KR20240041424A - 분산 온도 센싱 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 광섬유와 반사 미러를 통해 산란되는 안티스톡스 산란광을 수신하는 포토 다이오드의 거리별 신호세기 데이터에서 하나 이상의 불연속 지점을 결정하고 결정된 불연속 지점에 의해 구분되는 구간에서의 거리별 온도를 각 구간에서 결정되는 온도 파라미터를 이용하여 결정하는 것을 포함하는 분산 온도 센싱 시스템 및 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 분산 온도 센싱 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 전반사 미러와 안티스톡스 광신호만을 사용하는 분산 온도 센싱 시스템에 있어서 각종 광섬유의 특성, 설치 구조 및 환경에 의한 손실을 보정하여 정확한 온도 검출이 가능하고 전반사 미러에 의해 야기되는 광신호에 따라 발생하는 시스템의 오동작이나 불량 현상을 방지하거나 제거하는 분산 온도 센싱 시스템 및 방법에 관한 것이다.
분산 온도 센싱 시스템(Distributed Temperature Sensing : DTS, 이하 'DTS'라고도 함) 시스템이 알려져 있다. 화재발생 등의 온도 감지를 위해 설치되는 DTS 시스템은 구비된 광섬유에 인가되는 광신호에 대한 역산란광(back scattering light)의 변화를 모니터링하여 설치된 광섬유의 각 지점에서의 온도를 측정할 수 있다.
DTS 시스템은 다양한 장소나 위치에서 적용 가능하고 예를 들어, 터널, 통신구나 전력구와 같은 실내 공간, 전력계, 발전소나 변전소 등의 실외 공간, 저유고, 탄약고, 원자력발전소, 화학공장, 송유관, 배관, 반도체공장, 컨베이어 벨트 등에 설치되어 화재를 감지하거나 온도를 측정할 수 있다.
광펄스가 광섬유로 입사되면 각(모든) 지점의 광섬유에서 역산란광이 발생하는 데, 역산란광에는 입사광과 동일한 파장을 갖는 레일리 산란광(Rayleigh scattering light), 레일리 산란광과 근접 대역에 두 개의 브릴루앙 산란광(Brillouin scattering light)과 단파장 브릴루앙 산란광 전과 장파장 브릴루앙 산란광 후에 두 개의 라만 산란광(Raman scattering light)이 있다.
두 개의 라만 산란광 중 단파장의 산란광은 안티스톡스 광(anti-stokes light)이고 장파장은 스톡스 광(stokes light)으로서, 안티스톡스 광은 온도에 민감하고 스톡스 광은 온도에 민감하지 않고 안티스톡스 광과 스톡스 광 사이의 비율로 온도를 측정하는 DTS 시스템이 알려져 있다.
안티스톡스 광과 스톡스 광을 활용하는 기존의 DTS 시스템은 안티스톡스 광과 스톡스 광을 각각 수광하고 전기변환하기 위한 광검출기(포토 다이어드(APD))를 개별적으로 구비해야 하는 비용 상승 요인과 광섬유상의 물리적 방해로 인한 산란광의 분포 부정확성이 문제로 야기되었다.
특허문헌 1은 이러한 기존의 DTS 시스템의 문제점을 개선하기 위해 고안된 발명으로서, 특허문헌 1의 광섬유 분포 온도 센서 시스템은 광원부, 피측정 광섬유(120), 반사수단(125), 광순환기(115), 라만 필터(130), 광검출기(135), 증폭기(140), 디지털변환기(145) 및 신호처리부(150)로 구성된다.
특허문헌 1의 광섬유 분포 온도 센서 시스템의 신호처리부(150)는 반사수단(125) 전의 전방산란광의 안티스톡스 광과 반사수단(125)에 의해 반사되는 광에 의한 후방산란광의 안티스톡스 광을 이용하는 수학식 6에 따라 피측정 광섬유(120)의 각 지점에서의 온도를 산출한다.
특허문헌 1의 광섬유 분포 온도 센서 시스템은 단일의 안티스톡스 광과 이를 수광하는 단일의 광검출기(135)를 가지는 점과 안티스톡스 광만을 이용하여 온도 산출 또는 분석이 가능한 점에서 기술적 의미를 가지는 것으로 판단된다.
반면에, 특허문헌 1은 수학식 6에 따라 온도를 산출하는 경우에, 일부 광섬유의 꺽임 등이 존재하는 경우에도 온도 보정이 가능하나 서로 다른 제조사나 로트(lot)의 광섬유의 경우 정확한 온도 보정이 불가능한 것으로 측정되었다.
또한, 특허문헌 1의 시스템을 실제 적용하는 경우, 광섬유 분포 온도 센서 시스템이 오동작하거나 파손되는 현상이 발생하는 것을 확인하였고 특히 광섬유 분포 온도 센서 시스템의 광검출기나 광원부가 오동작하거나 파손되어 물리적인 기능의 동작이 불가능함을 실험 등의 과정에서 발견하였다.
이와 같이, 특허문헌 1의 광섬유 분포 온도 센서 시스템에서 야기되는 여러 문제점을 해소할 수 있는 분산 온도 센싱 시스템 및 방법이 필요하다.
본 발명은, 상술한 문제점을 해결하기 위해서 안출한 것으로서, 동일하거나 다른 제조사의 광섬유의 물성 차이나 온도 측정을 위해 연결된 광섬유의 구조 등에 따라 야기되는 DTS 시스템 적용 환경에서의 다양한 유형의 온도 측정 오차를 통일적으로 자동 보정할 수 있는 분산 온도 센싱 시스템 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 반사수단과 단일의 광검출기를 가지고 단일의 안티스톡스 광을 활용하는 DTS 시스템에서 발생하는 오동작이나 부품의 파괴 현상을 제거하거나 개선하여 온도 측정 현장에서 안정적으로 실적용할 수 있는 분산 온도 센싱 시스템 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 양상에 따른 분산 온도 센싱 시스템은 일단에서 입사된 광을 전송하는 광섬유, 광섬유의 타단에 위치하여 광섬유에서 전송되는 광을 광섬유로 반사하는 반사 미러, 광섬유의 일단에 연결되어 입사 광을 광섬유 방향으로 전송하고 광섬유에서 발생하는 산란광을 다른 방향으로 전송하는 광 서큘레이터, 광 서큘레이터로부터의 산란광에서 안티스톡스 산란광을 필터링하는 라만 필터, 라만 필터로부터의 안티스톡스 산란광을 전기신호로 변환하는 포토 다이오드 및 포토 다이오드의 안티스톡스 산란광의 신호세기 데이터에서 광섬유의 거리별 온도를 분석하는 신호 처리부를 포함하고, 신호 처리부는 포토 다이오드로부터의 거리별 신호세기 데이터에서 하나 이상의 불연속 지점을 결정하고 불연속 지점 이후의 제2 구간에서의 거리별 온도를 제2 구간에 대해 결정되는 온도 파라미터를 이용하여 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기한 분산 온도 센싱 시스템에 있어서, 셋업 과정에서, 신호 처리부는 안티스톡스 산란광의 거리별 신호세기 데이터 각각에 대해 이전 신호세기 데이터와의 제1 신호세기 변화율과 이후 신호세기 데이터와의 제2 신호세기 변화율을 산출하고 산출된 제1 신호세기 변화율과 제2 신호세기 변화율 사이의 상관값이 임계치 이상인 지를 결정하며 임계치 이상인 신호세기 데이터의 거리에 대응하는 지점을 불연속 지점으로 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기한 분산 온도 센싱 시스템에 있어서, 신호 처리부는, 셋업 과정에서, 불연속 지점 이후의 제2 구간에서 온도 산출에 이용되는 온도 파라미터를 불연속 지점 이전의 제1 구간에서의 신호세기 데이터와 제2 구간에서의 신호세기 데이터 사이의 신호세기 비율에 기초하여 결정하고, 운용 과정에서, 제2 구간에서 측정된 거리별 신호세기 데이터를 온도 파라미터를 적용하여 거리별 온도를 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기한 분산 온도 센싱 시스템에 있어서, 광을 출력하는 레이저 다이오드 및 레이저 다이오드로부터의 광을 증폭하여 광섬유로 전송하는 광 증폭기를 더 포함하고, 신호 처리부는, 셋업 과정에서, 광섬유의 길이를 레이저 다이오드 및 광 증폭기를 제어하여 측정하고 측정된 길이에 따라 광섬유를 통해 광으로부터 반사 미러에 의해 생성되는 반사미러 광신호의 포토 다이오드에서의 도달 시간을 산출하고, 운용 과정에서 레이저 다이오드의 광 출력 후 도달 시간의 마진 기간 전 또는 전후로 온된 포토 다이오드를 오프하는 것을 특징으로 한다.
