KR102175611B1 - 온도 감지 장치 및 방법 - Google Patents

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이윤숙
김지수
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Abstract

온도 감지 장치 및 방법이 제시된다. 일 실시예에 따른 온도 감지 장치는, 펄스 신호를 포함하는 입사광을 감지 광섬유로 입사하는 광 발생기; 상기 입사광을 통과시키고, 상기 감지 광섬유로부터 되돌아오는 출력광을 광 필터로 전달하는 광 순환기; 상기 출력광으로부터 스토크스 광, 안티-스토크스 광 및 레일리 산란광을 분리하는 광 필터; 및 상기 스토크스 광 및 상기 안티-스토크스 광을 기초로 상기 감지 광섬유의 길이에 따른 온도를 결정하는 신호 처리기를 포함하고, 상기 신호 처리기는, 상기 스토크스 광 또는 상기 안티-스토크스 광의 오버-슈트(overshoot) 또는 상기 언더-슈트(undershoot)현상을 보상하고 보상된 결과를 기초로 상기 길이에 따른 온도를 결정하는 보상기를 포함한다.

Description

온도 감지 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SENSING TEMPERATURE}
피측정 물체의 온도를 감지하는 기술에 관한 것으로 광섬유를 이용하여 온도를 측정하는 기술에 관한 것이다.
감지 광섬유를 이용하여 피측정 물체의 온도를 감지하는 기술이 개발되고 있다. 감지 광섬유는 일반적으로 광섬유 중심인 코어(core) 부분, 중심을 보호하는 클래딩(cladding) 부분과 피복 부분으로 이루어져 있다. 코어와 클래딩의 주성분은 유리로 구성되어 있으며, 이러한 주요 구성인 코어와 클래딩을 보호하기 위하여 폴리머(polymer)나 아크릴레이트(acrylate) 등을 사용하여 클래딩 표면이 피복된다.
전술한 배경기술은 발명자가 본원의 개시 내용을 도출하는 과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
한국공개특허 10-2011-0122348
일 실시예에 따른 온도 감지 장치는, 펄스 신호를 포함하는 입사광을 감지 광섬유로 입사하는 광 발생기; 상기 입사광을 통과시키고, 상기 감지 광섬유로부터 되돌아오는 출력광을 광 필터로 전달하는 광 순환기; 상기 출력광으로부터 스토크스 광, 안티-스토크스 광 및 레일리 산란광을 분리하는 광 필터; 및 상기 스토크스 광 및 상기 안티-스토크스 광을 기초로 상기 감지 광섬유의 길이에 따른 온도를 결정하는 신호 처리기를 포함하고, 상기 신호 처리기는, 전자 회로에서 발생되는 기생 신호로 인해 나타나는 상기 스토크스 광 및 상기 안티-스토크스 광의 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 보상하고 보상된 결과를 기초로 상기 길이에 따른 온도를 결정하는 보상기를 포함한다.
상기 보상기는, 상기 스토크스 광 및 상기 안티-스토크스 광의 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 검출하고, 상기 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상이 검출된 경우, 검출 결과에 대응하여 앞섬(lead) 또는 뒤짐(lag) 보상을 적용함으로써 상기 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 보상할 수 있다.
상기 신호 처리기는, 상기 스토크스 광 및 상기 안티-스토크스 광을 전기 신호로 변환하는 광 검출기; 상기 전기 신호를 증폭하는 증폭기; 상기 증폭된 전기 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기; 및 상기 디지털 신호의 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 보상하는 보상기를 더 포함하고, 상기 보상기는 상기 아날로그-디지털 변환기의 뒤에 연결될 수 있다.
상기 보상기는, 상기 디지털 신호로부터 상기 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 검출하고, 상기 검출 결과에 대응하여 상기 디지털 신호의 앞섬(lead) 또는 뒤짐(lag) 보상을 적용할 수 있다.
