KR20170017147A - 대기 중 가스를 검출하는 차등 흡수 분광법을 위한 방향성 제어장치 - Google Patents
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Abstract
대기 중 가스를 검출하는 차등 흡수 분광법을 위한 방향성 제어장치가 개시된다.
복수의 발광다이오드, 복수의 발광다이오드에 배열로 커플 된 광섬유배열, 광섬유로부터 발광되어 개 광경로(open optical path)를 통과한 광신호를 수신하는 광학 송/수신부, 수신 광신호가 광섬유배열의 초점에 대응되도록 광섬유배열의 출력광의 광형성을 제공하는 광형성 제공부, 광학 송/수신부로부터 송신되는 광신호를 반사하는 반사경, 반사경으로부터 상기 반사된 광신호를 수신하는 분광계 및 광학 송/수신부 및 광섬유배열의 광형성을 제어하는 데이터 프로세싱 단말을 포함하여 구성됨으로써, 광학 송신부와 광학 수신부 사이의 최적 초점을 맞춰 원하는 광형성 전송신호를 수신하여 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
복수의 발광다이오드, 복수의 발광다이오드에 배열로 커플 된 광섬유배열, 광섬유로부터 발광되어 개 광경로(open optical path)를 통과한 광신호를 수신하는 광학 송/수신부, 수신 광신호가 광섬유배열의 초점에 대응되도록 광섬유배열의 출력광의 광형성을 제공하는 광형성 제공부, 광학 송/수신부로부터 송신되는 광신호를 반사하는 반사경, 반사경으로부터 상기 반사된 광신호를 수신하는 분광계 및 광학 송/수신부 및 광섬유배열의 광형성을 제어하는 데이터 프로세싱 단말을 포함하여 구성됨으로써, 광학 송신부와 광학 수신부 사이의 최적 초점을 맞춰 원하는 광형성 전송신호를 수신하여 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 대기 중 가스를 검출하는 차등 흡수 분광법을 위한 방향성 제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 백색광원을 대기 중에 방출시키고 반사경에 의해 반사된 광을 검출하여, 자외선 영역과 가시광선영역에서 어떤 파장 대에서 어느 정도의 흡수가 일어났는지를 분석한 다음 대상가스의 농도를 정량적으로 산출하는 대기 중 가스를 검출하는 차등 흡수 분광법을 위한 방향성 제어장치에 관한 것이다.
차등 흡수 분광 시스템은 대기환경을 비 침습적으로 측정하는 분야에 적용되며, 특정 한 지점에서 계측을 하는 점지점 방식과 비교하여, 광경로 내에 존재하는 가스들의 공간적 평균농도를 구하는 선관측 방식을 제공한다.
사용하는 광원에 따라 제논램프나 발광다이오드 같은 인공 광원을 사용하는 능동형시스템과 태양광이나 달빛 등의 자연광을 사용하는 수동형 시스템으로 나뉜다.
능동형 시스템은 광을 생성하는 광원, 광원의 광을 대기 중으로 방출하는 광학 송신부, 반사경에 의해 반사된 광을 수신하는 광학 수신부, 광학 수신부를 통해 광을 측정하는 분광계, 분광계에서 전송된 광신호를 처리하고 분석하여 대기 가스들의 농도를 산출하는 데이터 프로세싱 단말부를 포함하여 구성된다.
분광계로 측정된 광신호에서 차등흡수 특징들을 추출하는 방법으로 비어-람버트 법칙을 적용하여, [수학식 1]과 같이 차등 흡수 광밀도 τ' 를 유도하면 측정된 수신 광세기 Ⅰ 와 전송 광세기 Ⅰ 0 의 비의 로그에 음으로 되고, 농도 C 는 그 광 경로에서 대상가스의 흡수단면적에 비례한다.
Ⅰ 0 : 초기 전송 광세기(방출되어 대기를 통과하기 전의 광원의 스펙트럼)
차등 흡수 분광법의 기술 초기에는 제논 아크 램프를 이용하였고, 시스템의 크기는 전형적으로 광학 송/수신부 광학계에 쓰이는 반사거울의 1m 초점 길이보다 긴 크기가 필요 되고, 무게는 몇십 kg이고, 전력소모는 몇백 와트가 필요하여 휴대용으로의 설치에 어려움이 있었다.
