KR101684784B1 - 전류 변조 기반의 브릴루앙 산란을 이용한 분포형 광섬유 센서 - Google Patents

전류 변조 기반의 브릴루앙 산란을 이용한 분포형 광섬유 센서 Download PDF

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Abstract

제작 단가의 절감 및 구성의 단순화가 가능한 브릴루앙 산란을 이용한 분포형 광섬유 센서를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 변조 기반의 브릴루앙 산란을 이용한 분포형 광섬유 센서는, 시간대에 따라서 제1 주파수 및 제2 주파수 중 어느 한 주파수를 갖는 광을 발생시키는 전류 변조 파형을 발생시키는 파형 발생기; 파형 발생기의 전류 변조 파형에 따라서 제1 주파수 및 제2 주파수 중 어느 한 주파수를 갖는 광을 발생하는 광원; 광원으로부터 입사된 광이 제1 주파수인 경우 펌프광 펄스를 발생하는 펌프광부; 광원으로부터 입사된 광의 경로를 지연하기 위한 시간 지연용 광섬유를 포함하여, 제2 주파수를 갖는 광이 프로브광으로서 기능하도록 구성되는 프로브광부; 및 프로브광부와 펌프광부가 연결되는 측정용 광섬유와 연결되어, 측정용 광섬유에서의 프로브광과 펌프광 펄스 사이의 브릴루앙 산란 신호를 검출하는 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전류 변조 기반의 브릴루앙 산란을 이용한 분포형 광섬유 센서{Optical fiber sensor using Brillouin scattering based on current modulation}
본 발명은 브릴루앙 산란현상을 기반으로 한 분포형 센서에 관한 것으로, 구체적으로는 광원에서의 직접 전류 변조를 기반으로 하여 구조가 단순하고 제작 단가가 저렴한 광섬유 센서에 관한 것이다.
분포형 광섬유 센서란, 교량, 가스관, 터널 등 대형 구조물에 광섬유를 부착하고, 구조물에서 나타나는 온도 및 변형률의 공간적인 분포를 실시간으로 측정하는 센서를 의미한다. 광섬유 센서는, 빛이 광섬유를 진행 시 광섬유에서 발생하는 다양한 산란 현상(레일리 산란, 브릴루앙 산란, 라만 산란 등)의 신호를 검출하여 측정을 수행하게 된다.
이 중 브릴루앙 산란이란 빛이 음파에 의해 반사되는 현상으로서 자발 브릴루앙 산란(Spontaneous Brillouin scattering)과 유도 브릴루앙 산란(stimulated Brillouin scattering, SBS)으로 구분된다. 이 중 신호 세기가 큰 SBS가 주로 사용되는데, SBS를 기반으로 수행되는 측정법을 '브릴루앙 분석법'이라 부른다.
SBS는 양 방향으로 진행하는 두 빛이 음파를 매개로 하여 에너지를 전달하는 현상으로서, 높은 광 주파수의 빛인 펌프광에서 낮은 광주파수의 빛인 프로브광으로 에너지가 전달되어 프로브광의 세기가 증폭되는 현상이다. SBS에 의해 프로브광이 증폭되는 정도는 펌프광과 프로브광의 주파수 차이의 함수이며, 특정한 주파수인 '브릴루앙 주파수'에서 최대가 된다. 일반 통신용 광섬유에서 통신용 파장인 1550nm를 사용할 때 브릴루앙 주파수는 약 10.8GHz 정도이다. 브릴루앙 주파수는 광섬유의 온도와 변형률에 따라 달라지기 때문에 브릴루앙 센서는 브릴루앙 주파수의 분포를 측정하여 이를 통해 온도와 변형률을 측정한다.
