KR20200042705A - Sensing device and sensing mehtod using brillouin scattering - Google Patents

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KR20200042705A KR1020180123174A KR20180123174A KR20200042705A KR 20200042705 A KR20200042705 A KR 20200042705A KR 1020180123174 A KR1020180123174 A KR 1020180123174A KR 20180123174 A KR20180123174 A KR 20180123174A KR 20200042705 A KR20200042705 A KR 20200042705A
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Abstract

The present invention relates to a sensor and a sensing method using Brillouin scattering in an optical fiber with one end side opened. According to the embodiments of the present invention, the sensor using Brillouin scattering in the optical fiber with one end side opened comprises: a light source unit which generates laser beam using a modulation frequency; a light modulation unit which distributes the light outputted by the light source unit, and generates a pump optical signal and a probe optical signal having a frequency different from the frequency of the pump optical signal; a test optical fiber wherein the pump optical signal or the probe optical signal is incident on one end optically connected to the light modulation unit, and the pump optical signal or the probe optical signal is reflected in the other end; a light detection unit optically connected to one end of the test optical fiber, wherein the probe optical signal and the pump optical signal are spread in the opposite directions to each other within the test optical fiber, thereby detecting the Brillouin scattering optical signal generated from a plurality of correlation points; and a calculation unit which calculates changes in the Brillouin frequency at the plurality of correlation points from the detected optical signal. The present invention aims to provide the sensor using Brillouin scattering in the optical fiber with one end side opened, which is able to measure a physical change in a broad area to be measured by using an optical fiber with one end opened.

Description

일 단측이 개방된 광섬유에서의 브릴루앙 산란을 이용하는 센서 및 센싱 방법{SENSING DEVICE AND SENSING MEHTOD USING BRILLOUIN SCATTERING}SENSING DEVICE AND SENSING MEHTOD USING BRILLOUIN SCATTERING using a Brillouin scattering in an optical fiber with one end open

실시예들은 브릴루앙 산란을 이용하는 센서 및 센싱 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 싱글 액세스형 광섬유(single access type optical fiber)와 같은 일 단측이 개방된 광섬유를 이용하여 넓은 측정 영역에서 물리적 변화를 측정 가능한 기술에 관한 것이다.Embodiments relate to a sensor and sensing method using Brillouin scattering, and more specifically, measuring a physical change in a wide measurement area using an optical fiber with one end open, such as a single access type optical fiber. It's about possible technologies.

광섬유 내에서 일어나는 브릴루앙 산란(Brillouin scattering)에 의해 발생하는 브릴루앙 주파수 천이는 광섬유가 겪는 온도와 응력에 따라 선형적으로 변하는 특성을 갖고 있어, 브릴루앙 주파수 천이량을 측정하여 그 지점의 물리 변화를 알 수 있다. 이러한 브릴루앙 산란을 이용한 분포형 센서는 시간영역, 주파수영역, 또는 상관영역 등 다양한 방식이 있다.The Brillouin frequency shift caused by Brillouin scattering in the optical fiber has a characteristic that changes linearly with the temperature and stress experienced by the optical fiber. Can be seen. The distributed sensor using Brillouin scattering has various methods such as time domain, frequency domain, or correlation domain.

그 중 공간선택적 브릴루앙 광상관 영역 분석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis; BOCDA) 방식의 센서는, 펌프(pump)광과 프로브(probe)광의 주파수 차이가 일정한 지점으로서 주기적으로 나타나는 상관점을 센싱점으로 이용함으로써 높은 공간 분해능과 임의의 센싱 지점 선택성 등을 가지는 장점이 있어 매우 유용하다.Among them, the spatially selective Brillouin Optical Correlation Domain Analysis (BOCDA) type sensor uses a point where the frequency difference between pump light and probe light is a constant point, which is a periodic point, as a sensing point. It is very useful because it has the advantage of having high spatial resolution and selectivity of any sensing point.

그러나, 종래의 일 실시예에 따른 BOCDA 방식에서는 물리적 변화가 감지되는 영역인 측정 광섬유 양 끝이 모두 센서에 연결되어야 한다. 측정 광섬유 내에 상관점을 형성하기 위해서 펌프광과 프로브광을 서로 반대 방향으로 입력하기 때문이다. 이러한 양 단측이 모두 연결된 측정 광섬유(즉, 듀얼 액세스형 광섬유(dual access type optical fiber))를 포함한 종래의 BOCDA 센서는 측정하고자 하는 환경에 측정 광섬유를 배치함에 있어서 광섬유 배치의 유연성이 낮은 문제점이 있다. 이로 인해, 측정 범위의 효율 역시 낮은 문제점이 있다. However, in the BOCDA method according to the conventional embodiment, both ends of the measurement optical fiber, which is a region where physical change is detected, must be connected to the sensor. This is because pump light and probe light are input in opposite directions to form a correlation point in the measurement optical fiber. Conventional BOCDA sensors including measurement optical fibers (ie, dual access type optical fibers) having both ends connected to each other have a problem in that the flexibility of optical fiber placement is low in placing the measurement optical fiber in an environment to be measured. . For this reason, the efficiency of the measurement range is also low.

이를 보완하기 위해, 측정 광섬유 한쪽 끝만 센서에 연결하여도 측정 가능한 방식이 시도되고 있다. 그러나, 이러한 시도는 측정 광섬유 내에 하나의 상관점만 형성해야 하기 때문에 측정 범위가 제한되는 한계가 있다. 또한 브릴루앙 주파수를 분석을 위해 프로브광과 펌프광의 주파수 변조 폭이 제한되어, 높은 공간분해능을 얻는데 한계가 있다.To compensate for this, a method capable of measuring even if only one end of the measuring optical fiber is connected to the sensor has been attempted. However, this attempt has a limitation in that the measurement range is limited because only one correlation point must be formed in the measurement optical fiber. In addition, for analyzing the Brillouin frequency, the frequency modulation width of the probe light and the pump light is limited, so there is a limit to obtaining a high spatial resolution.

등록특허공보 제10-1823454호Registered Patent Publication No. 10-1823454

본 발명의 일 측면에 따르면, 싱글 액세스형 광섬유(single access type optical fiber)와 같은 일 단측이 개방된 광섬유를 이용하여 넓은 측정 영역에서 물리적 변화를 측정 가능한 센서 및 센싱 방법을 제공할 수 있다.According to an aspect of the present invention, it is possible to provide a sensor and a sensing method capable of measuring physical changes in a wide measurement area by using an optical fiber with one end open, such as a single access type optical fiber.

본 발명의 일 측면에 따른 광섬유의 브릴루앙 산란을 이용한 센서는, 변조 주파수를 이용하여 레이저 광을 생성하는 광원부; 상기 광원부에 의해 출력된 광을 분배하여, 펌프 광신호 및 상기 펌프 광신호의 주파수와 상이한 주파수를 갖는 프로브 광신호를 생성하는 광변조부; 상기 광변조부에 광학적으로 연결되어 상기 펌프 광신호 또는 상기 프로브 광신호가 입사되는 일 단과 상기 펌프 광신호 또는 상기 프로브 광신호가 반사되는 타 단으로 구성된 시험 광섬유; 상기 시험 광섬유의 일 단에 광학적으로 연결되어, 상기 시험 광섬유 내에서 상기 프로브 광신호와 펌프 광신호가 서로 반대 방향으로 전파되어 복수 개의 상관점에서 발생한 브릴루앙 산란 광신호를 검출하는 광검출부; 및 검출된 광신호로부터 상기 복수 개의 상관점에서의 브릴루앙 주파수의 변화를 산출하는 연산부를 포함할 수 있다.A sensor using Brillouin scattering of an optical fiber according to an aspect of the present invention includes: a light source unit for generating laser light using a modulation frequency; An optical modulator for distributing the light output by the light source unit to generate a pump optical signal and a probe optical signal having a frequency different from the frequency of the pump optical signal; A test optical fiber which is optically connected to the optical modulator and has one end to which the pump optical signal or the probe optical signal is incident and the other end to which the pump optical signal or the probe optical signal is reflected; An optical detection unit optically connected to one end of the test optical fiber to detect the Brillouin scattering optical signal generated at a plurality of correlation points by propagating the probe optical signal and the pump optical signal in opposite directions within the test optical fiber; And a calculation unit that calculates a change in the Brillouin frequency at the plurality of correlation points from the detected optical signal.

일 실시예에서, 상기 펌프 광신호는 상기 변조 주파수의 역수와 동일한 시간 폭을 가진 펄스 신호이고, 상기 프로브 광신호는 연속된 신호일 수 있다.In one embodiment, the pump optical signal is a pulse signal having a time width equal to the reciprocal of the modulation frequency, and the probe optical signal may be a continuous signal.

일 실시예에서, 상기 광원부는, 상기 변조 주파수를 갖는 변조 신호를 생성하는 제1 파형 발생기를 포함할 수 있다.In one embodiment, the light source unit may include a first waveform generator that generates a modulated signal having the modulation frequency.

일 실시예에서, 상기 광변조부는, 상기 광의 주파수를 미리 결정된 오프셋 주파수만큼 이동시켜 상기 프로브 광신호를 생성하도록 구성된 제1 변조기; 상기 변조 신호와 동기화된 게이팅 신호를 발생시키는 제2 파형 발생기; 및 상기 게이팅 신호를 이용하여 펄스 형태의 펌프 광신호를 생성하는 제2 변조기;를 포함할 수 있다.In one embodiment, the optical modulator comprises: a first modulator configured to move the frequency of the light by a predetermined offset frequency to generate the probe optical signal; A second waveform generator that generates a gating signal synchronized with the modulated signal; And a second modulator generating a pulsed pump optical signal using the gating signal.

일 실시예에서, 상기 광변조부는, 광신호의 속도(vg)로 시험 광섬유 길이(L)를 지나는 시간(L/vg)의 4배(4L/vg) 이상을 주기로 갖는 펌프 광신호를 생성하도록 더 구성될 수 있다. 이 주기는, 펌프 펄스 광신호가 입사단으로 입사되는 순간부터, 펌프 펄스 광신호가 타 단에서 반사되어 입사단으로 빠져나가고, 이 때 새롭게 입사된 연속 프로브 광신호가 타 단에서 반사되어 입사단으로 모두 빠져나가는데 걸리는 시간이다. In one embodiment, the optical modulator generates a pump optical signal having a period of 4 times (4 L / vg) or more of the time ( L / vg) passing the test optical fiber length ( L ) at a speed (vg) of the optical signal. It can be further configured to. This period, from the moment when the pump pulse optical signal enters the incidence end, the pump pulse optical signal is reflected from the other end and exits to the incidence end. At this time, the newly incident continuous probe optical signal is reflected from the other end and exits to the incidence end. It is time to get out.

일 실시예에서, 상기 시험 광섬유에서 반사가 이루어지는 타 단은 80% 이상의 반사율을 갖도록 구성될 수 있다. In one embodiment, the other end of the reflection in the test optical fiber may be configured to have a reflectance of 80% or more.

일 실시예에서, 상기 광변조부는, 광신호의 속도(vg)로 시험 광섬유 길이(L)를 지나는 시간(L/vg)의 2배(2L/vg) 이상을 주기로 갖는 펌프 광신호를 생성하도록 더 구성될 수 있다. 이 주기는, 펌프 펄스 광신호가 입사단으로 입사되는 순간부터, 펌프 펄스 광신호가 타 단에서 반사되어 입사단으로 빠져나가는데 걸리는 시간이다. In one embodiment, the optical modulator generates a pump optical signal having a cycle (2 L / vg) or more of the time ( L / vg) that passes the test optical fiber length ( L ) at a speed (vg) of the optical signal periodically (2 L / vg) It can be further configured to. This period is the time it takes for the pump pulse optical signal to be reflected from the other stage and exit to the incident stage from the moment when the pump pulse optical signal is incident to the incident stage.

일 실시예에서, 상기 시험 광섬유에서 반사가 이루어지는 타 단은 20% 미만의 반사율을 갖도록 구성될 수 있다.In one embodiment, the other end of the reflection in the test optical fiber may be configured to have a reflectance of less than 20%.

일 실시예에서, 상기 연산부는, 상기 검출된 광신호를 상기 프로브 광신호의 한 주기씩 분절하여 각 상관점에서의 브릴루앙 이득을 산출하도록 더 구성될 수 있다.In one embodiment, the operation unit may be further configured to calculate the Brillouin gain at each correlation point by dividing the detected optical signal by one period of the probe optical signal.

본 발명의 다른 일 측면에 따른 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법은, 변조 주파수를 갖는 변조 신호에 의해 변조된 레이저 광을 생성하는 단계; 상기 레이저 광의 주파수를 미리 결정된 오프셋 주파수만큼 이동시켜 프로브 광신호를 생성하는 단계; 상기 레이저 광을 상기 변조 주파수에 기초하여 결정되는 시간 폭을 갖도록 게이팅하여 펄스 신호인 펌프 광신호를 생성하는 단계; 및 시험 광섬유에 위치하는 복수 개의 상관점에서 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호에 의해 생성되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계로서, 상기 시험 광섬유의 일 단에서는 상기 펌프 광신호 또는 프로브 광신호가 입사되고, 타 단에서는 입사된 광신호가 반사되는, 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.A sensing method using Brillouin scattering according to another aspect of the present invention includes: generating a laser light modulated by a modulated signal having a modulation frequency; Generating a probe optical signal by moving the frequency of the laser light by a predetermined offset frequency; Gating the laser light to have a time width determined based on the modulation frequency to generate a pump signal, which is a pulse signal; And detecting the Brillouin scattered light generated by the pump optical signal and the probe optical signal at a plurality of correlation points located in the test optical fiber, wherein the pump optical signal or the probe optical signal is incident at one end of the test optical fiber. , In the other end may include the step of detecting the Brillouin scattered light, the incident light signal is reflected.

