KR101613102B1 - 구름 물방울 입자의 유효 크기 및 총량 원격 측정 시스템 및 방법 - Google Patents

구름 물방울 입자의 유효 크기 및 총량 원격 측정 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원거리에서 액체 입자의 크기 및 총량 등을 측정하는 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 구름의 물방울 입자 등과 같이 원거리에서 측정하여야 하는 액체 입자의 크기, 총량 및 그 변화를 시간적 제한 없이 간단하면서도 정확하게 측정할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 3종류 이상 파장의 레이저 신호를 측정 대상물로 조사하는 송신부; 상기 송신부로부터 조사되어 측정 대상물에 의하여 산란된 레이저 신호를 수신하는 수신부; 및 상기 수신부가 수신한 3종류 이상 파장의 산란된 레이저 신호로부터 소광 계수를 구하고 정규화(normalization)하여 상기 측정 대상물에 포함되는 액체 입자의 크기를 산출하는 처리부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 시스템을 개시하며, 본 발명에 의하여, 측정 시간대 및 측정 거리 한계를 극복할 수 있고, 보다 간단한 구조를 가지면서도 실시간으로 정확하게 측정할 수 있는 구름 물방울 입자 등 액체 입자의 크기 및 총량 원격 측정 시스템 및 방법을 구현하는 효과를 갖는다.

Description

구름 물방울 입자의 유효 크기 및 총량 원격 측정 시스템 및 방법 {Remote measurement system and method for liquid water cloud droplet effective size and its liquid water content}
본 발명은 원거리에서 액체 입자의 크기 및 총량 등을 측정하는 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 구름의 물방울 입자 등과 같이 원거리에서 측정하여야 하는 액체 입자의 크기, 총량 및 그 변화를 시간적 제한 없이 간단하면서도 정확하게 측정할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
근래에 들어, 날씨 및 기후 관련 정보의 중요성이 커지면서, 이에 대한 보다 정확한 정보를 얻기 위한 연구가 다양하게 진행되고 있다. 특히 구름에 포함된 물방울 입자의 크기 및 총량 등의 정보는 상기한 날씨 등에 관한 중요한 정보 중의 하나이다.
구름의 성장과 소멸 과정에서는 대기 중에 존재하는 수증기와 물방울이 상호 변환되면서 물방울 입자의 크기 변화와 함께 입자의 총량 변화도 함께 나타나게 된다. 이에 따라, 그 크기 변화와 총량의 측정은 강우의 유무 판별에서 매우 중요한 변수가 된다. 또한, 구름을 이루고 있는 물방울의 크기에 따라 기상학과 기후학에서 태양빛을 차단하고 흡수하는 단면적의 차이를 보이기 때문에 그 측정의 가부 및 정확성은 매우 중요한 의미를 가진다. 예를 들어 구름이 산을 넘어가는 과정이나, 상승 혹은 하강 과정, 안개가 소멸 혹은 성장하는 과정은 물방울의 총량이 일정하지 않으면서 크기 변화도 동시에 일어나는 과정이고, 이러한 복잡한 현상을 정확하게 측정할 수 있는지 여부는 항공기의 운항이나, 해무 등 선박의 운영에 필요한 정보를 제공하는데 필수적이라고 할 수 있고, 또한 수문학적으로도 수자원 확보 기술(인공강우)과 밀접한 관계가 있기 때문에 세계적으로 이러한 장비의 수요가 지속적으로 커지고 있는 상황이다.
그런데 구름은 통상 1km 이상의 높은 고도에 위치하므로, 이에 대한 정보를 얻기 위해서는 측정 장치를 비행선 등을 이용하여 구름이 위치하는 고도까지 보내거나, 라이다(LIDAR) 등 원격 측정 장치를 이용하여야 한다. 그러나, 비행선 등을 이용하여 측정 장비를 직접 이동시키는 방식은 시시각각 변화하는 대기 상태를 폭넓은 영역에서 적절하게 파악하기 어렵다는 한계를 가지므로, 결국 라이다 등 원격 측정 장치를 이용하는 것이 적절하다고 할 수 있다.
