KR102578189B1 - 펄스 레일리 방식 간소화 botda 센서 시스템 - Google Patents

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Abstract

펄스 레일리 방식 간소화 BOTDA 센서 시스템을 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 센싱을 위한 광을 조사하는 광원과 상기 광원에서 조사된 광을 펌프 신호로 주파수 변조하는 제1 변조기와 상기 제1 변조기에서 주파수 변조된 펌프 신호를 펄스 형태로 변조하는 제2 변조기와 상기 제2 변조기를 거친 신호 중 어느 하나의 주파수를 갖는 신호를 필터링하는 제1 필터와 상기 펌프 신호가 광섬유로 유입되며, 상기 광섬유로부터 생성된 유도 브릴루앙(Brillouin) 산란신호 중 어느 하나를 필터링하는 제2 필터와 상기 제2 필터를 거친 유도 브릴루앙 신호를 수광하는 수광부와 상기 제1 필터를 거친 펌프 신호는 상기 광섬유로, 상기 광섬유에서 생성된 유도 브릴루앙 산란신호는 상기 제2 필터로 진행시키는 서큘레이터 및 상기 수광부가 수광한 센싱값을 토대로 상기 광섬유에 자극이 가해졌는지 여부를 분석하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 시스템을 제공한다.

Description

펄스 레일리 방식 간소화 BOTDA 센서 시스템{Simplified BOTDA Sensor System Based on Pulse Rayleigh Scheme}
본 실시예는 편광잡음으로부터 자유로우며 간소화된 구조를 갖는 펄스 레일리 방식 BOTDA 센서 시스템에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
브릴루앙(Brillouin) 주파수는 각 매질이 지니는 고유 주파수로서, 매질의 온도 변화 또는 압력에 의한 매질의 변형이 발생할 경우 변화한다. 광섬유의 브릴루앙 주파수는 10.80 내지 10.85 GHz로서, 1℃의 온도 상승 또는 20με만큼의 인장변형에 따라 1MHz만큼 증가한다.
유도 브릴루앙 산란은 매질에서 브릴루앙 주파수만큼 주파수 차를 갖는 두 광신호가 서로 반대방향으로 진행할 때 발생하는 현상이다. 주파수가 다른 두 광신호가 서로 반대 방향으로 진행할 때, 두 광신호의 간섭은 천천히 움직이는 정상파의 형태가 된다. 이 '천천히 움직이는 정상파'의 전파 조건(속도 또는 주파수)이 매질 내에 존재하는 음파의 그것과 일치하면, 전왜(Electrostriction)효과에 의해 음파가 증폭되며 유도 브릴루앙 산란이 발생한다. 유도 브릴루앙 산란이 발생하면 높은 주파수를 갖는 광신호의 에너지가 음파를 거쳐, 낮은 주파수를 갖는 광신호로 이동한다. 이에 따라 낮은 주파수의 광신호는 증폭(브릴루앙 이득)되고, 높은 주파수의 광신호는 감쇄된다. 높은 주파수의 광신호를 가져 감쇄되는 신호를 펌프 신호라고 하며, 낮은 주파수의 광신호를 가져 증폭되는 신호를 프로브 신호라고 한다.
브릴루앙 광 시간영역 분석 센서(BOTDA: Brillouin Optical Time-Domain Analysis)는 광섬유로 펌프 신호 및 프로브 신호를 서로 다른방향에서 서로를 향해 조사하며, 브릴루앙 이득을 얻은 프로브 신호를 검출함으로써 광섬유 내 온도 변화 또는 압력을 감지하는 센서이다. 전술한 바와 같이, 브릴루앙 주파수만큼 주파수 차이를 갖는 펌프 신호와 프로브 신호가 광섬유로 조사되며 간섭될 경우, 유도 브릴루앙 산란이 진행되며 프로브 신호는 브릴루앙 이득을 얻게 된다. 양 신호간의 주파수 차이를 스윕하며 브릴루앙 이득을 얻은 프로브 신호를 검출하며, 브릴루앙 주파수만큼 차이를 가질 때 프로브 신호의 이득이 가장 큰지 여부를 감지함으로써, 외부에서 자극이 광섬유에 가해졌는지를 판단한다. 외부에서 자극이 가해지지 않았을 경우라면, 양 신호가 브릴루앙 주파수만큼 주파수 차이를 가질 때 가장 이득이 커지게 된다.
