KR101866691B1 - 펄스 레이저의 광 펄스열에 대한 비행시간 검출을 이용하는 변형률 센싱 시스템 - Google Patents

펄스 레이저의 광 펄스열에 대한 비행시간 검출을 이용하는 변형률 센싱 시스템 Download PDF

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한국과학기술원
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Abstract

펄스 레이저에서 생성된 광 펄스열의 비행시간 검출을 이용하여 측정 대상의 변형률을 센싱하는 장치가 제공된다. 일실시예에서, 변형률 센싱 장치는 광 펄스열을 생성하는 펄스 레이저, 마이크로파 신호를 생성하는 RF 신호원, 상기 마이크로파 신호를 상기 광 펄스열에 동기화하여 상기 RF 신호원이 기준 신호를 생성하도록 하는 제1 위상 검출기, 측정 대상의 변형에 따라 상기 광 펄스열의 비행시간 변화를 유발하는 변형률 센싱 헤드, 및 상기 기준 신호를 이용하여 상기 변형률 센싱 헤드에서 출력된 광 펄스열의 상기 비행시간 변화를 측정하는 제2 위상 검출기를 포함한다.

Description

펄스 레이저의 광 펄스열에 대한 비행시간 검출을 이용하는 변형률 센싱 시스템{STRAIN SENSING SYSTEM USING TIME-OF-FLIGHT DETECTION FOR OPTICAL PULSE TRAINS OF PULSE LASER}
측정 대상의 변형률을 센싱하는 변형률 센싱 장치 및 방법에 연관되며, 보다 구체적으로는 펄스 레이저에서 생성된 광 펄스열의 비행시간(time-of-flight) 검출을 이용하여 측정 대상의 변형률을 센싱하는 장치 및 방법에 연관된다.
광섬유 기반의 변형률 센서는 안정성, 민감도, 및 전자파 면역 측면에서 이점이 있고, 기존 변형률 센서에 비하여 저비용으로 생산이 가능하여 지구물리학, 건축물 내구성 검사, 나노기술, 토목 및 항공 산업 등 여러 기술 분야에 응용되는 핵심 기술로서 자리 잡았다.
다양한 형태의 광섬유 변형률 센서에 대한 연구 개발이 진행되고 제품화가 되었으나, 높은 분해능을 가지면서도 환경 요인으로부터의 안정성을 확보하기 위해서는 별도의 주파수 표준 혹은 안정화 단계가 필수적으로 요구된다. 이러한 이유로 광섬유 센서 자체가 소형화 및 단순화 되었음에도 불구하고 전체 시스템의 복잡도와 비용은 크게 증가될 수 있다.
또한, 연속파(continuous wave) 레이저를 신호원으로 하는 변형률 센싱 시스템의 경우 제한된 샘플링 속도로 인해 정적 변형률과 동적 변형률을 아우르는 넓은 범위의 측정이 불가능하고 광섬유 내에서 유도 브릴루앙 산란(stimulated Brillouin scattering; SBS) 역치에 쉽게 도달하므로 긴 전송 경로가 포함된 원격 측정 등의 응용에 부적절하다.
이와 같은 기존 기술의 한계를 극복하기 위해서는 새로운 형태의 변형률 센싱 방식이 필요하다.
일측에 따르면, 변형률 센싱 장치는 광 펄스열을 생성하는 펄스 레이저, 마이크로파 신호를 생성하는 RF 신호원, 상기 마이크로파 신호를 상기 광 펄스열에 동기화하여 상기 RF 신호원이 기준 신호를 생성하도록 하는 제1 위상 검출기, 측정 대상의 변형에 따라 상기 광 펄스열의 비행시간 변화를 유발하는 변형률 센싱 헤드(strain generator), 및 상기 기준 신호를 이용하여 상기 변형률 센싱 헤드에서 출력된 광 펄스열의 상기 비행시간 변화를 측정하는 제2 위상 검출기를 포함한다.
일실시예에서, 변형률 센싱 장치는 상기 펄스 레이저로부터 생성된 광 펄스열 신호를 상기 제1 위상 검출기와 상기 RF 신호원을 포함하는 동기화 경로, 및 상기 변형률 센싱 헤드와 제2 위상 검출기를 포함하는 측정 경로로 나누어 가이드하는 커플러를 더 포함한다.
일실시예에서, 상기 변형률 센싱 헤드는 상기 측정 경로 상의 광섬유의 적어도 일부를 상기 측정 대상에 부착시키는 고정부를 포함한다.
