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KR102832600B1 - 능동형 파장필터, 이를 이용한 분포형 음향 센싱 장치 및 이의 제어방법 - Google Patents

능동형 파장필터, 이를 이용한 분포형 음향 센싱 장치 및 이의 제어방법 Download PDF

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KR102832600B1
KR102832600B1 KR1020220070960A KR20220070960A KR102832600B1 KR 102832600 B1 KR102832600 B1 KR 102832600B1 KR 1020220070960 A KR1020220070960 A KR 1020220070960A KR 20220070960 A KR20220070960 A KR 20220070960A KR 102832600 B1 KR102832600 B1 KR 102832600B1
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KR
South Korea
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light
wavelength
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filter
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박형준
박시웅
여찬일
배철호
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한국수자원공사
한국전자통신연구원
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Abstract

본 개시의 일 구현예에 따르면, 광입출력부로부터 편광되지 않은 광을 입력받아 서로 직교하는 2개의 편광으로 분리하고, 상기 2개의 편광 중에서 어느 하나의 편광을 다른 편광으로 변환하여 출력하는 편광부, 상기 편광부로부터 출력되는 광을 파장에 따라 분리하여 출력하는 파장분리부, 상기 파장분리부에 의해 파장별로 분리된 광 중에서 하나 또는 이상의 파장을 선택적으로 반사하는 파장선택부를 포함하고, 상기 파장선택부에서 선택적으로 반사된 광은 상기 파장분리부와 편광부를 지나 상기 광입출력부로 출력되는, 능동형 파장필터를 제공하며, 능동형 파장필터를 포함하는 분포형 음향 센싱 장치 및 그 제어방법을 제공하고, 소자의 열화 등의 원인으로 센싱광의 파장이 변하더라도 능동형 파장필터의 통과대역을 조절하여 분포형 음향 센싱이 정상적으로 수행될 수 있다.

Description

능동형 파장필터, 이를 이용한 분포형 음향 센싱 장치 및 이의 제어방법{Active wavelength filter, distributed acoustic sensing apparatus using the same, and control method thereof}
본 개시는 능동형 파장필터, 이를 이용한 분포형 음향 센싱 장치 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
가스관, 수도관 등의 파이프라인, 도로, 철도, 시설물의 상태를 감시하기 위한 방법으로 분포형 음향 센싱 기술이 이용되고 있다. 분포형 음향 센싱 기술은 광섬유에 레이저광을 입사하고 광섬유에 힘이나 음향이 가해지는 지점에서 반사되는 후방산란광을 측정하여 시설물의 상태를 감시한다. 분포형 음향 센싱 기술은 감시대상 시설물의 길이가 수 km와 같이 긴 경우에 주로 이용된다. 따라서, 광섬유에 입력하는 레이저광의 세기가 강해야 한다. 레이저광을 증폭하면 다양한 원인에 의해 잡음이 함께 증폭되고, 잡음은 신호대잡음비를 낮추어 센싱 민감도를 낮추게 된다. 또한, 분포형 음향 센싱 장치를 구성하는 소자들이 노후화되는 경우 원하는 성능을 나타내지 못할 수 있다.
KR 10-2330484 B1
본 개시의 제1 관점은 통과대역의 중심파장과 대역폭을 변경 가능한 능동형 파장필터를 제공하는 것이다.
본 개시의 제2 관점은 레이저 광원의 중심파장에 능동형 파장필터의 통과대역의 중심파장을 일치시킬 수 있는 분포형 음향 센싱 장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 제3 관점에 따르면 레이저 광원의 중심파장 변화에 따라 능동형 파장필터의 통과대역의 중심파장을 자동으로 조절하는 분포형 음향 센싱 장치의 제어방법을 제공하는 것이다.
본 개시의 제1 관점(first aspect)에 따른 능동형 파장필터는, 광입출력부로부터 편광되지 않은 광을 입력받아 서로 직교하는 2개의 편광으로 분리하고, 상기 2개의 편광 중에서 어느 하나의 편광을 다른 편광으로 변환하여 출력하는 편광부, 상기 편광부로부터 출력되는 광을 파장에 따라 분리하여 출력하는 파장분리부, 및 상기 파장분리부에 의해 파장별로 분리된 광 중에서 하나 또는 이상의 파장을 선택적으로 반사하는 파장선택부를 포함할 수 있고, 상기 파장선택부에서 선택적으로 반사된 광은 상기 파장분리부와 편광부를 지나 상기 광입출력부로 출력될 수 있다.
일 구현예에 따른 상기 편광부는 상기 광입출력부에서 입사되는 광을 평행하게 정렬하는 콜리메이팅 렌즈, 상기 콜리메이팅 렌즈를 통과한 광을 서로 수직한 2개의 편광으로 분리하는 빔 디스플레이서, 및 상기 빔 디스플레이서가 출력하는 2개의 편광 중에서 어느 하나의 편광을 지연시켜 다른 하나의 편광과 일치시키는 반파장 지연기를 포함할 수 있다.
일 구현예에 따른 상기 파장분리부는 입사되는 광을 파장에 따라 다른 방향으로 반사하는 그레이팅을 포함할 수 있다.
일 구현예에 따른 상기 파장선택부는 상기 파장분리부에서 파장에 따라 분리된 광이 도착하는 각 화소마다 제어신호에 따라 배열이 변경되어 광을 통과 또는 차단시키는 LC 어레이, 및 상기 LC 어레이에 의해 통과된 광을 반사하는 거울을 포함할 수 있다.
본 개시의 제2 관점(second aspect)에 따른 능동형 파장필터를 포함하는 분포형 음향 센싱 장치는, 레이저광을 발생하는 광원, 상기 광원에서 출력된 광을 센싱광과 기준광으로 분할하는 제1 광커플러, 상기 제1 광커플러에서 분할된 센싱광을 변조하여 펄스 광을 출력하는 광 펄스 변조기, 상기 펄스 광을 증폭하는 광증폭기, 상기 광증폭기가 증폭한 펄스 광을 필터링하여, 통과대역의 광을 통과시키고, 상기 통과대역의 중심파장 또는 폭을 조절가능한 능동형 파장필터, 제1 단에 연결된 상기 능동형 파장필터로부터 입력되는 광을 제2 단으로 출력하고, 제2 단에 연결된 광섬유로부터 입력되는 후방산란광은 제3 단으로 출력하는 광회전기, 상기 광회전기의 제3 단으로부터 수신한 후방산란광과, 상기 제1 광커플러로부터 수신한 기준광을 결합하여 출력하는 제2 광커플러, 상기 제2 광커플러로부터 수신한 광을 전기신호로 변환하여 출력하는 광검출기, 상기 광검출기로부터 수신한 전기신호를 분석하여 광섬유에 인가되는 진동을 검출하고, 상기 능동형 파장필터의 통과대역의 중심파장 또는 폭을 조절하는 신호처리부를 포함할 수 있다.
일 구현예에 따른 상기 신호처리부는 상기 광검출기로부터 수신한 전기신호를 분석하여 상기 후방산란광의 세기가 기준값보다 작으면 상기 능동형 파장필터의 통과대역의 중심파장 조절 또는 통과대역의 폭 조절을 수행할 수 있다.
일 구현예에 따른 상기 신호처리부는 상기 능동형 파장필터의 통과대역의 중심파장을 순차적으로 변경하면서 상기 후방산란광의 세기를 측정하고, 상기 후방산란광의 크기가 가장 큰 중심파장이 상기 능동형 파장필터의 중심파장이 되도록 상기 능동형 파장필터를 제어할 수 있다.
일 구현예에 따른 상기 신호처리부는 상기 능동형 파장필터의 통과대역의 중심파장마다 통과대역의 폭을 변경하면서 상기 후방산란광의 세기를 측정하고, 상기 후방산란광의 크기가 기준값 이상이 되는 통과대역의 폭이 상기 능동형 파장필터의 통과대역의 폭이 되도록 상기 능동형 파장필터를 제어할 수 있다.
