KR102507828B1 - 광범위한 부지에 대한 영공을 모니터링하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
광범위한 부지에 대한 영공을 모니터링하기 위한 시스템 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 광범위한 영역의 영공을 모니터링하기 위한 시스템에 관한 것으로, 수동 푸리에 변환 적외선 분광기를 갖는 적어도 2개의 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)로, 각각의 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)는 조정 가능한 모니터링 범위를 가지고, 적어도 2개의 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)의 모니터링 범위는 적어도 섹션에서 중첩되는, 적어도 2개의 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c), 측정 데이터를 평가하고 적어도 2개의 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)를 제어하기 위한 서버(20, 30)를 구비하며, 서버(20, 30)는, 정상적인 경우에 모니터링되는 영역의 자동 스캐닝을 위해 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)를 제어하되 서버는 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)의 위치 데이터에 기초하여 각각의 입체각을 측정 데이터에 할당하고, 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)의 측정 데이터로부터 각각의 입체각에 대한 수신된 IR 복사의 스펙트럼 강도 분포를 도출하며, 알려진 가스 스펙트럼과 강도 분포의 상관 관계에 의해 적어도 하나의 표적 물질을 식별하고, 제1 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)가 제1 입체각에서 표적 물질을 식별하는 사건의 경우, 제1 광학 센서의 모니터링 영역과의 중첩 영역을 스캔하기 위해 적어도 하나의 추가 광학 센서를 제어하며, 적어도 하나의 추가 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)의 측정 데이터로부터 적어도 하나의 추가 입체각을 표적 물질의 적외선 신호와 식별하고, 및 제1 입체각 및 적어도 하나의 추가 입체각의 입체각 정보로부터 표적 물질의 농도가 증가된 중첩 영역의 좌표를 결정하도록 설계되며,
측정 반경이 불충분한 공간 방향의 적어도 하나의 추가 광학 센서의 측정 신호는 평가에 포함되지 않는다.
측정 반경이 불충분한 공간 방향의 적어도 하나의 추가 광학 센서의 측정 신호는 평가에 포함되지 않는다.
Description
본 발명은 산업 화학 공장, 항구 또는 중요한 운송 기반 시설과 같은 영역의 영공을 모니터링하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 특히, 상기 시스템 및 방법에 사용하기 위한 광학 센서에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 가스 누출 및 잠재적으로 위험한 가스 구름의 검출 및 위치 파악을 위한 것이다.
위에서 언급한 영역에서 장비의 누출 또는 오작동은 환경에 유해한 가스 누출을 유발할 수 있으며, 광범위한 결과를 초래하는 사고로 이어질 수 있고, 해당 영역에 거주하는 사람들의 건강과 생명에 위험을 초래할 수 있다.
영역의 일반적인 모니터링은 한 번에 하나의 가스 또는 적은 수의 화학 가스에만 민감한 화학 전기 센서로 수행된다. 또한, 센서는 주변 공기 중 가스가 존재하는 위치에 있어야 한다. 따라서, 사용되는 센서의 수가 많다.
또한, 푸리에 변환 적외선 분광기(FTIR)의 사용이 알려져 있는데, 이는 짧은 시간 간격으로 다양한 화학 가스의 존재에 대한 영역 위의 관찰된 입체각의 구성을 결정할 수 있다. 이것은 원치 않는 가스 누출을 검출하고 삼각 측량을 통해 위치를 결정하는데 사용될 수 있다. 그러나, 알려진 방법은 우수한 공간 분해능이 부족하므로 특히, 지형 장애물로 인해 가시성이 손상된 경우 누출 지점의 안정적인 위치 파악이 부족하다.
종래 기술로부터 알려진 FTIR 분광기는 광학 센서의 역할을 한다. 분광기 자체는 고정되어 있고, 적외선 광학 장치는 위쪽 각도로 정렬되어 있다. 주변 광은 회전 거울을 통해 적외선 광학 장치로 향하게 되므로 주변 환경이 스캔된다. 그러나, 모니터링 범위는 작은 입체각 범위로 제한된다.
유럽 특허공보 EP 2 088 409 B1호는 원격 감지를 위한 이미징 분광기를 개시하여 분광 분해 이미지를 생성하지만 측정 영역의 공간 분해능은 없다.
미국 특허출원공개공보 US 4,795,253 A호는 3개의 검출기가 삼각 측량에 의해 배출원 위의 직접적인 환경을 결정하는 생산 시설 근처에 존재하는 기체 물질의 지속적인 모니터링을 개시한다.
미국 특허출원공개공보 US 4,795,253 A호는 3개의 검출기가 삼각 측량에 의해 배출원 위의 직접적인 환경을 결정하는 생산 시설 근처에 존재하는 기체 물질의 지속적인 모니터링을 개시한다.
따라서, 본 발명은 확장된 영역에 대한 영공을 모니터링하기 위한 시스템 및 방법을 개선하는 기술적 문제에 기초한다.
본 발명에 따르면, 전술한 기술적 문제는 후술하는 유형 및 방식의 시스템, 방법 및 광학 센서에 의해 해결된다.
본 발명의 제1 교시에 따르면, 영역의 영공을 모니터링하기 위한 시스템은 수동 푸리에 변환 적외선 분광기를 갖는 적어도 2개의 광학 센서 및 측정 데이터를 평가하고 적어도 2개의 광학 센서를 제어하기 위한 서버를 구비하고, 각각의 광학 센서는 조정 가능한 모니터링 범위를 가지며, 적어도 2개의 광학 센서의 모니터링 범위는 적어도 섹션에서 중첩되고, 서버는, 정상적인 경우에 모니터링되는 영역의 자동 스캐닝을 위해 광학 센서를 제어하되 서버는 각각의 경우에 광학 센서의 위치 데이터에 기초하여 입체각을 측정 데이터에 할당하고, 각각의 입체각에 대한 광학 센서의 측정 데이터로부터 수신된 IR 복사의 스펙트럼 강도 분포를 도출하며 알려진 가스 스펙트럼과 강도 분포의 상관 관계에 의해 적어도 하나의 표적 물질을 식별하고, 제1 광학 센서가 제1 입체각에서 표적 물질을 식별하는 사건의 경우, 제1 광학 센서의 모니터링 영역과의 중첩 영역을 스캔하기 위해 적어도 하나의 추가 광학 센서를 제어하며, 적어도 하나의 추가 광학 센서의 측정 데이터로부터 표적 물질의 적외선 신호와 적어도 하나의 추가 입체각을 식별하고, 제1 입체각 및 적어도 하나의 추가 입체각의 입체각 정보로부터 표적 물질의 농도가 증가된 중첩 영역의 좌표를 결정하도록 설정된다. 상기 시스템은, 각각의 광학 센서의 모니터링 범위는 입체각에 따른 음영의 결과로서 상기 영역의 지형 및/또는 개발로 인해 다른 측정 반경을 가지며, 각각의 광학 센서의 모니터링 범위는 입체각 범위 및 관련 측정 반경에 의해 획정되고, 측정 반경이 너무 작은 공간 방향의 적어도 하나의 추가 광학 센서의 측정 신호는 평가에 포함되지 않는 것을 특징으로 한다.
시스템은, 특히 적어도 2개의 광학 센서의 모니터링 영역이 각각 적어도 섹션에서 중첩되는 경우, 복수의 광학 센서가 있는 더 큰 시스템에 대해서만 충분하지 않은 방식으로 이해된다. 따라서, 모니터링 영역의 중첩은 반드시 쌍으로 필요하지만 모든 광학 센서 쌍이 필요한 것은 아니다. 따라서, 전체 시스템은 적어도 2개의 광학 센서 모두의 모니터링 영역이 적어도 섹션에서 중첩되는 여러 시스템의 조합으로 이해될 수도 있다.
전술한 서버는 평가 유닛 또는 평가 및 제어 유닛으로도 지칭될 수 있다.
또한, 서버는 바람직하게는 서로 분리된 여러 개의 서브-유닛을 가질 수 있으며, 이들은 바람직하게는 각각 광학 센서에 통합되거나 적어도 이에 인접하게 배치된다. 예를 들어, 각각의 센서는 함께 서버 또는 평가 유닛을 형성하는 하나의 서브 유닛을 가질 수 있다. 또한, 서버의 다양한 작업이 서브 유닛에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 서버의 제1 서브 유닛은 측정 데이터를 평가할 수 있고, 제2 서브 유닛은 하나 이상의 광학 센서를 제어할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 서버는 2개 이상의 광학 센서를 제어하거나 및/또는 2개 이상의 광학 센서로부터의 측정 데이터를 평가하는 중앙 제어 유닛으로서 설계된다. 특히 바람직하게는, 중앙 제어 유닛은 모든 센서를 제어하거나 및/또는 시스템의 모든 광학 센서의 측정 데이터를 평가한다. 바람직하게는, 서버는 광학 센서로부터 큰 공간 거리에 위치될 수 있다. 또한, 서버는 서버 네트워크의 변경 서버일 수도 있다. 예를 들어, 측정 데이터의 평가 및/또는 광학 센서의 제어는 또한 하나 이상의 서버에 의해 제공되는 클라우드를 사용하여 수행될 수 있다.
입체각 내에서 측정 반경은 광학 센서가 측정 신호를 기록할 수 있는 최대 거리에 해당한다. 측정 반경은 광학 센서가 실현할 수 있는 최대 측정 반경이 될 수 있다. 그러나, 측정 반경은 장애물에 의한 음영으로 인해 공간 확장이 제한, 즉, 짧아질 수 있다. 따라서, 광학 센서는 이 입체각에서 장애물 뒤의 영역에 대한 측정 데이터를 생성할 수 없다. 입체각마다 측정 반경은 알려진 지역의 지형 및/또는 개발을 기반으로 광학 센서용 시스템을 설치하는 동안 결정되고 설정된다.
광학 센서의 측정 반경은 바람직하게는 입체각에 따라 조정 가능하다. 측정 반경은 광학 센서에서 시작하여 최대 거리 또는 음영을 유발하는 장애물까지 각각의 입체각에 대해 설정된다. 시스템은 바람직하게는 2차원 및/또는 3차원 맵 데이터로부터 입체각에 대한 측정 반경을 자동으로 획정하도록 설계되는 것이 바람직하다. 예를 들어 그리고 바람직하게는, 시스템은 디지털 트윈 및/또는 모니터링될 영역의 단순화된 3차원 모델을 사용하여 측정 반경을 획정하도록 설정될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 시스템은 광학 센서의 카메라에 의해 장애물 정보를 획득하고 장애물 정보를 사용하여 측정 반경을 획정하도록 설정된다. 장애물 정보는 바람직하게는 센서의 광학 축을 따라 배치되는 광학 장애물에 대응하는 것이 바람직하다. 특히 바람직하게는, 시스템은 다중 광학 센서로부터의 장애물 정보를 사용하여 측정 반경을 획정하도록 설정된다.
입체각은 또한 광학 센서가 해결할 수 있는 공간 입체각 범위로 이해된다. 입체각의 입체각 범위, 즉, 광학 센서의 공간 분해능은 시스템 내에서 조정될 수 있다. 따라서, 입체각 범위의 각각의 입체각에 대해 관련 측정 반경은 광학 센서가 측정 신호를 기록할 수 있는 최대 거리에 해당한다. 입체각 범위의 모든 입체각에 대해 광학 센서는 광학 신호를 수신하고 해당 측정 신호를 제공할 수 있다.
따라서, 광학 센서의 측정 신호는 광학 센서의 관련 측정 반경이 다른 광학 센서의 모니터링 범위와 필요한 중첩 범위로 확장되는 경우에만 사용된다.
