KR101437410B1 - 태양광흡수분광장치 및 태양광흡수분광장치의 스펙트럼 처리 방법 - Google Patents

태양광흡수분광장치 및 태양광흡수분광장치의 스펙트럼 처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광을 이용한 대기 관측 시 측정 대상물 이외의 물질 또는 과도한 에너지의 입사 등에 의한 관측 스펙트럼의 비정상적인 스펙트럼 노이즈를 효과적으로 제거하여, 측정의 정확도를 향상시킬 수 있도록 하는 태양광흡수분광장치 및 태양광흡수분광장치의 스펙트럼 처리 방법에 관한 것으로,
상기 태양광흡수분광장치는, 입사된 태양광의 분광 간섭광을 형성하는 간섭부; 상기 간섭부에서 형성된 간섭광을 검출하여 전기신호로 변환하여 간섭광 신호를 출력하는 광검출부; 및 상기 광검출부에서 출력된 간섭광 신호를 주파수별로 분할하여 스펙트럼을 생성한 후 스펙트럼 집합을 생성하고, 상기 스펙트럼 집합에서 맑은 날의 스펙트럼과 비교하여 노이즈 또는 왜곡 신호를 포함하는 스펙트럼을 선택적으로 제거하여 맑은 날의 스펙트럼 신호만을 출력하는 신호처리부;를 포함하여 구성되어,
태양광의 스펙트럼 관측 데이터 중 측정 대상물 이외의 물질에 의한 에너지 흡수 또는 수감부의 측정 감도를 초과하는 에너지의 입사 등에 의한 관측 스펙트럼의 비정상적인 스펙트럼 노이즈 및 왜곡을 포함하는 스펙트럼을 효과적으로 선별 제거하여, 태양광을 이용한 대기 관측의 정확도 및 신뢰도를 현저히 향상시키는 효과를 제공한다.

Description

태양광흡수분광장치 및 태양광흡수분광장치의 스펙트럼 처리 방법{SOLAR ABSORPTION FOURIER TRANSFORM SPECTROMETER APPARATUS AND METHOD FOR PROCESSING SPECTRUM THEREOF}
본 발명은 태양광흡수분광 기술을 이용한 대기 관측에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 태양광을 이용한 대기 관측 시 측정 대상물 이외의 물질 또는 과도한 에너지의 입사 등에 의한 관측 스펙트럼의 비정상적인 스펙트럼 노이즈를 효과적으로 제거하여, 측정의 정확도를 향상시킬 수 있도록 하는 태양광흡수분광장치 및 태양광흡수분광장치의 스펙트럼 처리 방법에 관한 것이다.
태양광흡수분광장치(Solar Absorption FTS (Fourier Transform Spectrometer))는 페브리페롯 간섭계, 마이클슨 간섭계 등의 간섭계를 이용하여 대기를 통과한 태양광을 분할한다. 이후, 분할된 간섭무늬를 형성하는 광경로차를 가지도록 재합성하여 간섭무늬를 형성한다. 형성된 간섭무늬는 태양광흡수분광장치의 광검출계를 통해 검출된 후 퓨리에 변환에 의해 주파수별로 분할되어 각각의 주파수별 광세기를 검출하여 스펙트럼 데이터를 수집한다. 그리고 수집된 스펙트럼 데이터에서 특정 주파수 성분의 흡수 여부를 검출하여, 해당 주파수를 흡수하는 물질의 대기 중 분포를 관측할 수 있도록 한다. FTS의 측정 감도의 일 예로는 적외선을 이용하는 경우 현재 16,000 ~ 3,800 cm-1의 스펙트럼 영역에 대하여 0.02 cm-1의 분해능으로 스펙트럼을 측정하는 것을 들 수 있다.
상술한 종래기술의 일예로 대한민국 공개특허공보 10-2000-0015251호에는 "퓨리에 변환 분광기용 마이켈슨 간섭계를 위한 두 장의 평면 거울 쌍을 이용한 광경로자 발생장치" 등을 들 수 있다. 상기 종래기술은 두 장의 평행거울을 사용하여 광 경로차를 얻는 장치로서, 평행거울의 사용 시 거울의 크기가 커지는 단점을 보완하기 위하여 좌우 회전 시 초기 출발 위치를 π/4-θ로 두고 적절한 축의 위치를 최적 직선상에 두는 기술을 개시하고 있다.
그러나 대기 중 물질의 관측을 위해, 태양광에 포함되는 파장별 스펙트럼을 상술한 종래기술의 분광장치를 통해 검출하는 경우, 측정 대상 이외의 물질에 의한 노이즈 및 왜곡을 포함하게 된다. 일 예로, 적외선의 경우 에어로졸, 구름, 안개, 박무, 미세먼지 또는 수감부의 측정 감도를 초과하는 에너지의 입사에 의해 관측 스펙트럼에 노이즈(스펙트럼 포락선에 포함되는 노이즈)가 크게 포함되거나 왜곡(측정되는 스펙트럼의 세기의 음수 또는 임계값을 초과하는 큰 값을 가지는 현상)되어 나타난다.
