ISSN: 1738-7167
DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2016.30.2.027
광섬유선형감지기를 이용한 화재감지 신호처리방법 및 광신호처리 시험모듈 개발에 관한 연구
김시국 · 이영신 · 김동은* · 임우섭** · 이춘하
†
호서대학교 소방방재학과, *(주)태산전자, **한국소방산업기술원
Fire Detection Signal Processing Method Using an Optical Fiber Linear Detector and the Development of an Optical Signal Processing Test Module
Si-Kuk Kim · Young-Sin Lee · Dong-Eun Kim* · Woo-Sub Lim** · Chun-Ha Lee
†
Dept. of Fire and Disaster Protection Engineering, Hoseo Univ.
*Tae San Electronics Co., Ltd.
**Korea Fire Institute
(Received November 30, 2015; Revised January 27, 2016; Accepted January 29, 2016)
요 약
본 논문은 화재위험성이 높은 터널 및 지하공동구 등 열악한 환경조건에서도 가장 적응성 있는 화재감지로 화재피해 를 최소화 할 수 있는 광섬유선형감지기를 이용한 화재감지시스템에 관한 연구이다. 한가닥의 광섬유를 이용하여 m 단 위의 온도표시 및 수 km 이상의 장거리 화재감시가 가능하고, 고신뢰성 및 장수명 등 다양한 장점으로 인해 국외의 경 우 열악한 장소에 대부분 채용하고 있는 시스템이다. 이로 인해 국내에서도 향후 그 수요가 크게 증가될 것으로 예상된 다. 하지만, 현재까지 광섬유선형감지기를 제외한 광신호 구동 및 분석 모듈은 100% 수입에 의존하고 있는 실정이다.
이에 본 연구에서는 현재 수입의 의존도를 줄이고자 광섬유선형감지기를 이용한 화재감지시스템의 국산화 기술개발을 위해 1차적으로 위치 및 온도 측정의 신호처리 방법을 도출하고, 신호처리 검증을 위해 광신호처리 시험모듈을 설계 · 제작하여 그 성능을 확인하였다.
ABSTRACT
This paper studies a fire detection system using an optical fiber linear detector which can minimize damage from a fire by the most adaptable even in poor environmental conditions such as a tunnel or utility-pipe conduit vulnerable to fire.
Using a strand of optical fiber, temperature can be displayed in intervals of meters and a fire can be detected remotely from a distance of several kilometers. Thanks to its strengths such as high reliability and long life, it is widely applied in harsh environments in the overseas. Therefore demands are expected to grow greatly in Korea as well. However, all opti- cal signal drive and analysis module except for the optical fiber linear detector, tend to rely on import. Firstly this study deduced the location and the method of processing signals measuring temperature by using the optical fiber linear detec- tor in order to develop a technology for a domestic model of fire detection system. Secondly this study designed and man- ufactured the optical analysis test module, and then we checked its performance.
Keywords : Optical fiber linear detector, Location measurement, Temperature measurement, Signal processing method, Optical signal processing test module
1. 서 론
경제성장과 더불어 국토의 이용 한계성 및 교통량 증가 등에 의해 토지의 효율적인 사용이 가능한 터널 및 지하공 동구의 필요성이 커지고 있으며, 그 수가 증가되고 있는 추 세이다. 터널의 경우 2005년 817개소에서 2014년 1,777개
소로 약 2배 이상 증가되었으며, 지하공동구의 경우 2005 년 432개소에서 2014년 559개소로 약 1.2배 증가하였다(1). 하지만, 터널 및 지하공동구의 증가는 화재위험성이 높아 질 수 있는 위험성을 내포하고 있으며, 공간적 특성상 교 통마비, 전력마비, 통신마비 등 사회적, 경제적인 피해를 초래할 수 있는 특수화재로 확대될 수 있다(2,3). 터널 및 지
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Corresponding Author, E-Mail: [email protected]
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TEL: +82-41-540-5732, FAX: +82-41-540-5728
후 전반적인 사항에 대한 온도모니터링이 불가능하며, 화 재가 발생하고 나서야 작동되기 때문에 조기화재감지 지연 의 문제점이 나타날 수 있다. 또한, 차동식분포형감지기 및 정온식감지선형감지기(저항판독기 제외)의 경우 감지구역 (detection zone) 단위의 세부적인 화재위치 표시가 아닌 경 계구역(alarm zone) 단위의 광범위한 화재위치를 표시하기 때문에 사실상 적응성이 떨어질 것으로 생각된다.
