KR102048459B1 - 이벤트 고속 검출 및 정밀 측정이 가능한 이중 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템 및 브릴루앙 산란을 사용한 센싱 방법 - Google Patents

이벤트 고속 검출 및 정밀 측정이 가능한 이중 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템 및 브릴루앙 산란을 사용한 센싱 방법 Download PDF

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류국빈
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Abstract

실시예들은 펄스 형태의 게이팅 신호로 변조된 펌프 광신호와 연속광 형태의 프로브 광신호를 사용하여 시험 광섬유에 위치하는 복수 개의 상관점을 동시에 측정하여 이벤트가 발생한 이벤트 영역을 빠르게 검출한 뒤, 펄스 형태의 게이팅 신호로 변조된 프로브 광신호 및 펌프 광신호를 사용하여 해당 이벤트 영역을 정밀하게 측정하는 이중 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템 및 브릴루앙 산란을 사용한 센싱 방법에 관한 것이다.

Description

이벤트 고속 검출 및 정밀 측정이 가능한 이중 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템 및 브릴루앙 산란을 사용한 센싱 방법{DUAL BRILLOUIN DISTRIBUTED OPTICAL FIBER SENSOR AND SENSING METHOD USING BRILLOUIN SCATTERING WHICH ALLOW HIGH-SPEED EVENT DETECTION AND PRECISE MEASUREMENT}
실시예들은 이벤트 고속 감지 및 정밀 측정이 가능한 이중 센싱 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템(dual sensing Brillouin distributed optical fiber sensing system) 및 브릴루앙 산란을 사용한 센싱 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광범위한 영역에서는 이상이 발생한 이벤트 영역을 고속으로 검출하고 검출된 이벤트 영역 내에 위치하는 이벤트 지점을 정밀하게 측정하는 이중 센싱이 가능한 기술에 관한 것이다.
광섬유 내에서 일어나는 브릴루앙 산란(Brillouin scattering)에 의해 발생하는 브릴루앙 주파수 천이는 광섬유가 겪는 온도와 응력(strain)에 따라 선형적으로 변하는 특성을 갖고 있어, 브릴루앙 주파수 천이량을 측정하여 그 지점의 물리 변화를 알 수 있다. 이러한 브릴루앙 산란을 사용한 분포형 센서는 시간영역, 주파수영역, 또는 상관영역 등 다양한 방식이 있다.
그 중 공간선택적 브릴루앙 광상관 영역 분석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis; BOCDA) 방식의 센서는, 펌프(pump)광과 프로브(probe)광의 주파수 차이가 일정한 지점으로서 주기적으로 나타나는 상관점(CP; correlation point)을 측정점으로 사용함으로써 높은 공간 분해능과 임의의 센싱 지점 선택성 등을 가지는 장점이 있어 매우 유용하다.
그렇지만 BOCDA 방식의 분포형 센서는 높은 공간 분해능으로 넓은 측정 범위(예를 들어, 1.5km)를 측정하는 경우 해당 범위를 측정하는데 많은 시간이 걸리는 한계가 있다.
특허등록공보 제10-1358942호
본 발명의 일 측면에 따르면, 브릴루앙 광상관 영역 분석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis; BOCDA) 방식을 사용하여 광범위한 영역에서는 이상 지점을 고속으로 감지하고 감지된 이상 지점을 정밀하게 측정하는 이중 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템(dual Brillouin distributed optical fiber sensing system) 및 브릴루앙 산란을 사용한 센싱 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 이중 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템은 시험 광섬유; 변조 주파수를 갖는 변조 신호에 의해 변조된 레이저 광을 생성하는 광원부; 상기 레이저 광을 사용하여 펌프 광신호 및 프로브 광신호를 생성하고, 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호를 서로 상이한 방향으로부터 상기 시험 광섬유에 인가하도록 구성된 광변조부 - 상기 펌프 광신호는 펄스 형태의 게이팅 신호를 사용하여 시간 게이팅(temporal gating)됨; 상기 시험 광섬유에 위치하는 상관점에서 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호에 의해 생성되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 광검출부; 및 상기 검출된 브릴루앙 산란광에 기초하여 상기 시험 광섬유에서 이벤트가 발생했는지를 판단하고, 이벤트가 발생한 경우 이벤트가 발생한 지점을 포함한 이벤트 영역을 설정하는 제어부를 포함할 수 있다. 여기서, 광변조부는 이벤트 영역이 설정되지 않은 경우 상기 레이저 광의 주파수를 미리 결정된 오프셋 주파수만큼 이동시켜 프로브 광신호를 생성하고 이벤트 영역이 설정된 경우 게이팅 신호를 더 사용하여 시간 게이팅(temporal gating)된 프로브 광신호를 생성하도록 구성된다.
일 실시예에서, 상기 광변조부는 상기 레이저 광의 주파수를 미리 결정된 오프셋 주파수만큼 다르게 하는 제1 변조기; 상기 이벤트 영역이 설정되지 않은 경우 일정한 신호(constant signal)를 발생시키고, 상기 이벤트 영역이 설정된 경우 펄스 형태의 게이팅 신호를 발생시키는 제1 파형 발생기; 및 상기 제1 파형 발생기로부터 발생된 신호를 사용하여 제1 광신호를 생성하도록 구성된 제2 변조기를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 파형 발생기는 상기 레이저 광의 변조 주파수의 역수와 동일한 시간 폭을 가진 펄스 형태의 게이팅 신호를 발생시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광변조부는 펄스 형태의 게이팅 신호를 발생시키는 제2 파형 발생기; 및 상기 제2 파형 발생기의 게이팅 신호를 사용하여 펌프 광을 생성하도록 구성된 제3 변조기를 포함할 수 있다. 여기서, 제2 파형 발생기는 게이팅 신호의 위상을 변이(shift)시킬 수 있다.
일 실시예에서, 제어부는 상기 브릴루앙 산란광에 대한 신호를 얻는 데이터 수집부; 및 상기 브릴루앙 산란광에 대한 신호를 사용하여 브릴루앙 이득 및 브릴루앙 주파수를 산출하고, 상기 브릴루앙 주파수에 기초하여 이벤트가 발생했는지를 판단하며, 상기 이벤트가 발생한 위치를 이벤트 영역으로 설정하는 데이터 처리부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 데이터 처리부는 상기 이벤트 영역이 설정되지 않은 경우에는 상기 광 경로 상의 복수 개의 상관점 각각에서의 브릴루앙 이득을 산출하고 상기 이벤트 영역이 설정된 경우에는 상기 이벤트 영역 상에 위치하는 하나의 상관점에서의 브릴루앙 이득을 산출하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 데이터 처리부는 상기 시험 광섬유의 일 위치에서 상기 브릴루앙 주파수의 변화가 소정 범위 이상인 경우 상기 일 위치에서 이벤트가 발생했다고 판단할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 변조 주파수는 상기 이벤트 영역이 설정되지 않은 경우에는 제1 공간 분해능을 설정하기 위한 제1 변조 주파수 변화량을 가지고, 상기 이벤트 영역이 설정된 경우에는 제2 공간 분해능을 설정하기 위한 제2 변조 주파수 변화량을 가진다. 여기서, 제1 공간 분해능은 제2 공간 분해능에 비해 낮다.
일 실시예예서, 상기 이벤트 영역은 상기 제1 공간 분해능에 기초하여 상기 제어부에 의해 설정될 수 있다.
