WO2023282411A1 - 측정거리 향상형 분포형 광섬유 센서 - Google Patents

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WO2023282411A1
WO2023282411A1 PCT/KR2021/018207 KR2021018207W WO2023282411A1 WO 2023282411 A1 WO2023282411 A1 WO 2023282411A1 KR 2021018207 W KR2021018207 W KR 2021018207W WO 2023282411 A1 WO2023282411 A1 WO 2023282411A1
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optical fiber
light
sensing optical
shared sensing
shared
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PCT/KR2021/018207
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김영호
김명진
김희운
김효종
이주영
정효영
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한국광기술원
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    • G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors
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    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means

Definitions

  • the present invention relates to a distributed optical fiber sensor for improving a measurement distance, and more particularly, to a distributed optical fiber sensor capable of improving a measurement distance by restoring attenuation of traveling light over a long distance.
  • An optical fiber sensor includes an optical fiber grating sensor manufactured by changing the refractive index of a core in an optical fiber.
  • the optical fiber grating sensor has limitations in its use over a wide area because only the part where the grating is engraved serves as a sensor.
  • the scattering type sensor as a distributed type optical fiber sensor uses a pulsed light source to measure the backscattered light inside the optical fiber according to the physical quantity acting on the optical fiber, so long-distance sensing is possible.
  • Such a scattering type sensor includes a Rayleigh scattering type optical fiber sensor, a Raman scattering type optical fiber sensor, a Brillouin scattering type optical fiber sensor, and the like.
  • the Rayleigh scattering type optical fiber sensor is a sensor that measures scattered light generated due to non-uniform distribution of the density of the optical fiber while the pulsed light travels inside the optical fiber, and can obtain backscattered light proportional to the intensity of the pulsed light.
  • Both the Raman scattering optical fiber sensor and the Brillouin scattering optical fiber sensor are sensors using nonlinear light scattering.
  • Korean Patent Publication No. 10-2009-0001405 discloses a distributed fiber optic sensor system that measures Raman scattered light and Brillouin scattered light among backscattered light generated from a sensing optical fiber.
  • Raman scattering refers to a phenomenon in which a backscattered signal is generated by molecular vibration when light is transmitted in an optical fiber. At this time, since molecular vibration changes only by thermal change, Raman scattering type optical fiber sensors are mostly used as temperature sensors.
  • the Brillouin scattering type optical fiber sensor changes the Brillouin frequency value inherent in the optical fiber depending on external temperature or stress.
  • Brillouin scattering that occurs in an optical fiber refers to a phenomenon in which light combines with sound waves to create a backscattered signal when traveling in an optical fiber. Since this backscattered signal is proportional to the environment in which the optical fiber is located, it is used to change temperature and/or stress. can measure
  • the conventional distributed optical fiber sensor has a disadvantage in that the measurable distance is limited due to transmission loss as the transmission distance of the pulsed light increases.
  • the conventional distributed optical fiber sensor has a problem in that the position sensing resolution is lowered due to the expanded pulse width of the pulse width when input light with a wide pulse width is applied to generate a large scattering signal over a long distance. There are limits.
  • the present invention has been devised to improve the above problems, and an object of the present invention is to provide a measurement distance-enhancing distributed optical fiber sensor capable of supporting an extension of a measurement distance without extending a pulse width.
  • a measuring distance enhancement type distributed optical fiber sensor includes a main light source for emitting light; a first light circulator for outputting light emitted from the main light source and input through a first input terminal to a first output terminal, and outputting light traveling backward from the first output terminal to a first detection terminal; a first shared sensing optical fiber having one end connected to the first output end and transmitting incident light; a second shared sensing optical fiber that extends apart from the first shared sensing optical fiber; It is connected between the other end of the first shared sensing optical fiber and one end of the second shared sensing optical fiber to amplify light transmitted from the first shared sensing optical fiber and transmit the amplified light to the second shared sensing optical fiber, and a relay amplification unit for amplifying the light propagating backward from the optical fiber and transmitting the reverse propagating light to the first shared sensing optical fiber; a photodetector for detecting light output from the first detection end; and a signal processing unit which controls driving of the
  • the relay amplification unit is connected between the other end of the first shared sensing optical fiber and one end of the second shared sensing optical fiber, and amplifies the light transmitted from the first shared sensing optical fiber through a first path to the second shared sensing optical fiber.
  • the optical fiber is transmitted to the sensing optical fiber, and the light traveling backward through the second shared sensing optical fiber is amplified through a second path different from the first path and transmitted to the first shared sensing optical fiber.