이에 따라, 라이다 등 원격 측정 장치를 이용하여 구름 물방울 입자 등의 크기와 총량 등을 측정하고자 하는 연구가 진행되었다. 종래 원격 입자 측정 기술은 통상 입체의 체적에 비례하는 물리량과, 면적에 비례하는 탄성 산란 신호를 얻어 그 비를 구하여 측정하였다. 그러나, 예를 들어 액체물의 체적(총량)을 측정하기 위하여 물방울 라만 라이다 신호를 사용하는 경우, 구름의 라만 단면적(Raman Scattering Cross-Section)의 측정을 위한 시간대와 측정 거리에 한계가 있게 된다. 즉, 낮 시간 또는 수십 km 정도의 원거리에서 구름이나 안개를 정확하게 측정하는 것이 매우 어렵다는 문제를 가진다.
이를 극복하기 위하여, 여러 파장의 빛을 사용하여 산란 계수(후방산란계수 및 소광계수)를 얻고 그 값으로부터 역으로 입자의 크기를 비선형 역산하는 방법이 시도되었다. 대한민국 공개특허 제 10-2011-0087206호(2011년08월02일 공개)에서는 복수 개의 파장을 포함하는 레이저 신호를 대상 물체에 조사한 후, 상기 대상 물체에 의해 산란된 레이저 산란 신호를 수신하여 파장 별로 분리하고, 상기 분리된 레이저 산란 신호를 이용하여, 상기 대상 물체의 특성을 측정하는 장치 및 방법이 개시되었다. 도 1에서는 종래 기술에 따른 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치를 도시하고 있다. 그러나, 이 방법은 비선형 최적화(nonlinear fitting) 방법을 사용하기 때문에 역산의 어려움이 있고 프로그램이 복잡해지므로, 장치의 구현이 복잡해지고 오차가 커질 수 있다는 문제점을 가진다.
이에 따라, 측정 시간대 및 측정 거리 한계를 극복할 수 있고, 보다 간단한 구조로서 정확하게 특성을 산출할 수 있는 등, 상기한 문제점들을 해결할 수 있는 구름의 물방울 입자 등 액체 입자의 크기 및 총량 등을 원격 측정할 수 있는 시스템 및 방법에 대한 지속적인 요구가 있으나, 이에 대한 적절한 해법이 제시되지 못하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 측정 시간대 및 측정 거리 한계를 극복할 수 있고, 보다 간단한 구조를 가지면서도 실시간으로 정확한 측정을 수행할 수 있는 구름 물방울 입자 등 액체 입자의 크기 및 총량 원격 측정 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 원격 액체 입자 특성 측정 시스템은 3종류 이상 파장의 레이저 신호를 측정 대상물로 조사하는 송신부; 상기 송신부로부터 조사되어 측정 대상물에 의하여 산란된 레이저 신호를 수신하는 수신부; 및 상기 수신부가 수신한 3종류 이상 파장의 산란된 레이저 신호로부터 소광 계수를 구하고 정규화(normalization)하여 상기 측정 대상물에 포함되는 액체 입자의 크기를 산출하는 처리부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 처리부는 소광 계수를 정규화하고 탄성(Mie) 산란 이론에 따른 계산치와 비교하여 상기 측정 대상물에 포함되는 액체 입자의 크기를 산출할 수 있다.
또한, 상기 레이저 신호로서 355nm, 532nm, 1064nm 파장의 레이저를 사용할 수 있다.
또한, 상기 처리부가 소광 계수를 정규화함에 있어서, 액체 입자의 크기가 1.6μm 보다 작은 경우에는 355nm 파장의 소광 계수를 1064nm 파장의 소광 계수로 정규화하고, 나머지 경우에는 532nm 파장의 소광 계수를 1064nm 파장의 소광 계수로 정규화할 수 있다.
또한, 상기 처리부는 액체 입자의 크기와 함께 액체 입자의 총량도 산출할 수 있다.
또한, 상기 처리부는 산출된 액체 입자의 크기와 각 파장에서의 소광 계수를 함께 이용하여 액체 입자의 총량을 산출할 수 있다.
