WO2024019227A1 - 압축센싱기반 브릴루앙 주파수 영역 분포형 광섬유 센서장치 - Google Patents

압축센싱기반 브릴루앙 주파수 영역 분포형 광섬유 센서장치 Download PDF

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WO2024019227A1
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김명진
김영호
이주영
정효영
김희운
김효종
신준근
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한국광기술원
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Definitions

  • the present invention relates to a compressive sensing-based Brillouin frequency domain distributed optical fiber sensor device, and more specifically, to a compressed sensing based Brillouin frequency domain distributed optical fiber sensor device that can reduce the number of repetitive measurements required to improve position resolution. It's about.
  • the wavelength of the optical signal reflected from the optical fiber grid changes. Therefore, by measuring the change in the wavelength of light reflected from the optical fiber grid, the amount of change in the wavelength can be used to measure the size of physical quantities such as external temperature, strain, and pressure.
  • the optical fiber grid has the disadvantage that the manufacturing process is complicated because it requires a process of engraving the grid on the optical fiber.
  • the present invention was created to solve the above requirements, and its purpose is to provide a compressed sensing-based Brillouin frequency domain distributed optical fiber sensor device that can reduce the number of repeated measurements required for position resolution.
  • the compressed sensing-based Brillouin frequency domain distributed optical fiber sensor device includes a sensing optical fiber installed in the measurement target area; a light source unit that outputs light; a probe light generator that generates probe light using the light output by the light source unit and transmits it through one end of the sensing optical fiber; a compressed sensing light generator that uses the light output from the light source to generate compressed sensing light of a composite signal waveform in which a plurality of different frequency signals are compressed; an optical circulator that receives the compressed sensing light through an input terminal and transmits it to an output terminal connected to the other end of the sensing optical fiber, and outputs light scattered from the sensing optical fiber and incident through the output terminal to a detection terminal; a light detection unit that detects Brillouin scattered light generated from the sensing optical fiber and received through the detection stage; a compressed sensing signal generator that generates a compressed sensing signal corresponding to the compressed sensing light to generate the compressed sensing light; and a signal processing unit that
  • the light source unit includes a light source that generates light; and a polarization maintaining coupler that distributes light through a first distribution path and a second distribution path while maintaining the polarization state of the light output from the light source, wherein the probe light generator divides the light traveling through the first distribution path.
  • a first modulator that modulates the probe light
  • a polarization switch installed to modulate and output the polarization of light output from the first modulation unit
  • an optical separator connected between the polarization switch and one end of the sensing optical fiber to block light traveling backwards from one end of the sensing optical fiber.
  • the compressed sensing light generator includes a second modulator that generates compressed sensing light, which is modulated light corresponding to the compressed sensing signal generated by the compressed sensing signal generator, using the light output from the light source portion.
  • the sensing signal generation unit is controlled by the signal processing unit to generate a modulation signal corresponding to the compressed sensing light including a plurality of different frequencies from the second modulation unit.
  • the compressed sensing signal generator generates M modulation frequencies. Controlling the second modulator so that compressed sensing light having a complex frequency waveform expressed as a weighted sum of components is output from the second modulator, is the lowest modulation frequency, and is the maximum modulation frequency, and is the modulation frequency interval, and M is an integer greater than 0.
  • the signal processing unit controls the compressed sensing signal generator to emit the compressed sensing light as much as the number of repetitions (N) set to be smaller than the number (M) of different modulation frequencies compressed in the compressed sensing light, and the light detector. Physical quantities for each position of the sensing optical fiber are calculated from data received as many times as the repetition number (N).
  • the signal processing unit uses any one of a matching pursuit-based algorithm, a total variance-based algorithm, a message passing-based algorithm, and a deep learning-based algorithm for the signal received from the photodetector. Physical quantities for each location are calculated using a restoration algorithm.
  • the compressive sensing-based Brillouin frequency domain distributed optical fiber sensor device provides the advantage of reducing the number of repeated measurements required for position resolution.
  • Figure 1 is a diagram showing a compressed sensing-based Brillouin frequency domain distributed optical fiber sensor device according to the present invention.
  • Figure 1 is a diagram showing a compressed sensing-based Brillouin frequency domain distributed optical fiber sensor device according to the present invention.
  • the compressive sensing-based Brillouin frequency domain distributed optical fiber sensor device 100 includes a light source unit 110, a probe light generator 120, a compressed sensing light generator 130, and a sensing optical fiber. (160), an optical circulator 170, a photodetector 180, a compressed sensing signal generator 185, and a signal processor 190 are provided.
  • the light source unit 110 generates light and distributes it through the first distribution path 116 and the second distribution path 117.
  • the light source unit 110 includes a light source 112 and a polarization maintaining coupler 115.
  • the light source 112 outputs light having a center wavelength ( ⁇ c) corresponding to the first frequency.
  • the polarization maintaining coupler 115 maintains the polarization state of the light output from the light source 112 and distributes the light through the first distribution path 116 and the second distribution path 117.
  • the polarization maintaining coupler 115 is applied to match the polarization state of the light traveling through the first distribution path 116 and the light traveling through the second distribution path 117. In this case, the maximum induced Brillouin scattering amplification is achieved. can be obtained.
  • the light source unit 110 may further include a waveform generator (not shown) that generates a sinusoidal waveform corresponding to the first frequency, and the light source 112 generates a first frequency corresponding to the waveform generated by the waveform generator (not shown).
  • a waveform generator (not shown) that generates a sinusoidal waveform corresponding to the first frequency
  • the light source 112 generates a first frequency corresponding to the waveform generated by the waveform generator (not shown).
