KR101633954B1 - 광섬유의 다이내믹 레인지를 향상시키고 측정 불확실성을 감소시키기 위한 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 라만 효과를 기초로 하는 분산 증폭을 기초로 하며, 가변 개수의 광섬유 반사기(6)와 결합되는 복수의 파장의 하나 이상의 펌프 레이저(5)로 구성된다. 이들 요소는 광섬유 센서(4) 또는 측정 대상에, 가장 투과 모드에서 센서 또는 측정기기 신호를 전파하기 위해 필요한 상태를 유도하여, 센서 및 측정 기기 신호의 신호-대-잡음 비를 개선하고, 다이내믹 레인지를 향상시키고, 센서 또는 측정 기기의 범위를 최대 250㎞까지로 증가시킨다.

Description

광섬유의 다이내믹 레인지를 향상시키고 측정 불확실성을 감소시키기 위한 시스템{SYSTEM FOR IMPROVING THE DYNAMIC RANGE AND REDUCING MEASUREMENT UNCERTAINTY IN FIBRE OPTIC DISTRIBUTED SENSORS AND FIBRE OPTIC DISTRIBUTED MEASUREMENT EQUIPMENT}
발명의 목적
본 발명은 물리 기술 분야에 속하며, 광섬유 분산 센서 및 광섬유 분산 측정 기기를 기반으로 하는 측정 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 주 목적은, 광섬유의 라만 효과(Raman Effect)와 여러 다른 펌프 레이저 및 반사기를 이용한 분산 증폭(distributed amplification)을 바탕으로, 광섬유 분산 센서 및 광섬유 분산 계측 기기의 다이내믹 레인지를 향상(측정 범위를 증가)시키고, 측정 불확실성을 감소시키기 위한 시스템을 제공하는 것이다.
발명의 배경기술
분산 센서(distributed sensor)는 장거리에서 변형 및 온도 등의 물리적 파라미터를 감지하는 매력적이며 매우 전도 유망한 기법이다. 최근, 광섬유 기법 및 선형 효과(가령, 레일리 산란(Rayleigh scattering)), 비-선형 효과(가령, 라만 산란(Raman scattering) 및 브릴루앙 산란(Brillouin scattering))을 기초로 하는 센서를, 모든 유형의 공공 인프라구조(다리, 터널, 건물, 댐 등), 교통(비행기, 선로 등), 및 산업(가스관, 수도관, 오일 링 등)용 설비에 적용하는 것이 점점 더 보편적이 되고 있다.
덧붙이자면, 광섬유 분산 계측 기법은, 기본적으로 통신 분야 적용에 있어서, 기존 광섬유 배선을 평가 및 제어함으로써, 큰 도움을 받는다. 최근, 광섬유 케이블의 설치 수요가 극적으로 증가했으며, 이로 인해, 기존 케이블과 새로운 설치물을 최대한 활용할 것이 요구된다. 이러한 이유로, 광섬유의 구체적 특성의 분산 계측 검사를 가능하게 할 측정 설비를 갖는 것이 점점 더 중요해진다. 결정될 기본 파라미터는 편광 모드 분산(PMD: polarization mode dispersion), 색 분산(chromatic dispersion), 및 이들로부터 파생된 파라미터, 가령, 널(null) 분산 파장(λ0)를 포함한다.
임의의 물질에서, 상기 물질을 구성하는 원자와, 광자(photon)의 상호작용으로 인해 레일리 산란(Rayleigh scattering)이 발생한다. 이 상호작용의 결과로서, 광섬유의 특정 경우에서, 광신호의 일부분이 광섬유를 통과해 발산 소스 쪽으로 돌아간다.
라만 효과(Raman Effect)는 매질 내 전자와 광자의 상호작용으로 인한 광자의 흡수 및 이에 뒤 따르는 방출 현상이며, 여기서 전자를 가상적 상태로 보내고 입사 광자보다 더 크거나 더 작은 에너지를 갖는 새로운 광자를 발생시킴으로써, 매질과 에너지 교환이 발생한다. 손실이나 이득, 또는 에너지가 광학적 포논(optical phonon)이라고 불리는 입자의 발생으로 설명된다.
브릴루앙 효과(Brillouin Effect)는, 에너지 교환이 음향 포논(acoustic phonon)의 발생으로 설명된다는 점을 제외하고, 라만 효과에서 기재된 것과 유사하다. 입사 광자(또는 펌프 광자)와 상이한 주파수의 새로운 광자를 생성하는 라만 효과와 브릴루앙 효과 모두, 본 발명에서 활용되며, 광섬유의 전파 방향에서 발생하는 이러한 프로세서에 의해 발생하는 광자로부터, 저-신호 광자가 에너지를 취함으로써, 분산 증폭기로서 구현된다.