광커플링된 광섬유 배열 광원으로 전통적인 광송신부 광학계인 Newtonian 장치를 대치하여, 주거울의 크기를 줄이는 것이 가능하게 되어, 장비 설치에 중요한, 크기와 무게를 줄일 수 있게 되었다. 부가적으로 휴대용 차등흡수분광 장비를 설계 가능하게 하는 것으로, 발광다이오드와 같은 효율적인 광원을 사용하는 것이다.
제논 아크 램프와 deuterium 램프와 같은 전형적인 광원들은 자외선과 가시광선에 걸친 전대역에 파장에서 방출하는 되는데, 실제 소모되는 에너지는 측정파장에서가 아니라 나머지 대역이므로 몇백 와트의 전력소비를 함에도 낮은 광출력 효율성을 가진다.
때문에 요구되는 파장대역에서 매우 높은 광 출력 효율성을 제공하는 발광다이오드들과 같은 약한 광원의 사용이 가능하게 되었다. 이런 광섬유 배열 광원은 주 거울의 초점평면에 위치하여 광의 송수신에 모두 사용된다. 광원에서 주거울로 전송된 광은 광경로로 방출되고 반사경에 반사되어, 다시 주거울로 반사되어 수신 광섬유를 통해 분광계로 전달된다.
상기의 수학식 1에서 전송 광세기 Ⅰ 0 는 발광다이오드 온도에 종속적이기 때문에, 분석 스펙트럼을 측정하기 직전의 가장 근접한 시간에 Ⅰ 0 를 측정하는 것이 바람직하다. 광원으로부터 방출된 광을 광경로 방출 전 직접 분광계로 보내는 것은 반사판을 광섬유 배열모듈 앞에 놓음으로써 구현될 수 있다. 광섬유 원형 배열에서 방출되는 광은 반사판에 반사되고 중앙 수집 광섬유로 분석을 위해 전송된다.
각각 다른 파장의 발광다이오드를 광원으로 사용하는 광섬유들을 몇 개의 그룹으로 분리하여 배열을 배치하면, 다양한 광원들이 측정파장에 대하여 광 경로 방출이 가능하고, 또한 광원의 출력을 단계별로 조절할 수 있는 가변볼륨을 이용하여 광원의 세기를 조절할 수 있다.
같은 주 거울을 공유하여 구성된 광학 송수신부 차등 흡수 분광 시스템은 대한민국 특허청 등록특허 10-1237514호에 개시된 바와 같이 광학 소자들에 대한 매우 정교한 정렬이 필요하다. 광원의 수백um의 변위(displacement)는 쉽게 기구적인 불안정성이나 열적 팽창에 의해 발생할 수 있으며 전송광 방출 시 매우 큰 광 손실이 발생할 수도 있기 때문에, 광학 송신부에서 방출되는 광을 광학 수신부에서 최적으로 수신하기 어렵게 된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 복수 파장의 발광다이오드에 커플된 광섬유 배열 광원의 최적 광형성을 통해 방향성 제어를 수행하여 광학 송신부의 광로에 대한 방향성을 광학 수신부에 맞출 수 있도록 하는 대기 중 가스를 검출하는 차등 흡수 분광법을 위한 방향성 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 특정 기준 광신호와 광섬유배열의 출력광을 통한 광신호의 차이가 최소가 되도록 하는 방향성 제어 처리를 수행하여 찾은 발광다이오드 최적 전류 값으로 광섬유배열의 밝기를 제어할 수 있도록 하는 대기 중 가스를 검출하는 차등 흡수 분광법을 위한 방향성 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 광학 송신부와 광학 수신부 사이의 최적 초점을 맞추어 원하는 광형성 전송신호를 수신하여 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있도록 하는 대기 중 가스를 검출하는 차등 흡수 분광법을 위한 방향성 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적은, 복수의 발광다이오드, 상기 복수의 발광다이오드에 배열로 커플 된 광섬유배열, 광섬유로부터 발광되어 개 광경로(open optical path)를 통과한 광신호를 수신하는 광학 송/수신부, 수신된 광신호가 광섬유배열의 초점에 대응되도록 광섬유배열의 출력광의 광형성을 제공하는 광형성 제공부, 광학 송/수신부로부터 송신되는 광신호를 반사하는 반사경, 반사경으로부터 반사된 광신호를 수신하는 분광계 및 광학 송/수신부 및 광섬유배열의 광형성을 제어하는 데이터 프로세싱 단말을 포함하는 대기 중 가스를 검출하는 차등 흡수 