KR102078589B1 - 유독물질에 오염된 대기의 스펙트럼 모의 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유독물질에 오염된 대기의 복사휘도 스펙트럼 신호를 모의하는 장치 및 방법에 대한 것으로, 복수의 유독물질에 대한 정보들 및, 복수의 서로 다른 기후에 대한 대기투과도에 대한 정보들을 포함하는 메모리와, 대기의 스펙트럼 정보를 획득하는 스펙트럼 획득부와, 대기, 오염운, 배경의 3 단계로 구분하여 분광 신호를 모델링하는 3층 기반 스펙트럼 모델과 상기 획득된 스펙트럼 정보에 근거하여, 오염운이 있는 경우의 제1 스펙트럼 모델과 오염운이 없는 경우의 제2 스펙트럼 모델을 모델링하는 모델링부와, 상기 오염운의 대기 투과도를 기 설정된 근사법에 의해 근사화한 오염운 함수와, 상기 오염운의 흑체 복사휘도와 상기 배경의 복사휘도의 차이를 근사화한 결과, 및 상기 제2 스펙트럼 모델이 선형결합된 형태로, 상기 제1 스펙트럼 모델을 재모델링하는 선형결합부 및, 상기 복수의 유독물질 중 적어도 하나와, 특정 기후 정보에 대응되는 대기 투과도 및 상기 재모델링된 제1 스펙트럼 모델에 근거하여 특정 기후에서 상기 적어도 하나의 유독물질에 오염된 오염운을 포함하는 대기의 모의 분광 신호를 생성하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 원거리에서 유독물질을 탐지하기 위한 것으로, 보다 자세하게는 유독물질에 오염된 대기의 복사휘도 스펙트럼 신호를 모의하는 장치 및 방법에 대한 것이다.
현재 신경작용제(GA/GB/GD/GF/VX), 수포작용제(HD/Lewisite/HN3), 혈액작용제(AC/CK)등 유독성 화학 작용제 및 대기 중에 살포될 수 있는 다양한 유독물질에 대한 위협이 나날이 커지고 있는 추세에 있다. 이러한 화학 작용제의 경우 짧은 시간에 대량의 인명 피해를 초래하므로, 상기 화학 작용제들과 같은 유독물질에 의해 대기가 오염되는 경우 상기 유독물질에 대한 피해를 최소화하기 위해서는, 상기 유독물질을 최대한 빠르게 탐지 및 식별하고, 식별된 유독물질에 대해 대비를 갖추어져야 한다.
따라서 상기 유독물질에 의해 오염된 대기를 보다 빠르게 탐지하기 위해, 원거리에서 상기 유독물질에 의해 오염된 대기를 탐지하는 기술이 등장하였다. 이러한 원거리 탐지 기술로서 FT-IR(Fourier-transform infrared) 기반의 원거리 탐지 기술을 들 수 있는데, 이러한 FT-IR 기반 원거리 탐지 기술은, 적외선 등의 광을 대기층에 조사하고 조사된 적외선의 스펙트럼(spectrum) 특성을, 다양한 오염물질에 오염된 대기층의 스펙트럼 특성과 대조하여 대조 결과에 따라 상기 대기층이 오염물질에 의해 오염되었는지 여부를 판별할 수 있다.
한편 이처럼 대기층의 스펙트럼 분석을 이용한 원거리 탐지 기술의 경우, 대기층의 오염 여부 및 대기층을 오염시킨 유독물질을 식별하기 위해서는, 상기 스펙트럼 특성의 대조를 위한 대조군으로서 다양한 유독물질에 의해 오염된 대기층의 스펙트럼 특성들을 필요로 한다. 이에 따라 미국 등의 경우, 상기 대조군의 스펙트럼 특성들을 수집하기 위해 Dugway Proving Ground(DPG), Ambient Breeze Tunnel 같이 밀폐화된 야외가스분사 시설을 구축하고, 이를 통해 야외에서 유독물질을 살포 및, 살포된 유독물질에 의해 오염된 대기층의 스펙트럼 데이터를 수집함으로써, 상기 대조군의 스펙트럼 특성 데이터베이스를 생성할 수 있다.
그러나 대기층의 스펙트럼 특성은, 해당 지역의 고도, 또는 위도에 따른 기후적 특징이나 주변 생태계 등의 다양한 환경적 영향으로 인해 지역마다 그 특성이 다르게 나타나므로, 미국 등에서 수집된 스펙트럼 데이터를 국내에서 사용하기 어렵다는 문제가 있다.
또한 국내의 경우 상기 야외용 안전시설이 구비된 대형 챔버를 구축하고 있지 않으며 또한 상기 안전시설이 구비된 대형 챔버의 구축에 있어서는 막대한 비용이 요구되는 실정이다. 이에 따라 국내의 경우 상기 대조군의 스펙트럼 특성 데이터베이스를 구축하기 어려우며, 이러한 어려움으로 인해 원거리 유독물질 탐지의 신뢰성이 크게 저하될 수 있다는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 유독물질을 이용한 야외 실험을 수행하지 않고서도 다양한 유독물질에 오염된 대기의 스펙트럼 특성 데이터를 수집할 수 있도록 하는 장치 및 방법에 대한 것이다.
