[논문]라만 라이다를 이용한 대기 중 이산화탄소 혼합비 측정

김대원; 이한림; 박준성; 최원이; 양지원; 강형우

doi:10.7780/kjrs.2019.35.6.3.3

라만 라이다를 이용한 대기 중 이산화탄소 혼합비 측정
Ambient CO2 Measurement Using Raman Lidar 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.35 no.6 pt.3, 2019년, pp.1187 - 1195

김대원 (부경대학교 지구환경시스템과학부 공간정보시스템공학전공) , 이한림 (부경대학교 지구환경시스템과학부 공간정보시스템공학전공) , 박준성 (부경대학교 지구환경시스템과학부 공간정보시스템공학전공) , 최원이 (부경대학교 지구환경시스템과학부 공간정보시스템공학전공) , 양지원 (부경대학교 지구환경시스템과학부 공간정보시스템공학전공) , 강형우 (부경대학교 지오메틱연구소)

초록
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우리는 처음으로 이산화탄소 지중 저장소에서 지표로 누출되는 이산화탄소를 원격으로 탐지 및 농도를 측정하는 라만 라이다 시스템을 개발하였다. 본 연구에서 개발한 라만 라이다의 송신단은 355 nm 파장에서 80 mJ의 에너지를 가진 레이저, 빔 익스펜더(Beam expender)로 구성되어 있으며 수신단은 망원경, 광학 수신기 및 검출기 등으로 구성된다. 실내 이산화탄소 셀 측정에서 라만 라이다의 이산화탄소 농도 측정 정확도는 99.89%였다. 또한, 우리는 라만 라이다의 이산화탄소 원거리 측정 능력을 평가하기 위해서 부경대학교에서 2019년 10월에 일주일간 야외 측정을 수행하였다. 이산화탄소 지점 측정 장비는 라만 라이다로 부터 300 m, 350 m 떨어진 곳에 위치하였다. 야외 측정 결과에서 라만 라이다로 측정된 이산화탄소 농도와 지점 측정 장비로 측정된 이산화탄소 농도와 좋은 상관관계를 보여준다. 라만 라이다와 지점 측정 장비로 측정된 이산화탄소 농도도 사이의 상관 계수(R), 평균 절대 오차(Mean Absolute Error; MAE), 평균 제곱근 오차(Root Mean Square Error; RMSE), 는 각각 0.67, 2.78 ppm, 3.26 ppm 이다.

Abstract ▼ AI-Helper

We, for the first time, developed a Raman lidar system which can remotely detect surface CO2 volume mixing ratio (VMR). The Raman lidar system consists of the Nd: YAG laser of wavelength 355 nm with 80 mJ, an optical receiver, and detectors. Indoor CO2 cell measurements show that the accuracy of the Raman lidar system is calculated to be 99.89%. We carried out the field measurement using our Raman lidar at Pukyong National University over a seven-day period in October 2019. The results show good agreement between CO2 VMRs measured by the Raman lidar (CO2 Raman Lidar) and those measured by in situ instruments (CO2 In situ) which located 300 m and 350 m away from the Raman lidar system. The correlation coefficient (R), mean absolute error (MAE), and root mean square error (RMSE) between CO2 In situ and CO2 Raman Lidar are 0.67, 2.78 ppm, and 3.26 ppm, respectively.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Flow chart for calculating the CO₂ volume mixing ratio using the Raman lidar.
그림 Fig. 2. Schematic of the Raman lidar.
표 Table 1. Components of the Raman lidar system
그림 Fig. 3. Schematic diagram of the indoor CO₂ cell test.
그림 Fig. 4. CO₂ VMR_CELL versus normalized ratio diagram.
그림 Fig. 5. CO₂ VMR_CELL versus CO₂ VMR_{Raman LIDAR} diagram.
그림 Fig. 6. Study area in Pukyong National University, Busan, Korea.
표 Table 2. Datasheet of GMP343
그림 Fig. 7. Time series of CO₂ In situ and CO₂ Raman Lidar.
그림 Fig. 8. CO₂ In situ versus CO₂ Raman Lidar diagram.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 지표면으로 누출되는 이산화탄소을 원격으로 감지하고 혼합비를 측정할 수 있는 라만 라이다 시스템을 개발하였다. 또한 개발한 라만 라이다 시스템의 이산화탄소 측정 능력 및 성능 평가를 실시하였다.
본 연구에서는 지표면 이산화탄소를 원격으로 감지하는 라만 라이다를 개발하였다. 라만 라이다 시스템은 레이저, 망원경, 광학 수신기 및 탐지기로 구성되어있다.

