KR101129146B1 - 기체 공간의 생물학적 병원균 및 화학적 오염물의 확인방법 - Google Patents
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Abstract
기체 공간의 오염물(contaminant)을 확인하는 방법이 제공된다. 상기 방법은: 광대역의 광파형을 생성하는 것; 상기 광파형을 주지의 오염물을 위한 예상 파형에 정합하도록 정형(shaping)하는 것; 및 상기 정형된 광파형을 주지되지 않은 오염물으로 송신하는 것을 포함한다. 주지되지 않은 오염물로부터 반사된 파형을 수신하자마자, 상기 반사된 파형에 기반하여 상기 주지되지 않은 오염물이 주지의 오염물에 서로 관련하는지 여부를 판단한다.
광파형, 오염물, 병원균, 정형, 파형, 송신, 반사, 진폭, 광수신기, 광송신기, 검출 및 확인
Description
본 발명은 일반적으로 기체 공간의 오염물을 확인하는 방법에 관한 것이며, 더 상세하게는 생물학적 병원균 및 화학적 오염물을 검출 및 확인하거나 또는 태그에 의해 생성된 특정 화학종(chemical specie)의 존재를 확인하는 확고한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
화학적 및 생물학적 작용제는 인류에 현실의 예상치 못할 위협을 준다. 광범위의 다양한 합성 화학물질들, 독소들 및 생물학적 물질들이 전투 또는 테러 작용제들로서의 사용을 위해 개발되어왔다. 일부 화학적 및 생물학적 작용제들은 용이하게 이용가능하며, 대량으로 용이하게 제조될 수 있다. 화학적 및 생물학적 작용제들을 초저농도 수준에서 신속하고 정확하게 검출하는 것은 무기로서 상기 작용제들의 사용하는 것에 대한 성공적인 방어에 결정적이다.
또한, 화학 처리 제조 공장들 또는 공장들로부터의, 로켓 추진제들과 같은 연료의 부족으로부터의, 또는 특히 약품들 또는 폭약들에 놓인 화학 태그들의 휘발성으로부터의 화학 폐기물(Chemical effluent)은 멀리 떨어져서 또는 아주 근접하여 민감하게 검출되어야 할 필요가 있다.
화학적 및 생물학적 작용제들은 작은 분량(dose)으로 효과적이기 때문에, 민감도(sensitivity)는 어떠한 검출 시스템에서도 중요한 특징이다. 복합적이며 급격히 변화하는 동작 환경은 마찬가지로 고도의 민감도를 나타내는 검출 시스템을 요한다. 환언하자면, 민감도는 환경에 존재하는 다른 유해한 물질로부터 화학적 및 생물학적 작용제들을 식별하는데 필요 된다. 끝으로, 작용제가 확인되는 속도는 위협 환경에 대한 적절한 반응을 결정하는데 필수적이다. 또한, 스피드는 복합 작용제들의 반응을 주사(scan) 동안에 찾을 수 있다는 점에서 중요한 특징이다. 따라서, 이들 각 기술 도전들을 설명하는 검출 도식(scheme)를 제공하는 것이 바람직하다.
이 부분의 설명은 단지 본 발명에 관련한 배경기술을 제공하며, 선행기술을 구성할 수는 없다.
기체공간의 오염물을 확인하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 기체 공간의 오염물 확인 방법으로서, 초기 광대역 광파형을 주지의 오염물로 송신하는 단계와, 상기 주지의 오염물에 의해 스펙트럼 반사된 초기 광대역 광파형을 수신하는 단계와, 스펙트럼 반사된 초기 광대역 광파형을 상이한 주파수 범위들을 가지는 복수의 광파형들로 분할하는 단계와, 각각의 상이한 주파수 범위들에서 예상 파형을 결정하는 단계와, 예상 파형들을 기초로 주지의 오염물에 대한 분광 반응을 결정하는 단계와, 초연속 광파형인 질문(interrogating) 광대역 광파형을 생성하는 단계와, 주지의 오염물에 대한 예상된 분광 파형에 상기 광파형이 정합하도록 정형하는 단계와, 정형된 질문 광파형을 주지되지 않은 오염물로 송신하는 단계와, 주지되지 않은 오염물에 의해 반사된 정형된 질문 광파형의 반사된 부분을 수신하는 단계, 및 상기 질문 광파형의 반사된 부분에 기초하여 상기 주지되지 않은 오염물의 상기 주지 오염물과의 관련 여부를 결정하는 단계를 포함한다.