이를 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 맑은 날에 태양광흡수분광장치를 이용하여 측정한 태양광 중의 파장별 적외선 관측 스펙트럼을 나타내는 도면이고, 도 2는 에어로졸, 구름, 안개, 박무, 미세먼지 또는 수감부의 측정 감도를 초과하는 에너지의 입사에 의해 왜곡된 태양광 중의 파장 별 적외선 관측에서의 비정상적 관측 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 1과 도 2를 비교하면, 왜곡된 적외선 스펙트럼의 경우, 파수별 광세기가 음수를 나타내고 있고, 정상치에 비해 비정상적으로 큰 세기를 나타내는 왜곡된 분포를 갖는다.
도 3은 맑은 날과 에어로졸, 구름, 안개, 박무, 미세먼지 또는 수감부의 측정 감도를 초과하는 에너지의 입사에 의한 왜곡을 포함하는 간섭무늬의 형태를 나타내는 도면이다.
도 3과 같이, 맑은 날에 관측된 간섭무늬(a)는 값의 변동이 거의 없고 일정하게 유지되는 특징을 보인다. 그러나, 구름, 안개, 미세먼지 등의 영향을 받을 경우 관측 값이 큰 폭으로 진동하여 정확한 관측을 수행할 수 없게 한다. 도 3에서 이러한 왜곡은 에어로졸, 구름(b), 안개(c)나 박무(d)에 의한 왜곡된 스펙트럼의 형태로 나타나게 된다. 또한, 각각의 스펙트럼은 특정 파수에서 피크(10)를 형성하게 되며, 이러한 관측값이 분석에 포함되어 분석결과의 정확성 및 신뢰성을 저하시키게 된다.
도 4는 맑은 날의 관측 스펙트럼(e)과, 에어로졸, 구름(b), 안개(c)나 박무(d), 미세먼지 또는 수감부의 측정 감도를 초과하는 에너지의 입사에 의해 노이즈가 포함된 스펙트럼(f)을 나타내는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 맑은 날에 관측된 스펙트럼(e)은 노이즈가 없이 매끄러운 실선의 형태를 나타내는 반면, 구름 등의 영향을 받은 스펙트럼(f)은 톱니 형태의 노이즈를 포함하며 세기 또한 작은 값으로 나타난다.
따라서 태양광흡수분광장치를 이용하여 대기 중에 부유하는 물질을 측정하고자 하는 경우, 정확한 측정을 위해서는 측정대상물 이외의 물질, 일예로 적외선에 의한 CO2 산출의 경우, 구름, 안개, 박무 등에 의한 노이즈 성분을 포함하지 않는 맑은 날에 관측된 스펙트럼을 선별하고, 수감부의 측정 감도를 초과하는 에너지의 입사에 의해 포함된 왜곡된 스펙트럼을 제거하는 필터링 과정을 필요로 한다.
그러나 종래의 태양광흡수분광 기술은 관측된 파장별 스펙트럼에 포함되는 측정 대상물 이외의 물질에 의한 노이즈 또는 왜곡된 관측 결과를 정밀하게 필터링할 수 있는 기술을 제공하지 못하고 있다. 이에 따라, 태양광흡수분광장치에 의한 측정 결과의 분석 결과가 대기 상태를 반영하지 못하게 되어 측정 결과의 정확도 및 신뢰성이 현저히 저하되는 문제점을 가진다.
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 태양광의 스펙트럼(예: 적외선 스펙트럼)을 관측하여 대기 중 부유물을 검출하는 과정에서, 스펙트럼에 포함되는 왜곡 및 노이즈를 제거하는 것에 의해 정확한 측정 결과를 포함하는 스펙트럼을 선별하여 분석함으로써, 태양광을 이용한 대기 관측 측정의 정확도를 향상시킬 수 있도록 하는 태양광흡수분광장치 및 태양광흡수분광장치의 스펙트럼 처리 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양광흡수분광장치는, 입사된 태양광의 분광 간섭광을 형성하는 간섭부;와, 상기 간섭부에서 형성된 간섭광을 검출하여 전기신호로 변환하여 간섭광 신호를 출력하는 광검출부;와, 상기 광검출부에서 출력된 간섭광 신호를 주파수별로 분할하여 스펙트럼을 생성한 후 스펙트럼 집합을 생성하고, 상기 스펙트럼 집합에서 맑은 날의 스펙트럼과 비교하여 노이즈 또는 왜곡 신호를 포함하는 스펙트럼을 선택적으로 제거하여 맑은 날의 스펙트럼 신호만을 출력하는 신호처리부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 스펙트럼은 월 또는 년 등의 특정 주기별로 일별 또는 특정 일별로 1회 이상 측정된 스펙트럼 집합으로 구성된다.
