KR101968087B1 - 초분광 이미징 센서 관측 자료를 이용한 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 초분광 이미징 센서에서 관측되는 산란광을 사용하여 다중 파장쌍 방법(Wavelength pairs method)을 이용하여 오존의 전량을 산출하고, 복사량 피팅 방법(Radiance fitting method)을 이용하여 이산화질소의 전량을 산출하도록 하는 초분광 이미징 센서 관측 자료를 이용한 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치에 관한 것이다.

Description

초분광 이미징 센서 관측 자료를 이용한 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치{APPARATUS FOR RETRIEVING COLUMN AMOUNTS OF OZONE AND NITROGEN DIOXIDE IN THE AIR USING OBSERVATION DATA OF HYPERSPECTRAL IMAGING SENSOR}
본 발명은 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 초분광 이미징 센서에서 관측되는 산란광을 사용하여 다중 파장 쌍 방법(Wavelength pairs method)을 이용하여 오존 전량(TCO)을 산출하고, 복사량 피팅 방법(Radiance fitting method)을 이용하여 이산화질소 전량(TCN)을 산출하도록 하는 초분광 이미징 센서 관측 자료를 이용한 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치에 관한 것이다.
초분광 이미징 센서(HIS : Hyperspectral imaging sensor)는 한정된 광대역 파장영역에서 측정이 이루어지는 다채널 분광계와는 달리, 연속적인 수 백~수 천개의 채널을 가지며 대략 수 ㎚ 이하의 파장 간격으로 측정을 수행한다. 초분광 이미징 센서의 관측을 통하여 초분광 자료를 얻을 수 있으며, 연속적인 고해상 파장 정보를 바탕으로 정확하고 다양한 대기 중 흡수 물질에 대한 농도를 산출 할 수 있다.
최근 오존, 이산화질소 등 대기 중의 기체상 물질과 에어로졸에 대한 대기 기주 정보 산출을 위해 위성과 지상 및 항공 관측에서 초분광계 활용이 증가하고 있다.
현재 국내에는 서울, 부산 등 2개 지점에서 대기중 미량 기체(이산화질소, 오존 이산화황, 포름알데히드, 수증기)의 전량을 측정하는 분광계인 판도라(Pandora)를 활용한 지상 기반 관측을 수행 중에 있으며, 오존과 이산화질소 등의 대기기주 농도를 미 항공 우주국(National Aeronautics and Space Administration: NASA) 연구팀과 공동으로 산출하고 있다.
판도라(Pandora)로부터 얻어진 오존 및 이산화질소의 대기 기주 농도는 OMI(Ozone Monitoring Instrument), GEMS(Geostationary Environmental Monitoring Spectrometer) 등의 위성 관측자료 검증에 관한 연구에 활발히 이용되고 있다(Herman et al., 2009; Tzortziou et al., 2012; Yun et al., 2013; Baek et al., 2017).
항공 관측으로는 항공기용 탑재체인 Geo-TASO(Geostationary Trace gas and Aerosol Sensor Optimization : UV-VIS 분광계로, 정지궤도 환경위성 TEMPO(Tropospheric Emissions: Monitoring of POllution)와 GEMS의 대기 중 미량기체와 에어로졸을 산출하는 알고리즘의 성능을 테스트하기 위해 만들어짐)를 이용하여 2016년 한·미 대기질 관측 국제공동캠페인(KORUS-AQ) 동안 국내의 주요 지역에 대한 관측을 수행하였으며, 향후 GEMS의 미량 기체 및 에어로졸 산출 알고리즘의 성능을 테스트하기 위하여 Geo-TASO의 산출알고리즘 개발과 활용이 이루어지고 있다.
하지만 판도라(Pandora)와 Geo-TASO 등의 국외 초분광계는 NASA에 귀속된 장비이므로 NASA가 운용하며, 그 자료 역시 NASA에서 관리하여 주요 물질의 농도는 전 세계에 공개되나, 알고리즘 개발에 직접 활용 가능한 원시 자료의 공개는 매우 제한적이다.
국내 독자적으로 사용할 수 있는 초분광 원격탐사장비 및 초분광 고해상도 자료는 일부 개발이 이루어지고 있으나, 지상 관측 목적으로 제한적으로 활용되고 있다.
최근 들어, 국내에서의 초분광 원격탐사 장비의 개발 및 상용화와 해외에서 개발된 기존 장비의 반입 등이 활발하게 이루어지고 있어, 독자적인 초분광 관측 자료의 확보 및 관련 알고리즘 개발이 필수적으로 요구되고 있는 실정이다.
