KR102550052B1 - Laser beam steering type lidar for measuring wind speed using 2-axis steering mirror - Google Patents
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Abstract
본 발명은 풍력터빈의 설치 및 운전시 필요한 풍속 데이터를 실시간으로 측정하는 풍속 측정용 라이다에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 2축 조향거울을 이용하여 사용자가 요구하는 풍속 측정 주기와 풍속 데이터의 신뢰성 등을 충족시킬 수 있는 2축 조향거울을 이용한 레이저 빔 조향방식의 풍속 측정용 라이다에 관한 것이다.The present invention relates to a lidar for measuring wind speed that measures wind speed data necessary in real time during installation and operation of a wind turbine, and more particularly, to a wind speed measuring period and wind speed data requested by a user using a two-axis steering mirror. It relates to a lidar for measuring wind speed using a laser beam steering method using a two-axis steering mirror that can satisfy reliability.
Description
본 발명은 풍력터빈의 설치 및 운전시 필요한 풍속 데이터를 실시간으로 측정하는 풍속 측정용 라이다에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 2축 조향거울을 이용하여 사용자가 요구하는 풍속 측정 주기와 풍속 데이터의 신뢰성 등을 충족시킬 수 있는 2축 조향거울을 이용한 레이저 빔 조향방식의 풍속 측정용 라이다에 관한 것이다.The present invention relates to a lidar for measuring wind speed that measures wind speed data necessary in real time during installation and operation of a wind turbine, and more particularly, to a wind speed measuring period and wind speed data requested by a user using a two-axis steering mirror. It relates to a lidar for measuring wind speed using a laser beam steering method using a two-axis steering mirror that can satisfy reliability.
최근 재생 에너지원으로 풍력 에너지(wind energy)에 대한 관심이 높아짐에 따라 풍력 발전기의 개발 및 설치가 지속적으로 증가하는 추세에 있다. 풍력 발전단지가 준공된 후, 일반적으로 제조사가 보증하는 출력성능을 검증하기 위하여 IEC 61400-12-13) 또는 IEC 61400-12-24) 국제표준에 따라 출력 성능평가가 수행되어야 한다. 이를 위하여 국제표준에서 제시하는 기준에 따라 기상탑(meteorological mast)을 설치하고, 대략 6개월 이상 바람 데이터를 측정해야 한다. 이러한 바람 데이터를 측정하기 위해 라이다(LiDAR : Light Detection And Ranging)가 활용되고 있다. Recently, as interest in wind energy (wind energy) as a renewable energy source has increased, the development and installation of wind power generators has been continuously increasing. After a wind farm is completed, output performance evaluation should be performed according to the international standard IEC 61400-12-13) or IEC 61400-12-24) to verify the output performance generally guaranteed by the manufacturer. To this end, a meteorological mast must be installed according to the standards presented by international standards, and wind data must be measured for about six months or more. To measure such wind data, LiDAR (Light Detection And Ranging) is being used.
라이다는 전통적인 기상탑을 대체할 수 있는 원격측정장비(RSD, Remote Sensing Device)로서, 비교적 최근에 풍황측정 용도로 개발된 레이저 탐지에 바탕을 둔 원거리 센서이다. 에어로졸 입자(먼지, 수증기, 구름, 안개, 오염물질 등)에 의해 산란된 레이저 발산의 도플러 쉬프트(Doppler shift)를 이용하여 풍향 및 풍속을 측정한다. 아울러 라이다는 건설된 풍력 발전기의 효율적인 운전과 풍력 발전기의 손상 예방을 위해서 풍력 터빈의 날개를 바람 속도에 맞춰 제어하는 용도로도 사용되고 있으며, 풍력 발전기의 대형화 추세에 따라 그 필요성이 더욱 심화되고 있다. LIDAR is a remote sensing device (RSD) that can replace traditional weather towers, and is a long-distance sensor based on laser detection that was developed relatively recently for wind condition measurement. Wind direction and speed are measured using the Doppler shift of the laser emission scattered by aerosol particles (dust, water vapor, clouds, fog, pollutants, etc.). In addition, lidar is also used to control the blades of wind turbines according to the wind speed in order to efficiently operate the built wind generators and prevent damage to the wind turbines. .
풍황측정에 사용되는 도플러 라이다(Doppler LiDAR)는 도플러 효과를 이용한 라이다로서, 도플러 효과에 의한 레이저 빔의 미세한 주파수 변화를 측정하여 풍속 등을 측정한다. 라이다를 설치한 위치에서 수직으로 소정 높이의 단면을 중심으로 하는 샘플 체적의 3차원 풍속을 측정하기 위해서는, 도 1과 같이 레이저 빔을 4방향으로 순차적으로 조사하여 LOS(Line Of Sight) 방향의 풍속을 각각 측정해야 한다. The Doppler LiDAR used to measure wind conditions is a lidar using the Doppler effect, and measures the wind speed by measuring minute frequency changes of a laser beam by the Doppler effect. In order to measure the three-dimensional wind speed of the sample volume centered on the cross section of a predetermined height vertically from the location where the lidar is installed, the laser beam is sequentially irradiated in four directions as shown in FIG. Wind speed must be measured separately.