  • the relay amplification unit includes a pump light source outputting pump light; an optical splitter for distributing and outputting the pump light output from the pump light source to a first distribution end and a second distribution end; a first multiplexer for multiplexing and outputting the multiplexed light traveling from the first shared sensing optical fiber and the pump light input from the first distribution stage; a first EDF that amplifies the light output from the first multiplexer; Connected between the other end of the first shared sensing optical fiber and the first multiplexer, the light traveling from the first shared sensing optical fiber is transmitted to the first multiplexer, and the light traveling backward through the second path is a second optical circulator for transmitting to the first shared sensing optical fiber; It is installed between the first EDF and the second shared sensing optical fiber to transmit the light amplified in the first EDF to the second shared sensing optical fiber, and the light propagated in reverse from the second shared sensing optical fiber to the second shared sensing optical fiber.
  • a third optical circulator for transmitting to the path; a second multiplexer combining and outputting the multiplexed light traveling backward through the second path from the third optical circulator and the pump light input from the second distribution stage; and a second EDF installed between the second optical circulator and the second multiplexer to amplify the light output from the second multiplexer and propagate it in reverse to the first shared sensing optical fiber.
  • a first filter connected between the first EDF and the third optical circulator filters noise so that light having a wavelength to be transmitted is transmitted; It is preferable to further include a second filter connected between the second EDF and the second optical circulator to filter noise so that light having a wavelength to be transmitted is transmitted.
  • the measurement distance-enhancing distributed optical fiber sensor according to the present invention, it provides the advantage of improving the measurement distance without reducing the position measurement resolution by supporting the amplification to restore the attenuation of long-distance transmission light without expanding the pulse width. do.
  • FIG. 1 is a view showing a measurement distance-enhancing distributed optical fiber sensor according to the present invention.
  • FIG. 2 is a graph for explaining a process of measuring a physical quantity from a signal received through the optical fiber sensor of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a graph showing an example of a signal received through a signal amplification process in the optical fiber sensor of FIG. 1;
  • FIG. 1 is a diagram showing a measurement distance-enhancing distributed optical fiber sensor according to the present invention.
  • the measurement distance enhancement distributed type optical fiber sensor 100 includes a main light source 110, a first optical circulator 121, a first shared sensing optical fiber 131, and a second shared sensing optical fiber.
  • An optical fiber 132, a relay amplifier 140, a photodetector 170, and a signal processing unit 180 are provided.
  • the main light source 110 emits pulsed light corresponding to the pulse driving signal output from the pulse generator 182 .
  • the main light source 110 emits light having a center wavelength of 1550 nm.
  • the first optical circulator 121 outputs the light emitted from the main light source 110 and input to the first input terminal 121a to the first output terminal 121b, and the light propagating backward from the first output terminal 121b. is output to the first detection end 121c.
  • the first shared sensing optical fiber 131 has one end connected to the first output terminal 121b of the first optical circulator 121 to transmit incident light.
  • the first shared sensing optical fiber 131 is a normal optical fiber, and the extension length is such that even if the power level of the pulsed light emitted from the main light source 110 is attenuated by transmission attenuation, the power level at the end is not attenuated below the noise level. Appropriately applied at a moderate length.
  • the second shared sensing optical fiber 132 extends separately from the first shared sensing optical fiber 131 and is connected through a relay amplifier 140 to be described later.
  • the extension length of the second shared sensing optical fiber 132 may be appropriately applied to such a length that the power level of the light amplified by the relay amplification unit 140 and input is not attenuated below the noise level at the end, as described above.
  • the relay intermediate width unit 140 is constructed to restore and amplify the light input from the first shared sensing optical fiber 132 to the power level of the light output from the initial main light source 110, the first shared sensing optical fiber 132 It can be applied that has the same length as.
  • the relay amplification unit 140 is connected between the other end of the first shared sensing optical fiber 131 and one end of the second shared sensing optical fiber 132, amplifies the light transmitted from the first shared sensing optical fiber 131, and second shared sensing optical fiber 131.
  • the light transmitted to the sensing optical fiber 132 is amplified and transmitted to the first shared sensing optical fiber 131 by amplifying the light traveling backward through the second shared sensing optical fiber 132 .
  • the relay amplification unit 140 amplifies the light transmitted from the first shared sensing optical fiber 131 through the first path and transmits the amplified light to the second shared sensing optical fiber 132, It is structured to amplify the reversely traveling light through a second path different from the first path and transmit it to the first shared sensing optical fiber 131 in a reversely traveling manner.
  • the relay amplifier 140 includes a pump light source 150, an optical splitter 151, a first multiplexer (1 WDM) 141, a first EDF 145, a second optical circulator 122, and a third optical circuit. It has a radiator 123, a second multiplexer (2nd WDM) 142, a second EDF 146, a first filter 148, and a second filter 149.
  • the pump light source 150 outputs pump light.
  • the pump light source 150 emits light having a center wavelength of 980 nm.
  • the optical splitter 151 distributes the pump light output from the pump light source 150 to the first distribution stage 151a and the second distribution stage 151b and outputs them.
  • the first multiplexer (first WDM) 141 multiplexes the light traveling from the first shared sensing optical fiber 131 through the second optical circulator 122 and the pump light input from the first distribution stage 151a and outputs the multiplexed light. do.
