KR20110086214A - A laser wavelength stabilized simultaneous multipoint fiber bragg grating acousto-ultrasonic sensing system - Google Patents

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    • G01H9/00Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/004Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors

Abstract

PURPOSE: A laser wavelength stabilized simultaneous multipoint fiber bragg grating acousto-ultrasonic sensing system is provided to demodulate a plurality of strain-free fiber bragg grating acousto-ultrasonic sensors having identical spectrums using a single short wavelength variable laser. CONSTITUTION: A laser wavelength stabilized simultaneous multipoint fiber bragg grating acousto-ultrasonic sensing system comprises a short wavelength variable laser source(110), a 1xn beam splitter(120), n strain-free fiber bragg grating acousto-ultrasonic sensors(130), n photo-circulators(140), an asymmetric beam splitter(150), a power sensor(160), n photo-detectors(170), and an n+1 channel measurement and control unit(180). The short wavelength variable laser source irradiates a laser beam with variable wavelength. The 1xn beam splitter branches off the short wavelength variable laser beam provided from the short wavelength variable laser source. The n strain-free fiber bragg grating acousto-ultrasonic sensors demodulate and reflect the optical signals provided from the 1xn beam splitter. The n photo-circulators transmit the optical signals that are demodulated and reflected by the n strain-free fiber bragg grating acousto-ultrasonic sensors. The asymmetric beam splitter is connected to the n strain-free fiber bragg grating acousto-ultrasonic sensors via the photo-circulators. The power sensor is connected to the asymmetrical beam splitter. The n photo-detectors receive and detect the optical signals from the n photo-circulators. The n+1 channel measurement and control unit is connected to the power sensor and the n photo-detectors and receive the optical signals.

Description

레이저 파장 안정화 다점 동시 광섬유브래그격자 음향초음파 센싱 시스템{A laser wavelength stabilized simultaneous multipoint fiber Bragg grating acousto-ultrasonic sensing system}Laser wavelength stabilized simultaneous multipoint fiber Bragg grating acousto-ultrasonic sensing system

본 발명은 광섬유브래그격자 음향초음파 센싱 시스템에 관한 것으로서, 특히 기존의 광섬유브래그격자 음향초음파센서를 사용하지 않고 동일한 스펙트럼을 가진 변형률 무감 광섬유브래그격자 센서들을 사용하여 변형률이 동반된 상황에서도 음향초음파 센싱이 다점에서 동시에 가능하도록 하고, 또한 온도변화에 의해 광섬유브래그격자가 이동하여 광섬유브래그격자의 주협의 가파른 기울기 영역이 단폭파장가변레이저의 초기 파장 설정에서 벗어나 단폭복조 조건이 성립되지 않는 문제를 여러 채널에 연결된 광섬유 브래그 격자 중 하나의 반사광량의 일부를 파워센서를 통해 모니터링함으로써 광섬유브래그격자의 레이저조사파장 이탈여부, 이동방향, 이탈속도, 광섬유굽힘손실 등을 고려하여 새로운 스펙트럼 스캔영역과 스캔간격을 자동으로 도출하고 스펙트럼을 재획득 한 후 상기 단폭복조 조건을 자동으로 재회복하도록 하는 레이저 파장 안정화 다점 동시 광섬유브래그격자 음향초음파 센싱 시스템에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensing system. In particular, an ultrasonic wave sensing is performed even in a situation where strain is accompanied by using strain-free fiber Bragg grating sensors having the same spectrum without using a conventional optical fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensor. It is possible to enable multiple points at the same time, and also to solve the problem that the temperature of the fiber Bragg grating moves due to temperature change, so that the steep slope region of the main narrow of the fiber Bragg grating does not deviate from the initial wavelength setting of the short-wavelength tunable laser and the short-width demodulation condition is not established. By monitoring a part of the reflected light of one of the optical fiber Bragg gratings connected with the power sensor, the new spectrum scan area and scan interval can be determined by considering whether the optical fiber Bragg grating is out of the laser irradiation wavelength, moving direction, separation speed, and fiber bending loss. Automatically The present invention relates to a laser wavelength stabilized multi-point simultaneous optical fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensing system for deriving and reacquiring the short width demodulation condition automatically after reacquiring the spectrum.

도 1a,1b 를 참조하여 현재까지 규명된 광섬유브래그격자를 이용한 음향초음파 센싱 원리를 설명하자면, 단폭파장가변레이저의 레이저빔을 광섬유브래그격자를 포함하는 광섬유 내에 조사하고 레이저빔의 파장을 광섬유브래그격자 스펙트럼의 주엽의 가파른 기울기 부분, 즉 동적영역(dynamic range)에 일치시키고 음향초음파가 광섬유브래그격자를 변조시킬 때 발생하는 다량의 반사 광량의 변화를 광순환기를 통해 광검출기(photodetector)로 복조한다. 단폭파장가변레이저는 광대역광원과 협대역 광필터의 조합으로 대체될 수도 있으나 감도가 현격히 감소한다. 이러한 센싱 기법을 광섬유브래그격자의 단폭복조방식이라 부른다. 도 1b에서 λ1 는 동적영역의 하한, λ2 는 동적영역의 상한, λM 은 광섬유브래그격자 스펙트럼의 절반 높이에서의 파장을 의미한다. Referring to FIGS. 1A and 1B, the principle of acoustic ultrasonic sensing using the optical fiber Bragg grating, which has been clarified, is irradiated to the laser beam of the short-wavelength variable laser into the optical fiber including the optical fiber Bragg grating and the wavelength of the laser beam Demodulates a large amount of reflected light that occurs when the acoustic ultrasonic waves modulate the optical fiber Bragg grating to the steep slope portion of the main lobe of the grating spectrum, ie the dynamic range, and demodulates it with the photodetector. . The short-wavelength tunable laser can be replaced by a combination of a broadband light source and a narrowband optical filter, but the sensitivity is greatly reduced. This sensing technique is called the short width demodulation method of the optical fiber Bragg grating. In FIG. 1B, λ 1 is the lower limit of the dynamic region, λ 2 is the upper limit of the dynamic region, and λ M is the wavelength at half the height of the optical fiber Bragg grating spectrum.

도 2 를 참조하여 독일 DaimlerChrysler AG사에 의해 도 1a,1b 를 통해 설명한 원리를 기반으로 2003년에 개발된 광섬유브래그격자 센서를 이용한 음향초음파 센싱 시스템[문헌1]을 설명하자면, 파장영역다중화(wavelength domain multiplexing)는 가능하나 레이저가 단일파장만을 출력하기 때문에 한 선에 다중화된 모든 광섬유브래그격자들을 동시에 복조하는 방식이 아닌 순차적 복조만이 가능하다. 따라서 실시간으로 이루어지는 구조손상 및 충격에 의한 음향방출파를 감지할 때는 단일 센서만 작동할 수 있다. 또한 구조변형 및 온도변화가 동반된 상황에서는 음향초음파 센싱이 불가능하다. 도 2에서 Tunable laser는 단폭파장가변레이저, fiber coupler는 광분할기, FBG는 광섬유브래그격자, photo receiver는 광검출기, Data acquisition은 데이터 계측 장치를 의미한다. Referring to FIG. 2, an acoustic ultrasonic sensing system using an optical fiber Bragg grating sensor developed in 2003 by DaimlerChrysler AG, Germany, based on the principle described with reference to FIGS. 1A and 1B will be described. Domain multiplexing is possible, but since the laser only outputs a single wavelength, only sequential demodulation is possible, not a method of simultaneously demodulating all the fiber Bragg gratings multiplexed in one line. Therefore, only a single sensor can operate when detecting acoustic emission waves caused by structural damage and impact in real time. In addition, acoustic ultrasonic sensing is not possible in situations involving structural deformation and temperature change. In FIG. 2, a tunable laser is a short-wavelength tunable laser, a fiber coupler is an optical splitter, an FBG is an optical fiber Bragg grating, a photo receiver is an optical detector, and data acquisition is a data measuring device.

도 3a,3b 를 참조하여 한국과학기술연구원 연구팀에 의해 2005년 개발된 광섬유브래그격자 센서를 이용한 음향초음파 센싱 시스템[문헌2]을 설명하자면, 광대역광원과 패브리패롯 필터를 결합하는 방식으로 단폭파장가변레이저가 파장영역에서 단일 피크를 가지는 반면 이 구성에서는 복수의 피크를 만들어 낼 수 있다. 그러나 피크의 선폭이 넓고 광대역광원의 출력이 낮아 감도가 현저히 낮아지는 단점을 가진다. 또한 준정적변형률과 느린 온도변화를 Peltier 온도 보상 회로를 통해 패브리패롯 필터의 피크를 동적영역내에 안정화시키는 시스템을 구축하였으나 패브리패롯 필터가 만들어내는 피크들 각각을 독립적으로 제어할 수 없기 때문에 복수의 광섬유브래그격자들이 동일한 준정적변형률과 온도변화를 겪을 때만 파장영역다중화가 가능하다. 실제 구조의 경우 분포된 센서들이 각각 다른 변형률과 온도변화를 겪기 때문에 일체형 구조건전성모니터링(Integrated structural health monitoring)을 위한 센싱 시스템으로 부적절하다. 도 3a에서 BBS는 광대역소스, Tunable F-P filter는 파장가변형 패브리 패롯 필터, WDM coupler는 파장영역다중화 광분기기, PD는 광검출기, DAQ&DSP는 신호 계측 및 처리기를 의미한다. Referring to FIGS. 3A and 3B, an ultrasonic ultrasonic sensing system using a fiber Bragg grating sensor developed in 2005 by a research team of the Korea Institute of Science and Technology [Document 2] will be described. While the variable laser has a single peak in the wavelength range, this configuration can produce multiple peaks. However, the peak width is wide and the output of the broadband light source has a disadvantage that the sensitivity is significantly lowered. In addition, we have constructed a system that stabilizes the peaks of Fabry-Parrot filters in the dynamic range through quasi-static strain and slow temperature changes through the Peltier temperature compensation circuit.However, each of the peaks produced by the Fabry-Parrot filters cannot be controlled independently. Wavelength multiplexing is only possible when Bragg lattice experiences the same quasi-static strain and temperature change. In the case of real structures, the distributed sensors are subject to different strains and temperature variations, making them inadequate as sensing systems for integrated structural health monitoring. In FIG. 3A, BBS is a broadband source, Tunable F-P filter is a tunable Fabry parot filter, WDM coupler is a wavelength domain multiplexed optical splitter, PD is a photodetector, and DAQ & DSP is a signal measurement and processor.