또한 초분광계의 지상 및 항공 관측 자료 분석 알고리즘 개발은 2019년 발사 예정인 차세대 정지궤도위성 GEO-KOMPSAT-2B(GK-2B)에 탑재될 환경 센서인 GEMS의 자료처리 알고리즘과 산출물 검증을 위한 기초 연구로 활용 가능하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 복사전달모형을 통해 초분광 이미징 센서와 태양의 기하 구조 및 에어로졸 광학 두께, 미량 기체 농도를 변화시키면서 해당 조건에서의 파장별 복사량(radiance)의 이론적인 값을 각각 산출하여 조견표를 구성하고, 조견표의 산출값과 초분광 이미징 센서의 관측 자료를 이용하여 다중 파장 쌍 방법(Wavelength Pairs Method)을 통해 오존 전량(TCO)을 산출하고, 조견표의 산출값과 초분광 이미징 센서의 관측 자료를 이용하여 복사량 피팅 방법(Radiance Fitting Method)을 통해 이산화질소 전량(TCN)을 산출하도록 하는 초분광 이미징 센서 관측 자료를 이용한 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
초분광 이미징 센서의 관측 자료를 이용한 오존 및 이산화질소 전량 산출 알고리즘에 사용하기 위하여 복사전달모형을 통해 기하 구조 및 에어로졸 광학 두께, 미량 기체 농도를 변화시키면서 해당 조건에서의 파장별 복사량(radiance)의 이론적인 값을 각각 산출하여 구성되는 조견표와; 상기 조견표의 산출값과 상기 초분광 이미징 센서의 관측 자료를 이용하여 다중 파장 쌍 방법(Wavelength Pairs Method)을 통해 오존 전량(TCO)을 산출하고, 상기 조견표의 산출값과 상기 초분광 이미징 센서의 관측 자료를 이용하여 복사량 피팅 방법(Radiance Fitting Method)을 통해 이산화질소 전량(TCN)을 산출하는 농도 산출부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 조견표는 상기 조견표 구성을 위한 변수(태양천정각(Solar Zenith Angle, SZA), 측기천정각(Viewing Zenith Angle, VZA), 태양과 초분광 이미징 센서의 상대방위각(Relative Azimuth Angle, RAA), 지표면 반사율(Surface Albedo), AOD(Aerosol Optical Depth, 550㎚), TCO(Total Column Ozone), TCN(Total Column Nitrogen Dioxide))와, 각 변수의 입력값을 사용하여 구성된다.
여기에서 또한, 상기 농도 산출부는 상기 초분광 이미징 센서에서 관측된 자외선 영역의 복사량의 보정을 위하여 관측일의 OMI(Ozone Monitoring Instrument)의 서울 지역 오버패스(overpass) 오존 전량 평균값을 해당 관측일의 오존 전량 참값으로 가정하여 상기 복사전달모형으로부터 복사량을 산출한 후, 상기 초분광 이미징 센서에서 관측된 복사량에 나누어 감쇠 비율(Degradation rate)을 구하고, 감쇠 비율만큼 상기 초분광 이미징 센서에서 관측된 자외선 영역의 복사량에 나누어 보정된 복사량을 산출한 후, 보정된 복사량을 이용하여 오존에 의해 흡수가 강하고, 약한 N1개 이상의 파장 쌍을 선택하여, N1개 이상의 파장 쌍에서 오존 전량의 함수인
Figure 112018123532009-pat00001
값을 산출하고,
Figure 112018123532009-pat00002
값과, 관측 시점과 동일 조건에서의 상기 조견표의 기준
Figure 112018123532009-pat00003
값을 아래의 수학식
Figure 112018123532009-pat00004
에 대입하여 산출한다.
여기에서 또, 상기 N1개의 파장 쌍의 선택은 복사전달모형 입력 변수 중 오존 전량을 제외한 변수의 입력값을 고정한 후 오존의 전량이 일정 범위 내 최소 최대에서 대기 외 복사(irradiance)에 대한 복사량 비율의 차이가 큰 파장과 작은 파장을 파장 쌍으로 선택하며, 차이가 큰 파장과 작은 파장을 각각
Figure 112018123532009-pat00005
와
Figure 112018123532009-pat00006
로 한다.
여기에서 또, 상기 농도 산출부는 상기 초분광 이미징 센서의 노이즈를 줄이기 위해 보정된 복사량을 공간 및 파장에 대하여 각각 셀(pixel)을 코-애딩(co-adding)한 후 오존 전량(TCO)을 산출한다.