일 실시예에서, 이중 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템은 동일한 상관점에서 발생하는 하나 이상의 브릴루앙 산란광에 대한 평균 신호를 검출하기 위한 위상잠금 증폭기(lock-in amplifier)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 위상잠금 증폭기는 상기 이벤트 영역이 설정된 경우에만 동작하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 브릴루앙 산란을 사용한 센싱 방법은 제1 변조 신호에 의해 변조된 제1 레이저 광을 생성하는 단계; 펌프 광신호 및 상기 펌프 광신호의 주파수와 상이한 제1 프로브 광신호를 상기 제1 레이저 광으로부터 생성하는 단계 - 상기 펌프 광신호는 펄스 형태의 게이팅 신호로 변조되어 생성됨; 상기 펌프 광신호 및 프로브 광신호를 상이한 방향으로 시험 광섬유에 인가하는 단계; 상기 시험 광섬유에서 생성되는 제1 브릴루앙 산란광을 검출하여 상기 시험 광섬유에서의 제1 브릴루앙 주파수를 산출하는 단계; 상기 제1 브릴루앙 주파수에 기초하여 이벤트 발생을 판단하고, 이벤트 발생 위치를 포함한 이벤트 영역을 설정하는 단계; 제2 변조 신호에 의해 변조된 제2 레이저 광신호를 생성하는 단계; 펄스 형태의 게이팅 신호를 사용하여 시간 게이팅(temporal gating)된 제2 프로브 광신호를 생성하는 단계; 상기 제2 프로브 광신호 및 펌프 광신호를 상이한 방향으로 시험 광섬유에 인가하는 단계; 및 상기 이벤트 영역에 위치하는 상관점에서 발생하는 제2 브릴루앙 산란광에 기초하여 상기 이벤트 영역에서의 제2 브릴루앙 주파수를 산출하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 변조 신호는 제1 공간 분해능을 설정하기 위한 제1 변조 주파수 변화량을 가지며, 상기 제2 변조 신호는 상기 제1 공간 분해능보다 높은 제2 공간 분해능을 설정하기 위한 제2 변조 주파수 변화량을 가진다.
일 실시예에서, 상기 시험 광섬유에서 생성되는 제1 브릴루앙 산란광을 검출하여 상기 시험 광섬유에서의 제1 브릴루앙 주파수를 산출하는 단계는 상기 시험 광섬유에 위치하는 복수 개의 상관점에서 발생하는 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계; 상기 복수 개의 상관점에 대한 브릴루앙 산란광을 사용하여 상기 복수 개의 상관점 각각에서의 브릴루앙 이득을 산출하는 단계; 및 상기 제1 브릴루앙 이득에 기초하여 복수 개의 상관점 각각에 대한 브릴루앙 주파수를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 시험 광섬유에서의 제1 브릴루앙 주파수를 산출하는 단계는 상기 제1 변조 주파수를 제어하여 복수 개의 상관점 각각에 대한 브릴루앙 주파수를 부분 분포형으로 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 브릴루앙 이득에 기초하여 이벤트 영역을 설정하는 단계는 상기 브릴루앙 주파수가 소정 범위 이상 변화한 상관점을 검출하는 단계; 및 상기 상관점의 위치에 기초하여 이벤트 영역을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 프로브 광신호를 생성하는 단계 이후에 상기 이벤트 영역에 하나의 상관점이 위치하도록 상기 펌프 광신호와 상기 제2 프로브 광신호의 위상차를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이벤트 영역에 위치하는 상관점에서 발생하는 제2 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계는 상기 하나의 상관점에서 발생하는 하나 이상의 브릴루앙 산란광에 대한 평균 신호를 검출할 수 있다.
일 실시예에서, 브릴루앙 산란을 사용한 센싱 방법은 제2 변조 주파수를 제어하여 상기 이벤트 영역에 위치하는 하나의 상관점에 대한 브릴루앙 주파수를 부분 분포형으로 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 이중 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템에 의하면, 측정 범위 내에 위치하는 하나 이상의 상관점을 동시에 측정점으로 사용하여 넓은 범위(예컨대, 측정 가능 범위 전부)를 낮은 분해능을 통해 주변 환경의 변화를 고속으로 검출한 뒤, 주변 환경 변화가 이상이 의심될 정도로 검출되는 경우 (즉, 이벤트가 발생한 경우) 변화가 검출된 특정 부분(이벤트 영역)을 높은 분해능을 통해 정밀하게 측정할 수 있다.
이와 같이 측정 범위에 따라 분해능을 서로 다르게 함으로써, 광 섬유 주변의 온도, 응력 등의 주변 환경 변화를 신속하고 정확하게 검출할 수 있다.
또한, 정밀 측정 과정에서 위상잠금 증폭기를 사용하여 동일한 상관점에서 발생하는 하나 이상의 브릴루앙 산란광에 대한 평균 신호를 검출할 수 있어, 잡음이 최소화된 브릴루앙 산란광을 검출할 수 있다. 또한, 펌프 광신호가 온오프 될 때의 브릴루앙 이득 차이를 바로 산출하여 정확한 브릴루앙 주파수를 빠르게 산출할 수 있다.
본 발명 또는 종래 기술의 실시예의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위해, 실시예에 대한 설명에서 필요한 도면이 아래에서 간단히 소개된다. 하나 이상의 도면에서 도시된 유사한 요소를 식별하기 위해 동일한 참조 번호가 사용된다. 아래의 도면들은 본 명세서의 실시예를 설명하기 목적일 뿐 한정의 목적이 아니라는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 설명의 명료성을 위해 아래의 도면들에서 과장, 생략 등 다양한 변형이 적용된 일부 요소들이 도시될 수 있다.
도 1a-1b는, 일 실시예에 따른, 종래의 브릴루앙 광상관 영역 분석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis; BOCDA) 방식의 원리 및 이를 사용한 센싱 시스템의 개념도이다.
도 2는, 일 실시예에 따른, 이중 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템의 개념도이다.
도 3은, 일 실시예에 따른, 연속광 형태의 프로브 광신호와 펄스 형태의 게이팅 신호로 변조된 펌프 광신호의 상호 작용으로 인한 프로브 광신호의 증폭 과정을 설명하는 개념도이다.
도 4는, 일 실시예에 따른, 펄스 형태의 게이팅 신호로 변조된 펌프 광신호 및 프로브 광신호 간의 상호 작용으로 인한 프로브 광신호의 증폭 과정을 설명하는 개념도이다.
도 5는, 일 실시예에 따른, 브릴루앙 산란을 사용한 센싱 방법의 흐름도이다.
도6은, 일 실시에에 따른, 연속광 형태의 프로브 광신호와 펄스 형태의 게이팅 신호로 변조된 펌프 광신호를 사용하여 브릴루앙 이득을 산출하는 범위를 도시한 도면이다.
도 7은 일 실시에에 따른, 펄스 형태의 게이팅 신호로 변조된 펌프 광신호 및 프로브 광신호를 사용하여 브릴루앙 이득을 산출하는 범위를 도시한 도면이다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 확정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것이지, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 발명 및 첨부 된 특허청구의 범위에서 사용되는 단수 표현은 아래위 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현도 포함하는 것을 의도한다. 또한 본 발명에서 사용한 “및/또는”이라는 용어에 대해서는 하나 또는 복수의 관련되는 열거한 항목들의 임의 또는 모든 가능한 조합들을 포함하는 것으로 이해 하여야 한다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1a-1b는, 일 실시예에 따른, 종래의 브릴루앙 광상관 영역 분석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis; BOCDA) 방식의 원리 및 이를 사용한 센싱 시스템의 개념도이다.
