KR20160038389A - 구름 특성 측정용 라이다 장치 및 구름 특성 측정용 라이다 장치의 동작 방법 - Google Patents

구름 특성 측정용 라이다 장치 및 구름 특성 측정용 라이다 장치의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

구름 특성 측정용 라이다 장치 및 구름 특성 측정용 라이다 장치의 동작 방법이 개시된다. 구름 특성 측정용 라이다 장치는 레이저부에서 발사된 레이저로부터, 구름에 의해 산란되는 광 신호를 추출하는 추출부와, 상기 광 신호를, 일차원 어레이로 구성된 하나의 광 센서로 입력하는 입력부, 및 상기 광 센서에 입력된 광 신호를 이용하여, 상기 구름에 관한 구름 특성을 측정하는 측정부를 포함한다.

Description

구름 특성 측정용 라이다 장치 및 구름 특성 측정용 라이다 장치의 동작 방법{LIDAR APPARATUS FOR MEASURING CLOUD PROPERTIES AND METHOD FOR OPERATING LIDAR APPARATUS}
본 발명의 실시예들은 레이저부에서 발사된 레이저로부터 구름에 의해 산란되는 광 신호를 추출하여, 일차원 어레이로 구성된 하나의 광 센서에 입력하고, 상기 광 센서에 입력된 광 신호를 이용하여, 구름입자의 형상 또는 구름 속에 포함된 수증기의 밀도에 관한 구름 특성을 측정하는 기술에 관한 것이다.
일반적으로, 구름 특성 측정용 라이다 장치는 송신된 레이저의 파장과 다른 파장 이동이 있는 수증기의 라만 산란 신호와, 질소의 라만 신호 및 파장 이동이 없는 미(Mie) 산란 신호를, 두 개의 편광 상태에서 동시에 획득하고 있다. 여기서, 각각의 신호는 파장과 편광에 따라 그 세기가 다르다.
이러한 구름 특성 측정용 라이다 장치는 파장의 이동 및 편광의 변화에 따른 효과를 고려하여, 먼저 이색성(Dichroic mirror) 거울 혹은 광학적 빔 분할기(Beam splitter)를 이용해, 라만 신호와 미(Mie) 산란 신호를 분리하고, 그 후에, 편광 빔 분할기(Polarization Beam Splitter, PBS)를 사용하여, 미(Mie) 산란 신호를 편광 별로 분리하여 수신하고, 라만 신호를 다시 이색성 거울로 분리하여 각각의 라만 신호를 수신하고 있다.
따라서, 종래의 일실시예에 따른 구름 특성 측정용 라이다 장치는, 수증기, 공기의 라만 신호 및 두 개의 편광 신호를 위한 최소 4개의 광 센서와, 두 개의 다른 빔 분할기를 필요로 하며, 각각의 신호는 서로 다른 경로로 각 광 센서에 입력되기 때문에 광학적으로 정렬이 깨질 수 있어, 매우 불안정하다는 문제점을 가지고 있다.
이에 따라, 여러 개의 빔 분할기와, 각기 다른 4개 이상의 광 센서를 사용하는 종래의 구름 특성 측정용 라이다 장치의 기계적/광학적으로 불안정한 특성을 개선하기 위하여, 하나의 광 센서와 하나의 빔 분할기를 이용하여, 상이한 특징을 지닌 각각의 신호(파장이 다른 수증기의 라만 신호, 이를 검정하는 질소 혹은 산소의 라만 신호, 및 파장 변화가 없는 서로 다른 편광상태의 미(Mie) 산란 신호)를 분리하여 수신하는 방안이 요구된다.
본 발명의 실시예는 레이저부에서 발사된 레이저로부터 구름에 의해 산란되는 광 신호를 추출하여, 일차원 어레이로 구성된 하나의 광 센서에 입력하고, 상기 광 센서에 입력된 광 신호를 이용하여, 구름입자의 형상 또는 구름 속에 포함된 수증기의 밀도에 관한 구름 특성을 측정하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 파장 및 편광이 상이한 광 신호를 일차원 어레이로 구성된 하나의 광 센서를 이용하여 분리하여 수신 함으로써, 전체적으로 가격을 저감시키고, 복굴절 프리즘을 공용으로 사용하여 광학적/기계적으로 안정적인 라이다 신호를 얻는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 기술적 장치로서, 구름 특성 측정용 라이다 장치는, 레이저부에서 발사된 레이저로부터, 구름에 의해 산란되는 광 신호를 추출하는 추출부와, 상기 광 신호를, 일차원 어레이로 구성된 하나의 광 센서로 입력하는 입력부, 및 상기 광 센서에 입력된 광 신호를 이용하여, 상기 구름에 관한 구름 특성을 측정하는 측정부를 포함한다.
