KR102738828B1 - 양자기반 가스 감지장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 개시의 일 측면에 의하면, 가변 다이오드 레이저 흡수 분광법(TDLAS)을 이용한 양자기반 가스 감지장치에 있어서, 하나 이상의 인스트럭션을 저장하는 메모리; 및 상기 메모리에 저장된 상기 하나 이상의 인스트럭션을 실행하는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 하나 이상의 인스트럭션을 실행함으로써, 타겟가스의 감지가 필요한 영역에 파장가변 레이저광을 펄스 형태로 조사하고, 단일 광자 감지기(SPD)를 이용하여 상기 영역에서 반사되는 반사광에 포함된 광자를 감지하고, 상기 반사광에서 상기 타겟가스가 흡수하는 고유한 파장에 해당하는 광자를 감지한 횟수를 기초로 상기 타겟가스의 존재 여부에 관한 정보 및 상기 타겟가스의 농도에 관한 정보 중 적어도 하나 정보를 획득하는 가스 감지장치를 제공한다.
Description
본 개시는 양자 기술 기반 가스 감지장치 및 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 타겟가스의 감지가 필요한 영역에 타겟가스가 흡수하는 고유한 파장을 갖는 레이저광을 조사하고, 단일 광자 감지기를 이용하여 반사광을 감지함으로써 타겟가스의 존재 여부에 관한 정보 및 타겟가스의 농도에 관한 정보를 획득하는 가스 감지장치 및 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
기체(gas)는 저마다 특정 파장의 빛을 흡수하는 성질이 있다. 이러한 가스의 성질을 이용하여, 감지하고자 하는 가스가 흡수하는 파장의 레이저광을 가스에 조사하고 흡수된 레이저광의 양을 바탕으로 가스의 존재 여부 및 가스의 농도를 감지할 수 있다.
가변 다이오드 레이저 흡수 분광법(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)는 파장이 가변되는 다이오드 레이저를 이용하여 바이어스 전류를 변화시켜 가면서 레이저광을 가스에 조사하여, 가스에 의하여 흡수되지 않는 파장에서 측정한 빛의 세기와 흡수가 되는 파장에서 측정한 빛의 세기 간의 차이를 이용하여 가스에 의하여 흡수된 빛의 양을 측정한다.
TDLAS에는 크게 두 가지 방식, 즉 파장변조 분광법(Wavelength Modulation Spectroscopy, WMS)과 직접흡수 분광법(Direct Absorption Spectroscopy, DAS)가 있다. 파장변조 분광법(WMS)은 파장가변 레이저의 신호를 변조하여 조사하고, 되돌아온 측정 신호를 변조신호 기준으로 측정한다. 파장변조 분광법을 이용하면 신호의 변화가 크게 나타나므로 신호의 변화 감지에 대한 민감도를 극대화시킬 수 있으며(DAS의 약 100 배), 신호의 노이즈 특성에 민감하지 않은 장점이 있다. 반면에, 레이저 신호를 변조하는 등의 과정이 필요하여 분광시스템의 구조와 연산과정이 복잡해지는 단점이 있다.
직접흡수 분광법(DAS)은 파장가변 레이저(Tunable Laser)의 신호를 그대로 이용하여 광을 조사한다. 따라서, 분광시스템의 구조와 연산과정이 단순하다는 장점이 있다. 반면에, 신호의 변화를 감지하는데 있어서 민감도가 낮으며 신호의 노이즈 특성에 민감한 단점이 있다.
시스템과 연산이 복잡해지는 단점에도 불구하고 높은 민감도와 노이즈에 의한 영향이 적다는 장점 때문에, 원거리에서의 TDLAS에서는 일반적으로 WMS 방식이 사용되고 있다. 그러나, TDLAS에 사용되는 파장가변 레이저는 제조상의 문제로 10 mW 안팎의 출력에 이르기 때문에 원거리(30 m 이상)을 감지하는 데 한계가 있다.
TDLAS를 이용한 종래의 가스 감지장치들은, 특정한 하나의 지점에 대한 가스의 유무와 가스의 농도를 감지한다. 따라서, 가스 측정을 하는 사용자가 가스 누출이 의심되는 위치를 특정하고 그 위치를 중심으로 측정을 수행한다. 사용자가 가스 누출 가능성이 있는 부위를 직접 특정하여야 하므로 가스의 감지가 필요한 설비 등에 대한 지식을 가지고 있어야 하며, 측정한 지점에 대한 가스의 유무 및 농도만을 단편적으로 확인할 수 밖에 없는 한계가 있었다.
본 개시는, 타겟가스의 감지가 필요한 원거리의 영역 내의 복수의 지점에 타겟가스가 흡수하는 고유한 파장을 갖는 레이저광을 조사하고, 단일 광자 감지기를 이용하여 반사광을 감지함으로써 타겟가스의 감지가 필요한 영역 내 타겟가스의 존재 여부에 관한 정보 및 타겟가스의 농도에 관한 정보를 실시간으로 획득하는 양자 기술 기반 가스 감지장치 및 방법을 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 일 측면에 의하면, 가변 다이오드 레이저 흡수 분광법(TDLAS)을 이용한 양자기반 가스 감지장치에 있어서, 하나 이상의 인스트럭션을 저장하는 메모리; 및 상기 메모리에 저장된 상기 하나 이상의 인스트럭션을 실행하는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 하나 이상의 인스트럭션을 실행함으로써, 타겟가스의 감지가 필요한 영역에 파장가변 레이저광을 펄스 형태로 조사하고, 단일 광자 감지기(SPD)를 이용하여 상기 영역에서 반사되는 반사광에 포함된 광자를 감지하고, 상기 반사광에서 상기 타겟가스가 흡수하는 고유한 파장에 해당하는 광자를 감지한 횟수를 기초로 상기 타겟가스의 존재 여부에 관한 정보 및 상기 타겟가스의 농도에 관한 정보 중 적어도 하나 정보를 획득하는 가스 감지장치를 제공한다.