여기에서 또, 상기 농도 산출부는 이산화질소 전량(TCN) 산출시 이산화질소에 의해 흡수가 강하고, 약한 N2개 이상의 파장 쌍을 선택하며, 상기 초분광 이미징 센서에서 관측된 상기 N2개 이상의 파장 쌍의 복사량을 이용하여 파장 쌍 별 복사량의 비율인
Figure 112019004422354-pat00007
값을 산출한 다음,
Figure 112019004422354-pat00008
값과, 관측 시점과 동일 조건에서의 상기 조견표의 파장 쌍별 복사량의 비율인
Figure 112019004422354-pat00009
를 아래의 수학식
Figure 112018123532009-pat00010
에 대입하여
Figure 112018123532009-pat00011
가 최소일 때의 이산화질소 전량을 산출한다.
여기에서 또, 상기 N2개의 파장 쌍의 선택은 복사전달모형 입력 변수 중 이산화질소 전량을 제외한 변수의 입력값을 고정한 후 이산화질소의 전량이 일정 범위 내 최소 최대에서 대기 외 복사(irradiance)에 대한 복사량 비율의 차이가 큰 파장과 작은 파장을 파장 쌍으로 선택하며, 차이가 큰 파장과 작은 파장을 각각
Figure 112018123532009-pat00012
와
Figure 112018123532009-pat00013
로 한다.
여기에서 또, 상기 농도 산출부는 상기 초분광 이미징 센서의 노이즈를 줄이기 위해 보정된 복사량의 공간 및 파장에 대하여 각각 픽셀(pixel)을 코-애딩(co-adding)한 후 이산화질소 전량(TCN)을 산출한다.
여기에서 또, 상기 농도 산출부는 이산화질소(TCN)의 전량을 산출시 태양과 상기 초분광 이미징 센서간의 상대방위각(Relative Azimuth Angle, RAA)이 15°이상 일 때의 조건하에서 산출한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 초분광 이미징 센서 관측 자료를 이용한 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치에 따르면, 복사전달모형을 통해 태양과 초분광 이미징 센서의 기하 구조 및 에어로졸 광학 두께, 미량 기체 농도를 변화시키면서 해당 조건에서의 파장별 복사량의 이론적인 값을 각각 산출하여 조견표를 구성하고, 초분광 이미징 센서 관측 자료와 조견표의 산출값을 이용하여 다중 파장 쌍 방법(Wavelength Pairs Method)을 통해 오존 전량(TCO)을 산출하고, 조견표의 산출값과 초분광 이미징 센서의 관측 자료를 이용하여 복사량 피팅 방법(Radiance Fitting Method)을 통해 이산화질소 전량(TCN)을 산출할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 초분광 이미징 센서 관측 자료를 이용한 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치를 구현하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 초분광 이미징 센서 관측 자료를 이용한 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 2017년 10월 30일, 31일 동안 초분광 이미징 센서(HIS), 판도라(Pandora), OMI 및 돕슨(Dobson) 분광계로부터 산출된 오존 전량의 시계열이다.
도 4는 2017년 10월 30, 31일동안 초분광 이미징 센서(HIS), 판도라(Pandora)로부터 산출된 이산화질소 전량 시계열이다.
이하, 본 발명에 따른 초분광 이미징 센서 관측 자료를 이용한 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 초분광 이미징 센서 관측 자료를 이용한 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치(1)는 조견표(10)와, 농도 산출부(20)로 이루어진다.
먼저, 조견표(10)는 복사전달모형을 통해 태양과 초분광 이미징 센서(HIS)의 기하 구조 및 에어로졸 광학 두께, 미량 기체 농도를 변화시키면서 해당 조건에서의 파장별 복사량(radiance)의 이론적인 값을 각각 산출하여 구성된다.
그리고, 농도 산출부(20)는 조견표(10)의 산출값과 초분광 이미징 센서(HIS)의 관측 자료를 이용하여 다중 파장 쌍 방법(Wavelength Pairs Method)을 통해 오존 전량(TCO)을 산출하고, 조견표(10)의 산출값과 초분광 이미징 센서(HIS)의 관측 자료를 이용하여 복사량 피팅 방법(Radiance Fitting Method)을 통해 이산화질소 전량(TCN)을 산출한다.
이하, 본 발명에 따른 초분광 이미징 센서 관측 자료를 이용한 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치의 흐름을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 초분광 이미징 센서 관측 자료를 이용한 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치를 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 지상에서 초분광 이미징 센서(HIS)를 통해 관측한 원시자료로부터 태양 복사량(solar radiance)를 산출한다. 산출된 복사량으로부터 대기 중 오염물질의 농도를 산출하기 위해서는 태양의 직달광 및 산란광을 사용할 수 있다. 하지만 직달광 및 산란광으로부터의 대기 중 기체 농도 산출 방법은 각각 다르므로, 어떤 광원을 사용할 것인지에 따라 알고리즘은 달라진다. 태양과의 상대적인 위치를 고려할 필요가 없어 비교적 간단한 계산을 통해 대기 중 기체 농도를 산출할 수 있는 직달광을 사용하는 것이 최선의 방법이지만, 초분광 이미징 센서(HIS)의 하드웨어적 문제로 인해 직달광을 사용할 수 없으므로 본 발명에서는 산란광을 사용하여 오존 및 이산화질소의 전량을 산출한다.