  • the first erbium doped fiber (EDF) 145 is an optical fiber doped with erbium and amplifies light output from the first multiplexer 141 .
  • the first filter 148 is connected between the first EDF 145 and the third optical circulator 123 to filter noise so that light having a wavelength to be transmitted is transmitted. That is, the first filter 148 is a band pass filter that passes 1550 nm light of the same wavelength as the main light source 110 and removes noise of the remaining wavelengths for the amplified light signal output from the first EDF (erbium doped fiber). Applied.
  • the second optical circulator 122 transmits the light traveling from the first shared sensing optical fiber 131 to the first multiplexer 141, and the light traveling backward through the second path is transmitted to the first shared sensing optical fiber ( 131).
  • the first path is the first multiplexer 141, the first EDF 145, the first filter 148, and the third optical circulator 123 from the terminal marked with the English letter c of the second optical circulator 122.
  • the second path is a path leading to the terminal marked with the English letter a of
  • the second path is from the terminal marked with the English letter c of the third optical circulator 123 to the second multiplexer 142, the second EDF 146, and the second filter 149 and a path leading to the terminal marked with the English letter a of the second optical circulator 122 .
  • the second optical circulator 122 is connected between the other end of the first shared sensing optical fiber 131 and the first multiplexer 141 and the second filter 149, and is connected to the first shared sensing optical fiber 131.
  • the light input through the terminal marked b is transmitted through the terminal marked with the letter c connected to the first multiplexer 141, and is transmitted inversely through the terminal marked with the letter a connected to the second filter 149.
  • the input light is transmitted to the first shared sensing optical fiber 131 through a terminal marked with the English letter b in a reverse manner.
  • the third optical circulator 123 is installed between the first filter 148, the second shared sensing optical fiber 132, and the second multiplexer 142, and is amplified by the first EDF 145 to form the first filter 148.
  • the light traveling through is transmitted to the second shared sensing optical fiber 132, and the light traveling backward from the second shared sensing optical fiber 132 is transmitted to the second multiplexer 142 disposed in the second path.
  • the third optical circulator 122 is amplified and transmitted through the terminal indicated by the letter a connected to the first filter 148, and the input light is indicated by the letter b connected to the second shared sensing optical fiber 132.
  • the second split sensing optical fiber 132 is transmitted through the terminal, and the light input in reverse from the second split sensing optical fiber 131 through the terminal marked with the English letter b is English letter connected to the second multiplexer 142. It transmits through the terminal marked c.
  • the second multiplexer 142 multiplexes the light traveling backward through the second path from the third optical circulator 123 and the pump light input from the second distribution stage 151b, and outputs the multiplexed signal to the second EDF 146. .
  • the second EDF 146 amplifies the light output from the second multiplexer 142 and propagates it in reverse to the first shared sensing optical fiber 131 between the second optical circulator 122 and the second multiplexer 142. is installed on
  • the second erbium doped fiber (EDF) 146 is an optical fiber doped with erbium and amplifies light output from the second multiplexer 142 .
  • the second filter 149 is connected between the second EDF 146 and the terminal a of the second optical circulator 122 to filter noise so that light having a wavelength to be transmitted is transmitted. That is, the second filter 149 passes the light of 1550 nm, which is a wavelength corresponding to Rayleigh scattered light, to the amplified light signal output from the second erbium doped fiber (EDF) 146 and removes noise of other wavelengths. filter is applied.
  • EDF erbium doped fiber
  • the photodetector 170 detects light output from the first detection end 121c of the first optical circulator 121 .
  • the signal processing unit 180 controls the driving of the main light source 110, and detects the physical quantity for the area where the first and second shared sensing optical fibers 131 and 132 are installed from the signal output from the photodetector 170. Measure.
  • the signal processing unit 180 is constructed with a pulse generator 182, a signal processing unit 184 and an output unit 186.
  • the pulse generator 182 is controlled by the signal processor 184 to output a pulse driving signal corresponding to the pulse width of the pulse light to be generated to the main light source 110 .
  • the signal processing unit 184 controls the pulse generator 182 so that pulsed light is output from the main light source 110, and uses the signal received from the photodetector 170 to measure a physical quantity to be measured, for example, first and second shared sensing. Vibration or sound in the area where the optical fibers 131 and 132 are installed is detected, and the detected measurement information is output through the output unit 186.
  • the output unit 186 may be a display unit that displays measurement information or a communication unit that transmits output information to a remote destination through a communication network.
  • the signal processing unit 184 may be configured to recognize that vibration occurs in the corresponding area when a signal having a different pattern from the normal reception signal is received from the first shared sensing optical fiber 131 .
  • the measurement distance can be improved by amplifying the signal before the signal is attenuated to the noise level by the relay amplifier 140.
  • one relay amplification unit 140 is applied between the two first and second shared sensing optical fibers 131 and 132, and whenever a shared sensing optical fiber is added in series, the relay amplification unit (140) is added.
