KR102429715B1 - Optical frequency-domain reflectometry device and method of brillouin dynamic grating based on the modulation of a single light source - Google Patents

Optical frequency-domain reflectometry device and method of brillouin dynamic grating based on the modulation of a single light source Download PDF

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Abstract

단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 장치는, 하나의 마스터 광원으로 다수개의 측파 모드를 형성하는 광 변조기와 제1 마이크로파 발생기; 상기 측파 모드 중에서 상대적으로 낮은 주파수 대역의 하나를 펌프광으로 선택하여 제1 펌프광 및 제2 펌프광으로 분배하는 펌프광 선택부; 선택된 펌프광을 제외한 나머지 측파 모드 중 상대적으로 높은 주파수 대역의 측파 모드를 프로브광으로 선택하는 프로브광 선택부; 상기 펌프광과 상기 프로브광이 선택되면 각각 해당 주파수 성분의 소광비를 높이는 제1 주입 잠금부 및 제2 주입 잠금부; 및 편광 유지 광섬유(polarization maintaining fiber, PMF)로 이루어지고, 증폭된 제1 펌프광 및 제2 펌프광이 각각 x축(느린 축, slow axis)으로 입사되고, 상기 프로브광이 y축(빠른 축, fast axis)으로 입사되어 생성되는 브릴루앙 동적 격자(Brillouin dynamic grating, BDG)의 반사를 통한 산란광과의 간섭신호를 측정하는 시험 광섬유;를 포함한다. 이에 따라, 광원 사이의 광주파수 드리프트에 의한 신호 세기 감소 및 측정 정확도 저하 문제를 해결할 수 있다.A single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflectometry apparatus includes: a light modulator for forming a plurality of side wave modes with one master light source and a first microwave generator; a pump light selector for selecting one of the relatively low frequency bands from among the side wave modes as a pump light and distributing it to a first pump light and a second pump light; a probe light selection unit that selects a side wave mode of a relatively high frequency band among side wave modes other than the selected pump light as a probe light; a first injection locking unit and a second injection locking unit increasing an extinction ratio of a corresponding frequency component when the pump light and the probe light are selected, respectively; and a polarization maintaining fiber (PMF), the amplified first pump light and the second pump light are incident on the x-axis (slow axis), respectively, and the probe light is transmitted along the y-axis (fast axis, fast axis) axis) and a test optical fiber that measures an interference signal with scattered light through reflection of a Brillouin dynamic grating (BDG) generated by the incident. Accordingly, it is possible to solve the problem of signal strength reduction and measurement accuracy degradation due to optical frequency drift between light sources.

Description

단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 장치 및 방법{OPTICAL FREQUENCY-DOMAIN REFLECTOMETRY DEVICE AND METHOD OF BRILLOUIN DYNAMIC GRATING BASED ON THE MODULATION OF A SINGLE LIGHT SOURCE}OPTICAL FREQUENCY-DOMAIN REFLECTOMETRY DEVICE AND METHOD OF BRILLOUIN DYNAMIC GRATING BASED ON THE MODULATION OF A SINGLE LIGHT SOURCE

본 발명은 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단일 광원의 변조에서 나타나는 고조파 성분의 주입 잠금 방식을 적용한 브릴루앙 동적 격자(Brillouin dynamic grating, BDG) 광 주파수 영역 반사 측정(optical frequency-domain reflectometry, OFDR) 장치 및 그 구현 방법으로서, 광섬유의 위치에 따른 브릴루앙 주파수의 분포를 높은 공간 분해능과 정밀도로 측정하는 분포형 센서의 성능 향상 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflection measuring apparatus and method, and more particularly, to a Brillouin dynamic grating (BDG) to which an injection locking method of harmonic components appearing in modulation of a single light source is applied. ) Optical frequency-domain reflectometry (OFDR) device and its implementation method, which relates to a technology for improving the performance of a distributed sensor that measures the distribution of Brillouin frequency according to the position of an optical fiber with high spatial resolution and precision will be.

분포형 광섬유 센서는 구조물의 안정성을 실시간으로 측정, 분석하기 위해 사용되는 센서이다. 광섬유를 진행하는 빛은 레일리, 라만, 브릴루앙 산란 등 여러 가지 원인으로 산란되는데, 광섬유에 변형이나 온도 변화 등이 발생하면 산란광의 주파수나 세기 등이 달라지게 되고 이를 감지하여 변화가 발생한 위치와 변화량을 측정하는 것이 분포형 광섬유 센서의 동작 원리이다.A distributed fiber optic sensor is a sensor used to measure and analyze the stability of a structure in real time. Light traveling through an optical fiber is scattered by various causes such as Rayleigh, Raman, and Brillouin scattering. When deformation or temperature change occurs in the optical fiber, the frequency or intensity of the scattered light changes. is the operating principle of distributed optical fiber sensor.

광 주파수 영역 반사 측정법(OFDR)은 일반적으로 레일리 산란을 이용하는 분포형 광섬유 센서 중 하나로, 광 주파수가 선형적으로 변화되는 연속 발진 광원을 사용한다. 광학계를 구성하여 주파수 가변 광원을 통해 광 주파수가 시간에 따라 선형적으로 스윕되는 광을 입사시켜주면 광 분배기를 통해 두 갈래로 분리되는데 시험 광섬유를 거치지 않는 광을 기준광, 시험 광섬유에서 레일리 산란되어 후방으로 돌아오는 광을 산란광이라 한다. Optical frequency domain reflectometry (OFDR) is one of distributed optical fiber sensors that generally uses Rayleigh scattering, and uses a continuous oscillation light source whose optical frequency is linearly changed. When the optical system is configured and the light whose optical frequency is linearly swept according to time is incident through the variable frequency light source, it is divided into two branches through the optical splitter. The light that returns is called scattered light.

광 결합기를 통해 기준광과 산란광을 간섭시킨 후 광 검출기로 간섭 신호를 측정한다. 산란광 중 시험 광섬유의 특정 지점(z)에서 산란된 성분은 기준광과의 주파수 차이가 일정하게 유지되기 때문에 광 검출기를 통해 측정된 간섭신호를 푸리에 변환(FFT)하여 위치마다의 산란광 세기를 분석하면 시험 광섬유의 각 지점의 반사율을 측정할 수 있다.After interfering the reference light and the scattered light through an optical coupler, the interference signal is measured with a photodetector. Among the scattered light, the scattered light at a specific point (z) of the test optical fiber maintains a constant frequency difference with the reference light. The reflectance of each point of the optical fiber can be measured.

이러한 방식으로 시험 광섬유 각 지점의 반사율을 측정할 때 그 위치(혹은 공간) 분해능(△zr)은 광원의 주파수 변화폭(△f)에 반비례하여 결정된다. 높은 분해능으로 얻어진 OFDR 측정 결과를 이용할 경우, 시험 광섬유에 가해진 변형이나 온도 변화의 분포를 측정할 수 있다. When measuring the reflectance of each point of the test fiber in this way, the position (or spatial) resolution (Δzr) is determined in inverse proportion to the frequency change width (Δf) of the light source. When the OFDR measurement result obtained with high resolution is used, the distribution of strain or temperature change applied to the test optical fiber can be measured.

변형이 가해지지 않은 기준상태의 반사율을 측정해두고 변형이 가해진 이후의 반사율 측정결과와 비교하여 변형이나 온도를 측정하게 되는데, 비교 과정에서 반사율 측정 결과를 게이지 길이로 구간을 나누어 푸리에 역변환(IFFT)을 통해 해당 구간의 레일리 스펙트럼을 얻고, 상호상관을 통해 스펙트럼 이동량을 계산한 후 이를 변형이나 온도로 환산하는 방식으로 분포형 측정을 수행한다. After measuring the reflectance in the standard state without deformation, the deformation or temperature is measured by comparing the reflectance measurement result after the deformation is applied. is used to obtain the Rayleigh spectrum of the corresponding section, calculates the amount of spectrum shift through cross-correlation, and then converts it into strain or temperature to perform distributed measurement.

그러나, 이와 같은 레일리 산란의 OFDR을 이용하여 변형률이나 온도 변화의 분포를 측정할 경우 IFFT를 통해 레일리 스펙트럼을 구하는 과정에서 게이지 길이(N)만큼의 연속된 반사율 데이터를 묶어서 처리하기 때문에 공간 분해능이 N배 만큼 저하된다. However, when measuring the distribution of strain or temperature change using the OFDR of Rayleigh scattering, spatial resolution is N because continuous reflectance data as long as the gauge length (N) is bundled and processed in the process of obtaining the Rayleigh spectrum through IFFT. reduced by a factor of two.

공간 분해능의 저하를 최소화하기 위해 게이지 길이를 짧게 설정하면 IFFT를 통해 얻어지는 레일리 스펙트럼의 범위가 좁아지기 때문에 상호상관을 통한 스펙트럼 이동의 확인이 어려울 수 있고, 변형이나 온도 변화에 의해서 늘어난 광섬유의 물리적인 길이가 게이지 길이보다 길어지게 되면 레일리 스펙트럼의 형태가 완전히 달라져서 상호상관을 구할 수 없게 된다. If the gauge length is set short to minimize the degradation of spatial resolution, since the range of the Rayleigh spectrum obtained through IFFT narrows, it may be difficult to confirm the spectral shift through cross-correlation, and the physical If the length becomes longer than the gauge length, the shape of the Rayleigh spectrum is completely changed, and cross-correlation cannot be obtained.

일반적으로 N은 100 이상의 값을 사용하기 때문에 변형률과 온도 변화의 측정시에는 반사율 측정에 비해 공간 분해능이 100배 이상 저하되는 현상이 발생한다.In general, because N uses a value of 100 or more, when measuring strain and temperature change, a phenomenon occurs in which spatial resolution is reduced by 100 times or more compared to reflectance measurement.

선행기술문헌의 특허문헌 1(10-1727091)의 BDG-OFDR 기술은 두 개의 광원을 사용하는 방식으로서, 하나는 펌프광의 광원으로 쓰이는 일반적인 DFB-LD이고 다른 하나는 프로브광과 기준광의 광원으로 쓰이는 주파수 가변 레이저이다. 일반 OFDR과 BDG-OFDR의 공통적인 사항으로서, 주파수 가변 레이저의 출력 주파수 변화는 시간에 따라 선형적이어야 하며, 주파수 변화의 비선형성을 보정하기 위한 보조간섭계를 통해 데이터 취득 타이밍을 일정한 시간 간격이 아니라 일정한 주파수 간격으로 맞추는 방식으로 선형성을 유지한다. The BDG-OFDR technology of Patent Document 1 (10-1727091) of the prior art document uses two light sources, one is a general DFB-LD used as a light source for pump light, and the other is used as a light source for probe light and reference light. It is a frequency tunable laser. As a common thing between general OFDR and BDG-OFDR, the output frequency change of the frequency tunable laser must be linear with time, and the data acquisition timing is set not at regular time intervals through the auxiliary interferometer to correct the nonlinearity of the frequency change. Linearity is maintained in a way that is aligned with a constant frequency interval.

