WO2015080410A1 - 가스 검출 장치 및 가스 검출 방법 - Google Patents

가스 검출 장치 및 가스 검출 방법 Download PDF

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WO2015080410A1
WO2015080410A1 PCT/KR2014/010928 KR2014010928W WO2015080410A1 WO 2015080410 A1 WO2015080410 A1 WO 2015080410A1 KR 2014010928 W KR2014010928 W KR 2014010928W WO 2015080410 A1 WO2015080410 A1 WO 2015080410A1
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optical system
frequency
light source
light
laser light
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PCT/KR2014/010928
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English (en)
French (fr)
Inventor
김재완
박정재
김종안
이재용
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한국표준과학연구원
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M3/00—Investigating fluid-tightness of structures
    • G01M3/38—Investigating fluid-tightness of structures by using light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers

Definitions

  • the present invention relates to a gas leak detection device, and more particularly, to a gas leak detection device for detecting a gas leak by measuring an absorption spectrum of a leaking gas by varying a wavelength of a laser.
  • helium gas was supplied to the chamber, and the mass spectrometer sensed the helium gas to confirm the leak position.
  • laser light having a specific wavelength has a characteristic of being absorbed by an arbitrary gas.
  • the laser receiving apparatus using the characteristics of the laser light can detect the presence or absence of gas leakage even at a long distance.
  • two wavelengths such as 3.3922 ⁇ m ( ⁇ 1) and 3.3912 ⁇ m ( ⁇ 2) exist at 3.39 ⁇ m of the laser light irradiated by the He-Ne laser, and ⁇ 1 is strongly absorbed by methane and ⁇ 2 is methane
  • ⁇ 1 is strongly absorbed by methane
  • ⁇ 2 is methane
  • a method and apparatus for detecting a conventional laser-based remote methane leak using this feature US Pat. No. 7,075,653 B1 2006. 07. 11
  • the conventional laser-based remote methane leakage detection method using the frequency modulation method has a problem of laser frequency stabilization.
  • the present invention provides a leak gas detection apparatus that is stabilized in an absorption spectrum of a specific gas.
  • Gas detection apparatus comprises a laser light source for continuously changing the laser frequency with time having a modulation frequency in the range of the line width of a particular single absorption line in the absorption spectrum of a particular gas; A transmission optical system for providing output light of the laser light source to a measurement target; A reception optical system which receives the reflected light absorbed and reflected by the specific gas in the measurement target; A frequency locker for fixing a center frequency of the laser light source to a center of a specific absorption band in the absorption spectrum of the specific gas; And a control unit which extracts harmonic components of the modulation frequency by analyzing the reflected light measured by the reception optical system.
  • the transmission optical system is an isolator for receiving the output light of the laser light source to block some reflected light back to the light source; And a beam expander for increasing the beam size of the light passing through the isolator.
  • the transmission optical system is an isolator for receiving the output light of the laser light source to block some reflected light back to the light source; A beam expander for increasing the beam size of the light passing through the isolator; And a beam splitter disposed between the isolator and the beam extension.
  • the frequency locking unit comprises: a frequency locking mirror reflecting light split by the beam splitter; A gas cell that transmits the light reflected from the frequency lock mirror and includes the specific gas in a sealed state; A filter for removing noise frequency components from the light transmitted through the gas cell; And a light sensing unit configured to sense light passing through the filter.
  • it may further include a frequency control unit for receiving and processing the output signal of the light sensing unit to control the center frequency of the laser light source to match the lowest point of a specific absorption band of the absorption spectrum.
  • the receiving optical system may be a casegrain reflective telescope structure.
  • the receiving optical system includes a main mirror for focusing the reflected laser light; A sub-diameter disposed on the central axis of the main diameter and reflecting light reflected from the main diameter again; And a light sensing module disposed at the central axis of the main diameter.
  • the optical sensing module has one end disposed on the central axis of the main diameter, a pair of optical fibers spaced apart from each other; And a pair of photo detectors respectively disposed at the other ends of the pair of optical fibers.
  • the optical sensing module has one end is disposed on the central axis of the main diameter, a pair of optical fiber bundles spaced apart from each other; And a pair of photo detectors respectively disposed at the other ends of the pair of optical fiber bundles.
  • the optical sensing module may further include an alignment optical fiber disposed between a pair of optical fiber bundles.
  • the receiving optical system may be a casegrain reflective telescope structure.
  • the receiving optical system includes a main mirror for focusing the reflected laser light; A sub-diameter disposed on the central axis of the main diameter and reflecting light reflected from the main diameter again; A sub-diameter scanner for moving the sub-diameter on a central axis of the main diameter and changing a vertical direction of the placement plane of the sub-diameter from the central axis; It may include a light sensing module disposed on the central axis of the main diameter.
  • the transmission optical system is an isolator for receiving the output light of the laser light source to block some reflected light back to the light source;
  • a beam expander for increasing the beam size of the light passing through the isolator;
  • a transmission scanner disposed at a rear end of the beam extension part and configured to provide a beam for scanning to an arrangement plane of the measurement object;
  • a transmission mirror reflecting a beam provided by the transmission scanner and providing the measurement object to the measurement target.
  • the distance measuring unit may use a wavelength of the visible light band.
  • a distance measuring unit for measuring the distance between the measurement target and the laser light source using the wavelength of the visible light band may be further included.
  • the transmission optical system is an isolator for receiving the output light of the laser light source for blocking a part of the reflected light back to the light source; A beam expander for increasing the beam size of the light passing through the isolator; And a beam splitter disposed between the isolator and the beam extension.
  • the beam splitter may be a dichroic mirror, and the output light of the distance measuring unit may be provided to the beam extension unit through the beam splitter.
  • the laser light source modulates the frequency by using a current of the modulation frequency flowing, the center frequency of the laser light source can be moved by changing the cavity length using a piezoelectric element.
  • the controller may include a signal processor.
  • the signal processing unit may include a differential amplifier receiving an output signal of a pair of photo detectors provided by the reception optical system; And a lock-in amplifier receiving the differential amplification signal of the differential amplifier and outputting a second harmonic component of the modulation frequency.
  • the method may further include a function generator for generating a current modulated signal having the modulation frequency.
  • the controller may further include a system controller.
  • the system controller may calculate the specific gas leakage of the measurement target by calculating and receiving data from the signal processor.
  • a laser light source has a center frequency corresponding to a minimum value of a specific absorption band in an absorption spectrum of a specific gas, and has a modulation frequency in a range of line widths of the specific absorption band according to time.
  • the transmitting optical system for changing the irradiation position of the output light of the laser light source to the measurement target; And changing, by the receiving optical system, the reception position of the reflected light according to the irradiation position of the output light of the laser light source to the measurement target.
  • the frequency lock detection signal may be generated by detecting light branched from the output light of the laser light source through the gas cell sealed with the specific gas.
  • the laser frequency over time may have a modulation frequency and be a sine function over time.
  • the extracting of the harmonic components of the modulation frequency by analyzing the reflected light measured by the reception optical system may generate a first detection signal and a second detection signal at a pair of detection positions. Doing; Differentially amplifying and outputting the first and second detection signals; And locking-in detection of the differentially amplified signal with harmonics of the modulation frequency.
  • the controller may further include determining whether the specific gas leaks according to the second harmonic component of the modulation frequency.
  • the transmitting optical system and the receiving optical system may be integrated.
  • the gas leakage measuring apparatus may measure stable and minute leakage gas using a frequency modulated laser and a differential signal stabilized in an absorption spectrum of a specific gas.
  • the gas leakage measuring apparatus may detect a leak position and a leak amount of the leaking gas at a long distance at a high speed.
  • FIG. 1 is a view showing a transmission spectrum of a gas according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the spectrum of a specific single absorption line E of 1.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating frequency modulation according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a gas detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a timing chart of the gas detection apparatus of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an output signal of a photo detector of a frequency lock part.
  • FIG 8 is a view illustrating a receiving optical system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view for explaining a receiving optical system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a view for explaining a scanning method of the irradiation beam according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12B is a diagram illustrating the x-z plane of FIG. 12A.
  • FIG. 12C is a diagram illustrating the y-z plane of FIG. 12A.
  • FIG. 12C is a diagram illustrating the y-z plane of FIG. 12A.
  • 15 is a view for explaining a gas leakage measuring apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • the gas may typically be stored in a vessel or gas storage tank or the like. Leakage of the gas can be fire, explosion, or toxic. Accordingly, it is necessary to confirm whether or not the gas to be leaked is measured.
  • the gas may be a gas stored in a tank or a test gas for checking gas leakage. In the case of stored gases, the gas may be methane, ethane, propane gas, or the like. For test gases, the gas may be helium or N 2 O.
  • FIG. 1 is a view showing a transmission spectrum of a gas according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the spectrum of a specific single absorption line E of 1.
  • the gas is N 2 O.
  • the transmission spectrum (or absorption spectrum) of the N 2 O gas includes a plurality of absorption lines. Of these, one of the absorption lines E of interest may be selected.
  • the absorption line E may be used to detect gas leakage.
  • Each absorption line has a line width of a certain size by natural broadening.
  • each absorbing line additionally has pressure broadening due to linewidth expansion caused by collisions between gas molecules in the atmosphere near the earth's surface.
  • the shape of the absorption line by the pressure broadening may be a Lorentz profile.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating frequency modulation according to an embodiment of the present invention.
  • the laser frequency of the laser light of a constant intensity may be a sine function stabilized in the absorption spectrum of a specific gas with a modulation frequency.
  • the laser frequency f cm may be given as follows.
  • f m is the modulation frequency
  • f dc is the center frequency
  • B is the modulation amplitude
  • t is time.
  • the laser frequency has the form of a sine wave with time
  • the light transmitted through the leaking gas is transformed by the absorption line of the leaking gas to include the second harmonic component of the modulation frequency f m .
  • the second harmonic component of the modulation frequency f m may depend on the concentration of the leaking gas.
  • the laser frequency of the laser light of constant intensity may be modulated with a sine function over time with a modulation frequency. Accordingly, the optical signal transmitted through the leakage gas includes the second harmonic component of the modulation frequency f cm .
  • FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a gas detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a timing chart of the gas detection apparatus of FIG. 5.
  • the gas detection apparatus 100 continuously modulates a laser frequency with a time having a modulation frequency in a range of a line width of a specific single absorption line in an absorption spectrum of a specific gas.
  • the laser light source 150 for changing, the transmission optical system 110 for providing the output light of the laser light source 150 to the measurement target, and receiving the reflected light absorbed and reflected by the specific gas from the measurement target 10.
  • a controller 170 for extracting harmonic components of the modulation frequency.
  • the laser light source 150 continuously modulates the laser frequency with time with a modulation frequency in the range of the linewidth of a particular single absorption line in the absorption spectrum of the particular gas.
  • the laser light source 150 may be a dye laser, a parametric oscillation laser, a spin flip Raman laser, or a semiconductor laser.
  • the laser light source 150 may include a temperature controller.
  • the temperature controller may improve the output stability by maintaining a constant temperature of the laser light source.
  • the laser light source 150 may include a current modulator 151, a piezoelectric modulator 153, and a communication unit 152.
