KR101574635B1 - Measurement method and system for effective size and total content of liquid droplet in cloud - Google Patents
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Abstract
본 발명은 편광 라이다 기술을 이용하여 원거리에서 구름이나 안개 등의 물방울 입자 크기 및 총량을 측정하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 (a) 액체 입자를 포함하는 측정 대상물에 소정의 방향으로 편광된 레이저 신호를 조사하고, 그로부터 상기 소정의 방향 및 그 직각 방향으로 편광된 각 산란 레이저 신호를 얻는 단계; (b) 상기 각 산란 레이저 신호를 이용하여 구름 깊이에 따른 선형편광도를 계산하는 단계; (c) 계산된 상기 선형편광도로부터 포화선형편광도 및 선형편광도 기울기를 산출하는 단계; (d) 상기 선형편광도 기울기를 이용하여 소광계수를 산출하는 단계; 및 (e) 상기 포화선형편광도 및 소광계수를 이용하여 상기 측정 대상물에 포함된 액체 입자의 유효 입자 크기를 산출하는 단계를 포함하여 구성되며, 상기 (a) 단계에서 고정된 소정의 시야각(FOV)에서 상기 산란 레이저 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 방법을 개시하며, 본 발명에 의하여, 측정 시간대 및 측정 거리 한계를 극복할 수 있고, 보다 간단한 구조로서 설치 및 작동이 용이하면서도 실시간으로 정확한 측정이 가능한 물방울 구름의 유효 입자 크기 및 총량 측정 방법 및 시스템을 구현하는 효과를 갖는다.The present invention relates to a method and a system for measuring the size and total amount of water droplets such as cloud or mist at a distance using a polarized light ray technology.
(A) irradiating a measurement object including liquid particles with a laser signal polarized in a predetermined direction, and obtaining each of the scattered laser signals polarized in the predetermined direction and a direction perpendicular thereto; (b) calculating a linear polarization degree according to a depth of a cloud using each of the scattered laser signals; (c) calculating a saturation linear polarization degree and a linear polarization degree slope from the calculated linear polarization degree; (d) calculating an extinction coefficient using the linear polarization degree gradient; And (e) calculating the effective particle size of the liquid particles contained in the measurement object using the saturation linear polarization degree and the extinction coefficient, wherein the predetermined viewing angle FOV The present invention discloses a method for measuring the characteristics of a remote liquid particle, which is capable of overcoming a measurement time period and a measurement distance limit, And has an effect of realizing a method and system for measuring the effective particle size and total amount of droplet cloud capable of accurate measurement in real time.
Description
본 발명은 편광 라이다 기술을 이용하여 원거리에서 구름이나 안개 등의 물방울 입자 크기 및 총량을 측정하는 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 원거리에서 구름 등으로 조사된 편광 레이져 신호에 대한 수평 및 수직 편광 산란 신호를 수신하여, 이로부터 구름 등에 포함된 물방울 입자의 크기 및 총량을 측정하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method and system for measuring the size and total amount of water droplets such as clouds and fog at a distance using a polarized light ray technology. More particularly, the present invention relates to a method and system for measuring the horizontal and vertical And a method and a system for receiving the polarized light scattering signal and measuring the size and total amount of the water droplet particles included in the cloud or the like from the received signal.
최근 기상 정보에 대한 중요성이 커지면서, 날씨, 기후 등 보다 정확한 기상 정보를 얻기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 특히, 구름에 포함되는 물방울 입자의 크기 및 총량 등의 정보는 날씨 등에 관한 중요한 자료 중의 하나로서 정확한 기상 정보를 산출하기 위해서는 이에 대한 정확한 측정이 요구된다. 특히 인공강우나 안개의 경우, 빠른 시간 내에 크기가 변화하는 구름이나 안개에 포함된 액체 상태의 물방울이 끊임없이 기체에서 액체로 혹은 액체에서 기체로 그 상변화가 일어나게 되고, 이때 액체 상태 물방울의 크기가 일정 수준까지 커지게 되면 낙하하여 구름에서 사라지게 되고, 안개의 경우에는 이슬을 형성하는 등의 형태로 소멸되게 되면서, 구름 혹은 안개에 포함되는 물방울 등의 크기 및 총량이 빠르게 변화할 수 있으므로, 이를 정확하게 측정하는 것은 구름이나 안개의 발달 혹은 소멸을 예측하고, 나아가 인공강우의 효과를 예측하거나 혹은 강우의 유무를 판단하는데 매우 중요한 자료가 된다. 또한, 구름을 이루고 있는 물방울의 크기는 기상학, 기후학, 그리고 수문학에서도 매우 중요한 물리량이 된다.Recently, as the importance of weather information becomes more important, various studies are being conducted to obtain more accurate weather information such as weather and climate. Particularly, information such as the size and total amount of water droplet particles included in the cloud is one of important data about the weather and the like, and accurate measurement is required in order to calculate accurate weather information. Particularly in the case of artificial rainfall or fog, the water droplets in the clouds or fog that change in size rapidly change from gas to liquid or from liquid to gas, and the size of liquid state drops When it reaches a certain level, it falls down and disappears from the cloud. In the case of mist, it disappears in the form of forming dew or the like, and the size and the total amount of the water drops included in the cloud or mist may change rapidly. The measurement is very important in predicting the development or disappearance of cloud or fog, further predicting the effect of artificial rainfall, or determining the presence or absence of rainfall. In addition, the size of the cloud forming the cloud is a very important physical quantity in meteorology, climatology, and hydrology.
그런데, 구름은 통상 1km 이상의 높은 고도에 위치하므로, 이에 대한 자료를 얻기 위해서는 측정 장치를 비행선 등을 이용하여 구름이 위치하는 고도까지 보내거나, 라이다(LIDAR) 등 원격 측정 장치를 이용하여야 한다. 그러나, 비행선 등을 이용하여 측정 장비를 직접 이동시키는 방식은 시시각각 변화하는 대기 상태를 폭넓은 영역에서 적절하게 파악하기 어렵다는 한계를 가지므로, 결국 라이다 등 원격 측정 장치를 이용하는 것이 적절하다고 할 수 있다.Clouds are usually located at a high altitude of more than 1 km. To obtain data on this, the measuring device should be used to send clouds to the altitude where the clouds are located, or to use a telemetry device such as LIDAR. However, since the method of directly moving the measuring equipment using an airship is limited in that it can not properly grasp the changing atmospheric state in a wide range, it is appropriate to use a remote measurement device such as the Rada .
