KR102479238B1 - Quantum Sensor-Based Remote High-precision Gas Sensing Apparatus - Google Patents

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KR102479238B1
KR102479238B1 KR1020220046830A KR20220046830A KR102479238B1 KR 102479238 B1 KR102479238 B1 KR 102479238B1 KR 1020220046830 A KR1020220046830 A KR 1020220046830A KR 20220046830 A KR20220046830 A KR 20220046830A KR 102479238 B1 KR102479238 B1 KR 102479238B1
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윤명섭
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Abstract

Disclosed is a quantum sensor-based high-precision remote gas sensing apparatus, which has a relatively wide sensing range to detect a gas component from a long distance. According to one aspect of the present embodiment, provided is a gas sensing apparatus comprising a light source for sequentially radiating light of a predetermined first wavelength band and light of a predetermined second wavelength band, a light receiving unit for receiving reflected light, which is reflected and enters after radiation from the light source, and a control unit for controlling the light source to sequentially radiate the light of the predetermined first wavelength band and the light of the predetermined second wavelength band, wherein the light of the predetermined first wavelength band belongs to a wavelength band absorbed by a gas component to be detected and the light of the predetermined second wavelength band belongs to a wavelength band other than the wavelength band absorbed by the gas component to be detected.

Description

양자센서 기반 원거리 고정밀 가스 센싱 장치{Quantum Sensor-Based Remote High-precision Gas Sensing Apparatus}Quantum Sensor-Based Remote High-precision Gas Sensing Apparatus

본 실시예는 센싱반경이 상대적으로 넓어 원거리까지 가스 성분을 검출할 수 있는 양자 센서 기반의 가스 센싱 장치와 이를 이용한 인공지능 분석 시스템에 관한 것이다.The present embodiment relates to a gas sensing device based on a quantum sensor capable of detecting gas components from a long distance with a relatively wide sensing radius, and an artificial intelligence analysis system using the same.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The contents described in this part merely provide background information on the present embodiment and do not constitute prior art.

가스 센싱장치는 대기 중 특정 기체 성분을 검출한다. 특정 기체 성분은 주로 인체에 유해한 기체 성분으로서, 메탄(CH4), VOC(Volatile Organic Compounds), 포름 알데히드 또는 톨루엔 등이 포함된다. The gas sensing device detects a specific gas component in the air. Specific gas components are mainly harmful to the human body, and include methane (CH 4 ), VOC (Volatile Organic Compounds), formaldehyde, toluene, and the like.

이러한 기체 성분을 검출하기 위한 가스 센싱장치로서, 종래에는 다음과 같은 가스 센싱장치 패키지가 사용되었다. 종래의 가스 센싱장치 패키지는 특정 기체 성분을 센싱하기 위한 센싱물질 및 센싱물질을 활성화하기 위한 히터를 포함하였다. 여기서, 센싱물질이 특정 기체성분을 센싱하기 위해서는 활성화가 되어야 하는데, 종래의 가스 센싱장치 패키지는 센싱물질을 활성화시키기 위해 히터를 이용하였다. 종래의 가스 센싱장치 패키지는 히터를 이용하여 센싱물질의 온도를 상승시킴으로써, 센싱물질을 활성화시켜 특정 기체성분을 센싱하였다.As a gas sensing device for detecting such a gas component, the following gas sensing device package has been conventionally used. A conventional gas sensing device package includes a sensing material for sensing a specific gas component and a heater for activating the sensing material. Here, the sensing material needs to be activated in order to sense a specific gas component, but a conventional gas sensing device package uses a heater to activate the sensing material. In a conventional gas sensing device package, a specific gas component is sensed by activating the sensing material by raising the temperature of the sensing material using a heater.

그러나 종래의 가스 센싱장치 패키지 내에 히터를 포함해야 하므로, 부피가 커지는 불편이 존재한다. 또한, 가스 센싱장치 패키지 내 센싱물질이 활성화되기 위해서는 가열되어야 하는 점에서, 상온의 환경에서 바로 사용되지 못하고 일정시간 가열되어야만 사용될 수 있는 불편이 있었다.However, since a heater must be included in a package of a conventional gas sensing device, there is an inconvenience in that the package increases in volume. In addition, since the sensing material in the gas sensing device package needs to be heated to be activated, it is inconvenient that it cannot be used immediately in a room temperature environment and can be used only after heating for a certain period of time.

이에, 광원을 이용하여 특정 기체성분을 센싱하는 가스 센싱장치가 등장하였다. 기체 성분들이 각각 특정 파장대역의 광을 흡수하는 성질을 이용한 것으로서, 종래의 가스 센싱장치는 검출하고자 하는 성분이 흡수하는 파장대역의 광을 조사하고, 그로부터 반사되는 반사광량을 센싱하여 검출하고자 하는 성분의 존부와 양을 센싱하였다.Accordingly, a gas sensing device for sensing a specific gas component using a light source has emerged. Gas components use the property of absorbing light in a specific wavelength band, and a conventional gas sensing device irradiates light in a wavelength band absorbed by a component to be detected, and senses the amount of reflected light reflected therefrom to detect the component to be detected. The presence and amount of was sensed.

광원에서 출력되는 광의 파장대역은 온도에 상당히 민감하여, 광원 주변의 온도가 변함에 따라 출력되는 광의 파장대역도 함께 변하게 된다. 이러한 문제로 인해, 온도에 민감하지 않은 광원이 가스 센싱장치 내에 탑재될 경우 제조 원가가 상당히 높아지는 문제가 있으며, 그렇지 않을 경우 품질이 상당히 저하되는 문제가 있다. The wavelength band of the light output from the light source is very sensitive to temperature, and as the temperature around the light source changes, the wavelength band of the light output also changes. Due to this problem, when a light source that is not sensitive to temperature is mounted in the gas sensing device, there is a problem in that manufacturing cost is significantly increased, and otherwise, there is a problem in that quality is significantly deteriorated.

또한, 일정 거리 범위 내의 가스 성분만을 검출할 수 있는 불편이 있으며, 그를 위해 일정 공간 내에 상대적으로 많은 양의 가스 센싱장치가 배치되어야 하는 문제가 있었다.In addition, there is an inconvenience of detecting only gas components within a certain distance range, and there is a problem in that a relatively large amount of gas sensing devices must be disposed in a certain space.

본 발명의 일 실시예는, 센싱반경이 상대적으로 넓어 원거리까지 가스 성분을 검출할 수 있는 양자 센서 기반의 가스 센싱 장치와 이를 이용한 인공지능 분석 시스템을 제공하는 데 일 목적이 있다.An object of one embodiment of the present invention is to provide a quantum sensor-based gas sensing device capable of detecting gas components from a long distance with a relatively wide sensing radius, and an artificial intelligence analysis system using the same.