도 1a를 참조하면, 브릴루앙 광학적 공간영역 해석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis) 방식의 분포형 광섬유 센싱 시스템(distributed optical fiber sensing system)에서는, 시험 광섬유 내에서 서로 반대 방향으로 진행하는 펌프(pump)광 및 프로브(probe)광의 주파수 차이가 광섬유 고유의 브릴루앙 천이 주파수와 일치하거나 이에 근접하게 되면, 광섬유의 전 구간에 걸쳐 유도 브릴루앙 산란 증폭이 일어나 프로브 광의 세기가 증폭된다.
이때, 펌프 광과 프로브 광의 주파수가 공간적으로 사인(sin) 파형을 갖도록 광신호를 변조함으로써, 시험 광섬유 내의 특정 위치에서만 선택적으로 브릴루앙 산란 신호를 얻을 수 있다. 구체적으로는, 광섬유 내의 특정 위치에서는 펌프 광의 주파수와 프로브 광의 주파수의 차이가 시간이 지나더라도 일정하며, 이를 상관점이라고 지칭한다. 펌프 광과 프로브 광의 주파수 차이가 일정한 상관점은 펌프 광 및 프로브 광의 변조 주파수의 반주기마다 나타나며, 펌프 광과 프로브 광의 주파수 차이가 광섬유 고유의 브릴루앙 천이 주파수와 일치하도록 하면 상관점에서 유도 브릴루앙 산란이 발생하여 산란광을 얻을 수 있게 된다. 유도 브릴루앙 산란은 산란광의 스펙트럼에서 브릴루앙 이득을 가진 피크(peak)의 형태로 나타난다.
도 1b 에 도시된 측정 범위(R)는 펌프 광과 프로브 광을 생성하기 위한 레이저 광의 변조 주파수에 기초하여 결정될 수 있다. 펌프 광과 프로브 광 사이의 오프셋(offset) 주파수를 변화시키면서 브릴루앙 이득 스펙트럼을 측정할 수 있다. 펌프 광 및 프로브 광이 인가될 시험 광섬유의 브릴루앙 천이 주파수는 외부에서 작용하는 온도 또는 응력 등 물리적인 특성에 의존하므로, 브릴루앙 이득 스펙트럼이 최대값을 갖는 주파수를 사용하여 시험 광섬유의 물리적인 특성 변화를 측정할 수 있다.
반면 본 발명의 실시예들에 의하면, 펌프 광 및/또는 프로브 광을 연속광이 아닌 펄스 형태로 변조한다. 예를 들어, 펌프 광만을 펄스 형태로 변조하는 경우, 반대 방향으로 진행하는 펌프 광과의 상호작용으로 증폭된 프로브 광을 시간 구간 별로 분절하여 시간 영역에서 신호를 처리할수 있다. 이로 인해 BOCDA 시스템에서 측정 범위 내에 다수의 상관점이 위치하더라도 측정 범위 내에 위치하는 복수 개, 예컨대 N개의 상관점을 동시에 사용할 수 있어, 보다 넓은 측정 범위를 빠르게 측정할 수 있다. 이어서, 펌프 광과 프로브 광 모두를 펄스 형태로 변조하는 경우, 전술한 측정 범위 보다 좁은 측정 범위 내에 하나의 상관점을 사용할 수 있어, 좁은 측정 범위를 정밀하게 측정할 수 있다.
도 2는, 일 실시예에 따른, 이중 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템의 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 이중 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템은 광원부(10), 광변조부(20), 시험 광섬유(30), 광검출부(50) 및 제어부(70)를 포함할 수 있다. 시험 광섬유(30)는 광경로 상에서 브릴루앙 산란을 사용하여 물리량의 변화를 측정하고자 하는 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 대상에 대한 물리량 변화를 측정하고자 하는 경우, 시험 광섬유(30)는 대상에 부착될 수 있다.
광원부(10)는 분포형 광섬유 센싱 시스템의 동작에 사용될 광을 공급하기 위한 장치이다. 일 실시예에서, 광원부(10)는 분포형 궤환 레이저 다이오드(Distrubuted Feed-Back Laser Diode; DFB LD)(110) 및 파형 발생기(120)를 포함할 수 있다. 파형 발생기(120)를 사용하여 DFB LD(110)에 대한 공급 전류를 변조함으로써, 소정의 주파수를 갖는 정현파 형태로 변조된 레이저 광을 얻을 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 광원부(10)는 다른 상이한 방식의 레이저 발생 장치를 포함하여 구성될 수도 있다.
이중 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템의 공간 분해능은 파형 발생기(120)에 의해 변조되는 실제 주파수 변화량(Δf)에 따라 결정된다. 변조 주파수 변화량(Δf)이 클 수록, 높은 공간 분해능을 얻을 수 있다.
광변조부(20)는, 광원부(10)로부터 변조된 레이저 광을 인가받고, 이로부터 펌프 광신호 및 프로브 광신호를 생성하여 시험 광섬유(30)의 양단에 인가하도록 구성된다. 이때, 광변조부(20)에서는, 다수의 상관점에서 각각 일어나는 브릴루앙 산란에 의한 프로브 증폭을 개별적으로 분석하기 위해서, 펄스 형태의 게이팅 신호를 사용하여 시간 게이팅(temporal gating)된 펌프 광신호를 생성한다. 여기서, 게이팅 신호는 레이저 광의 변조 주파수에 기초하여 결정되는 시간 폭을 가진다. 일 실시예에서, 펌프 광신호의 펄스의 시간 폭은 레이저 광의 변조를 위한 것으로 변조 주파수(fm)를 갖는 변조 신호의 한 주기, 즉, 1/ fm 이다. 한편, 프로브 광신호는 연속된 신호의 형태 또는 펌프 광신호와 같은 시간 게이팅된 형태일 수 있다.
일 실시예에서, 광변조부(20)는 광분배기(210), 제1 변조기(220), 제2 변조기(230) 및 제3 변조기(235)를 포함한다. 광분배기(210)는 광원부(10)로부터 변조된 레이저 광을 수신하고, 수신된 레이저 광을 복수 개로 분기할 수 있다. 예컨대, 광분배기(210)는, 광원부(10)로부터 인가된 레이저 광을, 프로브 광신호를 생성하기 위한 제1 출력광 및 펌프 광신호를 생성하기 위한 제2 출력광으로 분기할 수 있다. 일 실시예에서, 광분배기(210)는 50:50 광분배기일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 변조기(220)는 광분배기(210)와 시험 광섬유(30)의 한쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결되며, 광분배기(210)의 제1 출력광을 사용하여 측대역(sideband) 신호를 포함하는 프로브 광신호를 생성한다. 즉, 제1 변조기(220)는 레이저 광의 주파수를 소정의 오프셋(offset) 주파수만큼 이동시킨 광신호를 생성한다. 예를 들어, 제1 변조기(220)는 주파수(ν0)를 갖는 제1 출력광을 수신한 후, 오프셋 주파수(νB)만큼 주파수가 천이된 주파수(ν0-νB)의 측대역 신호를 포함한 광신호를 생성하는 단측파대 변조기(Single Side Band Modulator; SSBM)일 수 있다.
제2 변조기(230)는 제1 변조기(220)와 시험 광섬유(30)의 한쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결되며, 천이된 주파수(v0-vB)를 포함한 광신호를 게이팅 신호에 따라 변조함으로써 프로브 광신호를 생성한다. 예를 들어, 제2 변조기(230)는 반도체 광 증폭기(Semiconductor Optical Amplifier; SOA)일 수 있다.
광변조부(20)는 게이팅 신호를 제2 변조기(230)에 공급하는 제1 파형 발생기(240)를 더 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 제1 파형 발생기(240)는 측정하고자 하는 범위에 따라 상이한 형태의 게이팅 신호를 공급할 수 있으며, 도 3 및 도 4를 참조하여 보다 상세하게 서술된다.
