KR20120107242A - 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전자기파의 영향을 받지 않는 빛을 이용하여 거대 구조물(터널, 교량, 건축물 등)의 온도, 스트레인등과 같은 물리량을 고속으로 측정하기 위한 시스템으로 광 스펙트로미터를 사용하는 것을 특징으로 하며, 광대역 광원, 광섬유 브래그 격자 센서 어레이, 광 스펙트로미터, 광 스펙트로미터로부터 출력되는 아날로그 광 신호를 디지털로의 변환을 위한 디지털 신호 처리부, 광 커플러, 광원의 펄스 구동을 위한 광원의 주입전류 변조회로, 측정 신호의 분석을 위한 제어 및 신호 처리부를 포함하되, 상기 광 커플러는 병렬구조의 다채널로 구현하는 것을 특징으로 하는 광 스펙트로미터 기반 다채널 물리량 고속 측정 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 전자기파의 영향을 받지 않는 빛을 이용하여 거대 구조물(터널, 교량, 건축물 등)의 온도, 스트레인 등과 같은 물리량을 광 스펙트로미터를 사용하여 측정하는 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스펙트럼의 고속 측정을 위해 시간분할 다중처리 방식을 적용하며, 병렬구조의 다채널로 시스템을 구성함으로써 복수 지점에 대한 물리량을 고속으로 측정하는 시스템에 관한 것이다.
종래 기술에는 미국의 ‘OPTICAL SPECTROMETER WITH IMPROVED GEOMETRY AND DATA PROCESSING FOR MONITORING FIBER OPTICAL BRAGG GRATING’가 있다.
상기 종래 기술은 광 스펙트로미터를 기반으로 하며 시간영역 다중화 처리(TDM) 방식을 적용하여, 복수개의 파장으로 구성되어 있는 광섬유 브래그 격자 센서 어레이를 직렬의 형태로 복수개를 연결하여 물리량을 고속으로 측정하는 시스템을 예시하고 있다.
하지만, 종래 기술은 광 펄스 구현을 위한 별도의 전기광학 변조기가 필요하고, 복수개의 센서 어레이를 직렬로 연결하기 때문에 센서 신호의 분간을 위해 어레이 사이에 길이지연 광섬유가 설치되어야 하기 때문에 센서의 설치가 용이하지 않은 단점이 있다.
또한, 첫번째 센서 어레이에 의해 특정 파장의 빛이 반사된 빛이 두 번째 이상의 센서 어레이에 입사하게 되기 때문에 복수개의 센서 어레이가 동일한 파장으로 구성되어 있을 경우 두 번째 이상의 센서 어레이의 반사 스펙트럼 신호는 왜곡이 발생하여 측정 정확도 및 민감도가 감소하게 되는 단점이 있다.
상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 복수개의 광섬유 브래그 격자 센서 어레이를 사용하여 물리량을 측정하기 위해, 고속으로 신호처리가 가능한 광 스펙트로미터를 사용하여 병렬구조의 다채널로 시스템을 구성함으로써 센서 어레이의 스펙트럼 신호의 왜곡을 발생시키지 않는 물리량 측정 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 센서 어레이 사이에 신호의 분간을 위한 길이지연 광섬유를 시스템의 내부에 기 설치될 수 있도록 하여 센서의 설치가 용이하도록 하며 광원의 직접 전류 변조를 이용하여 광펄스를 생성함으로써 별도의 전기광학 변조기의 사용이 필요하지 않는 물리량 측정 시스템을 제공하는데 있다.
