KR101282494B1 - 도플러 라이다 장치 및 도플러 라이다 장치의 동작 방법 - Google Patents

도플러 라이다 장치 및 도플러 라이다 장치의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

도플러 라이다 장치 및 도플러 라이다 장치의 동작 방법이 개시된다. 도플러 라이다 장치는 레이저를 발사하는 레이저부와, 상기 발사된 레이저를 투과시키는 에탈론와, 상기 에탈론을 투과한 레이저를 대상물체로 조사하고, 상기 대상물체로부터 후방산란되는 후방산란신호를 수신하는 송수신부와, 상기 후방산란신호 중 상기 에탈론을 투과하는 제1 산란신호를 이용하여, 바람장 특성을 측정하는 프로세서를 포함한다.

Description

도플러 라이다 장치 및 도플러 라이다 장치의 동작 방법{DOPPLER LIDAR APPARATUS AND METHOD FOR OPERATING DOPPLER LIDAR APPARATUS}
본 발명의 실시예들은 에탈론을 통해 송수신되는 레이저를 이용하여, 바람장 특성을 측정하는 기술에 관한 것이다.
도플러 라이다 장치는 레이저를 대기 중에 조사하고 대기를 이루고 있는 각종 공기분자나, 에어로졸에 의하여 후방산란된 신호를 받아서, 공기나 작은 입자의 속도를 측정하는 시스템이다. 일반적으로, 도플러 라이다 장치에서 사용되는 레이저는 씨앗발진레이저(Injection seed laser)인데, 상기 레이저의 파장 안정도는 전체 시스템의 성능을 좌우할 만큼 매우 중요하다. 즉, 레이저의 파장이 바뀌면 산란된 도플러 파장 이동된 빛의 파장 이동 정도를 알 수 없기 때문에, 문제가 발생한다.
또한, 수신 장치인 에탈론과 레이저의 파장이 하나의 제어기에 의하여 동시에 제어되어야만 산란신호의 파장이동을 측정할 수 있다. 여기서, 에탈론은 주로 공기가 주입된(air spaced Etalon) 두 개의 거울로 구성되고, 공기의 온도 및 에탈론을 구성하는 두 개의 거울 간격이 실시간으로 정밀 제어되어야 한다.
이에 따라, 도플러 라이다 장치는 제작이 용이하지 않고, 고가일 수 밖에 없다.
따라서, 일반 저가의 레이저를 활용하여 바람장 특성을 용이하게 측정할 수 있는 기술이 필요하다.
본 발명은 파장에 따라 투과도가 다른 에탈론을 통해, 대기와 연관하여 송수신되는 레이저를 이용하여, 바람장 특성을 용이하게 측정하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 이루기 위한 도플러 라이다 장치는 레이저를 발사하는 레이저부와, 상기 발사된 레이저를 투과시키는 에탈론과, 상기 에탈론을 투과한 레이저를 대상물체로 조사하고, 상기 대상물체로부터 후방산란되는 후방산란신호를 수신하는 송수신부와, 상기 후방산란신호 중 상기 에탈론을 투과하는 제1 산란신호를 이용하여, 바람장 특성을 측정하는 프로세서를 포함한다.
상기 도플러 라이다 장치는 상기 발사된 레이저를 투과시켜 상기 에탈론으로 전달하고, 상기 제1 산란신호를 반사시켜 상기 프로세서로 전달하는 제1 빔분할부를 더 포함할 수 있다.
상기 도플러 라이다 장치는 상기 에탈론을 투과한 레이저 또는 상기 후방산란신호 중 적어도 하나의 레이저에 대한 편광 방향을 회전시키는 파장판을 더 포함할 수 있다.
상기 도플러 라이다 장치는 상기 후방산란신호 중 제1 산란신호를 투과시켜 상기 에탈론으로 전달하고, 상기 후방산란신호 중 제2 산란신호를 반사시켜 상기 프로세서로 전달하는 제2 빔분할부를 더 포함할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 제1 산란신호와 함께, 상기 제2 산란신호를 더 고려하여, 상기 바람장 특성을 측정할 수 있다.
