KR20200057998A - 오일 유출 감지장치 - Google Patents

오일 유출 감지장치 Download PDF

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KR20200057998A KR1020180142392A KR20180142392A KR20200057998A KR 20200057998 A KR20200057998 A KR 20200057998A KR 1020180142392 A KR1020180142392 A KR 1020180142392A KR 20180142392 A KR20180142392 A KR 20180142392A KR 20200057998 A KR20200057998 A KR 20200057998A
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임강빈
문혜림
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Abstract

본 발명은 오일 유출 감지장치에 관한 것으로서, 레이저 광원과, 다이크로익 미러와, 광학렌즈부와, 분광부와, 제어부를 포함한다. 레이저 광원은 레이저광을 출사한다. 다이크로익 미러는 레이저 광원에서 출사되는 레이저광 및 레이저광이 조사된 검사대상물에서 출사되는 검출광 중 어느 하나는 투과시키고 다른 하나는 반사시킨다. 광학렌즈부는 다이크로익 미러를 경유한 레이저광을 성형하여 검사대상물 측으로 전달하고, 검사대상물에서 출사되는 검출광을 성형하여 다이크로익 미러 측으로 전달한다. 분광부는 다이크로익 미러를 경유한 검출광을 포함한 광을 수신하고, 수신된 광에 대한 분광 신호를 출력한다. 제어부는 분광부에 수신된 광의 분광 신호로부터 주변광의 분광 신호를 제거하여 검출광의 분광 신호를 추출한다.

Description

오일 유출 감지장치{APPARATUS FOR DETECTING OIL SPILL}
본 발명은 오일 유출 감지장치에 관한 것으로서, 상세하게는 원격 위치에서 레이저광을 검사대상물에 조사하고 검사대상물에서 출사되는 검출광을 통해 오일 유출의 유무를 감지할 수 있는 오일 유출 감지장치에 관한 것이다.
최근 해상 물류량이 증가함에 따라 선박의 좌초나 충돌로 인하여 해난사고가 많이 발생하고 있다. 이러한 해난사고는 인명과 재산 피해뿐만 아니라 오일 유출로 인한 해양 환경을 오염시켜 환경재해를 야기시킨다.
특히, 사고로 인해 유출된 오일은 바람이나 파도, 조류 등의 영향을 받아 급속히 확산되므로 사고 초기에 제거하여야 해상 오염으로 인한 피해를 최소화시킬수 있다.
한편, 해양에 유출된 오일을 수거하기 위한 장치는 다양한 장치들이 제안되어 있으나, 환경오염을 최소화하기 위해서는 해양에 오일이 유출되었는지를 원격으로 검출할 수 있는 장비는 요구되고 있다.
또한, 유출된 오일로부터 출사되는 형광 신호를 검출할 때, 태양광이나 자연광과 같은 주변광이 함께 수신되면, 노이즈 신호가 증가하여 신호대 잡음비(S/N ratio)가 현저히 낮아져 검출의 정확도가 감소하는 문제가 있다.
한국공개특허공보 제2015-0030395호(2015.03.20 공개, 발명의 명칭 : 파이프의 오일 유출 감지 시스템)
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 장치에 수신된 광의 분광 신호로부터 태양광이나 자연광과 같은 주변광에 의한 분광 신호를 제거함으로써, 신호대 잡음비를 높이고 오일 검출의 정확도도 향상시킬 수 있는 오일 유출 감지장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 오일 유출 감지장치는, 레이저광을 출사하는 레이저 광원; 상기 레이저 광원에서 출사되는 레이저광 및 레이저광이 조사된 검사대상물에서 출사되는 검출광 중 어느 하나는 투과시키고 다른 하나는 반사시키는 다이크로익 미러; 상기 다이크로익 미러를 경유한 레이저광을 성형하여 검사대상물 측으로 전달하고, 검사대상물에서 출사되는 검출광을 성형하여 상기 다이크로익 미러 측으로 전달하는 광학렌즈부; 상기 다이크로익 미러를 경유한 검출광을 포함한 광을 수신하고, 수신된 광에 대한 분광 신호를 출력하는 분광부; 및 상기 분광부에 수신된 광의 분광 신호로부터 주변광의 분광 신호를 제거하여 상기 검출광의 분광 신호를 추출하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 오일 유출 감지장치에 있어서, 상기 레이저 광원에 주기적으로 반복되는 레이저 온 신호와 레이저 오프 신호를 인가하는 레이저 구동부;를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 레이저 광원에 상기 레이저 온 신호가 인가될 때 상기 분광부에 수신된 광의 분광 신호 및 상기 레이저 광원에 상기 레이저 오프 신호가 인가될 때 상기 분광부에 수신된 광의 분광 신호의 차를 이용하여 상기 검출광의 분광 신호를 추출할 수 있다.