또한, 상기 레이저 신호로서 355nm, 532nm, 1064nm 파장의 레이저를 사용하는 경우, 상기 처리부가 액체 입자의 총량을 산출함에 있어서, 상기 액체 입자의 크기가 0.8μm 보다 작은 경우에는 1064nm 파장의 데이터를 사용하고, 그렇지 않은 경우에는 355nm 또는 532nm 파장 중 하나의 데이터를 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 원격 액체 입자 특성 측정 방법은 (a) 3종류 이상 파장의 레이저 신호를 측정 대상물로 조사하여 산란된 레이저 신호를 수신하는 단계; (b) 상기 수신된 레이저 신호로부터 소광 계수를 구하고 정규화(normalization)하는 단계; 및 (c) 상기 정규화된 소광 계수로부터 상기 측정 대상물에 포함되는 액체 입자의 크기를 산출하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (c) 단계에서, 상기 정규화된 소광 계수를 탄성(Mie) 산란 이론에 따른 계산치와 비교하여 상기 측정 대상물에 포함되는 액체 입자의 크기를 산출할 수 있다.
또한, 상기 레이저 신호로서 355nm, 532nm, 1064nm 파장의 레이저를 사용할 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계에서, 소광 계수를 정규화함에 있어서, 상기 액체 입자의 크기가 1.6μm 보다 작은 경우에는 355nm 파장의 소광 계수를 1064nm 파장의 소광 계수로 정규화하고, 나머지 경우에는 532nm 파장의 소광 계수를 1064nm 파장의 소광 계수로 정규화할 수 있다.
또한, 상기 (c) 단계에 이어서, (d) 산출된 액체 입자의 크기와 각 파장에서의 소광 계수를 함께 이용하여 액체 입자의 총량을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 레이저 신호로서 355nm, 532nm, 1064nm 파장의 레이저를 사용하는 경우, 상기 (d) 단계에서 액체 입자의 총량을 산출함에 있어서, 상기 액체 입자의 크기가 0.8μm 보다 작은 경우에는 1064nm 파장의 데이터를 사용하고, 그렇지 않은 경우에는 355nm 또는 532nm 파장 중 하나의 데이터를 사용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 구름 등의 측정 대상물에 다파장의 레이저를 조사하여 그 산란 신호로부터 소광 계수를 산출하고, 이를 정규화한 후, 미리 산정되어 있는 기준치와 비교하여 물방울 등 액체 입자의 크기 및 총량 등을 산출함으로써, 측정 시간대 및 측정 거리 한계를 극복할 수 있고, 보다 간단한 구조를 가지면서도 실시간으로 정확하게 측정할 수 있는 구름 물방울 입자 등 액체 입자의 크기 및 총량 원격 측정 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부가 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1 은 종래 기술에 따른 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치의 구조도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구름 물방울 입자의 유효 크기 및 총량 원격 측정 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 구름 물방울 입자의 유효 크기 및 총량 원격 측정 방법의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 측정된 구름에서 산란된 파장에 따른 소광 계수를 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 측정된 구름 입자의 크기에 따른 소광 계수를 정규화한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 주어진 소광 계수 값에서 입자의 크기에 따른 물방울의 총량을 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 주어진 입자의 크기에서 소광 계수에 따른 물방울의 총량을 보여주는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명은, 종래 기술에 따른 원격 입자 측정 기술은 통상 입체의 체적에 비례하는 물리량과, 면적에 비례하는 탄성 산란 신호를 얻어 그 비를 구하여 측정하는 경우 측정을 위한 시간대와 측정 거리에 한계가 있을 수 있고, 또한 이를 극복하기 위하여, 여러 파장의 빛을 사용하여 산란 계수를 얻고 그 값으로부터 역으로 입자의 크기를 비선형 역산하는 경우 역산의 어려움으로 인하여 프로그램이 복잡해지므로, 장치의 구현이 복잡해지고 오차가 커질 수 있다는 문제점에 착안하여, 구름 등의 측정 대상물에 3파장의 레이저를 조사하여 그 산란 신호로부터 소광 계수를 산출하고, 미리 산정되어 정규화되어 있는 기준치를 이용하여 상기 소광 계수를 입자 크기 대비 정규화한 후, 물방울 등 액체 입자의 크기 및 총량 등을 산출함으로써, 측정 시간대 및 측정 거리 한계를 극복할 수 있고, 보다 간단한 구조를 가지면서도 정확하게 특성을 산출할 수 있는 구름 물방울 입자 등 액체 입자의 크기 및 총량 원격 측정 시스템 및 방법을 개시하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 입자의 총량 및 크기 변화로 나타나는 현상을 종래의 상용 라이다 장치를 이용하여 관측하고, 이 값을 이론적으로 산출된 값과 비교함으로써 구름이나 안개 등에 포함되는 물방울 등 액상 입자의 크기 및 총량 변화를 관측하는 방법을 제시하고자 한다.
