KR20180134253A - Fiber-optic acoustic sensor module apparatus and system using coherent optical time-domain reflectormeter method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 코히런트 OTDR법을 이용한 광섬유 음향센서 시스템 및 모듈 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an optical fiber acoustic sensor system and a modular apparatus using the coherent OTDR method.
광섬유를 센서로 활용하는 기술은 분포 형방식 OTDR(Optical Time Domain Reflectometry)과 포인트형방식 FBG(Fiber Bragg Grating sensor)방법으로 구분된다, 분포형 OTDR은 측정방식에 따라 간섭형 센서(Interferometer sensor)와 강도형 센서(Intensity sensor)로 세분된다. The technology that uses optical fiber as sensor is divided into OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) and FBG (Fiber Bragg Grating sensor) method. Distributed OTDR can be classified into Interferometer sensor And an intensity sensor.
분포형 OTDR센서에 레이저 펄스를 입사시키면 다양한 방향으로 산란(Scattering)이 일어나며 역방향으로 산란하는 후방산란(Back scattering)으로 Rayleigh, Raman, Brillouin의 3종류의 산란이 있다. 입사시와 관측시의 시간차에 의하여 케이블의 어느 위치에서 산란된 후방산란인가를 알 수 있는데, 일반적으로 입사광과 같은 주파수를 갖는 Rayleigh 산란파를 이용하여 위치를 파악한다. 큰 산란계수를 갖는 Rayleigh 산란은 대체로 케이블을 구성하는 광섬유 재료의 밀도 변화와 관련되며 파장의 변화는 없다.Scattering occurs in various directions when a laser pulse is incident on a distributed OTDR sensor. Back scattering is scattered in the opposite direction and there are three types of scattering: Rayleigh, Raman, and Brillouin. It is possible to know the backscattering scattered at a certain position of the cable by the time difference between the incident and observation times. In general, the position is determined by using a Rayleigh scattering wave having the same frequency as the incident light. Rayleigh scattering with large scattering numbers is generally associated with changes in the density of the optical fiber material that makes up the cable and there is no change in wavelength.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 코히런트 OTDR법을 이용한 광섬유 음향센서 시스템 및 모듈 장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an optical fiber acoustic sensor system and a module device using the coherent OTDR method.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems which are not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 코히런트 OTDR법(coherent Optical Time-Domain Reflectormeter Method) 을 이용한 광섬유 음향센서 시스템은, 레이저 펄스 (Laser pulse) 를 제공하는 코히런트(coherent) 레이저, 상기 코히런트 레이저로부터 제공되는 상기 레이저 펄스를 전달하고, 상기 레이저 펄스의 레일리 후방산란(Rayleigh backscatter)을 일으키는 유리 분자를 포함하는 복수의 광섬유, 상기 복수의 광섬유 사이에 설치되는 복수의 광 서큘레이터(circulator), 상기 복수의 광 서큘레이터 각각에 연결되는 복수의 광검출기(photodetector) 및 상기 복수의 광검출기 각각으로부터 검출되는 신호를 분석하여 상기 복수의 광섬유 주변의 음파를 관측하는 컴퓨터를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an optical fiber acoustic sensor system using a coherent optical time-domain reflectometer (hereinafter referred to as " coherent optical time-domain reflectometer & A plurality of optical fibers that transmit the laser pulses provided from the coherent laser and include glass molecules that cause Rayleigh backscattering of the laser pulses, a plurality of optical circulators provided between the plurality of optical fibers, a plurality of photodetectors connected to the plurality of optical circulators, and a computer for analyzing signals detected from the plurality of optical detectors and observing the sound waves around the plurality of optical fibers.
또한, 상기 복수의 광 서큘레이터 각각은, 상기 복수의 광섬유 중 하나인 제1 광섬유로부터 상기 레이저 펄스가 입력되는 제1 포트, 상기 복수의 광섬유 중 하나인 제2 광섬유에 상기 레이저 펄스를 전달하는 제2 포트 및 상기 복수의 광검출기 중 하나인 제1 광검출기와 연결되는 제3 포트를 포함할 수 있다.Each of the plurality of optical circulators may include a first port through which the laser pulse is input from a first optical fiber that is one of the plurality of optical fibers, a second port through which the laser pulse is transmitted to the second optical fiber that is one of the plurality of optical fibers, And a third port connected to the first photodetector which is one of the plurality of photodetectors.
또한, 상기 복수의 광 서큘레이터 각각은, 상기 제2 광섬유로부터 후방산란되는 빛을 상기 제3 포트를 통하여 상기 제1 광검출기에 전달할 수 있다.Each of the plurality of optical circulators may transmit light scattered back from the second optical fiber to the first photodetector through the third port.
