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문제 정의
- 본 연구에서는 아날로그 방식과 광자계수 방식 각각의 검출 시스템의 한계를 극복하기 위해 광주과학기술원 라이다 시스템(Noh et al., 2009; Shin et al., 2013)에 두 검출 시스템을 동시에 적용하는 시스템을 개발하고, 검출된 각각의 신호를 접합하는 알고리즘을 고안하여 개발된 시스템의 유효성을 확인 하였다.
제안 방법
- Fig. 1에서 알 수 있듯이 PMT 후단에 아날로그 변환기 와 광자계수기 모듈을 설치하고, 대기 에어로졸 관측을 통해 두 신호 접합 알고리즘을 고안해 (Fig. 2) 적용한 후 신호를 분석하였다. 본 연구에서 사용된 아날로그 수신기는 20 MH, 12 bit이고, 광자 계수기는 250 MHz시스템을 사용하였다.
- , 1990)을 이용하여 라이다비(lidar ratio: extinction to backscatter ratio) 가정 없이 에어로졸의 소산계수(extinction coefficient) 산출 후 후방산란 계수(backscattering coefficient)를 직접 산출하였다. 또한 관측 지점으로부터 약 10 km 떨어진 광주공항에서 하루 4차례 03:00, 09:00, 15:00, 21:00 관측중인 라디오존데 자료를 활용하여 분자 산란을 고려 하였다.
- 84°E) 캠퍼스에 설치된 다파장 라만 라이다 시스템을 이용하였다. 라이다의 광원으로 1064 nm 파장의 Nd:YAG레이저를 사용하여 2차 조화파인 532 nm 와 3차 조화파인 355 nm 파장의 빔을 생성하고, 하나의 광경로에 3 파장의 빔이 동시에 진행 되도록 하였다. 송신부는 빔 분리기(beam splitter)와 거울(mirror)를 통해 하나의 경로로 조사된 레이저 빔을 파장에 따라 구분하였다.
- 본 연구에 사용된 532 nm 채널 신호를 분석하기 위해 라만 방법(Ansmann et al., 1990)을 이용하여 라이다비(lidar ratio: extinction to backscatter ratio) 가정 없이 에어로졸의 소산계수(extinction coefficient) 산출 후 후방산란 계수(backscattering coefficient)를 직접 산출하였다. 또한 관측 지점으로부터 약 10 km 떨어진 광주공항에서 하루 4차례 03:00, 09:00, 15:00, 21:00 관측중인 라디오존데 자료를 활용하여 분자 산란을 고려 하였다.
- 본 연구에서는 라이다 시스템에서 후방산란 신호 검출계에 아날로그 방식과 광자계수 방식을 동시 적용하였다. 광자계수 방식 신호의 경우 부동시간 보정을 실시한 후 신호간 접합을 실시 하였다.
- 송신부는 빔 분리기(beam splitter)와 거울(mirror)를 통해 하나의 경로로 조사된 레이저 빔을 파장에 따라 구분하였다. 빔확대기(beam expender)를 이용하여 빔의 직경을 9 mm에서 45 mm로 확대하고 빔의 퍼짐도(beam divergence)를 조절하였다. 확대된 레이저 빔은 빔 분리기를 통해 다시 하나의 광경로로 결합하여 대기중으로 조사 시킨다.
- 라이다의 광원으로 1064 nm 파장의 Nd:YAG레이저를 사용하여 2차 조화파인 532 nm 와 3차 조화파인 355 nm 파장의 빔을 생성하고, 하나의 광경로에 3 파장의 빔이 동시에 진행 되도록 하였다. 송신부는 빔 분리기(beam splitter)와 거울(mirror)를 통해 하나의 경로로 조사된 레이저 빔을 파장에 따라 구분하였다. 빔확대기(beam expender)를 이용하여 빔의 직경을 9 mm에서 45 mm로 확대하고 빔의 퍼짐도(beam divergence)를 조절하였다.
- 2 m로써 이러한 시간 차이는 에어로졸 고도 분포 파악에 오차를 유발하고 두 신호 접합시 접합고도 선정에 오차를 발생시켜 에어로졸의 광학적 특성 분석의 정확성을 떨어뜨리기 때문에 Bin shift 보정과정이 필요하다. 이를 위해 트리거(Trigger) 신호와 비교해 초기 신호의 기준을 정한 후, 보정과정을 수행하여 아날로그 신호와 광자계수 신호의 기울기를 일치시켰다.
- 본 연구에서 사용된 아날로그 수신기는 20 MH, 12 bit이고, 광자 계수기는 250 MHz시스템을 사용하였다. 증폭기(amplifier)는 각각의 검출기 전단에 독립적으로 설치되고, PMT에서 생산된 전기적 신호를 검출 범위에 적합한 형태로 증폭하도록 하였다. 아날로그 방식은 신호 세기에 따라 연속적인 전기 신호 값을 출력하는 반면, 광자계수 방식은 판별기(Discriminator)를 통하여 배경 잡음을 제거한 후 일정 범위의 신호만을 검출하여 신호의 빈도수만을 기록하게 된다.