일실시예에서, 상기 제1 위상 검출기는 상기 광 펄스열 및 상기 마이크로파 신호 간의 위상 오차를 출력하고, 출력되는 상기 위상 오차를 상기 RF 신호원에 제공하여 상기 마이크로파 신호를 상기 광 펄스열에 동기화한다.
일실시예에서, 상기 제2 위상 검출기는 상기 변형률 센싱 헤드에서 출력된 광 펄스열 및 상기 기준 신호 간의 위상 오차를 출력한다.
일실시예에서, 변형률 센싱 장치는 상기 제2 위상 검출기에서 출력된 위상 오차를 이용하여 상기 측정 대상의 변형률을 계산하는 계산부를 더 포함한다.
일실시예에서, 상기 RF 신호원은 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator)를 포함한다.
일실시예에서, 상기 제1 위상 검출기 및 상기 제2 위상 검출기 각각은, 위상 변조기(phase modulator) 및 사분파장 바이어스(quarter-wave bias)를 포함하는 광섬유 루프의 간섭 현상을 이용하여 광 펄스열 및 마이크로파 신호 간의 위상 오차를 전기 신호로 출력하는 광섬유 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기(fiber loop based optical-microwave phase detector; FLOM PD)를 포함한다.
다른 일측에 따르면, 변형률 센싱 장치는 광 펄스열을 생성하는 펄스 레이저, 상기 광 펄스열의 송신 경로를 형성하는 제1 단일 모드 광섬유 및 제1 분산 보상 광섬유를 포함하는 광 펄스열 송신부, 상기 광 펄스열의 제1 파장 성분 및 제2 파장 성분을 분리하여 가이드하고, 상기 제2 파장 성분의 진행 경로 상의 변형률 센싱 헤드를 이용하여 측정 대상의 변형에 따른 비행시간 변화를 상기 제2 파장 성분에 반영하는 변형률 센싱부, 상기 변형률 센싱부에서 출력된 광 펄스열의 수신 경로를 형성하는 제2 단일 모드 광섬유 및 제2 분산 보상 광섬유를 포함하는 광 펄스열 수신부, 및 마이크로파 신호를 생성하는 RF 신호원, 상기 마이크로파 신호를 상기 광 펄스열 수신부에 의해 수신된 광 펄스열의 제1 파장 성분에 동기화하여 상기 RF 신호원이 기준 신호를 생성하도록 하는 제1 위상 검출기, 및 상기 기준 신호를 이용하여 상기 제2 파장 성분의 상기 비행시간 변화를 측정하는 제2 위상 검출기를 포함하는 변형률 검출부를 포함한다.
일실시예에서, 변형률 센싱 장치는 상기 광 펄스열 송신부에서 출력된 신호를 상기 변형률 센싱부로 가이드하고, 상기 변형률 센싱부에서 출력된 신호를 상기 광 펄스열 수신부로 가이드하는 서큘레이터를 더 포함한다.
일실시예에서, 상기 변형률 검출부는, 상기 제1 파장 성분을 상기 제1 위상 검출기와 상기 RF 신호원을 포함하는 동기화 경로로 가이드하고 상기 제2 파장 성분을 상기 제2 위상 검출기를 포함하는 측정 경로로 가이드하는 파장 분할 다중화기를 포함한다.
일실시예에서, 상기 변형률 센싱 헤드는 상기 제2 파장 성분의 진행 경로 상의 광섬유의 적어도 일부를 상기 측정 대상에 부착시키는 고정부를 포함한다.
일실시예에서, 상기 제1 위상 검출기는 상기 제1 파장 성분 및 상기 마이크로파 신호 간의 위상 오차를 출력하고, 출력되는 상기 위상 오차를 상기 RF 신호원에 제공하여 상기 마이크로파 신호를 상기 제1 파장 성분에 동기화한다.
일실시예에서, 상기 제2 위상 검출기는 상기 제2 파장 성분 및 상기 기준 신호 간의 위상 오차를 출력한다.
일실시예에서, 변형률 센싱 장치는 상기 제2 위상 검출기에서 출력된 위상 오차를 이용하여 상기 측정 대상의 변형률을 계산하는 계산부를 더 포함한다.
일실시예에서, 상기 RF 신호원은 전압 제어 발진기를 포함한다.
일실시예에서, 상기 제1 위상 검출기 및 상기 제2 위상 검출기 각각은, 위상 변조기 및 사분파장 바이어스를 포함하는 광섬유 루프의 간섭 현상을 이용하여 광 펄스열 및 마이크로파 신호 간의 위상 오차를 전기 신호로 출력하는 광섬유 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기를 포함한다.
