KR20020090468A - 광섬유 브릴루앙 산란형 센서시스템 및 이를 이용한침입자 탐지방법 - Google Patents

광섬유 브릴루앙 산란형 센서시스템 및 이를 이용한침입자 탐지방법 Download PDF

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Abstract

본발명은 펌핑펄스광과 CW프로브 광을 변조함에 의하여 유도 브릴루앙 산란 증폭을 이용하는 광섬유 브릴루앙 산란형 센서시스템 및 이를 이용한 침입자 탐지방법에 관한 것이다. 본 발명의 광섬유 브릴루앙 산란형 센서시스템은 광을 출사하는 레이저다이오드와, 레이저다이오드로부터의 광을 분기하는 커플러와, 분기된 광을 펌핑펄스광으로 변조하기 위한 제 1변조수단과, 분기된 다른 하나의 광을 CW프로브 광으로 변조하여 상기 광섬유로 출력하는 제 2변조수단과 제 1변조수단으로부터의 펌핑펄스광을 증폭하여 상기 광섬유로 출력하는 광섬유증폭기, 및 광섬유로부터 되돌아오는 후방산란광을 검출하기 위한 광검출수단을 포함한다. 따라서, 본 발명은 광섬유의 브릴루앙 산란현상을 이용한 센서시스템을 이용하므로써 후방산란광으로부터 침입자를 탐지할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

광섬유 브릴루앙 산란형 센서시스템 및 이를 이용한 침입자 탐지방법{Fiber optic brillouin scattering sensor system and the intrusion detection method}
본 발명은 광섬유 브릴루앙(brillouin) 산란형 센서에 관한 것으로, 펌핑펄스광과 CW프로브 광을 변조함에 의하여 유도 브릴루앙 산란 증폭을 이용하는 광섬유 브릴루앙 산란형 센서시스템 및 이를 이용한 침입자 탐지방법에 관한 것이다.
일반적으로 광섬유 센서는 그 크기가 작아서 측정대상물의 표면에 부착하거나, 땅 속에 매설된다. 또한, 광섬유는 재질이 유리이므로 내부식성이 우수하고 전자기파의 영향을 받지않는 장점이 있다. 광섬유 센서는 간섭형, 파장형, 및 산란형이 있다. 이중 산란형 광섬유 센서는 광섬유 내부 펄스 광을 이용하여 광섬유 외부에서 작용하는 물리량에 따라 변화하는 광섬유 내부의 후방 산란 광을 측정한다. 따라서, 장거리 광섬유 전체의 분포 물리량 측정이 가능하다. 이러한 펄스광을 사용하면서 후방산란 광을 측정하는 센서를 OTDR(optic time domain reflectometry)센서라고 하며 대부분의 산란형 광섬유 센서가 OTDR기술을 이용한다. 산란형 광섬유 센서는 레일레이 산란형 센서, 라만 산란형 센서, 브릴루앙 산란형 센서등이 있다. 그중 광섬유 브릴루앙 산란형 센서는 외부에서 작용하는 변형률 및 온도 모두에 민감하게 반응하는 부릴루앙 주파수 천이값을 갖는다. 즉, 외부에서 작용하는 변형률 또는 온도에 따라서 브릴루앙 주파수 천이값에 따라 후방산란 광의 크기가 바뀐다. 따라서, 외부 물리량의 절대 변화는 브릴루앙 주파수 천이값에 의해 알수 있다. 여기서, 광섬유의 브릴루앙 산란은 빛이 물질 중에 생긴 음파와 상호 작용하여 입사광의 주파수와 다른 주파수로 산란하는 현상이다. 이 주파수의 차를 브릴루앙 주파수 천이라고 하며, 이 주파수는 광섬유의 재료에 크게 의존할 뿐 아니라 광섬유에 인가되는 변형률과 주위온도에 따라서 변화한다.
