KR101515980B1 - 바람장 측정과 방사성물질 동시측정 라이다 장치 - Google Patents

바람장 측정과 방사성물질 동시측정 라이다 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101515980B1
KR101515980B1 KR1020130123894A KR20130123894A KR101515980B1 KR 101515980 B1 KR101515980 B1 KR 101515980B1 KR 1020130123894 A KR1020130123894 A KR 1020130123894A KR 20130123894 A KR20130123894 A KR 20130123894A KR 101515980 B1 KR101515980 B1 KR 101515980B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
laser
wavelength
laser beam
metal vapor
light
Prior art date
Application number
KR1020130123894A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20150044619A (ko
Inventor
백성훈
박승규
정진만
김동율
Original Assignee
한국원자력연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국원자력연구원 filed Critical 한국원자력연구원
Priority to KR1020130123894A priority Critical patent/KR101515980B1/ko
Publication of KR20150044619A publication Critical patent/KR20150044619A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101515980B1 publication Critical patent/KR101515980B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/95—Lidar systems specially adapted for specific applications for meteorological use
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4818—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements using optical fibres
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N2021/4704—Angular selective
    • G01N2021/4707—Forward scatter; Low angle scatter
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

본 발명은 라이다 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 빔의 파장을 변환시키거나 금속증기 필터의 분압을 조절하여 방사성물질과 바람장을 동시에 측정할 수 있는 방사성물질과 바람장 동시측정 라이다 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방사성물질과 바람장 동시측정 라이다 장치는 제1 및 제2 레이저 발진기와, 상기 제1 레이저 발진기에서 발진되는 레이저 빔의 파장을 대기중 미량원소에 의한 흡수가 많이 이루어지는 공명 파장으로 고정하기 위해 상기 레이저 빔의 일부를 받아서 제1 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 측정하는 제1 주파수 고정 유닛과, 상기 제2 레이저 발진기에서 발진되는 레이저 빔의 파장을 상기 미량원소에 의한 흡수가 적게 이루어지는 비공명 파장으로 고정하기 위해 상기 레이저 빔의 일부를 받아서 제2 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 측정하는 제2 주파수 고정 유닛을 구비한 레이저 시스템; 상기 제1 및 제2 레이저 발진기로부터 발진된 레이저 빔을 합하여 대기중에 조사하고, 대기중에서 산란된 광을 수신하는 레이저 송수신 광학계; 상기 레이저 송수신 광학계로부터 상기 산란 광의 일부를 전달받아 차분 흡수 신호를 검출하는 광센서를 구비한 차분 흡수 측정 유닛; 제3 금속증기 필터와, 상기 레이저 송수신 광학계로부터 상기 산란 광의 일부를 전달받아 상기 제3 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 검출하는 광센서를 구비한 도플러 신호 측정 유닛; 상기 제3 금속증기 필터가 상기 산란 광의 도플러 파장을 흡수할 수 있도록 상기 제1 또는 제2 레이저 발진기에서 발진되는 레이저 빔의 파장을 상기 도플러 파장으로 변환시키는 레이저 파장 변환장치; 및 상기 제1 및 제2 주파수 고정 유닛으로부터 검출 데이터를 전달받아 상기 공명 파장 및 비공명 파장을 연산하며 상기 제1 및 제2 레이저 발진기의 발진 주파수를 고정하고, 상기 차분 흡수 측정 유닛 및 상기 도플러 신호 측정 유닛으로부터 검출 데이터를 전달받아 상기 미량원소의 농도와 도플러 신호를 연산하는 제어부를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 방사성물질과 바람장 동시측정 라이다 장치는, 제1 및 제2 레이저 발진기와, 상기 제1 레이저 발진기에서 발진되는 레이저 빔의 파장을 대기중 미량원소에 의한 흡수가 많이 이루어지는 공명 파장으로 고정하기 위해 상기 레이저 빔의 일부를 받아서 제1 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 측정하는 제1 주파수 고정 유닛과, 상기 제2 레이저 발진기에서 발진되는 레이저 빔의 파장을 상기 미량원소에 의한 흡수가 적게 이루어지는 비공명 파장으로 고정하기 위해 상기 레이저 빔의 일부를 받아서 제2 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 측정하는 제2 주파수 고정 유닛을 구비한 레이저 시스템; 상기 제1 및 제2 레이저 발진기로부터 발진된 레이저 빔을 합하여 대기중에 조사하고, 대기중에서 산란된 광을 수신하는 레이저 송수신 광학계; 상기 레이저 송수신 광학계로부터 상기 산란 광의 일부를 전달받아 차분 흡수 신호를 검출하는 광센서를 구비한 차분 흡수 측정 유닛; 제3 금속증기 필터와, 상기 레이저 송수신 광학계로부터 상기 산란 광의 일부를 전달받아 상기 제3 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 검출하는 광센서를 구비한 도플러 신호 측정 유닛; 상기 제1 및 제2 주파수 고정 유닛으로부터 검출 데이터를 전달받아 상기 공명 파장 및 비공명 파장을 연산하며 상기 제1 및 제2 레이저 발진기의 발진 주파수를 고정하고, 상기 차분 흡수 측정 유닛 및 상기 도플러 신호 측정 유닛으로부터 검출 데이터를 전달받아 상기 미량원소의 농도와 도플러 신호를 연산하는 제어부를 포함한다.

Description

바람장 측정과 방사성물질 동시측정 라이다 장치{LIDAR APPARATUS FOR MEASURING WIND FIELD AND DETECTING ATMOSPHERIC TRACE ELEMENT AT THE SAME TIME}
본 발명은 비간섭성 펄스 레이저를 이용한 라이다 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 방사성 미량원소의 원격 탐지와 바람장 측정을 하나의 장치에서 모두 수행할 수 있는 방사성물질과 바람장 동시측정 라이다 장치 및 동시측정 방법에 관한 것이다.
일반적으로 라이다(LIDAR; Light Detection and Ranging) 기술은 대기중으로 레이저 빔을 조사하여 대기중에 존재하는 공기분자나 에어로졸에 의해 산란된 후방산란 신호를 수신하여 해석함으로써 대기 상태를 관측하는 기술이다.
