KR101727091B1 - Apparatus and method of distributed fiber sensor using optical frequency domain reflectometry based on Brillouin dynamic grating - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 브릴루앙 동적 격자의 주파수 영역 반사 측정을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 센싱방법에 관한 것으로서, 상세하게는 공간 분해능을 높일 수 있도록 된 브릴루앙 동적 격자의 주파수 영역 반사 측정을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 센싱방법에 관한 것이다.The present invention relates to a distributed optical fiber sensor device using a frequency domain reflection measurement of a Brillouin dynamic grating and a sensing method thereof, and more particularly, to a distributed optical fiber sensor device using a frequency domain reflection measurement of a Brillouin dynamic grating An optical fiber sensor device and a sensing method thereof.
브릴루앙 동적 격자(Brillouin dynamic grating; BDG)란 편광 유지 광섬유(polarization maintaining fiber; PMF) 혹은 기타 복굴절이 존재하는 매질에서 한 방향으로 편광된 광파의 유도 브릴루앙 산란(stimulated Brillouin scattering; SBS)을 통해 발생시킨 음파를 가리킨다. 이 음파는 적절한 위상 정합 조건을 만족할 경우, 음파를 발생시킨 광파와 편광이 수직하고 광 주파수가 다른 광파에 격자로 작용하여 그 광파를 반사시킨다.Brillouin dynamic grating (BDG) is a method of stimulating Brillouin scattering (SBS) in a directionally polarized light wave in a polarization maintaining fiber (PMF) or other medium with birefringence It refers to the generated sound wave. When the sound wave satisfies an appropriate phase matching condition, the light wave generating the sound wave and the polarized light are perpendicular to each other, and the light wave acts as a grating to the light wave having a different optical frequency to reflect the light wave.
BDG의 세기는 이 격자를 발생시키기 위해 사용된 광파의 브릴루앙 이득의 크기에 비례하기 때문에 BDG 반사광의 세기를 측정하면 브릴루앙 이득 곡선을 취득하고 그 중심 주파수인 브릴루앙 주파수를 검출할 수 있다.Since the intensity of the BDG is proportional to the magnitude of the Brillouin gain of the light wave used to generate this grating, the Brillouin gain curve can be obtained by measuring the intensity of the BDG reflected light and the Brillouin frequency, which is the center frequency thereof, can be detected.
브릴루앙 이득 곡선을 분포형으로 측정하는 종래 기술로는 브릴루앙 주파수의 시간영역 분석 기술이 있다.The prior art for measuring the Brillouin gain curves in a distributed fashion is the time domain analysis technique of Brillouin frequency.
이 기술은 BOTDA로 불리며, 광섬유 내에 펄스인 펌프광과 연속 발진 광파인 프로브광을 서로 반대방향으로 입사시켜 진행하게 한다. 광섬유 내에서 펌프광과 프로브광 사이의 간섭은 음파를 발생시키고 브릴루앙 이득 신호를 발생시킨다. 펌프광과 프로브광 사이의 주파수 차이를 변화시켜가면서, 프로브광의 세기 변화로부터 브릴루앙 이득 신호를 취득하여 브릴루앙 주파수를 검출한다. This technique, called BOTDA, allows the pump light, which is a pulse in the optical fiber, and the probe light, which is a continuous oscillation light, to be incident in opposite directions. The interference between the pump light and the probe light in the optical fiber generates a sound wave and generates a Brillouin gain signal. The Brillouin gain signal is acquired from the intensity change of the probe light while the frequency difference between the pump light and the probe light is changed to detect the Brillouin frequency.
이 방식에서 높은 공간해상도를 얻기 위하여 짧은 펄스광을 펌프광으로 사용해야 하는데, 짧은 펄스광은 주파수 성분상 광대역에 해당하므로 광대역의 브릴루앙 이득 곡선을 취득하게 된다. In this method, a short pulse light is used as the pump light in order to obtain a high spatial resolution. Since the short pulse light corresponds to a wide band on the frequency component, a broadband Brillouin gain curve is obtained.
