KR20220074754A - 입자 사이즈 분포를 결정하는 방법 및 전자 장치 - Google Patents

입자 사이즈 분포를 결정하는 방법 및 전자 장치 Download PDF

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Abstract

전자 장치가 대기 입자 사이즈 분포를 결정하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 입자 신호들을 검출하기 위한 프로브 볼륨을 설정하기 위해, 레이저 빔을 포커싱하되, 상기 프로브 볼륨의 사이즈는 검출하고자 하는 입자의 사이즈에 따라 결정되는 것인, 단계; 상기 프로브 볼륨을 통과한 입자들로부터 산란된 입자들의 신호들을 검출하는 단계; 상기 입자들의 신호들의 파형들로부터, 입자들의 신호 파라미터들을 획득하되, 상기 신호 파라미터들은, 신호 진동 주파수, 신호의 진동수, 신호의 진폭, 입자가 프로브 볼륨을 통과하는 시간 및 신호 포락선(envelope) 중 적어도 하나를 포함하는, 단계; 상기 신호 파라미터들의 통계 데이터를 획득하는 단계; 및 상기 신호 파라미터들의 통계 데이터를 입자 사이즈 분포 결정 모델에 적용하여, 입자들의 사이즈 분포를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

입자 사이즈 분포를 결정하는 방법 및 전자 장치{ELECTRONIC DEVICE FOR DETERMINING PARTICLE SIZE DISTRIBUTION AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 개시는 대기 입자 사이즈 분포를 결정하고 대기 중의 입자들의 유형을 결정하는 전자 장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
대도시들의 환경 문제들은 스마트폰, 모바일 폰, 태블릿, 스마트 워치 등과 같은 모바일 디바이스들에 내장되는 정밀 먼지 및 가스 센서들에 대한 수요를 증가시키고 있다. 대기질이 인간 건강에 영향을 미치는 대부분의 중요한 요인들 중 하나이다. 상이한 사이즈들의 입자들은 상이한 위험 요인들을 가진다. 예를 들어, 작은 입자들(> 10μm)은 폐 깊숙이 침투하며, 초미세 입자들(> 1μm)은 혈류에 들어갈 수 있다. 미립자 농도들(예컨대, <2.5μm인 입자들의 경우 PM2.5 및 <10μm인 입자들의 경우 PM10)은 많은 국가들에서 대기질 지수(Air Quality Index)(AQI)에 포함된다. 대기 중의 PM 입자들의 농도는 도시에서도 시간과 로케이션에 따라 크게 달라질 수 있다.
현존하는 먼지 센서들은 다음의 단점들을 갖는다. 알려진 야외 먼지 센서들은 높은 검출 정확도를 제공하지 않거나, 또는 모바일 디바이스들 안에 구축될 수 없는 충분히 큰 치수들의 복잡한 구조를 갖거나, 또는 검출이 수행되는 지향성 기류를 제공하기 위한 추가적인 외부 디바이스들을 요구한다. 알려진 챔버형 먼지 센서들은 모바일 디바이스들 안에 구축될 수 없는 충분히 큰 치수들의 구조를 갖는다. 이에 따라, 모바일 디바이스 등의 전자 장치에서 대기 중의 입자들의 사이즈 분포를 정확하게 결정하는 것이 필요하다.
본 개시는, 전술한 문제를 해결하기 위한 것으로써, 레이저 빔을 포커싱하여 레이저 빔의 초점 근처의 영역에서 프로브 볼륨을 형성하고, 프로브 볼륨을 통과하는 입자들로부터 검출되는 입자 신호들에 기초하여, 입자 사이즈 분포를 결정하는, 전자 장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
본 개시의 일 측면에 따르면, 전자 장치가 대기 입자 사이즈 분포를 결정하는 방법을 제공할 수 있다. 상기 방법은, 입자 신호들을 검출하기 위한 프로브 볼륨을 설정하기 위해, 레이저 빔을 포커싱하되, 상기 프로브 볼륨의 사이즈는 검출하고자 하는 입자의 사이즈에 따라 결정되는 것인, 단계; 상기 프로브 볼륨을 통과한 입자들로부터 산란된 입자들의 신호들을 검출하는 단계; 상기 입자들의 신호들의 파형들로부터, 입자들의 신호 파라미터들을 획득하되, 상기 신호 파라미터들은, 신호 진동 주파수, 신호의 진동수, 신호의 진폭, 입자가 프로브 볼륨을 통과하는 시간 및 신호 포락선(envelope) 중 적어도 하나를 포함하는, 단계; 상기 신호 파라미터들의 통계 데이터를 획득하는 단계; 및 상기 신호 파라미터들의 통계 데이터를 입자 사이즈 분포 결정 모델에 적용하여, 입자들의 사이즈 분포를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 입자 사이즈 분포 결정 모델은, 상기 신호 파라미터들로 구성되는 훈련 데이터셋을 획득하는 단계; 상기 신호 파라미터들을 입자 사이즈에 매핑하는 의존 함수를 결정하고, 입자 사이즈 분포 모델의 수치 파라미터들을 결정함으로써 초기 입자 사이즈 결정 모델을 생성하는 단계; 상기 신호 파라미터들의 통계 데이터를 상기 초기 입자 사이즈 결정 모델에 적용하여, 초기 입자 사이즈 분포를 획득하는 단계; 상기 초기 입자 사이즈 분포를 미리 결정된 입자 사이즈의 정답 분포와 비교함으로써, 상기 초기 입자 사이즈 결정 모델을 미세조정하는 단계를 통해 학습된 것일 수 있다.
상기 방법은, 상기 검출하고자 하는 입자의 사이즈에 따라 결정되는 상기 프로브 볼륨의 사이즈를 조정하기 위해, 상기 레이저 빔의 초점 거리를 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은, 상기 신호 파라미터들에 기초하여 상기 프로브 볼륨을 통과하는 상기 입자들의 궤적들을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은, 상기 프로브 볼륨이 덤벨 모양인 경우, 하나의 입자가 상기 덤벨 모양의 프로브 볼륨의 두 번 통과하는지 여부를 검출하기 위한 시간 임계값을 설정하는 단계; 상기 덤벨 모양의 프로브 볼륨에서 차례로 검출되는 두 개의 입자 신호들이 검출된 시간 차이가 상기 시간 임계값 미만인 경우, 상기 두 개의 입자 신호들 중 두번째로 검출된 입자 신호를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은, 상기 프로브 볼륨을 통과하는 기류의 기류 속도를 계산하는 단계; 기 설정된 검출 시간 동안 상기 프로브 볼륨을 통과하는 입자들의 수를 결정하는 단계; 각각의 입자 사이즈의 입자들에 대한 입자 농도를 계산하는 단계; 및 모든 사이즈의 입자들의 농도를 합산함으로써, 대기 내 입자들의 총 농도를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은, 특정 유형의 입자들에 대하여 미리 결정된 입자 사이즈들의 분포를 나타내는 입자 사이즈 정보를 획득하는 단계; 위치, 날씨 조건 및 계절 중 적어도 하나를 포함하는 검출 조건 정보를 획득하는 단계; 상기 검출 조건 정보에 대응하는 입자 사이즈 정보를 선택하는 단계 및; 상기 결정된 입자 사이즈 분포를 상기 선택된 입자 사이즈 정보에 포함되는 미리 결정된 입자 사이즈들의 분포와 비교함으로써, 입자 유형을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 일 측면에 따르면, 입자 사이즈 분포를 결정하는 전자 장치를 제공할 수 있다. 상기 전자 장치는, 먼지 센서; 포커싱 엘리먼트; 하나 이상의 인스트럭션을 저장하는 적어도 하나의 메모리; 및 상기 메모리에 저장된 상기 하나 이상의 인스트럭션을 실행하는 적어도 하나의 프로세서를 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 하나 이상의 인스트럭션을 실행함으로써, 입자 신호들을 검출하기 위한 프로브 볼륨을 설정하기 위해, 레이저 빔을 포커싱하도록 상기 포커싱 엘리먼트를 제어하되, 상기 프로브 볼륨의 사이즈는 검출하고자 하는 입자의 사이즈에 따라 결정되는 것이고, 상기 먼지 센서를 이용하여 프로브 볼륨을 통과한 입자들로부터 산란된 입자들의 신호들을 검출하고, 상기 입자들의 신호들의 파형들로부터, 입자들의 신호 파라미터들을 획득하되, 상기 신호 파라미터들은, 신호 진동 주파수, 신호의 진동수, 신호의 진폭, 입자가 프로브 볼륨을 통과하는 시간 및 신호 포락선(envelope) 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 신호 파라미터들의 통계 데이터를 획득하고, 상기 신호 파라미터들의 통계 데이터를 입자 사이즈 분포 결정 모델에 적용하여, 입자들의 사이즈 분포를 결정할 수 있다.
