[논문]한반도 성층권 에어로졸 관측을 위한 성층권 라이다 개발

신동호; 노영민; 이권호; 장은숙; 신성균; 김영준

doi:10.7780/kjrs.2013.29.5.13

한반도 성층권 에어로졸 관측을 위한 성층권 라이다 개발
Development of stratospheric Lidar for observation of volcano aerosols in the stratosphere over Korea 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.29 no.5, 2013년, pp.581 - 588

신동호 (광주과학기술원 환경공학부) , 노영민 (광주과학기술원 환경공학부) , 이권호 (경일대학교 공간정보공학과) , 장은숙 (한중대학교 공학부) , 신성균 (광주과학기술원 환경공학부) , 김영준 (광주과학기술원 환경공학부)

초록
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본 연구는 성층권 에어로졸의 분포와 광학적 특성을 분석하기 위하여 새로이 개발된 광주과학기술원의 라이다 시스템에 대하여 설명하고자 한다. 성층권 에어로졸의 후방산란비 산출을 위해 Nd:YAG 레이저를 광원으로 1064 nm와 532 nm 두 파장의 탄성산란 채널을 개발하였고, 편광소멸도 분석을 위해 532 nm 파장에 두 개의 편광 채널을 설치하였다. 광자계수방식과 아날로그 디지털 변환 두가지 방식을 동시에 채택하여 후방산란신호 수신 효율과 최대 관측 고도를 향상시켰다. 개발된 라이다 시스템을 이용하여 2011년 9월 22일에 한반도 상공 성층권 에어로졸관측 분석하여 예시하였다. 라이다 관측 자료 분석을 통해 532 nm 파장에서 성층권 에어로졸의 후방산란비를 산출을 통해 에어로졸의 시공간적 분포를 확인하고, 체적편광소멸도와 입자편광소멸도 산출을 통해 하고 입자의 비구형성을 판단하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

We developed the three channel lidar system to measure stratospheric aerosols at the Gwangju Institute for Science and Technology (GIST), a suburban site in Republic of Korea. The system provides backscatter coefficient (${\beta}$) at 532 and 1064 nm as well as depolarization ratios (${\delta}$) at 532 nm ($2{\beta}+1{\delta}$) using the doubled Nd:YAG laser wavelength at 532 and 1064 nm. The lidar system is optimized to measure stratospheric aerosols such as volcanic ashes. This paper describes the details of the optical setup, data acquisition system, and analysis method. This study shows an example of measuring stratospheric aerosols emitted by the volcanic eruption which occurred in Mt. Nabro ($13.37^{\circ}$ N, $41.70^{\circ}$ E).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 국내 최초로 성층권 에어로졸의 고도별 분포에 따른 후방산란비(Backscatter ratio)와 편광소멸도 (Depolarization ratio)를 측정할 수 있는 라이다 시스템을 개발하고 관측을 수행하였다. 2011년 9월 21일 성층권고도에서 관측된 화산재 에어로졸의 분석을 통하여 개발된 라이다 시스템의 유효성을 확인하였다.
본 연구는 연속적인 성층권 에어로졸 수직 분포 관측을 목적으로 광주과학기술원의 다파장 라만 라이다 시스템에 새로운 검출 시스템을 개발하였다. 기존 라이다 시스템의 경우 대류권 내 존재하는 에어로졸 관측을 위해 질소, 석영, 수증기 라만 채널과 레이저 파장과 같은 탄성산란 채널을 기본으로 장착하여 관측을 실시해 왔다(Muller et al.
본 연구를 통하여 외국의 일부 선진 라이다 기술로만 제한적으로 관측되던 성층권 에어로졸을 실시간 연속적으로 관측할 수 있는 성층권 에어로졸 라이다 시스템을 국내 최초로 개발하였다. 성층권 에어로졸 라이다는 성층권 영역까지의 원거리 관측을 위해 ND: YAG 레이저 파장의 1064 nm 와 532 nm 탄성산란채널을 중심으로 입자의 비구형성 관측을 위해 532 nm에 편광 채널을 확장하였다.
본 연구에서 성층권 에어로졸 라이다 개발과 관측을 통해 한반도 상공의 성층권 에어로졸을 실시간으로 정확한 시공간적 분포뿐 및 광학적 수치를 산출함으로써 라이다 성능검증을 확인 하였다. 앞으로 지속적인 성층권 에어로졸 라이다 관측 모니터링을 통해 한반도 성층권 에어로졸 자료를 지속적이고 안정적으로 제공함으로써, 에어로졸의 복사강제력 산출 및 기후변화 연구에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.

