KR20100042773A - 단거리 및 장거리 광섬유 분포 온도 측정용 라만 센서 시스템 - Google Patents

단거리 및 장거리 광섬유 분포 온도 측정용 라만 센서 시스템 Download PDF

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KR20100042773A
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Abstract

본 발명은 광섬유의 후방 산란광을 이용한 광섬유 분포 온도 센서 시스템으로서, 펄스 변조된 입사광을 발생하는 광원; 상기 광원에서 발생된 상기 입사광이 입사되는 피측정 광섬유; 상기 피측정 광섬유에서 발생된 후방 산란 신호를 레일리 산란영역 신호, 스토크스 산란영역 신호 및 안티스토크스 산란영역 신호로 분리하여 투과시키기 위한 레일리 산란단, 스토크스 산란단, 안티스토크스 산란단 및 공통단자를 구비하며, 레일리 산란 영역에서의 신호와 공통단자에서의 광신호의 방향이 입력 신호와 출력 신호가 공존하게 형성된 라만 필터; 상기 레일리 산란단에 연결되며, 상기 공통단자에 상기 측정용 광섬유를 연결시기는 광섬유 회전자; 상기 라만 필터를 투과한 신호를 감지하는 광검출기 및; 상기 광 검출기에서 감지된 신호를 디지털 신호로 변환시키는 아날로그-디지털 변환기를 포함하여 이루어지는 단거리 및 장거리 광섬유 분포 온도 측정용 라만 센서 시스템이 개시된다.
광섬유, 라만 필터, 라만 산란, 광섬유 회전자

Description

단거리 및 장거리 광섬유 분포 온도 측정용 라만 센서 시스템{RAMAN SENSOR SYSTEM FOR MEASURING DISTRIBUTION TEMPERATURE OF SHORT RANGE AND LONG RANGE OPTICAL FIBER}
본 발명은 광섬유의 후방 산란광을 이용한 광섬유 분포 온도 센서 시스템에 있어서, 후방 산란광으로부터 라만 신호(Raman signal)를 효율적으로 분리, 추출하여 단거리 및 장거리 광섬유 분포 온도를 측정하는 라만 센서 시스템 구조에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 레일리 산란 영역에서의 신호와 공통단자에서의 광신호의 방향이 입력 신호와 출력 신호가 공존하게 형성된 라만 필터를 이용하여 후방 산란광으로부터 라만 신호를 효율적으로 분리, 추출하여 단거리 및 장거리 광섬유의 분포 온도를 측정하는 라만 센서 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 광섬유의 후방 산란광을 이용하여 피측정 광섬유의 분포 온도를 측정하는 원리는 다음과 같다.
여기광원의 광펄스를 피측정 광섬유에 입사시키면 광섬유내에서 산란광이 발생하게 되고, 이 산란광 중 일부는 피측정 광섬유의 입사단으로 귀환하여 후방 산 란광을 형성하게 된다. 이러한 후방 산란광의 대부분은 입사광과 동일한 파장을 갖는 레일리 산란광(Rayleigh scattering light)이며, 미소하게는 라만 산란에 의해 파장이 시프트된 라만 산란광(Raman scattering light)도 포함되어 있다. 일반적으로 레일리 산란광은 그 강도가 입사광의 1/100 정도이며, 라만 산란은 레일리 산란의 1/10,000 정도의 매우 미약한 빛으로서 입사광에 대하여 파장이 장파장쪽으로 시프트한 스토크스광(stokes light)과 단파장쪽으로 시프트한 안티스토크스광(anti-stokes light)이 포함되어 있다.
이러한 라만 산란은 광섬유 내에 입사한 광이 실리카 분자와 충돌하여 발생하는 산란이다. 실리카 분자는 온도에 따라서 활동량이 달라지므로 온도에 의존한 산란량의 변화가 나타나게 된다. 즉, 스토크스광과 안티스토크스광의 강도는 절대온도에 의존한다. 따라서, 스토크스광과 안티스토크스광의 강도의 비를 구하게 되면 피측정 광섬유의 길이방향의 온도 분포를 구할 수 있게 되는데, 이때 안티스토크스광만 온도의 영향을 받으며, 스토크스광은 산란량을 측정하여 광원의 표류를 보상하기 위하여 측정된다.
상기와 같은 원리에 의해, 피측정 광섬유의 후방 산란광으로부터 라만산란광을 분리, 추출하여 광섬유의 분포 온도를 측정하기 위해서는 광섬유 분포 온도 센서가 필수적이다.