또한 본 발명에 사용된 초분광 이미징 센서(HIS)는 제품명 Hyperspec UV-Vis으로 Headwall Photonics Inc.(미국)에서 제조하였으며, 파장영역은 250~500㎚이며, 파장 해상도(FWHM)는 1.4㎚로 비교적 낮은 해상도를 가진다. 초분광 이미징 센서(HIS)의 파장 해상도는 관측된 복사량으로부터 대기 정보를 산출 하는 방법을 결정하는 데 있어 중요한 요소이므로, 오존 및 이산화질소 농도를 산출하는데 있어 반드시 고려가 필요하다.
한편, 초분광 이미징 센서(HIS)는 판도라(Pandora)와 공동 관측 수행을 통하여 초분광 고해상도 자료의 검증자료를 확보할 수 있도록 연세대학교 신촌캠퍼스 과학관 옥상에서 지상 관측을 수행하였다. 관측을 위한 측기 고정 프레임을 관측 장소에 설치하였으며, 초분광 이미징 센서(HIS)와 스캐닝 마운트는 방수가 불가하여 관측 시에 한하여 고정 프레임에 설치하였다. 스캐닝 마운트는 자동으로 태양을 추적하지 못하는 한계점을 가지고 있으며, 이에 따라 시간에 따른 태양의 위치를 계산한 표를 이용하여 수동적으로 입력하는 방식을 취하였다. 추가적으로 연세대학교에서 독자적으로 장기간 운용 중에 있는 돕슨 분광계(Dobson spectrophotometer)를 활용하여 추가 검증을 수행하였다.
일반적으로 대기 중 기체의 농도를 산출하는 방법으로는 좁은 파장 밴드에서 기체의 차등 흡수 변화를 이용하는 DOAS(Differential Optical Absorption Spectroscopy) 방법이 널리 사용되고 있다.
DOAS 방법은 고해상도 자료를 이용하여 대기 중 기체의 농도를 산출하는 방법으로, 본 발명에서 사용하는 초분광 이미징 센서(HIS)의 해상도는 1.4㎚이므로 DOAS 방법으로 오존 및 이산화질소의 농도를 산출하는 것은 사실상 불가능하다. 따라서 본 발명에서는 DOAS 방법이 아닌 복사전달모형으로부터 이론적으로 계산한 조견표(10)를 이용하는 방법을 적용하였다.
초분광 이미징 센서(HIS)로 입사하는 복사량은 태양천정각(SZA), 측기천정각(VZA), 상대방위각(RAA) 등의 태양과 초분광 이미징 센서(HIS)의 기하 구조, 즉 광경로와 대기 중 공기 분자에 의한 레일리 산란, 에어로졸에 의한 산란 및 흡수, 미량 기체에 의한 흡수에 의해 그 양이 달라진다. 따라서 본 발명은 복사전달모형으로 기하 구조 및 에어로졸 광학두께, 미량 기체 농도를 변화시키며, 해당 조건에서의 파장별 복사량의 이론적인 값을 산출하여 조견표(10)를 구성하는 것이 바람직하다.
이때, 변수(태양천정각(Solar Zenith Angle, SZA), 측기천정각(Viewing Zenith Angle, VZA), 태양과 초분광 이미징 센서간의 상대방위각(Relative Azimuth Angle, RAA), 지표면 반사율(Surface Albedo), AOD(Aerosol Optical Depth, 550 ㎚), TCO(Total Column Ozone), TCN(Total Column Nitrogen Dioxide))가 사용되고, 각 변수의 입력값이 사용된다.
그리고, 농도 산출부(20)는 복사전달모형으로부터 산출한 복사량을 이용하여 산란광으로 관측된 복사량에 대해 태양천정각(Solar Zenith Angle, SZA), 측기천정각(Viewing Zenith Angle, VZA), 태양과 초분광 이미징 센서(HIS) 간의 상대방위각(Relative Azimuth Angle, RAA)을 변수로 하는 관계식을 만들어 다중 파장 쌍 방법(Wavelength pairs method)으로 오존 전량을 산출하였고, 이산화질소의 경우 카이 제곱 검정(chi-square test)을 통하여 관측된 복사량과 복사전달모형으로부터 산출된 복사량의 차이가 최소일 때의 이산화질소의 전량을 산출하는 복사량 피팅 방법(Radiance fitting method)을 사용하였다.