상기한 분산 온도 센싱 시스템에 있어서, 신호 처리부는 운용 과정에서 광 증폭기에 설정되는 증폭률보다 낮은 증폭율로 광 증폭기의 증폭을 제어하고 반사 미러를 통해 수신되는 신호세기 데이터가 임계 세기 이상인지에 따라 반사 미러까지의 광섬유의 길이를 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 양상에 따른 분산 온도 센싱 방법은 셋업 과정에서, 광섬유와 반사 미러를 통해 산란되는 안티스톡스 산란광을 수신하는 포토 다이오드의 거리별 신호세기 데이터에서 하나 이상의 불연속 지점을 결정하는 단계 및 운용 과정에서, 결정된 불연속 지점에 의해 구분되는 구간에서의 거리별 온도를 각 구간에서 결정되는 온도 파라미터를 이용하여 결정하는 단계로서, 불연속 지점 이후의 제2 구간에서의 거리별 온도를 제2 구간과 불연속 지점 이전의 제1 구간의 신호세기 데이터 사이의 신호세기 비율에 기초하여 결정되는 온도 파라미터를 이용하여 결정하는, 구간에서의 거리별 온도를 각 구간에서 결정되는 온도 파라미터를 이용하여 결정하는 단계를 포함한다.
상기한 분산 온도 센싱 방법에 있어서, 불연속 지점을 결정하는 단계는, 안티스톡스 산란광의 거리별 신호세기 데이터 각각에 대해 이전 신호세기 데이터와의 제1 신호세기 변화율과 이후 신호세기 데이터와의 제2 신호세기 변화율을 산출하고 산출된 제1 신호세기 변화율과 제2 신호세기 변화율 사이의 상관값이 임계치 이상인 지를 결정하며 임계치 이상인 신호세기 데이터의 거리에 대응하는 지점을 불연속 지점으로 결정한다.
상기한 분산 온도 센싱 방법에 있어서, 셋업 과정에서, 광섬유로 증폭된 광을 출력하는 레이저 다이오드 및 광 증폭기를 제어하여 광섬유를 통해 광으로부터 반사 미러에 의해 생성되는 반사미러 광신호의 포토 다이오드에서의 도달 시간을 산출하는 단계 및 운용 과정에서, 레이저 다이오드의 광 출력 후 도달 시간의 마진 기간 전 또는 전후로 온된 포토 다이오드를 오프하는 단계를 더 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 분산 온도 센싱 시스템 및 방법은 동일하거나 다른 제조사의 광섬유의 물성 차이나 온도 측정을 위해 연결된 광섬유의 구조 등에 따라 야기되는 DTS 시스템 적용 환경에서의 다양한 유형의 온도 측정 오차를 통일적으로 자동 보정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명에 따른 분산 온도 센싱 시스템 및 방법은 반사수단과 단일의 광검출기를 가지고 단일의 안티스톡스 광을 활용하는 DTS 시스템에서 발생하는 오동작이나 부품의 파괴 현상을 제거하거나 개선하여 온도 측정 현장에서 안정적으로 실적용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 반사 미러를 이용하여 거리별 온도를 측정하는 기존의 DTS 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 기존 DTS 시스템에서 측정되는 안티스톡스 산란광의 거리별 신호세기 그래프와 거리별 온도 그래프의 예를 도시한 도면이다.
도 3은 반사 미러를 이용하는 기존의 DTS 시스템의 문제점을 극복하기 위해 개선된 DTS 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 설치된 광섬유의 길이 측정을 수행하고 측정된 길이에 따라 포토 다이오드의 전원의 제어를 통해 구간별 온도 파라미터를 설정하는 제어 흐름을 도시한 도면이다.
도 5는 DTS 시스템을 이용하여 거리별 온도를 분석하는 예시적인 제어 흐름을 도시한 도면이다.
도 6은 셋업 과정에서 수집된 안티스톡스 산란광의 신호세기 그래프를 도시한 도면이다.
도 7은 신호세기 그래프로부터 구성된 상관 그래프와 불연속 지점에서의 온도 파라미터의 설정 예를 도시한 도면이다.
도 8은 운용 과정에서 본 발명에 따라 구간별 온도 파라미터를 이용하여 측정된 예시적인 온도 그래프를 도시한 도면이다.
도 2는 기존 DTS 시스템에서 측정되는 안티스톡스 산란광의 거리별 신호세기 그래프와 거리별 온도 그래프의 예를 도시한 도면이다.
도 3은 반사 미러를 이용하는 기존의 DTS 시스템의 문제점을 극복하기 위해 개선된 DTS 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 설치된 광섬유의 길이 측정을 수행하고 측정된 길이에 따라 포토 다이오드의 전원의 제어를 통해 구간별 온도 파라미터를 설정하는 제어 흐름을 도시한 도면이다.
도 5는 DTS 시스템을 이용하여 거리별 온도를 분석하는 예시적인 제어 흐름을 도시한 도면이다.
도 6은 셋업 과정에서 수집된 안티스톡스 산란광의 신호세기 그래프를 도시한 도면이다.
도 7은 신호세기 그래프로부터 구성된 상관 그래프와 불연속 지점에서의 온도 파라미터의 설정 예를 도시한 도면이다.
도 8은 운용 과정에서 본 발명에 따라 구간별 온도 파라미터를 이용하여 측정된 예시적인 온도 그래프를 도시한 도면이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술 되어 있는 상세한 설명을 통하여 더욱 명확해 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 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 반사 미러(150)를 이용하여 거리별 온도를 측정하는 기존의 DTS 시스템(100)의 구성을 도시한 도면이다.
도 1의 DTS 시스템(100)의 구성은 본 발명에서 선행기술문헌으로 특정한 특허문헌 1의 도면 2의 구성과 대부분 동일하다. 도 1을 통해 알 수 있는 바와 같이, 기존의 DTS(분산 온도 센싱) 시스템은 펄스 발생기(110), 레이저 다이오드(105), 광 증폭기(120), 광 서큘레이터(130), 광섬유(140), 반사 미러(150), 라만 필터(160), 포토 다이오드(170), 신호 증폭기(180), ADC(185)(Analog Digital Converter), 신호 처리부(190) 및 기준 온도센서(135)를 포함하여 구성된다.
도 1의 기존 DTS 시스템(100)을 살펴보면, 펄스 발생기(110)는 레이저 다이오드(105)를 구동하기 위한 펄스 신호를 생성하여 레이저 다이오드(105)로 출력한다. 펄스 발생기(110)는 레이저 다이오드(105)를 구동하기 위한 구동전류를 펄스 형태로 발생시켜 레이저 다이오드(105)로 출력할 수 있다.
레이저 다이오드(105)는 펄스 발생기(110)로부터의 구동제어 신호에 따라 (펄스 형태의) 광신호를 생성하고 출력한다. 레이저 다이오드(105)는 싱글 모드 또는 멀티 모드의 광 신호를 생성하여 출력할 수 있도록 구성된다. 레이저 다이오드(105)는 1550nm의 광 신호나 다른 파장(예를 들어, 905 nm 등)의 광 신호를 출력할 수 있다. 레이저 다이오드(105)는 펄스 발생기(110)로부터의 펄스발생 제어신호에 따라 펄스 광을 출력할 수 있다.
광 증폭기(120)는 레이저 다이오드(105)에 연결되어 레이저 다이오드(105)로부터 입사되는 광을 증폭하고 후단에 연결되는 광 서큘레이터(130)를 통해 광섬유(140)로 전송한다. 광 증폭기(120)는 EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier) 타입의 증폭기일 수 있다.
광 서큘레이터(130)는 광 증폭기(120)에 연결되어 광 증폭기(120)에서 입사되는 광을 후단에 연결되는 광섬유(140) 방향으로 전송하고 광섬유(140)에서 발생하는 산란광을 광섬유(140) 방향과는 다른 방향으로 전송한다. 이와 같이, 광 서큘레이터(130)는 일 방향(광 증폭기(120))에서 입사되는 광과 타 방향(광섬유(140))에서 입사되는 광을 분리하여 다른 방향으로 출력한다. 광 서큘레이터(130)는 광섬유(140)의 각 지점에서 발생하는 산란광을 광 증폭기(120)에서 입사되는 방향과는 다른 방향으로 출력할 수 있도록 구성된다.