또한, 상기의 목적을 이루기 위한 구름 특성 측정용 라이다 장치의 동작 방법은, 레이저부에서 발사된 레이저로부터, 구름에 의해 산란되는 광 신호를 추출하는 단계와, 상기 광 신호를, 일차원 어레이로 구성된 하나의 광 센서로 입력하는 단계, 및 상기 광 센서에 입력된 광 신호를 이용하여, 상기 구름에 관한 구름 특성을 측정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 레이저부에서 발사된 레이저로부터 구름에 의해 산란되는 광 신호를 추출하여, 일차원 어레이로 구성된 하나의 광 센서에 입력하고, 상기 광 센서에 입력된 광 신호를 이용하여, 구름입자의 형상 또는 구름 속에 포함된 수증기의 밀도에 관한 구름 특성을 용이하게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 파장 및 편광이 상이한 광 신호를 일차원 어레이로 구성된 하나의 광 센서를 이용하여 분리하여 수신 함으로써, 전체적으로 가격을 저감시키고, 복굴절 프리즘을 공용으로 사용하여 광학적/기계적으로 안정적인 라이다 신호를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구름 특성 측정용 라이다 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구름 특성 측정용 라이다 장치의 입력부에 대한 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 구름 특성 측정용 라이다 장치의 구체적인 일례를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에서 사용되는 리튬 네오베이트의 광학적 성질을 도시한 표이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에서 라만 필터의 위치 및 일차원 어레이로 구성된 하나의 광 센서에 입력되는 라만 신호와 탄성 산란 신호를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 구름 특성 측정용 라이다 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 도플러 라이다 장치 및 도플러 라이다 장치의 동작 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구름 특성 측정용 라이다 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 구름 특성 측정용 라이다 장치(100)는 레이저부(110), 추출부(120), 입력부(130), 광 센서(140) 및 측정부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
레이저부(110)는 레이저를 생성하여, 대기 중으로 발사한다.
추출부(120)는 레이저부(110)에서 발사된 레이저로부터, 구름에 의해 산란되는 광 신호를 추출한다.
여기서, 추출부(120)는 4개 이상의 다른 물리적 성질을 지닌 광 신호, 예컨대, 파장이 다른 수증기의 라만 신호, 이를 검정하는 질소 혹은 산소의 라만 신호, 및 파장 변화가 없는 서로 다른 편광상태의 미(Mie) 산란 신호를 추출할 수 있다.
입력부(130)는 상기 광 신호를, 일차원 어레이로 구성된 하나의 광 센서(140)로 입력한다.
구체적으로, 입력부(130)는 망원경(131), 복굴절 프리즘(132), 집광 렌즈(133) 및 라만 필터(134)를 포함하여 구성될 수 있다.
망원경(131)은 상기 광 신호를, 평행광의 제1 광 신호로 변형할 수 있다. 즉, 망원경(131)은 상기 추출된 파장과 편광이 다른 광 신호를, 먼저 평행광의 제1 광 신호로 변형할 수 있다.
복굴절 프리즘(132)은 상기 제1 광 신호를, 파장 및 편광에 따라 상이한 방향으로 굴절시켜 제2 광 신호를 생성할 수 있다. 제 1 광 신호는 복굴절 프리즘(132)을 통과하면서, 파장과 편광에 따라 다른 방향으로 굴절될 수 있다.
여기서, 복굴절 프리즘(132)은 리튬 네오베이트(Lithium Niobate, LiNbO3) 또는 리튬 탄탈레이트(Lithium Tantalate, LiTaO3 또는 LTA) 등과 같이, 파장과 편광에 따라 상이한 광학적 굴절률을 가지는 비선형매질로 구현될 수 있다. 도 4에, 리튬네오베이트의 광학적 성질이 도시되어 있다.
이와 같이, 구름 특성 측정용 라이다 장치(100)는 편광에 따라서도 굴절률이 달라지는 프리즘, 즉, 복굴절 프리즘(132)을 이용하여, 평행하게 입사된 제1 광 신호를 파장과 편광에 따라 다른 방향으로 굴절시킬 수 있다.
집광 렌즈(133)는 상기 제2 광 신호를 광 센서(140)에 입력할 수 있다.
평행하면서, 파장과 편광이 다른 제1 광 신호는, 복굴절 프리즘(132)을 통과하면서 다른 방향으로 굴절되고, 복굴절 프리즘(132)을 통과한 제2 광 신호는, 볼록 렌즈인 집광 렌즈(133)를 통과하면서 집광 렌즈(133)의 초점면에 그 상이 대략 점에 가까운 크기로 맺힐 수 있다. 즉, 집광 렌즈(133)는 각기 다른 물리적 성질(파장, 편광 등)을 지닌 제2 광 신호의 상이, 물리적 성질에 따라 서로 다른 지점에 맺히도록 할 수 있다. 이를 통해, 집광 렌즈(133)는 각각의 제2 광 신호를 일차원 어레이로 구성된 광 센서(140)에 입력할 수 있다.
라만 필터(134)는 상기 제2 광 신호 중에서, 선정된 파장의 신호를 선택적으로 투과하여, 광 센서(140)로 입력되도록 할 수 있다. 즉, 라만 필터(134)는 상기 제2 광 신호 중에서, 라만 산란된 파장을 갖는 신호를 투과시키고, 미(Mie) 산란된 파장 또는 레일리(Rayleigh) 산란된 파장을 갖는 신호를 제거할 수 있다.