일 실시예에서, 상기 펌프 광신호는 상기 변조 주파수의 역수와 동일한 시간 폭을 가진 펄스 신호이고, 상기 프로브 광신호는 연속된 신호일 수 있다.In one embodiment, the pump optical signal is a pulse signal having a time width equal to the reciprocal of the modulation frequency, and the probe optical signal may be a continuous signal.

일 실시예에서, 상기 펌프 광신호를 생성하는 단계는, 광신호의 속도(vg)로 시험 광섬유 길이(L)를 지나는 시간(L/vg)의 4배(4L/vg) 이상을 주기로 갖는 펌프 광신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 이 주기는, 펌프 펄스 광신호가 입사단으로 입사되는 순간부터, 펌프 펄스 광신호가 타 단에서 반사되어 입사단으로 빠져나가고, 이 때 새롭게 입사된 연속 프로브 광신호가 타 단에서 반사되어 입사단으로 모두 빠져나가는데 걸리는 시간이다. In one embodiment, the step of generating the pump optical signal has a period (4 L / vg) or more times (4 L / vg) of the time ( L / vg) passing the test optical fiber length ( L ) at the speed (vg) of the optical signal And generating a pump optical signal. This period, from the moment when the pump pulse optical signal enters the incidence end, the pump pulse optical signal is reflected from the other end and exits to the incidence end. At this time, the newly incident continuous probe optical signal is reflected from the other end and exits to the incidence end. It is time to get out.

일 실시예에서, 상기 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계는, 펌프 광신호가 입사되어 프로브광이 증폭되기 시작한 순간부터 펌프 광신호의 반주기 사이에서 발생한 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, the step of detecting the Brillouin scattered light may include detecting the Brillouin scattered light generated between half a cycle of the pump light signal from the moment when the probe light signal is incident and the probe light starts to be amplified.

일 실시예에서, 상기 펌프 광신호를 생성하는 단계는, 광신호의 속도(vg)로 시험 광섬유 길이(L)를 지나는 시간(L/vg)의 2배(2L/vg) 이상을 주기로 갖는 펌프 광신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 이 주기는, 펌프 펄스 광신호가 입사단으로 입사되는 순간부터, 펌프 펄스 광신호가 타 단에서 반사되어 입사단으로 빠져나가는데 걸리는 시간이다. In one embodiment, the step of generating the optical signal of the pump has a cycle (2 L / vg) or more times (2 L / vg) of the time ( L / vg) passing the test optical fiber length ( L ) at the speed (vg) of the optical signal And generating a pump optical signal. This period is the time it takes for the pump pulse optical signal to be reflected from the other stage and exit to the incident stage from the moment when the pump pulse optical signal is incident to the incident stage.

일 실시예에서, 상기 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계는, 펌프 광신호가 입사되어 프로브광이 증폭되기 시작한 순간부터 펌프 광신호의 한주기 사이에서 발생한 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, the step of detecting the Brillouin scattered light may include detecting the Brillouin scattered light generated between one cycle of the pump optical signal from the moment the probe light signal is incident and the probe light starts to be amplified.

일 실시예에서, 상기 펌프 광신호를 생성하는 단계는, 상기 변조 신호와 동기화된 게이팅 신호를 발생시키는 단계; 및 상기 게이팅 신호를 이용하여 상기 레이저 광을 게이팅 변조하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, generating the pump optical signal includes: generating a gating signal synchronized with the modulated signal; And gating modulation of the laser light using the gating signal.

일 실시예에서, 상기 센싱 방법은 상기 브릴루앙 산란광을 상기 프로브 광신호의 주기로 분절하여 각 상관점에서의 브릴루앙 이득을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다. In one embodiment, the sensing method may further include calculating the Brillouin gain at each correlation point by dividing the Brillouin scattered light into periods of the probe optical signal.

일 실시예에서, 상기 센싱 방법은, 상기 브릴루앙 이득에 기초하여 상기 복수 개의 상관점 각각에서의 브릴루앙 주파수를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the sensing method may further include calculating a Brillouin frequency at each of the plurality of correlation points based on the Brillouin gain.

본 발명의 일 측면에 따른 센서는 측정 영역인 시험 광섬유의 일 단측만이 센서 내 다른 구성요소와 연결되기 때문에, 시험 광섬유가 보다 유연하게 배치될 수 있다. 이로 인해, 양측 모두 연결되는 경우와 비교하여 측정 가능 영역이 확장되는 이점이 있다. In the sensor according to an aspect of the present invention, since only one end of the test optical fiber, which is a measurement area, is connected to other components in the sensor, the test optical fiber can be more flexibly disposed. This has the advantage that the measurable area is expanded as compared to the case where both sides are connected.

또한, 상관점이 광섬유 측정 광섬유에 다수 위치하도록 하고 이를 프로브 광신호의 주기로 분할하여 분석함으로써 높은 공간 분해능을 유지하면서도 측정 범위를 늘릴 수 있다.In addition, it is possible to increase the measurement range while maintaining a high spatial resolution by allowing the correlation points to be located in a number of optical fiber measurement optical fibers and dividing and analyzing the period of the probe optical signal.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 브릴루앙 산란을 이용한 센서(1)의 개략적인 구성도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 싱글 액세스형 시험 광섬유에서 진행하는 광신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 센서에 의해 얻어진 복수의 상관점에서의 브릴루앙 이득 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 3의 복수의 상관점 중 하나의 상관점에서의 브릴루앙 이득을 도시한 도면이다.
도 5a 내지 5b는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 응력(strain)이 시험 광섬유에 가해지는 경우의 측정 결과를 도시한 도면이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 응력 크기의 변화에 따른 브릴루앙 이득 변화를 도시한 도면이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 응력 크기의 변화에 따른 브릴루앙 주파수 변화를 도시한 도면이다.
도 8은, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 펌프(pump) 광신호와 프로브(probe) 광신호의 상호 작용으로 인한 프로브 광신호의 증폭 과정을 설명하기 위한, 센서에서 측정되는 신호의 형태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 펌프(pump) 광신호와 프로브(probe) 광신호의 상호 작용으로 인한 프로브 광신호의 증폭 과정을 설명하기 위한, 센서에서 측정되는 신호의 형태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법의 순서도이다.1 is a schematic configuration diagram of a sensor 1 using Brillouin scattering, according to an embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining an optical signal traveling in a single access test fiber according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing a Brillouin gain spectrum at a plurality of correlation points obtained by a sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a Brillouin gain at a correlation point among a plurality of correlation points in FIG. 3 according to an embodiment of the present invention.
5A to 5B are diagrams illustrating measurement results when stress is applied to a test optical fiber according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing a change in Brillouin gain according to a change in stress magnitude according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a view illustrating a Brillouin frequency change according to a change in stress magnitude according to an embodiment of the present invention.
8 is a form of a signal measured by a sensor for explaining an amplification process of a probe optical signal due to an interaction between a pump optical signal and a probe optical signal according to a first embodiment of the present invention It is a diagram schematically showing.
9 is a form of a signal measured by a sensor for explaining a process of amplifying a probe optical signal due to an interaction between a pump optical signal and a probe optical signal according to a second embodiment of the present invention It is a diagram schematically showing.
10 is a flowchart of a sensing method using Brillouin scattering according to an embodiment.

이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 브릴루앙 산란을 이용한 센서(1)의 개략적인 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a sensor 1 using Brillouin scattering, according to an embodiment of the present invention.

실시예들에 따른 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. The sensor according to the embodiments uses Brillouin Optical Correlation Domain Analysis (BOCDA). Specifically, when the frequency difference between pump light and probe light traveling in opposite directions within the optical fiber coincides with or approaches the Brillouin transition frequency inherent to the optical fiber, the induced brill across the entire section of the optical fiber Luang scattering amplification occurs, and the intensity of the probe light is amplified.

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 상관점(correlation point, CP)이라고 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. At this time, by modulating the optical signal so that the frequency of the pump light and the probe light spatially has a sinusoidal waveform, a Brillouin scattering signal can be selectively obtained only at a specific position in the optical fiber. Specifically, at a specific position in the optical fiber, the difference between the frequency of the pump light and the frequency of the probe light is constant even over time, and this is referred to as a correlation point (CP). The correlation point where the frequency difference between the pump light and the probe light is constant appears every half period of the modulation frequency of the pump light and the probe light, and if the frequency difference between the pump light and the probe light matches the intrinsic Brillouin transition frequency of the optical fiber, induced Brillouin scattering occurs at the correlation point. Scattered light can be obtained. Induced Brillouin scattering appears in the form of a peak with Brillouin gain in the spectrum of scattered light.

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.The measurement point can be determined based on the modulation frequency of the laser light for generating pump light and probe light. The Brillouin gain spectrum can be measured by changing the offset frequency between the pump light and the probe light. Since the Brillouin transition frequency of the test optical fiber to which the pump light and probe light is applied depends on physical properties such as temperature or stress acting from the outside, the physical property change of the test optical fiber using the frequency at which the Brillouin gain spectrum has the maximum value Can be measured.

BOCDA 방식의 센서는 측정 범위 내에 오직 하나의 상관점만이 위치하여야 하므로, 측정 범위는 두 인접한 상관점 사이의 거리가 되며 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.Since the BOCDA type sensor should have only one correlation point within the measurement range, the measurement range becomes the distance between two adjacent correlation points and can be expressed as Equation 1 below.

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 수학식 1에서 R은 측정범위를 나타내며, vg는 시험 광섬유내에서의 광신호의 속도를 나타내고, fm은 광신호의 변조 주파수를 나타내며, c는 빛의 진동 중에서의 속도를 나타내고, n은 광섬유의 유효굴절률을 나타낸다.In Equation 1, R denotes the measurement range, vg denotes the speed of the optical signal in the test optical fiber, f m denotes the modulation frequency of the optical signal, c denotes the speed during vibration of light, and n denotes It shows the effective refractive index of the optical fiber.

그리고 상기의 BOCDA 센서에서의 공간분해능 △z는 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.In addition, the spatial resolution Δz in the BOCDA sensor may be expressed as Equation 2 below.

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 수학식 2에서 △f 는 변조 주파수 fm으로 변조되는 광신호의 실제 주파수의 변화량을 나타내는 것으로, 예컨대, 레이저의 전류를 주파수 fm을 갖는 파형 발생기의 신호를 이용하여 변조하면, 변조되는 전류의 크기에 비례하여 실제 레이저의 광주파수가 변조되는데, 이때 변조되는 광주파수의 크기에 대응된다. 또한, 상기 수학식 2에서 △vB는 브릴루앙 이득 스펙트럼의 선폭으로, 브릴루앙 산란 신호가 브릴루앙 주파수 vB에서 최대값을 갖지만, 그 근처 주파수에서도 상당한 정도의 신호가 관측되는데, 이때 △vB는 피크를 중심으로 양 방향에 위치하며 신호의 세기가 반으로 줄어드는 두 지점 사이의 폭에 대응된다. In Equation 2, Δf represents the amount of change in the actual frequency of the optical signal modulated at the modulation frequency f m . For example, when modulating the current of the laser using the signal of the waveform generator having the frequency f m , the modulated current The optical frequency of the actual laser is modulated in proportion to the size of, which corresponds to the size of the modulated optical frequency. In addition, in Equation 2, Δv B is the line width of the Brillouin gain spectrum, and the Brillouin scattering signal has a maximum value at the Brillouin frequency v B , but a considerable amount of signal is also observed at a frequency nearby. B is located in both directions around the peak and corresponds to the width between two points where the signal intensity is halved.

본 발명의 실시예들에 의하면, BOCDA 시스템에서 측정 범위 내에 다수의 상관점이 위치하도록 하고, 시간 영역에서 신호를 처리함으로써 다수의 상관점에 대한 측정 결과를 분석할 수 있다. 구체적으로는, 시간 영역에서의 신호 처리를 위해서 펌프광을 연속광이 아닌 펄스 형태로 변조하고, 반대 방향으로 진행하는 펌프광과의 상호작용으로 증폭된 프로브광을 시간 구간 별로 (예컨대, 프로브광의 주기 별로) 분절하여 각 상관점을 분석할 수 있다. 그 결과, 측정 범위 내에 위치하는 복수 개, 예컨대, N개의 상관점을 동시에 이용할 수 있게 되고, 그 결과 높은 공간분해능을 유지하면서도 측정 범위는 N배로 확대된다. According to embodiments of the present invention, in the BOCDA system, a plurality of correlation points are located within a measurement range, and a measurement result for a plurality of correlation points can be analyzed by processing signals in a time domain. Specifically, for signal processing in the time domain, the pump light is modulated in a pulse form rather than continuous light, and the probe light amplified by interaction with the pump light traveling in the opposite direction is divided into time intervals (for example, for each period of the probe light). ) You can analyze each correlation by segmenting. As a result, a plurality of, for example, N correlation points located in the measurement range can be used simultaneously, and as a result, the measurement range is expanded N times while maintaining high spatial resolution.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 공간선택적 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. 예를 들어, 시험 광섬유(30)는 측정 대상에 배치되거나, 측정 환경에 배치될 수 있다. Referring to FIG. 1, the spatial selective sensor according to the present embodiment includes a light source unit 10, a light modulator 20, a test optical fiber 30, and a photodetector unit 50. The test optical fiber 30 may be disposed at a position to measure a change in physical quantity using Brillouin scattering on the optical path. For example, the test optical fiber 30 may be placed in a measurement object or may be placed in a measurement environment.