광섬유(140)는 입사된 광을 전송한다. (기존) DTS 시스템(100)에 따른 광섬유(140)는 적어도 광섬유(140)의 거리별 온도를 감지하기 위한 센서로서 이용된다. DTS 시스템(100)은 광섬유(140)에서 발생하는 산란광의 신호세기를 이용하여 광섬유(140)의 거리별(광 증폭기(120) 또는 광 서큘레이터(130)로부터의 거리별) 온도를 측정할 수 있다. 바람직하게는 DTS 시스템(100)은 라만 산란 중 안티스톡스 산란광만을 이용하여 거리별 온도를 측정(분석)할 수 있다.
광섬유(140)는 온도의 센서로 이용될 뿐 아니라 광통신에 더(또는 동시에)이용될 수 있다. 광섬유(140)는 터널, 통신구나 전력구와 같은 실내 공간, 전력계, 발전소나 변전소 등의 실외 공간, 저유고, 탄약고, 원자력발전소, 화학공장, 송유관, 배관, 반도체공장, 컨베이어 벨트 등에 설치되어 화재를 감지하거나 온도를 측정할 수 있도록 구성된다.
광섬유(140)는 설치 위치에 따라 임의의 길이(예를 들어, 1 Km, 2 Km, 10 Km 등)를 가질 수 있고 적어도 한 끝단(또는 일단)은 광 서큘레이터(130)에 연결되어 광 서큘레이터(130)에서 입사되는 광을 타단(반대편의 끝단)으로 전송 가능하다.
반사 미러(150)는 광섬유(140)의 타단(광 서큘레이터(130)가 설치되는 일단과 반대편의 끝단)에 위치하여 광섬유(140)를 통해 일단으로부터 전송되는 광을 반사한다. 반사 미러(150)는 광 증폭기(120)를 통해 입사되는 광을 광섬유(140)로 반사하는 기능을 수행하는 전반사 미러일 수 있다. 반사 미러(150)는 산란광인 안티스톡스 광과 스톡스 광 사이의 파장 대역(예를 들어, 펄스 광이 1550 nm 인 경우, 1270 nm ~ 1700 nm 대역)을 반사할 수 있다. 반사 미러(150)는 소위 거울 일 수 있다.
라만 필터(160)는 광 서큘레이터(130)로부터 입력되는 산란광 중 라만 산란광을 필터링한다. 라만 필터(160)는 입력되는 산란광 중에서 바람직하게는 안티스톡스 산란광을 통과(필터링)시키고 다른 파장 대역의 광을 제거할 수 있다. 예를 들어, 라만 필터(160)는 펄스 광(1550 nm)의 파장에 따른 안티스톡스 산란광의 파장이 1450 nm +/- 마진(예를 들어, 10 nm)의 광신호를 통과시키고 나머지 광신호를 제거하도록 구성될 수 있다. 라만 필터(160)는 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 필터를 이용하여 구성될 수 있다.
포토 다이오드(170)는 라만 필터(160)에 연결되어 라만 필터(160)로부터의 안티스톡스 산란광을 전기신호로 변환한다. 포토 다이오드(170)는 APD(Avalanche Photo Diode)일 수 있다. 포토 다이오드(170)는 광섬유(140)에서 발생하는 각종 안티스톡스 산란광(입사광이 반사 미러(150)를 진행하는 동안의 발생하는 안티스톡스 산란광, 입사광이 반사 미러(150)에 의해 반사되어 광 서큘레이터(130)로 진행하는 동안 발생하는 안티스톡스 산란광 등)을 센싱하고 센싱된 전기신호를 출력한다.
신호 증폭기(180)는 포토 다이오드(170)에 연결되어 포토 다이오드(170)로부터의 전기신호를 증폭한다. 신호 증폭기(180)는 미리 설정된 게인을 이용하여 안티스톡스 산란광의 미세한 전기신호를 디지털로 센싱가능한 전기레벨로 증폭하여 출력한다.
ADC(185)(Analog Digital Converter)는 신호 증폭기(180)에 연결되어 신호 증폭기(180)로부터의 증폭된 전기신호를 디지털의 신호세기 데이터로 변환한다. ADC(185)를 통해 DTS 시스템(100)은 광섬유(140)의 각 위치에서의 안티스톡스 산란광의 신호세기 데이터를 획득 가능하다.
기준 온도센서(135)는 광섬유(140) 내에서 알려진 위치에 설치되어 알려진 위치에서의 온도를 측정한다. 기준 온도센서(135)는 피측정 대상인 광섬유(140)의 기준점에서의 온도를 측정하고 측정된 온도데이터를 신호 처리부(190)로 전송할 수 있다.
신호 처리부(190)는 ADC(185)에 연결되어 ADC(185)에서 출력되는 일련의 신호세기 데이터를 이용하여 광섬유(140)의 거리별 온도를 분석한다. 신호 처리부(190)는 포토 다이오드(170), 신호 증폭기(180) 및 ADC(185)를 통해 형성되는 안티스톡스 산란광의 신호세기 데이터에서 광섬유(140)의 거리별 온도를 특허문헌 1의 수학식(수학식 6 참조)에 따라 측정할 수 있도록 구성된다.
신호 처리부(190)는 내부에 적어도 메모리 및 중앙처리유닛(예를 들어, CPU, MPU, 마이컴, DSP 및/또는 프로세서 등)과 펄스 발생기(110)를 제어하고 ADC(185)로부터 신호세기 데이터를 수신하는 입출력 포트를 포함한다. 신호 처리부(190)는 펄스 발생기(110)의 구동 제어와 이후 ADC(185)로부터 순차적으로 수신되는 신호세기 데이터들을 이용하여 광섬유(140)의 각 지점에서의 거리별(지점별) 온도를 분석하고 그에 따라 온도를 결정할 수 있다. 설계 예에 따라, 신호 처리부(190) 또는 DTS 시스템(100)이 프로그래밍 가능한 비메모리 반도체(PLD, FPGA)를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 신호 처리부(190)는 5 ns 또는 50 ns 등의 지정된 기간의 광 펄스를 발생시키기 위한 펄스발생 제어신호를 펄스 발생기(110)로 출력하고 그에 따라 레이저 다이오드(105)는 지정된 기간 동안 펄스 광을 출력한다. 펄스 광의 출력 이후, 신호 처리부(190)는 예를 들어, 10 ns 단위(위치 거리별 산란광의 지연시간을 고려한 단위)로 신호세기 데이터를 수신하고 메모리나 하드디스크에 저장할 수 있다.
빛의 전파속도와 광섬유(140)의 코어의 굴절률 등에 의해 광섬유(140) 내에서의 빛(산란광)의 전파속도를 산출할 수 있고 광섬유(140)의 시작지점(예를 들어, 광 서큘레이터(130)의 출력단)으로부터 각 거리(예를 들어, 1m, 2m ~~ 4Km 등)에서의 산란광의 광 서큘레이터(130) 또는 이후의 구성까지의 도착 시간을 결정할 수 있다. 신호 처리부(190)는 ADC(185)의 센싱 주기(예를 들어, 10 ns 등)에 따라 광섬유(140) 각 거리(또는 지점)에서의 신호세기 데이터를 수집하고 내부의 메모리 등에 저장할 수 있다.
신호 처리부(190)는 순차적으로 다수 회(예를 들어, 2000회, 8000회 등)에 걸쳐 광 펄스를 출력하고 거리별 일련의 신호세기 데이터를 다수 회 수집할 수 있다. 신호 처리부(190)는 다수 회에 걸쳐 수집된 각 광섬유(140) 거리에서의 신호세기 데이터들을 평균하고 평균된 신호세기 데이터들을 이용하여 각 거리에서의 온도를 결정할 수 있다.
신호 처리부(190)는 특허문헌 1의 수학식 6을 이용하여 광섬유(140)의 각 거리별 온도를 산출한다. 여기서, h는 플랑크 상수, c는 진공상태에서의 광신호의 속도, Δv는 피측정 광섬유(140)에서의 라만시프트율, kB는 볼츠만 상수, T(z0)는 피측정 광섬유(140)의 기준점(기준 온도센서(135)가 설치된 위치)에서의 온도, If(z0)는 피측정 광섬유(140)의 기준점(기준 온도센서(135)가 설치된 위치)에서의 안티스톡스 산란광의 세기, If(z)는 피측정 광섬유(140)의 임의의 점에서의 안티스톡스 산란광의 세기이다. 수학식 6에 관련된 구체적인 설명은 특허문헌 1을 참조한다.
