KR102832600B1 - Active wavelength filter, distributed acoustic sensing apparatus using the same, and control method thereof - Google Patents
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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. According to one embodiment of the present disclosure, an active wavelength filter is provided, which includes a polarizing unit which receives unpolarized light from an optical input/output unit, separates it into two polarizations which are orthogonal to each other, and converts one of the two polarizations into the other polarization and outputs it, a wavelength separating unit which separates the light output from the polarizing unit according to wavelength and outputs it, and a wavelength selecting unit which selectively reflects one or more wavelengths from the light separated by wavelength by the wavelength separating unit, and the light selectively reflected by the wavelength selecting unit passes through the wavelength separating unit and the polarizing unit and is output to the optical input/output unit, and a distributed acoustic sensing device including the active wavelength filter and a control method thereof are provided, and even if the wavelength of the sensing light changes due to a cause such as deterioration of an element, distributed acoustic sensing can be performed normally by adjusting the passband of the active wavelength filter.
Description
본 개시는 능동형 파장필터, 이를 이용한 분포형 음향 센싱 장치 및 이의 제어방법에 관한 것이다. The present disclosure relates to an active wavelength filter, a distributed acoustic sensing device using the same, and a control method thereof.
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. Distributed acoustic sensing technology is being used as a method for monitoring the conditions of pipelines such as gas and water pipes, roads, railways, and facilities. Distributed acoustic sensing technology monitors the conditions of facilities by irradiating laser light onto an optical fiber and measuring the backscattered light reflected at the point where force or sound is applied to the optical fiber. Distributed acoustic sensing technology is mainly used when the length of the facility to be monitored is long, such as several kilometers. Therefore, the intensity of the laser light input to the optical fiber must be strong. When the laser light is amplified, noise is also amplified for various reasons, and the noise lowers the signal-to-noise ratio, thereby lowering the sensing sensitivity. In addition, if the components that make up the distributed acoustic sensing device become old, the desired performance may not be exhibited.
본 개시의 제1 관점은 통과대역의 중심파장과 대역폭을 변경 가능한 능동형 파장필터를 제공하는 것이다. A first aspect of the present disclosure is to provide an active wavelength filter capable of changing the center wavelength and bandwidth of a passband.
본 개시의 제2 관점은 레이저 광원의 중심파장에 능동형 파장필터의 통과대역의 중심파장을 일치시킬 수 있는 분포형 음향 센싱 장치를 제공하는 것이다. A second aspect of the present disclosure is to provide a distributed acoustic sensing device capable of matching the center wavelength of a passband of an active wavelength filter to the center wavelength of a laser light source.
본 개시의 제3 관점에 따르면 레이저 광원의 중심파장 변화에 따라 능동형 파장필터의 통과대역의 중심파장을 자동으로 조절하는 분포형 음향 센싱 장치의 제어방법을 제공하는 것이다. According to a third aspect of the present disclosure, a method for controlling a distributed acoustic sensing device that automatically adjusts the center wavelength of a passband of an active wavelength filter according to a change in the center wavelength of a laser light source is provided.
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. An active wavelength filter according to a first aspect of the present disclosure may include a polarizing unit which receives unpolarized light from an optical input/output unit, separates it into two polarizations that are orthogonal to each other, and converts one of the two polarizations into the other polarization and outputs it, a wavelength separating unit which separates the light output from the polarizing unit according to wavelength and outputs the separated light, and a wavelength selecting unit which selectively reflects one or more wavelengths from the light separated by wavelength by the wavelength separating unit, and the light selectively reflected by the wavelength selecting unit may pass through the wavelength separating unit and the polarizing unit and be output to the optical input/output unit.
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. According to one embodiment, the polarizing unit may include a collimating lens that aligns light incident from the optical input/output unit into parallel beams, a beam displacer that separates light passing through the collimating lens into two polarizations that are perpendicular to each other, and a half-wave delay unit that delays one of the two polarizations output by the beam displacer to match the other polarization.
일 구현예에 따른 상기 파장분리부는 입사되는 광을 파장에 따라 다른 방향으로 반사하는 그레이팅을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the wavelength separation unit may include a grating that reflects incident light in different directions according to the wavelength.
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. According to one embodiment, the wavelength selection unit may include an LC array whose arrangement is changed according to a control signal for each pixel to which light separated according to wavelength from the wavelength separation unit arrives to pass or block the light, and a mirror that reflects the light passed by the LC array.
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. A distributed acoustic sensing device including an active wavelength filter according to a second aspect of the present disclosure comprises: a light source generating laser light, a first optical coupler dividing light output from the light source into sensing light and reference light, an optical pulse modulator modulating the sensing light divided by the first optical coupler to output pulse light, an optical amplifier amplifying the pulse light, an active wavelength filter filtering the pulse light amplified by the optical amplifier to pass light in a pass band and capable of controlling the center wavelength or width of the pass band, an optical rotator outputting light input from the active wavelength filter connected to a first end to a second end and outputting backscattered light input from an optical fiber connected to the second end to a third end, a second optical coupler combining and outputting backscattered light received from a third end of the optical rotator and reference light received from the first optical coupler, an optical detector converting light received from the second optical coupler into an electrical signal and outputting it, It may include a signal processing unit that analyzes an electric signal received from a photodetector to detect vibration applied to an optical fiber and adjusts the center wavelength or width of the passband of the active wavelength filter.
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. According to one embodiment, the signal processing unit may analyze an electric signal received from the photodetector and, if the intensity of the backscattered light is less than a reference value, adjust the center wavelength of the passband of the active wavelength filter or adjust the width of the passband.
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. According to one embodiment, the signal processing unit may measure the intensity of the backscattered light while sequentially changing the center wavelength of the passband of the active wavelength filter, and control the active wavelength filter so that the center wavelength at which the size of the backscattered light is the largest becomes the center wavelength of the active wavelength filter.
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. According to one embodiment, the signal processing unit may measure the intensity of the backscattered light while changing the width of the pass band for each center wavelength of the pass band of the active wavelength filter, and control the active wavelength filter so that the width of the pass band in which the magnitude of the backscattered light is greater than a reference value becomes the width of the pass band of the active wavelength filter.
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. According to an embodiment of the third aspect of the present disclosure, a control method for a distributed acoustic sensing device including an active wavelength filter may include a first step in which an optical pulse modulator modulates light output by a light source into a pulse form and an optical amplifier amplifies the light to generate pulsed light, a second step in which an active wavelength filter filters the pulsed light, a third step in which pulsed light passing through the active wavelength filter is input to an optical fiber, backscattered light generated at an arbitrary point of the optical fiber is input to a photodetector and converted into an electric signal, and a signal processing unit analyzes the electric signal to detect a vibration applied to the optical fiber, and a fourth step in which the signal processing unit controls the active wavelength filter so that a center wavelength or width of a passband is changed.
