KR101479702B1 - Apparatus for analyzing atmosphere - Google Patents

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Abstract

본 발명의 대기 분석 장치는, 대기를 관측한 실측 자료를 입수하고 실측 자료를 분석하여 실측 유니트 자료를 출력하는 실측 유니트와, 대기의 상태를 모의하여 모의 유니트 자료를 출력하는 모의 유니트와, 실측 유니트 자료와 모의 유니트 자료를 비교 연산하고 대기의 분석 자료를 산출하는 산출 유니트를 포함한다.An atmospheric analysis apparatus of the present invention comprises an actual unit which obtains actual measurement data observing the atmosphere and analyzes actual measurement data to output measurement unit data, a simulation unit for outputting simulation unit data simulating the state of the atmosphere, And a calculation unit that compares the data with the simulated unit data and calculates the atmospheric analysis data.

Description

대기 분석 장치 {Apparatus for analyzing atmosphere}Apparatus for analyzing atmosphere [0001]

본 발명은 대기의 각종 구성 물질의 흡수 스펙트럼을 분석하여 지구의 대기를 분석하는 대기 분석 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to an atmospheric analysis apparatus for analyzing the atmosphere of the earth by analyzing absorption spectra of various constituents of the atmosphere.

현재까지의 대기환경의 오염 물질의 감시를 위한 관측으로 지상관측망을 활용한 관측 방법이 주로 수행이 되어 왔다. 지상관측소를 통한 대기환경 오염물질의 감시가 주로 수행이 되어온 이유는 관측소의 설립을 위한 초기 비용이 상대적으로 저렴하고, 관측기기를 직접적으로 관리할 수 있기 때문이다. Observation methods using ground observation network have mainly been carried out to observe pollutants in the atmospheric environment to date. The main reason for the monitoring of pollutants in the atmosphere through ground observation stations is that the initial costs for establishing the observatories are relatively low and the observation equipment can be managed directly.

하지만, 지상관측망은 관측소를 지속적으로 늘리는 데에는 한계가 존재하게 된다. 그리고 이러한 관측소는 국내의 관측 자료만 존재하기 때문에 월경성 오염물질의 발생원, 이동경로의 파악 등에는 많은 한계가 있다.However, there is a limit to the continuous increase of the ground observation network. Since these observational stations have only domestic observational data, there are many limitations on the source of the pollutants and the identification of the movement route.

한국등록특허공보 제10-0785630호 공보에는 적외선 파장의 빛을 분석함으로써, 대기에서 황사의 분포와 농도를 계측하는 방법이 개시되고 있다.
Korean Patent Registration No. 10-0785630 discloses a method of measuring the distribution and concentration of yellow sand in the atmosphere by analyzing light of an infrared wavelength.

한국등록특허공보 제10-0785630호Korean Patent Registration No. 10-0785630

본 발명은 대기의 각종 구성 물질의 흡수 스펙트럼을 분석하여 지구의 대기를 분석하는 대기 분석 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an atmospheric analysis apparatus for analyzing the atmosphere of the earth by analyzing absorption spectra of various constituents of the atmosphere.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not intended to limit the invention to the precise forms disclosed. Other objects, which will be apparent to those skilled in the art, It will be possible.

일 실시예로서, 본 발명의 대기 분석 장치는, 대기를 관측한 실측 자료를 입수하고 실측 자료를 분석하여 실측 유니트 자료를 출력하는 실측 유니트와, 대기의 상태를 모의하여 모의 유니트 자료를 출력하는 모의 유니트와, 실측 유니트 자료와 모의 유니트 자료를 비교 연산하고 대기의 분석 자료를 산출하는 산출 유니트를 포함한다.In one embodiment, the atmospheric analysis apparatus of the present invention includes an actual unit that obtains actual observation data obtained by observing atmospheric conditions, analyzes actual measurement data, and outputs actual measurement unit data and a simulation unit that simulates the state of the atmosphere and outputs simulation unit data And a calculation unit that compares the actual unit data with the simulation unit data and calculates the analysis data of the atmosphere.

일 실시예로서, 본 발명의 대기 분석 장치는, 초분광 스펙트럼 자료를 처리하여 에어로졸 또는 미량 기체의 경사층적분농도를 산출하는 실측 유니트; 화학수송모델 및 복사전달모델을 시뮬레이션하여 대기질량인자를 산출하는 모의 유니트; 를 포함하고, 상기 경사층적분농도를 상기 대기질량인자로 나누어 상기 에어로졸 또는 상기 미량 기체의 연직층적분농도를 산출한다.In one embodiment, the atmospheric analysis apparatus of the present invention comprises: a measurement unit for processing an ultrasonic spectral data to calculate an inclined layer integral concentration of an aerosol or a trace gas; A simulated unit for simulating a chemical transport model and a radiative transfer model to calculate an air mass factor; And dividing the inclined layer integral concentration by the atmospheric mass factor to calculate the vertical layer integral concentration of the aerosol or the trace gas.

일 실시예로서, 본 발명의 대기 분석 장치는, 정지궤도 인공위성의 초분광 센서를 이용하여 초분광 스펙트럼 자료를 획득하고, 상기 초분광 스펙트럼 자료를 차등흡수분광법 또는 복사휘도 피팅법으로 처리하여 대기에 포함된 에어로졸 또는 미량 기체의 농도 또는 분포를 상기 정지궤도 인공위성의 관측 범위에 속하는 각 지역별로 실시간 산출한다.
In one embodiment, the atmospheric analysis apparatus of the present invention acquires ultrasonic spectral data using a geostationary-satellite ultrasonic sensor, processes the ultrasonic spectral data by differential absorption spectroscopy or radiation intensity fitting, The concentration or distribution of the contained aerosol or trace gas is calculated in real time for each region belonging to the observation range of the geostationary satellite.

본 발명에 따르면 정지궤도 인공위성의 초분광 센서를 사용함으로써 광범위 지역에 대해서 실시간으로 고분해능의 스펙트럼 수집이 가능하다.According to the present invention, by using the ultra-spectral sensor of geostationary-satellite, high-resolution spectra can be collected in real time over a wide area.

실시간으로 고분해능의 스펙트럼을 분석함으로써 기존에는 파악할 수 없었던 이산화질소, 이산화황, 포름알데히드와 같은 가스의 농도와 분포를 실시간으로 파악이 가능하다.By analyzing high-resolution spectrum in real time, it is possible to grasp the concentrations and distribution of gases such as nitrogen dioxide, sulfur dioxide, and formaldehyde that can not be grasped in real time.

또한, 월경성 오염물질의 실시간 파악이 가능해짐으로써, 각종 환경재해에 대해서 유동적인 대응이 가능한 정보를 제공할 수 있다.
In addition, by enabling real-time grasping of the viscous pollutants, it is possible to provide information capable of responding flexibly to various environmental disasters.

도 1은 본 발명의 대기 분석 장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실측 유니트를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 모의 유니트를 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 대기 분석 장치가 위성으로부터 자료를 받는 상황를 나타낸 묘사도이다.
도 5는 본 발명의 대기 분석 장치의 프로세스를 나타낸 순서도이다.
1 is a schematic view showing an atmospheric analysis apparatus of the present invention.
2 is a schematic view showing a measurement unit of the present invention.
3 is a schematic view showing a simulation unit of the present invention.
FIG. 4 is a view illustrating a state where the atmospheric analysis apparatus of the present invention receives data from a satellite.
5 is a flowchart showing the process of the atmospheric analysis apparatus of the present invention.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The sizes and shapes of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience. In addition, terms defined in consideration of the configuration and operation of the present invention may be changed according to the intention or custom of the user, the operator. Definitions of these terms should be based on the content of this specification.

도 1은 본 발명의 대기 분석 장치를 나타낸 개략도이다. 도 2는 본 발명의 실측 유니트를 나타낸 개략도이다. 도 3은 본 발명의 모의 유니트를 나타낸 개략도이다. 도 4는 본 발명의 대기 분석 장치가 위성으로부터 자료를 받는 상황를 나타낸 묘사도이다. 도 5는 본 발명의 대기 분석 장치의 프로세스를 나타낸 순서도이다.1 is a schematic view showing an atmospheric analysis apparatus of the present invention. 2 is a schematic view showing a measurement unit of the present invention. 3 is a schematic view showing a simulation unit of the present invention. FIG. 4 is a view illustrating a state where the atmospheric analysis apparatus of the present invention receives data from a satellite. 5 is a flowchart showing the process of the atmospheric analysis apparatus of the present invention.

이하 도 1 내지 도 5를 함께 참조하며 본 발명의 대기 분석 장치의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.Hereinafter, the configuration and operation of the atmospheric analysis apparatus of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1 to FIG.

