KR101307178B1 - 두 파장 노면기상 관측 장치에서의 노면기상 상태의 구별 방법 - Google Patents

두 파장 노면기상 관측 장치에서의 노면기상 상태의 구별 방법 Download PDF

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Abstract

측정 대상에 대해 반사 정도 또는 흡수 정도에 따라 결정된 최소 두 개 이상의 서로 다른 파장의 레이저 다이오드 또는 레이저를, 상기 측정 대상의 노면으로 쏘아서, 상기 노면에서 산란되는 신호를 받아, 이를 분석하여 상기 노면에 대한 기상 상태를 측정하는, 노면기상 관측 장치에서의 노면기상 상태의 구별 방법을 개시한다.

Description

두 파장 노면기상 관측 장치에서의 노면기상 상태의 구별 방법{IDENTIFICATION METHODS OF ROAD WEATHER CONDITIONS IN DUAL WAVELENGTH ROAD WEATHER CONDITION MONITORING APPARATUS}
본 발명은 측정 대상에 대해 반사 정도 또는 흡수 정도에 따라 결정된 최소 두 개 이상의 서로 다른 파장의 레이저 다이오드 또는 레이저를, 상기 측정 대상의 노면으로 쏘아서, 상기 노면에서 산란되는 신호를 받아, 이를 분석하여 상기 노면에 대한 기상 상태를 측정하는, 노면기상 관측 장치에서의 노면기상 상태의 구별 방법에 관한 것이다.
예컨대, 본 발명의 실시예들은, 파장이 λ1과 λ2로 서로 다른 두 개(또는 두 개 이상)의 레이저 다이오드 또는 레이저를 광원으로 사용하여 고속도로(국도)의 노면으로 쏘아서 후방으로 되돌아오는 빛 신호인 아날로그 신호의 산란신호를 디텍터인 포토 다이오드로 수신한다.
또한, 본 발명에서는 상기 수신된 산란신호를 아날로그 디지털 교환기(Analogue to Digital Converter, ADC)를 이용하여 디지털 신호로 바꾼 다음, 상기 두 파장의 산란신호에 대한 신호 세기의 비율(Iλ1/Iλ2 또는 Iλ2/Iλ1)을 도입하고, 이를 세기 비율(CR, Color Ratio)로 연산하며, 상기 세기 비율의 값을 통해 노면의 다양한 기상 상태를 측정하게 된다.
다른 실시예에서는, 상기 세기 비율과 다르게 정의된 Road Weather coefficient(RW) 값으로 정의 된 도로 기상 상수값 즉, RW 값을 통해, 건조(정상), 젖음(비), 습기, 결빙(얼음), 눈(강설), 슬러시(Slush) 등의 노면 기상 상태를 정확하게 구분하고 있다. 특히, 본 발명에는, 산란신호의 세기가 비슷한 결빙과 젖음, 습기 신호의 구별을 위해, 추가적인 레이저 광의 발사 구성도 포함하고 있다.
더불어, 본 발명에서는, 노면이 젖어 있다가 건조함에 따라 산란신호의 크기가 변화 되고, 그 크기가 비슷해지는 습기와 관련한 산란신호와 슬러시(slush)와 관련한 산란신호를 보다 효율적으로 구분할 수 있게 한다.
지금까지 도로 및 지표면의 기상 상태에 대한 측정은, 주로 센서를 노면에 직접 설치하여 관측하는 접촉식 방법을 주로 사용해 왔다. 이러한 접촉식 측정을 위해서는, 관측하고자 하는 지점에 도로를 파서 센서를 설치하여야만 했다. 이러한 측정 방식은 어쩔 수 없이, 도로 파손과 유지관리 비용 상승이라는 문제점을 야기했고, 센서 위에 이물질의 접착으로 인해 측정 정확도가 떨어지는 등 여러 가지 문제점을 수반할 수 밖에 없었다.
따라서 빛을 이용하여 원격 비접촉식 기술로서, 도로의 기상상태나 포장 재질을 구분하는 방식은, 비용, 성능, 유지관리 측면에 있어, 훨씬 유리할 수 있다.
상기 비접촉식 기술로 도로의 기상을 관측하기 위한 종래의 방식에서는, 단일 광원과 단일 디텍터를 이용하여 후방으로 산란되어 되돌아오는 빛을 수신 광학계로 측정하여 분석하여 기상상태를 구별 하였다.
하지만 이러한 단일 광원을 이용한 종래의 비접촉식 기술은, 외부의 기상환경, 예컨대 안개, 에어로졸, 박무, 물방울 등이 존재하게 되면 정상적인 건조한 노면의 신호가 약하게 수신되어 젖음의 신호로 인식되게 되어 결국 노면의 기상상태를 잘못 읽는 문제가 있을 수 있다. 경우에 따라, 종래의 비접촉식 기술은 정상적인 건조한 노면을 젖거나, 결빙된 노면 등의 잘못된 기상상태로 판별할 수도 있다.
이를 보완하기 위한 개선된 비접촉식 기술에서는, 두 개 이상의 파장을 가진 레이저 다이오드(또는 레이저)를 사용하는 다파장 노면기상 관측 장치를 사용하여, 단일 파장 노면기상 관측 장치에서, 안개, 박무, 에어로졸, 물방울 등의 외부 기상환경 요인에 의하여 신호 크기의 감소로 발생하는 관측 오류 등을 방지하고 정확하게 도로면의 기상상태를 읽을 수 있다.
하지만 이러한 두 개의 레이저 다이오드 파장을 이용하는 방법 역시 한계가 존재한다. 두 개의 레이저 다이오드 파장을 이용하는 방법은, 외부의 기상환경, 예컨대 안개, 에어로졸, 박무, 물방울 등에 의한 측정 오차가 거의 없는 대신, 두 파장 신호의 세기가 비슷한 결빙과 젖음, 습기 등의 신호 구분이 어렵다는 문제를 가지고 있다.
아울러, 두 개의 레이저 다이오드 파장을 이용하는 방법은, 노면이 젖어 있다가 건조해 감에 따라 수신되는 두 파장 신호 세기 비율 크기가 변하여 신호 크기가 조금씩 증가하게 되고, 이렇게 증가하는 젖은 노면의 신호의 세기와 얼음과 물이 뒤섞여 있는 슬러시 신호의 세기가 매우 비슷하여 구별이 쉽지 않다는 단점을 가지고 있다.
따라서, 도로 상태를 보다 정확하게 구분할 수 있는 노면기상 상태의 구별 방법이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 두 개의 각각 다른 파장을 가진 레이저 다이오드(Laser Diode) 또는 레이저를 이용하여 도로의 기상 상태를 관측할 때 노면의 기상 상태를 건조(정상), 젖음(비), 습기, 결빙(얼음), 눈(강설), 슬러시(Slush) 등으로 구분하여 관측하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 감지된 산란신호의 크기가 비슷한 젖음, 결빙, 습기 등의 상태를 보다 확실하게 구분하여 측정할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 중심 파장(λ1, λ2)이 서로 다른 두 개의 레이저 다이오드 또는 레이저와 두 개의 디텍터를 이용하여 노면에 맞은 후 후방 산란되는 두 파장(색깔)의 광신호의 산란신호를 디텍터로 측정하고, 복수의 산란신호에 대한 세기 비율(Iλ1/Iλ2 또는 Iλ2/Iλ1)인 CR(Color Ratio) 값을 이용하여 노면의 기상 상태를 정확하게 측정하기 위한 것이다.
상기 두 파장 산란 세기 비율(CR)은 다음과 같이 정의할 수 있다.
"CR = Iλ1/Iλ2 = I905/I1550"
본 발명에서는 상기 CR 세기 비율을 통해 노면에 대한 다양한 기상 상태를 측정하고자 한다. 여기서, Iλ1은 파장 905 nm를 갖는 레이저 다이오드 광원에 해당하는 디텍터 신호의 세기인 I905이고, Iλ2는 파장 1550 nm를 갖는 레이저 다이오드 광원에 해당하는 디텍터 신호의 세기인 I1550 일 수 있다.
즉, 본 발명은, 세기 비율의 값을 측정하여 노면의 기상 상태를 구별하는 기술에 있어서, 건조, 젖음, 결빙, 습기, 눈, 슬러시 등 노면의 기상 상태 별로 신호의 크기가 비슷하여 구별하기 어려운 노면상태의 신호를 적절하게 처리하는 것을 목적으로 한다.
노면의 기상 상태 및 포장재의 종류에 따라 측정되는 세기 비율의 값은, 모두 다르다. 즉, 기상의 변화에 따라 노면에 존재하게 되는 물, 얼음 또는 결빙(Ice), 눈(Snow), 슬러시(Slush), 건조, 습기(표면만 약간 젖은 상태) 등의 노면 기상 상태에 따라 상기 세기 비율의 크기는 모두 조금씩 달라질 수 있다. 상기 세기 비율의 측정에 의한 노면 기상상태의 구별에 있어서, 문제가 되는 것은 노면에 존재하는 얼음과 물(젖음), 습기의 경우 구별이 어렵다는 것이고, 본 발명에서는, 이를 기술적으로 구별할 수 있게 하고자 한다.
