초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
오염 배출원 주변 미세먼지 3 차원 공간분포 및 질량농도 관측용 원격 계측장비 개발과 자료 표출 자동화 기반 기술 개발

◼ 전체 내용
- 오염 배출원 주변 미세먼지 3 차원 공간분포 및 질량농도 관측용 H/W 개발
• 측정 거리 : 5 km 이상
• 측정 자료 : 미세먼지 종류 구분(편광소멸도(Depolarizatiojn Ratio)), 3 차원 미세먼지 공간 분포, 미세먼지 질량 농도(μg/m³), 거리별 미세먼지 산란 계수

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
오염 배출원 주변 미세먼지 3 차원 공간분포 및 질량농도 관측용 원격 계측장비 개발과 자료 표출 자동화 기반 기술 개발

◼ 전체 내용
- 오염 배출원 주변 미세먼지 3 차원 공간분포 및 질량농도 관측용 H/W 개발
• 측정 거리 : 5 km 이상
• 측정 자료 : 미세먼지 종류 구분(편광소멸도(Depolarizatiojn Ratio)), 3 차원 미세먼지 공간 분포, 미세먼지 질량 농도(μg/m³), 거리별 미세먼지 산란 계수
• 거리 분해능 : 7.5 m 이하
• 관측 주기 : 120 초 이내
• 최대 스캔 속도 : 20° /sec
- 오염 배출원 주변 미세먼지 3 차원 공간분포 및 질량농도 관측용 S/W 개발
• 거리 보정된 후방산란(Backscatter) 프로파일
• 거리별 미세먼지 종류 산출(편광소멸도 프로파일)
• 거리별 미세먼지 질량농도 산출

◼ 1년차
❏ 목표
○ 오염 배출원 주변 미세먼지 3 차원 공간분포 및 질량농도 관측 장비 시작품 개발
❏ 내용
- 3 차원 미세먼지 관측용 라이다 시작품 H/W 구조 분석 및 개념 설계
- 3 차원 미세먼지 관측용 시작품 H/W 설계 및 제작
- 3 차원 미세먼지 관측용 라이다 시스템 시작품 S/W 신호처리 기술 설계 및 개발
- 선행연구를 통해 개발된 광자계수기, 광센서 성능 개선
- 시작품 자체 성능평가
- (위탁기관)미세먼지 관측 데이터의 오류 데이터 검출 방법에 대한 연구
- (위탁기관)미세먼지 관측 장비의 오류 검출을 위한 품질관리(QC) 알고리즘 개발

◼ 2년차
❏ 목표
○ 현장 적용 가능한 오염 배출원 주변 미세먼지 3 차원 공간분포 및 질량농도 관측 장비 시제품 개발
❏ 내용
- 3 차원 미세먼지 관측용 라이다 시제품 H/W 설계 및 제작
- 3 차원 미세먼지 관측용 라이다 시제품 S/W 개발
- 시제품 구성요건 분석
- 시제품 자체 성능평가
- (위탁기관)개발된 알고리즘을 실제 관측 데이터에 적용 및 보완
- (위탁기관)데이터 중앙처리장치의 데이터 품질관리(QC) 알고리즘 개발

◼ 3년차
❏ 목표
○ 오염 배출원 주변 미세먼지 3 차원 공간분포 및 질량농도 관측 장비 시제품 현장 적용 실험을 통한 최적화 및 내구성 테스트
❏ 내용
- 3 차원 미세먼지 관측용 라이다 시제품 최종 성능 검증
- 3 차원 미세먼지 관측용 라이다 시제품 최적화
- 3 차원 미세먼지 관측용 라이다 사업화 준비
- (위탁기관)주변 미세먼지 관측소의 예측 및 관측 데이터와 연관성 분석

□ 연구개발성과
○ 본 사업을 통해 라이다 방식을 이용한 오염 배출원 주변 미세먼지 입체적 관측 및 질량농도 관측용 원격 관측 장비를 개발하고자 함


