KR100337011B1 - Lidar scanning apparatus for inspecting dust-exhaust - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저를 이용한 원격대기분석 주사형 라이다 장치에 관한 것이며; 그 목적은 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 제공함에 있다.The present invention relates to a remote standby analysis scanning lidar device using a laser; The objective is to provide a portable lidar scanning device for monitoring dust emission, which can maintain the polarization of the laser, eliminate the scattered light and use a single optical system as a transmitter-receiver and measure the atmospheric dust in three dimensions. have.
상기 목적달성을 위한 본 발명은 레이저광을 발생시키는 레이저 발생부(2)와, 상기 레이저 발생부(2)의 레이저광을 반사시키는 주사거울 (19,18)과 3차원으로 조사(SENDING)하는 주사용 거울 회전축(21,22)와, 반사거울에서 반사된 빛을 대기중으로 조사(SENDING)시키는 레이저 송신광학계(A)와, 상기 레이저 송신광학계(A)에서 조사(SENDING)한 레이저광이 대기중의 분진 등에 후방산란되어 돌아오는 레이저광을 수신하는 레이저 수신광학계(B)로 구성되어, 하나의 광학계를 송-수신 겸용으로 사용할 수 있도록 광학계의 구성 및 배열로 레이저의 편광은 유지하고 산란광은 차단하며, 회전하는 거울을 이용하여 레이저광을 3차원으로 조사할 수 있어 대구경 거울의 크기를 줄여 휴대가 용이한 분진배출 감시용 주사형 라이다 장치이다.The present invention for achieving the above object is irradiated in three dimensions with the laser generating unit (2) for generating a laser light, the scanning mirrors (19, 18) for reflecting the laser light of the laser generating unit (2) Scanning mirror rotating shafts 21 and 22, a laser transmitting optical system A for irradiating the light reflected by the reflecting mirror into the atmosphere, and a laser beam irradiated by the laser transmitting optical system A are atmosphere. It consists of a laser receiving optical system (B) that receives laser light that is backscattered back in dust, etc., so that the polarization of the laser is maintained with the configuration and arrangement of the optical system so that one optical system can be used for both transmission and reception. It is a scanning type lidar device for dust emission monitoring, which is easy to carry by reducing the size of a large-diameter mirror by blocking the laser beam by using a rotating mirror.
Description
본 발명은 레이저를 이용한 원격대기분석 주사형 라이다 장치에 관한 것이며; 더 자세하게는 하나의 광학계를 송-수신 겸용으로 사용할 수 있고 레이저의 편광을 유지할 수 있으며 대기중의 분진을 3차원으로 측정할 수 있는 휴대용 분진배출 감시용 주사형 라이다 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a remote standby analysis scanning lidar device using a laser; More specifically, the present invention relates to a portable dust emission monitoring scanning lidar device that can use a single optical system for both transmission and reception, maintains polarization of a laser, and can measure atmospheric dust in three dimensions.
