KR20170103948A - 다중화된 섬유 센서 - Google Patents

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KR20170103948A
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앤드루 찰스 레윈
마틴 제임스 쿠퍼
데이비드 아서 오처드
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키네티큐 리미티드
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Abstract

본 발명은 섬유 광학 하이드로폰 어레이에 대한 다중화된 섬유 센서를 제공한다. 신호 수신기가 섬유 광학 하이드로폰 센서 어레이로부터 신호를 수신하도록 적응되고 간섭계가 제공된다. 상기 간섭계는 하이드로폰 어레이로부터 수신된 신호로부터 제 1 신호 성분 및 제 2 신호 성분을 생성하도록 적응된다. 상기 간섭계에는 또한 상기 제 1 신호 성분의 편광을 제어하도록 적응된 제 1 편광 제어기 및 상기 제 2 신호 성분의 편광을 제어하도록 적응된 제 2 편광 제어기가 제공된다. 추가적으로, 상기 제 1 신호 성분에 기초하여 변조된 반송파 신호 성분을 발생시키도록 적응된 변조된 반송파 신호 발생기가 또한 제공된다. 상기 변조된 신호 성분 및 상기 제 2 신호 성분으로부터 도출된 복조된 출력 신호를 출력하도록 적응된 검출기가 포함되며, 상기 변조된 신호 성분 및 상기 제 2 신호 성분은 상기 간섭계로부터 개별적으로 출력된다.

Description

다중화된 섬유 센서
본 발명은 다중화된 섬유 센서(multiplexed fibre sensor), 특히 간섭계 및 검출기를 포함하고 하이드로폰 어레이(hydrophone array)로부터 신호를 수신하도록 적응된 센서에 관한 것이다.
대략 지난 40년 동안 광섬유 및 간섭계 기술을 기반으로 하는 하이드로폰 어레이가 고려되고 있었다. 전통적인 압전식 하이드로폰와 비교할 때 광섬유 버전은 EM(electromagnetic) 간섭에 대한 무감각성과 낮은 유체 잡음은 물론, 저전력 소비, 저비용, 저중량, 및 향상된 신뢰성을 포함하는 여러 가지 장점들을 제공한다. 분산형 브래그 반사기(DBR: distributed Bragg reflectors) 및 분산형 피드백(DFB) 장치와 같은 단일 모드 섬유 레이저 디자인은 수중에서의 움직임과 같은 환경적 섭동을 감지할 수 있는 조짐을 보여주었다. 이것은 이들이 하이드로폰 어레이에서 사용하기에 아주 적합하게 하는데, 이는 그러한 섬유 레이저가 온도 및 변형에 대한 감도를 나타내도록 구성될 수 있기 때문이다.
DBR 레이저는, 예를 들면 에르븀 도핑된 섬유에 결합된 동일한 반사 파장들을 갖는 두 개의 브래그 격자(Bragg grating)들과 같은, 희토류 도핑된 섬유의 길이의 어느 한 말단에 반사기를 배치함으로써 일반적으로 형성된다. 이는 일반적으로 980nm 또는 1480nm에서 "펌핑(pumping)"하는 다른 광원을 사용하여 적절한 여기와 함께 브래그 격자 중심 파장, 캐비티의 길이 및 도펀트(에르븀)의 방출 대역폭에 의해 결정되는 일반적으로 1530nm와 1560nm 사이의 매우 특정적인 파장에서 패브리-페로(Fabry-Perot) 캐비티로 하여금 레이저를 방출하게 하는 간단한 에탈론 구조를 설정한다. DFB 레이저는 본질적으로 단순한 에탈론을 형성하는 DBR 구조의 단순한 버전이다. 두 개의 브래그 격자들이 도핑된 섬유 내에 형성되고, 하나의 브래그 파장보다 작은 짧은 길이로 분리되어 위상 스텝이 상기 격자의 길이 내에서 생성되도록 한다. 예를 들어 980nm로 섬유를 다시 펌핑하면 패브리-페로 캐비티는 특정 파장에서 레이저를 방출한다. DBR과 DFB 레이저 모두는 음향 필드 내에 놓일 때 동일한 방식으로 작동하는데, 이는 섬유 자체가 음향 필드에 의해 동적으로 변형되어 패브리-페로 캐비티의 치수를 변경시켜 파장의 변화를 일으키기 때문이다. 이때 이러한 파장의 변화는 다양한 방법을 사용하여 감지되고 입사 음향 필드에 대한 정보로 변환된다.
파장 시프트 및 그에 따른 입사 음향 필드 효과를 결정하기 위한 하나의 가능성은 간섭계를 사용하는 것이다. 간단히 말하면 간섭계는, 일반적으로 입사 파동을 2개로 분할하고 2개의 암(arm)을 이용하여 파동들 중 하나에 변동을 생성시킨 후 파동들을 겹쳐놓음으로써 파동들에 대한 정보를 결정한다. 예를 들어, 마하-젠더(Mach-Zender) 간섭계와 마이켈슨(Michelson) 간섭계 모두는 진폭 분할을 사용하며, 여기서 부분 반사기가 입사 파동의 진폭을 분리되고 재결합되는 별개의 빔들로 분할하는 데 사용된다. 이는 레이저 캐비티가 음향 필드의 영향 하에서 길이 변화를 겪을 때 레이저 광의 빔에 유도된 파장, 주파수 및 위상 시프트를 관찰하는데 이상적인 센서를 만든다.