상기 전자 장치가 이용하는 상기 입자 사이즈 분포 결정 모델은, 상기 신호 파라미터들로 구성되는 훈련 데이터셋을 획득하는 단계; 상기 신호 파라미터들을 입자 사이즈에 매핑하는 의존 함수를 결정하고, 입자 사이즈 분포 모델의 수치 파라미터들을 결정함으로써 초기 입자 사이즈 결정 모델을 생성하는 단계; 상기 신호 파라미터들의 통계 데이터를 상기 초기 입자 사이즈 결정 모델에 적용하여, 초기 입자 사이즈 분포를 획득하는 단계; 상기 초기 입자 사이즈 분포를 미리 결정된 입자 사이즈의 정답 분포와 비교함으로써, 상기 초기 입자 사이즈 결정 모델을 미세조정하는 단계를 통해 학습된 것일 수 있다.
상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 하나 이상의 인스트럭션을 실행함으로써, 상기 검출하고자 하는 입자의 사이즈에 따라 결정되는 상기 프로브 볼륨의 사이즈를 조정하기 위해, 상기 레이저 빔의 초점 거리를 변경하도록 상기 포커싱 엘리먼트를 제어할 수 있다.
상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 하나 이상의 인스트럭션을 실행함으로써, 상기 신호 파라미터들에 기초하여 상기 프로브 볼륨을 통과하는 상기 입자들의 궤적들을 결정할 수 있다.
상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 하나 이상의 인스트럭션을 실행함으로써, 상기 프로브 볼륨이 덤벨 모양인 경우, 하나의 입자가 상기 덤벨 모양의 프로브 볼륨의 두 번 통과하는지 여부를 검출하기 위한 시간 임계값을 설정하고, 상기 덤벨 모양의 프로브 볼륨에서 차례로 검출되는 두 개의 입자 신호들이 검출된 시간 차이가 상기 시간 임계값 미만인 경우, 상기 두 개의 입자 신호들 중 두번째로 검출된 입자 신호를 제거할 수 있다.
상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 하나 이상의 인스트럭션을 실행함으로써, 상기 프로브 볼륨을 통과하는 기류의 기류 속도를 계산하고, 기 설정된 검출 시간 동안 상기 프로브 볼륨을 통과하는 입자들의 수를 결정하고, 각각의 입자 사이즈의 입자들에 대한 입자 농도를 계산하고, 모든 사이즈의 입자들의 농도를 합산함으로써, 대기 내 입자들의 총 농도를 결정할 수 있다.
상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 하나 이상의 인스트럭션을 실행함으로써, 특정 유형의 입자들에 대하여 미리 결정된 입자 사이즈들의 분포를 나타내는 입자 사이즈 정보를 획득하고, 위치, 날씨 조건 및 계절 중 적어도 하나를 포함하는 검출 조건 정보를 획득하고, 상기 검출 조건 정보에 대응하는 입자 사이즈 정보를 선택하고, 상기 결정된 입자 사이즈 분포를 상기 선택된 입자 사이즈 정보에 포함되는 미리 결정된 입자 사이즈들의 분포와 비교함으로써, 입자 유형을 결정할 수 있다.
본 개시의 일 측면에 따르면, 전술한 전자 장치가 대기 입자 사이즈 분포를 결정하는 방법들 중 어느 하나를 실행시키기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능 기록매체를 제공할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치의 동작을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치가 프로브 볼륨들을 이용하여, 상이한 사이즈의 입자들을 검출하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치가 입자 궤적들의 통계에 기초하여 입자 사이즈 분포를 추정하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치가 신호 특징에 기초하여 입자 궤적을 추정하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치가 입자의 사이즈 및 궤적을 추정하기 위해 생성한, 신호 특성 통계치의 일 예시를 도시한 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치가 입자 사이즈 분포를 결정하는 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 7a는 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치가 입자 사이즈 분포 결정 모델을 학습하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7b는 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치가 입자 사이즈 분포 결정 모델을 학습하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치가 프로브 볼륨에서 검출된 신호 파형을 이용하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치가 입자 농도 및 대기 내 입자들의 농도를 계산하는 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치가 대기 중 입자들의 유형을 결정하는 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치의 블록도이다.
본 개시에서, "a, b 또는 c 중 적어도 하나" 표현은 " a", " b", " c", "a 및 b", "a 및 c", "b 및 c", "a, b 및 c 모두", 혹은 그 변형들을 지칭할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 명세서에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치의 동작을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 대기 중의 입자들(110)의 사이즈 분포를 결정할 수 있다. 전자 장치(2000)는 대기 중의 입자들에 레이저 빔(120)을 조사하고, 대기 중 입자들로부터 후방 산란되는 입자 신호를 검출할 수 있다.
대기 중의 입자들(110)은, 입자들(110)의 사이즈가 다르면 입자로부터 검출되는 입자 신호가 상이하다. 예를 들어, 입자 사이즈에 따라서, 입자 신호가 검출되는 영역, 입자의 궤적, 입자 신호의 진폭, 진동수, 등이 상이하다.
일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 후술하는 실시예들에 따라, 입자 사이즈에 따른 입자 신호들의 특징들에 기초하여, 입자 사이즈 분포(130)를 결정할 수 있다.
일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 결정된 입자 사이즈 분포(130)를 바탕으로, 대기 중 입자 농도를 결정할 수 있다. 예를 들어, 전자 장치(2000)는 대기 중 미세먼지 농도를 결정할 수 있다. 일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 입자 사이즈 분포(130)에 기초하여, 대기 퀄리티 정보(140)를 생성하고, 사용자에게 제공할 수 있다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치가 프로브 볼륨들을 이용하여, 상이한 사이즈의 입자들을 검출하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
일 실시예에서, 전자 장치(2000)는 상이한 사이즈들의 입자를 검출하기 위해, 출력되는 레이저 빔의 초점을 조절할 수 있다.