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. A fourth step according to one embodiment may include a step 4-1 in which the signal processing unit analyzes an electric signal received from the photodetector and compares the intensity of the backscattered light with a reference value, and a step 4-2 in which, if the intensity of the backscattered light is smaller than the reference value, the signal processing unit adjusts the center wavelength or width of the passband of the active wavelength filter to adjust the intensity of the backscattered light to be larger than the reference value.
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. A step 4-2 according to an embodiment of the present invention may include a step of measuring the intensity of the backscattered light while the signal processing unit changes the center wavelength of the passband of the active wavelength filter, a step of determining whether the center wavelength with the greatest intensity of the backscattered light matches the existing center wavelength and a step of determining whether the greatest intensity of the backscattered light is greater than the reference value, thereby determining to perform one of the center wavelength adjustment step, the width adjustment step, and the center wavelength and the width adjustment step, and a step of performing one of the center wavelength adjustment step, the width adjustment step, and the center wavelength and the width adjustment step.
일 구현예에 따른 상기 중심파장 조절단계는 상기 후방산란광의 세기가 가장 큰 중심파장이 상기 능동형 파장필터의 중심파장이 되도록 상기 능동형 파장필터를 제어하는 것일 수 있다. The central wavelength control step according to one embodiment may be to control the active wavelength filter so that the central wavelength at which the intensity of the backscattered light is the greatest becomes the central wavelength of the active wavelength filter.
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. The width control step according to one embodiment may be to control the active wavelength filter so that the width of the pass band becomes the width of the pass band of the active wavelength filter when the intensity of the backscattered light becomes higher than a reference value by allowing more wavelengths adjacent to the center wavelength of the active wavelength filter to pass through.
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. The above-described central wavelength and width control step according to one embodiment may be to determine the central wavelength at which the size of the backscattered light is the largest as the central wavelength of the active wavelength filter, and additionally control the passage of pixels corresponding to wavelengths adjacent to the central wavelength of the active wavelength filter, thereby controlling the active wavelength filter so that the width of the passband when the intensity of the backscattered light becomes a reference value or more becomes the width of the passband of the active wavelength filter.
본 개시의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.The features and advantages of the present disclosure will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings.
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.Prior to this, the terms or words used in this specification and claims should not be interpreted in their usual or dictionary meanings, but should be interpreted in their meanings and concepts that are consistent with the technical idea of the present invention, based on the principle that the inventor can appropriately define the concept of the term in order to explain his or her own invention in the best way.
본 개시의 제1 관점에 따르면 능동형 파장필터가 통과대역의 중심파장과 대역폭을 변경할 수 있다. According to the first aspect of the present disclosure, an active wavelength filter can change the center wavelength and bandwidth of a passband.
본 개시의 제2 관점에 따르면 능동형 파장필터를 이용하여 통과대역의 중심파장을 조절하여, 분포형 음향 센싱 장치의 레이저 광원의 중심파장 변화에도 센싱 민감도를 유지할 수 있다. According to the second aspect of the present disclosure, by controlling the center wavelength of the passband using an active wavelength filter, the sensing sensitivity can be maintained even when the center wavelength of the laser light source of the distributed acoustic sensing device changes.
본 개시의 제3 관점에 따르면 분포형 음향 센싱 장치의 레이저 광원의 중심파장 변화에 따라 능동형 파장필터의 통과대역의 중심파장을 자동으로 조절할 수 있다. According to a third aspect of the present disclosure, the center wavelength of the passband of an active wavelength filter can be automatically adjusted according to a change in the center wavelength of a laser light source of a distributed acoustic sensing device.
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. FIG. 1 is a drawing showing a distributed acoustic sensing device using an active wavelength filter according to one embodiment.
FIG. 2 is a drawing showing an active wavelength filter according to an embodiment.
Figure 3 is a graph showing the wavelength change due to a light source or filter.
Figure 4 is a graph showing the passband according to the type of filter.
Figure 5 is a graph comparing the output of a distributed photoacoustic sensing device according to the type of filter.
Figure 6 is a graph showing a change in the center wavelength of the passband of an active wavelength filter according to one implementation example.
Figure 7 is a graph showing a change in the width of the passband of an active wavelength filter according to one implementation example.
FIG. 8 is a flowchart showing steps of a control method for a distributed acoustic sensing device including an active wavelength filter according to one embodiment.
Figure 9 is a flowchart showing steps for controlling an active wavelength filter according to one embodiment.
Figure 10 is a flowchart showing a step of controlling the size of backscattered light to be greater than a reference value according to one implementation example.
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. The purpose, advantages, and features of the present disclosure will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings, but the present disclosure is not necessarily limited thereto. In addition, in describing the present disclosure, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the present disclosure, the detailed description thereof will be omitted.
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. When assigning reference numbers to components in a drawing, it should be noted that identical components are assigned the same reference numbers as much as possible even if they are shown in different drawings, and similar components are assigned similar reference numbers.
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.The terminology used to describe one embodiment of the present disclosure is not intended to limit the present disclosure. It should be noted that singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.
도면은 구현예의 설명을 위하여 개략적이거나 과장되어 표시될 수 있다. The drawings may be schematic or exaggerated to illustrate the implementation.
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.In this document, the expressions "have," "can have," "include," or "may include" indicate the presence of a given feature (e.g., a numerical value, function, operation, or component such as a part), but do not exclude the presence of additional features.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 개시의 일 구현예를 상세히 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present disclosure will be described in detail with reference to the attached drawings.
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. Fig. 1 is a drawing showing a distributed acoustic sensing device (1) using an active wavelength filter (50) according to one implementation example. In Fig. 1, an electrical signal is depicted as a dotted line, and an optical signal is depicted as a solid line.
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. A distributed acoustic sensing device (1) including an active wavelength filter (50) according to one embodiment of the present disclosure may include a light source (10), a first light coupler (21), a light pulse modulator (30), a light amplifier (40), an active wavelength filter (50), a light circulator (60), an optical fiber (70), a second light coupler (22), a photo detector (80), and a signal processing unit (90).
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. The light source (10) can generate continuous output laser light. The light source (10) can include a laser generator. The light source (10) can generate highly coherent laser light having a linewidth of several kHz or less. The light source (10) can generate unpolarized laser light.
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. The first optical coupler (21) can divide the light output from the light source (10) into sensing light and reference light. The sensing light is input to an optical fiber (70) and generates backscattered light by vibration applied to the optical fiber (70), and the reference light provides a reference for detecting vibration using the backscattered light. The first optical coupler (21) may have a first end (21a) connected to the light source (10), a second end (21b) connected to an optical pulse modulator (30), and a third end (21c) connected to the second optical coupler (22). The first optical coupler (21) may receive the light output from the light source (10) into the first end (21a), output 10% of the light as reference light to the third end (21c), and output 90% of the light as sensing light to the second end (21b).
