KR20070108319A - 광섬유격자센서를 이용한 침입체 감지 방법 - Google Patents

Abstract

광섬유격자센서를 이용한 침입체 감지 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고유한 반사 특성을 갖는 광섬유격자센서를 울타리 등에 설치하여 울타리 등의 절단이나 월담, 토굴을 이용한 침투, 절개지 등의 낙석이나 붕괴발생시 그 파장 변위를 측정하거나 파장의 세기변화를 측정하여 침입 여부를 판단하는 방법으로서 광섬유격자센서는 위치정보를 포함하는 동시에 센서의 역할을 수행하게 된다. 이때 광섬유격자센서는 일반적인 광섬유격자센서와 광섬유격자 변형률센서, 광섬유격자 진동센서, 광섬유격자 각도센서 등의 광섬유격자센서를 응용한 다양한 제품이 쓰일 수 있으며, 일반적으로 신호용으로 쓰이고 있는 단일모드 광섬유는 광섬유격자센서의 파장 정보를 계측기에 전달하는 동시에 센서의 역할을 수행한다. 침입체가 울타리 등에 접촉하여 외력을 가할 경우 울타리에 부착된 광섬유에 마이크로벤딩이 일어나고, 그로 인해 광 전달 손실이 일어난다. 그러면 마이크로벤딩이 일어난 후단의 광섬유격자센서의 파장 세기가 줄어들게 되고 계측기에서 그 파장 정보를 읽어 침입체를 감지한다. 그리고 울타리 등을 절단할 경우 광섬유도 함께 단선이 되어 절단된 위치 후단의 광섬유격자센서는 계측기에 반사파장을 전달하지 못한다. 이때 계측기에서는 그 위치와 절단여부를 정확하게 감지할 수 있게 되는 것이다.

광섬유격자센서는 위치, 파장변위, 광섬유의 절단 및 마이크로벤딩 등을 감지할 수 있는 파장 및 광량 정보를 계측기에 전달하여 침입체를 감지하는 것을 특징으로 한다.