상기 종래 문제점을 해결하고 본 발명에 따른 목적을 해결하기 위한 본 발명의 제1실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템은 동일파장으로 구성된 복수개의 광섬유 브래그(bragg) 격자 센서 어레이를 이용하여 여러 지점의 물리량을 측정하는 측정 시스템에 있어서, 광대역 광원을 사용하는 광원(light source)과; 광 펄스 발생을 위한 상기 광원의 전류를 직접 펄스 형태로 변조하여 주입하는 주입전류 변조회로와; 상기 광원으로부터 출력된 광 펄스의 광 경로를 병렬 형태의 다채널로 구성하기 위한 광 커플러와; 상기 광 커플러의 각 채널 별 시간지연을 발생시키기 위한 길이지연 광섬유와 물리량 측정을 위한 복수개의 광섬유 브래그 격자 센서 어레이와; 상기 각 채널의 브래그 격자 센서 어레이에 입사시켜 반사되는 광 스펙트럼을 고속으로 측정하는 광 스펙트로미터와; 상기 광 스펙트로미터로부터 출력되는 아날로그 광 신호를 디지털로 변환하는 디지털 신호 처리부; 및 넓은 대역폭을 가지는 광 펄스를 상기 각 채널의 브래그 격자 센서 어레이에 입사시켜 반사되어 광 스펙트로미터에 입사되어 측정되는 각 채널에 연결된 광섬유 브래그 격자 센서 어레이 스펙트럼 신호를 분석하여 물리량을 측정하는 제어 및 신호 처리부;으로 구성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템에 있어서, 상기 광 스펙트로미터는 광섬유 브래그 격자에서 반사된 광을 회절(回折)하는 광 회절 격자와, 상기 광 회절 격자에 의해 회절된 광을 광 수신 다이오드로 유도하는 거울과, 광 수신 다이오드와 증폭기 및 신호 변환기를 포함하여 상기 광을 수신하고 디지털 신호로 변환하는 광 수신 다이오드 어레이로 구성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템에 있어서, 상기 광 스펙트로미터는 분해능과 측정 파장범위의 확장을 위한 수단으로서, 광 분기부(splitter)와, 복수개의 다중파장 분할 장치(Arrayed Waveguide Grating)와, 광 수신 다이오드와 증폭기 및 신호 변환기를 포함하여 상기 광을 수신하고 디지털 신호로 변환하는 광 수신 다이오드 어레이로 구성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템에 있어서, 상기 광원과 광 커플러 사이에는 광대역광으로부터 출력된 빛을 펄스로 변조하는 전기광학 변조기가 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템은 동일파장으로 구성된 복수개의 광섬유 브래그(bragg) 격자 센서 어레이를 이용하여 여러 지점의 물리량을 측정하는 측정 시스템에 있어서, 광대역 광원을 사용하는 복수개의 제1, 2광원(light source)과; 광 펄스 발생을 위한 상기 광원의 전류를 직접 펄스 형태로 변조하여 주입하는 복수개의 제1, 2주입전류 변조회로와; 상기 광원으로부터 출력된 광 펄스의 광 경로를 병렬 형태의 다채널로 구성하기 위한 광 커플러와; 상기 광 커플러의 각 채널 별 시간지연을 발생시키기 위한 길이지연 광섬유와 물리량 측정을 위한 복수개의 광섬유 브래그 격자 센서 어레이와; 상기 각 채널의 브래그 격자 센서 어레이에 입사시켜 반사되는 광 스펙트럼을 고속으로 측정하는 광 스펙트로미터와; 상기 광 스펙트로미터로부터 출력되는 아날로그 광 신호를 디지털로 변환하는 디지털 신호 처리부; 및 넓은 대역폭을 가지는 광 펄스를 상기 각 채널의 브래그 격자 센서 어레이에 입사시켜 반사되어 광 스펙트로미터에 입사되어 측정되는 각 채널에 연결된 광섬유 브래그 격자 센서 어레이 스펙트럼 신호를 분석하여 물리량을 측정하는 제어 및 신호 처리부;으로 구성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템에 있어서, 상기 제1, 2광원에 광섬유 브래그 격자 센서 어레이를 연결할 수 있는 채널의 수를 복수개로 구성하며, 제1, 2광원과 연결되어 있는 채널에 동일 길이의 길이지연 광섬유가 삽입된 것을 특징으로 한다.