상기 도플러 라이다 장치는 상기 발사된 레이저에 대한 발산각을 상대적으로 감소시키는 빔확대부를 더 포함할 수 있다.
상기의 목적을 이루기 위한 도플러 라이다 장치의 동작 방법은 상기 도플러 라이다 장치 내 레이저부에서, 레이저를 발사하는 단계와, 상기 도플러 라이다 장치 내 에탈론에서, 상기 발사된 레이저를 투과시키는 단계와, 상기 도플러 라이다 장치 내 송수신부에서, 상기 에탈론을 투과한 레이저를 대상물체로 조사하고, 상기 대상물체로부터 후방산란되는 후방산란신호를 수신하는 단계와, 상기 도플러 라이다 장치 내 프로세서에서, 상기 후방산란신호 중 상기 에탈론을 투과하는 제1 산란신호를 이용하여, 바람장 특성을 측정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 파장에 따라 투과도가 다른 에탈론을 통해, 대기와 연관하여 송수신되는 레이저를 이용하여, 바람장 특성을 측정 함으로써, 레이저의 정확한 파장 제어가 불필요 함에 따라, 일반 저가의 레이저를 활용하여 바람장 특성을 용이하게 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 레이저를 조사하고, 후방산란되는 후방산란신호를 수신하는 시간 차가 짧음(예컨대, 수십 마이크로초)에 따라, 상기 시간 동안에 에탈론의 온도 변화(또는 외부적인 변화)에 의한 광학계 투과도 변화가 거의 없으므로, 일반적인 도플러 라이다 장치에서와 같이 온도 변화에 의한 에탈론의 온도 보정이 불필요하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 도플러 라이다 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도플러 라이다 장치의 구체적인 일례를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도플러 라이다 장치에서의 에탈론에 대한 투과도를 도시한 도면이다.
도 4는 레이저의 파장 이동에 따른 투과도를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 도플러 라이다 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 도플러 라이다 장치 및 도플러 라이다 장치의 동작 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 도플러 라이다 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 도플러 라이다 장치(100)는 레이저부(101), 빔확대부(103), 에탈론(105), 송수신부(107), 제1 빔분할부(109), 제2 빔분할부(111), 파장판(113) 및 프로세서(115)를 포함한다.
레이저부(101)는 레이저를 생성하여, 발사한다.
빔확대부(103)는 상기 발사된 레이저의 발산각을 상대적으로 감소시킬 수 있다.
에탈론(105)은 빔확대부(103)를 통과한 레이저를 투과시킨다. 또한, 에탈론(105)은 송수신부(107)를 통해 대상물체(예컨대, 대기)에 조사된 후, 후방산란되는 후방산란신호 중 일부를 투과시킬 수 있다.
여기서, 에탈론(105)은 상기 레이저 또는 상기 후방산란신호 중 일부(예컨대, 제1 산란신호)의 파장에 따라 투과도가 상이할 수 있다.
송수신부(107)는 에탈론(105)을 투과한 레이저를 대상물체로 조사하고, 상기 대상물체로부터 후방산란되는 후방산란신호를 수신하여, 파장판(113)을 통해 제2 빔분할부(111)로 전달한다. 이때, 송수신부(107)는 예컨대, 1064nm, 532nm, 또는 355nm 중 적어도 하나 파장을 갖는 레이저를 대기로 조사할 수 있다.
제1 빔분할부(109)는 예컨대, 편광빔 분할기로서, 레이저부(101)에서 발사된 레이저를 투과시켜 에탈론(105)으로 전달하고, 송수신부(107)에서 후방산란신호 중 에탈론(105)을 투과하는 제1 산란신호를 반사시켜 프로세서(115)로 전달할 수 있다.
