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KR101281992B1 - 교통량 감지 및 모니터링 장치 - Google Patents

교통량 감지 및 모니터링 장치 Download PDF

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KR101281992B1
KR101281992B1 KR1020087012393A KR20087012393A KR101281992B1 KR 101281992 B1 KR101281992 B1 KR 101281992B1 KR 1020087012393 A KR1020087012393 A KR 1020087012393A KR 20087012393 A KR20087012393 A KR 20087012393A KR 101281992 B1 KR101281992 B1 KR 101281992B1
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KR
South Korea
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pulse
length
optical fiber
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radiation
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KR1020087012393A
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KR20080059328A (ko
Inventor
로저 이안 크릭모어
데이비드 존 힐
Original Assignee
옵타센스 홀딩스 리미티드
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Publication date
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Abstract

교통 감지 및 모니터링 장치(100)는 광섬유(112) 길이, 및 상기 길이의 입력 단부에 일련의 펄스 쌍들을 도입하기 위하여 배치된 수단(102,103,104,106,107,109,119)을 포함하고, 상기 펄스 쌍들의 각각은 주파수 차(Ω)를 가진 제 1 및 제 2 방사선 펄스들을 포함하고 상기 제 2 펄스는 지연(τ) 만큼 제 1 펄스에 관련하여 지연되고, 상기 장치는 응답하여 출력 신호를 생성하기 위하여 입력 단부쪽으로 섬유 길이 내에서 레일리-후방 산란된 방사선을 검출하기 위하여 배치된 광검출기를 더 포함한다. 본 발명의 장치는 동일한 공간 분해능을 제공하는 종래 기술 시스템들과 비교하여 단위 길이당 낮은 설치 및 유지 비용들을 가지며 긴 길이의 길(예를 들어, 5km)을 따라 임의의 위치에서 교통을 감지 및 모니터링할 수 있다.
Figure R1020087012393
교통 감지 및 모니터링 장치, 광섬유, 방사선 펄스, 주파수, 광검출기

Description

교통량 감지 및 모니터링 장치{TRAFFIC SENSING AND MONITORING APPARATUS}
본 발명은 교통량, 비록 배타적인 것은 아니지만 길-교통량을 감지 및 모니터링하는 장치 및 방법들에 관한 것이다. 예를 들어, 본 발명은 철도 교통량 또는 활주로상 항공기를 감지 및 모니터링하는 것에 관한 것이다.
길의 길이 또는 다중 차선 고속도로의 차선 길이상 자동차를 감지 및 모니터하기 위한 능력은 길의 혼잡 부분들을 검출할 수 있도록 하기 때문에 유용하다. 상기 검출은 운전자들이 상기 혼잡 부분들을 미리 경고받고, 다른 교통량 집중을 방지한다. 만약 감지 및 모니터링이 충분히 상세하면, 상기 검출은 또한 관계 당국들이 길의 자원을 적당하게 이용할 수 있게 한다. 예를 들어, 고속도로의 일부의 차선들이 혼잡하게 될 때, 대피선은 자동차 운전자들에 의해 일반적인 사용을 위하여 이용될 수 있다. 긴 기간에서, 교통량 혼잡도의 상세한 정보는 긴 기간 측면에서 기존 길들을 업그레이드하거나 개선하고 새로운 길들을 건설하는 계획에 유용하다.
현재, 길 교통량을 감지 및 모니터링하기 위한 장치는 값비싸고 제한된 범위의 현재 교통량 감지 및 모니터링 장치로 인해 길들을 따라 드문드문 교통량 조건들에 관련된 정보를 제공한다. CCTV 시스템들은 단지 대략 50m의 거리들에 걸쳐서 만 확실한 교통량 모습을 제공한다. 유도성 루프 센서들은 한 지점의 정보만을 제공하고 일반적으로 센서들의 보다 높은 선형 조밀도가 매우 값비싸기 때문에 연속적인 센서들 사이에서 비교적 큰 간격(예를 들어, 500m)을 사용하는 길에만 설치된다. 이것은 각각의 유도성 루프 센서가 개별 처리 전자제품들 및 전력 공급원을 요구하기 때문이다. 이런 형태의 장치들은 만약 상기 장치들이 빈번한 간격들로 설치되면 효율적인 길 관리를 위하여 요구된 상세한 정보 타입을 제공할 수 있지만 이로 인해 값이 비싸다. 빈번한 간격들에 이들 시스템들의 설치는 또한 다량의 하드웨어의 사용으로 인해 유지 비용들을 높게 상승시킨다. 유도성 루프 센서들의 경우, 빈번한 설치와 연관된 높은 설치 비용들의 부가적인 문제가 있다.
현재 교통량 감지 및 모니터링 장치는 높은 구입, 설치 및 유지 비용들과 함께 단위 길 길이당 높은 레벨의 교통량 정보를 제공한다.