상기 신호처리부는 이산화탄소, 오존, 산화물 등 측정대상 물질에 정해진 흡수 대역을 나타내는 스펙트럼의 세기 분포를 벗어나는 세기를 가지는 스펙트럼을 왜곡 스펙트럼으로서 제거하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 왜곡 스펙트럼은 측정대상 물질별 흡수 파장 범위(밴드)의 평균 에너지가 0 이하이고, 해당 흡수 파장 범위의 중심스펙트럼의 세기가 0 이하인 스펙트럼인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 신호처리부는 상기 왜곡 스펙트럼이 제거된 스펙트럼 집합에서 0 이상의 세기를 가지는 간섭무늬 중 최대값과 최소값의 차가 물질별로 기 설정된 임계값을 초과하지 않는 스펙트럼을 맑은 날 측정 스펙트럼으로 선택하는 신호처리를 더 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 신호처리부는 상기 맑은 날 측정 스펙트럼으로 선택된 스펙트럼에 대하여, 스펙트럼 범위에서 스펙트럼 최대값과 최소값의 차이에 대한, 스펙트럼 범위에서의 파수별 에너지 강도의 평균값의 비(인 신호대 잡음 비(SNR)가 측정 대상 물질별로 기 설정된 임계 값 이상인 스펙트럼들을 노이즈가 제거된 맑은 날 측정 스펙트럼으로 선택하는 신호처리를 더 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양광흡수분광장치의 스펙트럼 처리 방법은, 입사된 태양광에 대한 분광 간섭 무늬를 형성하는 간섭부;와, 상기 간섭광을 검출하여 전기신호로 변환하여 간섭광 신호를 출력하는 광검출부;와, 간섭광 신호를 이용하여 맑은 날 측정 스펙트럼을 추출하는 신호처리부를 포함하는 태양광흡수분광 장치의 스펙트럼 처리 방법에 있어서, 상기 신호처리부가, 특정물질에 정해진 흡수 대역을 나타내는 스펙트럼의 세기 분포를 벗어나는 세기를 가지는 스펙트럼을 왜곡 스펙트럼으로서 제거하는 왜곡 스펙트럼제거과정;과, 상기 왜곡 스펙트럼이 제거된 스펙트럼 집합에서 0 이상의 세기를 가지는 간섭무늬 중 최대값과 최소값의 차 또는 차의 평균값이 물질별로 기 설정된 임계값을 초과하지 않는 스펙트럼을 맑은 날 측정 스펙트럼으로 선택하는 맑은 날 측정 스펙트럼 판별 과정;과, 상기 맑은 날 측정 스펙트럼으로 선택된 스펙트럼에 대하여, 스펙트럼 범위에서 스펙트럼 최대값과 최소값의 차이에 대한, 스펙트럼 범위에서의 파수별 에너지 강도의 평균값의 비인 신호대 잡음 비(SNR)가 측정 대상 물질별로 기 설정된 임계 값 이상인 스펙트럼들을 노이즈가 제거된 맑은 날 측정 스펙트럼으로 선택하는 노이즈제거과정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 왜곡 스펙트럼제거과정은, 측정대상 물질에 정해진 흡수 대역을 나타내는 스펙트럼의 세기 분포를 벗어나는 세기를 가지는 스펙트럼을 왜곡 스펙트럼으로서 제거하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 왜곡 스펙트럼은, 측정대상 물질별 흡수 파장 범위(밴드)의 평균 에너지가 0 이하이고, 중심스펙트럼의 세기가 0 이하인 스펙트럼을 제거하는 것을 특징으로 한다.
상기 맑은 날 측정 스펙트럼 판별 과정은, 상기 왜곡 스펙트럼이 제거된 스펙트럼 집합에서 0 이상의 세기를 가지는 간섭무늬 중 최대값과 최소값의 차가 물질별로 기 설정된 임계값을 초과하지 않는 스펙트럼을 맑은 날 측정 스펙트럼으로 선택하는 신호처리를 더 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 노이즈제거과정은, 상기 맑은 날 측정 스펙트럼으로 선택된 스펙트럼에 대하여, 스펙트럼 범위에서 스펙트럼 최대값과 최소값의 차이에 대한, 스펙트럼 범위에서의 파수별 에너지 강도의 평균값의 비인 신호대 잡음 비(SNR)가 측정 대상 물질별로 기 설정된 임계 값 이상인 스펙트럼들을 노이즈가 제거된 맑은 날 측정 스펙트럼으로 선택하는 신호처리를 더 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 구성에서 상기 노이즈는 스펙트럼의 포락선에 포함되는 불필요 신호 성분이고, 상기 왜곡은 상기 맑은 날의 스펙트럼의 광세기 값의 범위를 벗어나는 스펙트럼으로 정의된다.
그리고 상기 신호처리부는 상기 간섭부 및 광검출부와 일체로 구성되거나, 신호선을 통해 간섭광 신호를 수신한 후 신호처리를 수행할 수 있도록 분리 구성될 수 있다.
상술한 구성을 가지는 본 발명의 태양광흡수분광장치 및 태양광흡수분광장치의 스펙트럼 처리 방법은, 태양광의 스펙트럼 관측 데이터 중 측정 대상물 이외의 물질에 흡수되는 에너지 또는 수감부의 측정 감도를 초과하는 에너지의 입사 등에 의한 비정상적인 스펙트럼 노이즈 및 왜곡을 포함하는 스펙트럼을 효과적으로 선별 제거하여, 태양광을 이용한 대기 관측의 정확도 및 신뢰도를 현저히 향상시키는 효과를 제공한다.