본 개시의 다른 측면에 의하면, 가변 다이오드 레이저 흡수 분광법(TDLAS)을 이용한 양자기반 가스 감지 방법에 있어서, 타겟가스의 감지가 필요한 영역에 파장가변 레이저광을 펄스 형태로 조사하는 과정; 단일 광자 감지기(SPD)를 이용하여 상기 영역에서 반사되는 반사광에 포함된 광자를 감지하는 과정; 및 상기 반사광에 포함된 상기 타겟가스가 흡수하는 고유한 파장에 해당하는 광자를 감지한 횟수를 기초로 상기 타겟가스의 존재 여부에 관한 정보 및 상기 타겟가스의 농도에 관한 정보 중 적어도 하나 정보를 획득하는 과정을 포함하는 가스 감지방법을 제공한다.
본 실시예에 따르면, 타겟가스의 감지가 필요한 영역 내의 복수의 지점에 타겟가스가 흡수하는 고유한 파장을 갖는 레이저광을 펄스의 형태로 조사하고, 단일 광자 감지기를 이용하여 반사광을 감지하여 타겟가스의 감지가 필요한 영역 내의 타겟가스의 존재 여부에 관한 정보 및 타겟가스의 농도에 관한 정보 획득하는 양자 기술 기반 가스 감지장치 및 방법을 제공함으로써, 원거리에서도 타겟가스의 감지가 필요한 영역 내의 타겟가스의 누출 여부 및 누출 농도를 실시간으로 확인할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 양자기반 가스 감지장치의 블록구성도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 양자기반 가스 감지장치가 가스를 감지하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 개시의 다른 실시예에 따른 양자기반 가스 감지장치의 블록구성도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 양자기반 가스 감지 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 양자기반 가스 감지장치가 가스를 감지하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 개시의 다른 실시예에 따른 양자기반 가스 감지장치의 블록구성도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 양자기반 가스 감지 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 발명의 설명은 본 발명의 예시적인 실시 형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시 형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 양자기반 가스 감지장치의 블록구성도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 양자기반 가스 감지장치(100)는 광원부(light source unit, 110), 감지부(detecting unit, 120), 프로세서(processor, 130) 및 메모리(memory, 140)를 포함한다. 여기서, 양자기반 가스 감지장치(100)가 포함하는 광원부(110), 감지부(120), 프로세서(130) 및 메모리(140)는 버스(150)를 통하여 상호 데이터를 전송하는 것이 가능하다.
광원부(110)는 파장가변 레이저광을 생성하는 레이저광 다이오드를 포함한다. 통상적으로 레이저광의 파장은 고정되어 있으나 레이저광 다이오드를 이용함으로써 파장을 변조할 수 있다. 레이저광 다이오드의 바이어스 전류를 조절하여 다이오드의 출력 레이저광의 파장을 변화시킨다. 예를 들면, 함수 생성기를 통해서 바이어스 전류를 일정하게 변화시킴으로써 레이저광의 파장 변조가 가능하다.
파장가변 레이저광은 펄스(pulse) 형태로 조사된다. 여기서, 펄스의 주기는 양자기반 가스 감지장치(100)의 최대 목표 감지거리에 대한 레이저광의 비행시간(Time of Flight, ToF)으로 설정할 수 있다. 예를 들면, 최대 목표 감지거리를 150 m 로 설정한 경우 파장가변 레이저광의 비행시간은 1 마이크로 초(μs)이다. 펄스의 주기는 1 마이크로 초로 설정된다.
모든 광 다이오드는 광자가 감지되지 않는 상태에서도 미세한 전류의 흐름으로 인한 암흑 전류(Dark Current)가 흐른다. SPD 에도 암흑전류와 같은 다크 카운트 비(Dark Count Rate, DCR)라는 노이즈가 존재한다. 따라서, 노이즈와 원 신호를 분리할 수 있도록 펄스 듀티 비(Pulse Duty Ratio)를 설정한다. 예를 들면, 펄스 듀티 비는 1 % 내지 5 % 로 설정될 수 있다.
광원부(110)는 광학 증폭기(optic amplifier)를 포함할 수 있다. 광학 증폭기는 레이저광의 출력을 증폭시켜 양자기반 가스 감지장치(100)가 더 먼 거리까지 감지가 가능하도록 한다. 여기서, 광학 증폭기의 증폭비는 최대 7배까지의 증폭비를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
광학 증폭기는 펄스 형태의 레이저광을 증폭시킨다. 여기서, 펄스 형태의 레이저광을 증폭시키기 위하여 펄스의 압축 및 확장을 이용한 증폭이 이루어질 수 있다.
광원부(110)는 생성된 레이저광의 세기를 제어하기 위한 감쇠기(attenuator)를 포함할 수 있다. 여기서, 감쇠기의 제어비는 비율 제어기(ratio controller)에 의하여 제어될 수 있다.