종래의 지상에 설치된 기후 관측소나 항공기 등을 이용하여 대기 구성 성분을 분석하는 경우에 비하여 환경 위성 탑재체 형태로 이루어진 본 발명의 대기 분석 장치(10)를 활용하는 경우 광범위한 지역에 대한 측정이 가능하고 대륙을 넘어 이동하는 이산화황 또는 황사와 같은 월경성 오염물질의 측정이 가능하다. 월경성 오염물질은 에어로졸을 포함할 수 있으며, 에어로졸은 구름을 제외한 대기 중의 입자상 물질을 총칭한다.Compared with the case of analyzing atmospheric constituents using a conventional weather station or aircraft installed on the ground, it is possible to measure a wide area when using the atmospheric analysis apparatus 10 of the present invention in the form of an environmental satellite payload, Such as sulfur dioxide or yellow sand, moving across the ground. Monolithic pollutants may include aerosols, and aerosols are collectively referred to as atmospheric particulate matter except clouds.

비교 실시예로서, 극궤도 인공 위성은 지상을 기준으로 보았을 때 한 지점에 고정되어 있지 않고 시간별로 지구상의 다른 위치를 통과하는 위성이다. 본 발명과 대비되는 극궤도 위성 형태의 대기 분석 장치(10)는, 원하는 특정 시간에 특정 위치에 고정되는 것이 아니므로 대기 분석시에 시간적, 장소적 자유도가 떨어지는 단점이 있다. 따라서, 황사와 같이 국경을 넘어 이동하는 월경성 환경 오염 물질의 관측이 곤란할 수 있다.As a comparative example, a polar orbiting satellite is a satellite that is not fixed at one point when viewed from the ground, and passes through another position on the earth by time. Since the atmospheric analyzing apparatus 10 of the polar orbital satellite type in contrast to the present invention is not fixed at a specific position at a desired specific time, there is a disadvantage in that time and location freedom is lowered in the atmospheric analysis. Therefore, it may be difficult to observe the environmental pollutants such as sandstorms moving across the border.

이에 비하여 본 발명의 정지궤도 위성 형태로 마련되는 대기 분석 장치(10)는 항상 고정된 위치에 자리잡고 있으므로 특정 지역에 대하여 시간적 제약 없이 대기 분석이 가능하다. 또한, 월경성 오염 물질의 관측이 용이하고, 실시간으로 대기에 포함된 에어로졸, 가스 성분을 정밀하게 측정할 수 있다.On the other hand, since the atmospheric analysis apparatus 10 provided in the geostationary satellite system of the present invention is always located at a fixed position, the atmospheric analysis can be performed for a specific region without time limitation. In addition, it is easy to observe the pollutants and it is possible to precisely measure aerosol and gas components contained in the atmosphere in real time.

정지궤도 인공위성(30)은 인공위성의 주기가 지구의 자전주기와 같은 인공위성이다. 정지궤도상의 물체는 지구의 자전과 같은 각속도로 지구 주위를 돈다. 정지궤도 대기 분석 장치(10)는 고도 3만 5786km의 궤도에서 지구의 특정의 한 지역에 고정되어 위치하게 되고, 따라서 특정의 한 지역을 실시간으로 관측 가능하게 된다.Geostationary orbiting satellites (30) are satellites in which the period of the satellite is the same as the Earth's rotation cycle. An object in geostationary orbit travels around the Earth at the same angular velocity as the Earth's rotation. The geostationary-atmospheric analysis apparatus 10 is fixedly located in a specific region of the earth at an altitude of 37,786 km, and thus a specific region can be observed in real time.

이와 같이 본 발명의 대기 분석 장치(10)는 정지궤도 및 실시간 관측이 가능한 점을 중요한 특징이다. 또한, 태양으로부터 지구의 대기를 통과하여 우주 공간에 위치한 정지궤도 위성에 입사되는 복사량의 변화를 관측함으로써, 대기 성분을 정확하게 측정할 수 있다. 또한, 초분광 센서에 의하여 복사량을 측정하므로 파장별 광 흡수 특성이 다른 여러 종류의 가스 성분에 대하여 정밀하게 분석할 수 있는 장점이 있다.As described above, the atmospheric analysis apparatus 10 of the present invention is important in that geostationary orbit and real-time observation are possible. Also, by observing the change in the amount of radiation incident on the geostationary satellite located in the outer space through the atmosphere of the earth from the sun, the atmospheric component can be accurately measured. In addition, since the amount of radiation is measured by the ultra-spectral sensor, various kinds of gas components having different light absorption characteristics can be accurately analyzed.

이를 위하여 본 발명의 대기 분석 장치(10)는 실측 유니트(100), 모의 유니트(200), 산출 유니트(300)를 포함한다. 실측 유니트(100)는 대기를 관측한 실측 자료를 입수하고 실측 자료를 분석하여 실측 유니트(100) 자료를 출력한다. 모의 유니트(200)는 대기의 상태를 모의(simulation)하여 모의 유니트(200) 자료를 출력한다. 산출 유니트(300)는 실측 유니트(100)에서 출력된 실측 유니트(100) 자료와 모의 유니트(200)에서 출력된 모의 유니트(200) 자료를 비교 연산하고 그 결과를 토대로 대기의 분석 자료를 산출한다.To this end, the atmospheric analysis apparatus 10 of the present invention includes a measurement unit 100, a simulation unit 200, and a calculation unit 300. The measurement unit 100 obtains the actual measurement data observed in the atmosphere and analyzes the actual measurement data to output the measurement unit 100 data. The simulation unit 200 simulates the state of the atmosphere and outputs the data of the simulation unit 200. The calculation unit 300 compares the data of the actual unit 100 outputted from the actual measurement unit 100 with the data of the simulation unit 200 outputted from the simulation unit 200 and calculates analysis data of the atmosphere based on the result .

본 발명의 대기 분석 장치(10)는 환경 위성 탑재체(payload)의 형태로 구현될 수 있다. 일 실시예로서, 본 발명의 대기 분석 장치(10)를 구성하는 실측 유니트(100), 모의 유니트(200), 산출 유니트(300)가 환경 위성 탑재체에 모두 장착될 수 있다. 다른 일 실시예로서, 실측 유니트(100)만 환경 위성 탑재체에 탑재되어 우주 공간에서 지구의 태양광 복사량을 측정하고, 모의 유니트(200) 또는 산출 유니트(300)는 지상에 위치한 위성 관측소에 장착될 수 있다. 그 밖의 다양한 실시예로서, 실측 유니트(100), 모의 유니트(200), 산출 유니트(300)는 환경 위성 탑재체, 지상의 위성 관측소, 원격 장소에 있는 자료 처리 장소 등 다양한 위치에 분산 배치될 수 있다.The atmospheric analysis apparatus 10 of the present invention can be implemented in the form of an environmental satellite payload. The actual measurement unit 100, the simulation unit 200, and the calculation unit 300 constituting the atmospheric analysis apparatus 10 of the present invention may be all mounted on the environmental satellite payload. In another embodiment, only the measurement unit 100 is mounted on the environmental satellite payload and measures the amount of solar radiation of the earth in the space, and the simulation unit 200 or the calculation unit 300 can be mounted on a ground station have. In various other embodiments, the measurement unit 100, the simulation unit 200, and the calculation unit 300 may be distributed at various locations such as an environmental satellite payload, a satellite observation station on the ground, and a data processing site in a remote place .

일 실시예로서, 실측 유니트(100)는 센서부(110)와, 광 연산부(130)를 포함한다. 센서부(110) 및 광 연산부(130)는 하나의 모듈 또는 분리된 모듈로 마련될 수 있다. 센서부(110)는 태양으로부터 대기를 통과하여 정지궤도 인공위성(30)으로 입수된 태양광을 관측하여 초분광 스펙트럼 자료를 출력한다. 광 연산부(130)는 센서부(110)에서 출력된 초분광 스펙트럼 자료를 입수하고 대기에 포함된 기체의 종류별 경사층적분농도를 산출한다. In one embodiment, the measurement unit 100 includes a sensor unit 110 and an optical operation unit 130. The sensor unit 110 and the optical operation unit 130 may be provided as one module or a separate module. The sensor unit 110 observes the sunlight received from the sun through the atmosphere to the geostationary orbiting satellite 30 and outputs ultrasound spectral data. The photolithography unit 130 obtains the spectroscopic spectral data output from the sensor unit 110 and calculates the inclination layer integral density for each type of gas contained in the atmosphere.

일 실시예로서, 센서부(110)는 초분광 센서를 포함하며, 정지궤도 인공위성(30)에 광학 장치로서 탑재된다.In one embodiment, the sensor section 110 comprises an ultra-spectral sensor and is mounted as an optical device in the geostationary satellite 30.