이상에서와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템의 경우, 전자기파의 영향을 받지 않는 빛을 이용하여 거대 구조물(터널, 교량, 건축물 등)의 온도, 스트레인등과 같은 물리량을 복수개의 광섬유 브래그 격자 센서 어레이를 사용하여 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템은 병렬구조의 다채널로 시스템을 구성하여 센서 어레이의 스펙트럼 신호의 왜곡이 발생하지 않아 측정 정확도 및 민감도를 향상시킬 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템은 센서 어레이 사이에 신호의 분간을 위한 길이지연 광섬유를 시스템의 내부에 기 설치하여 구조물에 센서를 설치하는 중간 중간에 길이지연 광섬유의 추가 설치가 필요 없도록 하여 센서의 설치가 용이하게 하였으며 광원의 직접 전류 변조를 이용하여 광펄스를 생성함으로써 별도의 전기광학 변조기의 사용이 필요하지 않기 때문에 시스템 제작 비용이 저렴한 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1실시 예에 따른 광 분기부(splitter)와 복수개의 다중파장 분할 장치(Arrayed Waveguide Grating)를 포함한 광 스펙트로미터 를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1실시 예에 따른 광대역 광으로부터 출력된 빛을 펄스로 변조하는 전기광학 변조기를 더 구비한 광원을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템의 시간 영역에서 광 스펙트로미터에 입사되는 채널별 광신호(각 채널별 길이지연 광섬유의 길이가 다르기 때문에 각 채널에서 광섬유 브래그 격자에 의해 반사된 빛은 시간적 차이를 두고 광 스펙트로미터에 도달하게 된다.)를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템의 시간 영역에서 광원의 펄스 구동과 광 스펙트로미터에 입사되는 각 채널별 광신호(길이지연 광섬유와 광펄스 발생의 시간적 차이 때문에 각 채널에 연결되어 있는 광섬유 브래그 격자에 의해 반사된 빛은 시간적 차이를 두고 광 스펙트로미터에 순차적으로 도달하게 된다.)를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1, 2실시 예에 따라 측정된 광섬유 브래그 격자 반사 스펙트럼을 이용하여 중심파장을 계산(gaussian 함수 피팅, 무게중심계산)한 그래프를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1실시 예에 따른 광 분기부(splitter)와 복수개의 다중파장 분할 장치(Arrayed Waveguide Grating)를 포함한 광 스펙트로미터 를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1실시 예에 따른 광대역 광으로부터 출력된 빛을 펄스로 변조하는 전기광학 변조기를 더 구비한 광원을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템의 시간 영역에서 광 스펙트로미터에 입사되는 채널별 광신호(각 채널별 길이지연 광섬유의 길이가 다르기 때문에 각 채널에서 광섬유 브래그 격자에 의해 반사된 빛은 시간적 차이를 두고 광 스펙트로미터에 도달하게 된다.)를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템의 시간 영역에서 광원의 펄스 구동과 광 스펙트로미터에 입사되는 각 채널별 광신호(길이지연 광섬유와 광펄스 발생의 시간적 차이 때문에 각 채널에 연결되어 있는 광섬유 브래그 격자에 의해 반사된 빛은 시간적 차이를 두고 광 스펙트로미터에 순차적으로 도달하게 된다.)를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1, 2실시 예에 따라 측정된 광섬유 브래그 격자 반사 스펙트럼을 이용하여 중심파장을 계산(gaussian 함수 피팅, 무게중심계산)한 그래프를 나타낸 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 제1실시 예에 따른 광 분기부(splitter)와 복수개의 다중파장 분할 장치(Arrayed Waveguide Grating)를 포함한 광 스펙트로미터를 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 제1실시 예에 따른 광대역광으로부터 출력된 빛을 펄스로 변조하는 전기광학 변조기를 더 구비한 광원을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 제1실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템의 시간 영역에서 광 스펙트로미터에 입사되는 채널별 광신호(각 채널별 길이지연 광섬유의 길이가 다르기 때문에 각 채널에서 광섬유 브래그 격자에 의해 반사된 빛은 시간적 차이를 두고 광 스펙트로미터에 도달하게 된다.)를 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명의 제1, 2실시 예에 따라 측정된 광섬유 브래그 격자 반사 스펙트럼을 이용하여 중심파장을 계산(gaussian 함수 피팅, 무게중심계산)한 그래프를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 제1실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템은 광 회절 격자와 광 수신 다이오드 어레이로 구성된 고속 광 스펙트로미터(101)를 사용하며, 광원(100)에 주입되는 전류를 펄스형태로 직접 변조하는 회로(전류주입 변조회로, 108)를 이용하여 광펄스를 생성하고 시간분할 다중화 처리 방식을 이용하는 병렬구조의 다채널 고속 물리량 측정 시스템을 나타낸다.