브릴루앙 분석법을 이용한 분포형 센서의 대표적인 형태로는 브릴루앙 시영역 분석법(Brillouin optical time-domain analysis, BOTDA)과 브릴루앙 상관영역 분석법(Brillouin optical correlation-domain analysis, BOCDA)이 있다. BOTDA는 펄스 형태의 펌프광을 사용하고 광 펄스의 시간에 따른 진행을 이용하여 위치 정보를 얻는다. BOCDA는 연속 발진파 형태의 펌프광을 사용하고 그 광 주파수를 시간에 따라 사인파 형태로 변화시켜 특정 위치에서만 브릴루앙 신호가 발생하도록 하는 방식으로 위치 정보를 얻는다. 이러한 브릴루앙 분석법에 공통적으로 필요한 기능은 펌프광과 프로브광의 광 주파수 차이를 일정 구간에서 스캔하는 기능이다. 특히 BOTDA에서는 광섬유의 브릴루앙 주파수 부근 200~300MHz 정도의 구간을 1~2MHz의 간격으로 스캔하며 측정한다.
종래의 BOTDA 시스템에서 펌프광과 프로브광의 주파수 차이를 제어하기 위해 사용하던 방식은 두 가지이다. 첫째는 하나의 광원을 사용하고 펌프광 또는 프로브광 발생을 위해 10~11GHz 대역에서 동작하는 마이크로파 발생기와 전기 광학 변조기(Electro-optic modulator, EOM)를 사용하여 측파(sideband)를 발생시키는 방법이다. 둘째는 두 개의 독립된 광원을 펌프광과 프로브광으로 사용하고 피드백 회로를 이용하여 그 광 주파수 차이를 제어하는 Optical Phase-Lock Loop(Optical PLL) 방법이다.
그러나 기존의 기술은 고가의 마이크로파 발생기와 전기 광학 변조기, 또는 주파수 측정 장치가 필요하며 이는 BOTDA 시스템 가격 상승의 주요 원인이 된다.
이에 본 발명은, 기존의 마이크로파 발생기, 전기 광학 변조기 또는 주파수 측정 장치를, 저가의 파형 발생기로 대체하여 BOTDA 시스템을 구성하도록 함으로써, 제작 단가의 절감 및 구성의 단순화가 가능한 브릴루앙 산란을 이용한 분포형 광섬유 센서를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 변조 기반의 브릴루앙 산란을 이용한 분포형 광섬유 센서는, 시간대에 따라서 제1 주파수 및 제2 주파수 중 어느 한 주파수를 갖는 광이 발생하도록 광원에 인가되는 전류 변조 파형을 발생시키는 파형 발생기; 상기 파형 발생기의 전류 변조 파형에 따라서 상기 제1 주파수 및 제2 주파수 중 어느 한 주파수를 갖는 광을 발생하는 광원; 상기 광원으로부터 입사된 광이 상기 제1 주파수인 경우 펌프광 펄스를 발생하는 펌프광부; 상기 광원으로부터 입사된 광의 경로를 지연하기 위한 시간 지연용 광섬유를 포함하여, 상기 제2 주파수를 갖는 광이 프로브광으로서 기능하도록 구성되는 프로브광부; 및 상기 프로브광부와 상기 펌프광부가 연결되는 측정용 광섬유와 연결되어, 상기 측정용 광섬유에서의 상기 프로브광과 상기 펌프광 펄스 사이의 브릴루앙 산란 신호를 검출하는 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 저가의 RF 파형 발생기를 이용하여, 광원에 인가되는 전류에 특정 저주파 변조를 가하게 되고, 시간에 따라서 제1 주파수(펌프광) 또는 제2 주파수(프로브광)를 갖는 광을 발생시키고, 해당 광에 시간 지연용 광섬유를 부가함으로써, 펌프광과 프로브광이 측정용 광섬유에서 만나도록 하여 펌프광과 프로브광 사이에서의 브릴루앙 산란을 측정하여 BOTDA 시스템을 구축하게 된다.
이를 통하여, 기존의 BOTDA 시스템의 가격 상승의 원인이 되는 마이크로파 장치 등의 기능을 저가의 파형 발생기로 대체할 수 있고, 매우 단순한 구성으로 BOTDA 시스템을 구축할 수 있어, 광섬유 센서 제작 단가를 최소화하는 한편 구성을 단순화 시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 변조 기반의 브릴루앙 산란을 이용한 분포형 광섬유 센서의 구성도.