그 예로서 Northrup Grumman(2980 Fairview Park Drive, Falls Church, VA 22042 USA)에서 판매된 LWWAA(Light Weight Wide Aperture Array) 시스템과 같은 권선 코일형 섬유 하이드로폰에 사용되는 간단한 마하-젠더 간섭계(MZI) 셋업이 있으며, 여기서는 두 개의 권선 코일들을 채용하는데 하나는 기준 굴대(mandrel)로 작동하고 하나는 감지 굴대로 작동한다. 이것은 간섭계의 균형을 맞춰 음향 필드 노출시 파장의 변화를 결정한다. 이 경우, 간섭계는 판독 장치가 아닌 센서로서 사용된다. 상기 감지 굴대는 감지 영역, 즉 음향 필드가 섬유 레이저 어레이에 입사되어 감지되는 영역에 있게된다. 이러한 변화를 직접적으로 판독하기 위해 MZI를 사용하는 한 가지 문제는 간섭계의 암(arm)들 사이에 큰 경로 불균형이 필요하다는 것이며, 이러한 것은 사용하는데 있어 크기 제약의 문제를 발생시킬 수 있다.
대안적인 마하-젠더 시스템은 힐(Hill) 등에 의한, "SPIE vol. 3860, pp 55~66, 1999"에 기재되며, 여기에서 간섭계는 섬유 레이저 어레이의 변화를 판독하는데 사용된다. 섬유에 작용하는 압력은 양쪽 말단에 격자(grating)들을 갖는 일반적으로 40-60mm의 긴 길이의 섬유인 레이저 캐비티의 부분적인 겉보기 길이 변화에 비례하는 파장 변화를 야기한다. 파장 시프트는 큰 경로 불균형이 감지 영역이 아닌 판독 영역에 있도록 상기 두 개의 암들 사이에 큰 경로 불균형을 갖는 마하-젠더 간섭계에서 측정 가능한 위상 시프트로 변환된다. 이것은 권선 코일을 감지 영역에 직접 배치하는 것보다 몇 가지 장점을 제공하지만, 이러한 큰 경로 불균형을 도입하는 것은 신호 잡음의 문제를 일으킬 수 있다.
또 다른 대안은 마하-젠더 간섭계가 아닌 하이드로폰 어레이의 센서로서 마이켈슨 간섭계를 사용하는 것이다. DFB 레이저 어레이와 함께 이러한 센서는 포스터(Foster) 등의, "SPIE vol. 5855, pp 627-630, 2005"에 기술된다. 이 경우, 펌핑된 DFB 레이저의 어레이는 마이켈슨 간섭계로 신호를 보내는데, 여기에서 스플리터/결합기가 레이저 어레이로부터 수신된 신호를 지연 루프를 포함하는 하나의 암과 반송파 신호에 대한 위상 변조를 발생시키는 음향-광학 변조기(AOM)를 포함하는 하나의 암을 따라 송신한다. 그러면 양쪽 암들은 DWDM(고밀도 파장 분할 멀티플렉서)으로 보내지는 단일 출력 신호를 발생시키고, 입사 음향 필드로 인한 섬유 레이저들의 파장 변화를 회복하기 위해 복조 처리를 거친다. 각 간섭계 암의 말단에 패러데이 미러들이 사용되며, 이로 인해 반사된 빔이 입력 빔들을 간섭계의 각 암을 따라 보내는 데 사용되는 스플리터/결합기로 돌아올 때 편광 효과(polarisation effects)를 반전시키게 한다. 이러한 것은 프로세싱 단계에서 최적의 신호 믹싱을 제공한다.
이러한 배열의 한 가지 단점은 AOM이 위상 변조를 일으키기 위해 상대적으로 높은 전력을 요구하며 100% 효율이 거의 없다는 것이다. 마이켈슨 간섭계 내의 이중 통과는 또한 주파수의 모든 시프트 및 신호와 연관된 모든 손실을 두 배로 한다. 또한, DWDM에서 생성된 다중화된 채널들 각각에 대해 RF(무선 주파수) 수신기 회로가 요구되며 데이터를 캡처하기 위해 다운믹싱 스테이지 또는 고속 아날로그-디지털(ADC) 변환기가 요구된다.
따라서, 하이드로폰 어레이의 출력이 상당히 큰 감지 설비를 사용해야할 필요 없이 낮은 전력으로 정확하고 안정하게 측정될 수 있어, 레이저 하이드로폰 어레이의 기본 장점들(낮은 전력 소비, 낮은 비용, 낮은 중량 및 향상된 신뢰성)이 선택 센서에 의해 보존되고 향상될 수 있게 하는 방법을 찾을 필요성이 있다.