여기에서 각 채널(CH 1, 2, 3 등)에 연결되는 광섬유 브래그 격자 센서 어레이(107)는 광 스펙트로미터(101)로 측정 가능한 파장 범위내에 있는 서로 다른 파장을 가지는 복수개의 광섬유 브래그 격자로 구성되며 광섬유 브래그 격자 센서는 특정 파장의 빛을 반사시키는 역할을 하며 센서에 가해지는 물리적 변화에 따라 반사되는 빛의 파장이 변화하는 원리를 이용하여 물리량을 측정하게 된다.
광대역 광원(100), 복수개의 광섬유 브래그 격자 센서 어레이(107), 광 스펙트로미터(101), 광 커플러(104), 광원의 펄스 구동을 위한 주입전류 변조회로(108), 광 아날로그 신호를 디지털 신호로의 변환을 위한 디지털 신호 처리부(102), 측정 신호의 분석을 위한 제어 및 신호 처리부(103)로 시스템이 구성된다.
광 스펙트럼의 고속측정을 위해 광 스펙트로미터(101)의 각각의 광 수신 다이오드에 광 전류/전압 변환 증폭기와 아날로그 신호를 디지털 신호로 변화하는 신호 변환기(반도체 소자)를 각각 연결하여 아날로그 신호를 병렬적으로 디지털화하도록 하며, 복수개의 광섬유 브래그 격자 센서 어레이(107)를 사용하여 물리량을 고속으로 측정하기 위해 광 스펙트로미터(101)에 입사되는 광 신호를 시간 영역에서 분석하는 시간영역다중화 처리 방식을 적용한다.
이는 측정 시스템의 채널을 병렬구조의 다채널로 구성함으로써, 각 채널에 길이지연 광섬유를 시스템 내부에 사전 설치가 가능하며, 각 채널의 광 경로를 복수개로 구성되기 때문에,
이때, 측정되는 스펙트럼 신호를 광섬유 브래그 격자 센서 어레이(107)별로 분간하기 위해 삽입하는 길이지연 광섬유(105, 106)를 시스템의 내부에 사전 설치함으로써, 구조물에 센서를 설치하는 중간 중간에 길이지연 광섬유의 추가 설치가 필요 없도록 하여 센서의 설치가 용이하게 하였다. 또한 광원(100)의 직접 전류 변조를 이용하여 광 펄스를 생성함으로써 별도의 전기광학 변조기의 사용이 필요하지 않기 때문에 시스템 제작 비용이 저렴한 효과를 가진다.
또한, 서로 다른 파장으로 광섬유 브래그 격자 센서 어레이(107)를 구성하며 동일한 센서 어레이를 복수개 사용하는 경우 스펙트럼 신호의 왜곡이 발생하게 되는데 채널별로 서로 다른 광 경로를 구성하기 때문에 이러한 왜곡 현상을 발생하지 않아 물리량 측정에 대한 측정 정확도 및 민감도를 향상시키는 장점이 있다.
본 발명의 제1실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템의 측정 원리를 설명하면 다음과 같다.
광원(100)의 주입 전류를 직접 변조하여 광 펄스를 생성 후 광 커플러(104)를 통해 광섬유 브래그 격자 센서 어레이(107)가 연결되어 있는 각 채널에 입사시킨다. 각 채널에 입사된 광대역 광원은 광섬유 브래그 격자 센서 어레이(107)에 의해 특정 파장의 빛이 반사되며 반사된 빛은 다시 광 커플러(104)를 통해 광 스펙트로미터(101)로 입사하게 된다.