상기 신호 처리기는, 상기 스토크스 광 및 상기 안티-스토크스 광을 전기 신호로 변환하는 광 검출기; 상기 전기 신호를 증폭하는 증폭기; 상기 증폭된 전기 신호의 위상을 보상하는 보상기; 및 상기 보상된 전기 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 더 포함하고, 상기 보상기는 상기 증폭기 및 상기 아날로그-디지털 변환기 사이에 연결될 수 있다.
상기 보상기는, 상기 증폭된 전기 신호로부터 상기 오버-슈트(overshoot) 또는 상기 언더-슈트(undershoot) 현상을 검출하고, 상기 검출 결과에 대응하여 상기 증폭된 전기 신호의 상기 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 보상할 수 있다.
상기 스토크스 광 및 상기 안티-스토크스 광 중의 하나를 선택적으로 상기 신호 처리기로 전달하는 제1 광 스위치를 더 포함할 수 있다.
상기 광 순환기 및 복수의 감지 광섬유에 연결되고, 상기 복수의 감지 광섬유 중에서 온도를 측정할 감지 광섬유를 선택하고, 상기 선택된 감지 광섬유로 상기 입사광을 입사하는 제2 광 스위치를 더 포함할 수 있다.
상기 광 발생기는, 상기 펄스 신호를 생성하는 광원 제어기; 및 상기 펄스 신호를 포함하는 상기 입사광을 발생시키는 광원을 포함할 수 있다.
상기 광원 제어기는, 상기 광원에 입력되는 전류를 변조하여 상기 펄스 신호를 생성할 수 있다.
상기 광원은 DFB(Distributed Feedback) 레이저다이오드일 수 있다.
상기 광 필터는 라만 필터를 포함할 수 있다.
상기 광 검출기는 APD(Avalanche Photodiode)일 수 있다.
일 실시예에 따른 온도 감지 방법은, 아날로그-디지털 변환기로부터 수신한 디지털 신호로부터 스토크스 광 및 안티-스토크스 광의 오버-슈트(overshoot) 또는 상기 언더-슈트(undershoot) 현상을 보상하는 단계; 및 상기 보상된 결과를 기초로 감지 광섬유의 길이에 따른 온도를 결정하는 단계를 포함하고, 상기 디지털 신호는, 펄스 신호를 포함하는 입사광에 대응하여 상기 감지 광섬유로부터 되돌아오는 출력광을 상기 스토크스 광 및 상기 안티-스토크스 광으로 분리하고, 상기 스토크스 광 및 상기 안티-스토크스 광을 전기 신호로 변환하고, 상기 전기 신호를 증폭하고, 상기 증폭된 전기 신호를 아날로그-디지털 변환함으로써 생성될 수 있다.
상기 보상하는 단계는, 상기 스토크스 광 및 상기 안티-스토크스 광의 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 검출하는 단계; 및 상기 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상이 검출된 경우, 검출 결과에 대응하여 상기 앞섬(lead) 또는 뒤짐(lag) 보상을 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 검출하는 단계는, 상기 디지털 신호로부터 상기 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 검출하고, 상기 보상하는 단계는, 상기 검출 결과에 대응하여 상기 디지털 신호의 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 보상할 수 있다.
일 실시예에 따른 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는, 상기 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 프로그램을 기록할 수 있다.
일 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램은 상기 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 저장될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 온도 감지 장치의 전체 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 보상 전후의 스토크스 광의 세기를 비교하기 위한 그래프이다.
도 3은 일 실시예에 따른 보상기를 포함하는 신호 처리기의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 보상기를 포함하는 신호 처리기의 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 온도 감지 방법의 동작을 도시한 순서도이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 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 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 온도 감지 장치의 전체 구성을 도시한 도면이다.
