KR20070011418A - 시변 장애 위치의 값을 구하는 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 특히 장애가 시변 장애인 경우, 광링크 상의 장애의 위치의 값을 구하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 광시간 도메인 반사계 기술은 일련의 낮은 가간섭성 테스트 펄스가 광펄스원(18) 수단에 의해 광링크(16)로 발진되고, 후방산란된 리턴 신호가 모니터링되는데 사용된다. 테스트 펄스는 각 테스트 펄스에 대해, 한 쌍의 시간에 따라 변한 펄스 카피가 링크(16) 상으로 발진되는 결과를 갖는 불균형 Mach Zhender 간섭계(20)를 통과한다. 후방산란된 리턴 신호는 각 쌍의 펄스 카피들이 재정렬되게 하고 서로 간섭하게 하는 동일한 간섭계(20)를 통과한다. 시변 장애(x)는 한 쌍의 각 펄스 카피에 다르게 영향을 미칠 수 있다. 결과적으로, 단계와 같은 비정상은 후반산란된 신호에서 발생할 수 있다. 비정상의 시간 위치로부터, 원인이 되는 장애의 거리의 값은 구해진다.

Description

시변 장애 위치의 값을 구하는 장치 및 방법{EVALUATING THE POSITION OF A TIME-VARYING DISTURBANCE}
본 발명은 특히 장애가 시변(time-varying) 장애인 경우, 전송 링크 상의 장애 위치의 값을 구하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
만약 존재한다면 리턴 신호의 시간의존성에서 비정상을 검출하기 위해 도파관 내에 테스트 펄스를 발진 및 테스트 펄스의 분포된 후방산란을 모니터링함으로써 도파관의 불규칙함의 위치의 값을 구하는 것이 알려져 있다. 비정상의 예는 리턴 신호의 시간에 의존하는 진폭에서 단계적인 변화일 수 있다. 그러나, 이러한 알려진 OTDR(Optical Time Domain Reflectometry) 기술은 시변 장애를 검출하는데 아주 적합하지 않다.
본 발명에 따르면, 전송 링크 상에서 시변 장애의 위치의 값을 구하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 한 쌍의 신호 카피들이 존재하게끔, 광원으로부터 출력 신호의 전부 또는 일부를 카피하는 단계와, 상기 신호 카피들을 상기 전송 링크로 전송하는 단계와, 미리 전송되어 적어도 부분적으로 되돌아오는 신호 카피들을 상기 전송 링크로부터 수신하는 단계와, 결합 신호를 생성하기 위해 전송된 한 쌍의 상기 수신된 신호 카피들을 결합하는 단계와, 상기 전송 링크 상의 상기 장애의 상기 위치의 값을 구하기 위해 상기 결합 신호에서 시간적 특성을 사용하는 단계를 포함한다.
출력 신호의 카피들은 결합 신호를 생성하기 위해 결합되기 때문에, 이들 카피들의 하나 이상의 임의의 변형은 결합 신호에서의 변화를 생성할 수 있으며, 이로써 시변 장애의 값을 구하는 것을 손쉽게 한다.
바람직하게는, 전송 링크는 광섬유와 같은 광 도파관이 될 수 있다. 링크의 동적 또는 다른 시변 장애는 일반적으로 어쿠스틱 또는 다른 진동과 같은 물리적인 장애일 수 있다. 물리적인 장애는 전송 링크의 광 매체에서 변형파 또는 탄성파를 생성할 수 있고, 이로써 링크를 따라 이동하는 신호 카피들의 적어도 하나의 위상을 변경한다. 동적 장애는 고정된 상태, 즉 고정된 포인트에 위치할 수 있다. 선택적으로, 동작 장애는 광 도파관을 따라 이동할 수 있다.
바람직하게는, 신호는 예컨대 Rayleigh 후방산란과 같은 분포된 후방산란의 프로세스에 의해 되돌아올 수 있고, 그래서 신호는 신호가 도파관을 따라 전파될 때 점차로 되돌아온다. 이는 일반적으로 시간에 걸쳐 분포되는 결합 신호를 생성할 수 있다. 결합 신호는 바람직하게는 장애의 존재가 추론될 수 있는 장애 피처로부터, 장치 피처를 검출하기 위해 모니터링될 수 있다.
장애 피처의 일 예는 예컨대 시간에 관한 단계 변화와 같이, 결합 신호의 진폭에서의 변화일 수 있다. 결합 신호는 장애의 발생이 궤적으로부터 시각적으로 추론되게 하면서, 궤적의 방식으로 시간의 함수로서 디스플레이 장치 상에 디스플레이될 수 있다. 그러나, 결합 신호는 장애 피처의 더욱 미묘한 특성을 검출하기 위해 분석될 수 있다.
결합 신호에서 시간 특성은 장애 피처와 연관된 리턴 시간, 특히 장애 피처 의 원인이 되는 리턴 신호 카피들의 도달 시간(일단 결합되면)일 수 있고, 이러한 시간은 물리적인 장애의 위치로 및 위치로부터 광 전파에 대한 왕복 시간이다. 일 실시예에서, 광원으로부터의 펄스는 시간 분포된 결합 신호를 생성할 수 있고, 결합 신호는 기준 시간이 펄스가 생성되는 시간과 관련될 수 있는, 기준 시간으로부터 경과된 시간의 함수로서 모니터링될 수 있다.
광원으로부터의 출력 신호들은 광원으로부터 출력 신호의 적어도 일부를 카피하는 단계가 불규칙한 구성요소가 한 쌍의 신호 카피들의 각각에 공통적인 것이 되는 바람직한 결과로 귀결될 수 있는 경우에, 바람직하게는 불규칙한 구성요소를 가질 수 있다. 신호의 다른 특성은 각 신호 카피에서 동일하게 되는 것을 필요로하지 않는다: 예컨대, 신호 카피들은 다른 진폭을 가질 수 있다. 불규칙한 구성요소는 바람직하게는 랜덤, 또는 의사 랜덤(의사 랜덤에 의해, 이것은 비록 이론적으로 구성요소가 이를 행하는데 필요한 시간 또는 프로세싱 전력을 예상하지만, 이는 실제로 예상하는 것을 불가능하게 한다는 것을 의미한다)일 수 있다. 출력 신호가 파형을 갖는다면, 불규칙한 구성요소는 파형이 랜덤하게 발생하는 위상 변화를 갖는다는 조건으로 파형의 위상으로 제공될 수 있다. 파형은 바람직하게는 10 피코초보다 작은 또는 심지어 1 피코초보다 작은 짧은 가간섭성 시간을 갖는 광원에 의해 편리하게 제공될 수 있다. 결합 신호는 바람직하게는 간섭으로부터 유발되는 또는 2개의 파형을 혼합하는 간섭 신호일 수 있다.
바람직하게는, 신호 카피들은 서로에 대해 시간 지연을 갖는 전송 링크를 다라 전송될 수 있고, 그래서 인도하는 카피 및 뒤따르는 카피가 존재한다. 그 다음 리턴된 인도하는 카피는 이전의 뒤따르는 카피에 대해서 지연될 수 있고, 그래서 두개의 카피는 서로 단계에서 실질적으로 결합될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 이는 불균형 Mach Zehnder 간섭계와 같은, 간섭계 스테이지를 사용하여 이루어진다. 이러한 바람직한 실시예에서, 광원으로부터의 출력은 신호가 카피되는 간섭계로 제공되고, 하나의 카피는 간섭계의 일 경로에 채널이 만들어지며, 각 경로에 관한 통과 시간은 다르고, 그래서 신호 카피들이 간섭계 스테이지로부터 전송되는 시간 사이에서 상대적인 또는 다른 지연의 결과가 발생한다. 그 다음 동일한 간섭계 스테이지는 외부 방향으로 부가된 상대적인 지연이 리턴 방향으로 부가된 상대적인 지연과 동일할 수 있기 때문에, 특별히 편리한 방식으로 리턴 신호 카피를 재정렬하기 위해 사용될 수 있고, 이는 2개 경로의 통과 시간에서의 차이에 의해 판정되는 각 경우에 존재한다.
미분 지연은 광원의 평균 가간섭성 시간의 적어도 일부에 의존하여 바람직하게 선택될 수 있다. 미분 지연은 바람직하게는 가간섭성 시간보다 훨씬 더 길 수 있다. 바람직하게는, 가간섭성 시간에 대한 미분 지연의 비율은 103 훨씬 더 바람직하게는 105 또는 심지어 훨씬 더 바람직하게는 107보다 크거나 또는 같을 수 있다.
출력 신호들을 카피하고 신호들을 전송하는 단계는 바람직하게는 제 1 위치에서 실행될 수 있고, 장애는 제 1 위치로부터 적어도 1km 또는 심지어 적어도 10km에서 검출가능한 상태이다.