본 개시에서, 전자 장치(2000)로부터 출력된 레이저 빔이 입자로부터 반사되어 후방으로 산란되는 파워가 검출될 수 있는 충분한 영역을 프로브 볼륨이라고 한다. 프로브 볼륨은, 포커스된 레이저 빔의 초점 근처에서 형성된다. 예를 들어, 10μm 입자에 대한 프로브 볼륨(210)은 10μm 입자로부터 반사되는 신호의 파워가 검출될 수 있는 영역이며, 5μm 입자에 대한 프로브 볼륨(220)은 5μm 입자로부터 반사되는 신호의 파워가 검출될 수 있는 영역이고, 1μm 입자에 대한 프로브 볼륨(230)은 1μm 입자로부터 반사되는 신호의 파워가 검출될 수 있는 영역을 말한다.
입자에 의해 반사된 신호의 파워는, 전자 장치(2000)로부터 출력되는 레이저 빔의 출력 밀도 및/또는 입자의 사이즈에 따라 달라진다. 따라서, 입자의 사이즈가 달라지는 경우, 서로 다른 사이즈의 입자들로부터 반사된 신호들의 파워가 달라지므로, 상이한 사이즈의 입자들에 대응되는 프로브 볼륨의 사이즈도 상이하다. 구체적으로, 더 큰 입자들로부터 반사된 신호들의 파워는 작은 입자들로부터 반사된 신호들의 파워보다 더 강력하므로, 더 큰 입자들로부터 반사된 신호의 파워는 레이저 빔의 초점으로부터 더 먼 거리에서도 검출될 수 있다. 즉, 검출될 입자의 사이즈가 더 클수록, 프로브 볼륨의 사이즈가 더 커진다. 초점 길이가 긴 경우(200)를 예로 들면, 10μm 입자에 대한 프로브 볼륨(210)이 가장 크고, 5μm 입자에 대한 프로브 볼륨(220)이 그 다음으로 크며, 1μm 입자에 대한 프로브 볼륨(230)이 가장 작다.
한편, 전자 장치(2000)는 레이저 빔의 초점 거리를 변경함으로써, 프로브 볼륨을 가변하여 특정 사이즈의 입자들의 검출을 최적화 할 수 있다. 전자 장치(2000)가 레이저 빔의 초점 거리를 변경하면, 레이저 빔의 초점 영역에서의 출력이 변화되고, 이는 상이한 사이즈의 입자들에 대한 프로브 볼륨의 변화로 이어진다. 레이저 빔의 초점 거리가 짧을수록, 전자 장치(2000)는 더 작은 사이즈의 입자들을 검출할 수 있다. 예를 들어, 초점 길이가 짧은 경우(250)를 참조하면, 전자 장치(2000)는 초점 길이가 긴 경우(200)에서는 검출할 수 없었던, 0.15-0.4μm 입자를 검출할 수 있다. 즉, 초점 길이가 짧은 경우(250), 0.15-0.4μm 입자에 대한 프로브 볼륨(260)이 존재한다.
일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 큰 입자에 대해서는 초점 길이를 길게 하고, 작은 입자에 대해서는 초점 길이를 짧게 함으로써, 입자들의 사이즈에 따른 입자 검출을 위한, 센서의 감도를 최적화할 수 있다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치가 입자 궤적들의 통계에 기초하여 입자 사이즈 분포를 추정하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3의 300을 참조하면, 공기 흐름이 지향성이더라도, 공기 흐름의 주위에서는 항상 난류(turbulence) 효과가 존재함으로 인하여, 프로브 볼륨을 통과하는 입자들은 무작위하고 무질서한 방향으로 이동할 수 있다. 즉, 10μm 입자에 대한 프로브 볼륨(310)을 통과하는 10μm 입자들의 궤적들 및 1μm 입자에 대한 프로브 볼륨(320)을 통과하는 1μm 입자들의 궤적들은 모두 상이할 수 있다. 또한, 도 2에서 전술한 것과 같이, 입자 사이즈에 따라 입자에 대응되는 프로브 볼륨의 크기도 상이하므로, 프로브 볼륨을 통과하는 입자들의 궤적들의 전체 통계 또한 입자 사이즈에 따라 상이할 수 있다. 전자 장치(2000)가 프로브 볼륨을 통과하는 입자의 궤적의 길이를 계산하는 것에 대하여는 후술하기로 한다.
전자 장치(2000)는 입자 사이즈와 입자 궤적 간의 관계를 나타내는 통계 데이터(350)를 획득할 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치가 신호 특징에 기초하여 입자 궤적을 추정하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 전자 장치(2000)는 신호 파형(400)으로부터 획득되는 신호 파라미터들에 기초하여 입자 궤적을 추정할 수 있다. 신호 파형(400)으로부터 획득되는 신호 파라미터들은, 신호 진동 주파수(f), 신호의 진동수(NOSC), 신호의 진폭(A), 입자가 프로브 볼륨을 통과하는 시간(ΔT), 신호 포락선(envelope)을 포함할 수 있다.
신호 진동 주파수(f)는 입자 속도(vi)에 의해 결정된다. 신호 진동 주파수(f)는 도플러 효과에 의해 결정되고, 입자 속도(vi)는 레이저 방사 주파수, 신호 진동 주파수(f), 광속(c)을 사용하여 계산될 수 있다. 도플러 효과를 고려한 입자 속도(vi)의 계산이 당업계에서 알려져 있기 때문에, 이러한 계산의 상세한 설명은 생략된다. 덧붙여서, 입자 속도(vi)의 계산은 도플러 계산으로 제한되지 않고, 입자 속도(vi)의 임의의 알려진 계산이 적용될 수 있다.
신호의 진동수(NOSC)는 프로브 볼륨을 통과하는 입자의 궤적의 길이에 의해 결정될 수 있다. 신호의 진동수(NOSC)가 더 클수록, 프로브 볼륨을 통과하는 입자의 궤적의 길이는 더 길다.
신호의 진폭(A)은 프로브 볼륨을 통과하는 입자의 궤적의 길이 및 입자 사이즈에 관련이 있다. 입자 궤적이 레이저 빔의 초점에 더 가까울수록, 검출된 신호의 진폭(A)은 더 크다.
프로브 볼륨을 통과하는 입자의 통과 시간(ΔT)은 또한 입자 사이즈, 입자 속도(vi) 및 프로브 볼륨을 통한 입자 궤적의 길이에 따라 달라질 수 있다.
일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 각각의 입자들로부터 획득되는 신호 파형의 위상을 동기화시킨, 코히어런트 신호 특성에 기초하여, 입자 크기 및 궤적 길이를 추정할 수 있다.
예를 들어, 전자 장치(2000)는 1μm 입자에 대한 프로브 볼륨(410)을 통과한 1μm 입자들에 대하여, 신호 파형(400)을 획득하고, 신호 파형(400)으로부터 획득되는 신호 파라미터들에 기초하여 입자 궤적 및 입자 사이즈를 추정할 수 있다. 예를 들어, 전자 장치(200)는 궤적 L1의 1μm 입자에 대응되는 신호 파형(412), 궤적 L2의 1μm 입자에 대응되는 신호 파형(414), 궤적 L3의 1μm 입자에 대응되는 신호 파형(416)을 획득할 수 있다. 또한, 전자 장치(2000)는 궤적 L4의 10μm 입자에 대응되는 신호 파형(422), 궤적 L5의 10μm 입자에 대응되는 신호 파형(424)을 획득할 수 있다. 이 경우, 신호 파형으로부터 획득되는 신호 파라미터인 신호 진동 주파수(f), 신호의 진동수(NOSC), 신호의 진폭(A), 입자가 프로브 볼륨을 통과하는 시간(ΔT), 신호 포락선 중 하나 이상이 사용될 수 있다.