광섬유선형감지기는 전자파 장애에 전혀 영향을 받지 않고, 거리 별 온도표시, 장거리 화재감시, 설치장소의 열 악한 환경조건에서도 비화재보의 발생 없이 조기화재를 감지할 수 있다는 장점 등이 있다. 이로 인해 국외 선진시 스템에서는 한 가닥의 광섬유케이블을 사용하여, 1 m 및 1oC 단위로 수 km 이상의 장거리 화재감시가 가능한 광 섬유선형감지기를 이용한 화재감지시스템을 대부분 채용 하고 있으며, 국내에서도 향후 그 시스템의 수요가 크게 증가할 것으로 예상된다(5-8). 현재 국내에서도 광섬유선형 화재감지시스템의 필요성을 인지하여 도입하고 있는 추세 에 있지만, 국산화가 된 광섬유선형감지기를 제외한 광신 호 구동 및 분석 모듈(이하; 광신호처리 모듈)의 경우 100%로 수입에 의존하고 있어, 수입 의존도를 줄이기 위 한 광신호처리 모듈의 국산화가 절실히 필요한 것으로 생 각된다. 기존 국내 연구동향을 분석해 보면 황두선(9,10), 김 요희(11) 등에 의해 광섬유를 이용한 라만(Raman)산란대역 의 온도분포 측정에 대한 연구가 이루어 졌지만, 대부분 국외에서 개발된 모듈을 결합하여 광신호 특성을 분석한 연구가 위주였고, 광신호처리 모듈의 국산화를 위한 연구 는 미비한 편이다.
따라서 본 연구에서는 광섬유선형감지기를 이용한 화재 감지시스템의 국산화 기술개발을 위한 기초연구로써 광섬
광섬유는 Figure 1(a)과 같이 빛을 전파하는 코어(core), 진행하는 빛을 유리관 속에 가두는 클래딩(cladding), 이를 보호하는 버퍼(buffer), 외피인 재킷(jacket)으로 구성되며(12), 종류에 따라 단일모드(single mode fiber; SMF)와 다중모 드(multi mode fiber; MMF) 케이블로 나뉜다. 현재 국내 에서 사용되는 광섬유선형감지기의 경우 대부분이 라만 (Raman)산란대역 측정에 유리한 다중모드 케이블을 사용 하고 있으며, 그 크기는 62.5 µm/125 µm를 사용하고 있다.
Figure 1(b)은 현재 국내에서 자체 생산되고 있는 L사의 광섬유선형감지기를 나타낸 것으로 광섬유를 보호하기 위 해 스테인리스 튜브관으로 감싸고 있는 구조이다.
Figure 2는 광섬유선형감지기의 화재감지를 위해 사용되 는 광섬유 내의 역산란광(backscattering light)을 나타낸 것이다. 광섬유 내에 레이저(laser)광이 펄스(pulse) 형태로 입사되면 주위온도, 밀도 등의 영향에 의해 레이저광의 산 란현상이 나타나게 되는데 이러한 산란된 레이저광 중 입 사된 광원부를 향해 복귀하는 역산란광이 나타난다. 이러 한 역산란광은 입사광(incident light)과 동일한 크기를 갖 는 기준 광원인 레일리산란(Rayleigh scattering)광이 발생하 게 되고, 근접 대역에서 브릴루앙산란(Brillouin scattering) 광이 나타나게 된다. 브릴루앙산란광을 이용하여 온도를 감지할 수 있으나, 레일리산란광과 근접해 있어 신호처리 의 어려움이 나타나 현재는 지진감지에 많이 사용되고 있 다. 라만산란광은 온도에 민감한 특징이 있어 온도감지에 적합하여 현재 대부분의 광섬유선형감지기를 이용한 화재 감지시스템인 distributed temperature sensing (DTS) 시스 템에 사용하고 있다. 라만산란은 온도에 민감하지 않은 Stokes 신호와 온도에 민감한 anti-Stokes 신호를 가지며, 이 두 신호의 세기를 측정하여 비율로 온도를 측정하는 방
Figure 1. Structure of optical fiber and optical fiber liner detector.
