KR20230137047A - 복소 신호 기반의 광섬유 음향 방사 센서 시스템 - Google Patents

복소 신호 기반의 광섬유 음향 방사 센서 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복소 신호 기반의 광섬유 음향 방사 센서 시스템에 관한 것으로서, 음향 방사 검출 영역에 설치되는 광섬유 음향방사 센서부와, 협대역 레이저 신호를 발생시켜 상기 음향방사 센서부로 전달하고, 상기 음향방사 센서부로부터 획득된 광신호를 전기신호로 변환하고, 이를 신호 처리에 용이한 아날로그 신호로 변환하는 광섬유 음향 방사 간섭계와, 상기 광섬유 음향 방사 간섭계에서 획득된 아날로그 신호를 처리하여, 진동신호를 획득하고, 진동 신호를 분석하여 분석 결과를 제공하는 워크스테이션을 포함하되, 상기 광섬유 음향 방사 간섭계는 상기 획득된 광신호를 2개의 복소 신호로 변환하고, 상기 2개의 복소 신호간의 연산을 통해 위상 신호를 직접적으로 얻는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 복소 신호 간섭계를 통해 레이저의 위상 신호만을 직접적으로 얻을 수 있어 측정 대상의 주파수 특성이나 이상 현상 발생을 정확하게 검출할 수 있는 장점이 있다.

Description

복소 신호 기반의 광섬유 음향 방사 센서 시스템{Fiber Optic Acoustic Emission Sensor System Based on Complex Signal}
본 발명은 광섬유 음향 방사 센서 시스템에 관한 기술로서, 보다 상세하게는 복소 신호의 조합 연산을 통해 위상 신호를 복조하여 위상 정보를 직접 얻어낼 수 있어 측정 대상 주파수 신호만을 높은 신호-대-잡음비로 검출할 수 있는 기술에 관한 것이다.
일반적으로, 음향방출신호를 측정하는 센서는 전기용량형(capacitative type), 압전형(piezoelectric type) 및 광간섭형(laser interferometric type)이 있다. 압전형 센서는 부착방식이 용이하고 작은 진폭에도 민감하게 반응하므로 보편적으로 사용되고 있으나 전기 신호를 이용하므로 신호 전송 중 잡음 유입 가능성이 크고 고온의 환경에 적용하기 어려운 단점이 있다.
광간섭형 음향방출 센서는 절대 변위를 측정할 수 있고 신호의 왜곡을 최소화할 수 있으므로 센서 보정이나 비교적 큰 변위의 신호 검출에 적용되고 있다.
한편, 고감도, 전자기 간섭에 대한 내성, 열악한 환경에서 작동하는 기능 등의 장점을 갖는 광섬유 센서는 격자 기반 센서, 산란 기반 분산형 센서 및 간섭계 기반 센서로 구분된다.
격자 기반 센서는 광섬유 코어에서의 격자 영향을 감지하는 것으로서 브래그 파장이 광섬유 주위의 온도, 변형, 진동 등의 변화에 따라 변하는 특성을 이용한다.
산란 기반 분산형 센서는 매우 긴 거리를 연속적으로 측정하는 용도에 적합한 것으로서, 광섬유 내에서 광펄스의 후방산란광)을 측정한다. 광섬유 외부에서 온도, 변형, 진동 등의 변화가 발생하면 산란광이 변조되어 진폭, 주기 및 위상에서 변화가 일어나므로 이러한 후방산란광의 변화를 모니터링하여 광섬유 주위의 물리적인 변화량을 모니터링하는 방식이다.
간섭계 기반 센서는 2개의 빔 분리기에 의해 지나온 광 경로차로부터 간섭 패턴에 생기는 간섭 패턴의 변화를 감지하는 것으로서 좁은 공간에서 공기압의 변화, 유량의 압력 변화, 온도 변화 등을 감지하기 위한 프로브 용도로 사용된다.
간섭계 기반 센서는 크기가 작고 높음 민감도를 가지며 가격이 상대적으로 저렴한 장점이 있다.
도1은 종래 광섬유 음향 방사 센서 시스템의 구성도이고, 도 2는 종래 광섬유 음향 방사 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 것이다.
도 1을 참조하면, 광섬유 음향 방사 센서(FOAES : Fiber Optic Acoustic Emission Sensor)는 간섭계 구조로 미약한 진동 신호를 광신호로 증폭하여 감지하는 것으로서, FOAE 간섭계(100)는 협대역 레이저를 발생하여 광섬유(200)를 통해 FOAE 센서(300)에 전달하고, FOAE 센서(300)로부터 획득된 광신호를 전기신호로 변환하고, 신호처리에 용이한 아날로그 신호로 변환하여 워크스테이션(400)으로 전송한다.
