KR20230066775A - 감도 향상형 광섬유 음향 분포센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 감도 향상형 광섬유 음향 분포센서에 관한 것으로서, 펄스광을 생성하여 출력하는 광원부와, 입력되는 펄스광을 센싱광섬유로 전송하고, 센싱광섬유에서 역으로 진행되는 광을 검출단으로 출력하는 광써큘레이터와, 검출단에서 출력되는 신호를 제1분배채널과 제2분배채널로 분배하여 출력하는 광분배기와, 광분배기의 제1분배채널에서 출력되는 광을 전송하는 제1중계 광섬유와, 광분배기의 제2분배채널에서 출력되는 광을 전송하되 제1중계광섬유의 제1길이보다 설정된 지연길이만큼 더 길게 연장된 제2길이를 갖는 제2중계 광섬유와, 제1 및 제2중계광섬유 중 어느 하나에서 출력되는 신호를 비반전단자를 통해 수신하고, 나머지 하나에서 출력되는 신호를 반전단자를 통해 수신하여 수신된 광에 대응되는 전기적 신호를 출력하는 밸런스 광검출기와, 밸런스 광검출기에서 출력되는 신호로부터 센싱광섬유의 위치별 음향 신호의 발생정보를 수집 및 처리하는 신호 처리부를 구비한다. 이러한 감도 향상형 광섬유 음향 분포센서에 의하면, 진동검출감도 및 검출신호에 대한 동적범위를 향상시킬 수 있고 그에 따른 측정가능 거리도 확장시킬 수 있는 장점을 제공한다.

Description

감도 향상형 광섬유 음향 분포센서{sensitiveness improvement type distributed acostic sensor}
본 발명은 감도 향상형 광섬유 음향 분포센서에 관한 것으로서, 상세하게는 진동검출감도 및 검출신호에 대한 동적범위를 향상시킬 수 있도록 된 감도 향상형 광섬유 음향 분포센서에 관한 것이다.
광섬유를 센서로 활용하는 기술은 분포형 방식으로서 OTDR(Optical Time Domain Reflectometry)과 포인트형 방식으로서 FBG(Fiber Bragg Grating sensor)로 구분된다. 분포형 OTDR은 측정방식에 따라 간섭형 센서(Interferometer sensor)와 강도형 센서(Intensity sensor)로 세분된다.
분포형 OTDR센서에 레이저 펄스를 입사시키면 다양한 방향으로 산란(Scattering)이 일어나며 역방향으로 산란하는 후방산란(Back scattering)으로 레일레이(Rayleigh), 라만(Raman), 브릴루앙(Brillouin)의 3종류의 산란이 있다. 입사시와 관측시의 시간차에 의하여 광섬유 케이블의 어느 위치에서 산란된 후방산란인가를 알 수 있는데, 일반적으로 입사광과 같은 주파수를 갖는 레일레이(Rayleigh) 산란파를 이용하여 위치를 파악한다. 큰 산란계수를 갖는 레일레이(Rayleigh) 산란은 대체로 광섬유 케이블을 구성하는 광섬유 재료의 밀도 변화와 관련되며 파장의 변화는 없다.
이러한 레일레이 산란광을 검출하는 광섬유 음향분포 센서는 국내 등록특허 제10-2292226호 등 다양하게 제안되어 있다.
그런데, 종래의 광섬유 음향분포 센서는 역으로 산란된 레일레이 산란광의 세기에 대응되는 신호를 광검출기로 검출하여 진동을 측정하는 방식으로 이 경우 센싱거리가 멀어질수록 거리에 따른 산란 신호의 감쇄에 의해 감도가 낮아지고, 레일레이 산란신호의 순간적인 위상 변동시에도 광검출기로부터 제한된 양의 전압 동적범위 내에서 검출해야하기 때문에 측정가능 거리도 제한되는 단점이 있다. 특히 각 광펄스에 대응한 레일레이 산란신호의 인접차 산출시 변동폭이 낮아 음향 검출 감도가 낮다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 진동검출감도 및 검출신호에 대한 동적범위를 향상시킬 수 있는 감도 향상형 광섬유 음향 분포센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 감도 향상형 광섬유 음향 분포센서는 펄스광을 생성하여 출력하는 광원부와; 상기 광원부에서 출력되어 입력단을 통해 입력되는 펄스광을 출력단을 통해 센싱광섬유로 전송하고, 상기 센싱광섬유에서 역으로 진행되는 광을 검출단으로 출력하는 광써큘레이터와; 상기 광써큘레이터의 검출단에서 출력되는 신호를 제1분배채널과 제2분배채널로 분배하여 출력하는 광분배기와; 상기 광분배기의 제1분배채널에서 출력되는 광을 전송하는 제1중계 광섬유와; 상기 광분배기의 제2분배채널에서 출력되는 광을 전송하되 상기 제1중계광섬유의 제1길이보다 설정된 지연길이만큼 더 길게 연장된 제2길이를 갖는 제2중계 광섬유와; 상기 제1중계광섬유와 상기 제2중계광섬유 중 어느 하나에서 출력되는 신호를 비반전단자를 통해 수신하고, 상기 제1중계광섬유와 상기 제2중계광섬유 중 상기 비반전단자와 접속되지 않은 나머지 하나에서 출력되는 신호를 반전단자를 통해 수신하여 수신된 광에 대응되는 전기적 신호를 출력하는 밸런스 광검출기와; 상기 밸런스 광검출기에서 출력되는 신호로부터 상기 센싱광섬유의 위치별 음향 신호의 발생정보를 수집 및 처리하는 신호 처리부;를 구비한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제2중계광섬유에 적용되는 지연길이는 상기 펄스광의 펄스폭의 1/5 내지 1/10에 대응되게 적용한다.
