[논문]FTIR 분광용 간섭계의 샘플링 잡음 영향 분석

배효욱; 박도현; 나성웅; 최승기

FTIR 분광용 간섭계의 샘플링 잡음 영향 분석
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FTIR 분광계는 간섭계를 사용하여 표적 물질에 대한 간섭무늬를 획득하고, 이를 푸리에 변환함으로써 기체상태 물질의 적외선 영역 스펙트럼을 획득하기 위한 유용한 기법이다. 본 논문에서는 불규칙적 위치에서 간섭무늬 샘플링에 관하여 고속 스캔 간섭계의 신호처리에서의 샘플링 노이즈 영향에 대한 연구와 이에 대하여 실험적으로 검증 하였다.

FTIR(Fourier Transform Infrared) spectrometry is a useful method to obtain infrared spectra of materials in gas phase by registering the interferogram of a target material using an interferometer, and then performing a Fourier transform on the interferogram to obtain the spectrum. In this paper, sampling noise effect on signal processing of the rapid scan interferometer was studied with relation to sampling the interferogram points at the improper location and empirically verified.

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문제 정의

고속 회전방식의 이동거울을 사용한 본 시스템에서 샘플링에 의한 영향 및 성분검출에 대한 신뢰성을 실험을 통하여 확인 하였다.
본 연구에서는 FTIR 시스템에서 소자특성이나 외부영향에 의해 발생될 수 있는 샘플링 오차의 영향 및 이를 최소화 할 수 있는 방안에 대해 연구 및 분석을 수행 하였다.

제안 방법

그러나 본 연구에서는 등시간 간격으로 인한 오차 발생을 억제하기 위하여 단색파장의 참조광원을 이용하여등광경로차로 신호를 수집하는 방식을 선택하였다.
반대로 지나치게 샘플링 간격을 조밀하게 설정하게 되면 데이터 양이 증가하면서 신호처리 속도의 부하가 증가하기 때문에 적절한 샘플링 주파수를 설정하는 것이 중요하다. 따라서 시스템에서 요구하는 대역폭을 유지하면서 신호처리의 효율성을 높이기 위하여 상승 모서리의 영교차점마다 TTL 펄스를 발생하도록 하였다. 이렇게 발생시킨 펄스는 아날로그-디지털 변환기 (A/D converter)의 트리거 펄스로 작용한다.
랜덤한 특성을 갖는 샘플링 노이즈는 평균화 신호처리 과정을 통해서도 어느 정도 제거가 되었으며, 실험을 통하여 이를 확인 하였다.
본 시스템에서는 참조광원을 사용하여 등광경로차마다 신호를 샘플링 하였으며, 평균화 알고리즘을 통해 샘플링 오차에 대한 영향을 최소화 하였다. 이에 대한 신뢰성을 확인하기 위해 암모니아와 메탄올 시료를 각각 대기 중에 확산시켜 성분 검출 여부 및 기준스펙트럼과 측정스펙트럼 간의 비교를 수행하였다.
따라서 하드웨어적 요인에 의해 발생되는 응답속도 지연부분을 최소화 할 필요가 있다. 본 시스템에서는 최대 7nsec 응답속도를 갖는 고속의 비교기를 사용하여 위치오차의 영향을 최소화 하였다. 위치오차로 인한 샘플링 노이즈는 어느 정도 랜덤한 특성을 갖고 있으므로 하드웨어적 뿐만 아니라 평균화 알고리즘을 이용하여 신호처리를 할 경우 샘플링 노이즈 영향을 더욱더 줄일 수 있다.
본 연구에서는 632.8nm의 He-Ne 레이저를 샘플링을 위한 참조광원으로 사용하여 시스템 성능을 분석하였다. 설계 제작된 시스템은 2.
그러나 가장 문제가 되는 샘플링 각 요소마다 랜덤하게 지연이 발생하게 되면 샘플링함수의 위치 오차 성분으로 인하여 시간영역의 신호가 왜곡되어 주파수 영역으로 변환 했을 때 신호정보에 잡음이 더해져 신호대 잡음비가 떨어지게 된다. 이에 대하여 표 1과 표 2에 위치오차에 따른 신호 대 잡음 비, 평균화 횟수에 따른 신호 대 잡음비를 시뮬레이션을 통해 분석하였다.
오차에 대한 영향을 최소화 하였다. 이에 대한 신뢰성을 확인하기 위해 암모니아와 메탄올 시료를 각각 대기 중에 확산시켜 성분 검출 여부 및 기준스펙트럼과 측정스펙트럼 간의 비교를 수행하였다.
이와 같은 샘플링 위치오차에 따른 영향을 최소화하기 위해 본 시스템에서는 참조광원을 사용하여 일정한광경로차마다 신호를 샘플링 하였으며, 부가적으로 참조 광원 사용에 따른 샘플링신호 생성회로의 집적 소자 고유 특성에 따른 영향을 줄이기 위해 빠른 응답 특성을 갖는 소자를 사용하였다.
참조 간섭계의 광검출기에서 획득한 간섭무늬로부터 아날로그-디지털 변환기의 트리거 펄스를 발생시키기 위하여 비교기 회로를 사용하였다. 비교기의 구조 및 전달 특성은 그림 4와 같다.