본 개시의 제3 관점(third aspect)에 따른 일 구현예에 따른 능동형 파장필터를 포함하는 분포형 음향 센싱 장치의 제어방법은, 광원에 의해 출력된 광을 광 펄스 변조기가 펄스 형태로 변조하고 광증폭기가 증폭하여 펄스 광을 생성하는 제1 단계, 능동형 파장필터가 상기 펄스 광을 필터링하는 제2 단계, 상기 능동형 파장필터를 통과한 펄스 광이 광섬유에 입력되고, 광섬유의 임의의 지점에서 생성된 후방산란광이 광검출기에 입력되어 전기신호로 변환되고, 신호처리부가 상기 전기신호를 분석하여 상기 광섬유에 인가되는 진동을 검출하는 제3 단계, 및 상기 신호처리부가 통과대역의 중심파장 또는 폭이 변경되도록 상기 능동형 파장필터를 제어하는 제4 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 따른 제4 단계는, 상기 신호처리부가 상기 광검출기로부터 수신한 전기신호를 분석하여 상기 후방산란광의 세기와 기준값을 비교하는 제4-1 단계, 및 상기 후방산란광의 세기가 기준값보다 작은 경우, 상기 신호처리부는 상기 능동형 파장필터의 통과대역의 중심파장 또는 폭을 조절하여 후방산란광의 세기가 기준값보다 크도록 조절하는 제4-2 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 따른 제4-2 단계는 상기 신호처리부가 상기 능동형 파장필터의 통과대역의 중심파장을 변경하면서 상기 후방산란광의 세기를 측정하는 단계, 상기 후방산란광의 세기가 가장 큰 중심파장이 기존의 중심파장과 일치하는지 판단하고, 가장 큰 후방산란광의 세기가 상기 기준값보다 큰지 판단하여, 중심파장 조절단계, 폭 조절 단계, 중심파장과 폭 조절 단계 중에서 어느 하나를 수행하도록 결정하는 단계, 및 중심파장 조절단계, 폭 조절단계, 중심파장과 폭 조절단계 중에서 어느 하나를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 따른 상기 중심파장 조절단계는 상기 후방산란광의 세기가 가장 큰 중심파장이 상기 능동형 파장필터의 중심파장이 되도록 상기 능동형 파장필터를 제어하는 것일 수 있다.
일 구현예에 따른 상기 폭 조절단계는 상기 능동형 파장필터의 중심파장과 인접한 파장을 더 통과시켜서, 후방산란광의 세기가 기준값 이상이 될 때의 통과대역의 폭을 상기 능동형 파장필터의 통과대역의 폭이 되도록 상기 능동형 파장필터를 제어하는 것일 수 있다.
일 구현예에 따른 상기 중심파장 및 폭 조절단계는 상기 후방산란광의 크기가 가장 큰 중심파장을 상기 능동형 파장필터의 중심파장으로 결정하고, 상기 능동형 파장필터의 중심파장과 인접한 파장에 해당하는 화소를 추가로 통과로 제어하여, 후방산란광의 세기가 기준값 이상이 될 때의 통과대역의 폭을 상기 능동형 파장필터의 통과대역의 폭이 되도록 상기 능동형 파장필터를 제어하는 것일 수 있다.
본 개시의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 개시의 제1 관점에 따르면 능동형 파장필터가 통과대역의 중심파장과 대역폭을 변경할 수 있다.
본 개시의 제2 관점에 따르면 능동형 파장필터를 이용하여 통과대역의 중심파장을 조절하여, 분포형 음향 센싱 장치의 레이저 광원의 중심파장 변화에도 센싱 민감도를 유지할 수 있다.
본 개시의 제3 관점에 따르면 분포형 음향 센싱 장치의 레이저 광원의 중심파장 변화에 따라 능동형 파장필터의 통과대역의 중심파장을 자동으로 조절할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 능동형 파장필터를 이용한 분포형 음향 센싱 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 일 구현예에 따른 능동형 파장필터를 나타내는 도면이다.
도 3은 광원 또는 필터에 의한 파장 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 필터의 종류에 따른 통과대역을 나타내는 그래프이다.
도 5는 필터의 종류에 따른 분포형 광음향 센싱 장치의 출력을 비교하는 그래프이다.
도 6은 일 구현예에 따른 능동형 파장필터의 통과대역의 중심파장 변경을 나타내는 그래프이다.
도 7은 일 구현예에 따른 능동형 파장필터의 통과대역의 폭 변경을 나타내는 그래프이다.
도 8은 일 구현예에 따른 능동형 파장필터를 포함하는 분포형 음향 센싱 장치의 제어방법의 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 9는 일 구현예에 따른 능동형 파장필터를 제어하는 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 10은 일 구현예에 따른 후방산란광의 크기가 기준값보다 크도록 제어하는 단계를 나타내는 흐름도이다.
본 개시의 목적, 장점, 및 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 구현예들로부터 더욱 명백해질 것이나, 본 개시가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도면의 구성요소들에 참조부호를 부여함에 있어서, 동일한 구성 요소들은 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조부호가 부여되고, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조부호가 부여됨에 유의하여야 한다.
본 개시의 일 구현예를 설명하기 위해 사용한 용어는 본 개시를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 달리 명시하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다는 것을 알아야 한다.
도면은 구현예의 설명을 위하여 개략적이거나 과장되어 표시될 수 있다.
본 문서에서, "가진다," "가질 수 있다," "포함한다," 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징(예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 개시의 일 구현예를 상세히 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 능동형 파장필터(50)를 이용한 분포형 음향 센싱 장치(1)를 나타내는 도면이다. 도 1에서 전기적 신호(Electrical signal)는 점선으로 도시하고, 광 신호(Optical signal)은 실선으로 도시한다.
본 개시의 일 구현예에 따른 능동형 파장필터(50)를 포함하는 분포형 음향 센싱 장치(1)는 광원(Light source, 10), 제1 광커플러(Light coupler, 21), 광 펄스 변조기(Light pulse modulator, 30), 광증폭기(Light amplifier, 40), 능동형 파장필터(active wavelength filter, 50), 광회전기(Light circulator, 60), 광섬유(Optical fiber, 70), 제2 광커플러(22), 광검출기(Photo detector, 80), 신호처리부(Signal processing unit, 90)를 포함할 수 있다.
광원(10)은 연속 출력 레이저광을 발생할 수 있다. 광원(10)은 레이저 발진기를 포함할 수 있다. 광원(10)은 수 kHz 이하의 선폭(Linewidth)을 갖는 고간섭성 레이저광을 발생할 수 있다. 광원(10)은 편광되지 않은 레이저광을 발생할 수 있다.
제1 광커플러(21)는 광원(10)에서 출력된 광을 센싱광과 기준광으로 분할할 수 있다. 센싱광은 광섬유(70)로 입력되어 광섬유(70)에 인가되는 진동에 의해 후방산란광을 생성하고, 기준광은 후방산란광을 이용하여 진동을 검출하기 위한 기준을 제공한다. 제1 광커플러(21)는 제1 단(21a)이 광원(10)과 연결되고 제2 단(21b)이 광 펄스 변조기(30)로 연결되며, 제3 단(21c)이 제2 광커플러(22)로 연결될 수 있다. 제1 광커플러(21)는 광원(10)에서 출력된 광을 제1 단(21a)으로 입력받고, 광의 10%를 기준광으로서 제3 단(21c)으로 출력하고, 광의 90%를 센싱광으로서 제2 단(21b)으로 출력할 수 있다.
광 펄스 변조기(30)는 제1 광커플러(21)에서 분할된 센싱광을 변조하여 펄스 광을 출력할 수 있다. 광 펄스 변조기(30)는 음향광학 변조기(Acousto-Optic Modulator, AOM)를 포함할 수 있다. 센싱광은 광 펄스 변조기(30)를 통과하면서 펄스 광으로 변조될 수 있다. 광 펄스 변조기(30)는 펄스 광을 광증폭기(40)로 출력할 수 있다.