도 2는 전류 변조를 기반으로 한 광파 발생 시스템의 구성도.
도 3은 전류 변조를 통해 발생되는 펌프 프로브 광파의 시간에 따른 주파수 변화를 나타내는 그래프.
도 4는 펌프 프로브 광파를 발생시키기 위하여 파형 발생부에서 발생되는 전류 변조 파형 및 이를 이용한 시간에 따른 광 주파수의 변화를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 구현에 따라서 브릴루앙 산란에 의하여 프로브광이 증폭되는 현상을 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예의 구현에 의하여 온도 제어 시 가간섭성 잡음이 감소하는 효과를 나타내는 그래프.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 변조 기반의 브릴루앙 산란을 이용한 분포형 광섬유 센서를 설명하기로 한다.
본 발명의 권리범위는 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
하나의 소자(elements)가 다른 소자와 "접속된(connected to)" 또는 "커플링된(coupled to)" 이라고 지칭되는 것은, 다른 소자와 직접 연결 또는 커플링된 경우 또는 중간에 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 하나의 소자가 다른 소자와 "직접 접속된(directly connected to)" 또는 "직접 커플링된(directly coupled to)"으로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자를 개재하지 않은 것을 나타낸다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 변조 기반의 브릴루앙 산란을 이용한 분포형 광섬유 센서의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 변조 기반의 브릴루앙 산란을 이용한 분포형 광섬유 센서는, 구체적으로 브릴루앙 시영역 분석법을 이용한 센서로서, 파형 발생기(10), 광원(20), 펌프광부(30), 프로브광부(40) 및 검출부(60)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 파형 발생기는, 시간대에 따라서 광원이 제1 주파수 및 제2 주파수 중 어느 한 주파수를 갖는 광파를 발생시키도록 하는 전류 변조 파형을 발생시키는 기능을 수행한다. 이에 관한 구체적인 파형의 예가 도 4에 도시되어 있다.
도 4는 구체적으로 펌프 프로브 광파를 발생시키기 위하여 파형 발생기에서 발생되는 전류 변조 파형 및 이를 이용한 시간에 따른 광 주파수의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4의 왼쪽 그래프와 같은 변조 파형을 갖는 시간대에 따른 전류를 파형 발생기(10)를 통해 발생시키게 되면, 이를 주파수 대역에서 보았을 때 시간에 따른 주파수가 약 11GHz의 차이를 갖는 펌프광(위쪽 주파수, 제1 주파수)과 프로브광(아래쪽 주파수, 제2 주파수)이 교차로 발생하는 것을 확인할 수 있다.
상기의 그래프에서 발생되는 파형에 의한 최대 측정 거리는 약 35Km로서, 이는
Figure 112015046409597-pat00001
의 식으로부터 도출되며, 이때
Figure 112015046409597-pat00002
: 광의 전체 주기,
Figure 112015046409597-pat00003
: 펌프광 부분의 길이,
Figure 112015046409597-pat00004
: 프로브광 부분의 길이로 도출되고,
Figure 112015046409597-pat00005
: 광섬유의 굴절률,
Figure 112015046409597-pat00006
: 측정용 광섬유의 길이,
Figure 112015046409597-pat00007
: 진공상태의 광속을 의미한다.
상기의 최대 측정 거리는 도 4의 그래프를 참조할 때,
Figure 112015046409597-pat00008
는 400us,
Figure 112015046409597-pat00009
는 60 us,
Figure 112015046409597-pat00010
는 340us로부터 도출된다.
