KR101447090B1 - 분포형 광섬유 센서 및 이를 이용한 센싱 방법 - Google Patents

분포형 광섬유 센서 및 이를 이용한 센싱 방법 Download PDF

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Abstract

분포형 광섬유 센서는, 시험 광섬유의 한쪽 끝을 통하여 프로브(probe) 광신호를 인가하며, 상기 시험 광섬유의 다른쪽 끝을 통하여 펌프(pump) 광신호를 인가하도록 구성된 광변조부; 및 상기 시험 광섬유에서 유도 브릴루앙(Brillouin) 산란에 의해 생성되는, 상기 프로브 광신호가 증폭된 신호를 검출하는 광검출부를 포함할 수 있다. 상기 분포형 광섬유 센서에 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 비해 성능 저하 없이 장치 구성을 간단하게 할 수 있다.

Description

분포형 광섬유 센서 및 이를 이용한 센싱 방법{DISTRIBUTED OPTICAL FIBER SENSOR AND SENSING METHOD USING THE SAME}
실시예들은 분포형 광섬유 센서(distributed optical fiber sensor) 및 이를 이용한 센싱 방법에 대한 것으로서, 보다 구체적으로는 브릴루앙 상관영역 측정(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis) 방식의 광섬유 센서의 간단한 구성에 대한 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.
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.　그러나, BOCDA 방식의 분포형 광섬유 센서는 시스템을 구현하기 위해 값비싼 광 부품들과 계측 장비들이 필요하여 시스템이 복잡하고 단가가 높은 단점이 있다.
BOCDA 방식의 분포형 광섬유 센서는, 프로브 신호를 만들기 위하여 광 단측파대 변조기(Single Sideband Modulator)를 이용하여 프로브 신호의 주파수를 펌프 신호의 주파수 근처로 이동시키고, 주파수 스위퍼(microwave sweep synthesizer)를 이용하여 해당 주파수 위치에서 프로브 신호의 주파수를 스윕(sweep)하도록 구성된다. 펌프 신호의 브릴루앙 주파수는, 프로브 신호의 주파수가 펌프 신호의 주파수보다 오프셋(offset)만큼 작은 스톡스(Stokes) 및 프로브 신호의 주파수가 펌프 신호의 주파수보다 오프셋만큼 큰 안티 스톡스(Anti-Stokes)에서 발생한다.
일반적인 BOCDA 방식의 분포형 광섬유 센서는 스톡스에서 펌프 신호에 발생하는 브릴루앙 이득을 관찰하도록 구성된다. 즉, 프로브 신호의 주파수를 펌프 신호의 주파수로 이동시키고 해당 위치에서 프로브 신호의 주파수 스윕을 하면 브릴루앙 이득이 발생하는 주파수를 측정할 수 있다. 브릴루앙 이득이 발생하는 브릴루앙 주파수는 외부의 물리적인 환경에 의해 영향을 받으므로, 브릴루앙 주파수의 변화를 통하여 광섬유 외부의 물리적인 변화를 검출할 수 있다.
공개특허공보 제10-2009-0001405호
본 발명의 일 측면에 따르면, 브릴루앙 광학적 공간영역 해석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis) 방식을 이용하여 광섬유의 물리적인 변형 및 온도 등을 측정할 수 있으며, 장치 구성이 종래에 비하여 간단한 분포형 광섬유 센서 및 이를 이용한 센싱 방법을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서는, 시험 광섬유의 한쪽 끝을 통하여 프로브(probe) 광신호를 인가하며, 상기 시험 광섬유의 다른쪽 끝을 통하여 펌프(pump) 광신호를 인가하도록 구성된 광변조부; 및 상기 시험 광섬유에서 유도 브릴루앙(Brillouin) 산란에 의해 생성되는, 상기 프로브 광신호가 증폭된 신호를 검출하는 광검출부를 포함할 수 있다.
