KR101652896B1 - 비-동력으로 동작하며 다수의 광 수신기를 포함하는 광도계를 사용하는 대기 상태 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 태양에 따르면, 비-동력으로 동작하는 광도계를 사용하는 대기 상태 측정 방법에 있어서, (a) (i) 대기에 의한 산란에 기인한 광을 수신하되, 상기 광도계의 몸체에 형성된 복수의 협각 광 수신기(Narrow Angle Probe)들을 사용하여 각각 상이한 방위각의 범위에서 들어오는 대기의 광을 수신하고, 상기 수신된 광의 총량을 분석하도록 지원하며, (ii) 상기 대기 전체에서 상기 광도계로 들어오는 산란광 및 직사광을 수신하되, 상기 광도계의 몸체에 형성된 광각 광 수신기(Wide Angle Probe)를 사용하여 수신하여 상기 수신된 광의 총량을 분석하도록 지원하는 단계; 및 (b) 상기 복수의 협각 광 수신기를 통하여 상기 대기에 의한 산란광을 수신하여 획득되는 산란광의 광량에 대한 정보 및 상기 광각 광 수신기를 통하여 상기 대기 전체에서 산란광 및 직사광을 수신하여 획득되는 광량에 대한 정보를 참조로 하여 직접적으로 상기 광도계로 들어오는 직사광의 광량인 E direct 를 추정하도록 지원하는 단계를 포함하는 측정 방법이 제공된다. 본 발명에 의하면, 협각 광 수신기 및 광각 광 수신기를 통한 측정 값으로부터 태양 추적에 의한 광량을 정확하게 추정하고 수평면을 기준으로 하여 수평면 이상의 위치에 해당되는 전체 대기의 범위로부터 수신하는 전체 광량을 정확하게 추정할 수 있다.

Description

비-동력으로 동작하며 다수의 광 수신기를 포함하는 광도계를 사용하는 대기 상태 측정 방법 {METHOD FOR MEASURING THE STATE OF ATMOSPHERE BY USING NONMOTORIZED PHOTOMETER INCLUDING MULTI-PROBES}
본 발명은 비-동력으로 동작하며 다수의 광 수신기를 포함하는 광도계(Photometer)를 사용하여 대기 상태를 측정하는 방법에 대한 것으로, 보다 상세하게는, 서로 상이한 방위각의 범위에서 들어오는 광을 수신하는 복수의 협각 광 수신기(Narrow Angle Probe) 및 하늘 전체 범위에서 들어오는 광을 수신하는 광각 광 수신기(Wide Angle Probe)를 포함하는 비-동력의 광도계를 사용하여 대기 상태를 측정하는 방법에 관한 것이다.
태양 광도계(Sun photometer)는 하늘에서 오는 광량 및 분포를 측정하는 장치이다. 태양 광도계는 광량 및 분포에 대해 측정된 정보를 통해 대기의 상태를 추정할 수 있다. 여기에서 측정의 대상인 광은 반사, 굴절 및 산란에 의한 광을 포함할 수 있다(참고로, 본 명세서에서는 이를 통합하여 "산란광"이라고 칭하기로 한다).
대기의 상태는 대기의 입자의 특성 패턴을 나타낼 수 있다. 태양 광도계는 광이 분포된 패턴을 통해 대기의 입자의 특성을 추정할 수 있다. 예를 들면, 광의 반사의 특성은 대기의 입자의 특성에 따라 달라질 수 있다. 입자의 특성은 입자의 크기, 입자의 형태, 투과도 등을 포함할 수 있다.
대기의 상태를 판단하기 위해, 태양 추적(Sun tracking) 및 하늘 스캐닝(Sky scanning)의 방법이 사용될 수 있다.
태양 추적은 태양을 바라보는 방향으로 광량 및 분포를 측정하는 방법이다. 태양 추적에 의해 측정되는 정보로서, 대기의 투명도(Atmospheric transmittance), 에어로졸의 광학적 깊이(Aerosol optical depth), 옹스트롬의 멱지수(Angstrom exponent), 에어로졸의 소광(Aerosol extinction), 수분(H2O) 및 오존(03) 등이 있다.
하늘 스캐닝은 태양과 무관하게 하늘의 전체를 스캔하는 방법이다. 하늘 스캐닝은 서로 상이한 방위각들에 대하여 하늘을 불연속적으로 스캔할 수 있다. 여기에서, 태양을 바라보는 방위각은 스캔이 이루어지는 방위각들에서 제외될 수 있다. 서로 상이한 방위각들에 대한 스캔을 위해, 모터가 광 수신기를 특정한 방위각으로 회전시킬 수 있다. 하늘 스캐닝에 의해 측정되는 정보로서, 산란 위상 함수(Scattering phase function), 비대칭 파라미터(Asymmetry parameter), 에어로졸의 크기 분포(Aerosol size distributions), 에어로졸의 구형도(Aerosol sphericity), 에어로졸의 흡수(Aerosol absorption) 및 구름의 광학 특성들(Cloud optical properties) 등이 있다.
