KR101310783B1 - Distributed optical fiber sensor and sensing method using simultaneous sensing of brillouin gain and loss - Google Patents

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Abstract

분포형 광섬유 센서는, 제1 구간 및 제2 구간을 포함하는 시험 광섬유; 상기 제1 구간 및 상기 제2 구간 사이에 광학적으로 연결된 광감쇄기; 상기 제1 구간을 통해 상기 시험 광섬유에 제1 광신호를 인가하며, 상기 제2 구간을 통해 상기 시험 광섬유에 제2 광신호를 인가하는 광변조부; 및 상기 제1 구간에 위치하는 제1 상관점 및 상기 제2 구간에 위치하는 제2 상관점 각각에서 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호에 의해 생성되는 유도 브릴루앙 산란광을 검출하는 광검출부를 포함할 수 있다. 상기 분포형 광섬유 센서를 이용하면, 종래의 광섬유 센서와 비교하여 공간 분해능은 그대로 유지하면서 측정 거리를 두 배로 확장할 수 있다.The distributed optical fiber sensor includes a test optical fiber including a first section and a second section; An optical attenuator optically connected between the first section and the second section; An optical modulator applying a first optical signal to the test optical fiber through the first section and applying a second optical signal to the test optical fiber through the second section; And a photodetector configured to detect induced Brillouin scattered light generated by the first optical signal and the second optical signal at each of the first correlation point located in the first section and the second correlation point located in the second section. It may include. Using the distributed optical fiber sensor, the measurement distance can be doubled while maintaining the spatial resolution as compared with the conventional optical fiber sensor.

Description

브릴루앙 이득 및 손실 동시 측정을 이용한 분포형 광섬유 센서 및 센싱 방법{DISTRIBUTED OPTICAL FIBER SENSOR AND SENSING METHOD USING SIMULTANEOUS SENSING OF BRILLOUIN GAIN AND LOSS}DISTRIBUTED OPTICAL FIBER SENSOR AND SENSING METHOD USING SIMULTANEOUS SENSING OF BRILLOUIN GAIN AND LOSS}

실시예들은 분포형 광섬유 센서(distributed optical fiber sensor) 및 센싱 방법에 대한 것으로서, 보다 구체적으로는 브릴루앙(Brillouin) 이득 및 손실을 동시에 측정함으로써 측정 거리가 확장된 분포형 광섬유 센서 및 센싱 방법에 대한 것이다. Embodiments are directed to a distributed optical fiber sensor and a sensing method, and more particularly, to a distributed optical fiber sensor and a sensing method in which a measurement distance is extended by simultaneously measuring Brillouin gain and loss. will be.

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. Generally, the optical fiber is sensitive to changes in the intrinsic characteristics of the optical fiber itself due to changes in the external environment, for example, external physical quantities such as temperature or stress, so that the optical fiber can be used as a sensor. In addition, due to the nature of the optical fiber itself, it is insensitive to external electromagnetic waves and is resistant to harmful environments such as gas and solution, and is light, flexible, and compact. Because of these advantages, the optical fiber is very suitable for the sensor because it is easy to install and easy to install on the structure.

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. Fiber optic sensors are optical grating sensors fabricated by changing the refractive index of cores in optical fibers, but they are relatively weaker than distributed optical fiber sensors because only the portions engraved with gratings act as sensors. Other methods include interference, wavelength, and scattering type sensors. The dual scattering type sensor can detect long distance by measuring the back scattering light inside the optical fiber according to the physical quantity acting on the optical fiber by using a light source of a continuous wave or a continuous wave.

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. Such scattering type sensors include Rayleigh scattering type optical fiber sensor, Raman scattering type optical fiber sensor, and Brillouin scattering type optical fiber sensor. The Rayleigh scattering type optical fiber sensor measures the scattered light generated due to the nonuniform distribution of the density of the optical fiber while the pulse light travels inside the optical fiber, and the back scattering light proportional to the intensity of the pulse light can be obtained. However, the Rayleigh scattering type optical fiber sensor is not sensitive to changes in external temperature or strain, and can be used only when special optical fiber bending occurs. The Raman scattering type optical fiber sensor and the Brillouin scattering type optical fiber sensor are both sensors using nonlinear light scattering. For example, Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. 10-2009-0001405 discloses a distributed optical fiber sensor system for measuring Raman scattered light and Brillouin scattered light among back scattered light generated in a sensing optical fiber.

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.Raman scattering refers to a phenomenon in which a backscattering signal is generated by molecular vibration when light is transmitted in an optical fiber. At this time, since the vibration of the molecule changes only by thermal change, the Raman scattering type optical fiber sensor is mostly used as a temperature sensor. The Brillouin scattering optical fiber sensor changes the Brillouin frequency value inherent to the optical fiber according to an external temperature or stress. The Brillouin scattering optical fiber sensor measures a change in the Brillouin frequency and measures a change in the external physical quantity. Brillouin scattering in an optical fiber refers to a phenomenon in which light travels in an optical fiber and combines with sound waves to produce a backscattered signal. Since the backscattered signal is proportional to the environment in which the optical fiber is located, it is used to change the temperature and / or stress. Can be measured.

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. Examples of distributed optical fiber sensors using Brillouin scattering include Brillouin Optical Time Domain Reflectometry (BOTDR), Brillouin Optical Time Domain Analysis (BOTDA) And Brillouin Optical Correlation Domain Analysis (BOCDA). The BOTDR method and the BOTDA method are methods of observing Brillouin scattering light using a light source of a fixed form, which is easy to detect over a long distance but has a disadvantage that the resolution is limited. On the other hand, the BOCDA method generates Brillouin scattering in a space-selective manner, so that physical changes can be measured only at a specific point. Compared with the BOTDR method or the BOTDA method, long distance measurement is difficult, but resolution is improved.

공개특허공보 제10-2009-0001405호Published patent publication No. 10-2009-0001405

본 발명의 일 측면에 따르면, 브릴루앙 광학적 공간영역 해석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis; BOCDA) 방식을 이용하여 광섬유의 물리적인 변형 및 온도 등을 측정할 수 있으며, 공간 분해능을 유지하면서 측정 범위를 증가시킨 분포형 광섬유 센서 및 센싱 방법을 제공할 수 있다. According to an aspect of the present invention, the physical deformation and temperature of the optical fiber, etc. can be measured using Brillouin Optical Correlation Domain Analysis (BOCDA), and the measurement range is increased while maintaining the spatial resolution. The distributed optical fiber sensor and the sensing method can be provided.

일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서는, 제1 구간 및 제2 구간을 포함하는 시험 광섬유; 상기 제1 구간 및 상기 제2 구간 사이에 광학적으로 연결된 광감쇄기; 상기 제1 구간을 통해 상기 시험 광섬유에 제1광신호를 인가하며, 상기 제2 구간을 통해 상기 시험 광섬유에 제2광신호를 인가하는 광변조부; 및 상기 제1 구간에 위치하는 제1 상관점 및 상기 제2 구간에 위치하는 제2 상관점 각각에서 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호에 의해 생성되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 광검출부를 포함할 수 있다. According to an embodiment, a distributed optical fiber sensor may include a test optical fiber including a first period and a second period; An optical attenuator optically connected between the first section and the second section; An optical modulator applying a first optical signal to the test optical fiber through the first section and applying a second optical signal to the test optical fiber through the second section; And a light detector configured to detect Brillouin scattered light generated by the first optical signal and the second optical signal at each of the first correlation point positioned in the first section and the second correlation point positioned in the second section. It may include.

