KR20190013741A - Ofdr 인터로게이터 모니터링 및 최적화를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Ofdr 인터로게이터 모니터링 및 최적화를 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

예시적인 실시예들은, 광학 증폭기를 멀티 채널, 연속적으로 스위핑되는 OFDR 측정 시스템에 추가하고, 상승하는 스윕과 하강하는 스윕 사이에서 증폭된 스위핑되는 레이저 출력 파워를 조정하고, 그리고/또는 OFDR 측정 시스템의 완성도를 강화하기 위해서 OFDR 측정들이 통상적으로는 수행되지 않는 레이저 스윕의 부분들을 이용하고, OFDR 측정들의 품질과 성능을 향상시키고, 그리고 추가적인 측정들과 테스트들을 수행한다.

Description

OFDR 인터로게이터 모니터링 및 최적화를 위한 방법 및 장치
본 출원은 "OFDR 인터로게이터 모니터링 및 최적화를 위한 방법 및 장치(METHODS AND APPARATUS FOR OFDR INTERROGATOR MONITORING AND OPTIMIZATION)"라는 제목으로 2016년 6월 29일자로 출원된 미국 가특허출원 62/355,957의 우선권과 이익을 주장하고, 그 명세서 내용은 그 전체로 참조사항으로 본 명세서에 통합되어 있다.
본 출원에 기술되어 있는 기술은 광 섬유 형상 감지를 위하여 이용되는 광학 주파수 영역 반사계측(Optical Frequency Domain Reflectometry; OFDR) 측정법, 및 이러한 OFDR 측정법의 정확성과 신뢰성을 향상시키기 위한 데이터 처리 기술에 관한 것이다.
광학 변형 감지는, 예컨대 광 섬유의 장력, 압축 또는 온도의 변화에 의해 야기되는 도파관(waveguide)의 물리적인 변형량을 측정하는데 유용한 기술이다. 멀티 코어 광 섬유는 단일 섬유 내부에 매립되어 있는 몇몇 독립적인 도파관들로 이루어져 있다. 코어의 길이를 따르는 변형의 연속적인 측정은 스위핑 파장 간섭계측법(swept wavelength inteferometery)을 통상적으로 광학 주파수 영역 반사계측(OFDR) 측정법의 형태로 이용하여 코어의 광학 응답을 해석함으로써 유도될 수 있다. 섬유의 길이를 따르는 코어들의 상대적인 포지션들에 관한 지식으로, 이러한 독립적인 변형 신호들은 멀티 코어 광 섬유에 적용되는 변형 프로파일의 측정값을 얻도록 조합될 수 있다. 섬유의 변형 프로파일은 높은(예컨대 50 마이크로미터 미만의) 샘플 해상도에서 섬유의 길이를 따라 적용된 굽힘 변형, 비틀림 변형 및/또는 축방향 변형의 측정값을 지칭한다.
이전의 특허들에는 멀티 코어 광 섬유들을 이용한 OFDR 기반 형상 감지가 기술되어 있다(예컨대 참조사항으로 통합되어 있는 미국 특허 7,781,724 및 8,773,650 참조). OFDR 기반 형상 감지 섬유를 위한 일부 적용처들은 형상 감지 출력의 정확성과 신뢰성의 관점에서 높은 정도의 신뢰도를 필요로 한다. 제한없는 예시적인 적용처는 수술 환경이나 다른 환경에서 이용되는 로봇 아암들이다.
OFDR 측정 시스템에는 3개의 기본 요소들, 즉 광(light), 그 안에서 광이 횡단하는 매체(medium)(예컨대 섬유 도파관), 및 광을 검출하고나서 광을 전기 신호로 변환시키는 수신기(receiver)가 있다. 각각의 이들 기본 요소들은 수행되는 측정의 정확성에 기여한다. 예시적인 광섬유 형상 감지 시스템은 도 1에 나타나 있고, 광 섬유 센서/피시험 장치(device under test; DUT)(3)(본 명세서에서는 "센서(3)" 또는 "DUT(3)"로도 지칭됨)에 결합되어 있는 광학 네트워크(2)에 상이한 주파수들 또는 파장들의 광을 제공하도록 스위핑되는 튜닝가능한 레이저(tunable laser)(1)를 포함한다. 파장들 또는 주파수들의 튜닝 범위에 걸친 튜닝가능한 레이저에 의한 각각의 스캔은 세트를 이루는 OFDR 측정 데이터를 만들어낸다. 광학 네트워크(2)는, 광학 정보를 전기 신호들로 변환하는 검출기(detector), 아날로그 전기 신호들을 디지털 전기 신호들로 변환하는 아날로그 디지털 컨버터(analog to digital converter), 및 획득된 데이터를 처리하고 획득을 제어하는 필드 프로그램가능 게이트 어레이(filed programmable gate array; FPGA)를 포함하는 검출, 획득 및 제어 전자장치(4)에 결합되어 있다. 검출, 획득 및 제어 전자장치(4)는 섬유의 형상을 연산하는 것과 같이 추가 처리를 위하여 프로세서(5)에 출력값들을 제공하고, 최종적으로는 광 섬유 센서/DUT(3)로부터의 정보를 출력한다. 프로세서(5)는 이와 달리 FPGA 또는 GPU를 포함할 수도 있다.
도 1에 나타나 있는 예시적인 광섬유 형상 감지 시스템에서, 형상 측정은 멀티코어 광 섬유 센서인 매체로부터 반사되는 광을 정확하게 검출하는 능력을 포함하는 몇몇 요인들에 좌우된다. OFDR 기반 광섬유 형상 감지는 광 섬유 센서의 각각의 코어에서 포인트 대 포인트 길이 변화들을 검출하고, OFDR 측정 시스템의 정확성과 잡음은 광 섬유 센서 속으로의 광의 반복가능한 전달, 및 측정에서 측정까지의 반사 광의 반복가능한 검출에 의존한다. 광학 주파수 영역 및 시간 영역에서 변하는 주파수들에서의 반사 광의 검출(OFDR에서는 레이저가 파장들 또는 주파수들의 측정 범위에 걸쳐 스위핑되거나 스캐닝됨)은 정확한 광섬유 형상 측정을 달성하는데 중요하다. 감지 섬유에서의 물리적인 변화들의 결과가 없는 OFDR 스캔 대 스캔 차이들 또는 스캔간 차이들은 수정되거나 감소되지 않는 경우라면 OFDR 측정 데이터에 에러를 유발할 수 있다. 에러의 예시적인 근원들은 레이저 튜닝 스피드 변화(laser tuning speed variation), 광학 출력 파워 요동(optical output power fluctuation), 간섭계 경로 길이 변화(interferometer path length change), 코어 대 코어 딜레이 시프트(core-to-core delay shift), 및 OFDR 채널들에서의 전기 신호 지연(electrical signal delay)들을 포함한다.
코어들 사이에서의 검출 회로의 상대적인 딜레이들이 일정하다고 가정하면, 코어들 사이의 위상 변화들은 감지 섬유에 만들어지는 물리적인 변화로부터 결과적으로 생기는 것으로 해석될 수 있다. 그러나, 이러한 딜레이 관계(delay relationship; 여기에서 '딜레이(delay)'는 '지연' 내지 '지연값' 등을 의미하며, 이는 명세서 전체로 동일함)들이 시간이 지남에 따라 변하고, 온도에 따라 달라지며 그리고/또는 인터로게이션 디바이스 고장에 의해 영향을 받는다는 점을 발명자들이 발견해냈다. 데이터 획득과 처리에서 유발되는 딜레이 시프트(delay shift; 지연 변이)들은 OFDR 측정에서 에러를 유발하는데, 이는 감지 섬유 형상에 대한 물리적인 변화로 잘못 해석된다. 추가로, 레이저 스캔 대 레이저 스캔 광학 파워 레벨 변화들은 OFDR 측정 에러를 초래할 수도 있다. 이러한 광학 파워 레벨 변화들은 OFDR 측정이 수행되는 광학 주파수 범위에 걸쳐 레이저 및/또는 변하는 SNR의 상승하는 스윕(rising sweep)과 하강하는 스윕(falling sweep) 사이에 맞지않는 신호 대 잡음 비율(signal-to-noise ratio; SNR)이라는 결과를 초래할 수 있다.
예시적인 실시예들은 다중 광학 코어들을 포함하는 광 섬유 센서를 측정하는 광학 측정 시스템을 포함한다. 튜닝가능한 레이저는 제 1 측정 범위의 파장들에 걸쳐 스위핑하고, 광학 증폭기는 스위핑되는 레이저 광을 증폭시킨다. 광학 네트워크는 광 섬유 센서 쪽으로 증폭된 스위핑되는 레이저 광(amplified swept laser light)을 제공하고, 각각의 다중 코어들과 관련된 광 섬유 센서로부터 반사 광(reflected light)을 출력한다. 검출 회로는 광 섬유 센서로부터의 출력된 반사 광을 검출하고 대응하는 전기 신호들로 변환한다. 데이터 처리 회로는 스위핑되는 레이저 광의 파워를 제어하기 위해서 광학 증폭기의 게인(gain)을 제어한다.
광학 증폭기는, 예컨대 튜닝가능한 레이저에 결합되어 있는 광학 스플리터로부터의 레이저 광의 일부와 펌프 레이저 공급원의 출력에 접속되어 있는 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(Erbium-Doped Fiber Amplifier; EDFA)로 구현될 수 있다.
예시적인 광학 측정 시스템은 광학 주파수 영역 반사계측(OFDR) 인터로게이션 시스템이다. 광학 네트워크는 검출 회로에 결합되는 레이저 모니터 간섭계, 및 검출 회로와 광 섬유 센서에 결합되는 측정 간섭계를 포함한다. 튜닝가능한 레이저는 제 1 측정 범위의 파장들에 걸쳐 연속적으로 스위핑해서, 검출 회로는 튜닝가능한 레이저의 상승하는 스윕과 하강하는 스윕 동안 광 섬유 센서로부터 OFDR 측정 데이터를 획득한다.
예시적인 구현예에서, 데이터 처리 회로는 튜닝가능한 레이저의 상승하는 스윕과 하강하는 스윕 동안 레이저 파워 임밸런스(imbalance; 불균형) 또는 요동을 보상하기 위해서 광학 증폭기의 게인을 제어하고, 제 1 측정 범위의 주파수들 안에 있는 상이한 다중 주파수들에서 광학 증폭기의 게인을 수정하고. 제 1 측정 범위의 주파수들에 걸쳐 실질적으로 일정한 레이저 파워 레벨을 유지하기 위해서 광학 증폭기의 게인을 제어하고, 그리고 광학 증폭기의 게인을 튜닝가능한 레이저의 상승하는 스윕을 위한 제 1 게인, 및 튜닝가능한 레이저의 하강하는 스윕을 위한 상이한 제 2 게인으로 제어한다.