브릴루앙 이득 곡선이 넓어질수록 그 중심 주파수인 브릴루앙 주파수를 정확히 취득할 수 없으므로, 공간 해상도를 향상시키는데 한계가 있다.As the Brillouin gain curve becomes wider, the Brillouin frequency, which is the center frequency thereof, can not be accurately obtained, so there is a limit to improve the spatial resolution.
또 다른 종래 기술로는 국내 등록특허 제10-1130344호에 게시된 브릴루앙 동적 격자(BDG)의 시간 영역 분석법이 있다. 이 방식은 짧은 펌프광을 사용하는 대신 긴 펌프광을 사용하여 편광유지광섬유(PMF)에 BDG를 생성한 후 짧은 프로브광을 펌프광과 수직한 편광으로 입사시켜 BDG로부터 프로브광의 반사를 위치에 따라 측정하는 방식이다. Another conventional technique is the time domain analysis of Brillouin dynamic grating (BDG), which is disclosed in Korean Patent No. 10-1130344. In this method, BDG is generated in a polarization maintaining optical fiber (PMF) by using a long pump beam instead of using a short pump beam, and a short probe light is incident on a polarization perpendicular to the pump light to measure the reflection of the probe light from the BDG to be.
이 방식에서는 펌프 펄스광이 BDG의 발생에만 관여할 뿐 공간해상도를 결정하지 않기 때문에 긴 펌프광을 사용할 수 있으며, 이에 따라 협대역의 브릴루앙 이득 곡선을 얻을 수 있고, 동시에 짧은 프로브광을 사용하여 높은 공간해상도를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 또한, 펄스광과 연속 발진 광의 형태로 양방향으로 진행하는 두 펌프광 간 주파수 차이를 변화시키면, 브릴루앙 이득이 위치에 따라 각각 나타나고 이는 BDG의 반사율로 나타난다. 이 반사율 변화를 짧은 프로브광을 이용하여 측정하면, 두 펌프광의 주파수 차이를 변화시키면서 브릴루앙 이득 곡선을 얻을 수 있다. In this method, since the pump pulse light is only involved in the generation of the BDG but does not determine the spatial resolution, a long pump can be used. Thus, a narrow Brillouin gain curve can be obtained, The spatial resolution can be obtained. In addition, when the frequency difference between the two pump lights traveling in both directions in the form of pulse light and continuous oscillation light is changed, the Brillouin gain appears depending on the position, which is represented by the reflectance of the BDG. When this reflectance change is measured using a short probe light, the Brillouin gain curve can be obtained while changing the frequency difference between the two pump lights.
그러나 이 기술을 사용하여 높은 공간해상도를 얻기 위해서는 프로브광에 짧은 펄스광이 사용되므로 높은 대역폭의 펄스 발생기가 필요하며, 신호 처리에 고속 디지타이저를 사용하는 단점이 있다. However, in order to obtain a high spatial resolution using this technique, short pulse light is used for the probe light, so a pulse generator of a high bandwidth is required and a high-speed digitizer is used for signal processing.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 구조를 단순화 할 수 있으면서도 높은 공간해상도를 제공할 수 있는 브릴루앙 동적 격자의 주파수 영역 반사 측정을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 센싱방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a distributed optical fiber sensor device using a Brillouin dynamic grating, which can simplify the structure and provide a high spatial resolution, The purpose is to provide.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 브릴루앙 동적 격자의 주파수 영역 반사 측정을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치는 펌프광을 발생시키는 펌프광원과; 상기 펌프광을 제1펌프광과 제2펌프광으로 분배하는 제1광분배기와; 상기 제1펌프광의 주파수를 이동시켜 출력하는 제1단일측파변조기와; 상기 제1단일측파 변조기를 거쳐 진행하는 제1펌프광과 상기 제2펌프광이 동일한 제1광축에 서로 반대 방향으로 입사되게 접속된 편광유지광섬유와; 프로브광을 생성하는 프로브 광원과; 상기 프로브광을 제1프로브광과 제2프로브광으로 분배하는 제2광분배기와; 상기 제1프로브광을 상기 편광유지광섬유의 다른 제2광축에 상기 제1펌프광과 동일 방향으로 입사시시키는 광서큘레이터와; 상기 제2프로브광의 주파수를 이동시켜 출력하는 제2단일측파변조기와; 상기 제1프로브광에 대해 상기 편광유지광섬유에 형성되는 브릴루앙 동적격자로부터 반사되어 상기 제1광서큘레이터로 출력되는 제1프로브 반사광과 상기 제2프로브광을 상호 합파하는 광합파기와; 상기 광합파기에서 출력되는 광을 검출하는 광검출기;를 포함한다.In order to achieve the above object, a distributed optical fiber sensor device using frequency domain reflection measurement of a Brillouin dynamic grating according to the present invention comprises a pump light source for generating a pump light; A first optical splitter for distributing the pump light to the first pump light and the second pump light; A first single-sided wave modulator for shifting and outputting the frequency of the first pump light; A