도 1은 일실시예에 따른 변형률 센싱 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 일실시예에 따른 변형률 센싱 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 3은 일실시예에 따른 광섬유 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기의 구조를 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 변형률 센싱 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 일실시예에 따른 변형률 센싱 헤드에서 인가된 변형률에 대한 변형률 측정 결과를 예시적으로 나타내는 그래프이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어” 있다거나 “직접 접속되어” 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 “~사이에”와 “바로 ~사이에” 또는 “~에 직접 이웃하는” 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일실시예에 따른 변형률 센싱 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 1의 변형률 센싱 장치는 펄스 레이저에서 생성된 광 펄스열의 비행시간 변화를 동기화된 RF 신호원에 대한 위상 오차의 형태로 검출하기 위한 장치이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 변형률 센싱 장치는 펄스 레이저(110), 커플러(120), 제1 위상 검출기(130), RF 신호원(140), 변형률 센싱 헤드(150), 제2 위상 검출기(160)를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 펄스 레이저(110)는 모드 잠금된 펨토초 레이저일 수 있다. 펨토초 레이저는 펨토초 스케일의 매우 짧은 광 펄스를 일정한 주기로 지속적으로 발생시키는 레이저이다. 자유 발진하는 모드 잠금된 레이저를 이용하기 때문에 별도의 주파수 표준 또는 별도의 안정화 단계를 필요로 하지 않아 비용 및 복잡도 측면에서 이점을 가진다.
일실시예에서, 커플러(120)는 펄스 레이저로부터 생성된 광 펄스열 신호를 동기화 경로 및 측정 경로로 나누어 가이드할 수 있다. 예를 들어, 동기화 경로는 제1 위상 검출기(130) 및 RF 신호원(140)을 포함하고, 측정 경로는 변형률 센싱 헤드(150) 및 제2 위상 검출기(160)를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 제1 위상 검출기(130)는 RF 신호원(140)이 비행시간 변화가 반영되지 않은 광 펄스열을 기반으로 비행시간 변화 측정의 기준이 되는 기준 신호를 생성할 수 있도록 펄스 레이저(110)에서 출력된 광 펄스열과 RF 신호원(140)에서 출력되는 마이크로파 신호를 동기화 시키는 역할을 수행한다.
구체적으로, 제1 위상 검출기(130)는 펄스 레이저(110)에서 출력된 광 펄스열과 RF 신호원(140)에서 출력되는 마이크로파 신호 간의 위상 오차를 전기 신호로 출력하고, 출력되는 위상 오차를 RF 신호원(140)에 피드백하여 마이크로파 신호를 광 펄스열에 동기화한다.
바람직한 실시예에서, 제1 위상 검출기(130)는 위상 변조기(phase modulator) 및 사분파장 바이어스(quarter-wave bias)를 포함하는 광섬유 루프의 간섭 현상을 이용하여 광 펄스열 및 마이크로파 신호 간의 위상 오차를 전기 신호로 출력하는 광섬유 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기(fiber loop based optical-microwave phase detector; FLOM PD)를 포함할 수 있다. 다만, 광 펄스열과 마이크로파 신호 간의 위상 오차를 측정할 수 있는 임의의 다른 방식이 대안적으로 또는 추가적으로 이용될 수 있다. 광섬유 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기의 구체적인 구조에 대하여는 아래에서 도 3을 참조하여 보다 자세하게 설명된다.
일실시예에서, RF 신호원(140)은 제1 위상 검출기(130)로부터 전기 신호를 제공받아 마이크로파 신호를 생성하는 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator; VCO)를 포함할 수 있다. RF 신호원(140)에서 출력되는 마이크로파 신호는 동기화를 위하여 제1 위상 검출기(130)에 제공되는 한편, 광 펄스열의 비행시간 변화를 측정하기 위한 기준 신호로서 제2 위상 검출기(130)에 제공될 수 있다.
일실시예에서, 변형률 센싱 헤드(150)는 측정 대상의 변형률을 캡처하는 구성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 변형률 센싱 헤드(150)는 측정 대상이 되는 구조물에 직접적으로 부착되어 변형률을 감지하는 광섬유 및 이를 구조물에 기계적으로 부착시키기 위한 고정부를 포함할 수 있다. 이 경우, 측정 대상이 변형됨에 따라 측정 경로 상의 광섬유도 함께 변형되므로 결과적으로 측정 대상의 변형률이 측정 경로 상을 진행하는 광 펄스열의 비행시간 변화를 유발하게 된다.