광섬유격자센서, 광섬유, 침입체 감지, 울타리, 월담, 토굴

Description

광섬유격자센서를 이용한 침입체 감지 방법{Method of guard system FBG}

도 1은 본 발명에 따른 실시 예

도 2는 본 발명에 따른 광섬유격자센서의 반사특성

도 3은 일반적인 광섬유격자센서 배치 및 측정모식도

도 4는 본 발명에 따른 광섬유 구부림 유도 방법의 한 예

본 발명은 광섬유격자센서를 이용하여 침입체를 감지하는 방법에 관한 것으로 특히, 광섬유격자센서 또는 광섬유격자 변형률센서 및 광섬유격자 진동센서 등을 울타리 등에 설치하여 울타리 등에 가해지는 물리적 압력 및 절단여부를 감지하여 침입여부를 감지하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 광섬유격자센서는 외부의 물리적인 압력에 파장이 변화되고, 광 전송경로에 감쇄가 있을 경우 반사 파장의 세기가 줄어드는 특성을 갖는다. 따라서 광섬유격자센서를 다중 설치하여 파장변위 및 광량변화를 계측하면 울타리의 물리적인 압력과 광전송선로의 단선여부를 판별하여 침입여부 및 위치 등을 정확히 감지할 수 있다. 그러나 종래에는 울타리에 광섬유를 포설하여 계측기로부터 출발한 광원이 포설된 광섬유 내를 진행하면서 마이크로벤딩이나 절단이 있을 경우 빛의 산란이 일어나 계측기로 미세한 광원이 반사되어 전송되며 그 도착 시간을 측정하여 위치를 파악하는 방식(OTDR; Optical Time Domain Reflectometer)으로 한다. 이때 계측기에서는 포설된 광섬유 길이에 비례하여 연산량이 결정 되고 포설된 광섬유의 상태를 진단하게 되는데 그 데이터 수가 매우 많아 울타리 200m의 신호를 분석하는데 2~3초 정도 걸리며, 침입체의 월담 감지를 위해 광섬유를 그물형태로 직조하여 울타리 전면에 포설한다. 이때 마이크로벤딩이 쉽게 일어나게 하기 위해 광섬유와 광섬유를 교차 시키고 단단한 부재로 광섬유를 서로 고정시켜 침입자 감지를 수행한다. 그러나 광섬유 외에 부자재가 있어 중량이 무거워지고 부피가 커져 비나 바람, 눈의 영향을 많이 받아 오작동이 잦으며, 동물과 자중에 의한 오작동 또한 빈번하여 오 경보를 자주 울린다. 또한 계측시스템이 복잡하여 고가 일뿐만 아니라, 측정 방식 특성상 광 커플러와 같은 광분배기를 사용할 수 없어 한 가닥의 광섬유로 울타리 200m 정도 감지하게 되는데 전단 부 20m 지점에서 절단 사고가 있을 경우 후단의 180m는 무방비 상태에 놓이게 되는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기위한 것으로, 광섬유격자센서를 이용하여 시스템 구축비용을 줄이며, 다수의 독립적인 울타리를 감지구역을 구성할 수 있도록 하며, 절단 사고 시 그 여파를 축소시키고, 광섬유의 소형 경량화로 비바람에 의한 오작동을 없애며, 광 스위치 등을 사용하여 감지구역을 기존 방식에 비해 10배 이상으로 할 수 있도록 하며, 설치가 용이하고 유지보수를 간단히 할 수 있는 광섬유격자센서를 이용한 침입체 감지 방법을 제공하고자 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 광섬유격자센서를 이용한 침입체 감지 방법에 있어서, 광섬유격자센서 설치 방법을 보면 각기 다른 반사파장 특성을 갖는 광섬유격자센서 하나 이상을 울타리 감지 구역에 다중설치 하는데 그 위치는 울타리의 기둥이 바람직하다. 이는 침입체가 울타리 접촉 시 울타리에 물리적 압력이 가해지고 울타리 기둥에 그 압력이 전달되어 광섬유격자센서가 이를 감지할 수 있기 때문이다. 센서와 센서사이는 단일모드 광섬유로 연결되는데 그 방법에 있어서, 침입체를 감지를 하고자 하는 울타리를 지그재그 형식으로 포설하는데 이때 광섬유와 광섬유 사이의 포설 폭은 침입체가 절단하지 않고는 통과하지 못하도록 15cm이하고 되도록 하는 것이 바람직하며 광섬유와 울타리가 일체가 되도록 일정간격마다 체결부재로 광섬유와 울타리를 고정시키는 것이 바람직하다. 그 이유는 침입체가 울타리를 절단 시 광섬유가 같이 단선되어 침입위치를 파악할 수 있기 때문이다. 그리고 상기의 방법 외에 그물망 형태로 직조된 광섬유를 사용하여도 감지가 가능하다.

광섬유격자센서를 울타리에 다중 설치 시 광섬유격자센서 설치 전단에는 광 커플러 등의 광분배기를 사용하여 감지회선을 하나 이상으로 나누는데 이는 감지 구역을 분할하고 광섬유 절단 시 그 여파로 인해 감지가 되지 않는 지점을 최소로 하기 위함이다. 여기서 주의해야 할 점은 감지회선이 하나 이상 분기되어도 설치되는 광섬유격자센서는 서로 다른 반사특성을 갖는 센서를 설치해야 한다는 점이다.

독립적인 감지구역을 추가로 구성을 해야 할 경우 광 스위치를 계측기와 광분배기 사이에 설치하여 독립된 새로운 감지구역을 하나 이상 다수로 구성할 수 있다. 이때에는 광 스위치의 출력단의 수가 독립된 감지구역의 수가 되고, 각각의 독립적인 침입자감지 구역을 구성할 수 있어 같은 반사파장특성을 갖는 광섬유격자센서를 출력단의 수만큼 사용할 수 있어 감지구역이 많을 경우 시스템 비용을 절약할 수 있다.