본 발명의 목적은 이들 문제들 중 적어도 하나를 개선하는 것이다. 본 발명의 제 1 측면에 따라, 이 목적은 광섬유의 길이(I), 및 길이의 입력 단부에 일련의 펄스 쌍들을 도입하기 위하여 배치된 수단을 포함하는 교통량 모니터링 장치에 의해 달성되고, 각각의 펄스 쌍들은 주파수 차(Ω)를 가진 제 1 및 제 2 방사선 펄스들을 포함하고 제 2 펄스는 지연(τ) 만큼 제 1 펄스에 대해 지연되고, 상기 교통량 모니터링 장치는 광섬유 길이 내에서 입력 단부쪽으로 레일리-후방 산란된 방사선을 검출하고, 상기 방사선에 응답하여 출력 신호를 생성하도록 배치된 광검출기를 더 포함한다. 사용시, 광섬유의 길이는 표면을 사용하여 차량의 무게가 길이에 작용할 수 있도록 차량들을 운반하기 위한 표면 위 또는 아래에 전개된다. 제 1 및 제 2 펄스들의 각각의 부분들이 동시에 광검출기에 도달하도록 각각의 펄스쌍의 제 1 및 제 2 펄스들의 각각의 부분들이 레일리-후방산란되는 위치들에 의해 정의된 광섬유 길이 섹션상에 배치된 이동하는 차량은 광검출기의 출력 신호 주파수가 값(Ω)으로부터 벗어나게 하고, 이에 따라 섹션 상에서 이동하는 차량의 존재를 가리킨다. 본 발명의 장치는 (예를 들어) 길의 비교적 긴 거리의 임의의 섹션, 예를 들어 몇 킬로미터가 모니터링되게 한다. 광섬유 길이의 전개는 본 발명의 장치로서 동일한 공간 분해능을 제공하는 일련의 유도성 루프 센서들과 비교하여 간단하다. 게다가 광섬유 길이는 수동적이므로 유지를 요구하지 않는다. 비트 신호를 생성하기 위한 다른 주파수들의 방사선 펄스의 사용은 신호의 추후 처리가 보다 쉽게 수행되게 하고, 만약 광섬유의 길이를 따라 다른 위치들로부터 단일 주파수 레일리-후방 산란된 방사선이 간섭계에 의해 광검출기에서 하나의 신호를 생성하기 위하여 사용되는 경우 보다 큰 신호 대 잡음 비율을 가진다.
광섬유의 길이는 몇 킬로미터일 수 있다. 보다 긴 길이들 상에서 교통량 감지 및 모니터링을 제공하기 위하여, 장치의 몇몇 유니트들은 연속하거나, 거의 연속하게 배치된 각각의 광섬유 길이들과 함께 설치될 수 있다.
고속도로 또는 자동차 전용 고속도로 같은 차도당 다중 차선들을 가진 길들의 경우, 장치의 유니트들은 각각의 차선 아래에 설치될 수 있다.
광섬유 길이가 호출 신호를 보낼 수 있는 최대 레이트는 v/2l인데, 그 이유는 2l/v가 섬유 길이 내에서 펄스가 왕복하는데 걸리는 시간이기 때문이고, 여기서 v는 섬유 내에서 펄스들의 속도이다.
펄스 쌍에서 개별 펄스들 사이의 지연(τ)은 섬유의 길이에 따른 위치들 사이의 거리(Vτ/2)를 고정하고, 상기 펄스들의 각각의 부분들에서 주어진 펄스 쌍은 후방 산란되어, 상기 각각의 부분들은 광검출기에 동시에 도달한다. 바람직하게 τ는 vτ/2가 실질적으로 감지될 통상적인 차량의 길이에 실질적으로 대응하도록 하는 값으로 설정된다. 각각의 펄스 쌍이 섬유의 길이에 진입한 후 특정 시간에 광검출기 출력 신호는 특정 시간에 대응하는 길의 섹션에서 하나의 이동 차량, 또는 이동 차량의 일부의 존재 또는 부재 정보를 제공한다.
바람직하게 상기 장치는 각각의 펄스 쌍의 제 1 펄스가 광섬유의 길이(l)에 진입한 후 특정 시간(t0)에서 광검출기의 출력 신호를 샘플링함으로써 한 세트의 신호 샘플들을 얻고, 상기 샘플들로 구성된 신호의 주파수 또는 위상에 대응하는 출력 신호를 생성하기 위하여 신호 샘플들을 처리하도록 배치된 호출 신호 시스템을 더 포함한다. 이것은 특정 시간에 대응하는 광섬유 길이의 섹션이 상당한 시간 기간에 걸쳐 모니터링되게 한다.
길의 특정 섹션을 모니터링할 때 때때로 발생할 수 있는 작은 후방산란기와 연관된 문제를 방지하기 위하여, 호출 신호 시스템은 바람직하게 각각의 펄스 쌍 중 제 1 펄스가 광섬유의 길이(i)에 진입한 후 t0-Δt, t0 및 t0+Δt 같은 시간들에서 광검출기 출력 신호를 샘플링함으로써 신호 샘플들의 세트들을 얻고 대략 Ω의 주파수를 가진 가장 큰 신호에 해당하는 샘플들을 가진 세트를 처리하기 위하여 배치된다. 부가적으로, 호출 신호 시스템은 제 1 세트가 적어도 미리 결정된 양만큼 대응하는 신호의 샘플을 초과하는 신호에 제 2 세트의 샘플들이 대응할 때 처리되는 세트를 제 1 세트로부터 제 2 세트로 변경하기 위하여 배치될 수 있다. 이것은 처리되는 샘플 세트가 변경되는 주파수를 감소시켜서 출력 신호의 불연속성의 예를 감소시킨다.
