KR101156660B1 - 라이다의 편광소멸도와 파장신호비를 이용한 황사판독 방법. - Google Patents

라이다의 편광소멸도와 파장신호비를 이용한 황사판독 방법. Download PDF

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Abstract

본 발명은 라이다의 편광소멸도와 파장신호비를 이용한 황사판독 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 라이다를 통해 얻은 편광소멸도 및 파장신호비를 이용하여 황사 판독을 용이하게 하고, 구름이 있는 경우에도 황사 판독이 용이하게 이루어질 수 있도록 한 라이다의 편광소멸도와 파장신호비를 이용한 황사판독 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 라이다(Light Detection and Ranging)를 통해 대기중에 532nm 파장의 레이저 광과 1064nm 파장의 레이저를 연직으로 발사하여 그 라이다의 수신부(망원경)로 모여진 후방산란광의 강도 및 레이저 광 복귀시간을 측정하는 측정단계;상기 후방산란광의 강도 및 레이저 광 복귀시간을 통해 편광소멸도 및 파장신호비를 산출하는 산출단계;상기 편광소멸도 및 파장신호비를 통해 황사발생 여부와 황사의 분포고도 및 강도를 판독하는 판독단계;를 포함하되,상기 측정단계에서는, 532nm에서의 후방산란광 강도는 처음 발사된 레이저와 파장의 진동 방향이 평행인 성분(
Figure 112011104449446-pat00048
)과, 수직인 성분(
Figure 112011104449446-pat00049
)으로 나누어 관측을 하고,상기 산출단계에서는, 처음 발사된 레이저 파장의 진동 방향이 평행인 성분(
Figure 112011104449446-pat00050
)과, 수직인 성분(
Figure 112011104449446-pat00051
)의 비인 편광소멸도(
Figure 112011104449446-pat00052
)와, 파장신호비(C)인 1064nm와 532nm에서의 후방산란광의 강도의 비(
Figure 112011104449446-pat00053
)를 산출하는 것을 특징으로 하는 라이다의 편광소멸도와 파장신호비를 이용한 황사판독 방법을 제공한다.

Description

라이다의 편광소멸도와 파장신호비를 이용한 황사판독 방법.{Yellow sand reading method using depolarization ratio and color ratio from lidar}
본 발명은 라이다의 편광소멸도와 파장신호비를 이용한 황사판독 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 라이다를 통해 얻은 편광소멸도 및 파장신호비를 이용하여 황사 판독을 용이하게 하고, 구름이 있는 경우에도 황사 판독이 용이하게 이루어질 수 있도록 한 라이다의 편광소멸도와 파장신호비를 이용한 황사판독 방법에 관한 것이다.
황사는 바람에 의해 토양에서 대기 중으로 배출되는 대표적인 자연 발생적인 에어로솔로서 주로 중국의 사막지역 및 몽고 내륙지역 등에서 발생한다고 알려져 있다.
이러한 황사는 일반적으로 저기압의 후면에서 발생하여 이동하게 되는데, 중국 및 내몽고의 건조지역을 지나는 저기압 후명의 강한 상승기류에 의해서 황사 먼지들이 대기 중으로 비산되며, 대기 중으로 비산된 황사 먼지는 40~50m/s의 제트기류를 타고 한반도, 일본, 알루샨 열도와 하와이까지 이동한다고 알려져 있다.
최근에는 중국 북동부 지역에서 사막화가 급속도로 진행되고 있어 황사 발원지는 점점 넓어지고 있다.
이러한 사막화의 주된 원인은 가뭄과 같은 자연 현상과 무분별한 경작지 개간과 과도한 목축을 꼽을 수 있는데, 사막화 지역이 우리나라에 더욱 가까워지고 있을 뿐만 아니라, 급속히 넓어지고 있기 때문에 앞으로 황사는 더 많은 빈도로 더 강한 영향을 미칠 것으로 예상되고 있다.
지난 2002년도 3월 21일부터 23일에 걸쳐 유래 없이 심한 황사현상이 오랜 시간 지속됨에 따라 유치원과 초등학교가 휴교하는 등 사회?경제적 피해를 초래하였으며, 2007년 4월에도 강한 황사로 인해 휴교 사태가 발생한 바 있다.
