KR20060011504A - 라만 신호를 이용하여 수증기와 물방울의 밀도를 동시에측정하기 위한 라만 라이다 수신광학계 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 라만 신호를 이용하여 수증기와 물방울의 밀도를 동시에 측정하기 위한 라만 라이다 수신광학계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 1) 전송 펄스형 레이저(1)가 대기 중의 수증기 및 물방울에 의하여 산란되고 이때 후방산란된 빔을 수광하기 위한 수광부(4)와, 2) 상기 수광부로부터 전송 펄스형 레이저(1) 파장에 해당하는 탄성 산란 신호를 제거하기 위한 너치 필터(7)와, 3) 상기 너치 필터로부터 선택된 산란빔을 파장별로 분할하는 빔분할기(8,9,10)와, 4) 상기 빔분할기(8)로부터 선택된 파장을 갖는 수증기의 진동라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(11)와, 5) 상기 빔분할기(9)로부터 선택된 파장을 갖는 수증기의 회전라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터와(12,30)와, 및 6) 상기 빔분할기(10)로부터 선택된 파장을 갖는 물방울의 진동라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(13,26)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 라만 신호를 이용하여 수증기와 물방울의 밀도를 동시에 측정하기 위한 라만 라이다 수신 광학계에 대한 것으로서, 수증기의 회전라만 천이를 고려함으로써 물방울의 진동 라만 천이 측정시 상기 두 라만신호 천이의 중첩으로 인해 발생하는 오차값을 제거하는 이점이 있다.
수증기 회전라만 산란, 물방울의 진동라만 산란, 수증기의 진동라만 산란, 라이다, 원격측정, 레이저 간섭 필터
Description
도 1은 일반적인 라이다 광학계의 구성을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 단일 광학계의 구성을 보여주는 도면
도 3은 수증기의 라만 산란 신호와 물방울의 라만 산란 신호를 측정하기 위하여 사용한 광학간섭필터의 위치.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 펄스형 레이저 2 : 광속확대기
3 : 망원경 4 : 수신광학계
5 : 반사형 거울 6 : 조준렌즈
7 : 너치필터 8 : 빔분할기
9 : 빔분할기 10 : 거울 11: 광학간섭필터
12 : 광학간섭필터 13 : 광학간섭필터
14, 15, 16 : 렌즈 17,18,19: 광센서
20,21: 거울
22 : 작은 구멍
23 : 수증기의 라만 및 물방울의 라만 신호 및 필터의 위치
24 : 물방울의 진동 라만스펙트럼
25 : 수증기의 진동라만 스펙트럼
26 : 물방울의 진동 라만신호를 얻는 필터 투과특성
27 : 수증기의 진동 라만신호를 얻는 필터 투과특성
28 : 수증기의 스톡(Stockes) 회전 라만 스펙트럼
29 : 수증기의 반스톡(anti-stockes) 회전 라만 스펙트럼
30 : 수증기의 반스톡(anti-stockes) 회전 라만을 얻는 필터 투과 특성
본 발명은 라만 신호를 이용하여 수증기와 물방울의 밀도를 동시에 측정하기 위한 라만 라이다 수신 광학계에 관한 것이다.
라이다(Light Detection And Ranging; LIDAR)란, 빛 검사 및 분류라는 의미로, 지난 20여년간 대기속의 먼지입자의 분포 또는 대기 오염도를 측정하는데 이용되어 온 것으로서, 레이저를 발사한 후 대기중에서 후방산란되어 귀환되는 레이저 즉, 라이다 신호를 분석하여 대기의 오염도를 측정하는 것을 말한다.
또한, 라만 효과(Raman effect)란, 단색광을 기체나 투명한 액체·고체에 비추었을때 산란광 중에서 약간 파장이 다른 광이 생기는 현상을 말한다. 산란광의 중요한 성분은 입사광과 같은 파장을 가지고 있으며, 레일리산란광이라 불린다. 라만효과의 원인은, 조사원 물질의 편극률이 물질 속의 원자의 진동이나 회전운동에 의해 변동하고 있기 때문이다. 또한, 입사광과 물질로 만들어진 상태가 진동이나 회전운동에 의해서 변조된 결과, 산란광 속에 진동수가 다른 성분을 가지게 된 것이다.
보통 라만산란광의 파장은 입사광 파장보다 길다. 이것을 스톡광(stockes light)이라 한다. 그러나, 물질의 온도가 높은 경우에는 입사광보다 단파장의 산란광이 생기는 경우가 있는데 이것을 반스톡광(anti-stockes light)이라 한다. 라만산란에 있어서 파장의 변화, 즉 진동수의 변화는 산란시에 입사광의 광자에너지에 진동·회전의 양자에너지가 부가 또는 제거되었기 때문이며, 그 양자에너지가 열에너지에 비해 큰 경우에는 물질에서 그 에너지가 광에너지로 변환될 확률은 매우 낮고, 광에너지가 물질에 주는 스톡(stockes)광만이 관측된다.