본 발명에 따른 오일 유출 감지장치에 있어서, 상기 제어부는 최소자승법을 이용하여 상기 검출광의 분광 신호를 추출할 수 있다.
본 발명에 따른 오일 유출 감지장치에 있어서, 상기 레이저 구동부는 펄스 파형의 레이저 온 신호 및 레이저 오프 신호를 생성하고, 상기 레이저 온 신호의 펄스폭은 변동 가능할 수 있다.
본 발명에 따른 오일 유출 감지장치에 있어서, 상기 레이저광은 450nm 파장을 가지고, 검사대상물이 오일인 경우 상기 검출광은 550nm 이상 580nm 이하의 파장을 가질 수 있다.
본 발명의 오일 유출 감지장치에 따르면, 신호대 잡음비를 높이고 오일 검출의 정확도도 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 오일 유출 감지장치에 따르면, 별도의 구성 부품을 추가하지 않고 전체 장치의 구성을 간소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 오일 유출 감지장치에 따르면, 다양한 환경과 상황에서도 장치의 측정 감도를 높일 수 있고, 장치의 호환성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오일 유출 감지장치를 개략적으로 도시한 도면이고,
도 2는 도 1의 오일 유출 감지장치의 레이저 온 신호 때 분광부에 수신된 광의 분광 신호와 레이저 오프 신호 때 분광부에 수신된 광의 분광 신호를 비교설명하기 위한 도면이고,
도 3은 도 1의 오일 유출 감지장치에 있어서 분광부에 수신된 광의 분광 신호로부터 주변광의 분광 신호를 제거하여 추출된 검출광의 분광 신호를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 오일 유출 감지장치의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오일 유출 감지장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 오일 유출 감지장치의 레이저 온 신호 때 분광부에 수신된 광의 분광 신호와 레이저 오프 신호 때 분광부에 수신된 광의 분광 신호를 비교설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 1의 오일 유출 감지장치에 있어서 분광부에 수신된 광의 분광 신호로부터 주변광의 분광 신호를 제거하여 추출된 검출광의 분광 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 오일 유출 감지장치는, 원격 위치에서 레이저광을 검사대상물에 조사하고 검사대상물에서 출사되는 검출광을 통해 오일 유출의 유무를 감지할 수 있는 것으로서, 레이저 광원(110)과, 레이저 구동부(160)와, 다이크로익 미러(120)와, 광학렌즈부(130)와, 분광부(140)와, 제어부(150)를 포함한다.
상기 레이저 광원(110)은 검사대상물(10)에 조사되는 레이저광(L1)을 출사한다. 본 실시예의 레이저 광원(110)은 450nm 파장을 가지는 레이저광(L1)을 출사할 수 있다.
상기 레이저 구동부(160)는 레이저 광원(110)에 주기적으로 반복되는 레이저 온 신호(LS1)와 레이저 오프 신호(LS2)를 인가한다.
레이저 광원(110)에 레이저 온 신호(LS1)가 인가될 때는 레이저광(L1)이 출사되고, 레이저 광원(110)에 레이저 오프 신호(LS2)가 인가될 때는 레이저광(L1)이 출사되지 않는다.
본 실시예의 레이저 구동부(160)는 펄스 파형의 레이저 온 신호(LS1) 및 레이저 오프 신호(LS2)를 생성하는 것이 바람직하고, 레이저 온 신호(LS1)의 펄스폭(PW)은 변동 가능하다.
상기 다이크로익 미러(120)는 레이저 광원(110)에서 출사되는 레이저광(L1) 및 레이저광(L)이 조사된 검사대상물(10)에서 출사되는 검출광(L2) 중 어느 하나는 투과시키고 다른 하나는 반사시킨다.