  • Distrumped Feed-Back Laser Diode (DFB LD) a semiconductor laser that outputs light modulated by
  • the probe light generator 120 is constructed to generate probe light using the light output by the light source 112 and transmit it through one end of the sensing optical fiber 160.
  • the probe light generator 120 includes a first modulator 121, a first amplifier (EDFA1) 141, a polarization switch (PS) 145, an optical attenuator (VOA1) 151, and an optical separator 155. Equipped with
  • the first modulator 121 modulates the light output from the light source 112 and traveling through the first distribution path 116 into probe light including a sideband signal.
  • the first modulator 121 converts the optical signal of the first frequency according to the signal generated from the bias controller 121c and the microwave generator 121a into a sideband signal whose frequency is shifted by the offset frequency ( ⁇ B ).
  • the first amplifier (EDFA1) 141 amplifies the optical signal and is equipped with an iridium-doped optical fiber amplifier.
  • the polarization switch (PS) 145 is installed to modulate and output the polarization of light output from the first modulator 121.
  • the polarization switch (PS) 145 may periodically change the polarization of the probe light output from the first modulator 121.
  • the polarization switch 145 receives a signal from a signal generator (not shown), and can alternately rotate the polarization of the probe light to 0 degrees and 90 degrees according to the received signal.
  • the above-mentioned polarization angles of 0 degrees and 90 degrees are merely exemplary, and in another embodiment, the polarization switch 145 may periodically change the polarization of the probe light to another angle different from this.
  • Stimulated Brillouin scattering amplification occurs when the polarizations of the probe light and compressed sensing light match each other, but since the polarization of the probe light and compressed sensing light can change depending on time and space, the polarization switch 145 is used to polarize the probe light.
  • the polarization problem can be solved by performing measurements while changing , and using the average value of the measured values.
  • variable optical attenuator 1 (VOA1) 151 attenuates light within a set range and may be omitted.
  • the optical separator 155 is connected between the polarization switch 145 and one end of the sensing optical fiber 160 to block light traveling in reverse from one end of the sensing optical fiber 160.
  • the optical separator 155 serves to block high-output compressed sensing light from proceeding to the first modulator 121 through the sensing optical fiber 160, and an optical isolator may be applied.
  • the sensing optical fiber 160 is installed in the measurement target area, and one end is connected to the optical separator 155, and the other end is connected to the output terminal 170b of the optical circulator 170. It is preferable that the sensing optical fiber 160 is a single-mode optical fiber. This sensing optical fiber 160 is incident with probe light and compressed sensing light traveling in opposite directions through one end and the other end, and the Brillouin scattered light generated from the sensing optical fiber 160 travels in reverse through the optical circulator 170. do.
  • the compressed sensing light generator 130 uses light output from the light source 112 to generate compressed sensing light 133 in a complex signal waveform in which a plurality of different frequency signals are compressed.
  • the compressed sensing light generator 130 includes a second modulator 131, a second amplifier (EDFA2) 142, and a second optical attenuator (VOA2) 152.
  • EDFA2 second amplifier
  • VOA2 second optical attenuator
  • the second modulator 131 generates compressed sensing light 133, which is modulated light corresponding to the compressed sensing signal generated by the compressed sensing signal generator 185, using the light output by the light source 112, and uses the Mach-Zehnder modulator. (Mach-Zehnder Modulator:MZM) may be applied.
  • the second amplifier (EDFA2) 142 amplifies the optical signal and is equipped with an iridium-doped optical fiber amplifier.
  • variable optical attenuator 2 (VOA2) 152 attenuates light within a set range and may be omitted.
  • the optical circulator 170 receives compressed sensing light through the input terminal 170a and transmits it to the output terminal 170b connected to the other end of the sensing optical fiber 160, and is scattered from the sensing optical fiber 160 to the output terminal 170b.
  • the light incident through the detector is output to the detection stage 170c.
  • the third optical attenuator (VOA3) 153 attenuates the signal output from the detection stage 170c of the optical circulator 170 to a set attenuation range, and may be omitted.
  • the photodetector (PD) 180 is applied as a light detection unit and detects Brillouin scattered light generated from the sensing optical fiber 160 and received through the detection stage 170c of the optical circulator 170, and responds to the detected light. An electrical signal is provided to the signal processing unit 190.
  • the compressed sensing signal generator 185 generates a compressed sensing signal corresponding to the compressed sensing light so that the second modulator 131 generates compressed sensing light and provides the compressed sensing signal to the second modulator 131.
  • the compressed sensing signal generator 185 is controlled by the signal processor 190 to generate a compressed sensing signal, which is a modulation signal corresponding to the generation of compressed sensing light including frequencies f1 to fm, from the second modulator 131.
  • the signal processor 190 controls the compressed sensing signal generator 185 and calculates a physical quantity for each position of the sensing optical fiber 160, for example, temperature or strain, from the signal output from the photodetector 180.
  • the signal processing unit 190 controls the compressed sensing signal generator 185 to emit the compressed sensing light as many times as the number of repetitions set to be smaller than the number of different frequency signals compressed in the compressed sensing light, and repeats from the photo detector 180.
  • a physical quantity, such as temperature or strain, is calculated for each position of the sensing optical fiber 160 from the data received the number of times, and the calculation result is output to the display unit 192, which is illustrated as an output device.
  • the modulation frequency output from the second modulation unit 131 is single and in the case of the conventional method in which a different modulation frequency is applied for each repeated measurement, the modulation frequency applied differently for each measurement ( ), the maximum measurement distance resolution is determined. here, is the lowest modulation frequency to apply, is the maximum modulation frequency applied.