응용성의 추가 영역들은 여기 제공된 기재로부터 명백해질 것이다. 상기 기재 및 특정 실시예들은 단지 도시의 목적으로 의도되었으며, 본 발명의 범위를 제한하는 것을 의도한 것은 아니라는 것을 이해해야만 한다.
도 1은 생물학적 병원균을 확인하는 방법을 도시하는 흐름도이며,
도 2는 생물학적 병원균들 또는 화학적 오염물들을 검출 및 확인하는 예시적인 시스템의 블록도이며,
도 3은 상기 검출 시스템에 사용될 수 있는 예시적인 광원의 도식이며,
도 4는 상기 검출 시스템에 사용될 수 있는 예시적인 파형 정형 구성요소의 도식이며,
도 5A와 도 5B는 검출 시스템에 사용될 수 있는 예시적인 검출 도식(schemes)을 묘사하는 블록도이다.
여기 기재된 도면들은 단지 도시 목적이며, 어떠한 방식으로도 본 발명의 범위를 제한하는 것을 의도되는 것은 아니다.
도 1은 분광 검출의 원리들에 기반하여 생물학적 병원균들, 화학적 오염물들 또는 화학 태그들의 존재를 확인하는 방법을 도시한다. 주지되지 않은 병원균을 확인하기 전에, 분광 반응의 라이브러리(library)는 (12)에 표시된 관심 병원균을 위해 수집된다. 일 예시적인 실시형태에서, 소정의 생물학적 병원균을 위한 분광 반응(spectroscopic response)(즉, 예상 파형)은 광대역의 광파형을 주지된 관심의 생물학적 병원균으로 송신함에 의해 판단될 수 있다. 관심의 생물학적 병원균에 의 해 반사된 파형은 다음으로 상기 생물학적 병원균을 위한 분광 반응으로서 포착되어, 라이브러리에 저장된다. 검출 과정의 민감도(sensitivity)와 선별성(selectivity)을 향상시키기 위해, 상기 관심의 생물학적 병원균에 의해 반사된 광파형은 복수의 스펙트럼 구성요소들(예, 상이한 주파수 범위를 가지는 파형들)로 분할될 수 있다. 상이한 각 스펙트럼 성분들에서의 분광 반응은 포착되어 라이브러리에 저장되며, 이로써 소정의 생물학적 병원균을 위한 일련의 예상 파형들을 생성한다. 이러한 과정은 전체 라이브러리를 생성하기 위해 다양한 다른 생물학적 병원균들에 대해 차례로 반복된다.
주지되지 않은 생물학적 병원균을 확인하기 위해, 광대역의 광파형은 주지의 생물학적 병원균을 위한 예상 파형에 정합하도록 먼저 단계(14)에서 정형된다. 정형(shaping)은 파형의 일부 또는 모든 스펙트럼 구성요소들의 진폭 및/또는 위상을 조정하는 것을 의미한다고 이해된다. 예상 파형에 정합하기 위해 인터로게이팅(interrogating) 파형을 정형함에 의해, 분광 반응을 나타내는 것이 예상되는 빛만이 목적대상으로 송신된다. 환언하자면, 상기 검출 과정에 사용되지 않을 빛은 목적대상으로 송신되지 않으며, 이로써 반사 파형의 신호 대 잡음비를 최대화한다. 상기 정형 파형은 주지되지 않은 생물학적 병원균을 향해 단계(16)에서 송신되고, 상기 반사 파형에 구현된 분광 반응은 상기 주지되지 않은 생물학적 병원균이 주지의 생물학적 병원균과 서로 관련하는지 여부를 판단하기 위해 단계(18)에서 분석된다. 상기 주지되지 않은 생물학적 병원균은 반사 파형의 분광 반응이 상기 주지의 생물학적 병원균의 분광 반응에 정합할 때 확인된다.
상이한 파형들 또는 파형의 펄스들이 주지의 생물학적 병원균을 인터로게이트(interrogate)하기 위해 사용될 수 있다. 각각의 상이한 파형 또는 파형의 펄스가 라이브러리에서 확인된 주지의 생물학적 병원균을 위한 예상 파형에 정합하기 위해 정형되며, 다음으로 주지되지 않은 생물학적 병원균으로 송신된다. 이러한 방식으로, 주지되지 않은 생물학적 병원균은 각 주지의 병원균과 관련하여 평가될 수 있다. 다음 기재가 생물학적 병원균들과 관련하여 제공되지만, 이러한 기술은 화학 작용제들, 독소들 및 기체량(gaseous volume)으로 확인될 수 있는 다른 형태의 오염물들을 검출 및/또는 확인하는데 적합하다는 것이 쉽게 이해된다.
