KR20170135578A - 광 센서 선형 감지기를 이용한 복합 신호 감지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 중계기의 모니터링 및 제어는 물론 그 외 화재 연동설비, 진동 경보 설비, 소음 경보 설비 등의 제어 기능을 일체로 통합시킨 광 센서 선형 감지기를 이용한 복합 신호 감지 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 광 중계기에서 화재, 진동, 소음 발생 모니터링 및 설정을 가능하게 함으로써 관련 설비의 작동실패를 방지하고, 유지보수를 쉽게 하는 광 센서 선형 감지기를 이용한 복합 신호 감지 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 광 신호가 산란되어 되돌아온 역산란광 중 라만, 레일리, 브릴루앙 계열의 신호 각각에 대해서 그 안티-스톡스 및 스톡스 신호를 사용하여 화재발생의 검출 신뢰성을 높인 광 센서 선형 감지기를 이용한 복합 신호 감지 시스템에 관한 것이다.

Description

광 센서 선형 감지기를 이용한 복합 신호 감지 시스템{Complex signal detection system using photo sensing type linear detector}

본 발명은 광 중계기의 모니터링 및 제어는 물론 그 외 화재 연동설비, 진동 경보 설비, 소음 경보 설비 등의 제어 기능을 일체로 통합시킨 광 센서 선형 감지기를 이용한 복합 신호 감지 시스템에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 광 중계기에서 화재, 진동, 소음 발생 모니터링 및 설정을 가능하게 함으로써 관련 설비의 작동실패를 방지하고, 유지보수를 쉽게 하는 광 센서 선형 감지기를 이용한 복합 신호 감지 시스템에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 광 신호가 산란되어 되돌아온 역산란광 중 라만, 레일리, 브릴루앙 계열의 신호 각각에 대해서 그 안티-스톡스 및 스톡스 신호를 사용하여 화재발생의 검출 신뢰성을 높인 광 센서 선형 감지기를 이용한 복합 신호 감지 시스템에 관한 것이다.

화재, 지진, 폭발, 소음 등의 재난은 별개로 발생될 수도 있지만, 복합적으로 발생되는 경우도 많다. 따라서, 향후에는 지진 및 화재, 소음 등 각종 재난 상황을 통합적으로 관제할 수 있는 시스템이 대두될 것으로 예상된다.

대표적으로, 진동을 수반하는 지진의 경우 2015년에 발생한 규모 2.0 이상의 국내 지진발생횟수는 총 44회로 나타났으며, 이중 규모 3.0이상의 국내 지진발생횟수는 5회로 나타났고, 12월22일 전북익산시 북쪽 9km 지점에서 발생한 규모 3.9의 지진이 가장 큰 규모인 것으로 알려졌다. 이와 같이 국내의 경우도 지진에서 항상 안전할 수만은 없다는 사실을 알 수 있으며, 따라서, 지진에 대한 감지기술이 필요할 것이다.

도 1은 예를 들어 기존의 교량에 설치되는 지진 및 온도 감지시스템으로서 상기 시스템의 경우 별도의 지진감지센서를 채용하였으며, RFID 및 USN 기술 등을 응용한 지진 모니터링을 기술을 적용하고 있고, 이는 개별 객체들로 구성되고 있어 상호 유기적인 연결에 한계가 나타나며, 전체의 모니터링이 불가능하다시피 하여 특정 구간에 대한 국부적인 모니터링에 그친다는 한계점이 있다.

한편, 화재의 경우, 현재 국내 터널 및 지하공동구 등에서의 화재를 감지하기 위해 적용되는 화재 감지 시스템은 대부분 정온식 선형감지기 또는 차동식 분포형 공기관식 감지기가 사용되고 있다.

하지만 정온식 선형감지기의 경우 화재발생 전에 미연에 작동하는 것이 아니라, 화재가 발생 후 피복이 용융되어야만 작동되기 때문에 조기에 화재를 감지하기가 어렵다.

또한, 차동식 분포형 공기관식 감지기의 경우 터널과 같이 열악한 환경에서는 내부 풍속과 차량 이동에 따른 기류변화로 인해 정확한 감지가 어려운 문제점이 나타난다.

이에, 최근에는 광섬유 케이블을 사용하여 경량화 및 소형화가 가능하면서도 전자파의 간섭을 받지 않고, 수 km 이상의 장거리 화재감시가 가능한 화재 감지 시스템을 채용하고 있다.

그러나, 도 2와 같이 종래의 광섬유 케이블(10)을 이용한 화재 감지 시스템은 광 중계기(20)와 연결된 화재 수신기(30)가 이를 관리하기 위한 관제용 PC(40) 등과 분리되어 통합형 전용 화재 수신기를 제공하지 못한다.