또한, 상기 컴퓨터는, 상기 복수의 광검출기 각각으로부터 검출되는 신호를 분석하여 상기 복수의 광섬유 중 적어도 하나에서 발생하는 레일리 후방산란의 특성을 판단하고, 상기 판단된 특성을 이용하여 외부로부터 상기 복수의 광섬유 중 적어도 하나에 진동이 전달된 위치를 판단할 수 있다.The computer may further include a controller for analyzing a signal detected from each of the plurality of photodetectors to determine characteristics of Rayleigh back scattering generated in at least one of the plurality of optical fibers, The position where the vibration is transmitted to at least one of the optical fibers can be determined.
또한, 상기 시스템은 소정의 길이를 갖는 센싱 구간을 포함하고, 상기 복수의 광 서큘레이터는 상기 센싱 구간의 시작지점 및 상기 센싱 구간의 시작지점과 상기 센싱 구간의 종료지점 사이에 소정의 간격으로 설치되고, 상기 복수의 광섬유는 상기 복수의 광 서큘레이터 사이를 연결하고, 상기 복수의 광 서큘레이터 중 상기 센싱 구간의 종료지점과 가장 가까운 광 서큘레이터로부터 상기 센싱 구간의 종료지점까지 연결될 수 있다.In addition, the system includes a sensing section having a predetermined length, and the plurality of optical circulators are installed at a predetermined interval between a start point of the sensing section and an end point of the sensing section, The plurality of optical fibers may be connected between the plurality of optical circulators and may be connected from the optical circulator closest to the end of the sensing section to the end of the sensing section.
또한, 상기 광섬유 음향센서 시스템을 이용하여 음파를 관측할 수 있는 최대 센싱거리와, 상기 복수의 광섬유에 인가될 수 있는 상기 레이저 펄스의 최대 반복률 (repetition rate) 은 서로 반비례하고, 상기 최대 센싱거리와 상기 레이저 펄스의 최대 반복률은 상기 광 서큘레이터의 개수에 비례할 수 있다.The maximum sensing distance and the maximum repetition rate of the laser pulses that can be applied to the plurality of optical fibers are inversely proportional to each other using the optical fiber acoustic sensor system, The maximum repetition rate of the laser pulse may be proportional to the number of the optical circulators.
또한, 상기 광섬유 음향센서 시스템을 이용하여 음파를 관측할 수 있는 최대 센싱거리와, 상기 복수의 광섬유에서 측정할 수 있는 음파의 최대 주파수는 서로 반비례하고, 상기 최대 센싱거리와 상기 최대 주파수는 상기 광 서큘레이터의 개수에 비례할 수 있다.The maximum sensing distance for observing the sound waves using the optical fiber acoustic sensor system and the maximum frequency of sound waves measurable in the plurality of optical fibers are inversely proportional to each other, It can be proportional to the number of circulators.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 면에 따른 코히런트 OTDR법을 이용한 광섬유 음향센서 시스템을 구성하는 모듈 장치는, 광 서큘레이터, 상기 광 서큘레이터와 연결되어 상기 광 서큘레이터로부터 출력되는 레이저 펄스를 전달하고, 상기 레이저 펄스의 레일리 후방산란(Rayleigh backscatter)을 일으키는 유리 분자를 포함하는 광섬유 및 상기 광 서큘레이터와 연결되어, 상기 광섬유로부터 후방산란되는 빛을 상기 광 서큘레이터를 통하여 검출하는 광검출기를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a modular apparatus for constructing an optical fiber acoustic sensor system using a coherent OTDR method. The module includes an optical circulator, an optical circulator connected to the optical circulator, An optical fiber including a glass molecule for transmitting a laser pulse and causing Rayleigh backscatter of the laser pulse and a light circulator connected to the optical circulator for detecting light scattered back from the optical fiber through the optical circulator And a photodetector.
또한, 상기 광 서큘레이터는 다른 모듈 장치의 광섬유와 연결되고, 상기 광 서큘레이터는, 상기 다른 모듈 장치의 광섬유로부터 상기 레이저 펄스가 입력되는 제1 포트, 상기 모듈 장치의 광섬유에 상기 레이저 펄스를 전달하는 제2 포트 및 상기 광검출기와 연결되는 제3 포트를 포함할 수 있다.The optical circulator is connected to an optical fiber of another modular device, and the optical circulator transmits the laser pulse to a first port through which the laser pulse is inputted from the optical fiber of the other modular device to the optical fiber of the modular device And a third port coupled to the photodetector.
또한, 상기 광섬유는 다른 모듈 장치의 광 서큘레이터와 연결되고, 상기 광섬유는, 상기 레이저 펄스를 상기 다른 모듈 장치의 광 서큘레이터에 전달할 수 있다.The optical fiber may be connected to an optical circulator of another modular device, and the optical fiber may transmit the laser pulse to an optical circulator of the other modular device.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Other specific details of the invention are included in the detailed description and drawings.
개시된 실시 예에 따르면, 기존의 시스템 대비 같은 센싱거리에서 최대 펄스 반복률이 증가되고, 그에 따라 측정할 수 있는 음파의 주파수 범위가 확대되는 효과가 있다.According to the disclosed embodiment, the maximum pulse repetition rate is increased at the same sensing distance as the conventional system, and the frequency range of the sound wave that can be measured is increased.