출력 신호의 불연속성을 방지하기 위하여, 호출 신호 시스템은 바람직하게 처리된 세트가 제 1 세트로부터 제 2 세트로 변경될 때, 양쪽 세트들이 제 1 및 제 2 출력 신호들을 생성하기 위한 기간 동안 처리되도록 배치되고, 상기 호출 신호 시스템은 제 2 및 제 1 출력 신호들 사이의 차를 평가하고 제 1 및 제 2 출력 신호들 사이의 임의의 불연속성을 감소시키기 위해 제 2 출력 신호에 대응 오프셋을 인가하기 위하여 추가로 배치된다. 바람직하게 상기 기간은 효율적인 사용이 처리 리소스들에서 이루어지도록 상기 차이를 평가하기에 필요한 것보다 길지 않다.
바람직하게 Δt≤τ/10이므로 광검출기 출력(비트) 신호에 상승을 제공하는 광섬유 길이의 섹션은 상기 섹션 길이의 1/10보다 큰 만큼 호출 신호를 보내도록 본래 의도된 섹션으로 대체되지 않는다. 이것은 호출 신호를 보내도록 본래 의도된 것과 상당히 먼 거리에 있는 광섬유 섹션의 호출 신호를 방지하고, 이에 따라 다른 차량의 검출을 방지하거나, 차량을 전혀 검출하지 않는다.
광섬유 길이의 여러가지 다른 섹션에 각각 대응하는 다양한 위치들에서 이동 교통량을 모니터하기 위하여, 호출 신호 시스템은 각각의 펄스 쌍의 제 1 펄스가 광섬유의 길이(l)에 진입한 후 다수의 시간들 각각에서 광학검출기의 출력 신호를 샘플링함으로써 신호 샘플들의 다수의 세트들을 얻고, 주어진 세트의 샘플들로 구성된 신호의 주파수 또는 위상에 각각 대응하는 각각의 출력 신호들을 생성하기 위하여 각각의 세트의 샘플들을 처리하기 위해 배치될 수 있다. 바람직하게, 연속 시간들은 광섬유의 인접한 호출된(interrogated) 섹션들의 오버랩을 방지하기 위하여 적어도 vτ/2 만큼 시간적으로 분리된다.
광섬유의 길이는 상기 광섬유가 다른 상업적으로 이용할 수 있는 광섬유에 비해 낮은 광 손실을 가지며 이에 따라 긴 거리들, 예를 들어 5km 또는 그 이상에 걸쳐 교통량을 모니터링할 수 있게 하기 때문에, 바람직하게 표준 광섬유 길이이다.
광섬유 길이의 제 1 섹션에서 차량의 존재는 광섬유 길이의 제 1 섹션 및 말단 단부 사이에 배치된 제 2 섹션으로부터 의사 신호를 때때로 발생시킬 수 있다, 즉 광섬유의 제 2 섹션을 모니터링할 때, 표준에서 벗어난 비트 신호 주파수는 이동하는 차량이 길의 대응하는 섹션에 존재하지 않을 때에도 생성된다. 이것은 길의 대응 섹션상에서 이동하는 차량의 부재시에도 위상 변조되는 광섬유의 제 2 섹션의 방사선으로 인한 것이다. 이런 문제는 (만약 발생한다면) 만약 광섬유의 길이가 분극화 유지 섬유의 길이이면 개선되고, 광섬유 길이의 입력 단부에 일련의 펄스 쌍들을 도입하기 위하여 배치된 수단은 개별 펄스들이 광섬유 길이의 본래 축을 따라 분극화되도록 상기 광섬유 길이에 분극화된 펄스 쌍들을 발진시키도록 배치된다.
광섬유 길이의 입력 단부에 일련의 펄스 쌍들을 도입하기 위하여 배치된 수단은 적어도 부분적으로 간섭성 방사선을 수신하고 주파수(ω1)의 방사선의 제 1 펄스 및 주파수(ω2)의 주파수의 제 2 펄스를 각각 출력하기 위하여 배치된 제 1 및 제 2 음향 광학 변조기들(AOM)을 포함하고, 여기서 ω1-ω2=Ω이고, 제 1 펄스에 관련하여 제 2 펄스를 지연하기 위한 수단, 및 광섬유에 펄스들을 결합하기 위한 수단을 포함할 수 있다.
통상적으로, 상기 장치는 레이저 및 각각 제 1 및 제 2 AOM들에 레이저 출력의 제 1 및 제 2 부분들을 입력하기 위하여 배치된 수단을 포함한다.
레이저는 cw 레이저일 수 있고, AOM들은 동기 동작을 위하여 배치되고 제 1 펄스에 관련하여 제 2 펄스를 지연하기 위한 수단은 광섬유 지연 루프를 포함한다.
본 발명의 장치의 최적 동작은 일련의 펄스 쌍들(즉, 펄스 쌍들 사이의 광섬유 길이에 대한, 방사선 입력에 대한 개별 펄스의 세기의 비율)에 대한 소멸 비율이 T/τw보다 클 때 달성되고, 여기서 T는 펄스 쌍들 사이의 기간이고 τw는 개별 펄스들의 기간이다. AOM은 통상적으로 50dB 정도의 소멸 비율 및 50ns의 최소 펄스 기간을 제공한다. 따라서, 최대 가능한 비율(20kHz)에서 호출 신호가 전송된 5km의 섬유 길이에 대해, AOM의 소멸 비율은 크기의 2차 차수 정도 이상으로 정의된 최소 값을 초과한다. 그러나, 50ns 펄스는 특정 상황들에서 허용될 수 없게 클 수 있는 10m의 공간 분해능을 유발한다. 만족스러운 소멸 비율을 유지하면서 보다 짧은 펄스들을 형성하기 위하여, 장치는 바람직하게 cs 레이저 출력을 수신하고 상기 입력 수단에 펄스 방사선을 출력하기 위하여 배치된 광학 변조기를 더 포함하여, 각각의 AOM은 변조기에 의해 각각의 펄스 출력의 일부를 수신하고 각각의 AOM은 펄스 입력의 소멸 비율을 펄스를 포함하는 시간 윈도우 외측에 증가시키도록 배치된다. 이런 방식으로, AOM들에 의해 제공된 높은 소멸 비율은 다른 타입의 광학 변조기, 예를 들어 집적된 광학 변조기들 또는 반도체 광학 증폭기들을 사용하여 얻을 수 있는 짧은 펄스 기간들과 결합될 수 있다.