본 발명은 다중화된 섬유 센서를 제공함으로써 상기한 문제들을 처리하는 목적을 가지며, 상기 다중화된 섬유 센서는: 섬유 광학 하이드로폰 센서 어레이로부터 신호를 수신하도록 적응된 신호 수신기; 상기 하이드로폰 어레이로부터 수신된 신호로부터 제 1 신호 성분 및 제 2 신호 성분을 생성하도록 적응된 간섭계로서, 상기 제 1 신호 성분의 편광을 제어하도록 적응된 제 1 편광 제어기, 상기 제 2 신호 성분의 편광을 제어하도록 적응된 제 2 편광 제어기, 및 상기 제 1 신호 성분에 기초하여 변조된 반송파 신호 성분을 발생시키도록 적응된 변조된 반송파 신호 발생기가 제공되는, 상기 간섭계; 및 상기 변조된 신호 성분 및 상기 제 2 신호 성분으로부터 도출된 복조된 출력 신호를 출력하도록 적응된 검출기를 포함하고, 상기 변조된 신호 성분 및 상기 제 2 신호 성분은 상기 간섭계로부터 개별적으로 출력된다.
상기 간섭계로부터 두 개의 별개의 출력들을 사용하는 것은 음향 필드가 레이저 캐비티에 입사할 때 생성되는 신호 위상에서 상대적으로 작은 변화의 증폭을 가능하게 하며, 하이드로폰 어레이의 일부가 아닌 센서 내에서 여전히 신호 증폭을 제공하면서, 전력 소비를 증가시키지 않고서 향상된 신호 잡음 감소를 제공할 수 있다. 간섭계를 벗어나는 단일 신호 성분의 위상 변조는 단순화된 복조 단계를 일으킨다.
바람직하게는, 상기 간섭계는 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometer)이다.
바람직하게는, 상기 제 1 편광 제어기는 상기 제 1 신호 성분을 반사하는 제 1 패러데이 미러를 포함하고, 상기 제 2 편광 수단은 상기 제 2 신호 성분을 반사하는 제 2 패러데이 미러를 포함한다.
바람직하게는, 상기 간섭계는 상기 제 2 신호 성분을 수신하여 출력하는 지연 코일 및 제 2 패러데이 미러와, 상기 제 1 신호 성분을 수신하고 상기 변조된 신호 성분을 출력하는 변조 신호 성분 발생기 및 제 1 패러데이 미러와, 상기 하이드로폰 어레이로부터 수신된 신호를 상기 제 1 신호 성분 및 상기 제 2 신호 성분으로 분할하는 스플리터를 포함한다.
바람직하게는, 상기 반송파 신호 성분 발생기는 위상 변조기이다.
바람직하게는, 상기 위상 변조기는 섬유로 감긴 압전 실린더(fibre-wound piezoelectric cylinder)를 포함한다.
바람직하게는, 상기 간섭계는 2개의 암(arm)을 포함하고, 상기 간섭계의 하나의 암의 위상은 정현파적으로(sinusiodally) 변조된다.
바람직하게는, 상기 하이드로폰 어레이는 n 개의 하이드로폰들을 포함하며, 여기서 n은 1보다 크고 바람직하게는 5와 50 사이이지만, 본 발명은 이 범위를 넘어서도 예컨대, 수 백의 하이드로폰들까지 유용성을 갖는다.
바람직하게는, 상기 검출기는 상기 변조된 신호를 n 개의 신호 성분들로 분할하는 제 1 멀티플렉서, 상기 제 2 신호 성분을 n 개의 제 2 신호 성분들로 분할하도록 적응된 제 2 멀티플렉서, 및 상기 n 개의 변조된 성분들과 상기 n 개의 제 2 신호 성분들을 n 개의 출력 신호들로 결합하도록 적응된 n 쌍의 평형화된 검출기들을 포함한다.
바람직하게는, 상기 제 1 및 제 2 멀티플렉서들는 어레이된 도파관 격자(arrayed waveguide grating)들이다.
바람직하게는, 상기 하이드로폰 어레이는 펌핑된 섬유 레이저들의 어레이를 포함한다.
바람직하게는, 상기 복조된 출력 신호는 상기 변조된 신호의 직교 버전들을 나타내도록 발생된 제 1 기준 신호 및 제 2 기준 신호 성분들로부터 도출되고, 상기 직교 성분 및 제 2 신호 성분들은 혼합되어 아크탄젠트 함수(arctan function)를 거쳐 상기 복조된 신호를 생성한다.
바람직하게는, 상기 직교 성분들은 cos(sin(wt)+p) 및 cos(cos(wt)+p) 형태로 되고, 여기서, k는 간섭 신호 가시성 항목이고, A는 변조된 반송파 신호 발생기에 인가되는 구동 신호의 진폭이고, w는 변조된 반송파 신호 발생기에 인가되는 신호의 각 주파수이고, p는 변조된 신호의 위상이다.
또 다른 양상에서, 본 발명은 인가된 음향 필드의 변화를 검출하기 위해 기술된 바와 같은 다중화된 섬유 센서의 사용을 제공한다.