도 1에 도시된 실시예를 참조하면, 본 실시예의 다이크로익 미러(120)는 레이저 광원(110)에서 출사되는 레이저광(L1)은 투과시키고, 레이저광(L1)이 조사된 검사대상물(10)에서 출사되는 검출광(L2)은 레이저광(L1)의 진행경로와 다른 경로로 반사시킨다.
이외에도 다이크로익 미러(120)는 레이저광(L1)을 반사시키고, 검출광(L2)을 투과시키도록 구성될 수도 있다.
상기 광학렌즈부(130)는 다이크로익 미러(120)를 경유한 레이저광(L1)을 성형하여 검사대상물(10) 측으로 전달하고, 검사대상물(10)에서 출사되는 검출광(L2)을 성형하여 다이크로익 미러(120) 측으로 전달한다.
본 실시예의 광학렌즈부(130)는 제1콜리메이팅 렌즈(131)와, 제2콜리메이팅 렌즈(132)를 구비할 수 있다.
제1콜리메이팅 렌즈(131)는 다이크로익 미러(120)와 제2콜리메이팅 렌즈(132) 사이에 설치되고, 다이크로익 미러(120)를 통과한 레이저광(L1)을 집광시킨다.
제2콜리메이팅 렌즈(132)는 제1콜리메이팅 렌즈(131)의 초점거리를 지나 확산되는 레이저광(L1)을 평행광으로 변환시킨다.
즉, 레이저광(L1)은 제1콜리메이팅 렌즈(131)과 제2콜리메이팅 렌즈(132)를 통과하면서 원하는 형상으로 성형되어 검사대상물(10) 측으로 전달된다.
검사대상물(10)에서 출사되는 검출광(L2)에 대해 제2콜리메이팅 렌즈(132)는 검출광(L2)을 집광시키고, 제1콜리메이팅 렌즈(131)는 제2콜리메이팅 렌즈(132)의 초점거리를 지나 확산되는 검출광(L2)을 평행광으로 변환시켜 다이크로익 미러(120)로 입사시킨다.
즉, 검출광(L2)은 제2콜리메이팅 렌즈(132)와 제1콜리메이팅 렌즈(131)를 통과하면서 원하는 형상으로 성형되어 다이크로익 미러(120) 측으로 전달된다.
상기 분광부(140)는 다이크로익 미러(120)를 경유한 검출광(L2)을 포함한 광을 수신하고, 수신된 광에 대한 분광 신호를 출력한다.
검사대상물(10)에 레이저광(L1)이 조사되면, 검사대상물(10)에서는 레이저광(L1)에 의해 여기된 형광 신호인 검출광(L2)이 출사된다. 검사대상물(10)이 오일인 경우 분광부(140)에 수신된 검출광(L2)의 파장을 분석해 보면, 오일로부터 출사된 검출광(L2)은 약 550nm 이상 580nm 이하의 파장을 가질 수 있다.
한편, 분광부(140)에는 검사대상물(10)로부터 출사된 검출광(L2) 이외에도 다양한 광이 수신될 수 있다. 야외에서 오일 유출을 감지할 경우 태양광, 자연광 등과 같은 주변광이 검출광(L2)과 섞여서 분광부(140)에 수신될 수 있다.
따라서, 본 명세서에서 분광부(140)에 수신되는 검출광(L2)을 포함한 광이라 함은, 검사대상물(10)로부터 출사된 검출광(L2) 및 태양광, 자연광 등과 같은 주변광을 포함하는 의미로 정의된다.
본 실시예의 분광부(140)는 반사미러(141), 제3콜리메이팅 렌즈(142), 도파부재(143) 및 분광기(144)를 포함한다.
반사미러(141)은 다이크로익 미러(120)에서 입사되는 검출광(L2)을 제3콜리메이팅 렌즈(142) 측으로 반사시킨다.
제3콜리메이팅 렌즈(142)는 반사미러(141)를 경유한 검출광(L2)을 집광시켜 도파부재(143)로 입사시킨다.
도파부재(143)는 제3콜리메이팅 렌즈(142)에 의해 집광된 검출광(L2)을 수신하여 분광기(144) 측으로 전달한다. 본 실시예에서 도파부재(140)로는 광파이버가 이용될 수 있다.
