KR101326859B1 - Optical fiber sensor system based brillouin scattering - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광 주파수 변조를 이용한 유도 브릴루앙 산란 기반 광섬유 센서 장치에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 광섬유 내로 입사되는 광신호의 주파수를 일정한 주기로 변조하여 광섬유 내의 위치에 따른 유도 브릴루앙 산란에 의한 이득을 위치에 따라 분포형으로 측정하여 그 이득이 최대가 되는 주파수인 브릴루앙 주파수의 변화를 변형률 및 온도 변화로 환산하여 광섬유에 가해지는 변형 및 온도 변화를 측정할 수 있는 광섬유 센서 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 높은 공간 해상도를 가지고 측정 위치를 임의로 선택하여 그 측정 위치의 온도나 변형률을 측정하기 위한 분포형 광섬유 센서로서 유용하게 사용될 수 있고, 연속발진 광원에서 방출된 광을 전기광학 위상변조기를 통해서 주파수 변조를 함으로써 광원의 과부화 및 광 세기 변화없이 안전하고 안정적으로 광신호의 변조가 가능하고, 펄스광을 사용하지 않으므로 펄스폭에 의한 공간 해상도 향상의 제한을 받지 않으며, 특정 구간만을 선택하여 측정할 수 있으므로 빠르고 효율적으로 온도 및 변형률을 모니터링 할 수 있다.The present invention relates to an induction Brillouin scattering-based optical fiber sensor device using optical frequency modulation. More particularly, the present invention relates to an induction Brillouin scattering-based optical fiber sensor. The present invention relates to an optical fiber sensor device capable of measuring strain and temperature change applied to an optical fiber by converting a Brillouin frequency, which is a frequency in which a gain is maximized by measuring the position according to a position, into a strain and a temperature change.
According to the present invention, it can be usefully used as a distributed optical fiber sensor for measuring the temperature or strain of the measurement position by arbitrarily selecting the measurement position with high spatial resolution, and using the light emitted from the continuous oscillation light source as an electro-optic phase modulator. By modulating the frequency through it, it is possible to safely and stably modulate the optical signal without overloading the light source and changing the light intensity, and because it does not use pulsed light, it is not limited by the spatial resolution improvement by the pulse width. Measurements allow you to monitor temperature and strain quickly and efficiently.
Description
본 발명은 광 주파수 변조를 이용한 유도 브릴루앙 산란 기반 광섬유 센서 장치에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 광섬유 내로 입사되는 광신호의 주파수를 일정한 주기로 변조하여 광섬유 내의 위치에 따른 유도 브릴루앙 산란에 의한 이득을 위치에 따라 분포형으로 측정하여 그 이득이 최대가 되는 주파수인 브릴루앙 주파수의 변화를 변형률 및 온도 변화로 환산하여 광섬유에 가해지는 변형 및 온도 변화를 측정할 수 있는 광섬유 센서 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to an induction Brillouin scattering-based optical fiber sensor device using optical frequency modulation. More particularly, the present invention relates to an induction Brillouin scattering-based optical fiber sensor. The present invention relates to an optical fiber sensor device capable of measuring strain and temperature change applied to an optical fiber by converting a Brillouin frequency, which is a frequency in which a gain is maximized by measuring the position according to a position, into a strain and a temperature change.
일반적으로 광섬유 센서는 직경이 매우 작고 유연하여 설계자가 원하는 크기로 쉽게 구성할 수 있고, 전자기파에 영향을 받지 않고 열악한 측정환경에서 장기간 사용할 수 있으며, 높은 해상도와 다량의 정보 수송 능력이 있는 등 많은 장점을 가지고 있다. In general, fiber optic sensors are very small in diameter and flexible, which allows designers to easily configure them to the desired size, and can be used for long periods of time in harsh measurement environments without being affected by electromagnetic waves. Have
따라서, 광섬유 센서는 항공, 철도, 기계, 토목 등 다양한 분야의 구조물에 적용되어 감지계로서 많이 사용되고 있다. 일 예로 철도 분야에서는 교량, 터널, 사면, 노반, 선로에 적용되어 구조물의 변형 및 온도 측정에 사용되고 있다. Therefore, the optical fiber sensor is applied to structures of various fields such as aviation, railway, machinery, civil engineering, etc., and is widely used as a sensor. For example, in railroads, bridges, tunnels, slopes, roadbeds and tracks are used to measure the deformation and temperature of structures.
특히, 유도 브릴루앙 산란을 기반으로 하는 광섬유 센서는 광섬유가 부착된 전 구간의 변형 및 온도의 분포를 연속적으로 측정할 수 있으므로, 크기가 큰 대형 구조물이나 장거리 선로 등의 감시에 효과적으로 사용된다.In particular, the optical fiber sensor based on the induced Brillouin scattering can continuously measure the deformation and temperature distribution of the entire section to which the optical fiber is attached, and thus is effectively used for monitoring large structures or long distance lines.