다른 예시적인 실시예는 다중 광학 코어들을 포함하는 광 섬유 센서를 측정하기 위한 광학 주파수 영역 반사계측(OFDR) 인터로게이션 시스템을 포함한다. 튜닝가능한 레이저는 제 1 측정 범위의 파장들에 걸쳐 스위핑하되 스위핑되는 레이저 출력 신호를 발생시킨다. 모듈레이터는 기지 신호(known signal)를 스위핑되는 레이저 출력에 추가한다. 광학 간섭계 네트워크는 증폭된 스위핑되는 레이저 광을 광 섬유 센서 쪽으로 제공하고, 센서 측정 데이터에 대응하는 각각의 다중 코어들과 관련된 광 섬유 센서로부터 반사 광을 출력한다. 검출 회로는 광 섬유 센서로부터 출력된 반사 광을 검출하고 대응하는 전기 신호들로 변환한다. 데이터 처리 회로는 추가되는 기지 신호에 기초하여 제 1 측정 범위의 파장들 안에서 튜닝가능한 레이저의 스윕들 동안 획득되는 센서 측정 데이터를 처리한다.
데이터 처리 회로는 추가되는 기지 신호에 기초하여 하나 이상의 광학 간섭계 네트워크, 광 섬유 센서 또는 검출 회로에 의해 야기되는 딜레이들로부터 에러들을 결정하도록 구성될 수 있다.
예시적인 구현 부재들은 레이저 드라이버를 포함하고, 여기에서 모듈레이터는 레이저 드라이버의 출력부에 결합되어 있다. 모듈레이터는 전압 제어식 오실레이터를 구동시키는 디지털 아날로그 컨버터(digital to analog converter), 및 기지 신호를 발생시키기 위해서 전압 제어식 오실레이터로부터의 출력을 필터링하는 필터에 결합되어 있는 컨트롤러를 포함할 수 있다. 다른 예시적인 모듈레이터는 클록 신호(clock signal)를 제공하는데 이용되는 최대 유효 비트를 가지는 2진 신호를 발생시키는 수치 제어식 오실레이터, 및 기지 신호를 발생시키도록 클록 신호를 필터링하는 필터를 포함한다. 섬유는 N개의 광학 코어들을 가질 수 있는데, N은 3보다 큰 양의 정수이며, 모듈레이터는 N개의 광학 코어들에 대응하는 N개의 위상 신호들 및 N-1개의 위상차 신호들을 발생시키는 수치 제어식 오실레이터를 포함한다. 센서 측정 데이터에서의 위상 에러는 N-1개의 위상차 신호들에 기초할 수 있다.
튜닝가능한 레이저 스윕은 파장이 제 1 측정 범위의 파장들 중에서 가장 작은 파장으로부터 가장 큰 파장까지 증가하는 경우의 상승하는 스윕, 및 파장이 제 1 측정 범위의 파장들 중에서 가장 큰 파장으로부터 가장 작은 파장까지 감소하는 경우의 하강하는 스윕을 포함할 수 있다. 레이저 스윕은 상승하는 스윕과 하강하는 스윕 사이에서 전이하는 전환 구간을 포함한다. 모듈레이터는 전환 구간 동안 기지 신호를 스위핑되는 레이저 출력에 추가하도록 제어될 수 있다. 이와 달리, 모듈레이터는 제 1 측정 범위의 파장들 바깥쪽의 파장들에서 기지 신호를 스위핑되는 레이저 출력에 추가하도록 제어될 수 있다.
더욱 나아가 예시적인 실시예들은, 파장이 제 1 측정 범위의 파장들 중에서 가장 작은 파장으로부터 가장 큰 파장으로 증가하는 경우의 튜닝가능한 레이저의 상승하는 스윕, 및 파장이 제 1 측정 범위의 파장들 중에서 가장 큰 파장으로부터 가장 작은 파장으로 감소하는 경우의 튜닝가능한 레이저의 하강하는 스윕을 포함하는 제 1 측정 범위의 파장들에 걸쳐 스위핑하는 튜닝가능한 레이저를 가지는 OFDR 인터로게이션 시스템을 포함한다. 레이저 스윕은 상승하는 스윕과 하강하는 스윕 사이에서 전이하는 전환 구간을 포함한다. 광학 간섭계 네트워크는 증폭된 스위핑되는 레이저 광을 광 섬유 센서 쪽으로 제공하고, 센서 측정 데이터에 대응하는 각각의 다중 코어들과 관련된 광 섬유 센서로부터 반사 광을 출력한다. 검출 회로는 광 섬유 센서로부터 출력된 반사 광을 검출하고 대응하는 전기 신호들로 변환한다. 데이터 처리 회로는 제 1 측정 범위의 파장들 안에서 튜닝가능한 레이저의 상승하는 스윕과 하강하는 스윕 동안 획득되는 센서 측정 데이터를 처리하고, 레이저 스윕의 전환 구간 동안 추가적인 조작을 수행한다.
예를 들어, 추가적인 조작은 미리 정해진 범위 안에서의 파장들 이외에 스위핑되는 레이저 파장들에서 추가적인 측정들을 수행하는 단계일 수 있다. 이러한 상황에서, 다른 스위핑되는 레이저 파장들 중 일부를 위한 레이저의 스윕 속도(sweep rate)는 제 1 측정 범위의 파장들 안에서의 튜닝가능한 레이저의 스윕들을 위한 레이저의 스윕 속도보다 더 느릴 수 있다.
다른 예시적인 추가적인 조작들은, 상승하는 스윕과 하강하는 스윕에서 스위핑되는 레이저 광의 파워 레벨을 밸런스 조절하는(balancing) 단계, 광 섬유 센서를 위한 산란 기반 OFDR 측정(scatter-based OFDR measurement)들을 행하는 단계, 및 시스템 다이내믹스(system dynamics)에 응답하여 인-시스템 체크(in-system check)들 또는 조정(adjustment)들을 수행하는 단계를 포함한다.
광 섬유 센서가 제 1 측정 범위의 파장들 범위내에 있는 광 반사들을 제공하는 섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating)들을 포함하는 경우, 다른 예시적인 추가적인 조작은 격자 반사들로부터의 파장들에서 분리되는 산란 기반 OFDR 측정들을 행하는 단계를 포함한다.
도 1에는 예시적인 OFDR 측정 시스템이 나타나 있다.
도 2는 스캔 또는 레이저 스윕 중에 있는 전환 지점들이 나타나 있는 그래프이다.
도 3에는 예시적인 실시예에 따르는 예시적인 OFDR 측정 시스템이 나타나 있다.
도 4에는 예시적인 실시예들에 따르는 더욱 상세한 예시적인 OFDR 측정 시스템이 나타나 있다.
도 5는 OFDR 시스템에서의 예시적인 하강하는 시안화수소(HCN) 가스 전지 파워 레벨 대 상승하는 시안화수소(HCN) 가스 전지 파워 레벨이 수정되어 있지 않고 나타나 있는 그래프이다.
도 6A와 도 6B에는 예시적인 레이서 스윕과 펌프 레이저 파워가 각각 나타나 있는 그래프이다.
도 7은 OFDR 시스템에서의 하강하는 시안화수소(HCN) 가스 전지 파워 레벨 대 상승하는 시안화수소(HCN) 가스 전지 파워 레벨의 예시가 수정되어 나타나 있는 그래프이다.
도 8은 OFDR 측정 시스템에서 EDFA를 구현하는 예시적인 절차, 및 상승하는 레이저 스윕과 하강하는 레이저 스윕을 위하여 레이저 파워 출력을 밸런스 조절하도록 펌프 레이저 게인을 조정하는 예시적인 절차가 도시되어 있는 흐름도이다.
도 9는 레이저 드라이브 시스템의 다이어그램이다.
도 10은 도 12의 레이저 드라이브 시스템에 변조수단을 추가한 다이어그램이다.
도 11에는 제 1 예시적인 레이저 모듈레이터 접근법이 나타나 있다.
도 12에는 제 2 예시적인 레이저 모듈레이터가 나타나 있다.
도 13은 예시적인 실시예들에 따르는 측정 및 변조를 위한 장치이다.
도 14는 예시적인 실시예들에 따라 레이저를 변조하는데 이용되는 동일한 신호와 혼합함으로써 행해지는 위상 연산을 위한 예시적인 장치이다.
도 15는 레이저 다이오드 리플 주사(laser diode ripple injection)를 이용하여 딜레이 모니터링을 수행하는 예시적인 절차들이 도시되어 있는 흐름도이다.
도 16A와 도 16B는 선형화 이전과 이후의 대역 외 레이저 변조(out of band laser modulation)가 나타나 있는 그래프들이다.
도 17A와 도 17B는 레이저 튜닝 전환점들이 나타나 있는 그래프이다.
도 18은 예시적인 실시예들에 따라 추가적인 측정들을 행하기 위한 연장된 전환 지점들이 나타나 있는 그래프이다.
도 19는 예시적인 실시예들에 따라 통상적인 급속 스피드 스윕 부분들에 추가하여 예시적인 대역 외 완속 레이저 스윕 부분들이 나타나 있는 그래프이다.
도 20A와 도 20B는 급속 스윕 부분들과 완속 대역 외 스윕 부분들이 나타나 있는 그래프이다.
도 21은 추가적인 측정들을 실행하기 위해서 레이저 스윕 에지들과 전환점들을 이용하는 예시적인 절차들이 나타나 있는 흐름도이다.
도 22에는 예시적인 실시예들에 따르는 예시적인 OFDR 측정 시스템이 나타나 있다.
도 23에는 로봇 수술 아암에 대한 광섬유 형상 감지 시스템의 예시적인 이용이 나타나 있다.
다음에 오는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 제한하기 위해서가 아니라 설명하기 위해서 특정 실시예들과 같이 구체적인 세부사항들을 설명한다. 그러나 다른 실시예들이 이러한 구체적인 세부사항들과는 별개로 채택될 수 있다는 점을 당해 기술분야에서의 통상의 기술자라면 알 수 있을 것이다. 일부 경우에 있어서, 잘 알려진 방법, 인터페이스, 회로 및 디바이스에 관한 상세한 내용들은 불필요한 세부사항이 있는 내용을 불명료하게 하지 않기 위해서 생략되어 있다. 개별적인 블록들은 다양한 노드(node)들에 대응하는 도면들에 나타나 있다. 이러한 블록들의 기능들이, 개별적인 하드웨어 회로들을 이용하는 단계, 적절하게 프로그래밍된 디지털 마이크로프로세서 또는 범용 컴퓨터와 연계되어 있는 소프트웨어 프로그램과 데이터를 이용하는 단계, 및/또는 응용 주문형 집적 회로(applications specific integrated circuitry; ASIC)를 이용하는 단계, 및/또는 하나 이상의 디지털 신호 프로세서(digital signal processors; DSPs)를 이용하는 단계로 구현될 수 있다는 점을 당해 기술분야에서의 통상의 기술자라면 알 수 있을 것이다. 소프트웨어 프로그램 지시들과 데이터는 비일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체에 저장될 수 있고, 그리고 이러한 지시들이 컴퓨터 또는 다른 적합한 프로세서 제어에 의해 실행되는 경우에는 컴퓨터 또는 프로세서가 이러한 지시들과 관련된 기능들을 수행한다.