대기중 공기분자나 분진의 분포는 오염물질의 대기중의 혼합정도를 추정하거나 오염물질의 장거리 이동과 같은 현상을 연구하는데 중요한 정보를 제공한다.일반적으로 레이저를 이용한 주사형 라이다 장치는 펄스 레이저와 같은 광원을 대기 중으로 조사(SENDING)하는 송신광학계와, 이 광원이 대기중의 공기분자나 분진에 의하여 반사되어 돌아오는(후방산란,BACK-SCATTERING) 빛을 대구경의 망원경으로 수신하는 수신광학계로 구성되어 있기 때문에 정렬에 많은 문제점이 있었다.The distribution of air molecules or dust in the atmosphere provides important information for estimating the degree of mixing of contaminants in the atmosphere or for studying phenomena such as long-distance transport of contaminants. A transmission optical system that emits a light source such as a light into the atmosphere, and a reception optical system that receives the light reflected by the air molecules and dust in the atmosphere (back scattering, BACK-SCATTERING) through a large-caliber telescope. There are many problems with sorting because it is configured
또한, 레이저를 3차원적으로 주사(SCANNING) 시키기 위해서는 레이저의 방향을 두 축(X-AXIS, Y-AXIS)으로 회전시킬 수 있어야 한다. 이때, 수평방향으로 레이저를 조사하는 경우 눈보호(EYE SAFETY)문제 때문에 레이저를 충분히 확대시켜야하며 이를 위하여 대구경의 망원경이 두 개가 필요하게 된다. 두 개의 망원경을 하나로 일치시키면 송신광학계와 수신광학계가 하나의 축에 놓이게 되는데, 이 때문에 수신 센서는 송신레이저에 의하여 광분해기, 렌즈, 대구경 거울, 1/4 위상조절기(1/4 λ PLATE) 등에서 발생하는 여러 가지 산란광의 영향을 받게 되어 문제가 된다. 일반적으로 이러한 현상을 방지하기 위하여 고가의 특수 광학계와 편광소멸기(DEPOLARIZER)를 사용하고 있는 실정이다.특수한 고가의 광학계를 사용하는 경우 일반적으로 산란 신호가 미미하여 광증폭관(PHOTO MULTIPLIER TUBE, PMT)에 가하는 전압을 조절함으로서 신호유도잡음(SIGNAL INDUCED NOISE)을 제거할 수 있으나, 일반적인 광학 부품은 수 MW/㎠의 레이저광에 의하여 다량의 산란 신호를 유발한다. 후자의 경우 전기적인 방법으로는 신호유도잡음을 없앨 수 없어 문제가 된다. 도 1 에서 4,5,6,7,16,17의 광학계에서 발생하는 산란 및 반사신호가 이에 해당한다.In addition, in order to scan the laser three-dimensionally (SCANNING) should be able to rotate the direction of the laser in two axes (X-AXIS, Y-AXIS). In this case, when irradiating the laser in the horizontal direction, the laser must be sufficiently enlarged due to the problem of eye protection (EYE SAFETY), and for this purpose, two telescopes of large diameter are required. When two telescopes are matched together, the transmitting optical system and the receiving optical system are placed on one axis. Therefore, the receiving sensor is controlled by a transmitting laser in a photodegrader, a lens, a large diameter mirror, and a 1/4 phase adjuster (1/4 λ PLATE). This is a problem because it is affected by the generated scattered light. In general, expensive special optical systems and DEPOLARIZER are used to prevent such phenomenon. In general, when a special expensive optical system is used, scattering signals are insignificant, and thus optical amplifiers (PHOTO MULTIPLIER TUBE, PMT) are used. By controlling the voltage applied to the signal induced noise (SIGNAL INDUCED NOISE) can be eliminated, but the general optical components cause a large amount of scattered signal by the laser light of several MW / ㎠. In the latter case, the signal induced noise cannot be eliminated by the electric method, which is a problem. In FIG. 1, scattering and reflection signals generated by the optical systems of 4, 5, 6, 7, 16, and 17 correspond to this.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출되는 것으로, 기존의 레이저 주사형 라이다 장치 라이다(LIDAR, LASER RADAR)에서 수신신호의 편광은 보존하고 산란광은 제거하며 하나의 광학계를 송-수신겸용으로 통합하면서 발생하는 여러 가지 문제점을 제거하여, 대기중의 오염정도와 이동형태를 측정하고 나아가 환경오염을 방지할 수 있는, 대기중의 분진을 3차원으로 측정할 수 있는 휴대용 분진배출 감시용 주사형 라이다 장치를 제공함을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve such a conventional problem, in the conventional laser scanning type lidar device (LIDAR, LASER RADAR) LIDAR, LASER RADAR preserves the polarization of the received signal, removes scattered light and transmits one optical system Portable dust emission monitoring that can measure air pollution in three dimensions to measure the degree of pollution and movement in the air, and to prevent environmental pollution by eliminating various problems caused by the integration of reception and reception An object of the present invention is to provide a scanning lidar device.
