KR101499642B1 - 바람장측정용 도플러 라이다의 측정오차보정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저 주파수 고정 오차가 도플러 신호 및 바람장의 측정오차로 전이되는 것을 방지할 수 있는 바람장 측정용 도플러 라이다 및 이의 측정오차 보정방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 바람장 측정용 도플러 라이다는 레이저 빔을 발진하는 레이저 발진기; 상기 레이저 빔을 대기 중에 조사하고, 공기분자 또는 에어로졸에 의해 산란된 광을 수신하는 레이저 송수신 광학계; 제1 금속증기 필터와 상기 레이저 빔의 주파수를 고정하기 위해 상기 레이저 빔의 일부를 받아서 상기 제1 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 측정하는 제1 및 제2 광센서를 포함한 주파수 고정 유닛; 제2 금속증기 필터와, 상기 산란 광의 도플러 신호를 측정하기 위해 상기 레이저 송수신 광학계로부터 상기 산란 광을 받아서 상기 제2 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 측정하는 제3 및 제4 광센서를 포함한 도플러 신호 측정 유닛; 상기 제1 및 제2 광센서로부터 측정 데이터를 전달받아 상기 레이저 빔의 주파수 고정값을 연산하여 상기 레이저 발진기의 주파수를 고정하고, 상기 제3 및 제4 광센서로부터 측정 데이터를 전달받아 도플러 신호 및 바람장을 연산하는 제어부; 및 상기 제1 금속증기 필터에 입사되는 상기 레이저 빔의 일부를 상기 제2 금속증기 필터에 통과시키고, 상기 제2 금속증기 필터를 통과한 광을 측정하여 상기 제어부에 전송하는 제5 광센서를 포함하는 오차보정 광학계를 포함한다.
본 발명에 따른 바람장 측정용 도플러 라이다는 레이저 빔을 발진하는 레이저 발진기; 상기 레이저 빔을 대기 중에 조사하고, 공기분자 또는 에어로졸에 의해 산란된 광을 수신하는 레이저 송수신 광학계; 제1 금속증기 필터와 상기 레이저 빔의 주파수를 고정하기 위해 상기 레이저 빔의 일부를 받아서 상기 제1 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 측정하는 제1 및 제2 광센서를 포함한 주파수 고정 유닛; 제2 금속증기 필터와, 상기 산란 광의 도플러 신호를 측정하기 위해 상기 레이저 송수신 광학계로부터 상기 산란 광을 받아서 상기 제2 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 측정하는 제3 및 제4 광센서를 포함한 도플러 신호 측정 유닛; 상기 제1 및 제2 광센서로부터 측정 데이터를 전달받아 상기 레이저 빔의 주파수 고정값을 연산하여 상기 레이저 발진기의 주파수를 고정하고, 상기 제3 및 제4 광센서로부터 측정 데이터를 전달받아 도플러 신호 및 바람장을 연산하는 제어부; 및 상기 제1 금속증기 필터에 입사되는 상기 레이저 빔의 일부를 상기 제2 금속증기 필터에 통과시키고, 상기 제2 금속증기 필터를 통과한 광을 측정하여 상기 제어부에 전송하는 제5 광센서를 포함하는 오차보정 광학계를 포함한다.
Description
본 발명은 비간섭성 펄스 레이저와 경계 필터를 사용하는 바람장 측정용 도플러 라이다에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 주파수 고정 오차(locking error)가 도플러 신호 및 바람장의 측정오차로 전이되는 것을 방지할 수 있는 바람장 측정용 도플러 라이다 및 이의 측정오차 보정방법에 관한 것이다.
일반적으로 라이다(LIDAR; Light Detection and Ranging) 기술은 대기 중으로 레이저 빔을 조사하여 대기 중에 존재하는 공기분자나 에어로졸에 의해 산란된 후방산란 신호를 수신하여 해석함으로써 대기 상태를 관측하는 기술이다. 라이다 기술은 레이저의 파장이 다른 윈드프로파일러(wind profiler)에 비해 짧기 때문에 먼지 등이 존재하지 않은 대기 상태에서도 바람장을 측정할 수 있는 유리함이 있다. 이는 작은 입자에 의한 전자기파의 산란 세기가 파장의 길이에 반비례하기 때문이다.