그리고 대부분의 광섬유격자센서를 이용한 계측시스템은 시스템에서 광대역 광원을 조사하고 광섬유격자센서에서 반사되어 돌아오는 파장을 읽어 계측하는 시스템인데 이때, 계측기 가까이 있는 센서와 멀리 있는 센서는 광전송선로의 거리 차에 의한 광섬유 고유의 감쇄와 접속 손실 등이 있어 똑같은 반사율을 갖는 센서를 설치 할 경우 시스템의 신뢰도가 떨어질 수 있는데 그 이유는 계측기로 반사되어 오는 파장의 세기가 서로 90%이상 차이가 날 경우 계측을 하지 못하는 경우가 발생할 수 있다. 그러므로 광섬유격자센서를 다중 설치 시에는 계측기와 가까운 곳에 설치되는 센서는 반사율이 낮은 센서를 사용하고 먼 곳에 설치되는 센서는 반사율이 높은 센서를 사용하는 게 바람직하다. 일예로 센서와 센서 사이에 왕복 감쇄율이 약10%이고, 센서 S1, S2, S3, S4, S5 등 다섯 개를 순서대로 다중설치 한다면 S1-50%, S2-60%, S3-70%, S4-80%, S5-90% 의 반사율을 갖는 센서를 S1, S2, S3, S4, S5 의 순서로 설치하면 계측기에 반사되어 돌아오는 파장의 세기는 모두가 같아져 가장 바람직한 설치가 되는 것이다. 일반적인 광섬유격자센서용 계측기는 센서와 센서의 반사파장의 세기가 -10dB(90%) 이상의 차이가 날 경우 빛의 세기가 약한 파장은 감지를 못한다. 이와 같은 방법으로 계측기의 채널수를 증가 시키면, 침입체 감지구역을 몇 십 배 확장할 수 있는 방법인 것이다.

광섬유격자센서의 설치 위치는 침입체 감지구역의 인식표 역할을 하고 센서와 센서 사이는 하나의 침입체 감지구역을 나타내며 보통 그 거리는 5m 정도로 하는 것이 바람직하나 상황에 따라 매우 유동적이어서 거리에 제한을 두지 않는다.

울타리에 부착하는 센서의 위치는 종류별로 크게 세 가지로 나뉠 수 있는데, 첫 번째로 침입체 감지 위치만을 인식하는데 사용되는 광섬유격자센서로 부착 위치에 제한을 받지 않으며, 두 번째로 침입체 감지 위치와 울타리의 진동을 감지하는 광섬유격자를 이용한 진동센서의 경우 진동변위가 큰 울타리 기둥 상부가 바람직하고, 세 번째로 광섬유격자를 이용한 변형률센서를 사용할 경우 울타리 기둥의 하부가 바람직한데 그 이유는 울타리에 가해지는 압력이 울타리 기둥의 하부에서 변형이 가장 많이 발생하기 때문이다.

여기서 침입체 감지 방법을 보면, 먼저 울타리를 넘어서 침입을 할 경우 각각의 감시구역에 있는 광섬유격자센서가 침입체의 하중에 의해 센서의 파장이 변화하게 되고 이를 시스템에서 인식하여 경보를 발하고, 울타리를 절단하고 침입을 시도하는 경우에는 절단된 구역의 후단부에 있는 센서들의 고유반사파장은 계측기로 전달되지 않는데 이 특성을 이용하면 울타리 절단부위를 정확하게 찾아 낼 수 있다. 일예로 센서가 ( 계측기 - S1 - S2 - S3 - S4 - S5 )의 순서로 감지구역이 설정된 경우에 센서 S3 - S4 의 사이 감지 구역에서 절단이 된 경우 계측기에는 S1, S2, S3의 고유반사파장만 계측되어지고, 절단 부 후면의 센서는 계측되지 않는다. 이때 센서 S3 - S4 에 사이에서 침입자가 있었음을 쉽게 알 수 있는 것이다. 그리고 다른 또 하나의 방법은 침입체가 광섬유를 접촉하거나 기타 부설된 기구나 울타리 하부에 매설된 지하 부설물 등을 건드려 마이크로벤딩이 일어나면 접촉부의 후단에 있는 센서들은 그 반사 파장의 세기가 마이크로벤딩에 의한 감쇄량에 따라 같은 비율로 줄어들게 되는데 이때 일정 감쇄량 이상이 되면 침입으로 간주해 경보를 발하면 되는 것이다. 본 발명에서의 광섬유격자센서용 계측기는 광섬유격자센서의 반사파장특성을 이용한 모든 센서를 사용할 수 있어 침입체 감시와 구조물안전진단, 화재 감지, 수위감지, 지반의 압력감지, 변위감지 등의 다양한 종류의 계측을 하나의 시스템 및 하나의 광섬유로도 계측이 가능한 무한한 호환성을 지니는 아주 유용한 방법인 것이다.