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 파형 발생기(120)를 포함할 수 있다. 일 예에서, 광원부(10)는 1550nm 파장의 분포형 궤환 레이저 다이오드(110)를 포함할 수 있다. 광원부(10)는 파형 발생기(120)를 이용하여 DFB LD(110)에 대한 공급 전류를 변조함으로써, 소정의 주파수를 갖는 정현파 형태로 변조된 레이저 광을 출력할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 광원부(10)는 다른 상이한 방식의 레이저 발생 장치를 포함하여 구성될 수도 있다.The light source unit 10 is a device for supplying light to be used for the operation of the distributed optical fiber sensor. In one embodiment, the light source unit 10 may include a distributed feed-back laser diode (DFB LD) 110 and a waveform generator 120. In one example, the light source unit 10 may include a distributed feedback laser diode 110 having a wavelength of 1550 nm. The light source unit 10 may output the laser light modulated in the form of a sinusoidal wave having a predetermined frequency by modulating the supply current to the DFB LD 110 using the waveform generator 120. However, this is an example, and in another embodiment, the light source unit 10 may be configured to include other different types of laser generating devices.

광변조부(20)는, 광원부(10)로부터 변조된 레이저 광을 인가받고, 이로부터 펌프 광신호 및 프로브 광신호를 생성하여 시험 광섬유(30)의 일 단에 인가하도록 구성된다. 이때, 광변조부(20)에서는, 다수의 상관점에서 각각 일어나는 브릴루앙 산란에 의한 프로브 증폭을 개별적으로 분석 가능하도록, 펄스 신호 형태의 펌프 광신호를 생성한다. 펌프 광신호는 레이저 광의 변조 주파수에 기초하여 결정되는 시간 폭을 갖도록 광원부(100)의 출력 광이 게이팅되어 생성된다. The optical modulator 20 is configured to receive the modulated laser light from the light source unit 10, and generate a pump optical signal and a probe optical signal therefrom and apply it to one end of the test optical fiber 30. At this time, the optical modulator 20 generates a pump optical signal in the form of a pulse signal so that probe amplification by Brillouin scattering, which occurs at multiple correlation points, can be individually analyzed. The pump optical signal is generated by gating the output light of the light source unit 100 to have a time width determined based on a modulation frequency of laser light.

일 실시예에서, 펌프 광신호의 펄스의 시간 폭은 레이저 광의 변조를 위한 것으로 변조 주파수 fm을 갖는 변조 신호의 한 주기 1/fm 일 수 있다. 즉, 다수의 상관점에서 각각 일어나는 브릴루앙 산란에 의한 프로브 광의 증폭을 개별적으로 분석하기 위해 펌프 광신호에 대한 게이팅 신호의 펄스 폭(τm)은 변조 주파수(fm)를 갖는 사인 형태의 변조 신호의 한 주기보다 동일하거나 작아야 한다. 일 실시예에서브릴루앙 이득의 크기를 최대로 키우기 위해 펄스 폭은 변조 신호의 한 주기와 동일하게 결정될 수 있다. In one embodiment, the time width of the pulse of the pump optical signal is for modulation of the laser light, and may be one period 1 / f m of a modulation signal having a modulation frequency f m . That is, in order to individually analyze the amplification of probe light by Brillouin scattering that occurs at multiple correlation points, the pulse width (τ m ) of the gating signal to the pump optical signal is modulated in a sine form having a modulation frequency (f m ). It must be less than or equal to one period of the signal. In one embodiment, in order to maximize the magnitude of the Brillouin gain, the pulse width may be determined to be equal to one period of the modulated signal.

한편, 프로브 광신호는 연속된 신호(continuous wave, CW)일 수 있다.Meanwhile, the probe optical signal may be a continuous wave (CW).

일 실시예에서, 광변조부(20)는 광분배기(210), 제1 변조기(220) 및 제2 변조기(230)를 포함한다. 광분배기(210)는 광원부(10)에서 출력된 광원 신호를 2개의 경로로 분기한다. 예컨대, 광분배기(210)는, 광원부(10)로부터 인가된 레이저 광을, 프로브 광신호를 생성하기 위한 제1 출력광 및 펌프 광신호를 생성하기 위한 제2 출력광으로 분기할 수 있다. 일 실시예에서, 광분배기(210)는 광원 신호를 50:50으로 분기할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. In one embodiment, the light modulator 20 includes a light splitter 210, a first modulator 220 and a second modulator 230. The light splitter 210 branches the light source signal output from the light source unit 10 into two paths. For example, the light splitter 210 may branch the laser light applied from the light source unit 10 into a first output light for generating a probe optical signal and a second output light for generating a pump optical signal. In one embodiment, the light splitter 210 may branch the light source signal to 50:50, but is not limited thereto.

제1 변조기(220)는 광분배기(210)와 프로브 광신호 및/또는 펌프 광신호가 입사되는 시험 광섬유(30)의 일 단 사이에 광학적으로 연결되며, 광분배기(210)의 제1 출력광을 이용하여 측대역(sideband) 신호를 포함하는 프로브 광신호를 생성한다. 즉, 제1 변조기(220)는 제1 출력광의 주파수를 소정의 오프셋(offset) 주파수만큼 이동시켜 프로브 광신호를 생성한다. 예를 들어, 제1 변조기(220)는 주파수(v0)를 갖는 제1 출력광을 수신한 후, 오프셋 주파수(vB)만큼 주파수가 천이된 주파수(v0-vB)의 측대역 신호를 포함하도록 프로브 광신호를 생성하는 단측파대 변조기(Single Side Band Modulator; SSBM)일 수 있다. The first modulator 220 is optically connected between the optical splitter 210 and one end of the test optical fiber 30 to which the probe optical signal and / or the pump optical signal is incident, and receives the first output light of the optical splitter 210. Use to generate a probe optical signal including a sideband signal. That is, the first modulator 220 moves the frequency of the first output light by a predetermined offset frequency to generate a probe optical signal. For example, after receiving the first output light having the frequency (v 0 ), the first modulator 220, the sideband signal of the frequency (v 0 -v B ) shifted by the offset frequency (v B ) It may be a single side band modulator (SSBM) for generating a probe optical signal to include.

한편, 제2 변조기(230)는 광분배기(210)와 펌프 광신호 및/또는 프로브 광신호가 입사되는 시험 광섬유(30)의 일 단 사이에 광학적으로 연결되며, 광분배기(210)의 제2 출력광을 소정의 게이팅 신호에 따라 게이팅 변조함으로써 펄스 형태의 펌프 광신호를 생성한다. 예를 들어, 제2 변조기(230)는 반도체 광 증폭기(Semiconductor Optical Amplifier; SOA)일 수 있다. 광변조부(20)는 변조 신호를 제2 변조기(230)에 공급하는 파형 발생기(231)를 더 포함할 수도 있다. 상기 파형 발생기(231)는 게이팅 신호를 공급 가능한 펄스 생성기(pulse generator)일 수 있다. 파형 발생기(231)의 게이팅 신호는 광원부(10)의 파형 발생기(120)의 변조 신호와 동기화될 수 있다. 따라서, 상관점의 위치를 이동시키기 위해 사인 형태로 변조하는 변조 주파수가 바뀌는 경우에도 펄스 형태의 펌프 광신호의 형태와 위상을 일정하게 유지할 수 있다. Meanwhile, the second modulator 230 is optically connected between the optical distributor 210 and one end of the test optical fiber 30 to which the pump optical signal and / or probe optical signal is incident, and the second output of the optical distributor 210. Gating modulation of the light according to a predetermined gating signal produces a pulsed pump light signal. For example, the second modulator 230 may be a semiconductor optical amplifier (SOA). The optical modulator 20 may further include a waveform generator 231 that supplies a modulated signal to the second modulator 230. The waveform generator 231 may be a pulse generator capable of supplying a gating signal. The gating signal of the waveform generator 231 may be synchronized with the modulated signal of the waveform generator 120 of the light source unit 10. Therefore, even when the modulation frequency modulating in the sine form is changed to move the position of the correlation point, the form and phase of the pulsed pump optical signal can be kept constant.

제2 변조기(230) 및/또는 파형 발생기(231)는 펌프 광신호의 주기가 제1 주기 또는 상기 제1 주기와 상이한 (예컨대, 제1 주기의 절반인) 제2 주기를 갖도록 설정될 수 있다. 각각의 주기는 시험 광섬유(30)의 반사면 상태에 따라 설정될 수 있다. 이에 대해서는 아래의 도 8 내지 도 9를 참조하여 보다 상세하게 서술한다. The second modulator 230 and / or the waveform generator 231 may be set such that the period of the pump optical signal has a first period or a second period (eg, half of the first period) different from the first period. . Each period can be set according to the state of the reflective surface of the test optical fiber 30. This will be described in more detail with reference to FIGS. 8 to 9 below.

또한, 일 실시예에서, 광변조부(20)는 위상 변조기(phase modulator, PM)(240)를 더 포함할 수 있다. 위상 변조기(240)는 잡음 제거를 위해 기준 신호를 온/오프하며, 온/오프되는 기준 신호를 이용하여 펌프 광신호를 변조하도록 구성된다. 상기 실시예에서, 광변조부(20)는 위상 변조기(240)에 상기 소정의 기준 신호를 공급하는 파형 발생기(241)를 더 포함할 수 있다. 이러한 위상 변조기(240)는 펌프 광신호의 온/오프를 제어하며, 위상 변조기(240)에 의해 변조된 광신호는 입출력 전후의 주파수가 동일하므로, 펌프 광신호의 주파수는 광원부(10)의 출력 주파수(fm)이다. In addition, in one embodiment, the light modulator 20 may further include a phase modulator (PM) 240. The phase modulator 240 is configured to turn on / off a reference signal to remove noise, and to modulate a pump optical signal using a reference signal that is on / off. In the above embodiment, the light modulator 20 may further include a waveform generator 241 that supplies the predetermined reference signal to the phase modulator 240. The phase modulator 240 controls the on / off of the pump optical signal, and since the frequency modulated by the phase modulator 240 has the same frequency before and after input / output, the frequency of the pump optical signal is the output of the light source unit 10 Frequency (fm).

또한, 일 실시예에서, 광변조부(20)는, 광분배기(210)의 출력광을 이용하여 펌프 및 프로브 광신호를 생성하기에 앞서 광분배기(210)의 제1 및 제2 출력광의 편광을 선형 방향으로 조절하기위한 제1 편광 조절기(Polarization Controller; PC)(250) 및 제2 편광 조절기(255)를 더 포함한다. 즉, 제1 및 제2 편광 조절기(250, 255)는 입사된 레이저 광을 선형 방향으로 편광시킨다. In addition, in one embodiment, the light modulator 20 polarizes the first and second output light of the light splitter 210 before generating the pump and probe light signals using the output light of the light splitter 210. It further includes a first polarization controller (PC) 250 and a second polarization controller 255 for adjusting the linear direction. That is, the first and second polarization controllers 250 and 255 polarize the incident laser light in a linear direction.

또한 일 실시예에서, 광변조부(20)는 편광 스위치(polarization switch, PSW)(260)를 더 포함한다. 프로브 광신호와 펌프 광신호의 편광이 일치할 때 유도 브릴루앙 산란 증폭이 일어나므로, 편광 스위치(260)를 이용하여 펌프 광신호 및 프로브 광신호의 편광을 동일하게 조절할 수 있다. 본 실시예에서는 편광 스위치(260)가 펌프 광신호의 편광을 조절하도록 제2 변조기(230)과 시험 광섬유(30) 사이에 광학적으로 연결되었으나, 다른 실시예에서는 편광 스위치(260)에 의하여 프로브 광신호의 편광을 조절하는 것도 가능하다. In addition, in one embodiment, the light modulator 20 further includes a polarization switch (PSW) 260. When the polarization of the probe optical signal and the pump optical signal coincide, induction Brillouin scattering amplification occurs, so that the polarization of the pump optical signal and the probe optical signal can be equally adjusted using the polarization switch 260. In this embodiment, the polarization switch 260 is optically connected between the second modulator 230 and the test optical fiber 30 to adjust the polarization of the pump optical signal, but in another embodiment, the probe light is provided by the polarization switch 260. It is also possible to adjust the polarization of the signal.

일 실시예에서, 편광 스위치(260)는 펌프 광신호 또는 프로브 광신호의 편광을 한 번은 0 °, 다른 한번은 90 °로 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(260)를 이용하여 펌프 광신호 또는 프로브 광신호의 편광을 변화시켜가면서 측정을 수행하고, 측정된 값의 평균값을 이용함으로써 편광 문제를 해결할 수 있다. 보다 구체적으로, 편광 스위치(260)에 의해 펌프 광신호의 편광 방향이 90 ° 회전 전인 경우, 그리고 회전 후인 경우의 브릴루앙 이득을 각각 얻은 후 (즉, 두 번의 브릴루앙 이득을 얻은 후) 평균을 구함으로써 편광에 따른 브릴루앙 이득의 변화를 보상한다. 전술한 0 ° 및 90 °의 편광 각도는 단지 예시적인 것으로서, 펌프 광신호 또는 프로브 광신호의 편광을 이와 상이한 다른 각도로 주기적으로 변경할 수도 있다. In one embodiment, the polarization switch 260 is configured to alternately rotate the polarization of the pump optical signal or probe optical signal to 0 ° at one time and 90 ° at the other time. When the polarization of the pump optical signal and the probe optical signal coincide, induced Brillouin scattering amplification occurs, but the polarization of the pump optical signal and / or the probe optical signal may change with time and space. Therefore, the polarization problem can be solved by performing the measurement while changing the polarization of the pump optical signal or the probe optical signal using the polarization switch 260, and using the average value of the measured values. More specifically, after obtaining the Brillouin gains when the polarization direction of the pump optical signal is rotated by 90 ° before and after the rotation by the polarization switch 260 (that is, after obtaining the two Brillouin gains), the average is obtained. By calculating, the change in Brillouin gain due to polarization is compensated. The above-described polarization angles of 0 ° and 90 ° are merely exemplary, and the polarization of the pump optical signal or probe optical signal may be periodically changed to different angles.