광섬유 브래그 격자 센서 어레이(107)가 연결되는 채널은 광 커플러(104)를 사용하여 각 채널별로 서로 다른 광 경로로 구성되며 각 채널에 서로 다른 길이지연 광섬유(105, 106)가 연결되어 있기 때문에 광섬유 브래그 격자 센서 어레이(107)에 의해 반사되어 광 커플러(104)를 통해 광 스펙트로미터(101)에 입사 되는 빛의 도달 시간은 각 채널별로 시간적 차이를 발생하게 된다. 도 4는 각 채널별로 도달하는 빛의 시간적 흐름을 나타낸다. 따라서 광 스펙트로미터(101)에 도달하는 빛을 시간영역에서 분석하는 시간영역 다중처리 방식을 적용하여 각 채널에 연결되어 있는 광섬유 브래그 격자 센서 어레이(107)의 반사 스펙트럼 및 중심파장을 측정함으로써 복수 지점에 대한 물리량을 고속으로 측정할 수 있게 된다. 이때 중심파장의 계산은 도 7에 도시한 바와 같이 가우시안 함수 피팅 또는 무게중심의 계산을 이용한다.
이러한, 본 발명의 제1실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템은 도 2에 도시한 바와 같이 분해능과 측정 파장범위의 확장을 위한 수단으로서, 광 분기부(splitter)와 복수개의 다중파장 분할 장치(Arrayed Waveguide Grating)와 광 수신 다이오드와 증폭기 및 신호 변환기를 포함하고 상기 광을 수신하여 디지털 신호로 변환하는 다중파장 분할 장치와 광 수신 다이오드 어레이로 구성하는 광 스펙트로미터(401)로 구현하는 것 또한 가능하다.
그리고, 본 발명의 제1실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템은 도 3에 도시한 바와 같이 광원(100)과 광 커플러(104) 사이에는 광대역광으로부터 출력된 빛을 펄스로 변조하는 전기광학 변조기(301)를 더 구비하는 것이 가능하다.
도 5는 본 발명의 제2실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템을 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 제2실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템의 시간 영역에서 광원의 펄스 구동과 광 스펙트로미터에 입사되는 각 채널별 광신호(길이지연 광섬유와 광펄스 발생의 시간적 차이 때문에 각 채널에 연결되어 있는 광섬유 브래그 격자에 의해 반사된 빛은 시간적 차이를 두고 광 스펙트로미터에 순차적으로 도달하게 된다.)를 나타낸 도면이다.
도 5에 도시한 바와 같이 본 발명의 제2실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템은 복수개의 제1, 2광원(201a, 202a)을 사용하고 각 채널(CH 1, 2, 3, 4)에 동일한 길이의 길이지연 광섬유(105a)를 사용하며, 시간분할 다중화 처리 방식을 이용하는 병렬구조의 다채널 고속 물리량 측정 시스템을 나타낸다.
복수개의 광대역 제1, 2광원(201a, 202a), 복수개의 광섬유 브래그 격자 센서 어레이(107a), 광 스펙트로미터(101a), 광 커플러(203a, 204a, 205a), 각 광원의 펄스 구동을 위한 제1, 2주입전류 변조회로(208a, 209a), 광 아날로그 신호를 디지털 신호로의 변환을 위한 디지털 신호 처리부(102a), 측정 신호의 분석을 위한 제어 및 신호 처리부(103a)로 시스템이 구성되어 있으며 각 채널에 연결되는 길이지연 광섬유(105a)는 동일한 길이로 구성된다.
또한 각각의 광대역 제1, 2광원(201a, 202a)에서 발생하는 광 펄스 발생 시점은 시간적 차이를 두고 발생한다.
본 발명의 제2실시 예에 따른 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템의 측정 원리를 설명하면 다음과 같다.