일 실시예에 따르면, 온도 감지 장치(100)는 감지 광섬유의 길이에 따른 온도를 측정할 수 있다. 온도 감지 장치(100)는 감지 광섬유로부터 출력되는 라만 산란광의 세기를 분석하여 감지 광섬유의 주변 영역의 온도를 측정할 수 있다. 라만 산란광의 세기가 급격하게 변하는 경우, 온도 측정 결과가 왜곡될 수 있는데, 온도 감지 장치(100)는 이러한 왜곡을 보상함으로써 보다 정확하게 온도를 측정할 수 있다. 온도 감지 장치(100)는 분포형 온도 감지 시스템(DTSS, Distributed Temperature Sensing System)으로 지칭될 수 있다.
온도 감지 장치(100)는 구조물의 모니터링을 위해 사용될 수 있다. 온도 감지 장치(100)는 감지 광섬유를 이용하기 때문에 구조가 단순하다. 감지 광섬유를 감지부로 사용하는 분포형 센서를 구현할 수 있어서, 교량, 터널, 건물과 같은 시설을 실시간으로 모니터링하기 위해 사용될 수 있다.
펄스 신호를 포함하는 입사광을 감지 광섬유 내에 입사시키면 입사광은 감지 광섬유를 따라 이동하면서 산란광을 발생시킨다. 산란광 중 일부는 후방으로 전달되며, 이를 후방 산란광이라고 지칭한다. 대표적인 후방 산란광은 레일리 산란광(Rayleigh scattering light)이다. 레일리 산란광은 입사광과 주파수가 동일한 탄성 산란(Elastic scattering)으로 발생하며, 외부 온도 변화 및 변형률에 둔감하다.
비탄성 산란(Inelastic scattering)은 산란광의 주파수와 입사광의 주파수가 차이를 나타내는 산란 현상으로, 안티-스토크스 산란광(Anti-Stokes scattering light)과 스토크스 산란광(Stokes scattering light)의 쌍을 포함한다. 안티-스토크스 산란광은 입사광에 비해 주파수가 증가하고, 스토크스 산란광은 입사광에 비해 주파수가 감소한다. 비탄성 산란광에 해당하는 라만 산란광은 입사광의 주파수와 약 10 THz 차이를 보이며 감지 광섬유 분자의 진동 에너지 상태와 관련된다.
라만 스토크스 산란광은 진동 바닥 상태의 분자가 에너지를 얻어 진동 여기 상태가 되면서 발생되고 라만 안티-스토크스 산란광은 진동 여기 상태의 분자가 에너지를 잃고 진동 바닥 상태가 되면서 발생된다. 라만 스토크스 산란광의 세기는 온도에 둔감한 반면 라만 안티-스토크스 산란광의 세기는 온도에 따라 민감하게 반응하므로 라만 안티-스토크스 산란광의 세기와 라만 스토크스 산란광의 세기의 비를 이용하면 감지 광섬유의 온도 변화를 측정할 수 있다.
감지 광섬유의 임의의 지점에서 급격한 온도 변화가 발생하거나 급격한 광 손실이 발생할 경우, 출력광에 포함된 라만 산란광의 세기도 급격한 변화가 발생된다. 이에 따라, 광 신호를 전기 신호로 변환하는 광 검출기의 출력인 전기 신호에도 급격한 변화가 발생되며 해당 지점에서 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상이 나타나며 이는 신호 왜곡의 일종으로서 측정되는 온도에 오차를 증가시킬 수 있다.
온도 감지 장치(100)는 전기 신호의 급격한 변화가 발생하는 위치에서 나타나는 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 보상함으로써 보다 정확하게 감지 광섬유의 주변 온도를 측정할 수 있다. 온도 감지 장치(100)는 전기 신호의 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 보상함으로써 보다 안정적으로 온도를 측정할 수 있다. 또한, 온도 감지 장치(100)는 하나의 광원과 하나의 광 검출기를 이용하여 라만 산란광을 검출할 수 있고, 비용을 절감할 수 있다.
이를 위하여, 온도 감지 장치(100)는 광 발생기(110), 광 순환기(120), 광 필터(140) 및 신호 처리기(150)를 포함한다. 신호 처리기(150)는 보상기를 포함할 수 있다. 광 발생기(110)와 광 순환기(120) 사이에는 입사광의 세기를 증폭하는 광 증폭기 또는 ASE 필터가 더 포함될 수 있다.
