KR101958541B1 - 적외선 분광 스펙트럼을 이용한 실시간 오염수준 정량화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적외선 검출기를 이용한 분광 간섭계로부터 획득한 밝기온도 스펙트럼과 복사전달 모델(Radiative Transfer Model)로부터 배경온도와 화학가스 운의 온도를 추정하고 각 물질의 특정 파수에서의 흡수계수를 이용하여 대상 화학가스의 오염수준을 정량화하는 적외선 분광 스펙트럼을 이용한 실시간 오염수준 정량화 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 적외선 분광 스펙트럼을 이용한 실시간 오염수준 정량화 방법은, 초분광 장치(10)를 통하여 수광된 적외선의 분광 스펙트럼을 이용하여 오염물질의 오염수준을 정량화하는 방법에 있어서, 오염영역의 오염정도를 측정하고자 하는 영역을 모델링하는 측정대상 모델링 단계(S210)와, 상기 초분광 장치로 수광되는 적외선 분광 스펙트럼을 측정하는 스펙트럼 측정단계(S220)와, 상기 스펙트럼이 상기 측정대상 모델링 단계(S210)에서 모델링된 각 레이어의 투과율을 계산하는 투과율 계산단계(S230)와, 상기 투과율 계산단계에서 구해진 오염운의 농도와 오염운의 길이로 오염정도를 계산하여 실시간으로 오염도를 정량화하는 실시간 정량화 단계(S240)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

적외선 분광 스펙트럼을 이용한 실시간 오염수준 정량화 방법{METHOD FOR QUANTIFICATION OF LEVEL OF POLLUTION USING INFRARED SPECTROMETRY}

본 발명은 수동형 적외선 분광법을 이용하여 야외 원거리에서 실시간으로 화학가스를 탐지하여 오염수준의 분포를 매핑하여 오염수준을 정량화하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 적외선 검출기를 이용한 분광 간섭계로부터 획득한 밝기온도 스펙트럼과 복사전달 모델(Radiative Transfer Model)로부터 배경온도와 화학가스 운의 온도를 추정하고 각 물질의 특정 파수에서의 흡수계수를 이용하여 대상 화학가스의 오염수준을 정량화하는 적외선 분광 스펙트럼을 이용한 실시간 오염수준 정량화 방법에 관한 것이다.

독성 화학물질을 탐지하는 방법으로는 탐지센서를 탐지대상 물질에 노출하여 상기 탐지센서가 독성 화학물질을 탐지하는 접촉식 탐지(Point detection)방법과 수 km의 원거리에서 탐지센서가 탐지대상물질에 노출되지 않고 탐지하는 비접촉식 탐지(Standoff detection)방법이 있다.

이중에서, 상기 비접촉식 탐지방법은 레이저 광원을 사용하는 능동형 라이다 방식과 자연배경에서 복사되는 적외선을 수광하여 분석하는 수동형 적외선 분광법으로 나눌 수 있다.

능동형 라이다 방식은 레이저 광원이 물질마다 고유한 파장을 얻는데 제한이 있고, 야외 환경에 적합한 내환경성과 내구성을 갖기 어려우며, 제원과 전력소모가 큰 단점이 있다.

이에 비해 수동형 적외선 분광법은 레이저 광원이 필요하지 않아, 상대적으로 소형, 경량으로 개발할 수 있고, 많은 종류의 분자들이 진동 및 회전 에너지 준위를 갖는 고유한 적외선 흡수선을 가지는 파장영역을 사용하므로 동시에 여러 물질을 탐지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 전력사용량이 적고, 휴대가 간편하여 야외에 설치하여 사용하거나, 차량에 탑재하여 운용할 수 있어서, 널리 활용되고 있다.

이러한 수동형 적외선 분광법은 대기투과창을 포함하는 약 7~14μm 범위의 장파장 적외선 영역을 사용하며, 탐지대상인 독성 화학물질이 이 영역에 속하는 특정 파장의 적외선을 흡수 또는 방출함에 따라 자연배경에서 방출되는 적외선 스펙트럼에 변화가 생기는 원리를 이용한다.

그러나, 상기와 같은 수동형 적외선 분광법은 단일 적외선 검출소자를 사용하여 단순 탐지 여부만 판단하는 정성적 방식으로서, 오염수준에 대한 정량정보를 제공하지 못하고, 오염운 전체 분포에 대한 실시간 정보는 제공되지 못하는 문제점이 있었다.