광원부(110)는 레이저광을 집광하여 조사하기 위한 하나 이상의 레이저 시준기(collimator)를 포함한다.
레이저광의 방향을 조절하기 위하여, 광원부(110)는 2축 레이저 갈보 스캐너(2-axis Galvo scanner)를 포함할 수 있다. 갈보(Galvo 또는 Galvanometer)는 전류를 탐지 또는 측정할 수 있는 전자기적 장치이다.
2축 레이저 갈보 스캐너는 직교하는(orthogonal) 축 상에 위치하는 두 개의 근접된 거울(mirror)을 이용하여 레이저를 반사시킴으로써, 레이저의 각도를 조절한다. 이때, 두 개의 거울 각각은 갈보 또는 전기적 모터(electrical motor)에 의해 구동될 수 있다. 스캐너는 두 개의 갈보를 제어하기 위한 제어기(controller)를 포함하고, 제어기는 두 개의 갈보에 흐르는 전류를 조절함으로써 두 개의 거울의 각도를 변경할 수 있다.
광원부(110)는 PTZ(Pan, Tilt, Zoom) 시스템을 이용하여 레이저광이 조사되는 지점을 이동시킬 수 있다. 여기서, 기존의 라이다(light detection and ranging, LiDAR)에서 적용되고 있는 주사시스템의 이용도 가능하다. 팬(Pan)은 수평 방향(좌우 방향 또는 방위각(azimuth))의 움직임, 또는 각도 조절을 나타낸다. 틸트(Tilt)는 수직 방향(상하 방향 또는 고도(elevation))의 움직임, 또는 각도 조절을 나타낸다.
광원부(110)는 레이저광을 타겟가스의 감지가 필요한 영역에 조사한다. 예를 들면, 타겟가스의 감지가 필요한 영역은 타겟가스의 저장 또는 운송과 관련된 시설물(facility) 또는 타겟가스가 누출될 우려가 있는 미리 설정된 적어도 하나 이상의 지점이 될 수 있으나 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.
감지부(120)는 광원부(110)가 조사한 파장가변 레이저광이 타겟가스의 감지가 필요한 영역에 조사된 후, 반사되어 돌아오는 반사광을 감지한다.
감지부(120)는 단일 광자 감지기(SPD)를 포함한다. 여기서, 단일 광자 감지기는 단일 광자 애벌랜치 다이오드(Single Photon Avalanche Diode, SPAD)가 포함될 수 있다.
타겟가스가 존재하는 경우, 광원부(110)가 조사한 파장가변 레이저광 중에서 타겟가스가 흡수하는 고유의 파장을 갖는 레이저광은 타겟가스에 의하여 일부 흡수되며, 흡수되지 않은 레이저광에 대한 반사광이 감지부(120)에 도달한다.
타겟가스는 가스의 종류에 따라 고유의 특정 파장의 레이저광을 흡수한다. 고유의 파장에서 흡수되는 레이저광의 양은 타겟가스의 농도(concentration)에 비례한다.
타겟가스의 농도가 높은 경우, 타겟가스에 의하여 흡수되는 레이저광의 양이 증가하므로 반사광의 세기는 작아진다. 반대로, 타겟가스의 농도가 낮은 경우, 타겟가스에 의하여 흡수되는 레이저광의 양이 감소하므로 반사광의 세기는 상대적으로 강해져, 처음 조사된 레이저광에 비해 미세하게 줄어든 세기를 가질 수 있다.
감지부(120)는 단일 광자 감지기를 이용하여 반사광의 세기를 양자 단위로 감지하므로, 극히 미세한 세기의 반사광, 또는 조사된 레이저광의 세기와 반사광의 세기 사이의 미세한 차이도 감지할 수 있다.
단일 광자 애벌랜치 다이오드는 반응 민감도가 매우 높으므로, 단일 광자 감지기에 감지된 출력이 반사광의 세기를 정확하게 반영하지는 못한다. 따라서, 감지부(120)는 반사광이 감지된 횟수를 누적 합산한다. 예를 들면, 광원부(110)에서 파장가변 레이저광을 펄스 형태로 조사하고, 그 반사광에 포함되어 있는 광자를 감지부(120)에서 감지할 때마다 그 감지된 횟수를 누적 합산한다. 타겟가스가 존재할 경우, 타겟가스가 흡수하는 파장을 갖는 레이저광은 다른 파장을 갖는 레이저광에 비하여 되돌아 오는 반사광에 포함된 광자의 양이 상대적으로 적으므로 감지된 횟수의 누적 합산량이 상대적으로 작게 나타난다.
감지부(120)는 미리 설정된 측정시간 동안의 반사광을 감지할 수 있다. 여기서, 미리 설정된 측정시간은 반사광의 파장 별 감지횟수의 누적 합산량이 타겟가스의 농도를 정확하게 반영할 수 있도록 설정된다. 예를 들면, 타겟가스가 흡수하는 파장 영역 외의 파장을 갖는 반사광의 광자를 감지부(120)가 50,000 회 감지하는 시간 동안 감지부(120)가 반사광의 파장 별 감지 횟수를 누적 합산하도록 설정될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 측정 소요 시간을 짧게 하기 위하여 더 짧은 시간으로 설정될 수 있다.
