KR20180010049A - 유효 측정점 개수가 확대된 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서 및 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법 - Google Patents
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Abstract
공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서(spatially-selective Brillouin distributed optical fiber sensor)는, 시험 광섬유; 제1 주파수를 가진 주 변조 신호 및 제2 주파수를 가진 부 변조 신호를 이용하여 이중 변조된 레이저 광을 생성하도록 구성된 광원부; 광원부의 레이저 광을 이용하여 펌프 광신호 및 프로브 광신호를 생성하며, 펌프 광신호 및 프로브 광신호를 서로 상이한 방향으로부터 시험 광섬유에 인가하도록 구성된 광변조부; 및 시험 광섬유에 위치하는 상관점에서 펌프 광신호 및 프로브 광신호에 의해 생성되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 광검출부를 포함한다. 광변조부는, 제3 주파수를 갖는 펄스 형태의 게이팅 신호를 이용하여 펌프 광신호 및 프로브 광신호를 시간 게이팅하도록 구성된다. 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서는, 광학적 시간 게이팅(time-gating)과 주파수 이중 변조를 적용함으로써 종래의 센서 장치에 비하여 유효 측정점 개수를 획기적으로 늘린 이점을 갖는다.
Description
실시예들은 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서(spatially-selective Brillouin distributed optical fiber sensor) 및 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서의 유효 측정점 개수를 확대하는 기술에 대한 것이다.
일반적으로 광섬유는 외부 환경, 예컨대, 온도나 응력 등과 같은 외부 물리량의 변화로 인한 광섬유 자체의 고유 특성의 변화가 민감하여 센서로 이용할 수 있다. 또한, 광섬유 자체의 특성상 외부 전자기파에 둔감하고 유해한 환경, 예컨대, 가스나 용액 등에 강하고 가볍고 유연하며 소형화가 가능하다. 이러한 장점들 때문에 광섬유는 포설이 용이하고 구조물에 장착하기 쉬운 구조로 되어 있어 센서용으로 매우 적합하다.
광섬유 센서로는 광섬유 내의 코어의 굴절율을 변화시켜 제작한 광격자 센서가 있으나, 이는 격자가 새겨진 부분만 센서의 역할을 하기 때문에 분포형 광섬유 센서에 비해 상대적으로 취약하다. 또 다른 방식으로는 간섭형, 파장형, 및 산란형 센서가 있다. 이중 산란형 센서는 펼스 광원 또는 연속파(Continuous Wave) 광원을 사용하여, 광섬유에 작용하는 물리량에 따른 광섬유 내부의 후방 산란광을 측정함으로써 장거리 센싱이 가능하다.
이러한 산란형 센서로는 레일레이(Rayleigh) 산란형 광섬유 센서, 라만(Raman) 산란형 광섬유 센서, 브릴루앙(Brillouin) 산란형 광섬유 센서 등이 있다. 레일레이 산란형 광섬유 센서는 펄스광이 광섬유 내부를 진행하는 중 광섬유의 밀도의 불균일 분포에 기인하여 발생하는 산란광을 측정하는 센서로, 펄스광의 세기에 비례하는 후방 산란광을 얻을 수 있다. 그러나, 레일레이 산란형 광섬유 센서는 외부의 온도 또는 변형률 변화에 민감하지 못하며, 특수한 광섬유의 굽힘이 발생하는 경우에만 사용할 수 있다. 라만 산란형 광섬유 센서와 브릴루앙 산란형 광섬유 센서는 모두 비선형 광산란을 이용하는 센서이다.
브릴루앙 산란형 광섬유 센서는, 광섬유 내에서 일어나는 브릴루앙 산란에 의해 발생하는 브릴루앙 주파수 천이가 광섬유가 겪는 온도와 응력에 따라 선형적으로 변하는 특성을 이용한 센서이다. 이러한 브릴루앙 주파수 천이량을 측정함으로써 측정 지점의 물리 변화를 알 수 있다. 브릴루앙 산란을 이용한 분포형 센서는 시간영역, 주파수영역, 또는 상관영역 등 다양한 방식이 있다.
그 중 공간선택적 브릴루앙 광상관 영역 분석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis; BOCDA) 방식의 센서는 높은 공간 분해능 및 임의의 센싱 지점 선택성 등의 장점이 있어 매우 유용하지만, 상관점이라 부르는 유효 센싱점의 주기적인 특성으로 인하여 센싱 범위가 제한되는 단점이 있다. 유효 센싱점은 센싱 가능 거리를 공간 분해능으로 나눈값으로 정의되며, 이는 분포형 센서의 중요한 파라미터가 된다. 종래의 공간선택적 브릴루앙 분포형 센서의 유효 측정점 개수는 광원의 주파수 변조의 크기로 결정되며, 수천 개 정도가 최대값이다.