이와 관련된 종래기술로 공개특허 제2003-0027471호가 제시된 바 있다. In the related art, there has been disclosed Korean Patent No. 2003-0027471.
이는 브릴루앙 주파수의 시간영역 분석 장치 및 방법에 관한 것으로, 레이저 다이오드에서 발진한 광을 커플러를 통해 분기하여 감지 광섬유로 서로 반대방향으로 입사시켜 진행하게 한다. This relates to an apparatus and method for time domain analysis of Brillouin frequency. The light emitted from the laser diode branches through a coupler and is incident to the sensing optical fiber in opposite directions.
이때, 제1광전변조기를 통과한 광은 펄스광이 되고, 제2광전변조기를 통과한 광은 연속발진광으로, 이 두 광이 감지 광섬유 내에서 간섭하여 유도 브릴루앙 산란에 의한 이득(이하, '브릴루앙 이득'이라 함) 신호를 발생시키고, 이 신호로부터 브릴루앙 주파수 변화를 검출하여 이를 변형율과 온도 변화로 환산한다. 이와 같은 방법은 연속발진광과 펄스광을 감지 광섬유 내에서 서로 반대방향으로 진행하면서 간섭하도록 하는 방법으로, 이 경우 펄스광이 감지 광섬유를 통과하면서 발생시키는 브릴루앙 이득 신호를 시간영역에서 순서대로 측정하게 되며, 측정된 순서는 측정위치로 환산하게 된다.In this case, the light passing through the first photoelectric modulator becomes pulsed light, and the light passing through the second photoelectric modulator is continuous oscillation light, and these two lights interfere with each other in the sensing optical fiber and thus gain from induced Brillouin scattering (hereinafter, A Brillouin gain signal is generated, and the Brillouin frequency change is detected from this signal and converted into strain and temperature changes. In this method, continuous oscillating light and pulsed light are interfering with each other in the sensing fiber in the opposite direction. In this case, the Brillouin gain signal generated by the pulsed light passing through the sensing fiber is sequentially measured in the time domain. The measured order is converted to the measurement position.
그런데, 상기 공개특허에 제시된 방법은 펄스광이 감지 광섬유를 진행하면서 브릴루앙 이득 신호를 발생시키므로 전(全) 범위 스캐닝은 가능하지만, 특정한 위치에서만 브릴루앙 이득 신호를 발생시킬 수 없어 측정위치를 임의로 선택하여 측정은 불가능하다. However, the method disclosed in the above patent discloses a Brillouin gain signal as the pulsed light propagates through the sensing optical fiber, so that full range scanning is possible, but it is not possible to generate the Brillouin gain signal only at a specific position. The selection is not possible.
또한, 높은 공간해상도를 얻기 위하여 좁은 펄스폭을 가지는 펄스광을 사용할 경우, 얻어지는 브릴루앙 이득 선폭이 그에 반비례하여 넓어지는데, 이로 인해 브릴루앙 주파수의 측정 정확도가 낮아지게 되며, 공간 해상도가 약 1m 정도로 제한되는 한계가 있다.
In addition, when the pulsed light having a narrow pulse width is used to obtain a high spatial resolution, the obtained Brillouin gain line width is inversely widened, which lowers the measurement accuracy of the Brillouin frequency and the spatial resolution is about 1 m. There are limitations.
따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 높은 공간 해상도를 가지고 측정 위치를 임의로 선택하여 온도나 변형률을 측정할 수 있는 광 주파수 변조를 이용한 유도 브릴루앙 산란 기반 광섬유 센서 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention is to solve these problems, the present invention provides an induction Brillouin scattering-based optical fiber sensor device using optical frequency modulation that can measure the temperature or strain by arbitrarily selecting the measurement position with high spatial resolution Its purpose is to.