도로의 노면이 젖어 있다가 건조해 감에 따라 노면은, 표면만 약간 적은 습기 상태로 변하게 되며, 이러한 노면 기상 상태의 변화에 의거하여 세기 비율인 CR 값은 변한다.
노면이 젖은 상태에서 노면 습기 상태로 변화할 때의 세기 비율인 CR 값은 약간 증가하게 된다. 이렇게 노면 젖은 상태의 세기 비율의 값 보다 약간 커진 노면 습기 상태의 CR 값은, 노면 결빙 상태의 CR 값과 매우 비슷하여 구별이 쉽지 않다. 이를 구분하는 것이 본 발명에서 기술적으로 해결하고자 하는 과제이며, 또한 노면의 기상 상태 구별에 있어 매우 중요하고도 반드시 필요한 것이다.
이를 위해 본 발명에서는 새로운 값인 도로 기상(Road Weather, RW) 값을 활용한다. 상기 도로 기상 값 RW는 "RW = (I905 - I1550)/(I905 + I1550)"로 정의할 수 있다. 여기서, I905는 Iλ1에 해당하는 디텍터에서 감지된 신호 세기이고, I1550은 Iλ2에 해당하는 디텍터에서 감지된 신호 세기일 수 있다. 상기 도로 기상 값의 도입으로 노면의 습기 상태와 결빙 상태를 완벽히 구분할 수 있다.
또한, 본 발명은 적외선 영역의 빛을 사용하는 IR 온도계와 같이 장착하여 도로 포장 노면의 온도를 관측할 수 있다. 이러한 노면의 온도 모니터링은 지표면의 물이 결빙되었는지 아닌지를 판단하는 근거를 제시할 수 있다.
또한, 본 발명은 노면의 온도변화 추이 및 결빙 및 해빙 시간 등의 측정과 데이터 축적을 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 비행기가 뜨고 내리는 민간 및 군용 활주로에도 사용 및 적용이 가능하며, 노면 또는 지표면의 기상 상태 정보를 실시간으로 필요로 하는 모든 어떤 종류의 지표면에도 적용이 가능한 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 이루기 위한 노면기상 관측 장치에서의 노면기상 상태의 구별 방법은, 제1 레이저 발생기에서, 측정 대상인 노면에서의 반사와 산란 정도를 고려하여 결정된 제1 파장을 갖는 제1 레이저 광을 발진하는 단계, 제2 레이저 발생기에서는 상기 노면의 기상 상태에 따라 빛의 흡수가 많이 일어나는 정도를 고려하여 결정되고, 상기 제1 파장과 상이한 제2 파장을 갖는 제2 레이저 광을 발진하는 단계, 디텍터에서, 상기 노면에서 상기 제1 레이저 광 및 상기 제2 레이저 광에 의해 후방 산란되는 복수의 산란신호를 감지하는 단계, 및 분석기에서, 상기 산란신호들의 세기 비율(Color Ratio)인 CR값을 연산하여, 상기 노면에 대한 기상 상태를 측정하는 단계를 포함하여 구성한다.
본 발명에 따르면, 세기 비율을 이용한 노면 기상에 대한 측정시, 건조, 젖음, 결빙, 습기, 눈, 슬러시 등의 노면 상태 별로, 비슷한 신호의 크기를 보다 명확하고 분명하게 구별할 수 있는 노면기상 관측 장치에서의 노면기상 상태의 구별 방법을 제공할 수 있다.
세기 비율의 측정에 의한 노면 기상상태의 구별에 있어 문제가 되는 것은, 노면에 존재하는 얼음과 물(젖음), 습기 상태에 대한 구별이 어렵다는 것이다. 이러한 문제점을 해결하는 본 발명에 의해서는, 상기 CR 값의 측정 이외에 눈의 흡수밴드(Absorption Band)가 있는 파장 영역인 1450 nm ∼ 1650 nm 사이에 있는 파장 영역대의 광원(예, 1500 nm ∼ 1590 nm)을 사용하여 후방산란 신호를 측정하고, 이를 상기 세기 비율과 함께 이용하여 노면의 기상 상태를 보다 정확하게 구별할 수 있게 한다.
또한, 본 발명에서는 단일 파장이 아닌 두 개 이상의 레이저 다이오드(또는 레이저)를 사용하여 두 개 이상의 파장을 가진 두 파장 지면관측 장치를 사용 함으로써, 단일 파장 기상 관측 장치에서 안개, 박무, 에어로졸, 물방울 등의 외부 기상환경 요인에 의하여 발생하는 관측 오류를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 두 파장(λ1, λ2)의 레이저 다이오드 빔이 거의 동일한 빔 사이즈로 확대되고, 동일한 광경로를 가지고 빔이 진행하여, 노면의 동일한 지점에 빔을 쏘아서 후방 산란되어 디텍터에 수신된 두 파장의 레이저 다이오드 빔의 신호세기(Intensity)인 Iλ1과 Iλ2, 그리고 두 신호의 세기 비율인 CR값 신호, 즉, Iλ1/Iλ2 또는 Iλ2/Iλ 1를 통하여 관측대상 노면의 종류와 기상 상태를 구분할 수 있다. 여기서, 두 파장의 레이저 다이오드 빔의 파장(색깔)이 서로 다르므로 이 두 신호세기 비율인 Iλ1/Iλ2 또는 Iλ2/Iλ 1를 Color Ratio(세기 비율) 이라고 하고, 본 발명은 상기 세기 비율의 값의 적절한 분석에 따라 노면의 기상 상태의 판단 및 획득을 가능하게 한다.
또한, 본 발명에 의해서는, 상기 세기 비율의 측정을 통한 지표면의 기상 상태와 도로 포장재의 구분에 있어서, 태양광으로 인한 배경신호를 제거하고 S/N 비를 높이기 위해, 각종 필터(Band pass filter, Edge filter, Laser line filter)를 활용 함으로써 상기 세기 비율의 측정 정확도를 높여 지표면의 기상을 정확히 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 두 개 또는 그 이상의 레이저 다이오드 빔들을 각기 다른 레이저 다이오드(또는 레이저)에서 서로 상이한 파장으로 발사하고, 이들을 빔 결합기(Beam combiner)에서 합쳐 하나의 동일한 광경로를 가지면서 관측대상 노면 또는 물체의 동일한 지점에 조사 함으로써, 지표면의 기상 상태를 보다 정확히 구분할 수 있게 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 관측 대상 지표면의 온도를 비접촉 방법으로 측정하기 위해 적외선 파장을 가진 적외선 온도계(IR Thermometer)를 케이스 내부에 장착하여 지표면의 온도와 기상 상태를 같이 측정할 수 있다. 이를 통해, 본 발명은 겨울철 도로의 결빙이 일어나는 온도인 0℃ 이하의 지표면 온도의 파악과 도로의 결빙 여부를 결정하는데 중요한 단서를 제공할 수 있는 구성을 가지고 있다.
또한, 본 발명에 의해서는, 두 파장의 노면기상 관측 장치를 GPS 장치와 함께 결합하여 정학한 위치에서의 지면 기상정보를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 노면기상 관측 장치의 구체적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 노면기상 관측 장치의 송신 광학계의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 노면기상 관측 장치의 수신 광학계의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 노면기상 관측 장치의 송신 광학계와 수신 광학계를 결합한 일례를 설명하는 도면이다.
도 5 내지 도 9는 다양한 노면에 대한 실험 결과치를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 노면기상 상태의 구별 방법을 구체적으로 도시한 작업 흐름도이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 노면기상 관측 장치의 구체적인 구성을 나타내는 도면이다.
본 발명의 노면기상 관측 장치(100)는 제1 레이저 발생기(110), 제2 레이저 발생기(120), 디텍터(130) 및 분석기(140)를 포함하여 구성할 수 있다. 또한, 노면기상 관측 장치(100)는 실시예에 따라, 제3 레이저 발생기(150), 전원 공급기(160), 빔 결합기(170), 히터 및 팬(180)을 선택적으로 추가하여 포함할 수 있다.
우선, 제1 레이저 발생기(110)는 측정 대상인 노면에서의 반사 정도를 고려하여 결정된 제1 파장을 갖는 제1 레이저 광을 발진한다. 즉, 제1 레이저 발생기(110)는 노면에서의 반사 또는 산란 효율이 좋은 파장 대의 제1 레이저 광을 발사하는 역할을 한다. 일례로서, 제1 레이저 발생기(110)는 물 또는 눈에 대해 반사가 상대적으로 잘 이루어지는 900 nm ∼ 920 nm 사이의 파장 중에서 어느 한 파장을, 상기 제1 파장으로 결정할 수 있다.