cw 레이저 방사선이 AOM들의 입력들에 직접 인가되는 경우, 제 1 펄스에 관련하여 각각의 펄스의 제 2 펄스를 지연하기 위한 수단은 광섬유 지연 루프의 사용에 대한 대안으로서 AOM들을 동시에 동작시키기 위한 수단을 포함할 수 있다.
펄스 레이저는 펄스들을 직접 생성하기 위하여 cw 레이저 대신 사용될 수 있다. 펄스 레이저로부터의 출력 펄스는 각각 동시에 동작되는 AOM들에 동시에 전달되는 두 개의 부분들을 제공하기 위하여 분할될 수 있고, 섬유 루프는 서로에 관련하여 하나의 AOM의 출력을 지연하기 위하여 사용된다. 선택적으로, 상기 부분들 중 하나는 AOM에 입력하기 전에 섬유 루프에 의해 지연될 수 있고, AOM들은 비동기적으로 동작된다.
펄스 쌍들은 두 개의 다른 주파수들의 펄스들을 생성하기 위하여 배치된 하나의 AOM을 통하여 cw 레이저의 출력 방사선을 통과시킴으로써 생성될 수 있다.
표준 전자 구성요소들을 사용하여 광검출기 출력 신호를 처리하기 위하여, Ω은 40kHz≤Ω≤40MHz 범위에 있다. 광다이오드는 광검출기를 위한 편리한 선택이다.
본 발명의 제 1 측면에 대응하여, 본 발명의 제 2 측면은 교통량을 감지 및 모니터링하는 방법을 제공하고, 상기 방법은,
(ⅰ) 차량들을 운반하기 위한 표면을 사용하는 차량의 무게가 광섬유 길이에 작용하도록, 상기 표면 위 또는 아래에 광섬유의 길이를 제공하는 단계;
(ⅱ) 상기 길이의 입력 단부에 일련의 펄스 쌍들을 도입하는 단계로서, 펄스 쌍들 각각은 주파수 차(Ω)를 가진 방사선의 제 1 및 제 2 펄스들을 포함하고 상기 제 2 펄스는 지연 τ만큼 상기 제 1 펄스에 대해 지연되는, 상기 도입하는 단계; 및
(ⅲ) 방사선에 응답하는 출력 신호를 생성하기 위해 광섬유의 길이 내에서 입력 단부쪽으로 레일리-후방산란되는 방사선을 검출하는 단계를 포함한다.
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본 발명의 실시예들은 단지 예시적이고 첨부 도면들을 참조하여 하기에 기술된다.
도 1은 본 발명의 제 1 예시적인 교통량 감지 및 모니터링 장치를 도시한다.
도 2는 도 1 장치에 사용된 펄스 형태를 도시한다.
도 3은 본 발명의 제 2 예시적인 교통량 감지 및 모니터링 장치를 도시한다.
도 4는 도 3 장치에 사용된 펄스 형태를 도시한다.
도 1에서, 일반적으로 100으로 표시된 본 발명의 제 1 예시적인 교통량 감지 및 모니터링 장치는 cw 레이저(102), 음향 광학 변조기들(AOM)(104,106), 인접 단부(115) 및 원격 단부(121)를 가진 감지 부분(112)을 구비한 광섬유(111), 광검출기(108)(예를 들어, 광다이오드) 및 광검출기 출력 신호의 샘플들을 얻고, 출력 신호를 생성하기 위하여 샘플들을 처리하기 위해 배치된 호출 시스템(110)을 포함한다. 레이저(102)의 광학 출력은 광섬유(103)에 결합된다. 광섬유(107)는 결합기(119)에 의해 광섬유(103)에 결합된다. 광섬유들(103,107)은 각각 AOM들(104,106)에 입력된다. AOM들(104,106)의 출력들은 각각 광섬유들(111,109)에 결합되고, 광섬유(109)는 위치(113)에서 광섬유(111)에 결합된다. AOM(104) 및 위치(113) 사이의 광학 경로 길이는 광섬유(111)의 24m 지연 루프(105)로 인해 AOM(106) 및 위치(113) 사이보다 크다. 광섬유(111)의 감지 부분(112)은 5km의 길이를 가진다. 광섬유(117)는 감지 부분(112) 내에서 레일리-후방 산란에 의해 역방향으로 반사되는 방사선이 광섬유(117)에 결합되도록 감지 부분(112)의 인접 단부(115)에 결합된다. 광섬유(117)는 광검출기(108)에 결합된다. 시스템(100)은 아래 광섬유(111)의 감지 부분(112)과 함께 전개되고, 길(도시되지 않음)의 차도와 실질적으로 평행하다. 길의 긴 거리에 걸친 교통량을 감지 및 모니터하기 위하여, 몇몇 세트의 장치에는 연속하여, 또는 거의 연속하는 감지하는 광섬유 부분들이 사용될 수 있다.