광섬유에서 발생하는 비-선형 라만 및 브릴루앙 산란 현상은, 광섬유가 겪는 온도 변동(라만 및 브릴루앙)과 변형(브릴루앙)에 따라 직접 좌우되기 때문에 이들 크기에 대한 직접적인 감지 기법이 된다.
편광 모드 분산(PMD)은, 섬유를 통해 도파되는 광 펄스는, 두 개의 기본 편광 상태 간의 전파 속도(저속 모드와 고속 모드)의 차이 때문에 발생하는 선폭증대(broadening)이다. 대칭이며, 곡면 부분이 복굴절(birefringence)을 유도하지 않도록 하는 방식으로 설치된 균일한 단일-모드 광섬유의 경우, 널(null) PMD를 가져야 한다. 실제로, 곡면 부분의 모든 불규칙한 변동, 섬유 비대칭 등이, 광 펄스가 어느 편광방향으로 배향되는지에 따라, 섬유 전체에 걸쳐 복굴절의 불규칙한 변동, 및 이에 따른 광 펄스의 비행시간(time-of-flight) 차이를 야기한다. 섬유 복굴절의 불규칙한 변동은 설치된 모든 섬유에서 발생하고, 전송 선에 포함된 편광 요소(필터, 아이솔레이터(isolator), 브래그 네트워크(Bragg network) 등)의 섬유의 물리적 특성(굴절률, 도펀트 농도, 비원율(non-circularity), 코어 타원율(core ellipticity))과 대기 제약사항(특히, 온도)에 따라 달라진다.
색 분산(CD: chromatic dispersion)은 섬유를 통과하는 광의 선형 전파의 결과로서 나타나고, 주파수β(ω)에서의 전파 상수(propagation constant)(D=dβ1/dλ, 여기서 λ는 섬유를 통해 전파되는 광 파장이고, β1는 주파수 ω에 대한 β의 도함수이다)의 종속도와 직접 관련이 있는 현상이다. 광섬유를 통해 전파되는 신호의 색 분산 효과는 정보를 포함하는 광 펄스의 바람직하지 않은 선폭증대이다. 교란 없는 통신을 유지하기 위해 상기 선폭증대의 보상이 필요하며, 이 때문에, 계측 정확도를 갖고 섬유의 분산 곡선(dispersion curve)을 아는 것이 중요하다. 상업적 광섬유의 통상의 색 분산 곡선은, 파라미터 D가 널(null)인 파장을 가지며, 이는 통신에서 어떤 광 파장이 사용될 것인지를 결정할 때 매우 흥미로운 사실이다.
이러한 물리 현상을 기초로, 수 년 동안 여러 다른 다양한 센서가 개발되었으며, 예를 들어, OTDR(Optical Time Domain Reflectometer) 선형 산란 및 OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometer)를 기초로 하는 센서, 및 비선형 산란을 기초로 하는 센서, 가령, ROTDR(Raman Optical Time Domain Reflectometer, 라만 광학 시간 영역 반사율계), ROFDR(Raman Optical Frequency Domain Reflectometer, 라만 광학 주파수 영역 반사율계), BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer, 브릴루앙 광학 시간 영역 반사율계), BOTDA(Brillouin Optical Time Domain Analyzer, 브릴루앙 광학 시간 영역 분석계), 및 BOFDA(Brillouin Optical Frequency Domain Analyzer, 브릴루앙 광학 주파수 영역 분석계)가 있다.
마찬가지로, 광섬유 계측(fibre optic metrology)의 경우, 분산 측정 기법이 개발되었으며, POTDR(Polarization Optical Domain Reflectometer-편광 광학 영역 반사율계), COTDR(Coherent Optical Time Reflectometer-코히런트 광학 시간 반사율계), 및 OCT(Optical Coherent Reflectometry-광학 코히런트 반사율계)라고도 알려져 있는 TCOTDR(Tunable Coherent Optical Time Reflectometer-튜너블 코히런트 광학 시간 반사율계), 및 이와 유사한 주파수 영역법(POFDR, COFDR, 및 TCOFDR)가 있다.
이들 기법 모두, 전통적인 검출과 광자 카운터(photon counter)를 기초로 하는 검출에서 구현될 수 있다. 이들 모두, 광이 광섬유를 통해 전파될 때 상기 광이 감쇄된다는, 광섬유에 내재된 극복할 수 없는 한계를 가진다. 측정 길이는 수 십 미터 내지 삼십 미터 범위이다.