도 1은 종래의 광섬유 브릴루앙 산란형 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에서 피측정 광섬유의 양단에 펌핑펄스광과 CW프로브 광을 배치하여 광섬유에 빛을 입사할 때, 펌핑펄스광의 광주파수를 Vp, CW프로브 광의 광주파수를 Vcw라 하면 두광원의 주파수차는 ΔV = Vp - Vcw가 된다. 두 광원의 광주파수차 ΔV 를 피측정 광섬유의 브릴루앙 주파수 시프트 Vb와 일치하도록 광원의 광주파수를 조정하면 펌핑펄스광은 유도 브릴루앙 산란에 의해 CW프로브 광으로 광에너지 변환을 한다. 따라서, CW프로브 광은 피측정 광섬유 내에서 브릴루앙 광증폭을 하게 된다. 이렇게 증폭된 CW프로브 광신호는 광검출기에 의해서 전기신호로 변환된다. 이러한 전기신호는 두 광원의 주파수 차 및 시간에 따라서 도 2와 같은 특성을 갖는다.
도 2는 브릴루앙주파수천이와 변형률의 관계를 보여주는 도면이다.
도 2에서 임의의 위치에서 침입자에 의해 작용하는 변형률은 브릴루앙 주파수 천이값을 변화시킴을 보여준다. 즉, 브릴루앙 증폭되는 브릴루앙 주파수 천이값의 변화는 광섬유의 광증폭이 최대인 위치에서 급격한 신호 감소 구간으로 나타남을 알 수 있다.
이러한 광섬유 브릴루앙 산란형 센서는 스위스의 룰테베나즈가 논문지 옵틱스레터스 제 21권 제 10호에 1006년에 발표한 논문 "simple distributed fiber sensor based on brillouin gain spectrum analysis"에 광전변조기와 레이저다이오드를 각각 1개씩 사용한 예를 개시하며, 일본의 안도회사에서 개발한 "fiber optic strain/loss analyzer"라는 제품이 있다.
하지만, 이러한 종래의 광섬유 브릴루앙 산란형 센서는 측정시간이 오래걸리는 단점이 있으며, 이로 인해 침입자 탐지를 위해서 사용하는 것이 불가능한 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록 1개의 레이저다이오드와 2개의 광전변조기를 사용하여 펌핑 펄스광의 변조와 CW프로브 광을 변조함에 의해 유도 브릴루앙 산란 증폭을 이용하는 광섬유 브릴루앙 산란형 센서시스템 및 이를 이용한 침입자 탐지방법을 제공함에 있다.
도 1은 종래의 광섬유 브릴루앙 산란형 센서를 설명하기 위한 도면,
도 2는 브릴루앙주파수천이와 변형률의 관계를 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 브릴루앙 산란형 센서를 설명하기 위한 도면,
도 4는 광섬유의 브릴루앙 게인 스펙트럼을 보여주는 도면,
도 5는 도 3센서의 출력신호 파형도,
도 6은 침입자에 의한 광섬유의 변형률 발생을 위한 모의장치를 보여주는 도면,
도 7은 펌핑펄스광을 보여주는 도면,
도 8은 CW프로브 광을 보여주는 도면,
도 9는 침입자 탐지 실험에서 얻어진 광섬유 브릴루앙 산란형 센서의 출력신호 그래프,
도 10은 침입자 탐지방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 11은 침입자 탐지 평균화신호와 기준신호에 의한 비교신호를 보여주는 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
31 : 레이저다이오드 32 : 제 1커플러
33 : 제 1광전변조기 34 : 펄스발생기
35 : RF신호발생기 36 : 제 2광전변조기
37 : 광섬유증폭기 38 : 제 2커플러
39 : 광검출기