상기 분포형 광섬유 센서에서, 상기 광검출부는, 상기 브릴루앙 산란광을 이용하여, 상기 제2 상관점에서의 상기 제 1 광신호의 유도 브릴루앙 이득 및 상기 제1 상관점에서의 상기 제 2 광신호의 유도 브릴루앙 손실 중 하나 이상을 측정할 수 있다. In the distributed optical fiber sensor, the light detection unit uses the Brillouin scattered light to derive the induced Brillouin gain of the first optical signal at the second correlation point and the second optical signal at the first correlation point. One or more of the induced Brillouin losses can be measured.

일 실시예에 따른 센싱 방법은, 제1 구간 및 제2 구간을 포함하는 시험 광섬유에, 상기 제1 구간을 통하여 제 1 광신호를 인가하는 단계; 상기 시험 광섬유에, 상기 제2 구간을 통하여 제 2 광신호를 인가하는 단계; 상기 제1 구간 및 상기 제2 구간 사이에 광학적으로 연결된 광감쇄기를 이용하여, 상기 광감쇄기를 통과하는 광을 감쇄시키는 단계; 및 상기 제1 구간에 위치하는 제1 상관점 및 상기 제2 구간에 위치하는 제2 상관점 각각에서 상기 제 1 광신호 및 상기 제 2 광신호에 의해 생성되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.According to one or more exemplary embodiments, a sensing method includes: applying a first optical signal to a test optical fiber including a first section and a second section through the first section; Applying a second optical signal to the test optical fiber through the second section; Attenuating light passing through the optical attenuator using an optical attenuator optically connected between the first and second sections; And detecting Brillouin scattered light generated by the first optical signal and the second optical signal at each of the first correlation point located in the first section and the second correlation point located in the second section. can do.

상기 센싱 방법은, 상기 브릴루앙 산란광을 이용하여, 상기 제2 상관점에서의 상기 제 1 광신호의 유도 브릴루앙 이득 및 상기 제1 상관점에서의 상기 제 2 광신호의 유도 브릴루앙 손실 중 하나 이상을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다. The sensing method may include one of an induced Brillouin gain of the first optical signal at the second correlation point and an induced Brillouin loss of the second optical signal at the first correlation point using the Brillouin scattered light. It may further comprise the step of measuring the abnormality.

본 발명의 일 측면에 따른 분포형 광섬유 센서 및 센싱 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, 종래의 BOCDA 방식 광섬유 센서에 의한 측정 거리를 공간 분해능의 저하 없이 2배로 확장시킬 수 있는 이점이 있다. According to the distributed optical fiber sensor and the sensing method according to an aspect of the present invention, physical deformation of large buildings, bridges, aircrafts, trains, etc. using Brillouin Optical Correlation Domain Analysis (BOCDA) The temperature can be measured, and there is an advantage of doubling the measurement distance by the conventional BOCDA-type optical fiber sensor without deteriorating the spatial resolution.

도 1은 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서의 측정 원리를 나타내는 개략도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서의 개략적인 구성도이다.
도 3a 및 3b는 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서에 의하여 측정한 브릴루앙(Brillouin) 신호의 이득과 손실을 시험 광섬유상의 거리에 따라 나타낸 그래프들이다.
도 4는 도 3a 및 3b에 도시된 결과를 브릴루앙 주파수의 변화로 도시한 그래프이다.
1 is a schematic diagram showing a measuring principle of a distributed optical fiber sensor according to an embodiment.
2 is a schematic diagram of a distributed optical fiber sensor according to an exemplary embodiment.
3A and 3B are graphs showing gains and losses of a Brillouin signal measured by a distributed optical fiber sensor according to a distance on a test optical fiber according to an embodiment.
4 is a graph showing the results shown in FIGS. 3A and 3B as a change in Brillouin frequency.

이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

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. In a distributed optical fiber sensor of a Brillouin Optical Correlation Domain Analysis (BOCDA) scheme, pump light and probe light traveling in opposite directions in an optical fiber When the frequency difference coincides with or is close to the Brillouin transition frequency inherent to the optical fiber, the induced Brillouin scattering amplification occurs over the entire optical fiber to amplify the intensity of the probe light.

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.At this time, by selectively modulating the optical signal so that the frequencies of the pump light and the probe light have a sinusoidal waveform, the Brillouin scattering signal can be selectively obtained only at a specific position in the optical fiber. The measurement point can be determined based on the modulation frequency of the laser light to generate the pump light and the probe light. The Brillouin gain spectrum can be measured while varying the offset frequency between the pump light and the probe light. Since the Brillouin transition frequency of the test fiber depends on physical properties such as external temperature or stress, the frequency of the Brillouin gain spectrum having the maximum value can be used to measure the change in physical properties of the test fiber.

도 1은 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서의 원리를 설명하기 위한 그래프이다. 1 is a graph illustrating a principle of a distributed optical fiber sensor according to an embodiment.

도 1을 참조하면, 시험 광섬유는 광감쇄기(optical attenuator)(40)를 사이에 두고 서로 광학적으로 연결된 제1 구간 및 제2 구간을 포함할 수 있다. 시험 광섬유 내에서 제1 광신호(1) 및 제2 광신호(2)는 서로 반대 방향으로 진행된다. 제2 광신호(2)는 소정의 주파수(ν0)를 갖는 신호이며, 제1 광신호(1)는 상기 주파수(ν0)로부터 오프셋 주파수(νB)만큼 천이된 주파수(ν0B)를 갖는 신호이다. 주파수(ν0) 및 오프셋 주파수(νB)의 값은 광섬유 센서의 목적 및 적용 대상 등을 고려하여 적절히 결정될 수 있으며, 특정 수치에 한정되지 않는다. 광섬유 내의 특정 상관점(correlation peak)(zq, zq -1, ...)에서는 제2 광신호(2)와 제1 광신호(1)의 위상 차이가 시간이 지나더라도 일정하다. Referring to FIG. 1, the test optical fiber may include a first section and a second section that are optically connected to each other with an optical attenuator 40 therebetween. In the test optical fiber, the first optical signal 1 and the second optical signal 2 travel in opposite directions. A second optical signal 2 is a signal having a predetermined frequency (ν 0), a first optical signal (1) is the frequency (ν 0), the offset frequency from the (ν B) as long as the transition frequency (ν 0B ) signal. The values of the frequency ν 0 and the offset frequency ν B may be appropriately determined in consideration of the purpose and application target of the optical fiber sensor, and are not limited to specific values. At certain correlation peaks (z q , z q -1 , ...) in the optical fiber, the phase difference between the second optical signal 2 and the first optical signal 1 is constant over time.

종래의 BOCDA 방식의 광섬유 센서는 이러한 상관점이 시험용 광섬유에 단 하나만 위치하도록 구성되는 반면, 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서는 시험 광섬유에 두 개의 상관점(zq, zq -1)이 위치하도록 구성된다. 시험 광섬유의 제1 구간에 하나의 상관점(zq)이 위치하며, 시험 광섬유의 제2 구간에 다른 하나의 상관점(zq-1)이 위치할 수 있다. 이때, 광감쇄기(40)는 두 개의 상관점(zq, zq -1) 중 어느 한 쪽의 이득이 브릴루앙 산란의 임계값 이하가 되거나, 또는 이에 의한 브릴루앙 이득 또는 손실을 무시할 수 있을 정도로 크기가 작게 되도록 광감쇄기(40)를 통과하는 광신호의 세기를 감쇄시킬 수 있다. Conventional BOCDA type optical fiber sensor is configured such that only one of these correlation points is located in the test fiber, whereas the distributed optical fiber sensor according to an embodiment has two correlation points (z q , z q -1 ) located in the test fiber. It is configured to. One correlation point z q may be located in the first section of the test optical fiber, and another correlation point z q-1 may be located in the second section of the test optical fiber. In this case, the optical attenuator 40 may be able to ignore the Brillouin gain or loss due to the gain of either of the two correlation points z q and z q −1 being less than or equal to the Brillouin scattering threshold. The intensity of the optical signal passing through the optical attenuator 40 can be attenuated so that the size is small.