추가적으로, BDG-OFDR 측정에서는 펌프광 광원의 광 주파수와 프로브광인 파장 가변 광원의 광 주파수의 차이가 높은 정밀도로 제어되어야 한다. 그러나, 펌프광과 프로브광으로 개별 레이저를 사용하는 기존 BDG-OFDR 시스템에서는 보조간섭계를 통해 프로브광 주파수 변화의 비선형성을 보정하는 경우에도 펌프광 DFB-LD와의 상대 주파수 차이에 임의의 주파수 변화인 주파수 드리프트가 발생하며, 이로 인해 측정의 정확도에 문제가 발생한다. In addition, in the BDG-OFDR measurement, the difference between the optical frequency of the pump light source and the optical frequency of the probe light, which is the tunable light source, must be controlled with high precision. However, in the existing BDG-OFDR system that uses separate lasers as pump light and probe light, even when nonlinearity of probe light frequency change is corrected through an auxiliary interferometer, the frequency drift, which is an arbitrary frequency change, is caused by the relative frequency difference with the pump light DFB-LD. , which leads to problems with the accuracy of the measurement.

또한, 개별적인 온도 제어를 이용한 일반적인 주파수 안정화를 이용할 경우, 펌프광과 프로브광으로 사용되는 두 LD 사이 주파수의 드리프트는 최소 100 MHz 이상이며, 이러한 주파수 드리프트는 BDG-OFDR 측정에서 신호 크기의 감소 및 측정 위치와 공간 분해능의 오차로 나타나게 된다. 다시 말해, 기존 BDG-OFDR 시스템의 펌프광과 프로브광 광원 사이 주파수 드리프트가 발생할 수 있다.In addition, when using general frequency stabilization using individual temperature control, the frequency drift between the two LDs used as the pump light and the probe light is at least 100 MHz, and this frequency drift is the reduction in signal size and measurement location in BDG-OFDR measurement. and spatial resolution errors. In other words, a frequency drift between the pump light and the probe light source of the existing BDG-OFDR system may occur.

KR 10-1727091 B1KR 10-1727091 B1 KR 10-1130344 B1KR 10-1130344 B1

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 장치를 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflectance measuring apparatus.

본 발명의 다른 목적은 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for measuring a Brillouin dynamic grating frequency domain reflectance based on single light source modulation.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 장치는, 하나의 마스터 광원으로 다수개의 측파 모드를 형성하는 광 변조기와 제1 마이크로파 발생기; 상기 측파 모드 중에서 상대적으로 낮은 주파수 대역의 하나를 펌프광으로 선택하여 제1 펌프광 및 제2 펌프광으로 분배하는 펌프광 선택부; 선택된 펌프광을 제외한 나머지 측파 모드 중 상대적으로 높은 주파수 대역의 측파 모드를 프로브광으로 선택하는 프로브광 선택부; 상기 펌프광과 상기 프로브광이 선택되면 각각 해당 주파수 성분의 소광비를 높이는 제1 주입 잠금부 및 제2 주입 잠금부; 및 편광 유지 광섬유(polarization maintaining fiber, PMF)로 이루어지고, 증폭된 제1 펌프광 및 제2 펌프광이 각각 x축(느린 축, slow axis)으로 입사되고, 상기 프로브광이 y축(빠른 축, fast axis)으로 입사되어 생성되는 브릴루앙 동적 격자(Brillouin dynamic grating, BDG)의 반사를 통한 산란광과의 간섭신호를 측정하는 시험 광섬유;를 포함한다.In one embodiment for realizing the object of the present invention, a single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflectometry apparatus includes: a light modulator and a first microwave generator for forming a plurality of side wave modes with one master light source; a pump light selector for selecting one of the relatively low frequency bands from among the side wave modes as a pump light and distributing it to a first pump light and a second pump light; a probe light selection unit that selects a side wave mode of a relatively high frequency band among side wave modes other than the selected pump light as a probe light; a first injection locking unit and a second injection locking unit increasing an extinction ratio of a corresponding frequency component when the pump light and the probe light are selected, respectively; and a polarization maintaining fiber (PMF), the amplified first pump light and the second pump light are incident on the x-axis (slow axis), respectively, and the probe light is transmitted along the y-axis (fast axis, fast axis) axis) and a test optical fiber that measures an interference signal with scattered light through reflection of a Brillouin dynamic grating (BDG) generated by the incident.

본 발명의 실시예에서, 상기 펌프광 선택부는, 상기 측파 모드 중에서 상대적으로 낮은 주파수 대역의 하나를 선택하여 펌프광으로 사용하게 하는 제1 광 서큘레이터 및 광섬유 브래그 격자를 포함하고, 상기 프로브광 선택부는, 상기 광섬유 브래그 격자를 통과한 나머지 측파 모드 중 상대적으로 높은 주파수 대역의 측파 모드를 선택적으로 투과시켜 프로브광으로 사용하게 하는 밴드패스필터를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the pump light selector includes a first optical circulator and an optical fiber Bragg grating that selects one of a relatively low frequency band from among the side wave modes and uses it as a pump light, wherein the probe light selector comprises: It may include a band-pass filter that selectively transmits a side wave mode of a relatively high frequency band among the remaining side wave modes that have passed through the optical fiber Bragg grating to be used as a probe light.

본 발명의 실시예에서, 상기 밴드패스필터는, 상기 펌프광으로 사용한 측파 모드와 같은 차수의 측파 모드를 상기 프로브광으로 선택할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the band pass filter may select a side wave mode of the same order as a side wave mode used as the pump light as the probe light.

본 발명의 실시예에서, 상기 제1 주입 잠금부 및 제2 주입 잠금부는, 상기 제1 광 서큘레이터 및 상기 밴드패스필터 이후에 각각 설치되고, 슬레이브 LD에 광을 입력해주면 슬레이브 LD의 자체 발진 주파수와 가장 가까운 주파수를 발진하고 증폭시킬 수 있다.In an embodiment of the present invention, the first injection lock part and the second injection lock part are respectively installed after the first optical circulator and the band pass filter, and when light is input to the slave LD, the self-oscillation frequency of the slave LD It can oscillate and amplify the frequency closest to .

본 발명의 실시예에서, 상기 펌프광 선택부는, 상기 펌프광을 제1 펌프광 및 제2 펌프광으로 분배하는 제1 광 커플러; 상기 제2 펌프광의 광 주파수를 미리 설정된 값만큼 상향 또는 하향시켜서 상기 제1 펌프광과 유도 브릴루앙 산란을 일으키도록 하는 제2 마이크로파 발생기와 제1 측파 변조기; 편광 빔스플리터의 x축 방향으로 편광을 맞추어 각각 제1 펌프광 및 제2 펌프광을 상기 시험 광섬유에 입사시켜 BDG를 형성하도록 하는 제1 편광 조절기 및 제2 편광 조절기; 및 상기 제2 펌프광의 브릴루앙 이득을 확인하는 제2 광 서큘레이터와 제1 광 검출기;를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the pump light selection unit includes: a first optical coupler for distributing the pump light into a first pump light and a second pump light; a second microwave generator and a first side wave modulator configured to increase or decrease the optical frequency of the second pump light by a preset value to generate induced Brillouin scattering with the first pump light; a first polarization controller and a second polarization controller for aligning the polarization in the x-axis direction of the polarization beam splitter to make the first pump light and the second pump light incident on the test optical fiber, respectively, to form a BDG; and a second optical circulator and a first optical detector for checking the Brillouin gain of the second pump light.

본 발명의 실시예에서, 상기 프로브광 선택부는, 상기 편광 빔스플리터의 y축 방향으로 편광을 맞추어 상기 프로브광을 상기 시험 광섬유에 입사시켜 BDG를 형성하도록 하는 제2 광 커플러 및 제3 광 서큘레이터; 기준광의 광 주파수를 미리 설정된 값만큼 상향 또는 하향시켜서 상기 프로브광과 유도 브릴루앙 산란을 일으키도록 상기 제2 마이크로파 발생기와 연결된 제2 측파 변조기; 및 상기 프로브광의 산란광과 상기 기준광의 간섭신호를 측정하는 제3 광 서큘레이터와 제2 광 검출기;를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the probe light selector includes a second optical coupler and a third optical circulator for matching the polarization in the y-axis direction of the polarizing beam splitter to make the probe light incident on the test optical fiber to form a BDG. ; a second side wave modulator connected to the second microwave generator to increase or decrease the optical frequency of the reference light by a preset value to generate induced Brillouin scattering with the probe light; and a third optical circulator and a second optical detector for measuring the interference signal between the scattered light of the probe light and the reference light.

본 발명의 실시예에서, 상기 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 장치는, 상기 광 변조기에 인가해주는 RF 주파수를 램프(ramp)파 형태로 스윕하여 프로브광의 광 주파수를 시간에 대해 선형으로 스윕할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflection measuring apparatus sweeps the RF frequency applied to the light modulator in the form of a ramp wave to linearize the optical frequency of the probe light with respect to time. can be swept with

본 발명의 실시예에서, 상기 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 장치는, 여러 차수의 측파를 차례로 인가하여 스윕 범위를 결정할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflection measuring apparatus may determine a sweep range by sequentially applying side waves of several orders.

본 발명의 실시예에서, 상기 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 장치는, 상기 제2 펌프광과 상기 프로브광의 광 주파수 차이가 BDG 반사광의 세기가 최대가 되는 위상 정합 조건을 설정할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflection measuring apparatus may set a phase matching condition in which the optical frequency difference between the second pump light and the probe light maximizes the intensity of the BDG reflected light. .