통상의 구름에 포함되는 물방울 등 액상 입자의 초기 유효 크기는 대부분 직경이 200nm 내지 2.5μm 정도인 것으로 알려져 있으며, 탄성(Mie) 산란 이론에 따르면 상기한 크기 범위에서는 공명 산란에 의하여 가시광선 영역에서 매우 복잡한 산란 특성을 지니게 되어 다수의 가시광선 영역의 파장에서 다양한 산란 계수(후방 산란 계수 혹은 소광 계수(extinction coefficient)를 측정하는 것만으로는 입자의 크기나 그 변화를 측정하기가 매우 어렵다는 문제가 있다.
그러나, 구름 입자나 안개의 경우 그 크기는 불규칙한(random) 분포로 크기 분포 함수가 정해지지 않고 특정 분포 곡선을 따르는 것으로 알려져 있고, 실제로 몇 가지 매개 변수로 입자 크기 분포를 나타낼 수 있다. 가장 대표적인 구름의 물방울 입자 크기분포 곡선으로서 수정된 감마 크기 분포(Modified Gamma size distribution)를 들 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 이러한 수정된 감마 크기 분포에 대하여 3가지 레이저 파장에서 그 소광 계수를 이론적으로 계산하고 그로부터 소광 계수의 특성을 파악하여, 이를 이용하여 구름 입자의 유효 크기와 크기 변화를 측정하는 방법을 구현한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구름 물방울 입자의 유효 크기 및 총량 원격 측정 시스템(200)의 구성도이다. 종래 하나의 파장을 이용한 Mie 라이다 장치와 달리, 본 발명에서는 3종류 이상의 다파장 탄성(Mie) 광라이다 장치를 이용하여 효율적으로 측정 대상물의 물리량을 산출하게 된다.
도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 구름 물방울 입자의 유효 크기 및 총량 원격 측정 시스템(200)은 3종류 이상 파장의 레이저 신호를 측정 대상물로 조사하는 송신부(210), 상기 송신부(210)로부터 조사되어 측정 대상물에 의하여 산란된 레이저 신호를 수신하는 수신부(220) 및 상기 수신부(220)가 수신한 3종류 이상 파장의 산란된 레이저 신호로부터 소광 계수를 구하고 정규화(normalization)하여 상기 측정 대상물에 포함되는 액체 입자의 크기를 산출하는 처리부(230)를 포함하여 구성될 수 있다. 아래에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 구름 물방울 입자의 유효 크기 및 총량 원격 측정 시스템(200)을 각 구성 부분 별로 나누어 자세하게 살핀다.
상기 송신부(210)는 레이저 발생기(211), 레이저 신호를 파장에 따라 분할하는 빔분할기(beam splitter)(212) (BS1, BS2) 및 파장에 따라 분할된 레이저 신호의 조사 방향을 바꿀 수 있는 거울(213) (M1, M2)을 포함하여 구성될 수 있다. 도 2에 도시되어 있는 레이저 파장은 상용으로 개발되어 흔히 사용되는 Nd:YAG 레이저의 주요 3파장인 1064, 532, 355 nm를 예로 든 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 다른 파장의 레이저를 조합하여 사용하는 것도 가능하다. 상기 파장을 사용하여 구성된 Mie 라이다는 탄성 산란 신호 특성을 가진다.