한편, 적외선을 이용하여 오염수준을 정량화하는 방법으로서, 도 1에 도시된 바와 같은 초점면 배열 적외선 검출소자와 분광간섭계로 구성된 초분광장치를 이용하여 원거리 화학영상을 탐지하는 연구가 일부 국가에서 진행되었다.

상기 초분광 장치(10)은 탐지하고자 하는 영역으로부터 영상을 수광하는 수광광학계(11)와, 상기 수광광학계(11)를 통과한 광선을 분할하거나 통과시키는 광선분할유닛(12)과, 상기 광선분할유닛(12)에서 분할된 광선의 각각 수광하는 고정거울(13) 및 이동거울(14)과, 상기 고정거울(13)과 상기 이동거울(14)에서 반사된 광선을 감지하기 위해 초점면이 배열된 이미지센서(15)를 포함한다.

상기 광선분할유닛(12)를 통과한 영상을 상기 광선분할유닛(12)를 각각 상기 고정거울(13)과 상기 이동거울(14)로 반사 또는 투과된 후, 상기 고정거울(13)과 상기 이동거울(14)에서 상기 광선분할유닛(12)로 반사되며, 상기 고정거울(13)로부터 반사된 영상은 상기 광선분할유닛(12)를 투과하고, 상기 이동거울(14)로부터 반사된 영상은 상기 광선분할유닛(12)에서 반사되어 상기 이미지 센서(15)로 수광된다. 상기 이동거울(14)를 이동시키면서, 상기 고정거울(13)과 상기 이동거울(14)의 광경로차를 갖는 픽셀신호를 감지하고, 이로부터 얻은 여러 개의 인터페로그램으로부터 상기 오염예상 지역의 복사 스펙트럼이 얻어진다.

상기 초분광 장치(10)을 이용하여 복사 스펙트럼을 획득할 때, 피측정 영역의 배경, 통과하는 동안 지나는 대기의 구성 물질에 따라 복사 스펙트럼은 매우 복잡하게 변화한다.

탐지하고자 하는 피측정 대상의 오염운은 각각 고유의 흡수선을 가지고 있으므로 초분광 장치(10) 시야각 내에 해당 오염물질이 존재한다면 상기 초분광 장치(10)을 통하여 얻는 복사선 스펙트럼에는 그 모습이 나타나게 된다. 이때, 상기 오염운에 의한 흡수선 스펙트럼은 오염운의 농도와 오염운을 통과하는 길이, 그리고 온도에 따라 다른 모습을 나타난다.

이때, 상기 스펙트럼으로부터 대상 영역의 오염수준을 정량화하기 위해서는 자연배경에 존재하는 여러 클러터 신호가 섞여 있는 상기 스펙트럼으로부터 기준선 및 간섭물질에 대한 잡음신호를 보정한 후 순수 신호성분만 추출해야 하고, 상기 스펙트럼에 내재하고 있는 배경온도와 오염운 온도를 추정해야 하는 문제점이 있다.

한편, 하기의 선행기술문헌에는 '오염물 진단 및 확인 방법'에 관한 기술이 개시되어 있다.