태양 추적 및 하늘 스캐닝을 사용하는 측정 방법 중, 태양 광도계를 비행기 등에 탑재하여 측정하는 방법이 있다. 예를 들면, 지상에 있는 비행기가 지상 관측을 통해 대기의 상태(예를 들면, 대기의 산란 등의 패턴)를 측정하면, 전체 대기층의 상태가 측정될 수 있다. 구체적으로, 지표면 및 태양 간의 전체의 거리가 L일 때, ㅿL의 고도에 있는 비행기가 공중 관측을 통해 대기의 상태를 측정하면, L'의 높이(여기에서, L'은 L - ㅿL의 값)에 해당되는 대기층의 전체 상태가 측정될 수 있다. 또한, 비행기가 고도를 변화하면서(말하자면, ㅿL의 값을 변화시키며), 각 고도마다 L'(L' 값도 ㅿL에 따라 변화함)의 높이에 해당되는 대기의 상태를 측정한다면, 각각의 고도에서의 대기의 상태가 밝혀질 수 있다. 이와 같이 종래 기술로 사용되어왔던 광도계는 도 1과 같다. 도 1을 참조하면, 좌측 상단에 해당 광도계가 도시되어 있고 나머지 영역에는 광도계가 비행기에 탑재된 상태가 도시되어 있다.
하지만, 이러한 비행기를 사용하는 측정에 있어서, 비행기를 운행함에 따라 비교적 많은 시간이 걸리고, 비행기의 위치가 변경되면서 측정에서 오류가 발생한다는 문제가 있다. 구체적으로, 하늘 스캐닝 과정에서 모터를 사용하여 구동이 이루어질 수 있으므로, 모터의 회전에 따른 측정 각도의 변경 및 비행기의 이동에 따른 측정 위치의 변경 등에 대한 보정이 요구된다. 즉, 도 1을 다시 참조하면, 좌측 상단과 같은 광도계가 비행기에 탑재된 상태로 모터에 의해 회전할 수 있다. 예를 들면, 모터를 사용하여 방위각을 바꿔가면서 하늘의 전체를 스캔하는데 100초의 시간이 요구된다면, 100초의 시간 동안 비행기는 가령 10Km 정도의 거리를 이동할 수 있다. 또한, 태양 추적의 경우에도, 도 1과 같은 광도계가 비행기에 탑재된 상태로 모터에 의해 회전하면서 태양을 추적할 수 있을 것이며, 태양의 위치를 추적하기 위하여 모터에 의해 광 수신기의 각도가 변경되는 동안 비행기가 상당 거리를 이동하는바, 측정에서 오차가 발생할 수 있다.
이에, 본 발명자는, 서로 상이한 방위각의 범위에서 들어오는 광을 수신 또는 검출하는 다수의 광 수신기를 광도계 내에 기구학적으로 배치함으로써 비-동력의 광도 측정을 가능하게 하는 기술을 개발하기에 이르렀다.
본 발명은 상술한 문제점을 모두 해결하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 서로 상이한 방위각의 범위에서 들어오는 광을 검출하는 다수의 광 수신기를 포함하는 광도계를 사용함으로써, 광도 측정이 비-동력으로, 빠른 시간 내에 상대적으로 더 정확하게 이루어질 수 있도록 하는 것을 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상반구의 표면에 배치된 복수의 광 수신기들뿐만 아니라 하반구의 표면의 적어도 일부에 배치된 복수의 광 수신기들까지 사용하여, 광도계가 설치된 차량 또는 비행기가 기운 상태에서도 정확하게 광량 또는 광분포의 측정이 이루어질 수 있도록 하는 것을 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 협각 광 수신기 및 광각 광 수신기를 통한 측정 값으로부터 태양 추적(Sun Tracking)에 의한 광량을 정확하게 추정하고 수평면을 기준으로 하여 수평면 이상의 위치에 해당되는 전체 대기의 범위로부터 수신하는 전체 광량을 정확하게 추정하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대표적인 구성은 다음과 같다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 비-동력으로 동작하는 광도계를 사용하는 대기 상태 측정 방법에 있어서, (a) 상기 광도계가, (i) 대기에 의한 산란에 기인한 광을 수신하되, 상기 광도계의 몸체에 형성된 복수의 협각 광 수신기(Narrow Angle Probe)들을 사용하여 각각 상이한 방위각의 범위에서 들어오는 대기의 광을 수신하고, 상기 수신된 광의 총량을 분석하도록 지원하며, (ii) 상기 대기 전체에서 상기 광도계로 들어오는 산란광 및 직사광을 수신하되, 상기 광도계의 몸체에 형성된 광각 광 수신기(Wide Angle Probe)를 사용하여 수신하여 상기 수신된 광의 총량을 분석하도록 지원하는 단계; 및 (b) 상기 광도계가, 상기 복수의 협각 광 수신기를 통하여 상기 대기에 의한 산란광을 수신하여 획득되는 산란광의 광량에 대한 정보 및 상기 광각 광 수신기를 통하여 상기 대기 전체에서 산란광 및 직사광을 수신하여 획득되는 광량에 대한 정보를 참조로 하여 직접적으로 상기 광도계로 들어오는 직사광의 광량인 E direct 를 추정하도록 지원하는 단계를 포함하는 측정 방법이 제공된다.
이 외에도, 본 발명을 구현하기 위한 다른 방법, 장치, 시스템 및 상기 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체가 더 제공된다.