도 4a,4b 를 참조하여 일본 동경공과대학 연구팀에 의해 2006년 개발된 단장 광섬유브래그격자 센서를 이용한 음향초음파 센싱 시스템[문헌3]을 설명하자면, 광대역광원과 다채널 파장영역 다중화 필터를 방식으로 광섬유브래그격자의 양쪽 동적영역을 모두 복조에 활용하지만 다채널 파장영역 다중화 필터의 스펙트럼 선폭이 패브리패롯 필터에 비해 더 넓기 때문에 감도의 증가를 획득할 수는 없었다. 또한 한국과학기술연구원 연구팀의 시스템이 가진 단점과 마찬가지로, 빠른 온도변화나 동적 변형률이 동반된 경우 동시 다점 측정이 불가능하다. 도 4a에서 SLD(super luminescent diode)는 광대역소스, AWG(Arrayed waveguide grating)는 다채널 파장영역다중화 광필터를 의미한다. Referring to FIGS. 4A and 4B, an ultrasonic ultrasonic sensing system using a short-length optical fiber Bragg grating sensor developed in 2006 by a research team of the Tokyo University of Technology, Japan [Document 3] will be described in the optical fiber using a broadband light source and a multi-channel wavelength domain multiplexing filter. Both dynamic ranges of Bragg gratings are used for demodulation, but the increased sensitivity cannot be obtained because the spectral line width of the multichannel wavelength domain multiplexing filter is wider than the Fabry-Parlot filter. In addition, similar to the disadvantages of the research team of the Korea Institute of Science and Technology, simultaneous multi-point measurement is impossible in case of rapid temperature change or dynamic strain. In FIG. 4A, a super luminescent diode (SLD) refers to a broadband source, and an arrayed waveguide grating (AWG) refers to a multichannel wavelength domain multiplexed optical filter.

도 5a,5b 를 참조하여 일본 산업기술총합연구소 연구팀에 의해 2007년 개발되어 일본Ishikawagima 사에 기술 이전된 무부엽 광섬유브래그격자(Apodized fiber Bragg grating) 센서와 밀집형 패브리패롯 필터 한 쌍을 이용한 음향초음파 센싱 시스템[문헌4]을 설명하자면 큰 동적변형률 및 온도변화가 동반된 상황에서도 음향초음파를 항상 복조해 낼 수 있다. 그러나 광대역광원과 패브리-패롯 필터를 사용하기 때문에 감도가 낮고 다점 동시 측정을 위해서는 감도가 계속해서 저하될 수 밖에 없고 채널 확장에 따른 시스템 가격 증가율이 크다. 도 5a에서 FFP, FP는 패브리 패롯 필터, ASE(Amplified spontaneous emission는 증폭자연방출, AFBG(Apodized FBG)는 무부협 광섬유브래그격자, OC(Optical circulator)는 광순환기를 의미한다. Acoustic ultrasonic waves using a pair of apodized fiber Bragg grating sensors and a dense Fabry Parrot filter developed in 2007 by a research team of the Japan Institute of Industrial Technology and transferred to Ishikawagima, Japan, with reference to FIGS. 5A and 5B. In the sensing system [4], it is possible to always demodulate the ultrasonic waves, even in the presence of large dynamic strain and temperature change. However, the use of a broadband light source and Fabry-Parlot filter results in low sensitivity, which inevitably reduces the sensitivity for multi-point simultaneous measurement, and increases the system price due to channel expansion. In FIG. 5A, FFP and FP are Fabry parot filters, ASE (Amplified spontaneous emission is amplified natural emission, AFBG (Apodized FBG) is an unpaired fiber Bragg grating, and OC (Optical circulator) means an optical circulator).

종합하자면, 구조일체형 광섬유 센서를 이용하여 구조건전성모니터링을 수행하기 위해서는 구조가 운용되는 동안에 발생하는 동적변형률 상황과 환경적인 온도변화 상황에도 외부 충격이나 재료 손상에 의해 발생하는 음향방출파를 실시간으로 여러 지점에서 동시에 검출할 수 있어야 한다. 그러나 상술한 종래의 시스템들은 운용 중이 아닌 정적 상태에서 초음파 발생기를 통해 생성된 초음파를 검출하는 수준이거나, 준정적변형율이나 느린 온도변화에 대해 복조조건을 유지할 수 있는 안정화 기술을 가지고 있거나, 감도가 낮고 동시다점 측정이 불가능한 문제점이 있다. 상술한 종래 기술들의 비교는 아래의 표 1 과 같다. In summary, in order to perform structural integrity monitoring using the integrated structured fiber optic sensor, the acoustic emission wave generated by external shock or material damage in real time even during dynamic strain situation and environmental temperature change during structure operation is It should be possible to detect at the same time at the point. However, the above-mentioned conventional systems have a level of detecting ultrasonic waves generated by an ultrasonic generator in a static state when not in operation, or have a stabilization technique capable of maintaining demodulation conditions against quasi-static strain or slow temperature change, or have low sensitivity. There is a problem that simultaneous multi-point measurement is impossible. Comparison of the above-described prior arts is shown in Table 1 below.

기관Agency 시스템system 센서sensor 의도된
시스템 기능
Intended
System function
감도Sensitivity 변형율 및 온도변화 동반상황Strain and temperature change
단일 지점Single point 다점
동시측정
Multipoint
Simultaneous measurement
Daimler
Chrysler AG사
Daimler
Chrysler AG
단폭파장가변레이저Short Width Wavelength Lasers 광섬유
브래그
격자
Fiber optic
Bragg
grid
정적상태에서 다중화센서를 이용한 초음파계측 Ultrasonic Measurement Using Multiplexing Sensor in Static State 우수Great 불가능impossible 불가능impossible
한국과학기술연구원Korea Institute of Science and Technology 광대역광원 및 패브리패롯 필터Broadband and Fabry Parrot Filters 광섬유
브래그
격자
Fiber optic
Bragg
grid
정적상태에서 다중화센서를 이용한 음향방출검출Acoustic Emission Detection Using Multiplexing Sensor in Static State 보통usually 준정적변형율 및 느린 온도변화에 가능Possible for quasi-static strain and slow temperature changes 불가능impossible
동경공과대학Tokyo Institute of Technology 광대역광원 및 다채널 파장영역 다중화 필터Broadband Light Source and Multi-Channel Wavelength Multiplexing Filter 단장
광섬유
브래그
격자
leader
Fiber optic
Bragg
grid
정적상태에서 다중화센서를 이용한 초음파계측Ultrasonic Measurement Using Multiplexing Sensor in Static State 낮음lowness 준정적변형율 및 느린 온도변화에 가능Possible for quasi-static strain and slow temperature changes 불가능impossible
일본산업기술총합연구소Japan Institute of Industrial Technology 광대역광원 및 밀집형 이중 패브리패롯 필터Broadband and Dense Dual Fabry Parot Filters 무부협 광섬유
브래그
격자
Untapped fiber
Bragg
grid
동적변형률 및 빠른 온도변화 동반상황에서의 음향방출검출Acoustic Emission Detection with Dynamic Strain and Rapid Temperature Change 보통usually 동적변형률 및 빠른 온도변화에 가능Possible for dynamic strain and fast temperature changes 부적합incongruity

선행문헌정보Prior literature information

[문헌1] D C Betz, G Thursby, B Culshaw, W J Staszewski, Acousto-ultrasonic sensing using fiber Bragg grating, Smart Materials and Structures, 12 (2003) 122-128.D C Betz, G Thursby, B Culshaw, W J Staszewski, Acousto-ultrasonic sensing using fiber Bragg grating, Smart Materials and Structures, 12 (2003) 122-128.

[문헌2] H J Bang, S M Jun, C G Kim, Stabilized interrogation and multiplexing techniques for fibre Bragg grating vibration sensors, Measurement Science and Technology, 16 (2005) 813-820.H J Bang, S M Jun, C G Kim, Stabilized interrogation and multiplexing techniques for fiber Bragg grating vibration sensors, Measurement Science and Technology, 16 (2005) 813-820.

[문헌3] T Fujisue, K Nakamura, S Ueha, Demodulation of Acoustic Signals in Fiber Bragg Grating Ultrasonic Sensors Using Arrayed Waveguide Gratings, Japanese Journal of Applied Physics, 45 (2006) 4577-4579.T Fujisue, K Nakamura, S Ueha, Demodulation of Acoustic Signals in Fiber Bragg Grating Ultrasonic Sensors Using Arrayed Waveguide Gratings, Japanese Journal of Applied Physics, 45 (2006) 4577-4579.