도 2는 기존 DTS 시스템(100)에서 측정되는 안티스톡스 산란광의 거리별 신호세기 그래프와 거리별 온도 그래프의 예를 도시한 도면이다.
도 2의 그래프는 약 7 Km 길이의 광섬유(140)에서 반사 미러(150)가 설치된 DTS 시스템(100)에서 광섬유(140)에서 임의의 지점(약 5,500 m)에 열을 인가하여 얻어진 신호세기 그래프(도 2의 (a) 참조)와 수학식 6에 따라 변환된 온도 그래프(도 2의 (b) 참조)를 나타낸다.
도 2의 (a)는 펄스 광의 인가와 거리별 신호세기의 수집 과정을 약 2000회에 걸쳐 수행하고 수집된 신호세기들을 거리별로 평균하여 산출된 신호세기 그래프이다.
도 2의 (a)에서 ⓐ 그래프 부분은 레이저 다이오드(105)에 의해 생성된 광이 광섬유(140)의 일단에서 반사 미러(150)의 타단까지 전송되는 과정에서 각 지점(거리)에서 발생하는 안티스톡스 산란광의 신호세기 그래프를 나타내고 도 2의 (a)의 ⓑ 그래프 부분은 광이 반사 미러(150)에 의한 반사로 광섬유(140)의 일단으로 (재)전송되는 과정에서 각 지점(거리)에서 발생하는 안티스톡스 산란광의 신호세기 그래프를 나타낸다. 도 2의 (a)의 ⓒ는 반사 미러(150)에 의해 발생하고(생성되고) 라만 필터(160)와 포토 다이오드(170)를 통해 센싱되는 반사미러 광신호의 신호세기를 나타낸다. 도 2의 (a)에서 ⓘ 부분은 광섬유(140)에서 실험을 통해 열이 인가된 지점에서 감지된 신호세기 크기를 나타낸다.
도 2의 (b)는 도 2의 (a)의 신호세기 그래프로부터 수학식 6을 이용하여 산출되는 온도 그래프를 나타낸다. 도 2의 (b)에서 ⓘ 부분은 실험을 통해 열이 인가된 지점에서의 상승한 온도를 나타낸다.
여기서, 도 2의 (b)의 ⓟ 지점에서의 계단식 온도 편차가 발생함을 알 수 있다. ⓟ 지점(약 4300 m 지점) 이후의 광섬유(140)는 일괄적으로 온도 저하가 발생하고 그에 따라 열이 인가된 지점도 온도 저하 현상이 발생한다.
기존 DTS 시스템(100)(특허문헌 1)은 일부 접속 부위나 구부러짐에 따른 신호세기 감쇠 현상을 보정하여 온도를 분석하는 것으로 설명하고 있다. 그러나, 수학식 6에 따른 온도 산출에서 도 2의 (b)의 ⓟ 지점과 같이 온도 감쇠 현상이 실제로 발생한다.
DTS 시스템(100)에 설치되는 광섬유(140)는 다양한 길이와 연결 구조를 가질 수 있다. 설치환경에 따라, 설치되는 광섬유(140)는 그 길이가 가변적이고 또한 설치환경에서 다양한 제조사의 광섬유(140)들이 연결(connection point)되거나 분리(splicing point)될 수 있다. 동일 제조사의 경우에도 광섬유(140)의 물성이 서로 다를 수 있다.
광섬유(140)의 물성, 길이 또는 연결구조에 따라 온도 감쇠 현상은 설치된 광섬유(140)는 다양한 지점에서 발생하고 다양한 크기로 발생할 수 있다. 일부 온도 감쇠 현상의 보정이 기존의 DTS 시스템(100)에서 이루어질 수 있으나 도 2의 (b)와 같이 기존 DTS 시스템(100)으로부터 그 보정이 이루어지지 않는 현상이 발생하고 있고 이러한 현상으로 인해 (광섬유(140)의 길이가 길어질수록) 정확한 온도 측정이 불가능한 문제가 발생한다.
한편, 도 1의 기존 DTS 시스템(100)은 온도 측정을 위한 운용 과정에서 그 DTS 시스템(100)이 정상적으로 동작하지 않는 현상이 발생하는 것으로 확인되었다. 도 1의 기존 DTS 시스템(100) 중에서 포토 다이오드(170), 광 증폭기(120), 레이저 다이오드(105), 펄스 발생기(110) 중 하나 이상의 부품이 파손되거나 오동작을 하는 현상이 발생하고 이에 따라 기존 DTS 시스템(100)을 실제로 상용화하기에는 한계가 있음을 확인하였다.
수백 회에 걸친 실험을 통해 출원인은 반사미러 광신호(도 2의 (a)의 ⓒ 참조)가 DTS 시스템(100)에 영향을 미치고 그에 따라 포토 다이오드(170), 광 증폭기(120), 레이저 다이오드(105), 펄스 발생기(110) 중 하나 이상의 부품이 파손되거나 오동작하는 것으로 확인하였다.
출원인은 다양한 실험과 검증을 통해 광 신호인 반사미러 광신호에 의해 이러한 부품의 파손과 오동작이 발생함으로 확인하였다. 특히, 도 2의 (a)에서 알 수 있는 바와 같이 전방향의 안티스톡스 산란광(도 2의 (a)의 ⓐ 참조)의 신호세기와 역방향의 안티스톡스 산란광(도 2의 (a)의 ⓑ 참조)의 신호세기와 달리, 반사미러 광신호의 광 세기가 매우 높아 이러한 높은 세기의 반사미러 광을 수광하는 포토 다이오드(170)에 영향을 미쳐 각종 부품의 파손과 오동작의 발생함을 확인하였다.
출원인의 확인에 의하면, 각 지점의 온도 측정을 위해 지속적이고 반복적으로 반사미러 광신호가 발생하고 발생된 반사미러 광신호를 수광하는 포토 다이오드(170)의 규격 한계에 따라 포토 다이오드(170)를 파손시키거나 포토 다이오드(170)를 통해 다른 부품에 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
도 3은 반사 미러(150)를 이용하는 기존의 DTS 시스템(100)의 문제점을 극복하기 위해 개선된 DTS 시스템(100)의 구성을 도시한 도면이다.
도 3의 개선된 DTS 시스템(100)은 펄스 발생기(110), 레이저 다이오드(105), 광 증폭기(120), 광 서큘레이터(130), 광섬유(140), 반사 미러(150), 라만 필터(160), 포토 다이오드(170), 신호 증폭기(180), ADC(185), 신호 처리부(190) 및 기준 온도센서(135)를 포함한다. 또한, DTS 시스템(100)은 전원 공급부(115) 및 전원 스위치(175)를 더 포함하여 구성된다.
이미 도 1을 통해 DTS 시스템(100)의 기존 주요 구성에 대해서 살펴보았으므로 여기서는 도 1의 DTS 시스템(100)의 내용을 참조(인용)하고 도 1의 기존 DTS 시스템(100)의 문제점을 개선하기 위해 차별화되거나 추가되는 내용을 위주로 살펴보도록 한다.
먼저, DTS 시스템(100)의 전원 공급부(115)는 DTS 시스템(100)에 필요한 전원을 공급한다. 전원 공급부(115)는 직류 전원 또는 교류 전원을 펄스 발생기(110), 레이저 다이오드(105), 광 증폭기(120), 광 서큘레이터(130), 라만 필터(160), 포토 다이오드(170), 신호 증폭기(180), ADC(185), 신호 처리부(190) 및/또는 기준 온도센서(135) 등에 공급한다.
적어도, 전원 공급부(115)는 전원 스위치(175)에 연결되어 전원 스위치(175)를 통해 포토 다이오드(170)로 (동작) 전원을 공급할 수 있다. 전원 공급부(115)는 LDO, 레귤레이터, 전원(전압) 변환기 등을 내부에 포함하여 각종 직류 전원 및/또는 교류 전원을 생성하여 출력할 수 있다.