도 1 은 본 발명의 분진배출 감시용 주사형 라이다 장치의 상세한 전개도1 is a detailed development view of the scanning lidar device for dust emission monitoring of the present invention
도 2 는 본 발명 라이다 주사장치의 전체 구성도2 is an overall configuration diagram of the present invention lidar injection device
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
(1) 망원경 지지대 (2) 레이저광 발생장치(1) telescopic support (2) laser light generator
(3) 1차 광속확대기(3) primary beam expander
(4) 망원경의 1,2차 거울에서 산란 및 반사되는 빛의 양을 조절하는 구멍(4) Holes to control the amount of scattered and reflected light in the telescope's primary and secondary mirrors
(5) 시준렌즈(COLLIMATION LENS) (6) 1/4 λ위상조절기(1/4 λPLATE)(5) Collimation lens (6) 1/4 λ phase adjuster
(7) 편광 광분해기 (8) 중앙부 차단 공간필터(7) Polarization Photodegraders (8) Center Block Spatial Filters
(9) 간섭필터(INTERFERENCE FILTER) (10) 렌즈(9) INTERFERENCE FILTER (10) Lens
(11) 산란된 영상을 통과시키는 작은 구멍(PINHOLE)(11) Pinholes for passing scattered images
(12) 산란광을 차단하는 공간필터 (13) 렌즈(12) Spatial filter to block scattered light (13) Lens
(14) 망원경의 시각을 제어하는 작은 구멍(PINHOLE)(14) Pinholes to control the telescope's vision
(15) 광증폭관(PHOTO MULTIPLIER TUBE, PMT)(15) PHOTO MULTIPLIER TUBE, PMT
(16)(17) 망원경의 1차, 2차 거울 (18),(19) 1차, 2차 주사거울(16) (17) Primary, secondary mirrors of telescopes (18), (19) Primary, secondary scanning mirrors
(20) 레이저 전원 공급장치 (21),(22) 주사용 거울 회전축(20) Laser power supply (21), (22) Scanning mirror rotating shaft
(A) 송신광학계 (B) 수신광학계(A) Transmission optical system (B) Reception optical system
(C) 레이저 발생부 (D) 레이저 3차원 조사부(C) Laser generation unit (D) Laser three-dimensional irradiation unit
본 발명 실시예의 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the configuration and operation of the embodiment of the present invention in detail with reference to the accompanying drawings as follows.
도 1 은 본 발명의 분진배출 감시용 주사장치의 상세한 전개도로서, 일반적으로 다이오드 레이저에 의하여 펌핑되는 레이저광은 1mm 이하로 그 크기가 작기 때문에 대구경 망원경의 거울(16,17)의 모든 면을 채우기 위하여 망원경의 F#(초점거리/직경)와 렌즈(5)의 F#를 같게 하여야 하며 레이저의 크기를 늘이기 위하여 광을 확대하는 장치로는 1차 광속확대기 (3)를 사용한다. 상기와 같이 레이저광을 확대한 후 편광 광분해기(7)로 입사시키기 전에 레이저 단면의 중앙부를 차단하는 공간필터(8,CENTER BLOCKING FILTER)를 통과시킨다. 공간필터(8)의 크기는 레이저 중앙부가 망원경의 2차 거울(17)에서 차단되는 것을 고려하여 그 크기를 정한다. 공간필터(8)를 사용하는 것은 레이저가 렌즈(5)나 2차 거울(17)에서 반사되어 광증폭관(15)으로 입사되는 것을 방지하기 위함이다. 수직 편광된 레이저는 편광 광분해기(7)를 통과하고 다시 1/4 λ위상조절기(6)를 지나면서 원편광이 되고 다시 렌즈(5)를 통과하여 대기중으로 조사된다. 공기분자나 분진 입자에 의하여 후방산란(BACK-SCATTERING)된 신호는 다시 1/4 λ위상조절기(6)를 지나게 되는데, 산란되면서 편광이 보존된 경우는 위상조절기(6)를 통과하면서 수평 편광되어 편광 광분해기(7)에서 반사가 이루어져 간섭필터(9)와 렌즈 (10)를 통과하면서 대구경 망원경의 시각을 조절하는 작은 구멍(11)을 지나게 된다. 이때 렌즈(10)은 최대한 편광 광분해기(7)에 가까이 둠으로서 이것에 의하여 산란된 영상(IMAGE)이 작은 구멍(11)에 통과되도록 한다. 미량의 산란광은 다시 공간필터(12)에 의하여 차단되나, 신호에 해당하는 후방산란신호는 거의 차단되지 않고 통과한다. 작은 구멍(11)의 영상이 광증폭관(15) 앞에 있는 망원경의 시각 (FIELD OF VIEW)을 제어하는 구멍(14)에서 실상이 맺히도록 렌즈(13)의 위치와 초점거리를 조절함으로써 일정한 크기의 작은 구멍으로도 망원경의 시각(FIELD OF VIEW)을 임의로 조절할 수 있도록 한다. 