  • the current modulator 151 may modulate the current flowing through the laser with a modulation frequency according to time. Accordingly, the laser frequency of the output light of the laser light source 150 may be modulated as in Equation 1.
  • the piezoelectric modulator 153 may receive the center frequency control signal F_CTRL from the frequency lock controller 180. Accordingly, the piezoelectric modulator 153 may move the center frequency by changing the cavity length of the laser.
  • the communication unit 152 may receive a laser operation signal from the system control unit 172.
  • the function generator 160 may generate a sine function having a modulation frequency.
  • the function generator may provide a reference frequency signal REF_S for lock-in detection to a lock-in amplifier.
  • the reference frequency signal may be a sine signal or a pulse signal having a modulation frequency.
  • the function generator 160 may generate a trigger signal TRIG_S and provide the trigger signal TRIG_S to the frequency lock controller 180. Accordingly, the frequency lock controller 180 may be synchronized with the function generator 160.
  • the modulation signal Vcm of the function generator 160 may be displayed as follows.
  • the frequency lock mirror 112d may reflect the light provided by the beam splitter 114 and provide the reflected light to the gas cell 112c.
  • the gas cell 112c may be a transparent cell that seals the leakage gas to be measured. Accordingly, when the variable frequency measurement laser light passes through the gas cell 112c, a transmission spectrum may appear.
  • the leaking gas may be N 2 O, He, CH 4, or the like.
  • the laser light transmitted through the gas cell 112c may be provided to the wavelength filter 112b.
  • the wavelength filter 112b may remove a noise component having a wavelength other than the predetermined absorption line band of the leakage gas.
  • the wavelength filter 112b may be a band pass filter that passes a center frequency band of the laser. Light passing through the wavelength filter 112b is provided to the photo detector.
  • the photo detector 112a may convert an optical signal into an electrical signal.
  • the photo detector may be a photodiode.
  • the frequency lock detection signal F_LOCK of the photo detector may have a second harmonic component of a modulation frequency over time.
  • the frequency lock detection signal F_LOCK of the photo detector may be provided to the frequency lock controller for frequency lock control.
  • the laser frequency of the laser light source 150 is periodically changed with a modulation frequency with time within the range of the line width of the absorption line. Accordingly, the output signal of the photo detector 112a may have a second harmonic component of the modulation frequency.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an output signal of a photo detector of a frequency lock part.
  • the first position A is the signal of the photodetector at the point A 'where the laser frequency has a maximum value.
  • the second position B is the signal of the photo detector at the point B 'where the laser frequency has a minimum value.
  • the third position C is the signal of the photodetector at the point C ′ where the laser frequency again has a maximum value. Accordingly, the output signal of the photo detector may have a maximum value at A, B and C points.
  • the center frequency fdc of the laser light source coincides with the center fo of the absorption line.
  • the center frequency fdc of the laser light source does not coincide with the center of the absorption line. In this case, an operation for matching the center frequency fdc of the laser light source to the center fo of the absorption line is required.
  • the frequency lock detection signal F_LOCK of the photo detector may be provided to the frequency lock controller 180.
  • the frequency lock controller 180 may output the center frequency control signal F_CTRL to analyze the waveform of the frequency lock detection signal F_LOCK over time to control the center frequency fdc.
  • the center frequency control signal may be generated through PID (proportional derivative) control. In PID (proportional differential derivative) control, the difference between the signal strength at point A and the signal strength at point B (V A -V B ) can be used as an error function.
  • the center frequency control signal F_CTRL may be provided to the piezoelectric modulator 153 of the laser light source 150. Accordingly, the center frequency fdc may coincide with the center fo of the absorption line.
  • the distance measurer 130 may include a distance measurer 132 and a mirror 134.
  • the distance measuring means 132 may use a visible light band.
  • the distance measuring means 132 may be measured using a time-of-flight method, an amplitude modulation method, or a phase modulation method.
  • the distance measuring light 32 output to the distance measuring means 132 may be provided to the beam splitter 114 through the mirror 134.
  • the beam splitter 114 may reflect the distance measuring light to provide the beam extension 115.
  • the distance measuring light reflected from the measurement object may be provided to the distance measuring means 132 through a reverse path.
  • the distance measuring unit 130 may calculate the distance between the measurement target and the laser light source.
  • the calculated distance may be provided to the system controller 172.
  • the system controller 172 may change the position of the secondary diameter of the reception optical system 140 using the calculated distance.
  • the frequency lock controller 180 may include an analog output port, an analog input port, a digital input port, and a communication unit.
  • the digital input port may receive a trigger signal TRIG_S from the function generator.
  • the analog input port may receive a frequency lock detection signal F_LOCK of the photo detector.
  • the communication unit of the frequency lock control unit 180 may perform wired / wireless communication with the communication unit of the system control unit 172 using the TCP / IP protocol.
  • FIG 8 is a view illustrating a receiving optical system according to an embodiment of the present invention.
  • the reception optical system 140 receives the reflected light 14 absorbed and reflected by the specific gas from the measurement target 10.
  • the reception optical system 140 may include a cassgrain reflective telescope structure.
  • the receiving optical system 140 may include a main mirror focusing the reflected light 14, a sub mirror 144 disposed on a central axis of the main mirror 142, and re-reflecting light reflected from the main mirror 142. And an optical sensor module 148 disposed at a central axis of the main diameter 142.
  • the main diameter 142 may be mounted at one end of the barrel (not shown). The other end of the barrel may be open and disposed to face the measurement target 10.
  • the main diameter 142 may include a through hole on a central axis.
  • the main diameter 142 may be a concave mirror having a constant curvature.
  • the main mirror 142 may collect the reflected light reflected from the measurement target.
  • the reflected light 14 may include a change in spectrum due to leakage gas.
  • the minor diameter 144 may be disposed on a central axis of the major diameter 142.
  • the minor diameter 144 may be a flat mirror or a convex mirror.
  • the optical sensor module 148 may collect and measure the reflected light focused by the secondary diameter 144.
  • the optical sensor module 148 may be a pair of optical sensors.
  • the optical sensor module 148 may be substantially disposed on the central axis of the main diameter.
  • the optical sensor may include a wavelength selective filter at the front end. The wavelength selective filter may pass a selected absorption line band and block other frequency components.
  • the optical sensor module 148 may be disposed between the main diameter 142 and the sub diameter 144 at the central axis of the main diameter 142.
  • the optical sensor module may be one optical sensor, a pair of optical sensors, or a two-dimensionally arranged optical sensor array.
  • the minor diameter scanner 146 may move the minor diameter 144 on the central axis of the major diameter 142 and change the vertical direction of the placement plane of the minor diameter 144 from the central axis. Can be.
  • the minor diameter scanner 146 may include two-axis scanners 149a, 149b, and 149c and a z-axis scanner 147.
  • the two-axis scanner may adjust the tilt angle ⁇ x between the x-axis and the minor-diameter placement plane, and adjust the tilt angle ⁇ y between the y-axis and the minor-diameter placement plane.
  • the z axis scanner 147 may move the minor diameter arrangement plane on the z axis.
  • the biaxial scanners 149a, 149b and 149c may be driven by a motor.
  • the two-axis scanners 149a, 149b, and 149c may operate in synchronization with the transmission scanner 116 of the transmission optical system 110 in time.
  • the biaxial scanners 149a, 149b, and 149c may be controlled to receive the light reflected at the irradiation beam position provided by the transmitting scanner 116 to the measurement target 10.
  • the system controller 172 may provide a scanner control signal SCAN_R to the two-axis scanners 149a, 149b, and 149c, and may provide a z-axis control signal Z_MOV to the z-axis scanner 147. have.
  • the secondary diameter scanner 146 may include a first motor for the x-axis tilt scan, a second motor for the y-axis tilt scan, and a third motor for the scan in the z-axis direction.
  • the motor scan about the z axis direction is applied to focus adjustment to match the focal position of the scattered or reflected light in the leak plane to the detector's placement plane.
  • the z-axis scan motor is directly coupled to and fixed to the telescope barrel body, and the position of the minor diameter moves relative to the main diameter as the z-axis scan motor is driven.
  • the two tilt scan motors may push the disk 145 around a pivot (149a) installed on the central axis of the disk on which the secondary diameter is fixed.
  • the first motor for the x-axis tilt scan may be spaced apart from the central axis of the disc in the x-axis direction
  • the second motor for the y-axis tilt scan may be spaced apart in the y-axis direction from the central axis of the disc. Accordingly, the first motor may provide the x-axis tilt scan and the second motor may provide the y-axis tilt scan.
  • FIG. 10 is a view for explaining a receiving optical system according to another embodiment of the present invention.
  • the reception optical system 240 receives the reflected light 14 absorbed and reflected by the specific gas from the measurement target 10.
  • the receiving optical system 240 may include a cassgrain reflective telescope structure.
  • the receiving optical system 240 may include a main mirror 242 for focusing the reflected light, a sub-mirror 244 disposed on a central axis of the main mirror 242 and reflecting light reflected from the main mirror again, and the main mirror ( 242 may include an optical sensor module disposed in the central axis.
  • the main diameter 242 may be mounted at one end of the barrel (not shown). The other end of the barrel may be open and disposed to face the measurement target 10.
  • the main diameter 242 may include a through hole on a central axis.
  • the main diameter 242 may be a concave mirror having a constant curvature.
  • the main mirror 242 may collect the reflected light reflected from the measurement target.
  • the reflected light 14 may include a change in spectrum due to leakage gas.
  • the optical sensor modules 243 and 248 may include a pair of optical fibers 243 and a pair of optical sensors 248 for guiding an image or focused reflected light formed on a detection surface.
  • the optical fibers 243 may be a pair of optical fibers or optical fiber bundles spaced apart from each other. One end of the optical fiber may be disposed on the detection surface, and the other end of the optical fiber may be disposed on the optical sensor.
  • the optical fiber may extend to the outside through the through hole formed in the main diameter 242.
  • the optical sensor 248 may be disposed in a cooling chamber for operational stability.
  • the optical sensor 248 includes a focusing lens 248a for focusing light spreading from the other end of the optical fiber, an aperture 248b disposed behind the focusing lens, and a wavelength selection filter disposed behind the aperture, and the wavelength selection filter. It may include an optical element (248c) disposed at the rear end of the.
  • the outputs DS1 and DS2 of the optical sensor 248 may be differentially amplified.
  • FIG. 11 is a view for explaining a scanning method of the irradiation beam according to an embodiment of the present invention.
  • the transmission optical system 110 may control the transmission scan unit to irradiate the laser beam 12 to the surface or the leaking surface of the measurement target.
  • the irradiation position of the laser beam may move in the x-axis direction at regular unit intervals. Accordingly, the irradiation position can be changed in the x-axis direction with time. Subsequently, when the right boundary of the scan range is reached, the irradiation position can move at unit intervals in the -y axis direction. The irradiation position can then move at unit intervals in the -x axis direction. By repeating this operation, the laser beam can sequentially scan all surfaces to be detected of the measurement object.
  • the scanning method of the irradiation beam may be a raster scan.
