얼음 구름과 에어로의 후방산란 특성을 측정할 수 있는 타원 편광라이다를 구성하고 이를 이용하여 에어로졸과 얼음 구름의 특성을 측정하였다. 규격화된 전체 후방산란 뮬러 행렬을 구하기 위하여 3 개의 광학계(${\lambda}/4$ 파장판, ${\lambda}/2$ 파장판, 그리고 빈 공간)로 구성된 조사 광학계와 같은 구조로 된 수신광학계를 통하여 총 9 개의 라이다 시스템을 구축하였다. 구축된 광학계의 체계적 오차를 구하기 위하여 에어로졸의 농도가 낮은 높은 고도의 9 개의 라이다 신호를 이용하였다. 9 개의 라이다 신호를 이용하여 5 개의 광학계 설치 오차(offset angle)와 무질서하게 배열된 에어로졸에 대한 뮬러 메트릭스 요소(2 개)를 찾아내었다. 광학장치를 검정한 후 얼음구름과 에어로졸에서 NBSPM (Normalized Backscattering Phase Matrix)를 구하였으며, 그 결과 에어로졸의 경우 입자의 방향성과 관계되는 NBSPM 의 비대각 행렬이 얼음 구름의 그것보다 작음을 알 수 있었다. 그리고 권운의 경우에도 NBSPM 의 비대각 행렬이 변하는 기상 조건에 따라 달라지는 것을 볼 수 있었다.
얼음 구름과 에어로의 후방산란 특성을 측정할 수 있는 타원 편광라이다를 구성하고 이를 이용하여 에어로졸과 얼음 구름의 특성을 측정하였다. 규격화된 전체 후방산란 뮬러 행렬을 구하기 위하여 3 개의 광학계(${\lambda}/4$ 파장판, ${\lambda}/2$ 파장판, 그리고 빈 공간)로 구성된 조사 광학계와 같은 구조로 된 수신광학계를 통하여 총 9 개의 라이다 시스템을 구축하였다. 구축된 광학계의 체계적 오차를 구하기 위하여 에어로졸의 농도가 낮은 높은 고도의 9 개의 라이다 신호를 이용하였다. 9 개의 라이다 신호를 이용하여 5 개의 광학계 설치 오차(offset angle)와 무질서하게 배열된 에어로졸에 대한 뮬러 메트릭스 요소(2 개)를 찾아내었다. 광학장치를 검정한 후 얼음구름과 에어로졸에서 NBSPM (Normalized Backscattering Phase Matrix)를 구하였으며, 그 결과 에어로졸의 경우 입자의 방향성과 관계되는 NBSPM 의 비대각 행렬이 얼음 구름의 그것보다 작음을 알 수 있었다. 그리고 권운의 경우에도 NBSPM 의 비대각 행렬이 변하는 기상 조건에 따라 달라지는 것을 볼 수 있었다.
We have developed ellipsometry lidar and measured aerosol and ice-cloud characteristics. To measure a full normalized backscattering phase matrix (NBSPM) composed of nine elements, we have designed an optical system with three kinds of transmission and three kinds of reception, composed of ${\l...
We have developed ellipsometry lidar and measured aerosol and ice-cloud characteristics. To measure a full normalized backscattering phase matrix (NBSPM) composed of nine elements, we have designed an optical system with three kinds of transmission and three kinds of reception, composed of ${\lambda}/2$ waveplate, ${\lambda}/4$ waveplate and empty optic. To find systematic optical errors, we used clean day middle-altitude (4-6km) lidar signals for which the aerosol's concentration was small and its orientation chaotic. After calibrating our lidar system, we have calculated NBSPM elements scattered from an aerosol and from an ice cloud. In the case of an aerosol, we found that the off-diagonal values $m_{12},{\ldots},m_{34}$ of the NBSPM are smaller than those for a cirrus cloud. Also, the off-diagonal values of the NBSPM from a cirrus cloud depend on atmospheric conditions.