한편, 제3 변조기(235)는 광분배기(210)와 시험 광섬유(30)의 다른쪽 끝단 사이에 연결되며, 광분배기(220)의 제2 출력광을 펄스 형태의 게이팅 신호로 변조함으로써 시간 게이팅(temporal gating)된 펌프 광신호를 생성한다. 예를 들어, 제3 변조기(235)는 반도체 광 증폭기(Semiconductor Optical Amplifier; SOA)일 수 있다. 또한, 광변조부(20)는 펄스 형태의 게이팅 신호를 제3 변조기(235)에 공급하는 제2 파형 발생기(245)를 더 포함할 수도 있다.
도 3은, 일 실시예에 따른, 연속광 형태의 프로브 광신호와 펄스 형태의 게이팅 신호로 변조된 펌프 광신호의 상호 작용으로 인한 프로브 광신호의 증폭 과정을 설명하는 개념도이다.
일 실시예에서, 넓은 범위를 측정하고자 하는 경우 제1 파형 발생기(240)는 일정한 DC 전압과 같은 일정한 신호(constant signal)를 제2 변조기(230)에 공급하여 제2 변조기(230)에 입력된 광신호가 그대로 통과하게 한다. 그 결과, 제2 변조기(230)는 연속된 신호의 형태를 갖는 프로브 광신호를 생성한다. 반면, 제2 파형 발생기(245)는 펄스 형태의 게이팅 신호를 제3 변조기(235)에 공급하고, 제3 변조기(235)는 시간 게이팅(temporal gating)된 펌프 광신호를 생성한다.
일 실시예에서, 광변조부(20)의 제1 파형 발생기(240) 및/또는 제2 파형 발생기(245)의 게이팅 신호는 광원부(10)의 파형 발생기(120)의 변조 신호와 동기화될 수 있다. 따라서, 사인 형태로 변조하는 변조 주파수가 바낄 때 펄스 형태의 게이팅 신호로 변조된 펌프 광신호 및/또는 프로브 광신호의 형태와 위상을 일정하게 유지할 수 있다. 일부 실시예에서, 광변조부(20)의 제1 파형 발생기(240)는 펄스 형태의 게이팅 신호를 제3 변조기(230)에 변조하는 경우에만 광원부(10)의 파형 발생기(120)의 변조 신호와 동기화되도록 설정될 수 있다.
이와 같이 생성된 연속광 형태의 프로브 광신호와 펄스 형태의 게이팅 신호로 변조된 펌프 광신호를 서로 반대 방향으로 진행시키면, 서로 통과하는 모든 상관점에서 프로브 광이 증폭된다.
도 3을 참조하면, 서로 반대 방향으로 펌프 광신호 펄스와 프로브 광신호가 제1 상관점(CP1)을 포함하는 시험 광섬유의 구간을 동시에 통과하며, 이때 제1 상관점(CP1)에서는 펌프 광신호와 프로브 광신호의 주파수 차이가 일정하다. 그 결과, 도 3에서 펌프 광신호의 반주기(Δt)만큼의 시간이 경과하면 제1 상관점(CP1)을 통과한 프로브 광신호의 진폭이 일정 가량 증가된다. 즉, 프로브 광신호가 증폭되었다.
한편, 펌프 광신호 펄스와 프로브 광신호는 다시 2Δt만큼의 시간이 경과한 뒤에 양 신호의 주파수 차이가 일정한 제2 상관점(CP2)에서 다시 만나게 된다. 그 결과, 제2 상관점(CP2)을 통과한 프로브 광신호가 증폭되었다. 이러한 과정은 시험 광섬유(30)에 위치하는, 펌프 광신호 펄스가 통과하는 모든 상관점(CP3 등)에서 이루어진다.
그 결과 생성된 브릴루앙 산란광을 펌프 광신호 펄스가 상관점을 지나는 각 시간 구간별로 분절하여 분석하면, 측정 범위 내에 위치하는 복수 개, 예컨대, N개의 상관점을 동시에 사용할 수 있게 되고, 그 결과 높은 공간 분해능을 유지하면서도 측정 범위는 N배로 확대된다.
예를 들어, 종래의 BOCDA 시스템에서 fm = 10 MHz, Δf = 1.95 GHz로 광원을 변조하며, 시험 광섬유의 유효 굴절률 n 값이 1.45일 경우, 아래의 수학식 1 에 의해 산출되는 측정 범위는 인접 상관점 간의 거리인 약 10.34 m 가 된다.
Figure 112018049766623-pat00001
하지만 도 3에서 150개의 상관점을 측정범위 내에 위치하게 하고 이를 동시에서 사용하는 경우, 측정 범위는 약 1.5 km로 늘어나게 된다. 또한, 150개의 상관점을 동시에 이용하여 측정할 수 있어, 도 1의 종래 실시예 보다 빠르게 측정 가능 범위를 측정할 수 있다.
도 4는, 일 실시예에 따른, 펄스 형태의 게이팅 신호로 변조된 펌프 광신호 및 프로브 광신호 간의 상호 작용으로 인한 프로브 광신호의 증폭 과정을 설명하는 개념도이다.
도 3의 측정 범위 내에 포함된 일부 범위를 측정하고자 하는 경우 제2 파형 발생기(240) 또한 펄스 형태의 게이팅 신호를 제2 변조기(230)에 공급한다. 제2 변조기(230)는 펄스 형태의 게이팅 신호를 사용하여 시간 게이팅(temporal gating)된 프로브 광신호를 생성한다.
이와 같이 펄스 신호로 변조된 펌프 광신호 및 프로브 광신호를 서로 반대 방향으로 진행시키면, 서로 통과하는 상관점에서 프로브 광이 증폭된다. 일부 실시예에서, 도 3의 상관점 중 일부만이 실질적인 측정에 사용되는 상관점으로 기능할 수 있다. 예를 들어, 도 3의 상관점 중 하나의 상관점이 실질적인 측정에 사용될 수 있다. 실질적인 측정에 사용되는 상관점은 제1 파형 발생기(240)의 게이팅 신호 및/또는 제2 파형 발생기(245)의 게이팅 신호의 펄스 폭과 두 게이팅 신호 간의 위상 차이에 의해 결정된다. 일부 실시예에서, 두 게이팅 신호 간의 위상 차이는 제2 파형 발생기(245)에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 제2 파형 발생기(245)는 도 1에 도시된 바와 같이 게이팅 신호의 위상을 변이(shift)시킬 수 있다.
측정하고자 하는 좁은 범위에 하나의 상관점이 위치하는 경우, 하나의 상관점에서만 브릴루앙 이득이 나타나고, 상기 좁은 범위 내에 다른 지점에서는 펌프 광과 프로브 광이 상호 작용하지 않으므로 브릴루앙 이득이 발생하지 않는다.
이와 같이, 프로브 광신호의 변조 형태에 따라 넓은 범위 또는 좁은 범위를 효율적으로 측정할 수 있다. 프로브 광신호의 변조 형태는 아래의 제어부(70)에서 제2 파형 발생기(245)로 전송되는 신호에 따라 제어된다.
다시 도 2를 참조하면, 일 실시예에서, 광변조부(20)는 입사된 레이저 광을 동일한 방향으로 편광시키는 제1 편광 조절기(Polarization Controller; PC)(250) 및 제2 편광 조절기(255)를 더 포함한다. 편광 조절기(250 및 255)는 광분배기(210)의 출력광을 사용하여 펌프 및 프로브 광신호를 생성하기에 앞서 광분배기(210)의 제1 및 제2 출력광의 편광을 일치시킨다.