일 실시예에서, 광변조부(20)는 프로브 광신호 및 펌프 광신호를 각각 증폭하기 위한 제1 및 제2 광섬유 증폭기(270, 275)를 더 포함한다. 제1 광섬유 증폭기(270)는 제1 변조기(220)와 시험 광섬유(30)의 한쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결될 수 있다. 또한, 제2 광섬유 증폭기(275)는 제2 변조기(230)와 시험 광섬유(30)의 다른쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결될 수 있다. 제1 및 제2 광섬유 증폭기(270, 275)는 어븀첨가광섬유증폭기(Erbium-Doped Fiber Amplifier; EDFA)일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment, the optical modulator 20 further includes first and second optical fiber amplifiers 270 and 275 for amplifying the probe optical signal and the pump optical signal, respectively. The first optical fiber amplifier 270 may be optically connected between the first modulator 220 and one end of the test optical fiber 30. In addition, the second optical fiber amplifier 275 may be optically connected between the second modulator 230 and the other end of the test optical fiber 30. The first and second optical fiber amplifiers 270 and 275 may be Erbium-Doped Fiber Amplifiers (EDFAs), but are not limited thereto.

일 실시예에서, 광변조부(20)는 시험 광섬유(30)와 광학적으로 연결되는 지연 광섬유(280)를 더 포함한다. 지연 광섬유(280)는 변조 주파수를 변화시켜도 위치가 변하지 않는, 펌프 광신호 및 프로브 광신호의 진행 경로 한 가운데의 상관점(차수 q=0)이 시험 광섬유(30) 내에 위치하지 않도록 하기 위해 사용하는 보조 광섬유로서, 지연 광섬유(280)의 길이를 적절하게 조절함으로써 시험 광섬유(30)에 브릴루앙 이득 피크가 발생되는 상관점의 차수를 조절할 수 있다. In one embodiment, the optical modulator 20 further includes a delayed optical fiber 280 that is optically connected to the test optical fiber 30. The delayed optical fiber 280 is used so that the correlation point (order q = 0) in the middle of the traveling path of the pump optical signal and the probe optical signal does not change within the test optical fiber 30, where the position does not change even when the modulation frequency is changed. As an auxiliary optical fiber, the order of the correlation point at which the Brillouin gain peak is generated in the test optical fiber 30 may be adjusted by appropriately adjusting the length of the delayed optical fiber 280.

광변조부(20)에서 생성된 펌프 광신호 및 프로브 광신호는 광분배기(215)에 의해 결합되어 하나의 광 경로로 진행한다. The pump optical signal and the probe optical signal generated by the optical modulator 20 are combined by the optical divider 215 and proceed in one optical path.

일 실시예에서, 광변조부(20)는 광필터(290)를 더 포함할 수 있다. 광필터(290)는 광섬유 증폭기(270 및/또는 275)에서 발생한 자연 증폭 방출 잡음(amplified spontaneous emission noise)과 같은 잡음 성분을 제거한다. 일 실시예에서, 광필터(290)는 도 1에 도시된 바와 같이 펌프 광신호의 잡음 성분을 제거할 수 있다. In one embodiment, the light modulator 20 may further include an optical filter 290. The optical filter 290 removes noise components such as amplified spontaneous emission noise generated in the optical fiber amplifiers 270 and / or 275. In one embodiment, the optical filter 290 may remove noise components of the pump optical signal as shown in FIG. 1.

상기 펌프 광신호 및 프로브 광신호는 광결합기(215)에 의해 결합된다. 광결합기(215)는 반대로 2개 이상으로 진행되어 입력된 광신호를 하나로 결합하는 장치이다. 일 실시예에서, 광결합기(215)는 50:50 광결합기일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The pump optical signal and the probe optical signal are combined by an optical coupler 215. On the contrary, the optical coupler 215 is a device that combines two or more input optical signals into one. In one embodiment, the optical coupler 215 may be a 50:50 optical coupler, but is not limited thereto.

광결합기(215)에서 결합된 펌프 광신호 및 프로브 광신호는 하나의 광 경로로 진행한다. The pump optical signal and the probe optical signal combined by the optical coupler 215 travel in one optical path.

도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 싱글 액세스형 시험 광섬유에서 진행하는 광신호를 설명하기 위한 도면이다.2 is a view for explaining an optical signal traveling in a single access test fiber according to an embodiment of the present invention.

시험 광섬유(30)는 광변조부(20)에 광학적으로 연결되며, 브릴루앙 산란이 발생하는 영역이다. 일 실시예에서, 시험 광섬유(30)는 일 단이 개방된 구조로서, 광신호가 한쪽 끝으로 입사 가능한 싱글 액세스형(single access type) 광섬유를 포함한다. 도 2를 참조하면, 시험 광섬유(30)의 일 단이 광변조부(20)에 광학적으로 연결되어 광신호가 입사 가능하고, 타 단에서 입사된 광신호의 일부 또는 전부가 반사되도록 구성된다. 일 예에서, 시험 광섬유(30)의 타 단은 광신호를 반사하도록 절단(cleave)될 수 있다. 그러나, 이에 제한되지 않으며 시험 광섬유(30)는 입사된 신호가 반사 가능하도록 다양한 구조를 가질 수 있다. The test optical fiber 30 is optically connected to the light modulator 20 and is an area where Brillouin scattering occurs. In one embodiment, the test optical fiber 30 has a structure in which one end is open, and includes a single access type optical fiber in which an optical signal is incident on one end. Referring to FIG. 2, one end of the test optical fiber 30 is optically connected to the optical modulator 20 so that an optical signal is incident and is configured to reflect part or all of the optical signal incident at the other end. In one example, the other end of the test optical fiber 30 may be cut to reflect the optical signal. However, the present invention is not limited thereto, and the test optical fiber 30 may have various structures so that the incident signal can be reflected.

광변조부(20)에서 생성된 펌프 광신호와 프로브 광신호가 시험 광섬유(30)의 동일한 일 단으로 입사한다. 입사된 펌프 광신호와 프로브 광신호는 시험 광섬유(30)의 반사단을 향해 진행하고, 반사되어 다시 입사단으로 되돌아온다. The pump optical signal and the probe optical signal generated by the optical modulator 20 enter the same end of the test optical fiber 30. The incident pump optical signal and the probe optical signal proceed toward the reflection end of the test optical fiber 30, and are reflected back to the entrance end.

상기 싱글 액세스형 광섬유인 시험 광섬유(30) 내부에서 발생하는 브릴루앙 산란은 펌프 광신호에 의존한다. 전술한 바와 같이, 광변조부(20)에서 생성된 펌프 광신호는 펄스 형태이기 때문에, 펌프 광신호의 진행 방향에 따라, 시험 광섬유(30) 내 브릴루앙 산란은 두 가지 상황의 상호 작용에 의해 발생할 수 있다.The Brillouin scattering that occurs inside the single access fiber test fiber 30 depends on the pump optical signal. As described above, since the pump optical signal generated by the optical modulator 20 is in the form of a pulse, depending on the direction of the pump optical signal, the Brillouin scattering in the test optical fiber 30 is caused by the interaction of two situations. Can occur.

우선, 시험 광섬유(30)의 일 단에 입사된 펌프 광신호가 시험 광섬유(30)의 타 단으로 진행하는 상황(이하, "제1 상황")에서 브릴루앙 산란이 발생할 수 있다. 펌프 광신호의 진행 도중에 상기 입사된 펌프 광신호가, 타 단에서 반사되어 일 단으로 진행하는 프로브 광신호와 마주치게 되고, 서로 상호 작용하여 브릴루앙 산란이 발생한다. 이로 인해, 제1 상황에 의해 증폭된 프로브 광신호가 검출될 수 있다. First, Brillouin scattering may occur in a situation in which a pump optical signal incident on one end of the test optical fiber 30 proceeds to the other end of the test optical fiber 30 (hereinafter referred to as "first situation"). During the process of the pump optical signal, the incident pump optical signal is reflected by the probe optical signal reflected from the other end and proceeds to one end, and interacts with each other to generate Brillouin scattering. Due to this, a probe optical signal amplified by the first situation can be detected.

한편, 시험 광섬유(30)의 타 단에서 반사된 펌프 광신호가 시험 광섬유(30)의 일 단으로 진행하는 상황(이하, "제2 상황")에서 브릴루앙 산란이 발생할 수 있다. 펌프 광신호의 진행 도중에 상기 반사된 펌프 광신호가, 일 단에서 입사하여 타 단으로 진행하는 프로브 광신호와 마주치게 되고, 서로 상호 작용하여 브릴루앙 산란이 발생한다. 이로 인해, 제2 상황에 의해 증폭된 프로브 광신호가 검출될 수 있다.Meanwhile, Brillouin scattering may occur in a situation in which the pump optical signal reflected from the other end of the test optical fiber 30 proceeds to one end of the test optical fiber 30 (hereinafter referred to as "second situation"). During the progress of the pump optical signal, the reflected pump optical signal encounters a probe optical signal incident at one end and proceeding to the other end, and interacts with each other to generate Brillouin scattering. Due to this, a probe optical signal amplified by the second situation can be detected.

따라서, 각각의 상황에 따른 브릴루앙 산란에 의해 복수의 상관점이 형성된다. 예를 들어, 제1 상황에서는 N개의 상관점(CP-1, CP-2, ..., CP-n)이 형성되고, 그리고 제2 상황에서는 N개의 상관점(CP'-1, CP'-2, ..., CP'-n)이 형성된다. Accordingly, a plurality of correlation points are formed by Brillouin scattering according to each situation. For example, in the first situation, N correlation points (CP-1, CP-2, ..., CP-n) are formed, and in the second situation, N correlation points (CP'-1, CP ') -2, ..., CP'-n) are formed.

일 실시예에서, 반사단은 높은 반사율을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 반사율은 약 100%, 또는 80% 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않으며 반사된 신호의 세기가 입사된 신호의 세기와 유사하게 하는 반사율일 수 있다. 다른 일 실시예에서, 반사단은 매우 낮은 반사율을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 반사율은 약 20% 미만, 또는 4% 미만일 수 있으나, 이에 제한되진 않으며 반사된 신호의 세기가 입사된 신호의 세기와 상당한 차이를 갖게 하여, 반사 전후의 신호 세기를 비교할 경우 반사 후의 세기는 무시 가능한 정도의 반사율일 수 있다. In one embodiment, the reflective end can be configured to have a high reflectance. For example, the reflectance may be about 100%, or 80% or more, but is not limited thereto, and may be a reflectance such that the intensity of the reflected signal is similar to the intensity of the incident signal. In another embodiment, the reflective end can be configured to have a very low reflectance. For example, the reflectance may be less than about 20%, or less than 4%, but is not limited thereto, and the intensity of the reflected signal has a significant difference from the intensity of the incident signal. The intensity can be a negligible degree of reflectivity.

시험 광섬유(30)에서 발생 가능한 브릴루앙 산란은 펌프 광신호의 주기, 시험 광섬유(30)의 반사율에 따라, 포함하고 있는 상관점 정보, 세기 등이 상이해질 수 있다. 이에 대해서는 아래의 도 8 및 도 9를 참조하여 보다 상세하게 서술한다.The Brillouin scattering that may occur in the test optical fiber 30 may have different correlation point information, intensity, and the like, depending on the period of the pump optical signal and the reflectivity of the test optical fiber 30. This will be described in more detail with reference to FIGS. 8 and 9 below.

이와 같이 연속파 형태의 프로브 광신호와 주파수 변조 한 주기의 폭을 가진 펄스 신호가 되도록 추가 변조된 펌프광을 입사하면, 시험 광섬유(30) 내 복수 개의 상관점들에서 개별적으로 브릴루앙 산란이 발생한다. 시험 광섬유(30) 내에서 발생한 브릴루앙 산란광은 다시 입사단을 통해 출력되어 아래의 광검출부(50)로 입력된다. 각 상관점들에서 발생한 브릴루앙 산란 신호를 시간 영역에서 측정하여 분석하면, 단측 개방된 시험 광섬유(30)의 복수 개의 상관점들에 대한 브릴루앙 산란을 각각 분석할 수 있다. When the additionally modulated pump light is incident to the continuous wave type probe optical signal and the pulse signal having a frequency-modulated pulse width, Brillouin scattering occurs individually at a plurality of correlation points in the test optical fiber 30. The Brillouin scattered light generated in the test optical fiber 30 is again output through the incident end and is input to the following photodetector 50. When the Brillouin scattering signal generated at each correlation point is measured and analyzed in the time domain, Brillouin scattering of a plurality of correlation points of the single-sided open test optical fiber 30 may be analyzed.

광검출부(50)는 시험 광섬유(30) 내에 위치하는 복수의 상관점 또는 특정한 상관점에서 발생한 브릴루앙 산란광을 검출하고, 검출된 브릴루앙 산란광 정보를 데이터 처리부(70)에 제공한다. The photodetector 50 detects Brillouin scattered light generated at a plurality of correlation points or specific correlation points located in the test optical fiber 30 and provides the detected Brillouin scattered light information to the data processing unit 70.