예컨대, 제 2 구간을 통해 입사되는 제 2광신호(2)의 제 1광신호(1)와의 유도 브릴루앙 산란에 의한 광세기 변화를 살펴보면(즉, 제2 광신호(2)가 프로브 신호인 경우), 제1 구간에 위치하는 상관점(zq)에서는, 제1 구간을 통해 입사된 제1 광신호(1)와 광감쇄기(40)를 통과한 제2 광신호(2')가 중첩된다. 이때 제1 광신호(1)가 펌프 역할을 하고 제2 광신호(2')가 프로브 역할을 하게 된다. 프로브 광신호(2')는 주파수가 펌프 광신호(1)보다 νB 만큼 크므로(즉, 안티스톡스 밴드(anti-Stokes band)에 위치하므로) 유도 브릴루앙 손실을 겪는다. 한편 제2 구간에서는 제1 광신호(1'), 즉 펌프 광신호가 광감쇄기(40)에 의하여 세기가 약해 프로브 광신호(2)의 유도 브릴루앙 손실이 제1 구간보다 충분히 작아 무시할 수가 있다. 그러므로 제 2광신호의 손실 스펙트럼을 측정하여 분석함으로써 제1 구간 상관점(zq) 에서의 물리적 변화량을 알 수 있게 된다.For example, a change in light intensity due to induced Brillouin scattering with the first optical signal 1 of the second optical signal 2 incident through the second section (ie, the second optical signal 2 is a probe signal) Case), at the correlation point z q located in the first section, the first optical signal 1 incident through the first section and the second optical signal 2 'passing through the optical attenuator 40 overlap each other. do. In this case, the first optical signal 1 serves as a pump and the second optical signal 2 'serves as a probe. The probe optical signal 2 'suffers an induced Brillouin loss because the frequency is larger by ν B than the pump optical signal 1 (ie, located in an anti-Stokes band). On the other hand, in the second section, the first optical signal 1 ', that is, the pump optical signal is weakened by the optical attenuator 40, so that the induced Brillouin loss of the probe optical signal 2 is sufficiently smaller than that of the first section. Therefore, by measuring and analyzing the loss spectrum of the second optical signal, the amount of physical change at the first interval correlation point z q can be known.

반대로, 제 1광신호가 프로브 신호인 경우, 제2 구간에 위치하는 상관점(zq-1)에서는, 광감쇄기(40)를 통과한 제1 광신호(1')와 제2 구간의 우측면을 통해 입사된 제2 광신호(2)가 중첩된다. 이때 제2 광신호(2)가 펌프 역할을 하고 제1 광신호(1')가 프로브 역할을 하게 된다. 프로브 광신호(1')는 주파수가 펌프 광신호(1)보다 νB 만큼 작으므로(즉, 스톡스 밴드(Stokes band)에 위치하므로) 유도 브릴루앙 이득을 얻는다. 한편 제1 구간에서는 제2 광신호(2'), 즉 펌프 광신호가 광감쇄기(40)에 의하여 세기가 약해 프로브 광신호(1)의 유도 브릴루앙 이득이 제2 구간보다 충분히 작아 무시할 수가 있다. 그러므로 제1 광신호의 이득 스펙트럼을 측정하여 분석함으로써 제2 구간 상관점(zq -1) 에서의 물리적 변화량을 알 수 있게 된다.On the contrary, when the first optical signal is a probe signal, at the correlation point z q -1 located in the second section, the first optical signal 1 ′ passing through the optical attenuator 40 and the right surface of the second section are formed. The second optical signal 2 incident therethrough overlaps. In this case, the second optical signal 2 serves as a pump and the first optical signal 1 'serves as a probe. The probe optical signal 1 'obtains an induced Brillouin gain because the frequency is smaller by ν B than the pump optical signal 1 (i.e., located in the Stokes band). On the other hand, in the first section, the second optical signal 2 ', that is, the pump optical signal is weakened by the optical attenuator 40, so that the induced Brillouin gain of the probe optical signal 1 is sufficiently smaller than that of the second section and can be ignored. Therefore, by measuring and analyzing the gain spectrum of the first optical signal, the amount of physical change at the second interval correlation point z q -1 can be known.

즉, 제1 구간에 위치하는 상관점(zq)에서는 제2 광신호(2)의 유도 브릴루앙 손실이 발생하고, 제2 구간에 위치하는 상관점(zq -1)에서는 제1 광신호(1)의 유도 브릴루앙 이득이 발생하게 된다. 따라서, 시험 광섬유의 제1 구간에서 발생하는 제2 광신호(2)의 손실과 시험 광섬유의 제2 구간에서 발생하는 제1 광신호(1)의 이득을 동시에 측정하여 시험 광섬유의 물리적인 특성 변화를 알 수 있다. 그 결과, 공간 분해능을 유지하면서 측정 거리를 2배로 확장할 수 있는 이점이 있다. That is, the correlation point which is located in the first interval (z q) in the second stimulated Brillouin loss occurs, and the correlation point (z q -1) which is located in the second section of the optical signal (2) the first optical signal Induced Brillouin gain of (1) occurs. Therefore, the loss of the second optical signal 2 occurring in the first section of the test optical fiber and the gain of the first optical signal 1 occurring in the second section of the test optical fiber are simultaneously measured to change the physical characteristics of the test optical fiber. It can be seen. As a result, there is an advantage that the measurement distance can be doubled while maintaining the spatial resolution.

도 2는 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서의 장치 구성을 나타내는 개략도이다. 2 is a schematic diagram showing an apparatus configuration of a distributed optical fiber sensor according to an embodiment.

도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서는 광변조부(20), 시험 광섬유(30), 광감쇄기(40) 및 광검출부(50)를 포함할 수 있다. 또한, 분포형 광섬유 센서는 광원부(10)를 더 포함할 수도 있다. 시험 광섬유(30)는 광경로상에서 브릴루앙 산란을 이용하여 물리량의 변화를 측정하고자 하는 위치에 배치될 수 있다. 광감쇄기(40)는 시험 광섬유(30)의 제1 구간(310)과 제2 구간(320) 사이에 광학적으로 연결될 수 있다. Referring to FIG. 2, the distributed optical fiber sensor according to the exemplary embodiment may include an optical modulator 20, a test optical fiber 30, an optical attenuator 40, and a photodetector 50. In addition, the distributed optical fiber sensor may further include a light source unit 10. The test optical fiber 30 may be disposed at a position to measure the change in physical quantity using Brillouin scattering on the optical path. The optical attenuator 40 may be optically connected between the first section 310 and the second section 320 of the test optical fiber 30.

광원부(10)는 분포형 광섬유 센서의 동작에 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, 소정의 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.The light source unit 10 is a device for supplying light to be used in the operation of the distributed optical fiber sensor. In one embodiment, the light source unit 10 may include a distributed feed-back laser diode (DFB LD) 110 and a function generator 120. By modulating the supply current to the DFB LD 110 using the function generator 120, it is possible to obtain a light modulated in the form of a sine wave having a predetermined frequency f m and having a modulated signal size Δf. However, this is exemplary, and in other embodiments, the light source unit 10 may be configured to include other different types of laser generating apparatuses.