또한, 제2 레이저 발생기(120)는 상기 노면 또는 노면의 기상조건에서 흡수가 잘 되는 정도를 고려하여 결정되고, 상기 제1 파장과 상이한 제2 파장을 갖는 제2 레이저 광을 발진한다. 즉, 제2 레이저 발생기(120)는 노면에서의 흡수 효율이 좋은 파장 대의 제2 레이저 광을 발사하는 역할을 한다. 일례로서, 제2 레이저 발생기(120)는 상기 물 또는 상기 눈에 대해 흡수가 상대적으로 잘 이루어지는, 1230 nm ∼ 1350 nm 과 1450 nm ∼ 1650 nm 의 파장 중에서 사용 가능한 적절한 어느 하나를, 상기 제2 파장으로 결정할 수 있다.
즉, 제1 및 제2 레이저 발생기(110, 120)는 레이저 다이오드, 레이저 광원 등으로 구현되어, 그 각각으로 다른 파장의 레이저 광을 생성한다. 파장의 결정에 있어서, 제1 및 제2 레이저 발생기(110, 120)는 태양광의 영향이 최소화될 수 있는, 예컨대 중심파장이 900 nm ∼ 920 nm 사이의 어느 한 파장인 제1 파장과, 중심파장이 1500 nm ∼ 1590 nm 사이의 어느 한 파장을 제2 파장을 결정할 수 있다.
제1 및 제2 레이저 발생기(110, 120)는 다수의 발광렌즈에 의해, 일정 크기로 확대되어 평행빔으로 만들어진 제1 레이저 광과, 제2 레이저 광을 수직인 0°부터, 예컨대 지면으로 향하는 빔의 입사각이 0°∼ 70°사이의 각도로 측정대상의 노면을 향해 발사 할 수 있다.
일실시예에서, 제1 레이저 발생기(110)와 제2 레이저 발생기(120)는, 온도의 변화에 따라, 상기 제1 파장과 상기 제2 파장을 조정하여 결정하도록, 발진 스펙트럼 반치폭(Full Width at Half Maximum; FWHM)을 정해진 범위로 선정할 수 있다. 제1 및 제2 레이저 발생기(110, 120)에서 발진하는 제1 파장 및 제2 파장은, 앞서 예시된 905 nm, 1550 nm 등으로 고정되는 것은 아니다. 예컨대, 온도가 변하면 제1 및 제2 레이저 발생기(110, 120)의 파장이, 중심파장을 기준으로 파장이 짧은 쪽으로, 또는 긴 쪽으로 이동하게 되는데, 이를 고려하여, 제1 및 제2 레이저 발생기(110, 120)는 발진 스펙트럼 반치폭으로서 1∼20 nm 정도를 가지는 광원을 사용할 수 있다.
또한, 실시예에서, 제1 및 제2 레이저 발생기(110, 120)는 펄스로 동작하며, 그 동작 반복율을 수 십 Hz에서 수 십 kHz로 가지고 동작할 수 있다. 적절한 반복율의 선택 기준은, 건조한 노면의 세기 비율과 물에 젖은 노면의 세기 비율과의 차이를 될수록 크게 할 수 있는, 제1 및 제2 레이저 발생기(110, 120)의 반복율(예, 0.1 kHz ∼ 6 kHz)을 선정할 수 있다.
또한, 실시예에서, 제1 및 제2 레이저 발생기(110, 120)의 펄스폭은 약 20 ns ∼ 200 ns 사이의 펄스폭을 가질 수 있다. 상기 펄스폭의 조절에 있어서, 예컨대 노면기상 관측 장치(100)는 컨트롤 시스템(control system)에 공급하여 주는 전압을 조절하여 펄스폭을 변화시키거나, 또는 트리거 펄스 발생기(trigger pulse generator)를 사용하여 펄스폭을 조절할 수 있다.
디텍터(130)는 상기 노면에서 상기 제1 레이저 광 및 제2 레이저 광에 의해 후방 산란되는 복수의 산란신호를 감지한다. 즉, 디텍터(130)는 상기 노면의 표면으로 발사된 상기 레이저 광에 의해 사방으로 산란되어진 광들을 수신하는 역할을 한다.
실시예에 따라, 디텍터(130)는, 상기 노면에서 상기 제1 레이저 광 및 상기 제2 레이저 광에 의해 파장 전이된 라만 산란 신호를, 상기 산란신호로서 감지하기 위한 스펙트로미터(spectrometer)를 포함할 수 있다. 스펙트로미터는 전자기파를 파장의 차이에 따라 분해하여 그 세기 분포를 측정하는 것으로, 예컨대 빛을 분산시켜서 얻게 되는 스펙트럼을 측정하는 장치를 지칭할 수 있다. 즉, 디텍터(130)는 상기 레이저 광의 조사에 의해, 상기 노면에서, 분자 고유 진동이나 회전 에너지 또는 결정의 격자(格子) 진동 에너지만큼 달라진 주파수의 광이 산란되어 만들어진 라만 산란 신호를, 상기 스펙트로미터를 통해 감지할 수 있다.
상기 산란신호의 수신에 있어서, 디텍터(130)는 광원의 파장에 맞게 비반사 코팅된 집광 렌즈시스템을 통하여 산란된 빔을 최대한 모아, 후단의 분석기(140)에서 상기 노면의 기상 상태를 분석할 수 있는 환경을 조성할 수 있다.
실시예에서, 디텍터(130)는 수광렌즈를 통해 산란신호를 집광하고, 상기 수광렌즈에 의한 상기 산란신호의 집광시에 유입될 수 있는 태양광에 기인한 배경신호의 차단을 위해, 필터를 사용할 수 있다.
필터는 상기 집광된 산란신호에 대해, 광원인 레이저 다이오드에서 사용하는 파장 이외의 파장을 제거하는 역할을 한다. 상기 필터로는 예컨대 상기 레이저 다이오드에서 사용되는 파장 만을 통과시켜, 상기 배경신호를 제거하는, 대역패스필터(Band pass filter), 에지 필터(Edge filter), 레이저 라인 필터(Laser line filter) 등을 예시할 수 있다. 또한, 필터는 상기 산란신호의 수신 환경에 따라, 2개 이상으로 중복 사용하여 태양광에 의한 배경신호 유입을 더욱 효과적으로 차단할 수도 있다.
필터를 통과한 산란신호는 포토 다이오드로 입력되고, 상기 포토 다이오드에서 광신호를 전기신호로 변환되어, 후술하는 분석기(140)에서 후방 산란된 산란신호를 모니터링 할 수 있게 한다.
분석기(140)는 상기 산란신호들의 세기 비율(Color Ratio)을 연산하여, 상기 노면에 대한 기상 상태를 측정한다. 즉, 분석기(140)는 상기 산란신호를 ADC를 이용하여 디지털 신호로 바꾼 다음 정해진 알고리즘을 통해 분석하여, 상기 노면의 기상 상태를, 예컨대 건조(정상), 젖음(비), 결빙(얼음), 눈(강설) 등으로 측정하는 역할을 한다.
상기 노면에 대한 기상 상태의 측정에 있어서, 분석기(140)는 상기 제1 레이저 광과 연관하여 감지되는 제1 산란신호의 세기, 및 상기 제2 레이저 광과 연관하여 감지되는 제2 산란신호의 세기 중 적어도 하나를 고려하여, 상기 노면에 대한 기상 상태를 측정할 수 있다.
예컨대, 상기 제1 산란신호의 파장을 λ1으로, 또한 상기 제2 산란신호의 파장을 λ2로 하는 경우, 분석기(140)는 상기 두 파장의 신호세기(Intensity)인 Iλ1과 Iλ2, 그리고 두 신호의 세기 비율인 Iλ1/Iλ2 또는 Iλ2/Iλ1을 통하여 관측 대상인 상기 노면의 종류와 기상 상태를 예측할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 노면기상 관측 장치(100)에 의해서는, 어떤 특정한 기상 조건에서 잘 흡수되거나 산란이 잘 일어나는 파장을 가진 레이저 광들을 노면의 표면으로 쏘아서 후방으로 산란되어 되돌아오는 산란신호를 디텍터(130)를 이용하여 수신한 다음 이를 분석하여 상기 노면의 기상 상태를 인지할 수 있게 한다.
일실시예에서, 노면기상 관측 장치(100)는 눈(Snow)에 대해 흡수 밴드(Absorption Band)가 있는 1450 nm ∼ 1650 nm 중에서 어느 하나의 파장을 갖는 제3 레이저 광을 발진하는 제3 레이저 발생기(150)를 더 포함하여 구성할 수 있다. 이에 따라, 분석기(140)는 상기 노면에서 상기 제3 레이저 광에 의해 후방 산란되는 상태 식별용 산란신호를, 상기 세기 비율과 함께 고려하여 상기 노면에 대한 기상 상태를 측정할 수 있다.
상기 세기 비율의 측정에 의한 노면 기상상태의 구별에 있어서, 문제가 되는 것은 노면에 존재하는 얼음과 물(젖음), 습기의 경우 구별이 어렵다는 것이다. 이를 감안하여, 노면기상 관측 장치(100)는 상기 세기 비율의 측정 이외에, 눈의 흡수밴드가 있는 파장 영역인 1450 nm ∼ 1650 nm 사이에 있는 파장 영역대의 제3 레이저 발생기(150)의 파장(예컨대, 1550 nm ∼ 1570 nm을 사용하여 상태 식별용 산란신호를 감지할 수 있다. 이후, 노면기상 관측 장치(100)는 상기 세기 비율과 함께, 상기 감지된 상태 식별용 산란신호를 비교 함으로써, 얼음과 물(젖음), 습기에 관한 노면의 기상 상태를 보다 정확하게 구별할 수 있다.