전송 링크는 가이드 트랙을 따라 연장하는 광채널을 포함할 수 있고, 가이드 트랙은 이동하는 이동체(vehicle)의 이동을 인도한다. 이 방식으로, 전송 링크는 전송 링크를 따라 이동하기 위해 인도된 이동체의 이동을 모니터링하는데 사용될 수 있다.
바람직하게는, 트랙에 대해 광채널은 기계적으로 연결된 관계일 수 있고, 그래서 이동체의 이동은 광채널을 따라 장애를 유발한다. 광채널은 트랙에 직접 연결되는 것을 필요로 하지 않고, 예컨대 지면을 통해 간접적으로 연결될 수 있다. 예컨대, 광채널은 반드시 안전할 필요없이, 단순히 트랙 옆의 지면 또는 도관 상에 단순히 놓일 수 있다. 그러나, 기계적인 연결 때문에, 트랙을 따라 이동체의 이동에 의해 생성된 어쿠스틱 장애와 같은 진동 또는 다른 장애는 장애가 이동체와 동일한 속도로 연속적인 유형으로 링크를 따라 이동할 수 있는, 전송 링크에서 상응하는(비록 감쇄되거나 또는 변형된) 장애를 유발할 수 있다.
광채널의 어쿠스틱 연결은 특정 연결 포인트에서 강화되는 것을 필요로 하지 않기(그러나 강화될 수 있다) 때문에, 대신에 트랙과 채널 사이의 매체에 의해 제공된 연속적인 연결은 일반적으로 충분할 수 있기 때문에, 현존하는 트랙-측 광섬유 케이블에 의해 제공된 광채널은 편리하게 사용될 수 있다. 선택적으로, 현존하는 트랙-측 도관에 설치된 새로운 케이블이 사용될 수 있다.
가이드 트랙은 바람직하게는 레일들이 일반적으로 트레인의 이동을 인도할 수 있는 하나 이상의 레일의 형태를 가질 수 있다. 이러한 배치는 트레인에 의해 생성된 진동이 충분할 수 있기 때문에 특히 편리하고, 이로써 이러한 이동체의 위 치를 검출하기 더 쉽게 만든다.
본 발명의 추가 측면들은 첨부되는 청구의 범위에 제공된다. 이제부터 본 발명은 다음의 도면을 참조하여, 단지 예를 통해서만, 이하에서 추가로 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전송 링크를 갖는 광 감지 시스템을 나타내고,
도 2는 도 1의 시스템에서의 사용을 위한 신호 처리 회로를 나타내며,
도 3은 데이터가 도 1의 링크 상에서 어떻게 멀티플렉싱될 수 있는가를 나타내고,
도 4는 포토 수신기 회로를 나타내며,
도 5a는 광원 회로를 나타내고,
도 5b는 다른 덜 바람직한 광원 회로를 나타내며,
도 6a-6c는 샘플링된 리턴 신호의 측정된 궤적을 나타내고,
도 7a 및 도 7b는 이론적인 곡선을 나타내며,
도 8a는 측정된 리턴 신호를 나타내고,
도 8b는 복수의 이론적인 곡선을 나타내며,
도 9는 트레인의 위치가 제 1 실시예에서 어떻게 감지될 수 있는가를 나타내고,
도 10은 트레인의 위치가 제 2 실시예에서 어떻게 감지될 수 있는가를 나타내며,
도 11은 트레인의 위치가 제 3 실시예에서 어떻게 감지될 수 있는가를 나타 낸다.
장애 위치 판단하기
도 1은 모니터링 스테이션(12)이 광섬유(16)에 연결되는 감지 시스템(10)을 나타낸다. 광섬유를 따라서 위치가 판정되는 동적 장애는 X로 표시된 위치의 광섬유 상으로 진입된다. 일반적인 말로, 모니터링 스테이션(12)은 광섬유(16) 상으로 감지 신호를 전송하기 위해 배치되고, 감지 신호는 동작 장애에 의해 위상 변화를 받는다. 감지 신호의 구성요소는 광섬유를 따라 Rayleigh 후방산란의 프로세스에 의해 되돌아온다. 그 다음 모니터링 스테이션(12)로 되돌아오는 후방산란된 구성요소는 동적 장애에 의해 진입된 위상 변화를 분간하기 위해 처리된다. 광섬유의 다른 영역으로부터 되돌아온 후방산란된 구성요소는 다른 시간에 모니터링 스테이션(12)에 도달하기 때문에, 장애의 위치는 변조된 후방산란된 구성요소의 복귀 시간으로부터 판정된다.
모니터링 스테이션(12)은 짧은 가간섭성 시간(coherence time)을 갖는 광 펄스원(18)을 포함하고(랜덤한 위상은 불규칙한 구성요소를 신호에 제공하는 출력에서 변한다), 펄스원은 드라이버 유닛(118)에 의해 구동된다. 광원(18)으로부터의 펄스는 간섭계 스테이지(20)로 제공되고, 여기서 간섭계는 제 1 경로(24) 및 제 2 경로(26)를 갖는 Mach Zehnder 간섭계이며, 경로(24, 26)는 각 제 1 및 제 2 결합 스테이지(28, 30)에 의해 각 종단에서 결합된다. 외부 방향으로 이동하는 광에 대해, 제 1 결합 스테이지(28)는 광원(18)으로부터 각 경로(24, 26)까지 광의 채널을 만드는, 지향성 전력(강도) 분리기로서 동작하고, 각 경로에 대한 전력은 소정 방식으로 나누어진다(여기서, 제 1 결합 스테이지는 비록 다른 비율이 사용될 수 있지만, 50:50 전력 분리기로서 동작한다).
따라서, 광원(18)에 의해 제공된 각 펄스에 대해, 펄스는 제 1 카피 및 제 2 카피가 존재하게끔 카피되고, 제 1 카피 및 제 2 카피는 서로 이러한 예가되는 복제물이 된다. 하나의 카피는 제 1 경로(24)를 따라 이동하고, 반면에 다른 카피는 제 2 경로(26)를 따라 이동한다. 제 2 결합 스테이지(30)는 출력이 광섬유(16)와 연결되는 간섭계의 출력(35)과 연결된다. 제 2 결합 스테이지(30)는 제 1 및 제 2 경로로부터 간섭계 출력(35)까지 광의 채널을 만드는, 외부 방향으로 이동하는 광에 대한 결합기로서 동작한다. 간섭계의 제 1 경로는 제 1 결합 스테이지(28)와 제 2 결합 스테이지(30) 사이를 따라 이동하는 광의 통과 시간을 증가시키는 지연 스테이지(34)를 갖고, 결합 스테이지(28, 30)들 사이에서 이동하는 광에 대한 통과 시간은 제 2 경로(26)를 따르는 것보다는 제 1 경로(24)를 따르는 것이 더 크다. 따라서, 광원에 의해 생성된 각 펄스에 대해, 간섭계(20)는 지연 시간 D 만큼 다른 펄스 카피에 관한 펄스 카피 중의 하나를 지연시키기 위해 동작하고, 펄스 카피는 서로에 대해 다른 시간에 광섬유 네트워크(16) 상으로 전송된다.
리턴 방향으로 이동하는 신호에 대해, 제 2 연결 스테이지(30)는 전방 방향으로(광원(18)으로부터) 광 상에서 제 1 결합 스테이지(28)의 동작과 유사한 방식으로, 전력 분리기로서 동작한다. 이 방식에서, 리턴 신호의 강도는 제 2 연결 스테이지(30)에서 분리되고, 일 부분은 제 1 경로(24)를 따라 채널이 만들어지며, 반 면에 다른 부분은 제 2 경로(26)를 따라 채널이 만들어진다. 그 다음 제 1 연결 스케이지(28)는 리턴 방향으로 제 1 경로 및 제 2 경로로부터 광을 결합하기 위해 동작하고, 제 1 결합 스테이지(28)의 출력과 연결된 신호 프로세싱 시스템(29)으로 간섭(결합) 신호로서 결합된 광의 채널을 만든다.
신호 프로세싱 시스템은 광신호를 전기신호로 변환하는 제 1 연결 스테이지(28)에 결합된 포토-수신기(51), 포토-수신기(51)로부터의 전기 신호를 수신하고 전기 신호를 필터링하는 필터(52), 필터링된 전기 신호를 처리하는 제 1 신호 프로세싱 유닛(54), 전기 신호의 더욱 상세한 프로세싱을 실행하는 선택적인 추가 프로세싱 유닛(540)을 포함한다. 필터(52)의 대역폭(대략 1MHz)은 외부 노이즈를 최소화하기 위해 예상된 신호 대역폭으로 매칭된다.