또한 본 발명의 일 실시예는, 가스 센싱장치의 센싱값을 인공지능 학습모델을 이용하여 분석함으로서, 유입되는 잡광과 명확히 구분할 수 있는 양자 센서 기반의 가스 센싱 장치와 이를 이용한 인공지능 분석 시스템을 제공하는 데 일 목적이 있다.In addition, an embodiment of the present invention provides a quantum sensor-based gas sensing device and an artificial intelligence analysis system using the same that can clearly distinguish from incoming light by analyzing the sensing value of the gas sensing device using an artificial intelligence learning model. There is a purpose to doing it.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 기 설정된 제1 파장대역의 광 및 기 설정된 제2 파장대역의 광을 순차적으로 조사하는 광원과 상기 광원에서 조사된 후 반사되어 입사하는 반사광을 수광하는 수광부 및 상기 광원이 기 설정된 제1 파장대역의 광 및 기 설정된 제2 파장대역의 광을 순차적으로 조사하도록 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 기 설정된 제1 파장대역의 광은 검출하고자 하는 가스 성분이 흡수하는 파장대역이며, 상기 기 설정된 제2 파장대역의 광은 검출하고자 하는 가스 성분이 흡수하는 파장대역 이외의 파장대역인 것을 특징으로 하는 가스 센싱장치를 제공한다.According to an aspect of the present embodiment, a light source for sequentially irradiating light of a preset first wavelength band and a preset second wavelength band, a light receiving unit for receiving reflected light that is reflected and incident after irradiation from the light source, and the light source and a control unit controlling to sequentially irradiate the light of the first wavelength band and the light of the second wavelength band, wherein the light of the first wavelength band is absorbed by a gas component to be detected. And, the light of the second wavelength band set in advance provides a gas sensing device characterized in that a wavelength band other than the wavelength band absorbed by the gas component to be detected.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 제어부는 상기 광원이 광을 조사함에 있어, 상대적으로 근거리와 상대적으로 원거리에 번갈아 조사하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of this embodiment, the control unit is characterized in that when the light source is irradiated with light, it controls to alternately irradiate a relatively short distance and a relatively long distance.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 수광부는 SPAD(Single Photon Avalanche Diode)인 것을 특징으로 한다.According to one aspect of this embodiment, the light receiving unit is characterized in that a SPAD (Single Photon Avalanche Diode).

본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 제어부는 상대적으로 근거리와 상대적으로 원거리에 광을 조사하도록 상기 광원을 제어함에 있어, 그에 대응하여 상기 수광부의 수신 감도를 제어하는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present embodiment, the control unit controls the reception sensitivity of the light receiving unit in response to controlling the light source to radiate light at a relatively short distance and a relatively long distance.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 제어부는 상대적으로 근거리로 광을 조사하도록 상기 광원을 제어하는 경우, 리니어 모드(Lineaf Mode)로 동작하도록 상기 수광부를 제어하는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of this embodiment, when controlling the light source to radiate light at a relatively short distance, the controller controls the light receiver to operate in a linear mode.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 제어부는 상대적으로 원거리로 광을 조사하도록 상기 광원을 제어하는 경우, 게이티드 가이거 모드(Gated Geiger Mode)로 동작하도록 상기 수광부를 제어하는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of this embodiment, when controlling the light source to radiate light at a relatively long distance, the control unit controls the light receiving unit to operate in a gated Geiger mode.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 가스 센싱장치 및 상기 가스 센싱장치로부터 센싱값을 수신하여, 조사하고자 하는 지점에 검출하고자 하는 가스 성분이 존재하는지 여부를 판단하는 인공지능 분석서버를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공지능 분석 시스템을 제공한다.According to an aspect of this embodiment, the gas sensing device and an artificial intelligence analysis server configured to receive a sensing value from the gas sensing device and determine whether a gas component to be detected exists at a point to be investigated are included. Provides an artificial intelligence analysis system that

본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 인공지능 분석서버는 인공지능 학습모델을 이용하여 조사하고자 하는 지점에 검출하고자 하는 가스 성분이 존재하는지 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of this embodiment, the artificial intelligence analysis server is characterized in that it determines whether a gas component to be detected exists at a point to be investigated using an artificial intelligence learning model.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 인공지능 학습모델은 CNN(Convolutional Neural Network)인 것을 특징으로 한다.According to an aspect of this embodiment, the artificial intelligence learning model is characterized in that it is a convolutional neural network (CNN).

본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 인공지능 학습모델은 상기 가스 센싱장치의 센싱값을 입력값으로, 조사지점에 검출하고자 하는 가스 성분이 있는지 여부를 출력값으로 하여 학습되는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present embodiment, the artificial intelligence learning model is characterized in that it is learned by taking a sensing value of the gas sensing device as an input value and whether or not there is a gas component to be detected at an irradiation point as an output value.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 센싱반경이 상대적으로 넓어 원거리까지 가스 성분을 검출할 수 있는 장점이 있다.As described above, according to an embodiment of the present invention, the sensing radius is relatively wide, and gas components can be detected from a long distance.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스 센싱장치의 센싱값을 인공지능 학습모델을 이용하여 분석함으로서, 유입되는 잡광과 명확히 구분할 수 있는 장점이 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, by analyzing the sensing value of the gas sensing device using an artificial intelligence learning model, there is an advantage in that it can be clearly distinguished from incoming light.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공지능 분석 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광원의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 가변필터의 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공지능 분석서버의 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱장치가 센싱한 센싱값을 도시한 도면이다.
도 7은 파장에 따른 기체의 광 흡수도를 도시한 그래프이다.1 is a diagram showing the configuration of an artificial intelligence analysis system according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing the configuration of a gas sensing device according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing the configuration of a light source according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing the configuration of a wavelength tunable filter according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing the configuration of an artificial intelligence analysis server according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating a sensing value sensed by a gas sensing device according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing light absorbance of gas according to wavelength.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. Like reference numerals have been used for like elements throughout the description of each figure.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms such as first, second, A, and B may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention. The terms and/or include any combination of a plurality of related recited items or any of a plurality of related recited items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.It is understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in the middle. It should be. On the other hand, when an element is referred to as “directly connected” or “directly connected” to another element, it should be understood that no intervening element exists.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. Terms used in this application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. It should be understood that terms such as "include" or "having" in this application do not exclude in advance the possibility of existence or addition of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification. .

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in the present application, they should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't

또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.In addition, each configuration, process, process or method included in each embodiment of the present invention may be shared within a range that does not contradict each other technically.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공지능 분석 시스템의 구성을 도시한 도면이다.1 is a diagram showing the configuration of an artificial intelligence analysis system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인공지능 분석 시스템(100)은 가스 센싱장치(110) 및 인공지능 분석서버(120)를 포함한다. Referring to FIG. 1 , an artificial intelligence analysis system 100 according to an embodiment of the present invention includes a gas sensing device 110 and an artificial intelligence analysis server 120.

인공지능 분석 시스템(100)은 플랜트(Plant) 등 가스가 발생할 수 있는 현장에서, 가스의 발생을 분석하는 시스템이다. 인공지능 분석 시스템(100)은 광을 이용하여 특정 가스 성분을 센싱하고, 센싱한 센싱값을 분석하여 외부 잡광에 의한 영향이 있던 것인지 가스 성분에 의해 발생한 것인지를 판별하여 가스의 발생을 분석한다.The artificial intelligence analysis system 100 is a system that analyzes gas generation in a field where gas may be generated, such as a plant. The artificial intelligence analysis system 100 senses a specific gas component using light, analyzes the sensed value, determines whether there is an influence of external light or is caused by a gas component, and analyzes the generation of gas.

가스 센싱장치(110)는 시스템(100)이 설치되는 장소의 곳곳에 배치되어, 가스 성분을 센싱한다. 도 7을 참조하여 후술하는 바와 같이, 가스성분은 각 성분마다 특정(고유의) 파장대역의 광을 흡수하는 특성을 갖는다. 광이 조사되는 공간 상에 해당 파장대역의 광을 흡수하는 가스성분이 존재하지 않을 경우 상대적으로 다량의 광이 반사될 것이고, 그렇지 않을 경우 상대적으로 소량의 광이 반사된다. 이러한 특성을 이용하여 가스 센싱장치(110)는 광을 이용하여 가스 성분을 센싱한다.The gas sensing device 110 is disposed in various places where the system 100 is installed to sense gas components. As will be described later with reference to FIG. 7, each gas component has a characteristic of absorbing light in a specific (unique) wavelength band for each component. If there is no gas component that absorbs the light of the corresponding wavelength band in the space where the light is irradiated, a relatively large amount of light will be reflected, otherwise a relatively small amount of light will be reflected. Using these characteristics, the gas sensing device 110 senses gas components using light.