분광법을 위한 방향성 제어장치에 의해 달성된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 광형성 제공부는 광학 송/수신부 및 반사판을 이용하여 미세조정의 기준이 되는 기준 광신호를 생성하며, 기준 광신호에 대응되도록 광섬유배열의 출력광의 광형성을 제공하며, 데이터 프로세싱 단말은 광형성 제공부의 정전류 제어를 위한 최적계수 추정방법 프로그램을 이용하여 광형성 제공부의 발광다이오드 드라이버 정전류제어부를 소프트웨어로 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 광형성 제공부는 복수의 발광다이오드에 대하여 전류제어를 수행하고, 광섬유의 광출력 세기를 개별적으로 제어하여 복수의 발광다이오드 각각의 정전류의 양을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 기준 광신호는 반사판을 광섬유 배열 모듈 앞에 위치시켜서 광학 송/수신부에서 측정된 수신 광신호에 대하여 거리에 따른 감쇄계수를 적용하여 생성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 기준 광신호는 비선형최소 자승법의 요구신호로 하여 최적계수를 추정하여 생성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 광형성 제공부는 복수의 발광다이오드 각각과 연결된 복수의 정전류드라이버 각각의 출력에 대응하는 발광다이오드의 광출력에 따라 광형성을 수행하고, 복수의 발광다이오드 각각은 복수의 정전류드라이버 각각과 1:1 또는 1:N으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 데이터 프로세싱 단말은 정전류드라이버의 출력을 제어하는 트랜지스터의 베이스 전압 제어 신호를 계수로 하고 최적계수추정 알고리즘을 이용해 최적 계수를 구할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 데이터 프로세싱 단말은 미지의 수신 광 모델 식 대신 측정 수신광 값들에서 도함수 값들을 구하고, 초기계수에 미소증분값을 더한 다음 수신 광을 측정하여 이로부터 측정변동 값을 구하고, 계수 미소증분값에 대한 측정변동값을 이용하여 각각의 계수에 대한 수신광의 미분 값을 근사화하고, 미분 근사값들을 비선형 최소자승방법의 헤시안 행렬의 요소들로 이용하여 최적 계수를 추정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 광섬유배열은 원형 구성, 정사각형 구성 또는 배치영역에 해당하는 모양의 구성 중 어느 하나로 구성되고, 광섬유배열의 중심 또는 특정 위치에는 하나의 수신 광섬유가 위치할 수 있다.
본 발명에 의하면, 복수파장의 발광다이오드에 커플된 광섬유 배열 광원의 최적 광형성을 통해 방향성 제어를 수행하여 광학 송신부의 광로에 대한 방향성을 광학 수신부에 맞출 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 특정 기준 광신호와 광섬유배열의 출력광을 통한 광신호의 차이가 최소가 되도록 하는 방향성 제어 처리를 수행하여 찾은 발광다이오드 최적 전류 값으로 광섬유배열의 밝기를 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 광학 송신부와 광학 수신부 사이의 최적 초점을 맞추어 원하는 광형성 전송신호를 수신하여 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차등 흡수 분광시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1의 차등 흡수 분광시스템의 형상을 보이는 구성도이다.
도 3은 발광다이오드를 광섬유로 커플하는 발광다이오드 커플러를 나타내는 구성도이다.
도 4는 도 1에 있는 광학 송/수신부의 광원으로 이용되는 발광다이오드에 커플된 광섬유를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 1에 있는 광형성 제공부의 내부 구조를 설명하기 위한 회로도이다.