본 발명에 의하면, 광도계가 비-동력으로 동작할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 복수의 협각 광 수신기를 사용하여 한번에 여러 방위각 범위로부터 광을 수신하므로, 빠른 시간 내에 대기 상태에 대한 측정이 이루어질 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 광도계가 설치된 차량 또는 비행기가 기운 상태에서도 요구되는 대기 상태에 대한 측정이 정확하게 이루어질 수 있는 효과가 달성된다.
또한, 본 발명은 협각 광 수신기 및 광각 광 수신기를 통한 측정 값으로부터 태양 추적(Sun Tracking)에 의한 광량 등을 정확하게 추정하고 수평면을 기준으로 하여 수평면 이상의 위치에 해당되는 전체 대기의 범위로부터 수신하는 전체 광량 등을 정확하게 추정할 수 있는 효과가 달성된다.
도 1은 종래 기술에 따른 광도계의 외관 및 종래 기술에 따른 광도계가 비행기에 탑재된 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 광도계의 외관을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광도계의 단면을 나타낸다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광도계가 흔들림이 없는 상태에서 측정을 수행하는 경우 및 흔들림이 있는 상태에서 측정을 수행하는 경우의 협각 광 수신기의 동작 상태를 각각 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광도계가 센서와 연결된 상태를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광량의 측정 방법을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 방법의 흐름도이다.
도 8은 광각 광 수신기를 보정하기 위한 방법을 나타낸다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
광도계의 구성
도 2는 본 발명에 따른 광도계의 외관을 나타내는 도면이다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 광도계(100)는 몸체(110) 및 복수의 협각 광 수신기(Narrow Angle Probe)(120) 및 광각 광 수신기(Wide Angle Probe)(130)를 포함할 수 있다. 복수의 협각 광 수신기(120)들의 일부로서, 도 2에서는, 제1 협각 광 수신기(121), 제2 협각 광 수신기(122) 및 제3 협각 광 수신기(123) 등이 도시되었고, 이외에도 이와 유사한 형태로, 다수의 다른 협각 광 수신기들이 도시되었다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 협각 광 수신기는 좁은 범위의 각을 통하여 대기 또는 태양을 대상으로 하여 광을 검출하는 유닛일 수 있다. 복수의 협각 광 수신기들은 서로 상이한 방위각의 범위에서 들어오는 광을 수신할 수 있다. 협각 광 수신기는 협각 광 수신기(또는, 협각 광 수신기의 렌즈)에 수직인 방향을 기준으로 소정의 값 내의 각도를 이루며 들어오는 광(직사광선일 수도 있고 산란광과 같은 간접광일 수도 있음)을 수신할 수 있으며 경우에 따라 검출할 수도 있다. 가령, 협각 광 수신기마다 후술할 도 5에서와 같이 광섬유(410) 등에 연결되어 센서(420)에서 광을 검출을 하는 경우 협각 광 수신기는 검출 기능은 없고 단순히 수신 기능만 있을 수 있고, 다른 경우로서 협각 광 수신기에 광섬유(410)를 연결하지 않고 소형 센서(미도시)를 각각의 협각 광 수신기와 근접하여 연동할 수 있도록 몸체(110)의 내부에 협각 광 수신기마다 각각의 소형 공간을 형성하고 그곳에 각각의 소형 센서(미도시)를 실장할 수도 있을 것이다. 한편, 협각 광 수신기의 특성에 따라, 각각의 협각 광 수신기는 가령 3° 이내의 각도로 들어오는 광을 수신할 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 협각 광 수신기들을 사용함으로써 광도계(100)는 비-동력으로 동작할 수 있다. 말하자면, 광도계(100)는 모터 등에 의해 움직이는 부분을 포함하지 않고, 복수의 협각 광 수신기들은 광도계(100)에 대해 고정된 위치를 가질 수 있다. 협각 광 수신기들이 다수이기 때문에, 서로 상이한 방위각의 범위들에서 들어오는 광이 복수의 협각 광 수신기들에 의해 동시에 수신되고 검출될 수 있으며, 넓은 범위에 대한 광의 수신 및 검출이 모터 등의 동력부 없이 비-동력으로 동시에 또는 빠른 시간 내에 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 협각 광 수신기들은 몸체(110)에 배치될 수 있다. 모든 방향에서 들어오는 광들을 수신하기 위해, 복수의 협각 광 수신기들은 몸체(110)에 균일하게 배치될 수 있다. 예를 들면, 몸체(110)의 표면 상에서, 복수의 협각 광 수신기들 간의 거리는 동일할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 협각 광 수신기들의 균일한 배치를 위해, 몸체(110)는 돔(Dom) 또는 스카이돔(Skydome)의 형태를 가질 수 있다. 또한, 몸체(110)는 몸체(110)의 표면에 배치된 복수의 협각 광 수신기들이 광도계(100)로 들어오는 광을 광이 들어오는 각도의 범위에 따라 서로 간에 분할하여 수신 및 검출하도록 배치될 수 있게 하는 형태를 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 광각 광 수신기(130)는 전체의 하늘에서 들어오는 광을 검출할 수 있다. 말하자면, 광각 광 수신기(130)는 전체의 하늘에서 들어오는 광들을 한 번에 스캔할 수 있다. 광각 광 수신기(130)는 몸체(110)의 상부(가령, 꼭대기 부분)에 위치할 수 있다. 또는, 광각 광 수신기(130)는 몸체(110)의 중심에 수직인 위치에 부착될 수 있다. 도 2에서 도시된 것과 같이, 광각 광 수신기(130)는 여러 방향에서의 광을 수신하기 위해 몸체(110)의 표면에 대하여 반구(Hemi-sphere) 또는 볼록렌즈 등의 형태로 돌출될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광각 광 수신기(130)는 광각 광 수신기(130)로 들어오는 광을 산란시키는 확산층(Diffuser)를 포함할 수 있으며, 일례로서 간유리 등으로 구성될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광도계(100)는 복수의 협각 광 수신기들 및 광각 광 수신기(130)들을 사용하여 각각의 광 수신기로 들어오는 광을 소정의 샘플링 레이트로 검출할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광도계의 단면을 나타낸다.