따라서, 예를 들어, 본 명세서의 다이어그램들이 도식적인 회로 또는 다른 기능 유닛에 관한 개념도를 표현할 수 있다는 점을 당해 기술분야에서의 통상의 기술자라면 이해할 수 있을 것이다. 이와 유사하게, 임의의 흐름도, 상태 전이 다이어그램, 수도코드(pscudocode) 및 이와 유사한 것이, 컴퓨터나 프로세서가 명확하게 나타나 있든 그렇지 않든, 컴퓨터 판독가능 매체에 실질적으로 표현될 수 있어서 컴퓨터나 프로세서에 의해 실행될 수 있는 다양한 과정들을 표현한다는 점을 알 수 있을 것이다.
도시되어 있는 다양한 요소들의 기능들은, 컴퓨터 판독가능 매체에 저장되어 있는 코딩된 지시들의 형태로 소프트웨어를 실행할 수 있는 하드웨어 및/또는 회로 하드웨어와 같은 하드웨어의 이용을 통해 제공될 수 있다. 따라서, 이러한 기능들 및 도시되어 있는 기능 블록들은 하드웨어 구현되는 것, 그리고/또는 컴퓨터 구현되는 것, 그리고 그 결과 기계 구현되는 것으로 이해되어야 한다.
하드웨어 구현의 관점에서, 기능 블록들은, 디지털 신호 처리기(digital signal processor; DSP) 하드웨어, 축소 명령어 집합 처리기(reduced instruction set process), 이에 제한되는 것은 아니지만 응용 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit(s); ASIC) 및/또는 필드 프로그램가능 게이트 어레이(들)(filed programmable gate array(s); FPGA(s))를 포함하는 하드웨어(예컨대 디지털 또는 아날로그) 회로, 및 (적합한 경우) 이러한 기능들을 수행할 수 있는 상태 기계(state machine)를 제한없이 포함하거나 내포할 수 있다.
컴퓨터 구현의 관점에서, 컴퓨터는 대체로 하나 이상의 프로세서 또는 하나 이상의 컨트롤러를 구비하는 것으로 이해되고, 컴퓨터, 프로세서 및 컨트롤러라는 용어들은 상호교환가능하게 채택될 수 있다. 컴퓨터, 프로세서 또는 컨트롤러로 제공되는 경우, 기능들은 단일의 전용 컴퓨터 또는 프로세서 또는 컨트롤러에 의해 제공되거나, 단일의 공유 컴퓨터 또는 프로세서 또는 컨트롤러에 의해 제공되거나, 또는 복수의 개인 컴퓨터 또는 프로세서 또는 컨트롤러에 의해 제공될 수 있고, 이들 중 일부는 공유되거나 분배될 수 있다. 더욱이, "프로세서" 또는 "컨트롤러"라는 용어는 또한 이러한 기능들을 수행할 수 있는 그리고/또는 위에서 인용된 예시적인 하드웨어와 같은 하드웨어를 실행할 수 있는 다른 하드웨어를 지칭한다.
본 출원에 기술되어 있는 기술은 광섬유 측정값들에 영향을 미치는 에러의 근원들을 결정해서 줄이거나 제거한다.
OFDR 시스템에서 증가되는 게인 및 게인 밸런스 조절하기
도입부에 기술된 바와 같이, 도 1은 예시적인 OFDR 측정 시스템이다. 단일의 튜닝가능한 레이저(1)에 의해 주파수/파장의 범위에 걸쳐 스위핑되는 미증폭 광은 광학 네트워크(2) 쪽으로 가이드되고, 센서 또는 DUT(3)로부터의 반사 광은 광학 네트워크(2)의 기준 경로를 횡단하는 광과 간섭한다. 결과적으로 생기는 광은 검출되고, 검출 및 획득 전자장치(4)에 의해 디지털 형태로 변환되고, 원하는 OFDR 측정값, 예컨대 광 섬유 센서(3)의 형상을 제공하도록 프로세서(5)에서 처리된다. 일부 경우에 있어서, OFDR 측정은 광학 주파수가 증가하거나 감소하는 한쪽 레이저 스윕 방향으로 수행된다. 업데이트 속도, 스윕 속도 및 스윕 범위와 같은 적용 요건에 따라, 레이저의 싱글 스윕 방향으로 원하는 측정을 수행하는 것만이 항상 적합한 것은 아니다. 많은 적용처는 상승하는/증가하는 그리고 하강하는/감소하는 스위핑으로 연속적으로 스위핑되는 레이저를 필요로 한다.
연속적인 레이저 스윕의 예시는 시간에 관한 함수로서 레이저의 광학 주파수가 도시되어 있는 도 2에 나타나 있다. 이 표에서의 경사는 레이저의 스윕 속도를 나타낸다. 상승하는 스윕에 있어서, 레이저는 더 낮은 광학 주파수에서 더 높은 광학 주파수로 튜닝된다. 하강하는 스윕에 있어서, 레이저는 더 높은 광학 주파수에서 더 낮은 광학 주파수로 튜닝된다. 이러한 상승하는 스윕과 하강하는 스윕에 추가하여, 본 출원에서 레이저 전환(laser turnaround)들로 지칭되는 스윕의 추가 부분들이 있는데, 이는 하나의 측정의 완료에서 다음번 측정의 시작으로의 레이저 스윕의 부분들을 포함한다. 전환점들은 레이저의 스윕 속도가 느려지기 전에 현재 스윕의 연속을 포함하고, 결국에는 스윕 방향을 변경시키고 나서, 원하는 스윕 속도가 도달될 때까지 반대 방향으로 가속된다.
광 섬유 센서(3)가 장력이나 압축 하에 있는 경우, 섬유 코어들은 일정양의 길이증가나 길이감소를 겪는다. 굽힘, 비틀림 및 전체적인 장력은 다양한 섬유 코어들에서 측정되는 변형의 변화를 야기한다. 굽힘, 비틀림, 및 광 섬유 센서 상의 변형과 각각의 코어 상의 변형 사이의 관계를 기술하기 위해서 매트릭스가 형성될 수 있다. 예를 들어, 광 섬유 센서 안의 4개의 코어가 형상을 측정하는데 이용되는 경우라면, 길이에 관한 함수로서 4개의 코어 안의 변형량과 가해진 굽힘량, 비틀림량 및 변형량 사이의 관계는 다음과 같다.
Figure pct00001
여기에서 εi(z)는 센서 아래쪽의 거리(z)에 관한 함수로서 코어(i) 안에서 측정된 변형량이고, α는 굽힘("굽힘 게인(bend gain)")에 대한 변형량의 관계에 있는 상수이고, β는 비틀림("비틀림 게인(twist gain)")에 대한 변형량의 관계에 있는 상수이고, ｒi는 광 섬유의 중심에 대하여 코어(i)의 방사상 위치이고, θi는 도 1a 내지 도 1c의 코어(2)와 같은 기준 코어에 대한 코어(i)의 각도상 위치이고, Bx(z)는 센서 아래쪽의 거리에 관한 함수로서 X-Z 평면에서의 굽힘량이고(도 2 참조),By(z)는 거리에 관한 함수로서 Y-Z 평면에서의 굽힘량이고, T(z)는 거리에 관한 함수로서 센서의 비틀림량이고, 그리고 E(z)는 거리에 관한 함수로서 센서에 가해지는 축방향 변형량이다.
높은 해상도와 높은 민감도를 가지는 광 섬유 센서의 길이를 따라 반사되는 광의 진폭과 위상의 측정은 광학 주파수 영역 반사계측(OFDR)을 이용하여 달성될 수 있다.
다중 채널 OFDR 인터로게이션 시스템의 경우에 있어서, 각각의 채널은 멀티 코어 섬유 센서 또는 DUT에 대응한다. 다중 채널 OFDR 인터로게이션 시스템에서, 각각의 채널에 대한 파워를 증가시키기 위해서 증폭기를 추가하는 것이 유리할 수 있다. 예시적인 실시예는 광 섬유 센서에 결합되는 레이저 광의 파워를 증가시키기 위해서 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(EDFA)를 OFDR 시스템 속에 추가한다. 그러나, EDFA는 OFDR 측정 시스템 속에 새로운 가변성, 즉 증폭기 게인(amplifier gain)을 유발한다. EDFA의 펌프 레이저가 상시 전류 공급원에 의해 구동되는 경우, EDFA의 게인은 스위핑되는 레이저가 튜닝되는 방향, 증폭되고 있는 광의 순간적인 파장 및 레이저의 스윕 스피드 또는 속도를 포함하는 다양한 요인들에 따라 달라질 수 있다.
추가되는 EDFA의 예시적인 실시예는 도 3에 나타나 있다. 검출, 획득 및 제어 전자장치(4)에 의해 제어되는 튜닝가능한 레이저(1)는 1520 nm-1560 nm의 예시적인 파장 스윕 범위로 나타나 있다. 검출, 획득 및 제어 전자장치(4)에 의해 제어되는 펌프 레이저(7)는 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(EDFA)(8) 쪽으로 특정 파장, 예컨대 980 nm의 광을 제공한다. 광학 스플리터(6)는 튜닝가능한 레이저(1)로부터의 광을 2개의 경로들, 즉 EDFA(8) 쪽으로의 하나의 경로와 광학 네트워크(2)의 기준 경로 쪽으로의 하나의 경로로 쪼갠다. EDFA(8)로부터 증폭된 광은 각각의 OFDR 측정 채널 속으로 쪼개지고, 광 섬유 센서(3)를 구비하는 멀티 코어 센서 섬유의 각각의 코어 쪽으로 가이드된다.
도 4에는 예시적인 6 코어 섬유 센서를 위한 OFDR 기반 인터로게이션 시스템에 추가된 EDFA의 상세한 예시적인 실시예가 나타나 있다. 데이터 획득 전자장치(20)에 의해서가 아니라 프로세서(22)에 의해 이 예시에서 제어되는 주파수 튜닝가능한 레이저(16)로부터의 광은 레이저 모니터 간섭계(10)와 측정 간섭계(12) 사이에서 90/10 커플러로 쪼개진다. 레이저 모니터 간섭계(10)에서, 광은 3×3 커플러를 이용하여 3개의 경로로 쪼개진다. 제 1 경로는 레이저 파워를 모니터링하기 위해서 검출기 쪽으로 지나간다. 제 2 경로는 절대적인 파장 기준을 제공하기 위해서 사이안화수소(HCN) 가스 전지(gas cell)를 지나 검출기 쪽으로 지나간다. 최종 경로는 아이솔레이터와 다른 3×3 커플러를 지나, 한쪽 다리가 다른쪽 다리로부터의 기지(known) 지연차(delay difference)를 가지는 2개의 패러데이 로테이터 미러(Faraday rotator mirror; FRM) 쪽으로 지나간다. 이러한 간섭계로부터의 복귀 신호들은 I/Q 신호들을 형성한다. 위상 오프셋이 120 도인 상태에서, I/Q 신호는 복소 신호(quadrature signal 또는 complex signal)들로 변환되고, 레이저 스윕들과 같이 광학 주파수에서의 변화를 측정하는데 이용된다.