BOCDA 방식의 분포형 센서의 측정 거리를 늘리기 위한 종래의 방법으로는 서로 다른 두 주파수로 동시에 펌프광과 프로브광을 변조하는 방법이 있으며, 이 방법에 의하면 두 변조가 겹치는 상관지점에서만 브릴루앙 신호를 얻음으로써 두 변조 주파수의 비율만큼 측정 거리가 확대된다. 하지만, 이 방법에서는 브릴루앙 이득 신호가 잡음 성분과 섞여 있어 가능한 변조 주파수의 비율이 20배 정도로 제한되는 단점이 있다.
K. Hotate 외, SCIE Journal of control, Measurement, and system integration, 1, 271-274, 2008
본 발명의 일 측면에 따르면, 브릴루앙 광상관 영역 분석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis; BOCDA) 방식을 이용한 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서(spatially-selective Brillouin distributed optical fiber sensor)에 있어서 유효 측정점 개수를 획기적으로 증가시킨 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서 및 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서는, 시험 광섬유; 제1 주파수를 가진 주 변조 신호 및 제2 주파수를 가진 부 변조 신호를 이용하여 이중 변조된 레이저 광을 생성하도록 구성된 광원부; 상기 광원부의 레이저 광을 이용하여 펌프 광신호 및 프로브 광신호를 생성하며, 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호를 서로 상이한 방향으로부터 상기 시험 광섬유에 인가하도록 구성된 광변조부; 및 상기 시험 광섬유에 위치하는 상관점에서 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호에 의해 생성되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 광검출부를 포함한다.
상기 광변조부는, 제3 주파수를 갖는 펄스 형태의 게이팅 신호를 이용하여 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호를 시간 게이팅하도록 더 구성된다.
일 실시예에서, 상기 광변조부는, 상기 게이팅 신호를 이용하여 상기 프로브 광신호를 시간 게이팅하도록 구성된 제1 전기광학변조기; 및 상기 게이팅 신호를 이용하여 상기 펌프 광신호를 시간 게이팅하도록 구성된 제2 전기광학변조기를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 광변조부는, 제4 주파수에 따라 주기적으로 온오프되는 기준 신호를 이용하여 상기 펌프 광신호를 변조하도록 구성된 위상 변조기를 더 포함한다.
일 실시예에서, 상기 광검출부는, 상기 시험 광섬유로부터 상기 브릴루앙 산란광을 검출하도록 구성된 광검출기; 및 상기 기준 신호가 오프 상태에서 검출된 상기 브릴루앙 산란광과 상기 기준 신호가 온 상태에서 측정된 상기 브릴루앙 산란광의 차이를 출력 신호로 생성하도록 구성된 위상잠금 증폭기를 포함한다.
일 실시예에 따른, 브릴루앙 산란광을 이용한 센싱 방법은, 제1 주파수를 가진 주 변조 신호 및 제2 주파수를 가진 부 변조 신호를 이용하여 이중 변조된 레이저 광을 생성하는 단계; 상기 이중 변조된 레이저 광을 이용하여 펌프 광신호 및 프로브 광신호를 각각 생성하는 단계; 제3 주파수를 갖는 펄스 형태의 게이팅 신호를 이용하여 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호를 시간 게이팅하는 단계; 시간 게이팅된 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호를, 서로 상이한 방향으로부터 상기 시험 광섬유에 인가하는 단계; 및 상기 시험 광섬유에 위치하는 상관점에서, 시간 게이팅된 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호에 의해 생성되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따른, 브릴루앙 산란광을 이용한 센싱 방법은, 상기 시험 광섬유에 인가하는 단계 전에, 제4 주파수에 따라 주기적으로 온오프되는 기준 신호를 이용하여 상기 펌프 광신호를 변조하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에서, 상기 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계는, 상기 기준 신호가 오프 상태에서 검출된 상기 브릴루앙 산란광과 상기 기준 신호가 온 상태에서 측정된 상기 브릴루앙 산란광의 차이를 출력 신호로 생성하는 단계를 포함한다.
이상의 실시예들에 있어서, 상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수의 배수일 수 있다. 또한, 상기 제2 주파수는 상기 제3 주파수의 배수일 수 있다. 나아가, 상기 게이팅 신호의 펄스 폭은 상기 제2 주파수의 역수일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서(spatially-selective Brillouin distributed optical fiber sensor) 및 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법에 의하면, 광학적 시간 게이팅(time-gating)과 주파수 이중 변조를 적용하여 유효 측정점의 개수를 대폭 향상시킬 수 있으며, 또한 차분 측정(differential measurement)을 사용하여 브릴루앙 이득 신호의 신호대 잡음비와 선폭을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서(spatially-selective Brillouin distributed optical fiber sensor)의 개략적인 구성도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서에 의한 시간 게이팅(time-gating) 및 주파수 이중 변조를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 일 실시예에 따른 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서에 의한 차분 측정 원리를 설명하기 위한 그래프이다.
