KR100337368B1 - 광섬유 수신 광학계가 구비된 라이다 시스템을 이용한3차원 풍향 풍속 측정 방법 - Google Patents

광섬유 수신 광학계가 구비된 라이다 시스템을 이용한3차원 풍향 풍속 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유 수신 광학계가 구비된 라이다 시스템을 이용한 3차원 풍향 풍속 측정방법에 관한 것으로, 펄스형 레이저에서 발진하는 광에너지가 제 1,2광분해기와 반사거울을 통해 대기중으로 각각 발사되고, 발사되는 각 광원이 대기중에 존재하는 공기분자나 분진에 충돌하여 산란되면서 대구경 망원경의 초점면에 위치한 제 1,2,3광섬유가 라이다 신호를 수신하도록 하게 하며, 상기 제 1,2,3광섬유에 입력되는 라이다 신호에 대한 배경신호를 제거시킨 다음, ADC에 입력시켜 디지탈 신호로 변경시키고, 이 디지탈 라이다 신호를 컴퓨터에 입력시켜 3차원 공간에 대한 풍속 및 풍향을 측정하는 방법으로써, 고분해능 주사 시스템을 사용하지 않으면서도 기계적으로 레이저 신호를 바꾸지 않아 라이다 신호를 연속적으로 획득하고, 이와 같이 획득되는 각기 다른 공간의 라이다 신호를 시간적으로 분석하여 각 지점 사이의 분진 이동을 계산함으로써, 3차원 공간에 대한 풍향과 풍속을 신속 정확하게 측정할 수 있는 것이다.

Description

광섬유 수신 광학계가 구비된 라이다 시스템을 이용한 3차원 풍향 풍속 측정방법 {Method For measuring 3 Dimensional Wind Direction/Wind Velocity Using Lidar System having Optical Fiber Receiving Optical Meter}
본 발명은 광섬유 수신 광학계가 구비된 라이다 시스템을 이용한 3차원 풍향 풍속 측정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도플러 신호를 이용하지 않고도 3차원 공간의 라이다 신호를 연속적으로 획득하고, 아울러 각각의 광섬유에 입력되는 라이다(Lidar) 신호로부터 상호 교차상관함수(Cross correlation function)를 이용하여 각 지점 사이의 분진 이동을 계산함으로써, 3차원 공간에 대한 대기의 풍향과 풍속을 빠른시간 안에 정확한 측정을 할 수 있도록 한 것이다.
일반적으로 사용되는 풍향 풍속 측정용 라이다 시스템은 도플러 효과 즉, 파의 형태로 전파되는 것은 파원이 관측자에 대하여 상대적으로 멀어지거나 가까워질 때 파장이 변환되는 점을 이용한 도플러 라이다 기술과 대기 분진(aerosol)의 불균일도를 측정하는 두가지 기술이 있다.
우선, 전자의 방법은 고분해능의 레이저와 이와 같은 신호를 수신하기 위한 수신광학계가 필수적으로 요구되고, 후자방법은 분진의 이동을 실시간으로 감시하기 위하여 고가의 고분해능 3차원 주사 시스템이 이용되었다.
그런데, 상기 고분해능 3차원 주사시스템을 이용하는 경우에는 고가의 라이다 제어용 하드웨어장비가 필요하여 제작 및 사용상에 비용부담이 크고, 아울러 레이저 주사가 이루어지고 있는 동안에는 레이저를 수신할 수 없는 단점 때문에 풍향과 풍속을 측정하는데 많은 소요시간이 필요한 문제점이 있었다.
또한, 3차원 주사시스템을 사용하여 3차원 공간의 라이다 신호를 얻기 위해서는 레이저의 방향을 계속적으로 바꾸면서 라이다 신호를 획득해야하는 번거로움이 있음은 물론, 이와 같이 레이저 방향을 연속적으로 변경시키기 위한 기계적인 동작의 반복적 과정에서 광학적 정렬이 파괴되는 단점이 있으며, 아울러 상기 레이저의 방향을 바꾸는 동안에는 연속적인 데이터를 얻을 수 없어 라이다 신호를 전처리하는 별도의 과정이 추가로 필요한 문제점이 있었다.