가스 센싱장치(110)는 상대적으로 근거리에서와 상대적으로 원거리 모두에 대해 가스 성분을 센싱할 수 있다. 가스 센싱장치(110)는 상대적으로 근거리와 상대적으로 원거리를 구분하여 광을 조사한다. 가스 센싱장치(110)는 각 거리에서 반사되는 반사광을 수광하여 각 거리에서 검출하고자 하는 가스 성분이 존재하는지를 판단한다. 상대적으로 원거리에서 반사되는 반사광의 감도는 상대적으로 현저히 떨어지기 때문에, 가스 센싱장치(110)는 상대적으로 원거리에서 반사되는 반사광을 센싱함에 있어서는, 상대적으로 높은 감도로 광을 센싱하여 반사광이 있는지 여부를 센싱한다. The gas sensing device 110 may sense gas components both at a relatively short distance and at a relatively long distance. The gas sensing device 110 radiates light by distinguishing between a relatively short distance and a relatively long distance. The gas sensing device 110 receives reflected light reflected at each distance and determines whether a gas component to be detected exists at each distance. Since the sensitivity of the reflected light reflected from a relatively long distance is relatively low, the gas sensing device 110 senses the light with a relatively high sensitivity to determine whether there is reflected light when sensing the reflected light reflected from a relatively long distance. Sensing.

가스 성분을 센싱하기 위해 광을 조사함에 있어, 가스 센싱장치(110)는 가스 성분이 흡수하는 파장대역의 광과 그렇지 않은 광 모두를 조사한다. 전술한 대로, 가스 센싱장치(110)는 가스가 발생할 수 있는 다양한 현장에 배치되기 때문에, 오롯이 조사지점으로부터 반사된 반사광 뿐만 아니라 기타 잡광도 수광할 수 있다. 가스 센싱장치(110)는 가스 성분이 흡수하는 파장대역의 광 뿐만 아니라 그렇지 않은 광까지 조사함으로서, 어느 하나를 대조군으로 비교하여 잡광이 존재하는지를 판단한다. 가스 센싱장치(110)에 대한 구체적인 설명은 도 2 내지 4를 참조하여 후술한다.When irradiating light to sense a gas component, the gas sensing device 110 irradiates both light of a wavelength band absorbed by the gas component and light that does not. As described above, since the gas sensing device 110 is disposed at various sites where gas may be generated, it may receive not only the reflected light reflected from the irradiation point but also other miscellaneous light. The gas sensing device 110 irradiates not only light in a wavelength band absorbed by the gas component but also light in the other wavelength band, and compares one of them as a control to determine whether or not stray light exists. A detailed description of the gas sensing device 110 will be described later with reference to FIGS. 2 to 4 .

인공지능 분석서버(120)는 가스 센싱장치(110)의 센싱값을 수신하여, 조사지점에 검출하고자 하는 가스 성분이 있는지 여부를 판단한다. 인공지능 분석서버(!20)는 가스 센싱장치(110)의 센싱값을 입력값으로 하고, 조사지점에 검출하고자 하는 가스 성분이 있는지 여부를 출력값으로 하여 학습된 인공지능 학습모델을 저장한다. 인공지능 분석서버(120)는 가스 센싱장치(110)로부터 수신한 센싱값을 학습모델의 입력값으로 입력함으로서, 해당 조사지점에 가스 성분이 있는지를 분석한다. 특히, 인공지능 분석서버(120)는 센싱값을 토대로, 잡광이 함께 센싱되었는지 여부와 무관하게 가스 성분이 존재하는지 여부를 분석할 수 있다. 인공지능 분석서버(120)에 대한 구체적인 설명은 도 5 및 6을 참조하여 후술한다. The artificial intelligence analysis server 120 receives the sensed value of the gas sensing device 110 and determines whether there is a gas component to be detected at the irradiation point. The artificial intelligence analysis server (!20) stores the learned artificial intelligence learning model by taking the sensed value of the gas sensing device 110 as an input value and determining whether there is a gas component to be detected at the irradiation point as an output value. The artificial intelligence analysis server 120 analyzes whether there is a gas component at a corresponding examination point by inputting the sensing value received from the gas sensing device 110 as an input value of the learning model. In particular, the artificial intelligence analysis server 120 may analyze whether or not a gas component exists, regardless of whether scattered light is also sensed or not, based on the sensed value. A detailed description of the artificial intelligence analysis server 120 will be described later with reference to FIGS. 5 and 6 .

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱장치의 구성을 도시한 도면이다.2 is a diagram showing the configuration of a gas sensing device according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱장치(110)는 광원(210), 수광부(220), 제어부(230) 및 통신부(240)를 포함한다. Referring to FIG. 2 , a gas sensing device 110 according to an embodiment of the present invention includes a light source 210 , a light receiving unit 220 , a controller 230 and a communication unit 240 .

광원(210)은 기 설정된 지점으로 기 설정된 파장대역의 광을 조사한다.The light source 210 radiates light in a preset wavelength band to a preset point.

광원(210)은 파장을 가변하여 출력할 수 있으며, 제어부(230)의 제어를 받아 기 설정된 제1 파장대역과 기 설정된 제2 파장대역의 광을 조사한다. 기 설정된 제1 파장대역의 광은 검출하고자 하는 가스 성분이 흡수하는 파장대역의 광에 해당하고, 기 설정된 제2 파장대역의 광은 검출하고자 하는 가스 성분이 흡수하지 못하는 파장대역의 광에 해당한다. 가스 성분은 도 7에 도시된 도면과 같은 특성을 갖는다.The light source 210 may output a variable wavelength, and emits light of a first wavelength band and a second wavelength band under the control of the control unit 230 . The light in the first preset wavelength band corresponds to light in a wavelength band absorbed by the gas component to be detected, and the light in the second preset wavelength band corresponds to light in a wavelength band not absorbed by the gas component to be detected. . The gas component has characteristics as shown in FIG. 7 .

도 7은 파장에 따른 기체의 광 흡수도를 도시한 그래프이다.7 is a graph showing light absorbance of gas according to wavelength.

도 7은 검출하고자 하는 가스의 일 예인 메탄의 파장에 따른 광 흡수도를 도시한 그래프이다. 도 7을 참조하면, 메탄은 다양한 파장에서 일정 수준 이상의 광 흡수도를 보이고 있다. 다만, 수 pm 정도로 아주 좁은 선폭의 파장 대역의 광에서는 상당량을 흡수하며, 해당 파장대역을 벗어나면 광의 흡수도가 현저히 감소한다. 이에, 일정 파장 범위(Δλ) 내의 광이 조사되면 가스 성분에 상당량이 흡수됨을 알 수 있으며, 해당 파장대역을 벗어나는 경우 광의 흡수도가 현저히 감소함을 확인할 수 있다. 7 is a graph showing light absorbance according to a wavelength of methane, which is an example of a gas to be detected. Referring to FIG. 7 , methane exhibits light absorption at a certain level or higher at various wavelengths. However, a significant amount of light is absorbed in a wavelength band with a very narrow line width of several pm, and the absorbance of light is significantly reduced when the wavelength is out of the corresponding wavelength band. Therefore, it can be seen that when light within a certain wavelength range (Δλ) is irradiated, a significant amount is absorbed by the gas component, and when the light is out of the corresponding wavelength range, it can be confirmed that the light absorption is significantly reduced.