프로세서(130)는 감지부(120)가 감지한 반사광의 감지 횟수를 기초로 타겟가스의 존재 여부에 관한 정보 및 타겟가스의 농도에 관한 정보 중 적어도 하나의 정보를 획득한다.
감지부(120)가 감지한 반사광의 파장 별 감지 횟수를 각각 누적 합산한 값은 파장가변 레이저의 파장 범위에 걸쳐서 각 파장에 따라 다르게 나타날 수 있다. 타겟가스가 존재하는 경우, 타겟가스가 흡수하는 고유의 파장 영역에 대한 감지횟수는 타겟가스가 존재하지 않는 경우의 감지횟수에 비하여 작은 값을 가지며, 다른 파장 영역에 대한 감지횟수에 대하여 상대적으로 작은 값을 갖는다. 타겟가스의 농도가 높을수록 타겟가스가 흡수하는 고유의 파장 영역에 대한 감지횟수는 적어진다.
프로세서(130)는 타겟가스가 흡수하지 않는 파장에 해당하는 파장가변 레이저광에 대하여 감지부(120)가 광자를 감지한 횟수를 기준으로 하여, 타겟가스가 흡수하는 고유의 파장에 해당하는 파장가변 레이저광에 대하여 감지부(120)가 광자를 감지한 횟수를 기초로 타겟가스에 의해 흡수된 파장가변 레이저광의 상대적인 양을 계산한다.
다른 실시예에 의하면, 프로세서(130)는 타겟가스가 존재하지 않는 경우 감지부(120)가 상기 고유한 파장에 해당하는 광자를 감지한 횟수를 기준으로 하여, 감지부(120)가 고유한 파장에 해당하는 반사광을 감지한 횟수를 기초로 타겟가스에 의해 흡수된 가변파장 레이저광의 상대적인 양을 계산하도록 설정될 수 있다.
프로세서(130)는 타겟가스에 의해 흡수된 가변파장 레이저광의 상대적인 양을 기초로 타겟가스의 농도를 계산한다. 여기서, 타겟가스의 농도는 광원부(110)가 레이저광을 조사하는 지점에 따라 각각 계산될 수 있다.
타겟가스의 농도는 메모리(140)에 미리 저장된 농도 환산표를 이용하여 계산할 수 있다. 예를 들면, 타겟가스가 흡수하지 않는 파장에 해당하는 파장가변 레이저광에 대하여 감지부(120)가 광자를 감지한 횟수를 누적 합산한 값과, 타겟가스가 흡수하는 고유의 파장에 해당하는 파장가변 레이저광에 대하여 감지부(120)가 광자를 감지한 횟수를 누적 합산한 값을 미리 저장된 농도 환산표 상의 정보와 매칭하여 타겟가스의 농도를 계산할 수 있다.
프로세서(130)는 타겟가스의 감지가 필요한 영역 내의 복수의 지점에 대한 타겟가스의 농도를 각각 계산하고, 계산된 값을 기초로 타겟가스의 감지가 필요한 영역 내 타겟가스의 농도 분포에 대한 정보를 생성할 수 있다. 여기서, 타겟가스의 농도 분포에 대한 정보는 타겟가스의 실시간 감지를 위하여 미리 설정된 측정 시간 별로 생성될 수 있다.
메모리(140)는 프로세서(130)의 처리 또는 제어를 위한 프로그램 및 양자기반 가스 감지장치(100)의 동작을 위한 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들면, 메모리(140)에는 타겟가스에 관한 정보, 타겟가스가 흡수하는 레이저광의 고유한 파장에 관한 정보, 미리 설정된 측정 시간 정보 또는 타겟가스의 측정이 필요한 영역에 대한 정보가 저장될 수 있다.
메모리(140)는 하드웨어적으로, ROM, RAM, EPROM, 플래시 드라이브, 하드 드라이브 등과 같은 다양한 저장장치일 수 있다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 양자기반 가스 감지장치가 타겟가스를 감지하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 광원부(210)는 파장가변 레이저광(215)을 감지가 필요한 영역의 미리 설정된 목표지점(250)을 향하여 조사한다. 여기서, 목표지점(250)은 복수의 지점이 될 수 있으며, PTZ 시스템을 이용하여 파장가변 레이저광(215)의 조사각도를 조절하여 변경할 수 있다.
파장가변 레이저광(215)은 타겟가스가 흡수하는 고유한 파장을 갖는 레이저광이다. 파장가변 레이저광(215)은 펄스 형태로 조사될 수 있다.
타겟가스(240)가 존재하는 경우, 파장가변 레이저광(215)은 타겟가스(240)를 통과한다. 타겟가스(240)가 흡수하는 고유의 파장을 갖는 파장가변 레이저광(215)은 타겟가스(240)에 의하여 흡수된다. 여기서, 타겟가스(240)가 흡수하는 파장가변 레이저광(215)의 양은 타겟가스(240)의 농도에 비례할 수 있다.
타겟가스(240)에 의하여 흡수되지 않은 파장가변 레이저광(215)은 목표지점(250)에 도달하여 반사된다. 반사광(225)은 목표지점(250)으로부터 감지부(220)로 되돌아 온다.
감지부(220)는 단일 광자 감지기를 이용하여 반사광(225)을 감지한다. 여기서, 단일 광자 감지기는 단일 광자 애벌랜치 다이오드를 포함한다. 감지부(220)는 반사광(225)에 포함되어 있는 광자를 양자 단위로 감지할 수 있다.