일례로, 입력부(130)는 라만 필터(134)로의, 상기 제2 광 신호의 입사 최대 각도를 고려하여, 라만 필터(134)에 대한 문턱치 파장(cut off wavelength)을 설정할 수 있다.
또한, 입력부(130)는 집광 렌즈(133)에 대한 초점거리 또는 집광도를 고려하여, 라만 필터(134)에 대한 문턱치 파장을 설정할 수 있다.
광 센서(140)는 일차원 어레이로 구성된다.
이에 따라, 구름 특성 측정용 라이다 장치(100)는 집광 렌즈(133)에 의해 물리적 성질(파장, 편광 등)에 따라 서로 다른 지점에 상이 맺히는 제2 광 신호를, 복수의 광 센서를 사용하지 않고, 일차원 어레이 형태의 하나의 광 센서(140)를 이용하여 모두 입력 받을 수 있다.
측정부(150)는 광 센서(140)에 입력된 광 신호를 이용하여, 상기 구름에 관한 구름 특성을 측정한다.
일례로, 측정부(150)는 광 센서(140)에 입력된 광 신호 중, 편광이 다른 두 탄성 산란 신호를 이용하여 구름입자의 형상을, 상기 구름 특성으로서 측정할 수 있다.
즉, 구름입자의 형상이 구형일 경우, 레이저와 같은 방향으로 편광이 후방 산란되고, 비구형일 경우, 편광이 바뀌어 후방 산란되므로, 측정부(150)는 구름에 의해 산란된 탄성 산란 신호의 편광 정보를 동시에 얻어, 구름입자의 형상을 측정하고, 구름을 구성하는 구름입자의 형상으로, 구름의 중요한 특징 중의 하나인 상(phase)을 결정할 수 있다.
또한, 측정부(150)는 광 센서(140)에 입력된 광 신호 중, 라만 신호를 이용하여 상기 구름 속 수증기의 밀도를, 상기 구름 특성으로서 측정할 수 있다.
여기서, 구름 속에 존재한 수증기의 밀도(또는 수증기의 양)는 총 가강수량과 연관될 수 있다. 따라서, 측정부(150)는 구름 속 수증기의 밀도(또는 수증기의 양)에 따른 총 가강수량을 상기 구름 특성으로서 측정할 수 있다.
일례로, 355nm 레이저를 사용할 경우, 수증기의 라만 산란 신호와, 물방울, 얼음 또는 구름의 라만 산란 신호는 402~408nm 영역에 존재하며, 이 영역의 라만 신호가 총 가강수량과 밀접한 관계를 가질 수 있다. 그러나, 라만 신호의 크기는 구름과 레이저 사이에 있는 중간 물질뿐만 아니라, 레이저의 출력 크기에도 의존하기 때문에, 측정부(150)는 공기 분자에 의한 라만 산란 신호를 동시에 얻어, 수증기(또는 물)의 라만 신호를 검증할 수 있다.
또한, 측정부(150)는 광 센서(140)에 입력된 광 신호가, 파장이 각기 상이한 이상광선 및 상광선을 포함하는 경우, 상기 이상광선 및 상기 상광선을 합한 라만 신호를 이용하여, 구름 속 수증기의 밀도를 상기 구름 특성으로서 측정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 레이저부에서 발사된 레이저로부터 구름에 의해 산란되는 광 신호를 추출하여, 일차원 어레이로 구성된 하나의 광 센서에 입력하고, 상기 광 센서에 입력된 광 신호를 이용하여, 구름입자의 형상 또는 구름 속에 포함된 수증기의 밀도에 관한 구름 특성을 용이하게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 파장 및 편광이 상이한 광 신호를 일차원 어레이로 구성된 하나의 광 센서(140)를 이용하여 분리하여 수신 함으로써, 전체적으로 가격을 저감시키고, 복굴절 프리즘(132)을 공용으로 사용하여 광학적/기계적으로 안정적인 라이다 신호를 얻을 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구름 특성 측정용 라이다 장치의 입력부에 대한 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 구름 특성 측정용 라이다 장치의 입력부(200)는, 망원경(202), 시준 렌즈(204), 복굴절 프리즘(205), 집광 렌즈(206) 및 라만 필터(207)를 포함하여 구성될 수 있다.
망원경(202)은 레이저부(201)로부터 발사된 레이저가, 대기에서 구름에 의해 사방으로 산란 됨에 따라, 파장과 편광 등 물리적 성질이 상이하게 산란된 광 신호를 포집하는 역할을 할 수 있다.
이때, 입력부(200)는 도 2에 도시된 작은 구멍(203)을 이용하여, 망원경(202)의 FOV(Field Of View)를 결정할 수 있다.
시준 렌즈(204)는 작은 구멍(203)을 통과한 여러 파장의 광 신호를, 평행광의 제1 광 신호로 바꾸는 역할을 할 수 있다.
복굴절 프리즘(205)은 평행하게 한 방향으로 진행하는 제1 광 신호를, 파장과 편광에 따라 굴절시켜, 진행 방향을 바꾸는 역할을 할 수 있다.