포토 수신기(51)는 도 4에서 더욱 상세히 나타난다. 커플러(28)로부터의 광은 광 트랜지스터(702) 상으로 입사하고, 여기서 PIN-FET는 가변 게인 전류 피드백 증폭기(706)로 제공되기 전에, 버퍼로서 동작하는, 바이폴라 트랜지스터(704)로 제공되는 전기 출력을 생성한다. 광원(18)은 넓고 부드러운 전력 스펙트럼 및 대략 0.5 ps 이하의 짧은 가간섭성 시간을 갖기 때문에, 광방출다이오드(Light Emitting Diode)일 수 있고, EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier), SOA(Semiconductor Optical Amplifier), 또는 SLD(Super Luminescent Diode)와 같은 증폭된 자발적 방출의 광원일 수 있다. 그러나, 도 5를 참조하여 이하에서 설명되는 것과 같이, Fabry-Perot 레이저 다이오드가 바람직하다.
광원에 의해 생성된 방사는 편광되지 않을 수 있고, 또는 선택적으로 편광제 거 유닛(43)은 광이 간섭계로 입사되기 전에 편광을 제거하기 위해 광원과 간섭계 사이에 제공될 수 있다(예컨대 편광제거 유닛은 Fibre Lyot 디폴라라이저(de-polariser)일 수 있다). 편광 제어기 또는 디폴라라이저(49)는 간섭계의 경로 중의 하나, 여기서 제 1 경로에 제공될 수 있고, 그래서 제 1 커플러(28)에서 리턴 방향으로 결합하는 제 1 경로로부터의 편광은 다른 경로로부터의 편광과 적어도 부분적으로 정렬된다. 디폴라라이저는 또한 손실 결점의 검출을 더욱 쉽게 만드는 리턴하는 후방산란 신호에서 임의의 편광 구조를 효과적으로 스크램블링하는 장점을 갖는다.
일반적으로, 광원은 표준 통신 광섬유를 효과적으로 이용하기 위해, 1 마이크론에서 2 마이크론 사이의, 바람직하게는 대략 1.3 또는 1.55 마이크론의 파장에서 동작할 수 있고, 이러한 광섬유는 이러한 파장에서 단일 모드 전송을 지원한다. 일반적으로, 광섬유는 대략 9 또는 10 마이크론 직경의 단일 코어를 가질 수 있다.
모니터링 스테이션(12)의 동작은 광섬유 상의 특별한 포인트로부터 되돌아오는 외부 펄스 카피의 리턴 구성요소를 고려함으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 광원(18)에 의해 생성된 각 펄스에 대해, 전방 및 후방 양방향으로 간섭계(20)의 제 2 경로(26)를 따라 이동하는 지연되지 않는 신호(S0), 전방 방향으로(그러나 후방 방향은 아닌) 지연(D) 만큼 지연되는 제 1 지연 신호(S1), 후방 방향으로(그러나 전방 방향은 아닌) 지연(D) 만큼 지연되는 제 2 지연 신호(S2), 및 지연(D) 만큼 지연되는 2배로 지연된 신호(S3)의 4개의 결과적인 신호가 존재할 수 있으며, 신호(S3)는 각각 전방 및 후방 방향으로 지연된다.
한 방향으로 지연되는 제 1 및 제 2 지연 신호(S1, S2)는 단지 동시에 제 1 연결 스테이지(28)로 되돌아올 수 있다. 광섬유(16)에서 임의의 장애의 부재시에, 이들 신호는 서로의 카피이고 신호는 제 1 연결 스테이지(28)에서 간섭하거나 또는 다르게는 건설적으로 결합할 수 있다. 그러나, 신호(S1, S2)의 쌍 중 하나가 상의 다른 것에 대해 변형된다면(동적 장애에서 발생하는 것과 같이), 신호(S1, S2)는 더이상 건설적으로 간섭하지 않을 것이다. 이는 제 1 연결 스테이지로부터 간섭 신호에서의 변화로 귀결될 것이다. 특히, 신호(S1, S2)에서의 상대적인 위상 변화는 제 1 연결 스테이지의 출력에서 간섭 신호의 진폭 변화로 귀결될 것이다.
광섬유를 통해 이동하는 광 상에서의 위상 변화는 일반적으로 물리적인 장애에 의해 야기될 것이다. 이는 물리적인 장애(예컨대 이동, 어쿠스틱 또는 초음파 파동 또는 다른 진동에 의해 야기되는)는 광섬유 또는 다른 광링크의 전송 성질에서의 변화로 귀결될 수 있다. 특히, 충격에 의한 원인과 같은 물리적인 장애는 굴절률, 편광에서의 변화, 또는 물리적인 길이에서의 변화, 또는 이들의 조합 중의 어느 하나를 통해, 광섬유의 광-이동 매체(일반적으로 광섬유의 실리카 유리 코어)의 변형된 영역에서 광 경로 길이를 변경할 수 있는 시변 변형(strain)으로 귀결될 수 있다.
광원에 의해 생성된 각 펄스에 대해, 간섭 신호는 광섬유를 따라 펄스 카피의 통과 시간에 상응하는 시간에 걸쳐 분포될 것이다. 도 8a의 궤적 A는 전송된 펄스로부터 유발되는 간섭 신호가 어떻게 광원 펄스의 전송으로부터 경과된 시변인지를 나타낸다(궤적 B는 더 강한 장애에 대해서이다). 여기서 궤적을 따르는 각 포인트는 원인이 되는 신호가 복귀한 광섬유를 따르는 위치에 상응한다.
초기에, 펄스 카피는 후방산란 또는 손실을 통한 감쇄를 거의 받지 않을 것이다. 그러므로 펄스의 강도와 연관있는 후방산란된 구성요소의 강도는 높고 간섭 신호도 또한 높다. 펄스 카피는 광섬유를 따라 이동하기 때문에, 간섭 신호가 시간과 함께 줄어드는 결과를 갖는, 후방산란된 구성요소뿐만 아니라 펄스도 감쇄된다.
시간 t1 이후에, 리턴 후방산란된 구성요소는 위치 X를 넘어서 이동한 펄스로부터 기원할 것이다. 펄스 카피 또는 후방산란된 구성요소가 위치 X를 통과하는 경우, 펄스 카피로부터 유발되는 후방산란된 구성요소의 위상은 장애에 의해 영향을 받을 것이다. 장애가 시간에 따라 변화하기 때문에, 펄스의 주어진 쌍의 후방산란된 구성요소의 상대적인 위상은 변경될 것이며, 결과적으로 시간 t1에서 간섭 신호의 예리한 변화로 귀결된다. 비슷하게, X를 넘어서 이동한 펄스로부터의 리턴 구성요소는 또한 영향을 받을 것이다. 그러므로 궤적은 단계와 같은 방식으로 시간 t1 이후에 이동된 상태로 있는다. 시간 t1은 제 1 감지 위치 및 그 뒤에 대한 왕복 시간에 상응하기 때문에, 포인트 X의 광섬유 경로를 따르는 장애는 t1의 값으로부터 추론될 수 있다(또한 예컨대 간섭계의 지연 라인(34) 때문인 오프셋을 포함하는 간섭 시간에 관한 값(t1)).
도 8a의 궤적을 보기 위해서, 프로세싱 유닛(54)은 프로세서/메모리 회로(55)를 포함한다. 프로세서/메모리 회로는 광원(18)을 구동하기 위해 전기 펄스 신호에 액세스하기 위해, 광원(18)의 드라이버(118)와 연결된다. 프로세서/메모리 회로는 광원으로부터 각 펄스의 전송 이후에 경과된 시간을 나타내는 타이머 유닛(57)을 포함하고, 타이머 유닛은 새로운 광 펄스가 발진되는 경우 펄스 신호를 이용하여 리셋한다. 프로세서/메모리 회로(55)는 전기 도메인의 간섭 신호를 수신하기 위해, 및 펄스의 생성으로부터 경과된 시간의 함수로서 각 펄스로부터 신호를 저장하기 위해 대역통과 증폭기(51)에 연결된다. 시간의 함수로서 간섭 신호를 저장하기 위해, 프로세서/메모리 회로(55)는 기간마다 간섭 신호를 샘플링하고, 연결된 리턴 시간으로 각 샘플을 저장한다. 그 다음 저장된 간섭 신호는 보는 장치(101) 상에 보여질 수 있다. 그러나, 간섭 신호는 예컨대 음극 디스플레이의 잔류자기를 통해 일시적으로 저장될 수 있다.
광원으로부터의 펄스는 반복적인 방식으로, 바람직하게는 매 1 ms 마다 전송될 수 있고, 각 펄스의 지속기간은 1 ㎲이다. 선택적으로, 더 높은 해상도를 위해, 펄스는 0.5 ㎲ 일 수 있다.
