KR20210024830A - 분포형 음향 센서에서 진동 신호 추출을 위한 위상 검출기 및 위상 검출 방법 - Google Patents

분포형 음향 센서에서 진동 신호 추출을 위한 위상 검출기 및 위상 검출 방법 Download PDF

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Abstract

C-OTDR(Coherent optical time domain reflectometry) 기반의 분포형 음향 센서에서 외부 진동 신호를 추출하는 데 있어서, 별도의 광 소자 추가, 위상 래핑 및 스펙트럼 왜곡 없이, 간단한 신호 처리 과정을 통해 위상을 검출할 수 있는 위상 검출기 및 위상 검출 방법이 개시된다. 일 실시예에 따른 위상 검출기는, 광 섬유로 입사되어 후방 산란된 광 신호의 In-phase 성분과 Quadrature-phase 성분을 수신하는 수신부; 상기 In-phase 성분 및 상기 Quadrature-phase 성분의 포락선을 검출하는 제 1 검출부; 상기 In-phase 성분 및 상기 Quadrature-phase 성분의 미분을 통해 위상 변화량에 비례하는 신호를 검출하는 제 2 검출부; 및 상기 포락선과 상기 위상 변화에 비례하는 신호를 이용하여 위상 변화량을 산출하는 산출부를 포함한다.