광섬유에 외부 자극이 가해졌는지를 판단하기 위해, 종래의 브릴루앙 광 시간영역 분석 센서는 광섬유의 양 끝단에서 서로를 마주하는 방향으로 각각 펌프 신호 및 프로브 신호를 조사하였으며, 브릴루앙 이득을 얻은 프로브 신호를 검출하여 전술한 판단을 진행해왔다. 그러나 펌프 신호와 프로브 신호가 간섭되기 까지 필수적으로 서로 상이한 경로를 진행해야만 했다.
양 신호가 서로 간섭이 발생하기 위해서는 편광이 서로 일치해야 한다. 편광은 외부 환경, 특히, 온도나 자기장에 따라 달라진다. 동일한 편광을 가진 채로 양 신호가 조사되었더라도, 양 신호가 서로 다른 경로로 진행함에 따라 진행과정에서 서로 상이한 편광 상태를 가질 수 있다. 종래의 브릴루앙 광 시간영역 분석 센서는 이러한 점을 고려하여 양 신호의 편광 상태를 서로 동일하게 조정하는 구성을 필수적으로 포함해야만 하여, 구조적으로 번잡해지는 불편이 있었다.
본 발명의 일 실시예는, 편광잡음으로부터 자유로우며 간소화된 구조를 갖는 BOTDA 센서 시스템을 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 센싱을 위한 광을 조사하는 광원과 상기 광원에서 조사된 광을 펌프 신호로 주파수 변조하는 제1 변조기와 상기 제1 변조기에서 주파수 변조된 펌프 신호를 펄스 형태로 변조하는 제2 변조기와 상기 제2 변조기를 거친 신호 중 어느 하나의 주파수를 갖는 신호를 필터링하는 제1 필터와 상기 펌프 신호가 광섬유로 유입되며, 상기 광섬유로부터 생성된 유도 브릴루앙(Brillouin) 산란신호 중 어느 하나를 필터링하는 제2 필터와 상기 제2 필터를 거친 유도 브릴루앙 신호를 수광하는 수광부와 상기 제1 필터를 거친 펌프 신호는 상기 광섬유로, 상기 광섬유에서 생성된 유도 브릴루앙 산란신호는 상기 제2 필터로 진행시키는 서큘레이터 및 상기 수광부가 수광한 센싱값을 토대로 상기 광섬유에 자극이 가해졌는지 여부를 분석하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 시스템을 제공한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 제1 변조기는 RF 주파수(fRF)를 갖는 변조신호를 이용하여 주파수 변조를 수행하여 복수의 펌프 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 각 펌프신호는 브릴루앙 주파수만큼 주파수 차이를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 RF 주파수 브릴루앙 주파수와 동일한 크기를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 RF 주파수 브릴루앙 주파수 크기의 절반의 크기를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 제1 필터는 가장 작은 주파수를 갖는 펌프 신호를 필터링하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 제1 필터는 가장 작은 크기를 갖는 펌프 신호를 필터링하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 제2 변조기는 상기 제1 변조기에서 주파수 변조된 펌프신호를 시간 도메인에서 펄스 파형으로 변조하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 센서 시스템은 상기 제1 필터를 거친 펌프 신호를 증폭하는 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 센서 시스템이 광섬유에 가해진 외부 자극을 센싱하는 방법에 있어서, 광을 출력하는 출력과정과 상기 출력과정에서 출력된 출력광을 펌프 신호로 주파수 변조하는 주파수 변조과정과 상기 주파수 변조과정에서 주파수 변조된 펌프 신호를 펄스 펌프신호로 변조하는 펄스 변조과정과 상기 펄스 변조과정을 거친 신호 중 어느 하나의 주파수를 갖는 신호를 제거하는 제거과정과 상기 제거과정을 거친 펄프 펌프신호를 상기 광섬유로 진행시키는 제1 진행과정과 상기 광섬유에서 생성된 유도 브릴루앙 산란광 중 어느 하나를 필터링하는 필터링과정 및 상기 필터링과정을 거친 유도 브릴루앙 산란광을 센싱하는 센싱과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센싱방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예의 일 측면에 따르면, 외부 환경에 강인하면서도 간소화된 구조를 가질 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BOTDA 시스템의 구성을 도시한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제1 변조기에서 주파수 변조된 신호를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 주파수 변조된 신호의 레일리 산란 신호를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 유도 브릴루앙 산란을 겪은 레일리 산란신호를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 필터가 유도 브릴루앙 산란 신호 중 일부를 필터링한 신호를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수광부가 수광한 신호를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 BOTDA 시스템에서 광섬유에 가해진 자극을 센싱하는 방법을 도시한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 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 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 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, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BOTDA 시스템의 구성을 도시한 평면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 BOTDA 시스템(100)은 광원(110), 제1 변조기(120), 제2 변조기(130), 제1 필터(140), 증폭기(150), 서큘레이터(160), 제2 필터(170), 수광부(180) 및 제어부(미도시)를 포함한다. 나아가, BOTDA 시스템(100)은 추가 증폭기(미도시) 및 감쇠기(미도시)를 더 포함할 수 있다.