전원 스위치(175)는 전원 공급부(115)와 포토 다이오드(170)에 연결되고 신호 처리부(190)로부터 수신되는 온/오프 전원제어신호에 따라 전원 공급부(115)로부터의 전원을 포토 다이오드(170)로 출력하거나 출력 차단한다. 전원 스위치(175)는 알려진 하나 이상의 전원 스위칭 소자(예를 들어, 트랜지스터, FET, 릴레이 등)를 포함하고 온 전원제어신호에 따라 내부의 전원 스위칭 소자를 온시켜 전원 공급부(115)로부터 입력되는 전원을 포토 다이오드(170)로 출력한다. 또한, 전원 스위치(175)는 오프 전원제어신호에 따라 내부의 전원 스위칭 소자를 오프(또는 오픈)시켜 입력되는 전원의 포토 다이오드(170)로의 출력을 차단한다.
도 3에 따른 개선된 DTS 시스템(100)의 신호 처리부(190)는 DTS 시스템(100)이 설치된 후 최초 또는 주기적인 점검 시기에서 DTS 시스템(100)의 운용 환경을 설정하는 셋업 과정을 진행한다. 기존 DTS 시스템(100)의 여러 문제점을 해소하거나 개선하기 위해, 셋업 과정에서 신호 처리부(190)는 설치되는 광섬유(140)의 길이를 광 펄스를 이용하여 측정하고 온도 보정을 위한 파라미터를 결정한다.
셋업 과정 후 실제로 온도를 분석(측정)하는 DTS 시스템(100)의 운용 과정에서, 신호 처리부(190)는 셋업 과정에서 측정된 광섬유(140)의 길이와 파라미터를 이용하여 포토 다이오드(170)에 과도한 광신호의 인가를 방지하고 계단식의 온도 하락 현상을 보정하거나 제거할 수 있도록 구성된다.
셋업 과정에서 획득된 설치 광섬유(140)의 길이와 파라미터(온도 파라미터)를 이용하여 신호 처리부(190)는 과도한 신호세기를 가지는 반사미러 광신호의 포토 다이오드(170)로 인가를 방지하고 온도 파라미터를 수학식 6에 적용하여 온도 하락 현상을 보정한 거리별 온도를 결정(측정 또는 분석)할 수 있다.
도 4 이하에서 이러한 문제점을 해소하거나 개선하기 위한 예시적인 구현 방안 또는 흐름을 살펴보도록 한다.
도 4는 설치된 광섬유(140)의 길이 측정을 수행하고 측정된 길이에 따라 포토 다이오드(170)의 전원의 제어를 통해 구간별 온도 파라미터를 설정하는 제어 흐름을 도시한 도면이다.
도 4의 제어 흐름은 DTS 시스템(100)(도 3의 DTS 시스템(100))에 의해서 수행되고 바람직하게는 신호 처리부(190)를 통한 제어로 이루어진다. 도 4의 제어 흐름은 DTS 시스템(100)이 설치된 직후나 일정한 주기(예를 들어, 3개월 등)에 주기적으로 또는 관리자의 설정에 따라 DTS 시스템(100)의 운용에 관련된 각종 파라미터나 변수를 검출하고 설정하기 위한 셋업 과정에서 이루어진다.
먼저, 신호 처리부(190)는 광섬유(140)의 길이 검출을 통해서 반사 미러(150)가 설치된 위치를 파악하고 레이저 다이오드(105)에 의해 출력된 광( 펄스)에 대해 반사 미러(150)에 의해 생성되는 반사미러 광신호가 포토 다이오드(170)에 도달하는 시간을 산출(S101 내지 S105)한다.
신호 처리부(190)는 전원 스위치(175)로 온 전원제어신호를 출력하여 포토 다이오드(170)에 전원을 공급한다. 또한, 신호 처리부(190)는 반사미러 광신호의 검출에 이용되는 증폭율을 설정하고 설정된 증폭율로 출력되는 펄스 광을 증폭시키기 위한 증폭게인 제어신호를 광 증폭기(120)로 출력(S101)한다. 반사미러 검출을 위한 증폭율은 운용 과정에서 이용되는 온도 측정용 증폭율보다 상대적으로 낮다. 예를 들어, 반사미러 검출을 위한 증폭율은 온도 측정용 증폭율의 1/10, 또는 1/100 등일 수 있다. 반사미러 검출용 증폭율은 반사미러 광신호의 검출을 위한 용도로서 포토 다이오드(170)의 수광 성능을 고려하여 포토 다이오드(170)의 영향을 미치지 않는 레벨로 설정된다. 증폭게인 제어신호는 전압 신호 또는 전류 신호일 수 있다.
신호 처리부(190)는 레이저 다이오드(105) 및 광 증폭기(120)의 제어를 통해 설치된 광섬유(140)의 길이를 측정(S103)한다. 신호 처리부(190)는 펄스 발생기(110)와 레이저 다이오드(105)를 통해 5 ns 또는 50 ns의 펄스 광을 발생시키고 펄스 광은 광 증폭기(120)에 의한 증폭에 따라 광섬유(140)로 인가된다.
신호 처리부(190)는 펄스 인가 후 내부 설정된 샘플링 주기(예를 들어, 10 ns )에 따라 주기적으로 ADC(185)를 통해 거리별 신호세기 데이터를 수집 및 내부에 임시 저장한다. 신호 처리부(190)는 설정된 광섬유(140)의 최대 길이(예를 들어, 10 Km)에서 반사되어 수신할 수 있는 시간 동안 거리별(예를 들어, 1m, 2m, ... , 10 Km 등) 신호세기 데이터를 수집한다.
출력된 펄스 광에 의해 광섬유(140)는 전방향으로의 안티스톡스 산란광, 반사미러 광신호 및 역방향으로의 안티스톡스 산란광을 생성하고 전방향 및 역방향의 안티스톡스 산란광과 반사미러 광신호는 광 서큘레이터(130)를 통해 수신되고 포토 다이오드(170), 신호 증폭기(180) 및 ADC(185)를 통해 신호세기 데이터로 변환된다.
광 증폭기(120)에서의 낮은 증폭율로 포토 다이오드(170)는 수광 범위 내의 광(반사미러 광신호)을 센싱할 수 있다. 신호 처리부(190)는 거리별 신호세기 데이터에서 반사미러 광신호의 (최초) 센싱을 위한 임계 세기와 비교하고 임계 세기 이상을 가지는 신호세기 데이터의 거리를 광 서큘레이터(130)로부터의 광섬유(140)의 길이 및/또는 반사 미러(150)가 설치된 위치로 결정한다.
다수의 신호세기 데이터가 임계 세기 이상인 경우, 최대의 신호세기 데이터에 대응하는 거리를 광섬유(140)의 길이로 결정할 수 있다. 임계 세기 이상의 신호세기 데이터가 존재하지 않는 경우, 신호 처리부(190)는 광 증폭기(120)의 설정 증폭율을 오프셋(율) 만큼 높이고(S101) 광섬유(140)의 길이를 재측정(S103)할 수 있다. 재측정 과정은 임계 세기 이상의 신호세기 데이터의 인식될 때까지 반복될 수 있다. 증가되는 증폭율은 운용 과정에서의 온도 측정용 증폭율 보다 작고 예를 들어, 2/100, 또는 2/1000 등일 수 있다.
신호 처리부(190)는 반사 미러(150)까지의 광섬유(140)의 측정된 길이에 따라 광섬유(140)를 통해 레이저 다이오드(105)에 의해 발생된 광으로부터 광섬유(140) 끝단의 반사 미러(150)에 의해 생성되는 반사미러 광신호의 포토 다이오드(170)로의 도달 시간을 산출(S105)한다. 신호 처리부(190)는 펄스 광의 생성 시각으로부터 광섬유(140)의 길이에 대응하는 신호세기 데이터의 센싱 시각(반사 미러(150)에 의해 생성되는 반사미러 광신호의 센싱 시각)의 차이를 도달 시간으로 결정할 수 있다.
신호 처리부(190)는 반사미러 광신호가 포토 다이오드(170)에 도달하는 도달 시간에 마진(+/- α)을 부여 설정(S107)한다. 신호 처리부(190)는 도달 시간 전에, 후에, 또는 전후에 일정한 마진(예를 들어, 50 m 에 대응하는 50 us)을 부여할 수 있다.