대상 데이터

이를 위해서 주 간섭계와 동일한 경로를 갖는 참조 간섭계를 사용하게 된다. 이 때 참조 간섭계의 광원은 단색광을 사용하게 되며 본 연구에서는 He-Ne 레이저의 633nm 파장을 사용하였다. 참조 간섭계는 레이저의 결맞음 특성으로 인하여 그림 3에 나타난 0(t)과 같이 cos(?尻)로 변조된 간섭무늬를 생성하게 된다.

이론/모형

본 간섭계에서는 정통적인 방식의 마이켈슨 간섭계를 변형한 Manning 방식의 간섭계를 적용하여 직선 운동이 아닌 이동 거울을 쐐기(wedge) 형태로 제작하여 회전 운동에 의해 변조를 주도록 고안 되었다. 회전 운동에 의한 변조방식은 굴절식과 반사식이 있는데 본 간섭계에서는 반사식을 적용하였다.
운동에 의해 변조를 주도록 고안 되었다. 회전 운동에 의한 변조방식은 굴절식과 반사식이 있는데 본 간섭계에서는 반사식을 적용하였다. 회전 운동에 의한 변조 방식의 장점은 고속 주사가 가능하여, 신호대 잡음 비를 향상시킬 수 있으며 동시에 측정 간 외부의 영향을 배제할 수 있어 이동 간 측정이 가능하다는 것이다.

성능/효과

실제로 저속의 경우에는 如, 6。가 큰 문제가 될 수 있으며, 고속으로 갈수록 그 효과가 줄어드는 것을 실험적으로 확인하였다.
시뮬레이션 결과 그림 7과 같이 어느 정도 횟수 평균화를 할 경우 급격하게 노이즈가 줄어듦을 알 수 있다. 그러나 평균화 횟수가 늘어날수록 신호처리 속도가 느려지지만 고속 회전방식 이동거울을 사용한 본 시스템에서는 실시간 신호처리 속도에 크게 영향을 받지 않고 샘플링 노이즈를 최소화 할 수 있다.
두 시료에 대한 스펙트럼은 기준 스펙트럼과의 상관관계를 통해 정확히 검출 되었으며, 흡수 peak 위치에 대한 오차도 최대 ±0.5cm-l 이내의 범위에서 일치함을 확인 하였다. 측정 스펙트럼은 4번의 평균화를 통해 획득 되었다.
시뮬레이션을 통해 분석한 결과 7nsec 정도의 응답속도 특성은 시스템에 큰 영향을 주지 않았다.
실시간 모니터링을 위해 고속 회전방식의 이동 거울을 사용하는 본 시스템에서는 평균화에 횟수에 따른 실시간 신호처리가 크게 문제 되지 않았으며, 시료에 대한 성분 검출에 있어서도 시스템의 신뢰성을 확인하였다.
측정 스펙트럼은 4번의 평균화를 통해 획득 되었다. 실험을 통하여 시스템의 하드웨어적 요소 및 신호처리 알고리즘에 의하여 샘플링 오차에 의한 노이즈 영향이 크지 않음을 확인 하였다.

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