다시 도 2를 참조하면, 광원(210)은 기 설정된 제1 파장대역의 광과 함께 기 설정된 제2 파장대역의 광을 전송함으로서 다음과 같은 효과를 가져올 수 있다. 전술한 대로, 가스 센싱장치(100), 보다 구체적으로, 수광부(230)로는 광원(210)이 발광하여 반사되는 광 뿐만 아니라, 기타 잡광도 함께 유입될 수 있다. 기타 잡광은 가스 성분을 검출함에 있어 검출의 정확도에 악영향을 미치기 때문에, 판단에 있어 제외되어야 한다. 따라서, 광원(210)은 두 파장대역의 광을 조사함으로써, 외부의 영향을 배제할 수 있도록 한다. 양 광에 대한 센싱값은 가스 성분에 의해 흡수된 것 외에는, 동일하거나 거의 동일한 수준으로 기타 잡광의 영향받게 된다. 따라서, 양 광에 대한 센싱값의 차이는 실질적으로 가스 성분으로 인해 광이 흡수되었는지 여부만이 달라질 수 있다. 이처럼, 광원(210)은 가스 성분을 검출하기 위한 파장대역의 광 뿐만 아니라 그 이외의 파장대역의 광도 조사함으로서, 기타 잡광으로 인한 오류를 최소화할 수 있다.Referring back to FIG. 2 , the light source 210 transmits light of a preset second wavelength band together with light of a preset first wavelength band, thereby bringing about the following effects. As described above, not only light emitted by the light source 210 and reflected, but also miscellaneous light may be introduced into the gas sensing device 100, more specifically, the light receiving unit 230. Other miscellaneous light should be excluded in the judgment because it adversely affects the detection accuracy in detecting gas components. Accordingly, the light source 210 emits light of the two wavelength bands, so that external influences can be excluded. The sensing values for both lights are affected by other miscellaneous light at the same or almost the same level, except for the light absorbed by the gas component. Therefore, the difference between the sensing values for both lights may vary only whether the light is absorbed due to the gas component. As such, the light source 210 irradiates not only light in a wavelength band for detecting gas components but also light in other wavelength bands, thereby minimizing errors due to other miscellaneous light.

인공지능 분석서버(120)가 명확하고 원활하게 광원(210)의 조사시점과 수광부(220)의 수광시점을 판단할 수 있도록, 광원(210)은 기 설정된 파장대역의 광을 조사함에 있어 펄스 형태로 조사할 수 있다. 광원(210)은 펄스 형태의 광을 기 설정된 간격마다 조사함으로서, 인공지능 분석서버(120)가 어느 시점에 광원(210)으로부터 광이 조사되어, 어느 시점에 수광부(220)로 해당 광의 반사광이 수광되었는지를 명확히 판단할 수 있도록 한다. In order for the artificial intelligence analysis server 120 to clearly and smoothly determine the irradiation time of the light source 210 and the light receiving time of the light receiving unit 220, the light source 210 is in the form of a pulse when irradiating light of a preset wavelength band. can be investigated with The light source 210 irradiates light in the form of a pulse at predetermined intervals, so that the artificial intelligence analysis server 120 emits light from the light source 210 at a certain point in time, and the reflected light of the corresponding light toward the light receiver 220 at a certain point in time. It is possible to clearly determine whether or not light has been received.

광원(210)은 광을 조사함에 있어, 기 설정된 주파수로 변조하여 조사한다. 광원(210)이 출력광을 기 설정된 주파수로 변조하여 조사할 경우, 추후 해당 광으로부터 생성된 반사광도 동일한 주파수 변조특성을 갖는다. 이에 따라, 수광부(220)는 수광한 광이 광원(210)으로부터 조사된 광인지 여부 및 수신 시간에 따라 광원(210)이 언제 조사한 광인지까지 모두 분석할 수 있다. 수광부(220)는 광원(210)이 변조한 주파수 대역을 토대로 동일한 과정으로 복조를 하며, 광원(210)이 주파수 변조하여 조사한 광인지 아닌지를 분석할 수 있다. 이를 토대로, 수광부(220)는 광원(210)이 센싱을 위해 조사한 광인지 여부를 판단할 수 있다.The light source 210 emits light by modulating it at a predetermined frequency. When the light source 210 modulates the output light at a predetermined frequency and irradiates it, the reflected light generated from the corresponding light later has the same frequency modulation characteristics. Accordingly, the light receiving unit 220 may analyze whether or not the received light is irradiated from the light source 210 and when the light is irradiated by the light source 210 according to the reception time. The light receiver 220 performs demodulation in the same process based on the frequency band modulated by the light source 210, and analyzes whether or not the light source 210 is frequency-modulated and radiated light. Based on this, the light receiving unit 220 may determine whether or not the light source 210 is the light emitted for sensing.

수광부(220)는 광원(210)으로부터 조사된 후 외부 공간에서 반사되는 반사광을 수광한다. The light receiving unit 220 receives reflected light emitted from the light source 210 and then reflected from an external space.

수광부(220)는 광원(210)으로부터 조사된 후 외부 공간에서 반사되는 반사광을 수광한다. 수광부(220)가 반사광을 어느 시점에 수광하였는지 여부를 토대로, 인공지능 분석서버(120)는 어느 지점에 가스 성분이 존재하는지 여부를 분석할 수 있다. 광원(210)으로부터 조사된 후 수광부(220)로 반사광이 입사될 때까지 걸리는 시간이 검출할 성분과 광원(210) 까지의 거리에 비례하기 때문에, 인공지능 분석서버(120)는 수광부(220)가 수광힌 시점으로부터 검출할 가스 성분과 광원(210) 간의 거리를 판단할 수 있다.The light receiving unit 220 receives reflected light emitted from the light source 210 and then reflected from an external space. Based on whether the light receiving unit 220 receives the reflected light at a certain point in time, the artificial intelligence analysis server 120 may analyze whether or not a gas component exists at a certain point. Since the time it takes for reflected light to enter the light receiver 220 after being irradiated from the light source 210 is proportional to the distance between the component to be detected and the light source 210, the artificial intelligence analysis server 120 is the light receiver 220 The distance between the gas component to be detected and the light source 210 can be determined from the time point at which the light is received.

수광부(220)는 제어부(230)의 제어에 따라 수신감도를 달리하여 반사광을 수광한다. 수광부(220)는 SPAD(Single Photon Avalanche Diode)로 구현되어, 자신으로 입사되는 반사광량이 현저히 적은 원거리에서도 가스 성분의 검출을 수행할 수 있다. The light receiver 220 receives the reflected light by varying the reception sensitivity according to the control of the control unit 230 . The light receiving unit 220 is implemented as a SPAD (Single Photon Avalanche Diode), so that the light receiving unit 220 can detect a gas component even at a long distance with a remarkably small amount of reflected light incident thereto.

근거리에 위치한 가스 성분을 검출함에 있어서, 수광부(230)는 제어부(230)의 제어를 받아 리니어 모드(Linear Mode)로 동작한다. 리니어 모드는 수광부(220)로 항복전압(Breakdown Voltage) 이하의 게이트 전압이 인가되며, 반사광량에 비례하는 출력값을 발생시킨다. In detecting a gas component located at a short distance, the light receiving unit 230 operates in a linear mode under the control of the control unit 230 . In the linear mode, a gate voltage equal to or less than a breakdown voltage is applied to the light receiving unit 220, and an output value proportional to the amount of reflected light is generated.