또한, 광 중계기(20)에서는 단순히 화재 발생시 그 감시 결과를 화재 수신기(30) 측으로 전달만할 뿐, 광 중계기(20) 자체에서 각 구역별 온도 및 화재 발생 모니터링이 불가능하고 설정할 수 없는 문제가 있다.

한편, 한국등록특허 제10-0938591호 '광센서감지기를 이용한 화재 감지시스템' 및 한국공개특허 제2009-0120032호 '광섬유를 이용한 화재 정보 검출 장치' 등에서는 이상과 같은 화재 감지 시스템에서 역산란광에 포함된 라만 신호를 이용하여 화재발생 여부를 검출한다.

하지만 종래의 라만 계열 역산란광을 이용한 화재 발생 감지방식은 온도에 민감한 안티-스톡스(Anti-stokes) 신호만을 이용한 것으로, 절대적인 비교대상 없이 단순히 안티-스톡스 신호만을 분석한 결과이기 때문에 신뢰성이 낮다는 문제점이 있다.

한국등록특허 제10-0938591호 한국공개특허 제2009-0120032호 한국공개특허 제10-2015-0041872호

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광 중계기의 모니터링 및 제어는 물론 그 외 화재 연동설비, 진동, 소음 경보 설비 등의 제어 기능을 일체로 통합시킨 광 센서 선형 감지기를 이용한 복합 신호 감지 시스템을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 광 중계기에서 화재, 진동, 소음 발생 모니터링 및 설정을 가능하게 함으로써 설비의 작동실패를 방지하고, 유지보수를 쉽게 하는 광 센서 선형 감지기를 이용한 복합 신호 감지 시스템을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 광 신호가 산란되어 되돌아온 역산란광 중 라만 계열, 레일리 계열, 브릴루앙 계열 등 각각의 계열에 대한 안티-스톡스 및 스톡스 신호를 사용하여 화재, 진동, 소음 발생의 검출 신뢰성을 높인 광 센서 선형 감지기를 이용한 복합 신호 감지 시스템을 제공하고자 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 감시 구역에 설치된 광 센서 케이블(10)과; 상기 광 센서 케이블(10)에 광 신호를 송신하고, 상기 광 센서 케이블(10)로부터 산란되어 되돌아온 광 신호를 판독하여 화재, 진동 및 소음 중 적어도 어느 하나의 발생을 검출하는 광 중계기(100)와; 상기 광 중계기(100)에 일체로 탑재되어 화재, 진동 및 소음 중 적어도 어느 하나의 감시 결과를 표출하고, 상기 광 중계기(100)를 설정하기 위한 인터페이스를 제공하는 디스플레이장치(DP); 및 적어도 하나의 상기 광 중계기(100)를 통합 관리하며, 화재, 진동 및 소음 중 적어도 어느 하나의 발생시 경보를 발생시키는 통합형 전용 수신기(200);를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 센서 선형 감지기를 이용한 복합 신호 감지 시스템을 제공한다.

상기 광 중계기(100)는 기준 클럭을 발생시키는 동기화부(110)와; 상기 기준 클럭에 동기하여 구동 펄스를 발생시키는 펄스 드라이버(120)와; 상기 구동 펄스를 입력 신호로 하여 펄스 광 신호를 발생시키는 레이저 다이오드(130)와; 상기 광 신호를 상기 광 센서 케이블(10)에 전송하고, 상기 광 센서 케이블(10)로부터 산란되어 되돌아온 광 신호를 수신하는 광 송수신기(140)와; 상기 산란되어 되돌아온 광 신호 중 라만(Raman) 계열 광 신호만을 통과시키는 라만 필터(151), 레일리(Rayleigh) 계열 광 신호만을 통과시키는 레일리 필터(152), 브릴루앙(Brillouin) 계열 광 신호만을 통과시키는 브릴루앙 필터(153)가 각각 독립적으로 모두 탑재된 필터모듈(150); 및 상기 라만 계열 광 신호, 레일리 계열 광 신호, 브릴루앙 계열 광 신호를 각각 전기 신호로 변환시키는 포토 다이오드(160)와; 상기 전기 신호를 증폭하는 증폭기(170)와; 상기 증폭된 아날로그의 전기 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기(180); 및 상기 디지털 신호를 판독하여 화재 발생을 검출하는 중앙처리장치(190);를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 라만 필터(151), 레일리 필터(152) 및 브릴루앙 필터(153)는 안티-스톡스 신호(Anti-Stokes)를 필터링하는 안티-스톡스 라만 필터(151-1, 152-1, 153-1) 및 스톡스 신호(Stokes)를 필터링하는 스톡스 라만 필터(151-2, 152-2, 153-2)를 포함하고, 상기 포토 다이오드(160)는 상기 안티-스톡스 신호를 전기 신호로 변환하는 안티-스톡스 포토 다이오드(161) 및 상기 스톡스 신호를 전기 신호로 변환하는 스톡스 포토 다이오드(162)를 포함하며, 상기 중앙처리장치(190)는 온도, 진동 및 소음 변화에 민감한 상기 안티-스톡스 신호 및 온도, 진동 및 소음 변화에 상대적으로 무관한 스톡스 신호의 비율(R)에 따라 온도변화 또는 화재 발생 여부, 진동 발생 여부 및 소음 발생 여부를 판단하는 것이 바람직하다.