더 짧은 길이에 대해 및 장애가 작은 경우(즉, 광섬유 위상 변화가 선형적으로 응답한다) 때문에, 지연 라인은 바람직하게는 적어도 20 km일 수 있고, 간섭계 시스템은 장애 주파수가 낮은 경우 덜 예민하게 된다. 대략 20 km의 지연 라인(대략 100 ㎲의 지연에 상응하는)으로, 1 ㎲ 지속기간을 갖는 펄스가 일반적으로 매 1 ms 마다 송신되기 때문에, 펄스(신호) 카피는 그들이 광섬유를 따라 이동하는 것과 같이 공간적으로 구분되는 것일 수 있다. 그러나, 더 긴 펄스에 대해, 또는 더 짧은 지연에 대해, 신호 카피는 서로 위에 올 수 있다. 연속적인 신호에 대해, 연속적인 신호는 연속적인 파형으로서 이음매 없이 결합될 수 있기 때문에, 신호는 각 각 불연속적인 존재가 될 수 없다.
일 실시예에서, 장애의 발생은 아웃스테이션(14)에 위치한, 광섬유의 거울 종단 표면(32)으로부터 반사된, 연속적인 광신호를 사용하여 먼저 검출된다. 본래, 도 1의 장치는 사용될 수 있고, 오직 펄스보다는 연속적인 신호를 생성하는 광원과 함께 사용될 수 있다. 신호가 아웃스테이션으로부터 되돌아오고, 펄스와 유사한 방식으로 간섭계에서 재결합된다. 그러나, 후방산란된 펄스에 필요한 것보다 더 낮은 대역폭(대략 100 kHz)을 갖는 대역통과 증폭기(52)는, 간섭 신호가 더 작은 잡음이 되는 결과를 갖는, 연속적인 신호와 함께 사용될 수 있고, 이로써 장애의 많은 민감한 검출을 허용한다. 더욱이, 위치 해상도는 장애의 검출에 필요하지 않기 때문에, 연속적인 신호를 갖는 리턴 신호는 시간 주기를 넘어서 합쳐질 수 있다. 일단 장애가 검출되면, 위치는 상기에서 설명한 것과 같이 설정될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 도 8a로부터 명백한 것과 같이, 연속적인 신호보다는 펄스를 사용하는 장애의 자체 발생을 판정하는 것이 가능하다.
도 2는 추가 신호 프로세싱 유닛(540)을 도시한다. 제 1 신호 프로세싱 유닛(54)과 유사한 방식으로, 추가 신호 프로세싱 유닛(540)은 OTDR에 기초하여, 링크(16)를 따라 하나 이상의 장애의 거리의 값을 구하는데 적절하다. 비록 도 1에서 추가 신호 프로세싱 유닛(540)은 제 1 프로세싱 유닛(54)에 대한 부가 유닛으로서 도시되었지만, 실제로 단지 추가 프로세싱 유닛(540)은 모니터링 스테이션으로서 실행될 수 있다.
일반적으로, 추가 신호 프로세싱 유닛(540)은 제 2 위치로부터 발생하는 간 섭을 사용하여 제 1 위치로부터 발생하는 간섭 신호를 처리하고, 제 2 위치는 제 1 위치(즉, 제 1 위치보다는 모니터링 스테이션에 더 가까운)의 업스트림에 위치한다. 실제로, 이는 제 1 시간 및 제 2 시간에서 리턴 신호를 샘플링함으로써, 및 제 2 샘플링된 신호들 사이의 차이의 값을 구함으로써 행해진다. 이러한 접근은 펄스(및 그의 리턴 구성요소)가 제 2 위치에 도달하기 위해 제 1 위치를 통과할 것이기 때문에, 제 1 위치로부터의 간섭 신호는 제 2 위치로부터 제공을 포함할 수 있음을 인식한다. 불필요한 프로세싱을 피하기 위해, 각 위치는 해상도 셀(펄스 시간 너비에 의해 판정되는)과 연관되고, 제 1 및 제 2 위치는 이웃하는 해상도 셀에 상응한다. 광섬유의 길이를 따라 이웃하는 해상도 셀로부터의 간섭 신호 사이의 차이는 이러한 방식으로 값이 구해질 수 있다.
신호 프로세싱 유닛(540)은 샘플링 유닛(542)을 포함하고, 여기서 아날로그 차동 샘플 및 홀드 회로는 입력(543)에서 필터(52)와 연결된다. 샘플링 유닛(542)은 MZ 커플러(28)로부터의, 특히 포토 수신기(51)로부터 신호를 순서대로 수신하는 필터(52)로부터의 인입 신호를 샘플링한다. 샘플링 유닛(542)은 공간적으로 다른 시간 위치에서 인입 신호를 샘플링하는 샘플링 스테이지(544), 및 공간적으로 다른 위치에서 미리 샘플링된 신호를 정렬하는 정렬 스테이지(546), 및 재-정렬된 신호를 비교하는, 특히 신호들 사이의 차이의 값을 구하는 비교 스테이지(548)를 포함한다. 비교 스테이지(548)로부터의 신호는, 특히 비교 스테이지(548)로부터의 출력 신호가 임계값보다 더 많이 중앙값에서 벗어난다면, 신호 출력(552)에서 출력을 생성하는, 윈도우 검출기 회로(550)로 전달된다.
광원(18)의 드라이버 유닛을 트리거링하는 트리거 신호(561)를 제공하는 타이밍 제어 회로(560)가 포함되어, 광원은 각 트리거 신호에 응답하여 펄스를 방출한다. 타이밍 제어 회로(560)는 클럭 펄스가 샘플링 유닛, 특히 샘플링 스테이지(544, 546)의 동작을 제어하는 클럭 펄스(562)를 또한 생성한다. 트리거 신호(561) 및 클럭 펄스(562)는 예컨대 클럭 회로가 될 수 있는 공통 타이밍 광원(564)에 의해 생성된다. 트리거 신호(561)는 트리거 출력(566)에서 분기되고 오실로스코프(568)의 트리거로 제공된다. 신호 출력(552)는 그 다음 바람직하게는 저장 오실로스코프이고, 디스플레이(570) 상에 보여지는 오실로스코프(568)의 신호 입력에 제공될 수 있다. 래스터 회로(572a)는 2차원 디스플레이를 생성하는 오실로스코프에 제공될 수 있는 래스터 신호를 생성하기 위해 제공될 수 있다. 추가 게이트(575 및 577)는 도 2에 나타난 것과 같은 타이밍 제어 회로에 포함된다.
본 예에서 클럭 펄스는 0.5 MHz의 주파수에 존재하고 교류 위상 형태로 존재한다. 즉 파동 트레인(train)이 일 위상(562a)으로 생성되고, 다른 트레인은 180도의 위상 시프트에서 생성된다. 타이밍 제어 회로는 클럭 위상이 광원(18)으로의 모든 트리거 펄스 상에서 번갈아 나타나고, 또한 2차원 디스플레이를 생성하는 래스터 제너레이터와 동기하게끔 구성된다. 2차원 표현은 저장 오실로스코프(568)의 디스플레이(570) 상에서 관찰되도록 광섬유 내의 각 위치로부터 후방산란 신호의 시간-전개를 허용할 수 있다. 디지털 및 아날로그 전자장치는 분리되고, 조절되고 및 결합해제된 전원 공급기를 사용했다(도 3에서, 상향 지시 화살표는 양의 공급기 레일을 나타내고, 반면에 하향 지시 화살표는 그라운드 또는 음의 공급기 레일을 나타낸다).
더욱 상세히 하면, 샘플링 유닛(542)은 입력 신호(즉, OTDR 신호 또는 전기 도메인에서의 간섭 신호와 동등한 신호)의 카피를 생성하는, 단순한 "T" 커넥터일 수 있는 카핑(copying) 스테이지(572)를 포함한다. 샘플링 스테이지(544)는 2개의 샘플링 증폭기(A, B)를 갖고, 각각은 트리거링되어 각 펄스 유닛(574, 576)에 의해 샘플링되며, 펄스 유닛은 타이밍 제어 회로(560)로부터 클럭 펄스가 제공된다. 카피(A 및 B) 각각은 각 불연속-시간 펄스 진폭 카피가 생성되는 증폭기(A, B)로 각각 진입한다. 펄스 유닛(574, 576)은 2개의 카피(A 및 B)의 샘플링 예가 일 범위의 해상도 간격, 여기서 1 마이크로초 만큼 오프셋되게끔 배열된다. 그 다음 샘플링 증폭기(A, B)로부터의 신호는 이들 샘플이 다음에 재-샘플링되는, 정렬 스테이지(546)의 추가 샘플링 증폭기(A' 및 B')로 각각 전달된다.
