KR102163517B1 - 온도 및 변형률 동시 측정용 레일레이-브릴루앙 하이브리드 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 온도 및 변형률 동시 측정용 레일레이-브릴루앙 하이브리드 분포형 광섬유 센서 장치 및 그제어방법에 관한 것으로서, 센싱광섬유에 파장가변 제1광신호를 인가하고 센싱광섬유로부터 산란된 레일레이 산란광을 검출하는 제1측정부와, 센싱광섬유의 양단에 프로브광과 펌프광을 상호 반대방향으로 진행되게 입사시켜 센싱광섬유에서 발생되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 제2측정부와, 제1측정부와 제2측정부의 구동을 제어하되, 제1측정부에서 측정된 레일레이 산란광이 기준범위를 벗어난 경우에만 해당 이상검출구간에 대해 제2측정부를 가동하여 온도 및 변형율을 산출하는 신호처리부를 구비한다.

Description

온도 및 변형률 동시 측정용 레일레이-브릴루앙 하이브리드 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 제어방법{distributed optical fiber sensor apparatus and control method thereof}
본 발명은 온도 및 변형률 동시 측정용 레일레이-브릴루앙 하이브리드 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 상세하게는 온도와 변형률 각각에 대한 측정 정밀도 및 측정속도를 높일 수 있는 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
최근 광섬유를 이용하여 물리량을 측정하는 기술이 다양하게 제안되어 이용되고 있다.
일 예로서, 광섬유격자는 온도 또는 스트레인(Strain; '이하 변형률이라 한다')의 크기가 변화되면 광섬유격자로부터 반사되는 광신호의 파장이 변화한다. 따라서, 광섬유격자로부터 반사된 광의 파장변화를 측정하여 그 파장의 변화량으로부터 어떤 크기의 외부 온도, 변형률, 압력 등의 물리량이 가해졌는지를 측정하는 데 이용할 수 있다.
그런데, 광섬유격자는 온도 및 변형률의 두 가지 물리량이 동시에 가해지는 경우 광섬유격자가 두 물리량에 대해 동시에 반응함으로써 반사파장의 변화량만을 측정하여서는 온도 및 변형률이 각각 얼마씩 변화되었는지를 알 수 없다.
이를 해결하기 위한 방안으로서 한국 공개 특허 제1998-0082465호에는 외경이 다른 두 개의 광섬유격자를 직렬상으로 접합한 광섬유격자쌍을 이용하여 온도 및 변형률을 산출하는 방법이 개시되어 있다.
그런데, 개시된 온도/변형률 측정방법은 동일한 모재에 대해 외경이 다르게 광섬유격자 쌍을 제작하여 이용하여야 하기 때문에 제작상의 어려움이 있다.
한편, 최근에는 단일모드 광섬유에서 산란되는 브릴루앙 산란광을 이용하여 온도 및 변형률을 측정하는 방식이 한국 공개특허 제10-2011-0075679 등 다양하게 제안되고 있다. 그런데, 상기 특허 역시 온도 및 변형률의 두 가지 물리량이 동시에 가해지는 경우 광섬유가 두 물리량에 대해 동시에 반응함으로써 측정된 산란광으로부터 온도 및 변형률이 각각 얼마씩 변화되었는지를 알 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 단일모드 광섬유를 이용하되 온도와 변형률 각각에 대한 측정 정밀도를 높일 수 있으면서 측정속도를 향상시킬 수 있는 온도 및 변형률 동시 측정용 레일레이-브릴루앙 하이브리드 분포형 광섬유 센서 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 온도 및 변형률 동시 측정용 레일레이-브릴루앙 하이브리드 분포형 광섬유 센서 장치는 측정경로를 따라 연장되게 설치되는 센싱광섬유와; 상기 센싱광섬유에 파장가변 제1광신호를 인가하고 상기 센싱광섬유로부터 산란된 레일레이 산란광을 검출하는 제1측정부와; 상기 센싱광섬유의 양단에 프로브광과 펌프광을 상호 반대방향으로 진행되게 입사시켜 상기 센싱광섬유에서 발생되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 제2측정부와; 상기 제1측정부를 제어하여 상기 센싱광섬유에 대해 검출된 레일레이 산란광으로부터 레일레이 산란신호 주파수를 측정하고, 측정된 레일레이 산란 주파수가 설정된 기준범위를 벗어난 것으로 판단되면, 상기 측정경로 중의 상기 기준범위를 벗어난 레일레이 산란 주파수가 검출된 상기 센싱광섬유의 구간을 이상검출구간으로 결정하고, 결정된 이상검출구간을 스캔하여 상기 브릴루앙 산란광을 검출하도록 상기 제2측정부를 제어하고, 상기 이상검출구간에 대해 상기 제1측정부에 의해 측정된 레일레인 산란신호 주파수와, 상기 이상 검출구간에 대해 상기 제2측정부에서 측정된 브릴루앙 산란광으로부터 측정된 브릴루앙 산란 신호 주파수 정보를 이용하여 상기 센싱 광섬유의 이상검출구간에 대한 위치별 온도 및 변형률을 산출하는 신호처리부;를 구비한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1측정부는 파장을 가변시킨 제1광신호를 출사하는 제1광원부와; 상기 제1광원부에서 출사되는 제1광신호를 제1분배경로와 제2분배경로로 분배하는 제1광커플러와; 상기 제1분배경로를 통해 진행되는 광을 제3분배경로와 제4분배경로로 분배하는 제2광커플러와; 상기 제3분배경로에서 진행되는 제1광신호를 제1센싱단으로 출력하고, 상기 센싱광섬유로부터 상기 제1센싱단을 통해 역으로 진행되는 레일레이 산란광을 제1검출단으로 출력하는 제1광순환기와; 상기 제2분배경로를 통해 진행되는 제1광신호에 대한 주파수를 모니터링할 수 있게 주파수 모니터링 간섭광을 생성하는 주파수 모니터링 간섭계와; 상기 제1광순환기의 상기 제1검출단에서 출력되는 레일레이 산란광과 상기 제4분배경로를 통해 진행되는 제1광신호를 합파하여 출력하는 제3광커플러와; 상기 제3광커플러에서 출력되는 광을 검출하여 상기 신호처리부에 제공하는 제1광검출기와; 상기 주파수 모니터링 간섭계에서 출력되는 광을 검출하여 상기 신호처리부에 제공하는 제2광검출기;를 구비한다.