상기 중앙처리장치(190)는 상기 안티-스톡스 신호 및 스톡스 신호를 각각 다수개 검출하여 평균화하되, 상기 안티-스톡스 신호를 스톡스 신호의 개수보다 상대적으로 많이 검출하여 평균화하는 것이 바람직하다.

상기 중앙처리장치(190)는 상기 광 센서 케이블(10)이 설치된 구간의 기준 온도값(ReferTemp), 기준 진동값(ReferVib), 기준 소음값(ReferNoise)을 센서로부터 입력받고, 상기 입력된 기준 온도값, 기준 진동값, 기준 소음값과 상기 라만, 레일리, 브릴루앙 계열 광 신호에 의해 측정된 온도값, 진동값, 소음값과 각각 비교하여 온도 또는 화재 발생 여부, 진동 발생 여부 및 소음 발생 여부를 판단하는 것이 바람직하다.

상기 중앙처리장치(190)는 상기 광 신호의 속도에 상기 광 신호가 산란되어 되돌아온 시간을 곱한 후 2로 나누어 온도 또는 화재 발생 지점, 진동 발생 지점, 소음 발생 지점의 위치(X)를 판단하는 것이 바람직하다.

상기 광 송수신기(140)는 광 서큘레이터(141) 또는 광 방향성 결합기(142) 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명은 광 중계기에 디스플레이장치를 일체로 탑재하고, 통합형 전용 수신기를 제공함으로써 광 중계기의 모니터링 및 제어는 물론 그 외 화재 연동설비, 진동 및 소음 경보 설비 등의 제어 기능을 통합하여 제공한다.

또한, 본 발명은 광 중계기에 임베디드된 디스플레이 장치를 통해 화재, 진동, 소음 발생 모니터링 및 설정을 가능하게 함으로써 설비의 작동실패를 방지하고, 유지보수를 쉽게 한다.

또한, 본 발명은 광 신호가 산란되어 되돌아온 역산란광 중 라만 계열, 레일리 계열, 브릴루앙 계열 등 각 계열에 대한 안티-스톡스 및 스톡스 신호를 서로 비교하여 이들 신호로부터 발생된 화재, 진동, 소음의 검출 신뢰성을 높인다.

또한, 본 발명은 광 중계기에 임베디드된 디스플레이 장치를 통해 화재, 진동, 소음의 발생 위치를 정확하고 신속하게 식별할 수 있도록 하는 것이며, 신속한 조치가 필요한 재난 발생 상황에 반드시 필요한 시스템이고, 이로 인하여 거리와 방위 정보만을 단순히 제공하는 종래의 광 중계기에 비하여 경로와 위치를 보다 상세히 파악할 수 있도록 하여 화재, 진동, 소음에 대한 실시간 감시가 가능하다.

또한, 본 발명은 광 도파로의 사용이 가능하지만, 이 보다 단가면에서 유리하면서도 유사한 수준의 성능을 나타내는 광 서큘레이터나 광방향성 결합기를 사용함으로써 광 중계기의 제작단가를 낮추고 국산화할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 별도의 지진감지센서, 온도감지센서를 채용하여 교량의 지진 및 온도를 감지하는 시스템을 나타낸 개략 구성도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 광 케이블을 이용한 화재 감지 시스템을 나타낸 개략 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 광 센서 선형 감지기를 이용한 복합 신호 감지 시스템을 나타낸 개략 구성도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 디스플레이장치를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 광 중계기를 나타낸 구성도이다.
도 6은 본 발명의 광 송수신기를 나타낸 여러 실시예이다.
도 7은 본 발명에 따른 광 센서 선형 감지기를 이용한 복합 신호 감지 시스템의 위치 검출 방법을 나타낸 도이다.
도 8은 본 발명에 따른 광 센서 선형 감지기를 이용한 복합 신호 감지 시스템의 온도 또는 화재, 진동, 소음 감지 방법을 나타낸 도이다.
도 9는 광 섬유 내에서 발생되는 역산란광을 나타낸 도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 센서 선형 감지기를 이용한 복합 신호 감지 시스템에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 도 3과 같이 본 발명에 따른 광 센서 선형 감지기를 이용한 복합 신호 감지 시스템은 광 센서 케이블(10), 광 중계기(100), 디스플레이장치(DP), 통합형 전용 수신기(200) 및 광 스위치(SW)를 포함한다.

