KR20160135936A - 라이다식 운고계 장치 및 라이다식 운고계 장치 구현 방법 - Google Patents

라이다식 운고계 장치 및 라이다식 운고계 장치 구현 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 라이다식 운고계 장치 및 라이다식 운고계 장치 구현 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 라이다식 운고계 장치는, 비선형 매질을 통해, 레이저 빔을 대기 중으로 조사하는 레이저 송신부 및 상기 레이저 빔에 의해 산란되는 산란광을 이용하여, 상기 대기 중 구름의 높이 측정을 위한 광 신호를 감지하는 감지부를 포함하고, 상기 감지부는 상기 레이저 빔이 통과한 상기 비선형 매질로, 상기 산란광을 통과시켜 상기 광 신호를 감지할 수 있다.

Description

라이다식 운고계 장치 및 라이다식 운고계 장치 구현 방법{DEVICE AND METHOD FOR CEILOMETER WITH LIDAR}
본 발명은 라이다식 운고계 장치 및 라이다식 운고계 장치 구현 방법에 관한 것이다.
라이다(LIDAR, Light Detection And Ranging)식 운고계는 송신된 레이저 빔(송신빔)의 파장을 대기 중으로 조사하고, 대기 중 구름에 의해 산란된 산란광(수신빔)을 망원경과 광센서를 통해 수집하여 구름의 높이를 관측하는 장비이다.
종래의 운고계에서는 레이저 빔이 퍼져 나가는 것을 방지하기 위하여 레이저 빔을 가능한 크게 확대하여 대기 중에 조사해야 하였다. 이는 확대값이 클수록, 레이저 빔의 발산각이 작아질 수 있기 때문이다.
그래서 레이저 빔을 확대하기 위해 종래의 기술에서는, 큰 광학계(예컨대, 렌즈, 반사형 거울 등)를 사용해 오고 있다. 이때의 광학계는 먼 거리에서 산란된 산란광을 수신하기 위하여 큰 망원경의 형태일 수 있다. 또한, 종래의 기술에서는 레이저 빔 및 산란광을 송신 및 수신하기 위하여 두 개의 큰 광학계가 요구될 수 있다.
따라서, 종래 기술에서 운고계는 두 개의 광학계를 분리하여 구성된 두축(Biaxial) 시스템과 하나의 광학계로 구성된 동축(Coaxial) 시스템을 사용해 오고 있다.
특히, 동축 시스템은 근거리에서 광신호(산란광에 의한 광신호) 관측이 가능하여 두축 시스템 보다 앞쪽 광신호를 관측하는데 유리한 장점이 있다.
그러나, 동축 시스템은 다음과 같은 단점이 있을 수 있다.
먼저, 동축 시스템은 송신빔과 수신빔이 혼합될 수 있다. 동축 시스템에서 레이저 빔을 송신하는 광학계와 산란된 산란광을 수신하는 광학계는 편광빔 분할기에서 상당부분 겹쳐서 구성될 수 있다. 이때, 광학계 매질에서 산란된 송신빔의 일부는 센서로 유입될 수 있다.
또한, 동축 시스템은 광선의 경로를 바꾸어 송신빔과 수신빔을 분리하는 편광 분할기를 포함할 수 있다. 그러나, 편광빔 분할기가 단순히 송신빔과 수신빔의 경로를 바꾸어 분리하기 때문에, 동축 시스템은 원하는 파장을 투과시키는 비율과 원하지 않는 광선을 차단하는 비율을 극대화시키는 고성능 필터를 요구하여 복잡성을 증가시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 동축 광학계를 이용한 라이다식 운고계의 일례를 도시한 도면이다.
먼저, 도 1에 도시된 종래 기술에서의 동축 광학계를 이용한 라이다식 운고계(이하, 라이다식 운고계)는 레이저로부터 조사된 레이저 빔을, 홀 미러(구멍이 뚫린 미러)에 통과시키고, 렌즈를 통해 평행광이 되어 대기로 송신할 수 있다.
다음으로, 종래 기술에서의 라이다식 운고계는 구름이나 에어로졸에 의해 산란된 산란광을 렌즈를 통해 수신하고, 홀 미러를 통해 반사된 광신호(산란광)를 센서로 입사할 수 있다.
종래 기술에서의 라이다식 운고계는 작은 구멍을 통하여 산란광을 투과시키기 때문에 산란광의 광소실이 존재하는 단점을 가지고 있다.
