KR101703960B1 - 주파수 가변 기반 분포형 광섬유 센서 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 주파수 가변 기반 분포형 광섬유 센서 시스템에 관한 것으로서, 광대역 광을 출사하는 광원과, 광원에서 출사되는 광에 대해 제1주파수 대역의 제1광신호와 상기 제1주파수 대역을 벗어난 제2주파수 대역의 제2광신호를 출력하되 제어신호에 따라 제1광신호와 제2광신호의 주파수를 가변할 수 있도록 된 튜너블 필터와, 튜너블 필터에서 출력되는 신호를 제1분할신호와 제2분할신호로 분할하는 메인 광분할기와, 입력단을 통해 입력된 제1분할신호를 센싱 광섬유에 출력하고, 센싱 광섬유에서 반사된 광을 제1출력단을 통해 출력하는 광써큘레이터와, 메인 광분할기로부터 기준광섬유를 경유하여 전송된 제2분할신호와 제1출력단을 통해 출력되는 신호를 커플링하여 출력하는 광커플러와, 광커플러에서 출력되는 신호를 검출하는 광검출부와, 튜너블 필터에서 출력되는 제1광신호와 제2광신호의 파장이 가변되게 튜너블 필터를 제어하면서, 광검출부에서 출력되는 신호로부터 센싱광섬유에 대해 측정하고자 하는 물리량을 산출하는 측정처리부를 구비한다. 이러한 주파수 가변 기반 분포형 광섬유 센서 시스템에 의하면, 상호 다른 대역의 광신호를 동시에 이용함으로서 온도와 스트레인을 모두 정밀하게 측정할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

주파수 가변 기반 분포형 광섬유 센서 시스템{optical sensor system}
본 발명은 주파수 가변 기반 분포형 광섬유 센서 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 온도와 스트레인을 정밀하게 측정할 수 있는 주파수 가변 기반 분포형 광섬유 센서 시스템에 관한 것이다.
광주파수영역 반사측정(OFDR) 시스템은 빛의 반사광을 이용하여 광섬유의 길이, 절단위치(fault position), 색분산(chromatic dispersion), 편광모드분산(polarization mode dispersion), 손실(loss) 등을 측정하는 시스템이다.
OFDR시스템은 광시간영역반사측정(OTDR : optical time domain reflectometry) 시스템보다 분해능이 좋고 동적범위(dynamic range)가 넓어서 광통신과 광센서 분야에 응용되고 있다.
이러한 OFDR시스템은 국내 공개특허 제10-2006-0102801호 등 다양하게 게시되어 있다.
한편, 종래의 OFDR시스템과 같이 시간에 따라 하나의 파장을 가변하는 방식의 경우 온도와 스트레인 모두가 센싱 광섬유에서 가변되는 경우 어느 물리량의 변화에 의한 것인지를 측정하기 어려운 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 상호 다른 주파수 대역의 광을 동시에 적용하여 측정대상 물리량에 대한 측정 정밀도를 높일 수 있는 주파수 가변 기반 분포형 광섬유 센서 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 주파수 가변 기반 분포형 광섬유 센서 시스템은 광대역 광을 출사하는 광원과; 상기 광원에서 출사되는 광에 대해 제1주파수 대역의 제1광신호와 상기 제1주파수 대역을 벗어난 제2주파수 대역의 제2광신호를 출력하되 제어신호에 따라 상기 제1광신호와 상기 제2광신호의 주파수를 가변할 수 있도록 된 튜너블 필터와; 상기 튜너블 필터에서 출력되는 신호를 제1분할신호와 제2분할신호로 분할하는 메인 광분할기와; 입력단을 통해 입력된 상기 제1분할신호를 센싱 광섬유에 출력하고, 상기 센싱 광섬유에서 반사된 광을 제1출력단을 통해 출력하는 광써큘레이터와; 상기 메인 광분할기로부터 기준광섬유를 경유하여 전송된 상기 제2분할신호와 상기 제1출력단을 통해 출력되는 신호를 커플링하여 출력하는 광커플러와; 상기 광커플러에서 출력되는 신호를 검출하는 광검출부와; 상기 튜너블 필터에서 출력되는 상기 제1광신호와 상기 제2광신호의 파장이 가변되게 상기 튜너블 필터를 제어하면서, 상기 광검출부에서 출력되는 신호로부터 상기 센싱광섬유에 대해 측정하고자 하는 물리량을 산출하는 측정처리부;를 구비한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 광검출부는 상기 광커플러에서 출력되는 신호에 대해 제1주파수 대역신호와 상기 제2주파수 대역신호를 분리하여 출력하는 파장분할기와; 상기 파장분할기에 출력되는 상기 제1주파수 대역신호를 검출하는 제1광검출기와; 상기 파장분할기에 출력되는 상기 제2주파수 대역신호를 검출하는 제2광검출기;를 구비한다.
또한, 상기 측정처리부는 제1주파수 대역의 제1광신호와 상기 제2주파수 대역의 제2광신호 각각에 대응하여 상기 광검출부에서 출력되는 신호를 이용하여 상기 센싱광섬유에 대한 온도와 스트레인에 대한 검출정보를 산출하도록 구축될 수 있다.