도 6은 발광다이오드와 정전류드라이버의 매핑을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 광형성 미세조정 제어처리 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 도 7의 실행 과정을 설명하기 위한 참조도이다.
도 2는 도 1의 차등 흡수 분광시스템의 형상을 보이는 구성도이다.
도 3은 발광다이오드를 광섬유로 커플하는 발광다이오드 커플러를 나타내는 구성도이다.
도 4는 도 1에 있는 광학 송/수신부의 광원으로 이용되는 발광다이오드에 커플된 광섬유를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 1에 있는 광형성 제공부의 내부 구조를 설명하기 위한 회로도이다.
도 6은 발광다이오드와 정전류드라이버의 매핑을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 광형성 미세조정 제어처리 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 도 7의 실행 과정을 설명하기 위한 참조도이다.
이하, 첨부된 예시도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차등 흡수 분광시스템의 광섬유배열 광원의 광형성 수단에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차등 흡수 분광시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이고. 도 2는 도 1의 차등 흡수 분광시스템의 형상을 보이는 구성도이며, 도 3은 발광다이오드를 광섬유로 커플하는 발광다이오드 커플러를 나타내는 구성도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 차등 흡수 분광시스템은 광섬유배열(110), 광학 송/수신부(120), 반사경(130), 분광계(140), 발광다이오드 커플러(150), 광형성 제공부(160), 전원공급장치(170) 및 데이터 프로세싱 단말(180)을 포함하여 구성된다.
광섬유배열(110)은 광송신을 위해 발광다이오드 커플러(150)에 연결된다. 발광다이오드 커플러(150)는 광섬유배열(110)이 분광계(140)로부터 수신된 광신호를 전달하기 위해 연결되거나, 도 3과 같이 하나의 커플렌즈(152)가 발광다이오드(151)와 전송광섬유(153)를 커플하기 위해 사용될 수 있다.
광섬유배열(110)은 도 2의 주거울(190)의 초점 평면에 맞추어 위치하며, 광섬유배열(110)을 통해 방출된 광은 개 광경로(open optical path)를 따라 반사경(130)에 반사된 후 광섬유배열(110)을 통해 분광계(140)로 입사되고, 분광계(140)의 CCD 검출기(도시되지 않음)에 의해 검출된 광 데이터가 데이터 프로세싱 단말(180)로 전송된다. 그러면, 데이터 프로세싱 단말(180)은 광 데이터를 분석 알고리즘에 적용하여 추적 가스의 농도를 계산하게 된다.
광형성 제공부(160)는 광신호가 광섬유배열(110)의 초점에 대응되도록 광섬유배열(110)의 출력광의 광형성을 제공한다. 이를 위해, 도 2와 같이 광형성 제공부(160)는 광학 송/수신부(110) 및 반사판(200)을 이용하여 미세조정의 기준이 되는 기준 광신호를 생성하며, 기준 광신호에 대응되도록 광섬유배열의 출력광의 광형성을 제공하는 것이다.
일반적으로, 발광다이오드의 경우 선택된 파장 대역 내에서 일반적으로 최대 광출력을 가지는 발광다이오드를 선택하는데 몇 개의 다른 파장의 발광다이오드들이 몇 가지 다른 추적가스들을 위해 선택될 수 있거나 같은 파장의 복수 발광다이오드들이 하나의 특별한 파장 영역에서 측정 SNR을 강화시키기 위해 결합되어질 수 있다.
이를 위해, 광섬유배열(110)은 적어도 각각의 발광다이오드(151)에 하나의 광섬유(도 4a의 참조번호(101) 또는 도 4b의 참조번호(102))를 커플시켜서 광섬유 배열을 구성함을 기본으로 하고, 이를 이용하여 어떤 파장의 발광다이오드 광신호를 어떤 광섬유에 커플링 할 것인가에 대한 매핑(도시되지 않음)을 설계하고 커플링을 실시한다. 이러한 상세한 설명은 이하의 도 4 및 도 6을 참조하여 설명하기로 한다.