도 2는 종래의 쐐기 모양을 갖는 프리즘을 회전시켜 레이저 빔을 조향하는 방식의 라이다를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2와 같이, 종래의 쐐기 모양의 프리즘을 회전시켜 레이저 빔을 조향하는 방식의 라이다는 렌즈 상부에 설치된 프리즘을 초당 1회전 정도로 회전시켜 프리즘에 의한 굴절 방향이 변화되는 원리를 이용한다. 2 is a diagram schematically showing a LiDAR of a method of steering a laser beam by rotating a prism having a conventional wedge shape. As shown in FIG. 2, the conventional lidar of the method of steering a laser beam by rotating a wedge-shaped prism uses the principle that the refracted direction by the prism is changed by rotating the prism installed on the upper part of the lens at about one rotation per second.
그러나, 종래의 쐐기 모양의 프리즘을 회전시켜 레이저 빔을 조향하는 방식의 라이다에서는, 첫째, 프리즘의 무게가 상당하고, 둘째, 대칭이 아닌 쐐기 모양을 갖는 프리즘의 회전으로 인해 진동이 발생하고, 셋째, 프리즘의 회전으로 인해 샘플 체적의 위치가 바뀌는 문제가 발생할 수 있다. 특히 샘플 체적의 위치가 바뀌는 문제는 측정 기간이 매우 짧은 경우 큰 영향을 미치지 않지만 공기 중의 에어로졸(aerosol) 입자 수가 많지 않은 경우 샘플 체적의 위치가 바뀐 상태에서 측정된 데이터를 토대로 계산된 풍속의 정확도를 현저하게 저하시키는 문제를 유발할 수 있다. However, in the lidar of a method of steering a laser beam by rotating a conventional wedge-shaped prism, first, the weight of the prism is considerable, and second, vibration occurs due to rotation of the prism having a non-symmetrical wedge shape, Third, rotation of the prism may cause a problem in that the position of the sample volume is changed. In particular, the problem of changing the position of the sample volume does not have a significant effect when the measurement period is very short, but when the number of aerosol particles in the air is not large, the accuracy of the wind speed calculated based on the data measured while the position of the sample volume is changed is improved. This can lead to significant deterioration problems.
가령 공기 중의 에어로졸 입자 수가 많지 않은 경우에는 1,000 사이클 정도를 평균하여 특정 위치의 속도를 계산해야 한다. 그런데 레이저 구동 주파수가 10kHz인 조건에서 1,000 사이클은 0.1초 기간에 해당하기 때문에 프리즘이 초당 1회전 한다고 가정하면, 이 기간 동안 프리즘이 36°를 회전하므로, 결국 샘플링 체적의 위치가 크게 바뀌어 버리는 상황이 발생할 수 있다. 이렇게 샘플의 체적의 위치가 크게 바뀐 상태로 측정된 데이터를 토대로 계산된 풍속의 정확도는 저하될 수 밖에 없다. For example, if the number of aerosol particles in the air is not large, the velocity at a specific location should be calculated by averaging about 1,000 cycles. However, since 1,000 cycles corresponds to a period of 0.1 seconds under the condition that the laser driving frequency is 10 kHz, assuming that the prism rotates once per second, the prism rotates 36° during this period, resulting in a situation where the position of the sampling volume changes significantly. can happen In this way, the accuracy of the wind speed calculated based on the measured data in a state where the position of the sample volume is greatly changed is inevitably lowered.
따라서, 본 발명의 목적은 에어로졸 입자 농도가 낮은 열악한 환경 조건에서도 사용자가 요구하는 풍속 측정 주기와 풍속 데이터의 신뢰성 등을 충족시킬 수 있는 2축 조향거울을 이용한 레이저 빔 조향방식의 풍속 측정용 라이다를 제공하는 것이다.Therefore, an object of the present invention is a laser beam steering method wind speed measurement lidar using a two-axis steering mirror that can satisfy the wind speed measurement period and reliability of wind speed data required by users even in poor environmental conditions with low aerosol particle concentration. is to provide
또한, 본 발명은 전술한 목적으로 제한되지 않으며, 이외에도 후술하는 실시예들 및 청구범위를 통해 기재된 기술들을 통해 다양한 목적들이 추가로 제공될 수도 있다. In addition, the present invention is not limited to the above-mentioned purpose, and various other objects may be additionally provided through the techniques described through the following embodiments and claims.