Description

분포형 음향 센서에서 진동 신호 추출을 위한 위상 검출기 및 위상 검출 방법{Phase Detector and Phase Detection Method for Extracting Vibration Signal in Distributed Acoustic Sensors}
본 발명은 분포형 음향 센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 분포형 음향 센서에서 진동 신호 추출을 위한 위상 검출기 및 위상 검출 방법에 관한 것이다.
광 섬유는 외부 환경 변화에 대해 고유 특성의 변화가 민감하므로 여러 가지 물리 변수에 대한 센서로서 활용될 수 있다. 또한, 그 특성상 긴 길이를 이용하여 구조물 내부에 밀도 있게 포설하고 광 섬유 외부의 진동 신호를 분석할 수 있어 분포형 계측에 유리한 장점을 가지고 있으며, 교량, 터널, 건물과 같은 시설의 실시간 감시용으로 사용될 수 있다. 광 섬유을 이용한 센서들은 검출되는 신호의 산란 종류에 따라 나뉜다. 브릴루앙 산란(Brillouin backscattering), 라만 산란(Raman backscattering), 레일리 후방산란(Rayleigh backscattering) 등이 있다. 이 중에서 레일리 후방산란을 이용한 광 섬유을 이용한 센서는, 광 섬유에 광을 입사시킴으로써 발생하는 레일리 후방산란을 이용하여 당해 광 섬유의 선로 특성(광 섬유의 손실이나 파단점의 위치 등)이나 당해 광 섬유의 길이 방향에 대한 변형의 분포를 측정한다. 이러한 광 섬유을 이용한 센서를 일반적으로 분포형 음향 센서(DAS: Distributed acoustic senor)라 한다. 분포형 음향 센서(DAS)는 광 신호 검출 방식에 따라 코히어런트 광검출 (coherent detection) 방법을 이용하는 C-OTDR(Coherent optical time domain reflectometry) 기법과 직접 검출(direct detection) 방법을 이용하는 Φ-OTDR(Phase sensitive optical time domain reflectometry) 방법으로 나누어진다.
도 1은 통상적인 분포형 음향 센서의 구성을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 통상적인 분포형 음향 센서는, 광원부(111), 변조기(112), 증폭기(113), 필터(114), 광 순환기(Circulator)(115), 광 섬유(116), 광 검출기(117) 및 신호 처리부(118)를 포함한다.
상기 광원부(111)는 고 간섭성을 갖는 광을 생성한다. 상기 광원부(111)는 주로 선폭이 좁은 외부 공진기 다이오드 레이저(ECL: External Cavity Laser)가 사용될 수 있다. 상기 광원부(111)에서 출력되는 광은 상기 변조기(112)와 상기 광 검출기(117)로 분배된다. 상기 변조기(112)는, 상기 광원부(111)에서 출력되는 광을 펄스 광으로 변조한다. 이러한 펄스 형태의 광은 펄스 폭에 따른 거리 분해능을 가지기 때문에 전체 구간 중 특정 위치에서의 물리량 값을 측정하는 분포 센서에 적합하다.
상기 증폭기(113)는, 상기 변조기(112)에서 변조된 펄스 광을 증폭한다. 즉, 상기 변조기(112)를 거쳐 출력되는 펄스 광의 경우, 광 강도가 미약하기 때문에 상기 증폭기(113)를 통해 펄스 광을 증폭시켜 주어 측정을 용이하게 한다. 상기 증폭기(113)는 EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)를 사용하는 것이 바람직한데, EDFA는 반도체 레이저 증폭기에 비하여 이득이 크고, 고속 신호 전송에도 열화되지 않으며, 잡음 지수가 적다는 장점이 있다.
상기 필터(114)는, 상기 증폭기(113)에서 증폭된 펄스 광의 노이즈를 제거한다. 상기 광 순환기(Circulator)(115)는, 상기 필터(114)를 통해 노이즈가 제거된 펄스 광을 광 섬유(116)로 입사시키는 한편, 광 섬유(116)에서 산란되어 되돌아오는 광 신호를 광 검출기(117)로 전달한다. 상기 광 순환기(115)에서 상기 광 섬유(116)로 입사된 펄스 광이 해당 광 섬유(116)를 진행할 때 해당 광 섬유(116) 고유의 불균일 특성으로 인해 산란이 발생한다. 이 중 후방 산란되는 성분들이 상기 광 순환기(115)를 거쳐 광 검출기(117)에 도달하여 간섭이 발생한다. 광 섬유(116)의 온도가 일정하고 외부 진동이 없는 환경에서 간섭 패턴은 일정하지만 온도가 변하거나 외부에서 진동이 발생하면 광 섬유(116)의 굴절률이 달라지면서 후방 산란되는 광 신호의 세기와 위상이 변조되고, 이에 따라 광 검출기(117)에서 검출되는 간섭 신호가 시간에 따라 변화하게 된다. 신호 처리부(118)는 광 검출기(117)에서 검출되는 간섭 신호의 변화를 분석하여 광 섬유(116)에서 진동이 발생한 위치를 계산할 수 있다. 광 섬유(116)의 외부에서 발생한 진동은 광 섬유(116) 내를 진행하는 광의 세기와 위상을 선형적으로 변화시키는데 이를 왜곡 없이 검출하기 위한 기술들이 활발히 연구 중이다. 대표적으로 진폭 검출(Amplitude detection)과 위상 검출(Phase detection)을 들 수 있다.