또한 본 발명은 국내에서 유독물질을 이용하여 대기를 오염시키지 않고서도, 국내의 기후적 특성에 따른 다양한 유독물질에 오염된 대기의 스펙트럼 특성 데이터를 수집할 수 있도록 하는 장치 및 방법에 대한 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치는, 복수의 유독물질에 대한 정보들 및, 복수의 서로 다른 기후에 대한 대기투과도에 대한 정보들을 포함하는 메모리와, 대기의 스펙트럼 정보를 획득하는 스펙트럼 획득부와, 대기, 오염운, 배경의 3 단계로 구분하여 분광 신호를 모델링하는 3층 기반 스펙트럼 모델과 상기 획득된 스펙트럼 정보에 근거하여, 오염운이 있는 경우의 제1 스펙트럼 모델과 오염운이 없는 경우의 제2 스펙트럼 모델을 모델링하는 모델링부와, 상기 오염운의 대기 투과도를 기 설정된 근사법에 의해 근사화한 오염운 함수와, 상기 오염운의 흑체 복사휘도와 상기 배경의 복사휘도의 차이를 근사화한 결과, 및 상기 제2 스펙트럼 모델이 선형결합된 형태로, 상기 제1 스펙트럼 모델을 재모델링하는 선형결합부 및, 상기 복수의 유독물질 중 적어도 하나와, 특정 기후 정보에 대응되는 대기 투과도 및 상기 재모델링된 제1 스펙트럼 모델에 근거하여 특정 기후에서 상기 적어도 하나의 유독물질에 오염된 오염운을 포함하는 대기의 모의 분광 신호를 생성하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 메모리는, 복수의 서로 다른 분광 장비들의 응답 특성 및 잡음 특성에 대한 정보를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 생성된 모의 분광 신호에, 상기 분광 장비들 중 어느 하나에 대한 응답 특성 및 잡음 특성을 더 반영하여, 상기 어느 하나의 분광 장비에서, 상기 특정 기후에서 상기 적어도 하나의 유독물질에 오염된 오염운을 포함하는 대기를 측정한 결과를 모의한 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 스펙트럼 모의 장치 외부의 기후를 센싱하기 위한 적어도 하나의 센서를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 적어도 하나의 센서에서 센싱된 기후 정보를 상기 특정 기후 정보로 입력받는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 대기투과도에 대한 정보들은, 기후조건, 측정거리, 계절, 또는 주변 환경에 근거하여 행과 열이 서로 다르게 구분된 복수의 대기투과도로 형성된 대기투과도 행렬임을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치는, 복수의 유독물질에 대한 정보들, 복수의 서로 다른 기후에 대한 대기투과도에 대한 정보들과, 모의 분광 신호를 생성하기 위한 스펙트럼 모델을 포함하는 메모리와, 대기의 스펙트럼 정보를 획득하는 스펙트럼 획득부와, 상기 획득된 스펙트럼에 근거하여, 대기, 오염운, 배경의 3 단계로 구분하여 분광 신호를 모델링하는 3층 기반 스펙트럼 모델에 따라 상기 대기, 오염운, 배경의 분광 신호를 모델링하는 모델링부 및, 상기 모의 분광 신호를 생성하기 위한 스펙트럼 모델에 근거하여, 상기 복수의 유독물질 중 선택된 적어도 하나와, 입력된 특정 기후 정보에 대응하는 대기투과도 및, 상기 3층 기반 스펙트럼 모델에 따라 모델링된 결과로부터, 특정 기후에서 상기 적어도 하나의 유독물질에 오염된 오염운을 포함하는 대기의 모의 분광 신호를 생성하는 제어부를 포함하며, 상기 모의 분광 신호를 생성하기 위한 스펙트럼 모델은, 상기 오염운의 대기 투과도를 기 설정된 근사법에 의해 근사화한 오염운 함수와, 상기 오염운의 흑체 복사휘도와 상기 배경의 복사휘도의 차이를 근사화한 결과, 및 상기 오염운이 없는 경우에 따른 스펙트럼 모델이 선형결합된 모델임을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 메모리는, 복수의 서로 다른 분광 장비들의 응답 특성 및 잡음 특성에 대한 정보를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 생성된 모의 분광 신호에, 상기 분광 장비들 중 어느 하나에 대한 응답 특성 및 잡음 특성을 더 반영하여, 상기 어느 하나의 분광 장비에서, 상기 특정 기후에서 상기 적어도 하나의 유독물질에 오염된 오염운을 포함하는 대기를 측정한 결과를 모의한 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 방법은, 대기의 스펙트럼 정보를 획득하는 단계와, 상기 획득된 스펙트럼에 근거하여, 대기, 오염운, 배경의 3 단계로 구분하여 분광 신호를 모델링하는 3층 기반 스펙트럼 모델에 따라 상기 대기, 오염운, 배경의 분광 신호를 모델링하는 단계와, 상기 모델링 결과에 근거하여, 오염운이 있는 경우의 제1 스펙트럼 모델과 오염운이 없는 경우의 제2 스펙트럼 모델을 모델링하는 단계와, 상기 오염운의 대기 투과도를 기 설정된 근사법에 의해 근사화한 오염운 함수와, 상기 오염운의 흑체 복사휘도와 상기 배경의 복사휘도의 차이를 근사화한 결과, 및 상기 제2 스펙트럼 모델이 선형결합된 형태로, 상기 제1 스펙트럼 모델을 재모델링하는 단계와, 적어도 하나의 유독물질을 선택받고, 선택된 유독물질에 대한 정보를 검출하는 단계와, 적어도 하나의 기후 정보를 입력받고, 입력된 기후 정보에 대응하는 대기투과도를 검출하는 단계, 및 상기 재모델링된 제1 스펙트럼 모델로부터, 상기 선택된 유독물질 정보 및, 상기 검출된 대기투과도에 따른 모의 분광 신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 모의 분광 신호를 생성하는 단계는, 복수의 서로 다른 분광 장비의 응답 및 잡음 특성 정보들 중, 선택된 어느 하나의 분광 장비에 대한 응답 및 잡음 특성 정보를 로드하는 단계와, 상기 생성된 모의 분광 신호에, 상기 로드된 어느 하나의 분광 장비에 대한 응답 및 잡음 특성을 반영하는 단계 및, 상기 응답 및 잡음 특성이 반영된 모의 분광 신호를 재생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 적어도 하나의 기후 정보는, 기 설정된 적어도 하나의 기후 센서로부터 획득되는 정보임을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 대기투과도를 검출하는 단계는, 기 저장된 대기투과도 분석 프로그램으로부터, 상기 입력된 기후 정보에 따라 분석된 대기투과도임을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 스펙트럼 모의 장치 및 방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 본 발명은 복사휘도 스펙트럼 모델에 근거하여 적어도 하나의 유독물질에 의해 오염된 대기의 대기 투과도 스펙트럼을 생성하고, 생성된 스펙트럼에 특정 지역의 기후에 대한 영향을 반영함으로써, 실제 유독물질을 이용한 야외 실험 없이도 특정 기후에서 상기 유독물질에 의해 오염된 대기(오염층)의 스펙트럼 데이터를 생성할 수 있다는 효과가 있다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 본 발명은 모의된 스펙트럼 데이터에, 특정 장비의 응답 및 반응 특성을 더 반영함으로써, 상기 특정 장비에 의해 측정된 오염층의 스펙트럼 데이터를 모의할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치에서 오염층의 대기 투과도 스펙트럼을 생성하기 위한 3층 복사휘도 스펙트럼 모델을 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치에서 사용하는 다수의 유독 물질에 대한 정보를 포함하는 표준 라이브러리 구성도 행렬의 예를 도시한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치에서 사용될 수 있는 대기투과도 행렬의 예를 도시한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치에서 모의 스펙트럼 데이터를 생성하는 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치에서, 생성된 모의 스펙트럼 데이터에 측정 장비의 특성을 더 반영하는 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치에서, 스펙트럼 데이터를 모의한 결과를 보이고 있는 실험 결과 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치에서 오염층의 대기 투과도 스펙트럼을 생성하기 위한 3층 복사휘도 스펙트럼 모델을 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치에서 사용하는 다수의 유독 물질에 대한 정보를 포함하는 표준 라이브러리 구성도 행렬의 예를 도시한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치에서 사용될 수 있는 대기투과도 행렬의 예를 도시한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치에서 모의 스펙트럼 데이터를 생성하는 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치에서, 생성된 모의 스펙트럼 데이터에 측정 장비의 특성을 더 반영하는 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치에서, 스펙트럼 데이터를 모의한 결과를 보이고 있는 실험 결과 그래프이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다." 또는 "포함한다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
또한 이하의 설명에서는 유독물질의 주요 영역대인 중 적외선
구간을 관심 영역으로 설정하고, 상기 관심 영역에서의 스펙트럼을 모의하는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치 및 방법을 자세하게 설명하기로 한다.