황사는 호흡기 질환과 같은 질병을 유발함은 물론 시정 악화의 원인이 될 수 있으며 반도체, 정밀 기계 등의 정밀산업에도 악영향을 미치고 노출되어 있는 물체를 오염시켜 우리 산업에 미치는 영향이 큰 것으로 보고되고 있다.
뿐만 아니라, 항공기 등 교통 산업에 황사가 미치는 영향도 매우 크다.
이처럼 여러 가지 피해를 유발하는 황사는 더 이상 단순한 자연현상이 아닌 기상재해로 인식하고 있는 실정이다.
황사는 지상 및 위성, 항공기 관측 등을 통해 다양한 방법으로 관측되고 있다.
지상 관측은 다양한 관측 장비를 통하여 황사의 물리적?광학적 및 화학적인 다양한 측정을 비교적 정확하게 수행할 수 있는 장점이 있으나 황사의 공간적인 분포 파악에 어려움이 있다.
이와 같은 한계를 극복하고자 최근에는 여러 지역에 관측소를 설치, 관측망을 구성하여 황사의 공간 분포 파악을 위해 노력하고 있다.
반면에 위성관측을 통한 방법은 자외선, 가시광선, 적외선 등의 전자기파를 이용하여 간접적으로 황사의 특성을 파악하기 때문에 지상에서의 직접적인 관측에 비해 부정확할 수 있다.
그러나 위성을 이용한 원격탐사는 넓은 지역을 한꺼번에 관측할 수 있기 때문에 황사의 공간적인 분포와 이동경로 등의 연구에 유용하게 사용될 수 있다.
기상청에서는 황사특보를 신설하여 2002년 4월 10일부터 정량적인 황사 예보제를 실시하게 되었지만, 객관적인 기준이나 정보가 부족한 상황에서 신뢰할 만한 정량적인 예보를 생산하는 것은 어려운 현실이다.
현재, 기상청에서는 국내 23개 관측소에서 미세먼지농도(PM10)를 측정하고 있다.
참고로, PM10은 대기중에 부유하고 있는 미세먼지의 단위 부피당 무게를 나타내는 값으로 1m3의 대기에 존재하는 공기역학적 직경이 10 μm 이하인 미세먼지의 양을 나타낸다.
이 관측값을 바탕으로 1시간 평균 PM10 농도가 400㎍/㎥이상으로 2시간 이상 지속될 것으로 예상될 때 황사 주의보를, PM10 농도 800㎍/㎥이상이 2시간 이상 지속될 것으로 예상될 때 황사 경보를 발표하는 것이다.
그러나 이러한 황사 판독은 지상에서 황사 입자를 직접 채취하여야만 가능하
기 때문에 황사 입자가 지표면에 도달한 경우에만 관측이 가능하다.
따라서 황사가 어느 고도까지 얼마나 분포하는지 알 수 없으며 특히, 황사가 지표면에 도달하지 않고 상공에 떠서 지나가는 경우는 탐지가 불가능한 단점이 있다.
지상에 도달하지 않아 인간 활동에 직접적인 영향을 주지 않더라도 황사는 태양 빛의 감쇄 및 시정 악화 등에 영향을 미칠 수 있기 때문에 황사의 연직 분포에 대한 정보는 중요하다 할 수 있다.
최근에는 스카이레디오미터를 이용하여 태양의 일사량을 측정하여 에어로졸에 의해 감쇄되는 태양 일사량을 관측하는 방식(대한민국 특허출원 10-2008-0059113)을 통해 대기 중에 존재하는 에어로졸의 총량을 추정함으로써 황사를 판독하는 방법이 개시되어 있다.
이때, 스카이레디오미터를 이용한 황사 판독은 에어로졸에 의한 서로 다른 파장에서의 일사량 감쇄 정도를 이용하여 에어로졸의 크기에 대한 정보를 얻을 수 있으며 산란 일사량을 관측하여 에어로졸의 단산란 알베도나 입경별 크기 분포 등을 산출할 수 있다.
하지만, 상기한 스카이레디오미터를 이용한 황사판독 방법은, 기기 특성상 태양이 없는 밤에는 관측할 수 없으며 대기 기주 적분된 황사의 총량을 추정할 뿐 연직 분포에 대한 정보는 얻을 수 없다는 단점이 있다.
