KR101844031B1 - 광주파수 영역 반사측정 시스템 및 측정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광주파수 영역 반사측정 시스템에 관한 것으로서, 센싱광섬유로부터 역으로 반사되어 입사된 광과 기준광섬유에서 입사된 광에 대해 상호 간섭에 의한 센서간섭신호를 3/2π 씩 위상차가 나도록 제1, 제2 및 제3 위상 출력단에 각각 분배하여 출력하는 광커플러와, 제2위상 출력단에 출력되는 센서간섭신호를 제1분배단과 제2분배단을 통해 분배하여 출력하는 또 다른 광커플러와, 제1위상출력단에서 출력되는 신호와 제1분배단을 통해 출력되는 신호를 상호 차감하여 검출하는 제1차동광검출기와, 제2분배단을 통해 출력되는 신호와 제3위상출력단에서 출력되는 신호를 상호 차감하여 검출하는 제2차동광검출기와, 제1차동광검출기의 출력단을 통해 출력되는 제1간섭신호를 실수부로 하고, 제2차동광검출기의 출력단을 통해 출력되는 제2간섭신호와 제1간섭신호와의 트리고널(Trigonal) 관계식을 통해 생성되는 제1간섭신호와 π/2 위상차가 나는 제3간섭신호를 허수부로 하는 측정복소수 신호를 생성하고, 생성된 측정복소수신호를 비교기준신호와 비교하여 센싱 광섬유에 대해 인가된 물리량을 산출하는 신호처리부를 구비한다.

Description

광주파수 영역 반사측정 시스템 및 측정방법{measuring system of OFDR and mearsuring method thereof}
본 발명은 광주파수 영역 반사측정 시스템 및 측정방법에 관한 것으로서, 상세하게는 센싱광섬유의 측정가능 길이를 증가시킬 수 있는 광주파수 영역 반사측정 시스템 및 측정방법에 관한 것이다.
파장가변 레이저 기반의 광주파수 영역 반사측정(OFDR: optical frequency domain reflectometry) 시스템은 광섬유 내 빛의 레일레이 (Rayleigh) 산란 반사광을 이용하여 광섬유 길이, 절단 여부, 분산, 손실뿐만 아니라 광섬유 주변의 온도, 스트레인, 진동 등 다양한 물리량을 높은 공간 분해능과 고정밀도로 측정할 수 있는 시스템이다.
광주파수 영역 반사측정 시스템은 공개특허 제10-2006-0102801호 등 다양하게 게시되어 있다.
이러한 광주파수 영역 반사측정 시스템은 시간영역에서 파장 가변되는 광을 기준단 광섬유와 센싱단 광섬유에 각각 분기시켜 전송한 다음, 기준단 광섬유에서 반사된 광과 센싱단 광섬유에서 반사된 광의 상호 간섭에 의해 생성된 간섭광을 퓨리에(Fourier) 변환하여, 주파수 영역에서의 진폭 변화를 통해 상기 언급한 온도, 스트레인, 진동 등의 물리량을 정밀하게 측정할 수 있도록 되어 있다.
하지만, 광주파수 영역 반사측정 시스템은 센싱단 광섬유를 이용한 측정 거리가 간섭광을 생성시킬 수 있는 빛의 가간섭거리(coherence length)에 의해 제한되므로 광시간영역 반사측정(OTDR: optical time domain reflectometry) 시스템에 비해 측정 거리가 상대적으로 짧으며, 따라서 센싱 광섬유의 측정 거리를 늘리기 위해서는 가간섭거리를 증가시킬 수 있는 짧은 선폭(line width)을 갖는 파장 가변 레이저가 요구된다.
또한, 상기의 기준단 광섬유에서 반사된 광과 센싱단 광섬유에서 반사된 광의 상호 간섭광의 퓨리에 변환 시 생성되는 복소부분(Complex conjugate term)에 의해, 측정하고자 하는 신호와 주파수 영역에서 대칭되는 미러 (mirror) 신호가 발생하여 서로 구분이 불가능해지고, 결과적으로 센싱단 광섬유의 길이 연장부분을 기준단 광섬유의 종단을 기준으로 가간섭길이의 1/2에 해당하는 길이만큼만 연장하여 측정 가능한 센서로 사용할 수밖에 없는 한계가 있다.