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. The optical pulse modulator (30) can modulate the sensing light split by the first optical coupler (21) to output pulse light. The optical pulse modulator (30) can include an acousto-optic modulator (AOM). The sensing light can be modulated into pulse light while passing through the optical pulse modulator (30). The optical pulse modulator (30) can output the pulse light to an optical amplifier (40).
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. The optical amplifier (40) can amplify pulsed light. The optical amplifier (40) can include an erbium doped fiber amplifier (EDFA). The optical amplifier (40) can output the amplified pulsed light to an active wavelength filter (50). The amplified pulsed light can include Amplified Spontaneous Emission (ASE) noise. The ASE noise increases the background noise area of the pulsed light, which lowers the signal to noise ratio (SNR). The ASE noise can be generated when the pulsed light is amplified in the optical amplifier (40).
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. The active wavelength filter (50) can filter the pulse light amplified by the optical amplifier (40) and pass the light in the pass band. The active wavelength filter (50) can adjust the center wavelength of the pass band. The active wavelength filter can adjust the width of the pass band. The center wavelength of the pass band of the active wavelength filter (50) can be adjusted to correspond to the center wavelength of the light source (10). The width of the pass band can be adjusted so that the size of the sensing light is sufficiently large. The active wavelength filter (50) can remove noise and background noise generated in the optical amplifier (40). For example, the active wavelength filter (50) can remove natural amplification emission noise. A specific description of the active wavelength filter (50) will be described later. The pulse light from which noise has been removed by passing through the active wavelength filter (50) can be output to the optical rotator (60). Pulse light passing through an active wavelength filter (50) may have a narrow line width. Pulse light with a narrow line width has high coherence and is therefore suitable for measurement using backscattered light.
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. The optical rotator (60) can output sensing light input from an active wavelength filter (50) connected to a first end (60a) to a second end (60b), and output backscattered light input from an optical fiber (70) connected to the second end (60b) to a third end (60c). The optical rotator (60) can include an optical fiber circulator (OC) (70). The first end (60a) of the optical rotator (60) can be connected to an active wavelength filter (50), the second end (60b) can be connected to an optical fiber (70), and the third end (60c) can be connected to a second optical coupler (22).
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. The second optical coupler (22) can combine and output the backscattered light received from the third end (60c) of the optical rotator (60) and the reference light received from the first optical coupler (21). The first end (22a) of the second optical coupler (22) can be connected to the third end (21c) of the first optical coupler (21), and the second end (22b) can be connected to the third end (60c) of the optical rotator (60). The third end (22c) and the fourth end (22d) of the second optical coupler (22) can be connected to a photodetector (80). The second optical coupler (22) can
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. The photodetector (80) can convert the light received from the second photocoupler (22) into an electrical signal and output it. The photodetector (80) can include a balanced photodetector. The photodetector (80) can generate an electrical signal that reflects the interference pattern of the backscattered light in the light received from the second photocoupler (22). The photodetector (80) can output an electrical signal including the pattern information of the backscattered light to the signal processing unit (90).
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. The signal processing unit (90) can detect vibration applied to the optical fiber (70) by analyzing the electric signal received from the photodetector (80). If vibration or sound is applied to any point of the optical fiber (70) into which pulsed light is input, backscattered light may be generated at the corresponding part of the optical fiber (70). The signal processing unit (90) can analyze the backscattered light using Rayleigh backscattered light. The signal processing unit (90) can analyze the electric signal to recognize which point of the optical fiber (70) the vibration or sound is applied to.
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. The signal processing unit (90) can adjust the center wavelength or width of the passband of the active wavelength filter (50). The signal processing unit (90) can output a control signal to the active wavelength filter (50), and the active wavelength filter (50) can operate according to the control signal to shift the center wavelength of the passband or widen or narrow the width of the passband.
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. Passive wavelength filters such as WDM (Wavelength division multiplexing) or FBG (Fiber Bragg Grating) cannot control the center wavelength or width of the passband. In addition, when a passive wavelength filter is used for a long period of time, it may deteriorate and change its characteristics. A deteriorated passive wavelength filter may have a different center wavelength or width of the passband. A deteriorated passive wavelength filter may cause noise to pass through the filter, thereby increasing the signal-to-noise ratio. Alternatively, some of the pulsed light may not pass through the deteriorated passive wavelength filter, thereby decreasing the intensity of the sensing light input to the optical fiber (70). In addition, the wavelength of the light emitted by the light source (10) may also change due to deterioration or other causes. If the wavelength of the light emitted by the light source (10) changes, some of the light may be blocked by the deteriorated passive wavelength filter, thereby decreasing the intensity of the light input to the optical fiber (70). If the intensity of the sensing light input to the optical fiber (70) decreases, the sensitivity of the distributed acoustic sensing device (1) may decrease. In this way, it is difficult for a passive wavelength filter to respond to wavelength changes due to deterioration of components constituting a distributed acoustic sensing device (1).
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. In contrast, the active wavelength filter (50) can respond by adjusting the center wavelength or width of the passband even if the wavelength of the pulse light changes due to changes in the elements constituting the distributed acoustic sensing device (1), so that the performance of the distributed acoustic sensing device (1) can be maintained.
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. The signal processing unit (90) may include a processor, a memory, and a bus. The signal processing unit (90) may further include a circuit that converts an electric signal received from the photodetector (80) into digital data. The processor may include various types of semiconductor devices having an information processing function. The memory may store data and program code. The bus may relay data transmission and reception between the processor and the memory, and may relay data transmission and reception with an external computer device. The signal processing unit (90) may be implemented in a manner in which the program code stored in the memory is driven by the processor. The program code stored in the memory may be written to perform a function of analyzing an electric signal to detect vibration, and a function of adjusting the center wavelength or width of the passband of the active wavelength filter (50). The program code stored in the memory may be written to perform a control method of a distributed acoustic sensing device including an active wavelength filter according to an embodiment of the present disclosure. The signal processing unit (90) may be included in a computer, PC, server, PLC, or other various information processing devices, or may be implemented as an independent information processing device.
도 2는 일 구현예에 따른 능동형 파장필터(50)를 나타내는 도면이다. Figure 2 is a drawing showing an active wavelength filter (50) according to one implementation example.
능동형 파장필터(50)는 파장분리부(53), 파장선택부(54)를 포함할 수 있다. 능동평 파장필터는 편광부(52)를 더 포함할 수 있다. The active wavelength filter (50) may include a wavelength separation unit (53) and a wavelength selection unit (54). The active flat wavelength filter may further include a polarizing unit (52).
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. The polarizing unit (52) receives unpolarized light from the light input/output unit (51), separates it into two polarizations that are orthogonal to each other, and converts one of the two polarizations into the other polarization and outputs it.
