KR100842827B1 - Raman Lidar Receiving Optical System for Measuring the Density of Water Vapor and Liquid Water Simultaneously - Google Patents

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김덕현
차형기
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양기호
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한국원자력연구원
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65—Raman scattering

Abstract

본 발명은 라만 신호를 이용하여 수증기와 물방울의 밀도를 동시에 측정하기 위한 라만 라이다 수신 광학계에 관한 것이다.The present invention relates to a Raman lidar receiving optical system for simultaneously measuring the density of water vapor and water droplets using a Raman signal.

보다 상세하게는, 전송 펄스형 레이저(1)가 대기 중의 수증기 및 물방울에 의하여 산란되고 이때 후방 산란된 빔을 수광하기 위한 수광부(4), 상기 수광부로부터 전송 펄스형 레이저(1) 파장에 해당하는 탄성 산란 신호를 제거하기 위한 너치 필터(7), 상기 너치 필터로부터 선택된 산란빔을 파장별로 분할하는 빔분할기(8,9,10), 상기 빔분할기(8)로부터 선택된 파장을 갖는 수증기의 진동 라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(11), 상기 빔분할기(9)로부터 선택된 파장을 갖는 수증기의 회전 라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터와(12), 및 상기 빔분할기(10)로부터 선택된 파장을 갖는 물방울의 진동 라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(13)를 포함하는 것을 특징으로 하는 라만 라이다 수신 광학계에 관한 것이다.More specifically, the transmission pulsed laser 1 is scattered by the water vapor and water droplets in the atmosphere, and at this time receives the back-scattered beam 4, which corresponds to the wavelength of the transmission pulsed laser 1 from the light-receiving portion A notch filter 7 for removing an elastic scattering signal, a beam splitter 8, 9, 10 for dividing the scattered beam selected from the nutch filter by wavelength, and a vibration Raman of steam having a wavelength selected from the beam splitter 8 An optical interference filter 11 for measuring a transition, an optical interference filter 12 for measuring a rotational Raman transition of water vapor having a wavelength selected from the beam splitter 9, and a wavelength selected from the beam splitter 10 It relates to a Raman lidar receiving optical system comprising an optical interference filter 13 for measuring the vibration Raman transition of the water droplet having a.

수증기의 회전 라만 천이를 고려함으로써, 물방울의 진동 라만 천이 측정시 상기 두 라만신호 천이의 중첩으로 인해 발생하는 오차값을 제거하는 이점이 있다.By considering the rotational Raman transition of water vapor, there is an advantage of removing the error value caused by the overlap of the two Raman signal transition when measuring the vibrational Raman transition of water droplets.

수증기 회전 라만 산란, 물방울의 진동 라만 산란, 수증기의 진동 라만 산란, 라이다, 원격측정, 레이저 간섭 필터Steam Rotation Raman Scattering, Water Drop Vibration Raman Scattering, Water Vapor Vibration Raman Scattering, Lidar, Telemetry, Laser Interference Filter

Description

라만 신호를 이용하여 수증기와 물방울의 밀도를 동시에 측정하기 위한 라만 라이다 수신 광학계{Raman Lidar Receiving Optical System for Measuring the Density of Water Vapor and Liquid Water Simultaneously} Raman Lidar Receiving Optical System for Measuring the Density of Water Vapor and Liquid Water Simultaneously}

도1은 종래의 라이다 광학계의 구성을 보여주는 도면이다.1 is a view showing the configuration of a conventional lidar optical system.

도2는 본 발명에 따른 단일 광학계의 구성을 보여주는 도면이다.2 is a view showing the configuration of a single optical system according to the present invention.

도3은 물방울 및 수증기를 측정하는 종래의 라이다 시스템의 필터 위치와 각 물질의 라만 산란 신호의 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도4는 파장에 따른 물방울의 진동 라만 천이(24)와 수증기의 진동 라만 천이(25)를 나타낸 것이다.Figure 3 shows the filter location and the spectrum of Raman scattering signal for each material in a conventional LiDAR system measuring water droplets and water vapor.
4 shows oscillation Raman transition 24 of water droplets and oscillation Raman transition 25 of water vapor according to the wavelength.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