본 발명 광섬유격자센서를 이용한 침입체 감지 방법에 의하면 비, 바람, 눈 등의 자연적 현상에 오작동이 없으며, 고유한 반사파장을 측정하므로 측정 속도가 매우 빨라 광 스위치 등을 사용할 수 있어 시스템 구축비용이 경제적이며, 기존 방식에 비해 감지 구역을 10배 이상 확장할 수 있으며 광분배기를 사용할 수 있어 다수의 독립적인 울타리 감지구역을 구성할 수 있도록 하며, 절단 사고 시 그 여파를 축소시킬 수 있다. 그리고 한 종류의 센서로 파장변위, 파장세기, 단선 등의 세 가지 감지 기능이 있어 다양한 응용 치구를 사용하여 보다 정밀하고 신뢰성 있는 침입체 감지를 가능하게 하고, 별도의 부재가 없어 소형 경량이며, 설치가 용이 하고, 유지보수가 매우 간단하며, 시스템의 뛰어난 호환성으로 침입체 감지기능 외 광섬유격자 센서를 이용한 구조물건전성감시, 화재감지, 온도감지, 수위감지, 압력감지 등의 여러 기능을 동시에 구현할 수 있는 장점이 있다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발병이 속하는 기술 분야 에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예에 한정되는 것이 아니다.

Claims (8)

1. 광섬유격자센서를 이용한 침입체 감지 방법에 있어서,

   광섬유격자센서용 계측시스템과; 광 신호 전달 및 감지부 역할을 동시에 수행하는 광섬유; 서로 다른 반사 파장을 갖는 광섬유격자센서가 침입체 감지구역에 광섬유를 매개로 다중으로 설치되는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 침입체 감지 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   계측시스템과 광섬유격자센서 사이에 광분배기를 포함하여 광 전송로가 분리된 감지구역을 구성하는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 침입체 감지 방법
3. 제 1항에 있어서,

   계측시스템과 광섬유격자센서 사이에 광 스위치를 포함하여 독립된 침입체 감지 채널을 하나 이상 구성하여, 다른 채널과 같은 반사 파장의 센서를 쓸 수 있고 독립된 새로운 감지구역을 구성할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 침입체 감지 방법
4. 제 1항에 있어서,

   광섬유 구부림에 의한 전송손실을 광섬유격자센서의 반사 파장 세기의 변화로 측정하여 침입체를 감지하는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 침입체 감지 방법
5. 제 1항에 있어서,

   광섬유격자센서와 광섬유격자센서를 서로 연결해주는 신호용 광섬유는 감지구역 울타리에 포설되어 침입체가 광섬유를 절단하지 않고는 빠져나가지 못하게 지그재그로 일정한 거리를 두면서 왕복 설치되는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 침입체 감지 방법
6. 제 1항에 있어서,

   광섬유격자센서와 광섬유격자센서를 서로 연결해주는 신호용 광섬유는 감지구역 울타리에 포설되어 침입체가 광섬유를 절단하지 않고는 빠져나가지 못하게 그물망의 형태로 설치되는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 침입체 감지 방법
7. 제 1항에 있어서,

   울타리 하부에 부속물을 매설하고 광섬유를 접속하여 토굴을 이용한 침입 을 감지 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 침입체 감지 방법
8. 다중설치 되는 광섬유격자센서는 계측시스템을 기준으로 가까운 곳에 설치되는 센서보다 먼 곳에 설치되는 센서의 반사율이 전송선로의 감쇄를 고려한 점진적으로 증가하는 배치를 가지는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 침입체 감지 방법

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