polarization maintaining optical fiber in which a first pump light traveling through the first single side wave modulator and the second pump light are connected to the same first optical axis so as to be mutually incident in opposite directions; A probe light source for generating probe light; A second optical splitter for distributing the probe light to the first probe light and the second probe light; An optical circulator for causing the first probe light to enter the other second optical axis of the polarization maintaining optical fiber in the same direction as the first pump light; A second single side wave modulator for shifting and outputting the frequency of the second probe light; A combiner for multiplexing the first probe light and the second probe light reflected from the Brillouin diffractive element formed on the polarization maintaining optical fiber with respect to the first probe light and outputted to the first optical circulator; And a photodetector for detecting light output from the optical multiplexer.
바람직하게는 상기 광검출기에서 출력되는 신호를 처리하는 신호처리부;를 더 구비하고, 상기 신호처리부는 상기 제1펌프광과 상기 제2펌프광 사이의 주파수 차이 및 상기 제1프로브광과 상기 제2프로브광의 주파수 차이를 변화시키면서 상기 광검출기로부터 취득된 브릴루앙 천이 주파수를 검출하도록 되어 있다.And a signal processing unit for processing the signal output from the photodetector, wherein the signal processing unit is configured to detect a frequency difference between the first pump light and the second pump light and a frequency difference between the first probe light and the second probe light And detects the Brillouin transition frequency acquired from the photodetector while changing the frequency difference.
또한, 상기 프로브 광원은 파장을 가변시킬 수 있는 파장가변레이저가 적용된다.The probe light source is a wavelength tunable laser capable of varying the wavelength.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 브릴루앙 동적 격자의 주파수 영역 반사 측정을 이용한 분포형 광섬유 센싱 방법은 펌프광을 발생시키는 펌프광 발생 단계와; 상기 펌프광을 제1펌프광과 제2펌프광으로 분배하는 펌프광 분배 단계와; 상기 제1펌프광을 제1단일측파변조기에 의해 주파수를 이동시켜 출력하는 단계와; 상기 주파수가 이동된 제1펌프광과 상기 제2펌프광을 편광유지광섬유의 동일한 제1광축에 서로 반대 방향으로 입사시키는 펌프광 입사 단계와; 프로브광을 발생시키는 프로브광 발생 단계와; 상기 프로브광을 제1프로브광과 제2프로브광으로 분배하는 프로브광 분배 단계와; 상기 제2프로브광의 주파수를 제2단일측파변조기에 의해 이동시켜 출력하는 단계와; 상기 편광유지광섬유의 다른 제2광축에 상기 제1펌프광과 동일 방향으로 제1프로브광을 입사시키는 프로브광 입사 단계와; 상기 편광유지광섬유로부터 상기 제1프로브광으로부터 발생한 제1프로브 반사광과 상기 제2단일측파변조기를 거쳐 주파수가 이동된 제2프로브광을 합파하여 간섭광을 생성하는 간섭광 생성단계와; 상기 간섭광을 검출하는 광검출 단계;를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a distributed optical fiber sensing method using frequency domain reflection measurement of a Brillouin dynamic grating, comprising: generating a pump light; A pump light distribution step of distributing the pump light to the first pump light and the second pump light; Outputting the first pump light by shifting the frequency by a first single side wave modulator; A pump light incident step of causing the first pump light and the second pump light to move in the opposite directions to the same first optical axis of the polarization maintaining optical fiber; A probe light generating step of generating probe light; A probe light distribution step of distributing the probe light to the first probe light and the second probe light; Moving the frequency of the second probe light by a second single side wave modulator and outputting the same; A probe light incidence step of causing a first probe light to enter the other second optical axis of the polarization maintaining optical fiber in the same direction as the first pump light; Generating interference light by multiplexing first reflected light from the first probe light from the polarization maintaining optical fiber and second probe light whose frequency has been shifted through the second single side wave modulator to generate interference light; And a light detecting step of detecting the interference light.