라이다 장치의 일례로, 대기중에 존재하는 방사성 요오드와 같은 미량원소를 탐지하기 위한 차분 흡수 라이다(DIAL; Differential Absorption Lidar)가 있다. 차분 흡수 라이다(DIAL)는 미량원소에 의한 흡수가 많이 이루어지는 공명 파장을 가진 레이저 빔과 상대적으로 흡수가 적게 이루어지는 인접한 비공명 파장을 가진 레이저 빔을 대기중에 조사하고, 공기분자 등에 의해 산란되어 돌아오는 수신신호의 차이를 이용하여, 즉 차분 산란효과(differential scattering effect)를 이용하여 거리에 따른 방사성 미량원소의 농도를 3차원적으로 측정하게 된다.
도 1은 종래기술에 따른 차분 흡수 라이다의 일례를 나타내는 도면이다. 차분 흡수 라이다는 도 1에 도시된 바와 같이 레이저 시스템(10), 레이저 송수신 광학계(20), 차분 흡수 측정 유닛(30) 및 제어부(40)로 구성된다.
레이저 시스템(10)은 공명 파장의 레이저 빔을 발진하는 제1 레이저 발진기(11)와, 비공명 파장의 레이저 빔을 발진하는 제2 레이저 발진기(13)를 구비하고 있다. 이때, 각 레이저 발진기(11, 13)에서 발진되는 레이저 빔의 파장(주파수)을 공명 파장과 비공명 파장으로 고정(locking)하기 위해 주파수 고정 유닛(12, 14)이 구비된다. 구체적으로 주파수 고정 유닛(12, 14)은 레이저 발진기(11, 13)에서 발진되는 레이저 빔의 일부를 분리하여 요오드 셀(iodine cell)(12a, 14a)에 통과시키게 된다. 그리고, 두 쌍의 광센서(12b, 12c, 14b, 14c)가 요오드 셀(12a, 14a)을 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 검출하여 제어부(40)에 전달하고, 제어부(40)가 요오드 셀(12a, 14a)에서의 흡수도를 분석하여 레이저 발진기(11, 13)의 발진 주파수(파장)를 고정하게 된다.
한편, 제1 및 제2 레이저 발진기(11, 13)에서 각각 발진되는 레이저 빔은 편광 빔 분리기(15)에서 합쳐져서 레이저 송수신 광학계(20)로 보내어진다.
레이저 송수신 광학계(20)는 2개의 스캐닝 미러(21)를 이용하여 공명 파장과 비공명 파장을 가진 레이저 빔을 대기중에 조사하고, 대기중에서 산란된 광을 수신하게 된다. 이때, 산란광은 집광 미러(22), 반사경, 광섬유를 거쳐 차분 흡수 측정 유닛(30)으로 전달된다.
차분 흡수 측정 유닛(30)은 광센서(31)를 이용하여 산란광으로부터 차분 흡수 신호를 검출하여 제어부(40)에 전달하고, 제어부(40)가 검출 데이터를 분석하여 방사성 미량원소의 농도를 측정하게 된다.
한편, 라이다 장치의 다른 예로 바람장을 측정하기 위한 도플러 라이다(Doppler LIDA)가 있다. 도플러 라이다는 레이저 빔이 대기중에서 산란되어 돌아오면서 공기의 속도에 따라 도플러 효과에 의한 파장(주파수) 변이(shift)를 측정하게 된다.
도 2는 종래기술에 따른 바람장 측정용 도플러 라이다의 일례를 나타내는 도면이다. 바람장 측정용 도플러 라이다는 도 2에 도시된 바와 같이 레이저 발진기(50), 주파수 고정 유닛(60), 레이저 송수신 광학계(70), 도플러 신호 측정 유닛(80) 및 제어부(90)로 구성된다.
레이저 발진기(50)에서 발진되는 레이저 빔의 주파수(파장)는 앞서 설명한 차분 흡수 라이다와 마찬가지로 주파수 고정 유닛(60)에 의해 고정(locking)된다. 이때, 고정되는 레이저 빔의 주파수는 산란 광의 도플러 신호를 측정할 수 있는 도플러 파장이다.
주파수 고정 유닛(60)은 한 쌍의 광센서(64, 66)가 요오드 셀(62)을 통과한 레이저 빔과 통과하지 않은 레이저 빔을 각각 검출하여 제어부(90)에 전달하고, 제어부(90)가 요오드 셀(62)에서의 흡수도를 분석하여 레이저 발진기(50)의 발진 주파수(파장)를 고정하게 된다.
한편, 레이저 발진기(50)에서 발진된 레이저 빔은 스캐닝 미러(72)를 구비한 레이저 송수신 광학계(70)를 거쳐 대기중에 조사되고, 공기 중에서 산란된 광은 집광 미러(74)를 구비한 레이서 송수신 광학계(70)에서 수신되어 도플러 신호 측정 유닛(80)으로 전달된다.
그리고, 도플러 신호 측정 유닛(80)은 한 쌍의 광센서(84, 86)가 요오드 셀(82)를 통과하지 않은 산란 광과 통과한 산란 광을 각각 검출하여 제어부(90)에 전달하고, 제어부(90)가 검출 데이터를 분석하여 산란광의 도플러 신호 및 바람장을 측정하게 된다.
도 3은 요오드 셀을 경계 필터로 사용한 경우 레이저 빔의 파장(주파수)에 따른 흡수도(투과도)를 측정한 그래프이다. 도 3을 참조하여 앞서 설명한 차분 흡수 라이다의 공명 파장 및 비공명 파장, 그리고 도플러 라이다의 도플러 파장에 대해 구체적으로 설명한다.
도 3(a)에 도시된 바와 같이 요오드(I2)는 레이저 파장 근처에서 다양한 흡수 스펙트럼이 나타난다. 이때, 도 3(a)의 점선 부분을 확대한 도 3(b)에 표시된 λon과 λoff는 각각 공명 파장과 비공명 파장을 나타낸다. 이때, 공명 파장(λon)과 비공명 파장(λoff)간의 주파수 차이는 수백 MHz 정도로 매우 작다.
도 3(b)에 의하면 공명 파장(λon)은 요오드 셀의 투과도가 낮아서 흡수가 많이 이루어지고, 비공명 파장(λoff)은 요오드 셀의 투과도가 높아서 흡수가 적게 이루어짐을 알 수 있다. 즉, 차분 흡수 라이다에서는 공명 파장(λon)을 가진 레이저 빔과 비공명 파장(λoff)을 가진 레이저 빔을 각각 발진하는 2대의 레이저 발진기(11, 13)가 필요하다.