하이드로폰 어레이의 출력이 상당히 큰 감지 설비를 사용해야할 필요 없이 낮은 전력으로 정확하고 안정하게 측정될 수 있어, 레이저 하이드로폰 어레이의 기본 장점들(낮은 전력 소비, 낮은 비용, 낮은 중량 및 향상된 신뢰성)이 선택 센서에 의해 보존되고 향상될 수 있게 하는 구성을 제공한다.
본 발명은 이제 단지 예로서, 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다:
도 1은 레이저 하이드로폰 어레이의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 다중화된 섬유 센서의 개략도이다.
도 3a는 측정된 정현파적(sinusoidal) 신호 변조로부터의 예시적인 판독을 도시한다.
도 3b는 정현파적 변조에 기인한 간섭계 신호들을 나타내는 수학적 함수들을 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예와 함께 사용하기 위한 신호 처리 장치의 개략도이다.
본 기술 분야에서 발견된 문제점들을 피하기 위해, 본 발명은 마이켈슨 간섭계로부터 방출되는 빔들을 결합하지 않고 개별적으로 출력되어 이들을 조합하여 위상 복조 신호를 생성하는 접근법을 취한다. 이하에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 다중화된 섬유 센서는 신호 수신기 및 간섭계를 포함한다. 신호 수신기는 하이드로폰 섬유 센서 어레이로부터 신호(SR)를 수신하도록 적응된다. 간섭계는 하이드로폰 어레이로부터 수신된 신호로부터 제 1 신호 성분(S1) 및 제 2 신호 성분(S2)을 생성하도록 구성된다. 이를 위해, 간섭계에는 제 1 신호 성분(S1)의 편광을 제어하도록 구성된 제 1 편광 제어기 및 제 2 신호 성분(S2)의 편광을 제어하도록 구성된 제 2 편광 제어기가 제공된다. 간섭계에는 또한 제 1 신호 성분(S1)에 기초하여 반송파 신호(Sc) 성분을 발생하도록 적응된 반송파 신호(Sc) 발생기가 제공된다. 센서는 또한 반송파 신호(Sc) 성분 및 제 2 신호 성분(S2)으로부터 도출된 복조된 출력 신호(SDMOD)를 출력하도록 적응된 검출기를 포함한다. 반송파 신호(Sc) 성분 및 제 2 신호 성분(S2)은 간섭계로부터 개별적으로 출력된다.
도 1은 레이저 하이드로폰 어레이의 개략도이다. 하이드로폰 어레이(1)는 광섬유(3)에 의해 연결된 복수의 n 개의 레이저들(2a, 2b ... 2n)을 포함한다. 광섬유(3)는 레이저들(2a, 2b ... 2n)에 대한 입력으로서 펌프 레이저(4)에 의해 방출된 여기 파장(λe)에서 광을 전달하고, 또한 각각의 레이저(2a, 2b ... 2n)로부터 수신된 신호들을 다시 센서(5)에 입력하기 위해 전달한다. 서큘레이터(circulator)(6)는 펌프 레이저(4)로부터 레이저들(2a, 2b ... 2n)로, 그리고 레이저들(2a, 2b ... 2n)로부터 센서(5)로 광을 보내기 위해 사용된다. 대안적으로, 다이크로익 스플리터가 사용될 수 있다. 레이저들(2a, 2b ... 2n)은 π- 위상 시프트에 대응하는 갭을 생성하도록 광섬유(3) 내에 제공되는 격자 섹션들을 에르븀으로 도핑함으로써 형성된 DFB(분산형 피드백) 레이저들이다. (IR 레이저로부터) 980nm 또는 1480nm의 광으로 펌핑될 때 생성된 패브리-페로 캐비티(Fabry-Perot cavity)는 1530~1560nm 범위에서 레이저를 방출한다. 개별적으로 식별가능한 신호들을 제공하기 위해, 레이저 캐비티들은, 제 1 레이저(2a)가 λ1 = 1530nm에서 레이저를 방출하고, 제 2 레이저(2b)가 λ2 = 1531nm에서 레이저를 방출하는 등으로, 어레이에서 최종 레이저(2n)가 λn = 1530+(n-1)에서 레이저를 방출하도록 제작된다. 이는 신호(SR)가 광섬유(3)로부터 다시 서큘레이터(6)로 방출되게 하며, 센서(5)로 통과하게 된다. 음향 필드가 하이드로폰 어레이(1)에 입사할 때, 개개의 레이저(2a, 2b ... 2n) 캐비티들은 다양한 길이 변화를 겪게 되어, 영향을 받는 레이저의 파장에서 각각의 개별 신호 성분에 위상 시프트를 일으킨다. 이때 이러한 것은 센서(5)를 사용하여 검출된다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 다중화된 섬유 센서의 개략도이다. 도 2에 도시된 구성요소들은 도 1에 도시된 센서(5) 내에 위치된다. 