[문헌4] J R Lee, H Tsuda, Y Akimune, Apodized fibre Bragg grating acousto-ultrasonic sensor under arbitrary strain using Fabry-Perot filters, Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, 9 (2007) 95-100. J R Lee, H Tsuda, Y Akimune, Apodized fiber Bragg grating acousto-ultrasonic sensor under arbitrary strain using Fabry-Perot filters, Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, 9 (2007) 95-100.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 높은 감도를 유지할 수 있는 단폭파장가변레이저를 사용하고, 또한 센서의 설치 위치 별 온도차이가 큰 경우 단장 및 무부협 광섬유브래그격자를 활용하여 동적영역을 추가적으로 확대시키고, 또한 구조가 큰 동적변형율이 동반되더라도 광섬유브래그격자의 스펙트럼이 이동되지 않도록 하고. 또한 온도변화에 의해 발생하는 광섬유브래그격자의 스펙트럼 이동은 광섬유브래그격자의 스펙트럼의 이동방향, 이동속도, 굽힘에 의한 광손실을 지능적으로 판단하여 자동으로 스펙트럼을 재획득하고 단폭 복조 조건을 재유지할 수 있도록 레이저 파장이 자동으로 제어되고, 또한 동일한 스펙트럼을 가진 광섬유브래그격자를 단폭파장가변레이저의 높은 출력을 이용하여 분기하여 복조함으로써 다점에서 동시에 동적변형율 및 빠른 온도변화가 동반된 상황에서도 음향초음파를 검출할 수 있도록 된 레이저 파장 안정화 다점 동시 광섬유브래그격자 음향초음파 센싱 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention is to solve the above problems, by using a short-wavelength tunable laser that can maintain a high sensitivity, and when the temperature difference by the installation location of the sensor is large, by utilizing the short and unpaired fiber Bragg grating It further expands the dynamic range and also prevents the spectra of the fiber Bragg grating from shifting even when the structure is accompanied by a large dynamic strain. In addition, the spectral shift of the optical fiber Bragg grating due to temperature change can automatically reacquire the spectrum and maintain the short-width demodulation condition by intelligently determining the optical loss due to the moving direction, the moving speed, and the bending of the spectrum of the optical fiber Bragg grating. The laser wavelength is automatically controlled so that the fiber Bragg grating with the same spectrum can be branched and demodulated by using the high output of the short-wavelength variable laser to achieve acoustic ultrasonic waves even in the presence of dynamic strain and rapid temperature change at multiple points. An object of the present invention is to provide a laser wavelength stabilized multi-point simultaneous optical fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensing system that can be detected.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 레이저 파장 안정화 다점 동시 광섬유브래그격자 음향초음파 센싱 시스템은, 파장가변이 가능한 레이저빔을 조사하는 단폭파장가변 레이저빔 조사부와; 단폭파장가변 레이저빔 조사부에서 입사되는 단폭파장가변 레이저빔을 n채널로 분기하는 1×n 빔분기기와; 1×n 빔분기기에서 분기되어 입사되는 광신호를 변조 반사하는 광섬유브래그격자 기반 n개의 변형율 무감 음향초음파 센서부와; 광섬유브래그격자 기반 n개의 변형율 무감 음향초음파 센서부에 의해 변조 반사되는 광신호를 송신하는 n개의 광순환기와; 광섬유브래그격자 기반 n개의 변형율 무감 음향초음파 센서부의 n개의 광섬유브래그격자 스펙트럼 중 평균적인 파장특성을 갖는 광섬유브래그격자 기반 변형율 무감 음향초음파 센서부에 광순환기를 거쳐 연결되는 비대칭 빔분기기와; 비대칭 빔분기기에 연결되는 파워센서와; n개의 광순환기로부터 광신호를 수신하여 검출하는 n개의 광검출기와; 파워센서 및 n개의 광검출기에 연결되어 광신호를 수신하며 단폭파장가변 레이저빔 조사부에서 조사되는 레이저빔의 파장을 안정화하는 n+1채널 계측 및 제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the laser wavelength stabilizing multi-point simultaneous optical fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensing system according to the present invention comprises: a short-wavelength variable wavelength laser beam irradiation unit for irradiating a laser beam having a variable wavelength; A 1 × n beam splitter for branching the short width variable wavelength laser beam incident from the short width variable wavelength laser beam irradiation unit into n channels; N strain-sensitive acoustic ultrasonic sensors based on optical fiber Bragg grating for modulating and reflecting an optical signal incident upon branching from a 1 × n beam splitter; N optical cycles for transmitting an optical signal modulated and reflected by the optical fiber Bragg grating-based n strain-sensitive acoustic ultrasonic sensor unit; An asymmetric beam splitter connected to an optical fiber Bragg grating based strain-free acoustic ultrasonic sensor unit having an average wavelength characteristic among n optical fiber Bragg grating spectra of the n-strain-sensitive acoustic ultrasonic sensor unit based on the optical fiber Bragg grating; A power sensor connected to the asymmetric beam splitter; n photodetectors for receiving and detecting optical signals from the n optical cyclers; And an n + 1 channel measurement and control unit connected to a power sensor and n photodetectors for receiving an optical signal and stabilizing a wavelength of the laser beam irradiated from the short-wavelength wavelength variable laser beam irradiation unit.

여기에서, 상기 단폭파장가변 레이저빔 조사부는 선폭이 좁고, 파장가변영역은 광섬유브래그격자 기반 n개의 변형율 무감 음향초음파 센서부의 온도변화에 의한 광섬유브래그격자의 파장이동영역을 포함하며, 최대 CW 출력파워는 광섬유에 손상이 없는 수준에서 높게 설정될 수 있는데, 선폭이 1 MHz 이하, 파장가변영역은 0.05 nm 이상, 중간 파장은 1465 nm에서 1630 nm 사이에 있으며, 최대 CW 출력파워는 0.5 mW 이상일 수 있다. Here, the short-wavelength variable wavelength laser beam irradiation unit has a narrow line width, the wavelength variable region includes the wavelength shift region of the optical fiber Bragg grating due to the temperature change of the n strain-sensitized acoustic ultrasonic sensor unit based on the optical fiber Bragg grating, the maximum CW output The power can be set high at the level where there is no damage to the optical fiber. The line width is below 1 MHz, the wavelength variable region is above 0.05 nm, the intermediate wavelength is between 1465 nm and 1630 nm, and the maximum CW output power can be above 0.5 mW. have.

또한, 상기 1×n 빔분기기는 센싱 시스템의 채널 수(n)를 결정하며, 상기 비대칭 빔분기기는 50% 미만의 분기가 가능하며, 두개의 포트 중 50% 미만의 포트는 파워센서에 연결될 수 있다. In addition, the 1 × n beam splitter determines the number of channels (n) of the sensing system, the asymmetric beam splitter is capable of branching less than 50%, less than 50% of the two ports can be connected to the power sensor have.

또한, 상기 광섬유브래그격자 기반 n개의 변형율 무감 음향초음파 센서부는 1×n 빔분기기에서 분기되어 입사되는 광신호가, 충격 및 손상에 의해 발생되는 음향방출파 및 가진기에 의해 생성되는 음향초음파에 의해 광섬유 코어 내에 새겨진 굴절율 격자로부터 변조 반사될 수 있다. In addition, the optical fiber Bragg grating-based n strain-sensitized acoustic ultrasonic sensor unit is the optical fiber core by the acoustic ultrasonic wave generated by the acoustic emission wave and the excitation caused by the impact and damage of the optical signal branched from the 1 × n beam splitter It can be modulated and reflected from the refractive index grating engraved therein.

또한, 상기 광섬유브래그격자 기반 n개의 변형율 무감 음향초음파 센서부는 동일한 스펙트럼을 가지며, 구조의 변형률이 광섬유브래그격자에 전달되지 않는 센서로서, n개의 센서들 상호간의 온도차이가 클수록 광섬유브래그격자의 동적영역이 넓은 광섬유브래그격자를 가질 수가 있는데, 상기 구조의 변형률이 광섬유브래그격자에 전달되지 않는 센서는 one-end-free 조건을 갖는 광섬유브래그격자 음향초음파 센서 혹은 압력 커플링 조건을 갖는 광섬유브래그격자 음향초음파 센서일 수 있다. In addition, the n-strain-based acoustic ultrasonic sensor unit based on the optical fiber Bragg grating has the same spectrum, the strain of the structure is not transmitted to the optical fiber Bragg grating, the larger the temperature difference between the n sensors, the greater the dynamic range of the optical fiber Bragg grating It is possible to have a wide optical fiber Bragg grating, the sensor in which the strain of the structure is not transmitted to the optical fiber Bragg grating, the fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensor with one-end-free condition or the fiber Bragg grating acoustic ultrasonic with pressure coupling condition It may be a sensor.

또한, 상기 n+1채널 계측 및 제어부는 광검출기로부터 수신한 광신호를 대역통과필터를 거친 후 디지털 신호로 변환할 수 있다, The n + 1 channel measurement and control unit may convert the optical signal received from the photodetector into a digital signal after passing through a band pass filter.

또한, 상기 n+1채널 계측 및 제어부는 파워센서로부터 획득한 단폭파장가변 레이저빔 조사부의 광섬유브래그격자 파장이동에 대한 정보를 이용하여 단폭파장가변 레이저빔 조사부에서 조사되는 레이저빔의 파장을 안정화할 수 있는데, 파워센서로부터 획득한 단폭파장가변 레이저빔 조사부의 현재 레이저빔 파장에서의 변형율 무감 음향초음파 센서부의 광섬유브래그격자로부터 반사된 파워를 실시간으로 분석하고, 광섬유브래그격자의 동적영역의 이동방향, 레이저빔 파장으로부터의 이탈여부, 이탈 시의 파장이동속도, 광섬유의 굽힘손실 이벤트를 구별하여 새로운 스캔영역과 스캔간격을 자동으로 결정한 후, 새로운 레이저빔 파장을 광섬유브래그격자의 동적영역내로 재이동시킴으로써 단폭파장가변 레이저빔 조사부에서 조사되는 레이저빔의 파장을 안정화할 수 있다. In addition, the n + 1 channel measurement and control unit uses the information on the wavelength shift of the optical fiber Bragg grating of the short-wavelength variable laser beam irradiation unit obtained from the power sensor to measure the wavelength of the laser beam irradiated from the short-wavelength wavelength variable laser beam irradiation unit It is possible to stabilize, but analyzes the power reflected from the optical fiber Bragg grating of the short-wavelength variable laser beam irradiator obtained from the power sensor in the current laser beam wavelength in real time, and analyzes the power of the dynamic region of the Automatically determine the new scan area and scan interval by distinguishing the moving direction, the deviation from the laser beam wavelength, the wavelength moving speed at the time of departure, and the bending loss event of the optical fiber, and then converting the new laser beam wavelength into the dynamic region of the fiber Bragg grating Of the laser beam irradiated from the short-wavelength wavelength variable laser beam The wavelength can be stabilized.

본 발명에 따르면, 단일 단폭파장가변레이저를 이용하여 복수의 동일 스펙트럼을 가진 변형률 무감 광섬유브래그격자 음향초음파 센서들을 복조할 수 있을 뿐만 아니라 구조의 변형률이 광섬유브래그격자에 전달되지 않기 때문에 온도에 의해 일어나는 광섬유브래그격자의 동적영역이 레이저조사파장을 이탈하는 현상만 파워센서에서 획득한 신호를 이용하여 모니터링하고, 동적영역을 벗어날 때의 온도변화율을 계측할 수 있고, 이를 바탕으로 새로운 스펙트럼 획득을 획득하여 새로운 최적 레이저조사파장을 결정할 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, a single short-wavelength tunable laser can demodulate a plurality of same-spectrum strain-sensitive fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensors as well as temperature because the strain of the structure is not transmitted to the fiber Bragg grating. Only the phenomenon in which the dynamic region of the optical fiber Bragg grating deviates from the laser irradiation wavelength can be monitored by using the signal obtained from the power sensor, and the temperature change rate when leaving the dynamic region can be measured, thereby obtaining a new spectrum acquisition. Therefore, the new optimum laser irradiation wavelength can be determined.