측정 간섭계(12) 속으로 지나가는 광은 간섭계(12)의 기준 브랜치(reference branch)와 측정 브랜치(measurement branch) 사이에서 90/10 커플러를 이용하여 쪼개진다. 기준 브랜치의 광은 캐스케이드(cascaded 또는 cascading) 커플러들을 이용하여 6개의 기준 신호들로 쪼개진다. 측정 브랜치의 광은 아이솔레이터를 통과하고 나서, 에르븀 첨가 광섬유의 길이를 통과한다. 이러한 섬유는, 파장 분할 다중방식(Wavelength Division Multiplexed; WDM) 커플러를 통해 그 안에서 결합되는, 데이터 획득 전자장치(20)에 의해서가 아니라 프로세서(22)에 의헤 이 예시에서 제어되는 980 nm 펌프 레이저(18)로부터의 광으로 펌핑된다. 에르븀 첨가 광섬유와 펌프 레이저(18)의 조합은 간섭계의 측정 브랜치에서 광을 증폭시킨다. 이 광은 다른 아이솔레이터를 통과하고 나서, 순차적인 스캔 상의 2가지 직교하는(또는 거의 직교하는) 편광파 상태들 사이의 광을 튕기도록 세팅되어 있는 편광파 컨트롤러를 통과한다. 광은 이때 캐스케이드 커플러들로 6개의 측정 채널들 속으로 쪼개진다. 되돌아오는 광은 2×2 커플러들을 이용하여 6개의 기준 경로들과 조합된다. 이러한 조합된 신호들은 이때 여러 가지 편광파 검출 체계를 형성하는 데이터 획득 회로(20)에 대한 각각의 채널(C, I, J, K, U, V) 입력을 위하여 2개의 검출기들 쪽으로 편광파 빔 스플리터들(polarization beam splitters; PBSs)을 통과한다. 이는 멀티코어 섬유의 최대 6개의 코어들로부터 반사되는 광의 간섭계 측정을 생성한다. 6개의 채널들(C, I, J, K, U, V)은, 커넥터(25)에 의해 멀티코어 섬유 센서(24)에 접속되어 있는 멀티코어 케이블(23) 안에 있는 6개의 코어들에 6개의 싱글 코어 섬유(28)들을 결합하는 팬아웃 어셈블리(fanout assembly)(14)를 이용하여 멀티코어 섬유 센서(24)의 각각의 코어에 접속된다. 컨트롤러/데이터 프로세서(22)는 튜닝가능한 레이저(16), 편광파 컨트롤러 및 편광파 빔 스플리터를 제어하고, 펌프 레이저(18)도 구동시킨다. 데이터 프로세서(22)는 또한 데이터 획득 회로(20)로부터 제공되는 각각의 포토다이오드 검출기들로부터의 데이터를 획득하고 처리한다.
기록된 데이터는 측정된 각각의 광섬유 코어의 2가지 편광파 상태들, 즉 S 및 P를 위한 광학 주파수에 관한 함수로서 반사되는 진폭이다. 컨트롤러/데이터 프로세서(22)는 레이저 모니터 간섭계(10)로부터의 데이터를 이용하여 광학 주파수에 대하여 이 기록된 데이터를 선형화해서, 이 데이터는 동일한 증가분의 광학 주파수로 표현되어 있다. 선형화된 데이터는 각각의 섬유 코어를 따르는 광 지연(optical delay)에 관한 함수로서 반사 광의 진폭과 위상을 표현하도록 시간 영역으로 푸리에 변환된다. 2개의 순차적인 직교 편광파 스캔으로부터의 S 및 P 데이터는 섬유 코어 안에서의 복굴절을 보상하도록 조합되고, 각각의 코어로부터의 반사 광의 진폭과 위상의 스칼라 측정을 형성한다. 이 조합된 복소 신호(진폭과 위상)는 기준 스캔에 기록된 간섭계 데이터와 비교되고, 결과적으로 생기는 각각의 코어의 위상 차이/변화는 섬유의 현재 형상을 연산하는데 이용되는 측정된 신호이다.
측정된 위상 변화의 미분값은 각각의 코어에서의 변형량에 비례한다. 코어(i)에서의 변형량에 대한 위상의 관계에 있는 비례 상수, 즉 γi는 그 코어의 변형-광학 계수이다. 방정식 1은 이때 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pct00002
여기에서 φi'(z)은 광 섬유 센서(24) 아래쪽의 거리에 관한 함수로서 코어(i)의 측정된 위상 변화의 미분값이다.
광 섬유 센서의 포지션이 각각의 코어 안에서의 위상 변화를 우선 측정함으로써 발견되고 나서 비틀림량, 즉 T(z)를 고려하면서 섬유를 따라 굽힘량, 즉 Bx(z)와 By(z)을 적분함으로써 계산되기 때문에, 이 방정식의 역이 필요하다.
Figure pct00003
여기에서
Figure pct00004
는 형상 매트릭스로 알려져 있다.
측정 브랜치 안에 섬유 증폭기의 추가는 센서 또는 DUT에 대한 증가된 파워의 이점을 제공하지만, 레이저의 상승하는 스윕과 하강하는 스윕 사이의 파워 요동의 형태로 OFDR 측정에서 에러를 유발하기도 한다. 이러한 요동의 예시는 도 5의 그래프에 나타나 있는데, 여기에는 2,937,500 GHz / s에서 10 nm에 걸쳐 수행되는 스윕들 사이에서 증폭의 차이에 기인한 상승하는 레이저 스윕과 하강하는 레이저 스윕 사이의 파워 레벨들의 차이가 도시되어 있다. 센서 또는 DUT가 있는 자리에 접속되는 HCN 가스 전지를 이용하여 검출되는 파워 레벨(이는 도 4에 나타나 있지 않음)은 상승하는 레이저 스윕 측정과 하강하는 레이저 스윕 측정 사이에 2 dB 이상의 차이가 나타나 있다. 도 5에서는 상승하는 레이저 스윕 데이터(굵은 검정 선)가 하강하는 레이저 스윕 데이터(가는 검정 선)와의 비교를 위하여 역전되어 있음을 유의한다. 이들 모두는 높은 광학 주파수 쪽으로부터 낮은 광학 주파수 쪽으로 디스플레이되어 있다.
펌프 레이저 파워의 변화들은 에르븀 첨가 광섬유에서의 신호 및 펌프 파워와 형광 수명에 관한 함수인 응답 시간을 가지는 EDFA의 게인 변화라는 결과를 초래한다. 펌프 레이저 파워가 조정되는 경우, EDFA의 출력에서의 파워가 변하기 전에 딜레이가 있다. 파장에 관한 함수로서 EDFA의 게인 응답과 나란한 이 딜레이는 튜닝가능한 레이저가 스위핑됨에 따라 EDFA 출력에 영향을 미칠 수 있다. 파장에 관한 함수로서 EDFA의 게인이 달라지는 정도를 보상하기 위하여, 게인 평탄화 필터(gain flattening filter; GFF)가 출력 필터에 추가될 수 있다. 그러나, 동일한 파장에서도 스윕 방향에 기초하여 달라지는 게인 차이가 있다. 또한 GFF들은 온도 의존 파장 변이(wavelength shift)를 겪게 된다.
연속적으로 스위핑되는 OFDR 시스템에서, 튜닝가능한 레이저의 광학 주파수가 증가됨에 따라(레이저의 상승하는 스윕) 그리고 스위핑되는 레이저의 광학 주파수가 감소됨에 따라(레이저의 하강하는 스윕), OFDR 측정 데이터가 획득된다. 광은, 하강하는 스윕에서의 게인이 상승하는 스윕에서의 게인 보다 더 높은 광학 증폭기를 이용하여 증폭된다. 이 게인 차이는 덜 최적화된 시스템 성능과 덜 정확한 측정 결과를 초래할 수 있다.
스윕에서 스윕까지 스윕 동안 밸런스 맞지않는 파워를 수정하기 위하여, 예시적인 실시예들은 OFDR 시스템에서 피시험장치(DUT)나 센서 섬유에 대한 실질적으로 일정한 레벨의 출력 파워를 유지하도록 미리 정해진 지점들 사이의 펌프 레이저 파워를 변경시킨다. 일 예시적인 실시예에서, 증폭기 게인은 2가지 상태들, 즉 상승하는 스윕을 위한 한가지 상태와 하강하는 스윕을 위한 한가지 상태 사이에서 변조된다. 이 실시예는 파워가 2개의 레이저 스윕 방향들로 밸런스 조절되는 것을 허용한다. 나아가, 증폭기 게인은 OFDR 측정 데이터가 획득되는 광학 주파수 범위에 걸쳐서 파워를 평탄화하는 게인 세트 포인트의 추가로 레이저 스윕 범위내에서 변조될 수 있다. 예시적인 실시예는 또한 상승하는 스윕과 하강하는 스윕 사이에서 레이저 파워를 밸런스 조절하도록 조정을 행하기 위해서 전환점들을 이용한다. 한가지 예시적인 조정은 상승하는 부분, 하강하는 부분 및 전환 부분을 포함하는 전체 스윕 사이클에 걸쳐 튜닝가능한 레이저의 다이오드를 구동시키는 전류를 조정하는 단계를 포함한다.
예시적인 실시예에서, 스윕 방향 의존 게인 차이를 보상하기 위해서, 데이터, 획득 및 제어 전자장치(4)는 증폭기의 펌프 레이저 파워를, 상승하는 스윕과 하강하는 스윕을 위한 미리 보정된 레벨들로 조정한다. 특히, 시스템은 펌프 레이저를 위한 2가지 파워 상태들, 즉 하강하는 스윕을 위한 한가지 상태와 상승하는 스윕을 위한 한가지 상태를 포함하도록 구성되어 있다(조정은 이와 달리 프로세서(5)에 의해 제어될 수 있다). 이러한 펌프 레이저 파워 스위칭의 예시는 도 6A와 도 6B에 도시되어 있다.
도 6A와 도 6B를 살펴보면, 하강하는 스윕 파워는 있는 그대로 왼쪽에 있고, 그리고 상승하는 스윕 파워는 하강하는 스윕의 파워에 들어맞도록 증가되어 있다. 증폭기의 게인의 응답 지연이 있기 때문에, 펌프 레이저는 하강하는 스윕의 완료를 레이저 전환의 시작에서 다음에 오게 하도록 더 높은 파워 레벨로 구동된다. 전환점의 시작에서 펌프 레이저 파워 레벨을 세팅하는 것은 증폭기 게인이 새로운 레벨로 조정되는데 충분한 시간을 제공한다.
도 7은, 상승하는 레이저 스윕과 하강하는 레이저 스윕 사이의 평균 파워 차이를 줄이는 조정이 증폭기의 펌프 레이저 파워에 가해진 후 상승하는 스윕(굵은 선)의 HCN 파워 레벨과 하강하는 스윕(가는 선)의 HCN 파워 레벨을 비교한다.
스윕 방향 의존 게인을 보상하도록 펌프 레이저 파워를 조정하는 것에 추가하여, 펌프 레이저 파워는 DUT에 대한 파워를 더욱 평탄화하기 위해서 레이저의 스윕 사이클의 진행과정 동안 2개 이상의 세트 포인트들을 포함하도록 조정될 수 있다.