일 실시예에서, 광검출부(50)는 광변조부(20)와 시험 광섬유(30) 사이에 광학적으로 연결된 광순환기(510)를 포함한다. 광 순환기(510)는 게이팅 신호가 되도록 변조된 펄스 형태의 펌프 광신호, 및/또는 연속된 신호인 프로브 광신호를 시험 광섬유(30)에 인가하며, 시험 광섬유(30)에서 발생되는 브릴루앙 산란광을 광검출부(50)의 다른 컴포넌트들의 방향으로 분기하는 역할을 한다. 즉, 광순환기(510)는 광변조부(20)에서 출력된 펌프 광신호 및/또는 프로브 광신호가 다시 광변조부(20)로 입사되는 것을 차단하는 역할을 할 수 있다. In one embodiment, the photodetector 50 includes an optical circulator 510 optically connected between the optical modulator 20 and the test optical fiber 30. The optical circulator 510 applies a pulsed pump optical signal modulated to be a gating signal, and / or a probe optical signal, which is a continuous signal, to the test optical fiber 30, and the Brillouin scattered light generated from the test optical fiber 30 It serves to branch in the direction of other components of the photodetector 50. That is, the optical circulator 510 may serve to block the pump optical signal and / or the probe optical signal output from the optical modulation unit 20 from entering the optical modulation unit 20 again.

일 실시예에서, 광검출부(50)는 신호의 크기 조절 및 변환을 위한 가변 광세기 조절기(Variable Optical Attenuator; VOA)(520) 및 광검출기(Photo Detector; PD)(530)를 포함한다. 펌프 광신호 및 프로브 광신호가 시험 광섬유(30)를 서로 반대 방향으로 통과하는 동안 발생된 브릴루앙 산란광이 광순환기(510)에서 분기되어 VOA(520)에 입사되며, VOA(520)는 입사된 브릴루앙 산란광의 크기를 감쇄시켜 PD(530)에 입사시키고, PD(530)에서는 입사된 광신호를 전기 신호로 변환할 수 있다.In one embodiment, the photodetector 50 includes a variable optical attenuator (VOA) 520 and a photo detector (PD) 530 for adjusting and converting a signal. The Brillouin scattered light generated while the pump optical signal and the probe optical signal pass through the test optical fiber 30 in opposite directions diverges from the optical circulator 510 and enters the VOA 520, and the VOA 520 enters the incoming Brill The size of the Rouen scattered light is attenuated to be incident on the PD 530, and the incident light signal can be converted into an electrical signal at the PD 530.

데이터 처리부(70)는 데이터 수집부(data acquisition; DAQ)(710) 및 연산부(750)를 포함한다. 예를 들어, DAQ(710)는 PD(530)에서 출력된 전기 신호를 시간영역에서 얻기 위한 오실로스코프(oscilloscope)를 포함하며, 데이터 처리부(750)는 오실로스코프의 신호를 분석하기 위한 하나 이상의 프로세스를 포함한 개인용 컴퓨터(Personal Computer)를 포함할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서는 다른 상이한 하나 이상의 데이터 처리 수단을 더 사용하여 신호 처리 및 분석을 수행할 수도 있다.The data processing unit 70 includes a data acquisition (DAQ) 710 and a calculation unit 750. For example, the DAQ 710 includes an oscilloscope for obtaining an electrical signal output from the PD 530 in the time domain, and the data processing unit 750 includes one or more processes for analyzing the signal of the oscilloscope It may include a personal computer (Personal Computer). However, this is exemplary, and other embodiments may further perform signal processing and analysis using one or more other different data processing means.

센서(1)는 데이터 수집부(710)에 의해 시간 영역에서의 전기 신호를 얻을 수 있어, 시간 영역에서 상관점의 측정이 가능하다.The sensor 1 can obtain an electrical signal in the time domain by the data collection unit 710, so that it is possible to measure the correlation point in the time domain.

연산부(750)는 광검출부(50)로부터 검출된 광신호에 기초하여 브릴루앙 이득을 산출하고, 브릴루앙 주파수를 산출할 수 있다. 또한, 브릴루앙 주파수의 변화를 산출할 수 있다. 따라서, 연산부(750)는 증폭되지 않은 프로브광, 브릴루앙 산란에 의해 증폭된 프로브광, 펌프 펄스광 등을 쉽게 분리할 수 있다.The calculating unit 750 may calculate the Brillouin gain based on the optical signal detected by the photodetector 50 and calculate the Brillouin frequency. It is also possible to calculate the change in Brillouin frequency. Therefore, the operation unit 750 can easily separate the probe light that is not amplified, the probe light that is amplified by Brillouin scattering, and the pump pulse light.

일부 실시예에서, 데이터 처리부(70)는 센서(1)에 포함된 하나 이상의 구성요소를 제어하도록 전기적으로 연결된 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는 센서(1)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. In some embodiments, the data processing unit 70 may further include a control unit (not shown) electrically connected to control one or more components included in the sensor 1. The controller can control the overall operation of the sensor 1.

일 실시예에서, 연산부(750)는 복수의 상관점으로부터 검출된 브릴루앙 산란광으로부터 브릴루앙 이득을 산출할 수 있다. 예를 들어, 복수의 상관점에서 발생한 브릴루앙 산란광을 시간 영역에서 처리함으로써 펄스 형태의 게이팅 신호로 변조된 펌프 광신호가 통과하는 복수 개의 상관점 각각에서의 브릴루앙 이득을 산출한다. 그 결과, 공간분해능을 향상하기 위해서 주파수 변조 폭을 넓히는 경우, 두 광의 주파수가 겹쳐 두 광을 분리할 수 없는 주파수 영역에서와 달리, 시간 영역에서는 쉽게 분리할 수 있다.In one embodiment, the calculator 750 may calculate the Brillouin gain from the Brillouin scattered light detected from a plurality of correlation points. For example, by processing the Brillouin scattered light generated at a plurality of correlation points in a time domain, a Brillouin gain at each of a plurality of correlation points through which a pump optical signal modulated with a pulsed gating signal passes is calculated. As a result, when the frequency modulation width is widened in order to improve spatial resolution, it is easy to separate in the time domain, unlike in the frequency domain where the frequencies of the two light overlap and the two light cannot be separated.

또한, 산출된 브릴루앙 이득에 기초하여 상관점에서의 브릴루앙 주파수를 산출할 수 있다. 센서(1)에서는 펌프 광의 주파수, 프로브 광의 주파수 차이를 변화시킬 때, 브릴루앙 산란이 가장 잘 일어 날 때의 주파수 차이가 각 상관점들의 브릴루앙 주파수가 된다. 두 광의 변조 주파수를 변화시킴으로써 상관점들의 위치를 변화시킬 수 있고, 따라서, 측정 가능한 광섬유 모든 지점의 브릴루앙 주파수를 측정할 수 있다. 또한, 브릴루앙 주파수 변화 감지를 통해 어느 지점에 물리적 특성의 변화가 생겼는지 측정할 수 있다. In addition, the Brillouin frequency at the correlation point can be calculated based on the calculated Brillouin gain. In the sensor 1, when the frequency difference between the pump light and the probe light is changed, the frequency difference when the Brillouin scattering occurs best becomes the Brillouin frequency of each correlation point. By changing the modulation frequency of the two lights, the positions of the correlation points can be changed, and thus, the Brillouin frequency of all points of the measurable optical fiber can be measured. In addition, it is possible to measure at which point a change in physical properties has occurred through the detection of a Brillouin frequency change.

결국, 상기 센서(1)는 다수의 상관점을 이용하기 때문에 단일 개방 광섬유 측정 가능 범위는 상관점 수의 배수만큼 늘어나기 때문에 장거리 측정이 가능하다. 또한, 이 과정에서 변조 주파수나 변조 폭의 변화는 없기 때문에 공간 분해능은 그대로 높게 유지된다. As a result, since the sensor 1 uses a plurality of correlation points, a single open optical fiber measurement range is increased by a multiple of the number of correlation points, so long distance measurement is possible. In addition, since there is no change in modulation frequency or modulation width in this process, the spatial resolution remains high.

실례로, 종래의 BOCDA 시스템에서 f m = 10 MHz, △f = 1.95 GHz로 광원을 변조하며, 시험 광섬유의 유효 굴절률 n 값이 1.45일 경우, 상기 수학식 1 및 수학식 2에 의해 산출되는 인접 상관점 간의 거리는 약 10.34 m 가 되며, 단일모드 광섬유의 △vB가 30 MHz인 경우 공간분해능은 약 5cm가 된다.For example, in a conventional BOCDA system, the light source is modulated with f m = 10 MHz and Δ f = 1.95 GHz, and when the effective refractive index n value of the test optical fiber is 1.45, the neighbors calculated by Equations 1 and 2 The distance between the correlation points is about 10.34 m, and when Δv B of the single mode optical fiber is 30 MHz, the spatial resolution is about 5 cm.

펌프광을 펄스 형태로 펌프광을 100 ns의 폭과 50 kHz의 반복률을 가진 펄스 형태로 추가 변조하고, 연속 프로브광과 함께 단일 개방 측정 광섬유로 입사시킨 경우, 실시예들을 이용하여 펌프광과 프로브광의 주파수 오프셋을 브릴루앙 주파수 주변 200 MHz 구간에서 2 MHz 간격으로 변화시켜 가면서 다수의 상관점에서의 브릴루앙 주파수를 개별적으로 측정할 수 있다. 그 결과, 총 146개의 상관점이 측정 범위 내에 위치하도록 하고, 측정 범위는 약 1.51 km로 증가한다.When the pump light is further modulated in a pulse form in a pulse form having a width of 100 ns and a repetition rate of 50 kHz, and incident on a single open measurement optical fiber together with a continuous probe light, the frequency offset of the pump light and the probe light using examples In the 200 MHz section around the Brillouin frequency, the Brillouin frequency at multiple correlation points can be measured individually by changing the interval at 2 MHz. As a result, a total of 146 correlation points are placed within the measurement range, and the measurement range increases to about 1.51 km.

도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 센서에 의해 얻어진 복수의 상관점에서의 브릴루앙 이득 스펙트럼을 도시한 도면이다. 도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 3의 복수의 상관점 중 하나의 상관점에서의 브릴루앙 이득을 도시한 도면이다. 3 is a diagram showing a Brillouin gain spectrum at a plurality of correlation points obtained by a sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a diagram illustrating a Brillouin gain at a correlation point among a plurality of correlation points in FIG. 3 according to an embodiment of the present invention.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예를 적용한 결과 측정 범위는 종래의 BOCDA 시스템의 측정 범위에 비해 약 150배 증가한다. 단일모드 광섬유의 △vB가 30 MHz인 경우 상기 수학식 2에 의해 공간 분해능이 약 5cm로 산출된다. 즉, 종래의 BOCDA 시스템의 공간 분해능은 유지하면서, 측정 범위가 증가하게 된다. 3 and 4, as a result of applying the present embodiment, the measurement range is increased by about 150 times compared to the measurement range of the conventional BOCDA system. When Δv B of the single mode optical fiber is 30 MHz, the spatial resolution is calculated by Equation 2 to about 5 cm. That is, while maintaining the spatial resolution of the conventional BOCDA system, the measurement range is increased.

도 5a 내지 5b는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 응력(strain)이 시험 광섬유에 가해지는 경우의 측정 결과를 도시한 도면이다.5A to 5B are diagrams illustrating measurement results when stress is applied to a test optical fiber according to an embodiment of the present invention.

변조 주파수를 9.9915 MHz에서 10.15 MHz로 변화시켜 상관점들의 위치를 약 1 cm씩 이동시키면서 싱글 액세스형 시험 광섬유(30)의 전 범위에 대하여 브릴루앙 주파수를 측정하면, 시험 광섬유(30)에 응력이 가해지는 지 여부를 감지할 수 있다. When the Brillouin frequency is measured over the entire range of the single access test fiber 30 while changing the modulation frequency from 9.9915 MHz to 10.15 MHz by shifting the positions of the correlation points by about 1 cm, stress is applied to the test optical fiber 30. It can detect whether it is applied.

도 5a에 도시된 바와 같이, 시험 광섬유(30) 내에서 입사단으로부터 가장 끝 부분의 약 2.5cm 범위에 응력을 가한 경우, 응력이 가해진 부분에 있어서 가해지지 않은 부분과 상이한 브릴루앙 주파수가 얻어진다. 센서(1)의 사용자는 상기 브릴루앙 주파수의 변화에 대한 정보를 제공 받아 응력이 가해지는 지 여부를 알 수 있다. As shown in Fig. 5A, when stress is applied in the range of about 2.5 cm of the tip end from the incidence end in the test optical fiber 30, a Brillouin frequency different from that of the unstressed portion is obtained. . The user of the sensor 1 can receive information about the change in the Brillouin frequency to know whether a stress is applied.

도 5b에 도시된 바와 같이, 가해진 응력의 세기가 증가할수록 브릴루앙 주파수의 변화가 증가한다. 따라서, 브릴루앙 주파수의 변화가 큰 측정 결과를 얻는 경우, 시험 광섬유(30)에 가해지는 응력의 세기가 크다는 결과를 얻을 수 있다.As shown in FIG. 5B, as the intensity of the applied stress increases, the change in the Brillouin frequency increases. Therefore, when a measurement result having a large change in the Brillouin frequency is obtained, a result that the intensity of stress applied to the test optical fiber 30 is large can be obtained.

도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 응력 크기의 변화에 따른 브릴루앙 이득 변화를 도시한 도면이고, 도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 응력 크기의 변화에 따른 브릴루앙 주파수 변화를 도시한 도면이다. FIG. 6 is a diagram illustrating a change in Brillouin gain according to a change in stress magnitude according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a Brillouin according to a change in stress magnitude according to an embodiment of the present invention It is a diagram showing the frequency change.