KR 10-2005-0069894A

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 3층으로 근사화된 복사 전달 모델과 2차원 초점면 배열 방식의 초분광장치에서 측정되는 스펙트럼으로부터 배경온도와 오염운 온도를 추정하는 방법을 적용하여 탐지된 2차원 오염 운에 대해 실시간으로 오염수준 정량화 정보를 연산할 수 있는 적외선 분광 스펙트럼을 이용한 실시간 오염수준 정량화 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 적외선 분광 스펙트럼을 이용한 실시간 오염수준 정량화 방법은, 초분광 장치를 통하여 수광된 적외선의 분광 스펙트럼을 이용하여 오염물질의 오염수준을 정량화하는 방법에 있어서, 오염영역의 오염정도를 측정하고자 하는 영역을 모델링하는 측정대상 모델링 단계와, 상기 오염영역을 통과한 적외선의 스펙트럼을 측정하는 스펙트럼 측정단계와, 상기 측정 스펙트럼으로부터 측정 스펙트럼의 기준선과 간섭물질 클러터 신호를 보정하여, 오염물질의 순수한 스펙트럼을 추출하는 보정단계와, 상기 보정단계를 통하여 순수한 오염물질의 밝기 온도 스펙트럼으로부터 상기 오염물질의 순수한 스펙트럼의 피크값을 구하는 스펙트럼 피크값 추출단계와, 상기 초분광 장치의 고유 노이즈인 잡음등가온도차를 산출하는 잡음등가 온도차 산출단계와, 상기 스펙트럼 피크값을 상기 잡음등가 온도차로 나누어 신호 대 잡음비를 구하는 신호 대 잡음비 계산단계와, 상기 신호 대 잡음비를 전시하는 신호 대 잡음비 전시단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 보정단계에서는, n개의 broad Gaussian 함수를 사용하거나 다양한 배경 스펙트럼을 측정하여 군집화 분류 알고리즘을 적용하여 상기 스펙트럼 측정단계에서 측정된 스펙트럼과 배경 스펙트럼이 차이를 계산하여 오염물질의 순수한 스펙트럼을 추출하는 것을 특징으로 한다.

상기 신호 대 잡음비 전시단계는, 상기 신호 대 잡음비 계산단계에서 구해진 신호 대 잡음비에 해당하는 레벨에 해당하는 유사색상을 할당하여 전시하는 것을 특징으로 한다.

초분광 장치을 통하여 수광된 적외선의 분광 스펙트럼을 이용하여 오염물질의 오염수준을 정량화하는 방법에 있어서, 오염영역의 오염정도를 측정하고자 하는 영역을 모델링하는 측정대상 모델링 단계와, 상기 초분광 장치로 수광되는 적외선 분광 스펙트럼을 측정하는 스펙트럼 측정단계와, 상기 스펙트럼이 상기 측정대상 모델링 단계에서 모델링된 각 레이어의 투과율을 계산하는 투과율 계산단계와, 상기 투과율 계산단계에서 구해진 오염운의 농도와 오염운의 길이로 오염정도를 계산하여 실시간으로 오염도를 정량화하는 실시간 정량화 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 측정대상 모델링 단계는, 상기 초분광 장치에 인접한 제1 레이어와, 상기 오염물질이 존재하는 제2레이어 및 배경에 해당하는 제3레이어로 3개의 레이어로 근사화하는 것을 특징으로 한다.

상기 투과율 계산단계에서는 Lambert-Beer 법칙을 이용하여 구하는 것을 특징으로 한다.

상기 실시간 정량화 단계에서는, 상기 제1 레이어와 상기 제2 레이어가 열적 평형인 것으로 가정하고, 배경에서는 흑체복사가 이루어지는 것으로 가정하며, 상기 배경에 의한 복사선 스펙트럼과 오염운의 흑체복사로부터 계산되는 것을 특징으로 한다.

상기 실시간 정량화 단계에서는, 포화 흡수선 정보를 이용하여 대기의 온도를 계산하고, 플랑크 법칙을 이용하여 흑체 복사의 분광복사량을 구하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 적외선 분광 스펙트럼을 이용한 실시간 오염수준 정량화 방법에 따르면, 3층으로 근사화된 복사 전달 모델을 용하거나 2차원 초점면 배열 방식의 초분광장치에서 측정되는 스펙트럼으로부터 배경온도와 오염운 온도를 추정하는 방법을 적용하여 탐지된 2차원 오염 운에 대해 실시간으로 오염수준 정량화 정보를 연산하여 영상화로 전시함으로써 정확한 위험상황 제공할 수 있다.

