KR20110047484A - 라만 ｏｔｄｒ 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유 분포형 온도센서(fiber optic distributed temperature sensor)인 라만 OTDR(Optical Time Domain Reflectometer) 센서의 신호 대 잡음비(signal to noise ratio) 향상 및 온도 측정방법에 관한 것으로, 이전의 OTDR 센서에 비해 넓은 폭을 갖는 입력 펄스(Pulse)를 입사시킴으로써 후방 산란광(Back scattering light)의 세기를 증가시켜 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있도록 한 것이다. 측정되는 후방 산란광의 세기를 미분하여 후방산란광 세기의 기울기를 계산함으로써 거리에 따른 온도분포를 측정할 수 있다.

광섬유 분포형 온도센서, 라만 산란, 라만 OTDR, 온도 분포

Description

라만 ＯＴＤＲ 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법{Method for measuring temperature distribution using Raman ＯＴＤＲ temperature sensor}

본 발명은 광섬유 분포형 온도 센서에 관한 것으로, 구체적으로 후방 산란광을 발생시켜 신호대 잡음비를 증가시키고 이때 측정되는 후방 산란광 세기의 기울기를 계산하여 측정 정밀도 및 효율성을 높인 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법에 관한 것이다.

광섬유 센서는 일반적으로 수 밀리미터에서 수 센티미터에 해당하는 매우 작은 측정 영역을 갖도록 제작되어 한 점에 대한 측정을 수행하며 국부적인 영역에서의 측정에 효과적이다.

이러한 광섬유 센서는 다중화가 용이하기 때문에 큰 구조물에 다수의 센서를 설치하여 하나의 센서 시스템으로 측정을 수행할 수 있다. 하지만, 다중 송신에 사용되는 센서의 개수가 제한되기 때문에 대형 구조물과 같이 넓게 분포된 영역에서의 물리량을 측정하기는 어렵다.

반면 분포형 광섬유 센서는 하나의 광섬유를 따라 모든 부분에서 측정이 가능하므로 연속적인 측정량 분포를 얻을 수 있다. 측정거리 또한 수km ~ 수십km 정 도로 매우 길기 때문에 철도, 도로, 터널, 가스관 등의 대형 구조물의 감시에 사용될 수 있다.

분포형 광섬유 센서는 주로 광섬유에서 발생하는 산란을 이용한다.

광섬유에 광을 입사시키면 구성 원자, 분자 등에 의한 산란, 흡수, 재발광 등이 일어난다. 산란광 중에는 입사광과 동일한 파장 성분인 레이리히(Rayleigh) 산란광과 다른 파장성분인 브릴루앙(Brillouin) 산란광과 라만(Raman) 산란광이 존재한다.

광섬유 구성 물질의 격자 열 진동 중에서 횡파모드와 상호작용으로 인한 것은 라만 산란광이라 부르며 석영분자에 흡수되어 열진동의 횡파모드를 여기한 후 재발광하면서 광 에너지를 잃은 장파장의 스톡스(Stokes) 광으로 변환되고 횡파모드를 흡수하여 재 발광하면서 에너지를 얻은 단파장의 안티스톡스(anti-Stokes) 광이 된다.

스톡스 광과 안티 스톡스 광의 파장은 다음과 같다.

여기서,

는 입사광의 파장,

는 anti-Stokes 광의 파장,

는 스톡스 광의 파장,

는 라만 산란에 의한 파수 변천량을 나타낸다.

는 물체의 재질에 따라 달라지는 것으로써 실리카의 경우에 일반적으로 440cm^-1 정도로써 입사광의 파장이 1550nm 일때 스톡스 라만 산란광은 1663nm , 안티 스톡스 라만 산란광은 1451nm의 파장을 가진다.

라만 산란광의 세기는 레일리히(Rayleigh) 산란광에 비해 작지만 레일리히 산란광보다 온도에 대해서 훨씬 더 민감하다. 특히 안티 스톡스 산란광은 스톡스 산란광보다 1/3~1/4 정도의 세기이지만 온도에 대한 감도는 7배 정도 크다.

왜냐하면, 열평형 상태에서 분자진동, 격자진동 등에 의하여 여기된 분자의 수는 절대온도에 직접적 연관이 있기 때문이다.

온도의 계측은 수학식 2에서와 같이 온도 변화에 대한 안티 스톡스 산란광의 세기를 측정하는 방법과 수학식 3에서와 같이 스톡스 광과 안티 스톡스 광의 비

로서 온도를 측정하는 방법이 있다. 후자의 방법은 광원의 파장과 재료가 일정하다면,

는 온도

에 관한 함수이므로

를 측정하는 것에 의한 온도를 계측할 수 있다.