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광섬유 브릴루앙 산란형 센서시스템은 광을 출사하는 레이저다이오드와, 레이저다이오드로부터의 광을 분기하는 커플러와, 분기된 광을 펌핑펄스광으로 변조하기 위한 제 1변조수단과, 분기된 다른 하나의 광을 CW프로브 광으로 변조하여 상기 광섬유로 출력하는 제 2변조수단과 제 1변조수단으로부터의 펌핑펄스광을 증폭하여 상기 광섬유로 출력하는 광섬유증폭기, 및 광섬유로부터 되돌아오는 후방산란광을 검출하기 위한 광검출수단을 포함한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광섬유 브릴루앙 산란형 센서시스템을 이용한 침입자 탐지방법은 센서시스템을 설치하는 제 1단계와, 설치된 센서시스템의 평균화횟수를 기본변수로 설정하는 제 2단계와, 센서시스템으로부터 후방산란광을 입력받는 제 3단계와, 입력된 후방산란광의 평균화처리를 수행하는 제 4단계와, 제 2단계에서 설정한 평균화횟수가 완료되었는지를 판단하는 제 5단계와, 제 5단계의 판단결과, 설정된 평균화횟수가 완료되었으면, 설정된 평균화횟수만큼 수행된 평균화신호가 제 1회로 구해진 것인지 판단하는 제 6단계와, 제 6단계의 판단결과 평균화신호가 제 1회로 구해진 경우는 이때의 평균화신호를 기준신호로 설정하는 제 7단계와, 제 6단계의 판단결과 평균화신호가 제 1회로 구해진 경우가 아니면, 평균화신호와 기준신호를 비교하여 침입자가 탐지되었는지를 판단하는 제 8단계, 및 판단결과, 침입자가 탐지되었으면, 침입자 탐지신호를 출력하는 제 9단계를 포함한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 브릴루앙 산란형 센서를 설명하기위한 도면이다.
도 3에서, 광을 출사하는 레이저다이오드(31)와, 레이저다이오드(31)로부터의 광을 분기하는 제 1커플러(32)와, 분기된 광을 펌핑펄스광으로 변조하기 위한 펄스발생기(34)와 제 1광전변조기(33) 및 분기된 다른 하나의 광을 CW프로브 광으로 변조하기 위한 RF신호발생기(35)와 제 2광전변조기(36)를 포함한다. 또한, 제 1광전변조기(33)로부터의 펌핑펄스광을 증폭하는 광섬유증폭기(37)와 후방산란광을 검출하기 위한 제 2커플러(38)와 광검출기(39)를 포함한다.
레이저다이오드(31)에서 출사한 광은 제 1커플러(32)에 의해 분기되어 제 1광전변조기(33)와 제 2광전변조기(36)로 입력된다. 제 1광전변조기(33)는 입사광을 펄스발생기(34)를 이용하여 펌핑펄스광으로 변조하여 광섬유증폭기(37)로 출력한다. 광섬유증폭기(37)는 입사광을 증폭하여 테스트섬유로 출력한다. 또한, 제 2광전변조기(36)는 입사광을 RF신호발생기(35)를 이용하여 CW프로브광으로 변조하여 테스트섬유로 출력한다. 제 2커플러(38)은 테스트섬유를 통과한 펌핑펄스광과 CW프로브광을 결합하여 광검출기(39)로 출력하고, 광검출기(39)는 브릴루앙 산란된 후방산란광을 검출한다.
이러한 도 3장치를 펌핑펄스광을 광변조하지 않은 상태에서 CW프로브 광의 주파수만을 스위핑하면서 신호를 취득하면 도 4와 같은 게인스펙트럼을 얻을 수 있다. 여기서 광섬유의 브릴루앙 고유주파수 천이값은 약 10.823GHz임을 알 수 있다. 따라서, 후방산란광을 얻기 위해서는 펌핑 펄스광을 발생시키면서, CW프로브광의 주파수를 고유 주파수인 10.823GHz로 고정시킨 후 후방 산란광을 평균화처리하여 구하고자 하는 후방 산란광신호를 얻게된다. 이러한 방법은 도 10을 참조하여 후술하겠다.