상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 방법은, 하나의 마스터 광원으로 다수개의 측파 모드를 형성하여 2 개의 펌프광과 1개의 프로브광으로 사용하는 시험 광섬유에 입사된 제2 펌프광의 광 주파수를 미리 설정된 값만큼 상향 또는 하향시켜서 제1 펌프광과의 브릴루앙 산란을 일으키는 단계; 공간 분해능을 높이기 위해 상기 프로브광의 광 주파수 스윕 범위를 증가시킬 수 있도록 측파의 차수를 순차적으로 증가시키는 단계; 측파의 각 차수에 따라 RF 주파수를 스윕하며 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역의 BDG 반사에 따른 간섭신호를 측정하는 단계; 간섭신호의 측정 결과를 순서대로 합친 후 FFT를 통해 상기 시험 광섬유의 각 위치에 대한 BDG 반사율 분포 데이터를 획득하는 단계; 및 유효 스윕 범위가 목표한 공간 분해능에 도달하는 경우, 상기 제2 펌프광과 상기 프로브광의 광 주파수 차이를 위상 정합 조건으로 설정하여 간섭신호의 측정을 종료하는 단계;를 포함한다.In a single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflection measurement method according to an embodiment for realizing another object of the present invention, two pump lights and one probe are formed by forming a plurality of side wave modes with one master light source causing Brillouin scattering with the first pump light by increasing or decreasing the optical frequency of the second pump light incident on the test optical fiber used as light by a preset value; sequentially increasing the order of the side wave to increase the optical frequency sweep range of the probe light to increase spatial resolution; measuring an interference signal according to BDG reflection in a Brillouin dynamic grating frequency domain while sweeping an RF frequency according to each order of a side wave; obtaining BDG reflectance distribution data for each position of the test optical fiber through FFT after sequentially summing the measurement results of the interference signal; and when the effective sweep range reaches the target spatial resolution, setting the optical frequency difference between the second pump light and the probe light as a phase matching condition to end the measurement of the interference signal.

본 발명의 실시예에서, 상기 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 방법은, 상기 광 주파수의 스캔 범 위와 간격을 각각 변경하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflection measurement method may further include changing a scan range and an interval of the optical frequency, respectively.

본 발명의 실시예에서, 상기 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 방법은, 상기 측파 모드 중에서 상대적으로 낮은 주파수 대역의 하나를 펌프광으로 선택하는 단계; 및 상기 광섬유 브래그 격자를 통과한 나머지 측파 모드 중 상대적으로 높은 주파수 대역의 측파 모드를 투과시켜 프로브광으로 선택하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflection measurement method includes: selecting one of a relatively low frequency band from among the side wave modes as a pump light; and selecting the probe light by transmitting a side wave mode of a relatively high frequency band among the remaining side wave modes that have passed through the fiber Bragg grating.

이와 같은 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 장치에 따르면, 단일 광원을 사용한 BDG-OFDR 측정 센서로서, 기존 BDG-OFDR 센서에서 두 개의 광원을 사용하여 발생하는 광원 사이의 광주파수 드리프트에 의한 신호 세기 감소 및 측정 정확도 저하 문제를 해결한다. 또한, 주입 잠금된 고차 측파 모드를 이용하여 OFDR의 유효 스윕 범위를 늘려 변형률과 온도 변화의 분포 측정에서 수 백 μm의 공간 분해능을 달성할 수 있다.According to such a single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflector measurement device, it is a BDG-OFDR measurement sensor using a single light source. It solves the problem of signal strength reduction and measurement accuracy degradation caused by In addition, by using the injection-locked higher-order side wave mode, it is possible to increase the effective sweep range of OFDR to achieve spatial resolution of several hundred μm in distribution measurements of strain and temperature change.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 장치의 블록도이다.
도 2는 유도 브릴루앙 산란과 브릴루앙 이득 스펙트럼을 보여주기 위한 도면이다.
도 3은 PMF의 장축(x축) 방향으로 편광된 펌프광과 단축(y축) 방향으로 편광된 프로브광을 사용하는 BDG 동작과 관련된 광파들의 주파수 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 기존 BDG-OFDR 시스템의 펌프광과 프로브광 광원 사이 주파수 드리프트의 발생 상황을 설명하는 도면이다.
도 5는 2차 측파 모드를 이용한 펌프광과 프로브광의 광 주파수 선택 예시를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따라 여러 차수의 측파를 연속적으로 이용하는 경우 프로브광의 유효 스윕 범위의 예시를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 방법의 흐름도이다.
도 8은 도 7의 본 발명을 실험하기 위한 단일 광원 기반 BDG-OFDR 시스템의 실제 실험 구성도이다.
도 9는 위상 정합 조건을 만족할 경우 제1 펌프광의 유무에 따른 BDG 반사광의 세기, 간섭 신호 및 위치별 BDG 반사율을 각각 보여주는 그래프이다.
도 10은 10.3 m 길이의 시험 광섬유 후방 5 cm영역에 물리적 변형을 가한 후 분포형 측정, 변형이 가해진 영역 중앙의 브릴루앙 이득 스펙트럼, 변형률에 대한 v B 의 이동 경향을 각각 보여주는 그래프이다.1 is a block diagram of a Brillouin dynamic grating frequency domain reflectance measuring apparatus based on single light source modulation according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing induced Brillouin scattering and Brillouin gain spectra.
FIG. 3 is a diagram for explaining the frequency relationship of light waves related to a BDG operation using a pump light polarized in a long axis (x-axis) direction and a probe light polarized in a minor axis (y-axis) direction of the PMF.
4 is a view for explaining the occurrence of frequency drift between the pump light and the probe light source in the conventional BDG-OFDR system.
5 is a view showing an example of optical frequency selection of pump light and probe light using the secondary side wave mode.
6 is a view showing an example of an effective sweep range of a probe light when continuously using side waves of several orders according to the present invention.
7 is a flowchart of a method for measuring single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflection according to an embodiment of the present invention.
8 is an actual experimental configuration diagram of a single light source-based BDG-OFDR system for testing the present invention of FIG. 7 .
9 is a graph showing the intensity of the BDG reflected light according to the presence or absence of the first pump light, the interference signal, and the BDG reflectance for each position when the phase matching condition is satisfied.
10 is a graph showing the distribution-type measurement after applying a physical strain to the 5 cm area behind the 10.3 m long test fiber, the Brillouin gain spectrum at the center of the strained area, and the movement trend of v B with respect to the strain, respectively.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0012] DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0014] DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0016] Reference is made to the accompanying drawings, which show by way of illustration specific embodiments in which the present invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the present invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different but need not be mutually exclusive. For example, certain shapes, structures, and characteristics described herein with respect to one embodiment may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention. In addition, it should be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the detailed description set forth below is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention, if properly described, is limited only by the appended claims, along with all scope equivalents to those claimed. Like reference numerals in the drawings refer to the same or similar functions throughout the various aspects.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 장치의 블록도이다.1 is a block diagram of a Brillouin dynamic grating frequency domain reflectance measuring apparatus based on single light source modulation according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 장치(10, 이하 장치)는 단일 광원의 변조에서 나타나는 고조파 성분의 주입 잠금 방식을 적용한 브릴루앙 동적 격자(Brillouin dynamic grating, BDG) 광 주파수 영역 반사 측정(optical frequency-domain reflectometry, OFDR) 장치로서, 광섬유의 위치에 따른 브릴루앙 주파수의 분포를 높은 공간 분해능과 정밀도로 측정하는 분포형 센서의 성능을 향상시킨다.A single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflectance measurement apparatus (10, hereinafter) according to the present invention is a Brillouin dynamic grating (BDG) light using an injection locking method of harmonic components appearing in modulation of a single light source. As an optical frequency-domain reflectometry (OFDR) device, it improves the performance of a distributed sensor that measures the distribution of Brillouin frequency according to the position of an optical fiber with high spatial resolution and precision.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 장치(10)는 하나의 마스터 광원(11)으로 다수개의 측파 모드를 형성하는 광 변조기(12)와 제1 마이크로파 발생기(13), 펌프광 선택부, 프로브광 선택부, 제1 주입 잠금부와 제2 주입 잠금부(A) 및 시험 광섬유(30)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , an apparatus 10 according to the present invention includes a light modulator 12 , a first microwave generator 13 , a pump light selector, and a probe light for forming a plurality of side wave modes with one master light source 11 . a selection section, a first injection lock and a second injection lock (A), and a test optical fiber (30).

상기 펌프광 선택부는 상기 측파 모드 중에서 상대적으로 낮은 주파수 대역의 하나를 펌프광으로 선택하여 제1 펌프광 및 제2 펌프광으로 분배한다.The pump light selector selects one of the relatively low frequency bands from among the side wave modes as the pump light and distributes it as a first pump light and a second pump light.

구체적으로, 상기 펌프광 선택부는, 상기 측파 모드 중에서 상대적으로 낮은 주파수 대역의 하나를 선택하여 펌프광으로 사용하게 하는 제1 광 서큘레이터(14) 및 광섬유 브래그 격자(15)를 포함할 수 있다.Specifically, the pump light selection unit may include a first optical circulator 14 and an optical fiber Bragg grating 15 for selecting one of a relatively low frequency band from among the side wave modes to be used as the pump light.

예를 들어, 상기 펌프광 선택부는 제1 광 커플러(21), 제2 마이크로파 발생기(17)와 제1 측파 변조기(22), 제1 편광 조절기(24)와 제2 편광 조절기(32) 및 제2 광 서큘레이터(33)와 제1 광 검출기(35)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 프로브광 선택부는 제2 펌프광과 제1 펌프광을 각각 증폭시키는 증폭기(23, 31) 및 상기 제1 편광 조절기(24)와 편광 빔스플리터(26) 사이에 광 아이솔레이터(25)를 더 포함할 수 있다.For example, the pump light selection unit includes a first optical coupler 21 , a second microwave generator 17 and a first side wave modulator 22 , a first polarization controller 24 , a second polarization controller 32 , and a second It may include a light circulator 33 and a first light detector 35 . In addition, the probe light selection unit further includes amplifiers 23 and 31 for amplifying the second pump light and the first pump light, respectively, and an optical isolator 25 between the first polarization controller 24 and the polarization beam splitter 26 . can do.

상기 제1 광 커플러(21)는 상기 펌프광을 제1 펌프광 및 제2 펌프광으로 분배한다. 상기 마이크로파 발생기(17)와 제1 측파 변조기(22)는 상기 제2 펌프광의 광 주파수를 미리 설정된 값만큼 상향 또는 하향시켜서 상기 제1 펌프광과 유도 브릴루앙 산란을 일으키도록 한다.The first optical coupler 21 distributes the pump light into a first pump light and a second pump light. The microwave generator 17 and the first side wave modulator 22 increase or decrease the optical frequency of the second pump light by a preset value to cause induced Brillouin scattering with the first pump light.

상기 제1 편광 조절기(24)와 제2 편광 조절기(32)는 편광 빔스플리터(26, 36)의 x축(느린 축, slow axis) 방향으로 편광을 맞추어 각각 제1 펌프광 및 제2 펌프광을 상기 시험 광섬유에 입사시켜 BDG를 형성하도록 한다.The first polarization controller 24 and the second polarization controller 32 match the polarizations in the x-axis (slow axis) direction of the polarization beam splitters 26 and 36 to generate the first pump light and the second pump light, respectively. It is incident on the test optical fiber to form a BDG.