또한, 실시예에서 노면기상 관측 장치(100)는, 제1 레이저 발생기(110) 및 제2 레이저 발생기(120)로 전력을 공급하는 전원 공급기(160)를 더 포함하여 구성할 수 있다. 이때. 전원 공급기(160)는 건조 상태의 노면에 대한 세기 비율 CR1이, 물에 젖은 상태의 노면에 대한 세기 비율 CR2 보다 n 배수(상기 n은 1 이상의 양의 정수)가 되는, 크기의 전력을 공급할 수 있다. 여기서 n은 가능하면 큰 값이 좋으며, 이는 노면이 젖은 상태의 신호와 건조한 상태의 신호 차이가 n배 만큼 크다는 의미이므로 기상상태의 구분이 더 분명하고 쉽다는 말이다. 따라서 젖음과 건조의 정확한 구분을 위해서 최소한 n이 2 이상의 값을 가지는 것이 좋다.
예컨대, 전원 공급기(160)의 전압을 선정하는 데에 있어, 노면기상 관측 장치(100)는, 건조한 노면의 세기 비율의 값이, 물에 젖은 노면의 세기 비율의 값 보다 최소 1.5 배 이상(2 배 이상이 적절함)으로 크게 할 수 있는, 제1 및 제2 레이저 발생기(110, 120)로부터의 출력을 지원한다.
또한, 실시예에서 분석기(140)는 Road Weather coefficient(RW) 값으로 정의 된 도로 기상(RW) 값으로서, RW = (Iλ1 - Iλ2)/(Iλ1 + Iλ2)를 더 고려하여 상기 노면에 대한 기상 상태를 측정할 수 있다. 노면 기상이 젖은 노면에서 조금씩 말라 가면서 노면의 표면 만 조금 젖어 있는 습기 상태의 노면으로 변할 때, CR 값은 약간 증가하게 된다. 이렇게 젖은 노면의 CR 값보다 약간 커진 습기 상태인 노면의 CR 값은, 결빙 상태의 CR 값과 그 세기가 매우 유사하게 되며, 구별이 쉽지 않을 수 있다.
이를 구분하기 위해, 노면기상 관측 장치(100)에서는 새로운 값인 도로 기상(RW) 값을 이용하고 있으며, 상기 도로 기상 값 RW를 정의하면, "RW = (I905 - I1550)/(I905 + I1550) = (Iλ1 - Iλ2)/(Iλ1 + Iλ2)"로 정의 된다. 노면기상 관측 장치(100)는 상기 도로 기상 값을 통해 노면의 다양한 기상 상태(건조, 젖음, 결빙, 습기, 눈, 슬러시 등)를 보다 명확하게 구별할 수 있게 한다.
노면기상 관측에 있어 낮 시간 관측은 태양광의 영향을 받는다. 따라서, 디텍터(130)에 수신되는 신호의 세기인 전압은, 태양의 배경신호에 의해 밤 시간 보다 더 크다. 보통 빛 신호를 수신한 디텍터(130)의 신호를 오실로스코프(Oscilloscope)나 아날로그 디지털 변환기인 ADC 등으로 신호의 세기를 측정하면, 특성은 다음과 같다. 밤 시간에 아무런 빛도 없는 상태에서, 디텍터(130)에 수신되어 오실로스코프 또는 ADC에 측정되는 신호의 세기인 전압은, 빛 신호가 상승하기 시작하는 베이스 라인(Base line)을 기준점으로 신호의 피크(Peak) 값까지의 전압을 그 신호의 세기로서 측정한다. 하지만 태양 빛이 있는 낮 시간의 빛 신호에는, 빛이 없을 때의 측정 기준점인 베이스 라인이 배경신호의 영향으로 떠버려서 높은 위치로 이동하게 된다.
따라서 낮 시간의 신호 세기는 밤 시간의 베이스 라인을 기준점으로 전압이 측정되어 밤 시간의 신호세기 보다 훨씬 크게 측정된다. 이렇게 낮 시간에 측정되는 신호세기인 전압은, 밤 시간의 베이스 라인으로부터 측정된 신호의 피크(Peak) 값까지의 전압이다. 하지만, 상기에서 설명한 배경신호를 제거하는, 대역패스필터(Band pass filter), 에지 필터(Edge filter), 레이저 라인 필터(Laser line filter) 등을 사용하면, 태양의 배경 신호는 완벽하지 않지만 상당부분 제거된다.
하지만 낮 시간의 신호를 측정할 때 밤 시간의 배경신호인 베이스라인을 기준으로 측정하는 것이 아니라 낮 시간에 측정된 펄스 신호의 진폭(Amplitude)만을 측정하면, 낮 시간에도 전압의 크기는 거의 변화 없이 일정하다.
따라서, 본 발명의 노면기상관측 장치(100)는 디텍터(130)에 수신된 산란신호의 전압을 베이스 라인으로부터 측정하는 것이 아니라 신호의 최대 진폭값(Maximum Amplitude)을 가지고 상기 신호의 세기 비율의 값인 CR 값 및 RW 값을 측정하고 이를 통해 노면의 기상을 안정적으로 관측할 수 있게 한다.
또한, 디텍터(130)는 제1 레이저 광에 연관되어 감지되는 제1 산란신호의 세기 Iλ1과, 제2 레이저 광에 연관되어 감지되는 제2 산란신호의 세기 Iλ2의 두 개의 신호를 임의의 특정 시간(1초 ∼ 600초) 동안 수신하고, 그 수신된 신호들의 진폭 평균값을 이용하여, 상기 세기 비율의 값 및 상기 도로 기상 값을 측정할 수도 있다.
일실시예에서, 노면기상 관측 장치(100)는 파장이 다른 두 개의 빔을 하나의 빔으로 합쳐주는 빔 결합기(170)를 추가적으로 포함하여 구성할 수 있다.
빔 결합기(170)는 상기 제1 레이저 광의 발사각을 미러를 통해 조정하고, 상기 조정된 제1 레이저 광을, 상기 제2 레이저 광에 결합하는 역할을 한다.
이에 따라, 노면기상 관측 장치(100)는 상기 결합된 레이저 광을, 상기 노면 내 일지점으로 하나의 광경로를 갖고 발사할 수 있게 된다.
즉, 노면기상 관측 장치(100)는 파장 λ1, λ2를 가진 두 개 또는 두 개 이상의 레이저 다이오드 빔들을 하나로 합쳐서 동일한 광경로를 가지고 진행시켜, 관측대상의 노면의 동일한 지점에서 두 빔이 겹쳐져서 노면의 기상 상태를 관측할 수 있게 한다.
또한, 일실시예에서, 분석기(140)는 상기 세기 비율과 연관된 측정 신호에 대해 여러 번 복수 회 미분하고, 상기 미분된 측정 신호 내에 존재하는 피크 신호를 이용하여, 상기 노면에 대한 기상 상태를 측정할 수 있다. 즉, 분석기(140)는 측정된 세기 비율의 값 및 도로 기상 값에 관한 신호를 1차 미분한 신호와 2차 미분한 신호를 이용해서 미세한 노면의 기상 상태변화를 측정할 수 있다.
상기 1차 미분한 신호와 2차 미분한 신호는 노면의 기상이 갑자기 변할 때 그래프 상으로 급격한 피크를 보이게 된다. 이에 따라, 분석기(140)는 상기 세기 비율인 CR 값이 작은 값에서 큰 값으로 변화하면 미분신호는 피크가 위로 발생하며, 반대로 상기 세기 비율인 CR 값이 큰 값에서 작은 값으로 바뀌면 아래쪽으로 피크 신호가 발생되어, 관측대상의 노면의 갑작스런 기상상태 변화를 인지할 수 있다.
다른 실시예에서, 노면기상 관측 장치(100)는, 히터 및 팬(180)을 추가적으로 포함하여 구성할 수 있다.
히터 및 팬(180)은 제1 및 제2 레이저 발생기(110, 120), 디텍터(130), 및 분석기(140) 등을 포함하는 케이스 내에 위치하고, 상기 케이스 내부의 온도를 일정한 온도로 유지할 수 있다. 즉, 히터는 상기 케이스 내부를 온도 상승시키고, 팬은 상기 케이스 내부의 공기를 순환시켜서 겨울철 결로를 방지하고, 여름에는 외부의 차가운 공기를 유입시켜 내부의 온도를 온도 하강시키는 역할을 한다.
실시예에 따라, 히터 및 팬(180)은 상기 케이스에 포함될 수 있는 온도 센서(Thermometer)의 동작에 기초하여 온도를 조절할 수도 있다.