집광 렌즈(206)는 복굴절 프리즘(205)에 의해 굴절되어, 서로 다른 방향으로 진행하는 파장과 편광이 상이한 각각의 제2 광 신호를 모아서, 하나의 광 센서(208)로 입력시키는 역할을 할 수 있다.
여기서, 광 센서(208)는 1차원적으로 광 센서가 부착된 어레이로 구현될 수 있다.
또한, 입력부(200)는 집광 렌즈(206)와 광 센서(208) 사이에, 라만 필터(207)를 어레이 형태로 배치할 수 있다.
라만 필터(207)는 집광 렌즈(206)에 의해 광 센서(208)로 입력되는 제2 광 신호 중에서, 선정된 파장의 신호를 선택적으로 투과하여, 광 센서(208)로 입력되도록 할 수 있다. 즉, 라만 필터(207)는 원하는 파장(예컨대, 라만 산란된 파장)의 신호를 투과시키고, 그 밖의 파장(예컨대, 미(Mie) 산란 또는 레일리(Rayleigh) 산란된 파장)의 신호를 반사시킬 수 있다.
즉, 구름 특성 측정용 라이다 장치의 입력부(200)는 파장 및 편광이 상이한 광 신호를 일차원 어레이로 구성된 하나의 광 센서(208)를 이용하여 분리하여 수신 함으로써, 전체적으로 가격을 저감시키고, 복굴절 프리즘(205)을 공용으로 사용하여 광학적/기계적으로 안정적인 라이다 신호를 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 구름 특성 측정용 라이다 장치의 구체적인 일례를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 구름 특성 측정용 라이다 장치(300)는 복굴절 프리즘(301), 집광 렌즈(302), 라만 필터(303), 광 센서(304), 증폭기(305), 변환기(306) 및 컴퓨터(307)를 포함하여 구성될 수 있다.
구름 특성 측정용 라이다 장치(300)는 망원경을 이용하여 포집한 다양한 파장으로 구성된 평행한 제1 광 신호(308)를 복굴절 프리즘(301)에 통과시켜, 파장과 편광에 따라 굴절된 제2 광 신호를 생성할 수 있다.
또한, 구름 특성 측정용 라이다 장치(300)는 복굴절 프리즘(301)에 의해 굴절되어, 서로 다른 방향으로 진행하는 파장과 편광이 상이한 각각의 제2 광 신호를, 집광 렌즈(302)를 이용하여 공간적으로 한 지점으로 모아, 일차원 어레이로 구성된 하나의 광 센서(304)에 상이 맺히도록 입력할 수 있다.
또한, 구름 특성 측정용 라이다 장치(300)는 라만 필터(303)를 이용하여, 원하는 파장의 제2 광 신호만을 투과시켜 광 센서(304)에 입력되도록 할 수 있다. 즉, 라만 필터(303)는 상기 제2 광 신호 중에서, 라만 산란된 파장을 갖는 신호를 투과시키고, 미(Mie) 산란된 파장 또는 레일리(Rayleigh) 산란된 파장을 갖는 신호를 제거할 수 있다.
광 센서(304)는 입력된 광 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있으며, 증폭기(305)는 광 센서(304)의 전류원(current source)을 증폭시키는 역할을 할 수 있다.
변환기(306)는 전기적 신호로 변환된 광 신호를 디지털 신호로 바꾸어 컴퓨터(307)에 전달할 수 있다. 여기서, 변환기(306)는 아날로그 디지털 변환기(Analogue Digital Convertor: ADC) 혹은 광자계수기(Photon Counter: PC)일 수 있다.
컴퓨터(307)는 디지털 신호로 바뀌어 입력된 광 신호를 이용하여, 구름에 관한 구름 특성을 측정할 수 있다. 일례로, 컴퓨터(307)는 라만 신호를 이용하여 상기 구름 속 수증기의 밀도를 계산하고, 편광이 다른 두 탄성 산란 신호를 이용하여 구름입자의 형상을 판단하여, 구름에 관한 구름 특성을 용이하게 측정할 수 있다.
본 발명에서, 복굴절 프리즘(301)은 예를 들어, 리튬 네오베이트, 리튬 탄탈에이트와 같은 매질로 구현될 수 있다. 도 4에는 리튬 네오베이트의 광학적 특성을 결정하는 매질의 파장과 편광에 따른 굴절률 변화의 일례가 도시되어 있다. 여기서, 굴절률(N)에 대한 첨자 o와 e는 각각 상광선(ordinary ray)과 이상광선(extraordinary ray)을 지칭할 수 있다.
상광선은, 복굴절 프리즘(301)에 입사되는 제1 광 신호와, 굴절된 제2 광 신호가 만드는 평면 상에 편광 방향(기호 ⊙, 309)을 가질 수 있고, 이상 광선은, 입사되는 제1 광 신호와, 굴절된 제2 광 신호가 만드는 평면에 수직하는 편광 방향(기호 ↕, 310)을 가질 수 있다. 복굴절을 가지는 프리즘(301)은 정육면체 모양의 편광 빔 분할기(PBS)와 달리, 대략 10 정도의 이상광선과 상광선에 대한 편광 분리비를 가질 수 있다.