또한 센서들이 모두 동일한 스펙트럼을 가지기 때문에 단일 레이저조사파장으로 여러 센서를 동시에 복조할 수 있으며 광섬유브래그격자의 길이 및 굴절율 프로파일을 조절하여 충분한 동적영역을 확보한다면 센서들이 설치된 지점 상호간에 온도차이가 나더라도 레이저조사파장은 모든 센서의 동적영역들 내에 위치하기 때문에 이 경우 역시 여러 센서를 동시에 복조해 낼 수 있는 효과가 있다. In addition, since the sensors all have the same spectrum, it is possible to demodulate several sensors simultaneously with a single laser irradiation wavelength. Even if there is a temperature difference between the points where the sensors are installed, if a sufficient dynamic range is obtained by adjusting the length and refractive index profile of the fiber Bragg grating, Since the laser irradiation wavelength is located in the dynamic regions of all sensors, this case also has the effect of demodulating several sensors simultaneously.

도 1a,1b 는 종래의 광섬유브래그격자 음향초음파 센서 및 시스템의 작동 원리를 설명하는 도면.
도 2 는 종래의 독일 DaimlerChrysler AG사에서 개발된 광섬유브래그격자 및 단폭파장가변레이저를 이용한 음향초음파 센싱 시스템을 설명하는 도면.
도 3a,3b 는 종래의 한국과학기술연구원 연구팀에서 개발한 광섬유브래그격자 및 패브리-패롯 필터를 이용한 음향초음파 센싱 시스템을 설명하는 도면.
도 4a,4b 는 종래의 일본 동경공과대학 연구팀에서 개발한 광섬유브래그격자 및 다채널 파장영역다중화 빔분기기를 이용한 음향초음파 센싱 시스템을 설명하는 도면.
도 5a,5b 는 종래의 일본 산업기술종합연구소 연구팀에서 개발한 무부협 광섬유브래그격자 및 밀집협 패브릿패롯 필터 한 쌍을 이용한 음향초음파 센싱 시스템을 설명하는 도면.
도 6 은 본 발명에 따른 레이저 파장 안정화 다점 동시 음향초음파 센싱 시스템을 도시한 도면.
도 7 은 본 발명에 따른 동일 스펙트럼을 가지는 광섬유브래그격자들의 특성을 설명하는 도면.
도 8 은 본 발명에 따른 광섬유 음향초음파 격자센서(fiber acoustic wave grating sensor)를 설명하는 도면.
도 9 는 본 발명에 따른 광섬유 음향초음파 격자센서에서 센싱 광섬유의 길이(l)의 변화를 통한 1차 공진주파수(f 1 ) 결정 기법을 설명하는 도면.
도 10 은 본 발명에 따른 광섬유 및 코팅의 재료 변화를 통한 공진주파수(f 1 ) 결정 기법을 설명하는 도면.
도 11a,11b,11c 는 본 발명에 따른 압력 커플링 광섬유브래그격자 음향초음파 센서(pressure-coupled fiber Bragg grating acoustic sensor)를 설명하는 도면.
도 12 는 본 발명에 따른 광섬유브래그격자의 길이 조절을 통한 동적영역 결정 기법을 설명하는 도면.
도 13a,13b 는 본 발명에 따른 레이저빔의 파장을 안정화를 위한 알고리즘을 보여주는 도면.
도 14a,14b,14c 는 본 발명에 따른 레이저빔의 파장을 안정화하는 동안에 발생하는 주요 이벤트를 설명하는 도면.
도 15a,15b,15c 는 본 발명에 따른 레이저 파장 안정화 다점 동시 광섬유브래그격자 음향초음파 센싱 시스템을 통해 변형률과 온도변화가 동반된 상황에서 측정된 충격유도 음향방출파를 설명하는 도면.
1A and 1B illustrate the principle of operation of a conventional optical fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensor and system;
2 is a view illustrating an acoustic ultrasonic sensing system using an optical fiber Bragg grating and a short-wavelength variable laser developed by DaimlerChrysler AG, Germany.
3A and 3B are views illustrating an acoustic ultrasonic sensing system using an optical fiber Bragg grating and a Fabry-Parrot filter developed by a research team of the Korea Advanced Institute of Science and Technology.
4A and 4B are views illustrating an acoustic ultrasonic sensing system using a fiber Bragg grating and a multi-channel wavelength domain multiplexed beam splitter developed by a Japanese research team at the Tokyo University of Technology.
5A and 5B are views illustrating an acoustic ultrasonic sensing system using a pair of unpaired optical fiber Bragg gratings and dense narrow fabric parrot filters developed by a research team of the Japan Institute of Industrial Technology.
6 illustrates a laser wavelength stabilized multi-point simultaneous acoustic ultrasonic sensing system in accordance with the present invention.
7 is a view for explaining characteristics of optical fiber Bragg gratings having the same spectrum according to the present invention.
8 illustrates an optical fiber acoustic wave grating sensor according to the present invention.
9 is a view illustrating a first resonant frequency ( f 1 ) determination technique by varying the length ( l ) of the sensing optical fiber in the optical fiber acoustic ultrasonic grating sensor according to the present invention.
10 is a diagram illustrating a resonant frequency ( f 1 ) determination technique through material change of an optical fiber and a coating according to the present invention.
11a, 11b, 11c illustrate a pressure-coupled fiber Bragg grating acoustic sensor in accordance with the present invention;
12 is a view illustrating a dynamic region determination technique by controlling the length of an optical fiber Bragg grating according to the present invention.
13A and 13B show an algorithm for stabilizing a wavelength of a laser beam according to the present invention.
14A, 14B and 14C illustrate the main events that occur during stabilizing the wavelength of a laser beam in accordance with the present invention.
15A, 15B, and 15C are diagrams illustrating shock induced acoustic emission waves measured in a situation where strain and temperature change are accompanied by a laser wavelength stabilized multi-point simultaneous optical fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensing system according to the present invention;

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.

본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다. Specific features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims are to be interpreted in accordance with the technical idea of the present invention based on the principle that the inventor can properly define the concept of the term in order to explain his invention in the best way. It should be interpreted in terms of meaning and concept. It is to be noted that the detailed description of known functions and constructions related to the present invention is omitted when it is determined that the gist of the present invention may be unnecessarily blurred.

도 6 에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 파장 안정화 다점 동시 광섬유브래그격자 음향초음파 센싱 시스템은 단폭파장가변 레이저빔 조사부(110), 1×n 빔분기기(120), n개의 변형율 무감 음향초음파 센서부(130), n개의 광순환기(140), 비대칭 빔분기기(150), 파워센서(160), n개의 광검출기(170) 및 n+1채널 계측 및 제어부(180)를 포함하여 이루어진다. 이때, 상기 빔분기기(120), 광순환기(140), 비대칭 빔분기기(150) 및 광검출기(170)는 사용되는 레이저빔의 파장을 포함하여야 한다. As shown in FIG. 6, the laser wavelength stabilizing multi-point simultaneous optical fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensing system according to the present invention has a short-wavelength variable laser beam irradiator 110, a 1 × n beam splitter 120, and n strain-free acoustics. Ultrasonic sensor unit 130, n optical circulator 140, asymmetric beam splitter 150, power sensor 160, n photo detector 170 and n + 1 channel measurement and control unit 180 is made of . In this case, the beam splitter 120, the optical circulator 140, the asymmetric beam splitter 150, and the photodetector 170 should include the wavelength of the laser beam used.

상기 단폭파장가변 레이저빔 조사부(110)는 파장가변이 가능한 레이저빔을 조사하는데, 특히 선폭이 좁고, 파장가변영역은 광섬유브래그격자 기반 n개의 변형율 무감 음향초음파 센서부(130)의 온도변화에 의한 광섬유브래그격자의 파장이동영역을 포함하며, 최대 CW 출력파워는 광섬유에 손상이 없는 수준에서 높게 설정될 수 있다. 구체적으로는, 선폭이 1 MHz 이하, 파장가변영역은 0.05 nm 이상, 중간 파장은 1465 nm에서 1630 nm 사이에 있으며, 최대 CW 출력파워는 0.5 mW 이상인 것이 바람직하다. The short wavelength tunable laser beam irradiator 110 irradiates a laser beam having a variable wavelength, and in particular, has a narrow line width, and the wavelength variable region has a temperature variation of the n strain-sensitive acoustic ultrasonic sensor unit 130 based on the optical fiber Bragg grating. By including the wavelength moving region of the optical fiber Bragg grating, the maximum CW output power can be set high at a level that is not damaged to the optical fiber. Specifically, the line width is 1 MHz or less, the wavelength variable region is 0.05 nm or more, the intermediate wavelength is 1465 nm to 1630 nm, and the maximum CW output power is preferably 0.5 mW or more.

상기 1×n 빔분기기(120)는 단폭파장가변 레이저빔 조사부(110)에서 입사되는 단폭파장가변 레이저빔을 n채널로 분기하는데, n은 센싱 시스템의 채널 수(n)를 결정한다. The 1 × n beam splitter 120 branches the short-wavelength variable laser beam incident from the short-wavelength variable laser beam irradiation unit 110 into n channels, where n determines the number of channels n of the sensing system.

상기 n개의 변형율 무감 음향초음파 센서부(130)는 1×n 빔분기기(120)에서 분기되어 입사되는 광신호를 변조 반사하는데, 구체적으로는 1×n 빔분기기(120)에서 분기되어 입사되는 광신호가 충격 및 손상에 의해 발생되는 음향방출파 및 가진기에 의해 생성되는 음향초음파에 의해 광섬유 코어 내에 새겨진 굴절율 격자로부터 변조 반사된다. The n strain-sensitive acoustic ultrasonic sensor unit 130 modulates and reflects an optical signal incident upon branching from the 1 × n beam splitter 120, specifically, the optical beam branched from the 1 × n beam splitter 120. The arc is modulated and reflected from the refractive index grating engraved in the optical fiber core by acoustic emission waves generated by impact and damage and acoustic ultrasonic waves generated by the exciter.

특히, 상기 채널 별로 연결되는 광섬유브래그격자 기반 n개의 변형율 무감 음향초음파 센서부(130)는 가능한 한 동일한 스펙트럼, 즉 같은 반사율과 같은 스펙트럼 모양, 같은 파장을 가질 수 있다. 일반적으로 광섬유브래그격자를 동일한 제작장비에서 동일한 온도 및 광섬유 장력을 통해 제작할 경우에는 동일한 스펙트럼을 가진다. 도 7 은 세 개의 광섬유브래그격자에 대한 스펙트럼이며 이 경우 동적영역의 파장들이 서로 일치하는 주엽의 오른쪽 동적영역을 사용하는 것이 유리하며 왼쪽을 사용할 경우에는 스펙트럼 파장에 있어서 평균적인 특성을 가진 센서 1을 선택하는 것이 유리하다. In particular, the n-strain-sensitized acoustic ultrasonic sensor unit 130 based on the optical fiber Bragg grating connected to each channel may have the same spectrum, that is, the same reflectance and the same spectral shape and the same wavelength. In general, when the optical fiber Bragg grating is manufactured by the same temperature and fiber tension in the same manufacturing equipment has the same spectrum. 7 is a spectrum of three optical fiber Bragg gratings, in which case it is advantageous to use the right dynamic region of the main lobe where the wavelengths of the dynamic regions coincide with each other. It is advantageous to choose.