신호 처리부(190)는 도달 시간의 측정에 따라, 이후 포토 다이오드(170)의 수광 범위의 영향을 최소화하면서 안정적으로 거리별 신호세기를 센싱할 수 있다. 거리별 신호세기의 측정은 펄스 광의 인가로부터 샘플링 주기(예를 들어, 10 ns)에 따른 신호세기 데이터의 센싱으로 이루어진다. 예를 들어, 펄스 광의 인가후 10 ns에 센싱되는 신호세기 데이터는 광 서큘레이터(130)로부터 거리 1 m에서 떨어져 있는 지점에서의 안티스톡스 산란광의 신호세기이고 10us에서 센싱되는 신호세기 데이터는 1 Km에 떨어져 있는 지점에서의 안티스톡스 산란광의 신호세기이다. 광섬유(140)의 굴절율 등에 따라 펄스 광의 전파 속도는 달라질 수 있고 그에 따른 센싱 시각과 대응하는 위치는 달라질 수 있다.
반사미러 광신호의 도달 시간을 확인함에 따라, 셋업 과정에서 신호 처리부(190)는 포토 다이오드(170)로부터 측정되는 거리별 신호세기 데이터의 그래프에서 하나 이상의 불연속 지점을 결정하고 결정된 불연속 지점에 의해 구분되는 구간들에서 온도 결정에 이용되는 온도 파라미터를 결정(S109 내지 S121 참조)한다.
좀 더 구체적으로 살펴보며, 신호 처리부(190)는 온도 측정용 증폭율을 광 증폭기(120)에 설정(S109)한다. 온도 측정용 증폭율은 앞서 살펴본 바와 같이 반사미러 검출용 증폭율보다 높다. 예를 들어, 온도 측정용 증폭율은 30mW, 50mW 등의 출력을 광 증폭기(120)가 가질수 있는 증폭율이다. 신호 처리부(190)는 광 증폭기(120)로 온도 측정용 증폭율에 대응하는 증폭게인 제어신호를 출력한다. 온도 측정용 증폭율은 안티스톡스 산란광의 아주 적은 신호세기를 높은 해상도로 센싱할 수 있도록 펄스 광을 증폭시킬 수 있는 증폭율이다. 또한, 신호 처리부(190)는 전원 스위치(175)로 온 전원제어신호를 계속 출력하여 포토 다이오드(170)에 전원 공급을 유지한다.
광 증폭기(120)의 설정 이후에, 신호 처리부(190)는 펄스 발생기(110) 및 레이저 다이오드(105)를 통해 (펄스 )광을 생성하고 광 증폭기(120)를 통해 증폭된 (펄스 )광을 출력(S111)한다. 신호 처리부(190)는 5 ns 또는 50 ns 등의 설정된 시간 동안에 특정 광파장(예를 들어, 1550 nm)의 광 신호의 출력을 제어한다.
신호 처리부(190)는 펄스 광의 출력후 적어도 (도달 시간) * 2의 시간 이상으로 거리별 신호세기를 센싱하고 저장할 수 있다. 신호 처리부(190)는 펄스 광의 출력후 도달 시간으로부터 마진 기간(α)전까지 전원 스위치(175)로 온 전원제어신호를 계속 출력하여 포토 다이오드(170)를 전원 온시키고(전원 온을 유지하고) 전방향(광섬유(140)에서 펄스 광의 광 서큘레이터(130)에서 반사 미러(150)로의 전송 방향)에서 발생하는 안티스톡스 산란광의 신호세기 데이터를 거리별로 저장(예를 들어, 메모리 등)(S113)한다.
"도달 시간 - 마진 기간"이 도래함에 따라, 신호 처리부(190)는 전원 스위치(175)로 오프 전원제어신호를 출력하여 포토 다이오드(170)를 전원 오프시키고 "도달 시간 + 마진 기간" 동안 전원 스위치(175)로 오프 전원제어신호를 계속 출력하여 포토 다이오드(170)의 전원 오프를 유지(S115)한다.
"도달 시간 + 마진 기간"의 경과(도과)에 따라, 신호 처리부(190)는 전원 스위치(175)로 온 전원제어신호를 출력하여 포토 다이오드(170)를 전원 온시키고 설정된 기간(예를 들어, (도달 시간) * 2)까지의 반사 미러(150)에서 광 서큘레이터(130) 방향에서 반사된 펄스 광에 의해 발생한 안티스톡스 산란광의 신호세기 데이터를 센싱하고 거리별로 저장(S117)한다.
S111 내지 S117의 과정은 다수 회(예를 들어, 2000회, 8000회 등) 반복 수행되고, 신호 처리부(190)는 각 거리별 다수 회의 개별 신호세기 데이터를 평균하여 단일의 거리별 신호세기 데이터를 산출할 수 있다.
이후, 셋업 과정에서 신호 처리부(190)는 포토 다이오드(170)를 통해 수집되는 거리별 신호세기 데이터의 그래프 상에서 불연속 지점을 결정(S119)한다.
도 6은 셋업 과정에서 수집된 안티스톡스 산란광의 신호세기 그래프를 도시한 도면인데, 도 6의 (a)는 반사 미러(150)의 위치(ⓒ 참조)를 중심으로 정방향에서 수집된 안티스톡스 산란광의 신호세기 그래프(ⓐ 참조)와 역방향에서 수집된 안티스톡스 산란광의 신호세기 그래프(ⓑ 참조)를 나타내고 있다. 도 6의 (b)는 반사 미러(150)의 위치(ⓒ 참조)를 중심으로 정방향과 역방향의 그래프를 대응하는 거리에 따라 매칭시킨(광섬유(140)의 동일한 지점(거리)에서 발생한 순방향 및 역방향의 안티스톡스 산란광의 신호세기를 매칭시킨) 그래프를 나타낸다.
도 6의 (a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 신호세기 그래프는 다수의 불연속 지점(ⓟ, ⓕ 지점 참조)을 가질 수 있다.
신호 처리부(190)는 셋업 과정에서 생성되는 거리별 신호세기 데이터(예를 들어, 도 6의 신호세기 그래프)를 이용하여 하나 이상의 불연속 지점을 결정하도록 바람직하게 구성되고, 신호 처리부(190)는 거리별 신호세기 데이터의 신호 그래프에서 각 거리별 신호세기의 분산치를 계산한다. 신호 처리부(190)는 도 6의 (a)의 전방향 신호세기 그래프(ⓐ 참조)에서 불연속 지점을 결정하거나 도 6의 (b)의 전방향 신호세기 그래프와 역방향 신호세기 그래프에 대해 산출된 RMS(Root Mean Square) 신호세기 그래프(각 지점(거리)에서의 대응하는 전방향 신호세기 데이터와 역방향 신호세기 데이터에 대해 계산된 RMS 신호세기 데이터로 구성되는 그래프)에 대해 불연속 지점을 결정할 수 있다.
신호 처리부(190)는 신호세기 그래프에서 각 지점(거리)에서의 신호세기와 이전 및 이후의 신호세기와의 상관관계를 반영하는 상관값을 산출하고 상관값이 임계치 이상인 경우의 지점(거리)을 불연속 지점으로 결정할 수 있다. 신호 처리부(190)는 신호세기 데이터의 이동 분산을 산출하고 산출된 이동 분산과 임계치와의 비교로 불연속 지점을 산출할 수 있다.
예를 들어, 신호 처리부(190)는 신호세기 그래프 상의 각각의 거리별 신호세기 데이터에 대해 이전(의 복수 개의 평균 또는 직전)의 신호세기 데이터 사이의 값 변화율("제1 신호세기 변화율"이라고도 함)을 산출하고 또한 이후(의 복수 개의 평균 또는 직후)의 신호세기 데이터 사이의 값 변화율("제2 신호세기 변화율"이라고도 함)을 산출한다. 신호 처리부(190)는 제1 신호세기 변화율과 제2 신호세기 변화율 사이의 상관값을 산출한다. 상관값은 제1 신호세기 변화율과 제2 신호세기 변화율 사이의 (절대적 또는 비율적) 차이가 클수록 큰 값을 가지고 작을수록 작은 값을 가진다.
신호 처리부(190)는 각각의 거리별 상관값을 (상관) 임계치와 비교하고 임계치 이상의 신호세기 데이터를 가지는 거리(지점)에 대응하는 지점을 불연속 지점으로 결정한다.