제2 빔분할부(111)는 예컨대, 빔 분할기로서, 레이저부(101)에서 발사되어, 에탈론(105)을 투과한 레이저의 대부분을 투과시킬 수 있다. 또한, 제2 빔분할부(111)는 송수신부(107)에서 후방산란신호 중 제1 산란신호를 투과시켜 에탈론(105)으로 전달하고, 상기 후방산란신호 중 제2 산란신호를 반사시켜 프로세서(115)로 전달할 수 있다.
파장판(113)은 에탈론(105)을 투과한 레이저 또는 상기 후방산란신호에 대한 편광 방향을 회전시킬 수 있다. 여기서, 파장판(113)은 예컨대, 1/4 파장판이고, 2번 통과하는 빛의 편광 방향을 '90도' 회전시킬 수 있다. 즉, 파장판(113)은 대상물체로 조사되기 전에 45도 회전되고, 파장판(113)을 통과한 레이저가 대상물체로부터 후방산란되어 다시 45도 회전 됨에 따라, 수신되는 후방산란신호의 편광 방향을 회전 함으로써, 결과적으로 레이저부(101)에서 발사된 레이저의 편광 방향을 '90도' 회전시킬 수 있다.
프로세서(115)는 상기 후방산란신호 중 에탈론(105)을 투과하는 제1 산란신호를 이용하여, 바람장 특성(예컨대, 바람장 분포)을 측정한다. 또한, 프로세서(115)는 상기 제1 산란신호와 함께, 상기 제2 산란신호를 더 고려하여, 상기 바람장 특성을 측정할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 산란신호는 예컨대, 대기 중의 에어로졸 변화, 레이저의 에너지 변화, 에탈론의 투과도 변화 등과 같은 외부 환경 변화에 대한 신호를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 산란신호는 입자 또는 공기분자의 도플러 효과에 대한 신호를 더 포함할 수 있다.
즉, 프로세서(115)는 제2 산란신호를 제1 산란신호로 나누어, 상기 외부 환경 변화에 대한 신호를 제거하고, 도플러 효과에 대한 신호만을 획득할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 도플러 라이다 장치는 레이저를 조사하고, 후방산란되는 후방산란신호를 수신하는 시간 차가 짧음(예컨대, 수십 마이크로초)에 따라, 상기 시간 동안에 에탈론의 온도 변화(또는 외부적인 변화)에 의한 광학계 투과도 변화가 거의 없으므로, 일반적인 도플러 라이다 장치에서와 같이 온도 변화에 의한 에탈론의 온도 보정이 불필요하다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도플러 라이다 장치의 구체적인 일례를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 도플러 라이다 장치(200)는 레이저부(201), 빔확대기(203), 1/2 파장판(205), 편광 빔분할기(207), 에탈론(209), 빔분할기(211), 1/4 파장판(213), 송수신부(220), 제1 신호 처리부(230), 제2 신호 처리부(240) 및 단말(250)을 포함한다.
레이저부(201)는 레이저를 생성하여, 발사한다.
빔확대기(203)는 상기 발사된 레이저의 발산각을 상대적으로 줄여주는 역할을 한다. 빔확대기(203)는 레이저의 발산각을 줄임으로써, 발산각이 상대적으로 큰 경우 발생하는 문제 즉, 대기(215)로 조사된 레이저의 빛이 너무 많이 퍼지는 경우, 수신광학계의 FOV(Field of View)도 같이 크게 설계해야 하고, 수신광학계의 FOV가 크면 대기의 배경신호가 크게 되어 측정 거리가 짧아지게 되는 문제를 해소할 수 있다.
또한, 빔확대기(203)는 레이저의 발산각을 줄임으로써, 발산각이 상대적으로 큰 경우, 에탈론(209)을 통과할 때 투과 특성이 바뀌는 문제를 해소할 수 있다.
