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2008년부터 온실가스 감축 의무 기간에 들어간 일본은 현재 산·학·관이 힘을 모아 온실가스를 줄이는 데 온 힘을 다하고 있다. 이런 노력의 일환으로 2008년 8월 27일, 일본 미츠비시(三겒)전기㈜는 일본 우주공항연구개발기구(Japan Aerospace Exploration Agency, 이하 JAXA)와 협력하여 위성에서 CO2 농도를 정밀하고 빠르게 계측하는 독자의 CW(Continuous Wave, 연속파) 변조 방식을 개발함과 동시에 이 방식을 채용한'소형 CO2 농도 계측 라이더'개발에 성공했다고 밝혔다.
≪월간전기≫ 10월호에서는 특집'일본 온실가스 삭감을 위한 에너지 혁신 기술'과 관련하여 CO2를 계측하는 신기술에 대해 소개한다.
개발 배경
지구온난화 문제 및 그 방지에 대한 의식이 높아 지면서 CO2를 비롯한 온실가스 농도를 지구 규모로 관측할 수 있는 인공위성 탑재 센서에 대한 기대도 높아지고 있다. 이와 관련하여 지표에서 반사된 태양광 스펙트럼을 이용하는 패시브(수동형) 센서로 온실가스 농도를 관측하는 위성(GOSAT : Greenhouse Gases Observing SATellite)이 2008년 겨울 발사될 예정이다.
한편 액티브(능동형) 센서로, 레이저광을 공간으로 발신하여 반사체에 맞고 되돌아오는 빛을 측정하는 레이더인 라이더(LIDAR : LIght Detection And Ranging)가 있다. 일본과 미국, 유럽에서는 정밀하고 빠르게 CO2 농도를 계측하기 위해, 파장이 미소하게 다른 2개의 레이저광을 송신하여 CO2 분자에 의한 빛 흡수량이 파장 간 다르다는 사실을 이용해 CO2 농도를 계측하는 DIAL(DIfferential Absorption LIDAR, 차분 흡수 라이더)를 연구 개발했다. 그러나 기존 DIAL은 대형인 데다 고정밀한 계측에 시간이 오래 걸렸기 때문에 위성에 탑재하는 액티브 센서에 필요한 높은 계측 정밀도, 고속성, 소형화의 실현이 어려웠다.
이번에 JAXA와 미츠비시전기㈜가 독자의 CW변조 방식을 채용하여 개발한 소형 CO2 농도 계측라이더는 GOSAT에 탑재하는 센서 관측 성능을 평가하기 위해 이용되며, 위성 탑재용 센서로도 효과적이다.
개발 내용
1. DIAL 계측 원리와 CW 변조 방식
CO2 농도 계측 DIAL은 파장이 다른 두 개의 레이저광(CO2 흡수율이 큰 파장인 ON 파장 레이저광과 CO2 흡수율이 적은 OFF 파장 레이저광)을 주고받아 CO2 분자에 의한 빛 흡수량이 파장 간 다르다는 사실을 이용하여 CO2 농도를 계측하는 것이다.(<그림 1> 참조)
CW 변조 방식은 DIAL의 원리를 사용하지만, 두 개의 레이저광을 동시에 송신하고(<그림 2> 참조) 2파장 간 계측 영역을 일치시켜 계측 정밀도를 향상시킬 수 있다는 특징이 있다.(<그림 3> 참조)
2. CO2 농도 계측 라이더와 계측 결과
<그림 4>에 CO2 농도 계측 라이더의 외관 모습을, <그림 5>에는 CO2 농도 계측 결과의 한 예를 나타냈다.
주요 개발 성과
1. CW 변조 방식 개발로 장치의 소형화와 고(高)신뢰성 실현
두개의레이저광원에서파장이다른두개의레이저광을 발신하여, 각각을 서로 다른 주파수로 변조한 후 광합파기(光合波器)를 사용해 1개의 섬유(Fiber)로 합파(合波)한다. 이 파이버로 계측하려는 공간에 2파장을동시에송신하는CW 변조방식을개발했다.
이 방식으로 광섬유 증폭기를 비롯하여 유연하고 신뢰성 높은 통신용 광섬유 부품을 사용할 수 있으며 장치의 소형화와 고신뢰성도 실현 가능하다.
2. CO2 농도 측정에 계측 시간 32초, 계측 정밀도 4ppm 실현
CW 변조 방식을 채용하여 개발한 CO2 농도 계측 라이더는 1㎞ 앞의 공간에서도 CO2 농도 변화를 32초 간격으로 측정할 수 있으며, 계측 정밀도 4ppm를 실현함으로써 정밀하고 빠르게 계측 가능하다.
향후 전개
일본 JAXA와 미츠비시전기㈜는 향후 CO2 농도의 계측 정밀도에 관해서 보다 상세한 검증을 실행한 후 이 장치를 항공기에 탑재해 위성 탑재 시 모의실험을 실시하여 위성 탑재용 기술 개발을 진행하려고 계획 중이다.
<출처_미츠바시 전기(주), www.mitsubishielectric.co.jp>
| 변조 방식(Modulation Techniques) 0과 1의 신호에 대응하여 두 개의 다른 주파수를 할당하는 FSK변조는 대역의 사용 효율보다는 간이성과 경제성을 우선할 때 사용된다. 음성급 회선을 사용한 전송 속도는 1800bps를 넘지 않고, 중속도의 전송 속도인 경우에는 AM, FM, PM 어느 것에도 사용된다. 특히 높은 전송 속도인 경우에는 차분 위상 시프트키잉(DPSK)등이 쓰이며, 9600bps 정도는 속도를 얻을 수 있다. |
<Energy News>
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