본 발명에 따른 브릴루앙 동적 격자의 주파수 영역 반사 측정을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 센싱방법에 의하면, 높은 공간해상도와 협대혁의 브릴루앙 이득 곡선을 동시에 취득할 수 있다. 또한, 높은 공간해상도를 얻기 위해 짧은 펄스 발생기와 고속 디지타이저가 요구되지 않아 구조가 단순화되는 장점이 있다.According to the distributed optical fiber sensor device and the sensing method using the frequency domain reflection measurement of the Brillouin dynamic grating according to the present invention, a high spatial resolution and a Brillouin gain curve of a narrow margin can be simultaneously obtained. In addition, short pulse generators and high-speed digitizers are not required to obtain a high spatial resolution, which simplifies the structure.
도 1은 본 발명에 따른 브릴루앙 동적 격자의 주파수 영역 반사 측정을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치를 나타내 보인 도면이다.1 is a view showing a distributed optical fiber sensor device using frequency domain reflection measurement of a Brillouin dynamic grating according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 브릴루앙 동적 격자의 주파수 영역 반사 측정을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 센싱방법을 더욱 상세하게 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A distributed optical fiber sensor device and a sensing method thereof using frequency domain reflection measurement of a Brillouin dynamic grating according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 브릴루앙 동적 격자의 주파수 영역 반사 측정을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치를 나타내 보인 도면이다.1 is a view showing a distributed optical fiber sensor device using frequency domain reflection measurement of a Brillouin dynamic grating according to the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 브릴루앙 동적 격자의 주파수 영역 반사 측정을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치(100)는 브릴루앙 동적 격자 발생부(BDG 발생부)(110)와 광주파수영역반사측정부(OFDR:Optical Frequency Domain Reflectometry 측정부)(160)를 구비한다.Referring to FIG. 1, a distributed optical
BDG 발생부(110)는 편광유지광섬유(PMF)에 브릴루앙 동적 격자를 발생할 수 있도록 되어 있다.The
BDG 발생부(110)는 펌프광원(Pump LD)(111), 제1광분배기(113), 제1단일측파변조기(SSBM)(115), 광증폭기(117), 제1편광기(121), 제1편광분할기(125), 제2편광분할기(126) 및 편광유지광섬유(130)를 구비한다.The
펌프광원(Pump LD)(111)은 연속적으로 발진하여 펌프광을 출사하는 연속발진 레이저 광원이 적용된다.The pump light source (Pump LD) 111 is a continuously oscillating laser light source that continuously oscillates and emits a pump light.