예를 들어, 궤적 L5의 10μm 입자에 대응되는 신호 파형(424)은 레이저 빔의 초점으로부터 멀리 떨어진 궤적이므로 작은 진폭(A) 및 작은 진동수(NOSC), 짧은 시간(ΔT)의 신호 특성을 나타낸다. 또한, 궤적 L2의 1μm 입자에 대응되는 신호 파형(414)은 큰 진폭(A) 및 큰 진동수(NOSC), 긴 시간(ΔT)의 신호 특성을 나타낸다. 또한, 궤적 L3의 1μm 입자에 대응되는 신호 파형(416) 및 궤적 L4의 10μm 입자에 대응되는 신호 파형(422)을 비교하면, 궤적 L3와 궤적 L4는 동일한 궤적이지만 입자 사이즈가 클수록 큰 진폭(A) 및 큰 진동수(NOSC), 긴 시간(ΔT)의 신호 특성을 나타낸다. 전자 장치는 신호 파형(412,414,416,422,424)의 코히어런트 신호 특성에 기초하여, 입자 크기 및 궤적 길이를 추정할 수 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치가 입자의 사이즈 및 궤적을 추정하기 위해 생성한, 신호 특성 통계치의 일 예시를 도시한 도면이다.
신호의 진동수(NOSC) 대비 입자들의 개수를 도시한 그래프 510 및 그래프 520을 비교하면, 입자 사이즈가 큰 입자일수록, 신호의 진동수(NOSC)가 큰 입자들이 많음을 알 수 있다. 또한, 입자들의 개수 대비 신호의 진동수(NOSC)를 도시한 그래프 530을 참조하더라도, 입자 사이즈가 큰 입자들의 신호의 진동수(NOSC)의 평균(mean)값이 입자 사이즈가 작은 입자들의 신호의 진동수(NOSC)의 평균 값보다 큼을 알 수 있다. 또한, 신호의 진동수(NOSC) 대비 진폭을 도시한 그래프 540을 참조하면, 입자 사이즈가 큰 입자들의 신호의 진동수(NOSC) 및 진폭이 입자 사이즈가 작은 입자들의 신호의 진동수(NOSC) 및 진폭보다 큼을 알 수 있다.
일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 전자 장치가 입자의 사이즈 및 궤적을 추정하기 위해 생성한, 신호 특성 통계치에 기초하여, 입자의 신호 특성에 기초하여 입자 사이즈를 결정할 수 있다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치가 입자 사이즈 분포를 결정하는 동작을 나타내는 흐름도이다.
단계 S610에서, 일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 레이저 빔의 초점 근처의 영역에 프로브 볼륨을 설정하기 위해, 레이저 빔을 포커싱한다. 프로브 볼륨의 사이즈는, 도 2에 대한 설명에서 서술한 것과 같이, 검출될 입자들의 사이즈 및 초점 길이에 따라 가변적이다. 예를 들어, 검출될 입자의 사이즈가 더 클수록, 프로브 볼륨의 사이즈가 더 커진다.
단계 S620에서, 일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 프로브 볼륨을 통과한 입자들로부터 산란된 입자들의 신호들을 검출한다. 전자 장치(2000)는 검출된 입자들의 신호 파형을 획득하고, 신호 파형들의 위상을 동기화시킨 코히어런트 신호 특성을 획득할 수 있다.
단계 S630에서, 일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 검출된 입자들의 신호 파형으로부터, 입자들의 신호 파라미터들을 획득한다. 신호 파라미터들은, 신호 진동 주파수(f), 신호의 진동수(NOSC), 신호의 진폭(A), 입자가 프로브 볼륨을 통과하는 시간(ΔT), 신호 포락선(envelope)을 포함할 수 있다.
단계 S640에서, 일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 신호 파라미터들의 통계 데이터를 획득한다. 전자 장치(2000)는 프로브 볼륨을 통과하는 입자들에 대하여, 입자들 각각으로부터 획득되는 신호 파라미터들인 신호 진동 주파수(f), 신호의 진동수(NOSC), 신호의 진폭(A), 입자가 프로브 볼륨을 통과하는 시간(ΔT), 신호 포락선(envelope)중 적어도 하나 이상 및/또는 그 조합에 대한 통계 데이터를 획득할 수 있다.
단계 S640에서, 일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 신호 파라미터들의 통계 데이터를 입자 사이즈 결정 모델에 적용하여, 입자들의 사이즈 분포를 결정한다. 입자 사이즈 결정 모델에 대한 설명은 도 7에서 더 서술하기로 한다.
도 7a는 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치가 입자 사이즈 분포 결정 모델을 학습하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
단계 S710에서, 일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 검출된 신호(712)들에 대한 신호 파라미터(P)(714)를 획득할 수 있다. 신호 파라미터들인 신호 진동 주파수(f), 신호의 진동수(NOSC), 신호의 진폭(A), 입자가 프로브 볼륨을 통과하는 시간(ΔT), 신호 포락선(envelope)중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 추출된 신호 파라미터(714)들은 나열된 파라미터들로만 제한되지 않고 업계에서 알려진 전자기 신호의 임의의 파라미터들일 수 있다.
전자 장치(2000)는 데이터베이스에서 훈련 데이터셋을 획득할 수 있다. 훈련 데이터셋은, 상이한 사이즈의 입자들에 대한 상이한 수의 입자 신호들을 포함할 수 있다. 전자 장치(2000)는 미리 정의된 센서 파라미터들을 갖는 기준 센서를 이용하여, 입자 신호들을 검출하고, 검출된 신호(712)들에 대한 신호 파라미터(714)를 획득할 수 있다. 또는, 전자 장치(2000)는 외부의 전자 장치(예를 들어, 서버)로부터 입자 신호들에 대한 신호 파라미터(712)를 획득할 수 있다.
단계 S720에서, 일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 신호 파라미터들(714)에 대한 입자 사이즈의 의존 함수(722)(
Figure pat00001
, 이하, 의존 함수)를 결정할 수 있다. 의존 함수(722)는, 입자 사이즈 분포의 학습된 모델의 파라미터들(M)에 의존하여 신호 파라미터들(P)을 입자 사이즈(d)에 매핑한다.
일 실시예에서, 의존 함수(722)는 입자들의 궤적 길이에 기초하여 입자 사이즈를 결정하는 함수일 수 있다. 도 3에서 전술한 것과 같이, 기류가 지향성이라도, 기류 내 입자들 각각은 무작위하고 무질서한 방향으로 이동할 수 있다. 또한, 입자 사이즈에 따른 프로브 볼륨의 사이즈가 입자 사이즈별로 상이하므로, 각각의 프로브 볼륨들 내의 입자 궤도들의 전체 조합 또한 입자 사이즈에 의존하여 상이할 수 있다.