도 7의 (a)는 도 6의 신호세기 그래프로부터 구성되는 예시적인 상관 그래프를 나타낸다. 불연속 지점은 다수 개(도 7의 (a)의 ⓕ, ⓟ)가 있을 수 있다. 신호 처리부(190)는 DTS 시스템(100)에서 미리 알려진 불연속 지점(광 서큘레이터(130)의 접속 지점, 또는 반사 미러(150)의 위치 등, ⓕ 참조)을 제외하고 남아 있는 상관값의 그래프에서 임계 상관값(ⓜ 참조) 이상의 거리에 대응하는 지점들을 불연속 지점으로 선택(도 7의 (a)에서 약 4700 m 지점(ⓟ1)과 약 5900 m 지점(ⓟ2))할 수 있다.
이후, 신호 처리부(190)는 불연속 지점으로 구별되는 구간별로 온도 산출의 보정에 이용되는 온도 파라미터를 결정(S121)한다. 예를 들어, 신호 처리부(190)는 도 7의 (a)의 두 번째(②)와 세 번째(③) 구간에서 온도 산출에 이용되는 온도 파라미터를 결정한다. 앞에 다른 구간이 없는 첫 번째 구간의 온도 파라미터는 디폴트 값(예를 들어, 1.0)으로 설정될 수 있다.
도 7의 (b)를 참조하여, 온도 파라미터의 산출의 예를 좀 더 구체적으로 살펴보면, 신호 처리부(190)는 불연속 지점의 직전 구간(예를 들어, 제1 구간)의 신호세기 데이터와 불연속 지점(도 7의 (b)의 ⓟ1 또는 ⓟ2)의 이후(예를 들어, 제2 구간)의 신호세기 데이터 사이의 신호세기 비율을 결정한다. 예를 들어, 불연속 지점의 직전의 N개(N은 1 이상, 예를 들어, 3)의 연속적인 거리(위치)에서의 신호세기 데이터(도 7의 (b)의 t(n-3), t(n-2), t(n-1) 참조)의 평균값과 불연속 지점의 직후의 N개(N은 1 이상, 예를 들어, 3)의 연속적인 거리에서의 신호세기 데이터(도 7의 (b)의 t(n+3), t(n+2), t(n+1) 참조)의 평균값의 비율을 해당 구간(불연속 지점 이후의 구간)에서의 온도 파라미터로 결정한다.
신호 처리부(190)는 구간별로 이전 구간의 신호세기 데이터를 이용하여 온도 파라미터를 결정할 수 있다. 이러한 온도 파라미터는 도 7의 (b)에서 이전 구간에서의 온도 (T(0))와 불연속 지점 이후의 구간의 온도(T(1))가 셋업 과정에서는 적어도 동일하다고 하는 가정하에 이후 구간의 신호세기(If(1))와 이전 구간의 신호세기(If(0)) 사이의 비율을 찾는 과정으로 설명될 수 있고 이는 불연속 지점 이후의 구간에서의 온도 기준(reference)점을 재설정하는 것을 의미한다.
이와 같이, DTS 시스템(100)(의 신호 처리부(190))은 운용 환경을 설정하는 셋업 과정에서 반사 미러(150)까지의 도달 시간을 결정하고 광 펄스를 이용한 온도 프로파일링에 따라 하나 이상의 불연속 지점을 검출하고 불연속 지점에 의해 구분되는 구간들에서 온도 보정에 이용되는 온도 파라미터를 통일적으로 결정한다.
도 5는 DTS 시스템(100)을 이용하여 거리별 온도를 분석하는 예시적인 제어 흐름을 도시하는 도면이다.
도 5의 제어 흐름은 DTS 시스템(100)에 의해서 설정된 환경에 따라 광섬유(140)의 각 지점(거리)별 온도 측정을 수행하는 운용 과정에서 수행되고 바람직하게는 신호 처리부(190)에 의한 제어로 이루어진다. 도 5의 제어 흐름은 온도 측정을 위해 운용 과정에서 분석(측정) 주기(예를 들어, 10분, 30분 등)에 따라 주기적으로 수행될 수 있다.
먼저, 분석 주기의 도래에 따라, 신호 처리부(190)는 레이저 다이오드(105), 펄스 발생기(110) 및 광 증폭기(120)를 제어하여 펄스 광을 출력(S201)한다. 신호 처리부(190)는 온도 측정용 증폭율에 대응하는 증폭게인 제어신호를 광 증폭기(120)로 출력하고 일정한 시간(예를 들어, 5 ns, 50 ns)의 지정된 파장(예를 들어, 1550 nm)의 광 펄스를 광 서큘레이터(130)를 통해 광섬유(140)로 출력한다.
광 출력후 신호 처리부(190)는 펄스 광의 출력후 도달 시간에서 마진 기간(α)전까지 전원 스위치(175)로 온 전원제어신호를 출력하여 포토 다이오드(170)를 전원 온시키고 전방향(광섬유(140)에서 펄스 광의 광 서큘레이터(130)에서 반사 미러(150)로의 전송 방향)에서 발생하는 안티스톡스 산란광의 신호세기 데이터를 거리별로 저장(예를 들어, 메모리 등)(S203)한다.
"도달 시간 - 마진 기간"이 도래함에 따라, 신호 처리부(190)는 전원 스위치(175)로 오프 전원제어신호를 출력하여 포토 다이오드(170)를 전원 오프시키고 "도달 시간 + 마진 기간" 동안 포토 다이오드(170)의 전원 오프를 유지(S205)한다.
"도달 시간 + 마진 기간"의 경과에 따라, 신호 처리부(190)는 전원 스위치(175)로 온 전원제어신호를 출력하여 포토 다이오드(170)를 온시키고 설정된 기간(예를 들어, (도달 시간) * 2의 시간)까지의 반사 미러(150)에서 광 서큘레이터(130) 방향으로 반사된 펄스 광에 의해 발생한 안티스톡스 산란광의 신호세기 데이터를 센싱하고 거리별로 저장(S207)한다.
S201 내지 S207의 과정은 다수 회(예를 들어, 2000회, 8000회 등) 반복 수행되고, 신호 처리부(190)는 각 거리별 다수 회의 개별 신호세기 데이터를 평균하여 단일의 거리별 신호세기 데이터를 산출할 수 있다.
이와 같이, 신호 처리부(190)는 운용 과정에서 레이저 다이오드(105)의 (펄스 )광의 출력후에 반사 미러(150)에 의해 야기되는(생성되는) 반사미러 광신호의 포토 다이오드(170)까지 도달하는 도달 시간으로서 셋업 과정에서 산출된 도달 시간의 마진 기간 전이나 전후로 온된 포토 다이오드(170)를 오프한다. 이에 따라, 수신범위 이상의 광신호로부터 포토 다이오드(170)를 보호하면서 충분한 증폭율을 제공하여 고해상도의 안티스톡스 산란광을 센싱할 수 있다.
신호 처리부(190)는 다수 회에 걸쳐 산출된 거리별 신호세기 데이터로부터 거리별 온도를 결정(S209)한다. 신호 처리부(190)는 대응하는 거리의 전방향 신호세기 데이터와 역방향의 신호세기 데이터(도 6의 (b) 참조) 사이의 RMS 신호세기 값을 산출하고 산출된 거리별 RMS 신호세기 값에 대해 기본 수학식(수학식 6 참조)을 적용하여 거리별 온도를 결정할 수 있다.
여기서, 신호 처리부(190)는 셋업 과정에서 결정된 각 구간의 온도 파라미터를 더 이용하여 해당 구간의 거리별 온도를 결정한다.
예를 들어, 신호 처리부(190)는 수학식 6으로부터 셋업 과정에서 구간별로 결정되는 S1/S0의 온도 파라미터를 수학식 7에 적용하여 불연속 지점에 따른 구간별로 온도를 보정한 거리별 온도를 결정할 수 있다. S1은 불연속 지점 직후의 신호세기 데이터의 값(평균값)을 나타내고 S0은 불연속 지점의 직전의 신호세기 데이터의 값(평균값)을 나타낼 수 있다. 나아가, 신호 처리부(190)는 직전 구간의 신호세기 데이터뿐 아니라 직전 구간 이전의 구간의 신호세기 데이터(또는 직전 구간의 온도 파라미터)를 더 이용하여 해당 구간의 온도 파라미터를 결정하고 그에 따라 거리별 온도를 결정할 수도 있다.
이와 같이, 신호 처리부(190)는 불연속 지점 이후의 구간에서의 온도 파라미터를 불연속 지점 이전의 구간에서의 신호세기 데이터와 불연속 지점 이후의 구간에서의 신호세기 데이터 사이의 신호세기 비율에 기초하여 결정하고, 불연속 지점에 의해 구분되는 각 구간에서의 거리별 온도를 해당 구간에 대해 결정되는 온도 파라미터를 이용하여 각 구간 내의 신호세기 데이터로부터 결정할 수 있다.