특히, 본 발명은 연속발진 광원에서 방출된 광을 전기광학 위상변조기를 l용하여 광신호의 주파수를 변조하여 사용하고, 펄스광을 사용하지 않으므로 펄스폭에 의한 공간 해상도 향상의 제한을 받지 않으며 특정 구간의 온도 및 변형률을 선택적으로 모니터링할 수 있는 광 주파수 변조를 이용한 유도 브릴루앙 산란 기반 광섬유 센서 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
In particular, the present invention uses the light emitted from the continuous oscillation light source by modulating the frequency of the optical signal using an electro-optic phase modulator, and does not use the pulsed light, so that the spatial resolution is not limited by the pulse width. It is an object of the present invention to provide an inductive Brillouin scattering-based optical fiber sensor device using optical frequency modulation capable of selectively monitoring the temperature and the strain.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은; In order to solve such a technical problem,
광원에서 방출된 연속발진광을 사인파 형태의 주파수 변화를 갖는 연속발진광으로 변조하는 전기광학 위상변조기와, 상기 전기광학 위상변조기를 통과한 연속발진광을 제1 광신호 및 제2 광신호로 분배하는 광분배기와, 상기 광분배기에서 분배된 제1 광신호의 세기를 변조하는 전기광학 세기변조기와, 상기 전기광학 세기변조기를 통과한 제1 광신호의 통과시간을 지연하는 지연광섬유와, 상기 지연광섬유를 통과한 제1 광신호를 증폭하는 제1 광섬유 증폭기와, 상기 광분배기에서 분배된 제2 광신호의 주파수를 하향 이동시키는 단일측파변조기와, 상기 단일측파변조기를 통과한 제2 광신호를 증폭하는 제2 광섬유 증폭기와, 상기 제1 광섬유 증폭기를 통과한 제1 광신호와 상기 제2 광섬유 증폭기를 통과한 제2 광신호가 서로 반대 방향으로 유입되면 제1 광신호 및 제2 광신호가 간섭하여 유도 브릴루앙 산란이 발생되는 감지 광섬유와, 상기 제2 광섬유증폭기를 통과한 제2 광신호가 상기 감지 광섬유를 통과하여 취득한 브릴루앙 이득 신호를 광순환기를 거쳐 전기신호로 전환하는 광검출기와, 상기 광검출기에서 검출된 브릴루앙 이득 신호를 취득하는 데이터취득 보드와, 상기 브릴루앙 이득 신호를 취득하여 중심 주파수인 브릴루앙 주파수 변화를 검출하여 변형률 및 온도 변화로 환산하는 제어부로 구성되는 것을 특징으로 하는 광 주파수 변조를 이용한 유도 브릴루앙 산란 기반 광섬유 센서 장치를 제공한다.An electro-optic phase modulator for modulating the continuous oscillation light emitted from the light source into a continuous oscillation light having a sinusoidal frequency change, and distributing the continuous oscillation light passing through the electro-optic phase modulator into a first optical signal and a second optical signal An optical splitter, an electro-optic intensity modulator for modulating the intensity of the first optical signal distributed by the optical splitter, a delayed optical fiber for delaying a passage time of the first optical signal passed through the electro-optic intensity modulator, and the delay A first optical amplifier for amplifying the first optical signal passing through the optical fiber, a single side wave modulator for downwardly shifting the frequency of the second optical signal distributed by the optical splitter, and a second optical signal passed through the single side wave modulator When the second optical fiber amplifier to amplify, the first optical signal passing through the first optical fiber amplifier and the second optical signal passing through the second optical fiber amplifier flow in opposite directions The sensing optical fiber in which induced optical Brillouin scattering occurs due to the interference between the first optical signal and the second optical signal, and the Brillouin gain signal acquired by the second optical signal passing through the second optical fiber amplifier through the sensing optical fiber are passed through the optical circulator. A photodetector for converting to a signal, a data acquisition board for acquiring a Brillouin gain signal detected by the photodetector, and acquiring the Brillouin gain signal to detect a Brillouin frequency change, which is a center frequency, converted into a strain and a temperature change. Provided is an induction Brillouin scattering-based optical fiber sensor device using optical frequency modulation, characterized in that consisting of a control unit.
이때, 상기 광검출기를 통해 검출된 브릴루앙 이득 신호의 잡음을 제거하는 락인앰프를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.At this time, the lock-in amplifier for removing the noise of the Brillouin gain signal detected by the photodetector further comprises.
또한, 상기 광검출기를 통해 검출된 브릴루앙 이득 신호의 잡음을 제거하는 락인앰프를 더 포함하며, 상기 락인앰프에는 전기광학 세기 변조기의 제어를 위하여 제2 신호발생기로부터 출력되는 전기 신호의 주파수와 같은 위상을 갖는 동기 신호가 입력되어 잡음을 제거하는 것을 특징으로 한다.The lock-in amplifier may further include a lock-in amplifier configured to remove noise of the Brillouin gain signal detected by the photodetector. A synchronous signal having a phase is input to remove noise.
그리고, 상기 제어부의 제어에 따라 일정 파형의 전기신호를 상기 전기광학 위상변조기에 인가하는 제1 신호 발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The apparatus may further include a first signal generator configured to apply an electric signal of a predetermined waveform to the electro-optic phase modulator under the control of the controller.
또한, 상기 제어부의 제어에 따라 일정 주파수의 전기신호를 상기 전기광학 세기변조기에 인가하는 제2 신호 발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The apparatus may further include a second signal generator for applying an electric signal of a predetermined frequency to the electro-optic intensity modulator under the control of the controller.
아울러, 상기 제어부의 제어에 따라 마이크로파를 발생하여 상기 단일측파변조기에 인가하는 마이크로파 발진기가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
In addition, it is characterized in that it further comprises a microwave oscillator for generating a microwave under the control of the controller to apply to the single-side wave modulator.
