KR101905516B1 - 순수 라만광 신호를 측정하기 위한 라만 라이다 장치 - Google Patents

순수 라만광 신호를 측정하기 위한 라만 라이다 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 형태에 따른 순수 라만광 신호를 측정하기 위한 라만 라이다 장치는, 측정 대상물에 레이저 빔을 조사하는 레이저 광원과, 조사된 레이저 빔에 의해 발생되는 광 신호 중 측정 대상물에 포함된 피측정 가스에 의한 라만광 신호를 통과시키는 밴드패스필터와, 밴드패스필터에 의해 반사된 광 신호의 세기를 측정하는 반사광 검출기와, 반사광 검출기에서 측정된 광 신호의 세기를 보정하고, 보정된 광 신호를 이용하여 라만광 신호로부터 잡음광 신호를 제거하는 신호 처리부를 포함할 수 있다.

Description

순수 라만광 신호를 측정하기 위한 라만 라이다 장치{RAMAN LIDAR APPARATUS FOR MEASURING PURE RAMAN OPTICAL SIGNAL}
본 출원은, 순수 라만광 신호를 측정하기 위한 라만 라이다 장치에 관한 것이다.
라이다(LIDAR; Light Detection and Ranging) 장치는 측정 대상물에 레이저 광을 조사하고, 산란된 산란광을 검출하여 해석함으로써 측정 대상물의 거리, 농도, 속도, 형상 등의 물리적 성질을 측정하는 장치이다.
특히, 수소가스의 원거리 측정을 위하여 라만광 신호를 검출하는 라만 라이다 장치는 원거리 측정이 가능하고, 실시간 측정이 가능하다는 장점을 가지고 있는 반면, 형광신호나 라만 펌핑 레이저빔이 측정대상 가스의 라만광 신호와 동시에 들어와 잡음이 많다는 단점을 가지고 있다.
이러한 광신호의 잡음은 분광 장치(필터나 그레이팅)로 제거하는 것이 일반적이나, 고분해능 분광 장치가 장치에 들어가면 크기와 비용문제가 있으며, 특히 벽면에서 발생하는 형광 신호는 이러한 분광 장치로도 완전히 제거할 수 없는 문제점이 있다.
종래에는 이러한 광신호의 잡음 문제는 배경잡음신호를 획득한 후 라만광 신호에서 빼주는 방식으로 처리하는데, 이러한 방식은 측정 환경(여기서, '측정 환경'이란 라만 라이다 장치가 사용되는 주변 환경 조건을 의미함)이 바뀔 때마다 배경잡음신호를 획득해야 하므로, 엄밀한 의미에서 잡음제거가 되지 못하는 문제점이 있다.
라만 라이다 장치 관련 기술로는, 예를 들면, 한국공개특허 제2017-0052256호(“라만 산란을 이용한 물질의 농도 측정 장치 및 방법”, 공개일: 2017년05월12일)이 있다.