추가 샘플링 증폭기(A', B') 또는 동등한 샘플링 게이트는 각 펄스 유닛(578, 579)(펄스 유닛(578, 579)은 타이밍 제어 유닛(560)으로부터의 클럭 펄스에 의해 구동된다)에 의해 트리거링된다. 추가 증폭기(A', B')는 A 카피의 재-샘플링된 신호가 B 카피의 샘플링된 신호를 앞서는 방식으로 동작된다(펄스 유닛(578, 579)의 타이밍을 통해): 이는 A 샘플이 B 신호의 샘플을 즉시 앞서는 일 범위의 해상도로부터 발생함을 의미한다. 이러한 재-샘플링 전략의 결과는 샘플링 포인트가 광섬유 링크(16)(1 마이크로초에 상응하는 거리만큼 분리된)를 따라 걷는것("walk") 이나, 오직 2 마이크로초의 단계 사이즈에서이다(광섬유 링크(16)로 광원에 의해 초기에 전송된 펄스가 지속기간이 1 마이크로초라고 가정하면).
비교 스테이지(548)는 2개의 샘플링된 신호(A 및 B) 사이의 차이의 값을 구하는 차이 증폭기(549)를 포함한다: 즉, 차이 증폭기의 출력은 A-B에 관한 출력을 제공한다. A 및 B 궤적은 비교되기 전에 재-정렬되기 때문에, 신호의 시간-의존성의 경사도 및 기울기에 관한 값이 얻어지는 것으로 간주될 수 있다. 효과적으로, 시간에 의존하는 샘플링된 신호는 미분된다: 즉 이웃하는 샘플들의 차이의 값이 구해진다(비록 샘플은 반드시 바로 이웃하는 샘플이 있는 것을 필요로하지 않지만).
포토 수신기(51)는 도 4에 더욱 상세히 도시된다. 커플러(28)로부터의 광은 포토 트랜지스터(702), 여기서 가변 게인 전류 피드백 증폭기(706)로 제공되기 전에, 버퍼로서 동작하는, 바이폴라 트랜지스터(704)로 제공되는 전기 출력을 생성하는, PIN-FET 상으로 입사된다. 도 5a에서, 바람직한 광원(18)이 더욱 상세히 도시된다. 링크(16) 상으로의 전송하는 광(간섭계 스테이지를 통해)은 Fabry Perot 레이저(710)에 의해 생성된다. 타이밍 제어 회로(560)으로부터의 트리거 신호(561)는 수신된 각 트리거 신호에 대한 펄스를 생성하는 모노의 안정된 펄스 생성 유닛(712)에서 수신되고, 이 펄스는 레이저(710)를 구동하기 위해 부스터 증폭기(714)에 의해 증폭된다. 도 5b는 DFB 레이저가 사용되는 대안물을 도시한다. 그러나, DFB 레이저는 가간섭성 노이즈, 및 불안정성을 발생시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 6a, 6b, 및 6c는 신호 프로세싱 유닛(540)의 다양한 포인트에서 샘플링 파형을 도시한다. 도 6a는 펄스 진폭 변조된 샘플링된 파형(A 및 B)에 관한 정규의 (재)샘플링 펄스의 포인트를 도시한다. 도 6a에서, 반복하는 샘플 펄스(720)가 도시된다(가장 어두운 라인). A 샘플링된 신호(증폭기(A)로부터의 출력)는 회색라인(722)으로 도시되고, 반면에 B 샘플링된 신호(즉, 증폭기(B)로부터의 출력)는 더 밝은 라인(724)에 의해 도시된다. "A" 궤적으로부터 알 수 있는 바와 같이, 후방산란된 신호의 진폭은, OTDR에서 정상적으로 기대될 수 있는 것처럼, 경과된 시간(광원으로부터의 테스트 펄스의 발진 이후로)이 증가할 때 감소한다. 이와 비슷하게 "B" 궤적(724)의 진폭은 경과된 시간에 따라 감소하나, A 궤적에 대해서 시프팅된다.
도 6b에 재-샘플링된 신호(A 및 B)(즉, 샘플링 증폭기(A' 및 B')로부터의 출력)가 도시되고, A 샘플은 더 어두운 궤적(726)이고, 반면에 B 샘플은 더 밝은 궤적(728)이다. 상기에서 설명한 바와 같이, 2개의 신호는 재-샘플링되었기 때문에, 이들은 현재 정렬된다. A 및 B 재-샘플링된 신호에서의 차이(즉, 비교 스테이지(548)로부터의 출력(A-B))는 더 밝은 궤적(730)에 의해 도시된다. 비록 이러한 궤적의 장애를 나타내는 명백한 피처는 없지만, 도 6c의 (A-B) 궤적은 깨끗하게 대략 165 마이크로초(곡선 A 및 B에서의 단계 변화에 상응하는 시간)에서 피처를 도시한다. 도 6b 및 도 6c의 궤적들 사이의 차이는 샘플링 증폭기를 구동하는 클럭 신호가 도 6b에서 제로 위상 시프트를 갖으나, 도 6c에서는 180도의 위상 시프트를 갖는 것이다. 이는 일 위상에서 클럭 신호를 갖는 제 1 (A-B) 궤적, 및 180도 만큼 위상 오프셋에서 클럭 신호를 갖는 다른 (A-B) 궤적을 생성함으로써, 어떻게 일 궤적의 샘플링 셀들 사이의 틈이 일 셀 길이에 의해 시프팅되는 셀에서 샘플링에 의해 효과적으로 제거될 수 있는가를 나타낸다. 이 방식에서, 본 실시예의 해상도 는 100 미터의 정도의 길이에 상응하는 일 마이크로초이다. 따라서, 해상도 길이는 광원(18)으로부터의 테스트 신호의 펄스 길이와 동일하다.
데이터-운반 광 링크 감지
도 3은 도 1의 광섬유가 또는 다른 전송 링크(16)가 어떻게 파장 분할 멀티플렉싱된 방식으로 데이터를 운반할 수 있는가를 도시한다. 전송 링크(16)는 전송 링크의 감지부(161)로 인도하는 연결 광섬유(160)에 의해 커넥터(162)에서 모니터링 스테이션(12)에 연결된다. 연결 광섬유(160)로부터의 방사는 링크(16)의 입력 끝단(즉, 모니터링 측)에서 제 1 파장 커플러(164)에 의해 링크(16)로 인입되고, 반면 링크(16)의 출력 끝단(모니터링 측으로부터 떨어진)에서 제 2 파장 커플러(166)가 제공되어, 링크(16)로부터의 광은 종결 광섬유(170)의 끝단에 위치한 끝단 반사기(168)에 연결될 있고, 종결 광섬유(170)는 제 2 파장 커플러(166)를 반사기(168)에 연결한다. 전송기 스테이션(172) 및 수신기 스테이션(174)은 각각 제 1 및 제 2 파장 커플러(164, 166)에 연결된다.
파장 커플러(164, 166)는 파장 분할 멀티플렉싱 기술을 사용하여 데이터가 일 파장에서 전송기 및 수신기 스테이션(172, 174) 사이의 링크(16)를 통해 전송될 수 있고, 반면 모니터링 스테이션(12)으로부터의 방사는 광섬유 링크(16)를 통해 다른 파장에서 운반되며, 전송기 스테이션(172) 및 모니터링 스테이션(12)로부터의 방사는 링크(16) 내의 공통의 광섬유 또는 매체를 통해 전송되게끔 각각 구성된다.
제 2 파장 커플러(166)에서, 광원(18)의 파장에서의 광은 링크(16)로부터 종 결 광섬유(170)까지 향하고, 반사기(168)에서의 반사에 의존하여, 방사는 모니터링 스테이션으로의 리턴 전송을 위해, 반사되어 링크(16)로 되돌아온다. 이 방식에서, 통신은 링크(16)를 따라 발생할 수 있고, 반면에 링크는 통신에 과도하게 영향을 미치지 않고 모니터링된다(비록 광섬유 경로를 따른 장애가 연결 광섬유(160)에 의해 형성되지만, 광섬유 링크(16) 및 종결 광섬유(170)는 제거될 수 있다). 선택적인 실시예에서, 비록 신호 스트림이 간섭계(20)로부터 발진되는 연결 광섬유가 바람직하게는 단일 광섬유일 수 있지만, 통신 링크(16)는 복수의 광섬유를 갖는 케이블이다. 이러한 상태에서, 연결 광섬유(160)는 광섬유가 반사기(168)에 반대되는 끝단에서 결합될 수 있는 링크(16)의 전송 광섬유 중의 하나에 단순히 연결될 수 있다. 따라서, 전송 스테이션(172)와 수신 스테이션(174) 사이의 신호는 여전히 다른 전송 광섬유를 통해 운반될 수 있고, 모니터링된 광섬유의 장애는 케이블에서의 장애를 나타낸다.
상기 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 통신에 사용되고 있는 광섬유는 모니터링될 수 있고 반면에 통신 트래픽은 광섬유에 의해 운반된다. 광섬유 상에서 도청을 시도하는 사람은 광섬유를 조작함으로써 물리적인 장애를 유발할 수 있다. 장애가 발생하면, 광섬유를 따라서 장애의 위치는 값이 구해질 수 있고, 도청자의 장소를 찾게 한다. 따라서 데이터 전송에 대한 안전한 전송 경로를 제공하는 것을 가능하게 한다.