일반적인 분광 센서는 광을 제한된 수의 파장대별로 분광시키고 특정 파장대에 대한 광 강도 변화를 감지한다. 특정 물질은 특정 파장대에 대한 광흡수 특성을 가지므로 분광 센서에서 감지한 특정 파장대의 광 강도 변화를 분석하면 특정 물질의 양을 측정할 수 있다. 일반적인 분광 센서 중 하나인 다중분광(mul-channel) 센서는 주로 10여 개 미만의 한정된 파장수를 이용하여 대상물질을 산출하므로 대기 중 다양한 기체를 원격측정하는데 있어 한계가 있다.A typical spectroscope senses light at a limited number of wavelengths and senses changes in light intensity for a particular wavelength band. Since a specific substance has a light absorption characteristic for a specific wavelength band, the amount of a specific substance can be measured by analyzing a change in light intensity of a specific wavelength band sensed by the spectroscopic sensor. A mul-channel sensor, one of the conventional spectroscopic sensors, has a limitation in the remote measurement of various gases in the atmosphere because it mainly uses the limited number of wavelengths of less than 10 to calculate the target substance.

본 발명의 초분광 센서(Hyperspectroscopy sensor)는 기존의 분광 센서보다 스펙트럼 분해능이 높으며, 예를 들어 다중분광(multispectral) 센서보다 파장폭이 좁고 연속적으로 많은 분광밴드의 스펙트럼에 대해서 복사량 분석 자료를 수집할 수 있다. 따라서, 특정 시간에 입수한 복사량 데이터로부터 대기의 혼합 가스를 구성하는 각각의 가스별 농도를 동시에 분석할 수 있다. 본 발명의 초분광 센서를 통하여 수집된 초분광 스펙트럼 자료는 대기 분석 정확도 측면에서 기존의 분광 센서보다 더욱 정밀한 장점이 있다.The hyperspectroscopic sensor of the present invention has a higher spectral resolution than conventional spectroscopic sensors. For example, the hyperspectroscopic sensor is capable of collecting radiation analysis data for a spectral band having a narrower wavelength width and a continuous spectrum band than a multispectral sensor . Therefore, it is possible to simultaneously analyze the concentration of each gas constituting the atmospheric mixed gas from the radiation amount data obtained at a specific time. The ultrasound spectral data collected through the ultra-spectral sensor of the present invention is more accurate than conventional spectral sensors in terms of accuracy of atmospheric analysis.

만약, 초분광 센서를 극궤도 위성에 장착하면, 초분광 센서의 고분해능 특성을 이용하여 대기에 포함된 각 가스별 농도 또는 에어로졸 측정이 가능하지만, 극궤도 위성의 위치가 이동되므로 지구상의 특정 위치에 대한 실시간 대기 분석이 불가능하다. 이에 비하여 본 발명의 센서부(110)는 정지궤도 인공위성(30)에 장착된 초분광 센서를 포함한다. 따라서, 초분광 센서의 고분해능 가스 분석 특성과 정지궤도 인공위성(30)의 실시간 측정 특성을 아울러 갖는다. If a supersonic spectral sensor is mounted on a polar orbit satellite, it is possible to measure the concentration or aerosol concentration of each gas contained in the atmosphere by using the high resolution characteristic of the ultra-spectral sensor. However, since the position of the polar orbiting satellite is moved, Real-time waiting analysis is impossible. In contrast, the sensor unit 110 of the present invention includes an ultra-spectral sensor mounted on the geostationary satellite 30. Therefore, it has a high-resolution gas analysis characteristic of the ultra-spectral sensor and a real-time measurement characteristic of the geostationary satellite 30.

한편, 극궤도 인공위성의 경우 초분광 센서를 탑재하더라도 정해진 광 분석 정확도를 확보할 수 있지만, 정지궤도 인공위성(30)의 경우에는 극궤도 인공위성 경우보다 더 높은 상공에 위치하기 때문에 초분광 센서의 광 분석 정확도를 확보하기 어렵다. 본 발명에서는 정지궤도 인공위성(30)용으로 충분한 해상도 및 정밀도를 갖는 초분광 센서를 구비한다. 초분광 센서의 정지궤도 채용에 따라, 에어로졸, 오존(O3)의 측정은 물론, 기존에 실시간으로 관측이 불가능한 대기 구성 물질인 이산화질소(NO2), 이산화황(SO2), 포름알데히드(HCHO) 등의 농도와 분포에 대해서 실시간 산출이 가능하다.On the other hand, in the case of a polar orbiting satellite, a predetermined optical analysis accuracy can be ensured even if an ultrasonic sensor is mounted. However, in the case of the geostationary orbiting satellite 30, since it is located in a higher region than the case of a polar orbiting satellite, It is difficult to ensure accuracy. In the present invention, there is provided an ultra-spectral sensor having sufficient resolution and accuracy for the geostationary-satellite (30). According to the second employing geostationary of the spectroscopic sensor, the aerosol, the ozone (O 3) of the measurement, as well as air observation is not possible with the existing real-time constituents of nitrogen dioxide (NO 2), sulfur dioxide (SO 2), formaldehyde (HCHO) Etc. can be calculated in real time.

본 발명의 대기 분석 장치(10)는 정지궤도 인공위성(30)에 초분광 센서를 채용함에 따라, 에어로졸, 오존(O3)의 실시간 분석이 가능함은 물론, 기존에 실시간 측정이 불가능하였던 이산화질소(NO2), 이산화황(SO2), 포름알데히드(HCHO)를 포함한 다양한 기체의 농도와 분포에 대하여 실시간 산출이 가능하다.The atmospheric analysis apparatus 10 according to the present invention employs an ultra-spectral sensor in the geosynchronous artificial satellite 30 to perform real-time analysis of aerosol and ozone (O 3 ), as well as real time analysis of nitrogen dioxide 2 ), sulfur dioxide (SO 2 ), and formaldehyde (HCHO).

일 실시예로서, 센서부(110)는 적어도 한 시간 이하의 주기로 초분광 스펙트럼 자료를 출력하여 광 연산부(130)에 제공한다. 센서부(110)는 실시간 측정을 위하여 한 시간마다 초분광 스펙트럼 자료를 수집하거나, 혹은 더 높은 시간 분해능을 위하여 예를 들면 수분 ~ 수십분 주기로 초분광 스펙트럽 자료를 수집한다.In one embodiment, the sensor unit 110 outputs the ultrasound spectral data at intervals of at least one hour and provides the ultrasound spectral data to the optical calculator 130. The sensor unit 110 collects spectroscopic spectroscopic data every hour for real-time measurement, or ultra-spectroscopic spectroscopic data for several minutes, for example, for a higher time resolution.

센서부(110)에서 출력되는 초분광 스펙트럼 자료의 파장 영역은 자외 내지 가시광 영역이며, 이에 따라 주요 환경 가스오염 물질인 이산화질소, 이산화황, 오존, 포름알데히드 각각의 분석이 가능하다.The wavelength range of the ultrasound spectral data output from the sensor unit 110 is an ultraviolet to visible region, and thus it is possible to analyze nitrogen dioxide, sulfur dioxide, ozone, and formaldehyde, which are major environmental gas contaminants.

대기 분석 장치(10)는 자외 및 가시영역 초분광 센서를 포함하는 정지궤도위성 탑재체로 측정된 복사휘도를 이용하여 에어로졸, 주요 환경 가스오염 물질인 이산화질소, 이산화황, 오존과 포름알데히드의 대기 연직층적분농도(VCD : Vertical Column Density)를 측정한다.The atmospheric analysis apparatus 10 utilizes the radiance measured with the geostationary satellite payload including the ultraviolet and visible ultrasound spectral sensors to determine the aerosol, the major environmental gas contaminants nitrogen dioxide, sulfur dioxide, atmospheric vertical layer integrals of ozone and formaldehyde Measure the concentration (VCD: Vertical Column Density).

그러나, 인공위성에 탑재된 초분광 센서의 관측 광경로가 지면에 수직하지 않기 때문에, 초분광 스펙트럼 자료를 차등흡수분광법 또는 복사휘도 피팅법으로 처리하면 경사층적분농도(SCD : Slant Column Density)가 산출된다. 실측 자료값인 경사층적분농도로부터 연직층적분농도를 구하기 위해서는 대기질량인자(AMF : Air Mass Factor)가 필요하다. 대기질량인자는 경사층적분농도를 연직층적분농도로 나눈 값을 의미한다.However, since the observation path of the ultrasound sensor mounted on the satellite is not perpendicular to the ground surface, when the ultrasound spectral data is processed by the differential absorption spectroscopy or radiation intensity fitting method, the Slant Column Density (SCD) do. The air mass factor (AMF) is required to obtain the vertical layer integral concentration from the measured slope layer integral. The atmospheric mass factor is the value obtained by dividing the slope layer integral density by the vertical layer integral density.

대기질량인자(AMF : Air Mass Factor)의 산출법은 다음과 같다. 배출량자료를 화학수송모델(CTM : Chemical Transfer Model)에 입력한다. 그리고, 화학수송모델에서 모의를 거쳐 산출되는 대상 기체들의 연직 분포, 및 위성 관측시의 기하학적 정보를 복사전달모델(RTM : Radiative Transfer Model)에 입력한다. 상기 입력값들을 기반으로 복사전달모델에서 모의를 거쳐 연직층적분농도와 경사층적분농도의 비를 나타내는 대기질량인자가 산출된다.The calculation method of the air mass factor (AMF) is as follows. Enter the emission data into the Chemical Transfer Model (CTM). Then, the vertical distribution of the target gases calculated through simulation in the chemical transport model and the geometric information at the time of satellite observation are inputted into the Radiative Transfer Model (RTM). Based on the input values, an atmospheric mass factor representing a ratio of the vertical layer integration concentration to the inclined layer integration concentration is calculated through simulation in the radiation transfer model.