도 2에 도시된 종래 기술에서의 라이다식 운고계는 직육면체 모양의 편광빔 분할기를 이용하여 송신빔(레이저 빔)과 수신빔(산란광)을 합할 수 있다.
그러나, 종래 기술에서의 라이다식 운고계는 송신빔의 경로와 수신빔의 경로가 일정부분 겹칠 수 있다. 그렇기 때문에, 종래 기술에서의 라이다식 운고계는 겹치는 부분에 대하여 광학 매질에서 산란되는 신호가 원거리에서 에어로졸에 의하여 산란되는 신호보다 월등히 커질 수 있는 단점을 가지고 있다.
이러한 단점을 제거하기 위하여, 종래 기술에서의 라이다식 운고계는 시간적 차이를 이용하는 방법(센서를 게이트시키는 방법) 또는 원거리 라이다 신호를 결상하는 방법을 사용함으로써, 부가적인 광학계 또는 센서 제어장치를 포함하게 된다.
그러므로, 하나의 광학계를 이용하여 송신빔과 수신빔을 통과시켜 복잡성과 광학적 정렬의 불안정성을 개선하고, 동시에 송신 광학계에서 산란되는 레이저 빔이 수신 광학계로 입사되는 양 및 불필요한 파장의 배경신호가 광센서로 유입되는 것을 극소화시킬 수 있는 장치 및 방법이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 하나의 비선형 매질을 이용하여 레이저 빔을 조사 및 산란광을 수집하되, 비선형 매질을 통과하는 레이저 빔의 경로와 산란광의 경로가 중복되지 않도록 레이저 빔 및 산란광의 굴절 각을 조정하는 라이다식 운고계 장치 및 라이다식 운고계 장치 구현 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 광학계에서 산란된 레이저 빔을 줄일 수 있으며, 동시에 광센서에 유입되는 불필요한 배경신호를 절감시킴으로써, 보다 높은 고도의 구름 측정이 가능하고 고가의 광학계에 대한 사용을 생략시키는, 라이다식 운고계 장치 및 라이다식 운고계 장치 구현 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 가지고 있다.
상기의 목적을 이루기 위한 라이다식 운고계 장치는, 비선형 매질을 통해, 레이저 빔을 대기 중으로 조사하는 레이저 송신부 및 상기 레이저 빔에 의해 산란되는 산란광을 이용하여, 상기 대기 중 구름의 높이 측정을 위한 광 신호를 감지하는 감지부를 포함하고, 상기 감지부는 상기 레이저 빔이 통과한 상기 비선형 매질로, 상기 산란광을 통과시켜 상기 광 신호를 감지할 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 기술적 방법으로서, 라이다식 운고계 장치 구현 방법은, 비선형 매질을 통해, 레이저 빔을 대기 중으로 조사하는 단계, 상기 레이저 빔에 의해 산란되는 산란광을 수신하는 단계 및 상기 레이저 빔이 통과한 상기 비선형 매질로, 상기 산란광을 통과시켜, 상기 대기 중 구름의 높이 측정을 위한 광 신호를 감지하는 단계를 포함하여 구성할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 하나의 비선형 매질을 이용하여 레이저 빔을 조사 및 산란광을 수집할 수 있고, 이때 비선형 매질을 통과하는 레이저 빔의 경로와 산란광의 경로가 중복되지 않도록 레이저 빔 및 산란광의 굴절 각을 조정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 광학계에서 산란된 레이저 빔을 줄일 수 있으며, 동시에 광센서에 유입되는 불필요한 배경신호를 절감시킴으로써 비선형 광학계가 필터 역할도 동시에 수행하기 때문에, 보다 높은 고도의 구름 측정이 가능하고 고가의 광학계에 대한 사용을 생략시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 동축 광학계를 이용한 라이다식 운고계의 일례를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 라이다식 운고계 장치를 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 라이다식 운고계 장치를 이용하여 구름의 높이를 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 비선형 매질을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 라이다식 운고계 장치 구현 방법을 구체적으로 도시한 작업 흐름도이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 명세서에서 설명되는 라이다식 운고계 장치 및 라이다식 운고계 장치 구현 방법은 레이저 송신부에서 조사된 나노 시간에 동작하는 펄스형 레이저 빔을 비선형 매질을 이용하여 조사 및 수신함으로써, 라이다식 운고계 장치의 광학적 안정성을 높이고 측정 거리를 보다 낮출 수 있다. 또한, 비선형 매질이 파장에 따라 분산(dispersion)을 다르게 하는 특성을 이용하여 태양광이 대기에 산란되어 대기 중에 존재하는 산란광 이외의 배경신호를 확연히 줄임으로써, 기존의 단일 광학계가 가질 수 없는 분광필터 기능을 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 라이다식 운고계 장치를 나타내는 블록도이다.