법을 이용한다(9-14).
또한, 광섬유 내의 온도감지 위치를 측정하기 위한 방법 으로는 현재 optical time domain reflectometry (OTDR) 방식과 optical frequency domain reflectometry (OFDR) 방식으로 분류되며, 반사되는 시간을 측정하는 OTDR 방 식이 주파수를 측정하는 OFDR 방식보다 보편화되어 가 장 많이 사용되고 있어 본 연구에서도 OTDR 방식을 이용 하여 위치를 측정하였다(9-14).
3. 화재감지 신호처리방법
일반적으로 진공 중 빛의 전파속도 c는 약 3 × 108m/s 로 300 MHz의 응답속도로 나타낼 수 있다. 하지만, 광섬 유 내 빛의 전파속도는 코어의 굴절률 등에 의해 식(1)과 같이 나타난다.
v = c/n (1)
여기서, v는 광섬유 내 빛의 전파속도, c는 진공 중 빛의 전파속도, n은 광섬유 내 코어의 굴절률(약 1.5)을 의미한다.
이로 인해 광섬유 내 빛의 전파속도 v는 2 × 108m/s로 광섬유 내의 빛의 전파속도는 1 m 이동시 5 ns, 1 km 이동 시 5 µs의 속도가 걸리게 된다. 하지만, 광섬유 내의 광산 란 위치를 확인하기 위해서는 왕복거리로 계산되어야하기 때문에 식(2)를 이용하여 거리를 측정하여야 한다.
X = v × t/2 (2)
여기서, X는 광산란 위치, t는 측정시간을 의미한다.
Figure 3은 광섬유 내 위치측정 방법을 나타낸 것으로
m 단위의 위치정보를 측정하기 위해서는 10 ns 간격으로 데이터를 취득하여야 한다. 즉, 1 m 지점의 정보는 10 ns 일 때, 1 km 지점의 정보는 10 µs 일 때 데이터를 분석하 면 위치정보를 얻을 수 있게 된다.
Figure 4는 도출된 광섬유선형감지기의 위치측정 신호처 리방법을 나타낸 것이다. 레이저구동(laser driver; LD)부 에서 광섬유선형감지기 내로 레이저펄스를 발진하면, 광섬 유선형감지기내의 라만대역의 역산란광을 수신하게 된다.
이때, 샘플링은 100 MHz로 실시하게 되는데 이는 개발제 품의 응답속도의 경우 신호처리 등을 고려하여, 1 m 당 위 치측정 및 온도분석을 위하여 최소 10 ns 측정이 가능한 100 MHz로 하였기 때문이다. 그 후 데이터의 평균화와 데 이터보정을 통해 식(2)를 이용하여 1 m (10 ns) 단위 거리 를 측정하게 되고, 광섬유선형감지기의 설정거리와 데이터 를 비교하여 단선 유 · 무를 파악한 후 설치된 광섬유선형감 지기의 선로길이 및 단선위치를 표시하게 되는 원리이다.
Figure 5는 도출된 광섬유선형감지기의 온도측정 신호처 리방법을 나타낸 것이다. 현재 국외 광섬유선형감지기를 이용한 화재감지시스템을 분석해 본 결과 보편적으로 최 대 4 km의 화재감지가 가능하도록 개발하고 있는 점을 감 Figure 2. Backscattering light in the optical fiber.
Figure 3. Location measurement method.
Figure 4. Signal processing method of the location measure- ment.