는 Anti-Stokes 후방산란광의 세기,

는 펄스광의 최대 크기,

는 펄스광의 펄스폭,

는 광파이버에서 재결합되는 Anti-Stokes 산란광의비,

는 Anti-Stokes 산란광에 의한 산란계수,

는 거리

에서의 감쇠계수,

는 비례상수,

는 플랑크 상수,

는 진공중의 빛의 속도,

는 주파수 변천량,

는 볼츠만 상수,

는 광파이버의 절대온도를 나타낸다.

그러나 이와 같은 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법은 다음과 같은 문제가 있다.

라만 산란광은 입력 펄스의 세기와 폭에 비례하여 발생하는데 입력 펄스광의 세기는 무한정 크게 할 수는 없으며 또한, 펄스광의 최대 세기가 너무 크면 원치 않는 비선형 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 측정 효율성 및 정밀도를 높이는데 한계가 있다.

그리고 OTDR 센서에서 입력 펄스광의 폭은 거리해상도와 연관되어 입력 펄스광의 폭이 좁을수록 거리해상도가 좋아진다. 하지만 고출력의 폭이 좁은 펄스광 발생은 기술적으로나 가격적으로 쉽지 않다.

또한, 감지부에서도 신호 증폭이 필요한데 증폭기는 이득과 동작대역폭간에 트레이트오프(trade off) 관계가 있어서 고 증폭을 하게 되면 대역폭이 감소한다.

결국 고 증폭을 하게 되면 센서의 거리해상도가 입력광의 펄스폭보다 증폭기의 동작 대역폭에 제한받게 된다.

본 발명은 폭이 넓은 입력 펄스광을 입사하여 라만 후방 산란광의 세기를 증가시켜 측정 단에서 신호 대 잡음비를 향상시킨 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 폭이 넓은 입력 펄스광 광섬유에 입사시킴으로써 후방 산란광을 발생시켜 신호대 잡음비를 증가시키고 이때 측정되는 후방 산란광 세기의 기울기를 계산하여 측정 정밀도 및 효율성을 높인 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 광섬유에 입사되는 입력 펄스광의 폭을 설치된 감지 광섬유의 길이를 기준으로 입력 광이 감지 광섬유의 끝단에서 되돌아와서 도착할 때의 시간을 계산하여 같거나 조금 크게 설정하고 듀티비(duty rate, duty cycle)는 50%로 설정하여 측정 정밀도 및 효율성을 높인 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 라만산란광의 세기를 증가시켜 증폭기의 이득을 낮추어 동작대역폭이 넓은 증폭기를 사용할 수 있도록 하여 거리해상도를 높인 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법은 온도 분포 측정을 위한 입력 펄스광의 폭 및 듀티비를 설정 하는 단계;입력 단에서 광원을 변조시켜 설정된 폭의 펄스광으로 만들어 광순환기를 거쳐 측정용 감지 광섬유에 입사되도록 하는 단계;라만 후면 산란광의 세기를 미분하여 기울기를 계산하는 단계;상기 계산된 기울기를 기준으로 거리에 따른 광섬유의 온도 및 온도 변화 구간을 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 입력 펄스광의 폭 및 듀티비를 설정은,설치된 감지 광섬유의 길이를 기준으로 입력 광이 감지 광섬유의 끝단에서 되돌아와서 도착할 때의 시간을 계산하여 같거나 크게 설정하고 듀티비(duty rate, duty cycle)는 50%로 설정하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 광섬유의 온도 및 온도 변화 구간의 측정시에,온도가 일정한 구간에서는 일정한 기울기를 가지며 점차적으로 산란광의 세기가 증가하다가 가열지역에서는 증가하는 기울기가 커지고, 가열지역이 지나가면 다시 원래의 기울기를 가지며 증가하다가 펄스입력이 사라지면 또 다시 일정한 기울기를 가지며 감소하는 특성을 이용하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 넓은 폭을 갖는 입력 펄스광을 입사시킴으로써 후방 산란광의 세기를 증가시켜 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있다.

둘째, 후방 산란광의 세기를 미분하여 후방산란광 세기의 기울기를 계산함으로써 거리에 따른 온도분포를 효율적으로 측정할 수 있다.

셋째, 입력 펄스광의 폭이 넓기 때문에 펄스제어신호의 발생이 용이하고 고가의 고출력 광원을 사용하지 않아도 된다.