광학 송/수신부(110)에서 방출된 광은 반사경(130)에 의해 반사되어 돌아오며 다시 주거울(190)에 의해 반사된다. 이와 같이, 반사경(130)의 반경 L 은 아래의 수학식 2에 따라 산출될 수 있다.
L : 광학 송/수신부(200)와 반사경(130) 사이의 거리,
θ : 광발산각,
d : 주거울(190) 반경
이와 같이, 분광계(140)에 의해 수집되는 면적을 일차거울보다 작게 하여, 광학 송/수신부(120)를 반사경(130)의 경로에 일치하도록 조준한 후에 광섬유배열(110)의 거치대 위치를 좌우상하 방향으로 조정하여 물리적인 정렬을 수행할 수 있는 것이다.
이후, 데이터 프로세싱 단말(180)은 광학 송/수신부(120)의 방향을 고정시키고 광섬유배열(110)의 미세조정을 통해 전송광의 초점을 광학 송/수신부(120)의 측정지점에 정렬하기 위해 광형성 제공부(160)의 제어를 수행한다.
이와 같이, 광원의 방향성을 제어하여 광 발산각을 조절하는 것과 같은 효과를 가지도록 하여, 요구되는 최적 광을 형성하고 차등흡수 분광법을 위한 최종 광원으로 이용한다.
도 4는 도 1에 있는 광학 송/수신부의 광원으로 이용되는 발광다이오드에 커플된 광섬유를 설명하기 위한 도면이다. 여기에서, 도 4a는 광섬유를 원형 배열로 구성한 실시예를 도시한 도면이고, 도 4b는 광섬유를 정사각형 배열로 구성한 실시예를 도시한 도면이다. 이러한 실시예와는 달리, 광섬유는 배치영역에 해당하는 모양으로 구성될 수 있다
도 4를 참조하면, 하나의 발광다이오드에 커플된 광섬유(101)는 광형성 요소로 동작한다. 예를 들어, 참조번호(110)의 서브 배열과 같이 서로 다른 파장의 발광다이오드들은 각각의 광섬유에 커플할 수도 있고, 같은 파장의 발광다이오드들을 각각의 광섬유에 커플할 수도 있다. 또는, 특정 파장의 단일 발광다이오드를 하나의 서브 배열(121, 120) 광섬유들에 동시에 커플할 수도 있다.
도 4b에 정사각형의 배열의 경우도 도 4a의 원형배열과 유사하게 다양한 광형성 출력을 생성하도록 이용될 수 있다.
도 5는 도 1에 있는 광형성 제공부의 내부 구조를 설명하기 위한 회로도이다.
도 5를 참조하면, 광형성 제공부(160)는 발광다이오드(161), 트랜지스터(162) 및 발광다이오드 드라이브 정전류 제어부(163)를 포함한다.
전원 공급 장치(170)는 발광다이오드(161) 각각과 연결되고, 발광다이오드(161) 각각은 트랜지스터(162) 각각의 커넥터에 직렬 연결되며, 각각의 트랜지스터(162)는 발광다이오드(161) 각각에 정전류가 흐르도록 베이스 전압을 제어한다.
발광다이오드 드라이브 정전류 제어부(163)는 트랜지스터(162) 각각의 에미터에 연결된 저항에서 측정된 전압들이 궤환시켜, 발광다이오드(161) 각각에 전류가 일정하게 흐르도록 베이스 전압을 제어한다. 발광다이오드 드라이버 정전류 제어부(163)의 각 처리는 하드웨어에 의해 수행되며 데이터 프로세싱 단말(도 1, 180)의 소프트웨어로 제어된다. 이하에서는, 도 6을 참조하여 발광다이오드(161) 각각과 정전류드라이버의 매핑을 설명하기로 한다.
도 6은 발광다이오드와 정전류드라이버의 매핑을 설명하기 위한 도면이다. 여기에서, 도 6a는 발광다이오드와 정전류드라이버가 1:1로 매핑된 실시예를 설명하기 위한 도면이고, 도 6b 및 도 6c는 발광다이오드와 정전류드라이버가 1:N으로 매핑된 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a와 같이, 발광다이오드(161) 각각은 정전류 드라이버(164) 각각에 의해 제어되도록 발광다이오드(161)와 정전류드라이버가 1:1로 매핑시켜 회로를 구성하고, 모든 광섬유 광출력들의 세기를 개별적으로 제어가능 하게 장치를 구성할 수 있다.