광 발생기(110)는 펄스 신호를 포함하는 입사광을 감지 광섬유로 입사한다. 광 발생기(110)는 펄스 신호를 발생시키고, 펄스 신호를 포함하는 입사광을 생성할 수 있다. 광 발생기(110)는 라만 산란광에 대응하는 감지 광섬유의 위치를 파악하기 위하여 펄스 신호를 입사광에 반영할 수 있다.
입사광은 전반사를 통해 감지 광섬유의 내부를 진행할 수 있다. 입사광은 감지 광섬유의 중간에 설치된 광 순환기(120)를 만날 수 있다. 광 순환기(120)는 입사광을 통과시키고, 감지 광섬유로부터 되돌아오는 출력광을 광 필터로 전달한다. 여기서, 출력광은 라만 산란에 의한 산란광 및 레일리 산란에 의한 산란광을 포함할 수 있다. 출력광은 되돌아오는 지점의 물리적 특성을 반영할 수 있다. 입사광이 감지 광섬유의 임의의 위치에서 되돌아오는 경우, 되돌아오는 출력광은 해당 위치의 감지 광섬유의 온도 또는 물리적 특성을 반영할 수 있다.
광 필터(140)는 출력광으로부터 스토키스 광, 안티-스토키스 광 및 레일리 산란광을 분리한다. 광 필터(140)는 파장 대역에 따라 출력광을 분리할 수 있다. 예를 들어, 광 필터(140)는 1420㎚ 내지 1480㎚의 범위의 대역의 출력광을 라만 산란광으로 분리할 수 있다. 예를 들어, 광 필터(140)는 라만 필터를 포함할 수 있다.
광 필터(140)는 분리된 스토키스 광, 안티-스토키스 광을 신호 처리기(150)로 전달할 수 있다. 이를 위하여, 광 필터(140)는 입력되는 광이 연결되는 입력 포트와 출력되는 광을 내보내는 3개의 출력 포트로 구성될 수 있다.
광 필터(140)는 출력광으로부터 스토크스 광, 안티-스토크스 광 및 레일리 산란광을 분리한다. 광 필터(140)는 파장 대역에 따라 출력광을 분리할 수 있다. 예를 들어, 광 필터(140)는 1420㎚ 내지 1480㎚의 범위의 대역의 출력광을 라만 산란광으로 분리할 수 있다. 예를 들어, 광 필터(140)는 라만 필터를 포함할 수 있다.
광 필터(140)는 분리된 스토크스 광, 안티-스토크스 광을 신호 처리기(150)로 전달할 수 있다. 이를 위하여, 광 필터(140)는 입력되는 광이 연결되는 입력 포트와 출력되는 광을 내보내는 3개의 출력 포트로 구성될 수 있다.
신호 처리기(150)는 스토크스 광 및 안티-스토크스 광을 기초로 감지 광섬유의 길이에 따른 온도를 결정한다. 신호 처리기(150)에 의해, 스토크스 및 안티-스토크스 성분은 감지 광섬유의 복수의 위치의 온도 분포를 측정하는데 사용된다.
신호 처리기(150)에 포함된 보상기는 스토크스 광 및 안티-스토크스 광의 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 보상하고 보상된 결과를 기초로 길이에 따른 온도를 결정한다. 신호 처리기(150)는 스토크스 광 및 안티-스토크스 광의 크기의 비를 구하여 감지 광섬유의 길이 방향의 온도 분포를 구할 수 있다.
Figure 112020055872216-pat00001
수학식 1에서, kB는 볼쯔만 상수, h는 플랑크 상수, dv는 피측정 광섬유의 라만 주파수 천이량, r(i)는 피측정 광섬유의 i 위치에서 안티-스토키스 산란광의 세기와 스토키스 산란광의 세기의 비율, r0는 피측정 광섬유의 기준 위치에서 안티-스토키스 산란광의 세기와 스토키스 산란광의 세기의 비율, T0는 피측정 광섬유의 기준 위치에서의 온도를 의미한다.