이에 비해 라이다는 낮에는 물론 밤에도 관측 가능하며 황사의 연직분포를 파악할 수 있다는 장점이 있으며, 이미 라이다 관측결과로부터 산출되는 에어로졸 소산계수와 에어로졸 입자의 모양에 대한 정보를 제공하는 편광소멸도를 이용하여 황사를 판독하는 방법(대한민국 특허출원 10-2009-16450)이 개발된 바 있다.
하지만, 상기한 라이다를 이용한 황사판독방법 역시, 에어로졸 소산계수를 산출하기 위해서는 구름이 없어야 측정이 정확하게 이루어질 수 있는 문제가 있으며 라이다 비의 오차에 의해 에어로졸 소산계수가 부정확해 질 수 있는 단점이 있다.
대한민국 특허출원 10-2009-16450
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 라이다를 통해 관측된 레이저의 편광소멸도 및 파장신호비를 산출하여 황사를 판독함으로써 복잡한 계산 과정이 필요하지 않을 뿐만 아니라, 구름이 있을 때에도 황사 판독이 이루어질 수 있도록 한 라이다의 편광소멸도와 파장신호비를 이용한 황사판독 방법을 제공하고자 한 것이다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 라이다(Light Detection and Ranging)를 통해 대기중에 532nm 파장의 레이저 광과 1064nm 파장의 레이저를 연직으로 발사하여 그 라이다의 수신부(망원경)로 모여진 후방산란광의 강도 및 레이저 광 복귀시간을 측정하는 측정단계;상기 후방산란광의 강도 및 레이저 광 복귀시간을 통해 편광소멸도 및 파장신호비를 산출하는 산출단계;상기 편광소멸도 및 파장신호비를 통해 황사발생 여부와 황사의 분포고도 및 강도를 판독하는 판독단계;를 포함하되, 상기 측정단계에서는, 532nm에서의 후방산란광 강도는 처음 발사된 레이저 파장의 진동 방향이 평행인 성분(
Figure 112011104449446-pat00001
)과, 수직인 성분(
Figure 112011104449446-pat00002
)으로 나누어 관측을 하고, 상기 산출단계에서는, 처음 발사된 레이저 파장의 진동 방향이 평행인 성분(
Figure 112011104449446-pat00003
)과, 수직인 성분(
Figure 112011104449446-pat00004
)의 비인 편광소멸도(
Figure 112011104449446-pat00005
)와, 파장신호비(C)인 1064nm와 532nm에서의 후방산란광의 강도의 비(
Figure 112011104449446-pat00006
)를 산출하는 것을 특징으로 하는 라이다의 편광소멸도와 파장신호비를 이용한 황사판독 방법을 제공한다.
이때, 상기 판독단계는, 상기 산출단계를 통해 산출된 편광소멸도
Figure 112011104449446-pat00007
의 값이 0.12 초과이고, 파장신호비(C)의 값이 0.4초과이면 황사로 판독하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 측정단계에서의 측정고도는 6km 미만인 것이 바람직하다.
또한, 측정고도(H)가 1km 초과이고, 1km 초과된 고도에서 산출된 레이저 파장의 진동 방향이 평행인 성분(
Figure 112012031707757-pat00008
)과, 수직인 성분(
Figure 112012031707757-pat00009
)의 합(
Figure 112012031707757-pat00010
)이
Figure 112012031707757-pat00011
초과이면 구름으로 판독하는 것이 바람직하다.
이때, m-1sr-1 은 후방산란계수의 단위로서 빛이 단위 거리(m)를 진행할 때 후방으로 단위 입체각(sr:steradian)당 산란되는 빛의 비율을 나타내는 값이다.
본 발명에 따른 라이다의 편광소멸도와 파장신호비를 이용한 황사판독 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 측정단계에서 얻은 라이다 관측결과로부터 별다른 자료 재분석 과정 없이 편광소멸도(
Figure 112011104449446-pat00012
)와 파장신호비(C)를 산출할 수 있으므로 황사판독을 위한 측정값 산출이 간편한 효과가 있다.
둘째, 태양에 관계없이 황사를 판독할 수 있으며, 대기에 구름이 존재하더라도 황사를 판독할 수 있으므로, 날씨 및 측정 시간에 영향을 받지 않고 황사를 판독할 수 있는 효과가 있다.