도 6a와 같이 발광다이오드(161)와 정전류드라이버(164)를 1:1로 매핑시켜 회로를 구성하는 방법 이외에 도 6b 및 도 6c와 같이 발광다이오드와 정전류드라이버를 1:N으로 매핑시켜 회로를 구성할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 광형성 미세조정 제어처리 과정을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 8은 도 7의 실행 과정을 설명하기 위한 참조도이다.
도 7을 참조하면, 광형성 미세조정은 각각의 제어계수들에 따라 발광다이오드의 광세기를 결정하고 이어 커플링을 통해 공간적으로 배열된 광섬유들의 광출력을 통해 원하는 광형성을 하는 것이다.
광형성 제공부(도 1, 160)는 도 6과 같이 발광다이오드 각각과 연결된 정전류드라이버의 출력에 대응하는 발광다이오드의 광출력에 따라 광형성을 수행한다. 여기서, 정전류드라이버의 출력을 제어하는 트랜지스터의 베이스 전압 제어 신호를 찾고자 하는 계수로 하고 최적계수추정 알고리즘을 이용해 최적 해를 구한다.
최적계수추정 알고리즘에서 광경로로 방출되기 전 전송광 세기를 광학 송/수신부(도 1, 110)의 광섬유배열(도 1, 110) 앞에 반사판(도 2, 200)을 삽입하여 분광계(도 1, 140)로 측정한 다음, 측정된 스펙트럼을 거리에 따른 감쇄계수를 이용해 구한 기준 광신호를 최적계수추정 알고리즘에서 요구신호로 이용하는 것이다. 여기에서, 기준 광신호는 도 8의 그래프에서 도시된 도면번호(410)와 같다.
즉, 본 발명은 광학 송/수신부(110)와 반사경(130)을 이용해 같은 광 경로를 통하여 측정된 스펙트럼(도 8, 411)을 이용해서 광형성 미세조정부의 최적 계수를 추정하는 알고리즘을 수행하는 것이다. 상술한 과정의 제어 루틴, 최적계수 추정 및 분광계(140)를 통한 자동 측정 절차는 데이터 프로세싱 단말(도 1, 180) 장치에 구비된다.
이하, 도 5 및 도 7을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 광형성 미세조정 제어처리 과정을 설명하기로 한다.
도 7을 참조하면, 데이터 프로세싱 단말(180)은 기준 광 신호를 측정한다(단계 S701).
데이터 프로세싱 단말(180)은 광형성 제공부(160)로 출력된 광이 반사경(130)을 통과한 후 광학 송/수신부(110)에서 측정된 측정 신호를 y라 하고, 광경로로 방출되기 전에 광섬유배열 앞에 반사판(도 2, 200)을 삽입해, 직접적으로 측정된 광신호를 거리에 대한 감쇄를 추정해 만든 이상적인 기준 광신호를 yi라 한다.
데이터 프로세싱 단말(180)은 광 경로를 고려한 감쇄계수를 적용하여 요구 신호를 계산한다(단계 S702). 즉, 단계 S701를 통해 산출된 기준 광 신호 yi와 제어계수로 설정한 정전류드라이버의 제어 입력 전압 값을 ａ = (a1, …, aN)라 놓고 최적해를 구한다.
그런 다음, 데이터 프로세싱 단말(180)은 주어진 제어 파라메타 초기값 a으로 광 경로 신호를 측정하여 J(a)를 산출한다(단계 S703). 즉, 데이터 프로세싱 단말(180)은 최소자승법을 이용해 우선 요구신호를 기준광 신호 yi로 놓고 수신된 측정 신호 y와의 차인 오차의 자승을 목적함수로 하고, 이 목적함수를 최소화시키는 최적해를 구한다. 출력 값 y의 모델식이 선형이 아닌 비선형이라면, 비선형 최소자승오차를 이용해 해를 구해야 한다.