광원(20)은 상기와 같은 주파수 대역의 파형을 발생시키는 RF 저주파 전류 변조 방식의 파형 발생기(10)로부터 발생된 전류 변조 파형에 따라서, 제1 주파수 및 제2 주파수 중 어느 한 주파수를 갖는 광을 발생시키는 기능을 수행한다. 구체적으로 도 3에 광원(20)으로부터 발생된 광의 주파수 특성이 자세하게 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 시간에 따른 광은, 상기 언급한 바와 같이 전류 변조에 의하여,
Figure 112015046409597-pat00011
의 시간을 갖는 펌프광 펄스와,
Figure 112015046409597-pat00012
의 시간을 갖는 프로브광으로 구성되어 발생된다.
펌프광부(30)는 광원(20)으로부터 광분배기(90)를 통해 분배되어 입사된 광이 제1 주파수를 가질 때 펌프광 펄스를 발생하는 기능을 수행하는 구성이다.
상기의 기능을 수행하기 위하여, 구체적으로 펌프광부(30)는 펄스 발생기(31), 광증폭기(32)를 포함하여 구성될 수 있다. 펄스 발생기(31)는 광원(20)으로부터 입사된 광을 통해, 파형 발생기(10)에 의한 전류 변조 파형과 같은 반복률로 펄스를 발생시키고, 파형 발생기(10)와 동기화하여 제1 주파수를 갖는 신호가 통과 시 펌프광 펄스를 발생시키는 기능을 수행한다. 즉, 제1 주파수가 통과될 때마다 펄스를 발생하는 기능을 수행하여, 펌프광을 발생시키게 된다.
광증폭기(32)는 펄스 발생기(31)로부터 발생된 펌프광 펄스를 증폭하여 광순환기(33)를 거쳐 후술할 측정용 광섬유(50)에 해당 펌프광 펄스를 입사시키는 기능을 수행한다.
펌프광부(30)는 결과적으로, 기존의 BOTDA 시스템에서 펌프광을 발생시키되, 별도의 변조기 없이 전류 변조 파형과 동기화하여 일정 주기 및 시간을 갖는 펌프광 펄스를 발생시키는 기능을 수행한다.
한편, 프로브광부(40)는 광원(20)에서 광분배기(90)를 통해 분배되어 입사된 광의 경로를 지연하기 위한 시간 지연용 광섬유(41)를 포함하여 구성되며, 제2 주파수를 갖는 광이 프로브광으로서 기능하도록 구성된다.
즉, 프로브광은 상기 언급한 바와 같이 낮은 주파수 대역의 신호를 의미하며, 이때 상기의 제1 주파수를 제외한 제2 주파수의 광이 프로브광으로서 기능을 수행하게 된다.
그러나, 광원(20)에서 발생되는 광의 특성 상, 제1 주파수와 제2 주파수가 중첩되지 않고 교차적으로 발생되기 때문에, 측정용 광섬유(50) 상에서 제1 주파수의 펌프광 펄스와 제2 주파수의 프로브광이 만나도록 하기 위하여 시간 지연용 광섬유(41)가 포함되는 것이다.
펌프광 펄스와 프로브광이 만나도록 하기 위하여 시간 지연용 광섬유(41)는 일정한 길이(LD)를 갖게 될 수 있는데, 이때 시간 지연용 광섬유(41)의 길이(LD)는
Figure 112015046409597-pat00013
과
Figure 112015046409597-pat00014
를 만족하는 길이로 도출되어, 펌프광 펄스와 제2 주파수를 갖는 광으로서의 프로브광이 후술할 측정용 광섬유(50)에서 만나도록 한다. 이때
Figure 112015046409597-pat00015
: 광의 전체 주기,
Figure 112015046409597-pat00016
: 펌프광 부분의 길이,
Figure 112015046409597-pat00017
: 프로브광 부분의 길이,
Figure 112015046409597-pat00018
: 광섬유의 굴절률,
Figure 112015046409597-pat00019
: 측정용 광섬유의 길이,
Figure 112015046409597-pat00020
: 진공상태의 광속,
Figure 112015046409597-pat00021
: 시간 지연용 광섬유를 제외하고 광 분배기로부터 측정용 광섬유에 진입하기까지 펌프광 경로와 프로브광의 경로의 길이 차이이다.