감지부(220)는 반사광에 포함되어 있는 광자를 감지할 때마다 그 감지된 횟수를 누적 합산한다. 감지된 횟수의 누적 합산량은 미리 설정된 측정시간 동안 감지부(220)가 감지한 횟수일 수 있다.
프로세서(200)는 감지부(220)가 감지한 반사광의 감지 횟수를 기초로 타겟가스(240)의 존재 여부에 관한 정보 및 타겟가스(240)의 농도에 관한 정보 중 적어도 하나의 정보를 획득한다.
타겟가스(240)의 존재 여부에 관한 정보 및 타겟가스(240)의 농도에 관한 정보 중 적어도 하나의 정보는 타겟가스(240)가 흡수하지 않는 파장에 해당하는 파장가변 레이저광에 대하여 감지부(220)가 광자를 감지한 횟수의 누적 합산량과, 타겟가스(240)가 흡수하는 고유의 파장에 해당하는 파장가변 레이저광에 대하여 감지부(220)가 광자를 감지한 횟수의 누적 합산량 간의 차이를 기초로 계산될 수 있다.
도 3은 본 개시의 다른 실시예에 따른 양자기반 가스 감지장치의 블록구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 개시의 다른 실시예에 따른 양자기반 가스 감지장치는 광학부(optical unit, 300) 및 처리부(processing unit, 360)를 포함한다. 광학부(300) 및 처리부(360)는 제1 통신부(340) 및 제2 통신부(370)를 이용하여 통신적으로 연결되어 상호간에 정보를 송수신할 수 있다.
광학부(300)는 광원부(310), 감지부(320), 카메라(camera, 430), 제1 통신부(440) 및 주사제어부(projection control unit, 350)를 포함한다.
광원부(310)는 파장가변 레이저광을 생성하는 레이저광 다이오드를 포함한다. 광원부(310)는 파장가변 레이저광을 감지가 필요한 영역의 미리 설정된 지점을 향하여 펄스 형태로 조사한다. 여기서, 미리 설정된 지점은 타겟가스의 감지가 필요한 영역 내의 복수의 지점이 될 수 있다. 복수의 지점은 주사제어부(350)에 의하여 설정된 지점일 수 있다.
감지부(320)는 광원부(310)에서 조사된 파장가변 레이저광이 반사되어 되돌아오는 반사광을 감지한다. 감지부(320)는 단일 광자 감지기를 포함한다. 여기서, 단일 광자 감지기는 단일 광자 애벌랜치 다이오드를 이용하여 반사광을 양자 단위로 감지한다.
감지부(320)는 반사광에 포함되어 있는 광자를 미리 설정된 시간 동안 감지한 횟수를 누적 합산하여 감지정보를 생성한다. 여기서, 감지정보는 파장가변 레이저광의 파장 범위 내의 각각의 파장 별로 감지된 횟수를 누적 합산한 값일 수 있다.
감지정보는 제1 통신부(340)를 이용하여 처리부(360)에 전송된다. 여기서, 감지정보는 타겟가스의 감지가 필요한 영역 내의 복수의 지점에 대응하는 각각의 감지정보를 포함할 수 있다.
카메라(430)는 타겟가스의 감지가 필요한 영역을 촬영한다. 카메라(430)가 촬영한 영상은 제1 통신부(340)를 이용하여 처리부(360)에 실시간으로 전송된다.
제1 통신부(340)는 처리부(360)의 제2 통신부(370)와 상호간 정보를 송 수신한다. 제1 통신부(340)는 제2 통신부(370)에 감지부(320)가 감지한 감지정보 및 카메라(330)가 촬영한 실시간 영상을 송신하고, 제2 통신부(370)로부터 광원부(310), 감지부(320), 카메라(430) 및 주사제어부(350) 에 관한 제어정보를 수신한다. 예를 들면, 제어정보는 타겟가스의 감지가 필요한 영역에 관한 위치 정보 및 방향정보, 타겟가스에 관한 정보 및 광원부(310)에서 조사되는 파장가변 레이저광에 관한 정보를 포함할 수 있다.
주사제어부(350)는 파장가변 레이저광이 감지가 필요한 영역의 미리 설정된 지점을 향하여 조사되도록 광원부(310)를 제어한다.
주사제어부(350)는 광원부(310)에서 파장가변 레이저광이 주사되는 지점을 변경하면서 복수의 지점에 대한 타겟가스를 감지할 수 있도록 광원부(310)에 포함되어 있는 반사기구(reflection mechanism) 또는 굴절기구(refraction mechanism)를 제어한다. 주사제어부(350)는 PTZ 시스템을 이용하여 파장가변 레이저광이 주사되는 지점을 변경하도록 광원부(310)를 제어할 수 있다.
주사제어부(350)는 타겟가스의 감지가 필요한 영역을 변경할 수 있도록 광원부(310), 감지부(320) 및 카메라(330)의 위치 또는 방향을 제어할 수 있다.
본 개시의 또 다른 실시예에 따라서, 광학부(300)에는 파장가변 레이저광이 조사되는 지점과 카메라의 촬영방향을 동시에 변경할 수 있는 구동부가 추가로 포함될 수 있다. 여기서, 구동부는 기존의 LiDAR에 적용된 방식, 예를 들면, 360 도로 빠르게 회전하며 광학부(300) 주변에 파장가변 레이저광을 주사하여 주변의 타겟가스를 감지하거나 복수의 위치에서 파장가변 레이저광을 동시에 주사하여 타겟가스를 감지하도록 구성될 수 있다.