상기한 목적을 달성하기 위한 실시 예에 따른 본 발명은 펄스(pulse) 또는 CW(Conituous wave) 형태의 레이저 빔을 송출하는 레이저 장치; 4방향으로 순차적으로 이동하고, 어느 한 방향의 위치로 이동된 후 이동된 어느 한 방향의 위치에서 설정 시간동안 정지된 상태로 유지되며, 정지된 상태에서 상기 레이저 장치에서 송출된 레이저 빔을 해당 방향의 위치로 반사하는 2축 조향거울; 4방향에 각각 하나씩 총 4개가 설치되고, 상기 2축 조향거울에서 반사된 레이저 빔을 측정하고자 하는 샘플 체적 내의 에어로졸 입자로 조사하는 송수신 렌즈; 상기 레이저 장치에서 송출되는 레이저 빔과, 상기 송수신 렌즈를 통해 조사되는 레이저 빔에 의해 상기 샘플 체적 내의 에어로졸 입자에서 산란된 산란광 신호를 상기 송수신 렌즈와 상기 2축 조향거울을 통해 입력받아 처리하는 신호 처리장치; 및 상기 신호 처리장치의 출력신호를 토대로 상기 샘플 체적 내에서 풍속을 산출하는 풍속 데이터 획득장치를 포함하는 2축 조향미러를 이용한 라이다용 레이저 빔 조향방식의 풍속 측정용 라이다를 제공한다.The present invention according to an embodiment for achieving the above object is a laser device for transmitting a laser beam in the form of a pulse or continuous wave (CW); It moves sequentially in four directions, and after moving to a position in one direction, it remains stopped for a set time at the position in one direction, and in the stopped state, the laser beam emitted from the laser device is directed in the corresponding direction. A two-axis steering mirror that reflects to the position of; A total of 4 lenses, each installed in 4 directions, for irradiating the laser beam reflected from the 2-axis steering mirror with aerosol particles within a sample volume to be measured; Signal processing for receiving and processing the scattered light signal scattered from the aerosol particles in the sample volume by the laser beam emitted from the laser device and the laser beam irradiated through the transmission/reception lens through the transmission/reception lens and the two-axis steering mirror. Device; and a wind speed data acquisition device for calculating the wind speed within the sample volume based on the output signal of the signal processing device.
또한, 상기 2축 조향거울과 상기 송수신 렌즈를 보호 및 고정하는 하우징을 더 포함할 수 있다. In addition, a housing for protecting and fixing the two-axis steering mirror and the transmission/reception lens may be further included.
또한, 상기 하우징은 상기 2축 조향거울이 내장 설치되는 바디; 및 상기 바디의 상부를 덮고, 상기 송수신 렌즈가 4방향에 각각 하나씩 설치된 커버를 포함할 수 있다. In addition, the housing includes a body in which the two-axis steering mirror is built-in; and a cover covering an upper portion of the body and having the transmit/receive lenses installed one by one in four directions.
또한, 상기 2축 조향거울의 이동을 제어하는 조향거울 제어기를 더 포함할 수 있다. In addition, a steering mirror controller for controlling movement of the two-axis steering mirror may be further included.
또한, 상기 조향거울 제어기는 기설정된 프로그램에 따라 상기 2축 조향거울을 N(북), W(서), S(남) 및 E(동) 방향으로 순차적으로 이동시킨 후, 이동된 어느 한 방향의 위치에서 기설정된 시간동안 상기 2축 조향거울을 정지된 상태로 유지시킬 수 있다. In addition, the steering mirror controller sequentially moves the two-axis steering mirror in N (north), W (west), S (south), and E (east) directions according to a preset program, and then moves in any one direction. It is possible to keep the two-axis steering mirror in a stopped state for a predetermined time at the position of .
또한, 상기 레이저 장치는 상기 레이저 빔을 생성하여 송출하는 레이저 빔 송출모듈; 상기 산란광 신호를 입력받아 증폭하는 수신신호 증폭모듈; 및 상기 레이저 빔 송출모듈을 광섬유를 통해 상기 2축 조향거울로 송출하고, 상기 광섬유를 통해 수신되는 상기 산란광 신호를 상기 수신신호 증폭모듈로 전달하며, 상기 수신신호 증폭모듈에서 증폭된 산란광 신호를 상기 신호 처리장치로 출력하는 광순환기를 포함할 수 있다. In addition, the laser device includes a laser beam transmission module for generating and transmitting the laser beam; a reception signal amplification module receiving and amplifying the scattered light signal; and transmitting the laser beam transmitting module to the two-axis steering mirror through an optical fiber, transmitting the scattered light signal received through the optical fiber to the receiving signal amplifying module, and transmitting the scattered light signal amplified by the receiving signal amplifying module to the optical fiber. It may include an optical circulator outputting to a signal processing device.