또한 일 실시예에서, 광변조부(20)는 편광 스위치(260)를 더 포함한다. 프로브 광신호와 펌프 광신호의 편광이 일치할 때 유도 브릴루앙 산란 증폭이 일어나므로, 편광 스위치(260)를 사용하여 펌프 광신호 및 프로브 광신호의 편광을 동일하게 조절할 수 있다. 본 실시예에서는 편광 스위치(260)가 펌프 광신호의 편광을 조절하도록 제3 변조기(235)과 시험 광섬유(30) 사이에 광학적으로 연결되었으나, 다른 실시예에서는 편광 스위치(260)에 의하여 프로브 광신호의 편광을 조절하는 것도 가능하다.
일 실시예에서, 편광 스위치(260)는 펌프 광신호 또는 프로브 광신호의 편광을 한 번은 0도, 다른 한번은 90도로 번갈아 회전시키도록 구성한다. 펌프 광신호와 프로브 광신호의 편광이 일치할 때 유도 브릴루앙 산란 증폭이 일어나나, 펌프 광신호 및/또는 프로브 광신호의 편광은 시간 및 공간에 따라 변화할 수 있다. 따라서, 편광 스위치(260)를 사용하여 펌프 광신호 또는 프로브 광신호의 편광을 변화시켜가면서 측정을 수행하고, 측정된 값의 평균값을 사용함으로써 편광 문제를 해결할 수 있다. 전술한 0도 및 90도의 편광 각도는 단지 예시적인 것으로서, 펌프 광신호 또는 프로브 광신호의 편광을 이와 상이한 다른 각도로 주기적으로 변경할 수도 있다.
일 실시예에서, 광변조부(20)는 프로브 광신호 및 펌프 광신호를 각각 증폭하기 위한 제1 및 제2 광섬유 증폭기(270, 275)를 더 포함한다. 제1 광섬유 증폭기(270)는 제1 변조기(220)와 시험 광섬유(30)의 한쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결될 수 있다. 또한, 제2 광섬유 증폭기(275)는 제3 변조기(235)와 시험 광섬유(30)의 다른쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결될 수 있다. 제1 및 제2 광섬유 증폭기(270, 275)는 어븀첨가광섬유증폭기(Erbium-Doped Fiber Amplifier; EDFA)일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에서, 광변조부(20)는 시험 광섬유(30)와 광학적으로 연결되는 지연 광섬유(280)를 더 포함한다. 지연 광섬유(280)는 변조 주파수를 변화시켜도 위치가 변하지 않는, 펌프 광신호 및 프로브 광신호의 진행 경로 한 가운데의 상관점(차수 q=0)이 시험 광섬유(30) 내에 위치하지 않도록 하기 위해 사용하는 보조 광섬유로서, 지연 광섬유(280)의 길이를 적절하게 조절함으로써 시험 광섬유(30)에 브릴루앙 이득 피크가 발생되는 상관점의 차수를 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 광변조부(20)는 지연 광섬유(280)와 시험 광섬유(30) 사이에 광학적으로 연결된 광 고립기(290)를 더 포함한다. 광 고립기(290)는 고출력의 펌프 광신호가 시험 광섬유(30)를 통과한 후 지연 광섬유(280)에 역 방향으로 입사되는 것을 차단하는 역할을 할 수 있다.
광검출부(50)는 시험 광섬유(30) 내에 위치하는 복수의 상관점 또는 특정한 상관점에서 발생한 브릴루앙 산란광을 검출한다.
일 실시예에서, 광검출부(50)는 제2 광섬유 증폭기(275)와 시험 광섬유(30) 사이에 광학적으로 연결된 광 순환기(510)를 포함한다. 광 순환기(510)는 시간 게이팅을 거친 펄스 형태의 펌프 광신호를 시험 광섬유(30)에 인가하며, 시험 광섬유(30)에서 발생되는 브릴루앙 산란광을 광검출부(50)의 다른 컴포넌트들의 방향으로 분기하는 역할을 한다.
일 실시예에서, 광검출부(50)는 신호의 크기 조절 및 변환을 위한 가변 광세기 조절기(Variable Optical Attenuator; VOA)(520) 및 광검출기(Photo Detector; PD)(530)를 포함한다. 펌프 광신호 및 프로브 광신호가 시험 광섬유(30)를 통과하는 동안 발생된 브릴루앙 산란광이 광순환기(510)에서 분기되어 VOA(520)에 입사되며, VOA(520)는 입사된 브릴루앙 산란광의 크기를 감쇄시켜 PD(530)에 입사시키고, PD(530)에서는 입사된 광신호를 전기 신호로 변환할 수 있다.
일 실시예에서, 광검출부(50)는 특정 범위를 정밀 측정하는 과정에서 하나의 상관점에서 증폭된 프로브 광 신호를 보다 정확하게 검출하기 위해 위상잠금 증폭기(lock-in amplifier)(540)를 더 포함한다. 위상잠금 증폭기(540)는 펌프 광신호를 변조하기 위하여 제2 파형발생기(245)에서 발생된 게이팅 신호를 기준 신호(reference signal)로 사용하여 브릴루앙 산란광을 단속적으로 검출할 수 있다.
위상잠금 증폭기(540)는 교류신호 채널(AC signal channel), 믹서(mixer), 직류 증폭기(DC amplifier) 및 저역통과 필터(low-pass filter) 등으로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에서, 위상잠금 증폭기(540)는 특정 모드에서만 동작할 수 있다. 예를 들어, 위상잠금 증폭기(540)는 시험 광섬유(30)에서 특정 부분만을 측정하고자 하는 경우에 동작한다. 일부 실시예에서, 위상잠금 증폭기(540)는 이런 특정 모드에서만 동작하도록 설정될 수 있다. 다른 일부 실시예에서, 위상잠금 증폭기(540)는 측정하고자 하는 특정 부분이 설정된 이후에 동작하도록 광 경로에 연결될 수 있다. 이 경우, 광검출부(50)는 위상잠금 증폭기(540)로 입력되는 광 경로 상에 배치되는 스위치(미도시)를 더 포함할 수 있다.
제어부(70)는 데이터 수집부(data acquisition; DAQ)(710) 및 데이터 처리부(750)를 포함한다. 예를 들어, DAQ(710)는 PD(530)에서 출력된 전기 신호 및 위상잠금 증폭기(540)에서 출력된 직류 전압 신호를 를 시간영역에서 얻기 위한 오실로스코프(oscilloscope)를 포함하며, 데이터 처리부(750)는 오실로스코프의 신호를 분석하기 위한 하나 이상의 프로세스를 포함한 개인용 컴퓨터(Personal Computer)를 포함할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서는 다른 상이한 하나 이상의 데이터 처리 수단을 더 사용하여 신호 처리 및 분석을 수행할 수도 있다.
데이터 처리부(750)는 하나 또는 복수의 상관점으로부터 검출된 브릴루앙 산란광으로부터 브릴루앙 이득을 산출할 수 있다. 예를 들어, 복수의 상관점에서 발생한 브릴루앙 산란광을 시간 영역에서 처리함으로써 펄스 형태의 게이팅 신호로 변조된 펌프 광신호가 통과하는 복수 개의 상관점 각각에서의 브릴루앙 이득을 산출한다. 또한, 펄스 형태의 게이팅 신호로 변조된 펌프 광신호 및 프로브 광신호가 통과하는 하나의 상관점에서의 브릴루앙 이득을 산출한다. 또한, 산출된 브릴루앙 이득에 기초하여 상관점에서의 브릴루앙 주파수를 산출할 수 있다.