서버의 하나의 구성요소만이 위에서 설명된 기능 중 하나에 대해 설정되더라도 서버는 바람직하게는 위에서 설명된 기능 중 하나에 대해 설정된다. 예를 들어, 서버는 모니터링 영역을 자동으로 스캔하거나 및/도는 광학 센서의 위치 데이터를 기반으로 측정 데이터에 입체각을 할당하도록 광학 센서를 제어하는 평가 유닛으로 설정될 수 있다. 따라서, 제1 광학 센서가 표적 물질을 식별하는 경우, 서버는 제1 센서의 모니터링 영역과 추가 센서의 모니터링 영역의 중첩 영역을 스캔하도록 추가 센서를 제어한다. 바람직하게는, 이는 시스템이 제1 광학 센서에 의한 표적 물질의 식별을 검증하도록 한다.
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또한, 서버는 공간적으로 인접한 측정 신호의 가중 수학적 보간에 의해 평가에 포함되지 않은 적어도 하나의 추가 광학 센서의 측정 신호를 대체하도록 설정된다. 인접한 측정 신호는 입체각 범위에서 너무 작은 측정 반경을 갖는 입체각에 공간적으로 인접한 입체각에 대해 제공되는 측정 신호이다.
또한, 적어도 3개의 광학 센서가 제공되고, 서버는 사건의 경우, 모니터링 범위가 제1 광학 센서의 모니터링 범위와 최대 중첩을 갖는 활성화를 위한 적어도 하나의 추가 광학 센서를 선택하도록 설정된다.
바람직하게는, 서버는 표적 물질을 식별하는 제1 광학 센서의 입체각을 추가 센서의 모니터링 범위와 일치시키고, 제1 광학 센서가 표적 물질을 식별하는 입체각 대해 모니터링 범위가 제1 광학 센서의 모니터링 범위와 중첩되는 작동을 위한 추가 광학 센서를 선택하도록 설정된다.
바람직한 방식으로, 선택된 광학 센서의 위치가 검출된 표적 물질을 갖는 제1 광학 센서의 입체각 범위의 방향인 경우에, 서버는 선택된 광학 센서를 사용하지 않도록 설정된다. 이러한 경우, 제1 광학 센서의 모니터링 범위와 가능한 가장 많이 중첩되는 차순위 광학 센서가 선택되는 것이 바람직하다.
이러한 방식으로, 대상 물질이 식별되는 입체각에 대한 제1 센서의 광학 축 및 중첩 영역을 스캔하도록 제어되는 추가 광학 센서의 광학 축이 서로 일정 각도로 배치되는 것이 달성될 수 있다. 표적 물질이 식별되는 광학 센서의 입체각으로부터 표적 물질의 위치가 바람직하게는 삼각 측량에 의해 결정될 수 있다.
또한, 서버가 광학 센서의 측정 데이터로부터 표적 물질의 컬럼 밀도를 결정하도록 설정되는 경우 유리하며, 컬럼 밀도는 가스 농도(ppm으로 측정됨)와 가스 구름의 공간 길이(m로 측정)의 수학적인 곱이고, 서버는 다른 광학 센서의 최고 컬럼 밀도의 중첩 영역의 좌표를 결정하도록 설정된다.
바람직한 실시예에서, 시스템 및 특히 서버는 제1 입체각에서 표적 물질의 컬럼 밀도를 결정하고, 사건의 경우에 제1 광학 센서를 이용하여 제1 입체각에 인접한 입체각에서 표적 물질의 컬럼 밀도를 결정하도록 설정된다. 제1 입체각에 인접한 입체각은 바람직하게는 제1 입체각에 연속적으로 인접한다. 그러나, 인접한 입체각은 제1 입체각으로부터 사전에 정의된 각도 거리를 갖는 것이 또한 바람직하다. 예를 들어, 제1 입체각의 값이 45°인 경우, 인접한 입체각의 값은 44°및 46°일 수 있다.
바람직한 추가 개발에 따르면, 시스템, 특히 서버는 제1 입체각 및 인접한 입체각으로부터 표적 물질의 최고 컬럼 밀도를 갖는 입체각을 식별하고, 제1 광학 센서를 이용하여 최고 컬럼 밀도를 갖는 입체각에 인접한 입체각에서 표적 물질의 컬럼 밀도를 결정하도록 설정된다. 따라서, 시스템은 제1 단계에서 결정되고 입체각에 할당된 표적 물질의 컬럼 밀도를 비교하고, 목표 물질의 최고 컬럼 밀도가 결정되는 입체각을 결정하도록 설정된다. 이어서, 표적 물질의 컬럼 밀도는 최고 표적 물질 컬럼 밀도의 이 입체각에 인접한 입체각에 대해 다시 결정된다. 바람직하게는, 표적 물질의 미지의 컬럼 밀도를 갖는 입체각이 인접 입체각으로 선택된다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 44°의 입체각에서 표적 물질의 최고 컬럼 밀도가 결정되면, 43°의 값을 갖는 입체각에 대해 표적 물질의 컬럼 밀도가 결정된다.
바람직하게는, 시스템 및 특히, 서버는 사건의 경우 표적 물질의 최고 컬럼 밀도를 갖는 제1 광학 센서의 모니터링 영역의 입체각을 결정하도록 설정된다. 이를 위해, 시스템은 표적 물질의 컬럼 밀도가 최대가 되는 입체각이 결정될 때까지 위에서 설명한 단계를 수행하도록 설정된다. 예를 들어, 44°의 입체각보다 43°와 45°에서 표적 물질의 낮은 컬럼 밀도가 결정는 경우에, 44°의 값을 갖는 입체각은 표적 물질의 최고 컬럼 밀도를 갖는 모니터링 영역의 입체각이다. 그러나, 시스템은 모니터링 영역에서 표적 물질의 컬럼 밀도의 여러 국부적 최대값을 결정하도록 설계될 수도 있다.
바람직하게는, 시스템 및 특히, 서버는 사건의 경우에 제1 광학 센서의 입체각에 대응하는 표적 물질의 제1 농도 구배를 결정하도록 설정된다. 농도 구배는 불연속 입체각 단계당 표적 물질 컬럼 밀도의 변화를 측정한 것이다.
바람직한 추가 개발에서, 시스템 및 특히, 서버는 사건의 경우 제1 광학 센서의 입체각에 대응하는 제1 농도 구배 및 추가 광학 센서의 유사한 추가 농도 구배로부터 표적 물질의 다차원 농도 구배를 결정하도록 설정된다. 바람직하게는, 농도 구배는 복수의 센서의 입체각에 대해 결정되고 다차원 농도 구배를 결정하기 위해 시스템에 의해 조합된다. 예를 들어, 다차원 농도 구배는 제1 공간 방향 및 제1 공간 방향에 수직인 공간 방향에서 표적 물질 컬럼 밀도의 변화의 척도일 수 있다.
바람직하게는, 시스템 및 특히, 서버는 표적 물질의 결정된 컬럼 밀도를 표적 물질 한계값과 비교하도록 설정된다. 특히 바람직하게는, 표적 물질의 결정된 컬럼 밀도가 표적 물질 한계값을 초과하는 경우, 시스템 및 특히, 서버는 바람직하게는 사전에 정의된 기간 동안 알람을 트리거하도록 설정된다.
각각의 입체각의 컬럼 밀도를 나타내는 측정 데이터의 획득은 또한 이 측정 데이터로부터 각각의 컬럼 밀도를 결정하기 전에 일어날 수 있다. 예를 들어, 광학 센서는 여러 입체각에 대한 측정 데이터를 획득할 수 있으며, 각각의 입체각 또는 표적 물질의 최고 컬럼 밀도를 갖는 입체각에 존재하는 컬럼 밀도의 결정은 평가 유닛으로 기능하는 서버에 의해 수행된다. 바람직하게는, 측정 데이터의 획득 및 컬럼 밀도 및/또는 최고 컬럼 밀도의 결정은 또한 동시에 또는 부분적으로 동시에 일어날 수 있다.
바람직한 방식으로, 서버는 사건의 경우에 증가된 공간 스캐닝으로 측정을 위해 광학 센서를 제어하도록 추가로 설정된다. 이렇게 하면 스캔 속도가 느려지고 필요한 경우 더 나은 신호 대 잡음비를 얻기 위해 입체각에 대한 측정 시간이 증가된다.
바람직하게는, 서버는 다양한 광학 센서의 최고 컬럼 밀도의 중첩 영역의 좌표를 결정하고, 좌표를 맵 표현과 연결하며, 사건의 2차원 표현을 생성하거나 및/또는 좌표를 비디오 카메라의 이미지와 연결하고, 사건의 시각적 표현을 생성하도록 추가로 설정된다. 이는 시스템 운영자를 위해 빠르고 명확한 정보를 생성한다.
또한, 적어도 하나의 능동 적외선 복사원이 제공될 수 있으며, 광학 센서는 획정된 측정 경로를 따라 적외선을 픽업한다. 이는 이러한 측정 경로를 따라 시스템의 측정 정확도를 증가시킨다.
"서버가 설정된다"라는 용어는 서버가 컴퓨터 환경을 갖춘 컴퓨터로 설계되어 적절한 마이크로칩, 메모리 칩 또는 저장 매체와 외부 인터페이스(필요한 경우 원격 장치)가 제공되고, 설명된 기능을 기술적으로 실현하기 위해 하나의 컴퓨터 프로그램이 존재하는 것을 의미한다.
더 바람직한 방식으로, 적어도 하나의 고정 검출기가 전술한 시스템에 제공될 수 있고, 이에 의해, 서버는 고정 센서의 공간 영역에서 광학 센서의 배치를 위한 트리거링 신호로서 적어도 하나의 고정 검출기의 출력 신호를 사용하도록 설정된다. 따라서, 사건의 경우, 고정 측정 데이터를 사용하여 표적 물질의 식별이 트리거될 수 있다. 고정 검출기가 시스템 내 누출 영역에 있는 경우, 고정 검출기의 측정 신호가 사용되어 특정 실내 영역의 사건을 결정하고 위에서 설명한 광학 센서의 사용을 활성화하거나 트리거할 수 있다.
더욱이, 시스템은 복수의 가능한 누출 지점을 모니터링하고 따라서 상이한 공간 영역에서 광학 센서의 사용을 트리거하기 위해 모니터링 영역에 복수의 고정 검출기를 가질 수 있다.
더 바람직한 방식으로, 시스템은 사건의 경우에 복수의 검출기로부터 제1 광학 센서의 제1 입체각에 대응하는 고정 검출기를 선택하도록 설정될 수 있다. 시스템은 고정 검출기가 또한 표적 물질을 식별하는 경우 표적 물질 식별의 타당성을 체크한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 표적 물질의 식별의 타당성을 결정하기 위해 외부 고정 검출기로부터 고정 측정 데이터를 수신하도록 시스템이 설정될 수 있다. 이러한 방식으로, 시스템은 유리하게는 하나 이상의 고정 검출기를 갖는 기존 가스 모니터링 시스템에 개조될 수 있다. 따라서, 외부 고정 검출기로부터의 고정 측정 데이터도 본 발명에 따른 시스템에 의해 사용될 수 있다. 고정 검출기의 제어는 바람직하게는 고정 검출기의 측정 데이터 수신, 고정 검출기의 측정 데이터 검색, 측정 데이터 획득을 위한 고정 검출기의 활성화 및/또는 고정 검출기에 연결된 평가 유닛으로부터 측정 데이터의 수신 및/또는 검색일 수 있다.