도 5는 도 3장치의 출력파형도를 보여준다. 도 3장치의 광검출기(39)에서 검출되는 후방산란광에는 칩입자탐지 위치에서의 급격한 신호감소를 보여주므로 침입자가 탐지될 수 있다.
도 6은 도 3장치를 실험하기 위한 모의 실험장치로 침입자에 의한 광섬유의 변형률 발생을 위한 장치를 보여주는 도면이다.
도 6은 광학테이블위에 침입자의 효과를 주기위해 광섬유의 인장변형을 가할 수 있는 인장지그를 설치하였다. 이때 광섬유의 전체길이는 약 4.8km로 하였다.
도 3 장치의 펌핑펄스광은 도 7에 개시된 것처럼 펄스폭을 각각 30ns와 50ns로 하였다. 이때, 펄스광의 광강도는 약 0.72mW임을 알 수 있다. 따라서, 광섬유증폭기의 증폭도가 30dB 이라면 약 720mW의 펄스광을 얻을 수 있다. 한편, CW프로브광은 도 8에 개시된 것처럼 제 2광전변조기(36)의 바이어스 전압 조정전에는 10GHz로 완전히 변조되지 않은 기본 파장인 1555nm가 출력된다. 제 2광전변조기(36)의 바이어스전압을 조정한 후에는 기본파장 대역의 광은 없고 10GHz대역에서 변조된 광인 1554.90nm와 1555.10nm의 변조된 파장의 광이 크게 출력된다. 이러한 CW프로브광원이 제대로 변조될 때에 브릴루앙 산란 신호가 크게 출력되므로 10GHz대역에서의 광변조가 유효하게 될 수 있도록 바이어스전압을 조정해 준다.
도 9는 도 3장치의 최종출력신호를 도시하였다. 도 3장치를 실험하기 위한도 6의 모의실험장치에서 침입자에 의한 변형량은 광섬유길이 10m구간에 약 100마이크론의 변형률이 작용하도록 인장지그를 고정시켰다. 그리고, CW프로브 광은 브릴루앙 고유주파수 천이값인 10.823GHz로 변조하면서, 펌핑펄스광의 폭은 광섬유의 거리분해능이 각각 3m와 5m에 해당하는 30ns, 50ns로 한다. 평균화의 처리를 2000회정도로하면, 소요시간은 약 13초가 된다. 평균화처리를 2000회 수행한 경우의 출력신호는 도 9와 같이 출력된다. 여기서 알 수 있듯이 침입자에 의한 신호영역을 매우 정확하게 검출할 수 있다.
도 10은 침입자 탐지방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 10에서, 우선 센서시스템을 보안을 위한 시설물의 주변의 탐지기구에 설치한다(단계 101). 설치가 완료되면, 기본변수를 설정한다(단계 102). 여기서, 기본변수로는 평균화횟수, 샘플링갯수, 샘플링 속도등이 있다. 그런다음, 센서시스템으로부터 후방산란광을 입력받는다(단계 103). 후방산란광의 평균화처리를 수행한다(단계 104). 그런다음 102단계에서 설정한 평균화횟수가 완료되었는지를 판단한다(단계 105). 판단결과, 설정된 평균화횟수가 완료되었으면, 설정된 평균화횟수만큼 수행된 평균화신호가 제 1회로 구해진 것인지 판단하여(단계 106), 그러한 경우는 이때의 평균화신호를 기준신호로 설정한다(단계 107). 이는 도 11a에서 보는바와 같다. 만약 단계 106에서 그렇지 않은 경우는 평균화신호와 기준신호를 비교하여 침입자가 탐지되었는지를 판단한다(단계 108). 이때, 평균화신호는 도 11b에 도시한 바와 같다. 판단결과, 침입자가 탐지되었으면, 침입자 탐지신호를 출력한다(단계 109). 여기서, 침입자 탐지를 위한 신호는 평균화신호에서 기준신호를 빼면, 도 11c와 같은 비교신호를 얻을 수 있는데 경계값이상의 신호가 있으면 침입자가 탐지된 것으로 사용자에게 안내하고 처음부터 다시 침입자 탐지 신호처리과정을 수행한다. 만약 침입자가 탐지되지 않았으면, 평균화신호를 기준신호로 재설정하고 처음부터 다시 침입자탐지신호처리과정을 수행한다.