보상기는 전기 신호로 변환된 스토키스 신호 및 안티-스토키스 신호의 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 검출할 수 있다. 보상기는 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상이 검출된 경우, 검출 결과에 대응하여 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 보상할 수 있다.
수학식 1에서, kB는 볼쯔만 상수, h는 플랑크 상수, dv는 피측정 광섬유의 라만 주파수 천이량, r(i)는 피측정 광섬유의 i 위치에서 안티-스토크스 산란광의 세기와 스토크스 산란광의 세기의 비율, r0는 피측정 광섬유의 기준 위치에서 안티-스토크스 산란광의 세기와 스토크스 산란광의 세기의 비율, T0는 피측정 광섬유의 기준 위치에서의 온도를 의미한다.
보상기는 전기 신호로 변환된 스토크스 광 및 안티-스토크스 광의 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 검출할 수 있다. 보상기는 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상이 검출된 경우, 검출 결과에 대응하여 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 보상할 수 있다.
온도 감지 장치(100)는 제1 광 스위치를 더 포함할 수 있다. 제1 광 스위치는 스토키스 광 및 안티-스토키스 광 중의 하나를 선택적으로 신호 처리기(150)로 전달할 수 있다. 이를 통해, 하나의 신호 처리기(150)를 이용하여 두 가지 종류의 광 성분을 분석할 수 있다.
온도 감지 장치(100)는 제2 광 스위치를 더 포함할 수 있다. 제2 광 스위치는 광 순환기 및 복수의 감지 광섬유에 연결될 수 있다. 제2 광 스위치는 복수의 감지 광섬유 중에서 온도를 측정할 감지 광섬유를 선택하고, 선택된 감지 광섬유로 입사광을 입사할 수 있다.
온도 감지 장치(100)는 제1 광 스위치를 더 포함할 수 있다. 제1 광 스위치는 스토크스 광 및 안티-스토크스 광 중의 하나를 선택적으로 신호 처리기(150)로 전달할 수 있다. 이를 통해, 하나의 신호 처리기(150)를 이용하여 두 가지 종류의 광 성분을 분석할 수 있다.
광 발생기(110)는 광원 제어기 및 광원을 포함할 수 있다. 광원 제어기는 펄스 신호를 생성할 수 있다. 광원 제어기는 광원에 입력되는 전류를 변조하여 펄스 신호를 생성할 수 있다. 이를 위하여, 광원 제어기는 DC 전력 공급 장치 및 전기 펄스 발생기 등을 포함할 수 있다.
광원은 펄스 신호를 포함하는 입사광을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 광원은 펄스 다이오드 레이저 또는 또는 DFB(Distributed Feedback) 레이저다이오드를 포함할 수 있다. 펄스 다이오드 레이저는 빛을 발생시키는 발광소자로서 DC 전력공급장치에 의하여 전력을 공급받아 구동된다. 펄스 다이오드 레이저 외에 발광다이오드, 유기EL소자, 무기EL소자, 다파장 램프 등과 같은 발광소자가 이용될 수도 있다.
광원에서 발생된 빛은 EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)와 같은 광섬유 증폭기에 의하여 증폭될 수 있다. 증폭된 빛에는 기저광이 발생하게 되며, 증폭된 빛은 증폭된 펄스 및 기저광을 포함하게 된다.
도 2는 보상 전후의 스토키스 신호의 트레이스를 비교하기 위한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 쇄선은 보상하기 전의 스토크스 신호의 트레이스를 나타내고, 실선은 보상한 후의 스토크스 신호의 트레이스를 나타낸다. 신호의 크기가 급격하게 증가되는 지점에서 오버-슈트(overshoot)가 나타나고, 신호의 크기가 급격하게 감소하는 지점에서 언더-슈트(Undershoot)가 나타난다.