1 : 펄스형 레이저 2 : 광속확대기1 Pulsed Laser 2 Beam Magnifier

3 : 망원경 4 : 수광부3: telescope 4: light receiver

5 : 반사형 거울 6 : 조준렌즈5: reflective mirror 6: collimating lens

7 : 너치필터 8 : 빔분할기7: Nutch Filter 8: Beam Splitter

9 : 빔분할기 10 : 빔분할기
11,12,13: 광학간섭필터 14,15,16 : 렌즈
17,18,19: 광센서 20,21: 거울9 beam splitter 10 beam splitter
11,12,13: Optical interference filter 14,15,16: Lens
17,18,19: Optical sensor 20,21: mirror

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22 : 작은 구멍22: small hole

23 : 수증기의 라만 및 물방울의 라만 신호 및 필터의 위치23: Raman of water vapor and Raman signal and filter position of water droplets

24 : 물방울의 진동 라만스펙트럼24: oscillation Raman spectrum of the drop of water

25 : 수증기의 진동 라만 스펙트럼25: oscillation Raman spectrum of water vapor

26 : 물방울의 진동 라만신호를 얻는 필터 투과특성26: Filter Transmission Characteristics of Vibrating Raman Signal of Water Droplets

27 : 수증기의 진동 라만신호를 얻는 필터 투과특성27: Filter Transmission Characteristics of Vibrating Raman Signal of Water Vapor

28 : 수증기의 스톡(Stockes) 회전 라만 스펙트럼28: Stockes Rotation Raman Spectrum of Water Vapor

29 : 수증기의 반스톡(anti-stockes) 회전 라만 스펙트럼29: anti-stockes rotational Raman spectrum of water vapor

30 : 수증기의 반스톡(anti-stockes) 회전 라만을 얻는 필터 투과 특성30: filter permeation characteristics of anti-stockes rotating Raman of water vapor

본 발명은 라만 신호를 이용하여 수증기와 물방울의 밀도를 동시에 측정하기 위한 라만 라이다 수신 광학계에 관한 것이다. The present invention relates to a Raman lidar receiving optical system for simultaneously measuring the density of water vapor and water droplets using a Raman signal.

라이다(Light Detection And Ranging; LIDAR)란, 빛 검사 및 분류라는 의미로, 지난 20여년간 대기속의 먼지입자의 분포 또는 대기 오염도를 측정하는데 이용되어 온 것으로서, 레이저를 발사한 후 대기중에서 후방산란되어 귀환되는 레이저 즉, 라이다 신호를 분석하여 대기의 오염도를 측정하는 것을 말한다.Light Detection And Ranging (LIDAR), which means light inspection and classification, has been used to measure the distribution or concentration of airborne dust particles over the past two decades. It is to measure the pollution level of the air by analyzing the return laser, or LiDAR signal.

또한, 라만 효과(Raman effect)란, 단색광을 기체나 투명한 액체·고체에 비추었을때 산란광 중에서 약간 파장이 다른 광이 생기는 현상을 말한다. 산란광의 중요한 성분은 입사광과 같은 파장을 가지고 있으며, 레일리산란광이라 불린다. 라만효과의 원인은, 조사원 물질의 편극률이 물질 속의 원자의 진동이나 회전운동에 의해 변동하고 있기 때문이다. 또한, 입사광과 물질로 만들어진 상태가 진동이나 회전운동에 의해서 변조된 결과, 산란광 속에 진동수가 다른 성분을 가지게 된 것이다.The Raman effect refers to a phenomenon in which light having a slightly different wavelength is generated in scattered light when monochromatic light is reflected on a gas, a transparent liquid or a solid. An important component of scattered light has the same wavelength as incident light and is called Rayleigh scattered light. The reason for the Raman effect is that the polarization rate of the irradiated material is changed by the vibration or rotational movement of atoms in the material. In addition, the state of the incident light and the material is modulated by the vibration or the rotational movement, resulting in a different frequency of the frequency of scattered light.