또한, 상기 수신부(220)는 산란된 레이저 신호를 집광하는 망원경(221), 상기 망원경(221)에 의해 집광된 레이저 신호를 평행광으로 바꿔주는 평행광 렌즈(222) (L0), 레이저 신호를 파장에 따라 분할하는 빔분할기(beam splitter)(223) (BS3, BS4), 분할된 레이저 신호를 파장에 따라 선택적으로 통과시키는 필터(224) (F1, F2, F3), 분할된 레이저 신호를 집광하는 집광 렌즈(225) (L1, L2, L3) 및 집광된 레이저 신호를 감지하는 광검출 소자(226) (D1, D2, D3)를 포함하여 구성될 수 있다.
마지막으로, 상기 처리부(230)는 상기 수신부(220)가 수신한 다파장의 산란된 레이저 신호를 이용하여 소광 계수를 구하고 정규화(normalization)하여 측정 대상물에 포함된 액체 입자의 크기 등 특성을 산출해 내게 된다. 먼저, 소광 계수를 구함에 있어서는 종래의 방법들을 사용할 수 있는데, 예를 들어 보편적으로 많이 사용되고 있는 Klett 방법 또는 기울기 방법(slope method)을 사용하여 소광 계수를 구할 수 있다.
다음으로, 상기 처리부(230)는 앞서 산출된 소광 계수를 탄성(Mie) 산란 이론에 따른 계산치와 비교함으로써 상기 측정 대상물에 포함되는 액체 입자의 크기를 산출할 수 있다. 통상 구름 입자나 안개의 경우 그 크기는 불규칙한(random) 분포를 가지는 것이 아니라, 특정한 분포 곡선을 따르는 것으로 알려져 있고, 가장 대표적인 구름의 물방울 입자 크기 분포 곡선으로서 수정된 감마 크기 분포(Modified Gamma size distribution)를 들 수 있다. 따라서, 몇 가지 매개 변수로 입자 크기 분포를 나타낼 수 있게 되고, 이를 이용하면 소광 계수 등의 측정치를 이용하여 물방울 등 입자의 크기를 산출해 낼 수 있게 된다.
나아가, 상기 처리부(230)는 측정 대상물에 포함되는 액체 입자의 크기와 함께 액체 입자의 총량도 산출할 수 있다. 이때, 상기 처리부(230)는 미리 산출된 액체 입자의 크기와 각 파장에서의 소광 계수를 함께 이용하여 액체 입자의 총량을 산출하게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 구름 물방울 입자의 유효 크기 및 총량 원격 측정 시스템(200)은 실시간으로 측정 대상물에 포함되는 액체 입자의 크기 및 총량을 산출할 수 있게 되는 바, 시간에 따른 액체 입자의 크기 및 총량의 변화량도 손쉽게 산출해 낼 수 있게 된다.
본 발명에 의하여 효과적으로 측정할 수 있는 입자의 크기는 0.2 μm 내지 2.5μm의 범위를 포함하며, 상기한 입자 크기의 범위는 대부분의 초기 물방울 구름이 가지는 입자 크기 분포를 포함한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 구름 물방울 입자의 유효 크기 및 총량 원격 측정 방법의 흐름도를 도시하고 있다. 도 3에서 볼수 있는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 구름 물방울 입자의 유효 크기 및 총량 원격 측정 방법은 구름 등 측정 대상물에 3종류 파장의 레이저 신호를 조사하여 그로부터 산란된 레이저 신호를 얻는 단계(S310), 3종류 파장에 대한 소광 계수를 산출하는 단계(S320), 각 파장에 대하여 정규화(normalization)된 소광 계수를 산정하는 단계(S330), 상기 정규화된 소광 계수로부터 상기 측정 대상물에 포함되는 액체 입자의 크기를 산출하는 단계(S340) 및 산출된 액체 입자의 크기와 각 파장에서의 소광 계수를 함께 이용하여 액체 입자의 총량을 산출하는 단계(S350)를 포함하여 구성될 수 있다.
아래에서는 각 단계별로 본 발명의 일 실시예에 따른 구름 물방울 입자의 유효 크기 및 총량 원격 측정 방법을 자세하게 검토한다. 먼저, 구름 등 측정 대상물에 3종류 파장의 레이저를 조사하여 그로부터 산란된 레이저 신호를 얻는 단계(S310)에서는 도 2에서 볼 수 있는 송신부(210)을 이용하여 3종류 파장의 레이저 신호를 측정 대상물로 조사한 후, 그로부터 산란된 레이저 신호를 수신부(220)를 사용하여 수신하게 된다.