도 8은 OFDR 측정 시스템에서 EDFA를 구현하기 위한, 그리고 상승하는 레이저 스윕과 하강하는 레이저 스윕을 위해 레이저 파워 출력을 밸런스 조절하도록 펌프 레이저 게인을 조정하기 위한 예시적인 절차들이 도시되어 있는 흐름도이다. EDFA의 파워 요건들은 결정되고(단계 S1), EDFA는 게인 매체 타입, 길이 및 펌핑 방향을 포함하는 게인 요건들을 충족시키도록 구성되어 있다(단계 S2). 광학 네트워크에서의 EDFA의 설치는 결정되고, EDFA는 광학 네트워크에 추가되어 있다(단계 S3). 튜닝 레이저는 원하는 스윕 거동을 위하여 구성되어 있다(단계 S4). 게인 차이는 상승하는 레이저 스윕과 하강하는 레이저 스윕 사이에서 결정된다(단계 S5). 펌프 레이저 파워 세트 포인트들은 상승하는 스윕과 하강하는 스윕 사이에서 EDFA 게인을 밸런스 조절하기 위해서 특정 광학 주파수들에서 추가된다(단계 S6). 펌프 레이저 파워 세트 포인트들은 EDFA 출력 파워를 밸런스 조절하기 위하여 조정된다(단계 S7).
레이저 출력을 기지 신호로 변조하기
광섬유 감지 시스템에서, 딜레이의 측정은 중요하다. 측정되는 한가지 딜레이는 멀티 코어 섬유 센서의 코어들 사이에서의 딜레이 변화이다. 이 딜레이 변화는 각각의 코어를 위한 기준 위상으로부터의 위상 차이 또는 위상 변이의 관점에서 측정된다. OFDR 시스템에서, OFDR 검출 및 획득 시스템에 의해 검출되기 전에 광학 신호 및 대응하는 전기 신호가 겪는 많은 지연 경로들이 있다. 많은 다른 것들 중에서 한가지 예시적인 딜레이는 검출 및 획득 시스템을 통해 포토다이오드 쪽으로의 측정 간섭계의 기준 경로와 관련된 것이다.
예시적인 실시예들은 이러한 경로들의 딜레이의 변화들을 모니터링하고, 잘못된 데이터를 신호하면서 광학 네트워크의 기준 경로에서의 다이내믹한 위상 변이를 수정하는데 이용될 수 있는 측정을 제공한다. 더욱 상세하게, 기지 신호, 예컨대 기지 주파수를 가지는 리플 신호를 레이저 속으로 주사함으로써, 그 주파수에서의 각각의 지연 경로의 위상이 연산될 수 있다. 일 예시적인 구현예에서, 그 연산은 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform; FFT)을 수행하지 않으면서 행해진다. 세트를 이루는 주파수들/파장들에 걸쳐 이 측정을 수행하는 것은 시스템에서의 각각의 검출 채널의 위상 응답을 만들어낸다.
레이저 전환 동안 증폭기의 펌프 레이저를 조정하는 것에 추가하여, 예시적인 실시예들은 레이저 전환 동안 인-시스템 시험을 수행한다. 이러한 예시적인 실시예들에서, 광학(예컨대 OFDR) 측정 시스템에서의 튜닝가능한 레이저 다이오드 출력은 시스템 내부에서의 광학적 지연 및 전기적 지연의 변화들을 검출하도록 변조된다. 아래의 예시들에서의 변조는 기지 신호, 예컨대 기지 주파수를 가지는 리플을 튜닝가능한 레이저 다이오드 출력 속에 주사하는 단계를 포함한다. 다른 기지 신호 또는 변조 기법이 이용될 수도 있다.
OFDR 시스템에서는 일정한 레이저 파워가 바람직하기 때문에, 제어 시스템과 처리 알고리즘은 튜닝가능한 레이저 출력에 존재하는 임의의 리플을 줄이거나 보상하도록 특별히 설계될 수 있다. 일정한 파워 출력을 구동시키면서 유지하는 통상적인 다이오드 드라이버 회로는 도 9에 도시되어 있다. 다이오드 드라이버(30)는 아날로그 및/또는 디지털 폐쇄 루프 제어 체계를 통해서 제어되는 전류 공급원일 수 있다. 드라이버(30)는 또한, 개방 루프 안에서 레이저의 스윕 사이클의 특정 위치에서 전류를 미리 정해진 레벨로 조정하기 위해서 프로세서에 의해 검색되는, 메모리 안에 저장된 값들의 룩업 테이블(look up table)일 수 있다. 이 테이블은 또한 시간이 지남에 따라 레이저 파워 레벨들을 유지하기 위해서 내부 및/또는 외부 제어 과정에 의해 주기적으로 업데이트될 수 있다.
레이저 파워에서의 원치않는 변조들은 광대역 잡음의 형태로 또는 센서 또는 DUT에 실제로 존재하지 않는 반사 상황으로 OFDR 측정에서 에러를 유발할 수 있다. 종래의 생각과는 반대로, 예시적인 실시예는 OFDR 측정을 저하시키지 않도록 취해지는 단계들로 리플을 레이저 다이오드 출력 신호 속에 의도적으로 주사한다.
도 10에는, 그 출력이 컴바이너(36)에 의해 조합되고 레이저 다이오드(32) 쪽으로 제공되는 모듈레이터(34)와 나란한 레이저 다이오드 드라이버(30)가 도시되어 있다. 모듈레이터(34)는 다양한 방식으로 구현될 수 있고, 예컨대 신호들을 함께 배선하거나 가산기로 구성된 op 앰프를 신호들과 추가하는 것과 같이 다양한 방식으로 다이오드 드라이버(30) 신호와 조합될 수 있다.
모듈레이터(34)의 일 예시는 아래의 도 11에 나타나 있고, 프로세서 제어식 디지털 아날로그 컨버터(processor-controlled digital-to-analog converter; DAC)(10), 전압 제어식 오실레이터(voltage-controlled oscillator; VCO)(42), 및 신호 게인 제어(signal gain control)와 저주파 필터링(low pass filtering)을 제공하는 능동 필터(44)를 포함한다. 이 예시적인 실시예에서, 프로세서(5)는 DAC(40) 출력 전압을 원하는 값으로 세팅함으로써 VCO(42) 출력 신호 주파수를 선정한다. VCO(42) 출력 신호는 이때 이 신호를 레이저 다이오드 드라이브 신호에 추가함으로써 모듈레이터로서 이용될 수 있다. 추가적인 필터링/증폭(44)은 진폭과 잡음 레벨과 같은 원하는 신호 특성들에 따라 적용될 수 있다. 예시적인 프로세서(5)들은 필드 프로그램가능 게이트 어레이(FPGA), 마이크로컨트롤러, 디지털 신호 프로세서 또는 다른 프로세서를 포함한다. 이러한 변조 접근법의 한가지 이점은, 변조되는 신호와 검출되는 광학 신호 사이의 위상차를 측정하기 위해서는 초과 데이터 획득 채널이 VCO 출력의 주파수를 측정하는 것을 필요로 한다는 점이다.
모듈레이터(34)의 다른 예시적인 실시예는 도 12에 나타나 있고, 수치 제어식 오실레이터(numerically-controlled oscillator; NCO)(46)를 제어하거나 가지는 프로세서(5)를 포함한다. NCO(46)는 원하는 주파수에서 사인파를 나타내는 디지털 출력을 만들어낸다. 이 디지털 출력에서, NCO 출력의 최대 유효 비트(most significant bit; MSB)(48)에 대응하는 클록 신호가 발생된다. 프로세서(5)로부터 출력되는 디지털 클록 신호는 디지털 클록 신호의 내용을 대역 제한하는 필터/셰이퍼(50)에 의해 저주파 필터링된다. 한가지 예시적인 필터/셰이퍼(50)는 RC 필터이다. 이 예시적인 실시예에서, 필터링되는 클록 신호는 리플을 레이저 출력에 주사하기 위해서 레이저 다이오드 드라이브 신호에 추가되는 변조 신호이다. 이 기술은 최소한의 외부 성분들만을 필요로 하고, 리플 신호(클록)가 프로세서(5)로부터 직접 공급되는 이점을 가진다. 결과적으로, 프로세서(5)는 리플 신호의 주파수를 알고 있어서, 변조되는 신호의 주파수를 결정하는데 요구되는 추가적인 측정들이 없다. 이러한 특징들은 OFDR 시스템에서의 고 해상도 위상차 측정을 수행하는 경우 유리하다.
이러한 타입의 모듈레이터의 추가로 레이저 다이오드를 구동시키는 것은 광학 및 전자 검출 회로의 모든 경로들, 예컨대 기지 진폭 변조를 통해 기지 주파수 리플 신호 성분을 운반하는 레이저 광을 만들어낸다. 광학 네트워크의 기준 경로들을 횡단한 광을 측정하면, OFDR 시스템의 각각의 측정 채널에서의 진폭 변조형 신호는 데이터 획득 전자장치(4)에서 검출된다. 변조되는 주파수로 원래 주사되는 리플로부터 각각의 채널(각각의 채널은 멀티 코어 섬유 센서의 코어에 대응함) 상에서 검출되는 리플 신호의 위상차는 측정되고, 그리고 이러한 위상차는 채널들 사이에서의 광학적 및 전기적 지연차들의 측정값이다.
예시적인 변조 및 측정 시스템은 도 13에 나타나 있다. 일 예시로서, 필터/셰이퍼(50) 쪽으로 보내지고 나서 다이오드 드라이버(30)로부터 출력되는 레이저와 컴바이너(36)에서 조합되는 클록 신호로서 MSB(48)가 이용되는 상태에서, NCO(46)가 12.5 MHz로 세팅되는 것으로 가정한다. 변조되는 드라이버 출력은 이때 광학 네트워크(2)를 스위핑하는데 이용되는 튜닝가능한 레이저(32)를 구동시킨다. N개의 채널을 위한 광학 네트워크 응답은 포토다이오드(52)에 의해 검출되고, 그리고 대응하는 N개의 전기 신호는 컨디셔닝되고(54), ADC(56)에 의해 N개의 코어 ODFR 측정 채널들에 대응하는 N개의 디지털 신호로 변환된다. N개의 채널 디지털 신호는, N개의 상이한 채널 위상들을 만들어내도록 그리고 하나의 공통 채널의 위상에 대하여 각각의 결정된 채널 위상 사이에서 N-1개의 위상차 신호들을 계산하면서 출력하도록 DSP 또는 프로세서(58)에 의해 처리된다. 공통 채널은 OFDR 채널들 중 한가지로서 선정될 수 있다.
N개의 채널로부터의 데이터는 시간 영역에서 프로세서(5)에 의해 획득되고, 이는 각각의 포인트가 특정 주파수, 예컨대 200 MHz에서 샘플링된다는 것을 의미한다. 각각의 채널의 주사되는 리플의 위상을 결정하기 위하여, 고속 푸리에 변환(FFT)은 데이터 선형화를 수행할 필요없이 각각의 채널로부터의 측정 데이터 상에서 수행된다. 이는, OFDR 측정 데이터가 측정의 진행과정 동안 레이저 튜닝 속도에 기초하여 우선 선형화되거나 다시 샘플링되어야 하는 센서/DUT OFDR 측정을 위하여 비유사하게 처리되고 있다. FFT가 비선형 측정 데이터 상에서 수행되는 경우라면, (이 예시에서) 12.5 MHz 변조 신호에 대응하는 인덱스(12,500)의 데이터에서 피크가 관찰된다. N개의 채널들 사이의 위상차를 결정하기 위하여, DSP(58)는 FFT 결과를 취하고, 변조 주파수에서 검출되는 신호의 위상을 결정하도록 각각의 채널의 인덱스(12,500)에서의 복소 지점의 위상을 연산한다. 이때 하나의 공통 채널(예컨대 채널(0))은 모든 N개의 채널들로부터 차감된다. 공통 채널(0)에 대한 각각의 N-1개의 채널들로부터의 결과적으로 생기는 이러한 N-1개의 위상차들은 광 섬유 센서의 N개의 코어들 사이의 N-1개의 지연차들을 지시한다. 섬유의 N개의 코어들 사이의 N-1개의 지연차는, OFDR 측정으로부터 제거되지 않는 경우라면, 예컨대 형상 감지 적용처에서 중요한 에러를 만들어낼 수 있다.