제1광분배기(113)는 펌프광원(111)에서 출사되는 펌프광을 제1펌프광과 제2펌프광으로 50 대 50 퍼센트의 비율로 분배하여 출력한다.The first
제1단일측파변조기(115)는 마이크로파 발생기(141)의 출력신호에 따라 제1펌프광의 주파수를 상향 또는 하향으로 이동시켜 출력한다.The first single-
제1단일 측파 변조기(115)는 마이크로파 발생기(141)에서 설정한 편광 유지 광섬유(130)의 브릴루앙 주파수에 따라 제1펌프광의 주파수를 일정 주파수만큼 상향 이동시키도록 구축될 수 있다.The first single
광증폭기(117)는 EDFA가 적용된다.The
제1편광기(121)는 제1광축의 편광성분을 투과시키고, 제1편광분할기(125)는 제1편광분할기(121)에서 진행되는 광은 편광유지광섬유(130)로 진행시키고, 역으로 편광유지광섬유(130)에서 반사되는 광은 제1광서큘레이터(171)를 향하는 방향으로 진행시킨다.The
제2펌프광은 광아이솔레이터(127) 및 제1편광분할기(126)를 거쳐 편광유지광섬유(130)로 입사된다.The second pump light is incident on the polarization maintaining
파워미터(Power meter)는 편광유지광섬유(130)로부터 아이솔레이터(127) 방향으로 진행하는 광을 모니터링하기 위해 적용되었고, 광증폭기(117)와 제1편광기(121) 사이에 접속된 제2광서큘레이터(121) 및 광검출기(PD)는 제1편광기(121)에서 반사된 광을 모니터링하기 위해 적용되었으며 생략될 수 있음은 물론이다.A power meter was applied to monitor light traveling in the direction of the
제2편광기(122)는 광주파수영역반사측정부(160)의 제1광서큘레이터(171)와 제1편광분할기(125) 사이에 접속되어 제2광축의 편광을 통과시킨다.The
편광유지광섬유(130)는 제1단일측파 변조기(115)를 거쳐 진행하는 제1펌프광(Pump1)과 제2펌프광(Pump2)이 동일한 제1광축에 서로 반대 방향으로 입사되게 제1편광분할기(126)와 제2편광분할기(126) 사이에 접속되어 있고, 분포형 센서로서의 기능을 한다.The polarization maintaining
광주파수영역반사측정부(OFDR:Optical Frequency Domain Reflectometry 측정부)(160)는 프로브광의 주파수를 가변시키면서 BDG 발생부(110)로부터 반사된 광과 참조광을 합파하여 원하는 물리량 예를 들면 온도 또는 스트레인을 측정할 수 있도록 되어 있다. The optical frequency domain reflectometry (OFDR) 160 modulates the frequency of the probe light and combines the light reflected from the
광주파수영역반사측정부(OFDR:Optical Frequency Domain Reflectometry 측정부)(160)는 프로브 광원(Tunnable Laser)(161), 제2광분배기(163), 제2단일측파변조기(165), 제3편광기(167), 광써큘레이터(171), 광합파기(173), 광검출기(180) 및 신호처리부(DAQ & Signal Processing)(185)를 구비한다.The optical frequency domain reflectometry (OFDR) measuring
프로브 광원(161)은 프로브광을 생성하여 출력한다. 프로브 광원(161)은 연속 발진 광원인 적용된다.The
또한, 프로브 광원(161)는 신호처리부(185)에 의해 파장이 가변되는 파장가변레이저가 적용된다.Further, the
제2광분배기(163)는 프로브 광원(161)에서 생성된 프로브광을 제1프로브광(Probe1)과 제2프로브광(Probe 2)으로 50 대 50 퍼센트로 분배한다.The second
제1광서큘레이터(171)는 제1프로브광을 편광유지광섬유(130)의 다른 제2광축에 제1펌프광과 동일 방향으로 입사시시키고, 편광유지광섬유(130)로부터 반사된 제1프로브 반사광을 합파기(173)로 출력한다.The first
제2단일측파변조기(SSBM)(165)는 제2프로브광의 주파수를 상향 또는 하향 이동시켜 출력한다.A second single-sided wave modulator (SSBM) 165 shifts the frequency of the second probe light upward or downward to output.
바람직하게는 제2단일측파변조기(SSBM)(165)도 마이크로파 발생기(141)에서 출력되는 신호에 따라 제2프로브광의 주파수를 제1펌프광과 동일하게 주파수를 이동시켜 출력하도록 구축된다.Preferably, the second single-sided wave modulator (SSBM) 165 is also configured to shift the frequency of the second probe light to the same frequency as that of the first pump light in accordance with a signal output from the
제3편광기(167)는 제2프로브광에 대해 제1광축의 편광성분을 출력한다.The
광합파기(173)는 제1프로브광에 대해 편광유지광섬유(130)에 형성되는 브릴루앙 동적격자로부터 반사되어 제1광서큘레이터(171)로 출력되는 제1프로브 반사광과 제2프로브광을 상호 합파하여 광검출기(180)로 출력한다.The
광검출기(180)는 광합파기(173)에서 출력되는 광을 검출하고, 검출된 광에 대응되는 전기적 신호를 신호처리부(185)에 출력한다.The
신호처리부(185)는 광검출기(180)에서 출력되는 신호를 처리한다.The
신호처리부(185)는 제1펌프광과 제2펌프광 사이의 주파수 차이 및 제1프로브광과 제2프로브광의 주파수 차이를 변화시키면서 광검출기(180)로부터 취득된 브릴루앙 천이 주파수를 검출한다.The
여기서, 제1프로브 반사광의 크기는 제1펌프광과 제2펌프광 사이의 브릴루앙 이득에 의한 브릴루앙 동적 격자의 반사율에 비례한다. Here, the magnitude of the first probe reflected light is proportional to the reflectance of the Brillouin dynamic grating due to the Brillouin gain between the first pump and the second pump.