1/2 파장판(205)은 빔확대기(211)를 통과한 레이저에 대해, 방향을 조절하여, 선형 편광된 레이저를 편광 빔분할기(207)로 전달한다.
편광 빔분할기(207)는 선형 편광된 레이저의 대부분을 투과시킨다.
에탈론(209)은 편광 빔분할기(207)를 투과한 레이저의 대부분을 반사시킴으로써, 레이저가 다시 편광 빔분할기(207)를 투과하여 레이저부(201) 방향으로 진행된다. 이에 따라, 도플러 라이다 장치(200)는 에탈론(209)에서 반사되어 레이저부(201)로 재입사된 레이저에 의해, 레이저부(201)가 충격을 받지 않도록 보호하는 보호 광학계(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다. 에탈론(209)을 투과한 일부분의 레이저는 대부분 빔분할기(211)를 지나서 1/4 파장판(213)을 지나게 된다.
빔분할기(211)는 대부분(예컨대, 90%이상)의 레이저를 투과시키도록 설계될 수 있다.
1/4 파장판(213)은 레이저의 편광을 선편광에서 회전 편광으로 바꾸는 역할을 한다.
송수신부(220)는 제1 렌즈(221) 또는 곡률이 있는 거울 및 제2 렌즈(225) 또는 곡률이 있는 거울을 포함하고, 1/4 파장판(213)에 의해 편광된 레이저를 제1, 2 렌즈(221, 225)로 투과 또는 반사시킴으로써, 레이저의 굵기를 다시 증가시켜 대기(215) 중으로 조사할 수 있다. 이때, 레이저의 굵기가 증가함에 따라, 레이저의 발산각은 감소된다.
송수신부(220)는 제1 렌즈(221) 및 2 렌즈(225) 사이에 위치하는 구멍(223)을 더 포함하고, 조사하는 레이저를 구멍(223)으로 통과시킴으로써, 조사하는 레이저에 대해 레이저의 발산 특성을 줄이고, 평행 특성을 더욱 확실히 할 수 있다. 또한, 송수신부(220)는 대기(215) 중에 있는 작은 먼지나 공기 분자에 의하여 산란된 빛 중에서 다시 레이저가 조사한 반대 방향으로 후방산란되는 후방산란된 빛을 다시 구멍(223)으로 통과시킬 수 있다. 여기서, 공기분자에 의하여 산란되거나 둥근 모양의 입자에 의하여, 후방산란된 빛은 Mie 혹은 Rayleigh 산란 이론에 의하면, 빛의 대부분은 그 편광 특성이 변화하지 않고 그대로 유지된다.
즉, 편광특성이 유지된 빛은 제2 렌즈(225)에 의하여 포집되고 작은 구멍으로 모이게 되고, 구멍(223)과 제1 렌즈(221)에 의하여 다시 평행광으로 변화된 빛은 1/4 파장판(213)을 지나면서 다시 선형 편광된 빛이 될 수 있다. 상기 선형 편광된 빛의 편광 방향은 대기 중으로 조사될 때의 그 방향과 90도 만큼 차이가 나게 된다.
빔분할기(211)는 상기 90도 위상 변화가 일어난 파장의 빛 중 약 10 % 정도를 반사시켜, 제2 신호 처리부(240)로 전달하고, 나머지 90 % 를 투과시킨다. 이때, 투과된 빛은 다시 에탈론(209)으로 전달되어 투과하게 된다.
제2 신호 처리부(240)는 렌즈(241), 광센서(243) 및 ADC(245)를 포함한다.
렌즈(241)는 반사가 일어난 10 %의 빛을 집광한다.
광센서(243)는 집광된 라이다 신호를 전기적 신호로 변환한다.
ADC(Analogue Digital Convertor, 245)는 전기적 신호를 디지털 신호로 변환하여, 제2 산란신호로서 단말(250)로 전달한다.