이러한 장치는 한 개의 작은 구멍으로도 망원경의 시각을 임의로 조절할 수 있으며, 편광의 보존 상태를 알 수 있으므로 산란을 일으키는 대기 입자(공기분자, 분진)의 특성을 알 수 있고, 상용의 광학부품(렌즈, 거울, 광분해기 등)으로도 광학계에 의한 산란광을 제거할 수 있어서 고가의 광학계가 필요하지 않다.1 is a detailed development view of the dust emission monitoring scanning device of the present invention, since the laser light pumped by the diode laser is generally less than 1 mm in size and fills all surfaces of the mirrors 16 and 17 of the large-diameter telescope. In order to increase the size of the laser, the primary beam expander (3) is used as the device for enlarging the light to increase the size of the laser. After expanding the laser light as described above, before passing through the polarization photodegrader 7, a space filter 8 (CENTER BLOCKING FILTER) blocking the center portion of the laser cross section is passed. The size of the spatial filter 8 is determined in consideration of the fact that the laser central part is blocked at the secondary mirror 17 of the telescope. The use of the spatial filter 8 is to prevent the laser from being reflected by the lens 5 or the secondary mirror 17 and incident on the optical amplifier tube 15. The vertically polarized laser passes through the polarized light decomposer 7 and again passes through the 1/4 lambda phase controller 6 to become circularly polarized light and then passes through the lens 5 to be irradiated into the atmosphere. The signal back-scattered by the air molecules or dust particles passes through the 1/4 λ phase regulator 6 again. When scattered and the polarized light is preserved, the signal is horizontally polarized while passing through the phase regulator 6. Reflection is made in the polarized light splitter 7 and passes through the interference filter 9 and the lens 10 to pass through the small hole 11 for adjusting the view of the large-diameter telescope. At this time, the lens 10 is placed as close as possible to the polarized light decomposer 7 so that the scattered image IMAGE passes through the small hole 11. A small amount of scattered light is again blocked by the spatial filter 12, but the backscattered signal corresponding to the signal is almost blocked and passes. By adjusting the position and the focal length of the lens 13 so that the image of the small hole 11 is actually formed in the hole 14 for controlling the field of view of the telescope in front of the optical amplification tube 15. The small hole in the window allows for arbitrary adjustment of the field of view. The device can arbitrarily adjust the telescope's vision even with one small hole, and it can know the preservation state of polarization, so it is possible to know the characteristics of atmospheric particles (air molecules, dust) causing scattering, and commercially available optical parts (lenses). , A mirror, a photodecomposer, etc.) can remove scattered light by the optical system, so that an expensive optical system is not necessary.