따라서, 신호처리부(185)는 제1펌프광과 제2펌프광 사이의 주파수 차이를 일정한 간격으로 변화시켜가면서, OFDR 측정법으로 제1프로브 반사광의 세기를 측정하면, 위치에 따른 브릴루앙 이득 곡선을 얻을 수 있으며 이를 통해 브릴루앙 주파수를 검출할 수 있다. Therefore, when the intensity of the first probe reflected light is measured by the OFDR measurement method while changing the frequency difference between the first pump light and the second pump light at a constant interval, the
이러한 신호처리부(185)는 프로브광의 파장을 일정한 대역에서 변화시키면서 신호의 변화를 검출하고 푸리에 변환(Fourier Transform)을 통해 위치에 따른 반사율의 정보를 획득한다.The
이하에서는 이러한 센싱장치의 센싱과정을 설명한다.Hereinafter, the sensing process of the sensing device will be described.
먼저, 펌프광원(111)에서 발생된 펌프광은 제1광분배기(113)를 거쳐 제1펌프광과 제2펌프광으로 분배된다.First, the pump light generated in the
이후, 제1펌프광은 제1측파변조기(115)에 의해 주파수가 이동되고, 주파수가 이동된 제1펌프광과 제2펌프광이 편광유지광섬유(130)의 동일한 제1광축에 서로 반대 방향으로 입사된다. 이 과정에서 브릴루앙 동적 격자가 편광유지 광섬유(130)에서 생성된다.Thereafter, the frequency of the first pump light is shifted by the first
한편, 펌프광원(161)에서 생성된 프로브광은 제2광분배기(163)를 거쳐 제1프로브광과 제2프로브광으로 분배된다.Meanwhile, the probe light generated by the pump
그리고, 제2프로브광은 제2단일측파변조기(165)에 의해 주파수가 이동된다.The frequency of the second probe light is shifted by the second single
또한, 편광유지광섬유(130)의 다른 제2광축에 제1펌프광과 동일 방향으로 제1프로브광이 입사되고, 편광유지광섬유로부터 제1프로브광으로부터 발생한 제1프로브 반사광과 제2단일측파변조기(165)를 거쳐 주파수가 이동된 제2프로브광을 합파하여 생성된 간섭광을 광검출기(173)에서 검출한다.Also, the first probe light is incident on the other second optical axis of the polarization maintaining
제1프로브광은 제1 빛 제2펌프광이 입사된 편광유지광섬유의 편광 축과 수직한 편광 축으로 입사되어 제1펌프광과 같은 방향으로 진행한다. The first probe light is incident on the polarization axis perpendicular to the polarization axis of the polarization maintaining optical fiber into which the first light second pump light is incident, and proceeds in the same direction as the first pump light.
제2광분배기(163)의 다른 한 팔로 통과된 제2프로브광은 제2단일측파변조기(SSBM)(165)를 통과하면서 제1펌프광의 주파수 변화에 사용된 주파수만큼 상향 이동시킨 참조광(reference light)을 발생시킨다. The second probe light passed through the other arm of the second
또한, 편광유지광섬유(130)에서 발생한 제1프로브 반사광은 제1편광분할기(125)과 제1광서큘레이터(171)을 통과한 후 합파기(173)를 통해 참조광과 간섭하고 광검출기(PD)(173)를 통해 검출된다. The first probe reflected light generated in the polarization maintaining
광검출기(PD)에서 검출된 신호는 앞서 설명된 신호처리부(185)에서 처리된다. The signal detected by the photodetector PD is processed in the
제1펌프광의 주파수를 브릴루앙 주파수 부근 일정 영역에서 단계적으로 변화시키면서 위의 측정을 반복하여 각 위치에서 브릴루앙 이득 곡선을 얻는다.The above measurement is repeated while gradually changing the frequency of the first pump light in a predetermined region near the Brillouin frequency to obtain a Brillouin gain curve at each position.