즉, 에어로졸 소산계수 산출에 대한 정확도를 높이기 위해서는 구름이 없는 맑은 날씨에 측정이 이루어져야 하지만, 본 발명은 흐린 날씨에도 황사의 판독이 가능한 것이다.
도 1은 라이다의 동작원리를 도시한 개략도
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 라이다의 편광소멸도와 파장신호비를 이용한 황사판독 방법을 나타낸 순서도
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 라이다의 편광소멸도와 파장신호비를 이용한 황사판독 방법을 이용할 수 있도록, 라이다 관측을 통해 산출된 후방산란광 강도, 편광소멸도, 파장신호비를 나타낸 그래프
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 라이다의 편광소멸도와 파장신호비를 이용한 황사판독 방법(이하, '황사판독방법'이라 함)을 설명하기로 한다.
황사판독방법은 라이다를 통해 관측된 532nm 파장에서의 후방산란광 강도와 1064nm 파장에서의 후방산란광 강도를 통해 산출된 편광소멸도(
Figure 112011104449446-pat00013
) 및 파장신호비(
Figure 112011104449446-pat00014
)를 이용하여 황사를 판독한 것을 기술적 특징으로 한다.
이때, 본 발명에서는 라이다 관측 결과로부터 후방산란광 강도, 편광소멸도, 파장신호비를 사용하는데 이에 대한 설명은 다음과 같다.
(1) 후방산란광 강도 (Attenuated backscatter coefficient)
라이다 관측을 통해 얻게 되는 신호의 강도(S)는 다음의 라이다 방정식을 이용하여 나타낼 수 있다.
Figure 112011104449446-pat00015
여기서 z는 고도를 나타내며, E는 발사된 레이저의 강도, C는 기기의 보정 상수, β는 후방산란계수, T는 레이저의 투과도를 나타낸다.
또한, 아래첨자 m과 p는 각각 공기분자와 에어로졸 입자에 의한 값을 의미한다.
위의 (수학식 1)을 정리하면 아래와 같은 식을 얻을 수 있는데,
Figure 112011104449446-pat00016
여기서 P(z)는 후방산란광 강도 (Attenuated backscatter coefficient)라 한다.
일반적으로 S(z)는 그 강도가 진행 거리의 제곱에 반비례하는 빛의 특성상 고도가 높아짐에 따라 급격하게 감소하며,발사되는 레이저의 강도와 망원경이나 반사경의 투과율 등에 따라 변하는 상대적인 값이기 때문에 이를 표준화한 값인 P(z) 를 라이다 관측 결과로 주로 사용한다.
위의 (수학식 2)에서 후방산란계수(β(z))의 단위 (unit)는 m-1 sr-1로 빛이 단위 거리를 진행할 때 후방으로 단위 입체각 (steradian) 당 산란되는 빛의 비율을 나타내는 값이며 투과도(T(z))는 빛이 어떤 매질을 통과할 때 통과 후와 전의 비를 나타내는 값이다.
따라서 후방산란광 강도(P(z))는 라이다에서 발사된 빛이 z만큼의 거리를 투과한 후, 후방산란 되어 다시 z만큼의 거리를 투과에 관측되는 신호의 강도를 의미한다.
(2) 편광소멸도(Depolarization ratio)
라이다 관측에 사용되는 레이저 광은 주로 가시광선 및 근적외선 영역으로 레이저의 특성상 특정한 방향으로만 진동을 하는 편광(polarized light)이다.
라이다의 송신부에서 대기로 발사되는 레이저는 이러한 편광이지만 에어로졸에 후방산란되어 수신부로 되돌아오는 빛의 일부는 진동방향이 바뀌어 편광이 아닐 수 있다.
레이저의 이러한 특성을 이용하여 에어로졸의 편광소멸도를 측정할 수 있으며 이 값을 통해서 에어로졸의 모양에 대한 정보를 얻을 수 있다.
이론적으로 에어로졸이 완전한 구형일 경우, 에어로졸에 입사된 빛과 산란되어 방출되는 빛의 진동 방향은 동일하다.
그러나 에어로졸 입자의 모양이 불규칙하고 각이 졌을 경우에는 입사된 빛의 일부는 처음과 다른 방향으로 진동하는 빛으로 바뀌어 산란이 일어나게 된다.