이러한 광주파수 영역 반사측정 시스템의 측정 거리 제약에 대한 단점을 극복하기 위해 고가의 매우 짧은 선폭의 레이저를 이용하는 대신에, 간섭광의 위상 변조를 통해 미러 신호의 생성을 억제시켜 레이저 빛의 가간섭길이 전체를 이용하고자 하는 방법이 본 출원인에 의해 제안된 등록특허 제10-1567988호에 게시되어 있다.
한편, 광주파수 영역 반사측정 시스템의 측정 거리 제약에 대한 단점을 극복 할 수 있으면서 위상변조 구조를 단순화하고 측정정밀도를 방안은 꾸준히 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 물리량의 측정가능 길이를 증가시킬 수 있으면서 위상변조 구조를 단순화 할 수 있고 측정 정밀도도 높일 수 있는 광주파수 영역 반사 측정 시스템 및 측정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광주파수 영역 반사측정 시스템은 시간에 따라 파장이 가변되는 광을 출사하는 파장가변레이저와; 상기 파장가변 레이저에서 출사되는 광을 제1분할광과 제2분할광으로 분할하여 출력하는 제1광커플러와; 상기 제1분할광을 수신하여 제3분할광과 제4분할광으로 분할하여 출력하는 제2광커플러와; 상기 제2광커플러의 제1출력단과 접속되어 상기 제3분할광을 전송하며 제1길이를 갖는 제1광섬유와; 상기 제2광커플러의 제2출력단과 접속되어 상기 제4분할광을 전송하며 상기 제1길이와 다른 제2길이를 갖는 제2광섬유와; 상기 제1광섬유와 상기 제2광섬유에서 전송되는 광을 합파하여 기준간섭광을 출력하는 제3광커플러와; 상기 제3광커플러에서 출력되는 기준간섭광을 검출하여 기준간섭신호를 출력하는 제1광검출기와; 상기 제2분할광을 수신하여 제5분할광과 제6분할광으로 분할하여 출력하는 제4광커플러와; 상기 제4광커플러의 제3출력단을 통해 접속되어 제5분할광을 전송하는 제3광섬유와; 상기 제4광커플러에서 제4출력단을 통해 전송된 제6분할광을 제1입력단을 통해 입력받아 제1측정단으로 출력하고, 상기 제1측정단에서 역으로 입사되는 광을 제1검출단으로 출력하는 광서큘레이터와; 상기 광서큘레이터의 제1측정단과 접속된 센싱광섬유와; 상기 광서큘레이터의 제1검출단에서 입사된 광과 상기 제3광섬유를 통해 입사된 광의 상호 간섭에 의한 센서간섭신호를 3/2π 씩 위상차가 나도록 제1, 제2 및 제3 위상 출력단에 각각 분배하여 출력하는 제5광커플러와; 상기 제5광커플러의 제2위상 출력단에 출력되는 센서간섭신호를 제1분배단과 제2분배단을 통해 분배하여 출력하는 제6광커플러와; 상기 제1위상출력단에서 출력되는 신호와 상기 제1분배단을 통해 출력되는 신호를 상호 차감하여 검출하는 제1차동광검출기와; 상기 제2분배단을 통해 출력되는 신호와 상기 제3위상출력단에서 출력되는 신호를 상호 차감하여 검출하는 제2차동광검출기와; 상기 제1광검출기에서 출력되는 기준간섭신호를 이용하여 상기 파장가변레이저의 파장 가변 출력 변동에 의한 측정 오차를 보상하고, 상기 제1차동광검출기의 출력단을 통해 출력되는 제1간섭신호를 실수부로 하고, 상기 제2차동광검출기의 출력단을 통해 출력되는 제2간섭신호와 상기 제1간섭신호와의 트리고널(Trigonal) 관계식을 통해 생성되는 제1간섭신호와 π/2 위상차가 나는 제3간섭신호를 허수부로 하는 측정복소수 신호를 생성하고, 생성된 측정복소수신호를 비교기준신호와 비교하여 상기 센싱 광섬유에 대해 인가된 물리량을 산출하는 신호처리부;를 구비한다.