또한, 본 발명은;The present invention also provides
광원에서 방출된 연속발진광을 사인파 형태의 주파수 변화를 갖는 연속발진광으로 변조하는 제1 단계; 변조된 연속발진광을 제1 및 제2 광신호로 분배하는 제2단계; 상기 제1 광신호의 세기를 변조하고 통과시간을 지연시킨 후 증폭시키고, 상기 제2 광신호의 주파수를 특정 주파수만큼 하향 이동시켜 증폭시키는 제3단계; 감지 광섬유 내에서 상기 제1 광신호와 제2 광섬유 증폭기를 서로 반대방향으로 진행시켜 유도 브릴루앙 산란을 발생시키는 제4단계; 상기 감지 광섬유에서 발생한 브릴루앙 이득 신호를 취득하여 중심 주파수인 브릴루앙 주파수 변화를 검출하여 변형률 및 온도 변화로 환산하는 제5단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 변형률 및 온도 측정 방법도 제공한다.
A first step of modulating the continuous oscillation light emitted from the light source into the continuous oscillation light having a sinusoidal frequency change; Distributing the modulated continuous oscillation light into first and second optical signals; Modulating the intensity of the first optical signal, delaying the transit time, and amplifying the first optical signal; and amplifying the second optical signal by shifting the frequency of the second optical signal downward by a specific frequency; A fourth step of generating the induced Brillouin scattering by traveling the first optical signal and the second optical fiber amplifier in opposite directions in the sensing optical fiber; And a fifth step of acquiring a Brillouin gain signal generated by the sensing optical fiber and detecting a Brillouin frequency change, which is a center frequency, and converting the Brillouin gain signal into a strain and a temperature change. .
본 발명에 따르면, 높은 공간 해상도를 가지고 측정 위치를 임의로 선택하여 그 측정 위치의 온도나 변형률을 측정하기 위한 분포형 광섬유 센서로서 유용하게 사용될 수 있다.According to the present invention, it can be usefully used as a distributed optical fiber sensor for measuring the temperature or strain of the measurement position by arbitrarily selecting the measurement position with high spatial resolution.
또한, 본 발명은 연속발진 광원에서 방출된 광을 전기광학 위상변조기를 통해서 주파수 변조를 함으로써 광원의 과부화 및 광 세기 변화없이 안전하고 안정적으로 광신호의 변조가 가능하고, 펄스광을 사용하지 않으므로 펄스폭에 의한 공간 해상도 향상의 제한을 받지 않으며, 특정 구간만을 선택하여 측정할 수 있으므로 빠르고 효율적으로 온도 및 변형률을 모니터링 할 수 있다.
In addition, the present invention modulates the light signal emitted from the continuous oscillation light source through an electro-optic phase modulator to safely and stably modulate the optical signal without overloading the light source and changing the light intensity. It is not limited by the spatial resolution improvement by the width, and can select and measure only a specific section so that temperature and strain can be monitored quickly and efficiently.
도 1은 본 발명에 따른 광 주파수 변조를 이용한 유도 브릴루앙 산란 기반 광섬유 센서 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기광학 위상변조기의 입력 및 출력 광신호 파형을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 제1 및 제2 광섬유 증폭기의 출력 광신호 파형을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 광섬유 감지 구간을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 브릴루앙 주파수를 설명하기 위해 도시한 도면이다.1 is a block diagram of an induction Brillouin scattering-based optical fiber sensor device using optical frequency modulation according to the present invention.
2 is a diagram illustrating input and output optical signal waveforms of an electro-optic phase modulator according to the present invention.
3 is a view showing the output optical signal waveform of the first and second optical fiber amplifier according to the present invention.
4 is a diagram illustrating an optical fiber sensing section according to the present invention.
5 is a diagram illustrating a Brillouin frequency according to the present invention.
본 발명에 따른 광 주파수 변조를 이용한 유도 브릴루앙 산란 기반 광섬유 센서 장치를 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징을 이해할 수 있을 것이다.With reference to the accompanying drawings, the induction Brillouin scattering-based optical fiber sensor device using optical frequency modulation according to the present invention will be understood by the embodiments described in detail below.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Prior to this, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms, and the inventor should appropriately interpret the concepts of the terms appropriately It should be interpreted in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be defined.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention, and not all of the technical ideas of the present invention are described. Therefore, It should be understood that various equivalents and modifications may be present.