바람직하게는 상기 펄스광의 펄스폭은 100ns이고, 상기 제2중계광섬유에 적용되는 지연길이는 1 내지 2미터로 적용된다.
또한, 상기 광원부는 레이저 광을 출사하는 광원과; 상기 신호 처리부로부터 수신된 트리거신호에 의해 상기 광원으로부터 입력받은 레이저광에 대응되게 펄스광을 생성하여 출력하는 펄스광 생성부와; 상기 펄스광 생성부에서 출력되는 펄스광을 증폭하는 제1 에르븀 첨가 광섬유증폭기와; 상기 제1 에르븀 첨가 광섬유 증폭기에서 출력되는 신호에 대해 설정된 밴드폭의 신호만 통과되게 필터링하는 제1필터;를 구비하고, 상기 광써큘레이터의 검출단에서 출력되는 신호를 증폭하는 제2 에르븀 첨가 광섬유증폭기와; 상기 제2 에르븀 첨가 광섬유 증폭기에서 출력되는 신호에 대해 상기 제1필터와 동일한 밴드폭의 신호만 통과되게 필터링하여 상기 광분배기에 제공하는 제2필터;를 더 구비한다.
또한, 상기 광분배기는 수신된 광을 제1분배채널과 제2분배채널에 대해 1:1의 비율로 분배하여 출력하는 것이 적용된다.
본 발명에 따른 감도 향상형 광섬유 음향 분포센서에 의하면, 진동검출감도 및 검출신호에 대한 동적범위를 향상시킬 수 있고 그에 따른 측정가능 거리도 확장시킬 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 감도 향상형 광섬유 음향 분포센서를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 제2필터를 거친 광신호를 종래의 광검출기로 검출하였을 때의 출력신호의 예를 나타내 보인 그래프이고,
도 3은 도 1의 밸런스 광검출기를 통해 출력되는 신호의 예를 나타내 보인 그래프이고,
도 4는 도 2의 종래의 광검출기로 검출하였을 때 진동변화 검출신호를 나타내 보인 그래프이고,
도 5는 도 1의 밸런스 광검출기로 검출하였을 때 진동변화 검출신호를 나타내 보인 그래프이고,
도 6은 도 1의 제2중계광섬유의 지연길이를 제1단위길이를 적용하였을 때의 진동변화 검출신호를 종래 방식과 비교하여 나타내 보인 그래프이고,
도 7은 도 1의 제2중계광섬유의 지연길이를 제1단위길이의 4배를 적용하였을 때의 진동변화 검출신호를 종래 방식과 비교하여 나타내 보인 그래프이고,
도 8은 도 1의 제2중계광섬유의 지연길이를 제1단위길이의 10배를 적용하였을 때의 진동변화 검출신호를 종래 방식과 비교하여 나타내 보인 그래프이고,
도 9는 레일레이 산란광에 대해 검출되는 신호의 동적범위를 종래 방식과 비교하여 나타내 보인 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 감도 향상형 광섬유 음향 분포센서를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 감도 향상형 광섬유 음향 분포센서를 나타내 보인 도면이다.
도 1은 참조하면, 본 발명에 따른 감도 향상형 광섬유 음향 분포센서(100)는 광원부(110), 광써큘레이터(130), 센싱광섬유(150), 광분배기(171), 제1중계 광섬유(172), 제2중계 광섬유(173), 밸런스 광검출기(175) 및 신호 처리부(180)를 구비한다.