제안 방법

7 nm 파장의 빛을 투과 시키고 다른 모든 파장의 빛을 반사시켜 이산화탄소 혼합비를 산출하는데 필요한 질소의 라만 산란 신호를 검출하게 한다. 355 nm의 밴드 패스 필터(F4)는 355 nm 파장의 빛을 투과 시켜 라이다 신호 정렬에 사용되는 탄성 산란 신호를 검출하게 한다. L2, L3, L4렌즈는 각 밴드 패스 필터를 통과한 빛을 PMT에서 검출 할 수 있도록 초점을 맞추는데 사용된다.
이산화탄소 가스 셀 측정은 동일한 조건에서 20회 반복 측정 하였다. 가스 셀의 이산화탄소 혼합비가 동일할 때 라만 라이다로 측정된 이산화탄소 혼합비의 오차를 계산하였다. 라만 라이다 시스템의 이산화탄소 가스 셀 측정 정확도는 99.
본 연구에서 지표면으로 누출되는 이산화탄소을 원격으로 감지하고 혼합비를 측정할 수 있는 라만 라이다 시스템을 개발하였다. 또한 개발한 라만 라이다 시스템의 이산화탄소 측정 능력 및 성능 평가를 실시하였다.
라만 라이다 시스템으로 이산화탄소의 혼합비를 측정하기 위해서 먼저 가스셀 내부를 진공상태로 만든 후에 이산화탄소를 주입하였다. 본 연구에서 사용한 가스셀에 주입할 수 있는 이산화탄소 혼합비의 최소 단위는 1%이므로 가스셀 내의 이산화탄소 혼합비는 10%에서 100%까지 변화시켰다.
본 연구에서 사용한 가스셀에 주입할 수 있는 이산화탄소 혼합비의 최소 단위는 1%이므로 가스셀 내의 이산화탄소 혼합비는 10%에서 100%까지 변화시켰다. 라만 라이다로 가스셀의 이산화탄소와 질소의 라만 산란 신호를 측정하고 정규화 신호를 계산하였다.
라만 라이다의 이산화탄소 측정 공간 해상도는 7.5 m 이며 30분씩 이산화탄소와 질소의 라만 신호를 누적하여 정규화 비율을 계산하였다. 이산화탄소 지점 측정 장비는 라만 라이다 광경로 상에서 약 5 m 정도 떨어진 곳에 위치하였다.
라만 라이다에서 방출된 레이저는 지면과 수평으로 방출된다. 레이저가 지면과 수평으로 방출되므로, 빔 익스팬더를 사용하여 레이저 빔의 직경을 5배 확대 하여 눈에 대한 보안을 확보하였다. 본 연구에서 개발한 라만 라이다 시스템의 눈에 대한 안전거리는 208 m 이다.
1은 라만 라이다 시스템을 이용하여 이산화탄소의 혼합비를 산출하는 흐름도이다. 먼저, 라만 라이다 시스템으로 측정된 이산화탄소와 질소의 라만 산란 신호를 사용하여 정규화 신호를 계산한다. Fig.
본 연구에서 개발한 라만 라이다 시스템의 최소 검출 한계의 정량화하기 위해서 실내 셀 측정을 수행하였다. Fig.
본 연구에서 개발한 라만 라이다의 지표 이산화탄소 혼합비 측정 성능을 평가하기 위해서 이산화탄소 지점 측정 기기(VAISALA, GMP343)과 함께 야외 측정을 실시하였다. 이산화탄소 지점 측정 장비는 대기 중 이산화탄소가 장비의 내부의 적외선 센서(silicon-based nondispersive infrared (NDIR) sensor)를 통과하게 되면서 이산화탄소 농도를 측정하게 된다.
실내 이산화탄소 셀 측정에서 라만 라이다는 매우 높은 정확도를 보인다. 부경대학교에서 수행한 지표면 대기 이산화탄소 혼합비 측정을 수행하였다. 야외 측정에서 라만 라이다 광경로 상에서 라만 라이다로 부터 300 m, 350 m 떨어진 곳에 위치한 곳에서 지점 측정 기기로 이산화탄소를 측정하여 비교하였다.
부경대학교에서 수행한 지표면 대기 이산화탄소 혼합비 측정을 수행하였다. 야외 측정에서 라만 라이다 광경로 상에서 라만 라이다로 부터 300 m, 350 m 떨어진 곳에 위치한 곳에서 지점 측정 기기로 이산화탄소를 측정하여 비교하였다. 지점 측정 기기로 측정된 이산화탄소와 라만 라이다로 측정된 이산화탄소 혼합비 사이의 시계열 변화 경향은 좋은 일치를 보인다.
만약 회귀 계수가 1보다 낮게 나온다면 레이저의 출력이 일정하지 않거나 검출기의 반복성이 이산화탄소를 측정하기에 충분하지 않다는 것을 의미한다. 이산화탄소 가스 셀 측정은 동일한 조건에서 20회 반복 측정 하였다. 가스 셀의 이산화탄소 혼합비가 동일할 때 라만 라이다로 측정된 이산화탄소 혼합비의 오차를 계산하였다.
이산화탄소 지점 측정 장비는 라만 라이다 광경로 상에서 약 5 m 정도 떨어진 곳에 위치하였다. 이산화탄소 지점 측정 기기는 1분에 한번씩 이산화탄소를 측정하며 30분간 측정된 자료를 평균하여 라만 라이다로 산출한 이산화탄소 혼합비와 비교하였다.
라만 라이다의 레이저와 망원경은 동축방식이 적용되어 있다. 이산화탄소의 혼합비를 측정하기 위해 라만 라이다 시스템의 이산화탄소의 라만 산란 신호, 질소의 라만 산란 신호, 레일레이-미 산란을 측정한다. 이 신호들은 거리에 대한 파장의 함수로 검출기에서 검출되며 기록된다.
7 nm 파장의 빛을 투과 시키고 다른 모든 파장의 빛을 반사한다. 질소 밴드 패스 필터(F3)는 386.7 nm 파장의 빛을 투과 시키고 다른 모든 파장의 빛을 반사시켜 이산화탄소 혼합비를 산출하는데 필요한 질소의 라만 산란 신호를 검출하게 한다. 355 nm의 밴드 패스 필터(F4)는 355 nm 파장의 빛을 투과 시켜 라이다 신호 정렬에 사용되는 탄성 산란 신호를 검출하게 한다.
후방 산란된 이산화탄소와 질소의 라만 신호를 사용하여 정규화 신호를 계산한다.