라만 라이다 장치 관련 기술로는, 예를 들면, 한국공개특허 제2017-0052256호(“라만 산란을 이용한 물질의 농도 측정 장치 및 방법”, 공개일: 2017년05월12일)
본 발명은, 측정 환경이 바뀌는 경우에도 순수한 라만광 신호만을 얻어 라만 라이다 장치의 측정 분해능(신호대잡음비)를 높일 수 있는 라만 라이다 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 측정 대상물에 레이저 빔을 조사하는 레이저 광원; 조사된 상기 레이저 빔에 의해 발생되는 광 신호 중 상기 측정 대상물에 포함된 피측정 가스에 의한 라만광 신호를 통과시키는 밴드패스필터; 상기 밴드패스필터에 의해 반사된 광 신호의 세기를 측정하는 반사광 검출기; 및 상기 반사광 검출기에서 측정된 광 신호의 세기를 보정하고, 보정된 광 신호를 이용하여 상기 라만광 신호로부터 잡음광 신호를 제거하는 신호 처리부;를 포함하는 라만 라이다 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 측정 대상물에 레이저 빔을 조사하는 레이저 광원; 조사된 상기 레이저 빔에 의해 발생되는 광 신호 중 상기 측정 대상물에 포함된 피측정 가스에 의한 라만광 신호를 통과시키는 제1 밴드패스필터; 조사된 상기 레이저 빔에 의해 발생되는 광 신호 중 상기 측정 대상물에 포함된 기준 가스에 의한 기준 라만광 신호를 통과시키는 제2 밴드패스필터; 상기 제1 밴드패스필터 및 상기 제2 밴드패스필터에 의해 반사된 광 신호의 세기를 측정하는 반사광 검출기; 및 상기 반사광 검출기에서 측정된 광 신호의 세기를 보정하고, 보정된 광 신호를 이용하여 상기 라만광 신호 및 상기 기준 라만광 신호로부터 잡음광 신호를 제거하는 신호 처리부를 포함하는 라만 라이다 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 밴드패스필터를 이용하여 라만광 신호와 잡음광 신호를 동시에 측정한 후 라만광 신호로부터 잡음광 신호를 제거함으로써, 측정 환경이 바뀌는 경우에도 순수한 라만광 신호만을 얻어 라만 라이다 장치의 측정 분해능(신호대잡음비)를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 라만 라이다 장치의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 순수한 라만광 신호만을 얻는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 라만 라이다 장치를 이용한 잡음광 제거 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 라만 라이다 장치를 이용한 잡음광 제거 방법을 설명하는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 더욱 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
라이다(LIDAR: Light Detection And Ranging) 장치는 측정 대상물인 대기 중의 먼지, 연기, 에어로졸, 구름 입자 등의 존재와 이동을 분석하기 위한 장치로서 레이저 빔의 펄스를 이용할 수 있다. 일반적으로, 라이다 장치에서 방출된 레이저 빔의 펄스는 대기 중의는 입자에 의하여 산란되고, 이 펄스가 산란된 산란광을 수신하여 분석한다. 라이다 장치에는 측정 대상물을 이루는 분자의 라만 시프트(raman-shift)에 의한 산란광을 검출하고 그 파장, 강도 등으로부터 측정 대상물의 성분 분석을 실행하는 라만 라이다 장치와 레이저 광의 도플러 효과를 이용하여 미세한 저속도 목표물의 속도 측정도 하는 도플러 라이다 장치 등이 있다. 본 발명의 일 실시예는 라만 라이다 장치를 예로 들어 설명하나 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 라만 라이다 장치의 전체 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 라만 라이다 장치는, 측정 대상물(S)에 레이저 빔(111)을 조사하는 송신부(110)와, 조사된 레이저 빔(111)에 의해 발생되는 광 신호(112)를 수신하는 수신부(120)와, 광 검출기(D1 내지 D3)에서 측정된 광 신호(라만광 신호, 기준 라만광 신호 및 잡음광 신호를 포함)를 증폭하는 전치 증폭기(131)와, 증폭된 광 신호를 신호 처리하여 잡음광 신호를 제거함으로써 순수한 라만광 신호만을 얻기 위한 신호 처리부(132)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 송신부(110)는 레이저 광원(110a)과 송신 광학부(LF, NDF, Te2, M1, M2)를 포함할 수 있다.
상술한 레이저 광원(110a)은 355nm 파장의 Nd:YAG 3rd-harmonics 레이저 빔을 발진할 수 있다.
레이저 광원(110a)에서 발진된 레이저 빔(111)은 레이저 투과 필터(Laser line filter, LF), 중성 감쇄 필터(Neutral Density filter, NDF) 및 빔 확대기(Telescope, Te2)를 거친 후, 미러들(M1, M2)에 의해 반사되어 측정 대상물(S)에 조사될 수 있다. 여기서, 측정 대상물(S)에는, 농도 등을 측정하고자 하는 수소(H2)(이하, '피측정가스'라 함) 외에 다른 가스들이 포함되며, 특히 측정 대상물(S)에는 질소(N2) 가스(이하, '기준 가스'라 함)가 80% 이상 차지하고 있다.