또한, 상기 신호 처리장치는 상기 레이저 빔 송출모듈에서 송출되는 레이저 빔과, 상기 광순환기에서 출력되는 증폭된 산란광 신호를 전달하는 2×2 광 커플러; 및 상기 2×2 광 커플러에서 출력되는 레이저 빔과 증폭된 산란광 신호 간의 차이를 디지털 값으로 변환하여 상기 풍속 데이터 획득장치로 출력하는 밸런스드 검출기를 포함할 수 있다. In addition, the signal processing device includes a 2x2 optical coupler for transmitting the laser beam transmitted from the laser beam transmission module and the amplified scattered light signal output from the optical circulator; and a balanced detector converting a difference between the laser beam output from the 2×2 optical coupler and the amplified scattered light signal into a digital value and outputting the converted digital value to the wind speed data acquisition device.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 2축 조향거울을 이용한 레이저 빔 조향방식의 풍속 측정용 라이다에 의하면, 2축 조향거울을 원하는 시간만큼 정지시켜 놓을 수 있기 때문에 1,000 사이클 정도로 많은 사이클을 평균해야 하는 조건에서도 측정이 가능함으로써 에어로졸 입자 농도가 낮은 열악한 환경 조건에서도 사용자가 요구하는 풍속 측정 주기와 풍속 데이터의 신뢰성 등을 충족시킬 수 있다. As described above, according to the lidar for measuring wind speed of the laser beam steering method using the two-axis steering mirror according to the present invention, since the two-axis steering mirror can be stopped for a desired time, as many as 1,000 cycles are averaged. Since measurement is possible under the required conditions, it is possible to meet the wind speed measurement period and reliability of wind speed data required by users even in poor environmental conditions with low aerosol particle concentration.
도 1은 풍속 측정용 라이다의 측정 위치에서의 샘플 체적을 나타낸 개념도.
도 2는 종래의 레이저 빔 조향방식의 라이다를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 빔 조향방식의 풍속 측정용 라이다를 나타낸 도면.
도 4는 도 3에 나타낸 풍속 측정용 라이다의 블록도.
도 5는 도 4에 나타낸 레이저 빔 송출모듈의 구성을 일례로 나타낸 블록도.
도 6은 도 4에 나타낸 2축 조향거울의 이동 구간을 나타낸 도면.1 is a conceptual diagram showing a sample volume at a measurement position of a lidar for measuring wind speed.
Figure 2 is a view showing a lidar of a conventional laser beam steering method.
3 is a view showing a lidar for measuring wind speed of a laser beam steering method according to an embodiment of the present invention.
4 is a block diagram of a lidar for measuring wind speed shown in FIG. 3;
5 is a block diagram showing the configuration of the laser beam transmission module shown in FIG. 4 as an example;
6 is a view showing a movement section of the two-axis steering mirror shown in FIG. 4;
이하, 본 발명의 이점 및 특징, 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하는 것이다. 또한, 각 도면에 나타낸 각각의 구성요소들은 크기 및 형상이 과도하게 도시될 수도 있는데, 이는 설명의 편의를 위한 것으로 제한을 두고자 하는 것이 아니다.Hereinafter, the advantages and features of the present invention, and methods for achieving them will become clear with reference to the embodiments described later in detail in conjunction with the accompanying drawings. Like reference numerals designate like elements throughout this specification. In addition, each component shown in each figure may be excessively illustrated in size and shape, which is for convenience of description and is not intended to be limited.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 기술적 특징을 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, technical features of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 빔 조향방식의 풍속 측정용 라이다를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3에 나타낸 풍속 측정용 라이다의 블록도이다. 3 is a diagram schematically illustrating a lidar for measuring wind speed using a laser beam steering method according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a block diagram of the lidar for measuring wind speed shown in FIG. 3 .
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 빔 조향방식의 풍속 측정용 라이다는 고속으로 이중 축 조향이 가능한 2축 조향거울(12)을 포함하는 레이저 빔 조향장치를 이용하여 에어로졸 입자 농도가 낮은 열악한 환경 조건에서도 사용자가 요구하는 풍속 측정 주기와 풍속 데이터의 신뢰성 등을 충족시킬 수 있다. Referring to FIGS. 3 and 4, the laser beam steering method wind speed measurement lidar according to an embodiment of the present invention uses a laser beam steering device including a two-
레이저 장치(11)는 펄스(pulse) 또는 CW(Conituous wave) 형태의 레이저 빔(L)을 생성하여 2축 조향거울(12)로 송출하는 레이저 빔 송출모듈(111)을 포함한다. The
도 5는 도 4에 나타낸 레이저 빔 송출모듈의 구성을 일례로 나타낸 블록도이다. FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the laser beam transmission module shown in FIG. 4 as an example.