본 발명의 라이다식 운고계 장치(300)는 레이저 송신부(310) 및 감지부(320)를 포함할 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 라이다식 운고계 장치(300)는 변환부(330), 반사형 망원경(340) 및 측정부(350)를 추가하여 구성할 수 있다.
레이저 송신부(310)는 비선형 매질을 통해, 레이저 빔을 대기 중으로 조사한다. 즉, 레이저 송신부(310)는 레이저 빔의 파장 및 편광 중 적어도 하나에 따라 광학적 굴절률이 다른 비선형 매질을 통과시켜 대기 중으로 조사할 수 있다.
여기서, 비선형 매질은 리튬 네오베이트(Lithium Niobate, LiNbO3), 리튬 탄탈레이트(lithium Tantalate, LiTaO3) 등과 같이 파장 및 편광 중 적어도 하나에 따라 광학적 굴절률이 상이한 물질 중 적어도 하나일 수 있다. 이때, 비선형 매질의 광학적 굴절률은 레이저 빔이 비선형 매질을 통과하는 각도를 뜻할 수 있다. 비선형 매질에 대한 보다 상세한 설명은 후술하는 도 5 및 도 6을 참고하여 설명하고자 한다.
감지부(320)는 상기 레이저 빔에 의해 산란되는 산란광을 이용하여, 상기 대기 중 구름의 높이 측정을 위한 광 신호를 감지한다. 이때, 감지부(320)는 상기 레이저 빔이 통과한 상기 비선형 매질로, 상기 산란광을 통과시켜 상기 광 신호를 감지한다. 즉, 감지부(320)는 레이저 빔이 통과한 비선형 매질에, 산란광을 통과시켜 구름의 높이 측정을 위한 광 신호를 감지할 수 있다. 다시 말해, 산란광과 레이저 빔은 동일한 비선형 매질에 통과될 수 있다.
변환부(330)는 상기 산란광의 파장 및 편광 중 적어도 하나에 따라, 상기 비선형 매질에서 상기 산란광이 갖는 굴절 각을 결정할 수 있다. 즉, 변환부(330)는 비선형 매질에서 산란광이 어느 각으로 굴절시킬지, 산란광의 파장 및 편광 중 적어도 하나에 따라 결정할 수 있다.
또한, 변환부(330)는 상기 비선형 매질에서의, 상기 레이저 빔이 갖는 굴절 각과 적어도 상이하도록, 상기 산란광이 갖는 굴절 각을 결정할 수 있다. 즉, 변환부(330)는 레이저 빔이 비선형 매질을 통과하는 굴절 각과 다른 각의 굴절 각을 결정할 수 있다. 결론적으로, 산란광과 레이저 빔은 하나의 비선형 매질을 통과하지만 서로 다른 굴절 각을 통해 겹치지 않을 수 있다.
또한, 변환부(330)는 상기 레이저 빔이 상기 비선형 매질을 통과한 경로와 적어도 상이하도록, 상기 비선형 매질에서의 상기 산란광의 경로를 결정할 수 있다. 다시 말해, 변환부(330)는 산란광의 경로와 레이저 빔의 경로가 비선형 매질에서 중복되지 않도록 경로를 결정할 수 있다.
또한, 변환부(330)는 상기 레이저 빔이 갖는 굴절 각 보다 90도 회전된 각도를, 상기 산란광이 갖는 굴절 각으로 결정할 수 있다. 여기서, 변환부(330)는 λ/4 플레이트(plate)인 편광변환기로 구현될 수 있다. 산란광이 원형 편광인 경우, 편광변환기를 통과하면 선형 편광으로 변환될 수 있다. 이때, 변환부(330)는 선형 편광이 λ/4 플레이트를 두 번 통과한 효과를 통하여, 레이저 빔의 굴절 각 보다 90도 회전된 각도로 산란광의 굴절 각을 결정할 수 있다. 편광변환기에 대한 보다 구체적인 설명은 도 4를 참고하여 후술한다.