도 2를 참조하여 전술된 것처럼, 몸체(110)는 복수의 협각 광 수신기들이 각각 서로 상이한 각도로 들어오는 광을 수신하기에 적합한 형태를 가질 수 있다.
도 3에서 도시된 것처럼, 몸체(110)는 상단의 반구(Hemi-sphere)(210)를 일부로서 포함하는 부분 구(Partial Sphere)(230)의 형태를 가질 수 있다. 말하자면, 몸체(110)는 구의 중심의 아래 측에서 수평으로 절단된 구의 일부의 형태를 가질 수 있고, 몸체(110)는 상단의 반구(210) 및 하단이 수평으로 잘린 반구의 적어도 일부분(220)을 포함할 수 있다. 도 3에서, 부분 구(230)의 잘린 부분의 최하단의 지점(P1 또는 P2) 및 구의 중심을 연결한 직선이 구의 중심을 통과하는 수평면에 포함된 구의 지름에 대응되는 직선과 이루는 각도가 α로 도시되었다. 가령, α는 15°일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상단의 반구(210)는 광도계(100)가 수평면과 평행의 상태일 때, 수평면의 위 측에서 들어오는 광을 수신하고 이를 검출하도록 지원하기 위한 부분일 수 있으며, 광각 광 수신기(130)뿐만 아니라 제1 협각 광 수신기(121), 제2 협각 광 수신기(122) 등을 포함할 수 있다. 하단의 수평으로 잘린 반구의 적어도 일부분(220)는 수평면의 아래 측에 존재하며 제3 협각 광 수신기(123) 등을 포함하는데, 본 발명의 광도계(100)가 수평 자세를 유지하면서 측정을 수행할 경우에는 제3 협각 광 수신기(123)를 통하여 측정할 필요가 없을 수 있다. 하지만, 본 발명의 광도계(100)가 비행기나 차량 등의 이동체에 탑재된 상태로 측정되는 경우 흔들림 등으로 인하여 수평 자세를 유지하기 어려운 경우가 많게 되는바, 이러한 경우에는 제3 협각 광 수신기(123) 등이 수평면 이하에 있지 않고 수평면 이상의 위치로 이동하는 경우가 생길 수 있으므로, 흔들림이 있더라도 수평면 이상의 영역에는 각각의 협각 광 수신기들이 균일하게 배열될 수 있으며 이를 통해 대기의 광을 수신하고 대기의 특성을 센싱할 수 있도록 지원하게 되는 것이다. 참고로, 이동체의 흔들림은 수평면 대비 α의 각도를 넘지 않는 것으로 가정하였다.
도 4a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 광도계가 흔들림이 없는 상태에서 측정을 수행하는 경우의 협각 광 수신기들의 동작 상태를 나타낸다. 이에 따르면, 도 4a에서 빗금친 영역과 같이 수평면 이상에 위치하는 협각 광 수신기들이 대기 상태를 수신하고 이에 대하여 검출을 수행할 수 있도록 지원할 것이다.
또한, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광도계가 흔들림이 있는 상태에서 측정을 수행하는 경우의 협각 광 수신기들의 동작 상태를 나타낸다. 이에 따르면, 흔들림이 α 각도만큼 있는 경우로서, 도 4b에서 빗금친 영역과 같이 수평면 이상의 영역에 협각 광 수신기들이 여전히 균일하게 존재하며, 이는 도 4a의 그림 상 좌측 하단에 위치하던 수평면 이하 영역의 협각 광 수신기들이 흔들림에 의해 도 4b의 그림 상에서는 수평면 이상의 영역으로 이동하게 되기 때문이다. 따라서, 흔들림이 있어도 도 4b의 빗금친 영역과 같이 수평면 이상에 위치하는 협각 광 수신기들에 의해 수신된 정보에 의거하여 대기 상태에 대한 검출이 수행될 수 있게 되는 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광도계(100)는 광섬유(410) 및 센서(420)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 센서(420)는 분광 특성을 검출할 수 있다. 센서(420)는 초분광의(Hyperspectral) 가시 및 근적외(Visible and Near-Infrared) 영역을 측정할 수 있는 다-채널 분광계(Multi-Channel Spectrometer)일 수 있다. 예를 들면, 센서(420)는 470nm 및 915nm 사이의 파장의 광을 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 센서(420)는 복수의 협각 광 수신기들로 들어온 광에 대한 분광 특성을 검출할 수 있다. 복수의 협각 광 수신기들의 각각은 하나하나의 광섬유(410)를 통해 센서(420)와 연결될 수 있다. 말하자면, 협각 광 수신기에 의해 생성된 신호는 광섬유(410)를 통해 센서(420)로 전송될 수 있다. 도 5에서, 복수의 협각 광 수신기(120) 중, 제1 협각 광 수신기(121), 제2 협각 광 수신기(122) 및 제3 협각 광 수신기(123)가 도시되었고, 협각 광 수신기들은 각각 제1 광섬유(411), 제2 광섬유(412) 또는 제3 광섬유(413)로 센서(420)와 연결되었다.