특히, 도플러 라이다(Doppler LIDAR)는 레이저 빔이 공기 중에서 산란되어 돌아오면서 공기의 속도에 따라 도플러 효과가 나타나는 것을 측정하여 대기 중의 바람장을 측정하는 장치이다. 도플러 라이다는 도플러 효과에 의한 파장(또는 주파수) 변이(shift)를 측정하여 바람의 속도를 측정하게 된다.
도플러 라이다에서 공기에 의한 산란 광의 주파수 변이(Δυ)는 다음과 같은 식을 통해 알 수 있다.
여기서, υ는 입사된 레이저 빔의 주파수를 나타내고, V는 움직이는 입자의 관측자의 선속도를 의미한다. 상기 식에서 알 수 있듯이 입자의 속도변화에 비하여 빛의 속도(C)가 크기 때문에 실제 파장 이동은 아주 작다.
한편, 입자의 이동 속도에 따라 미세하게 달라지는 산란 광의 주파수 변화를 측정하는 방법은 경계 필터(edge filter)를 사용하는 것이 일반적이다. 경계 필터로 에탈론(etalon)을 사용하기도 하는데, 에탈론은 구조가 복잡한 편이어서 제작이 어렵고 비용이 많이 소요될 뿐 아니라 온도 제어 장치들의 정밀도가 높아야 하는 단점이 있다. 이로 인해 요오드 셀(iodine cell)과 같은 금속증기 필터를 이용하는 방법이 사용되고 있다.
도 1을 참조하여 요오드 셀의 투과도(흡수도)를 이용한 방법의 원리를 설명하면 다음과 같다. 가까워지는 방향(-10m/sec)으로 움직이는 입자에 의하여 산란된 도플러 파장 이동된 산란 광은 움직이지 않은 입자에서 산란된 레이저 광에 비해 비하여 주파수가 높아져서 투과도가 떨어지게 되고, 반대로 멀어지는 방향(+10m/sec)으로움직이는 입자에 의한 산란 광은 주파수가 낮아져서 필터의 투과도가 큰 파장 영역을 통과하게 된다. 즉, 움직이는 입자는 도플러 파장 이동에 의해 투과도가 변하게 된다.
도 2는 요오드 셀의 흡수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 도 2에 도시된 바와 같이 요오드(I2)는 레이저 파장 근처에서 다양한 흡수 스펙트럼이 나타난다. 이 경우 같이 요오드 셀에서 투과도(흡수도)의 기울기가 가장 큰 영역, 즉 투과도가 중간(1/2)쯤 되는 지점(locking point)에서 감도가 가장 좋기 때문에 이 지점에 레이저 빔의 주파수(또는 파장)를 고정(locking)시키게 된다.
상기와 같이 레이저 빔의 주파수를 고정함으로써 요오드 셀의 온도가 변하더라도 흡수 선폭이 변하여 투과도가 변하는 것을 방지할 수 있게 된다.
도 3은 종래기술에 따른 바람장 측정용 도플러 라이다의 일반적인 구성을 나타내는 도면이다. 바람장 측정용 도플러 라이다는 도 3에 도시된 바와 같이 레이저 발진기(100), 레이저 송수신 광학계(200), 주파수 고정 유닛(300), 도플러 신호 측정 유닛(400) 및 제어부(500)로 구성된다.
레이저발진기(100)는 주파수 고정 유닛(300)에 의해 주파수가 고정된 레이저 빔을 레이저 송수신 광학계(200)로 발진하게 된다. 이때, 레이저 빔의 경로상에 반투명 미러(M1)가 설치되어 레이저 빔의 일부를 주파수 고정 유닛(300)으로 보내게 된다.
레이저 송수신 광학계(200)는 2개의 스캐닝 미러(210)를 이용하여 레이저 빔을 대기 중에 조사하고, 공기 중에서 산란된 광을 수신하게 된다. 이때, 산란 광은 집광 미러(222)와 반사경(224)를 거쳐 도플러 신호 측정 유닛(400)으로 전달된다.