도 1은 본 발명에 따른 광 주파수 변조를 이용한 유도 브릴루앙 산란 기반 광섬유 센서 장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 전기광학 위상변조기의 입력 및 출력 광신호 파형을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 제1 및 제2 광섬유 증폭기의 출력 광신호 파형을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 광섬유 감지 구간을 설명하기 위해 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명에 따른 브릴루앙 주파수를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
1 is a block diagram of an induction Brillouin scattering-based optical fiber sensor device using optical frequency modulation according to the present invention, and FIG. 2 is a view illustrating input and output optical signal waveforms of an electro-optic phase modulator according to the present invention. 3 is a view showing the output optical signal waveform of the first and second optical fiber amplifier according to the present invention, Figure 4 is a view showing for explaining the optical fiber sensing interval according to the present invention, Figure 5 is according to the present invention It is a figure for demonstrating the Brillouin frequency.
도 1은 본 발명에 따른 광 주파수 변조를 이용한 유도 브릴루앙 산란 기반 광섬유 센서 장치의 구성도이다. 이에 의하면 본 발명은 광원(100)에서 방출되는 연속발진광을 이용해 감지 광섬유(116) 내의 측정 위치를 임의로 선택하여 그 측정 위치의 온도나 변형률을 측정한다. 1 is a block diagram of an induction Brillouin scattering-based optical fiber sensor device using optical frequency modulation according to the present invention. According to the present invention, the measurement position in the sensing
이와 같은 본 발명에 따른 광 주파수 변조를 이용한 유도 브릴루앙 산란 기반 광섬유 센서 장치는, 광원(100)에서 방출된 연속발진광을 사인파 형태의 주파수 변화를 갖는 연속발진광으로 변조하는 전기광학 위상변조기(102)와, 전기광학 위상변조기(102)를 통과한 연속발진광을 제1 광신호 및 제2 광신호로 분배하는 광분배기(104)와, 상기 광분배기(104)에서 분배된 제1 광신호의 세기를 변조하는 전기광학 세기변조기(106)와, 상기 전기광학 세기변조기(106)를 통과한 제1 광신호의 통과시간을 지연하는 지연광섬유(108)와, 상기 지연광섬유(108)를 통과한 제1 광신호을 증폭하는 제1 광섬유 증폭기(110)와, 상기 광분배기(104)에서 분배된 제2 광신호의 주파수를 하향 이동시키는 단일측파변조기(112)와, 상기 단일측파변조기(112)를 통과한 제2 광신호를 증폭하는 제2 광섬유 증폭기(114)와, 상기 제1 광섬유 증폭기(110)를 통과한 제1 광신호와 상기 제2 광섬유 증폭기(114)를 통과한 제2 광신호가 서로 반대 방향으로 유입되면 제1 광신호 및 제2 광신호가 간섭하여 유도 브릴루앙 산란이 발생되는 감지 광섬유(116)와, 상기 제2 광섬유증폭기(114)를 통과한 제2 광신호가 상기 감지 광섬유(116)를 통과하여 취득한 브릴루앙 이득 신호를 광순환기(118)를 거쳐 전기신호로 전환하는 광검출기(120)와, 상기 광검출기(120)를 통해 검출된 브릴루앙 이득 신호의 잡음을 제거하는 락인앰프(122)와, 상기 락인앰프(122)를 통과하며 잡음이 제거된 브릴루앙 이득 신호를 취득하는 데이터취득 보드(124)와, 상기 브릴루앙 이득 신호를 취득하여 중심 주파수인 브릴루앙 주파수 변화를 검출하여 변형률 및 온도 변화로 환산하는 제어부(126)로 구성된다.Such an induced Brillouin scattering-based optical fiber sensor device using optical frequency modulation according to the present invention includes an electro-optic phase modulator for modulating the continuous oscillation light emitted from the
이때, 상기 제어부(126)는 제1 신호 발생기(128)를 제어하여 일정 파형의 전기신호를 상기 전기광학 위상변조기(102)에 인가하고, 제2 신호 발생기(130)를 제어하여 일정 주파수의 전기신호를 상기 전기광학 세기변조기(106) 및 락인앰프(122)에 인가한다.
In this case, the
이하, 본 발명의 각부 구성을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the constitution of each part of the present invention will be described in detail.