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. The polarizing unit (52) may include a collimating lens (52a) that aligns light incident from the light input/output unit (51) into parallel beams, a beam displacer (52b) that separates light passing through the collimating lens (52a) into two polarizations that are perpendicular to each other, and a half-wave delayer (52c) that delays one of the two polarizations output by the beam displacer (52b) to match the other polarization. The polarizing unit (52) may further include a first lens (52d) that causes the polarization to enter the grating (53a) of the wavelength separation unit (53).
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. The optical input/output unit (51) may include an optical fiber (70). The optical input/output unit (51) may have an input terminal connected to an optical amplifier (40). The amplified pulse light output from the optical amplifier (40) may be input to the input terminal of the optical input/output unit (51) and output to a collimating lens (52a). The collimating lens (52a) may align the pulse light in parallel and provide it to a beam displayer (52b).
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. The beam displacer (52b) can separate unpolarized light into two polarizations that are perpendicular to each other. The two polarizations are a polarization that is perpendicular to the optic axis and a polarization that is horizontal to the optic axis.
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. The half-wave delay device (52c) can be placed in a portion where one of the two polarizations output by the beam displacer (52b) is output. The half-wave delay device (52c) can be placed in a portion where polarization horizontal to the optical axis is output, thereby changing the polarization horizontal to the optical axis into polarization perpendicular to the optical axis and outputting it.
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. The first lens (52d) may include an image lens. The first lens (52d) may allow light passing through the beam displacer (52b) and the half-wave delay unit (52c) to enter the grating (53a) of the wavelength separation unit (53).
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. In summary, light input from the input terminal of the input/output unit passes through a collimating lens (52a) and is aligned parallel, passes through a beam displacer (52b) and is separated into polarizations perpendicular to the optical axis and horizontal to the optical axis, and the polarization horizontal to the optical axis passes through a half-wave delay unit (52c) and is changed into polarization perpendicular to the optical axis, so that the polarization perpendicular to the optical axis can be output to the wavelength separation unit (53) through the first lens (52d).
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. The wavelength separation unit (53) can separate the light output from the polarization unit (52) according to wavelength and output it. The wavelength separation unit (53) can separate the light according to wavelength and provide it to the wavelength selection unit (54).
파장분리부(53)는 그레이팅(53a)을 포함할 수 있다. 파장분리부(53)는 제2 렌즈(53b)를 더 포함할 수 있다. The wavelength separation unit (53) may include a grating (53a). The wavelength separation unit (53) may further include a second lens (53b).
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. The grating (53a) can reflect incident light in different directions according to the wavelength. The grating (53a) can include a reflective diffraction grating. The grating (53a) can split the input light into different wavelengths and output them. The light output from the polarizing unit (52) reaches the grating (53a) and is reflected in different directions according to the wavelength to reach the wavelength selecting unit (54) through the second lens (53b). The light output from the polarizing unit (52) has the same polarization and can be reflected in different directions according to the wavelength by the grating (53a). The light reflected in different directions according to the wavelength can pass through the second lens (53b) and the light of the same wavelength can reach the same pixel of the LC array (54a). For example, three light of the first wavelength (λ1) can reach any pixel of the LC array (54a), three light of the second wavelength (λ2) can reach another pixel of the LC array (54a), and three light of the third wavelength (λ3) can reach another pixel of the LC array (54a).
파장선택부(54)는 파장분리부(53)에 의해 파장별로 분리된 광 중에서 하나 또는 이상의 파장을 선택적으로 반사할 수 있다. The wavelength selection unit (54) can selectively reflect one or more wavelengths from among the light separated by wavelength by the wavelength separation unit (53).
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. The wavelength selection unit (54) may include an LC array (54a) whose arrangement is changed according to a control signal for each part where light separated by wavelength from the wavelength separation unit (53) arrives to pass or block the light, and a mirror (54b) that reflects the light passed by the LC array (54a).
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. The LC array (Liquid Crystal Array, 54a) can change the alignment of the liquid crystal according to the control signal applied from the signal processing unit (90). The LC array (54a) can change the alignment of the liquid crystal on a pixel-by-pixel basis according to the control signal. Light of different wavelengths reaches each pixel of the LC array (54a). The smaller the pixel size, the more precisely the center wavelength and width of the passband of the active wavelength filter (50) can be adjusted. When the alignment of the liquid crystal is changed by applying a control signal to any pixel of the LC array (54a), the light is blocked, and when the alignment of the liquid crystal is not changed, the light can pass. Alternatively, the LC array (54a) can be configured so that when the alignment of the liquid crystal is changed, the light passes, and when the alignment of the liquid crystal is not changed, the light is blocked. This specification explains based on a method in which the alignment of the liquid crystal of the LC array (54a) is changed, the light is blocked.
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. A control signal may be applied to each pixel of the LC array (54a) to change the slope of the phase, thereby controlling the intensity of the light reflected by wavelength. The LC array (54a) can control the amount of light passing through any pixel by applying a control signal of a desired intensity. For example, the LC array (54a) can allow light of the first wavelength to pass through a pixel to which light of the first wavelength has reached without changing the alignment of the liquid crystal, can allow light of the second wavelength to pass through a pixel to which light of the second wavelength has reached by changing the alignment of the liquid crystal to block light of the second wavelength, and can allow light of the third wavelength to pass through a pixel to which light of the third wavelength has reached by changing the alignment of the liquid crystal to a desired degree. In other words, the LC array (54a) can control whether or not light is reflected and the intensity of the reflection by wavelength.
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. The mirror (54b) can reflect light that has passed through the LC array (54a). The mirror (54b) can be arranged in parallel with the LC array (54a). The mirror (54b) can be made of a material that reflects the wavelength of the laser light. The light that has passed through the LC array (54a) can be reflected by the mirror (54b) and pass through the LC array (54a) again to enter the wavelength separation unit (53).
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. In summary, the LC array (54a) controls the alignment of the liquid crystal of the pixel where light of each wavelength reaches according to the control signal of the signal processing unit (90) to allow the light to pass, block, or partially pass, and the light passing through the LC array (54a) can be reflected by the mirror (54b) and passed through the LC array (54a) again to be output to the wavelength separation unit (53).
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. The light selectively reflected from the wavelength selection unit (54) is directed to the optical input/output unit (51) through the same path as the incident path. The output terminal of the optical input/output unit (51) can be connected to the first terminal of the optical rotator (60). The wavelength selection unit (54) can adjust the wavelength at a minimum interval of 0.05 nm or less. The active wavelength filter (50) can be applied to various fields such as a wavelength tunable filter, a dispersion compensator, and a multi-channel laser.
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.Fig. 3 is a graph showing a wavelength change due to a light source (10) or a filter. Fig. 3 shows the results of testing a passive wavelength filter (WDM filter (Wavelength Division Multiplexing filter) and an FBG filter (Fiber Bragg Grating filter)) and an active wavelength filter (50) according to an embodiment of the present disclosure.