이와 같이, 일반적인 광섬유 자체가 센서의 일부로서 이용되므로, 센서 모듈 및 센서 헤드의 형태를 비교적 자유롭게 설계할 수 있다. 특히, 광섬유 브래그 격자 등의 특수 광섬유를 이용하는 기존 방식이 국소 부위에 제한적으로 적용 가능하던 것에 비하여, 제안되는 일반 광섬유 기반의 변형률 센싱 장치는 다양한 대상에 대한 다양한 형태의 센서 구성이 용이하다는 이점이 있다.
일실시예에서, 제2 위상 검출기(160)는 변형률 센싱 헤드(150)에서 출력된 광 펄스열 및 RF 신호원(140)에서 출력되는 기준 신호 간의 위상 오차를 전기 신호로 출력할 수 있다. 변형률 센싱 헤드(150)에서 출력된 광 펄스열은 측정 대상의 변형에 따라 비행시간 변화의 영향을 받은 신호이고, RF 신호원(140)에서 출력되는 기준 신호는 비행시간 변화의 영향을 받지 않은 마이크로파 신호이므로, 양자 간의 위상 오차를 검출하면 측정 대상의 변형으로 인한 비행시간 변화량을 식별할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 제2 위상 검출기(160)는 제1 위상 검출기(130)와 마찬가지로 광섬유 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기를 포함할 수 있다. 다만, 제안되는 실시예에서 제2 위상 검출기(160)는 반드시 광섬유 광섬유 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기를 포함하는 것으로 제한되지 않으며, 광 펄스열과 마이크로파 신호 간의 위상 오차를 측정할 수 있는 임의의 다른 방식이 대안적으로 또는 추가적으로 이용될 수 있다.
일실시예에서, 제2 위상 검출기(160)에서 출력된 위상 오차를 이용하여 측정 대상의 변형률을 계산하는 계산부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제2 위상 검출기(160)에서 출력되는 전기 신호는 위에서 설명된 바와 같이 측정 대상의 변형률에 관한 정보를 포함하고 있으므로, 출력된 위상 오차로부터 수학적인 방식으로 측정 대상의 변형률을 계산할 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 변형률 센싱 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 2의 변형률 센싱 장치는 펄스 레이저에서 생성된 광 펄스열의 비행시간 변화를 동기화된 RF 신호원에 대한 위상 오차의 형태로 검출하되, 파장 성분 분할을 통해 원거리 전송 시의 공통 잡음을 소거함으로써 변형률을 원격으로 측정할 수 있도록 구성된다.
일실시예에서, 원격 측정을 위한 변형률 센싱 장치는 펄스 레이저(210), 광 펄스열 송신부(221, 222), 서큘레이터(230), 변형률 센싱부(241, 242, 243, 244), 광 펄스열 수신부(251, 252), 및 변형률 검출부(260, 271, 272, 281, 282, 290)를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 서큘레이터(230) 및 변형률 센싱부(241, 242, 243, 244)는 측정 대상에 근접하여 배치되거나 설치될 수 있고, 펄스 레이저(210), 광 펄스열 송신부(221, 222), 광 펄스열 수신부(251, 252), 및 변형률 검출부(260, 271, 272, 281, 282, 290)는 원격지에 배치되거나 설치될 수 있다. 이러한 원격 측정을 위한 변형률 센싱 장치를 통해, 예를 들어 사람이 접근하기 어려운 지점에 센서 헤드를 부착하고 광섬유로 연결하여 변형률을 측정할 수 있다.
구체적으로, 광 펄스열 송신부는 펄스 레이저에서 생성된 광 펄스열의 원거리 송신 경로를 형성하는 단일 모드 광섬유(single mode fiber; SMF)(221) 및 분산 보상 광섬유(dispersion compensated fiber; DCF)(222)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 단일 모드 광섬유(221)의 길이만큼 떨어진 원격지에서의 변형률을 측정하기 위한 세팅 시 분산량의 보상을 위하여 송신 경로 상에 분산 보상 광섬유(222)를 구비할 수 있다.
일실시예에서, 서큘레이터(230)는 광 펄스열 송신부에서 출력된 신호를 변형률 센싱부로 가이드하고, 변형률 센싱부에서 출력된 신호를 광 펄스열 수신부로 가이드하는 역할을 수행할 수 있다. 서큘레이터(230)는 이와 동등한 기능을 수행하는 다른 유형의 장치로 대체될 수 있다.