상기와 같이, 실시간으로 오염수준을 정량화 하여, 이를 영상으로 전시함에 따라, 화생방 보고관리 체계에 정량정보를 제공함으로써 위험예측 모델의 정확도를 보정할 수 있어 피해효과를 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 적외선 분광 스펙트럼을 이용한 실시간 오염수준 정량화 방법에 사용되는 초분광장치의 구성을 도시한 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 분광 스펙트럼을 이용한 실시간 오염수준 정량화 방법을 도시한 순서도.
도 3은 본 발명에 따른 적외선 분광 스펙트럼을 이용한 실시간 오염수준 정량화 방법에 의해 암모니아 밝기온도 스펙트럼을 도시한 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 적외선 분광 스펙트럼을 이용한 실시간 오염수준 정량화 방법을 적용하기 전후에 적용되는 암모니아 밝기온도 스펙트럼.
도 5는 본 발명에 적용되는 농도에 따른 SF6 가스 오염 수준의 영상화 화면.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 적외선 분광 스펙트럼을 이용한 실시간 오염수준 정량화 방법을 도시한 순서도.
도 7은 근사화된 3층 복사 전달 모델을 도시한 도면.
도 8은 본 발명에 적용되는 MODTRAN으로 전산모사한 1km 대기의 투과율을 도시한 그래프,
도 9는 본 발명에 따른 메탄올 밝기온도(Brightness Temperature) 스펙트럼을 도시한 그래프,
도 10은 농도에 따른 SF6 가스 선형 정량화 결과의 영상화 화면.

이하 첨부된 도면을 참조로 하여, 본 발명에 따른 적외선 분광 스펙트럼을 이용한 실시간 오염수준 정량화 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 적외선 분광 스펙트럼을 이용한 실시간 오염수준 정량화 방법에서는 실시간으로 탐지대상 오염운의 오염수준을 연산하기 위한 다음의 두 가지 방식, 즉 신호 대 잡음비를 이용하는 방식과 복사 전달 모델을 이용하는 방식 중 어느 하나를 이용할 수 있다.

먼저, 신호 대 잡음비를 이용하여 실시간 오염수준 정량화하는 적외선 분광 스펙트럼을 이용한 실시간 오염수준 정량화 방법의 일 실시예를 도 2 내지 도 5를 통하여 살펴보면 다음과 같다.

첫째, 신호 대 잡음비를 이용하는 방식으로서 신호 대 잡음비(SNR, signal to noise ratio)는 신호 처리 부분에 있어 획득된 신호가 잡음인지, 유의한 신호인지를 판단하는데 중요한 지표중의 하나이다. 상기 신호 대 잡음비는 오염수준(column density)과 비례 관계를 보여준다.

만약 같은 배경을 두고 가스셀에 들어 있는 임의의 기체의 적외선 스펙트럼을 측정하면 오염수준이 높은 부분이 낮은 부분에 비해 상대적으로 신호 대 잡음비가 높게 나타난다.

한편, 상기 신호 대 잡음비는 다음과 같이 구할 수 있다.

오염영역의 오염정도를 측정하고자 하는 영역을 모델링한다(S110).

상기 초분광 장치(10)은 탐지대상 가스로부터 상기 오염영역을 통과한 적외선의 스펙트럼을 측정한다(S120). 탐지대상 가스가 존재하면, 상기 초분광 장치(10)로부터 획득한 밝기, 온도 스펙트럼은 클러터 신호가 포함된 배경 신호와 탐지대상 가스에 의한 신호가 공존하는 형태를 갖는다.

보정단계(S130)은 상기 복합된 스펙트럼으로부터 순수한 오염물질의 밝기 온도 스펙트럼을 구한다. 배경 신호는 여러 가지 스펙트럼의 조합으로 이루어지는데, 기준선 보정을 위해 n개의 broad Gaussian 함수를 사용하거나 실제 다양한 배경 스펙트럼을 측정하여 군집화 분류 알고리즘을 적용한 후 대표적인 분류 패턴을 이용하여 보정할 수 있다. 수분 등 대기에 존재할 수 있는 간섭물질의 스펙트럼도 배경 스펙트럼에 포함될 수 있으며, 대표적으로 수분의 모델링 스펙트럼이나 실측 스펙트럼을 이용하여 간섭물질 스펙트럼 성분을 획득할 수 있다. 상기의 복합적인 배경 스펙트럼이 구해지면 얻어진 원래의 밝기 온도 스펙트럼과 배경으로 구해진 스펙트럼의 차이를 계산하여 순수한 가스만의 스펙트럼을 추출하여 얻는다. 도 3은 암모니아를 측정한 후 식별에 의해 기준선 보정이 이루어진, 순수한 가스만의 밝기 온도 스펙트럼이다.

스펙트럼 피크값 추출단계(S140)은 상기 보정단계(S130)를 통하여 순수한 오염물질의 밝기 온도 스펙트럼으로부터 상기 오염물질의 순수한 스펙트럼의 피크값을 구한다.