도 1은 맑은 날에 태양광흡수분광장치를 이용하여 측정한 태양광 중의 파장별 적외선 관측 스펙트럼을 나타내는 도면.
도 2는 에어로졸, 구름, 안개, 박무, 미세먼지 또는 수감부의 측정 감도를 초과하는 에너지의 입사에 의해 왜곡된 태양광 중의 파장 별 적외선 관측에서의 비정상적 관측 스펙트럼을 나타내는 도면.
도 3은 맑은 날과 에어로졸, 구름, 안개, 박무, 미세먼지 또는 수감부의 측정 감도를 초과하는 에너지의 입사에 의한 왜곡을 포함하는 간섭무늬의 형태를 나타내는 도면.
도 4는 맑은 날의 관측 스펙트럼(e)과, 에어로졸, 구름(b), 안개(c)나 박무(d), 미세먼지 또는 수감부의 측정 감도를 초과하는 에너지의 입사에 의해 노이즈가 포함된 스펙트럼(f)을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따르는 태양광흡수분광장치(100)의 개략적인 블록 구성도.
도 6은 본 발명의 태양광흡수분광장치의 스펙트럼 신호처리 방법의 처리과정을 나타내는 순서도.
도 7은 도 6의 처리과정 중 왜곡 스펙트럼 제거과정(S100)의 예로 CO2에 대한 스펙트럼 신호 처리 시의 상세 처리과정을 나타내는 순서도(서브루틴도).
도 8은 도 6의 처리과정 중 맑은 날 측정 스펙트럼 판별 과정(S200)을 CO2의 경우에 적용한 신호처리 순서도(서브루틴도).
도 9는 도 9는 도 6의 처리과정 중 노이즈 제거과정(S300)을 CO2 산출에 적용한 상세 처리과정을 나타내는 순서도(서브루틴도).
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따르는 태양광흡수분광장치(100)의 개략적인 블록 구성도이다.
도 5와 같이 상기 태양광흡수분광장치(100)는 간섭부(110), 광검출부(120), 신호처리부(130), 표시부(140), 저장부(150) 등의 일반적인 분광장치의 구성을 가진다. 그러나 신호처리부(130)를 구성함에 있어, 일별로 측정한 태양광 측정 스펙트럼에서 구름, 안개, 에어러졸, 박무, 미세먼지 또는 수감부의 측정 감도를 초과하는 에너지의 입사 등에 의한 노이즈 및 왜곡을 포함하는 스펙트럼을 제거하여, 맑은 날에 측정된 스펙트럼만을 선택하도록 하는 간섭광 신호에 대한 신호처리를 수행하도록 구성되는 점에서 종래 기술과 상이한 구성을 가진다.
상기 태양광흡수분광장치(100)의 각 구성을 더욱 상세히 설명하면, 상기 간섭부(110)는 입사렌즈(미도시), 광분할기(미도시), 반사미러(미도시), 집광렌즈(미도시) 등을 포함하여 구성되어 간섭무늬를 형성하는 마이켈슨 간섭계로 구성되어, 측정 대상 태양광의 파장별 간섭 무늬를 형성하도록 구성된다.
상기 광검출부(120)는 적외선, 가시광선, 자외선 등에 반응하는 촬상소자의 배열로 구성되어, 간섭부(110)에서 생성된 간섭광에 감응하여 전기 신호를 출력하는 것에 의해 간섭광을 전기 신호인 간섭광 신호로 검출하도록 구성된다.
상기 신호처리부(130)는 광검출부(120)에서 생성된 간섭광 신호를 수신한 후 퓨리에 변환에 의해 주파수별로 분할하여 스펙트럼을 생성한다. 그리고 생성된 스펙트럼에서 왜곡 스펙트럼 제거, 맑은 날 측정 스펙트럼 판별, 노이즈 제거 등을 수행하여 전체 측정된 스펙트럼 집합에서 맑은 날에 측정된 스펙트럼만을 추출한다. 즉, 상기 신호처리부(130)는 CO2를 산출하는 경우, 구름, 안개, 박무, 미세먼지, 에어로졸 등의 측정 대상물 이외의 물질, 태양광의 과도 입사에 의해 생성되는 노이즈 및 왜곡이 포함된 스펙트럼들을 제거하거나, 맑은 날 측정 스펙트럼을 추출하는 간섭광 신호에 대한 신호처리를 수행하도록 구성된다. 이때 상기 노이즈는 스펙트럼의 포락선에 포함되는 신호 왜곡이고, 상기 왜곡은 상기 맑은 날의 스펙트럼의 광세기 값의 범위를 벗어나는 스펙트럼으로 정의된다.