워크스테이션(400)은 획득된 아날로그 신호를 처리하여, 진동신호를 획득하고, 진동 신호를 분석하여 분석 결과를 사용자에게 제공한다.
도 2를 참조하면, FOAE 간섭계(100)는 협대역 레이저를 발생시키는 레이저발생기(110)와, 발생된 협대역 레이저를 2개의 경로로 분리하는 1×2 광 커플러(120)와, 2개의 광 경로를 구성하는 측정 암(130)과 레퍼런스 암(140) 및 2×2 광 커플러(150)를 포함하여 구성된다.
측정 암(130) 측에서 음향 방사에 의해 광섬유 길이의 미세한 변화가 발생하게 되고, 미세한 길이 변화가 발생한 측정 암(130)과 길이의 변화가 없는 레퍼런스 암(140)과 에서 출력된 레이저의 간섭 신호를 이용하여 측정 암(130)의 길이 변화를 측정한다.
여기서, 측정 암(130)과 레퍼런스 암(140)에서 출력되는 전계 신호는 각각 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
2×2 광 커플러(150)에서 출력되는 2개의 광신호 I1와 I2는 각각 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
아래 수학식 3과 같이, 수학식 2의 2개의 광신호 I1와 I2의 차를 구하여 비트 신호( IBeat)를 산출한다.
[수학식 3]
수학식 3에서 φ(t)는 진동에 의한 광섬유 길이의 변화이며, 센서의 측정 대상이고, IBeat는 광 검출기에서 직접적으로 획득되는 물리량이다. 수학식 3에서 Em과 Er은 그 값을 알 수 없으므로 IBeat 신호를 검출한다고 해서 φ(t)의 값을 직접적으로 알 수는 없고, 다만 IBeat 신호를 활용하여 φ(t)의 경향을 개략적으로 알 수 있다.
도3은 종래 광섬유 음향 방사 센서의 측정결과를 나타낸 그래프로서, (a)는 시간축에 대한 측정값의 크기, (b)는 주파수 대역별 성분 크기를 나타낸 것이다.
종래 광섬유 음향 방사 센서에서는 위상정보φ(t)를 직접 얻어낼 수 없고 cos(φ(t)) 신호만을 획득가능하며, cos(φ(t)) 신호는 cos{An×cos(ωt)}의 형태로 나타내므로 코사인 함수에 의한 왜곡이 발생하여 (a)와 같은 형태의 파형이 얻어진다. 이 신호는 원 음향 신호와는 전혀 다른 형태의 신호임을 알 수 있다.
이 신호를 주파수 변환하면 (b)와 같은 그래프가 얻어지는데, 실제 음향 신호에 의한 주파수 성분(20kHz 신호)외에 많은 주파수 성분이 같이 검출되는 것을 알 수 있다.
즉, 종래 광섬유 음향 방사 센서는 특정 음향 신호가 발생한 사실은 검출할 수 있으나, 주파수 분석 결과가 어떠한 특성을 갖는지, 이떤 이상 현상이 발생하였는지를 확인할 수 없는 문제가 있다.
1. 한국등록특허 제0338529호 (광섬유 외팔보의 공진을 이용한 음향방출 센서) 2. 미국등록특허 제6289143호 (Fiber optic acoustic emission sensor)
본 발명은 복소 신호의 비선형 연산을 통해 위상 신호를 복조하여 위상 정보를 직접 얻어낼 수 있어 측정 대상 주파수 신호만을 높은 신호-대-잡음비로 검출할 수 있는 기술을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 음향 방사 검출 영역에 설치되는 광섬유 음향방사 센서부와, 협대역 레이저 신호를 발생시켜 상기 음향방사 센서부로 전달하고, 상기 음향방사 센서부로부터 획득된 광신호를 전기신호로 변환하고, 이를 신호 처리에 용이한 아날로그 신호로 변환하는 광섬유 음향 방사 간섭계와, 상기 광섬유 음향 방사 간섭계에서 획득된 아날로그 신호를 처리하여, 진동신호를 획득하고, 진동 신호를 분석하여 분석 결과를 제공하는 워크스테이션을 포함하되, 상기 광섬유 음향 방사 간섭계는 상기 획득된 광신호를 2개의 복소 신호로 변환하고, 상기 2개의 복소 신호간의 연산을 통해 위상 신호를 직접적으로 얻는 것을 특징으로 하는 복소 신호 기반의 광섬유 음향 방사 센서 시스템이 제공된다.