일실시예에서, 변형률 센싱부는 파장 분할 다중화기(wavelength division multiplexer; WDM)(241), 패러데이 회전자 거울(242, 243) 및 변형률 센싱 헤드(244)를 포함할 수 있다. 변형률 센싱부는 광 펄스열 송신부에서 출력된 신호 복수의 파장 성분으로 나누어 일부의 파장 성분에만 변형률의 영향을 반영하도록 구성된다.
구체적으로, 변형률 센싱부의 파장 분할 다중화기(241)는 광 펄스열의 제1 파장 성분(λ1) 및 제2 파장 성분(λ2)을 분리하여 상이한 경로로 각각 가이드할 수 있다. 제1 파장 성분(λ1)이 진행하는 경로는 변형률의 영향이 없이 되돌아오도록 구성되지만, 제2 파장 성분(λ2)이 진행하는 경로에는 변형률 센싱 헤드(244)가 배치되어 측정 대상이 변형됨에 따라 제2 파장 성분(λ2)의 비행시간 변화를 유발하게 된다.
일실시예에서, 변형률 센싱 헤드(244)는 측정 대상의 변형률을 캡처하는 구성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 변형률 센싱 헤드(244)는 측정 대상이 되는 구조물에 직접적으로 부착되어 변형률을 감지하는 광섬유 및 이를 구조물에 기계적으로 부착시키기 위한 고정부를 포함할 수 있다.
이러한 방식으로, 변형률 센싱부는 기준 신호 생성을 위한 제1 파장 성분(λ1)과 변형률 측정을 위한 제2 파장 성분(λ2)을 파장 영역별로 구분하여 처리한 뒤 다시 써큘레이터를 통해 광 펄스열 수신부로 전달한다.
일실시예에서, 광 펄스열 수신부는 광 펄스열 송신부와 마찬가지로 단일 모드 광섬유(252) 및 분산 보상 광섬유(251)를 포함할 수 있다. 광 펄스열의 원거리 수신 경로를 형성하는 단일 모드 광섬유(252) 및 분산 보상 광섬유(251)를 거쳐 돌아온 광 펄스열은 변형률에 따른 비행시간 변화량 검출을 위하여 변형률 검출부로 전달된다.
일실시예에서, 변형률 검출부는 파장 분할 다중화기(260), 어븀 첨가 광섬유 증폭기(Erbium doped fiber amplifier; EDFA)(271, 272), 제1 위상 검출기(281) 및 제2 위상 검출기(282), 및 RF 신호원(290)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 변형률 검출부의 파장 분할 다중화기(260)는 광 펄스열의 제1 파장 성분(λ1) 및 제2 파장 성분(λ2)을 분리하여 상이한 경로로 각각 가이드할 수 있다. 제1 파장 성분(λ1)은 측정 대상의 변형의 영향을 받지 않은 신호인 반면에, 제2 파장 성분(λ2)은 측정 대상의 변형의 영향을 받은 신호이므로, 제1 파장 성분(λ1)을 이용하여 기준 신호를 생성하여 제2 파장 성분(λ2)과의 위상 오차를 측정하면 공통 잡음은 소거되고 측정 대상의 변형으로 인한 비행시간 변화량에 대한 정보를 얻을 수 있다.
일실시예에서, 어븀 첨가 광섬유 증폭기(271, 272)는 각 파장 성분에 대한 신호를 증폭시킨다. 파장 필터링 과정에서 출력이 약해질 수 있으므로, 어븀 첨가 광섬유 증폭기(271, 272)를 이용하여 각 파장 성분의 신호를 증폭시킬 수 있다.
일실시예에서, 제1 위상 검출기(281)는 RF 신호원(290)이 전송 경로 상의 공통 잡음을 포함하되 비행시간 변화가 반영되지 않은 광 펄스열의 제1 파장 성분(λ1)을 기반으로 기준 신호를 생성할 수 있도록 광 펄스열의 제1 파장 성분(λ1)과 RF 신호원(290)에서 출력되는 마이크로파 신호를 동기화 시키는 역할을 수행한다.
구체적으로, 제1 위상 검출기(281)는 광 펄스열의 제1 파장 성분(λ1)과 RF 신호원(290)에서 출력되는 마이크로파 신호 간의 위상 오차를 전기 신호로 출력하고, 출력되는 위상 오차를 RF 신호원(290)에 피드백하여 마이크로파 신호를 광 펄스열의 제1 파장 성분(λ1)에 동기화한다.