반사형 망원경(340)은 상기 대기 중으로의 상기 레이저 빔 조사와 동시에, 상기 대기 중으로부터 상기 산란광을 취합하여 수신하고, 상기 레이저 빔과 상기 산란광 각각의 경로를 목적지에 따라 변경할 수 있다. 즉, 반사형 망원경(340)은 레이저 송신부(310)에서 비선형 매질을 통해 조사된 레이저 빔을 대기 중으로 조사할 수 있다. 이때, 반사형 망원경(340)은 대기 중으로 조사와 더불어 대기 중으로부터 산란광을 취합하여 수신할 수 있다.
여기서, 반사형 망원경(340)은 상기 비선형 매질을 통과한 상기 레이저 빔을, 평행광으로 형성하여 상기 대기 중으로 조사시킬 수 있다. 즉, 반사형 망원경(340)은 집광렌즈와의 초점거리 배율을 조절하여 평행광이 형성되도록 할 수 있다. 또한, 반사형 망원경(340)은 평행광으로 형성된 레이저 빔을 대기 중으로 조사할 수 있다.
또한, 반사형 망원경(340)은 상기 산란광이 취합되는 집광렌즈와의 초점거리 배율을 조절하여, 상기 산란광을 평행광으로 형성하여 상기 비선형 매질로 출력시킬 수 있다. 즉, 반사형 망원경(340)은 대기 중으로부터 취합된 산란광을 집광렌즈와의 초점거리 배율을 조절하여, 산란광을 평행광으로 형성할 수 있다.
측정부(350)는 상기 광신호를 간섭필터에 통과시켜 배경신호를 제거한 후 광센서로 입력하고, 상기 광센서에 입력된 광신호를 이용하여, 상기 구름의 높이를 측정할 수 있다. 즉, 측정부(350)는 구름의 높이를 측정하기 위하여 간섭필터를 통과한 광신호를 센서로 입력할 수 있고, 광신호를 이용하여 구름의 높이를 측정할 수 있다. 여기서, 간섭필터는 광신호를 투과할 수 있도록 설계된 것으로, 파장의 투과폭(FWHM; Full Width Half Maximum)을 작게 하여 배경신호를 줄여줄 수 있다.
이러한, 본 발명의 라이다식 운고계 장치(300)는 하나의 비선형 매질을 이용하여 레이저 빔을 조사 및 산란광을 수집할 수 있고, 이때 비선형 매질을 통과하는 레이저 빔의 경로와 산란광의 경로가 중복되지 않도록 레이저 빔 및 산란광의 굴절 각을 조정할 수 있다.
또한, 본 발명의 라이다식 운고계 장치(300)는 광학계에서 산란된 레이저 빔을 줄일 수 있으며, 동시에 광센서에 유입되는 불필요한 배경신호를 절감시킴으로써, 보다 높은 고도의 구름 측정이 가능하고 고가의 광학계에 대한 사용을 생략시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 라이다식 운고계 장치를 이용하여 구름의 높이를 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 실시예에 따라 라이다식 운고계 장치(400)는 레이저 송신부(410), 비선형 매질(420), 집광렌즈(430, 480), 핀홀(440), 편광 변환기(450), 반사형 망원경(460), 간섭필터(470) 및 광센서(490)를 포함하여 구현될 수 있다.
먼저, 레이저 송신부(410)는 레이저 빔을 비선형 매질(420)을 통과하도록 조사할 수 있다. 이때, 비선형 매질의 광학적 굴절률은 레이저 빔의 파장과 편광에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 레이저 송신부(410)는 비선형 매질을 통과한 레이저 빔이 집광렌즈(430)로 입사되도록 설정된 비선형 매질에 레이저 빔을 조사할 수 있다.
여기서, 비선형 매질은 리튬 네오베이트, 리튬 탄탈레이트 등과 같이 파장 및 편광 중 적어도 하나에 따라 광학적 굴절률이 상이한 물질 중 적어도 하나일 수 있다. 비선형 매질에 대한 보다 상세한 설명을 위하여 도 5 및 도 6을 참고하여 설명하고자 한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 비선형 매질을 설명하기 위한 도면이다.
라이다식 운고계 장치는 복굴절 성질을 가진 비선형 매질을 이용하여, 평행하게 한 방향으로 진행하는 레이저 빔을 파장 및 편광 중 적어도 하나에 따라 굴절시켜 방향을 바꿀 수 있다. 여기서, 비선형 매질은 리튬 네오베이트 또는 리튬 탄탈레이트 중 적어도 하나의 매질이 사용될 수 있다.