  • FIG. 12B is a diagram illustrating the x-z plane of FIG. 12A.
  • FIG. 12C is a diagram illustrating the y-z plane of FIG. 12A.
  • FIG. 12C is a diagram illustrating the y-z plane of FIG. 12A.
  • the transmission optical system 110 provides an irradiation position of each scanning beam on the leaking surface or the measuring surface.
  • the sub-diameter scanner 146 may be controlled to track the detection position corresponding to the irradiation position.
  • the driving order of the transmission scanner of the transmission optical system and the sub-diameter scanner of the reception optical system needs to be synchronized with each other so that the scattered beam can be accurately focused on the detector at the same time as the scanning beam is irradiated.
  • the transmission optical system 110 may move the irradiation position from A to B or A to C.
  • the detection position of the receiving optical system 140 may also move from A to B.
  • the distance between the transmitting optical system and the receiving optical system is typically within several tens of centimeters.
  • the distance between the transmission optical system 110 and the leakage surface of the measurement target 10 is in the range of several meters to several tens of meters. Therefore, when the beam deflection angle by the transmission scanner 116 in the transmission optical system 110 is ⁇ x , the beam deflection angle of the sub-diameter scanner 146 for synchronization in the reception optical system 140 is ⁇ x .
  • the beam deflection angle ⁇ x by the transmission scanner 116 in the transmission optical system 110 is almost the same as the beam deflection angle ⁇ x of the secondary diameter scanner 146 for synchronization in the reception optical system 140. can do.
  • the detection position of the receiving optical system 140 may also move from A to C.
  • the distance between the transmitting optical system 110 and the receiving optical system 140 is typically within several tens of centimeters.
  • the distance between the transmission optical system 110 and the leakage surface of the measurement object is in the range of several meters to several tens of meters. Therefore, when the beam deflection angle by the transmission scanner 116 in the transmission optical system 110 is ⁇ y , the beam deflection angle of the sub-diameter scanner 146 for synchronization in the reception optical system 140 is ⁇ y .
  • the beam deflection angle ⁇ y by the transmission scanner 116 in the transmission optical system 110 is almost the same as the beam deflection angle ⁇ y of the secondary diameter scanner 146 for synchronization in the reception optical system 140. can do.
  • scanner synchronization of the transmitting optical system and the receiving optical system can be realized by simultaneously changing the same angle along the same axial direction.
  • a and B represent two measuring points spaced apart by a distance D on the measuring plane.
  • L is the vertical distance between the measurement surface and the peripheral diameter position of the receiving optical system 140.
  • L is the vertical distance between the measurement surface and the lens position of the receiving optical system 140.
  • the receiving optical system 140 may be implemented through a refractive optical system or a reflective optical system.
  • Light scattered at the two measuring points A and B may be imaged at positions A 'and B' on the detection surface through the reception optical system 140.
  • the distance between the two imaging positions A 'and B' is D '.
  • the vertical distance between the detection surface and the main diameter is L '.
  • L ' may correspond to 1/2 of the radius of curvature of the principal diameter.
  • L ' may correspond to a focal length of the lens.
  • a photo detector may be disposed at two imaging positions A ′ and B ′, respectively.
  • the first photodetector 148a may be disposed in the A 'position
  • the second photodetector 148b may be disposed in the B' position.
  • the first output signal DS1 of the first photodetector 148a and the second output signal DS2 of the second photodetector 148b may be provided to the differential amplifier 192.
  • the differential amplifier 192 may output a differentially amplified differential signal.
  • the leaking gas component to be detected may already be present at a constant concentration in the atmosphere.
  • the amount of leaking gas to be detected may be small. Therefore, when using a single photodetector, it is difficult to distinguish whether the detected signal is caused by a leaking gas or a gas present in the atmosphere.
  • the background signal by the gas in the air is required to be removed.
  • the difference between the two signals detected at different measurement points A and B provides a differential signal.
  • the differential signal When leakage gas exists in the A position and no leakage gas exists in the B position, the difference (differential signal) between the detection signal at the A 'point and the detection signal at the B' point can be obtained. In this case, the differential signal cancels out the effects of the gases present in the commonly transmitted atmosphere. Thus, the differential signal is affected by leakage gas.
  • L ' is the sum of the first distance between the main diameter and the minor diameter and the second distance between the sub diameter and the photodetector (or the detection surface).
  • the principal diameter and the detector are fixed, and the minor diameter can move in the z-axis direction from the central axis of the principal diameter.
  • L 'for imaging on the detection surface may be changed. Specifically, as L increases, L 'decreases. Also, as L decreases, L 'increases.
  • the position of the measuring surface When the position of the measuring surface is far from the measuring system, the position of the secondary diameter is moved toward the detector by the z-axis scanner. On the other hand, when the position of the measurement surface approaches the measurement system, the position of the secondary diameter is moved away from the detector by the z-axis scanner.
  • the vertical distance L between the main diameter and the measurement surface may be calculated by the distance measuring unit 130.
  • the distance measuring unit 130 may measure the distance between the distance measuring unit and the measurement surface.
  • the distance measured by the distance measuring unit 130 may be substantially the same as the vertical distance L between the main diameter and the measurement surface.
  • the vertical distance L between the principal diameter and the measurement surface may be calculated through the correction.
  • L' may be changed.
  • the system controller 172 may provide a control signal Z_MOV for moving the z-axis scanner.
  • the distance D between the measuring points is given as follows.
  • D is 26.3 cm.
  • D is 26.3 cm.
  • the scattered beams from two measuring points A and B separated by 26.3 cm are imaged on two light detectors 5 mm apart from the light receiving portion.
  • the distance between two photodetectors decreases, the distance between two measurement points decreases.
  • the two light paths come closer to each other. Accordingly, differential signal detection can easily remove noise.
  • a pair of photo detectors 148a and 148b may be directly disposed on the imaging surface for differential amplification.
  • a pair of optical fibers 249a and 249b may also be disposed on the detection surface to guide the focused light instead of the photo detector.
  • One end of the first optical fiber 249a may be disposed on the detection surface, and the other end of the first optical fiber 249a may be disposed before the first photodetector.
  • One end of the second optical fiber 249b may be spaced apart from one end of the first optical fiber 249a on the detection surface, and the other end of the second optical fiber 249b may be disposed in front of the second photodetector.
  • the first optical fiber and the second optical fiber may extend to the outside through the through hole formed on the central axis of the main diameter.
  • the output of the first photodetector and the output of the second photodetector may be provided to a differential amplifier to generate a differential signal DIF_S.
  • an optical fiber bundle may be used.
  • One end of the first optical fiber bundle 349a may be disposed on the detection surface, and one end of the second optical fiber bundle 349b may be disposed on the detection surface spaced apart from the first optical fiber bundle.
  • an alignment optical fiber 347 may be disposed between the first optical fiber bundle and the second optical fiber bundle.
  • the alignment optical fiber 347 may be provided with alignment light from the outside.
  • the alignment light may be visible light. Accordingly, using the alignment light, the light detection module can be easily aligned on the central axis of the main diameter.
  • the controller 170 may include a system controller 172 and a signal processor 190.
  • the signal processor 190 may extract the harmonic components of the modulation frequency by analyzing the reflected light measured by the reception optical system.
  • the signal processor 190 may include a differential amplifier 192 and a lock-in amplifier 194.
  • the differential amplifier 192 may receive a first detection signal DS1 and a second detection signal DS2 measured at an imaging plane or a detection plane from a reception optical system.
  • the differential amplifier 192 may output the difference DIF_S between the first detection signal DS1 and the second detection signal DS2.
  • the differential signal DIF_S of the differential amplifier may be provided to the lock-in amplifier.
  • the lock-in amplifier 194 may receive a reference signal REF_S of a modulation frequency from the function generator 160 and a differential signal DIF_S from the differential amplifier 192.
  • the lock-in amplifier 194 may extract harmonic components of the modulation frequency.
  • the harmonic component may be a second harmonic pile.
  • the intensity of the second harmonic component may depend on the amount or concentration of the leaking gas.
  • the output signal LOCKIN_OUT of the lock-in amplifier 194 may be provided to the system controller 172.
  • the system controller 172 may calculate the concentration of the leaking gas by analyzing the intensity of the second harmonic component.
  • the system controller 172 may receive distance information between the transmission optical system and the measurement target from the distance measuring unit, and drive the z-axis scanner of the reception optical system using the distance information.
  • the system control unit 172 may include a communication unit, and the communication unit may communicate with the frequency lock control unit. In addition, the system controller 172 may provide an output signal for operating the laser light source 150 to the laser light source 150. In addition, the system controller 172 may provide a signal for setting the modulation frequency of the function generator 160 to the function generator 160.
  • FIG. 15 is a view for explaining a gas leakage measuring apparatus according to another embodiment of the present invention. Descriptions overlapping with those described in FIG. 5 will be omitted.
  • a gas detection apparatus 100a may include a laser that continuously modulates a laser frequency with time having a modulation frequency in a range of a line width of a specific single absorption line in an absorption spectrum of a specific gas.
  • a light source 150 for providing the output light of the laser light source 150 to a measurement target, a reception optical system 140 for receiving the reflected light absorbed and reflected by the specific gas from the measurement target, and the A frequency lock 112 for fixing the center frequency of the laser light source to the center of a specific absorption band of the absorption spectrum of a specific gas, and the reflected light measured by the reception optical system 140 to analyze the harmonic components of the modulation frequency.
  • the control unit 170 to extract the.
  • the reception optical system 110, the frequency locking unit 112, and the transmission optical system 140 may be formed of an integrated body 30.
  • the movement system 32 can move the unitary body 30 to scan the laser beam.
  • the mobile system 32 may be controlled by the controller 170.
  • the first detection signal DS1 and the second detection signal DS2 of the reception optical system 140 may be provided to the controller.
  • the controller 170 may generate a differential signal by calculating the first detection signal DS1 and the second detection signal DS2, and extract the second harmonic component by Fourier transforming the differential signal. Subsequently, the controller 170 may determine whether the gas leaks using the second harmonic component.
  • a laser light source has a center frequency corresponding to a minimum value of a specific absorption band in an absorption spectrum of a specific gas, and has a modulation frequency in a range of line widths of the specific absorption band according to time.
  • the transmission optical system may change the irradiation position of the output light of the laser light source to the measurement target.
  • the reception optical system may change the reception position of the reflected light according to the irradiation position of the output light of the laser light source to the measurement target.
  • the frequency lock detection signal may be generated by detecting light branched from the output light of the laser light source through the gas cell sealed with the specific gas and then detecting the light.
  • the laser frequency over time can be a sine function over time with a modulation frequency.
  • the control unit may extract the harmonic components of the modulation frequency by analyzing the reflected light measured by the reception optical system, including generating a first detection signal and a second detection signal at a pair of detection positions; Differentially amplifying and outputting the first and second detection signals; And locking in the differentially amplified signal with lockin detection of harmonics of the modulation frequency.
  • the controller may further include determining whether the specific gas leaks according to the second harmonic component of the modulation frequency.
  • the transmitting optical system and the receiving optical system can be integrated.