  • the distance resolution ( ) can be expressed in Equation 1 below.
  • c is the speed of light
  • n is the refractive index of light within the sensing optical fiber 160.
  • the maximum measurement distance Can be expressed as Equation 2 below.
  • the conventional BOFDA system has a low distance resolution ( ), maximum measurement distance ( ) All modulation frequencies applied to achieve Measurements must be made for each modulation frequency, and the number of measurements (M) can be expressed in Equation 3 below.
  • the transfer function When measuring, the transfer function Obtains the first value (h(t)) by inverse FFT (IFFF), and restores the first value (h(t)) to a physical quantity (h(z)) for each distance through distance conversion.
  • IFFF inverse FFT
  • This process can be expressed as the following process.
  • t is time
  • the existing BOFDA (Brillouin Optical Frequency Domain Analysis) system is based on the concept of sampling the transfer function at a discrete modulation frequency. That is, in the first measurement, the lowest modulation frequency ( ) of pump light is output to obtain a Brillouin scattering signal, and in the second measurement, the lowest modulation frequency ( ) to the modulation frequency interval ( ) different second modulation frequency ( + ) pump light is output to obtain a Brillouin scattering signal. In this way, the process of repeating measurements while increasing the modulation frequency determines the maximum modulation frequency ( ) is generated and output, and even the process of acquiring the Brillouin scattering signal is performed.
  • the physical quantity (h(z)) for each distance measured through the sensing optical fiber 160 has a changed value only at a specific location.
  • the amount of information is often less than the number of measurements M.
  • M measurements are essential to restore the signal.
  • the compressed sensing-based Brillouin frequency domain distributed optical fiber sensor device 100 proposed in the present invention has a modulation frequency Using a complex frequency waveform expressed as a weighted sum of components, the same distance resolution ( ), maximum measurement distance ( ) makes it possible to achieve.
  • the amount of information contained in h(z) is smaller than M. This expresses that the signal has sparsity characteristics. If the signal has sparsity characteristics, the amount of measurement can be significantly reduced using compressed sensing techniques. Compressed sensing is a technique that can restore the original signal from undersampled data.
  • the compressed sensing signal generator 185 generates a compressed sensing-based complex frequency waveform to be used for N measurements.
  • Complex frequency waveform (g) is the modulation frequency vector and compressed sensing measurement matrix Calculated as a product.
  • T is the transpose matrix operator
  • R is the real number domain
  • M is the total number of modulation frequencies applied in the conventional method, that is, the number of measurements
  • N is the number of measurements when applying the method proposed in the present invention.
  • g is the complex frequency waveform mentioned earlier.
  • A is a measurement matrix and must satisfy the Restricted Isometry Property (RIP) conditions.
  • the RIP condition refers to the characteristic that preserves the orthomonal properties of sparse signals. Examples of measurement matrix A include random Gaussian matrix, Bernoulli matrix, partial Fourier transform matrix, etc.
  • the length of the sensing optical fiber 160 is 10 km, and the distance resolution ( ) is applied to 0.25m, and according to the conventional method, 40000 measurements are required, Measurements must be made between 5kHz and 210MHz, at 5kHz intervals.
  • the compressed sensing technique limited in the present invention it is theoretically possible to restore the original signal with a measurement of 5% to 30%.
  • the existing measurement signal Ramen compressed sensing measurement signal (y) is am.
  • T is the transpose matrix operator
  • R is the real number domain
  • M is the total number of modulation frequencies applied in the conventional method, that is, the number of measurements
  • N is the number of measurements when applying the method proposed in the present invention.
  • the transfer function of the Brillouin frequency domain measurement system has linear time invariant characteristics in the frequency domain, so the distribution law is established for synthesis.
  • F is the Fourier Transform matrix.
  • distance sample It is a vector.
  • Restoration of the compressed sensing measurement signal (y) is performed by solving the following optimization problem.
  • the restoration algorithm applied in the signal processing unit 190 may be any one of a matching pursuit-based algorithm, a total variance-based algorithm, a message passing-based algorithm, and a deep learning-based algorithm. .
  • the compressed sensing-based Brillouin frequency domain distributed optical fiber sensor device described above provides the advantage of reducing the number of repeated measurements required for position resolution.

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Abstract

본 발명은 압축센싱기반 브릴루앙 주파수 영역 분포형 광섬유 센서장치에 관한 것으로서, 광원부에 의해 출력된 광을 이용하여 프로브광을 생성하여 센싱광섬유의 일단을 통해 전송하는 프로브광 생성부와, 광원부에 의해 출력된 광을 이용하여 상호 다른 복수의 주파수 신호가 압축된 복합신호 파형의 압축센싱광을 생성하는 압축센싱광 생성부와, 압축센싱광을 입력단을 통해 입력받아 센싱광섬유의 타단과 접속된 출력단으로 전송하고, 센싱광섬유에서 산란되어 출력단을 통해 입사되는 광을 검출단으로 출력하는 광써큘레이터와, 검출단을 통해 수신되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 광검출부와, 압축센싱광이 생성되게 압축센싱신호를 발생하는 압축센싱신호 발생부와, 압축센싱신호 발생부를 제어하고, 광검출부에서 출력되는 신호로부터 센싱 광섬유에 대한 위치별 온도 또는 변형률을 산출하는 신호 처리부를 구비한다.

Description

압축센싱기반 브릴루앙 주파수 영역 분포형 광섬유 센서장치
본 발명은 압축센싱기반 브릴루앙 주파수 영역 분포형 광섬유 센서장치에 관한 것으로서, 상세하게는 위치 분해능을 향상시키기 위해 요구되는 반복측정 횟수를 줄일 수 있도록 된 압축센싱기반 브릴루앙 주파수 영역 분포형 광섬유 센서장치에 관한 것이다.