또한, 광각 광 수신기(130)에 의해 생성된 신호 또한 또 다른 광섬유(414)를 통해 센서(420)로 전송될 수 있다. 여기서, 생성된 신호는 광의 총량을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 센서(420)는 프리즘 기능 및 전하결합소자(Charge-Coupled Device; 이하 'CCD'로 함.)의 기능을 수행할 수 있다. 말하자면, 센서(420)는 복수의 광섬유들을 통해 입력되는 광을 프리즘이 전하결합소자에 퍼트리는 것과 같은 결과를 생성할 수 있다. 말하자면, 센서(420)는 볼륨 페이즈 홀로그래픽(Volume Phase Holographic) 격자(Grating) 분광계를 포함할 수 있다. 센서(420)는 복수의 광섬유들로부터 전송되는 신호가 최소한의 혼선(Cross talk)를 일으키도록 구성될 수 있다. 프리즘의 기능을 통해, 센서(420)에서, 복수의 광섬유들로부터 전송되는 신호들의 각각은 CCD의 특정한 위치에서 나타낼 수 있다. 예를 들면, 하나의 광섬유로부터 전송되는 신호는 센서(420)에서 하나의 수직 선을 생성할 수 있다. 말하자면, CCD 상에서 나타나는 복수의 수직 선들은 각각 하나의 협각 광 수신기로부터 전송된 신호를 나타낼 수 있다. 센서(420)는 복수의 광섬유들로부터 전송되는 신호들에 의해 생성되는 수직 선들이 서로 최대한 넓은 간격을 갖도록 구성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도시된 것과 달리, 각각의 협각 광 수신기는 협각 광 수신기에 의해 수신된 광의 세기 등을 측정하는 센서를 별도로 가질 수도 있다.
광도계를 사용하는 측정 방법
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광량의 측정 방법을 나타낸다.
도 6에서, E total 은 하늘 전체에서 광도계(100)로 들어오는 광량(또는, 에너지)를 나타낼 수 있다. 여기에서, E total 은 산란에 의해 광도계(100)로 들어오는 광량인 E diff 및 직접적으로 광도계(100)로 들어오는 광량인 E direct 의 합일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, E total 은 광도계(100) 또는 광도계(100)가 설치된 차량 또는 비행기가 기운 상태에서 틸트된 수평면의 위편에 위치하는 하늘 전체에서 들어오는 광량인
Figure 112014113600011-pat00001
과, 하늘 전체에서 들어오는 광 중 수평면(틸트되지 않은 수평면)의 위편에서 들어오는 광량인
Figure 112014113600011-pat00002
로 구분될 수 있다. 그런데, 광도계(100)가 기울어졌을 때,
Figure 112014113600011-pat00003
은 광각 광 수신기(130)를 사용하여 쉽게 구할 수 있지만,
Figure 112014113600011-pat00004
은 막바로 구하는 것이 어려운바, 이에 대한 측정 방법이 중요하게 고민되어야 한다. 이에 대해서는 후술한다.
한편, E diff 는 광도계(100) 또는 광도계(100)가 설치된 차량 또는 비행기가 기운 상태에서 틸트된 수평면의 위편의 몸체(110)에 설치된 복수의 협각 광 수신기(120)를 사용하여 측정하고 산란 등에 의해 광도계(100)의 복수의 협각 광 수신기들(틸트된 수평면 위편에 배치된 협각 광 수신기들) 전체로 들어오는 광량인
Figure 112014113600011-pat00005
와, 수평면(틸트되지 않은 수평면)의 위측에서 산란 등에 의해 광도계(100)로 들어오는 광량인
Figure 112014113600011-pat00006
로 구분될 수 있다.
여기서,
Figure 112014113600011-pat00007
는 복수의 협각 광 수신기들(틸트된 수평면 위에 배치된 협각 광 수신기들)에 의해 측정된 측정 값들을 합하거나 또는 측정 값들을 적분함으로써 계산된 값일 수 있고,
Figure 112014113600011-pat00008
는 복수의 협각 광 수신기들(수평면 위에 배치된 협각 광 수신기들)에 의해 측정된 측정 값들을 합하거나 또는 측정 값들을 적분함으로써 계산된 값일 수 있다.
광도계(100)가 기울어진 상태일 때, 광각 광 수신기(130) 및 복수의 협각 광 수신기(120)들에 의해 각각
Figure 112014113600011-pat00009
및
Figure 112014113600011-pat00010
가 측정되면,
Figure 112014113600011-pat00011
및
Figure 112014113600011-pat00012
에 기반하여 E direct 가 추정될 수 있다. 예를 들면, E direct 는
Figure 112014113600011-pat00013
에서
Figure 112014113600011-pat00014
를 뺀 값일 수 있다. 그런데, 이와 같이 E direct 를 구하는 방법은 태양의 방위각이 복수의 협각 광 수신기(120) 중 어느 하나에 의해서도 커버되지 않는 경우에 해당될 것이다. 이와는 반대로, 태양의 방위각이 복수의 협각 광 수신기(120) 중 어느 하나에 의해 커버 된다면(즉, 양자의 방위각 범위가 일치하는 경우) 이와 같이
Figure 112014113600011-pat00015
에서
Figure 112014113600011-pat00016
를 뺄 필요 없이 곧바로 해당 방위각의 협각 광 수신기(120)에 의해 수신되고 검출되도록 할 수 있을 것이다.