상기 보정단계(S130)에서 구해진 신호에서 가장 높은 피크의 값이 얻어진 스펙트럼의 신호 값이 된다. 예컨대, 도 3의 경우 신호에 해당하는 값은 2.3이다.

잡음등가 온도차 산출단계(S150)는, 상기 초분광 장치(10)의 고유 노이즈를 구한다. 신호 대 잡음비를 구하기 위해서, 상기 초분광 장치(10)에 고유한 잡음에 해당하는 잡음등가온도차(NEDT: Noise Equivalent Differential Temperature)를 산출해야 하는데, 이 값은 장비에 의한 잡음을 온도차로 변환한 값이다. 초분광 장치(10)에서 노이즈는 검출기 자체에서 발생하는 열, 간섭계를 구성하는 광학부품들에 의해 발생하는 열 등이 있다.

상기 잡음등가 온도차가 산출되면, 상기 스펙트럼 피크값과 상기 잡음등가 온도차를 이용하여 신호 대 잡음비를 구한다(S160).

상기 신호 대 잡음비(SNR)를 식으로 도시하면 다음과 같다.

: 식(1)

일반적인 초분광 장치(10)의 잡음등가온도차(NEDT)는 수 백 mK 수준으로서, 상기 초분광 장치(10)의 잡음등가온도차(NEDT)가 약 300 mK 라면, 도 3의 경우 신호대 잡읍비를 구하면, 7.7을 얻을 수 있다.

신호 대 잡음비가 구해지면, 상기 신호 대 잡음비 계산단계(S160)에서 구해진 신호 대 잡음비에 해당하는 레벨에 해당하는 유사색상을 할당하여 전시한다(S170). 초분광장치를 이용하는 영상탐지에서는 대상 가스의 농도가 진할수록 피크의 골이 더 깊어지므로 더 큰 신호 대 잡음비가 산출되고, 각 픽셀에 대한 신호 대 잡음비를 구하여 0~10사이의 레벨에 따라 유사 색상을 할당하면, 도 4와 같은 오염수준 정량화 결과를 영상으로 디스플레이할 수 있다.

도 4의 (a)는 단순한 탐지 결과를 나타낸 것이고, 도 4의 (b)는 신호 대 잡읍비를 이용하여 오염수준을 영상화 한 것이다.

또한, 도 5는 SF6 시료 농도에 따른 오염 수준을 도시한 것인데, 농도가 옅은 (a)보다 농도가 높은 (c)에서 더 진하게 표현되어 있는 바, 농도가 증가함에 따라 영상에서 더 진하게 표현되는 것을 확인할 수 있다.

한편, 도 6 내지 도 10에 도시된 바와 이용하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 적외선 분광 스펙트럼을 이용한 실시간 오염수준 정량화 방법을 설명하면 다음과 같다.

탐지대상 오염운의 오염수준을 연산하기위한 두 번째 방식으로 복사 전달 모델, 흡수계수, 배경온도 추정 및 대상가스 온도 등을 추정하여 정확한 오염수준을 실시간으로 연산하는 오염수준 정량화 방법이다.

도 7은 오염운의 원거리 측정을 위한 개념도가 도시되어 있다.

측정대상 모델링 단계(S210)에서는 대기층에 의해 측정되는 적외선 복사 스펙트럼은 매우 복잡하지만 이를 3개의 층으로 단순화시켜 도 7과 같이 3개의 레이어로 모델링할 수 있다.

즉, 탐지기(10)과 가장 가까운 제1 레이어와, 오염운에 해당하는 제2 레이어 및 배경에 해당하는 제3 레이어로 나타낼 수 있다. 여기서, 상기 탐지기(10)은 상기 초분광 장치(10)이 될 수 있다.

스펙트럼 측정단계(S220)은 상기 제1 레이어 내지 상기 제3 레이어 중에서, 상기 제2 레이어로 입사하는 복사선은 배경으로부터 방출된 적외선과 반사된 적외선의 조합으로 나타난다. 상기 배경은 숲이나 하늘과 같은 자연물일 수도 있고 건물이나 옹벽 등과 같은 인공 구조물일 수도 있다. 오염운을 이르고 있는 상기 제2 레이어는 상기 제2 레이어의 온도와 투과도에 따라 입사된 복사선을 변화시킨다. 만약, 제2 레이어의 온도가 배경보다 온도가 높으면, 상기 제2 레이어를 통과한 복사선은 흡수선으로 나타나고, 상기 제2 레이어의 온도가 배경보다 낮으면, 상기 제2 레이어를 통과한 복사선은 방출선으로 나타난다.

