KR20230102518A - 시간영역 복합 랜덤코드 위상변조 시간차 제어형 광섬유 ｂｏｃｄａ 센서 및 상기 광섬유 ｂｏｃｄａ 센서를 이용한 측정방법 - Google Patents

시간영역 복합 랜덤코드 위상변조 시간차 제어형 광섬유 ｂｏｃｄａ 센서 및 상기 광섬유 ｂｏｃｄａ 센서를 이용한 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유 BOCDA 센서 및 상기 광섬유 BOCDA 센서를 이용한 측정방법에 관한 것이다. 본 발명의 목적은, 펄스 펌핑광 및 연속 프로브광을 랜덤코드 위상변조하여 상관관계 피크 위치를 제어함으로써, 종래에 비해 제어 설계 및 장치 구성을 보다 단순화하면서도 공간 분해능을 향상시켜 감지 성능 및 검출 정확성을 향상시킴과 동시에 시간영역 작동방식을 복합함으로써 센서 측정 길이를 증가시키는, 시간영역 복합 랜덤코드 위상변조 시간차 제어형 광섬유 BOCDA 센서 및 상기 광섬유 BOCDA 센서를 이용한 측정방법을 제공함에 있다.

Description

시간영역 복합 랜덤코드 위상변조 시간차 제어형 광섬유 ＢＯＣＤＡ 센서 및 상기 광섬유 ＢＯＣＤＡ 센서를 이용한 측정방법 {Fiber optic BOCDA sensor using random code phase modulation and time difference control in time domain and measurement method using the same fiber optic BOCDA sensor}
본 발명은 광섬유 BOCDA(Brillouin Correlation Domain Analysis) 센서 및 상기 광섬유 BOCDA 센서를 이용한 측정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광섬유 BOCDA 센서의 감지 성능, 검출 정확성 및 센서 측정 길이를 향상시키는 광섬유 BOCDA 센서 및 상기 광섬유 BOCDA 센서를 이용한 측정방법에 관한 것이다.
광이 물질 중에 생긴 음파와 상호 작용하여 입사광의 주파수와 다른 주파수로 산란하는 현상을 브릴루앙 산란이라고 하는데, 이 주파수의 차를 브릴루앙 주파수 변이라고 한다. 광섬유 BOCDA(Brillouin Correlation Domain Analysis) 센서란 감지 광섬유의 길이를 따라서 모든 위치에서 브릴루앙 주파수 변이(ΔνB)를 취득하는 분포 측정 센서이다. 브릴루앙 주파수 변이 검출 원리를 간략히 설명하면 다음과 같다. 피측정 광섬유 양단에서 펌핑광(pumping light) 및 프로브광(probe light)을 각각 입사시키되, 펌핑광 및 프로브광의 광주파수차 Δν를 이 피측정 광섬유의 브릴루앙 주파수 변이 값인 νB와 일치하도록 광주파수를 조정하면, 펌핑광은 유도 브릴루앙 산란에 의해 프로브광으로 광에너지 변환을 하고, 프로브광은 이 피측정 광섬유 내에서 브릴루앙 광증폭을 하게 된다. 이렇게 증폭된 프로브광의 광신호는 광검출기에 의해 전기신호로 변환됨으로써 측정이 가능하다.
이러한 브릴루앙 주파수 변이 값은, 광이 진행되는 물질 즉 광섬유의 재료에 크게 영향을 받을 뿐만 아니라 광섬유에 인가되는 변형률에 따라서 변화한다. 외부에서 가해지는 응력에 의한 광섬유의 변형률을 Δε라 하고, 온도 변화를 ΔT라 할 때, 브릴루앙 주파수 변이 값의 변화량 ΔνB 값은 수학식 1과 같이 나타난다. 하기 식에서 변형률 변환계수 Cε 및 온도 변환 계수 CT는 미리 알려진 값이나, 정확성을 높이기 위해 실제 응용조건에 따라 정확하게 조사하여 사용하는 것이 더 바람직하다. 표준 단일모드 광섬유를 감지 광섬유로 사용할 경우, 이 변형률 변환계수 Cε는 약 0.05 MHz/με와 온도 변환 계수 CT는 약 1 MHZ/oC값을 갖지만 정확한 값은 실제 응용조건에 따라 조사하여 사용해야 한다.
[수학식 1]
Figure pat00001
브릴루앙 주파수 변이를 취득하면 수학식 1을 이용하여 감지 광섬유에 분포하는 변형률 또는 온도를 측정할 수 있으며, 이러한 원리로 만들어지는 센서를 광섬유 BOCDA 센서라 한다. 이와 같은 감지 광섬유에 분포하는 브릴루앙 주파수 변이를 구하기 위해서는 브릴루앙 게인 스펙트럼을 감지 광섬유의 모든 위치에서 취득할 수 있어야 하며, 종래의 광섬유 BOCDA 센서는 위상 코드 변조 시 그 주파수를 스캔하는 위상 코드 주파수 제어 방식을 사용한다.
도 1은 종래의 위상 코드 주파수 제어형 광섬유 BOCDA 센서의 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 한 개의 광원으로 부터 나온 빛은 위상 변조기(phase modulator)에 의하여 의사 랜덤 비트 시퀀스 (PRBS: pseudo random bit sequence) 코드 패턴으로 180도 차이가 나도록 변조된다. 이렇게 위상 변조된 빛은 1x2 광섬유 커플러에 의하여 분기되어 펌핑광(pumping light)과 프로브광(probe light)으로 사용된다. 프로브광은 전기-광학 변조기(electro-opticmodulator)에 의하여 브릴루앙 주파수 근처로 광주파수가 변조된 후 감지 광섬유의 한쪽 끝단으로 입사된다. 한편, 펌핑광은 광학 써큘레이터를 통과한 후 감지 광섬유의 다른 쪽 끝단으로 입사된다. 이 두 빛이 감지 광섬유를 진행하면서, 위상 코드의 제일 처음 만나는 비트에서 두 빛의 위상은 항상 일치하지만 다른 비트의 위치에서는 일치하지 않는 시간이 존재하게 된다. 이렇게 위상이 일치하는 시간이 음향파의 포논 수명 10 ns 이상이 되면 브릴루앙 산란 증폭이 발생하게 되어 브릴루앙 주파수를 얻을 수 있다. 그렇지만 두 빛의 다른 위치에서는 위상이 일치하는 시간이 음향파의 포논 수명보다 짧게 되어 브릴루앙 산란 증폭이 발생하지 않아서 브릴루앙 게인을 얻지 못한다.
한편, 감지 광섬유의 내부에서 두 빛이 제일 처음 만나는 비트 위치는 PRBS 코드의 주파수를 변경하더라도 비트 위치가 변화하지 않는다. 그렇지만 두 번째 이상의 상관 비트 위치에서는 위상 코드의 주파수를 변경하면 위치가 변경된다. 따라서 감지 광섬유에서 임의의 위치에서의 브릴루앙 증폭 신호를 얻기 위해서는 지연 광섬유를 두어 두 번째 이상의 상관 위치에서 감지 구간이 설정되도록 해야 한다. 따라서, 광 수신기(photo receiver)에서 얻게 되는 브릴루앙 산란 증폭광은 PRBS 코드의 상관 비트에서만 발생하는 신호를 전기 신호로 변환하게 된다. 컴퓨터에서는 아날로그-디지탈 변환기를 사용하여 전기 신호를 디지털 신호로 변환하여 브릴루앙 게인 스펙트럼을 취득하고 브릴루앙 주파수를 구하여 수학식 1에 의하여 온도 또는 변형률을 구한다.
도 2는 종래의 위상 코드 주파수 제어형 광섬유 BOCDA 센서의 구동 실시예로서, 도 1의 개략도에 나타난 장치를 보다 구체화하여 실현한 구성예이다. 도 2의 실시예에서 전체 시스템은 컴퓨터의 데이터 취득 프로그램에 의해 제어된다. 이 프로그램은 펄스 패턴 발생기(PPG: pulse pattern generator)의 작동을 조정하고, 이 PPG에서 발생된 신호가 위상 변조기에 입력되며, 이 변조기는 고출력 DFB LD(Distributed Feed-Back Laser Diode)에서 출력된 빛의 위상을 변조시키게 된다. 도 2의 실시예에서 LD에서 출력된 빛은 피크 파장은 1553 nm이고 35mW의 세기를 갖도록 할 수 있다. PPG는 PRBS(pseudo random bit sequence) 패턴의 전기 신호를 발생시키는데, 이 신호의 한 비트의 지속시간(symbol duration)은 유도 브릴루앙 산란(SBS: stimulated Brillouin scattering)에서 발생되는 음향파의 포논 수명보다 휠씬 짧게 설정된다. PRBS의 한 비트의 위상은 0 과 π 중의 하나로 변조되며 두 상태의 발생 확률은 같다. 변조된 광신호는 프로브광과 펌프광 발생을 위해 3 dB 광섬유 커플러에 의해 나누어진다. 위상 변조되어 연속 발진하는 프로브광과 펌프광은 폐루프의 반대방향으로 진행하다가 정확히 루프의 중간 지점에서 만나 상호작용하여 상관관계 피크를 생성하게 된다. 만약 위상 코드의 전체 길이를 지나면서 다시 두 빛이 만나면 그 위치에서 상관관계 피크가 또 생성된다.
도 3은 종래의 위상 코드 주파수 제어형 광섬유 BOCDA 센서 구동 시 위상 코드 주파수 모듈레이션에 의한 광섬유 내 상관관계 피크 위치 변화를 도시한 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 위상 코드 비트 한 개의 길이를 T 시간이라고 하면, 프로브광과 펌프광이 만나서 만드는 상관관계 피크의 거리폭은 Δd = (1/2)νgT 로 나타난다(이 때 νg는 광섬유 속의 빛의 군속력). 광섬유의 루프 길이가 PRBS 비트들의 총 길이보다 길다면, 이 상관관계 피크는 광섬유의 루프를 따라서 도 3과 같이 주기적으로 형성된다.