도 2는 일 실시예에 따른 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서에 의한 시간 게이팅(time-gating) 및 주파수 이중 변조를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 일 실시예에 따른 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서에 의한 차분 측정 원리를 설명하기 위한 그래프이다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1은 일 실시예에 따른 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서(spatially-selective Brillouin distributed optical fiber sensor)의 개략적인 구성도이다.
실시예들에 따른 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서는, 브릴루앙 광상관 영역 분석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis; BOCDA)을 이용한 것이다. 구체적으로는, 광섬유 내에서 서로 반대 방향으로 진행하는 펌프(pump)광 및 프로브(probe)광의 주파수 차이가 광섬유 고유의 브릴루앙 천이 주파수와 일치하거나 이에 근접하게 되면, 광섬유의 전 구간에 걸쳐 유도 브릴루앙 산란 증폭이 일어나 프로브광의 세기가 증폭된다.
이때, 펌프광과 프로브광의 주파수가 공간적으로 사인(sin) 파형을 갖도록 광신호를 변조함으로써, 광섬유 내의 특정 위치에서만 선택적으로 브릴루앙 산란 신호를 얻을 수 있다. 구체적으로는, 광섬유 내의 특정 위치에서는 펌프광의 주파수와 프로브광의 주파수의 차이가 시간이 지나더라도 일정하며, 이를 상관점이라고 지칭한다. 펌프광과 프로브광의 주파수 차이가 일정한 상관점은 펌프광 및 프로브광의 변조 주파수의 반주기마다 나타나며, 펌프광과 프로브광의 주파수 차이가 광섬유 고유의 브릴루앙 천이 주파수와 일치하도록 하면 상관점에서 유도 브릴루앙 산란이 발생하여 산란광을 얻을 수 있게 된다. 유도 브릴루앙 산란은 산란광의 스펙트럼에서 브릴루앙 이득을 가진 피크(peak)의 형태로 나타난다.
측정 지점은 펌프광과 프로브광을 생성하기 위한 레이저 광의 변조 주파수에 기초하여 결정될 수 있다. 펌프광과 프로브광 사이의 오프셋(offset) 주파수를 변화시키면서 브릴루앙 이득 스펙트럼을 측정할 수 있다. 펌프광 및 프로브광이 인가될 시험 광섬유의 브릴루앙 천이 주파수는 외부에서 작용하는 온도 또는 응력 등 물리적인 특성에 의존하므로, 브릴루앙 이득 스펙트럼이 최대값을 갖는 주파수를 이용하여 시험 광섬유의 물리적인 특성 변화를 측정할 수 있다.
BOCDA 방식의 분포형 광섬유 센서에 의한 이상의 측정 원리는, 등록특허공보 제10-1358942호 등을 통하여 통상의 기술자에게 잘 알려져 있는 것이므로, 발명의 요지를 명확하게 하기 위하여 본 명세서에서는 자세한 설명을 생략한다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서는 광원부(10), 광변조부(20), 시험 광섬유(30) 및 광검출부(50)를 포함한다. 시험 광섬유(30)는 광경로상에서 브릴루앙 산란을 이용하여 물리량의 변화를 측정하고자 하는 위치에 배치될 수 있다.
광원부(10)는 분포형 광섬유 센서의 동작에 사용될 광을 공급하기 위한 장치이다. 일 실시예에서, 광원부(10)는 분포형 궤환 레이저 다이오드(Distrubuted Feed-Back Laser Diode; DFB LD)(110) 및 함수 발생기(120)를 포함할 수 있다. 함수 발생기(120)를 이용하여 DFB LD(110)에 대한 공급 전류를 변조함으로써, 소정의 주파수를 갖는 정현파 형태로 변조된 광을 얻을 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 광원부(10)는 다른 상이한 방식의 레이저 발생 장치를 포함하여 구성될 수도 있다.
실시예들에서, 광원부(10)는 측정 범위의 확대를 위하여 주 변조 신호 및 부 변조 신호에 의하여 이중 변조된 광을 출력하도록 구성된다. 측정 범위의 확대 원리에 대하여 보다 구체적으로 설명하면, BOCDA 방식의 분포형 광섬유 센서에 있어서 측정 범위 R은 두 인접한 상관점 사이의 거리가 되며, 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
상기 수학식 1에서 R은 측정 범위를 나타내며, υg는 시험 광섬유(30) 내에서의 광신호의 속도를 나타내고, fm은 광신호의 변조 주파수를 나타내며, c는 빛의 진공 중에서의 속도를 나타내고, n 는 시험 광섬유(30)의 유효굴절률을 나타낸다.