이때, 광 센서 케이블(10)은 내부에 코어 및 내열 피복으로 이루어진 광 섬유를 포함하며, 광 섬유는 보호튜브 내에 삽입된 상태로 터널이나 지하공동구 등과 같은 화재가 빈발한 지역은 물론, 화재, 지진, 소음 등이 재난의 중요한 신호가 될 수 있는 건축물의 미리 정해진 영역을 따라 길게 배선될 수 있다.

광 중계기(100)는 광 스위치(SW)를 통해 다채널(예: 2-CH)의 광 센서 케이블(10)에 연결되며, 광 신호를 송신하고, 광 센서 케이블(10)로부터 산란되어 되돌아온 광 신호를 판독하여 화재, 진동, 소음 발생을 검출한다.

디스플레이장치(DP)는 임베디드 모듈로서 광 중계기(100)에 일체로 탑재되어 광 중계기(100)로부터 제공된 화재, 진동, 소음 감시 결과를 표출하고, 광 중계기(100)를 설정하기 위한 GUI 인터페이스 등을 제공한다.

이러한 디스플레이장치(DP)로서, 화재발생시를 예를 들어서 도 4a, 도 4b와 같이 도시하였다. 진동, 소음 발생시에 관해서는 도시하지 아니하였으나, 도 4a, 도 4b와 유사하게 표현될 수 있다.

도 4a에서 도시된 바와 같이, 기본 화면 및 화재발생시 경고화면을 제공함은 물론, 각종 GUI 버튼을 제공하여 광 중계기(100) 설정을 가능하게 하며, 예비전원시험 역시 가능하게 한다.

또한, 도 4b와 같이 온도 및 화재발생 여부에 대한 감지결과를 전체 감지 구역의 거리별로 제공한다. 검출값은 곡선 그래프나 색온도 바 등과 같은 다양한 타입으로 제공하며, 관리자가 선택시 특정 구역을 확대하여 보여준다.

통합형 전용 수신기(200)는 적어도 하나 이상의 상기 광 중계기(100)를 통합 관리하며, 화재, 진동, 소음 발생시 경보를 작동시키는 것으로, 종래와 다르게 화재 수신기(도 2의 30), 진동 수신기 및 소음 수신기와 제어용 PC(도 2의 40)를 통합하여 전용 수신기 역할을 한다.

따라서, 본 발명은 광 중계기(100)에 디스플레이장치(DP)를 일체로 탑재하고, 통합형 전용 수신기(200)를 제공함으로써 광 중계기(100)의 모니터링 및 제어는 물론 그 외 화재 연동설비, 진동, 소음 경보설비 등의 제어 기능을 통합하여 제공한다.

또한, 본 발명은 광 중계기(100)에 임베디드된 디스플레이장치(DP)를 통해 화재, 진동, 소음 발생 모니터링 및 설정을 가능하게 함으로써 설비의 작동실패를 방지하고, 유지 및 보수를 쉽게 한다.

한편, 도 5와 같이 본 발명의 광 중계기(100)는 동기화부(110), 펄스 드라이버(120), 레이저 다이오드(130), 광 송수신기(140), 필터 모듈(150), 포토 다이오드(160), 증폭기(170), A/D 변환기(180) 및 중앙처리장치(190)를 포함한다.

이때, 동기화부(110)는 샘플링 신호 및 기준 클럭을 발생시키는 것으로 펄스 드라이버(120)에는 광 펄스의 송출을 위해 일 예로 100MHz의 클럭을 제공하고, A/D 변환기(180)에는 그에 동기하여 샘플링 신호를 제공한다.

펄스 드라이버(120)는 동기화부(110)에서 제공된 기준 클럭에 동기하여 구동 펄스를 발생시킨다. 일 예로 펄스 드라이버(120)는 동기화부(110)에 의해 100MHZ의 구형 펄스파를 레이저 다이오드(130)에 인가한다.

레이저 다이오드(130)는 펄스 드라이버(120)의 구동 펄스를 입력 신호로 하여 광 신호(즉, 광 펄스)를 발생시키는데, 레이저 다이오드(130)는 구동 펄스를 입력 전류로하여 펄스 광으로 고속 변환시킨다.

광 송수신기(140)는 광 신호를 광 센서 케이블(10)에 전송하고, 광 센서 케이블(10)로부터 산란되어 되돌아온 산란광을 수신한다. 이러한 광 송수신기(140)로는 광 순환기(141), 광 방향성 결합기(142) 및 광 도파관(143) 등이 있다.