넷째, 감지부에서 대역폭이 넓은 증폭기 사용이 가능하여 거리 해상도를 개선할 수 있다.

다섯째, 신호 대 잡음비가 향상되어 평균화 과정을 줄여 측정 시간을 단축할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 라만 OTDR 온도 센서의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법을 나타낸 플로우차트이다.

본 발명은 폭이 넓은 입력 펄스광 광섬유에 입사시킴으로써 후방 산란광을 발생시켜 신호대 잡음비를 증가시키고 이때 측정되는 후방 산란광 세기의 기울기를 계산하여 측정 정밀도 및 효율성을 높인 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 광섬유 라만 OTDR 온도 센서는 도 1에서와 같이, 입력 단에서 광원(11)을 변조시켜 펄스광으로 만들어 광순환기(12)를 거쳐 측정용 감지 광섬유에 입사하게 되고, 후방 산란광은 후방으로 되돌아 나와서 다시 광순환기(12)와 산란광 필터(13)을 거쳐 광신호 디텍터(14)에서 검출되며 검출된 광 신호는 광신호 증폭기(15)와 신호 처리부(17)를 거쳐 PC(18)로 데이터를 출력하게 된다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법은 도 2에서와 같이, 입력 펄스광의 폭 및 듀티비를 설정한다.(S201)

본 발명에 따른 일실시예에서는 광섬유에 입사되는 입력 펄스광의 폭을 설치된 감지 광섬유의 길이를 기준으로 입력 광이 감지 광섬유의 끝단에서 되돌아와서 도착할 때의 시간을 계산하여 같거나 조금 크게 설정하고 듀티비(duty rate, duty cycle)는 50%로 설정한다.

상기와 같이 입력 펄스광의 폭 및 듀티비를 설정하고 입력 단에서 광원을 변조시켜 펄스광으로 만들어 광순환기를 거쳐 측정용 감지 광섬유에 입사되도록 한다.(S202)

그리고 라만 후면 산란광의 세기를 미분하여 기울기를 계산하여(S203), 거리에 따른 광섬유의 온도 및 온도 변화 구간을 측정한다.(S204)

도 3은 라만 OTDR 온도 센서에서 입력 펄스광과 후방 라만 산란광의 전형적인 광 입출력 그래프를 나타낸 것으로 가로축은 시간축이고 세로축은 광 출력이다.

여기서 가로축인 시간 축은 광섬유 코어(core)에서의 광속을 고려하면 거리로 변환할 수 있기 때문에 도 3과 같은 그래프의 광세기를 측정하여 광섬유의 위치에 따른 온도 분포를 측정할 수 있다.

도 3에서 감지 광섬유의 온도가 일정하다면 후방 산란광은 시간(거리)에 따라 점차적으로 감소하게 된다. 하지만 특정 위치에서 온도가 상승한 가열지역이 존재한다면 그 위치에서는 더 많은 라만산란광의 발생으로 인하여 광 출력이 증가하게 된다.

여기에서 거리해상도는 입력 펄스광의 펄스폭에 매우 의존적이다. 입력 펄스광의 폭이 좁을수록 더욱 정밀하게 위치에 따른 온도분포를 측정할 수 있다.

후방 라만 산란광은 그 세기가 매우 작아서 감지가 용이하지 않으며 신호처리를 위해 많은 증폭이 요구된다. 또한 신호 대 잡음비가 좋지 않아 이를 개선하기 위해 많은 횟수의 평균화과정을 거치게 된다.

수학식 2에서 보면, 후방 라만산란광의 세기는 입력펄스광의 세기와 입력펄스광의 폭에 비례한다. 따라서 후방 산란광의 강도를 증가시키려면 넓은 펄스폭, 고출력의 입력 펄스광이 요구된다.

그러나 넓은 펄스폭은 거리 해상도를 떨어지게 하므로 기존의 측정방법으로는 거리해상도를 희생해야만 한다. 본 발명에서는 새로운 측정방법을 통하여 거리해상도의 희생 없이 넓은 펄스폭을 가진 입력 펄스광을 사용하여 보다 많은 후방 라만 산란광을 취득함으로써 신호 대 잡음비를 개선할 수 있도록 한 것이다.

도 4는 넓은 펄스폭을 가진 입력 펄스광을 사용하였을 때 입력 펄스광과 후방 라만 산란광의 상관관계 및 출력 파형을 나타낸 그래프이고, 도 5는 넓은 펄스폭을 가진 입력 펄스광을 사용하였을 때의 온도에 따른 후방 라만 산란광의 출력 파형 그래프이다.