대기에 해당하는 제1 레이어로 상기 제2 레이어와 상기 제3 레이어에 의한 복사선의 조합이 입사하면 상기 제1 레이어를 조성하는 기체들과 상기 제1 레이어의 특헝이 복사선에 더해지면서 상기 복사선이 변화한다.

따라서, 최종적으로 탐지기(10)에서 의해 측정되는 스펙트럼 복사선은 모든 레이어를 통과하면서 각 레이어에 의한 특성을 포함하게 되어 복잡한 양상을 갖는다.

투과율 계산단계(S230)에서는 상기 스펙트럼이 상기 측정대상 모델링 단계(S210)에서 모델링된 각 레이어의 투과율을 계산한다.

본 복사 전달 모델에서 i번째 레이어는 온도(T_i)와 파수의 함수인 투과율(τ_i(ν))로 특징지을 수 있다. 상기 투과율은 레이어를 구성하고 있는 분자의 종류와 각 분자의 오염수준(column density)의 함수로 나타낼 수 있고, 상기 투과율(τ_i(ν))은 Lambert-Beer의 법칙에 의해 다음과 같이 쓸 수 있다.

: 식 (2)

여기서, α(ν)는 기체에 따른 고유값으로 흡수계수(absorption coefficient)이고, c는 농도이며, l은 오염운의 길이, 즉 복사선이 오염운을 통과한 길이를 나타낸다.

이렇게 단순화된 복사 전달 모델에 따르면 상기 탐지기(10)에 의해 측정되는 복사선(L₁)은 다음 식으로 주어진다.

: 식 (3)

상기 식 (3)에서 τ_i는 i번째 레이어의 투과율, B_i는 i번째 레이어의 흑체 복사, L₃는 제3레이어로부터 제2 레이어로 입사되는 복사선을 의미한다.

실시간 정량화 단계(S240)은 투과율 계산단계에서 구해진 오염운의 농도와 오염운의 길이로 오염정도를 계산하여 실시간으로 오염도를 정량화한다.

상기 식 (3)에서 모든 변수는 파수의 함수이다. 따라서, 대기가 평형상태에 있다면 대기 중에 살포된 오염물질은 비교적 빠른 시간에 주변 공기와 평형을 이루게 되어, 제1 레이어와 제2 레이어는 서로 온도는 같고(T₁=T₂), 이 경우 흑체복사는 오직 온도만의 함수이므로 'B₁=B₂'이 되므로, 상기 식 (3)은 하기의 식 (4)와 같이 정리할 수 있다,

: 식 (4)

실시간 정량화(Realtime Quantification) 방법은 다음과 같다.

대기층의 투과율은 대기를 이루고 있는 공기의 구성성분의 비, 습도 등에 의해 달라질 수 있지만, 오염물질로 간주할 수 있는 물질(화학작용제, 유독산업물질)의 피크가 나타나는 부분인 800 ~ 1300 cm^-1영역에서는 거의 1에 가깝다. 예를 들어, 도 8에는 MODTRAN을 이용하여 대기층을 1km 바라보았을 때 측정되는 투과율을 도시한 스펙트럼인데, 도 8에서 보는 바와 같이, 800 ~ 1300 cm^-1영역에서의 투과율은 거의 1이 됨을 알 수 있다.

따라서,

로 가정하면 상기 식 (4)는 다음의 식 (5)와 같이 정리할 수 있다.

: 식 (5)

상기 식 (5)에서 L_meas는 탐지기(10)에 의해 측정된 복사선 스펙트럼이며, B_cloud는 오염운에 의한 흑체 복사, L₃는 배경 등에 의한 복사선, τ_cloud는 오염운의 투과율을 나타내는 함수이고, 모든 변수는 파수의 함수이다. 상기 오염운의 오염수준(column density)의 정보를 담고 있는 함수는 Beer-Lambert 법칙에 의해 τ_cloud이므로 식 (5)를 τ_cloud로 정리하면, 다음의 식 (6)을 얻을 수 있다.