이때, BOCDA 방식의 분포형 광섬유 센서에 있어서의 공간 분해능 △z 는 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
상기 수학식 2에서 △f 는 변조 주파수 fm 으로 변조되는 광신호의 실제 주파수의 변화량을 나타내는 것이다. 즉, DFB LD(110)의 전류를 변조 주파수 fm 을 갖는 함수 발생기(120)의 신호로 변조할 때 변조되는 전류의 크기에 비례하여 DFB LD(110)에서 출력되는 레이저의 광 주파수가 변조되는데, △f 는 이때 변조되는 광 주파수의 크기에 대응된다.
또한, 상기 수학식 2에서 △νB 는 브릴루앙 이득 스펙트럼의 선폭으로, 브릴루앙 산란 신호가 브릴루앙 주파수 νB 에서 최대값을 갖지만 그 근처 주파수에서도 상당한 정도의 신호가 관측되는데, 이때 △νB 는 브릴루앙 주파수 νB 를 중심으로 양 방향에 각각 위치하며 신호의 세기가 브릴루앙 주파수 νB 에서의 신호 세기에 비해 반으로 줄어드는 두 지점 사이의 폭에 대응된다.
상기 수학식 2 및 수학식 3을 기초로, 유효 측정점의 개수 Neff는 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
상기 수학식 3에서 알 수 있듯이, 유효 측정점의 개수는 DFB LD(110)의 최대 변조 가능한 주파수 크기 △f에 비례한다. 일반적으로, 상용 레이저의 △f 값은 20 GHz 정도이고, BOCDA 방식의 분포형 센서에서 변조 주파수는 100kHz 내지 10MHz 이고, 시험 광섬유(30)로서 단일 모드 광섬유의 △νB 값은 30MHz 이다. 따라서, 상기 수학식 3을 이용하면, 종래의 BOCDA 방식의 분포형 센서에 있어서 유효 측정점의 개수는 약 2000 개 정도로 제한됨을 알 수 있다.
반면 본 발명의 실시예에서는, DFB LD(110)의 레이저에 대한 이중 변조를 통하여 측정 범위를 확대하고, 다시 광학적 시간 게이팅(time-gating)에 의하여 측정 범위를 확대하도록 구성된다.
먼저 주파수 이중 변조에 대하여 설명하면, 함수 발생기(120)는 주 변조 주파수 f1 및 최대 변조 주파수 크기 △f1를 갖는 주 변조 신호 및 부 변조 주파수 f2 및 최대 변조 주파수 크기 △f2를 갖는 부 변조 신호를 이용하여 DFB LD(110)의 공급 전류를 변조함으로써, DFB LD(110)에 의하여 이중 변조된 레이저 광이 출력되도록 한다. 본 명세서에서, 주 변조 주파수 f1 및 부 변조 주파수 f2는 각각 제1 주파수 및 제2 주파수로도 지칭된다. 주 변조 주파수 f1은 부 변조 주파수 f2 보다 크다. 일 실시예에서, 부 변조 주파수 f2 는 주 변조 주파수 f1을 임의의 자연수 N1으로 나눈 값을 갖는다. 예를 들어, f1=18MHz이고, N1=200이며, f2=f1/N1= 90kHz일 수 있다. 이때, △f2는 △f1에 N1을 곱한 값이 된다. 예를 들어, △f1 은 4.5 GHz이고, △f2는 14 GHz일 수 있다.
이상과 같이 레이저를 이중 변조하게 되면, 이중 변조하지 않고 주 변조 주파수만을 이용하여 변조하는 경우와 비교하여, 최대 변조 주파수 크기가 N1 배 증가하므로 수학식 3에 따라 유효 측정점이 개수가 증가된다. 전술한 예에서 주 변조 주파수 f1만으로 변조하는 경우 유효 측정점 개수는 수학식 3을 기초로 하기 수학식 4와 같이 450개가 된다.
반면, 전술한 실시예와 같이 이중 변조를 하게 되면, 유효 측정점의 개수는 주 변조 주파수와 부 변조 주파수의 비율인 N1=f1/f2=200배 증가하여 총 90,000 개가 된다.
