KR20010084777A - 모드 커플링을 이용한 광 칩입자 감지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광 침입자 감지 시스템에 관한 것으로, 광원; 광원에서 생성되고, 멀티모드 광섬유를 통해 전달된 광을 분배하는 광분배기; 광분배기에서 분배된 광 파워를 검출하는 복수의 검출기; 및 각 검출기의 출력을 소정 연산하여 침입여부를 판별하는 판별부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 멀티모드 광섬유를 진행함에 따라 모드간 커플링이 발생한 광을 분배하고, 분배된 광의 파워를 각각 측정하여 비교함으로써 침입자의 물리적 교란에 의한 광 신호의 동적인 변화 및 광 손실의 정적인 변화를 동시에 측정할 수 있으며, 광 분배기 설계시 외부 환경을 반영하여 설계가 가능하다.

Description

모드 커플링을 이용한 광 칩입자 감지 시스템{Fiber optic intrusion system using mode coupling}
본 발명은 모드 커플링(mode coupling)을 이용한 광 침입자 감지 시스템에 관한 것으로, 특히 멀티모드(multi-mode) 광섬유에서 모드 커플링을 이용한 광 침입자 감지 시스템에 관한 것이다.
광 침입자 감지 시스템은 광섬유를 이용하여 침입 여부를 판별하는 것으로, 군부대의 경계지역, 공항, 발전소 등에 설치되어 침입자로부터의 시설 보호 등을목적으로한다. 이러한 시스템은 경계 인원을 절감할 수 있고, 내재된 광섬유를 통한 안정된 통신 수단을 제공할 수 있다는 장점이 있다.
현재 제품에 활용되고있는 대표적인 세가지 기술은 광 스펙클(speckle)을 이용한 광 신호의 동적인 성분 변화를 측정하는 방법, 광 손실의 정적인 변화를 측정하는 방식, 그리고 OTDR(Optical Time Domain Reflectometry)을 이용한 변화부분을 측정하는 방식이 있으나, 모두 거짓 경보율이 높다는 단점이 있다.
먼저, 광 스펙클을 이용하여 침입자를 감지하는 시스템은 멀티모드 광섬유를 통해 연속파(continuous wave)형태로 전달되는 광의 일부를 차단하고, 나머지 통과된 광의 간섭에 의한 스펙클 또는 광의 파워를 측정하여 침입여부를 판단한다.
그러나, 이 시스템은 침입자에 의한 동적인 변화 성분만을 감지하므로, 주위의 변화에 민감하다는 단점이 있다.
다른 광 침입자 감지 방법으로는 광섬유의 휨(bending)이나 절단 시에 발생되는 광손실을 감지하는 방법이 있다. 그러나, 이 방법은 광섬유의 흔들림 등의 동적인 변화에 둔감하다는 단점이 있다.
광 침입자 감지 방법의 다른 예로는 광펄스의 백 스케터링(back scattering)을 이용하는 방법이 있다. 이 방법은 펄스 형태로 광이 전달될 때, 전달 매체에 의해 백 스케터링되는 광을 감지함으로써 침입여부를 판단하는데, 광섬유에서 교란이 발생한 위치까지 감지할 수 있는 특징을 갖는다. 그러나, 이 방법은 그 구성과 신호처리가 복잡하며 다른 시스템에 비해 오보율이 상대적으로 높다.
따라서, 보다 구성이 간단하며 광 파워의 동적 및 정적 변화의 측정이 보다용이한 광 침입자 감지 시스템이 필요하다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 광원에서 출사된 광을 분배하고, 각 분배된 광의 파워를 검출 및 비교하여 침입여부를 판단하는 광 침입자 감지 시스템을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 광 침입자 감지 시스템을 도시한 것이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 정상상태 및 침입상태에서 주파수에 대한 파워 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 정상상태 및 침입상태에서 시간에 대해 도 1에 도시된 제1 및 제2검출기 출력신호의 차에 의해 변화하는 성분(AC)을 도시한 것이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 정상상태 및 침입상태에서 시간에 대해 도 1에 도시된 제1 및 제2검출기 출력신호의 합에 의해 변화하는 성분(DC)을 도시한 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기위한, 본 발명은 광원; 상기 광원에서 생성되고, 멀티모드 광섬유를 통해 전달된 광을 분배하는 광분배기; 상기 광분배기에서 분배된 광 파워를 검출하는 복수의 검출기; 및 각 검출기의 출력을 소정 연산하여 침입여부를 판별하는 판별부를 포함함을 특징으로한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 광 침입자 감지 시스템을 도시한 것이다.