바람직하게는, 고정 검출기는, 가스 센서로도 지칭되는 전기 화학 검출기, PID 검출기(광이온화 검출기), FID 검출기(화염 이온화 검출기), 열음 검출기, 가스 반응 생성물의 광전자 검출이라고도 지칭되는 드뢰거(
) 칩 측정 시스템(CMS), 직접 판독형 드뢰거 튜브, 다양한 디자인의 여러 개의 개별 검출기가 있는 다중 가스 측정 기기, 광대역 IR 복사 및 이중 검출기가 있는 소형 가스 측정 셀로 설계된 적외선 센서(측정 및 기준 검출기), 레이저 분광기 검출기, 필터, UV 및 VIS 분광기(예를 들어, 격자 분광기 또는 광학 슬릿이 있는 분광기)가 있는 적외선 카메라, LIDAR 센서, 광음향 분광기 검출기, 근적외선 검출기, 누출 감지용 음향 검출기, 질량 분석기, 이온 이동성 분광기 또는 가스 크로마토그래프로 설계된다.
이전에 설명된 실시예들은 모니터링되는 공장 내에 또는 모니터링되는 부지의 고정된 위치에 설치되고 따라서, 서로에 대해 고정된 공간 관계로 배치되는 광학 센서 및 검출기를 갖는다.
시스템의 추가의 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 센서는 모바일 센서로서 설계될 수 있으며, 모바일 센서는 광학 센서 또는 검출기로서 설계된다.
모바일 센서는 지상에서 원격 제어 또는 유인 차량에서 손으로 운반될 수 있거나 또는 드론과 같은 항공기를 통해 이동될 수 있다. 바람직하게는, 모바일 센서는 이동 중에 측정을 수행하도록 구성된다. 또한, 시스템은 바람직하게는 모바일 센서에 의해 검출된 측정 데이터 및/또는 측정 신호를 모바일 센서의 대응하는 위치 값에 할당하도록 설정된다.
모바일 센서 자체가 위에서 설명된 유형의 광학 센서인 경우, 광학 센서는 제1 고정 광학 센서와 함께 제2 센서로서 시스템을 형성할 수 있다.
모바일 센서가 전술한 검출기로 설계되는 경우에, 표적 물질 또는 물질들의 농도는 적어도 2개의 광학 센서에 의해 검출된 사건의 공간 영역에서 적어도 하나의 검출기에 의해 직접 측정될 수 있다. 이 현장 측정은 시스템에 의해 결정된 데이터의 타당성 체크 또는 현장 농도의 구체적인 결정을 제공할 수 있다.
따라서, 바람직하게는, 제1 광학 센서가 제1 입체각에서 표적 물질을 식별하는 사건에서, 시스템은 표적 물질을 식별하기 위해 제1 센서의 모니터링 범위 내로 모바일 센서를 이동시키도록 설정된다.
본 발명의 추가적인 교시에 따르면, 전술한 기술적 문제는 수동 푸리에 변환 적외선 분광기를 갖는 적어도 하나의 광학 센서 및 측정 데이터를 평가하고 적어도 하나의 광학 센서를 제어하기 위한 서버를 갖는 영역의 영공을 모니터링하기 위한 시스템에 의해 해결되며, 적어도 하나의 광학 센서는 조정 가능한 모니터링 범위를 갖고, 적어도 하나의 모바일 감항성(airworthy) 검출기가 제공되며, 서버는, 모니터링 영역을 자동으로 스캔하기 위해 광학 센서를 제어하되 서버는 각각의 경우에 광학 센서의 위치 데이터에 기초하여 공간각을 측정 데이터에 할당하고, 광학 센서의 측정 데이터로부터 각각의 입체각에 대한 수신된 IR 복사의 스펙트럼 강도 분포를 도출하며 알려진 가스 스펙트럼과 강도 분포의 상관 관계에 의해 적어도 하나의 표적 물질을 식별하고, 광학 센서가 입체각에서 표적 물질을 식별하는 사건의 경우에 위치 의존적 방식으로 적어도 하나의 모바일 검출기로 광학 센서에 의해 식별된 입체각을 따라 표적 물질의 농도를 검출하도록 설정된다.
따라서, 시스템 및 바람직하게는 서버는 제1 센서의 모니터링 영역에서 표적 물질을 찾기 위해 모바일 검출기를 이동시키도록 설정된다. 바람직하게는, 시스템은 모니터링 영역을 통해 사전에 결정된 경로를 따라 모바일 검출기를 이동시키도록 설정된다. 바람직하게는, 사전에 결정된 경로는 그리드일 수 있다. 바람직하게는, 시스템은 제1 입체각에서 제1 광학 센서의 광학 축에 대응하는 궤적을 따라 모바일 검출기를 이동시키도록 설정된다. 시스템은 바람직하게는 표적 물질의 농도가 최대인 제1 센서의 모니터링 영역에서 모바일 검출기의 위치를 결정함으로써 표적 물질의 위치를 파악한다.
전술한 시스템은 바람직하게는 표적 물질의 검출을 위한 FTIR 분광기, 모니터링되는 영역의 영공의 부분 섹셕을 FTIR 분광기 상으로 이미징하기 위한 적외선 광학 장치, 비디오 카메라 및 FTIR 분광기, 적외선 광학 장치 및 카메라에 의해 형성된 센서 유닛을 정렬하기 위한 위치설정 유닛과 함께 영역의 영공을 모니터링하기 위한 광학 센서를 사용하며, 적외선 광학 장치 및 카메라는 동일한 입체각을 검출하고, 특히, 적외선 광학 장치와 카메라의 광학 축은 서로 평행하게 정렬된다.
이는 전체적으로 다른 입체각으로 조정될 수 있는 광학 센서를 지정하므로 관찰 방향에 거의 제한이 없다. 따라서, 광학 센서는 종래 기술로부터 알려진 FTIR 분광기를 갖는 광학 센서의 경우보다 더 작고 더 쉽게 설치될 수 있다.
특히, 적외선 광학 장치는 포물면 거울과 보조 거울이 있는 카세그레인(Cassegrain) 망원경으로 설계된다. 카세그레인 망원경과 같은 디자인은 모니터링되는 영공의 부분 섹션의 이미징을 단순화하며, 포물면 거울의 사용으로 인해 기록된 복사의 강도가 증가하고 따라서 FTIR 신호도 증가한다.
유리한 방식으로, 카메라는 적외선 광학 장치에 대해 측방향으로 배치된다. 따라서, 영역의 부분 섹션을 이미지화하는 카메라는 필요에 따라 망원 렌즈를 가질 수 있어서 확대된 이미지를 생성할 수 있다. 그러면 카메라는 적외선 광학 장치의 광학 경로를 방해하지 않지만, 카메라 이미지와 측정 결과의 정확한 중첩을 위해 보상되어야 하는 시차(parallax)를 갖는다.
대안적으로, 카메라는 또한 적외선 광학 장치의 광학 축에, 특히 보조 거울 또는 그 앞에 배치될 수 있다. 이러한 방식으로, 카메라는 시차 변위 없이 그리고 적외선 광학 장치의 광학 경로에 영향을 주지 않고 비디오 이미지를 기록할 수 있다.
다른 대안은 카메라가 적외선 광학 장치에 측방향으로 배치된 카메라와 적외선 광학 장치의 광학 축에 배치된 카메라가 있는 카메라 시스템으로 설계되는 것이다. 이는 2개의 카메라의 이점을 결합하되, 측면 카메라는 고해상도 이미지를 생성할 수 있으며, 광학 축에 배치된 카메라는 시차 없는 이미지 생성을 제공한다.
바람직하게는, 위치설정 유닛은 통신 장치를 포함하고, 통신 장치에 의해 수신된 제어 명령에 기초하여 센서 유닛을 정렬하도록 설정된다.
따라서, 위치설정 유닛은 원격으로 제어 가능한 위치설정 유닛이며, 바람직하게는 제어 신호의 무선 수신을 위해 설계된다. 바람직한 실시예에서, 원격으로 제어 가능한 위치설정 유닛은 제어 신호를 수신하고, 측정 데이터 및/또는 측정 신호를 전송하기 위한 안테나 유닛을 갖는다. 이러한 방식으로, 광학 센서의 물리적 연결을 피할 수 있다. 그러면 광학 센서 사이의 거리가 멀더라도 빠르고 쉽게 시스템을 설치할 수 있다. 원격으로 제어 가능한 위치설정 유닛을 갖는 광학 센서는 또한 물리적 또는 유선 전원 공급부를 가질 수도 있다.
바람직하게는, 광학 센서는 신호를 수신 및/또는 전송하기 위한 통신 장치를 갖는다. 신호는 아날로그 및/또는 디지털 신호일 수 있다. 통신 장치는 유선 및/또는 무선일 수 있다.
바람직하게는, 통신 장치는 WLAN 또는 모바일 라디오, 특히, GPRS, UMTS, LTE, LTE-Advanced, 5G를 통해 신호를 수신 및/또는 전송하도록 설계된다. 바람직하게는, 위치설정 유닛은 수신된 신호를 사용하여 다른 센서의 모니터링 영역과의 중첩 영역을 스캔하기 위해 적외선 광학 장치를 자동으로 이동시키도록 설정된다.
바람직하게는, 광학 센서는 추가 센서로부터 표적 검출 신호를 수신하고 표적 검출 신호에 응답하여 표적을 검출하기 위해 추가 센서의 모니터링 영역과의 중첩 영역을 자동으로 스캔하도록 구성된다. 표적 물질 검출 신호는 적어도 추가 센서가 표적 물질을 식별했다는 정보를 포함한다. 또한, 표적 물질 검출 신호는 바람직하게는 추가 센서가 표적 물질을 식별한 입체각을 포함한다. 바람직하게는, 광학 센서는 모니터링 영역에서 표적 물질을 식별하는 것에 응답하여 표적 검출 신호를 전송하도록 배치된다. 표적 검출 신호의 수신은 추가 광학 센서로부터의 직접 수신에 대한 대안 또는 보완으로서 유닛, 예를 들어 서버를 통한 간접 수신일 수 있다.
본 발명의 추가적인 교시에 따르면, 전술한 기술적 문제는 또한 영역의 영공을 모니터링하기 위한 방법에 의해 해결되고, 수동 푸리에 변환 적외선 분광기를 갖는 적어도 2개의 광학 센서가 적어도 섹션에서 영역을 모니터링하는데 사용되며, 각각의 광학 센서는 모니터링 영역 내에서 조정 가능한 입체각 범위를 검출하고, 광학 센서의 모니터링 영역은 적어도 하나의 추가 광학 센서의 모니터링 영역과 적어도 섹션에서 중첩되며, 광학 센서는 일반적으로 모니터링되는 영역을 자동으로 스캔하도록 트리거되고, 수신된 IR 복사의 스펙트럼 강도 분포는 각각의 입체각에 대한 광학 센서의 측정 데이터로부터 도출되며 강도 분포와 알려진 가스 스펙트럼의 상관 관계가 수행되고, 표적 물질의 적외선 신호가 제1 입체각에서 제1 광학 센서에 의해 식별되는 사건의 경우에, 적어도 하나의 추가 광학 센서가 트리거되어 제1 광학 센서의 모니터링 영역과의 중첩 영역을 스캔하며, 표적 물질의 적외선 신호를 갖는 적어도 하나의 추가 입체각은 적어도 하나의 추가 광학 센서의 측정 데이터로부터 식별되고, 표적 농도가 증가된 중첩 영역의 좌표는 제1 입체각 및 적어도 하나의 추가 입체각의 입체각 정보로부터 결정된다. 상기 방법은,
각각의 광학 센서의 모니터링 범위는 입체각에 따른 음영의 결과로서 상기 영역의 지형 및/또는 개발로 인해 다른 측정 반경을 가지며, 각각의 광학 센서의 모니터링 범위는 입체각 범위 및 관련 측정 반경에 의해 고정되고, 측정 반경이 너무 작은 공간 방향의 적어도 하나의 추가 광학 센서의 측정 신호는 평가에 포함되지 않는 것을 특징으로 한다.