광증폭기(40)는 펄스 광을 증폭할 수 있다. 광증폭기(40)는 어븀 첨가 광섬유 증폭기(Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA)를 포함할 수 있다. 광증폭기(40)는 증폭된 펄스 광을 능동형 파장필터(50)로 출력할 수 있다. 증폭된 펄스 광은 자연 증폭 방출(Amplified Spontaneous Emission, ASE) 노이즈를 포함할 수 있다. 자연 증폭 방출 노이즈는 펄스 광의 배경 노이즈 영역을 증가시켜 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)을 낮추는 원인이 된다. 자연 증폭 방출 노이즈는 광증폭기(40)에서 펄스 광이 증폭되면서 생성될 수 있다.
능동형 파장필터(50)는 광증폭기(40)가 증폭한 펄스 광을 필터링하여, 통과대역의 광을 통과시킬 수 있다. 능동형 파장필터(50)는 통과대역의 중심파장을 조절할 수 있다. 능동형 파잘필터는 통과대역의 폭을 조절할 수 있다. 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 중심파장은 광원(10)의 중심파장에 대응하도록 조절될 수 있다. 통과대역의 폭은 센싱광의 크기가 충분히 크도록 조절될 수 있다. 능동형 파장필터(50)는 광증폭기(40)에서 발생하는 노이즈 및 배경 노이즈를 제거할 수 있다. 예를 들어, 능동형 파장필터(50)는 자연 증폭 방출 노이즈를 제거할 수 있다. 능동형 파장필터(50)의 구체적인 설명은 후술한다. 능동형 파장필터(50)를 통과하여 노이즈가 제거된 펄스 광은 광회전기(60)로 출력될 수 있다. 능동형 파장필터(50)를 통과한 펄스 광은 좁은 선폭을 가질 수 있다. 좁은 선폭을 갖는 펄스 광은 고간섭성을 갖기 때문에 후방산란광을 이용한 측정에 적합하다.
광회전기(60)는 제1 단(60a)에 연결된 능동형 파장필터(50)로부터 입력되는 센싱광을 제2 단(60b)으로 출력하고, 제2 단(60b)에 연결된 광섬유(70)로부터 입력되는 후방산란광은 제3 단(60c)으로 출력할 수 있다. 광회전기(60)는 광섬유(70) 회전기(Optical fiber Circulator, OC)를 포함할 수 있다. 광회전기(60)의 제1 단(60a)은 능동형 파장필터(50)와 연결되고, 제2 단(60b)은 광섬유(70)와 연결되고, 제3 단(60c)은 제2 광커플러(22)와 연결될 수 있다.
제2 광커플러(22)는 광회전기(60)의 제3 단(60c)으로부터 수신한 후방산란광과, 제1 광커플러(21)로부터 수신한 기준광을 결합하여 출력할 수 있다. 제2 광커플러(22)의 제1 단(22a)은 제1 광커플러(21)의 제3 단(21c)과 연결되고, 제2 단(22b)은 광회전기(60)의 제3 단(60c)과 연결될 수 있다. 제2 광커플러(22)의 제3 단(22c)과 제4 단(22d)은 광검출기(80)로 연결될 수 있다. 제2 광커플러(22)는 제1 단(22a)으로부터 입력된 기준광과 제2 단(22b)으로부터 입력된 후방산란광을 결합한 광의 50%를 제3 단(22c)으로 출력하고, 50%를 제4 단(22d)으로 출력할 수 있다.
광검출기(80)는 제2 광커플러(22)로부터 수신한 광을 전기신호로 변환하여 출력할 수 있다. 광검출기(80)는 균형 광검출기(Balanced Photo Detector)를 포함할 수 있다. 광검출기(80)는 제2 광커플러(22)로부터 수신한 광에서 후방산란광의 간섭 패턴을 반영하는 전기신호를 생성할 수 있다. 광검출기(80)는 후방산란광의 패턴 정보를 포함하는 전기신호를 신호처리부(90)로 출력할 수 있다.
신호처리부(90)는 광검출기(80)로부터 수신한 전기신호를 분석하여 광섬유(70)에 인가되는 진동을 검출할 수 있다. 펄스 광이 입력된 광섬유(70)의 임의의 지점에 진동 또는 음향이 가해지면 광섬유(70)의 해당 부분에서 후방산란광이 발생할 수 있다. 신호처리부(90)는 후방산란광 중에서 레일리 후방산란광을 이용하여 분석할 수 있다. 신호처리부(90)는 전기신호를 분석하여 광섬유(70)의 어느 지점에 진동 또는 음향이 가해졌는지 인식할 수 있다.
신호처리부(90)는 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 중심파장 또는 폭을 조절할 수 있다. 신호처리부(90)는 능동형 파장필터(50)에 제어신호를 출력할 수 있고, 능동형 파장필터(50)는 제어신호에 따라 동작하여 통과대역의 중심파장을 이동하거나, 통과대역의 폭을 넓히거나 좁힐 수 있다.
WDM(Wavelength division multiplexing) 또는 FBG(Fiber Bragg Grating) 등의 수동형 파장필터는 통과대역의 중심파장이나 폭을 조절할 수 없다. 그리고 수동형 파장필터를 장기간 사용하면 열화되어 특성이 달라질 수 있다. 열화된 수동형 파장필터는 통과대역의 중심파장이나 폭이 달라질 수 있다. 열화된 수동형 파장필터는 노이즈가 필터를 통과하여 신호대잡음비가 증가할 수 있다. 또는, 펄스 광의 일부가 열화된 수동형 파장필터를 통과하지 못하여 광섬유(70)에 입력되는 센싱광의 세기가 작아질 수 있다. 그리고, 광원(10)도 열화 또는 그 밖의 원인에 의해 방출하는 광의 파장이 달라질 수 있다. 광원(10)이 방출하는 광의 파장이 달라지면 열화된 수동형 파장필터에 의해 일부 광이 차단되어 광섬유(70)에 입력되는 광의 세기가 작아질 수 있다. 광섬유(70)에 입력되는 센싱광의 세기가 작아지면 분포형 음향 센싱 장치(1)의 민감도가 낮아질 수 있다. 이와 같이, 수동형 파장필터는 분포형 음향 센싱 장치(1)를 구성하는 소자의 열화 등에 따른 파장변화에 대응하기 어렵다.
이에 비하여, 능동형 파장필터(50)는 분포형 음향 센싱 장치(1)를 구성하는 소자의 변화에 의해 펄스 광의 파장이 달라지더라도 통과대역의 중심파장 또는 폭을 조절하여 대응할 수 있으므로, 분포형 음향 센싱 장치(1)의 성능을 유지할 수 있다.
신호처리부(90)는 프로세서(Processor), 메모리(Memory), 버스(Bus)를 포함할 수 있다. 신호처리부(90)는 광검출기(80)에서 수신되는 전기신호를 디지털 데이터로 변환하는 회로를 더 포함할 수 있다. 프로세서는 정보처리기능을 갖는 다양한 방식의 반도체 소자를 포함할 수 있다. 메모리는 데이터 및 프로그램 코드를 저장할 수 있다. 버스는 프로세서와 메모리 사이에서 데이터 송수신을 중계하고, 외부 컴퓨터 장치와 데이터 송수신을 중계할 수 있다. 신호처리부(90)는 메모리에 저장된 프로그램 코드가 프로세서에 의해 구동되는 방식으로 구현될 수 있다. 메모리에 저장된 프로그램 코드는 전기신호를 분석하여 진동을 검출하는 기능, 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 중심파장 또는 폭을 조절하는 기능을 수행하도록 작성될 수 있다. 메모리에 저장된 프로그램 코드는 본 개시의 일 구현예에 따른 능동형 파장필터를 포함하는 분포형 음향 센싱 장치의 제어방법을 수행하도록 작성될 수 있다. 신호처리부(90)는 컴퓨터, PC, 서버, PLC, 그 밖의 다양한 정보처리장치에 포함되거나, 독립된 정보처리장치로 구현될 수 있다.
도 2는 일 구현예에 따른 능동형 파장필터(50)를 나타내는 도면이다.
능동형 파장필터(50)는 파장분리부(53), 파장선택부(54)를 포함할 수 있다. 능동평 파장필터는 편광부(52)를 더 포함할 수 있다.