처리부(360)는 제2 통신부(370), 제어부(380) 및 영상처리부(390)를 포함할 수 있다.
제2 통신부(370)는 제1 통신부에 제어부(380)로부터 획득한 광원부(310), 감지부(320), 카메라(430) 및 주사제어부(350) 에 관한 제어정보를 전송하고, 제1 통신부로부터 감지부(320)의 감지정보 및 카메라(330)의 촬영 영상을 수신한다.
제어부(380)는 미리 설정된 타겟가스의 감지가 필요한 영역에 대한 감지를 수행하도록 광학부(300)를 제어한다.
제어부(380)는 제2 통신부를 이용하여 광학부(300)로부터 수신한 감지정보를 기초로 타겟가스의 존재 여부에 관한 정보 및 타겟가스의 농도에 관한 정보 중 적어도 하나의 정보를 획득하고, 타겟가스의 존재 여부에 관한 정보 및 타겟가스의 농도에 관한 정보 중 적어도 하나의 정보와 카메라(330)가 촬영한 영상을 영상처리부(390)에 전송한다.
영상처리부(390)는 타겟가스의 감지가 필요한 영역에 대한 영상, 타겟가스의 존재 여부에 관한 정보 및 타겟가스의 농도에 관한 정보를 기초로 영상처리 과정을 수행하여 타겟가스 감지영상(395)을 생성한다.
영상처리부(390)는 타겟가스의 감지가 필요한 영역에 대한 미리 설정된 시점의 영상과 해당 시점의 복수의 지점 별 타겟가스의 농도에 관한 정보를 결합하여 타겟가스 감지영상(395)을 생성할 수 있다.
예를 들면, 파장가변 레이저광을 타겟가스의 감지가 필요한 영역 내의 복수의 지점에 순차적으로 조사하고, 그 반사광으로부터 복수의 지점에 각기 대응되는 타겟가스의 농도에 관한 정보를 획득한다. 영상처리부(390)는 타겟가스의 감지가 필요한 영역을 촬영한 영상에서 복수의 지점에 각각 대응되는 위치에 타겟가스의 농도에 관한 정보를 시각화하여 표시한다. 여기서, 농도에 관한 정보를 시각화한 표시는 농도 범위에 따라 다른 색깔로 표현한 표시일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
타겟가스 감지영상(395)을 이용하여 타겟가스의 감지가 필요한 영역 내의 어느 지점에 타겟가스가 어떤 농도로 분포하는지 여부를 확인할 수 있으며, 시간의 흐름에 따른 분포 변화로부터 타겟가스의 변화 추이, 예를 들면, 타겟가스의 누출량 및 누출 지점의 변화를 확인할 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 양자기반 가스 감지방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 양자기반 가스 감지장치는 펄스 형태로 가변파장 레이저광을 조사한다(S400).
양자기반 가스 감지장치는 미리 설정된 범위의 파장가변 레이저광을 타겟가스의 감지가 필요한 영역에 조사한다. 여기서, 미리 설정된 범위는 타겟가스가 흡수하는 고유한 파장을 포함한다. 양자기반 가스 감지장치는 레이저광 다이오드의 바이어스 전류를 조절하여 레이저광의 파장을 변화시킬 수 있다.
양자기반 가스 감지장치는 파장가변 레이저광을 펄스의 형태로 타겟가스의 감지가 필요한 영역 내의 복수의 지점에 조사한다. 여기서, 펄스의 주기는 양자기반 가스 감지장치의 최대 목표 감지거리에 대한 레이저광의 비행시간(ToF)이고, 펄스 듀티 비는 1 % 내지 5 % 로 설정될 수 있다.
양자기반 가스 감지장치는 파장가변 레이저광이 조사되는 지점을 PTZ 시스템을 이용하여 이동시킬 수 있다. 여기서, 양자기반 가스 감지장치는 LiDAR에 적용되고 있는 기존의 방법, 예를 들면, 360도 회전을 이용한 레이저광의 주사방법 또는 복수의 레이저광을 동시에 주사하는 방법 등의 이용도 가능하다.
양자기반 가스 감지장치의 단일 광자 감지기는 반사광을 감지한다(S410).
파장가변 레이저광이 타겟가스를 통과하면, 타겟가스가 흡수하는 고유의 파장과 동일한 파장을 갖는 레이저광은 타겟가스에 의하여 흡수된다. 여기서, 타겟가스가 흡수하는 레이저광의 양은 타겟가스의 농도에 비례할 수 있다.
타겟가스에 의하여 흡수되지 않은 파장가변 레이저광은 타겟가스를 통과한 뒤 반사되어 되돌아온다. 양자기반 가스 감지장치는 단일 광자 감지기를 이용하여 반사광을 양자 단위로 감지한다. 여기서, 단일 광자 감지기는 단일 광자 애벌랜치 다이오드를 포함할 수 있다.
양자기반 가스 감지장치는 반사광의 감지 횟수를 누적 합산한다(S420).