한편, 도 3(b)에 표시된 λd는 도플러 파장을 나타낸다. 도플러 파장(λd)은 요오드 셀에서 투과도(흡수도)의 기울기가 가장 영역, 즉 투과도가 중간(1/2)쯤 되는 지점(locking point)을 나타낸다. 이와 같은 도플러 파장(λd)에서 도플러 신호의 측정 감도가 가장 좋기 때문에 레이저 발진기(50)의 발진 주파수를 도플러 파장(λd)을 가지도록 고정하게 되는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 차분 흡수 라이다와 도플러 라이다는 각기 다른 파장(주파수)의 레이저 빔을 발진하는 레이저 발진기를 사용하고 있다. 따라서, 하나의 장치로서 차분 흡수 라이다와 도플러 라이다의 기능을 동시에 구현하기 위해서는 총 3대의 레이저 발진기가 필요하다.
그러나, 고가의 레이저 발진기의 개수가 늘어남에 따라 비용적인 측면에서 불리함이 발생한다. 또한, 전체 장치의 구조가 복잡해져서 장비의 안정성이 저하될 뿐만 아니라 장비 운용비용이 크게 증가하는 문제점이 있다.
따라서, 2대의 레이저 발진기를 가진 기존 차분 흡수 라이다를 이용하여 바람장 측정 기능을 구현할 수 있는 장비 개발이 요구되고 있다.
한국공개특허 제2013-0037428호 일본공개특허 제2010-276368호
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 제1 목적은 차분 흡수 라이다의 레이저 발진기에서 발진되는 레이저 빔의 파장(주파수)을 도플러 파장으로 변환하여 방사성물질과 바람장을 동시에 측정할 수 있는 라이다 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 제2 목적은 도플러 신호 측정 유닛의 금속증기 필터의 분압을 조절함으로써 차분 흡수 라이다의 레이저 발진기에서 발진되는 레이저 빔을 이용하여 도플러 신호를 측정할 수 있는 방사성물질과 바람장 동시측정 라이다 장치 및 동시측정 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 제1 목적은,
제1 및 제2 레이저 발진기와, 상기 제1 레이저 발진기에서 발진되는 레이저 빔의 파장을 대기중 미량원소에 의한 흡수가 많이 이루어지는 공명 파장으로 고정하기 위해 상기 레이저 빔의 일부를 받아서 제1 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 측정하는 제1 주파수 고정 유닛과, 상기 제2 레이저 발진기에서 발진되는 레이저 빔의 파장을 상기 미량원소에 의한 흡수가 적게 이루어지는 비공명 파장으로 고정하기 위해 상기 레이저 빔의 일부를 받아서 제2 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 측정하는 제2 주파수 고정 유닛을 구비한 레이저 시스템;
상기 제1 및 제2 레이저 발진기로부터 발진된 레이저 빔을 합하여 대기중에 조사하고, 대기중에서 산란된 광을 수신하는 레이저 송수신 광학계; 상기 레이저 송수신 광학계로부터 상기 산란 광의 일부를 전달받아 차분 흡수 신호를 검출하는 광센서를 구비한 차분 흡수 측정 유닛;
제3 금속증기 필터와, 상기 레이저 송수신 광학계로부터 상기 산란 광의 일부를 전달받아 상기 제3 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 검출하는 광센서를 구비한 도플러 신호 측정 유닛;
상기 제3 금속증기 필터가 상기 산란 광의 도플러 파장을 흡수할 수 있도록 상기 제1 또는 제2 레이저 발진기에서 발진되는 레이저 빔의 파장을 상기 도플러 파장으로 변환시키는 레이저 파장 변환장치; 및
상기 제1 및 제2 주파수 고정 유닛으로부터 검출 데이터를 전달받아 상기 공명 파장 및 비공명 파장을 연산하며 상기 제1 및 제2 레이저 발진기의 발진 주파수를 고정하고, 상기 차분 흡수 측정 유닛 및 상기 도플러 신호 측정 유닛으로부터 검출 데이터를 전달받아 상기 미량원소의 농도와 도플러 신호를 연산하는 제어부를 포함하는 방사성물질과 바람장 동시측정 라이다 장치에 의해 달성될 수 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 제2 목적은,
제1 및 제2 레이저 발진기와, 상기 제1 레이저 발진기에서 발진되는 레이저 빔의 파장을 대기중 미량원소에 의한 흡수가 많이 이루어지는 공명 파장으로 고정하기 위해 상기 레이저 빔의 일부를 받아서 제1 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 측정하는 제1 주파수 고정 유닛과, 상기 제2 레이저 발진기에서 발진되는 레이저 빔의 파장을 상기 미량원소에 의한 흡수가 적게 이루어지는 비공명 파장으로 고정하기 위해 상기 레이저 빔의 일부를 받아서 제2 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 측정하는 제2 주파수 고정 유닛을 구비한 레이저 시스템;
상기 제1 및 제2 레이저 발진기로부터 발진된 레이저 빔을 합하여 대기중에 조사하고, 대기중에서 산란된 광을 수신하는 레이저 송수신 광학계;
상기 레이저 송수신 광학계로부터 상기 산란 광의 일부를 전달받아 차분 흡수 신호를 검출하는 광센서를 구비한 차분 흡수 측정 유닛;
제3 금속증기 필터와, 상기 레이저 송수신 광학계로부터 상기 산란 광의 일부를 전달받아 상기 제3 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 검출하는 광센서를 구비한 도플러 신호 측정 유닛;
상기 제1 및 제2 주파수 고정 유닛으로부터 검출 데이터를 전달받아 상기 공명 파장 및 비공명 파장을 연산하며 상기 제1 및 제2 레이저 발진기의 발진 주파수를 고정하고, 상기 차분 흡수 측정 유닛 및 상기 도플러 신호 측정 유닛으로부터 검출 데이터를 전달받아 상기 미량원소의 농도와 도플러 신호를 연산하는 제어부를 포함하고,
상기 도플러 신호 측정 유닛은 상기 제2 금속증기 필터가 상기 산란 광의 도플러 파장을 흡수할 수 있도록 상기 제2 금속증기 필터의 분압 조절이 가능하도록 구성된 방사성물질과 바람장 동시측정 라이다 장치에 의해 달성될 수 있다.