보통 라만산란광의 파장은 입사광 파장보다 길다. 이것을 스톡광(stockes light)이라 한다. 그러나, 물질의 온도가 높은 경우에는 입사광보다 단파장의 산란광이 생기는 경우가 있는데 이것을 반스톡광(anti-stockes light)이라 한다. 라만산란에 있어서 파장의 변화, 즉 진동수의 변화는 산란시에 입사광의 광자에너지에 진동·회전의 양자에너지가 부가 또는 제거되었기 때문이며, 그 양자에너지가 열에너지에 비해 큰 경우에는 물질에서 그 에너지가 광에너지로 변환될 확률은 매우 낮고, 광에너지가 물질에 주는 스톡(stockes)광만이 관측된다. Usually, the wavelength of the Raman scattered light is longer than the incident light wavelength. This is called stockes light. However, when the temperature of the material is high, scattered light having shorter wavelengths may be generated than incident light, which is called anti-stockes light. In Raman scattering, the change in wavelength, that is, the change in frequency, is due to the addition or removal of vibration and rotation quantum energy to the photon energy of incident light during scattering. When the quantum energy is larger than the thermal energy, the energy in the material is light. The probability of conversion to energy is very low, and only the stock light that light energy imparts to the material is observed.

라만산란은 강력한 단색광원을 얻기 어려운 점이 있었지만 레이저의 등장으로 현재는 정밀한 실험이 가능하게 되었다. 본 발명에서는 펄스형 레이저를 이용하였다.Raman scattering was difficult to obtain a strong monochromatic light source, but with the advent of laser, precise experiments are now possible. In the present invention, a pulsed laser is used.

종래, 라만 신호를 이용한 대기 중 수증기의 회전 및 진동 라만 스펙트럼에 관한 논문이 발표된 바 있다(The rotational & vibrational Raman spectrum of water vapour 1 and 3. Molecular Physics, v.36, No. 3, pp. 727-732. 1978).Conventionally, a paper on the rotational and vibrational Raman spectra of atmospheric water vapor using Raman signals has been published (The rotational & vibrational Raman spectrum of water vapor 1 and 3. Molecular Physics, v.36, No. 3, pp. 727-732. 1978).

또한, 탄성 라만 탈편광 라이다를 사용하여 대기 중의 수증기 및 물방울에 관한 연구 논문이 발표된 바 있다(Study of Atmospheric Water in gaseous and liquid state by using combined elastic-Raman depolarization lidar", Applied Physics, B,739, 2001). In addition, studies on atmospheric water vapor and droplets using elastic Raman depolarization lidar have been published (Study of Atmospheric Water in gaseous and liquid state by using combined elastic-Raman depolarization lidar ", Applied Physics, B, 739, 2001).

대한민국 등록특허 제345648호에서는 송수신 과정에서 레이저의 편광성을 유지하고 레이저 에너지의 손실을 없애며, 광센서에 수신되는 라이다 신호에 신호유도 잡음의 발생을 방지하도록 한 코닉렌즈를 이용한 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다 광학계에 대하여 개시하고 있다.Korean Patent No.345648 discloses an integrated transmit / receive micropulse using a conic lens that maintains the polarization of the laser during transmission and reception, eliminates the loss of laser energy, and prevents the generation of signal induced noise in the lidar signal received by the optical sensor. Disclosed is a lidar optical system.

한편, 본 발명자들은 대한민국 등록특허 제337011호에서 레이저의 편광을 유지하고 산란광은 제거하며 하나의 광학계를 송-수신 겸용으로 사용할 수 있고 대기중의 분진을 3차원으로 측정할 수 있는 휴대용 분진 배출 감시용 주사형 라이다 장치를 개시한 바 있다.On the other hand, the present inventors in the Republic of Korea Patent No. 337011 to maintain the polarization of the laser, remove the scattered light, and can use a single optical system as a transmission-reception, portable dust emission monitoring that can measure the dust in the air in three dimensions A scanning lidar device has been disclosed.

펄스형 레이저를 이용하여 원하는 위치에서 수증기나 물방울의 밀도를 측정 하는 것은 기상학적으로 매우 중요하다. It is very important meteorologically to measure the density of water vapor or water droplets at a desired location using a pulsed laser.

상기한 문헌에서 채택한 기술들은 수중기의 진동 라만 천이와 물방울의 진동 라만 천이에 간섭필터를 두고 각각 그 밀도를 측정하는 방법을 택하였다. 물방울의 경우 물분자끼리 수소결합을 하고 있어서 수증기 분자보다 라만파장 이동되는 양이 수증기보다 적기 때문에 수증기와 쉽게 그 파장 분리가 이루어진다. The techniques adopted in the above-mentioned literatures have chosen a method of measuring the density of each by placing an interference filter on the vibration Raman transition of the submersible and the vibration Raman transition of the water drop. In the case of water droplets, hydrogen molecules are bonded to each other, so the amount of Raman wavelength shifted from water vapor molecules is less than that of water vapor.