분광기(144)는 도파부재(143)를 통해 도파된 검출광(L2)을 파장별로 분광하고, 파장별 광의 세기(intensity)를 포함하는 분광 신호를 제어부(150) 측으로 출력한다.
상기 제어부(150)는 분광부(140)에 수신된 광의 분광 신호(SS1)로부터 주변광의 분광 신호(SS2)를 제거하여 검출광의 분광 신호(SS3)를 추출한다.
도 2를 참조하면, 레이저 구동부(160)에서 생성된 레이저 온 신호(LS1)가 레이저 광원(110)에 인가되면, 레이저 광원(110)에서 출사된 레이저광(L1)이 검사대상물(10)에 조사된다. 레이저광(L1)에 의해 여기된 검출광(L2)이 검사대상물(10)에서 출사되어 분광부(140)에 수신되는데, 이때 분광부(140)에는 검출광(L2)뿐만 아니라, 태양광이나 자연광 같은 주변광 또한 함께 수신될 수 있다.
따라서, 레이저 온 신호(LS1)가 인가될 때 분광부(140)에 수신된 광은 검출광(L2)과 주변광을 포함할 수 있고, 레이저 온 신호(LS1)일 때 분광부(140)에 수신된 광의 분광 신호(SS1)는 도 2의 (b)와 같이 표시될 수 있다.
반면에, 레이저 구동부(160)에서 생성된 레이저 오프 신호(LS2)가 레이저 광원(110)에 인가되면, 레이저 광원(110)에서는 레이저광(L1)이 출사되지 않고, 검사대상물(10)에서도 검출광(L2)이 출사되지 않는다. 이때 분광부(140)에는 검출광(L2)은 수신되지 않고, 태양광이나 자연광 같은 주변광만이 수신될 수 있다.
따라서, 레이저 오프 신호(LS2)가 인가될 때 분광부(140)에 수신된 광은 주변광만을 포함할 수 있고, 레이저 오프 신호(LS2)일 때 분광부(140)에 수신된 광의 분광 신호(SS2)는 도 2의 (b)와 같이 표시될 수 있다.
본 실시예의 제어부(150)는, 레이저 온 신호(LS1)일 때 분광부(140)에 수신된 광(검출광(L2)과 주변광 포함)의 분광 신호(SS1) 및 레이저 오프 신호(LS2)일 때 분광부(140)에 수신된 광(주변광만 포함)의 분광 신호(SS2)의 차를 이용하여, 도 3에 도시된 바와 같은 검출광(LS2)의 분광 신호(SS3)를 추출할 수 있다.
이때, 최소자승법을 이용하여 2개의 광신호의 차를 구함으로써, 최적화된 검출광(L2)의 분광 신호(SS3)를 추출할 수 있다.
이와 같이 주변광의 분광 신호를 제거하는 과정에서 레이저광(L1)의 출사 여부와 관련된 레이저 온 신호(LS1) 및 레이저 오프 신호(LS2)를 이용함으로써, 별도의 구성 부품을 추가하지 않고 전체 장치의 구성을 간소화할 수 있다.
또한, 펄스 파형의 레이저 온 신호(LS1)가 인가될 때 검사대상물(10)에서 출사된 검출광(L2)이 분광부(140)에 수신될 수 있는데, 검사대상물(10)이 실제 오일임에도 불구하고 레이저 온 신호(LS1)의 펄스폭(PW)에 따라 분광 신호의 세기가 약하게 출력되면서 측정 감도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 장치의 측정 감도를 높이는 방향으로 레이저 온 신호(LS1)의 펄스폭(PW)을 변동시키면서 장치를 조정할 수 있다.
한편, 제어부(150)는 분광부(140)에서 출력되는 분광 신호로부터 오일의 유출 여부를 판단처리한다.
제어부(150)는 레이저광(L1)에 여기되어 수신된 검출광(L2)의 분광 신호(SS3)에 550nm 이상 580nm 이하의 형광 신호가 설정된 기준 세기 이상으로 검출되면 레이저광(L1)이 조사된 검사대상물(10)을 오일로 처리하고, 해당 영역에 오일이 유출된 것으로 처리한다. 오일에는 다양한 탄화수소 화합물을 포함하고 있어 자외선 영역의 광을 흡수하면 가시광선 영역의 형광 신호를 발생한다.