이때, 에어로졸 입자의 모양이 구형에서 멀고 불규칙할수록 빛의 진동 방향이 더 많이 변하게 되기 때문에 이러한 특성을 이용하여 에어로졸이 얼마나 구형에 가까운지 알 수 있게 되는 것이다.
그러므로 에어로졸의 편광소멸도를 측정하기 위해서는 수신부에 편광판을 탑재하여 처음 발사한 레이저와 같은 방향으로 진동하는 빛과 수직으로 진동하는 빛을 따로 관측하여야 한다.
일반적으로 사용되는 라이다의 파장인 532nm와 1064nm 중, 1064nm 파장에서는 후방산란 되는 강도가 532nm에 비해 약하기 때문에 보통 532nm에서만 편광소멸도를 측정하게 된다.
에어로졸의 편광소멸도(
Figure 112011104449446-pat00017
)는 다음 식과 같이 정의된다.
Figure 112011104449446-pat00018
여기서
Figure 112011104449446-pat00019
는 라이다에서 측정된 532nm의 후방산란강도 중, 처음 발사된 레이저와 평행한 빛의 강도는 나타내고
Figure 112011104449446-pat00020
는 수직인 빛의 강도를 나타낸다.
위에서 설명한 바와 같이 편광소멸도의 값이 크면 에어로솔 입자의 모양은 비구형으로 불규칙하며 값이 작을수록 입자의 모양은 구형에 가깝다.
일반적으로 황사는 중국 북서부 및 내몽고의 건조지역의 토양에서 기원한 먼지 입자이기 때문에 그 모양이 매우 불규칙적이고 비구형이다.
반면, 중국 동부해안이나 우리나라의 공업지역 및 주거지역에서 발생한 오염물질은 황사 입자에 비해 그 크기가 작고 구형에 가깝다.
이와 같은 황사와 오염물질의 특성을 바탕으로 라이다의 편광소멸도를 이용하여 황사를 판독할 수 있다.
(3) 파장신호비(Color ratio)
라이다에서 발사된 레이저가 대기 중 에어로졸에 의해 산란되는 정도는 레이저의 파장과 에어로졸 입자의 크기에 의해 결정된다.
일반적으로 에어로졸 입자가 파장에 피해 작을 때에는 레일레이 산란을 하며 에어로졸 입자가 파장에 비해 클 때에는 미 산란을 하는 것으로 알려져 있는데, 수백 nm에 해당하는 레이저 파장과 수십 nm에서 수십 μm의 입경을 가지는 에어로졸에서는 미 산란이 우세하게 나타난다.
라이다에서 사용하는 레이저의 파장을 고려해 보면, 먼저 입자의 크기가 작은 수~수백 nm의 입경을 가지는 에어로졸의 경우 532nm 파장의 빛은 입자의 크기와 비슷하여 산란이 잘 일어나지만 1064nm 파장의 빛은 에어로졸 입자에 비해 파장이 크기 때문에 산란이 거의 되지 않고 그대로 통과하는 빛이 많아진다.
반면에 입경의 크기가 수~수십 μm인 비교적 큰 에어로졸은 1064nm 영역의 파장에서도 산란이 잘 일어나기 때문에 이를 이용하여 에어로졸 입자의 크기에 대한 정보를 얻을 수 있다.
라이다에서 사용되는 532 nm와 1064 nm 파장의 레이저가 에어로졸에 의해 후방산란 되는 강도의 비를 나타낸 것을 파장신호비(C; color ratio)라고 하며 다음의 식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112011104449446-pat00021
여기서
Figure 112011104449446-pat00022
와
Figure 112011104449446-pat00023
는 각각 1064nm와 532nm에서의 후방산란광 강도를 나타낸다.
이때,
Figure 112011104449446-pat00024
는
Figure 112011104449446-pat00025
와
Figure 112011104449446-pat00026
의 합으로 나타낼 수 있다.
일반적으로 에어로졸 입자의 크기가 크면 파장신호비가 크게 나타나고 에어로졸 입자의 크기가 작으면 파장신호비는 작게 나타난다.
황사는 보통 다른 에어로졸 입자에 비해 그 크기가 크기 때문에 파장신호비를 황사의 판독에 유용하게 사용 가능하다.
한편, 본 발명에서는 라이다 관측을 통해 황사를 판독하기 위하여 다음과 같은 과정을 수행하는데, 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다.