에탈론(209)은 그 특성상 매우 좁은 영역 파장만 투과시킬 수 있다. 이에 따라, 산란 물질인 공기분자나 작은 먼지의 움직임이 없는 경우, 즉 속력이 0 이거나 레이저가 조사한 방향으로의 속력이 없는 경우, 후방산란된 빛의 파장은 원래 파장들 즉, 처음 에탈론(209)을 투과할 때의 파장과 동일한 파장들일 수 있다.
여기서, 만약에 입자가 레이저가 조사된 방향으로 움직일 경우, 후방산란된 파장들은 파장이 약간 긴 파장들로 구성될 수 있고, 입자나 공기분자가 레이저가 조사된 방향과 반대 방향 즉, 레이저부가 있는 방향으로 움직일 경우, 그 파장 분포는 파장이 처음보다 짧은 파장들로 구성된다.
즉, 빔분할기(211)에서 90 % 투과된 빛은 에탈론(209)을 통과하면서 그 파장들의 도플러 파장 이동 특성에 따라, 다른 투과 특성을 가지게 된다. 만약, 산란 물질의 속력이 0 이라면 산란된 빛의 투과 특성은 처음 레이저에서 대기로 조사될 때 에탈론(209)의 투과된 빛의 파장 특성과 같은 파장 분포이고, 이 파장들은 에탈론의 원래 파장 투과 특성과 같은 분포를 지니게 되어 투과도가 극대값을 지니게 되고, 역시 다시 대부분 에탈론(209)을 투과하게 된다. 만약, 움직이는 입자나 공기분자에 의하여 산란이 일어났다면, 산란된 빛의 파장 분포는 도면의 파장과 같이, 달라지게 되어 에탈론(209)의 투과 파장 특성 그래프와 일치하기 않게 됨에 따라, 결국 전체 투과도가 떨어지게 된다. 즉, 빛은 산란 물질의 운동 방향과 그 크기에 따라 다른 투과 특성을 지니게 된다.
에탈론(209)을 투과한 빛은 그 편광 방향이 처음 대기로 조사될 때와 90도 편광 방향이 다르기 때문에, 편광 빔분할기(207)는 처음 대기 중으로 조사되는 레이저를 대부분 투과시킨 것과 달리, 대기에서부터 후방산란되어 에탈론(209)을 투과한 레이저를 대부분 반사시켜, 제1 신호 처리부(230)로 전달한다.
제1 신호 처리부(230)는 렌즈(231), 광센서(233) 및 ADC(235)를 포함한다.
렌즈(231)는 산란된 라이다 신호를 편광 빔분할기(207)를 거처 수신하고, 수신된 라이다 신호를 집광한다.
광센서(233)는 집광된 라이다 신호를 전기적 신호로 변환한다.
ADC(235)는 전기적 신호를 디지털 신호로 변환하여, 제1 산란신호로서 단말(250)로 전달한다.
단말(250)은 예컨대, 컴퓨터일 수 있으며, 대기 중의 에어로졸 변화, 레이저의 에너지 변화, 에탈론의 투과도 변화 등과 같은 외부 환경 변화에 대한 신호와 입자 또는 공기분자의 도플러 효과에 대한 신호를 포함하는 제1 산란신호를 이용하여, 바람장 특성을 측정할 수 있다. 또한, 단말(250)은 상기 제1 산란신호와 함께, 외부 환경 변화에 대한 신호를 포함하는 제2 산란신호를 이용하여, 바람장 특성을 보다 용이하게 측정할 수 있다.