현재 상용화된 섬유 분산 감지 시스템은 다음과 같다:
- FOS-TA: Fibre Optic Sensory Technology and Applications(광섬유 감지 기법 및 애플리케이션). 분산 온도 및 변형율 감지(DTS & DTSS) 시스템. 싱가포르. 최대 측정 범위는 30㎞이다.
- Omnisens: DiTeSt: 분산 온도 & 변형율 모니터링 계기. 스위스. 최대 30㎞, SMARTECH(스위스)이 유사한 계기를 판매한다.
- Neubrex Ldt. 일본. NEUBRESCOPE: 프리-펌프 BOTDA 기법. 최대 25㎞.
- AGILENT 분산 온도 시스템 N4385A/N4386A. 다중-모드 섬유에서 라만 산란을 기초로 한다. 최대 12㎞.
- 자생적 브릴루앙 산란을 기초로 하는 YOKOGAWA AQ8603 광섬유 변형률 분석계.
광섬유 분산 계측을 위해:
TCOTR을 기반으로 하는 EXFO 분산 PMD 분석계 FTB-5600.
EXFO 싱글-엔디드 분산 분석계 FTB-5700.
광자 카운팅 기법을 기반으로 하는 GAP 분산 분산 분석계.
LUCIOL INSTRUMENTS OTDR LOR-200/220 및 v-OTDR.
ANRITSU MW9076OTDR.
이들 모든 시스템에서, 센서와 계측기 모두에서, 감지 또는 측정 포인트로부터의 거리가 증가함에 따라, 측정치의 신호-대-잡음 비가 증가하고, 이에 따라 측정 크기의 오차가 증가하기 때문에, 측정 불확실성(measurement uncertainty)이 증가된다.
본 발명은, 여러 다른 레이저 펌프와 광섬유 반사기를 이용하는, 라만 효과(Raman Effect)를 바탕으로 하는 분산 섬유 증폭 시스템을 기초로, 광섬유 분산 센서(fibre optic distributed sensor)와 광섬유 분산 계측 기기(fibre optic distributed metrology equipment)에서 다이내믹 레인지를 향상시키고 측정 불확실성(measurement uncertainty)을 감소시키기 위한 시스템의 기재에 초점을 맞춘다. 이러한 요소들이 광섬유 센서 또는 측정 대상에, 센서 신호가 가상 투과 모드로 전파되기에 필수적인 조건을 유도하여, 센서 또는 측정 기기 신호의 신호-대-잡음 비를 개선하고, 다이내믹 레인지를 향상시키며, 센서와 측정 기기의 범위를 최대 250㎞까지 향상시킨다.
본 발명은 또한, 측정 불확실성이 감지 포인트로부터의 거리에 따라 달라지지 않으며, 상기 불확실성은 전파 전체에 걸쳐(최대 250㎞의 거리까지) 일정하게 유지됨을 보장한다.
마찬가지로, 기재된 기법의 다른 가능한 형태는 다음과 같다:
a) 분산 증폭 시스템이, 광섬유 센서 또는 측정 대상의 양 끝단에서 단일 주파수를 이용한 양방향 라만 펌핑을 기초로 하며, 여기서 센서값, 또는 측정 신호는 펌프 레이저의 제 1 스토크스-라만 변위(Stokes-Raman displacement)의 파장과 유사한 파장을 가진다.
b) 분산 증폭 시스템이, 여러 다른 주파수를 이용하는 단방향 또는 양방향 1차 또는 그 이상의 고차 라만 펌핑(Raman pumping)을 기초로 하는 변형예로서, 상기 분산 증폭 시스템은 종속 라만 분산(cascaded Raman dispersion)을 이용해 종속 증폭(cascaded amplification)을 할 수 있으며, 여기서 센서 신호 또는 측정 신호는 펌프 레이저의 가장 낮은 주파수에서의 제 1 스토크스 변위의 파장과 유사한 파장을 가진다.
c) 광섬유 센서 또는 측정 대상과 동일 선 상에 놓인 하나 이상의 반사기의 이용에 의해 분산 증폭 시스템이 보충된 변형예.
d) 하나 이상의 반사기의 이용에 의해 분산 증폭 시스템이 보충된 변형예로서, 이 변형예가 사용되어 광섬유 센서 또는 측정 대상에 능동 광학적 공진기(optical cavity)를 생성할 수 있으며, 이로 인해, 광섬유는 가상 투과 매질(transparent medium)이 될 수 있다.