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Abstract

본 발명은 가스 검출 장치 및 가스 검출 방법을 제공한다. 이 가스 검출 장치는 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 단일 흡수선의 선폭의 범위에서 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 레이저 주파수를 연속적으로 변경하는 레이저 광원; 상기 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 제공하는 송신 광학계; 상기 측정 대상에서 상기 특정한 가스에 의한 흡수되어 반사된 반사광을 수신하는 수신 광학계; 상기 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역의 중심에 상기 레이저 광원의 중심 주파수를 고정하기 위한 주파수 잠금부; 및 상기 수신 광학계가 측정한 상기 반사광을 분석하여 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출하는 제어부를 포함한다.

Description

가스 검출 장치 및 가스 검출 방법
본 발명은 가스 누설 감지 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 레이저의 파장을 가변하여 누설 가스의 흡수 스펙트럼을 측정하여 가스 누설을 감지하는 가스 누설 감지 장치에 관한 것이다.
진공 챔버의 누설(leakage)을 확인하기 위하여, 헬륨가스를 챔버에 공급하고, 질량 분석기는 헬륨 가스를 감지하여 누설 위치를 확인하였다.
일반적으로 특정 파장의 레이저광은 임의의 가스에 흡수되는 특징을 가지고 있다. 이러한 레이저광의 특징을 이용한 레이저 수광 장치는 원거리에서도 가스의 누출 유무를 검출할 수 있다. 예를 들어 설명하면, He-Ne 레이저에 의하여 조사되는 레이저광의 3.39㎛에는 3.3922㎛(λ1)와 3.3912㎛(λ2)와 같은 두 개의 파장이 존재하며 이중 λ1은 메탄에 강하게 흡수되고, λ2는 메탄에 조금밖에 흡수되지 않는 특성이 있다. 이러한 특징을 이용한 종래 레이저 기반 원격 메탄 누설 검출을 위한 방법 및 장치(미국등록특허 US 7,075,653 B1호 2006. 07. 11)가 개발되었다.
그러나, 주파수 변조 방식을 사용하는 종래 레이저 기반 원격 메탄 누설 검출 방법은 레이저 주파수 안정화의 문제를 가지고 있다.
본 발명은 특정한 가스의 흡수 스펙트럼에 안정화된 누설 가스 검출 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치는 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 단일 흡수선의 선폭의 범위에서 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 레이저 주파수를 연속적으로 변경하는 레이저 광원; 상기 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 제공하는 송신 광학계; 상기 측정 대상에서 상기 특정한 가스에 의한 흡수되어 반사된 반사광을 수신하는 수신 광학계; 상기 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역의 중심에 상기 레이저 광원의 중심 주파수를 고정하기 위한 주파수 잠금부; 및 상기 수신 광학계가 측정한 상기 반사광을 분석하여 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 송신 광학계는 상기 레이저 광원의 출력광을 제공받아 광원으로 되돌아가는 일부 반사광을 차단하기 위한 아이솔레이터; 및 상기 아이솔레이터를 통과한 광의 빔 사이즈를 증가시키는 빔 확장부(beam expander)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 송신 광학계는 상기 레이저 광원의 출력광을 제공받아 광원으로 되돌아가는 일부 반사광을 차단하기 위한 아이솔레이터; 상기 아이솔레이터를 통과한 광의 빔 사이즈를 증가시키는 빔 확장부(beam expander); 및 상기 아이솔레이터와 상기 빔 확장부 사이에 배치되는 빔 스플릿터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 주파수 잠금부는 상기 빔 스플릿터에 의하여 분기된 광을 반사시키는 주파수 잠금 거울; 상기 주파수 잠금 거울에서 반사된 광을 투과시키고 밀봉된 상태의 상기 특정한 가스를 포함하는 가스 셀(gas cell); 상기 가스 셀을 투과한 광에서 노이즈 주파수 성분을 제거하는 필터; 및 상기 필터를 통과한 광을 감지하는 광 감지부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광 감지부의 출력 신호를 제공받아 처리하여 상기 레이저 광원의 중심 주파수를 상기 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역의 최하점에 일치시키도록 제어하는 주파수 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 수신 광학계는 카세그레인식(Cassegrain) 반사 망원경 구조일 수 있다. 상기 수신 광학계는 상기 반사된 레이저 광을 집속하는 주경(main mirror); 상기 주경의 중심축에 배치되고 상기 주경으로부터 반사된 광을 재반사시키는 부경; 및 상기 주경의 중심축에서 배치되는 광 감지 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광 감지 모듈은 일단은 상기 주경의 중심축에 배치되고, 서로 이격되어 배치된 한 쌍의 광 섬유; 및 상기 한 쌍의 광 섬유의 타단에 각각 배치된 한 쌍의 광 검출기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광 감지 모듈은 일단은 상기 주경의 중심축에 배치되고, 서로 이격되어 배치된 한 쌍의 광 섬유 번들; 및 상기 한 쌍의 광 섬유 번들의 타단에 각각 배치된 한 쌍의 광 검출기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광 감지 모듈은 한 쌍의 광 섬유 번들 사이에 배치된 정렬 광섬유를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 수신 광학계는 카세그레인식(Cassegrain) 반사 망원경 구조일 수 있다. 상기 수신 광학계는 상기 반사된 레이저 광을 집속하는 주경(main mirror); 상기 주경의 중심축에 배치되고 상기 주경으로부터 반사된 광을 재반사시키는 부경; 상기 부경을 상기 주경의 중심축 상에서 이동시키고 상기 부경의 배치 평면의 수직 방향을 상기 중심축으로부터 변경시키는 부경 스캐너; 상기 주경의 중심축에서 배치되는 광 감지 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 송신 광학계는 상기 레이저 광원의 출력광을 제공받아 광원으로 되돌아가는 일부 반사광을 차단하기 위한 아이솔레이터; 상기 아이솔레이터를 통과한 광의 빔 사이즈를 증가시키는 빔 확장부(beam expander); 상기 빔 확장부의 후단에 배치되어 상기 측정 대상의 배치 평면에 스캐닝하는 빔을 제공하는 송신 스캐너; 및 상기 송신 스캐너가 제공한 빔을 반사시켜 상기 측정 대상에 제공하는 송신거울을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 측정 대상과 상기 레이저 광원의 거리를 측정하는 거리 측정부를 더 포함하고, 상기 거리 측정부는 가시광선 대역의 파장을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 측정 대상과 상기 레이저 광원의 거리를 가시 광선 대역의 파장을 사용하여 측정하는 거리 측정부를 더 포함할 수 있다. 상기 송신 광학계는 상기 레이저 광원의 출력광을 제공받아 광원으로 되돌아가는 일부 반사광을 차단하기 위한 아이솔레이터; 상기 아이솔레이터를 통과한 광의 빔 사이즈를 증가시키는 빔 확장부(beam expander); 및 상기 아이솔레이터와 상기 빔 확장부 사이에 배치되는 빔 스플릿터를 포함할 수 있다. 상기 빔 스플릿터는 이색성 거울이고, 상기 거리 측정부의 출력광은 상기 빔 스플릿터를 통하여 상기 빔 확장부에 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저 광원은 흐르는 변조 주파수의 전류를 이용하여 주파수를 변조하고, 상기 레이저 광원의 중심 주파수는 압전 소자를 이용하여 캐비티 길이 변경에 의하여 이동할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 신호 처리부를 포함할 수 있다. 상기 신호 처리부는 상기 수신 광학계가 제공하는 한 쌍의 광 검출기의 출력 신호를 제공받는 차동 증폭기; 및 상기 차동 증폭기의 차동 증폭 신호를 제공받아 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 출력하는 록인 증폭기(lock-in amplifier)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 변조 주파수를 가지는 전류 변조 신호를 생성하는 함수 발생기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 시스템 제어부를 더 포함할 수 있다. 상기 시스템 제어부는 상기 신호 처리부의 데이터를 제공받아 연산하여 상기 측정 대상의 특정한 가스 누출 여부를 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 방법은 레이저 광원이 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역의 최소값에 일치하는 중심 주파수를 가지고, 상기 특정한 흡수 대역의 선폭의 범위에서 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 주파수를 연속적으로 변경하는 단계; 송신 광학계가 상기 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 조사하는 단계; 수신 광학계가 상기 측정 대상의 특정한 가스 누출 여부에 따라 상기 특정한 가스의 흡수 스펙트럼을 반영한 반사광을 수신하는 단계; 주파수 잠금부가 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역에 상기 레이저 광원의 중심 주파수를 고정하기 위한 주파수 잠금 검출 신호를 생성하는 단계; 및 제어부는 상기 수신 광학계가 측정한 상기 반사광을 분석하여 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 송신 광학계가 상기 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 조사 위치를 변경하는 단계; 및 상기 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 조사 위치에 따라 상기 수신 광학계가 상기 반사광의 수신 위치를 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 주파수 잠금 검출 신호는 상기 레이저 광원의 출력광으로부터 분기된 광을 상기 특정한 가스로 밀봉된 가스 셀을 투과시켜 후 검출하여 생성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 시간에 따른 레이저 주파수는 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 사인 함수일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제어부는 상기 수신 광학계가 측정한 상기 반사광을 분석하여 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출하는 단계는 한 쌍의 검출 위치에서 제1 검출 신호와 제2 검출 신호를 생성하는 단계; 상기 제1 검출 신호와 제2 검출 신호를 차동 증폭하여 출력하는 단계; 및 상기 차동 증폭된 신호를 상기 변조 주파수의 고조파를 록인 감지(lock-in detection)하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제어부는 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분에 따라 상기 특정 가스의 누출 여부를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 송신 광학계와 수신 광학계는 일체화될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 누설 측정 장치는 특정한 가스의 흡수 스펙트럼에 안정화된 주파수 변조 레이저 및 차동 신호를 이용하여 안정적이고 미세한 누설 가스를 측정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 누설 측정 장치는 원거리에서 누설 가스의 누설 위치와 누설량을 고속으로 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스의 투과 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 2는 1의 특정한 단일 흡수선(E)의 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 변조를 설명하는 도면이다.
도 4는 누설 가스를 투과한 레이저 광의 세기를 시간에 따라 표시한 시뮬레이션 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치를 설명하는 개념도이다.
도 6은 도 5의 가스 검출 장치의 타이밍 차트이다.
도 7은 주파수 잠금부의 광 검출기의 출력 신호를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 광학계를 설명하는 도면이다.
도 9a 내지 도 9c의 부경 스캐너의 동작을 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수신 광학계를 설명하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 조사 빔의 스캔 방식을 설명하는 도면이다.
도 12a는 측정용 레이저 조사 빔과 조사 위치에서 반사된 반사 빔의 수집 방법에 대하여 설명하는 도면이다.
도 12b는 도 12a의 x-z 평면을 나타내는 도면이다.
도 12c는 도 12a의 y-z 평면을 나타내는 도면이다.
도 13은 측정 대상의 측정면 또는 누설면과 수신 광학계 내부의 결상되는 검출면 사이의 관계를 나타내는 그림이다.