이 때 광신호의 분기 지점인 3 dB 광섬유 커플러를 지난 후 정확히 중간 위치에 형성되는 상관관계 피크는 0차 상관관계 피크라고 하는데 이 경우는 두 진행광의 경로 차가 없는 경우다. 감지 광섬유에서 두 빛이 만나는 위치가 정확히 중간이 아닌 벗어난 위치에서 만나게 하려면, 즉 최초로 형성되는 상관관계 피크의 차수가 0차가 아니게 만들려면, 프로브광과 펌프광이 진행하는 동안 의도적인 경로차를 도입해야 한다. 이를 위해 경로차를 위한 시간 지연 광섬유(Delay fiber, 도 1 및 도 2 참조)를 프로브광과 가까운 위치에 삽입한다. 이렇게 형성되는 상관관계 피크의 루프상에서의 위치는 시간 지연 광섬유의 길이에 의해 좌우된다. 상관관계 피크들 사이의 거리 Δdn은 Δdn = NΔd = (1/2)NνgT 과 같은 식으로 나타낼 수 있으며, 이 때 N은 PRBS 코드의 길이이다. 실험에서는 이 길이로서 215-1 개의 비트들이 사용되었다. 측정을 위해 사용될 감지 광섬유의 길이를 Δdn 보다 짧게 하여 상관관계 피크를 폐루프 안에서 단 하나만 형성될 수 있도록 한다. PRBS 주파수를 변경하면 한 비트의 시간폭이 T에서 T'로 변하게 되어 전체 PRBS의 길이가 변하게 되므로 상관관계 피크의 위치도 이동하게 된다. 이 위치 이동 정도는 상관관계 피크의 차수가 클수록 더 많이 이동하게 된다. 이 피크의 이동은 측정하고자 하는 광섬유의 거리 분해능을 보장하기 위해서는 피크의 거리 폭인 Δd와 같거나 작아야 한다. 이러한 설명을 식으로 표현하면 다음과 같다.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서
Figure pat00003
과
Figure pat00004
은 시간 지연 광섬유 길이와 상관관계 피크 사이의 거리이다. 한 비트의 시간폭은 변조 주파수(BR:modulation bit rate)의 역수이므로 광섬유의 측정 위치를 이동시키기 위한 BR의 변화율은
Figure pat00005
이다. 수학식 2를 이 BR 변화율에 대한 식을 이용하여 단순화시키면 수학식 3을 얻을 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00006
수학식 3은 감지 광섬유에서 측정 위치를 변화시켜야 하는 BR의 간격을 의미한다. 이 간격은 변조 주파수, 한 비트의 거리폭에 비례하고 시간 지연 광섬유 길이에 반비례한다.
"Random-access distributed fiber sensing"(Avi Zadok etc, Laser Photonics Rev. 6, No. 5, L1-L5, 2012) 등의 논문에도 위에서 설명한 바와 같은 종래의 위상 코드 주파수 변조형 광섬유 BOCDA 센서와 마찬가지로 시간 지연 광섬유(delay fiber)를 포함하는 센서 구성이 개시된다. 그러나 이러한 종래의 기술은, 위상 코드 주파수를 변조시켜야 하는 것이 어렵다는 문제, 위상 코드 주파수 변조에 따른 상관관계 피크 폭이 변화하는 문제, 지연 광섬유를 설치해야 한다는 문제, 감지 광섬유에 상관관계 피크 위치가 어느 곳에 위치하는지 결정하는 것이 쉽지 않다는 문제 등 여러 문제들을 가지고 있다.
이러한 문제를 해소하고자 한국특허등록 제2040598호("시간차를 갖는 펌프광과 탐색광의 위상 코드 변조를 사용하는 광섬유 ＢＯＣＤＡ 센서", 2019.10.30., 이하 '선행특허')에서는, 광섬유 BOCDA 센서의 단점인 상관 피크 위치를 제어하기 위하여 광 주파수를 변조하는 과정을 대체하도록, 상관 피크 위치를 제어하기 위한 두 개의 위상 코드를 사용하는 광섬유 BOCDA 센서를 개시한다.
도 4는 종래의 랜덤코드 위상변조 시간차 제어형 광섬유 BOCDA 센서의 개략도이다. 한 개의 광원으로부터 나온 빛은 1x2 광섬유 커플러로 나뉘어 프로브광과 펌핑광으로 사용할 수 있게 된다. 이 두 빛은 각각의 위상 변조기에 의하여 PRBS 코드 패턴으로 위상 변조된다. 그런데 두 PRBS 코드 패턴 사이에는 시간차가 있다. 프로브광은 전기-광학 변조기로 브릴루앙 주파수 근처의 주파수 변조를 갖도록 조정된다. 이 프로브광은 감지 광섬유의 한쪽 끝단으로 입력된다. 한편, 펌핑광은 광학 써큘레이터를 지난 후 광섬유의 다른 쪽 끝단으로 입력된다. 이 펌핑광이 프로브광과 감지 광섬유 내부에서 만나면서 감지 광섬유의 브릴루앙 주파수만큼 광주파수 차이가 있으면 펌핑광의 후방으로 산란되는 빛에 증폭을 일으킨다. 이 증폭된 후방 산란광의 주파수는 변형률이나 온도에 비례하게 된다. 그런데, 이 펌핑광과 프로브광은 감지 광섬유에 입사되기 전에 PRBS 코드로 위상 변조되어 있으므로 감지 광섬유 안에서 두 개의 코드가 처음 만나는 비트 폭만큼의 위치에서는 항상 위상이 일치하게 된다. 그 외의 PRBS 코드의 다른 위치에서는 위상이 일치하지 않는 시간이 존재한다. 따라서, 후방 산란광이 커지는 브릴루앙 증폭은 감지 광섬유 내부의 펌핑광과 프로브광의 PRBS 코드 패턴의 위상이 일치하는 비트에서만 발생한다. 이러한 이유로 인하여 후방 산란광을 취득하는 광학 수신기는 PRBS 코드의 한 비트 폭만큼의 위치에서만 만들어지는 브릴루앙 산란광 게인 신호를 취득하게 된다. 이렇게 브릴루앙 산란 게인 신호를 최대로 얻게 되는 조건에서의 프로브광 변조 주파수는 감지 광섬유의 해당 위치에서의 브릴루앙 주파수이므로 수학식 1에 의하여 변형률 또는 온도를 구하게 된다. 한편, 감지 광섬유의 다른 위치에서의 브릴루앙 주파수를 구하기 위해서는 펌핑광과 프로브광의 위상 변조 패턴인 PRBS 코드의 시간차를 변경하면 된다.
도 5는 본 종래의 랜덤코드 위상변조 시간차 제어형 광섬유 BOCDA 센서의 구동 실시예이다. 즉 이러한 시간차를 지정할 수 위상 코딩된 광섬유 BOCDA 센서의 한 실시예이다. 도 5의 실시예에서는, 고출력 DFB LD(Distributed Feed-Back Laser Diode)의 빛을 광섬유에 입사한 후 3dB 광섬유 커플러로 분기하여 펌핑광과 프로브광으로 사용한다.
이 두 빛을 컴퓨터에 의하여 제어하는 두 개의 채널을 갖는 펄스 패턴 발생기(pulse pattern generator; PPG)와 연결된 전기-광학 위상 변조기 1과 2(PM1, PM2)에 의하여 각각의 PRBS(pseudo random bit sequence) 패턴으로 위상을 변조한다. (PRBS의 한 비트의 위상은 0 과 π 중의 하나이며 두 위상 비트의 발생 확률은 한 개의 코드 내에서 거의 같다.)
이 두 PRBS 패턴은 완전히 동일한 패턴이지만 두 패턴 사이의 시간 차이는 컴퓨터에서 임의로 제어할 수 있어서 위상 코드 변조된 펌핑광과 프로브광 사이의 위상이 일치하는 위치, 즉 상관 피크 발생 위치를 임의의 위치로 조정할 수 있다. 다시 말하면, 상관 피크 영역은 위상 변조기 1과 2를 사용하여 아주 짧은 위상 코드 한 개의 비트 폭이 감지 광섬유의 임의의 위치에서 위상이 항상 일치하도록 하여 브릴루앙 게인을 얻도록 한다. 이 상관 피크의 거리폭 Δd=(1/2)νgT 인데 νg 는 광섬유의 내부를 진행하는 빛의 군속력이고 T는 PRBS 신호의 한 비트의 시간폭이다[1]. 이 한 비트의 지속시간 (symbol duration)은 일반적으로 유도 브릴루앙 산란 (stimulated Brillouin scattering; SBS)을 일으키는 최소 시간인 10ns보다 휠씬 짧게 설정된다. 즉 공간 분해능이 1m보다 짧게 작동시키는 것이 가능해지는 것이다.
한편, 브릴루앙 주파수(νB)를 찾아내기 위해서는 펌핑광과 프로브광 사이의 주파수 차이를 제어해야 하는데 프로브광을 전기-광학 변조기에 의하여 주파수를 변조하는 방법으로 수행한다. 이 프로브광은 RF 신호 합성기(RF signal synthesizer)로 브릴루앙 주파수 근처의 전기 신호를 만들고 증폭기로 증폭하여 전기-광학 변조기를 구동하여 만들어진다. 이렇게 브릴루앙 주파수 대역으로 변조된 프로브광은 광섬유 증폭기(EDFA1)에 의하여 증폭된다. 한편, 프로브광을 감지 광섬유 내부에서 편광의 영향을 제거하기 위하여 편광 스위치로 무작위로 편광 방향을 조정해주며, 광 아이솔레이터를 지난 후 감지 광섬유로 입사되도록 한다. 한편, 펌핑광은 전기-광학 변조기로 온-오프 변조를 하여 록인 증폭기의 트리거링을 위한 신호로 변조된다. 그 후 펌핑광은 광섬유 증폭기(EDFA2)를 지난 후 광섬유 써큘레이터를 통과시켜 감지 광섬유에 입사되도록 한다. 그 후에는 감지 광섬유 내부를 진행하는 펌핑광은 프로브광과 상관 피크 위치에서 브릴루앙 증폭을 일으킨 후 후방 산란되어 온다. 이 빛은 광 써큘레이터를 지난 후 광학 수신기(PR)를 지난 후 전기 신호로 변환된다. 이 신호는 록인 증폭기에서 증폭되고 데이터 취득 신호기에 의하여 디지털 신호로 변환하여 컴퓨터에 저장된다. 이와 같이 컴퓨터의 데이터 취득 및 제어 프로그램은 펄스 패턴 발생기, RF 신호 발생기(RF synthesizer)와 초핑 모듈을 제어하고 광수신기와 연결된 록인 앰프의 신호를 취득한다.