한편, 다른 카테고리로서 상기와 같은 본 발명의 제1 목적은,
공명 파장 및 비공명 파장을 갖는 레이저 빔을 대기중에 조사하여 대기중에서 산란된 광을 차분 흡수 측정 유닛이 수신하고, 상기 산란 광으로부터 차분 흡수 신호를 검출하여 방사성 미량원소의 농도를 측정하는 단계(S110);
도플러 신호 측정 유닛의 금속증기 필터가 상기 산란 광의 도플러 파장을 흡수할 수 있도록 레이저 파장 변환장치가 상기 공명 파장 또는 비공명 파장을 가진 레이저 빔의 파장을 상기 도플러 파장으로 변환하는 단계(S120); 및
상기 도플러 파장을 가진 레이저 빔을 대기중에 조사하여 대기중에서 산란된 광을 도플러 신호 측정 유닛이 수신하고, 상기 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 검출하여 도플러 신호를 측정하는 단계(S130)를 포함하는 방사성물질과 바람장 동시측정 방법에 의해서도 달성될 수 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 제2 목적은,
공명 파장 및 비공명 파장을 갖는 레이저 빔을 대기중에 조사하여 대기중에서 산란된 광을 차분 흡수 측정 유닛이 수신하고, 상기 산란 광으로부터 차분 흡수 신호를 검출하여 방사성 미량원소의 농도를 측정하는 단계(S210);
도플러 신호 측정 유닛의 금속증기 필터가 상기 산란 광의 도플러 파장을 흡수할 수 있도록 상기 금속증기 필터의 분압을 조절하는 단계(S220); 및
상기 도플러 파장을 가진 레이저 빔을 대기중에 조사하여 대기중에서 산란된 광을 도플러 신호 측정 유닛이 수신하고, 상기 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 검출하여 도플러 신호를 측정하는 단계(S230)를 포함하는 방사성물질과 바람장 동시측정 방법에 의해서도 달성될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 방사성물질과 바람장 동시측정 라이다 장치 및 동시측정 방법은 레이저 시스템의 제1 및 제2 레이저 발진기에서 공명 파장과 비공명 파장을 가진 레이저 빔을 발진하고, 차분 흡수 측정 유닛에서 산란 광의 차분 흡수 신호를 검출하여 방사성 미량원소의 농도를 측정할 수 있다. 그리고, 음향-광 변조기를 구비한 레이저 파장 변환장치를 이용하여 제1 또는 제2 레이저 발진기에서 발진되는 레이저 빔의 파장을 도플러 파장으로 변환함으로써 도플러 신호 측정 유닛에서 산란 광의 도플러 신호를 검출하여 바람장을 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 방사성물질과 바람장 동시측정 라이다 장치 및 동시측정 방법은 제1 및 제2 레이저 발진기, 그리고 차분 흡수 측정 유닛을 이용하여 방사성 미량원소의 농도를 측정하고, 도플러 신호 측정 유닛의 금속증기 필터가 산란 광의 도플러 파장을 흡수할 수 있도록 금속증기 필터의 분압을 조절함으로써 산란 광의 도플러 신호를 검출하여 바람장을 측정할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 라이다 장치는 레이저 파장 변환장치를 추가하거나 금속증기 필터의 분압 조절을 통해 기존 차분 흡수 라이다의 레이저 발진기를 바람장 측정을 위한 레이저 발진기로 활용할 수 있다. 이에 따라 고가의 레이저 발진기를 추가함에 따른 비용 발생 및 장비의 안정성 저하를 방지할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 차분 흡수 라이다의 일례를 나타내는 도면이고,
도 2는 종래기술에 따른 바람장 측정용 도플러 라이다의 일례를 나타내는 도면이고,
도 3은 요오드 셀을 경계 필터로 사용한 경우 레이저 빔의 파장(주파수)에 따른 흡수도(투과도)를 측정한 그래프이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사성물질과 바람장 동시측정 라이다 장치를 나타내는 구성도이고,
도 5는 본 발명에 따른 레이저 파장 변환장치의 구성도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사성물질과 바람장 동시측정 방법을 나타내는 흐름도이고,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방사성물질과 바람장 동시측정 방법을 나타내는 흐름도이고,
도 8은 본 발명의 도 7의 동시 측정방법을 설명하기 위한 요오드 셀의 분압에 따른 흡수도(투과도)를 변화를 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.
( 방사성물질과 바람장 동시측정 라이다 장치)
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사성물질과 바람장 동시측정 라이다 장치를 나타내는 구성도이고, 도 5는 본 발명에 따른 레이저 파장 변환장치의 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치는 도 4에 도시된 바와 같이 레이저 시스템(100), 레이저 송수신 광학계(200), 차분 흡수 측정 유닛(300), 도플러 신호 측정 유닛(400), 레이저 파장 변환 장치(500) 및 제어부(600)를 구비한다.
레이저 시스템(100)은 제1 및 제2 레이저 발진기(110, 130), 제1 및 제2 주파수 고정 유닛(120, 140)을 구비한다. 즉, 기존 차분 흡수 라이다의 레이저 시스템을 이용한다.
본 실시예에 의하면 제1 레이저 발진기(110)는 공명 파장을 갖는 레이저 빔을 발진하고, 제2 레이저 발진기(130)는 비공명 파장을 갖는 레이저 빔을 발진한다. 이때, 공명 파장은 대기중에 포함된 방사성 미량원소에 의한 흡수가 많이 이루어지는 파장을 의미하고, 비공명 파장은 흡수가 적게 이루어지는 파장을 의미한다. 제1 및 제2 레이저 발진기(110, 130)는 씨앗주입 레이저(injection seeded laser) Nd-YAG 레이저와 같은 파장 조절이 가능한 레이저를 사용하는 것이 바람직하다.
제1 및 제2 주파수 고정 유닛(120, 140)은 상기 제1 및 제2 레이저 발진기(110, 130)에서 각각 발진되는 레이저 빔의 파장(주파수)를 상술한 공명 파장과 비공명 파장으로 각각 고정(locking)하기 위한 데이터를 획득하는 역할을 한다.
구체적으로 제1 및 제2 주파수 고정 유닛(120, 140)은 빔 분리기(beam splitter)를 이용하여 제1 및 제2 레이저 발진기(120, 140)에서 각각 발진되는 레이저 빔의 일부를 분리하고, 다시 빔 분리기를 이용하여 분리된 레이저 빔의 광 경로를 제1 및 제2 금속증기 필터(122, 142)를 통과하는 경로와 통과하지 않는 경로로 분리하게 된다. 이때, 제1 및 제2 금속증기 필터(122, 142)를 각각 통과한 레이저 빔은 제1 광센서(124)와 제3 광센서(144)에서 검출된다. 그리고, 제1 및 제2 금속증기 필터(122, 142)를 통과하지 않은 레이저 빔은 제2 광센서(126)와 제4 광센서(146)에서 각각 검출된다. 그리고, 제1 및 제2 광센서(124, 126)에서 검출된 데이터는 제어부(600)에 전달된다.