도 14는 광 검출 모듈이 배치되는 검출면을 설명하는 도면이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 누설 측정 장치를 설명하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 보다 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
가스는 통상적으로 선박 또는 가스 저장 탱크 등에 저장될 수 있다. 상기 가스의 누출은 화재, 폭발, 또는 독성을 가질 수 있다. 이에 따라, 측정 대상의 가스 누출 여부를 확인할 필요가 있다. 상기 가스는 탱크에 저장된 가스 또는 가스 누출을 확인하기 위한 시험용 가스일 수 있다. 저장된 가스의 경우, 가스는 메탄, 에탄, 또는 프로판 가스 등일 수 있다. 시험용 가스의 경우, 가스는 헬륨 또는 N2O 일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스의 투과 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 2는 1의 특정한 단일 흡수선(E)의 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 가스는 N2O이다. 상기 N2O 가스의 투과 스펙트럼(또는 흡수 스펙트럼)은 복수의 흡수선들을 포함한다. 이들 중에서 관심있는 하나의 흡수선(E)이 선택될 수 있다. 상기 흡수선(E)은 가스 누설을 검출하기 위하여 사용될 수 있다.
가스의 흡수선을 정의하는 세가지 파리미터는 흡수선의 중심 주파수, 흡수선의 강도, 그리고 흡수선의 형태일 수 있다. 각각의 흡수선은 내츄럴 브로드닝(natural broadening)에 의하여 일정한 크기의 선폭을 가진다. 또한, 각각의 흡수선은 추가적으로 지표면 근처의 대기 중에서 가스 분자들 사이의 서로 간의 충돌에 의한 선폭 확장 현상에 의한 압력 브로드닝(pressure broadening)을 가진다. 상기 압력 브로드닝(pressure broadening)에 의하여 흡수선의 형태는 로렌츠 프로파일(Lorentz profile)일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 변조를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 흡수선은 로렌츠 프로파일을 가질 경우, 일정한 세기의 레이저 광의 레이저 주파수는 변조 주파수를 가지고 특정한 가스의 흡수 스펙트럼에 안정화된 사인 함수일 수 있다. 구체적으로 레이저 주파수(fcm)는 다음과 같이 주어질 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2014010928-appb-M000001
여기서, fm은 변조 주파수이고, fdc는 중심 주파수이고, B는 변조진폭이고, t는 시간이다.
레이저 주파수는 시간에 따라 사인파의 형태를 가지는 경우, 누설 가스를 투과한 광은 상기 누설 가스의 상기 흡수선에 의하여 변형되어 변조 주파수(fm)의 2차 고조파 성분을 포함한다. 따라서, 변조 주파수(fm)의 2차 고조파 성분은 상기 누설 가스의 농도에 의존할 수 있다.
도 4는 누설 가스를 투과한 레이저 광의 세기를 시간에 따라 표시한 시뮬레이션 결과이다.
도 4를 참조하면, 일정한 세기의 레이저 광의 레이저 주파수는 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 사인 함수로 변조될 수 있다. 이에 따라, 누설 가스를 투과한 광 신호는 변조 주파수(fcm)의 2차 고조파 성분을 포함한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치를 설명하는 개념도이다.
도 6은 도 5의 가스 검출 장치의 타이밍 차트이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치(100)는 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 단일 흡수선의 선폭의 범위에서 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 레이저 주파수를 연속적으로 변경하는 레이저 광원(150), 상기 레이저 광원(150)의 출력광을 측정 대상에 제공하는 송신 광학계(110), 상기 측정 대상(10)에서 상기 특정한 가스에 의한 흡수되어 반사된 반사광을 수신하는 수신 광학계(140), 상기 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역의 중심에 상기 레이저 광원의 중심 주파수를 고정하기 위한 주파수 잠금부(112), 및 상기 수신 광학계(140)가 측정한 상기 반사광을 분석하여 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출하는 제어부(170)를 포함한다.
레이저 광원(150)은 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 단일 흡수선의 선폭의 범위에서 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 레이저 주파수를 연속적으로 변경한다. 레이저 광원(150)은 색소 레이저, 파라메트릭 발진 레이저, 스핀 플립라만 레이저, 또는 반도체 레이저일 수 있다.
레이저 광원(150)은 온도 조절부를 포함할 수 있다. 상기 온도 조절부는 상기 레이저 광원의 온도를 일정하게 유지하여 출력 안정성을 향상시킬 수 있다.
레이저 광원(150)은 전류 변조부(151), 압전 변조부(153), 및 통신부(152)를 포함할 수 있다. 상기 전류 변조부(151)는 레이저에 흐르는 전류를 변조 주파수로 시간에 따라 변조할 수 있다. 이에 따라, 상기 레이저 광원(150)의 출력광의 레이저 주파수는 수학식 1과 같이 변조될 수 있다.
상기 압전 변조부(153)는 주파수 잠금 제어부(180)로부터 중심 주파수 제어 신호(F_CTRL)를 수신할 수 있다. 이에 따라, 상기 압전 변조부(153)는 레이저의 캐비티 길이를 변경하여 중심 주파수를 이동시킬 수 있다.
통신부(152)는 시스템 제어부(172)로부터 레이저 동작 신호를 수신할 수 있다.
함수 발생기(160)는 변조 주파수를 가지는 사인 함수를 생성할 수 있다. 함수 발생기는 록인 증폭기(lock-in amplifier)에 록인 감지를 위하여 기준 주파수 신호(REF_S)를 제공할 수 있다. 상기 기준 주파수 신호는 변조 주파수를 가진 사인 신호 또는 펄스 신호일 수 있다. 상기 함수 발생기(160)는 트리거 신호(TRIG_S)를 생성하여 주파수 잠금 제어부(180)에 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 주파수 잠금 제어부(180)는 상기 함수 발생기(160)에 동기화될 수 있다.
상기 함수 발생기(160)의 변조 신호(Vcm)는 다음과 같이 표시될 수 있다.
수학식 2
Figure PCTKR2014010928-appb-M000002
상기 주파수 잠금 거울(112d)은 상기 빔 스플릿터(114)가 제공한 광을 반사시키어 상기 가스 셀(112c)에 제공할 수 있다.
상기 가스 셀(112c)은 측정하고자 하는 누설 가스를 밀봉한 투명한 셀일 수 있다. 이에 따라, 가변 주파수 측정 레이저 광이 상기 가스 셀(112c)을 투과하는 경우, 투과 스펙트럼이 나타날 수 있다. 상기 누설 가스는 N2O, He, CH4, 등일 수 있다.
상기 가스 셀(112c)을 투과한 레이저 광은 파장 필터(112b)에 제공될 수 있다. 상기 파장 필터(112b)는 상기 누설 가스의 소정의 흡수선 대역 이외에 다른 파장을 가진 노이즈 성분을 제거할 수 있다. 상기 파장 필터(112b)는 레이저의 중심 주파수 대역을 통과시키는 밴드 패스 필터일 수 있다. 상기 파장 필터(112b)를 통과한 광은 광 검출기에 제공된다.
상기 광 검출기(112a)는 광 신호를 전기 신호로 변경할 수 있다. 상기 광 검출기는 포토 다이오드일 수 있다. 상기 광 검출기의 주파수 잠금 검출 신호(F_LOCK)는 시간에 따라 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 가질 수 있다. 상기 광 검출기의 주파수 잠금 검출 신호(F_LOCK)는 주파수 잠금 제어를 위하여 주파수 잠금 제어부에 제공될 수 있다.
상기 레이저 광원(150)의 레이저 주파수는 흡수선의 선폭의 범위 내에서 시간에 따라 변조 주파수를 가지고 주기적으로 변경된다. 이에 따라, 상기 광 검출기(112a)의 출력 신호는 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 가질 수 있다.
도 7은 주파수 잠금부의 광 검출기의 출력 신호를 나타내는 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 제1 위치(A)는 레이저 주파수가 최대값을 가지는 지점(A')에서의 광 검출기의 신호이다. 제2 위치(B)는 레이저 주파수가 최소값을 가지는 지점(B')에서의 광 검출기의 신호이다. 제3 위치(C)는 레이저 주파수가 다시 최대값을 가지는 지점(C')에서의 광 검출기의 신호이다. 이에 따라, 상기 광 검출기의 출력 신호는 A 지점, B 지점 및 C 지점에서 최대값을 가질 수 있다.
만약, A 지점에서의 상기 광 검출기의 출력 신호의 크기가 B 지점의 출력 신호의 크기와 같다면, 상기 레이저 광원의 중심 주파수(fdc)는 상기 흡수선의 중심(fo)에 일치한다.
만약, A 지점에서의 상기 광 검출기의 출력 신호의 크기가 B 지점의 출력 신호의 크기와 같지 않다면, 상기 레이저 광원의 중심 주파수(fdc)는 상기 흡수선의 중심에 일치하지 않는다. 이 경우, 상기 레이저 광원의 중심 주파수(fdc)를 상기 흡수선의 중심(fo)에 일치시키기 위한 동작이 요구된다.
다시, 도 5를 참조하면, 상기 광 검출기의 주파수 잠금 검출 신호(F_LOCK)는 주파수 잠금 제어부(180)에 제공될 수 있다. 상기 주파수 잠금 제어부(180)는 시간에 따른 주파수 잠금 검출 신호(F_LOCK)의 파형을 분석하여 중심 주파수(fdc)를 제어하도록 중심 주파수 제어 신호(F_CTRL)를 출력할 수 있다. 상기 중심 주파수 제어 신호는 PID(비례적분미분) 제어를 통하여 생성될 수 있다. PID(비례적분미분) 제어에서, A 지점에서의 신호의 세기와 B 지점에서의 신호의 세기의 차이(VA-VB)는 에러함수(error function)로 사용될 수 있다. 중심 주파수 제어 신호(F_CTRL)는 레이저 광원(150)의 압전 변조부(153)에 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 중심 주파수(fdc)는 상기 흡수선의 중심(fo)에 일치할 수 있다.
거리 측정부(130)는 거리 측정 수단(132) 및 거울(134)을 포함할 수 있다. 상기 거리 측정 수단(132)은 가시 광선 대역을 사용할 수 있다. 상기 거리 측정 수단(132)은 비행시간(time-of-flight) 방식, 진폭 변조 방식, 위상 변조 방식을 이용하여 측정할 수 있다. 상기 거리 측정 수단(132)에 출력된 거리 측정광(32)은 상기 거울(134)을 통하여 상기 빔 스플릿터(114)에 제공될 수 있다. 상기 빔 스플릿터(114)는 상기 거리 측정광을 반사시켜 상기 빔 확장부(115)에 제공할 수 있다. 상기 측정 대상에서 반사된 거리 측정광은 역 경로를 통하여 상기 거리 측정 수단(132)에 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 거리 측정부(130)는 측정 대상과 레이저 광원의 거리를 산출할 수 있다. 상기 산출된 거리는 시스템 제어부(172)에 제공될 수 있다. 상기 시스템 제어부(172)는 산출된 거리를 이용하여 수신 광학계(140)의 부경의 위치를 변경할 수 있다.