도 4 및 도 5에 개시된 바와 같은 선행특허에 의한 랜덤코드 위상변조 시간차 제어형 광섬유 BOCDA 센서 시스템은, 지연 광섬유를 사용하지 않아도 되며, 공간 분해능이 위치별로 일정하고, 비트 번호로 측정 위치 지정이 수월한 장점을 갖고 있다.
그러나 선행특허에 의한 BOCDA 센서도, 브릴루앙 증폭을 위한 비트 폭, 즉 공간 분해능이 1m 이하이기 때문에 브릴루앙 산란신호의 크기가 작아서 측정가능 감지 광섬유의 길이를 1km 이내로 제한받는다는 한계가 있다. 따라서 이러한 한계를 극복하기 위한 연구 및 개발이 더 필요하다.
한국특허등록 제2040598호("시간차를 갖는 펌프광과 탐색광의 위상 코드 변조를 사용하는 광섬유 ＢＯＣＤＡ 센서", 2019.10.30.)
"Random-access distributed fiber sensing"(Avi Zadok etc, Laser Photonics Rev. 6, No. 5, L1-L5, 2012)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 펄스 펌핑광 및 연속 프로브광을 랜덤코드 위상변조하여 상관관계 피크 위치를 다수로 생성하고 제어함으로써, 종래에 비해 제어 설계 및 장치 구성을 보다 단순화하면서도 공간 분해능을 향상시켜 감지 성능 및 검출 정확성을 향상시킴과 동시에 시간영역 작동방식을 복합함으로써 센서 측정 길이를 증가시키는, 시간영역 복합 랜덤코드 위상변조 시간차 제어형 광섬유 BOCDA 센서 및 상기 광섬유 BOCDA 센서를 이용한 측정방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 시간영역 복합 랜덤코드 위상변조 시간차 제어형 광섬유 BOCDA 센서(100)는, 브릴루앙 주파수 변이를 이용하여 감지 광섬유(140) 상 임의의 위치에서의 변형률 및 온도를 측정하는 광섬유 BOCDA 센서(100)에 있어서, 프로브광은 연속광으로 형성하고 펌핑광은 펄스광으로 형성하며, 프로브광 광섬유 라인(120) 및 펌핑광 광섬유 라인(130) 각각에 프로브광 위상 변조기(121) 및 펌핑광 위상 변조기(131)가 구비되어 프로브광 및 펌핑광이 각각 랜덤코드 및 상기 랜덤코드와 동일한 형태이되 0 이상의 시간 차이를 부여한 지연코드에 의해 위상변조되어, 상기 감지 광섬유(140) 양쪽에서 프로브광 및 펌핑광이 각각 입사됨으로써 위상이 항상 일치하는 위치의 상관 비트를 주기적으로 다수 개 발생시키되, 상기 랜덤코드 및 상기 지연코드 간의 시간 차이를 조절함으로써 상기 감지 광섬유(140) 상에서의 펌핑광 및 프로브광의 상관 비트 위치들을 조절 가능하도록 이루어질 수 있다.
이 때 상기 광섬유 BOCDA 센서(100)는, 각각의 상관 비트 위치에서 후방으로 산란되어 돌아오는 브릴루앙 산란광의 브릴루앙 게인 스펙트럼(BGS)을 구하고, 상기 브릴루앙 게인 스펙트럼 상에서 최대값이 발생할 때의 주파수를 찾아 브릴루앙 주파수로 결정할 수 있다.
또한 상기 광섬유 BOCDA 센서(100)는, 하나의 상관 비트 위치들에서 브릴루앙 주파수를 구하고, 상기 랜덤코드 및 상기 지연코드 간의 시간 차이를 1비트만큼 변경시켜 새로운 상관 비트 위치들을 형성한 후, 새로운 상관 비트 위치들에서 브릴루앙 주파수들을 구하는 동작을 반복 수행할 수 있다.
또한 상기 광섬유 BOCDA 센서(100)는, 상관 비트 위치들을 조절하면서 브릴루앙 주파수를 구하는 동작을, 상기 랜덤코드의 1주기 동안 반복 수행할 수 있다.
또한 본 발명의 시간영역 복합 랜덤코드 위상변조 시간차 제어형 광섬유 BOCDA 센서를 이용한 측정방법은, 상술한 바와 같은 상기 광섬유 BOCDA 센서(100)를 이용한 측정방법에 있어서, 상기 랜덤코드 및 상기 지연코드 간의 시간 차이를 초기 설정하는 시간차이초기설정단계; 상기 감지 광섬유(140) 양쪽에서 프로브광 및 펌핑광을 각각 입사시키고 후방으로 산란되어 돌아오는 브릴루앙 산란광을 획득하는 산란광획득단계; 상기 랜덤코드의 1주기가 완료되었는지 확인하는 랜덤코드주기확인단계; 상기 랜덤코드주기확인단계에서 1주기가 완료되지 않았으면, 상기 랜덤코드 및 상기 지연코드 간의 시간 차이를 1비트 변경하는 지연비트변경단계; 상기 산란광획득단계, 상기 랜덤코드주기확인단계, 상기 지연비트변경단계가 반복 수행되는 단계; 를 포함할 수 있다.
또한 상기 광섬유 BOCDA 센서의 측정방법은, 상기 랜덤코드주기확인단계에서 1주기가 완료되었으면, 각각의 상기 산란광획득단계에서 획득된 브릴루앙 산란광 정보를 이용하여 각각의 상관 비트 위치에서 브릴루앙 게인 스펙트럼(BGS)을 구하는 BGS샘플링단계; 상기 랜덤코드 비트 순서별로 상기 브릴루앙 게인 스펙트럼을 재정렬하고, 각각의 상관 비트 위치에서 상기 브릴루앙 게인 스펙트럼 상에서 최대값이 발생할 때의 주파수를 찾아 브릴루앙 주파수로 결정하는 브릴루앙주파수결정단계; 를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 시간영역 복합 랜덤코드 위상변조 시간차 제어형 광섬유 BOCDA 센서(100)는, 보다 구체적으로, 광원(110); 상기 광원(110)으로부터 광섬유를 통해 진행되어 오는 광을 상기 프로브광 광섬유 라인(120) 및 상기 펌핑광 광섬유 라인(130) 각각으로 진행되어 가도록 나누는 광섬유 커플러(115); 일단이 상기 프로브광 광섬유 라인(120) 끝단에 연결되고, 타단이 상기 펌핑광 광섬유 라인(130)에 연결되며, 프로브광 및 펌핑광의 주파수 간에 브릴루앙 주파수만큼의 차이가 있으면 펌핑광의 후방으로 산란되는 브릴루앙 산란광에 증폭을 일으키는 상기 감지 광섬유(140); 프로브광 및 펌핑광에 위상변조를 인가하기 위해 랜덤코드 및 상기 랜덤코드와 동일한 형태이되 0 이상의 시간 차이를 부여한 지연코드를 생성하는 랜덤코드 위상변조 장치(161)를 포함하는 제어부(160); 상기 프로브광 광섬유 라인(120) 상에 구비되며, 상기 랜덤코드 위상변조 장치(161)에 의해 생성된 상기 지연코드로 프로브광의 위상을 변조하는 상기 프로브광 위상 변조기(121); 상기 프로브광 광섬유 라인(120) 상에 구비되며, 상기 프로브광 위상 변조기(121)로부터 진행되어 오는 프로브광을 단일 측파 대역으로 브릴루앙 게인이 증가하도록 주파수 이동시키는 프로브광 전기-광학 변조기(122); 상기 프로브광 광섬유 라인(120) 상에 구비되며, 상기 프로브광 전기-광학 변조기(122)로부터 진행되어 오는 프로브광을 상기 감지 광섬유(140) 쪽으로 진행시키고, 상기 감지 광섬유(140)로부터 진행되어 오는 광은 차단시키는 광섬유 아이솔레이터(125); 상기 펌핑광 광섬유 라인(130) 상에 구비되며, 상기 랜덤코드 위상변조 장치(161)에 의해 생성된 상기 랜덤코드로 펌핑광의 위상을 변조하는 상기 펌핑광 위상 변조기(131); 상기 펌핑광 광섬유 라인(130) 상에 구비되며, 상기 펌핑광 위상 변조기(131)로부터 진행되어 오는 펌핑광을 펄스 변조하는 펌핑광 전기-광학 변조기(132); 상기 펌핑광 광섬유 라인(130) 상에 구비되며, 상기 펌핑광 위상 변조기(131)로부터 진행되어 오는 프로브광을 상기 감지 광섬유(140) 쪽으로 진행시키는 광섬유 서큘레이터(135); 상기 광섬유 서큘레이터(135)로부터 진행되어 오는 브릴루앙 산란광을 취득하는 적어도 하나의 광 수신기를 포함하는 광 수신부(150); 를 포함할 수 있다.
이 때 상기 랜덤코드 위상변조 장치(161)는, 사용자 인터페이스를 통해 입력받은 코드 길이 및 시간 차이를 사용하여 상기 코드 길이의 랜덤코드 및 상기 랜덤코드에 시간 차이를 부여한 지연코드를 생성하는 랜덤코드 비트 신호 발생부(161a), 신호 형상 조정 및 증폭을 수행하는 신호 조정부(161b)를 포함할 수 있다.
또한 상기 랜덤코드 위상변조 장치(161)는, 상기 프로브광 위상 변조기(121) 및 상기 펌핑광 위상 변조기(131)를 내장하여 일체형으로 형성될 수 있다.