여기서, 상기 복소 신호는 제1 출력신호와 상기 제1 출력신호와 90도 위상차를 갖는 제2 출력신호이다.
그리고, 상기 광섬유 음향 방사 간섭계는 상기 협대역 레이저 신호를 입력받아 2개의 광 신호를 출력하는 1×2 광 커플러와, 제1 및 제2 입력단에 상기 2개의 광 신호가 입력되고 제3 입력단에는 광 신호가 차단되며, 입력된 광 신호를 결합하여 120도의 위상차를 갖는 3개의 광 신호를 출력하는 3×3 광 커플러와, 상기 3개의 광 신호를 조합 연산하여 2개의 복소 신호를 출력하는 연산부를 포함할 수 있다.
또는 상기 광섬유 음향 방사 간섭계는 상기 협대역 레이저 신호를 입력받아 분리하는 제1 광 스플리터와, 상기 제1 광 스플리터 후단에 상호 병렬적으로 연결되는 제2 및 제3 광 스플리터와, 상기 제1 광 스플리터와 제3 광 스플리터의 광 경로 상에 삽입되는 광 지연소자와, 제3 광 스플리터에서 출력되는 광 신호의 위상을 90도 지연시키는 90도 지연기와, 제2 및 제3 광 스플리터에서 출력되는 광 신호를 결합시키는 제1 광 커플러와, 제2 광 스플리터에서 출력되는 광 신호 및 상기 90도 지연기를 통해 위상이 지연된 제3 광 스플리터의 광 신호를 결합시키는 제2 광 커플러를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 복소 신호 간섭계를 통해 레이저의 위상 신호만을 직접적으로 얻을 수 있어 측정 대상의 주파수 특성이나 이상 현상 발생을 정확하게 검출할 수 있는 장점이 있다.
도1은 종래 광섬유 음향 방사 센서 시스템의 구성도이다.
도 2는 종래 광섬유 음향 방사 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 것이다.
도3은 종래 광섬유 음향 방사 센서의 측정결과를 나타낸 그래프로서, (a)는 시간축에 대한 측정값의 크기, (b)는 주파수 대역별 성분 크기를 나타낸 것이다.
도4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 복소 신호 기반 광섬유 음향 방사 센서의 복소 신호 간섭계의 구조를 나타낸 것이다.
도 5는 도4은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복소 신호 기반 광섬유 음향 방사 센서 시스템의 회로 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 복소 신호 기반 광섬유 음향 방사 센서의 복소 신호 간섭계의 구조를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 복소 신호 기반 광섬유 음향 방사 센서의 측정결과를 나타낸 그래프로서, (a)는 시간축에 대한 측정값의 크기, (b)는 주파수 대역별 성분 크기를 나타낸 것이다.
도 8은 200kHz 대역의 단일 주파수 신호가 발생하였을 때의 광섬유 음향 방사 센서의 측정 결과를 비교한 그래프이다.
도 9는 39kHz와 310kHz 대역의 신호가 혼재할 경우 광섬유 음향 방사 센서의 측정 결과를 비교한 그래프이다.
본 발명에 기재된 실시예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예 및 도면에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 복소 신호 기반 광섬유 음향 방사 센서의 복소 신호 간섭계의 구조를 나타낸 것이다.
도4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 복소 신호 간섭계는 레이저 발생기(10)에서 출력되는 협대역 레이저 신호를 입력받아 2개의 광 신호를 출력하는 1×2 광 커플러(20)와, 제1 및 제2 입력단에 1×2 광 커플러(20)의 2개의 광 출력신호가 입력되고 제3 입력단에는 광 신호가 차단되며 입력된 광 신호를 결합하여 120도의 위상차를 갖는 3개의 광 신호를 출력하는 3×3 광 커플러(50)를 포함하여 구성된다.
1×2 광 커플러(20)와 3×3 광 커플러(50) 사이에는 음향 방출 검출을 위한 측정 암(30)과 레퍼런스 암(40)의 2개의 광 경로가 형성된다.
3×3 광 커플러(50)에서 출력되는 3개의 광 신호는 아래 수학식 4와 같이 상호 간의 120도의 위상차를 갖는 광 신호이다.