바람직하게는 상기 제3광섬유는 상기 센싱광섬유의 길이와 같은 길이를 갖게 적용된다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광주파수 영역 반사측정 방법은 파장가변 레이저에서 출사되는 광을 제1분할광과 제2분할광으로 분할하여 출력하는 제1광커플러와, 상기 제1분할광을 수신하여 제3분할광과 제4분할광으로 분할하여 출력하는 제2광커플러와, 상기 제2광커플러의 제1출력단과 접속되어 상기 제3분할광을 전송하며 제1길이를 갖는 제1광섬유와, 상기 제2광커플러의 제2출력단과 접속되어 상기 제4분할광을 전송하며 상기 제1길이와 다른 제2길이를 갖는 제2광섬유와, 상기 제1광섬유와 상기 제2광섬유에서 전송되는 광을 합파하여 기준간섭광을 출력하는 제3광커플러와, 상기 제3광커플러에서 출력되는 기준간섭광을 검출하여 기준간섭신호를 출력하는 제1광검출기와, 상기 제2분할광을 수신하여 제5분할광과 제6분할광으로 분할하여 출력하는 제4광커플러와, 상기 제4광커플러의 제3출력단을 통해 접속되어 제5분할광을 전송하는 제3광섬유와, 상기 제4광커플러에서 제4출력단을 통해 전송된 제6분할광을 제1입력단을 통해 입력받아 제1측정단으로 출력하고, 상기 제1측정단에서 역으로 입사되는 광을 제1검출단으로 출력하는 광서큘레이터와, 상기 광서큘레이터의 제1측정단과 접속된 센싱광섬유와, 상기 광서큘레이터 제1검출단에서 입사된 광과 상기 제3광섬유를 통해 입사된 광의 상호 간섭에 의한 센서간섭신호를 3/2π 씩 위상차가 나도록 제1, 제2 및 제3 위상 출력단에 각각 분배하여 출력하는 제5광커플러와, 상기 제5광커플러의 제2위상 출력단에 출력되는 센서간섭신호를 제1분배단과 제2분배단을 통해 분배하여 출력하는 제6광커플러와, 상기 제1위상출력단에서 출력되는 신호와 상기 제1분배단을 통해 출력되는 신호를 상호 차감하여 검출하는 제1차동광검출기와, 상기 제2분배단을 통해 출력되는 신호와 상기 제3위상출력단에서 출력되는 신호를 상호 차감하여 검출하는 제2차동광검출기를 구비하는 광주파수 영역 반사측정 시스템의 측정방법에 있어서, 가. 측정모드이면, 상기 제1차동광검출기에서 출력되는 제1간섭신호를 실수부로 하고, 상기 제2차동광검출기에서 출력되는 제2간섭신호에 상기 제1간섭신호와의 트리고널(Trigonal) 관계식을 적용하여 상기 제1간섭신호와 π/2 위상차가 나는 제3간섭신호를 생성하고 상기 제3간섭신호를 허수부로 하는 측정 복소수신호를 생성하는 단계와; 나. 상기 측정복소수에 대해 퓨리에 변환하는 단계와; 다. 상기 나 단계에서 퓨리에 변환에 의해 생성된 데이터를 퓨리에 천이 (FFT shift)를 통해 도메인 변환된 퓨리에 천이 신호를 생성하는 단계와; 라. 상기 다단계에서 생성된 상기 퓨리에 천이 신호의 데이터를 설정된 분할조건에 따라 분할하여 데이터 세트를 생성하는 단계와; 마. 상기 라 단계에서 생성된 데이터 세트들에 대해 역퓨리에 변환하여 측정 데이터 세트를 산출하는 단계와; 바. 상기 마 단계에서 산출된 측정 데이터 세트들과 상기 센싱광섬유에 외부 물리량이 입력되지 않은 조건에서 미리 산출된 기준 데이터 세트들 사이의 상호상관연산(Cross-correlation)하고, 상호상관연산값의 최대 인덱스를 산출하여 측정대상 물리량을 산출하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 광주파수 영역 반사 측정 시스템 및 측정 방법에 의하면, 음(-)의 방향 주파수에 의한 미러 신호 생성을 억제시키고 양의 방향과 음의 방향 주파수 성분을 동시에 활용하여 센싱 광섬유의 측정가능 길이를 최대 2배 증가시킬 수 있으면서 위상변조구조가 단순화되고 측정정밀도도 높일 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 광주파수 영역 반사측정 시스템을 나타내 보인 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 광주파수 영역 반사 측정 과정을 설명하기 위한 도면이고,
도 3은 본 발명에 따른 광주파수 영역 반사 측정 시스템의 센싱광섬유에 인가된 스트레인 측정 결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 6은 본 발명에 따른 광주파수 영역 반사 측정 시스템의 센싱광섬유에 인가된 스트레인과 온도 동시 측정 결과를 나타내 보인 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광주파수 영역 반사 측정 시스템 및 측정 방법을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 광주파수 영역 반사 측정 시스템을 나타내 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 광주파수 영역 반사 측정 시스템(100)은 파장가변레이저(TLS;Tunable Laser Source)(101), 제1광커플러(110), 제2광커플러(120), 제3광커플러(130), 제4광커플러(140), 제5광커플러(150), 제6광커플러(160), 광써큘레이터(145), 센싱 광섬유(148), 제1광검출기(170), 제1차동광검출기(181), 제2차동광검출기(182), 신호처리부(190)을 구비한다.