상기 신호처리부(130)의 왜곡 스펙트럼 제거는, 이산화탄소, 오존, 산화물 등 산출대상 물질에 정해진 흡수 대역을 나타내는 스펙트럼의 세기 분포를 벗어나는 세기를 가지는 스펙트럼을 왜곡 스펙트럼으로서 제거하는 신호처리에 의해 수행된다. 이때 왜곡 스펙트럼은 측정대상 물질별 흡수 파장 범위(밴드)의 평균 에너지가 0 이하이고, 중심 스펙트럼의 세기가 0 이하인 스펙트럼이 된다. 이는 입사된 광 에너지의 세기기 0 이하가 될 수 없다는 자명한 사실에 근거한다.
상기 신호처리부(130)의 맑은 날 측정 스펙트럼 판별은, 상기 왜곡 스펙트럼이 제거된 스펙트럼 집합에서 0 이상의 세기를 가지는 간섭무늬 중 최대값과 최소값의 차가 물질별로 기 설정된 임계값을 초과하지 않는 스펙트럼만을 추출하는 신호처리에 의해 수행된다.
상기 신호처리부(130)의 스펙트럼에 포함되는 노이즈 제거는, 상기 맑은 날 측정 스펙트럼으로 선택된 스펙트럼에 대하여, 스펙트럼 범위에서 스펙트럼 최대값과 최소값의 차이에 대한, 스펙트럼 범위에서의 파수별 에너지 강도의 평균값의 비(인 신호대 잡음 비(SNR)가 측정 대상 물질별로 기 설정된 임계 값 이상인 스펙트럼들을 노이즈가 제거된 맑은 날 측정 스펙트럼으로 선택하는 신호처리에 의해 수행된다.
상술한 구성의 본 발명에 따르는 태양광흡수분광장치(100)는 간섭부(110), 광검출부(130), 신호처리부(130), 표시부(140), 저장부(150) 등이 일체로 구성되거나, 간섭부(110) 및 광검출부(130)가 간섭계를 이루고, 신호처리부(130) , 표시부(140) 또는 저장부(150)가 일체로 구성되거나 서로 독립적으로 구성되는 등, 본 발명의 신호처리가 수행되는 범위 내에서 다양한 조합으로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명은 원격지에서 태양광을 이용한 대기 관측 자료의 수집 및 분석, 태양광흡수분광장치(100)의 관리 및 제어 등을 위한 관리서버(160)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 태양광흡수분광장치의 스펙트럼 처리방법의 처리과정을 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 태양광흡수분광장치의 스펙트럼 신호처리 방법(이하, '신호 처리 방법'이라 함)의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 6과 같이, 상기 '신호 처리 방법'은 왜곡 스펙트럼 제거과정(S100), 맑은 날 측정 스펙트럼 판별 과정(S200), 노이즈 제거과정(300)을 포함하여 이루어진다.
상기 왜곡 스펙트럼 제거과정(S100)은 월별 또는 년별 등의 특정주기의 매일 또는 특정 일별로 한 번 이상 측정된 스펙트럼 집합에서, 측정된 광세기가 비정상적으로 왜곡된 스펙트럼을 제거하는 과정이다.
종래기술의 도 1 및 도 2에서 설명한 바와 같이, 태양광 중의 적외선을 이용한 CO2 산출의 경우, 도 2의 왜곡된 스펙트럼은 도 1의 에어로졸, 구름, 안개, 박무, 미세먼지 또는 수감부의 측정 감도를 초과하는 에너지의 입사에 영향이 없는 맑은 날 측정된 스펙트럼에 비해 관측된 에너지 강도 값이 음수를 나타내는 특징을 갖는다. 따라서, 왜곡된 스펙트럼의 제거 조건은 스펙트럼 범위에서의 평균 에너지 강도(광세기)의 값이 양수(수학식1)이고, 중심 스펙트럼에서의 에너지 강도 값이 양수(수학식 2)라는 조건을 동시에 만족하는 스펙트럼들을 스펙트럼 집합 하에서 추출하는 것으로 왜곡된 스펙트럼을 제거하게 된다.
[수학식 1]
Figure 112014036301866-pat00001
[수학식 2]
Figure 112014036301866-pat00002
[수학식 1] 및 [수학식 2]에서,
I: 특정 흡수 밴드에 포함된 특정 파수(의 에너지 강도(세기)
Figure 112014036301866-pat00003
: 스펙트럼 중 해당 흡수 밴드(범위)에서의 파수별 에너지 강도(세기)의 평균값
Figure 112014036301866-pat00004
: 중심 주파수에서의 에너지 강도
Figure 112014036301866-pat00005
: 스펙트럼 중 해당 흡수 밴드(범위)의 각각의 파수
S : 스펙트럼 중 해당 흡수 밴드(범위)에 포함된 파수의 총 수
를 나타낸다.
도 7은 도 6의 처리과정 중 왜곡 스펙트럼 제거과정(S100)의 예로 CO2 산출에 대한 스펙트럼 신호 처리 시의 상세 처리과정을 나타내는 순서도(서브루틴도)이다.