즉, 노면기상 관측 장치(100)는, 레이저 다이오드의 출력과 파장을 일정하게 유지하기 위하여 제1 및 제2 레이저 발생기(110, 120), 디텍터(130) 등을 감싸는 내부 케이스와 단열재를 포함하는 외부 케이스를 포함하도록 구성하며, 히터 및 팬(180)은 상기 케이스 내부의 온도를 일정하게 유지시킨다. 이를 통해, 노면기상 관측 장치(100)는 겨울철 결로 방지 및 여름철 냉각을 통해 케이스 내부의 공기를 순환시킬 수 있게 된다.
상기 세기 비율인 CR 값 측정에 의한 노면 기상 상태의 구별에 있어 문제가 되는 것은, 노면에 존재하는 얼음과 물(젖음), 습기의 경우 구별이 어렵다는 것이다. 이에 따라 본 발명의 노면기상 관측 장치(100)는 상기 세기 비율인 CR값 측정 외에 눈의 흡수밴드가 있는 파장 영역인 1450 nm ∼ 1650 nm 중 임의 파장(예, 1550 nm)을 사용하여 후방산란 신호를 측정하고, 이를 상기 세기 비율과 함께 비교하여 용이하게 노면의 기상 상태를 구별할 수 있게 한다.
또한, 노면의 기상 상태 및 포장재의 종류에 따라 측정되는 세기 비율의 값인 CR값은 모두 상이할 수 있다. 노면에 존재하게 되는 물, 얼음 또는 결빙(Ice), 눈(Snow), 슬러시(Slush), 건조, 습기(표면만 약간 젖은 상태) 등의 노면 기상 상태에 따라 상기 세기 비율은 모두 조금씩 달라질 수 있다. 노면에 존재하는 눈의 경우에는, 상기 눈과 관련되는 CR값은 아주 커서, 쉽게 상기 눈의 존재 여부를 구별할 수 있다.
눈(Snow)의 흡수밴드가 있는 1450 nm ∼ 1650 nm 사이의 파장 영역에서 눈의 반사율(Reflectance)은 약 2% 정도로 매우 낮다. 따라서 1550 nm의 중심 파장을 갖는 레이저 다이오드를 광원으로 사용하였을 경우, 수신되는 눈의 노면 기상 신호의 크기는 다른 상태의 것보다 상대적으로 낮으나, 연산되는 CR 값은 오히려 매우 커진다. 그 이유는 파장 1550 nm의 신호에서는 반사율이 낮지만, 파장 905 nm의 신호에서는 반사율이 최소 75% 이상으로 높아, 두 신호의 세기 비율인 CR 값에서는 분모 값이 작아지는 관계로 상대적으로 CR 값이 커지기 때문이다. 이를 이용하여 본 발명의 노면기상 관측 장치(100)는 쉽게 눈(Snow)에 관한 산란신호를 구별할 수 있다.
또한, 물(젖은 노면)의 경우, 300 nm ∼ 2500 nm 파장 영역에서 반사율이 3% 이하로 매우 낮으며, 일정 부분의 빔이 물에 대해 흡수도 더불어 일어나기 때문에 디텍터에 수신되는 젖은(물) 노면의 신호는, 건조, 눈, 결빙, 젖음, 습기, 슬러시 등의 노면 기상 신호 중에서 가장 약할 수 있다.
따라서 1550 nm 중심 파장의 레이저 다이오드를 광원으로 사용하였을 경우 수신되는 젖은 노면상태의 기상 신호는, 다른 노면상태에 관한 기상 신호에 대해 상대적으로 낮아, 쉽게 노면이 물에 젖어 있음을 구별할 수 있다.
이를 통해, 본 발명에 의해서는 1550 nm의 레이저 다이오드를 사용 함에 따라, 물(젖음)과 얼음(결빙)을 쉽게 구분할 수 있다. 물(젖음)과 얼음(결빙)을 구분할 때 광원은 1450 nm ∼ 1650 nm 사이의 파장 영역 중에 가격과 출력 안정성 등을 고려하여 적절한 파장 중의 하나를 선택할 수 있다.
아스팔트 포장에 사용되는 검정색 로드 타르(Road Tar)는, 400 nm ∼ 2500 nm 파장 영역에서 약 6% 정도의 반사율을 가지고 있어 물보다 2배 이상 큰 반사율을 가지고 있다. 또한, 아스팔트는 상기 로드 타르와 함께 잘게 부순 자갈(흰색에 가까운 옅은 회색을 띰)이 섞여서 함께 존재하므로, 이 자갈들의 반사율은 상기 로드 타르의 것보다 매우 높다.
이 두 가지 효과가 서로 더해져서 1550 nm 중심 파장의 레이저 다이오드를 광원으로 사용하였을 경우, 디텍터에 수신되는, 건조한 아스팔트 노면의 신호는, 눈, 결빙, 젖음, 습기, 슬러시 등의 노면 기상 신호 중에서 제일 강하여, 명확한 구분이 가능할 수 있다.
이러한 노면 기상 상태의 구별에 있어서 중요한 것은, 두 파장, 즉 λ1, λ2의 레이저 다이오드 빔이 관측하고자 하는 노면의 동일한 지점에 두 빔이 맞아야 한다는 것이다. 그래야만 두 신호의 세기 비율인 CR값을 제대로 읽을 수 있기 때문이다. 만약, 두 빔이 각각 다른 지점에 맞게 되면, 두 신호의 세기 비율 인 CR값은 각각의 파장들이 노면의 서로 다른 지점 기상정보를 읽게 되어 완전히 달라지게 된다. 또한, 두 개의 레이저 광은 가능하면 거의 동일한 빔 사이즈를 선택하는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 두 개의 레이저 광은 동일한 광경로를 가지고 진행하여야 한다. 만약, 동일한 광경로를 갖지 않을 경우, 장비가 설치되는 높이의 변화로 인해, 두 개의 레이저 광이 관측 대상의 노면 상에 완전히 다른 두 지점에 도달하게 되어, 노면기상 관측 장치는 올바른 세기 비율을 측정할 수 없게 된다.
도 2는 노면기상 관측 장치의 송신 광학계의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에서는 노면기상 관측 장치(200)의 송신 광학계의 구성을 보여주고 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 노면기상 관측 장치(200)는, 두 개의 서로 다른 파장(λ1, λ2)을 가진 레이저 다이오드(또는 레이저)와 평행 빔과 빔 확대를 위한 각각의 렌즈 세트를 포함하는 송신 광학계와, 송신 광학계에서 각각 발진하는 제1 및 제2 레이저 광의 통과를 위해 케이스의 일부를 개방한 후 그 자리에 광학 구성품인 송신용 윈도우(Window, 242)를 두어 상기 제1 및 제2 레이저 광을 최대한 손실 없이 통과시키고 내부의 온도도 일정하게 유지하고 먼지나 습기 등이 케이스 내부로 유입되는 것을 막을 수 있게 구성되어 있다.
또한, 노면기상 관측 장치(200)는 송신 광학계에서 발진된 서로 다른 파장(λ1, λ2)의 제1 및 제2 레이저 광을, 미러(230)와 빔 결합기(240)를 이용하여 단일의 레이저 광으로 합친 후, 윈도우(242)를 통해 측정대상의 노면으로 발사시킨다.
도 2를 참조하면, 노면기상 관측 장치(200)는 파장 λ1를 갖는 제1 레이저 광의 발사각을 미러(230)를 통해 직각으로 조정하고, 상기 조정된 제1 레이저 광과, 파장 λ2를 갖는 제2 레이저 광을 빔 결합기(2400)에서 결합하여 단일의 레이저 광을 생성한다. 이후, 노면기상 관측 장치(200)는 λ1 파장을 가진 빔과 λ2을 가진 빔을 모두 포함하는 상기 생성된 단일의 레이저 광을 윈도우(242)를 통해 동일한 광경로를 가지고 노면으로 발사하게 된다.
이에 따라, 노면기상 관측 장치(200)는 두 개의 레이저 광이 항상 동일한 광경로를 가지고 관측 지점의 노면에 도달하도록 하여 상기 노면의 기상 상태 정보를 정확하게 측정할 수 있게 한다.
또한, 노면기상 관측 장치(200)는, 상기 케이스 내의 온도를, 예컨대 15℃∼25℃ 사이의 온도 조절을 위한 히터(260)와 온도 센서(270)를 포함하고, 상기 케이스 내부의 환기를 위한 팬(280)를 포함할 수 있다. 상기 케이스는 단열을 위한 단열재와 방수를 위한 2중 케이스로 구성될 수 있다.
또한, 노면기상 관측 장치(200)는 상기 제1 및 제2 레이저 광(또는 단일의 레이저 광)이 도달하는 노면의 위치를 정확하게 파악하기 위한 빔 정렬용의 레이저 다이오드(250)를 더 포함할 수 있다.
노면기상 관측 장치에서는 두 개의 레이저 광이 인간의 눈에 보이지 않는 파장들(λ1, λ2, λ1+λ2)을 사용하므로, 노면기상 관측 장치(200)는 예컨대 붉은색(630-680 nm) 또는 초록색(500-550 nm) 계열의 가시광선 파장(λ3)을 가진 빔 정렬용의 레이저 또는 레이저 다이오드(530)를 사용하여, 상기 노면에 도달하는 레이저 광의 위치를 사용자로 하여금 정확히 파악할 수 있게 한다.