광원부(110)는 신호처리부(180)로부터 전송되는 트리거신호에 동기되어 펄스광을 출력한다.
광원부(110)는 광원(111), 아이솔레이터(ISO)(113), 펄스광 생성부(115), 제1EDFA(117), 제1필터(119)를 구비한다.
광원(111)은 레이저 광을 출사하는 레이저 광원이 적용된다. 일 예로서 광원(111)은 중심파장이 1550nm인 레이저광을 출사하는 것이 적용될 수 있다.
아이솔레이터(ISO)(113)는 레이저 광원(111)에서 출사되는 광의 펄스광 생성부(115)로의 순방향 전송만 허용하고 역방향으로의 전송은 차단한다.
펄스광 생성부(115)는 신호 처리부(180)로부터 수신된 트리거신호에 동기시켜 광원(111)으로부터 입력받은 레이저광에 대응되게 펄스광을 생성하여 출력한다. 펄스광 생성부(115)는 반도체 광증폭기(SOA; Semiconductor Optical Amplifier)로 구축되어 있다.
반동체 광증폭기(122)는 제1트리거단자(122a)를 통해 수신되는 제1클럭신호(111)에 동기되어 광원(121)으로부터 입력받은 레이저광에 대응되게 펄스광을 생성하여 출력한다. 또 다르게는 펄스광 생성부(115)는 음향광 변조기(AOM; Acousto-Optic Modulator), 전기광 변조기(Electro-Optic Modulator)가 적용될 수 있음은 물론이다.
제1 에르븀 첨가 광섬유증폭기(EDFA;Erbium Doped Fibre Amplifier)(117)는 펄스광 생성부(115)에서 출력되어 광섬유를 통해 전송되는 신호를 증폭하여 출력한다.
제1필터(119)는 제1 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(117)에서 출력되는 신호에 대해 설정된 밴드폭의 신호만 통과되게 필터링한다. 일 예로서, 제1필터(119)는 제1 에르븀 첨가 광섬유증폭기(117)에서 출력된 펄스광에 대해 1550 내지 1552nm 대역의 광만 출력되게 필터링하는 것이 적용될 수 있다.
광써큘레이터(130)는 광원부(110)의 펄스광 생성부(115)에서 생성되어 제1 에르븀 첨가 광섬유증폭기(117) 및 제1필터(119)를 거쳐 출력된 펄스광을 입력단(130a)을 통해 입력받아 출력단(130b)을 통해 센싱광섬유(150)로 전송하고, 센싱광섬유(150)에서 역으로 진행되어 출력단(130b)로 입력된 광을 검출단(130c)으로 출력한다.
센싱광섬유(150)는 광써큘레이터(130)의 출력단(130b)에 일단이 접속되어 측정대상 영역에 라인형태로 연장되게 포설되어 있다.
제2에르븀 첨가 광섬유증폭기(EDFA)(162)는 광써큘레이터(130)의 검출단(130c)에서 출력되어 광섬유를 통해 전송되는 신호를 증폭한다.
제2필터(164)는 제2 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(162)에서 출력되는 신호에 대해 설정된 밴드폭의 신호만 통과되게 필터링한다. 제2필터(164)는 레일레이 산란광을 수신할 수 있도록 제1필터(119)와 동일한 대역의 신호만 통과되게 구축된다. 일 예로서, 제1필터(119)가 1550 내지 1552nm 대역의 광만 출력되게 필터링하는 경우 제2필터(164)도 1550 내지 1552nm 대역의 광만 출력되게 필터링하는 것을 적용한다.
광분배기(171)는 제2필터(164)를 거쳐 출력되는 신호를 제1분배채널(171a)과 제2분배채널(171b)로 분배하여 출력한다. 광분배기(171)는 수신된 광을 제1분배채널(171a)과 제2분배채널(171b)에 대해 1:1의 비율로 분배하여 출력한다.
제1중계 광섬유(172)는 광분배기(171)의 제1분배채널(171a)에서 출력되는 광을 밸런스 광검출기(175)의 비반전단자(175a)에 전송하며 제1길이를 갖는다.
제2중계 광섬유(173)는 광분배기(171)의 제2분배채널(171b)에서 출력되는 광을 밸런스 광검출기(175)의 반전단자(175b)에 전송하며, 제1중계광섬유(172)의 제1길이보다 설정된 지연길이만큼 더 길게 연장된 제2길이를 갖는다. 제2중계 광섬유(173)는 제1중계 광섬유(172)를 통해 전송되는 광에 대해 시간 지연을 야기시키되 진동신호에 대한 검출감도를 향상시킬 수 있는 범위내로 지연길이가 결정된다.