본 발명에 따른 주파수 가변 기반 분포형 광섬유 센서 시스템에 의하면, 상호 다른 대역의 광신호를 동시에 이용함으로서 온도와 스트레인을 모두 정밀하게 측정할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 주파수 가변 기반 분포형 광섬유 센서 시스템을 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 튜너블 필터에서 출력되는 광신호를 나타내보인 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 주파수 가변 기반 분포형 광섬유 센서 시스템을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 주파수 가변 기반 분포형 광섬유 센서 시스템을 나타내 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 광섬유 센서 시스템(100)은 광원(110), 튜너블 필터(120), 서브광분할기(131), 메인 광분할기(133), 광써큘레이터(137), 센싱광섬유(FUT)(140), 광커플러(150), 파장분할기(160), 제1 내지 제3광검출기(171 내지 173), 주파수 모니터링부(180), 측정처리부(190)를 구비한다.
광원(110)은 광대역 광을 출사하는 광원이 적용된다.
튜너블 필터(120)는 광원(110)에서 출사되는 광대역 광에 대해 제1주파수 대역의 제1광신호와 제1주파수 대역을 벗어난 제2주파수 대역의 제2광신호를 동시에 출력한다.
또한 튜너블 필터(120)는 측정처리부(190)의 제어신호에 따라 제1광신호와 제2광신호의 주파수가 각각 가변되게 출력한다.
즉, 튜너블 필터(120)는 도 2에 도시된 바와 같이 측정처리부(190)의 제1제어신호에 의해 실선으로 표기된 제1광신호(a)와 제2광신호(b)를 출력한 이후, 측정처리부(190)의 제2제어신호에 의해 점선으로 표기된 제1광신호(a')와 제2광신호(b')를 출력할 수 있도록 되어 있다.
이러한 튜너블 필터(120)는 페브리-페로 가변필터가 적용될 수 있다.
페브리-페로 가변필터 방식의 튜너블 필터(120) 구조는 국내 등록특허 제10-0286426호 등 다양하게 알려져 있어 상세한 설명은 생략한다.
서브 광분할기(131)는 튜너블 필터(120)에서 출력되는 신호를 측정용과 모니터링용으로 분할하여 출력한다.
메인 광분할기(133)는 튜너블 필터(120)에서 서브 광분할기를 거쳐 측정용으로 출력되는 신호를 제1분할신호와 제2분할신호로 분할하여 출력한다.
광서큘레이터(137)는 메인 광분할기(133)로부터 분할된 후 중계광섬유를 거쳐 입력단(137a)을 통해 입력된 제1분할신호를 센싱단(137b)를 통해 센싱 광섬유(140)에 출력하고, 센싱 광섬유(140)에서 반사되어 역으로 센싱단(137b)을 통해 입사된 광을 제1출력단(137c)을 통해 출력한다.
편광제어기(PC)는 인지도(visibility) 향상을 위해 기준광섬유(135)와 센싱광섬유(140)에 적용되어 있다.
광커플러(150)는 메인 광분할기(133)로부터 기준광섬유(135)를 경유하여 전송된 제2분할신호와 광서큘레이터(137)의 제1출력단(137c)을 통해 출력되는 신호를 커플링하여 출력한다.
광검출부는 광커플러(150)에서 출력되는 신호를 검출하고, 검출된 광에 대응되는 전기적 신호를 출력한다.
광검출부는 파장분할기(WDM; wavelength division multiflex), 제1 및 제2광검출기(PD1)(PD2)(171)(172)를 구비한다.
파장분할기(160)는 광커플러(150)에서 출력되는 신호에 대해 제1주파수 대역신호와 제2주파수 대역신호를 분리하여 출력한다.
제1광검출기(171)는 파장분할기(160)에 출력되는 제1주파수 대역신호를 검출하고, 검출된 신호를 측정 처리부(190)에 출력한다.
제2광검출기(172)는 파장분할기(160)에 출력되는 제2주파수 대역신호를 검출하고, 검출된 신호를 측정 처리부(190)에 출력한다.
주파수 모니터링부(180)는 튜너블 필터(120)에서 출력되는 광의 주파수를 모티터링하기 위해 적용된 것으로 서브광분할기(131)에서 분기된 모니터링용 광을 제1광분할기(181)를 통해 분할하여 제1경로(182)와 제1경로보다 경로가 길게 형성된 제2경로(184)를 통해 진행된 광을 다시 서브 광커플러(185)를 통해 합파하여 제3광검출기(173)로 출력하도록 되어 있다.
제3광검출기(173)는 검출된 광에 대응되는 신호를 측정처리부(190)에 출력한다.
주파수 모니터링부(180)를 통해 제3광검출기(173)에서 출력되는 신호는 측정처리부(190)의 주파수 선형화 동기 신호로 이용된다.
측정처리부(190)는 튜너블 필터(120)에서 출력되는 제1광신호와 제2광신호의 파장이 가변되게 튜너블 필터(120)를 제어하면서, 광검출부에서 출력되는 신호로부터 센싱광섬유(140)에 대해 측정하고자 하는 물리량을 산출한다.