타겟가스를 통과한 반사광에는 타겟가스에 흡수되지 않은 광자들이 포함되어 있다. 양자기반 가스 감지장치는 단일 광자 감지기를 이용하여 반사광을 양자 단위로 감지할 수 있으므로, 반사광에 극소량의 광자가 존재하더라도 이를 감지한다.
양자기반 가스 감지장치는 반사광에 포함되어 있는 광자를 감지할 때마다 그 감지된 횟수를 누적 합산한다. 여기서, 누적 합산한 값은 미리 설정된 측정시간 동안 광자를 감지한 횟수를 누적 합산한 값이 될 수 있다.
타겟가스가 존재할 경우, 타겟가스가 흡수하는 파장을 갖는 레이저광은 다른 파장에 비하여 되돌아 오는 반사광에 포함된 광자의 양은 상대적으로 적으므로, 감지된 횟수의 누적 합산량은 상대적으로 작게 나타난다.
양자기반 가스 감지장치는 누적 합산된 감지 횟수를 기초로 타겟가스의 존재 여부에 관한 정보 및 타겟가스의 농도에 관한 정보를 획득한다(S430).
타겟가스가 흡수하지 않는 파장에 해당하는 파장가변 레이저광에 대하여 양자기반 가스 감지장치가 광자를 감지한 횟수와, 타겟가스가 흡수하는 고유의 파장에 해당하는 파장가변 레이저광에 대하여 양자기반 가스 감지장치가 광자를 감지한 횟수 간의 차이를 기초로 타겟가스에 의해 흡수된 파장가변 레이저광의 상대적인 양을 계산한다
흡수된 가변파장 레이저광의 상대적인 양은 타겟가스의 농도에 비례하므로, 양자기반 가스 감지장치는 타겟가스에 의해 흡수된 가변파장 레이저광의 상대적인 양을 기초로 타겟가스의 존재 여부에 관한 정보 및 농도에 관한 정보 중 적어도 하나 이상의 정보를 획득할 수 있다.
양자기반 가스 감지장치는 타겟가스의 감지가 필요한 영역 내의 복수의 지점에 대한 타겟가스의 농도를 각각 계산하고, 계산된 값을 기초로 타겟가스의 감지가 필요한 영역 내 타겟가스의 농도 분포에 대한 정보를 생성할 수 있다.
이상의 순서도에서는 각각의 과정들을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일부 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하다. 다시 말해, 본 발명의 일부 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일부 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 순서도에 기재된 과정을 변경하여 실행하거나 각각의 과정 중 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 순서도는 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 설명되는 시스템들 및 기법들의 다양한 구현예들은, 디지털 전자 회로, 집적 회로, FPGA(field programmable gate array), ASIC(application specific integrated circuit), 컴퓨터 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 및/또는 이들의 조합으로 실현될 수 있다. 이러한 다양한 구현예들은 프로그래밍가능 시스템 상에서 실행가능한 하나 이상의 컴퓨터 프로그램들로 구현되는 것을 포함할 수 있다. 프로그래밍가능 시스템은, 저장 시스템, 적어도 하나의 입력 디바이스, 그리고 적어도 하나의 출력 디바이스로부터 데이터 및 명령들을 수신하고 이들에게 데이터 및 명령들을 전송하도록 결합되는 적어도 하나의 프로그래밍가능 프로세서(이것은 특수 목적 프로세서일 수 있거나 혹은 범용 프로세서일 수 있음)를 포함한다. 컴퓨터 프로그램들(이것은 또한 프로그램들, 소프트웨어, 소프트웨어 애플리케이션들 혹은 코드로서 알려져 있음)은 프로그래밍가능 프로세서에 대한 명령어들을 포함하며 "컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체"에 저장된다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 이러한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 ROM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 메모리 카드, 하드 디스크, 광자기 디스크, 스토리지 디바이스 등의 비휘발성(non-volatile) 또는 비일시적인(non-transitory) 매체일 수 있으며, 또한 데이터 전송 매체(data transmission medium)와 같은 일시적인(transitory) 매체를 더 포함할 수도 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다.