: 식 (6)

이를 Beer-Lambert 법칙에 의해, 다시 정리하면, 다음의 식 (7), 식 (8)을 얻을 수 있다.

: 식 (7)

: 식 (8)

오염운의 농도과 오염운의 길이의 곱인 column density, 즉 오염수준을 식 (8)에 의해 얻을 수 있는데, 식 (8)을 계산하기 위해서는 배경에 의한 복사선 스펙트럼인 L₃(ν)와 오염운의 흑체복사인 B_cloud(ν)를 알 수 있어야 한다.

상기 L₃(ν)를 얻기 위한 방법에는 여러 가지가 있을 수 있는데, 상기 L₃(ν)를 B₃(ν)인 배경 온도에 의한 흑체복사라 가정하여 계산하는 방법을 이용할 수 있다. 흑체 복사로 가정하고 L₃(ν)를 계산하려면 배경의 온도를 알아야 하며 이는 측정된 복사선 스펙트럼에서 획득할 수 있다. 도 9는 페인트칠이 된 벽 앞에 메탄올 가스셀을 위치시키고 획득한 밝기 온도(Brightness Temperature) 스펙트럼이다. 이를 통하여 메탄올의 흡수에 의한 특성 피크가 1000~1100 cm^-1 사이에 뚜렷하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 800~1200 cm^-1 사이의 밝기 온도 스펙트럼을 관찰하면 거의 평탄한 상수 값을 가지는 것을 확인할 수 있는데 이 값을 배경에 의한 흑체 복사로 볼 수 있으며 밝기 온도로 변환하여 나타난 온도를 바로 배경의 온도로 구할 수 있다.

상기 오염운의 오염수준(column density)를 계산하기 위해 필요한 또다른 값은 대기의 온도이다. 정량화에 앞서 오염운은 주변 대기(ambient air)와 열평형상태에 있다고 가정하였다. 상기 대기의 온도를 실시간으로 계산하기 위하여 측정 스펙트럼으로부터 1400 cm^-1 이상에서 나타나는 수분에 의한 포화 흡수선 정보를 이용할 수 있다.

전술한 바와 같이 측정된 스펙트럼을 이용하여 밝기 온도로 전환한 후 배경의 온도(T_background)와 대기 온도(T_ambientair = T_cloud)를 얻는다. 플랑크 법칙에 의한 흑체 복사의 분광복사량(spectral radiance)는 다음의 식 (9)와 같이 나타낼 수 있다.

: 식 (9)

여기서, ν는 파수(wavenumber; cm^-1)이고, c는 광속(c=299,792,458m/s)이며, h는 플랑크 상수(h=6.63×10^-34m²kg/s)이며, T는 절대 온도이다.

상기 식 (9)를 이용하여 배경의 흑체 복사(L₃), 오염운의 흑체 복사(B_cloud)를 계산하고 이를 상기 식 (8)에 대입하여 측정된 오염운의 오염수준(column density)을 계산할 수 있다. 실시간 정량화는 얻어진 스펙트럼으로부터 T_background와 T_ambientair를 계산한 후 이를 이용하여 흑체 복사량을 계산하고 오염수준(column density)을 얻을 수 있기 때문에 매우 빠른 속도로, 실시간 오염수준 정량화를 연산할 수 있다.

도 10은 SF6 가스에 대해 실시간 선형 오염수준 방법을 사용하여 정량화한 결과이다.

시험 환경은 배경온도 45℃, 대기온도 35℃이고, 주입량은 (a)가 16.6 uL, (b)가 33.2uL, (c)는 49.8 uL 이며, 이를 ppm으로 환산하면 각각 22, 33, 44 ppm·m이다.

실시간 오염수준 정량화 연산으로 추정한 오염수준 정량화 값은 아래의 표와 같으며 주입량으로부터 계산된 오염수준과 추정 오염수준이 잘 일치함을 확인할 수 있다.

< 표 1 > : 선형 정량화 추정 결과(SF6, 평균치)

실제 오염수준(ppm·m)	22	33	44
오염수준(ppm·m)	22.62	33.40	43.32

이상에서, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해되어야 한다.