도 6의 (a)와 같은 광 순환기(141)는 도 6의 (b)와 같은 광 방향성 결합기(142)에 비해 신호 손실이 적으나 다소 고가라는 차이는 있으며, 광 순환기(141) 및 광 방향성 결합기(142)는 도 6의 (c)와 같은 광 도파관(143)에 비해 저가이면서도 제작이 쉬운 장점이 있다.

본 발명에서는 온도 감지, 진동 감지, 소음 감지시 광 신호를 각각 선택적으로 수신하기 위한 필터 모듈(150)이 포함된다. 상기 필터모듈에는 라만 필터(151), 레일리 필터(152), 브릴루앙 필터(153)가 각각 독립적으로 탑재된다.

라만 필터(151)는 산란되어 되돌아온 광 신호 중 라만(Raman) 계열 광 신호만을 통과시키는 것으로, 레일리(Rayleigh) 산란광이나 브릴루앙(Brillouin) 산란광은 필터링을 통해 차단한다. 또한, 동일한 논리로 레일리 필터와 브릴루앙 필터는 레일리 계열 광신호, 브릴루앙 계열 광신호만을 통과시킨다.

라만 계열 광 신호는 온도에 민감하여 온도 감지에 사용되고, 레일리 계열 광 신호는 소음 감지에 사용되며, 브릴루앙 계열 광 신호는 진동 감지에 사용된다(도 9 참조).

도 9는 본 발명의 화재, 진동, 소음 감지에 사용되는 광케이블내에서 발생되는 역산란(back scattering)광을 나타낸 것이다. 광섬유 내에 레이저(laser)광이 펄스(pulse)형태로 입사되면 주위온도, 밀도 등의 영향에 의해 레이저광의 산란현상이 나타나게 되는데 이러한 산란된 레이저광 중 입사된 광원부를 향해 복귀하는 역산란광이 나타난다. 이러한 역산란광은 입사광(incident light)과 동일한 크기를 갖는 기준 광원인 레일리산란(Rayleigh scattering)광이 발생하게 되고 이 레일리 산란의 거리에 따른 크기 변화를 이용하여 소리(음파)을 측정하게 된다. 또한, 레일리산란의 근접 대역에서 브릴루앙산란(Brillouin scattering)광이 나타나게 되는데 이 브릴루앙산란광을 이용하여 진동(지진)에 따른 시프트(shift) 변화를 이용하여 압력(변형)률을 측정하여 진동 및 지진을 감지하게 된다. 브릴루앙산란광과 일정거리가 있는 라만산란(Raman scattering)광은 온도에 민감한 특징이 있어 온도감지에 사용하게 된다. 각 산란을 기준으로 변위(온도, 진동, 소음 등)와 상관없이 일정한 크기를 가지는 Stokes 신호와 변위의 변화에 따라 민감하게 반응을 하는 anti-Stokes 신호를 가지며, 이 두 신호의 세기를 측정하여 비율로 온도 및 진동 그리고 소리를 측정하게 된다. 본 발명의 특징은 이러한 3가지의 기능이 하나로 통합된 3 in 1의 시스템인 것이다.

레일리 계열 광 신호는 레일리 산란의 거리에 따른 크기 변화를 이용하여 소리(음파)를 측정하게 된다. 또한 브릴루앙 계열 광 신호는 브릴루앙 산란을 이용하여 진동(지진)에 따른 시프트(shift) 변화를 이용하여 압력(변형)률을 측정하고, 이를 통하여 진동 및 지진을 감지하게 된다.

도 5에서 도시된 바와 같이, 라만 필터는 서로 다른 대역의 안티-스톡스 라만 필터(151-1) 및 스톡스 라만 필터(151-2)를 각각 사용하는 것으로 하였으나, 라만 WDM 필터와 같은 파장분할 다중화 필터를 사용할 수도 있다. 레일리 필터, 브릴루앙 필터 역시 안티-스톡스 레일리 필터(152-1), 스톡스 레일리 필터(152-2), 안티-스톡스 브릴루앙 필터(153-1), 스톡스 브릴루앙 필터(153-2)를 각각 사용한다.

포토 다이오드(160)는 전술한 각 계열 광 신호를 전기 신호로 변환시키는 것으로, 대표적으로 아발란치 포토 다이오드(160)(APD: Avalanche PhotoDiode)와 같은 단일 광자 검출기가 사용될 수 있다. 상기 필터는 3개이나, 포토 다이오드는 1개만으로 운용이 가능하며, 다만 각 필터에 대응되는 별도의 포토 다이오드의 운용을 배제하는 것은 아니다.

이러한 포토 다이오드(160)는 안티-스톡스 신호를 전기 신호로 변환하는 안티-스톡스 포토 다이오드(161) 및 상기 스톡스 신호를 전기 신호로 변환하는 스톡스 포토 다이오드(162)를 포함한다.