본 실시예에 따른 센서(1)는 전술한 바와 같이 응력이 시험 광섬유(30)에 가해지는지 여부를 감지할 수 있다. 또한, 브릴루앙 주파수의 변화에 기초하여 가해진 응력을 산출할 수 있다. 연산부(750)는 브릴루앙 주파수의 변화가 감지된 경우, 아래의 수학식 3에 기초하여 가해진 응력(strain)을 산출할 수 있다.The sensor 1 according to the present embodiment can detect whether stress is applied to the test optical fiber 30 as described above. In addition, the applied stress can be calculated based on the change in the Brillouin frequency. When a change in the Brillouin frequency is detected, the calculator 750 may calculate the applied stress based on Equation 3 below.

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서, VB(ε)는 현재 얻어진 브릴루앙 주파수이고, Cε는 응력 유효 계수(MHz/με), ε는 현재 가해진 스트레인을 나타낸다. VB0는 스트레인이 없을 때의 기준 브릴루앙 오프셋 주파수를 나타낸다. Here, V B (ε) is the Brillouin frequency currently obtained, Cε is the stress effective coefficient (MHz / με), and ε is the strain currently applied. V B0 represents the reference Brillouin offset frequency when there is no strain.

도 6을 참조하면, 크기를 변화시키면서 시험 광섬유(30)에 응력을 가하는 경우, 응력의 크기가 증가할 수록 브릴루앙 이득이 이동한다. 브릴루앙 이득의 변화에 기초하여, 브릴루앙 주파수의 변화를 산출할 수 있다. Referring to FIG. 6, when stress is applied to the test optical fiber 30 while changing the size, the Brillouin gain moves as the magnitude of the stress increases. Based on the change in the Brillouin gain, a change in the Brillouin frequency can be calculated.

도 6을 참조하면, 크기를 변화시키면서 시험 광섬유(30)에 응력을 가하는 경우, 응력의 크기가 증가할 수록 브릴루앙 이득이 이동한다. 브릴루앙 이득의 변화에 기초하여, 브릴루앙 주파수의 변화를 산출할 수 있다. Referring to FIG. 6, when stress is applied to the test optical fiber 30 while changing the size, the Brillouin gain moves as the magnitude of the stress increases. Based on the change in the Brillouin gain, a change in the Brillouin frequency can be calculated.

도 7을 참조하면, 응력이 증가할수록 브릴루앙 주파수가 증가한다. 도 7의 기울기는 응력에 따른 브릴루앙 주파수의 민감도로서, 상기 수학식의 응력 유효 계수를 나타낸다. 본 실시예의 응력 유효 계수는 0.052MHz/με 일 수 있다Referring to FIG. 7, as the stress increases, the Brillouin frequency increases. The slope of FIG. 7 is the sensitivity of the Brillouin frequency according to stress, and represents the stress effective coefficient of the above equation. The stress effective coefficient of this embodiment may be 0.052 MHz / με

본 실시예의 센서(1)는 브릴루앙 산란광이 검출되면, 브릴루앙 이득을 산출하여 브릴루앙 주파수를 산출할 수 있다. 또한, 상기 수학식에 기초하여 가해진 응력을 측정할 수 있다. When the Brillouin scattered light is detected, the sensor 1 of this embodiment may calculate the Brillouin frequency by calculating the Brillouin gain. In addition, it is possible to measure the stress applied based on the equation.

도 5 내지 도 7에서는 시험 광섬유(30)가 측정가능한 변화로 응력만이 서술되어 있지만, 상기 센서(1)가 응력에 대해서만 측정가능한 것으로 한정되진 않는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 이는 단지 예시적인 것으로서, 센서(1)는 응력 이외의 다양한 물리적 변화(예컨대, 온도 등)를 측정할 수 있다.In Figures 5-7, only the stress is described as a measurable change in the test optical fiber 30, but it will be apparent to those skilled in the art that the sensor 1 is not limited to measurable only for stress. This is merely exemplary, and the sensor 1 can measure various physical changes (eg, temperature, etc.) other than stress.

추가적으로, 도 1의 센서(1)에서는 펌프 광신호의 주기에 따라 브릴루앙 산란광이 상이하게 발생할 수 있다. Additionally, in the sensor 1 of FIG. 1, Brillouin scattered light may be generated differently according to the period of the pump optical signal.

도 8은, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 펌프(pump) 광신호와 프로브(probe) 광신호의 상호 작용으로 인한 프로브 광신호의 증폭 과정을 설명하기 위한, 센서에서 측정되는 신호의 형태를 개략적으로 나타낸 도면이다.8 is a form of a signal measured by a sensor for explaining an amplification process of a probe optical signal due to an interaction between a pump optical signal and a probe optical signal according to a first embodiment of the present invention It is a diagram schematically showing.

제1 실시예에서, 펌프 광신호의 주기(TPump1)는, 펌프 펄스 광신호가 입사단으로 입사되는 순간부터, 펌프 펄스 광신호가 타 단에서 반사되어 입사단으로 빠져나가고, 이 때 새롭게 입사된 연속 프로브 광신호가 타 단에서 반사되어 입사단으로 모두 빠져나가는데 걸리는 시간으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 펌프 광신호의 주기는 광신호의 속도(vg)로 시험 광섬유 길이(L)를 지나는 시간(L/vg)의 4배(4L/vg)로 설정될 수 있다.In the first embodiment, the period of the pump optical signal (T Pump1 ) is, from the moment when the pump pulse optical signal is incident on the incident end, the pump pulse optical signal is reflected from the other end and exits to the incident end, where the newly incident continuation It can be set to the time it takes for the probe light signal to be reflected from the other end and all exit to the incident end. For example, the period of the pump optical signal may be set to 4 times (4 L / vg) of the time ( L / vg) passing the test optical fiber length ( L ) at the speed (vg) of the optical signal.

이러한 주기를 갖는 펌프 광신호가 시험 광섬유(30)에 입사되는 경우, 펌프 광신호의 주기당 시험 광섬유(30) 내에 하나의 펌프 광신호가 존재하여, 이미 브릴루앙 산란에 의해 증폭된 프로브 광신호가 다른 펌프 광신호에 의해 추가로 증폭되지 않는다. 상기 펌프 광신호의 반 주기 동안 발생하는 브릴루앙 산란은 입사된 펌프 광신호가 상기 타 단까지 진행하는 동안 발생하는 브릴루앙 산란(0~1/2 TPump1) 또는 상기 타 단에서 반사된 펌프 광신호가 상기 일 단까지 진행하는 동안 발생하는 브릴루앙 산란(1/2 TPump1 ~ 1 TPump1)을 포함한다. When the pump optical signal having such a period is incident on the test optical fiber 30, there is one pump optical signal in the test optical fiber 30 per cycle of the pump optical signal, and the probe optical signal already amplified by Brillouin scattering is different from the pump. It is not further amplified by the optical signal. The Brillouin scattering occurring during the half cycle of the pump optical signal is a Brillouin scattering (0 ~ 1/2 T Pump1 ) occurring while the incident pump optical signal proceeds to the other stage or the pump optical signal reflected from the other stage Includes Brillouin scattering (1/2 T Pump1 ~ 1 T Pump1 ) that occurs while proceeding to the stage.

구체적으로, 상기 주기를 갖는 펌프 광신호가 시험 광섬유(30)에 입사되는 경우, 시간 영역에서 검출되는 신호의 형태는 도 8과 같이 나타난다. 도 8에 도시된 바와 같이, 펌프 펄스 광신호가 입사되어 프로브광이 증폭되기 시작한 순간부터 1/2 TPump1 사이에서 검출되는 브릴루앙 산란광은 제1 상황에서 발생한 브릴루앙 산란광이다. 반면, 1/2 TPump1부터 TPump1사이에서 검출되는 브릴루앙 산란광은 제2 상황에서 발생한 브릴루앙 산란광이다. Specifically, when the pump optical signal having the period is incident on the test optical fiber 30, the form of the signal detected in the time domain is shown in FIG. As shown in FIG. 8, the Brillouin scattering light detected between 1/2 T Pump1 from the moment the probe pulse light signal is incident and the probe light starts to be amplified is the Brillouin scattering light generated in the first situation. On the other hand, the Brillouin scattering light detected between 1/2 T Pump1 and T Pump1 is the Brillouin scattering light generated in the second situation.

즉, 펌프 광신호의 한 주기(TPump1) 동안 제1 상황에서 발생한 브릴루앙 산란광 및 제2 상황에서 발생한 브릴루앙 산란광이 반 주기별로 각각 검출되고, 검출되는 브릴루앙 산란광은 제1 상황 및 제2 상황에서 발생한 브릴루앙 이득 정보를 각각 포함한다. 반사되어 돌아오는 펌프 펄스에 의해 발생한 브릴루앙 이득은 반사율에 따라 무시되지 않을 수 있다. That is, during one period (T Pump1 ) of the pump optical signal, the Brillouin scattering light generated in the first situation and the Brillouin scattering light generated in the second situation are detected for each half cycle, and the detected Brillouin scattering light is first and second. Each contains Brillouin gain information from the situation. The Brillouin gain caused by the returning pump pulse may not be neglected depending on the reflectance.

프로브 광신호가 증폭되기 시작한 순간부터 1/2 TPump1 사이에 검출되는 브릴루앙 산란광만을 프로브 광 신호의 주기로 분할하여 분석하면, 제 1 상황에서만 형성된 복수의 상관점에서의 브릴루앙 이득 정보를 분석할 수 있다.When only the Brillouin scattered light detected between the 1/2 T Pump1 from the moment the probe optical signal starts to be amplified is analyzed by dividing it into the period of the probe optical signal, the Brillouin gain information at a plurality of correlation points formed only in the first situation can be analyzed. have.

프로브 광의 증폭 정도는 입사단으로부터 멀어질수록 줄어든다. 브릴루앙 이득은 펌프 광신호의 세기에 비례하는데, 입사된 펌프 광신호의 세기가 광섬유를 진행하면서 광섬유 손실에 의해 줄어들기 때문에, 결국 입사단으로부터 먼 곳에서 발생하는 브릴루앙 이득이 줄어든다.The degree of amplification of the probe light decreases as it moves away from the incident end. The Brillouin gain is proportional to the intensity of the pump optical signal. Since the intensity of the incident pump optical signal decreases due to the loss of the optical fiber as it progresses through the optical fiber, the Brillouin gain occurring far away from the incident end is reduced.

또한, 제1 실시예에서 시험 광섬유(30)는 높은 반사율을 가진 반사단을 갖도록 더 구성될 수 있다. Further, in the first embodiment, the test optical fiber 30 may be further configured to have a reflective end having a high reflectance.

일 예에서, 반사단의 반사율은 약 100%일 수 있거나, 또는 80%이상이 될 수 있다. 그러나, 이에 제한되지 않으며 제1 실시예의 시험 광섬유(30)는 반사된 신호 전후를 비교하여 반사 후의 신호 세기가 무시되지 않게 하는 다양한 반사율을 가질 수 있다. 이와 같이 시험 광섬유(30)의 반사단을 높게 (최대 100%) 설정하면 입사단으로 입사되는 프로브 광신호의 세기가 작더라도, 반사된 프로브 광의 세기가 문턱 세기보다 크도록 할 수 있다. 높은 반사율에 의해 반사된 프로브 광신호의 세기는 반사 전과 큰 변화가 없기 때문이다. In one example, the reflectance of the reflective end may be about 100%, or it may be 80% or more. However, the present invention is not limited thereto, and the test optical fiber 30 of the first embodiment may have various reflectances that compare before and after the reflected signal so that signal strength after reflection is not neglected. As described above, if the reflective end of the test optical fiber 30 is set high (up to 100%), the intensity of the reflected probe light may be greater than the threshold intensity even if the intensity of the probe optical signal incident on the incident end is small. This is because the intensity of the probe optical signal reflected by the high reflectance does not change significantly before and after reflection.

또한, 일부 실시예에서, 상기 펌프 광신호의 주기는 4L/vg 이상으로 설정될 수 있다. 펄스 주기가 커지면 측정 시간은 더욱 길어지는 차이만 있다. 즉, 광섬유 내에서 발생하는 브릴루앙 산란광은 주기의 차이로 인한 미세한 차이(예컨대, 형태의 상이함)만 있을 뿐, 주기 별로 발생하는 브릴루앙 산란광의 원인 및 상기 브릴루앙 산란광을 분석하는 과정은 동일하다. 이 경우, 측정 시간은 펌프 광신호의 주기가 4L/vg일 때 가장 최소가 된다. In addition, in some embodiments, the period of the pump optical signal may be set to 4 L / vg or more. The difference is that the longer the pulse period, the longer the measurement time. That is, the Brillouin scattered light generated in the optical fiber has only a slight difference (for example, different shape) due to a difference in period, the cause of the Brillouin scattered light generated by each period, and the process of analyzing the Brillouin scattered light is the same Do. In this case, the measurement time is minimum when the period of the pump optical signal is 4 L / vg.

도 9는, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 펌프(pump) 광신호와 프로브(probe) 광신호의 상호 작용으로 인한 프로브 광신호의 증폭 과정을 설명하기 위한, 센서에서 측정되는 신호의 형태를 개략적으로 나타낸 도면이다. 9 is a form of a signal measured by a sensor for explaining a process of amplifying a probe optical signal due to an interaction between a pump optical signal and a probe optical signal according to a second embodiment of the present invention It is a diagram schematically showing.

제2 실시예에서, 펌프 광신호의 주기(TPump2)는, 펌프 펄스 광신호가 입사단으로 입사되는 순간부터, 펌프 펄스 광신호가 타 단에서 반사되어 입사단으로 빠져나가는데 걸리는 시간으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 광신호의 속도(vg)로 시험 광섬유 길이(L)를 지나는 시간(L/vg)의 2배(2L/vg)로 설정될 수 있다. In the second embodiment, the period of the pump optical signal (T Pump2 ) may be set as the time it takes for the pump pulse optical signal to be reflected from the other end and exit to the incident end from the moment the pump pulse optical signal is incident to the incident end. . For example, the speed (vg) of the optical signal may be set to 2 times (2 L / vg) of the time ( L / vg) passing the test optical fiber length ( L ).