일실시예에서, RF 신호원(290)은 제1 위상 검출기(281)로부터 전기 신호를 제공받아 마이크로파 신호를 생성하는 전압 제어 발진기(VCO)를 포함할 수 있다. RF 신호원(290)에서 출력되는 마이크로파 신호는 동기화를 위하여 제1 위상 검출기(281)에 제공되는 한편, 광 펄스열의 제2 파장 성분(λ2)의 비행시간 변화를 측정하기 위한 기준 신호로서 제2 위상 검출기(282)에 제공될 수 있다.
일실시예에서, 제2 위상 검출기(282)는 광 펄스열의 제2 파장 성분(λ2) 및 RF 신호원(290)에서 출력되는 기준 신호 간의 위상 오차를 전기 신호로 출력할 수 있다. 광 펄스열의 제2 파장 성분(λ2)은 측정 대상의 변형에 따라 비행시간 변화의 영향을 받은 신호이고, RF 신호원(290)에서 출력되는 기준 신호는 비행시간 변화의 영향을 받지 않은 마이크로파 신호이므로, 양자 간의 위상 오차를 검출하면 측정 대상의 변형으로 인한 비행시간 변화량을 식별할 수 있다.
일실시예에서, 제2 위상 검출기(282)에서 출력된 위상 오차를 이용하여 측정 대상의 변형률을 계산하는 계산부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제2 위상 검출기(282)에서 출력되는 전기 신호는 위에서 설명된 바와 같이 측정 대상의 변형률에 관한 정보를 포함하고 있으므로, 출력된 위상 오차로부터 수학적인 방식으로 측정 대상의 변형률을 계산할 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른 광섬유 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기의 구조를 예시적으로 설명하기 위한 도면이다. 예를 들어, 도 1 및 도 2의 위상 검출기는 도 4에 도시된 광섬유 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기(300)를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 위상 검출기(300)는 서큘레이터(310), 커플러(320), 위상 변조기(330), 비가역 사분파장 바이어스(340), 균형 광 검출기(350)를 포함할 수 있다.
서큘레이터(310)는 레이저를 통해 입력되는 광 펄스 열을 순환시키는 역할을 수행한다. 여기서, 서큘레이터로(310)로 입력되는 광 펄스는 모드 잠금된(mode-locked) 레이저로부터 발생될 수 있다. 상기 광 펄스의 편광 상태는 편광 제어기에 의해 편광자의 출력 부분에 구비되는 편광 유지 광섬유의 광축에 맞도록 조절될 수 있다.
커플러(320)는 서큘레이터(310)를 통해 입력된 광 펄스열의 파워를 반으로 나누어 제1 광 펄스열 및 제2 광 펄스열을 생성한다. 커플러(310)를 통과한 제1 광 펄스열 및 제2 광 펄스열은 각각 루프의 반대방향으로 진행되며, 제1 광 펄스열 및 제2 광 펄스열이 루프를 순환하여 커플러에서 다시 합쳐질 때 발생하는 간섭 현상을 이용하여 위상 차이에 대한 정보를 광 세기 차이에 대한 정보로 변환한다.
루프는 도 3에 도시된 바와 같이 커플러(310), 위상 변조기(330) 및 비가역 사분파장 바이어스(340)를 포함하는 사냑 루프 간섭계일 수 있다. 이 경우, 위상 변조기(330)는 광 펄스열과 RF/마이크로파를 입력 받아 RF/마이크로파의 전압에 비례하여 제1 광 펄스열의 위상을 변조한다. 비가역 사분파장 바이어스(340)는 제1 광 펄스열의 위상을 사분파장만큼 변화시키고 제2 광 펄스열의 위상은 그대로 유지시킬 수 있다.
균형 광 검출기(350)는 광 세기 차이에 대한 정보를 전기 신호로 변환함으로써 광 펄스열과 RF 신호원 간의 타이밍 오차에 해당하는 전기 신호를 검출한다.
이러한 구조의 광섬유 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기(300)를 이용하는 경우 기존의 직접 광 검출법에 따른 위상차 측정 측정 방식에 비하여 저주파 성능이 훨씬 우수하고, 기존의 균형 광-마이크로파 위상 검출 방식이 특정한 입력 주파수에서만 사용이 가능하던 것과 달리 임의의 주파수에 대하여 사용이 가능하다는 장점이 있다.
도 4는 일실시예에 따른 변형률 센싱 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 4의 변형률 센싱 방법은 예를 들어 도 1 또는 도 2를 참조하여 설명된 변형률 센싱 장치를 이용하는 방법에 해당할 수 있다.