또한, 상기 제2측정부는 상기 신호처리부에 제어되어 변조된 주파수의 광을 출력하는 제2광원부와; 상기 제2광원부에 의해 출력된 광을 이용하여 측대역 신호를 포함하는 상기 프로브광 및 상기 펌프광을 생성하고, 상기 펌프광과 상기 프로브광을 상기 센싱광섬유의 일단 및 타단에 각각 인가할 수 있도록 된 광변조부와; 상기 광변조부에서 생성된 상기 펌프광을 제2센싱단을 통해 출력하고, 상기 제2센싱단에서 역으로 진행하는 광을 제2검출단으로 출력하는 제2광순환기와; 상기 센싱광섬유의 일단을 상기 제1센싱단과 상기 제2센싱단 중 어느 하나에 접속할 수 있도록 된 광스위치와; 상기 제2센싱단에서 역으로 진행되어 상기 제2검출단에서 출력되는 브릴루앙 산란광을 검출하여 상기 신호 처리부에 제공하는 제3광검출기;를 구비하고, 상기 신호처리부는 상기 광스위치의 접속경로를 제어하고, 상기 제1 및 제2광검출기에서 출력되는 신호로부터 상기 센싱광섬유에 대한 레일레이 산란신호 주파수를 측정하고, 상기 제3광검출기에서 수신된 신호를 이용하여 브릴루앙 산란 신호 주파수를 측정한다.
바람직하게는 상기 신호처리부는 상기 제1광검출기를 통해 수신된 신호와 상기 제2광검출기를 통해 수신된 신호를 이용하여 산출된 레일레이 산란신호 주파수(vR)와, 상기 제3광검출기를 통해 수신된 신호를 이용하여 산출된 브릴루앙 산란신호 주파수(vB)에 대해 설정된 레일레이 산란신호 주파수 초기값과 상기 이상 검출구간에 대해 측정된 레일레이 산란신호 주파수와의 차이에 해당하는 레일레이 산란신호 주파수 차이값(ΔvR)과 설정된 브릴루앙 산란신호 주파수 초기값과 상기 이상 검출구간에 대해 측정된 브릴루안 산란신호 주파수와의 차이에 해당하는 브릴루앙산란신호 주파수 차이값(ΔvB)으로부터
Figure 112018127933266-pat00001
의 산출식에 의해 변화 온도(
Figure 112018127933266-pat00002
)및 변형률 변화값(
Figure 112018127933266-pat00003
)을 산출하고,
여기서,
Figure 112018127933266-pat00004
는 레일레이 신호의 온도에 대한 주파수 감도이고,
Figure 112018127933266-pat00005
는 레일레이 신호의 변형률에 대한 대한 주파수 감도이고,
Figure 112018127933266-pat00006
는 브릴루앙 신호의 온도에 대한 주파수 감도이고,
Figure 112018127933266-pat00007
는 브릴루앙 신호의 변형률에 대한 주파수 감도이다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 분포형 광섬유 센서 장치의 제어방법은 측정경로를 따라 연장되게 설치되는 센싱광섬유와, 상기 센싱광섬유에 파장가변 제1광신호를 인가하고 상기 센싱광섬유로부터 산란된 레일레이 산란광을 검출하는 제1측정부와, 상기 센싱광섬유의 양단에 프로브광과 펌프광을 상호 반대방향으로 진행되게 입사시켜 상기 센싱광섬유에서 발생되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 제2측정부와, 상기 제1 및 제2측정부의 구동을 제어하면서 상기 센싱광섬유의 위치별 온도 및 변형률을 산출하는 신호처리부를 구비하는 분포형 광섬유 센서장치의 제어방법에 있어서, 가. 상기 제1측정부를 구동하면서 상기 센싱광섬유에 대해 측정된 레일레이 산란광으로부터 레일레이 산란신호 주파수를 측정하는 단계와; 나. 상기 가 단계에서 측정된 레일레이 산란 주파수가 설정된 기준범위를 벗어났는지를 판단하는 단계와; 다. 상기 나단계에서 레일레이 산란 주파수가 설정된 기준범위를 벗어났다고 판단되면, 기준범위를 벗어난 레일레이 산란 주파수가 검출된 센싱광섬유의 이상검출구간을 추출하는 단계와; 라. 상기 이상검출구간을 스캔하여 상기 브릴루앙 산란광을 검출하도록 상기 제2측정부를 구동하는 단계와; 마. 상기 이상검출구간에 대해 상기 라단계를 통해 측정된 브릴루앙 산란 신호 주파수 정보와 상기 이상검출구간에 대해 측정된 상기 레일레이 산란주파수로부터 상기 이상검출구간에 대한 위치별 온도 및 변형률을 산출하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 온도 및 변형률 동시 측정용 레일레이-브릴루앙 하이브리드 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 제어방법에 의하면, 온도와 변형률 각각에 대한 측정 정밀도를 높일 수 있으면서 이상검출구간에 대해서만 제2측정부를 가동하여 정밀 측정을 수행함으로써 측정속도도 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 온도 및 변형률 동시 측정용 레일레이-브릴루앙 하이브리드 분포형 광섬유 센서 장치를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 분포형 광섬유 센서 장치의 제어과정을 나타내 보인 플로우도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온도 및 변형률 동시 측정용 레일레이-브릴루앙 하이브리드 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 제어방법을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 온도 및 변형률 동시 측정용 레일레이-브릴루앙 하이브리드 분포형 광섬유 센서 장치를 나타내 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 분포형 광섬유 센서 장치(10)는 센싱광섬유(30), 제1측정부(100), 제2측정부(200) 및 신호처리부(300)를 구비한다.