이에 따라, 라이다 등 원격 측정 장치를 이용하여 구름 물방울 입자 등의 크기와 총량 등을 측정하고자 하는 연구가 진행되었다. 예를 들어, 입체의 체적(r3)에 비례하는 액체 물방울 라만 신호를 얻고, 면적(r2)에 비례하는 탄성산란신호(소광계수)를 얻어 그 비를 구하여 물방울 입자의 크기 등을 측정하거나, 전파 영역의 파장을 이용하여 크기의 6 승에 비례하는 신호를 얻고, 가시광선이나 적외선 영역의 파장을 이용하여 2 승에 비례하는 탄성 신호를 얻어서 전파영역의 신호 그 제곱근과 가시광선 영역의 신호의 비를 구하여 물방울 입자의 크기 등을 산출하는 방법이 시도되었다. 그러나, 전자의 라만 신호를 이용하는 방법은 그 산란 단면적이 작아서, 낮 시간에는 측정이 어렵고, 측정거리도 2 ~ 3 km 내외에 불과하여 근거리에서만 측정이 가능하다는 한계를 가졌고, 후자의 전파와 빛을 이용하는 방법은 송수신 체계가 완전히 다른 두 장치를 함께 사용하여야 하기 때문에 구조가 복잡하고 사용이 번거로울 뿐만 아니라, 전파를 이용하는 레이더 장치가 매우 고가이어서 장비를 획득하고 운영하는 비용 부담이 커진다는 문제점을 가졌다.As a result, studies have been conducted to measure the size and total amount of cloud droplet particles, etc. using a remote measurement device such as a lidar. For example, a liquid droplet Raman signal proportional to the volume (r 3 ) of the solid body is obtained, an elastic scattering signal (extinction coefficient) proportional to the area r 2 is obtained, , Obtains a signal proportional to the sixth power of the magnitude using the wavelength of the propagation region and obtains an elasticity signal proportional to the square of the power by using the wavelength of the visible light or the infrared region to generate a signal of the propagation region and a signal And the size of the droplet particles was calculated. However, in the method using the electron Raman signal, the scattering cross-sectional area is so small that it is difficult to measure in the daytime, and the measurement distance is only about 2 to 3 km, The use of the radar apparatus is complicated in structure and complicated to use because it requires the use of two completely different transmission and reception systems, and the radar apparatus using radio waves is very expensive, thereby increasing the cost of acquiring and operating the equipment.
이에 대하여, 레이저를 구름에 조사하고 산란된 레이저를 관측한 후, 다중산란효과(multiple scattering effect)를 이용하여 구름의 물방울 입자를 측정하는 방법이 제안되었다. Luc R. Bissonnette, G. Roy, G. Vallee 및 S. Cantin에 의한 "Retrieval of cloud liquid water content and effective droplet diameter from multiply scattered lidar returns" 논문(Proc. SPIE 4087, Applications of Photonic Technology 4, pp. 939, 2000년)에서는 구름을 바라보는 망원경의 시야각(FOV:Field Of View)을 다양하게 하면서 빛이 산란되는 과정을 측정하여 입자의 크기를 산출하는 방법에 대하여 개시하고 있다. 그런데, 상기 방법은 시야각을 다양하게 해야 하기 때문에, 시야각이 다른 여러 개의 신호를 받아서 구름의 깊이에 따른 신호의 크기 변화를 비교 분석해야 한다. 이에 따라, 여러 개의 신호를 얻는데 상당한 시간이 소요되어 구름이 급격하게 변하는 경우 신속한 측정이 곤란하고, 진행 방향에 대하여 라이다의 시야각 내부로 진행하는 빛을 계산하여 고려하여야 하기 때문에 분석 시스템과 장치도 매우 복잡해진다는 문제점을 가진다.On the other hand, a method of measuring droplet particles of a cloud by using a multiple scattering effect after irradiating the laser to the cloud and observing the scattered laser has been proposed. Luc R. Bissonnette, G. Roy, G. Vallee and S. Cantin, Proc. SPIE 4087, Applications of Photonic Technology 4, pp. 939, 2000) discloses a method of calculating the particle size by measuring the scattering process of light while varying the field of view (FOV) of the telescope looking at the cloud. However, since the above method needs to have various viewing angles, it is necessary to compare and analyze the signal amplitude variation according to the depth of the cloud by receiving several signals having different viewing angles. Therefore, it takes a considerable time to acquire a plurality of signals, so that it is difficult to perform rapid measurement when the cloud rapidly changes, and since the light traveling into the viewing angle of the lidar should be calculated with respect to the traveling direction, It is very complicated.
이에 따라, 상기한 문제점을 해결할 수 있는, 즉 낮시간에도 측정이 가능하고, 원거리 또는 고고도의 구름에도 적용이 가능하며, 보다 간단한 구조로서 설치 및 작동이 용이하면서도 실시간으로 정확한 측정이 가능한 물방울 구름의 유효 입자 크기 및 총량 측정 방법 및 시스템에 대한 지속적인 요구가 있으나, 이에 대한 적절한 해법이 제시되지 못하고 있다.Accordingly, it is possible to solve the above-described problems, that is, to measure in the daytime, to be applied to long-distance or high-altitude clouds, and to simplify installation and operation with a simpler structure, There is a continuing demand for a method and a system for measuring the effective particle size and total amount of particles, but an appropriate solution is not presented.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 측정 시간대 및 측정 거리 한계를 극복할 수 있고, 보다 간단한 구조로서 설치 및 작동이 용이하면서도 실시간으로 정확한 측정이 가능한 물방울 구름의 유효 입자 크기 및 총량 측정 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the problems of the prior art as described above, and it is an object of the present invention to overcome the limitation of the measurement time period and the measurement distance, It is an object of the present invention to provide a method and system for measuring particle size and total amount.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 원격 액체 입자 특성 측정 방법은 (a) 액체 입자를 포함하는 측정 대상물에 소정의 방향으로 편광된 레이저 신호를 조사하고, 그로부터 상기 소정의 방향 및 그 직각 방향으로 편광된 각 산란 레이저 신호를 얻는 단계; (b) 상기 각 산란 레이저 신호를 이용하여 구름 깊이에 따른 선형편광도를 계산하는 단계; (c) 계산된 상기 선형편광도로부터 포화선형편광도 및 선형편광도 기울기를 산출하는 단계; (d) 상기 선형편광도 기울기를 이용하여 소광계수를 산출하는 단계; 및 (e) 상기 포화선형편광도 및 소광계수를 이용하여 상기 측정 대상물에 포함된 액체 입자의 유효 입자 크기를 산출하는 단계를 포함하여 구성되며, 상기 (a) 단계에서 고정된 소정의 시야각에서 상기 산란 레이저 신호를 수신하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for measuring a characteristic of a remote liquid particle, comprising the steps of: (a) irradiating a measurement object including liquid particles with a laser signal polarized in a predetermined direction, Obtaining each of the scattered laser signals polarized in the perpendicular direction; (b) calculating a linear polarization degree according to a depth of a cloud using each of the scattered laser signals; (c) calculating a saturation linear polarization degree and a linear polarization degree slope from the calculated linear polarization degree; (d) calculating an extinction coefficient using the linear polarization degree gradient; And (e) calculating an effective particle size of the liquid particles contained in the measurement object using the saturation linear polarization degree and the extinction coefficient, wherein in the step (a) And receives a scattering laser signal.