또한, 데이터 처리부(750)는 산출된 브릴루앙 주파수에 기초하여 이벤트가 발생했는지를 판단하며, 이벤트가 발생한 위치를 이벤트 영역으로 설정한다. 여기서 이벤트는 주변 환경의 물리적 특성(예를 들어, 온도, 응력 등)이 비정상적으로 변화하는 경우를 나타내며, "이상(異常)", "비정상" 등으로 지칭될 수 있다. 브릴루앙 주파수는 시험 광섬유(30)의 물리적 특성에 의존하므로, 주변 환경의 변화에 따라 시험 광섬유(30)의 물리적 특성이 변하면, 브릴루앙 주파수 또한 변한다. 데이터 처리부(750)는 브릴루앙 주파수가 비정상적으로 변하면 이벤트가 발생했다고 판단한다.
일 실시예에서, 데이터 처리부(750)는 상기 시험 광섬유의 일 위치에서 상기 브릴루앙 주파수의 변화가 소정 범위 이상인 경우 상기 일 위치에서 이벤트가 발생했다고 판단한다. 여기서, 소정의 범위는 온도의 경우 3℃, 응력의 경우 1000㎛일 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 시험 광섬유(30)가 부착된 대상의 크기, 구성물질, 구조 등 시험 광섬유(30)의 주변 환경에 기초하여 다양하게 설정될 수 있다.
다른 실시예에서, 데이터 처리부(750)는 미리 저장된 브릴루앙 주파수 패턴(정상 패턴)과 실시간으로 산출된 브릴루앙 주파수를 비교하여 이벤트 발생 여부를 판단할 수도 있다.
또한, 데이터 처리부(750)는 이중 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템에 포함된 구성요소 중 하나 이상의 구성요소와 전기적으로 연결되어 브릴루앙 산란을 사용한 센싱 방법의 동작을 지시하는 전기적 신호를 전송하도록 구성된다. 예를 들어, 데이터 처리부(750)는 시험 광섬유(30)에서 측정하고자 하는 특정 부분인 이벤트 영역을 설정한 뒤, 제1 파형 발생기(230)에 펄스 신호인 게이트 신호를 제2 변조기(230)에 공급하게 할 수 있다. 또한, 데이터 처리부(750)는 제3 파형 발생기(245)를 제어하여 제3 파형 발생기(245)의 게이팅 신호의 위상을 변화하게 할 수 있다. 또한, 데이터 처리부(750)는 이벤트 영역이 설정되면 광스위치로 전기적 신호를 전송하여 브릴루앙 산란광이 위상잠금 증폭기(540)로 향하도록 광 경로를 제어할 수 있다.
도 5는, 일 실시예에 따른, 브릴루앙 산란을 사용한 센싱 방법의 흐름도이다. 브릴루앙 산란을 사용한 센싱 방법은 복수 개의 상관점을 사용하여 이벤트가 발생한 영역을 고속으로 검출하고(S1~S6), 이상이 발생한 경우 해당 부분을 정밀하게 측정하는 단계(S7~S12)를 포함한다. 예를 들어, 고속 검출 과정에서 공간 분해능은 0.5m, 정밀 측정 과정에서 공간 분해능은 10mm로 설정될 수 있다.
도 5를 참조하면, 먼저 제1 변조 신호에 의해 변조된 제1 레이저 광을 생성할 수 있다(S1). 상기 제1 변조 신호는 공간 분해능을 0.5m로 설정하기 위한 변조 주파수 변화량(Δf1)을 가진다. 이어서, 펌프 광신호 및 상기 펌프 광신호의 주파수와 상이한 제1 프로브 광신호를 제1 레이저 광으로부터 생성할 수 있다(S2). 제1 프로브 광신호는 연속광 형태로서, 제1 레이저 광의 주파수(fm1)를 미리 결정된 오프셋 주파수만큼 이동시켜 생성된다. 펌프 광신호는 이상이 발생하였는 지를 감지하는데 있어 복수의 상관점을 사용하기 위해 펄스 형태의 게이팅 신호로 변조되어 생성된다. 다수의 상관점에서 각각 일어나는 브릴루앙 산란에 의한 프로브 광의 증폭을 개별적으로 분석하기 위해 펌프 광신호에 대한 게이팅 신호의 펄스 폭(τm)은 변조 주파수(fm)를 갖는 사인 형태의 변조 신호의 한 주기와 동일하게 결정될 수 있다.
다음으로, 펌프 광신호 및 프로브 광신호를 상이한 방향으로 시험 광섬유(30)에 인가한다(S3). 그 후, 시험 광섬유에서 생성되는 제1 브릴루앙 산란광을 검출하여 시험 광섬유에서의 제1 브릴루앙 주파수를 산출한다(S4). 단계(S4)에서 제1 브릴루앙 이득에 기초하여 브릴루앙 주파수를 산출하는 과정이 더 수행될 수 있다.
단계(S4)는 시험 광섬유에 위치하는 복수 개의 상관점에서 발생하는 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계, 복수 개의 상관점에 대한 브릴루앙 산란광을 사용하여 복수 개의 상관점 각각에서의 브릴루앙 이득을 산출하는 단계, 및 제1 브릴루앙 이득에 기초하여 복수 개의 상관점 각각에 대한 브릴루앙 주파수를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
브릴루앙 이득이 최대가 되는 브릴루앙 주파수는 광섬유가 겪는 온도와 응력에 따라 선형적으로 변하는 특성을 갖고 있으므로, 시험 광섬유 상의 복수 개의 상관점에서의 브릴루앙 주파수를 산출함으로써 해당 지점의 물리적인 특성 변화를 측정할 수 있다.
또한, 제1 변조 주파수(fm1)를 조금씩 변경하여 상관점들의 위치를 조금씩 움직여 가면서 반복함으로써, 시험 광섬유(30)의 일부 또는 전부에서의 브릴루앙 주파수를 산출할 수 있다(S5). 일 실시예에서, 제1 변조 주파수를 제어하여 복수 개의 상관점 인근의 브릴루앙 주파수를 각각 부분 분포형으로 산출할 수 있다.
도6은, 일 실시에에 따른, 연속광 형태의 프로브 광신호와 펄스 형태의 게이팅 신호로 변조된 펌프 광신호를 사용하여 브릴루앙 주파수를 산출하는 범위를 도시한 도면이다.
연속광 형태의 프로브 광신호와 시간 게이팅된 펌프 광신호에 기초하여 발생한 브릴루앙 산란광을 시간영역에서 분절하면, 복수 개의 상관점 각각에서의 브릴루앙 이득을 산출할 수 있다. 특히, 낮은 분해능(0.5m)으로 복수 개의 상관점 각각에서의 브릴루앙 이득을 산출하는 경우 소모 시간은 더욱 줄어든다.
동일한 길이의 긴 범위를 측정할 때, 도 1의 종래 시스템에서는 한 번에 하나의 측정점만을 측정하면서 전 범위(R)를 움직여가며 측정을 반복하여야 하였다(예컨대, 1초에 10번 측정). 그러나, 이와 달리, 도 3의 실시예에서는 일정한 간격으로 배치된 복수 개의 측정점을 동시에 움직여 가면서 각 상관점에 대해서는 인접 상관점까지의 범위만 측정하도록 신호를 시간 영역에서 처리하기 때문에 측정 시간을 현저하게 단축시킬 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 낮은 분해능으로 복수 개의 상관점에서의 브릴루앙 이득 및 브릴루앙 주파수를 빠르게 산출한 뒤(S1~S5), 시험 광섬유(30)에서 이벤트가 발생했는지 여부와 이벤트 발생 지점을 검출한다(S6). 일 실시예에서, 제어부(70)는 브릴루앙 주파수의 변화가 소정 범위 이상인 경우 이벤트가 발생했다고 판단한다(S6). 제어부(70)는 소정 범위 이상의 브릴루앙 주파수의 변화가 발생한 상관점을 검출하고, 이벤트가 발생한 정확한 위치를 검출하기 위해 해당 상관점을 포함하는 특정 범위를 이벤트 영역으로 설정한다.