일 실시예에서, 의존 함수(722)는 신호 진동 주파수(f)에 기초하여 입자 사이즈를 결정하는 함수일 수 있다. 신호 진동 주파수(f)는 입자 속도(vi)에 의해 결정된다. 신호 진동 주파수(f)는 도플러 효과에 의해 결정되고, 입자 속도(vi)는 레이저 방사 주파수, 신호 진동 주파수(f), 광속(c)을 사용하여 계산될 수 있다. 도플러 효과를 고려한 입자 속도(vi)의 계산이 당업계에서 알려져 있기 때문에, 이러한 계산의 상세한 설명은 생략된다. 덧붙여서, 입자 속도(vi)의 계산은 도플러 계산으로 제한되지 않고, 입자 속도(vi)의 임의의 알려진 계산이 적용될 수 있다. 또한, 프로브 볼륨을 통과하는 입자의 궤적의 길이는 프로브 볼륨을 통과하는 입자의 시간(ΔT)과 입자 속도(vi)의 곱으로 계산될 수 있다.
일 실시예에서, 의존 함수(722)는 신호의 진동수(NOSC)에 기초하여 입자 사이즈를 결정하는 함수일 수 있다. 프로브 볼륨을 통과하는 입자의 궤적의 길이는 신호의 진동수(NOSC)를 사용하여 결정될 수 있다. 신호의 진동수(NOSC)는 프로브 볼륨을 통과하는 입자의 궤적의 길이에 따라 달라진다. 각각의 신호 진동은 레이저 빔의 파장(λ)에 의한 프로브 볼륨을 통한 입자의 이동에 의해 야기된다. 신호의 총 진동수(NOSC)는 프로브 볼륨을 통과하는 입자의 궤적의 길이를 결정하며, 신호의 총 진동수(NOSC)가 더 클수록, 프로브 볼륨을 통과하는 입자의 궤적의 길이는 더 길다.
일 실시예에서, 의존 함수(722)는 신호의 진폭(A)에 기초하여 입자 사이즈를 결정하는 함수일 수 있다. 이 경우, 프로브 볼륨을 통과하는 입자의 궤적의 길이는 신호 진폭(A)을 사용하여 결정될 수 있다. 검출된 입자로부터의 광의 후방 산란의 세기가 입자의 표면적에 비례하기 때문에, 검출된 신호의 진폭(A)은 프로브 볼륨을 통과하는 입자의 궤적의 길이 및 입자 사이즈(d)에 관련이 있다. 입자 궤적이 레이저 빔의 초점에 더 가까울수록, 검출된 신호의 진폭(A)은 더 크다. 입자 사이즈(d)가 더 클수록, 진폭(A)이 더 크다.
일 실시예에서, 의존 함수(722)는 입자가 프로브 볼륨을 통과하는 시간(ΔT)에 기초하여 입자 사이즈를 결정하는 함수일 수 있다.
입자가 프로브 볼륨을 통과하는 시간(ΔT)은, 입자 사이즈(d), 입자 속도(vi) 및 프로브 볼륨을 통한 입자 궤적의 길이에 따라 달라지므로, 입자 사이즈(d)를 추정하는데 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 의존 함수(722)는 신호 포락선에 기초하여 입자 사이즈를 결정하는 함수일 수 있다. 프로브 볼륨을 통과하는 입자의 궤적의 길이는 신호 포락선 형상을 사용하여 결정될 수 있으며, 신호 포락선 형상은 프로브 볼륨을 통과하는 입자의 궤적의 길이 및 입자 사이즈(d)에 따라 달라진다. 프로브 볼륨이 상이한 입자 사이즈들에 대해 상이하기 때문에, 신호 포락선 형상은 또한 상이한 입자 사이즈들에 대해 상이하다.
다만, 신호 파라미터들에 대한 입자 사이즈의 의존 함수(722)는, 위의 파라미터들의 설정으로만 제한되지 않고 입자 사이즈(d)에 의존하는 임의의 다른 파라미터에 의해 설정될 수 있다.
단계 S730에서, 일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 입자 사이즈 분포 결정 모델(732)(
Figure pat00002
, 이하, 입자 사이즈 분포 결정 모델))을 이용하여 입자 사이즈 분포(734)를 획득할 수 있다. 전자 장치(2000)는 의존 함수(722)가 결정되면, 입자 사이즈 분포 모델의 수치 파라미터들을 결정함으로써 초기 입자 사이즈 분포 모델을 생성할 수 있다. 전자 장치(2000)는 초기 입자 사이즈 분포 결정 모델(732)을 이용하여, 입자들의 검출된 신호(712)들로부터 추정된 입자 사이즈들의 분포를 나타내는 초기 입자 사이즈 분포(734)를 획득할 수 있다. 이 경우, 입자 사이즈 분포는 초기값이며, 초기 입자 사이즈 분포(734)는 학습에 의해 갱신됨으로써 정확도가 향상될 수 있다. 단계 S730 이후에 수행되는 단계들에 대한 설명은, 도 7b에서 이어서 설명하기로 한다.
도 7b는 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치가 입자 사이즈 분포 결정 모델을 학습하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
단계 S740에서, 일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 입자 사이즈 분포 결정 모델(732)이 결정하는 입자 사이즈 분포(734)의 미세조정(fine tuning)을 수행할 수 있다. 전자 장치(2000)는 입자 사이즈의 정답(ground truth) 분포(742)를 획득할 수 있다. 입자 사이즈의 정답 분포(742)는 실험을 통해 획득되거나, 시뮬레이션을 통해 획득된 값일 수 있다. 전자 장치(2000)는 입자 사이즈 분포 결정 모델(732)로부터 획득된 입자 사이즈 분포(734)와 입자 사이즈의 정답 분포(742)의 잔차(744)를 구하고, 잔차(744)에 기초하여 입자 사이즈 분포(734)가 입자 사이즈의 정답 분포(742)에 근사화되도록 입자 사이즈 분포 결정 모델(732)을 학습시킬 수 있다.
단계 S750에서, 일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 업데이트된 입자 사이즈 분포 결정 모델을 이용하여 입자 사이즈의 분포를 결정할 수 있다. 업데이트된 입자 사이즈 분포 결정 모델은, 업데이트된 최적 의존 함수(752)(
Figure pat00003
)를 포함할 수 있다. 전자 장치(2000)는 신호 파라미터(714)를 업데이트된 입자 사이즈 분포 결정 모델에 입력하고, 최종 입자 사이즈 분포(754)를 획득할 수 있다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치가 프로브 볼륨에서 검출된 신호 파형을 이용하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 입자의 사이즈에 따라 프로브 볼륨의 모양이 상이할 수 있다. 즉, 입자의 사이즈가 큰 입자일수록, 프로브 볼륨의 모양이 덤벨 모양으로 형성된다. 예를 들어, 1μm 입자에 대한 프로브 볼륨(810)은 덤벨 모양이 아니지만, 입자 사이즈가 더 큰 10μm 입자에 대한 프로브 볼륨(820)은 덤벨 모양이다.
