고성능 브릴루앙 상관영역 측정법에 관한 연구

Abstract

one is the trade-off relation between the spatial resolution and the measurement range. In other words, a spatial resolution improves lead to shorter measurement range and vice versa. Several studies have been introduced to overcome this problem of limitation with special technique. Another is beat noise problem. When the operation of the ordinary BOCDA, several frequency components are appeared, therefore, it has an intensity noise coming from the beating of the frequencies which may lead to the failure of the measurement by distorting the acquired Brillouin gain spectrum (BGS). The other is that it is not good for signal to noise ratio due to the additive local Brillouin gain from non-correlation positions. This problem leads to limitation of dynamic-range and spatial resolution. In this thesis, to resolve these problems of the conventional BOCDA system, we proposed and demonstrated several technologies for advanced BOCDA system.|지난 수십 년 간 인류의 안전과 편리를 위하여 광 섬유 센서가 광범위하게 연구되어 왔다. 광 섬유는 전자기 파와 화학 물질에 강하고 높은 온도에서 견딜 수 있으며 가볍고 낮은 전송손실로 인하여 장거리 전송이 가능하며 원격지 센서에 전기적인 장치가 필요 없다는 장점들로 인하여 광 섬유를 이용한 센서는 구조 건전성 관리에 매우 적합하였다. 광섬유 센서는 점센서, 다중 점센서 그리고 분포형 센서로 분류될 수 있으며, 특히 브릴루앙 산란을 이용한 분포형 광섬유 센서는 온도 및 응력을 측정하는 도구로 연구 되어왔다. 브릴루앙 기반의 분포형 광섬유 센서 중에는 Brillouin optical time domain reflectometry (BOTDR), Brillouin optical time domain analysis (BOTDA), Brillouin optical correlation domain reflectometry (BOCDR)과 Brillouin optical correlation domain analysis (BOCDA) 등이 있으며 이중 변조된 두 신호들의 상관점을 이용한 BOCDA 방식은 공간 분해능이 높으며 샘플링 속도가 빠르고 임의위치를 측정할 수 있다는 장점들이 있다. 하지만 단점들도 있는데 그 중 하나는 공간 분해능과 측정 범위간의 트레이드 오프 (trade off) 관계가 있다는 것이다. 이는 공간 분해능이 좋아지면 측정 범위가 짧아지고, 측정 범위를 길게 하면 공간 분해능이 나빠진다는 의미이다. 이러한 제약을 해결하기 위해 여러 연구들이 진행되어 오고 있으며, 다른 문제는 BOCDA 시스템에서 비트 노이즈가 발생한다는 것이다. 이러한 비트 노이즈는 분포형 계측을 할 때 신호의 왜곡으로 작용하여 측정을 원활하게 할 수 없다는 문제가 있다. 또 다른 문제는 신호 대 잡음비가 나쁘다는 점이다. 이러한 현상은 상관점 이외의 지점에서의 비트 스펙트럼의 누적으로 인한 노이즈의 증가로 인하여 발생하는데 나쁜 신호 대 잡음비로 인하여 동적 범위와 공간 분해능을 저하 시킨다. 본 논문에서는 기존의 BOCDA 시스템에서 발생하는 문제점들을 해결하고 고성능의 BOCDA 시스템을 위한 몇 가지 기술에 관하여 제안하고 실험 하였다.; In the past decade, for human safety and convenience, optical fiber based sensors have widely been studied. Particularly, due to merits of optical fiber which are immune to electromagnetic interference and chemicals, withstand high temperature, lightweight, and potentially cover long distances thanks to the low transmission loss and also remote sensors do not need electrics, optical fiber sensor is very valuable as structural health monitoring (SHM) of civil structures, materials and vehicles. Optical fiber sensors can be classified in single point fiber sensors, multi point fiber sensors and distributed fiber sensors. Especially, distributed fiber sensors based on Brillouin scattering have been studied as a useful tool for either temperature or stain measurement in SHM. There are many ways using Brillouin scattering and the most representative methods are Brillouin optical time domain reflectometry (BOTDR), Brillouin optical time domain analysis (BOTDA), Brillouin optical correlation domain reflectometry (BOCDR) and Brillouin optical correlation domain analysis (BOCDA). Among them, the BOCDA is based on using a correlation peak of the frequency modulated two beams with opposite propagation, and has shown unique advantages of a high spatial resolution (~ cm order) and a high sampling rate (~kHz) with random access of sensing position. However, the BOCDA has several disadvantages; one is the trade-off relation between the spatial resolution and the measurement range. In other words, a spatial resolution improves lead to shorter measurement range and vice versa. Several studies have been introduced to overcome this problem of limitation with special technique. Another is beat noise problem. When the operation of the ordinary BOCDA, several frequency components are appeared, therefore, it has an intensity noise coming from the beating of the frequencies which may lead to the failure of the measurement by distorting the acquired Brillouin gain spectrum (BGS). The other is that it is not good for signal to noise ratio due to the additive local Brillouin gain from non-correlation positions. This problem leads to limitation of dynamic-range and spatial resolution. In this thesis, to resolve these problems of the conventional BOCDA system, we proposed and demonstrated several technologies for advanced BOCDA system.