안하여 본 연구에서도 광섬유선형감지기 내의 라만산란광 의 측정 시간은 최대 4 km의 화재감지를 위해 43 µs로 설 정하였다. 역산란광의 측정량은 온도분석의 정확도 및 신 뢰성을 향상시키기 위하여 1 m당 온도변화에 민감하지 않 은 Stokes 파장에서 2,000개의 펄스를 온도변화에 민감한 anti-Stokes 파장에서는 8,000개를 측정하게 된다. 여기서 Stokes와 anti-Stokes의 측정량을 다르게 한 이유는 온도변 화에 민감한 anti-Stokes의 경우 더욱 세밀한 분석이 필요
여기서, R은 비율, As는 anti-Stokes 데이터, S는 Stokes 데이터, Ka 및 Ks는 라만 산란계수(6,7)를 나타낸다.
그 다음 식(4)를 이용하여 광섬유에서 발생되는 광 손실 률을 보정하고, 기준 광섬유(reference coil) 구간에 설치된 온도센서(서미스터)를 이용하여 절대 값으로 온도를 측정 하고, 이를 기준온도로 하여 식(5)를 이용하여 광섬유선형 감지기 전구간의 온도를 측정하게 된다.
R(m, r) = R × Loss (4)
T = RT × (Rm/Rr) × K (5) 여기서, m은 측정(measurement)광섬유, r은 기준 광섬 유, Loss는 광손실율, T는 광섬유 온도, RT는 기준 온도 (reference temperature), Rm은 측정 광섬유 구간의 R값, Rr 는 기준 광섬유 구간의 R값, K는 볼츠만상수를 나타낸다.
4. 광섬유선형감지기전용 광신호처리 시험모듈 설계 및 제작
4.1 광신호처리 시험모듈 시스템 개념도
3절에서 도출된 화재감지 신호처리 검증을 위해 광섬유 선형감지기의 온도 및 위치를 측정할 수 있는 광신호처리 시험모듈의 개발을 위하여 Figure 6과 같이 광신호처리 시 Figure 5. Signal processing method of temperature measure-
ment.
Figure 6. System design concept diagram of the optical signal processing test module.
험모듈의 시스템 개념도를 설계하였다. 광섬유선형감지기 (측정 광섬유)의 화재감지 위치 및 온도 측정을 위한 레이 저 출력부, 레이저 출력 후 역산란광 중 라만대역의 광신 호를 검출하는 광수신부, negative temperature coefficient (NTC)서미스터를 이용하여 기준 구간의 절대온도를 측정 하기 위한 기준 광섬유(50 m)부, 레이저 트리거(trigger)신 호 및 클럭(clock) 주파수 발생을 위한 레이저트리거 신호 발생부, 역산란광인 라만대역의 Stokes 파장과 anti-Stokes 파장의 광신호를 디지털신호로 변환하여 램(random access memory; RAM)에 저장하는 analog to digital converter (ADC)부, 램에 저장된 광데이터를 분석하여 위치 및 온도 를 산출하는 신호처리부로 크게 나뉜다.
4.2 광신호처리 시험모듈 설계 및 제작
광신호처리 시험모듈은 Figure 6의 시스템 개념도를 바 탕으로 크게 광원모듈, 메인모듈, 신호증폭모듈, 전원모듈 로 구성하였다. 여기서 광원모듈은 현재 국내에서 자체 제 작에 한계가 있기 때문에 국내에서 가장 많이 수입되고 있 는 S사의 DTS 시스템(14)에서 사용 중인 광원모듈을 그대 로 이용하였고, 그 외의 모듈은 도출된 화재감지 신호처리 검증을 위한 광신호처리모듈의 국산화를 위해 새롭게 설 계 · 제작하였다.
Figure 7은 광원모듈의 블록도를 나타낸 것으로 발광부
에는 광원인 레이저(중심파장 905 nm)와 레이저의 온도제 어를 위한 펠티에(peltier)소자로 구성되어 있으며, 수광부 는 라만대역의 Stokes 파장(약 940 nm)과 anti-Stokes 파장 (약 870 nm)의 분리를 위한 라만필터로 구성되어 있다.
