고감도 다중 가스 검출 LITES 센서

본 연구는 고속·고감도 다중 가스 검출을 위한 병렬 헤테로다인 광유도 열탄성 분광법(PH-LITES) 센서를 최초로 제안한다. 협업 신호 증폭 아키텍처(CSEA)를 통해 물리 계층에서 높은 민감도와 빠른 검출 속도를 달성했다. 이를 위해 자체 설계된 원통형 다중 통과 셀(MPC)은 높은 광 경로 길이 대 부피 비율(OPL/V = 37.4 cm⁻²)을 가지며, 낮은 공진 주파수(f₀ = ~7.9 kHz)의 쿼츠 튜닝 포크(QTF)와 시너지를 이루어 검출 응답성을 크게 향상시켰다. 병렬 헤테로다인 변조는 단일 QTF로 복합 과도 응답 신호를 생성하여 여러 가스의 스펙트럼 정보를 동시에 신속하게 얻을 수 있게 한다. 정보 계층에서는 CNN, 하이브리드 어텐션 메커니즘(HAM), BiLSTM을 통합한 협업 지능형 처리 아키텍처(CIPA)를 구현했다. 이 CNN-HAM-BiLSTM 구조는 특징 추출, 어텐션 기반 강화, 시간 모델링을 수행하여 단일 QTF 출력에서 얻은 병렬 스펙트럼으로부터 정확한 농도를 도출한다. 메탄(CH₄)과 아세틸렌(C₂H₂)을 이용한 실험 검증 결과, 4초 스캔 시간 내에 각각 378 ppb 및 285 ppb의 최소 검출 한계(MDL)를 달성했다. 제안된 시스템은 신속하고 민감한 다중 가스 검출이 필요한 응용 분야에 효율적인 해결책을 제공한다.