각각의 광학 센서의 모니터링 범위는 입체각에 따른 음영의 결과로서 상기 영역의 지형 및/또는 개발로 인해 다른 측정 반경을 가지며, 각각의 광학 센서의 모니터링 범위는 입체각 범위 및 관련 측정 반경에 의해 고정되고, 측정 반경이 너무 작은 공간 방향의 적어도 하나의 추가 광학 센서의 측정 신호는 평가에 포함되지 않는 것을 특징으로 한다.
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상기 방법을 수행할 때, 특히 전술한 적어도 하나의 광학 센서가 사용될 수 있다.
바람직한 방식으로, 평가에 포함되지 않은 적어도 하나의 추가 광학 센서의 측정 신호는 인접한 측정 신호의 수학적 보간법으로 대체된다.
또한, 적어도 3개의 광학 센서가 사용될 수 있으며, 표적 물질의 적외선 신호는 제1 입체각에서 제1 센서에 의해 식별되고, 사건의 경우에, 모니터링 범위가 제1 광학 센서의 모니터링 범위와 최대로 중첩되는 활성화를 위해 적어도 추가 광학 센서가 선택된다.
이러한 맥락에서, 선택된 광학 센서의 위치가 검출된 표적 물질을 갖는 제1 광학 센서의 입체각 범위 방향에 있는 경우 선택된 광학 센서를 사용하지 않는 것이 유리하다. 이는 이 경우 검출된 표적 물질의 입체각과 추가 광학 센서의 필요한 입체각 사이의 삼각 측량을 위한 충분한 각도가 없기 때문이다. 이러한 경우, 제1 광학 센서의 모니터링 범위와 가능한 가장 많이 중첩되는 차순위 광학 센서가 선택될 수 있다.
또한, 컬럼 밀도는 가스 농도(ppm으로 측정)와 가스 구름의 길이(m로 측정)의 수학적인 곱으로 계산되는 것이 바람직하다. 따라서, 전술한 방법으로 구름의 길이를 결정한 후 검출된 표적 물질에 농도가 할당될 수 있다.
더 바람직한 방식으로, 사건의 경우, 공간 스캐닝이 증가된 측정을 위해 광학 센서가 트리거되고 및/또는 다양한 광학 센서의 최고 컬럼 밀도의 중첩 영역의 좌표가 결정되고 및/또는 좌표가 맵 표현에 연결되며 사건의 2차원 표현이 생성되고 및/또는 좌표가 비디오 카메라의 이미지에 연결되며 사건의 시각적 표현이 생성되고 및/또는 광학 센서로부터의 적외선이 적어도 하나의 능동 적외선 복사원으로 기록된다.
고정 측정 데이터, 바람직하게는 외부 고정 센서로부터의 고정 측정 데이터를 수신하고, 사건의 경우 고정 측정 데이터를 사용하여 표적 물질의 식별이 타당성을 위해 체크되는 방법이 바람직하다.
따라서, 전술한 시스템 및 방법의 경우, 추가적인 광학 센서를 구동함으로써 표적 물질의 검출 정확도를 현저히 높일 수 있음을 인식하였다. 또한, 모니터링 영역을 결정하기 위한 시스템을 설치할 때 영역의 지형이 고려되는 경우, 광학 센서의 자유로운 뷰를 저해하는 지형을 가진 영역에서, 외란 사건의 위치 파악이 빠르고 안정적으로 수행될 수 있음이 인식되었다. 이는 공간 방향뿐만 아니라 영역, 건물 및/또는 기타 기술 설비에 의해 제한되는 관련 측정 반경을 사용하여 모니터링 영역을 결정하기 때문이다. 이는 광학 센서가 뷰가 선명할 때만 측정할 수 있기 때문이다. 그런 다음 외란 사건의 위치 파악은 공간 범위가 실제로 중첩되는 측정 데이터로만 수행된다.
이하에서는 설명된 시스템, 광학 센서 및 설명된 절차에 대해 자세히 설명된다.
설명된 시스템 및 방법은 가스 누출의 거의 실시간 식별 및 위치 파악, 사건 발생 시 응급 서비스를 위한 맵-기반 상황 평가, 그리고 모니터링 영역의 주변 내에 또는 모니터링 영역의 주변을 따라 가스 위험 물질의 지속적인 배출 및 이미시온(immission) 측정에 사용된다.
영공 모니터링 시스템이라고도 하는 이 시스템은 이중 또는 다중 관점 전체 시스템을 형성하기 위한 광학 센서로서 적어도 2개 그러나 원칙적으로는 임의의 수의 수동적이고 자유롭게 위치될 수 있는 FTIR 원격 감지 분광기의 네트워크를 기반으로 한다.
선택적으로, 수동 적외선 분광기는 개별 능동 적외선 측정 섹션과 결합될 수 있다.
수동 측정 기술은 넓은 모니터링 영역 또는 영공의 영역 전체 스캔을 가능하게 한다. 개별 능동 측정 섹션을 추가하면 사전에 정의된 능동 측정 섹션을 따라 확장된 표적 물질 라이브러리 및 더 낮은 검출 한계뿐만 아니라 많은 수의 가스(배출 및 이미시온 측정)에 대한 매우 정확한 배경 농도 측정이 가능하다. 능동 및 수동 모드는 동일한 광학 센서로 서로 독립적으로 작동될 수 있다.
시스템의 구조는 아래에 설명되어 있다.
선택된 위치에서, 바람직하게는 모니터링되는 영역에 대한 좋은 개요와 함께, 예를 들어 지붕, 굴뚝 또는 기둥에 광학 센서가 야외에 설치되어 고정되어 있지만 지속적인 모니터링을 위해 배향 측면에서 자유롭게 위치될 수 있다. 수동 애플리케이션에서, 광학 센서를 사용하면 원하는 로컬 분해능에 따라 그리고 선명한 뷰를 가정할 때 최대 약 1-4km의 측정 반경이 가능하다. 스캔 속도와 달성 가능한 분해능은 상호 의존적이다; 360°스캔의 일반적인 스캔 속도는 1분에서 10분 사이이다. 따라서, 스캔하는 동안 광학 센서가 통과하는 애플리케이션에서 경로가 획정된다. 시스템의 중요한 부분은 예를 들어, 경로에서 완전히 또는 부분적으로 제거될 수 있는 관리 건물에 필요한 것보다 더 큰 입체각 범위로 더 집중적으로 스캔된다.
적어도 2개의 광학 센서에 대한 절차적 결합 평가를 가능하게 하기 위해, 광학 센서 중 적어도 일부의 모니터링 영역이 중첩된다. 선택적으로는, 능동 적외선 복사원은 선택한 측정 섹션을 따라 최대 수백 미터 거리에 영구적으로 설치되고 할당된 광학 센서와 정렬된다.
일상적인 경우에, 광학 센서는 분산되고 자율적으로 작동하지만, 측정 데이터는 바람직하게는 중앙 시스템으로서 서버에 수렴되어 전체 시스템으로 결합된 평가 및 제어가 가능하다.
광학 센서는 원격 가스 검출 시스템의 개별 측정 지점을 나타내며, 분광기의 시야를 줄이기 위해 적외선 광학 장치와 결합하여 가스의 원격 검출을 위한 FTIR 분광기, 분광기를 정렬하기 위한 위치설정 유닛뿐만 아니라 비디오 카메라 및 바람직하게는 광학 센서 또는 이전에 설명된 실시예들 중 하나의 외부 서버에 저장된 평가 및 제어 소프트웨어를 사용한다. 위치설정 유닛은 360°방위각과 최소 +/- 60°고도에서 자유로운 정렬을 허용한다.
FTIR 분광기는 위치설정 유닛에 의해 트리거되지 않는 것이 바람직하지만 측정 데이터의 연속적인 스트림을 제공한다. 다만, 광학 센서가 사건의 경우에만 연속적으로 측정 데이터를 제공하고, 스캔 중에는 일정한 간격의 입체각에 대한 측정 데이터를 제공하는 것이 또한 제공될 수 있다. 예를 들어, 측정 데이터는 2°단위로 제공될 수 있으므로 연속 측정 데이터 획득에 비해 평가 용량이 절약될 수 있다. 따라서, 위치설정 유닛은 하나의 센서 유닛으로서 적외선 광학 장치 및 카메라와 함께 FTIR 분광기를 이동시킨다. 위치설정 유닛의 각속도를 조정함으로써, 측정의 공간 샘플링이 제어된다. 위치설정 유닛의 위치 타임 스탬프를 할당함으로써, 측정 데이터가 입체각에 할당된다. 또한, 측정 타임 스탬프는 표적 물질 클라우드의 시간적 발전을 기록하도록 할당될 수 있다.
광학 센서의 일부로 FTIR 분광기와 정렬된 비디오 카메라는 연속적으로 또는 사전에 정의된 위치에서 FTIR 분광기의 뷰 방향으로 비디오 이미지를 제공한다. 인접 비디오 이미지는 스티칭 알고리즘을 사용하여 함께 스티칭되어서 최대 360°파노라마 뷰까지 임의의 크기 및 디스플레이 형식의 일관된 비디오 이미지를 형성할 수 있다.
화학적 또는 분광학적 정보, 즉, 측정 결과를 비디오 이미지에 중첩함으로써, 측정 데이터로부터 2차원 공간 분해 가스 분포가 시각화된다. 광학 센서에 의해 스캔된 2차원 이미지를 통한 X-방향 및 Y-방향의 측정 결과의 쌍선형 보간 및 비디오 이미지와의 추가 또는 대체 중첩은 식별된 가스 구름의 직관적으로 파악 가능한 2차원 뷰를 제공한다.
측정된 각도 범위의 설정에 관계없이 측정된 각도 범위 내에서 자유롭게 선택 가능한 부분 범위에 대한 결과 이미지의 표시가 자유롭게 선택 가능한 표시 비율로 가능하다.
시간이 지남에 따라 광학 센서는 결과 이미지의 스트림과 시간 및 공간 각도 스탬프 측정 결과의 스트림을 생성한다.
적외선 분광기를 사용한 원격 가스 감지는 장파장 적외선 복사를 측정하고, 표적 물질의 알려진 스펙트럼 서명의 존재에 대해 측정된 적외선 스펙트럼을 평가한다. 이러한 방식으로 기체 표적 물질이 식별되고, 최대 수 킬로미터의 먼 거리에서도 정량화될 수 있다.
FTIR 분광기는 FTIR 분광기에 결합된 예를 들어, 카세그레인 망원경 또는 렌즈 광학 장치와 같은 적외선 광학 장치에 의해 수신된 적외선 복사를 수신하고, 마이컬슨(Michelson) 간섭계를 통과하여 검출기 평면에 초점을 맞춘다. 간섭계를 사용함으로써, 푸리에 변환에 의해 적외선 스펙트럼으로 변환되는 인터페로그램이 측정된다. 간섭계 내에서 스캐닝 미러의 이동 범위는 일반적으로 0.75-10mm이다.
적절한 FTIR 분광기는 예를 들어, 극저온 냉각 수은 카드뮴 텔루라이드(MCT) 단일 검출기를 복사 교정 유닛과 함께 사용한다. 복사 교정에 기초하여, 측정된 적외선 스펙트럼은 교정된 복사 온도 스펙트럼으로 변환되어 스펙트럼 평가 알고리즘으로 전달된다.
스펙트럼 평가를 위해 표적 물질 및 물, CO2 및 기타 가스와 같은 대기 간섭 물질의 스펙트럼 서명과 배경 모델링을 위한 수학적 함수가 계산된다. 이 피팅 계산의 결과, 계산된 신호 높이와 계산된 표적 물질 서명의 상관 계수가 물질별 한계값과 비교된다. 사전에 정의된 한계 값을 초과하면 표적 물질이 식별된 것으로 간주되며 이는 자동으로 수행되고 시스템에 의해 직접 추가 조치로 이어질 수 있다.