도 2는 생물학적 병원균을 검출 및 확인하는 예시적인 시스템(20)을 묘사한다. 상기 검출 시스템(20)은 일반적으로 광송신기(30), 광수신기(50), 디지털 신호 처리기(22), 및 주지된 생물학적 병원균에 대한 분광 반응들의 라이브러리(24)로 이루어진다. 상기 광송신기(30)는 광원(32)과 파형 정형 구성요소(34)를 포함한다. 광수신기(50)는 필터링 구성요소(52)와 수광소자(photodetector)(54)를 포함한다. 각각의 이들 구성요소들은 하기에 더 기재된다.
광원(32)은 테라헤르츠 주파수 범위에서 기가-펄스 반복율(Giga-pulse repetition rate)로 동작하는 펄스 광대역 광파형을 생성한다. 각 펄스 또는 연속의 펄스들은 주지되지 않은 오염물을 인터로게이트하는데 사용될 수 있다. 상기와 같은 고 반복율에서의 동작은 검출이 일어날 수 있는 속도를 증가시키는 반면, 광대역 테라헤르츠 파형의 사용은 하기 추가로 기재된 바와 같은 시스템의 선별성을 향상시킨다.
일 예시적인 실시형태에서, 상기 광파형은 초연속(supercontinuum) 파형(즉, 비선형 프로세스에 의해 생성된 초광범위한 스펙트럼 대역폭을 가지는 파형)으로서 더 정의된다. 초연속 파형은 다양한 기술들을 사용하여 생성될 수 있다. 예를 들어, 초연속 파형은 결정과 같은 일부 비선형 매개물을 통해 그것을 전파함에 의해 광파형을 스펙트럼 확장함(spectrally broadening)(즉, 스펙트럼 구성요소들의 수를 증가)에 의해 생성될 수 있다. 도 3은 광원(32)이 비선형 섬유(38)에 동작 연결된 10 기가헤르츠의 콤(comb) 고정, 모드-잠김 레이저(36)를 사용하여 실행되는 일 예시적인 기술을 도시한다. 광증폭기(37)(예, 에르븀-도핑된 섬유 증폭기)는 레이저(36)와 비선형 섬유(38) 사이에 삽입될 수 있다. 다른 형태의 펄스 광원들(예, 섬유링 레이저)이 사용될 수 있다는 것이 예상된다. 마찬가지로, 주파수들의 범위를 가로지르는 광파형의 광스펙트럼을 넓히는 다른 방법들도 이러한 개시에 의해 예상된다. 예를 들어, 펄스 광원은 개별 펄스들의 스펙트럼을 넓히기 위해 자기-위상 변조를 일으키는 다른 매개물들을 통해 통과될 수 있다. 대안적으로, 초연속 파형은 라만 산란(Raman scattering) 또는 사광파 혼합(four-wave mixing)과 같은 기술들을 사용하여 성취될 수 있다.
도 4는 파형 정형 구성요소의 예시적인 실시형태를 묘사한다. 이러한 실시형태에서, 광대역의 광파형은 바람직하게는 파형에 부여된 상이한 주파수 범위를 가로질러 정형된다. 따라서, 광원(32)으로부터의 빛은 디멀티플렉서(demul -tiplexer)(42)로 입력된다. 상기 디멀티플렉서(42)는 광대역의 광파형을 상이한 인접 주파수 범위를 횡단하는 복수의 광파형들로 분할한다. 상기 디멀티플렉서(42) 또는 일련의 멀티플렉서들(multiplexer)에 의해 어느 정도의 파형들이 출력된다는 것이 쉽게 이해된다. 복수의 광변조기들(44)은 차례로 상기 디멀티플렉서(42)에 결합되고, 각 광변조기는 상기 디멀티플렉서(42)로부터 출력된 광파형들 중의 하나를 수신한다. 상기 각 광변조기들은 예상 파형의 데이터 저장소와 데이터 통신하는 신호 처리기(22)에 의해 추가로 제어된다. 그러나, 상기 파형은 단일 광변조기를 사용하여 정형될 수 있음이 예상된다.