또한, 기존의 시스템 대비 최대 펄스 반복률이 같을 때에는, 센싱거리가 길어지는 효과가 있다.In addition, when the maximum pulse repetition rate is equal to that of the existing system, the sensing distance is increased.
최대 펄스 반복률, 측정할 수 있는 음파의 주파수 범위 및 센싱거리는 개시된 실시 예에 따른 광섬유 음향센서 시스템에 포함되는 광 서큘레이터의 수에 비례하여 증가한다.The maximum pulse repetition rate, the frequency range of the measurable sound waves and the sensing distance increase in proportion to the number of optical circulators included in the optical fiber acoustic sensor system according to the disclosed embodiment.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
도 1은 일 실시 예에 따른 코히런트 OTDR법(coherent Optical Time-Domain Reflectormeter Method) 을 이용한 광섬유 음향센서 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 일 실시 예에 따라 복수의 광 서큘레이터를 포함하는 광섬유 음향센서 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 코히런트 OTDR법을 이용한 광섬유 음향센서 시스템을 구성하는 모듈 장치를 도시한 도면이다.
도 4는 다른 일 실시 예에 따라 코히런트 OTDR법을 이용한 광섬유 음향센서 시스템을 구성하는 모듈 장치를 도시한 도면이다.FIG. 1 is a diagram illustrating an optical fiber acoustic sensor system using a coherent optical time-domain reflectometer method according to an exemplary embodiment. Referring to FIG.
2 is a diagram of an optical fiber acoustic sensor system including a plurality of optical circulators according to one embodiment.
FIG. 3 is a block diagram of a modular apparatus constituting an optical fiber acoustic sensor system using the coherent OTDR method according to an embodiment.
FIG. 4 is a view showing a module device constituting an optical fiber acoustic sensor system using the coherent OTDR method according to another embodiment.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention and the manner of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein, Is provided to fully convey the scope of the present invention to a technician, and the present invention is only defined by the scope of the claims.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.The terminology used herein is for the purpose of illustrating embodiments and is not intended to be limiting of the present invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. The terms " comprises " and / or " comprising " used in the specification do not exclude the presence or addition of one or more other elements in addition to the stated element. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification and " and / or " include each and every combination of one or more of the elements mentioned. Although " first ", " second " and the like are used to describe various components, it is needless to say that these components are not limited by these terms. These terms are used only to distinguish one component from another. Therefore, it goes without saying that the first component mentioned below may be the second component within the technical scope of the present invention.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense that is commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In addition, commonly used predefined terms are not ideally or excessively interpreted unless explicitly defined otherwise.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 일 실시 예에 따른 코히런트 OTDR법(coherent Optical Time-Domain Reflectormeter Method) 을 이용한 광섬유 음향센서 시스템을 도시한 도면이다.FIG. 1 is a diagram illustrating an optical fiber acoustic sensor system using a coherent optical time-domain reflectometer method according to an exemplary embodiment. Referring to FIG.
도 1에 도시된 시스템(10)은 분포형 음향센서(Distributed Acoustic Sensor: DAS)를 나타낸다.The
OTDR법은 펄스를 신호로 써서 레이저 펄스를 피측정 광섬유에 입사(input)시켜 파단점에서의 프레넬 반사(Fresnel reflection) 또는 광섬유 내의 레일리 산란광(Rayleigh scattering)을 검출함으로써 광섬유내에 존재하는 장애점 또는 손실특성(loss characteristics)을 측정하는 방식이다.The OTDR method uses a pulse as a signal to input a laser pulse to a measured optical fiber to detect Fresnel reflection at a break point or Rayleigh scattering in the optical fiber to detect a defect point And loss characteristics are measured.
개시된 실시 예에서는, 레일리 후방산란(Rayleigh backscatter)을 이용한다. In the disclosed embodiment, a Rayleigh backscatter is used.