주파수 고정 유닛(frequency locking unit, 300)은 레이저 발진기(100)에서 발진되는 주파수를 고정(locking)하기 위한 것이다. 주파수 고정 유닛(300)은 반투명 미러(M2)를 이용하여 전달받은 레이저 빔의 광 경로를 분리하고, 하나의 광 경로에는 요오드 셀(310)과 광센서(322)를 두고 다른 광 경로에는 ND 필터 (Neutral Density filter 이하 “ND 필터”라 함)(F1)와 광센서(324)를 두고 있다. 즉, 광센서(322, 324)가 요오드 셀(310)을 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 측정하고, 측정 데이터를 제어부(500)에 전달함으로써 상술한 레이저 빔의 주파수 고정점(frequency locking point)을 찾고 레이저 발진기(100)의 주파수를 고정하게 된다.
도플러 신호 측정 유닛(signal measuring unit, 400)은 도 3에 도시된 바와 같이 레이저 송수신 광학계(200)로부터 산란 광을 수신받아 도플러 신호를 측정하게 된다. 도플러 신호 측정 유닛(400)은 IF 필터(F2)(Interference Filter 이하 “IF필터”라 함)로 산란 광의 잡빔을 제거한 후 반투명 미러(M3)를 이용하여 광 경로를 분리하게 된다.
그리고, 상술한 주파수 고정 유닛(300)와 마찬가지로 하나의 광경로에는 요오드 셀(410)과 광센서(422)를 두고, 다른 광 경로에는 ND 필터(F1)와 광센서(424)를 두게 된다. 즉, 광센서(422, 424)가 요오드 셀(410)을 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 측정하고, 제어부(500)가 측정 데이터를 이용하여 산란 광의 도플러 신호 및 바람장을 계산하게 된다.
도 4는 상술한 도플러 라이다를 실험장치로 구현한 구성도이다. 도 4에 의하면 회전원판(P)을 이용함으로써 도 3에 도시된 레이저 송수신 광학계(200)를 단순화시킬 수 있다. 나머지 구성들은 상술한 도플러 라이다와 실질적으로 동일하다.
이상에서 설명한 바와 같은 종래기술에 따른 바람장 측정용 도플러 라이다는 다음과 같은 문제점을 가지고 있다. 도플러 라이다는 주파수 고정 유닛에서 측정한 데이터를 이용하여 레이저 빔의 주파수 고정점(locking point)을 설정하게 된다. 그러나, 주파수 고정유닛에서 발생되는 측정오차로 인해 레이저 빔의 주파수(또는 파장)가 미세한 범위에서 요동을 하게 되고, 이러한 레이저 빔의 주파수 오차가 도플러 신호 측정 유닛에서 측정되는 도플러 신호의 측정오차로 전이되는 문제점이 있다. 결국, 바람장 측정값의 신뢰도가 크게 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 도플러 신호의 오차보정을 위한 기준 신호를 얻을 수 있는 오차보정 광학계를 도입함으로써 레이저 주파수 고정 오차로 인해 생성되는 도플러 신호 및 바람장 측정오차를 보상할 수 있는 바람장 측정용 도플러 라이다 및 이의 측정오차 보정방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바람장 측정용 도플러 라이다는 레이저 빔을 발진하는 레이저 발진기; 상기 레이저 빔을 대기 중에 조사하고, 공기분자 또는 에어로졸에 의해 산란된 광을 수신하는 레이저 송수신 광학계; 제1 금속증기 필터와 상기 레이저 빔의 주파수를 고정하기 위해 상기 레이저 빔의 일부를 받아서 상기 제1 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 측정하는 제1 및 제2 광센서를 포함한 주파수 고정 유닛; 제2 금속증기 필터와, 상기 산란 광의 도플러 신호를 측정하기 위해 상기 레이저 송수신 광학계로부터 상기 산란 광을 받아서 상기 제2 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 측정하는 제3 및 제4 광센서를 포함한 도플러 신호 측정 유닛; 상기 제1 및 제2 광센서로부터 측정 데이터를 전달받아 상기 레이저 빔의 주파수 고정값을 연산하여 상기 레이저 발진기의 주파수를 고정하고, 상기 제3 및 제4 광센서로부터 측정 데이터를 전달받아 도플러 신호 및 바람장을 연산하는 제어부; 및 상기 제1 금속증기 필터에 입사되는 상기 레이저 빔의 일부를 상기 제2 금속증기 필터에 통과시키고, 상기 제2 금속증기 필터를 통과한 광을 측정하여 상기 제어부에 전송하는 제5 광센서를 포함하는 오차보정 광학계를 포함한다.