도 5와 같이, 레이저 빔 송출모듈(111)은 레이저 빔을 생성하는 레이저 빔 생성기(111a)와, 레이저 빔 생성기(111a)에서 생성된 레이저 빔을 증폭하는 광섬유 증폭기(EDFA : Erbium Doped Fiber Amplifier)(111b)와, 광섬유 증폭기(111b)를 통해 증폭된 레이저 빔의 진폭 및 편향을 변조하는 광학 변조기(AOM : Acoustic Optic Modulator)(111c)와, 레이저 빔 생성기(111a)에서 생성된 레이저 빔의 세기를 감쇠하는 가변 광 감쇠기(VOA : Variable Optical Attenuato)(111d)를 포함할 수 있다. As shown in FIG. 5, the laser
도 3 및 도 4와 같이, 레이저 빔 송출모듈(111)로부터 송출된 레이저 빔(L)은 광섬유(2)를 통해 2축 조향거울(12)로 입사되고 2축 조향거울(12)에 의해 반사되어 송수신 렌즈(13)를 통해 풍속을 측정하고자 하는 소정 높이의 샘플 체적 내의 에어로졸 입자(1)(이하, '대상체'라 함)로 조사된다. 그리고 대상체(1)로 조사된 레이저 빔(L)은 대상체(1)에 의해 산란되고, 도플러(doppler) 효과에 의해 주파수가 변하며, 산란된 광(빛) 중에서 후방으로 산란된 광이 송수신 렌즈(13)를 통해 2축 조향거울(12)로 입사된 후 반사되어 광섬유(2)를 통해 레이저 장치(11)로 수신된다. As shown in FIGS. 3 and 4, the laser beam L transmitted from the laser
도 4와 같이, 레이저 장치(11)는 대상체(1)로부터 산란되어 레이저 빔(L)의 조사방향과 역순으로 송수신 렌즈(13)와 2축 조향거울(12)을 경유하여 광섬유(2)를 통해 입력되는 산란광(신호)(sL)을 증폭하는 수신신호 증폭모듈(112)을 포함한다. As shown in FIG. 4, the
수신신호 증폭모듈(112)은 광섬유(2)를 통해 입력되는 산란광 신호를 광순환기(optical circulator)(113)로부터 입력받아 증폭하여 출력하는 광섬유 증폭기(EDFA : Erbium Doped Fiber Amplifier)를 포함할 수 있다. 수신신호 증폭모듈(112)의 광섬유 증폭기는 광순환기(113)를 통해 수신된 산란광 신호를 증폭하여 출력한다. 광순환기(113)는 레이저 빔 송출모듈(111)에서 광섬유(2)로 송출되는 레이저 빔(L)과 광섬유(2)로부터 수신되는 산란광 신호를 서로 분리하는 기능을 수행한다. The received
가령, 광섬유(2)로부터 광순환기(113)의 '포트2'로 입력된 산란광 신호는 광순환기(113)의 '포트1'에 연결된 광섬유 증폭기(EDFA)를 경유하여 광섬유 반사기로 입사되어 반사되고, 이렇게 반사된 신호는 광섬유 증폭기(EDFA)를 통해 고 이득으로 증폭된 후 광순환기(113)의 '포트3'를 통해 풍속 데이터 획득장치(15)로 출력될 수 있다. For example, the scattered light signal input from the
2축 조향거울(12)은 2축 고속 조향거울(Fast steering mirrors)로서, 도 4와 같이, 광섬유(2)를 통해 입사되는 레이저 빔을 송수신 렌즈(13)로 반사하는 조향거울(121)과, 조향거울(121)을 N(북), W(서), S(남), E(동) 방향(도 1참조), 즉, 동서남북 4개의 방향을 각각 지향하도록 순차적으로 이동시키는 구동부(122)를 포함한다. The two-
구동부(122)는 조향거울 제어기(14)를 통해 제어된다. The driving
도 6은 도 4에 나타낸 2축 조향거울의 이동 구간을 개략적으로 나타낸 도면이다. FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a movement section of the two-axis steering mirror shown in FIG. 4 .