한편, 전술된 것처럼,
Figure 112014113600011-pat00017
는 수평면의 위 측에서 산란에 의해 광도계(100)로 들어오는 광량이고, 수평면의 위 측에서 산란에 의해 광도계(100)로 들어오는 광은 복수의 협각 광 수신기들 중 수평면의 위 측에서 들어오는 광을 수신하는 일부의 협각 광 수신기들을 사용하여 계산될 수 있다. 또한, 광도계(100)는 광도계(100)의 기울기를 감지할 수 있으며, 복수의 협각 광 수신기들 중 광도계(100)의 기울기에 따라 수평면의 위 측에서 들어오는 광을 수신할 수 있도록 일부의 협각 광 수신기들을 식별할 수 있다. 예를 들면,
Figure 112014113600011-pat00018
는 복수의 협각 광 수신기들 중 수평면의 위측에서 들어오는 광을 수신하는 것으로 식별된 일부의 협각 광 수신기들에 의해 측정된 측정 값들을 합하거나, 측정 값들을 적분함으로써 계산될 수 있다. E direct 가 추정되고
Figure 112014113600011-pat00019
가 계산되면, E direct 및
Figure 112014113600011-pat00020
에 기반하여
Figure 112014113600011-pat00021
이 추정될 수 있다. 예를 들면,
Figure 112014113600011-pat00022
는
Figure 112014113600011-pat00023
및 E direct 의 합일 수 있다. 따라서, 광각 광 수신기(130)가 틸트되어 있는 경우 실제로 측정의 의의가 있는 수평면의 위측에서 들어오는 전체의 광량인
Figure 112014113600011-pat00024
를 직접적으로 측정할 수 없음에도 불구하고, 부분 구의 형태를 갖는 몸체(110)에 배치된 복수의 협각 광 수신기들과, 광도계(100)의 기울기에 대한 감지를 통해
Figure 112014113600011-pat00025
가 용이하게 추정될 수 있는 것이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, E direct 및
Figure 112014113600011-pat00026
외에도 다른 정보들이 측정될 수 있다. 예를 들면, E direct 및
Figure 112014113600011-pat00027
에 기반하여 직접 및 산린 비(Direct-to-Diffuse Ratio)가 계산될 수 있고, E direct 에 기반하여 에어로졸의 광학적 깊이 및 소공(Extinction)이 계산될 수 있다. 또한, E direct 및 복수의 협각 광 수신기들에 의해 검출된 광의 전체 분포에 기반하여 대기의 에어로졸 및 구름의 특성들이 검출될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 방법의 흐름도이다.
(i) 우선, 광도계(100)는 산란 등에 의해 광도계(100)로 들어오는 광량 및 하늘 전체에서 광도계(100)로 들어오는 광량을 측정할 수 있다(S710). 측정 시, 광도계(100) 또는 광도계(100)가 설치된 차량이나 비행기는 수평면에 비해 기울어져 있을 수 있으며, 산란에 의해 광도계(100)의 복수의 협각 광 수신기(120)를 통해 들어오는 광량은 광도계(100)의 기울기가 반영된
Figure 112014113600011-pat00028
(태양 추적에 의한 값을 제외한 것이며, 태양 추적에 의한 광량 값은 E direct 에 해당함)일 수 있고, 하늘 전체에서 광도계(100)의 광각 광 수신기(130)를 통해 들어오는 광량은 광도계(100)의 기울기가 반영된
Figure 112014113600011-pat00029
일 수 있다.
(ii) 다음으로, 광도계(100)는
Figure 112014113600011-pat00030
및
Figure 112014113600011-pat00031
에 기반하여 태양으로부터 직접적으로 광도계(100)로 들어오는 광량인 E direct 를 추정할 수 있다(S720).
(iii) 다음으로, 광도계(100)는 수평면의 위측에서 산란에 의해 광도계로 들어오는 광량인
Figure 112014113600011-pat00032
를 측정할 수 있다(S730).
(iv) 다음으로, 광도계(100)는 E direct 및
Figure 112014113600011-pat00033
에 기반하여 수평면의 위측에서 광도계(100)로 들어오는 광량인
Figure 112014113600011-pat00034
을 추정할 수 있다(S740).
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광각 광 수신기를 보정하기 위한 도면을 나타낸다.