장치(100)는 다음과 같이 동작하다. 레이저(102)로부터 출력되고 광섬유(103)에 결합된 방사선은 커플러(119)에 의해 두 개의 부분들로 분할된다. 각각의 부분들은 AOM들(104,106)에 입력된다. AOM(104)은 cw 방사선 입력을 광섬유(111)에 결합된 주파수(ω2)의 펄스 및 주파수 시프트 방사선으로 전환하기 위하여 동작한다. AOM(106)은 비록 인가된 주파수 시프트가 AOM(104)에 의해 인가된 것을 초과하더라도 펄스 주파수 시프트 방사선을 광섬유(109)에 유사하게 결합하기 위하여 동작하고, AOM(106)으로부터 방사선 출력은 주파수(ω1)를 가지며 여기서 ω1-ω2=Ω는 몇백 kHz 정도이다. AOM(106)으로부터 광섬유(109)로부터 펄스 출력들은 113에서 광섬유(111)에 결합된다. 지연 루프(105)는 AOM(104)으로부터 펄스 출력이 대략 120ns 만큼 AOM(106)으로부터 출력에 관련하여 지연되도록 24m의 길이를 가진다. (광섬유 내 펄스들의 속도 v는 대략 2×108m/s이다). AOM들(104,106)은 광섬유(111)의 감지 부분(112)이 펄스들의 쌍에 의해 매 50㎲ 호출 신호를 보내도록 20kHz의 반복 비율로 펄스 쌍들을 형성하고, 각각의 쌍 내의 펄스들은 몇백 kHz의 주파수 차 및 대략 120ns의 상대적 지연을 가진다.
도 2는 광섬유(111)의 감지 부분(112)에 도입된 두 개의 펄스 쌍들에 대한 세기 대 시간의 도면이다. 개별 펄스들은 50ns의 기간(τω)을 가진다. AOM들(104,106)은 50dB의 소멸 비율을 제공한다.
도 1을 다시 참조하여, 광섬유(111)의 감지 부분(112)을 따른 거리는 x로 표시되고, 감지 부분(112)의 인접 단부(115)는 x=0에 있다. 만약 광섬유(117)의 길이는 무시할 수 있으면, 제 1 펄스 쌍 이후 시간(t)은 감지 부분(112)의 인접 단부(115)에 진입하고, 광검출기(108)는 광섬유 부분(112)을 따라 위치(x1=vt/2)로부터 레일리-후방 산란되었던 제 1 펄스(주파수ω1) 부분을 검출하고, 동시에 위치 x2=v(t-τ)/2로부터 레일리-후방 산란되었던 제 2 펄스 쌍(주파수 ω2)의 부분을 검출하고, 여기서 τ=120ns는 상기 쌍 펄스들 사이의 지연이다. (제 2 펄스의 부분은 제 1 펄스 부분이 후방 산란된 후 시간 τ/2에서 후방 산란한다). 두 개의 후방 산란 위치들 사이의 광섬유 섹션은 대략 12m(≒x1-x2=vτ/2)이다. 만약 x1 및 x2 사이 감지 부분(112)의 12m 섹션에 걸쳐 길의 12m 섹션상에 이동하는 차량들이 없다면, 광검출기(108)는 주파수(Ω)의 비트 신호를 호출 시스템(110)에 출력한다. 호출 시스템(110)은 제 1 각각의 펄스 쌍이 위치(113)를 통과한 후 시간(t)에서 광검출기 출력 신호를 샘플링하고 이들 샘플들로 구성된 신호의 주파수 또는 위상에 해당하는 출력 신호를 생성하기 위하여 샘플들을 처리한다. 만약 이동하는 차량이 길의 12m 섹션상에 존재하면, x1 및 x2 사이 감지 부분(112)의 대응 12m 섹션의 광학 경로 길이는 상기 섹션상에 가해진 압력 변화로 인해 변조된다. 이것은 x1에서 레일리-후방산란된 방사선의 위상 변조 및 값(Ω)으로부터 멀리 떨어진 광다이오드(108)로부터의 비트 신호 출력 주파수의 동반 편차를 유발한다. 따라서 호출 시스템(110)은 광검출기 출력 신호의 샘플들로 구성된 신호의 주파수 편차로부터 x1 및 x2 사이 길의 ∼12m 섹션 상에 이동하는 차량의 존재를 추리하고, 각각의 샘플은 각각의 펄스 쌍 중 제 1 펄스가 위치(113)를 통과함과 동시에(t) 얻어진다. 만약 값(Ω)으로부터 멀리 떨어진 신호의 주파수 편차가 없다면, 이것은 길의 섹션 상에 차량이 존재하지 않거나 정지 차량이 존재하는 것을 의미한다.
예를 들어, x=2488m 및 x=2500m 사이 길의 12m 부분을 모니터하기 위하여, 호출 시스템(110)은 각각의 펄스 쌍이 감지 부분(112)의 인접 단부(115)에 도입된 후 대략 25㎲에 광검출기 출력 신호를 샘플링 하기 위하여 배치된다. 모니터되는 길의 특정 12m 섹션은 제 1 각각의 펄스 쌍의 펄스가 위치(113)를 통과한 후 광검출기 출력 신호가 샘플되는 시간을 가변시킴으로써 가변될 수 있다.