먼저 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치(100)는 제어부(110)와, 상기 제어부(110)에 연결되는 스펙트럼 획득부(150), 모델링부(160), 스펙트럼 선형결합부(170), 메모리(120) 그리고 입력부(130)를 포함할 수 있다. 또한 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치(100)는 본 발명의 실시 예에 따라 모의되는 스펙트럼 데이터 또는 상기 스펙트럼 데이터를 모의하는 과정을 사용자가 확인할 수 있도록, 상기 모의된 스펙트럼 데이터 또는 상기 모의된 스펙트럼 데이터에 관련된 정보들을 출력하기 위한 출력부를 더 포함할 수 있다.
먼저 메모리(120)는 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치의 동작을 위한 다양한 데이터 및 프로그램이 저장될 수 있다. 또한 상기 메모리(120)는 다양한 유독물질에 대한 정보가 라이브러리 형태로 저장된 표준 라이브러리 및 다양한 기후 환경에서의 대기투과도를 분석하기 위한 적어도 하나의 프로그램을 저장할 수 있다.
그리고 입력부(130)는 사용자로부터 정보를 입력받기 위한 것으로서, 기계식 입력수단 및 터치식 입력수단을 포함할 수 있다.
한편 스펙트럼 획득부(150)는 대기의 복사휘도 스펙트럼을 획득할 수 있다. 이를 위해 상기 스펙트럼 획득부(150)는 적외선 분광 장비(spectrometer)를 포함하거나 상기 제어부(110)에 의해 제어될 수 있는 별도의 분광 장비에 연결될 수 있다.
그리고 모델링부(160)는 상기 스펙트럼 획득부(150)에서 획득된 복사휘도 스펙트럼에 근거하여 3층 기반 복사휘도 스펙트럼 모델에 따라 모델링을 수행할 수 있다. 그리고 모델링된 결과에 근거하여 특정 유독물질에 의해 오염된 오염운이 있는 경우의 복사휘도 스펙트럼과, 상기 오염운이 없는 경우의 복사휘도 스펙트럼을 모델링할 수 있다.
한편, 선형결합부(170)는 상기 모델링부(160)에서 모델링된 제1 복사휘도 스펙트럼을, 오염운에 대한 함수와 상기 3층 기반 복사휘도 스펙트럼 모델 중 배경 복사휘도 스펙트럼의 선형결합 형태로 모델링할 수 있다.
그리고 상기 모의 신호 생성부(180)는 상기 선형결합부(170)에서 모델링된 복사휘도 스펙트럼 모델에 근거하여, 특정 기후 환경에서 적어도 하나의 유독 물질에 의해 오염된 오염운이 있는 경우에 대한 모의 분광 신호를 생성할 수 있다.
그리고 제어부(110) 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치(100)의 전반적인 동작을 제어한다. 예를 들어, 제어부(110)는 연결된 각 구성요소의 동작 및 동작 순서를 제어할 수 있으며, 입력부(130)를 통해 입력되는 정보에 근거하여 상기 연결된 각 구성요소가 제어되도록 할 수 있다. 예를 들어 제어부(110)는 상기 입력부(130)를 통해 상기 표준 라이브러리에 저장된 유독물질들 중 적어도 하나를 사용자로부터 선택받을 수 있다. 또한 사용자로부터 임의의 기후 환경 정보를 입력받고 입력된 기후 환경 정보에 근거하여 상기 대기투과도 분석 프로그램을 구동할 수 있다.
한편 상기 기후 환경 정보는 상기 입력부(130)를 통해 사용자로부터 직접 입력되거나 또는 실측된 기후 환경 정보가 입력될 수도 있다. 이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치(100)는 기후 환경을 측정하기 위한 적어도 하나의 센서들을 포함하는 기후 정보 획득부(190)를 더 구비할 수도 있다. 여기서 상기 기후 정보 획득부(190)는 온도 센서, 습도 센서, 기압 센서를 포함할 수 있으며, 풍속 센서나 중력 센서, 또는 자기 센서를 적어도 하나 구비할 수 있다.
이하에서는, 위에서 열거된 구성요소들에 대하여 도 1을 참조하여 보다 구체적으로 살펴본다.
먼저 모델링부(160)는 상기 제어부(110)의 제어에 따라 상기 스펙트럼 획득부(150)가 획득한 스펙트럼 정보를, 3층 기반 복사휘도 스펙트럼 모델에 따라 모델링할 수 있다. 도 2는 이러한 3층 복사휘도 스펙트럼 모델을 도시한 개념도이다.
도 2를 참조하여 살펴보면, 3층 복사휘도 스펙트럼 모델은 적외선 분광 장비에서 측정되는 스펙트럼 특성을 대기(Atmosphere, 210), 가스 오염운(오염층, Vapor cloud, 220), 배경(Background, 230)의 3개 단계(3개 층)로 구분하여 분광 신호를 모델링 할 수 있다.
여기서 각 층의 물리 화학적 성질이 균일하다고 가정하면, 배경에서의 복사는 가스 오염운을 거쳐 대기로 도달하고 분광계를 통해서 복사휘도로 측정된다. 이와 같은 3층 기반 복사휘도 스펙트럼 모델링은 기본적으로 다음을 가정으로 한다.
[가정 1]
대기와 가스 오염운에서의 기체 입자의 산란은 무시할 수 있다.
[가정 2]
가스 오염운과 대기층에서의 대기 입자가 고루 분포되어 있다.
[가정 3]
가스층의 두께가 얇고, 배경과 가스층 사이의 길이도 짧아서 이 두 층에서 대기의 투과는 무시할 수 있다.
[가정 4]
배경에서 복사된 빛이 진행하면서 일어날 수 있는 반사과정은 무시할 수 있다.
한편 통상적인 3층 기반 복사휘도 스펙트럼 모델링의 제한점은 [가정 3]에서 발생한다. FT-IR(Fourier-transform infrared) 분광학에서 빛은 지구 대기를 통과하면서 특정 분자에 의해 일부가 흡수되는데 이를 일으키는 주요 분자로는 
, 
, 
, 
, 
, 
등이 있다. 이 과정에서 생긴 흡수선을 지구 대기 흡수선(telluric line)이라고 하며 일반적으로 적외선 영역에서 많이 나타난다. 또한 지구 대기 흡수선은 순수한 빛의 스펙트럼에 겹쳐 나타나기 때문에 이를 효과적으로 제거해주어야 한다.
한편 관심 영역인 
에서는 
, 
, 
, 
분자가 주변의 온도차에 따라 에너지를 흡수하거나 방출한다. 그런데 
나 
의 경우 
영역에서 에너지를 흡수 혹은 방출하는 특성이 없다. 대신 이러한 분자들은 대기의 위도, 경도, 온도, 해수면 높이, 압력 등에 따라서 같은 기체라도 복사휘도 스펙트럼이 달라지며, 이는 가스를 탐지하기 위해 배경 및 간섭 스펙트럼을 제거하는데 큰 장애가 될 수 있다. 이에 따라 다양한 기후나 배경에 대해 대기의 스펙트럼이 어떤 특성을 가지는지에 대한 분석이 필요하다.