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. The light source (10) and filter of the distributed acoustic sensing device (1) may have different performances due to deterioration. If the light source (10) deteriorates, the center wavelength of the laser light may change. If the filter deteriorates, the center wavelength or width of the pass band may change. In Fig. 3, the normal state represents the intensity (Amplitude) of backscattered light according to location in a state where the light source (10) or the filter is not deteriorated. The light source (10) deterioration state represents the intensity of backscattered light according to location in a state where the light source (10) deteriorates and there is a change in the center wavelength of the laser light. The filter deterioration state represents the intensity of backscattered light according to location in a state where the passive wavelength filter deteriorates and there is a change in the center wavelength or width of the pass band.
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.In normal conditions, when using a passive wavelength filter and an active wavelength filter (50), the intensity of backscattered light is measured according to position. This is because the central wavelength of the laser light output from the light source (10) and the central wavelength of the filter are identical, so the sensing light normally enters the optical fiber (70).
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.When using a passive wavelength filter (WDM filter and FBG filter) in a state of light source deterioration, the intensity of backscattered light is measured to be very small regardless of the position. The center wavelength of the laser light changes due to the deterioration of the light source (10), and when the filter is normal, the laser light does not pass through the passive wavelength filter. Therefore, most of the sensing light does not enter the optical fiber (70), and the backscattered light is measured with a weak intensity.
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.On the other hand, when using an active wavelength filter (50) in a state of light source deterioration, the intensity of backscattered light according to the position is measured. Even if the center wavelength of the laser light changes due to the deterioration of the light source (10), the laser light can pass through the passive wavelength filter because the active wavelength filter (50) matches the center wavelength or width of the passband to the changed center wavelength of the laser light. Accordingly, since the sensing light enters the optical fiber (70) normally, the backscattered light can be measured.
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.When the passive wavelength filter (WDM filter and FBG filter) is deteriorated in the filter deterioration state, the intensity of the backscattered light is measured to be very small regardless of the position. When the center wavelength of the laser light output from the light source (10) does not change and the center wavelength or width of the pass band changes due to the deterioration of the passive wavelength filter, the laser light does not pass through the passive wavelength filter. Therefore, most of the sensing light does not enter the optical fiber (70), and the backscattered light is measured with a weak intensity.
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.On the other hand, when using an active wavelength filter (50) in a filter deterioration state, the intensity of backscattered light according to the position is measured. Even if the center wavelength or width of the pass band changes, the active wavelength filter (50) adjusts the center wavelength or width of the pass band again to match the center wavelength of the laser light, so that the laser light can pass through the passive wavelength filter. Accordingly, since the sensing light normally enters the optical fiber (70), the backscattered light can be measured.
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. In addition to deterioration, various external factors such as temperature change or impact may cause the center wavelength of the light source (10) to not exactly match the center wavelength of the filter. As in the present disclosure, by using an active wavelength filter (50), the center wavelength of the filter can be changed, so that the distributed acoustic sensing device (1) can operate normally.
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. As described, by using an active wavelength filter (50) in a distributed acoustic sensing device (1) and controlling the center wavelength and width of the passband of the active wavelength filter (50), the distributed acoustic device can perform normal functions even if the components constituting the distributed acoustic device deteriorate.
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. Fig. 4 is a graph showing the passband according to the type of filter. Fig. 4 shows the passband of a WDM filter (100 GHz DWDM filter), an FBG filter (Athermal packaged FBG filter), and an active wavelength filter (50) according to the present disclosure. Fig. 4 shows the results of comparing wavelength filters using a broadband light source and an optical spectrum analyzer.
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. The passband width of the FBG filter is 0.25 nm, the passband width of the WDM filter is 0.69 nm, and the passband width of the active wavelength filter (50) is 0.075 nm. The passband width of the active wavelength filter (50) is the narrowest. That is, the characteristic of the narrow passband width of the active wavelength filter (50) can effectively remove natural amplification emission noise in the distributed acoustic sensing device (1), thereby increasing the signal-to-noise ratio.
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. Fig. 5 is a graph comparing the output of a distributed photoacoustic sensing device according to the type of filter. Fig. 5 shows the intensity of backscattered light according to position when using a passive wavelength filter (WDM filter and FBG filter) and an active wavelength filter (50). The signal level is a range from the minimum to maximum value of the intensity of backscattered light, and the noise level is a range from the minimum to maximum value of the noise intensity.
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. For the WDM filter, the signal level is 11,599, the noise level is 5,378, and the signal-to-noise ratio is 6.67 dB. For the FBG filter, the signal level is 9,074, the noise level is 2,800, and the signal-to-noise ratio is 10.21 dB. For the active wavelength filter (50) according to the present disclosure, the signal level is 14,401, the noise level is 3,811, and the signal-to-noise ratio is 11.55 dB. In comparison, the active wavelength filter (50) exhibits the best signal-to-noise ratio performance because it has the characteristic of a narrow passband.
도 6은 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 중심파장 변경을 나타내는 그래프이다. Figure 6 is a graph showing the change in the center wavelength of the passband of an active wavelength filter (50).
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.The active wavelength filter (50) can change the center wavelength of the pass band. In FIG. 6, the center wavelength of the pass band is shown to change from about 1550.3 nm to 1553.4 nm at intervals of about 0.18 nm. In this way, the active wavelength filter (50) can finely adjust the center wavelength so as to respond to even subtle changes in the center wavelength. The active wavelength filter (50) is not limited to that shown in FIG. 6, and can change the center wavelength in various ranges and can change the center wavelength more finely.
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. When the central wavelength of the light source (10) changes due to various causes such as external factors or deterioration, the passive wavelength filter cannot pass the sensing light, so the distributed acoustic sensing device (1) cannot operate normally. However, the active wavelength filter (50) can maintain coherence even when the central wavelength of the light source (10) changes by adjusting the central wavelength.
도 7은 능동형 파장필터(50)의 통과대역의 폭 변경을 나타내는 그래프이다. Figure 7 is a graph showing the change in the width of the passband of an active wavelength filter (50).
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. In general, the smaller the line width of the sensing light, the higher the coherence, and the lower the noise. However, in order for the backscattered light to have sufficient intensity, the intensity of the sensing light is also an important factor. The active wavelength filter (50) can adjust the width of the pass band so that the sensing light has sufficient intensity. If the intensity of the sensing light is not sufficient due to various reasons, such as a decrease in the intensity of the laser light output from the light source (10) or a decrease in the intensity of the pulse light amplified by the optical amplifier (40), the active wavelength filter (50) can increase the width of the pass band so that the sensing light with sufficient intensity can pass through.