호출 시스템(110)은 각각의 펄스 쌍이 샘플들의 세트들을 생성하기 위하여 감지 부분(112)에 도입된 후 다수의 시간들 각각에서 광검출기 출력 신호를 샘플하기 위하여 배치될 수 있고, 각각의 세트는 광섬유의 길이(112)의 다른 12m 섹션에 해당하여 결국 길의 다른 12m 섹션에 해당한다. 그 다음 각각의 세트는 각각의 세트의 샘플들에 해당하는 신호들의 주파수 또는 위상을 발견하기 위하여 처리된다. 특정 세트에 해당하는 길의 12m 섹션상 이동 차량의 존재는 상기 세트의 샘플들에 해당하는 신호의 주파수 또는 위상으로부터 추리된다.
만약 광섬유(111)의 부분(112)이 5km 또는 그 이상의 길이 이도록 요구되면, 광섬유(111)는 바람직하게 상기 섬유가 임의의 상업적으로 판매되는 섬유의 단위 길이 당 가장 낮은 손실을 가지는 바와 같은 표준 광섬유로 만들어진다.
개별 펄스들의 기간(τω)은 개별 펄스들이 광섬유(111)의 부분(112) 내에서 길이(vτω)를 가지기 때문에 장치(100)의 최소 공간 분해능을 결정한다. τω는 감소하는 τω가 또한 부분(112) 내의 주어진 위치로부터 레일리-후방 산란된 펄스 부분의 에너지를 감소시키기 때문에 바람직하게 목표된 공간 분해능을 제공하기 위하여 요구된 것보다 짧지 않다. AOM에 의해 생성될 수 있는 최소 펄스 기간은 비록 AOM들이 50dB 정도의 우수한 소멸 비율을 제공하지만, 50ns 정도이다.
방사선이 감지 부분(112)의 인접 단부(115)로부터 먼쪽 단부(121) 및 후방으로 이동하는데 걸리는 시간이 대략 50㎲이기 때문에, 감지 부분(112)은 비록 보다 낮은 호출 비율들이 사용될 수 있지만 20kHz의 최대 비율의 펄스들에 의해 호출 신호될 수 있다. 최소 호출 비율은 광섬유(111)의 부분(112)의 교통량 유도 변조의 크기 및 주파수에 따른다.
서로에 관련하여 각각의 쌍의 펄스들 중 하나를 지연시키기 위한 지연 루프(105)를 사용하는 대신, 즉 동작의 각각의 사이클에서, AOM(104)은 AOM(106)이 스위치 온 한 후 120ns에서 스위치 온하기 시작하도록, AOM들(104,106)은 반복된 비동기 동작을 위하여 배치될 수 있다. 선택적으로, 레이저(102)는 펄스 레이저일 수 있고, 레이저(102)의 출력 펄스들은 119에서 분할되고 AOM들(104,106)은 동시에 동작된다.
도 3을 참조하여, 본 발명의 제 2 예시적인 교통량 감지 및 모니터링 장치는 일반적으로 200으로 표시된다. 장치(100)의 부분들에 대응하는 장치(200)의 부분들은 도 1의 대응 부분들에 라벨링한 것과 100의 값 차만큼 다른 참조 부호들에 의해 표시된다. 장치(200)의 기본적인 기능은 도 1의 장치(100)와 동일하다. 장치(200)는 cw 레이저(202) 및 20kHz의 반복 비율에서 10ns의 기간을 가진 펄스들을 생성하기 위하여 배치된 집적된 광학 변조기(IOM)(214)를 포함한다(즉, 5km의 최대 호출 비율은 부분 212를 감지한다). IOM(214)은 대략 30dB의 소멸 비율을 제공한다. IOM(214)에 의한 개별 펄스 출력은 각각의 AOM들(204,206)로 통과되는 펄스 부분들을 형성하기 위하여 커플러(219)에 의해 분할된다. 각각의 AOM(204,206)은 IOM(214)에 의해 생성된 각각의 10ns 펄스 상에 중심을 둔 50ns의 기간을 가진 시간 윈도우 외측에 추가 50dB 만큼 방사선 입력의 세기를 감소시키기 위하여 동작한다. 광섬유(211)는 AOM(206)으로부터 동시에 출력된 대응 펄스에 관련하여 50ns 만큼 AOM(204)으로부터 펄스 출력을 지연시키는 10m 지연 루프(205)를 가진다. 그러므로 호출 시스템(210)은 광섬유(211)의 감지 부분(212)의 대응 5m 섹션들에 걸쳐 길의 5m 섹션들 상 이동하는 차량들을 검출한다.
도 4는 광섬유(211)의 감지 부분(212)에 도입된 두 개의 펄스 쌍들에 대한 세기 대 시간을 도시한다. 연속적인 펄스 쌍들은 50㎲ 만큼 시간적으로 분리된다. 펄스 쌍 내 개별 펄스들 사이에서, 그러나 연속적인 펄스들의 쌍 사이에서 IOM(214)은 30dB의 소멸 비율을 제공하고, IOM(214) 및 AOM들(204,206)의 결합된 액션은 80dB의 소멸 비율을 제공한다. AOM들(204,206)을 가진 IOM(214)의 결합은 짧은 펄스 기간이 높은 소멸 비율과 결합되게 한다.
장치(200)에서, 광섬유(211)는 제 1 감지 부분(212)의 섹션에 의해 검출된 이동하는 차량이 광섬유(211)의 감지 부분(212)의 먼쪽 단부(221) 및 제 1 섹션 사이에 배치된 감지 부분(212)의 제 2 섹션에 해당하는 길의 5m 섹션상에서 차량의 의사 검출을 발생시키지 않도록 분극 유지 광섬유일 수 있다. 이 경우, 광섬유(211)의 감지 부분(212)에 도입된 펄스들은 분극되어야 하고 부분(212)의 주 축들 중 하나를 따라 극화되도록 부분(212) 쪽으로 발진된다. 도 1의 장치(100)는 유사하게 변형될 수 있다.