한편, 3차원 주사시스템을 이용하지 않으면, 3차원 공간의 풍향과 풍속에 대한 라이다 신호를 얻을 수 없을 뿐만 아니라 불균일한 분진이 레이저 주사선에 존재하지 않다가 추후, 레이저 주사선에 입사하거나 특정 모양을 지닌 분진의 불균일도가 레이저 주사 방향으로 입사되는 경우에 분진이 이동한 것으로 오해되어 많은 오차를 유발하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 고분해능 주사 시스템을 사용하지 않으면서도 기계적으로 레이저 신호를 바꾸지 않음으로써, 라이다 신호를 연속적으로 획득하고, 이와 같이 획득되는 각기 다른 공간의 라이다신호를 시간적으로 분석하여 각 지점 사이의 분진 이동을 계산함으로써, 3차원 공간에 대한 풍향과 풍속을 신속 정확하게 연속적으로 측정할 수 있도록 한 광섬유 수신 광학계가 구비된 라이다 시스템을 이용한 3차원 풍향 풍속 측정방법에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 펄스형 레이저장비에서 광에너지가 발진하는 단계와, 상기 발진된 광에너지가 소정 각도를 갖는 제 1,2광분해기를 순차적으로 통과하면서 독립된 광원으로 광분해되는 단계와, 상기 제 1,2광분해기에 의해 독립된 광에너지가 제 1,2광분해기와 반사거울을 통하여 대기중으로 각각 발사되는 단계와, 상기 대기중으로 발사되는 독립된 광원이 대기중에 존재하는 공기분자나 분진에 충돌하여 산란되면서 대구경 망원경에 조사되고, 이와 같이 조사되는 각각의 광원을 대구경 망원경의 초점면에 위치한 제 1,2,3광섬유가 각각 대응하는 상태로 라이다 신호를 수신하는 단계와, 상기 제 1,2,3광섬유에 입력되는 라이다 신호는 시준렌즈와 필터 그리고 집광렌즈를 통과하면서 대기중에 존재하는 배경신호를 제거하는 단계와, 상기 배경신호를 제거한 각각의 아날로그 라이다 신호를 디지탈 라이다 신호로 변화시키고자 ADC에 개별적으로 입력되는 단계와, 상기 디지탈 라이다 신호를 이용하여 3차원 공간에 대한 풍향과 풍속을 측정 계산하고자 컴퓨터에 입력되는 단계로 이루어진 것으로써, 고분해능 주사 시스템을 사용하지 않으면서도 기계적으로 레이저 신호를 바꾸지 않음으로써, 라이다 신호를 연속적으로 획득하고, 이와 같이 획득되는 각기 다른 공간의 라이다 신호를 시간적으로 분석하여 각 지점 사이의 분진 이동을 계산함으로써, 3차원 공간에 대한 풍향과 풍속을 신속 정확하게 연속적으로 측정할 수 있는 점에 특징이 있다.
도 1은 본 발명의 광섬유 수신 광학계가 구비된 라이다 시스템을 이용한 3차원 풍향 풍속 측정방법을 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 풍향 풍속 라이다 시스템을 개략적으로 나타낸 도면
도 3은 수신된 라이다 신호를 이용한 풍향/풍속을 계산하기 위한 설명도
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 펄스형 레이저장비 12 : 광에너지
14 : 제 1광분해기 16 : 제 2광분해기
18 : 반사경 20 : 분진
22 : 산란광원 24 : 대구경 망원경
26 : 제 1광섬유 28 : 제 2광섬유
30 : 제 3광섬유 32 : 시준렌즈
34 : 필터 36 : 집광렌즈
38 : 아날로그/디지탈 컨버터 40 : 컴퓨터
42,43,44 : 산란지점
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명하기로 한다.
첨부된 예시도면 도 1 내지 도 3은 본 발명의 광섬유 수신 광학계가 구비된 라이다 시스템을 이용한 3차원 풍향 풍속 측정방법을 나타낸 것으로, 먼저 펄스형 레이저장비(10)에서 하나의 광에너지(12)가 발진되는 단계(A)와, 상기 펄스형 레이저장비(10)에서 발진된 광에너지(12)가 투과도와 반사도를 적절히 배분한 각각의 제 1,2광분해기(beamsplitter)(14,16)를 통과하면서 3개의 독립된 광원으로 형성하는 단계(B)와, 상기 소정각도를 이루는 제 1,2광분해기(14,16)와 반사경(18)에 배분된 각각의 광원이 반사되어 대기중으로 발사되는 송신단계(C)와, 상기 대기중으로 발사된 각각의 광원(12)이 임의 고도에서 존재하는 공기분자나 분진(20)에 충돌하면서 후방으로 산란되는 산란광원(22)을 대구경 망원경(24)으로 감지하고, 이 대구경 망원경(24)으로 각기 다른 공간에서 조사되는 각각의 광원을 초점면에 위치한 제 1,2,3광섬유(26,28,30)가 서로 대응하는 상태로 수신하는 단계(D)와, 상기 제 1,2,3광섬유(26,28,30)의 광센서를 통하여 대기중에서 얻어지는 각각의 라이다 신호가 시준렌즈(32)와 필터(34) 그리고 집광렌즈(36)를 순차적으로 통과하면서 대기중에 존재하는 불필요한 배경신호를 제거하는 단계(E)와, 상기 배경신호가 제거된각각의 아날로그 라이다 신호를 디지탈 라이다 신호로 변화시키고자 아날로그/디지탈 컨버터(Analog to Digital Convertor , 이하 ADC로 약칭함)(38)에 개별적으로 입력되는 단계(F)와, 상기 ADC(38)에서 변환된 디지탈 라이다 신호를 이용하여 각 지점(42,43,44)에 대한 풍향과 풍속을 측정 계산하고자 컴퓨터(40)에 입력되는 단계(G)로 이루어져 있다.