수동 IR 원격 감지의 원리는 인공 복사원과 독립적으로 작동하며 분광기의 베어링 방향으로 환경에서 방출되는 열 복사를 분석함으로써 위치, 측정 방향, 연중 시간에 관계없이 낮과 밤에 기능한다. 가스를 식별하기 위한 필수 조건은 측정되는 가스, 즉, 표적 물질의 복사 온도와 뷰 또는 베어링 방향의 배경의 복사 온도 사이에 적어도 작은 온도 차이가 있어야 한다. 가스가 측정 방향에서 배경보다 따뜻하면, 스펙트럼 서명이 방출에 나타나고, 가스가 배경보다 차가우면 흡수에 나타난다.
수동 적외선 원격 감지는 예를 들어, 약 700-1,400cm-1의 파수 범위에서 적외선 복사의 장파 스펙트럼 범위를 사용한다. 이 대기 윈도우 내에서 대기가 신호를 너무 많이 감쇠시키지 않고 최대 수 킬로미터의 장거리에서 측정이 가능하다. 최대 측정 범위에 대한 제한 요소는 일반적으로 기존 장애물로 인한 검출기의 시야, 측정되는 구름의 크기 및 대기로 인한 광학 측정 경로를 따른 신호의 감쇠이고, 이에 의해 직접적인 가시선은 항상 전제 조건이다. 일반적인 애플리케이션에서, 측정은 최대 1 - 5km의 측정 범위에서 수행된다.
사건을 검출하기 위해서는 먼저 표적 물질, 즉, 원하지 않는 가스를 식별하는 것이 필요하다. 이를 위해 분석된 측정 신호의 신호 대 잡음비가 충분하면 간섭계의 출력에서 해당 출력 신호가 생성된다. 따라서, 검출된 입체각에서 표적 물질의 식별은 사건의 트리거링으로 이어진다.
또한, 가스 또는 표적 물질의 정량화는 컬럼 밀도(단위 ppm-m), 즉, 측정 방향에서 구름의 밀도와 구름 길이의 곱의 결정 형태로 수동 단일 측정으로 수행될 수 있다. 따라서, 컬럼 밀도는 측정 경로를 따라 통합된 밀도에 해당한다.
컬럼 밀도의 스펙트럼 정량화를 위해 가스 온도를 가정하고 표적 물질의 흡수 단면적을 고려하여 람베르트-비어(Lambert-Beer)의 법칙을 통한 접근이 가능하다. 다른 접근 방식은 비선형 피팅 알고리즘을 통한 정량화이며, 여기서 가스 온도도 모델 파라미터로로 계산된다.
수동 측정과 달리 능동 측정은 하나 이상의 원격 능동 적외선 복사원(들)을 사용하여 개별 측정의 신호 대 잡음비를 높인다. 이는 한편으로는 더 낮은 표적 물질 농도의 측정을 가능하게 하고, 다른 한편으로는 측정의 측정 가능한 스펙트럼 범위가 확장되어 더 많은 물질을 측정할 수 있게 한다. 능동 측정은 원격으로 배치된 복사원의 존재로 인해 측정 경로를 따라 뷰 방향이 제한되며 언제든지 자유롭게 배치될 수 없다.
능동 적외선 복사원은 바람직하게는 복사가 적외선 광학 장치를 통해 지향되고 광학 센서와 정렬되는 광대역 방사체이다. 협대역 방사체도 사용될 수 있다.
능동 측정을 위해, 광학 센서는 일반적으로 수십에서 수백 미터의 거리에 설치된 측정 경로를 따라 지향성 적외선 복사원과 정렬된다. 광학 센서는 소스로부터 변조되지 않은 광대역 적외선 복사를 수신하고 적외선 스펙트럼을 측정한다. 측정 당시 복사원과 광학 센서 사이의 광학 측정 경로를 따라 위치되었던 가스는 표적 물질의 농도뿐만 아니라 측정 경로를 따르는 구름의 길이에 크게 의존하는 물질별 IR 흡수 단면적에 따라 소스의 적외선 복사의 흡수를 야기한다. 스펙트럼 열 배경이 결정되고, 측정된 스펙트럼에서 뺀다.
능동 복사원을 추가함으로써, 측정 가능한 스펙트럼 범위가 단파장 에너지가 높은 광 방향으로 확장된다. 일반적인 측정 범위는 약 700-4,500cm-1의 파수 범위이다.
측정된 능동 적외선 스펙트럼의 평가는 스펙트럼 평가 알고리즘을 통해 수행된다. 정의된 가스 농도 레벨에 의한 시스템의 교정은 정량적 평가를 위해 필요하지 않다.
모니터링 시스템이라고도 하는 이중 또는 다중 관점 시스템은 적어도 2개, 바람직하게는 다수의 수동 FTIR 분광기 및 선택적으로 광대역 방출 지향성 적외선 복사원 및 중앙 서버를 결합하여 실현된다. 이를 통해 가스 구름을 식별하고 지역화하며 가스 농도를 정량화할 수 있다.
시스템은 유독성 또는 기타 위험한 가스가 있는 경우 위험 영역을 찾고, 모니터링되는 영역 내에 및/또는 그 주변을 따라 배출 및 이미시온 레벨의 환경 모니터링을 위해 사용된다.
따라서, 가스의 원격 검출을 위해 수동 FTIR 분광기의 사용은 거리를 모니터링할 수 있는 모니터링 시스템을 설정하는 것을 가능하게 한다. 한편으로는, 이는 영역의 높은 수준의 커버리지를 달성하는 것을 가능하게 한다. 다른 한편으로는, 광학 센서의 모니터링 영역은 실시간으로 상황에 따라 조정이 가능하다.
원격 가스 검출 시스템은 예를 들어, 광학 센서당 최대 4km 반경의 영역을 자율적으로 모니터링한다. 전체 시스템에 결합된 광학 센서의 수는 임의적이지만 수동으로 작동하는 적어도 2개의 광학 센서가 존재한다.
각각의 광학 센서에 대해 모니터링 영역은 영역의 지형을 기반으로 설정된다. 한편으로는, 모니터링되는 입체각 범위는 폭과 높이로 정의되고, 다른 한편으로는 모든 공간 방향에 대해 측정 반경이 결정된다. 이는 각각의 광학 센서의 시야가 영역 고도, 건물 및/또는 설비 및 해당 부품과 같은 지형적 장애물에 의해 제한되기 때문이다.
또한, 각각의 광학 센서에 대해 모니터링 제어 사례 동안 모니터링 영역 내에서 어떤 경로가 스캔되어야 하는지, 즉 어떤 방위각과 고도각이 횡단되어야 하는지가 결정된다.
FTIR 분광 측정 방법을 사용하면 특성 스펙트럼이 서버의 물질 라이브러리에 저장되어 있는 매우 많은 수의 화학 물질을 검출하고 식별할 수 있다. 물질 라이브러리의 표적 물질이 존재하는 경우, 시스템은 위치를 식별하고, 필요한 경우 공간에서 표적 물질 가스 구름의 분산 방향과 분산의 시간적 전개도 식별한다. 이를 위해 적어도 2개의 광학 센서(필요한 경우 시스템에 통합된 모든 광학 센서)가 상황-관련 상황 평가에 자동으로 포함된다.
높은 스펙트럼 선택도로 매우 넓은 스펙트럼 범위에서 전자기 복사를 측정함으로써, 동일한 측정에서 다양한 표적 물질이 명확하게 식별될 수 있다. 시스템의 표적 물질 데이터베이스에는 최대 수백 개의 화학 물질이 포함될 수 있다. 바람직하게는, 전형적인 화학 물질은 암모니아, 메탄올, 메탄, 클로로포름 및 에틸렌을 포함한다.
따라서, 시스템은 다양한 시나리오에 적합하며, 생산 공정의 변화, 화학 창고의 저장 주기 또는 교란 영향의 변화에 적응할 수 있다. 또한, 적외선 스펙트럼의 측정 데이터는 물리적인 실제 상태를 나타내므로 물질 검출 및 물질 불검출에 유용하다.
서버의 평가 알고리즘, 특히 평가 및 제어 유닛은 광학 센서의 물질 정보와 스펙트럼 데이터 및 가능하게는 결정된 컬럼 밀도를 처리하고, 측정 프로세스를 제어한다. 설명된 광학 센서의 제어 및 조정은 모니터링 시간을 최소화하고, 사건 관련 잠재적인 가스 검출은 가능한 모든 뷰 방향에서 검증되며, 또한 잠재적인 사건은 외란 변수 또는 개별 검출과 구별되고, 잠재적으로 위험한 가스 구름이 있는 경우, 구체적이고 모호하지 않은 경보가 발행된다.
알람이나 사건의 경우, 가스 구름은 광학 센서의 뷰 방향으로부터의 비디오 이미지와 가스 구름의 오버레이로 2D 맵 및/또는 2D 시각화에 표시될 수 있다.
광범위한 영역은 사전에 정의된 모니터링 영역으로 나뉘며, 일상적인 경우에 반복적으로 그리고 다른 시스템과 독립적으로 자유롭게 프로그래밍할 수 있는 측정 경로를 따라 각 개별 시스템에 의해 자동으로 스캔된다.
사건의 경우, 즉, 적어도 하나의 광학 센서에 의해 표적 물질을 식별한 후, 선택된 인접 광학 센서를 자동으로 참조하여 사건을 확인하고 가스 구름을 지역화 및 정량화한다. 이러한 방식으로, 사건에 대한 거의 실시간 맵 기반 상황 평가가 생성되어 예를 들어, 응급 서비스에 제공된다.
사건의 경우에 사용되는 광학 센서의 선택은 사전에 결정된 공통 모니터링 영역 또는 시야 영역을 기반으로 하며, 이는 모니터링되는 영역의 지형과 광학 센서의 위치 및 사건이 검출된 뷰 방향에서 비롯된다. 영역 고도, 건물 및/또는 설비에 의해 광학 센서의 뷰 영역의 음영으로 인한 지형의 영향이 고려되어서, 지형 장애물 뒤의 뷰 방향에서 해당 광학 센서의 측정 값이 얻어질 수 없다. 이 지형 정보는 광학 센서를 설치하는 동안 각각의 모니터링 영역을 결정할 때 고려된다.
따라서, 설치된 광학 센서의 각각의 모니터링 영역과 공통 중첩 모니터링 영역은 설치 시에 계산 및 저장되므로, 사건의 경우에만 이들이 검색되고 사건의 가시선과 비교되며; 중첩 모니터링 영역 또는 시야 영역의 재계산은 일반적으로 필요하지 않다.
알려진 모니터링 영역 또는 시야 영역을 기반으로 추가 광학 센서가 자동으로 제어되어 표적을 찾는다. 이를 위해, 적어도 하나의 추가 광학 센서는 사건을 트리거링하는 광학 센서의 모니터링 영역을 스캔하는 방식으로 제어된다.
따라서, 둘 이상의 측정 위치에서 표적 물질의 공동 식별은 삼각 측량을 통해 잠재적인 사건의 검증과 공간에서 식별된 표적 물질 가스 구름의 위치 파악을 가능하게 한다. 또한, 가스 구름의 공간 농도 분포의 계산이 수행될 수 있다. 측정 값의 품질 평가와 공간 및 시간 파라미터를 기반으로 하는 측정 결과의 자동 해석을 위한 평가 기준의 다운스트림 애플리케이션은 신뢰할 수 있는 위치 평가를 허용한다.