때때로, 감지 부분(212)의 특정 섹션은 유용한 광검출기 출력 신호를 제공하기에 너무 약한 레일리-후방산란 방사선을 유발할 수 있다. 위치들(x1=vt0/2 및 x2=v(t0-τ)/2) 사이의 길의 특정 5m 섹션을 모니터링할 때 이런 잠재적인 문제를 극복하기 위하여, 호출 시스템(210)은 t0에서 샘플링 외에, 각각의 펄스 쌍이 부분(212)에 진입한 후 시간들(t0±Δt)에서 광검출기 출력 신호를 샘플하기 위하여 배치될 수 있다. 이들 시간들은 위치들(x3=v(t+Δt)/2, x4=v(t+Δt-τ)/2, x5=v(t-Δt)/2및 x5=v(t-Δt-τ)/2) 사이에 배치된 부분(212)의 섹션들에 해당한다. 위치들(x3,x4 및 x5,x6)는 x1 및 x2에 의해 정의된 5m 섹션으로부터 ±Δt/2 만큼 변위된 감지 부분(212)의 5m 섹션들을 정의한다. 따라서, 위치들(x1 및 x2) 사이의 섹션으로부터 대략 ±1m 만큼 변위된 5m 섹션들을 모니터하기 위하여, 호출 시스템(210)은 각각의 펄스 쌍이 감지 부분(212)에 진입한 후 t0±10ns에서 광검출기 출력 신호를 샘플하기 위하여 배치된다. 각각의 펄스 쌍이 부분(212)에 진입한 후 시간(t0-Δt)에서 취해진 광검출기 출력 신호는 제 1 세트의 샘플들을 형성한다. 시간들(t0 및 t0+Δt)에서 취해진 샘플들은 제 2 및 제 3 세트의 샘플들을 형성한다. 이런 동작 모드에서, 호출 시스템(210)은 3개의 샘플들의 세트들을 계속하여 모니터하고 대략 Ω의 주파수를 가진 가장 큰 신호에 해당하는 샘플들을 가진 세트를 처리하기 위하여 배치된다. 선택적으로, 호출 시스템(210)은 제 1 세트의 샘플들이 적어도 미리 결정된 양만큼 대응하고, 대략 Ω의 주파수를 가진 신호를 초과하는 신호에 제 2 세트의 샘플들이 대응할 때만 제 1 세트로부터 제 2 세트로 처리되는 세트를 변화시키기 위하여 배치될 수 있다.
처리된 샘플들의 세트가 제 1 세트로부터 제 2 세트로 변화될 때 호출 시스템(210)의 출력 신호의 불연속성의 예들을 감소시키기 위하여, 양쪽 세트들은 두 개의 출력 신호들을 생성하기 위한 기간 동안 처리될 수 있다. 이 경우, 호출 시스템(210)은 두 개의 출력 신호들 사이의 차이를 평가하고 처리되는 세트가 변화될 때 시스템(210)의 출력 신호의 임의의 불연속성을 감소시키기 위하여 대응 오프셋을 제 2 출력 신호에 적용하도록 배치된다.
cw 레이저(202) 및 IOM(214)은 펄스 레이저에 의해 대체되고, AOM들(204,206)은 상기된 바와 같이 주파수 시프팅, 또는 주파수 시프팅 및 펄스 감소를 제공한다.
광섬유들(111,121)의 감지 부분들(112,212)은 표면 아래에 놓이기 위한 대안으로서 길의 표면에 고정될 수 있다.

Claims (33)

  1. 광섬유의 길이 l 및 상기 길이의 입력 단부에 일련의 펄스 쌍들을 도입하기 위하여 배치된 수단을 포함하는 교통량 모니터링 장치로서,
    각각의 펄스 쌍들은 주파수 차 Ω를 가진 방사선의 제 1 및 제 2 펄스들을 포함하며 상기 제 2 펄스는 지연 τ 만큼 상기 제 1 펄스에 대해 지연되고, 상기 교통량 모니터링 장치는 광섬유 길이 내에서 입력 단부쪽으로 레일리-후방산란된(Rayleigh-backscattered) 방사선을 검출하고 상기 방사선에 응답하여 출력 신호를 생성하도록 배치된 광검출기를 더 포함하고,
    상기 교통량 모니터링 장치는 상기 광검출기의 출력 신호를 샘플링함으로써 신호 샘플들의 세트들을 얻고, 상기 샘플들로 구성된 신호의 주파수 또는 위상에 대응하는 출력 신호를 생성하기 위하여 상기 신호 샘픔들을 처리하며, 대략 Ω의 주파수를 가진 가장 큰 신호에 대응하는 샘플들을 가진 세트를 처리하도록 배치된 호출 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 호출 시스템은 각각의 펄스 쌍 중 제 1 펄스가 광섬유의 길이 l에 진입한 후 t0-Δt, t0 및 t0+Δt 의 시간들에서 상기 광검출기의 출력 신호를 샘플링함으로써 신호 샘플들의 세트들을 얻는, 교통량 모니터링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유의 길이에 일련의 펄스 쌍들을 도입하기 위하여 배치된 상기 수단은 v/2l보다 작거나 같은 레이트(rate)에서 동작하도록 배치되고, v는 광섬유의 길이에서 펄스들의 속도인, 교통량 모니터링 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    vτ/2는 감지되고 모니터될 교통량의 단위 길이에 해당하는, 교통량 모니터링 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 호출 시스템은 제 1 세트의 샘플들이 적어도 미리 결정된 양만큼 대응하는 신호를 초과하는 신호에 제 2 세트의 샘플들이 대응할 때, 처리되는 상기 세트를 제 1 세트에서 제 2 세트로 변경하기 위하여 배치된, 교통량 모니터링 