최근 광섬유를 이용하여 물리량을 측정하는 기술이 다양하게 제안되어 이용되고 있다.
일 예로서, 광섬유격자는 온도 또는 스트레인(Strain; '이하 변형율이라 한다')의 크기가 변화되면 광섬유격자로부터 반사되는 광신호의 파장이 변화한다. 따라서, 광섬유격자로부터 반사된 광의 파장변화를 측정하여 그 파장의 변화량으로부터 어떤 크기의 외부 온도, 변형률, 압력 등의 물리량이 가해졌는지를 측정하는 데 이용할 수 있다.
그런데, 광섬유격자는 광섬유에 격자를 새기는 과정이 요구되기 때문에 제조과정이 복잡한 단점이 있다.
이러한 단점을 해결하기 위하여 광섬유 그대로를 포설하여 온도 또는 변형률을 측정하는 분포형 광섬유 센서가 국내 공개특허 제10-2016-0150458호 등 다양하게 제안되어 있다.
한편, 단일모드 광섬유에서 산란되는 브릴루앙 산란광을 이용하여 온도 또는 변형률과 같은 물리량을 측정하는 방식의 경우 광섬유를 진행하는 프로브광에 대해 반대방향으로 주파수가 다른 펌프광을 반복 공급한다. 이러한 펌프광을 이용하는 방식의 경우 요구되는 위치 분해능이 높을수록 주파수를 다르게 변조하여 반복 측정하는 횟수가 증가되기 때문에 위치 분해능에 대해 요구되는 반복 측정 횟수를 줄일 수 있는 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 위치 분해능에 대해 요구되는 반복 측정 횟수를 줄일 수 있는 압축센싱기반 브릴루앙 주파수 영역 분포형 광섬유 센서장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 압축센싱기반 브릴루앙 주파수 영역 분포형 광섬유 센서장치는 측정대상 영역에 설치되는 센싱광섬유와; 광을 출력하는 광원부와; 상기 광원부에 의해 출력된 광을 이용하여 프로브광을 생성하여 상기 센싱광섬유의 일단을 통해 전송하는 프로브광 생성부와; 상기 광원부에 의해 출력된 광을 이용하여 상호 다른 복수의 주파수 신호가 압축된 복합신호 파형의 압축센싱광을 생성하는 압축센싱광 생성부와; 상기 압축센싱광을 입력단을 통해 입력받아 상기 센싱광섬유의 타단과 접속된 출력단으로 전송하고, 상기 센싱광섬유에서 산란되어 상기 출력단을 통해 입사되는 광을 검출단으로 출력하는 광써큘레이터와; 상기 센싱광섬유에서 발생되어 상기 검출단을 통해 수신되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 광검출부와; 상기 압축센싱광이 생성되게 상기 압축센싱광에 대응되는 압축센싱신호를 발생하는 압축센싱신호 발생부와; 상기 압축센싱신호 발생부를 제어하고, 상기 광검출부에서 출력되는 신호로부터 상기 센싱 광섬유에 대한 위치별 온도 또는 변형률을 산출하는 신호 처리부;를 구비한다.
또한, 상기 광원부는 광을 생성하는 광원과; 상기 광원에서 출력되는 광의 편광 상태를 유지하면서 제1분배경로와 제2분배경로를 통해 광을 분배하는 편광유지커플러;를 구비하고, 상기 프로브광 생성부는 상기 제1분배경로를 통해 진행되는 광을 상기 프로브광으로 변조하는 제1변조부와; 상기 제1변조부에서 출력되는 광의 편광을 변조시켜 출력할 수 있도록 설치된 편광스위치와; 상기 센싱광섬유의 일단에서 역으로 진행되는 광을 차단하도록 상기 편광스위치와 상기 센싱광섬유의 일단 사이에 접속된 광분리기;를 구비한다.
또한, 상기 압축센싱광 생성부는 상기 광원부에 의해 출력된 광을 상기 압축센싱신호 발생부에서 발생된 압축센싱신호에 대응되는 변조광인 압축센싱광을 생성하는 제2변조부;를 포함하고, 상기 압축센싱신호 발생부는 상기 신호처리부에 제어되어 상기 제2변조부로부터 상호 다른 복수의 주파수를 포함하는 압축센싱광에 대응하는 변조신호를 생성한다.
또한, 상기 압축센싱신호 발생부는 M개의 변조주파수들
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000001
성분의 가중치합으로 표현되는 복합주파수 파형을 갖는 압축센싱광이 상기 제2변조부에서 출력되게 상기 제2변조부를 제어하고, 상기
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000002
은 최저 변조주파수이고, 상기
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000003
은 최대 변조주파수이고, 상기
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000004
은 변조주파수 간격이며, M은 0보다 큰 정수 이다.
또한, 상기 신호처리부는 상기 압축센싱광에 압축된 상호 다른 변조주파수의 개수(M)보다 작게 설정된 반복횟수(N) 만큼 상기 압축센싱광이 출사되게 상기 압축센싱 신호 발생부를 제어하고, 상기 광검출부로부터 상기 반복횟수(N) 만큼 수신된 데이터로부터 상기 센싱광섬유의 위치별 물리량을 산출한다.