  • the measurement distance-enhancing distributed optical fiber sensor described above, it provides the advantage of improving the measurement distance without reducing the position measurement resolution by supporting the amplification of the attenuation of long-distance transmission light without expanding the pulse width. do.

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Abstract

본 발명은 측정거리 향상형 분포형 광섬유 센서에 관한 것으로서, 메인 광원에서 출사되는 광을 제1출력단으로 출력하고, 제1출력단에서 역으로 진행되는 광을 제1검출단으로 출력하는 제1광써큘레이터와, 제1출력단과 일단이 접속된 제1분담센싱 광섬유와, 제1분담센싱 광섬유와 분리되어 연장된 제2분담 센싱 광섬유와, 제1분담센싱 광섬유의 타단과 제2분담센싱 광섬유의 일단 사이에 접속되어 제1분담센싱 광섬유에서 전송되는 광을 증폭하여 제2분담센싱 광섬유에 전송하고, 제2분담센싱 광섬유에서 역으로 진행되는 광을 증폭하여 제1분담센싱 광섬유에 역으로 진행되게 전송하는 중계 증폭부와, 제1검출단에서 출력되는 광을 검출하는 광검출기와, 광검출기에서 출력되는 신호로부터 제1 및 제2분담 센싱광섬유가 설치된 영역에 대한 검출 물리량을 측정하는 신호 처리 유니트를 구비한다. 이러한 측정거리 향상형 분포형 광섬유 센서에 의하면, 펄스폭을 확장시키지 않으면서도 장거리 전송광의 감쇄분이 복원되게 증폭되도록 지원함으로써 위치 측정 분해능을 저하시키지 않고 측정거리를 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.

Description

측정거리 향상형 분포형 광섬유 센서
본 발명은 측정거리 향상형 분포형 광섬유 센서에 관한 것으로서, 상세하게는 장거리 진행광의 감쇄를 복원시켜 측정거리를 향상시킬 수 있도록 된 분포형 광섬유 센서에 관한 것이다.
광섬유 센서는 광섬유 내의 코어의 굴절율을 변화시켜 제작한 광섬유 격자 센서가 있다. 그런데, 광섬유격자 센서는 격자가 새겨진 부분만 센서의 역할을 하기 때문에 넓은 영역에 걸쳐 이용하기에는 한계가 있다.
이에 반해 분포형 광섬유 센서로서 산란형 센서는 펄스 광원을 사용하여 광섬유에 작용하는 물리량에 따른 광섬유 내부의 후방 산란광을 측정함으로써 장거리 센싱이 가능하다.
이러한 산란형 센서로는 레일레이(Rayleigh) 산란형 광섬유 센서, 라만(Raman) 산란형 광섬유 센서, 브릴루앙(Brillouin) 산란형 광섬유 센서 등이 있다.
레일레이 산란형 광섬유 센서는 펄스광이 광섬유 내부를 진행하는 중 광섬유의 밀도의 불균일 분포에 기인하여 발생하는 산란광을 측정하는 센서로, 펄스광의 세기에 비례하는 후방 산란광을 얻을 수 있다.
라만 산란형 광섬유 센서와 브릴루앙 산란형 광섬유 센서는 모두 비선형 광산란을 이용하는 센서이다.
일 예로, 한국 공개특허공보 제10-2009-0001405호에는 감지 광섬유에서 발생하는 후방 산란광 중 라만 산란광과 브릴루앙 산란광을 측정하는 분포 광섬유 센서 시스템이 개시되어 있다.
라만 산란은 광섬유 내에서 빛이 전달될 때 분자 진동에 의하여 후방 산란 신호가 발생하는 현상을 지칭한다. 이때, 분자의 진동은 열적인 변화에 의해서만 변화하므로, 라만 산란형 광섬유 센서는 대부분 온도 센서로 사용되고 있다.
브릴루앙 산란형 광섬유 센서는 외부에서 작용하는 온도 또는 응력 등에 따라 광섬유 고유의 브릴루앙 주파수 값이 변화하는데, 이러한 브릴루앙 주파수의 변화량을 구하여 외부 물리량 변화를 측정하는 센서이다. 광섬유 내에 발생하는 브릴루앙 산란은 빛이 광섬유 내에 진행할 때 음파와 결합하여 후방 산란 신호를 만드는 현상을 지칭하는데, 이러한 후방 산란 신호는 광섬유가 위치한 환경에 비례하므로 이를 이용하여 온도 및/또는 응력의 변화량을 측정할 수 있다.