We have developed ellipsometry lidar and measured aerosol and ice-cloud characteristics. To measure a full normalized backscattering phase matrix (NBSPM) composed of nine elements, we have designed an optical system with three kinds of transmission and three kinds of reception, composed of ${\lambda}/2$ waveplate, ${\lambda}/4$ waveplate and empty optic. To find systematic optical errors, we used clean day middle-altitude (4-6km) lidar signals for which the aerosol's concentration was small and its orientation chaotic. After calibrating our lidar system, we have calculated NBSPM elements scattered from an aerosol and from an ice cloud. In the case of an aerosol, we found that the off-diagonal values $m_{12},{\ldots},m_{34}$ of the NBSPM are smaller than those for a cirrus cloud. Also, the off-diagonal values of the NBSPM from a cirrus cloud depend on atmospheric conditions.
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문제 정의
모든 경우에 있어서 비구형의 입자가 방향성을 지닌 상태로 분포한다고 할 수 없기 때문에 다른 날, 즉 다른 대기환경에서 어떤 방향성을 지니는지 알아보았다. 다른 날 얻은 라이다 신호를 이용하여 비구형 방향성을 결정하는 행렬소인 m12 값을 상호 비교하였다.
본 연구에서는 최저의 광학계의 구성으로 원하는 NBSPM 값을 구하는 방법을 제시하고 실제로 장치를 구축하여 측정한 결과를 보여준다.
송신단과 수신단에 각각 3 개의 다른 편광 상태를 송-수신 할 수 있는 타원편광 라이다 시스템을 구축하여 후방산란을 일으키는 입자의 NBSPM 특성에 대하여 연구하였다. 이를 위하여 먼저 설치된 광학계의 오차를 비선형 회귀분석법으로 보정하고 이로부터 미지의 얼음 구름과 에어로졸에서서 NBSPM 값을 구하였다.
제안 방법
산란 입자의 NBSPM를 구하는 방법은 두 개의 회전하는 파장판을 이용하는 방법[19, 10]이 있으나 소요시간과 복밥한 장치제어 문제로, 본 연구에서는 고정된 3 개의 광학계를 교대로 송수신 장치에 삽입하여 산란된 빛의 편광상태를 측정할 수 있도록 하였다. Figure 1에 그 과정을 상세히 나타내었다.
Figure 1에 그 과정을 상세히 나타내었다. 송신부와 수신부에는 회전하는 원판에 3 가지 종류의 파장판을 설치하여 교대로 레이저 빔의 경로에 스텝모터를 이용하여 위치시킴으로써, 3가지 종류의 다른 편광 빛을 대기 중에 조사하도록 하였고, 마찬가지로 회전하는 원판에 3 개의 다른 파장판을 설치하여 각각의 파장판이 교대로 수신 빛의 경로에 설치되도록 하였다.
여기서 K는 Kik = dyi /dxk를 의미하며, Sε는 측정값 오차의 공 분산 행렬을 의미하며, 본 연구에서는 광자계수기로 얻은 광자수의 포아송(Poission) 분포 특성을 이용하여 그 오차를 얻 었다.
송신단과 수신단에 각각 3 개의 다른 편광 상태를 송-수신 할 수 있는 타원편광 라이다 시스템을 구축하여 후방산란을 일으키는 입자의 NBSPM 특성에 대하여 연구하였다. 이를 위하여 먼저 설치된 광학계의 오차를 비선형 회귀분석법으로 보정하고 이로부터 미지의 얼음 구름과 에어로졸에서서 NBSPM 값을 구하였다. 그 결과 얼음 구름이 없는 일반 에어로졸 상태에서는 얻어진 NBSPM 값의 비 대각선 행렬 값 들은 거의 0 에 가까운 값을 보여주고 있으나, 얼음 구름에서는 비대각행렬 요소들이 경우에 따라 의미 있는 오차 범위 내에서 0과 다른 값을 보여주고 있음을 알 수 있었다.