이어서, 3종류 파장에 대한 소광 계수를 산출하는 단계(S320)에 대하여 살핀다. 본 단계에서는 종래의 방법, 예를 들어 Klett 방법 또는 기울기 방법(slope method) 등을 사용하여 소광 계수를 구할 수 있으므로, 여기서는 자세하게 기술하지 아니한다.
다음으로 각 파장에 대하여 정규화(normalization)된 소광 계수를 산정하는 단계(S330)에 대하여 살핀다. 정규화되지 않은 소광 계수를 이용하여 측정 대상물에 포함된 액체 입자의 크기를 산출하는 것은 복잡한 과정을 요하므로, 본 단계에서는 이를 개선하기 위하여 산출된 소광 계수를 정규화함으로써 측정 대상물의 액체 입자의 크기를 손쉽게 산출할 수 있도록 준비하게 된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 측정된 구름에서 산란된 파장에 따른 소광 계수를 보여주는 그래프이다. 여기서, 도 4는 구름 속에 포함된 물방울의 총량이 0.57g/m3 및 0.285g/m3 인 경우에 대하여 소광 계수를 계산한 그래프이다. 이때, 상기 소광 계수는 수정된 감마 크기 분포(Modified Gamma size distribution)에서 탄성(Mie) 산란 이론을 적용하여 구한 것으로, 통상의 연구자들이 많이 사용하는 방법으로 계산한 것이다. 그런데, 소광 계수는 일반적으로 입자의 크기, 입자의 총량, 그리고 사용되는 레이저의 파장에 관련되며, 이때 입자의 총량과 소광 계수는 정비례 관계를 이루게 된다. 따라서, 도 4에서 볼 수 있듯이 각 파장에서 소광 계수가 결정되더라도 그것 만으로는 입자의 크기를 산출할 수 없고, 주어진 입자의 총량에 대하여 두 가지 이상의 파장에서 소광 계수를 산출하더라도 총량을 알지 못하면 입자의 크기를 산출할 수 없게 된다. 그런데, 도 4에서 532nm 파장의 예에서 알 수 있듯이, 물의 총량이 0.0285g/m3에서 0.057g/m3으로 두 배 증가하면 소광 계수도 두 배가 증가한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 각 소광 계수를 정규화한다면 보다 손쉽게 물방울 등 측정 대상물의 액체 입자의 크기를 산출할 수 있게 된다는 것을 알 수 있다.
이어서, 상기 정규화된 소광 계수로부터 상기 측정 대상물에 포함되는 액체 입자의 크기를 산출하는 단계(S340)에 대하여 살핀다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 측정된 구름 입자의 크기에 따른 소광 계수를 정규화한 그래프로서, 도 4 에서 얻은 각 파장에서의 소광 계수의 값을 서로 정규화(normalization)한 것이다. 도 5에서 355/1064는 355nm 파장의 소광 계수를 1064nm 파장의 소광 계수로 나눈 값을 나타내고, 532/1064는 532nm 파장의 소광 계수를 1064nm 파장의 소광 계수로 나눈 값을 나타내며, 마지막으로 355/523는 355nm 파장의 소광 계수를 532nm 파장의 소광 계수로 나눈 값을 나타낸다. 도 4에서 살펴 본 바와 같이 입자의 총량이 변하는 경우 그래프의 모양이 달라지나, 도 5에서와 같이 서로 정규화된 경우에는 그 모양이 변화하지 않고 일정하게 유지된다. 즉, 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이 물방울의 총량에 관계없이 일정한 그래프를 유지하게 된다. 특히, 355nm 파장과 532nm 파장의 소광 계수를 1064nm 파장의 소광 계수로 정규화한 소광계수비(extinction ratio)는 입자의 크기에 관계없이, 항상 입자의 크기가 감소하면 그 비도 감소하게 된다. 따라서, 각 파장에서의 산란 신호를 이용하여 소광 계수를 얻고 그 비를 구한다면 도 5와 같이 물방울의 총량에 상관없는 구름의 유효 입자 크기(effective size)와 소광계수비(extinction ratio)의 그래프를 산출할 수 있게 되고, 따라서, 소광계수비(extinction ratio)로부터 물방울 등 액체 입자의 크기를 구할 수 있게 된다.