광변조부(20)는 광원부(10)로부터 변조된 광을 인가받고, 이로부터 제1 및 제2 광신호를 생성하여 시험 광섬유(30)의 양단에 인가할 수 있다. 일 실시예에서, 광변조부(20)는 광분배기(210), 제1 광변조기(230), 제2 광변조기(240) 및 단측파대(single sideband) 변조기(220)를 포함할 수 있다. 광분배기(210)는 광원부(10)로부터 변조된 광을 수신하고, 수신된 광을 복수 개의 출력광으로 분기할 수 있다. 예컨대, 광분배기(210)는 광원부(10)로부터 인가된 광을 제1 광신호를 생성하기 위한 제1 출력광 및 제2 광신호를 생성하기 위한 제2 출력광으로 분기할 수 있다. 일 실시예에서, 광분배기(210)는 50:50 광분배기일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The light modulator 20 receives the modulated light from the light source unit 10, and generates first and second optical signals from both ends of the test optical fiber 30. In one embodiment, the light modulator 20 may include an optical splitter 210, a first optical modulator 230, a second optical modulator 240, and a single sideband modulator 220. The light splitter 210 may receive the modulated light from the light source unit 10 and split the received light into a plurality of output light. For example, the light splitter 210 may branch the light applied from the light source unit 10 into the first output light for generating the first optical signal and the second output light for generating the second optical signal. In one embodiment, the optical splitter 210 may be a 50:50 optical splitter, but is not limited thereto.

제1 광변조기(230)는 광분배기(210)와 단측파대 변조기(220) 사이에 광학적으로 연결될 수 있다. 제1 광변조기(230)는, 신호 발생기(235)로부터 수신된 제1 변조 신호를 이용하여, 광분배기(210)로부터 수신된 제1 출력광을 초핑(chopping)할 수 있다. 신호 발생기(235)는 제1 주파수(fl1)를 갖는 변조 신호를 제1 광변조기(230)에 제공할 수 있다. 제1 변조 신호는 사각파 형태의 신호일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제1 광변조기(230)는 전기광학 변조기(electro-optic modulator)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The first optical modulator 230 may be optically connected between the optical splitter 210 and the single sideband modulator 220. The first optical modulator 230 may chop the first output light received from the optical splitter 210 using the first modulated signal received from the signal generator 235. Signal generator 235 may provide a modulation signal having a first frequency (f 1, l) to the first optical modulator 230. The first modulated signal may be a square wave signal, but is not limited thereto. In addition, the first optical modulator 230 may be an electro-optic modulator, but is not limited thereto.

단측파대 변조기(220)는 제1 광변조기(230)와 시험 광섬유(30)의 한쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결될 수 있다. 제1 광변조기(230)에 의하여 제1 주파수로 초핑된 제1 출력광은 단측파대 변조기(220)로 입력될 수 있다. 단측파대 변조기(220)는 제1 출력광을 이용하여 측대역(sideband) 신호를 포함하는 제1 광신호를 생성할 수 있다. 단측파대 변조기(220)는 신호 발생기(225)로부터 소정의 주파수(νB)를 갖는 변조 신호를 수신할 수 있다. 예컨대, 단측파대 변조기(220)는 주파수(ν0)를 갖는 제1 출력광을 수신한 후, 신호 발생기(225)로부터 수신된 오프셋 주파수(νB)만큼 주파수가 천이된 주파수(ν0B)의 측대역 신호를 포함하는 제1 광신호를 생성할 수 있다. The short sideband modulator 220 may be optically connected between the first optical modulator 230 and one end of the test optical fiber 30. The first output light chopped at the first frequency by the first optical modulator 230 may be input to the single sideband modulator 220. The short sideband modulator 220 may generate a first optical signal including a sideband signal using the first output light. The single sideband modulator 220 may receive a modulated signal having a predetermined frequency ν B from the signal generator 225. For example, the single sideband modulator 220 receives the first output light having the frequency ν 0 , and then shifts the frequency ν 0 -ν by the offset frequency ν B received from the signal generator 225. A first optical signal including the sideband signal of B ) may be generated.

제2 광변조기(240)는 광분배기(210)와 시험 광섬유(30)의 다른쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결될 수 있다. 제2 광변조기(240)는 광분배기(210)로부터 수신된 제2 출력광을 초핑하여 제2 광신호를 생성할 수 있다. 제2 광변조기(240)는 신호 발생기(245)로부터 수신된 제2 초핑 신호를 이용하여 제2 출력광의 초핑을 수행할 수 있다. 신호 발생기(245)는 제2 주파수(fl2)를 갖는 초핑 신호를 제2 광변조기(240)에 제공할 수 있다. 제2 주파수(fl2)는 제1 출력광의 초핑을 위한 제1 주파수(fl1)와 상이한 주파수일 수 있다. 제2 초핑 신호는 사각파 형태의 신호일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제2 광변조기(240)는 전기광학 변조기일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The second optical modulator 240 may be optically connected between the optical splitter 210 and the other end of the test optical fiber 30. The second optical modulator 240 may generate a second optical signal by chopping the second output light received from the optical splitter 210. The second optical modulator 240 may perform the chopping of the second output light by using the second chopping signal received from the signal generator 245. The signal generator 245 may provide the second optical modulator 240 with the chopping signal having the second frequency f 1 . The second frequency f l 2 may be a frequency different from the first frequency f l 1 for the chopping of the first output light. The second chopping signal may be a square wave signal, but is not limited thereto. In addition, the second optical modulator 240 may be an electro-optic modulator, but is not limited thereto.

광변조부(20)는 시험 광섬유(30)와 광학적으로 연결되는 지연 광섬유(270)를 포함할 수도 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 시험 광섬유(30)의 제1 구간(310) 및 제2 구간(320)에 각각 하나 이상의 브릴루앙 이득 피크가 위치하도록 할 수 있다. 또한, 지연 광섬유(270)는 광순환기(62)를 통해 시험 광섬유(30)에 광학적으로 연결되며, 제1 광신호는 광순환기(62)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. The light modulator 20 may include a delayed optical fiber 270 optically connected to the test optical fiber 30. The delayed optical fiber 270 is an auxiliary optical fiber for making it possible to measure the physical change of the test optical fiber 30. The delayed optical fiber 270 is a first section 310 of the test optical fiber 30 by appropriately adjusting the length of the delayed optical fiber 270. ) And at least one Brillouin gain peak may be positioned in each of the second and second sections 320. In addition, the delay optical fiber 270 is optically connected to the test optical fiber 30 through the optical circulator 62, and since the first optical signal is branched by the optical circulator 62 and is not input to the delay optical fiber 270, Only Brillouin scattered light may be generated in the test optical fiber 30. In one embodiment, the delayed optical fiber 270 may be made of the same material as the test fiber 30.

광변조부(20)는 하나 이상의 광증폭기(250, 260)를 포함할 수도 있다. 광변조부(20)는 제1 광신호를 증폭시키기 위한 제1 광증폭기(250)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 광증폭기(250)는 단측파대 변조기(20)와 시험 광섬유(30)의 한쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결될 수 있다. 또한, 광변조부(20)는 제2 광신호를 증폭시키기 위한 제2 광증폭기(260)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 제2 광증폭기(260)는 지연 광섬유(270)와 시험 광섬유(30)의 다른쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 광증폭기(250, 260)는 어븀첨가광섬유증폭기(Erbium-Doped Fiber Amplifier; EDFA)일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The light modulator 20 may include one or more optical amplifiers 250 and 260. The optical modulator 20 may include a first optical amplifier 250 for amplifying the first optical signal. For example, the first optical amplifier 250 may be optically connected between the single sideband modulator 20 and one end of the test optical fiber 30. In addition, the optical modulator 20 may include a second optical amplifier 260 for amplifying the second optical signal. For example, the second optical amplifier 260 may be optically coupled between the delayed optical fiber 270 and the other end of the test optical fiber 30. In an embodiment, the first and second optical amplifiers 250 and 260 may be Erbium-Doped Fiber Amplifiers (EDFAs), but are not limited thereto.