또한 이때 각 계수에 대한 편도함수 값들의 성분을 포함하는 헤시안 행렬을 구해야 하는데 모델을 알 수 없으면 구할 수가 없다. 따라서, 계수값 ai를 미소 변동시켜 해당 발광다이오드 광출력을 변화시키고, 그때 수신광을 측정해서 그 측정값의 변동 값으로 미분에 대한 근사값을 구해 헤시안 행렬의 요소로 하여 비선형 최소 자승법의 해를 구한다. 피팅되어져야 할 수신광에 대한 모델은 아래의 수학식 3과 같다.
xi: 분광계의 픽셀번호 변수 i에 대응하는 파장값을 가지는 변수
a: 발광다이오드 드라이버의 전류를 제어하는 제어계수로서 최적화 해를 구해야 하는 값,
yi: 측정된 기준 광신호를 거리에 대한 감쇄계수를 곱해서 구한 이상적인 요구신호,
a: 계수
상기의 수학식 4의 계수 a에 대한 목적함수 J 의 gradient가 목적함수가 최소값을 가지는 점에서 영의 값을 가질 것이다. 목적함수를 계수에 대하여 편도함수를 구하면 아래의 수학식 5 및 수학식 6과 같다.
k = 1, 2, ㆍㆍㆍ, M
상기의 수학식 5 및 수학식 6을 선형식으로 정리하면 아래의 수학식 7과 같다.
상기의 수학식 7은 증분 
의 값을 구한다. Levenberg-Marquardt 방법과 같은 비선형 최소자승법으로 해를 구하는 방법을 적용하여 최적해 a를 산출하는 것이다. 이를 위해, a를 다시 새로운 값으로 대치하면 아래의 수학식 8과 같고, 수학식 7을 정리하면 아래의 수학식 9와 같다
초기값 a가 주어지면, J (a)를 계산하고 λ=0.001을 선택한다. 수학식 7의 δa에 대하여 풀고, J (a+ δa) < J (a) 이면 λ를 10배하고 위 루틴을 다시 처리하고, J (a+ δa) < J (a) 이면 λ를 10배 감소시키고 시도 해를 a ← a + δa로 다시 놓고 위 루틴을 수행한다. 즉, 중지조건을 만족할 때까지 반복 수행하는 것이다.
결론적으로, 최적해 a를 구하는 알고리즘을 설명하면, 광경로를 고려한 감쇄계수를 적용한 기준 광신호를 구한 다음 비선형 최소자승법 알고리즘에서 요구신호로 이용한다. 이때 초기에 주어진 계수값 a를 이용해서 목적함수 J (a)를 구한 다음, 초기값 λ=0.001로 놓고 Levenberg-Marquardt 방법을 수행한다(단계 S704 내지 S709).