위와 같이 구성된 본 발명은 첨부된 예시도면 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 먼저, 펄스형 레이저장비(10)에서 발진된 광에너지(12)가 적절히 배분된 제 1,2광분해기(14,16)의 광학계를 순차적으로 통과하면서 3개의 독립된 광원으로 형성되고, 이와 같이 형성되는 3개의 광원은 제 1,2광분해기(14,16)와 반사경(18)에 반사되어 대기중으로 발사된다.
그리고, 상기와 같이 제 1,2광분해기(14,16)와 반사경(18)을 통하여 대기중으로 발사된 3개의 레이저는 대기중에 존재하는 공기분자나 분진(20)에 충돌하여 후방으로 산란되면서 산란광원(22)이 대구경 망원경(24)으로 각각 입사되는 것이다.
이때, 상기 대구경 망원경(24)의 초점은 제 1,2,3광섬유(26,28,30)와 일치하는 상태로 맞추어져 있어서, 상기 대구경 망원경(24)으로 입사되는 각각의 광원이 이와 대응하는 제 1,2,3광섬유(26,28,30)에 각각 입력됨으로써 라이다 신호를 수신하게 되는 것이다.
그리고, 상기와 같이 제 1,2,3광섬유(26,28,30)의 광센서에 입력되는 라이다신호는 시준렌즈(32)와 필터(34) 그리고 집광렌즈(36)를 순차적으로 통과하면서 대기중에 존재하는 배경신호를 제거하게 되고, 이와 같이 배경신호가 제거된 각각의 아날로그 라이다 신호는 개별적으로 ACD(38)에 입력되면서 각각의 디지탈 라이다 신호로 변환되는 것이다.
그리고, 상기 ADC(38)에서 출력되는 각기 다른 디지탈 라이다 신호를 시간적으로 분석하고, 각 지점(42,43,44)간에 포함된 분진 이동을 계산하여 풍향과 풍속을 측정하고자 컴퓨터에 입력되는 것이다.
여기서, 3차원 공간에 대한 풍향과 풍속을 측정할 경우, 먼저 3차원공간에서 얻어지는 각각의 라이다 신호를 이용하여 풍향과 풍속을 측정 계산하기 위한 상관함수를 구하고, 이와 같은 구해지는 상관함수를 이용하여 각각의 라이다 신호 사이에 정의되는 상호 교차함수를 통해 각 지점(42,43,44)간에 풍향과 풍속을 계산하여 정확히 측정하게 되는 것이다.
상기 상관함수를 구하기 위해서는 우선, 상기 제 1,2,3광섬유(26,28,30)를 통하여 입력되는 광원이 각각 대기의 다른 부위의 산란된 광이므로 광센서에서 획득된 신호 또한 각기 다른 대기의 정보를 가지게 되며, 상기 라이다 신호는 분진의 불균일도와 관계없이 거리의 제곱에 반비례하는 관계로 라이다 신호에 거리의 제곱을 곱하는 전처리 과정을 거치게 된다.
또한, 레이저광이나 산란신호가 대기중으로 진행하면서 발생되는 소광효과를 제거하는 과정 및 기타의 여러가지 전처리 과정을 거친 각 라이다 신호는 다른 광섬유를 통하여 입력된 라이다 신호들과의 교차함수를 구하게 되는 것이다.
그리고, 상기와 같이 전처리 과정을 거친 각기 다른 라이다 신호를 이용하여 상관함수를 구하게 되는데, 예를들어 상기 라이다 신호를 수직의 각 방향으로 조사한다고 가정하고, 제 1,2,3광섬유(26,28,30)를 통하여 고도와 시간에서 획득하는 각각의 라이다 신호를 P1,2,3(Zd,t)라고 가정한다. 여기서 P에 부여되는 1,2,3은 각각의 제 1,2,3광섬유(26,28,30)이고, 고도는 Zd, 시간은 t로 나타낸다.