도 8에서, x 축은 광각 광 수신기(130)로 들어오는 광의 각도를 나타내고, y 축은 광의 세기를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 8에서 도시된 것처럼, 광각 광 수신기(130)에 대한 광의 각도 및 광의 세기의 이상적인 그래프가 코사인(Cosine)의 관계를 가지는 경우를 상정하였다. 하지만, 실제로 제조되는 광각 광 수신기(130)는 이와 같은 이상적인 그래프 관계를 가지지 않는 경우가 빈번하다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 다음과 같은 방법을 제안한다. 이상적인 그래프를 cos x 라 하고 실제로 제조되는 광각 광 수신기(130)의 그래프를 f(x)cos x 라고 하자. 즉, 실제로 제조되는 광각 광 수신기(130)는 f(x)라는 오차 팩터만큼 이상치로부터 벗어나 있다는 것이다. 이와 같은 경우, 상기의 수식 중
Figure 112014113600011-pat00035
=
Figure 112014113600011-pat00036
+ E direct 의 수식을 볼 때, 광각 광 수신기(130)에 의하여 측정된
Figure 112014113600011-pat00037
의 값은 정확한 값이 아니라 제조상의 오류 등으로 인하여 f(x) 만큼 이상치로부터 벗어난 값이므로, 정확한 E direct 값을 추정하기 위하여
Figure 112014113600011-pat00038
에 대해서도 f(x) 만큼의 오차 팩터를 곱할 필요가 있다. 즉,
Figure 112014113600011-pat00039
는 틸트된 수평면의 위측에 배열된 복수의 협각 광 수신기(120)들을 이용하여 수신한 광량을 적분하여 구해지는데, 이와 같이 적분하여 구해진 값에 f(x) 만큼의 오차 팩터를 곱함으로써 정확한 E direct 값을 추정할 수 있는 기본이 될 수 있게 된다.
이상 설명된 본 발명에 따른 실시예들은 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 광도계
110: 몸체
120: 협각 광 수신기
130: 광각 광 수신기
410: 광섬유
420: 센서

Claims (8)

  1. 비-동력으로 동작하는 광도계를 사용하는 대기 상태 측정 방법에 있어서,
    (a) 상기 광도계가, (i) 대기에 의한 산란에 기인한 광을 수신하되, 상기 광도계의 몸체의 표면부에 형성되고 각각이 임의의 거리만큼 이격되거나 인접하여 배치된 복수의 협각 광 수신기(Narrow Angle Probe) - 상기 복수의 협각 광 수신기들은 각각에 수직인 방향을 기준으로 소정의 각도 범위 내로 들어오는 대기의 광을 수신함 - 들을 사용하여 각각 상이한 방위각의 범위에서 들어오는 대기의 광을 수신하고, 상기 복수의 협각 광 수신기에 의해 수신된 광이 센서를 통해 검출되면 상기 검출된 광의 총량을 분석하거나 상기 복수의 협각 광 수신기에 의해 수신된 광의 총량을 분석하도록 지원하며, (ii) 상기 몸체의 최상단부에 위치하여 상기 몸체에 대한 수평면 위쪽의 대기 전체에서 상기 광도계로 들어오는 산란광 및 직사광을 수신하는 광각 광 수신기(Wide Angle Probe)를 사용하여 대기의 광을 수신하고, 상기 광각 광 수신기에 의해 수신된 광이 센서를 통해 검출되면 상기 검출된 광의 총량을 분석하거나 상기 광각 광 수신기에 의해 수신된 광의 총량을 분석하도록 지원하는 단계; 및
    (b) 상기 광도계가, 상기 복수의 협각 광 수신기를 통하여 상기 대기에 의한 산란광을 수신하여 획득되는 산란광의 광량에 대한 정보 및 상기 광각 광 수신기를 통하여 상기 대기 전체에서 산란광 및 직사광을 수신하여 획득되는 광량에 대한 정보를 참조로 하여 직접적으로 상기 광도계로 들어오는 직사광의 광량인 Edirect 를 추정하도록 지원하는 단계
    를 포함하고,
    상기 광도계의 몸체는 구형이며,
    상기 광도계는, 상기 구형 몸체가 수평 상태에 있을 때의 상기 구형 몸체의 수평단면을 기준으로 상기 구형 몸체 상반구의 표면부에 상기 협각 광 수신기들이 배열되어 있고, 상기 구형 몸체의 수평단면과 소정의 예각 이내에 위치하는 상기 구형 몸체 하반구의 표면부에도 상기 협각 광 수신기들이 배열되어 있고,
    상기 광도계가 상기 소정의 예각보다 작은 소정의 각도만큼 기울어져 있을 때,
    상기 (a) 단계의 (i) 는,
    (i) 상기 대기에 의한 산란에 기인한 광을 수신하되, 상기 광도계의 구형 몸체에 형성된 복수의 협각 광 수신기들을 사용하여 각각 상이한 방위각의 범위에서 들어오는 대기의 광을 수신함에 있어서, 상기 구형 몸체가 상기 소정의 각도만큼 기울어짐에 따라 상기 수평 상태에서의 수평단면이 상기 소정의 각도만큼 기울어진 상태를 기울임단면이라고 할 때, 상기 기울임단면을 기준으로 상기 구형 몸체 위쪽의 표면부에 위치하는 협각 광 수신기를 통해 상기 산란에 기인한 광을 수신하여
    Figure 112016046790298-pat00055
    를 구할 수 있도록 지원하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계의 (i) 는,
    상기 구형 몸체가 상기 소정의 예각보다 작은 상기 소정의 각도만큼 기울어지는 경우, 상기 기울임단면을 기준으로 상기 구형 몸체 위쪽의 표면부에 위치하는 협각 광 수신기를 통해 수신된 광을 적분하여 상기