실측 데이터값인 경사층적분농도에 모의된 자료값인 대기질량인자를 나누어 주어 최종 결과 값인 연직층적분농도를 산출한다.
The vertical mass integral value, which is the end result, is calculated by dividing the air mass factor, which is a simulated data value, into the slope layer integral density, which is the actual data value.

일 실시예로서, 실측 유니트(100)는 에어로졸 또는 미량 기체의 경사층적분농도를 실측 유니트(100) 자료로서 출력한다. 경사층적분농도는 다음과 같이 구해진다.In one embodiment, the measurement unit 100 outputs the inclined layer integral concentration of the aerosol or the trace gas as the measurement unit 100 data. The slope layer integral concentration is obtained as follows.

자외 및 가시영역에서 초분광센서로 한 시간마다 혹은 더 높은 시간 분해능으로 측정된 초분광 스펙트럼 자료를 차등흡수분광법(DOAS:Differential Optical absorption spectroscopy) 혹은 복사휘도 피팅법으로 분석하여 해당 위성 측정 각도에 대응되는 미량 기체의 경사층적분농도를 구한다.
Ultrasound spectrum data measured with ultrasound spectroscopy at every hour or higher time resolution in ultraviolet and visible regions are analyzed by Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) or radiance fitting method to correspond to the corresponding satellite measurement angle The integral of the slope layer of the trace gas is obtained.

일 실시예로서, 모의 유니트(200)는 대기질량인자를 모의 유니트(200) 자료로서 출력한다. 대기질량인자는 다음과 같이 구해진다.In one embodiment, the simulation unit 200 outputs an air mass factor as a simulation unit 200 data. The air mass factor is obtained as follows.

배출량자료가 화학수송모델에 입력되면, 화학수송모델은 배출량자료를 토대로 미량 기체 또는 에어로솔의 연직 분포 정보를 모의 값으로 출력한다. 연직 분포 정보는 한 시간마다 혹은 더 높은 시간 분해능으로 계산된다. 위성 관측 조건부(270)는 위성 관측 기하학적 자료를 복사전달모델에 입력한다. 위성 관측 기하학적 자료는 초분광 센서가 지표면의 대상지점을 보는 각도 및 방위각, 태양의 위치, 지표면 반사도 중 적어도 하나를 포함한다. 화학수송모델에서 모의된 연직 분포 정보 및 위성 관측 조건부(270)에서 제공된 위성 관측 기하학적 자료가 복사전달모델에 함께 입력되면, 복사전달모델은 대기질량인자를 출력한다.When the emission data is entered into the chemical transport model, the chemical transport model outputs the vertical distribution information of the trace gas or aerosol as a simulation value based on the emission data. Vertical distribution information is calculated every hour or with a higher time resolution. The satellite observation condition part 270 inputs the satellite observation geometric data to the radiative transfer model. The satellite observation geometry data includes at least one of an angle and an azimuth angle of the supersonic spectroscopic sensor to a target point on the ground surface, a position of the sun, and a surface reflectance. If the simulated vertical distribution information in the chemical transport model and the satellite observation geometric data provided in the satellite observation condition 270 are input together in the radiation transfer model, the radiation transfer model outputs the air mass factor.

실측 유니트(100)의 피측정 대상물인 미량 기체는 이산화질소, 이산화황, 포름알데히드, 오존과 같이 초분광 스펙트럼 자료를 통하여 실측하고자 하는 기체를 말한다. 모의 유니트(200)의 시뮬레이션 대상물인 미량 기체는 실측 유니트(100)의 자료 동화를 위하여 필요한 모의 연직 분포값이 산출되는 대기 중 기체를 말하며, 이산화질소, 이산화황, 포름알데히드, 오존을 포함하고, 그 밖에 일반적으로 1ppm이하의 농도로 대기에 존재하는 가스를 포함할 수 있다.The trace gas, which is the measurement target of the measurement unit 100, refers to a gas to be measured through ultrasound spectral data such as nitrogen dioxide, sulfur dioxide, formaldehyde, and ozone. The trace gas as a simulation object of the simulation unit 200 refers to an atmospheric gas in which a simulation vertical distribution value required for data acquisition of the measurement unit 100 is calculated and includes nitrogen dioxide, sulfur dioxide, formaldehyde, and ozone. Generally, it may contain a gas present in the atmosphere at a concentration of 1 ppm or less.

일 실시예로서, 모의 유니트(200)는 제공부(210)와, CTM 모의부(230)와, 위성 관측 조건부(270)와, RTM 모의부(250)를 포함한다. In one embodiment, the simulation unit 200 includes a feeder 210, a CTM simulation unit 230, a satellite observation condition unit 270, and an RTM simulation unit 250.

제공부(210)는 대기로 방출되는 기체의 종류별 배출량자료를 출력한다. 제공부(210)는 방출 인자와 활동 비율을 입력받고 배출량자료를 출력하며, 배출량자료는 CTM 모의부(230)로 전달된다. 방출 인자는 각 기체의 배출원인이 되는 정보이고, 활동 비율은 각 배출원인의 배출 강도를 나타낸다.The supply unit 210 outputs the discharge amount data for each type of gas discharged into the atmosphere. The controller 210 receives the emission factor and the activity ratio, outputs the emission data, and the emission data is transmitted to the CTM simulation unit 230. The release factor is the information that causes each gas to be released, and the activity rate represents the emission intensity of each source.

CTM 모의부(230)는 실시간 대기 분석에 필요한 모의 자료를 생산하기 위하여 적어도 한 시간 이하의 주기로 각 기체의 연직 분포를 출력하는 화학수송모델을 시뮬레이션한다. 화학수송모델은 배출량자료를 입력받아 대기에 포함된 기체의 연직 분포에 대한 정보를 출력한다. The CTM simulation unit 230 simulates a chemical transport model that outputs a vertical distribution of each gas at a period of at least one hour to produce simulation data required for real-time atmospheric analysis. The chemical transport model receives the emission data and outputs information about the vertical distribution of the gases contained in the atmosphere.

위성 관측 조건부(270)는 인공위성 관측시 위성 관측 기하학적 자료를 제공하여 복사전달모델에 제공한다. RTM 모의부(250)는 실시간 대기 분석에 필요한 모의 자료를 생산하기 위하여 적어도 한 시간 이하의 주기로 대기질량인자를 출력하는 복사전달모델을 시뮬레이션한다. 복사전달모델은 대기질량인자를 출력하여 산출 유니트(300)에 제공한다.
The satellite observing condition part 270 provides satellite observation geometric data for satellite observation and provides it to the radiative transfer model. The RTM simulator 250 simulates a radiative transfer model that outputs an air mass factor at a frequency of at least one hour to produce simulation data necessary for real-time atmospheric analysis. The radiative transfer model outputs the air mass factor and provides it to the calculation unit 300.

일 실시예로서, 산출 유니트(300)는 실측 유니트(100)로부터 경사층적분농도를 입력받고, 모의 유니트(200)로부터 대기질량인자를 입력받으며, 경사층적분농도를 대기질량인자로 나누어 연직층적분농도를 산출한다.In one embodiment, the calculation unit 300 receives the gradient layer integral density from the measurement unit 100, receives the atmospheric mass factor from the simulation unit 200, divides the gradient layer integral concentration by the atmospheric mass factor, The integral concentration is calculated.

차등흡수분광법 혹은 복사휘도 피팅법으로 산출된 미량기체의 경사층적분농도를 한 시간마다 혹은 더 높은 시간 분해능으로 계산된 대기질량인자로 나누면, 한 시간마다 혹은 더 높은 시간 분해능으로 각 기체의 연직층적분농도가 산출된다.
By dividing the slope layer integral concentration of the trace gas calculated by differential absorption spectroscopy or radiant luminance fitting method by the air mass factor calculated in hourly or higher time resolution, it is possible to obtain, by hour or with a higher time resolution, The integral concentration is calculated.

본 발명에서는 정지궤도 인공위성(30)의 관측 자료를 이용하여 대기의 에어로졸 또는 가스 농도와 분포를 파악하기 위한 수단으로, 차등흡수분광법, 배출량자료, 화학수송모델, 복사전달모델, 가스층적분농도가 필요하다. 이들 각각에 대해서 순차적으로 설명한다.In the present invention, differential absorption spectroscopy, emission data, chemical transport model, radiative transfer model, and gas layer integral concentration are required as means for observing atmospheric aerosol or gas concentration and distribution using observation data of geostationary orbital satellite 30 Do. Each of these will be described sequentially.

이하 차등흡수분광법에 대하여 설명한다.Hereinafter, the differential absorption spectroscopy will be described.