상기 제2 광 서큘레이터(33)와 제1 광 검출기(35)는 상기 제2 펌프광의 브릴루앙 이득을 확인한다. 상기 제2 광 서큘레이터(33)와 편광 빔스플리터(36) 사이에는 편광기(25)를 더 포함할 수 있다.The second optical circulator 33 and the first optical detector 35 check the Brillouin gain of the second pump light. A polarizer 25 may be further included between the second optical circulator 33 and the polarization beam splitter 36 .

상기 프로브광 선택부는 선택된 펌프광을 제외한 나머지 측파 모드 중 상대적으로 높은 주파수 대역의 측파 모드를 프로브광으로 선택한다. 상기 프로브광 선택부는, 상기 광섬유 브래그 격자를 통과한 나머지 측파 모드 중 상대적으로 높은 주파수 대역의 측파 모드를 선택적으로 투과시켜 프로브광으로 사용하게 하는 밴드패스필터(16)를 포함할 수 있다. 상기 밴드패스필터(16)는, 상기 펌프광으로 사용한 측파 모드와 같은 차수의 측파 모드를 상기 프로브광으로 선택할 수 있다.The probe light selector selects a side wave mode having a relatively high frequency band among the remaining side wave modes except for the selected pump light as the probe light. The probe light selector may include a band pass filter 16 that selectively transmits a side wave mode of a relatively high frequency band among the remaining side wave modes that have passed through the optical fiber Bragg grating to be used as a probe light. The band pass filter 16 may select a side wave mode of the same order as the side wave mode used for the pump light as the probe light.

예를 들어, 상기 프로브광 선택부는 제2 광 커플러(41) 및 제3 광 서큘레이터(43), 제2 측파 변조기(42) 및 제3 광 커플러(44)와 제2 광 검출기(45)를 포함할 수 있다.For example, the probe light selector includes a second optical coupler 41 and a third optical circulator 43 , a second side wave modulator 42 , and a third optical coupler 44 and a second optical detector 45 . may include

상기 제2 광 커플러(41) 및 제3 광 서큘레이터(43)는 상기 편광 빔스플리터(26, 36)의 y축(빠른 축, fast axis) 방향으로 편광을 맞추어 상기 프로브광을 상기 시험 광섬유에 입사시켜 BDG를 형성하도록 한다.The second optical coupler 41 and the third optical circulator 43 match the polarization in the y-axis (fast axis) direction of the polarization beam splitters 26 and 36 to transmit the probe light to the test optical fiber. Let it be incident to form BDG.

상기 제2 측파 변조기(42)는 기준광의 광 주파수를 미리 설정된 값만큼 상향 또는 하향시켜서 상기 프로브광과 유도 브릴루앙 산란을 일으키도록 상기 제2 마이크로파 발생기(17)와 연결된다.The second side wave modulator 42 is connected to the second microwave generator 17 so as to cause induced Brillouin scattering with the probe light by increasing or decreasing the optical frequency of the reference light by a preset value.

상기 제3 광 서큘레이터(43)와 제2 광 검출기(45)는 상기 프로브광의 산란광과 상기 기준광의 간섭신호를 측정한다,The third optical circulator 43 and the second optical detector 45 measure the interference signal between the scattered light of the probe light and the reference light.

상기 제1 주입 잠금부와 제2 주입 잠금부(A)는 상기 펌프광과 상기 프로브광이 선택되면 각각 해당 주파수 성분의 소광비를 높이기 위해 설치된다. 상기 제1 광 서큘레이터(12) 및 상기 밴드패스필터(16) 이후에 각각 설치되고, 슬레이브 LD에 광을 입력해주면 슬레이브 LD의 자체 발진 주파수와 가장 가까운 주파수를 발진하고 증폭시킨다.The first injection locking part and the second injection locking part A are installed to increase extinction ratios of corresponding frequency components when the pump light and the probe light are selected, respectively. It is installed after the first optical circulator 12 and the band-pass filter 16, respectively, and when light is input to the slave LD, it oscillates and amplifies the frequency closest to the self-oscillation frequency of the slave LD.

상기 시험 광섬유(30)는 편광 유지 광섬유(polarization maintaining fiber, PMF)로 이루어지고, 증폭된 제1 펌프광 및 제2 펌프광이 각각 x축으로 입사되고, 상기 프로브광이 y축으로 입사되어 생성되는 브릴루앙 동적 격자(Brillouin dynamic grating, BDG)의 반사를 통한 산란광과의 간섭신호를 측정한다.The test optical fiber 30 is made of a polarization maintaining fiber (PMF), the amplified first pump light and the second pump light are incident on the x-axis, respectively, and the probe light is incident on the y-axis to generate a brill Measure the interference signal with scattered light through reflection of Brillouin dynamic grating (BDG).

브릴루앙 산란은 빛이 매질 내의 음파(sound wave)에 의해서 산란되는 현상이다. 브릴루앙 산란에 의해 후방으로 산란되는 빛은 음파의 속도로 인한 도플러 효과에 의해 광 주파수에 변화가 발생한다. 입사된 펌프광과 브릴루앙 산란광 사이의 주파수 차이를 브릴루앙 주파수(v B )라고 하며 1550 nm 대역에서 10-11 GHz 사이의 값을 갖는다. Brillouin scattering is a phenomenon in which light is scattered by sound waves in a medium. Backward scattered light by Brillouin scattering causes a change in the optical frequency due to the Doppler effect due to the speed of the sound wave. The frequency difference between the incident pump light and the Brillouin scattered light is called the Brillouin frequency ( v B ) and has a value between 10-11 GHz in the 1550 nm band.

펌프광의 세기가 강한 경우 음파에 의해 후방으로 산란된 산란광이 펌프광과 간섭하여 음파를 강화하고, 강화된 음파에 의해 산란광의 세기가 강해지는 형태로 상승 작용을 일으켜 산란광이 급격히 증가하는 유도 브릴루앙 산란(Stimulated Brillouin scattering, SBS)이 된다. When the intensity of the pump light is strong, the scattered light scattered back by the sound wave interferes with the pump light to strengthen the sound wave, and the intensity of the scattered light increases by the reinforced sound wave causes a synergistic effect, resulting in a sharp increase in the scattered light. (Stimulated Brillouin scattering, SBS).

도 2를 참조하면, 주파수 차이(Δv)가 v B 근처인 제1 펌프광과 제2 펌프광이 서로 반대 방향으로 진행하면 SBS에 의해 높은 주파수인 제1 펌프광에 의해 낮은 주파수인 제2 펌프광이 증폭되는 현상이 나타난다. 제2 펌프광의 증폭 비율인 브릴루앙 이득은 Δv 가 v B 와 같을 때 최대가 되며, Δv를 광섬유의 v B 근처에서 스캔하면서 브릴루앙 이득을 측정하면 도 2의 그래프와 같은 브릴루앙 이득 스펙트럼(Brillouin gain spectrum, BGS)을 얻을 수 있다. Referring to FIG. 2 , when the first pump light and the second pump light having a frequency difference Δ v near v B travel in opposite directions, the second pump light having a low frequency is amplified by the first pump light having a high frequency by SBS. phenomenon occurs. The Brillouin gain, which is the amplification ratio of the second pump light, is maximized when Δ v is equal to v B , and when the Brillouin gain is measured while scanning Δ v near v B of the optical fiber, the Brillouin gain spectrum as shown in the graph of FIG. 2 . (Brillouin gain spectrum, BGS) can be obtained.

v B 는 변형률과 온도 변화에 대해 선형적으로 증가하는 특성이 있어, 광섬유의 각 지점에서 v B 를 측정하면 해당 지점의 변형률 또는 온도 변화를 측정할 수 있으며, 이를 분포형 브릴루앙 센서라고 한다.Since v B has a property of increasing linearly with changes in strain and temperature, measuring v B at each point of the optical fiber can measure the strain or temperature change at that point, which is called a distributed Brillouin sensor.

편광 유지 광섬유(polarization maintaining fiber, PMF)란, 선형 복굴절이 존재하여 서로 수 직한 두 편광축 방향으로 편광된 빛의 굴절률이 서로 다른 광섬유를 가리킨다. PMF의 한 편광축 방향으로 편광된 펌프광의 SBS를 통해 음파를 발생시키면, 그와 수직한 편광축 방향으로 편광된 프로브광이 이 음파에 의해 반사되는 현상을 관측할 수 있는데, 이 경우 SBS에 의해 발생한 음파를 브릴루앙 동적 격자(BDG)라고 부른다. A polarization maintaining fiber (PMF) refers to an optical fiber having a different refractive index of light polarized in two polarization axes perpendicular to each other due to the presence of linear birefringence. When a sound wave is generated through SBS of pump light polarized in the direction of one polarization axis of the PMF, it can be observed that the probe light polarized in the direction of the polarization axis perpendicular to it is reflected by this sound wave. In this case, the sound wave generated by SBS is called Brillouin Dynamic Grating (BDG).

프로브광이 BDG에 의해 반사된 광파를 BDG 반사광이라고 하는데, 프로브광의 광주파수와 펌프광의 광주파수 차이가 복굴절의 크기에 의해 결정되는 특정 주파수일 때 BDG 반사광의 세기가 최대가 된다. 이 주파수 차이를 BDG 주파수(BDG frequency, v D )라고 부른다. The light wave reflected by the BDG of the probe light is called the BDG reflected light. When the difference between the optical frequency of the probe light and the optical frequency of the pump light is a specific frequency determined by the size of the birefringence, the intensity of the BDG reflected light is maximum. This frequency difference is called the BDG frequency (BDG frequency, v D ).

도 3은 PMF의 장축(x축) 방향으로 편광된 펌프광과 단축(y축) 방향으로 편광된 프로브광을 사용하는 BDG 동작과 관련된 광파들의 주파수 관계를 보여준다. 3 shows a frequency relationship between light waves related to a BDG operation using a pump light polarized in the long axis (x-axis) direction and a probe light polarized in the short axis (y-axis) direction of the PMF.

도 3을 참조하면, BDG의 반사율은 BDG를 발생시키는 두 펌프광 사이의 브릴루앙 이득에 비례한다. 브릴루앙 이득의 크기는 두 펌프광의 주파수 차이(Δv)가 브릴루앙 주파수(v B )가 될 때 최대가 되며, 브릴루앙 주파수는 광섬유에 가해진 변형률이나 온도 변화와 선형적으로 비례하여 증가한다. Referring to FIG. 3 , the reflectance of the BDG is proportional to the Brillouin gain between the two pump lights generating the BDG. The magnitude of the Brillouin gain is maximized when the frequency difference (Δ v ) of the two pump lights becomes the Brillouin frequency ( v B ), and the Brillouin frequency increases linearly with the strain or temperature change applied to the optical fiber.