    Figure 112016046790298-pat00056
    를 구하도록 지원하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계의 (ii)는,
    상기 구형 몸체에 대한 수평면 위쪽의 대기 전체에서 상기 광도계로 들어오는 산란광 및 직사광을 수신함에 있어서, 상기 구형 몸체가 상기 소정의 예각보다 작은 상기 소정의 각도만큼 기울어진 경우, 상기 틸트된 상태의 광각 광 수신기를 통하여 상기 기울임단면 위쪽의 대기 전체에서 상기 광도계로 들어오는 광을 수신함으로써 상기 수신된 광의 총량인
    Figure 112016046790298-pat00057
    를 구하도록 지원하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에 의하여 상기 광도계로 들어오는 직사광의 광량인 Edirect 가 추정되면,
    (c) 상기 광도계의 구형 몸체의 표면부에 형성된 복수의 협각 광 수신기들을 사용하여 각각 상이한 방위각의 범위에서 들어오는 대기에 의한 산란광을 수신하되, 상기 구형 몸체가 상기 소정의 예각보다 작은 상기 소정의 각도만큼 기울어진 상태에서 수평면을 기준으로 상기 구형 몸체 위쪽의 표면부에 위치하는 협각 광 수신기들을 사용하여 상기 산란광을 수신하여
    Figure 112016046790298-pat00058
    를 구할 수 있도록 지원하는 단계; 및
    (d) 상기 광도계로 들어오는 직사광의 광량인 Edirect 에 대한 추정값과 상기 구형 몸체가 상기 소정의 예각보다 작은 상기 소정의 각도만큼 기울어진 상태에서 상기 수평면을 기준으로 상기 구형 몸체 위쪽의 표면부에 위치하는 협각 광 수신기들을 통해 상기 산란광을 수신하여 구하여진 상기
    Figure 112016046790298-pat00059
    의 계산값을 참조로 하여, 상기 수평면 위쪽의 대기 전체로부터 수신되는 산란광 및 직사광에 대한 광량에 대한 정보인
    Figure 112016046790298-pat00060
    을 추정하는 단계
    를 더 포함하는 측정 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서,
    상기 광도계는, 상기 복수의 협각 광 수신기들을 사용하여 각각 상이한 방위각의 범위에서 들어오는 대기의 광을 수신하고, 상기 수신된 광과 상기 수신된 광에 대응되는 협각 광 수신기의 방위각의 관계를 참조로 하여 상기 대기의 방위각별 특성을 추가적으로 분석하거나 분석하도록 지원하며, 상기 광각 광 수신기를 사용하여 상기 대기의 방위각별 특성을 추가적으로 분석하거나 분석하도록 지원하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  8. 비-동력으로 동작하는 광도계를 사용하는 대기 상태 측정 방법에 있어서,
    (a) 상기 광도계가, (i) 대기에 의한 산란에 기인한 광을 수신하되, 상기 광도계의 몸체의 표면부에 형성되고 각각이 임의의 거리만큼 이격되거나 인접하여 배치된 복수의 협각 광 수신기(Narrow Angle Probe) - 상기 복수의 협각 광 수신기들은 각각에 수직인 방향을 기준으로 소정의 각도 범위 내로 들어오는 대기의 광을 수신함 - 들을 사용하여 각각 상이한 방위각의 범위에서 들어오는 대기의 광을 수신하고, 상기 복수의 협각 광 수신기에 의해 수신된 광이 센서를 통해 검출되면 상기 검출된 광의 총량을 분석하거나 상기 복수의 협각 광 수신기에 의해 수신된 광의 총량을 분석하도록 지원하며, (ii) 상기 몸체의 최상단부에 위치하여 상기 몸체에 대한 수평면 위쪽의 대기 전체에서 상기 광도계로 들어오는 산란광 및 직사광을 수신하는 광각 광 수신기(Wide Angle Probe)를 사용하여 대기의 광을 수신하고, 상기 광각 광 수신기에 의해 수신된 광이 센서를 통해 검출되면 상기 검출된 광의 총량을 분석하거나 상기 광각 광 수신기에 의해 수신된 광의 총량을 분석하도록 지원하는 단계; 및
    (b) 상기 광도계가, 상기 복수의 협각 광 수신기를 통하여 상기 대기에 의한 산란광을 수신하여 획득되는 산란광의 광량에 대한 정보 및 상기 광각 광 수신기를 통하여 상기 대기 전체에서 산란광 및 직사광을 수신하여 획득되는 광량에 대한 정보를 참조로 하여 직접적으로 상기 광도계로 들어오는 직사광의 광량인 Edirect 를 추정하도록 지원하는 단계
    를 포함하고,
    상기 광각 광 수신기에 대하여, 상기 광각 광 수신기가 이상적인 상태로 제조되었을 경우의 광의 입사각 대비 광의 세기에 대한 이상적인 그래프인 제1 함수를 획득하고, 상기 광각 광 수신기가 실제로 상기 광도계에 탑재된 상태로 광을 수신하는 경우의 광의 입사각 대비 광의 세기에 대한 실제 그래프인 제2 함수를 획득한 후, 상기 제1 함수와 상기 제2 함수 사이의 관계를 통하여 오차 팩터인 f(x)를 구하고, 상기 오차 팩터 f(x)를 상기 협각 광 수신기에도 적용함으로써, 상기 Edirect 값을 정확하게 추정할 수 있도록 지원하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
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