차등흡수분광법은 관측된 초분광 스펙트럼 자료를 분석하여 대기 중의 에어로졸 또는 각종 기체에 대한 경사층적분농도를 산출한다.Differential absorption spectroscopy analyzes the observed ultrasound spectral data to calculate the slope layer integral concentration for atmospheric aerosols or gases.

차등흡수분광법은 지구의 대기를 투과한 태양 직달광 뿐만 아니라 대기에서 산란되거나 지구 표면으로부터 반사된 태양광의 측정값으로부터 대기의 가스량과 종류를 분석하는데 사용된다.Differential absorption spectroscopy is used to analyze the amount and type of atmospheric gas from measurements of sunlight transmitted through the Earth's atmosphere as well as sunlight scattered from the atmosphere or reflected from the Earth's surface.

차등흡수분광법은 지구의 대기를 통과하기 전의 태양광의 세기인 E 0 와, 지구의 대기를 통과한 후의 태양광의 세기인 E 사이의 관계를 이용하여 계산된다. 관계식은 다음과 같다.
Differential absorption spectroscopy is calculated using a relationship between the aspect of light intensity E 0 prior to passing through the Earth's atmosphere, the solar intensity E after passing through the Earth's atmosphere. The relationship is as follows.

Figure 112013013789545-pat00001
식 (1)
Figure 112013013789545-pat00001
Equation (1)

태양광은 대기를 통과하면서 그 세기가 지수함수적으로 감소하며, 지수함수에서 지수의 크기는 태양광이 대기를 통과하면서 감쇠하는 정도를 의미한다. λ는 태양광의 파장을 의미한다. t s (λ)는 경사광학두께(Slant Optical thickness)를 의미한다. 경사광학두께는 지면과 수직하지 않은 기하 상태의 광경로에서 대기를 통과한 태양광의 광학 두께를 의미한다. 경사광학두께는 다음과 같다.
As the sunlight passes through the atmosphere, its intensity decreases exponentially. The magnitude of the exponent in the exponential function means the degree of attenuation of the sunlight as it passes through the atmosphere. λ means the wavelength of sunlight. t s (λ) denotes the Slant optical thickness. The tilted optical thickness is the optical thickness of sunlight passing through the atmosphere in an optical path in a geometric state that is not perpendicular to the ground. The inclined optical thickness is as follows.

Figure 112013013789545-pat00002
식(2)
Figure 112013013789545-pat00002
Equation (2)

e λ (l)는 해당 태양광의 파장 λ에서 대기의 흡광계수(Extinction coefficient)를 의미한다. dl은 광경로에 대한 길이에 대한 미분 요소이다. 대기를 통과 하기전의 태양광의 위치 l 1 으로부터 대기를 통과한 후의 태양광의 관측위치 l 2 까지 적분이 수행된다. 식(2)는 태양광의 파장뿐만 아니라 태양의 천정각 모두에 관련되는 식이다. 경사광학두께와 달리 연직광학두께 τ(λ)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
e λ (1) means the extinction coefficient of the atmosphere at the wavelength λ of the sunlight. dl is the derivative of the length for the light path. The integration is performed from the position l 1 of the sunlight before passing through the atmosphere to the observed position l 2 of the sunlight after passing through the atmosphere. Equation (2) relates to both the sun's azimuth angle as well as the sun's wavelength. Unlike the oblique optical thickness, the vertical optical thickness τ (λ) can be expressed as:

Figure 112013013789545-pat00003
식(3)
Figure 112013013789545-pat00003
Equation (3)

dz는 지면과 연직한 축의 길이요소이며, H는 대기의 최상층의 높이를 의미한다. 연직광학두께는 지면에서 관측지점의 연장선이 수직인 광경로에 대한 광학두께를 의미한다. dz is the length factor of the ground and the vertical axis, and H is the height of the top layer of the atmosphere. The vertical optical thickness means the optical thickness for the optical path where the extension line of the observation point on the ground is vertical.

경사광학두께를 두가지 의미의 항으로 분리하여 다음의 식(4)와 같이 전개할 수 있다. 스펙트럼 창(Spectral window)은 투과율이 낮은 영역으로 둘러싸여 상대적으로 높은 투과율을 나타내는 파장 영역을 의미한다. 관측 파장범위 내에서, 스펙트럼 창을 포함하는 파장의 빛이 대기를 투과했을 때의 세기가 가정된다. 스펙트럼 창의 빛이 특정 대기 가스의 종류에 따라 흡수되는 정도를 가정할 수 있다면, 경사광학두께는 가스로 인한 광 흡수의 결과와 레일리 산란(Rayleigh scattering)과 에어로솔 흡광에 대한 결과에 대한 두가지 항으로 분리할 수 있다.
The slope optic thickness can be divided into terms of two meanings and developed as the following equation (4). The spectral window means a wavelength region surrounded by a low transmittance region and exhibiting a relatively high transmittance. Within the observation wavelength range, the intensity at which light of a wavelength including the spectral window is transmitted through the atmosphere is assumed. If we can assume the extent to which the light in the spectral window is absorbed by a particular atmospheric gas species, the tilted optical thickness can be divided into two terms: the result of light absorption by gas and the result of Rayleigh scattering and aerosol absorption can do.

Figure 112013013789545-pat00004
식(4)
Figure 112013013789545-pat00004
Equation (4)

t g (λ)는 가스로 인한 광 흡수의 결과에 대한 항이다. t c (λ)는 레일리 산란과 에어로솔 흡광에 인한 결과에 대한 항이다. 대기에 구름이 없이 맑은 상태이면 가스 종류에 따른 광흡수에 관련된 항인 t g (λ)는 다음과 같이 전개할 수 있다.
t g (λ) is the term for the result of light absorption due to the gas. t c (λ) is the term for the results due to Rayleigh scattering and aerosol absorption. If the atmosphere is clear without clouds, the t g (λ) which is related to the absorption of light according to the gas type can be developed as follows.

Figure 112013013789545-pat00005
식(5)
Figure 112013013789545-pat00005
Equation (5)

σ λ (l)은 흡수단면적(Absorption cross section : cm2/molec)을 의미한다. n(l)은 흡수하는 가스의 숫자 밀도(number density of absorbing species : molec/cm3)를 의미한다. σ λ (1) means the absorption cross section (cm 2 / mole). n (1) means the number density of the absorbing gas (mole / cm 3 ).

태양광의 세기에 관한 식(1)에서 양변에 로그를 취해주고 식(4)와 식(5)를 대입하면 Beer-Lambert 법칙은 다음과 같이 재전개할 수 있다.
The logarithm of both sides of equation (1) and the equations (4) and (5) are used to reconstruct the Beer-Lambert law as follows.

Figure 112013013789545-pat00006
식(6)
Figure 112013013789545-pat00006
Equation (6)

I λ (k)=E(λ)/E 0 (λ)는 태양광의 규격화된 세기이고, 흡수계수(absorption coefficient)인 k λ (l)에 대응한다. k λ (l)k λ (l)=σ λ (l)n(l)로 정의된다. I λ (k) = E (λ) / E 0 (λ) is the normalized intensity of sunlight and corresponds to k λ (1) , the absorption coefficient. k λ (1) is defined as k λ (1) = σ λ (1) n (1) .

대기 가스 종류의 흡수 밴드들을 포함하는 스펙트럼 창에서 투과된 태양 복사량을 측정하는 주요 목적은 대기에서 해당 가스 종류의 양을 추산하기 위한 것이다. 가스 종류의 양을 추산하기 위해서 흡수 농도 n(l)에 대하여 식(6)을 해석해야 한다.The main purpose of measuring the amount of solar radiation transmitted in a spectral window containing absorption bands of atmospheric gas type is to estimate the amount of gas species in the atmosphere. To estimate the amount of gas species, equation (6) should be interpreted for absorption concentration n (1) .

스펙트럼 창의 폭이 좁다면 t c (λ)는 다음과 같다.
If the spectrum window width is narrow, t c (λ) is

Figure 112013013789545-pat00007
식(7)
Figure 112013013789545-pat00007
Equation (7)

N은 다항식의 차수이다. ak는 다항식의 계수이다. 위의 근사는 흡수단면적인 σ λ (l)가 파장에 따라 급격한 변화를 보여줄 때 가능하다.N is the order of the polynomial. a k is a polynomial coefficient. The above approximation is possible when the absorption cross section, σ λ (l) , shows a rapid change with wavelength.

흡수단면적에 대해서, 다음과 같이 두 개의 항으로 나누어 전개하는 것을 가정한다.
For the absorption cross-sectional area, it is assumed that it is divided into two terms as follows.

Figure 112013013789545-pat00008
식(8)
Figure 112013013789545-pat00008
Equation (8)

두개의 항으로 나누어진 흡수단면적들은 선택된 스펙트럼 창에서 변화량에 따라 구분되어 진다.