또한, 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 각 그래프의 기울기가 입자의 크기에 따라 다르기 때문에 약 1.6μm 보다 작은 입자의 경우는 355/1064 값을 이용하는 것이 더 감도가 좋고, 그 보다 큰 입자의 경우엔 532/1064의 값 이용하는 것이 입자 크기 측정에 보다 정확도를 높일 수 있다. 나아가, 355nm, 532nm, 1064nm의 3 종류의 파장을 이용하는 경우 외에도, 소정의 크기보다 작은 입자의 크기를 산정하는 경우에는 가장 짧은 파장의 소광 계수를 가장 긴 파장의 소광 계수로 정규화하고, 나머지 경우에는 중간 파장의 소광 계수를 가장 긴 파장의 소광 계수로 정규화하는 것이 보다 바람직하게 된다.
마지막으로, 산출된 액체 입자의 크기와 각 파장에서의 소광 계수를 함께 이용하여 액체 입자의 총량을 산출하는 단계(S350)에 대하여 살핀다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 주어진 소광 계수 값에서 입자의 크기에 따른 물방울의 총량을 보여주는 그래프로서, 입자의 크기에 따른 물의 총량을 주어진 소광 계수에서 구하는 방법을 보여주고 있다. 즉, 본 발명은 도 6을 통하여 구름 속에 있는 물방울 입자의 총량을 구하게 된다. 도 6의 y-축은 LWC(Liquid water Content), 즉 물의 총량을 나타내고, x-축은 입자의 크기를 나타낸다. 도 6은 3종류의 파장에서 측정한 소광 계수가 모두 10km-1인 경우를 나타낸 것으로 다른 값에 대해서도 이론적으로 계산이 가능하다. 먼저 앞서 산출된 각 파장에서의 정규화된 소광 계수 및 도 5를 통하여 산출한 물방울 입자의 크기를 이용하여 도 6의 x-축의 값, 즉 입자 크기와 계산에 사용된 소광 계수 값을 알 수 있게 되고, 이에 따라 도 6에서 물의 총량(LWC:Liquid Water Content)을 산출할 수 있게 된다.
또한, 도 6에서 볼 수 있듯이 액체 입자가 작은 경우에는 1064nm 파장의 그래프가 입자 크기에 대하여 기울기가 크고, 액체 입자가 큰 경우에는 355nm나 532nm의 파장에서 기울기가 크게 나타난다. 따라서, 입자의 크기가 작은 경우 (0.8μm이하)에는 1064nm 파장의 그래프를 이용하고, 그보다 큰 입자의 경우에는 532nm나 355nm의 그래프를 이용하는 것이 물방울 총량 측정의 정확도를 높일 수 있다는 점에서 보다 바람직하다. 더 나아가, 355nm, 532nm, 1064nm의 3 종류의 파장을 이용하는 경우 외에도, 소정의 크기보다 작은 입자의 경우에는 가장 긴 파장의 데이터를 사용하고, 그보다 큰 입자의 경우에는 나머지 파장 중 하나의 데이터를 사용하는 것이 보다 바람직하게 된다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 주어진 입자의 크기에서 소광 계수에 따른 물방울 입자의 총량을 보여주는 그래프로서, 도 6을 변형하여 소광 계수가 먼저 산출된 경우 이를 이용하여 물방울 입자의 총량을 산출하기 위한 그래프이다. 보다 구체적으로 도 7은 입자의 크기가 0.8μm인 경우의 소광 계수에 따른 물방울 입자의 총량을 나타내고 있으며, 다른 값에 대해서도 이론적으로 계산이 가능하다. 앞서 도 6의 경우와 유사하게 입자의 크기와 소광 계수가 정해진 경우 도 7을 이용하여 입자의 총량을 손쉽게 구할 수 있게 된다. 즉, x-축은 실험적으로 구한 1064nm 파장의 소광 계수이고 y-축은 물방울 입자의 총량을 나타내고 있으므로, 이를 이용하여 소광 계수로부터 물방울 입자의 총량을 구할 수 있다는 것을 명확하게 보여준다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
200 : 구름 물방울 입자의 유효 크기 및 총량 원격 측정 시스템
210 : 송신부
211 : 레이저 발생기
212 : 빔분할기
213 : 거울
220 : 수신부
221 : 망원경
222 : 평형광 렌즈
223 : 빔분할기
224 : 필터
225 : 집광 렌즈
226 : 광검출 소자
230 : 처리부

Claims (13)

  1. 3종류 이상 파장의 레이저 신호를 측정 대상물로 조사하는 송신부;
    상기 송신부로부터 조사되어 측정 대상물에 의하여 산란된 레이저 신호를 수신하는 수신부; 및
    상기 수신부가 수신한 3종류 이상 파장의 산란된 레이저 신호로부터 소광 계수를 구하고,