Figure 8은 신호증폭(Pre-Amp)모듈의 블록도를 나타낸 것 으로 라만필터를 거쳐 APD (avalanche photodiode, 중심 파장 905 nm)에 수신된 미세한 광신호를 전기적신호로 증 폭할 수 있도록 각각의 APD다이오드와 Op-Amp로 이루 어진 Stokes 증폭부와 anti-Stokes 증폭부로 구성하였다.
Figure 9는 전원모듈(power supply module; PSM)의 블 록도를 나타낸 것으로 광신호처리 시험모듈에 안정적인 정전압을 공급하기 위해 메인전원부, 펠티에전원부, 양전 원부, 음전원부로 구성하였다.
Figure 10은 메인모듈의 블록도를 나타낸 것으로 메인 모듈은 크게 micro controller unit (MCU)부, erasable programmable logic device (EPLD)부, 광신호 ADC부, ADC 모니터링부, 레이저구동부, temperature control (TC) 부, 전원부, 전원 high voltage (HV)부, ETC부로 구성하였 다. MCU부는 STMicroelectronics사의 STM32F2계열의 고속 MCU를 사용하였고, 광신호를 고속으로 연산 및 처 리하여 거리에 따른 온도 산출을 담당하며, 부가적으로 레 이저제어, 온도제어, 각종 입 · 출력제어를 담당한다. EPLD 부는 ALTERA사의 EPLD를 사용하였고, OTDR을 위한 클럭주파수생성, 메모리컨트롤, 고속 ADC입력을 담당하 며, field programmable gate array (FPGA)를 이용하여 소 프트웨어적으로 불가능한 고속처리능력을 하드웨어적인 고속처리가 가능하도록 구현하여, 속도 및 분해능을 향상 Figure 7. Block diagram of optical module.
Figure 10. Block diagram of main module.
Figure 8. Block diagram of Pre-Amp module.
Figure 9. Block diagram of PSM.
저모니터링을 통해 출력전압의 이상 유 · 무를 측정하는 역할을 한다. TC부는 레이저 온도제어 및 펠티에소자를 제어함으로써 온도변화에 민감한 레이저온도를 일정하게 유지하고, 온도모니터링을 통해 레이저온도와 광섬유의 기 준온도를 아날로그 값으로 출력한다. 전원부는 전원모듈로 부터 ± 12 V, ± 5 V를 입력 받아 아날로그 전원 3.3 V와 디지털 전원 3.3 V로 변환하여 각종 주변장치로 전원을 공 급하는 역할을 한다. 전원 HV부는 신호증폭모듈의 APD 동작전압(160~200 V)을 공급하기 위한 역할을 하며, 모니 터링을 통해 HV전원의 안정적인 전원을 인가하는 역할을 한다. ETC부는 RS-485 통신 및 각종 USB 디바이스 입력 을 받으며, LED를 통해 각종 에러 및 동작 상태를 확인하 는 역할을 한다.
Figure 11은 기존 S사의 광원모듈 및 새롭 계 설계 · 제 작된 각 모듈을 결합하여 완성한 광신호처리 시험모듈을
Figure 11. The optical signal processing test module.
Figure 12. Signal waveform of the optical signal processing test module.
법과 같이 2 km 지점의 온도데이터를 분석하기 위해 20 µs 의 라만대역 역산란광이 수신되는 것을 확인할 수 있으며, Stokes 대역에서는 2,000개, anti-Stokes 대역에서는 8,000 개의 펄스를 이용하여 평균화처리를 거쳐 위치에 따른 온 도정보가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
4.3 광신호처리 시험모듈 성능실험
화재감지 신호처리방법이 적용된 광신호처리 시험모듈 의 성능실험을 위하여 T사 가옥에 광섬유선형감지기를 2 km 설치하여 거리에 따른 온도상승을 관찰하였다. 광섬 유선형감지기의 정확한 성능평가를 위하여 1 m 간격으로 넘버링 작업을 실시하였고, 한 바퀴의 길이를 100 m로 하 여, 총 20바퀴로 하여 전체 2 km에 대한 정확한 위치 확인 이 가능하도록 하였다.