센싱광섬유(30)는 측정경로를 따라 연장되게 설치된다.
센싱광섬유(30)는 단일모드 광섬유가 적용되는 것이 바람직하다.
제1측정부(100)는 센싱광섬유(30)에 파장가변 제1광신호를 인가하고, 센싱광섬유(30)로부터 산란된 레일레이 산란광을 검출하여 신호처리부(300)에 제공한다.
제1측정부(100)는 광주파수 영역 반사측정방식(OFDR;Optical Frequency Domain Reflectometry)으로 구축되어 있다.
제1측정부(100)는 파장가변 레이저(110), 제1광커플러(121), 제2광커플러(122), 제3광커플러(123), 제1광순환기(131), 주파수 모니터링 간섭계(140), 제1광검출기(PD1)(151), 제2광검출기(PD2)(152), 편광조절기(PC)(160)를 구비한다.
파장가변 레이저(110)는 제1광원부로 적용된 것으로서, 신호처리부(300)에 제어되어 파장을 가변시킨 제1광신호를 출사한다.
제1광커플러(121)는 파장가변 레이저(110)에서 출사되는 제1광신호를 제1분배경로(121a)와 제2분배경로(121b)로 분배하여 출력한다.
제2광커플러(122)는 제1분배경로(121a)를 통해 진행되는 광을 제3분배경로(122a)와 제4분배경로(122b)로 분배하여 출력한다.
제1광순환기(131)는 제3분배경로(122a)에서 진행되는 제1광신호를 입력단을 통해 입력받아 제1센싱단(131a)으로 출력하고, 광섬유센서(30)로부터 제1센싱단(131a)을 통해 역으로 진행되는 레일레이 산란광을 제1검출단(131b)으로 출력한다.
주파수 모니터링 간섭계(140)는 제2분배경로(121b)를 통해 진행되는 제1광신호에 대한 주파수를 모니터링할 수 있게 주파수 모니터링 간섭광을 생성하여 제2광검출기(152)에 제공한다.
주파수 모니터링 간섭계(140)는 간섭커플러(141), 기준광섬유(142) 및 지연광섬유(143)를 구비한다.
간섭커플러(141)는 제2분배경로(121b)를 통해 진행되는 광을 기준단(141a)과 지연단(141b)에 각각 분배하여 출력하고, 기준단(141a)과 지연단(141b)으로부터 역으로 진행되어 합파된 모니터링 간섭광을 합파출력단(141c)을 통해 제2광검출기(152)로 출력한다.
기준광섬유(142)는 간섭 커플러(141)의 기준단(141a)에 접속되어 있다.
기준광섬유(142)의 종단은 입사된 광을 반사시켜 역으로 진행될 수 있게 형성되어 있고 일 예로 종단에 반사미러(145)가 설치될 수 있다.
지연광섬유(143)는 간섭커플러(141)의 지연단(141b)에 접속되며 기준광섬유(142)보다 길이가 길게 연장되어 있다.
지연 광섬유(143)의 종단도 입사된 광을 반사시켜 역으로 진행될 수 있게 형성되어 있고 일 예로 종단에 반사미러(146)가 설치될 수 있다.
편광조절기(160)는 제2광커플러(122)의 제4분배경로(122b)를 통해 진행되는 광의 편광을 조정하여 제3광커플러(123)로 출력한다.
편광조절기(160)는 제4분배경로(122b)를 통해 진행되는 광의 편광상태를 조절하여 센싱광섬유(30)로부터 발생되는 레일레이 산란광이 제3광커플러(123)에서 합파시 간섭신호의 세기를 극대화하기 위해 적용된 것으로 생략될 수 있음은 물론이다.
제3광커플러(123)는 제1광순환기(131)의 제1검출단(131b)에서 출력되는 레일레이 산란광과 제4분배경로(122b)를 통해 진행되는 제1광신호를 합파하여 제1광검출기(151)로 출력한다.
제1광검출기(151)는 제3광커플러(123)에서 출력되는 광을 검출하여 신호처리부(300)에 제공한다.
이와는 다르게, 제3광커플러(123)에서 출력되는 광을 수직편광과 수평편광으로 각각 분리하는 편광분리기(미도시)와, 편광분리기에서 분리되어 출력되는 수직편광과 수평편광을 각각 검출하여 신호처리부(300)에 제공하는 복수개의 광검출기(미도시)로 구축될 수 있음은 물론이다.