하이드로폰 센서 어레이(1)로부터 수신된 신호(SR)는 화살표(SR)로 표시된 바와 같이 제 2 서큘레이터(7)에 도달한다. 여기서, 신호(S)는 일반적으로 점선 박스로 표시된 마이켈슨 간섭계(M)로 보내진다. 처음에, 신호(SR)는 2×2 스플리터(8)에 입력되고, 여기에서 제 1 신호 성분(S1)과 제 2 신호 성분(S2)으로 분할된다. 2×2 스플리터(8)는 신호(SR)의 편광을 유지하는데, 이는 하이드로폰 어레이(1)로부터의 수신시 랜덤하게 될 수 있다. 다음에 제 1 신호 성분(S1)은 간섭계(M)의 제 1 암(9)을 따라 위상 변조기(10)를 통해 제 1 패러데이 미러(11)로 보내지고, 위상 변조기(10)를 통해 다시 2×2 스플리터(8)로 다시 반사된다. 제 2 신호 성분(S2)은 간섭계(M)의 제 2 암(12)을 따라 지연 코일(13)을 통해 제 2 패러데이 미러(14)로 보내지고, 여기에서 지연 코일(13)을 통해 2×2 스플리터(8)로 다시 반사된다. 패러데이 미러들(11, 14)은 한 쌍의 자석들에 수직으로 배열된 역반사 미러를 포함하는 셀과 같은 적절한 패러데이 로테이터(Faraday rotator)들로부터 형성되며, 자기장 응용의 적용에 의해 생성된 전기 광학 효과는 편광 반전(reversal of polarisation)을 유도한다. 패러데이 미러들의 사용은 편광 제어를 수동적으로 실현할 수 있게 한다. 지연 코일(13)은 간섭계(M) 내에 경로 불균형을 일으킨다.
패러데이 미러의 선택은 상기 신호들의 편광을 제어하도록 적응된 편광 제어기를 만들어 낸다. 편광(P)의 입사 신호가 패러데이 거울에 의해 반사될 때, 반사된 신호는 동일하고 반대인 편광(P')을 갖는다. 이러한 것은 하이드로폰 어레이(1)로부터 수신된 신호(S)의 랜덤 편광에 상관없이, 다양한 구송요소들을 통과한 후에도 원래의 편광 상태가 항상 회복되어 최적의 신호 혼합을 유도한다는 것을 의미한다. 위상 변조기(10)는 변조된 반송파 신호(Sc) 발생기로서 동작하여 제 1 신호 성분(S1)으로부터 반송파 신호(Sc)가 생성되게 한다. 이러한 것은 이하에서 설명되는 단순화된 위상 복원 기술의 유익한 사용을 가능하게 한다.
위상 변조기(10)는 섬유로 감긴 압전 실린더로 형성된다. 석영과 같은 압전 재료의 고체 실린더는 광섬유의 다수 권선들에 의해 덮여있어, 압전 재료가 인가된 구동 전압으로 구동될 때 실린더 주위에 감긴 광섬유의 길이가 변하게 된다. 낮은 전력의 단순한 사인파로 위상 변조기를 구동하는 것은 수십 kHz의 압전 재료 내에서 공진을 일으켜 정현파적으로 변조된 반송파 신호(Sc)를 발생시킨다.
제 2 신호 성분(S2) 및 변조된 신호(Sc) 성분이 간섭계(M)의 제 1 암(9) 및 제 2 암(12)을 따라 다시 반사되면, 이들은 2×2 스플리터(8)를 통해 다시 보내진다. 제 2 신호 성분(S2)은 서큘레이터(7)에서 취한 경로를 따라 서큘레이터(7)로 다시 통과하고 이어서 파장 디멀티플렉서(17)를 포함하는 검출기 시스템(15)에 입력된다. 반송파 신호(Sc) 성분은 검출기 시스템(15)으로 직접 별도의 경로를 따라 파장 디멀티플렉서(16)로 보내진다. 이러한 방식으로, 변조된 신호(Sc) 성분 및 제 2 신호 성분(S2)이 간섭계(M)로부터 별도로 출력된다. 실제로, 간섭계(M)는 2개의 암들을 포함하기 때문에, 간섭계(M)의 한 암의 위상은 정현파적으로 변조된다.
검출기 시스템(15)은 변조된 신호(Sc)를 n 개의 반송파 성분들로 분할하는 제 1 멀티플렉서(16), 제 2 신호 성분(S2)을 n 개의 제 2 신호 성분(S2 n)으로 분할하도록 적응된 제 2 멀티플렉서(17), 및 n 개의 변조된 성분들과 각 센서 파장에 대한 하나와 n 개의 제 2 신호 성분들(S2 n)을 n 개의 출력 신호들로 결합하도록 적응된 n 개의 검출기들(18a, 18b ... 18n)을 포함한다. 제 1 및 제 2 멀티플렉서들(16 및 17)은 적절히 배열된 도파관 격자들이고, n 개의 검출기들(18a, 18b ... 18n)은 상기 신호들을 차동적으로 결합하는 적절히 평형화된 검출기 쌍들이다. 검출기 시스템(15)에 대한 개별적인 입력 신호들의 사용하는 것, 즉 간섭계(M)가 변조된 신호(Sc) 성분 및 제 2 신호 성분(S2)을 개별적으로 출력하는 것을 보장하는 것은, DC 바이어스가 없는 검출기 신호들의 생성을 가능하게 하여 변조된 신호(Sc)의 광 경로의 간단한 정현파적 변조를 사용하면서 하이드로폰 어레이로부터 수신된 신호(S)의 효율적인 위상 복조를 가능하게 한다.