DUT 또는 센서의 주파수 범위에 걸쳐 NCO(46)를 스위핑함으로써, 각각의 주파수에서의 각각의 OFDR 측정 채널의 위상은, 주파수에 관한 함수로서 각각의 코어 측정 채널을 위한 전자 획득 및 검출 회로와 광학 네트워크의 기준 경로의 위상 응답을 산출하도록 연산된다. 이 위상 응답은 각각의 측정 채널 사이의 위상차들을 위하여 수정하는데 이용된다. 추가적으로, 변화들을 위하여 이러한 위상 응답을 모니터링하는 것은 광학 네트워크에서 그리고 전자장치에서 지연 경로들의 실시간 모니터링을 제공하는데, 이는 광학적 및 전기적 지연 경로 변화들의 결과로서 유발되는 측정 에러들을 검출하기 위해서 피드백을 제공하는데 이용될 수 있다.
이 예시에서는 변조 신호를 공급하는데 이용되는 NCO의 출력인 모듈레이터로서 동일한 주파수를 이용하는 기저 대역(baseband)에 N개의 채널로부터 획득되는 데이터를 혼합함으로써 완전한 FFT를 수행하지 않으면서도 위상이 연산될 수 있는데, 이는 FFT의 단일 지점만의 위상이 요구되기 때문이라는 점을 발명자들은 알게 되었다. 일단 기저 대역에서, 각각의 채널의 DC 라는 용어는 위상이 공통 채널에 대해 비교되면서 연산될 지점이다. 위상은 각각의 채널의 기저 대역 신호의 복소 성분들을 축적함으로써 그리고 결과적으로 생기는 복소 값의 위상을 연산함으로써 연산된다. 이러한 조작들은, 예컨대 DSP 또는 FPGA에서 수행될 수 있다.
이러한 DSP 처리의 예시는 도 14에 나타나 있다. N개의 코어 OFDR 측정들로부터의 N개의 디지털 샘플은 NCO(46)로부터의 출력 신호와 믹서(60)에서 혼합된다. 믹서(60)는 복소 NCO(46) 출력(사인 또는 코사인)으로 각각의 채널을 배가시킨다. 복소 혼합 신호들은 단계(62)에서 축적(합산)되고, 위상을 결정하기 위해서 복소 형식으로부터 극 형식으로 변환된다. 이러한 위상 값들은 각각의 채널을 위하여 검출되는 신호들과 변조되는 신호 사이의 위상차를 나타낸다. 채널들 사이의 위상차를 획득하기 위하여, 하나의 공통 채널의 위상은 채널들 사이의 N-1개의 위상차를 결정하기 위해서 각각의 N개의 채널들로부터 단계(66)에서 차감된다.
도 15는 레이저 다이오드 리플 주사를 이용하여 딜레이 모니터링을 수행하기 위하여 예시적인 절차들이 도시되어 있는 흐름도이다. 전자장치는 하나 이상의 주파수에서 레이저 다이오드를 변조하기 위해서 OFDR 시스템에 추가되고(단계(S10)). 주사된 리플의 주파수(주파수들)는 선정된다(단계(S11)). 추가되는 리플은 추가되는 리플이 센서 측정들과 간섭하지 않는 것을 보장하기 위해서 센서의 측정 주파수 범위를 벗어나 있는 주파수 또는 주파수들에 위치된다(단계(S12)). 리플 신호는 레이저 다이오드 출력 속으로 주사되고(단계(S13)), OFDR 데이터 및 위상 측정은 변조 주파수(주파수들)에서 모니터링되는 모든 채널들을 위하여 행해진다(단계(S14)). DSP는 광학적 또는 전기적 지연의 변화가 일어났는지를 결정하기 위해서 N개의 채널들 사이의 위상차를 연산한다(단계(S15)).
추가적인 측정들을 수행하기 위해서 레이저 스윕 에지들과 전환점들을 이용하기
변조되는 레이저 광이 센서 측정과 간섭할 수 있는 한편, 광 섬유 센서에서의 반사되는 상황들에 의해 간섭이 야기되는 것도 가능하다. 이 변조 신호에 관한 선형화의 효과가 이해되고 설명될 필요가 있다는 점을 발명자들은 알게 되었다. 선형화는 레이저의 순간적인 튜닝 속도에 기초하여 획득되는 측정 데이터를 다시 샘플링하는 과정을 지칭한다. 선형화 과정의 결과는 시간이 아니라 광학 주파수에서 똑같이 이격되어 있는 측정 데이터이다.
도 16A에는, 선형화 없는 대역 외 변조가 변조 공급원의 주파수에서의 센서 격자에 대하여 관측가능한 강한 피크를 어떻게 만들어내는지가 나타나 있다. 선형화는 변조 신호를 측정하는 것을 필요로 하지 않는데, 이는 단지 시간 영역 측정에서의 진폭 변조형 신호의 측정이기 때문이고 OFDR 측정은 아니다. 도 16B에는 각각의 신호에 관한 선형화의 효과가 도시되어 있다. 선형화 과정의 일부로서 행해지는 다시 샘플링하는 것은 스위핑되는 레이저의 튜닝 속도 요동에 기초하여 이 신호를 광범위한 주파수에 걸쳐 펼치는 것이다.
레이저 파워를 변조하는 것은, 이 신호의 타이밍과 변조 주파수가 고려되어 있지 않는 경우라면 측정이 수행되는 것과 간섭할 수 있다. 예를 들어, 변조 신호가 광 섬유 센서를 따라 포함되어 있는 센서 격자에 너무 근접한 경우라면, 데이터가 선형화되는 경우에는 변조 신호가 OFDR 격자 측정과 간섭할 수 있다는 것도 가능하다. OFDR 기반 측정에서, 변조 주파수가 OFDR 측정에서 예상되는 주파수들 바깥쪽에 있다고 가정하면, 레이저 다이오드의 변조는 OFDR 측정과 동시에 행해질 수 있다. 그러나, 광 섬유 센서 커넥터와 종단 반사(termination reflection)들이 최소화되는 것을 보장하기 위해서는 주의를 기울여야만 한다. 이와 달리, 이러한 반사들은, OFDR 측정에서 에러를 유발할 수 있는 광 섬유 센서 내부에 변조의 원치않는 추가적인 주파수들을 만들어내는 변조 신호와 결합되는 경우 간섭 신호를 생성할 수 있다.
격자 측정이 수행되고 있는 경우라면, 더 높은 격자 강도는 변조 신호의 측정을 와해시킬 수 있다. 발명자들은 이 문제를 해결하는 몇가지 옵션들을 알아냈다. 한가지 옵션은 격자 섬유의 주파수 바깥쪽의 주파수들로 변조 주파수들을 제한하는 것이다. 이 옵션의 단점은 가능성 있는 측정 에러인데, 이는 센서가 실제로 존재해 있는 곳에서의 주파수들이 측정되고 있지 않기 때문이다. 이러한 단점은 측정 영역 범위내에 있는 주파수들로부터 전환 주파수들로 변조를 움직임으로써 제거될 수 있다. 전환의 지속기간과 증폭기의 응답에 따라, 증폭기는 완전히 턴 오프 상태가 될 수 있고, 또는 증폭기 게인은 감소될 수 있다. 증폭기 게인을 충분히 줄이는 것은 격자 반사를 잡음 층(noise floor) 아래로 줄일 수 있고, 이로써 변조 측정이 격자들로부터의 어떠한 측정가능한 간섭없이 수행되는 것을 허용한다.
측정 간섭을 피하기 위하여, 예시적인 실시예는 도 17A와 도 17B에 도시된 바와 같이 레이저 스윕의 전환 지점들 동안 레이저 다이오드 변조 기반 측정을 수행한다. 일부 변조가 전환 시간들 바깥쪽에서 일어나거나 연속적으로 일어날 수 있는 실시예가 있을 수도 있지만, 도 17B의 예시에는 전환 시간들 동안에만 일어나는 변조가 나타나 있다.
이러한 레이저 스윕 전환 지점들이 추가 수정을 행하는 기회, 체크를 수행하는 기회, 및 다이내믹한 조정을 행하는 기회를 제공한다는 점을 발명자들은 알게 되었다. 레이저의 연속적인 스위핑 동작은 도 18의 그래프에 도시되어 있는 상이한 구역들로 추가로 쪼개질 수 있다.
한가지 예시적인 실시예는 광 섬유 센서 파장을 넘는 추가적인 OFDR 측정 데이터 획득을 수행하기 위해서 레이저 스윕 전환을 이용한다. 예를 들어, 브래그 격자를 포함하는 광 섬유 센서의 경우에 있어서, 격자 반사는 기지 파장 범위내의 광을 반사하도록 설계되거나 한정될 수 있다. 연속적인 레이저 스윕은, 이러한 OFDR 측정이 광 섬유 센서로부터 획득되는 파장 범위를 넘어, 즉 도 19에 나타나 있는 레이저 스윕의 급속 상승하는 부분과 급속 하강하는 부분을 넘어 전환이 있도록 구성되어 있다. 이는 OFDR 측정이 레이저 스윕의 전환 부분들에서의 추가적인 파장 범위에 걸쳐 행해지는 것을 허용한다. 추가적인 범위를 포함하는 전환점을 연장하는 것은 또한 레일리 산란 기반 OFDR 측정(브래그 격자 기반 OFDR 측정과 상이함)이 수행되는 것을 허용한다.
격자 또는 1차 OFDR 측정의 주파수 범위를 넘어 데이터를 획득하는 것에 추가하여, 대역 외 OFDR 측정은 도 19에 도시되어 있는 바와 같이 레이저 스윕의 완속 스윕 속도 부분들에서 취해질 수 있다. 이러한 부분들에서 레이저 스윕 속도를 늦춤으로써, 대역 외 OFDR 측정은 광 섬유 센서를 따라 더 긴 거리에 걸쳐 수행될 수 있다.
OFDR 측정 범위의 예시적인 연장은 도 20A와 도 20B에 도시되어 있다. 도 20A에는 급속 스윕 속도에서의 그리고 더 짧은 딜레이에서의 또는 광 섬유 센서를 따르는 길이에서의 예시적인 섬유 브래그 격자 진폭 측정이 도시되어 있다. 폭넓은 레이저 스윕 또는 스캔 범위를 이용하는 것은 더 높은 해상도를 제공하지만, 급속 스윕 속도는, 나이키스트 레이트(Nyquist rate)(즉 신호가 에러를 유발하지 않으면서 샘플링될 수 있는 최소 속도인데, 이는 신호에 존재하는 가장 높은 주파수의 두배임)가 0 ns로부터 더 짧은 딜레이/거리에 위치됨에 따라 더 짧은 측정 범위라는 결과를 초래한다. 도 20B에는 더 느리면서 더 낮은 해상도 스윕의 그래프가 나타나 있다. 격자의 범위를 넘는 광학 주파수를 이용하는 것과 더 느린 스윕 속도의 결과로서, 감지 섬유의 반사 상황을 넘는 반사 상황이 측정될 수 있다.