상기 광변조부는, 광원에 의해 생성된 광의 주파수를 미리 결정된 주파수 구간 내에서 주기적으로 변화시키면서 상기 광을 초핑(chopping) 신호를 이용하여 초핑함으로써 상기 펌프 광신호를 생성할 수 있다.
일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서를 이용한 센싱 방법은, 광원에 의해 생성된 광의 주파수를 미리 결정된 주파수 구간 내에서 주기적으로 변화시키면서 상기 광을 초핑 신호를 이용하여 초핑함으로써 펌프 광신호를 생성하는 단계; 시험 광섬유의 한쪽 끝을 통하여 프로프 광신호를 인가하는 단계; 상기 시험 광섬유의 다른쪽 끝을 통하여 상기 펌프 광신호를 인가하는 단계; 및 상기 시험 광섬유에서 유도 브릴루앙 산란에 의해 생성되는, 상기 프로브 광신호가 증폭된 신호를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 분포형 광섬유 센서 및 이를 이용한 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 비해 성능 저하 없이 장치 구성을 간단하게 할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서의 개략적인 구성도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서에서 주파수 스위퍼(microwave sweep synthesizer)의 출력 파형을 나타내는 그래프이다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서의 개략적인 구성도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서에서 시험 광섬유의 개략적인 구성도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서에 의한 브릴루앙(Brillouin) 이득 스펙트럼을 나타내는 3차원 그래프이다.
도 6a 내지 6c는 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서에서 브릴루앙 주파수 이동을 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 주파수 오프셋(offset)을 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 브릴루앙 주파수의 변화를 이용하여 시험 광섬유의 물리적인 특성 변화를 측정할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서는 광변조부(20) 및 광검출부(50)를 포함할 수 있다. 또한, 분포형 광섬유 센서는 광원부(10) 및/또는 시험 광섬유(30)를 더 포함할 수도 있다. 광원부(10)는 광변조부(20)에 광을 인가할 수 있다. 시험 광섬유(30)는 광변조부(20) 및 광검출부(50)에 광학적으로 연결되어, 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)와 같은 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 신호발생기(미도시)를 이용하여 광원부(10)에 대한 공급 전류를 변조함으로써, 소정의 변조 주파수를 갖는 정현파 형태로 변조된 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 변조된 광을 인가받고, 이로부터 프로브 광신호 및 펌프 광신호를 생성하여 시험 광섬유(30)의 양단에 인가할 수 있다. 일 실시예에서, 광변조부(20)는 광분배기(210), 단측파대 변조기(Single Sideband Modulator; SSBM)(220) 및 주파수 스위퍼(Microwave Sweep Synthesize; MSS)(230)를 포함할 수 있다. 광분배기(210)는 광원부(10)로부터 변조된 광을 수신하고, 수신된 광을 프로브 광신호 및 펌프 광신호를 생성하기 위한 두 광신호로 분기할 수 있다. 분기된 프로브 광신호는 시험 광섬유(30)의 한쪽 끝을 통해 입사될 수 있다.
SSBM(220)은 광분배기(210)와 시험 광섬유(30)의 다른쪽 끝 사이에 광학적으로 연결되어, 시험 광섬유(30)에 펌프 광신호를 인가할 수 있다. 이를 위하여, SSBM(220)은 광원(10)으로부터 입사된 광신호의 주파수를 프로브 광신호의 주파수(ν0) 근처에서 스윕(sweep)시킨다. 즉, SSBM(220)은 미리 결정된 주파수 구간 내에서 광신호의 주파수를 주기적으로 변화시킨다. 상기 주파수 구간은 프로브 광신호의 주파수(ν0)를 포함하거나 이에 인접한 주파수 대역일 수 있으며, 예컨대 프로브 광신호의 주파수(ν0) 전후로 일정 구간을 포함하는 주파수 대역일 수 있다. 광신호의 주파수가 주기적으로 변화함에 따라, 광신호의 주파수가 프로브 광신호의 주파수(ν0)에 비해 브릴루앙 주파수(νB)만큼 클 경우(즉, 광신호의 주파수가 (ν0+νB)일 경우) 해당 광신호를 펌프 광신호로 하여 스톡스(Stokes) 산란이 발생된다.