이를 위해 미리 분석된 기후 또는 배경에서의 대기투과도(Atmosphere Transmittance) 정보를 이용할 수 있다. 이러한 대기투과도 정보로서는, 대기분석학 프로그램인 MODTRAN(MODerate resolution atmospheric TRANsmission)으로부터 분석되는 정보 등이 있을 수 있다.
이러한 3층 기반 복사휘도 스펙트럼 모델링에서 사용되는 주요 매개변수는 다음과 같다.
여기서 
와 
의 관계는 하기 수학식 1과 같다.
즉, 모델링부(160)는 상기 스펙트럼 획득부(150)에서 획득된 복사휘도를, 상기 수학식 1에 근거하여 각 층의 복사휘도 스펙트럼으로 모델링할 수 있다.
그리고 모델링부(160)는 생성된 3층 기반 복사휘도 스펙트럼 모델에 근거하여 유독물질에 의해 오염된 오염운이 있는 경우의 복사휘도 스펙트럼과 상기 오염운이 없는 경우의 복사휘도 스펙트럼을 모델링할 수 있다.
먼저 오염운이 없는 경우, 스펙트럼 획득부(150)에서 획득될 수 있는 복사휘도 스펙트럼(Loff(λ))은, 대기층(210)의 대기투과도(Atmosphere Transmittance)로 인해 일정 수준 감소된 배경(230)의 복사휘도와 대기층(210)의 복사휘도가 결합된 스펙트럼일 수 있다. 따라서 오염운이 없는 경우의 복사휘도 스펙트럼(Loff(λ))은 하기 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
반면 유독물질에 의해 오염된 오염운(220)이 있는 경우, 배경(230)에서 복사된 빛은 상기 오염운(220)을 거쳐 대기층(210)으로 진입하게 된다. 따라서 오염운(220)의 대기투과도로 인해 감소된 배경(230)의 복사휘도와 결합된 오염운(220)의 복사휘도가, 대기층(210)의 대기 투과도에 의해 감속되고, 감소된 복사휘도가 대기층(210)의 복사휘도와 결합된 스펙트럼일 수 있다. 따라서 오염운이 있는 경우의 복사휘도 스펙트럼(Lon(λ))은 하기 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
한편 상기 수학식 2 및 3과 같이, 오염운이 있는 경우의 복사휘도 스펙트럼 및 오염운이 없는 경우의 복사휘도 스펙트럼이 모델링되면 선형결합부(170)는 상기 모델링된 두 수학식을 선형결합할 수 있다.
먼저 선형결합부(170)는 상기 수학식 2와 수학식 3에 근거하여, 하기 수학식 4와 같은 오염운이 있는 경우의 복사휘도 스펙트럼(Lon(λ))을 산출할 수 있다.
수학식 4는 오염운의 존재 유무에 따른 복사휘도의 차이를 보여준다. 즉 상기 수학식 4에서, 
는 오염운의 존재에 따른 복사휘도의 차이가 될 수 있다. 따라서 상기 수학식 4에서 오염운의 탐지가 가능하기 위해서는, 즉 
가 되지 않도록 하기 위해서는 
이어야 한다.
한편 
는 
와 
에 의해 비선형 특성을 가지므로 선형결합부(170)는 상기 수학식 4에서 오염운의 존재에 따른 복사휘도의 차이, 즉 
를 대기층(210)의 대기투과도 
를 제외한 비선형적 구성요소 
와 
를 각각 근사화하여 각각 오염운(220)의 복사휘도 스펙트럼과 배경(230)의 복사휘도 스펙트럼의 선형결합 형태로 모델링할 수 있다.
이를 위해 선형결합부(170)는 먼저 오염운의 대기 투과도(
)를 Beer의 법칙(Beer Lambert Law, 흡광도가 가스 오염운의 농도에 비례한다는 법칙)에 따라 하기 수학식 5와 같은 함수로 모델링할 수 있다.
여기서 
은 오염운에 존재하는 유독 물질 숫자이고, 
은 해당 파수(
)에서의 흡수계수(Absorption Coefficient, 
), 
은 CL값 즉 유독물질의 농도(
)를 나타낸다.
한편, 테일러 근사법에 의하면, 
이므로, 상기 
는 하기 수학식 6과 같이 근사화될 수 있다.
한편 배경(230)과 오염운(220)의 온도차이에 따라 플랭크(Planck) 함수의 선형 근사화가 가능하다. 따라서 상기 
를 플랭크 함수에 따라 하기 수학식 7과 같이 선형 근사화할 수 있다.
여기서 
는 온도와 파수에 독립적인 상수이며, 
는 온도 변화를 의미한다.
따라서 선형결합부(170)는 상기 수학식 6과 수학식 7에 근거하여, 상기 수학식 4에서 오염운의 존재에 따른 복사휘도의 차이 (
)를 
로 모델링할 수 있다.
그러므로 상기 모델링부(160)에서 모델링된 상기 수학식 4의 복사휘도 스펙트럼(Lon(λ))은, 선형결합부(170)에서 하기 수학식 9와 같이 오염운의 영향으로 추가된 함수(
)와 배경 복사휘도 스펙트럼(
)의 선형결합 형태로 모델링될 수 있다.
여기서 
임.
이렇게 구해진 복사휘도(
)는 하기 플랑크함수(수학식 9)의 역변환을 이용하여 분석이 용이한 밝기온도(Brightness Temperature) 신호로 변경하여 분석되어 진다.
여기서 파라미터 
는 플랑크 상수(Planck constant, 
), 
는 빛의 속도(
), 그리고 
는 볼츠만 상수(Boltzmann constant, 
)임.
상기 수학식 9는 L 라디언스 신호(Radiance Spectrum)를 온도 신호(Brightness Temperature Spectrum)로 변환하기위해 사용되는 함수일 수 있다.
한편 제어부(110)는 상기 수학식 8과 같이 오염운과 배경 복사휘도 스펙트럼의 선형결합 형태로 모델링된 복사휘도 스펙트럼이 모델링되면, 특정 유독물질의 정보를 선택받을 수 있다. 예를 들어 제어부(110)는 메모리(120)에 라이브러리의 형태로 저장된 다수의 유독물질 정보 중 적어도 하나를 선택받을 수 있다.
상기 표준 라이브러리는 탐지하고자 하는 유독물질의 고유 IR 스펙트럼이 행렬(matrix) 형태로 저장된 정보일 수 있다. 도 3은 이처럼 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치에서 사용하는 다수의 유독 물질에 대한 정보를 포함하는 표준 라이브러리 구성도 행렬의 예를 도시한 예시도이다.
상기 표준 라이브러리 행렬의 경우, 각 열은 고유 유독물질의 스펙트럼 정보(예 : IR 스펙트럼)를 포함하는 서브 벡터(vector)로 구성될 수 있다. 이러한 경우 간섭계를 활용하여 획득한 간섭무늬 신호를 수학식 9를 이용하여 분석이 용이한 밝기온도 스펙트럼으로 변환하고, 신호 전처리 과정을 통하여 잡음을 제거한 후 상기 표준 라이브러리와 비교 및 분석을 통해 유독물질을 탐지하고 식별할 수 있다. 즉, 상기 표준 라이브러리는 지문(Fingerprint) 역할로 사용될 수 있으며, 유독물질의 식별에는 주로 흡수계수(Absorption Coefficients)가 사용될 수 있다.