도 21은 추가적인 측정들을 수행하기 위해서 레이저 스윕 에지들과 전환점들을 이용하기 위한 예시적인 절차들이 도시되어 있는 흐름도이다. 레이저는, 예컨대 추가적인 측정들을 행하기 위한 원하는 스윕 속도 및 파워를 포함하는 원하는 스위핑 거동을 수행하도록 구성되어 있다(단계 (S20)). 측정의 파장 범위 및 원하는 개수의 측정 지점들과 같은 파장 특정 데이터 획득 시작 위치 및 획득 특정 파라미터들이 결정된다(단계(S21)). 데이터 획득 회로는 특정된 파장 범위에 걸쳐 OFDR 측정값들을 획득하고 처리한다(단계(S22)).
도 22에는 상술되어 있는 예시들 중 한가지와 같은 레이저 모듈레이터와 같이 위에 있는 다중 부재들, 및 펌프 레이저의 파워 레벨을 조정하는 주파수 특정 파워 레벨들을 포함하는 OFDR 시스템의 예시가 도시되어 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 메모리(35)에 저장된 주파수 특정 파워 레벨들에 관한 테이블은 펌프 레이저 파워 레벨을 제어하기 위해서 검출, 획득 및 제어 전자장치(4)의 처리 제어 회로에 의해 이용된다. 모듈레이터(34) 출력은, 예컨대 앞에서 기술되어 있는 이유로 튜닝가능한 레이저(1)의 출력 파워를 제어하기 위해서 그리고/또는, 예컨대 앞에서 바로 기술되어 있는 이유로 변조되는 신호를 레이저 출력 속으로 주사하기 위해서 다이오드 드라이버 회로(30)의 출력과 조합된다.
상술되어 있는 기술은 광학 네트워크 측정의 신뢰성과 정확성을 향상시키는 넓고 다양한 적용처를 가진다. 형상 감지 출력의 신뢰성과 정확성의 관점에서 높은 정도의 신뢰도를 필요로 하는 OFDR 측정 기구에 결합되어 있는 형상 감지 섬유를 위한 한가지 제한없는 예시적인 적용처는 수술 환경이나 다른 환경에서 이용되는 로봇 아암이다. 도 23에는 하나 이상의 다양한 기술적인 부재들 및/또는 상술된 실시예들이 이용될 수 있는 로봇 수술 아암을 위한 광 섬유 형상 감지 시스템의 예시적인 이용이 나타나 있다.
다양한 실시예들이 상세하게 기술되어 나타나 있지만, 청구범위는 임의의 특정 실시예나 예시로 제한되지 않는다. 상술된 것 중 어느 것도 임의의 특정 요소, 단계, 범위 또는 기능이 필수적이여서 특허청구 범위 내에 포함되어야만 한다는 점을 암시하는 것으로 받아들여져서는 안된다. 본 발명의 과제의 범위는 청구범위에 의해서만 한정된다. 법적 보호의 범위는 허용되는 청구범위와 그 균등물에서 인용되는 단어들에 의해 한정된다. 당해 기술분야에서의 통상의 기술자에게 알려진 상술된 바람직한 실시예의 요소들에 대한 모든 구조적 및 기능적 균등물은 참조사항으로 본 명세서에 명백하게 통합되어 있고, 본 청구범위에 의해 내포되도록 의도되어 있다. 게다가, 징치와 방법이 기술되어 있는 기술에 의해 풀어내고자 노력한 각각의 모든 문제를 해결하는데 필수적인 것은 아니며, 본 청구범위에 의해 내포되어 있는 것이 필수적인 것도 아니다. "~를 위한 방법" 또는 "~를 위한 단계"라는 용어가 사용되지 않는 한, 어떠한 청구범위도 35 USC §112의 단락 6을 적용하도록 의도된 것은 아니다. 나아가, 본 명세서의 어떠한 실시예, 부재, 성분 또는 단계도 실시예, 부재, 성분 또는 단계가 청구범위에 인용되어 있는지 여부와 무관하게 공표되도록 의도된 것은 아니다.

Claims (39)

  1. 다중 광학 코어들을 포함하는 광 섬유 센서를 측정하기 위한 광학 측정 시스템으로서,
    제 1 측정 범위의 파장들에 걸쳐 레이저 광을 스위핑하도록 구성되어 있는 튜닝가능한 레이저;
    스위핑되는 레이저 광을 증폭시키는 광학 증폭기;
    증폭된 스위핑되는 레이저 광을 광 섬유 센서 쪽으로 제공하고 광 섬유 센서로부터 반사 광을 출력하는 광학 네트워크로서, 출력된 반사 광은 각각의 다중 광학 코어들과 관련되어 있는, 광학 네트워크;
    광 섬유 센서로부터의 출력된 반사 광을 검출하고 대응하는 전기 신호들로 변환하는 검출 회로; 및
    스위핑되는 레이저 광의 파워를 제어하기 위해서 광학 증폭기의 게인을 제어하는 데이터 처리 회로;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 광학 측정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    광학 증폭기는 튜닝가능한 레이저에 결합되어 있는 광학 스플리터로부터의 레이저 광의 일부와 펌프 레이저 공급원의 출력에 접속되어 있는 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(EDFA)로 구현되는 것을 특징으로 하는 광학 측정 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    광학 측정 시스템은 검출 회로에 결합되는 레이저 모니터 간섭계, 및 검출 회로와 광 섬유 센서에 결합되는 측정 간섭계를 포함하는 광학 네트워크가 있는 광학 주파수 영역 반사계측(OFDR) 인터로게이션 시스템이고,
    튜닝가능한 레이저는 제 1 측정 범위의 파장들에 걸쳐 연속적으로 스위핑되도록 구성되어서, 검출 회로는 튜닝가능한 레이저의 상승하는 스윕과 하강하는 스윕 동안 광 섬유 센서로부터 OFDR 측정 데이터를 획득하는 것을 특징으로 하는 광학 측정 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    데이터 처리 회로는 튜닝가능한 레이저의 상승하는 스윕과 하강하는 스윕 동안 레이저 파워 임밸런스 또는 요동을 보상하기 위해서 광학 증폭기의 게인을 제어하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 측정 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    데이터 처리 회로는 제 1 측정 범위의 파장들 안에 있는 상이한 다중 주파수들에서 광학 증폭기의 게인을 수정하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 측정 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서,
    데이터 처리 회로는 제 1 측정 범위의 파장들에 걸쳐 실질적으로 일정한 레이저 파워 레벨을 유지하기 위해서 광학 증폭기의 게인을 제어하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 측정 시스템.
  7. 제 3 항에 있어서,
    데이터 처리 회로는 광학 증폭기의 게인을 튜닝가능한 레이저의 상승하는 스윕을 위한 제 1 게인, 및 튜닝가능한 레이저의 하강하는 스윕을 위한 상이한 제 2 게인으로 제어하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 측정 시스템.
  8. 다중 광학 코어들을 포함하는 광 섬유 센서를 측정하기 위한 광학 주파수 영역 반사계측(OFDR) 인터로게이션 시스템으로서,
    제 1 측정 범위의 파장들에 걸쳐 레이저 광을 스위핑할 뿐만 아니라 스위핑되는 레이저 출력 신호를 발생시키도록 구성되어 있는 튜닝가능한 레이저;
    기지 신호를 스위핑되는 레이저 출력 신호에 추가하는 모듈레이터;
    스위핑되는 레이저 광을 광 섬유 센서 쪽으로 제공하고 광 섬유 센서로부터 반사 광을 출력하는 광학 간섭계 네트워크로서, 출력된 반사 광은 센서 측정 데이터에 대응하는 각각의 다중 광학 코어들과 관련되어 있는, 광학 간섭계 네트워크;
    광 섬유 센서로부터의 출력된 반사 광을 검출하고 대응하는 전기 신호들로 변환하는 검출 회로; 및
    추가되는 기지 신호에 기초하여 제 1 측정 범위의 파장들 안에서 튜닝가능한 레이저의 스윕들 동안 획득되는 센서 측정 데이터를 처리하는 데이터 처리 회로;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 OFDR 인터로게이션 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    데이터 처리 회로는 추가되는 기지 신호에 기초하여 하나 이상의 광학 간섭계 네트워크, 광 섬유 센서 및 검출 회로에 의해 야기되는 딜레이들로부터 에러들을 결정하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 OFDR 인터로게이션 시스템.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    레이저 드라이버를 더 구비하고,
    모듈레이터는 레이저 드라이버의 출력부에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 OFDR 인터로게이션 시스템.
  11. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    모듈레이터는 디지털 아날로그 컨버터 및 필터에 결합되어 있는 컨트롤러를 포함하고, 디지털 아날로그 컨버터는 전압 제어식 오실레이터를 구동시키도록 구성되어 있으며, 필터는 기지 신호를 발생시키기 위해서 전압 제어식 오실레이터로부터의 출력을 필터링하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 OFDR 인터로게이션 시스템.
  12. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    모듈레이터는 수치 제어식 오실레이터 및 필터를 포함하고, 수치 제어식 오실레이터는 클록 신호를 제공하는데 이용되는 최대 유효 비트를 가지는 2진 신호를 발생시키며, 필터는 기지 신호를 발생시키기 위해서 클록 신호를 필터링하는 것을 특징으로 하는 OFDR 인터로게이션 시스템.
  13. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    N개의 광학 코어들이 있는데, N은 3보다 큰 양의 정수이고,
    모듈레이터는 N개의 광학 코어들에 대응하는 N개의 위상 신호들 및 N-1개의 위상차 신호들을 발생시키는 수치 제어식 오실레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDR 인터로게이션 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    데이터 처리 회로는 N-1개의 위상차 신호들에 기초하여 센서 측정 데이터에서의 위상 에러를 결정하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 OFDR 인터로게이션 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    튜닝가능한 레이저는, 레이저 광 파장이 제 1 측정 범위의 파장들 중에서 가장 작은 파장으로부터 가장 큰 파장까지 증가하는 경우의 상승하는 스윕, 레이저 광 파장이 제 1 측정 범위의 파장들 중에서 가장 큰 파장으로부터 가장 작은 파장까지 감소하는 경우의 하강하는 스윕, 및 상승하는 스윕과 하강하는 스윕 사이에서 전이하는 전환 구간을 포함함으로써, 제 1 측정 범위의 파장들에 걸쳐 레이저 광을 스위핑하도록 구성되어 있고,
    모듈레이터는 전환 구간 동안 기지 신호를 스위핑되는 레이저 출력 신호에 추가하기 위해서 제어되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 OFDR 인터로게이션 시스템.