또한, 상기 신호 처리부는 상기 광검출부로부터 수신된 신호에 대해 매칭 추구(matching pursuit) 기반 알고리즘, 전체 변화(Total variance) 기반 알고리즘, 메시지 패싱(message passing) 기반 알고리즘 및 딥러닝기반 알고리즘 중 어느 하나의 복원 알고리즘에 의해 위치별 물리량을 산출한다.
본 발명에 따른 압축센싱기반 브릴루앙 주파수 영역 분포형 광섬유 센서장치에 의하면, 위치 분해능에 대해 요구되는 반복 측정 횟수를 줄일 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 압축센싱기반 브릴루앙 주파수 영역 분포형 광섬유 센서장치를 나타내 보인 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압축센싱기반 브릴루앙 주파수 영역 분포형 광섬유 센서장치를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 압축센싱기반 브릴루앙 주파수 영역 분포형 광섬유 센서장치를 나타내 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 압축센싱기반 브릴루앙 주파수 영역 분포형 광섬유 센서장치(100)는 광원부(110), 프로브광 생성부(120), 압축센싱광 생성부(130), 센싱광섬유(160), 광써큘레이터(170), 광검출기(180), 압축센싱신호 발생부(185), 신호 처리부(190)를 구비한다.
광원부(110)는 광을 생성하여 제1분배경로(116)와 제2분배경로(117)를 통해 분배한다.
광원부(110)는 광원(112) 및 편광유지커플러(115)를 구비한다.
광원(112)은 제1주파수에 해당하는 중심 파장(λc)을 갖는 광을 출력한다.
편광유지커플러(115)는 광원(112)에서 출력되는 광의 편광 상태를 유지하면서 제1분배경로(116)와 제2분배경로(117)를 통해 광을 분배한다.
편광유지커플러(115)는 제1분배경로(116)를 통해 진행되는 광과 제2분배경로(117)를 통해 진행되는 광의 편광상태를 일치시키기 위해 적용된 것이며, 이 경우 최대의 유도 브릴루앙 산란증폭을 얻을 수 있다.
광원부(110)는 제1주파수에 대응되는 사인파형 파형을 발생시키는 파형발생기(미도시)가 더 포함될 수 있고, 광원(112)은 파형발생기(미도시)에서 발생된 파형에 대응되게 제1주파수로 변조된 광을 출력하는 반도체 레이저인 분포형 궤환 레이저 다이오드(Distrubuted Feed-Back Laser Diode; DFB LD)가 적용될 수 있다.
프로브광 생성부(120)는 광원(112)에 의해 출력된 광을 이용하여 프로브광을 생성하여 센싱광섬유(160)의 일단을 통해 전송하도록 구축되어 있다.
프로브광 생성부(120)는 제1변조부(121), 제1증폭기(EDFA1)(141), 편광스위치(PS)(145), 광감쇠기(VOA1)(151), 광분리기(155)를 구비한다.
제1변조부(121)는 광원(112)으로부터 출력되어 제1분배경로(116)를 통해 진행되는 광을 이용하여 측대역 신호를 포함하는 프로브광으로 변조한다.
제1변조부(121)는 바이어스 제어기(121c)와 마이크로파 발생기(121a)에서 발생된 신호에 따라 제1주파수의 광신호를 오프셋(offset) 주파수(υB) 만큼 주파수가 천이된 측대역 신호를 포함하도록 변조시켜 프로브광을 생성하는 단일측파변조기(single sideband modulator)(121b)가 적용되었고, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1증폭기(EDFA1)(141)는 광신호를 증폭시키고 이리듐 도핑된 광섬유 증폭기가 적용되어 있다.
편광스위치(PS)(145)는 제1변조부(121)에서 출력되는 광의 편광을 변조시켜 출력할 수 있도록 설치되어 있다. 편광스위치(PS)(145)는 제1변조부(121)에서 출력되는 프로브광의 편광을 주기적으로 변경할 수 있다. 예컨대, 편광스위치(145)는 신호발생기(미도시)로부터 신호를 수신하며, 수신된 신호에 따라 프로브광의 편광을 한 번은 0도, 다른 한번은 90도로 번갈아 회전시킬 수 있다. 전술한 0도 및 90도의 편광 각도는 단지 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 편광스위치(145)는 프로브광의 편광을 이와 상이한 다른 각도로 주기적으로 변경할 수도 있다.
프로브광과 압축센싱광의 편광이 상호 일치할 때 유도 브릴루앙 산란 증폭이 일어나나, 프로브광과 압축센싱광의 편광은 시간 및 공간에 따라 변화할 수 있기 때문에 편광스위치(145)를 이용하여 프로브광의 편광을 변화시켜 가면서 측정을 수행하고, 측정된 값의 평균값을 이용함으로써 편광 문제를 해결할 수 있다.
제1광감쇠기(variable optical attenuator 1; VOA1)(151)는 설정된 범위로 광을 감쇠시키고 생략될 수 있음은 물론이다.
광분리기(155)는 센싱광섬유(160)의 일단에서 역으로 진행되는 광을 차단하도록 편광스위치(145)와 센싱광섬유(160)의 일단 사이에 접속되어 있다.
광분리기(155)는 고출력의 압축센싱광이 센싱 광섬유(160)를 거쳐 제1변조부(121)로 진행하는 것을 차단하는 역할을 하며 광아이솔레이터가 적용될 수 있다.
센싱광섬유(160)는 측정대상 영역에 설치되며 일단은 광분리기(155)에 접속되어 있고, 타단은 광써큘레이터(170)의 출력단(170b)에 접속되어 있다. 센싱광섬유(160)는 단일모드 광섬유가 적용되는 것이 바람직하다. 이러한 센싱광섬유(160)는 일단과 타단을 통해 프로브광과 압축센싱광이 상호 반대방향으로 진행되게 입사되며 센싱광섬유(160)에서 발생되는 브릴루앙 산란광은 광써큘레이터(170)를 통해 역으로 진행된다.