한편, 본 실시예에서 SSBM(220)은 펌프 광신호를 생성하는 과정에서 광신호의 주파수를 스윕하는 동시에 광신호를 초핑(chopping) 신호에 따라 초핑하도록 구성된다. 이를 위하여, 광변조부(20)는 MSS(230) 및 신호발생기(235)를 포함할 수 있다. 신호발생기(235)는 구형파 또는 다른 상이한 파형을 갖는 초핑 신호를 생성하여 MSS(230)에 인가하며, MSS(230)는 주파수 스윕을 위한 변조 신호를 초핑 신호에 따라 변조한다. 예컨대, MSS(230)는 변조 신호의 세기를 초핑 신호에 따라 온/오프 방식으로 변조할 수 있다. 그 결과, MSS(230)는 초핑과 주파수 스윕이 동시에 가하여진 변조 신호를 펌프 광신호로서 출력할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서에서 MSS의 출력 파형을 나타내는 그래프이다. 도 2에 도시되는 바와 같이, MSS에서 출력되는 변조 신호의 주파수는 미리 결정된 스윕 시간을 한 주기로 하여 주기적으로 증감할 수 있다. 또한, 주기적으로 증감하는 주파수는 소정의 기준 주파수(fl)를 갖는 초핑 신호에 따라 온/오프 방식으로 단속적으로 초핑될 수 있다. 이는 도 2에 도시된, 주파수가 스윕하는 그래프에서 온 구간과 오프 구간이 번갈아 위치하는 것으로 확인된다.
SSBM(220)은 도 2에 도시된 것과 같은 형태 또는 다른 형태의 변조 신호를 MSS(230)로부터 수신하고, 변조 신호를 이용하여 펌프 광신호의 주파수를 변화시킨다. 그 결과, 펌프 광신호의 주파수에는 주파수 스윕과 초핑이 동시에 가해질 수 있다. 한편, 프로브 광신호의 주파수는 스윕되지 않고 ν0에 고정된다. 주기적으로 변화하는 펌프 광신호의 주파수가 (ν0+νB)일 경우, 유도 브릴루앙 산란 효과로 브릴루앙 이득이 발생하여 프로브 광신호가 증폭될 수 있다.
일 실시예에서, 광변조부(20)는 광고립기(240)를 포함할 수도 있다. 광고립기(240)는 광분배기(210)와 시험 광섬유(30) 사이에 광학적으로 연결되어, 펌프 광신호가 시험 광섬유(30)를 거쳐 다시 광분배기(210)로 진행하는 것을 차단하는 역할을 할 수 있다.
광검출부(50)는 시험 광섬유(30)에서 발생한 브릴루앙 산란광, 즉, 유도 브릴루앙 산란으로 인한 프로브 광신호의 증폭된 신호를 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)와 SSBM(220) 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, 잡음을 제거하기 위하여 수신된 전기 신호를 소정의 위상잠금(lock-in) 신호에 따라 단속적으로 검출할 수 있다. 이때, 펌프 광신호의 초핑을 위하여 신호발생기(235)에서 생성된 초핑 신호가 위상잠금 증폭기(530)에서 위상잠금 신호로 이용될 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.
또한, 광검출부(50)는 데이터 수집부(data acquisition; DAQ)(540)를 더 포함할 수도 있다. 위상잠금 증폭기(530)에서 출력된 직류 전압 신호를 DAQ(540)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.