한편, 상기와 같은 본 발명의 목적은 상기 도플러 신호 측정 유닛의 제3 및 제4 광센서가 제2 금속증기 필터를 통과한 산란 광과 통과하지 않은 산란 광을 각각 측정하는 단계(S100); 상기 오차보정 광학계의 제5 광센서가 상기 레이저 발진기의 레이저 빔의 일부가 제2 금속증기 필터를 통과한 광을 측정하는 단계(S200); 제어부가 상기 제3 및 제4 광센서로부터 측정 데이터를 전달받아 도플러 신호를 연산하는 단계(S300); 및 상기 제어부가 상기 제5 광센서로부터 전송받은 측정 신호를 이용하여 상기 도플러 신호의 오차를 보정하는 단계(S400)를 포함한 바람장 측정용 도플러 라이다의 측정오차 보정방법에 의해서도 달성될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바람장 측정용 도플러 라이다는 도플러 신호의 오차보정을 위한 기준 신호를 측정할 수 있는 오차보정 광학계를 도입하고, 이 기준 신호를 이용하여 도플러 신호의 오차를 보상함으로써 도플러 신호 및 바람장 측정값의 정밀도를 크게 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
즉, 레이저 주파수 고정 오차가 도플러 신호 및 바람장의 측정오차로 전이되어 측정값의 신뢰도가 저하되는 것을 비교적 단순한 방법으로 방지할 수 있는 것이다. 다시 말하면 저렴한 비용으로 고가의 도플러 라이다 장비의 성능을 개선할 수 있는 것이다.
또한, 본 발명은 도플러 신호를 얻기 위해 측정 데이터를 평균하는 횟수를 줄일 수 있고, 이로 인해 바람장 측정의 효율성을 대폭 향상시킬 수 있다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
도 1은 요오드 셀을 경계 필터로 사용한 경우 도플러 파장 이동에 따른 투과도 변화를 나타내는 그래프이고,
도 2의 (a)는 요오드 셀의 흡수 스펙트럼을 나타내는 그래프이고, 도 2의 (b)는 점선 부분을 확대한 그래프이다.
도 3은 종래기술에 따른 바람장 측정용 도플러 라이다의 일반적인 구성을 나타내는 도면이고,
도 4는 도 3의 도플러 라이다를 실험장치로 구현한 구성도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바람장 측정용 도플러 라이다의 실험장치를 나타내는 구성도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 바람장 측정용 도플러 라이다의 측정오차 보정방법을 나타내는 흐름도이고,
도 7은 도 5의 실험장치를 통해 얻어진 도플러 신호를 나타내는 그래프이고,
도 8은 도 7의 오차 보정된 도플러 신호의 결과값을 나타내는 그래프이다.
도 2의 (a)는 요오드 셀의 흡수 스펙트럼을 나타내는 그래프이고, 도 2의 (b)는 점선 부분을 확대한 그래프이다.
도 3은 종래기술에 따른 바람장 측정용 도플러 라이다의 일반적인 구성을 나타내는 도면이고,
도 4는 도 3의 도플러 라이다를 실험장치로 구현한 구성도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바람장 측정용 도플러 라이다의 실험장치를 나타내는 구성도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 바람장 측정용 도플러 라이다의 측정오차 보정방법을 나타내는 흐름도이고,
도 7은 도 5의 실험장치를 통해 얻어진 도플러 신호를 나타내는 그래프이고,
도 8은 도 7의 오차 보정된 도플러 신호의 결과값을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 경우에는 그에 대한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 도면부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면에 표시되었다 하더라도 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.
(
바람장
측정용 도플러 라이다 장치)
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바람장 측정용 도플러 라이다의 실험장치를 나타내는 구성도이다.
본 발명에 따른 바람장 측정용 도플러 라이다는 도 5에 도시된 바와 같이 레이저 발진기(100), 레이저 송수신 광학계(200), 주파수 고정 유닛(300), 도플러 신호 측정 유닛(400), 오차보정 광학계 및 제어부(500)를 구비하고 있다.