광변조부(20)는 하나 이상의 편광 조절기(미도시) 및/또는 하나 이상의 편광 스위치(미도시)를 포함할 수도 있다. 프로브 광신호와 펌프 광신호의 편광이 일치할 때 유도 브릴루앙 산란 증폭이 일어나므로, 하나 이상의 편광조절기를 이용하여 제1 광신호 및 제2 광신호의 편광을 동일하게 조절할 수 있다. 나아가, 편광스위치를 이용하여 제1 광신호 또는 제2 광신호의 편광을 한 번은 0도, 다른 한번은 90도로 번갈아 회전시킬 수 있다. 제1 광신호와 제2 광신호의 편광이 일치할 때 유도 브릴루앙 산란 증폭이 일어나나, 제1 광신호 및/또는 제2 광신호의 편광은 시간 및 공간에 따라 변화할 수 있다. 따라서, 편광스위치를 이용하여 제1 광신호 또는 제2 광신호의 편광을 변화시켜가면서 측정을 수행하고, 측정된 값의 평균값을 이용함으로써 편광 문제를 해결할 수 있다. 전술한 0도 및 90도의 편광 각도는 단지 예시적인 것으로서, 제1 광신호 또는 제2 광신호의 편광을 이와 상이한 다른 각도로 주기적으로 변경할 수도 있다. The light modulator 20 may include one or more polarization controllers (not shown) and / or one or more polarization switches (not shown). Since the induced Brillouin scattering amplification occurs when the polarization of the probe optical signal and the pump optical signal coincide, the polarization of the first optical signal and the second optical signal may be equally adjusted using one or more polarization controllers. Furthermore, polarization of the first optical signal or the second optical signal may be alternately rotated once by 0 degrees and once by 90 degrees using the polarization switch. Although the induced Brillouin scattering amplification occurs when the polarization of the first optical signal and the second optical signal coincide, the polarization of the first optical signal and / or the second optical signal may change with time and space. Therefore, the polarization problem can be solved by performing the measurement while changing the polarization of the first optical signal or the second optical signal using the polarization switch and using the average value of the measured values. The above-described polarization angles of 0 degrees and 90 degrees are merely exemplary, and may periodically change the polarization of the first optical signal or the second optical signal to another different angle.

시험 광섬유(30)는 제1 구간(310) 및 제2 구간(320)을 포함할 수 있다. 제1 구간(310) 및 제2 구간(320)은 서로 광학적으로 연결될 수 있다. 또한, 시험 광섬유(30)의 제1 구간(310) 및 제2 구간(320) 사이에는 광감쇄기(40)가 광학적으로 연결될 수 있다. 광변조기(20)에 의하여 생성된 제1 광신호는 제1 광순환기(61)를 거쳐 제1 구간(310)을 통해 시험 광섬유(30)에 입사될 수 있다. 한편, 광변조기(20)에 의하여 생성된 제2 광신호는 제2 광순환기(62)를 거쳐 제2 구간(320)을 통해 시험 광섬유(30)에 입사될 수 있다. 제2 광신호 및 제1 광신호는 시험 광섬유(30) 내에서 서로 반대 방향으로 전파된다. The test optical fiber 30 may include a first section 310 and a second section 320. The first section 310 and the second section 320 may be optically connected to each other. In addition, the optical attenuator 40 may be optically connected between the first section 310 and the second section 320 of the test optical fiber 30. The first optical signal generated by the optical modulator 20 may be incident to the test optical fiber 30 through the first optical cycle 61 through the first optical cycle 61. Meanwhile, the second optical signal generated by the optical modulator 20 may be incident on the test optical fiber 30 through the second optical cycle 62 through the second period 320. The second optical signal and the first optical signal propagate in opposite directions in the test optical fiber 30.

일 실시예에서, 시험 광섬유(30)로는 제1 구간(310) 및 제2 구간(320)을 합하여 길이 약 200m의 광섬유가 사용되었다. 또한, 제1 구간(310) 및 제2 구간(320) 사이의 광감쇄기(40)는 이를 통과하는 광신호의 세기를 약 10dB만큼 감쇄시키도록 구성되었다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 광섬유의 길이나 광신호의 세기 등은 분포형 광섬유 센서의 사용 목적 및 대상 등에 따라 적절하게 결정될 수 있다. In one embodiment, as the test optical fiber 30, an optical fiber having a length of about 200 m was added to the first and second sections 310 and 320. In addition, the optical attenuator 40 between the first section 310 and the second section 320 is configured to attenuate the intensity of the optical signal passing therethrough by about 10 dB. However, this is merely an example, and the length of the optical fiber, the intensity of the optical signal, and the like may be appropriately determined according to the purpose and object of use of the distributed optical fiber sensor.

도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 시험 광섬유(30) 내에서 서로 반대 방향으로 전파되는 제1 광신호 및 제2 광신호 사이의 위상차는 시험 광섬유(30) 내의 특정 상관점에서 일정한 값을 갖는다. 상기 상관점은 제1 구간(310)에 위치하는 하나 이상의 상관점 및 제2 구간(320)에 위치하는 다른 하나 이상의 상관점을 포함한다. 이때, 광감쇄기(40)를 이용하여 광신호의 세기를 감쇄시킨 결과, 제1 구간(310)의 상관점에서는 제2 광신호의 유도 브릴루앙 손실이 발생되고 제2 구간(320)의 상관점에서는 제1 광신호의 유도 브릴루앙 이득이 발생될 수 있다. As described above with reference to FIG. 1, the phase difference between the first optical signal and the second optical signal propagated in opposite directions in the test optical fiber 30 has a constant value at a specific correlation point in the test optical fiber 30. . The correlation point includes one or more correlation points located in the first section 310 and one or more other correlation points located in the second section 320. At this time, as the intensity of the optical signal is attenuated using the optical attenuator 40, the induced Brillouin loss of the second optical signal is generated at the correlation point of the first section 310 and the correlation point of the second section 320. Induced Brillouin gain of the first optical signal may be generated.

광검출부(50)는 시험 광섬유(30)에서 발생한 브릴루앙 산란광을 검출하기 위한 장치이다. 광검출부(50)는 브릴루앙 산란광에서 제2 광신호의 유도 브릴루앙 손실에 대응되는 성분과 제1 광신호의 유도 브릴루앙 이득에 대응되는 성분을 동시에 측정하기 위한 하나 이상의 위상잠금 증폭기(Lock-in amplifier)(531, 532)를 포함할 수 있다. 또한, 광검출부(50)는 신호의 크기 조절 및 변환을 위한 하나 이상의 감쇄기(511, 512) 및 하나 이상의 포토다이오드(Photo Diode; PD)(521, 522)를 더 포함할 수도 있다. The photodetector 50 is a device for detecting the Brillouin scattered light generated in the test optical fiber 30. The photodetector 50 includes one or more phase lock amplifiers for simultaneously measuring a component corresponding to induced Brillouin loss of the second optical signal and a component corresponding to induced Brillouin gain of the first optical signal in the Brillouin scattered light. in amplifiers 531 and 532. In addition, the photodetector 50 may further include one or more attenuators 511 and 512 and one or more photo diodes (PDs) 521 and 522 for adjusting and converting a signal.