그러나, 수중기의 회전 라만 준위의 폭이 수백 cm-1로 질소나 산소 등의 다른 분자의 회전 라만 천이보다 그 선폭이 넓기 때문에 물방울의 진동 라만 천이만 측정하는 것은 어려운 문제였다. 따라서, 물방울의 진동 라만 천이와 많은 부분이 겹치게 된다. 기존의 연구에서는 이러한 효과를 고려하지 않고 있어서 물방울의 측정에 많은 오차를 가지고 있었다.However, it was difficult to measure only the oscillation Raman transition of water droplets because the width of the rotational Raman level of the submersible was hundreds of cm −1 and its line width was wider than that of other molecules such as nitrogen and oxygen. Therefore, many parts overlap with the oscillation Raman transition of water droplets. Existing studies do not consider this effect and have many errors in the measurement of water droplets.

본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로 수증기 회전 라만 스톡광과 반스톡광을 보다 세밀하게 필터링하는 광학간섭필터를 1개 이상 추가로 포함함으로써 상기 종래기술에서 언급한 중첩 오차를 줄이기 위한 라만 라이다 수신 광학계를 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention is to overcome the problems of the prior art described above by including one or more optical interference filter for more finely filtering steam rotating Raman stock light and anti-stock light, the overlap error mentioned in the prior art It is to provide a Raman lidar receiving optical system to reduce.

또한, 본 발명의 다른 목적은 수증기와 물방울의 규준화(normalization)를 위한 질소의 진동 라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터를 추가로 포함하는, 수증기와 물방울의 밀도를 오차없이 동시에 측정하기 위한 라만 라이다 수신 광학계를 제공하기 위한 것이다.In addition, another object of the present invention further comprises an optical interference filter for measuring the oscillation Raman transition of nitrogen for the normalization of water vapor and water droplets, Raman for simultaneously measuring the density of water vapor and water droplets without error It is for providing a lidar receiving optical system.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 수증기와 물방울의 밀도를 측정하는 라만 라이다 수신 광학계에 있어서,
전송 펄스형 레이저(1)를 수증기 및 물방울에 부딪혀 산란시킨 후, 그 후방 산란된 빔을 수광하기 위한 수광부(4),
상기 수광부로부터 전송 레이저(1) 파장에 해당하는 탄성 산란 신호를 제거하기 위한 너치 필터(7),
상기 너치 필터로부터 선택된 산란빔을 파장별로 분할하는 빔분할기(8,9,10),
상기 빔분할기(8)로부터 선택된 파장을 갖는 수증기의 진동 라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(11),
상기 빔분할기(9)로부터 선택된 파장을 갖는 수증기의 회전 라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(12), 및
상기 빔분할기(10)로부터 선택된 파장을 갖는 물방울의 진동 라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(13)
를 포함하여 구성된 것임을 특징으로 하는 라만 신호를 이용하여 수증기와 물방울의 밀도를 동시에 측정하기 위한 라만 라이다 수신 광학계를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a Raman lidar receiving optical system for measuring the density of water vapor and water droplets,
A light-receiving portion 4 for receiving the back-scattered beam after scattering the transmitted pulsed laser 1 against water vapor and water droplets,
A notch filter 7 for removing an elastic scattering signal corresponding to a wavelength of the transmission laser 1 from the light receiving unit;
A beam splitter (8, 9, 10) for dividing the scattered beam selected from the knot filter by wavelength;
An optical interference filter 11 for measuring oscillation Raman transition of water vapor having a wavelength selected from the beam splitter 8,
An optical interference filter 12 for measuring a rotational Raman transition of water vapor having a wavelength selected from the beam splitter 9, and
Optical interference filter 13 for measuring the oscillation Raman transition of the water droplet having a wavelength selected from the beam splitter 10
It provides a Raman lidar receiving optical system for simultaneously measuring the density of water vapor and water droplets using a Raman signal, characterized in that configured to include.

