KR102394748B1 - 코드신호 기반 광섬유 음향센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 코드신호 기반 광섬유 음향센서에 관한 것으로서, 지시된 코드신호에 대응하는 패턴의 펄스광을 출사하는 광원부와, 광원부에서 출사되어 입력단으로 입력된 광을 센싱단으로 출력하고, 센싱단에서 역으로 진행하는 광을 검출단으로 출력하는 광써큘레이터와, 센싱단에 접속되어 측정대상 영역에 분포되게 설치된 센싱광섬유와, 광써큘레이터의 검출단에서 출력되는 레일레이 역산란광을 검출하는 광검출부와, 설정된 코딩길이에 속하는 코드신호들이 광원부에서 출력되게 광원부의 구동을 제어하고, 센싱광섬유에서 음향에 대응되어 역으로 반사되는 레일레이 역산란광에 대해 광검출부에서 출력되는 신호를 디코딩하여 센싱광섬유의 위치별 음향신호를 분석처리하는 제어유니트를 구비한다. 이러한 코드신호 기반 광섬유 음향센서에 의하면, 신호대 잡음비 및 음향신호 측정속도도 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.

Description

코드신호 기반 광섬유 음향센서{Pulse code based Fiber-Optic Distributed Acoustic Sensor}
본 발명은 코드신호 기반 광섬유 음향센서에 관한 것으로서, 상세하게는 음향신호의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있도록 된 코드신호 기반 광섬유 음향센서에 관한 것이다.
광섬유를 10 km 내외의 장거리에 걸쳐 설치하여 운영하는 분포형 광섬유 센서는 국내 등록특허 제10-1223105호 등 다양하게 게시되어 있다.
이러한 분포형 광섬유 센서는 광섬유 내 산란현상을 이용하며, 이때 광섬유 케이블의 특정 위치에 작용하는 물리량에 따라 다르게 반사되어 돌아오는 광섬유 내 후방 산란광의 세기를 측정하는 것으로 온도 이외에도 변형 등 다양한 물리량을 검출하도록 구축될 수 있다..
이러한 분포형 광섬유 센서 중 레일레이(Rayleigh) 산란을 이용하는 광섬유 음향센서(DAS: Distributed Acoustic Sensor)가 있다.
광섬유 음향센서는 광섬유 내부를 진행하는 광으로부터 광섬유의 밀도의 불균일 분포에 기인하여 발생하는 산란광을 측정하는 센서로, 펄스광의 세기에 비례하는 후방 산란광을 얻을 수 있다.
그런데, 단발 형태의 펄스광을 송출하는 광섬유 음향센서의 경우 잡음에 의한 측정정밀도가 떨어질 수 있어 신호대 잡음비를 더욱 향상시키면서 측정시간도 단축할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 상호 다른패턴으로 코드화된 광신호를 송출하고, 수신된 산란광 신호를 디코딩 하는 과정을 거쳐 신호대 잡음비를 향상시킬 수 있는 코드신호 기반 광섬유 음향센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 코드신호 기반 광섬유 음향센서는 지시된 코드신호에 대응하는 패턴의 펄스광을 출사하는 광원부와; 상기 광원부에서 출사되어 입력단으로 입력된 광을 센싱단으로 출력하고, 상기 센싱단에서 역으로 진행하는 광을 검출단으로 출력하는 광써큘레이터와; 상기 센싱단에 접속되어 측정대상 영역에 분포되게 설치된 센싱광섬유와; 상기 광써큘레이터의 검출단에서 출력되는 레일레이 역산란광을 검출하는 광검출부와; 설정된 코딩길이에 속하는 코드신호들이 상기 광원부에서 출력되게 상기 광원부의 구동을 제어하고, 상기 센싱광섬유에서 음향에 대응되어 역으로 반사되는 레일레이 역산란광에 대해 상기 광검출부에서 출력되는 신호를 디코딩하여 상기 센싱광섬유의 위치별 음향신호를 분석처리하는 제어유니트;를 구비한다.
바람직하게는 상기 센싱광섬유는 변압기, 수전반 및 배전반 중 적어도 하나에 내부에 배치되게 장착된다.