이상에서 설명된 본 발명에 따른 광섬유 센서장치는 기존의 시간 영역 분석법을 주파수 영역 반사 측정법(optical frequency domain reflectometry; OFDR)으로 대체하는 방법(BDG-OFDR)으로서 펄스광이 아닌 연속 발진 광파를 펌프광과 프로브광에 모두 사용하고 고속 디지타이저를 사용하지 않는다는 장점이 있다. The optical fiber sensor device according to the present invention is a method (BDG-OFDR) for replacing a conventional time domain analysis method with an optical frequency domain reflectometry (OFDR) The advantage is that it is used for all probe light and does not use a high-speed digitizer.
또한, 본 장치는 OFDR이 갖는 높은 공간해상도와 BDG를 이용한 측정 방식이 갖는 장점인 협대역의 브릴루앙 이득 곡선을 동시에 취득할 수 있다.In addition, the present apparatus can simultaneously acquire a Brillouin gain curve of a narrow band, which is an advantage of the high spatial resolution of the OFDR and the measurement method using the BDG.
또한, 브릴루앙 주파수의 변화는 광섬유에 작용하는 온도나 변형률의 변화에 선형적으로 의존하므로, 본 발명에 의한 장치 및 방법은 높은 공간해상도를 가지는 온도나 변형률 측정을 위한 분포형 광섬유 센서로서 유용하게 사용될 수 있다.Further, since the change of Brillouin frequency linearly depends on the change of the temperature or the strain acting on the optical fiber, the apparatus and method according to the present invention are useful as a distributed optical fiber sensor for temperature or strain measurement with high spatial resolution Can be used.
111: 펌프광원 113: 제1광분배기
115: 제1단일측파변조기 117: 광증폭기
121: 제1편광기 125: 제1편광분할기
126: 제2편광분할기 130: 편광유지광섬유
161: 프로브 광원 163: 제2광분배기
165: 제2단일측파변조기 167: 제3편광기
171: 광써큘레이터 173: 광합파기
180: 광검출기 185: 신호처리부111: pump light source 113: first optical splitter
115: first single side wave modulator 117: optical amplifier
121: first polarizer 125: first polarizing splitter
126: second polarization splitter 130: polarization maintaining optical fiber
161: probe light source 163: second optical splitter
165: second single side wave modulator 167: third polarizer
171: optical circulator 173:
180: photodetector 185: signal processor
Claims (4)
상기 펌프광을 제1펌프광과 제2펌프광으로 분배하는 제1광분배기와;
상기 제1펌프광의 주파수를 이동시켜 출력하는 제1단일측파변조기와;
상기 제1단일측파 변조기를 거쳐 진행하는 제1펌프광과 상기 제2펌프광이 동일한 제1광축에 서로 반대 방향으로 입사되게 접속된 편광유지광섬유와;
프로브광을 생성하는 프로브 광원과;
상기 프로브광을 제1프로브광과 제2프로브광으로 분배하는 제2광분배기와;
상기 제1프로브광을 상기 편광유지광섬유의 다른 제2광축에 상기 제1펌프광과 동일 방향으로 입사시시키는 광서큘레이터와;
상기 제2프로브광의 주파수를 이동시켜 출력하는 제2단일측파변조기와;
상기 제1프로브광에 대해 상기 편광유지광섬유에 형성되는 브릴루앙 동적격자로부터 반사되어 상기 광서큘레이터로 출력되는 제1프로브 반사광과 상기 제2프로브광을 상호 합파하는 광합파기와;
상기 광합파기에서 출력되는 광을 검출하는 광검출기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 브릴루앙 동적 격자의 주파수 영역 반사 측정을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치.A pump light source for generating a pump light;
A first optical splitter for distributing the pump light to the first pump light and the second pump light;
A first single-sided wave modulator for shifting and outputting the frequency of the first pump light;
A polarization maintaining optical fiber in which a first pump light traveling through the first single side wave modulator and the second pump light are connected to the same first optical axis so as to be mutually incident in opposite directions;
A probe light source for generating probe light;
A second optical splitter for distributing the probe light to the first probe light and the second probe light;
An optical circulator for causing the first probe light to enter the other second optical axis of the polarization maintaining optical fiber in the same direction as the first pump light;
A second single side wave modulator for shifting and outputting the frequency of the second probe light;
A combiner for multiplexing the first probe light and the second probe light reflected from the Brillouin diffractive element formed on the polarization maintaining optical fiber with respect to the first probe light and outputted to the optical circulator;
And a photodetector for detecting light output from the optical multiplexer. The distributed optical fiber sensor device using the frequency-domain reflection measurement of the Brillouin dynamic grating.