증폭기(170)는 전기 신호를 증폭하는 것으로, 포토 다이오드(160)에서 출력된 미약한 각 계열 광 신호를 증폭하여 중앙처리장치(190)에서 판독하기 적합한 수준의 크기로 신호를 증폭시킨다.

A/D 변환기(180)는 증폭기(170)를 통해 증폭된 아날로그의 신호를 디지털로 변환하는데, 아날로그 신호는 동기화부(110)에서 제공되는 기준 클락에 따라 샘플링하여 디지털 신호로 변환한다.

중앙처리장치(190)는 디지털 신호를 판독하여 화재, 진동 또는 소음 발생을 검출하는 것으로, 아래에서 좀더 상세히 설명하는 바와 같이 화재, 진동, 소음 발생 위치 및 발생 여부를 검출한다.

또한, 중앙처리장치(190)는 위에서 도 4b를 통해 설명한 바와 같이 디스플레이장치(DP)를 통해 거리별 온도를 보여주며, 일 예로 화재, 진동, 소음 감시 구역을 약 1m 단위로 감시하여 온도 변화 및 화재 발생 여부를 제공한다.

중앙처리장치(190)는 화재, 진동, 소음 발생 감지시 그 위치를 판단하는데, 광 신호의 속도에 광 신호가 산란되어 되돌아온 시간을 곱한 후 2로 나누어 온도, 화재, 진동 발생 감시 지점의 위치를 판단한다.

구체적으로, 도 7과 같이 레이저 다이오드(130)에서 발진(S110)되어 광 센서 케이블(10)로 전송된 광 신호(광 펄스)는 중 일부는 산란된 후 되돌아와 수신(S120)되고, 이 역산란광에 대해 샘플링(100~200MHz)을 실시(S130)한다.

또한, 정해진 역산란광의 펄스 수를 평균화하는 데이터 평균화(S140)를 수행하고, 거기에 데이터 보정(S150)을 한다. 데이터 보정(S150)시 광 센서 케이블(10)의 코어의 위치에 따른 굴절률 n(예: 1.5)을 반영한다.

따라서, 진공 혹은 공기 중 빛의 속도 C = 3*10⁸m/s(300MHz)인 경우, 광 센서 케이블(10)을 따라 전파하는 빛의 속도 V = C/n = 2*10⁸m/s(200MHz)가 되므로, 전파속도는 1/200M가 되어 5ns 당 1m 전파된다.

이를 이용하여 거리 측정(S160)이 가능하고 측정된 거리로 위치를 판단하는데, 거리는 광 신호가 송수신되어 왕복한 거리를 반영하면 X = V*t/2가 되므로 10ns 당 1m의 거리만큼 떨어진 위치로 판독(S170)이 가능해진다.

이때, 본 발명의 동기화부(110)는 위에서 일 예로 설명한 바와 같이 100MHz로 동작하므로 응답속도 200MHz를 적용하면 1/100M는 10ns이므로 본 발명은 1m 단위로 온도, 진동, 소음 감지 위치, 화재 발생 위치를 검출할 수 있게 된다.

한편, 위와 같이 각 위치 감지를 마친 후에는 단선 여부 등을 판단(S180)하고, 단선이 아닌 경우에는 해당 감지 위치를 표시(S190)한다. 이때, 감지 현장 지도와 함께 위치를 표시하면 더욱 현장감있는 감지 결과를 제공한다. 한편, 단선이 되는 경우에는 단선표시를 수행한다(S200).

이후, 이러한 과정은 미리설정된 분해능 단위 등에 의해 반복적으로 수행될 수 있다(S190 → S120).

다음, 중앙처리장치(190)는 온도, 진동, 소음 변화 여부 및 화재 발생 여부를 감지하는데, 예를 들어 온도 감지를 통해 평상시 각 구역의 온도 정보를 제공하고, 급격한 온도 상승의 경우에는 화재 발생을 미리 예상하게 한다. 기준진동은 0의 값으로 하고, 소음(소리)의 기준은 생활소음을 기준으로 하나, 그 수치는 가변적이며 어느 하나로 제한되는 것은 아니다.

특히, 본 발명은 이벤트(화재, 진동, 소음) 발생을 감지하기 위해 광 센서 케이블(10)로부터 산란되어 되돌아온 역산란광 중 라만 계열, 레일리 계열, 브릴루앙 계열 각각에 대한 안티-스톡스 신호(Anti-Stokes) 및 스톡스 신호(Stokes)를 이용한다.

구체적으로, 도 8과 같이 레이저 다이오드(130)에서 발진(S110)되어 광 센서 케이블(10)로 전송된 광 신호(즉, 광 펄스) 중 일부는 산란된 후 되돌아와 수신(S120)되고, 이 역산란광 중 각 계열 신호에 대해 샘플링을 실시(S130)한다.