종래의 라만 센서 시스템이 도 1에 도시되어 있는데, 이를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
도 1에 도시된 라만 센서 시스템은 라만 현상을 이용하여 거리별 온도를 측 정한다. 일반적인 라만 센서 시스템(10)는 펄스 변조된 광원(13)과 광섬유 회전자(14), 라만 산란 측정 필터(이하, 라만 필터라 함; 16), 광 검출기(17), ADC(Analog to Digital Converter) 등을 포함한 형태로 구성된다.
상기 광원(13)에서 발생한 입사광이 피측정 광섬유(15)에 전송되면 거리에 따른 빛의 지연이 일어나게 된다. 이에 따라 펄스 형태의 입력 광신호는 후방 거리 분해능을 갖는 산란 신호로 만들어진다. 상기 광섬유(15)로부터 발생된 산란 신호는 상기 라만 필터(16)를 이용하여 서로 다른 파장을 갖는 산란 신호로 구분하게 된다. 상기 광원(13)에서 발생한 입사광과 동일한 파장을 갖는 레일리 산란 신호는 레일리 산란영역(B)에서 수신하게 되며, 온도 변화에 따른 변화 신호를 측정할 수 있는 안티스토크스 산란 신호 및 스토크스 산란 신호는 안티스토크스 산란영역(A) 및 스토크스 산란영역(C)에서 수신하게 된다. 상기 산란영역(A, B, C)에서 수신된 각각의 레일리 산란 신호, 안티스토크스 산란 신호 및 스토크스 산란 신호는 광검출기(17)에서 각각 감지되며, 상기 감지된 신호는 아날로그-디지털 변환기(ADC, 18)에 의해 디지털 신호로 변환된다.
도 2는 도 1의 피측정 광섬유에서 발생하는 후방 산란 신호를 파장 대역에서 나타낸 것으로, 분포 온도를 측정하기 위해 사용되는 라만 센서 시스템은 온도의 영향을 많이 받는 안티스토크스 신호를 이용하여 신호를 감지한다. 안티스토크스의 파장은 입력 주파수에서 10THz 높은 영역에서 발생한다.
도 3은 박막(thin film) 구조 또는 fused coupler 등으로 제작할 수 있으며 입력포트와 출력포트로 구성되어 있는 도 1의 종래의 일반적인 라만 필터를 보다 상세히 도시하였다. 도 1 및 도 3을 참조하면, 종래의 일반적인 라만 필터에서의 신호의 흐름은 광원(13)에서 발생한 입사광이 광섬유 회전자(14)를 통하여 피측정 광섬유(15)로 전송되며, 이에 따라 발생된 산란 신호가 상기 라만 필터(16)의 공통단자를 통하여 입력되어, 레일리 산란 신호, 스토크스 산란 신호 및 안티스토크스 산란 신호로 분리되어 투과된다. 이 투과된 산란 신호가 각각의 광 검출기에 의해 감지되고 아날로그-디지털 변환을 통해 디지털 신호로 출력된다.
도 4는 라만 필터의 파장 특성 및 광섬유 회전자의 파장 특성을 나타내었다. 도 4에 도시된 바와 같이, 일반적인 구조의 라만 센서 시스템의 광섬유 회전자의 파장 특성은 안티스토크스, 레일리, 스토크스의 파장을 모두 수용할 수 있는 파장 특성을 가져야만 한다. 이는 현재 사용되는 라만 센서 시스템의 가장 큰 단점이라 할 수 있다. 이러한 경우, 도 3에 도시된 바와 같은 라만 필터는 공통단자로부터 광 입력 신호를 받아 서로 다른 3개의 파장 영역으로 분리하는 구조이다.