10 : 초분광장치, 탐지기
11 : 수광광학계
12 : 광선분할유닛
13 : 고정거울
14 : 이동거울
15 : 이미지센서

Claims (8)

1. 초분광 장치를 통하여 수광된 적외선의 분광 스펙트럼을 이용하여 오염물질의 오염수준을 정량화하는 방법에 있어서,
   오염영역의 오염정도를 측정하고자 하는 영역을 모델링하는 측정대상 모델링 단계와,
   상기 오염영역을 통과한 적외선의 스펙트럼을 측정하는 스펙트럼 측정단계와,
   상기 측정 스펙트럼으로부터 측정 스펙트럼의 기준선과 간섭물질 클러터 신호를 보정하여, 오염물질의 순수한 스펙트럼을 추출하는 보정단계와,
   상기 보정단계를 통하여 순수한 오염물질의 밝기 온도 스펙트럼으로부터 상기 오염물질의 순수한 스펙트럼의 피크값을 구하는 스펙트럼 피크값 추출단계와,
   상기 초분광 장치의 고유 노이즈인 잡음등가온도차를 산출하는 잡음등가 온도차 산출단계와,
   상기 스펙트럼 피크값을 상기 잡음등가 온도차로 나누어 신호 대 잡음비를 구하는 신호 대 잡음비 계산단계와,
   상기 신호 대 잡음비를 전시하는 신호 대 잡음비 전시단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 분광 스펙트럼을 이용한 실시간 오염수준 정량화 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 보정단계에서는,
   n개의 broad Gaussian 함수를 사용하거나 다양한 배경 스펙트럼을 측정하여 군집화 분류 알고리즘을 적용하여 상기 스펙트럼 측정단계에서 측정된 스펙트럼과 배경 스펙트럼이 차이를 계산하여 오염물질의 순수한 스펙트럼을 추출하는 것을 특징으로 하는 적외선 분광 스펙트럼을 이용한 실시간 오염수준 정량화 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 신호 대 잡음비 전시단계는,
   상기 신호 대 잡음비 계산단계에서 구해진 신호 대 잡음비에 해당하는 레벨에 해당하는 유사색상을 할당하여 전시하는 것을 특징으로 하는 적외선 분광 스펙트럼을 이용한 실시간 오염수준 정량화 방법.
4. 초분광 장치를 통하여 수광된 적외선의 분광 스펙트럼을 이용하여 오염물질의 오염수준을 정량화하는 방법에 있어서,
   오염영역의 오염정도를 측정하고자 하는 영역을 모델링하는 측정대상 모델링 단계와,
   상기 초분광 장치로 수광되는 적외선 분광 스펙트럼을 측정하는 스펙트럼 측정단계와,
   상기 스펙트럼이 상기 측정대상 모델링 단계에서 모델링된 각 레이어의 투과율을 계산하는 투과율 계산단계와,
   상기 투과율 계산단계에서 구해진 오염운의 농도와 오염운의 길이로 오염정도를 계산하여 실시간으로 오염도를 정량화하는 실시간 정량화 단계를 포함하고,
   상기 측정대상 모델링 단계는, 상기 초분광 장치에 인접한 제1 레이어와, 상기 오염물질이 존재하는 제2레이어 및 배경에 해당하는 제3레이어로 3개의 레이어로 근사하고,
   상기 투과율 계산단계에서는 Lambert-Beer 법칙을 이용하여 구하며,
   상기 실시간 정량화 단계에서는, 상기 제1 레이어와 상기 제2 레이어가 열적 평형인 것으로 가정하고, 배경에서는 흑체복사가 이루어지는 것으로 가정하며, 상기 배경에 의한 복사선 스펙트럼과 오염운의 흑체복사로부터 계산하고,
   상기 실시간 정량화 단계에서는, 포화 흡수선 정보를 이용하여 대기의 온도를 계산하고, 플랑크 법칙을 이용하여 흑체 복사의 분광복사량을 구하며,
   상기 실시간 정량화 단계에서는, 하기의 식으로 분광복사량을 구하는 것을 특징으로 하는 적외선 분광 스펙트럼을 이용한 실시간 오염수준 정량화 방법.
   

   

   
   (ν는 파수(wavenumber; cm^-1), c는 광속(c=299,792,458m/s), h는 플랑크 상수(h=6.63×10^-34m²kg/s), T는 절대 온도)
   
   
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