반면, 원거리에 위치한 가스 성분을 검출함에 있어서, 수광부(230)는 제어부(230)의 제어를 받아 게이티드 가이거 모드(Gated Geiger Mode)로 동작한다. 게이티드 가이거 모드란 수광부로 항복전압보다 큰 역바이어스 전압이 인가될 경우, 수광부가 외부로부터 광자 단위의 광이 수광되더라도 검출할 수 있도록 동작하는 것을 의미한다. 수광부(220)가 게이티드 가이거 모드로 동작할 경우, 수광부의 접합영역(PN Junction)으로 큰 역전압이 인가되며 이로 인해, 접합영역에는 큰 전기장이 형성된다. 이때, 접합 영역으로 입사된 광자에 의해, 접합영역에서는 전자-정공 쌍(Electron-Hole Pair)이 생성된다. 접합 영역에 인가된 강한 전자장에 의해 에너지를 획득한 전자-정공 쌍은 차례로 가속되며, 새로운 전자-정공 쌍을 생성시킨다. 이러한 현상이 누적적으로 발생하는 것을 아발란치(Avalanche, 전자사태) 현상이라고 한다. 수광부(230)는 원거리에 위치한 가스 성분의 검출을 위해 게이티드 가이거 모드로 동작하며 아발란치 현상을 이용해 미세량의 반사광을 검출한다. 따라서, 수광부(220)는 이처럼 가스 성분의 거리마다 서로 다른 방식으로 동작함에 따라, 반사광량이 미세한 원거리에서도 검출하고자 하는 가스 성분이 존재하는지 여부를 검출할 수 있다.On the other hand, in detecting a gas component located at a long distance, the light receiving unit 230 operates in a gated Geiger mode under the control of the control unit 230 . The gated Geiger mode means that when a reverse bias voltage higher than the breakdown voltage is applied to the light receiver, the light receiver operates to detect even when light in photon units is received from the outside. When the light receiver 220 operates in the gated Geiger mode, a large reverse voltage is applied to the junction region (PN junction) of the light receiver, and as a result, a large electric field is formed in the junction region. At this time, an electron-hole pair is generated in the junction region by photons incident on the junction region. Electron-hole pairs energized by the strong electromagnetic field applied to the junction region are accelerated in turn, creating new electron-hole pairs. The cumulative occurrence of these phenomena is called an avalanche phenomenon. The light receiver 230 operates in a gated Geiger mode to detect a gas component located at a long distance and detects a minute amount of reflected light using an avalanche phenomenon. Accordingly, as the light receiving unit 220 operates in a different manner for each distance of the gas component, it is possible to detect whether a gas component to be detected exists even at a long distance where the amount of reflected light is small.

수광부(230)는 SPAD, 보다 구체적으로 SPAD 어레이(Array)로 구현될 수 있다. 수광부(230)가 SPAD 어레이로 구현됨으로서, 반사광을 센싱함에 있어 마치 일정한 면적의 이미지처럼 센싱할 수 있다. 즉, 수광부(230)는 SPAD 어레이로 구현되며, 반사광을 일정 면적으로 수광하며 면적 내 어떠한 부분으로 광이 얼마만큼 입사하였는지를 판단할 수 있다.The light receiving unit 230 may be implemented as a SPAD, more specifically, as a SPAD array. Since the light receiving unit 230 is implemented as a SPAD array, it is possible to sense the reflected light as if it were an image of a certain area. That is, the light receiving unit 230 is implemented as a SPAD array, receives reflected light in a certain area, and can determine how much light is incident to a part within the area.

제어부(230)는 가스 센싱장치(110) 내 각 구성의 동작을 제어한다.The controller 230 controls the operation of each component in the gas sensing device 110 .

제어부(230)는 광원(210)이 가스 성분 검출을 위한 광을 조사하도록 제어한다, 제어부(230)는 광원(210)이 가스 성분 검출을 위한, 기 설정된 제1 파장대역의 광을 조사하도록 제어한다. 나아가, 제어부(230)는 전술한 바와 같이 기타 잡광의 구분을 위해, 기 설정된 제2 파장대역의 광을 제1 파장대역의 광과 순차적으로 조사하도록 제어한다.The controller 230 controls the light source 210 to emit light for detecting gas components. The controller 230 controls the light source 210 to emit light in a first preset wavelength band for detecting gas components. do. Furthermore, as described above, the control unit 230 controls to sequentially irradiate the light of the second wavelength band and the light of the first wavelength band in order to classify other miscellaneous light.

제어부(230)는 광원(210)의 광 조사방향을 제어한다. 전술한 대로, 수광부(230)의 수신감도에 따라, 근거리에서부터 원거리까지 상당히 넓은 범위에서 가스 성분의 감지가 가능하다. 이를 위해, 제어부(230)는 광원(210)의 광 조사방향을 제어한다. 제어부(230)는 광원(210)이 근거리 및 원거리로 광을 번갈아 조사하도록 제어한다. 이에 따라, 가스 센싱장치(110)가 근거리 뿐만 아니라 원거리까지 모두 센싱할 수 있다.The controller 230 controls the light irradiation direction of the light source 210 . As described above, depending on the reception sensitivity of the light receiver 230, it is possible to detect gas components in a fairly wide range from a short distance to a long distance. To this end, the controller 230 controls the light irradiation direction of the light source 210 . The control unit 230 controls the light source 210 to alternately radiate light at a short distance and at a long distance. Accordingly, the gas sensing device 110 can sense not only a short distance but also a long distance.

제어부(230)는 수광부(220)의 동작 형태를 제어한다. 근거리로 광을 조사하도록 광원(210)을 제어하는 경우, 제어부(230)는 수광부(220)가 리니어 모드로 동작하도록 제어한다. 제어부(230)는 수광부(220)를 리니어 모드로 동작시킴으로서, (반사광이 존재할 경우) 충분한 광량으로 반사되는 반사광을 수광하여 가스 성분이 존재하는지를 원활히 판단할 수 있도록 한다. 반면, 원거리로 광을 조사하도록 광원(210)을 제어하는 경우, 제어부(230)는 수광부(220)가 게이티드 가이거 모드로 동작하도록 제어한다. 광이 원거리로 조사될 경우, 동일한 반사가 일어나더라도 수광부(220)로 입사하는 반사광량은 현저히 감소하게 된다. 이에 따라, 수광부(230)가 리니어 모드로 동작할 경우, 거의 수광을 인지하지 못할 정도의 반사광이 입사되는 경우도 존재할 수 있다. 그러나 이는 가스 성분이 존재하여 반사광량이 감소한 것일 수도 있으나, 단순히 거리로 인해 수광부(220)로 입사되는 반사광량이 감소한 것일 수도 있다. 이처럼 단순히 거리로 인해 감소한 반사광도 감지할 수 있도록, 제어부(230)는 수광부(220)를 게이티드 가이거 모드로 동작시킨다.The control unit 230 controls the operation type of the light receiving unit 220 . When controlling the light source 210 to emit light at a short distance, the controller 230 controls the light receiver 220 to operate in a linear mode. The control unit 230 operates the light receiving unit 220 in a linear mode, so that it can smoothly determine whether a gas component exists by receiving reflected light that is reflected with a sufficient light amount (when reflected light exists). On the other hand, when controlling the light source 210 to emit light at a long distance, the controller 230 controls the light receiver 220 to operate in the gated Geiger mode. When light is irradiated from a long distance, the amount of reflected light incident to the light receiving unit 220 is significantly reduced even when the same reflection occurs. Accordingly, when the light receiving unit 230 operates in a linear mode, there may be cases in which reflected light is incident to a degree that almost no light reception is recognized. However, this may be because the amount of reflected light is reduced due to the presence of a gas component, or it may simply be that the amount of reflected light incident to the light receiving unit 220 is reduced due to the distance. In this way, the control unit 230 operates the light receiving unit 220 in the gated Geiger mode so that reflected light reduced simply due to the distance can be sensed.

제어부(230)는 수광부(220)의 센싱값을 인공지능 분석서버(120)로 전송하도록 통신부(240)를 제어한다.The controller 230 controls the communication unit 240 to transmit the sensed value of the light receiver 220 to the artificial intelligence analysis server 120 .