제1 광순환기(61)를 거쳐 시험 광섬유(30)에 입사된 제1 광신호가 시험 광섬유(30)를 통과하는 동안, 제2 구간(320)에서 제1 광신호에 유도 브릴루앙 이득이 발생한다. 제1 광신호의 유도 브릴루앙 이득에 대응되는 브릴루앙 산란광이 제2 광순환기(62)에서 분기되어 제1 감쇄기(511)에 입사될 수 있다. 제1 감쇄기(511)는 입사된 브릴루앙 산란광의 크기를 감쇄시켜 제1 포토다이오드(521)에 입사시키며, 제1 포토다이오드(521)에서는 입사된 광신호를 전기 신호로 변환할 수 있다. While the first optical signal incident on the test optical fiber 30 through the first optical circulator 61 passes through the test optical fiber 30, an induced Brillouin gain is generated in the first optical signal in the second section 320. . Brillouin scattered light corresponding to the induced Brillouin gain of the first optical signal may be branched from the second optical circulator 62 to be incident to the first attenuator 511. The first attenuator 511 attenuates the incident Brillouin scattered light and enters the first photodiode 521, and the first photodiode 521 may convert the incident optical signal into an electrical signal.

한편, 제2 광순환기(62)를 거쳐 시험 광섬유(30)에 입사된 제2 광신호가 시험 광섬유(30)를 통과하는 동안, 제1 구간(310)에서 제2 광신호에 유도 브릴루앙 손실이 발생한다. 제2 광신호의 유도 브릴루앙 손실에 대응되는 브릴루앙 산란광이 제1 광순환기(61)에서 분기되어 제2 감쇄기(512)에 입사될 수 있다. 제1 감쇄기(512)는 입사된 브릴루앙 산란광의 크기를 감쇄시켜 제1 포토다이오드(522)에 입사시키며, 제1 포토다이오드(521)에서는 입사된 광신호를 전기 신호로 변환할 수 있다. On the other hand, while the second optical signal incident on the test optical fiber 30 through the second optical circulator 62 passes through the test optical fiber 30, induced Brillouin loss is induced in the second optical signal in the first section 310. Occurs. Brillouin scattered light corresponding to induced Brillouin loss of the second optical signal may be branched from the first optical circulator 61 to be incident on the second attenuator 512. The first attenuator 512 attenuates the incident Brillouin scattered light and enters the first photodiode 522. The first photodiode 521 may convert the incident optical signal into an electrical signal.

제1 및 제2 위상잠금 증폭기(531, 532)는 브릴루앙 산란광에서 각각 제1 광신호의 이득 및 제2 광신호의 손실에 해당되는 성분을 측정하기 위한 부분이다. 제1 및 제2 위상잠금 증폭기(531, 532)는 수신된 신호를 소정의 기준 신호와 비교함으로써, 수신된 신호에서 원하는 주파수의 성분만을 추출할 수 있다. 제1 및 제2 위상잠금 증폭기(531, 532)는 RF 신호 분배기(530)를 각각 기준 신호를 수신할 수도 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 위상잠금 증폭기(531, 532)는 제1 및 제2 위상잠금 증폭기(531, 532)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. The first and second phase lock amplifiers 531 and 532 are parts for measuring components corresponding to the gain of the first optical signal and the loss of the second optical signal, respectively, in the Brillouin scattered light. The first and second phase lock amplifiers 531 and 532 may extract only a component having a desired frequency from the received signal by comparing the received signal with a predetermined reference signal. The first and second phase lock amplifiers 531 and 532 may receive a reference signal through the RF signal splitter 530, respectively. For example, the first and second phase lock amplifiers 531 and 532 may include the first and second phase lock amplifiers 531 and 532 as an AC signal channel, a mixer, and a DC amplifier. amplifier, a low-pass filter, and the like, but is not limited thereto.

제1 및 제2 위상잠금 증폭기(531, 532)는 제3 주파수를 갖는 기준 신호를 이용하여 브릴루앙 산란광을 측정 할 수 있으며, 이때 제3 주파수는 제1 광신호의 초핑을 위한 제1 주파수(fl1) 및 제2 광신호의 초핑을 위한 제2 주파수(fl2)의 차(fl1-fl2)와 동일할 수 있다. 제1 및 제2 위상잠금 증폭기(531, 532)는 기준 신호를 이용함으로써 수신된 신호 중 제2 광신호의 이득 및 제1 광신호의 손실에 해당되는 성분을 측정할 수 있다.The first and second phase lock amplifiers 531 and 532 may measure the Brillouin scattered light using a reference signal having a third frequency, wherein the third frequency is a first frequency for chopping the first optical signal. It may be equal to the difference (f l 1-f l 2) of the second frequency (f l 2) for the chopping of the f l 1) and the second optical signal. The first and second phase lock amplifiers 531 and 532 may measure components corresponding to a gain of the second optical signal and a loss of the first optical signal among the received signals by using the reference signal.

예컨대, 브릴루앙 산란에 있어 펌프 광신호를

Figure 112012016655819-pat00001
라 하고 프로브 광신호를
Figure 112012016655819-pat00002
라 할 경우, 브릴루앙 산란광은 다음 수학식 1과 같이 나타내어질 수 있다.For example, in Brillouin scattering, pump light signals
Figure 112012016655819-pat00001
And the probe optical signal
Figure 112012016655819-pat00002
In this case, the Brillouin scattered light may be represented by Equation 1 below.

Figure 112012016655819-pat00003
Figure 112012016655819-pat00003

상기 수학식 1에서 B.S.는 브릴루앙 산란광을 나타내며, I1 및 I2는 각각 펌프 광신호와 프로브 광신호의 최대 크기를 나타내는 상수이고, gB는 브릴루앙 이득 계수이다. 또한, ω1 및 ω2는 각각 펌프 광신호와 프로브 광신호의 초핑 주파수를 나타낸다. In Equation 1, BS denotes Brillouin scattered light, I 1 and I 2 are constants representing the maximum magnitude of the pump optical signal and the probe optical signal, respectively, and g B is the Brillouin gain coefficient. Further, ω 1 and ω 2 represent the chopping frequencies of the pump optical signal and the probe optical signal, respectively.

수학식 1의 브릴루앙 산란광에서 괄호 안의 cosω1t 항에는 증폭된 프로브 광신호 및 펌프 광신호의 반사 신호 성분이 포함된다. 또한, cosω2t 항에는 증폭된 프로브 광신호 및 원래의 프로브 광신호가 포함된다. 한편, 1/2cos(ω12)t항에는 gB가 0보다 클 경우 증폭된 프로브 광신호만이 포함되어 있다. 또한, gB가 0보다 작을 경우에는 1/2cos(ω12)t항을 통해 흡수된 펌프 광신호만을 감지할 수 있다. 따라서, 펌프 광신호와 프로브 광신호의 주파수 차를 위상잠금 증폭기의 기준 신호로 이용하면 프로브 광신호의 순수한 이득만을 측정할 수 있다.In the Brillouin scattered light of Equation 1, the cosω 1 t term in parentheses includes the reflected signal components of the amplified probe optical signal and the pump optical signal. In addition, the cosω 2 t term includes the amplified probe optical signal and the original probe optical signal. Meanwhile, the 1 / 2cos (ω 12 ) t term includes only the amplified probe optical signal when g B is greater than zero. In addition, when g B is less than 0, only the pump optical signal absorbed through 1 / 2cos (ω 12 ) t term can be detected. Therefore, when the frequency difference between the pump optical signal and the probe optical signal is used as the reference signal of the phase lock amplifier, only the pure gain of the probe optical signal can be measured.