도 2 는 본 발명 주사형 라이다 장치의 전체 구성도로서, 레이저광을 대기중에 조사(SENDING)시키는데 필요한 라이다 주사장치의 구성을 두 개의 회전축과 그 지지대를 포함하여 실제 부착된 모형으로 나타낸 것이다. 레이저 전원공급장치(20)와 레이저광발생장치(2)와 1차 광속확대기(3)는 주사부와 별도로 고정되며, 두 축 모터에 의하여 레이저가 움직이며 주사되는 기존의 장치와 달리, 회전을 하는 2개의 주사거울(19,18)을 사용하여 레이저광을 3차원으로 주사하는데, 주사에 사용되는 거울의 두 축은 1차 주사축(22)과 2차 주사축(21)으로 구성된다. 따라서 레이저는 회전하는 주사축을 갖는 1차-2차 주사거울(19,18)을 통하여 대기중에 3차원으로 조사된다. 따라서 레이저광의 단면이 크게 확대되지 않았기 때문에 1차 주사거울(19)과 2차 주사거울(18)은 소구경의 거울로도 충분하다. 이러한 방법은 레이저발생장치(2)의 위치를 고정하고도 3차원 방향으로 레이저를 주사할 수 있는 장점이 있으며 소구경의 거울로도 주사가 가능하므로 기존의 대구경 주사 시스템에 비하여 저렴하게 제작할 수 있는 이점이 있다.FIG. 2 is an overall configuration diagram of the scanning lidar device according to the present invention, in which a configuration of the lidar scanning device required for SENDING a laser beam in the air is shown as an actual attached model including two rotating shafts and their supports. . The laser power supply 20, the laser light generator 2, and the primary beam expander 3 are fixed separately from the scanning unit and, unlike the conventional apparatus, in which the laser is moved and scanned by two-axis motors, rotation is performed. The laser beam is scanned in three dimensions using two scanning mirrors 19 and 18. The two axes of the mirror used for scanning are composed of a primary scanning axis 22 and a secondary scanning axis 21. Therefore, the laser is irradiated three-dimensionally in the atmosphere through the primary-secondary scanning mirrors 19 and 18 having the rotating scanning axis. Therefore, since the cross section of the laser beam is not greatly enlarged, the small mirror of the primary scanning mirror 19 and the secondary scanning mirror 18 is sufficient. This method has the advantage that the laser can be scanned in the three-dimensional direction while fixing the position of the laser generating device (2) and can be manufactured at a lower cost than conventional large-diameter scanning system because it can also be scanned by a small diameter mirror. There is an advantage.
하나의 광학계를 송-수신 겸용으로 사용하는 라이다(LIDAR)를 이용한 분진배출 감시용 주사형 라이다 장치에 있어서, 레이저 전원장치(20)와 레이저 발생장치(2)와 발생된 레이저광을 확대하는 1차 광속확대기(3)로 이루어진 레이저 발생부(C)와, 상기 레이저 발생부(C)의 레이저광을 받아 회전하는 두 개의 주사거울(19,18)로 이루어진 3차원 조사부(D)와, 상기 레이저 3차원 조사부(D)의 레이저광을 받아 편광 광분해기(7)와 1/4 λ 위상조절기(6)와 시준렌즈(5)와 배경 신호의 양을 조절하는 작은 구멍(4)과 1차-2차 거울(16,17)을 배치하여 이루어진 레이저 송신광학계(A)와, 산란된 영상을 통과시키는 작은 구멍(11)과 산란광을 차단하는 공간필터(12)와 렌즈(13)와 망원경의 시각(FIELD OF VIEW)을 제어하는 작은 구멍(14)과 광증폭관(15)을 적절히 배치하여 이루어져 상기 레이저 송신광학계(A)에서 조사(SENDING)한 레이저광이 대기중에서 분진 등에 후방산란되어 돌아오는 레이저광을 수신하는 레이저 수신광학계(B)로 구성되어, 상기 서로 직각방향으로 축회전을 하는 2개의 소구경 주사거울(18,19)을 사용하여 레이저를 3차원 방향으로 조사하여 대기중 공기분자나 분진의 여러 가지 광학계수를 3차원으로 측정할 수 있고 휴대가 용이한 분진배출 감시용 주사형 라이다 장치이다.In a scanning lidar for dust emission monitoring using a LiDAR that uses one optical system as both a transmitter and a receiver, the laser power supply 20 and the laser generator 2 and the generated laser light are enlarged. A laser generating unit (C) consisting of a primary beam expander (3), a three-dimensional irradiation unit (D) consisting of two scanning mirrors (19, 18) rotating under the laser light of the laser generating unit (C); A small hole 4 for adjusting the amount of the background signal by the polarized light splitter 7, the 1/4 λ phase adjuster 6, the collimator lens 5, and the laser beam of the laser 3D irradiation unit D; A laser transmission optical system A formed by arranging primary and secondary mirrors 16 and 17, a small hole 11 through which scattered images pass, a spatial filter 12 and a lens 13 that block scattered light, The eyelet 14 and the optical amplification tube 15 are properly arranged to control the field of view of the telescope. The laser beam irradiated by the transmitting optical system A is composed of a laser receiving optical system B for receiving a laser beam that is scattered back in dust or the like in the air, and the two small beams are axially rotated at right angles to each other. The portable laser scanning mirror (18, 19) can be used to irradiate the laser in three dimensions to measure various optical coefficients of air molecules and dust in the air in three dimensions. Device.