이론적인 상세
다음은 적어도 부분적으로 스칼라 간섭계 OTDR 이론에 기초하여, 상기 실시예의 적어도 약간의 측면 뒤의 이론을 설명한다. 장애 위치 정보를 제공하기 위해 분포된 Rayleigh 후방산란 신호를 여기시키기 위해 펄스로 만들어진 탐사 신호를 사용하는 간섭계 OTDR의 이론적인 동작이 다소 관련되어 있다. 문제는 불연속적인 반사기 및 연속적인 파장 여기 신호를 먼저 고려함으로써 가장 잘 이해된다.
m(t)
Figure 112006078895737-PCT00001
exp(-jφm(t))의 형태의 '포인트' 장애에 대해, cw 여기 하에서, 센서으 출력에서의 "ac" 용어는 이하에 의해 제공되는 것으로 나타날 수 있다.
Figure 112006078895737-PCT00002
여기서, T는 테스트 하의 광섬유의 시작으로부터의 반사 위치의 이동시간이고, τ는 장애 위치로의 이동시간이다. D는 간섭계에서 불균형 지연이다.
φm(t)=a.Sin(ωmt) 형태의 사인 곡선의 변조 장애를 고려하면, 수학식 1은 이하의 형태가 된다.
Figure 112006078895737-PCT00003
여기서 다음의 형태가 삽입될 수 있다.
Figure 112006078895737-PCT00004
이는 각도 변화에 대한 고전적인 결과이고 첫번째 종류의 베셀(Bessel) 함수 를 사용하여 구해질 수 있다. 각도 변화 깊이 R2는 장애의 진폭 a, 위치 τ, 및 주파수 ωm 의 함수이고 이하에 의해 제공된다.
Figure 112006078895737-PCT00005
수학식 2c로부터, 변화 깊이가 시간 및 주파수에서 다음의 포인트에서 최소값 및 최대값을 받는 것이 뒤따른다.
Figure 112006078895737-PCT00006
여기서 n은 범위 [-∞,∞]의 정수이다.
도 7a 및 도 7b는 변조 주파수, 간섭계 지연 D, 및 상대적인 장애 위치 (T-τ)/D의 다양한 값, 특히 4a=1, D=25km(지연 라인은 바람직하게는 적어도 20km일 것이다), T-τ=2D 및 fm=0.8kHz에 대한 수학식 2c의 예시적인 도면을 나타낸다. 도 7a는 센서의 응답, 즉 그 민감도가 어떻게 장애 주파수의 함수로서 장애에 대한 광섬유의 비선형 응답의 효과를 나타내는가를 효과적으로 나타낸다. 궤적 A는 낮은 진폭 장애에 대한 것이고, 궤적 B는 높은 진폭 장애에 대한 것이다.
펄스로 만들어진 탐사 신호: OTDR 접근을 조사하는 단순한 방식은 이제부터 광섬유를 각 반사가 OTDR 범위 해상도 셀에 위치하는 n 분포된 반사를 포함하는 것으로 간주한다. 셀 사이즈는 OTDR 탐사 펄스(τW)의 지속기간에 의해 정의되고 일반적으로 1 ㎲이다(~ 100 m 의 해상도에 상응하는). 각 셀로부터 반사되는 신호의 진폭 및 위상은 광섬유 감쇄(셀로/로부터)의 함수 및 그것 내의 구성요소 산란 중심의 종합적 평균이다.
이제부터 각 셀은 상기에서 설명된 불연속 반사의 역할을 하고 그러므로 T를 정의한다. 실제로, T는 이제부터 일 세트의 포인트 Ti의 형태를 취하고, 여기서 i = 1 ~ n이다.
결과적인 신호의 공식은 OTDR 펄스 탐사 신호 p(t) = P0rect[t/τW]에 의해 정의되는 여기 신호를 도입한다면 수학식 1로부터 유도될 수 있다.
Figure 112006078895737-PCT00007
여기서, ziac(t)는 셀 i로부터의 ac 구성요소이고, 및
Figure 112006078895737-PCT00008
수학식 4는 OTDR 탐사 펄스와 i번째 범위 해상도 셀 사이의 컨볼루션(convolution)이다.
언급해야할 중대한 포인트는 i번째 셀의 산란된 신호로부터 랜덤한 위상 구성요소는 검출 프로세스(수학식 4에서│.│2 연산자)에서 손실되어, 결과를 손상시킨다.
따라서, 수학식 4는 OTDR을 갖는 결과 신호가 수학식 1 및 2의 더 단순한 공 식을 사용하여 해석될 수 있음을 나타낸다. 그러나, OTDR 궤적 상의 각 분해가능한 포인트에서의 신호는 Ti에 대한 적절한 값을 이들 수학식에 대입하여 구해진다. 신호의 진폭은 또한 비간섭성 OTDR 신호의 특징적 지수함수적인 감소에 의해 변형된다.
이러한 단순한 모델은 실제 실험에서 나타난 OTDR 궤적의 형태를 설명한다. 도 8a는 위치 X(수평축은 시간, 수직축은 간섭계 스테이지로부터 (결합)신호의 레벨)에 위치한 1.25kHz의 주파수에서 장애를 갖는 단일-촬영으로 측정된 OTDR 궤적을 도시한다. 곡선(A)는 장애의 크기가 작은 경우 일반적인 단일 펄스 응답을 도시한다. 펄스로부터 펄스까지, 레벨은 장애가 변함에 따라서 궤적의 전체 길이를 따라 위/아래로 이동한다. 그러나, 장애 진폭이 증가함에 따라서, 궤적은 그 길이(곡선 B)를 따라 구조를 나타내는 것을 시작한다. 이러한 구조는 또한 펄스로부터 펄스까지 또한 위/아래로 진동한다. 도 8(a)는 길이 ~D/2(D=25km)의 테스트 광섬유로부터 측정된 OTDR 궤적을 도시한다. 도 8(b)는 장애 톤(tone)의 기본 및 첫번째 두개의 홀수조파(odd harmonic)에 대한 장애 길이 분포(수학식 2c)의 이론적인 크기를 도시한다.
따라서, 비록 변화가 도 6a ~ 6c의 예에 나타난 것과 같이 감소될 수 있지만, 시간 위치(공간 위치에 상응하는) X에서의 장애 피처는 이 예에서 간섭 신호에서의 예리한 변화, 여기서는 증가이다.
이 길이 의존 구조는 모델링에 의해 예측된다. 도 8b는 장애의 크기를 증가 시킴으로써 생성될 수 있는 홀수조파 주파수의 함수로서 결과적인 변화 깊이(수학식 2c)의 크기를 나타낸다. (T-τ)/D는 장애 포인트 "X"와 i번째 산란 영역 사이의 거리에 상응한다. 광섬유를 따르는 절반 경로 바로 위의 포인트에서 5번째 조파에서 명백하게 영이 존재한다. OTDR 궤적은 이론에 의해 예측되는 특징적 길이 장애 변화를 도시한다.
위치 정보를 추출하기 위한 신호 프로세싱: 도 8a의 OTDR 궤적은 포인트 장애 조차도 후방산란 신호를 따라 분포된 피처로 귀결될 수 있음을 도시한다. 그러나, 십자형 포인트는 장애가 발생하는 포인트에서 신호에서의 갑작스런 변화가 항상 존재한다는 것이다. 도 6b 및 도 6c는 이를 도시한다. 이들 실시간 아날로그 후방산란 신호는 장애의 시작이 OTDR 범위 해상도(이 경우에 ~1 ㎲)에 의해 판정되는 정확도로 위치될 수 있음을 나타낸다. 따라서, 신호 프로세싱 시스템은 2개의 이웃하는 범위-해상도 셀 (A) 및 (B)로부터의 신호를 비교함으로써 이들 피처를 찾기 위해 설계된다. 그들 사이의 차이를 실행함으로써, 도 8a에 도시된 더 느린 구조가 나타날 것이다(이웃하는 셀은 그들 사이에 위치한 장애가 존재하지 않는다면 상호 관련된다). 따라서, 원칙적으로 동시 장애의 임의의 개수는 이들 기술에 의해 찾아질 수 있다.
윈도우 검출기(도 2)는 OTDR 궤적 상의 범위 표시(또는 밝은 점)를 만들기 위해 임의의 크기 이상으로 (A-B) 피처를 선택하는데 사용될 수 있다. 유사하게, 장애의 2차원 "텔레비전과 같은 그림"이 형성될 수 있다. 이 경우에, x-방향은 광섬유에 따른 거리에 상응하고, y-방향은 모든 범위 해상도 셀에 대한 장애 시간 히 스토리에 상응하며, z-변화는 윈도우-검출기 출력에 의해 구동된다.