전술한 도 3장치의 결과신호로 출력되어 탐지방법에 이용되는 후방산란광을 수식으로 표현하면 다음과 같다.
펌핑펄스광이 광섬유의 +Z방향으로 전파하고 있다고 가정하면 광섬유 안의 Z=z위치에서의 펄스광 에너지는 Ep(Z)δ(Z-z)로 표현이 가능하다. 여기서 δ(Z)는 델타함수이다. CW프로브광에너지는 광섬유 안의 Z=z에서 Pcw(z)로 표현하고 -Z방향으로 전파하는 것으로 가정한다. 그러면, 영역[z,z+dz]안의 펌핑 펄스 광과 브릴루앙 상호 작용을 하는 CW프로브 광에너지는 다음 식으로 주어진다.
dEcw(z,z+dz)
= Pcw(z)exp(-αcwz) dt+(g/A)Ep(z)Pcw(z)exp(-αcwz) dz
= Pcw(L)exp(-αcwL)dt+(g/A)Ep(L)Pcw(L)exp(-αcwL) dz
여기서, g는 브릴루앙 게인 상수이고, A는 광섬유의 유효 단면적이며, αcw는 CW광파장에서의 광섬유의 손실계수이다. 광에너지 dEcw(z,z+dz)가 z=0에 도달하는 시간각격 dt는 다음과 같다.
dt = (1/vp+1/vcw)dz=2dz/v
여기서, vp와 vcw는 광섬유 안을 진행하는 펌핑 펄스광과 CW프로브광의 속도이다. 평균속도는 위의 식과 같이 정의된다. 실제로, vB<<v이므로 vP=vcw=v로 가정할 수 있다. 시간 t=2z/v일때, 펄스광이 입사되는 지점 즉, z=0에서 검출되는 CW프로브광에너지는 다음 수학식 3과 같다.
Pd(z) = dEcw/dt=Pcw(L)exp(-αcwL)+(g/A)Ep(z)Pcw(L)exp(-αcwL)v/2
자연적인 브릴루앙 산란 효과를 무시하면, 펌핑펄스광 에너지는 다음과 같다.
dEp(z)/dz = -[αp+(g/A)Pcw(z)]Ep(z)
여기서, αp는 펌핑펄스광의 파장에 대한 광섬유의 손실 계수이다. 그러면, Pcw(z)는 다음과 같다.
Pcw(z) = Pcw(L)exp[-αcw(L-z)]
또한, Ep(z)는 다음의 수학식 6과 같다.
Ep(z) = Ep(0)exp(-αpz)exp[-(g/A)Pcw(L)exp(-αcwL){exp(αcwz)-1}/αcw]
입사된 펌핑펄스광이 협소한 폭 W와 에너지 Pp(0)를 가진다면, 수학식 3은 다음의 수학식 7과 같다.
Pd(z) = Pdc+Pb(z)
여기서, Pdc는 다음의 수학식 8과 같다.
Pdc= Pcw(L)exp(-αcwL)
그리고, Pb(z)는 다음의 수학식 9와 같다.
Pb(z) = (g/A)(vW/2)Pcw(L)exp(-αcwL)Pb(0)exp(-αpz)
×exp[-(g/A)Pcw(L)exp(-αcwL){exp(αcwz)-1}/αcw]
여기서, Pdc는 펌핑펄스광과 상호작용없이 z=0에 도착하는 CW프로브광의 에너지이다. Pb(z)는 펌핑펄스광과 브릴루앙 상호작용하여 변화되는 CW프로브 광에너지를 표현한다. 만약 (g/A)Pcw(L)exp(-αcwL)｜1-exp(αcwz)｜/αcw<<1이라면, Pb(z)는 다음의 수학식 10으로 표현된다.