먼저, 도 1은 라이다의 관측원리를 개략적으로 도시한 도면으로, 라이다(Light Detection and Ranging)는 주로 가시광선 및 근적외선 영역의 레이저를 사용하여 대기의 연직 구조를 관측하는 관측기기이다.
라이다는, 송신부(Transmitter)에서 레이저 광을 생성하고 대기 중으로 발사한다.
발사된 레이저 광은 대기 중의 황사와 같은 에어로졸이나 구름, 공기분자 등에 의해 산란이 일어나게 되며, 그 일부는 후방산란되어 라이다의 수신부(망원경)로 들어오게 된다.
망원경으로 모인 후방산란광은 감지부(Detector)에서 그 강도를 측정하게 되고, 레이저광이 발사된 후 되돌아오기까지의 시간을 측정하여 에어로졸이나 구름, 공기분자 등의 거리를 알 수 있게 되는 것이다.
이때, 편광판(Polarization Beam Splitter)을 사용하여 처음 발사된 레이저와 평행한 성분의 빛과 수직인 성분의 빛을 따로 측정할 수 있으며, 도 1에서는 1064nm와 532nm의 두 파장에서 관측을 수행하되, 532nm 파장은 평행 및 수직성분으로 구분하여 관측하는 상태를 도시하고 있다.
다음으로, 상기한 구성으로 이루어진 라이다를 이용하여 황사판독을 수행하는 일련의 과정에 대하여 첨부된 도 2를 참조하여 살펴보도록 한다.
먼저, 라이다에서 532nm와 1064nm 파장의 레이저를 연직 방향으로 발사하여 후방산란광 강도를 관측하는 측정단계를 수행한다.(S10)
이때, 발사되는 레이저가 편광인 특성을 이용하여 532nm에서의 후방산란광 강도(
Figure 112011104449446-pat00027
)는 처음 발사된 레이저와 파장의 진동 방향이 평행인 성분(
Figure 112011104449446-pat00028
)과 수직인 성분(
Figure 112011104449446-pat00029
)을 나누어 관측을 수행하게 된다.
다음으로, 이렇게 관측된 세 채널, 즉 532nm에서의 레이저와 파장의 진동 방향이 평행인 성분(
Figure 112011104449446-pat00030
) 및 레이저와 파장의 진동 방향이 수직인 성분(
Figure 112011104449446-pat00031
)과 1064 nm의 후방산란광 강도를 이용하여 편광소멸도와 파장신호비를 산출한다.(S20)
편광소멸도(
Figure 112011104449446-pat00032
)는 532nm에서의 레이저와 파장의 진동방향이 수직인 성분(
Figure 112011104449446-pat00033
)과 레이저와 파장의 진동방향이 수직인 평행인 성분(
Figure 112011104449446-pat00034
) 후방산란광 강도의 비로서 에어로졸 입자의 모양이 구형에 가까울수록 0 에 가까운 값을 가지며 비구형 정도가 심해질수록 값이 커진다.
즉, 편광소멸도의 값이 0에 가까울수록 황사가 아니며, 편광소멸도의 값이 커질수록 황사임을 판독할 수 있는 것이다.
이는, 앞서 설명한 바와 같이, 황사 입자의 모양은 매우 불규칙적이고 비구형이기 때문이다.
또한, 파장신호비(C)는 1064nm와 532nm에서의 후방산란광 강도의 비를 나타내는 값으로 에어로졸 입자의 크기가 클수록 큰 값을 갖는다.
이는, 앞서 설명한 바와 같이, 입자의 크기가 크면 산란이 잘 일어나기 때문에 파장신호비가 크게 나타나는데, 황사는 입자가 크므로 산란이 잘 일어나며 파장신호비도 큰 값으로 산출되는 것이다.
다음으로, 상기한 바와 같이, 편광소멸도 및 파장신호비에 대한 산출단계가 이루어진 후에는, 532nm의 후방산란광 강도를 이용하여 구름을 제거하는 단계를 수행한다.(S30)
구름은 에어로졸 층에 비해 매우 높은 후방산란광 강도를 나타내기 때문에 지상 1 km 초과의 고도에서 후방산란광 강도가 높게 나타날 경우 구름으로 판단한다.