따라서, 두 펌프광의 주파수 차이를 단계적으로 변화시키면서 BDG의 반사율 분포를 측정하면, 이를 통해 각 위치의 브릴루앙 이득 스펙트럼을 얻을 수 있으며, 그 중심 주파수인 브릴루앙 주파수 분포를 측정할 수 있다. 따라서, BDG를 이용하면 분포형 브릴루앙 센서를 구현할 수 있다.Therefore, if the reflectance distribution of the BDG is measured while changing the frequency difference between the two pump lights stepwise, the Brillouin gain spectrum of each position can be obtained through this, and the Brillouin frequency distribution, which is the center frequency, can be measured. Therefore, using BDG, a distributed Brillouin sensor can be implemented.

BDG의 반사율의 분포를 측정하기 위한 종래의 기술로는, 프로브광 펄스를 이용해 시간 영역에서 측정하는 브릴루앙 동적 격자 시 영역 반사 측정법(BDG-OTDA 또는 BDGOTDR)과 연속 발진된 주파수 가변 광원을 프로브광으로 이용하는 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정법(BDG-OFDR)이 있다. As a conventional technique for measuring the distribution of reflectance of BDG, a Brillouin dynamic grating region reflectometry method (BDG-OTDA or BDGOTDR), which measures in the time domain using probe pulses, and a continuously oscillated frequency variable light source probe light Brillouin dynamic grating frequency domain reflectometry (BDG-OFDR) is used as

이 중 BDG-OFDR의 경우, 일반 OFDR과 유사하게 높은 공간 분해능을 구현할 수 있으며, 레일리 산란 기반의 일반 OFDR과 달리 반사율 자체가 브릴루앙 이득의 크기와 비례하므로, 반사율 분포 측정만으로 광섬유의 변 형률이나 온도 변화 분포를 직접 측정할 수 있다. 즉, OFDR의 신호처리 과정에서 공간 분해능을 저하시키는 과정인 게이지 길이로 나누어 상호상관을 구하는 과정이 필요 없기 때문에, 높은 공간 분해능으로 변형률이나 온도 변화를 측정할 수 있다는 장점이 있다.Among them, BDG-OFDR can realize high spatial resolution similar to general OFDR, and unlike general OFDR based on Rayleigh scattering, the reflectance itself is proportional to the magnitude of the Brillouin gain. The temperature change distribution can be measured directly. In other words, since there is no need to obtain the cross-correlation by dividing by the gauge length, which is a process that degrades spatial resolution in the signal processing process of OFDR, it has the advantage of being able to measure strain or temperature change with high spatial resolution.

기존 BDG-OFDR 기술은 두 개의 광원을 사용하는 방식으로서, 하나는 펌프광의 광원으로 쓰이는 일반적인 DFB-LD이고 다른 하나는 프로브광과 기준광의 광원으로 쓰이는 주파수 가변 레이저이다. 일반 OFDR과 BDG-OFDR의 공통적인 사항으로서, 주파수 가변 레이저의 출력 주파수 변화는 시간에 따라 선형적이어야 하며, 주파수 변화의 비선형성을 보정하기 위한 보조간섭계를 통해 데이터 취득 타이밍을 일정한 시간 간격이 아니라 일정한 주파수 간격으로 맞추는 방식으로 선형성을 유지한다.The existing BDG-OFDR technology uses two light sources. One is a general DFB-LD used as a light source for pump light, and the other is a frequency tunable laser used as a light source for probe light and reference light. As a common thing between general OFDR and BDG-OFDR, the output frequency change of the frequency tunable laser must be linear with time, and the data acquisition timing is set not at regular time intervals through the auxiliary interferometer to correct the nonlinearity of the frequency change. Linearity is maintained in a way that is aligned with a constant frequency interval.

추가적으로, BDG-OFDR 측정에서는 펌프광 광원의 광 주파수와 프로브광인 파장 가변 광원의 광 주파수의 차이가 높은 정밀도로 제어되어야 한다. 그러나, 펌프광과 프로브광으로 개별 레이저를 사용하는 기존 BDG-OFDR 시스템에서는 보조간섭계를 통해 프로브광 주파수 변화의 비선형성을 보정하는 경우에도 펌프광 DFB-LD와의 상대 주파수 차이에 임의의 주파수 변화인 주파수 드리프트가 발생하며, 이로 인해 측정의 정확도에 문제가 발생한다. In addition, in the BDG-OFDR measurement, the difference between the optical frequency of the pump light source and the optical frequency of the probe light, which is the tunable light source, must be controlled with high precision. However, in the existing BDG-OFDR system that uses separate lasers as pump light and probe light, even when nonlinearity of probe light frequency change is corrected through an auxiliary interferometer, the frequency drift, which is an arbitrary frequency change, is caused by the relative frequency difference with the pump light DFB-LD. , which leads to problems with the accuracy of the measurement.

개별적인 온도 제어를 이용한 일반적인 주파수 안정화를 이용할 경우, 펌프광과 프로브광으로 사용되는 두 LD 사이 주파수의 드리프트는 최소 100 MHz 이상이며, 이러한 주파수 드리프트는 BDG-OFDR 측정에서 신호 크기의 감소 및 측정 위치와 공간 분해능의 오차로 나타나게 된다. 도 4는 기존 BDG-OFDR 시스템의 펌프광과 프로브광 광원 사이 주파수 드리프트의 발생 상황을 설명하는 도면이다.When using general frequency stabilization using individual temperature control, the drift in frequency between the two LDs used as the pump light and the probe light is at least 100 MHz, and this frequency drift reduces the signal amplitude and the measurement location and space in the BDG-OFDR measurement. It appears as an error in resolution. 4 is a view for explaining the occurrence of frequency drift between the pump light and the probe light source in the conventional BDG-OFDR system.

본 발명에서는 BDG-OFDR 시스템의 주파수 제어에 하나의 마스트 광원(11)을 사용하여 펌프광과 프로브광 사이의 상대 주파수 드리프트 문제를 해결할 수 있는 기술을 제안한다. The present invention proposes a technique capable of solving the problem of relative frequency drift between the pump light and the probe light by using one mast light source 11 for frequency control of the BDG-OFDR system.

본 발명은 종래 기술과 달리 광원을 하나만 사용하기 때문에 광 변조기와 마이크로파 발생기를 사용해서 여러 개의 측파 모드를 형성하고 낮은 주파수 대역은 펌프광으로, 높은 주파수 대역은 프로브광으로 사용한다. 주파수 가변 광원의 역할을 대신하기 위해 광 변조기에 들어가는 마이크로파 발생기의 출력 주파수를 ramp 형태로 스윕하여, 펌프광과 프로브광의 상대 주파수가 일정하게 스윕되도록 한다. Unlike the prior art, since the present invention uses only one light source, several side wave modes are formed using an optical modulator and a microwave generator, and a low frequency band is used as a pump light and a high frequency band is used as a probe light. In order to replace the frequency variable light source, the output frequency of the microwave generator entering the optical modulator is swept in the form of a ramp, so that the relative frequencies of the pump light and the probe light are constantly swept.

이와 같이 변조의 측파를 이용하여 펌프광과 프로브광 상대 주파 수를 스윕하면 두 개의 개별 광원을 사용할 때 발생하는 상대 주파수 드리프트 문제를 해결할 수 있고, 기존의 비선형성 보정을 위한 보조간섭계도 사용할 필요가 없는 추가적인 이점이 있다. In this way, by sweeping the relative frequencies of the pump light and the probe light using the side wave of the modulation, the relative frequency drift problem that occurs when two separate light sources are used can be solved, and there is no need to use an auxiliary interferometer for correcting the existing nonlinearity. There are additional advantages.

또한, N차 측파 모드를 사용할 경우 펌프광과 프로브광의 광주파수가 함께 스윕되므로, 광주파수 스윕 범위 Δf 는 마이크로파의 스윕 범위의 2N 배가 된다.In addition, when the Nth-order side wave mode is used, the optical frequencies of the pump light and the probe light are swept together, so the optical frequency sweep range Δf becomes 2N times that of the microwave sweep range.

다시 도 1을 참조하면, 단일 광원 기반 BDG-OFDR 센서의 구성도로서, 마스터 광원(11) 바로 다음에 위치한 광 변조기(12)와 제1 마이크로파 발생기(13)를 이용하여 여러 개의 측파 모드를 형성하고 제1 광 서큘레이터(14) 및 광섬유 브래그 격자(15)를 통해 낮은 주파수 대역의 측파 모드 중 하나를 선택해서 반사시켜 펌프광으로 사용한다. Referring back to FIG. 1 , as a configuration diagram of a single light source-based BDG-OFDR sensor, multiple side wave modes are formed using the light modulator 12 and the first microwave generator 13 located immediately after the master light source 11 . and selects and reflects one of the side wave modes of the low frequency band through the first optical circulator 14 and the optical fiber Bragg grating 15 to be used as pump light.

브래그 격자(15)를 통과한 나머지 측파 모드 중 높은 주 파수 대역의 측파 모드를 밴드패스필터(16)로 선택하여 투과시켜 프로브광으로 사용하는데, 펌프광으로 사용한 측파 모드와 같은 차수의 측파 모드를 선택한다. Among the remaining side wave modes that have passed through the Bragg grating 15, a side wave mode of a high frequency band is selected by the band pass filter 16 and transmitted as a probe light. A side wave mode of the same order as the side wave mode used as the pump light is selected do.

도 5는 2차 측파 모드를 이용한 펌프광과 프로브광의 광 주파수 선택 예시를 보여준다.5 shows an example of optical frequency selection of pump light and probe light using the secondary side wave mode.

본 발명은 펌프광과 프로브광의 광 주파수를 선택한 후 해당 주파수 성분의 소광비를 높이기 위해 주입 잠금 방식을 적용한다(도 1의 'A'). 주입 잠금이란, 출력부에 광 아이솔레이터가 내장 되어있지 않은 슬레이브 LD에 광을 입력해주면 슬레이브 LD의 자체 발진 주파 수와 가까운 주파수를 발진, 증폭시키는 기술을 말한다. 이는 또한 광 변조기의 RF 주파수 스윕에서 발생하는 빛의 세기 변화를 억제하는 역할도 한다. In the present invention, after selecting the optical frequencies of the pump light and the probe light, an injection locking method is applied to increase the extinction ratio of the corresponding frequency component ('A' in FIG. 1). Injection lock refers to a technology that oscillates and amplifies a frequency close to the self-oscillation frequency of the slave LD when light is input to a slave LD that does not have a built-in optical isolator in the output. It also serves to suppress changes in light intensity that occur in the RF frequency sweep of the optical modulator.