여기서, 상기 (d) 단계에서 소광계수를 산출하거나, 상기 (e) 단계에서 액체 입자의 유효 입자 크기를 산출함에 있어, 미리 산정된 룩업테이블(Look Up Table) 또는 그래프를 이용할 수 있다.In calculating the extinction coefficient in the step (d) or calculating the effective particle size of the liquid particle in the step (e), a pre-calculated look up table or a graph may be used.
또한, 전산 시뮬레이션을 통하여 상기 룩업테이블(Look Up Table) 또는 그래프를 구성할 수 있다.Also, the look-up table or the graph can be configured through computer simulation.
또한, 상기 전산 시뮬레이션으로서 몬테카를로 기법을 사용할 수 있다.Also, a Monte Carlo technique can be used as the computational simulation.
또한, 상기 (d) 단계에서 소광계수를 산출하거나, 상기 (e) 단계에서 액체 입자의 유효 입자 크기를 산출함에 있어, 비선형최적화기법을 이용할 수 있다.The extinction coefficient may be calculated in the step (d), or a nonlinear optimization technique may be used in calculating the effective particle size of the liquid particle in the step (e).
또한, 상기 (e) 단계에 이어서, (f) 상기 소광계수와 유효 입자 크기를 이용하여 상기 측정 대상물에 포함된 액체 입자의 총량을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include the step of (f) calculating the total amount of the liquid particles contained in the measurement object using the extinction coefficient and the effective particle size.
또한, 상기 (f) 단계에서 액체 입자의 총량을 산출함에 있어, 미리 산정된 룩업테이블(Look Up Table), 그래프 또는 비선형최적화기법을 이용할 수 있다.In calculating the total amount of the liquid particles in the step (f), a pre-calculated look-up table, a graph or a non-linear optimization technique may be used.
본 발명의 다른 측면에 따른 원격 액체 입자 특성 측정 시스템은 액체 입자를 포함하는 측정 대상물에 소정의 방향으로 편광된 레이저 신호를 조사하는 송신부; 상기 측정 대상물에 의하여 산란된 레이저 신호를 수신하고, 그로부터 상기 소정의 방향 및 그 직각 방향으로 편광된 각 산란 레이저 신호를 얻는 수신부; 및 상기 수신부가 수신한 각 산란 레이저 신호로부터 구름 깊이에 따른 선형편광도를 구하고, 포화선형편광도와 선형편광도 기울기를 산출한 후, 소광계수를 구하여, 상기 측정 대상물에 포함된 액체 입자의 유효 입자 크기를 산출하는 처리부를 포함하여 구성되며, 상기 수신부는 고정된 소정의 시야각에서 상기 산란 레이저 신호를 수신하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a remote liquid particle characteristic measuring system comprising: a transmitter for irradiating a laser signal polarized in a predetermined direction to a measurement object including liquid particles; A receiving unit that receives a laser signal scattered by the measurement object and obtains each scattered laser signal polarized in the predetermined direction and a direction perpendicular thereto; And calculating an extinction coefficient after calculating the saturation linear polarization and the slope of the linear polarization degree from the scattered laser signals received by the receiver, and calculating an effective particle size of the liquid particles contained in the measurement object And the receiving unit receives the scattering laser signal at a fixed predetermined viewing angle.
여기서, 상기 처리부가 소광계수 또는 액체 입자의 유효 입자 크기를 산출함에 있어, 미리 산정된 룩업테이블(Look Up Table)을 이용하거나 그래프를 이용할 수 있다.Here, in calculating the extinction coefficient or the effective particle size of the liquid particle, the processing section may use a pre-calculated look-up table or a graph.
또한, 전산 시뮬레이션을 통하여 상기 룩업테이블(Look Up Table) 또는 그래프를 구성할 수 있다..In addition, the look-up table or the graph can be constructed through computer simulation.
또한, 상기 전산 시뮬레이션으로서 몬테카를로 기법을 사용할 수 있다.Also, a Monte Carlo technique can be used as the computational simulation.
또한, 상기 처리부가 소광계수 또는 액체 입자의 유효 입자 크기를 산출함에 있어, 비선형최적화기법을 이용할 수 있다.Further, the non-linear optimization technique can be used in calculating the extinction coefficient or the effective particle size of the liquid particle by the treatment section.
또한, 상기 처리부는 상기 소광계수 및 액체 입자의 유효 입자 크기와 함께 상기 측정 대상물에 포함된 액체 입자의 총량도 함께 산출할 수 있다.In addition, the processing unit may calculate the extinction coefficient and the effective particle size of the liquid particles together with the total amount of the liquid particles contained in the measurement object.
또한, 상기 액체 입자의 총량을 산출함에 있어, 미리 산정된 룩업테이블(Look Up Table), 그래프 또는 비선형최적화기법을 이용할 수 있다.In calculating the total amount of the liquid particles, a pre-calculated look-up table, graph, or nonlinear optimization technique may be used.
본 발명에 따르면, 구름 등의 측정 대상물에 레이저를 조사하고 그로부터 산란된 수평 및 수직 산란 신호를 수신한 후, 이로부터 포화선형편광도 및 선형편광도 기울기를 산출하고, 다시 소광계수를 산출한 후, 물방울 입자의 유효 입자 크기 및 총량 등을 산출함으로써, 측정 시간대 및 측정 거리 한계를 극복할 수 있고, 보다 간단한 구조로서 설치 및 작동이 용이하면서도 실시간으로 정확한 측정이 가능한 물방울 구름의 유효 입자 크기 및 총량 측정 방법 및 시스템을 제공할 수 있다.According to the present invention, after irradiating a laser to a measurement object such as a cloud and receiving horizontal and vertical scattering signals scattered therefrom, the saturation linear polarization degree and the linear polarization degree slope are calculated therefrom, and then the extinction coefficient is calculated , The effective particle size and the total amount of the droplet particles can be overcome and the measurement time range and the measurement distance limit can be overcome. In addition, the effective particle size and the total amount of the droplet cloud A measurement method and a system can be provided.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부가 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1 은 작은 물방울 및 큰 물방울 입자에서 각도에 따른 산란 신호의 광량 비교 그래프이다.