그런데, 종래의 분포형 광섬유센서는 펄스광의 전송거리가 멀어질수록 전송손실에 의해 측정가능한 거리에 한계가 발생하는 단점이 있다. 또한, 종래의 분포형 광섬유센서는 장거리에서 큰 산란신호를 발생시키기 위해 넓은 펄스폭의 입력광을 적용하는 경우 확장된 펄스광의 펄스폭에 의해 위치 센싱 분해능이 저하되는 문제점이 있어 펄스폭의 확장에도 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서 펄스폭을 확장시키지 않으면서도 측정거리의 연장을 지원할 수 있는 측정거리 향상형 분포형 광섬유 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 측정거리 향상형 분포형 광섬유 센서는 광을 출사하는 메인 광원과; 상기 메인 광원에서 출사되어 제1입력단으로 입력된 광을 제1출력단으로 출력하고, 상기 제1출력단에서 역으로 진행되는 광을 제1검출단으로 출력하는 제1광써큘레이터와; 상기 제1출력단과 일단이 접속되어 입사된 광을 전송하는 제1분담센싱 광섬유와; 상기 제1분담센싱 광섬유와 분리되어 연장된 제2분담 센싱 광섬유와; 상기 제1분담센싱 광섬유의 타단과 상기 제2분담센싱 광섬유의 일단 사이에 접속되어 상기 제1분담센싱 광섬유에서 전송되는 광을 증폭하여 상기 제2분담센싱 광섬유에 전송하고, 상기 제2분담센싱 광섬유에서 역으로 진행되는 광을 증폭하여 상기 제1분담센싱 광섬유에 역으로 진행되게 전송하는 중계 증폭부와; 상기 제1검출단에서 출력되는 광을 검출하는 광검출기와; 상기 메인 광원의 구동을 제어하고 상기 광검출기에서 출력되는 신호로부터 상기 제1 및 제2분담 센싱광섬유가 설치된 영역에 대한 검출 물리량을 측정하는 신호 처리 유니트;를 구비한다.
바람직하게는 상기 중계 증폭부는 상기 제1분담센싱 광섬유의 타단과 상기 제2분담센싱 광섬유의 일단 사이에 접속되어 상기 제1분담센싱 광섬유에서 전송되는 광을 제1경로를 통해 증폭하여 상기 제2분담센싱 광섬유에 전송하고, 상기 제2분담센싱 광섬유에서 역으로 진행되는 광을 상기 제1경로와 다른 제2경로를 통해 증폭하여 상기 제1분담센싱 광섬유에 역으로 진행되게 전송하도록 구축된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 중계 증폭부는 펌프광을 출력하는 펌프 광원과; 상기 펌프 광원에서 출력되는 펌프광을 제1분배단과, 제2분배단에 분배하여 출력하는 광분배기와; 상기 제1분담 센싱광섬유로부터 진행되는 광과 상기 제1분배단에서 입력되는 펌프광을 합파하여 출력하는 제1합파기와; 상기 제1합파기에서 출력되는 광을 증폭하는 제1EDF와; 상기 제1분담 센싱광섬유의 타단과 상기 제1합파기 사이에 접속되어 상기 제1분담센싱광섬유로부터 진행되는 광은 상기 제1합파기로 전송하고, 상기 제2경로를 통해 역으로 진행되는 광은 상기 제1분담센싱 광섬유로 전송시키는 제2광써큘레이터와; 상기 제1EDF와 상기 제2분담 센싱광섬유 사이에 설치되어 상기 제1EDF에서 증폭되어 진행되는 광을 상기 제2분담 센싱광섬유로 전송하고, 상기 제2분담센싱 광섬유에서 역으로 진행되는 광을 상기 제2경로로 전송하는 제3광써큘레이터와; 상기 제3광써큘레이터에서 제2경로를 통해 역으로 진행되는 광과 상기 제2분배단에서 입력되는 펌프광을 합파하여 출력하는 제2합파기와; 상기 제2합파기에서 출력되는 광을 증폭하여 상기 제1분담 센싱광섬유에 역으로 진행되게 상기 제2광써큘레이터와 상기 제2합파기 사이에 설치된 제2EDF;를 구비한다.
또한, 상기 제1EDF와 상기 제3광써큘레이터 사이에 접속되어 전송대상 파장의 광이 전송되게 노이즈를 필터링하는 제1필터와; 상기 제2EDF와 상기 제2광서큘레이터 사이에 접속되어 전송대상 파장의 광이 전송되게 노이즈를 필터링하는 제2필터;를 더 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 측정거리 향상형 분포형 광섬유 센서에 의하면, 펄스폭을 확장시키지 않으면서도 장거리 전송광의 감쇄분이 복원되게 증폭되도록 지원함으로써 위치 측정 분해능을 저하시키지 않고 측정거리를 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 측정거리 향상형 분포형 광섬유 센서를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 광섬유 센서를 통해 수신되는 신호로부터 물리량을 측정하는 과정을 설명하기 위한 그래프이고,
도 3은 도 1의 광섬유 센서에서 신호 증폭과정을 통해 수신되는 신호의 예를 나타내 보인 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 측정거리 향상형 분포형 광섬유 센서를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 측정거리 향상형 분포형 광섬유 센서를 나타내 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 측정거리 향상형 분포형 광섬유 센서(100)는 메인 광원(110), 제1광써큘레이터(121), 제1분담센싱 광섬유(131), 제2분담 센싱 광섬유(132), 중계 증폭부(140), 광검출기(170), 신호 처리 유니트(180)를 구비한다.