대상 데이터

6. Study area in Pukyong National University, Busan, Korea.
먼저 레이저에 의해 산란된 빛은 망원경으로 수집된다. 망원경은 15.24 cm 직경의 슈미트-카세그레인 망원경을 사용하였다. 망원경에서 수집된 빛은 핀홀을 통과 하여 콜리메이팅 렌즈(L1)를 지난다.
본 연구에서 개발한 라만 라이다 시스템은 355 nm 파장 영역에서 80 mJ의 에너지 및 30Hz의 반복 주기를 가진 레이저와 망원경, 광학 수신기 및 검출기로 구성되어있다. 라만 라이다에서 방출된 레이저는 지면과 수평으로 방출된다.
레이저가 지면과 수평으로 방출되므로, 빔 익스팬더를 사용하여 레이저 빔의 직경을 5배 확대 하여 눈에 대한 보안을 확보하였다. 본 연구에서 개발한 라만 라이다 시스템의 눈에 대한 안전거리는 208 m 이다. 라만 라이다의 레이저와 망원경은 동축방식이 적용되어 있다.
, 1992). 본 연구에서 사용된 355 nm 파장의 레이저는 이산화탄소 분자의 진동 라만 산란에 의해 371.6 nm 파장으로 변화한다. 또한 이산화탄소 혼합비를 산출하는데 사용되는 질소의 라만 산란 파장은 386.
에서부터 거리 z까지 대기 투과율이다. 본 연구에서 이산화탄소 혼합비를 산출하기 위해서 질소의 라만 산란 신호를 참조 신호로 사용하였다. 이산화탄소의 혼합비는 주어진 부피에서 이산화탄소의 질량을 건조 공기 질량으로 나눈 값이다(Zhao et al.
또한 본 연구에서 사용한 이산화탄소 측정 장비의 성능은 Table 2에 있다. 여야 외 측정은 2019년 10월 16일에서 23일까지 일주일간 진행하였다. 측정 장소는 Fig.
6에서와 같이 부경대학교 해양 공동 연구관 옥상에 라만 라이다를 설치하였다. 이산화탄소 지점 측정 기기는 라이다로 부터 A 350 m, B 300 m 떨어진 광경로 상에 위치하여 라만 라이다와 동시에 이산화탄소를 측정하였다.
여야 외 측정은 2019년 10월 16일에서 23일까지 일주일간 진행하였다. 측정 장소는 Fig. 6에서와 같이 부경대학교 해양 공동 연구관 옥상에 라만 라이다를 설치하였다. 이산화탄소 지점 측정 기기는 라이다로 부터 A 350 m, B 300 m 떨어진 광경로 상에 위치하여 라만 라이다와 동시에 이산화탄소를 측정하였다.