결과적으로, 측정 데이터는 색상으로 구분된 위치 평가로 맵에 표시된다. 또한, 비디오 이미지에 중첩된 선택된 광학 센서의 측정 결과의 2차원 표현은 시간적 비디오 스트림의 형태로 언제든지 추가될 수 있다.
광학 센서 또는 시스템이 표적 물질 라이브러리로부터 표적 물질의 식별 신호를 보내자마자 시스템은 일상적인 작동을 중단하고 잠재적인 사건에 대한 표적 식별 및 후속 상황 평가로 전환한다.
표적 물질이 광학 센서의 시야에서 식별되면, 적어도 하나의 추가 광학 센서 또는 나머지 광학 센서가 조정되어 추가 정보를 얻는다. 이를 위해, 일상적인 모드에서 정상 작동이 재개될 때까지 사전에 정의된 측정 경로가 남아 있다.
측정 신호의 국부적인 분포 함수의 분석은 가스 구름의 존재 가능성이 더 높은 각도 범위를 제공한다. 이러한 각도 범위는 바람직하게는 더 높은 로컬 분해능으로 샘플링된다.
각도 범위는 (a) 표적 물질이 식별되는 범위, (b) 도량형으로 식별이 불가능한 각도 범위, (c) 표적 물질을 도량형으로 식별될 수 있고, 생성된 측정 신호 및 해당되는 경우 표적 물질의 최소 컬럼 밀도에 대한 식별 알고리즘 평가 후 표적 물질이 검출되지 않는 각도 범위로 분류될 수 있다. 모니터링 범위의 분류는 물질에 따라 다르다.
모니터링 영역의 표현은 맵에서 수행될 수 있다. 광학 센서의 시야 영역이 맵에 표시된다. 사용된 표적 물질 라이브러리로부터 표적 물질을 식별하는 경우, 맵에 시야가 표시된다. 둘 이상의 측정 위치에서 공동 식별에 의한 가스 구름의 위치화의 경우, 가스 구름이 위치되는 영역이 맵에 표시된다.
측정 신호의 분포 함수, 표적 물질의 계산된 컬럼 밀도 및 해당하는 경우에 표적 물질 식별을 위한 분석 파라미터를 분석하고 각각의 측정 지점의 검출 한계를 고려함으로써, 각각의 입체각이 결정될 수 있고, 표적 물질을 식별하는 각각의 광학 센서는 표적 물질의 최고 컬럼 밀도를 결정한다. 이 측정 값은 표적 물질 농도가 가장 높은 가스 구름의 잠재적인 지점을 파악하는데 사용된다.
둘 이상의 광학 센서에 대한 공동 물질 식별의 경우, 최대 컬럼 밀도가 결정된 모든 입체각에서 가스 구름의 잠재적인 무게 중심이 결정될 수 있다. 도량형으로 결정된 이 지점은 측정 파라미터에 기초하여 추가로 분류될 수 있다:
(a) 적어도 2개의 측정 위치에서 가스 구름의 자유 시야 조건 및 광학 센서의 각각의 시야에 대한 가스 구름의 잠재적인 무게 중심에 대해 결정된 컬럼 밀도가 모니터링 영역의 다른 측정 지점의 검출 한계보다 큰 조건 하에서, 검출된 지점은 최고 농도를 갖는 가수 구름의 위치이다.
(b) 음영으로 인해 또는 고려 중인 각각의 입체각에 대한 낮은 검출 한계로 인해 적어도 2개의 측정 위치에서 도량형으로 감지될 수 없는 가스 구름 내의 영역이 있는 경우, 결정된 최고 컬럼 밀도를 갖는 각각의 입체각에 대해 공통 교차 지점이 결정될 수 있는지 여부가 결정된다. 결정된 최고 컬럼 밀도를 갖는 입체각 주위의 둘러싸는 부분 영역이 적어도 2개의 측정 위치에서 도량형으로 결정될 수 있다는 조건에서, 이 교차 지점은 신호의 구배를 위한 타당성 기준을 확인한 후 가스 구름의 최고 농도의 지점으로 가정된다.
전술한 시스템은 설명된 절차를 수행할 때 완전히 자동화된 방식으로 화학 단지의 생산 영역 또는 항구와 같은 선적 지점과 같은 넓은 영역을 모니터링한다. 시스템은 예를 들어, 화학 공장의 제어 센터에서 약간의 훈련을 받은 직원에 의해 작동되도록 설계된다. 또한, 시스템의 상황 평가는 명확하고 모호하지 않은 정보를 한 눈에 알아볼 수 있도록 준비된다. 이 정보는 공장 운영자, 발전소 운영자, 발전소 소방대의 제어 센터 및 위기 팀의 모든 참가자가 동등하게 해석할 수 있어야 한다. 정보는 사건이나 재해 발생 시 시스템이 조기 경보 시스템으로 유용할 수 있도록 사전 지식 없이 빠르고 명확하게 읽을 수 있어야 한다.
이하에서, 본 발명은 도면을 참조하여 실시예에 의해 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템의 예를 도시한다.
도 2a 내지 도 2c는 광학 센서의 예를 도시한다.
도 3a는 표적 물질의 최대 컬럼 밀도를 갖는 2개의 광학 센서의 입체각의 개략도이다.
도 4는 추가로 표적 물질의 증가된 컬럼 밀도를 갖는 모든 입체각을 갖는 도 3에 따른 예시이다.
도 5는 모니터링 영역의 부분 음영이 있는 도 4에 따른 예시이다.
도 6a는 2개의 광학 센서를 갖는 시스템이 있는 항구의 지도 표현이다.
도 7은 국부적인 사건이 있는 도 6에 따른 예시이다.
도 8a는 수동 광학 센서 및 능동 측정 섹션의 시스템을 갖는 화학 공장의 지도 표현이다.
도 9a는 3개의 광학 센서의 모니터링 영역의 부분 음영이 있는 다른 화학 공장의 지도 표현이다.
도 10은 검출된 표적 물질 구름의 위치가 변경된 도 9에 따른 예시이다.
도 11은 표적 물질 구름을 검출하기 위한 고정 센서 및 모바일 센서가 있는 도 8에 따른 예시이다.
도 12는 광학 센서와 모바일 비광학 센서가 있는 실시예를 도시한다.
도 2a 내지 도 2c는 광학 센서의 예를 도시한다.
도 3a는 표적 물질의 최대 컬럼 밀도를 갖는 2개의 광학 센서의 입체각의 개략도이다.
도 4는 추가로 표적 물질의 증가된 컬럼 밀도를 갖는 모든 입체각을 갖는 도 3에 따른 예시이다.
도 5는 모니터링 영역의 부분 음영이 있는 도 4에 따른 예시이다.
도 6a는 2개의 광학 센서를 갖는 시스템이 있는 항구의 지도 표현이다.
도 7은 국부적인 사건이 있는 도 6에 따른 예시이다.
도 8a는 수동 광학 센서 및 능동 측정 섹션의 시스템을 갖는 화학 공장의 지도 표현이다.
도 9a는 3개의 광학 센서의 모니터링 영역의 부분 음영이 있는 다른 화학 공장의 지도 표현이다.
도 10은 검출된 표적 물질 구름의 위치가 변경된 도 9에 따른 예시이다.
도 11은 표적 물질 구름을 검출하기 위한 고정 센서 및 모바일 센서가 있는 도 8에 따른 예시이다.
도 12는 광학 센서와 모바일 비광학 센서가 있는 실시예를 도시한다.
본 발명에 따른 다양한 실시예의 다음의 설명에서, 비록 구성요소 및 부재가 다양한 실시예에서 치수 또는 형상이 상이할 수 있더라도 동일한 기능 및 동일한 작동 모드를 갖는 구성요소 및 부재에는 동일한 도면부호가 부여된다.
도 1은 영역에 대한 영공을 모니터링하기 위한 본 발명에 따른 시스템의 개략적인 구조를 도시한다.
시스템은 2개의 광학 센서(2a, 2b)를 가지며, 이는 도 2a 내지 도 2c에 더 상세히 도시되어 있다. 각각의 광학 센서(2)(또는 2a 및 2b)는 기본적으로 포물면 거울(6) 및 보조 거울(8), 비디오 카메라(10 또는 11), FTIR 분광기(12) 및 위치설정 유닛으로서 제어 가능한 팬-틸트 모방체(14)를 갖는 IR 망원경 형태의 적외선 광학 장치(4)를 가지고 있다.
2개의 광학 센서(2a 및 2b)는 한편으로는 광학 센서(2a 및 2b)를 위해 예를 들어, 24볼트의 공급 전압을 제공하는 공급 및 인터페이스 장치(16)에 연결된다. 다른 한편으로는, 데이터 전송은 이더넷 케이블을 통해 근거리 통신망(LAN)으로 이루어진다. 따라서, 장치(16)는 한편으로는 광학 센서(2a 또는 2b)에 제어 데이터를 전송할 수 있고, 다른 한편으로는 측정 데이터를 수신할 수 있다. 대안적으로, 인터페이스 장치(16) 및/또는 센서(2a, 2b)가 무선으로 제어 데이터를 수신하고 및/또는 무선으로 측정 데이터를 전송하도록 제공될 수 있다.
데이터는, 광학 센서(2a, 2b)를 제어하고 데이터를 분석 및 표시하며 특히 측정 데이터를 데이터베이스에 저장하기 위한 컴퓨터 프로그램이 저장되고 실행되는 광섬유 케이블(LWL)을 통해 서버(20)와 교환된다.
인터페이스를 통해 출력 정보는 모니터링되는 영역 부근에 위치된 프로세스 제어 시스템 및 비디오 관리 시스템으로 전달된다. 따라서, 사건(벨 기호)이 발생한 경우 알람이 트리거될 수도 있고 동시에 관련 정보가 사용자에게 표시될 수 있다.
또한, 시스템은 클라우드 애플리케이션으로의 데이터 전송을 가능하게 하고 및/또는 외부 서버(30)와 직접 데이터 연결부를 가질 수 있다. 그런 다음 외부 서버(30)는 지원 기능(전화, 지원, 서비스, 유지 보수) 및 전문가와 함께 개발 팀을 지원하는데 사용될 수 있다.
도 2a는 영역에 대한 영공을 모니터링하기 위한 전술한 광학 센서(2)를 도시하며, 광학 센서(2)는 표적 물질을 검출하기 위한 FTIR 분광기(12), 모니터링되는 영역의 영공의 부분 섹션을 FTIR 분광기(12) 상으로 이미징하기 위한 적외선 광학 장치(4), 비디오 카메라(10) 및 FTIR 분광기(12), 적외선 광학 장치(4) 및 카메라(10)에 의해 형성된 센서 유닛을 정렬하기 위한 위치설정 유닛(14)을 갖는다. 이 경우에, 적외선 광학 장치(4)와 카메라(10)는 본질적으로 동일한 입체각을 검출하고, 특히, 적외선 광학 장치의 광학 축(O1)과 카메라(10)의 광학 축(O2)은 서로 평행하게 정렬된다.
도시된 실시예에서, 적외선 광학 장치(4)는 포물면 거울(6)과 보조 거울(8)을 갖는 카세그레인 망원경으로 설계된다. 대안적으로, 도시되지는 않았지만 적외선 광학 장치는 또한 렌즈 광학 장치로 설계될 수도 있다.
카메라(10)는 적외선 광학 장치(4)에 대해 측방향으로 배치되고, 따라서, 망원 렌즈가 장착되기에 충분한 설치 공간을 갖고, 이에 따라, 영역의 영공의 모니터링되는 부분 섹션의 높은 이미지 품질을 생성한다. 그러나, 표적 구름의 측정 데이터를 정확하게 오버레이하려면 시차가 광학 축의 거리만큼 보상되어야 한다.