바람직하게는 제2중계광섬유(173)에 적용되는 지연길이는 펄스광의 펄스폭의 1/5 내지 1/10에 대응되게 적용한다. 일 예로서, 펄스광의 펄스폭이 100ns인 경우, 제2중계광섬유(173)에 적용되는 지연길이는 1 내지 2미터로 적용한다.
밸런스 광검출기(175)는 광분배기(171)로부터 제1중계광섬유(172)에서 출력되는 신호를 비반전단자(175a)를 통해 수신하고, 제2중계광섬유(173)에서 출력되는 신호를 반전단자(175b)를 통해 수신하여 수신된 광에 대응되는 전기적 신호를 출력한다.
여기서, 밸런스 광검출기(175)는 비반전단자(175a)를 통해 수신된 광신호에 대응되는 전기적 신호는 양의 전압레벨신호로 변환하고, 반전단자(175b)를 통해 수시된 광신호에 대응되는 전기적 신호는 음의 전압레벨신호로 변환하고, 양의 전압레벨신호와 음의 전압레벨 신호를 합한 신호를 최종출력신호로 신호처리부(180)에 출력한다.
이와는 다르게 밸런스 광검출기(175)는 광분배기(171)로부터 제1중계광섬유(172)에서 출력되는 신호를 반전단자(175b)를 통해 수신하고, 제2중계광섬유(173)에서 출력되는 신호를 비반전단자(175a)를 통해 수신하여 수신된 광에 대응되는 전기적 신호를 출력하도록 구축될 수 있음은 물론이다.
신호처리부(180)는 펄스광생성부(115)에서 펄스광이 출력되게 트리거신호를 펄스광생성부(115)에 제공하고, 밸런스 광검출기(175)로부터 수신되는 신호에 대해샘플링 데이터를 생성하고, 생성된 샘플링 데이터로부터 센싱광섬유(150)의 위치별 음향 진동신호의 발생정보를 수집 및 처리하고, 처리결과를 출력부(190)를 통해 출력한다.
이하에서는 이러한 감도 향상형 광섬유 음향 분포센서의 감도 및 동적범위 향상을 종래 방식과 비교하여 설명한다.
먼저, 도 2는 도 1의 제2필터를 거친 광신호를 종래의 광검출기로 검출하였을 때의 출력신호의 예를 나타내 보인 그래프이고, 도 3은 도 1의 밸런스 광검출기를 통해 출력되는 신호의 예를 나타내 보인 그래프이다. 도 2 및 도 3의 비교를 통해 확인할 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 음향 분포센서의 검출신호 범위 즉 동적범위가 훨씬 향상됨을 알 수 있다. 즉, 동일 조건에서 종래의 동적범위는 도 9에서 1로 표기된 레벨로 제한되는 반면 본 발명은 1.6으로 동적 범위가 확장된다.
또한, 도 4는 도 2의 종래의 광검출기로 검출하였을 때 진동변화 검출신호를 나타내 보인 그래프이고, 도 5는 도 1의 밸런스 광검출기로 검출하였을 때 진동변화 검출신호를 나타내 보인 그래프이다. 참고로 점선으로 표기된 부분이 진동이 입력된 위치에서의 검출신호의 변화부분이다. 도 4의 진동변화부분에 비해 도 5의 진동변화부분의 진폭이 훨씬 큼을 알 수 있다. 이와 같이 시간상으로 순차적으로 발생되는 각 광펄스에 대응한 레일레이 산란신호의 인접차 산출시 본 발명의 방식의 훨씬 큰 변동폭을 얻을 수 있다.
한편, 제1중계광섬유(173)이 지연길이에 대해 도 6은 도 1의 제2중계광섬유의 지연길이를 제1단위길이를 적용하였을 때의 진동변화 검출신호를 종래 방식과 비교하여 나타내 보인 그래프이고, 도 7은 도 1의 제2중계광섬유의 지연길이를 제1단위길이의 4배를 적용하였을 때의 진동변화 검출신호를 종래 방식과 비교하여 나타내 보인 그래프이고, 도 8은 도 1의 제2중계광섬유의 지연길이를 제1단위길이의 10배를 적용하였을 때의 진동변화 검출신호를 종래 방식과 비교하여 나타내 보인 그래프이다. 참고로 실선은 종래방식이고, 점선이 본 발명에 의한 방식이며 이하의 도 6 내지 도 8에서도 동일하게 적용하여 표기한다.