복굴절 프리즘(301)의 굴절률은 파장과 편광에 따라 결정되며, 일례로, 리튬 네오베이트로 구현된 복굴절 프리즘(301)의 굴절률은 수학식 1,2와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
수학식 1,2에 따르면, 파장과 편광이 정해지면 입사하는 제1 광 신호의 굴절률은 정해지기 때문에, 기하광학 이론에 의해 복굴절 프리즘(301)의 꼭지각(Apex angle:ω)과, 복굴절 프리즘(301)에 입사하는 제1 광 신호의 입사각(incident angle:α)이 정해지면, 편의각(Angle of deviation: δ)은 수학식 3과 같이 정해질 수 있다.
Figure pat00003
여기서, N1은 공기의 굴절률, N2는 복굴절 프리즘(301)의 굴절률을 나타낸다.
도 3에는, 355nm의 레이저를 대기 중에 조사했을 때 얻어지는 수증기 및 물방울의 라만 신호(401.5nm~408nm), 질소의 라만 신호(386.7nm), 그리고 산소의 라만 산란신호(372.8nm)가 복굴절 프리즘(301)을 통과하면서 각기 다른 편의각(δ1,2,3, …)으로 굴절되는 각각의 라만 및 탄성 산란 신호의 일례가 도시되어 있다. 수학식 1,2에서 알 수 있듯이, 이상광선은 상광선보다 굴절률이 작기 때문에 복굴절 프리즘(301)을 통과 시 상대적으로 작게 굴절되며, 상광선은 굴절률이 커서 복굴절 프리즘(301)을 통과 시 모든 파장에서 상대적으로 크게 굴절될 수 있다.
집광 렌즈(302)를 통과한 상광선과 이상광선은 광 센서(304) 내에서 서로 다른 위치에 상이 맺힐 수 있다. 일반적으로, 탄성 산란 신호(355nm)가 수증기 라만 신호(402~408nm), 질소 라만 신호(387nm), 그리고 산소의 라만 신호(373nm)보다 1000배 이상 크기 때문에, 비록 복굴절 프리즘(301)에 의하여 파장이 분리되더라도, 복굴절 프리즘(301)이나 집광 렌즈(302)에 의해 임의의 방향으로 난산란된 제2 광 신호는, 일부의 라만 신호와 함께, 라만 신호의 상이 맺히는 지점에 같이 상이 맺힐 수 있다. 이와 같이, 라만 신호에 탄성 산란 신호가 섞이는 문제를 방지하기 위하여, 구름 특성 측정용 라이다 장치(300)는 탄성 산란 신호를 반사시키고, 라만 산란 신호만 투과시킬 수 있도록, 라만 필터(303)를 추가적으로 설치하도록 구성할 수 있다.
라만 필터(303)를 투과한 제2 광 신호는 일차원 모양의 어레이 형태로 된 광 센서(304)에 입력되어 상이 맺히고, 제2 광 신호의 에너지는 광 센서(304)에 의하여 전류원, 즉, 전기적 신호로 바뀔 수 있다. 구름 특성 측정용 라이다 장치(300)는 이들 전기적 신호의 값을 아날로그 디지털 변환기(Analogue Digital Convertor: ADC) 혹은 광자계수기(Photon Counter: PC)(306)를 통해 디지털화하여 컴퓨터(307)에 저장할 수 있다.
컴퓨터(307)는 라만 신호를 이용하여 공기 중의 산소나 질소의 양에 대한 수증기의 양(혼합비: Mixing ratio)을 계산하고, 편광이 다른 두 탄성 산란 신호의 편광 정도에 따라, 구름을 구성하는 구름입자가 구형(spherical shape)인지 비구형(nonspherical)인지 판단하여, 구름에 관한 구름 특성을 측정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에서 사용되는 리튬네오베이트의 광학적 성질을 도시한 표이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 구름 특성 측정용 라이다 장치는, 복굴절 매질을 가지는 프리즘, 즉 복굴절 프리즘을 사용하여, 평행하게 한 방향으로 진행하는 제1 광 신호를, 파장과 편광에 따라 굴절시켜, 진행 방향을 바꿀 수 있다.
여기서, 복굴절 프리즘은 리튬 네오베이트나, 리튬 탄탈레이트와 같은 매질이 사용될 수 있다. 도 4에는 리튬 네오베이트의 광학적 특성을 결정하는 매질의 파장과 편광에 따른 굴절률의 변화가 도시되어 있다. 여기서, 굴절률(N)에 대한 첨자 o와 e는 각각 상광선과 이상광선을 지칭할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에서 라만 필터의 위치 및 일차원 어레이로 구성된 하나의 광 센서에 입력되는 라만 신호와 탄성 산란 신호를 도시한 도면이다.