대기 중의 CO2 산출을 위해 측정된 스펙트럼집합에 대한 왜곡된 스펙트럼 제거를 위한 신호처리를 설명하면, CO2의 경우 중심 파수 6220.0 cm-1을 갖는 6180~6260 cm-1의 스펙트럼 범위(범위 1, 흡수 밴드 1)와 중심 파수 6339.5 cm-1를 갖는 6297~6382 cm-1의 스펙트럼 범위(범위 2, 흡수 밴드 2)의 2개의 스펙트럼 범위를 가진다.
CO2의 경우에는 수학식 1 및 수학식 2의 각 조건이 각각의 CO2의 스펙트럼 범위 2개에 대하여 적용된다.
즉, 먼저 범위 1의 파수별 에너지 강도의 평균값
Figure 112014036301866-pat00006
이 0 이상인지를 판단하고(S110), 0 이상이면 범위 1의 중심 파수에서의 에너지 강도(광세기)
Figure 112014036301866-pat00007
가 0 이상인지를 판단한다(S120). 또한 범위 2에 대해서도 범위 2의 파수별 에너지 강도의 평균값
Figure 112014036301866-pat00008
가 0 이상인지를 판단하고(S130), 0 이상이면 범위 2의 중심 파수에서의 에너지 강도(광세기)
Figure 112014036301866-pat00009
가 0 이상인지를 판단하여, 모든 조건이 충족되는 스펙트럼들을 구름, 에어로졸, 연무, 미세먼지 등의 영향이 없는 맑은 날에 측정된 CO2 산출을 위한 스펙트럼 집합으로 추출하게 된다.
상기 스펙트럼 범위와 중심 파수는 산출대상 물질에 따라 달라질 수 있다. 즉, 오존, 질소산화물, 황화 산화물 등의 산출 대상물에 따라 각각 관측되어 확정된 스펙트럼 범위 및 중심 파수가 각각의 산출 대상 물질별로 적용된다.
도 6 및 도 7의 왜곡 스펙트럼 제거과정(S110)에 의해 왜곡 스펙트럼들이 제거된 후에 수행되는 도 6의 상기 맑은 날 측정 스펙트럼 판별 과정(S200)은 도 3의 피크(10)의 이전 구간의 데이터를 제거하는 처리를 수행하는 것에 의해 맑은 날 측정된 스펙트럼 데이터만을 추출하는 신호처리를 수행하게 된다.
이를 도 3 및 도 8의 CO2의 경우에서의 맑은 날 측정 스펙트럼 판별 과정(S200)의 신호처리 순서도를 참조하여 설명한다.
도 8은 도 6의 처리과정 중 맑은 날 측정 스펙트럼 판별 과정(S200)을 CO2의 경우에 적용한 신호처리 순서도(서브루틴도)이다.
CO2 산출을 위한 스펙트럼의 경우, 도 3의 광세기(광에너지강도)의 피크(10)는 파수 7650 cm-1 이하에서 항상 발생하기 때문에 처리 과정에서 제외한다. 도 3과 같이 피크(10)의 파수 이상의 파수 영역에서도 맑은 날에 관측된 간섭무늬(a)는 값의 변동이 거의 없고 일정하게 유지되나, 구름, 안개, 미세먼지 등의 영향을 받을 경우 관측 값이 큰 폭으로 진동하여, 이러한 스펙트럼이 분석 데이터에 포함되는 경우 관측의 정확성 및 신뢰성이 더욱 저하된다.
따라서, 도 8의 맑은 날 측정 스펙트럼 판별과정(S200)에서는 도 3의 피크(10)를 나타내는 파수 이상의 영역에서 진동이 심한 스펙트럼을 제거하는 것에 의해 구름, 안개, 미세먼지 등의 영향이 없는 맑은 날 측정 스펙트럼을 추출한다.
이를 구체적으로 설명하면, 먼저, 피크(10, 도3 참조)의 파수 이상의 파수 영역에서 관측된 간섭무늬의 광 세기의 최대값(Max.(I))과 최소값(Min.(In))을 검출한다. 검출된 최대값(Max.(I))을 변수 A로 설정(S210)한 후 A>0 인지를 판단(S220)하여, A가 0보다 큰 스펙트럼들을 추출한다. 그리고, 최소값(Min.(I))을 B로 설정(S230)한 후, A-B가 0.05 이하인 스펙트럼들을 추출(S240)한다. 도 8의 처리과정에서 간섭무늬 광 세기의 최대값과 최대값의 차이에 대한 임계값으로서의 "0.05"는 1년간 측정된 CO2 산출데이터에서 경험적 통계값에 의해 추출한 것으로, 1년간 CO2 산출 시 사용된 맑은 날 측정된 스펙트럼에서의 최대값과 최소값의 평균 값이다. 따라서, 상기 최대값과 최소값의 차이의 평균값으로 정의되는 임계값은 산출대상 물질에 따라 변동될 수 있으며, 분석의 정확도 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 값으로 적용될 수도 있다.