이러한 주기를 갖는 펌프 광신호가 시험 광섬유(30)에 입사되는 경우, 제1 상황에서 증폭된 프로브 광신호가 반사되어 다시 되돌아 나오는 도중에 새로 입사된 다음 펌프 광신호에 의해 추가로 증폭될 수 있다. 즉, 펌프 광신호의 주기당 시험 광섬유(30) 내에 한 개의 펌프 광신호가 항상 존재하여, 이미 브릴루앙 산란에 의해 증폭된 프로브 광신호가 다른 펌프 광신호에 의해 추가로 증폭된다. 이러한 주기(TPump2)를 갖는 펌프 광신호가 시험 광섬유(30)에 입사되는 경우, 시간 영역에서 검출되는 신호의 형태는 도 9와 같이 나타난다. 펌프 광신호가 최초로 입사하고 반사되기까지는 도 8과 같이 제1 상황의 상호 작용에 의한 브릴루앙 산란이 발생하나, 펌프 광신호가 주기(TPump2)로 계속 입사되는 경우 도 8과 상이한 브릴루앙 산란이 발생한다. When the pump optical signal having such a period is incident on the test optical fiber 30, the probe optical signal amplified in the first situation may be reflected and newly amplified by the next pump optical signal. That is, there is always one pump optical signal in the test optical fiber 30 per cycle of the pump optical signal, and the probe optical signal already amplified by Brillouin scattering is further amplified by the other pump optical signal. When a pump optical signal having such a period (T Pump2 ) is incident on the test optical fiber 30, the form of the signal detected in the time domain is shown in FIG. Until the pump light signal is incident and reflected for the first time, Brillouin scattering occurs due to the interaction of the first situation as shown in FIG. 8, but when the pump light signal continues to be incident at a period (T Pump2 ), Brillouin scattering different from FIG. 8 occurs. do.

구체적으로, 반사되어 되돌아오는 펌프 광신호에 의해 증폭된 프로브 광신호는 새롭게 입사된 다음 펌프 광신호에 의해 또다시 증폭된다. 즉, 제2 상황에서 발생한 브릴루앙 산란에 제1 상황에서 다시 한번 브릴루앙 산란이 적용된다. 따라서, 도 9에 도시된 바와 같이, 한 주기(TPump2) 동안 검출되는 브릴루앙 산란광은 제1 상황 및 제2 상황에서 형성된 상관점에서의 브릴루앙 이득 정보를 모두 가지고 있게 된다. Specifically, the probe optical signal amplified by the reflected and returned pump optical signal is newly incident and then amplified again by the pump optical signal. That is, the Brillouin scattering is applied once again in the first situation to the Brillouin scattering occurring in the second situation. Therefore, as illustrated in FIG. 9, the Brillouin scattered light detected during one cycle T Pump2 has both Brillouin gain information at a correlation point formed in the first situation and the second situation.

프로브 광의 증폭 정도는 입사단으로부터 멀어질수록 줄어든다. 브릴루앙 이득은 펌프 광신호의 세기에 비례하는데, 입사된 펌프 광신호의 세기가 광섬유를 진행하면서 광섬유 손실에 의해 줄어들기 때문에, 결국 입사단으로부터 먼 곳에서 발생하는 브릴루앙 이득이 줄어든다.The degree of amplification of the probe light decreases as it moves away from the incident end. The Brillouin gain is proportional to the intensity of the pump optical signal. Since the intensity of the incident pump optical signal decreases due to the loss of the optical fiber as it progresses through the optical fiber, the Brillouin gain occurring far away from the incident end is reduced.

또한, 제2 실시예에서 시험 광섬유(30)는 낮은 반사율을 가진 반사단을 갖도록 더 구성될 수 있다. 예를 들어, 반사율은 약 4% 미만, 또는 20% 미만일 수 있다. 그러나, 이에 제한되진 않으며 제2 실시예의 시험 광섬유(30)는 반사된 신호의 세기가 입사된 신호의 세기와 상당한 차이를 발생시켜, 반사 전후의 신호 세기를 비교 시 반사 후의 신호가 무시될 정도의, 다양한 반사율을 가질 수 있다.Further, in the second embodiment, the test optical fiber 30 may be further configured to have a reflective end having a low reflectance. For example, the reflectance can be less than about 4%, or less than 20%. However, the present invention is not limited thereto, and the test optical fiber 30 of the second embodiment generates a significant difference from the intensity of the reflected signal, so that the signal after reflection is neglected when comparing the signal strength before and after reflection. , It can have a variety of reflectance.

이와 같이 시험 광섬유(30)의 반사단을 매우 낮게 설정하면 반사되어 돌아오는 펌프 광신호에 의해 발생하는 브릴루앙 산란광의 세기는 매우 작아진다. 브릴루앙 산란광의 세기는 펌프 광신호의 세기에 비례하는데, 낮은 반사율에 의해 반사된 펌프 광신호의 세기는 작아지기 때문이다. 따라서, TPump2 동안 검출되는 브릴루앙 산란광이 제1 상황 및 제2 상황에서 발생한 브릴루앙 이득 정보를 모두 포함하고 있어도, 반사되어 돌아오는 펌프 펄스에 의해 발생한 브릴루앙 이득은 무시할 수 있다. 이로 인해, 입사된 펌프 광신호에 의해 형성된 상관점에서 발생하는 브릴루앙 이득 정보만이 증폭된 프로브 광신호에 실질적으로 포함되고, 이를 분할 분석하면 제1 상황에서 형성된 복수의 상관점에서의 브릴루앙 이득 정보를 각각 분석할 수 있게 된다. When the reflective end of the test optical fiber 30 is set very low as described above, the intensity of the Brillouin scattered light generated by the pump optical signal reflected and returned becomes very small. The intensity of the Brillouin scattered light is proportional to the intensity of the pump light signal, because the intensity of the pump light signal reflected by the low reflectance becomes small. Therefore, even if the Brillouin scattered light detected during T Pump2 includes both Brillouin gain information generated in the first situation and the second situation, the Brillouin gain generated by the reflected return pump pulse can be ignored. Due to this, only the Brillouin gain information generated at the correlation point formed by the incident pump optical signal is substantially included in the amplified probe optical signal, and when this is analyzed, Brillouin at a plurality of correlation points formed in the first situation Each gain information can be analyzed.

또한, 일부 실시예에서, 상기 펌프 광신호의 주기는 2L/vg 이상으로 설정될 수 있다. 펄스 주기가 커지면 측정 시간은 더욱 길어지는 차이만 있다. 즉, 광섬유 내에서 발생하는 브릴루앙 산란광은 주기의 차이로 인한 형태의 상이함만 있을 뿐, 주기 별로 발생하는 브릴루앙 산란광의 원인 및 상기 브릴루앙 산란광을 분석하는 과정은 동일하다. 이 경우, 측정 시간은 펌프 광신호의 주기가 2L/vg일 때 가장 최소가 된다.In addition, in some embodiments, the period of the pump optical signal may be set to 2 L / vg or more. The difference is that the longer the pulse period, the longer the measurement time. That is, the Brillouin scattered light generated in the optical fiber is only different in form due to a difference in period, and the process of analyzing the cause of the Brillouin scattered light generated by each period and the Brillouin scattered light is the same. In this case, the measurement time is minimum when the period of the pump optical signal is 2 L / vg.

도 8 및 도 9를 참조하면, 제2 실시예에서 펌프 광신호가 입사되는 주기가 제1 실시예에 비해 더 짧아지고, 측정 사이클 시간이 짧아진다. 결국 제2 실시예는 제1 실시예에 비해 전체 측정 시간도 짧아진다.8 and 9, in the second embodiment, the period in which the pump optical signal is incident is shorter than in the first embodiment, and the measurement cycle time is shortened. As a result, the total measurement time of the second embodiment is shorter than that of the first embodiment.

도 10은 일 실시예에 따른 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법의 순서도이다. 10 is a flowchart of a sensing method using Brillouin scattering according to an embodiment.

도 10를 참조하면, 먼저 변조 주파수 fm을 갖는 변조 신호에 의해 변조된 레이저 광을 생성할 수 있다(S1). 다음으로, 레이저 광의 주파수를 미리 결정된 오프셋 주파수만큼 이동시켜 프로브 광신호를 생성할 수 있다(S2). 또한, 레이저 광을 상기 변조 주파수에 기초하여 결정되는 시간 폭을 갖도록 게이팅하여 펄스 신호 형태의 펌프 광신호를 생성할 수 있다(S3). 이때, 다수의 상관점에서 각각 일어나는 브릴루랑 산란에 의한 프로브광의 증폭을 개별적으로 분석하기 위해서 펌프 광신호의 펄스의 폭은 변조 주파수 fm을 갖는 사인 형태의 변조 신호의 한 주기와 동일하게 결정될 수 있다.Referring to FIG. 10, first, laser light modulated by a modulated signal having a modulation frequency f m may be generated (S1). Next, the probe optical signal may be generated by moving the frequency of the laser light by a predetermined offset frequency (S2). Further, the laser light may be gated to have a time width determined based on the modulation frequency to generate a pump signal in the form of a pulse signal (S3). At this time, in order to individually analyze the amplification of the probe light by the Brillouin scattering that occurs at multiple correlation points, the width of the pulse of the pump optical signal can be determined to be the same as one period of the sine-shaped modulated signal having the modulation frequency f m . have.

다음으로, 생성된 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호를 시험 광섬유의 일 단에 인가할 수 있다(S4). 시험 광섬유에서는 반대로 진행하는 펌프 광신호의 펄스와 연속적인 프로브 광신호의 상호 작용으로 인하여 프로브 광신호의 증폭이 일어난다. 예를 들어, 시험 광섬유(30)의 일 단에 입사된 펌프 광신호가 시험 광섬유(30)의 타 단으로 진행하는 상황에서 브릴루앙 산란이 발생할 수 있다. 또한, 시험 광섬유(30)의 타 단에서 반사된 펌프 광신호가 시험 광섬유(30)의 일 단으로 진행하는 상황에서 브릴루앙 산란이 발생할 수 있다. Next, the generated pump optical signal and the probe optical signal may be applied to one end of the test optical fiber (S4). In the test optical fiber, amplification of the probe optical signal occurs due to the interaction of the pulse of the pump optical signal proceeding in reverse and the continuous probe optical signal. For example, Brillouin scattering may occur in a situation in which a pump optical signal incident on one end of the test optical fiber 30 proceeds to the other end of the test optical fiber 30. In addition, Brillouin scattering may occur in a situation in which the pump optical signal reflected from the other end of the test optical fiber 30 proceeds to one end of the test optical fiber 30.

그 후, 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호에 의해 시험 광섬유에서 발생하는 브릴루앙 산란광을 검출하고(S5), 검출한 브릴루앙 산란광을 시간영역에서 분절함으로써 시험 광섬유상의 복수 개의 상관점에서의 브릴루앙 이득을 산출할 수 있다(S6). Then, by detecting the Brillouin scattered light generated in the test optical fiber by the pump optical signal and the probe optical signal (S5), and segmenting the detected Brillouin scattered light in a time domain, Brill at a plurality of correlation points on the test optical fiber The Luang gain can be calculated (S6).

단계(S5)에서 검출되는 브릴루앙 산란광은 펌프 광신호의 주기에 따라 상이한 브릴루앙 산란광일 수 있다. The Brillouin scattered light detected in step S5 may be a different Brillouin scattered light according to the period of the pump optical signal.

일 실시예에서, 단계(S3)에서, 펌프 펄스 광신호가 입사단으로 입사되는 순간부터, 펌프 펄스 광신호가 타 단에서 반사되어 입사단으로 빠져나가고, 이 때 새롭게 입사된 연속 프로브 광신호가 타 단에서 반사되어 입사단으로 모두 빠져나가는데 걸리는 시간을 주기로 갖는 펌프 광신호를 생성할 수 있다. 이 경우, 도 8을 참조하여 전술한 바와 같이, 펌프 광신호의 반 주기 동안 발생하는 브릴루앙 산란은 입사된 펌프 광신호가 상기 타 단까지 진행하는 동안 발생하는 브릴루앙 산란 또는 상기 타 단에서 반사된 펌프 광신호가 상기 일 단까지 진행하는 동안 발생하는 브릴루앙 산란을 포함할 수 있다. In one embodiment, in step S3, from the moment the pump pulse optical signal is incident to the incident end, the pump pulse optical signal is reflected from the other end and exits to the incident end, where the newly incident continuous probe optical signal is from the other end. It can be reflected to generate a pump light signal having a period of time it takes for all to escape to the incident end. In this case, as described above with reference to FIG. 8, the Brillouin scattering occurring during the half cycle of the pump optical signal is reflected by the Brillouin scattering or the other stage occurring while the incident pump optical signal proceeds to the other stage. It may include a Brillouin scattering that occurs while the pump optical signal proceeds to the end.

상기 실시예에서, 프로브 광신호가 증폭되기 시작한 순간부터 1/2 TPump1 사이의 브릴루앙 산란광만을 검출하고(S5), 검출된 브릴루앙 산란광을 프로브 광 신호의 주기로 분할하여 분석하면, 제 1 상황에서만 형성된 복수의 상관점에서의 브릴루앙 이득 정보를 분석할 수 있다(S6).In the above embodiment, only the Brillouin scattered light between 1/2 T Pump1 is detected from the moment the probe light signal starts to be amplified (S5), and the detected Brillouin scattered light is divided and analyzed by the period of the probe light signal, and only in the first situation Brillouin gain information at a plurality of formed correlation points may be analyzed (S6).