간섭계에서의 출력 신호들의 분리는 또한 음향 필드에서의 변화에 대해 감도를 증가시키고 신호 잡음을 감소시킨다. 예를 들어, 각 레이저 캐비티의 개별 길이는 약 40nm이고, 따라서 음향 필드의 작용으로 인한 길이의 어떠한 부분 변화도 매우 작게 될 것이다(결과적으로 매우 작은 파장 시프트를 초래할 것이다). 지연 코일(13)을 레이저 캐비티의 길이보다 아주 많은 배수의 길이로, 예를 들면 40,000mm로 제공함으로써, 이러한 부분 길이 변화가 확대되고, 그에 따라서 레이저 파장의 변화에 의해 야기된 위상의 변화가 또한 확대된다. 그러나, 레이저는 전형적으로, 제 2 신호 성분(S2)을 다시 검출기로 개별적으로 보내고 상기 평형화된 검출기(18a, 18b ... 18n)에서 개별적인 성분들로서의 조합을 위해 개별적인 AWG(17)에 의해 다중화함으로써 처리되는 강도 잡음(intensity noise)을 나타낸다. 또한 적절한 프로세스의 사용으로, 음향 필드가 입사될 때 하이드로폰 어레이(1)로부터 수신된 신호(S)에서의 위상 시프트가 로컬 신호 잡음의 레벨 위로 높아지게 한다. 5m 내지 300m의 범위에서 선택된 길이와 같은 다른 지연 코일(13)의 길이들은 또한 유용성을 제공할 것이다.
결과적으로, 본 발명의 상기 실시예는, 마이켈슨 간섭계의 출력이 간섭계의 양쪽 암들로부터의 신호들이 결합된 단일 출력이 되는 종래 기술의 것들과 첨예하게 대조된다. 이는 음향 필드가 레이저 캐비티에 입사할 때 생성되는 신호의 위상에서 비교적 작은 변화의 증폭을 허용하고, 신호 잡음 감소를 향상시킨다.
또한, 간섭계(M) 내의 지연 길이는 감지 섬유 레이저에서 발생된 신호들과 구별될 수 없는 음향 및/또는 진동 잡음을 픽업할 수 있다고 예상된다. 이를 제거하기 위해, 감지 레이저들로부터 분리된 파장이지만 파장 디멀티플렉서에 대해 사용 가능한 대역에서 매우 안정한 레이저로부터의 광의 주입이 간섭계(M)로 들어가도록 배열될 수 있다. 그 주입된 파장 채널로부터의 복조된 신호들은 지연 코일에 의해 잘못 발생된 신호들만을 포함할 것이고, 그러한 것은 다른 모든 실제 측정 채널들로부터 빠지게 될 수 있다.
상기 실시예에서, 섬유로 감긴 압전 실린더 스트레처(stretcher)가 변조된 신호(Sc) 성분을 발생하기 위해 변조된 반송파 신호 발생기로서 사용된다. 하지만, 변조가 후속하는 신호 처리에 충분하도록 보장하기 위해 적절한 입력 전력 증가를 갖는 통상의 브래그 셀 음향-광학 변조기와 같은 다른 디바이스들이 사용될 수 있다.
하이드로폰 어레이(1)의 일례는 전술한 바와 같이, 복수의 펌핑된 섬유 레이저들, 바람직하게는 DFB 레이저들을 포함한다. 하지만, 본 발명은 DBR 레이저들을 사용하는 것과 같은 다른 하이드로폰 시스템으로 사용하는 데에도 동일하게 적합하다. 또한, 레이저가 도핑이 없는 패브리-페로 에탈론으로 대체되는 것과 같은 다른 유형의 하이드로폰 어레이들로 본 발명의 실시예들을 사용할 수 있으며, 여기에서는 레이저를 방출하는 캐비티를 생성하기 위해 펌프 레이저에 의해 구동되는 것이 아니라, 음향 필드의 영향 하에서만 캐비티의 길이의 변화에 기초하여 위상 시프트를 일으키기 위해 레이저 소스를 이용한다. 따라서, 본 발명을 사용하기 위해 채용되는 레이저 또는 하이드로폰의 유형은 제한되지 않으며, 음향 신호의 영향에 기초하여 광학 신호가 생성될 수 있는 한, 전술한 다중화된 섬유 센서가 사용될 수 있다.