파장가변레이저(TLS)(101)는 시간에 따라 파장이 가변되는 레이저 광을 출사한며, 신호 처리부(190)에 의해 파장가변 구동이 제어된다.
제1광커플러(110)는 파장가변 레이저(101)에서 출사되어 입사된 광을 분할하여 제1메인분배단(111)과 제2메인 분배단(112)을 통해 각각 제1분할광과 제2분할광을 분리하여 출력한다.
제2광커플러(120)는 제1메인분배단(111)을 통해 전송된 제1분할광을 수신하여 제3분할광과 제4분할광으로 분할하여 출력한다.
제1광섬유(11)는 제2광커플러(120)의 제1출력단(121)과 접속되어 제3분할광을 전송하며 제1길이를 갖는다.
제2광섬유(12)는 제2광커플러(120)의 제2출력단(122)과 접속되어 제4분할광을 전송하며 제1광섬유(11)의 제1길이와 다른 제2길이를 갖는다.
여기서 제1길이와 제2길이의 차이는 원하는 기준 간섭광이 생성되도록 적절하게 적용하면된다.
제3광커플러(130)는 제1광섬유(11)와 제2광섬유(12)에서 전송되는 광을 합파하여 기준간섭광을 출력한다.
제1광검출기(170)는 제3광커플러(130)에서 출력되는 기준간섭광을 검출하여 기준간섭신호를 신호처리부(190)에 제공한다.
제4광커플러(140)는 제2메인분배단(112)을 통해 전송된 제2분할광을 수신하여 제3출력단(141)과 제4출력단(142)를 통해 제5분할광과 제6분할광으로 분할하여 출력한다.
제3광섬유(13)는 제4광커플러(140)의 제3출력단(141)을 통해 접속되어 제5분할광을 전송한다.
제3광섬유(13)의 연장길이는 센싱광섬유(148)의 길이와 같은 길이를 갖게 적용한다.
광서큘레이터(145)는 제4광커플러(140)에서 제4출력단(142)을 통해 전송된 제6분할광을 제1입력단(145a)을 통해 입력받아 제1측정단(145b)으로 출력하고, 제1측정단(145b)에서 역으로 입사되는 광을 제1검출단(145c)으로 출력한다.
센싱광섬유(FUT:Fiber under test)(148)는 광서큘레이터(145)의 제1측정단(145b)과 접속되어 있다.
센싱 광섬유(148)는 센싱 대상 영역에 설치된다.
제5광커플러(150)는 광서큘레이터(145)의 제1검출단(145c)에서 입사된 광과 제3광섬유(13)를 통해 입사된 광의 상호 간섭에 의한 센서간섭신호를 3/2π 씩 위상차가 나도록 제1, 제2 및 제3 위상 출력단(151 내지 153)에 각각 분배하여 출력한다.
제5광커플러(150)는 3x3 광커플러를 이용하면 되고 이 경우 3개의 입력단 중 2개만 앞서 설명된 방식으로 광서큘레이터(145)의 제1검출단(145c)에서 입사된 광과 제3광섬유(13)를 통해 입사된 광을 입력받도록 접속하여 사용하면 된다.
이러한 제3광커플러(150)는 3x3 광커플러가 갖는 고유 특성에 의해 3개의 위상 출력단(151 내지 153)에 각각 3/2π 씩 위상차를 갖도록 분배하여 출력한다.
제6광커플러(160)는 제5광커플러(150)의 제2위상 출력단(152)에 출력되는 센서간섭신호를 제1분배단(161)과 제2분배단(162)을 통해 분배하여 출력한다.
제1차동광검출기(181)는 제1위상출력단(151)에서 출력되는 신호와 제1분배단(161)을 통해 출력되는 신호를 상호 차감하여 검출하고, 검출결과를 제1간섭신호로서 신호처리부(190)에 제공한다.