도 4는 넓은 펄스폭을 가진 입력 펄스광을 좁은 펄스폭을 가진 입력 펄스광의 합으로 간주하고, 이 때 예상되는 후방 라만산란광을 표현한 것이다.

도 4에서처럼 입력펄스광을

, 후방 라만산란광을

로 하면 각각은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서

는 입력 펄스광을 좁은 펄스광으로 분리했을 때 각각의 펄스광을 표현한 것이고,

는 각각의 좁은 펄스광에 의한 후방 라만산란광을 표현한 것이다.

도 4에서와 같이 넓은 펄스폭을 가진 입력 펄스광을 좁은 펄스광의 합으로 간주할 경우, 전체 후방 라만산란광은 각각의 좁은 펄스광에 의한 후방 라만산란광의 합으로 간주할 수 있다.

따라서 이전의 좁은 펄스광을 입사하는 방법에 비해 후방 산란광의 세기가 커지게 된다.

도 4에서 전체 후방 라만산란광 그래프를 보면 온도가 일정한 구간에서는 일정한 기울기를 가지며 점차적으로 산란광의 세기가 증가하다가 가열지역에서는 증가하는 기울기가 커지게 된다.

가열지역이 지나가면 다시 원래의 기울기를 가지며 증가하다가 펄스입력이 사라지면 또 다시 일정한 기울기를 가지며 감소하게 된다. 따라서 감지 광섬유 전체 거리에서 라만 후면 산란광의 기울기를 계산함으로써 광섬유의 온도와 온도가 변화한 구간을 측정할 수 있다.

도 5는 펄스폭이 20㎲ 인 입력 펄스광을 2km 길이의 감지광섬유에 입사하고 감지광섬유 전체를 온도 챔버에 넣고 24℃, 74℃, 104℃에서 각각 측정한 결과이다. 높은 온도에서 증가하는 기울기가 커짐을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법은 폭이 넓은 입력 펄스광 광섬유에 입사시킴으로써 후방 산란광을 발생시켜 신호대 잡음비를 증가시키고 이때 측정되는 후방 산란광 세기의 기울기를 계산하여 측정 정밀도 및 효율성을 높인 것이다.

본 발명이 속하는 기술 분야에서 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 라만 OTDR 온도 센서의 구성도

도 2는 본 발명에 따른 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법을 나타낸 플로우차트

도 3은 라만 OTDR 온도 센서에서 입력 펄스광과 후방 라만 산란광의 전형적인 광 입출력 그래프

도 4는 넓은 펄스폭을 가진 입력 펄스광을 사용하였을 때 입력 펄스광과 후방 라만 산란광의 상관관계 및 출력 파형을 나타낸 그래프

도 5는 넓은 펄스폭을 가진 입력 펄스광을 사용하였을 때의 온도에 따른 후방 라만 산란광의 출력 파형 그래프

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

11.광원 12. 광순환기

13. 산란광 필터 14. 광신호 디텍터

15. 광신호 증폭기 16. 제어부

17. DAQ 18. PC

Claims (3)

1. 온도 분포 측정을 위한 입력 펄스광의 폭 및 듀티비를 설정하는 단계;

   입력 단에서 광원을 변조시켜 설정된 폭의 펄스광으로 만들어 광순환기를 거쳐 측정용 감지 광섬유에 입사되도록 하는 단계;

   라만 후면 산란광의 세기를 미분하여 기울기를 계산하는 단계;

   상기 계산된 기울기를 기준으로 거리에 따른 광섬유의 온도 및 온도 변화 구간을 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 입력 펄스광의 폭 및 듀티비를 설정은,

   설치된 감지 광섬유의 길이를 기준으로 입력 광이 감지 광섬유의 끝단에서 되돌아와서 도착할 때의 시간을 계산하여 같거나 크게 설정하고 듀티비(duty rate, duty cycle)는 50%로 설정하는 것을 특징으로 하는 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 광섬유의 온도 및 온도 변화 구간의 측정시에,

   온도가 일정한 구간에서는 일정한 기울기를 가지며 점차적으로 산란광의 세기가 증가하다가 가열지역에서는 증가하는 기울기가 커지고,

   가열지역이 지나가면 다시 원래의 기울기를 가지며 증가하다가 펄스입력이 사라지면 또 다시 일정한 기울기를 가지며 감소하는 특성을 이용하는 것을 특징으로 하는 라만 OTDR 온도센서에서의 온도 분포 측정 방법.

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