BOTDA 시스템(100)은 센싱 대상인 광섬유(190)로 광을 조사하고 광섬유로부터 산란된 신호를 센싱하여, 광섬유(190)에 열적 또는 외력에 의한 변화가 발생하였는지를 센싱한다.
광원(110)은 센싱을 위한 광을 조사한다. 광원(110)은 DBF LD(Distributed Feedback Laser Diode)와 같은 레이저 다이오드로 구현되어, 센싱을 위한 광, 특히, 레이저 광을 조사할 수 있다.
제1 변조기(120)는 광원(110)에서 조사된 광을 펌프 신호로 주파수 변조한다. 제1 변조기(120)는 EOM(Electro-Optic Modulator)로 구현될 수 있으며, 광원(110)에서 조사된 광을 입력받으며 RF 주파수(fRF)를 갖는 변조신호를 이용하여 주파수 변조를 수행하여 펌프 신호를 생성한다. 광원(110)에서 조사된 광의 주파수를 fc라 한다면, 제1 변조기(120)는 변조신호를 이용하여 광원(110)에서 조사된 광을 도 2와 같이 주파수 변조한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제1 변조기에서 주파수 변조된 신호를 도시한 도면이다.
도 2a를 참조하면, 제1 변조기(120)는 주파수 변조를 진행하며, fc 주파수 성분(230)의 크기는 감소하고, fc 로부터 fRF 주파수 대역만큼 떨어진 제1 펌프 신호(fc+fRF, 210) 및 제2 펌프 신호(fc-fRF, 220)의 크기는 증가할 수 있다. 각 펌프 신호(210, 220)가 후술할 구성(또는 과정)을 거치며 센싱을 위한 산란신호로 이용된다. 이때, 각 펌프 신호(210, 220)는 브릴루앙 주파수만큼 주파수 차이를 가짐으로써, 센싱과정에서 유도 브릴루앙 산란이 일어나도록 한다. 이에 따라, 제1 변조기(120)가 입력된 광을 도 2a에 도시된 바와 같이 주파수 변조하는 경우, fRF는 브릴루앙 주파수의 절반의 크기를 가질 수 있다.
한편, 제1 변조기(120)는 도 2b에 도시된 바와 같이 광원(110)에서 조사된 광에 주파수 변조를 진행할 수 있다. 제1 변조기(120)는 주파수 변조를 진행하며, fc 주파수 성분(260)의 크기 변화없이, fc 로부터 fRF' 주파수 대역만큼 떨어진 제1 펌프 신호(fc+fRF, 240) 및 제2 펌프 신호(fc-fRF, 250)가 추가적으로 생성될 수 있다. 제2 펌프 신호(250)는 후술할 제1 필터(140)에서 필터링되며, fc 주파수 성분과 제1 펌프 신호(240)는 후술할 구성(또는 과정)을 거치며 센싱을 위한 산란신호로 이용될 수 있다. 이때, fRF'는 브릴루앙 주파수와 동일한 크기를 가짐으로써, fc 주파수 성분과 제1 펌프 신호(240)의 주파수 차이는 브릴루앙 주파수만큼일 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 제1 변조기(120)는 전술한 주파수 변조를 수행한다. 제1 변조기(120)는 제어부(미도시)의 제어에 따라, RF 주파수(fRF)로서 브릴루앙 주파수 또는 그것의 절반의 주파수를 갖는 변조신호를 이용해 바로 주파수 변조를 수행할 수도 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 변조기(120)는 RF 주파수(fRF)의 주피수 크기를 고정하는 것이 아니라 스윕(Sweep)할 수 있다. 주파수 크기가 스윕하더라도 결국 브릴루앙 주파수 (또는 그것의 절반) 지점에서 수광되는 산란신호의 크기가 가장 커지게 된다. 이에 따라, 제1 변조기(120)는 주피수 크기를 고정하거나 스윕하여 주파수 변조를 수행할 수 있다.