레이저 발진기(100)는 주파수 고정 유닛(300) 및 제어부(500)에 의해 주파수가 고정된 레이저 빔을 레이저 송수신 광학계(200)로 발진하게 된다. 본 실시예에 의하면, 레이저 발진기(100)는 씨앗주입 레이저(injection seeded) Nd-YAG 레이저와 같은 파장 조절이 가능한 레이저를 사용하였다. 레이저 빔의 경로상에는 제1 반투명 미러(M1)가 배치되어 레이저 빔의 일부를 주파수 고정 유닛(300)으로 보내게 된다.
레이저 송수신 광학계(200)는 레이저 빔을 대기 중에 조사하고, 공기분자 또는 에어로졸에 의해 산란된 광을 수신하는 역할을 한다. 도 5에 도시된 레이저 송수신 광학계(200)는 실험장치로서 단순화되었지만, 실제 도플러 라이다에 있어서는 앞서 배경기술에 설명한 스캐닝 미러(210), 집광미러(222), 반사경(224) 등의 광학계를 포함하게 된다.
본 발명의 도플러 라이다 장치는 도 5에 도시된 바와 레이저 송수신 광학계(200)가 레이저 빔을 회전원판(P)에 입사시켜 산란 광을 발생시키고, 이를 도플러 신호 측정 유닛(400)으로 전달하게 된다.
주파수 고정 유닛(frequency locking unit, 300)은 레이저 발진기(100)에서 발진되는 주파수를 고정(locking)하기 위한 측정 데이터를 얻는 역할을 한다. 주파수 고정 유닛(300)은 도 5에 도시된 바와 같이 제2 반투명 미러(M2)를 이용하여 전달받은 레이저 빔의 광 경로를 분리하게 된다. 이때, 하나의 광 경로에는 제1 금속증기 필터(310) 및 제1 광센서(322)가 배치되고, 다른 광 경로에는 ND 필터(F1)와 제2 광센서(324)가 배치된다.
본 실시예에 의하면, 금속증기 필터(310)로 요오드 셀(iodine)을 사용하였지만, 다른 종류의 다른 종류의 금속증기 필터를 사용하는 것도 가능하다. 그리고, ND 필터(F1)는 레이저 빔의 광량을 줄여주는 역할을 한다. 그리고, 제1 및 제2 광센서(322, 324)로 포토 다이오드(photo diode)를 사용하였다.
이와 같이 구성된 주파수 고정 유닛(300)은 제1 및 제2 광센서(322, 324)가 제1 금속증기 필터(310)를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 측정하고, 측정 데이터는 제어부(500)로 전달된다.
도플러 신호 측정 유닛(signal measuring unit, 400)은 도 5에 도시된 바와 같이 레이저 송수신 광학계(200)로부터 산란 광을 수신받아 도플러 신호를 측정하는 역할을 한다. 도플러 신호 측정 유닛(400)은 IF 필터(F2)로 산란 광의 잡빔을 제거한 후, 제3 반투명 미러(M3)를 이용하여 광 경로를 분리하게 된다. 이때, 하나의 광 경로에는 제2 금속증기 필터(410)와 제3 광센서(422)가 배치되고, 다른 광 경로에는 ND 필터(F1)와 제4 광센서(424)가 배치된다.
본 실시예에 의하면, 상기 제3 및 제4 광센서(422, 424)로 광전증배관(PMT)을 사용하였다. 이는 산란 광의 광량이 약하기 때문에 신호를 증폭시켜 주기 위함이다.
이와 같이 구성된 도플러 신호 측정 유닛(400)은 제3 및 제4 광센서(422, 424)가 제2 금속증기 필터(410)를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 측정하고, 측정된 데이터는 제어부(500)로 전달된다.
오차보정 광학계는 도플러 신호의 오차보정을 위한 기준 신호를 획득하는 역할을 한다. 본 실시예에 따른 오차보정 광학계는 도 5에 도시된 바와 같이 제4 반투명 미러(M4), 반사경(602), 렌즈 및 제5 광센서(610)를 포함할 수 있다.
제4 반투명 미러(M4)는 주파수 고정 유닛(300)의 제1 금속증기 필터(310)에 입사되는 레이저 빔의 일부를 도플러 신호 측정 유닛(400)으로 전달하는 역할을 한다.
반사경(602)은 전달된 레이저 빔을 제2 금속증기 필터(410)에 입사시키는 역할을 한다.