그리고, 상기 광섬유브래그격자 기반 n개의 변형율 무감 음향초음파 센서부(130)는 구조의 변형률이 광섬유브래그격자에 전달되지 않는 센서로서, n개의 센서들 상호간의 온도차이가 클수록 광섬유브래그격자의 동적영역이 넓은 광섬유브래그격자를 가질 수 있다. The n strain-sensitive acoustic ultrasonic sensor unit 130 based on the optical fiber Bragg grating is a sensor in which the strain of the structure is not transmitted to the optical fiber Bragg grating. As the temperature difference between the n sensors increases, the dynamic range of the optical fiber Bragg grating increases. It can have a wide optical fiber Bragg grating.

상기 구조의 변형률이 광섬유브래그격자에 전달되지 않는 센서는 one-end-free 조건을 갖는 광섬유브래그격자 음향초음파 센서 혹은 압력 커플링 조건을 갖는 광섬유브래그격자 음향초음파 센서일 수 있다. 즉, 변형율 무감 구조를 위해 대표적으로 도 8 과 같이, one-end-free 조건을 가진 광섬유 음향초음파 격자 센서(fiber acoustic wave grating sensor)일 수 있고, 광섬유 음향초음파 격자 센서는 공진형 센서로서 응용에 따라 one-end-free 조건에 있는 센싱 광섬유의 길이(l)의 변화에 의해 도 9 와 같이 1차 공진주파수(f 1 )를 결정할 수 있으며 도 10a,10b,10c 와 같이 광섬유 및 코팅의 재료를 적절히 선택함으로써 기계적 물성인 초음파전파속도(c f )를 제어하여 공진주파수(f 1 )를 결정할 수가 있다. The sensor in which the strain of the structure is not transmitted to the optical fiber Bragg grating may be an optical fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensor having a one-end-free condition or an optical fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensor having a pressure coupling condition. That is, for the strain-insensitive structure, as shown in FIG. 8, it may be a fiber acoustic wave grating sensor having a one-end-free condition, and the fiber acoustic wave grating sensor is a resonance type sensor. along the optical fiber and coating material as in the one-end-free by the change of the sensing optical fiber length (l) in a condition to determine the primary resonant frequency (f 1) as shown in Fig. 9 and Fig. 10a, 10b, 10c By appropriate selection, the resonant frequency f 1 can be determined by controlling the ultrasonic wave propagation speed c f , which is a mechanical property.

또한 도 11a,11b,11c 와 같이 압력 커플링 광섬유브래그격자 음향초음파 센서(pressure-coupled fiber Bragg grating acoustic sensor)일 수 있다. 구체적으로는, 실리콘의 두께와 센서헤드의 두께의 합이 센서커버의 중앙 홈의 깊이보다 수십 마이크로미터 크게 제작하고 센서커버의 양쪽 두 다리를 압력이 가해진 상태에서 구조물에 접착함으로써 실리콘의 탄성에 의해 광섬유브래그격자를 포함하고 있는 센서헤드는 구조물에 밀착되게 된다. 상기 압력 커플링에도 음향초음파는 접착방식과 비교하여, 광섬유브래그격자에 큰 손실 없이 전달된다. It may also be a pressure-coupled fiber Bragg grating acoustic sensor as shown in Figure 11a, 11b, 11c. Specifically, the thickness of the silicon and the thickness of the sensor head is tens of micrometers larger than the depth of the center groove of the sensor cover, and the two sides of the sensor cover are bonded to the structure under pressure, thereby the elasticity of the silicon The sensor head containing the fiber Bragg grating is in close contact with the structure. Acoustic ultrasonic waves are also transmitted to the optical fiber Bragg grating without significant loss even in the pressure coupling.

또한 광섬유브래그격자의 길이는 복수의 센서들의 위치에서 상호간의 온도차를 고려하여 결정되며 상호간의 온도차이가 클수록 광섬유브래그격자의 길이가 짧은, 즉 동적영역이 넓은 광섬유브래그격자를 사용한다. 도 12 에서 보는 바와 같이 1 mm 광섬유는 280 pm의 동적영역을 제공하기 때문에 모니터링 대상인 광섬유브래그격자를 포함하는 센서의 온도에 비해 약 ±14℃의 차이가 발생하여도 동시 복조될 수 있다. 5mm 및 10mm 광섬유브래그격자는 각각 약 ±6℃와 ±3℃ 이상의 온도 차이를 허락하지 않는다. 광섬유 음향초음파 격자 센서의 경우, 또 다른 조건으로, 설정하고자 하는 공진주파수가 높을수록 센싱 광섬유의 길이가 짧아지기 때문에 함께 광섬유브래그격자의 길이도 짧아져야 함을 고려해야 한다. In addition, the length of the optical fiber Bragg grating is determined in consideration of the temperature difference between each other at the position of the plurality of sensors, and the larger the temperature difference between each other, the shorter the length of the optical fiber Bragg grating, that is, the wider the dynamic region of the Bragg grating. As shown in FIG. 12, since a 1 mm optical fiber provides a dynamic range of 280 pm, even when a difference of about ± 14 ° C. is generated compared to a temperature of a sensor including an optical fiber Bragg grating to be monitored, it may be simultaneously demodulated. 5mm and 10mm fiber Bragg gratings do not allow temperature differences of more than about ± 6 ° C and ± 3 ° C, respectively. In the case of the optical fiber acoustic grating sensor, as another condition, the higher the resonant frequency to be set, the shorter the length of the sensing fiber should be taken into account.

상기 n개의 광순환기(140)는 광섬유브래그격자 기반 n개의 변형율 무감 음향초음파 센서부(130)에 의해 변조 반사되는 광신호를 송신한다. The n optical circulators 140 transmit optical signals that are modulated and reflected by the n strain-sensitive acoustic ultrasonic sensor unit 130 based on the optical fiber Bragg grating.

상기 비대칭 빔분기기(150)는 광섬유브래그격자 기반 n개의 변형율 무감 음향초음파 센서부(130)의 n개의 광섬유브래그격자 스펙트럼 중 평균적인 파장특성을 갖는 광섬유브래그격자 기반 변형율 무감 음향초음파 센서부(130)에 광순환기(140)를 거쳐 연결된다. 상기 비대칭 빔분기기(150)는 50% 미만의 분기가 가능하며, 두개의 포트 중 50% 미만의 포트는 파워센서(160)에 연결될 수 있다. The asymmetric beam splitter 150 is an optical fiber Bragg grating based strain-free acoustic ultrasonic sensor unit 130 having an average wavelength characteristic of the n optical fiber Bragg grating spectrum of the n optical fiber Bragg grating based on the optical fiber Bragg grating Is connected via an optical circulator 140. The asymmetric beam splitter 150 may be branched less than 50%, and less than 50% of the two ports may be connected to the power sensor 160.

상기 파워센서(160)는 비대칭 빔분기기(150)에 연결되고, 상기 n개의 광검출기(170)는 n개의 광순환기(140)로부터 광신호를 수신하여 검출한다. The power sensor 160 is connected to the asymmetric beam splitter 150, and the n photodetectors 170 receive and detect the optical signals from the n optical cyclers 140.

상기 n+1채널 계측 및 제어부(180)는 파워센서(160) 및 n개의 광검출기(170)에 연결되어 광신호를 수신하며, 단폭파장가변 레이저빔 조사부(110)에서 조사되는 레이저빔의 파장을 안정화한다. 이때, 상기 n+1채널 계측 및 제어부(180)는 광검출기(170)로부터 수신한 광신호, 즉 음향초음파신호를 대역통과필터를 거친 후에 디지털 신호로 변환할 수 있다. The n + 1 channel measurement and control unit 180 is connected to the power sensor 160 and n photodetectors 170 to receive an optical signal, and the laser beam irradiated from the short-wavelength wavelength variable laser beam irradiation unit 110. Stabilize the wavelength. In this case, the n + 1 channel measurement and control unit 180 may convert the optical signal received from the photodetector 170, that is, the acoustic ultrasonic signal, after passing through the band pass filter, into a digital signal.

그리고, 상기 n+1채널 계측 및 제어부(180)는, 구체적으로 파워센서(160)로부터 획득한 단폭파장가변 레이저빔 조사부(110)의 광섬유브래그격자 파장이동에 대한 정보를 이용하여 단폭파장가변 레이저빔 조사부(110)에서 조사되는 레이저빔의 파장을 안정화하는데, 좀 더 구체적으로는, 파워센서(160)로부터 획득한 단폭파장가변 레이저빔 조사부(110)의 현재 레이저빔 파장에서의 변형율 무감 음향초음파 센서부(130)의 광섬유브래그격자로부터 반사된 파워를 실시간으로 분석하고, 광섬유브래그격자의 동적영역의 이동방향, 레이저빔 파장으로부터의 이탈여부, 이탈 시의 파장이동속도, 광섬유의 굽힘손실 이벤트를 구별하여 새로운 스캔영역과 스캔간격을 자동으로 결정한 후, 새로운 레이저빔 파장을 광섬유브래그격자의 동적영역내로 재이동시킴으로써 단폭파장가변 레이저빔 조사부(110)에서 조사되는 레이저빔의 파장을 안정화할 수가 있다. In addition, the n + 1 channel measurement and control unit 180 is a short-wavelength wavelength using information about the wavelength shift of the optical fiber Bragg grating of the short-wavelength variable laser beam irradiation unit 110 obtained from the power sensor 160 in detail. Stabilizing the wavelength of the laser beam irradiated from the variable laser beam irradiation unit 110, more specifically, the strain rate at the current laser beam wavelength of the short-wavelength variable wavelength laser beam irradiation unit 110 obtained from the power sensor 160 Analyze the power reflected from the optical fiber Bragg grating of the unsensitized acoustic ultrasonic sensor unit 130 in real time, and the moving direction of the optical fiber Bragg grating, the deviation from the laser beam wavelength, the wavelength moving speed at the time of departure, the bending of the optical fiber By identifying the lost events and automatically determining the new scan area and scan interval, the new laser beam wavelength is moved back into the dynamic range of the fiber Bragg grating. Chapter blasting it is possible to stabilize the wavelength of the laser beam emitted from a tunable laser beam irradiation section 110.