여기서, 펄스광의 펄스폭을 100ns로 적용하고, 제2중계광섬유(173)에 적용되는 지연길이에 대해 제1단위길이를 1미터로 적용한 경우에 대한 측정결과이다.
도 6에서는 종래방식에 비해 본 발명의 방식의 측정 감도가 훨씬 뛰어남을 알 수 있고, 도 7에서는 종래방식에 비해 본 발명의 방식의 측정 감도가 약간 뛰어남을 알 수 있고, 도 8에서는 종래방식에 비해 본 발명의 방식의 측정 감도가 뛰어나지 않고 차이가 없음을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 지연길이는 앞서 설명된 조건으로 제한하여 적용하면 된다.
이상에서 설명된 감도 향상형 광섬유 음향 분포센서에 의하면, 진동검출감도 및 검출신호에 대한 동적범위를 향상시킬 수 있고 그에 따른 측정가능 거리도 확장시킬 수 있는 장점을 제공한다.
110: 광원부 111: 광원
113: 아이솔레이터(ISO) 115: 펄스광 생성부
117: 제1EDFA 119: 제1필터
130: 광써큘레이터 150: 센싱광섬유
171: 광분배기 172: 제1중계 광섬유
173: 제2중계 광섬유 175: 밸런스 광검출기
180: 신호 처리부

Claims (5)

  1. 펄스광을 생성하여 출력하는 광원부와;
    상기 광원부에서 출력되어 입력단을 통해 입력되는 펄스광을 출력단을 통해 센싱광섬유로 전송하고, 상기 센싱광섬유에서 역으로 진행되는 광을 검출단으로 출력하는 광써큘레이터와;
    상기 광써큘레이터의 검출단에서 출력되는 신호를 제1분배채널과 제2분배채널로 분배하여 출력하는 광분배기와;
    상기 광분배기의 제1분배채널에서 출력되는 광을 전송하는 제1중계 광섬유와;
    상기 광분배기의 제2분배채널에서 출력되는 광을 전송하되 상기 제1중계광섬유의 제1길이보다 설정된 지연길이만큼 더 길게 연장된 제2길이를 갖는 제2중계 광섬유와;
    상기 제1중계광섬유와 상기 제2중계광섬유 중 어느 하나에서 출력되는 신호를 비반전단자를 통해 수신하고, 상기 제1중계광섬유와 상기 제2중계광섬유 중 상기 비반전단자와 접속되지 않은 나머지 하나에서 출력되는 신호를 반전단자를 통해 수신하여 수신된 광에 대응되는 전기적 신호를 출력하는 밸런스 광검출기와;
    상기 밸런스 광검출기에서 출력되는 신호로부터 상기 센싱광섬유의 위치별 음향 신호의 발생정보를 수집 및 처리하는 신호 처리부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 감도 향상형 광섬유 음향 분포센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2중계광섬유에 적용되는 지연길이는 상기 펄스광의 펄스폭의 1/5 내지 1/10에 대응되게 적용되는 것을 특징으로 하는 감도 향상형 광섬유 음향 분포센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 펄스광의 펄스폭은 100ns이고, 상기 제2중계광섬유에 적용되는 지연길이는 1 내지 2미터인 것을 특징으로 하는 감도 향상형 광섬유 음향 분포센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광원부는
    레이저 광을 출사하는 광원과;
    상기 신호 처리부로부터 수신된 트리거신호에 의해 상기 광원으로부터 입력받은 레이저광에 대응되게 펄스광을 생성하여 출력하는 펄스광 생성부와;
    상기 펄스광 생성부에서 출력되는 펄스광을 증폭하는 제1 에르븀 첨가 광섬유증폭기와;
    상기 제1 에르븀 첨가 광섬유 증폭기에서 출력되는 신호에 대해 설정된 밴드폭의 신호만 통과되게 필터링하는 제1필터;를 구비하고,
    상기 광써큘레이터의 검출단에서 출력되는 신호를 증폭하는 제2 에르븀 첨가 광섬유증폭기와;
    상기 제2 에르븀 첨가 광섬유 증폭기에서 출력되는 신호에 대해 상기 제1필터와 동일한 밴드폭의 신호만 통과되게 필터링하여 상기 광분배기에 제공하는 제2필터;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 감도 향상형 광섬유 음향 분포센서.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광분배기는 수신된 광을 제1분배채널과 제2분배채널에 대해 1:1의 비율로 분배하여 출력하는 것을 특징으로 하는 감도 향상형 광섬유 음향 분포센서.




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