한편, 제1 및 제2 레이저 발진기(110, 130)에서 각각 발진된 레이저 빔은 편광 빔 분리기(50)에서 합쳐져서 레이저 송수신 광학계(200)로 보내어진다.
본 실시예에 의하면, 상기 제1 및 제2 금속증기 필터(122, 124)로 방사성 미량원소 중 하나인 요오드를 측정하기 위하여 요오드 셀(iodine cell)을 사용하였지만, 다른 종류의 금속증기 필터를 사용하는 것도 가능하다. 그리고, 상기 제1 내지 제4 광센서(122, 124, 142, 144)로 포토 다이오드(photo diode)를 사용하였다.
레이저 송수신 광학계(200)는 스캐닝 미러(210)를 이용하여 공명 파장과 비공명 파장을 가진 레이저 빔을 대기중에 조사하고, 대기중에서 산란된 광을 수신하게 된다. 이때, 산란 광은 집광 미러(220), 반사경 및 광섬유를 거쳐 광 경로가 분리되어 차분 흡수 측정 유닛(300)과 도플러 신호 측정 유닛(400)으로 전달된다.
차분 흡수 측정 유닛(300)은 레이저 송수신 광학계(200)로부터 산란광의 일부를 전달받아 차분 흡수 신호를 검출하는 역할을 한다. 차분 흡수 측정 유닛(300)은 IF 필터(Interference filter)(F1)로 산란광의 잡빔을 제거하고, ND 필터(Neutral Density filter)(F2)를 이용하여 레이저 빔의 광량을 감소시킨 후 제5 광센서(310)을 이용하여 차분 흡수 신호를 검출하게 된다. 그리고, 검출된 차분 흡수 신호는 제어부(600)로 전달된다.
본 실시예에 의하면, 상기 제5 광센서(310)로 광전증배관(PMT)을 사용하였다. 이는 산란 광의 광량이 약하기 때문에 신호를 증폭시켜 주기 위함이다.
도플러 신호 측정 유닛(400)은 레이저 송수신 광학계(200)로부터 산란 광의 일부를 전달받아 제3 금속증기 필터(410)를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 검출하는 역할을 한다. 도플러 신호 측정 유닛(400)은 IF 필터(F1)로 산란 광의 잡빔을 제거한 후 빔 분리기를 이용하여 광 경로를 분리하게 된다.
이때, 하나의 광 경로에는 제3 금속증기 필터(410)와 제6 광센서(412)가 배치되고, 다른 광 경로에는 ND 필터(F2)와 제7 광센서(414)가 배치된다. 그리고, 제6 및 제7 광센서(412, 414)로 광전증배관(PMT)을 사용하였다.
이와 같이 구성된 도플러 신호 측정 유닛(400)은 제6 및 제7 광센서(412, 414)가 제3 금속증기 필터(410)를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 검출하고, 검출 데이터는 제어부(600)로 전달된다.
레이저 파장 변환 장치(500)는 제3 금속증기 필터(410)가 산란 광의 도플러 파장을 흡수할 수 있도록 레이저 시스템(100)의 제1 및 제2 레이저 발진기(110, 130) 중 어느 하나의 발진기에서 발진되는 레이저 빔의 파장을 도플러 파장으로 변환시키는 역할을 한다. 본 실시예에 의하면 도 4에 도시된 바와 같이 레이저 파장 변환 장치(500)가 제1 레이저 발진기(110)의 전방측에 설치되어 있고, 이하 이를 기준으로 설명한다.
레이저 파장 변환장치(500)는 도 5에 도시된 바와 같이 빔 분리기(beam splitter, 510), 음향-광 변조기(Acousto-Optic modulator, 520), 반파장판(Half-Wave Plate, 530), 제1 편광 빔 분리기(Polarizing Beam Splitter, 540), 전기광학 스위치(Eletro-Optic switch, 550) 및 제2 편광 빔 분리기(560)로 구성될 수 있다.
빔 분리기(510)는 제1 레이저 발진기(110)에서 발진되는 레이저 빔의 일부를 분리하여 반사경(512)을 거쳐 음향-광 변조기(520)에 전달한다.
음향-광 변조기(520)는 제1 레이저 발진기(110)에서 발진되는 공명 파장을 가진 레이저 빔이 도플러 파장을 가지도록 파장을 변환시키게 된다. 즉, 공명 주파수 가진 레이저 빔이 음향-광 변조기(520)를 지나게 되면 음향-광 변조기(520)의 주파수만큼 이동하게 된다. 이때, 요오드 셀에서 공명 파장과 도플러 파장간의 주파수 차이가 수백 MHz 정도이므로, 이 주파수에 맞는 음향-광 변조기(520)를 사용하면 된다.
반파장판(530)은 음향-광 변조기(520)에서 출력되는 레이저 빔의 편광 상태를 90°회전시킨다. 그 이유는 제1 편광 빔 분리기(540)에서 반사되도록 하기 위함이다.
제1 편광 빔 분리기(540)는 반파장판(530) 및 반사경(532)으로부터 전달받은 레이저 빔을 반사시켜 기존 레이저 빔과 합쳐지게 한다.
전기광학 스위치(550)는 반파장판(530)에 의해 90°회전된 레이저 빔의 편광 상태를 다시 90°회전시키게 된다. 그 이유는 반파장판(530)을 통과한 레이저 빔은 편광 상태가 90°회전되어 있어 출력단의 제2 편광 빔 분리기(560)를 통과하지 못하기 때문이다.
제2 편광 빔 분리기(560)는 도 4에 도시된 바와 같이 전기 광학 스위치(550)를 통과한 레이저 빔과 제2 레이저 발진기(130)에서 발진된 레이저 빔을 합쳐서 레이저 송수신 광학계(200)로 보내는 역할을 한다.
제어부(600)는 도 4에 도시된 바와 같이 레이저 시스템(100)의 제1 내지 제4 광센서(124, 126, 144, 146)로부터 전달받은 검출 데이터를 이용하여 제1 및 제2 금속증기 필터(122, 142)의 흡수도를 분석하여 제1 및 제2 레이저 발진기(110, 130)의 발진 주파수(파장)을 고정하게 된다.