제2광검출기(152)는 주파수 모니터링 간섭계(140)에서 출력되는 광을 검출하여 신호처리부(300)에 제공한다.
제2측정부(200)는 센싱광섬유(30)의 양단에 프로브광과 펌프광을 상호 반대방향으로 진행되게 입사시켜 센싱광섬유(30)에서 발생되는 브릴루앙 산란광을 검출한다.
제2측정부(200)는 브릴루앙 광학적 공간영역 해석 방식(BOCDA;Brillouin Optical Correlation Domain Analysis)으로 구축되어 있다.
제2측정부(200)는 제2광원부(210), 광변조부(220), 제2광순환기(271), 광스위치(OS)(271) 및 제3광검출기(PD3)(273)을 구비한다.
제2광원부(210)는 신호처리부(300)에 제어되어 변조된 제1주파수의 광을 출력한다.
여기서, 제1주파수는 센싱광섬유(30)의 측정경로상의 검출위치에 따라 신호처리부(300)에 의해 조정된다.
제2광원부(210)는 신호처리부(300)에 의해 결정된 제1주파수에 대응되는 사인파형 파형을 발생시키는 파형발생기(211)와, 파형발생기(211)에서 발생된 파형에 대응되게 제1주파수로 변조된 광을 출력하는 반도체 레이저(LFB LD)(212)로 되어 있다.
반도체 레이저(212)는 분포형 궤환 레이저 다이오드(Distrubuted Feed-Back Laser Diode; DFB LD)가 적용될 수 있다.
광변조부(220)는 제2광원부(210)에 의해 출력된 광을 이용하여 측대역(sideband) 신호를 포함하는 프로브광 및 제1주파수로 변조된 광에 대해 펌프광을 생성하고, 펌프광과 프로브광을 센싱광섬유(30)의 일단 및 타단에 각각 인가할 수 있도록 되어 있다.
광변조부(220)는 편광유지커플러(PMC)(231), 제1변조부(240), 제2변조부(260)를 구비한다.
편광유지커플러(231)는 제2광원부(210)에서 출력된 광의 편광 상태를 유지하면서 제5분배경로(231a)와 제6분배경로(231b)를 통해 광을 분배하여 출력한다.
편광유지커플러(231)는 제5분배경로(231a)를 통해 진행되는 광과 제6분배경로(231b)를 통해 진행되는 광의 편광상태를 일치시키기 위해 적용된 것이며, 이 경우 최대의 유도 브릴루앙 산란증폭을 얻을 수 있다.
제1변조부(240)는 제5분배경로(231a)를 통해 진행되는 광을 프로브광으로 변조한다.
제1변조부(240)는 바이어스 제어기(241)와 마이크로파 발생기(242)에서 발생된 신호에 따라 제1주파수의 광신호를 오프셋(offset) 주파수 만큼 주파수가 천이된 측대역 신호를 포함하도록 변조시켜 프로브광을 생성하는 단일측파변조기(single sideband modulator)(243)가 적용되었고, 이에 한정되는 것은 아니다.
편광스위치(PSW)(251)는 제1변조부(240)에서 출력되는 프로브광의 편광을 주기적으로 변경할 수 있다.
예컨대, 편광스위치(251)는 신호발생기(미도시)로부터 신호를 수신하며, 수신된 신호에 따라 프로브광의 편광을 한 번은 0°, 다른 한번은 90°로 번갈아 회전시킬 수 있다. 전술한 0° 및 90°의 편광 각도는 단지 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 편광스위치(251)는 프로브광의 편광을 이와 상이한 다른 각도로 주기적으로 변경할 수도 있다.
프로브광과 펌프광의 편광이 상호 일치할 때 유도 브릴루앙 산란 증폭이 일어나나, 프로브광과 펌프광의 편광은 시간 및 공간에 따라 변화할 수 있기 때문에 편광스위치(251)를 이용하여 프로브광의 편광을 변화시켜가면서 측정을 수행하고, 측정된 값의 평균값을 이용함으로써 편광 문제를 해결할 수 있다.
지연광섬유(253)는 길이를 적절하게 조절함으로써 전체 광경로의 정 중앙에서 양쪽에 있는 브릴리앙 이득 피크 중 어느 하나가 센싱 광섬유(30)에 위치하도록 할 수 있다.
광증폭기(255)는 광신호를 증폭시킨다.
광분리기(257)는 고출력의 펌프광이 센싱 광섬유(30)를 거쳐 제1변조부(240)로 진행하는 것을 차단하는 역할을 하며 광아이솔레이터가 적용될 수 있다.
제2변조부(260)는 제1주파수로 변조되어 제6분배경로(231b)를 통해 진행되는 광을 미리 설정된 비율을 갖는 제2주파수로 처핑된 펌프광을 생성한다.
제2변조부(260)는 편광유지 커플러(231)로부터 수신된 광신호를 함수발생기(261)에서 발생된 변조신호에 따라 위상변조하는 위상 변조기(262)로 되어 있고, 이에 한정되는 것은 아니다.
광증폭기(265)는 펌프광을 증폭하여 출력한다.
제2광순환기(271)는 제2변조부(260)에서 생성된 펌프광을 제2센싱단(271a)을 통해 출력하고, 제2센싱단(271a)에서 역으로 진행하는 브릴루앙 산란광을 제2검출단(271b)으로 출력한다.