한편 시간 지연용 광섬유(41) 이외에, 프로브광부(40)에는 편광 혼합기(42)가 포함될 수 있다. 편광 혼합기(42)는 프로브광부(40)에 입사된 광의 편광에 의한 신호 소멸을 방지하기 위한 기능을 수행하게 된다. 한편, 펌프 펄스광과 프로브광의 주파수 차이는, 파형 발생기(10)에서의 전류 변조에 이용된 RF 전류의 진폭에 의하여 결정될 수 있다.
한편 상기 언급한 바와 같이 광분배기(90)는 광원(20)으로부터 발생된 광을 펌프광부(30) 및 프로브광부(40)에 분배하여 입사시키는 기능을 수행한다. 이에 관한 구체적인 예가 도 2에 도시되어 있다. 도 2는 전류 변조를 기반으로 한 광파 발생 시스템의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 상기 언급한 파형 발생기(10)에 의하여 발생된 전류 변조 파형을 수신한 광원(20)은 도 3에 도시된 바와 같은 주파수 특성을 같은 광파로서, 펌프광과 프로브광이 교차로 생성되는 광파를 발생하여 광분배기(90)에 입사시킨다. 광분배기(90)에서는 상기의 펌프광 프로브광 혼합 광파를 각각 펌프광부(30) 및 프로브광부(40)에 입사시키게 된다.
이와 같이 광파가 분배되면, 상기의 기능 수행에 의하여 펌프광부(30)에서는 제1 주파수 시간대마다 펄스를 발생시키게 되며, 프로브광부(40)에서는 광파를 지연시켜 측정용 광섬유(50)에 입사시키게 된다.
이러한 기능 수행에 따라 각 광파가 측정용 광섬유(50)에 입사되면, 프로브광, 즉 제2 주파수 대역의 광파가 지나가는 시간 동안 펌프 펄스광, 즉 제1 주파수 대역의 광파가 지나가게 된다. 이때 프로브광은 펌프광 펄스와의 브릴루앙 산란에 의하여 증폭된 후 최종적으로 해당 프로브광의 시간에 따른 광 세기 변화 자취(trace) 데이터가 검출부(60)를 통해 측정되어, 시영역 분석법에 의하여 BOTDA 시스템으로서 기능할 수 있게 된다. 즉 검출부(60)는 프로브광부(40)와 펌프광부(30)가 연결되는 측정용 광섬유(50)에 연결되어, 측정용 광섬유(50)에서의 프로브광과 펌프광 펄스 사이의 브릴루앙 산란 신호를 검출하여 분포형 광섬유 센서의 기능을 수행하도록 하는 기능을 수행한다.
이러한 기능 수행에 대한 실험 예가 도 5에 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라서 검출부(60)에서 펌프광 펄스가 온오프 될 때의 신호의 차이가 도 5의 왼쪽 그래프에 도시되어 있다. 이때 왼쪽 그래프의 A 영역을 확대한 오른쪽 그래프를 참조하면, 펌프광 펄스가 온 상태가 되면, 프로브광의 신호가 브릴루앙 산란에 의하여 광증폭이 발생한 것을 확인할 수 있다.
도 5와 같은 광증폭을 검출부(60)에서 검출하게 되며, 펌프광과 프로브광의 주파수 차이를 광섬유의 브릴루앙 주파수 부근에서 스캔하면서 이러한 프로브광의 세기 변화 자취 데이터를 측정하여 주위의 온도 및 변형률의 공간적인 분포를 실시간으로 측정할 수 있게 된다.
상기와 같은 구성에 의하면, 간단한 RF 전류 변조 방식만으로, 기존의 BOTDA 방식을 그대로 구현할 수 있어, 기존의 BOTDA 방식의 광섬유 센서의 구축 시 필요시 되는 마이크로파 장치 등의 고가의 구성을 생략할 수 있고, 단순한 구성으로 BOTDA 시스템을 구축할 수 있는 효과가 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이 광원(20)에는 온도 제어부(70) 및 노이즈 제어부(80)가 추가적으로 연결될 수 있다.