제5 광센서(610)는 제2 금속증기 필터(410) 및 렌즈를 통과한 광을 전달받아 측정하고, 측정된 데이터는 제어부(500)로 전송된다. 이때, 본 실시예에 의하면 제5 광센서(610)는 주파수 고정 유닛(300)의 광센서(322, 324)와 같이 레이저 빔을 수신하기 때문에 포토 다이오드(photo diode)를 사용하였다.
한편, 제어부(500)에 전송된 상기 측정 신호는 앞서 설명한 제3 및 제4 광센서(422, 424)의 측정 데이터로부터 연산되는 도플러 신호의 오차를 보상하는데 사용된다. 이에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
제어부(500)는 전달받은 측정 데이터를 이용하여 레이저 주파수 고정점(laser frequency locking point)을 연산하여 레이저 발진기(100)의 주파수를 고정하고, 산란 광의 도플러 신호 및 바람장을 연산하는 역할을 한다.
구체적으로, 제어부(500)는 주파수 고정 유닛(300)의 제1 및 제2 광센서(322, 324)로부터 측정 데이터를 전달받고, 이를 기초로 레이저 주파수 고정점을연산하게 된다. 그리고, 제어부(500)는 연산된 주파수를 가지는 레이저 빔이 발진되도록 레이저 발진기(100)를 제어하게 된다.
또한, 제어부(500)는 도플러 신호 측정 유닛(400)의 제3 및 제4 광센서(422, 424)로부터 측정 데이터를 전달받고, 이를 기초로 도플러 신호(R1)를 연산하게 된다. 이때, 연산된 도플러 신호(R1)는 레이저 주파수 고정 오차로 인해 측정오차를 가지고 있다.
제어부(500)는 상술한 도플러 신호(R1)의 측정오차를 보정하기 위해 오차보정 광학계의 제5 광센서(610)로부터 전달받은 측정 신호(R2)를 이용하게 된다.
구체적으로, 본 실시예에 의하면 제3 및 제4 광센서(322, 424)의 측정 데이터로부터 연산된 도플러 신호(R1)를 제5 광센서(610)의 측정 신호(R2)로 나누어서(R1/R2) 오차 보정된 도플러 신호(R3)를 얻게 된다.
다른실시예로, 제3 및 제4 광센서(322, 424)의 측정 데이터로부터 연산된 도플러 신호(R1)에서 제5 광센서(610)의 측정 신호(R2)를 빼서(R1-R2) 오차 보정된 도플러 신호를 얻는 것도 가능하다.
(도플러
라이다의
측정오차 보정방법)
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 바람장 측정용 도플러 라이다의 측정오차 보정방법을 나타내는 흐름도이다.
본 발명에 따른 도플러 라이다의 측정오차 보정방법은 먼저, 도플러 신호 측정 유닛(400)의 제3 및 제4 광센서(422)가 제2 금속증기 필터(410)를 통과한 산란 광과 통과하지 않은 산란 광을 각각 측정하게 된다(S100). 이때, 산란 광은 도 5에 도시된 바와 같이 제3 반투명 미러(M3)에 의해 제2 금속증기 필터(410)를 통과하는 광 경로와, 통과하지 않는 광 경로로 분리된다.
다음으로, 오차보정 광학계의 제5 광센서(610)가 레이저 발진기(100)의 레이저 빔의 일부가 제2 금속증기 필터(410)를 통과한 광을 측정하게 된다(S200). 이때, 도 5에서와 같이 제4 반투명 미러(M4)에 의해 제1 금속증기 필터(310)에 입사되는 레이저 빔의 일부를 반사경(602)에 입사시키게 된다. 그리고, 반사경(602)에서 반사된 레이저 빔은 제2 금속증기 필터(410) 및 렌즈를 거쳐 제5 광센서(610)에 입사된다.
다음으로, 제어부(500)가 도플러 신호 측정 유닛(400)의 제3 및 제4 광센서(422, 424)로부터 측정 데이터를 각각 전달받고, 이를 기초로 도플러 신호(R1)를 연산하게 된다(S300). 이때, 연산된 도플러 신호(R1)는 레이저 주파수 고정 오차로 인한 측정오차를 가지고 있다.
