Editorial Board

Figs. 2과 3는 설계, 제작된 DAS 시스템을 보여준다. 광원부, 광학계, 광검출부, 데이터처리부로 구성되어 있으며 시스템구동 및 안정적인 동작을 위해 전원용 노이즈 필터와 각 파트의 전원을 공급하기 위한 SMPS, PC용 Power Supply가 추가되었고 전원 및 보드에서 발생열을 배출하여 시스템의 온도를 일정하게 유지하기 위해 쿨링팬을 배치하였다.

Fig. 2. 
DAS system block diagram.

Fig. 3. 
Internal view of DAS prototype system.

제작이 완료된 DAS 시스템의 성능 검증을 위해, Fig. 4와 같이 실험 구성을 하고 성능 측정을 진행하였다. 중심 파장, 선폭, 펄스폭, 광증폭률을 측정하여 광원 및 광학계의 성능을 검증하였으며, BPD의 증폭률과 대역폭을 측정하여 광검출부의 성능 검증을 진행하였다.

Fig. 4. 
Configuring Tests for Performance Verification.

광 스펙트럼 분석기를 사용하여 광원의 중심 파장과 선폭을 측정한 결과, 중심 파장은 목표로 하는 1550 nm의 ±1 nm 범위 내인 1549.649 nm로 측정되어 목표 성능을 만족하였다. 선폭 측정결과 6.5 kHz로 우수한 선폭 성능을 확인하였다. Fig. 5은 이러한 파장과 선폭의 측정 결과를 보여준다.

Fig. 5. 
Center wavelength and line width measurement results

펄스 폭 측정을 위해 Balanced PD와 오실로스코프를 활용하였다. 펄스폭 설정을 50 nm~200 nm까지 가변 시켜 출력되는 광신호의 펄스폭을 측정하였고, Fig. 6과 같이 설정된 펄스 폭과 동일한 광신호가 출력됨을 확인하였다.

Fig. 6. 
Pulse width measurement results.

광원과 AOM을 통해 변조된 광 신호와 EDFA를 통과한 광신호의 파워를 각각 측정한 결과, -34.90 dBm과 -6.11 dBm으로 28.79dB 증폭됨을 확인하였다. 검출부의 증폭성능(G)은 광전변환 증폭률(P)과 PD의 반응성(R)의 비율로 equation 1과같이 계산된다.

광전변환 증폭률(P)을 측정한 결과 1.3034 × 10⁴ V/W와 InGaAsPD의 반응성(R) 0.9 A/W로 나눈 결과 1.4482 × 10⁴ V/A의 증폭성능을 확인하였다. 200 MHz 신호가 변조된 DAS신호를 디지타이저를 통해 주파수 특성을 측정한 결과 Fig. 7과 같이 200 MHz대역의 신호를 측정할 수 있는 것을 확인하였다. Table 1은 각 항목에 대한 측정 결과를 보여준다.

Fig. 7. 
Pulse width measurement results.

최종 개발한 DAS 시제품의 최대 측정 거리는 50 km, 거리측정 간격은 2 m 및 측정 반복률은 1 kHz의 성능을 보여준다.

닻 종류에 따른 진동 신호의 발생 위치, 지속 시간 및 최대 크기 값을 분석한다. Fig. 11은 Exp1-Exp5까지의 시험 조건하에 DAS1으로 측정한 진동신호의 컬러맵 결과다. 스톤백 보호시설 위로 서로 다른 닻으로 투묘했을 때 진동 분포 패턴을 볼 수 있다. Table 6은 진동 신호의 통계치를 보여준다. 어선 닻이 만든 진동은 76.6~91.2 m로 약 14.6 m 퍼지며 나머지 닻은 약 30 m 내외로 퍼진 것으로 확인된다. 이는 가장 작은 어선 닻을 제외하고는 30 m 가량 주어진 시험구간에서 진동신호가 관측된다는 것을 의미한다. 임계치가 넘는 진동 원이 발생하면 일대의 넒은 범위에 진동신호가 퍼진다는 것을 알 수 있다. 닻의 무게가 증가할수록 진동의 최대 크기가 증가하는 양상을 보인다. 상대적인 진동 크기를 비교하여 닻의 무게를 추정하는 것이 가능하다. 닻에 형태에 따라 진동의 지속시간이 달라진다는 것을 확인했다. 로켓포의 경우 한번 꽂히는 형태로 떨어지고 스톡리스의 경우는 낙하하여 지면에 충돌한 후 옆으로 넘어지는 이차 충돌이 발생한다. 이로 인해 진동 충격이 두번 발생하고 지속시간이 로켓포 대비 2배 이상 길게 관측되었다.

Fig. 11. 
DAS vibration measurement for five anchor types.

Fig. 12는 안강망, 스톡, 스톡리스 및 로켓포에 따른 진동의 분포를 모아 놓은 그림이다. 여러 차례 시험한 데이터 중 닻의 종류를 기준으로 엮었다.

Fig. 12. 
Vibration pattern categories for four anchor types.