또한, 상기 레이저 수신광학계(B)와 송신광학계(A)에서 1/4 λ위상조절기(6)와 편광 광분해기(7)의 조합에 의하여 대기중으로 조사된 빛이 공기분자나 분진에 의하여 후방산란될 때 편광이 보존된 빛만 편광 광분해기(7)를 통하여 반사가 일어나 광증폭관(15)으로 입사되도록 하여 편광이 보존된다.Further, in the laser receiving optical system (B) and the transmitting optical system (A), the light irradiated into the atmosphere by the combination of the 1/4 λ phase regulator 6 and the polarization photolyzer 7 is scattered back by air molecules or dust. Only the light in which the polarization is preserved is reflected through the polarization photo splitter 7 to be incident on the optical amplifier 15 so that the polarization is preserved.
그리고, 상기 레이저 수신광학계(B)에서 작은 구멍(11)의 영상이 광증폭관(15) 앞에 있는 망원경의 시각을 제어하는 작은 구멍(14)에서 실상이 맺히도록 렌즈(13)의 위치와 초점거리를 조절함으로서 일정한 크기의 작은 구멍으로도 망원경의 시각(FIELD OF VIEW)을 연속적으로 변화(수십μ㎭ - 수백 μ㎭)시킬 수 있다.And the position and focus of the lens 13 so that the image of the small hole 11 in the laser receiving optical system B forms a real image in the small hole 14 that controls the view of the telescope in front of the optical amplifier tube 15. By adjusting the distance, even a small hole of constant size can continuously change the field of view (tens of μs to hundreds of μs).
또한, 상기 레이저 송신광학계(A)에서 송신 레이저에 의하여 편광 광분해기(7), 렌즈(5), 1차-2차 거울(16,17), 1/4 λ 위상조절기(6) 등에서 발생하는 여러 가지 산란광의 영향을 막기 위해, 1/4 λ 위상조절기(6)와 편광 광분해기(7)와 간섭필터(9)와 렌즈(10)와 작은 구멍(11)과 공간필터(12) 등 저가의 상용부품을 적절히 배열하여 광학계에 의한 산란광을 제거하는 특징이 있다.In addition, in the laser transmission optical system A, a polarization photodegrader 7, a lens 5, a primary-secondary mirror 16, 17, a 1/4 λ phase regulator 6, etc. are generated by a transmission laser. In order to prevent the influence of various scattered light, low cost such as 1/4 λ phase adjuster 6, polarized light decomposer 7, interference filter 9, lens 10, eyelet 11 and spatial filter 12 There is a characteristic that the scattered light by the optical system is removed by arranging commercially available parts appropriately.
상기와 같은 구성 및 작용에 의해 기대할 수 있는 본 발명의 효과는 다음과 같다.The effects of the present invention that can be expected by the configuration and action as described above are as follows.
하나의 광학계를 송-수신 겸용으로 사용할 수 있고, 적절한 광학계의 구성 및 배열로 레이저의 편광은 유지하고 광학계에서 산란된 광은 차단하며, 대기에서 산란된 광을 수신하기 위하여 송신 망원경과 동일한 망원경을 송신용으로 사용함으로써 눈 보호 문제를 해결하며 회전하는 거울을 이용하여 레이저광을 3차원으로 조사할 수 있어 대구경 거울의 크기를 줄여 휴대가 용이하여 분진배출 감시용으로 사용하기에 매우 유용한 발명인 것이다.A single optical system can be used for both transmission and reception, and the proper configuration and arrangement of the optical system maintains the polarization of the laser, blocks the scattered light from the optical system, and uses the same telescope to transmit the scattered light in the atmosphere. It is a very useful invention to solve the eye protection problem by using for transmission and to irradiate the laser light in three dimensions by using the rotating mirror to reduce the size of the large-diameter mirror and to be easy to carry and to use for dust emission monitoring.
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