종래의 분포형 광섬유 센서에서 프로브 광신호와 펌프 광신호의 경로에 각각 변조기를 설치하는 것과 달리, 이상에서 설명한 실시예에서는 프로브 광신호는 주파수 변조 없이 바로 시험 광섬유(30)에 입사시키고 펌프 광신호가 생성되기 위한 광신호의 경로에 하나의 SSBM(220)만을 설치하여, 광신호에 대한 주파수 초핑 및 스윕을 동시에 수행함으로써 펌프 광신호를 생성한다. 종래의 BOCDA 방식의 분포형 광섬유 센서는 시스템을 구현하기 위해 값비싼 광 부품들 및 계측 장비들이 필요하여 시스템이 복잡하고 단가가 높은 반면, 본 발명의 실시예들에 의하면, 프로브 광신호의 주파수를 스윕하는 대신 펌프 광신호에 주파수 스윕 및 초핑을 동시에 가함으로써 성능 저하 없이 분포형 광섬유 센서의 구성을 간소화할 수 있고 단가를 줄일 수 있다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서의 개략적인 구성도이다. 도 3에 도시된 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서는, 도 1에 도시된 분포형 광섬유 센서와 동일한 구성요소를 포함하여 구성된다. 이하에서 도 3에 도시된 실시예의 설명에 있어서, 도 1을 참조하여 전술한 실시예로부터 용이하게 이해될 수 있는 부분에 대해서는 설명을 생략한다.
도 3을 참조하면, 광변조부(20)는 시험 광섬유(30)와 광학적으로 연결되는 지연 광섬유(280)를 포함할 수 있다. 일반적인 브릴루앙 공간영역 해석 방식에서 상관점들은 변조 주파수를 바꾸어 위치를 조절할 수 있다. 하지만 전체 광 경로를 구성하는 광섬유의 정 중앙에서는 변조 주파수를 변경하여도 브릴루앙 이득 피크의 위치가 변하지 않으며, 광 섬유의 정 중앙을 기준으로 양쪽의 피크들의 위치가 변조 주파수에 따라 조절된다. 따라서, 지연 광섬유(280)가 없는 경우에는 상관점의 위치조절이 불가능한 피크가 시험 광섬유(30)의 중앙에 위치하게 된다.
이러한 이유 때문에 지연 광섬유(280)를 사용하며, 지연 광섬유(280)의 길이를 적절하게 조절함으로써 전체 광 경로의 정 중앙에서 양쪽에 있는 브릴루앙 이득 피크 중 어느 하나가 시험 광섬유(30)상에 위치하도록 할 수 있다. 예컨대, 지연 광섬유(280)의 길이는 약 10 km일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 지연 광섬유(280)는 광고립기(240)를 통해 시험 광섬유(30)에 광학적으로 연결되며, 시험 광섬유(30)를 통과한 펌프 광신호는 광고립기(240)에 의하여 차단되어 지연 광섬유(280)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.
일 실시예에서, 광변조부(20)는 펌프 광신호의 광 경로에 광학적으로 연결된 편광조절기(250)를 포함할 수 있다. 프로브 광신호와 펌프 광신호의 편광이 일치할 때 유도 브릴루앙 산란 증폭이 최대로 일어나므로, 편광조절기(250)를 이용하여 프로브 광신호와 펌프 광신호의 편광을 동일하게 조절할 수 있다.
또한 일 실시예에서, 광변조부(20)는 편광스위치(Polarization Switch; PSW)(260)를 포함할 수도 있다. 편광스위치(260)는 SSBM(220)과 시험 광섬유(30)사이에 광학적으로 연결되어, 펌프 광신호의 편광을 주기적으로 변경할 수 있다. 예컨대, 편광스위치(260)는 펌프 광신호의 편광을 한 번은 0도, 다른 한번은 90도로 번갈아 회전시킬 수 있다. 그러나, 전술한 0도 및 90도의 편광 각도는 단지 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 편광스위치(230)는 펌프 광신호의 편광을 이와 상이한 다른 각도로 주기적으로 변경할 수도 있다. 펌프 광신호와 프로브 광신호의 편광일 일치할 때 유도 브릴루앙 산란 증폭이 일어나나, 펌프 광신호 및/또는 프로브 광신호의 편광은 시간 및 공간에 따라 변화할 수 있다. 따라서, 편광스위치(260)를 이용하여 펌프 광신호의 편광을 변화시켜가면서 측정을 수행하고, 측정된 값의 평균값을 이용함으로써 편광 문제를 해결할 수 있다.