편광부(52)는 광입출력부(51)로부터 편광되지 않은 광을 입력받아 서로 직교하는 2개의 편광으로 분리하고, 2개의 편광 중에서 어느 하나의 편광을 다른 편광으로 변환하여 출력할 수 있다.
편광부(52)는 광입출력부(51)에서 입사되는 광을 평행하게 정렬하는 콜리메이팅 렌즈(52a), 콜리메이팅 렌즈(52a)를 통과한 광을 서로 수직한 2개의 편광으로 분리하는 빔 디스플레이서(52b), 및 빔 디스플레이서(52b)가 출력하는 2개의 편광 중에서 어느 하나의 편광을 지연시켜 다른 하나의 편광과 일치시키는 반파장 지연기(52c)를 포함할 수 있다. 편광부(52)는 편광을 파장분리부(53)의 그레이팅(53a)으로 진입시키는 제1 렌즈(52d)를 더 포함할 수 있다.
광입출력부(51)는 광섬유(70)를 포함할 수 있다. 광입출력부(51)는 입력단이 광증폭기(40)와 연결될 수 있다. 광증폭기(40)에서 출력되는 증폭된 펄스 광은 광입출력부(51)의 입력단으로 입력되어 콜리메이팅 렌즈(52a)로 출력될 수 있다. 콜리메이팅 렌즈(52a)는 펄스 광을 평행하게 정렬하여 빔 디스플레이서(52b)로 제공할 수 있다.
빔 디스플레이서(52b)는 편광되지 않은 광을 서로 수직한 2개의 편광으로 분리할 수 있다. 2개의 편광은 광축(optic axis)에 대해 수직인 편광과 수평인 편광이다.
반파장 지연기(52c)는 빔 디스플레이서(52b)가 출력하는 2개의 편광 중에서 어느 하나가 출력되는 부분에 배치될 수 있다. 반파장 지연기(52c)는 광축에 수평인 편광이 출력되는 부분에 배치되어, 광축에 수평인 편광을 광축에 수직인 편광으로 변경하여 출력할 수 있다.
제1 렌즈(52d)는 이미지 렌즈(Image Lens)를 포함할 수 있다. 제1 렌즈(52d)는 빔 디스플레이서(52b)와 반파장 지연기(52c)를 통과한 광을 파장분리부(53)의 그레이팅(53a)으로 진입시킬 수 있다.
정리하면, 입출력부의 입력단으로부터 입력되는 광은 콜리메이팅 렌즈(52a)를 통과하며 평행하게 정렬되고 빔 디스플레이서(52b)를 통과하며 광축에 대해 수직인 편광과 수평인 편광으로 분리되고 광축에 대해 수평인 편광은 반파장 지연기(52c)를 통과하며 광축에 대해 수직인 편광으로 변경되어, 광축에 대해 수직인 편광이 제1 렌즈(52d)를 통해 파장분리부(53)로 출력될 수 있다.
파장분리부(53)는 편광부(52)로부터 출력되는 광을 파장에 따라 분리하여 출력할 수 있다. 파장분리부(53)는 광을 파장에 따라 분리하여 파장선택부(54)로 제공할 수 있다.
파장분리부(53)는 그레이팅(53a)을 포함할 수 있다. 파장분리부(53)는 제2 렌즈(53b)를 더 포함할 수 있다.
그레이팅(53a)은 입사되는 광을 파장에 따라 다른 방향으로 반사할 수 있다. 그레이팅(53a)은 반사형 회절 격자를 포함할 수 있다. 그레이팅(53a)은 입력된 광을 파장별로 분광하여 출력할 수 있다. 편광부(52)에서 출력된 광은 그레이팅(53a)에 도달하고 파장에 따라 다른 방향으로 반사되어 제2 렌즈(53b)를 통해 파장선택부(54)에 도달할 수 있다. 편광부(52)에서 출력된 광은 동일한 편광을 갖고, 그레이팅(53a)에 의해 파장에 따라 다른 방향으로 반사될 수 있다. 파장에 따라 다른 방향으로 반사된 광은 제2 렌즈(53b)를 통과하면서 동일한 파장의 광은 LC 어레이(54a)의 동일한 화소(pixel)에 도달할 수 있다. 예를 들어, 세개의 제1 파장의 광(λ1)은 LC 어레이(54a)의 임의의 화소에 도달하고, 세개의 제2 파장의 광(λ2)은 LC 어레이(54a)의 다른 화소에 도달하며, 세개의 제3 파장의 광(λ3)은 LC 어레이(54a)의 또 다른 화소에 도달할 수 있다.
파장선택부(54)는 파장분리부(53)에 의해 파장별로 분리된 광 중에서 하나 또는 이상의 파장을 선택적으로 반사할 수 있다.
파장선택부(54)는 파장분리부(53)에서 파장에 따라 분리된 광이 도착하는 각 부분마다 제어신호에 따라 배열이 변경되어 광을 통과 또는 차단시키는 LC 어레이(54a), 및 LC 어레이(54a)에 의해 통과된 광을 반사하는 거울(54b)을 포함할 수 있다.
LC 어레이(Liquid Crystal Array, 54a)는 신호처리부(90)로부터 인가되는 제어신호에 따라 액정의 배향이 변화할 수 있다. LC 어레이(54a)는 제어신호에 따라 화소(pixel) 단위로 액정의 배향을 변화시킬 수 있다. LC 어레이(54a)의 각 화소에는 서로 다른 파장의 광이 도달한다. 화소의 크기가 작을수록 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 중심파장과 폭을 정밀하게 조절할 수 있다. LC 어레이(54a)의 임의의 화소에 제어신호를 인가하여 액정의 배향을 변경시키면 광이 차단되고, 액정의 배향을 변경하지 않으면 광이 통과할 수 있다. 또는, LC 어레이(54a)는 액정을 배향을 변경시키면 광이 통과하고, 액정의 배향을 변경하지 않으면 광이 차단되도록 구성될 수 있다. 본 명세서는 LC 어레이(54a)의 액정의 배향을 변경시키면 광이 차단되는 방식을 기준으로 설명한다.
LC 어레이(54a)의 각 화소에 제어신호가 인가되어 위상의 기울기를 변경시켜 파장별로 반사되는 광의 세기를 조절할 수도 있다. LC 어레이(54a)는 원하는 세기의 제어신호를 인가하여 임의의 화소에서 통과하는 광의 양을 조절할 수 있다. 예를 들어, LC 어레이(54a)는 제1 파장의 광이 도달한 화소는 액정의 배향을 변경하지 않고 그대로 두어 제1 파장의 광을 통과시키고, 제2 파장의 광이 도달한 화소는 액정의 배향을 변경하여 제2 파장의 광을 차단하고, 제3 파장의 광이 도달한 화소는 액정의 배향을 원하는 정도로 변경하여 제3 파장의 광을 일부만 통과시킬 수 있다. 즉, LC 어레이(54a)는 파장별로 광의 반사 여부 및 반사되는 세기를 조절할 수 있다.
거울(54b)은 LC 어레이(54a)를 통과한 광을 반사할 수 있다. 거울(54b)은 LC 어레이(54a)에 나란히 배치될 수 있다. 거울(54b)은 레이저광의 파장을 반사시키는 재질로 이루어질 수 있다. LC 어레이(54a)를 통과한 광은 거울(54b)에 반사되어 다시 LC 어레이(54a)를 통과하여 파장분리부(53)로 진입할 수 있다.
정리하면, LC 어레이(54a)는 신호처리부(90)의 제어신호에 따라 각 파장의 광이 도달한 화소의 액정의 배향을 조절하여 광을 통과, 차단, 또는 일부 통과시키고, LC 어레이(54a)를 통과한 광은 거울(54b)에 의해 반사되어 다시 LC 어레이(54a)를 통과하여 파장분리부(53)로 출력될 수 있다.
파장선택부(54)에서 선택적으로 반사된 광은 입사되는 경로와 같은 경로를 통해 광입출력부(51)로 향한다. 광입출력부(51)의 출력단은 광회전기(60)의 제1 단으로 연결될 수 있다. 파장선택부(54)는 파장을 최소 0.05 nm 간격 또는 그 이하의 간격으로 조절할 수 있다. 능동형 파장필터(50)는 파장 가변 필터, 분산보상기, 다채널 레이저 등 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.