- )에 의해 라만 산란(Raman scattering)된 387, 607 nm 파장으로 구성 되어 있다. 하지만 본 연구를 위해 532 nm 채널에 아날로그 수신기(analog to digital converter)와 광자 계수기 모듈(Photon-counting module)을 동시에 설치하여 관측을 실시 하였다.
대상 데이터
- 본 연구를 위해 광주과학기술원(35.22°N, 126.84°E) 캠퍼스에 설치된 다파장 라만 라이다 시스템을 이용하였다.
- 2) 적용한 후 신호를 분석하였다. 본 연구에서 사용된 아날로그 수신기는 20 MH, 12 bit이고, 광자 계수기는 250 MHz시스템을 사용하였다. 증폭기(amplifier)는 각각의 검출기 전단에 독립적으로 설치되고, PMT에서 생산된 전기적 신호를 검출 범위에 적합한 형태로 증폭하도록 하였다.
이론/모형
- 3 ns부동시간을 확인하였다. 부동시간 보정을 위해 본 연구의 광자 계수기에 Nonparalyzable dead time system(Sharma and Walker, 1992) 방법을 적용한 후 다음과 같은 보정 방정식을 이용하였다.
- 조사된 레이저 빔은 대기를 구성하는 분자들과 에어로졸에 의해 후방산란되어 다시 관측자 위치로 되돌아오게 된다. 후방산란 신호 수신을 위해 Schmidt Cassegrain 방식의 14인치 망원경을 사용하였다. 망원경을 통해 수신된 후방산란 신호는 핀홀을 통과한 후 시준기(collimator)를 거쳐 광학계 크기에 적합한 직경 20 mm의 평행광 성분으로 만들어 진다.
성능/효과
- 6 km 구간) 이상 구간에서 왜곡현상이 더 크게 발생하고 있음을 확인 할 수 있다. 광자계수 방식과 부동시간 보정 광자계수 방식간의 신호를 살펴보면, 2 MHz 이하의 영역에서(고도 2.0 km 이상) 두 신호가 별다른 차이를 보이지 않은 반면, 2 MHz 이상(고도 0.2 ~ 2.0 km)에서 큰 차이를 보여 0.4 km 고도에서 최대 27 % 차이를 보였다.
- 또한 참조고도 설정에 오차가 발생 할 수 있음을 보였다. 광자계수 방식은 대기경계층 이상의 상층대기 분석에 적합하지만, 에어로졸에 후방산란 신호가 강해지는 1.2 km 고도 이하에서 고도가 낮아짐에 따라 오차는 커지는 경향을 보였다. 접합신호는 아날로그 방식과 광자계수 방식 각각의 단일 신호 만으로 산출된 값에 비해 정확한 관측 값을 보였으며, 광자계수 방식에 부동시간 보정하여 접합한 경우에 더욱 정확도를 향상 시킬 수 있었다.
- 광자계수 방식 신호의 경우 부동시간 보정을 실시한 후 신호간 접합을 실시 하였다. 또한 각각의 신호로부터 후방산란계수를 산출하여 각 신호의 특징을 살피고 접합신호의 정확도 향상 정도를 확인 하였다.
- 본 연구를 통해 대기 경계층 이내에서의 낮은 고도뿐만이 아닌 상층대기에 존재하는 대기 에어로졸이 관측시 더욱 정확한 에어로졸 분포 및 광학적 특성 값 산출을 위해서는 아날로그 방식과 광자계수 방식을 동시에 적용하는 방식이 요구되며, 부동시간 보정 접합신호 분석이 필수적임을 확인 하였다.
- 2 km 고도 이하에서 고도가 낮아짐에 따라 오차는 커지는 경향을 보였다. 접합신호는 아날로그 방식과 광자계수 방식 각각의 단일 신호 만으로 산출된 값에 비해 정확한 관측 값을 보였으며, 광자계수 방식에 부동시간 보정하여 접합한 경우에 더욱 정확도를 향상 시킬 수 있었다.
- 2 km 고도 이하 영역부터 부동시간 보정 접합신호가 높은 값을 나타내며 두 신호간 차이를 보여주고 있다. 접합신호에서 광자계수 방식에 부동시간 보정 여부에 따라 에어로졸 층의 후방산란계수가 약 5 % 오차가 발생하였고, 후방산란 신호가 강한 1.2 km 고도 이하에서 최대 8 % 오차가 발생하였다. 이러한 결과는 부동시간 보정 접합 신호가
- 이다. 회색으로 표현된 아날로그 방식의 신호는 앞서 언급한 Bin shift 현상이 발생하여 파란색으로 나타낸 광자계수 방식 신호와 448 ns 시간 간격이 발생 하는 것을 확인 할 수 있다. 거리로는 약 67.
- 후방산란 신호가 약한 상층 고도에서 광자계수 방식 관측 값을 취하고, 신호가 강한 저고도에서 아날로그 방식의 관측 값과 부동시간 보정 광자계수 방식 관측 값을 동시 구현함으로써 더욱 정확한 후방산란계수를 산출 할 수 있음을 알 수 있다.
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