따라서, 본 발명에서는 2개의 밴드패스필터(BP1, BP2)를 사용하되, 제1 밴드패스필터(BP1)(및 광 검출기(D1))를 통해서는 농도 등을 측정하고자 하는 피측정 가스(예컨대, 수소나 메탄)에 의해 발생되는 라만광 신호만을 통과시켜 그 세기를 측정하고, 제2 밴드패스필터(BP2)(및 광 검출기(D2))를 통해서는, 기준 가스(예컨대, 질소)에 의해 발생되는 라만광 신호(이하 '기준 라만광 신호'라 함)를 통과시켜 그 세기를 측정한 후 측정 대상물(S)의 성분 중 측정하고자 하는 수소(H2) 가스의 농도를 기준 가스에 대한 농도의 비율로 상대적으로 표시할 수 있다.
실시 형태에 따라서는 후술하는 도 3에 도시된 바와 같이, 측정하고자 하는 가스의 농도만을 측정할 수 있으며, 이 경우 제1 수신 광학부(121)만 이용하며, 제2 수신 광학부(122)는 동작하지 않을 수 있다. 제2 수신 광학부(122)가 동작하지 않는다는 함은 밴드패스필터(BP2)가 삽입되지 않고 광 검출기(D2)에 의해 측정된 광 신호의 세기를 무시한다는 의미이다.
한편, 수신부(120)는 빔 확대기(Telescope, Te1), 노치 필터(Notch filter, NF), 제1 수신 광학부(BP1, L1, D1, 121), 제2 수신 광학부(BP2, L2, D2, 122), 및 제3 수신 광학부(L3, D3, 123)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 빔 확대기(Te1)를 통해 수신되는 광 신호(112)에는 측정 대상물(S)에 포함된 피측정가스에 의해 발생되는 라만광 신호와 측정 대상물(S)에 포함된 기준 가스에 의해 발생되는 기준 라만광 신호 그리고 잡음광 신호가 포함될 수 있다. 상술한 잡음광 신호에는 벽(W)이나 다른 구조물에서 반사/산란된 레이저 빔과, 벽(W)이나 다른 구조물에 의해 레이저 빔(111)이 맞아 생긴 형광 신호가 포함될 수 있다.
반사/산란된 레이저 빔 신호를 차단하기 위해 빔 확대기(Te1) 후단에는 노치 필터(NF)가 사용될 수 있으며, 제1 수신 광학부(121)와 제2 수신 광학부(122)에는 반사/산란된 레이저 빔 신호와 형광 신호를 차단하기 위해 밴드패스필터(BP1, BP2)가 사용될 수 있다.
하지만, 본 장치가 사용되는 환경에 따라서는 반사/산란된 레이저 빔 신호와 형광 신호가 아주 강할 수 있으며, 이 경우 노치 필터(NF)나 밴드패스필터(BP1, BP2)로도 차단할 수 없는 잡음광 신호들이 광 검출기(D1, D2)에 의해 검출될 수 있다.
이렇게 검출된 잡음광 신호들은 측정하고자 하는 라만광 신호 또는 기준 라만광 신호에 대한 잡음으로 작용하므로 제거되어야 한다. 이러한 잡음광 신호의 제거를 위해 잡음광 신호만을 측정하기 위한 제3 수신 광학부(L3, D3, 123)가 더 구비될 수 있으며, 이에 대해서는 후술하기로 한다.
다시 도 1을 참조하면, 노치 필터(NF)를 통과한 광 신호는 광 분할기(Beam Splitter, BS)로 입력되며, 광 분할기(BS)에 의해 광 신호(112)는 2개의 경로로 분할되어 각각 제1 수신 광학부(121) 및 제2 수신 광학부(122)로 입사된다. 상술한 광 분할기(BS)는 제1 수신 광학부(121)의 제1 밴드패스필터(BP1)에 의해 반사된 잡음광 신호와 제2 수신 광학부(122)의 제2 밴드패스필터(BP1)에 의해 반사된 잡음광 신호를 제3 수신 광학부(123)로 입사시킬 수 있다.
제1 수신 광학부(121)는 제1 밴드패스필터(BP1), 렌즈(L1) 및 제1 광 검출기(D1)을 포함할 수 있다.