도 5는 리튬 네오베이트의 광학적 특성을 결정하는 매질의 파장과 편광에 따른 굴절률의 변화를 도시한 도면이다. 여기서, 굴절률(N)에 대한 첨자 o와 e는 각각 상광선과 이상광선을 지칭하는 것일 수 있다.
예컨대 도 5에서 굴절률(Refractive Indices)은, 편광값으로서 1064nm를 갖는 상광선에 대해 '2.232'를 나타내고, 이상광선에 대해 '2.156'를 나타내는 것을 예시하고 있다.
도 6은 비선형 매질을 통과하는 경로를 설명하기 위한 도면이다.
상광선은 비선형 매질(620)에 입사되는 레이저 빔과 굴절된 레이저 빔이 만드는 평면 상에 편광 방향(기호 ⊙, 621)을 가질 수 있다.
이상광선은 입사되는 레이저 빔과 굴절된 레이저 빔이 만드는 평면에 대하여 수직하는 편광 방향(기호 ↕, 622)을 가질 수 있다.
복굴절을 가지는 비선형 매질(620)은 종래 기술에서의 정육면체 모양의 편광 빔 분할기와 달리, 대략 10정도의 이상광선 및 상광선에 대한 편광 분리비를 가질 수 있다.
비선형 매질(620)의 굴절률은 파장 및 편광 중 적어도 하나에 따라 결정될 수 있다. 예를 들면, 리튬 네오베이트로 구현된 비선형 매질(620)의 굴절률은 수학식 1 및 수학식 2와 같을 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
수학식 1 및 수학식 2에 따라, 파장과 편광이 정해지면 입사하는 레이저 빔의 굴절률은 정해질 수 있다. 즉, 기하광학 이론에 의해 비선형 매질(520)의 꼭지각(Apex angle: ω)과, 비선형 매질(520)에 입사하는 레이저 빔의 입사각(incident angle: α)이 정해지면, 굴절각(Angle of refractive: δ)은 수학식 3과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00003
여기서,
Figure pat00004
Figure pat00005
은 공기의 굴절률,
Figure pat00006
Figure pat00007
는 비선형 매질(520)의 굴절률을 나타내는 것이다.
다시 도 4를 설명하면, 집광렌즈(430)는 비선형 매질을 통과한 레이저 빔을 모을 수 있다. 이때, 집광렌즈(430)의 초점거리는 반사형 망원경(460)의 초점거리에 따라 달라질 수 있으며, 집광렌즈(430)는 반사형 망원경(460)과의 초점거리 배율에 따라 레이저 빔을 평행광이 형성될 수 있다.
다음으로, 핀홀(440)은 집광렌즈(430)에 의해 모아진 레이저 빔을 통과시킬 수 있다.
다음으로, 반사형 망원경(460)은 평행광으로 형성된 레이저 빔을 대기 중으로 조사할 수 있다. 조사된 레이저 빔은 대기 중에 존재하는 구름이나 에어로졸에 의해 모든 방향으로 산란될 수 있다. 이때, 반사형 망원경(460)은 산란된 레이저 빔 중에서 후방으로 산란된 산란광을 모을 수 있다.
다음으로, 편광변환기(450)는 반사형 망원경(460)을 통해 모아진 산란광을 통과시킬 수 있다. 이때, 편광변환기(450)는 산란광의 편광 방향을 변환할 수 있다. 즉, 편광변환기(450)는 산란광이 비선형 매질(420)에 입사될 때, 레이저 송신부(410)에서 조사된 레이저 빔과 다른 경로로 굴절되도록 할 수 있다. 편광변환기(450)의 편광 변환은 다음과 같은 과정으로 이루어질 수 있다. 본 명세서 상에서, 편광변환기(450)가 λ/4 플레이트로 구성된 것으로 설명하나 이에 한정된 것은 아니다.
편광변환기(450)는 선형 편광된 레이저 빔을 원형 편광으로 바꿀 수 있다. 즉, 레이저 송신부(410)에서 조사된 레이저 빔은 선형 편광되어 있으며, 편광변환기(450)를 통과함으로써 원형 편광으로 변환될 수 있다. 이때, 원형 편광으로 변환된 레이저 빔이 산란되어 생성된 산란광은 원형 편광을 유지한 상태일 수 있다. 그러면, 편광변환기(450)는 원형 편광된 산란광을 다시 통과시킴으로써, 산란광을 선형 편광으로 바꿀 수 있다. 이때, 편광변환기(450)는 산란광을 λ/4 플레이트에 두 번 통과한 효과로 인하여 λ/2 플레이트를 한 번 통과한 결과를 줄 수 있다. 즉, 편광변환기(450)는 레이저 빔이 비선형 매질을 지난 편광 방향과 90도 회전된 방향으로, 산란광의 편광 방향을 변환할 수 있다.