통신부(240)는 제어부(230)의 제어에 따라, 수광부(220)의 센싱값을 분석서버(120)로 전송한다. 통신부(240)는 수광부(220)의 센싱값이 생성될 때마다 바로 전송할 수도 있고, 기 설정된 시간 동안 수광부(220)의 센싱값을 누적하여 일시에 전송할 수도 있다.The communication unit 240 transmits the sensing value of the light receiving unit 220 to the analysis server 120 under the control of the control unit 230 . The communication unit 240 may immediately transmit the sensed value of the light receiver 220 whenever it is generated, or may accumulate the sensed value of the light receiver 220 for a preset time and transmit it at one time.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광원의 구성을 도시한 도면이다.3 is a diagram showing the configuration of a light source according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광원(210)은 레이저 다이오드(310), 파장가변필터(320) 및 제1 내지 3 열전소자(330, 334, 338)를 포함한다. 나아가, 광원(210)은 대역통과필터(340)를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3 , a light source 210 according to an embodiment of the present invention includes a laser diode 310, a tunable filter 320, and first to third thermoelectric elements 330, 334, and 338. Furthermore, the light source 210 may further include a band pass filter 340 .

레이저 다이오드(310)는 파장가변필터(320)를 향해 레이저 광을 조사한다. 레이저 다이오드(310)는 외부로부터 전원을 공급받아 레이저 광을 파장가변필터(320)로 조사한다.The laser diode 310 radiates laser light toward the tunable filter 320 . The laser diode 310 receives power from the outside and irradiates laser light to the tunable filter 320 .

파장가변필터(320)는 레이저 다이오드(310)가 광을 발진하는 방향으로 레이저 다이오드(310)의 전방에 배치되어, 기 설정된 파장대역의 광만을 투과시킨다. 전술한 대로, 광원(210)은 기 설정된 제1 파장대역의 광과 기 설정된 제2 파장대역의 광을 순차적으로 조사하여야 한다. 이를 위해, 파장가변필터(320)가 전술한 위치에 배치되여, 자신을 투과할 광의 파장대역을 가변하며 해당 파장대역의 광만을 통과시킨다.The tunable filter 320 is disposed in front of the laser diode 310 in a direction in which the laser diode 310 oscillates light, and transmits only light in a preset wavelength band. As described above, the light source 210 should sequentially irradiate the light of the first wavelength band and the light of the second wavelength band. To this end, the tunable filter 320 is disposed at the above-described position, changes the wavelength band of light to be transmitted therethrough, and passes only the light of the corresponding wavelength band.

제1 열전소자(330)는 제2 및 제3 열전소자(334, 338)와 레이저 다이오드(310) 및 파장가변필터(320)를 지지하며, 광원(210) 내 온도를 조정한다. 레이저 다이오드(310)가 발진하는 광의 파장대역이나 파장가변필터(320)를 통과하는 광의 파장대역은 온도에 굉장히 민감하다. 온도에 따라, 동일한 조건이라도 발진되거나 통과하는 광의 파장대역이 상이해진다. 제1 열전소자(330)는 전술한 구성들을 지지하며, 광원(210) 내부 온도를, 광원(210)으로부터 기 설정된 파장대역의 광이 조사하기 위한 온도로 설정한다. The first thermoelectric element 330 supports the second and third thermoelectric elements 334 and 338, the laser diode 310, and the tunable filter 320, and adjusts the internal temperature of the light source 210. A wavelength band of light oscillated by the laser diode 310 or a wavelength band of light passing through the tunable filter 320 is very sensitive to temperature. Depending on the temperature, the wavelength band of the oscillated or passing light becomes different even under the same conditions. The first thermoelectric element 330 supports the above configurations, and sets the internal temperature of the light source 210 to a temperature at which the light source 210 emits light in a preset wavelength band.

제2 열전소자(334)는 제1 열전소자(330) 상에서 레이저 다이오드(310)를 지지하며, 레이저 다이오드(310)의 온도를 제어한다. 제2 열전소자(334)는 레이저 다이오드(310)의 온도만을 집중적으로 제어하며, 레이저 다이오드(310)에서 발진하여 파장가변필터(320)를 통과할 광이 기 설정된 파장대역을 갖도록 한다. 광원(210)에서 기 설정된 파장대역의 광이 출력되기 위해서, 광원(210)의 내부에는 특정 온도가 설정되어야 한다. 그러나 전술한 조건을 만족시키기 위해, 광원(210) 내부의 온도와 레이저 다이오드(310)의 온도는 서로 상이할 수 있다. 이에 따라, 제1 열전소자(330)상에 추가적으로 제2 열전소자(334)가 배치되어 레이저 다이오드(310)의 온도만을 별도로 조정한다. The second thermoelectric element 334 supports the laser diode 310 on the first thermoelectric element 330 and controls the temperature of the laser diode 310 . The second thermoelectric element 334 intensively controls only the temperature of the laser diode 310, and allows light to oscillate in the laser diode 310 to pass through the tunable filter 320 to have a preset wavelength band. In order to output light of a predetermined wavelength band from the light source 210, a specific temperature must be set inside the light source 210. However, in order to satisfy the above conditions, the internal temperature of the light source 210 and the temperature of the laser diode 310 may be different from each other. Accordingly, a second thermoelectric element 334 is additionally disposed on the first thermoelectric element 330 to separately adjust only the temperature of the laser diode 310 .

제3 열전소자(338)는 제1 열전소자(330) 상에서 파장가변필터(320)를 지지하며, 파장가변필터(320)의 온도를 제어한다. 파장가변필터(320) 역시, 레이저 다이오드(310)와 마찬가지로 기 설정된 파장대역의 광을 투과시키기 위해, 광원(210) 내부의 온도와는 독립적으로 온도가 제어되어야 한다. 제3 열전소자(338)는 제1 열전소자(330) 상에서 파장가변필터(320)의 온도만을 독립적으로 제어한다.The third thermoelectric element 338 supports the tunable filter 320 on the first thermoelectric element 330 and controls the temperature of the tunable filter 320 . Like the laser diode 310, the temperature of the tunable filter 320 must also be controlled independently of the internal temperature of the light source 210 in order to transmit light in a preset wavelength band. The third thermoelectric element 338 independently controls only the temperature of the tunable filter 320 on the first thermoelectric element 330 .

파장가변필터(320)의 온도를 보다 확실히 제어하기 위해, 제3 열전소자(338)는 도 4에 도시된 바와 같이 배치될 수 있다.In order to control the temperature of the tunable filter 320 more reliably, the third thermoelectric element 338 may be disposed as shown in FIG. 4 .

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 가변필터의 구성을 도시한 도면이다.4 is a diagram showing the configuration of a wavelength tunable filter according to an embodiment of the present invention.

도 4에 도시된 바와 같이, 파장가변필터(320)는 제1 열전소자(330) 상에 배치되어 지지되며, 제3 열전소자(338)가 파장가변필터(320)의 외곽을 둘러싸는 형태로 배치될 수 있다. 파장가변필터(320)의 외곽을 둘러싸는 형태로 배치됨에 따라, 제3 열전소자(338)는 파장가변필터(320)의 온도를 보다 신속하게 제어할 수 있다.As shown in FIG. 4, the tunable filter 320 is disposed and supported on the first thermoelectric element 330, and the third thermoelectric element 338 surrounds the tunable filter 320. can be placed. As it is disposed in a form surrounding the tunable filter 320, the third thermoelectric element 338 can more quickly control the temperature of the tunable filter 320.

다시 도 3을 참조하면, 레이저 다이오드(310)에서 광이 조사되는 방향으로 파장가변필터(320)의 전방에 추가적으로 대역통과필터(340)가 배치될 수 있다. 대역통과필터(340)가 배치되며, 파장가변필터(320)를 통과한 광 이외의 광은 필터링한다.Referring back to FIG. 3 , a band pass filter 340 may be additionally disposed in front of the tunable filter 320 in a direction in which light is irradiated from the laser diode 310 . A band pass filter 340 is disposed, and light other than the light passing through the tunable filter 320 is filtered.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공지능 분석서버의 구성을 도시한 도면이다.5 is a diagram showing the configuration of an artificial intelligence analysis server according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인공지능 분석서버(120)는 통신부(510), 분석부(520), 메모리부(530) 및 제어부(540)를 포함한다.Referring to FIG. 5 , the artificial intelligence analysis server 120 according to an embodiment of the present invention includes a communication unit 510, an analysis unit 520, a memory unit 530 and a control unit 540.