이하, 농도 산출부(20)에서 오존 전량을 산출하는 것을 상세하게 설명한다.
오존의 경우, 오존 전량(TCO) 및 기하 구조(geometry), AOD(Aerosol optical depth)의 함수인
Figure 112018123532009-pat00014
값을 이용한 관계식으로부터 전량을 산출하는 알고리즘을 구현하였다.
Figure 112018123532009-pat00015
은 아래의 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure 112018123532009-pat00016
여기서,
Figure 112018123532009-pat00017
는 오존에 의해 강하게 흡수되는 파장,
Figure 112018123532009-pat00018
는 약하게 흡수되는 파장이며,
Figure 112018123532009-pat00019
및
Figure 112018123532009-pat00020
는 대기 외에서 해당 파장의 복사 조도,
Figure 112018123532009-pat00021
및
Figure 112018123532009-pat00022
는 초분광 이미징 센서(HIS)에서 관측된 복사량이다. 이때, 노이즈(noise)를 줄이기 위하여 파장에서의 복사 조도(irradiance) 및 복사량을 이동 평균한 값을 사용한다.
파장 쌍의 선택은 복사전달모형 입력 변수 중 오존 전량을 제외한 변수들의 입력값을 고정한 후 오존의 전량이 일정 범위 내 최소 최대에서 대기 외 복사(irradiance)에 대한 복사량(radiance) 비율의 차이가 큰 파장과 작은 파장을 파장 쌍으로 선택하며, 차이가 큰 파장과 작은 파장을 각각
Figure 112018123532009-pat00023
와
Figure 112018123532009-pat00024
로 한다.
에어로졸과 레일리 산란의 영향을 최소화시키기 위하여 파장 쌍 사이의 길이가 길지 않은 범위에서 N1개 이상의 파장 쌍을 선택하는 데, 바람직하게는 2개의 파장 쌍을 선택한다.
상기 2개의 파장 쌍을 각각 P1, P2라 하면, P1과 P2에서 계산된
Figure 112018123532009-pat00025
의 차를
Figure 112018123532009-pat00026
라 한다.
Figure 112018123532009-pat00027
에 대한 민감도는 오존 전량 및 태양천정각(Solar Zenith Angle, SZA)에 대해 가장 크며, 태양천정각(Solar Zenith Angle, SZA)이 증가함에 따라
Figure 112018123532009-pat00028
가 선형적으로 증가한다. 반면 측기천정각(Viewing Zenith Angle, VZA) 및 AOD에 대해서는 비교적 작은 민감도를 상대방위각(Relative Azimuth Angle, RAA)에 대해서는 미미한 민감도를 가진다.
Figure 112018123532009-pat00029
값이 SZA에 따라 선형적으로 변한다면,
Figure 112018123532009-pat00030
은 상수로써 제시될 수 있다. 그러므로 실제 관측 데이터로부터 계산된
Figure 112018123532009-pat00031
값과 이론적인
Figure 112018123532009-pat00032
값의 차이로부터 오존 전량(TCO)을 산출하는 관계식을 아래의 수학식 2와 같이 세울 수 있다.
Figure 112018123532009-pat00033
이때,
Figure 112018123532009-pat00034
는 오존의 기준 전량이며,
Figure 112018123532009-pat00035
는 관측된 복사량의 보정 값으로부터 산출된
Figure 112018123532009-pat00036
값이다.
Figure 112018123532009-pat00037
는 오존 전량이 기준값일 때 계산된
Figure 112018123532009-pat00038
값이며,
Figure 112018123532009-pat00039
은 오존 전량이 기준값으로부터 전량의 범위를 주었을 때 복사전달모형으로부터 산출된 복사량으로부터 계산된
Figure 112018123532009-pat00040
값의 평균값이다.
수학식 2에 사용된
Figure 112018123532009-pat00041
의 값은 태양천정각(Solar Zenith Angle, SZA), 측기천정각(Viewing Zenith Angle, VZA), 태양과 초분광 이미징 센서(HIS)간의 상대방위각(Relative Azimuth Angle, RAA), AOD에 대하여 관측 조건에 일치하는 값을 입력하여 구할 수 있다. 이 때,
Figure 112018123532009-pat00042
에 대해 미미한 민감도를 가지는 변수는 상수로 둘 수 있다.
마지막으로, 보정된 복사량으로부터 오존 전량을 산출하기에 앞서 초분광 이미징 센서(HIS)의 노이즈를 줄이기 위하여 공간 및 파장에 대하여 각각 픽셀(pixel)을 코-애딩(co-adding)한다.