본 발명의 특성의 더 나은 이해를 돕기 위한 목적으로, 본 발명의 바람직한 실시예들에 따라 본원을, 본 발명의 특성의 더 나은 이해를 돕기 위한 목적으로 기재하기 위해, 본 명세서의 중요 부분으로서, 한정이 아닌 예시를 목적으로 하는 다음과 같은 도면을 첨부한다.
도 1은 제안 a) 실시예에 따르는 본 발명의 시스템의 도면이다.
도 2는 제안 b) 실시예에 따르는 본 발명의 시스템의 도면이다.
분산 센서 및 광섬유 분산 계측 기기에서, 다이내믹 레인지를 향상시키고 측정 불확실성을 감소시키기 위해 제안된 시스템은, 측정 기법에 무관하게 어떠한 유형의 광섬유 분산 센서(1) 또는 광섬유 분산 측정 기기(OTDR, OFDR, ROTDR, ROFDR, BOTDR, BOTDA, BOFDA, COTDR)에도 적용되며, 색 분산, 또는 여기서 유래된 파라미터에 무관하게 어떠한 유형의 PMD 분산 측정 기기(POTDR, PMD-OTDR, DC-OTDR, FWM-OTDR)에도 적용되고, 시스템 측정 구성에 따라 커플러(3a), 또는 커플러(3a) 및 (3b)에 의해, 입/출력 포트(2a) 또는 입력(2a) 및 출력(2b) 포트로 연결될 것이다.
상기 시스템은 다음의 예와 같이 구현될 수 있다:
a) 하나 이상의 광원(1a)을 사용한다. 상기 광원으로부터 발산되는 광은, 커플러(3a)에 의해, 입력 포트(2a)를 통해 광섬유 센서(4) 또는 측정 대상으로 투입된다. 분산 센서(1) 또는 측정 시스템이, 서로 반대되는 전파 방향으로 광섬유 센서(4)로 도입되는 2개의 신호의 상호작용을 기초로 하는 것인지(가령, 브릴루앙 효과를 기초로 하는 분산 센서(1)), 또는 단일 신호와 매질과의 상호작용을 기초로 하는 것인지(라만 효과, POTDR, COTDR를 기반으로 하는 OTDR 분산 센서(1))에 따라, 하나 또는 복수의 광원(1a)이 존재할 것이다. 덧붙여, 이들 신호는, 센서 또는 기기의 구체적 설계에 따라, 펄스 또는 연속 모드로 발산되어야 한다.
분산 센서(1)의 경우, 광섬유 센서(4)는 감지 대상을 따라 놓이며, 라만 효과를 기초로 증폭을 수행하기 위한 매질로서 사용될 것이다. 광섬유 분산 계측기의 경우, 분산 증폭(distributed amplification)이 발생할 매질이 될 것이다. 대응하는 포트(입/출력(2a), 입력(2a), 및/또는 출력(2b))를 통해 광섬유 센서(4)의 단부들 중 하나로 연결될 적절한 스펙트럼 분석 시스템 또는 검출기(1b)를 이용해 검출이 수행될 것이다.
먼저, 광섬유 센서(4)나 측정 대상의 길이 방향을 따라 발생하는 분산 라만 증폭을 기초로 하는 도 1에 도시된 방식을 제안하며, 여기서 하나 또는 복수의 펌프 레이저(5)를 이용해 양 끝단에서 펌핑이 이뤄질 것이다. 이러한 방식으로, 양방향 펌핑을 파장에 적용할 것이다. 이 파장은, 1차 스토크스-라만(Stokes-Raman) 분산이, 광섬유 센서(4)에 의해 송신되는 신호의 파장에 근사하도록 정해져야 한다. 실리카 광섬유 센서(4)에서, 테라헤르츠 정도의 스펙트럼 폭을 갖는 증폭 대역에서 이 스토크스 신호가 구현된다. 이러한 방식으로, 송신 신호는 광섬유 센서(4) 전체에서 중간점에 대해 대칭적으로 증폭될 것이다. 이 방식에서, 광 전파 방향이 고려되고, 다른 광 빔과의 간섭 없이 상기 신호가 전파될 때 필요한 고립 구성요소(isolating component)를 도입해야 한다.
b) 본 발명의 두 번째 실시예 제안은 첫 번째 실시예 제안과 상이한데, 상기 두 번째 실시예에서, 광섬유 센서(4) 또는 측정 대상으로 라만 펌핑(Raman pumping)이 단방향으로 도입되고, 초기에는 자생적 방식으로 더 높은 스토크스 차수를 생성하기에 필요한 강도 특성(intensity characteristic)을 가져야 한다. 이들 새로운 신호는 서로 잇달아 증폭될 것이며, 이로써, 바람직한 주파수(이 경우, 송신 신호의 주파수에 근접)로, 라만 증폭 현상의 스펙트럼이 배치될 수 있다.