일 실시예에서, 제어부(70)는 단계(S4)에서의 공간 분해능에 기초하여 재측정 범위를 설정한다. 예를 들어, 0.5m 공간 분해능으로 측정한 결과 특정 지점에서 이벤트가 발생했다고 판단한 경우, 이벤트 발생 지점을 포함하는 해당 0.5m를 이벤트 영역(B)으로 설정한다(S6).
이어서, 이상이 발생한 부분(즉, 이벤트 영역)만을 단계(S1~S5)의 공간 분해능 보다 높은 공간 분해능으로 측정한다.
단계(S6) 이후, 제2 변조 신호로 변조된 제2 레이저 광을 생성하고(S7), 펄스 형태의 게이팅 신호로 변조된 제2 프로브 광신호를 생성한다(S8). 제2 변조 신호는 보다 높은 공간 분해능(10mm)으로 측정을 수행하기 위한 제2 변조 주파수 변화량(Δf2)을 가진다. 제2 프로브 광신호는 보다 높은 공간 분해능으로 이벤트 영역을 재측정하기 위해 폭이 τm인 펄스 형태의 게이팅 신호로 변조되어 생성한다. 즉, 펌프 광신호 및 프로브 광신호 모두 폭이 τm인 펄스 형태의 게이팅 신호로 변조된다. 단계(S8)에서는 재측정하고자 하는 범위인 이벤트 영역에 하나의 상관점이 위치하도록 두 게이팅 신호 간의 위상차를 제어하는 과정이 더 수행될 수 있다.
다음으로, 제2 프로브 광신호 및 펌프 광신호를 상이한 방향으로 시험 광섬유에 인가하고(S9), 이벤트 영역에 위치하는 상관점에서 생성되는 브릴루앙 산란광을 검출하여 이벤트 영역에서의 브릴루앙 주파수를 산출한다(S10). 일 실시예에서, 제어부(70)는 이벤트 영역의 브릴루앙 산란광으로부터 브릴루앙 이득을 산출한 뒤, 브릴루앙 주파수를 산출한다(S10).
또한, 제2 변조 주파수 (fm2)을 조금씩 변경하여 상관점들의 위치를 조금씩 움직여 가면서 전술한의 과정(S7~S10)을 반복함으로써, 이벤트 영역의 일부 또는 전부에 대한 브릴루앙 주파수를 측정하는 과정이 더 수행될 수 있다(S11). 일 실시예에서, 제2 변조 주파수(fm2)를 제어하여 이벤트 영역에 위치하는 하나의 상관점 인근의 브릴루앙 주파수를 부분 분포형으로 산출할 수 있다.
이로 인해, 이벤트가 발생한 실제 위치(C)를 검출할 수 있다(S12). 나아가, 주변 환경의 물리적 특성의 변화 정도를 보다 정밀하게 측정할 수 있다.
도 7은, 일 실시에에 따른, 펄스 형태의 게이팅 신호로 변조된 펌프 광신호 및 프로브 광신호를 사용하여 브릴루앙 주파수를 산출하는 범위를 도시한 도면이다.
단계(S7~S11)가 수행된 결과, 설정된 이벤트 영역(B)에서 이벤트가 발생한 실제 위치(C)를 검출할 수 있다.
일 실시예에서, 단계(S11)는 동일한 상관점에서 발생하는 하나 이상의 브릴루앙 산란광을 검출한 뒤, 검출된 하나 이상의 브릴루앙 산란광에 대한 평균 신호를 검출하는 과정이 더 수행될 수 있다. 평균 신호는 위상잠금 증폭기(540)를 통해 검출될 수 있다.
예를 들어, 유효 굴절률 n 값이 1.45인 시험 광섬유(30)에서 발생한 브릴루앙 산란을 사용하는 경우, fm = 10 MHz, Δf = 0.195 GHz로 광원을 변조하여 전체 측정 범위(A)인 약 1.5km를 먼저 0.5m 공간 분해능으로 측정한다. 본 발명의 실시예들을 이용하여 펌프 광신호와 프로브 광신호의 주파수 차이를 브릴루앙 주파수(△vB=30MHz) 주변 200 MHz 구간에서 2 MHz 간격으로 변화시켜 가면서 다수의 상관점을 동시 측정하게 되면, 다수의 상관점 각각에서의 브릴루앙 이득을 개별적으로 얻을 수 있다. 그 후, 얻은 브릴루앙 이득을 분석하여 다수의 상관점 각각에서의 브릴루앙 주파수를 측정하여 시험 광섬유의 어느 위치에서 이벤트가 발생했는지를 판단한다. 특정 지점에서 이벤트가 발생했다고 판단한 경우, 해당 지점을 포함한 이벤트 영역(B)을 설정할 수 있다.
이어서, fm = 10 MHz, Δf = 9.75 GHz로 광원을 변조하여 이벤트 영역(B)을 보다 정밀한 공간 분해능인 10mm로 측정한다. 그 결과, 이벤트 영역(B) 내에 위치하는 실제 이벤트 지점(C)을 검출할 수 있다.
이와 같은 브릴루앙 산란을 사용한 센싱 방법은 0.5m의 공간 분해능으로 1.5km의 시험 광섬유(30) 전 범위를 측정하는데 약 16초가 소모되고(S1~S5), 이벤트 영역으로 설정된 0.5m만을 10mm의 공간 분해능으로 다시 측정하는데 약 5초가 소모되므로(S7~S10) 이벤트 발생 지점을 정확하게 검출하는데 약 21초의 시간이 소모된다. 처음부터 10mm 공간 분해능으로 측정하는 경우 15000초가 소모되는 도 1의 종래 실시예와 비교하여, 약 714배 빠른 측정이 가능하다.