이때, 지상 1 km 초과의 고도에서 측정된 구름의 기준 값은 532nm의 후방산란광 강도가 아래와 같은 식을 만족할 경우이다.
Figure 112012031707757-pat00035
이때, m-1sr-1 은 후방산란계수의 단위로서 빛이 단위 거리(m)를 진행할 때 후방으로 단위 입체각(sr:steradian)당 산란되는 빛의 비율을 나타내는 값이다.
즉, 지상 1km 초과의 고도에서 측정된 에어로졸을 모두 구름으로 판독하는 것은 아니며, 상기한 (수학식 5)를 만족할 경우에만 구름으로 판독하는 것이다.
다음으로, 구름을 판독하여 구름을 제거하는 단계가 완료되면, 산출단계에서 산출된 편광소멸도 및 파장신호비의 값을 이용하여 황사를 판독하는 판독단계를 수행한다.(S50)
이때, 일반적으로 황사는 약 6 km 미만의 고도에 존재하고 6 km 초과의 높은 고도까지 상승하더라도 황사의 양이 매우 적기 때문에 본 발명에서는 6 km 미만의 고도에서만 황사 판독을 수행한다.
즉, 본 발명에서는 고도가 6km 초과된 위치에서 측정된 에어로졸은 편광소멸도 및 파장신호비 산출 값에 관계없이 황사가 아닌 에어로졸로 판독하게 된다.
한편, 고도가 6km 미만에서 측정된 에어로졸의 편광소멸도(
Figure 112011104449446-pat00036
)가 0.12 초과이고 파장신호비(C)가 0.4 초과될 경우를 황사로 판독하게 된다.
이때, 고도가 6km 미만이더라도 편광소멸도가 0.12 이하이거나, 파장신호비가 0.4이하인 경우에는 황사가 아닌 에어로졸이나 구름으로 판독하게 된다.
즉, 일반적으로 황사 입자는 다른 에어로졸에 비해 입자의 크기가 크고 비구형이기 때문에 편광소멸도와 파장신호비를 동시에 이용하여 황사의 판독이 가능하다.
상기한 본 발명에 따른 라이다의 편광소멸도와 파장신호비를 이용한 황사판독 방법을 이용하여 황사를 판독한 구체적인 실시예에 대하여 첨부된 도 3을 참조하여 살펴보도록 한다.
도 3은 2011년 4월 29일부터 5월 30일까지의 라이다 관측으로부터 산출된 에어로졸 후방산란광 강도와 편광소멸도, 파장신호비를 나타낸 그림이다.
이 기간 중 5월 1일부터 3일은 기상청에서 PM10 관측으로 판별된 황사 발생일이며 도 3의 라이다 관측결과를 통해서도 이를 판단할 수 있다.
먼저 5월 2일과 3일에 지상 6 km 이상의 고도에 나타나는 신호는 구름으로 판단할 수 있으며 4월 29일부터 5월 1일 새벽까지는 강우가 있었으므로 강우 이후의 기간을 살펴보면 지상 3 km 이하의 고도에서 편광소멸도와 파장신호비가 높게 나타나 황사가 발생하였음을 확인할 수 있다.
기상청의 PM10 관측자료와는 달리 도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이 라이다 관측을 통해서는 황사 층의 연직구조를 파악할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 종래의 에어로졸 소산계수와 편광소멸도를 이용한 황사 판독 방법에서는 5월 2일과 같이 상층에 구름이 존재하는 경우에는 에어로졸 소산계수의 계산이 불가능하기 때문에 황사를 판독할 수 없다는 단점이 있는 것에 비해 본 발명에서는 상층의 구름 존재 유무와는 관계없이 황사 판독이 가능하다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 라이다의 편광소멸도와 파장신호비를 이용한 황사판독 방법은, 황사판독을 위해 산출단계에서 산출된 편광소멸도와 파장신호비는 측정단계에서 얻은 라이다 관측 결과로부터 별다른 자료 재분석 과정 없이 직접 산출이 가능하여 황사판독이 용이한 기술적 특징이 있다.
또한, 황사층 상부에 구름이 있는 경우에도 산출할 수 있기 때문에 기존의 방법들이 판독이 어려운 조건에서도 간단하게 황사의 판독이 가능하다.