먼저, 상기 광원(100)은 레이저 다이오드로 구성할 수 있는 것으로, 상기 광원(100)에서 방출된 연속발진광은 전기광학 위상변조기(102)의 동작을 통해 사인파 형태의 주파수 변화를 갖는 연속발진광으로 변조된다. First, the
이때, 상기 제어부(126)에 의해 제어되는 제1 신호발생기(128)가 일정한 파형의 전기 신호를 상기 전기광학 위상변조기(102)에 인가하여, 상기 전기광학 위상변조기(102)에 입사된 광을 사인파 형태의 주파수 변화를 갖는 광으로 변조한다.At this time, the
상기 광분배기(104)는 전기광학 위상변조기(102)를 통과한 연속발진광을 제1 및 제2 광신호로 분배하여 상기 전기광학 세기 변조기(106)와 단일측파 변조기(112)의 두 방향으로 분배한다. The
한편, 상기 광분배기(104)에서 분배된 첫 번째 제1 광신호는 전기광학 세기변조기(106), 지연광섬유(108), 제1 광섬유 증폭기(110) 및 광순환기(118)를 통하여 감지 광섬유(116)에 입사된다. On the other hand, the first first optical signal distributed in the
이때, 상기 전기광학 세기변조기(106)에는 상기 제어부(126)에 의해서 제어되는 제2 신호발생기(130)와 연결되어 일정한 주파수의 전기 신호가 인가된다. In this case, the electro-
따라서, 상기 전기광학 세기변조기(106)에 입사된 제1 광신호는 세기가 변조되고, 지연광섬유(108)와 제1 광섬유 증폭기(110)를 통과하며 증폭된 후, 마지막으로 광순환기(118)를 통하여 감지 광섬유(116)에 입사된다. Therefore, the first optical signal incident on the electro-
한편, 상기 광분배기(104)에서 분기된 두 번째 제2 광신호는 단일측파변조기(112)와 제2 광섬유 증폭기(114)를 통하여 감지 광섬유(116)에 입사된다.Meanwhile, the second second optical signal branched from the
상기 단일측파변조기(112)에는 제어부(126)에 의해서 제어되는 마이크로파 발진기(132)와 연결되어, 상기 마이크로파 발진기(132)에서 발생하는 마이크로파가 인가된다. The single
이에 따라 상기 단일측파변조기(112)에 의해 입사된 제2 광신호의 주파수는 특정 주파수만큼 하향 이동되며, 그 특정 주파수는 감지 광섬유(116)의 브릴루앙 주파수를 중심으로 연속적으로 변화되도록 제어된다. 이 후 제2 광섬유 증폭기(114)에 의해 증폭된 후, 감지 광섬유(116)로 입사된다.Accordingly, the frequency of the second optical signal incident by the single
이와 같이 하여, 감지 광섬유(116) 내에서 제1 광섬유 증폭기(110)를 통과한 제1 광신호와 제2 광섬유 증폭기(114)를 통과한 제2 광신호의 진행방향은 서로 반대가 되며, 두 광신호가 간섭하여 유도 브릴루앙 산란이 발생되게 된다. In this way, in the sensing
이때, 상기 제2 광섬유증폭기(114)를 통과한 제2 광신호는 감지 광섬유(116)를 통과하면서 브릴루앙 이득 신호를 취득하고, 광순환기(118)를 거쳐 광검출기(120)를 통해 전기신호로 전환된다. In this case, the second optical signal passing through the second
그리고, 상기 광검출기(120)를 통해 검출된 브릴루앙 이득 신호는 락인앰프(122)를 통해 잡음이 제거된 상태로 데이터취득 보드(124)에 의해 수집되고 제어부(126)에서 신호 처리된다. In addition, the Brillouin gain signal detected through the
여기서, 상기 락인앰프(122)에는 전기광학 세기 변조기(106)의 제어를 위하여 제2 신호발생기(130)로부터 출력되는 전기 신호의 주파수와 같은 위상을 갖는 동기 신호가 입력됨으로써, 락인앰프(122)를 통과하는 광신호로부터 잡음이 제거된다. Here, the lock-in
이에 따라 상기 제어부(126)에서는 브릴루앙 이득 신호를 취득하여 이의 중심 주파수인 브릴루앙 주파수 변화를 검출하고, 이로부터 변형률 및 온도 변화로 환산하게 된다.
Accordingly, the
좀 더 상세하게는 도 2는 본 발명에 따른 광 주파수 변조를 이용한 유도 브릴루앙 산란 기반 광섬유 센서 장치 중에서, 광원(100)에서 방출되어 전기 광학 위상변조기(102)에 입력되는 광과 전기광학 위상변조기(102)를 통과하여 출력되는 광을 도시한 그래프이다. More specifically, FIG. 2 is a light and electro-optic phase modulator emitted from the
이에 의하면 광원(100)에서 방출된 일정한 주파수를 갖는 광은 전기광학 위상변조기(102)에 입력되고, 그 전기광학 위상변조기(102)의 동작에 의해 사인파 형태의 주파수 변화를 갖는 광으로 변조되어 출력된다.
According to this, light having a constant frequency emitted from the
한편, 도 3은 본 발명에 따른 광 주파수 변조를 이용한 유도 브릴루앙 산란 기반 광섬유 센서 장치 중에서, 감지 광섬유(116)로 입사되는 두 개의 광(제1 광신호 및 제2 광신호)을 도시한 그래프이다. Meanwhile, FIG. 3 is a graph illustrating two lights (first optical signal and second optical signal) incident on the sensing
이에 의하면 감지 광섬유(116)에는 제1 광섬유 증폭기(110)를 통과한 제1 광신호와 제2 광섬유 증폭기(114)를 통과한 제2 광신호가 서로 반대 방향으로 입사되어 진행한다. Accordingly, the first optical signal passing through the first
여기서, 제2 광섬유 증폭기(114)를 통과한 제2 광신호는 제1 광섬유 증폭기(110)를 통과한 제1 광신호에 비해 특정 주파수만큼 하향 이동된 주파수를 가지며, 그 특정 주파수는 감지 광섬유(116)의 브릴루앙 주파수를 중심으로 시간에 따라 선형적으로 변화한다. Here, the second optical signal passing through the second
이와 같은 제1 광신호 및 제2 광신호는 전기광학 위상변조기(102)를 통과한 광이 광 분배기(104)를 통해 둘로 나누어진 신호이므로, 모두 사인파 형태의 주파수 변화를 갖는다.