대상 데이터
Figure 4는 식 (19)를 이용하여 얻은 체계적 설치 오차와 NBSPM 의 두 행렬 요소를 나타낸 것이다. 계산에 사용된 라이다 신호는 2014년 5 월 3일 오후 23시부터 5월4 일 05시까지 받은 것으로 권운 구름이 존재하는 날짜를 택하였다. 그림에서 위쪽 내삽 그래프는 Fig.
y 측은 시간의 흐름을 나타내고 있기 때문에 총 5시간 30분의 정보를 가지고 있다. 고도별 NBSPM를 얻기 위해서 총 9 개의 데이터가 필요하므로 333개의 데이터는 37개의 NBSPM 데이터 프로화일을 얻을 수 있다. 구름은 약 6-9 km 영역에 존재하여, 얼음 구름 상태일 것으로 생각되며, 구름은 시간에 따라 고도를 달리하고 있음을 볼 수 있다.
데이터처리
모든 경우에 있어서 비구형의 입자가 방향성을 지닌 상태로 분포한다고 할 수 없기 때문에 다른 날, 즉 다른 대기환경에서 어떤 방향성을 지니는지 알아보았다. 다른 날 얻은 라이다 신호를 이용하여 비구형 방향성을 결정하는 행렬소인 m12 값을 상호 비교하였다. Figure 6은 서로 다른 날((a) : 2014년 5 월3 일, (b) : 2014년6월2일 ) 얻은 권운에서 산란된 라이다 신호만으로 구한 NBSPM 각 요소들의 통계적 분포를 보여준다.
성능/효과
그림에서 알 수 있듯이 약 6 km부터 권운이 있으며 운정은 9 km 정도에 있다는 것을 알 수 있다. 각각의 파장판 조합에서 얻어지는 신호는 다른 비편광도를 보이고 있음을 알 수 있으며, 충분한 SNR 값을 가지고 있음을 알 수 있고, 구름과 구름이 없는 일반 에어로졸에서는 얻어지는 비편광도가 크게 차이가 난다는 것을 볼 수 있다. 이러한 정보가 식 (17)을 이용하여 NBSPM를 구하는데 사용된다.
이를 위하여 먼저 설치된 광학계의 오차를 비선형 회귀분석법으로 보정하고 이로부터 미지의 얼음 구름과 에어로졸에서서 NBSPM 값을 구하였다. 그 결과 얼음 구름이 없는 일반 에어로졸 상태에서는 얻어진 NBSPM 값의 비 대각선 행렬 값 들은 거의 0 에 가까운 값을 보여주고 있으나, 얼음 구름에서는 비대각행렬 요소들이 경우에 따라 의미 있는 오차 범위 내에서 0과 다른 값을 보여주고 있음을 알 수 있었다. 즉 얼음 구름의 일정 부분은 부분적으로 방향성을 가지고 있음을 알 수 있었으며, 이러한 양을 정량화 할 수 있는 인자를 이용하여 그 값을 정량적으로 구할 수 있었다.
그러나 그림에서 m22가 1에 가까운 값에서는 (구형의 에어로졸) 이론적 계산과 일치하고 있으나, 비구형의 입자에 의하여 산란된 신호(m22가 1 보다 더 크게 작은 영역) 즉 권운과 같이 비구형의 입자로 구성된 입자에 의해서 얻은 m22 값에서는 그렇지 않음을 보여 준다. 그러므로 권운의 경우 선형 편광라이다로 얻을 수 있는 m22 값으로 원형 편광라이다로 얻을 수 있는 m44 값을 유추할 수 없다는 결론에 이른다. 이러한 이유는 비구형의 입자가 특성방향으로 정렬되어 있을 수 있기 때문인 것으로 NBSPM의 행렬 요소 모두를 구하여만 그 비교가 가능하다는 것을 보여 준다.
즉 대각선 방향을 제외한 NBSPM의 각 항들이 라이다 시스템의 방향에 따라 변화할 수 있음을 보여주며, 기존에 구축된 편광 라이다 장비를 활용함에 있어서 편광 현상의 정량적인 분석 및 비교를 위하여 대부분 선형 혹은 원형 편광을 이용하는 기존의 장치들은 한계가 있음을 보여 준다. 즉 각각의 라이다 시스템으로 얻은 비편광도는 시간적, 공간적으로 서로 비교 불가함을 알 수 있으며 앞으로 구축되는 장치들은 본 연구에서 실례로 보여준 예와 같이 최소 9 개 이상의 편광상태를 이용할 수 있는 장치를 구축 하여야 한다는 것을 알 수 있다.