광섬유브래그격자 파장 이동에 따른 레이저빔의 파장을 안정화하는 알고리즘은 도 13a,13b 에 나타나 있다. 도 13a,13b 에서 보는 바와 같이, 레이저빔의 파장 안정화 제어 알고리즘은 도 13a 의 전처리 프로세스(pre-process)에 따라 레이저의 파장을 이동하는 스캐닝을 통해 도 14a 에 보이는 것처럼, 초기 스펙트럼을 획득한 후 스펙트럼의 왼쪽 동적영역을 기준으로 설명하면, 실제로는 불연속적인 샘플링 본질 때문에 0.1과 0.8에 가장 가까운 샘플파워를 가지는 점들에서 동적영역의 하한(λ 1)과 상한(λ 2)이 결정되고 해당 파워들은 P 1P 2로 표시된다. 레이저조사파장(λ L)은 대칭적 동적 영역을 가질 수 있도록 중점((λ 1+λ 2)/2)에 위치된다.
An algorithm for stabilizing the wavelength of the laser beam according to the optical fiber Bragg grating wavelength shift is shown in FIGS. 13A and 13B. As shown in Figs. 13A and 13B, the wavelength stabilization control algorithm of the laser beam is obtained after the initial spectrum is acquired, as shown in Fig. 14A through scanning to shift the wavelength of the laser according to the pre-process of Fig. 13A. In terms of the left dynamic region of the spectrum, the lower limit ( λ 1 ) and the upper limit ( λ 2 ) of the dynamic range are determined and the powers are determined at points with sample power closest to 0.1 and 0.8 due to the discrete sampling nature. It is represented by P 1 and P 2 . The laser irradiation wavelength λ L is located at the midpoint (( λ 1 + λ 2 ) / 2) so as to have a symmetric dynamic region.

본 발명에 따른 레이저 파장 안정화 다점 동시 광섬유브래그격자 음향초음파 센싱 시스템은 변형율 무감 센서를 기반으로 하기 때문에 이 동적영역은 순수하게 온도 변화 관리에만 사용될 수 있다. 다음 단계로 도 13b 의 피드백 제어 알고리즘으로 넘어가게 된다. 피드백 제어 알고리즘은 기록 프로세스(logging process), 모니터링 프로세스(monitoring process), 그리고 갱신 프로세스(updating process)의 세 가지 프로세스로 구성된다. 기록 프로세스 동안에 시스템은 파워미터를 통해 광섬유브래그격자로부터 반사된 레이저조사파장에서의 초기스펙트럼의 최대값으로 정규화된 출력을 기록한다. 기록의 시간 간격은 0.1s 이하로 설정하며 기록된 출력은 역시 정규화되고 P(λ L)로 표시된다. 기록 프로세스가 끝났을 때 시스템은 광섬유브래그격자 스펙트럼의 이동 방향을 확인하고 동적영역을 벗어나는지를 판단하기 위한 모니터링 프로세스를 시작한다. 전처리프로세스에서 문턱파워(threshold power)의 하한(P TH1)과 상한(P TH2)이 함께 세팅되어졌는데 도 14a 와 같이 λ 1의 바로 다음 샘플점과 λ 2 바로 전의 샘플점의 파워로 정의된다. 문턱파워 파장은 다음과 같이 표현될 수 있다. Since the laser wavelength stabilizing multi-point simultaneous optical fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensing system according to the present invention is based on a strain-insensitive sensor, this dynamic region can be used purely for temperature change management. The next step goes to the feedback control algorithm of FIG. 13B. The feedback control algorithm consists of three processes: a logging process, a monitoring process, and an updating process. During the recording process, the system records the normalized output to the maximum value of the initial spectrum at the laser irradiation wavelength reflected from the fiber Bragg grating through the power meter. The time interval of recording is set to 0.1 s or less and the recorded output is also normalized and denoted by P (λ L ). At the end of the recording process, the system starts a monitoring process to determine the direction of movement of the fiber Bragg grating spectrum and to determine if it is out of the dynamic range. The lower limit of the threshold power (threshold power) in the pre-treatment process (P TH1) and upper (P TH2) is right of the λ 1 as shown in Fig. Jyeotneunde is set with 14a defined in the following sampling point and λ 2 directly power of sample points before. The threshold power wavelength can be expressed as follows.

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서 λ S는 파장 스캐닝 간격을 나타낸다. 그런 다음, 시스템은 도 13b 에 있는 부등식 P(λ L)<P TH1P(λ L)>P TH2를 기초로 정규 반사 파워와 문턱 파워를 비교하여 광섬유브래그격자 스펙트럼이 λ TH1<λ L<λ TH2를 만족하는지를 판단한다. 이를 통해 광섬유브래그격자 스펙트럼의 움직이는 방향을 확인할 수 있다. 만약 정규 반사 파워가 P(λ L)<P TH1를 만족하면 광섬유브래그격자 스펙트럼의 방향은 오른쪽으로 이동하는 것이고 온도 증가를 의미한다. 반대로 P(λ L)>P TH2를 만족하면 왼쪽으로 이동하는 것이고 온도 감소를 의미한다. 두 부등식을 만족하지 않으면 동적 영역 내에서 복조조건이 유지되고 있으므로 기록 프로세스로 돌아가게 된다. 만약 두 부등식 중 하나를 만족하게 되면 계측하고자 하는 음향초음파의 감도가 현격히 감소하거나 기형의 파형으로 복조되게 된다. 그래서 시스템은 새로운 레이저조사파장을 결정하기 위한 갱신 프로세스를 필요로 하게 된다. Where λ S represents the wavelength scanning interval. Then, the system compares the normal reflection power and the threshold power based on the inequality P (λ L ) < P TH1 and P (λ L )> P TH2 in FIG. 13B, so that the optical fiber Bragg grating spectrum is λ TH1 < λ L < It is determined whether λ TH2 is satisfied. Through this, the moving direction of the optical fiber Bragg grating spectrum can be confirmed. If the normal reflected power satisfies P (λ L ) < P TH1 , the direction of the fiber Bragg grating spectrum is shifted to the right, indicating an increase in temperature. Conversely, if P (λ L )> P TH2 is satisfied, it is shifted to the left, which means a decrease in temperature. If the two inequalities are not satisfied, the demodulation condition is maintained in the dynamic range, and the process returns to the recording process. If one of the two inequalities is satisfied, the sensitivity of the ultrasonic wave to be measured is greatly reduced or demodulated into a malformed waveform. Thus, the system needs an update process to determine the new laser irradiation wavelength.

이를 위해 먼저 모니터링 프로세스에 두 개의 카운터, C TH1C TH2가 준비된다. 이 카운터는 정규 반사 파워가 P TH1(P TH2)이 P 1(P 2)으로 변화하는 과정 동안, 즉 모니터링 프로세스 동안 소요된 전체 모니터링 시간(T m)을 결정하기 위해 사용된다. 다시 말해 한 파장 스캔 간격을 이동하는 동안에 걸린 시간이 된다. 도 13b 에서 보는 바와 같이, 전체 모니터링 시간은 기록 프로세스의 기록 시간 간격 △t를 해당 카운터의 전체 카운트 수에 곱해서 결정된다. 모니터링 프로세스 동안에, 만약 정규 반사 파워가 두 부등식 P(λ L)<P TH1, P(λ L)>P TH2을 만족하지 않으면 카운터들은 0으로 재설정된다. 반면, 만약 온도증가(온도감소)에 대해 P(λ L)<P TH1(P(λ L)>P TH2)를 만족하면 C TH2(C TH1)가 0으로 재설정되고 다른 카운터는 1만큼 증가하게 된다.For this purpose, two counters, C TH1 and C TH2, are first prepared for the monitoring process. This counter is used to determine the total monitoring time ( T m ) spent during the course of the normal reflected power from P TH1 ( P TH2 ) to P 1 ( P 2 ). In other words, the time taken to shift one wavelength scan interval. As shown in Fig. 13B, the total monitoring time is determined by multiplying the recording time interval [Delta] t of the recording process by the total count number of the counter. During the monitoring process, the counters are reset to zero if the normal reflected power does not satisfy two inequalities P (λ L ) < P TH1 , P (λ L )> P TH2 . On the other hand, if P (λ L ) < P TH1 ( P (λ L )> P TH2 ) is met for temperature increase (decrease), then C TH2 ( C TH1 ) is reset to zero and the other counter is increased by one. do.

모니터링 프로세스에서 정규 반사 파워가 그 다음 부등식 P<P(λ 1) 혹은 P>P(λ 2)를 만족하면 시스템은 새로운 레이저조사파장을 결정하기 위한 갱신 프로세스로 넘어가게 된다. 이 때 스캔 시간을 줄이기 위해 단지 광섬유브래그격자 스펙트럼의 한쪽 경사부만 스캔한다. 그리고 스캔영역과 스캔간격은 온도보상 피드백 제어를 지속하기 위해서는 자동적으로 결정되어져야 한다. 일단 정규 반사 파워가 P<P(λ 1) 혹은 P>P(λ 2)를 만족했다면 피드백 제어 알고리즘은 광섬유브래그격자 스펙트럼이 동적 영역의 절반((λ 2-λ 1)/2)만큼 이동했음을 판단한다. 그러나 중요한 것은 그 스펙트럼이 스캐닝을 위해 요구되는 시간 동안 계속 이동한다는 것이다. 다시 말해서, 스캐닝이 끝난 후의 실제 파장 이동은 (λ 2-λ 1)/2보다 클 가능성이 매우 높다. 스캐닝 동안에 계속 이동하는 스펙트럼을 고려하기 위해서, 평균 파장 이동속도를 도입하는데 전체 모니터링 시간과 현재의 스캔 간격을 이용해서 다음과 같이 정의된다. If the normal reflected power in the monitoring process then meets the inequality P < P ( λ 1 ) or P > P ( λ 2 ), the system proceeds to an update process to determine the new laser irradiation wavelength. At this time, only one slope of the optical fiber Bragg grating spectrum is scanned to reduce the scan time. The scan area and scan interval must be determined automatically to maintain temperature compensation feedback control. Once the normal reflected power satisfies P < P ( λ 1 ) or P > P ( λ 2 ), the feedback control algorithm indicates that the fiber Bragg grating spectrum has shifted by half of the dynamic range (( λ 2 - λ 1 ) / 2). To judge. But the important thing is that the spectrum keeps moving for the time required for scanning. In other words, the actual wavelength shift after scanning is very likely greater than ( λ 2 1 ) / 2. In order to take into account the spectrum moving continuously during scanning, the average wavelength travel velocity is introduced as follows using the total monitoring time and the current scan interval.