일 실시예에서, 덤벨 모양을 갖는 프로브 볼륨을 통과하는 입자들 중 일부는, 덤벨 모양의 좁은 부분으로 인하여, 입자 신호가 두번 검출될 수 있다. 예를 들어, 1μm 입자에 대한 프로브 볼륨(810)을 통과하는 입자의 신호 파형(815)는 한 번 검출되지만, 10μm 입자에 대한 프로브 볼륨(820)을 통과하는 입자의 신호 파형(825)은 제1 버스트(burst)(827) 및 제2 버스트(829)의 두개의 파형으로 검출될 수 있다. 이는, 하나의 입자에 대해서 두개의 파형이 검출되는 것이므로, 오류가 발생할 수 있다. 이 경우, 전자 장치(2000)는 하나의 입자가 덤벨 모양의 프로브 볼륨을 두 번 통과하는지 여부를 검출하기 위한 시간 임계값을 이용하여 두개의 파형으로 인한 오류를 제거할 수 있다. 예를 들어, 전자 장치(2000)는, 덤벨 모양의 프로브 볼륨의 두개의 두꺼운 부분들을 통과하는 입자의 최소 통과 시간에 대한 시간 임계값을 설정할 수 있다. 전자 장치(2000)는 차례로 검출된 두 개의 입자 신호들이 검출된 시간의 차이가 미리 설정된 시간 임계값 미만인 경우, 두개의 입자 신호들 중 제2 입자에 대하여 검출된 입자 신호는 제거할 수 있다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치가 입자 농도 및 대기 내 입자들의 농도를 계산하는 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
단계 S910에서, 일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 프로브 볼륨을 통과하는 기류의 기류 속도(v)[m/s]를 계산한다. 기류 속도(v)[m/s]는 신호 진동 주파수(f)에 기초하여 계산된다. 전자 장치(2000)는 기류 속도(v)를 입자 속도(vi)로 취할 수 있다. 입자 속도 (vi)의 계산에 대해서는 전술하였으므로, 동일한 설명은 생략한다.
단계 S920에서, 일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 검출 시간(T)[s] 동안 프로브 볼륨을 통해 비행하는 입자들의 수(N)를 결정한다. 전자 장치(2000)는 검출된 입자 신호들의 수를 프로브 볼륨을 통과하는 입자들의 수(N)로 결정할 수 있다.
단계 S930에서, 일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 각각의 입자 사이즈에 대한 입자 농도(
Figure pat00004
)[μg/m3]를 계산할 수 있다. 입자 농도는 아래의 수학식 1로 계산될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00005
여기서, di는 i 입자의 입자 사이즈 직경이며, 상수
Figure pat00006
[m2/μg]는 각각의 입자 직경 di에 대하여 선택되는 값을 말한다. 상수
Figure pat00007
는 다양한 방법으로 결정될 수 있다.
예를 들어, 상수
Figure pat00008
는 상이한 기류 속도(v)에서 각각의 입자 사이즈에 대해 기준 센서에 의해 측정된 측정값들에 의해, 야외 먼지 센서를 캘리브레이팅함으로써 설정될 수 있다. 즉, 기준 센서의 판독값
Figure pat00009
, 측정 시간(T), 공지되거나 측정된 기류 속도(v), 야외 먼지 센서에 의해 센싱된 입자 수 N에 기초하여 상수 상수
Figure pat00010
가 결정될 수 있다.
다른 예에서, 상수
Figure pat00011
는 주어진 사이즈의 입자들을 갖는 기류를 모델링함으로써 설정될 수 있다. 검출 영역 안에 들어오는 입자들의 수(N), 주어진 기류 속도(V), 주어진 농도(
Figure pat00012
), 주어진 시간(T)에 기초하여 상수
Figure pat00013
가 결정될 수 있다.
다른 예에서, 상수
Figure pat00014
는 아래의 수학식 2가 사용될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00015
여기서, ρ[μg/m3]는 미리 결정된 평균 입자 밀도이며,
Figure pat00016
[m2]는 di [m]입자의 유효 단면적이다. 또한, 유효 단면적이란 사이즈 di의 입자의 속도 벡터의 가능한 모든 방향과 수직인 프로브 영역의 모든 단면들의 면적들의 평균 값이다.
Figure pat00017
는 전술한 실시예들에 따라 획득된 입자 사이즈 분포이다.
단계 S940에서, 일 실시예에 따른 전자 장치(2000) 모든 사이즈의 입자들의 농도를 합산함으로써, 대기 내 입자들의 농도를 결정한다. 전자 장치(2000)는 모든 사이즈의 입자들의 사이즈 di에 대하여 계산된 입자 농도인
Figure pat00018
를 모든 사이즈의 입자에 대하여 확장한다. 전자 장치(2000)는 모든 사이즈의 입자들에 대하여 모든 계산된 입자 농도들을 합산함으로써, 대기 내 총 입자들의 농도
Figure pat00019
를 계산할 수 있다.
일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 총 입자들의 농도를 계산한 결과에 기초하여, 대기 퀄리티가 어떤지를 나타내는 대기 퀄리티 정보를 생성하고, 사용자에게 제공할 수 있다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치가 대기 중 입자들의 유형을 결정하는 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
단계 S1010에서, 일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 특정 유형의 입자들에 대한 미리 결정된 입자 사이즈들의 분포를 나타내는, 입자 사이즈 정보를 획득한다. 특정 유형들의 입자들에 대한 미리 정의된 입자 사이즈 분포들은 예를 들어, 꽃가루, 바이러스들, 박테리아, 알레르겐들, 곰팡이 포자들, 집 먼지, 산업 먼지, 재, 그을음 및 공기에 부유될 수 있는 임의의 근원의 입자들과 같은 상이한 유형들의 입자들에 대한 입자 사이즈 분포들이다. 특정 유형들의 입자들에 대한 미리 정의된 입자 사이즈 분포들은 상이한 지리적 위치들에서, 상이한 실내 공간에서 또는 야외에서, 상이한 날씨 조건들하의 상이한 연중 시간들에서 획득될 수 있다. 특정 유형들의 입자들에 대한 미리 정의된 입자 사이즈 분포들은, 다른 가용 소스들로부터 획득될 수 있다.
단계 S1020에서, 일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 위치, 날씨 조건 및 계절 중 적어도 하나를 포함하는 검출 조건 정보를 획득된다. 위치들은 상이한 지리적 위치들, 상이한 실내 또는 야외 위치들을 나타낸다. 검출 조건 정보는 전자 장치(2000) 상에 설치된 캘린더, 날씨, 지도 애플리케이션들로부터 획득되거나, 또는 사용자로부터 입력될 수 있다.
단계 S1030에서, 일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 획득된 검출 조건 정보에 대응하는 특정 유형들의 입자들에 대하여, 미리 결정된 입자 사이즈 분포들을 선택한다.
단계 S1040에서, 일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 입자 사이즈 분포를 단계 S1030에서 선택된 특정 입자 유형들에 대한 미리 결정된 입자 사이즈 분포들과 비교함으로써 입자 유형을 결정한다. 전자 장치(2000)는 비교 결과에 기초하여, 대기중에 포함된 꽃가루, 바이러스들, 박테리아, 알레르겐들, 곰팡이 포자들, 집 먼지, 산업 먼지, 재, 그을음 및 공기에 부유될 수 있는 임의의 근원의 입자들 등과 같은 상이한 유형들의 입자들의 유형을 결정할 수 있다.
일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 결정된 입자들의 유형에 기초하여, 대기 퀄리티가 어떤지를 나타내는 대기 퀄리티 정보를 생성하고, 사용자에게 제공할 수 있다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치의 블록도이다.
일 실시예에 따른 전자 장치(2000)는 먼지 센서(2100), 포커싱 엘리먼트(2200), 메모리(2300) 및 프로세서(2400)를 포함할 수 있다.