압축센싱광 생성부(130)는 광원(112)에 의해 출력된 광을 이용하여 상호 다른 복수의 주파수 신호가 압축된 복합신호 파형의 압축센싱광(133)을 생성한다.
압축센싱광 생성부(130)는 제2변조부(131), 제2증폭기(EDFA2)(142) 및 제2광감쇠기(VOA2)(152)를 구비한다.
제2변조부(131)는 광원(112)에 의해 출력된 광을 압축센싱신호 발생부(185)에서 발생된 압축센싱신호에 대응되는 변조광인 압축센싱광(133)을 생성하고, 마흐젠더 변조기(Mach-Zehnder Modulator:MZM)가 적용될 수 있다.
제2증폭기(EDFA2)(142)는 광신호를 증폭시키고 이리듐 도핑된 광섬유 증폭기가 적용되어 있다.
제2광감쇠기(variable optical attenuator 2; VOA2)(152)는 설정된 범위로 광을 감쇠시키고 생략될 수 있음은 물론이다.
광써큘레이터(170)는 압축센싱광을 입력단(170a)을 통해 입력받아 센싱광섬유(160)의 타단과 접속된 출력단(170b)으로 전송하고, 센싱광섬유(160)에서 산란되어 출력단(170b)을 통해 입사되는 광을 검출단(170c)으로 출력한다.
제3광감쇠기(VOA3)(153)는 광써큘레이터(170)의 검출단(170c)에서 출력되는 신호를 설정된 감쇠 범위로 감쇠하고, 생략될 수 있음은 물론이다.
광검출기(PD)(180)는 광검출부로서 적용된 것으로 센싱광섬유(160)에서 발생되어 광써큘레이터(170)의 검출단(170c)을 통해 수신되는 브릴루앙 산란광을 검출하고, 검출된 광에 대응되는 전기적 신호를 신호처리부(190)에 제공한다.
압축센싱신호 발생부(185)는 제2변조부(131)에서 압축센싱광이 생성되게 압축센싱광에 대응되는 압축센싱신호를 발생하여 제2변조부(131)에 제공한다.
압축센싱신호 발생부(185)는 신호처리부(190)에 제어되어 제2변조부(131)로부터 f1 내지 fm의 주파수를 포함하는 압축센싱광의 생성에 대응하는 변조신호인 압축센싱신호를 생성한다.
신호 처리부(190)는 압축센싱신호 발생부(185)를 제어하고, 광검출기(180)에서 출력되는 신호로부터 센싱 광섬유(160)에 대한 위치별 물리량 예를 들면, 온도 또는 변형률을 산출한다.
신호처리부(190)는 압축센싱광에 압축된 상호 다른 주파수 신호의 개수보다 작게 설정된 반복횟수 만큼 압축센싱광이 출사되게 압축센싱 신호 발생부(185)를 제어하고, 광검출기(180)부로부터 반복횟수 만큼 수신된 데이터로부터 센싱광섬유(160)의 위치별 물리량 예를 들면 온도 또는 변형률을 산출하고, 산출결과를 출력장치로 예시된 표시부(192)로 출력한다.
이하에서는 이러한 광섬유 센서장치(112)의 작동방식을 보다 상세하게 설명한다.
먼저, 센싱광섬유(160)의 위치 분해능과 관련하여 제2변조부(131)에서 출력되는 변조 주파수가 단일하고 반복 측정시마다 변조 주파수를 다르게 적용하는 종래 방식의 경우 측정시 마다 다르게 적용하는 변조주파수(
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000005
)에 의해 최대 측정거리거리 분해능이 결정된다. 여기서,
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000006
는 적용하는 최저 변조주파수이고,
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000007
는 적용하는 최대 변조주파수이다.
이 경우 거리분해능(
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000008
)은 아래의 수학식 1로 표현할 수 있다.
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000009
여기서, c는 빛의 속도, n은 센싱광섬유(160)내 빛의 굴절율이다.
또한, 최대측정거리
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000010
는 아래의 수학식 2로 표현할 수 있다.
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000011
여기서
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000012
은 변조주파수 간격이다.
따라서, 종래의 BOFDA 시스템은 거리분해능(
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000013
), 최대측정거리(
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000014
)를 달성하기 위해 적용하는 변조주파수 전체
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000015
에 대해 각 변조주파수 별로 측정을 해야하고, 이러한 측정횟수(M)는 아래의 수학식 3으로 표현할 수 있다.
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000016
한편, 센싱 광섬유(160)의 물리적 특성을 얻기 위해 전달함수
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000017
를 측정하게 되면, 전달함수
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000018
는 역(inverse) FFT(IFFF)에 의해 제1값(h(t))을 획득하고, 제1값(h(t))을 거리변환을 통해 거리별 물리량(h(z))으로 복원되며 이러한 과정은 아래와 같은 과정으로 표현할 수 있다.
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000019
여기서, t는 시간이다.
기존의 BOFDA(Brillouin Optical Frequency Domain Analysis) 시스템은 전달함수를 이산변조 주파수로 샘플링하는 개념이다. 즉, 첫번째 측정에서는 최저 변조주파수(
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000020
)의 펌프광을 출력하여 브릴루앙 산란신호를 획득하고, 두번째 측정에서는 최저 변조주파수(
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000021
)에 변조주파수 간격(
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000022
) 만큼 다른 두 번째 변조 주파수(
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000023
+
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000024
)의 펌프광을 출력하여 브릴루앙 산란신호를 획득한다. 이와 같이 변조 주파수를 증가시키면서 반복 측정하는 과정은 최대 변조주파수(
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000025
)를 생성하여 출력하고 브릴루앙 산란신호를 획득하는 과정까지 수행된다.