도 8은 운용 과정에서 본 발명에 따라 구간별 온도 파라미터를 이용하여 측정된 온도 그래프의 예를 도시한 도면이다. 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 DTS 시스템(100)은 불연속 지점에 의한 각 구간을 식별(도 8의 ①,②,③ 참조)하고 각 구간에서 설정되는 온도 파라미터를 통해 기존의 DTS 시스템(100)에서 발생하는 계단식 온도 편차를 제거하거나 개선할 수 있다.
특히, 본 발명은 불연속 지점을 DTS 시스템(100) 설치 장소에서의 다양한 물리적 특성, 설치 환경, 조건 등에 상관없이 동일하게 찾을 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 커넥팅 지점, 스플라이싱 지점, 밴딩 지점, 광 섬유의 물성 차이 등의 다양한 원인에 의해 야기되는 다양한 온도 검출 오차를 유니폼하게(통일적으로) 보정할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명은 반사 미러(150)의 사용에 따라 발생하는 시스템의 오동작이나 불량 요인을 제거하여 안정적으로 DTS 시스템(100)을 항시(상용) 운용할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
100 : DTS 시스템
105 : 레이저 다이오드
110 : 펄스 발생기
115 : 전원 공급부
120 : 광 증폭기
130 : 광 서큘레이터
135 : 기준 온도센서
140 : 광섬유
150 : 반사 미러
160 : 라만 필터
170 : 포토 다이오드
175 : 전원 스위치
180 : 신호 증폭기
185 : ADC
190 : 신호 처리부
105 : 레이저 다이오드
110 : 펄스 발생기
115 : 전원 공급부
120 : 광 증폭기
130 : 광 서큘레이터
135 : 기준 온도센서
140 : 광섬유
150 : 반사 미러
160 : 라만 필터
170 : 포토 다이오드
175 : 전원 스위치
180 : 신호 증폭기
185 : ADC
190 : 신호 처리부
Claims (8)
- 분산 온도 센싱 시스템에 있어서,
일단에서 입사된 광을 전송하는 광섬유;
상기 광섬유의 타단에 위치하여 상기 광섬유에서 전송되는 광을 상기 광섬유로 반사하는 반사 미러;
상기 광섬유의 일단에 연결되어 입사 광을 상기 광섬유 방향으로 전송하고 상기 광섬유에서 발생하는 산란광을 다른 방향으로 전송하는 광 서큘레이터;
상기 광 서큘레이터로부터의 산란광에서 안티스톡스 산란광을 필터링하는 라만 필터;
상기 라만 필터로부터의 안티스톡스 산란광을 전기신호로 변환하는 포토 다이오드; 및
상기 포토 다이오드의 안티스톡스 산란광의 신호세기 데이터에서 상기 광섬유의 거리별 온도를 분석하는 신호 처리부;를 포함하고,
상기 신호 처리부는 상기 포토 다이오드로부터의 거리별 신호세기 데이터에서 하나 이상의 불연속 지점을 결정하고 상기 불연속 지점 이후의 제2 구간에서의 거리별 온도를 상기 제2 구간에 대해 결정되는 온도 파라미터를 이용하여 결정하는 것을 특징으로 하는,
분산 온도 센싱 시스템. - 제1항에 있어서,
셋업 과정에서, 상기 신호 처리부는 안티스톡스 산란광의 거리별 신호세기 데이터 각각에 대해 이전 신호세기 데이터와의 제1 신호세기 변화율과 이후 신호세기 데이터와의 제2 신호세기 변화율을 산출하고 산출된 제1 신호세기 변화율과 제2 신호세기 변화율 사이의 상관값이 임계치 이상인 지를 결정하며 임계치 이상인 신호세기 데이터의 거리에 대응하는 지점을 불연속 지점으로 결정하는 것을 특징으로 하는,
분산 온도 센싱 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 신호 처리부는, 셋업 과정에서, 상기 불연속 지점 이후의 제2 구간에서 온도 산출에 이용되는 온도 파라미터를 상기 불연속 지점 이전의 제1 구간에서의 신호세기 데이터와 상기 제2 구간에서의 신호세기 데이터 사이의 신호세기 비율에 기초하여 결정하고, 운용 과정에서, 상기 제2 구간에서 측정된 거리별 신호세기 데이터를 상기 온도 파라미터를 적용하여 거리별 온도를 결정하는 것을 특징으로 하는,
분산 온도 센싱 시스템. - 제1항에서 있어서,
광을 출력하는 레이저 다이오드; 및
상기 레이저 다이오드로부터의 광을 증폭하여 상기 광섬유로 전송하는 광 증폭기;를 더 포함하고,
상기 신호 처리부는, 셋업 과정에서, 상기 광섬유의 길이를 상기 레이저 다이오드 및 상기 광 증폭기를 제어하여 측정하고 상기 측정된 길이에 따라 상기 광섬유를 통해 상기 광으로부터 상기 반사 미러에 의해 생성되는 반사미러 광신호의 상기 포토 다이오드에서의 도달 시간을 산출하고, 운용 과정에서 상기 레이저 다이오드의 광 출력 후 상기 도달 시간의 마진 기간 전 또는 전후로 온된 상기 포토 다이오드를 오프하는 것을 특징으로 하는,
분산 온도 센싱 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 신호 처리부는 상기 운용 과정에서 상기 광 증폭기에 설정되는 증폭률보다 낮은 증폭율로 상기 광 증폭기의 증폭을 제어하고 상기 반사 미러를 통해 수신되는 신호세기 데이터가 임계 세기 이상인지에 따라 상기 반사 미러까지의 광섬유의 길이를 결정하는 것을 특징으로 하는,
분산 온도 센싱 시스템. - 셋업 과정에서, 광섬유와 반사 미러를 통해 산란되는 안티스톡스 산란광을 수신하는 포토 다이오드의 거리별 신호세기 데이터에서 하나 이상의 불연속 지점을 결정하는 단계; 및
운용 과정에서, 결정된 불연속 지점에 의해 구분되는 구간에서의 거리별 온도를 각 구간에서 결정되는 온도 파라미터를 이용하여 결정하는 단계;로서, 상기 불연속 지점 이후의 제2 구간에서의 거리별 온도를 상기 제2 구간과 상기 불연속 지점 이전의 제1 구간의 신호세기 데이터 사이의 신호세기 비율에 기초하여 결정되는 온도 파라미터를 이용하여 결정하는, 구간에서의 거리별 온도를 각 구간에서 결정되는 온도 파라미터를 이용하여 결정하는 단계;를 포함하는,
분산 온도 센싱 방법. - 제6항에 있어서,
상기 불연속 지점을 결정하는 단계는, 안티스톡스 산란광의 거리별 신호세기 데이터 각각에 대해 이전 신호세기 데이터와의 제1 신호세기 변화율과 이후 신호세기 데이터와의 제2 신호세기 변화율을 산출하고 산출된 제1 신호세기 변화율과 제2 신호세기 변화율 사이의 상관값이 임계치 이상인 지를 결정하며 임계치 이상인 신호세기 데이터의 거리에 대응하는 지점을 불연속 지점으로 결정하는,
분산 온도 센싱 방법. - 제6항에 있어서,
상기 셋업 과정에서, 상기 광섬유로 증폭된 광을 출력하는 레이저 다이오드 및 광 증폭기를 제어하여 상기 광섬유를 통해 상기 광으로부터 상기 반사 미러에 의해 생성되는 반사미러 광신호의 상기 포토 다이오드에서의 도달 시간을 산출하는 단계; 및
상기 운용 과정에서, 상기 레이저 다이오드의 광 출력 후 상기 도달 시간의 마진 기간 전 또는 전후로 온된 포토 다이오드를 오프하는 단계;를 더 포함하는,
분산 온도 센싱 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020220120401A KR20240041424A (ko) | 2022-09-23 | 2022-09-23 | 분산 온도 센싱 시스템 및 방법 |
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ID=90666975
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|---|---|---|---|---|
| KR101207345B1 (ko) | 2010-08-05 | 2012-12-05 | 한국표준과학연구원 | 자동보정 기능을 갖는 광섬유 분포 온도 센서 시스템 및 이를 이용한 온도 측정방법 |
-
2022
- 2022-09-23 KR KR1020220120401A patent/KR20240041424A/ko unknown
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