도 2는 구름 깊이에 따른 소광계수별 선형편광도의 비교 그래프이다.
도 3은 구름 깊이에 따른 입자 크기별 선형편광도의 비교 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 물방울 구름의 유효 입자 크기 및 총량 측정 방법의 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 구름 깊이에 따른 수평 및 수직 선형편광신호의 비교 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 구름 깊이에 따른 선형편광도 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 소광계수에 따른 선형편광도 기울기 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 유효 입자 크기에 따른 포화선형편광도 그래프이다.
도 9은 본 발명의 일실시예에 따른 물방울 입자 총량에 따른 유효 입자 크기별 소광계수 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 물방울 구름의 유효 입자 크기 및 총량 측정 시스템의 블록도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are included to provide a further understanding of the invention and are incorporated in and constitute a part of this specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.
Fig. 1 is a graph of a light amount comparative of scattered signals according to angles in droplets and large droplet particles.
FIG. 2 is a graph showing a comparison of the linear polarization degree according to extinction coefficient according to the depth of a cloud.
3 is a graph showing a comparison of the linear polarization degree according to the particle size according to the depth of the clouds.
4 is a flowchart of a method for measuring the effective particle size and the total amount of water droplet clouds according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph comparing horizontal and vertical linear polarization signals according to the depth of a cloud according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a graph of linear polarization versus cloud depth according to one embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph of the linear polarization degree according to extinction coefficient according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is a graph of saturation linear polarization versus effective particle size according to one embodiment of the present invention.
9 is a graph of extinction coefficient according to the effective particle size according to the total amount of water droplet particles according to an embodiment of the present invention.
10 is a block diagram of a system for measuring the effective particle size and total amount of a droplet cloud according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and the terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another Is used.
본 발명은, 종래 기술에 따라 라만 신호를 이용하여 구름의 물방울 입자 크기 등을 측정하는 경우 낮 시간에는 측정이 어렵고, 측정거리도 2 ~ 3 km 내외에 불과하다는 한계를 가지며, 전파와 빛을 이용하는 경우에는 장비의 구조가 복잡하고 사용이 번거로울 뿐만 아니라, 장치가 고가이어서 비용 부담이 커진다는 문제점이 있고, 이에 대하여 레이저를 구름에 조사하고 산란된 레이저를 관측한 후, 다중산란효과(multiple scattering effect)를 이용하여 구름의 물방울 입자를 측정하는 방법의 제시되었으나, 이 경우 신속한 측정이 곤란하고 측정 장비가 매우 복잡해진다는 문제점에 착안하여, 구름 등의 측정 대상물에 편광 레이저를 조사하고 그로부터 산란된 수평 및 수직 산란 신호를 수신한 후, 이로부터 포화선형편광도 및 선형편광도 기울기를 산출하고, 다시 소광계수를 산정한 후, 물방울 입자의 유효 입자 크기 및 총량 등을 산출함으로써, 측정 시간대 및 측정 거리 한계를 극복할 수 있고, 보다 간단한 구조로서 설치 및 작동이 용이하면서도 실시간으로 정확한 측정이 가능한 물방울 구름의 유효 입자 크기 및 총량 측정 방법 및 시스템을 개시하는 것을 특징으로 한다.According to the present invention, when the particle size of a cloud droplet is measured using the Raman signal, the measurement is difficult in the daytime and the measurement distance is limited to about 2 to 3 km. There is a problem in that the structure of the equipment is complicated and the use of the equipment is complicated and the cost is increased due to the high cost of the apparatus. In contrast, when the laser is irradiated to the cloud and the scattered laser is observed, a multiple scattering effect However, in this case, it has been pointed out that it is difficult to perform rapid measurement and that the measuring equipment becomes very complicated, and a polarizing laser is irradiated to a measurement object such as a cloud, and a horizontal And a vertical scattering signal, and then calculates a saturated linear polarization degree and a linear polarization degree gradient from the received signal It is possible to overcome the measurement time period and the measurement distance limit by calculating the effective particle size and the total amount of the droplet particles after calculating the extinction coefficient at the time, Discloses a method and system for measuring effective particle size and total amount of cloud.
아래에서는, 먼저 본 발명의 기본 원리와 함께 그 바탕이 되는 용어와 이론적 배경을 설명한 후, 본 발명의 구체적 내용을 상세하게 설명하기로 한다.In the following, the basic principle of the present invention will be described first, and the following description will be given in detail.
본 발명에서는 앞서 살핀 바와 같이 편광 레이저를 사용하는 편광 라이다 장치를 이용하여 구름에 포함된 물방울 입자의 크기 등을 관측하게 된다. 원래 편광 라이다 장치는 구형(spherical)의 에어로졸이 아닌 비구형의 에어로졸을 측정하는데 많이 사용되어 왔는데, 예를 들어 대기 중에 포함된 비구형의 에어로졸(특히, 황사나 꽃가루 등)이나 구름의 경우 얼음 입자의 존재 유무를 판단하는 용도로 많이 사용되어 왔다. 그런데, 구름이나 안개와 같이 많은 에어로졸이 포함되어 있는 경우에도 빛은 다중산란을 일으키게 되고, 이에 따라 물방울 등 구형의 에어로졸이 포함된 구름도 산란된 라이다 신호의 편광이 깨어지고 후방산란되어 라이다 장치로 수신되게 된다. 종래의 구름 산란계수를 측정하는 라이다 장비에서는 이러한 산란이 문제점으로 작용하기도 하였으나, 본 발명에서는 오히려 상기와 같은 현상을 이용하여 물방울 입자의 크기 등을 측정하고자 한다. 이에 따라, 본 발명은 기존의 편광 라이다 장치에서도 쉽게 얻을 수 있는 측정치를 사용하면서도 새로운 이론적 배경을 바탕으로 구름 등의 물방울 입자의 크기 등을 측정할 수 있는 방법을 제시한다.In the present invention, as described above, the size of the water droplet particles included in clouds is observed using a polarizing ray apparatus using a polarized laser. Originally polarized ladder devices have been used to measure non-spherical aerosols rather than spherical aerosols, such as non-spherical aerosols (especially dust, pollen, etc.) contained in the atmosphere or ice It has been widely used to determine the presence of particles. However, even when clouds and fogs contain many aerosols, the light causes multiple scattering, so that clouds containing spherical aerosols, such as water droplets, are scattered. And received by the device. However, in the present invention, it is rather attempted to measure the size of droplet particles using the above-described phenomenon, although the scattering has been a problem in the conventional Lada apparatus for measuring the scattering coefficient of the cloud. Accordingly, the present invention provides a method for measuring the size of water droplet particles such as clouds based on a new theoretical background while using a measurement value easily obtained even in a conventional polarizing apparatus.