상기 신호처리부는 상기 제1펌프광과 상기 제2펌프광 사이의 주파수 차이 및 상기 제1프로브광과 상기 제2프로브광의 주파수 차이를 변화시키면서 상기 광검출기로부터 취득된 브릴루앙 천이 주파수를 검출하도록 된 것을 특징으로 하는 브릴루앙 동적 격자의 주파수 영역 반사 측정을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치.The apparatus of claim 1, further comprising: a signal processor for processing a signal output from the photodetector,
The signal processing unit detects the Brillouin transition frequency acquired from the photodetector while changing the frequency difference between the first pump light and the second pump light and the frequency difference between the first probe light and the second probe light A distributed optical fiber sensor device using frequency domain reflection measurement of Brillouin dynamic grating.
상기 펌프광을 제1펌프광과 제2펌프광으로 분배하는 펌프광 분배 단계와;
상기 제1펌프광을 제1단일측파변조기에 의해 주파수를 이동시켜 출력하는 단계와;
상기 주파수가 이동된 제1펌프광과 상기 제2펌프광을 편광유지광섬유의 동일한 제1광축에 서로 반대 방향으로 입사시키는 펌프광 입사 단계와;
프로브광을 발생시키는 프로브광 발생 단계와;
상기 프로브광을 제1프로브광과 제2프로브광으로 분배하는 프로브광 분배 단계와;
상기 제2프로브광의 주파수를 제2단일측파변조기에 의해 이동시켜 출력하는 단계와;
상기 편광유지광섬유의 다른 제2광축에 상기 제1펌프광과 동일 방향으로 제1프로브광을 입사시키는 프로브광 입사 단계와;
상기 편광유지광섬유로부터 상기 제1프로브광으로부터 발생한 제1프로브 반사광과 상기 제2단일측파변조기를 거쳐 주파수가 이동된 제2프로브광을 합파하여 간섭광을 생성하는 간섭광 생성단계와;
상기 간섭광을 검출하는 광검출 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 브릴루앙 동적 격자의 주파수 영역 반사 측정을 이용한 분포형 광섬유 센싱 방법.
A pump light generating step of generating a pump light;
A pump light distribution step of distributing the pump light to the first pump light and the second pump light;
Outputting the first pump light by shifting the frequency by a first single side wave modulator;
A pump light incident step of causing the first pump light and the second pump light to move in the opposite directions to the same first optical axis of the polarization maintaining optical fiber;
A probe light generating step of generating probe light;
A probe light distribution step of distributing the probe light to the first probe light and the second probe light;
Moving the frequency of the second probe light by a second single side wave modulator and outputting the same;
A probe light incidence step of causing a first probe light to enter the other second optical axis of the polarization maintaining optical fiber in the same direction as the first pump light;
Generating interference light by multiplexing first reflected light from the first probe light from the polarization maintaining optical fiber and second probe light whose frequency has been shifted through the second single side wave modulator to generate interference light;
And a light detecting step of detecting the interference light. The distributed optical fiber sensing method using frequency domain reflection measurement of Brillouin dynamic grating.
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