주파수 잠금 제어부(180)는 아날로그 출력 포트, 아날로그 입력 포트, 디지털 입력 포트, 그리고 통신부를 포함할 수 있다. 상기 디지털 입력 포트는 상기 함수 발생기로부터 트리거 신호(TRIG_S)를 제공받을 수 있다. 상기 아날로그 입력 포트는 상기 광 검출기의 주파수 잠금 검출 신호(F_LOCK)를 제공받을 수 있다. 주파수 잠금 제어부(180)의 통신부는 상기 시스템 제어부(172)의 통신부와 TCP/IP 프로토콜을 이용하여 유선/무선 통신할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 광학계를 설명하는 도면이다.
도 8을 참조하면, 수신 광학계(140)는 상기 측정 대상(10)에서 상기 특정한 가스에 의한 흡수되어 반사된 반사광(14)을 수신한다.
상기 수신 광학계(140)는 카세그레인식(Cassegrain) 반사 망원경 구조를 포함할 수 있다. 상기 수신 광학계(140)는 상기 반사광(14)을 집속하는 주경(main mirror), 상기 주경(142)의 중심축에 배치되고 상기 주경(142)으로부터 반사된 광을 재반사시키는 부경(144), 및 상기 주경(142)의 중심축에서 배치되는 광 센서 모듈(148)을 포함할 수 있다.
상기 주경(142)은 경통(미도시)의 일단에 장착될 수 있다. 상기 경통의 타단은 개방되고, 상기 측정 대상(10)을 바라보도록 배치될 수 있다. 상기 주경(142)은 중심축 상에 관통홀을 포함할 수 있다. 상기 주경(142)은 일정한 곡률을 가지는 오목 거울일 수 있다. 상기 주경(142)은 측정 대상에서 반사된 반사광을 수집할 수 있다. 상기 반사광(14)은 누설 가스에 의하여 스펙트럼의 변화를 포함할 수 있다.
부경(144)은 상기 주경(142)의 중심축 상에 배치될 수 있다. 상기 부경(144)은 평면 거울 또는 볼록 거울일 수 있다. 상기 부경
광 센서 모듈(148)은 상기 부경(144)에 의하여 집속되는 반사광을 수집하여 측정할 수 있다. 상기 광 센서 모듈(148)은 한 쌍의 광 센서일 수 있다. 상기 광 센서 모듈(148)은 실질적으로 상기 주경의 중심축 상에 배치될 수 있다. 상기 광 센서는 전단에 파장 선택 필터를 포함할 수 있다. 상기 파장 선택 필터는 선택된 흡수선 대역을 통과시키고 다른 주파수 성분을 차단할 수 있다.
상기 광 센서 모듈이 광 센서인 경우, 상기 광 센서 모듈(148)은 상기 주경(142)의 중심축에서 상기 주경(142)과 부경(144) 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 광 센서 모듈는 하나의 광 센서, 한 쌍의 광 센서, 또는 2차원적으로 배열된 광 센서 어레이일 수 있다.
도 9a 내지 도 9c의 부경 스캐너의 동작을 설명하는 도면이다.
도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 부경 스캐너(146)는 상기 부경(144)을 상기 주경(142)의 중심축 상에서 이동시키고 상기 부경(144)의 배치 평면의 수직 방향을 상기 중심축으로부터 변경시킬 수 있다. 상기 부경 스캐너(146)는 2축 스캐너(149a,149b,149c)와 z축 스캐너(147)를 포함할 수 있다. 상기 2축 스캐너는 x축과 부경 배치 평면 사이의 틸트 각도(θx)를 조절하고, y축과 부경 배치 평면 사이의 틸트 각도(θy)를 조절할 수 있다.
z 축 스캐너(147)는 상기 부경 배치 평면을 z축 상에서 이동시킬 수 있다. 상기 2축 스캐너(149a,149b,149c)는 모터를 통하여 구동될 수 있다. 상기 2축 스캐너(149a,149b,149c)는 송신 광학계(110)의 송신 스캐너(116)와 시간적으로 동기화되어 동작할 수 있다. 또한, 상기 2축 스캐너(149a,149b,149c)는 상기 송신 스캐너(116)가 상기 측정 대상(10)에 제공하는 조사 빔 위치에서 반사되는 광을 수신하도록 제어될 수 있다. 이를 위하여, 상기 시스템 제어부(172)는 상기 2축 스캐너(149a,149b,149c)에 스캐너 제어 신호(SCAN_R)를 제공하고, z축 스캐너(147)에 z축 제어 신호(Z_MOV)를 제공할 수 있다.
부경 스캐너(146)는 x축 틸트 스캔을 위한 제1 모터, y축 틸드 스캔을 위한 제2 모터, z축 방향의 스캔을 위한 제3 모터를 포함할 수 있다. z 축 방향에 대한 모터 스캔은 누설면에서 산란된 광 또는 반사된 광의 초점 위치를 검출기의 배치 평면에 일치시키 위한 초점 조절에 적용된다.
z축 스캔 모터는 망원경 경통 몸체에 바로 결합되어 고정되고, z축 스캔 모터의 구동에 따라 부경의 위치가 주경에 대하여 상대적으로 이동한다. 또한, 두 개의 틸트 스캔 모터는 부경이 고정되어 있는 원판의 중심축에 설치된 피봇(pivot,149a)을 중심으로 원판(145)을 밀어줄 수 있다. x축 틸트 스캔을 위한 제1 모터는 원판의 중심축에서 x 축 방향으로 이격되어 배치되고, y축 틸트 스캔을 위한 제2 모터는 원판의 중심축에서 y축 방향으로 이격되어 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 모터는 x축 틸트 스캔을 제공하고, 제2 모터는 y축 틸트 스캔을 제공할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수신 광학계를 설명하는 도면이다.
도 10을 참조하면, 수신 광학계(240)는 상기 측정 대상(10)에서 상기 특정한 가스에 의한 흡수되어 반사된 반사광(14)을 수신한다.
상기 수신 광학계(240)는 카세그레인식(Cassegrain) 반사 망원경 구조를 포함할 수 있다. 상기 수신 광학계(240)는 상기 반사광을 집속하는 주경(main mirror,242), 상기 주경(242)의 중심축에 배치되고 상기 주경으로부터 반사된 광을 재반사시키는 부경(244), 및 상기 주경(242)의 중심축에서 배치되는 광 센서 모듈을 포함할 수 있다.
상기 주경(242)은 경통(미도시)의 일단에 장착될 수 있다. 상기 경통의 타단은 개방되고, 상기 측정 대상(10)을 바라보도록 배치될 수 있다. 상기 주경(242)은 중심축 상에 관통홀을 포함할 수 있다. 상기 주경(242)은 일정한 곡률을 가지는 오목 거울일 수 있다. 상기 주경(242)은 측정 대상에서 반사된 반사광을 수집할 수 있다. 상기 반사광(14)은 누설 가스에 의한 스펙트럼의 변화를 포함할 수 있다.
광 센서 모듈(243,248)은 검출면에 결상되는 이미지 또는 집속된 반사광을 가이드 하는 한 쌍의 광섬유(243) 및 한 쌍의 광 센서(248)를 포함할 수 있다. 상기 광 섬유(243)는 서로 이격된 한 쌍의 광 섬유 또는 광 섬유 번들일 수 있다. 상기 광 섬유의 일단은 상기 검출면에 배치되고, 상기 광 섬유의 타단은 광 센서 상에 배치될 수 있다. 상기 광 섬유는 주경(242)에 형성된 관통홀을 통하여 외부로 연장될 수 있다.
상기 광 센서(248)는 동작 안정성을 위하여 냉각 챔버 안에 배치될 수 있다. 상기 광 센서(248)는 상기 광 섬유의 타단에서 퍼지는 광을 집속하는 집속 렌즈(248a), 상기 집속 렌즈 뒤에 배치되는 어퍼쳐(248b), 및 어퍼쳐 뒤에 배치된 파장 선택 필터, 상기 파장 선택 필터의 후단에 배치된 광 소자(248c)를 포함할 수 있다. 상기 광 센서(248)의 출력(DS1,DS2)은 차동 증폭될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 조사 빔의 스캔 방식을 설명하는 도면이다.
도 11을 참조하면, 송신 광학계(110)는 송신 스캔부를 제어하여 측정 대상의 표면또는 누설면에 레이저 빔(12)을 조사할 수 있다. 상기 레이저 빔의 조사 위치는 일정한 단위 간격을 가지고 x축 방향으로 이동할 수 있다. 이에 따라, 조사 위치는 시간에 따라 x축 방향으로 변경될 수 있다. 이어서, 스캔 범위의 우측 경계선에 도달한 경우, 조사 위치는 -y축 방향으로 단위 간격을 가지고 이동할 수 있다. 이어서, 조사 위치는 -x축 방향으로 단위 간격을 가지고 이동할 수 있다. 이러한 동작을 반복하면, 레이저 빔은 측정 대상의 검출하고자 하는 모든 표면을 순차적으로 스캐닝할 수 있다. 상기 조사 빔의 스캐닝 방식은 라스터(raster) 스캔일 수 있다.
도 12a는 측정용 레이저 조사 빔과 조사 위치에서 반사된 반사 빔의 수집 방법에 대하여 설명하는 도면이다.
도 12b는 도 12a의 x-z 평면을 나타내는 도면이다.
도 12c는 도 12a의 y-z 평면을 나타내는 도면이다.
도 12a 내지 도 12c를 참조하면, 송신 광학계(110)는 누설면 또는 측정면 상의 각 스캐닝 빔의 조사 위치를 제공한다. 또한, 부경 스캐너(146)는 상기 조사 위치에 대응하는 검출 위치를 추적할 수 있도록 제어될 수 있다. 같은 시간에 스캐닝 빔이 조사되는 위치에서 산란된 빔이 정확히 검출기 상에 집속될 수 있도록, 상기 송신 광학계의 송신 스캐너와 수신 광학계의 부경 스캐너의 구동 순서는 서로 동기화될 필요가 있다.
송신 광학계(110)가 조사 위치를 A에서 B 또는 A에서 C로 이동시킬 수 있다.
송신 광학계(110)가 x-z 평면에서 조사 위치를 A에서 B로 이동시키는 경우, 수신 광학계(140)의 검출 위치는 역시 A에서 B로 이동할 수 있다. 송신 광학계와 상기 수신 광학계 사이의 거리는 통상적으로 수십 cm이내이다. 또한, 상기 송신 광학계(110)와 상기 측정 대상(10)의 누설면 사이의 거리는 수 미터 내지 수십 미터 범위이다. 따라서, 송신 광학계(110)에서의 송신 스캐너(116)에 의한 빔 편향 각도가 Δθx 인 경우, 수신 광학계(140)에서 동기화를 위한 부경 스캐너(146)의 빔 편향 각도가 Δφx 이다. 이 경우, 송신 광학계(110)에서의 송신 스캐너(116)에 의한 빔 편향 각도(Δθx )는 수신 광학계(140)에서 동기화를 위한 부경 스캐너(146)의 빔 편향 각도(Δφx )와 거의 동일할 수 있다.