광스위치(272)는 신호처리부(300)에 제어되어 센싱광섬유(30)의 일단을 제1센싱단(131a)과 제2센싱단(271a) 중 어느 하나에 접속할 수 있도록 되어 있다.
제3광검출기(273)는 제2센싱단(271a)에서 역으로 진행되어 제2검출단(271b)에서 출력되는 브릴루앙 산란광을 검출하여 전기적 신호로 출력한다.
락인앰프(280)는 제3광검출기(272)에서 출력되는 신호를 제2변조기(260)의 함수 발생기(261)에 동기되어 브릴루앙 산란광을 단속적으로 검출하여 노이즈가 제거된 신호를 신호처리부(300)에 제공한다.
신호처리부(300)는 광스위치(272)의 접속경로를 제어하고, 제1측정부(110)와 제2측정부(200)의 구동을 제어하면서 센싱광섬유(30)의 위치별 온도 및 변형률을 산출한다.
바람직하게는 신호처리부(300)는 센싱광섬유(30)에 대한 스캔속도가 제1측정부(110)에 비해 상대적으로 느린 제2측정부(200)를 이상검출구간이 발생될 때만 해당 이상검출구간에 대해서만 브릴루앙 산란광을 검출하여 이상검출구간에 대한 온도 및 변형률을 산출하도록 구축된다.
즉, 신호처리부(300)는 제1측정부(100)를 제어하여 센싱광섬유(30)에 대해 검출된 레일레이 산란광으로부터 레일레이 산란신호 주파수를 측정하고, 측정된 레일레이 산란 주파수가 설정된 기준범위를 벗어난 것으로 판단되면, 센싱광섬유(30)의 측정경로 중의 기준범위를 벗어난 레일레이 산란 주파수가 검출된 센싱광섬유(30)의 구간을 이상검출구간으로 결정한다.
여기서, 기준범위는 상온을 벗어난 이상 관심대상영역의 온도 또는 변형률에 대응되게 적절하게 적용하면된다.
이후 신호처리부(300)는 결정된 이상검출구간을 스캔하여 브릴루앙 산란광을 검출하도록 제2측정부(200)를 제어한다. 여기서 신호처리부(300)는 센싱광섬유(30)의 측정경로 전체에 대해 스캔을 수행하지 않고, 이상검출구간에 대해서만 프로브광과 펌프광의 상관점이 일치하도록 제2측정부(200)를 제어하여 이상검출구간에 대해서만 스캔정보를 추출한다.
또한, 신호처리부(300)는 이상검출구간에 대해 제1측정부(100)에 의해 측정된 레일레인 산란신호 주파수와, 이상 검출구간에 대해 제2측정부(200)에서 측정된 브릴루앙 산란광으로부터 측정된 브릴루앙 산란 신호 주파수 정보를 이용하여 센싱 광섬유(30)의 이상검출구간에 대한 위치별 온도 및 변형률을 산출한다.
이러한 신호처리부(300)의 제어과정을 도 2를 참조하여 설명한다.
먼저, 제1측정부(100)를 구동하고(단계 410), 측정경로를 따라 센싱광섬유(30)에 대해 측정된 레일레이 산란광으로부터 레일레이 산란신호 주파수(vR)를 측정한다(단계 420).
즉, 신호처리부(300)는 센싱광섬유(30)의 일단이 제1광순환기(131)의 제1센싱단(131a)에 접속되게 광스위치(272)를 제어한 상태에서 파장가변레이저(110)의 파장이 가변되게 하면서 제1광순환기(131)의 제1센싱단(131a) 및 광스위치(272)를 통해 센싱 광섬유(30)로 전송된 광에 대해 산란되어 제1광순환기(131)의 제1검출단(131b)으로 진행된 레일레이 산란광에 대해 제1광검출기(151)에서 검출된 신호와 제2광검출기(152)에서 검출된 신호를 이용하여 레일레이 산란신호 주파수를 센싱광섬유(30)의 측정경로 전체에 대해 측정한다.
여기서, 제2광검출(152)에서 검출되는 신호로부터 파장가변 레이저(110)에서 출사되는 제1광신호의 주파수를 파악하고, 파악된 제1광신호의 주파수 정보를 기준으로 제1광검출기(151)에서 출력되는 신호에 대한 레일레이 산란 주파수(vR)를 산출한다.
이후, 단계 420에서 측정된 레일레이 산란 주파수(vR)가 설정된 기준범위를 벗어났는지를 판단한다(단계 430).
단계 430에서 레일레이 산란 주파수(vR)가 설정된 기준범위를 벗어났다고 판단되면, 기준범위를 벗어난 레일레이 산란 주파수가 검출된 센싱광섬유(30)의 구간을 이상검출구간으로 추출한다(단계 440).
여기서, 이상검출구간은 센싱광섬유(30)의 전체 측정경로 중 기준범위를 벗어난 레일레이 산란광이 발생된 구간을 말한다.
이후, 추출된 이상검출구간을 스캔하여 브릴루앙 산란광을 검출하도록 제2측정부(200)를 구동하고(단계 450), 측정된 브릴루앙 산란광으로부터 브릴루앙 산란주파수(vB)를 측정한다(단계 460).
여기서, 신호 처리부(300)는 이상검출구간에 대해서만 프로브광과 펌프광의 상관점이 일치하도록 제2측정부(200)를 제어하여 이상검출구간에 대해서만 스캔하여 브릴루앙 산란광에 대한 검출정보를 추출한다.