단일 정현파를 사용하여 구동될 수 있는 위상 변조기(10)의 사용은 앞서 기술된 것들과 같이 하이드로폰 어레이들에 채용된 통상적인 위상 복원 기술들에 사용된 램프-업 기술을 사용하는 것보다 훨씬 높은 주파수에서 변조된 신호(Sc)가 구동되도록 한다. 예를 들면, WAV 파일 표준 주파수와 일치하는 44.1kHz의 주파수에서 구동하는 것이 가능하다. 위상 정보의 복원에 대한 이러한 변조의 적용이 이제 기술 될 것이다.
일반적인 주파수 변조 시스템에서, 주파수 변조된 신호 복원 기술은 변조된 신호(Sc)로부터 주파수 정보의 위상을 복원하기 위해 로크-인(lock-in) 또는 위상 감지 복조기를 사용하는 것을 수반한다. 효과적으로, 이러한 것은 입력 신호와 상기 변조된 반송파 주파수에서 발생된 2개의 직교 신호들 간의 상관을 결정하며, 여기서 직교 신호들은 삼각 함수 형태(a trigonometric in form)가 된다. 변조 시에 모든 간섭 시스템으로부터 돌아오는 신호는 전형적으로 다음과 같은 형태의 함수에 의해 주어진다:
1+kcos(Asin(wt)+p)
여기서, k는 간섭 신호 가시성, A는 상기 감겨진 섬유 압전 실린더 스트레처에 인가된 구동 신호의 진폭, w는 상기 감겨진 섬유 압전 실린더 스트레처에 인가된 신호의 각 주파수, 및 p는 상기 변조된 신호의 관심 위상이다. 다음에 상기 검출기들로부터의 차동 증폭기 출력은 다음과 같은 형태가 된다:
Kcos(Asin(wt)
여기서 K는 증폭기 이득 항목을 포함한다. 그런 다음 상기 신호는 대표적인 직교 파형을 사용하는 수정된 로크-인 증폭기 기술을 통해 복조된 신호를 생성하는 데 사용된다. 이것은 하기에서 도 4를 참조하여 더 자세히 설명된다. 실제로, 복조된 출력 신호는 변조된 신호의 직교 버전들을 나타내도록 발생된 제 1 기준 신호 및 제 2 기준 신호 성분들로부터 도출되고, 상기 직교 성분들 및 제 2 신호 성분들은 혼합되어 아크탄젠트 함수를 거쳐 상기 복조된 신호를 생성한다. 상기 직교 성분들은 cos(sin(wt)+p) 및 cos(cos(wt)+p) 형태가 되며, 여기서 k는 간섭 신호 가시성이고, A는 감겨진 섬유 압전 실린더 스트레처(변조된 반송파 신호 발생기)에 인가된 구동 신호의 진폭이고, w는 상기 감겨진 섬유 압전 실린더 스트레처에 인가된 신호의 각 주파수이며, p는 변조된 신호의 관심 위상이다.
상기 시스템이 정지 중이거나 직각위상 지점(π/2로 시프트된 위상) 근처에 있을 때, 도 3a에 도시된 형태의 파형이 복구된다. 도 3a는 측정된 정현파적 신호 변조로부터 판독된 예이며, 여기서 상기 파형은 피크(peak) 및 트로프(trough) 지점들을 제외하고 일반적으로 정현파적 모양(정규의 피크들과 트로프들)을 취한다. 각 피크에서 파형은 국부적 최소점(local minima)을 통과하여 각각의 피크에 상기 국부적 최소점 주위에 동일한 간격으로 떨어진 두 개의 더 작은 피크들이 나타난다. 각각의 트로프 지점에서 상기 파형은 국부적 최대점을 통과하여 각각의 트로프에 상기 국부적 최대점 주위에 동일한 간격으로 떨어진 두 개의 더 작은 트로프들이 나타난다.
도 3b는 정현파적 변조로 인한 간섭계 신호들을 나타내는 수학 함수들을 도시한다. 제 1 신호(A)는 직각위상 지점에 대한 변조에 대해 도 3a에 도시된 정현파적 변조 신호에 대응한다. 제 2 신호(B)는 상기 직각위상 지점으로부터 π/2 시프트에서 정현파적 변조에 대응하고, 간단한 코사인 함수가 된다. 이러한 유형의 변조는 도 4에 도시된 바와 같이 수정된 로크-인 또는 위상 감지 복조기로 연결된다.
도 4는 본 발명의 실시예와 함께 사용하기 위한 신호 처리 디바이스의 개략도이다. 두 개의 성분들로 분할된 입력 신호(Sin)는 정현파적으로 변조된 반송파 신호(Sc, sin(x))의 코사인 성분과 사인 성분 각각으로 곱해진다(혼합된다). 입력 신호 및 사인 성분 조합은 제 1 저역 통과 필터(19)를 통해 공급되고, 입력 신호 및 코사인 성분 조합은 제 2 저역 통과 필터(20)에 공급되며, 양쪽 조합은 합 및 차 신호 성분 모두를 포함한다. 그 다음, 이들은 아크탄젠트 변환(21) 및 위상 언랩핑(unwrap)(22)을 거쳐 위상 복조된 출력 신호(SDMOD)를 제공한다. 바람직하게는, 이러한 디바이스는 본 발명의 실시예들과 조합하여 사용되어 간섭계(M)에 의해 개별적으로 생성 및 출력된 변조된 신호(Sc) 및 제 2 신호 성분(S)으로부터 위상 복조된 신호를 도출한다.