도 3은 광원(10) 또는 필터에 의한 파장 변화를 나타내는 그래프이다. 도 3은 수동형 파장필터(WDM 필터(Wavelength Division Multiplexing filter) 및 FBG 필터(Fiber Bragg Grating filer)와 본 개시의 일구현예에 따른 능동형 파장필터(50)를 시험한 결과이다.
분포형 음향 센싱 장치(1)의 광원(10)과 필터는 열화에 의해 성능이 달라질 수 있다. 광원(10)이 열화되면 레이저광의 중심파장이 달라질 수 있다. 필터가 열화되면 통과대역의 중심파장 또는 폭이 달라질 수 있다. 도 3에서 정상상태는 광원(10)이나 필터가 열화되지 않은 상태에서 위치(Location)에 따른 후방산란광의 세기(Amplitude)를 나타낸다. 광원(10) 열화 상태는 광원(10)이 열화되어 레이저광의 중심파장에 변화가 존재하는 상태에서 위치에 따른 후방산란광의 세기를 나타낸다. 필터 열화 상태는 수동형 파장필터가 열화되어 통과대역의 중심파장 또는 폭에 변화가 존재하는 상태에서 위치에 따른 후방산란광의 세기를 나타낸다.
정상 상태에서 수동형 파장필터와 능동형 파장필터(50) 이용시, 모두 위치에 따른 후방산란광의 세기가 측정된다. 광원(10)이 출력하는 레이저광의 중심파장과 필터의 중심파장이 일치하므로 센싱광이 정상적으로 광섬유(70)에 진입하기 때문이다.
광원 열화 상태에서 수동형 파장필터(WDM 필터 및 FBG 필터)를 이용시, 위치에 관계없이 후방산란광의 세기가 매우 작게 측정된다. 광원(10)의 열화에 의해 레이저광의 중심파장이 달라지고, 필터가 정상인 상태에서는 레이저광이 수동형 파장필터를 통과하지 못한다. 따라서 광섬유(70)에 센싱광의 대부분이 진입하지 못하여, 후방산란광이 약한 세기로 측정된다.
반면, 광원 열화 상태에서 능동형 파장필터(50)를 이용시, 위치에 따른 후방산란광의 세기가 측정된다. 광원(10)의 열화에 의해 레이저광의 중심파장이 달라지더라도, 능동형 파장필터(50)는 통과대역의 중심파장 또는 폭을 달라진 레이저광의 중심파장에 맞추기 때문에 레이저광이 수동형 파장필터를 통과할 수 있다. 따라서 광섬유(70)에 센싱광이 정상적으로 진입하므로 후방산란광이 측정될 수 있다.
필터 열화 상태에서 수동형 파장필터(WDM 필터 및 FBG 필터)가 열화된 경우, 위치에 관계없이 후방산란광의 세기가 매우 작게 측정된다. 광원(10)에서 출력되는 레이저광의 중심파장이 변하지 않고 수동형 파장필터의 열화에 의해 통과대역의 중심파장 또는 폭이 달라지는 경우, 레이저광이 수동형 파장필터를 통과하지 못한다. 따라서 광섬유(70)에 센싱광의 대부분이 진입하지 못하여, 후방산란광 약한 세기로 측정된다.
반면, 필터 열화 상태에서 능동형 파장필터(50)를 이용시, 위치에 따른 후방산란광의 세기가 측정된다. 능동형 파장필터(50)는 통과대역의 중심파장이나 폭이 달라지더라도, 통과대역의 중심파장 또는 폭을 다시 조절하여 레이저광의 중심파장에 맞추기 때문에 레이저광이 수동형 파장필터를 통과할 수 있다. 따라서 광섬유(70)에 센싱광이 정상적으로 진입하므로 후방산란광이 측정될 수 있다.
열화 이외에, 온도 변화나 충격 등의 다양한 외부 요인으로 광원(10)의 중심파장이 필터의 중심파장과 정확히 일치하지 않는 경우가 발생할 수 있다. 본 개시와 같이 능동형 파장필터(50)를 이용하면 필터의 중심파장을 변경할 수 있으므로 분포형 음향 센싱 장치(1)가 정상적으로 동작할 수 있다.
설명한 바와 같이, 능동형 파장필터(50)를 분포형 음향 센싱 장치(1)에 이용하고, 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 중심파장과 폭을 조절함으로써, 분포형 음향 장치를 구성하는 소자들이 열화되더라도 분포형 음향 장치가 정상적인 기능을 수행할 수 있다.
도 4는 필터의 종류에 따른 통과대역을 나타내는 그래프이다. 도 4는 WDM 필터(100 GHz DWDM 필터), FBG 필터(Athermal packaged FBG 필터), 본 개시에 따른 능동형 파장필터(50)의 통과대역을 나타낸다. 도 4는 광폭광원(Broadband Light Source)과 광스펙트럼 분석기를 이용하여 파장필터들을 비교한 결과이다.
FBG 필터의 통과대역의 폭은 0.25 nm 이고, WDM 필터의 통과대역의 폭은 0.69 nm 이며, 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 폭은 0.075 nm 이다. 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 폭이 가장 좁다. 즉, 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 폭이 좁은 특성은 분포형 음향 센싱 장치(1)에서 자연 증폭 방출 노이즈를 효과적으로 제거하여 신호대잡음비를 높일 수 있다.
도 5는 필터의 종류에 따른 분포형 광음향 센싱 장치의 출력을 비교하는 그래프이다. 도 5는 수동형 파장필터(WDM 필터 및 FBG 필터)와 능동형 파장필터(50)를 이용시, 위치에 따른 후방산란광의 세기를 나타낸다. 신호 레벨은 후방산란광의 세기의 최저값부터 최대값까지의 범위이고, 노이즈 레벨은 노이즈 세기의 최저값부터 최대값까지의 범위이다.
WDM 필터의 경우 신호 레벨(Signal level)이 11,599, 노이즈 레벨(Noise level)이 5,378, 신호대잡음비는 6.67 dB이다. FBG 필터의 경우 신호 레벨이 9,074, 노이즈 레벨이 2,800, 신호대잡음비가 10.21 dB 이다. 본 개시에 따른 능동형 파장필터(50)의 경우 신호 레벨이 14,401, 노이즈 레벨이 3,811, 신호대잡음비는 11.55 dB 이다. 비교하면, 능동형 파장필터(50)는 통과대역 폭이 좁은 특성을 갖기 때문에, 가장 좋은 신호대잡음비 성능을 나타낸다.
도 6은 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 중심파장 변경을 나타내는 그래프이다.
능동형 파장필터(50)는 통과대역의 중심파장을 변경할 수 있다. 도 6에서는 통과대역의 중심파장이 약 1550.3 nm 에서 1553.4 nm 까지 약 0.18 nm 간격으로 변경되는 것을 나타낸다. 이와 같이, 능동형 파장필터(50)는 미세한 중심파장의 변화에도 대응할 수 있도록 중심파장을 미세하게 조절할 수 있다. 능동형 파장필터(50)는 도 6에 도시된 것에 한정되지 않고, 다양한 범위에서 중심파장을 변경할 수 있고 더 미세하게 중심파장을 변경할 수 있다.
광원(10)의 중심파장이 외부 요인 또는 열화 등의 다양한 원인에 의해 달라질 경우, 수동형 파장필터는 센싱광을 통과시키지 못해 분포형 음향 센싱 장치(1)가 정상적으로 작동하지 못하지만, 능동형 파장필터(50)는 중심파장을 조절하여 광원(10)의 중심파장이 달라지더라도 가간섭성을 유지할 수 있다.
도 7은 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 폭 변경을 나타내는 그래프이다.