즉, 신호처리부(300)는 센싱광섬유(30)의 일단이 제2광순환기(271)의 제2센싱단(171a)에 접속되게 광스위치(272)를 제어한다.
또한, 신호처리부(300)는 이상검출구간에서 상관점이 발생하도록 펌프광과 프로브광의 생성을 제어하고, 제2광순환기(271)에서 제2센싱단(271a) 및 광스위치(272)를 통해 센싱 광섬유(30)로 전송된 펌프광과 센싱광섬유(30)의 타단으로 전송된 프로브광으로부터 산란에 의해 생성되어 제2광순환기(271)의 제2검출단(271b)으로 진행된 이상검출구간의 브릴루앙 산란신호에 대해 제3광검출기(272) 및 락인앰프(280)를 통해 수신된 신호로부터 브릴루앙 산란 신호 주파수를 측정한다.
마지막으로, 이상검출구간에 대해서 측정된 브릴루앙 산란 신호 주파수 정보와 앞서 이상검출구간에 대해 측정된 레일레이 산란주파수로부터 이상검출구간에 대한 위치별 온도 및 변형률을 산출한다(단계 470).
이하에서는 이러한 신호처리부(300)의 온도 및 변형률 측정과정을 더욱 상세하게 설명한다.
먼저, 제1측정부(100)를 통해 측정된 레일레이 산란 주파수(vR)는 아래의 수학식1로 나타낼 수 있다.
Figure 112018127933266-pat00008
또한, 제2측정부(100)를 통해 측정된 브릴루앙 산란 주파수(vB)는 아래의 수학식2로 나타낼 수 있다.
Figure 112018127933266-pat00009
여기서,
Figure 112018127933266-pat00010
는 초기 레일레이 산란 신호 주파수이고,
Figure 112018127933266-pat00011
초기 브릴루앙 산란 신호 주파수이고,
Figure 112018127933266-pat00012
는 레일레이 신호의 온도에 대한 주파수 감도이고,
Figure 112018127933266-pat00013
는 레일레이 신호의 변형률에 대한 주파수 감도이고,
Figure 112018127933266-pat00014
는 브릴루앙 신호의 온도에 대한 주파수 감도이고,
Figure 112018127933266-pat00015
는 브릴루앙 신호의 변형률에 대한 주파수 감도이고,
Figure 112018127933266-pat00016
는 온도 초기값에 대한 온도 변화량이고,
Figure 112018127933266-pat00017
는 변형률 초기값에 대한 변형률 변화량이다.
여기서,
Figure 112018127933266-pat00018
는 초기에 산출되는 레일레이 산란신호 주파수 초기값이고,
Figure 112018127933266-pat00019
는 초기에 산출되는 브릴루앙 산란신호 주파수 초기값이고,
Figure 112018127933266-pat00020
,
Figure 112018127933266-pat00021
,
Figure 112018127933266-pat00022
,
Figure 112018127933266-pat00023
는 실험에 의해 산출되어 알고 있는 값이고 신호처리부(300)에 미리 기록되어 있다.
또한, 레일레이 산란신호 주파수 초기값에 해당하는 온도 초기값, 브릴루앙 산란신호 주파수 초기값에 해당하는 변형률 초기값도 신호처리부(300)에 미리 기록되어 있다.
일 예로서, 레일레이 신호의 온도에 대한 주파수 감도는 1.25 GHz/℃ 가 적용되고, 레일레이 신호의 변형률에 대한 주파수 감도는 0.152 GHz/με 적용되고, 브릴루앙 신호의 온도에 대한 주파수 감도는 1.10 MHz/℃ 가 적용되고, 브릴루앙 신호의 변형률에 대한 주파수 감도는 0.048 MHz/με 적용된다.
따라서, 수학식 1 및 2로부터 초기값(
Figure 112018127933266-pat00024
)(
Figure 112018127933266-pat00025
)과 현재 측정된 값의 차이값인 레일레이 신호 주파수 차이값(
Figure 112018127933266-pat00026
)과, 브릴루앙 신호 주파수 차이값(
Figure 112018127933266-pat00027
)을 이용하면 아래의 수학식 3의 관계식을 얻을 수 있다.
여기서,
Figure 112018127933266-pat00028
은 현재시간에 측정한 vR에서 초기값(vR0)를 차감한 값이고,
Figure 112018127933266-pat00029
는 현재시간에 측정한 vB에서 초기값(vB0)를 차감한 값이다.
Figure 112018127933266-pat00030
또한, 위 수학식 3으로부터 온도변화 및 변형률 변화값은 아래의 수학식 4를 통해 산출할 수 있다.
Figure 112018127933266-pat00031
이상에서 설명된 온도 및 변형률 동시 측정용 레일레이-브릴루앙 하이브리드 분포형 광섬유 센서 장치에 의하면, 온도와 변형률이 모두 센싱광섬유에 인가되어도 온도 및 변형률 각각에 대해 분리할 수 있기 때문에 측정 정밀도를 높일 수 있다.
또한, 제1측정부를 통해 이상검출구간이 있는지를 파악하고, 파악된 이상검출구간에 대해서만 제2측정부를 가동하여 이상검출구간에 대한 온도 및 변형률을 측정함으로써 이상발생 영역에 대한 측정속도도 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.