온도 제어부(70)는 광원의 온도를 제어하는 기능을 하며, 온도를 통해 광원의 주파수를 제어하는 기능을 수행한다. 온도 제어부(70)에 연결된 노이즈 제어부(80)는, 온도 제어부(70)에 사인(sin)파 형태의 섭동(Dithering)을 가하여 광주파수의 평균화를 수행하는 기능을 수행한다.
펌프광부(30)에는 광분배기(90)로부터 분배된 광파, 즉 펌프광과 프로브광이 혼합된 광파가 통과된다. 펄스 발생기(31)에서 완벽하게 억제되지 않은 프로브광 부분이 광증폭기(32)를 통해 증폭된 후 측정용 광섬유(50)에 입사되면, 그 중 일부가 레일리 산란에 의해 후방으로 반사된다. 이와 같이 후방으로 반사된 프로브광 부분과 프로브광부(40)를 통과하는 프로브광은 주파수가 동일하여 간섭을 일으킬 수 있는데, 이를 가간섭성 잡음이라고 한다. 이러한 경우, 프로브광에 영향을 끼치게 되어 정확한 측정이 어려워지게 되는 문제를 발생시킨다.
이러한 가간섭성 잡음을 제거하기 위해서는 광의 주파수를 조절해야 하는데, 본 발명에서 광의 주파수를 조절하는 방식에는 파형 발생기(10)에서 발생되는 전류를 조절함으로써 주파수 대역에서의 주파수를 조절하는 방식이 있다.
그러나 이러한 방식은 전류를 제어 시 파워 자체가 변동되어 측정에 문제를 일으킬 수 있다. 이에 따라서, 본 발명에서는 광섬유의 온도에 따라서 광원의 주파수를 제어하는 온도 제어부(70)에 연결된 노이즈 제어부(80)에서, 온도 제어부(70)에 사인(sin)파 형태의 섭동(Dithering)을 가하여 광파의 주파수만을 제어하여, 파워에 영향을 끼치지 않도록 한다.
노이즈 제어부(80)에서는 온도 제어부(70)에 사인파 형태의 섭동을 가함으로써 온도 제어부(70)를 통하여 광파의 주파수만을 평균화하여, 상기 언급한 가간섭성 잡음을 억제하도록 하는 기능을 수행한다. 이러한 기능 수행의 결과에 대한 예가 도 6에 도시되어 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예의 구현에 의하여 온도 제어 시 가간섭성 잡음이 감소하는 효과를 나타내는 그래프이다.
도 6의 그래프를 참조하면, 섭동에 의한 광파의 주파수 변화의 진폭은 약 2GHz로서, 섭동의 주기는 하나의 프로브광 세기 변화 자취를 평균화하여 측정하는데 소요되는 시간과 일치시킨다.
이를 바탕으로 도 6을 참조하면, 섭동이 없을 때 브릴루앙 주파수의 변화량의 측정 결과에서 최대 20(+10 내지 -10)MHz 폭 수준의 큰 잡음이 형성되고 위치에 따라서 서서히 감소하는 것을 확인할 수 있다.