일반적으로 센싱광의 선폭이 작을수록 가간섭성이 높아져 노이즈가 저감된다. 그러나 후방산란광이 충분한 세기를 갖기 위해서는 센싱광의 세기도 중요한 요소이다. 능동형 파장필터(50)는 센싱광이 충분한 세기를 갖기 위하여 통과대역의 폭을 조절할 수 있다. 광원(10)에서 출력되는 레이저광의 세기가 작아지거나, 광증폭기(40)에서 증폭되는 펄스 광의 세기가 작아지는 등의 다양한 원인으로 센싱광의 세기가 충분하지 않을 경우, 능동형 파장필터(50)는 통과대역의 폭을 증가시켜 충분한 세기의 센싱광이 통과하도록 조절할 수 있다.
능동형 파장필터(50)는 임의의 화소에 도달하는 파장의 광만을 통과시킬 수 있다. 능동형 파장필터(50)에서 파장이 약 1551.9 nm 인 광이 도달하는 화소를 통과로 제어하면 도 7에서 제1 통과대역(PB1)과 같은 형태가 될 수 있다. 능동형 파장필터(50)에서 파장이 1551.7 nm인 광과 1552.1 nm 인 광이 도달하는 화소를 통과로 제어하면 도 7에서 제2 통과대역(PB2)과 같은 형태가 될 수 있다. 능동형 파장필터(50)의 복수의 화소에 도달하는 광을 통과시키면 제3 통과대역(PB3), 제4 통과대역(PB4), 제5 통과대역(PB5 )과 같이 통과대역의 폭이 점차 넓어질 수 있다.
도 8은 일 구현예에 따른 능동형 파장필터(50)를 포함하는 분포형 음향 센싱 장치(1)의 제어방법의 단계를 나타내는 흐름도이다. 도 1을 함께 참조한다.
능동형 파장필터(50)를 포함하는 분포형 음향 센싱 장치(1)의 제어방법은, 광원(10)에 의해 출력된 광을 광 펄스 변조기(30)가 펄스 형태로 변조하고 광증폭기(40)가 증폭하여 펄스 광을 생성하는 제1 단계(S1), 능동형 파장필터(50)가 상기 펄스 광을 필터링하는 제2 단계(S2), 상기 능동형 파장필터(50)를 통과한 펄스 광이 광섬유(70)에 입력되고, 광섬유(70)의 임의의 지점에서 생성된 후방산란광이 광검출기(80)에 입력되어 전기신호로 변환되고, 신호처리부(90)가 상기 전기신호를 분석하여 상기 광섬유(70)에 인가되는 진동을 검출하는 제3 단계(S3), 및 신호처리부(90)가 통과대역의 중심파장 또는 폭이 변경되도록 상기 능동형 파장필터(50)를 제어하는 제4 단계(S4)를 포함할 수 있다.
제1 단계(S1)는 능동형 파장필터(50)에 센싱광을 입력하기 이전의 과정이다. 제1 단계(S1)에서 광원(10)은 레이저 광을 생성하여 광 펄스 변조기(30)로 제공하고, 광 펄스 변조기(30)는 레이저 광을 펄스 형태로 변조하여 펄스 광을 광증폭기(40)로 출력하고, 광증폭기(40)는 펄스 광을 증폭하여 능동형 파장필터(50)로 출력할 수 있다. 제1 단계(S1)에서 광원(10)과 광 펄스 변조기(30) 사이에 연결된 제1 광커플러(21)에 의해 레이저광의 일부가 기준광으로서 제2 광커플러(22)로 분리되고, 나머지가 센싱광으로서 광 펄스 변조기(30)로 입력될 수 있다.
제2 단계(S2)에서, 능동형 파장필터(50)는 통과대역에 포함되는 광을 통과시키고, 통과대역에서 벗어나는 광을 차단하여 자연 증폭 방출 잡음을 차단할 수 있다.
제3 단계(S3)는 광섬유(70)에 입력된 센싱광이 광섬유(70)를 통과하면서 생성된 후방산란광을 측정하여 광섬유(70)에 진동이 가해지는 위치를 산출하는 것이다. 능동형 파장필터(50)를 통과한 센싱광은 광회전기(60)를 통해 광섬유(70)로 입력되고, 광섬유(70)에서 광회전기(60)로 입력되는 후방산란광은 광검출기(80)로 출력되어 광검출기(80)가 후방산란광에 대응하는 전기신호를 생성할 수 있다. 신호처리부(90)는 광검출기(80)가 출력한 전기신호를 분석하여 광섬유(70)의 어느 지점에서 진동이 가해졌는지 산출할 수 있다.
제4 단계(S4)는 신호처리부(90)가 자동으로 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 중심파장 또는 폭을 조절하는 것이다. 신호처리부(90)는 광검출기(80)로부터 수신한 전기신호를 분석하여 후방산란광의 세기가 기준값보다 작으면 상기 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 중심파장 조절 또는 통과대역의 폭 조절을 수행할 수 있다. 신호처리부(90)는 펄스 광을 생성하도록 광원(10), 광 펄스 변조기(30), 증폭기를 제어하는 것과 독립적으로 능동형 파장필터(50)를 제어하는 단계를 수행할 수 있다. 또는 신호처리부(90)는 정해진 시간마다 능동형 파장필터(50)를 제어하는 단계를 수행할 수도 있다.
후방산란광의 세기가 기준값보다 낮게 측정되는 경우 신호처리부(90)는 자동으로 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 중심파장 또는 폭을 조절하고, 다시 정상적으로 분포형 음향 센싱을 수행할 수 있다.
도 9는 일 구현예에 따른 능동형 파장필터를 제어하는 단계를 나타내는 흐름도이다.
능동형 파장필터를 제어하는 제4 단계(S4)는, 신호처리부(90)가 광검출기(80)로부터 수신한 전기신호를 분석하여 후방산란광의 세기와 기준값을 비교하는 제4-1 단계(S41), 및 후방산란광의 세기가 기준값보다 작은 경우, 신호처리부(90)는 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 중심파장 또는 폭을 조절하여 후방산란광의 세기가 기준값보다 크도록 조절하는 제4-2 단계(S42)를 포함할 수 있다.
제4-1 단계(S41)에서, 기준값은 분포형 음향 센싱이 정상적으로 동작하기 위하여 필요한 값으로 정해질 수 있다. 신호처리부는 후방산란광의 세기와 기준값을 비교한다. 후방산란광의 세기가 기준값보다 큰 경우(Y), 정상상태(S4-3)이므로 일반적인 분포형 음향 센싱을 계속 수행할 수 있다. 후방산란광의 세기가 기준값보다 작은 경우(N), 분포형 음향 센싱을 수행하기 적합하지 않으므로 능동형 파장필터(50)를 조절하는 동작을 수행할 수 있다. 후방산란광의 세기가 기준값보다 작으면 광섬유(70)에 인가된 진동의 위치를 인식하기 어렵기 때문이다.
제4-2 단계(S42)는 신호처리부(90)가 능동형 파장필터(50)를 조절하는 것이다. 신호처리부(90)는 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 중심파장을 다른 파장으로 이동하거나, 통과대역의 폭을 늘려서 능동형 파장필터(50)를 통과하는 펄스 광의 세기를 증가시켜서 후방산란광의 세기를 증가시킨다.
도 10은 일 구현예에 따른 후방산란광의 크기가 기준값보다 크도록 제어하는 단계를 나타내는 흐름도이다.
제4-2 단계(S42)는, 신호처리부(90)가 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 중심파장을 변경하면서 후방산란광의 세기를 측정하는 단계(S421), 후방산란광의 세기가 가장 큰 중심파장이 기존의 중심파장과 일치하는지 판단하고, 큰 후방산란광의 세기가 기준값보다 큰지 판단하여, 중심파장 조절단계(S423a), 폭 조절단계(S423b), 중심파장과 폭 조절 단계 중에서 어느 하나를 수행하도록 결정하는 단계(S422), 및 중심파장 조절단계(S423a), 폭 조절단계(S423b), 중심파장과 폭 조절단계(S423c) 중에서 어느 하나를 수행하는 단계(S423)를 포함할 수 있다.