30: 센싱광섬유 100: 제1측정부
200: 제2측정부 300: 신호처리부

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 측정경로를 따라 연장되게 설치되는 센싱광섬유와;
    상기 센싱광섬유에 파장가변 제1광신호를 인가하고 상기 센싱광섬유로부터 산란된 레일레이 산란광을 검출하는 제1측정부와;
    상기 센싱광섬유의 양단에 프로브광과 펌프광을 상호 반대방향으로 진행되게 입사시켜 상기 센싱광섬유에서 발생되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 제2측정부와;
    상기 제1측정부를 제어하여 상기 센싱광섬유에 대해 검출된 레일레이 산란광으로부터 레일레이 산란신호 주파수를 측정하고, 측정된 레일레이 산란 주파수가 설정된 기준범위를 벗어난 것으로 판단되면, 상기 측정경로 중의 상기 기준범위를 벗어난 레일레이 산란 주파수가 검출된 상기 센싱광섬유의 구간을 이상검출구간으로 결정하고, 결정된 이상검출구간을 스캔하여 상기 브릴루앙 산란광을 검출하도록 상기 제2측정부를 제어하고, 상기 이상검출구간에 대해 상기 제1측정부에 의해 측정된 레일레인 산란신호 주파수와, 상기 이상 검출구간에 대해 상기 제2측정부에서 측정된 브릴루앙 산란광으로부터 측정된 브릴루앙 산란 신호 주파수 정보를 이용하여 상기 센싱 광섬유의 이상검출구간에 대한 위치별 온도 및 변형률을 산출하는 신호처리부;를 구비하고,
    상기 제1측정부는
    파장을 가변시킨 제1광신호를 출사하는 제1광원부와;
    상기 제1광원부에서 출사되는 제1광신호를 제1분배경로와 제2분배경로로 분배하는 제1광커플러와;
    상기 제1분배경로를 통해 진행되는 광을 제3분배경로와 제4분배경로로 분배하는 제2광커플러와;
    상기 제3분배경로에서 진행되는 제1광신호를 제1센싱단으로 출력하고, 상기 센싱광섬유로부터 상기 제1센싱단을 통해 역으로 진행되는 레일레이 산란광을 제1검출단으로 출력하는 제1광순환기와;
    상기 제2분배경로를 통해 진행되는 제1광신호에 대한 주파수를 모니터링할 수 있게 주파수 모니터링 간섭광을 생성하는 주파수 모니터링 간섭계와;
    상기 제1광순환기의 상기 제1검출단에서 출력되는 레일레이 산란광과 상기 제4분배경로를 통해 진행되는 제1광신호를 합파하여 출력하는 제3광커플러와;
    상기 제3광커플러에서 출력되는 광을 검출하여 상기 신호처리부에 제공하는 제1광검출기와;
    상기 주파수 모니터링 간섭계에서 출력되는 광을 검출하여 상기 신호처리부에 제공하는 제2광검출기;를 구비하고,
    상기 제2측정부는
    상기 신호처리부에 제어되어 변조된 주파수의 광을 출력하는 제2광원부와;
    상기 제2광원부에 의해 출력된 광을 이용하여 측대역 신호를 포함하는 상기 프로브광 및 상기 펌프광을 생성하고, 상기 펌프광과 상기 프로브광을 상기 센싱광섬유의 일단 및 타단에 각각 인가할 수 있도록 된 광변조부와;
    상기 광변조부에서 생성된 상기 펌프광을 제2센싱단을 통해 출력하고, 상기 제2센싱단에서 역으로 진행하는 광을 제2검출단으로 출력하는 제2광순환기와;
    상기 센싱광섬유의 일단을 상기 제1센싱단과 상기 제2센싱단 중 어느 하나에 접속할 수 있도록 된 광스위치와;
    상기 제2센싱단에서 역으로 진행되어 상기 제2검출단에서 출력되는 브릴루앙 산란광을 검출하여 상기 신호 처리부에 제공하는 제3광검출기;를 구비하고,
    상기 신호처리부는 상기 광스위치의 접속경로를 제어하고, 상기 제1 및 제2광검출기에서 출력되는 신호로부터 상기 센싱광섬유에 대한 레일레이 산란신호 주파수를 측정하고, 상기 제3광검출기에서 수신된 신호를 이용하여 브릴루앙 산란 신호 주파수를 측정하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 신호처리부는
    상기 제1광검출기를 통해 수신된 신호와 상기 제2광검출기를 통해 수신된 신호를 이용하여 산출된 레일레이 산란신호 주파수(vR)와, 상기 제3광검출기를 통해 수신된 신호를 이용하여 산출된 브릴루앙 산란신호 주파수(vB)에 대해 설정된 레일레이 산란신호 주파수 초기값과 상기 이상 검출구간에 대해 측정된 레일레이 산란신호 주파수와의 차이에 해당하는 레일레이 산란신호 주파수 차이값(ΔvR)과 설정된 브릴루앙 산란신호 주파수 초기값과 상기 이상 검출구간에 대해 측정된 브릴루안 산란신호 주파수와의 차이에 해당하는 브릴루앙산란신호 주파수 차이값(ΔvB)으로부터
    Figure 112018127933266-pat00032

    의 산출식에 의해 변화 온도(
    Figure 112018127933266-pat00033
    )및 변형률 변화값(
    Figure 112018127933266-pat00034
    )을 산출하고,
    여기서,
    Figure 112018127933266-pat00035
    는 레일레이 신호의 온도에 대한 주파수 감도이고,
    Figure 112018127933266-pat00036
    는 레일레이 신호의 변형률에 대한 대한 주파수 감도이고,
    Figure 112018127933266-pat00037
    는 브릴루앙 신호의 온도에 대한 주파수 감도이고,
    Figure 112018127933266-pat00038
    는 브릴루앙 신호의 변형률에 대한 주파수 감도인 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 광변조부는
    상기 제2광원부에서 출력된 광의 편광 상태를 유지하면서 제5분배경로와 제6분배경로를 통해 광을 분배하는 편광유지커플러와;
    상기 제5분배경로를 통해 진행되는 광을 상기 프로브광으로 변조하는 제1변조부와;
    상기 제6분배경로를 통해 진행되는 광을 상기 펌프광으로 변조하는 제2변조부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 주파수 모니터링 간섭계는
    상기 제2분배경로를 통해 진행되는 광을 기준단과 지연단에 각각 분배하여 출력하고, 상기 기준단과 상기 지연단으로부터 역으로 진행되어 합파된 모니터링 간섭광을 상기 제2광검출기로 출력하는 간섭커플러와;
    상기 기준단에 접속된 기준광섬유와;
    상기 지연단에 접속되며 상기 기준광섬유보다 길이가 길게 연장된 지연 광섬유;를 구비하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2광커플러의 상기 제4분배경로를 통해 진행되는 광의 편광을 조정하여 상기 제3광커플러로 출력하는 편광조절기;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서장치.