그런데, 센싱광섬유(160)를 통해 측정되는 거리별 물리량(h(z))은 많은 경우 특정 위치에만 변화된 값을 갖는다. 즉 정보량이 측정수 M보다 적은 경우가 많다. 하지만 종래 방식의 경우 신호를 복원하기 위해서는 M번의 측정이 필수적이다.
이에 반해 본 발명에서 제안하는 압축센싱기반 브릴루앙 주파수 영역 분포형 광섬유 센서장치(100)는 변조주파수
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000026
성분의 가중치합으로 표현되는 복합주파수 파형을 이용하여 N(N<<M) 번의 측정만으로 종래 기술과 동일한 거리분해능(
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000027
), 최대측정거리(
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000028
)의 달성을 가능하게 한다.
이를 보다 상세하게 설명하면, 먼저 h(z)가 내포하는 정보량이 M보다 작다고 가정한다. 이는 신호가 희소(sparsity) 특성을 지닌다고 표현한다. 신호가 희소(sparsity) 특성을 지닐 경우 압축센싱 기법을 이용하여 측정량을 대폭 줄일 수 있다. 압축센싱은 언더샘플링된 데이터로부터 원래 신호를 복원할 수 있는 기법이다.
압축센싱 신호생성부(185)에서는 N번의 측정에 사용할 압축센싱기반 복합주파수 파형을 생성한다.
복합주파수 파형(g)은 변조주파수 벡터
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000029
와 압축센싱측정행렬
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000030
곱으로 산출한다. 여기서, T는 전치행렬 연산자이고, R은 실수영역 이며, M은 종래 방식 전체 적용 변조 주파수 개수 즉 측정 횟수이고, N은 본 발명에서 제안한 방식을 적용하는 경우 측정 횟수이다.
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000031
여기서, g는 앞서 언급된 복합주파수 파형이다.
또한, A는 측정 행렬이고, 제한된 등고 속성(Restricted Isometry Property(RIP)) 조건을 만족 해야한다. RIP 조건은 희소(sparse) 신호의 직교(orthomonal) 성질을 보존해 주는 특성을 의미한다. 측정행렬 A의 예시로는 가우시안난수(random Gaussian) 행렬, 베르누이(Bernoulli) 행렬, 부분 퓨리에 변환( partial Fourier) 행렬 등이 있다.
한편, 센싱 광섬유(160)의 길이가 10km이고, 거리분해능(
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000032
)을 0.25m로 적용하여 측정시 종래 방식에 의하면, 40000번 측정이 필요하고,
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000033
로 5kHz ~ 210MHz, 5kHz 간격으로 측정해야 한다. 이에 반해 본 발명에서 제한한 압축센싱기법을 적용하면 이론상 5%~30%의 측정으로 원래신호로 복원이 가능하다.
기존 측정 신호가
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000034
라면 압축센싱 측정 신호(y)는
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000035
이다. 여기서, T는 전치행렬 연산자이고, R은 실수영역 이며, M은 종래 방식 전체 적용 변조 주파수 개수 즉 측정 횟수이고, N은 본 발명에서 제안한 방식을 적용하는 경우 측정 횟수이다.
브릴루앙 주파수 영역 측정 시스템의 전달함수는 주파수영역에서 선형 시간 불변(linear time invariant) 특성을 지니므로 합성에 대해 분배법칙이 성립한다.
기존 거리별 물리량 분포를
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000036
라고 하면
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000037
로 표현된다. 여기서 F는 퓨리에 변환(Fourier Transform) 행렬이다.
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000038
은 역퓨리에 변환(inverse Fourier Transform) 행렬, 거리샘플
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000039
벡터이다.
위의 수식과 결합하면 다음과 같다.
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000040
압축센싱 측정신호(y)의 복원은 다음의 최적화 문제를 푸는 과정으로 수행된다.
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000041
Subject to
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000042
,
여기서,
Figure PCTKR2022014213-appb-img-000043
는 목적함수 이고, Subject to 는 제약조건 이다.
한편 신호처리부(190)에서 적용되는 복원 알고리즘은 매칭 추구(matching pursuit) 기반 알고리즘, 전체 변화(Total variance) 기반 알고리즘, 메시지 패싱(message passing) 기반 알고리즘 및 딥러닝기반 알고리즘 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
이상에서 설명된 압축센싱기반 브릴루앙 주파수 영역 분포형 광섬유 센서장치에 의하면, 위치 분해능에 대해 요구되는 반복 측정 횟수를 줄일 수 있는 장점을 제공한다.