따라서 제어부(110)는 사용자가 적어도 하나의 유독물질을 상기 표준 라이브러리로부터 선택하는 경우, 선택된 적어도 하나의 유독물질의 흡수계수를 상기 표준 라이브러리로부터 검출할 수 있다. 그리고 제어부(110)는 선택된 적어도 하나의 유독 물질 각각의 농도 역시 사용자로부터 선택받을 수 있다.
한편 제어부(110)는 기후 정보를 입력받을 수 있다. 여기서 상기 기후 정보는 사용자가 임의로 입력하거나 또는 상기 기후 정보 획득부(190)를 통해 실측된 기후 정보를 이용할 수도 있다. 그리고 기후 정보가 입력되면 제어부(110)는 입력된 기후 정보에 대응하는 대기투과도를 분석할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치에서 사용될 수 있는 대기투과도 행렬의 예를 도시한 예시도이다. 도 4에서 보이고 있는 바와 같이 상기 대기투과도 행렬은, 온도, 습도와 같은 서로 다른 기후 조건, 계절, 주변환경(도시, 숲, 근교 등) 또는 측정 거리에 따라 행 및 열이 구분된 대기투과도들로 형성될 수 있다.
여기서 상기 대기투과도 행렬은 열대, 중위도, 고위도 등 여러 대기 모형에 근거하여 분석된 대기투과도를 포함할 수 있으며, 상기 대기투과도는 태양, 달의 위치 등이 반영되어 분석될 수 있다. 또한 다중 산란이나 눈, 숲, 초원 같은 표면 반사도 등 특정한 대기 환경조건이 더 반영될 수도 있음은 물론이다.
이러한 대기투과도 분석 프로그램의 예로서 MODTRAN(MODerate resolution atmospheric TRANsmission)을 들 수 있다. MODTRAN은 대기 복사전달을 모델링하는 프로그램으로 포트란(FOTRAN) 언어로 제작된 것으로, 스펙트럼의 파장범위는 0.2~100μm 로서 본 발명에서 측정하고자 하는 관심대역, 즉 유독물질의 주요 영역대인 중 적외선(
)구간의 스펙트럼을 0.2cm-1의 해상도로 대기투과도 특성을 계산할 수 있다.
상술한 바와 같이 적어도 하나의 유독물질이 선택 및, 선택된 유독물질의 농도, 그리고 입력된 기후 정보로부터 대기 투과도가 분석되면, 제어부(110)는 선택된 유독물질들의 개수, 각 유독물질의 흡수 계수들과 농도, 현재 입력된 기후 정보에 따라 분석된 대기투과도, 그리고 상기 수학식 8에 근거하여, 현재 선택된 유독물질에 의해 오염된 오염운이 있는 경우의 복사휘도 스펙트럼을 모의할 수 있다.
한편 분광 장비의 경우 장비마다 서로 다른 기기의 응답 특성 및 잡음 특성을 가진다. 따라서 상기 수학식 8에서 보이고 있는 바와 같이 모의 분광 신호를 생성한다 하더라도, 실제 분광 장비에서 측정된 결과와 차이가 발생하게 된다. 또한 이러한 장비 특성에 따른 오차를 해소하기 위하여 추가적인 작업을 수행하는 경우 그에 따른 오차 보정 시간을 필요로 한다는 문제가 있을 수 있다.
이에 따라 본 발명에서는 상기 수학식 8에서 모의된 복사휘도 스펙트럼에, 오염운을 탐지하는 분광 장비의 특성에 따른 특성, 예를 들어 응답 특성 및 잡음 특성을 더 반영함으로써, 선택된 특정 분광 장비에서 실측된 특정 유독물질 오염운의 복사휘도 스펙트럼을 모의할 수 있다.
예를 들어 분광 장비에서 실질적으로 측정되는 측정값은 기기의 응답 특성(
)과 잡음 특성(
)에 영향을 받은 형태(
)로 하기 수학식 10과 같이 표현될 수 있다.
여기서 
이며, 
는 합성곱(convolution)정의에 따른 파수 정보임.
한편 제어부(110)는 모의 신호 생성부(180)를 제어하여 상기 모의된 복사휘도 스펙트럼에 따른 모의 분광 신호를 생성할 수 있다. 여기서 상기 생성된 모의 분광 신호는 P개의 값을 갖는 벡터로 표현될 수 있다. 이때 k번째 샘플, 즉 
일 때 측정값을 
라고 하면 하기 수학식 11과 같이 표현될 수 있다.
여기서 
, 
, 
및, 
임.
여기서 상기 분광 장비의 응답 특성(
)과 잡음 특성(
)은 선택되는 분광 장비에 따라 서로 다르게 설정될 수도 있음은 물론이다. 이를 위해 상기 메모리(120)는 서로 다른 복수의 분광 장비의 응답 특성 및 잡음 특성에 대한 정보들을 포함할 수 있다.
즉, 본 발명은 입력값으로 사용되는 배경 신호에 특정 분광 장비의 특성, 즉 응답 특성 및 잡음 특성을 반영하여 특정 유독물질에 의해 오염된 오염운의 복사휘도 스펙트럼을 모의할 수 있다. 따라서 사용자에 의해 선택되는 특정 분광 장비에서 실측되는 특정 유독물질 오염운의 복사휘도 스펙트럼을 모의할 수 있다. 뿐만 아니라 대기분석 프로그램에 따라 분석된 특정 기후에 따른 대기투과도에 근거하여 상기 복사휘도 스펙트럼을 모의할 수 있도록 함으로써, 사용자가 원하는 기후 환경에서 특정 유독물질에 의해 오염된 오염운의 복사휘도 스펙트럼을, 특정 분광 장비로 실측한 결과를 모의할 수 있다.
도 5는 이러한 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치에서 모의 스펙트럼 데이터를 생성하는 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
먼저 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치(100)의 제어부(110)는 스펙트럼 획득부(150)를 통해 현재 대기에 대한 복사휘도 스펙트럼을 획득할 수 있다. 그리고 모델링부(160)를 제어하여 복사휘도 스펙트럼이 획득되면 획득된 복사휘도 스펙트럼을 3층 기반 복사휘도 스펙트럼 모델에 따라 모델링 할 수 있다(S500).
한편 3층 기반 복사휘도 스펙트럼 모델에 따라 모델링이 수행되면, 제어부(110)는 모델링된 각 층의 복사휘도 스펙트럼에 근거하여 특정 유독물질에 오염된 오염운이 있는 경우에 따른 복사휘도 스펙트럼 모델(Lon(λ), 제1 복사휘도 스펙트럼 모델)과 상기 오염운이 없는 경우에 따른 복사휘도 스펙트럼 모델(Loff(λ), 제2 복사휘도 스펙트럼 모델)을 하기 수학식 2 및 수학식 3과 같이 모델링할 수 있다(S502).