Figure 13은 성능실험의 구성도를 나타낸 것이다. 제작된 광신호처리 시험모듈의 모니터링을 위해 별도의 임베디드 모듈을 이용하여, 광섬유구간의 온도를 모니터링 하였다.
또한, 광섬유선형감지기 각 포인트(point)별 온도상승을 관 찰하기 위하여 총 10 m 간격으로 10 포인트 지점에 동파방 지용 히팅튜브를 사용하였고, 온도측정 비교를 위한 K- type 열전대를 포인트별로 추가적으로 설치하였다. 광섬유 선형감지기를 가열하기 위해 동파방지 히팅튜브를 사용한 이유는 단일지점의 온도를 측정할 수 있는 열전대와는 달 리 광섬유선형감지기는 장거리 구간의 선형적인 온도를 표 시하기 위해서는 m 구간별 평균온도로 측정되기 때문에 m 구간에 일정한 온도를 가할 수 있는 열원장치가 필요하기 때문이다. 따라서 슬라이닥스를 이용하여, 광섬유선형감지
기의 한 구간(2 포인트 지점)을 가열시키고 data acquisition (DAQ) 시스템(MV100, Yokogawa사, 일본)에서 측정되는 열전대의 온도와 광신호처리 시험모듈에서 측정되는 광섬 유선형감지기의 온도와 성능을 비교하였다.
Figure 14는 성능실험의 결과를 나타낸 것으로 2 포인트 지점을 약 42oC까지 상승시켰을 때 광섬유선형감지기의 온도 상승구간은 총 20개의 point에서 관찰되는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 한 포인트당 광섬유선형감지기를 20번 감았기 때문이며, DAQ 시스템에서 측정되는 온도와 광신 호처리 시험모듈에서 측정되는 온도가 유사한 것을 확인 할 수 있었다. 또한, 거리분해능의 경우 1 m 단위로 최대 2 km까지 오차 ± 5 m 이내, 온도분해능의 경우 1oC 단위
의 온도측정이 가능하며 오차 ± 7oC 이하까지 측정되는 것을 확인할 수 있었다.
5. 결 론
본 논문은 화재위험성이 높은 터널 및 지하공동구 등 열 악한 환경조건에서도 정확한 화재감지가 가능한 광섬유선 형감지기를 이용한 화재감지시스템의 국산화기술 개발을 위한 기초연구로써 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) 광섬유선형감지기를 이용한 화재감지시스템 개발을 위하여 광섬유 내의 역산란광 중 라만산란광을 이용하여 화재감지 신호처리방법을 도출하였다. 즉, 온도에 민감하 Figure 14. Results of performance experiment.
Figure 13. Schematic diagram of performance experiment.
거리분해능의 경우 1 m 단위로 최대 2 km까지 오차 ± 10 m 이내, 온도분해능의 경우 1oC 단위의 온도측정이 가능하 며 오차 ± 7oC 이하까지 나타났다.
하지만 본 연구에 제작된 광신호처리 시험모듈의 경우 현재 완제품이 아닌 시험모듈로써 현장에 적용되어 신뢰 성을 보장하기에는 아직 미비한 점이 나타난다. 이로 인해 추후 지속적인 검증실험 및 성능실험을 진행하여 광섬유 선형감지기를 이용한 화재감지시스템의 신뢰성을 확보할 예정이다. 현재 광섬유선형감지기를 이용한 화재감지시스 템의 경우 국외에서 열감지기 중 가장 성능이 우수한 제품 으로 각광받고 있으며, 이로 인해 향후 국내의 수요도 증 가할 것으로 예상된다. 따라서 현재 100% 수입에 의존하 고 있는 광신호 구동 및 분석 모듈의 국산화 개발을 위한 노력이 필요하며, 본 연구 결과는 광섬유선형감지기를 이 용한 화재감지시스템의 국산화기술 개발을 위한 기초자료 로 활용되고자 한다.
후 기
본 연구는 국민안전처 재난안전기술개발기반구축사업 (“NEMA-기반-2014-112”)의 연구비지원으로 수행되었습 니다.
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