또한, 제어부(600)는 차분 흡수 측정 유닛(300)의 제5 광센서(310)로부터 전달받은 차분 흡수 신호를 분석하여 방사성 미량원소의 농도를 측정하게 된다.
또한, 제어부(600)는 도플러 신호 측정 유닛(400)의 제6 및 제7 광센서(412, 414)로부터 전달받은 검출 데이터를 분석하여 산란 광의 도플러 신호 및 바람장을 측정하게 된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 라이다 장치는 앞서 설명한 레이저 파장 변환장치(500)를 이용하지 않고, 도 4에 도시된 도플러 신호 측정 유닛(400)의 제3 금속증기 필터(410)의 분압 조절을 통해 레이저 시스템(100)에서 발진되는 레이저 빔을 이용하여 산란 광의 도플러 신호를 측정할 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
(방사성물질과 바람장 동시측정 방법)
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사성물질과 바람장 동시측정 방법을 나타내는 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방사성물질과 바람장 동시측정 방법은 먼저, 공명 파장 및 비공명 파장을 갖는 레이저 빔을 대기중에 조사하여 대기중에서 산란된 광을 차분 흡수 측정 유닛(300)이 수신하고, 산란 광으로부터 차분 흡수 신호를 검출하여 제어부(600)가 방사성 미량원소의 농도를 측정하게 된다(S110).
다음으로, 도플러 신호 측정 유닛(400)의 제3 금속증기 필터(410)가 산란 광의 도플러 파장을 흡수할 수 있도록 레이저 파장 변환장치(500)가 공명 파장 또는 비공명 파장을 가진 레이저 빔의 파장, 즉 제1 또는 제2 레이저 발진기(110, 130)에서 발진되는 레이저 빔의 파장을 도플러 파장으로 변환하게 된다(S120). 본 단계(S120)를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 5에 도시된 빔 분리기(510)가 제1 레이저 발진기(110)에서 발진되는 레이저 빔의 일부를 분리하여 음향-광 변조기(520)에 전달한다(S121).
그리고, 음향-광 변조기(520)가 공명 파장을 가진 레이저 빔을 도플러 파장을 가지도록 변환하여 출력한다(S122).
그리고, 반파장판(530)이 음향-광 변조기(520)에서 출력되는 레이저 빔의 편광 상태를 90°회전시킨다(S123).
그리고, 제1 편광 빔 분리기(540)가 반파장판(530)을 통과한 레이저 빔을 반사시켜 기존 레이저 빔과 합쳐지게 한다(S124).
그리고, 전기광학 스위치(550)가 반파장판(530)에 의해 90°회전된 레이저 빔의 편광 상태를 다시 90°회전시킨다(S125).
그리고, 제2 편광 빔 분리기(560)가 상기 전기광학 스위치(550)를 통과한 레이저 빔과 제2 레이저 발진기(130)에서 각각 발진되는 레이저 빔을 합쳐서 레이저 송수신 광학계(200)로 보내게 된다(S126).
마지막으로, 상기 레이저 파장 변환장치(500)에 의해 파장 이동된 도플러 파장을 가진 레이저 빔을 대기중에 조사하고, 대기중에서 산란된 광을 도플러 신호 측정 유닛(400)이 수신하게 된다. 그리고, 제3 금속증기 필터(410)를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 검출하여 제어부(600)로 보내고, 검출 데이터를 분석하여 도플러 신호 및 바람장을 측정하게 된다(S130).
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방사성물질과 바람장 동시측정 방법을 나타내는 흐름도이고, 도 8은 본 발명의 도 7의 동시 측정방법을 설명하기 위한 요오드 셀의 분압에 따른 흡수도(투과도)를 변화를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 방사성물질과 바람장 동시측정 방법에 있어서 차분 신호 측정 단계(S210)와 도플러 신호 측정 단계(S230)는 앞서 설명한 방법의 단계(S110, S130)와 동일하므로 중복된 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에 따른 방법은 상기 차분 신호 측정 단계(S210) 이후에, 도플러 신호 측정 유닛(400)의 제3 금속증기 필터(410)가 산란 광의 도플러 파장을 흡수할 수 있도록 제3 금속증기 필터(410)의 분압을 조절하게 된다(S220). 이에 따라 레이저 시스템(100)에서 발진되는 레이저 빔을 이용하여 산란 광의 도플러 신호를 측정할 수 있다(S230).
도 8을 참조하여 본 실시예에 따른 방법의 원리를 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 레이저 시스템(100)에서 발진되는 레이저 빔은 공명 파장(λon)과 비공명 파장(λoff)을 가지고 있다. 이때, 본 실시예에 따른 방법은 비공명 파장(λoff)을 갖는 레이저 빔을 이용한다. 즉, 도 4에 도시된 제2 레이저 발진기(130)에서 발진되는 레이저 빔을 이용한다.