다음으로, 제어부(500)가 오차보정 광학계의 제5 광센서(610)로부터 전송받은 측정 신호(R2)를 이용하여 상기 측정오차를 가진 도플러 신호(R1)를 보정하게 된다(S400). 이때, 측정오차를 가진 도플러 신호(R1)를 상기 제5 광센서(610)의 측정 신호(R2)로 나누어서(R1/R2) 오차 보정된 도플러 신호(R3)을 얻을 수 있다. 이에 대한 구체적인 실시예가 도 7 및 도 8에 도시되어 있다.
도 7은 도 5에 도시된 본 발명에 따른 도플러 라이다의 도플러 라이다 장치를 통해 얻어진 도플러 신호를 나타내는 그래프이다. 이때, 도플러 라이다 장치를 통해 얻어진 도플러 신호는 532nm 파장의 frequency-doubled Nd:YAG 레이저를 사용하여 30m/s 로 회전하는 원판에 산란되어 나온 도플러 신호이다. 도 7에 도시된 R1 신호는 제3 및 제4 광센서(422, 424)의 측정 데이터로부터 연산된 도플러 신호이다.
그리고, R2 신호는 제5 광센서(610)로부터 획득된 측정 신호이다. 도 7에 의하면 R1 신호와 R2 신호는 비슷한 경향의 요동을 보이는데, 이는 주파수 고정 유닛(300)에 의한 주파수 고정 오차로 인해 레이저 주파수의 안정화가 완벽하게 이루어지지 않은 이유가 크다. 이때, R1 신호의 요동은 도플러 신호의 측정오차를 나타낸다.
그리고, 도 7에 도시된 R3 신호는 도플러 신호(R1)를 제5 광센서(610)의 측정 신호(R2)로 나누어서(R1/R2) 얻어진 오차 보정된 도플러 신호를 나타낸다. 즉, 오차 보정된 R3 신호는 R1 및 R2 신호와 같은 요동이 대부분 줄어들게 되어 도플러 신호의 정밀도가 크게 향상됨을 알 수 있다.
한편, 상술한 실시예와는 달리 측정오차를 가진 도플러 신호(R1)에서 제5 광센서(610)의 측정 신호(R2)를 빼서(R1-R2) 오차 보정된 도플러 신호를 얻는 것도 가능하다.
도 8은 도 7의 오차 보정된 도플러 신호의 결과값을 나타내는 그래프이다. 이때, 오차 보정된 도플러 신호의 결과값(R1/R2)은 도 5에 도시된 회전원판(P)을 정지상태에서 30m/s의 속도로 회전시켜 산란 광을 발생시키고, 이 산란 광이 금속증기 필터를 통과하는 과정에서 속도에 따라 달라지는 신호 변화를 나타낸 것이다. 이때, 오차 보정된 도플러 신호는 10번씩 측정하여 평균한 결과값을 나타내고, 이에 의하면 도플러 신호가 비교적 균일하게 측정되었음을 알 수 있다.
마지막으로, 본 발명에 따른 도플러 라이다의 측정오차 보정방법은 제어부(500)가 상술한 바와 같은 오차 보정된 도플러 신호(R3)에 기초하여 바람장을 연산하게 된다(S500). 즉, 오차 보정된 도플러 신호(R3)를 이용함에 따라 바람장 측정값의 정밀도가 크게 향상될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
100 : 레이저 발진기
200 : 레이저 송수신 광학계
210 : 스캐닝 미러
222 : 집광 미러
224 : 반사경
300 : 주파수 고정 유닛
310 : 제1 금속증기 필터
322 : 제1 광센서
324 : 제2 광센서
400 : 도플러 신호 측정 유닛
410 : 제2 금속증기 필터
422 : 제3 광센서
424 : 제4 광센서
610 : 제5 광센서
500 :제어부
M1, M2, M3, M4 : 반투명 미러
FI : ND 필터
F2 : IF 필터
200 : 레이저 송수신 광학계
210 : 스캐닝 미러
222 : 집광 미러
224 : 반사경
300 : 주파수 고정 유닛
310 : 제1 금속증기 필터
322 : 제1 광센서
324 : 제2 광센서
400 : 도플러 신호 측정 유닛
410 : 제2 금속증기 필터
422 : 제3 광센서
424 : 제4 광센서
610 : 제5 광센서
500 :제어부
M1, M2, M3, M4 : 반투명 미러
FI : ND 필터
F2 : IF 필터
Claims (9)
- 레이저 빔을 발진하는 레이저 발진기;
상기 레이저 빔을 대기 중에 조사하고, 공기분자 또는 에어로졸에 의해 산란된 광을 수신하는 레이저 송수신 광학계;