펌프광으로 사용하는 빛은 광 커플러(21)를 통해 두 갈래로 나눈 뒤 제1 펌프광 및 제2 펌프광으로 사용한다. 제2 펌프광은 상기 마이크로파 발생기(17)와 제1 측파 변조기(22)를 이용해 광 주파수를 Δv 만큼 하향시켜서 제1 펌프광과 유도 브릴루앙 산란을 일으킬 수 있게 한다. The light used as the pump light is divided into two branches through the optical coupler 21 and then used as the first pump light and the second pump light. The second pump light uses the microwave generator 17 and the first side wave modulator 22 to lower the light frequency by Δv to cause induced Brillouin scattering with the first pump light.

광 증폭기(23, 31)를 이용하여 각각의 펌프광을 증폭시킨 후, 편광 조절기(24, 32)를 통해 편광 빔스플리터(26, 36)의 x축 방향으로 편광을 맞추어 시험 광섬유에 입사시켜 BDG를 형성한다. 제1 펌프광의 경로에 위치한 상기 제2 광 서큘레이터(33)와 제1 광 검출기(35)는 제2 펌프광의 브릴루앙 이득을 확인하기 위해 사용되었다. After amplifying each pump light using the optical amplifiers 23 and 31, the polarization is adjusted in the x-axis direction of the polarization beam splitters 26 and 36 through the polarization controllers 24 and 32, and the BDG is incident on the test optical fiber. to form The second optical circulator 33 and the first optical detector 35 positioned in the path of the first pump light were used to confirm the Brillouin gain of the second pump light.

프로브광은 편광 빔스플리터(26, 36)의 y축 방향 편광으로 시험 광섬유에 입사시켜 BDG 반사를 일으키게 한다. 이 때 후방으로 산란되어 나오는 산란광은 광 주파수가 Δv 만큼 하향 되기 때문에 기준광의 광 주파수를 제2 펌프광과 같은 방법으로 Δv 만큼 하향시킨 후 산란 광과의 간섭신호를 측정한다. The probe light is polarized in the y-axis direction of the polarization beam splitters 26 and 36 and is incident on the test optical fiber to cause BDG reflection. At this time, since the optical frequency of the scattered light that is scattered backwards is lowered by Δv , the optical frequency of the reference light is lowered by Δv in the same way as the second pump light, and then the interference signal with the scattered light is measured.

OFDR 측정을 위해 광 변조기에 인가해주는 RF 주파수를 ramp파 형태로 스윕해주어 프로브광의 광 주파수를 시간에 대해 선형으로 스윕해준다. 공간 분해능을 높이기 위해 아래의 수학식1에서 프로브광의 광 주파수 스윕 범위 Δf 를 증가시킬 수 있도록 여러 차수의 측파를 차례로 이용한다. For OFDR measurement, the RF frequency applied to the optical modulator is swept in the form of a ramp wave, and the optical frequency of the probe beam is swept linearly with respect to time. In order to increase spatial resolution, side waves of several orders are sequentially used to increase the optical frequency sweep range Δf of the probe light in Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112020124219836-pat00001
Figure 112020124219836-pat00001

도 6은 본 발명에 따라 여러 차수의 측파를 연속적으로 이용하는 경우 프로브광의 유효 스윕 범위 예시를 보여주는 도면이다.6 is a view showing an example of an effective sweep range of a probe light when using side waves of several orders continuously according to the present invention.

도 6에서 빨간색은 1 차 측파, 초록색은 2차 측파, 파랑색은 4차 측파, 색으로 해치된 영역은 각 색에 해당하는 측파의 스윕 범위를 나타낸다.In FIG. 6 , red denotes a primary side wave, green denotes a secondary side wave, blue denotes a quaternary side wave, and a color-hatched area denotes a sweep range of a side wave corresponding to each color.

도 6의 예시와 같이 RF 주파수의 스윕 범위를 10-20 GHz로 하고, 1, 2, 4차 측파(2 k , k = 0, 1, 2)를 이용하면 프로브광의 유효 스윕 범위는 70 GHz가 된다. 펌프광의 스윕까지 고려하면 OFDR 측정의 유효 스윕 범위는 프로브광의 스윕 범위의 두 배인 140 GHz가 되어 반사율 측정 공간 분해능은 약 700 μm가 된다. As in the example of FIG. 6 , if the sweep range of the RF frequency is 10-20 GHz and the 1st, 2nd, and 4th side waves (2 k , k = 0, 1, 2) are used, the effective sweep range of the probe light is 70 GHz. do. Considering the sweep of the pump light, the effective sweep range of the OFDR measurement becomes 140 GHz, which is twice the sweep range of the probe light, and the spatial resolution of the reflectance measurement becomes about 700 μm.

스윕 범위를 결정할 때 전체 스윕 과정 중 제2 펌프광과 프로브광의 광 주파수 차이가 v D 가 되어 위상 정합 조건에 맞는 상황이 발생하도록 해야 한다.When determining the sweep range, the optical frequency difference between the second pump beam and the probe beam during the entire sweep process becomes v D so that a situation that meets the phase matching condition occurs.

이에 따라, 본 발명은 기존 BDG-OFDR 센서에서 두 개의 광원을 사용하여 발생하는 광원 사이의 광주파수 드리프트에 의한 신호 세기 감소 및 측정 정확도 저하 문제를 해결한다. 또한, 주입 잠금된 고차 측파 모드를 이용하여 OFDR의 유효 스윕 범위를 늘려 변형률과 온도 변화의 분포 측정에서 수 백 μm의 공간 분해능을 달성할 수 있다.Accordingly, the present invention solves the problem of signal strength reduction and measurement accuracy degradation due to optical frequency drift between the light sources generated by using two light sources in the existing BDG-OFDR sensor. In addition, by using the injection-locked higher-order side wave mode, it is possible to increase the effective sweep range of OFDR to achieve spatial resolution of several hundred μm in distribution measurements of strain and temperature change.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 방법의 흐름도이다.7 is a flowchart of a method for measuring single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflection according to an embodiment of the present invention.

본 실시예에 따른 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 방법은, 도 1의 장치(10)와 실질적으로 동일한 구성에서 진행될 수 있다. 따라서, 도 1의 장치(10)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략한다. The single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflection measurement method according to the present embodiment may proceed in substantially the same configuration as the apparatus 10 of FIG. 1 . Accordingly, the same components as those of the device 10 of FIG. 1 are given the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted.

또한, 본 실시예에 따른 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 방법은 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정을 수행하기 위한 소프트웨어(애플리케이션)에 의해 실행될 수 있다.In addition, the single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflection measurement method according to the present embodiment may be executed by software (application) for performing single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflection measurement.

본 발명은 단일 광원의 변조에서 나타나는 고조파 성분의 주입 잠금 방식을 적용한 브릴루앙 동적 격자(Brillouin dynamic grating, BDG) 광 주파수 영역 반사 측정(optical frequency-domain reflectometry, OFDR) 방법으로서, 광섬유의 위치에 따른 브릴루앙 주파수의 분포를 높은 공간 분해능과 정밀도로 측정하는 분포형 센서의 성능을 향상시킨다.The present invention is a Brillouin dynamic grating (BDG) optical frequency-domain reflectometry (OFDR) method to which an injection locking method of harmonic components appearing in modulation of a single light source is applied. It improves the performance of distributed sensors that measure the distribution of Brillouin frequencies with high spatial resolution and precision.

도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 방법은, BDG 반사에 따른 간섭신호를 측정을 시작하면(단계 S00), 하나의 마스터 광원으로 다수개의 측파 모드를 형성하여 2 개의 펌프광과 프로브광으로 사용하는 시험 광섬유에 입사된 제2 펌프광의 광 주파수를 미리 설정된 값만큼 상향 또는 하향시켜서 제1 펌프광과의 브릴루앙 산란을 일으킨다(단계 S10).Referring to FIG. 7 , the single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflection measurement method according to the present embodiment starts measuring an interference signal according to BDG reflection (step S00), By forming a mode and increasing or decreasing the optical frequency of the second pump light incident on the test optical fiber used as the two pump lights and the probe light by a preset value, Brillouin scattering with the first pump light is caused (step S10).

이후, 공간 분해능을 높이기 위해 상기 프로브광의 광 주파수 스윕 범위를 증가시킬 수 있도록 측파의 차수를 순차적으로 높인다(단계 S20). 예를 들어, 2 k (k = 0, 1, 2)를 이용하여 1, 2, 4차 측파 순서대로 높여서 펌프광 및 프로브광의 광 주파수를 선택할 수 있다(단계 S30).Thereafter, the order of the side wave is sequentially increased to increase the optical frequency sweep range of the probe light in order to increase spatial resolution (step S20). For example, it is possible to select the optical frequencies of the pump light and the probe light by increasing the 1st, 2nd, and 4th side waves in the order by using 2 k ( k = 0, 1, 2) (step S30 ).

측파의 각 차수에 따라 RF 주파수를 스윕하며 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역의 BDG 반사에 따른 간섭신호 측정은 유효 스윕 범위가 목표한 공간 분해능에 도달할 때까지 반복하고(단계 S40), 간섭신호의 측정 결과를 순서대로 합친 후 FFT를 통해 각 위치에 대한 BDG 반사율 분포 데이터를 획득한다.The RF frequency is swept according to each order of the side wave, and the interference signal measurement according to the BDG reflection in the Brillouin dynamic grating frequency domain is repeated until the effective sweep range reaches the target spatial resolution (step S40), and the interference signal is measured. After summing the results sequentially, BDG reflectance distribution data for each location is obtained through FFT.

유효 스윕 범위가 목표한 공간 분해능에 도달하는 경우(단계 S50), 상기 제2 펌프광과 상기 프로브광의 광 주파수 차이를 위상 정합 조건으로 설정하여(단계 S70) 간섭신호의 측정을 종료한다(단계 S70),When the effective sweep range reaches the target spatial resolution (step S50), the optical frequency difference between the second pump light and the probe light is set as a phase matching condition (step S70), and the measurement of the interference signal is finished (step S70) ,

다시 말해, OFDR의 유효 스윕 범위가 목표한 공간 분해능에 도달할 때까지 측파의 차수를 높여서 간섭신호를 측정하고, 각각의 측정 결과를 순서대로 합친 후 FFT를 통해 각 위치에 대한 BDG 반사율 데이터를 얻는다. 브릴루앙 이득 스펙트럼을 얻기 위해서 Δv 를 v B 근방에서 스캔해가며 측정을 반복한다(단계 S80). In other words, the interference signal is measured by increasing the order of the side wave until the effective sweep range of the OFDR reaches the target spatial resolution, and the result of each measurement is sequentially summed to obtain BDG reflectance data for each position through FFT. . In order to obtain a Brillouin gain spectrum, the measurement is repeated while scanning Δ v in the vicinity of v B (step S80).