보다 구체적으로 살펴보면, 물방울 등의 입자에 입사된 빛이 산란되는 신호의 크기는 그 산란 방향과 입자의 크기에 따라 신호의 크기와 편광이 달라지는데, 입자의 크기가 클수록 원래 빛이 진행하던 방향과 같은 방향으로 진행하는 빛의 양이 상대적으로 많아지며, 반대로 입자의 크기가 작으면 사방으로(4π) 빛이 산란된다.More specifically, the magnitude and the polarization of the signal vary depending on the scattering direction and the size of the particle. The larger the size of the particle, the more the direction in which the original light travels The amount of light traveling in the direction becomes relatively large. On the other hand, when the particle size is small, light is scattered in all directions (4π).
또한, 다중산란된 빛은 편광이 변화하게 되는데, 종래의 방법에서는 앞서 설명한 것처럼 여러 개의 시야각(FOV)를 가지는 장비를 사용하는 것과 다르게, 본 발명에서는 고정된 하나의 시야각(FOV)에서 산란 신호 크기만을 측정하되, 그 대신 산란 신호의 편광의 변화를 구름 깊이 별로 측정함으써 다중산란 효과를 측정하여 물방울 입자의 크기와 총량을 구하게 된다. Unlike the case of using a device having multiple viewing angles (FOV) as described above in the conventional method, in the present invention, the scattered signal intensity (FOV) at a fixed viewing angle (FOV) Instead, the size and total amount of droplet particles are obtained by measuring the scattering effect by measuring the change of the polarization of the scattering signal by the depth of the cloud.
라이다 장치에서 주어진 하나의 FOV를 가진 수신광학계를 사용하여, 송신된 빛으로부터 후방산란된 빛을 수신하는 경우, 큰 입자의 경우에는 산란이 일어나더라도 수신광학계의 시야각(FOV) 내에 그 빛이 존재하게 되어 라이다 신호에 기여를 하게 되지만, 작은 입자의 경우에는 라이다의 수신광학계 시야각(FOV)을 벗어나기 때문에 다중산란된 빛의 라이다 신호 기여도가 사라지게 된다. 따라서, 이러한 물리적인 현상을 정량화할 경우 입자의 크기를 얻을 수 있게 된다.In the case of receiving backscattered light from the transmitted light using a receiving optical system having one FOV given by a ladder device, even though scattering occurs in the case of large particles, the light is present within the viewing angle (FOV) of the receiving optical system In the case of small particles, however, the contribution of the multi-scattered light to the Lada signal is lost because it deviates from the viewing angle (FOV) of the receiving optical system of Lada. Therefore, when the physical phenomenon is quantified, the particle size can be obtained.
나아가, 입자의 산란 횟수는 빛의 소광계수(extinction coefficient)와 관련이 있는데, 산란이 잘 일어날수록 소광계수가 커지게 되므로, 이는 곧 산란이 일어나는데 까지 빛이 진행하는데 필요한 빛의 평균이동거리(MFP:Mean Free Path)가 짧다는 것을 의미하게 된다. 즉, 구름의 깊이에 따라 다중산란된 정도는 소광계수가 클수록 커진다. 다중산란된 정도는 비편광도 측정을 통하여 알 수 있으므로, 따라서 구름의 소광계수와 구름에 의한 빛의 다중산란 그리고 산란된 빛의 비편광도는 서로 밀접한 관계가 있으므로, 비편광도 측정만으로 나머지 수치를 구할 수 있게 된다. Furthermore, the number of scattering of particles is related to the extinction coefficient of light. As scattering becomes more frequent, extinction coefficient becomes larger, which means that the average moving distance of light necessary for light propagation (MFP : Mean Free Path) is short. That is, the degree of multiple scattering depending on the depth of the cloud increases as the extinction coefficient increases. Since the degree of multiple scattering can be determined by measuring the degree of non-polarization, the extinction coefficient of the cloud, the multiple scattering of light by the cloud, and the non-polarization degree of scattered light are closely related to each other. .
본 발명에서는 구름이나 안개 등에 포함된 물방울 등 입자의 크기와 총량 등을 측정하고자 한다. 그런데, 구름이나 안개에 포함되는 입자의 경우, 입자 크기가 임의적(random)으로 분포하지 않고 일정한 함수 모양을 지닌 분포를 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 본 발명에서는 많은 연구자들이 사용하고 있는 감마크기분포(n(r)=Gamma Size Distribution)를 사용한다. 이때, 구름 등에 포함되는 다양한 크기의 물방울 입자들에 대한 유효 입자 크기(r eff )는 아래 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.In the present invention, it is intended to measure the size and total amount of particles such as water droplets included in cloud, mist, and the like. However, in the case of particles included in clouds or fog, it is known that the particle size is not randomly distributed but has a distribution with a constant function form. In the present invention, the gamma size distribution (n (r) = Gamma Size Distribution) used by many researchers is used. At this time, the effective particle size ( r eff ) for the water droplet particles of various sizes included in the clouds and the like can be defined as shown in
여기서 n(r)은 아래의 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.Here, n (r) can be defined by the following equation (2).
위의 수학식 2에서 입자의 크기 분포는 두 지수 a와 b 에 의해서 정해질 수 있다. 이때, 상기 n(r)은 n＇(r)은 크기에 따른 확률적 의미를 지니며(
또한, 편광도(P dp )의 경우 아래 수학식 4와 같이 편광을 나타내는 Stoke's 벡터의 I, Q, U, V 로 정의된 값으로 나타낼 수 있으며, 다시 이를 실험적으로 측정될 수 있는 송신 빛과 평행한 선형 편광 방향의 라이다 신호(I h )와 직각 방향의 편광판을 통하여 얻은 라이다 신호(I v )의 크기를 사용하여 선형편광도(P dlp )를 정의할 수 있다.In the case of the polarization degree ( P dp ), it can be expressed as a value defined by I, Q, U, and V of the Stoke's vector indicating polarization, as shown in Equation (4) below. The linear polarization degree ( P dlp ) can be defined by using the magnitude of the ladder signal ( I h ) in the linear polarization direction and the magnitude of the ladder signal ( I v ) obtained through the polarizer in the perpendicular direction.