본 발명의 이들 및 다른 실시예들은 첨부된 청구 범위로부터 명백해질 것이다.
5: 센서 6, 7: 서큘레이터
8: 스플리터 9: 암(arm)
10: 위상 변조기 11: 미러
12: 암 13: 지연 코일
14: 미러 15: 검출기 시스템
18a, 18b, 18c...18n: 검출기

Claims (14)

  1. 다중화된 섬유 센서에 있어서:
    섬유 광학 하이드로폰 센서 어레이로부터 신호를 수신하도록 적응된 신호 수신기;
    상기 하이드로폰 어레이로부터 수신된 신호로부터 제 1 신호 성분 및 제 2 신호 성분을 생성하도록 적응된 간섭계로서, 상기 제 1 신호 성분의 편광을 제어하도록 적응된 제 1 편광 제어기, 상기 제 2 신호 성분의 편광을 제어하도록 적응된 제 2 편광 제어기, 및 상기 제 1 신호 성분에 기초하여 변조된 반송파 신호 성분을 발생시키도록 적응된 변조된 반송파 신호 발생기가 제공되는, 상기 간섭계; 및
    상기 변조된 신호 성분 및 상기 제 2 신호 성분으로부터 도출된 복조된 출력 신호를 출력하도록 적응된 검출기를 포함하고,
    상기 변조된 신호 성분 및 상기 제 2 신호 성분은 상기 간섭계로부터 개별적으로 출력되는, 다중화된 섬유 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 간섭계는 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometer)인, 다중화된 섬유 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 편광 제어기는 상기 제 1 신호 성분을 반사하는 제 1 패러데이 미러(Faraday mirror)를 포함하고, 상기 제 2 편광 수단은 상기 제 2 신호 성분을 반사하는 제 2 패러데이 미러를 포함하는, 다중화된 섬유 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 간섭계는 상기 제 2 신호 성분을 수신하여 출력하는 지연 코일 및 제 2 패러데이 미러와, 상기 제 1 신호 성분을 수신하고 상기 변조된 신호 성분을 출력하는 캐리어 신호 성분 발생기 및 제 1 패러데이 미러와, 상기 하이드로폰 어레이로부터 수신된 신호를 상기 제 1 신호 성분 및 상기 제 2 신호 성분으로 분할하는 스플리터를 포함하는, 다중화된 섬유 센서.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변조된 신호 성분 발생기는 위상 변조기인, 다중화된 섬유 센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 위상 변조기는 섬유로 감긴 압전 실린더(fibre-wound piezoelectric cylinder)를 포함하는, 다중화된 섬유 센서.
  7. 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 간섭계는 2개의 암(arm)을 포함하고, 상기 간섭계의 하나의 암의 위상은 정현파적으로(sinusiodally) 변조되는, 다중화된 섬유 센서.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하이드로폰 어레이는 n 개의 하이드로폰들을 포함하는, 다중화된 섬유 센서.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 검출기는 상기 변조된 신호를 n 개의 신호 성분들로 분할하는 제 1 멀티플렉서, 상기 제 2 신호 성분을 n 개의 제 2 신호 성분들로 분할하도록 적응된 제 2 멀티플렉서, 및 상기 n 개의 변조된 성분들과 상기 n 개의 제 2 신호 성분들을 n 개의 출력 신호들로 결합하도록 적응된 n 쌍의 평형화된 검출기들을 포함하는, 다중화된 섬유 센서.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 멀티플렉서들은 어레이된 도파관 격자(arrayed waveguide grating)들인, 다중화된 섬유 센서.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 복조된 출력 신호는 상기 변조된 신호의 직교 버전들을 나타내도록 발생된 제 1 기준 신호 및 제 2 기준 신호 성분들로부터 도출되고, 상기 직교 성분들 및 제 2 신호 성분들은 혼합되어 아크탄젠트 함수(arctan function)를 거쳐 상기 복조된 신호를 생성하는, 다중화된 섬유 센서.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 직교 성분들은 cos(sin(wt)+p) 및 cos(cos(wt)+p) 형태로 되고, 여기서, k는 간섭 신호 가시성 항목이고, A는 변조된 반송파 신호 발생기에 인가되는 구동 신호의 진폭이고, w는 변조된 반송파 신호 발생기에 인가되는 신호의 각 주파수이고, p는 상기 변조된 신호의 위상인, 다중화된 섬유 센서.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하이드로폰 어레이는 펌핑된 섬유 레이저들의 어레이를 포함하는, 다중화된 섬유 센서.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 청구된 다중화된 섬유 센서를 사용하여 인가된 음향 필드에서 변화를 검출하는, 다중화된 섬유 센서의 사용.
KR1020177022611A 2015-01-14 2016-01-14 다중화된 섬유 센서 KR20170103948A (ko)

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