Since the first optical signal and the second optical signal are signals that are passed through the electro-
그리고, 도 4는 감지 광섬유 내에서 광을 도시한 그래프이다. 이에 의하면 감지 광섬유(116) 내에서 서로 반대방향으로 진행하는 제1 광신호 및 제2 광신호는 지연광섬유(108)의 길이와 전기광학 위상변조기(102)에 인가된 전기 신호의 주파수에 따라 결정되는 특정 위치인 상관점(correlation point)에서만 두 광신호의 주파수 차이가 일정하게 유지되어 좁은 선폭의 브릴루앙 이득이 발생하고, 상관점 이외의 지점에서는 주파수 차이가 일정하게 유지되지 않아 브릴루앙 이득이 거의 발생하지 않는다.4 is a graph showing light in the sensing optical fiber. Accordingly, the first optical signal and the second optical signal traveling in opposite directions in the sensing
즉, 상관점에서만 브릴루앙 이득이 취득되며, 이 지점이 측정위치가 된다. 또한, 전기광학 위상변조기(102)에 의해 인가된 파형의 주파수에 따라 상관점의 위치를 변경할 수 있으므로, 이를 통해 측정 위치를 임의로 선택할 수 있게 된다. 상관점은 시스템을 구성하는 광섬유의 길이 내에 주기적으로 발생하므로, 감지 광섬유 구간에서는 한 점에서만 발생하도록 하고, 감지 광섬유 이외의 구간에서는 지연 광섬유 내에 발생하도록 한다. 위 방법은 특정한 위치에서만 브릴루앙 이득을 발생시킬 수 있어 측정위치를 임의로 선택하여 측정할 수 있다.
In other words, the Brillouin gain is obtained only at the correlation point, and this point becomes the measurement position. In addition, since the position of the correlation point can be changed according to the frequency of the waveform applied by the electro-
또한, 도 5는 감지 광섬유 구간 내에서 취득된 브릴루앙 이득 신호를 나타낸다. 이에 의하면 마이크로파 발진기(132)의 주파수를 일정 구간 내에서 선형으로 변화시킬 때 데이터취득 보드(124)를 통해 얻어지는 신호는 감지 광섬유(116)의 상관점에서 브릴루앙 이득의 형태를 보여 주며, 이득이 최대가 되는 마이크로파 발진기(132)의 주파수가 측정 위치의 브릴루앙 주파수이다. 브릴루앙 주파수의 변화는 온도 및 변형율의 변화에 선형적으로 의존하므로, 이로부터 온도 및 변형률로 환산한다.
5 shows a Brillouin gain signal acquired in the sensing optical fiber section. According to this, when the frequency of the
본 방법은 연속발진 광원을 사용하므로 공간 해상도의 제약이 없어 높은 공간 해상도로 측정 위치를 선택하여 브릴루앙 주파수를 취득할 수 있을 뿐만 아니라, 높은 공간 해상도를 가지고 측정 위치를 임의로 선택하여 온도나 변형률을 측정하기 위한 분포형 광섬유 센서로서 유용하게 사용될 수 있다.This method uses continuous oscillation light source, so there is no restriction on spatial resolution, so it is possible to acquire Brillouin frequency by selecting the measurement position at high spatial resolution, and to select temperature or strain by arbitrarily selecting the measurement position with high spatial resolution. It can be usefully used as a distributed optical fiber sensor for measuring.
또한, 연속발진 광원(100)에서 방출된 광을 전기광학 위상변조기(102)를 통해서 주파수 변조를 함으로써, 광원(100)의 과부화 및 광 세기 변화없이 안전하고 안정적으로 광신호의 변조가 가능하다. 또한, 펄스광을 사용하지 않으므로, 펄스폭에 의한 공간 해상도 향상의 제한을 받지 않으며, 특정 구간만을 선택하여 측정할 수 있으므로, 빠르고 효율적으로 구조물 등의 온도 및 변형률 모니터링에 사용할 수 있다.
In addition, by modulating the light emitted from the continuous
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.