이상에서 설명한 것과 같이 기준 신호를 이용함으로써, 제1 위상잠금 증폭기(531)는 제1 포토다이오드(521)에서 광전변환된 신호를 수신하고, 수신된 신호로부터 유도 브릴루앙 이득에 대응되는 증폭 신호를 출력할 수 있다. 또한, 제2 위상잠금 증폭기(532)는 제2 포토다이오드(522)에서 광전변환된 신호를 수신하고, 수신된 신호로부터 유도 브릴루앙 손실에 대응되는 흡수 신호를 출력할 수 있다. By using the reference signal as described above, the first phase lock amplifier 531 receives the photoelectrically converted signal from the first photodiode 521 and receives an amplified signal corresponding to the induced Brillouin gain from the received signal. You can print In addition, the second phase lock amplifier 532 may receive a photoelectrically converted signal from the second photodiode 522 and output an absorption signal corresponding to induced Brillouin loss from the received signal.

광검출부(50)는 다채널 데이터 수집부(data acquisition; DAQ)(540) 및 개인용 컴퓨터(Personal Computer; PC)(550)를 포함할 수도 있다. 제1 위상잠금 증폭기(531)에서 출력된 증폭 신호 및 제2 위상잠금 증폭기(512)에서 출력된 흡수 신호를 DAQ(540) 및 PC(550)에서 수신하고, 수신된 신호들을 브릴루앙 이득 스펙트럼의 형태로 변환함으로써 시험 광섬유(30)의 물리적인 변화를 측정할 수 있다. 그러나 이상에 기재한 광검출부(50)의 구성은 단지 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서는 다른 상이한 하나 이상의 데이터 처리 수단을 이용하여 신호 처리 및 분석을 수행할 수도 있다. The light detector 50 may include a multi-channel data acquisition (DAQ) 540 and a personal computer (PC) 550. The DAQ 540 and the PC 550 receive the amplified signal output from the first phase lock amplifier 531 and the absorption signal output from the second phase lock amplifier 512, and receive the received signals from the Brillouin gain spectrum. By converting the shape, the physical change of the test optical fiber 30 can be measured. However, the configuration of the photodetector 50 described above is merely exemplary, and in other embodiments, signal processing and analysis may be performed using other different one or more data processing means.

이상과 같이 구성된 분포형 광섬유 센서를 이용함으로써, 기존의 BOCDA 방식의 광섬유 센서에 의한 측정 거리를 공간 분해능의 저하 없이 2배로 확장시킬 수 있다. 예컨대, 본 발명자들은 DFB 레이저의 공급 전류를 약 99kHz 내지 약 1MHz의 주파수(fm)로 변조하였으며, 이때 변조 전류의 크기를 조정함으로써 변조 주파수의 크기(△f)는 약 6.85GHz로 설정하였다. 종래의 BOCDA 방식의 광섬유 센서의 경우 이상과 같이 변조된 광을 이용한 공간 분해능은 약 15cm이며 측정 범위는 약 100m이나, 일 실시예에 따른 분포형 센서의 경우 공간 분해능 약 15cm를 유지하면서 측정 거리를 200m까지 확장할 수 있다.By using the distributed optical fiber sensor configured as described above, the measurement distance by the conventional BOCDA type optical fiber sensor can be doubled without degrading the spatial resolution. For example, the inventors modulated the supply current of the DFB laser at a frequency f m of about 99 kHz to about 1 MHz, wherein the magnitude of the modulation frequency Δf was set to about 6.85 GHz by adjusting the magnitude of the modulation current. In the conventional BOCDA-type optical fiber sensor, the spatial resolution using the modulated light is about 15 cm and the measurement range is about 100 m. Can extend up to 200m.

도 3a 및 3b는 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서에 의하여 측정한 브릴루앙 신호의 이득을 시험 광섬유상의 거리에 따라 나타낸 3차원 그래프들이다. 약 200m 길이의 시험 광섬유에서 약 70m, 약 130m 및 약 170m 부근 각각에 약 4.4mε, 약 2 mε 및 약 2 mε의 변형률에 해당하는 응력을 가하면서 브릴루앙 신호의 이득을 거리에 따라 측정하였다. 응력은 각 위치에서 약 50cm의 구간에 인가되었다. 도 3a는 시험 광섬유의 제1 구간에서의 브릴루앙 신호의 이득을 나타내며, 도 3b는 시험 광섬유의 제2 구간에서의 브릴루앙 신호의 이득을 나타낸다.3A and 3B are three-dimensional graphs illustrating gains of a Brillouin signal measured by a distributed optical fiber sensor according to distances on a test optical fiber. The gain of the Brillouin signal was measured over distance, with stresses corresponding to strains of about 4.4 m, about 2 m, and about 2 mε, respectively, in a test fiber of about 200 m length, about 70 m, about 130 m and about 170 m, respectively. Stress was applied in the section of about 50 cm at each location. 3A shows the gain of the Brillouin signal in the first section of the test fiber, and FIG. 3B shows the gain of the Brillouin signal in the second section of the test fiber.

도 4는 도 3a 및 3b에 도시된 결과를 브릴루앙 주파수의 변화로 도시한 그래프이다. 약 70m위치에서 응력으로 인한 주파수 변화량이 약 220MHz이며, 약 130m 및 약 170m 위치에서 응력으로 인한 주파수 변화량이 약 100MHz인 것을 볼 수 있다. 또한, 공간 분해능을 유지하면서 측정 범위는 종래의 두 배가 된 것을 확인할 수 있고, 서로 영향을 주지 않으면서 두 지점을 동시에 측정할 수 있음을 확인할 수 있다. 4 is a graph showing the results shown in FIGS. 3A and 3B as a change in Brillouin frequency. It can be seen that the frequency change due to stress at about 70 m is about 220 MHz, and the frequency change due to stress at about 130 m and about 170 m is about 100 MHz. In addition, while maintaining the spatial resolution it can be confirmed that the measurement range is doubled conventionally, it is possible to measure the two points at the same time without affecting each other.

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. Although the present invention described above has been described with reference to the embodiments illustrated in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and variations may be made therefrom. However, such modifications should be considered to be within the technical protection scope of the present invention. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

Claims (14)