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. The active wavelength filter (50) can only pass light of a wavelength that reaches an arbitrary pixel. If the active wavelength filter (50) controls the pixel through which light of about 1551.9 nm reaches to pass, it can have a shape like the first pass band (PB1) in FIG. 7. If the active wavelength filter (50) controls the pixel through which light of 1551.7 nm and light of 1552.1 nm reaches to pass, it can have a shape like the second pass band (PB2) in FIG. 7. If light reaching a plurality of pixels of the active wavelength filter (50) is passed, the width of the pass band can gradually widen, such as the third pass band (PB3), the fourth pass band (PB4), and the fifth pass band (PB5).
도 8은 일 구현예에 따른 능동형 파장필터(50)를 포함하는 분포형 음향 센싱 장치(1)의 제어방법의 단계를 나타내는 흐름도이다. 도 1을 함께 참조한다. Fig. 8 is a flow chart showing steps of a control method of a distributed acoustic sensing device (1) including an active wavelength filter (50) according to one embodiment. See also Fig. 1.
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. A control method of a distributed acoustic sensing device (1) including an active wavelength filter (50) may include a first step (S1) in which an optical pulse modulator (30) modulates light output by a light source (10) into a pulse form and an optical amplifier (40) amplifies the light to generate pulse light, a second step (S2) in which an active wavelength filter (50) filters the pulse light, a third step (S3) in which pulse light passing through the active wavelength filter (50) is input to an optical fiber (70), backscattered light generated at an arbitrary point of the optical fiber (70) is input to a photodetector (80) and converted into an electric signal, and a signal processing unit (90) analyzes the electric signal to detect vibration applied to the optical fiber (70), and a fourth step (S4) in which the signal processing unit (90) controls the active wavelength filter (50) so that a center wavelength or width of a passband is changed.
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. The first step (S1) is a process prior to inputting sensing light to the active wavelength filter (50). In the first step (S1), the light source (10) generates laser light and provides it to the optical pulse modulator (30), the optical pulse modulator (30) modulates the laser light into a pulse shape and outputs the pulse light to the optical amplifier (40), and the optical amplifier (40) can amplify the pulse light and output it to the active wavelength filter (50). In the first step (S1), a part of the laser light is separated as reference light to the second optical coupler (22) by the first optical coupler (21) connected between the light source (10) and the optical pulse modulator (30), and the remainder can be input as sensing light to the optical pulse modulator (30).
제2 단계(S2)에서, 능동형 파장필터(50)는 통과대역에 포함되는 광을 통과시키고, 통과대역에서 벗어나는 광을 차단하여 자연 증폭 방출 잡음을 차단할 수 있다. In the second step (S2), the active wavelength filter (50) can block natural amplification emission noise by passing light included in the pass band and blocking light outside the pass band.
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. The third step (S3) is to measure the backscattered light generated when the sensing light input to the optical fiber (70) passes through the optical fiber (70) to calculate the position where vibration is applied to the optical fiber (70). The sensing light that has passed through the active wavelength filter (50) is input to the optical fiber (70) through the optical rotator (60), and the backscattered light input from the optical fiber (70) to the optical rotator (60) is output to the photodetector (80), so that the photodetector (80) can generate an electrical signal corresponding to the backscattered light. The signal processing unit (90) can analyze the electrical signal output by the photodetector (80) to calculate the position where vibration is applied to the optical fiber (70).
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. The fourth step (S4) is that the signal processing unit (90) automatically adjusts the center wavelength or width of the passband of the active wavelength filter (50). The signal processing unit (90) analyzes the electric signal received from the photodetector (80) and, if the intensity of the backscattered light is less than a reference value, adjusts the center wavelength or width of the passband of the active wavelength filter (50). The signal processing unit (90) can perform a step of controlling the active wavelength filter (50) independently of controlling the light source (10), the optical pulse modulator (30), and the amplifier to generate pulsed light. Alternatively, the signal processing unit (90) can perform a step of controlling the active wavelength filter (50) at set intervals.
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. If the intensity of the backscattered light is measured to be lower than the reference value, the signal processing unit (90) automatically adjusts the center wavelength or width of the passband of the active wavelength filter (50) and normal distributed acoustic sensing can be performed again.
도 9는 일 구현예에 따른 능동형 파장필터를 제어하는 단계를 나타내는 흐름도이다. Figure 9 is a flowchart showing steps for controlling an active wavelength filter according to one embodiment.
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. The fourth step (S4) of controlling the active wavelength filter may include a fourth step (S41) in which the signal processing unit (90) analyzes the electric signal received from the photodetector (80) and compares the intensity of the backscattered light with a reference value, and a fourth step (S42) in which, if the intensity of the backscattered light is lower than the reference value, the signal processing unit (90) adjusts the center wavelength or width of the passband of the active wavelength filter (50) to adjust the intensity of the backscattered light to be higher than the reference value.
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. In step 4-1 (S41), the reference value can be set to a value required for the distributed acoustic sensing to operate normally. The signal processing unit compares the intensity of the backscattered light with the reference value. If the intensity of the backscattered light is greater than the reference value (Y), it is a normal state (S4-3), so general distributed acoustic sensing can be continuously performed. If the intensity of the backscattered light is less than the reference value (N), it is not suitable for performing distributed acoustic sensing, so an operation of adjusting the active wavelength filter (50) can be performed. This is because if the intensity of the backscattered light is less than the reference value, it is difficult to recognize the position of the vibration applied to the optical fiber (70).
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. Step 4-2 (S42) is that the signal processing unit (90) controls the active wavelength filter (50). The signal processing unit (90) increases the intensity of the pulse light passing through the active wavelength filter (50) by shifting the center wavelength of the passband of the active wavelength filter (50) to a different wavelength or increasing the width of the passband, thereby increasing the intensity of the backscattered light.
도 10은 일 구현예에 따른 후방산란광의 크기가 기준값보다 크도록 제어하는 단계를 나타내는 흐름도이다. Figure 10 is a flowchart showing a step of controlling the size of backscattered light to be greater than a reference value according to one implementation example.
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. Step 4-2 (S42) may include a step (S421) in which a signal processing unit (90) measures the intensity of backscattered light while changing the center wavelength of the passband of the active wavelength filter (50), a step (S423) in which a center wavelength adjustment step (S423a), a width adjustment step (S423b), and one of the center wavelength and width adjustment steps is determined to be performed by determining whether the center wavelength with the greatest intensity of the backscattered light matches the existing center wavelength and whether the intensity of the large backscattered light is greater than a reference value, and a step (S422) in which a step (S423) in which one of the center wavelength adjustment step (S423a), the width adjustment step (S423b), the center wavelength and the width adjustment step (S423c) is performed.