송신 광학계(110)가 y-z 평면에서 조사 위치를 A에서 C로 이동시키는 경우, 수신 광학계(140)의 검출 위치는 역시 A에서 C로 이동할 수 있다. 송신 광학계(110)와 상기 수신 광학계(140) 사이의 거리는 통상적으로 수십 cm이내이다. 또한, 상기 송신 광학계(110)와 상기 측정 대상의 누설면 사이의 거리는 수 미터 내지 수십 미터 범위이다. 따라서, 송신 광학계(110)에서의 송신 스캐너(116)에 의한 빔 편향 각도가 Δθy 인 경우, 수신 광학계(140)에서 동기화를 위한 부경 스캐너(146)의 빔 편향 각도가 Δφy 이다. 이 경우, 송신 광학계(110)에서의 송신 스캐너(116)에 의한 빔 편향 각도(Δθy )는 수신 광학계(140)에서 동기화를 위한 부경 스캐너(146)의 빔 편향 각도(Δφy )와 거의 동일할 수 있다.
따라서, 누설면을 따라 x축 방향 및 y 축 방향으로 횡방향 스캔을 수행하는 경우, 송신 광학계와 수신 광학계의 스캐너 동기화는 동일한 축 방향을 따라 같은 각도 만큼 동시에 변화시킴으로서 구현될 수 있다.
도 13은 측정 대상의 측정면 또는 누설면과 수신 광학계 내부의 결상되는 검출면 사이의 관계를 나타내는 그림이다.
도 13을 참조하면, A와 B는 측정면 상에서 거리 D 만큼 떨어져 있는 두 측정점을 나타낸다. L은 측정면과 수신 광학계(140)의 주경 위치 사이의 수직 거리이다. 또는, L은 측정면과 수신 광학계(140)의 렌즈 위치 사이의 수직 거리이다. 상기 수신 광학계(140)는 굴절 광학계 또는 반사 광학계를 통하여 구현될 수 있다.
두 측정점 A와 B에서 산란된 광은 수신 광학계(140)를 통하여 검출면 상에 A'과 B' 위치에 결상될 수 있다. 검출면에서, 두 결상 위치 A'과 B' 사이의 거리는 D'이다. 이 경우, 검출면과 주경 사이의 수직 거리는 L'이다.
거울을 이용한 반사 광학계의 경우, L'은 주경의 곡률 반경의 1/2에 해당할 수 있다. 한편, 렌즈를 이용한 굴절 광학계의 경우, L'은 렌즈의 초점거리에 해당할 수 있다.
다시 도 4 및 도 13을 참조하면, 두 결상 위치 A'과 B'에 각각 광 검출기가 배치될 수 있다. A' 위치에 제1 광 검출기(148a)가 배치되고, B' 위치에 제2 광 검출기(148b)가 배치될 수 있다. 상기 제1 광 검출기(148a)의 제1 출력신호(DS1)와 상기 제2 광 검출기(148b)의 제2 출력 신호(DS2)는 차동 증폭기(192)에 제공될 수 있다. 상기 차동 증폭기(192)는 차동 증폭된 차동 신호를 출력할 수 있다.
검출하고자 하는 누설 가스 성분은 이미 대기중에서 일정 농도로 존재할 수 있다. 검출하려는 누설 가스의 양은 적을 수 있다. 따라서, 하나의 광 검출기를 사용하는 경우, 검출된 신호가 누설 가스에 의한 영향인지 대기중에 존재하는 가스에 의한 영향인지 구별하는 것이 어렵다.
측정하고자 하는 누설 가스에 의한 신호와 대기 중의 가스에 의한 노이즈 성분을 분리하기 위하여, 대기 중에 존재하는 가스에 의한 배경 신호의 제거가 요구된다. 이를 위하여, 서로 다른 측정점(A,B)에서 검출된 두 신호의 차이는 차동신호를 제공한다.
A 위치에서 누설 가스가 존재하고, B 위치에서 누설가스가 존재하지 않는 경우, A' 지점의 검출 신호와 B' 지점의 검출 신호의 차이(차동 신호)가 구해질 수 있다. 이 경우, 차동 신호는 공통적으로 투과하는 대기 중에 존재하는 가스에 의한 영향을 상쇄한다. 따라서, 상기 차동 신호는 누설 가스에 영향을 받는다.
반사 광학계를 사용하는 수신 광학계에서, L'은 주경과 부경의 제1 거리와 부경과 광검출기(또는 검출면) 사이의 제2 거리의 합이다. 주경과 검출기는 고정되어 있으며, 부경은 주경의 중심축에서 z축 방향으로 이동할 수 있다.
주경과 측정면 사이의 수직 거리(L)이 변하는 경우, 검출면에 결상을 위한 L'은 변경될 수 있다. 구체적으로, L 이 증가함에 따라, L'은 감소한다. 또한, L이 감소함에 따라, L'은 증가한다.
측정면의 위치가 측정 시스템으로부터 멀어지면, z축 스캐너에 의하여 부경의 위치는 검출기 쪽으로 이동한다. 한편, 측정면의 위치가 측정 시스템에 가까워지면, z축 스캐너에 의하여 부경의 위치는 검출기로부터 멀어진다.
주경과 측정면 사이의 수직 거리(L)는 거리 측정부(130)에 의하여 산출될 수 있다. 상기 거리 측정부(130)는 거리 측정부와 측정면 사이의 거리를 측정할 수 있다. 상기 거리 측정부(130)가 측정한 거리는 실질적으로 주경과 측정면 사이의 수직 거리(L)와 동일할 수 있다. 또는 보정을 통하여 주경과 측정면 사이의 수직 거리(L)가 산출될 수 있다. 수신 광학계에서, L, D, 및 D'이 정해진 경우, L'은 변경될 수 있다. 시스템 제어부(172)는 z축 스캐너를 이동시키기 위한 제어 신호(Z_MOV)를 제공할 수 있다.
제1 광 검출기(148a)는 A' 위치에 배치되고, 제2 광 검출기(148b)는 B'위치에 배치된 경우, 측정점 사이의 거리 D는 다음과 같이 주어진다.
수학식 3
Figure PCTKR2014010928-appb-M000003
예를 들어, D'이 5mm이고, L이 40 m이고, L'이 76 cm인 경우, D는 26.3 cm이다. 즉, 26.3 cm 만큼 떨어진 두 측정점(A,B)에서 산란된 빔이 광수신부의 5 mm 떨어진 두 광 검출기에 결상된다. 두 광 검출기 사이의 거리가 감소함에 따라, 두 측정점 사이의 거리가 감소한다. 두 측정점 사이의 거리가 감소함에 따라, 두 광경로는 서로 근접하게 된다. 이에 따라, 차동신호 검출은 노이즈를 용이하게 제거할 수 있다.
도 14는 광 검출 모듈이 배치되는 검출면을 설명하는 도면이다.
도 14의 (a)를 참조하면, 결상면에 차동 증폭을 위하여, 직접 한 쌍의 광 검출기(148a,148b)가 배치될 수 있다.
도 14의 (b)를 참조하면, 또한, 광 검출기 대신에 집속된 광을 가이드 하기 위한 한 쌍의 광섬유(249a,249b)가 검출면에 배치될 수 있다. 제1 광섬유(249a)의 일단은 상기 검출면에 배치되고, 상기 제1 광섬유(249a)의 타단은 제1 광검출기 앞에 배치될 수 있다. 제2 광섬유(249b)의 일단은 상기 검출면에 상기 제1 광섬유(249a)의 일단과 이격되어 배치되고, 상기 제2 광섬유(249b)의 타단은 제2 광검출기 앞에 배치될 수 있다. 상기 제1 광섬유 및 제2 광섬유는 상기 주경의 중심축 상에 형성된 관통홀을 통하여 외부로 연장될 수 있다. 상기 제1 광 검출기의 출력과 제2 광검출기의 출력은 차동 증폭기에 제공되어 차동 신호(DIF_S)를 생성할 수 있다.
도 14의 (c)를 참조하면, 광섬유 번들이 사용될 수 있다. 제1 광섬유 번들(349a)의 일단은 검출면에 배치되고, 제2 광섬유 번들(349b)의 일단은 제1 광섬유 번들과 이격되어 검출면에 배치될 수 있다. 또한, 수신 광학계에서 정렬을 용이하게 위하여, 상기 제1 광섬유 번들과 제2 광섬유 번들 사이에 정렬 광섬유(347)가 배치될 수 있다. 상기 정렬 광섬유(347)는 외부로 부터 정렬용 광을 제공받을 수 있다. 정렬용 광은 가시 광선일 수 있다. 이에 따라, 상기 정렬용 광을 이용하면, 상기 광 검출 모듈은 상기 주경의 중심축 상에 용이하게 정렬될 수 있다.
다시, 도 5를 참조하면, 제어부(170)는 시스템 제어부(172)와 신호 처리부(190)를 포함할 수 있다. 신호 처리부(190)는 상기 수신 광학계가 측정한 상기 반사광을 분석하여 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출할 수 있다. 상기 신호 처리부(190)는 차동 증폭기(192)와 록인 증폭기(194)를 포함할 수 있다. 상기 차동 증폭기(192)는 수신 광학계로부터 결상면 또는 검출면에서 측정된 제1 검출 신호(DS1)와 제2 검출 신호(DS2)를 제공받을 수 있다. 상기 차동 증폭기(192)는 상기 제1 검출 신호(DS1)와 제2 검출신호(DS2)의 차이(DIF_S)를 출력할 수 있다. 상기 차동 증폭기의 차동 신호(DIF_S)는 록인 증폭기에 제공될 수 있다.
상기 록인 증폭기(194)는 함수 발생기(160)로부터 변조 주파수의 기준 신호(REF_S)를 제공받고, 상기 차동 증폭기(192)로부터 차동 신호(DIF_S)를 제공받을 수 있다. 상기 록인 증폭기(194)는 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출할 수 있다. 상기 고조파 성분은 2차 고조파일 수 있다. 상기 2차 고조파 성분의 세기는 누설 가스의 양 또는 농도에 의존할 수 있다.
상기 록인 증폭기(194)의 출력 신호(LOCKIN_OUT)은 시스템 제어부(172)에 제공될 수 있다. 상기 시스템 제어부(172)는 상기 2차 고조파 성분의 세기를 분석하여, 누설 가스의 농도를 산출할 수 있다. 또한, 상기 시스템 제어부(172)는 거리 측정부로부터 송신 광학계와 측정 대상 사이의 거리 정보를 수신하고, 상기 거리 정보를 이용하여 상기 수신 광학계의 z축 스캐너를 구동할 수 있다.
상기 시스템 제어부(172)는 통신부를 포함하고, 상기 통신부는 주파수 잠금 제어부와 통신할 수 있다. 또한, 상기 시스템 제어부(172)는 레이저 광원(150)을 동작시키기 위한 출력 신호를 상기 레이저 광원(150)에 제공할 수 있다. 또한, 상기 시스템 제어부(172)는 상기 함수 발생기(160)의 변조 주파수를 설정하는 신호를 상기 함수 발생기(160)에 제공할 수 있다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 누설 측정 장치를 설명하는 도면이다. 도 5에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치(100a)는 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 단일 흡수선의 선폭의 범위에서 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 레이저 주파수를 연속적으로 변경하는 레이저 광원(150), 상기 레이저 광원(150)의 출력광을 측정 대상에 제공하는 송신 광학계(110), 상기 측정 대상에서 상기 특정한 가스에 의한 흡수되어 반사된 반사광을 수신하는 수신 광학계(140), 상기 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역의 중심에 상기 레이저 광원의 중심 주파수를 고정하기 위한 주파수 잠금부(112), 및 상기 수신 광학계(140)가 측정한 상기 반사광을 분석하여 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출하는 제어부(170)를 포함한다.