도 2b는 광학 센서(2)의 다른 예를 도시한다. 도 2a와 대조적으로, 카메라(11)는 보조 거울의 전방 단부에서 적외선 광학 장치(4)의 광학 축에 배치된다. 따라서, 적외선 광학 장치(4)의 광학 축(O2)과 카메라(11)의 광학 축(O3)이 일치하고 시차 효과가 회피된다. 예를 들어, 스마트폰 카메라일 수 있는 카메라(11)의 작은 크기로 인해 관찰 각도는 일반적으로 크므로, 망원 렌즈를 갖는 카메라보다 관찰 각도는 크고, 카메라 이미지의 공간 분해능은 작을 수 있다. 그러나, 망원 기능이 있는 스마트폰 카메라는 이미 알려져 있어 카메라(10)를 완전히 교체할 수 있다.
도 2c는 광학 센서(2)의 또 다른 예를 도시한다. 도 2a 및 도 2b와 대조적으로, 카메라는 적외선 광학 장칙(4)에 대해 측방향으로 배치된 카메라(10) 및 적외선 광학 장치(4)의 광학 축(O2)에 배치된 카메라(11)를 갖는 카메라 시스템으로서 설계된다. 따라서, 카메라(10)의 광학 축(O1)은 적외선 광학 장치(4)의 광학 축(O2)으로부터 거리를 두고 운영되고, 이에 의해 카메라(11)의 광학 축(O3)은 광학 축(O2)과 일치하며, 따라서 그로부터의 거리가 없거나 매우 작다.
도 3은 2개의 광학 센서(2a 및 2b)에 의한 모니터링의 개략도이다. 제1 광학 센서(2a)는 점선으로 표시되며 대략 35°폭인 모니터링 영역을 가진다. 광학 센서(2a)는 일반적으로 사전에 결정된 경로를 따라 적어도 부분적으로 모니터링 영역을 스캔한다. 제2 광학 센서(2b)는 또한 점선으로 도시된 바와 같이 대략 90°의 모니터링 범위를 갖는다. 제2 광학 센서(2b)는 또한 사전에 설정된 경로를 따라 적어도 부분적으로 모니터링 영역을 자동으로 스캔한다. 바람직하게는, 스캐닝은 주기적으로 반복된다. 두 광학 센서의 모니터링 영역은 중첩된다. 측정하는 동안 데이터는 서버(30)로 전송되어 위치 데이터(입체각)와 결합된다.
수신된 IR 복사의 스펙트럼 강도 분포는 알려진 가스 스펙트럼과 강도 분포의 상관관계에 의해 적어도 하나의 표적 물질을 식별하도록 각각의 입체각에 대한 광학 센서(2a, 2b)의 측정 데이터로부터 도출된다. 이를 위해, 대응하는 컴퓨터 프로그램은 서버(30)에서 또는 적용 가능한 경우 광학 센서(2a 또는 2b)에서 실행된다.
사건의 경우, 즉, 제1 광학 센서(2a)가 입체각(θ1)에서 표적 물질, 즉, 표적 물질 목록의 가스를 식별하는 경우에, 추가 광학 센서(2b)는 제1 광학 센서의 모니터링 영역과의 중첩 영역을 스캔하도록 트리거된다.
광학 센서(2b)의 측정 데이터로부터 표적 물질의 적외선 신호로 추가 입체각(θ2)이 식별되어서, 표적 물질의 증가된 농도를 갖는 중첩 영역(검은색 영역)의 좌표가 제1 입체각(θ1) 및 추가 입체각(θ2)의 입체각 정보로부터 결정될 수 있다.
도 4는 광학 센서(2a 및 2b)의 모니터링 영역의 점으로 이루어진 영역이 적어도 낮은 농도의 표적 물질이 식별된 입체각 영역을 나타내는 도 3의 확장된 표현을 도시한다. 이미 도 3에 도시된 입체각 영역(θ1 및 θ2)은 컬럼 밀도를 계산하여 결정된 표적 물질의 최고 농도를 갖는 입체각 영역을 나타낸다. 컬럼 밀도 계산에 대해서는 위의 일반 설명이 참조된다. 도 4에 따르면 표적 물질의 가스 구름의 중심(검은색 필드)뿐만 아니라 구름의 팽창도 결정될 수 있다.
도 5는 도 4와 유사한 예시를 도시한다. 여기서, 타워(40)는 제2 광학 센서(2b)의 모니터링 영역의 모니터링되는 영역에 배치되어서, 타워(40) 후방의 광학 센서(2b)에 의해 위치된 영역은 음영 처리된다. 따라서, 음영 영역은 광학 센서(2b)에 의해 모니터링될 수 없으며, 이 영역에서 광학 센서(2b)의 측정 반경은 타워(40)까지만 도달하고, 따라서, 광학 센서(2a)의 모니터링 영역까지는 도달하지 않는다. 이러한 이유로 "음영"은 도 5에서 점으로 표시되지 않는다.
표적 물질로부터 구름의 정확한 위치를 탐색할 때, 측정 반경이 너무 작은 공간 방향에서 광학 센서(2b)의 측정 신호는 평가에 포함되지 않는다. 여기서, 측정 반경은 타워(40)에 의해 덮인 입체각에 대해 너무 작고, 센서(2a, 2b)의 모니터링 영역은 타워(40) 뒤의 음영에서 중첩되지 않는다. 그럼에도 불구하고, 표적 물질의 구름의 정도는 거의 완벽하게 검출될 수 있다. 측정 반경이 너무 작은 공간 방향의 측정 데이터를 고려하지 않음으로써 평가가 위조되지 않고, 이는 타워(40)가 없는 경우일지라도(도 4 참조), 타워(40)에서 끝나는 모니터링 영역에서 측정 신호는 표적 물질에 대한 어떠한 표시도 제공하지 않기 때문이다.
필요한 경우, 서버(20)는 광학 센서(2b)의 인접한 측정 신호의 수학적 보간에 의해 평가에 포함되지 않은 추가 광학 센서(2b)의 측정 신호를 대체하기 위해, 즉, 컴퓨터 프로그램을 사용하여 설정될 수 있다. 인접한 측정 신호는 할당된 입체각 범위가 포함되지 않은 측정 신호의 입체각 범위에 인접한 측정 신호이다.
도 6 및 도 7은 2개의 광학 센서(2a 및 2b)가 항구 영역 내에서 눈에 띄는 위치에 위치하는 항구 유역 영역의 영공을 모니터링하기 위한 시스템을 도시한다.
도 6은 2개의 광학 센서(2a 및 2b)가 점선으로 표시된 모니터링 영역 내에서 영역 위의 영공을 독립적으로 스캔하는 표준 경우를 도시한다.
도 7은 전술한 사건 경우를 도시한다. 서버(20)는 2개의 광학 센서(2a 및 2b)의 최고 컬럼 밀도의 입체각 영역(θ1 및 θ2)의 중첩 영역(도 7의 검은색 영역)의 좌표를 결정하고, 좌표를 맵 표현과 연결하며, 사건의 2차원 표현을 생성하기 위해 컴퓨터 프로그램을 사용하여 설정된다. 바람직하게는, 센서(2a, 2b)의 카메라(11)로부터의 이미지와 연결함으로써 3차원 표현이 또한 생성될 수 있다.
도 8은 광범위한 화학 물질 생산 영역의 영공을 모니터링하기 위한 다른 시스템을 도시한다. 다시, 2개의 광학 센서(2a 및 2b)가 눈에 띄는 위치에 배치된다. 또한, 3개의 능동 적외선 복사원(18a, 18b 및 18c)은 각각의 광학 센서(2a 또는 2b) 중 하나가 적외선을 픽업하는 방식으로 배치된다. 이는 확립된 측정 경로(도 8의 두꺼운 라인)를 따라 대기에 포함된 가스를 보다 정밀하게 측정하는 것을 가능하게 한다. 또한, 평가를 위한 스펙트럼 범위도 넓어져 더 많은 표적 물질을 측정할 수 있다. 무엇보다도 능동 측정을 통해 가스 분포에 대한 보다 정확한 배경 결정과 더 큰 표적 물질 라이브러리가 가능하다. 또한, 능동 적외선 복사원(18a, 18b, 18c)은 공장 경계와 같은 사전에 정의된 경계 영역의 개별 모니터링을 가능하게 한다.
도 9는 3개의 광학 센서(2a, 2b 및 2c)의 모니터링 영역의 부분 음영이 있는 다른 화학 공장의 지도 표현을 도시한다.
부지 내에 광학 센서(2a)의 모니터링 영역을 부분적으로 가리는 건물(50, 52 및 54)이 있어서, 각각 음영 영역(A1, A2, A3)이 생성된다. 따라서, 광학 센서(2a)의 모니터링 범위는 할당된 공간 각도 각각에서 건물(50, 52 또는 54)까지만 확장된다.
동일한 방식으로, 음영 영역(B1 및 B2)은 광학 센서(2b)에 대해 생성되고, 음영 영역(C1, C2 및 C3)은 광학 센서(2c)에 대해 생성된다.
도 9는 표적 물질 구름(56)과 함께 3개의 광학 센서(2a, 2b 및 2c)를 갖는 시스템을 도시한다. 표적 물질 구름(56)은 광학 센서(2a, 2b, 2c)를 스캐닝하는 정상적인 경우에 센서(2a)에 의해 먼저 검출되고, 사건 케이스가 결정된다.
이 도면에 도시되지 않은 서버는 이 사건에서 활성화를 위해 적어도 하나의 추가 광학 센서(2b)를 선택하도록 설정되며, 그 모니터링 범위는 제1 광학 센서(2a)의 모니터링 범위와 최대 중첩을 갖는다. 음영(B1 및 B2)은 제1 광학 센서(2a)의 입체각 범위(θ1) 외부에 있으므로, 센서(2b)의 모니터링 범위에 의해 최대 중첩이 제공된다. 그런 다음 제2 센서(2b)는 입체각 범위(θ2) 내에서 표적 물질 구름(56)을 검출하고, 표적 물질 구름(56)이 위치 파악된다.
제3 센서(2c)는 음영 영역(C3)이 입체각 범위(θ1)의 일부와 중첩되기 때문에 이 시나리오에서 선택되지 않는다. 광학 센서(2c)의 선택은 표적 물질 구름(56)이 음영 영역(C3)에 완전히 있기 때문에 표적 물질 구름(56)의 긍정적인 측정으로 이어지지 않았을 것이다. 따라서, 여기서 제3 센서(2c)의 측정 반경은 입체각 범위(θ3)에서 너무 작다. 건물(52)에 의한 음영이 표적 물질 구름(56)의 측정을 방해하기 때문에 잠재적인 입체각(θ3)은 점선으로만 도시된다.
도 10은 검출된 표적 물질 구름(56)의 위치가 변경된 도 9에 따른 예시를 도시한다.
광학 센서(2a)가 표적 물질 구름을 검출한 후, 서버는 표적 물질 구름(56)의 위치 파악을 달성하기 위해 다른 광학 센서를 검색한다. 두 광학 센서(2b 및 2c)는 각각 입체각 영역(θ1)과 중첩되는 음영 영역을 갖는다는 것을 알 수 있다. 그러나, 광학 센서(2b)의 위치가 검출된 표적 물질과 함께 제1 광학 센서(2a)의 입체각 범위(θ1)의 방향에 있기 때문에 광학 센서(2b)는 서버에 의해 선택되지 않는다. 따라서, 모니터링 영역이 제1 광학 센서(2a)의 측정된 입체각 영역(θ1)에 대해 더 큰 각도의 입체각을 갖는 제3 광학 센서(2c)는 표적 물질 구름(56)을 식별하기 위해 선택되고, 입체각 영역(θ3)을 결정하며 따라서, 표적 물질 구름(56)의 좌표를 결정한다.