이와 같은 오버-슈트와 언더-슈트는 산란광의 특성이 아니며 전자회로 특성에 의해 발생되는 앞섬-뒤섬(Lead-lag) 현상에 의한 영향이다. 안티-스토크스 산란광 또한 스토크스 산란광과 유사하게 오버-슈트와 언더-슈트가 발생된다.
도 2는 보상 전후의 스토크스 광의 트레이스를 비교하기 위한 그래프이다.
도 3은 일 실시예에 따른 보상기를 포함하는 신호 처리기의 구성을 도시한 도면이다.
일 실시예에 따르면, 신호 처리기(150)는 광 검출기(151), 증폭기(153), 아날로그-디지털 변환기(157) 및 보상기(159)를 포함할 수 있다. 보상기(159)는 아날로그-디지털 변환기의 뒤에 연결될 수 있다.
광 검출기(151)는 스토키스 광 및 안티-스토키스 광을 전기 신호로 변환할 수 있다. 광 검출기(151)는 광흡수에 의한 반도체 내에서 반송자 생성을 이용한 반도체 광 검출기 중 다이오드형 광 검출 소자가 이용될 수 있다. 예를 들어, 광 검출기(151)는 APD(Avalanche Photo Diode)가 사용될 수 있다. APD는 라만 산란광을 검출하여 전기신호로 변환시킨다. 여기서, APD는 반사된 후방 산란 광신호를 반복 검출하여 평균값을 산출할 수 있다.
증폭기(153)는 전기 신호를 증폭할 수 있다. 아날로그-디지털 변환기(157)는 증폭된 전기 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다.
보상기(159)는 디지털 신호로부터 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 검출할 수 있다. 보상기(159)는 검출 결과에 대응하여 디지털 신호의 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot)를 보상할 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 보상기를 포함하는 신호 처리기의 구성을 도시한 도면이다.
광 검출기(151)는 스토크스 광 및 안티-스토크스 광을 전기 신호로 변환할 수 있다. 광 검출기(151)는 광흡수에 의한 반도체 내에서 반송자 생성을 이용한 반도체 광 검출기 중 다이오드형 광 검출 소자가 이용될 수 있다. 예를 들어, 광 검출기(151)는 APD(Avalanche Photo Diode)가 사용될 수 있다. APD는 라만 산란광을 검출하여 전기신호로 변환시킨다. 여기서, APD는 반사된 후방 산란 광신호를 반복 검출하여 평균값을 산출할 수 있다.
광 검출기(151)는 스토키스 광 및 안티-스토키스 광을 전기 신호로 변환할 수 있다. 광 검출기(151)는 광흡수에 의한 반도체 내에서 반송자 생성을 이용한 반도체 광 검출기 중 다이오드형 광 검출 소자가 이용될 수 있다. 예를 들어, 광 검출기(151)는 APD가 사용될 수 있다. APD는 라만 산란광 중에서 안티-스토키스광을 검출하여 전기신호로 변환시킨다. 여기서, APD는 반사된 후방 산란 광신호를 반복 검출하여 평균값을 산출할 수 있다.
증폭기(153)는 전기 신호를 증폭할 수 있다. 보상기(159)는 증폭된 전기 신호로부터 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 검출할 수 있다. 보상기(159)는 검출 결과에 대응하여 증폭된 전기 신호의 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot)를 보상할 수 있다.
아날로그-디지털 변환기(157)는 보상된 전기 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 온도 감지 방법의 동작을 도시한 순서도이다.
보상기는 신호처리부 내에 소프트웨어 형태로 구현될 수 있다. 보상기는 장비 운용 프로그램에 DLL(Dynamic Link Library) 형태로 제공되어 사용자에 의해 선택적으로 적용될 수도 있다.
