03
Mar
10

DTS 광섬유 시스템을 이용한 온도 및 위치 측정

라만 스캐터링

온도나 압력, 장력 등과 같은 물리적 특성은 유리 섬유에 영향을 줄 수 있고 부분적으로 그 섬유 상 빛의 전달 특성을 변화시킬 수 있다. 유리 섬유에 빛을 산란시킴으로써 광섬유를 선형적인 센서처럼 작동하게 하여 외부의 물리적 영향이 들어오는 위치를 파악할 수 있다.
광섬유는 액체상태의 유리로 만들어진다. 유리는 비결정형 고체 구조인 산화규소()의 한 형태이다. 열에 의한 영향은 고체 결정구조에 진동을 일으킬 수 있다. 빛이 이러한 분자 진동을 일으켰을 때 광자(Proton)라는 빛의 입자와 분자의 전자 사이에 상호작용이 일어난다. 라만 스캐터링 (Raman Scattering)이라고도 알려진 빛의 산란은 광섬유 내에서 일어난다. 일반적인 빛과 달리 이렇게 산란된 빛은 격자 진동의 공진주파수 (Resonance Frequency) 크기에 비례하는 만큼의 스펙트럼 변동이 생긴다. 광섬유로부터 산란되어 나온 빛은 다음과 같은 3가지 부분으로 구성된다:

  • 사용된 레이저 광원과 동일한 파장의 레일리 스캐터링,
  • 광자가 만들어지는 고주파의 스토크스 성분,
  • 광자가 파괴되는 레일리 스캐터링보다 더 낮은 주파수의 안티-스토크스 성분

그림 1-1은 라만 대역에 의해 새로 만들어진 빛의 분포를 보여준다. 안티-스토크스 대역의 빛의 세기는 온도에 따라 달라지는 반면, 스토크스 대역은 온도와 무관한 특성을 보인다. 광섬유 각 부분의 온도는 이 두가지 대역의 빛의 세기의 비율을 통해 알아낼 수 있다.

그림 1-1 - 라만 스캐터링

측정과 계산 방법
DTS에서는 OFDR (Optical Frequency Domain Reflection)이라는 방법을 사용한다. 이 시스템은 역산란 신호가 감지되었을 때만 부분적 특성에 대한 정보를 제공하는데, 그 동안 전체 측정 시간은 주파수에 대한 복소함수로 측정되고, 이는 퓨리에 변환을 필요로 한다. OFDR 기술의 가장 큰 이점은 레이저에 의해 겉 보기에 계속되는 것처럼 보이는 파형과 역산란 신호의 정밀한 감지, 그로 인해 얻게되는 아주 높은 SNR (Signal-to-noise ratio)이다. 이러한 이점은 저렴한 레이저 다이오드와 신호 평균화를 위한 전자 부속품을 이용할 수 있게 해 준다. 이를 위해서는 라만 스캐터링된 빛을 감지하는 고난도 기술과 고도의 선형성을 요구하는 전자 부품에 필요한 빠른 퓨리에 변환 (FFT: Fast Fourier Transformation)을 위한 값비싼 신호처리 기술이 요구된다.
반사광의 주파수 대역 측정은 고해상도 측정으로도 고작 밀리미터 단위의 파장 측정이 가능했을 뿐이다. 그에 비해 라만 역산란 측정 기술의 응용은 새로운 것이다.
다음 그림은 OFDR 라만 온도 측정 시스템의 설계도이다.

Measuring Principle - OFDR Technology

그림 1-2 OFDR 라만 온도 측정 시스템

온도 측정 시스템은 진동 생성기, 레이저 소스, 광학 모듈, HF 믹서, 리시버, 마이크로프로세서 유닛으로 구성된 컨트롤러와 선형 온도 센서 역할을 하는 광섬유로 구성되어 있다.
설계는 2개의 측정 채널 (스토크스와 안티-스토크스) 외에도 추가적인 참조 채널이 필요하기 때문에 3개의 채널로 되어있다. OFDR 시스템을 살펴보면, 레이저의 파워 출력은 움푹 파인 모양의 kHz 단위 주파수로 시작해 측정하는 시간동안 HF 모듈의 도움을 받아 수 MHz 단위의 높은 주파수 대역으로 끝맺는다. 결과로 나타나는 주파수 전이는 측정된 광도를 분석한 데이터이다. 만들어진 레이저광은 광학 모듈을 통해 광섬유로 연결된다.
계속해서 역산란되는 라만광은 광학 모듈에서 광학적으로 걸러지고 전기적인 신호로 변환된다. 그리고나서 이 신호는 증폭되고 저주파 대역의 신호와 혼합된다. 평균화된 저주파 신호를 퓨리에 변환하면 두 개의 라만 역산란 곡선이 얻어진다. 이 곡선의 진폭은 라만 스캐터링의 세기와 비례한다. 광섬유의 온도는 두 개의 채널의 진폭의 비로 얻어진다.

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