또한, 본 발명은 상기 라만 라이다 수신 광학계로부터 계측된 수증기의 회전 라만 천이의 크기로부터 수증기 및 물방울의 밀도를 동시에 측정하는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for simultaneously measuring the density of water vapor and water droplets from the magnitude of the rotational Raman transition of water vapor measured from the Raman Lidar receiving optical system.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

원격으로 원하는 위치에서 펄스형 레이저를 대기중으로 조사한다. 상기와 같이 대기 중으로 전송된 펄스형 레이저(1) 빔이 대기 중의 수증기 및 물방울과 같은 외인성 물질에 의하여 라만 산란되는데, 이때 라만 산란된 빔(5)을 대구경 망원경(3)으로 수신한다. 수신된 산란광은 대구경 망원경(3)으로 포집되며 다시 조준렌즈(6)를 통과하면서 평행광으로 바뀐다. 상기 평행광의 광경로에 레이저 파장에 해당하는 강한 탄성 산란 신호를 제거하기 위하여 너치필터(7)를 둠으로써 상기 전송 펄스형 레이저(1) 파장에 해당하는 빛만을 투과시키고 다른 파장의 빔만이 선택적으로 반사되도록 한다.Remotely irradiate the pulsed laser into the atmosphere at the desired location. As described above, the beam of pulsed laser 1 transmitted to the atmosphere is scattered by Raman by exogenous substances such as water vapor and water droplets in the atmosphere, and the Raman scattered beam 5 is received by the large-diameter telescope 3. The received scattered light is collected by the large-diameter telescope 3 and converted into parallel light again while passing through the aiming lens 6. In order to remove the strong elastic scattering signal corresponding to the laser wavelength in the optical path of the parallel light, a nutch filter 7 is provided so that only light corresponding to the wavelength of the transmission pulsed laser 1 is transmitted and only beams of different wavelengths are selectively Make it reflected.

너치필터(7)에 의하여 상기 탄성 산란 신호가 제거된 평행광은 빔분할기(8)에 의해서 1차로 분할되어 반사되거나 투과된다. 상기 1차로 분할되어 반사된 빛은 그 중심 파장이 수증기의 진동 라만 신호에 맞추어진 광학간섭필터(11)를 통과하고 다시 렌즈(14)에 의해서 센서(17)로 입사된다. 상기 빔분할기(8)에 의해서 반사되지 않고 투과된 빛은 1:1 빔분할기(9)에 의하여 또다시 나누어 지는데, 상기 빔분할기(9)를 투과한 빛은 수증기의 스톡(stockes) 회전 라만 천이에 중심 파장이 맞추어진 광학간섭필터(12)를 통과하는 빛과 물방울의 진동 라만 천이에 중심 파장이 맞추어진 광학간섭필터(13)를 통과하는 빛으로 각각 분할되어 광학센서(18, 19)로 입력된다.The parallel light from which the elastic scattering signal is removed by the notch filter 7 is first divided by the beam splitter 8 to be reflected or transmitted. The primary split light reflected is passed through the optical interference filter 11 whose center wavelength is matched to the oscillation Raman signal of water vapor, and is incident again to the sensor 17 by the lens 14. The light transmitted without being reflected by the beam splitter 8 is further divided by a 1: 1 beam splitter 9, which is transmitted through the beam splitter 9 to Raman transition of stocks of water vapor. The light is passed through the optical interference filter 12 whose center wavelength is adjusted to the light and the light passing through the optical interference filter 13 whose center wavelength is adjusted to the oscillation Raman transition of water droplets. Is entered.

이때, 상기 수증기의 스톡(stockes) 회전 라만 천이의 중심 파장은 수증기의 진동 라만 천이의 중심 파장보다 긴 곳에 그 중심선이 위치하며, 상기 물방울의 진동 라만 천이의 중심 파장은 수증기의 회전 라만 천이의 파장보다 짧은 곳에 그 중심선이 위치한다. In this case, the center wavelength of the stock Rael transition of the water vapor is longer than the center wavelength of the oscillation Raman transition of the water vapor, the center line of the oscillation Raman transition of the water droplet is the wavelength of the rotation Raman transition of water vapor Its shorter centerline is located.