제안 방법

본 연구는 국내 최초로 성층권 에어로졸의 고도별 분포에 따른 후방산란비(Backscatter ratio)와 편광소멸도 (Depolarization ratio)를 측정할 수 있는 라이다 시스템을 개발하고 관측을 수행하였다. 2011년 9월 21일 성층권고도에서 관측된 화산재 에어로졸의 분석을 통하여 개발된 라이다 시스템의 유효성을 확인하였다.
수신단 중심에 14 inch Schmidt Cassegrain 방식의 대형 망원경을 사용함으로써 후방산 신호 포집 면적을 극대화 하였다. 높은 고도까지의 관측을 위해 핀홀(Pinhole)을 사용하여 시야각(Field of view)를 최소한의 범위인 0.4 mrad으로 설정함으로써 주변 산란광들의 수신을 차단하였다. 빔 분리기(Beam Splitter)로 인한 신호 감쇠 효과를 최소화하기 위해 광학 기기 배열에 있어서 장파장을 통과하고 단파장 반사가 용이한 빔 분리기(Beam Splitter)의 특성을 고려하여 1064 nm 채널을 우선 배치하고 이후 532 nm 파장의 채널을 배치하였다.
532 nm 파장에서의 소산계수에 대한 후 방산란 비의 값을 나타내는 라이다 비(Lidar ratio) 가정 값은 Jäger and Deshler(2002, 2003)의 값을 활용하여 50 sr 로 계산 하였다. 대기 분자의 밀도는 본 연구의 관측지역에서 약 10 km 떨어진 광주공항의 라디오존데 값 활용하여 대기 분자의 밀도를 산출하였다. 또한 기준고 도에 있어 에어로졸이 존재 가능성이 매우 희박하고, 관측 신호의 신호 대 잡음비가 높은 성층권 영역을 기준으로 하여 계산하였다.
대기 분자의 밀도는 본 연구의 관측지역에서 약 10 km 떨어진 광주공항의 라디오존데 값 활용하여 대기 분자의 밀도를 산출하였다. 또한 기준고 도에 있어 에어로졸이 존재 가능성이 매우 희박하고, 관측 신호의 신호 대 잡음비가 높은 성층권 영역을 기준으로 하여 계산하였다.
1(b)에서 알 수 있듯이 1064 nm 와 532 nm 광원을 동시에 빔 확대기로 주사하여 빔의 크기를 5배로 확대하여 빔 퍼짐도(Beam divergence)를 최소화 하였다. 망원경과 발진된 광원 수신 효율을 증대시키기 위해 망원경 중앙에 반사경을 설치하는 Co-axial 형태의 발진 구조를 채택 하였다. 수신단 중심에 14 inch Schmidt Cassegrain 방식의 대형 망원경을 사용함으로써 후방산 신호 포집 면적을 극대화 하였다.
4 mrad으로 설정함으로써 주변 산란광들의 수신을 차단하였다. 빔 분리기(Beam Splitter)로 인한 신호 감쇠 효과를 최소화하기 위해 광학 기기 배열에 있어서 장파장을 통과하고 단파장 반사가 용이한 빔 분리기(Beam Splitter)의 특성을 고려하여 1064 nm 채널을 우선 배치하고 이후 532 nm 파장의 채널을 배치하였다. 편광 채널의 경우 편광분리기 (polarizing beam splitter cube) 전단에 간섭필터(Interference filter)를 배치하지만, 본 연구에서는 주변 산란광 차단을 위해 후단에 각각 설치하는 체계를 채택하였다.
본 연구를 통하여 외국의 일부 선진 라이다 기술로만 제한적으로 관측되던 성층권 에어로졸을 실시간 연속적으로 관측할 수 있는 성층권 에어로졸 라이다 시스템을 국내 최초로 개발하였다. 성층권 에어로졸 라이다는 성층권 영역까지의 원거리 관측을 위해 ND: YAG 레이저 파장의 1064 nm 와 532 nm 탄성산란채널을 중심으로 입자의 비구형성 관측을 위해 532 nm에 편광 채널을 확장하였다. 또한 효율적인 원거리 신호 처리를 위해 아날로그 디지털 변환(analog-to-digital)과 광자계수방식 (Photon counting)의 검출기를 동시 적용하여 관측의 정확성을 높였다.