[수학식 4]
이 3개의 광 신호를 선형 연산하여 상호 90도의 위상차를 갖는 복소 신호를 생성한다. 이 복소 신호(Iinphase, Iquadrature)는 아래 수학식 5와 같다.
[수학식 5]
이 복소 신호(Iinphase, Iquadrature)를 수학식 6과 같이 비선형 연산을 통해 위상 신호를 복조하면 위상 신호를 직접적으로 얻을 수 있다.
[수학식 6]
위의 수학식 6에서 알 수 있는 바와 같이, 비선형 연산 과정에서 측정이 불가능한 Em, Er 신호 성분이 제거되고, 복소 신호(Iinphase, Iquadrature)는 검출기의 획득 신호이므로 위상 신호의 정확한 값을 산출할 수 있게 된다.
도 5는 도4은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복소 신호 기반 광섬유 음향 방사 센서 시스템의 회로 구성도이다.
도 5를 통해 제1 실시예에 따른 복소 신호 기반 광섬유 음향 방사 센서 시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다.
레이저 발생기(10)에서 방사된 협대역 레이저 신호는 1×2 광 커플러(20)를 통해 2개의 광 신호로 분리되고, 1개의 광 신호는 측정 암(30)을 통해 음향 방사 검출 영역에 설치된 FOAE 센서부(70)로 전달되고, 나머지 광 신호는 레퍼런스 암(40)을 통해 3×3 광 커플러(50)의 제1 입력단으로 입력된다.
FOAE 센서부(70)에서 출력되는 광 신호는 3×3 광 커플러(50)의 제2 입력단으로 입력된다. 여기서, 3×3 광 커플러(50)의 제2 입력단은 입력이 차단된 상태이다.
3×3 광 커플러(50)는 수학식 4와 같은 120도 위상차를 갖는 3개의 신호가 출력되고, 검출기(60)에서 이 3개의 신호를 검출하여 연산부(80)로 전달한다. 연산부(80)는 수학식 5와 같은 선형 연산하여 상호 90도의 위상차를 갖는 복소 신호를 생성한다.
생성된 복소 신호는 워크스테이션(90)으로 전송되고, 워크스테이션(90)은 수학식 6과 같은 비선형 연산을 통해 레이저 위상 신호(진동 신호)를 복조하고, 이 신호를 분석하여 분석 결과를 제공한다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 복소 신호 기반 광섬유 음향 방사 센서의 복소 신호 간섭계의 구조를 나타낸 것이다.
제2 실시예의 복소 신호 간섭계는 레이저 발생기(10)에서 방사된 광 신호를 입력받아 분리하는 제1 광 스플리터(20')와, 제1 광 스플리터(20')의 후단에 상호 병렬적으로 연결되는 제2 및 제3 광 스플리터(30', 50')와, 제1 광 스플리터(20')와 제3 광 스플리터(50')의 광 경로 상에 삽입되는 광 지연소자(40')와, 제3 광 스플리터(50')에서 출력되는 광 신호의 위상을 90도 지연시키는 90도 지연기(60')와, 제2 및 제3 광 스플리터(30', 50')에서 출력되는 광 신호를 결합시키는 제1 광 커플러(70')와, 제2 광 스플리터(30')에서 출력되는 광 신호와 90도 지연기(60')를 통해 위상이 지연된 제3 광 스플리터(50')의 광 신호를 결합시키는 제2 광 커플러(80')를 포함하여 구성된다.
이러한 구성을 통해 제1 광 커플러(70')에서는 in-Phase 광 신호가 출력되고, 제2 광 커플러(80')에서는 90도 지연기(60')를 통해 위상이 지연되어 in-Phase 광 신호와 90도 위상차를 갖는 광 신호가 출력된다. 제2 실시예에서는 2개의 광 커플러(70', 80')에서 직접적으로 복소 신호가 생성되므로 연산부(80)의 구성이 요구되지 않는다.
도 7은 본 발명에 따른 복소 신호 기반 광섬유 음향 방사 센서의 측정결과를 나타낸 그래프로서, (a)는 시간축에 대한 측정값의 크기, (b)는 주파수 대역별 성분 크기를 나타낸 것이다.
도 7의 (a)에 도시된 것과 같이 본 발명에서 도출된 레이저의 위상 신호는 Ancos(ωt)의 형태로 나타나고 완전한 정현파의 형태이므로 왜곡이 없는 완전한 신호를 얻을 수 있고, 이를 주파수 변환한 (b)의 그래프에서도 단일 주파수 성분의 피크값을 얻을 수 있다.