다음으로, 핀홀(240)은 편광변환기(450)를 통과한 산란광을 통과시킬 수 있다. 또한, 핀홀(240)은 대기 중 배경 신호의 세기를 줄여줄 수 있다.
다음으로, 집광렌즈(230)는 핀홀을 통과한 산란광을 통과시켜 평행광을 생성할 수 있다. 즉, 집광렌즈(230)는 레이저 빔이 대기 중으로 조사될 때는 반사형 망원경(460)을 통해 평행광을 만들 수 있고, 구름에 의해 산란된 산란광을 반사형 망원경(460)으로부터 수신할 때는 평행광을 만들 수 있다.
다음으로, 비선형매질(420)은 집광렌즈(230)에 의해 평행광이 된 산란광을 통과시킬 수 있다. 이때, 산란광은 편광변환기(450)에 의해 편광이 변환되었으므로, 레이저 송신부(410)로부터 조사되는 레이저 빔의 편광 방향과 달리 90도 회전되어 비선형 매질(420)에 통과될 수 있다. 즉, 산란광은 레이저 빔의 조사 방향과 다른 방향으로 굴절될 수 있다.
또한, 비선형매질(420)은 산란광이 아닌 다른 파장의 광에 대한 필터를 수행할 수 있다. 산란광과 같은 방향으로 진행하던 다른 색깔의 파장은 비선형 매질(410)의 특성(예컨대, 수학식 1 및 수학식 2로 인한 특성) 때문에 다른 굴절률을 가질 수 있다. 즉, 산란광 외 다른 색깔의 파장은 산란광과 다른 각도로 굴절될 수 있다. 그러므로 원하는 레이저 파장이 아닌 다른 잡신호는 비선형물질(420)에서 다른 방향으로 진행하여 광센서(490)로 들어 올 수 없다.
다음으로, 간섭필터(470)는 비선형 매질(410)을 통과한 산란광에 대한 광신호를 통과시킬 수 있다.
다음으로, 집광렌즈(480)는 간섭필터(470)를 통과한 광신호를 모을 수 있다.
다음으로, 광센서(490)는 모아진 광신호를 입력받을 수 있다. 입력된 광신호는 측정부(미도시)에 의해 구름의 높이를 측정하는데 사용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 라이다식 운고계 장치 구현 방법을 구체적으로 도시한 작업 흐름도이다.
우선 본 실시예에 따른 방법은 상술한 라이다식 운고계 장치(300)에 의해 구현될 수 있다.
먼저, 라이다식 운고계 장치(300)는 비선형 매질을 통해, 레이저 빔을 대기 중으로 조사한다(710). 즉, 단계(220)는 레이저 빔의 파장 및 편광 중 적어도 하나에 따라 광학적 굴절률이 다른 비선형 매질을 통과시켜 대기 중으로 조사하는 과정일 수 있다.
여기서, 비선형 매질은 리튬 네오베이트, 리튬 탄탈레이트 등과 같이 파장 및 편광 중 적어도 하나에 따라 광학적 굴절률이 상이한 물질 중 적어도 하나일 수 있다. 이때, 비선형 매질의 광학적 굴절률은 레이저 빔이 비선형 매질을 통과하는 각도를 뜻할 수 있다.
다음으로, 라이다식 운고계 장치(300)는 상기 레이저 빔에 의해 산란되는 산란광을 수신한다(720). 다시 말해, 단계(720)는 레이저 빔이 구름에 의해 산란된 산란광을 모으는 과정일 수 있다.
또한, 단계(720)는 상기 대기 중으로의 상기 레이저 빔 조사와 동시에, 상기 대기 중으로부터 상기 산란광을 취합하여 수신하고, 상기 레이저 빔과 상기 산란광 각각의 경로를 목적지에 따라 변경할 수 있다. 즉, 라이다식 운고계 장치(300)는 비선형 매질을 통해 조사된 레이저 빔을 대기 중으로 조사할 수 있다. 이때, 라이다식 운고계 장치(300)는 대기 중으로 조사와 더불어 대기 중으로부터 산란광을 취합하여 수신할 수 있다.