일 예로, 온도 감지 프로세스에 대해서는, 4Km의 화재 발생 구역을 커버할 수 있도록 레이저 출력시간은 43us로 유지하고, 샘플링 속도는 상술한 바와 마찬가지로 100MHz로 하여 거리 분해능은 1m가 되도록 한다.

또한, 정해진 역산란광 펄스 수를 평균화하는 데이터 평균화(S210)를 수행한다. 데이터 평균화는 안티-스톡스 신호 및 스톡스 신호를 각각 다수개 검출하여 평균화하되, 안티-스톡스 신호를 스톡시 신호의 개수보다 상대적으로 많이 검출하여 평균화한다.

예컨대, 각 이벤트에 대하여, 중앙처리장치(190)는 안티-스톡스 대역 광 신호는 8000개를 수집하여 평균화하고, 스톡스 대역 신호는 2000개를 수집하여 평균화한다. 안티-스톡스 대역 광 신호가 온도에 민감하여 좀더 불안정하므로 더 많은 수를 평균화하여 데이터 신뢰성을 높인다.

이와 같이 데이터 평균화를 화재 감시 구역인 1m 분해능으로 4Km 전체에 대해 수행하면 전체 구간에 대한 데이터량은 안티-스톡스 대역 신호는 8000개*4000(4Km) = 32,000,000개, 스톡스 대역 신호는 2000개*4000(4Km) = 8,000,000개가 된다.

다음, 중앙처리장치(190)는 데이터 평균화를 마친 신뢰성 높은 데이터를 이용하여 온도, 진동, 소음 변화에 민감한 상기 안티-스톡스 신호 및 온도 변화에 상대적으로 무관한 스톡스 신호의 비율을 산출(S220)하고 그에 따라 온도, 진동, 소음 변화 여부, 또는 화재 발생 여부를 판단한다.

안티-스톡스 신호와 스톡스 신호의 비율 R = (As*Ka)/(S*Ks)로 결정되며, 이때 As 및 S는 각각 평균화를 마친 안티-스톡스 신호 및 스톡스 신호의 강도를 의미하며, Ka 및 Ks는 각각 라만 산란계수를 나타낸다.

바람직하게는 이상과 같이 구해진 신호의 비율 R에 광 케이블 코어의 손실율을 반영하여 보정(S230)을 한다. 손실율이 반영된 비율 R(m, r) = R*Loss가 되며, 이때 Loss는 광 손신율을 의미한다. 여기서 m은 측정지점에서의 광손실율을, r은 기본(reference) 광손실율을 나타낸다.

다음, 감지 구역의 절대온도를 산출하기 위해 중앙처리장치(190)는 광 센서 케이블(10)이 설치된 구간의 기준 온도값, 진동값, 소음값을 센서로부터 입력(S240)받고, 입력된 기준 온도값, 진동값, 소음값과 대응되는 각 계열 광 신호에 의해 측정된 값을 비교하여 이벤트 발생 여부를 판단(S250)한다.

절대온도 T = ReferTemp*(Rn/Rt)*K 수식을 통해 산출되며, 이때 ReferTemp는 기준온도, Rn은 측정할 거리의 R값, Rt는 기준 광 섬유의 R값, K는 볼츠만 상수를 나타낸다. 이는 진동과 소음에 대해서도 동일한 수식을 적용할 수 있기 때문에 진동과 소음에 대한 수식은 위 온도에 대한 수식으로 갈음하기로 한다.

일 예로 기준온도 ReferTemp는 레퍼런스 코일(11)의 서미스터의 온도를 이용하며, 기준 온도값과 레퍼런스 코일이 감긴 광 센서 케이블(10)의 측정 데이터 값을 비교하여 화재감시구역의 온도 데이터를 측정하여 선로 온도를 표시한다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.

따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

10: 광 센서 케이블
11: 레퍼런스 코일
100: 광 중계기
110: 동기화부
120: 펄스 드라이버
130: 레이저 다이오드
140: 광 송수신기
150: 필터모듈
160: 포토 다이오드
170: 증폭기
180: A/D 변환기
190: 중앙처리장치
SW: 광 스위치
A-S: 안티-스톡스 신호(Anti-Stokes)
S: 스톡스 신호(Stokes)

Claims (7)