도 3에 도시된 실시예에서 편광조절기(250) 및 편광스위치(260)는 펌프 광신호의 편광을 조절하도록 구성되나, 이는 단지 예시적인 것이다. 다른 실시예에서, 편광조절기(250) 및 편광스위치(260)는 펌프 광신호의 편광을 조절하는 대신 또는 펌프 광신호의 편광 조절에 부가하여 프로브 광신호의 편광을 조절하도록 구성될 수도 있다.
일 실시예에서, 광변조부(20)는 광증폭기(270)를 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 광변조부(20)는 편광스위치(260)와 시험 광섬유(30) 사이에 광학적으로 연결되는 광증폭기(270)를 포함할 수 있다. 예컨대, 광증폭기(270)는 어븀 첨가 광섬유 증폭기(Erbium-Doped Fiber Amplifier; EDFA)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 광증폭기(270)는 유도 브릴루앙 산란 효과를 발생시키기 위하여 펌프 신호의 세기를 증폭시켜 브릴루앙 임계치 이상으로 만드는 역할을 한다.
일 실시예에서, 광검출부(50)는 시험 광섬유(30)로부터 수신되는 광신호의 크기 조절 및 변환을 위한 감쇄기(560)를 더 포함할 수도 있다. 감쇄기(560)는 가변광감쇄기(Variable Optical Attenuator; VOA)일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 광검출부(50)는 개인용 컴퓨터(Personal Computer; PC)(550)와 같은 데이터 처리 수단을 더 포함할 수도 있다. 개인용 컴퓨터(550)를 DAQ(540)와 함께 사용함으로써, 위상잠금 증폭기(530)에서 출력된 직류 전압 신호를 3차원 스펙트럼 등 확인이 용이한 형태 다른 형태로 변환할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서에서 시험 광섬유의 개략적인 구성도이다. 도 4를 참조하면, 시험 광섬유(30)는 미리 결정된 위치에 위치하는 제1 광섬유(310) 및 제2 광섬유(320)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 광섬유(310, 320)는 시험 광섬유(30) 중 응력이 인가되는 부분을 지시하도록 의도된다. 예컨대, 총 길이가 약 100 m인 시험 광섬유(30)에서 광순환기(510)로부터 약 61m 지점에 제2 광섬유(320)를 위치시키고, 광순환기(510)로부터 약 82m 지점에 제1 광섬유(310)를 위치시킬 수 있다. 제1 광섬유(310)에는 약 24cm의 길이(L1)로 구성하고 변형률이 약 3.86 mε이 되도록 응력을 인가할 수 있다. 또한, 제2 광섬유(320)는 약 16cm의 길이(L2)로 구성하고 변형률이 약 4.94 mε이 되도록 응력을 인가할 수 있다.
그러나, 도 4에 도시된 시험 광섬유(30)는 단지 시험 광섬유의 다양한 구성 중 본 발명자들에 의한 실험에 사용된 예시적인 구성을 나타내는 것일 뿐, 실시예들에서 시험 광섬유에 응력이 인가되는 위치 및 응력의 크기가 전술한 구성에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 5는 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서에 의한 브릴루앙 이득 스펙트럼을 나타내는 3차원 그래프이다. 도 5의 그래프에는, 프로브 광신호의 주파수에 대한 펌프 광신호의 주파수 오프셋에 따라, 시험 광섬유의 각 위치에서 브릴루앙 산란에 의해 펌프 광신호에 발생한 이득이 도시된다. 도 5에서 파란색, 녹색, 노란색 및 붉은색은 각각 이득이 0.6, 1.0, 1.4 및 1.8인 것을 나타낸다. 도시되는 바와 같이, 도 4의 제1 및 제2 광섬유(310, 320) 위치에 대응되는, 시험 광섬유에 응력이 가해진 약 61m 및 약 82m 위치에서 브릴루앙 산란이 발생하는 주파수 오프셋이 변화하였음을 알 수 있다.