Claims (6)

  1. 측정대상 영역에 설치되는 센싱광섬유와;
    광을 출력하는 광원부와;
    상기 광원부에 의해 출력된 광을 이용하여 프로브광을 생성하여 상기 센싱광섬유의 일단을 통해 전송하는 프로브광 생성부와;
    상기 광원부에 의해 출력된 광을 이용하여 상호 다른 복수의 주파수 신호가 압축된 복합신호 파형의 압축센싱광을 생성하는 압축센싱광 생성부와;
    상기 압축센싱광을 입력단을 통해 입력받아 상기 센싱광섬유의 타단과 접속된 출력단으로 전송하고, 상기 센싱광섬유에서 산란되어 상기 출력단을 통해 입사되는 광을 검출단으로 출력하는 광써큘레이터와;
    상기 센싱광섬유에서 발생되어 상기 검출단을 통해 수신되는 브릴루앙 산란광을 검출하는 광검출부와;
    상기 압축센싱광이 생성되게 상기 압축센싱광에 대응되는 압축센싱신호를 발생하는 압축센싱신호 발생부와;
    상기 압축센싱신호 발생부를 제어하고, 상기 광검출부에서 출력되는 신호로부터 상기 센싱 광섬유에 대한 위치별 온도 또는 변형률을 산출하는 신호 처리부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 압축센싱기반 브릴루앙 주파수 영역 분포형 광섬유 센서장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광원부는
    광을 생성하는 광원과;
    상기 광원에서 출력되는 광의 편광 상태를 유지하면서 제1분배경로와 제2분배경로를 통해 광을 분배하는 편광유지커플러;를 구비하고,
    상기 프로브광 생성부는
    상기 제1분배경로를 통해 진행되는 광을 상기 프로브광으로 변조하는 제1변조부와;
    상기 제1변조부에서 출력되는 광의 편광을 변조시켜 출력할 수 있도록 설치된 편광스위치와;
    상기 센싱광섬유의 일단에서 역으로 진행되는 광을 차단하도록 상기 편광스위치와 상기 센싱광섬유의 일단 사이에 접속된 광분리기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 압축센싱기반 브릴루앙 주파수 영역 분포형 광섬유 센서장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 압축센싱광 생성부는
    상기 광원부에 의해 출력된 광을 상기 압축센싱신호 발생부에서 발생된 압축센싱신호에 대응되는 변조광인 압축센싱광을 생성하는 제2변조부;를 포함하고,
    상기 압축센싱신호 발생부는
    상기 신호처리부에 제어되어 상기 제2변조부로부터 상호 다른 복수의 주파수를 포함하는 압축센싱광에 대응하는 변조신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 압축센싱기반 브릴루앙 주파수 영역 분포형 광섬유 센서장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 압축센싱신호 발생부는
    M개의 변조주파수들
    Figure PCTKR2022014213-appb-img-000044
    성분의 가중치합으로 표현되는 복합주파수 파형을 갖는 압축센싱광이 상기 제2변조부에서 출력되게 상기 제2변조부를 제어하고,
    상기
    Figure PCTKR2022014213-appb-img-000045
    은 최저 변조주파수이고, 상기
    Figure PCTKR2022014213-appb-img-000046
    은 최대 변조주파수이고, 상기
    Figure PCTKR2022014213-appb-img-000047
    은 변조주파수 간격이고, 상기 M은 0보다 큰 정수 인 것을 특징으로 하는 압축센싱기반 브릴루앙 주파수 영역 분포형 광섬유 센서장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 신호처리부는
    상기 압축센싱광에 압축된 상호 다른 변조주파수의 개수(M)보다 작게 설정된 반복횟수(N) 만큼 상기 압축센싱광이 출사되게 상기 압축센싱 신호 발생부를 제어하고, 상기 광검출부로부터 상기 반복횟수(N) 만큼 수신된 데이터로부터 상기 센싱광섬유의 위치별 물리량을 산출하는 것을 특징으로 하는 압축센싱기반 브릴루앙 주파수 영역 분포형 광섬유 센서장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 신호 처리부는 상기 광검출부로부터 수신된 신호에 대해 매칭 추구(matching pursuit) 기반 알고리즘, 전체 변화(Total variance) 기반 알고리즘, 메시지 패싱(message passing) 기반 알고리즘 및 딥러닝기반 알고리즘 중 어느 하나의 복원 알고리즘에 의해 위치별 물리량을 산출하는 것을 특징으로 하는 압축센싱기반 브릴루앙 주파수 영역 분포형 광섬유 센서장치.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110075680A (ko) * 2009-12-28 2011-07-06 한국철도기술연구원 브릴루앙 동적 격자의 시간 영역 분석을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 센싱 방법
KR101447090B1 (ko) * 2013-04-29 2014-11-03 한국과학기술연구원 분포형 광섬유 센서 및 이를 이용한 센싱 방법
KR20170043718A (ko) * 2015-10-13 2017-04-24 숭실대학교산학협력단 압축 센싱 기반의 신호 검출 장치 및 그 방법
KR102059502B1 (ko) * 2018-07-30 2019-12-26 한국광기술원 온도 및 변형률 동시 측정용 레일레이-브릴루앙 하이브리드 분포형 광섬유 센서 장치

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110075680A (ko) * 2009-12-28 2011-07-06 한국철도기술연구원 브릴루앙 동적 격자의 시간 영역 분석을 이용한 분포형 광섬유 센서 장치 및 그 센싱 방법
KR101447090B1 (ko) * 2013-04-29 2014-11-03 한국과학기술연구원 분포형 광섬유 센서 및 이를 이용한 센싱 방법
KR20170043718A (ko) * 2015-10-13 2017-04-24 숭실대학교산학협력단 압축 센싱 기반의 신호 검출 장치 및 그 방법
KR102059502B1 (ko) * 2018-07-30 2019-12-26 한국광기술원 온도 및 변형률 동시 측정용 레일레이-브릴루앙 하이브리드 분포형 광섬유 센서 장치

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZHOU DA-PENG, PENG WEI, CHEN LIANG, BAO XIAOYI: "Brillouin optical time-domain analysis via compressed sensing", OPTICS LETTERS, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, US, vol. 43, no. 22, 15 November 2018 (2018-11-15), US , pages 5496 - 5499, XP093130371, ISSN: 0146-9592, DOI: 10.1364/OL.43.005496 *

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