메인 광원(110)은 펄스 발생기(182)에서 출력되는 펄스 구동신호에 대응되는 광인 펄스광을 출사한다. 메인 광원(110)은 중심파장이 1550nm의 광을 출사한 것이 적용된다.
제1광써큘레이터(121)는 메인 광원(110)에서 출사되어 제1입력단(121a)으로 입력된 광을 제1출력단(121b)으로 출력하고, 제1출력단(121b)에서 역으로 진행되는 광을 제1검출단(121c)으로 출력한다.
제1분담센싱 광섬유(131)는 제1광써큘레이터(121)의 제1출력단(121b)과 일단이 접속되어 입사된 광을 전송한다. 제1분담센싱 광섬유(131)는 통상의 광섬유가 적용되며 연장길이는 메인 광원(110)에서 출사되는 펄스광의 파워 레벨이 전송감쇄에 의해 감쇄되더라도 종단에서의 파워 레벨이 노이즈 레벨 이하로 감쇄되지 않는 정도의 길이로 적절하게 적용하면 된다.
제2분담 센싱 광섬유(132)는 제1분담센싱 광섬유(131)와 분리되어 연장되되 후술되는 중계 증폭부(140)를 통해 접속되어 있다.
제2분담 센싱 광섬유(132)의 연장길이는 중계 증폭부(140)에서 증폭되어 입력되는 광의 파워 레벨이 종단에서 앞서 설명된 바와 같이 노이즈 레벨 이하로 감쇄되지 않는 정도의 길이로 적절하게 적용하면 되고, 중계 중폭부(140)가 제1분담 센싱 광섬유(132)로부터 입력되는 광을 초기 메인 광원(110)에서 출력되는 광의 파워레벨로 복원되게 증폭시키도록 구축되는 경우 제1분담 센싱 광섬유(132)와 동일한 길이를 갖는 것을 적용할 수 있다.
중계 증폭부(140)는 제1분담센싱 광섬유(131)의 타단과 제2분담센싱 광섬유(132)의 일단 사이에 접속되어 제1분담센싱 광섬유(131)에서 전송되는 광을 증폭하여 제2분담센싱 광섬유(132)에 전송하고, 제2분담센싱 광섬유(132)에서 역으로 진행되는 광을 증폭하여 제1분담센싱 광섬유(131)에 역으로 진행되게 전송한다.
또한, 중계 증폭부(140)는 제1분담센싱 광섬유(131)에서 전송되는 광을 제1경로를 통해 증폭하여 제2분담센싱 광섬유(132)에 전송하고, 제2분담센싱 광섬유(132)에서 역으로 진행되는 광을 제1경로와 다른 제2경로를 통해 증폭하여 제1분담센싱 광섬유(131)에 역으로 진행되게 전송하도록 구축되어 있다.
중계 증폭부(140)는 펌프 광원(150), 광분배기(151), 제1합파기(제1WDM)(141), 제1EDF(145), 제2광써큘레이터(122), 제3광써큘레이터(123), 제2합파기(제2WDM)(142), 제2EDF(146), 제1필터(148), 제2필터(149)를 구비한다.
펌프 광원(150)는 펌프광을 출력한다. 펌프 광원(150)은 중심파장이 980nm인 광을 출사하는 것이 적용된다.
광분배기(151)는 펌프 광원(150)에서 출력되는 펌프광을 제1분배단(151a)과, 제2분배단(151b)에 분배하여 출력한다.
제1합파기(제1WDM)(141)는 제1분담 센싱광섬유(131)로부터 제2광써큘레이터(122)를 거쳐 진행되는 광과 제1분배단(151a)에서 입력되는 펌프광을 합파하여 출력한다.
제1EDF(erbium doped fiber)(145)는 에르븀을 첨가한 광섬유로서 제1합파기(141)에서 출력되는 광을 증폭한다.
제1필터(148)는 제1EDF(145)와 제3광써큘레이터(123) 사이에 접속되어 전송대상 파장의 광이 전송되게 노이즈를 필터링한다. 즉, 제1필터(148)는 제1EDF(erbium doped fiber)에서 출력되는 증폭광 신호에 대해 메인 광원(110)과 동일한 파장의 1550nm의 광은 통과시키고 나머지 파장의 노이즈는 제거하는 밴드패스 필터가 적용된다.
제2광써큘레이터(122)는 제1분담 센싱광섬유(131)로부터 진행되는 광은 제1합파기(141)로 전송하고, 제2경로를 통해 역으로 진행되는 광은 제1분담센싱 광섬유(131)로 전송시킨다. 여기서, 제1경로는 제2광써큘레이터(122)의 영문자 c로 표기된 단자로부터 제1합파기(141), 제1EDF(145), 제1필터(148) 및 제3광써큘레이터(123)의 영문자 a로 표기된 단자로 이어지는 경로이고, 제2경로는 제3광써큘레이터(123)의 영문자 c로 표기된 단자로부터 제2합파기(142), 제2EDF(146), 제2필터(149) 및 제2광써큘레이터(122)의 영문자 a로 표기된 단자로 이어지는 경로이다.