도 1을 참조하면, 시스템(10)은 코히런트 레이저(100), 광검출기(200), 광 서큘레이터(300), 광섬유(400) 및 컴퓨터(500)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a
코히런트 레이저 (100)를 이용하여 레이저 펄스 (laser pulse)를 인가한다.A laser pulse is applied using the
코히런트 레이저 (100)에서 인가되는 레이저 펄스는 광 서큘레이터(300)를 통하여 광섬유(400)에 전달된다. The laser pulse applied from the
일 실시 예에서, 광 서큘레이터(300)는 하나 이상의 포트를 포함한다. 광 서큘레이터(300)에 포함되는 하나 이상의 포트는 각각 코히런트 레이저 (100), 광섬유(400) 및 광검출기(200)와 연결된다.In one embodiment,
광섬유(400)는 코히런트 레이저 (100)로부터 인가되는 레이저 펄스를 전달하고, 레이저 펄스의 레일리 후방산란(Rayleigh backscatter)을 일으키는 유리 분자를 포함한다.The
레이저 펄스는 광섬유(400)에 포함된 유리 분자에 의한 레일리 후방산란을 일으키고, 광섬유(400) 내에서 후방산란된 빛 간에 내부 간섭을 일으킨다.The laser pulse causes Rayleigh back scattering by the glass molecules contained in the
일 실시 예에서, 광 서큘레이터(300)는 코히런트 레이저 (100)로부터 레이저 펄스가 입력되는 제1 포트, 광섬유에 레이저 펄스를 전달하는 제2 포트 및 광검출기(200)와 연결되는 제3 포트를 포함한다. In one embodiment, the
광 서큘레이터(300)는 광섬유(400)로부터 후방산란되는 빛을 제3 포트를 통하여 광검출기(200)에 전달한다. The
컴퓨터(500)는 복수의 광검출기 각각으로부터 검출되는 신호를 분석하여 광섬유(400) 주변의 음파를 관측한다.The
예를 들어, 광섬유(400) 주변의 외부 진동이 광섬유(400)로 전달되는 경우, 광섬유(400) 내부에서 외부 진동에 의한 특유의 산란 현상이 발생한다.For example, when external vibration around the
컴퓨터(500)는 광검출기(200)를 통하여 산란 현상에 따른 신호 변화를 분석함으로써 진동의 위치를 판단할 수 있다.The
도 1에 도시된 분포형 음향센서는 광원의 반복률에 따라 시스템의 주요 성능인 센싱 거리 및 감지할 수 있는 외부 진동수가 달라진다.In the distributed acoustic sensor shown in FIG. 1, the sensing distance and the external frequency to be sensed vary depending on the repetition rate of the light source.
하지만, 레이저와 광섬유의 물리적 특성에 의하여, 이론적으로 광원의 반복률에 한계가 존재한다. 따라서, 도 1에 도시된 분포형 음향센서는 이론적으로 측정할 수 있는 최대 주파수 및 센싱 거리의 한계가 존재한다. 또한, 도 1에 도시된 분포형 음향센서는 센싱 거리에 따라 측정가능한 주파수의 범위가 정해진다.However, due to the physical characteristics of the laser and the optical fiber, there is a theoretical limit on the repetition rate of the light source. Therefore, the distributed acoustic sensor shown in FIG. 1 has a limit of the maximum frequency and sensing distance that can be theoretically measured. In the distributed acoustic sensor shown in Fig. 1, a measurable frequency range is determined according to the sensing distance.
일 실시 예에서, 도 1에 도시된 광섬유(400)의 길이가 곧 도 1에 도시된 분포형 음향센서의 센싱 거리가 될 수 있다. 분포형 음향센서의 센싱 거리가 X(km)라고 할 때, 도 1에 도시된 분포형 음향센서에서 인가할 수 있는 최대 펄스 반복률과, 이에 따라 측정가능한 최대 주파수는 아래 수학식 1에 따라 산출된다.In one embodiment, the length of the
위 수학식 1에서, v는 광섬유 내에서의 빛의 속도를 나타내고, c는 진공에서의 빛의 속도를 나타낸다. 그리고 n은 광섬유의 굴절률을 나타낸다.In Equation (1), v represents the speed of light in the optical fiber, and c represents the speed of light in vacuum. And n represents the refractive index of the optical fiber.
따라서, 수학식 1에 따르면 도 1에 도시된 분포형 음향센서에서 인가할 수 있는 최대 펄스 반복률 및 그에 따라 측정할 수 있는 최대 주파수는 아래 수학식 2와 같이 산출된다.Therefore, according to Equation (1), the maximum pulse repetition rate that can be applied by the distributed acoustic sensor shown in FIG. 1 and the maximum frequency that can be measured according to Equation (2) are calculated.
수학식 2에서, 측정할 수 있는 최대 주파수는 나이퀴스트 레이트(Nyquist rate)에 의하여 산출된다. In Equation (2), the maximum frequency that can be measured is calculated by the Nyquist rate.
도 2는 일 실시 예에 따라 복수의 광 서큘레이터를 포함하는 광섬유 음향센서 시스템을 도시한 도면이다. 2 is a diagram of an optical fiber acoustic sensor system including a plurality of optical circulators according to one embodiment.
도 2에 도시된 광섬유 음향센서 시스템(10)은 도 1의 일 실시 예이며, 코히런트 OTDR법을 이용한 분포형 음향센서이다.The optical fiber
따라서, 도 2와 관련하여 생략된 내용이라 하더라도 도 1과 관련하여 이미 설명된 내용들은 도 2에도 적용된다. Therefore, the contents already described with reference to FIG. 1 apply to FIG. 2 even if omitted from FIG.