라만산란은 강력한 단색광원을 얻기 어려운 점이 있었지만 레이저의 등장으로 현재는 정밀한 실험이 가능하게 되었다. 본 발명에서는 펄스형 레이저를 이용하였다.
종래, 라만 신호를 이용한 대기 중 수증기의 회전 및 진동라만 스펙트럼에 관한 논문이 발표된 바 있다(The rotational & vibrational Raman spectrum of water vapour 1 and 3. Molecular Physics, v.36, No. 3, pp. 727-732. 1978).
또한, 탄성 라만 탈편광 라이다를 사용하여 대기 중의 수증기 및 물방울에 관한 연구 논문이 발표된 바 있다(Study of Atmospheric Water in gaseous and liquid state by using combined elastic-Raman depolarization lidar", Applied Physics, B,739, 2001).
대한민국 등록특허 제345648호에서는 송수신 과정에서 레이저의 편광성을 유지하고 레이저 에너지의 손실을 없애며, 광센서에 수신되는 라이다 신호에 신호유도 잡음의 발생을 방지하도록 한 코닉렌즈를 이용한 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다 광학계에 대하여 개시하고 있다.
한편, 본 발명자들은 대한민국 등록특허 제337011호에서 레이저의 편광을 유지하고 산란광은 제거하며 하나의 광학계를 송-수신 겸용으로 사용할 수 있고 대기중의 분진을 3차원으로 측정할 수 있는 휴대용 분진 배출 감시용 주사형 라이다 장치를 개시한 바 있다.
펄스형 레이저를 이용하여 원하는 위치에서 수증기나 물방울의 밀도를 측정 하는 것은 기상학적으로 매우 중요하다.
상기한 문헌에서 채택한 기술들은 수중기의 진동라만 천이와 물방울의 진동라만 천이에 간섭필터를 두고 각각 그 밀도를 측정하는 방법을 택하였다. 물방울의 경우 물분자끼리 수소결합을 하고 있어서 수증기 분자보다 라만파장 이동되는 양이 수증기보다 적기 때문에 수증기와 쉽게 그 파장 분리가 이루어진다.
그러나, 수중기의 회전라만 준위의 폭이 수백 cm-1로 질소나 산소 등의 다른 분자의 회전 라만 천이보다 그 선폭이 넓기 때문에 물방울의 진동라만 천이만 측정하는 것은 어려운 문제였다. 따라서, 물방울의 진동라만 천이와 많은 부분이 겹치게 된다. 기존의 연구에서는 이러한 효과를 고려하지 않고 있어서 물방울의 측정에 많은 오차를 가지고 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로 수증기 회전라만 스톡광과 반스톡광을 보다 세밀하게 필터링하는 광학간섭필터를 최소 1개 이상 추가, 포함함으로써 상기 종래기술에서 언급한 중첩오차를 줄이기 위한 라만 라이다 수신 광학계를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 수증기와 물방울의 규준화를 위한 질소의 진동라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터를 부가하여 포함된 구성을 갖는 수증기와 물방울의 밀도를 오차없이 동시에 측정하기 위한 라만 라이다 수신 광학계를 제공 하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 수증기와 물방울의 밀도를 측정하는 라만 라이다 수신 광학계에 있어서, 1) 전송 펄스형 레이저(1)를 수증기 및 물방울에 부딪혀 산란시킨 후 그 후방산란된 빔을 수광하기 위한 수광부(4)와, 2) 상기 수광부로부터 전송 레이저(1) 파장에 해당하는 탄성 산란 신호를 제거하기 위한 너치 필터(7)와, 3) 상기 너치 필터로부터 선택된 산란빔을 파장별로 분할하는 빔분할기(8,9,10)와, 4) 상기 빔분할기(8)로부터 선택된 파장을 갖는 수증기의 진동라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(11)와, 5) 상기 빔분할기(9)로부터 선택된 파장을 갖는 수증기의 회전라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(12,30)와, 6) 상기 빔분할기(10)로부터 선택된 파장을 갖는 물방울의 진동라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(13,26)를 포함하여 구성된 것임을 특징으로 하는 라만 신호를 이용하여 수증기와 물방울의 밀도를 동시에 측정하기 위한 라만 라이다 수신 광학계를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 라만 라이다 수신 광학계로부터 계측된 수증기의 회전라만 천이의 크기로부터 수증기 및 물방울의 밀도를 동시에 측정하는 방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
원격으로 원하는 위치에서 펄스형 레이저를 대기중으로 조사한다. 상기와 같이 대기 중으로 전송된 펄스형 레이저(1) 빔이 대기 중의 수증기 및 물방울과 같은 외인성 물질에 의하여 라만 산란되는데, 이때 라만 산란된 빔(5)을 대구경 망원경(3)으로 수신한다. 수신된 산란광은 대구경 망원경(3)으로 포집되며 다시 조준렌즈(6)를 통과하면서 평행광으로 바뀐다. 상기 평행광의 광경로에 레이저 파장에 해당하는 강한 탄성 산란 신호를 제거하기 위하여 너치필터(7)를 둠으로써 상기 전송 펄스형 레이저(1) 파장에 해당하는 빛만을 투과시키고 다른 파장의 빔만이 선택적으로 반사되도록 한다.