일반적으로, 광섬유 회전자의 대역폭은 대략 50㎚ 정도로 정해져 있다. 따라서, 일반적으로 사용하고 있는 광섬유 회전자는 B와 C 영역의 일부만을 통과할 수 있는 제품들이다. 그러므로, 라만 센서 시스템에 사용할 수 있는 광섬유 회전자는 A, B, C 영역을 모두 통과할 수 있는 특수 제품을 만들어야 한다. 이 경우에 부합되게 특수한 광섬유 회전자를 만들기 위해선, 기존 광섬유 회전자를 만드는 경우 보다 월등히 많은 비용이 소요된다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 기존의 광섬유 회전자를 이용하기 위해 레일리 산란 영역에서의 신호와 공통단자에서의 광신호의 방향이 입력 신호와 출력 신호가 공존하게 형성된 라만 필터를 이용하여 후방 산란광으로부터 라만 신호를 효율적으로 분리, 추출하여 단거리 및 장거리 광섬유의 분포 온도를 측정하는 라만 센서 시스템을 제공하는 것이다
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 단거리 및 장거리 광섬유 분포 온도 측정용 라만 센서 시스템은, 펄스 변조된 입사광을 발생하는 광원; 상기 광원에서 발생된 상기 입사광이 입사되는 피측정 광섬유; 상기 피측정 광섬유에서 발생된 후방 산란 신호를 레일리 산란영역 신호, 스토크스 산란영역 신호 및 안티스토크스 산란영역 신호로 분리하여 투과시키기 위한 레일리 산란단, 스토크스 산란단, 안티스토크스 산란단 및 공통단자를 구비하며, 레일리 산란 영역에서의 신호와 공통단자에서의 광신호의 방향이 입력 신호와 출력 신호가 공존하게 형성된 라만 필터; 상기 레일리 산란단에 연결되며, 상기 공통단자에 상기 측정용 광섬유를 연결시기는 광섬유 회전자; 상기 라만 필터를 투과한 신호를 감지하는 광검출기 및; 상기 광 검출기에서 감지된 신호를 디지털 신호로 변환시키는 아날로그-디지털 변환기를 포함하여 구성됨으로써 달성된다.
상기 광섬유 회전자는 종래의 일반적인 구조의 광섬유 회전자인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 라만 센서 시스템은 레일리 산란 영역에서의 신호와 공통단자에서의 광신호의 방향이 입력 신호와 출력 신호가 공존하게 형성된 라만 필터를 이용하므로, A, B, C 영역을 모두 통과할 수 있는 특수 제품의 광섬유 회전자 대신에 기존의 광섬유 회전자를 이용할 수 있어, 부품의 단가 및 가격 경쟁력에서 현저한 이점을 가질 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 레일리 산란 영역에서의 신호와 공통단자에서의 광신호의 방향이 입력 신호와 출력 신호가 공존하게 형성된 라만 필터를 포함하고 있다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명을 보다 잘 이해할 수 있도록 본 발명에 따른 일실시예를 첨부된 도면 중 도 5 내지 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 센서 시스템의 개략적 구성도이고, 도 7은 도 5의 라만 필터의 상세도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 단거리 광섬유의 분포 온도 측정용 라만 센서 시스템에 관한 것이다.
도 6은 도 5의 라만 필터의 파장 특성 및 광섬유 회전자의 파장 특성을 도시하는데, 1530~1560 ㎚의 파장대역을 가진 기존의 광섬유 회전자의 파장특성이 도시되어 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 펄스변조된 광원(53)에서 발생한 입사광이 피측정 광섬유(56)에 전송되면 거리에 따른 빛의 지연이 일어나게 된다. 이에 따라 펄스 형태의 입력 광신호는 후방 거리 분해능을 갖는 산란 신호로 만들어진다. 상기 광섬유(56)로부터 발생된 산란 신호는 상기 라만 필터(55)를 이용하여 서로 다른 파장을 갖는 산란 신호로 구분하게 된다. 상기 광원(53)에서 발생한 입사광과 동일한 파장을 갖는 레일리 산란 신호는 레일리 산란영역(B)에서 수신하게 되며, 온도 변화에 따른 변화 신호를 측정할 수 있는 안티스토크스 산란 신호 및 스토크스 산란 신호는 안티스토크스 산란영역(A) 및 스토크스 산란영역(C)에서 수신하게 된다. 상기 산란영역(A, B, C)에서 수신된 각각의 레일리 산란 신호, 안티스토크스 산란 신호 및 스토크스 산란 신호는 광검출기(57)에서 각각 감지되며, 상기 감지된 신호는 아날로그-디지털 변환기(ADC, 58)에 의해 디지털 신호로 변환된다.