목적함수가 중지조건을 만족시키면 절차를 중지하고 구한 최적계수를 발광다이오드 드라이버의 제어계수 값으로 정 전류 제어하여 최적의 광형성을 출력한 다음, 차등흡수 분광법의 광원으로 이용하여 대기 중 추적 가스농도 산출을 수행한다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110 : 광섬유배열 120 : 광학 송/수신부
130 : 반사경 140 : 분광계
150 : 발광다이오드 커플러 160 : 광형성 제공부
170 : 전원공급장치 180 : 데이터 프로세싱 단말
190 : 주거울 200 : 반사판
130 : 반사경 140 : 분광계
150 : 발광다이오드 커플러 160 : 광형성 제공부
170 : 전원공급장치 180 : 데이터 프로세싱 단말
190 : 주거울 200 : 반사판
Claims (9)
- 대기 중 가스를 검출하는 차등 흡수 분광법을 위한 방향성 제어장치에 있어서,
복수의 발광다이오드;
상기 복수의 발광다이오드에 배열로 커플 된 광섬유배열;
상기 광섬유로부터 발광되어 개 광경로(open optical path)를 통과한 광신호를 수신하는 광학 송/수신부;
광신호가 상기 광섬유배열의 초점에 대응되도록 상기 광섬유배열의 출력광의 광형성을 제공하는 광형성 제공부;
상기 광학 송/수신부로부터 송신되는 광신호를 반사하는 반사경;
상기 반사경으로부터 상기 반사된 광신호를 수신하는 분광계; 및
상기 광학 송/수신부 및 상기 광섬유배열의 광형성을 제어하는 데이터 프로세싱 단말; 을 포함하여 구성되는 대기 중 가스를 검출하는 차등 흡수 분광법을 위한 방향성 제어장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 광형성 제공부는,
상기 광학 송/수신부 및 반사판을 이용하여 미세조정의 기준이 되는 기준 광신호를 생성하며, 상기 기준 광신호에 대응되도록 상기 광섬유배열의 출력광의 광형성을 제공하며,
상기 데이터 프로세싱 단말은,
상기 광형성 제공부의 정전류 제어를 위한 최적계수 추정방법 프로그램을 이용하여 상기 광형성 제공부의 발광다이오드 드라이버 정전류제어부를 소프트웨어로 제어하는 것을 특징으로 하는 대기 중 가스를 검출하는 차등 흡수 분광법을 위한 방향성 제어장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 광형성 제공부는,
상기 복수의 발광다이오드에 대하여 전류제어를 수행하고, 상기 광섬유의 광출력 세기를 개별적으로 제어하여 상기 복수의 발광다이오드 각각의 정전류의 양을 제어하는 것을 특징으로 하는 대기 중 가스를 검출하는 차등 흡수 분광법을 위한 방향성 제어장치 - 제 2 항에 있어서,
상기 기준 광신호는,
반사판을 광섬유 배열 모듈 앞에 위치시켜서 상기 광학 송/수신부에서 측정된 수신 광신호에 대하여 거리에 따른 감쇄계수를 적용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 대기 중 가스를 검출하는 차등 흡수 분광법을 위한 방향성 제어장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 기준 광신호는,
비선형최소 자승법의 요구신호로 하여 최적계수를 추정하여 생성되는 것을 특징으로 하는 대기 중 가스를 검출하는 차등 흡수 분광법을 위한 방향성 제어장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 광형성 제공부는,
상기 복수의 발광다이오드 각각과 연결된 복수의 정전류드라이버 각각의 출력에 대응하는 발광다이오드의 광출력에 따라 광형성을 수행하고,
상기 복수의 발광다이오드 각각은 복수의 정전류드라이버 각각과 1:1 또는 1:N으로 연결되는 것을 특징으로 하는 대기 중 가스를 검출하는 차등 흡수 분광법을 위한 방향성 제어장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 데이터 프로세싱 단말은,
상기 정전류드라이버의 출력을 제어하는 트랜지스터의 베이스 전압 제어 신호를 계수로 하고 최적계수추정 알고리즘을 이용해 최적 계수를 구하는 것을 특징으로 하는 대기 중 가스를 검출하는 차등 흡수 분광법을 위한 방향성 제어장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 데이터 프로세싱 단말은,
미지의 수신 광 모델 식 대신 측정 수신광 값들에서 도함수 값들을 구하고, 초기계수에 미소증분값을 더한 다음 상기 수신 광을 측정하여 이로부터 측정변동 값을 구하고, 상기 계수 미소증분값에 대한 측정변동값을 이용하여 각각의 계수에 대한 수신광의 미분 값을 근사화하고, 상기 미분 근사값들을 비선형 최소자승방법의 헤시안 행렬의 요소들로 이용하여 상기 최적 계수를 추정하는 것을 특징으로 하는 대기 중 가스를 검출하는 차등 흡수 분광법을 위한 방향성 제어장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 광섬유배열은,
원형 구성, 정사각형 구성 또는 배치영역에 해당하는 모양의 구성 중 어느 하나로 구성되고,
상기 광섬유배열의 중심 또는 특정 위치에는 하나의 수신 광섬유가 위치하는 것을 특징으로 하는, 대기 중 가스를 검출하는 차등 흡수 분광법을 위한 방향성 제어장치.
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