도 5에는, 레이저부에서 발사된 레이저가, 예컨대, Nd:YAG 레이저의 제3 조화파 중의 하나인 355nm 파장인 경우, 라만 필터의 파장에 따른 특성에 관한 그래프(500), 라만 필터의 위치 및 크기(501), 파장과 편광에 따라 맺히는 상의 위치, 크기 및 모양(502), 일차원 어레이로 구성되는 광 센서에 포함되는 복수의 채널(503), 및 각 채널에 맺히는 라만 신호의 종류(504)가 도시되어 있다.
도 5에 도시된 라만 필터의 위치 및 크기(501)와, 각 채널에 맺히는 라만 신호의 종류(504)를 참조하면, 구름 특성 측정용 라이다 장치는, 라만 필터를 두 부분으로 나누어 설치할 수 있으며, 파장이 355nm인 광 신호를 수신하는 채널(Ch3, Ch7)에 대해서는 라만 필터를 설치하지 않고, 도면부호(504)에 도시된 수증기(H2O), 산소(O2), 질소(N2)의 라만 신호에 해당하는 부분에만 라만 필터를 설치할 수 있다.
도 5에 도시된 그래프(500)를 참조하면, 라만 필터는 문턱치 파장에 해당하는 367nm 이상의 파장에서 대부분의 광 신호를 투과시키지만, 레이저 파장에 해당하는 355nm에서는 대부분의 광 신호를 반사시킬 수 있다. 즉, 라만 신호를 측정하는 채널(ch1, ch2, ch4, ch5)에서는 대부분의 탄성 산란 신호가 반사되어 라만 필터를 투과할 수 없다. 여기서, 문턱치 파장은 집광 렌즈의 초점거리와, 집광도 등에 따라 상이하게 설정될 수 있다. 즉, 라만 필터의 문턱치 파장은 라만 필터로 입사되는 빛(제2 광 신호)의 입사각에 따라, 파장이 짧은 쪽으로 이동할 수 있다.
구름 특성 측정용 라이다 장치는 광 센서를 좌우로 이동함으로써, 구름과, 구름 속에 있는 공기 분자에 의하여 산란된 파장과 편광이 다른 산란광(광 신호)의 상(Image)이 다른 채널에 맺히게 할 수 있다. 도 5에 도시된 파장과 편광에 따라 맺히는 상의 위치, 크기 및 모양(502)을 참조하면, 구름 특성 측정용 라이다 장치는 파장과 편광에 따라, 공기 중에 존재하는 수증기, 산소, 질소의 라만 산란 신호의 상이 각기 다른 채널에 맺히게 할 수 있다.
채널(Ch1)에 상이 맺히는 수증기의 이상광선과, 채널(Ch5)에 상이 맺히는 수증기의 상광선은, 모두 수증기와 구름입자에 의하여 발생한 라만 신호이기 때문에, 이들 신호(이상광선과, 상광선)의 합은 전체 가강수량에 비례할 수 있다. 따라서, 편광에 대한 정보가 필요하지 않을 경우, 구름 특성 측정용 라이다 장치는 두 신호(이상광선과, 상광선)를 합하여 총 가강수량을 구함으로써, 가강수량에 대한 신호 대 잡음비를 높일 수 있다. 또한, 구름 특성 측정용 라이다 장치는 광 센서 앞에 작은 크기의 구멍을 뚫어서 총 수증기의 양(밀도)에 대한 정보를 얻을 수도 있다.
마찬가지로, 구름 특성 측정용 라이다 장치는 대부분 산소와 질소로 구성되는 공기의 양을 측정 시, 질소의 상광선과 산소의 이상광선을 합하여 공기에 의한 산란을 구할 수 있다. 이때, 구름 특성 측정용 라이다 장치는 공기 분자의 산란 단면적과, 공기 분자의 혼합비를 고려하여 공기의 양을 계산할 수 있다. 도 5에는, 모델명이 H9530인 광 센서를 사용한 경우, 질소에 의한 라만 산란 파장의 이상광선과, 산소에 의한 라만 산란 신호의 이상광선이 광 센서의 활성 영역(active area)에서 벗어나는 일례가 도시되어 있으나, 광 센서를 바꾸거나, 집광렌즈의 초점거리 또는 복굴절 프리즘의 꼭지각과 입사각을 조정 함으로써, 질소에 의한 라만 산란 파장의 이상광선과, 산소에 의한 라만 산란 신호의 이상광선이 광 센서의 활성 영역으로 입사되도록 할 수 있다. 또한, 구름 특성 측정용 라이다 장치는 집광면에 대해 광 센서를 횡 방향으로 이동시킴으로써, 원하는 파장을 간편하게 선정할 수 있다.
이하, 도 6에서는 본 발명의 실시예들에 따른 구름 특성 측정용 라이다 장치(100)의 작업 흐름을 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 구름 특성 측정용 라이다 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
본 실시예에 따른 회의록 제공 방법은 상술한 구름 특성 측정용 라이다 장치(100)에 의해 수행될 수 있다.
도 6을 참조하면, 단계(610)에서, 구름 특성 측정용 라이다 장치(100)는 레이저부에서 발사된 레이저로부터, 구름에 의해 산란되는 광 신호를 추출한다.