도 2를 참조하면, 시스템(10)은 레이저 펄스를 인가하는 코히런트 레이저(100)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the
또한, 시스템(10)은 코히런트 레이저(100)로부터 인가되는 레이저 펄스를 전달하고, 레이저 펄스의 레일리 후방산란을 일으키는 유리 분자를 포함하는 복수의 광섬유(400 내지 430)를 포함한다.The
또한, 시스템(10)은 복수의 광섬유(400 내지 430) 사이에 각각 설치되는 복수의 광 서큘레이터(300 내지 330)를 포함한다.In addition, the
또한, 시스템(10)은 복수의 광 서큘레이터(300 내지 330) 각각에 연결되는 복수의 광검출기(200 내지 230)를 포함한다.The
또한, 시스템(10)은 복수의 광검출기(200 내지 230) 각각으로부터 검출되는 신호를 분석하여 복수의 광섬유 주변의 음파를 관측하는 컴퓨터(500)를 포함한다.The
일 실시 예에서, 복수의 광 서큘레이터(300 내지 330) 각각은, 복수의 광섬유(400 내지 430) 중 하나인 제1 광섬유로부터 레이저 펄스가 입력되는 제1 포트, 복수의 광섬유(400 내지 430) 중 하나인 제2 광섬유에 레이저 펄스를 전달하는 제2 포트 및 복수의 광검출기(200 내지 230) 중 하나인 제1 광검출기와 연결되는 제3 포트를 포함한다.In one embodiment, each of the plurality of
일 실시 예에서, 복수의 광 서큘레이터(300 내지 330) 각각은, 상기 제2 광섬유로부터 후방산란되는 빛을 상기 제3 포트를 통하여 상기 제1 광검출기에 전달한다. In one embodiment, each of the plurality of
일 실시 예에서, 컴퓨터(500)는, 복수의 광검출기(200 내지 230) 각각으로부터 검출되는 신호를 분석하여 복수의 광섬유(400 내지 430) 중 적어도 하나에서 발생하는 레일리 후방산란의 특성을 판단하고, 판단된 특성을 이용하여 외부로부터 복수의 광섬유(400 내지 430) 중 적어도 하나에 진동이 전달된 위치를 판단한다.In one embodiment, the
일 실시 예에서, 시스템(10)은 소정의 길이를 갖는 센싱 구간을 포함한다. In one embodiment, the
도 2에서, 총 X(km)로 표시된 구간이 센싱 구간을 나타낸다.In FIG. 2, a section indicated by the total X (km) represents a sensing period.
일 실시 예에서, 복수의 광 서큘레이터(300 내지 330)는 센싱 구간의 시작지점 및 센싱 구간의 시작지점과 센싱 구간의 종료지점 사이에 소정의 간격으로 설치된다. In one embodiment, the plurality of
일 실시 예에서, 복수의 광섬유(400 내지 430)는 복수의 광 서큘레이터(300 내지 330) 사이를 연결하고, 복수의 광 서큘레이터(300 내지 330) 중 센싱 구간의 종료지점과 가장 가까운 광 서큘레이터(330)로부터 센싱 구간의 종료지점까지 연결된다. In one embodiment, the plurality of
도 2에서, 광섬유 음향센서 시스템(10)을 이용하여 음파를 관측할 수 있는 최대 센싱거리와, 복수의 광섬유(400 내지 430)에 인가될 수 있는 레이저 펄스의 최대 반복률은 서로 반비례한다. 2, the maximum sensing distance for observing the sound waves using the optical fiber
또한, 광섬유 음향센서 시스템(10)을 이용하여 음파를 관측할 수 있는 최대 센싱거리와, 복수의 광섬유(400 내지 430)에 인가될 수 있는 레이저 펄스의 최대 반복률은 광 서큘레이터(300 내지 330)의 개수에 비례한다.The maximum sensing distance for observing the sound waves using the optical fiber
마찬가지로, 광섬유 음향센서 시스템(10)을 이용하여 음파를 관측할 수 있는 최대 센싱거리와, 복수의 광섬유(400 내지 430)에서 측정할 수 있는 음파의 최대 주파수는 서로 반비례한다.Likewise, the maximum sensing distance at which the sound waves can be observed using the optical fiber
또한, 광섬유 음향센서 시스템(10)을 이용하여 음파를 관측할 수 있는 최대 센싱거리와, 복수의 광섬유(400 내지 430)에서 측정할 수 있는 음파의 최대 주파수는 광 서큘레이터(300 내지 330)의 개수에 비례한다.The maximum sensing distance at which the sound waves can be observed using the optical fiber
도 2에서, 전체 센싱 거리를 X(km)라고 하고, 전체 광 서큘레이터의 개수를 N개라고 할 때, 광 서큘레이터 각각의 간격은 X/N(km)라고 가정할 수 있다.In Fig. 2, when the total sensing distance is X (km) and the total number of optical circulators is N, the spacing of each optical circulator can be assumed to be X / N (km).
따라서, 전체 센싱 거리는 X/N(km) 길이의 N개의 광섬유가 서로 연결된 것으로 가정할 수 있다.Therefore, it can be assumed that the total sensing distance is that N optical fibers of X / N (km) length are connected to each other.