전술된 바와 같이, 일반적으로 실시되는 라만 센서 시스템은 투과 파장 범위가 매우 넓은 광섬유 회전자를 사용해야 라만 신호를 라만 필터로 전달할 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 필터를 이용한다면, 광섬유 회전자의 대역폭이 영역 B의 영역 만을 회전시키더라도 충분한 결과를 얻을 수 있어, 50㎚의 대역폭을 가진 기존의 광섬유 회전자를 이용할 수 있기 때문에, 비교적 간단하고, 비용면에서 장점을 갖게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 단거리 광섬유 분포 온도 측정용 라만 센서 시스템(50)에서 사용되는 라만 필터(55)의 공통단자는 입력신호와 출력신호가 공존하는 형태를 가지며, 후방으로 산란된 레일리 산란은 광섬유 회전자(54)의 포트 3으로 신호가 전달되어 레일리 산란을 측정한다. 광섬유에서 발생된 레일리 산란으로는 광섬유의 구부림 손실을 측정하여 선로의 변화 및 광원의 출력 변화에 의한 라만 산란 신호 변화 등을 감시 및 보상하는 역활을 한다. 후방 산란 신호인 안티스토크스는 광섬유의 온도에 의한 변화량 및 광섬유의 구부림 손실에 의한 광량 변화가 포함되어 있다. 여기서 구부림 손실에 의한 변화는 레일리 산란을 측정하여 보상하는 방법이 사용된다. 이러한 방식은 수 ㎞ 이내에서 사용하는 방식으로 주로 단거리의 광섬유에서 사용하는 방식(spontaneous raman temperature system)이다.
본 발명에서는 광섬유 회전자(64)가 레일리 산란단에 연결되며, 공통 단자에 광섬유를 연결시키게 배치되어, 펄스 변조된 광원(53)에서 발생된 신호는 상기 광섬유 회전자(54)를 통하여 라만 필터(55)의 영역(A)을 통과하는 필터부분으로 입사한다. 입사한 광신호는 라만 필터(55)의 공통단자를 통하여 피측정 광섬유(56)에 연결된다. 피측정 광섬유(56)에서 발생된 라만 산란 신호는 후방으로 산란하여 라만 필터의 공통단자로 전달되어, 라만 필터의 안티스토크스 및 스토크스 단자로 파장대역이 분리되어 측정된다(도 6 참조). 즉, 본 발명의 라만 센서 시스템은 레일리 산란 영역에서의 신호와 공통단자에서의 광신호의 방향이 입력 신호와 출력 신호가 공존하게 형성된 라만 필터를 사용하므로 인해, 기존의 파장대역을 갖는 광섬유 회전자를 적용할 수 있다.
도 6은 도 5의 라만 필터의 파장 특성 및 광섬유 회전자의 파장 특성을 도시하는데, 도 6을 참조하면, 1530~1560 ㎚의 파장대역을 가진 기존의 광섬유 회전자의 파장특성이 도시되어 있다.
도 7를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 센서 시스템(50)에서 사용되는 라만 필터(55)의 광신호 입력과 출력을 표현한 것으로, 레일리 산란영역(B)와 공통단자에서의 광신호의 방향이 입력과 출력 신호가 공존하는 형태이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 라만 센서 시스템의 개략적 구성에 관한 것으로, 장거리의 광섬유에서 라만 현상을 측정할 수 있는 방식으로 stimulated raman 측정 방식이다.
도 8을 참조하면, 펄스변조된 광원(83)에서 발생한 입사광이 피측정 광섬유(86)에 전송되면 거리에 따른 빛의 지연이 일어나게 된다. 이에 따라 펄스 형태의 입력 광신호는 후방 거리 분해능을 갖는 산란 신호로 만들어진다. 상기 광섬유(86)로부터 발생된 산란 신호는 상기 라만 필터(85)를 이용하여 서로 다른 파장을 갖는 산란 신호로 구분하게 된다. 상기 광원(83)에서 발생한 입사광과 동일한 파장을 갖는 레일리 산란 신호는 레일리 산란영역(B)에서 수신하게 되며, 온도 변화에 따른 변화 신호를 측정할 수 있는 안티스토크스 산란 신호 및 스토크스 산란 신호는 안티스토크스 산란영역(A) 및 스토크스 산란영역(C)에서 수신하게 된다. 상기 산란영역(A, B, C)에서 수신된 각각의 레일리 산란 신호, 안티스토크스 산란 신호 및 스토크스 산란 신호는 광검출기(87)에서 각각 감지되며, 상기 감지된 신호는 아날로그-디지털 변환기(ADC, 88)에 의해 디지털 신호로 변환된다.