여기서, 라이다식 운고계 장치(300)는 상기 비선형 매질을 통과한 상기 레이저 빔을, 평행광으로 형성하여 상기 대기 중으로 조사시킬 수 있다. 즉, 라이다식 운고계 장치(300)는 반사형 망원경과 집광렌즈의 초점거리 배율을 조절하여 평행광이 형성되도록 할 수 있다. 또한, 라이다식 운고계 장치(300)는 평행광으로 형성된 레이저 빔을 대기 중으로 조사할 수 있다.
또한, 라이다식 운고계 장치(300)는 상기 산란광이 취합되는 집광렌즈와의 초점거리 배율을 조절하여, 상기 산란광을 평행광으로 형성하여 상기 비선형 매질로 출력시킬 수 있다. 즉, 라이다식 운고계 장치(300)는 대기 중으로부터 취합된 산란광을 집광렌즈와의 초점거리 배율을 조절하여, 산란광을 평행광으로 형성할 수 있다.
다음으로, 라이다식 운고계 장치(300)는 상기 레이저 빔이 통과한 상기 비선형 매질로, 상기 산란광을 통과시켜, 상기 대기 중 구름의 높이 측정을 위한 광 신호를 감지한다(730). 즉, 단계(730)는 레이저 빔이 통과한 비선형 매질과 동일한 비선형 매질에 산란광을 통과시킴으로써 광 신호를 감지할 수 있다.
실시예에 따라, 라이다식 운고계 장치(300)는 상기 산란광의 파장 및 편광 중 적어도 하나에 따라, 상기 비선형 매질에서 상기 레이저 빔이 갖는 굴절 각을 결정할 수 있다. 즉, 라이다식 운고계 장치(300)는 비선형 매질에서 산란광이 어느 각으로 굴절시킬지, 산란광의 파장 및 편광 중 적어도 하나에 따라 결정할 수 있다.
이때, 라이다식 운고계 장치(300)는 상기 비선형 매질에서의, 상기 레이저 빔이 갖는 굴절 각과 적어도 상이하도록, 상기 산란광이 갖는 굴절 각을 결정할 수 있다. 다시 말해, 라이다식 운고계 장치(300)는 레이저 빔이 비선형 매질을 통과하는 굴절 각과 다른 각의 굴절 각을 결정할 수 있다. 결론적으로, 산란광과 레이저 빔은 하나의 비선형 매질을 통과하지만 서로 다른 굴절 각을 통해 겹치지 않을 수 있다.
실시예에 따라, 라이다식 운고계 장치(300)는 상기 레이저 빔이 상기 비선형 매질을 통과한 경로와 적어도 상이하도록, 상기 비선형 매질에서의 상기 산란광의 경로를 결정할 수 있다. 다시 말해, 라이다식 운고계 장치(300)는 산란광의 경로와 레이저 빔의 경로가 비선형 매질에서 중복되지 않도록 경로를 결정할 수 있다.
실시예에 따라, 라이다식 운고계 장치(300)는 상기 광신호를 간섭필터에 통과시켜 배경신호를 제거한 후 광센서로 입력하고, 상기 광센서에 입력된 광신호를 이용하여, 상기 구름의 높이를 측정할 수 있다. 즉, 라이다식 운고계 장치(300)는 구름의 높이를 측정하기 위하여 간섭필터를 통과한 광신호를 센서로 입력할 수 있고, 광신호를 이용하여 구름의 높이를 측정할 수 있다. 여기서, 간섭필터는 광신호를 투과할 수 있도록 설계된 것으로, 파장의 투과폭을 작게 하여 배경신호를 줄여줄 수 있다.
이러한, 본 발명의 라이다식 운고계 장치 구현 방법은 하나의 비선형 매질을 이용하여 레이저 빔을 조사 및 산란광을 수집할 수 있고, 이때 비선형 매질을 통과하는 레이저 빔의 경로와 산란광의 경로가 중복되지 않도록 레이저 빔 및 산란광의 굴절 각을 조정할 수 있다.
또한, 본 발명의 라이다식 운고계 장치 구현 방법은 광학계에서 산란된 레이저 빔을 줄일 수 있으며, 동시에 광센서에 유입되는 불필요한 배경신호를 절감시킴으로써 비선형 광학계가 필터 역할도 동시에 수행하기 때문, 보다 높은 고도의 구름 측정이 가능하고 고가의 광학계에 대한 사용을 생략시킬 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.