제4-2 단계(S42)에서, 신호처리부(90)는 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 중심파장을 순차적으로 변경하면서 후방산란광의 세기를 측정하고, 후방산란광의 크기가 가장 큰 중심파장이 능동형 파장필터(50)의 중심파장이 되도록 능동형 파장필터(50)를 제어할 수 있다. 제4-2 단계(S42)에서, 신호처리부(90)는 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 중심파장마다 통과대역의 폭을 변경하면서 후방산란광의 세기를 측정하고, 후방산란광의 크기가 기준값 이상이 되는 통과대역의 폭이 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 폭이 되도록 능동형 파장필터(50)를 제어할 수 있다.
중심파장을 변경하면서 후방산란광의 세기를 측정하는 단계(S421)는, 신호처리부(90)가 능동형 파장필터(50)의 중심파장을 순차적으로 또는 미리 정해진 순서에 따라 변경하면서 후방산란광의 세기를 측정하여 저장하는 것이다. 이때 능동형 파장필터(50)의 중심파장의 간격은 LC 어레이(54a)의 가장 작은 화소 크기에 따라 달라질 수 있다. 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 중심파장마다 후방산란광의 크기를 측정하면, 후방산란광의 크기가 가장 크게 측정되는 중심파장이 무엇인지 알 수 있다.
중심파장 조절단계(S423a), 폭 조절단계(S423b), 중심파장과 폭 조절 단계 중에서 어느 하나를 수행하도록 결정하는 단계(S422)는 후방산란광의 세기가 가장 큰 중심파장이 기존의 중심파장과 일치하는지 판단하는 중심파장 일치 테스트를 포함할 수 있다. 중심파장 일치 테스트는 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 중심파장을 변경할 필요가 있는지 판단하기 위하여 수행될 수 있다. 중심파장 일치 테스트는 능동형 파장필터(50)의 기존의 중심파장과, 중심파장을 변경하면서 후방산란광을 측정하는 단계(S421)에서 측정된 후방산란광의 세기가 가장 큰 중심파장이 일치하는지 판단한다. 기존의 중심파장과 후방산란광의 세기가 가장 큰 중심파장이 일치하는 경우(Y)라면, 중심파장을 변경할 필요가 없으나, 일치하지 않는 경우(N), 중심파장을 변경할 필요가 있다.
결정하는 단계(S422)는 가장 큰 후방산란광의 세기가 기준값보다 큰지 판단하는 후방산란광 세기 테스트를 포함할 수 있다. 후방산란광 세기 테스트는 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 폭을 변경할 필요가 있는지 판단하기 위하여 수행될 수 있다. 후방산란광 세기 테스트는 중심파장을 변경하면서 후방산란광을 측정하는 단계(S421)에서 측정된 후방산란광들 중에서 가장 큰 세기의 후방산란광이 기준값보다 큰지 판단하는 것이다. 가장 큰 세기의 후방산란광이 기준값보다 큰 경우(Y) 통과대역의 폭을 변경할 필요가 없으나, 작은 경우(N) 통과대역의 폭을 넓힐 필요가 있다.
신호처리부(90)는 결정하는 단계(S422)에서, 중심파장 일치 테스트 결과가 'N'이고 후방산란광 세기 테스트가 'Y' 이면 중심파장 조절단계(S423a)를 수행하고, 중심파장 일치 테스트가 'Y' 이고 후방산란광 세기 테스트가 'N' 이면 폭 조절단계(S423b)를 수행하고, 중심파장 일치 테스트가 'N' 이고 후방산란광 세기 테스트가 'Y' 이면 중심파장 및 폭 조절단계(S423b)를 수행하는 것으로 결정할 수 있다.
신호처리부(90)는 결정하는 단계(S422)에서 결정된 바에 따라, 중심파장 조절단계(S423a), 폭 조절단계(S423b), 중심파장 및 폭 조절단계(S423b) 중의 어느 하나를 수행할 수 있다(S423).
중심파장 조절단계(S423a)는 후방산란광의 세기가 가장 큰 중심파장이 능동형 파장필터(50)의 중심파장이 되도록 상기 능동형 파장필터(50)를 제어하는 것이다. 신호처리부(90)는 능동형 파장필터(50)의 LC 어레이(54a)의 화소들의 통과/차단을 제어하여, 후방산란광의 세기가 가장 큰 중심파장에 해당하는 파장의 광이 도달하는 화소에서 광이 통과하도록 제어하여, 능동형 파장필터(50)의 중심파장을 조절할 수 있다.
폭 조절단계(S423b)는 능동형 파장필터(50)의 중심파장과 인접한 파장을 더 통과시켜서, 후방산란광의 세기가 기준값 이상이 될 때의 통과대역의 폭을 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 폭이 되도록 상기 능동형 파장필터(50)를 제어하는 것이다. 신호처리부(90)는 능동형 파장필터(50)의 LC 어레이(54a)의 화소들의 통과/차단을 제어하여, 중심파장과 가장 인접한 파장이 도달하는 화소에서 광이 통과하도록 제어하고, 중심파장과 인접 파장의 광이 통과할 때 후방산란광을 더 측정하여 기준값과 비교하고, 후방산란광의 세기가 기준값보다 크면 중심파장 및 인접 파장을 포함하도록 통과대역의 폭을 결정할 수 있다. 인접 파장을 더 통과시키는 경우에도 후방산란광의 세기가 기준값보다 작으면, 인접 파장에 인접한 파장을 더 통과하도록 제어하고, 중심파장과 인접 파장과 인접 파장에 인접한 파장이 통과할 때 후방산란광을 더 측정하여 기준값과 비교하고, 후방산란광의 세기가 기준값보다 크면 중심파장, 인접 파장, 인접 파장에 인접한 파장을 포함하도록 통과대역의 폭을 결정할 수 있다. 설명한 바와 같이, 후방산란광의 세기가 기준값보다 클 때까지 인접 파장을 계속 추가할 수 있다.
중심파장 및 폭 조절단계(S423b)는 후방산란광의 크기가 가장 큰 중심파장을 능동형 파장필터(50)의 중심파장으로 결정하고, 능동형 파장필터(50)의 중심파장과 인접한 파장에 해당하는 화소를 추가로 통과로 제어하여, 후방산란광의 세기가 기준값 이상이 될 때의 통과대역의 폭을 상기 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 폭이 되도록 상기 능동형 파장필터(50)를 제어하는 것이다. 신호처리부(90)는 능동형 파장필터(50)의 LC 어레이(54a)의 화소들의 온/오프를 제어하여, 후방산란광의 크기가 가장 큰 중심파장에 해당하는 화소에 도달하는 광을 통과시키면서, 중심파장과 인접한 파장에 해당하는 화소에 도달하는 광을 더 통과시키도록 제어하고, 중심파장과 인접 파장의 광이 통과할 때 후방산란광을 더 측정하여 기준값과 비교하고, 후방산란광의 세기가 기준값보다 크면 중심파장 및 인접파장을 포함하도록 통과대역의 폭을 결정할 수 있다. 후방산란광의 세기가 기준값보다 클 때까지 인접 파장을 계속 추가할 수 있다.
설명한 바와 같이, 신호처리부(90)는 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 중심파장 및 폭을 조절하여, 충분한 세기의 후방산란광이 측정될 수 있도록 광섬유(70)에 입력되는 센싱광을 필터링할 수 있다. 신호처리부(90)는 다양한 원인에 의하여 광원(10) 또는 능동형 파장필터(50)의 특성이 변하는 경우라도, 광섬유(70)에 입력되는 센싱광의 세기가 충분히 강하도록 능동형 파장필터(50)를 제어할 수 있으므로, 분포형 음향 센싱 장치(1)가 정상적으로 동작할 수 있다.
이상 본 개시를 구체적인 구현예를 통하여 상세히 설명하였다. 구현예는 본 개시를 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 본 개시의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 개시의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 개시의 영역에 속하는 것으로 본 개시의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
본 출원은 한국수자원공사(K-water)의 개방형 혁신 R&D(20-A-T-002) 사업의 일환으로 수행되었습니다.