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. In step 4-2 (S42), the signal processing unit (90) measures the intensity of backscattered light while sequentially changing the center wavelength of the passband of the active wavelength filter (50), and can control the active wavelength filter (50) so that the center wavelength at which the size of the backscattered light is the largest becomes the center wavelength of the active wavelength filter (50). In step 4-2 (S42), the signal processing unit (90) measures the intensity of backscattered light while changing the width of the passband for each center wavelength of the passband of the active wavelength filter (50), and can control the active wavelength filter (50) so that the width of the passband at which the size of the backscattered light is greater than or equal to a reference value becomes the width of the passband of the active wavelength filter (50).
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. The step (S421) of measuring the intensity of backscattered light while changing the central wavelength is that the signal processing unit (90) measures and stores the intensity of backscattered light while sequentially or in a predetermined order changing the central wavelength of the active wavelength filter (50). At this time, the interval of the central wavelengths of the active wavelength filter (50) may vary depending on the smallest pixel size of the LC array (54a). By measuring the size of backscattered light for each central wavelength of the passband of the active wavelength filter (50), it is possible to know which central wavelength has the largest measured size of backscattered light.
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.The step (S422) of determining to perform either the center wavelength adjustment step (S423a), the width adjustment step (S423b), or the center wavelength and the width adjustment step may include a center wavelength matching test for determining whether the center wavelength having the largest intensity of the backscattered light matches the existing center wavelength. The center wavelength matching test may be performed to determine whether it is necessary to change the center wavelength of the passband of the active wavelength filter (50). The center wavelength matching test determines whether the existing center wavelength of the active wavelength filter (50) and the center wavelength having the largest intensity of the backscattered light measured in the step (S421) of measuring the backscattered light while changing the center wavelength match. If the existing center wavelength and the center wavelength having the largest intensity of the backscattered light match (Y), there is no need to change the center wavelength, but if they do not match (N), it is necessary to change the center wavelength.
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. The step of determining (S422) may include a backscattered light intensity test that determines whether the intensity of the largest backscattered light is greater than a reference value. The backscattered light intensity test may be performed to determine whether it is necessary to change the width of the passband of the active wavelength filter (50). The backscattered light intensity test determines whether the backscattered light with the largest intensity among the backscattered lights measured in the step (S421) of measuring the backscattered light while changing the center wavelength is greater than a reference value. If the backscattered light with the largest intensity is greater than the reference value (Y), there is no need to change the width of the passband, but if it is small (N), there is a need to expand the width of the passband.
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. The signal processing unit (90) may determine, in the determining step (S422), that if the center wavelength matching test result is 'N' and the backscattered light intensity test is 'Y', the center wavelength adjustment step (S423a) is performed, if the center wavelength matching test result is 'Y' and the backscattered light intensity test is 'N', the width adjustment step (S423b) is performed, and if the center wavelength matching test result is 'N' and the backscattered light intensity test is 'Y', the center wavelength and width adjustment step (S423b) is performed.
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). The signal processing unit (90) can perform one of the center wavelength adjustment step (S423a), the width adjustment step (S423b), and the center wavelength and width adjustment step (S423b) according to what is determined in the determining step (S422) (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. The central wavelength control step (S423a) controls the active wavelength filter (50) so that the central wavelength at which the intensity of the backscattered light is the greatest becomes the central wavelength of the active wavelength filter (50). The signal processing unit (90) controls the passage/blocking of pixels of the LC array (54a) of the active wavelength filter (50), so that light of a wavelength corresponding to the central wavelength at which the intensity of the backscattered light is the greatest passes through the pixel, thereby controlling the central wavelength of the active wavelength filter (50).
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. The width control step (S423b) controls the active wavelength filter (50) so that the width of the pass band when the intensity of backscattered light becomes higher than a reference value by allowing more wavelengths adjacent to the center wavelength of the active wavelength filter (50) to pass through, becomes the width of the pass band of the active wavelength filter (50). The signal processing unit (90) controls the passage/blocking of pixels of the LC array (54a) of the active wavelength filter (50), so that light passes through the pixel where the wavelength closest to the center wavelength reaches, and when light of the center wavelength and the adjacent wavelength passes through, the backscattered light is further measured and compared with a reference value, and if the intensity of the backscattered light is higher than the reference value, the width of the pass band can be determined to include the center wavelength and the adjacent wavelength. Even when allowing more adjacent wavelengths to pass through, if the intensity of the backscattered light is less than the reference value, the wavelengths adjacent to the adjacent wavelengths are controlled to pass through more, and when the center wavelength, the adjacent wavelength, and the wavelength adjacent to the adjacent wavelength pass through, the backscattered light is further measured and compared with the reference value, and if the intensity of the backscattered light is greater than the reference value, the width of the passband can be determined to include the center wavelength, the adjacent wavelength, and the wavelengths adjacent to the adjacent wavelength. As described, the adjacent wavelengths can be continuously added until the intensity of the backscattered light is greater than the reference value.
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. The central wavelength and width control step (S423b) determines the central wavelength at which the size of the backscattered light is the largest as the central wavelength of the active wavelength filter (50), and additionally controls pixels corresponding to wavelengths adjacent to the central wavelength of the active wavelength filter (50) to pass, thereby controlling the active wavelength filter (50) so that the width of the pass band when the intensity of the backscattered light becomes a reference value or more becomes the width of the pass band of the active wavelength filter (50). The signal processing unit (90) controls the on/off of the pixels of the LC array (54a) of the active wavelength filter (50) so as to pass light reaching the pixel corresponding to the center wavelength where the size of the backscattered light is the largest, while controlling light reaching the pixel corresponding to the wavelength adjacent to the center wavelength to pass more, and when light of the center wavelength and the adjacent wavelength passes, the backscattered light is further measured and compared with a reference value, and if the intensity of the backscattered light is greater than the reference value, the width of the pass band can be determined to include the center wavelength and the adjacent wavelength. The adjacent wavelengths can be continuously added until the intensity of the backscattered light is greater than the reference value.
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. As described above, the signal processing unit (90) can filter the sensing light input to the optical fiber (70) by adjusting the center wavelength and width of the passband of the active wavelength filter (50) so that sufficient intensity of backscattered light can be measured. Even when the characteristics of the light source (10) or the active wavelength filter (50) change due to various causes, the signal processing unit (90) can control the active wavelength filter (50) so that the intensity of the sensing light input to the optical fiber (70) is sufficiently strong, so that the distributed acoustic sensing device (1) can operate normally.
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. The above disclosure has been described in detail through specific implementation examples. The implementation examples are intended to specifically explain the disclosure, and the disclosure is not limited thereto. It will be apparent that modifications or improvements can be made by those skilled in the art within the technical spirit of the disclosure.
본 개시의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 개시의 영역에 속하는 것으로 본 개시의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.All simple modifications or changes of the present disclosure fall within the scope of the present disclosure, and the specific protection scope of the present disclosure will be made clear by the appended claims.
본 출원은 한국수자원공사(K-water)의 개방형 혁신 R&D(20-A-T-002) 사업의 일환으로 수행되었습니다. This application was conducted as part of the Open Innovation R&D (20-A-T-002) project of Korea Water Resources Corporation (K-water).