동작에서, 상이한 각 주파수들에서의 광파형들은 관심의 생물학적 병원균에 대한 예상 분광 반응(즉, 파형)에 따라서 상기 광변조기들 중의 하나에 의해 정형될 수 있다. 환언하자면, 제1 주파수의 광파형은 상기 제1 주파수에서의 예상 분광 반응에 따라 변조되며, 제2 주파수의 광파형은 제2 주파수에서의 예상 분광 반응에 따라 변조된다. 결과한 파형들은 다음으로 상기 파형들을 단일 광대역의 광파형으로 재결합하는 멀티플렉서(46)에 입력된다. 덜 정교한 접근 방법에서, 파장 차단기(blocker)가 상기 광변조기들 대신에 사용될 수 있다. 분광 반응을 나타내는 것이 예상되는 파장들은 통과하는 반면, 분광 반응을 나타내는 것이 예상되지 않은 파장들은 완전히 차단되어, 따라서 인터로게이팅 파장들로부터 제거된다. 광변조기들 대신에 다른 형태의 정형 또는 필터링 수단들이 사용될 수 있음이 쉽게 이해된다.
주지되지 않은 대상 목적을 인터로게이트하기 위해, 각 광펄스(또는 연속의 펄스들)는 주지의 생물학적 병원균을 위한 예상 파형에 정합하도록 상술한 방식으로 정형될 수 있다. 이러한 방식으로, 주지되지 않은 목적대상은 초단 시간에 수십 만의 공지된 생물학적 병원균과 비교될 수 있다. 주지되지 않은 목적대상이 상기 광송신기의 시야 외부로 연재할 때, 상기 송신기는 더 큰 목적대상 영역을 인터로게이트하기 위해 주사될 수 있다. 이러한 경우, 각 주사 위치에서의 인터로게이팅 파형은 전체 목적대상 영역이 주사될 때까지 단일의 생물학적 병원균에 정합할 것이다. 상기 인터로게이팅 파형은 다음으로 상이한 생물학적 병원균에 정합할 수 있으며, 목적대상 영역이 재-주사될 수 있다. 대안적으로, 상이한 광펄스들은 소정의 주사 위치에서 상이한 생물학적 병원균에 정합될 수 있다. 한번 인터로게이팅 파형이 연속적인 관심의 생물학적 병원균들을 위해 전송되면, 상기 광송신기는 상이한 주사 위치로 이동될 수 있으며, 상기 과정은 전체 목적대상 영역이 주사될 때까지 반복된다.
수신기 측 상에서, 광 정합 필터(optical matched filter)는 바람직하게는 검출 시스템의 선별성을 더 향상시키기 위해 사용된다. 관심의 생물학적 병원균을 주지하여, 상기 광 정합 필터는 생물학적 병원균에 대한 예상 파형에 따라 반사 파형을 여과하기 위해 신호 처리기에 의해 제어될 수 있다. 여기에 제한되지는 않지만, 상기 인터로게이팅 파형에 인입하는 반사 파형을 자동-상관(auto-correlating)하는 것은 하나의 예시적인 필터링 기술이다.
상이한 검출 도식(scheme)이 반사 파형들을 분석하기 위해 사용될 수 있다. 도 5A에서, 상기 반사 파형은 광분배기(62)에 의해 동일한 강도의 복수의 분할 파형들로 분배된다. 복수의 광 정합 필터들(64)이 광분배기(62)에 결합되어, 각각의 광 정합 필터는 상기 분배기(62)로부터 출력된 파형들 중의 하나를 수신한다. 광 정합 필터들(64)의 각각은 신호 처리기(22)에 의해 더 제어된다. 이러한 방식으로, 각 파형은 상이한 주파수에서 여과될 수 있다. 예를 들어, 제1 파형이 제1 주파수에서 예상 분광 반응을 통과하기 위해서만 여과되는 반면, 제2 파형은 제2 주파수에서 예상 분광 반응을 통과하기 위해서만 여과된다. 상기 여과된 파형들은 다음으로 상기 파형들을 단일 파형으로 재결합하는 신호 결합기(66)로 입력된다. 마지막으로, 인터로게이팅 파형의 전체 스펙트럼 대역폭에 걸쳐 동작가능한 수광소자(photodetector)(68)가 상기 파형을 아날로그 신호로 변환한다.