이동하는 이동체 (vehicle)의 위치 감지
이동체의 위치를 감지하는 감지 시스템(300)은 도 9(이전 도면에 관하여 동일한 구성요소는 동일한 부호를 갖는다)에 도시된다. 여기서, 광섬유 케이블(16)(전송 링크)은 트랙을 따라 이동하는 트레인(304)의 위치를 감지하기 위해 철도 트랙(302)을 따라 확장한다. 광섬유 케이블(16)은 트랙(302)과 일반적으로 평행한 방향으로 연장되고, 바람직하게는 지면 또는 트랙 근처의 도관에 매설된다.
일 끝단에서, 광섬유 케이블(16)은 광섬유 케이블(16)의 물리적인 장애, 특히 동작 장애를 모니터링하는 모니터링 스테이션(12)(도 1에 도시된 것과 같이)의 형태로 모니터링 장치에 연결된다. 광섬유 케이블은 동적 장애가 모니터링 스테이션(12)에서 감지될 수 있는, 광섬유 케이블(16)의 동적 장애를 유발하는 트레인(304)의 이동에 대해 레일 트랙(302)에 충분히 가깝게 놓여질 것이다. 트레인에 의해 유발된 장애는 트레인의 이동 장애가 트레인의 속도에 상응하는 속도로 케이블(16)을 따라 이동하는 동적 장애를 일으킬 수 있는 결과를 갖는, 일반적으로 트레인(304)에 대해 지역이 될 것이다. 따라서, 광섬유는 공간적으로 연속적인 유형으로 이동체의 이동을 모니터링하는 센서로서 동작할 수 있다.
광섬유 케이블(16)은 트랙(302)의 측면을 따라 놓이고, 트레인에 의해 생성된 장애가 지면을 통해 전파하여 광섬유 케이블(16)에 도달하도록 트랙에 충분히 가까운, 지면 아래 또는 현존하는 도관에 매설될 수 있다. 광섬유 케이블은 트랙 아래에 매설될 수 있으나, 바람직하게는 예컨대 트랙으로부터 1m의 거리만큼 트랙 옆에 놓일 수 있다. 선택적으로 트랙의 레일을 따라 연장하는 구멍 또는 홈은 광섬유 케이블(16)을 수신하기 위해 제공될 수 있고, 광섬유 케이블(16)은 이러한 구멍 또는 홈을 따라 연장한다. 일 실시예에서, 트랙 옆에 현존하는 도관은 케이블을 수용하는데 편리하게 사용될 수 있다.
명백하게, 이동 트레인으로의 광섬유 케이블(16)의 민감도는 광섬유(또는 도관)과 트랙 사이의 거리, 지면 및 토양 조건, 케이블 특성 등과 같은, 지역적인 환경에 의존할 수 있다. 그러므로, 시스템의 민감도는 광섬유(16) 길이를 따라 일정하지 않을 수 있다.
추가 광섬유 케이블(116)은 제 1 광섬유(16)와 유사한 방식으로, 그러나 모니터링 스케이션이 제 1 광섬유의 끝단에 대해 반대의 끝단에 연결되면서, 트랙을 따라 경로가 정해질 수 있다. 따라서, 트레인이 하나의 모니터링 스테이션으로부터 멀리 있는 경우, 다른 모니터링 스테이션에 더욱 가까울 수 있다. 이는 일반적으로 임의의 하나의 광섬유를 따르는 민감도가 그 광섬유에 대한 모니터링 스테이션으로부터 거리가 증가함에 따라서 감소되기 때문에, 전체적으로 시스템의 민감도를 개선할 것이다.
광섬유(16)와 트랙 사이의 기계적인 연결을 증가시키기 위해, 광섬유는 하나 이상의 포인트에서 가로방향으로 트랙 아래에 놓일 수 있다. 바람직하게는, 광섬유 경로는 도 10에 도시된 바와 같이, 트랙 아래에 놓인 하나 이상의 U-모양의 부분을 가질 수 있고, 이로써 서로에 대해 가까운 2개의 포인트에서 가로방향으로 가 로지른다(하나 이상의 U-모양의 부분이 트랙 아래로 연장한다면, 모니터링 스테이션의 공간 해상도는 선택될 수 있고 그래서 이웃하는 U-모양의 부분으로부터의 장애는 서로 구분될 수 있다.
복수의 U-모양의 부분은 나란한 배열로, 예컨대 스테이션(306) 근처에 배열될 수 있고, 광섬유는 U-모양의 부분들 사이에서 트랙에 일반적으로 평행하게 연장된다. 스테이션 영역으로부터 떨어져, 광섬유는 일반적으로 트랙에 평행하게, 즉 나란한 배열로 연장될 것이다.
선택적으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 제 1 광섬유(16)는 스테이션 영역에서의 사용을 위해, 복수의 U-모양의 부분으로서 배열될 수 있고, 반면에 트랙에 평행하게 연장하는 제 2 광섬유(116)는 스테이션들 사이의 트레인 위치를 감지하는데 사용될 수 있다.
일반적으로 광섬유 케이블은 스테이션들 사이의 트랙에 일반적으로 평행인 방향으로 일반적으로 1km 이상의 거리만큼, 바람직하게는 10km 연장될 수 있고, 광섬유는 적어도 1km, 심지어 10km의 일반적인 연속 거리를 넘는 이동을 감지할 수 있다. 명백히, 센서 시스템은 일반적인 연속 거리보다 적은 해상도를 갖는 위치를 판정할 것이고, 해상도는 광 펄스의 지속기간 및 트레인 또는 다른 이동체로부터 검출가능한 장애의 전파의 범위에 의해 좌우된다. 비록 가로 부분이 광섬유의 일반적인 평행 부분 사이에 제공되었지만, 적어도 1km, 바람직하게는 10km를 연장하는 하나 이상의 일반적인 평행 일부가 바람직하게 제공될 수 있다.
본 실시예는 간섭 신호를 형성하기 위해 한 쌍의 신호 카피에서의 위상차가 결합되게 할 수 있는 것으로 이같이 나타나고, 그래서 장애에 의해 발생된 광섬유에서 시변 위상 변화는 위상차가 간섭 신호에서 진폭 변화로 전환될 수 있는 신호쌍(그 중 하나는 다른 것을 추적한다) 사이의 위상차로 귀결된다.
요약하면, 상기 실시예에서 일련의 낮은 가간섭성 테스트 펄스가 광 링크로 발진되고 후방산란된 리턴 신호가 모니터링되는 광 시간 도메인 간섭계 기술이 사용된다. 테스트 펄스는 각 테스트 펄스에 대해, 한 쌍의 시간에 따라 변한 펄스 카피가 링크상으로 발진되는 결과를 갖는 불균형 Mach Zhender 간섭계를 통과한다. 후방산란된 리턴 신호는 각 쌍의 펄스 카피가 다시 정렬되고 서로 간섭하게 하는 동일한 간섭계를 통과한다. 시변 장애는 한 쌍의 각 펄스 카피에 대해 다르게 영향을 미칠 수 있다. 결과적으로, 단계와 같은 비정상은 후방산란된 신호에서 발생할 수 있다. 비정상의 시간 위치로부터, 원인이 되는 장애 거리의 값이 구해진다.