통신부(510)는 가스 센싱장치(110) 내 통신부(510)로부터 수광부(220)의 센싱값을 수신한다.The communication unit 510 receives the sensing value of the light receiving unit 220 from the communication unit 510 in the gas sensing device 110 .

통신부(510)는 경우에 따라, 분석부(520)의 분석결과를 인공지능 분석 시스템(100)의 관리자 단말 등 외부로 전송할 수 있다.The communication unit 510 may transmit the analysis result of the analysis unit 520 to the outside, such as an administrator terminal of the artificial intelligence analysis system 100, depending on the case.

분석부(520)는 수신한 센싱값으로부터 해당 지점에서 검출하고자 하는 가스 성분이 존재하는지를 분석한다.The analyzer 520 analyzes whether a gas component to be detected at a corresponding point exists from the received sensing value.

분석부(520)는 메모리부(530) 내 저장된 인공지능 학습모델을 이용하여 수신한 센싱값으로부터 가스 성분의 존부를 검출한다. 인공지능 학습모델은 가스 센싱장치(110)의 센싱값을 입력받아, 조사지점에 검출하고자 하는 가스 성분이 있는지 여부를 출력하도록 학습된 인공지능 학습모델이다. 전술한 대로, 수광부(220)는 SPAD 어레이로 구현되어 마치 이미지와 같이 센싱을 수행하기 때문에, 인공지능 학습모델은 CNN(Convolutional Neural Network) 학습모델을 토대로 학습이 수행된다. The analysis unit 520 detects the presence or absence of gas components from the received sensing values using the artificial intelligence learning model stored in the memory unit 530 . The artificial intelligence learning model is an artificial intelligence learning model learned to receive a sensed value of the gas sensing device 110 and output whether or not there is a gas component to be detected at an irradiation point. As described above, since the light receiver 220 is implemented as a SPAD array and performs sensing like an image, the artificial intelligence learning model is trained based on a Convolutional Neural Network (CNN) learning model.

인공지능 학습모델의 학습은 도 6에 도시된 센싱값에 대해 수행된다. Learning of the artificial intelligence learning model is performed on the sensed values shown in FIG. 6 .

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱장치가 센싱한 센싱값을 도시한 도면이다.6 is a diagram illustrating a sensing value sensed by a gas sensing device according to an embodiment of the present invention.

도 6a는 조사지점에 검출하고자 하는 가스 성분이 존재하는 상황에서, 수광부(220)가 기 설정된 제1 파장대역의 반사광을 센싱한 상황이다. 도 6a에 도시된 바와 같이 광이 조사된 지점 중 가스 성분이 존재하지 않는 지점에서는 상대적으로 많은 양의 반사가 일어나기 때문에, 센싱값 내 해당 부분에서 반사된 반사광(610)은 일정한 크기의 센싱값을 갖는다. 반면, 가스 성분이 존재하는 지점에서는 가스 성분에 의해 조사된 광의 흡수가 진행되기에, 해당 부분에서 반사된 반사광(620)은 0에 근접하거나 상대적으로 상당히 작은 크기의 센싱값을 갖는다.FIG. 6A shows a situation in which the light receiving unit 220 senses the reflected light of a preset first wavelength band in a situation where a gas component to be detected exists at an irradiation point. As shown in FIG. 6A, since a relatively large amount of reflection occurs at a point where no gas component is present among the points to which light is irradiated, the reflected light 610 reflected at the corresponding portion within the sensing value has a sensing value of a certain size. have On the other hand, since light irradiated by the gas component is absorbed at a point where the gas component exists, the reflected light 620 reflected from the corresponding portion has a sensing value close to 0 or relatively small.

도 6b는 조사지점에 검출하고자 하는 가스 성분이 존재하는 상황에서, 수광부(220)가 기 설정된 제2 파장대역의 반사광을 센싱한 상황이다. 기 설정된 제2 파장대역의 광은 가스 성분으로부터 흡수되는 성분이 아니기 때문에, 가스 성분에 흡수되지 않고 모든 부분에서 반사가 일어난다. 따라서, 반사광(610)은 대부분의 부분에서 일정한 크기의 센싱값을 갖는다. FIG. 6B shows a situation in which the light receiving unit 220 senses the reflected light of a preset second wavelength band in a situation where a gas component to be detected exists at an irradiation point. Since the light in the predetermined second wavelength band is not a component that is absorbed by the gas component, reflection occurs in all parts without being absorbed by the gas component. Accordingly, the reflected light 610 has a sensing value of a certain size in most parts.

별도의 잡광이 수광부(220)로 입사되지 않는 상황이라면, 도 6a와 같이 기 설정된 제1 파장대역의 반사광에 대한 센싱값만을 분석하더라도 가스 성분의 검출이 원활하게 수행될 수 있다.In a situation where separate miscellaneous light does not enter the light receiver 220, the gas component can be smoothly detected even if only the sensed value of the reflected light of the first wavelength band is analyzed as shown in FIG. 6A.

그러나 도 6c와 같이 반사광과 함께 잡광이 입사되는 상황도 존재할 수 있고, 원거리에서 광자단위 등 미세한 세기로 반사광이 입사되는 경우가 존재할 수 있다.However, as shown in FIG. 6C, there may be a situation in which miscellaneous light is incident together with the reflected light, and there may be a case where the reflected light is incident at a minute intensity such as a photon unit from a long distance.

이러한 경우, 도 6a와 같이 가스 성분이 존재하는 지점에서 반사된 반사광(640)과 그렇지 않은 반사광(630)의 센싱값처럼 명확히 구분되는 것이 아니다. 상대적으로 센싱값의 크기는 다를 수 있으나, 기 설정된 제1 파장대역을 갖는 반사광만으로는 구분을 확실히 수행하기 곤란할 수 있다.In this case, as shown in FIG. 6A , the reflected light 640 reflected from the point where the gas component exists and the reflected light 630 that do not exist are not clearly distinguished like the sensed values. Although the size of the sensed value may be relatively different, it may be difficult to perform the classification with only the reflected light having the preset first wavelength band.

이에 따라, 도 6d에 도시된 바와 같이, 추가적으로 기 설정된 제2 파장대역의 반사광의 센싱값을 추가로 분석한다. Accordingly, as shown in FIG. 6D , the sensing value of the reflected light of the second wavelength band additionally set in advance is further analyzed.

가스 성분이 존재하지 않는 상황에서 잡광이 추가적으로 입사된 경우라거나, 미세한 세기로 반사광이 입사되는 경우라면, 기 설정된 제1 파장대역의 (반사광에 대한) 센싱값이나 기 설정된 제2 파장대역의 (반사광에 대한) 센싱값은 서로 다르지 않게 된다. 반면, 가스 성분이 존재하는 상황에서 전술한 경우라면, 기 설정된 제1 파장대역의 센싱값이나 기 설정된 제2 파장대역의 센싱값의 차이값은 반드시 존재하게 된다.When miscellaneous light is additionally incident in a situation where no gas component exists or when reflected light is incident with minute intensity, the sensing value (for the reflected light) of the preset first wavelength band or the (reflected light) of the preset second wavelength band For) sensed values do not differ from each other. On the other hand, in the case described above in the presence of a gas component, a difference value between a sensing value of a preset first wavelength band and a sensing value of a preset second wavelength band necessarily exists.