제1광원(201a)의 주입전류를 제1주입전류 변조 회로(206a)를 통해 펄스로 구동시켜 광펄스를 발생시키며, 출력된 광 펄스는 광 커플러(203a)를 통해 각각 채널1(CH 1)과 채널2(CH 2)에 입사하게 된다. 각 채널에 연결되어 있는 광섬유 브래그 격자 센서 어레이(107a)에 의해 특정 파장의 빛이 반사하게 되며 반사된 빛은 다시 광 커플러(203a, 205a)를 통해 광 스펙트로미터(101a)에 입사하게 된다. 이때 채널2에는 길이지연 광섬유(105)가 삽입되어 있기 때문에 채널1과 2에서 반사된 빛이 광 스펙트로미터(101a)에 입사 되는 시간은 길이지연 광섬유(105a)의 시간차이만큼 발생하게 된다. 다시 제2광원(202a)의 주입전류를 제2주입전류 변조 회로(207a)를 통해 펄스로 구동시켜 광펄스를 발생 시키며, 출력된 광 펄스는 광 커플러(204a)를 통해 각각 채널3(CH 3)과 채널4(CH 4)에 입사하게 된다. 광섬유 브래그 격자 센서 어레이(107a)에 의해 특정 파장의 빛이 반사하고 다시 광 커플러(204a, 205a)를 통해 광 스펙트로미터(101a)에 입사하게 된다. 이때 채널4에는 길이지연 광섬유(105a)가 삽입되어 있기 때문에 채널3과 4에서 반사된 빛이 광 스펙트로미터(101a)에 입사되는 시간은 길이지연 광섬유의 시간차이만큼 발생하게 된다. 결과적으로 각 채널에 연결되어 있는 광섬유 브래그 격자 센서 어레이(107a)에 의해 반사된 빛은 시간적 차이를 발생하며 광 스펙트로미터(101a)에 입사 된다. 도 6은 2개의 광원을 구동하는 경우 각 채널의 광섬유 브래그 격자 센서 어레이(107a)에 의해 반사되어 광 스펙트로미터(101a)에 입사되는 빛의 시간적 흐름을 나타낸다. 따라서 광 스펙트로미터(101a)에 도달하는 빛을 시간영역에서 분석하는 시간영역 다중처리 방식을 적용하여 각 채널에 연결되어 있는 광섬유 브래그 격자 센서 어레이(107a)의 반사 스펙트럼 및 중심파장을 측정함으로써 복수 지점에 대한 물리량을 고속으로 측정할 수 있게 된다.
이상에서와 같이 본 발명의 제1, 2실시 예에서는 각각 채널별로 독립된 광경로를 구성하기 위하여 병렬구조의 다채널로 물리량 측정 시스템을 구성하여 센서 어레이의 스펙트럼 신호의 왜곡이 발생하지 않아 측정 정확도 및 민감도를 향상시킬 수 있으며, 측정되는 스펙트럼 신호를 어레이별로 분간하기 위해 삽입하는 길이지연 광섬유를 시스템의 내부에 사전 설치함으로써, 구조물에 센서를 설치하는 중간중간에 길이지연 광섬유의 추가 설치가 필요 없도록 하여 센서의 설치가 용이하게 하였다. 또한, 광원의 직접 전류 변조를 이용하여 광펄스를 생성함으로써 별도의 전기광학 변조기의 사용이 필요하지 않기 때문에 시스템 제작 비용이 저렴한 효과를 가지며 복수개의 광원을 사용하는 경우 동일한 길이의 길이지연 광섬유를 사용하기 때문에 시스템의 제작이 용이한 장점이 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 광원
101, 101a, 401 : 광 스펙트로미터
102, 102a : 디지털 신호 처리부
103, 103a : 제어 및 신호 처리부
104 : 광 커플러
105, 105a : 광섬유(길이 : Xm)
106 : 광섬유(길이 : Ym)
107, 107a : 광섬유 브래그 격자 센서 어레이
108 : 전류주입 변조회로
201a : 제1광원
202a : 제2광원
203a, 204a, 205a : 광 커플러
206a : 제1주입전류 변조회로
207a : 주입전류 변조회로
301 : 전기광학 변조기
101, 101a, 401 : 광 스펙트로미터
102, 102a : 디지털 신호 처리부
103, 103a : 제어 및 신호 처리부
104 : 광 커플러
105, 105a : 광섬유(길이 : Xm)
106 : 광섬유(길이 : Ym)
107, 107a : 광섬유 브래그 격자 센서 어레이
108 : 전류주입 변조회로
201a : 제1광원
202a : 제2광원
203a, 204a, 205a : 광 커플러
206a : 제1주입전류 변조회로
207a : 주입전류 변조회로
301 : 전기광학 변조기