제2차동광검출기(182)는 제2분배단(162)을 통해 출력되는 신호와 제3위상출력단(153)에서 출력되는 신호를 상호 차감하여 검출하고, 검출결과를 제2간섭신호로서 신호처리부(190)에 제공한다.
신호처리부(190)는 제1광검출기(170)에서 출력되는 기준간섭신호를 이용하여 파장가변레이저(101)의 파장 가변 출력 변동에 의한 측정 오차를 보상한다.
또한, 신호처리부(190)는 제1차동광검출기(181)의 출력단을 통해 출력되는 제1간섭신호를 실수부로 하고, 제2차동광검출기(182)의 출력단을 통해 출력되는 제2간섭신호와 제1간섭신호와의 트리고널(Trigonal) 관계식을 통해 생성되는 제1간섭신호와 π/2 위상차가 나는 제3간섭신호를 허수부로 하는 측정복소수 신호를 생성한다.
여기서, 제1차동광검출기(181)와 제2차동검출기(182)에서 각각 출력되는 제1간섭신호(I1 = I(υ))와 제2간섭신호(I2 = I(υ),Δθ)에 대해 제3간섭신호를 생성하는 과정을 설명한다.
먼저, 복소수 신호(IRE+iIIM = I(υ)+iI((υ),2/π))를 형성하기 위해, 제1간섭신호(I1 = I(υ))와 임의의 위상차(Δθ)를 갖는 제2간섭신호(I2 = I(υ),Δθ)에 아래와 같은 트리고널(Trigonal) 관계식(수학식1)을 적용하여 제1간섭신호와 2/π 위상차인 제3간섭신호(I((υ),2/π))를 생성한다.
Figure 112017056477281-pat00001
또한, 신호처리부(190)는 생성된 측정복소수신호를 비교기준신호와 비교하여 센싱 광섬유(148)에 대해 인가된 물리량 예를 들면, 온도 또는 스트레인을 산출한다.
이하에서는 신호처리부(190)의 신호처리에 의한 측정대상 물리량을 산출하는 과정을 도 2을 참조하여 설명한다.
먼저, 비교기준신호를 생성하여 메모리(미도시) 저장하는 과정을 설명한다.
비교기준신호 생성모드(210)에서는 센싱광섬유(148)에 외부 물리량이 인가되지 않는 초기상태에서 제1차동광검출기(181)로부터 수신된 제1간섭신호와 제2차동광검출기(182)로부터 수신한 제2간섭신호로부터 앞서 설명된 제3간섭신호를 이용하여 기준복소수신호를 생성한다(단계 201).
즉, 제1차동광검출기(181)에서 출력되는 제1간섭신호를 실수부로 하고, 제2차동광검출기(182)에서 출력되는 제2간섭신호에 제1간섭신호와의 트리고널(Trigonal) 관계식을 적용하여 제1간섭신호와 π/2 위상차가 나는 제3간섭신호를 생성하고 제3간섭신호를 허수부로 하는 기준 복소수신호를 생성한다.
다음은 기준복소수에 대해 퓨리에 변환하고(단계 203), 퓨리에 변환에 의해 생성된 데이터를 퓨리에 천이 (FFT shift)를 통해 도메인 변환된 퓨리에 천이 신호를 생성한다(단계 205).
여기서 푸리에 천이신호는 음의 주파수로부터 영(zero)을 거쳐 양의 주파수로 이어지는 도메인 축상에 신호를 맵핑하는 것을 말한다.
이후, 205단계에서 생성된 퓨리에 천이 신호의 데이터를 원하는 분해능에 대응되게 설정된 분할조건에 따라 분할하여 데이터 세트를 생성한다(단계 207).
그리고 나서, 단계 207에서 생성된 데이터 세트들에 대해 역퓨리에 변환하고(단계 208), 역퓨리에 변환되어 산출된 기준 데이터 세트를 메모리에 비교기준신호로서 저장한다(단계 209).
한편, 측정모드(220)에서는 센싱광섬유(148)에 측정대상 물리량의 인가를 허용하도록 한 다음 앞서 비교기준신호 생성모드와 같이 제1차동광검출기(181)와 제2차동광검출기(182)에서 검출된 신호를 이용하여 측정정보를 생성한다.
즉, 측정모드에서 제1차동광검출기(181)로부터 수신된 제1간섭신호와 제2차동광검출기(182)로부터 수신한 제2간섭신호로부터 앞서 설명된 제3간섭신호를 이용하여 측정복소수신호를 생성한다(단계 221).