또한 상기 광섬유 BOCDA 센서(100)는, 상기 프로브광 광섬유 라인(120) 상 상기 광섬유 아이솔레이터(125) 전방에 구비되며, 상기 광섬유 아이솔레이터(125)로 진행되어 오는 프로브광을 증폭하는 프로브광 광섬유 증폭기(123); 를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 광섬유 BOCDA 센서(100)는, 상기 프로브광 광섬유 라인(120) 상 상기 프로브광 전기-광학 변조기(122) 및 상기 광학 아이솔레이터(125) 사이에 구비되며, 상기 프로브광 전기-광학 변조기(122)로부터 진행되어 오는 프로브광에서의 편광 영향을 제거하는 편광 스위치(124); 를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 광섬유 BOCDA 센서(100)는, 상기 펌핑광 광섬유 라인(130) 상 상기 광섬유 서큘레이터(135) 전방에 구비되며, 상기 광섬유 서큘레이터(135)로 진행되어 오는 펌핑광을 증폭하는 펌핑광 광섬유 증폭기(133); 를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 광섬유 BOCDA 센서(100)는, 상기 광 수신부(150)가 제1광 수신기(151) 및 제2광 수신기(152)로 구성되며, 상기 광 수신부(150)의 전방에 구비되어 브릴루앙 산란광을 분리하여 상기 제1광 수신기(151) 및 상기 제2광 수신기(152) 각각으로 수신시키는 빔 스플리터(155); 를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 제어부(160)는, 상기 프로브광 전기-광학 변조기(122)와 연결되며, 상기 감지 광섬유(140)의 브릴루앙 주파수 근처의 전기 신호를 만들어 상기 프로브광 전기-광학 변조기(122)를 구동하는 RF 신호 합성기(162)를 포함할 수 있다.
또한 상기 제어부(160)는, 상기 펌핑광 전기-광학 변조기(132)와 연결되며, 펄스 변조를 위한 펄스를 생성하는 펄스 생성기(163)를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 종래의 위상 코드 주파수 변조형 광섬유 BOCDA 센서에서 상관관계 피크 위치를 제어하기 위하여 광 주파수를 변조하였던 과정을 배제하고, 그 대신 상관관계 피크 위치를 제어하기 위하여 랜덤코드 위상변조된 펌핑광 및 프로브광을 이용함으로써, 종래에 비해 훨씬 단순화된 제어 설계 및 장치 구성을 실현할 수 있는 큰 효과가 있다. 물론 이에 따라 앞서 설명한 종래의 위상 코드 주파수 변조 방식의 여러 문제들을 원천적으로 제거할 수 있음은 물론이다. 뿐만 아니라 본 발명에 의하면, 펌핑광은 펄스광으로 형성하고 프로브광은 연속광으로 형성하여 시간영역 작동방식을 복합함으로써, 센서 측정 길이를 종래보다 비약적으로 증가시킬 수 있도록 하는 큰 효과가 있다.
보다 구체적으로는, 종래에는 위상 코드 주파수를 변조시켜야 하는 것이 어려운 문제로, 위상 코드 주파수 변조에 따른 상관관계 피크 폭이 변화하는 문제가 있었으나, 본 발명에서는 랜덤코드 위상변조 장치를 사용하기 때문에 제어 설계가 훨씬 용이하게 이루어질 수 있다. 또한 종래에는 시간 지연 광섬유를 설치해야 한다는 문제가 있었으나, 본 발명에서는 시간 지연 광섬유를 설치할 필요가 없어 장치 구성이 보다 간소화될 수 있다. 더불어 종래에는 감지 광섬유에 상관관계 피크 위치가 어느 곳에 위치하는지 결정하는 것이 쉽지 않다는 문제가 있었으나, 본 발명에서는 상관관계 피크 위치를 원하는 대로 할당할 수 있어 역시 제어 설계가 훨씬 용이하게 이루어진다. 또한 본 발명에 의하면, 상관관계 피크 위치를 원하는 대로 임의로 제어할 수 있음에 따라 공간 분해능을 향상시킬 수 있으며, 궁극적으로 감지 성능 및 검출 정확성을 향상시킬 수 있는 큰 효과가 있다.
또한 종래에는 랜덤코드 위상변조 시간차 제어를 사용한다 하더라도, 브릴루앙 증폭을 위한 비트 폭 즉 공간 분해능이 1m 이하라서 브릴루앙 산란신호의 크기가 작아 측정가능한 감지 광섬유의 길이가 1km 이하로 제한받던 문제가 있었다. 그러나 본 발명에 의하면 시간영역 작동방식을 복합함으로써 공간 분해능을 10cm 정도까지도 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 종래보다 감지 광섬유의 길이를 10배 이상 증가시킬 수 있는 비약적인 효과가 있다.
도 1은 종래의 위상 코드 주파수 제어형 광섬유 BOCDA 센서의 개략도.
도 2는 종래의 위상 코드 주파수 제어형 광섬유 BOCDA 센서의 구동 실시예.
도 3은 종래의 위상 코드 주파수 제어형 광섬유 BOCDA 센서 구동 시 위상 코드 주파수 모듈레이션에 의한 광섬유 내 상관관계 피크 위치 변화.
도 4는 종래의 랜덤코드 위상변조 시간차 제어형 광섬유 BOCDA 센서의 개략도.
도 5는 종래의 랜덤코드 위상변조 시간차 제어형 광섬유 BOCDA 센서의 구동 실시예.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 시간영역 복합 랜덤코드 위상변조 시간차 제어형 광섬유 BOCDA 센서의 작동원리.
도 7은 본 발명의 랜덤코드 위상변조 장치.
도 8은 본 발명의 시간영역 복합 랜덤코드 위상변조 시간차 제어형 광섬유 BOCDA 센서를 이용한 측정방법.
도 9는 본 발명의 시간영역 복합 랜덤코드 위상변조 시간차 제어형 광섬유 BOCDA 센서의 실시예.
도 10, 도 11, 도 12a 및 도 12b는 본 발명의 시간영역 복합 랜덤코드 위상변조 시간차 제어형 광섬유 BOCDA 센서의 실제 구현예.
도 13 내지 도 21은 본 발명의 시간영역 복합 랜덤코드 위상변조 시간차 제어형 광섬유 BOCDA 센서의 실험과정 및 성능결과.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 시간영역 복합 랜덤코드 위상변조 시간차 제어형 광섬유 BOCDA 센서를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
[1] 본 발명의 광섬유 BOCDA 센서의 작동원리 및 측정방법
앞서 설명한 바와 같이, 종래에 랜덤코드 위상변조 시간차 제어방식을 사용함으로써, 광섬유 BOCDA 센서에서 지연 광섬유를 사용하지 않아도 되고, 공간 분해능이 위치별로 일정하고, 비트 번호로서 측정 위치를 용이하게 지정할 수 있다는 다양한 큰 장점들을 가짐에도 불구하고, 브릴루앙 증폭을 위한 비트 폭의 한계로 감지 광섬유의 길이가 제한되는 문제가 남아있다고 설명하였다. 본 발명에서는 이러한 문제를 해소하기 위하여, 랜덤코드 위상변조 시간차 제어방식에 시간영역 작동방식을 더 복합한다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 시간영역 복합 랜덤코드 위상변조 시간차 제어형 광섬유 BOCDA 센서의 작동원리를 설명하기 위한 도면으로, 이를 통해 시간영역 복합 광섬유 BOCDA 센서의 비트 이동에 대하여 설명한다.
본 발명에서는, 프로브광은 연속광으로 형성하고 펌핑광은 펄스광으로 형성한다. 이러한 펄스 펌핑광 및 연속 프로브광은, 각각 랜덤코드 및 상기 랜덤코드와 동일한 형태이되 0 이상의 시간 차이를 부여한 지연코드에 의해 위상변조된다. 이렇게 랜덤코드 위상변조된 펄스 펌핑광과 연속 프로브광을, 도 6a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이 감지 광섬유의 양쪽에서 입사시키면, 위상이 항상 일치하는 위치의 상관 비트가 주기적으로 다수 개 발생되게 된다. 이 때 각각의 상관 비트 위치에서 후방으로 산란되어 돌아오는 브릴루앙 산란광의 브릴루앙 게인 스펙트럼(BGS, Brillouin Gain Spectrum)을 구하고, 상기 브릴루앙 게인 스펙트럼 상에서 최대값이 발생할 때의 주파수를 찾으면, 이 주파수가 바로 브릴루앙 주파수가 된다. 각각의 상관 비트 위치는 바로 측정 위치가 되며, 브릴루앙 주파수에 변형률 또는 온도 환산계수를 곱하면 변형률 또는 온도를 구할 수 있으므로, 이러한 방법으로 여러 위치에서의 변형률 또는 온도를 구할 수 있다. 도 6a는 시간 차이로서 0비트를 부여한 경우에서 상술한 바와 같은 작동이 이루어지는 것을 보여주고 있다.
본 발명에서는, 이렇게 한 번 여러 개의 상관 비트 위치에서 브릴루앙 주파수를 구하는 데에 그치지 않고, 상기 랜덤코드 및 상기 지연코드 사이에 0보다 큰 시간 차이를 부여하면서 상관 비트 위치, 즉 측정 위치를 변경하는 조절을 한다. 도 6b는 시간 차이로서 1비트를 부여한 경우에서의 작동을 보여준다. 그러면 상관 비트 위치가 시간 차이 1비트만큼 이동된 위치에 새롭게 생성되며, 이 위치가 새로운 측정 위치가 된다. 도 6b에서는, 시간 차이 0비트일 때의 각 상관 비트 위치에서의 BGS(즉 도 6a)에 더하여, 시간 차이 1비트일 때의 각 상관 비트 위치에서의 BGS를 다른 색깔로 구분지어 표시하였다. 도 6c는 시간 차이로서 2비트를 부여한 경우에서의 작동을 보여주는 것으로, 역시 도 6b와 마찬가지로 시간 차이 0비트/1비트/2비트일 때의 각 상관 비트 위치에서의 BGS를 색깔별로 표시하였다.