도 6a 내지 6c는 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서에서 브릴루앙 주파수 이동을 나타내는 그래프이다.
도 6a는 브릴루앙 산란이 발생하는 주파수 오프셋을 시험 광섬유 내의 위치에 따라 나타낸 것이다. 또한, 도 6b는 도 6a에서 응력이 인가된 약 61m 부근의 지점(즉, 도 4의 제2 광섬유(320) 위치)을 확대하여 도시한 것이며, 도 6c는 도 6a에서 응력이 인가된 약 82m 부근의 지점(즉, 도 4의 제1 광섬유(310) 위치)을 확대하여 도시한 것이다. 도 6a 내지 6c에 도시되는 바와 같이, 응력이 인가된 위치에서 주파수 오프셋이 다른 부분과 상이한 것을 확인할 수 있다. 이는 응력에 의하여 브릴루앙 주파수가 이동하였음을 나타내며, 이를 이용하여 브릴루앙 산란이 발생하는 주파수로부터 시험 광섬유의 물리적인 변화를 검출할 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 (9)

  1. 시험 광섬유의 한쪽 끝을 통하여 프로브 광신호를 인가하며, 상기 시험 광섬유의 다른쪽 끝을 통하여 펌프 광신호를 인가하도록 구성된 광변조부; 및
    상기 시험 광섬유에서 유도 브릴루앙 산란에 의해 생성되는, 상기 프로브 광신호가 증폭된 신호를 검출하는 광검출부를 포함하되,
    상기 광변조부는,
    광원에 의해 생성된 광의 주파수를 미리 결정된 주파수 구간 내에서 주기적으로 변화시키면서 상기 광을 초핑 신호를 이용하여 초핑함으로써 상기 펌프 광신호를 생성하며,
    상기 초핑 신호를 수신하며, 상기 초핑 신호에 의해 초핑된 변조 신호를 출력하는 주파수 스위퍼; 및
    상기 변조 신호를 이용하여, 상기 광원에 의해 생성된 광의 주파수를 상기 미리 결정된 주파수 구간 내에서 주기적으로 변화시키는 단측파대 변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광변조부는, 상기 초핑 신호를 생성하는 신호 발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 미리 결정된 주파수 구간은 상기 프로브 광신호의 주파수를 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 광검출부는, 상기 초핑 신호를 위상잠금 신호로 이용하여 상기 증폭된 신호를 검출하는 위상잠금 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
  6. 광원에 의해 생성된 광의 주파수를 미리 결정된 주파수 구간 내에서 주기적으로 변화시키면서 상기 광을 초핑 신호를 이용하여 초핑함으로써 펌프 광신호를 생성하는 단계;
    시험 광섬유의 한쪽 끝을 통하여 프로브 광신호를 인가하는 단계;
    상기 시험 광섬유의 다른쪽 끝을 통하여 상기 펌프 광신호를 인가하는 단계; 및
    상기 시험 광섬유에서 유도 브릴루앙 산란에 의해 생성되는, 상기 프로브 광신호가 증폭된 신호를 검출하는 단계를 포함하되,
    상기 펌프 광신호를 생성하는 단계는,
    초핑 신호를 생성하는 단계;
    상기 초핑 신호에 의해 초핑되며 주기적으로 변화하는 변조 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 변조 신호를 이용하여, 상기 광원에 의해 생성된 광의 주파수를 변조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 분포형 광섬유 센서를 이용한 센싱 방법.
  7. 삭제
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 미리 결정된 주파수 구간은 상기 프로브 광신호의 주파수를 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서를 이용한 센싱 방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 증폭된 신호를 검출하는 단계는, 상기 초핑 신호를 위상잠금 신호로 이용하여 상기 증폭된 신호를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 분포형 광섬유 센서를 이용한 센싱 방법.
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