제2 변조기(130)는 제1 변조기(120)에서 주파수 변조된 광(펌프 신호)을 수신하여, 펄스 펌프신호로 변조한다. 제2 변조기(130)는 주파수 도메인이 아닌 시간 도메인에서 광신호를 펄스 파형으로 변조한다.
한편, 광원(110)에서 조사되어 제2 변조기(130)까지 진행하는 경로는 편광유지 광섬유(PMF: Polarization Maintening Fiber)로 구현될 수 있다. 광원(110)에서 출력된 광이든, 제1 변조기(120)를 거치며 생성된 펌프 신호든 동일한 경로를 거치기 때문에, 편광이 상이해지는 문제도 발생하지 않으며 상이해진 편광을 동일하게 맞추기 위한 추가적인 구성이 포함될 필요도 존재하지 않는다.
제1 필터(140)는 제1 변조기(120)를 거치며 생성된 신호 중 어느 하나 주파수를 필터링한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 변조기(120)를 거치며 메인 주파수 성분(230, 260)과 함께 변조에 의해 추가적으로 제1/제2 펌프 신호(210/220, 240/250)가 생성된다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 주파수 변조에 따라 fc 주파수 성분(230)의 크기가 작아지도록 변조되는 경우, 제1 필터(140)는 fc 주파수 성분(230)을 필터링한다. 제1 필터(140)가 fc 주파수 성분(230)을 필터링함으로써, 브릴루앙 주파수만큼 주파수 차이를 갖는 각 펌프 신호(210, 220)가 후술할 센싱과정을 거치며 유도 브릴루앙 산란을 유도한다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 주파수 변조가 진행되더라도 fc 주파수 성분(260)의 크기에 변화가 존재하지 않는 경우, 제1 필터(140)는 양 펌프신호(240, 250) 중 어느 하나를 필터링한다. 편의상, 제1 필터(140)는 제2 펌프신호(250)를 필터링할 수 있다. 이에 따라, fc 주파수 성분(250)과 제1 펌프 신호(240)가 후술할 센싱과정을 거치며 유도 브릴루앙 산란을 유도한다.
증폭기(150)는 제1 필터(140)를 거친 (펌프) 신호를 증폭시킨다.
서큘레이터(160)는 증폭기(150)에서 증폭된 신호는 광섬유(190)로 진행시키고, 광섬유(190)에서 생성된 (제2) 유도 브릴루앙 산란광은 제2 필터(170)로 진행시킨다.
서큘레이터(160)를 거쳐 광섬유(190)로 진행한 펌프신호는 광섬유(190) 내에서 다음과 같은 동작이 일어난다.
브릴루앙 주파수만큼 차이를 갖는 펌프신호들(제1/2 펌프신호 또는 fc 주파수 성분(250)과 제1 펌프 신호(240))이 광섬유(190)로 진입한다. 펌프신호들이 광섬유(190)로 입사할 경우, 광섬유 내에서 펌프신호는 도 3에 도시된 바와 같이 레일리 후방산란을 하게 된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 주파수 변조된 신호의 레일리 산란 신호를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 광섬유(190) 내로 입사한 펌프신호는 레일리 후방산란을 하게 된다. 제1 펌프신호(210) 및 제2 펌프신호(220)가 입사하는 경우, 제1 레일리 후방산란광(310)은 fc+fRF의 주파수를, 제2 레일리 후방산란광(320)은 fc-fRF의 주파수를 갖는다. fc 주파수 성분(250)과 제1 펌프 신호(240)가 입사하는 경우, 제1 레일리 후방산란광(310)은 fc+fRF의 주파수를, 제2 레일리 후방산란광(320)은 fc의 주파수를 갖는다.
이처럼 산란되는 후방산란광은 연속파형(CW: Continuous Wave)을 갖는다. 또한, 레일리 후방산란광은 펌프 신호가 광섬유로 입사하는 방향의 반대 방향으로 진행하기 때문에, 유도 브릴루앙 산란의 시각에서 본다면 프로브 신호로서 동작하게 된다.