While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be preferred embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
100: 광원 102: 전기광학 위상변조기
104: 광분배기 106: 전기광학 세기변조기
108: 지연광섬유 110: 제1 광섬유 증폭기
112: 단일측파변조기 114: 제2 광섬유 증폭기
116: 감지 광섬유 118: 광순환기
120: 광검출기 122: 락인앰프
124: 데이터취득 보드 126: 제어부
128: 제1 신호 발생기 130: 제2 신호 발생기
132: 마이크로파 발진기100: light source 102: electro-optic phase modulator
104: optical splitter 106: electro-optic intensity modulator
108: delayed optical fiber 110: first optical fiber amplifier
112: single-side wave modulator 114: second optical fiber amplifier
116: sensing optical fiber 118: optical circulator
120: photodetector 122: lock-in amplifier
124: data acquisition board 126: control unit
128: first signal generator 130: second signal generator
132: microwave oscillator
Claims (7)
상기 제어부의 제어에 따라 일정 파형의 전기신호를 상기 전기광학 위상변조기에 인가하는 제1 신호 발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 주파수 변조를 이용한 유도 브릴루앙 산란 기반 광섬유 센서 장치.
An electro-optic phase modulator for modulating the continuous oscillation light emitted from the light source into a continuous oscillation light having a sinusoidal frequency change, and distributing the continuous oscillation light passing through the electro-optic phase modulator into a first optical signal and a second optical signal An optical splitter, an electro-optic intensity modulator for modulating the intensity of the first optical signal distributed by the optical splitter, a delayed optical fiber for delaying a passage time of the first optical signal passed through the electro-optic intensity modulator, and the delay A first optical amplifier for amplifying the first optical signal passing through the optical fiber, a single side wave modulator for downwardly shifting the frequency of the second optical signal distributed by the optical splitter, and a second optical signal passed through the single side wave modulator When the second optical fiber amplifier to amplify, the first optical signal passing through the first optical fiber amplifier and the second optical signal passing through the second optical fiber amplifier flow in opposite directions The sensing optical fiber in which induced optical Brillouin scattering occurs due to the interference between the first optical signal and the second optical signal, and the Brillouin gain signal acquired by the second optical signal passing through the second optical fiber amplifier through the sensing optical fiber are passed through the optical circulator. A photodetector for converting to a signal, a data acquisition board for acquiring a Brillouin gain signal detected by the photodetector, and acquiring the Brillouin gain signal to detect a Brillouin frequency change, which is a center frequency, converted into a strain and a temperature change. Consists of a control unit,
Induced Brillouin scattering-based optical fiber sensor device using optical frequency modulation, characterized in that it further comprises a first signal generator for applying an electric signal of a predetermined waveform to the electro-optic phase modulator under the control of the controller.
상기 광검출기를 통해 검출된 브릴루앙 이득 신호의 잡음을 제거하는 락인앰프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 주파수 변조를 이용한 유도 브릴루앙 산란 기반 광섬유 센서 장치.
The method of claim 1,
Induced Brillouin scattering-based optical fiber sensor device using optical frequency modulation, characterized in that it further comprises a lock-in amplifier for removing the noise of the Brillouin gain signal detected by the photodetector.
상기 광검출기를 통해 검출된 브릴루앙 이득 신호의 잡음을 제거하는 락인앰프를 더 포함하며,
상기 락인앰프에는 전기광학 세기 변조기의 제어를 위하여 제2 신호발생기로부터 출력되는 전기 신호의 주파수와 같은 위상을 갖는 동기 신호가 입력되어 잡음을 제거하는 것을 특징으로 하는 광 주파수 변조를 이용한 유도 브릴루앙 산란 기반 광섬유 센서 장치.
The method of claim 1,
It further comprises a lock-in amplifier for removing the noise of the Brillouin gain signal detected through the photodetector,
Induced Brillouin scattering using optical frequency modulation is characterized in that the lock-in amplifier receives a synchronous signal having a phase equal to the frequency of the electrical signal output from the second signal generator to control the electro-optic intensity modulator. Based fiber optic sensor device.
상기 제어부의 제어에 따라 일정 주파수의 전기신호를 상기 전기광학 세기변조기에 인가하는 제2 신호 발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 주파수 변조를 이용한 유도 브릴루앙 산란 기반 광섬유 센서 장치.
The method of claim 1,
Induced Brillouin scattering-based optical fiber sensor device using optical frequency modulation, characterized in that it further comprises a second signal generator for applying an electrical signal of a predetermined frequency to the electro-optic intensity modulator under the control of the controller.
상기 제어부의 제어에 따라 마이크로파를 발생하여 상기 단일측파변조기에 인가하는 마이크로파 발진기가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 광 주파수 변조를 이용한 유도 브릴루앙 산란 기반 광섬유 센서 장치.
The method of claim 1,
Induced Brillouin scattering-based optical fiber sensor device using optical frequency modulation, characterized in that it further comprises a microwave oscillator for generating a microwave under the control of the controller and applied to the single-side wave modulator.
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