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: 거울1: Distributed acoustic sensing device using active wavelength filter
10: Light source 21: 1st optical coupler
22: Second optocoupler 30: Optical pulse modulator
40: Optical amplifier 50: Active wavelength filter
60: Optical Rotator 70: Optical Fiber
80: Photodetector 90: Signal processing unit
51: Optical input/output section 52: Polarizing section
52a: Collimating lens 52b: Beam displacer
52c: Half-wave delay 52d: First lens
53: Wavelength separation section 53a: Grating
53b: Second lens 54: Wavelength selector
54a: LC array 54b: Mirror
Claims (14)
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. A polarizing unit that receives unpolarized light from an optical input/output unit, separates it into two polarized lights that are orthogonal to each other, and converts one of the two polarizations into the other polarization and outputs it;
A wavelength separation unit that separates and outputs light output from the polarizing unit according to wavelength; and
It includes a wavelength selection unit that selectively reflects one or more wavelengths from among the light separated by wavelength by the wavelength separation unit,
The above wavelength selection section
An LC array whose arrangement is changed according to a control signal for each pixel where light separated by wavelength arrives in the wavelength separation unit to pass or block the light; and
A mirror is included that reflects light passed through the LC array,
An active wavelength filter in which light selectively reflected from the wavelength selection section passes through the wavelength separation section and polarization section and is output to the optical input/output section.
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. In claim 1,
The above polarizing part
A collimating lens that aligns light incident from the above optical input/output unit into parallel beams;
A beam displayer that separates light passing through the collimating lens into two polarizations that are perpendicular to each other; and
An active wavelength filter including a half-wave delayer that delays one of the two polarizations output by the beam displacer to match the other polarization.
상기 파장분리부는
입사되는 광을 파장에 따라 다른 방향으로 반사하는 그레이팅을 포함하는, 능동형 파장필터. In claim 1,
The above wavelength separation section
An active wavelength filter comprising a grating that reflects incoming light in different directions depending on its wavelength.
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. A light source that generates laser light;
A first optical coupler that divides light output from the light source into sensing light and reference light;
An optical pulse modulator that modulates the sensing light split by the first optical coupler to output pulse light;
An optical amplifier for amplifying the above pulsed light;
An active wavelength filter that filters the pulse light amplified by the optical amplifier to pass light in the pass band and has the ability to control the center wavelength or width of the pass band;
An optical rotator that outputs light input from the active wavelength filter connected to the first stage to the second stage and outputs backscattered light input from the optical fiber connected to the second stage to the third stage;
A second optical coupler that combines and outputs the backscattered light received from the third stage of the optical rotator and the reference light received from the first optical coupler;
A photodetector that converts light received from the second optical coupler into an electrical signal and outputs it;
A distributed acoustic sensing device including an active wavelength filter, the device including a signal processing unit that analyzes an electric signal received from the photodetector to detect vibration applied to an optical fiber and adjusts the center wavelength or width of the passband of the active wavelength filter.
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. In claim 5,
The above signal processing unit
A distributed acoustic sensing device including an active wavelength filter that analyzes an electric signal received from the photodetector and, if the intensity of the backscattered light is less than a reference value, adjusts the center wavelength of the passband of the active wavelength filter or adjusts the width of the passband.
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. In claim 6,
The above signal processing unit
A distributed acoustic sensing device including an active wavelength filter, which measures the intensity of the backscattered light while sequentially changing the center wavelength of the passband of the active wavelength filter, and controls the active wavelength filter so that the center wavelength at which the size of the backscattered light is the largest becomes the center wavelength of the active wavelength filter.
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. In claim 6,
The above signal processing unit
A distributed acoustic sensing device including an active wavelength filter, which measures the intensity of the backscattered light while changing the width of the pass band for each center wavelength of the pass band of the active wavelength filter, and controls the active wavelength filter so that the width of the pass band in which the magnitude of the backscattered light is greater than a reference value becomes the width of the pass band of the active wavelength filter.
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. A first step in which an optical pulse modulator modulates light output by a light source into a pulse form and an optical amplifier amplifies the same to generate pulse light;
A second step in which an active wavelength filter filters the pulse light;
A third step in which pulse light passing through the active wavelength filter is input to an optical fiber, backscattered light generated at any point of the optical fiber is input to a photodetector and converted into an electric signal, and a signal processing unit analyzes the electric signal to detect vibration applied to the optical fiber; and
A control method for a distributed acoustic sensing device including an active wavelength filter, comprising a fourth step of controlling the active wavelength filter so that the center wavelength or width of the passband is changed.
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. In claim 9,
The fourth step above is,
Step 4-1, in which the signal processing unit analyzes the electric signal received from the photodetector and compares the intensity of the backscattered light with a reference value; and
A method for controlling a distributed acoustic sensing device including an active wavelength filter, comprising a step 4-2 in which, when the intensity of the backscattered light is less than a reference value, the signal processing unit adjusts the center wavelength or width of the passband of the active wavelength filter to adjust the intensity of the backscattered light to be greater than the reference value.
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.In claim 10,
Step 4-2
A step of measuring the intensity of the backscattered light while the signal processing unit changes the center wavelength of the passband of the active wavelength filter;
A step of determining whether the center wavelength of the greatest intensity of the backscattered light is identical to the existing center wavelength, and determining whether the greatest intensity of the backscattered light is greater than the reference value, and thereby determining to perform one of the center wavelength adjustment step, the width adjustment step, and the center wavelength and width adjustment step; and
A control method for a distributed acoustic sensing device including an active wavelength filter, the method comprising: performing a center wavelength adjustment step, a width adjustment step, or one of the center wavelength and width adjustment steps.
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. In claim 11,
The above central wavelength adjustment step
A control method for a distributed acoustic sensing device including an active wavelength filter, wherein the active wavelength filter is controlled so that the center wavelength at which the intensity of the backscattered light is the greatest becomes the center wavelength of the active wavelength filter.
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. In claim 11,
The above width adjustment step is
A control method for a distributed acoustic sensing device including an active wavelength filter, wherein the active wavelength filter is controlled so that the width of the passband when the intensity of backscattered light exceeds a reference value becomes the width of the passband of the active wavelength filter by further passing wavelengths adjacent to the center wavelength of the active wavelength filter.
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.In claim 11,
The above central wavelength and width adjustment steps are
A control method for a distributed acoustic sensing device including an active wavelength filter, wherein the center wavelength at which the magnitude of the backscattered light is the largest is determined as the center wavelength of the active wavelength filter, and pixels corresponding to wavelengths adjacent to the center wavelength of the active wavelength filter are additionally controlled to pass, so that the width of the pass band when the intensity of the backscattered light becomes a reference value or more is controlled to become the width of the pass band of the active wavelength filter.
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