이에 추가적으로 광섬유(190)로 입사하는 펌프신호(전술한 펌프 신호와 동일)가 존재할 경우, 서로 다른 방향으로 진행하는 양 신호가 간섭되며 유도 브릴루앙 산란이 발생하며, 도 4에 도시된 바와 같이 유도 브릴루앙 산란 신호가 생성된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 유도 브릴루앙 산란을 겪은 레일리 산란신호를 도시한 도면이다.
배경이 되는 기술 부분에서 전술한 대로, 유도 브릴루앙 산란이 발생하며, 상대적으로 높은 주파수를 갖는 신호는 감쇄되며, 상대적으로 낮은 주파수를 갖는 신호는 증폭된다. 이에 따라, 유도 브릴루앙 산란이 발생하며, fc+fRF의 주파수를 갖는 제1 펌프 신호(210, 240)에 의해, 그보다 주파수가 낮은 제2 레일리 후방산란광(320)은 증폭된다. 한편, 제1 레일리 후방산란광(310)에 의해 fc 또는 fc-fRF의 주파수를 갖는 제2 펌프 신호(220, 250)가 증폭된다.
이에 따라, 제1 레일리 후방산란광(310)이 감쇄되며 상대적으로 작은 크기를 갖는, 유도 브릴루앙 산란을 겪은 제1 레일리 산란신호(410, 이하에서 '제1 유도 브릴루앙 산란신호'라 칭함)가 생성된다. 또한, 제2 레일리 후방산란광(320)이 증폭되며 상대적으로 큰 크기를 갖는, 유도 브릴루앙 산란을 겪은 제2 레일리 산란신호(420, 이하에서 '제2 유도 브릴루앙 산란신호'라 칭함)가 생성된다.
생성된 유도 브릴루앙 산란신호(410, 420)는 레일리 산린신호와 같이 펌프 신호의 진행방향과는 반대방향(서큘레이터를 향하는 방향)으로 진행한다.
다시 도 1을 참조하면, 서큘레이터(160)는 이처럼 생성된 제2 유도 브릴루앙 산란신호(420)를 제2 필터(170)로 진행시킨다.
제2 필터(170)는 도 5에 도시된 바와 같이 제1 유도 브릴루앙 산란신호(410)를 필터링한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 필터가 유도 브릴루앙 산란 신호 중 일부를 필터링한 신호를 도시한 도면이다.
제2 필터(170)는 증폭되며 상대적으로 큰 크기를 갖는 제2 유도 브릴루앙 산란신호(420)만이 수광부(180)로 진행할 수 있도록, 제1 유도 브릴루앙 산란신호(410)는 필터링한다.
수광부(180)는 제2 필터(170)를 거친 제2 유도 브릴루앙 산란신호(420)를 수광한다. 수광부(180)는 수광한 센싱값을 제어부(미도시)로 제공하며, 제어부(미도시)가 광섬유(190)에 자극이 가해졌는지 여부를 분석할 수 있도록 한다.
제2 변조기(130)부터 수광부(180)까지의 경로는 단일모드 광섬유(SMF: Single Mode Fiber)로 구현될 수 있다. 해당 경로가 단일모드 광섬유로 구현됨에 따라, 광섬유(190) 내에서 산란이 발생하며, 브릴루앙 주파수가 전술한 범위(10.80 내지 10.85 GHz)로 구현될 수 있다.
제어부(미도시)는 BOTDA 시스템(100) 내 각 구성(110 내지 180)의 동작을 제어하며, 수광부(180)가 수광한 센싱값으로부터 광섬유(190)에 자극이 가해졌는지 여부를 분석한다.
제어부(미도시)는 각 구성(110 내지 180)의 동작을 제어한다. 특히, 제어부(미도시)는 제1 변조기(120)를 제어하여, 제1 필터(140)를 거친 제1 및 제2 펌프 신호의 주파수 차이가 브릴루앙 주파수만큼 나도록 제어한다.
제어부(미도시)는 수광부(180)가 수광한 센싱값을 분석하여, 광섬유(190)에 온도 변화 또는 압력에 의한 매질의 변형이 발생하였는지 여부를 분석한다. 수광부(180)가 수광한 센싱값은 도 6에 도시된 바와 같이 나타난다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수광부가 수광한 신호를 도시한 도면이다.
