖도록 상기 제2 주파수를 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서의 비트 노이즈 억제 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 제2 광신호를 생성하는 단계에서, 상기 미리 설정된 비율은 상기 제1 주파수를 fm, 상기 제2 주파수를 fl이라고 할 때
    Figure 112011099344599-pat00018
    (n은 양의 정수)의 수학식에 의하여 정의되는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서의 비트 노이즈 억제 방법.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 제2 광신호를 생성하는 단계는,
    상기 제2 주파수를 갖는 기준 신호를 생성하는 단계; 및
    출력된 광을 상기 기준 신호를 이용하여 변조하여 상기 제2 광신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서의 비트 노이즈 억제 방법.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계는, 위상잠금 증폭기에 의하여 상기 브릴루앙 산란광에서 상기 제2 주파수를 갖는 성분을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서의 비트 노이즈 억제 방법.
  13. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 광신호는 프로브광이며, 상기 제2 광신호는 펌프광인 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서의 비트 노이즈 억제 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104977030A (zh) * 2015-06-04 2015-10-14 哈尔滨工业大学 基于低频任意波的光学捷变频技术的动态分布式布里渊传感装置及方法
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110075679A (ko) * 2009-12-28 2011-07-06 한국철도기술연구원 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 센싱 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110075679A (ko) * 2009-12-28 2011-07-06 한국철도기술연구원 브릴루앙 상관 영역 측정법을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 센싱 방법

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
논문.2009 *
논문.2010 *

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104977030A (zh) * 2015-06-04 2015-10-14 哈尔滨工业大学 基于低频任意波的光学捷变频技术的动态分布式布里渊传感装置及方法
CN105136177A (zh) * 2015-08-27 2015-12-09 太原理工大学 一种亚毫米空间分辨率的分布式光纤传感装置及方法

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