제1 밴드패스필터(BP1)는 측정 대상물에 포함된 피측정 가스에 의한 라만광 신호(수소 가스의 경우 파장: 416nm)만을 통과시키며, 그 외의 파장을 가진 광 신호(이하, '잡음광 신호'라 함)는 상술한 광 분할기(BS)로 다시 반사하도록 구성된다. 이때, 광 분할기(BS)로 입사된 잡음광 신호는 제3 수신 광학부(123)로 입사될 수 있다.
한편, 렌즈(L1)는 제1 밴드패스필터(BP1)를 통과한 라만광 신호를 제1 광 검출기(D1)로 집광시키며, 제1 광 검출기(D1)는 렌즈(L1)에 의해 집광된 라만광 신호의 세기를 측정할 수 있다. 제1 광 검출기(D1)에 의해 측정된 라만광 신호의 세기는 전치 증폭기(131)로 전달될 수 있다.
한편, 제2 수신 광학부(122)는 제2 밴드패스필터(BP2), 렌즈(L2) 및 제2 광 검출기(D2)을 포함할 수 있다.
제2 밴드패스필터(BP2)는 측정 대상물에 포함된 기준 가스에 의한 기준 라만광 신호(질소 가스의 경우 파장: 387nm)만을 통과시키며, 그 외의 파장을 가진 잡음광 신호는 상술한 광 분할기(BS)로 다시 반사하도록 구성된다. 이때, 광 분할기(BS)로 입사된 잡음광 신호는 제3 수신 광학부(123)로 입사될 수 있다.
렌즈(L2)는 제2 밴드패스필터(BP2)를 통과한 기준 라만광 신호를 제2 광 검출기(D2)로 집광시키며, 제2 광 검출기(D2)는 렌즈(L2)에 의해 집광된 기준 라만광 신호의 세기를 측정할 수 있다. 제2 광 검출기(D2)에 의해 측정된 기준 라만광 신호의 세기는 전치 증폭기(131)로 전달될 수 있다.
본 발명에서 사용된 밴드패스필터(BP1, BP2)는 밴드폭(bandwidth)이 0.6nm이고, 잡신호 제거는 1/1백만(OD=6)인 대역통과필터를 사용하였다(Alluxa사의 Ultra Narrow Bandpass Filter).
한편, 제3 수신 광학부(123)는 렌즈(L3) 및 반사광 검출기(D3)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 렌즈(L3)는 광 분할기(BS)를 통해 입사된 잡음광 신호를 반사광 검출기(D3)로 집광시키며, 반사광 검출기(D3)는 렌즈(L3)에 의해 집광된 잡음광 신호의 세기를 측정할 수 있다. 반사광 검출기(D3)에 의해 측정된 잡음광 신호의 세기는 전치 증폭기(131)로 전달될 수 있다.
상술한, 제1 광 검출기(D1) 내지 반사광 검출기(D3)는, 광전증배관(PMT)이나 광다이오드(photodiode)가 사용될 수 있다.
전치 증폭기(131)는 제1 광 검출기(D1)에 의해 검출된 라만광 신호의 세기 및 제2 광 검출기(D2)에 의해 검출된 기준 라만광 신호의 세기 및 반사광 검출기(D3)에 의해 측정된 잡음광 신호의 세기를 증폭한 후 신호 처리부(132)로 전달할 수 있다.
마지막으로, 신호 처리부(132)는 제1 광 검출기(D1)에서 측정한 라만광 신호 및 제2 광 검출기(D2)에서 측정한 기준 라만광 신호로부터 잡음광 신호를 제거할 수 있다. 이를 위해 제3 수신 광학부(123)로 입사된 잡음광 신호의 세기를 보정할 필요가 있다.