다음으로, 도 6의 노이즈 제거과정(S300)은 맑은 날 측정 스펙트럼으로 선택된 스펙트럼에 대하여, 스펙트럼 범위에서 스펙트럼 최대값과 최소값의 차이(진폭)에 대한, 스펙트럼 범위에서의 파수별 에너지 강도의 평균값(
Figure 112014036301866-pat00010
)의 비인 신호대 잡음 비(SNR)가 측정 대상 물질별로 기 설정된 임계값 이상인 스펙트럼들을 노이즈가 제거된 맑은 날 측정 스펙트럼으로 선택하는 신호처리를 수행한다.
상기 노이즈 제거과정(S300)의 상세 처리과정을 CO2 산출을 예로 들어 설명한다.
도 9는 도 6의 처리과정 중 노이즈 제거과정(S300)을 CO2 산출에 적용한 상세 처리과정을 나타내는 순서도(서브루틴도)이다.
도 6의 맑은 날 측정 스펙트럼 판별 과정(S200)에 의해 맑은 날 측정된 것으로 분류된 스펙트럼들에도 필터링이 이루어지지 않아, 맑은 날의 관측 스펙트럼(e)과 달리 도 4와 같이, 에어로졸, 구름, 안개나 박무에 의한 노이즈가 포함된 스펙트럼(f)이 포함될 수 있다.
따라서, CO2 산출 과정에서는 노이즈가 포함된 스펙트럼(f)을 제거하기 위해, 스펙트럼 범위에서의 파수별 에너지 강도의 평균 값
Figure 112014036301866-pat00011
가 0보다 큰지를 판단한다(S310). 판단 결과
Figure 112014036301866-pat00012
가 0보다 크면 CO2에 대한 맑은 날 측정 스펙트럼으로 선택하여 추출하고, 선택된 스펙트럼에 대하여, 스펙트럼 범위에서 스펙트럼 최대값(Max.(I))과 최소값(Min.(In))의 차이(A: 진폭)를 산출한다(S320). 이 후 산출된 스펙트럼 최대값(Max.(I))과 최소값(Min.(In))의 차이(A: 진폭)가 0보다 큰지를 판단한다. 판단결과 스펙트럼 최대값(Max.(I))과 최소값(Min.(In))의 차이(A: 진폭)가 0보다 크면 스펙트럼 범위에서 스펙트럼 최대값과 최소값의 차이(진폭)에 대한 스펙트럼 범위에서의 파수별 에너지 강도의 평균값(
Figure 112014036301866-pat00013
)의 비인 신호대 잡음 비(SNR(Siganl to Noise Ratio)=
Figure 112014036301866-pat00014
/A)가 임계값 이상인지를 판단(S330)한다. 판단결과 신호대 잡음 비(SNR=
Figure 112014036301866-pat00015
/A)가 임계값보다 크면 맑은 날 측정 스펙트럼으로 추출하고, 임계값 이하의 신호대 잡음비를 가지는 스펙트럼들은 제거하여 관측된 스펙트럼 집합에 포함된 노이즈 성분을 가지는 스펙트럼들을 제거한 후 관측 데이터 분석을 수행한다(S340). 도 9의 경우 신호대 잡음 비의 임계값을 70으로 설정한 것을 예로 도시하였으나, 상기 임계값은 필요 정확도에 따라 70 이상 또는 70 이하의 값으로 가변될 수도 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 월 또는 년 중 등의 특정 기간 동안, 매일 또는 특정 일별로 1회 이상의 측정되는 많은 수의 태양광을 이용한 대기 관측을 위한 스펙트럼 데이터에서 측정대상물 이외의 물질에 의한 스펙트럼의 왜곡 및 노이즈의 포함을 최소화함으로써, 대기 측정 결과의 정확성 및 신뢰성을 현저히 향상시킨다.
100: 태양광 흡수 분광 장치
110: 간섭부 120: 광검출부
130: 신호처리부 140: 표시부
150: 저장부 160: 관리서버

Claims (10)

  1. 입사된 태양광의 분광 간섭광을 형성하는 간섭부;
    상기 간섭부에서 형성된 간섭광을 검출하여 간섭광 신호를 출력하는 광검출부; 및
    상기 광검출부에서 출력된 간섭광 신호를 주파수별로 분할하여 스펙트럼을 생성한 후 스펙트럼 집합을 생성하고, 상기 스펙트럼 집합에서 맑은 날의 스펙트럼과 비교하여 노이즈 또는 왜곡 신호를 포함하는 스펙트럼을 선택적으로 제거하여 맑은 날의 스펙트럼 신호만을 출력하는 신호처리부;를 포함하여 구성되고,
    상기 신호처리부는 측정대상 물질에 정해진 흡수 대역을 나타내는 스펙트럼의 세기 분포를 벗어나는 세기를 가지는 스펙트럼을 왜곡 스펙트럼으로서 제거하도록 구성되며,
    상기 신호처리부는,
    상기 왜곡 스펙트럼이 제거된 스펙트럼 집합에서 0 이상의 세기를 가지는 간섭무늬 중 최대값과 최소값의 차가 물질별로 기 설정된 임계값을 초과하지 않는 스펙트럼을 맑은 날 측정 스펙트럼으로 선택하는 신호처리를 더 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광흡수분광장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 왜곡 스펙트럼은,
    측정대상 물질별 흡수 파장 범위(band)의 평균 에너지가 0 이하이고, 해당 흡수 파장 범위의 중심스펙트럼의 세기가 0 이하인 스펙트럼인 것을 특징으로 하는 태양광흡수분광장치.