  16. 제 14 항에 있어서,
    튜닝가능한 레이저는, 레이저 광 파장이 제 1 측정 범위의 파장들 중에서 가장 작은 파장으로부터 가장 큰 파장까지 증가하는 경우의 상승하는 스윕, 및 레이저 광 파장이 제 1 측정 범위의 파장들 중에서 가장 큰 파장으로부터 가장 작은 파장까지 감소하는 경우의 하강하는 스윕을 포함함으로써, 제 1 측정 범위의 파장들에 걸쳐 레이저 광을 스위핑하도록 구성되어 있고,
    모듈레이터는 제 1 측정 범위의 파장들 바깥쪽의 파장들에서 기지 신호를 스위핑되는 레이저 출력 신호에 추가하기 위해서 제어되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 OFDR 인터로게이션 시스템.
  17. 다중 광학 코어들을 포함하는 광 섬유 센서를 측정하기 위한 광학 주파수 영역 반사계측(OFDR) 인터로게이션 시스템으로서,
    레이저 광 파장이 제 1 측정 범위의 파장들 중에서 가장 작은 파장으로부터 가장 큰 파장까지 증가하는 경우의 상승하는 스윕, 레이저 광 파장이 제 1 측정 범위의 파장들 중에서 가장 큰 파장으로부터 가장 작은 파장까지 감소하는 경우의 하강하는 스윕, 및 상승하는 스윕과 하강하는 스윕 사이에서 전이하는 전환 구간을 포함함으로써, 제 1 측정 범위의 파장들에 걸쳐 스위핑하도록 구성되어 있는 튜닝가능한 레이저;
    스위핑되는 레이저 광을 광 섬유 센서 쪽으로 제공하고 광 섬유 센서로부터 반사 광을 출력하는 광학 간섭계 네트워크로서, 출력된 반사 광은 센서 측정 데이터에 대응하는 각각의 다중 광학 코어들과 관련되어 있는, 광학 간섭계 네트워크;
    광 섬유 센서로부터의 출력된 반사 광을 검출하고 대응하는 전기 신호들로 변환하는 검출 회로; 및
    제 1 측정 범위의 파장들 안에서 튜닝가능한 레이저의 상승하는 스윕과 하강하는 스윕 동안 획득되는 센서 측정 데이터를 처리하고, 전환 구간 동안 추가적인 조작을 수행하는 데이터 처리 회로;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 OFDR 인터로게이션 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    추가적인 조작은 제 1 측정 범위의 바깥쪽에 있는 스위핑되는 레이저 파장들에서 추가적인 측정들을 수행하는 것을 특징으로 하는 OFDR 인터로게이션 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    제 1 측정 범위의 바깥쪽에 있는 스위핑되는 레이저 파장들 중 일부를 위한 튜닝가능한 레이저의 스윕 속도는, 제 1 측정 범위의 파장들 안에 있는 파장들을 위한 튜닝가능한 레이저의 스윕 속도보다 더 느린 것을 특징으로 하는 OFDR 인터로게이션 시스템.
  20. 제 17 항에 있어서,
    추가적인 조작은 상승하는 스윕과 하강하는 스윕에서 스위핑되는 레이저 광의 파워 레벨을 밸런스 조절하는 것을 특징으로 하는 OFDR 인터로게이션 시스템.
  21. 제 17 항, 제 18 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    추가적인 조작은 광 섬유 센서를 위한 산란 기반 OFDR 측정들을 행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDR 인터로게이션 시스템.
  22. 제 17 항, 제 18 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    광 섬유 센서는 제 1 측정 범위의 파장들 범위내에 있는 광 반사들을 제공하는 섬유 브래그 격자들을 포함하고,
    추가적인 조작은 광 반사들로부터의 파장에서 분리되는 산란 기반 OFDR 측정들을 행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDR 인터로게이션 시스템.
  23. 제 17 항, 제 18 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    추가적인 조작은 시스템 다이내믹스에 응답하여 인-시스템 체크들 또는 조정들을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDR 인터로게이션 시스템.
  24. 다중 광학 코어들을 포함하는 광 섬유 센서를 측정하기 위한 방법으로서,
    제 1 측정 범위의 파장들에 걸쳐 레이저 광을 스위핑하는 단계;
    스위핑되는 레이저 광을 증폭시키는 단계;
    증폭된 스위핑되는 레이저 광을 광 섬유 센서 쪽으로 제공하고 광 섬유 센서로부터 반사 광을 출력하는 단계로서, 반사 광은 각각의 다중 광학 코어들과 관련되어 있는, 단계;
    광 섬유 센서로부터의 반사 광을 대응하는 전기 신호들로 변환하는 단계; 및
    스위핑되는 레이저 광의 파워를 제어하기 위해서 광학 증폭기의 게인을 제어하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    광학 증폭기의 게인을 제어하는 단계는:
    레이저 광의 상승하는 스윕과 하강하는 스윕 동안 레이저 파워 임밸런스 또는 요동을 보상하기 위해서 게인을 제어하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 24 항에 있어서,
    광학 증폭기의 게인을 제어하는 단계는:
    제 1 측정 범위의 파장들 안에 있는 상이한 다중 주파수들에서 광학 증폭기의 게인을 수정하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 24 항에 있어서,
    광학 증폭기의 게인을 제어하는 단계는:
    제 1 측정 범위의 파장들에 걸쳐 실질적으로 일정한 레이저 파워 레벨을 유지하기 위해서 게인을 제어하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 24 항에 있어서,
    광학 증폭기의 게인을 제어하는 단계는:
    레이저 광의 상승하는 스윕을 위한 제 1 게인 및 레이저 광의 하강하는 스윕을 위한 제 2 게인을 이용하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 다중 광학 코어들을 포함하는 광 섬유 센서를 측정하기 위해서 광학 주파수 영역 반사계측(OFDR) 인터로게이션 시스템을 이용하는 방법으로서, 상기 방법은:
    제 1 측정 범위의 파장들에 걸쳐 튜닝가능한 레이저로부터 레이저 광을 스위핑하고, 스위핑되는 레이저 출력 신호를 발생시키는 단계;
    기지 신호를 스위핑되는 레이저 출력 신호에 추가하는 단계;
    스위핑되는 레이저 광을 광 섬유 센서 쪽으로 제공하고 광 섬유 센서로부터 반사 광을 출력하는 광학 간섭계 네트워크를 이용하는 단계로서, 반사 광은 센서 측정 데이터에 대응하는 각각의 다중 광학 코어들과 관련되어 있는, 단계;
    광 섬유 센서로부터의 반사 광을 대응하는 전기 신호들로 변환하는 단계; 및
    추가되는 기지 신호에 기초하여 제 1 측정 범위의 파장들 안에서 레이저 광의 스윕들 동안 획득되는 센서 측정 데이터를 처리하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    제 1 측정 범위의 파장들에 걸쳐 레이저 광을 스위핑하는 단계는:
    레이저 광 파장이 제 1 측정 범위의 파장들 중에서 가장 작은 파장으로부터 가장 큰 파장까지 증가하는 경우의 상승하는 스윕을 포함하는 단계;
    레이저 광 파장이 제 1 측정 범위의 파장들 중에서 가장 큰 파장으로부터 가장 작은 파장까지 감소하는 경우의 하강하는 스윕을 포함하는 단계; 및
    상승하는 스윕과 하강하는 스윕 사이에서 전이하는 전환 구간을 포함하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    기지 신호는 전환 구간 동안 스위핑되는 레이저 출력 신호에 추가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제 29 항에 있어서,
    제 1 측정 범위의 파장들에 걸쳐 레이저 광을 스위핑하는 단계는:
    레이저 광 파장이 제 1 측정 범위의 파장들 중에서 가장 작은 파장으로부터 가장 큰 파장까지 증가하는 경우의 상승하는 스윕을 포함하는 단계;
    레이저 광 파장이 제 1 측정 범위의 파장들 중에서 가장 큰 파장으로부터 가장 작은 파장까지 감소하는 경우의 하강하는 스윕을 포함하는 단계;
    를 구비하고,
    기지 신호를 스위핑되는 레이저 출력 신호에 추가하는 단계는, 제 1 측정 범위의 파장들 바깥쪽의 파장에 추가하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 다중 광학 코어들을 포함하는 광 섬유 센서를 측정하기 위해서 광학 주파수 영역 반사계측(OFDR) 인터로게이션 시스템을 이용하는 방법으로서, 상기 방법은:
    레이저 광 파장이 제 1 측정 범위의 파장들 중에서 가장 작은 파장으로부터 가장 큰 파장까지 증가하는 경우의 상승하는 스윕을 포함하는 단계, 레이저 광 파장이 제 1 측정 범위의 파장들 중에서 가장 큰 파장으로부터 가장 작은 파장까지 감소하는 경우의 하강하는 스윕을 포함하는 단계, 및 상승하는 스윕과 하강하는 스윕 사이에서 전이하는 전환 구간을 포함하는 단계에 의해 제 1 측정 범위의 파장들에 걸쳐 튜닝가능한 레이저로부터 레이저 광을 스위핑하는 단계;
    스위핑되는 레이저 광을 광 섬유 센서 쪽으로 제공하고 광 섬유 센서로부터 반사 광을 출력하는 광학 간섭계 네트워크를 이용하는 단계로서, 반사 광은 센서 측정 데이터에 대응하는 각각의 다중 광학 코어들과 관련되어 있는, 단계;
    광 섬유 센서로부터의 반사 광을 대응하는 전기 신호들로 변환하는 단계;
    상승하는 스윕과 하강하는 스윕 동안 획득되는 센서 측정 데이터를 처리하는 단계; 및
    전환 구간 동안 추가적인 조작을 수행하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제 33 항에 있어서,
    전환 구간 동안 추가적인 조작을 수행하는 단계는:
    제 1 측정 범위의 바깥쪽에 있는 스위핑되는 레이저 파장들에서 추가적인 측정들을 수행하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제 34 항에 있어서,
    제 1 측정 범위의 바깥쪽에 있는 스위핑되는 레이저 파장들에서 추가적인 측정들을 수행하는 단계는:
    제 1 측정 범위의 파장들 안에 있는 파장들을 스위핑하는 것에 비해 더 느린 속도로 제 1 측정 범위의 바깥쪽에 있는 스위핑되는 레이저 파장들 중 일부를 스위핑하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제 33 항에 있어서,
    전환 구간 동안 추가적인 조작을 수행하는 단계는:
    상승하는 스윕과 하강하는 스윕에서 스위핑되는 레이저 광의 파워 레벨을 밸런스 조절하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 제 33 항에 있어서,
    전환 구간 동안 추가적인 조작을 수행하는 단계는:
    광 섬유 센서를 위한 산란 기반 OFDR 측정들을 행하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  38. 제 33 항에 있어서,
    광 섬유 센서는 제 1 측정 범위의 파장들 범위내에 있는 광 반사들을 제공하는 섬유 브래그 격자들을 포함하고,
    전환 구간 동안 추가적인 조작을 수행하는 단계는:
    광 반사들로부터의 파장에서 분리되는 산란 기반 OFDR 측정들을 행하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  39. 제 33 항에 있어서,
    전환 구간 동안 추가적인 조작을 수행하는 단계는:
    시스템 다이내믹스에 응답하여 인-시스템 체크들 또는 조정들을 수행하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
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