본 명세서에 설명되는 시스템들 및 기법들의 다양한 구현예들은, 프로그램가능 컴퓨터에 의하여 구현될 수 있다. 여기서, 컴퓨터는 프로그램가능 프로세서, 데이터 저장 시스템(휘발성 메모리, 비휘발성 메모리, 또는 다른 종류의 저장 시스템이거나 이들의 조합을 포함함) 및 적어도 한 개의 커뮤니케이션 인터페이스를 포함한다. 예컨대, 프로그램가능 컴퓨터는 서버, 네트워크 기기, 셋탑 박스, 내장형 장치, 컴퓨터 확장 모듈, 개인용 컴퓨터, 랩탑, PDA(Personal Data Assistant), 클라우드 컴퓨팅 시스템 또는 모바일 장치 중 하나일 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명의 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 양자기반 가스 감지장치
110: 광원부
120: 감지부
130: 프로세서
140: 메모리
110: 광원부
120: 감지부
130: 프로세서
140: 메모리
Claims (14)
- 가변 다이오드 레이저 흡수 분광법(TDLAS)을 이용한 양자기반 가스 감지장치에 있어서,
하나 이상의 인스트럭션을 저장하는 메모리; 및
상기 메모리에 저장된 상기 하나 이상의 인스트럭션을 실행하는 프로세서를 포함하되,
상기 프로세서는, 상기 하나 이상의 인스트럭션을 실행함으로써,
타겟가스의 감지가 필요한 영역에 파장가변 레이저광을 펄스 형태로 조사하고,
단일 광자 감지기(SPD)를 이용하여 상기 영역에서 반사되는 반사광에 포함된 광자를 미리 설정된 측정 시간동안 감지하고,
상기 단일 광자 감지기가 상기 반사광으로부터 광자를 감지한 횟수를 상기 파장가변 레이저광에 포함된 파장 별로 누적 합산하고,
상기 타겟가스가 흡수하지 않는 파장에 해당하는 상기 파장가변 레이저광에 관한 광자를 감지한 횟수와 상기 타겟가스가 흡수하는 고유한 파장에 해당하는 상기 파장가변 레이저광에 관한 광자를 감지한 횟수의 차이에 기초하여 상기 타겟가스에 의해 흡수된 파장가변 레이저광의 상대적인 양을 계산하고,
상기 타겟가스에 의해 흡수된 파장가변 레이저광의 상대적인 양에 기초하여 상기 타겟가스의 존재 여부에 관한 정보 및 상기 타겟가스의 농도에 관한 정보 중 적어도 하나 정보를 획득하되,
상기 파장가변 레이저광은,
광학 증폭기에 의하여 펄스가 압축되고 확장되어 증폭되고,
2축 레이저 갈보 스캐너를 이용하여 레이저광의 방향이 조절된 것을 특징으로 하고,
상기 펄스는,
상기 파장가변 레이저광이 조사되는 지점으로부터 최대 목표 감지 거리에 대한 상기 파장가변 레이저광의 비행시간(Time of Flight)에 의하여 결정된 주기를 갖고,
상기 결정된 주기에 기초하여 노이즈와 원 신호를 분리하기 위한 펄스 듀티비가 결정되고,
상기 단일 광자 감지기는, 단일 광자 애벌랜치 다이오드를 포함하는, 가스 감지장치.
- 제1항에 있어서,
상기 파장가변 레이저광은,
상기 타겟가스가 흡수하는 고유한 파장을 포함하는 미리 설정된 범위의 파장을 갖는 가스 감지장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 가스 감지장치는,
상기 타겟가스의 감지가 필요한 영역을 촬영하여 영상을 생성하는 카메라를 더 포함하되,
상기 프로세서는,
상기 타겟가스의 감지가 필요한 영역에 대한 상기 타겟가스의 존재 여부에 관한 정보 및 상기 타겟가스의 농도에 관한 정보 중 적어도 어느 하나의 정보를 상기 영상에 표시하는,
가스 감지장치. - 가변 다이오드 레이저 흡수 분광법(TDLAS)을 이용한 양자기반 가스 감지 방법에 있어서,
타겟가스의 감지가 필요한 영역에 파장가변 레이저광을 펄스 형태로 조사하는 과정;
단일 광자 감지기(SPD)를 이용하여 상기 영역에서 반사되는 반사광에 포함된 광자를 미리 설정된 측정 시간동안 감지하는 과정;
상기 단일 광자 감지기가 상기 반사광으로부터 광자를 감지한 횟수를 상기 파장가변 레이저광에 포함된 파장 별로 누적 합산하는 과정;
상기 타겟가스가 흡수하지 않는 파장에 해당하는 상기 파장가변 레이저광에 관한 광자를 감지한 횟수와, 상기 타겟가스가 흡수하는 고유한 파장에 해당하는 상기 파장가변 레이저광에 관한 광자를 감지한 횟수의 차이에 기초하여 상기 타겟가스에 의해 흡수된 파장가변 레이저광의 상대적인 양을 계산하는 과정; 및
상기 타겟가스에 의해 흡수된 파장가변 레이저광의 상대적인 양에 기초하여 상기 타겟가스의 존재 여부에 관한 정보 및 상기 타겟가스의 농도에 관한 정보 중 적어도 하나 정보를 획득하는 과정
을 포함하되,
상기 파장가변 레이저광은,
광학 증폭기에 의하여 펄스가 압축되고 확장되어 증폭되고,
2축 레이저 갈보 스캐너를 이용하여 레이저광의 방향이 조절된 것을 특징으로 하고,
상기 펄스는,
상기 파장가변 레이저광이 조사되는 지점으로부터 최대 목표 감지 거리에 대한 상기 파장가변 레이저광의 비행시간(Time of Flight)에 의하여 결정된 주기를 갖고,
상기 결정된 주기에 기초하여 노이즈와 원 신호를 분리하기 위한 펄스 듀티비가 결정되고,
상기 단일 광자 감지기는, 단일 광자 애벌랜치 다이오드를 포함하는, 가스 감지방법.
- 제8항에 있어서,
상기 파장가변 레이저광은,
상기 타겟가스가 흡수하는 고유한 파장을 포함하는 미리 설정된 범위의 파장을 갖는 가스 감지방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제8항에 있어서,
상기 가스 감지방법은,
상기 타겟가스의 감지가 필요한 영역을 촬영하여 영상을 생성하는 과정; 및
상기 타겟가스의 감지가 필요한 영역에 대한 상기 타겟가스의 존재 여부에 관한 정보 및 상기 타겟가스의 농도에 관한 정보 중 적어도 어느 하나의 정보를 상기 영상에 표시하는 과정
을 더 포함하는 가스 감지 방법.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200127173 | 2020-09-29 | ||
| KR20200127173 | 2020-09-29 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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