Figure 112013013789545-pat00009
는 파장에 따라 변화가 느린 경우이다.
Figure 112013013789545-pat00010
는 파장에 따라 변화가 빠른 경우이다.The absorption cross-sections divided into two terms are distinguished according to the amount of change in the selected spectrum window.
Figure 112013013789545-pat00009
Is a case where the change is slow depending on the wavelength.
Figure 112013013789545-pat00010
Is a fast change with wavelength.

차등흡수분광법에서

Figure 112013013789545-pat00011
는 차등흡수단면적(Differential absorption cross section)이다.In differential absorption spectroscopy
Figure 112013013789545-pat00011
Is a differential absorption cross section.

식(6)은 근사로 인한 오차를 무시하면 식(7)을 이용하여 다음과 같이 전개할 수 있다.
Equation (6) can be expanded as follows using Equation (7) if the error due to approximation is neglected.

Figure 112013013789545-pat00012
식(9)
Figure 112013013789545-pat00012
Equation (9)

식(9)의 방정식은 측정된 함수 lnI λ (k)과 검색하기 위한 함수 n(l) 사이의 선형관계를 증명한다. 예를 들어 레일리 산란과 에어로솔 흡광과 같은 알 수 없는 매개변수들의 기여들은 다항식에 의해 근사된다. Equation of Expression (9) demonstrates a linear relationship between the function n (l) for searching the measured function lnI λ (k). For example, contributions of unknown parameters such as Rayleigh scattering and aerosol absorption are approximated by polynomials.

식(9)와 다음에 따르는 식(10)이 차등흡수분광법 방정식(DOAS equation)이다. 차등흡수분광법 방정식에서 파장에 따라 빠르게 변화하는 흡수단면적

Figure 112013013789545-pat00013
은 필수적인 항이다. 식(9)에 σ λ (l)에 관련된 식(8)을
Figure 112013013789545-pat00014
의 항이 적분식 내에서 근사되어 사라지는 것을 고려하여 대입하면 다음과 같이 전개할 수 있다.
Equation (9) and Equation (10) below are the differential absorption spectroscopy equations (DOAS equation). Differential absorption spectroscopy The absorbing cross-section rapidly changes with wavelength in the equation
Figure 112013013789545-pat00013
Is an essential term. Equation (8) related to σ λ (l) is given by
Figure 112013013789545-pat00014
Is considered approximate and disappearing within the integral equation, it can be expanded as follows.

Figure 112013013789545-pat00015
식(10)
Figure 112013013789545-pat00015
Equation (10)

같은 차수의 다항식에 의해 근사를 할 수 없다면, 식(10) 우변에서

Figure 112013013789545-pat00016
를 해석하여 대기의 가스 종류에 따른 양을 해석할 수 있다.If we can not approximate by a polynomial of the same order,
Figure 112013013789545-pat00016
And interpret the amount depending on the gas type of the atmosphere.

하지만 경사층적분농도와 연직층적분농도와의 관계를 표준적인 차등흡수분광법에서 해석할 수 없다. 이를 해석하기 위해서 추가적인 해석 단계를 연동하여야 한다. 즉 차등흡수분광법은 인공위성에서 관측된 스펙트럼 자료를 이용하여 경사층적분농도를 산출하며, 이 경사층적분농도를 최종 데이터인 연직층적분농도로 변환하기 위해서는 대기질량인자가 필요하다.However, the relation between slope layer integral concentration and vertical layer integral concentration can not be analyzed by standard differential absorption spectroscopy. To interpret this, additional interpretation steps must be linked. In other words, the differential absorption spectroscopy uses the spectral data observed from the satellite to calculate the slope layer integral concentration, and an air mass factor is required to convert the slope layer integral concentration to the final data, vertical layer integral concentration.

이하 배출량자료에 대하여 설명한다.Hereinafter, the emission data will be described.

배출량자료는 화학수송모델의 입력 값으로 들어가는 자료이다. 대기에 포함된 각 기체의 배출원인에 따라 각 기체의 배출량이 산출된다.Emission data is data that enters the input value of the chemical transport model. The emission of each gas is calculated according to the emission cause of each gas contained in the atmosphere.

배출량자료는 기본적으로 방출 인자(Emission factor)와 활동 비율(Activity rates)의 곱으로 산출된다. 배출량자료의 산출시, 개개의 배출 가스의 배출량 활동 비율(Activity rate)과, 모든 방출 저감 기술(Abatement technology)에 의한 배출 가스 제거 효과, 그리고 비감소 방출 인자(Unabated emission factor) 들이 필요하다.Emission data is basically calculated as the product of the emission factor and the activity rates. In the calculation of emissions data, the activity rate of the individual emissions, the effect of eliminating emissions by all emission abatement technologies, and the unabated emission factors are required.

방출 인자는 대기 오염 정도를 각 오염원에 대하여 산출하기 위한 배출 계수를 말한다. 인위적 배출량에 대한 방출 인자는, 예를 들어 각 공장에서 물건을 생산하고 연료를 연소시킨 양으로부터 대기 오염 물질의 배출량을 추정할 수 있다. 자연적 배출량은 예를 들어 수종 및 식생 분포로부터 추정될 수 있다. 활동 비율은 방출 인자의 활동 강도를 의미한다.Emission factor is the emission factor for calculating the degree of air pollution for each pollutant. Emission factors for anthropogenic emissions can be estimated, for example, emissions of air pollutants from quantities produced at each plant and burned fuel. Natural emissions can be estimated, for example, from species and vegetation distributions. Activity rate means activity intensity of release factor.

화학수송모델의 초기 입력값으로 활용하는 배출량자료는 크게 인위적 배출량과 자연적 배출량으로 구성된다.Emission data used as initial inputs for the chemical transport model are largely composed of anthropogenic emissions and natural emissions.

배출량자료에 대한 식은 다음과 같이 전개할 수 있다.
The formula for emissions data can be developed as follows.

Figure 112013013789545-pat00017
Figure 112013013789545-pat00017

식(11)
Equation (11)

Emission은 배출량을 의미한다. j는 종류(Species), k는 지역(Region), l은 지구(Sector), m은 연료(Fuel)와 활동(Activity) 타입, n은 저감 기술(Abatement technology)에 대한 의미를 가지는 인덱스이다. A는 활동 비율(Activity rate)을 의미한다. ef는 비감소 방출 인자(Unabated emission factor)를 의미한다. η는 저감 기술(Abatement technology) n의 제거 효과를 의미한다. α는 저감기술 n이 최대치의 능력으로 적용될 때 제거 효과를 의미한다. Emission means emissions. j is an index with meanings for Species, k for Region, l for Sector, m for Fuel and Activity, and n for abatement technology. A is the activity rate. ef means the unabated emission factor. η means the abatement effect of abatement technology n . α means the elimination effect when the abatement technique n is applied with the capability of the maximum value.

X는 저감 기술 n의 실제의 적용 비율을 의미한다. X는 모든 저감 기술 n에 대하여 다음과 같다.
X means the actual application rate of the abatement technique n . X is as follows for all abatement techniques n .

Figure 112013013789545-pat00018
식(12)
Figure 112013013789545-pat00018
Equation (12)

파라미터 αj,k,l,m,n는 NMVOC(Non-Methane volatile Orgenic Compound : 비-메탄 휘발성 유기물질)에만 사용이 된다.The parameters α j, k, l, m, and n are used only for non-methane volatile organic compounds (NMVOC).

저감 기술의 수준이 낮으면 다음과 같이, 배출량은 단순하게 활동 비율과 방출 인자의 생산량이다.If the level of abatement technology is low, then the emissions are simply the activity rate and the production of the release factor.

Figure 112013013789545-pat00019
식(13)
Figure 112013013789545-pat00019
Equation (13)

이하는 화학수송모델에 대한 설명이다.The following is a description of the chemical transport model.

화학수송모델은 배출량자료를 입력 값으로 하며, 미량 기체 및 에어로솔의 연직 분포를 산출하여 복사전달모델에 제공한다.The chemical transport model uses the emission data as the input value, and calculates the vertical distribution of the trace gas and aerosol and provides it to the radiative transfer model.

화학수송모델은 정지궤도 인공위성(30)에서 실시간으로 관측되는 스펙트럼 자료에 대응하기 위하여, 화학수송모델은 배출량자료를 반영하여 실시간으로 업데이트된다.The chemical transport model is updated in real time to reflect the emission data in order to correspond to the spectral data observed in real time on the geostationary satellite (30).

화학수송모델은 대류권과 성층권 안에 있는 대기 구성물의 생성, 수송, 변질, 이동 정보뿐만 아니라 공기 중의 화학성분과 이들에 함유되어 있는 희귀원소의 활동 및 광화학반응 등 대기 중의 화학적 변화에 대한 정보를 모의하는 컴퓨팅 수치 모델이다.The chemical transport model simulates the atmospheric chemical changes in the atmosphere, including the formation, transport, alteration, and movement of air components in the troposphere and stratosphere, as well as the chemical composition of the air, the activity of rare elements contained therein, and photochemical reactions Computational numerical model.