즉, 제1차동광검출기(181)에서 출력되는 제1간섭신호를 실수부로 하고, 제2차동광검출기(182)에서 출력되는 제2간섭신호에 제1간섭신호와의 트리고널(Trigonal) 관계식을 적용하여 제1간섭신호와 π/2 위상차가 나는 제3간섭신호를 생성하고 제3간섭신호를 허수부로 하는 측정 복소수신호를 생성한다.
다음은 측정복소수에 대해 퓨리에 변환하고(단계 223), 퓨리에 변환에 의해 생성된 데이터를 퓨리에 천이 (FFT shift)를 통해 도메인 변환된 퓨리에 천이 신호를 생성하며(단계 225), 퓨리에 천이 신호의 데이터를 원하는 분해능에 대응되게 설정된 분할조건에 따라 분할하여 데이터 세트를 생성한다(단계 227).
그리고 나서, 단계 227에서 생성된 데이터 세트들에 대해 역퓨리에 변환하고(단계 228), 역퓨리에 변환되어 산출된 측정 데이터 세트를 메모리에 측정 정보로서 저장한다(단계 229).
이후, 산출된 측정 데이터 세트들과 센싱광섬유(148)에 외부 물리량이 입력되지 않은 조건에서 미리 산출되어 저장된 기준 데이터 세트들 사이의 상호상관연산(Cross-correlation)하고(단계231), 상호상관연산값의 최대 인덱스를 산출한 후(단계 233), 산출된 최대 인덱스로부터 측정대상 물리량을 산출한다(단계 235).
여기서, 최대 인덱스에 대응되는 물리량 예를 들면, 온도 또는 스트레인은 미리 실험에 의해 기록된 정보와 비교하여 산출하면 된다.
이러한 측정방법은 제3광섬유(13)의 길이를 센싱광섬유(148)의 중앙지점에 대응하는 영점으로 굿성할 때, 길이가 증가하는 방향의 + 위치와, 길이가 감소하는 방향의 - 위치에서 반사가 이루어져 제1간섭신호와 제2간섭신호가 얻어지고 이로부터 산출된 앞서 설명된 데이터 값은 영점을 기준으로 상부(+) 및 하부(-)에 각각 구별되는 신호(-f1, +f2)를 얻을 수 있다.
또한, 퓨리에 변환 신호를 천이하여 최소 주파수에서 최대 주파수 범위 도메인으로 변환된 퓨리에 천이 신호의 경우 주파수 도메인은 센싱 광섬유(148)의 길이 도메인으로 변환 처리되어 200m의 센싱 광섬유(148)는 퓨리에 천이에 의해 -100 m에서 +100m의 도메인으로 나타난다. 퓨리에 천이 신호는 일정한 데이터 길이로 분할하여 퓨리에 데이터 세트를 생성한다. 예를 들어 -100m에서 +100m의 도메인에 생성된 100,000개의 데이터를 100개의 길이로 분할하면 1,000개의 데이터 세트가 형성된다. 퓨리에 변환된 데이터 세트를 각 세트별로 역퓨리에 변환하여 역퓨리에 변환 데이터 세트가 생성된다.
한편, 비교기준신호와 측정 신호의 데이터 세트는 물리량의 입력이 없을 경우 각 세트별로 동일한 신호 패턴을 보이지만, 외부 물리량이 입력된 곳에서는 패턴이 좌우로 이동한 형태를 나타낸다. 따라서, 각 데이터 세트별 신호 이동량을 산출하기 위하여 앞서 설명된 상호상관연산 (Cross-correlation)을 수행한다. 각 세트별 상호상관 연산의 최대값을 나타내는 수치의 인덱스 값을 산출하면 거리에 따른 신호 이동량을 구할 수 있으며, 이는 실제로 입력된 온도 혹은 변형의 크기에 비례한다.
도 5, 도 6에서는 200m 길이의 제3광섬유(13)와 200m 길이의 센싱광섬유(148)를 이용하여 구성된 양방향 광주파수 영역 반사 측정 시스템의 센싱광섬유에 인가된 스트레인 및 온도 측정 결과를 보여준다.
여기서, 기준이 되는 센싱광섬유(148)의 영점 위치는 제3광섬유(13) 길이의 1/2 지점인 100m가 되며, 이는 센싱광섬유(148)의 반사광이 왕복 경로로 간섭계에 전달되는 반면, 제3광섬유(13)를 통해 간섭계에 전달되는 경로는 편도이기 때문이다.