수신 광학계(110), 주파수 잠금부(112), 및 송신 광학계(140)는 일체형 몸체(30)로 형성될 수 있다. 이동 시스템(32)은 일체형 몸체(30)를 이동시켜 레이저 빔을 스캐닝할 수 있다. 상기 이동 시스템(32)은 제어부(170)에 의하여 제어될 수 있다.
또한, 상기 수신 광학계(140)의 제1 검출 신호(DS1)와 제2 검출신호(DS2)는 제어부에 제공될 수 있다. 상기 제어부(170)는 제1 검출 신호(DS1)와 제2 검출신호(DS2)을 연산하여 차동 신호를 생성하고, 상기 차동 신호를 푸리에 변환하여 2차 고조파 성분을 추출할 수 있다. 이어서, 상기 제어부(170)는 상기 2 차 고조파 성분을 이용하여 가스 누설 여부를 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 방법은 레이저 광원이 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역의 최소값에 일치하는 중심 주파수를 가지고, 상기 특정한 흡수 대역의 선폭의 범위에서 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 주파수를 연속적으로 변경하는 단계; 송신 광학계가 상기 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 조사하는 단계; 수신 광학계가 상기 측정 대상의 특정한 가스 누출 여부에 따라 상기 특정한 가스의 흡수 스펙트럼을 반영한 반사광을 수신하는 단계; 주파수 잠금부가 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역에 상기 레이저 광원의 중심 주파수를 고정하기 위한 주파수 잠금 검출 신호를 생성하는 단계; 및 제어부는 상기 수신 광학계가 측정한 상기 반사광을 분석하여 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출하는 단계를 포함한다.
상기 송신 광학계는 상기 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 조사 위치를 변경할 수 있다. 상기 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 조사 위치에 따라, 상기 수신 광학계가 상기 반사광의 수신 위치를 변경할 수 있다.
상기 주파수 잠금 검출 신호는 상기 레이저 광원의 출력광으로부터 분기된 광을 상기 특정한 가스로 밀봉된 가스 셀을 투과시켜 후 검출하여 생성될 수 있다.
시간에 따른 레이저 주파수는 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 사인 함수일 수 있다.
제어부는 상기 수신 광학계가 측정한 상기 반사광을 분석하여 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출하는 단계는 한 쌍의 검출 위치에서 제1 검출 신호와 제2 검출 신호를 생성하는 단계; 상기 제1 검출 신호와 제2 검출 신호를 차동 증폭하여 출력하는 단계; 및 상기 차동 증폭된 신호를 상기 변조 주파수의 고조파를 록인 감지(lockin detection)하는 단계를 포함할 수 있다.
제어부는 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분에 따라 상기 특정 가스의 누출 여부를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
송신 광학계와 수신 광학계는 일체화될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (24)

  1. 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 단일 흡수선의 선폭의 범위에서 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 레이저 주파수를 연속적으로 변경하는 레이저 광원;
    상기 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 제공하는 송신 광학계;
    상기 측정 대상에서 상기 특정한 가스에 의한 흡수되어 반사된 반사광을 수신하는 수신 광학계;
    상기 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역의 중심에 상기 레이저 광원의 중심 주파수를 고정하기 위한 주파수 잠금부; 및
    상기 수신 광학계가 측정한 상기 반사광을 분석하여 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 송신 광학계는:
    상기 레이저 광원의 출력광을 제공받아 광원으로 되돌아가는 일부 반사광을 차단하기 위한 아이솔레이터; 및
    상기 아이솔레이터를 통과한 광의 빔 사이즈를 증가시키는 빔 확장부(beam expander)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 송신 광학계는:
    상기 레이저 광원의 출력광을 제공받아 광원으로 되돌아가는 일부 반사광을 차단하기 위한 아이솔레이터;
    상기 아이솔레이터를 통과한 광의 빔 사이즈를 증가시키는 빔 확장부(beam expander); 및
    상기 아이솔레이터와 상기 빔 확장부 사이에 배치되는 빔 스플릿터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 주파수 잠금부는:
    상기 빔 스플릿터에 의하여 분기된 광을 반사시키는 주파수 잠금 거울;
    상기 주파수 잠금 거울에서 반사된 광을 투과시키고 밀봉된 상태의 상기 특정한 가스를 포함하는 가스 셀(gas cell);
    상기 가스 셀을 투과한 광에서 노이즈 주파수 성분을 제거하는 필터; 및
    상기 필터를 통과한 광을 감지하는 광 감지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 광 감지부의 출력 신호를 제공받아 처리하여 상기 레이저 광원의 중심 주파수를 상기 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역의 최하점에 일치시키도록 제어하는 주파수 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 수신 광학계는 카세그레인식(Cassegrain) 반사 망원경 구조이고,
    상기 수신 광학계는:
    상기 반사된 레이저 광을 집속하는 주경(main mirror);
    상기 주경의 중심축에 배치되고 상기 주경으로부터 반사된 광을 재반사시키는 부경; 및
    상기 주경의 중심축에서 배치되는 광 감지 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 광 감지 모듈은:
    일단은 상기 주경의 중심축에 배치되고, 서로 이격되어 배치된 한 쌍의 광 섬유; 및
    상기 한 쌍의 광 섬유의 타단에 각각 배치된 한 쌍의 광 검출기를 포함하는 것을 특징으로 가스 검출 장치.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 광 감지 모듈은:
    일단은 상기 주경의 중심축에 배치되고, 서로 이격되어 배치된 한 쌍의 광 섬유 번들; 및
    상기 한 쌍의 광 섬유 번들의 타단에 각각 배치된 한 쌍의 광 검출기를 포함하는 것을 특징으로 가스 검출 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 광 감지 모듈은 한 쌍의 광 섬유 번들 사이에 배치된 정렬 광섬유를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 수신 광학계는 카세그레인식(Cassegrain) 반사 망원경 구조이고,
    상기 수신 광학계는:
    상기 반사된 레이저 광을 집속하는 주경(main mirror);
    상기 주경의 중심축에 배치되고 상기 주경으로부터 반사된 광을 재반사시키는 부경;
    상기 부경을 상기 주경의 중심축 상에서 이동시키고 상기 부경의 배치 평면의 수직 방향을 상기 중심축으로부터 변경시키는 부경 스캐너;
    상기 주경의 중심축에서 배치되는 광 감지 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 송신 광학계는:
    상기 레이저 광원의 출력광을 제공받아 광원으로 되돌아가는 일부 반사광을 차단하기 위한 아이솔레이터;
    상기 아이솔레이터를 통과한 광의 빔 사이즈를 증가시키는 빔 확장부(beam expander);
    상기 빔 확장부의 후단에 배치되어 상기 측정 대상의 배치 평면에 스캐닝하는 빔을 제공하는 송신 스캐너; 및
    상기 송신 스캐너가 제공한 빔을 반사시켜 상기 측정 대상에 제공하는 송신거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 측정 대상과 상기 레이저 광원의 거리를 측정하는 거리 측정부를 더 포함하고,
    상기 거리 측정부는 가시광선 대역의 파장을 사용하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 측정 대상과 상기 레이저 광원의 거리를 가시 광선 대역의 파장을 사용하여 측정하는 거리 측정부를 더 포함하고,
    상기 송신 광학계는:
    상기 레이저 광원의 출력광을 제공받아 광원으로 되돌아가는 일부 반사광을 차단하기 위한 아이솔레이터;
    상기 아이솔레이터를 통과한 광의 빔 사이즈를 증가시키는 빔 확장부(beam expander); 및
    상기 아이솔레이터와 상기 빔 확장부 사이에 배치되는 빔 스플릿터를 포함하고,
    상기 빔 스플릿터는 이색성 거울이고,
    상기 거리 측정부의 출력광은 상기 빔 스플릿터를 통하여 상기 빔 확장부에 제공되는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 광원은 흐르는 변조 주파수의 전류를 이용하여 주파수를 변조하고,
    상기 레이저 광원의 중심 주파수는 압전 소자를 이용하여 캐비티 길이 변경에 의하여 이동하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 신호 처리부를 포함하고,
    상기 신호 처리부는:
    상기 수신 광학계가 제공하는 한 쌍의 광 검출기의 출력 신호를 제공받는 차동 증폭기; 및
    상기 차동 증폭기의 차동 증폭 신호를 제공받아 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 출력하는 록인 증폭기(lock-in amplifier)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 변조 주파수를 가지는 전류 변조 신호를 생성하는 함수 발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 제어부는 시스템 제어부를 더 포함하고,
    시스템 제어부는 상기 신호 처리부의 데이터를 제공받아 연산하여 상기 측정 대상의 특정한 가스 누출 여부를 산출하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  18. 레이저 광원이 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역의 최소값에 일치하는 중심 주파수를 가지고, 상기 특정한 흡수 대역의 선폭의 범위에서 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 주파수를 연속적으로 변경하는 단계;
    송신 광학계가 상기 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 조사하는 단계;
    수신 광학계가 상기 측정 대상의 특정한 가스 누출 여부에 따라 상기 특정한 가스의 흡수 스펙트럼을 반영한 반사광을 수신하는 단계;
    주파수 잠금부가 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역에 상기 레이저 광원의 중심 주파수를 고정하기 위한 주파수 잠금 검출 신호를 생성하는 단계; 및
    제어부는 상기 수신 광학계가 측정한 상기 반사광을 분석하여 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 송신 광학계가 상기 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 조사 위치를 변경하는 단계; 및
    상기 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 조사 위치에 따라 상기 수신 광학계가 상기 반사광의 수신 위치를 변경하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 방법.
  20. 제18 항에 있어서,
    상기 주파수 잠금 검출 신호는 상기 레이저 광원의 출력광으로부터 분기된 광을 상기 특정한 가스로 밀봉된 가스 셀을 투과시켜 후 검출하여 생성되는 것을 특징으로 하는 가스 검출 방법.
  21. 제18 항에 있어서,
    시간에 따른 레이저 주파수는 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 사인 함수인 것을 특징으로 하는 가스 검출 방법.
  22. 제18 항에 있어서,
    제어부는 상기 수신 광학계가 측정한 상기 반사광을 분석하여 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출하는 단계는:
    한 쌍의 검출 위치에서 제1 검출 신호와 제2 검출 신호를 생성하는 단계;
    상기 제1 검출 신호와 제2 검출 신호를 차동 증폭하여 출력하는 단계; 및
    상기 차동 증폭된 신호를 상기 변조 주파수의 고조파를 록인 감지(lock-in detection)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 방법.
  23. 제18 항에 있어서,
    제어부는 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분에 따라 상기 특정 가스의 누출 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 방법.
  24. 제18 항에 있어서,
    송신 광학계와 수신 광학계는 일체화된 것을 특징으로 하는 가스 검출 방법.
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