본 발명의 도플러 신호 측정 유닛(400)의 제3 금속증기 필터(410)가 요오드 셀(iodine cell)인 경우 최초 요오드 셀의 분압은 도 8에 도시된 0.1 torr와 같이 작게 세팅되어 있다. 그리고, 대기중으로 조사되는 레이저 빔의 파장은 비공명 파장(λoff)을 갖는다. 이 레이저 빔은 요오드(I2)에 의한 흡수가 거의 일어나지 않고, 공기 중의 입자에 의해 산란되고, 이 산란 광은 도플러 신호 측정 유닛(400)의 요오드 셀(410)을 통과하게 된다. 이때, 본 실시예에 따른 방법은 도플러 신호의 획득을 위해 요오드 셀(410)의 분압을 도 8에서와 같이 1.0 torr로 크게 조절하게 된다. 이에 따라 레이저 빔의 파장은 도 8에서와 같이 흡수도가 크게 변하는 영역(약 1/2)에 있게 되고, 분압이 큰 요오드 셀(410)을 투과하면서 도플러 파장(λd)과 같이 도플러 효과에 의한 파장 변이를 측정할 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 시스템
110 : 제1 레이저 발진기
120 : 제1 주파수 고정 유닛
122 : 제1 금속증기 필터
124 : 제1 광센서
126 : 제2 광센서
130 : 제2 레이저 발진기
140 : 제2 주파수 고정 유닛
142 : 제2 금속증기 필터
144 : 제3 광센서
146 : 제4 광센서
200 : 레이저 송수신 광학계
210 : 스캐닝 미러
220 : 집광 미러
300 : 차분 흡수 측정 유닛
310 : 제5 광센서
400 : 도플러 신호 측정 유닛
410 : 제3 금속증기 필터
412 : 제6 광센서
414 : 제7 광센서
500 : 레이저 파장 변환장치
510 : 빔 분리기
520 : 음향-광 변조기
530 : 반파장판
540 : 제1 편광 빔 분리기
550 : 전기광학 스위치
550 : 제2 편광 빔 분리기
600 : 제어부

Claims (8)

  1. 제1 및 제2 레이저 발진기와, 상기 제1 레이저 발진기에서 발진되는 레이저 빔의 파장을 대기중 미량원소에 의한 흡수가 많이 이루어지는 공명 파장으로 고정하기 위해 상기 레이저 빔의 일부를 받아서 제1 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 측정하는 제1 주파수 고정 유닛과, 상기 제2 레이저 발진기에서 발진되는 레이저 빔의 파장을 상기 미량원소에 의한 흡수가 적게 이루어지는 비공명 파장으로 고정하기 위해 상기 레이저 빔의 일부를 받아서 제2 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 측정하는 제2 주파수 고정 유닛을 구비한 레이저 시스템;
    상기 제1 및 제2 레이저 발진기로부터 발진된 레이저 빔을 합하여 대기중에 조사하고, 대기중에서 산란된 광을 수신하는 레이저 송수신 광학계;
    상기 레이저 송수신 광학계로부터 상기 산란 광의 일부를 전달받아 차분 흡수 신호를 검출하는 광센서를 구비한 차분 흡수 측정 유닛;
    제3 금속증기 필터와, 상기 레이저 송수신 광학계로부터 상기 산란 광의 일부를 전달받아 상기 제3 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 검출하는 광센서를 구비한 도플러 신호 측정 유닛;
    상기 제3 금속증기 필터가 상기 산란 광의 도플러 파장을 흡수할 수 있도록 상기 제1 또는 제2 레이저 발진기에서 발진되는 레이저 빔의 파장을 상기 도플러 파장으로 변환시키는 레이저 파장 변환장치; 및
    상기 제1 및 제2 주파수 고정 유닛으로부터 검출 데이터를 전달받아 상기 공명 파장 및 비공명 파장을 연산하며 상기 제1 및 제2 레이저 발진기의 발진 주파수를 고정하고, 상기 차분 흡수 측정 유닛 및 상기 도플러 신호 측정 유닛으로부터 검출 데이터를 전달받아 상기 미량원소의 농도와 도플러 신호를 연산하는 제어부를 포함하는 방사성물질과 바람장 동시측정 라이다 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 파장 변환장치는,
    상기 도플러 파장을 가지도록 상기 레이저 빔의 파장을 변환시키는 음향-광 변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성물질과 바람장 동시측정 라이다 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 레이저 파장 변환장치는,
    상기 제1 또는 제2 레이저 발진기에서 발진되는 레이저 빔의 일부를 분리하여 상기 음향-광 변조기에 전달하는 빔 분리기와,
    상기 음향-광 변조기에서 출력되는 레이저 빔의 편광 상태를 90°회전시키는 반파장판과,
    상기 반파장판을 통과한 레이저 빔을 반사시켜 기존 레이저 빔과 합치는 제1 편광 빔 분리기와,
    상기 90°회전된 레이저 빔의 편광 상태를 다시 90°회전시키는 전기광학 스위치 및
    상기 제1 및 제2 레이저 발진기에서 각각 발진되는 레이저 빔이 합쳐지는 제2 편광 빔 분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성물질과 바람장 동시 측정 라이다 장치.
  4. 제1 및 제2 레이저 발진기와, 상기 제1 레이저 발진기에서 발진되는 레이저 빔의 파장을 대기중 미량원소에 의한 흡수가 많이 이루어지는 공명 파장으로 고정하기 위해 상기 레이저 빔의 일부를 받아서 제1 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 측정하는 제1 주파수 고정 유닛과, 상기 제2 레이저 발진기에서 발진되는 레이저 빔의 파장을 상기 미량원소에 의한 흡수가 적게 이루어지는 비공명 파장으로 고정하기 위해 상기 레이저 빔의 일부를 받아서 제2 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 측정하는 제2 주파수 고정 유닛을 구비한 레이저 시스템;
    상기 제1 및 제2 레이저 발진기로부터 발진된 레이저 빔을 합하여 대기중에 조사하고, 대기중에서 산란된 광을 수신하는 레이저 송수신 광학계;
    상기 레이저 송수신 광학계로부터 상기 산란 광의 일부를 전달받아 차분 흡수 신호를 검출하는 광센서를 구비한 차분 흡수 측정 유닛;
    제3 금속증기 필터와, 상기 레이저 송수신 광학계로부터 상기 산란 광의 일부를 전달받아 상기 제3 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 검출하는 광센서를 구비한 도플러 신호 측정 유닛;
    상기 제1 및 제2 주파수 고정 유닛으로부터 검출 데이터를 전달받아 상기 공명 파장 및 비공명 파장을 연산하며 상기 제1 및 제2 레이저 발진기의 발진 주파수를 고정하고, 상기 차분 흡수 측정 유닛 및 상기 도플러 신호 측정 유닛으로부터 검출 데이터를 전달받아 상기 미량원소의 농도와 도플러 신호를 연산하는 제어부를 포함하고,
    상기 도플러 신호 측정 유닛은 상기 제2 금속증기 필터가 상기 산란 광의 도플러 파장을 흡수할 수 있도록 상기 제2 금속증기 필터의 분압 조절이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 방사성물질과 바람장 동시측정 라이다 장치.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 금속증기 필터는 요오드 셀(iodine cell) 인 것을 특징으로 하는 방사성물질과 바람장 동시측정 라이다 장치.