먼지 센서(2100) 야외의 먼지를 검출하기 위한 다양한 방법(예를 들어, 호모다인 검출, 헤테로다인 검출 및 오토다인 간섭측정법과 같은 공지된 코히어런트 검출 방법 등)을 수행하기 위한 구성을 포함할 수 있다.
예를 들어, 먼지 센서(2100)는 호모다인 검출을 위한 센서의 구조일 수 있다. 이 경우, 먼지 센서(2100)는 예를 들어, 하나의 레이저, 기준 레이저 빔을 형성하기 위한 거울, 레이저 빔을 분할하기 위한 빔 스플리터, 및 포토 검출기를 포함할 수 있다. 레이저는 레이저 빔을 방출하며, 레이저 빔을 빔 스플리터가 두 개의 레이저 빔들로 나누며, 두 개의 레이저 빔들 중 하나는 입자에서 산란되고 검출 레이저 빔이고, 두 개의 레이저 빔들 중 제2의 것은 거울에서 반사되는 기준 레이저 빔이다. 검출 레이저 빔과 기준 레이저 빔은 광검출기에서 혼합된다.
다른 예에서, 먼지 센서(2100)는 헤테로다인 검출을 위한 센서의 구조일 수 있다. 이 경우, 먼지 센서(2100)는 예를 들어, 두 개의 레이저들과 광검출기를 포함할 수 있다. 하나의 레이저는 입자에 의해 산란되는 검출 레이저 빔을 제공하고, 제2의 레이저는 기준 레이저 빔을 제공한다. 검출 레이저 빔과 기준 레이저 빔은 광검출기에서 혼합된다.
다른 예에서, 먼지 센서(2100)는 오토다인 간섭측정법을 위한 센서의 구조일 수 있다. 이 경우, 먼지 센서(2100)는 예를 들어, 하나의 레이저, 레이저 공진기, 및 광검출기를 포함할 수 있다. 레이저는 레이저 빔을 방출하며, 레이저 빔은 레이저 공동에서 두 개의 레이저 빔들로 분할되며, 두 개의 레이저 빔들 중 하나는 입자에 의해 산란되고 검출 레이저 빔이고, 두 개의 레이저 빔들 중 나머지는 기준 레이저 빔이다. 입자에서 산란된 검출 레이저 빔과 기준 레이저 빔은 레이저 공진기 내부에서 혼합되고 혼합된 빔은 광검출기에 들어간다.
포커싱 엘리먼트(2200)는 먼지 센서(2100)의 레이저 빔을 포커싱할 수 있는 거울, 렌즈, 회절 엘리먼트, 홀로그램 엘리먼트 등과 같은 임의의 포커싱 엘리먼트가 사용될 수 있다.
포커싱 엘리먼트(2200)는 레이저 빔의 초점 거리를 변경시키기 위한 가변 포커싱 엘리먼트일 수 있다. 레이저 빔의 초점 거리는 사용자에 의해 포커싱 엘리먼트(2200)를 수동으로 조정함으로써 또는 프로세서(2400)에 의해 포커싱 엘리먼트(2200)를 자동으로 조정함으로써 변경될 수 있다.
메모리(2300)는 프로세서(2400)가 판독할 수 있는 명령어들, 데이터 구조, 및 프로그램 코드(program code)가 저장될 수 있다. 개시된 실시예들에서, 프로세서(2400)가 수행하는 동작들은 메모리(2300)에 저장된 프로그램의 명령어들 또는 코드들을 실행함으로써 구현될 수 있다.
메모리(2300)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(RAM, Random Access Memory) SRAM(Static Random Access Memory), 롬(ROM, Read-Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나를 포함하는 비휘발성 메모리 및 램(RAM, Random Access Memory) 또는 SRAM(Static Random Access Memory)과 같은 휘발성 메모리를 포함할 수 있다.
메모리(2300)는 전자 장치(2000)가 입자 사이즈의 분포를 결정하는데 이용될 수 있는 다양한 종류의 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리(2300)에는 검출된 신호 파라미터들, 입자 사이즈 분포 결정 모델 등이 저장될 수 있다.
프로세서(2400)는 전자 장치(2000)의 전반적인 동작들을 제어할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(2400)는 메모리(2300)에 저장된 프로그램의 하나 이상의 명령어들(instructions)을 실행함으로써, 전자 장치(2000)가 입자 사이즈 분포를 결정하기 위한 전반적인 동작들을 제어할 수 있다.
프로세서(2400)는 예를 들어, 중앙 처리 장치(Central Processing Unit), 마이크로 프로세서(microprocessor), 그래픽 프로세서(Graphic Processing Unit), ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), AP(Application Processor), 뉴럴 프로세서(Neural Processing Unit) 또는 인공지능 모델의 처리에 특화된 하드웨어 구조로 설계된 인공지능 전용 프로세서 중 적어도 하나로 구성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
프로세서(2400)이 입자 사이즈 분포를 결정하는 구체적인 동작들은, 전술한 실시예들에서 이미 설명하였으므로, 동일한 설명은 생략하기로 한다.
일 실시예에 따른 전자 장치의 동작 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 컴퓨터 판독 가능 매체는, 비일시적(non-transitory) 기록매체의 형태로 제공될 수 있다. 여기서, 비일시적 기록매체는 실재(tangible)하는 장치이고, 신호(signal)(예: 전자기파)를 포함하지 않는다는 것을 의미할 뿐이며, 이 용어는 데이터가 기록매체에 반영구적으로 저장되는 경우와 임시적으로 저장되는 경우를 구분하지 않는다. 예로, '비일시적 저장매체'는 데이터가 임시적으로 저장되는 버퍼를 포함할 수 있다.
또한, 개시된 실시예들에 따른 전자 장치의 동작 방법은 컴퓨터 프로그램 제품(computer program product)에 포함되어 제공될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 상품으로서 판매자 및 구매자 간에 거래될 수 있다.
컴퓨터 프로그램 제품은 S/W 프로그램, S/W 프로그램이 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 저장 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 프로그램 제품은 전자 장치의 제조사 또는 전자 마켓을 통해 전자적으로 배포되는 S/W 프로그램 형태의 상품(예, 다운로더블 앱)을 포함할 수 있다. 전자적 배포를 위하여, S/W 프로그램의 적어도 일부는 저장 매체에 저장되거나, 임시적으로 생성될 수 있다. 이 경우, 저장 매체는 제조사의 서버, 전자 마켓의 서버, 또는 SW 프로그램을 임시적으로 저장하는 중계 서버의 저장매체가 될 수 있다.