일 례로 도 7에서는 Δv 의 스캔 범위와 간격을 각각 100 MHz와 2 MHz로 설정했으나, 이는 상황에 따라 유동적으로 설정할 수 있다.For example, in FIG. 7 , the scan range and interval of Δv are set to 100 MHz and 2 MHz, respectively, but this can be flexibly set according to circumstances.

도 8은 도 7의 본 발명을 실험하기 위한 단일 광원 기반 BDG-OFDR 시스템의 실제 실험 구성도이다. 8 is an actual experimental configuration diagram of a single light source-based BDG-OFDR system for testing the present invention of FIG. 7 .

도 8을 참조하면, 실험에서는 1차 측파 모드만을 사용해서 검증을 실시하였다. 도 1과 비교해서 변경된 점은 두 가지로, 고차 측파 모드를 선택하는 과정을 생략하여 광섬유 브래그 격자 이후의 밴드패스 필터를 제거하였고, 제2 펌프광의 광 주파수를 하향시켰던 것을 광 변조기에 들어가는 RF 신호를 증폭시켜주는 RF 증폭기의 주파수 대역과 1차 측파의 스윕 범위를 고려해서 제1 펌프광의 광 주파수를 상향시키는 것으로 변경하였다. Referring to FIG. 8 , in the experiment, verification was performed using only the primary side wave mode. There are two changes compared to FIG. 1, by omitting the process of selecting the higher-order side wave mode, removing the bandpass filter after the optical fiber Bragg grating, and lowering the optical frequency of the second pump light. The RF signal entering the optical modulator In consideration of the frequency band of the RF amplifier that amplifies , and the sweep range of the primary side wave, the optical frequency of the first pump light was changed to increase.

제1 마이크로파 발생기의 RF 주파수는 26.5 GHz부터 31.5 GHz까지 ramp 파 형태로 스윕되었으며 이로 인한 OFDR의 유효 스윕 범위는 10 GHz, 공간 분해능은 1 cm이다. 두 펌프광은 광 증폭기를 통해 23 dBm까지 파워를 증폭시켜 10.3 m길이의 PMF에 BDG를 형성하는데 사용했으며, BDG 반사율을 측정하기 위해 6 dBm의 프로브광이 사용되었다. The RF frequency of the first microwave generator was swept from 26.5 GHz to 31.5 GHz in the form of a ramp wave, resulting in an effective sweep range of 10 GHz and a spatial resolution of 1 cm. The two pump lights were used to form BDG in a 10.3 m long PMF by amplifying the power to 23 dBm through an optical amplifier, and a probe light of 6 dBm was used to measure the BDG reflectance.

제1 펌프광과 기준광의 광 주파수를 각각 상향, 하향시키기 위해서 사용된 제2 마이크로파 발생기의 RF 주파수는 10.8 GHz부터 11.1 GHz까지 2 MHz 간격으로 스캔하였다.The RF frequency of the second microwave generator used to increase and decrease the optical frequencies of the first pump light and the reference light, respectively, was scanned at intervals of 2 MHz from 10.8 GHz to 11.1 GHz.

도 9의 (a)는 각 광파들의 광 주파수가 위상 정합 조건에 맞을 때의 제1 펌프광의 유무에 따른 BDG 반사광의 세기를 보여준다. 시험 광섬유의 평균 v D 와 v B 는 각각 47.102 GHz, 10.870 GHz이며, 제2 펌프광이 있을 때 BDG 반사가 강하게 일어나는 것을 확인할 수 있다. FIG. 9(a) shows the intensity of the BDG reflected light according to the presence or absence of the first pump light when the light frequency of each light wave meets the phase matching condition. The average v D and v B of the test optical fiber are 47.102 GHz and 10.870 GHz, respectively, and it can be seen that the BDG reflection strongly occurs when the second pump light is present.

도 9의 (b)는 프로브광을 스윕하면서 광 검출기로 측정한 Δv 에 따른 BDG 반사광과 기준광의 간섭신호인데, Δv 가 v B 일 때 강한 피크가 보이는 것을 확인할 수 있다. 강한 피크가 보이는 곳은 프로브광의 주파수가 BDG의 위상 정합 조건에 맞을 때 BDG 반사가 크게 일어나는 순간이다. 9( b ) is an interference signal between the BDG reflected light and the reference light according to Δv measured with a photodetector while sweeping the probe light. It can be seen that a strong peak is seen when Δv is vB . A strong peak is seen at the moment when the frequency of the probe light meets the BDG phase matching condition, and the BDG reflection is large.

도 9의 (c)는 도 9의 (b)의 간섭신호를 FFT하여 얻은 위치별 BDG 반사율이다.FIG. 9(c) is a BDG reflectance for each location obtained by FFT of the interference signal of FIG. 9(b).

도 10의 (a)는 10.3 m 길이의 시험 광섬유 후방 5 cm 영역에 물리적 변형을 가한 후 분포형 측정을 수행한 결과이다. 1, 2, 3 mε에 해당하는 변형을 인가하였으며 각 변형률에 따른 v B 의 이동을 확인할 수 있다. FIG. 10(a) is a result of distributing measurement after applying physical strain to a region 5 cm behind the test optical fiber having a length of 10.3 m. A strain corresponding to 1, 2, and 3 mε was applied, and the movement of v B according to each strain can be confirmed.

도 10의 (b)는 변형이 가해진 영역 중앙의 브릴루앙 이득 스펙트럼이다. 변형이 가해질수록 스펙트럼이 우측으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. FIG. 10(b) is a Brillouin gain spectrum at the center of the region to which the strain is applied. As the strain is applied, it can be seen that the spectrum shifts to the right.

도 10의 (c)는 변형률에 대한 v B 의 이동 경향을 보여주는 그래프로, v B 의 변형률 민감도는 0.04113 MHz/με로 측정되었다. 10( c ) is a graph showing the movement trend of v B with respect to strain, and the strain sensitivity of v B was measured to be 0.04113 MHz/με.

본 발명은 단일 광원을 사용한 BDG-OFDR 측정 방법으로서, 기존 BDG-OFDR 센서에서 두 개의 광원을 사용하여 발생하는 광원 사이의 광주파수 드리프트에 의한 신호 세기 감소 및 측정 정확도 저하 문제를 해결하고, 주입 잠금된 고차 측파 모드를 이용하여 OFDR의 유효 스윕 범위를 늘려 변형률과 온도 변화의 분포 측정에서 수 백 μm의 공간 분해능을 달성할 수 있다.The present invention is a BDG-OFDR measurement method using a single light source, which solves the problem of signal strength reduction and measurement accuracy degradation due to optical frequency drift between light sources generated by using two light sources in the existing BDG-OFDR sensor, and injection lock The effective sweep range of the OFDR can be increased by using the higher-order side wave mode to achieve spatial resolution of several hundred μm in distribution measurements of strain and temperature changes.

이와 같은, 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. Such a single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflection measurement method may be implemented as an application or implemented in the form of program instructions that may be executed through various computer components and recorded in a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.

상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. The program instructions recorded on the computer-readable recording medium are specially designed and configured for the present invention, and may be known and available to those skilled in the art of computer software.

컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. Examples of the computer-readable recording medium include a hard disk, a magnetic medium such as a floppy disk and a magnetic tape, an optical recording medium such as a CD-ROM and DVD, and a magneto-optical medium such as a floppy disk. media), and hardware devices specially configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like.

프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device may be configured to operate as one or more software modules to perform processing according to the present invention, and vice versa.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the embodiments, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below You will understand.

본 발명은 단일 광원의 변조에서 나타나는 고조파 성분의 주입 잠금 방식을 적용한 브릴루앙 동적 격자(Brillouin dynamic grating, BDG) 광 주파수 영역 반사 측정(optical frequency-domain reflectometry, OFDR) 장치 및 그 구현 방법으로서, 광섬유의 위치에 따른 브릴루앙 주파수의 분포를 높은 공간 분해능과 정밀도로 측정하는 분포형 센서의 성능을 향상시킨다. 이는 구조물의 안정성을 실시간으로 측정, 분석이 가능한 광섬유 센서로서 건축, 토목, 설계 등의 분야에 유용하게 적용할 수 있다.The present invention relates to a Brillouin dynamic grating (BDG) optical frequency-domain reflectometry (OFDR) device and an implementation method thereof to which an injection locking method of harmonic components appearing in modulation of a single light source is applied. It improves the performance of the distributed sensor that measures the distribution of Brillouin frequency according to the position of This is an optical fiber sensor that can measure and analyze the stability of a structure in real time, and can be usefully applied to fields such as architecture, civil engineering, and design.