도 6과 같이, 조향거울 제어기(14)는 기설정된 프로그램에 따라 구동부(122)를 제어하여 조향거울(121)을 N(북), W(서), S(남), E(동) 방향으로 순차적으로 이동시킨 후 기설정된 시간동안 정지된 상태로 유지시킨다. 조향거울(121)이 어느 한 방향의 위치에서 정지된 상태로 유지된 상태에서 레이저 빔 스캐닝과 라이다 측정이 수행된다. 즉, 조향거울 제어기(14)는 조향거울(121)을 N(북), W(서), S(남), E(동) 방향으로 순차적으로 이동시킨 후, 이동된 각 방향의 위치에서 설정된 시간동안 정지상태로 유지시켜 레이저 빔의 스캐닝과 라이다 측정이 이루어지도록 한다. As shown in FIG. 6, the
도 3과 같이, 송수신 렌즈(13)는 2축 조향거울(12)의 동서남북 4방향의 이동 위치에 대응하여 동서남북 4방향에 각각 하나씩 균일한 간격으로 총 4개가 설치된다. As shown in FIG. 3 , a total of four transmit/receive
2축 조향거울(12)에서 반사된 레이저 빔(L)은 송수신 렌즈(13)를 통해 집광되어 대상체(1)로 조사되고, 대상체(1)에서 산란된 광 중 후방으로 산란된 광은 송수신 렌즈(13)를 통해 2축 조향거울(12)로 수신된 후 레이저 장치(11)로 입력된다. The laser beam L reflected from the two-
송수신 렌즈(13)와 2축 조향거울(12)을 보호하고 고정하기 위해 하우징(16)이 구비된다. 하우징(16)은 도 3에서와 같이, 예를 들어 내부에 2축 조향거울(12)이 내장 설치되는 바디(161)와, 바디(161)의 상부를 덮도록 4개의 송수신 렌즈(13)가 동서남북 방향으로 각각 일정한 간격으로 고정 설치된 커버(162)를 포함할 수 있다. A housing 16 is provided to protect and fix the transmission/
도 4와 같이, 레이저 빔 송출모듈(111)에서 출력되는 레이저 빔과 광순환기(113)를 통해 출력되는 산란광 신호는 신호 처리장치(15)로 입력되어 신호 처리된다. As shown in FIG. 4 , the laser beam output from the laser
신호 처리장치(15)는 예를 들어, 레이저 빔 송출모듈(111)에서 출력되는 레이저 빔과 광순환기(113)를 통해 출력되는 산란광 신호, 즉 증폭된 산란광 신호를 전달(또는 분배)하는 2×2 광 커플러와, 상기 2×2 광 커플러를 통해 전달된 서로 다른 광신호들(레이저 빔 신호와 증폭된 산란광 신호) 간의 차이를, 예를 들어 전압으로 변환하여 디지털 값으로 출력하는 밸런스드 검출기(balaced detector)를 포함한다. The
신호 처리장치(15)의 출력 전압, 예를 들면 디지털 값은 풍속 데이터 획득장치(17)로 입력된다. 풍속 데이터 획득장치(17)는 신호 처리장치(15)로부터 입력되는 디지털 값을 입력받아 소정 높이의 샘플 체적 내에서의 풍속 데이터를 산출한다. The output voltage of the
신호 처리장치(15)와 풍속 데이터 획득장치(17)는 레이저 장치(11) 내에 모듈 형태로 각각 구비될 수도 있다. 바람직하게는 도 4와 같이, 레이저 장치(11)와 독립적으로 외부에 구비될 수 있다. 후자의 경우, 신호 처리장치(15)는 광섬유 커넥터를 통해 레이저 장치(11)와 접속될 수 있다. 또한 풍속 데이터 획득장치(17)는 유선 접속을 통해 신호 처리장치(15)의 밸런스드 검출기의 출력단에 접속될 수 있다. The
이러한 구성을 갖는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 빔 조향방식의 풍속 측정용 라이다의 동작 특성을 설명하면, 도 4와 같이, 레이저 장치(11)의 레이저 빔 송출모듈(111)에서 광섬유(2)를 통해 송출되는 레이저 빔(L)은 2축 조향미러(12)에 의해 반사되어 설정된 프로그램에 따라 N(북), W(서), S(남), E(동) 방향으로 순차적으로 4개의 송수신 렌즈(13) 중 어느 하나의 렌즈의 중심으로 조사된다. Referring to the operating characteristics of the lidar for wind speed measurement of the laser beam steering method according to the embodiment of the present invention having such a configuration, as shown in FIG. 4, the
송수신 렌즈(13) 중 어느 하나의 송수신 렌즈로 조사된 레이저 빔(L)은 샘플 체적 내에서 공기와 같은 속도로 움직이는 에어로졸 입자에 의해 산란된다. 그리고 산란된 광 중 후방으로 산란된 광은 역순으로 송수신 렌즈(13)를 통해 2축 조향미러(12)로 입사된 후 반사되어 광섬유(2)를 통해 레이저 장치(11)로 입력된다. 레이저 장치(11)로 입력된 산란광(sL)은 광순환기(113)에 의해 레이저 빔(L)과 분리된다. A laser beam (L) irradiated by any one of the transmission and
신호 처리장치(15)는 레이저 빔과 광순환기(113)에서 출력되는 산란광 신호를 입력받아 이들 간의 차이를 디지털 값으로 변환하여 풍속 데이터 획득장치(17)로 출력한다. 풍속 데이터 획득장치(17)는 신호 처리장치(15)로부터 출력되는 출력신호를 이용하여 해당 샘플 체적 내에서의 풍속을 산출하여 풍속 데이터를 획득한다. The
이러한 구성을 갖는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 빔 조향방식의 풍속 측정용 라이다는 2축 조향거울(12)과 4개의 송수신 렌즈(13)를 이용하여 도 1과 같이 4개의 방향(N→W→S→E)으로 레이저 빔을 순차적으로 발생시키되 원하는 시간만큼 정지한 상태에서 레이저 빔 스캐닝과 라이다 측정이 가능한 이점을 제공할 수 있다. The lidar for wind speed measurement of the laser beam steering method according to an embodiment of the present invention having such a configuration uses a two-