또한, 상기 제어유니트는 설정된 코딩길이에 속하는 코딩신호를 생성하여 상기 광원부에 출력하는 광파형 코딩부와; 상기 광검출부에서 출력되는 신호로부터 상기 코딩신호에 대응되게 디코딩 처리하는 광파형 디코딩부와; 상기 광파형 디코딩부에서 출력되는 신호로부터 음향신호를 분석하고, 분석된 음향신호가 부분방전에 해당하는 지를 판단하고, 부분방전으로 판단되면 출력부를 통해 부분방정 발생정보를 출력하며 상기 광파형 코딩부에 설정된 코딩길이 정보를 제공하고, 상기 광파형 코딩부를 제어하는 신호처리부;를 구비한다.
바람직하게는 상기 제어유니트는 코딩길이(L)에 대해 L=2K-1로 결정하고, 2K 길이의 하다마드행렬(Hadamard matrix)인 H행렬를 생성한 후, H의 첫행과 첫열을 지운 S를 생성하고, 생성된 S의 각행을 코드신호로 결정하고, k는 1이상의 정수이다.
더욱 바람직하게는 상기 제어유니트는 상기 k값을 7과 8중 어느 하나로 결정하여 적용한다.
본 발명에 따른 코드신호 기반 광섬유 음향센서에 의하면, 신호대 잡음비 및 음향신호 측정속도도 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 코드신호 기반 광섬유 음향센서를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 제어유니트의 음향신호 측정과정을 나타내 보인 플로우도이고,
도 3은 도 1의 광원부를 통해 송출되는 코드신호와 이에 대응되어 광출기에서 수신되는 신호의 예를 나타내 보인 파형도이고,
도 4 내지 도 7은 도 1의 제어유니트에서 부분방전 발생을 판단하는 방식의 예를 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코드신호 기반 광섬유 음향센서를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 코드신호 기반 광섬유 음향센서를 나타내 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 코드신호 기반 광섬유 음향센서(100)는 광원부(110), 광써큘레이터(120), 센싱광섬유(130), 광검출부(150), 제어유니트(160) 및 출력부(180)를 구비한다.
광원부(110)는 제어유니트(160)로부터 지시된 코드신호에 대응하는 패턴의 펄스광을 출사한다.
광원부(110)는 광원(112) 및 펄스발생부(114)로 구축되어 있다.
광원(112)은 펄스발생부(114)에서 출력되는 펄스파형에 대응되는 펄스광을 출력한다.
펄스발생부(114)는 제어유니트(160)의 광파형 코딩부(161)에서 출력되는 코드신호에 대응되는 펄스파형을 발생하여 광원(112)을 구동한다.
광써큘레이터(120)는 광원부(110)에서 출사되어 입력단(120a)으로 입력된 광을 센싱단(120b)으로 출력하고, 센싱단(120b)에서 역으로 진행하는 광을 검출단(120c)으로 출력한다.
센싱광섬유(130)는 광써큘레이터(120)의 센싱단(120b)에 접속되어 측정대상 영역에 분포되게 설치되어 있다.
도시된 예에서 센싱광섬유(130)는 변압기, 수전반 및 배전반 중 어느 하나에 해당하는 함체(10)의 내부의 장착대상 요소(120)에 장착되어 있다.
광검출부(140)는 광써큘레이터(120)의 검출단(120c)에서 출력되는 레일레이 역산란광을 검출하여 전기적 신호로 출력한다. 여기서 레일레이 역산란광은 센싱광섬유(130)에서 입사된 펄스광에 대응되어 산란되는 역으로 진행되어 센싱단(120b) 및 검출단(120c)을 통해 출력되는 광신호이다.
광검출부(140)에는 검출단(120c)에서 출력되는 광으로부터 레일레이 역산란광을 필터링하는 파장필터와 파장필터에서 출력되는 광의 세기에 대응되는 전기적 신호를 출력하는 광검출기로 구축될 수 있다.