진폭 검출 방식은 외부 진동 위상의 변화에 따라 검출되는 신호의 세기 차이를 이용하여 진동원의 위치 및 진동수를 추출한다. 이러한 방법은 비교적 구현이 간단하다. 하지만 진동수를 추출하는 과정에서 외부 진동수의 정수배들도 같이 검출되기 때문에 스펙트럼 왜곡이 발생하여 고유 진동수 판별이 어렵다. 따라서 다수의 진동원에 대한 구분이 어렵다. 진폭 검출(Amplitude detection)을 통한 신호를 다음과 같이 표현할 수 있다.
I=A+Bcos(φ0+φ(t))
여기서 φ0는 초기 위상, φ(t)는 외부 진동이고, φ(t)=Ccos(wt)(w: 각 진동수)를 갖는 진동이라 할 때, I=D0+D1cos(wt)+D2cos(2wt)+D3cos(3wt)...로 정리할 수 있다(A, B, C는: 상수, D0,1,2, 3는 bessel 상수). 이와 같이 외부 진동수의 정수배들도 같이 검출된다.
또한, 진폭 검출 방식의 경우, 온도 노이즈(thermal noise)와 샷 노이즈(shot noise) 등이 진폭에 영향을 미치기 때문에, 진폭 검출 방식은 위상 검출 방식에 비해 신호 대 잡음 비(Signal to Noise Ratio)가 감소한다. 따라서 왜곡 없이 진동 신호를 검출하고 신호 대 잡음 비를 향상시키기 위해 위상 검출 방식이 효과적이다.
위상 검출 방식은 진동원의 고유 위상을 검출할 수 있다. 스펙트럼 왜곡을 없앨 수 있지만 구현 방법의 난이도가 상대적으로 높다. 위상 검출 방식에서는 위상 복원 과정이 필수적이다. 보편적인 위상 복원 과정을 도 2를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 OTDR 기반의 분포 음향 센서의 광 검출기 및 신호 처리부의 상세 구성도로서, 분포 음향 센서의 광 검출기(117)는 위상 다이버시티 코히런트 리시버(phase-diversity coherent receiver)라는 광 소자를 이용하거나, 듀얼 쿼더러쳐 복조기(Dual Quadrature Demodulator)라는 별도의 전자회로소자를 이용하여, 광 신호를 서로 수직인 P 편광과 S 편광으로 분리한 후 각각 In-phse 성분(이하, I 성분이라 함)과 Quadrature-phase 성분(이하, Q 성분이라 함)을 출력한다. 복소 신호 생성기(Complex Signal Generator)(201)는 광 검출기(117)에서 출력된 I 성분과 Q 성분이 결합된 신호를 생성한다. 즉, 복소 신호 생성기(201)는, Q 성분들에 복소수를 취한 후 같은 편광 성분을 갖는 I 성분들을 결합하여 P 성분과 S 성분에 대한 전기장(electric field) 값을 출력한다. 편파 다이버시티기(polarization diversifier)(202)는 Maximal ration combiner 기법을 이용하여 복소 신호 생성기(201)에서 출력되는 P 성분과 S 성분이 합쳐진 전기장 값을 추출한 후 그 전기장 값에서 I 성분(EI)과 Q 성분(EQ)을 추출하여 출력한다. 위상 검출기(203)는 편파 다이버시티기(202)에서 출력되는 I 성분(EI)과 Q 성분(EQ)에 대해 arctangent 연산을 취함으로써 광 신호의 위상을 복원한다.
즉, 광 신호를 E=Es(t)exp(φ0+φ(t))라 하면(여기서 φ0는 초기 위상, φ(t)는 외부 진동), In-phase 성분 신호는 EIn - phase=Es(t)cos(φ0+φ(t))이고, Quadrature 성분 신호는 EQuadrature=Es(t)sin(φ0+φ0(t))으로 표현되고, 따라서 arctangent 연산을 하면 광 신호의 위상 φ(t)=arctan(EQuadrature/EIn-phase)-φ0이다.
이와 같이 위상 검출기(203)에서 arctangent 연산을 취하여 광 신호의 위상을 복원하면, 위상은 -π~π 사이의 값을 갖기 때문에, 필연적으로 π-ambiguity에 의한 위상 래핑(phase wrapping)이 발생한다. 따라서 종래의 위상 검출 방법은 별도의 위상 언래핑(phase unwrapping)이 필요하다. 위상 언래핑 과정은 칼만 필터(kalman filter) 등을 이용해야 하는데 구현 난이도가 상당히 높고, C-OTDR과 같이 수신 신호에 잡음이 클 경우에는 위상 복원시 오류가 많이 발생하는 단점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, C-OTDR(Coherent optical time domain reflectometry) 기반의 분포형 음향 센서에서 외부 진동 신호를 추출하는 데 있어서, 별도의 광 소자 추가, 위상 래핑 및 스펙트럼 왜곡 없이, 간단한 신호 처리 과정을 통해 위상을 검출할 수 있는 위상 검출기 및 위상 검출 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
일 실시예에 따른 위상 검출기는, 광 섬유로 입사되어 후방 산란된 광 신호의 In-phase 성분과 Quadrature-phase 성분을 수신하는 수신부; 상기 In-phase 성분 및 상기 Quadrature-phase 성분의 포락선을 검출하는 제 1 검출부; 상기 In-phase 성분 및 상기 Quadrature-phase 성분의 미분을 통해 위상 변화량에 비례하는 신호를 검출하는 제 2 검출부; 및 상기 포락선과 상기 위상 변화에 비례하는 신호를 이용하여 위상 변화량을 산출하는 산출부를 포함한다.
상기 제 1 검출부는, 하기 수학식1에 의해 상기 포락선을 검출할 수 있다.
(수학식1)
Figure pat00001
여기서 Es(t)는 상기 포락선, EI는 상기 In-phase 성분, EQ는 상기 Quadrature-phase 성분.