또한, 도플러 라이다 장치(200)는 주위의 다른 장소에 대하여, 바람의 세기를 측정하여 주위의 바람장의 세기를 측정하면 바람장의 속도 분포도를 알 수 있다. 즉, 도플러 라이다 장치(200)는 레이저의 조사 방향을 일정하게 두고, 레이저가 조사된 방향에서 각 지점에서의 바람의 세기 절대 값을 구한 후, 레이저의 조사 방향을 주사 장치를 이용하여 레이저 조사 방향을 바꾸면 처음위치 주변에서 다시 바람장의 세기 절대값을 알 수 있고, 이러한 방법으로 3 차원 공간에 적용하면 3 차원 바람장 분포를 알 수 있다. 또한, 도플러 라이다 장치(200)는 바람의 방향을 임의의 한 곳에서만 알면 바람장의 연속성(continuous chracteristics)에 의하여, 모든 지점에서의 바람장의 방향도 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도플러 라이다 장치에서의 에탈론에 대한 투과도를 도시한 도면이고, 도 4는 레이저의 파장 이동에 따른 투과도를 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 에탈론에 대한 투과도는 파장에 따라 예컨대, 약 100% 또는 50%일 수 있다.
여기서, 투과도가 100% 가 되는 지점까지의 파장거리 자유파장도(300-2, Free Spectral Range)는 에탈론의 굴절률과 두께에 의하여 결정되고, 투과도가 50% 가 되는 파장의 반치파장두께(300-1, FWHM: Full Width Half Maximun)는 에탈론을 구성하는 두 면의 반사도와 면의 편평도, 경사도 등과 관련된다.
도플러 라이다 장치는 예컨대, 1064nm, 532nm 또는 355nm의 레이저를 사용할 수 있다. 구체적으로, 도플러 라이다 장치는 먼지가 거의 없는 공기층에서 바람장을 획득하고 싶은 경우, 355nm의 레이저를 사용하고, 반대로 먼지가 많은 지역에서는 1064nm의 레이저를 사용하며, 일반 대기에서는 532 nm의 레이저를 사용할 수 있다.
도플러 라이다 장치는 532 nm의 레이저를 사용하고자 하는 경우, 측정하고자 하는 최대의 바람 속력과 정밀도를 고려하여, 에탈론의 반치파장두께(300-1)와 자유파장도(300-2)를 선택할 수 있다. 여기서, 자유파장도(300-2)는 최대 측정속도와 관계되며, 반치파장두께(300-1)는 도플러 라이다 장치가 측정할 수 있는 최소 바람장의 크기에 관계된다.
한편, 반치파장두께는 에탈론의 편평도가 나빠지거나 반사도가 낮으면 넓어지고, 반치파장두께가 넓어지면 측정할 수 있는 최소 바람속도가 커지므로, 반사도와 편평도가 적합하게 제어되어야 한다. 측정하고자 하는 바람장의 최대값은 태풍이나 높은 고도에서의 바람장의 속도를 고려하여, 예컨대 50 m/sec 이상 측정이 가능하도록 설계하는 것이 바람직하다.
따라서, 에탈론의 두께는 도플러 바람장에 의한 파장이동 계산과 자유파장범위 계산 등에 기초하여 선정될 수 있다.
에탈론에 대한 투과도가 자유파장범위와 반치파장두께에 의하여 결정되면, 넓은 파장 범위를 가진 레이저나 태양광과 같은 빛은 자유 파장범위에 해당하는 파장 마다 투과도가 50 인 파장이 존재하게 된다. 즉, 대부분의 빛은 반사되지만, 투과도가 50 인 파장이 자유파장범위 마다 존재하게 된다. 만약, 이러한 백색광이나 레이저를 두 번 투과하게 되면, 투과된 빛은 처음 투과된 빛(300)을 두 번 곱하는 것과 같다. 그러나, 첫 번째 투과한 빛이 전체적으로 파장이동이 일어나면(302, 303), 두 번 투과될 빛의 양은 파장이동이 일어나지 않는 빛의 양에 비해, 그 값이 현저히 줄어들게 된다. 즉, 투과도 그래프(300)와 파장 분포(302,303)를 곱한 양이 투과된 값이 되고, 상기 값은 파장 이동이 없는 경우에 해당하는 투과도 그래프(300)와 파장 분포(301)를 곱한 값보다 적은 값이며, 상기 값은 파장 이동 정도에 따라 달라진다. 결과적으로, 파장 이동에 따라 투과도의 값이 달라지므로, 도플러 라이다 장치는 라이다 신호의 세기로 파장 이동 정도를 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 도플러 라이다 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 단계 501에서, 도플러 라이다 장치는 레이저를 생성하여 발사한다. 이때, 도플러 라이다 장치는 빔확대부를 이용하여, 발사된 레이저의 발산각을 상대적으로 감소시킬 수 있다.