따라서, 본 발명은 수증기의 회전 라만 신호를 측정하기 위하여 상기 수증기의 진동 라만 천이보다 그 파장이 더 짧은 부분에 새로운 광학간섭필터(12)를 추가로 설치한 특징이 있다. 그 결과, 물방울의 진동 라만 천이부분과 중첩되는 데이터 값 중 수증기의 회전 라만 천이부분에 해당하는 값을 효과적으로 계측하여 제거할 수 있다. 따라서, 순수한 수증기 및 물방울의 밀도를 오차없이 얻을 수 있게 된다.Accordingly, the present invention is characterized in that a new optical interference filter 12 is additionally installed at a portion whose wavelength is shorter than the oscillation Raman transition of the steam in order to measure the rotational Raman signal of the steam. As a result, the value corresponding to the rotational Raman transition portion of the water vapor can be effectively measured and removed from the data values overlapping the oscillation Raman transition portion of the water droplets. Therefore, the density of pure water vapor and water droplets can be obtained without error.

상기 수증기의 회전 라만 천이(Rotational raman shift)를 측정하기 위한 광학간섭필터(12)는 일반적으로 스톡(stockes) 파장이동(29)과 반스톡(anti-stockes) 파장이동(28)의 산란 단면적이 달라 양쪽 모두를 측정해야 한다. 그러나, 산란 단면적은 온도에 의하여 결정되고 상기 두 회전 천이(28, 29)의 비는 일정하기 때문에, 하나의 스톡(stockes) 회전 라만 신호만을 측정함으로써 반스톡(anti-stockes) 회전 라만 신호는 이론적으로 예측이 가능하다. The optical interference filter 12 for measuring the rotational raman shift of water vapor generally has a scattering cross-sectional area of a stockes wavelength shift 29 and an anti-stockes wavelength shift 28. So both must be measured. However, since the scattering cross-sectional area is determined by temperature and the ratio of the two rotational transitions 28 and 29 is constant, the anti-stockes rotational Raman signal is theoretically measured by measuring only one stockes rotational Raman signal. Can be predicted.

또한, 본 발명에 따른 광학계는 기존의 방법과 달리, 물방울의 라만천이를 측정하는 과정에서 발생하는 주요 오차인 수증기의 회전 라만 산란을 보정하는 것 으로, 이를 이용하면 수증기와 물방울에 의한 라만 신호를 독립적으로 구할 수 있어 상기 중첩으로부터 오는 오차를 제거할 수 있는 방법을 제공한다. 따라서, 본 발명에 따른 라만 라이다 광학계를 이용하면 수증기의 순수 밀도를 독립적으로 측정할 수 있고, 물방울의 순수 밀도를 오차없이 독립적으로 측정할 수 있게 된다.In addition, the optical system according to the present invention, unlike the conventional method, to correct the rotational Raman scattering of water vapor, which is a major error generated in the process of measuring the Raman transition of water droplets, by using this to provide a Raman signal due to water vapor and water droplets Provided are methods that can be obtained independently to eliminate the error resulting from the overlap. Therefore, by using the Raman lidar optical system according to the present invention can be measured independently the pure density of the water vapor, it is possible to independently measure the pure density of the water droplets without error.

또한, 본 발명에 따른 라만 라이다 수신 광학계에 수증기와 물방울의 규준화(Normalization)를 위한 질소의 진동 라만 천이(32)를 측정하기 위한 광학간섭필터(31)를 추가로 포함하여 구성된 것임을 특징으로 한다.
대기 중에 존재하는 수증기의 양은 시간적으로 변화하고 있으나, 산소나 질소의 양은 거의 일정하다. 공기 중에 있는 질소의 라만 신호를 얻고, 수증기의 라만 신호를 질소의 라만 신호로 나누면 질소의 양에 대한 수증기의 양을 상대적으로 구할 수 있다. 이러한 과정을 규준화라고 한다.In addition, the Raman Lidar receiving optical system according to the present invention is characterized in that it further comprises an optical interference filter 31 for measuring the oscillation Raman transition 32 of nitrogen for normalization of water vapor and water droplets (Normalization) do.
The amount of water vapor in the atmosphere is changing over time, but the amount of oxygen and nitrogen is nearly constant. By obtaining the Raman signal of nitrogen in the air and dividing the Raman signal of water vapor by the Raman signal of nitrogen, the amount of water vapor relative to the amount of nitrogen can be obtained. This process is called normalization .