10: 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 장치
11: 마스터 광원
12: 광 변조기
13: 제1 마이크로파 발생기
14: 제1 광 서큘레이터
15: 광섬유 브래그 격자
16: 밴드패스필터
17: 제2 마이크로파 발생기
21: 제1 광 커플러
22: 제1 측파 변조기
23, 31: 증폭기
24: 제1 편광 조절기
25: 광 아이솔레이터
26, 36: 편광 빔스플리터
32: 제2 편광 조절기
33: 제2 광 서큘레이터
34: 편광기
35: 제1 광 검출기
30: 시험 광섬유
41: 제2 광 커플러
42: 제2 측파 변조기
43: 제3 광 서큘레이터
44: 제3 광 커플러
45: 제2 광 검출기10: Brillouin dynamic grating frequency domain reflectometer
11: Master Light Source
12: light modulator
13: first microwave generator
14: first optical circulator
15: Fiber Bragg Grating
16: band pass filter
17: second microwave generator
21: first optical coupler
22: first side wave modulator
23, 31: amplifier
24: first polarization controller
25: optical isolator
26, 36: polarizing beam splitter
32: second polarization controller
33: second optical circulator
34: polarizer
35: first photodetector
30: test optical fiber
41: second optical coupler
42: second side wave modulator
43: third optical circulator
44: third optical coupler
45: second photodetector

Claims (12)

하나의 마스터 광원으로 다수개의 측파 모드를 형성하는 광 변조기와 제1 마이크로파 발생기;
상기 측파 모드 중에서 상대적으로 낮은 주파수 대역의 하나를 펌프광으로 선택하여 제1 펌프광 및 제2 펌프광으로 분배하는 펌프광 선택부;
선택된 펌프광을 제외한 나머지 측파 모드 중 상대적으로 높은 주파수 대역의 측파 모드를 프로브광으로 선택하는 프로브광 선택부;
상기 펌프광과 상기 프로브광이 선택되면 각각 해당 주파수 성분의 소광비를 높이는 제1 주입 잠금부 및 제2 주입 잠금부; 및
편광 유지 광섬유(polarization maintaining fiber, PMF)로 이루어지고, 증폭된 제1 펌프광 및 제2 펌프광이 각각 x축(느린 축, slow axis)으로 입사되고, 상기 프로브광이 y축(빠른 축, fast axis)으로 입사되어 생성되는 브릴루앙 동적 격자(Brillouin dynamic grating, BDG)의 반사를 통한 산란광과의 간섭신호를 측정하는 시험 광섬유;를 포함하는, 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 장치.
a light modulator and a first microwave generator for forming a plurality of side wave modes with one master light source;
a pump light selector for selecting one of the relatively low frequency bands from among the side wave modes as a pump light and distributing it to a first pump light and a second pump light;
a probe light selection unit that selects a side wave mode of a relatively high frequency band among side wave modes other than the selected pump light as a probe light;
a first injection locking unit and a second injection locking unit increasing an extinction ratio of a corresponding frequency component when the pump light and the probe light are selected, respectively; and
Consists of a polarization maintaining fiber (PMF), the amplified first pump light and the second pump light are incident on the x-axis (slow axis), respectively, and the probe light is directed along the y-axis (fast axis, fast axis) ), a test optical fiber that measures an interference signal with scattered light through reflection of a Brillouin dynamic grating (BDG) generated by being incident on it;
 제1항에 있어서,
상기 펌프광 선택부는, 상기 측파 모드 중에서 상대적으로 낮은 주파수 대역의 하나를 선택하여 펌프광으로 사용하게 하는 제1 광 서큘레이터 및 광섬유 브래그 격자를 포함하고,
상기 프로브광 선택부는, 상기 광섬유 브래그 격자를 통과한 나머지 측파 모드 중 상대적으로 높은 주파수 대역의 측파 모드를 선택적으로 투과시켜 프로브광으로 사용하게 하는 밴드패스필터를 포함하는, 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 장치.
According to claim 1,
The pump light selection unit includes a first optical circulator and an optical fiber Bragg grating that selects one of a relatively low frequency band from among the side wave modes and uses it as a pump light,
The probe light selection unit includes a bandpass filter that selectively transmits a side wave mode of a relatively high frequency band among the remaining side wave modes that have passed through the optical fiber Bragg grating to use it as a probe light, single light source modulation-based Brillouin dynamic Grating frequency domain reflectometer.
 제2항에 있어서, 상기 밴드패스필터는,
상기 펌프광으로 사용한 측파 모드와 같은 차수의 측파 모드를 상기 프로브광으로 선택하는, 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 장치.
The method of claim 2, wherein the band pass filter comprises:
A single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflectometry apparatus for selecting a side wave mode of the same order as a side wave mode used as the pump light as the probe light.
 제2항에 있어서, 상기 제1 주입 잠금부 및 제2 주입 잠금부는,
상기 제1 광 서큘레이터 및 상기 밴드패스필터 이후에 각각 설치되고, 슬레이브 LD에 광을 입력해주면 슬레이브 LD의 자체 발진 주파수와 가장 가까운 주파수를 발진하고 증폭시키는, 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 장치.
3. The method of claim 2, wherein the first injection lock and the second injection lock include:
Single light source modulation-based Brillouin dynamic lattice frequency region, which is installed after the first optical circulator and the bandpass filter, respectively, and oscillates and amplifies the frequency closest to the self-oscillation frequency of the slave LD when light is input to the slave LD reflection measuring device.
 제1항에 있어서, 상기 펌프광 선택부는,
상기 펌프광을 제1 펌프광 및 제2 펌프광으로 분배하는 제1 광 커플러;
상기 제2 펌프광의 광 주파수를 미리 설정된 값만큼 상향 또는 하향시켜서 상기 제1 펌프광과 유도 브릴루앙 산란을 일으키도록 하는 제2 마이크로파 발생기와 제1 측파 변조기;
편광 빔스플리터의 x축 방향으로 편광을 맞추어 각각 제1 펌프광 및 제2 펌프광을 상기 시험 광섬유에 입사시켜 BDG를 형성하도록 하는 제1 편광 조절기 및 제2 편광 조절기; 및
상기 제2 펌프광의 브릴루앙 이득을 확인하는 제2 광 서큘레이터와 제1 광 검출기;를 포함하는, 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 장치.
According to claim 1, wherein the pump light selection unit,
a first optical coupler for distributing the pump light into a first pump light and a second pump light;
a second microwave generator and a first side wave modulator configured to increase or decrease the optical frequency of the second pump light by a preset value to generate induced Brillouin scattering with the first pump light;
a first polarization controller and a second polarization controller for aligning the polarization in the x-axis direction of the polarization beam splitter to make the first pump light and the second pump light incident on the test optical fiber, respectively, to form a BDG; and
A single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflectance measuring apparatus comprising a; a second optical circulator and a first optical detector for checking the Brillouin gain of the second pump light.
 제5항에 있어서, 상기 프로브광 선택부는,
상기 편광 빔스플리터의 y축 방향으로 편광을 맞추어 상기 프로브광을 상기 시험 광섬유에 입사시켜 BDG를 형성하도록 하는 제2 광 커플러 및 제3 광 서큘레이터;
기준광의 광 주파수를 미리 설정된 값만큼 상향 또는 하향시켜서 상기 프로브광과 유도 브릴루앙 산란을 일으키도록 상기 제2 마이크로파 발생기와 연결된 제2 측파 변조기; 및
상기 프로브광의 산란광과 상기 기준광의 간섭신호를 측정하는 제3 광 서큘레이터와 제2 광 검출기;를 포함하는, 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 장치.
The method of claim 5, wherein the probe light selection unit,
a second optical coupler and a third optical circulator for aligning the polarization in the y-axis direction of the polarizing beam splitter to make the probe light incident on the test optical fiber to form a BDG;
a second side wave modulator connected to the second microwave generator to increase or decrease the optical frequency of the reference light by a preset value to generate induced Brillouin scattering with the probe light; and
A third optical circulator and a second optical detector for measuring the interference signal between the scattered light of the probe light and the reference light; Containing, Brillouin dynamic grating frequency domain reflection measuring apparatus based on single light source modulation.
 제1항에 있어서,
상기 광 변조기에 인가해주는 RF 주파수를 램프(ramp)파 형태로 스윕하여 프로브광의 광 주파수를 시간에 대해 선형으로 스윕하는, 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 장치.
According to claim 1,
A single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflectance measuring apparatus that sweeps the RF frequency applied to the optical modulator in the form of a ramp wave to linearly sweep the optical frequency of the probe light with respect to time.
 제7항에 있어서,
여러 차수의 측파를 차례로 인가하여 스윕 범위를 결정하는, 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 장치.
8. The method of claim 7,
Single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflectometry device that sequentially applies side waves of multiple orders to determine the sweep range.
 제8항에 있어서,
상기 제2 펌프광과 상기 프로브광의 광 주파수 차이가 BDG 반사광의 세기가 최대가 되는 위상 정합 조건을 설정하는, 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 장치.
9. The method of claim 8,
A single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflectance measurement apparatus for setting a phase matching condition in which the difference in optical frequency between the second pump light and the probe light maximizes the intensity of the BDG reflected light.
 하나의 마스터 광원으로 다수개의 측파 모드를 형성하여 2 개의 펌프광과 1개의 프로브광으로 사용하는 시험 광섬유에 입사된 제2 펌프광의 광 주파수를 미리 설정된 값만큼 상향 또는 하향시켜서 제1 펌프광과의 브릴루앙 산란을 일으키는 단계;
공간 분해능을 높이기 위해 상기 프로브광의 광 주파수 스윕 범위를 증가시킬 수 있도록 측파의 차수를 순차적으로 증가시키는 단계;
측파의 각 차수에 따라 RF 주파수를 스윕하며 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역의 BDG 반사에 따른 간섭신호를 측정하는 단계;
간섭신호의 측정 결과를 순서대로 합친 후 FFT를 통해 상기 시험 광섬유의 각 위치에 대한 BDG 반사율 분포 데이터를 획득하는 단계; 및
유효 스윕 범위가 목표한 공간 분해능에 도달하는 경우, 상기 제2 펌프광과 상기 프로브광의 광 주파수 차이를 위상 정합 조건으로 설정하여 간섭신호의 측정을 종료하는 단계;를 포함하는, 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 방법.
By forming a plurality of side wave modes with one master light source and increasing or decreasing the optical frequency of the second pump light incident on the test optical fiber used as two pump lights and one probe light by a preset value, Brillouin with the first pump light spawning;
sequentially increasing the order of the side wave to increase the optical frequency sweep range of the probe light to increase spatial resolution;
measuring an interference signal according to BDG reflection in a Brillouin dynamic grating frequency domain while sweeping an RF frequency according to each order of a side wave;
obtaining BDG reflectance distribution data for each position of the test optical fiber through FFT after sequentially summing the measurement results of the interference signal; and
When the effective sweep range reaches the target spatial resolution, setting the optical frequency difference between the second pump light and the probe light as a phase matching condition to end the measurement of the interference signal; Dynamic grating frequency domain reflectivity measurement method.
 제10항에 있어서,
상기 광 주파수의 스캔 범 위와 간격을 각각 변경하는 단계;를 더 포함하는, 단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 방법.
11. The method of claim 10,
Changing the scan range and interval of the optical frequency, respectively; further comprising, a single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflection measurement method.
 제10항에 있어서,
상기 측파 모드 중에서 상대적으로 낮은 주파수 대역의 하나를 펌프광으로 선택하는 단계; 및
상기 선택된 펌프광을 제외한 나머지 측파 모드 중 상대적으로 높은 주파수 대역의 측파 모드를 투과시켜 프로브광으로 선택하는 단계를 더 포함하는,
단일 광원 변조 기반 브릴루앙 동적 격자 주파수 영역 반사 측정 방법.11. The method of claim 10,
selecting one of a relatively low frequency band from among the side wave modes as a pump light; and
The method further comprising the step of transmitting a side wave mode of a relatively high frequency band among the remaining side wave modes except for the selected pump light and selecting the probe light as the probe light,
A single light source modulation-based Brillouin dynamic grating frequency domain reflectance measurement method.
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