그 결과 얼음 구름이 없는 일반 에어로졸 상태에서는 얻어진 NBSPM 값의 비 대각선 행렬 값 들은 거의 0 에 가까운 값을 보여주고 있으나, 얼음 구름에서는 비대각행렬 요소들이 경우에 따라 의미 있는 오차 범위 내에서 0과 다른 값을 보여주고 있음을 알 수 있었다. 즉 얼음 구름의 일정 부분은 부분적으로 방향성을 가지고 있음을 알 수 있었으며, 이러한 양을 정량화 할 수 있는 인자를 이용하여 그 값을 정량적으로 구할 수 있었다. 특히 NBSPM의 비 대각선 성분 중 m12성분이 0이 아니기 때문에 일반 선형적 편광라이다와 원형 편광라이다의 경우 직접적인 비교가 불가능한 것으로 판단된다.
후속연구
NBSPM는 산란물질의 모양뿐만 아니라 다양한 정보를 가지고 있기 때문에 이러한 정보를 이용하고 활용하여 대기 물질의 상태를 파악하는 것은 에어로졸에 대한 직접적인 정보 뿐만 아니라, 바람장과 같은 기상정보도 동시에 줄 수 있기 때문에 앞으로 이에 대한 다양한 이론 및 실험적 연구가 병행하게 추진할 필요가 있다.
0에서 큰 값일수록 더 큰 방향성을 지닌 것을 의미 하기 때문에 측정된 권운의 경우 약하게 방향성을 지닌 것으로 생각되며, 같은 권운이더라도 다른 날 측정된 권운의 방향성 지수는 이보다 작은 값으로 계산되는 경우도 있었다. 방향성 지수는 대기의 바람장이나 얼음 알갱이의 형상에 따라 변하기 때문에 장기간의 측정으로 통계적 분석이 필요할 것으로 판단된다. 그림에서 사각형 안의 작은 그래프는 NBSPM 값 중에서 방향성 지수를 계산하는데 사용된 m22와 m33 값의 변동성을 나타낸 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
편광라이다 장치 사용의 목적은?
에어로졸의 종류와 모양 그리고 크기를 판별하기 위하여 편광라이다 장치는 오래전부터 사용되어왔고[1], 국내에서 기상청과 환경부에서 도입하여 현재 운영하고 있다[2, 3]. 기존의 편광라이다는 선형 편광된 레이저를 대기 중에 조사하고 후방산란된 신호를 편광빔분할기(PBS)로 송신 빛의 편광방향(Ip)과 직각 방향(Iv)으로 분리하여 측정한다.
전체 NBSPM를 구하기 위해 회전하는 타원편광분석기를 사용할 때의 문제점은?
전체 NBSPM를 구하기 위하여 회전하는 타원편광분석기(ellipsometry)를 이용하는 경우[10] 시간이 너무 많이 소요되어 파장판이 회전하고 있는 동안에 구름의 광학적 특성이 변할 수 있기 때문에 라이다 장치엔 사용이 불가능하다. 그러므로 가능한 적은 수의 광학계로 전체 NBSPM를 구하는 것은 매우 중요하다.
선형 편광된 레이저를 사용하는 기존의 편광라이다의 한계는?
그러나 많은 다른 연구가들이 지적하였듯이[6, 7] 후방산란 세기 및 편광 특성은 입자의 방향성과도 밀접한 관계가 있어서, 단순히 레이저를 대기 중에 조사하고 후방산란된 빛의 선형 혹은 원형 편광의 정도만으로 입자의 비구형성 정도를 예측하는 것은 불가능한 일이다. 선형편광의 경우엔 라이다 장치의 회전에 대하여 뮬러 메트릭스의 M44 성분의 변화가 없다는 것을 이용하여 원형편광을 사용하는 예도[8] 있으나, 역시 뮬러 메트릭스의 특정 요소(element)만 특정하기 때문에 한계를 지니고, 이러한 점을 보완하여 두 개의 편광을 동시에 사용하는 방법도[9] 제시되고 있으나 역시 NBSPM의 일부분 값만 얻을 수 있다.