  6. 공명 파장 및 비공명 파장을 갖는 레이저 빔을 대기중에 조사하여 대기중에서 산란된 광을 차분 흡수 측정 유닛이 수신하고, 상기 산란 광으로부터 차분 흡수 신호를 검출하여 방사성 미량원소의 농도를 측정하는 단계(S110);
    도플러 신호 측정 유닛의 금속증기 필터가 상기 산란 광의 도플러 파장을 흡수할 수 있도록 레이저 파장 변환장치가 상기 공명 파장 또는 비공명 파장을 가진 레이저 빔의 파장을 상기 도플러 파장으로 변환하는 단계(S120); 및
    상기 도플러 파장을 가진 레이저 빔을 대기중에 조사하여 대기중에서 산란된 광을 도플러 신호 측정 유닛이 수신하고, 상기 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 검출하여 도플러 신호를 측정하는 단계(S130)를 포함하는 방사성물질과 바람장 동시측정 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 레이저 파장 변환장치가 상기 공명 파장 또는 비공명 파장을 가진 레이저 빔의 파장을 상기 도플러 파장으로 변환하는 단계(S120)는,
    빔 분리기가 제1 또는 제2 레이저 발진기에서 발진되는 레이저 빔의 일부를 분리하여 음향-광 변조기에 전달하는 단계(S121);
    상기 음향-광 변조기가 상기 공명 파장 또는 비공명 파장을 가진 레이저 빔을 상기 도플러 파장을 가지도록 변환하여 출력하는 단계(S122);
    반파장판이 상기 음향-광 변조기에서 출력되는 레이저 빔의 편광 상태를 90°회전시키는 단계(S123);
    제1 편광 빔 분리기가 상기 반파장판을 통과한 레이저 빔을 반사시켜 기존 레이저 빔과 합치는 단계(S124);
    전기광학 스위치가 상기 90°회전된 레이저 빔의 편광 상태를 다시 90°회전시키는 단계(S125); 및
    제2 편광 빔 분리기가 상기 제1 및 제2 레이저 발진기에서 각각 발진되는 레이저 빔을 합치는 단계(S126)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성물질과 바람장 동시측정 방법.
  8. 공명 파장 및 비공명 파장을 갖는 레이저 빔을 대기중에 조사하여 대기중에서 산란된 광을 차분 흡수 측정 유닛이 수신하고, 상기 산란 광으로부터 차분 흡수 신호를 검출하여 방사성 미량원소의 농도를 측정하는 단계(S210);
    도플러 신호 측정 유닛의 금속증기 필터가 상기 산란 광의 도플러 파장을 흡수할 수 있도록 상기 금속증기 필터의 분압을 조절하는 단계(S220); 및
    상기 도플러 파장을 가진 레이저 빔을 대기중에 조사하여 대기중에서 산란된 광을 도플러 신호 측정 유닛이 수신하고, 상기 금속증기 필터를 통과한 광과 통과하지 않은 광을 각각 검출하여 도플러 신호를 측정하는 단계(S230)를 포함하는 방사성물질과 바람장 동시측정 방법.
KR1020130123894A 2013-10-17 2013-10-17 바람장 측정과 방사성물질 동시측정 라이다 장치 KR101515980B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130123894A KR101515980B1 (ko) 2013-10-17 2013-10-17 바람장 측정과 방사성물질 동시측정 라이다 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130123894A KR101515980B1 (ko) 2013-10-17 2013-10-17 바람장 측정과 방사성물질 동시측정 라이다 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150044619A KR20150044619A (ko) 2015-04-27
KR101515980B1 true KR101515980B1 (ko) 2015-05-04

Family

ID=53036901

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130123894A KR101515980B1 (ko) 2013-10-17 2013-10-17 바람장 측정과 방사성물질 동시측정 라이다 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101515980B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112268871B (zh) * 2020-11-24 2024-01-26 西南技术物理研究所 一种同时测量大气中多种污染气体浓度的方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001056492A (ja) 1999-08-20 2001-02-27 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 光パラメトリック発振器およびこれを利用する差分吸収ライダ
JP2007333518A (ja) 2006-06-14 2007-12-27 Mitsubishi Electric Corp 差分吸収ライダ装置
KR101348917B1 (ko) 2012-11-30 2014-01-08 한국원자력연구원 씨앗주입레이저를 사용하는 방사능물질 원격 탐지를 위한 라이다 장치

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001056492A (ja) 1999-08-20 2001-02-27 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 光パラメトリック発振器およびこれを利用する差分吸収ライダ
JP2007333518A (ja) 2006-06-14 2007-12-27 Mitsubishi Electric Corp 差分吸収ライダ装置
KR101348917B1 (ko) 2012-11-30 2014-01-08 한국원자력연구원 씨앗주입레이저를 사용하는 방사능물질 원격 탐지를 위한 라이다 장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR20150044619A (ko) 2015-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6723991B1 (en) Single-shot differential spectroscopy and spectral-imaging at submillimeter wavelengths
US5847817A (en) Method for extending range and sensitivity of a fiber optic micro-doppler ladar system and apparatus therefor
US7570349B2 (en) Cars/absorption dual mode electro-optic sensor
US20140158870A1 (en) Variable-wavelength lidar system
WO2011066808A1 (zh) 实时定标高光谱分辨率激光雷达装置
JP2006510012A (ja) 複数の出力波長を有するレーザレーダ装置
CN110441792B (zh) 同时测风测温的瑞利散射激光雷达系统及相关校准方法
CN109580541B (zh) 一种光学外差法腔衰荡光谱测量装置及方法
JP6502410B2 (ja) 光マイクロフォンシステム
CN112511239B (zh) 一种相干接收装置及测风激光雷达系统
KR101515980B1 (ko) 바람장 측정과 방사성물질 동시측정 라이다 장치
CN211528208U (zh) 一种基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置
JP2008070314A (ja) ガス検出装置
KR20180072585A (ko) 대기 물질의 거리별 농도를 계측하는 광원격 계측기의 송수신 시스템
JP2008134076A (ja) ガス分析装置
JP6833105B2 (ja) 被検出物体に検出信号を提供する方法
KR100842827B1 (ko) 라만 신호를 이용하여 수증기와 물방울의 밀도를 동시에 측정하기 위한 라만 라이다 수신 광학계
CN107076667B (zh) 激光束阻挡元件及包括该元件的光谱系统
CN211627368U (zh) 一种基于相干探测方法的气体浓度遥感探测装置
KR101337087B1 (ko) 도플러 라이다 장치 및 도플러 라이다 장치의 동작 방법
CN112904308A (zh) 探测云相态及云水含量的激光雷达系统及方法
US20190271642A1 (en) Optical measurement device and optical measurement method
JPH1123450A (ja) ガス濃度検知方法及び装置
US11598798B1 (en) Sensor receiver having Rydberg cell and spaced apart pulsed probe beams and associated methods
RU2231762C2 (ru) Оптоэлектронный датчик давления

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180406

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190328

Year of fee payment: 5