제1 구간 및 제2 구간을 포함하는 시험 광섬유;
상기 제1 구간 및 상기 제2 구간 사이에 광학적으로 연결된 광감쇄기;
상기 제1 구간을 통해 상기 시험 광섬유에 제1 광신호를 인가하며, 상기 제2 구간을 통해 상기 시험 광섬유에 제2 광신호를 인가하는 광변조부; 및
상기 제1 구간에 위치하는 제1 상관점 및 상기 제2 구간에 위치하는 제2 상관점 각각에서 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호에 의해 생성되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 광검출부를 포함하되,
상기 광감쇄기는 상기 광감쇄기를 통과하는 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호의 크기를 감쇄시키며,
상기 제1 상관점에서는 상기 제1 광신호 및 크기가 감쇄된 상기 제2 광신호에 의해 상기 제2 광신호의 유도 브릴루앙 손실이 발생하며,
상기 제2 상관점에서는 상기 제2 광신호 및 크기가 감쇄된 상기 제1 광신호에 의해 상기 제1 광신호의 유도 브릴루앙 이득이 발생하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
A test optical fiber including a first section and a second section;
An optical attenuator optically connected between the first section and the second section;
An optical modulator applying a first optical signal to the test optical fiber through the first section and applying a second optical signal to the test optical fiber through the second section; And
And a photodetector configured to detect Brillouin scattered light generated by the first optical signal and the second optical signal at each of the first correlation point located in the first section and the second correlation point located in the second section. But
The optical attenuator attenuates the magnitudes of the first optical signal and the second optical signal passing through the optical attenuator,
At the first correlation point, induced Brillouin loss of the second optical signal is generated by the first optical signal and the second optical signal whose magnitude is attenuated.
The distributed optical fiber sensor of claim 2, wherein the induced Brillouin gain of the first optical signal is generated by the second optical signal and the first optical signal whose magnitude is attenuated.
제 1항에 있어서,
상기 광검출부는, 상기 브릴루앙 산란광을 이용하여, 상기 제2 상관점에서의 상기 제1 광신호의 유도 브릴루앙 이득 및 상기 제1 상관점에서의 상기 제2 광신호의 유도 브릴루앙 손실 중 하나 이상을 측정하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
The method of claim 1,
The photodetector may be one of an induced Brillouin gain of the first optical signal at the second correlation point and an induced Brillouin loss of the second optical signal at the first correlation point using the Brillouin scattered light. Distribution type optical fiber sensor characterized by measuring the abnormality.
제 1항에 있어서,
상기 제1 광신호는 제1 주파수로 초핑된 신호이며, 상기 제2 광신호는 상기 제1 주파수와 상이한 제2 주파수로 초핑된 신호인 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
The method of claim 1,
The first optical signal is a signal chopped at a first frequency, and the second optical signal is a signal chopped at a second frequency different from the first frequency.
제 3항에 있어서,
상기 광변조부는,
광원으로부터 출력된 광을 상기 제1 주파수로 초핑하는 제1 광변조기;
상기 제1 주파수로 초핑된 광에 측대역 신호를 발생시켜 상기 제1 광신호를 생성하는 단측파대 변조기; 및
상기 광원으로부터 출력된 광을 상기 제2 주파수로 초핑하여 상기 제2 광신호를 생성하는 제2 광변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
The method of claim 3, wherein
Wherein the optical modulator comprises:
A first optical modulator for chopping light output from a light source at the first frequency;
A single sideband modulator for generating a first optical signal by generating a sideband signal on the light chopped at the first frequency; And
And a second optical modulator for chopping the light output from the light source at the second frequency to generate the second optical signal.
제 4항에 있어서,
상기 광검출부는, 제3 주파수를 갖는 기준 신호를 이용하여 상기 브릴루앙 산란광 중 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호 각각에 대응되는 브릴루앙 산란 신호를 검출하는 위상잠금 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
5. The method of claim 4,
The photodetector may include a phase locking amplifier configured to detect a Brillouin scattering signal corresponding to each of the first and second optical signals among the Brillouin scattered light using a reference signal having a third frequency. Distributed optical fiber sensor.
제 5항에 있어서,
상기 제3 주파수는, 상기 제1 주파수 및 상기 제2 주파수의 차에 대응되는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
6. The method of claim 5,
And said third frequency corresponds to a difference between the first frequency and the second frequency.
제 5항에 있어서,
상기 위상잠금 증폭기는,
상기 제2 구간에 광학적으로 연결되어 상기 제1 광신호의 이득에 대응되는 브릴루앙 산란광을 수신하는 제1 위상잠금 증폭기; 및
상기 제1 구간에 광학적으로 연결되어 상기 제2 광신호의 손실에 대응되는 브릴루앙 산란광을 수신하는 제2 위상잠금 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
6. The method of claim 5,
The phase lock amplifier,
A first phase lock amplifier optically coupled to the second section to receive Brillouin scattered light corresponding to the gain of the first optical signal; And
And a second phase lock amplifier optically coupled to the first section to receive Brillouin scattered light corresponding to the loss of the second optical signal.
제1 구간 및 제2 구간을 포함하는 시험 광섬유에, 상기 제1 구간을 통하여 제1 광신호를 인가하는 단계;
상기 시험 광섬유에, 상기 제2 구간을 통하여 제2 광신호를 인가하는 단계;
상기 제1 구간 및 상기 제2 구간 사이에 광학적으로 연결된 광감쇄기를 이용하여, 상기 광감쇄기를 통과하는 광을 감쇄시키는 단계; 및
상기 제1 구간에 위치하는 제1 상관점 및 상기 제2 구간에 위치하는 제2 상관점 각각에서 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호에 의해 생성되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계를 포함하되,
상기 제1 상관점에서는 상기 제1 광신호 및 크기가 감쇄된 상기 제2 광신호에 의해 상기 제2 광신호의 유도 브릴루앙 손실이 발생하며,
상기 제2 상관점에서는 상기 제2 광신호 및 크기가 감쇄된 상기 제1 광신호에 의해 상기 제1 광신호의 유도 브릴루앙 이득이 발생하는 것을 특징으로 하는 센싱 방법.
Applying a first optical signal to the test optical fiber including a first section and a second section through the first section;
Applying a second optical signal to the test optical fiber through the second section;
Attenuating light passing through the optical attenuator using an optical attenuator optically connected between the first and second sections; And
Detecting the Brillouin scattered light generated by the first optical signal and the second optical signal at each of the first correlation point located in the first section and the second correlation point located in the second section; ,
At the first correlation point, induced Brillouin loss of the second optical signal is generated by the first optical signal and the second optical signal whose magnitude is attenuated.
The second correlation point is a sensing method characterized in that the induced Brillouin gain of the first optical signal is generated by the second optical signal and the first optical signal whose magnitude is attenuated.
제 8항에 있어서,
상기 브릴루앙 산란광을 이용하여, 상기 제2 상관점에서의 상기 제1 광신호의 유도 브릴루앙 이득 및 상기 제1 상관점에서의 상기 제2 광신호의 유도 브릴루앙 손실 중 하나 이상을 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱 방법.
The method of claim 8,
Measuring at least one of the induced Brillouin gain of the first optical signal at the second correlation point and the induced Brillouin loss of the second optical signal at the first correlation point using the Brillouin scattered light Sensing method further comprises.
제 8항에 있어서,
상기 제1 광신호는 제1 주파수로 초핑된 신호이며, 상기 제2 광신호는 상기 제1 주파수와 상이한 제2 주파수로 초핑된 신호인 것을 특징으로 하는 센싱 방법.
The method of claim 8,
And the first optical signal is a signal chopped at a first frequency, and the second optical signal is a signal chopped at a second frequency different from the first frequency.
제 10항에 있어서,
상기 제1 광신호를 인가하는 단계는,
광원으로부터 출력된 광을 상기 제1 주파수로 초핑하는 단계; 및
상기 제1 주파수로 초핑된 광에 측대역 신호를 발생시켜 상기 제1 광신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱 방법.
The method of claim 10,
The step of applying the first optical signal,
Chopping the light output from the light source at the first frequency; And
Generating the first optical signal by generating a sideband signal on the light chopped at the first frequency.
제 11항에 있어서,
상기 제2 광신호를 인가하는 단계는, 상기 광원으로부터 출력된 광을 상기 제2 주파수로 초핑하여 상기 제2 광신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱 방법.
12. The method of claim 11,
The applying of the second optical signal may include generating the second optical signal by chopping the light output from the light source at the second frequency.
제 12항에 있어서,
상기 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계는, 제3 주파수를 갖는 기준 신호를 이용하여 상기 브릴루앙 산란광 중 상기 제1 광신호의 유도 브릴루앙 이득 및 상기 제2 광신호의 유도 브릴루앙 손실을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 센싱 방법.
13. The method of claim 12,
The detecting of the Brillouin scattered light may include detecting an induced Brillouin gain of the first optical signal and an induced Brillouin loss of the second optical signal among the Brillouin scattered light using a reference signal having a third frequency. Sensing method comprising a.
제 13항에 있어서,
상기 제3 주파수는, 상기 제1 주파수 및 상기 제2 주파수의 차에 대응되는 것을 특징으로 하는 센싱 방법.
The method of claim 13,
And wherein the third frequency corresponds to a difference between the first frequency and the second frequency.
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