즉, 대역통과필터(BP1, BP2)의 OD(Optical Density)가 6이라고 하면, 대역통과필터(BP1, BP2)에 의해 반사되어 제3 수신 광학부(123)로 입사된 잡음광 신호의 크기는 제1 광 검출기(D1)에서 측정한 라만광 신호 또는 제2 광 검출기(D2)에서 측정한 기준 라만광 신호의 크기에 비해 상당히 크다. 따라서, 제1 광 검출기(D1)에서 측정한 라만광 신호 또는 제2 광 검출기(D2)에서 측정한 기준 라만광 신호에 포함된 잡음광 신호의 크기만큼 제3 수신 광학부(123)로 입사된 잡음광 신호의 세기를 우선 보정('정규화'라고도 함)할 필요가 있다.
구체적으로, 신호 처리부(132)는 측정 대상물(S)이 없을 때 제1 광 검출기(D1)에서 측정한 라만광 신호의 세기와 측정 대상물(S)이 없을 때 반사광 검출기(D3)에서 측정한 광 신호의 세기의 비율만큼 반사광 검출기(D3)에서 측정된 광 신호의 세기를 축소시켜 제1 보정된 광 신호의 세기를 구하며, 측정 대상물(S)이 없을 때 제2 광 검출기(D2)에서 측정한 라만광 신호의 세기와 측정 대상물(S)이 없을 때 반사광 검출기(D3)에서 측정한 광 신호의 세기의 비율만큼 반사광 검출기(D3)에서 측정된 광 신호의 세기를 축소시켜 제2 보정된 광 신호의 세기를 구한다.
이후, 신호 처리부(132)는 제1 광 검출기(D1)에서 측정한 라만광 신호의 세기에서 제1 보정된 잡음광 신호의 세기를 감산하여 라만광 신호로부터 잡음광 신호를 제거함으로써 피측정가스에 의해 발생되는 순수한 라만광 신호를 얻을 수 있다.
또한, 신호 처리부(132)는 제2 광 검출기(D2)에서 측정한 기준 라만광 신호의 세기에서 제2 보정된 잡음광 신호의 세기를 감산하여 기준 라만광 신호로부터 잡음광 신호를 제거함으로써 기준가스에 의해 발생되는 순수한 기준 라만광 신호를 얻을 수 있다.
이후 신호 처리부(132)는 피측정가스에 의해 발생되는 순수한 라만광 신호의 세기를 기준가스에 의해 발생되는 기준 라만광 신호의 세기에 대한 비율로 (분압의 형태로) 표시할 수 있다.
상술한 예시는 제1 수신 광학부(121), 제2 수신 광학부(122) 제3 수신 광학부(123)가 모두 동작하는 경우를 예시하고 있으나, 제1 수신 광학부(121)와 제3 수신 광학부(123)만 동작하는 경우에는 신호 처리부(132)는 하기와 같은 동작을 통해 순수한 라만광 신호를 얻을 수 있다.
구체적으로, 신호 처리부(132)는, 측정 대상물(S)이 없을 때 제1 광 검출기(D1)에서 측정한 라만광 신호의 세기와 측정 대상물(S)이 없을 때 반사광 검출기(D3)에서 측정한 광 신호의 세기의 비율만큼 반사광 검출기(D3)에서 측정된 광 신호의 세기를 축소시킴으로써, 반사광 검출기(D3)에서 측정된 광 신호의 세기를 보정한다. 이후 신호 처리부(132)는, 제1 광 검출기(D1)에서 측정한 라만광 신호의 세기에서 보정된 광 신호의 세기를 감산하여 라만광 신호로부터 잡음광 신호를 제거함으로써 순수한 라만광 신호를 얻을 수 있다.
한편, 도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 순수한 라만광 신호만을 얻는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 2에서는 도 1의 수신부(120) 중 제1 수신 광학부(121)와 제3 수신 광학부(123)만을 이용한 경우를 도시하고 있다.
구체적으로, 도 2의 (a)에서, 도면부호 201은 제1 수신 광학부(121)의 제1 광 검출기(D1)에 의해 측정한 라만광 신호의 세기를 도시하고 있으며, 도 2의 (b)에서 도면부호 202는 제3 수신 광학부(123)의 반사광 검출기(D3)에 의해 측정한 잡음광 신호의 세기이다.
도 2의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 제3 수신 광학부(123)의 반사광 검출기(D3)에 의해 측정한 잡음광 신호(202)의 세기는 제1 수신 광학부(121)의 제1 광 검출기(D1)에 의해 측정한 라만광 신호(201)의 세기보다 큼을 알 수 있다.