도 3에서는 센싱광섬유에 인장(+) 또는 압축(-) 스트레인이 인가되었을 때 센싱광섬유(148)의 영점 기준으로 스트레인이 인가된 양 혹은 음의 방향과 관계없이 뚜렷하게 구별되는 측정 결과를 얻을 수 있음을 보여준다.
도 4에서는 센싱광섬유의 음에 방향에는 스트레인, 양의 방향에는 온도와 스트레인을 동시에 인가하였을 때, 대칭되는 미러 신호가 나타나지 않으며 뚜렷하게 구별되는 측정 결과를 얻을 수 있음을 보여준다.
이상에서 설명된 바와 같이 본 시스템 및 방법에 의하면, 음(-)의 방향 주파수에 의한 미러 신호 생성을 억제시키고 양의 방향과 음의 방향 주파수 성분을 동시에 활용하여 센싱 광섬유의 측정가능 길이를 최대 2배 증가시킬 수 있으면서 위상변조구조가 단순화되고 측정정밀도도 높일 수 있는 장점을 제공한다.
101: 파장가변레이저 110: 제1광커플러
120: 제2광커플러 11: 제1광섬유
130: 제3광커플러 140: 제4광커플러
12: 제2광섬유 13: 제3광섬유
150: 제5광커플러
160: 제6광커플러 145: 광써큘레이터
148: 센싱광섬유 170: 제1광검출기
181: 제1차동광검출기 182: 제2차동광검출기
190: 신호처리부

Claims (3)

  1. 시간에 따라 파장이 가변되는 광을 출사하는 파장가변레이저와;
    상기 파장가변 레이저에서 출사되는 광을 제1분할광과 제2분할광으로 분할하여 출력하는 제1광커플러와;
    상기 제1분할광을 수신하여 제3분할광과 제4분할광으로 분할하여 출력하는 제2광커플러와;
    상기 제2광커플러의 제1출력단과 접속되어 상기 제3분할광을 전송하며 제1길이를 갖는 제1광섬유와;
    상기 제2광커플러의 제2출력단과 접속되어 상기 제4분할광을 전송하며 상기 제1길이와 다른 제2길이를 갖는 제2광섬유와;
    상기 제1광섬유와 상기 제2광섬유에서 전송되는 광을 합파하여 기준간섭광을 출력하는 제3광커플러와;
    상기 제3광커플러에서 출력되는 기준간섭광을 검출하여 기준간섭신호를 출력하는 제1광검출기와;
    상기 제2분할광을 수신하여 제5분할광과 제6분할광으로 분할하여 출력하는 제4광커플러와;
    상기 제4광커플러의 제3출력단을 통해 접속되어 제5분할광을 전송하는 제3광섬유와;
    상기 제4광커플러에서 제4출력단을 통해 전송된 제6분할광을 제1입력단을 통해 입력받아 제1측정단으로 출력하고, 상기 제1측정단에서 역으로 입사되는 광을 제1검출단으로 출력하는 광서큘레이터와;
    상기 광서큘레이터의 제1측정단과 접속된 센싱광섬유와;
    상기 광서큘레이터의 제1검출단에서 입사된 광과 상기 제3광섬유를 통해 입사된 광의 상호 간섭에 의한 센서간섭신호를 3/2π 씩 위상차가 나도록 제1, 제2 및 제3 위상 출력단에 각각 분배하여 출력하는 제5광커플러와;
    상기 제5광커플러의 제2위상 출력단에 출력되는 센서간섭신호를 제1분배단과 제2분배단을 통해 분배하여 출력하는 제6광커플러와;
    상기 제1위상출력단에서 출력되는 신호와 상기 제1분배단을 통해 출력되는 신호를 상호 차감하여 검출하는 제1차동광검출기와;
    상기 제2분배단을 통해 출력되는 신호와 상기 제3위상출력단에서 출력되는 신호를 상호 차감하여 검출하는 제2차동광검출기와;
    상기 제1광검출기에서 출력되는 기준간섭신호를 이용하여 상기 파장가변레이저의 파장 가변 출력 변동에 의한 측정 오차를 보상하고, 상기 제1차동광검출기의 출력단을 통해 출력되는 제1간섭신호를 실수부로 하고, 상기 제2차동광검출기의 출력단을 통해 출력되는 제2간섭신호와 상기 제1간섭신호와의 트리고널(Trigonal) 관계식을 통해 생성되는 제1간섭신호와 π/2 위상차가 나는 제3간섭신호를 허수부로 하는 측정복소수 신호를 생성하고, 생성된 측정복소수신호를 비교기준신호와 비교하여 상기 센싱 광섬유에 대해 인가된 물리량을 산출하는 신호처리부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 광주파수 영역 반사측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제3광섬유는 상기 센싱광섬유의 길이와 같은 길이를 갖게 적용된 것을 특징으로 하는 광주파수 영역 반사측정 시스템.
