[논문]지능형 구조물을 위한 간섭형 광섬유 센서 신호처리기

홍영준; 예윤해

doi:10.3807/kjop.2003.14.6.588

지능형 구조물을 위한 간섭형 광섬유 센서 신호처리기
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지능형 구조물에서의 진동 등과 같이 주파수가 1 KHz에 이르는 물리량을 고감도로 측정할 수 있는 광섬유센서를 위한 신호 처리기를 구현하기 위하여 광섬유자이로스코프에 적용되었던 전디지털 위상추적신호처리(ADPT)를 교류량 측정용(다이나믹)으로 변경하여 설계하였다. 구현된 다이나믹 ADPT 신호처리기를 광섬유 Mach-Zehnder간섭계에 적용하여 성능을 평가한 결과 ADPT신호처리방식의 한계인 -50 ㏈에 가까운 전고조파 왜율을 가짐을 확인하였다.

A signal processor for interferometeric fiber optic sensors, which measure dynamic quantities of frequency up to 1 KHz with high sensitivity, is developed. It is a high-speed version of the all-digital phase tracking (ADPT) processor that was used to measure static or slowly-varying quantities. The processor was applied to a fiber optic Mach-Zehnder interferometer to evaluate the performance. The measured total harmonic distortion was near to -50 ㏈, which is the theoretical limit or the ADPT signal processing.

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

ADPT 신호처리는 DPT신호처리의 모든 과정을 디지털로 구현하여 DPT 신호처리에서의 아날로그 회로의 문제점을 해결한 방식으로 신호처리기의 측정감도는 -uradJjHz 에이른다] 그러나 ADPT신호처리기는 위상추적속도가 느려 진동 등과 같은 다이나믹한 물리량을 측정하기에는 문제가 있다. 본 논문에서는 ADPT신호처리방식을 구현함에 있어 피드백량을 위상오차의 크기에 비례하도록 조정함으로써 위상추적속도를 높여 11lz까지의 센서신호까지 측정할 수 있도록 변경한 다이나믹 ADPT신호처리기를 구현하고 이의 성능을 평가하였다.
있다. 본 논문에서는 ADPT신호처리방식을 구현함에있어 피드백량을 위상오차의 크기에 비례하도록 조정함으로써 위상추적속도를 높여 1 kHz까지의 센서신호까지 측정할 수 있도록 변경한 다이나믹 ADPT신호처리기를 구현하고 이의 성능을 평가하였다.

제안 방법

여기서 조절된 펄스 간격, 3는 위상변화량, )와 같은 값으로 피측정신호가 되며, 이 값은 DAC(digital-to-analog converter)를 거쳐 아날로그신호 변환됨과 동시에 PC의 병렬포트로 디지털 출력이 가능하도록 구성되었다. DAC 출력단에는 양자화 잡음을 제거하기 위해 차단주파수가 2 kHz 인 2차 Butterworth형 저역통과필터 (LPF)를 두었다.
조정하여 위상변조의 진폭이 2, ?rrad일 때의 주파수에 따른 신호처리기의 선형성을 측정하였다.
광섬유 Mach-Zehnder 간섭계와 연결되었을 때 신호처리기의 성능을 보기 위해 그림 4의 PZTs를 이용하여 위상변조 진폭이 각각 7t/2, zrrad인 정현파 위상변조,#를 인가한 후 신호처리기 출력신호의 THD를 측정하였다. 그림 7, 그림 8은 변조진폭과 주파수에 따른 신호처리기 출력 파형과 THD를 보인 것으로 피측정신호의 변조 진폭, #가 # 일 때 THD는 각각 약 -46, -49 dB 이하인 것으로 측정되었다.
본 논문에서는 지능형 구조물의 경우에서와 같이 0~1 kHz 주파수 범위의 다이나믹한 물리량을 고감도로 측정하는 응용에서 ADPT신호처리방식의 가능성을 시험하기 위하여 ADPT 신호처리기를 변화량 측정용(다이나믹 ADPT)로 변경 설계한 후 간섭형 광섬유 센서에 적용하여 그 성능을 시험한 결과를 제시하였으며, 시험에 사용된 광섬유 간섭계로는 광학계에 의한 신호처리기의 성능저하를 피하기 위하여 편광유지 광섬유로 구성한 Mach-Zehnder 간섭계를 사용하였다.
신호처리기의 최대 위상추적속도는#를 기준할 때 약 #로 측정되었으며, 따라서 피측정신호의주파수가 1 kHz일 때 측정가능한 위상변화의 최대진폭은 8 rad이다. 본 연구에서는 신호처리기가 위상변조 진폭이 수 radians이상인 신호까지 측정할 수 있도록 신호처리기 출력의 주파수 대역을 1kHz 이내로 제한하였다.
신호처리기 자체의 성능을 시험하기 위해 식 (5)과 같이 일정한 위상을 가진 간섭계 출력이나 정현파 형태로 위상이 변화하는 이상적인 간섭계 출력 신호를 발생시키는 장치 (emulator) 를 제작하고, 이의 출력을 신호처리기에 연결하여 신호처리기만의 성능을 확인하는 실험을 수행하였다.
신호처리기의 성능을 평가하기 위해 사용된 간섭계 신호발생 장치로는 이상적인 간섭계 센서의 출력신호를 전기적으로 구현할 수 있도록 제작된 에뮬레이터, 그리고 실제 간섭계형광섬유 센서로서 Panda형 편광유지 광섬유를 이용하여 그림 1 과 같이 구성한 Mach-Zehnder 간섭계를 사용하였다. Mach-Zehnder간섭계는 가변 광 커플러 (tunable directional coupler) 2개, 기준암(reference arm)과 센싱암(sensing arm)에는 각각변조용 위상변조기 (PZ7;)와 신호용 PZT 위상변조기 (FZ7R를 두었으며, 각 암의 길이는 약 11.
여기서, 0me 위상변조 진폭, 은 위상변조 주파수, 는피측정 물리량에 의한 위상 변화랴으로 본 실험에서는 PZTs를 이용하여 인가하였다. 식 (2)에서 변조 주파수의 흘수 고조파의 진폭은 sin에 비례하고, 짝수 고조파의 진폭은 co)에 비례하므로 홀수 고조파 성분을 이용하여 신호처리 하면 0(7) 가 작을 때 높은 감도를 얻을 수 있으며, 이를 이용한 방식이간섭형 광섬유 센서의 신호처리에 주로 이용되고 있다.