Claims (32)

  1. 전송 링크 상에서 시변(time-varying) 장애의 위치의 값을 구하는 방법에 있어서,
    한 쌍의 신호 카피들이 존재하게끔, 광원으로부터 출력 신호의 전부 또는 일부를 카피하는 단계와,
    상기 신호 카피들을 상기 전송 링크로 전송하는 단계와,
    미리 전송되어 적어도 부분적으로 되돌아오는 신호 카피들을 상기 전송 링크로부터 수신하는 단계와,
    결합 신호를 생성하기 위해 전송된 한 쌍의 상기 수신된 신호 카피들을 결합하는 단계와,
    상기 전송 링크 상의 상기 장애의 상기 위치의 값을 구하기 위해 상기 결합 신호에서 시간적 특성을 사용하는 단계를
    포함하는 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시간적 특성은 장애 피처가 상기 결합 신호에서 발생하는 시간을 포함하는 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    신호 카피들은 상기 신호 카피들이 상기 전송 링크를 따라 이동할 때 분포되는 후방산란의 프로세스에 의해 되돌아오는 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광원은 광 펄스들의 형태를 갖는 출력 신호들을 생성하고,
    각 광 펄스는 상기 펄스가 상기 전송 링크를 따라 이동하는 시간에 걸쳐 분포되는 결합 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결합 신호는 공간적으로 떨어진 시간 위치들의 제 1 세트 및 시간 위치의 제 2 세트에서 샘플링되고,
    상기 제 1 및 제 2 샘플링된 세트들은 비교 단계에서 비교되는 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 세트들의 상기 시간 위치들은 인터리빙(interleving)되는 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 비교 단계는 상기 제 1 세트와 제 2 세트 사이의 상기 차이에 적어도 일부 의존하는 일 세트의 데이터를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신호 카피들은 상기 광 전송 링크의 공통 전송 매체를 따라 운반되는 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    한 쌍의 신호 카피들은 서로에 대해 미분 지연을 갖는 상기 전송 링크를 따라 이동하는 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 미분 지연은 광원에 연결된 분균일 간섭계에서 유발되고,
    상기 간섭계는 제 1 및 제 2 경로를 가지며,
    상기 제 1 경로의 통과 시간은 상기 제 2 경로의 통과 시간 보다 길고,
    한 쌍의 신호 카피들은 서로에 대해 다른 각각의 경로를 따라 이동하게끔 되는 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 간섭계는 상기 광원에 연결되는 제 1 연결 스테이지를 갖고,
    상기 연결 스테이지는 상기 제 1 및 제 2 신호 카피들을 형성하기 위해, 일 경로를 따라 상기 광원으로부터 상기 인입되는 방사 강도의 일 부분, 및 상기 다른 경로를 따라 상기 인입되는 방사 강도의 다른 부분에 채널을 만드는 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 간섭계는 상기 제 1 및 제 2 경로들로부터 방사를 결합하고, 및 상기 결합된 방사를 상기 공통 통신 링크로 결합시키는 제 2 결합 스테이지를 갖는 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 위치로부터 되돌아오는 상기 신호들은 제 2 연결 스테이지에 의해 상기 제 1 및 제 2 경로들을 따라 각각 채널이 만들어지고,
    상기 채널이 만들어진 신호들은 다음에 상기 제 1 연결 스테이지에서 결합되는 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 신호 카피들은 제 1 위치에서 서로에 대해 지연되고,
    상기 장애는 상기 제 1 위치로부터 떨어진 제 2 위치에서 검출가능한 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 신호 카피들의 각각은 검출된 장애에 의해 방해되는 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 방법.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 신호 카피들은 동일하게 상기 전송 링크를 따라 이동하는 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 방법.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력 신호들은 1 피코초 보다 작은, 이와 연관된 평균 위상-가간섭성 시간을 갖는 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 신호 카피들은 이와 연관된 미분 지연 시간을 갖고,
    상기 지연 시간은 적어도 인자 1000 만큼 상기 평균 위상-가간섭성 시간 보다 큰 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 방법.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전송 링크는 가이드 트랙을 따라 연장하는 광 채널을 포함하고,
    상기 가이드 트랙은 이동체(vehicle)의 이동을 인도하며,
    상기 채널은 상기 이동체의 이동이 상기 광 채널을 따라서 장애를 유발하게끔 하는 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 광 채널의 상기 경로는 간격마다 상기 트랙을 가로지르는 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 방법.
  21. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 가이드 트랙은 트레인의 이동을 인도하는 하나 이상의 레일의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 방법.
  22. 전송 링크 상에서의 시변 장애의 위치의 값을 구하는 장치에 있어서,
    한 쌍의 신호 카피들이 존재하게끔, 광원으로부터 출력 신호의 전부 또는 일부를 카피하는 수단과,
    상기 신호 카피들을 상기 전송 링크로 전송하는 수단과,
    미리 전송되어 적어도 부분적으로 되돌아오는 신호 카피들을 상기 전송 링크로부터 수신하는 수단과,
    결합 신호를 생성하기 위해 전송된 한 쌍의 상기 수신된 신호 카피들을 결합하는 수단과,
    상기 결합 신호들을 시간의 함수로서 모니터링하는 모니터링 수단을
    포함하는 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 모니터링 수단은 상기 결합 신호들을 시간의 함수로서 디스플레이하는 디스플레이 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 장치.
  24. 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서,
    서로에 대해 한 쌍의 상기 신호 카피들을 지연하는 지연 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 지연 수단은 간섭계 스테이지에 의해 제공되고,
    상기 간섭계 스테이지는 제 1 및 제 2 전송 레그(leg)들, 및 상기 제 1 및 제 2 레그들로 또는 제 1 및 제 2 레그들로부터 연결하는 연결 수단을 포함하며,
    출력 신호들을 카피하는 상기 수단 및 상기 수신된 신호 카피들을 결합하는 상기 수단은 상기 연결 수단에 의해 공통으로 형성되는 것을 특징으로 하는 장애의 위치의 값을 구하는 장치.
  26. 전송 링크를 모니터링하는 모니터링 스테이션에 있어서,
    상기 모니터링 스테이션은,
    출력 신호들을 생성하는 광원과,
    각 출력 신호에 대해 한 쌍의 신호 카피들이 존재하게끔 상기 광원으로부터 상기 출력 신호들의 적어도 일부를 카피하는 간섭계 스테이지와,
    상기 신호 카피들을 상기 전송 링크로 발진하는 출력과,
    프로세서 회로를
    포함하고,
    상기 간섭계 스테이지는 상기 링크로부터 분포된 후방산란의 프로세스에 의해 되돌아오는 신호 카피들을 수신하고 간섭계 신호를 생성하기 위해 신호 카피들을 결합하며,
    상기 프로세서 회로는 상기 리턴 신호의 시간적 특성의 표시와 연관된 상기 간섭 신호를 저장하는 것을 특징으로 하는 모니터링 스테이션.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 간섭계 신호는 시변 시간-분포된 신호이고,
    상기 시간적 특성은 상기 리턴 신호의 상기 시간 변화인 것을 특징으로 하는 모니터링 스테이션.
  28. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,
    상기 간섭계 신호는 시간-분포된 신호이고,
    상기 프로세서 회로는 간격마다 상기 간섭 신호를 샘플링하고, 각 샘플링에 대해 각 리턴 시간과 연관된 상기 샘플들을 저장하는 것을 특징으로 하는 모니터링 스테이션.
  29. 제 26 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원은 광 펄스원인 것을 특징으로 하는 모니터링 스테이션.
  30. 이동하는 이동체의 위치를 감지하는 감지 시스템에 있어서,
    상기 감지 시스템은,
    상기 이동체의 상기 이동을 인도하는 가이드 트랙과,
    상기 가이트 트랙을 따라 연장하는 광채널과,
    상기 광채널에 연결되는 모니터링 장치를
    포함하고,
    상기 광채널은 상기 이동체의 이동이 상기 광채널을 따라서 이동 장애를 유발하게끔 상기 가이드 트랙과 기계적으로 연결되며,
    상기 모니터링 장치는,
    (ⅰ) 상기 이동 장애를 나타내는 상기 광채널로부터 광신호를 검출하고,
    (ⅱ) 상기 광신호의 하나 이상의 시간적 특성의 값을 구하며,
    (ⅲ) 상기 값이 구해진 시간적 특성에 따라서, 상기 트랙을 따라 상기 이동체의 상기 위치가 감지될 수 있도록 상기 채널을 따라 상기 이동 장애의 상기 위치의 표시를 판정하는 것을 특징으로 하는 위치 감지 시스템.
  31. 가이드 트랙을 따라 이동하는 이동체의 위치를 감지하는 방법에 있어서,
    상기 가이드 트랙을 따라서 연장하는 광채널이 제공되고,
    모니터링 장치는 상기 광채널에 연결되며,
    상기 이동체의 이동이 상기 광채널을 따라 이동 장애를 유발하게끔 상기 광채널은 가이드 트랙과 기계적으로 연결되고,
    상기 방법은,
    (ⅰ) 상기 이동 장애를 나타내는 상기 광채널로부터 광신호를 검출하는 단계와,
    (ⅱ) 상기 광신호의 하나 이상의 시간적 특성의 값을 구하는 단계와,
    (ⅲ) 상기 값이 구해진 시간적 특성에 따라서, 상기 채널을 따라 상기 이동 장애의 상기 위치의 표시를 판정하는 단계와,
    (ⅳ) 상기 광채널을 따라서 상기 장애의 상기 위치로부터 상기 이동체의 상기 위치를 추론하는 단계를
    포함하는 것을 특징으로 하는 위치 감지 방법
  32. 링크의 물리적인 장애를 검출하기 위해 전송 링크를 모니터링하는 방법에 있 어서,
    한 쌍의 신호 카피들이 존재하게끔, 광원으로부터 출력 신호의 전부 또는 일부를 카피하는 단계와,
    상기 신호 카피들을 공통의 전송 링크로 전송하는 단계와,
    미리 전송되어 적어도 부분적으로 반사되는 카피들을 상기 전송 링크로부터 수신하는 단계와,
    결합 신호를 생성하기 위해 한 쌍의 상기 수신된 신호 카피들을 결합하는 단계와,
    장애의 존재가 추론될 수 있는 장애 피처로부터, 상기 결합 신호의 장애 피처를 검출하기 위해 상기 결합 신호를 모니터링하는 단계와,
    상기 결합 신호의 시간적 특성으로부터, 상기 전송 링크 상의 상기 장애의 상기 위치의 값을 구하는 단계를
    포함하는 것을 특징으로 하는 전송 링크를 모니터링하는 방법.
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