도 8은 200kHz 대역의 단일 주파수 신호가 발생하였을 때의 광섬유 음향 방사 센서의 측정 결과를 비교한 그래프로서, 종래 광섬유 음향 방사 센서의 경우 신호-대-잡음비(SNR)이 낮고 레이저 신호 외의 고조파 성분들이 검출됨에 비해 본 발명에 따른 복소 신호 기반 광섬유 음향 방사 센서가 적용된 경우 고조파 성분이 존재하지 않고 신호-대-잡음비가 높은 특성을 갖는 것을 알 수 있다.
도 9는 39kHz와 310kHz 대역의 신호가 혼재할 경우 광섬유 음향 방사 센서의 측정 결과를 비교한 그래프로서, 종래 광섬유 음향 방사 센서의 경우 신호-대-잡음비(SNR)이 낮고 레이저 신호 외의 다수의 고조파 성분들이 검출됨에 비해 본 발명에 따른 복소 신호 기반 광섬유 음향 방사 센서가 적용된 경우 정확하게 39kHz와 310kHz 대역의 신호만이 검출되는 것을 확인알 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
10 : 레이저 발생기 20 : 1×2 광 커플러
30 : 측정 암 40 : 레퍼런스 암
50 : 3×3 광 커플러 60 : 검출기
70 : FOAE 센서부 80 : 연산부
90 : 워크스테이션 20' : 제1 광 스플리터
30' : 제2 광 스플리터 40' : 광 지연 소자
50' : 제3 광 스플리터 60' : 90도 지연기
70' : 제1 광 커플러 80' : 제2 광 커플러

Claims (4)

  1. 복소 신호 기반의 광섬유 음향 방사 센서 시스템에 있어서,
    음향 방사 검출 영역에 설치되는 광섬유 음향방사 센서부와;
    협대역 레이저 신호를 발생시켜 상기 음향방사 센서부로 전달하고, 상기 음향방사 센서부로부터 획득된 광신호를 전기신호로 변환하고, 이를 신호 처리에 용이한 아날로그 신호로 변환하는 광섬유 음향 방사 간섭계와;
    상기 광섬유 음향 방사 간섭계에서 획득된 아날로그 신호를 처리하여, 진동신호를 획득하고, 진동 신호를 분석하여 분석 결과를 제공하는 워크스테이션을 포함하되,
    상기 광섬유 음향 방사 간섭계는 상기 획득된 광신호를 2개의 복소 신호로 변환하고, 상기 2개의 복소 신호간의 연산을 통해 위상 신호를 직접적으로 얻는 것을 특징으로 하는 복소 신호 기반의 광섬유 음향 방사 센서 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복소 신호는 제1 출력신호와 상기 제1 출력신호와 90도 위상차를 갖는 제2 출력신호인 것을 특징으로 하는 복소 신호 기반의 광섬유 음향 방사 센서 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 광섬유 음향 방사 간섭계는
    상기 협대역 레이저 신호를 입력받아 2개의 광 신호를 출력하는 1×2 광 커플러와;
    제1 및 제2 입력단에 상기 2개의 광 신호가 입력되고 제3 입력단에는 광 신호가 차단되며, 입력된 광 신호를 결합하여 120도의 위상차를 갖는 3개의 광 신호를 출력하는 3×3 광 커플러와;
    상기 3개의 광 신호를 조합 연산하여 2개의 복소 신호를 출력하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 복소 신호 기반의 광섬유 음향 방사 센서 시스템.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 광섬유 음향 방사 간섭계는
    상기 협대역 레이저 신호를 입력받아 분리하는 제1 광 스플리터와;
    상기 제1 광 스플리터 후단에 상호 병렬적으로 연결되는 제2 및 제3 광 스플리터와;
    상기 제1 광 스플리터와 제3 광 스플리터의 광 경로 상에 삽입되는 광 지연소자와;
    제3 광 스플리터에서 출력되는 광 신호의 위상을 90도 지연시키는 90도 지연기와;
    제2 및 제3 광 스플리터에서 출력되는 광 신호를 결합시키는 제1 광 커플러와;
    제2 광 스플리터에서 출력되는 광 신호 및 상기 90도 지연기를 통해 위상이 지연된 제3 광 스플리터의 광 신호를 결합시키는 제2 광 커플러를 포함하는 것을 특징으로 하는 복소 신호 기반의 광섬유 음향 방사 센서 시스템.

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2. 미국등록특허 제6289143호 (Fiber optic acoustic emission sensor)

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