Figure pat00002
Figure pat00002

다음으로 상기 수학식을 이용하여 스캐닝 동안에 예상되는 파장이동을 다음과 같이 표현할 수 있다. Next, the wavelength shift expected during scanning may be expressed as follows using the above equation.

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서 N은 새로운 스캔영역에 포함된 전체 샘플수이고 t s 는 스캔 샘플링 시간이다. 그래서 새로운 스캔영역의 종료파장(λ stop , new)은 아래와 같이 결정된다. Where N is the total number of samples included in the new scan area and Δ t s is the scan sampling time. Thus, the end wavelengths ( λ stop , new ) of the new scan region are determined as follows.

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서 λ max는 광섬유브래그격자 스펙트럼의 최대 반사율에서의 파장이다. 스캔영역의 시작파장(λ start , new)과 관련하여 예측된 전체 파장 이동량((λ 2-λ 1)/2+△λ e)을 더하지 않고 이전 시작파장 λ 1이 계속 사용된다. 왜냐하면 그림 14b 에 설명된 것처럼 시스템이 광섬유 네트워크에서 일어날 수 있는 섬유굽힘손실(fiber bending loss)을 온도 증가의 이벤트로 오해할 수 있기 때문이다. 그래서 수학식 4 에 있는 스캔 영역의 크기는 섬유굽힘손실에서도 광섬유브래그격자 스펙트럼을 놓치지 않는다. 그런 다음 스캐닝을 위한 새로운 파장간격이 아래와 같이 결정된다. Where λ max is the wavelength at the maximum of reflectivity of the fiber Bragg grating spectrum. The scan area start wavelength start, new) and the predicted full-related wavelength shift amount ((λ 2 - λ 1) / 2 + △ λ e) prior to the start without further a wavelength of λ 1 is still used. This is because, as illustrated in Figure 14b, the system can misunderstand the fiber bending loss that can occur in a fiber optic network as an event of increased temperature. Thus, the size of the scan area in Equation 4 does not miss the optical fiber Bragg grating spectrum even in fiber bending loss. Then the new wavelength spacing for scanning is determined as follows.

Figure pat00005
Figure pat00005

새로운 스캔영역의 크기와 스캔간격이 자동으로 결정된 다음, 시스템은 스캔을 시작하고 점 O로부터 오른쪽으로 스캔한다. 이 때 관련된 이벤트는 도 14c 에 나타냈다. 도 14c 의 왼쪽에서 첫 번째 그래프는 P(λ L)=P 1 순간에서의 스펙트럼이지만 시스템은 이 스펙트럼을 실제로 획득할 필요는 없다. 실제로는 시스템이 N개의 샘플점을 가지고 두 번째 그래프를 획득하게 된다. 스펙트럼이 스캔 동안에도 계속 움직이기 때문에 이 스펙트럼은 실제 광섬유브래그격자 스펙트럼과 다르다. 그래서 점 A로 레이저조사파장은 조사할 경우 최적점이 되지 않는다. 왜냐하면 최적 레이저조사파장은 이미 스캐닝이 끝났을 때는 B점으로 이동해 버렸기 때문이다. 결국 파장이동량의 보상이 필요하고 평균 파장이동속도를 이용하여 다음과 같이 결정된다. After the size of the new scan area and the scan interval are automatically determined, the system starts the scan and scans right from point O. The related event at this time is shown in FIG. 14C. The first graph on the left side of FIG. 14C is the spectrum at P ( λ L ) = P 1 instant but the system does not need to actually acquire this spectrum. In practice, the system acquires a second graph with N sample points. This spectrum is different from the actual fiber Bragg grating spectrum because the spectrum continues to move during the scan. Therefore, the laser irradiation wavelength at point A is not optimal. This is because the optimal laser irradiation wavelength has already shifted to point B when scanning has been completed. In the end, the wavelength shift compensation is required and is determined as follows using the average wavelength shift speed.

Figure pat00006
Figure pat00006

여기서 T AB는 도 14c 에서 점 A에서 점 B까지 레이저파장이동에 걸린 전체 시간이고 아래와 같이 계산된다. Where T AB is the total time taken for the laser wavelength shift from point A to point B in FIG. 14C and is calculated as follows.

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서 N OA는 점 O에서부터 A까지의 전체 샘플 수이고 T N는 N개 샘플의 스캔을 완료하는데 소요된 시간이다. 점 B에로의 새로운 레이저파장은 아래와 같이 표현된다. Where N OA is the total number of samples from point O to A and T N is the time taken to complete the scan of N samples. The new laser wavelength at point B is expressed as

Figure pat00008
Figure pat00008

동일한 방법으로, 새로운 기록 프로세스를 위한 새로운 동적 영역의 한계들은 아래와 같이 결정된다. In the same way, the limits of the new dynamic range for the new recording process are determined as follows.

온도 감소의 경우, 새로운 스캔범위와 스캔간격을 결정하기 위한 알고리즘과 유도는 유사하며 수학식 4 는 아래와 같이 바뀐다. In the case of temperature reduction, the algorithm and derivation for determining the new scan range and scan interval are similar and Equation 4 changes as follows.

Figure pat00010
Figure pat00010

여기서 스캔종료파장은 모니터링 프로세스에서 계산된 평균파장이동율보다 갱신 프로세스 동안의 실제 평균파장이동율이 작을 경우 이동된 스펙트럼의 최대반사파워 파장을 샘플링하지 못할 수도 있기 때문에 이전 스캔종료파장인 λ max를 그대로 유지한다. 그런 다음, 파장이동량의 보상은 수학식 8 에 의해 이루어진다. Here, the scan end wavelength may not be able to sample the maximum reflected power wavelength of the shifted spectrum if the actual average wavelength shift during the update process is smaller than the average wavelength shift calculated in the monitoring process, thus maintaining the previous scan termination wavelength λ max . do. Then, compensation of the wavelength shift amount is made by Equation (8).

Figure pat00011
Figure pat00011

그리고 해당하는 새로운 파장 범위는 아래와 같이 주어진다. And the corresponding new wavelength range is given by

Figure pat00012
Figure pat00012

단폭파장가변레이저의 소소는 새로운 레이저조사파장으로 이동된 후 시스템은 기록 프로세스를 다시 시작하게 된다.After the source of the short-wavelength tunable laser is transferred to the new laser irradiation wavelength, the system restarts the recording process.

본 발명에서의 피드백 제어 알고리즘이 장착된 전체 시스템은 구조에 수 kHz의 동적변형율이 동반된 상황에서도 변형율 무감 센서구성과 고주파통과필터의 효과에 의해, 그리고 상기 기술된 레이저파장 피드백 제어 알고리즘과 파장안정화 시스템의 효과에 의해, 수분의 1 ℃/s의 빠른 높은 온도변화율에 의해 이탈된 복조조건을 십여초의 짧은 시간에 자동으로 회복하면서 다점에서 동시에 음향초음파를 센싱할 수 있다. 도 15 는 본 발명에 따른 레이저 파장 안정화 다점 동시 광섬유브래그격자 음향초음파 센싱 시스템을 이용하여, 도 15a 와 같은 동적 변형률과 도 15b 와 같은 빠른 온도변화가 동반된 상황에서 도 15b 와 같이 자동으로 복조조건을 회복하면서 복합재 평판에 설치된 두 센서로부터 150mm 떨어진 지점에 발생한 충격유도 음향방출파를 도 15c 와 같이 동시에 감지하는 것을 보이고 있다.The overall system equipped with the feedback control algorithm in the present invention is characterized by the effect of the strain-insensitive sensor configuration and the high-frequency pass filter and the wavelength stabilization and the laser wavelength feedback control algorithm described above even when the structure is accompanied by a dynamic strain of several kHz. By the effect of the system, it is possible to simultaneously sense acoustic ultrasonic waves at multiple points while automatically recovering the demodulation condition deviated by a rapid high temperature change rate of 1 DEG C / s in a few seconds. 15 is a demodulation condition automatically as shown in FIG. 15B in a situation in which a dynamic strain as shown in FIG. 15A and a rapid temperature change as shown in FIG. 15B are accompanied by using a laser wavelength stabilized multi-point simultaneous optical fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensing system according to the present invention. While recovering, it is shown that the shock induced acoustic emission wave generated at a point 150 mm away from two sensors mounted on the composite plate is simultaneously detected as shown in FIG. 15C.

이상으로 본 발명에 따른 레이저 파장 안정화 다점 동시 광섬유브래그격자 음향초음파 센싱 시스템의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시 예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다. As described above and described with reference to a preferred embodiment for illustrating the technical idea of the laser wavelength stabilizing multi-point simultaneous optical fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensing system according to the present invention, the present invention is the configuration and operation as described and described as It will be appreciated by those skilled in the art that many modifications and variations can be made to the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, all such suitable changes and modifications and equivalents should be considered to be within the scope of the present invention.