이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

Claims (15)

  1. 전자 장치가 대기 입자 사이즈 분포를 결정하는 방법에 있어서,
    입자 신호들을 검출하기 위한 프로브 볼륨을 설정하기 위해, 레이저 빔을 포커싱하되, 상기 프로브 볼륨의 사이즈는 검출하고자 하는 입자의 사이즈에 따라 결정되는 것인, 단계;
    상기 프로브 볼륨을 통과한 입자들로부터 산란된 입자들의 신호들을 검출하는 단계;
    상기 입자들의 신호들의 파형들로부터, 입자들의 신호 파라미터들을 획득하되, 상기 신호 파라미터들은, 신호 진동 주파수, 신호의 진동수, 신호의 진폭, 입자가 프로브 볼륨을 통과하는 시간 및 신호 포락선(envelope) 중 적어도 하나를 포함하는, 단계;
    상기 신호 파라미터들의 통계 데이터를 획득하는 단계; 및
    상기 신호 파라미터들의 통계 데이터를 입자 사이즈 분포 결정 모델에 적용하여, 입자들의 사이즈 분포를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입자 사이즈 분포 결정 모델은,
    상기 신호 파라미터들로 구성되는 훈련 데이터셋을 획득하는 단계;
    상기 신호 파라미터들을 입자 사이즈에 매핑하는 의존 함수를 결정하고, 입자 사이즈 분포 모델의 수치 파라미터들을 결정함으로써 초기 입자 사이즈 결정 모델을 생성하는 단계;
    상기 신호 파라미터들의 통계 데이터를 상기 초기 입자 사이즈 결정 모델에 적용하여, 초기 입자 사이즈 분포를 획득하는 단계;
    상기 초기 입자 사이즈 분포를 미리 결정된 입자 사이즈의 정답 분포와 비교함으로써, 상기 초기 입자 사이즈 결정 모델을 미세조정하는 단계를 통해 학습된 것인, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 검출하고자 하는 입자의 사이즈에 따라 결정되는 상기 프로브 볼륨의 사이즈를 조정하기 위해, 상기 레이저 빔의 초점 거리를 변경하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 신호 파라미터들에 기초하여 상기 프로브 볼륨을 통과하는 상기 입자들의 궤적들을 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 프로브 볼륨이 덤벨 모양인 경우, 하나의 입자가 상기 덤벨 모양의 프로브 볼륨의 두 번 통과하는지 여부를 검출하기 위한 시간 임계값을 설정하는 단계;
    상기 덤벨 모양의 프로브 볼륨에서 차례로 검출되는 두 개의 입자 신호들이 검출된 시간 차이가 상기 시간 임계값 미만인 경우, 상기 두 개의 입자 신호들 중 두번째로 검출된 입자 신호를 제거하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 프로브 볼륨을 통과하는 기류의 기류 속도를 계산하는 단계;
    기 설정된 검출 시간 동안 상기 프로브 볼륨을 통과하는 입자들의 수를 결정하는 단계;
    각각의 입자 사이즈의 입자들에 대한 입자 농도를 계산하는 단계; 및
    모든 사이즈의 입자들의 농도를 합산함으로써, 대기 내 입자들의 총 농도를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 방법은,
    특정 유형의 입자들에 대하여 미리 결정된 입자 사이즈들의 분포를 나타내는 입자 사이즈 정보를 획득하는 단계;
    위치, 날씨 조건 및 계절 중 적어도 하나를 포함하는 검출 조건 정보를 획득하는 단계;
    상기 검출 조건 정보에 대응하는 입자 사이즈 정보를 선택하는 단계 및;
    상기 결정된 입자 사이즈 분포를 상기 선택된 입자 사이즈 정보에 포함되는 미리 결정된 입자 사이즈들의 분포와 비교함으로써, 입자 유형을 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 입자 사이즈 분포를 결정하는 전자 장치에 있어서,
    먼지 센서;
    포커싱 엘리먼트;
    하나 이상의 인스트럭션을 저장하는 적어도 하나의 메모리; 및
    상기 메모리에 저장된 상기 하나 이상의 인스트럭션을 실행하는 적어도 하나의 프로세서를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 하나 이상의 인스트럭션을 실행함으로써,
    입자 신호들을 검출하기 위한 프로브 볼륨을 설정하기 위해, 레이저 빔을 포커싱하도록 상기 포커싱 엘리먼트를 제어하되, 상기 프로브 볼륨의 사이즈는 검출하고자 하는 입자의 사이즈에 따라 결정되는 것이고,
    상기 먼지 센서를 이용하여 프로브 볼륨을 통과한 입자들로부터 산란된 입자들의 신호들을 검출하고,
    상기 입자들의 신호들의 파형들로부터, 입자들의 신호 파라미터들을 획득하되, 상기 신호 파라미터들은, 신호 진동 주파수, 신호의 진동수, 신호의 진폭, 입자가 프로브 볼륨을 통과하는 시간 및 신호 포락선(envelope) 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 신호 파라미터들의 통계 데이터를 획득하고,
    상기 신호 파라미터들의 통계 데이터를 입자 사이즈 분포 결정 모델에 적용하여, 입자들의 사이즈 분포를 결정하는, 전자 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 입자 사이즈 분포 결정 모델은,
    상기 신호 파라미터들로 구성되는 훈련 데이터셋을 획득하는 단계;
    상기 신호 파라미터들을 입자 사이즈에 매핑하는 의존 함수를 결정하고, 입자 사이즈 분포 모델의 수치 파라미터들을 결정함으로써 초기 입자 사이즈 결정 모델을 생성하는 단계;
    상기 신호 파라미터들의 통계 데이터를 상기 초기 입자 사이즈 결정 모델에 적용하여, 초기 입자 사이즈 분포를 획득하는 단계;
    상기 초기 입자 사이즈 분포를 미리 결정된 입자 사이즈의 정답 분포와 비교함으로써, 상기 초기 입자 사이즈 결정 모델을 미세조정하는 단계를 통해 학습된 것인, 전자 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 하나 이상의 인스트럭션을 실행함으로써,
    상기 검출하고자 하는 입자의 사이즈에 따라 결정되는 상기 프로브 볼륨의 사이즈를 조정하기 위해, 상기 레이저 빔의 초점 거리를 변경하도록 상기 포커싱 엘리먼트를 제어하는, 전자 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 하나 이상의 인스트럭션을 실행함으로써,
    상기 신호 파라미터들에 기초하여 상기 프로브 볼륨을 통과하는 상기 입자들의 궤적들을 결정하는, 전자 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 하나 이상의 인스트럭션을 실행함으로써,
    상기 프로브 볼륨이 덤벨 모양인 경우, 하나의 입자가 상기 덤벨 모양의 프로브 볼륨의 두 번 통과하는지 여부를 검출하기 위한 시간 임계값을 설정하고,
    상기 덤벨 모양의 프로브 볼륨에서 차례로 검출되는 두 개의 입자 신호들이 검출된 시간 차이가 상기 시간 임계값 미만인 경우, 상기 두 개의 입자 신호들 중 두번째로 검출된 입자 신호를 제거하는, 전자 장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 하나 이상의 인스트럭션을 실행함으로써,
    상기 프로브 볼륨을 통과하는 기류의 기류 속도를 계산하고,
    기 설정된 검출 시간 동안 상기 프로브 볼륨을 통과하는 입자들의 수를 결정하고,
    각각의 입자 사이즈의 입자들에 대한 입자 농도를 계산하고,
    모든 사이즈의 입자들의 농도를 합산함으로써, 대기 내 입자들의 총 농도를 결정하는, 전자 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 하나 이상의 인스트럭션을 실행함으로써,
    특정 유형의 입자들에 대하여 미리 결정된 입자 사이즈들의 분포를 나타내는 입자 사이즈 정보를 획득하고,
    위치, 날씨 조건 및 계절 중 적어도 하나를 포함하는 검출 조건 정보를 획득하고,
    상기 검출 조건 정보에 대응하는 입자 사이즈 정보를 선택하고,
    상기 결정된 입자 사이즈 분포를 상기 선택된 입자 사이즈 정보에 포함되는 미리 결정된 입자 사이즈들의 분포와 비교함으로써, 입자 유형을 결정하는, 전자 장치.
  15. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법을 실행시키기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능 기록매체.
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