제2광써큘레이터(122)는 제1분담 센싱광섬유(131)의 타단과 제1합파기(141) 및 제2필터(149) 사이에 접속되어 제1분담 센싱광섬유(131)와 접속된 영문자 b로 표기된 단자를 통해 입력된 광을 제1합파기(141)와 접속된 영문자 c로 표기된 단자를 통해 전송하고, 제2필터(149)와 접속된 영문자 a로 표기된 단자를 통해 역으로 전송되어 입력되는 광은 영문자 b로 표기된 단자를 통해 제1분담 센싱광섬유(131)로 역으로 진행되게 전송한다.
제3광써큘레이터(123)는 제1필터(148)와 제2분담 센싱광섬유(132) 및 제2합파기(142) 사이에 설치되어 제1EDF(145)에서 증폭되어 제1필터(148)를 거쳐 진행되는 광을 제2분담 센싱광섬유(132)로 전송하고, 제2분담센싱 광섬유(132)에서 역으로 진행되는 광을 제2경로에 배치된 제2합파기(142)로 전송한다.
즉, 제3광써큘레이터(122)는 제1필터(148)와 접속된 영문자 a로 표기된 단자를 통해 증폭되어 전송되어 입력되는 광은 제2분담 센싱광섬유(132)와 접속된 영문자 b로 표기된 단자를 통해 제2분담 센싱광섬유(132)로 진행되게 전송하고, 영문자 b로 표기된 단자를 통해 제2분담 센싱광섬유(131)로부터 역으로 입력된 광을 제2합파기(142)와 접속된 영문자 c로 표기된 단자를 통해 전송한다.
제2합파기(142)는 제3광써큘레이터(123)에서 제2경로를 통해 역으로 진행되는 광과 제2분배단(151b)에서 입력되는 펌프광을 합파하여 제2EDF(146)로 출력한다.
제2EDF(146)는 제2합파기(142)에서 출력되는 광을 증폭하여 제1분담 센싱광섬유(131)에 역으로 진행되게 제2광써큘레이터(122)와 제2합파기(142) 사이에 설치되어 있다.
제2EDF(erbium doped fiber)(146)는 에르븀을 첨가한 광섬유로서 제2합파기(142)에서 출력되는 광을 증폭한다.
제2필터(149)는 제2EDF(146)와 제2광써큘레이터(122)의 단자a 사이에 접속되어 전송대상 파장의 광이 전송되게 노이즈를 필터링한다. 즉, 제2필터(149)는 제2EDF(erbium doped fiber)(146)에서 출력되는 증폭광 신호에 대해 레일레이 산란광에 해당하는 파장인 1550nm의 광은 통과시키고 나머지 파장의 노이즈는 제거하는 밴드패스 필터가 적용된다.
광검출기(170)는 제1광써큘레이터(121)의 제1검출단(121c)에서 출력되는 광을 검출한다.
신호 처리유니트(180)는 메인 광원(110)의 구동을 제어하고, 광검출기(170)에서 출력되는 신호로부터 제1 및 제2분담 센싱광섬유(131)(132)가 설치된 영역에 대한 검출 물리량을 측정한다.
신호 처리 유니트(180)는 펄스발생기(182), 신호처리부(184) 및 출력부(186)로 구축되어 있다.
펄스 발생기(182)는 신호 처리부(184)에 제어되어 생성하고자 하는 펄스광의 펄스폭에 대응되는 펄스구동신호를 메인 광원(110)에 출력한다.
신호처리부(184)는 메인 광원(110)에서 펄스광이 출력되게 펄스 발생기(182)를 제어하고, 광검출기(170)로부터 수신된 신호으로부터 측정대상 물리량 예를 들면, 제1 및 제2분담 센싱 광섬유(131)(132)가 설치된 영역의 진동 또는 음향을 검출하고, 검출된 측정정보를 출력부(186)를 통해 출력되게 처리한다.
출력부(186)는 측정정보를 표시하는 표시부 또는 원격 전송지로 출력정보를 통신망을 통해 전송하는 통신부가 적용될 수 있다.
신호처리부(184)는 제1분담 센싱 광섬유(131)로부터 도 2에 도시된 바와 같이 정상 수신신호와 다른 패턴의 신호가 수신되면 해당 영역에 진동이 발생한 것으로 파악하도록 구축될 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이 중계 증폭부(140)에 의해 노이즈 레벨로 신호가 감쇄하기 이전에 신호를 증폭함으로써 측정거리를 향상시킬 수 있다.
도시된 예에서는 두 개의 제1 및 제2분담 센싱 광섬유(131)(132) 사이에 하나의 중계 증폭부(140)가 적용된 것을 설명하였고, 직렬상으로 분담 센싱 광섬유가 추가되는 경우마다 중계 증폭부(140)를 추가하면 된다.