참고문헌 (21)
N. Sugimoto, I. Matsui, and A. Shimizu, "Measurement of water cloud particle size with a dual-polarization pulsed bistatic lidar," Optical Review 8, 476-479(200l).
H.-J. Lee, J. E. Kim, and Y. Chun, "Aerosol vertical distribution measured by LIDARs in Baengnyeongdo, Munsan, and Gunsan during 10-11 May 2010," Atmosphere. Korean Meteorological Society 23, 519-526 (2013).
Y. M. Noh, K. Lee, D. Mueller, Y. J. Choi, K. R. Kim, H. Lee, and T. J. Choi, "Instantaneous monitoring of pollen distribution in the atmosphere by surface-based lidar," Korean Journal of Remote Sensing 28, 1-9 (2012).
N. Sugimoto, T. Nishizawa, X. Liu, I. Matsui, A. Shimizu, Y. Zhang, Y. J. Kim, R. Li, and J. Liu, "Continuous observations of aerosol profiles with a two-wavelength mie-scattering lidar in Guangzhou in PRD2006," J. Appl. Meteor. Climatol. 48, 1822-1830 (2008).
N. Sugimoto, I. Matsui, A. Shimizu, I. Uno, and T. Endoh, "Observation of dust and anthropogenic aerosol plumes in the Northwest Pacific with a two-wavelength polarization lidar on boardthe research vessel Mirai," Geophys. Res. Lett. 29, 1901-1904 (2002).
M. D. Guasta, E. Vallar, O. Riviere, F. Castagnoli, V. Venturi, and M. Morandi, "Use of polarimetric lidar for the study of oriented ice plates in clouds," Appl. Opt. 45, 4878-4887 (2006).
B. V. Kaul, I. V. Samokhvalov, and S. N. Volkov, "Investigating particle orientation in cirrus clouds by measuring backscattering phase matrices with lidar," Appl. Opt. 43, 6620-6628 (2004).
Y. Balin, B. Kaul, G. Kokhanenko, and D. Winker, "Application of circularly polarized laser radiation for sensing of crystal clouds," Opt. Express 17, 6849-6859 (2009).
G. Roy, X. Cao, and R. Bernier, "On linear and circular depolarization LIDAR signatures in remote sensing of bioaerosols: Experimental validation of the Mueller matrix for randomly oriented particles," Opt. Eng. 50, 126001-10 (2011).
D. Kim, H. D. Cheong, and B. Kim, "Systematic error correction in dual-rotating quarter-wave plate ellipsometry using overestimated optimization method," Korean J. Opt. Photon. 25, 29-37 (2014).
M. I. Mishchenko and J. W. Hovenier, "Depolarization of light backscattered by randomly oriented nonspherical particles," Opt. Lett. 20, 1356-1358 (1995).
C. F. Bohren and D. R. Huffman, Absorption and Scattering of Light by Small Particles (Wiley, New York, 1983), Chapter 2.
Y. S. Balin, B. V. Kaul, G. P. Kokhanenko, and I. E. Penner, "Observations of specular reflective particles and layers in crystal clouds," Opt. Express 19, 6209-6214 (2011).
A. Borovoi, Y. Balin, G. Kokhanenko, I. Penner, A. Konoshonkin, and N. Kustova, "Layers of quasi-horizontally oriented ice crystals in cirrus clouds observed by a twowavelength polarization lidar," Opt. Express 22, 24566-24573 (2014).
D. N. Romashov and R. F. Rakhimov, "Determination of the axially symmetric elongated particles orientation from data of polarization sounding," Atmos. Oceanic Opt. 6, 515-518 (1993).
B. V. Kaul, S. N. Volkov, and I. V. Samokhvalov, "Studies of ice crystal clouds through lidar measureements of backscattering matrics," Atmos. Oceanic Opt. 6, 325-332 (2003).
S. Spuler, B. Morley, and J. VanAndel, "Measuring backscatter phase matrices of oriented scatterers," Opt. Express 20, 29553-29567 (2012).
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