측정처리부(190)는 제1주파수 대역의 제1광신호와 제2주파수 대역의 제2광신호 각각에 대응하여 광검출부에서 출력되는 신호를 이용하여 센싱광섬유(140)에 대한 위치별 온도 또는 스트레인에 대한 검출정보를 산출한다.
먼저, 제1주파수 대역의 제1광신호와 제2주파수 대역의 제2광신호 각각에 대응하여 광검출부에서 출력되어 측정처리부(190)에 입력되는 신호(I(t))는 아래의 수학식 1로 표현할 수 있다.
Figure 112015060286912-pat00001
여기서, β는 아래의 수학식2로 표현되는 주파수 스윕율(frequency sweep rate)이고, 아래첨자1과 2는 제1주파수대역과 제2주파수대역 각각을 지칭한다. 또한, τ는 기준광섬유(135)와 센싱광섬유(140)의 반사위치 사이의 거리를 시간으로 환산한 것으로 아래의 수학식3으로 표현할 수 있다.
Figure 112015060286912-pat00002
Figure 112015060286912-pat00003
위 수학식 2에서 F는 제1광신호 또는 제2광신호의 주파수이고, 위 수학식 3에서 n은 광섬유의 굴절율이고, C는 빛의 속도이며, l은 기준광섬유(135)와 센싱광섬유(140)의 반사위치 사이의 거리이다.
한편, β1과 β2는 튜너블 필터(120)에서 서로 다른 값을 갖기 때문에 측정처리부(190)에서 광검출부에서 입력된 신호로부터 주파수 선형화와, 푸리에변환과정을 거쳐 획득된 정보로부터 센싱 광섬유(140)의 위치별 온도 또는 스트레인 변화값을 룩업테이블에 기록된 정보와 비교하여 산출한다.
여기서, 측정처리부(190)의 룩업테이블에는 제1광신호에 의한 온도 또는 스트레인에 대응되는 측정값과 제2광신호에 의한 온도 또는 스트레인에 대응되는 측정값이 기록되어 있다.
따라서, 측정처리부(190)는 센싱 광섬유(140)로부터 반사되어 검출된 신호에 대해 온도에 의한 변동신호인지 스트레인에 의한 변동신호인지를 판별할 수 있다.
이러한 주파수 가변 기반 분포형 광섬유 센서 시스템에 의하면, 상호 다른 대역의 광신호를 동시에 이용함으로서 온도 또는 스트레인을 모두 정밀하게 측정할 수 있는 장점을 제공한다.
110: 광원 120: 튜너블 필터
133: 메인 광분할기 137: 광써큘레이터
140: 센싱광섬유 150: 광커플러
160: 파장분할기 190: 측정처리부

Claims (4)

  1. 광대역 광을 출사하는 광원과;
    상기 광원에서 출사되는 광에 대해 제1주파수 대역의 제1광신호와 상기 제1주파수 대역을 벗어난 제2주파수 대역의 제2광신호를 출력하되 제어신호에 따라 상기 제1광신호와 상기 제2광신호의 주파수를 가변할 수 있도록 된 튜너블 필터와;
    상기 튜너블 필터에서 출력되는 신호를 제1분할신호와 제2분할신호로 분할하는 메인 광분할기와;
    입력단을 통해 입력된 상기 제1분할신호를 센싱 광섬유에 출력하고, 상기 센싱 광섬유에서 반사된 광을 제1출력단을 통해 출력하는 광써큘레이터와;
    상기 메인 광분할기로부터 기준광섬유를 경유하여 전송된 상기 제2분할신호와 상기 제1출력단을 통해 출력되는 신호를 커플링하여 출력하는 광커플러와;
    상기 광커플러에서 출력되는 신호를 검출하는 광검출부와;
    상기 튜너블 필터에서 출력되는 상기 제1광신호와 상기 제2광신호의 파장이 가변되게 상기 튜너블 필터를 제어하면서, 상기 광검출부에서 출력되는 신호로부터 상기 센싱광섬유에 대해 측정하고자 하는 물리량을 산출하는 측정처리부;를 구비하고,
    상기 광검출부는
    상기 광커플러에서 출력되는 신호에 대해 상기 제1주파수 대역의 신호와 상기 제2주파수 대역의 신호를 분리하여 출력하는 파장분할기와;
    상기 파장분할기에 출력되는 상기 제1주파수 대역의 신호를 검출하는 제1광검출기와;
    상기 파장분할기에 출력되는 상기 제2주파수 대역의 신호를 검출하는 제2광검출기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 주파수 가변 기반 분포형 광섬유 센서 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 측정처리부는 상기 제1주파수 대역의 제1광신호와 상기 제2주파수 대역의 제2광신호 각각에 대응하여 상기 광검출부에서 출력되는 신호를 이용하여 상기 센싱광섬유에 대한 온도와 스트레인에 대한 검출정보를 산출하도록 된 것을 특징으로 하는 주파수 가변 기반 분포형 광섬유 센서 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 튜너블 필터는 페브리-페로 가변필터가 적용된 것을 특징으로 하는 주파수 가변 기반 분포형 광섬유 센서 시스템.
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