[수학식 2]
[수학식 3]
한편 상기 S502 단계에서 제1 및 제2 복사휘도 스펙트럼 모델의 모델링이 완료되면, 제어부(110)는 상기 제2 복사휘도 스펙트럼 모델에 대한 선형결합을 포함하는 형태로 상기 제1 복사휘도 스펙트럼을 1차 재모델링 할 수 있다. 여기서 상기 1차 재모델링된 제1 복사휘도 스펙트럼은 하기 수학식 4와 같다.
[수학식 4]
여기서 오염운의 복사휘도 
와 배경 복사휘도 스펙트럼 
는 오염운과 배경의 온도에 근거하여 플랑크 함수(수학식 9)의 역변환을 이용하여 구해질 수 있으며, 온도와 파수에 독립적인 상수 
와, 온도 변화 
로 나타날 수 있다. 그리고 상기 '
'는 Beer의 법칙 및 테일러 근사법에 따라 오염운 층에 존재하는 유독물질의 개수(
)와, 해당 파수(
)에서의 흡수계수 
, 그리고 유독물질의 농도 
를 포함하는 오염운의 함수로 나타낼 수 있다. 따라서 제어부(110)는 상기 1차 재모델링된 제1 복사휘도 스펙트럼을, 상기 오염운의 함수와 배경 복사휘도 스펙트럼, 그리고 상기 제2 복사휘도 스펙트럼 모델이 선형결합된 형태로 하기 수학식 8과 같이 2차 재모델링할 수 있다(S504).
[수학식 8]
한편 제1 복사휘도 스펙트럼이 2차 재모델링되면, 제어부(110)는 사용자로부터 선택된 유독물질에 대한 정보(예 : 파수에 대응하는 흡수계수, 
)를 메모리(120)에 저장된 표준 라이브러리로부터 검출할 수 있다(S506). 그리고 사용자로부터 입력된 기후 정보에 따른 대기 투과도를 검출할 수 있다(S508).
여기서 상기 S508 단계에서 입력되는 기후 정보는 사용자가 직접 입력한 특정 기후 환경, 즉 온도나 습도, 기압이나 계절 등의 환경 정보일 수 있다. 또는 상기 S508 단계에서 입력되는 기후 정보는, 온도계, 습도계, 기압계 등 적어도 하나의 기후 환경 센서로부터 실측되는 기후 정보일 수도 있다. 이 경우 상기 S508 단계는 상기 기후 환경 정보를 센싱하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편 상기 대기투과도는, 메모리(120)에 저장된 대기투과도 행렬에 근거하여 검출될 수 있다. 여기서 상기 대기투과도 행렬은, 대기, 오염운, 배경의 3개의 층으로 구분되는 3층 기반 복사휘도 스펙트럼 모델에 근거하여, 각 기후 환경에 따라 각 층의 대기 투과도 정보를 포함하는 모델일 수 있다. 또는 상기 대기투과도는, 기 저장된 대기투과도 분석 프로그램을 통하여 입력된 기후 환경 정보에 따라 분석되는 것일 수도 있다. 이 경우 상기 S508 단계는 상기 대기투과도 분석 프로그램을 통해 입력된 기후 정보에 따른 대기투과도가 분석되는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편 상기 S508 단계에서 대기투과도가 분석되면, 제어부(110)는 현재 선택된 유독물질의 정보와 상기 분석된 대기투과도 정보, 그리고 상기 2차 모델링된 제1 복사휘도 스펙트럼 모델에 근거하여 모의 분광 신호를 생성할 수 있다(S510). 그리고 생성된 모의 분광 신호는 현재 선택된 유독물질에 의해 오염된 오염운이 있는 경우에 대한 대기의 복사휘도 스펙트럼 정보로서 메모리(120)에 저장될 수 있다. 따라서 본 발명은 실제 유독물질을 이용한 대기로부터 실측하지 않고서도, 상기 유독물질에 의해 오염된 대기의 복사휘도 스펙트럼을 모의할 수 있다.
한편, 도 5에서 설명한 방법에 따르면, 특정 유독물질에 의해 오염된 대기의 복사휘도 스펙트럼이 모의될 수 있으나, 실제 오염운의 탐지는 분광 장비에 의해 측정되므로, 상기 도 5에서 모의된 복사휘도 스펙트럼과 분광 장비에 의해 측정된 스펙트럼은 서로 차이가 있을 수 있다. 이는 상기 분광 장비의 기기 특성에 따른 잡음이 측정 결과에 더 반영되기 때문이다. 따라서 측정 결과로부터 기기 특성에 따른 잡음을 제거하는 과정을 거쳐야 올바른 유독물질의 탐지가 이루어질 수 있다.
한편 이처럼 기기 특성에 따른 잡음을 제거하는 과정을 더 거쳐야 하는 경우, 그에 따라 유독물질의 탐지에 소요되는 시간을 더 필요로 한다는 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 상기 도 5에서 모의된 복사휘도 스펙트럼에, 상기 분광 장비의 기기 특성을 반영하여, 상기 분광 장비에서 측정된 복사휘도 스펙트럼을 바로 모의할 수 있도록 한다.
도 6은 이러한 경우에 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치에서, 생성된 모의 스펙트럼 데이터에 측정 장비의 특성을 더 반영하는 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
도 6을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 제어부(110)는, 사용자의 선택에 따라, 상기 도 5의 동작 과정에 따라 생성된 모의 분광 신호 중, 특정 유독물질에 의해 오염된 특정 기후 환경에서의 오염운이 있는 경우의 모의 분광 신호를 선택받을 수 있다. 그리고 선택된 모의 분광 신호를 메모리(120)로부터 로드(load)할 수 있다(S600).
그리고 제어부(110)는 기기 특성을 반영하고자 하는 분광 장비를 선택받을 수 있다. 그리고 사용자가 선택한 특정 분광 장비의 기기 특성 정보를 로드할 수 있다(S602). 이를 위해 메모리(120)는 서로 다른 복수의 분광 장비에 대한 정보 및, 상기 복수의 분광 장비 각각의 기기 특성에 대한 정보를 저장할 수 있다. 여기서 상기 분광 장비의 기기 특성에 대한 정보는, 해당 분광 장비의 제원 및, 분광 장비의 응답 특성과 잡음 특성에 대한 정보를 포함할 수 있다.
그리고 제어부(110)는 상기 S600 단계에서 로드된 모의 분광 신호에, 상기 S602 단계에서 로드된 특정 분광 장비의 응답 특성과 잡음 특성을 반영할 수 있다(S604). 여기서 상기 분광 장비의 응답 특성을 
라고 하고, 잡음 특성을 
, 그리고 상기 응답 특성 
와 잡음 특성 
에 영향을 받은 복사휘도 스펙트럼을 
로 나타낼 때에, 상기 로드된 모의 분광 신호를 P개의 값을 갖는 벡터로 표현하는 경우, k번째 샘플, 즉 
일 때 측정값을 
라고 하면, 상기 응답 특성 
와 잡음 특성 
이 반영된 모의 분광 신호는 하기 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 11]
여기서 
, 
, 
및, 
임.