  4. 삭제
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 신호처리부는,
    맑은 날 측정 스펙트럼으로 선택된 스펙트럼에 대하여, 스펙트럼 범위에서 스펙트럼 최대값과 최소값의 차이에 대한, 스펙트럼 범위에서의 파수별 에너지 강도의 평균값의 비인 신호대 잡음 비(SNR)가 측정 대상 물질별로 기 설정된 임계 값 이상인 스펙트럼들을 노이즈가 제거된 맑은 날 측정 스펙트럼으로 선택하는 신호처리를 더 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광흡수분광장치.
  6. 입사된 태양광의 분광 간섭광을 형성하는 간섭부; 상기 간섭부에서 형성된 간섭광을 검출하여 간섭광 신호를 출력하는 광검출부; 및 상기 광검출부에서 출력된 간섭광 신호를 이용하여 맑은 날의 스펙트럼 신호만을 출력하는 신호처리부;를 포함하는 태양광흡수분광 장치의 스펙트럼 처리 방법에 있어서,
    상기 신호처리부가,
    특정물질에 정해진 흡수 대역을 나타내는 스펙트럼의 세기 분포를 벗어나는 세기를 가지는 스펙트럼을 왜곡 스펙트럼으로서 제거하는 왜곡 스펙트럼제거과정;
    상기 왜곡 스펙트럼이 제거된 스펙트럼 집합에서 0 이상의 세기를 가지는 간섭무늬 중 최대값과 최소값의 차 또는 차의 평균값이 물질별로 기 설정된 임계값을 초과하지 않는 스펙트럼을 맑은 날 측정 스펙트럼으로 선택하는 맑은 날 측정 스펙트럼 판별 과정; 및
    상기 맑은 날 측정 스펙트럼으로 선택된 스펙트럼에 대하여, 스펙트럼 범위에서 스펙트럼 최대값과 최소값의 차이에 대한, 스펙트럼 범위에서의 파수별 에너지 강도의 평균값의 비인 신호대 잡음 비(SNR)가 측정 대상 물질별로 기 설정된 임계 값 이상인 스펙트럼들을 노이즈가 제거된 맑은 날 측정 스펙트럼으로 선택하는 노이즈 제거과정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양광흡수분광 장치의 스펙트럼 처리 방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 왜곡 스펙트럼제거과정은
    측정대상 물질에 정해진 흡수 대역을 나타내는 스펙트럼의 세기 분포를 벗어나는 세기를 가지는 스펙트럼을 왜곡 스펙트럼으로서 제거하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광흡수분광 장치의 스펙트럼 처리 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 왜곡 스펙트럼은
    측정대상 물질별 흡수 파장 범위(band)의 평균 에너지가 0 이하이고, 중심스펙트럼의 세기가 0 이하인 스펙트럼을 제거하는 것을 특징으로 하는 태양광흡수분광 장치의 스펙트럼 처리 방법.
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 맑은 날 측정 스펙트럼 판별 과정은
    상기 왜곡 스펙트럼이 제거된 스펙트럼 집합에서 0 이상의 세기를 가지는 간섭무늬 중 최대값과 최소값의 차가 물질별로 기 설정된 임계값을 초과하지 않는 스펙트럼을 맑은 날 측정 스펙트럼으로 선택하는 신호처리를 더 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광흡수분광 장치의 스펙트럼 처리 방법.
  10. 청구항 6에 있어서, 상기 노이즈제거과정은,
    상기 맑은 날 측정 스펙트럼으로 선택된 스펙트럼에 대하여, 스펙트럼 범위에서 스펙트럼 최대값과 최소값의 차이에 대한, 스펙트럼 범위에서의 파수별 에너지 강도의 평균값의 비인 신호대 잡음 비(SNR)가 측정 대상 물질별로 기 설정된 임계 값 이상인 스펙트럼들을 노이즈가 제거된 맑은 날 측정 스펙트럼으로 선택하는 신호처리를 더 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광흡수분광 장치의 스펙트럼 처리 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000338038A (ja) 1999-05-28 2000-12-08 Jasco Corp スペクトルデータ処理方法
JP2003247937A (ja) 2002-02-22 2003-09-05 Horiba Ltd 溶液濃度計および濃度測定方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000338038A (ja) 1999-05-28 2000-12-08 Jasco Corp スペクトルデータ処理方法
JP2003247937A (ja) 2002-02-22 2003-09-05 Horiba Ltd 溶液濃度計および濃度測定方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102425545B1 (ko) * 2022-04-14 2022-07-29 대한민국 온실가스 전량 농도 생산 운영 시스템 및 방법

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