상기 제 2 검출부는, 하기 수학식2에 의해 상기 위상 변화량에 비례하는 신호를 검출할 수 있다.
(수학식2)
Figure pat00002
여기서 S(t)는 상기 위상 변화량에 비례하는 신호.
상기 산출부는, 상기 위상 변화량에 비례하는 신호를 상기 포락선의 제곱으로 나눈 값을 상기 위상 변화량으로 결정할 수 있다.
일 실시예에 따른 위상 검출기에서 위상을 검출하는 방법은, 광 섬유로 입사되어 후방 산란된 광 신호의 In-phase 성분과 Quadrature-phase 성분을 수신하는 단계; 상기 In-phase 성분 및 상기 Quadrature-phase 성분의 포락선을 검출하는 단계; 상기 In-phase 성분 및 상기 Quadrature-phase 성분의 미분을 통해 위상 변화량에 비례하는 신호를 검출하는 단계; 및 상기 포락선과 상기 위상 변화에 비례하는 신호를 이용하여 위상 변화량을 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 분포형 음향 센서에서 외부 진동을 탐지하는 데 있어서 수신 신호로부터 위상 랩핑(phase wrapping)과 주파수 특성 왜곡 없이 위상을 직접 추출할 수 있다. 따라서 수신 신호의 잡음 환경이 열악할 경우에도 안정적으로 진동을 탐지할 수 있다. 또한, 신호 대 잡음 비 향상을 통해 탐지 거리를 증가시킬 수 있고, 왜곡 없는 스펙트럼을 검출할 수 있기 때문에 다수의 진동원 분류에 있어서 정확도를 높일 수 있다. 따라서, 본 발명은 넓은 지역을 통합 감시해야 하는 파이프라인, 주요 시설 경계, 교량, 도로 등의 다양한 응용 분야에서 광범위하게 적용될 수 있다.
도 1은 통상적인 분포형 음향 센서의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 OTDR 기반의 분포 음향 센서의 광 검출기 및 신호 처리부의 상세 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 C-OTDR 기반의 분포형 음향 센서의 위상 검출기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 광 섬유에 발생한 외부 진동의 파형의 예를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 위상 검출기에 입력되는 I 성분을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 위상 검출기에 입력되는 Q 성분을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 위상 검출기에서 산출된 위상 변화량을 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 7의 위상 변화량을 적분한 그래프이다.
도 9는 종래의 위상 검출기에서 위상 변화량을 검출한 결과이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 C-OTDR 기반의 분포형 음향 센서의 위상 검출기에서 위상 변화량을 산출하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 C-OTDR 기반의 분포형 음향 센서의 위상 검출기의 구성을 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 위상 검출기는, 수신부(310), 제 1 검출부(320), 제 2 검출부(330) 및 산출부(340)를 포함한다.
수신부(310)는, 광 섬유로 입사되어 후방 산란된 광 신호의 In-phase 성분과 Quadrature-phase 성분을 수신한다. 여기서 I 성분과 Q 성분은 편광 방향에 종속적이지 않은 전기장(Electric Field) 값이다. 이하에서는 In-phase 성분과 Quadrature-phase 성분을 각각 I 성분(EI) 및 Q 성분(EQ)라 한다.
제 1 검출부(320)는 상기 수신부(310)에서 수신된 I 성분(EI) 및 Q 성분(EQ)의 포락선을 검출한다. 바람직하게, 제 1 검출부(320)는 다음 수학식1에 의해 포락선(Es(t))을 검출한다.
(수학식1)
Figure pat00003
제 2 검출부(330)는, 상기 수신부(310)에서 수신된 I 성분(EI) 및 Q 성분(EQ)의 미분을 통해 위상 변화량에 비례하는 신호를 검출한다. 바람직하게, 제 2 검출부(330)는 다음 수학식2에 의해 위상 변화량에 비례하는 신호를 검출한다. 제 2 검출부(330)는 아래 수학식2에 따라, Q 성분(EQ)의 미분값과 I 성분(EI)을 곱한 값에, I 성분(EI)의 미분값과 Q 성분(EQ)을 곱한 값을 빼서, 위상 변화량에 비례하는 신호(S(t))를 검출한다.
(수학식2)
Figure pat00004
산출부(340)는 상기 제 2 검출부(330)에서 검출된 위상 변화량에 비례하는 신호와 상기 제 1 검출부(320)에서 검출된 포락선을 이용하여 위상 변화량을 산출한다. 바람직하게, 산출부(340)는 다음 수학식3에 의해 위상 변화량을 산출한다.
(수학식3)
Figure pat00005
상기 수학식2의 우측 항들을 정리하면,
Figure pat00006
와 같이 정리할 수 있다. 즉, 상기 위상 변화량에 비례하는 신호(S(t))는 포락선의 제곱과 위상변화량의 곱으로 정리할 수 있고, 따라서 상기 제 2 검출부(330)에서 검출된 상기 위상 변화량에 비례하는 신호(S(t))를 상기 제 1 검출부(320)에서 검출된 포락선의 제곱으로 나누어주면, 최종적으로 위상 변화량을 산출할 수 있다.