상기 실시예는 안티스토크스 산란영역(A)의 파장을 갖는 광원 또는 스토크스 산란영역(C)의 파장을 갖는 광원은 광섬유에서 발생하는 라만 산란 신호를 증폭시키는 역활을 한다는 점을 제외하곤 앞서의 실시예와 동일하다. 즉, 안티스토크스 산란영역(A)의 파장을 갖는 광원 또는 스토크스 산란영역(C)의 파장을 갖는 광원은 광섬유에서 발생하는 라만 산란 신호를 증폭시켜 장거리의 광섬유에서 발생하는 광산란 신호를 정확하게 판별할 수 있도록 만들어 준다. 안티스토크스 및 스토크스에서 발생하는 후방 산란은 레일리 산란으로 펄스 또는 연속동작 상태로 동작을 시킨다. 최종적으로 온도 변화 신호는 안티스토크스 산란영역의 포트 3과 스토크스 산란여역의 포트 3에서 측정되는 신호이다. 이때 수신된 신호는 안티스토크스 산란영역의 포트 1에서 발생한 신호가 라만 필터를 통과하여 피측정 광섬유에 입사되어 후방 산란하는 상기 영역(A)에서의 레일리 산란과 상기 영역(B)에서 발생한 신호가 라만 필터를 통과하여 피측정 광섬유에 전달된후 발생하는 안티스토크스에서 발생하는 후방 라만 산란과 합체하여 발생된 신호이다.
경우에 따라 스토크스 파장영역인 스토크스 산란영역(C)에서 발생한 광원에서 후방 레일리 파장영역인 레일리 산란영역(B)에서 발생한 후방 라만 산란 파장의 결합신호를 측정하여 온도 분포를 측정하는 방식이 사용될 수 있다.
여기서, 광섬유 내에서 발생하는 구부림 손실은 영역(B)에서 측정되는 레일리 산란영역(B) 포트 3의 신호를 참조하여 최종 측정 신호에서 보상해준다.
이상에서, 본 발명의 예시적인 실시 예가 개시되었지만, 당업자라면 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고도 본 발명의 일부 장점을 달성하는 다양한 변형 및 정정이 이루어질 수 있고, 신규한 개념에 대한 그러한 정정이 첨부된 청구항에 의해 커버되고 참조 부호가 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 이해되어서는 안될 것임을 알 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역활을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
도 1은 종래의 일반적인 구조의 라만 센서 시스템의 개략적 구성도.
도 2는 도 1의 피측정 광섬유에서 발생하는 후방 산란 신호의 파장 대역도.
도 3은 도 1의 종래의 일반적인 구조의 라만 필터의 상세도.
도 4는 도 1의 라만 필터의 파장 특성 및 도 1의 광섬유 회전자의 파장 특성 도시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 센서 시스템의 개략적 구성도.
도 6은 도 5의 라만 필터의 파장 특성 및 도 5의 광섬유 회전자의 파장 특성 도시도.
도 7은 도 6의 라만 필터의 상세도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 라만 센서 시스템의 개략적 구성도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10, 50, 80: 분포 온도 측정용 라만 센서 시스템
11, 51, 81: 펄스 발생기 12, 52, 82: 드라이버
13, 53, 83: 광원 14, 54, 84: 광섬유 회전자
15, 56, 86: 피측정 광섬유 15, 55, 85: 라만 필터
17, 57, 87: 광 검출기 18, 58, 88: 아날로그-디지털 변환기

Claims (2)

  1. 펄스 변조된 입사광을 발생하는 광원;
    상기 광원에서 발생된 상기 입사광이 입사되는 피측정 광섬유;
    상기 피측정 광섬유에서 발생된 후방 산란 신호를 레일리 산란영역 신호, 스토크스 산란영역 신호 및 안티스토크스 산란영역 신호로 분리하여 투과시키기 위한 레일리 산란단, 스토크스 산란단, 안티스토크스 산란단 및 공통단자를 구비하며, 레일리 산란 영역에서의 신호와 공통단자에서의 광신호의 방향이 입력 신호와 출력 신호가 공존하게 형성된 라만 필터;
    상기 레일리 산란단에 연결되며, 상기 공통단자에 상기 측정용 광섬유를 연결시기는 광섬유 회전자;
    상기 라만 필터를 투과한 신호를 감지하는 광검출기 및;
    상기 광 검출기에서 감지된 신호를 디지털 신호로 변환시키는 아날로그-디지털 변환기를 포함하여 이루어지는 단거리 및 장거리 광섬유 분포 온도 측정용 라만 센서 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광섬유 회전자는 종래의 일반적인 구조의 광섬유 회전자인 것을 특징으로 하는 단거리 및 장거리 광섬유 분포 온도 측정용 라만 센서 시스템.
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