제어유니트(160)는 설정된 코딩길이에 속하는 코드신호들이 광원부(110)에서 출력되게 광원부(110)의 구동을 제어하고, 센싱광섬유(130)에서 음향에 대응되어 역으로 반사되는 레일레이 역산란광에 대해 광검출부(140)에서 출력되는 신호를 디코딩하여 센싱광섬유(130)의 위치별 음향신호를 분석처리한다.
제어유니트(160)는 광파형 코딩부(161), 광파형 디코딩부(162) 및 신호처리부(170)를 구비한다.
광파형코딩부(161)는 신호처리부(170)로부터 설정된 코딩길이에 속하는 코딩신호를 생성하여 광원부(110)의 파형발생부(114)에 출력한다. 여기서 코딩신호에 대해서는 후술한다.
광파형 디코딩부(162)는 광검출부(140)에서 출력되는 신호로부터 광파형 코딩부(161)에서 출력한 코딩신호에 대응되게 디코딩 처리하여 신호처리부(170)에 제공한다.
신호처리부(170)는 광파형 디코딩부(162)에서 출력되는 신호로부터 음향신호를 분석하고, 분석된 음향신호가 부분방전에 해당하는 지를 판단하고, 부분방전으로 판단되면 출력부(180)를 통해 부분방정 발생정보를 출력하며 광파형 코딩부(161)에 설정된 코딩길이 정보를 제공하고, 광파형 코딩부(161)를 제어한다.
여기서, 출력부(180)는 전송대상 수신처로 생성정보를 송신하는 통신인터페이스 또는 생성정보를 표시하는 표시부가 적용될 수 있다.
이러한 구조에서 제어유니트(160)의 코딩신호 생성 및 처리 과정을 도 2를 참조하여 설명한다.
먼저, 제어유니트(160)는 코딩길이(L)에 대해 L=2K-1로 결정한다(단계 210). 여기서, k는 1이상의 정수이고, 코딩길이(L)는 미리 설정되거나 별도의 조작부(미도시)를 통해 선택하여 설정할 수 있게 구축될 수 있다.
바람직하게는 제어유니트(160)는 k값을 7과 8중 어느 하나로 결정하여 적용하도록 구축된다.
다음은 2K 길이의 하다마드행렬(hadamard matrix)인 H행렬를 생성한다(단계 220). 하다마드 행렬은 아래의 수학식 1로 정의되는 행렬이다.
Figure 112020128356821-pat00001
여기서, H1=0이고,
Figure 112020128356821-pat00002
는 H의 보수행렬이다. 즉, A가 0인 경우
Figure 112020128356821-pat00003
는 1이되고, A가 1인 경우
Figure 112020128356821-pat00004
는 0이 된다.
이후, H의 첫행과 첫열을 지운 S를 생성한다(단계 230).
다음은 생성된 S의 각행을 코드신호로 결정하고 송신한다(단계 240).
이러한 과정에 대해 설명의 복잡성을 피하기 위해 k가 2인 경우에 대해 설명하면, 수학식 1로부터 생성되는 하다마드 행렬은 아래의 수학식 2와 같이 구해진다.
Figure 112020128356821-pat00005
또한, 수학식2로부터 첫행과 첫열을 지운 S는 수학식 3과 같이 얻어진다.
Figure 112020128356821-pat00006
따라서, S의 첫 행의 {101}이 제1코드신호로 결정되고, 둘째 행의 {011}이 제2코드신호로 결정되고, 셋째 행의 {110}이 제3코드신호로 결정된다. 이러한 제1 내지 제3코드신호는 도 3의 a1, b1, c1으로 표기된 파형으로 생성된다.
이후, 결정된 제1코드신호, 제2코드신호 및 제3코드신호를 순차적으로 설정된 송신주기에 맞춰 송신한다.
또한, 제어유니트(160)는 각 코드신호에 대응하여 수신된 신호 즉, 도 3의 a2, b2, c2와 같이 수신된 신호에 대해 송신 코드신호(a1, b1, c1)에 대응되게 디코딩하고(단계 250), 디코딩된 신호로부터 센싱광섬유(130)의 위치별 음향신호를 산출한다(단계 260). 도 3에서 d는 코드신호의 식별단위가 되는 비트의 간격이다.