너치필터(7)에 의하여 상기 탄성 산란 신호가 제거된 평행광은 빔분할기(8)에 의해서 1차로 분할되어 반사되거나 투과된다. 상기 1차로 분할되어 반사된 빛은 그 중심파장이 수증기의 진동라만 신호에 맞추어진 광학간섭필터(11)를 통과하고 다시 렌즈(14)에 의해서 센서(17)로 입사된다. 상기 빔분할기(8)에 의해서 반사되지 않고 투과된 빛은 1:1 빔분할기(9)에 의하여 또다시 나누어 지는데, 상기 빔분할기(9)를 투과한 빛은 수증기의 스톡(stockes) 회전라만 천이에 중심 파장이 맞추어진 광학간섭필터(30, 12)를 통과하는 빛과 물방울의 진동라만 천이에 중심파장이 맞추어진 광학간섭필터(26, 13)를 통과하는 빛으로 각각 분할되어 광학센서(18, 19)로 입력된다.
이때, 상기 수증기의 스톡(stockes) 회전라만 천이의 중심파장은 수증기의 진동라만 천이의 중심파장보다 긴 곳에 그 중심선이 위치하며, 상기 물방울의 진동라만 천이의 중심파장은 수증기의 회전라만 천이의 파장보다 짧은 곳에 그 중심선이 위치한다.
따라서, 본 발명은 수증기의 회전라만 신호를 측정하기 위하여 상기 수증기의 진동라만 천이보다 그 파장이 더 짧은 부분에 새로운 광학간섭필터(30)를 추가로 설치한 특징이 있다. 그 결과, 물방울의 진동라만 천이부분과 중첩되는 데이터 값 중 수증기의 회전라만 천이부분에 해당하는 값을 효과적으로 계측하여 제거할 수 있다. 따라서, 순수한 수증기 및 물방울의 밀도를 오차없이 얻을 수 있게 된다.
상기 수증기의 회전라만 천이(Rotational raman shift)를 측정하기 위한 광학간섭필터(30)는 일반적으로 스톡(stockes) 파장이동(29)과 반스톡(anti-stockes) 파장이동(28)의 산란 단면적이 달라 양쪽 모두를 측정해야 한다. 그러나, 산란 단면적은 온도에 의하여 결정되고 상기 두 회전 천이(28, 29)의 비는 일정하기 때문에, 하나의 스톡(stockes) 회전라만 신호만을 측정함으로써 반스톡(anti-stockes) 회전라만 신호는 이론적으로 예측이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 광학계는 기존의 방법과 달리, 물방울의 라만천이를 측정하는 과정에서 발생하는 주요 오차인 수증기의 회전 라만 산란을 보정하는 것 으로, 이를 이용하면 수증기와 물방울에 의한 라만 신호를 독립적으로 구할 수 있어 상기 중첩으로부터 오는 오차를 제거할 수 있는 방법을 제공한다. 따라서, 본 발명에 따른 라만 라이다 광학계를 이용하면 수증기의 순수 밀도를 독립적으로 측정할 수 있고, 물방울의 순수 밀도를 오차없이 독립적으로 측정할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 라만 라이다 수신 광학계에 수증기와 물방울의 규준화(Normalization)를 위한 질소의 진동라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터를 부가적으로 포함하여 구성된 것임을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 첨부도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 일반적인 라이다 광학계의 구성을 보여주는 도면이다. 상기 도1을 참조하면, 광학계는 펄스형 레이저(1)와 레이저 빛의 발산각을 줄여주는 빔 확대기(2) 그리고 산란된 빛(5)을 모아서 센서로 입사시키는 대구경 망원경(3)과 산란된 빛을 파장별로 바꾸는 각종 빔분할기(8,9)와 광학센서(17,18,19)로 구성된다.