도 3은 노면기상 관측 장치의 수신 광학계의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에서는 수신 광학계의 구성을 보여주고 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 노면기상 관측 장치(300)의 수신 광학계는, 두 개의 레이저 광이 노면에서 후방 산란되어 파장 λ1을 갖는 산란신호와, 파장 λ2를 갖는 산란신호를, 각각의 수신용 윈도우(312, 314)를 통해 입력 받는다. 이때, 산란신호는 각 파장에 따라, 상이한 광경로를 갖고 입력될 수 있다.
윈도우(312, 314)를 통해 입력된 복수의 산란신호는, 복수의 수신 광학계(310) 각각에서 감지되며, 예컨대, 파장 λ1의 산란신호와, 파장 λ2의 산란신호 각각을 수신 광학계(310)에 포함되는 포토 다이오드로 전달될 수 있다.
상기 수신 광학계는 역시 온도가 유지되고 방수가 가능한 케이스 속에 위치하며, 히터(260)와 온도 센서(270)에 의해 온도가 일정하게 유지되고 팬(280)으로 외부 공기의 유입과 환기를 통해 케이스 내부에 결로를 방지할 수 있다. 히터(260)와 온도 센서(270)의 위치는 케이스 내부 공간의 체적에 따라 다르게 정해질 수 있으며, 팬(280)의 개수와 위치 또한 조정과 이동을 통해 효율적으로 배치될 수 있다.
도 4는 노면기상 관측 장치의 송신 광학계와 수신 광학계를 결합한 일례를 설명하는 도면이다.
도 4에는 레이저 광을 측정 대상인 노면으로 발사하는 송신 광학계와, 상기 노면에서 상기 레이저 광에 의해 후방 산란된 산란신호를 수신하는 수신 광학계를 통합하여, 하나의 케이스 내로 포함하여 구성한 노면기상 관측 장치(400)를 예시한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 노면기상 관측 장치(400)의 송신 광학계는 송신 광학계에서 각각 발진하는 파장 λ1를 갖는 제1 레이저 광과 파장 λ2를 갖는 제2 레이저 광을, 미러(230)와 빔 결합기(240)에서 단일의 레이저 광으로 결합한 후, 송신용 윈도우(242)를 통해 동일한 광경로로, 측정대상의 노면을 향해 발사한다.
노면기상 관측 장치(400)의 수신 광학계는, 상기 노면에서 상기 레이저 광에 의해 후방 산란된 산란신호를 수신한다. 이때, 노면기상 관측 장치(400)는, 파장 별로 상기 산란신호를 독립적으로 수신할 수 있다. 예컨대 도 4에는, 파장 λ1의 제1 레이저 광과 연관되어 후방 산란된 산란신호를 수신용 제1 윈도우(312)를 통해 수신되어, 디텍터(630)에서 감지하고, 파장 λ2의 제2 레이저 광과 연관되어 후방 산란된 산란신호를 수신용 제2 윈도우(314)를 통해 수신되어, 다른 디텍터(130)에서 감지하는 것을 예시하고 있다.
도 4과 같은 노면기상 관측 장치(400)에서 히터(260)와 온도 센서(270)의 위치는 내부 공간의 체적에 따라 다르게 설치할 수 있으며 팬(280)의 개수와 위치 또한 조정과 이동이 가능할 수 있다.
도 5 내지 도 9는 다양한 노면에 대한 실험 결과치를 나타내는 도면이다.
도 5는 두 파장 노면기상 관측 장치를 이용하여 다양한 노면 기상 조건에서 디지털 오실로스코프로 측정된 세기 비율에 대한 신호의 모습을 보인 것이다.
도 5를 참조하면, 눈(Snow)과 눌린 눈(Packed snow)의 CR값은 100 이상으로 매우 큼을 알 수 있고, 이로 인해 쉽게 구분이 가능하다. 하지만, 결빙(Ice), 젖음(Water), 습기(Wet) 신호의 세기 비율의 값은 서로 매우 비슷함을 알 수 있다. 눈의 CR 값은, 노면에 맞는 빔의 크기가 작으면 빔 세기(Intensity)가 강해 산란 세기 역시 강해져서 100 이상이 될 수도 있고, 노면에 맞는 빔의 크기가 크면 빔 세기(intensity)가 약해 산란 세기 역시 약해져서 10으로 떨어질 수도 있다. 이러한 CR 값의 변화는 송신 광학계(210, 220)에 의해 노면에 만들어지는 레이저 다이오드 빔의 크기에 달려있다.
도 6은 1550 nm 레이저 다이오드 빔이 아스팔트 노면에서 산란된 것을 포토 다이오드로 수신하여 디지털 오실로스코프로 측정된 파형의 모양이다. 1550 nm에는 눈(snow)에 쉽게 흡수되는 흡수라인이 포함되고 있어, 다른 물질에 비해 상대적으로 눈에 관한 산란신호의 세기는 약하게 측정된다. 또한, 물에서의 산란신호는 상기 눈에서의 산란신호의 크기 보다 더욱 약하게 측정될 수 있다.
결빙과 젖음의 노면 신호를 명확히 구분하기 위해서는 도 5의 세기 비율인 CR 값과 함께 1550 nm 신호를 같이 복합적으로 이용하여 노면의 기상 상태를 구분하는 것이 반드시 필요하다.
도 7은 결빙된 아스팔트와 젖은 아스팔트 신호의 분명한 구분을 설명하기 위한 도면이다. 즉, 도 7에서는, 1550 nm 레이저 다이오드 빔을 아스팔트 노면에서 쏘아서 포토 다이오드로 수신하여 측정된 파형의 모양을 나타내고 있으며, 각 파형은, 건조한 아스팔트(Dry), 아스팔트 위에 결빙(Ice), 아스팔트 위에 물이 고여 있는 젖음(Water)의 기상 상태를 나타낸다.
젖음(Water)의 기상 상태에 관한 파형은 1550 nm 파장의 빛이 물에 흡수되어 펄스 신호의 모양이 거의 나타나지 않고 거의 바닥에 깔려서 3 mV 이하의 신호 크기를 가진 모습을 하고 이다.
반대로 결빙(Ice)의 기상 상태에 관한 파형은, 펄스 모양이 분명히 존재하며 약 25 mV 정도의 신호 세기를 가지고 있어, 상기 젖음(Water)의 기상 상태에 관한 파형과의 격차가 아주 커서 분명한 구분이 가능하다.
건조(Dry)의 기상 상태에 관한 파형은, 결빙(Ice)과 젖음(Water)의 파형 보다 항상 크고 또한 신호가 가장 커서 약 110 mV 정도의 신호 세기를 보였다.
이러한 도 7의 신호는 도 6에서 보인 다양한 아스팔트 위의 눈, 슬러시, 결빙, 젖음, 습기, 건조 등의 기상 상태에서 보인 신호의 크기와 일치하는 경향을 보인다. 또한, 도 4에서도 1550 nm 레이저 다이오드 빔의 경우, 건조한 노면의 신호가 가장 세기가 강한 것을 알 수 있어 도 7의 결과와는 서로 일치함을 알 수 있다.
도 8은 도 6과 동일한 실험 조건에서, 건조한 아스팔트(Dry), 아스팔트 위의 결빙(Ice), 아스팔트 위에 물이 고여 있는 젖음(Water)의 기상 상태를, 905 nm 레이저 다이오드 빔을 아스팔트 노면에서 쏘아서 포토 다이오드로 수신하여 측정된 파형의 모양이다.
상기 905 nm 빔 신호의 경우, 1550 nm 빔의 신호와 동일하게, 건조한 아스팔트(Dry)의 파형이 가장 강하였으며, 그 크기는 약 1.3 V 정도의 세기를 보였다.
결빙(Ice)과 적음(Water)의 파형은 거의 동일한 크기를 보이고 있어, 구별이 어렵다. 이는 905 nm에서는 얼음과 물의 광학적 특성이 거의 동일하기 때문에 나타나는 현상이다.
도 9는 비접촉 두 파장 노면기상 관측 장치에서 세기 비율의 값과 도로 기상 값을, 측정한 결과를 나타낸다. 도 9에서는, 아스팔트 노면 상의 얕은 물 웅덩이에 고여있던 물이 겨울철 낮은 온도로 결빙(Ice)되고, 이후 낮 시간에 온도가 올라가면서 상기 결빙된 물이 가장자리부터 녹으면서 젖어 있는(Wet) 기상 상태를, 스캐닝하여 측정한 신호를 도시하고 잇다.
도 9에서, 수직 방향의 실선 두 개(x-축 6.3과 12.2 지점의 수직 실선들)을 중심으로 그 안쪽은 결빙(Ice) 상태를 나타내고, 그 바깥쪽은 젖음(Wet) 상태를 나타낸다. 이때, 측정된 세기 비율 CR 값과 RW 값은, 결빙(Ice)과 젖음(Wet)의 기상 상태에 따라 변화한다.