도 5에서 서술된 단계들은 단지 예시적인 것으로, 브릴루앙 산란을 사용한 센싱 방법은 순서가 상이하거나 생략되거나, 변경된 과정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 단계(S6)에서 복수의 지점에서 이벤트가 발생했다고 판단된 경우, 복수의 이벤트 영역이 설정될 수 있다. 이 경우 단계(S7~S11)는 각각의 이벤트 영역에 대해 다수 수행될 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 시험 광섬유;
    변조 주파수를 갖는 변조 신호에 의해 변조된 레이저 광을 생성하는 광원부;
    상기 레이저 광을 사용하여 펌프 광신호 및 프로브 광신호를 생성하고, 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호를 서로 상이한 방향으로부터 상기 시험 광섬유에 인가하도록 구성된 광변조부 - 상기 펌프 광신호는 펄스 형태의 게이팅 신호를 사용하여 시간 게이팅(temporal gating)됨;
    상기 시험 광섬유에 위치하는 상관점에서 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호에 의해 생성되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 광검출부; 및
    상기 검출된 브릴루앙 산란광에 기초하여 상기 시험 광섬유에서 이벤트가 발생했는지를 판단하고, 이벤트가 발생한 경우 이벤트가 발생한 지점을 포함한 이벤트 영역을 설정하는 제어부를 포함하되,
    상기 광변조부는 이벤트 영역이 설정되지 않은 경우 상기 레이저 광의 주파수를 미리 결정된 오프셋 주파수만큼 이동시켜 프로브 광신호를 생성하고 이벤트 영역이 설정된 경우 게이팅 신호를 더 사용하여 시간 게이팅(temporal gating)된 프로브 광신호를 생성하도록 구성된 이중 브릴루앙 광섬유 센싱 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광변조부는,
    상기 레이저 광의 주파수를 미리 결정된 오프셋 주파수만큼 다르게 하는 제1 변조기;
    상기 이벤트 영역이 설정되지 않은 경우 일정한 신호(constant signal)를 발생시키고, 상기 이벤트 영역이 설정된 경우 펄스 형태의 게이팅 신호를 발생시키는 제1 파형 발생기; 및
    상기 제1 파형 발생기로부터 발생된 신호를 사용하여 제1 광신호를 생성하도록 구성된 제2 변조기를 포함하는 이중 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 파형 발생기는 상기 레이저 광의 변조 주파수의 역수와 동일한 시간 폭을 가진 펄스 형태의 게이팅 신호를 발생시키는 이중 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 광변조부는,
    펄스 형태의 게이팅 신호를 발생시키는 제2 파형 발생기; 및
    상기 제2 파형 발생기의 게이팅 신호를 사용하여 펌프 광을 생성하도록 구성된 제3 변조기를 포함하되,
    상기 제2 파형 발생기는 게이팅 신호의 위상을 변이(shift)시킬 수 있는 이중 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 브릴루앙 산란광에 대한 신호를 얻는 데이터 수집부; 및
    상기 브릴루앙 산란광에 대한 신호를 사용하여 브릴루앙 이득 및 브릴루앙 주파수를 산출하고, 상기 브릴루앙 주파수에 기초하여 이벤트가 발생했는지를 판단하며, 상기 이벤트가 발생한 위치를 이벤트 영역으로 설정하는 데이터 처리부를 포함하는 이중 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 데이터 처리부는 상기 이벤트 영역이 설정되지 않은 경우에는 상기 광 경로 상의 복수 개의 상관점 각각에서의 브릴루앙 이득을 산출하고 상기 이벤트 영역이 설정된 경우에는 상기 이벤트 영역 상에 위치하는 하나의 상관점에서의 브릴루앙 이득을 산출하도록 구성되는 이중 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 데이터 처리부는,
    상기 시험 광섬유의 일 위치에서 상기 브릴루앙 주파수의 변화가 소정 범위 이상인 경우 상기 일 위치에서 이벤트가 발생했다고 판단하는 이중 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 변조 주파수는 상기 이벤트 영역이 설정되지 않은 경우에는 제1 공간 분해능을 설정하기 위한 제1 변조 주파수 변화량을 가지고, 상기 이벤트 영역이 설정된 경우에는 제2 공간 분해능을 설정하기 위한 제2 변조 주파수 변화량을 가지며,
    상기 제1 공간 분해능은 상기 제2 공간 분해능에 비해 낮은 이중 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 이벤트 영역은 상기 제1 공간 분해능에 기초하여 상기 제어부에 의해 설정되는 이중 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    동일한 상관점에서 발생하는 하나 이상의 브릴루앙 산란광에 대한 평균 신호를 검출하기 위한 위상잠금 증폭기(lock-in amplifier)를 더 포함하는 이중 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 위상잠금 증폭기는 상기 이벤트 영역이 설정된 경우에만 동작하는 이중 브릴루앙 분포형 광섬유 센싱 시스템.
  12. 제1 변조 신호에 의해 변조된 제1 레이저 광을 생성하는 단계;
    펌프 광신호 및 상기 펌프 광신호의 주파수와 상이한 제1 프로브 광신호를 상기 제1 레이저 광으로부터 생성하는 단계 - 상기 펌프 광신호는 펄스 형태의 게이팅 신호로 변조되어 생성됨;
    상기 펌프 광신호 및 프로브 광신호를 상이한 방향으로 시험 광섬유에 인가하는 단계;
    상기 시험 광섬유에서 생성되는 제1 브릴루앙 산란광을 검출하여 상기 시험 광섬유에서의 제1 브릴루앙 주파수를 산출하는 단계;
    상기 제1 브릴루앙 주파수에 기초하여 이벤트 발생을 판단하고, 이벤트 발생 위치를 포함한 이벤트 영역을 설정하는 단계;
    제2 변조 신호에 의해 변조된 제2 레이저 광신호를 생성하는 단계;
    펄스 형태의 게이팅 신호를 사용하여 시간 게이팅(temporal gating)된 제2 프로브 광신호를 생성하는 단계;
    상기 제2 프로브 광신호 및 펌프 광신호를 상이한 방향으로 시험 광섬유에 인가하는 단계; 및
    상기 이벤트 영역에 위치하는 상관점에서 발생하는 제2 브릴루앙 산란광에 기초하여 상기 이벤트 영역에서의 제2 브릴루앙 주파수를 산출하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 변조 신호는 제1 공간 분해능을 설정하기 위한 제1 변조 주파수 변화량을 가지며, 상기 제2 변조 신호는 상기 제1 공간 분해능보다 높은 제2 공간 분해능을 설정하기 위한 제2 변조 주파수 변화량을 갖는 브릴루앙 산란을 사용한 센싱 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 시험 광섬유에서 생성되는 제1 브릴루앙 산란광을 검출하여 상기 시험 광섬유에서의 제1 브릴루앙 주파수를 산출하는 단계는,
    상기 시험 광섬유에 위치하는 복수 개의 상관점에서 발생하는 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계;
    상기 복수 개의 상관점에 대한 브릴루앙 산란광을 사용하여 상기 복수 개의 상관점 각각에서의 브릴루앙 이득을 산출하는 단계; 및
    상기 복수 개의 상관점 각각에서의 브릴루앙 이득에 기초하여 복수 개의 상관점 각각에 대한 브릴루앙 주파수를 산출하는 단계를 포함하는 브릴루앙 산란을 사용한 센싱 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 시험 광섬유에서의 제1 브릴루앙 주파수를 산출하는 단계는,
    상기 제1 변조 주파수를 제어하여 복수 개의 상관점 각각에 대한 브릴루앙 주파수를 부분 분포형으로 산출하는 단계를 더 포함하는 브릴루앙 산란을 사용한 센싱 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 브릴루앙 이득에 기초하여 이벤트 영역을 설정하는 단계는,
    상기 브릴루앙 주파수가 소정 범위 이상 변화한 상관점을 검출하는 단계; 및
    상기 상관점의 위치에 기초하여 이벤트 영역을 설정하는 단계를 포함하는 브릴루앙 산란을 사용한 센싱 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제2 프로브 광신호를 생성하는 단계 이후에 상기 이벤트 영역에 하나의 상관점이 위치하도록 상기 펌프 광신호와 상기 제2 프로브 광신호의 위상차를 제어하는 단계를 더 포함하는 브릴루앙 산란을 사용한 센싱 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 이벤트 영역에 위치하는 상관점에서 발생하는 제2 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계는,
    상기 하나의 상관점에서 발생하는 하나 이상의 브릴루앙 산란광에 대한 평균 신호를 검출하는 단계를 더 포함하는 브릴루앙 산란을 사용한 센싱 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 제2 변조 주파수를 제어하여 상기 이벤트 영역에 위치하는 하나의 상관점에 대한 브릴루앙 주파수를 부분 분포형으로 산출하는 단계를 더 포함하는 브릴루앙 산란을 사용한 센싱 방법.
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