한편, 도 2의 (c)는 도 2의 (b)에서 도시된 잡음광 신호(202)의 세기를 보정한 것이다. 즉, 신호 처리부(132)는 측정 대상물(S)에 피측정 가스가 없을 때 제1 광 검출기(D1)에서 측정한 라만광 신호의 세기와 측정 대상물(S)에 피측정 가스가 없을 때 반사광 검출기(D3)에서 측정한 광 신호의 세기의 비율만큼 반사광 검출기(D3)에서 측정된 광 신호의 세기를 축소시킴으로써, 도 2의 (c)와 같은 보정된 잡음광 신호(203)를 얻을 수 있다.
한편, 도 2의 (d)는 제1 수신 광학부(121)의 제1 광 검출기(D1)에 의해 측정한 라만광 신호(201)의 세기와 보정된 잡음광 신호(203)의 세기를 비교 도시한 것이다.
이후, 신호 처리부(132)는 제1 수신 광학부(121)의 제1 광 검출기(D1)에 의해 측정한 라만광 신호(201)의 세기로부터 보정된 잡음광 신호(203)의 세기를 감산함으로써, 피측정가스에 의해 발생되는 순수한 라만광 신호(204)만을 얻을 수 있다(도 2의 (e) 참조).
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 밴드패스필터를 이용하여 라만광 신호와 잡음광 신호를 동시에 측정하여 잡음광 신호를 제거함으로써, 측정 환경이 바뀌는 경우에도 순수한 라만광 신호만을 얻어 라만 라이다 장치의 측정 분해능(신호대잡음비)를 높일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 라만 라이다 장치를 이용한 잡음광 제거 방법을 설명하는 흐름도로, 도 1에서 제1 수신 광학부(121)만 이용하는 경우이며, 제2 수신 광학부(122)는 동작하지 않는 경우이다.
구체적으로, 도 1 및 도 3을 참조하면, 레이저 광원(110a)에서 측정 대상물(S)에 레이저 빔(111)을 조사할 수 있다(S301). 상술한 바와 같이, 측정 대상물(S)에는 농도 등을 측정하고자 하는 수소와 같은 피측정가스 외에도 질소와 같은 기준 가스가 포함될 수 있다.
다음, 밴드패스필터(BP1)는, 조사된 레이저 빔(111)에 의해 발생되는 광 신호(112) 중 라만광 신호를 통과시킬 수 있다(S302). 상술한 라만광 신호는 측정 대상물에 포함된 피측정가스, 예컨대 수소 가스나 메탄 가스에 의해 발생되는 라만광 신호일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 기준 가스로서 질소 가스 등도 포함될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
마지막으로, 신호 처리부(132)는, 밴드패스필터(BP1)에 의해 반사된 광 신호를 이용하여 라만광 신호로부터 잡음광 신호를 제거함으로써 순수한 라만광 신호만을 얻을 수 있다(S303).
구체적으로, 신호 처리부(132)는, 측정 대상물(S)이 없을 때 제1 광 검출기(D1)에서 측정한 라만광 신호의 세기와 측정 대상물(S)이 없을 때 반사광 검출기(D3)에서 측정한 광 신호의 세기의 비율만큼 반사광 검출기(D3)에서 측정된 광 신호의 세기를 축소시킴으로써, 반사광 검출기(D3)에서 측정된 광 신호의 세기를 보정한다. 이후 신호 처리부(132)는, 제1 광 검출기(D1)에서 측정한 라만광 신호의 세기에서 보정된 광 신호의 세기를 감산하여 라만광 신호로부터 잡음광 신호를 제거함으로써 순수한 라만광 신호를 얻을 수 있다.
다음. 도 4는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 라만 라이다 장치를 이용한 잡음광 제거 방법을 설명하는 흐름도로, 도 1에서 제1 수신 광학부(121) 및 제2 수신 광학부(122)가 모두 동작하는 경우이다.