다음으로, 광학적 시간 게이팅에 대하여 설명하면, 본 실시예에 따른 광학적 시간 게이팅은 광원부(10)로부터 이중 변조된 광을 인가받고, 이로부터 펌프 광신호 및 프로브 광신호를 생성하여 시험 광섬유(30)의 양단에 인가하는 광변조부(20)에 의하여 수행된다. 이때, 광변조부(20)에서는 소정의 게이팅 주파수(또는, 제3 주파수로도 지칭된다)를 가진 펄스 형태의 게이팅 신호를 이용하여 펌프 광신호 및 프로브 광신호를 게이팅한다. 일 실시예에서는, 게이팅 신호의 펄스 폭을 부 변조 신호의 한 주기, 즉, 부 변조 주파수의 역수인 1/f2로 설정하여 시험 광섬유(30)상의 한 개의 상관점에서만 펌프 광신호와 프로브 광신호가 존재하도록 한다.
도 2는 일 실시예에 따른 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서에 의한 시간 게이팅 및 주파수 이중 변조를 설명하기 위한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 광변조부에 의해 변조된 신호는 상대적으로 저주파수인 부 변조 주파수 f2에 따라 광학 주파수가 증감하는 신호가 소정의 게이팅 폭에 따라 단속적으로 출현하는 형태를 갖는다. 또한, 게이팅된 신호는 상대적으로 고주파수인 주 변조 주파수 f1 에 따라 광학 주파수가 증감하는 형태를 갖는다. 일 실시예에서, 게이팅 폭은 부 변조 신호의 한 주기, 즉, 1/f2와 동일하다. 따라서, 게이팅 폭 내에는 주 변조 주파수 f1과 부 변조 주파수 f2의 비율에 해당하는 N1개 만큼의 주기(즉, 1/f1)가 포함된다. 게이팅 폭의 반복률(또는, 게이팅 주파수 fG)은 부 변조 주파수 f2가 게이팅 반복률의 배수가 되도록 결정된다. 예를 들어, 도 2에서 부 변조 주파수 f2와 게이팅 주파수의 비율을 나타내는 N2=10일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 것과 같이, 펌프 광신호 및 프로브 광신호를 생성하기 위한 레이저 광의 이중 변조를 수행함으로써, 수학식 3에 의해 산출되는 것과 같이 주 변조 주파수와 부 변조 주파수의 비율(즉, N1)만큼 유효 측정점의 개수가 증가되었다. 이에 추가적으로 시간 게이팅을 수행하게 되면, 게이팅 주파수와 부 변조 주파수의 비율(즉, N2)만큼 유효 측정점의 개수가 더 증가된다. 일 예에서는, f1=18MHz, N1=200, f2=f1/N1= 90kHz, △f1=4.5 GHz, △f2=14 GHz, N2=10, fG=f2/N2= 9kHz이며, 이 경우 유효 측정점의 개수는 수학식 3에 의해 산출되는 것과 같이 900,000개로 증가된다.
이하에서는, 다시 도 1을 참조하여 실시예들에 따른 광변조부(20)의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.
일 실시예에서, 광변조부(20)는 광분배기(210), 단측파대(single sideband) 변조기(225) 및 제1 및 제2 전기광학변조기(Electro-optic modulator; EOM)(240, 250)를 포함한다. 광분배기(210)는 광원부(10)로부터 이중 변조된 광을 수신하고, 수신된 광을 복수 개의 출력광으로 분기할 수 있다. 예컨대, 광분배기(210)는 광원부(10)로부터 인가된 광을 펌프 광신호를 생성하기 위한 제1 출력광 및 프로브 광신호를 생성하기 위한 제2 출력광으로 분기할 수 있다. 일 실시예에서, 광분배기(210)는 50:50 광분배기일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
단측파대 변조기(225)는 광분배기(210)와 시험 광섬유(30)의 한쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결되며, 제2 출력광을 이용하여 측대역(sideband) 신호를 포함하는 프로브 광신호를 생성한다. 이를 위하여, 단측파대 변조기(225)는 함수 발생기(220)로부터 소정의 오프셋(offset) 주파수(νB)를 갖는 변조 신호를 수신할 수 있다. 예컨대, 단측파대 변조기(225)는 주파수(ν0)를 갖는 제1 출력광을 수신한 후, 함수 발생기(220)로부터 수신된 오프셋 주파수(νB)만큼 주파수가 천이된 주파수(ν0-νB)의 측대역 신호를 포함하는 프로브 광신호를 생성할 수 있다.
한편, 단측파대 변조기(225)에 의하여 변조되지 않은 제1 출력광은 펌프 광신호가 된다.
제1 EOM(240) 및 제2 EOM(250)은 도 2를 참조하여 전술한 시간 게이팅을 수행한다. 즉, 제1 EOM(240)은 소정의 게이팅 주파수 fG에 따라 프로브 광신호를 게이팅하는 역할을 하며, 제2 EOM(250)은 상기 게이팅 주파수 fG에 따라 펌프 광신호를 게이팅하는 역할을 한다.