110 : 단폭파장가변 레이저빔 조사부 120 : 1×n 빔분기기
130 : 변형율 무감 음향초음파 센서부 140 : 광순환기
150 : 비대칭 빔분기기 160 : 파워센서
170 : 광검출기 180 : n+1채널 계측 및 제어부
110: short-wavelength variable laser beam irradiation unit 120: 1 × n beam splitter
130: strain-free acoustic ultrasonic sensor unit 140: optical circulator
150: asymmetric beam splitter 160: power sensor
170: photodetector 180: n + 1 channel measurement and control

Claims (10)

파장가변이 가능한 레이저빔을 조사하는 단폭파장가변 레이저빔 조사부(110)와;
단폭파장가변 레이저빔 조사부(110)에서 입사되는 단폭파장가변 레이저빔을 n채널로 분기하는 1×n 빔분기기(120)와;
1×n 빔분기기(120)에서 분기되어 입사되는 광신호를 변조 반사하는 광섬유브래그격자 기반 n개의 변형율 무감 음향초음파 센서부(130)와;
광섬유브래그격자 기반 n개의 변형율 무감 음향초음파 센서부(130)에 의해 변조 반사되는 광신호를 송신하는 n개의 광순환기(140)와;
광섬유브래그격자 기반 n개의 변형율 무감 음향초음파 센서부(130)의 n개의 광섬유브래그격자 스펙트럼 중 평균적인 파장특성을 갖는 광섬유브래그격자 기반 변형율 무감 음향초음파 센서부(130)에 광순환기(140)를 거쳐 연결되는 비대칭 빔분기기(150)와;
비대칭 빔분기기(150)에 연결되는 파워센서(160)와;
n개의 광순환기(140)로부터 광신호를 수신하여 검출하는 n개의 광검출기(170)와;
파워센서(160) 및 n개의 광검출기(170)에 연결되어 광신호를 수신하며 단폭파장가변 레이저빔 조사부(110)에서 조사되는 레이저빔의 파장을 안정화하는 n+1채널 계측 및 제어부(180)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 안정화 다점 동시 광섬유브래그격자 음향초음파 센싱 시스템.
A short-wavelength tunable laser beam irradiator 110 for irradiating a laser beam of which wavelength is variable;
A 1 × n beam splitter 120 for splitting the short width variable wavelength laser beam incident from the short width variable wavelength laser beam irradiation unit 110 into n channels;
N strain-sensitive acoustic ultrasonic sensors 130 based on optical fiber Bragg gratings for modulating and reflecting an optical signal incident by branching from the 1 × n beam splitter 120;
N optical cyclers 140 for transmitting optical signals modulated and reflected by the optical fiber Bragg grating-based n strain-sensitized acoustic ultrasonic sensor unit 130;
The optical fiber Bragg grating-based strain-free acoustic ultrasonic sensor unit 130 of the n optical fiber Bragg grating spectrum of the optical fiber Bragg grating based strain-free acoustic ultrasonic sensor unit 130 through the optical circulator 140 An asymmetric beam splitter 150 connected;
A power sensor 160 connected to the asymmetric beam splitter 150;
n photodetectors 170 for receiving and detecting optical signals from the n optical cycles 140;
N + 1 channel measurement and control unit 180 connected to the power sensor 160 and the n photodetectors 170 to receive an optical signal and to stabilize the wavelength of the laser beam irradiated from the short-wavelength variable laser beam irradiation unit 110. Laser wavelength stabilization multi-point simultaneous optical fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensing system comprising a).
청구항 1에 있어서,
상기 단폭파장가변 레이저빔 조사부(110)는 선폭이 좁고, 파장가변영역은 광섬유브래그격자 기반 n개의 변형율 무감 음향초음파 센서부(130)의 온도변화에 의한 광섬유브래그격자의 파장이동영역을 포함하며, 최대 CW 출력파워는 광섬유에 손상이 없는 수준에서 높게 설정되는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 안정화 다점 동시 광섬유브래그격자 음향초음파 센싱 시스템.
The method according to claim 1,
The short-wavelength wavelength variable laser beam irradiation unit 110 has a narrow line width, and the wavelength-variable region includes the wavelength shift region of the optical fiber Bragg grating due to the temperature change of the n strain-sensitive acoustic ultrasonic sensor unit 130 based on the optical fiber Bragg grating. The maximum CW output power is set to a high level at the level of damage to the optical fiber laser wavelength stabilizing multi-point simultaneous optical fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensing system.
청구항 2에 있어서,
상기 단폭파장가변 레이저빔 조사부(110)는 선폭이 1 MHz 이하, 파장가변영역은 0.05 nm 이상, 중간 파장은 1465 nm에서 1630nm 사이에 있으며, 최대 CW 출력파워는 0.5 mW 이상인 것을 특징으로 하는 레이저 파장 안정화 다점 동시 광섬유브래그격자 음향초음파 센싱 시스템.
The method according to claim 2,
The short-wavelength tunable laser beam irradiation unit 110 has a line width of 1 MHz or less, a wavelength variable region of 0.05 nm or more, and an intermediate wavelength of 1465 nm to 1630 nm, and a maximum CW output power of 0.5 mW or more. Wavelength stabilized multi-point simultaneous fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensing system.
청구항 1에 있어서,
상기 1×n 빔분기기(120)는 센싱 시스템의 채널 수(n)를 결정하며,
상기 비대칭 빔분기기(150)는 50% 미만의 분기가 가능하며, 두개의 포트 중 50% 미만의 포트는 파워센서(160)에 연결되는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 안정화 다점 동시 광섬유브래그격자 음향초음파 센싱 시스템.
The method according to claim 1,
The 1 × n beam splitter 120 determines the number of channels n of the sensing system,
The asymmetric beam splitter 150 is capable of branching less than 50%, less than 50% of the two ports are connected to the power sensor 160, laser wavelength stabilization multi-point simultaneous optical fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensing system.
청구항 1에 있어서,
상기 광섬유브래그격자 기반 n개의 변형율 무감 음향초음파 센서부(130)는 1×n 빔분기기(120)에서 분기되어 입사되는 광신호가, 충격 및 손상에 의해 발생되는 음향방출파 및 가진기에 의해 생성되는 음향초음파에 의해 광섬유 코어 내에 새겨진 굴절율 격자로부터 변조 반사되는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 안정화 다점 동시 광섬유브래그격자 음향초음파 센싱 시스템.
The method according to claim 1,
The n-strain-sensitized acoustic ultrasonic sensor unit 130 based on the optical fiber Bragg grating is a sound generated by an acoustic emission wave generated by an impact and damage and an excitation of an optical signal incident by branching from the 1 × n beam splitter 120. A laser wavelength stabilized multi-point simultaneous optical fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensing system characterized by modulated reflection from a refractive index grating engraved in an optical fiber core by ultrasonic waves.
청구항 1에 있어서,
상기 광섬유브래그격자 기반 n개의 변형율 무감 음향초음파 센서부(130)는 동일한 스펙트럼을 가지며, 구조의 변형률이 광섬유브래그격자에 전달되지 않는 센서로서, n개의 센서들 상호간의 온도차이가 클수록 광섬유브래그격자의 동적영역이 넓은 광섬유브래그격자를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 안정화 다점 동시 광섬유브래그격자 음향초음파 센싱 시스템.
The method according to claim 1,
The n strain-free acoustic ultrasonic sensor unit 130 based on the optical fiber Bragg grating has the same spectrum, and the strain of the structure is not transmitted to the optical fiber Bragg grating, and as the temperature difference between the n sensors increases, Laser wavelength stabilization multi-point simultaneous optical fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensing system, characterized in that the dynamic region has a wide optical fiber Bragg grating.
청구항 6에 있어서,
상기 구조의 변형률이 광섬유브래그격자에 전달되지 않는 센서는 one-end-free 조건을 갖는 광섬유브래그격자 음향초음파 센서 혹은 압력 커플링 조건을 갖는 광섬유브래그격자 음향초음파 센서인 것을 특징으로 하는 레이저 파장 안정화 다점 동시 광섬유브래그격자 음향초음파 센싱 시스템.
The method of claim 6,
The sensor for which the strain of the structure is not transmitted to the optical fiber Bragg grating is an optical fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensor having a one-end-free condition or an optical fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensor having a pressure coupling condition. Simultaneous Fiber Bragg Grating Acoustic Ultrasonic Sensing System.
청구항 1에 있어서,
상기 n+1채널 계측 및 제어부(180)는 광검출기(170)로부터 수신한 광신호를 대역통과필터를 거친 후 디지털 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 안정화 다점 동시 광섬유브래그격자 음향초음파 센싱 시스템.
The method according to claim 1,
The n + 1 channel measurement and control unit 180 laser wavelength stabilizing multi-point simultaneous optical fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensing system, characterized in that for converting the optical signal received from the photodetector 170 through a band pass filter to a digital signal .
청구항 1에 있어서,
상기 n+1채널 계측 및 제어부(180)는 파워센서(160)로부터 획득한 단폭파장가변 레이저빔 조사부(110)의 광섬유브래그격자 파장이동에 대한 정보를 이용하여 단폭파장가변 레이저빔 조사부(110)에서 조사되는 레이저빔의 파장을 안정화하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 안정화 다점 동시 광섬유브래그격자 음향초음파 센싱 시스템.
The method according to claim 1,
The n + 1 channel measurement and control unit 180 uses the information about the wavelength shift of the optical fiber Bragg grating of the short-wavelength variable laser beam irradiation unit 110 obtained from the power sensor 160 by using the short-wavelength variable-wavelength laser beam irradiation unit ( Laser wavelength stabilization multi-point simultaneous optical fiber Bragg grating acoustic ultrasonic sensing system, characterized in that to stabilize the wavelength of the laser beam irradiated from 110).
청구항 9에 있어서,
상기 n+1채널 계측 및 제어부(180)는 파워센서(160)로부터 획득한 단폭파장가변 레이저빔 조사부(110)의 현재 레이저빔 파장에서의 변형율 무감 음향초음파 센서부(130)의 광섬유브래그격자로부터 반사된 파워를 실시간으로 분석하고, 광섬유브래그격자의 동적영역의 이동방향, 레이저빔 파장으로부터의 이탈여부, 이탈 시의 파장이동속도, 광섬유의 굽힘손실 이벤트를 구별하여 새로운 스캔영역과 스캔간격을 자동으로 결정한 후, 새로운 레이저빔 파장을 광섬유브래그격자의 동적영역내로 재이동시킴으로써 단폭파장가변 레이저빔 조사부(110)에서 조사되는 레이저빔의 파장을 안정화하는 것을 특징으로 하는 레이저 파장 안정화 다점 동시 광섬유브래그격자 음향초음파 센싱 시스템.
The method according to claim 9,
The n + 1 channel measurement and control unit 180 is an optical fiber Bragg grating of the strain-sensitive acoustic ultrasonic sensor unit 130 at the current laser beam wavelength of the short-wavelength variable laser beam irradiation unit 110 obtained from the power sensor 160. Analyze the power reflected from the sensor in real time, and identify the new scan area and scan interval by distinguishing the moving direction of the optical fiber Bragg grating, whether it deviates from the laser beam wavelength, the wavelength moving speed at the time of departure, and the bending loss event of the optical fiber. After automatically determining, the laser wavelength stabilization multi-point simultaneous optical fiber, characterized in that to stabilize the wavelength of the laser beam irradiated from the short-wavelength variable wavelength laser beam irradiation unit 110 by moving the new laser beam wavelength in the dynamic region of the optical fiber Bragg grating Bragg Grating Acoustic Ultrasonic Sensing System.
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