또한, 대구경 망원경(24)의 초점거리를 f라고 하고, 제 1,2,3광섬유(26,28,30) 각각의 직경을 d, 제 1,2,3광섬유(26,28,30) 중심간의 간격을 D라 한다면, 임의적인 고도(Zd)에서 3방향의 레이저 광축간에 간격(DZd)은 아래의 수학식1의 관계에 의해 구할 수 있는 것이다.
그리고, 상기 수학식1을 통하여 각각의 라이다 신호간에 상호 교차함수는 아래의 수학식2의 관계로 정의할 수 있는 것이다.
여기서, 상기 P1,2,3는 전처리를 거친 라이다 신호를 나타내며, 임의적인 고도(zd), 시간(t0)에서 Y축 방향에 대한 풍속은 교차함수 R1(τ)가 최대가 되는 τmax를 구함으로써, 구해지며, 상기 Y축 방향에 대한 풍속은 아래의 수학식3으로 정의할 수 있는 것이다.
한편, X축과 Y축 사이에서 45°각도를 이루는 방향에 대한 풍속은 수학식1에서 나타낸 교차함수(R2)에 의하여 같은 방법으로 구할 수 있으며, 또한 X축과 -Y축 사이에서 45°각도를 이루는 방향의 풍속은 상기 수학식1에서 나타낸 교차함수(R3)를 통해 구할 수 있는 것이다.
그러므로, X축 방향에 대한 풍속도 위의 3가지 결과 즉, 풍속을 조합하면 구할 수 있고, 마찬가지로 수직방향의 풍속도는 P(zd1,t)와 P(zd,t) 사이의 교차 상관함수를 구하여 풍속을 같은 방법으로 계산함으로써, 임의적인 고도에 대한 풍향과 풍속을 측정할 수 있는 것이다.
아울러, 3차원 공간의 다른 지점에 대한 풍향과 풍속을 측정할 경우에는 라이다 시스템을 측정하고자 하는 방향으로 움직이면 되는 것이다.
위와 같이 본 발명은 고성능 주사 시스템을 사용하지 않고도 라이다 신호를 연속적으로 획득하여 각 지점의 라이다 신호를 시간적으로 분석하고, 아울러 각 지점 사이의 분진이동을 계산하여 3차원공간에 대한 풍향과 풍속을 빠른시간 안에 정확히 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 측정 중간에 주사를 할 필요가 없기 때문에 시간이 절약되고, 고정된 방향에서 레이저 발사가 이루어짐으로써, 광학적 정렬이 유지되어 정학한 측정을 수행할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 라이다 시스템을 이용한 풍향 풍속 측정방법에 있어서,
    펄스형 레이저장비(10)에서 광에너지(12)가 발진하는 단계(A)와,
    상기 발진된 광에너지(12)가 소정각도의 각도를 갖는 제 1,2광분해기(14,16)를 순차적으로 통과하면서 독립된 광원으로 광분해되는 단계(B)와,
    상기 제 1,2광분해기(14,16)에 의해 독립된 광에너지가 제 1,2광분해기(14,16)와 반사경(18)을 통하여 대기중으로 각각 발사되는 단계(C)와,
    상기 대기중으로 발사되는 독립된 광원이 대기중에 존재하는 공기분자나 분진(20)에 충돌하여 산란되면서 대구경 망원경(24)에 조사되고, 이와 같이 조사되는 각각의 광원을 대구경 망원경(24)의 초점면에 위치한 제 1,2,3광섬유(26,28,30)가 각각 대응하는 상태로 라이다 신호를 수신하는 단계(D)와,
    상기 제 1,2,3광섬유(26,28,30)에 입력되는 라이다 신호는 시준렌즈(32)와 필터(34) 그리고 집광렌즈(36)를 통과하면서 대기중에 존재하는 배경신호를 제거하는 단계(E)와,
    상기 배경신호를 제거한 각각의 아날로그 라이다 신호를 디지탈 라이다 신호로 변환시키고자 ADC(38)에 개별적으로 입력되는 단계(F)와,
    상기 디지탈 라이다 신호를 이용하여 3차원 공간에 대한 풍향과 풍속을 측정 계산하고자 컴퓨터(40)에 입력되는 단계(G)로 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 수신 광학계가 구비된 라이다 시스템을 이용한 3차원 풍향 풍속 측정방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 단계(G)에서 3차원 공간에 대한 풍향과 풍속을 측정하는 경우에 제 1,2,3광섬유(26,28,30)로부터 각기 다른 방향과 거리에서 입력되는 라이다 신호를 이용하여 각각의 라이다 신호 사이에서 정의되는 상호 교차상관함수를 통해 각 지점(42,43,44) 사이의 분진이동을 계산하여 3차원 공간에 대한 풍속과 풍향을 측정하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 수신 광학계가 구비된 라이다 시스템을 이용한 3차원 풍향 풍속 측정방법.
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