광섬유로 입사한 펌프신호들은 광섬유의 각 위치마다 레일리 산란되며 유도 브릴루앙 산란을 발생시킨다. 이에 따라, 수광부(180)에서는 광섬유의 각 위치마다 제2 유도 브릴루앙 산란신호(420)를 수광할 수 있다. 이때, 광섬유에 별도의 자극이 가해지지 않는다면, 제2 유도 브릴루앙 산란신호(420)는 브릴루앙 주파수를 가지며, 최대 크기를 가져야만 한다. 그러나 외부에서 자극이 가해진 지점에서는 브릴루앙 주파수로부터 자극의 정도만큼 이탈한 주파수를 가지며, 크기 역시 달라질 수 있다.
제어부(미도시)는 이러한 특성을 이용하여, 수광부(180)가 수광한 센싱값을 토대로, 광섬유(190)에 외부 자극이 가해졌는지 여부를 분석한다.
한편, 도 1에서는 광원(110)에서 조사된 광이 순차적으로 제1 변조기(120), 제2 변조기(130), 제1 필터(140) 및 증폭기(150)를 거치는 것으로 도시되고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 각 구성의 (광이 통과하는) 순서는 가변할 수 있다.
또한, BOTDA 시스템(100)은 추가 증폭기(미도시) 및 감쇠기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 추가 증폭기(미도시) 및 감쇠기(미도시)는 광 경로상으로 제2 필터(170) 및 수광부(180) 사이에 배치되어, 제2 필터(170)를 거친 제2 유도 브릴루앙 산란신호(420)의 세기를 수광부(180)가 수광하는데 적절한 크기로 조정한다.
전술한 바와 같이, 펌프 신호만이 각 구성을 거쳐 광섬유(180)로 진행하는 점, 광섬유(180) 내에서 프로브 신호가 발생하는 점, 프로브 신호와 펌프 신호는 방향은 상이하지만 동일한 경로를 거치는 점에 따라, 종래와 같이 프로브 신호 및 펌프 신호가 서로 다른 경로로 조사되며 구조가 복잡해질 필요도 없고, 그에 따라 편광 상태를 고려해야 할 필요도 존재하지 않는다. 따라서, BOTDA 시스템(100)은 각 신호의 편광 상태를 고려할 필요가 없기에 편광잡음으로부터 자유로우며, 양 신호가 동일한 경로를 진행하기에 간소화된 구성을 가질 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 BOTDA 시스템에서 광섬유에 가해진 자극을 센싱하는 방법을 도시한 순서도이다.
광원(210)은 광을 출력한다(S710).
제1 변조기(120)는 출력 광을 펌프 신호로 주파수 변조한다(S720).
제2 변조기(130)는 펌프 신호를 펄스 펌프신호로 변조한다(S730).
제1 필터(140)는 펄프 펌프신호 중 주파수 대역에서 기 설정된 펌프 신호를 제거한다(S740).
서큘레이터(160)는 펄프 펌프신호를 광섬유(190)로 진행시킨다(S750).
서큘레이터(160)는 유도 브릴루앙 산란광(410, 420)을 제2 필터(170)로 진행시킨다(S760). 제2 필터(170)는 자신으로 입사하는 유도 브릴루앙 산란광(410, 420) 중 제1 유도 브릴루앙 산란광(410)을 필터링한다.
수광부(180)는 제2 필터(170)를 거친 (제2) 유도 브릴루앙 산란광(420)을 센싱한다(S770).