연속적으로 동작하는 레이저 다이오드의 출력 광신호가 멀티모드 광섬유에 커플링되면, 광신호는 광섬유의 특성에 의해 멀티모드로 진행된다. 진행중 멀티모드 광섬유에 침입자의 물리적인 교란이 가해지면, 광섬유 내를 진행하는 각 모드간에는 광 파워의 전이가 일어난다. 이러한 변화는 멀티모드 광섬유로 구현된 광 분배기를 이용하면 광 분배기내에서 각 모드의 커플링 계수가 상이하여 광 파워의 변화가 출력된다. 따라서, 출력 단에서 광 파워의 변화를 측정함으로써 침입자 감지 시스템에서 물리적인 교란을 감지할 수 있다. 본 발명에서는 상기 광 분배기를 이용하여 광 분배기에 의해 분배된 광의 파워를 감산 또는 합산함으로써 침입자에 의한 광 파워의 정적 및 동적 변화를 측정한다.
도 1에 따른 광 침입자 감지 시스템은 광원(100), 광원(100)에서 출사되는 광을 전달하는 멀티모드 광섬유(101), 멀티모드 광섬유(101)를 통해 전달된 광을 분배하는 광 분배기(102), 광 분배기(102)에 의해 분배된 광의 파워를 검출하는 제1 및 제2검출기(103, 104) 및 검출된 광의 파워로부터 침입여부를 판별하는 판별부(105)를 포함한다. 여기서, 광원은 연속파 광을 출력하는 레이저 다이오드임이 적절하다.
그 동작은 다음과 같다. 광원(100)에서 연속적으로 출력되는 광이 멀티모드 광섬유(101)에 커플링되면 멀티모드 광섬유(101)의 특성에 의해 광이 멀티모드로 진행한다. 이 때, 외부 침입자가 광이 진행하는 멀티모드 광섬유(101)를 물리적으로 교란하면, 광의 각 모드들은 다른 모드로 전이가 일어나서(모드 커필링) 각 모드간 광파워의 배분이 달라지게 된다. 여기서, 모드 커플링은 모드간 파워 커플링을 말한다. 모드간에 달라진 광 파워의 배분율은 광 분배기(102)내에서 각 모드에서의 커플링 계수가 상이하므로 서로 달라지게 된다. 따라서 광 분배기(102)에서 출력되는 광의 파워가 달라지게 된다. 제1 및 제2검출기(103, 104)는 광 분배기(102)에서 출력되는 광 파워를 측정한다. 판별부(105)는 제1 및 제2검출기(103, 104)에서 출력되는 광 파워를 가감하여 비교함으로써 광 파워의 정적 및 동적 변화를 판별할 수 있다. 또한, 광 분배기(102)의 설계시 주변환경을 고려하여 설계함으로써 주변환경에 대한 민감도를 선별적으로 조정할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 각각 정상상태 및 침입상태에서 주파수에 대한 파워 스펙트럼을 도시한 것이다. 도시된 바에 따르면, 침입상태인 경우 저주파수 부근에서 파워 스펙트럼이 변함을 알 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 각각 정상상태 및 침입상태에서 시간에 대해 제1 및 제2검출기(103, 104) 출력신호의 차에 의해 변화하는 성분(AC)을 도시한 것이다. 도시된 바에 따르면, 침입상태의 경우 정상상태보다 변화가 있음을 알 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 각각 정상상태 및 침입상태에서 시간에 대해 제1 및 제2검출기(103, 104) 출력신호의 합에 의해 변화하는 성분(DC)을 도시한 것이다. 도시된 바에 따르면, 침입상태의 경우 정상상태보다 느리게 변화하는 성분(DC) 작음을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 멀티모드 광섬유를 진행함에 따라 모드간 커플링이 발생한 광을 분배하고, 분배된 광의 파워를 각각 측정하여 비교함으로써 침입자의 물리적 교란에 의한 광 신호의 동적인 변화 및 광 손실의 정적인 변화를 동시에 측정할 수 있으며, 광 분배기 설계시 외부 환경을 반영하여 설계가 가능하다.

Claims (5)

  1. 광원;
    상기 광원에서 생성되고, 멀티모드 광섬유를 통해 전달된 광을 분배하는 광분배기;
    상기 광분배기에서 분배된 광 파워를 검출하는 복수의 검출기; 및
    각 검출기의 출력을 소정 연산하여 침입여부를 판별하는 판별부를 포함함을 특징으로하는 광 칩입자 감시 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광원은
    연속파 광을 출력하는 레이저 다이오드임을 특징으로하는 광 침입자 감시 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광 분배기는
    상기 멀티모드 광섬유에 교란이 가해지는 경우, 상기 멀티모드 광섬유내에서 일어나는 모드 커플링에 의해 모드간 파워배분을 변화시키는 것을 특징으로하는 광 침입자 감시 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 판별부는
    상기 복수의 검출기 출력신호의 차에 의해 변화하는 성분(AC)을 추출하여 판변함을 특징으로하는 광 침입자 감시 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 판변부는
    상기 복수의 검출기 출력신호의 차에 의해 변화하는 성분(AC) 및 합에 의해 변화하는 성분(DC)을 추출하여 판별함을 특징으로하는 광 침입자 감시 시스템.
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