구체적으로, 도 1 및 도 4를 참조하면, 레이저 광원(110a)에서 측정 대상물(S)에 레이저 빔(111)을 조사할 수 있다(S401). 상술한 바와 같이, 측정 대상물(S)에는 농도 등을 측정하고자 하는 수소와 같은 피측정가스 외에도 질소와 같은 기준 가스가 포함될 수 있다.
다음, 제1 밴드패스필터(BP1)는, 조사된 레이저 빔(111)에 의해 발생되는 광 신호(112) 중 라만광 신호를 통과시킬 수 있다(S402). 상술한 라만광 신호는 측정 대상물(S)에 포함된 수소와 같은 피측정가스에 의해 발생되는 라만광 신호일 수 있다.
한편, 제2 밴드패스필터(BP2)는, 조사된 레이저 빔(111)에 의해 발생되는 광 신호(112) 중 기준 라만광 신호를 통과시킬 수 있다(S403). 상술한 기준 라만광 신호는 측정 대상물에 포함된 질소와 같은 기준가스에 의해 발생되는 라만광 신호일 수 있다.
마지막으로, 신호 처리부(132)는, 제1 밴드패스필터(BP1) 및 제2 밴드패스필터(BP2)에 의해 반사된 광 신호를 이용하여 라만광 신호 및 기준 라만광 신호로부터 잡음광 신호를 제거함으로써, 순수한 라만광 신호 및 순수한 기준 라만광 신호를 얻을 수 있다(S404).
구체적으로, 신호 처리부(132)는 측정 대상물(S)이 없을 때 제1 광 검출기(D1)에서 측정한 라만광 신호의 세기와 측정 대상물(S)이 없을 때 반사광 검출기(D3)에서 측정한 광 신호의 세기의 비율만큼 반사광 검출기(D3)에서 측정된 광 신호의 세기를 축소시켜 제1 보정된 광 신호의 세기를 구하며, 측정 대상물(S)이 없을 때 제2 광 검출기(D2)에서 측정한 라만광 신호의 세기와 측정 대상물(S)이 없을 때 반사광 검출기(D3)에서 측정한 광 신호의 세기의 비율만큼 반사광 검출기(D3)에서 측정된 광 신호의 세기를 축소시켜 제2 보정된 광 신호의 세기를 구한다. 이후, 신호 처리부(132)는 제1 광 검출기(D1)에서 측정한 라만광 신호의 세기에서 제1 보정된 잡음광 신호의 세기를 감산하여 라만광 신호로부터 잡음광 신호를 제거함으로써 피측정가스에 의해 발생되는 순수한 라만광 신호를 얻을 수 있다. 또한, 신호 처리부(132)는 제2 광 검출기(D2)에서 측정한 기준 라만광 신호의 세기에서 제2 보정된 잡음광 신호의 세기를 감산하여 기준 라만광 신호로부터 잡음광 신호를 제거함으로써 기준가스에 의해 발생되는 순수한 기준 라만광 신호를 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 밴드패스필터를 이용하여 라만광 신호와 잡음광 신호를 동시에 측정하여 잡음광 신호를 제거함으로써, 측정 환경이 바뀌는 경우에도 순수한 라만광 신호만을 얻어 측정 분해능(신호대잡음비)를 높일 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
100: 라만 라이다 장치 110: 송신부
110a; 레이저 광원 120: 수신부
121: 제1 수신 광학부 122: 제2 수신 광학부
123: 제3 수신 광학부 131: 전치 증폭기
132: 신호 처리부 D1, D2, D3: 광 검출기
L1, L2, L3: 렌즈 Te1, Te2: 빔 확대기
BP1, BP2: 밴드패스필터 M1, M2: 미러
NDF: 중성감쇄필터 NF: 노치필터

Claims (9)

  1. 측정 대상물에 레이저 빔을 조사하는 레이저 광원;
    조사된 상기 레이저 빔에 의해 발생되는 광 신호 중 상기 측정 대상물에 포함된 피측정 가스에 의한 라만광 신호를 통과시키는 밴드패스필터;
    상기 밴드패스필터에 의해 반사된 광 신호의 세기를 측정하는 반사광 검출기; 및
    상기 반사광 검출기에서 측정된 광 신호의 세기를 보정하고, 보정된 광 신호를 이용하여 상기 라만광 신호로부터 잡음광 신호를 제거하는 신호 처리부;를 포함하는 라만 라이다 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 라만 라이다 장치는,
    상기 밴드패스 필터를 통과한 라만광 신호의 세기를 측정하는 광 검출기;를 더 포함하는 라만 라이다 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 측정 대상물이 없을 때 상기 광 검출기에서 측정한 라만광 신호의 세기와 상기 측정 대상물이 없을 때 상기 반사광 검출기에서 측정한 광 신호의 세기의 비율만큼 상기 반사광 검출기에서 측정된 광 신호의 세기를 축소시킴으로써, 상기 반사광 검출기에서 측정된 광 신호의 세기를 보정하는 라만 라이다 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 광 검출기에서 측정한 라만광 신호의 세기에서 보정된 상기 광 신호의 세기를 감산함으로써, 상기 라만광 신호로부터 상기잡음광 신호를 제거하는 라만 라이다 장치.
