KR100540222B1 - 대류권 오존과 비구형성의 분진을 동시에 관측하기 위한레이저 광송신장치,광수신장치 및 라이다 시스템 - Google Patents

대류권 오존과 비구형성의 분진을 동시에 관측하기 위한레이저 광송신장치,광수신장치 및 라이다 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대류권 오존과 비구형성의 분진을 동시에 관측하기 위한 라이다시스템으로서, 오존 측정용 조화파 및 비구형성 분진 측정용 조화파를 발생시키는 레이저광발생기; 상기 오존측정용 조화파를 수광하여 이로부터 라만 신호를 생성하는 라만신호발생기; 및 수신장치를 구성하는 편광광분해기로의 입사각을 조절하기 위한 상기 비구형성 분진 측정용 조화파의 위상조절기를 포함하는 레이저광 송신장치 및, 후방산란광을 수신하기 위한 망원경, 상기 망원경으로부터 수신된 광을 평행광으로 변환하는 시준렌즈, 상기 평행광을 라만신호 및 비구형성 분진 측정용 조화파로 각각 분해하는 광분해기, 상기 분해된 라만신호를 파장별로 순차적으로 더 분해하기 위한 일련의 라만신호분해기들과, 상기 분해된 비구형성 분진 측정용 조화파로부터 편광이 보존된 광을 분해하기 위한 편광광분해기, 각 분해된 광으로부터 원하는 신호만을 각 광증배관으로 집광하기 위한 복수의 집광수단을 포함하는 레이저 광수신장치와, 상기 광송신장치 및 광수신장치로 구성되는 오존과 비구형성의 분진을 관측하기 위한 라이다 시스템을 제공한다.

Description

대류권 오존과 비구형성의 분진을 동시에 관측하기 위한 레이저 광송신장치, 광수신장치 및 라이다 시스템{Laser Optical Transmitter, Receiver and LIDAR System for Simultaneously Observation of Atmospheric Ozone and Nonspherical Dust}
도 1은 본 발명에 따른 바람직한 실시예로서, 대류권 오존과 비구형성의 분진을 관측하기 위한 레이저광 송신장치 및 수신장치의 구성도
본 발명은 대류권 오존과 비구형성의 분진을 관측하기 위한 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일의 레이저원을 사용하고, 또한 산란된 신호를 단일의 망원경을 통해 수신하므로 종래보다 간단하고 저렴하게 관측할 수 있는 레이저광 송신장치, 수신장치 및 이들로 구성되는 라이다 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 대기에 존재하는 오염물질의 측정기술은 시료를 직접 채취하여 처리하는 화학적 방법과 시료의 채취과정이 없이 원격으로 측정하는 분광학적 방법 이 있다. 화학적 방법은 시료 전 처리 과정이 복잡하고 국지적인 정보를 제공하기 때문에 많은 단점을 내포하고 있다. 그러나, 레이저를 이용한 라이다(LIDAR) 측정은 3 차원적인 오염물질의 분포를 쉽게 관측할 수 있다. 라이다를 구성하는 광학계는 레이저를 대기 중으로 조사하는 송신광학계와 대기 중에서 공기 분자나 분진에 의해 산란되어 되돌아오는 신호를 수신하는 수신광학계로 구성된다. 기존에 라이다를 이용하여 대기 중 오존을 관측하기 위해서는 자외선 영역에서 흡수가 많이 발생하는 공명 파장과 흡수가 적게 일어나는 비공명 파장을 대기 중으로 조사하여 후방산란된 신호를 통해 차분흡수 방법(Differential Absorption method)으로 측정을 수행하였고, 황사를 관측하기 위해서는 가시광선 영역의 파장대를 이용하여 편광해소비(Depolarization Ratio)가 이용되었다.
외국에서는 대류권 오존 측정을 위해 KrF Excimer 레이저를 여기원으로 하여 수소나 중수소의 라만(Raman) 전이 파장을 이용한 관측이 수행되고 있다. 하지만, Excimer 레이저를 사용할 경우 시스템이 복잡하고 유지하는데 많은 비용이 소요된다. 편광해소비를 관측하기 위한 편광라이다의 경우 많은 연구가들에 의해 이용되고 있지만, 이에 의해서는 오존의 분포를 동시에 관측하는 것은 불가능하다. 따라서, 아직까지는 황사와 대류권 오존분포를 관측하기 위해서는 별도의 다른 시스템으로 수행하여야 하는 번거로움이 있다
본 발명은 상기 종래 기술이 지니는 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 단일의 레이저원을 사용하고, 또한 산란된 신호를 단일의 망원경을 통해 수신하므로 대류권 오존과 비구형성의 분진을 종래보다 간단하고 저렴하게 관측할 수 있는 레이저광 송신장치, 수신장치 및 이들로 구성되는 라이다 시스템을 제공함에 있다.
본 발명은 대류권 오존과 비구형성의 분진을 관측하기 위한 레이저광 송신장치에 있어서, 오존 측정용 조화파 및 비구형성 분진 측정용 조화파를 발생시키는 레이저광발생기; 상기 오존측정용 조화파를 수광하여 이로부터 라만산란광을 생성하는 라만신호발생기; 및 수신장치를 구성하는 편광광분해기로의 입사각을 조절하기 위한 상기 비구형성 분진 측정용 조화파의 위상조절기를 포함하는 오존과 비구형성 분진을 관측하기 위한 레이저 광송신장치를 제공한다.
상기에서 바람직하게는 레이저 발생기 출력단과 라만신호발생기 입력단과의 사이에 오존측정용 조화파를 집광하기 위한 렌즈가 더 구비된다.
상기에서 바람직하게는 라만신호발생기 출력단의 연장선상에 시준렌즈 및 반사거울이 순차적으로 더 구비된다.
상기에서, 위상조절기는 바람직하게는 1/2λ위상조절기이다.
상기에서 '오존측정용 조화파(harmonic wave)'라 함은 레이저광발생기로부터 발진하는 입사파로부터 대류권의 오존 분포를 측정하기 위해 라만 전이 매질이 채워진 라만 셀을 통해 얻어지는 조화파를 의미한다. 라만 전이 매질로 사용되는 수 단으로는 수소, 중수소, 메탄 등이 알려져 있다. 당업자는 이미 알려진 라만 전이 매질들의 정보를 이용하여 적절한 것 중에서 선택함으로써 원하는 파장의 빛을 발생시킬 수 있다.
상기에서 '비구형성 분진'이라 함은 대류권에 존재하는 구형이 아닌 분진으로서 황사가 대표적이다.
상기에서 '비구형성 분진 측정용 조화파'라 함은 레이저광발생기로부터 발진하는 제1차 조화파로부터 대류권에 존재하는 비구형성 분진을 측정하기 위해 비선형광학기술을 이용해 얻은 조화파를 말한다.
레이저광발생기는 오존측정용 조화파 및 비구형성 분진 측정용 조화파를 발생시킬 수 있어야 하며, 요구되는 각 조화파를 얻기 위한 비선형 광학결정을 포함할 수 있다. 제1차 조화파를 발생하기 위한 수단은 다양하며, 대표적으로는 Nd:YAG 또는 Nd:Glass 레이저를 들 수 있다.
라만신호발생기는 내부에 충전되는 소정의 매질로부터 라만 전이 파장을 가지는 빛(또는, '라만산란광'이라고도 함)을 생성하는 수단으로서, 대기중의 오존을 측정하기 위한 경우 사용가능한 매질로는 수소, 중수소, 메탄 등이 이용될 수 있다. 이와 같은 라만산란광은 자외선 영역에서 흡수가 많이 일어나는 공명파장과 흡수가 적게 일어나는 비공명파장을 포함한다. 오존의 분포는 상기 라만산란광을 대류권에 조사해 후방산란된 신호를 수신하여 차분흡수법(Differential Absortion)을 통해 측정된다.
또한, 본 발명은 대류권 오존과 비구형성의 분진을 관측하기 위한 레이저광 수신장치에 있어서, 후방산란광을 수신하기 위한 망원경, 상기 망원경으로부터 수신된 광을 평행광으로 변환하는 시준렌즈, 상기 평행광을 라만산란광 및 비구형성 분진 측정용 조화파로 각각 분해하는 광분해기, 상기 분해된 라만산란광을 공명파장과 비공명파장으로 순차적으로 더 분해하기 위한 일련의 라만산란광분해기들과, 상기 분해된 비구형성 분진 측정용 조화파로부터 편광이 보존된 광을 분해하기 위한 편광광분해기, 각 분해된 광으로부터 원하는 신호만을 각 광증배관으로 집광하기 위한 복수의 집광수단을 포함하는 오존과 비구형성 분진을 관측하기 위한 레이저광 수신장치를 제공한다.
후방산란광은 레이저광 송신장치로부터 대류권으로 조사된 빛이 공기분자나 분진 등에 의해 산란되는 광으로서 망원경을 통해 수신되며, 레이저광 발생기로부터 조사된 라만산란광과 비구형성 분진 측정용 조화파와 동일한 파장의 빛을 포함한다.
오존의 분포는 대류권으로부터 수신된 라만산란광을 자외선 영역에서 흡수가 많이 발생하는 공명파장과 흡수가 적게 일어나는 비공명 파장을 차분흡수법을 이용하여 얻을 수 있다. 차분흡수법은 대기중에 존재하는 오염물질들을 측정하는데 많이 사용되는 방법이다. 파장 차이가 거의 없는 두 개(공명파장과 비공명파장)의 레이저 빔을 대기중에 조사하면, 대기중에 존재하는 입자나 공기분자와 충돌하여 산란이 일어난다. 이 중 일부는 레이저를 발사한 방향으로 되돌아와서 대형 망원경과 연결된 광 센서에 수신된다. 두 개의 레이저 파장 중 하나를 특정 오염물질에 흡수(공명) 되도록 파장을 선택하면, 되반사된 두 산란 신호 사이에는 미세한 차이 가 생기게 되어, 이 차이로부터 오존의 거리에 따른 농도분포를 계산할 수 있다. 사용된 레이저는 아주 짧은 펄스 형태이므로 레이저 발사 후 되돌아오는 신호와의 시간 차이는 바로 거리로 환산되어 진다.
비구형성 분진의 측정은 편광해소비(Depolarization Ratio)를 이용해 수행된다. 수신된 산란광은 초기 레이저원의 편광이 보존된 빛과 보존되지 않은 빛을 포함하고 있다. 이들은 편광광분해기를 이용해 각각 분해되어지며, 비구형성 분진의 분포는 상기 편광해소비를 측정함으로써 얻어진다.
또한, 본 발명은 상기 레이저광 송신장치 및 수신장치로 구성되는 오존과 비구형성 분진을 관측하기 라이다시스템을 제공한다.
이하, 본 발명의 내용을 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 바람직한 실시예로서, 대류권 오존과 비구형성의 분진을 관측하기 위한 레이저광 송신장치 및 수신장치를 도시하고 있다. 상기 레이저광송신장치는 레이저광발생기(21), 1/2λ위상조절기(22), 오목렌즈(23), 볼록렌즈(24), 제 5반사거울(25), 집광렌즈(26), 라만신호발생기(27), 시준렌즈(28) 및 제6반사거울(29)을 포함하고 있다. 상기 1/2λ위상조절기(22), 오목렌즈(23), 볼록렌즈(24) 및 제 5반사거울(25)은 비구형성의 분진 관측용 조화파를 대류권으로 조사하기 위한 수단을 구성한다. 또한, 집광렌즈(26), 라만신호발생기(27), 시준렌즈(28) 및 제6반사거울(29)은 대류권의 오존의 분포를 측정하기 위한 라만 산란파를 대류권으로 조사하기 위한 수단을 구성한다.
레이저광발생기(21)는 Nd:YAG 레이저가 이용되었으며, 라만신호발생기(27)는 사용되는 매질에 따라 광경로를 달리하여 이용되며, 현재 시판되는 라만쉬프터(Raman Shifter[라이다 텍(한국, 인터넷 주소: www.lidartech.com), 2001.12월]를 이용할 수 있다.
레이저 광수신장치는 1차거울(1) 및 2차 거울(2)을 구비한 망원경, 망원경의 시각을 조절하기 위한 핀홀(pinhole)(3), 시준렌즈(4), 제1광분해기(5), 제1반사거울(6), 제2광분해기(7), 제2반사거울(8), 편광광분해기(9), 제3반사거울(10), 제4반사거울(11), 제3광분해기(12), 간섭필터(13∼18), 집광렌즈(19), 및 광증배관(photo multiplier tybe, PMT)(20)을 포함하고 있다. 상기에서 제1광분해기(5), 제2광분해기(7) 및 제3광분해기(12)는 라만산란광분해기를 구성한다. 또한, 상기에서 간섭필터(13∼18) 및 집광렌즈(19)는 집광수단을 구성한다.
본 발명 실시예에서 플레쉬 램프(Flash-Lamp)에 의해 여기되는 Nd:YAG 레이저(21)의 세기는 4차조화파(266 nm)가 라만신호발생기(27)의 여기 광원으로 사용되므로 4차조화파에서 100mJ 이상이 되어야 한다. 레이저에서 발진된 4차조화파 빔은 초점렌즈(26)에 의해 라만 발생기 내부에 모여지도록 정렬된다. 라만신호발생기(27)에 충전되는 라만발생매질은 수소(H2)와 중수소(D2) 혼합기체와 완충 기체로써 아르곤이 사용되었다. 여기 파장인 4차조화파를 통해 수소기체의 1차 스톡스(Stokes) 파장인 299 nm와 중수소 기체의 1차 스톡스 파장인 289 nm가 생성된다. 이때, 라만신호발생기(27)의 효율은 라만신호발생기에 첨가된 라만 매질의 압력과 여기 광원의 초점 광경로에 의존한다. 라만신호발생기(27)를 지난 후 266, 289, 299 nm 파장은 시준렌즈(28)를 지나 평행광을 생성하고 제6반사 거울(29)을 통해 대기 중으로 조사된다.
편광해소비 관측에는 2차조화파(532 nm)가 이용되었다. 가시광원 532 nm는 레이저원(21)에서 발진되어 빔발산각을 줄여주기 위해 오목렌즈(23) 및 볼록렌즈(24)를 차례로 통과시킴으로써 빔을 확대시킨다. 상기 빔은 제5 반사거울(25)을 이용하여 대기 중으로 조사된다. 이와 같이, 하나의 레이저원으로 4 파장을 동시에 대기 중으로 조사할 수 있다. 먼저, 황사와 같은 비구형성의 분진을 관측할 수 있는 편광해소비 관측 광학계를 살펴보면, 대기 중으로 조사된 532 nm는 대기 중에 존재하는 공기분자와 분진에 의해 산란된다. 이중 후방산란된 빛은 망원경(1,2)을 통해 수신된다. 수신된 신호는 망원경 시각을 조절하는 작은 구멍(3)을 통과하게 되고 다시 시준렌즈(4)를 통해 평행광으로 된다. 망원경의 시각은 측정거리에 따라 조절할 수 있도록 하는 것이 좋다. 시준렌즈를 통과한 광은 제1광분해기(5)를 통해 반사되도록 한 후 제1반사거울을 지나 편광 광분해기(9)로 입사된다. 이 경우, 편광 광분해기(9)에 입사되는 광의 입사각은 바람직하게는 1/2λ위상조절기(22)를 이용하여 조절하도록 한다. 편광 광분해기는 초기 레이저원의 편광이 보존된 빛은 반사시키고 그렇지 않는 빛은 투과시키는 역할을 한다.
편광 광분해기에 의해 분리된 빛을 간섭필터(16, 19)에 통과시켜 원하는 파장을 선택하고 초점렌즈(19)를 통과시켜 광증배관(20)에 입사시킨다. 광증배관에서 획득된 신호를 이용하여 편광해소비를 구함으로써 대류권에 존재하는 비구형성의 분진을 측정할 수 있다.
대류권 오존 관측을 위한 차분흡수 방법을 살펴보면, 망원경(1)에 수신된 신호는 편광해소비 관측과 같은 광 경로를 지난 후 제1광분해기에서 가시광과 분리된다. 투과된 신호는 제2광분해기(7)에서 광분해되며, 266 nm의 파장은 반사되고, 288.9 nm와 299.1 nm는 투과된다. 반사된 266 nm 파장은 제2반사거울(8)에서 간섭필터(15)와 초점렌즈(19)를 지난 후 광증배관으로 입사된다. 제2광분해기(7)에서 투과된 광 288.9nm와 299.1 nm는 제3광분해기(12)에서 299.1 nm는 반사된 후 제4반사거울을 거쳐 간섭필터(13)와 초점렌즈를 통해 광증배관으로 입사되고 투과된 288.1 nm는 간섭필터(14)와 초점렌즈(19)를 통해 광증배관으로 입사된다. 획득된 신호를 통해 차분흡수 방법인 공명파장과 비공명 파장으로 266/288.9 nm, 266/299.1 nm를 선정하여 측정거리에 따라 신호를 계산함으로써 대류권 오존 농도를 구할 수 있다. 이와 같이 하나의 레이저 광원으로 대류권 오존과 황사를 동시에 관측함으로 기존 라이다의 복잡함과 달리 간단하면서 고가의 광학계가 필요치 않은 저렴한 비용으로 시스템을 구현할 수 있다.
본 발명에 의하면 단일의 레이저원을 사용하고, 또한 산란된 신호를 단일의 망원경을 통해 수신하므로 대류권 오존과 비구형성의 분진을 종래보다 간단하고 저렴하게 관측할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다

Claims (6)

  1. 대류권 오존과 비구형성의 분진을 관측하기 위한 레이저광 송신장치에 있어서, 오존 측정용 조화파 및 비구형성 분진 측정용 조화파를 발생시키는 레이저광발생기; 상기 오존측정용 조화파를 수광하여 이로부터 라만 신호를 생성하는 라만신호발생기; 및 수신장치를 구성하는 편광광분해기로의 입사각을 조절하기 위한 상기 비구형성 분진 측정용 조화파의 위상조절기를 포함하고,
    상기 위상조절기는 1/2λ위상조절기인 것을 특징으로 하는 오존과 비구형성 분진을 관측하기 위한 레이저광 송신장치
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 레이저 발생기 출력단과 라만신호발생기 입력단과의 사이에 오존측정용 조화파를 집광하기 위한 렌즈가 더 구비됨을 특징으로 하는 레이저 광송신장치
  4. 제 1항에 있어서, 라만신호발생기 출력단의 연장선상에 시준렌즈 및 반사거울이 순차적으로 더 구비됨을 특징으로 하는 레이저 광송신장치
  5. 대류권 오존과 비구형성의 분진을 관측하기 위한 레이저광 수신장치에 있어 서, 후방산란광을 수신하기 위한 망원경, 상기 망원경으로부터 수신된 광을 평행광으로 변환하는 시준렌즈, 상기 평행광을 라만산란광 및 비구형성 분진 측정용 조화파로 각각 분해하는 광분해기, 상기 분해된 라만산란광을 공명파장과 비공명파장으로 순차적으로 더 분해하기 위한 일련의 라만산란광분해기들과, 상기 분해된 비구형성 분진 측정용 조화파로부터 편광이 보존된 광을 분해하기 위한 편광광분해기, 각 분해된 광으로부터 원하는 신호만을 각 광증배관으로 집광하기 위한 복수의 집광수단을 포함함을 특징으로 하는 오존과 비구형성 분진을 관측하기 위한 레이저 광수신장치
  6. 대류권 오존과 비구형성의 분진을 관측하기 위한 라이다시스템에 있어서,
    오존 측정용 조화파 및 비구형성 분진 측정용 조화파를 발생시키는 레이저광발생기; 상기 오존측정용 조화파를 수광하여 이로부터 라만 신호를 생성하는 라만신호발생기; 및 수신장치를 구성하는 편광광분해기로의 입사각을 조절하기 위한 상기 비구형성 분진 측정용 조화파의 위상조절기를 포함하고, 상기 위상조절기는 1/2λ위상조절기인 레이저광 송신장치 및,
    후방산란광을 수신하기 위한 망원경, 상기 망원경으로부터 수신된 광을 평행광으로 변환하는 시준렌즈, 상기 평행광을 라만신호 및 비구형성 분진 측정용 조화파로 각각 분해하는 광분해기, 상기 분해된 라만신호를 파장별로 순차적으로 더 분해하기 위한 일련의 라만신호분해기들과, 상기 분해된 비구형성 분진 측정용 조화파로부터 편광이 보존된 광을 분해하기 위한 편광광분해기, 각 분해된 광으로부터 원하는 신호만을 각 광증배관으로 집광하기 위한 복수의 집광수단을 포함하는 레이저 광수신장치를 포함함을 특징으로 하는 오존과 비구형성의 분진을 관측하기 위한 라이다 시스템
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