c) 섹션 b)에서 기재된 것과 동일하지만, 섹션 a)에 기재된 양방향 라만 펌핑을 이용하는 방식.
d) 네 번째 제안은 섹션 a), b), 및 c)에 기재된 아이디어를 기초로 하지만, 이 경우, 섬유 반사기(6)가 광섬유 센서(4) 또는 측정 대상과 동일 선상으로 도입된다. 이러한 방식으로, 상기 반사기(6)에서 이뤄질, 라만 이득 곡선의 특정 부분의 파장 선택에 의해, 섹션 b)에 기재된 고차(higher-odrder) 스토크스 주파수의 발생이 개선될 것이다.
e) 마지막으로, 도 2에 나타난 방식이 제안된다. 이 형태는 섹션 d)에 기재된 방식과 관련되지만, 반사기(6)가 광섬유 센서(4) 또는 측정 대상의 양 끝단에 배치되며, 이러한 방식으로, 다음 번 스토크스 차수의 종속 증폭(cascade amplification)이 발생하는 광학적 공진기(optical cavity)가 형성될 수 있다.

Claims (5)

  1. 광섬유의 다이내믹 레인지(dynamic ragne)를 향상시키고, 측정 불확실성(measurement uncertainty)을 감소시키기 위한 시스템에 있어서, 상기 시스템은
    레일리 산란(Rayleigh scattering), 라만 효과(Raman Effect), 또는 브릴루앙 효과(Brillouin Effect)를 기초로 하며, 하나 이상의 프로브 및 펌핑 신호 발산 소스(1a), 하나 이상의 검출기(1b), 및 스펙트럼 분석계로 구성된 광섬유 분산 감지 시스템(1) 또는 광섬유 분산 계측 기기와,
    시스템 측정 구성에 따라, 입/출력(2a) 포트, 또는 입력 포트(2a)와 출력 포트(2b)에 의해, 커플러(3a) 또는 커플러(3a)와 (3b)를 통해 분산 감지 시스템(1)에 연결되어 있는 감지 요소로서 사용되는 광섬유 센서(4)와,
    광섬유 센서의 끝 단에서 광섬유 센서(4)로 펌프하는 상이한 파장의 하나 이상의 펌프 레이저(5), 및 이와 결합되는 가변 개수의 반사기(6)로 구성되며, 센서 신호의 신호-대-잡음 비를 개선하고 센서 범위 또는 분산 측정 범위의 길이를 증가시키는 라만 효과 분산 증폭 시스템
    을 포함하는 것을 특징으로 하는, 광섬유의 다이내믹 레인지를 향상시키고 측정 불확실성을 감소시키기 위한 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 분산 증폭 시스템은, 광섬유 센서(4)의 양 끝단에서 단일 주파수를 갖는 라만 양방향 펌핑(Raman bidirectional pumping)을 기초로 하고, 송신된 신호는 펌프 레이저(5)의 제 1 스토크스-라만 변위의 파장에 근사한 파장을 갖는 것을 특징으로 하는, 광섬유의 다이내믹 레인지를 향상시키고 측정 불확실성을 감소시키기 위한 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 분산 증폭 시스템은 복수의 상이한 주파수를 이용하는 고차 단방향 또는 양방향 라만 펌핑을 기초로 하며, 라만 분산(Raman dispersion)에 의해, 종속 증폭(cascade amplification)이 가능하며, 송신된 신호는 저주파수 펌프 레이저(5)의 제 1 스토크스 변위의 파장에 근사하는 파장을 갖는 것을 특징으로 하는, 광섬유의 다이내믹 레인지를 향상시키고 측정 불확실성을 감소시키기 위한 시스템.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 분산 증폭 시스템은 광섬유 센서(4)나 측정 대상과 동일 선 상에 배치되는 하나 이상의 광섬유 반사기(6)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 광섬유의 다이내믹 레인지를 향상시키고 측정 불확실성을 감소시키기 위한 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 광섬유 반사기(6)는 광섬유 센서(4) 또는 측정 대상의 양 끝단에 배치되며, 이러한 방식으로, 광섬유 센서(4)가 가상 투과 매질이 되어, 뒤 이은 스토크스 차수의 종속 증폭이 발생하는 광학적 공진기(optical cavity)가 형성되는 것을 특징으로 하는, 광섬유의 다이내믹 레인지를 향상시키고 측정 불확실성을 감소시키기 위한 시스템.
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