목적대상으로부터 반사 파형이 예상 파형에 서로 관련할 때에, 정합 필터들은 대부분의 잡음을 여과하면서, 상기 수광소자에서 예상 분광 반응을 통과한다. 반대로, 목적대상이 예상 파형에 서로 관련하지 않을 때, 정합 필터들은 대부분의 반사 파형을 여과한다. 따라서, 진폭의 임계값 검출 도식은 목적대상이 예상되는 생물학적 병원균에 서로 관련하는지 여부에 따라 판단하기 위해 사용될 수 있다. 일 예시적인 실시형태에서, 수광소자(68)로부터 출력된 신호는 신호 처리기에 차례로 결합되는 아날로그 디지털 변환기에 입력된다. 상기 임계값 검출 도식은 소프트웨어에서 실행될 수 있으며, 본 기술분야에 공지된 방식으로 신호 처리기에 의해 수행된다.
대안적인 접근에서, 검출은 도 5B에 도시된 바와 같이 반사 파형의 각 주파수 구성요소의 평가에 기반한다. 이러한 접근에서, 상기 반사 파형은 파형을 상이한 주파수를 가지는 복수의 파형들로 분할하는 디멀티플렉서(70)로 입력된다. 각 파형은 소정의 주파수에서 예상되는 파형에 따라 복수의 광필터들(72) 중의 하나에 의해 다시금 여과된다. 그러나, 여과된 각 파형은 상이한 수광소자(74)에 입력되며, 그로 인해 후처리 신호 분석은 목적대상이 예상된 생물학적 병원균과 서로 관련하는지 여부를 판단하기 위해 각 주파수 구성요소들 상에서 수행될 수 있다. 본 발명의 광범위한 측면 범위에서 다른 검출 도식이 포함될 수 있음이 쉽게 이해된다.
Claims (10)
- 기체 공간의 오염물 확인 방법으로서:초기 광대역 광파형을 주지의 오염물로 송신하는 단계와,상기 주지의 오염물에 의해 스펙트럼 반사된 초기 광대역 광파형을 수신하는 단계와,스펙트럼 반사된 초기 광대역 광파형을 상이한 주파수 범위들을 가지는 복수의 광파형들로 분할하는 단계와,각각의 상이한 주파수 범위들에서 예상 파형을 결정하는 단계와,예상 파형들을 기초로 주지의 오염물에 대한 분광 반응을 결정하는 단계와,초연속 광파형인 질문(interrogating) 광대역 광파형을 생성하는 단계와,주지의 오염물에 대한 예상된 분광 파형에 상기 광파형이 정합하도록 정형하는 단계와,정형된 질문 광파형을 주지되지 않은 오염물로 송신하는 단계와,주지되지 않은 오염물에 의해 반사된 정형된 질문 광파형의 반사된 부분을 수신하는 단계, 및상기 질문 광파형의 반사된 부분에 기초하여 상기 주지되지 않은 오염물의 상기 주지 오염물과의 관련 여부를 결정하는 단계를 포함하는 기체공간의 오염물 확인 방법.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 질문 광파형을 정형하는 것은 질문 광파형의 적어도 하나의 진폭 또는 위상을 조정하는 것을 더 포함하는 기체공간의 오염물 확인 방법.
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 질문 광파형을 정형하는 것은 질문 광파형을 복수의 상이한 주파수들에서 동시에 정형하는 것을 더 포함하는 기체공간의 오염물 확인 방법.
- 제 6항에 있어서,상기 질문 광파형을 정형하는 것은 예상 파형이 분광 반응을 나타내지 않는 주파수들에서 질문 광파형을 차단하는 것을 더 포함하는 기체공간의 오염물 확인 방법.
- 제 6항에 있어서,상기 질문 광파형을 정형하는 것은 예상 파형이 분광 반응을 나타내는 각각의 주파수들에서 질문 광파형을 광학적으로 변조하는 것을 더 포함하는 기체공간의 오염물 확인 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 정형된 질문 광파형을 수신하는 것은 상기 주지의 오염물에 대한 예상된 반사 파형에 기초하여 정형된 질문 광파형을 필터링하는 것을 더 포함하는 기체공간의 오염물 확인 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 정형된 질문 광파형을 수신하는 것은 상기 주지의 오염물에 대한 예상된 반사 파형에 정형된 질문 광파형을 자동으로 상관시키는 것을 더 포함하는 기체공간의 오염물 확인 방법.
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