분석부(520)가 사용하는 인공지능 학습모델은 전술한 점을 이용하여, 단지 하나의 파장대역의 (반사광에 대한) 센싱값을 입력값으로 하는 것이 아니라, 동일한 시점에서 조사된 기 설정된 제1 파장대역의 (반사광에 대한) 센싱값과 기 설정된 제2 파장대역의 (반사광에 대한) 센싱값 하나의 세트를 입력값으로 한다. 인공지능 학습모델은 입력된 한 세트의 입력값의 차이를 연산하여 차이가 존재하는지 여부를 토대로 가스 성분이 존재하는지를 판단한다. 차이값으로부터 가스 성분의 존부를 도출하는 경우, 기타 잡광이 입사하더라도 양 센싱값 모두에 영향을 미치기 때문에 연산과정에서 배제될 수 있다. 또한, 수광부(220)에서 아발란치 현상이 일어나는 정도가 달라지더라도, 양 센싱값 모두 동일한 정도의 아발란치 현상이 발생하는 것이기 때문에, 이 역시 연산과정에서 무시될 수 있다.The artificial intelligence learning model used by the analysis unit 520 uses the above-mentioned points, and does not take the sensing value (for the reflected light) of only one wavelength band as an input value, but a preset first first irradiated at the same time point. One set of sensing values (for reflected light) in a wavelength band and sensing values (for reflected light) in a preset second wavelength band is used as an input value. The artificial intelligence learning model calculates the difference between a set of input values and determines whether a gas component exists based on whether there is a difference. In the case of deriving the presence or absence of a gas component from the difference value, even if other stray light is incident, it can be excluded from the calculation process because it affects both sensed values. In addition, even if the degree of avalanche occurs in the light receiver 220 is different, since both sensed values generate the same degree of avalanche, this can also be ignored in the calculation process.

분석부(520)는 이처럼 학습된 학습모델을 이용하여, 서로 다른 파장대역의 센싱값을 하나의 세트로 입력하여 가스 성분이 존재하는지 여부를 분석한다.The analyzer 520 analyzes whether a gas component exists by inputting sensing values of different wavelength bands as one set using the learned learning model.

메모리부(530)는 분석부(520)가 가스 성분의 존부를 분석하기 위한 인공지능 학습모델을 저장한다.The memory unit 530 stores an artificial intelligence learning model for the analysis unit 520 to analyze the presence or absence of gas components.

제어부(540)는 인공지능 분석서버 내 각 구성(510, 520)의 동작을 제어한다.The control unit 540 controls the operation of each component 510, 520 in the artificial intelligence analysis server.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 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.The above description is merely an example of the technical idea of the present embodiment, and various modifications and variations can be made to those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present embodiment. Therefore, the present embodiments are not intended to limit the technical idea of the present embodiment, but to explain, and the scope of the technical idea of the present embodiment is not limited by these embodiments. The scope of protection of this embodiment should be construed according to the claims below, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of rights of this embodiment.

100: 인공지능 분석 시스템
110: 가스 센싱장치
120: 인공지능 분석서버
210: 광원
220: 수광부
230, 540: 제어부
240, 510: 통신부
310: 레이저 다이오드
320: 파장가변필터
330, 334, 338: 열전소자
340: 대역통과필터
520: 분석부
530: 메모리부100: artificial intelligence analysis system
110: gas sensing device
120: AI analysis server
210: light source
220: light receiving unit
230, 540: control unit
240, 510: communication department
310: laser diode
320: tunable filter
330, 334, 338: thermoelectric element
340: band pass filter
520: analysis unit
530: memory unit

Claims (10)

기 설정된 제1 파장대역의 광 및 기 설정된 제2 파장대역의 광을 순차적으로 조사하는 광원;
상기 광원에서 조사된 후 반사되어 입사하는 반사광을 수광하는 수광부; 및
상기 광원이 기 설정된 제1 파장대역의 광 및 기 설정된 제2 파장대역의 광을 순차적으로 조사하도록 제어하는 제어부를 포함하며,
상기 기 설정된 제1 파장대역의 광은 검출하고자 하는 가스 성분이 흡수하는 파장대역이며, 상기 기 설정된 제2 파장대역의 광은 검출하고자 하는 가스 성분이 흡수하는 파장대역 이외의 파장대역이고,
상기 제어부는 상대적으로 근거리와 상대적으로 원거리에 광을 번갈아 조사하도록 상기 광원을 제어하고, 그에 대응하여 상기 수광부의 수신 감도를 제어하되,
상대적으로 근거리로 광을 조사하도록 상기 광원을 제어하는 경우, 리니어 모드(Lineaf Mode)로 동작하도록 상기 수광부를 제어하는 것을 특징으로 하는 가스 센싱장치.a light source that sequentially irradiates light of a first wavelength band and light of a second wavelength band;
a light receiving unit configured to receive reflected light emitted from the light source and then reflected and incident; and
A control unit for controlling the light source to sequentially irradiate light of a first wavelength band and light of a second wavelength band,
The light of the first preset wavelength band is a wavelength band absorbed by the gas component to be detected, and the light of the preset second wavelength band is a wavelength band other than the wavelength band absorbed by the gas component to be detected,
The control unit controls the light source to alternately irradiate light at a relatively short distance and a relatively long distance, and controls the reception sensitivity of the light receiving unit in response thereto,
When the light source is controlled to emit light at a relatively short distance, the gas sensing device is controlled to operate in a linear mode. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 수광부는,
SPAD(Single Photon Avalanche Diode)인 것을 특징으로 하는 가스 센싱장치.According to claim 1,
The light receiving unit,
A gas sensing device characterized in that it is a SPAD (Single Photon Avalanche Diode). 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상대적으로 원거리로 광을 조사하도록 상기 광원을 제어하는 경우, 게이티드 가이거 모드(Gated Geiger Mode)로 동작하도록 상기 수광부를 제어하는 것을 특징으로 하는 가스 센싱장치.According to claim 1,
The control unit,
When the light source is controlled to emit light at a relatively long distance, the gas sensing device is controlled to operate in a gated Geiger mode. 제1항, 제3항 및 제6항 중 어느 한 항의 가스 센싱장치; 및
상기 가스 센싱장치로부터 센싱값을 수신하여, 조사하고자 하는 지점에 검출하고자 하는 가스 성분이 존재하는지 여부를 판단하는 인공지능 분석서버
를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공지능 분석 시스템.The gas sensing device according to any one of claims 1, 3 and 6; and
An artificial intelligence analysis server that receives a sensing value from the gas sensing device and determines whether a gas component to be detected exists at the point to be investigated.
Artificial intelligence analysis system comprising a. 제7항에 있어서,
상기 인공지능 분석서버는,
인공지능 학습모델을 이용하여 조사하고자 하는 지점에 검출하고자 하는 가스 성분이 존재하는지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 인공지능 분석 시스템.According to claim 7,
The artificial intelligence analysis server,
An artificial intelligence analysis system characterized in that it determines whether a gas component to be detected exists at the point to be investigated using an artificial intelligence learning model. 제8항에 있어서,
상기 인공지능 학습모델은,
CNN(Convolutional Neural Network)인 것을 특징으로 하는 인공지능 분석 시스템.According to claim 8,
The artificial intelligence learning model,
An artificial intelligence analysis system characterized in that it is a convolutional neural network (CNN). 제8항에 있어서,
상기 인공지능 학습모델은,
상기 가스 센싱장치의 센싱값을 입력값으로, 조사지점에 검출하고자 하는 가스 성분이 있는지 여부를 출력값으로 하여 학습되는 것을 특징으로 하는 인공지능 분석 시스템.

According to claim 8,
The artificial intelligence learning model,
The artificial intelligence analysis system, characterized in that learning by using the sensing value of the gas sensing device as an input value and whether or not there is a gas component to be detected at the irradiation point as an output value.
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