예컨대, 도 9의 세기 비율의 값 18.8 기준으로, 세기 비율(CR)의 값에 관한 신호와, 도로 기상(RW)의 값에 관한 신호는 완전히 대칭이 되고, 본 발명에서는 이를 통해 결빙(Ice)과 젖음(Wet)에 대한 분명한 구별을 가능하게 한다.
본 발명에 사용되는 광원은 펄스형 또는 연속발진형 광원 모두 사용될 수 있다. 다만, 후방산란으로 되돌아오는 산란신호의 광량을 최대로 유지하기 위해서는, 순간적인 피크 출력이 높은 펄스형 광원(레이저 다이오드 또는 레이저)을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 반면, 1 m 이내의 가까운 거리에서의 도로 기상 측정에는 연속 발진형 광원을 사용하는 것이 유리할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 노면기상 관측 장치(100)의 작업 흐름을 상세히 설명한다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 노면기상 상태의 구별 방법을 구체적으로 도시한 작업 흐름도이다.
본 실시예에 따른 노면기상 상태의 구별 방법은 상술한 노면기상 관측 장치(100)에 의해 수행될 수 있다.
우선, 노면기상 관측 장치의 제1 레이저 발생기는 측정 대상인 노면에서의 반사 정도를 고려하여 결정된 제1 파장을 갖는 제1 레이저 광을 발진한다(1010). 단계(1010)에서 노면기상 관측 장치는 제1 레이저 발생기에서 노면에서의 반사 효율이 좋은 파장 대의 제1 레이저 광을 발사할 수 있다. 일례로서, 제1 레이저 발생기는 물 또는 눈에 대해 반사가 상대적으로 잘 이루어지는 900 nm ∼ 920 nm 중에서 어느 하나를, 상기 제1 파장으로 결정할 수 있다.
또한, 노면기상 관측 장치의 제2 레이저 발생기는 상기 노면에서의 흡수 정도를 고려하여 결정되고, 상기 제1 파장과 상이한 제2 파장을 갖는 제2 레이저 광을 발진한다(1020). 단계(1020)에서 노면기상 관측 장치는 제2 레이저 발생기에서 노면에서의 흡수 효율이 좋은 파장 대의 제2 레이저 광을 발사할 수 있다. 일례로서, 제2 레이저 발생기는 상기 물 또는 상기 눈에 대해 흡수가 상대적으로 잘 이루어지는, 1230 nm ∼ 1350 nm, 1450 nm ∼ 1650 nm 중에서 어느 하나를, 상기 제2 파장으로 결정할 수 있다.
즉, 단계(1010, 1020)에서의 노면기상 관측 장치는 복수의 레이저 다이오드 또는 복수의 레이저 광원 각각으로 다른 파장의 레이저 광을 생성한다. 파장의 결정에 있어서, 노면기상 관측 장치는 태양광의 영향이 최소화될 수 있는, 예컨대 중심파장 900 nm ∼ 920 nm의 제1 파장과, 중심파장 1520 nm ∼ 1580 nm의 제2 파장을 결정할 수 있다.
계속해서, 노면기상 관측 장치의 디텍터는 상기 노면에서 상기 제1 레이저 광 및 제2 레이저 광에 의해 후방 산란되는 복수의 산란신호를 감지한다(1030). 단계(1030)에서 노면기상 관측 장치는 디텍터에서 상기 노면의 표면으로 발사된 상기 레이저 광에 의해 사방으로 산란 되어진 광들을 수신하여 감지할 수 있다.
또한, 노면기상 관측 장치의 분석기는 상기 산란신호들의 세기 비율(Color Ratio)을 연산하여, 상기 노면에 대한 기상 상태를 측정한다(1040). 단계(1040)에서 노면기상 관측 장치는 분석기에서 상기 산란신호를 디지털 신호로 바꾼 다음 정해진 알고리즘을 통해 분석하여, 상기 노면의 기상 상태를, 예컨대 건조(정상), 젖음(비), 결빙(얼음), 눈(강설) 등으로 측정하는 역할을 한다.
상기 노면에 대한 기상 상태의 측정에 있어서, 노면기상 관측 장치는 상기 제1 레이저 광과 연관하여 감지되는 제1 산란신호의 세기, 및 상기 제2 레이저 광과 연관하여 감지되는 제2 산란신호의 세기 중 적어도 하나를 고려하여, 상기 노면에 대한 기상 상태를 측정할 수 있다.
예컨대, 상기 제1 산란신호의 파장을 λ1으로, 또한 상기 제2 산란신호의 파장을 λ2로 하는 경우, 노면기상 관측 장치는 상기 두 파장의 신호세기(Intensity)인 Iλ1과 Iλ2, 그리고 두 신호의 세기 비율인 Iλ1/Iλ2 또는 Iλ2/Iλ1을 통하여 관측 대상인 상기 노면의 종류와 기상 상태를 예측할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 노면기상 관측 장치에 의해서는, 어떤 특정한 기상 조건에서 잘 흡수되거나 산란이 잘 일어나는 파장을 가진 레이저 광들을 노면의 표면으로 쏘아서 후방으로 산란되어 되돌아오는 산란신호를 디텍터를 이용하여 수신한 다음 이를 분석하여 상기 노면의 기상 상태를 인지할 수 있게 한다.
일실시예에서, 노면기상 관측 장치의 제3 레이저 발생기는 눈(snow)에 대해 흡수 밴드가 있는 1450 nm ∼ 1650 nm 중에서 어느 하나의 파장을 갖는 제3 레이저 광을 발진할 수 있다. 이에 따라, 노면기상 관측 장치는 상기 노면에서 상기 제3 레이저 광에 의해 후방 산란되는 상태 식별용 산란신호를, 상기 세기 비율과 함께 고려하여 상기 노면에 대한 기상 상태를 측정할 수 있다.
또한, 실시예에서 노면기상 관측 장치의 전원 공급기는, 제1 레이저 발생기 및 제2 레이저 발생기로 전력을 공급할 수 있다. 이때. 전원 공급기는 건조 상태의 노면에 대한 세기 비율 CR1이, 물에 젖은 상태의 노면에 대한 세기 비율 CR2 보다 n 배수(상기 n은 1 이상의 양의 정수)가 되는, 크기의 전력을 공급할 수 있다.
예컨대, 전원 공급기의 전압을 선정하는 데에 있어, 노면기상 관측 장치는, 건조한 노면의 세기 비율의 값이, 물에 젖은 노면의 세기 비율의 값 보다 최소 1.5 배 이상(2 배 이상이 적절함)으로 크게 할 수 있는, 제1 및 제2 레이저 발생기로부터의 출력을 지원한다.
또한, 실시예에서 노면기상 관측 장치는 이미 언급한 도로 기상(RW) 값인 "RW = (I905 - I1550)/(I905 + I1550) = (Iλ1 - Iλ2)/(Iλ1 + Iλ2)"를 더 고려하여 상기 노면에 대한 기상 상태를 측정할 수 있다. 예컨대, 노면기상 관측 장치에서는 새로운 값인 도로 기상(RW)을 통해 노면의 다양한 기상 상태(건조, 젖음, 결빙, 습기, 눈, 슬러시 등)를 보다 명확하게 구별할 수 있게 한다.
또한, 노면기상 관측 장치는 제1 레이저 광에 연관되어 감지되는 제1 산란신호의 세기 Iλ1과, 제2 레이저 광에 연관되어 감지되는 제2 산란신호의 세기 Iλ2의 두 개의 신호를 임의의 특정 시간(1초 ∼ 600초) 동안 수신하고, 그 수신된 신호들의 진폭 평균값을 이용하여, 상기 세기 비율의 값 및 상기 도로 기상 값을 측정할 수도 있다.
일실시예에서, 노면기상 관측 장치의 빔 결합기는 제1 레이저 광의 발사각을 미러를 통해 조정하고, 상기 조정된 제1 레이저 광을, 제2 레이저 광에 결합 함으로써, 상기 결합된 레이저 광을, 상기 노면 내 일지점으로 하나의 광경로를 갖고 발사할 수 있게 한다.
즉, 노면기상 관측 장치는 파장 λ1, λ2를 가진 두 개 또는 두 개 이상의 레이저 다이오드 빔들을 동일한 광경로를 가지고 진행시켜, 관측대상의 노면의 동일한 지점에서 두 빔이 겹쳐져서 노면의 기상 상태를 관측할 수 있게 한다.
또한, 일실시예에서, 노면기상 관측 장치는 상기 세기 비율과 연관된 측정 신호에 대해 복수 회 미분하고, 상기 미분된 측정 신호 내 피크를 이용하여, 상기 노면에 대한 기상 상태를 측정할 수 있다. 즉, 노면기상 관측 장치는 측정된 세기 비율의 값 및 도로 기상 값에 관한 신호를 1차 미분한 신호와 2차 미분한 신호를 이용해서 미세한 노면의 기상 상태변화를 측정할 수 있다.
다른 실시예에서, 노면기상 관측 장치의 히터 및 팬은 제1 및 제2 레이저 발생기, 디텍터, 및 분석기 등을 포함하는 케이스 내에 위치하고, 상기 케이스 내부의 온도를 일정한 온도로 유지할 수 있다. 즉, 히터는 상기 케이스 내부를 온도 상승시키고, 팬은 상기 케이스 내부의 공기를 순환시켜서 겨울철 결로를 방지하고, 여름에는 외부의 차가운 공기를 유입시켜 내부의 온도를 온도 하강시키는 역할을 한다.