광 검출기(151)는 스토크스 광 및 안티-스토크스 광을 전기 신호로 변환할 수 있다. 광 검출기(151)는 광흡수에 의한 반도체 내에서 반송자 생성을 이용한 반도체 광 검출기 중 다이오드형 광 검출 소자가 이용될 수 있다. 예를 들어, 광 검출기(151)는 APD가 사용될 수 있다. APD는 라만 산란광 중에서 안티-스토크스광을 검출하여 전기신호로 변환시킨다. 여기서, APD는 반사된 후방 산란 광신호를 반복 검출하여 평균값을 산출할 수 있다.
여기서, 디지털 신호는 펄스 신호를 포함하는 입사광에 대응하여 감지 광섬유로부터 되돌아오는 출력광을 스토키스 광 및 안티-스토키스 광으로 분리하고, 스토키스 광 및 안티-스토키스 광을 전기 신호로 변환하고, 전기 신호를 증폭하고, 증폭된 전기 신호를 아날로그-디지털 변환함으로써 생성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단계(503)에서, 온도 감지 장치(100)는 보상된 결과를 기초로 감지 광섬유의 길이에 따른 온도를 결정한다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 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.
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.
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.
일 실시예에 따르면, 단계(501)에서, 온도 감지 장치(100)는 아날로그-디지털 변환기로부터 수신한 디지털 신호로부터 스토크스 광 및 안티-스토크스 광의 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 보상한다. 온도 감지 장치(100)는 스토크스 광 및 안티-스토크스 광의 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 검출할 수 있다. 온도 감지 장치(100)는 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상이 검출된 경우, 검출 결과에 대응하여 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 보상할 수 있다. 온도 감지 장치(100)는 디지털 신호로부터 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 검출할 수 있다. 온도 감지 장치(100)는 검출 결과에 대응하여 디지털 신호의 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot)를 보상할 수 있다.
여기서, 디지털 신호는 펄스 신호를 포함하는 입사광에 대응하여 감지 광섬유로부터 되돌아오는 출력광을 스토크스 광 및 안티-스토크스 광으로 분리하고, 스토크스 광 및 안티-스토크스 광을 전기 신호로 변환하고, 전기 신호를 증폭하고, 증폭된 전기 신호를 아날로그-디지털 변환함으로써 생성될 수 있다.

Claims (18)

  1. 펄스 신호를 포함하는 입사광을 감지 광섬유로 입사하는 광 발생기;
    상기 입사광을 통과시키고, 상기 감지 광섬유로부터 되돌아오는 출력광을 광 필터로 전달하는 광 순환기;
    상기 출력광으로부터 스토크스 광, 안티-스토크스 광 및 레일리 산란광을 분리하는 광 필터; 및
    상기 스토크스 광 및 상기 안티-스토크스 광을 기초로 상기 감지 광섬유의 길이에 따른 온도를 결정하는 신호 처리기를 포함하고,
    상기 신호 처리기는, 상기 스토크스 광 또는 상기 안티-스토크스 광의 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 보상하고 보상된 결과를 기초로 상기 길이에 따른 온도를 결정하는 보상기를 포함하고,
    상기 스토크스 광 또는 상기 안티-스토크스 광의 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상은 온도 감지 장치의 전자회로 특성에 의해 발생되는 앞섬-뒤섬(Lead-lag) 현상에 의해 발생하는,
    온도 감지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보상기는,
    상기 스토크스 광 또는 상기 안티-스토크스 광의 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 검출하고,
    상기 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상이 검출된 경우, 검출 결과에 대응하여 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 보상하는,
    온도 감지 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 신호 처리기는,
    상기 스토크스 광 및 상기 안티-스토크스 광을 전기 신호로 변환하는 광 검출기;
    상기 전기 신호를 증폭하는 증폭기; 및
    상기 증폭된 전기 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 더 포함하고,
    상기 보상기는 상기 아날로그-디지털 변환기의 뒤에 연결되는,
    온도 감지 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 보상기는,
    상기 디지털 신호로부터 상기 오버-슈트(overshoot) 또는 상기 언더-슈트(undershoot) 현상을 검출하고,