이하는 복사전달모델에 대한 설명이다.The following is a description of the copy delivery model.

복사전달모델은 전자기 복사 형태로 된 에너지 전달 상태를 모의한다. 복사전달모델은 복사 에너지의 흡수, 방출, 산란을 수학적으로 모의한다. 매질의 평행한 평면을 통과하는 주파수가 ν인 단색 복사파의 전달에 관한 식은 다음과 같이 전개할 수 있다.
The radiative transfer model simulates the state of energy transfer in the form of electromagnetic radiation. The radiative transfer model mathematically simulates the absorption, emission and scattering of radiant energy. The expression for the transmission of a monochromatic radiation with a frequency v passing through a parallel plane of the medium can be expanded as follows.

Figure 112013013789545-pat00020
식(14)
Figure 112013013789545-pat00020
Equation (14)

u ν ν ,μ,φ)는 매질의 표면에서 수직으로 측정된 광학 두께인 τ ν 에서 μ,φ의 방향을 따라 특정한 광의 세기이다. μ는 편각(polar angle)의 코사인 값이다. φ는 방위각(azimuthal angle)을 의미한다. u ν ν , μ, φ) is the specific light intensity along the direction of μ , φ at τ ν , the optical thickness measured vertically at the surface of the medium. μ is the cosine of the polar angle. φ means the azimuthal angle.

S ν 는 광원에 대한 의미로 다음과 같이 전개할 수 있다.
S ν can be expanded as follows for the light source.

Figure 112013013789545-pat00021
Figure 112013013789545-pat00021

식(15)
Equation (15)

ω ν 는 단일산란알베도(Sing-scattering albedo)를 의미한다. 단일산란알베도는 대기를 전파해가는 빛의 산란과 흡수에 의한 에너지 감소를 의미하며, 산란에 의한 광학 두께와 총 광학 두께와의 비율을 의미한다. P ν ν ,μ,φ;μ',φ')는 위상 함수(Phase function)를 의미한다. 지역의 열역학적 평형(Local thermodynamic equilibrium : LTE)에서 열방출에 관한 열원 Q ν 는 다음과 같이 전개할 수 있다.
ω ν means sing-scattering albedo. Single scattering albedo means energy reduction due to scattering and absorption of light propagating in the atmosphere, which means the ratio of scattering optical thickness to total optical thickness. P ν ν , μ, φ; μ ', φ') denotes the phase function. In a local thermodynamic equilibrium (LTE), the heat source Q ν for heat release can be expanded as follows.

Figure 112013013789545-pat00022
식(16)
Figure 112013013789545-pat00022
Equation (16)

B ν (T)는 주파수 ν와 온도 T에 대한 플랑크 함수(Planck function)이다. 비발광 매질에서 μ 0 φ 0 의 방향에 평행하게 광선이 입사할 때 Q ν 는 다음과 같이 전개할 수 있다.
B ν (T) is the Planck function for frequency ν and temperature T. In a non-luminescent medium, when a ray is incident parallel to the directions of μ 0 and φ 0 , Q ν can be expanded as follows.

Figure 112013013789545-pat00023
Figure 112013013789545-pat00023

식(17)
Equation (17)

μ 0 I 0 는 입사 플럭스(Incident flux)를 의미한다. 그리고 식(16)과 식(17)을 포함하는 Q ν 는 다음과 같이 입사광과 열역학적 열원의 두 가지 항으로 전개할 수 있다.
μ 0 I 0 means incident flux. Q ν , which includes equations (16) and (17), can be developed into two terms: incident light and thermodynamic heat source.

Figure 112013013789545-pat00024
Figure 112013013789545-pat00024

식(18)
Equation (18)

이 후의 식에서는 표기의 간편화를 위해서 서브 파라미터 ν를 생략한다.In the following expressions, the subparameter v is omitted for simplification of the notation.

2N(N은 0이상의 정수)의 급수의 르장드르 다항식(Legendre polynomials)에서 위상 함수 P(τ,cosθ)와 퓨리에 급수의 코사인항(Fourier cosine series)을 전개하는 것으로부터 다음과 같은 식을 쓸 수 있다.
From the expansion of the phase function P (τ, cos θ) and the Fourier series of cosine terms (Fourier cosine series) in 2N (N is an integer greater than or equal to 0) series Legendre polynomials, have.

Figure 112013013789545-pat00025
식(19)
Figure 112013013789545-pat00025
Equation (19)

식(19)에서 착안하여 식(14)와 식(15)을 조합하여 2N개의 독립적인 방정식을 전개할 수 있고 개별의 방정식은 다음과 같다.
From the equation (19), we can develop 2N independent equations by combining equations (14) and (15), and the individual equations are as follows.

Figure 112013013789545-pat00026
Figure 112013013789545-pat00026

(m=0,1,2,....,2N-1) 식(20a)
(m = 0, 1, 2, ...., 2N-1)

식(20a)에 대입되는 세부적인 식들은 다음과 같이 전개된다.
The detailed equations substituted in equation (20a) are developed as follows.

Figure 112013013789545-pat00027
Figure 112013013789545-pat00027

식(20b)(20b)

Figure 112013013789545-pat00028
Figure 112013013789545-pat00028

식(20c)(20c)

Figure 112013013789545-pat00029
Figure 112013013789545-pat00029

식(20d)
(20d)

δm0는 m=0이면 1의 값을 가지고 1을 제외한 수에서는 0이다. δ m0 has a value of 1 if m = 0 and 0 in a number other than 1.

Figure 112013013789545-pat00030
식(20e)
Figure 112013013789545-pat00030
(20e)

Figure 112013013789545-pat00031
식(20f)
Figure 112013013789545-pat00031
(20f)

Figure 112013013789545-pat00032
는 르장드르 다항식이다.
Figure 112013013789545-pat00033
는 연관 르장드르 다항식(Associated Legendre polynomial)이다. θ는 산란의 전후 방향의 벡터 사이 각을 의미한다. 식(20)은 방위 구성요소에 대한 정보를 준다. 식(19)는 광 세기에 의존하는 완벽한 방위각을 준다.
Figure 112013013789545-pat00032
Is the Leandrod polynomial.
Figure 112013013789545-pat00033
Is the Associated Legendre polynomial. θ denotes the angle between vectors in the forward and backward directions of scattering. Equation (20) gives information about bearing components. Equation (19) gives a perfect azimuth angle depending on the light intensity.

복사전달모델에서 광 입사각 정보와 광 세기 정보는, 실측된 경사층적분농도를 연직층적분농도로 전환하기 위하여 필요한 대기질량인자를 산출할 수 있게 한다.In the radiative transfer model, the light incident angle information and the light intensity information can be used to calculate the atmospheric mass factor necessary for converting the measured slope layer integral concentration to the vertical layer integral concentration.

이하는 대기질량인자에 대한 설명이다.The following is a description of the air mass factor.

대기질량인자는 복사전달모델의 출력 결과이며, 화학수송모델에서 얻어진 대상 기체들의 연직 분포 정보와 위성 관측 기하학적 자료를 복사전달모델의 입력변수로 하여 산출된다.The air mass factor is the output of the radiative transfer model and is calculated by taking the vertical distribution of the target gases obtained from the chemical transport model and the satellite observational geometric data as input variables in the radiative transfer model.

대기질량인자는 실측된 경사층적분농도로부터 최종 산출 데이터인 연직층적분농도를 구할 수 있게 한다. 대기질량인자 AMF는 다음과 같다.
The atmospheric mass factor enables to obtain the vertical layer integral concentration, which is the final calculation data, from the measured slope layer integral density. The air mass factor AMF is as follows.

Figure 112013013789545-pat00034
식(21)
Figure 112013013789545-pat00034
Equation (21)

SCD mod 는 모의된 경사층적분 농도, VCD는 모의된 연직층적분 농도이다.
SCD mod is the simulated slope layer integral concentration, and VCD is the simulated vertical layer integral concentration.

Figure 112013013789545-pat00035
식(22)
Figure 112013013789545-pat00035
Equation (22)

VCD effective 는 최종적으로 산출하고자하는 실제 연직층적분농도를 의미한다. SCD obs 는 위성에서 관측된 스펙트럼 자료를 차등흡수분광법을 이용하여 구한 실측된 경사층적분농도의 값이다. VCD effective is the actual vertical layer integral concentration to be finally calculated. The SCD obs is the measured value of the slope layer integral density obtained by differential absorption spectroscopy of the spectral data observed from the satellite.

가스층적분농도는 대기 중의 경로를 따라 적분하여 구해지는 단위면적당 물질의 질량을 의미한다. 본 발명에서는 관측 위치인 위성 또는 대기의 꼭대기와 관측 대상물인 지면 사이의 거리가 경로가 된다. 지면에 수직하지 않은 경로를 따른 가스층적분농도는 경사층적분농도이고, 지면에 수직한 경로를 따른 가스층적분농도는 연직층적분농도이다.The gas-phase integral concentration means the mass of a substance per unit area obtained by integration along the path in the atmosphere. In the present invention, the distance between the top of the satellite or the atmosphere, which is an observation position, and the ground, which is an object to be observed, is a path. The gas layer integral concentration along the path not perpendicular to the ground is the inclined layer integral concentration, and the gas layer integral concentration along the path normal to the ground is the vertical layer integral concentration.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the following claims.