이상에서 설명된 측정거리 향상형 분포형 광섬유 센서에 의하면, 펄스폭을 확장시키지 않으면서도 장거리 전송광의 감쇄분이 복원되게 증폭되도록 지원함으로써 위치 측정 분해능을 저하시키지 않고 측정거리를 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.

Claims (5)

  1. 광을 출사하는 메인 광원과;
    상기 메인 광원에서 출사되어 제1입력단으로 입력된 광을 제1출력단으로 출력하고, 상기 제1출력단에서 역으로 진행되는 광을 제1검출단으로 출력하는 제1광써큘레이터와;
    상기 제1출력단과 일단이 접속되어 입사된 광을 전송하는 제1분담센싱 광섬유와;
    상기 제1분담센싱 광섬유와 분리되어 연장된 제2분담 센싱 광섬유와;
    상기 제1분담센싱 광섬유의 타단과 상기 제2분담센싱 광섬유의 일단 사이에 접속되어 상기 제1분담센싱 광섬유에서 전송되는 광을 증폭하여 상기 제2분담센싱 광섬유에 전송하고, 상기 제2분담센싱 광섬유에서 역으로 진행되는 광을 증폭하여 상기 제1분담센싱 광섬유에 역으로 진행되게 전송하는 중계 증폭부와;
    상기 제1검출단에서 출력되는 광을 검출하는 광검출기와;
    상기 메인 광원의 구동을 제어하고 상기 광검출기에서 출력되는 신호로부터 상기 제1 및 제2분담 센싱광섬유가 설치된 영역에 대한 검출 물리량을 측정하는 신호 처리 유니트;를 구비하는 것을 특징으로 하는 측정거리 향상형 분포형 광섬유 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중계 증폭부는
    상기 제1분담센싱 광섬유의 타단과 상기 제2분담센싱 광섬유의 일단 사이에 접속되어 상기 제1분담센싱 광섬유에서 전송되는 광을 제1경로를 통해 증폭하여 상기 제2분담센싱 광섬유에 전송하고, 상기 제2분담센싱 광섬유에서 역으로 진행되는 광을 상기 제1경로와 다른 제2경로를 통해 증폭하여 상기 제1분담센싱 광섬유에 역으로 진행되게 전송하도록 구축된 것을 특징으로 하는 측정거리 향상형 분포형 광섬유 센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 중계 증폭부는
    펌프광을 출력하는 펌프 광원과;
    상기 펌프 광원에서 출력되는 펌프광을 제1분배단과, 제2분배단에 분배하여 출력하는 광분배기와;
    상기 제1분담 센싱광섬유로부터 진행되는 광과 상기 제1분배단에서 입력되는 펌프광을 합파하여 출력하는 제1합파기와;
    상기 제1합파기에서 출력되는 광을 증폭하는 제1EDF와;
    상기 제1분담 센싱광섬유의 타단과 상기 제1합파기 사이에 접속되어 상기 제1분담센싱광섬유로부터 진행되는 광은 상기 제1합파기로 전송하고, 상기 제2경로를 통해 역으로 진행되는 광은 상기 제1분담센싱 광섬유로 전송시키는 제2광써큘레이터와;
    상기 제1EDF와 상기 제2분담 센싱광섬유 사이에 설치되어 상기 제1EDF에서 증폭되어 진행되는 광을 상기 제2분담 센싱광섬유로 전송하고, 상기 제2분담센싱 광섬유에서 역으로 진행되는 광을 상기 제2경로로 전송하는 제3광써큘레이터와;
    상기 제3광써큘레이터에서 제2경로를 통해 역으로 진행되는 광과 상기 제2분배단에서 입력되는 펌프광을 합파하여 출력하는 제2합파기와;
    상기 제2합파기에서 출력되는 광을 증폭하여 상기 제1분담 센싱광섬유에 역으로 진행되게 상기 제2광써큘레이터와 상기 제2합파기 사이에 설치된 제2EDF;를 구비하는 것을 특징으로 하는 측정거리 향상형 분포형 광섬유 센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1EDF와 상기 제3광써큘레이터 사이에 접속되어 전송대상 파장의 광이 전송되게 노이즈를 필터링하는 제1필터와;
    상기 제2EDF와 상기 제2광서큘레이터 사이에 접속되어 전송대상 파장의 광이 전송되게 노이즈를 필터링하는 제2필터;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 측정거리 향상형 분포형 광섬유 센서.
  5. 제3항에 있어서, 상기 펌프 광원은 980nm광을 출사하는 것이 적용되고, 상기 메인 광원은 1550nm의 광을 출사한 것이 적용되고, 상기 제1필터와 상기 제2필터는 1550nm의 광을 통과시키는 밴드패스 필터가 적용된 것을 특징으로 하는 측정거리 향상형 분포형 광섬유 센서.
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