또한, 소광계수(α)는 소광효율(Q(r))에 의하여 다음과 같이 표현된다.Further, the extinction coefficient ? Is expressed by the extinction efficiency Q (r) as follows.
본 발명에서 사용되는 유효 입자 크기, 물의 총량, 선형편광도, 그리고 소광계수는 상기 수학식 1 내지 5와 같이 정의될 수 있다.The effective particle size, the total amount of water, the linear polarization degree, and the extinction coefficient used in the present invention can be defined as shown in Equations (1) to (5).
앞서 설명한 바와 같이, 물방울 등 입자에 의한 입사광의 산란은 입자의 크기에 따라 달라지게 된다. 도 1(a)에서는 입자의 크기가 작을 경우 산란 각도에 따른 산란된 빛의 양을 상대적으로 나타낸 그래프를 보여주고 있다. 일반적으로 단일 상대입자크기는 
도 1(b)에서는 입자의 상대적인 크기 x=10 인 경우, 산란 각도에 따른 산란된 빛의 세기를 상대치로 나타낸 그래프를 도시하고 있다. 도 1(b)에서 알 수 있듯이 입자 크기가 x=1 인 경우와 비교할 때, 빛의 입사 방향인 0 도 방향으로 산란되는 빛의 세기가 기타 방향으로 산란되는 빛보다 훨씬 크다는 것을 알 수 있다. 도 1(a) 및 도 1(b)에서는 두 종류의 크기에 대하여 각도에 따른 산란 빛의 분포를 비교하였지만, 탄성(Mie) 산란 이론에 따르면 일반적으로 입자의 크기가 커지면 진행 방향으로의 산란 양이 상대적으로 증가하며, 작으면 사방으로 산란되게 된다. 본 발명에서는 이러한 원리를 이용하여 물방울 입자의 크기 및 총량을 구하게 된다.FIG. 1 (b) is a graph showing relative intensity of scattered light intensity according to the scattering angle when the relative size x of the particles is x = 10. As can be seen from FIG. 1 (b), it can be seen that the intensity of light scattered in the 0-degree direction, which is the incidence direction of light, is much larger than that scattered in the other directions, as compared with the case where the particle size is x = 1. 1 (a) and 1 (b), scattering light distributions according to angles are compared with respect to two kinds of sizes, but according to the elastic scattering theory, generally, when the particle size is large, Is relatively increased, and when it is small, it is scattered in all directions. In the present invention, the size and total amount of water droplet particles are obtained by using this principle.
도 2는 동일한 유효 입자 크기 조건에서 구름 깊이에 따른 소광계수별 선형편광도의 변화 그래프를 보여준다. 도 2에서 x 축은 구름 바닥에서부터 고도 방향으로의 구름 깊이에 해당하고 y 축은 선형편광도를 나타낸다. 도 2에서 알 수 있듯이 구름 깊이가 깊어져도 선형편광도가 지속적으로 감소하지 않고 어느 깊이 이상에서는 선형편광도가 일정해지는 것을 볼 수 있는데, 이를 본 발명에서는 포화선형편광도(Saturated linear depolarization)라 한다. 도 2에서는 소광계수 값에 따라 각각 다른 포화선형편광도를 보이며, 포화 영역에 도달하기 전의 구름 깊이에 따른 선형편광도의 변화(즉 기울기)도 소광계수에 따라 달라진다는 것을 알 수 있다. 즉, 도 2로부터 선형편광도 기울기는 소광계수와 관련되어 있다는 것을 알 수 있다.Fig. 2 shows a graph of the change in linear polarization degree with extinction coefficient according to the depth of the clouds under the same effective particle size condition. In FIG. 2, the x-axis corresponds to the depth of the clouds from the bottom of the clouds to the altitude direction, and the y-axis represents the linear polarization. As can be seen from FIG. 2, even if the depth of the cloud is deepened, the linear polarization degree does not decrease continuously but the linear polarization degree becomes constant at a certain depth or more. In the present invention, this is referred to as a saturated linear polarization. In FIG. 2, different saturation linear polarization degrees are shown according to extinction coefficient values, and it can be seen that the change (i.e., slope) of the linear polarization degree according to the depth of the clouds before reaching the saturation region also varies depending on the extinction coefficient. That is, it can be seen from FIG. 2 that the slope of the linear polarization degree is related to the extinction coefficient.
도 3(a)에서는 동일한 레이저의 발산각(1 mrad) 및 소광계수의 조건에서 수신광학계의 시야각(FOV)이 1.5mrad 일 때 구름 깊이에 따른 입자 크기별 선형편광도 그래프를 보여주고 있다. 도 3(a)에서 볼 수 있듯이 소광계수 값이 일정한 조건에서는 구름 깊이가 달라지더라도 선형편광도의 변화(즉 기울기)가 모두 일정하다는 것을 알 수 있다. 본 발명에서는 이처럼 선형편광도가 포화 영역에 도달하기 전의 구름 깊이에 따른 일정한 선형편광도의 변화 정도를 선형편광도 기울기라 한다. 반면, 유효 입자 크기가 달라지면 포화선형편광도 값이 달아진다는 것도 함께 알 수 있다. 따라서, 포화선형편광도 값은 유효 입자 크기와 관련되어 있다는 것을 알 수 있다.3 (a) shows a graph of linear polarization according to the depth of a particle when the viewing angle (FOV) of the receiving optical system is 1.5 mrad under the conditions of the same laser divergence angle (1 mrad) and extinction coefficient. As can be seen from FIG. 3 (a), it can be seen that the change (ie, slope) of the linear polarization degree is constant even when the cloud depth is changed under the constant extinction coefficient value. In the present invention, the degree of change of the linear polarization degree according to the depth of the cloud before the linear polarization degree reaches the saturation region is referred to as a linear polarization degree slope. On the other hand, it can be seen that when the effective particle size is changed, the saturation linear polarization degree is increased. Thus, it can be seen that the value of the saturation linear polarization degree is related to the effective particle size.