단계(410)에서, RF 신호원의 마이크로파 신호를 펄스 레이저의 광 펄스열에 동기화시킬 수 있다. 예를 들어, 도 1을 참조하여 위에서 설명된 것처럼 제1 위상 검출기가 펄스 레이저에서 출력된 광 펄스열과 RF 신호원에서 출력되는 마이크로파 신호 간의 위상 오차를 전기 신호로 출력하고, 출력되는 위상 오차를 RF 신호원에 피드백하여 마이크로파 신호를 광 펄스열에 동기화할 수 있다.
단계(420)에서, 동기화된 마이크로파 신호를 기준으로서 이용하여 광섬유의 변형에 따른 광 펄스열의 비행시간 변화를 측정할 수 있다. 이와 같이 동기화된 마이크로파 신호를 기준 신로로 삼기 위하여, 측정 대상의 변형율이 광 펄스열의 비행시간에 반영되도록 하는 변형률 센싱 헤드는 마이크로파 신호가 동기화되는 경로와는 별개의 경로에 배치될 수 있다.
도 2를 참조하여 설명된 원격 측정 방식의 경우에는 광 펄스열의 파장 영역을 분할하여 예를 들어 제1 파장 성분이 동기화 및 기준 신호의 생성에 이용되고, 측정 대상의 변형율이 광 펄스열의 제2 파장 성분의 비행시간에 반영되도록 할 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 변형률 센싱 헤드에서 인가된 변형률에 대한 변형률 측정 결과를 예시적으로 나타내는 그래프이다. 도시된 예와 같은 측정 결과는 변형률 센싱 장치의 성능을 검증하기 위하여 예를 들어 원통형 압전 소자(piezoelectric transducer)의 둘레에 광섬유를 감아서 전압을 변화시켜 가면서 변형률을 측정한 결과일 수 있다.
압전 소자는 전압에 따라 크기가 달라지기 때문에 전압에 따른 크기 변화를 이용하여 변형률을 인가할 수 있으며, 이러한 과정을 통해 측정된 결과는 변형률 센싱 장치의 캘리브레이션에 이용될 수 있다.
제안되는 변형률 센싱 장치 및 방법은 별도의 주파수 안정화 단계나 신호 처리 알고리즘을 필요로 하지 않기 때문에 적은 비용으로도 복잡도가 낮고 안정적인 시스템을 구축할 수 있다. 광섬유의 길이 변형에 따른 광 펄스열의 비행시간 변화를 측정하기 때문에 특수 광섬유가 없이도 센서의 구현이 가능하며, 변형률 검출의 분해능이 우수하고 특히 정적 및 동적 변형률을 넓은 범위에서 동시에 측정할 수 있다.
또한, 광섬유 자체를 센서로서 이용하기 때문에 측정 대상의 규모와 형태, 환경 조건의 설정이 기존 측정 방식에 비해 매우 자유롭다. 거대한 구조물의 평균적인 변형률 측정에 있어서도 유리한 측면이 있으며, 시간 영역에서는 가청 주파수보다 짧은 영역인 초저주파수(infrasonic) 대역까지 측정이 가능하기 때문에 대기 순환 규모의 장시간 유동(drift)도 검출할 수 있다. 또한, 파장 분할을 통하여 하나의 신호원으로부터 여러 지점의 측정이 가능하고 수 km 단위 거리의 정밀한 원격 측정이 가능하다는 이점이 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (15)

  1. 광 펄스열을 생성하는 펄스 레이저;
    마이크로파 신호를 생성하는 RF 신호원;
    상기 마이크로파 신호를 상기 광 펄스열에 동기화하여 상기 RF 신호원이 기준 신호를 생성하도록 하는 제1 위상 검출기;
    측정 대상의 변형에 따라 상기 광 펄스열의 비행시간 변화를 유발하는 변형률 센싱 헤드(sensing head); 및
    상기 기준 신호를 이용하여 상기 변형률 센싱 헤드에서 출력된 광 펄스열의 상기 비행시간 변화를 측정하는 제2 위상 검출기
    를 포함하는, 변형률 센싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 레이저로부터 생성된 광 펄스열 신호를 상기 제1 위상 검출기와 상기 RF 신호원을 포함하는 동기화 경로, 및 상기 변형률 센싱 헤드와 제2 위상 검출기를 포함하는 측정 경로로 나누어 가이드하는 커플러
    를 더 포함하는, 변형률 센싱 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 변형률 센싱 헤드는 상기 측정 경로 상의 광섬유의 적어도 일부를 상기 측정 대상에 부착시키는 고정부를 포함하는,
    변형률 센싱 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 위상 검출기는 상기 광 펄스열 및 상기 마이크로파 신호 간의 위상 오차를 출력하고, 출력되는 상기 위상 오차를 상기 RF 신호원에 제공하여 상기 마이크로파 신호를 상기 광 펄스열에 동기화하는,
    변형률 센싱 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 위상 검출기는 상기 변형률 센싱 헤드에서 출력된 광 펄스열 및 상기 기준 신호 간의 위상 오차를 출력하는,
    변형률 센싱 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 위상 검출기에서 출력된 위상 오차를 이용하여 상기 측정 대상의 변형률을 계산하는 계산부
    를 더 포함하는, 변형률 센싱 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 위상 검출기 및 상기 제2 위상 검출기 각각은,
    위상 변조기(phase modulator) 및 사분파장 바이어스(quarter-wave bias)를 포함하는 광섬유 루프의 간섭 현상을 이용하여 광 펄스열 및 마이크로파 신호 간의 위상 오차를 전기 신호로 출력하는 광섬유 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기(fiber loop based optical-microwave phase detector; FLOM PD)를 포함하는,
    변형률 센싱 장치.