이렇게 1비트씩 이동되어 형성된 새로운 측정 위치에서, 브릴루앙 게인 스펙트럼 및 브릴루앙 주파수를 구하는 상술한 바와 같은 과정을 동일하게 수행하여, 최종적으로 변형률 또는 온도를 구할 수 있다. 즉 도 6c로부터 직관적으로 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서는, 하나의 상관 비트 위치들에서 브릴루앙 주파수를 구하고, 상기 랜덤코드 및 상기 지연코드 간의 시간 차이를 1비트만큼 변경시켜 새로운 상관 비트 위치들을 형성한 후, 새로운 상관 비트 위치들에서 브릴루앙 주파수들을 구하는 동작을 반복 수행하는 것이다. 이렇게 상관 비트 위치들을 조절하면서 브릴루앙 주파수를 구하는 동작을, 상기 랜덤코드의 1주기 동안 반복 수행함으로써, 감지 광섬유 전체 길이에 걸쳐 (도 6c에서 직관적으로도 확인되는 바와 같이) 종래보다 훨씬 촘촘한 측정 위치에서의 변형률 또는 온도를 구할 수 있으며, 즉 공간 분해능이 비약적으로 향상될 수 있게 된다.
상술한 바와 같은 본 발명의 시간영역 복합 랜덤코드 위상변조 시간차 제어를 실현하기 위해서는, 펄스 펌핑광과 연속 프로브광을 랜덤코드 위상변조하면서 시간 차이(비트 차이) 조절이 가능한 장치가 필요하다. 도 7은 본 발명의 랜덤코드 위상변조 장치를 도시한 것으로서, 바로 이러한 기능을 수행할 수 있도록 만들어진 것이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 랜덤코드 위상변조 장치(161)는, 사용자 인터페이스를 통해 입력받은 코드 길이 및 시간 차이를 사용하여 상기 코드 길이의 랜덤코드 및 상기 랜덤코드에 시간 차이를 부여한 지연코드를 생성하는 랜덤코드 비트 신호 발생부(161a), 신호 형상 조정 및 증폭을 수행하는 신호 조정부(161b)를 포함하며, 또한 이후 설명될 프로브광 위상 변조기(121) 및 펌핑광 위상 변조기(131)를 내장하여 일체형으로 형성될 수 있다.
종래의 광섬유 BOCDA 센서에서는, 변조 주파수, 변조 주파수의 변화율, 시간 지연 광섬유의 길이 및 상관관계 피크 사이의 거리 간에 일정한 관계가 형성되기 때문에, 감지 광섬유에 상관관계 피크 위치가 어느 곳에 위치하게 할지를 미리 결정하여 이를 고려해서 시간 지연 광섬유 길이 등을 결정해야 하는 등, 제어 설계 및 장치 구성에 있어 난해한 문제가 있다.
이러한 문제를 해소하기 위해 제시된 종래의 개선기술인 선행특허에서는, 펌핑광 및 프로브광 각각에 독립적으로 제어되는 위상 코드 변조가 수행되도록 함으로써 시간 지연 광섬유 자체를 구성에서 삭제하였다. 또한 위상 코드 패턴들이 동일 형태로 되되 시간 지연이 있는 패턴이 되도록 하여, 종래보다 제어 설계 및 장치 구성을 종래에 비해 비약적으로 용이하게 할 수 있게 할 뿐만 아니라, 정확도 및 공간 분해능도 훨씬 향상시켰다. 그러나 종래의 개선기술인 선행특허에서도, 브릴루앙 증폭을 위한 비트 폭 즉 공간 분해능이 1m 이하로 한정되었으며, 브릴루앙 산란신호의 크기가 작아서 측정가능 감지 광섬유의 길이를 1km 이내로 제한받는다는 한계가 있었다. 이에 따라 감지 대상물의 크기가 제한되어 실제 구조물에 적용하기에 제한이 있는 문제가 있었다.
그러나 본 발명에서는, 상술한 바와 같이 랜덤코드 위상변조 시간차 제어방식에 시간영역 작동방식을 복합하여 적용한다. 즉 종래의 개선기술에서는 펌핑광 및 프로브광을 모두 펄스광으로 사용하였지만, 본 발명에서는 프로브광은 연속광으로, 펌핑광은 펄스광으로 형성한다. 따라서 각 상관 비트 위치에서 브릴루앙 게인 스펙트럼을 구하고 그 안에서 최대값이 발생할 때의 주파수를 찾음으로서 브릴루앙 주파수를 구할 수 있다. 이 때 도 6c에 보이는 바와 같이 여러 개의 상관 비트 위치(즉 측정 위치)가 1비트씩 이동하면서 이러한 측정이 수행되게 함으로써, 결과적으로 공간 분해능을 종래보다 비약적으로 향상시킬 수 있게 된다. 즉 종래의 개선기술인 선행특허의 장점을 모두 가지고 있으면서, 그와 더불어 (시간영역 작동방식을 복합함으로써) 공간 분해능을 더욱 향상시켜 센서의 측정 길이를 종래보다 훨씬 연장할 수 있는 것이다. 이에 따라 본 발명에 의하면, 궁극적으로는 종래보다 더욱 큰 구조물의 변형률 또는 온도를 하나의 장치로 정확하게 측정해 낼 수 있게 되어, 활용범위를 크게 확장해 주는 큰 효과가 있다.
이러한 본 발명의 광섬유 BOCDA 센서에서의 측정방법을 정리하자면 도 8과 같다. 맨 먼저 시스템 전체적인 기본 파라미터를 설정한 후, 상기 랜덤코드 및 상기 지연코드 간의 시간 차이를 초기 설정한다(시간차이초기설정단계). 다음으로, 상기 감지 광섬유 양쪽에서 프로브광 및 펌핑광을 각각 입사시키고 후방으로 산란되어 돌아오는 브릴루앙 산란광을 획득한다(산란광획득단계).
여기에서 상기 랜덤코드의 1주기가 완료되었는지 확인하는 랜덤코드주기확인단계가 수행되는데, 상기 랜덤코드주기확인단계에서 1주기가 완료되지 않았으면, 상기 랜덤코드 및 상기 지연코드 간의 시간 차이를 1비트 변경한다(지연비트변경단계). 상기 랜덤코드주기확인단계에서 1주기가 완료되지 않는 동안, 상기 산란광획득단계, 상기 랜덤코드주기확인단계, 상기 지연비트변경단계가 반복 수행되게 된다.
이렇게 반복 수행이 이루어지다가 상기 랜덤코드주기확인단계에서 1주기가 완료되었으면, 각각의 상기 산란광획득단계에서 획득된 브릴루앙 산란광 정보를 이용하여 각각의 상관 비트 위치에서 브릴루앙 게인 스펙트럼(BGS)을 구한다(BGS샘플링단계). 이후 상기 랜덤코드 비트 순서별로 상기 브릴루앙 게인 스펙트럼을 재정렬하고, 각각의 상관 비트 위치에서 상기 브릴루앙 게인 스펙트럼 상에서 최대값이 발생할 때의 주파수를 찾아 브릴루앙 주파수로 결정하게 된다(브릴루앙주파수결정단계).
이후에는 변형률 또는 온도 환산계수를 브릴루앙 주파수에 곱해 주기만 하면, 상술한 바와 같은 방식으로 종래보다 더욱 촘촘해진(즉 공간 분해능이 향상된) 수많은 측정 위치에서 변형률 또는 온도를 정확하게 구해낼 수 있게 된다.
[2] 본 발명의 광섬유 BOCDA 센서의 실시예
도 9는 본 발명의 시간영역 복합 랜덤코드 위상변조 시간차 제어형 광섬유 BOCDA 센서의 실시예를 도시한다. 도 9의 실시예에 따른 본 발명의 광섬유 BOCDA 센서(100)는, 기본적으로 광원(110), 광섬유 커플러(115), 프로브광 광섬유 라인(120), 펌핑광 광섬유 라인(130), 감지 광섬유(140)를 포함하되, 여기에 프로브광 위상 변조기(121), 프로브광 전기-광학 변조기(122), 광섬유 아이솔레이터(125), 펌핑광 위상 변조기(131), 펌핑광 전기-광학 변조기(132), 광섬유 서큘레이터(135), 광 수신부(150), 제어부(160)가 구비되어 이루어질 수 있다. 각부에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저 기본적인 구성 부품인 상기 광원(110), 상기 광섬유 커플러(115), 상기 감지 광섬유(140), 상기 제어부(160) 각각에 대하여 간략히 설명한다.
상기 광원(110)은 센서의 전체적인 동작을 위한 광을 출력한다. 이 때 동작 효율이 좋게 하기 위해서는 상기 광원(110)에서 출력되는 광이 고출력에 가간섭성이 좋은 것이 바람직하며, 구체적인 예시로서 상기 광원(110)은 하나의 DFB 레이저 다이오드(Distributed Feed-Back Laser Diode)로 이루어질 수 있다.
상기 광섬유 커플러(115)는 1x2 광섬유 커플러 형태로 이루어져, 상기 광원(110)으로부터 광섬유를 통해 진행되어 오는 광을 상기 프로브광 광섬유 라인(120) 및 상기 펌핑광 광섬유 라인(130) 각각으로 진행되어 가도록 나누는 역할을 한다.
상기 감지 광섬유(140)는 취득하고자 하는 감지 신호가 발생되는 부분으로서, 일단이 상기 프로브광 광섬유 라인(120) 끝단에 연결되고, 타단이 상기 펌핑광 광섬유 라인(130)에 연결된다. 이에 따라 상기 감지 광섬유(140)의 양단 각각으로부터 프로브광 및 펌핑광이 진행되어 오며, 상기 감지 광섬유(140) 내에서 두 광이 서로 만나게 된다. 이 때 프로브광 및 펌핑광의 주파수 간에 브릴루앙 주파수만큼의 차이가 있으면 펌핑광의 후방으로 산란되는 브릴루앙 산란광이 증폭되게 된다. 앞서 설명한 바와 같이, 이러한 브릴루앙 산란광의 주파수 변이 값은 상기 감지 광섬유(140) 상 임의의 위치에서의 변형률 및 온도와 직접적인 관계가 있다. 따라서 브릴루앙 산란광을 취득하여 브릴루앙 주파수 변이를 측정함으로써 궁극적으로는 상기 감지 광섬유(140) 상 임의의 위치에서의 변형률 및 온도 변화를 측정해 낼 수 있게 된다.