도 3을 참조하여 설명한 위상 검출기는, 종래 기술과 같이 arctangent 연산을 하지 않고, I 성분(EI) 및 Q 성분(EQ)의 포락선 그리고 I 성분(EI) 및 Q 성분(EQ)의 미분 관계식을 통해 위상 변화량을 산출함으로써, 위상 래핑(phase wrapping)이 발생하지 않고, 따라서 종래 기술과 같이 구현상 어려움이 있는 별도의 위상 언래핑(phase unwrapping)이 불필요하다. 이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 위상 검출기가 위상 언래핑 없이 위상 변화량을 산출한 실험 결과를 설명한다.
도 4는 광 섬유에 발생한 외부 진동의 파형의 예를 나타낸 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 광 섬유에 코사인 형태의 1Hz의 진동수를 갖는 외부 진동이 발생하였다고 가정한다. 도 5는 본 발명의 위상 검출기에 입력되는 I 성분을 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명의 위상 검출기에 입력되는 Q 성분을 나타낸 그래프로, 도 4의 외부 진동에 의해 광 섬유에서 후방 산란된 광 신호의 I 성분 및 Q 성분이다. I 성분과 Q 성분에는 도 4의 외부 진동 성분이 포함되어 있다.
도 7은 본 발명의 위상 검출기에서 산출된 위상 변화량을 나타낸 그래프로서, 본 발명의 위상 검출기에서 도 5 및 도 6의 I 성분 및 Q 성분을 이용하여 산출한 위상 변화량이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 위상 검출기에서 산출된 위상 변화량은 1Hz의 사인파 형태로서, 도 4의 외부 진동을 시간에 대해 미분한 값과 동일하다.
도 8은 도 7의 위상 변화량을 적분한 그래프로서, 도 8에 도시된 바와 같이, 도 7의 위상 검출기에서 산출한 위상 변화량을 시간에 대해 적분하면, 도 4의 외부 진동과 동일한 신호가 복원되는 것을 알 수 있다. 즉, 별도의 위상 랩핑 및 왜곡 없이 외부 진동이 복원됨을 알 수 있다. 도 9는 종래의 위상 검출기에서 위상 변화량을 검출한 결과로서, 도 4의 외부 진동이 발생하였을 때 종래의 위상 검출기에서 위상 변화량을 검출한 결과이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 위상 랩핑 현상이 발생하여 정확하게 외부 진동을 추출할 수 없고, 따라서 위상 언랩핑 과정을 거쳐야 한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 C-OTDR 기반의 분포형 음향 센서의 위상 검출기에서 위상 변화량을 산출하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 단계 S1001에서, 위상 검출기는, 광 섬유로 입사되어 후방 산란된 광 신호의 편광 방향에 종속적이지 않은 I 성분(EI) 및 Q 성분(EQ)을 수신한다. 여기서 I 성분과 Q 성분은 편광 방향에 종속적이지 않은 전기장(Electric Field) 값이다.
단계 S1002에서, 위상 검출기는, 상기 수신된 I 성분(EI) 및 Q 성분(EQ)의 포락선을 검출한다. 바람직하게, 위상 검출기는 상기 수학식1에 의해 포락선(Es(t))을 검출한다.
단계 S1003에서, 위상 검출기는, 상기 수신된 I 성분(EI) 및 Q 성분(EQ)의 미분을 통해 위상 변화량에 비례하는 신호를 검출한다. 보다 구체적으로, 위상 검출기는, 상기 수학식2와 같이, Q 성분(EQ)의 미분값과 I 성분(EI)을 곱한 값에, I 성분(EI)의 미분값과 Q 성분(EQ)을 곱한 값을 빼서, 위상 변화량에 비례하는 신호(S(t))를 검출한다.
단계 S1004에서, 위상 검출기는, 상기 단계 S1003에서 검출된 위상 변화량에 비례하는 신호와 상기 단계 S1001에서 검출된 포락선을 이용하여 위상 변화량을 산출한다. 바람직하게, 위상 검출기는, 상기 수학식3에 의해 위상 변화량을 산출한다.
단계 S1004에서 산출한 위상 변화량은 시간에 대한 변화량으로 따라서 위상 변화량을 시간에 대해 적분하면, 외부 진동과 동일한 신호가 복원된다.
본 명세서는 많은 특징을 포함하는 반면, 그러한 특징은 본 발명의 범위 또는 특허청구범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 개별적인 실시예에서 설명된 특징들은 단일 실시예에서 결합되어 구현될 수 있다. 반대로, 본 명세서에서 단일 실시예에서 설명된 다양한 특징들은 개별적으로 다양한 실시예에서 구현되거나, 적절히 결합되어 구현될 수 있다.
도면에서 동작들이 특정한 순서로 설명되었으나, 그러한 동작들이 도시된 바와 같은 특정한 순서로 수행되는 것으로, 또는 일련의 연속된 순서, 또는 원하는 결과를 얻기 위해 모든 설명된 동작이 수행되는 것으로 이해되어서는 안 된다. 특정 환경에서 멀티태스킹 및 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(시디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
111 : 광원부
112 : 변조기
113 : 증폭기
114 : 필터
115 : 광 순환기
116 : 광 섬유
117 : 광 검출기
118 : 신호 처리부
201 : 복소 신호 생성기
202 : 편타타이버시티기
203 : 위상 검출기
310 : 수신부
320 : 제 1 검출부
330 : 제 2 검출부
340 : 산출부