제1 금속증기 필터와, 상기 레이저 빔의 주파수를 고정하기 위해 상기 레이저 빔의 일부를 받아서 상기 제1 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 측정하는 제1 및 제2 광센서를 포함한 주파수 고정 유닛;
제2 금속증기 필터와, 상기 산란 광의 도플러 신호를 측정하기 위해 상기 레이저 송수신 광학계로부터 상기 산란 광을 받아서 상기 제2 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 측정하는 제3 및 제4 광센서를 포함한 도플러 신호 측정 유닛;
상기 제1 및 제2 광센서로부터 측정 데이터를 전달받아 상기 레이저 빔의 주파수 고정값을 연산하여 상기 레이저 발진기의 주파수를 고정하고, 상기 제3 및 제4 광센서로부터 측정 데이터를 전달받아 도플러 신호 및 바람장을 연산하는 제어부; 및
상기 제1 금속증기 필터에 입사되는 상기 레이저 빔의 일부를 상기 제2 금속증기 필터에 통과시키고, 상기 제2 금속증기 필터를 통과한 광을 측정하여 상기 제어부에 전송하는 제5 광센서를 포함하는 오차보정 광학계를 포함하는 바람장 측정용 도플러 라이다.
- 제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제5 광센서로부터전송받은 측정 신호를 이용하여 상기 도플러 신호 및 바람장의 오차를 보정하는 것을 특징으로 하는 바람장 측정용 도플러 라이다.
- 제2항에 있어서,
상기 오차 보정된 도플러 신호는,
상기 제3 및 제4 광센서의 측정 데이터로부터 연산된 도플러 신호를 상기 제5 광센서의 측정 신호로 나눈 것을 특징으로 하는 바람장 측정용 도플러 라이다.
- 제2항에 있어서,
상기 오차 보정된 도플러 신호는,
상기 제3 및 제4 광센서의 측정 데이터로부터 연산된 도플러 신호에서 상기 제5 광센서의 측정 신호를 뺀 것을 특징으로 하는 바람장 측정용 도플러 라이다.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 금속증기 필터는 요오드 셀(iodine cell)인 것을 특징으로 하는 바람장 측정용 도플러 라이다.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 바람장 측정용 도플러 라이다를 이용하는 측정오차 보정방법에 있어서,
상기 도플러 신호 측정 유닛의 제3 및 제4 광센서가 제2 금속증기 필터를 통과한 산란 광과 통과하지 않은 산란 광을 각각 측정하는 단계;
상기 오차보정 광학계의 제5 광센서가 상기 레이저 발진기의 레이저 빔의 일부가 제2 금속증기 필터를 통과한 광을 측정하는 단계;
제어부가 상기 제3 및 제4 광센서로부터 측정 데이터를 전달받아 도플러 신호를 연산하는 단계; 및
상기 제어부가 상기 제5 광센서로부터전송받은 측정 신호를 이용하여 상기 도플러 신호의 오차를 보정하는 단계를 포함한 바람장 측정용 도플러 라이다의 측정오차 보정방법.
- 제6항에 있어서,
상기 도플러 신호의 오차를 보정하는 단계는,
상기 도플러 신호를 상기 제5 광센서의 측정 신호로 나누는 것을 특징으로 하는 바람장 측정용 도플러 라이다의 측정오차 보정방법.
- 제6항에 있어서,
상기 도플러 신호의 오차를 보정하는 단계는,
상기 도플러 신호에서 상기 제5 광센서의 측정 신호를 뺀 것을 특징으로 하는 바람장 측정용 도플러 라이다의 측정오차 보정방법.
- 제6항에 있어서,
상기 도플러 신호의 오차를 보정하는 단계 이후에,
상기 오차 보정된 도플러 신호를 이용하여 바람장을 연산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도플러 라이다의 측정오차 보정방법.
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| KR20130123430A KR101499642B1 (ko) | 2013-10-16 | 2013-10-16 | 바람장측정용 도플러 라이다의 측정오차보정 방법 |
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