이 때, 시스템(10)에 인가될 수 있는 최대 펄스반복률과, 그에 따라 시스템(10)에서 측정할 수 있는 최대 음파 주파수는 아래 수학식 3에 의하여 산출된다.At this time, the maximum pulse repetition rate that can be applied to the
위 수학식 3에서, v는 광섬유 내에서의 빛의 속도를 나타내고, c는 진공에서의 빛의 속도를 나타낸다. 그리고 n은 광섬유의 굴절률을 나타낸다.In Equation (3), v represents the speed of light in the optical fiber, and c represents the speed of light in vacuum. And n represents the refractive index of the optical fiber.
따라서, 수학식 3에 따르면 도 2에 도시된 분포형 음향센서에서 인가할 수 있는 최대 펄스반복률 및 그에 따라 측정할 수 있는 최대 음파 주파수는 아래 수학식 4와 같이 산출된다.Therefore, according to Equation (3), the maximum pulse repetition rate that can be applied by the distributed acoustic sensor shown in FIG. 2 and the maximum sound wave frequency that can be measured according to Equation (3) are calculated as follows.
수학식 4에서, 측정할 수 있는 최대 음파 주파수는 나이퀴스트 레이트(Nyquist rate)에 의하여 산출된다. In Equation (4), the maximum sound wave frequency that can be measured is calculated by the Nyquist rate.
또한, 상기 수학식 3에서 센싱 거리 대신 펄스 반복률이 고정되어 있다고 가정하면, N이 증가함에 따라 센싱가능한 거리가 N배로 증가하게 된다.Assuming that the pulse repetition rate is fixed instead of the sensing distance in Equation (3), the sensing distance increases N times as N increases.
따라서, 시스템(10)에 광 서큘레이터를 추가하면, 전체 광 서큘레이터의 개수에 비례하는 센싱 거리 또는 인가 및 측정가능한 최대 음파 주파수를 획득할 수 있다.Therefore, by adding the optical circulator to the
예를 들어, 도 1 또는 도 2와 같이 설치된 시스템(10)에서 인가 및 측정가능한 최대 주파수를 늘리고자 하는 경우, 기존에 설치된 광섬유의 중간에 광 서큘레이터를 추가하면 된다. For example, when it is desired to increase the maximum frequency that can be applied and measured in the installed
다른 예로, 도 1 또는 도 2와 같이 설치된 시스템(10)에서 센싱 거리를 늘리고자 하는 경우, 기존에 설치된 광섬유의 끝 부분에 새로운 센싱 모듈 장치를 추가(연결)하면 된다.As another example, when it is desired to increase the sensing distance in the installed
도 3은 일 실시 예에 따른 코히런트 OTDR법을 이용한 광섬유 음향센서 시스템을 구성하는 모듈 장치를 도시한 도면이다. FIG. 3 is a block diagram of a modular apparatus constituting an optical fiber acoustic sensor system using the coherent OTDR method according to an embodiment.
도 3을 참조하면, 모듈 장치(20)는 광 서큘레이터(22), 광 서큘레이터와 연결되어 광 서큘레이터로부터 출력되는 레이저 펄스를 전달하고, 레이저 펄스의 레일리 후방산란을 일으키는 유리 분자를 포함하는 광섬유(24) 및 광 서큘레이터(22)와 연결되어, 광섬유(24)로부터 후방산란되는 빛을 광 서큘레이터(22)를 통하여 검출하는 광검출기(26)를 포함한다. Referring to FIG. 3, the
일 실시 예에서, 도 3에 도시된 모듈 장치(20)는 다른 모듈 장치들 또는 도 1 내지 도 2에 도시된 시스템과 연결된다.In one embodiment, the
일 실시 예에서, 광 서큘레이터(22)는 다른 모듈 장치의 광섬유와 연결된다.In one embodiment, the
광 서큘레이터(22)는, 다른 모듈 장치의 광섬유로부터 레이저 펄스가 입력되는 제1 포트, 모듈 장치(20)의 광섬유(24)에 레이저 펄스를 전달하는 제2 포트 및 광검출기(26)와 연결되는 제3 포트를 포함한다. The
일 실시 예에서, 광섬유(24)는 다른 모듈 장치의 광 서큘레이터와 연결되고, 광섬유(24)는, 레이저 펄스를 다른 모듈 장치의 광 서큘레이터에 전달한다. In one embodiment, the
일 실시 예에서, 모듈 장치(20)는 규격화되어, 광 서큘레이터(22)의 제1 포트가 입력부가 되고, 광섬유(24)의 끝 부분이 출력부가 될 수 있다. In one embodiment, the
따라서, 복수의 모듈 장치의 출력과 입력을 각각 연결하고, 맨 앞의 모듈 장치에 코히런트 레이저를 이용하여 레이저 펄스를 인가함으로써, 복수의 광 서큘레이터(22)를 포함하는 광섬유 음향센서 시스템을 구축할 수 있다.Therefore, an optical fiber acoustic sensor system including a plurality of
다른 예로, 기존의 광섬유 음향센서 시스템의 중간에 새로운 광 서큘레이터를 추가하는 방식으로 복수의 광 서큘레이터를 포함하는 광섬유 음향센서 시스템을 구축하기 위한 모듈 장치가 이용될 수 있다.As another example, a modular arrangement for building an optical fiber acoustic sensor system including a plurality of optical circulators in a manner that adds a new optical circulator in the middle of an existing optical fiber acoustic sensor system can be used.