1: 능동형 파장필터를 이용한 분포형 음향 센싱 장치
10: 광원 21: 제1 광커플러
22: 제2 광커플러 30: 광 펄스 변조기
40: 광증폭기 50: 능동형 파장필터
60: 광회전기 70: 광섬유
80: 광검출기 90: 신호처리부
51: 광입출력부 52: 편광부
52a: 콜리메이팅 렌즈 52b: 빔 디스플레이서
52c: 반파장 지연기 52d: 제1 렌즈
53: 파장분리부 53a: 그레이팅
53b: 제2 렌즈 54: 파장선택부
54a: LC 어레이 54b: 거울

Claims (14)

  1. 광입출력부로부터 편광되지 않은 광을 입력받아 서로 직교하는 2개의 편광으로 분리하고, 상기 2개의 편광 중에서 어느 하나의 편광을 다른 편광으로 변환하여 출력하는 편광부;
    상기 편광부로부터 출력되는 광을 파장에 따라 분리하여 출력하는 파장분리부; 및
    상기 파장분리부에 의해 파장별로 분리된 광 중에서 하나 또는 이상의 파장을 선택적으로 반사하는 파장선택부를 포함하고,
    상기 파장선택부는
    상기 파장분리부에서 파장에 따라 분리된 광이 도착하는 각 화소마다 제어신호에 따라 배열이 변경되어 광을 통과 또는 차단시키는 LC 어레이; 및
    상기 LC 어레이에 의해 통과된 광을 반사하는 거울을 포함하며,
    상기 파장선택부에서 선택적으로 반사된 광은 상기 파장분리부와 편광부를 지나 상기 광입출력부로 출력되는, 능동형 파장필터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 편광부는
    상기 광입출력부에서 입사되는 광을 평행하게 정렬하는 콜리메이팅 렌즈;
    상기 콜리메이팅 렌즈를 통과한 광을 서로 수직한 2개의 편광으로 분리하는 빔 디스플레이서; 및
    상기 빔 디스플레이서가 출력하는 2개의 편광 중에서 어느 하나의 편광을 지연시켜 다른 하나의 편광과 일치시키는 반파장 지연기를 포함하는, 능동형 파장필터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 파장분리부는
    입사되는 광을 파장에 따라 다른 방향으로 반사하는 그레이팅을 포함하는, 능동형 파장필터.
  4. 삭제
  5. 레이저광을 발생하는 광원;
    상기 광원에서 출력된 광을 센싱광과 기준광으로 분할하는 제1 광커플러;
    상기 제1 광커플러에서 분할된 센싱광을 변조하여 펄스 광을 출력하는 광 펄스 변조기;
    상기 펄스 광을 증폭하는 광증폭기;
    상기 광증폭기가 증폭한 펄스 광을 필터링하여, 통과대역의 광을 통과시키고, 상기 통과대역의 중심파장 또는 폭을 조절가능한 능동형 파장필터;
    제1 단에 연결된 상기 능동형 파장필터로부터 입력되는 광을 제2 단으로 출력하고, 제2 단에 연결된 광섬유로부터 입력되는 후방산란광은 제3 단으로 출력하는 광회전기;
    상기 광회전기의 제3 단으로부터 수신한 후방산란광과, 상기 제1 광커플러로부터 수신한 기준광을 결합하여 출력하는 제2 광커플러;
    상기 제2 광커플러로부터 수신한 광을 전기신호로 변환하여 출력하는 광검출기;
    상기 광검출기로부터 수신한 전기신호를 분석하여 광섬유에 인가되는 진동을 검출하고, 상기 능동형 파장필터의 통과대역의 중심파장 또는 폭을 조절하는 신호처리부를 포함하는, 능동형 파장필터를 포함하는 분포형 음향 센싱 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 신호처리부는
    상기 광검출기로부터 수신한 전기신호를 분석하여 상기 후방산란광의 세기가 기준값보다 작으면 상기 능동형 파장필터의 통과대역의 중심파장 조절 또는 통과대역의 폭 조절을 수행하는, 능동형 파장필터를 포함하는 분포형 음향 센싱 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 신호처리부는
    상기 능동형 파장필터의 통과대역의 중심파장을 순차적으로 변경하면서 상기 후방산란광의 세기를 측정하고, 상기 후방산란광의 크기가 가장 큰 중심파장이 상기 능동형 파장필터의 중심파장이 되도록 상기 능동형 파장필터를 제어하는, 능동형 파장필터를 포함하는 분포형 음향 센싱 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 신호처리부는
    상기 능동형 파장필터의 통과대역의 중심파장마다 통과대역의 폭을 변경하면서 상기 후방산란광의 세기를 측정하고, 상기 후방산란광의 크기가 기준값 이상이 되는 통과대역의 폭이 상기 능동형 파장필터의 통과대역의 폭이 되도록 상기 능동형 파장필터를 제어하는, 능동형 파장필터를 포함하는 분포형 음향 센싱 장치.
  9. 광원에 의해 출력된 광을 광 펄스 변조기가 펄스 형태로 변조하고 광증폭기가 증폭하여 펄스 광을 생성하는 제1 단계;
    능동형 파장필터가 상기 펄스 광을 필터링하는 제2 단계;
    상기 능동형 파장필터를 통과한 펄스 광이 광섬유에 입력되고, 광섬유의 임의의 지점에서 생성된 후방산란광이 광검출기에 입력되어 전기신호로 변환되고, 신호처리부가 상기 전기신호를 분석하여 상기 광섬유에 인가되는 진동을 검출하는 제3 단계; 및
    상기 신호처리부가 통과대역의 중심파장 또는 폭이 변경되도록 상기 능동형 파장필터를 제어하는 제4 단계를 포함하는, 능동형 파장필터를 포함하는 분포형 음향 센싱 장치의 제어방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제4 단계는,
    상기 신호처리부가 상기 광검출기로부터 수신한 전기신호를 분석하여 상기 후방산란광의 세기와 기준값을 비교하는 제4-1 단계; 및
    상기 후방산란광의 세기가 기준값보다 작은 경우, 상기 신호처리부는 상기 능동형 파장필터의 통과대역의 중심파장 또는 폭을 조절하여 후방산란광의 세기가 기준값보다 크도록 조절하는 제4-2 단계를 포함하는, 능동형 파장필터를 포함하는 분포형 음향 센싱 장치의 제어방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    제4-2 단계는
    상기 신호처리부가 상기 능동형 파장필터의 통과대역의 중심파장을 변경하면서 상기 후방산란광의 세기를 측정하는 단계;
    상기 후방산란광의 세기가 가장 큰 중심파장이 기존의 중심파장과 일치하는지 판단하고, 가장 큰 후방산란광의 세기가 상기 기준값보다 큰지 판단하여, 중심파장 조절단계, 폭 조절 단계, 중심파장과 폭 조절 단계 중에서 어느 하나를 수행하도록 결정하는 단계; 및
    중심파장 조절단계, 폭 조절단계, 중심파장과 폭 조절단계 중에서 어느 하나를 수행하는 단계를 포함하는, 능동형 파장필터를 포함하는 분포형 음향 센싱 장치의 제어방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 중심파장 조절단계는
    상기 후방산란광의 세기가 가장 큰 중심파장이 상기 능동형 파장필터의 중심파장이 되도록 상기 능동형 파장필터를 제어하는 것인, 능동형 파장필터를 포함하는 분포형 음향 센싱 장치의 제어방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 폭 조절단계는
    상기 능동형 파장필터의 중심파장과 인접한 파장을 더 통과시켜서, 후방산란광의 세기가 기준값 이상이 될 때의 통과대역의 폭을 상기 능동형 파장필터의 통과대역의 폭이 되도록 상기 능동형 파장필터를 제어하는 것인, 능동형 파장필터를 포함하는 분포형 음향 센싱 장치의 제어방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 중심파장 및 폭 조절단계는
    상기 후방산란광의 크기가 가장 큰 중심파장을 상기 능동형 파장필터의 중심파장으로 결정하고, 상기 능동형 파장필터의 중심파장과 인접한 파장에 해당하는 화소를 추가로 통과로 제어하여, 후방산란광의 세기가 기준값 이상이 될 때의 통과대역의 폭을 상기 능동형 파장필터의 통과대역의 폭이 되도록 상기 능동형 파장필터를 제어하는 것인, 능동형 파장필터를 포함하는 분포형 음향 센싱 장치의 제어방법.
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