10...대기 분석 장치 30...정지궤도 인공위성
100...실측 유니트 110...센서부
130...광 연산부 200...모의 유니트
210...제공부 230...CTM 모의부
250...RTM 모의부 270...위성 관측 조건부
300...산출 유니트
10 ... atmosphere analyzer 30 ... geostationary satellite
100 ... measurement unit 110 ... sensor unit
130 ... optical operation unit 200 ... simulated unit
210 ... Supplier 230 ... CTM Simulation Department
250 ... RTM simulation part 270 ... satellite observation conditional part
300 ... calculation unit

Claims (17)

대기를 관측한 실측 자료를 입수하고 상기 실측 자료를 분석하여 실측 유니트 자료를 출력하는 실측 유니트;
상기 대기의 상태를 모의하여 모의 유니트 자료를 출력하는 모의 유니트;
상기 실측 유니트 자료와 상기 모의 유니트 자료를 비교 연산하고 상기 대기의 분석 자료를 산출하는 산출 유니트;를 포함하고,
상기 모의 유니트는,
상기 대기로 방출되는 기체의 종류별 배출량자료를 출력하는 제공부와,
상기 대기에 포함된 상기 기체의 연직 분포에 대한 정보를 출력하는 화학수송모델을 시뮬레이션하는 CTM 모의부와,
인공위성 관측시 위성 관측 기하학적 자료를 제공하는 위성 관측 조건부와,
대기질량인자를 출력하는 복사전달모델을 시뮬레이션하는 RTM 모의부를 포함하는 대기 분석 장치.
A measuring unit for obtaining actual measurement data observed in the atmosphere and analyzing the actual measurement data and outputting measurement unit data;
A simulation unit for simulating the state of the atmosphere and outputting simulation unit data;
And a calculating unit for comparing the actual unit data with the simulated unit data and calculating the analysis data of the atmosphere,
The simulated unit includes:
And outputting emission data for each type of gas emitted to the atmosphere;
A CTM simulator for simulating a chemical transport model for outputting information on the vertical distribution of the gas contained in the atmosphere,
Satellite observations that provide satellite observational geometric data for satellite observations,
And an RTM simulator for simulating a radiative transfer model that outputs an air mass factor.
제1항에 있어서,
상기 실측 유니트는,
태양으로부터 상기 대기를 통과하여 정지궤도 인공위성으로 입수된 태양광을 관측하여 초분광 스펙트럼 자료를 출력하는 센서부와,
상기 센서부에서 출력된 상기 초분광 스펙트럼 자료를 입수하고 상기 대기에 포함된 기체의 종류별 경사층적분농도를 산출하는 광 연산부를 포함하는 대기 분석 장치.
The method according to claim 1,
The measuring unit includes:
A sensor unit for observing sunlight passing through the atmosphere from the sun to the geostationary satellite and outputting ultrasound spectral data;
And an optical calculator for obtaining the spectroscopic spectral data output from the sensor unit and calculating an inclined layer integral density for each type of gas contained in the atmosphere.
제2항에 있어서,
상기 센서부는 적어도 한 시간 이하의 주기로 상기 광 연산부에 상기 초분광 스펙트럼 자료를 제공하는 대기 분석 장치.
3. The method of claim 2,
Wherein the sensor unit provides the ultra-spectral spectral data to the optical operation unit at a period of at least one hour.
제2항에 있어서,
상기 초분광 스펙트럼 자료의 파장 영역은 자외 내지 가시광 영역인 대기 분석 장치.
3. The method of claim 2,
Wherein the wavelength region of the ultrasound spectral data is an ultraviolet to visible region.
제2항에 있어서,
상기 광 연산부는 상기 초분광 스펙트럼 자료를 차등흡수분광법 또는 복사휘도 피팅법으로 처리하여 상기 경사층적분농도를 산출하는 대기 분석 장치.
3. The method of claim 2,
Wherein the light arithmetic unit processes the ultrasound spectral data by differential absorption spectroscopy or radiation intensity fitting to calculate the inclination layer integral density.
제2항에 있어서,
상기 경사층적분농도가 산출되는 상기 기체는 이산화질소, 이산화황, 포름알데히드 또는 오존 중 하나 이상인 대기 분석 장치.
3. The method of claim 2,
Wherein the gas from which the slope layer integral concentration is calculated is at least one of nitrogen dioxide, sulfur dioxide, formaldehyde or ozone.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제공부는 방출 인자와 활동 비율을 입력받고 상기 배출량자료를 출력하며,
상기 방출 인자는 상기 각 기체의 배출원인이 되는 정보이고,
상기 활동 비율은 상기 각 배출원인의 배출의 강도를 나타내는 대기 분석 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the providing unit receives the emission factor and the activity ratio and outputs the emission data,
The emission factor is information that causes emission of each gas,
Wherein the activity ratio is indicative of the intensity of the emission of each of the emission sources.
제1항에 있어서,
상기 화학수송모델은 상기 배출량자료를 입력받아 상기 기체의 연직 분포를 출력하는 대기 분석 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the chemical transport model receives the emission data and outputs a vertical distribution of the gas.
제9항에 있어서,
상기 CTM 모의부는 적어도 한 시간 이하의 주기로 상기 기체의 연직 분포를 출력하는 상기 화학수송모델을 시뮬레이션하는 대기 분석 장치.
10. The method of claim 9,
Wherein the CTM simulator simulates the chemical transport model for outputting the vertical distribution of the gas at a period of at least one hour.
제1항에 있어서,
상기 위성 관측 조건부는, 상기 위성 관측 기하학적 자료를 상기 복사전달모델에 입력시키고,
상기 위성 관측 기하학적 자료는 인공위성 초분광 센서의 지표면에서 대상지점을 보는 각도 및 방위각, 태양의 위치, 지표면 반사도 중 적어도 하나를 포함하는 대기 분석 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the satellite observation conditional part inputs the satellite observation geometry data to the radiative transfer model,
Wherein the satellite observational geometric data comprises at least one of an angle and azimuth, a position of the sun, and a surface reflectance of a target point on the surface of the satellite hyperspectral sensor.
제1항에 있어서,
상기 복사전달모델은 상기 기체의 연직 분포에 대한 정보와 상기 위성 관측 기하학적 자료를 입력받아 상기 대기질량인자를 출력하는 대기 분석 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the radiative transfer model receives the information on the vertical distribution of the gas and the satellite observation geometric data and outputs the air mass factor.
제1항에 있어서,
상기 배출량자료 또는 연직 분포가 계산되는 상기 기체는 미량 기체 및 에어로솔을 포함하고,
상기 미량 기체는 적어도 1ppm이하의 농도로 상기 대기에 존재하는 대기 분석 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the gas for which the emission data or the vertical distribution is calculated comprises a trace gas and an aerosol,
Wherein the trace gas is present in the atmosphere at a concentration of at least 1 ppm or less.
제1항에 있어서,
상기 산출 유니트는,
상기 실측 유니트로부터 상기 대기에 포함된 각 기체의 경사층적분농도를 입력받고, 상기 모의 유니트로부터 대기질량인자를 입력받으며,
상기 경사층적분농도와 상기 대기질량인자로부터 상기 각 기체의 연직층적분농도를 산출하는 대기 분석 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the calculating unit comprises:
Wherein the control unit receives an inclination layer integral density of each gas contained in the atmosphere from the measurement unit, receives an air mass factor from the simulation unit,
Wherein the vertical layer integral concentration of each gas is calculated from the inclined layer integral concentration and the atmospheric mass factor.
제14항에 있어서,
상기 기체는 이산화질소, 이산화황, 포름알데히드 또는 오존 중 하나 이상인 대기 분석 장치.
15. The method of claim 14,
Wherein the gas is at least one of nitrogen dioxide, sulfur dioxide, formaldehyde or ozone.
초분광 스펙트럼 자료를 처리하여 에어로졸 또는 미량 기체의 경사층적분농도를 산출하는 실측 유니트;
화학수송모델 및 복사전달모델을 시뮬레이션하여 대기질량인자를 산출하는 모의 유니트; 를 포함하고,
상기 경사층적분농도를 상기 대기질량인자로 나누어 상기 에어로졸 또는 상기 미량 기체의 연직층적분농도를 산출하는 대기 분석 장치.
A measurement unit for processing the ultrasound spectral data to calculate the inclined layer integral concentration of the aerosol or the trace gas;
A simulated unit for simulating a chemical transport model and a radiative transfer model to calculate an air mass factor; Lt; / RTI >
Wherein the vertical layer integral concentration of the aerosol or the trace gas is calculated by dividing the inclined layer integral concentration by the air mass factor.
삭제delete
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