또한, 도플러 라이다 장치는 발산각이 감소된 레이저를 제1 빔분할부(예컨대, 편광빔 분할기)를 통해, 투과시킨 후 에탈론으로 전달할 수 있다.
단계 503에서, 도플러 라이다 장치는 에탈론을 통해, 발사된 레이저를 투과시킨다.
도플러 라이다 장치는 제2 빔분할부(예컨대, 빔 분할기)를 통해, 에탈론을 투과한 레이저의 대부분을 투과시키고, 파장판(예컨대, 1/4 파장판)을 통해, 레이저에 대한 편광 방향을 회전시킬 수 있다.
단계 505에서, 도플러 라이다 장치는 에탈론을 투과한 레이저(편광 방향이 회전된 레이저)를 대상물체로 조사하고, 상기 대상물체로부터 후방산란되는 후방산란신호를 수신한다. 이때, 도플러 라이다 장치는 예컨대, 1064nm, 532nm, 또는 355nm 중 적어도 하나 파장을 갖는 레이저를 대기로 조사할 수 있다.
또한, 도플러 라이다 장치는 상기 파장판을 통해, 후방산란신호에 대한 편광 방향을 회전시킬 수 있다.
단계 507에서, 도플러 라이다 장치는 제2 빔분할부를 통해, 상기 후방산란신호 중 제1 산란신호를 투과시켜 에탈론으로 전달하고, 상기 후방산란신호 중 제2 산란신호를 반사시켜 프로세서로 전달할 수 있다.
단계 509에서, 도플러 라이다 장치는 에탈론을 통해, 상기 후방산란신호 중 제2 빔분할부를 투과한 제1 산란신호를 투과시킨다. 이때, 에탈론은 상기 레이저 또는 상기 제1 산란신호의 파장에 따라 투과도가 상이할 수 있다.
단계 511에서, 도플러 라이다 장치는 제1 빔분할부를 통해, 에탈론을 투과한 제1 산란신호를 반사시켜 프로세서로 전달할 수 있다.
단계 513에서, 도플러 라이다 장치는 제1 산란신호 또는 제2 산란신호를 이용하여, 바람장 특성(예컨대, 바람장 분포)을 측정한다. 여기서, 제1 및 제2 산란신호는 예컨대, 대기 중의 에어로졸 변화, 레이저의 에너지 변화, 에탈론의 투과도 변화 등과 같은 외부 환경 변화에 대한 신호를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 산란신호는 입자 또는 공기분자의 도플러 효과에 대한 신호를 더 포함할 수 있다.
즉, 도플러 라이다 장치는 제1 산란신호 또는 제2 산란신호를 이용하여, 상기 외부 환경 변화, 또는 상기 도플러 효과를 확인할 수 있다.