  3. 파장가변 레이저에서 출사되는 광을 제1분할광과 제2분할광으로 분할하여 출력하는 제1광커플러와, 상기 제1분할광을 수신하여 제3분할광과 제4분할광으로 분할하여 출력하는 제2광커플러와, 상기 제2광커플러의 제1출력단과 접속되어 상기 제3분할광을 전송하며 제1길이를 갖는 제1광섬유와, 상기 제2광커플러의 제2출력단과 접속되어 상기 제4분할광을 전송하며 상기 제1길이와 다른 제2길이를 갖는 제2광섬유와, 상기 제1광섬유와 상기 제2광섬유에서 전송되는 광을 합파하여 기준간섭광을 출력하는 제3광커플러와, 상기 제3광커플러에서 출력되는 기준간섭광을 검출하여 기준간섭신호를 출력하는 제1광검출기와, 상기 제2분할광을 수신하여 제5분할광과 제6분할광으로 분할하여 출력하는 제4광커플러와, 상기 제4광커플러의 제3출력단을 통해 접속되어 제5분할광을 전송하는 제3광섬유와, 상기 제4광커플러에서 제4출력단을 통해 전송된 제6분할광을 제1입력단을 통해 입력받아 제1측정단으로 출력하고, 상기 제1측정단에서 역으로 입사되는 광을 제1검출단으로 출력하는 광서큘레이터와, 상기 광서큘레이터의 제1측정단과 접속된 센싱광섬유와, 상기 광서큘레이터의 제1검출단에서 입사된 광과 상기 제3광섬유를 통해 입사된 광의 상호 간섭에 의한 센서간섭신호를 3/2π 씩 위상차가 나도록 제1, 제2 및 제3 위상 출력단에 각각 분배하여 출력하는 제5광커플러와, 상기 제5광커플러의 제2위상 출력단에 출력되는 센서간섭신호를 제1분배단과 제2분배단을 통해 분배하여 출력하는 제6광커플러와, 상기 제1위상출력단에서 출력되는 신호와 상기 제1분배단을 통해 출력되는 신호를 상호 차감하여 검출하는 제1차동광검출기와, 상기 제2분배단을 통해 출력되는 신호와 상기 제3위상출력단에서 출력되는 신호를 상호 차감하여 검출하는 제2차동광검출기를 구비하는 광주파수 영역 반사측정 시스템의 측정방법에 있어서,
    가. 측정모드이면, 상기 제1차동광검출기에서 출력되는 제1간섭신호를 실수부로 하고, 상기 제2차동광검출기에서 출력되는 제2간섭신호에 상기 제1간섭신호와의 트리고널(Trigonal) 관계식을 적용하여 상기 제1간섭신호와 π/2 위상차가 나는 제3간섭신호를 생성하고 상기 제3간섭신호를 허수부로 하는 측정 복소수신호를 생성하는 단계와;
    나. 상기 측정복소수에 대해 퓨리에 변환하는 단계와;
    다. 상기 나 단계에서 퓨리에 변환에 의해 생성된 데이터를 퓨리에 천이 (FFT shift)를 통해 도메인 변환된 퓨리에 천이 신호를 생성하는 단계와;
    라. 상기 다단계에서 생성된 상기 퓨리에 천이 신호의 데이터를 설정된 분할조건에 따라 분할하여 데이터 세트를 생성하는 단계와;
    마. 상기 라 단계에서 생성된 데이터 세트들에 대해 역퓨리에 변환하여 측정 데이터 세트를 산출하는 단계와;
    바. 상기 마 단계에서 산출된 측정 데이터 세트들과 상기 센싱광섬유에 외부 물리량이 입력되지 않은 조건에서 미리 산출된 기준 데이터 세트들 사이의 상호상관연산(Cross-correlation)하고, 상호상관연산값의 최대 인덱스를 산출하여 측정대상 물리량을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수 영역 반사측정 시스템의 측정방법.

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