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수동형 퓨리에변환 적외선 분광기의 잡음등가온도지수
Noise Equivalent Differential Temperature of Passive FTIR Sensor System 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.14 no.2, 2011년, pp.161 - 166  

강영일 (국방과학연구소) ,  박병황 (국방과학연구소) ,  최명진 (국방과학연구소) ,  홍대식 (국방과학연구소) ,  최수 (국방과학연구소) ,  김동환 (두산DST R&D센터) ,  박도현 (무리기술(주) 전자광학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The passive open-path Fourier-Transform-Infrared system was implemented for the toxic gas monitoring. Noise Equivalent Differential Temperature(NEDT) was investigated as a system performance evaluation figure and analyzed numerically with the designed parameters. Calculated NEDT was compared with th...

주제어

#잡음등가온도차   #퓨리에 변환 분광   #흑체   #복사 보정  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

  • Fig. 3은 제작된 FTS에 대해 2점 흑체 온도에서의 잡음특성을 측정하여 단일 데이터 획득인 경우와 16회 평균한 경우에 대해 NEDT를 700～1400cm-1 구간에 대해 측정하였다. 특히, SF 6 가스의 중심 흡수선 파장인 946.
  • 대역에서의 파장별 잡음지수 특성을 계산하고 이를 제작된 FTIR 장비의 NEDT 값과 비교 분석하였다. 또한 측정된 NEDT 값을 이용하여 장비가 탐지 가능한 최소 탐지농도를 SF 6 가스에 대해 예측하였다.
  • 본 논문에서는 FTIR 시스템 성능을 결정짓는 시스템 잡음지수인 NEDT, NESR 특성을 모델링하고 700 ～1400cm-1 대역에서의 파장별 잡음지수 특성을 계산하고 이를 제작된 FTIR 장비의 NEDT 값과 비교 분석하였다. 또한 측정된 NEDT 값을 이용하여 장비가 탐지 가능한 최소 탐지농도를 SF 6 가스에 대해 예측하였다.
  • 수동형 퓨리에 변환 적외선 분광기의 시스템 성능 지수로서, NEDT 값을 설계 변수치를 이용하여 계산 하였고, 분광 파장범위인 700～1400cm-1 영역에서의 잡음등가온도차에 대한 특성 곡선을 분석하였다. 단일 측정에 대한 NEDT의 모델식으로부터 N회 데이터를 평균한 NEDT 값은 데이터 평균 횟수의 제곱근에 반비례하며, 실험적으로 1회 및 16회 평균 측정값으로부터 이론적인 예측과 비교적 잘 매칭되는 것을 확인하였다.
  • 1회 평균에 의한 NEDT 값은 온도분해능이 높은 상태이므로 N회 데이터를 평균하여 신호처리를 하게 되면 NEDT가 낮아지는 효과를 볼 수 있다. 이러한 효과를 보기 위해 Fig. 1에서 설계수치를 이용하여 잡음등 가온도차를 모델링 한 것을 신호 평균화 횟수(1회, 4 회, 8회, 16회)에 따라 비교하여 표시하였다. 스펙트럼 데이터를 N회 평균화하여 측정하게 되면 잡음신호는 랜덤이므로 표준편차는 #에 비례하여 감소하게 되어 결과적으로 S/N는 #만큼 증가하게 된다.

데이터처리

  • 4. 데이터 평균 횟수에 따른 NEDT 모델 결과와 측정치 비교. 실선은 데이터 평균화 횟수의 제곱근의 역수 그래프임
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
광학기술을 이용한 원거리 화학 작용제 탐지기술로의 어떠한 특성으로 인해 수동형 퓨리에 변환 분광기가 상용화가 되었는가? 최근 광학기술을 이용한 원거리 화학 작용제 탐지기술은 외부 환경하에서도 안정적으로 동작되는 간섭계 기술, 모터제어기술, 광검출기 성능향상, 고속 컴퓨터 프로세스 기술 등의 주변기술이 발전함에 따라 실용 적으로 야외에서 사용이 가능한 수동형 퓨리에 변환 분광기(Passive FTIR)가 상용화되었다. 그러나, 군운용 환경조건을 만족하는 FTS 장비는 핵심 센서인 간섭계의 기술적 어려움으로 인해 전 세계적으로도 몇 개만이 소개되고 있는 실정이다.
수동형 FTS란? 수동형 FTS(Fourier Transform Spectrometer)는 야외의 자연 배경 온도와 가스운의 온도차에 의해 가스운의 (농도×크기)를 측정할 수 있는 장비이며, 사용시 기준 적외선 광원이 필요 없기 때문에 독성 가스 운을 수 km까지 원거리에서 기동 중 탐지가 가능한 장비이다.
기준 광원으로서 자연배경의 복사선을 이용하는 동형 퓨리에 변환 분광기는 무엇에 따라 좌우되는가? 이러한 수동형 퓨리에 변환 분광기가 별도의 기준 적외선 광원 없이 운용되는 이유는 탐지운의 신속한 정성적 판단을 요구할 때이므로, 기준 광원으로서 자연배경의 복사선을 이용하게 된다. 따라서 자연배경의 온도조건에 따라 기준 복사선 레벨이 변하게 되므로 탐지 신호의 신호대 잡음비(SNR)가 외부 자연배경 상태에 크게 좌우 된다. 그러나, 다행히도, 8～12μm 영역에서는 대부분의 자연배경(물, 얼음, 나무, 모래, 눈등)의 복사 방출율(Emissivity)이 0.
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참고문헌 (8)

  1. MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectrometer) UCSB Emissivity Libery, http://www.icess.ucsb.edu/modis/EMIS/html/em.html. 

  2. Edwin P. Przybylowicz, et al., "Testing and Evaluation of Standoff Chemical Agent Detectors", The National Academies Press, Washington D.C., p. 13, 2003. 

  3. Julia H. Rentz and James R. Engel, "Passive Spectro-Radiometer Calibration: Radiance Responsivity, Sensitivity, and Radiation Reference", OPTRA, Inc. 

  4. Peter R. Griffiths, James A. de Haseth, "Fourier Transform Infrared Spectrometry", John Wiley & Sons, New Jersey. p. 161(second Ed. 2007). 

  5. 김동환, 김영운, 강영일, 최명진, 박병황, 박도현, 이석구, "원거리 가스탐지를 위한 퓨리에변환 분광기의 시스템 성능지수", 한국군사과학기술학회 종합학술대회 논문집, 2010. 6. 

  6. Claes Nelsson, Frans Lundberg, Par Nilsson, Mattias Berglund, "ScanSpec : An Imaging FTIR Spectrometer", SPIE. Vol. 4029, pp. 324-336, 2000. 

  7. Andreas Beil, Rainer Daum, Roland Harig, and Gerhard Matz, "Remote Sensing of Atmospheric Pollution by Passive FTIR Spectrometry", SPIE Vol. 3493, pp. 32-43, 1998. 

  8. "RAPID Instruments Description", BRUKER SAXONIA ANALITIK GmbH, 1999. 

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