구름 특성 측정용 라이다 장치(100)는 4개 이상의 다른 물리적 성질을 지닌 광 신호, 예컨대, 파장이 다른 수증기의 라만 신호, 이를 검정하는 질소 혹은 산소의 라만 신호, 및 파장 변화가 없는 서로 다른 편광상태의 미(Mie) 산란 신호를 추출할 수 있다.
단계(620)에서, 구름 특성 측정용 라이다 장치(100)는 상기 광 신호를, 일차원 어레이로 구성된 하나의 광 센서로 입력한다.
구름 특성 측정용 라이다 장치(100)는 망원경을 통해 상기 광 신호를, 평행광의 제1 광 신호로 변형하고, 복굴절 프리즘을 통해 제1 광 신호를, 파장 및 편광에 따라 상이한 방향으로 굴절시켜 제2 광 신호를 생성할 수 있다. 제 1 광 신호는 복굴절 프리즘을 통과하면서, 파장과 편광에 따라 다른 방향으로 굴절되고, 복굴절 프리즘에 의해 굴절된 제2 광 신호는 집광 렌즈를 통해 일차원 어레이로 구성되는 광 센서에 입력될 수 있다.
여기서, 복굴절 프리즘은 리튬 네오베이트(Lithium Niobate, LiNbO3) 또는 리튬 탄탈레이트(Lithium Tantalate, LiTaO3 또는 LTA) 등과 같이, 파장과 편광에 따라 상이한 광학적 굴절률을 가지는 비선형매질일 수 있다. 이와 같이, 구름 특성 측정용 라이다 장치(100)는 편광에 따라서도 굴절률이 달라지는 프리즘, 즉, 복굴절 프리즘을 이용하여, 평행하게 입사된 제1 광 신호를 파장과 편광에 따라 다른 방향으로 굴절시킬 수 있다.
라만 필터는 상기 제2 광 신호 중에서, 선정된 파장의 신호를 선택적으로 투과하여, 광 센서로 입력되도록 할 수 있다. 즉, 라만 필터는 상기 제2 광 신호 중에서, 라만 산란된 파장을 갖는 신호를 투과시키고, 미(Mie) 산란된 파장 또는 레일리(Rayleigh) 산란된 파장을 갖는 신호를 제거할 수 있다.
일례로, 구름 특성 측정용 라이다 장치(100)는 라만 필터로의, 상기 제2 광 신호의 입사 최대 각도를 고려하여, 라만 필터에 대한 문턱치 파장을 설정할 수 있다. 또한, 구름 특성 측정용 라이다 장치(100)는 집광 렌즈에 대한 초점거리 또는 집광도를 고려하여, 라만 필터에 대한 문턱치 파장을 설정할 수 있다.
이와 같이, 구름 특성 측정용 라이다 장치(100)는 집광 렌즈에 의해 물리적 성질(파장, 편광 등)에 따라 서로 다른 지점에 상이 맺히는 제2 광 신호를, 복수의 광 센서를 사용하지 않고, 일차원 어레이 형태의 하나의 광 센서를 이용하여 모두 입력 받을 수 있다.
단계(630)에서, 구름 특성 측정용 라이다 장치(100)는 상기 광 센서에 입력된 광 신호를 이용하여, 상기 구름에 관한 구름 특성을 측정한다.
구름입자의 형상이 구형일 경우, 레이저와 같은 방향으로 편광이 후방 산란되고, 비구형일 경우, 편광이 바뀌어 후방 산란되므로, 구름 특성 측정용 라이다 장치(100)는 구름에 의해 산란된 탄성 산란 신호의 편광 정보를 동시에 얻어, 구름입자의 형상을 측정하고, 구름을 구성하는 구름입자의 형상으로, 구름의 중요한 특징 중의 하나인 상(phase)을 결정할 수 있다.