  5. 측정 대상물에 레이저 빔을 조사하는 레이저 광원;
    조사된 상기 레이저 빔에 의해 발생되는 광 신호 중 상기 측정 대상물에 포함된 피측정 가스에 의한 라만광 신호를 통과시키는 제1 밴드패스필터;
    조사된 상기 레이저 빔에 의해 발생되는 광 신호 중 상기 측정 대상물에 포함된 기준 가스에 의한 기준 라만광 신호를 통과시키는 제2 밴드패스필터;
    상기 제1 밴드패스필터 및 상기 제2 밴드패스필터에 의해 반사된 광 신호의 세기를 측정하는 반사광 검출기; 및
    상기 반사광 검출기에서 측정된 광 신호의 세기를 보정하고, 보정된 광 신호를 이용하여 상기 라만광 신호 및 상기 기준 라만광 신호로부터 잡음광 신호를 제거하는 신호 처리부를 포함하는 라만 라이다 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 라만 라이다 장치는,
    상기 제1 밴드패스 필터를 통과한 라만광 신호의 세기를 측정하는 제1 광 검출기; 및
    상기 제2 밴드패스 필터를 통과한 기준 라만광 신호의 세기를 측정하는 제2 광 검출기;를 더 포함하는 라만 라이다 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 측정 대상물이 없을 때 상기 제1 광 검출기에서 측정한 라만광 신호의 세기와 상기 측정 대상물이 없을 때 상기 반사광 검출기에서 측정한 광 신호의 세기의 비율만큼 상기 반사광 검출기에서 측정된 광 신호의 세기를 축소시켜 제1 보정된 광 신호의 세기를 구하며,
    상기 측정 대상물이 없을 때 상기 제2 광 검출기에서 측정한 라만광 신호의 세기와 상기 측정 대상물이 없을 때 상기 반사광 검출기에서 측정한 광 신호의 세기의 비율만큼 상기 반사광 검출기에서 측정된 광 신호의 세기를 축소시켜 제2 보정된 광 신호의 세기를 구하는 라만 라이다 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 제1 광 검출기에서 측정한 라만광 신호의 세기에서 상기 제1 보정된 광 신호의 세기를 감산함으로써 상기 라만광 신호로부터 상기 잡음광 신호를 제거하며,
    상기 제2 광 검출기에서 측정한 기준 라만광 신호의 세기에서 상기 제2 보정된 광 신호의 세기를 감산함으로써 상기 기준 라만광 신호로부터 상기 잡음광 신호를 제거하는 라만 라이다 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 라만 라이다 장치는,
    조사된 상기 레이저 빔에 의해 발생되는 광 신호를 분할하여 상기 제1 밴드패스필터 및 상기 제2 밴드패스필터로 입사시키며, 상기 제1 밴드패스필터에 의해 반사된 라만광 신호 및 상기 제2 밴드패스필터에 의해 반사된 기준 라만광 신호를 상기 반사광 검출기로 입사시키는 광 분할기를 더 포함하는 라만 라이다 장치.
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