  8. 측정경로를 따라 연장되게 설치되는 센싱광섬유와, 상기 센싱광섬유에 파장가변 제1광신호를 인가하고 상기 센싱광섬유로부터 산란된 레일레이 산란광을 검출하는 제1측정부와, 상기 센싱광섬유의 양단에 프로브광과 펌프광을 상호 반대방향으로 진행되게 입사시켜 상기 센싱광섬유에서 발생되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 제2측정부와, 상기 제1 및 제2측정부의 구동을 제어하면서 상기 센싱광섬유의 위치별 온도 및 변형률을 산출하는 신호처리부를 구비하는 분포형 광섬유 센서장치의 제어방법에 있어서,
    가. 상기 제1측정부를 구동하면서 상기 센싱광섬유에 대해 측정된 레일레이 산란광으로부터 레일레이 산란신호 주파수를 측정하는 단계와;
    나. 상기 가 단계에서 측정된 레일레이 산란 주파수가 설정된 기준범위를 벗어났는지를 판단하는 단계와;
    다. 상기 나단계에서 레일레이 산란 주파수가 설정된 기준범위를 벗어났다고 판단되면, 기준범위를 벗어난 레일레이 산란 주파수가 검출된 센싱광섬유의 이상검출구간을 추출하는 단계와;
    라. 상기 이상검출구간을 스캔하여 상기 브릴루앙 산란광을 검출하도록 상기 제2측정부를 구동하는 단계와;
    마. 상기 이상검출구간에 대해 상기 라단계를 통해 측정된 브릴루앙 산란 신호 주파수 정보와 상기 이상검출구간에 대해 측정된 상기 레일레이 산란주파수로부터 상기 이상검출구간에 대한 위치별 온도 및 변형률을 산출하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1측정부는
    파장을 가변시킨 제1광신호를 출사하는 제1광원부와;
    상기 제1광원부에서 출사되는 제1광신호를 제1분배경로와 제2분배경로로 분배하는 제1광커플러와;
    상기 제1분배경로를 통해 진행되는 광을 제3분배경로와 제4분배경로로 분배하는 제2광커플러와;
    상기 제3분배경로에서 진행되는 제1광신호를 제1센싱단으로 출력하고, 상기 센싱광섬유로부터 상기 제1센싱단을 통해 역으로 진행되는 레일레이 산란광을 제1검출단으로 출력하는 제1광순환기와;
    상기 제2분배경로를 통해 진행되는 제1광신호에 대한 주파수를 모니터링할 수 있게 주파수 모니터링 간섭광을 생성하는 주파수 모니터링 간섭계와;
    상기 제1광순환기의 상기 제1검출단에서 출력되는 레일레이 산란광과 상기 제4분배경로를 통해 진행되는 제1광신호를 합파하여 출력하는 제3광커플러와;
    상기 제3광커플러에서 출력되는 광을 검출하여 상기 신호처리부에 제공하는 제1광검출기와;
    상기 주파수 모니터링 간섭계에서 출력되는 광을 검출하여 상기 신호처리부에 제공하는 제2광검출기;를 구비하고,
    상기 제2측정부는
    상기 신호처리부에 제어되어 변조된 주파수의 광을 출력하는 제2광원부와;
    상기 제2광원부에 의해 출력된 광을 이용하여 측대역 신호를 포함하는 상기 프로브광 및 상기 펌프광을 생성하고, 상기 펌프광과 상기 프로브광을 상기 센싱광섬유의 일단 및 타단에 각각 인가할 수 있도록 된 광변조부와;
    상기 광변조부에서 생성된 상기 펌프광을 제2센싱단을 통해 출력하고, 상기 제2센싱단에서 역으로 진행하는 광을 제2검출단으로 출력하는 제2광순환기와;
    상기 센싱광섬유의 일단을 상기 제1센싱단과 상기 제2센싱단 중 어느 하나에 접속할 수 있도록 된 광스위치와;
    상기 제2센싱단에서 역으로 진행되어 상기 제2검출단에서 출력되는 브릴루앙 산란광을 검출하여 상기 신호 처리부에 제공하는 제3광검출기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서장치의 제어방법.


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