또한, 구름 속에 존재한 수증기의 밀도(또는 수증기의 양)는 총 가강수량과 연관될 수 있다. 따라서, 구름 특성 측정용 라이다 장치(100)는 구름 속 수증기의 밀도(또는 수증기의 양)에 따른 총 가강수량을 상기 구름 특성으로서 측정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 레이저부에서 발사된 레이저로부터 구름에 의해 산란되는 광 신호를 추출하여, 일차원 어레이로 구성된 하나의 광 센서에 입력하고, 상기 광 센서에 입력된 광 신호를 이용하여, 구름입자의 형상 또는 구름 속에 포함된 수증기의 밀도에 관한 구름 특성을 용이하게 측정할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 구름 특성 측정용 라이다 장치 110: 레이저부
120: 추출부 130: 입력부
131: 망원경 132: 복굴절 프리즘
133: 집광 렌즈 134: 라만 필터
140: 광 센서 150: 측정부

Claims (16)

  1. 레이저부에서 발사된 레이저로부터, 구름에 의해 산란되는 광 신호를 추출하는 추출부;
    상기 광 신호를, 일차원 어레이로 구성된 하나의 광 센서로 입력하는 입력부; 및
    상기 광 센서에 입력된 광 신호를 이용하여, 상기 구름에 관한 구름 특성을 측정하는 측정부
    를 포함하는 구름 특성 측정용 라이다 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입력부는,
    상기 광 신호를, 평행광의 제1 광 신호로 변형하는 망원경;
    상기 제1 광 신호를, 파장 및 편광에 따라 상이한 방향으로 굴절시켜 제2 광 신호를 생성하는 복굴절 프리즘; 및
    상기 제2 광 신호를 상기 광 센서에 입력하는 집광 렌즈
    를 포함하는 구름 특성 측정용 라이다 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 입력부는,
    상기 제2 광 신호 중에서, 선정된 파장의 신호를 선택적으로 투과하여, 상기 광 센서로 입력되도록 하는 라만 필터
    를 더 포함하는 구름 특성 측정용 라이다 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 라만 필터는,
    상기 제2 광 신호 중에서, 라만 산란된 파장을 갖는 신호를 투과시키고, 미(Mie) 산란된 파장 또는 레일리(Rayleigh) 산란된 파장을 갖는 신호를 제거하는
    구름 특성 측정용 라이다 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 입력부는,
    상기 라만 필터로의, 상기 제2 광 신호의 입사 최대 각도를 고려하여, 상기 라만 필터에 대한 문턱치 파장(cut off wavelength)을 설정하는
    구름 특성 측정용 라이다 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 입력부는,
    상기 집광 렌즈에 대한 초점거리 또는 집광도를 고려하여, 상기 라만 필터에 대한 문턱치 파장을 설정하는
    구름 특성 측정용 라이다 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 측정부는,
    상기 광 센서에 입력된 광 신호 중, 라만 신호를 이용하여 상기 구름 속 수증기의 밀도를, 상기 구름 특성으로서 측정하는
    구름 특성 측정용 라이다 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 측정부는,
    상기 광 센서에 입력된 광 신호 중, 편광이 다른 두 탄성 산란 신호를 이용하여 구름입자의 형상을, 상기 구름 특성으로서 측정하는
    구름 특성 측정용 라이다 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광 센서에 입력된 광 신호가, 파장이 각기 상이한 이상광선 및 상광선을 포함하는 경우,
    상기 측정부는,
    상기 이상광선 및 상기 상광선을 합한 라만 신호를 이용하여, 구름 속 수증기의 밀도에 따른 총 가강수량을, 상기 구름 특성으로서 측정하는
    구름 특성 측정용 라이다 장치.
  10. 레이저부에서 발사된 레이저로부터, 구름에 의해 산란되는 광 신호를 추출하는 단계;
    상기 광 신호를, 일차원 어레이로 구성된 하나의 광 센서로 입력하는 단계; 및
    상기 광 센서에 입력된 광 신호를 이용하여, 상기 구름에 관한 구름 특성을 측정하는 단계
    를 포함하는 구름 특성 측정용 라이다 장치의 동작 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 하나의 광 센서로 입력하는 단계는,
    망원경을 통해, 상기 광 신호를, 평행광의 제1 광 신호로 변형하는 단계;
    복굴절 프리즘을 통해, 상기 제1 광 신호를, 파장 및 편광에 따라 상이한 방향으로 굴절시켜 제2 광 신호를 생성하는 단계; 및
    집광 렌즈를 통해, 상기 제2 광 신호를 상기 광 센서에 입력하는 단계
    를 포함하는 구름 특성 측정용 라이다 장치의 동작 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 하나의 광 센서로 입력하는 단계는,
    라만 필터를 통해, 상기 제2 광 신호 중에서, 선정된 파장의 신호를 선택적으로 투과하여, 상기 광 센서로 입력되도록 하는 단계
    를 더 포함하는 구름 특성 측정용 라이다 장치의 동작 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 하나의 광 센서로 입력하는 단계는,
    상기 라만 필터로의, 상기 제2 광 신호의 입사 최대 각도를 고려하여, 상기 라만 필터에 대한 문턱치 파장을 설정하는 단계
    를 더 포함하는 구름 특성 측정용 라이다 장치의 동작 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 구름 특성을 측정하는 단계는,
    상기 광 센서에 입력된 광 신호 중, 라만 신호를 이용하여 상기 구름 속 수증기의 밀도를, 상기 구름 특성으로서 측정하는 단계
    를 포함하는 구름 특성 측정용 라이다 장치의 동작 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 구름 특성을 측정하는 단계는,
    상기 광 센서에 입력된 광 신호 중, 편광이 다른 두 탄성 산란 신호를 이용하여 구름입자의 형상을, 상기 구름 특성으로서 측정하는 단계
    를 포함하는 구름 특성 측정용 라이다 장치의 동작 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 광 센서에 입력된 광 신호가, 파장이 각기 상이한 이상광선 및 상광선을 포함하는 경우,
    상기 구름 특성을 측정하는 단계는,
    상기 이상광선 및 상기 상광선을 합한 라만 신호를 이용하여, 구름 속 수증기의 밀도에 따른 총 가강수량을, 상기 구름 특성으로서 측정하는 단계
    를 포함하는 구름 특성 측정용 라이다 장치의 동작 방법.
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