도 7에서는 각 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 각 도면에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 각 과정 중 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 7은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 7에 도시된 과정들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽힐 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 즉, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등) 및 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: BOTDA 시스템
110: 광원
120: 제1 변조기
130: 제2 변조기
140: 제1 필터
150: 증폭기
160: 서큘레이터
170: 제2 필터
180: 수광부
190: 광섬유

Claims (10)

  1. 센싱을 위한 광을 조사하는 광원;
    브릴루앙 주파수 또는 브릴루앙 주파수의 절반을 주파수로 갖는 변조신호를 이용해, 상기 광원에서 조사된 광을 펌프 신호로 주파수 변조하는 제1 변조기;
    상기 제1 변조기에서 주파수 변조된 펌프 신호를 펄스 형태로 변조하는 제2 변조기;
    상기 제2 변조기를 거친 신호 중 어느 하나의 주파수를 갖는 신호를 필터링하는 제1 필터;
    상기 펌프 신호가 광섬유로 유입되며, 상기 광섬유로부터 생성된 유도 브릴루앙(Brillouin) 산란신호 중 어느 하나를 필터링하는 제2 필터;
    상기 제2 필터를 거친 유도 브릴루앙 신호를 수광하는 수광부;
    상기 제1 필터를 거친 펌프 신호는 상기 광섬유로, 상기 광섬유에서 생성된 유도 브릴루앙 산란신호는 상기 제2 필터로 진행시키는 서큘레이터; 및
    상기 제1 변조기를 제어하여 상기 제1 필터를 거친 신호의 주파수 차이가 브릴루앙 주파수만큼 나도록 제어하고, 상기 수광부가 수광한 센싱값을 토대로 상기 광섬유에 자극이 가해졌는지 여부를 분석하는 제어부를 포함하며,
    상기 광섬유에 별도의 자극이 가해지지 않는다면, 상기 수광부에서 수광하는 유도 브릴루앙 산란신호는 브릴루앙 주파수와 최대 크기를 가지며, 상기 광섬유로 외부에서 자극이 가해진 지점에서는 유도 브릴루앙 산란신호가 브릴루앙 주파수로부터 자극의 정도만큼 이탈한 주파수와 최대 크기로부터 상이한 크기를 가지며,
    상기 제1 필터를 거치며 브릴루앙 주파수만큼 주파수 차이를 갖는 펌프 신호들이 상기 서큘레이터를 거쳐 상기 광섬유로 진입하고, 상기 광섬유 내로 입사한 펌프 신호가 레일리 후방 산란을 하며, 레일리 후방산란광은 펌프 신호가 광섬유로 입사하는 방향의 반대로 진행하며 프로브 신호로서 동작을 하게 되어 서로 다른 방향으로 진행하는 펌프 신호 및 레일리 후방 산란광이 간섭되며 유도 브릴루앙 산란신호가 생성되는 것을 특징으로 하는 센서 시스템.
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  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 필터는,
    가장 작은 주파수를 갖는 펌프 신호를 필터링하는 것을 특징으로 하는 센서 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 필터는,
    가장 작은 크기를 갖는 펌프 신호를 필터링하는 것을 특징으로 하는 센서 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 변조기는,
    상기 제1 변조기에서 주파수 변조된 펌프신호를 시간 도메인에서 펄스 파형으로 변조하는 것을 특징으로 하는 센서 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 필터를 거친 펌프 신호를 증폭하는 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 시스템.
  10. 센서 시스템이 광섬유에 가해진 외부 자극을 센싱하는 방법에 있어서,
    광을 출력하는 출력과정;
    브릴루앙 주파수 또는 브릴루앙 주파수의 절반을 주파수로 갖는 변조신호를 이용해, 상기 출력과정에서 출력된 출력광을 펌프 신호로 주파수 변조하는 주파수 변조과정;
    상기 주파수 변조과정에서 주파수 변조된 펌프 신호를 펄스 펌프신호로 변조하는 펄스 변조과정;
    상기 펄스 변조과정을 거친 신호 중 어느 하나의 주파수를 갖는 신호를 제거하는 제거과정;
    상기 제거과정을 거친 펄스 펌프신호를 상기 광섬유로 진행시키는 제1 진행과정;
    상기 광섬유에서 생성된 유도 브릴루앙 산란광 중 어느 하나를 필터링하는 필터링과정; 및
    상기 필터링과정을 거친 유도 브릴루앙 산란광을 센싱하는 센싱과정을 포함하며,
    상기 광섬유에 별도의 자극이 가해지지 않는다면, 상기 센싱과정에서 센싱하는 유도 브릴루앙 산란신호는 브릴루앙 주파수와 최대 크기를 가지며, 상기 광섬유로 외부에서 자극이 가해진 지점에서는 유도 브릴루앙 산란신호가 브릴루앙 주파수로부터 자극의 정도만큼 이탈한 주파수와 최대 크기로부터 상이한 크기를 가지며,
    상기 제거과정을 거치며 브릴루앙 주파수만큼 주파수 차이를 갖는 펌프 신호들이 상기 광섬유로 진입하고, 상기 광섬유 내로 입사한 펌프 신호가 레일리 후방 산란을 하며, 레일리 후방산란광은 펌프 신호가 광섬유로 입사하는 방향의 반대로 진행하며 프로브 신호로서 동작을 하게 되어 서로 다른 방향으로 진행하는 펌프 신호 및 레일리 후방 산란광이 간섭되며 유도 브릴루앙 산란신호가 생성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 센싱방법.
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