이하, 농도 산출부(20)에서 이산화질소 전량을 측정하는 것을 상세하게 설명한다.
이산화질소의 경우,
Figure 112018123532009-pat00043
값이 태양의 기하 구조(geometry) 및 AOD에 모두 큰 민감도를 가지며, 민감도가 증가 및 감소하는 유형이 선형적인 관계를 가진다고 판단하기 어렵다.
따라서 오존과는 달리
Figure 112018123532009-pat00044
값의 변화로 전량을 산정하는 관계식을 사용할 수 없으므로, 범주형 자료의 검정에 사용되며 현재 에어로졸의 광학적 특성에 관련한 변수를 산출하기 위해 사용되고 있는 카이제곱 검정(chi-square test)을 통해 복사량 피팅 방법(Radiance fitting method)을 적용하였다.
복사량 피팅 방법은 관측된 복사량과 복사전달모형으로 모의된 복사량이 통계적으로 가장 잘 일치할 때의 해당 관측 항목의 농도를 채택하는 피팅 방법이다.
이산화질소에 의한 흡수가 강하고, 약한 파장 쌍을 선택하기 위하여 복사전달모형 입력 변수 중 이산화질소 전량을 제외한 변수의 입력값을 고정한 후 이산화질소의 전량이 일정 범위 내 최소 최대일 때의 대기 외 복사(irradiance)에 대한 복사량 비율의 차이가 큰 파장과 작은 파장을 파장 쌍으로 N2개 이상 선택(바람직하게는 5개의 파장 쌍을 선택)한다. 복사전달모형으로부터 산출된 조견표(10)를 이용하여 관측된 복사량을 피팅하기 위해 복사량의 절댓값을 사용하지 않고, 두 파장 간의 복사량의 비율(
Figure 112018123532009-pat00045
)을 사용하였다. 이는 본 발명에 사용된 초분광 이미징 센서(HIS)가 절대 교정(absolute calibration)이 수행되지 않음으로써 발생할 수 있는 파장 편향성(spectral shift)에 의한 오차를 줄이기 위해서이다.
흡수가 강하게 나타나는 파장을 선택할 때에는 초분광 이미징 센서(HIS)에서 관측된 복사량의 파장의 편향이 있을 경우를 고려하여 파장에 따른 복사량의 차이가 급격히 변하지 않는 파장대의 선택이 필요하다.
또한, 복사전달모형으로부터 산출된 복사량과 초분광 이미징 센서(HIS)의 노이즈 및 파장 편향성에 의한 복사량 차이를 보정해주기 위해 영점으로 잡을 수 있는 흡수가 약한 파장을 선택해야 한다.
또, 이산화질소 전량을 산출하기에 앞서 초분광 이미징 센서(HIS)의 노이즈를 줄이기 위하여 공간 및 파장에 대하여 각각 셀(pixel)을 코-애딩(co-adding)한다.
최종적으로 아래의 수학식 3에서
Figure 112018123532009-pat00046
가 최소가 되는, 즉 관측된 복사량의 비율과 복사전달모형으로 모의된 복사량의 비율의 오차가 가장 작을 때의 이산화질소 전량을 채택하였다.
Figure 112018123532009-pat00047
여기서,
Figure 112018123532009-pat00048
는
Figure 112018123532009-pat00049
번째 파장 쌍의 관측된 복사량의 비율(
Figure 112018123532009-pat00050
)이며,
Figure 112018123532009-pat00051
은
Figure 112018123532009-pat00052
번째 파장 쌍에 대하여 복사전달모형으로부터 계산된 복사량의 비율(
Figure 112018123532009-pat00053
)이다.
이산화질소 전량의 공간 분포에서 오존과는 달리 태양과 초분광 이미징 센서간의 상대방위각(Relative Azimuth Angle, RAA)이 작을수록, 즉 태양과 가까울수록 전량이 증가하는 것으로 나타나는 것을 볼 수 있었다. 이는 광구(solar disk)의 영향을 받아 노이즈가 증가함으로 인한 농도 과대 추정으로 판단된다. 태양과 초분광 이미징 센서간의 상대방위각(Relative Azimuth Angle, RAA)에 대하여 더욱 엄격히 제한할수록 산출되는 이산화질소의 전량이 감소하였다. 따라서 본 발명에서는 이산화질소의 전량 산출시 태양과 초분광 이미징 센서(HIS)간의 상대방위각(Relative Azimuth Angle, RAA)이 15°이상 일 때의 조건하에서 산출하는 것이 바람직하다.