Claims (6)
- 동일파장으로 구성된 복수개의 광섬유 브래그(bragg) 격자 센서 어레이를 이용하여 여러 지점의 물리량을 측정하는 측정 시스템에 있어서,
광대역 광원을 사용하는 광원(light source)과;
광 펄스 발생을 위한 상기 광원의 전류를 직접 펄스 형태로 변조하여 주입하는 주입전류 변조회로와;
상기 광원으로부터 출력된 광 펄스의 광 경로를 병렬 형태의 다채널로 구성하기 위한 광 커플러와;
상기 광 커플러의 각 채널 별 시간지연을 발생시키기 위한 길이지연 광섬유와 물리량 측정을 위한 복수개의 광섬유 브래그 격자 센서 어레이와;
상기 각 채널의 브래그 격자 센서 어레이에 입사시켜 반사되는 광 스펙트럼을 고속으로 측정하는 광 스펙트로미터와;
상기 광 스펙트로미터로부터 출력되는 아날로그 광 신호를 디지털로 변환하는 디지털 신호 처리부; 및
넓은 대역폭을 가지는 광 펄스를 상기 각 채널의 브래그 격자 센서 어레이에 입사시켜 반사되어 광 스펙트로미터에 입사되어 측정되는 각 채널에 연결된 광섬유 브래그 격자 센서 어레이 스펙트럼 신호를 분석하여 물리량을 측정하는 제어 및 신호 처리부;으로 구성하는 것을 특징으로 하는 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 광 스펙트로미터는 광섬유 브래그 격자에서 반사된 광을 회절(回折)하는 광 회절 격자와, 상기 광 회절 격자에 의해 회절된 광을 광 수신 다이오드로 유도하는 거울과, 광 수신 다이오드와 증폭기 및 신호 변환기를 포함하여 상기 광을 수신하고 디지털 신호로 변환하는 광 수신 다이오드 어레이로 구성하는 것을 특징으로 하는 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 광 스펙트로미터는 분해능과 측정 파장범위의 확장을 위한 수단으로서, 광 분기부(splitter)와, 복수개의 다중파장 분할 장치(Arrayed Waveguide Grating)와, 광 수신 다이오드와 증폭기 및 신호 변환기를 포함하여 상기 광을 수신하고 디지털 신호로 변환하는 광 수신 다이오드 어레이로 구성하는 것을 특징으로 하는 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 광원과 광 커플러 사이에는 광대역광으로부터 출력된 빛을 펄스로 변조하는 전기광학 변조기가 구비되는 것을 특징으로 하는 광 스펙트로미터 기반 다채널 물리량 고속 측정 시스템. - 동일파장으로 구성된 복수개의 광섬유 브래그(bragg) 격자 센서 어레이를 이용하여 여러 지점의 물리량을 측정하는 측정 시스템에 있어서,
광대역 광원을 사용하는 복수개의 제1, 2광원(light source)과;
광 펄스 발생을 위한 상기 광원의 전류를 직접 펄스 형태로 변조하여 주입하는 복수개의 제1, 2주입전류 변조회로와;
상기 광원으로부터 출력된 광 펄스의 광 경로를 병렬 형태의 다채널로 구성하기 위한 광 커플러와;
상기 광 커플러의 각 채널 별 시간지연을 발생시키기 위한 길이지연 광섬유와 물리량 측정을 위한 복수개의 광섬유 브래그 격자 센서 어레이와;
상기 각 채널의 브래그 격자 센서 어레이에 입사시켜 반사되는 광 스펙트럼을 고속으로 측정하는 광 스펙트로미터와;
상기 광 스펙트로미터로부터 출력되는 아날로그 광 신호를 디지털로 변환하는 디지털 신호 처리부; 및
넓은 대역폭을 가지는 광 펄스를 상기 각 채널의 브래그 격자 센서 어레이에 입사시켜 반사되어 광 스펙트로미터에 입사되어 측정되는 각 채널에 연결된 광섬유 브래그 격자 센서 어레이 스펙트럼 신호를 분석하여 물리량을 측정하는 제어 및 신호 처리부;으로 구성하는 것을 특징으로 하는 광 스펙트로미터 기반 다채널 고속 물리량 측정 시스템. - 제 5항에 있어서,
상기 제1, 2광원에 광섬유 브래그 격자 센서 어레이를 연결할 수 있는 채널의 수를 복수개로 구성하며, 제1, 2광원과 연결되어 있는 채널에 동일 길이의 길이지연 광섬유가 삽입된 것을 특징으로 하는 광 스펙트로미터 기반 다채널 물리량 고속 측정 시스템.
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