이하, 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 종래의 라이다 광학계의 구성을 보여주는 도면이다. 상기 도1을 참조하면, 광학계는 펄스형 레이저(1), 레이저 빛의 발산각을 줄여주는 빔 확대기(2), 산란광(5)을 모아서 센서로 입사시키는 대구경 망원경(3), 및 수광부(4)로 구성된다. 1 is a view showing the configuration of a conventional lidar optical system. Referring to FIG. 1, the optical system includes a pulsed laser 1, a beam expander 2 for reducing the divergence angle of the laser light, a large-diameter telescope 3 for collecting scattered light 5 and entering the sensor, and a light receiver 4 It is composed of

도 2는 본 발명의 단일 광학계의 구성을 보여주는 도면이다. 즉, 전송 펄스형 레이저(1)를 수증기 및 물방울에 부딪혀 산란시킨 후, 그 산란된 빔을 수광하기 위한 수광부(4), 상기 수광부로부터 전송 펄스형 레이저(1) 파장에 해당하는 탄성 산란 신호를 제거하기 위한 너치 필터(7), 상기 너치 필터로부터 선택된 산란빔을 파장별로 분할하는 빔분할기(8,9,10), 상기 빔분할기(8)로부터 선택된 파장을 갖는 수증기의 진동 라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(11), 상기 빔분할기(9)로부터 선택된 파장을 갖는 수증기의 회전 라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(12), 및 상기 빔분할기(10)로부터 선택된 파장을 갖는 물방울의 진동 라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(13)의 구성을 나타낸 것이다.2 is a view showing the configuration of a single optical system of the present invention. That is, after scattering the transmission pulsed laser (1) by hitting the water vapor and water droplets, the light receiving unit (4) for receiving the scattered beam, the elastic scattering signal corresponding to the wavelength of the transmission pulsed laser (1) from the light receiving unit To measure the vibration Raman transition of water vapor having a wavelength selected from the notch filter 7 for removal, the scattering beam selected from the notch filter by wavelengths 8, 9, 10, and the beam splitter 8. Optical interference filter 11, optical interference filter 12 for measuring rotational Raman transition of water vapor having a wavelength selected from the beam splitter 9, and vibration of a water droplet having a wavelength selected from the beam splitter 10 The configuration of the optical interference filter 13 for measuring the Raman transition is shown.

도 3은 물방울 및 수증기를 측정하는 종래의 라이다 시스템의 필터 위치와 각 물질의 라만 산란 신호의 스펙트럼을 나타낸 것이다. 기존의 방법들은 물방울의 밀도를 측정하기 위해서 광학간섭필터를 사용하고 수증기의 밀도를 측정하기 위하여 또 다른 광학간섭필터를 사용한다.Figure 3 shows the filter location and the spectrum of Raman scattering signal of each material in a conventional LiDAR system for measuring water droplets and water vapor. Existing methods use an optical interference filter to measure the density of water droplets and another optical interference filter to measure the density of water vapor.

도 4는 파장에 따른 물방울의 진동 라만 천이(24)와 수증기의 진동 라만 천이(25)를 나타낸 것이다. 물방울의 진동 라만 천이는 3 개의 서로 다른 모드로 진동하는 진동 라만 천이의 합으로 구성된 것이고 수증기의 회전 라만 천이는 하나의 진동 모드에 의하여 나타낸 것이다. 추가로, 수증기와 물방울의 규준화를 위한 질소의 진동 라만 천이(32)를 측정하기 위한 광학간섭필터(31)를 추가로 포함한다.4 shows the oscillation Raman transition 24 and the oscillation Raman transition 25 of water vapor according to the wavelength. The oscillation Raman transition of water droplets consists of the sum of oscillation Raman transitions oscillating in three different modes and the rotational Raman transition of water vapor is represented by one oscillation mode. In addition, it further comprises an optical interference filter 31 for measuring the oscillation Raman transition 32 of nitrogen for the standardization of water vapor and water droplets.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 라만 라이다 광학계는 수증기의 회전 라만 천이를 독립적으로 고려하고 이를 측정하여 물방울의 진동 라만 천이를 측정하는 신호에서 제거함으로써 측정된 값에 오차가 적은 장점이 있다. 또한, 본 발명의 원리에 따라 구축된 물방울 및 수증기 측정 라이다 시스템을 이용할 경우 수증기의 회전 라만 신호의 크기를 알 수 있기 때문에 수증기의 온도에 대한 정보를 제공하고 있어 또 다른 기상 정보를 얻을 수 있는 장점을 제공한다.The Raman lidar optical system according to the present invention configured as described above has an advantage that the error is less in the measured value by independently considering the rotational Raman transition of water vapor and removing it from the signal measuring the vibration Raman transition of water droplets. In addition, when using the water droplet and water vapor measuring lidar system built in accordance with the principles of the present invention can know the magnitude of the rotation Raman signal of the water vapor to provide information about the temperature of the water vapor can be obtained another weather information Provide advantages.