도 3은 2017년 10월 30일, 31일 동안 초분광 이미징 센서, 판도라(Pandora), OMI(Ozone Monitoring Instrument) 및 돕슨(Dobson) 분광계로부터 산출된 오존 전량의 시계열을 나타낸다. 10월 30일의 경우, 초분광 이미징 센서로부터 산출된 오존 전량이 판도라(Pandora)에 비하여 큰 농도 변동을 보이는 것을 볼 수 있다. 이는 앞서 언급한 오존 전량 산출 파장영역에서 약한 복사량 신호와, 완전히 제거되지 않은 노이즈의 영향 및 노출시간 변화에 따른 변동으로 판단된다.
또한 도 3에서 10월 31일은 초분광 이미징 센서(HIS)의 오존 전량이 판도라(Pandora) 오존 전량에 대하여 전반적으로 과소 추정되는 것으로 나타난다. 특히 오전 11시 20분 전의 초분광 이미징 센서(HIS)의 오존 전량은 판도라(Pandora)에 비해 약 20~30 DU 가량 과소 추정하였다. 이는 앞서 초분광 이미징 센서(HIS)의 복사량의 절대 교정(absolute calibration)이 제대로 수행되지 않음으로 발생한 문제로 오존 산출 영역 파장 영역에서 복사량 보정 과정을 거칠 때, 기준으로 잡은 시간대와 픽셀에서의 태양으로부터 상대 방위각은 약 14~15˚인 것에 비해 해당 시간대의 상대 방위각은 약 25~37˚로, 초분광 이미징 센서(HIS)로 입사하는 광경로가 증가하기 때문으로 보인다. 즉 광경로가 길어짐으로 인해 지표에 있는 초분광 이미징 센서(HIS)로 입사하는 복사량이 약해지고, 이에 더하여 초분광 이미징 센서(HIS)의 불안정성으로 인하여 자외선 영역에서 비선형적으로 복사량의 감광이 약해진다. 하지만 감쇠 비율(Degradation rate)은 동일하게 적용되므로 결과적으로 오존 산출에 대한 감도가 감소하여 오존 전량이 과소 추정되는 것으로 판단할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 초분광 이미징 센서(HIS)로부터 산출된 오존 전량과 판도라(Pandora)로부터 산출된 오존 전량이 산출 오차 범위 내에서 비교적 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다. 도 3은 2017년 10월 31일의 초분광 이미징 센서(HIS), 판도라(Pandora) 및 돕슨(Dobson) 분광계로부터 산출된 오존 전량 시계열을 나타낸 것이다.
도 4는 2017년 10월 30일, 31일의 판도라(Pandora) 이산화질소 전량과 태양과 초분광 이미징 센서간의 상대방위각(Relative Azimuth Angle, RAA)이 15˚이상일 때 초분광 이미징 센서(HIS)로부터 산출된 이산화질소 전량의 시계열을 나타낸다. 전 기간에서 초분광 이미징 센서(HIS)로부터 산출된 이산화질소 전량이 판도라(Pandora)에 비해 과대 추정하는 것으로 나타났으나, 이산화질소 전량의 시간에 따른 변동성은 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다. 도 4는 2017년 10월 30, 31일동안 초분광 이미징 센서(HIS), 판도라(Pandora)로부터 산출된 이산화질소 전량 시계열을 나타낸 것이다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 조견표 20 : 농도 산출부
HIS : 초분광 이미징 센서

Claims (9)

  1. 초분광 이미징 센서의 관측 자료를 이용한 오존 및 이산화질소 전량 산출 알고리즘에 사용하기 위하여 복사전달모형을 통해 기하 구조 및 에어로졸 광학 두께, 미량 기체 농도를 변화시키면서 해당 조건에서의 파장별 복사량(radiance)의 이론적인 값을 각각 산출하여 구성되는 조견표와;
    상기 조견표의 산출값과 상기 초분광 이미징 센서의 관측 자료를 이용하여 다중 파장 쌍 방법(Wavelength Pairs Method)을 통해 오존 전량(TCO)을 산출하고, 상기 조견표의 산출값과 상기 초분광 이미징 센서의 관측 자료를 이용하여 복사량 피팅 방법(Radiance Fitting Method)을 통해 이산화질소 전량(TCN)을 산출하는 농도 산출부로 이루어지며,
    상기 농도 산출부는,
    상기 초분광 이미징 센서에서 관측된 자외선 영역의 복사량의 보정을 위하여 관측일의 OMI(Ozone Monitoring Instrument)의 서울 지역 오버패스(overpass) 오존 전량 평균값을 해당 관측일의 오존 전량 참값으로 가정하여 상기 복사전달모형으로부터 복사량을 산출한 후, 상기 초분광 이미징 센서에서 관측된 복사량에 나누어 감쇠 비율(Degradation rate)을 구하고, 감쇠 비율만큼 상기 초분광 이미징 센서에서 관측된 자외선 영역의 복사량에 나누어 보정된 복사량을 산출한 후, 보정된 복사량을 이용하여 오존에 의해 흡수가 강하고, 약한 N1개 이상의 파장 쌍을 선택하여, N1개 이상의 파장 쌍에서 오존 전량의 함수인
    Figure 112019004422354-pat00071
    값을 산출하고,
    Figure 112019004422354-pat00072
    값과, 관측 시점과 동일 조건에서의 상기 조견표의 기준
    Figure 112019004422354-pat00073
    값을 아래의 수학식
    Figure 112019004422354-pat00074

    에 대입하여 산출하는 것을 특징으로 하는 초분광 이미징 센서 관측 자료를 이용한 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조견표는,
    상기 조견표 구성을 위한 변수(태양천정각(Solar Zenith Angle, SZA), 측기천정각(Viewing Zenith Angle, VZA), 태양과 초분광 이미징 센서의 상대방위각(Relative Azimuth Angle, RAA), 지표면 반사율(Surface Albedo), AOD(Aerosol Optical Depth, 550㎚), TCO(Total Column Ozone), TCN(Total Column Nitrogen Dioxide))와, 각 변수의 입력값을 사용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초분광 이미징 센서 관측 자료를 이용한 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 N1개의 파장 쌍의 선택은,
    복사전달모형 입력 변수 중 오존 전량을 제외한 변수의 입력값을 고정한 후 오존의 전량이 일정 범위 내 최소 최대에서 대기 외 복사(irradiance)에 대한 복사량 비율의 차이가 큰 파장과 작은 파장을 파장 쌍으로 선택하며, 차이가 큰 파장과 작은 파장을 각각
    Figure 112019004422354-pat00058
    와
    Figure 112019004422354-pat00059
    로 하는 초분광 이미징 센서 관측 자료를 이용한 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 농도 산출부는,
    상기 초분광 이미징 센서의 노이즈를 줄이기 위해 보정된 복사량을 공간 및 파장에 대하여 각각 셀(pixel)을 코-애딩(co-adding)한 후 오존 전량(TCO)을 산출하는 초분광 이미징 센서 관측 자료를 이용한 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 농도 산출부는,
    이산화질소 전량(TCN) 산출시 이산화질소에 의해 흡수가 강하고, 약한 N2개 이상의 파장 쌍을 선택하며, 상기 초분광 이미징 센서에서 관측된 상기 N2개 이상의 파장 쌍의 복사량을 이용하여 파장 쌍 별 복사량의 비율인
    Figure 112019004422354-pat00060
    값을 산출한 다음,
    Figure 112019004422354-pat00061
    값과, 관측 시점과 동일 조건에서의 상기 조견표의 파장 쌍별 복사량의 비율인
    Figure 112019004422354-pat00062
    를 아래의 수학식
    Figure 112019004422354-pat00063

    에 대입하여
    Figure 112019004422354-pat00064
    가 최소일 때의 이산화질소 전량을 산출하는 것을 특징으로 하는 초분광 이미징 센서 관측 자료를 이용한 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 N2개의 파장 쌍의 선택은,
    복사전달모형 입력 변수 중 이산화질소 전량을 제외한 변수의 입력값을 고정한 후 이산화질소의 전량이 일정 범위 내 최소 최대에서 대기 외 복사(irradiance)에 대한 복사량 비율의 차이가 큰 파장과 작은 파장을 파장 쌍으로 선택하며, 차이가 큰 파장과 작은 파장을 각각
    Figure 112019004422354-pat00065
    와
    Figure 112019004422354-pat00066
    로 하는 초분광 이미징 센서 관측 자료를 이용한 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 농도 산출부는,
    상기 초분광 이미징 센서의 노이즈를 줄이기 위해 보정된 복사량의 공간 및 파장에 대하여 각각 픽셀(pixel)을 코-애딩(co-adding)한 후 이산화질소 전량(TCN)을 산출하는 초분광 이미징 센서 관측 자료를 이용한 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 농도 산출부는,
    이산화질소(TCN)의 전량을 산출시 태양과 상기 초분광 이미징 센서간의 상대방위각(Relative Azimuth Angle, RAA)이 15°이상 일 때의 조건하에서 산출하는 것을 특징으로 하는 초분광 이미징 센서 관측 자료를 이용한 대기중 오존 및 이산화질소의 기주 농도 산출 장치.
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