다른 일 실시예에서, 단계(S3)에서, 펌프 펄스 광신호가 입사단으로 입사되는 순간부터, 펌프 펄스 광신호가 타 단에서 반사되어 입사단으로 빠져 나가는데 걸리는 시간을 주기로 갖는 펌프 광신호를 생성할 수 있다. 이 경우, 도 9를 참조하여 전술한 바와 같이, 상기 펌프 광신호의 한 주기 동안 발생하는 브릴루앙 산란은 입사된 펌프 광신호가 상기 타 단까지 진행하는 동안 발생하는 브릴루앙 산란 및 상기 타 단에서 반사된 펌프 광신호가 상기 일 단까지 진행하는 동안 발생하는 브릴루앙 산란을 포함할 수 있다.In another embodiment, in step (S3), from the moment the pump pulse optical signal is incident to the incidence end, the pump pulse optical signal is reflected from the other end to generate a pump optical signal having a period of time it takes to exit to the incidence end have. In this case, as described above with reference to FIG. 9, the Brillouin scattering that occurs during one cycle of the pump optical signal is reflected by the Brillouin scattering and the other stage that occurs while the incident pump optical signal proceeds to the other stage. It may include the Brillouin scattering that occurs while the pumped optical signal proceeds to the end.

상기 실시예에서, 시험 광섬유(30)의 반사율이 낮은 경우 반사되는 프로브광에 의한 제2 상황의 브릴루앙 산란광은 무시될 수 있다. 따라서, 프로브 광신호가 증폭되기 시작한 순간부터 TPump2 사이의 브릴루앙 산란광을 검출하고(S5), 검출된 브릴루앙 산란광을 프로브 광신호의 주기로 분할하여 분석하면, 제1 상황에서만 형성된 복수의 상관점에서의 브릴루앙 이득 정보를 분석할 수 있다(S6). In the above embodiment, when the reflectance of the test optical fiber 30 is low, the Brillouin scattered light in the second situation due to the reflected probe light can be neglected. Accordingly, when the probe optical signal is amplified, the Brillouin scattered light between T Pump2 is detected (S5), and the detected Brillouin scattered light is divided and analyzed by the period of the probe optical signal, and at multiple correlation points formed only in the first situation Brillouin gain information of can be analyzed (S6).

브릴루앙 이득이 최대가 되는 브릴루앙 주파수는 광섬유가 겪는 온도와 응력에 따라 선형적으로 변하는 특성을 갖고 있으므로, 시험 광섬유 상의 복수 개의 상관점에서의 브릴루앙 이득을 산출함으로써 해당 지점의 물리적인 특성 변화를 측정할 수 있다. 또한, 이상의 과정을 변조 주파수 fm을 조금씩 변경하여 상관점들의 위치를 조금씩 움직여 가면서 반복함으로써, 시험 광섬유의 전 범위를 측정할 수 있다(S7). Since the Brillouin frequency at which the Brillouin gain becomes the maximum has a characteristic that changes linearly with temperature and stress experienced by the optical fiber, the physical characteristic change at the corresponding point by calculating the Brillouin gain at a plurality of correlation points on the test optical fiber Can be measured. In addition, the entire process of the test optical fiber can be measured by repeating the above process by gradually changing the modulation frequency f m by gradually moving the positions of the correlation points (S7).

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.The present invention described above has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but this is only exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and modifications of the embodiments are possible therefrom. However, it should be considered that such modifications are within the technical protection scope of the present invention. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

Claims (18)

광섬유의 브릴루앙 산란을 이용하는 센서로서,
변조 주파수를 이용하여 레이저 광을 생성하는 광원부;
상기 광원부에 의해 출력된 광을 분배하여, 펌프 광신호 및 상기 펌프 광신호의 주파수와 상이한 주파수를 갖는 프로브 광신호를 생성하는 광변조부;
상기 광변조부에 광학적으로 연결되어 상기 펌프 광신호 또는 상기 프로브 광신호가 입사되는 일 단과, 상기 펌프 광신호 또는 상기 프로브 광신호가 반사되는 타 단으로 구성된 시험 광섬유;
상기 시험 광섬유의 일 단에 광학적으로 연결되어, 상기 시험 광섬유 내에서 상기 프로브 광신호와 펌프 광신호가 서로 반대 방향으로 전파되어 복수 개의 상관점에서 발생한 브릴루앙 산란 광신호를 검출하는 광검출부; 및
검출된 광신호로부터 상기 복수 개의 상관점에서의 브릴루앙 주파수의 변화를 산출하는 연산부를 포함하는 센서.
As a sensor that uses Brillouin scattering of optical fibers,
A light source unit that generates laser light using a modulation frequency;
An optical modulator for distributing the light output by the light source unit to generate a pump optical signal and a probe optical signal having a frequency different from the frequency of the pump optical signal;
A test optical fiber configured to be optically connected to the optical modulator and configured to have one end to which the pump optical signal or the probe optical signal is incident, and the other end to which the pump optical signal or the probe optical signal is reflected;
An optical detection unit optically connected to one end of the test optical fiber to detect the Brillouin scattering optical signal generated at a plurality of correlation points by propagating the probe optical signal and the pump optical signal in opposite directions within the test optical fiber; And
A sensor including a calculation unit for calculating a change in the Brillouin frequency at the plurality of correlation points from the detected optical signal.
제 1항에 있어서,
상기 펌프 광신호는 상기 변조 주파수의 역수와 동일한 시간 폭을 가진 펄스 신호이고, 상기 프로브 광신호는 연속된 신호인 것을 특징으로 하는 센서.
According to claim 1,
The pump optical signal is a pulse signal having a time width equal to the reciprocal of the modulation frequency, and the probe optical signal is a sensor characterized in that the continuous signal.
제1항에 있어서,
상기 광원부는, 상기 변조 주파수를 갖는 변조 신호를 생성하는 제1 파형 발생기를 포함하는 센서.
According to claim 1,
The light source unit, a sensor including a first waveform generator for generating a modulated signal having the modulation frequency.
제1항에 있어서, 상기 광변조부는,
상기 광의 주파수를 미리 결정된 오프셋 주파수만큼 이동시켜 상기 프로브 광신호를 생성하도록 구성된 제1 변조기;
상기 변조 신호와 동기화된 게이팅 신호를 발생시키는 제2 파형 발생기; 및
상기 게이팅 신호를 이용하여 펄스 형태의 펌프 광신호를 생성하는 제2 변조기;를 포함하는 센서.
According to claim 1, wherein the light modulator,
A first modulator configured to move the frequency of the light by a predetermined offset frequency to generate the probe optical signal;
A second waveform generator that generates a gating signal synchronized with the modulated signal; And
A sensor comprising a; a second modulator for generating a pulsed pump optical signal using the gating signal.
제1항에 있어서, 상기 광변조부는,
광신호의 속도(vg)로 상기 시험 광섬유 길이(L)를 지나는 시간(L/vg)의 4배(4L/vg) 이상을 주기로 갖는 펌프 광신호를 생성하도록 더 구성되는 것을 특징으로 하는 센서.
According to claim 1, wherein the light modulator,
A sensor characterized in that it is further configured to generate a pump optical signal having a period of at least 4 times (4 L / vg) of the time ( L / vg) passing the test optical fiber length ( L ) at the speed (vg) of the optical signal. .
제5항에 있어서,
상기 시험 광섬유에서 반사가 이루어지는 타 단은 80% 이상의 반사율을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서.
The method of claim 5,
The other end of the reflection in the test optical fiber is characterized in that the sensor is configured to have a reflectivity of 80% or more.
제1항에 있어서, 상기 광변조부는,
광신호의 속도(vg)로 상기 시험 광섬유 길이(L)를 지나는 시간(L/vg)의 2배(2L/vg) 이상을 주기로 갖는 펌프 광신호를 생성하도록 더 구성되는 것을 특징으로 하는 센서.According to claim 1, wherein the light modulator,
A sensor characterized in that it is further configured to generate a pump optical signal having a cycle (2 L / vg) of twice or more the time ( L / vg) that passes the test optical fiber length ( L ) at a speed (vg) of the optical signal. . 제7항에 있어서,
상기 시험 광섬유에서 반사가 이루어지는 타 단은 20% 미만의 반사율을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서.
The method of claim 7,
The other end of the reflection in the test optical fiber is characterized in that the sensor is configured to have a reflectance of less than 20%.
제1항에 있어서, 상기 연산부는,
상기 검출된 광신호를 상기 프로브 광신호의 한 주기씩 분절하여 각 상관점에서의 브릴루앙 이득을 산출하도록 더 구성되는 것을 특징으로 하는 센서.
The method of claim 1, wherein the calculation unit,
The sensor is further configured to calculate the Brillouin gain at each correlation point by segmenting the detected optical signal by one period of the probe optical signal.
브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법으로서,
변조 주파수를 갖는 변조 신호에 의해 변조된 레이저 광을 생성하는 단계;
상기 레이저 광의 주파수를 미리 결정된 오프셋 주파수만큼 이동시켜 프로브 광신호를 생성하는 단계;
상기 레이저 광을 상기 변조 주파수에 기초하여 결정되는 시간 폭을 갖도록 게이팅하여 펄스 신호인 펌프 광신호를 생성하는 단계; 및
시험 광섬유에 위치하는 복수 개의 상관점에서 상기 펌프 광신호 및 상기 프로브 광신호에 의해 생성되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계로서, 상기 시험 광섬유의 일 단에서는 상기 펌프 광신호 또는 프로브 광신호가 입사되고, 타 단에서는 입사된 광신호가 반사되는, 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계를 포함하는 센싱 방법.
As a sensing method using Brillouin scattering,
Generating laser light modulated by a modulated signal having a modulation frequency;
Generating a probe optical signal by moving the frequency of the laser light by a predetermined offset frequency;
Gating the laser light to have a time width determined based on the modulation frequency to generate a pump signal, which is a pulse signal; And
A step of detecting the Brillouin scattered light generated by the pump optical signal and the probe optical signal at a plurality of correlation points located in the test optical fiber, wherein the pump optical signal or the probe optical signal is incident at one end of the test optical fiber, Sensing method comprising the step of detecting the Brillouin scattered light, the other light is reflected at the other end.
제10항에 있어서, 상기 펌프 광신호는,
상기 펌프 광신호는 상기 변조 주파수의 역수와 동일한 시간 폭을 가진 펄스 신호이고, 상기 프로브 광신호는 연속된 신호인 것을 특징으로 하는 센싱 방법.
11. The method of claim 10, The pump optical signal,
The pump optical signal is a pulse signal having a time width equal to the reciprocal of the modulation frequency, and the probe optical signal is a continuous sensing method.
제10항에 있어서, 상기 펌프 광신호를 생성하는 단계는,
광신호의 속도(vg)로 시험 광섬유 길이(L)를 지나는 시간(L/vg)의 4배(4L/vg) 이상을 주기로 갖는 펌프 광신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱 방법.
The method of claim 10, wherein the step of generating the pump optical signal,
Sensing, characterized in that it comprises the step of generating a pump optical signal having a period of at least four times (4 L / vg) of the time ( L / vg) passing the test optical fiber length ( L ) at the speed (vg) of the optical signal. Way.
제12항에 있어서, 상기 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계는,
펌프 광신호가 입사되어 프로브광이 증폭되기 시작한 순간부터 펌프 광신호의 반주기 사이에서 발생한 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계를 포함하는 것 특징으로 하는 센싱 방법.
The method of claim 12, wherein detecting the Brillouin scattered light,
And detecting a Brillouin scattered light generated between a half cycle of the pump optical signal from the moment when the pump optical signal is incident and the probe light starts to be amplified.
제10항에 있어서, 상기 펌프 광신호를 생성하는 단계는,
광신호의 속도(vg)로 시험 광섬유 길이(L)를 지나는 시간(L/vg)의 2배(2L/vg) 이상을 주기로 갖는 펌프 광신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱 방법.
The method of claim 10, wherein the step of generating the pump optical signal,
Sensing, characterized in that it comprises the step of generating a pump optical signal having a cycle (2 L / vg) more than twice the time ( L / vg) passing the test optical fiber length ( L ) at the speed (vg) of the optical signal Way.
제14항에 있어서, 상기 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계는,
펌프 광신호가 입사되어 프로브광이 증폭되기 시작한 순간부터 펌프 광신호의 한주기 사이에서 발생한 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱 방법.
The method of claim 14, wherein detecting the Brillouin scattered light,
And detecting the Brillouin scattered light generated between one cycle of the pump optical signal from the moment the probe light signal is incident and the probe light starts to be amplified.
제10항에 있어서,
상기 펌프 광신호를 생성하는 단계는,
상기 변조 신호와 동기화된 게이팅 신호를 발생시키는 단계; 및
상기 게이팅 신호를 이용하여 상기 레이저 광을 게이팅 변조하는 단계를 포함하는 센싱 방법.
The method of claim 10,
Generating the optical signal of the pump,
Generating a gating signal synchronized with the modulated signal; And
And gating and modulating the laser light using the gating signal.
제10항에 있어서,
검출된 브릴루앙 산란광을 상기 프로브 광신호의 주기로 분절하여 각 상관점에서의 브릴루앙 이득을 산출하는 단계를 더 포함하는 센싱 방법.
The method of claim 10,
A sensing method further comprising calculating the Brillouin gain at each correlation point by segmenting the detected Brillouin scattered light into periods of the probe optical signal.
제17항에 있어서,
상기 브릴루앙 이득에 기초하여 상기 복수 개의 상관점 각각에서의 브릴루앙 주파수를 산출하는 단계를 더 포함하는 센싱 방법.The method of claim 17,
And calculating a Brillouin frequency at each of the plurality of correlation points based on the Brillouin gain.
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