Claims (5)

수증기와 물방울의 밀도를 동시에 측정하는 라만 라이다 수신 광학계에 있어서,In the Raman lidar receiving optical system that simultaneously measures the density of water vapor and water droplets, 전송 펄스형 레이저(1)를 수증기 및 물방울에 부딪혀 산란시킨 후 그 후방산란된 빔을 수광하기 위한 수광부(4),A light-receiving portion 4 for receiving the back-scattered beam after scattering the transmission pulsed laser 1 against water vapor and water droplets, 상기 수광부로부터 전송 펄스형 레이저(1) 파장에 해당하는 탄성 산란 신호를 제거하기 위한 너치 필터(7),A notch filter 7 for removing an elastic scattering signal corresponding to a wavelength of the transmission pulsed laser 1 from the light receiving unit; 상기 너치 필터로부터 선택된 산란빔을 파장별로 분할하는 빔분할기(8,9,10),A beam splitter (8, 9, 10) for dividing the scattered beam selected from the knot filter by wavelength; 상기 빔분할기(8)로부터 선택된 파장을 갖는 수증기의 진동 라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(11),An optical interference filter 11 for measuring oscillation Raman transition of water vapor having a wavelength selected from the beam splitter 8, 상기 빔분할기(9)로부터 선택된 파장을 갖는 수증기의 회전 라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(12), 및An optical interference filter 12 for measuring a rotational Raman transition of water vapor having a wavelength selected from the beam splitter 9, and 상기 빔분할기(10)로부터 선택된 파장을 갖는 물방울의 진동 라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(13)Optical interference filter 13 for measuring the oscillation Raman transition of the water droplet having a wavelength selected from the beam splitter 10 를 포함하는 것을 특징으로 하는 라만 라이다 수신 광학계.Raman lidar receiving optical system comprising a. 제 1 항에 있어서, 상기 광학계가 수증기와 물방울의 규준화를 위한 질소의 진동 라만 천이(32)를 측정하기 위한 광학간섭필터(31)를 추가로 포함하는 것임을 특징으로 하는 라만 라이다 수신 광학계.2. The Raman lidar receiving optical system according to claim 1, wherein the optical system further comprises an optical interference filter (31) for measuring oscillation Raman transition (32) of nitrogen for standardizing water vapor and water droplets. 제 1 항에 있어서, 상기 수증기의 회전 라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(12)가 수증기의 진동 라만 천이보다 순수 회전 라만 천이만큼 파장이 이동한 곳에 투과 중심선이 있는 것임을 특징으로 하는 라만 라이다 수신 광학계.The method according to claim 1, wherein the optical interference filter 12 for measuring the rotational Raman transition of the water vapor is a Raman Lai La where the transmission centerline is located where the wavelength shifted by the pure rotational Raman transition than the oscillation Raman transition of the water vapor. Receiving optical system. 제 1 항에 있어서, 상기 물방울의 진동 라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(13)가 수증기의 진동 라만 천이보다 수증기의 회전 라만 천이만큼 파장이 짧은 곳에 그 중심선이 위치하는 것임을 특징으로 하는 라만 라이다 수신 광학계.2. The Raman Ra according to claim 1, wherein the optical interference filter 13 for measuring the oscillation Raman transition of the water droplet is positioned at a wavelength shorter by the rotational Raman transition of water vapor than the oscillation Raman transition of water vapor. Is receiving optical system. 상기 제 1 항에 따른 라만 라이다 수신 광학계로부터 계측된 수증기의 회전 라만 천이의 크기를 구하는 단계;Obtaining the magnitude of the rotational Raman transition of water vapor measured from the Raman lidar reception optical system according to claim 1; 상기 회전 라만 천이를 제거하는 단계; 및Removing the rotating Raman transition; And 물방울의 진동 라만 천이의 크기를 구하는 단계Steps to find magnitude of oscillation Raman transition of water droplets 를 포함하는, 수증기 및 물방울의 밀도를 동시에 측정하는 방법.Including, the method of simultaneously measuring the density of water vapor and water droplets.
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