그림을 통해 닻의 종류 별로 진동이 퍼지는 패턴이 다른 점을 확인할 수 있었다. 로켓포의 경우 강한 진동 충격이 발생한 후 국소 부위에 잔여 진동이 남는 패턴을 보인다. 안강망, 스톡 및 스톡리스는 닻이 넘어지는 형태, 넘어지는 시간간격 및 잔여진동 패턴으로 구분된다.

주묘 및 투묘 이벤트에 대한 진동 신호의 발생 위치, 지속 시간 및 최대 크기 값을 분석한다. Fig. 13은 스톤백 보호시설에 서 주묘 및 투묘 실험한 결과의 시간-거리 컬러맵, 시계열 그래프 및 진동 통계 결과다. 주묘 이벤트의 진동 신호는 최대 크기 31로 46.6초간 지속되었다. 투묘 이벤트의 진동 신호는 최대 크기 545로 0.8초 지속되었다. 주묘와 투묘 이벤트가 발생하는 진동은 최대크기와 지속시간에서 크게 구분되는 차이를 보인다. 주묘 신호는 상대적으로 작은 크기로 길게 지속되는 특성을 보인다. 투묘 신호는 상대적으로 큰 크기로 짧은 충격으로 나타난다.

Fig. 13. 
Spatial-time graph, time-series graph, and vibration statistics for drag and drop event.

이격 거리에 따른 진동 신호의 특성을 분석한다. 실제 환경에서 이벤트가 광섬유 위에서 발생하는 경우는 드물다. 떨어진 지점에서 발생한 진동 이벤트가 DAS에 미치는 영향을 분석할 필요가 있다. DAS로부터 계측된 진동 신호를 통해 이벤트와 광섬유사이의 거리를 추정할 수 있는지 가능성을 검토한다. Table 8은 Table 6의 Exp20-22의 DAS 측정에 대한 진동 통계 결과이다. Table 6에서는 거리-시간 컬러맵 그래프를 통해 이격 거리가 DAS 계측에 미치는 영향을 파악할 수 있다. 직접 타격한 위치에서 측정한 DAS2는 선명한 주묘 신호하고 확인된다. 반면 14 m 이격한 위치의 광섬유로 측정한 DAS1의 데이터는 진동신호가 희미하다. Table 7은 육안으로 확인한 결과를 정량적으로 보여준다. 이격 거리에 따른 지속시간의 차이는 보이지 않는다. 진동 세기는 큰 차이를 보인다. 14m 이격 거리에서 측정한 진동의 세기는 4~50배 가량 작은 크기를 보인다. 이격 거리를 판단하기 위해서는 진동의 감쇠특성 정도를 분석하는 것이 필요하다는 것을 알 수 있다.

한 가지 주목할 점이 있다. Exp 22 조건인 안강망의 주묘 실험 중 DAS2로 계측중인 광섬유가 단선되는 현상을 관측하였다. 주묘 과정에서 대지가 뒤틀리며 광섬유를 단선될 정도의 큰 변형을 야기시킨다는 것을 알 수 있다. 광섬유나 전력선의 단선을 야기하는 위해가 발생할 때 사전에 검출이 가능하다는 것을 보여준다.

Fig. 14와 Table 8은 Exp3조건에서 수행한 4차례 시험의 거리-시간 컬러맵과 진동 통계 결과다. Exp3은 스톤백 보호설비에 안강망을 투묘한 실험 조건이다. 4차례의 시험을 통해 투묘상황에서 이격 거리에 따른 진동 신호의 특성을 분석한다. 진동발생 구간은 직접 타격 시 약 33m이고 이격 거리에서는 약 50 m이다. 진동은 직접 타격한 곳에서 이격 거리로 이동하며 진동은 20m 퍼진다는 것을 알 수 있다. 지속 시간은 직접 타격 시 1초 이상 3.9초 이하까지 발생하며 이격 거리에서는 대부분 1초 이내로 관측된다. 지속 시간이 줄어든 원인 Fig. 15의 진동 컬러맵을 통해 알 수 있다. 짧은 지속 시간을 보일 때 관측한 진동분포에서 안강망이 떨어지며 발생하는 두차례 충격 중 2차 충격이 이격 거리에서 관측되지 않는다. 이를 통해 두 차례 충격이 전파되면서 상대적으로 약한 2차 충격은 소멸되는 경우가 있다는 것을 알 수 있다. 이격 거리 지점에서 진동의 최대 크기는 14 m 이격 거리에서 약 10배정도 감쇄된 크기다.

Fig. 14. 
Spatial-time graphs for four times trials of Exp3.

Fig. 15. 
Vibration signals from works, walks, and driving around the experiment site.

HVDC 케이블 및 보호설비 실규모 시험을 통해 작업 현장에서 발생하는 진동을 관측했다. Fig. 15는 시험 현장에서 발생한 투묘, 기계 작업, 차량 이동 및 인력 인동에 대한 진동신호 관측 결과의 거리-시간 컬러맵 그래프다. 화살표는 투묘 신호를 가리킨다. 사각형 점선 박스는 기계 소음을 나타낸다. 원형 점선박스는 차량 이동 및 인력 이동을 묘사한다. DAS 시제품을 통해 HVDC 케이블 주변 및 해안의 육지 지중구간에서 발생하는 작업 진동 및 차량이동을 파악할 수 있다는 점을 보여준다.