이론/모형

본 연구에서 이산화탄소의 혼합비를 산출하기 위해서 라이다 방정식을 사용하였다. 이산화탄소 라만 라이다에 적용된 라이다 방정식은 다음과 같다(Stoyanov et al.

성능/효과

7에서 빨간색 선은 지점 측정 기기로 측정한 이산화탄소이고 파란색은 라만 라이다로 측정한 이산화탄소이다. 라만 라이다로 측정한 값과 지점 측정한 값 모두 시간이 지남에 따라 이산화탄소의 혼합비가 감소하는 추세를 잘 측정한 것을 확인할 수 있다. 또한 지점 측정 장비로 측정한 값과 라만 라이다로 측정한 값의 차이가 있다.
라만 라이다 시스템으로 이산화탄소의 혼합비를 측정하기 위해서 먼저 가스셀 내부를 진공상태로 만든 후에 이산화탄소를 주입하였다. 본 연구에서 사용한 가스셀에 주입할 수 있는 이산화탄소 혼합비의 최소 단위는 1%이므로 가스셀 내의 이산화탄소 혼합비는 10%에서 100%까지 변화시켰다. 라만 라이다로 가스셀의 이산화탄소와 질소의 라만 산란 신호를 측정하고 정규화 신호를 계산하였다.

후속연구

두 값 사이의 차이는 라만 라이다로 이산화탄소 농도가 측정된 지점과 지점 측정 장비가 위치한 곳이 정확하게 일치하지 않는 것에서 오는 차이일 수 있다. 따라서 향후 연구에서는 이러한 차이를 확인하기 위해 고농도의 이산화탄소 배출원 지역에서의 측정이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	라만 산란이란 무엇인가?	η는 검출기의 광자 검출 효율이다. 라만 산란이란 입사광의 파장이 이산화탄소와 같은 분자에 의해 파장이 변화하여 산란되는 현상이다(Whiteman et al., 1992).
	본 연구에서 개발한 라만 라이다 시스템은 무엇으로 구성되어 있는가?	본 연구에서 개발한 라만 라이다 시스템은 355 nm 파장 영역에서 80 mJ의 에너지 및 30Hz의 반복 주기를 가진 레이저와 망원경, 광학 수신기 및 검출기로 구성되어있다. 라만 라이다에서 방출된 레이저는 지면과 수평으로 방출된다.
	본 연구에서는 라만 라이다에서 방출된 레이저가 지면과 수평으로 방출되는 특징으로 인해 어떻게 눈에 대한 보안을 확보하였는가?	라만 라이다에서 방출된 레이저는 지면과 수평으로 방출된다. 레이저가 지면과 수평으로 방출되므로, 빔 익스팬더를 사용하여 레이저 빔의 직경을 5배 확대 하여 눈에 대한 보안을 확보하였다. 본 연구에서 개발한 라만 라이다 시스템의 눈에 대한 안전거리는 208 m 이다.

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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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