일 실시예에서, 광변조부(20)는 편광 스위치(265)를 더 포함한다. 프로브 광신호와 펌프 광신호의 편광이 일치할 때 유도 브릴루앙 산란 증폭이 일어나므로, 편광 스위치(265)를 이용하여 펌프 광신호 및 프로브 광신호의 편광을 동일하게 조절할 수 있다. 본 실시예에서는 편광 스위치(265)가 프로브 광신호의 편광을 조절하도록 제1 EOM(240)과 시험 광섬유(30) 사이에 광학적으로 연결되었으나, 다른 실시예에서는 편광 스위치(265)에 의하여 펌프 광신호의 편광을 조절하는 것도 가능하다.
일 실시예에서는, 편광 스위치(265)가 함수 발생기(260)의 신호에 따라 펌프 광신호 또는 프로브 광신호의 편광을 한 번은 0도, 다른 한번은 90도로 번갈아 회전시키도록 구성한다. 펌프 광신호와 프로브 광신호의 편광이 일치할 때 유도 브릴루앙 산란 증폭이 일어나나, 펌프 광신호 및/또는 프로브 광신호의 편광은 시간 및 공간에 따라 변화할 수 있다. 따라서, 편광 스위치(265)를 이용하여 펌프 광신호 또는 프로브 광신호의 편광을 변화시켜가면서 측정을 수행하고, 측정된 값의 평균값을 이용함으로써 편광 문제를 해결할 수 있다. 전술한 0도 및 90도의 편광 각도는 단지 예시적인 것으로서, 펌프 광신호 또는 프로브 광신호의 편광을 이와 상이한 다른 각도로 주기적으로 변경할 수도 있다.
일 실시예에서, 광변조부(20)는 하나 이상의 광섬유 증폭기(270, 280)를 더 포함한다. 광변조부(20)는 프로브 광신호를 증폭시키기 위한 제1 광섬유 증폭기(270)를 포함할 수 있다. 제1 광섬유 증폭기(250)는 제1 EOM(24)과 시험 광섬유(30)의 한쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결될 수 있다. 또한, 광변조부(20)는 펌프 광신호를 증폭시키기 위한 제2 광섬유 증폭기(280)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 제2 광섬유 증폭기(280)는 제2 EOM(230)과 시험 광섬유(30)의 다른쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결될 수 있다. 제1 및 제2 광섬유 증폭기(270, 280)는 어븀첨가광섬유증폭기(Erbium-Doped Fiber Amplifier; EDFA)일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에서, 광변조부(20)는 시험 광섬유(30)와 광학적으로 연결되는 지연 광섬유(290)를 더 포함한다. 지연 광섬유(290)는 시험 광섬유(30)의 물리적인 변화를 측정하는 것이 가능하게 하기 위한 보조 광섬유로서, 지연 광섬유(290)의 길이를 적절하게 조절함으로써 시험 광섬유(30)에 브릴루앙 이득 피크가 발생되는 상관점이 위치하도록 할 수 있다. 또한, 지연 광섬유(290)는 광순환기(62)를 통해 시험 광섬유(30)에 광학적으로 연결되며, 펌프 광신호는 광순환기(62)에 의하여 분기되어 지연 광섬유(290)에 입력되지 않으므로, 시험 광섬유(30)에서만 브릴루앙 산란광이 발생될 수 있다. 일 실시예에서, 지연 광섬유(290)는 시험 광섬유(30)와 동일한 재질로 이루어질 수도 있다.
일 실시예에서, 광변조부(20)는 위상 변조기(Phase Modulator; PM)(23)를 더 포함한다. 위상 변조기(23)는 차분측정에 의한 잡음 제거를 위하여 기준 신호를 소정의 변조 주파수 fL(또는, 제4 주파수로도 지칭한다)에 따라 주기적으로 온/오프하며, 온/오프되는 기준 신호를 이용하여 펌프 광신호를 변조하도록 구성된다. 예를 들어, 위상 변조기(23)는 주파수 30MHz의 사인파를 변조 주파수 fL=93 kHz에 따라 온/오프시킬 수 있다. 후술하는 검출부(50)에서는 위상 변조기(23)에 의한 기준 신호와 연동하여 산란광의 측정을 수행함으로써, 배경 잡음을 제거하고 순수한 브릴루앙 이득 신호만을 얻을 수 있다. 이에 대해서는 상세히 후술한다.