1. 감시 구역에 설치된 광 센서 케이블(10)과;
   상기 광 센서 케이블(10)에 광 신호를 송신하고, 상기 광 센서 케이블(10)로부터 산란되어 되돌아온 광 신호를 판독하여 화재, 진동 및 소음 중 적어도 어느 하나의 발생을 검출하는 광 중계기(100)와;
   상기 광 중계기(100)에 일체로 탑재되어 화재, 진동 및 소음 중 적어도 어느 하나의 감시 결과를 표출하고, 상기 광 중계기(100)를 설정하기 위한 인터페이스를 제공하는 디스플레이장치(DP); 및
   적어도 하나의 상기 광 중계기(100)를 통합 관리하며, 화재, 진동 및 소음 중 적어도 어느 하나의 발생시 경보를 발생시키는 통합형 전용 수신기(200);를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 센서 선형 감지기를 이용한 복합 신호 감지 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 광 중계기(100)는
   기준 클럭을 발생시키는 동기화부(110)와;
   상기 기준 클럭에 동기하여 구동 펄스를 발생시키는 펄스 드라이버(120)와;
   상기 구동 펄스를 입력 신호로 하여 펄스 광 신호를 발생시키는 레이저 다이오드(130)와;
   상기 광 신호를 상기 광 센서 케이블(10)에 전송하고, 상기 광 센서 케이블(10)로부터 산란되어 되돌아온 광 신호를 수신하는 광 송수신기(140)와;
   상기 산란되어 되돌아온 광 신호 중 라만(Raman) 계열 광 신호만을 통과시키는 라만 필터(151), 레일리(Rayleigh) 계열 광 신호만을 통과시키는 레일리 필터(152), 브릴루앙(Brillouin) 계열 광 신호만을 통과시키는 브릴루앙 필터(153)가 각각 독립적으로 모두 탑재된 필터모듈(150); 및
   상기 라만 계열 광 신호, 레일리 계열 광 신호, 브릴루앙 계열 광 신호를 각각 전기 신호로 변환시키는 포토 다이오드(160)와;
   상기 전기 신호를 증폭하는 증폭기(170)와;
   상기 증폭된 아날로그의 전기 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기(180); 및
   상기 디지털 신호를 판독하여 화재 발생을 검출하는 중앙처리장치(190);를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 센서 선형 감지기를 이용한 복합 신호 감지 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 라만 필터(151), 레일리 필터(152) 및 브릴루앙 필터(153)는 안티-스톡스 신호(Anti-Stokes)를 필터링하는 안티-스톡스 라만 필터(151-1, 152-1, 153-1) 및 스톡스 신호(Stokes)를 필터링하는 스톡스 라만 필터(151-2, 152-2, 153-2)를 포함하고,
   상기 포토 다이오드(160)는 상기 안티-스톡스 신호를 전기 신호로 변환하는 안티-스톡스 포토 다이오드(161) 및 상기 스톡스 신호를 전기 신호로 변환하는 스톡스 포토 다이오드(162)를 포함하며, 상기 중앙처리장치(190)는 온도, 진동 및 소음 변화에 민감한 상기 안티-스톡스 신호 및 온도, 진동 및 소음 변화에 상대적으로 무관한 스톡스 신호의 비율(R)에 따라 온도변화 또는 화재 발생 여부, 진동 발생 여부 및 소음 발생 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 광 센서 선형 감지기를 이용한 복합 신호 감지 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 중앙처리장치(190)는 상기 안티-스톡스 신호 및 스톡스 신호를 각각 다수개 검출하여 평균화하되, 상기 안티-스톡스 신호를 스톡스 신호의 개수보다 상대적으로 많이 검출하여 평균화하는 것을 특징으로 하는 광 센서 선형 감지기를 이용한 복합 신호 감지 시스템.
5. 제3항에 있어서,
   상기 중앙처리장치(190)는 상기 광 센서 케이블(10)이 설치된 구간의 기준 온도값(ReferTemp), 기준 진동값(ReferVib), 기준 소음값(ReferNoise)을 센서로부터 입력받고, 상기 입력된 기준 온도값, 기준 진동값, 기준 소음값과 상기 라만, 레일리, 브릴루앙 계열 광 신호에 의해 측정된 온도값, 진동값, 소음값과 각각 비교하여 온도 또는 화재 발생 여부, 진동 발생 여부 및 소음 발생 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 광 센서 선형 감지기를 이용한 복합 신호 감지 시스템.
6. 제2항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 중앙처리장치(190)는 상기 광 신호의 속도에 상기 광 신호가 산란되어 되돌아온 시간을 곱한 후 2로 나누어 온도 또는 화재 발생 지점, 진동 발생 지점, 소음 발생 지점의 위치(X)를 판단하는 것을 특징으로 하는 광 센서 선형 감지기를 이용한 복합 신호 감지 시스템.
7. 제2항에 있어서,
   상기 광 송수신기(140)는 광 서큘레이터(141) 또는 광 방향성 결합기(142) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광 센서 선형 감지기를 이용한 복합 신호 감지 시스템.

Images