본 발명은 파장에 따라 투과도가 다른 에탈론을 통해, 대기와 연관하여 송수신되는 레이저를 이용하여, 바람장 특성을 측정 함으로써, 레이저의 정확한 파장 제어가 불필요 함에 따라, 일반 저가의 레이저를 활용하여 바람장 특성을 용이하게 측정할 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: 도플러 라이다 장치 101: 레이저부
103: 빔확대부 105: 에탈론
107: 송수신부 109: 제1 빔분할부
111: 제2 빔분할부 113: 파장판
115: 프로세서

Claims (14)

  1. 레이저부로부터 발사된 레이저에 대한 발산각을 감소시키는 빔확대부;
    상기 발산각이 감소된 레이저를 투과시키는 에탈론;
    상기 투과한 레이저를 대상물체로 조사하고, 상기 대상물체로부터 후방산란되는 후방산란신호를 수신하는 송수신부; 및
    상기 후방산란신호 중 상기 에탈론을 투과하는 제1 산란신호를 이용하여, 바람장 특성을 측정하는 프로세서
    를 포함하는 도플러 라이다 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에탈론은,
    상기 레이저 또는 상기 제1 산란신호의 파장에 따라 투과도가 상이한, 도플러 라이다 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저를 투과시켜 상기 에탈론으로 전달하고, 상기 제1 산란신호를 반사시켜 상기 프로세서로 전달하는 제1 빔분할부
    를 더 포함하는, 도플러 라이다 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 또는 상기 후방산란신호 중 적어도 하나에 대한 편광 방향을 회전시키는 파장판
    을 더 포함하는, 도플러 라이다 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 후방산란신호 중 제1 산란신호를 투과시켜 상기 에탈론으로 전달하고, 상기 후방산란신호 중 제2 산란신호를 반사시켜 상기 프로세서로 전달하는 제2 빔분할부
    를 더 포함하는, 도플러 라이다 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 제1 산란신호와 함께, 상기 제2 산란신호를 더 고려하여, 상기 바람장 특성을 측정하는, 도플러 라이다 장치.
  7. 삭제
  8. 도플러 라이다 장치의 동작 방법에 있어서,
    상기 도플러 라이다 장치 내 레이저부에서, 레이저를 발사하는 단계;
    상기 도플러 라이다 장치 내 빔확대부에서, 상기 발사된 레이저에 대한 발산각을 감소시키는 단계;
    상기 도플러 라이다 장치 내 에탈론에서, 상기 발산각이 감소된 레이저를 투과시키는 단계;
    상기 도플러 라이다 장치 내 송수신부에서, 상기 에탈론을 투과한 레이저를 대상물체로 조사하고, 상기 대상물체로부터 후방산란되는 후방산란신호를 수신하는 단계; 및
    상기 도플러 라이다 장치 내 프로세서에서, 상기 후방산란신호 중 상기 에탈론을 투과하는 제1 산란신호를 이용하여, 바람장 특성을 측정하는 단계
    를 포함하는 도플러 라이다 장치의 동작 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 에탈론은,
    상기 레이저 또는 상기 제1 산란신호의 파장에 따라 투과도가 상이한, 도플러 라이다 장치의 동작 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 도플러 라이다 장치 내 제1 빔분할부에서, 상기 레이저를 투과시켜 상기 에탈론으로 전달하는 단계; 및
    상기 제1 빔분할부에서, 상기 제1 산란신호를 반사시켜 상기 프로세서로 전달하는 단계
    를 더 포함하는, 도플러 라이다 장치의 동작 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 도플러 라이다 장치 내 파장판에서, 상기 레이저 또는 상기 후방산란신호 중 적어도 하나의 레이저에 대한 편광 방향을 회전시키는 단계
    을 더 포함하는, 도플러 라이다 장치의 동작 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 도플러 라이다 장치 내 제2 빔분할부에서, 상기 후방산란신호 중 제1 산란신호를 투과시켜 상기 에탈론으로 전달하는 단계; 및
    상기 제2 빔분할부에서, 상기 후방산란신호 중 제2 산란신호를 반사시켜 상기 프로세서로 전달하는 단계
    를 더 포함하는, 도플러 라이다 장치의 동작 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 바람장 특성을 측정하는 단계는,
    상기 제1 산란신호와 함께, 상기 제2 산란신호를 더 고려하여, 상기 바람장 특성을 측정하는 단계
    를 포함하는, 도플러 라이다 장치의 동작 방법.
  14. 삭제
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