그리고 제어부(110)는 상기 수학식 11에 따라 응답 특성 
와 잡음 특성 
이 반영된 모의 분광 신호를, 현재 선택된 분광 장비의 기기 특성이 반영된 모의 분광 신호로서 메모리(120)에 저장할 수 있다.
이에 따라 본 발명은 특정 기후에서 특정 유독물질에 오염된 오염운이 있는 경우의 대기 복사휘도를 특정 기기로 관측한 상태의 신호를 바로 생성함으로써, 측정 결과로부터 기후 배경 및 장비 특성에 따른 잡음을 제거하는 역추적 과정 없이도 바로 대기를 오염시킨 유독가스를 검출할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 메모리(120)는 서로 다른 분광 장비의 기기 특성에 대한 정보들이 저장될 수 있다. 따라서 사용자가 다른 분광 장비를 선택하는 경우 반영되는 기기 특성이 달라질 수도 있음은 물론이다. 즉, 본 발명은 상기 도 5에서 생성된 모의 분광 신호를 이용하여, 사용자의 선택에 따른 서로 다른 분광 장비의 특성이 반영된 모의 분광 신호들을 생성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치에서, 스펙트럼 데이터를 모의한 결과를 보이고 있는 실험 결과 그래프이다.
도 7은 신호의 유사성을 비교하기 위해 신호 유사도 기법(Cross Correlation, CC)을 사용하였으며, CC의 결과값은 신호가 서로 유사한 정도에 따라 0과 1사이의 값을 가진다. 상관계수 공식은 다음과 같다.
여기서 s는 가스를 실측한 결과이고 r은 모의 생성된 신호이다. 가스를 실측한 결과와 모의 생성된 신호가 유사할수록 상관계수 값이 크게 산출될 수 있다.
먼저 도 7의 (a)를 참조하여 살펴보면 도 7의 (a)는 신호 유사도 기법(CC, Cross Correlation)을 활용하여 Freon 가스의 복사휘도 스펙트럼을 실측한 결과(700)와 상기 Freon 가스에 오염된 대기의 복사휘도 스펙트럼을 모의한 신호(710)를 비교한 도면이다. 여기서 상기 실측 결과(700)는 숲과 건물을 배경으로, 실측 장비와 300m 이격된 거리에서 3,514 mg/m2 농도의 프레온 가스가 포함된 가스운을 형성하고 상기 Freon 가스의 가스운이 있는 대기의 복사휘도 스펙트럼을 측정함으로써 이루어졌으며, 가스운과 대기의 온도 3℃인 상태에서 이루어졌다.
도 7의 (a)에서 보이고 있는 상관계수 값(CC)에서 알 수 있는 바와 같이, 모의 신호(710)와 실측된 신호(700)의 상관계수 값은 0.95로서 완전한 일치를 의미하는 1에 거의 근접한 결과를 보이고 있음을 수 있다.
다음으로 도 7의 (b)를 참조하여 살펴보면 도 7의 (b)는 신호 유사도 기법(CC)을 활용하여 SF6 가스의 복사휘도 스펙트럼을 실측한 결과(750)와 상기 SF6 가스에 오염된 대기의 복사휘도 스펙트럼을 모의한 신호(760)를 비교한 도면이다. 여기서 상기 실측 결과(750)는 숲과 건물을 배경으로, 실측 장비와 300m 이격된 거리에서 31 mg/m2 농도의 SF6 가스가 포함된 가스운을 형성하고 상기 SF6 가스의 가스운이 있는 대기의 복사휘도 스펙트럼을 측정함으로써 이루어졌으며, 가스운과 대기의 온도 3℃인 상태에서 이루어졌다.
도 7의 (b)에서 보이고 있는 바 역시, 모의 신호(760)와 실측된 신호(750)의 상관계수 값은 0.92로서 완전한 일치를 의미하는 1에 매우 근접한 결과를 보이고 있음을 수 있다.
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 예를 들어 본 발명은 하나의 유독물질이 아니라 다수의 유독물질, 예를 들어 다중 작용제를 포함하는 오염운에 대한 모의 분광 신호를 생성할 수도 있음은 물론이다. 또한 본 발명의 도 5 내지 6에서 도시한 동작 과정들은 동일 또는 유사 과정의 반복 수행 결과를 기초로 보다 짧은 시간 내에 보다 정확한 모의 분광 신호를 생성하도록 최적화될 수도 있음은 물론이다. 이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 모의 장치(100)는 신호 전처리(pre-processing) 모듈 등 다양한 추가적인 모듈을 더 포함하여 구성될 수도 있다.
한편 상술한 설명에서는, 3층 기반 복사휘도 스펙트럼 모델에 따라 오염운이 있는 경우에 따른 제1 복사휘도 스펙트럼 모델과 오염운이 없는 경우에 따른 제2 복사휘도 스펙트럼 모델로부터, 상기 제1 복사휘도 스펙트럼 모델이 2차 재모델링되는 구성을 상세히 설명하였으나, 상기 제1 복사휘도 스펙트럼 모델이 2차 재모델링(수학식 9)을 수행하는 과정이 매번 수행되지 않을 수도 있음은 물론이다.
즉, 일 예로 상기 2차 재모델링된 결과는 상기 메모리(120)에 이미 저장된 것일 수 있다. 이러한 경우 제어부(110)는 스펙트럼 획득부(150)를 통해 획득된 복사휘도 스펙트럼을, 상기 모델링부(160)를 통해 대기, 오염운, 배경의 복사휘도 스펙트럼으로 각각 모델링한 결과 및, 사용자로부터 선택되는 유독물질 정보와, 입력되는 기후 정보에 대응하는 특정 기후의 대기투과도에 따라 바로 모의 가스 신호를 생성할 수도 있음은 물론이다.
예를 들어 제어부(110)는 사용자로부터 선택된 유독물질 정보로부터 상기 수학식 9의 각 변수, 
, 
에 대한 정보를 획득할 수 있고, 상기 스펙트럼 획득부(150)에서 획득된 복사휘도 스펙트럼으로부터 변수 
를 획득할 수 있다. 또한 독립적인 상수 
는 메모리(120)에 기 저장된 값일 수 있다. 그리고 메모리(120)에 저장된 대기투과도 행렬과 상기 3층 기반 복사휘도 스펙트럼 모델에 따라 모델링한 결과에 따라, 상기 수학식 2로부터 
를 산출할 수 있다. 따라서 제어부(110)는 적어도 하나의 유독물질 정보와 특정 기후의 기후 정보가 입력되는 경우, 상기 특정 기후에서 상기 적어도 하나의 유독물질에 오염된 대기의 모의 가스 신호를 바로 생성할 수도 있다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터는 상기 제어부(110)를 포함할 수도 있다.
한편 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100 : 스펙트럼 모의 장치 110 : 제어부
120 : 메모리 130 : 입력부
150 : 스펙트럼 획득부 160 : 모델링부
170 : 선형결합부 180 : 모의 신호 생성부
190 : 기후 정보 획득부
120 : 메모리 130 : 입력부
150 : 스펙트럼 획득부 160 : 모델링부
170 : 선형결합부 180 : 모의 신호 생성부
190 : 기후 정보 획득부
Claims (10)
- 복수의 유독물질에 대한 정보들 및, 복수의 서로 다른 기후에 대한 대기투과도에 대한 정보들을 포함하는 메모리;
대기의 스펙트럼 정보를 획득하는 스펙트럼 획득부;
대기, 오염운, 배경의 3 단계로 구분하여 분광 신호를 모델링하는 3층 기반 스펙트럼 모델과 상기 획득된 스펙트럼 정보에 근거하여, 오염운이 있는 경우의 제1 스펙트럼 모델과 오염운이 없는 경우의 제2 스펙트럼 모델을 모델링하는 모델링부;
상기 오염운의 대기 투과도를 기 설정된 근사법에 의해 근사화한 오염운 함수와, 상기 오염운의 흑체 복사휘도와 상기 배경의 복사휘도의 차이를 근사화한 결과, 및 상기 제2 스펙트럼 모델이 선형결합된 형태로, 상기 제1 스펙트럼 모델을 재모델링하는 선형결합부; 및,
상기 복수의 유독물질 중 적어도 하나와, 특정 기후 정보에 대응되는 대기 투과도 및 상기 재모델링된 제1 스펙트럼 모델에 근거하여 특정 기후에서 상기 적어도 하나의 유독물질에 오염된 오염운을 포함하는 대기의 모의 분광 신호를 생성하는 제어부를 포함하며,
상기 대기투과도에 대한 정보들은,
기후조건, 측정거리, 계절, 또는 주변 환경에 근거하여 행과 열이 서로 다르게 구분된 복수의 대기투과도로 형성된 대기투과도 행렬임을 특징으로 하는 스펙트럼 모의 장치. - 제1항에 있어서,
상기 메모리는,
복수의 서로 다른 분광 장비들의 응답 특성 및 잡음 특성에 대한 정보를 더 포함하고,
상기 제어부는,
상기 생성된 모의 분광 신호에, 상기 분광 장비들 중 어느 하나에 대한 응답 특성 및 잡음 특성을 더 반영하여, 상기 어느 하나의 분광 장비에서, 상기 특정 기후에서 상기 적어도 하나의 유독물질에 오염된 오염운을 포함하는 대기를 측정한 결과를 모의한 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 모의 장치. - 제1항에 있어서,
상기 스펙트럼 모의 장치 외부의 기후를 센싱하기 위한 적어도 하나의 센서를 더 포함하고,
상기 제어부는,
상기 적어도 하나의 센서에서 센싱된 기후 정보를 상기 특정 기후 정보로 입력받는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 모의 장치. - 삭제
- 복수의 유독물질에 대한 정보들, 복수의 서로 다른 기후에 대한 대기투과도에 대한 정보들과, 모의 분광 신호를 생성하기 위한 스펙트럼 모델을 포함하는 메모리;
대기의 스펙트럼 정보를 획득하는 스펙트럼 획득부;
상기 획득된 스펙트럼에 근거하여, 대기, 오염운, 배경의 3 단계로 구분하여 분광 신호를 모델링하는 3층 기반 스펙트럼 모델에 따라 상기 대기, 오염운, 배경의 분광 신호를 모델링하는 모델링부; 및,
상기 모의 분광 신호를 생성하기 위한 스펙트럼 모델에 근거하여, 상기 복수의 유독물질 중 선택된 적어도 하나와, 입력된 특정 기후 정보에 대응하는 대기투과도 및, 상기 3층 기반 스펙트럼 모델에 따라 모델링된 결과로부터, 특정 기후에서 상기 적어도 하나의 유독물질에 오염된 오염운을 포함하는 대기의 모의 분광 신호를 생성하는 제어부를 포함하며,
상기 모의 분광 신호를 생성하기 위한 스펙트럼 모델은,
상기 오염운의 대기 투과도를 기 설정된 근사법에 의해 근사화한 오염운 함수와, 상기 오염운의 흑체 복사휘도와 상기 배경의 복사휘도의 차이를 근사화한 결과, 및 상기 오염운이 없는 경우에 따른 스펙트럼 모델이 선형결합된 모델이며,
상기 메모리는,
복수의 서로 다른 분광 장비들의 응답 특성 및 잡음 특성에 대한 정보를 더 포함하고,
상기 제어부는,
상기 생성된 모의 분광 신호에, 상기 분광 장비들 중 어느 하나에 대한 응답 특성 및 잡음 특성을 더 반영하여, 상기 어느 하나의 분광 장비에서, 상기 특정 기후에서 상기 적어도 하나의 유독물질에 오염된 오염운을 포함하는 대기를 측정한 결과를 모의한 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 모의 장치. - 삭제
- 대기의 스펙트럼 정보를 획득하는 단계;
상기 획득된 스펙트럼에 근거하여, 대기, 오염운, 배경의 3 단계로 구분하여 분광 신호를 모델링하는 3층 기반 스펙트럼 모델에 따라 상기 대기, 오염운, 배경의 분광 신호를 모델링하는 단계;
상기 모델링 결과에 근거하여, 오염운이 있는 경우의 제1 스펙트럼 모델과 오염운이 없는 경우의 제2 스펙트럼 모델을 모델링하는 단계;
상기 오염운의 대기 투과도를 기 설정된 근사법에 의해 근사화한 오염운 함수와, 상기 오염운의 흑체 복사휘도와 상기 배경의 복사휘도의 차이를 근사화한 결과, 및 상기 제2 스펙트럼 모델이 선형결합된 형태로, 상기 제1 스펙트럼 모델을 재모델링하는 단계;
적어도 하나의 유독물질을 선택받고, 선택된 유독물질에 대한 정보를 검출하는 단계;
적어도 하나의 기후 정보를 입력받고, 입력된 기후 정보에 대응하는 대기투과도를 검출하는 단계; 및,
상기 재모델링된 제1 스펙트럼 모델로부터, 상기 선택된 유독물질 정보 및, 상기 검출된 대기투과도에 따른 모의 분광 신호를 생성하는 단계를 포함하며,
상기 대기투과도는,
기 저장된 대기투과도 분석 프로그램으로부터, 상기 입력된 기후 정보에 따라 분석된 대기투과도임을 특징으로 하는 스펙트럼 모의 방법. - 제7항에 있어서, 상기 모의 분광 신호를 생성하는 단계는,
복수의 서로 다른 분광 장비의 응답 및 잡음 특성 정보들 중, 선택된 어느 하나의 분광 장비에 대한 응답 및 잡음 특성 정보를 로드하는 단계;
상기 생성된 모의 분광 신호에, 상기 로드된 어느 하나의 분광 장비에 대한 응답 및 잡음 특성을 반영하는 단계; 및,
상기 응답 및 잡음 특성이 반영된 모의 분광 신호를 재생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 모의 방법. - 제7항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기후 정보는,
기 설정된 적어도 하나의 기후 센서로부터 획득되는 정보임을 특징으로 하는 스펙트럼 모의 방법. - 삭제
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