도 2는 본 발명에 따른 단일 광학계의 구성을 보여주는 도면이다. 즉, 전송 펄스형 레이저(1)를 수증기 및 물방울에 부딪혀 산란시킨 후 그 산란된 빔을 수광하기 위한 수광부(4), 상기 수광부로부터 전송 펄스형 레이저(1) 파장에 해당하는 탄성 산란 신호를 제거하기 위한 너치 필터(7), 상기 너치 필터로부터 선택된 산란빔을 파장별로 분할하는 빔분할기(8,9,10), 상기 빔분할기(8)로부터 선택된 파장을 갖는 수증기의 진동라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(11), 상기 빔분할기(9)로부터 선택된 파장을 갖는 수증기의 회전라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(12,30), 상기 빔분할기(10)로부터 선택된 파장을 갖는 물방울의 진동라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(13,26)의 구성을 나타낸 것이며, 추가로 수증기와 물방울의 규준화를 위한 질소의 진동라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터를 포함한다(도시되지 않음).
도 3은 기존의 물방울 및 수증기를 측정하는 라이다 시스템의 필터 위치와 각 물질의 라만 산란 신호의 스펙트럼을 나타낸 것이다. 기존의 방법들은 물방울의 밀도를 측정하기 위해서 광학간섭필터(26)를 사용하고 수증기의 밀도를 측정하기 위하여 또 다른 광학간섭필터(27)를 사용한다.
도 4는 파장에 다른 물방울의 진동 라만 천이(24)와 수증기의 진동라만 천이(25)를 나타낸 것이다. 물방울의 진동라만 천이는 3 개의 서로 다른 모드로 진동하는 진동라만 천이의 합으로 구성된 것이고 수증기의 회전라만 천이는 하나의 진동 모드에 의하여 나타낸 것이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 라만 라이다 광학계는 수증기의 회전라만 천이를 독립적으로 고려하고 이를 측정하여 물방울의 진동 라만 천이를 측정 하는 신호에서 제거함으로써 측정된 값에 오차가 적은 장점이 있다. 또한, 본 발명의 원리에 따라 구축된 물방울 및 수증기 측정 라이다 시스템을 이용할 경우 수증기의 회전 라만 신호의 크기를 알 수 있기 때문에 수증기의 온도에 대한 정보를 제공하고 있어 또 다른 기상 정보를 얻을 수 있는 장점을 제공한다.
Claims (5)
- 수증기와 물방울의 밀도를 측정하는 라만 라이다 수신 광학계에 있어서:1) 전송 펄스형 레이저(1)를 수증기 및 물방울에 부딪혀 산란시킨 후 그 후방산란된 빔을 수광하기 위한 수광부(4)와,2) 상기 수광부로부터 전송 펄스형 레이저(1) 파장에 해당하는 탄성 산란 신호를 제거하기 위한 너치 필터(7)와,3) 상기 너치 필터로부터 선택된 산란빔을 파장별로 분할하는 빔분할기(8,9,10)와,4) 상기 빔분할기(8)로부터 선택된 파장을 갖는 수증기의 진동라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(11)와,5) 상기 빔분할기(9)로부터 선택된 파장을 갖는 수증기의 회전라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(12,30)와,6) 상기 빔분할기(10)로부터 선택된 파장을 갖는 물방울의 진동라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(13,26)를 포함하여 구성된 것임을 특징으로 하는 라만 신호를 이용하여 수증기와 물방울의 밀도를 동시에 측정하기 위한 라만 라이다 수신 광학계.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광학계가 수증기와 물방울의 규준화를 위한 질소의 진동라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터를 부가적으로 포함하는 것임을 특징 으로 하는 라만 신호를 이용하여 수증기와 물방울의 밀도를 동시에 측정하기 위한 라만 라이다 수신 광학계.
- 제 1 항에 있어서, 상기 수증기의 회전라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(12,30)가 수증기의 진동라만 천이보다 순수 회전라만 천이만큼 파장이 이동한 곳에 투과 중심선이 있는 것임을 특징으로 하는 수증기와 물방울의 밀도를 동시에 측정하기 위한 라만 라이다 수신 광학계.
- 제 1 항에 있어서, 상기 물방울의 진동라만 천이를 측정하기 위한 광학간섭필터(11)가 수증기의 진동라만 천이보다 수증기의 회전라만 천이만큼 파장이 짧은 곳에 그 중심선이 위치하는 것임을 특징으로 하는 수증기와 물방울의 밀도를 동시에 측정하기 위한 라만 라이다 수신 광학계.
- 상기 제 1 항에 따른 라만 라이다 수신 광학계로부터 계측된 수증기의 회전라만 천이의 크기를 구하는 단계; 상기 회전라만 천이를 제거하는 단계; 물방울의 진동라만 천이의 크기를 구하는 단계로 구성된 수증기 및 물방울의 밀도를 동시에 측정하는 방법.
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