Pb(z) = (g/A)(vW/2)Pcw(L)exp(-αcwL)Pp(0)exp(-αpz)
여기서, 브릴루앙 게인 상수 g는 다음의 수학식 11로 표현된다.
g = 2πn7p2 12γ/cλ2ρva
여기서, n은 광섬유의 굴절률이고, p12는 광섬유의 광탄성 상수이며, c는 광속이고, λ는 광원의 파장이며, ρ는 광섬유의 밀도이고, va는 음속이며, Δvb는 브릴루앙 게인의 선폭이고, γ는 편광계수이다.
따라서, 센서시스템의 수신신호인 후방산란광은 수학식 3을 정리한 수학식 9로 계산할 수 있으며, 근사식으로 수학식 10도 사용할 수 있다.
따라서, 본발명은 광섬유의 브릴루앙 산란현상을 이용한 센서시스템을 이용하므로써 후방산란광으로부터 침입자를 탐지할 수 있는 효과를 제공한다. 또한, 후방산란광을 측정할 때 침입자가 없을 때와 있을 때를 비교함에 의하여 외부 온도 변화등에 의한 신호왜곡에 따른 탐지오류를 방지 할 수 있다.

Claims (6)

  1. 광섬유 브릴루앙 산란현상을 이용한 센서시스템에 있어서,
    광을 출사하는 레이저다이오드;
    상기 레이저다이오드로부터의 광을 분기하는 커플러;
    상기 분기된 광을 펌핑펄스광으로 변조하기 위한 제 1변조수단;
    상기 분기된 다른 하나의 광을 CW프로브 광으로 변조하여 상기 광섬유로 출력하는 제 2변조수단;
    상기 제 1변조수단으로부터의 펌핑펄스광을 증폭하여 상기 광섬유로 출력하는 광섬유증폭기; 및
    상기 광섬유로부터 되돌아오는 후방산란광을 검출하기 위한 광검출수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1변조수단은
    펄스발생기와 광전변조기인 것을 특징으로 하는 센서시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 2변조수단은
    RF신호발생기와 광전변조기인 것을 특징으로 하는 센서시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 광검출수단은
    광섬유로부터의 수신광을 결합하여 출력하는 커플러; 및
    상기 커플러로부터의 결합광을 입력받아 검출하는 광검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서시스템.
  5. 광섬유 브릴루앙 산란형 센서시스템를 이용하여 침입자를 탐지하는 방법에 있어서,
    상기 센서시스템을 설치하는 제 1단계;
    설치된 센서시스템의 평균화횟수를 기본변수로 설정하는 제 2단계;
    상기 센서시스템으로부터 후방산란광을 입력받는 제 3단계;
    상기 입력된 후방산란광의 평균화처리를 수행하는 제 4단계;
    상기 제 2단계에서 설정한 평균화횟수가 완료되었는지를 판단하는 제 5단계;
    상기 제 5단계의 판단결과, 설정된 평균화횟수가 완료되었으면, 설정된 평균화횟수만큼 수행된 평균화신호가 제 1회로 구해진 것인지 판단하는 제 6단계;
    상기 제 6단계의 판단결과 평균화신호가 제 1회로 구해진 경우는 이때의 평균화신호를 기준신호로 설정하는 제 7단계;
    상기 제 6단계의 판단결과 평균화신호가 제 1회로 구해진 경우가 아니면, 평균화신호와 기준신호를 비교하여 침입자가 탐지되었는지를 판단하는 제 8단계; 및
    판단결과, 침입자가 탐지되었으면, 침입자 탐지신호를 출력하고, 침입자가 탐지되지 않았으면 평균화신호를 기준신호로 재설정하는 제 9단계를 포함하는 침입자 탐지방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 제 2단계의 기본변수는
    샘플링 갯수, 샘플링 속도를 포함하는 것을 특징으로 하는 침입자 탐지방법.
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