일 실시예에 따른 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서는, 지연 광섬유(290)와 시험 광섬유(30) 사이에 광학적으로 연결된 광 고립기(61)를 더 포함한다. 광 고립기(61)는 고출력의 펌프 광신호가 시험 광섬유(30)를 통과한 후 지연 광섬유(290)에 역 방향으로 입사되는 것을 차단하는 역할을 할 수 있다.
일 실시예에 따른 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서는, 제2 EOM(25)(또는, 제2 광섬유 증폭기(280)를 사용하는 경우 제2 광섬유 증폭기(280))과 시험 광섬유(30) 사이에 광학적으로 연결된 광 순환기(62)를 더 포함한다. 광 순환기(62)는 시간 게이팅을 거친 펌프 광신호를 시험 광섬유(30)에 인가하며, 시험 광섬유(30)에서 발생되는 브릴루앙 산란광을 광검출부(50) 방향으로 분기하는 역할을 한다.
광검출부(50)는 시험 광섬유(30)에서 발생한 브릴루앙 산란광을 검출하기 위한 장치이다. 일 실시예에서, 광검출부(50)는 신호의 크기 조절 및 변환을 위한 가변 광세기 조절기(Variable Optical Attenuator; VOA)(510) 및 광검출기(Photo Detector; PD)(520)를 포함한다. 펌프 광신호 및 프로브 광신호가 시험 광섬유(30)를 통과하는 동안 발생된 펌프 광신호의 유도 브릴루앙 이득에 대응되는 브릴루앙 산란광이 광순환기(62)에서 분기되어 VOA(510)에 입사되며, VOA(510)는 입사된 브릴루앙 산란광의 크기를 감쇄시켜 PD(520)에 입사시키고, PD(520)에서는 입사된 광신호를 전기 신호로 변환할 수 있다.
일 실시예에서, 광검출부(50)는 데이터 수집부(data acquisition; DAQ)(540)를 더 포함한다. 예를 들어, DAQ(540)는 개인용 컴퓨터(Personal Computer) 등 컴퓨팅 장치를 포함할 수 있다. 브릴루앙 산란광에 해당하는 광 신호를 DAQ(540)에서 수신하고, 수신된 신호들을 브릴루앙 이득 스펙트럼의 형태로 변환함으로써 시험 광섬유(30)의 물리적인 변화를 측정할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서는 다른 상이한 하나 이상의 데이터 처리 수단을 더 이용하여 신호 처리 및 분석을 수행할 수도 있다.
일 실시예에서, 광검출부(50)는 광변조부(20)의 위상 변조기(230)의 변조 신호를 이용하여 차분 측정을 수행하기 위한 위상잠금 증폭기(Lock-in amplifier)(530)를 더 포함한다. 구체적으로는, 위상잠금 증폭기(530)는 위상 변조기(230)에 의한 기준 신호가 오프 상태일 때 측정된 브릴루앙 산란광 신호로부터, 위상 변조기(230)에 의한 기준 신호 온 상태일 때 측정된 브릴루앙 산란광 신호를 빼는 것에 의하여 배경 잡음을 제거한 브릴루앙 산란광 신호를 얻을 수 있다. 상기 과정에 대하여 아래에서 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 일 실시예에 따른 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서에 의한 차분 측정 원리를 설명하기 위한 그래프이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 그래프(201)는 위상 변조기(230)의 기준 신호가 오프 상태일 때의 이론적인 배경 잡음 신호를 나타내며, 그래프(211)는 위상 변조기(230)의 기준 신호가 온 상태일 때의 이론적인 배경 잡음 신호를 나타낸다. 즉, 소정의 주파수를 가진 기준 신호에 의해 펌프 광신호를 변조함으로써 배경 잡음 신호를 감소시킬 수 있다. 전술한 예와 같이, 기준 신호는 주파수 30MHz의 사인파로서 변조 주파수 fL=93 kHz에 따라 온오프될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
위상잠금 증폭기(530)에 수신되는 신호는 잡음 신호와 브릴루앙 산란광 신호가 합쳐진 형태의 신호로서, 기준 신호가 오프 상태일때는 그래프(202)와 같은 형태를 가지며, 기준 신호가 온 상태일 때는 그래프(212)와 같은 형태를 갖는다. 이때, 위상잠금 증폭기(530)는 위상 변조기(230)와 동일한 기준 신호를 수신하고, 기준 신호가 오프 상태일 때 수신된 신호(202)로부터 기준 신호가 온 상태일 때 수신된 신호(212)를 빼는 것에 의하여, 도 2의 우측에 도시된 것과 같은 형태의 브릴루앙 산란광 신호(220)를 얻을 수 있다.