한편, 섭동을 가하였을 때에는, 상기의 잡음이 약 4MHz(+2 내지 -2) 폭 수준으로 일정하게 억제되는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 상기의 그래프를 통하여, 노이즈 제어부(80)를 통해 사인파 형태의 섭동을 가할 시 측정 결과로서의 가간섭성 잡음이 크게 억제되는 것을 확인할 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 적어도 하나로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 시간대에 따라서 제1 주파수 및 제2 주파수 중 어느 한 주파수를 갖는 광을 발생시키는 전류 변조 파형을 발생시키는 파형 발생기;
    상기 파형 발생기의 전류 변조 파형에 따라서 상기 제1 주파수 및 제2 주파수 중 어느 한 주파수를 갖는 광을 발생하는 광원;
    상기 광원으로부터 입사된 광이 상기 제1 주파수인 경우 펌프광 펄스를 발생하는 펌프광부;
    상기 광원으로부터 입사된 광의 경로를 지연하기 위한 시간 지연용 광섬유를 포함하여, 상기 제2 주파수를 갖는 광이 프로브광으로서 기능하도록 구성되는 프로브광부; 및
    상기 프로브광부와 상기 펌프광부가 연결되는 측정용 광섬유와 연결되어, 상기 측정용 광섬유에서의 상기 프로브광과 상기 펌프광 펄스 사이의 브릴루앙 산란 신호를 검출하는 검출부;를 포함하되,
    온도에 따라서 상기 광원의 주파수를 제어하는 온도제어부; 및
    상기 온도 제어부에 사인(sin)파 형태의 섭동을 가하여 상기 온도제어부를 통해 상기 광원의 광 주파수를 평균화함으로써, 상기 펌프광부를 통과하는 상기 제2 주파수를 갖는 광의 후방 산란 파와 상기 프로브광 사이의 가간섭성 잡음을 억제하도록 하는 노이즈 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 변조 기반의 브릴루앙 산란을 이용한 분포형 광섬유 센서.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 노이즈 제어부는,
    상기 프로브광의 각 세기 변화 자취(Trace)를 평균화하는 데 소요되는 시간과 일치하는 주기의 사인파 형태의 섭동을 가하는 것을 특징으로 하는 전류 변조 기반의 브릴루앙 산란을 이용한 분포형 광섬유 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광원으로부터 상기 펌프광부 및 상기 프로브광부에 광을 분배하여 입사시키는 광분배기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 변조 기반의 브릴루앙 산란을 이용한 분포형 광섬유 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 시간 지연용 광섬유의 길이(LD)는,
    Figure 112015046409597-pat00022
    과
    Figure 112015046409597-pat00023
    를 만족하는 길이로 도출되어, 상기 펌프광 펄스와 상기 제2 주파수를 갖는 광으로서의 프로브광이 상기 측정용 광섬유에서 만나도록 하는 것을 특징으로 하는 전류 변조 기반의 브릴루앙 산란을 이용한 분포형 광섬유 센서.
    (
    Figure 112015046409597-pat00024
    : 광의 전체 주기,
    Figure 112015046409597-pat00025
    : 펌프광 펄스의 길이,
    Figure 112015046409597-pat00026
    : 프로브광의 길이,
    Figure 112015046409597-pat00027
    : 광섬유의 굴절률,
    Figure 112015046409597-pat00028
    : 측정용 광섬유의 길이,
    Figure 112015046409597-pat00029
    : 진공상태의 광속,
    Figure 112015046409597-pat00030
    : 시간 지연용 광섬유를 제외하고 광 분배기로부터 측정용 광섬유에 진입하기까지 펌프광 경로와 프로브광 경로의 길이 차이)
  6. 제1항에 있어서,
    상기 펌프광부는,
    상기 파형 발생기에 의한 전류 변조 파형과 같은 반복률로 펄스를 발생시키고, 상기 파형 발생기와 동기화하여 상기 제1 주파수를 갖는 신호가 통과 시 상기 펌프광 펄스를 발생시키는 펄스 발생기; 및
    상기 펄스 발생기로부터 발생된 펌프광 펄스를 증폭하여 광 순환기를 거쳐 상기 측정용 광섬유에 입사시키는 광증폭기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 변조 기반의 브릴루앙 산란을 이용한 분포형 광섬유 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 프로브광부는,
    상기 프로브광부에 입사된 광의 편광에 의한 신호 소멸을 방지하기 위한 편광 혼합기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 변조 기반의 브릴루앙 산란을 이용한 분포형 광섬유 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 주파수 및 제2 주파수의 주파수 차이는, 상기 전류 변조에 이용된 RF 전류의 진폭에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 전류 변조 기반의 브릴루앙 산란을 이용한 분포형 광섬유 센서.
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