    상기 검출 결과에 대응하여 상기 디지털 신호의 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot)을 보상하는,
    온도 감지 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 신호 처리기는,
    상기 스토크스 광 및 상기 안티-스토크스 광을 전기 신호로 변환하는 광 검출기;
    상기 전기 신호를 증폭하는 증폭기; 및
    상기 보상된 전기 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 더 포함하고,
    상기 보상기는 상기 증폭기 및 상기 아날로그-디지털 변환기 사이에 연결되는,
    온도 감지 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 보상기는,
    상기 증폭된 전기 신호로부터 상기 오버-슈트(overshoot) 또는 상기 언더-슈트(undershoot) 현상을 검출하고,
    상기 검출 결과에 대응하여 상기 증폭된 전기 신호의 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot)를 보상하는,
    온도 감지 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스토크스 광 및 상기 안티-스토크스 광 중의 하나를 선택적으로 상기 신호 처리기로 전달하는 제1 광 스위치를 더 포함하는,
    온도 감지 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광 순환기 및 복수의 감지 광섬유에 연결되고, 상기 복수의 감지 광섬유 중에서 온도를 측정할 감지 광섬유를 선택하고, 상기 선택된 감지 광섬유로 상기 입사광을 입사하는 제2 광 스위치를 더 포함하는,
    온도 감지 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광 발생기는,
    상기 펄스 신호를 생성하는 광원 제어기; 및
    상기 펄스 신호를 포함하는 상기 입사광을 발생시키는 광원을 포함하는,
    온도 감지 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광원 제어기는,
    상기 광원에 입력되는 전류를 변조하여 상기 펄스 신호를 생성하는,
    온도 감지 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 광원은 DFB(Distributed Feedback) 레이저다이오드인,
    온도 감지 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 광 필터는 라만 필터를 포함하는,
    온도 감지 장치.
  13. 제3항 또는 제5항에 있어서,
    상기 광 검출기는 APD(Avalanche Photodiode)인,
    온도 감지 장치.
  14. 아날로그-디지털 변환기로부터 수신한 디지털 신호로부터 스토크스 광 및 안티-스토크스 광의 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상을 보상하는 단계; 및
    상기 보상된 결과를 기초로 감지 광섬유의 길이에 따른 온도를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 디지털 신호는,
    펄스 신호를 포함하는 입사광에 대응하여 상기 감지 광섬유로부터 되돌아오는 출력광을 상기 스토크스 광 및 상기 안티-스토크스 광으로 분리하고, 상기 스토크스 광 및 상기 안티-스토크스 광을 전기 신호로 변환하고, 상기 전기 신호를 증폭하고, 상기 증폭된 전기 신호를 아날로그-디지털 변환함으로써 생성되고,
    상기 스토크스 광 또는 상기 안티-스토크스 광의 오버-슈트(overshoot) 또는 언더-슈트(undershoot) 현상은 온도 감지 장치의 전자회로 특성에 의해 발생되는 앞섬-뒤섬(Lead-lag) 현상에 의해 발생하는,
    온도 감지 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 보상하는 단계는,
    상기 스토크스 광 및 상기 안티-스토크스 광의 오버-슈트(overshoot) 또는 상기 언더-슈트(undershoot) 현상을 검출하는 단계; 및
    상기 오버-슈트(overshoot) 또는 상기 언더-슈트(undershoot)현상이 검출된 경우, 검출 결과에 대응하여 상기 오버-슈트(overshoot) 또는 상기 언더-슈트(undershoot) 현상을 보상하는 단계
    를 포함하는, 온도 감지 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 검출하는 단계는,
    상기 디지털 신호로부터 상기 오버-슈트(overshoot) 또는 상기 언더-슈트(undershoot) 현상을 검출하고,
    상기 보상하는 단계는,
    상기 검출 결과에 대응하여 상기 디지털 신호의 오버-슈트(overshoot) 또는 상기 언더-슈트(undershoot)를 보상하는,
    온도 감지 방법.
  17. 제14항의 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 프로그램을 기록하는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
  18. 제14항의 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.

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