도 4는 다른 일 실시 예에 따라 코히런트 OTDR법을 이용한 광섬유 음향센서 시스템을 구성하는 모듈 장치를 도시한 도면이다.FIG. 4 is a view showing a module device constituting an optical fiber acoustic sensor system using the coherent OTDR method according to another embodiment.
도 4를 참조하면, 모듈 장치(30)는 광 서큘레이터(32)와 광검출기(34)를 포함한다. Referring to FIG. 4, the
도 4에 도시된 모듈 장치(30)는 도 3에 도시된 모듈 장치(20)의 일 실시 예로서, 도 3과 관련하여 이미 설명된 내용은 도 4에도 적용된다. The
도 4에 도시된 광 서큘레이터(32)는 레이저 펄스가 입력되는 제1 포트, 레이저 펄스가 출력되는 제2 포트 및 광검출기(34)와 연결되는 제3 포트를 포함한다. The
일 실시 예에서, 모듈 장치(30)는 규격화되어, 광 서큘레이터(32)의 제1 포트가 입력부가 되고, 제2 포트 부분이 출력부가 될 수 있다. In one embodiment, the
광섬유 음향센서의 중간에 모듈 장치(30)가 추가되는 경우, 기존 광섬유의 중간을 절단하고, 광 서큘레이터(32)와 연결하기 위한 연결부를 추가한 후, 모듈 장치(30)에 입력 및 출력을 연결함으로써 모듈 장치(30)가 추가될 수 있다.When the
이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, You will understand. Therefore, it should be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.
10: 광섬유 음향센서 시스템
100: 코히런트 레이저
200 내지 230: 광검출기
300 내지 330: 광 서큘레이터
400 내지 430: 광섬유
500: 컴퓨터10: Fiber optic acoustic sensor system
100: Coherent laser
200 to 230: photodetector
300 to 330: Optical circulator
400 to 430: Optical fiber
500: computer
Claims (10)
레이저 펄스(Laser pulse)를 제공하는 코히런트(coherent) 레이저;
상기 코히런트 레이저로부터 제공되는 상기 레이저 펄스를 전달하고, 상기 레이저 펄스의 레일리 후방산란(Rayleigh backscatter)을 일으키는 유리 분자를 포함하는 복수의 광섬유;
상기 복수의 광섬유 사이에 설치되는 복수의 광 서큘레이터(circulator);
상기 복수의 광 서큘레이터 각각에 연결되는 복수의 광검출기(photodetector); 및
상기 복수의 광검출기 각각으로부터 검출되는 신호를 분석하여 상기 복수의 광섬유 주변의 음파를 관측하는 컴퓨터; 를 포함하는, 시스템.A fiber optic acoustic sensor system using a Coherent Optical Time-Domain Reflectormeter Method,
A coherent laser providing a laser pulse;
A plurality of optical fibers including glass molecules that transmit the laser pulses provided from the coherent laser and cause Rayleigh backscatter of the laser pulses;
A plurality of optical circulators provided between the plurality of optical fibers;
A plurality of photodetectors connected to each of the plurality of optical circulators; And
A computer for analyzing a signal detected from each of the plurality of photodetectors and observing a sound wave around the plurality of optical fibers; .
상기 복수의 광 서큘레이터 각각은,
상기 복수의 광섬유 중 하나인 제1 광섬유로부터 상기 레이저 펄스가 입력되는 제1 포트;
상기 복수의 광섬유 중 하나인 제2 광섬유에 상기 레이저 펄스를 전달하는 제2 포트; 및
상기 복수의 광검출기 중 하나인 제1 광검출기와 연결되는 제3 포트; 를 포함하는, 시스템.The method according to claim 1,
Wherein each of the plurality of optical circulators comprises:
A first port through which the laser pulse is inputted from a first optical fiber which is one of the plurality of optical fibers;
A second port for transmitting the laser pulse to a second optical fiber, which is one of the plurality of optical fibers; And
A third port coupled to a first photodetector that is one of the plurality of photodetectors; .
상기 복수의 광 서큘레이터 각각은,
상기 제2 광섬유로부터 후방산란되는 빛을 상기 제3 포트를 통하여 상기 제1 광검출기에 전달하는, 시스템.3. The method of claim 2,
Wherein each of the plurality of optical circulators comprises:
And transmits backscattered light from the second optical fiber to the first photodetector through the third port.
상기 컴퓨터는,
상기 복수의 광검출기 각각으로부터 검출되는 신호를 분석하여 상기 복수의 광섬유 중 적어도 하나에서 발생하는 레일리 후방산란의 특성을 판단하고, 상기 판단된 특성을 이용하여 외부로부터 상기 복수의 광섬유 중 적어도 하나에 진동이 전달된 위치를 판단하는, 시스템.The method according to claim 1,
The computer,
And a controller configured to analyze signals detected from each of the plurality of optical detectors to determine characteristics of Rayleigh back scattering generated in at least one of the plurality of optical fibers, and to oscillate at least one of the plurality of optical fibers from the outside To determine the delivered location.