□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
○ 지점별로 산재해 있는 점원 정보가 아닌 광범위한 지역에서의 안정적인 초미세먼지 매핑 정보의 구축
○ 실시간 미세먼지 주요 배출 지역 규명뿐만 아니라 장기간의 안정적인 데이터 축적에 따른 주요 미세먼지 발생 지역 도출 및 원인규명 자료로써의 활용
○ 미세먼지 발생원 추적 및 주요 오염원 도출을 통하여 대응방안 마련의 초석 마련
○ 고해상도의 미세먼지 질량 농도 산출로 조밀하지 못한 기존 대기오염측정망에서 산출되는 미세먼지 농도 자료 보완
○ 수직/수평 스캔 기능으로 스캔 영역 내에서 오염 배출원 주변 미세먼지 공간 분포 모니터링 활용
○ 컴팩트한 구조와 소형 장비로 개발하여 차량에 설치하거나 관측지점에 고정 가능
○ 미세먼지의 생성 및 발생원의 신속한 추적이 가능하고, 3 차원 미세먼지 측정 장치의 국산화 및 수입 대체효과를 기대할 수 있음.
○ 기존의 미세먼지 관측 자료와 정보의 효율적 공유를 통한 국내 미세먼지 확산 모델링 초기 자료 제공

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 4
• 표목차 ... 5
• 그림목차 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 9
• 1) 연구개발과제의 최종 목표 ... 9
• 2) 연구개발과제의 연차별 목표 ... 10
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 12
• 1) 연구개발과제의 개요 ... 12
• 2) 미세 먼지 라이다 개발 개요 ... 18
• 3) 라이다 장치를 이용한 미세 먼지 측정 장치 시제품 개발 ... 19
• 3. 1차년도 과제 수행 과정 및 수행 내용 ... 21
• 1) 1차년도 과제 수행 목표 ... 21
• 2) 레이저 송신 광학계의 기초 설계 및 구성 ... 21
• 3) 레이저 수신 광학계의 기초 설계 및 구성 ... 22
• 4) 미세 먼지 라이다 장치 제어부의 기초 설계 및 개발 ... 24
• 5) 레이저 송 · 수신 광학계 부품 선정을 위한 Ray - tracing modeling ... 26
• 6) 미세 먼지 측정을 위한 라이다 장치 핵심 부품 선정 ... 27
• 7) 시작품 송 · 수신 광학계 고정을 위한 내부마운트 및 외부 하우징 설계 및 제작 ... 31
• 8) 미세 먼지 신호 처리 알고리즘 개발 ... 33
• 9) 수신 센서 보정기술 연구(광자수, 센서 효율 등에 따른 보정) ... 36
• 10) 시작품 성능 확인 및 성능 평가 ... 38
• 11) 미세 먼지 관측 장비의 오류 검출을 위한 품질관리(QC) 알고리즘 개발 ... 43
• 4. 2차년도 과제 수행 과정 및 수행 내용 ... 44
• 1) 2차년도 과제 수행 목표 ... 44
• 2) 시작품 보안 및 검토 ... 44
• 3) 시제품 송 · 수신 광학계 설계 ... 46
• 4) 시제품 내부 구성품 설계 및 제작 ... 49
• 5) 시제품 H/W 설계 및 제작 ... 51
• 6) Scanning System 구성품 선정 및 제작 ... 53
• 7) 전장부 구성품 선정 및 제작 ... 56
• 8) 시제품 외부하우징 H/W 설계 및 제작 ... 57
• 9) 미세 먼지 특성(후방 산란계수, 소산계수) 분석 S/W 개발 ... 58
• 10) 거리별 미세 먼지 질량 농도 산출 S/W 개발 ... 59
• 11) 미세 먼지 농도 3 차원 분포 산출 S/W 개발 ... 61
• 12) 시제품 제어 및 통합 운영 프로그램 개발 ... 62
• 13) 시제품 자체 성능 평가 ... 65
• 14) 개발된 품질관리 프로세스를 실제 관측 데이터에 적용 및 보완 ... 66
• 15) 미세 먼지 관측용 2단계 QC 4가지 알고리즘 ... 67
• 5. 3차년도 과제 수행 과정 및 내용 ... 70
• 1) 3차년 과제 수행 목표 ... 70
• 2) 시제품 최적화 ... 70
• 2) 시제품 최종 성능검증 ... 102
• 3) 사업화 준비 ... 121
• 4) 데이터 검증 프로세서 개발 ... 131
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 135
• 1) 연구수행 결과 ... 135
• 2) 목표 달성 수준 ... 142
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 143
• 1) 목표 미달 원인(사유) 자체분석 내용 ... 143
• 2) 자체 보완활동 ... 144
• 3) 연구개발 과정의 성실성 ... 144
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 144
• 6. 연구개발성과 관리 및 활용 계획 ... 145
• 7. 참고 문헌 ... 147
• 끝페이지 ... 148