나아가, 도 2 및 도 3(a)를 함께 고려할 때, 구름 깊이에 따른 선형편광도 기울기는 소광계수에만 관련되고 포화선형편광도는 입자 크기와 소광계수에 동시에 연관된다는 점을 알 수 있다. 또한, 선형편광도 기울기나 포화선형편광도의 값을 측정하면 두 값은 서로 독립적인 물리량이므로 두개의 독립된 물리적 변수를 측정한 것으로 간주될 수 있다.Furthermore, considering both FIG. 2 and FIG. 3 (a), it can be seen that the slope of the linear polarization degree according to the depth of the clouds is related only to the extinction coefficient and the saturation linear polarization degree is simultaneously related to the particle size and extinction coefficient. In addition, when the values of the linear polarization degree and the saturation linear polarization degree are measured, the two values are independent of each other, and thus can be regarded as two independent physical parameters.
도 3(b)에서는 라이다 수신광학계의 시야각(FOV)을 0.5mrad로 하고 나머지 조건은 도 3(a)에서와 같은 조건에서의 그래프를 표시하고 있다. 도 3(b)는 도 3(a)와 유사한 모양을 지니고 있으나, 포화선형편광도와 선형편광도 기울기 값이 다르다는 것을 볼 수 있다. 즉 포화선형편광도와 선형편광도는 라이다 장치의 시야각(FOV) 값에 따라 다르게 측정된다. 그러나, 시야각(FOV) 값을 고정한다면 이에 따르는 변수는 제거될 수 있다는 것도 알 수 있다.3 (b), the viewing angle (FOV) of the RIAM receiving optical system is set to 0.5 mrad, and the remaining conditions are graphs under the same conditions as in Fig. 3 (a). 3 (b) has a shape similar to that of FIG. 3 (a), but it can be seen that the saturation linear polarization and the linear polarization degree gradient value are different. That is, the saturation linear polarization and the linear polarization are measured differently depending on the viewing angle (FOV) value of the Lada device. However, it can also be seen that if the viewing angle (FOV) value is fixed, the corresponding variable can be eliminated.
앞서 검토한 바에 의하면 물방울 구름에서 후방산란된 라이다 신호의 선형편광도와 포화선형편광도는 우리가 구하고자 하는 물방울 입자의 유효 입자 크기와 물의 총량과 아래의 수학식 6 과 같은 관계를 가지게 된다.The linear polarization and the saturation linear polarization of the backward scattered Lada signal from the droplet cloud have the relation of the effective particle size of the droplet particle and the total amount of water to be obtained as shown in
즉, 고정된 라이다 수신광학계의 시야각(FOV)에서 선형편광도 기울기(SLP dlp )와 포화선형편광도(S a P dlp )는 유효 입자 크기 및 총량 혹은 유효 입자 크기 및 소광계수의 함수(보다 구체적으로는 1:1 함수 관계)로 포현될 수 있다는 것을 의미한다.That is, the linear polarization degree slope ( SLP dlp ) and the saturation linear polarization degree ( S a P dlp ) in the viewing angle (FOV) of the fixed Lattice receiving optical system are expressed as a function of effective particle size and total amount or effective particle size and extinction coefficient Specifically, a 1: 1 function relationship).
나아가, 수학식 6과 같이 주어진 식에서 유효 입자 크기(r eff )와 물의 총량(LWC)을 구하는 역산 문제에 있어서, 주어진 측정값(포화선형편광도, 선형편광도 기울기)으로부터 상태값(유효 입자 크기/소광계수 혹은 유효 입자 크기/LWC)을 구하기 위해서는 여러 가지 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 주어진 상태값과 측정값의 관계를 그래프나 룩업테이블(Look Up Table, LUT)로 미리 계산해 놓고 측정값을 이용하여 구하는 방법이 가능하고, 또한 주어진 수학식에 비선형최적화기법(nonlinear optimization)을 적용하여 해를 구하는 방법도 있다. 일반적으로 두 방법은 같은 결과를 나타내며, 어느 방법을 사용하더라도 무방하다.Further, from the given measurement value (saturation linear polarization degree, linear polarization degree slope) to the inverse problem of finding the effective particle size ( r eff ) and the total amount of water (LWC) in the given equation, / Extinction coefficient or effective particle size / LWC) can be used. For example, it is possible to calculate the relationship between a given state value and a measured value by using a graph or a lookup table (LUT) in advance and use a measured value. In addition, a nonlinear optimization technique ) To obtain the solution. In general, both methods show the same result, and either method can be used.
이어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 구름 물방울 입자의 유효 크기 및 총량 원격 측정 방법에 대하여 보다 구체적으로 살핀다. 도 4에서는 본 발명의 일실시예에 따른 물방울 구름의 유효 입자 크기 및 총량 측정 방법의 순서도를 보여주고 있다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 물방울 구름의 유효 입자 크기 및 총량 측정 방법은 구름에 편광 레이저를 조사하고 그로부터 산란된 수평 및 수직 편광 산란 신호를 얻는 단계(S410), 구름 깊이에 따른 선형편광도를 계산하는 단계(S420), 포화선형편광도 및 선형편광도 기울기를 산출하는 단계(S430), 소광계수를 산출하는 단계(S440), 유효 입자 크기를 산출하는 단계(S450) 및 물방울 입자의 총량을 산출하는 단계(S460)를 포함하여 구성될 수 있다. 아래에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 구름 물방울 입자의 유효 크기 및 총량 원격 측정 방법을 각 단계별로 나누어 자세하게 살핀다.Next, a method for remotely measuring an effective size and a total amount of cloud droplet particles according to an embodiment of the present invention will be described in more detail. FIG. 4 shows a flowchart of a method for measuring the effective particle size and the total amount of droplet clouds according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the method for measuring the effective particle size and the total amount of the droplet cloud according to an embodiment of the present invention includes the steps of irradiating a polarized laser to a cloud and obtaining horizontal and vertical polarized scattering signals scattered therefrom (S410) Calculating a linear polarization degree according to the depth of the cloud at step S420, calculating a saturation linear polarization degree and a linear polarization degree slope at step S430, calculating an extinction coefficient at step S440, S450) and calculating the total amount of droplet particles (S460). Hereinafter, a method for measuring the effective size and total amount of cloud droplet particles according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
먼저, 구름에 편광 레이저를 조사하고 그로부터 산란된 수평 및 수직 편광 산란 신호를 얻는 단계(S410)에서는 측정하고자 하는 구름 등 목적물로 소정의 방향으로 편광된 레이저를 조사한 후, 그로부터 산란된 신호를 수신하여 조사된 레이저와 같은 방향으로 편광된 라이다 신호(Ih) 및 이와 직각 방향으로 편광된 라이다 신호(Iv)를 얻는다. 상기 두 신호는 구름 깊이에 의존하는 값으로 구름 깊이에 따른 라이다 신호를 얻을 수 있다. 도 5(a)에서는 구름 깊이에 따른 직각 방향으로 편광된 라이다 신호(Iv)의 세기의, 도 5(b)에서는 구름 깊이에 따른 직각 방향으로 편광된 라이다 신호(Ih)의 세기의 측정치를 도시한 그래프를 예시하고 있다.First, in step S410 of irradiating the polarized laser to the cloud and obtaining the horizontal and vertical polarized light scattering signals scattered from the polarized laser, a laser beam polarized in a predetermined direction is irradiated to a target object such as a cloud to be measured and then a scattered signal is received A ladder signal I h polarized in the same direction as the irradiated laser beam and a ladder signal I v polarized in the direction perpendicular thereto are obtained. The two signals are values dependent on the depth of the clouds, and a signal can be obtained according to the depth of the clouds. Century of Figure 5 (a) in the 5 (b), also the strength of the La-polarized at right angles to the direction of the cloud depth signal (I v) is the La-polarized at right angles to the direction of the cloud depth signal (I h) As shown in FIG.