즉, 본 발명은 라이다 관측 결과를 이용함으로써 고도별로 황사를 판독하기 때문에 황사의 연직 분포를 파악할 수 있으며 기존의 에어로졸 소산계수와 편광소멸도를 이용한 황사 판독 방법에서는 에어로졸 소산계수를 계산하는 복잡한 과정이 필요했던 것에 비해 측정단계의 초기자료로부터 별다른 처리과정 없이 편광소멸도와 파장신호비를 산출할 수 있기 때문에 보다 간편하게 황사의 판독이 가능하다.
뿐만 아니라, 에어로졸 소산계수는 상층에 구름이 있는 경우 산출이 불가능하였던 것에 비해 편광소멸도와 파장신호비는 구름 하층에서도 산출 가능하기 때문에 흐린 날씨에도 황사를 판독할 수 있다.
덧붙여, 현재 기상청에서는 지상에서 관측한 PM10 자료를 황사 판독에 이용하고 있다.
그러나 이러한 판독 방법은 지상에 도달하는 황사 입자만을 관측하는 것이기 때문에 상층의 황사에 대한 어떤 정보도 얻을 수 없다는 단점이 있다.
상층에 떠 있는 황사 입자는 태양 복사를 흡수 산란하여 복사 수지에 영향을 미칠 뿐 아니라 시정 악화의 원인이 될 수 있으며 비에 씻겨 내려 "황사비"를 일으킬 수 있기 때문에 지상관측뿐만 아니라 황사의 연직구조 파악도 매우 중요하다고 할 수 있다.
본 발명은 지상 관측과 동시에 황사 경보 시스템에 활용 가능하며 이를 통해 황사의 강도나 연직 분포 등을 보다 정확하게 파악할 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대하여 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정은 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (4)

  1. 라이다(Light Detection and Ranging)를 통해 대기중에 532nm 파장의 레이저 광과 1064nm 파장의 레이저를 연직으로 발사하여 그 라이다의 수신부(망원경)로 모여진 후방산란광의 강도 및 레이저 광 복귀시간을 측정하는 측정단계;
    상기 후방산란광의 강도 및 레이저 광 복귀시간을 통해 편광소멸도 및 파장신호비를 산출하는 산출단계;
    상기 편광소멸도 및 파장신호비를 통해 황사발생 여부와 황사의 분포고도 및 강도를 판독하는 판독단계;를 포함하되,
    상기 측정단계에서는, 532nm에서의 후방산란광 강도는 처음 발사된 레이저와 파장의 진동 방향이 평행인 성분(
    Figure 112011104449446-pat00037
    )과, 수직인 성분(
    Figure 112011104449446-pat00038
    )으로 나누어 관측을 하고,
    상기 산출단계에서는, 처음 발사된 레이저 파장의 진동 방향이 평행인 성분(
    Figure 112011104449446-pat00039
    )과, 수직인 성분(
    Figure 112011104449446-pat00040
    )의 비인 편광소멸도(
    Figure 112011104449446-pat00041
    )와, 파장신호비(C)인 1064nm와 532nm에서의 후방산란광의 강도의 비(
    Figure 112011104449446-pat00042
    )를 산출하는 것을 특징으로 하는 라이다의 편광소멸도와 파장신호비를 이용한 황사판독 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 판독단계는,
    상기 산출단계를 통해 산출된 편광소멸도
    Figure 112011104449446-pat00043
    의 값이 0.12 초과이고, 파장신호비(C)의 값이 0.4초과이면 황사로 판독하는 것을 특징으로 하는 라이다의 편광소멸도와 파장신호비를 이용한 황사판독 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 측정단계에서의 측정고도는 6km 미만인 것을 특징으로 하는 라이다의 편광소멸도와 파장신호비를 이용한 황사판독 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중, 어느 한 항에 있어서,
    측정고도(H)가 1km 초과이고, 1km 초과된 고도에서 산출된 레이저 파장의 진동 방향이 평행인 성분(
    Figure 112011104449446-pat00044
    )과, 수직인 성분(
    Figure 112011104449446-pat00045
    )의 합(
    Figure 112011104449446-pat00046
    )이
    Figure 112011104449446-pat00047
    초과이면 구름으로 판독하는 것을 특징으로 하는 라이다의 편광소멸도와 파장신호비를 이용한 황사판독 방법.






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