Claims (8)

  1. 위상 검출기로서,
    광 섬유로 입사되어 후방 산란된 광 신호의 In-phase 성분과 Quadrature-phase 성분을 수신하는 수신부;
    상기 In-phase 성분 및 상기 Quadrature-phase 성분의 포락선을 검출하는 제 1 검출부;
    상기 In-phase 성분 및 상기 Quadrature-phase 성분의 미분을 통해 위상 변화량에 비례하는 신호를 검출하는 제 2 검출부; 및
    상기 포락선과 상기 위상 변화에 비례하는 신호를 이용하여 위상 변화량을 산출하는 산출부를 포함하는 위상 검출기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 검출부는, 하기 수학식1에 의해 상기 포락선을 검출하는 것을 특징으로 하는 위상 검출기.
    (수학식1)
    Figure pat00007

    여기서 Es(t)는 상기 포락선, EI는 상기 In-phase 성분, EQ는 상기 Quadrature-phase 성분.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 검출부는, 하기 수학식2에 의해 상기 위상 변화량에 비례하는 신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 위상 검출기.
    (수학식2)
    Figure pat00008

    여기서 S(t)는 상기 위상 변화량에 비례하는 신호.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 산출부는, 상기 위상 변화량에 비례하는 신호를 상기 포락선의 제곱으로 나눈 값을 상기 위상 변화량으로 결정하는 것을 특징으로 하는 위상 검출기.
  5. 위상 검출기에서 위상을 검출하는 방법으로서,
    광 섬유로 입사되어 후방 산란된 광 신호의 In-phase 성분과 Quadrature-phase 성분을 수신하는 단계;
    상기 In-phase 성분 및 상기 Quadrature-phase 성분의 포락선을 검출하는 단계;
    상기 In-phase 성분 및 상기 Quadrature-phase 성분의 미분을 통해 위상 변화량에 비례하는 신호를 검출하는 단계; 및
    상기 포락선과 상기 위상 변화에 비례하는 신호를 이용하여 위상 변화량을 산출하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 포락선을 검출하는 단계는, 하기 수학식1에 의해 상기 포락선을 검출하는 것을 특징으로 하는 방법.
    (수학식1)
    Figure pat00009

    여기서 Es(t)는 상기 포락선, EI는 상기 In-phase 성분, EQ는 상기 Quadrature-phase 성분.
  7. 제 6 항에 있어서,
    위상 변화량에 비례하는 신호를 검출하는 단계는, 하기 수학식2에 의해 상기 위상 변화량에 비례하는 신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 방법.
    (수학식2)
    Figure pat00010

    여기서 S(t)는 상기 위상 변화량에 비례하는 신호.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 산출하는 단계는, 상기 위상 변화량에 비례하는 신호를 상기 포락선의 제곱으로 나눈 값을 상기 위상 변화량으로 결정하는 것을 특징으로 하는 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114077854A (zh) * 2022-01-18 2022-02-22 之江实验室 一种基于自适应VMD的φ-OTDR水声信号处理方法和装置

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