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 호출 시스템은 처리되는 상기 세트가 제 1 세트로부터 제 2 세트로 변경될 때 양쪽 세트들이 제 1 및 제 2 출력 신호들을 생성하기 위한 기간 동안 처리되도록 배치되고, 상기 호출 시스템은 상기 제 2 및 상기 제 1 출력 신호들 사이의 차를 평가하고 상기 제 1 및 상기 제 2 출력 신호들 사이의 임의의 불연속성을 감소시키기 위하여 상기 제 2 출력 신호에 대응 오프셋을 인가하기 위하여 추가로 배치되는, 교통량 모니터링 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    Δt≤τ/10인, 교통량 모니터링 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광섬유의 길이는 표준 광섬유의 길이인, 교통량 모니터링 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광섬유의 길이는 분극 유지 섬유 길이이고, 상기 광섬유의 길이의 입력 단부쪽으로 일련의 펄스 쌍들을 도입하기 위하여 배치된 상기 수단은 방사선 개별 펄스들이 상기 광섬유 길이의 주축을 따라 분극되도록 상기 광섬유 길이 쪽으로 분극화된 펄스 쌍들을 발진시키도록 배치되는, 교통량 모니터링 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광섬유의 길이의 입력 단부쪽으로 일련의 펄스를 도입하기 위하여 배치된 상기 수단은 광학 변조기를 포함하고, 상기 광학 변조기는 레이저의 출력을 수신하고 제 1 및 제 2 음향 광학 변조기들(AOM)로 펄스 방사선을 출력하기 위하여 배치되고, 상기 제 1 및 제 2 음향 광학 변조기들(AOM)는 주파수 ω1 인 방사선의 제 1 펄스 및 주파수 ω2 인 방사선의 제 2 펄스를 각각 출력하기 위하여 배치되고, 각각의 음향 광학 변조기들(AOM)은 상기 광학 변조기로부터 출력되는 각 펄스의 일부를 수신하고 펄스 입력의 소멸 비율을 펄스를 포함하는 시간 윈도우 외측에 증가시키도록 배치되는, 교통량 모니터링 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 광학 변조기는 집적된 광학 변조기 또는 반도체 광학 증폭기인, 교통량 모니터링 장치.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광섬유 길이의 입력 단부에 일련의 펄스 쌍들을 도입하기 위하여 배치된 상기 수단은 cw 레이저 및 상기 레이저의 광학 출력을 수신하고 일련의 펄스 쌍들을 생성하기 위하여 배치된 AOM을 포함하고, 각각의 펄스 쌍은 제 1 펄스 및 제 2 펄스를 포함하고, 상기 펄스들은 주파수 차(Ω)를 가지며 상기 제 2 펄스는 지연 τ 만큼 상기 제 1 펄스에 대해 지연되는, 교통량 모니터링 장치.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, Ω는 40kHz≤Ω≤40MHz 범위 내에 있는, 교통량 모니터링 장치.
  13. 교통량 감지 및 모니터링 방법으로서,
    (ⅰ) 차량들을 운반하기 위한 표면을 사용하는 차량의 무게가 광섬유 길이에 작용하도록, 상기 표면 위 또는 아래에 광섬유의 길이를 제공하는 단계;
    (ⅱ) 상기 길이의 입력 단부에 일련의 펄스 쌍들을 도입하는 단계로서, 펄스 쌍들 각각은 주파수 차(Ω)를 가진 방사선의 제 1 및 제 2 펄스들을 포함하고 상기 제 2 펄스는 지연 τ만큼 상기 제 1 펄스에 대해 지연되는, 상기 도입하는 단계; 및
    (ⅲ) 방사선에 응답하는 출력 신호를 생성하기 위해 광섬유의 길이 내에서 입력 단부쪽으로 레일리-후방산란되는 방사선을 검출하는 단계를 포함하고,
    (iv) 신호 샘플들의 각각의 세트들을 생성하기 위해 각각의 펄스 쌍 중 제 1 펄스가 광섬유의 길이(l)에 진입한 후 t0-Δt, t0 및 t0+Δt 의 시간들에서 광검출기의 출력 신호를 샘플링하는 단계;
    (v) 상기 샘플들로 구성된 신호의 주파수 또는 위상에 대응하는 출력 신호를 생성하기 위하여 단계(iv)에서 얻어진 샘플들을 처리하는 단계;
    (vi) 대략 Ω의 주파수를 가진 가장 큰 신호에 대응하는 샘플들을 갖는 세트를 처리하는 단계를 더 포함하는, 교통량 모니터링 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    펄스 쌍들은 v/2l보다 작거나 같은 레이트로 상기 광섬유의 길이에 도입되고, v는 광섬유 길이에서 펄스들의 속도인, 교통량 모니터링 방법.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    vτ/2는 감지되고 모니터될 교통량의 단위 길이에 해당하는, 교통량 모니터링 방법.
  16. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    Δt≤τ/10인, 교통량 모니터링 방법.
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