300 : 라이다식 운고계 장치
310 : 레이저 송신부 320 : 감지부
330 : 변환부 340 : 반사형 망원경
350 : 측정부

Claims (15)

  1. 비선형 매질을 통해, 레이저 빔을 대기 중으로 조사하는 레이저 송신부; 및
    상기 레이저 빔에 의해 산란되는 산란광을 이용하여, 상기 대기 중 구름의 높이 측정을 위한 광 신호를 감지하는 감지부
    를 포함하고,
    상기 감지부는,
    상기 레이저 빔이 통과한 상기 비선형 매질로, 상기 산란광을 통과시켜 상기 광 신호를 감지하는
    라이다식 운고계 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 라이다식 운고계 장치는,
    상기 산란광의 파장 및 편광 중 적어도 하나에 따라, 상기 비선형 매질에서 상기 산란광이 갖는 굴절 각을 결정하는 변환부
    를 더 포함하는 라이다식 운고계 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 변환부는,
    상기 비선형 매질에서의, 상기 레이저 빔이 갖는 굴절 각과 적어도 상이하도록, 상기 산란광이 갖는 굴절 각을 결정하는
    라이다식 운고계 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 변환부는,
    상기 레이저 빔이 갖는 굴절 각 보다 90도 회전된 각도를, 상기 산란광이 갖는 굴절 각으로 결정하는
    라이다식 운고계 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 라이다식 운고계 장치는,
    상기 레이저 빔이 상기 비선형 매질을 통과한 경로와 적어도 상이하도록, 상기 비선형 매질에서의 상기 산란광의 경로를 결정하는 변환부
    를 더 포함하는 라이다식 운고계 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 라이다식 운고계 장치는,
    상기 대기 중으로의 상기 레이저 빔 조사와 동시에, 상기 대기 중으로부터 상기 산란광을 취합하여 수신하고, 상기 레이저 빔과 상기 산란광 각각의 경로를 목적지에 따라 변경하는 반사형 망원경
    을 더 포함하는 라이다식 운고계 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 반사형 망원경은,
    상기 비선형 매질을 통과한 상기 레이저 빔을, 평행광으로 형성하여 상기 대기 중으로 조사시키는
    라이다식 운고계 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 반사형 망원경은,
    상기 산란광이 취합되는 집광렌즈와의 초점거리 배율을 조절하여, 상기 산란광을 평행광으로 형성하여 상기 비선형 매질로 출력하는
    라이다식 운고계 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 라이다식 운고계 장치는,
    상기 광신호를 간섭필터에 통과시켜 배경신호를 제거한 후 광센서로 입력하고, 상기 광센서에 입력된 광신호를 이용하여, 상기 구름의 높이를 측정하는 측정부
    를 더 포함하는 라이다식 운고계 장치.
  10. 비선형 매질을 통해, 레이저 빔을 대기 중으로 조사하는 단계;
    상기 레이저 빔에 의해 산란되는 산란광을 수신하는 단계; 및
    상기 레이저 빔이 통과한 상기 비선형 매질로, 상기 산란광을 통과시켜, 상기 대기 중 구름의 높이 측정을 위한 광 신호를 감지하는 단계
    를 포함하는 라이다식 운고계 장치 구현 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 산란광의 파장 및 편광 중 적어도 하나에 따라, 상기 비선형 매질에서 상기 산란광이 갖는 굴절 각을 결정하는 단계
    를 더 포함하는 라이다식 운고계 장치 구현 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 굴절 각을 결정하는 단계는,
    상기 비선형 매질에서의, 상기 레이저 빔이 갖는 굴절 각과 적어도 상이하도록, 상기 산란광이 갖는 굴절 각을 결정하는 단계
    를 포함하는 라이다식 운고계 장치 구현 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 레이저 빔이 상기 비선형 매질을 통과한 경로와 적어도 상이하도록, 상기 비선형 매질에서의 상기 산란광의 경로를 결정하는 단계
    를 더 포함하는 라이다식 운고계 장치 구현 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 산란광을 수신하는 단계는,
    상기 대기 중으로의 상기 레이저 빔 조사와 동시에, 상기 대기 중으로부터 상기 산란광을 취합하여 수신하는 단계; 및
    상기 레이저 빔과 상기 산란광 각각의 경로를 목적지에 따라 변경하는 단계
    를 포함하는 라이다식 운고계 장치 구현 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 광신호를 간섭필터에 통과시켜 배경신호를 제거한 후 광센서로 입력하는 단계; 및
    상기 광센서에 입력된 광신호를 이용하여, 상기 구름의 높이를 측정하는 단계
    를 더 포함하는 라이다식 운고계 장치 구현 방법.
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