라이다는 4방향의 샘플 체적 내의 LOS(Line of Sight) 풍속을 측정하여 그 고도의 3차원 풍속을 측정하는 것으로, 요구되는 측정 주기는 사용자의 라이다 사용 목적에 따라 달라질 수 있다. 그리고, 라이다의 풍속 측정 정확도와 최대 측정 거리는 공기 중의 에어로졸 입자의 농도에 따라 달라질 수 있는데, 가령 에어로졸 입자의 농도가 낮은 경우에는 한 위치에서 1,000 사이클 이상을 평균해야 요구되는 풍속 측정 신뢰도를 얻을 수 있다. 그러나 도 2와 같이 종래의 프리즘을 회전시키는 방식이 적용된 라이다는 샘플 체적이 프리즘과 같이 회전하기 때문에 많은 사이클을 평균해야 하는 조건에 적용하는데 한계가 있다. 그러나 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 빔 조향방식의 풍속 측정용 라이다는 2축 조향거울을 원하는 시간만큼 정지시켜 놓을 수 있기 때문에 1,000 사이클 정도로 많은 사이클을 평균해야 하는 조건에서도 측정이 가능함으로써 에어로졸 입자 농도가 낮은 열악한 환경 조건에서도 사용자가 요구하는 풍속 측정 주기와 풍속 데이터의 신뢰성 등을 충족시킬 수 있다. LIDAR measures the LOS (Line of Sight) wind speed within the sample volume in four directions to measure the three-dimensional wind speed at that altitude, and the required measurement cycle may vary depending on the user's purpose of using LIDAR. In addition, the wind speed measurement accuracy and maximum measurement distance of lidar may vary depending on the concentration of aerosol particles in the air. there is. However, as shown in FIG. 2, since the sample volume rotates like a prism, Lidar applied with a conventional prism rotation method has limitations in application to conditions in which many cycles must be averaged. However, since the lidar for measuring the wind speed of the laser beam steering method according to an embodiment of the present invention can stop the two-axis steering mirror for a desired time, it is possible to measure aerosol particles even under the condition of averaging as many as 1,000 cycles. Even in poor environmental conditions with low concentration, it can satisfy the wind speed measurement cycle and reliability of wind speed data required by users.
이상에서와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만, 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 것일 뿐이다. 그리고, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.As above, although preferred embodiments of the present invention have been described and illustrated using specific terms, such terms are only intended to clarify the present invention. And, it is obvious that various changes and changes can be made to the embodiments of the present invention and the described terms without departing from the technical spirit and scope of the following claims. Such modified embodiments should not be individually understood from the spirit and scope of the present invention, and should be said to fall within the scope of the claims of the present invention.
1 : 에어로졸 입자(대상체) 2 : 광섬유
11 : 레이저 장치 12 : 2축 조향거울
13 : 송수신 렌즈 14 : 조향거울 제어기
15 : 신호 처리장치 16 : 하우징
17 : 풍속 데이터 획득장치 111 : 레이저 빔 송출모듈
111a : 레이저 빔 생성기 111b : 광섬유 증폭기
111c : 광학 변조기 111d : 가변 광 감쇠기
112 : 수신신호 증폭모듈 113 : 광순환기
121 : 조향거울 122 : 구동부
161 : 바디 162 : 커버
L : 레이저 빔 sL : 산란광(신호)1: aerosol particle (object) 2: optical fiber
11: laser device 12: 2-axis steering mirror
13: transmitting and receiving lens 14: steering mirror controller
15: signal processing device 16: housing
17: wind speed data acquisition device 111: laser beam transmission module
111a:
111c:
112: reception signal amplification module 113: optical circulator
121: steering mirror 122: driving unit
161: body 162: cover
L : laser beam sL : scattered light (signal)
Claims (7)
4방향으로 순차적으로 이동하고, 어느 한 방향의 위치로 이동된 후 이동된 어느 한 방향의 위치에서 설정 시간동안 정지된 상태로 유지되며, 정지된 상태에서 상기 레이저 장치에서 송출된 레이저 빔을 해당 방향의 위치로 반사하는 2축 조향거울;
4방향에 각각 하나씩 총 4개가 설치되고, 상기 2축 조향거울에서 반사된 레이저 빔을 측정하고자 하는 샘플 체적 내의 에어로졸 입자로 조사하는 송수신 렌즈;
상기 레이저 장치에서 송출되는 레이저 빔과, 상기 송수신 렌즈를 통해 조사되는 레이저 빔에 의해 상기 샘플 체적 내의 에어로졸 입자에서 산란된 산란광 신호를 상기 송수신 렌즈와 상기 2축 조향거울을 통해 입력받아 처리하는 신호 처리장치; 및
상기 신호 처리장치의 출력신호를 토대로 상기 샘플 체적 내에서 풍속을 산출하는 풍속 데이터 획득장치;
상기 2축 조향거울과 상기 송수신 렌즈를 보호 및 고정하는 하우징;
상기 2축 조향거울의 이동을 제어하는 조향거울 제어기;
상기 하우징은,
상기 2축 조향거울이 내장 설치되는 바디; 및
상기 바디의 상부를 덮고, 상기 송수신 렌즈가 4방향에 각각 하나씩 설치된 커버; 를 포함하고,
상기 조향거울 제어기는 기설정된 프로그램에 따라 상기 2축 조향거울을 N(북), W(서), S(남) 및 E(동) 방향으로 순차적으로 이동시킨 후, 이동된 어느 한 방향의 위치에서 기설정된 시간동안 상기 2축 조향거울을 정지된 상태로 유지된 상태에서 레이저 빔 스캐닝과 라이다 측정을 각각 수행하도록 제어하는,
2축 조향미러를 이용한 라이다용 레이저 빔 조향방식의 풍속 측정용 라이다.