상기 제어부(160)는, 프로브광 및 펌핑광에 위상변조를 인가하기 위해 랜덤코드 및 상기 랜덤코드와 동일한 형태이되 0 이상의 시간 차이를 부여한 지연코드를 생성하는 랜덤코드 위상변조 장치(161)를 포함한다. 상기 랜덤코드 위상변조 장치(161)는, 앞서 도 7에 도시된 바와 같이, 사용자 인터페이스를 통해 입력받은 코드 길이 및 시간 차이를 사용하여 상기 코드 길이의 랜덤코드 및 상기 랜덤코드에 시간 차이를 부여한 지연코드를 생성하는 랜덤코드 비트 신호 발생부(161a), 신호 형상 조정 및 증폭을 수행하는 신호 조정부(161b)를 포함할 수 있다. 또한 상기 랜덤코드 위상변조 장치(161)는, 상기 프로브광 위상 변조기(121) 및 상기 펌핑광 위상 변조기(131)를 내장하여 일체형으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 제어부(160)는 또한 보다 원활한 동작을 위해 다른 부품들을 더 포함할 수 있는데, 이에 대해서는 이후 보다 상세히 설명한다.
다음으로 상기 프로브광 광섬유 라인(120) 상에 배치되는 상기 프로브광 위상 변조기(121), 상기 프로브광 전기-광학 변조기(122), 상기 광섬유 아이솔레이터(125) 각각에 대하여 간략히 설명한다.
상기 프로브광 위상 변조기(121)는 상기 프로브광 광섬유 라인(120) 상에 구비되며, 상기 랜덤코드 위상변조 장치(161)에 의해 생성된 상기 지연코드로 프로브광의 위상을 변조하는 역할을 한다.
상기 프로브광 전기-광학 변조기(122)는 상기 프로브광 광섬유 라인(120) 상에 구비되며, 상기 프로브광 위상 변조기(121)로부터 진행되어 오는 프로브광을 단일 측파 대역으로 브릴루앙 게인이 증가하도록 주파수 이동시키는 역할을 한다.
상기 광섬유 아이솔레이터(125)는 상기 프로브광 광섬유 라인(120) 상에 구비되며, 상기 프로브광 전기-광학 변조기(122)로부터 진행되어 오는 프로브광을 상기 감지 광섬유(140) 쪽으로 진행시키는 역할을 한다. 또한 상기 광섬유 아이솔레이터(125)는 상기 감지 광섬유(140)로부터 진행되어 오는 광은 차단시키는 역할 또한 겸한다.
다음으로 상기 펌핑광 광섬유 라인(130) 상에 배치되는 상기 펌핑광 위상 변조기(131), 상기 펌핑광 전기-광학 변조기(132), 상기 광섬유 서큘레이터(135) 각각에 대하여 간략히 설명한다.
상기 펌핑광 위상 변조기(131)는 상기 펌핑광 광섬유 라인(130) 상에 구비되며, 상기 랜덤코드 위상변조 장치(161)에 의해 생성된 상기 랜덤코드로 펌핑광의 위상을 변조하는 역할을 한다.
상기 펌핑광 전기-광학 변조기(132)는 상기 펌핑광 광섬유 라인(130) 상에 구비되며, 상기 펌핑광 위상 변조기(131)로부터 진행되어 오는 펌핑광을 펄스 변조하는 역할을 한다.
상기 광섬유 서큘레이터(135)는 상기 펌핑광 광섬유 라인(130) 상에 구비되며, 상기 광섬유 아이솔레이터(125)와 유사하게, 상기 펌핑광 위상 변조기(131)로부터 진행되어 오는 프로브광을 상기 감지 광섬유(140) 쪽으로 진행시키는 역할을 한다.
마지막으로 광을 취득하는 상기 광 수신부(150)에 대하여 간략히 설명한다.
상기 광 수신부(150)는 상기 광섬유 서큘레이터(135)로부터 진행되어 오는 브릴루앙 산란광을 취득하는 적어도 하나의 광 수신기를 포함한다. 상기 광 수신부(150)는 상기 제어부(160)와 연결되어 상기 제어부(160)로 취득한 광신호 데이터를 전달해 줌으로써 신호 분석이 이루어질 수 있게 한다. 이 때 도시된 바와 같이 상기 광 수신부(150)가 제1광 수신기(151) 및 제2광 수신기(152)로 구성될 수 있으며, 상기 광섬유 BOCDA 센서(100)는, 상기 광 수신부(150)의 전방에 구비되어 브릴루앙 산란광을 분리하여 상기 제1광 수신기(151) 및 상기 제2광 수신기(152) 각각으로 수신시키는 빔 스플리터(155)를 더 포함할 수 있다.
상술한 구성 부품들에 더하여, 상기 광섬유 BOCDA 센서(100)를 더욱 원활하게 동작하게 하기 위해 상기 광섬유 BOCDA 센서(100)에 더 포함되는 구성 부품들 각각에 대하여 간략히 설명한다.
상기 프로브광 광섬유 증폭기(123) 및 상기 펌핑광 광섬유 증폭기(133)는 각각 상기 감지 광섬유(140)로 들어가는 펌핑광 및 프로브광을 증폭하는 역할을 한다. 구체적으로, 상기 프로브광 광섬유 증폭기(123)는 상기 프로브광 광섬유 라인(120) 상 상기 광섬유 아이솔레이터(125) 전방에 구비되며, 상기 광섬유 아이솔레이터(125)로 진행되어 오는 프로브광을 증폭한다. 또한 상기 펌핑광 광섬유 증폭기(133)는 상기 펌핑광 광섬유 라인(130) 상 상기 광섬유 서큘레이터(135) 전방에 구비되며, 상기 광섬유 서큘레이터(135)로 진행되어 오는 펌핑광을 증폭한다.
상기 편광 스위치(124, PS: polarization switch)는 상기 프로브광 광섬유 라인(120) 상 상기 프로브광 전기-광학 변조기(122) 및 상기 광학 아이솔레이터(125) 사이에 구비되며, 상기 프로브광 전기-광학 변조기(122)로부터 진행되어 오는 프로브광에서의 편광 영향을 제거하는 역할을 한다.
다음으로 상기 제어부(160)에 포함되는 RF 신호 합성기(162, RF signal synthesizer), 초핑 모듈(163, choppingmodule) 각각에 대하여 간략히 설명한다.
상기 RF 신호 합성기(162)는 상기 프로브광 전기-광학 변조기(122)와 연결되며, 상기 감지 광섬유(140)의 브릴루앙 주파수 근처의 전기 신호를 만들어 상기 프로브광 전기-광학 변조기(122)를 구동하는 역할을 한다.
상기 펄스 생성기(163)는 상기 펌핑광 전기-광학 변조기(132)와 연결되며, 펄스 변조를 위한 펄스를 생성하는 역할을 한다.
이와 같이 이루어지는 본 발명의 광섬유 BOCDA 센서(100)의 전반적인 동작을 설명하면 다음과 같다.
상기 광원(110)으로부터 나온 광은 상기 광섬유 커플러(115)로 나뉘어 프로브광 및 펌핑광으로 사용된다. 이 두 광은 상기 각각의 위상 변조기(121)(131)에 의하여 PRBS 코드 패턴으로 위상 변조되는데, 이 때 이 두 PRBS 코드 패턴 중 하나는 핸덤코드이고 나머지 하나는 상기 랜덤코드와 동일한 형태이되 0 이상의 시간 차이를 부여한 지연코드이다. 프로브광은 상기 프로브광 전기-광학 변조기(122)에 의하여 단일 측파 대역으로 브릴루앙 게인이 증가하도록, 즉 브릴루앙 주파수 근처의 주파수 변조를 갖도록 주파수 이동되고, 상기 프로브광 광섬유 증폭기(123)에 의해 증폭된 후 상기 편광 스위치(124)에 의하여 편광 조절되어 상기 광섬유 아이솔레이터(125)를 지나 상기 감지 광섬유(140)의 한쪽 끝단으로 입력된다. 한편, 펌핑광은 상기 펌핑광 전기-광학 변조기(132)에 의하여 펄스 변조되고, 상기 펌핑광 광섬유 증폭기(133)에 의해 증폭된 후 상기 광섬유 서큘레이터(135)를 지나 상기 감지 광섬유(140)의 다른 쪽 끝단으로 입력된다.
이러한 두 광은 랜덤코드의 길이만큼 주기적으로 상기 감지 광섬유(140) 내부에 위상이 항상 일치하는 상관 비트 위치를 다수 형성한다. 펄스 펌핑광이 이 상관 비트를 지나갈 때 펌핑광과 프로브광사이의 주파수가 상기 감지 광섬유(140)의 상관 비트 위치의 브릴루앙 주파수와 일치하면 후방 산란광은 브릴루앙 증폭이 발생하여 산란광의 크기가 증가한다. 이와 같은 브릴루앙 게인 스펙트럼을 상관 비트 위치를 이동시켜가면서 랜덤코드 전체 길이에서 측정하여 각각의 상기 감지 광섬유(140) 상의 해당 위치로 배치하면, 상기 감지 광섬유(140) 전체 길이에 대한 브릴루앙 게인 스펙트럼을 얻을 수 있다. 이 스펙트럼으로부터 상기 감지 광섬유(140)의 위치별 산란광의 크기가 최대인 주파수를 결정하면 그 값이 브릴루앙 주파수가 된다. 이 값에 변형률 또는 온도 환산 계수를 곱하여 측정하고자 하는 물리량을 결정한다.