대상 데이터

4 meter이다. 광원으로는 편광유지광섬유가 부착된 파장 1550 nm의 DFB laser(Lucent model, D2543P1)를 사용하였다.

성능/효과

다이나믹 ADPT신호처리기를 파장이 1550nm인 광원, 센싱 암의 길이가 20 cm인 Mach-Zehnder간섭계를 사용하여 지능형 구조물용 센서로 구성한 다음 스트레인을 측정하는 것으로 가정할 때 감도가 L5XKT4*이고, 측정주파수 대역이 1 kHz인 고감도 광섬유센서를 구현할 수 있음을 알 수 있다.
한계에 가까운 값이다. 따라서 다이나믹 AD PT 신호처리기는 종래의 ADPT신호처리기와 유사한 성능으로 고속(1 kHz 이내)의 신호를 측정하는데 사용할 수 있음을 알 수 있었다.
다이나믹(dynamic) ADPT신호처리기는 위상추적속도 외에는 ADPT신호처리 기와 동일하게 구현되었으므로 신호처리기의 감도와 드리프트 등은 ADPT신호처리기의 경우와 비슷하다. 따라서 신호처리기의 성능을 확인하기 위한 실험에서는 E호처리기의 선형성을 확인하는데 주력하였으며, ADPT신호처리방식이 위상변조진폭을 2.77 rad으로 제어된 경우 sad 범위 내에서 최대 7 mrad의 선형성 오차를 가지기 때문에 약 -50 1B의 전고조파 왜율(THD; total harmonic distortion)을 가질것으로 예상된다.
변조 진폭이 작을 때 THD가 커지는 것은 DAC에서의 양자화 잡음에 의한 것으로 판단되며, 주파수가 증가함에 따라 THW가 줄어드는 것은 신호파형을 매끄럽게 (smoothing)하기 위해 DAC 다음 단에 추가된 차단주파수 2 kHz의 lPF(low pass Alter)에 의한 것으로 판단된다.

후속연구

이러한 간섭형 광섬유 센서소자로 광섬유 Fabry-Perot를 들 수 있으며, 신호처리 방식으로는 광원의 세기에 무관하게 *rad의 감도로 센서정보를 추출할 수 있는 위상추적신호처리(ADPT: all-digital phase tracking)(3)를 들 수 있다. ADPT신호처리는 위상추적오차를 없애기 위한 피드백 량을 일정량 더하거나 빼는 방법으로 동작시키면서 발생된 피드백 량을 장시간 적분한 값으로부터 위상변화량을 측정하기 때문에 광섬유 자이로스코프 등에서와 같이 저속(수 Hz이하) 물리량을 측정하는 광섬유 센서의 경우로 응용범위가 제한된다.

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