이러한 신호처리방식에 의하면 상호 다른 패턴의 코드신호를 순차적으로 송출하고, 수신된 신호에 대해 디코딩하여 처리함으로써 신호대 잡음비 및 측정속도도 향상시킬 수 있다.
한편, 신호처리부(170)에는 수신처리된 음향신호의 위상을 분석하여 방전종류를 판별하도록 구축될 수 있다. 일 예로서, 도 4에 도시된 패턴과 같은 분포의 위상분포도를 갖는 음향이 수신된 경우 금속이 돌출된 것으로 판단하고, 도 5에 도시된 패턴과 같은 분포의 위상분포도를 갖는 음향이 수신된 경우 보이드 방전으로 판단하고, 도 6에 도시된 패턴과 같은 분포의 위상분포도를 갖는 음향이 수신된 경우 자유도체 방전으로 판단하고, 도 7에 도시된 패턴과 같은 분포의 위상분포도를 갖는 음향이 수신된 경우 부유도체 방전으로 판단한다.
이를 위해 신호처리부(170)에는 음향신호의 위상 분포에 따른 방전유형 종류를 판별할 수 있는 종류별 기준 패턴들에 정보가 기록되어 있고, 기록된 기준 패턴들과의 유사성을 비교하여 방전종류를 판단하도록 구축되면 된다.
이상에서 설명된 코드신호 기반 광섬유 음향센서에 의하면, 신호대 잡음비 및 음향신호 측정속도도 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.
110: 광원부 120: 광써큘레이터
130: 센싱광섬유 150: 광검출부
160: 제어유니트 170: 신호처리부
180: 출력부

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 지시된 코드신호에 대응하는 패턴의 펄스광을 출사하는 광원부와;
    상기 광원부에서 출사되어 입력단으로 입력된 광을 센싱단으로 출력하고, 상기 센싱단에서 역으로 진행하는 광을 검출단으로 출력하는 광써큘레이터와;
    상기 센싱단에 접속되어 측정대상 영역에 분포되게 설치된 센싱광섬유와;
    상기 광써큘레이터의 검출단에서 출력되는 레일레이 역산란광을 검출하는 광검출부와;
    설정된 코딩길이에 속하는 코드신호들이 상기 광원부에서 출력되게 상기 광원부의 구동을 제어하고, 상기 센싱광섬유에서 음향에 대응되어 역으로 반사되는 레일레이 역산란광에 대해 상기 광검출부에서 출력되는 신호를 디코딩하여 상기 센싱광섬유의 위치별 음향신호를 분석처리하는 제어유니트;를 구비하고,
    상기 센싱광섬유는 변압기, 수전반 및 배전반 중 적어도 하나에 내부에 배치되게 장착되며,
    상기 제어유니트는
    설정된 코딩길이에 속하는 코딩신호를 생성하여 상기 광원부에 출력하는 광파형 코딩부와;
    상기 광검출부에서 출력되는 신호로부터 상기 코딩신호에 대응되게 디코딩 처리하는 광파형 디코딩부와;
    상기 광파형 디코딩부에서 출력되는 신호로부터 음향신호를 분석하고, 분석된 음향신호가 부분방전에 해당하는 지를 판단하고, 부분방전으로 판단되면 출력부를 통해 부분방전 발생정보를 출력하며 상기 광파형 코딩부에 설정된 코딩길이 정보를 제공하고, 상기 광파형 코딩부를 제어하는 신호처리부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 코드신호 기반 광섬유 음향센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제어유니트는 코딩길이(L)에 대해
    L=2K-1로 결정하고, 2K 길이의 하다마드행렬(Hadamard matrix)인 H행렬를 생성한 후, H의 첫행과 첫열을 지운 S를 생성하고, 생성된 S의 각행을 코드신호로 결정하고, k는 1이상의 정수인 것을 특징으로 하는 코드신호 기반 광섬유 음향센서.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어유니트는 상기 k값을 7과 8중 어느 하나로 결정하여 적용하는 것을 특징으로 하는 코드신호 기반 광섬유 음향센서.
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