이와 같은 차분 측정에 의하여, 브릴루앙 산란광 신호의 신호대 잡음비 및 선폭을 크게 향상시킬 수 있으며, 이는 잡음 성분을 감소시키고 상대적으로 더 순수한 브릴루앙 이득만을 나타내는 광신호를 얻을 수 있음을 의미한다. 차분 측정에 의하여 브릴루앙 신호의 선폭 △νB 는 차분 측정 미도입 시와 비교하여 2배 이상 줄어들게 된다. 수학식 3에 따르면 유효 측정점의 개수는 선폭에 반비례하므로, 전술한 예와 같이 f1=18MHz, N1=200, f2=f1/N1= 90kHz, △f1=4.5 GHz, △f2=14 GHz, N2=10, fG=f2/N2= 9kHz인 경우 유효 측정점의 개수는 1,800,000개로 증가된다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
Claims (13)
- 시험 광섬유;
제1 주파수를 가진 주 변조 신호 및 제2 주파수를 가진 부 변조 신호를 이용하여 이중 변조된 레이저 광을 생성하도록 구성된 광원부;
상기 광원부의 레이저 광을 이용하여 펌프 광신호 및 프로브 광신호를 생성하며, 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호를 서로 상이한 방향으로부터 상기 시험 광섬유에 인가하도록 구성된 광변조부; 및
상기 시험 광섬유에 위치하는 상관점에서 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호에 의해 생성되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 광검출부를 포함하되,
상기 광변조부는, 제3 주파수를 갖는 펄스 형태의 게이팅 신호를 이용하여 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호를 시간 게이팅하도록 더 구성된 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서.
- 제 1항에 있어서,
상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수의 배수인 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 제2 주파수는 상기 제3 주파수의 배수인 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서.
- 제 1항에 있어서,
상기 게이팅 신호의 펄스 폭은 상기 제2 주파수의 역수인 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서.
- 제 1항에 있어서,
상기 광변조부는,
상기 게이팅 신호를 이용하여 상기 프로브 광신호를 시간 게이팅하도록 구성된 제1 전기광학변조기; 및
상기 게이팅 신호를 이용하여 상기 펌프 광신호를 시간 게이팅하도록 구성된 제2 전기광학변조기를 포함하는 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서.
- 제 5항에 있어서,
상기 광변조부는, 제4 주파수에 따라 주기적으로 온오프되는 기준 신호를 이용하여 상기 펌프 광신호를 변조하도록 구성된 위상 변조기를 더 포함하는 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서.
- 제 6항에 있어서,
상기 광검출부는,
상기 시험 광섬유로부터 상기 브릴루앙 산란광을 검출하도록 구성된 광검출기; 및
상기 기준 신호가 오프 상태에서 검출된 상기 브릴루앙 산란광과 상기 기준 신호가 온 상태에서 측정된 상기 브릴루앙 산란광의 차이를 출력 신호로 생성하도록 구성된 위상잠금 증폭기를 포함하는 공간선택적 브릴루앙 분포형 광섬유 센서.
- 제1 주파수를 가진 주 변조 신호 및 제2 주파수를 가진 부 변조 신호를 이용하여 이중 변조된 레이저 광을 생성하는 단계;
상기 이중 변조된 레이저 광을 이용하여 펌프 광신호 및 프로브 광신호를 각각 생성하는 단계;
제3 주파수를 갖는 펄스 형태의 게이팅 신호를 이용하여 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호를 시간 게이팅하는 단계;
시간 게이팅된 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호를, 서로 상이한 방향으로부터 상기 시험 광섬유에 인가하는 단계; 및
상기 시험 광섬유에 위치하는 상관점에서, 시간 게이팅된 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호에 의해 생성되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계를 포함하는 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법.
- 제 8항에 있어서,
상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수의 배수인 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법.
- 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
상기 제2 주파수는 상기 제3 주파수의 배수인 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법.
- 제 8항에 있어서,
상기 게이팅 신호의 펄스 폭은 상기 제2 주파수의 역수인 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법.
- 제 8항에 있어서,
상기 시험 광섬유에 인가하는 단계 전에, 제4 주파수에 따라 주기적으로 온오프되는 기준 신호를 이용하여 상기 펌프 광신호를 변조하는 단계를 더 포함하는 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법.
- 제 12항에 있어서,
상기 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계는, 상기 기준 신호가 오프 상태에서 검출된 상기 브릴루앙 산란광과 상기 기준 신호가 온 상태에서 측정된 상기 브릴루앙 산란광의 차이를 출력 신호로 생성하는 단계를 포함하는 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법.
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2016
- 2016-07-20 KR KR1020160092138A patent/KR101889351B1/ko active IP Right Grant
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR101889351B1 (ko) | 2018-09-20 |
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