  8. 광 펄스열을 생성하는 펄스 레이저;
    상기 광 펄스열의 송신 경로를 형성하는 제1 단일 모드 광섬유 및 제1 분산 보상 광섬유를 포함하는 광 펄스열 송신부;
    상기 광 펄스열의 제1 파장 성분 및 제2 파장 성분을 분리하여 가이드하고, 상기 제2 파장 성분의 진행 경로 상의 변형률 센싱 헤드를 이용하여 측정 대상의 변형에 따른 비행시간 변화를 상기 제2 파장 성분에 반영하는 변형률 센싱부;
    상기 변형률 센싱부에서 출력된 광 펄스열의 수신 경로를 형성하는 제2 단일 모드 광섬유 및 제2 분산 보상 광섬유를 포함하는 광 펄스열 수신부; 및
    마이크로파 신호를 생성하는 RF 신호원, 상기 마이크로파 신호를 상기 광 펄스열 수신부에 의해 수신된 광 펄스열의 제1 파장 성분에 동기화하여 상기 RF 신호원이 기준 신호를 생성하도록 하는 제1 위상 검출기, 및 상기 기준 신호를 이용하여 상기 제2 파장 성분의 상기 비행시간 변화를 측정하는 제2 위상 검출기를 포함하는 변형률 검출부
    를 포함하는, 변형률 센싱 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광 펄스열 송신부에서 출력된 신호를 상기 변형률 센싱부로 가이드하고, 상기 변형률 센싱부에서 출력된 신호를 상기 광 펄스열 수신부로 가이드하는 서큘레이터
    를 더 포함하는, 변형률 센싱 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 변형률 검출부는, 상기 제1 파장 성분을 상기 제1 위상 검출기와 상기 RF 신호원을 포함하는 동기화 경로로 가이드하고 상기 제2 파장 성분을 상기 제2 위상 검출기를 포함하는 측정 경로로 가이드하는 파장 분할 다중화기를 포함하는,
    변형률 센싱 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 변형률 센싱 헤드는 상기 제2 파장 성분의 진행 경로 상의 광섬유의 적어도 일부를 상기 측정 대상에 부착시키는 고정부를 포함하는,
    변형률 센싱 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제1 위상 검출기는 상기 제1 파장 성분 및 상기 마이크로파 신호 간의 위상 오차를 출력하고, 출력되는 상기 위상 오차를 상기 RF 신호원에 제공하여 상기 마이크로파 신호를 상기 제1 파장 성분에 동기화하는,
    변형률 센싱 장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제2 위상 검출기는 상기 제2 파장 성분 및 상기 기준 신호 간의 위상 오차를 출력하는,
    변형률 센싱 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 위상 검출기에서 출력된 위상 오차를 이용하여 상기 측정 대상의 변형률을 계산하는 계산부
    를 더 포함하는, 변형률 센싱 장치.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 제1 위상 검출기 및 상기 제2 위상 검출기 각각은,
    위상 변조기 및 사분파장 바이어스를 포함하는 광섬유 루프의 간섭 현상을 이용하여 광 펄스열 및 마이크로파 신호 간의 위상 오차를 전기 신호로 출력하는 광섬유 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기를 포함하는,
    변형률 센싱 장치.

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