상기 CR 값의 측정에 의한 노면 기상상태의 구별에 있어 문제가 되는 것은, 노면에 존재하는 얼음과 물(젖음), 습기 상태에 대한 구별이 어렵다는 것이다. 이러한 문제점을 해결하는 본 발명에 의해서는, 상기 CR 값의 측정 이외에 눈의 흡수밴드(Absorption Band)가 있는 파장 영역인 1450 nm ∼ 1650 nm 사이에 있는 파장 영역대의 광원(예, 1550 nm)을 사용하여 후방산란 신호를 측정하고, 이를 CR 값과 함께 비교하여 노면의 기상 상태를 보다 정확하게 구별할 수 있게 한다.
본 발명은 단일 파장이 아닌 두 개 이상의 레이저 다이오드(또는 레이저)를 사용하여 두 개 이상의 파장을 가진 두 파장 지면관측 장치를 사용 함으로써, 단일 파장 기상 관측 장치에서 안개, 박무, 에어로졸, 물방울 등의 외부 기상환경 요인에 의하여 발생하는 관측 오류를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 두 개 또는 그 이상의 레이저 다이오드 빔들을 각기 다른 레이저 다이오드(또는 레이저)에서 서로 상이한 파장으로 발사하고, 이들을 빔 결합기(Beam combiner)에서 합쳐 하나의 동일한 광경로를 가지면서 관측대상 노면 또는 물체의 동일한 지점에 조사 함으로써, 지표면의 기상 상태를 보다 정확히 구분할 수 있게 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 관측 대상 지표면의 온도를 비접촉 방법으로 측정하기 위해 적외선 파장을 가진 적외선 온도계(IR Thermometer)를 케이스 내부에 장착하여 지표면의 온도와 기상 상태를 같이 측정할 수 있다. 이를 통해, 본 발명은 겨울철 도로의 결빙이 일어나는 온도인 0℃ 이하의 지표면 온도의 파악과 도로의 결빙 여부를 결정하는데 중요한 단서를 제공할 수 있는 구성을 가지고 있다.
또한, 본 발명에 의해서는, 두 파장의 노면기상 관측 장치를 GPS 장치와 함께 결합하여 정학한 위치에서의 지면 기상정보를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100 : 노면기상 관측 장치 110 : 제1 레이저 발생기
120 : 제2 레이저 발생기 130 : 디텍터
140 : 분석기 150 : 제3 레이저 발생기
160 : 전원 공급부 170 : 빔 결합기
180 : 팬 & 히티

Claims (14)

  1. 제1 레이저 발생기에서, 측정 대상인 노면에서의 반사 정도를 고려하여 결정된 제1 파장을 갖는 제1 레이저 광을 발진하는 단계;
    제2 레이저 발생기에서, 상기 노면에서의 흡수 정도를 고려하여 결정되고, 상기 제1 파장과 상이한 제2 파장을 갖는 제2 레이저 광을 발진하는 단계;
    제3 레이저 발생기에서, 제3 파장을 갖는 제3 레이저 광을 발진하는 단계;
    디텍터에서, 상기 노면에서 상기 제1 레이저 광 및 상기 제2 레이저 광에 의해 후방 산란되는 복수의 산란신호를 감지하는 단계; 및
    분석기에서, 상기 제1 레이저 광과 연관하여 감지되는 제1 산란신호의 세기 Iλ1과, 상기 제2 레이저 광과 연관하여 감지되는 제2 산란신호의 세기 Iλ2와의 비율인 CR(Color Ratio)과, 도로 기상(Road Weather) 값으로서, RW = (Iλ1 - Iλ2)/(Iλ1 + Iλ2)를 고려하여, 상기 노면에 대한 기상 상태를 측정하는 단계
    를 포함하는 노면기상 관측 장치에서의 노면기상 상태의 구별 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이저 광을 발진하는 단계는,
    물 또는 눈에 대해 반사가 상대적으로 잘 이루어지는 900 nm ∼ 920 nm 중에서 어느 하나를, 상기 제1 파장으로 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 레이저 광을 발진하는 단계는,
    상기 물 또는 상기 눈(Snow)에 대해 흡수가 상대적으로 잘 이루어지는, 1230 nm ∼ 1350 nm, 1450 nm ∼ 1650 nm 중에서 어느 하나를, 상기 제2 파장으로 결정하는 단계
    를 포함하는 노면기상 관측 장치에서의 노면기상 상태의 구별 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이저 발생기와 상기 제2 레이저 발생기에서, 온도의 변화에 따라 이동하는 상기 제1 파장과 상기 제2 파장의 중심파장을 고정하여 발진할 수 있도록 상기 제1 레이저 발생기 및 상기 제2 레이저 발생기의 온도를 일정하게 유지하는 단계; 및
    발진 스펙트럼 반치폭(FWHM)이 5 nm ∼ 25 nm로 정해진 광원을 선정하는 단계
    를 더 포함하는 노면기상 관측 장치에서의 노면기상 상태의 구별 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제3 레이저 발생기에서, 눈(snow)에 대해, 또 다른 흡수 밴드(Absorption Band)가 있는 1230 nm ∼ 1350 nm 중에서 어느 하나의 파장을 갖는 제3 레이저 광을 발진하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 노면에 대한 기상 상태를 측정하는 단계는,
    상기 노면에서 상기 제3 레이저 광에 의해 후방 산란되는 기상 상태 식별용 산란신호를, 상기 세기 비율인 CR값과 함께 고려하여 상기 노면에 대한 기상 상태를 측정하는 단계
    를 포함하는 노면기상 관측 장치에서의 노면기상 상태의 구별 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    전원 공급기에서, 상기 제1 레이저 발생기 및 상기 제2 레이저 발생기로, 건조 상태의 노면에 대한 세기 비율 CR1이, 물에 젖은 상태의 노면에 대한 세기 비율 CR2 보다 n 배수(상기 n은 1 이상의 양의 정수)가 되는, 크기의 전력을 상기 제1 레이저 발생기, 상기 제2 레이저 발생기, 및 상기 제3 레이저 발생기 중 어느 하나로 공급하는 단계
    를 더 포함하는 노면기상 관측 장치에서의 노면기상 상태의 구별 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 노면에 대한 기상 상태를 측정하는 단계는,
    상기 산란신호의 최대 진폭값(Maximum Amplitude), 또는 상기 산란신호의 진폭의 평균값을 이용하여 상기 세기 비율인 CR 값 및 상기 RW 값 중 적어도 하나를 연산하는 단계
    를 더 포함하는 노면기상 관측 장치에서의 노면기상 상태의 구별 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 CR 값 및 상기 RW 값 외에, 복수의 레이저 광 중 제1 레이저 광과 연관하여 감지되는 제1 산란신호의 세기인 Iλ1과, 및 제2 레이저 광과 연관하여 감지되는 제2 산란신호의 세기인 Iλ2 중 적어도 하나 이상을 더 고려하여, 상기 노면에 대한 기상 상태를 측정하는 단계
    를 더 포함하는 노면기상 관측 장치에서의 노면기상 상태의 구별 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 노면에 대한 기상 상태를 측정하는 단계는,
    상기 세기 비율인 CR 값과 연관된 측정 신호에 대해 복수 회 미분하고, 상기 미분된 측정 신호 내 피크를 이용하여, 상기 노면에 대한 기상 상태 변화를 측정하는 단계
    를 포함하는 노면기상 관측 장치에서의 노면기상 상태의 구별 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    빔 결합기에서, 상기 제1 레이저 광의 발사각을 미러를 통해 조정하고, 상기 조정된 제1 레이저 광을, 상기 제2 레이저 광에 결합하여, 상기 결합된 두 레이저 광이 동일한 광경로로, 상기 노면 내 동일한 일지점으로 하나의 광경로를 갖고 발사되도록 하는 단계
    를 더 포함하는 노면기상 관측 장치에서의 노면기상 상태의 구별 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이저 발생기, 상기 제2 레이저 발생기, 상기 디텍터, 및 상기 분석기 중 적어도 하나를 포함하는 케이스의 내부를 설정된 온도로 유지하는 히터와 팬을 구비하는 단계
    를 더 포함하는 노면기상 관측 장치에서의 노면기상 상태의 구별 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이저 발생기, 상기 제2 레이저 발생기, 및 상기 제3 레이저 발생기 중 어느 하나의 동작 반복율을, 0.1 kHz ∼ 6 kHz 중 어느 하나로 선정하는 단계
    를 더 포함하는 노면기상 관측 장치에서의 노면기상 상태의 구별 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이저 발생기, 상기 제2 레이저 발생기, 및 상기 제3 레이저 발생기 중 어느 하나의 펄스폭을 20 ns ∼ 200 ns 중 어느 하나로 선정하는 단계
    를 더 포함하는 노면기상 관측 장치에서의 노면기상 상태의 구별 방법.
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