A laser device that transmits a laser beam in the form of a pulse or continuous wave (CW);
It moves sequentially in four directions, and after moving to a position in one direction, it remains stopped for a set time at the position in one direction, and in the stopped state, the laser beam emitted from the laser device is directed in the corresponding direction. A two-axis steering mirror that reflects to the position of;
A total of 4 lenses, each installed in 4 directions, for irradiating the laser beam reflected from the 2-axis steering mirror with aerosol particles within a sample volume to be measured;
Signal processing for receiving and processing the scattered light signal scattered from the aerosol particles in the sample volume by the laser beam emitted from the laser device and the laser beam irradiated through the transmission/reception lens through the transmission/reception lens and the two-axis steering mirror. Device; and
a wind speed data obtaining device for calculating a wind speed within the sample volume based on an output signal of the signal processing device;
a housing for protecting and fixing the two-axis steering mirror and the transmission/reception lens;
a steering mirror controller controlling movement of the two-axis steering mirror;
the housing,
A body in which the two-axis steering mirror is built-in; and
a cover covering an upper portion of the body and having one transmit/receive lens installed in each of four directions; including,
The steering mirror controller sequentially moves the two-axis steering mirror in N (north), W (west), S (south), and E (east) directions according to a preset program, and then moves to a position in any one of the moved directions. Controlling to perform laser beam scanning and LiDAR measurement, respectively, while the two-axis steering mirror is maintained in a stopped state for a predetermined time in
A lidar for wind speed measurement using a laser beam steering method for lidar using a two-axis steering mirror.
상기 레이저 장치는,
상기 레이저 빔을 생성하여 송출하는 레이저 빔 송출모듈;
상기 산란광 신호를 입력받아 증폭하는 수신신호 증폭모듈; 및
상기 레이저 빔 송출모듈을 광섬유를 통해 상기 2축 조향거울로 송출하고, 상기 광섬유를 통해 수신되는 상기 산란광 신호를 상기 수신신호 증폭모듈로 전달하며, 상기 수신신호 증폭모듈에서 증폭된 산란광 신호를 상기 신호 처리장치로 출력하는 광순환기;
를 포함하는 2축 조향미러를 이용한 라이다용 레이저 빔 조향방식의 풍속 측정용 라이다.
According to claim 1,
The laser device,
a laser beam transmitting module generating and transmitting the laser beam;
a reception signal amplification module receiving and amplifying the scattered light signal; and
The laser beam transmission module transmits the optical fiber to the two-axis steering mirror, transmits the scattered light signal received through the optical fiber to the reception signal amplification module, and transmits the amplified scattered light signal in the reception signal amplification module to the signal an optical circulator that outputs to a processing device;
A lidar for measuring wind speed of a laser beam steering method for lidar using a two-axis steering mirror including a.
상기 신호 처리장치는,
상기 레이저 빔 송출모듈에서 송출되는 레이저 빔과, 상기 광순환기에서 출력되는 증폭된 산란광 신호를 전달하는 2×2 광 커플러; 및
상기 2×2 광 커플러에서 출력되는 레이저 빔과 증폭된 산란광 신호 간의 차이를 디지털 값으로 변환하여 상기 풍속 데이터 획득장치로 출력하는 밸런스드 검출기;
를 포함하는 2축 조향미러를 이용한 라이다용 레이저 빔 조향방식의 풍속 측정용 라이다.
According to claim 6,
The signal processing device,
a 2×2 optical coupler for transmitting the laser beam transmitted from the laser beam transmission module and the amplified scattered light signal output from the optical circulator; and
a balanced detector converting a difference between the laser beam output from the 2×2 optical coupler and the amplified scattered light signal into a digital value and outputting the converted digital value to the wind speed data acquisition device;
A lidar for measuring wind speed of a laser beam steering method for lidar using a two-axis steering mirror including a.
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GRNT | Written decision to grant |