[3] 본 발명의 광섬유 BOCDA 센서의 실제 구현예
앞서 설명한 바와 같은 고분해능 변형 검출용 시간영역 복합 BOCDA 시스템 제작을 위하여 DAQ 모듈, LD 드라이버 모듈, SOA 드라이버 모듈을 제작하였으며, 그 특성은 다음과 같다. 도 10(a)는 시간영역 후방 산란광 신호를 반복 취득하여 평균화하는 DAQ 모듈이다. 이 모듈의 신호 획득 속도는 100ms/s, 최대 65,535개의 후방 산란광 트레이스를 평균하여 USB를 통해 컴퓨터로 데이터를 전송할 수 있다. 최대 2,400개의 데이터를 전송하는 것이 가능하며, 이러한 성능은 감지 광섬유 길이 2.4km에 해당하는 데이터를 처리하는 것이다. USB 인터페이스에 의하여 컴퓨터에서 평균하는 펄스의 숫자와 전송하는 데이터의 개수를 지정할 수 있다. 도 10(b)는 SOA 드라이버로 20 ~ 1000ns의 펄스폭과 20 ~ 1000us의 반복률을 가지는 펄스를 생성할 수 있다. USB 인터페이스에 의하여 컴퓨터로부터 펄스폭과 반복률을 조정할 수 있다. 도 10(c)는 LD 드라이버 모듈로 1550nm 파장의 레이저를 구동시키는 장치이다. USB 인터페이스를 통하여 컴퓨터로부터 레이저의 출력과 파장을 조정할 수 있다. 도 10(d)는 상술한 모듈들을 사용하여 자체 제작한 PRBS 랜덤코드 신호발생 모듈이다. 64 Bit의 PRBS 신호를 두 채널로 발생시켜서 펌핑광과 프로브광의 위상 변조기를 통해 위상을 랜덤코드 패턴으로 변조시킨다. 이 모듈은 USB 인터페이스로 컴퓨터와 연동되는데 두 PRBS 신호 사이의 시간차, 즉 비트 차이를 지정하여 주면 상관 비트 위치가 지정되어 측정하게 된다. 비트의 주파수는 1GHz로 감지 광섬유의 공간 분해능 10cm를 구현하게 된다.
도 11은 모든 부품과 모듈을 사용하여 구성한 고분해능 시간영역 복합 변형 검출용 BOCDA 시스템의 시작품으로, 도 11(a)는 측면, 도 11(b)는 상면이다. 도 9의 시스템 구성도와 같이 광학 모듈들로 구성된 상층부와 전자 부품과 모듈들로 이루어진 하층부로 구성하였다. 랜덤코드 신호발생 모듈, DAQ 모듈 등은 컴퓨터와 USB 허브를 통하여 연결되도록 하였다. 도 11(c) 및 (d)는 고분해능 변형 검출용 시간영역 복합 BOCDA 시스템을 케이스에 넣어 완성한 측면 및 상면 모습이다. 전면부에는 전원과 광검출기 입력광을 조절하는 노브 및 광파워 모니터로 구성되었다. 후면부에는 감지 광섬유 연결부인 펌핑광과 프로브광 연결 커넥터 두 개를 구성하였다. 또한 시스템 이상 유무를 확인하기 위한 프로브광과 펌핑광의 특성을 확인하기 위한 광커넥터 두 개를 설치하였다. 후면부에는 전원 라인 연결부와 팬을 설치하여 시스템의 온도를 일정 수준으로 유지할 수 있도록 하였다.
도 12a는 시간영역 복합 BOCDA 시스템을 구동하기 위한 프로그램의 LabVIEW 프런트 패널이다. Main Page 탭에는 재정렬한 브릴루앙 주파수를 3D로 표시하는 그래프와 피크를 표시하는 그래프를 포함하며, 각종 측정 파라메타를 설정하는 부분으로 구성되어 있다. 또한 브릴루앙 게인 스펙트럼을 확인할 수 있는 그래프가 도시된다. Signal Process 탭에는 Bit별 전체 측정 데이터와 resample한 데이터 등의 각 단계별 데이터를 표시하는 부분으로 이루어졌다. Basic Setting 탭은 연결 채널 등의 기본 파라메터를 설정하는 부분으로 구성된다. 도 12b는 해당 프로그램의 블록 다이어그램 패널이다. 블록 다이어그램 패널에는 프로그램 동작을 위한 블록 다이어그램 프로그램이 작성되어 있다. 이 시간영역 복합 BOCDA 시스템의 동작을 위한 프로그램은 앞서의 도 8과 같은 순서에 의하여 구동된다.
블록 다이어그램의 작동 순서는 초기에는 시스템 기본 파라메터로 평균화 횟수, 광주파수 스캔 범위 등을 설정한다. 또한, 랜덤 코드 시간차인 펌핑광과 프로브광의 랜덤코드 사이의 지연 비트를 설정하고 한 비트씩 이동하도록 설정한다. 광주파수 스캔 초기값을 설정하고 펄스 펌핑광을 발생시키면서 후방 산란광을 100MHz 이상의 빠르기로 획득한다. 광주파수를 증가분만큼 증가시키면서 계속 후방 산란광을 획득하여 광주파수 스캔 종료값까지 후방 산란광을 획득한다. 만약 랜덤코드 한 주기가 끝난 상태가 아니면 다시 지연 비트를 한 비트 증가시킨 후 후방 산란광을 취득하는 과정을 다시 수해애한다. 이와 같이 랜덤코드의 한 주기가 끝나고 있는지를 확인하고 한주기가 끝나는 상황이면 후방 산란광중에서 상관 비트 위치의 브릴루앙 게인 스펙트럼(BGS: Brillouin Gain Spectrum)을 샘플링한다. 그리고 랜덤코드 비트 순서별로 BGS를 재정렬하여 감지 광섬유 위의 각각의 위치하게 한 후 브릴루앙 주파수를 각각의 위치에서 결정한다. 이 브릴루앙 주파수에 변형률 환산계수를 곱하면 변형률을 얻게 된다.
[4] 본 발명의 광섬유 BOCDA 센서의 성능 검증
고분해능 변형 검출용 시간영역 복합 BOCDA 시스템의 측정 거리, 변형 범위, 변형 분해능, 공간 분해능에 대하여 공인 시험 성적을 받기 위하여 생산기술연구원의 시험 감독관의 입회하에 실험을 수행하였다. 시간영역 복합 BOCDA 시스템에 약 100m 길이의 감지 광섬유를 연결하여 실험하였다.
첫 번째 시험은 측정 거리가 100m 이상인가를 시험하는 것이다. 이 시험을 위하여 도 13과 같이 기존의 OTDR(Optical time domain reflectometer)로 감지 광섬유의 길이를 측정하였다. 그 후에는 BOCDA 시작품에 연결하여 측정거리 전체에 대하여 브릴루앙 주파수를 획득하는 것을 확인하였다. 도 14를 참조하면, 감지 광섬유의 물리적 길이를 확인하기 위하여 OTDR에 의하여 측정한 감지 광섬유의 길이는 104.92m임을 알 수 있다.
이 감지 광섬유를 BOCDA 시작품에 연결하여 브릴루앙 주파수를 획득한 결과 도 15와 같이 104.90m의 측정 데이터를 얻을 수 있었다. BOCDA 시작품은 10cm당 변형률에 해당하는 브릴루앙 주파수 한 개씩 획득할 수 있도록 제작되었다. 그래서, 도 15에서 측정 위치를 나타내는 x축의 33번째 측정점과 1082번째 측정점까지가 유효한 브릴루앙 주파수를 획득하게 되는 구간으로 1,082 ?? 33 = 1,049가 감지 광섬유 위의 측정점으로 확인된다. 그에 따라서, 감지 광섬유의 길이를 계산해 보면 1,049점 x 10cm/점 = 10,490cm = 104.90m임을 알 수 있다. 따라서 BOCDA 시작품은 100m 이상의 감지 광섬유 측정 거리를 구현하고 있음을 알 수 있다.
두 번째 시험은 변형 범위를 알아보는 시험을 수행하였다. 이 시험은 도 16과 같이 100m의 감지 광섬유 중간 지점인 약 50여m 지점에 50cm 간격으로 마이크로 이송장치를 두어 그 위에 감지 광섬유 50cm의 양 끝단을 부착하고 변형을 인가하도록 하여 시험을 수행하였다.
마이크로 이송장치에 의하여 0 ~ 2.5mε 변형률을 0.5mε간격으로 인가하면서 BOCDA 시스템으로 측정을 수행하였다. 그 결과 도 17과 같이 50cm의 변형 인가 부분이 10cm 간격으로 5 개의 측정점이 획득되었으며 2.5mε까지 측정이 잘 되어서 ㅁ1.25mε 범위를 측정하고 있어서 변형 범위는 ㅁ1mε이상을 측정할 수 있음을 확인하였다.
세 번째 시험은 변형 분해능을 알아보는 시험이다. 이 시험은 도 18처럼 100m의 감지 광섬유를 사용하여 50m 근처의 한 개의 측정점을 반복하여 측정할 때의 표준편차를 구하였다.
감지 광섬유의 약 50m 근처의 한 개의 측정점을 1회 또는 10회 평균화하면서 100 번 반복하여 측정한 측정값은 도 19와 같다. 이 그림에서 변형 분해능은 1 회 평균하는 경우에 ㅁ20 마이크론 정도 되는데 표준 편차로는 9.4 마이크론이었다. 한편, 10 회 평균화하는 경우 ㅁ10 마이크론 정도의 분해능을 갖는 것으로 보이며 표준편차로는 4.8 마이크론이어서 5 마이크론 이내임을 확인하였다.
네 번째 시험은 공간 분해능을 확인하는 시험으로 도 20과 같다. 이 그림에서 100 미터의 감지 광섬유의 약 50m 근처에서 변형을 인가할 때 변형률 인가 구간의 길이와 상승 하강 구간의 변화로부터 공간 분해능을 파악하도록 하였다.
마이크로 이송장치를 이용하여 변형률을 2.5mε인가하였을 때의 브릴루앙 주파수 변화는 도 21과 같다. 변형률 인가 구간인 50cm의 길이를 5 개의 위치에서 측정하고 있으며, 시작점과 끝점에서의 브릴루앙 주파수가 기본 주파수에서 변형률 인가량에 해당하는 만큼의 주파수로 이동하고 있어서 공간 분해능이 10cm이므로 20cm 이하임을 확인할 수 있다.