    상기 3종류 이상 파장의 소광 계수 중 하나의 소광 계수로 나머지 파장의 소광 계수 중 하나 이상을 나누어 정규화(normalization)한 후,
    상기 정규화된 소광 계수를 이용하여 상기 측정 대상물에 포함되는 액체 입자의 크기를 산출하는 처리부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 처리부는 소광 계수를 정규화하고 탄성(Mie) 산란 이론에 따른 계산치와 비교하여 상기 측정 대상물에 포함되는 액체 입자의 크기를 산출하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 신호로서 355nm, 532nm, 1064nm 파장의 레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 처리부가 소광 계수를 정규화함에 있어서,
    액체 입자의 크기가 1.6μm 보다 작은 경우에는 355nm 파장의 소광 계수를 1064nm 파장의 소광 계수로 정규화하고,
    나머지 경우에는 532nm 파장의 소광 계수를 1064nm 파장의 소광 계수로 정규화하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 처리부는 액체 입자의 크기와 함께 액체 입자의 총량도 산출하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 처리부는 산출된 액체 입자의 크기와 각 파장에서의 소광 계수를 함께 이용하여 액체 입자의 총량을 산출하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 레이저 신호로서 355nm, 532nm, 1064nm 파장의 레이저를 사용하는 경우,
    상기 처리부가 액체 입자의 총량을 산출함에 있어서,
    상기 액체 입자의 크기가 0.8μm 보다 작은 경우에는 1064nm 파장의 데이터를 사용하고,
    그렇지 않은 경우에는 355nm 또는 532nm 파장 중 하나의 데이터를 사용하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 시스템.
  8. (a) 3종류 이상 파장의 레이저 신호를 측정 대상물로 조사하여 산란된 레이저 신호를 수신하는 단계;
    (b) 상기 수신된 레이저 신호로부터 소광 계수를 구하고,
    상기 3종류 이상 파장의 소광 계수 중 하나의 소광 계수로 나머지 파장의 소광 계수 중 하나 이상을 나누어 정규화(normalization)하는 단계; 및
    (c) 상기 정규화된 소광 계수로부터 상기 측정 대상물에 포함되는 액체 입자의 크기를 산출하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 정규화된 소광 계수를 탄성(Mie) 산란 이론에 따른 계산치와 비교하여 상기 측정 대상물에 포함되는 액체 입자의 크기를 산출하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 레이저 신호로서 355nm, 532nm, 1064nm 파장의 레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    소광 계수를 정규화함에 있어서,
    상기 액체 입자의 크기가 1.6μm 보다 작은 경우에는 355nm 파장의 소광 계수를 1064nm 파장의 소광 계수로 정규화하고,
    나머지 경우에는 532nm 파장의 소광 계수를 1064nm 파장의 소광 계수로 정규화하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 (c) 단계에 이어서,
    (d) 산출된 액체 입자의 크기와 각 파장에서의 소광 계수를 함께 이용하여 액체 입자의 총량을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 레이저 신호로서 355nm, 532nm, 1064nm 파장의 레이저를 사용하는 경우,
    상기 (d) 단계에서 액체 입자의 총량을 산출함에 있어서,
    상기 액체 입자의 크기가 0.8μm 보다 작은 경우에는 1064nm 파장의 데이터를 사용하고,
    그렇지 않은 경우에는 355nm 또는 532nm 파장 중 하나의 데이터를 사용하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 방법.
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