도 11은 도 8에 따른 실시예에 기초한 본 발명에 따른 시스템의 실시예의 추가 예를 도시한다.
전술한 시스템의 실시예에 더하여, 화학-전기 검출기로 설계된 고정 검출기(60)가 여기에 추가로 제공된다. 서버(여기에 도시되지 않음)는 고정 검출기의 공간 영역에서 광학 센서(2a, 2b)의 사용을 위한 트리거링 신호로서 적어도 하나의 고정 검출기(60)의 출력 신호를 사용하도록 설정된다. 복수의 검출기(60)가 도시되어 있으며, 이들 모두는 광학 센서(2a 및 2b)에 의해 검출될 수 있는 입체각 범위에 위치된다. 여기에 여러 개의 검출기(60)가 도시되어 있지만, 하나의 검출기(60)만 존재하면 본 발명의 범위 내에서 충분하다.
표적 물질이 누출되는 사건이 발생하여 구름(62)이 확산되는 경우에, 구름(62)에 위치된 검출기(60)가 표적 물질을 검출하여 해당 신호를 서버로 전송할 수 있다. 그 후, 아직 사건을 검출하지 못한 2개의 광학 센서(2a, 2b)가 가스 구름(62)을 검출하고 전술한 바와 같이 처리할 수 있다.
도 11에서 알 수 있는 바와 같이, 적어도 하나의 모바일 센서(70)는 드론(72)에 장착될 수 있다. 모바일 센서(70)는 광학 센서(2) 또는 검출기(60)일 수 있다. 점선으로 도시된 바와 같이, 모바일 센서(70)는 사건의 경우 구름(62)으로 안내되고, 현장에서 추가 측정을 수행할 수 있으며, 이는 시스템 및 서버에 의해 평가될 수 있다.
모바일 센서(70)가 광학 센서(2)를 갖는다면, 모바일 센서(70)로부터의 측정 신호는 전술한 바와 같이 다른 고정 광학 센서(2a 및 2b)로부터의 측정 신호와 함께 평가될 수 있다.
모바일 센서(70)에 검출기(60)를 갖는다면, 모바일 센서(70) 위치의 가변성은 고정 검출기(60)로부터의 판독값에 더하여 추가 데이터가 수집되는 것을 가능하게 한다.
도 12은 본 발명에 따른 시스템의 추가 예를 도시한다. 이 시스템은 본질적으로 도 4의 시스템에 해당하지만, 수동 푸리에 변환 적외선 분광기를 가진 하나의 광학 센서(2)만 존재한다. 전술한 바와 같이, 측정 데이터를 평가하고 광학 센서(2)를 제어하기 위한 서버(도시되지 않음)가 제공된다. 광학 센서(2)는 설명된 바와 같이 조정 가능한 모니터링 범위를 갖는다.
전술한 유형의 모바일 감항성 센서(70)가 제공되며, 이는 전술한 드론(72)에 부착된다. 사건의 경우에, 즉, 광학 센서(2)가 각도(θ1) 내에서 컬럼 밀도가 가장 높은 입체각(점선으로 표시)에서 표적 물질을 식별하는 경우에, 모바일 센서(70)는 서버에 의해 제어되어 위치 의존적인 방식으로 광학 센서(2)에 의해 식별된 입체각을 따라 표적 물질의 농도를 검출한다. 해당 비행 경로는 도 12에서 점선으로 표시되어 있다.
따라서, 하나의 광학 센서(2)와 하나의 모바일 센서(70)만으로 검은색 영역으로 도시된 표적 물질의 최대 농도의 위치가 결정될 수 있다.
Claims (18)
- 영역의 영공을 모니터링하기 위한 시스템으로,
- 수동 푸리에 변환 적외선 분광기를 갖는 적어도 2개의 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c) 및
- 측정 데이터를 평가하고 적어도 2개의 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)를 제어하기 위한 서버(20, 30)를 구비하며,
- 각각의 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)는 조정 가능한 모니터링 범위를 가지고, 적어도 2개의 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)의 모니터링 범위는 적어도 섹션에서 중첩되며,
- 서버(20, 30)는,
- 정상적인 경우에 모니터링되는 영역의 자동 스캐닝을 위해 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)를 제어하되 서버는 각각의 경우에 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)의 위치 데이터에 기초하여 입체각을 측정 데이터에 할당하고,
- 각각의 입체각에 대한 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)의 측정 데이터로부터 수신된 IR 복사의 스펙트럼 강도 분포를 도출하며 알려진 가스 스펙트럼과 강도 분포의 상관 관계에 의해 적어도 하나의 표적 물질을 식별하고,
- 제1 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)가 제1 입체각에서 표적 물질을 식별하는 사건의 경우, 제1 광학 센서의 모니터링 영역과의 중첩 영역을 스캔하기 위해 적어도 하나의 추가 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)를 제어하며,
- 적어도 하나의 추가 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)의 측정 데이터로부터 표적 물질의 적외선 신호와 적어도 하나의 추가 입체각(2; 2a, 2b, 2c)을 식별하고, 및
- 제1 입체각 및 적어도 하나의 추가 입체각의 입체각 정보로부터 표적 물질의 농도가 증가된 중첩 영역의 좌표를 결정하도록 설정되는, 시스템에 있어서,
- 각각의 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)의 모니터링 범위는 입체각에 따른 음영의 결과로서 상기 영역의 지형 또는 개발로 인해 다른 측정 반경을 가지며, 각각의 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)의 모니터링 범위는 입체각 범위 및 관련 측정 반경에 의해 획정되고,
- 입체각마다 측정 반경은 알려진 영역의 지형 또는 개발을 기반으로 광학 센서용 시스템을 설치하는 동안 결정 및 설정되며,
- 측정 반경이 너무 작은 공간 방향의 적어도 하나의 추가 광학 센서의 측정 신호는 평가에 포함되지 않는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
서버(20, 30)는 공간적으로 인접한 측정 신호의 가중 수학적 보간에 의해 평가에 포함되지 않은 적어도 하나의 추가 광학 센서의 측정 신호를 대체하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
- 적어도 3개의 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)가 제공되고,
- 서버(20, 30)는 사건의 경우, 모니터링 범위가 제1 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)의 모니터링 범위와 최대 중첩을 갖는 활성화를 위한 적어도 하나의 추가 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)를 선택하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
- 서버(20, 30)는 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)의 측정 데이터로부터 표적 물질의 컬럼 밀도를 결정하도록 설정되며, 컬럼 밀도는 가스의 농도와 가스 구름의 공간 길이의 곱이고,
서버(20, 30)는 다른 광 센서(2; 2a, 2b, 2c)의 최고 컬럼 밀도의 중첩 영역의 좌표를 결정하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
- 적어도 하나의 고정 검출기(60)가 제공되며,
- 서버(20, 30)는 고정 검출기(60)의 공간 영역에서 광학 센서(2; 2a, 2b, 2b)의 사용을 위한 트리거링 신호로서 적어도 하나의 고정 검출기(60)의 출력 신호를 사용하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
적어도 하나의 센서는 모바일 센서(70)로 설계될 수 있으며, 모바일 센서는 광학 센서(2) 또는 검출기(60)로 설계되는 것을 특징으로 하는 시스템. - 영역의 영공을 모니터링하기 위한 시스템으로,
- 수동 푸리에 변환 적외선 분광기를 갖는 적어도 하나의 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c) 및
- 측정 데이터를 평가하고 적어도 하나의 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)를 제어하기 위한 서버(20, 30)를 구비하며,
- 적어도 하나의 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)는 조정 가능한 모니터링 범위를 갖는, 시스템에 있어서,
- 적어도 하나의 감항성 검출기(70)가 제공되며,
- 서버(20, 30)는,
- 모니터링 영역의 자동 스캐닝을 위해 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)를 제어하되 서버는 각각의 경우에 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)의 위치 데이터에 기초하여 입체각을 측정 데이터에 할당하고,
- 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)의 측정 데이터로부터 각각의 입체각에 대한 수신된 IR 복사의 스펙트럼 강도 분포를 도출하며 알려진 가스 스펙트럼과 강도 분포의 상관 관계에 의해 적어도 하나의 표적 물질을 식별하고,
- 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)가 입체각에서 표적 물질을 식별하는 사건의 경우, 위치 의존적인-방식으로 적어도 하나의 모바일 검출기(70)로 광학 센서(2; 2a, 2b, 2c)에 의해 식별된 입체각을 따라 표적 물질의 농도를 검출하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제7항에 있어서,
서버(20, 30)는 사건의 경우, 표적 물질의 농도가 최대인 제1 센서의 모니터링 범위에서 모바일 센서의 위치를 결정함으로써 표적 물질의 위치를 찾는 것을 특징으로 하는 시스템. - 영역의 영공을 모니터링하기 위한 방법으로,
- 적어도 섹션에서 영역을 모니터링하기 위해 수동 푸리에 변환 적외선 분광기를 갖는 적어도 2개의 광학 센서가 사용되며,
- 각각의 광학 센서는 모니터링 범위 내에서 조정 가능한 입체각 범위를 검출하고,
- 광학 센서의 모니터링 범위는 적어도 섹션에서 적어도 하나의 추가 광학 센서의 모니터링 범위와 중첩되며,
- 광학 센서는 일반적으로 모니터링되는 영역을 자동으로 스캔하도록 트리거되고,
- 수신된 IR 복사의 스펙트럼 강도 분포는 각각의 입체각에 대한 광학 센서의 측정 데이터로부터 도출되며, 강도 분포와 알려진 가스 스펙트럼의 상관 관계가 수행되고,
- 제1 입체각에서 제1 광학 센서에 의해 표적 물질의 적외선 신호가 식별되는 사건의 경우, 제1 광학 센서의 모니터링 영역과의 중첩 영역을 스캔하기 위해 적어도 하나의 추가 광학 센서가 트리거되며,
- 표적 물질의 적외선 신호와 함께 적어도 하나의 추가 입체각은 적어도 하나의 추가 광학 센서의 측정 데이터로부터 식별되고, 및
- 제1 입체각 및 적어도 하나의 추가 입체각의 입체각 정보로부터 표적 물질의 농도가 증가된 중첩 영역의 좌표가 결정되는, 방법에 있어서,
- 각각의 광학 센서의 모니터링 범위는 입체각에 따른 음영의 결과로서 상기 영역의 지형 또는 개발로 인해 다른 측정 반경을 가지며, 각각의 광학 센서의 모니터링 범위는 입체각 범위 및 관련 측정 반경에 의해 결정 및 설정되고,
- 입체각마다 측정 반경은 알려진 영역의 지형 또는 개발을 기반으로 광학 센서용 시스템을 설치하는 동안 결정 및 설정되며,
측정 반경이 너무 작은 공간 방향의 적어도 하나의 추가 광학 센서의 측정 신호는 평가에 포함되지 않는 것을 특징으로 하는 방법. - 제9항에 있어서,
평가에 포함되지 않은 적어도 하나의 추가 광학 센서의 측정 신호는 인접한 측정 신호의 수학적 보간법으로 대체되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제9항 또는 제10항에 있어서,
- 적어도 3개의 광학 센서가 사용되며,
- 표적 물질의 적외선 신호는 제1 입체각에서 제1 센서에 의해 식별되고, 및
- 사건의 경우, 모니터링 범위가 제1 광학 센서의 모니터링 범위와 최대 중첩을 갖는 적어도 하나의 추가 광학 센서가 활성화를 위해 선택되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제9항에 있어서,
- 컬럼 밀도는 가스의 농도와 가스 구름의 공간 길이의 수학적인 곱으로 계산되며,
- 다른 광학 센서의 최고 컬럼 밀도의 중첩 영역 좌표가 결정되는 것을 특징으로 하는 방법. - 삭제
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