100: 광섬유 BOCDA 센서
110: 광원
115: 광섬유 커플러
120: 프로브광 광섬유 라인
121: 프로브광 위상 변조기
122: 프로브광 전기-광학 변조기
123: 프로브광 광섬유 증폭기
124: 편광 스위치
125: 광섬유 아이솔레이터
130: 펌핑광 광섬유 라인
131: 펌핑광 위상 변조기
132: 펌핑광 전기-광학 변조기
133: 펌핑광 광섬유 증폭기
135: 광섬유 서큘레이터
140: 감지 광섬유
150: 광 수신부
151 : 제1광 수신기
152 : 제2광 수신기
155 : 빔 스플리터
160: 제어부
161 : 랜덤코드 위상변조 장치
161a : 랜덤코드 비트 신호 발생부
161b : 신호 조정부
162: RF 신호 합성기
163: 펄스 생성기

Claims (15)

  1. 브릴루앙 주파수 변이를 이용하여 감지 광섬유(140) 상 임의의 위치에서의 변형률 및 온도를 측정하는 광섬유 BOCDA 센서(100)에 있어서,
    프로브광은 연속광으로 형성하고 펌핑광은 펄스광으로 형성하며,
    프로브광 광섬유 라인(120) 및 펌핑광 광섬유 라인(130) 각각에 프로브광 위상 변조기(121) 및 펌핑광 위상 변조기(131)가 구비되어 프로브광 및 펌핑광이 각각 랜덤코드 및 상기 랜덤코드와 동일한 형태이되 0 이상의 시간 차이를 부여한 지연코드에 의해 위상변조되어,
    상기 감지 광섬유(140) 양쪽에서 프로브광 및 펌핑광이 각각 입사됨으로써 위상이 항상 일치하는 위치의 상관 비트를 주기적으로 다수 개 발생시키되,
    상기 랜덤코드 및 상기 지연코드 간의 시간 차이를 조절함으로써 상기 감지 광섬유(140) 상에서의 펌핑광 및 프로브광의 상관 비트 위치들을 조절 가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 광섬유 BOCDA 센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 광섬유 BOCDA 센서(100)는,
    각각의 상관 비트 위치에서 후방으로 산란되어 돌아오는 브릴루앙 산란광의 브릴루앙 게인 스펙트럼(BGS)을 구하고,
    상기 브릴루앙 게인 스펙트럼 상에서 최대값이 발생할 때의 주파수를 찾아 브릴루앙 주파수로 결정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 BOCDA 센서.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 광섬유 BOCDA 센서(100)는,
    하나의 상관 비트 위치들에서 브릴루앙 주파수를 구하고,
    상기 랜덤코드 및 상기 지연코드 간의 시간 차이를 1비트만큼 변경시켜 새로운 상관 비트 위치들을 형성한 후, 새로운 상관 비트 위치들에서 브릴루앙 주파수들을 구하는 동작을 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 광섬유 BOCDA 센서.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 광섬유 BOCDA 센서(100)는,
    상관 비트 위치들을 조절하면서 브릴루앙 주파수를 구하는 동작을, 상기 랜덤코드의 1주기 동안 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 광섬유 BOCDA 센서.
  5. 제 1항에 의한 상기 광섬유 BOCDA 센서(100)를 이용한 측정방법에 있어서,
    상기 랜덤코드 및 상기 지연코드 간의 시간 차이를 초기 설정하는 시간차이초기설정단계;
    상기 감지 광섬유(140) 양쪽에서 프로브광 및 펌핑광을 각각 입사시키고 후방으로 산란되어 돌아오는 브릴루앙 산란광을 획득하는 산란광획득단계;
    상기 랜덤코드의 1주기가 완료되었는지 확인하는 랜덤코드주기확인단계;
    상기 랜덤코드주기확인단계에서 1주기가 완료되지 않았으면, 상기 랜덤코드 및 상기 지연코드 간의 시간 차이를 1비트 변경하는 지연비트변경단계;
    상기 산란광획득단계, 상기 랜덤코드주기확인단계, 상기 지연비트변경단계가 반복 수행되는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 BOCDA 센서의 측정방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 광섬유 BOCDA 센서의 측정방법은,
    상기 랜덤코드주기확인단계에서 1주기가 완료되었으면,
    각각의 상기 산란광획득단계에서 획득된 브릴루앙 산란광 정보를 이용하여 각각의 상관 비트 위치에서 브릴루앙 게인 스펙트럼(BGS)을 구하는 BGS샘플링단계;
    상기 랜덤코드 비트 순서별로 상기 브릴루앙 게인 스펙트럼을 재정렬하고, 각각의 상관 비트 위치에서 상기 브릴루앙 게인 스펙트럼 상에서 최대값이 발생할 때의 주파수를 찾아 브릴루앙 주파수로 결정하는 브릴루앙주파수결정단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 BOCDA 센서의 측정방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 광섬유 BOCDA 센서(100)는,
    광원(110);
    상기 광원(110)으로부터 광섬유를 통해 진행되어 오는 광을 상기 프로브광 광섬유 라인(120) 및 상기 펌핑광 광섬유 라인(130) 각각으로 진행되어 가도록 나누는 광섬유 커플러(115);
    일단이 상기 프로브광 광섬유 라인(120) 끝단에 연결되고, 타단이 상기 펌핑광 광섬유 라인(130)에 연결되며, 프로브광 및 펌핑광의 주파수 간에 브릴루앙 주파수만큼의 차이가 있으면 펌핑광의 후방으로 산란되는 브릴루앙 산란광에 증폭을 일으키는 상기 감지 광섬유(140);
    프로브광 및 펌핑광에 위상변조를 인가하기 위해 랜덤코드 및 상기 랜덤코드와 동일한 형태이되 0 이상의 시간 차이를 부여한 지연코드를 생성하는 랜덤코드 위상변조 장치(161)를 포함하는 제어부(160);
    상기 프로브광 광섬유 라인(120) 상에 구비되며, 상기 랜덤코드 위상변조 장치(161)에 의해 생성된 상기 지연코드로 프로브광의 위상을 변조하는 상기 프로브광 위상 변조기(121);
    상기 프로브광 광섬유 라인(120) 상에 구비되며, 상기 프로브광 위상 변조기(121)로부터 진행되어 오는 프로브광을 단일 측파 대역으로 브릴루앙 게인이 증가하도록 주파수 이동시키는 프로브광 전기-광학 변조기(122);
    상기 프로브광 광섬유 라인(120) 상에 구비되며, 상기 프로브광 전기-광학 변조기(122)로부터 진행되어 오는 프로브광을 상기 감지 광섬유(140) 쪽으로 진행시키고, 상기 감지 광섬유(140)로부터 진행되어 오는 광은 차단시키는 광섬유 아이솔레이터(125);
    상기 펌핑광 광섬유 라인(130) 상에 구비되며, 상기 랜덤코드 위상변조 장치(161)에 의해 생성된 상기 랜덤코드로 펌핑광의 위상을 변조하는 상기 펌핑광 위상 변조기(131);
    상기 펌핑광 광섬유 라인(130) 상에 구비되며, 상기 펌핑광 위상 변조기(131)로부터 진행되어 오는 펌핑광을 펄스 변조하는 펌핑광 전기-광학 변조기(132);
    상기 펌핑광 광섬유 라인(130) 상에 구비되며, 상기 펌핑광 위상 변조기(131)로부터 진행되어 오는 프로브광을 상기 감지 광섬유(140) 쪽으로 진행시키는 광섬유 서큘레이터(135);
    상기 광섬유 서큘레이터(135)로부터 진행되어 오는 브릴루앙 산란광을 취득하는 적어도 하나의 광 수신기를 포함하는 광 수신부(150);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 BOCDA 센서.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 랜덤코드 위상변조 장치(161)는,
    사용자 인터페이스를 통해 입력받은 코드 길이 및 시간 차이를 사용하여 상기 코드 길이의 랜덤코드 및 상기 랜덤코드에 시간 차이를 부여한 지연코드를 생성하는 랜덤코드 비트 신호 발생부(161a),
    신호 형상 조정 및 증폭을 수행하는 신호 조정부(161b)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 BOCDA 센서.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 랜덤코드 위상변조 장치(161)는,
    상기 프로브광 위상 변조기(121) 및 상기 펌핑광 위상 변조기(131)를 내장하여 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 BOCDA 센서.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 광섬유 BOCDA 센서(100)는,
    상기 프로브광 광섬유 라인(120) 상 상기 광섬유 아이솔레이터(125) 전방에 구비되며, 상기 광섬유 아이솔레이터(125)로 진행되어 오는 프로브광을 증폭하는 프로브광 광섬유 증폭기(123);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 BOCDA 센서.
  11. 제 7항에 있어서, 상기 광섬유 BOCDA 센서(100)는,
    상기 프로브광 광섬유 라인(120) 상 상기 프로브광 전기-광학 변조기(122) 및 상기 광학 아이솔레이터(125) 사이에 구비되며, 상기 프로브광 전기-광학 변조기(122)로부터 진행되어 오는 프로브광에서의 편광 영향을 제거하는 편광 스위치(124);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 BOCDA 센서.
  12. 제 7항에 있어서, 상기 광섬유 BOCDA 센서(100)는,
    상기 펌핑광 광섬유 라인(130) 상 상기 광섬유 서큘레이터(135) 전방에 구비되며, 상기 광섬유 서큘레이터(135)로 진행되어 오는 펌핑광을 증폭하는 펌핑광 광섬유 증폭기(133);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 BOCDA 센서.
  13. 제 7항에 있어서, 상기 광섬유 BOCDA 센서(100)는,
    상기 광 수신부(150)가 제1광 수신기(151) 및 제2광 수신기(152)로 구성되며,
    상기 광 수신부(150)의 전방에 구비되어 브릴루앙 산란광을 분리하여 상기 제1광 수신기(151) 및 상기 제2광 수신기(152) 각각으로 수신시키는 빔 스플리터(155);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 BOCDA 센서.
  14. 제 7항에 있어서, 상기 제어부(160)는,
    상기 프로브광 전기-광학 변조기(122)와 연결되며, 상기 감지 광섬유(140)의 브릴루앙 주파수 근처의 전기 신호를 만들어 상기 프로브광 전기-광학 변조기(122)를 구동하는 RF 신호 합성기(162)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 BOCDA 센서.
  15. 제 7항에 있어서, 상기 제어부(160)는,
    상기 펌핑광 전기-광학 변조기(132)와 연결되며, 펄스 변조를 위한 펄스를 생성하는 펄스 생성기(163)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 BOCDA 센서.
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Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Random-access distributed fiber sensing"(Avi Zadok etc, Laser Photonics Rev. 6, No. 5, L1-L5, 2012)

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