망원경과 발진된 광원 수신 효율을 증대시키기 위해 망원경 중앙에 반사경을 설치하는 Co-axial 형태의 발진 구조를 채택 하였다. 수신단 중심에 14 inch Schmidt Cassegrain 방식의 대형 망원경을 사용함으로써 후방산 신호 포집 면적을 극대화 하였다. 높은 고도까지의 관측을 위해 핀홀(Pinhole)을 사용하여 시야각(Field of view)를 최소한의 범위인 0.
이를 통해 PMT에서 생산되는 신호의 수신에서 아날로그 디지털 변환 방식으로 인해 발생되는 높은 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise raito) 영역을 광자계수방식으로 대체함으로써 신호의 왜곡 없이 먼 거리의 신호를 보다 효과적으로 처리할 수있도록 하였다(Schätzel, 1986; Sharma and Walker, 1992). 신호 분석을 위해 최대 분해능은 7.5 m, 자료 생산 주기는 1200 laser shot(2분주기)로 설정하여 관측하였다.
이를 통해 PMT에서 생산되는 신호의 수신에서 아날로그 디지털 변환 방식으로 인해 발생되는 높은 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise raito) 영역을 광자계수방식으로 대체함으로써 신호의 왜곡 없이 먼 거리의 신호를 보다 효과적으로 처리할 수있도록 하였다(Schätzel, 1986; Sharma and Walker, 1992).
(2009)의 MULIS의 방법을 사용하여 분석에 사용하였다. 탄성 산란의 경우 에어로졸과 공기 분자의 농도가 높은 대류권에서의 후방산란 신호가 매우 강하여 Photomultiplier(PMT)가 포화 현상이 일어날 수 있기 때문에 각각의 채널 전단에 감쇠 필터(Neutral density Filter)를 사용하여 각 채널의 PMT 수신 효율에 최적화 하였다. 이후 신호 처리에 있어서 아날로그 디지털 변환 (analog-to-digital)과 광자계수방식(Photon counting)을 동시에 적용하였다(Whiteman, 2003).
빔 분리기(Beam Splitter)로 인한 신호 감쇠 효과를 최소화하기 위해 광학 기기 배열에 있어서 장파장을 통과하고 단파장 반사가 용이한 빔 분리기(Beam Splitter)의 특성을 고려하여 1064 nm 채널을 우선 배치하고 이후 532 nm 파장의 채널을 배치하였다. 편광 채널의 경우 편광분리기 (polarizing beam splitter cube) 전단에 간섭필터(Interference filter)를 배치하지만, 본 연구에서는 주변 산란광 차단을 위해 후단에 각각 설치하는 체계를 채택하였다. 532 nm 파장에서의 편광채널의 정확도를 위해 독일의 Mattis et al.
, 2011). 하지만 본 연구는 20 km 이상의 상층 대기를 관측해야 하는 매우 제한적인 관측 조건으로 인해 기존 라이다 시스템의 기본 원리만을 이용하고 광학설계 프로그램인 Zemax를 통해 기계적 광학적 공차를 계산하여 효율적이고 안정적인 라이다 시스템을 설계 구성하였다(Fig. 1(a)).