상기 시스템은 소정의 길이를 갖는 센싱 구간을 포함하고,
상기 복수의 광 서큘레이터는 상기 센싱 구간의 시작지점 및 상기 센싱 구간의 시작지점과 상기 센싱 구간의 종료지점 사이에 소정의 간격으로 설치되고,
상기 복수의 광섬유는 상기 복수의 광 서큘레이터 사이를 연결하고, 상기 복수의 광 서큘레이터 중 상기 센싱 구간의 종료지점과 가장 가까운 광 서큘레이터로부터 상기 센싱 구간의 종료지점까지 연결되는, 시스템.The method according to claim 1,
The system includes a sensing period having a predetermined length,
Wherein the plurality of optical circulators are provided at a predetermined interval between a start point of the sensing section and a start point of the sensing section and an end point of the sensing section,
Wherein the plurality of optical fibers connect between the plurality of optical circulators and are connected from an optical circulator closest to an end point of the sensing section among the plurality of optical circulators to an end point of the sensing section.
상기 광섬유 음향센서 시스템을 이용하여 음파를 관측할 수 있는 최대 센싱거리와, 상기 복수의 광섬유에 인가될 수 있는 상기 레이저 펄스의 최대 반복률(repetition rate)은 서로 반비례하고,
상기 최대 센싱거리와 상기 레이저 펄스의 최대 반복률은 상기 광 서큘레이터의 개수에 비례하는, 시스템.The method according to claim 1,
Wherein a maximum sensing distance for observing a sound wave using the optical fiber acoustic sensor system and a maximum repetition rate of the laser pulse that can be applied to the plurality of optical fibers are inversely proportional to each other,
Wherein the maximum sensing distance and the maximum repetition rate of the laser pulse are proportional to the number of optical circulators.
상기 광섬유 음향센서 시스템을 이용하여 음파를 관측할 수 있는 최대 센싱거리와, 상기 복수의 광섬유에서 측정할 수 있는 음파의 최대 주파수는 서로 반비례하고,
상기 최대 센싱거리와 상기 최대 주파수는 상기 광 서큘레이터의 개수에 비례하는, 시스템.The method according to claim 1,
Wherein a maximum sensing distance for observing a sound wave using the optical fiber acoustic sensor system and a maximum frequency of a sound wave measurable in the plurality of optical fibers are inversely proportional to each other,
Wherein the maximum sensing distance and the maximum frequency are proportional to the number of optical circulators.
상기 광 서큘레이터와 연결되어 상기 광 서큘레이터로부터 출력되는 레이저 펄스를 전달하고, 상기 레이저 펄스의 레일리 후방산란(Rayleigh backscatter)을 일으키는 유리 분자를 포함하는 광섬유; 및
상기 광 서큘레이터와 연결되어, 상기 광섬유로부터 후방산란되는 빛을 상기 광 서큘레이터를 통하여 검출하는 광검출기;
를 포함하는, 코히런트 OTDR법을 이용한 광섬유 음향센서 시스템을 구성하는 모듈 장치.Optical circulator;
An optical fiber connected to the optical circulator for transmitting a laser pulse output from the optical circulator and including glass molecules for causing Rayleigh backscatter of the laser pulse; And
A photodetector coupled to the optical circulator and detecting light scattered back from the optical fiber through the optical circulator;
A module device constituting an optical fiber acoustic sensor system using a coherent OTDR method.
상기 광 서큘레이터는 다른 모듈 장치의 광섬유와 연결되고,
상기 광 서큘레이터는,
상기 다른 모듈 장치의 광섬유로부터 상기 레이저 펄스가 입력되는 제1 포트;
상기 모듈 장치의 광섬유에 상기 레이저 펄스를 전달하는 제2 포트; 및
상기 광검출기와 연결되는 제3 포트; 를 포함하는, 코히런트 OTDR법을 이용한 광섬유 음향센서 시스템을 구성하는 모듈 장치.9. The method of claim 8,
The optical circulator is connected to an optical fiber of another module device,
The optical circulator includes:
A first port through which the laser pulse is input from an optical fiber of the other modular device;
A second port for delivering the laser pulse to an optical fiber of the module device; And
A third port coupled to the photodetector; A module device constituting an optical fiber acoustic sensor system using a coherent OTDR method.
상기 광섬유는 다른 모듈 장치의 광 서큘레이터와 연결되고,
상기 광섬유는,
상기 레이저 펄스를 상기 다른 모듈 장치의 광 서큘레이터에 전달하는, 코히런트 OTDR법을 이용한 광섬유 음향센서 시스템을 구성하는 모듈 장치.9. The method of claim 8,
The optical fiber is connected to an optical circulator of another module device,
The optical fiber includes:
And transmits the laser pulse to the optical circulator of the other modular device. The module device constitutes the optical fiber acoustic sensor system using the coherent OTDR method.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |