KR101230131B1 - 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치 및 방법이 개시된다. 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치는 복수 개의 파장을 포함하는 레이저 신호를 대상 물체에 조사하는 레이저 조사부와, 상기 대상 물체에 의해 산란된 레이저 산란 신호를 수신하여, 파장 별로 분리하는 신호 처리부와, 상기 분리된 레이저 산란 신호를 이용하여, 상기 대상 물체의 특성을 측정하는 측정부를 포함한다.
Description
본 발명의 실시예들은 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다파장 레이저 산란 신호를 이용하여, 대상 물체인 물의 크기, 상태 또는 총량 중 적어도 하나를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
구름은 일반적으로 고도 1 km이상에 존재하므로, 구름의 특성을 파악하기 위해서는 측정 장치를 비행체에 탑재하거나, 지상에서 전자기파를 조사하여, 해당 정보를 얻을 수 있다.
구름의 입자크기 분포는 많은 연구에 의하여 규격화된 감마사이즈 분포(normalized gamma size distribution)를 하고 있는 것으로 알려져 있는데, 이러한 구름의 입자크기 분포를 원격으로 측정하는 대표적인 방법들은 첫째, 망원경의 FOV를 다양하게 하면서 얻는 방법, 조사하는 레이저의 위치를 고정하고 수신하는 망원경의 위치를 움직이면서 여러 가지 각도에서 후방 산란되는 빛을 얻는 방법 셋째, 레이저를 조사하고 그 주변의 빛의 세기 분포에 대한 정보를 얻는 방법이 있을 수 있다.
상기 구름의 입자크기 분포 측정 방법들은 모두 입자의 크기에 따라 회절 되는 빛의 세기가 각도에 따라 변경되는 원리를 이용하는 것으로, 장치의 구성이 용이하지 않고, 입자의 크기에 따라 산란 혹은 회절 되는 양이 달라지기 때문에 입자의 크기를 인지하기 전에는 최적의 수신망원경의 FOV를 알 수 없다. 또한, 같은 크기의 입자가 분포하더라도 구름의 위치에 그 퍼지는 정도가 지상에서 관측하면 달라지기 때문에, 망원경의 최적 FOV(Field Of View)를 다르게 설정하여 측정하여야 빛이 구름에서 어떻게 퍼지는지 알 수 있는 문제점이 있다.
이에, 다양한 크기의 FOV를 이용하여 후방 산란되는 빛의 광량을 측정하는 방법이 제안되었으나, 이러한 방법은 불필요한 FOV에서도 라이다 신호를 수신하게 되므로, 일단 라이다 신호를 수신하고, 이를 계산한 후 다시 라이다 신호를 수신해야 하는 문제점이 있다.
따라서, 구름의 입자 크기, 상태 및 위치에 무관하게 구름의 특성을 측정할 수 있는 장치가 필요하다.
또한, 도로 안전을 위해, 도로의 상태를 파악하여 관리하는 것이 중요하다. 기존의 도로 상태 측정 방법은 태양광이나, 가로등, 신호등의 불빛, 자동차의 전조등을 이용하여 도로의 차선이나, 안내판, 혹은 도로 표면에 있는 다른 물체의 상을 카메라로 촬영 함으로써, 도로나 대기의 상태 즉 결빙의 여부와 시계에 대한 정보를 획득할 수 있으나, 위험을 정확하게 인지하는 것이 용이하지 않다. 또한, 기존의 도로 상태 측정 방법은 대기 상태에 대한 정보가 없고, 지표면의 위험물질인 물, 얼음의 양에 대한 정량적인 값을 얻기엔 한계가 있으며, 시계에 대한 정보를 얻을 수 없다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 다파장 레이저를 대상 물체에 조사하고, 대상 물체에 의해 산란된 레이저 라만 및 탄성 산란 신호를 이용하여, 대상 물체인 물의 크기, 상태, 또는 총량 중 적어도 하나를 측정할 수 있는 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치는 복수 개의 파장을 포함하는 레이저 신호를 대상 물체에 조사하는 레이저 조사부와, 상기 대상 물체에 의해 산란된 레이저 산란 신호를 수신하여, 파장 별로 분리하는 신호 처리부와, 상기 분리된 레이저 산란 신호를 이용하여, 상기 대상 물체의 특성을 측정하는 측정부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치는 복수 개의 파장을 포함하는 레이저 신호를 생성하고, 상기 레이저 신호를 대상 물체에 조사하는 단계와, 상기 대상 물체에 의해 산란된 레이저 산란 신호를 수신하여, 파장 별로 분리하는 단계와, 상기 분리된 레이저 산란 신호를 이용하여, 상기 대상 물체의 특성을 측정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 다파장 레이저 신호를 대상 구름에 조사하고, 대상 구름 의해 산란된 레이저 산란 신호를 이용하여, 구름을 구성하는 입자의 크기 및 구름의 상태를 구름의 위치에 제한되지 않고, 용이하게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 레이저 신호를 지표면에 조사하여, 지표면과 지표면 상에 위치하는 대기에 의해 산란된 레이저 산란 신호를 수신하고, 수신된 레이저 산란 신호를 이용하여, 지표면에 존재하는 물의 상태 또는 대기의 시계(visibility)를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치의 신호 처리부의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 구름의 입자 크기 분포가, 규격화된 감마사이즈 분포를 하는 경우, 여러 가지 고도와 입자의 크기 분포에서 비편광도와 구름의 광학적 깊이의 관계를 나타낸 도면이다.
도 4는 구름을 구성하고 있는 입자의 크기에 따라, 서로 다른 파장에서 획득하는 소광계수 비에 대한 변화를 나타내는 도면이다.
도 5는 편광을 고려하지 않는 종래의 산란된 물의 라만 신호 즉, 액체의 물, 얼음의 물 및 수증기 상태의 물에 대한 라만 산란 신호를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치에서, 산란된 라만 신호의 편광을 고려한 물, 얼음의 라만 산란신호를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다파장 레이저 신호를 이용한 물체 특성 측정 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 8은 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치 내 레이저 조사부의 구성을 도시한 도면이다.
도 9는 다파장 레이저 신호를 이용한 물체 특성 측정 장치 내 수신 광학부의 구성을 도시한 도면이다.
도 10은 수신 광학부의 센서에서 획득한 신호를 도시한 도면이다.
도 11은 신호 처리부에서의 신호처리과정을 대략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 신호 처리부에서의 신호처리과정을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 다파장 레이저 신호를 이용한 물체 특성 측정 방법을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치의 신호 처리부의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 구름의 입자 크기 분포가, 규격화된 감마사이즈 분포를 하는 경우, 여러 가지 고도와 입자의 크기 분포에서 비편광도와 구름의 광학적 깊이의 관계를 나타낸 도면이다.
도 4는 구름을 구성하고 있는 입자의 크기에 따라, 서로 다른 파장에서 획득하는 소광계수 비에 대한 변화를 나타내는 도면이다.
도 5는 편광을 고려하지 않는 종래의 산란된 물의 라만 신호 즉, 액체의 물, 얼음의 물 및 수증기 상태의 물에 대한 라만 산란 신호를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치에서, 산란된 라만 신호의 편광을 고려한 물, 얼음의 라만 산란신호를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다파장 레이저 신호를 이용한 물체 특성 측정 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 8은 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치 내 레이저 조사부의 구성을 도시한 도면이다.
도 9는 다파장 레이저 신호를 이용한 물체 특성 측정 장치 내 수신 광학부의 구성을 도시한 도면이다.
도 10은 수신 광학부의 센서에서 획득한 신호를 도시한 도면이다.
도 11은 신호 처리부에서의 신호처리과정을 대략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 신호 처리부에서의 신호처리과정을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 다파장 레이저 신호를 이용한 물체 특성 측정 방법을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예들을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다파장 레이저 신호를 이용한 물체 특성 측정 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치(100)는 레이저 제어부(101), 레이저 조사부(111), 신호 처리부(114) 및 측정부(115)를 포함한다.
레이저 제어부(101)는 레이저 발진부(102), 제1 및 제2 파장판(wave plate, 105, 106), 및 제1 및 제2 빔 확대기(107, 108)를 포함한다.
레이저 발진부(102)는 레이저를 발진하되, 복수 개의 파장을 포함하는 레이저 신호를 발진할 수 있다. 예를 들어, 레이저 발진부(102)는 355nm 및 532nm의 파장을 포함하는 레이저 신호를 발진할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 266nm, 355nm, 532nm 또는 1064nm 중 적어도 2 개의 파장을 포함하는 레이저 신호를 발진할 수 있다.
제1 및 제2 파장판(105, 106)은 통과하는 레이저 신호의 편광상태를 변경하는 광학 소자로서, 서로 다른 편광방향을 갖는다. 여기서, 제1 파장판(105)은 복수 개의 파장을 포함하는 레이저 신호가 제1 빔 분할기(103)를 통과하면서 분리된, 단일 파장의 제1 레이저 신호를 선형 편광시킬 수 있고, 제2 파장판(106)은 제1 빔 분할기(103)에서 분리된 다른 단일 파장의 제2 레이저 신호를 제2 빔 분할기(104)를 통해 수신하여, 상기 제1 레이저 신호와 다른 편광방향으로 선형 편광시킬 수 있다. 여기서, 제1 레이저 신호는 가령, 532nm의 레이저 신호이고, 제2 레이저 신호는 355nm의 레이저 신호일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
제1 및 제2 빔 확대기(107, 108)는 레이저 신호를 해당 파장에서 최저의 발산각으로 확대하는 제1 빔 확대기(107)는 제1 파장판(105)을 통해 선형 편광 제어된 제1 레이저 신호를 해당 파장 즉, 532nm에서 최적의 신호로 확대하고, 제2 빔 확대기(108)는 제2 파장판(106)을 통해 선형 편광 제어된 제2 레이저 신호를 해당 파장 즉, 355nm에서 최적의 신호로 확대할 수 있다.
제1 빔 확대기(107)에서 확대된 제1 레이저 신호 및 제2 빔 확대기(108)에서 확대된 제2 레이저 신호는 제 3 빔 거울 (109) 및 분할기(110)를 각각 통해, 레이저 조사부(111)로 입력될 수 있다.
레이저 조사부(111)는 조사 거울(112)을 포함할 수 있다.
조사 거울(112)은 복수 개의 파장을 포함하는 레이저 신호를 대상 물체(예컨대, 구름, 물)에 조사할 수 있다. 즉, 조사 거울(112)은 입력된 532nm의 제1 레이저 신호 및 355nm의 제2 레이저 신호를 포함하는 레이저 신호를 대상 물체에 조사할 수 있다.
반사 거울(113)은 대상 물체에 의해 산란된 레이저 산란 신호를 수신하여, 조사 거울(112)의 뒷면 방향으로 반사시킬 수 있다. 즉, 반사 거울(113)은 구름에 의해 후방으로 다중 산란되어, 조사 반대 방향으로 후방산란되는 레이저 산란 신호를 수신하여, 조사 거울(112)로 다시 반사시킬 수 있다.
이때, 조사 거울(112)은 반사 거울(113)에 의해 반사된 레이저 산란 신호를 수집하여, 신호 처리부(114)로 전달할 수 있다.
신호 처리부(114)는 광학장치로서, 대상 물체에 의해 산란된 레이저 산란 신호를 조사 거울(112)를 통해 수신하여, 파장 별로 분리하여 각 센서에 입력할 수 있다. 즉, 신호 처리부(114)는 구름에 의해 산란된 레이저 산란 신호를 수신하고, 상기 수신된 레이저 산란 신호를 파장 및 편광별로 분리하여, 물방울에 의한 라만 산란 신호, 수증기에 의한 라만 산란 신호 또는 얼음에 의한 라만 산란 신호를 모두 함께 획득할 수 있다. 이때, 얼음에 의한 라만 산란 신호는 상기 조사된 레이저 신호를 기준으로, 직각의 편광을 가질 수 있고, 수증기에 의한 라만 산란 신호 또는 물방울에 의한 라만 산란 신호는 상기 조사된 레이저 신호를 기준으로, 평행의 편광을 가질 수 있다.
여기서, 상기 수신된 레이저 산란 신호는 물방울의 라만 산란 신호, 수증기에 의한 라만 산란 신호 또는 얼음에 의한 라만 산란 신호, 뿐 아니라, 조사된 복수 개의 파장과 동일한 파장의 라만 산란 신호, 질소의 라만 산란 신호 등을 더 포함할 수 있다.
이때, 파장 별로 분리된 레이저 신호는 증폭기, ADC(Analog to Digital Converter) 또는 광자 계수기(Photon Counter)를 통해, 변환되어 측정부(115)로 입력될 수 있다.
측정부(115)는 파장 별로 분리된 레이저 산란 신호를 이용하여, 대상 물체의 특성을 측정하는 프로세서일 수 있다. 이때, 측정부(115)는 신호 처리부(114)의 각 센서에 파장 별로 분리되어 입력된 레이저 산란 신호를 이용하여, 대상 물체의 특성을 측정할 수 있다.
즉, 측정부(115)는 분리된 레이저 산란 신호 중 상기 복수 개의 파장과 동일한 파장의 라만 산란 신호에 대한 비편광도의 측정을 통해, 소광계수(extinction coefficient)를 획득하고, 상기 획득된 소광계수에 기초하여 대상 물체를 구성하는 입자의 크기를 측정할 수 있다.
구체적으로, 측정부(115)는 조사한 532nm의 제1 레이저 신호 및 355nm의 제2 레이저 신호와 동일한 파장의 라만 산란 신호 즉, 532nm의 제1 레이저 산란 신호 및 355nm의 제2 레이저 신호에 대한, 비편광도(degree of polarization)의 측정을 통해 광학적 깊이를 획득할 수 있다. 또한, 측정부(115)는 제1 레이저 산란 신호에 대한 광학적 깊이 및 제2 레이저 산란 신호에 대한 광학적 깊이를 이용하여, 각각의 제1 및 제2 소광계수를 계산하고, 제1 소광계수와 제2 소광계수의 소광계수 비(extinction ratio)에 기초하여, 대상 물체를 구성하는 입자의 크기를 획득할 수 있다.
또한, 측정부(115)는 분리된 레이저 산란 신호 중 물방울에 의한 라만 산란 신호, 수증기에 의한 라만 산란 신호 또는 얼음에 의한 라만 산란 신호를 이용하여, 액체, 기체 또는 고체 상으로 존재하는 상기 대상 물체의 상태를 측정할 수 있다. 이때, 측정부(115)는 물방울에 의한 라만 산란 신호, 수증기에 의한 라만 산란 신호 또는 얼음에 의한 라만 산란 신호를 이용하여, 액체, 기체 또는 고체 상의 밀도를 측정함으로써, 상기 대상 물체의 상태를 획득할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 다파장 레이저 신호를 대상 구름에 조사하고, 대상 구름 의해 산란된 레이저 산란 신호를 이용하여, 구름을 구성하는 입자의 크기 및 구름의 상태를 구름의 위치에 제한되지 않고, 용이하게 측정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치의 신호 처리부의 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치의 신호 처리부는 입력부(201), 제1 레이저 산란 신호 추출부(211), 제2 레이저 산란 신호 추출부(221) 및 물의 상(phase)에 관한 상태 측정 신호 추출부(231)를 포함한다.
입력부(201)는 구름에서 산란되어, 조사 렌즈에 의해 수집된 레이저 산란 신호를 핀홀(pinhole, 202)을 통해, 반사 거울(113)에 의한 대상 물체로의 조사 방향과 다른 방향에서 입력되는 레이저 산란 신호를 제거하고, 보정 렌즈(203)를 통해 평행광을 생성할 수 있다. 여기서, 평행광은 탄성 및 라만 산란 신호를 포함한다.
또한, 입력부(201)는 빔 분할기(204)에 의해, 평행광으로부터 532nm의 제1 레이저 산란 신호를 분리하여, 제1 레이저 산란 신호 추출부(211)로 전달하고, 넛치 필터(206)를 이용하여, 빔 분할기(204)에 반사되지 않고, 투과된 신호 중에 포함된 532nm의 레이저 산란 신호를 제거시킬 수 있다. 이후, 입력부(201)는 빔 분할기(207)을 통해 제2 레이저 산란 신호의 탄성산란신호를 제 2 레이저 산란 신호 추출부(221)로 전달한다.
한편, 입력부(201)의 빔 분할기(207)는 빔 분할기(204) 및 넛치 필터(206)를 투과한 라만 산란 신호 중에서 386nm, 401nm, 404nm, 408nm의 라만 산란 신호를 상태 측정 신호 추출부(231)로 전달할 수 있다.
제1 레이저 산란 신호 추출부(211)는 빔 분할기(204)에 의해 평행광으로부터 분리된 532nm의 제1 레이저 산란 신호를 간섭 필터(212)로 투과시키고, 편광 분리기(PBS: Polarization Beam Splitter, 213)를 통해 각각 다른 편광 방향의 레이저 산란 신호를 각 렌즈(214, 216)로 전달하여, 각 렌즈(214,216)의 출력 신호를 센서(215, 217)로 입력한다.
제2 레이저 산란 신호 추출부(221)는 거울(222)에 의해 반사된 355nm의 제2 레이저 산란 신호를 수신하고, 간섭 필터(223) 및 편광 분리기(PBS, 224)를 통해 각각 다른 편광 방향의 레이저 산란 신호를 각 렌즈(225, 227)로 전달하여, 각 렌즈(225, 227)의 출력 신호를 센서(226, 228)로 입력한다.
상태 측정 신호 추출부(231)는 빔 분할기(207) 및 넛치 필터(232)를 통해, 355nm 이하의 파장을 반사시키고, 355nm 보다 큰 신호를 통과시킨 후, 빔 분할기(233)를 이용하여, 통과된 355nm 보다 큰 파장(355nm는 포함되지 않음)의 레이저 산란 신호로부터 질소의 라만 산란 신호를 분리하여, 간섭 필터(234) 및 렌즈(235)를 통해 투과된 387nm의 레이저 산란 신호를 집광하여 센서(236)로 입력한다.
또한, 상태 측정 신호 추출부(231)는 편광 분리기(PBS, 237)를 이용하여, 입력된 390nm이상의 레이저 산란 신호 중 직각의 편광을 갖는 얼음에 의한 라만 산란 신호 즉, 401nm의 레이저 산란 신호를 통과시키고, 간섭 필터(238) 및 렌즈(239)를 통해 투과된 401nm의 레이저 산란 신호를 집광하여 센서(240)로 입력한다.
상태 측정 신호 추출부(231)는 편광 분리기(PBS, 237)를 이용하여, 입력된 390nm이상의 레이저 산란 신호 중 조사된 레이저 신호를 기준으로, 평행의 편광을 갖는 수증기에 의한 라만 산란 신호 또는 물방울에 의한 라만 산란 신호를 빔 분할기(241)로 전달하고, 빔 분할기(241)를 투과한 수증기에 의한 라만 산란 신호 즉, 408nm의 레이저 산란 신호를 간섭 필터(242) 및 렌즈(243)를 통해 센서(244)로 입력한다. 여기서, 상태 측정 신호 추출부(231)는 빔 분할기(241)에 반사된 레이저 산란 신호를 간섭 필터(245) 및 렌즈(246)를 통해 물방울에 의한 라만 산란 신호 즉, 404nm의 레이저 산란 신호를 집광하여 센서(247)로 입력한다.
도 3은 구름의 입자 크기 분포가, 규격화된 감마사이즈 분포를 하는 경우, 여러 가지 고도와 입자의 크기 분포에서 비편광도와 구름의 광학적 깊이의 관계를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 구름의 광학적 깊이는 후방 산란된 라이다 신호의 비편광도와 1:1 관계에 있음을 알 수 있다. 구름의 광학적 깊이는 구름의 소광계수에 구름의 깊이를 곱한 결과값이고, 상기 결과값은 구름의 시작점에서 측정된 거리까지의 거리와 소광계수를 곱한 값이다.
즉, 물체의 물성분 특성 측정 장치는 센서(215)와 센서(217)에 의하여 얻어진 신호의 비율을 통해, 532nm의 제1 레이저 산란 신호에 대한 비편광도(degree of polarization)를 계산하고, 도 3에 기초하여 상기 계산된 비편광도에 대응하는 광학적 깊이를 획득할 수 있다. 물체의 물성분 특성 측정 장치는 센서(226)와 센서(228)에 의하여 얻어진 신호의 비율을 통해, 355nm의 제2 레이저 산란 신호에 대한 비편광도를 계산하고, 도 3에 기초하여 상기 계산된 비편광도에 대응하는 광학적 깊이를 획득할 수 있다.
또한, 물체의 물성분 특성 측정 장치는 소광계수를 적분하여 광학적 깊이를 계산하는 [수학식 1]에 기초하여, 광학적 깊이의 미분을 통해, 소광계수를 계산할 수 있다. 즉, 물체의 물성분 특성 측정 장치는 제1 레이저 산란 신호에 대한 광학적 깊이 및 제2 레이저 산란 신호에 대한 광학적 깊이를 이용하여, 각각의 제1 및 제2 소광계수를 계산할 수 있다.
이때, 라이다의 경우, 구름에 의한 편광의 변화는 구름이 시작되는 모든 위치에서 알 수 있고, 또한 구름의 시작 지점도 쉽게 알 수 있기 때문에 비편광 라이다 신호가 얻어지는 모든 지점에서 광학적 깊이를 알 수 있으므로, 결국 모든 지점에서 구름의 소광계수를 알 수 있다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치는 도 3에 기초하여, 라이다 신호의 비편광도(degree of polarization)에 대응하는 모든 위치 z에서의 광학적 깊이(
)를 구하고, [수학식 1]에 기초하여, 광학적 깊이(
)를 미분하여, 파장(
)에서의 소광계수(
)를 모든 고도(z)에서 구할 수 있다.
도 4는 구름을 구성하고 있는 입자의 크기에 따라, 서로 다른 파장에서 획득하는 소광계수 비에 대한 변화를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 355nm와 532nm로 조합된 레이저 신호인 경우, 입자의 크기에 따른 소광계수 비가 1:1 관계에 있음을 나타낸다. 다른 조합의 경우, 예를 들어 355nm와 1064nm로 조합된 레이저 신호인 경우, 입자의 크기가 작은 영역에서 2:1 대응관계에 있음을 알 수 있다. 따라서, 두 파장의 조합이 중요하고, 현재 상용화되어 쉽게 얻을 수 있는 Nd:YAG 레이저의 경우 355nm와 532nm가 최적의 파장 조합일 수 있다.
한편, 물체의 물성분 특성 측정 장치는 상기 제1 레이저 산란 신호의 광학적 깊이에 대응하는 제1 소광계수와 상기 제2 레이저 산란 신호의 광학적 깊이에 대응하는 제2 소광계수에 대한 소광계수 비(extinction ratio)를 계산하고, 상기 도 4에 기초하여, 상기 계산된 소광계수 비에 대응하는 입자의 크기를 확인함으로써, 대상 물체를 구성하는 입자의 크기를 측정할 수 있다.
도 5는 편광을 고려하지 않는 종래의 산란된 물의 라만 신호 즉, 액체의 물, 얼음의 물 및 수증기 상태의 물에 대한 라만 산란 신호를 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치에서, 산란된 라만 신호의 편광을 고려한 물, 얼음의 라만 산란신호를 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 산란된 라만 신호의 편광을 고려하지 않는 경우, 물 및 얼음의 라만 산란신호는 분광학적으로 넒은 범위에서 겹쳐져 있다. 반면, 산란된 라만 신호의 편광을 고려한 경우, 조사된 레이저의 파장과 직각 방향으로 비탄성 산란된 라만 산란 신호와 같은 방향으로 산란된 신호의 모양은 달라진다는 것을 알 수 있으며, 특히 얼음과 물의 경우 다른 위치에 극대점이 있고, 두 개의 라만 산란신호는 서로 중첩이 현저히 줄었음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다파장 레이저 신호를 이용한 물체 특성 측정 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 다파장 레이저 신호를 이용한 물체 특성 측정 장치(700)는 레이저 조사부(701), 수신 광학부(702), 신호 처리부(703) 및 측정부(704)를 포함한다. 여기서, 수신 광학부(702)는 신호 처리부(703)에 포함될 수 있다.
레이저 조사부(701)는 펄스형 레이저를 대상 물체(예컨대, 지표면, 대기)에 조사한다. 여기서, 지표면에 레이저가 조사되면, 레이저 빛은 대기를 투과하면서 대기를 구성하고 있는 물질(예컨대, 수증기, 액체물방울, 먼지, 고체 상태의 물)에 의하여 사방으로 산란(탄성 및 비탄성 라만 산란)되어 그 에너지가 감소되어 지표면에 도달하게 되고, 지표면에 도달한 후에는 묻어있는 물방울이나 얼음 및 지표면(흙, 아스팔트, 물방울, 시멘트)에 의하여 산란(scattering) 또는 반사하게 된다.
대기 중에서 산란된 빛의 세기 및 파장은 대기를 이루고 있는 물질의 종류와 양에 의하여 결정되는데, 그 산란된 빛의 양을 파장에 따라 분리하여 얻게 되면 대기 중에 존재하는 물질의 양과 종류를 알 수 있다.
마찬가지로, 지표면에서 산란된 빛의 세기 및 파장의 변화도 지표면에 묻어있거나 지표면을 구성하고 있는 물질의 양과 종류에 따라 그 산란신호의 세기가 달라지게 된다. 이에, 측정부(704)는 레이저가 조사된 후부터 그 시간을 시작점으로 하여 되돌아온 시간을 이용하여, 레이저의 위치에서 얼마나 떨어진 위치에서 산란된 신호인가를 알 수 있으므로, 조사계(레이저)와 피측정체(대기 및 지표면)의 거리를 알면, 어떤 부위에서 산란되어 광센서에 의하여 감지되었는지 알 수 있다.
수신 광학부(702)는 지표면 또는 대기에서 산란된 신호를 파장에 따라 분리한다.
신호 처리부(703)는 파장에 따라 분리된 신호를 시간적으로 분리할 수 있다. 여기서, 신호 처리부(703)는 상기 신호가 수신되는 시각에 기초하여, 파장에 따라 분리된 신호를 각각 분리할 수 있다.
측정부(704)는 상기 시간적으로 분리된 신호를 이용하여, 대상 물체의 특성을 측정한다. 이때, 측정부(704)는 시간적으로 분리된 신호를 이용하여, 제1 대상 물체의 특성으로서, 지표면에 존재하는 물의 상태(예컨대, 물의 상(액체, 기체, 고체) 또는 물의 총량(g/kg))를 측정하거나, 또는 제2 대상 물체의 특성으로서, 상기 지표면 상에 위치하는 대기의 시계(visibility)를 측정할 수 있다.
예컨대, 측정부(704)는 데이터베이스로부터 상기 시간적으로 분리된 신호의 크기에 대응하는 지표면 또는 대기의 상태를 추출할 수 있으며, 추출된 지표면 또는 대기의 상태를 도로 상태 서버(도시하지 않음)로 전송할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 다파장 레이저 신호를 이용한 물체 특성 측정 장치(700)는 이동하는 차량, 도로 주위의 구조물, 또는 측정하고자 하는 위치에 고정된 장치에 부착될 수 있다.
도 8은 다파장 레이저 신호를 이용한 물체 특성 측정 장치 내 레이저 조사부의 구성을 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 레이저 조사부(701)는 레이저빔을 원하는 위치에 집광하는 구성으로서, 빛을 발사하는 레이저(801), 발사된 빛을 지표면에 주사되기 전에 레이저 빔을 확대하는 것으로, 두 개의 렌즈로 구성된 빔 확대기(802), 레이저 빔을 원하는 거리에 있는 지표면에 집광시키는 렌즈(803) 및 원하는 지점으로 레이저빔을 주사(scanning) 하기 위한 주사 거울(804)을 포함할 수 있다.
도 9는 다파장 레이저 신호를 이용한 물체 특성 측정 장치 내 수신 광학부의 구성을 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 수신 광학부(702)는 대기의 배경 광을 얻는 부분과 레이저광에 의한 광신호를 얻는 두 부분으로 크게 나누어지고, 태양광이나 주위의 다른 인위적인 발광물질에 의하여 발생하는 빛의 양을 모니터링하기 위하여 운전자가 보게 되는 시각방향으로의 광량을 얻을 수 있도록 구성된다. 이를 위하여, 수신 광학부(702)는 하나의 렌즈(901)와 작은 핀홀(902) 및 센서(903)으로 구성된다. 여기서, 센서(903)는 수신된 신호를 전기적 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 상기 전기적 신호는 
로 표현되며 운전자의 시계에 중요한 영향을 미친다.
또한, 지표면과 대기의 상태를 능동적으로 측정하기 위하여 구성된 수신 광학부(702)는 지표면(904)과 대기(905)에서 산란된 빛을 포집하고, 포집된 빛을 평행광으로 변환하는 렌즈(906), 렌즈(906)에서 출력된 다양한 파장의 빛 중에서 레이저 파장에 해당하는 빛만 반사시키고 다른 빛만 투과시키는 필터(907), 필터(907)를 투과한 빛 중에서 레이저 빛과 달리 질소와 물에 의하여 라만 산란된 신호를 분리하여 얻기 위하여 빔 분할기(908)를 더 포함한다. 여기서, 빔 분할기(908)는 질소에 의한 라만 파장은 반사시키고, 다른 파장의 빛은 투과시킨다.
반사된 빛은 질소의 파장만 투과시키는 필터(909)를 투과하고, 렌즈(910)과 작은 핀홀(911)을 투과한 후 센서(912)로 입력되어 전기적 신호로 변환된다. 상기 전기적 신호로 변환된 신호는 
로서, 이후 [수학식 2], [수학식 3]을 통해, 대기의 소광계수를 계산하는데 사용된다.
빔 분할기(908)을 투과한 빛은 다시 새로운 빔 분할기(913)을 만나게 되는데, 빔 분할기(913)에서는 두 파장의 빛을 서로 분리한다. 빔 분할기(913)는 액체 상태의 매질에 의하여 라만 파장 이동이 3417 cm-1 일어난 파장의 빛은 반사하고, 3231 cm-1만큼 파장이 이동된 빛은 투과하도록 구성되거나, 또는 반대의 경우로 구성된다. 반사된 빛은 얼음 상태의 물에 의하여 라만 산란된 신호인데, 이 빛 역시 원하는 빛의 파장만 통과하는 필터(914)와 렌즈(915) 및 작은 구멍으로 구성된 핀홀(916)을 통과한 후에 다시 센서(917)로 집광되어 신호 처리부로 보내어져서 수학적 처리가 행하여진다.
여기서, 작은 구멍은 지표면의 상(image)에 해당하는 것으로, 집광된 빛의 크기에 대응하여 그 크기가 결정되고, 가능한 원하지 않는 방향에서 새어 들어오는 빛을 차단하는 역할을 한다. 최종적인 빛의 시간의존 세기(
)는 빔 분할기(913)에서 투과된 빛은 주로 액체 상태의 물에 의하여 라만 산란된 빛이 투과되는데, 역시 같은 이유에 의하여 투과된 빛은 필터(918)를 통하여 원하는 파장만 통과하게 하고 같은 원리로 렌즈(919)와 작은 구멍(920) 및 센서(921)에 의하여 그 광량이 감지되어 신호처리부로 보내어 진다. 이때의 신호를 
라 한다.
도 10은 수신 광학부의 센서에서 획득한 신호를 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, (a) 신호는 센서(903)에서 획득한 신호로서, 배경신호의 시간적 변화를 보여주되, 수십 nsec에서 거의 일정한 값(
)을 보여주고 있다.
반면, (b) 신호는 센서(912)에서 획득한 신호로서, 질소에 의하여 라만 산란된 신호의 전형적인 모습을 보여주는 것으로, 시간 
구간은 레이저가 조사되기 전의 전형적인 라이다 신호 모양이고, 
은 레이저가 조사되는 순간의 시간, 
는 지표면에 도달하는 시간을 나타낸다. (b) 신호를 통해, 지표면에서는 질소의 라만 신호가 지표면 바로 윗부분의 질소 라만 신호와 거의 같은 반면에, 지표면에서는 지표면의 상태에 따라 달라지지만 일반적으로 지표면에서 얼음((c) 신호)과 액체 상태의 물((d) 신호)에 의한 라만 산란신호가 동시에 얻어짐을 알 수 있다. 
시간은 레이저의 펄스폭에 해당하는 시간으로, 얼음과 액체의 물에 의한 산란신호는 이 구간을 적분해야 한다. 상기 산란신호를 처리하는 과정은 도 11을 참조하여 설명한다.
도 11은 신호 처리부에서의 신호처리과정을 대략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 신호 처리부는 수십 kHz로 수학적 처리가 수행되어야 하므로, 속도를 높이기 위하여 아날로그 적분기 또는 DSP(Digital Signal Processing) 방법으로 신호를 처리할 수 있다.
단계 1101에서, 신호 처리부는 레이저가 발사되기 전에 질소의 라만 신호를 얻는 채널에서의 일정구간(
)을 적분하여(
) 배경신호를 얻을 수 있다. 이는 질소의 라만신호를 적분하는 과정에서 그만큼 빼주도록 하기 위한 것이다.
단계 1102에서, 신호 처리부는 질소의 라만신호 크기를 측정하고, 질소의 라만신호에서(
)에서 배경신호(
)를 뺀 것을 일정구간(
) 적분하여 질소 채널에서의 신호(
)를 측정한다.
단계 1103에서, 신호 처리부는 얼음의 라만 채널에서 배경신호를 측정한다. 이 값도 역시 단계 1104의 얼음 총량을 계산하는데 사용된다.
단계 1104에서, 신호 처리부는 액체상태의 물의 양을 계산하는 과정에서 역시 배경신호를 계산하고, 이 값도 단계 1107에서, 액체상태의 물의 총량계산에 사용된다.
여기서, 얼음과 물의 양에 비례하는 양인 
및 
은 레이저의 에너지를 포함하여 전체광학계의 구성이나 효율에 의존하기 때문에 이러한 양에 의존하지 않도록 이를 규격화 시켜주는 것이 필요하다.
단계 1108에서, 신호 처리부는 얼음과 물에 의하여 라만 산란된 신호를 질소의 신호로 규격화하는 과정을(
,
) 처리하다. 이렇게 규격화된 값은 [수학식 4] 또는 단계 1109에서, 연립방정식으로 표현되어, 최종적으로 얼음(
)과 물(
)의 양을 구할 수 있다.
도 12는 신호 처리부에서의 신호처리과정을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 12를 참조하면, 단계 1201에서, 신호 처리부는 발사된 레이저의 펄스수(N)와 질소의 라만 라이다신호를 평균값(
)을 초기화하기 위하여 이 값들을 각각 0으로 초기화 한다.
단계 1202에서, 신호 처리부는 레이저를 조사하기 전에 3개의 라만 신호를 얻는 채널에서 배경신호(
,
,
)의 값을 얻는다.
단계 1203, 1204에서, 신호 처리부는 3채널에서 배경신호 크기를 얻은 후 시간에 레이저를 조사하고 3개의 독립된 채널에서 
, 
, 
를 각각 얻어서 하드웨어적으로 구별된 디지털 신호 처리부(DSP: Digital signal Processing)에 정보를 주고, 단계 1205에서, 레이저 발사수 N을 계산한다.
단계 1206, 1207에서, 신호 처리부는 레이저 발사수를 확인하여, 원하는 발사수(N0)가 되지 않으면 공기에 의하여 산란된 질소의 라만 신호의 합(
)을 얻는다. 반면, 단계 1210에서, 신호 처리부는 원하는 발사 수에 이르면 [수학식 2]과 [수학식 3]를 이용하여 시계를 구하여 저장하거나, 주(main) 컴퓨터에 전송한다. 전송 후 N 값을 초기화하고 계속해서 반복한다.
단계 1213에서, 신호 처리부는 
,
, 
값은 DSP를 이용하여 적분과 필요한 연산을 거친 후 물의 총량과 얼음의 총량을 구하여 주 컴퓨터로 전송하거나, 주 메모리에 저장한다. 이때, 신호 처리부는 레이저 발사시간을 시작점으로 시간 지연(Time delay)(1209)을 거친 후 즉, 필요한 연산에 필요한 시간만큼 시간지연을 한 후 저장할 수 있다.
또한, 신호 처리부는 수 십 마이크로초 동안 거의 일정한 값을 유지하는 
(1211)를 저장하거나 또는 전송할 수 있다.
이하, 다파장 레이저 신호를 이용한 물체 특성 측정 장치에서의 시계 및 대상 물체에 대한 물의 총량을 구하는 방법을 설명한다.
물체 특성 측정 장치는 소광계수를 측정하고, 측정된 소광계수로부터 대기 중에 존재하는 부유 물질에 의해 결정되는 시계를 도출할 수 있다. 여기서, 소광계수와 시계의 관계는 [수학식 2]와 같다.
여기서, 
는 파장이고, 
는 시계, 
는 파장 
에서 소광계수, 그리고 
는 다시 시계(V)의 합수이다.
예컨대, 물체 특성 측정 장치는 550 nm에서 소광계수를 측정하면, 시계를 알 수 있으나, 다른 파장을 사용하더라도, [수학식 2]와 
를 이용하여 한번 또는 두 번의 되먹임으로도, 안정적인 해를 구할 수 있다.
소광계수 
는 원격 측정라이다의 기본이론으로 [수학식 3]에 의하여 구해진다.
여기서, 
는 단위 체적에 존재하는 질소의 수, 
은 파장 
에서 공기분자에 의한 소광계수, 
질소의 라만 파장에서 공기분자에 의한 소광계수, 
는 배경신호가 없는 질소의 라만 라이다신호, R은 레이저에서 산란 대기까지의 거리를 나타낸다. 즉 질소의 라만신호(
)를 얻으면 [수학식 3]에서 레이저 파장에서의 소광계수를 알 수 있다는 의미이다.
또한, 물체의 물성분 특성 측정 장치는 도로나 지표면에 존재하는 물의 총량을 구할 수 있다. 여기서, 도로나 지표면에 존재하는 물의 총량은 물에서 라만 산란되는 신호의 크기에 비례한다.
물체의 물성분 특성 측정 장치는 레이저를 지표면에 조사 함으로써, 레이저가 지표면에 있는 액체나 고체 상태의 물과 상호 작용하여 새로운 비탄성 라만 산란 신호를 내게 된다. 비탄성 라만 산란 신호는 얼음의 경우 3231 cm-1, 액체 상태의 물의 경우, 3416 cm-1 해당하는 파수(wave number)만큼 파장이동이 일어난다. 즉, 355 nm(
)의 파장에서는 401 nm(
)와 404 nm(
), 그리고 266 nm에서는 291 nm(
)와 292.6 nm()의 파장이 각각 고체와 액체의 상변화에 민감한 파장이다. 물체 특성 측정 장치는 액체나 고체의 각 상에 민감한 두 파장에 해당하는 빛만 선택적으로 얻으면(
) 레이저가 지나가는 경로에 있는 액체 상태의 물의 총량(
)과 고체 상태의 물의 총량(
)을 [수학식 4]에 통해, 정량적으로 구할 수 있다.
여기서 
은 고체 상태의 물의 라만 산란 스펙트럼 중에서 파장 
에서 얻어지는 산란단면적을, 
은 고체 상태의 물의 라만 산란 스펙트럼 중에서 파장 
에서 얻어지는 산란단면적, 
은 액체 상태 물의 라만 산란 스펙트럼 중에서 파장 
에서 얻어지는 산란단면적을, 
은 액체 상태 물의 라만 산란 스펙트럼 중에서 파장
에서 얻어지는 산란단면적을 각각 나타낸다.
다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치에 따르면, 대기와 지표(도로표면 포함)면의 상태를 보다 정량적으로 얻을 수 있고, 시계의 경우 운전자가 필요한 방향으로 그 값을 얻을 수 있다. 또한, 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치에 따르면, 능동적으로 광원을 조사하여 원하는 시간(밤/낮)에 원하는 모든 장소에서 도로환경을 모니터링할 수 한다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치을 나타내는 도면이다.
도 13을 참조하면, 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치는 복수 개의 파장을 포함하는 레이저 신호를 생성하고, 레이저 신호를 대상 물체에 조사한다(1301).
구체적으로, 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치는 266nm, 355nm, 532nm 또는 1064nm 중 적어도 2 개의 파장을 포함하는 레이저 신호를 생성하고, 생성된 레이저 신호를 대상 물체에 조사할 수 있다.
다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치는 대상 물체에 의해 산란된 레이저 산란 신호를 수신하여, 파장 별로 분리한다(1303).
다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치는 구름에 의해 산란된 레이저 산란 신호를 수신하고, 상기 수신된 레이저 산란 신호를 파장 별로 분리하여, 물방울에 의한 라만 산란 신호, 수증기에 의한 라만 산란 신호 또는 얼음에 의한 라만 산란 신호 중 적어도 하나를 획득할 수 있다. 이때, 얼음에 의한 라만 산란 신호는 상기 조사된 레이저 신호를 기준으로, 직각의 편광을 가질 수 있고, 수증기에 의한 라만 산란 신호 또는 물방울에 의한 라만 산란 신호는 상기 조사된 레이저 신호를 기준으로, 평행의 편광을 가질 수 있다.
여기서, 상기 수신된 레이저 산란 신호는 물방울에 의한 라만 산란 신호, 수증기에 의한 라만 산란 신호 또는 얼음에 의한 라만 산란 신호, 뿐 아니라, 조사된 복수 개의 파장과 동일한 파장의 라만 산란 신호, 질소의 라만 산란 신호 등을 더 포함할 수 있다.
또한, 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치는 상기 파장 별로 분리된 레이저 산란 신호를 상기 수신되는 시각에 기초하여 분리할 수 있다.
다파장 레이저 신호를 이용한 물체 특성 측정 장치는 파장 별로 분리된 레이저 산란 신호를 이용하여, 대상 물체의 특성을 측정한다(1305).
즉, 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치는 분리된 레이저 산란 신호 중 복수 개의 파장과 동일한 파장의 라만 산란 신호에 대한, 소광계수(extinction coefficient)를 획득하고, 상기 획득된 소광계수에 기초하여 대상 물체를 구성하는 입자의 크기를 측정할 수 있다.
또한, 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치는 분리된 레이저 산란 신호 중 물방울에 의한 라만 산란 신호, 수증기에 의한 라만 산란 신호 또는 얼음에 의한 라만 산란 신호를 이용하여, 대상 물체의 액체, 고체 또는 기체 상의 밀도를 측정할 수 있다.
다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치는 상기 파장 별로 분리된 레이저 산란 신호가 상기 수신되는 시각에 기초하여 재분리된 경우, 재분리된 레이저 산란 신호를 이용하여, 제1 대상 물체의 특성으로서, 지표면에 존재하는 물의 상태를 측정하거나, 또는 제2 대상 물체의 특성으로서, 상기 지표면 상에 위치하는 대기의 시계를 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치
101: 레이저 제어부
111: 레이저 조사부
114: 신호 처리부
115: 측정부
101: 레이저 제어부
111: 레이저 조사부
114: 신호 처리부
115: 측정부
Claims (14)
- 복수 개의 레이저 신호를 대상 물체에 조사하는 레이저 조사부;
상기 대상 물체에 의해 산란된 레이저 산란 신호를, 파장 별로 분리하는 신호 처리부; 및
상기 분리된 레이저 산란 신호 중에서, 상기 조사된 레이저 신호와 동일한 파장의 라만 산란 신호들에 대한 비편광도(degree of polarization)의 측정을 통해 광학적 깊이를 획득하고, 상기 획득된 광학적 깊이를 이용하여 상기 라만 산란 신호 각각의 소광계수(extinction coefficient)를 계산하며, 상기 소광계수에 기초하여 상기 대상 물체를 구성하는 입자의 크기를 측정하는 측정부
를 포함하는 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 신호 처리부는,
상기 대상 물체에 의해 산란된 레이저 산란 신호를 상기 파장 별로 분리하여,
상기 조사된 레이저 신호를 기준으로 직각의 편광을 갖는 얼음에 의한 라만 산란 신호, 상기 조사된 레이저 신호를 기준으로 평행의 편광을 갖는 수증기에 의한 라만 산란 신호 또는 물방울에 의한 라만 산란 신호 중 적어도 하나를 획득하는, 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 신호 처리부는,
상기 파장 별로 분리된 레이저 산란 신호를 수신하는 시각에 기초하여 분리하고,
상기 측정부는,
상기 시각에 기초하여 분리된 레이저 산란 신호를 이용하여, 제1 대상 물체 또는 제2 대상 물체의 특성을 측정하는, 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치. - 제3항에 있어서,
상기 측정부는,
상기 제1 대상 물체의 특성으로서, 지표면에 존재하는 물의 상태를 측정하고,
상기 제2 대상 물체의 특성으로서, 상기 지표면 상에 위치하는 대기의 시계를 측정하는, 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 측정부는,
상기 대상 물체의 특성으로서, 구름의 상태를 측정하는, 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 측정부는,
상기 분리된 레이저 산란 신호 중 물방울에 의한 라만 산란 신호, 수증기에 의한 라만 산란 신호 또는 얼음에 의한 라만 산란 신호를 이용하여, 액체, 기체 또는 고체 상으로 존재하는 상기 대상 물체의 상태를 측정하는, 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 레이저 조사부는,
266nm, 355nm, 532nm 또는 1064nm 중 적어도 2 개의 파장을 포함하는 레이저 신호를 상기 대상 물체에 조사하는, 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치. - 복수 개의 레이저 신호를 생성하고, 상기 레이저 신호를 대상 물체에 조사하는 단계;
상기 대상 물체에 의해 산란된 레이저 산란 신호를, 파장 별로 분리하는 단계;
상기 분리된 레이저 산란 신호 중에서, 상기 조사된 레이저 신호와 동일한 파장의 라만 산란 신호들에 대한 비편광도의 측정을 통해 광학적 깊이를 획득하는 단계;
상기 획득된 광학적 깊이를 이용하여 상기 라만 산란 신호 각각의 소광계수를 계산하는 단계; 및
상기 소광계수에 기초하여 상기 대상 물체를 구성하는 입자의 크기를 측정하는 단계
를 포함하는 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 방법. - 제9항에 있어서,
상기 파장 별로 분리하는 단계는,
상기 대상 물체에 의해 산란된 레이저 산란 신호를 상기 파장 별로 분리하여,
상기 조사된 레이저 신호를 기준으로 직각의 편광을 갖는 얼음에 의한 라만 산란 신호, 상기 조사된 레이저 신호를 기준으로 평행의 편광을 갖는 수증기에 의한 라만 산란 신호 또는 물방울에 의한 라만 산란 신호 중 적어도 하나를 획득하는 단계
를 포함하는 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 방법. - 제9항에 있어서,
상기 파장 별로 분리된 레이저 산란 신호를 수신하는 시각에 기초하여 분리하는 단계; 및
상기 시각에 기초하여 분리된 레이저 산란 신호를 이용하여, 제1 대상 물체의 특성으로서, 지표면에 존재하는 물의 상태를 측정하거나, 또는 제2 대상 물체의 특성으로서, 상기 지표면 상에 위치하는 대기의 시계를 측정하는 단계
를 더 포함하는 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 방법. - 삭제
- 제9항에 있어서,
상기 분리된 레이저 산란 신호 중 물방울에 의한 라만 산란 신호, 수증기에 의한 라만 산란 신호 또는 얼음에 의한 라만 산란 신호를 이용하여, 액체, 기체 또는 고체 상의 밀도를 측정하는 단계
를 더 포함하는, 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 방법. - 제9항에 있어서,
상기 레이저 신호를 대상 물체에 조사하는 단계는,
266nm, 355nm, 532nm 또는 1064nm 중 적어도 2 개의 파장을 포함하는 레이저 신호를 상기 대상 물체에 조사하는 단계
를 포함하는 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 방법.
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