대상 데이터

1(a)). 송신단의 광원으로 쓰는 Nd: YAG레이저를 기반으로 생성된 광원은 1064 nm 에서 640 mJ 그리고 532 nm에서 154 mJ로 최대 에너지를 사용하였다(Table 1). 본래의 라이다 시스템에서 355 nm 파장에서의 탄성산란을 관측 하였으나 레이저 출력과 레일리 산란(Rayleigh scattering)으로 인한 신호 감쇠효과가 많아 본 연구에서는 사용하지 않았다.

이론/모형

그리고 편광성분의 에러 분석은 Freudenthaler et al.(2009)의 MULIS의 방법을 사용하여 분석에 사용하였다. 탄성 산란의 경우 에어로졸과 공기 분자의 농도가 높은 대류권에서의 후방산란 신호가 매우 강하여 Photomultiplier(PMT)가 포화 현상이 일어날 수 있기 때문에 각각의 채널 전단에 감쇠 필터(Neutral density Filter)를 사용하여 각 채널의 PMT 수신 효율에 최적화 하였다.
여기서, 대기 분자에 의한 편광소멸도 값으로 본 연구에서는 Behrendt and Nakamura(2002)의 값을 근거로 산출하였다.
탄성 산란의 경우 에어로졸과 공기 분자의 농도가 높은 대류권에서의 후방산란 신호가 매우 강하여 Photomultiplier(PMT)가 포화 현상이 일어날 수 있기 때문에 각각의 채널 전단에 감쇠 필터(Neutral density Filter)를 사용하여 각 채널의 PMT 수신 효율에 최적화 하였다. 이후 신호 처리에 있어서 아날로그 디지털 변환 (analog-to-digital)과 광자계수방식(Photon counting)을 동시에 적용하였다(Whiteman, 2003). 이를 통해 PMT에서 생산되는 신호의 수신에서 아날로그 디지털 변환 방식으로 인해 발생되는 높은 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise raito) 영역을 광자계수방식으로 대체함으로써 신호의 왜곡 없이 먼 거리의 신호를 보다 효과적으로 처리할 수있도록 하였다(Schätzel, 1986; Sharma and Walker, 1992).

성능/효과

개발된 라이다 시스템을 이용하여 2011년 9월 21일 고도 12 - 20 km 사이에 존재하는 성층권 에어로졸의 고도 및 두께 그리고 후방산란비와 편광소멸도 등의 광학적 수치를 산출 하였으며, 관측된 성층권 에어로졸 층은 대류권내에 존재하는 에어로졸과 달리 매우 안정적인 이동현상을 보임을 확인할 수 있었다.
성층권 에어로졸 라이다는 성층권 영역까지의 원거리 관측을 위해 ND: YAG 레이저 파장의 1064 nm 와 532 nm 탄성산란채널을 중심으로 입자의 비구형성 관측을 위해 532 nm에 편광 채널을 확장하였다. 또한 효율적인 원거리 신호 처리를 위해 아날로그 디지털 변환(analog-to-digital)과 광자계수방식 (Photon counting)의 검출기를 동시 적용하여 관측의 정확성을 높였다.
015의 값을 보였다. 입자편광소멸도 경우 17 km 이상의 고도에서는 체적편광소멸도와 같은 0.015의 값이 관측되었고 17 km부터 14 km 고도 구간에서는 0.02에서 0.038로 체적편광소멸도보다 상대적으로 높은 값을 보였으나 이는 일반적인 구형 대기 에어로졸 관측시 확인되는 값으로 본 연구에서 관측된 성층권 에어로졸이 비구형의 화산재나 광학적 두께가 매우 작은 빙정운이 아님을 확인하여 준다. (Chen et al.

후속연구

본 연구에서 성층권 에어로졸 라이다 개발과 관측을 통해 한반도 상공의 성층권 에어로졸을 실시간으로 정확한 시공간적 분포뿐 및 광학적 수치를 산출함으로써 라이다 성능검증을 확인 하였다. 앞으로 지속적인 성층권 에어로졸 라이다 관측 모니터링을 통해 한반도 성층권 에어로졸 자료를 지속적이고 안정적으로 제공함으로써, 에어로졸의 복사강제력 산출 및 기후변화 연구에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	성층권 내에 존재하는 에어로졸의 생성 원인은 무엇인가?	성층권 내에 존재하는 에어로졸은 화산 폭발로 인해 생성된 많은 양의 에어로졸과 이산화황(SO2)와 같은 가스상 물질들이 성층권으로 한꺼번에 유입됨으로 인해 생성된다. 지난 1991년 6월 15일에 분화한 필리핀의 피나튜보 화산(Mt.
	성층권 에어로졸은 어떤 영향을 미치는가?	, 2002). 성층권 에어로졸은 10 km 이상의 고도에 비균질적으로 분포하여 대륙범위 또는 그이상의 전 지구적 범위의 대기질과 지구 복사강제력에 영향을 미쳐 기후변화에 높은 영향을 미친다(Chin and Jacob, 1996; Grafet al., 1997; Haywood and Boucher, 2000; Longhurst et al.
	본 연구에서 개발한 성층권 에어로졸 라이다의 경우, 관측의 정확성을 어떻게 높였는가?	성층권 에어로졸 라이다는 성층권 영역까지의 원거리 관측을 위해 ND: YAG 레이저 파장의 1064 nm 와 532 nm 탄성산란채널을 중심으로 입자의 비구형성 관측을 위해 532 nm에 편광 채널을 확장하였다. 또한 효율적인 원거리 신호 처리를 위해 아날로그 디지털 변환(analog-to-digital)과 광자계수방식 (Photon counting)의 검출기를 동시 적용하여 관측의 정확성을 높였다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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