제어부(150)는 오일이 유출된 것으로 판단되면 표시부(미도시)를 통해 오일 유출이 발생했음을 알리는 정보를 표시할 수 있다.
또한, 제어부(150)의 룩업 테이블에는 오일의 종류별로 발생하는 형광 신호의 파장 및 세기에 대한 특성 정보가 기록되어 있고, 검출광(L2)의 분광 신호(SS3)를 룩업 테이블에 기록된 오일 종류 정보와 비교하여 가장 유사한 것으로 결정된 오일의 종류 정보를 출력하도록 구축될 수 있다.
또한, 제어부(150)는 오일이 유출된 것으로 판정되면 등록된 관리자의 단말기로 오일 유출 정보를 전송하도록 구축될 수 있다.
이러한 오일 유출 감지장치(100)는 해상의 선박에서 원거리의 해상에 레이저광이 조사되게 함으로써 오일 유출 여부를 감지하는데 이용될 수 있다. 또한, 드론에 장착하여 해상 상부에서 비행하면서 오일 유출 여부를 감지하는데 이용될 수도 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 오일 유출 감지장치는, 장치에 수신된 광의 분광 신호로부터 태양광이나 자연광과 같은 주변광의 분광 신호를 제거함으로써, 신호대 잡음비를 높이고 오일 검출의 정확도도 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 오일 유출 감지장치는, 주변광의 분광 신호를 제거하는 과정에서 레이저광의 출사 여부와 관련된 레이저 온 신호 및 레이저 오프 신호를 이용함으로써, 별도의 구성 부품을 추가하지 않고 전체 장치의 구성을 간소화할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 오일 유출 감지장치는, 레이저 온 신호(LS1)의 펄스폭(PW)을 변동시킴으로써, 다양한 환경과 상황에서도 장치의 측정 감도를 높일 수 있고, 장치의 호환성을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예 및 변형례에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
10 : 오일
100 : 오일 유출 감지장치
110 : 레이저 광원
120 : 다이크로익 미러
130 : 광학렌즈부
140 : 분광부
150 : 제어부

Claims (5)

  1. 레이저광을 출사하는 레이저 광원;
    상기 레이저 광원에서 출사되는 레이저광 및 레이저광이 조사된 검사대상물에서 출사되는 검출광 중 어느 하나는 투과시키고 다른 하나는 반사시키는 다이크로익 미러;
    상기 다이크로익 미러를 경유한 레이저광을 성형하여 검사대상물 측으로 전달하고, 검사대상물에서 출사되는 검출광을 성형하여 상기 다이크로익 미러 측으로 전달하는 광학렌즈부;
    상기 다이크로익 미러를 경유한 검출광을 포함한 광을 수신하고, 수신된 광에 대한 분광 신호를 출력하는 분광부; 및
    상기 분광부에 수신된 광의 분광 신호로부터 주변광의 분광 신호를 제거하여 상기 검출광의 분광 신호를 추출하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 오일 유출 감지장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 광원에 주기적으로 반복되는 레이저 온 신호와 레이저 오프 신호를 인가하는 레이저 구동부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 레이저 광원에 상기 레이저 온 신호가 인가될 때 상기 분광부에 수신된 광의 분광 신호 및 상기 레이저 광원에 상기 레이저 오프 신호가 인가될 때 상기 분광부에 수신된 광의 분광 신호의 차를 이용하여 상기 검출광의 분광 신호를 추출하는 것을 특징으로 하는 오일 유출 감지장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 최소자승법을 이용하여 상기 검출광의 분광 신호를 추출하는 것을 특징으로 하는 오일 유출 감지장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 레이저 구동부는 펄스 파형의 레이저 온 신호 및 레이저 오프 신호를 생성하고,
    상기 레이저 온 신호의 펄스폭은 변동 가능한 것을 특징으로 하는 오일 유출 감지장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레이저광은 450nm 파장을 가지고,
    검사대상물이 오일인 경우 상기 검출광은 550nm 이상 580nm 이하의 파장을 가지는 것을 특징으로 하는 오일 유출 감지장치.
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