다음으로, 구름 깊이에 따른 선형편광도를 계산하는 단계(S420)에서는 상기 두 개의 편광된 라이다 신호(Ih, Iv)의 측정치를 상기 수학식4에 적용하여 선형편광도(Pdlp)를 구름 깊이별로 계산한다. Next, in step S420 of calculating the linear polarization degree according to the depth of the clouds, the measured values of the two polarized ladder signals I h and I v are applied to
이어서, 포화선형편광도 및 선형편광도 기울기를 산출하는 단계(S430)에서는 앞서 계산된 구름 깊이에 따른 선형편광도 계산치로부터 포화선형편광도 및 선형편광도 기울기를 산출하게 된다. 앞서 S420 단계에서 계산된 선형편광도를 이용하여 그래프를 구성하면 도 6과 같은 그래프가 만들어지게 된다. 이때, 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이 구름 깊이가 커지더라도 선형편광도가 포화되는 영역이 나타나므로, 이 영역에서의 선형편광도 값을 취하여 포화선형편광도 값을 산출할 수 있다. 나아가, 도 6에서와 같이 선형편광도 값에 변동(fluctuation)이 있는 경우, 선형편광도의 변화 추이를 고려하거나 평균치를 사용하여 포화선형편광도 값을 산출하는 것도 가능하다. 마찬가지로 도 6에서 선형편광도 값이 포화되기 전 영역에서의 기울기 값을 산출하여 선형편광도 기울기 값도 구할 수 있다.Then, in step S430 of calculating the saturation linear polarization degree and the linear polarization degree slope, the saturation linear polarization degree and the linear polarization degree slope are calculated from the calculated linear polarization degree according to the previously calculated cloud depth. If a graph is constructed using the linear polarization degree calculated in step S420, a graph as shown in FIG. 6 is created. At this time, as shown in FIG. 6, even if the depth of the clouds increases, a region in which the linear polarization degree is saturated appears, so that the value of the linear polarization degree in this region can be calculated to calculate the value of the saturated linear polarization degree. Further, when there is a fluctuation in the linear polarization degree as shown in FIG. 6, it is also possible to consider the change in the linear polarization degree or calculate the value of the saturated linear polarization degree using an average value. Similarly, in FIG. 6, the slope value in the region before the linear polarization degree value is saturated can be calculated to obtain the linear polarization degree slope value.
다음으로, 소광계수를 산출하는 단계(S440)에서는 앞서 S430 단계에서 산출된 선형편광도 기울기 값을 이용하여 소광계수를 산출하게 된다. 선형편광도 기울기는 도 7의 그래프에서 볼 수 있는 바와 같이 밀접하게 대응하는 관계에 있으므로 그래프를 이용하거나 미리 산정된 룩업테이블(LUT)을 이용하여 구름의 소광계수를 산출할 수 있다. Next, in step S440 of calculating the extinction coefficient, the extinction coefficient is calculated using the linear polarization degree slope value calculated in step S430. Since the slope of the linear polarization degree is closely related as shown in the graph of FIG. 7, the extinction coefficient of the cloud can be calculated using a graph or a look-up table (LUT) calculated in advance.
보다 구체적으로는, 몬테카를로(Monte Carlo) 등의 전산 시뮬레이션을 통하여 각 변수간의 관계(함수)를 도출하고, 이에 따라 다양한 경우에 대한 그래프 및 룩업테이블(LUT)을 도출할 수 있다. 예를 들어, 몬테카를로(Monte Carlo) 전산 시뮬레이션을 이용하여 선형편광도 기울기와 소광계수 사이의 관계를 도출하는 경우, 
또한, 유효 입자 크기를 산출하는 단계(S450)에서는 S440 단계에서 산출된 소광계수와 S430 단계에서 산출된 포화선형편광도를 이용하여 유효 입자 크기를 산출하게 된다. 즉, 포화선형편광도는 구름에 포함되는 소광계수 및 유효입자크기와 관련된 물리양인데, 소광계수는 앞서 S440 단계에서 산출하였으므로, 도 8의 주어진 소광계수에 대한 유효 입자 크기(x-축)대 포화선형편광도(y-축) 그래프 혹은 미리 산정된 룩업테이블(LUT)에서 S430 단계에서 산출한 포화선형편광도를 사용하여 유효 입자 크기를 산출할 수 있게 된다. 여기에서도 앞서 살핀 경우와 마찬가지로 몬테카를로(Monte Carlo) 등의 전산 시뮬레이션을 통하여 포화선형편광도와 유효 입자 크기 간의 관계(함수)를 도출하고, 이를 이용하여 도 8과 같은 그래프 또는 룩업테이블(LUT)을 구성할 수 있게 된다.In step S450 of calculating the effective particle size, the effective particle size is calculated using the extinction coefficient calculated in step S440 and the saturation linear polarization degree calculated in step S430. That is, the saturation linear polarization degree is a physical quantity related to the extinction coefficient and the effective particle size included in the cloud. Since the extinction coefficient was calculated in the step S440, the effective particle size (x-axis) It is possible to calculate the effective particle size using the linear polarization degree (y-axis) graph or the saturation linear polarization degree calculated in step S430 in the previously calculated look-up table (LUT). Here, the relationship (function) between the saturation linear polarization and the effective particle size is derived through a computer simulation of Monte Carlo and the like as in the case of the foregoing case, and the graph or the lookup table (LUT) .
마지막으로, 물방울 입자의 총량을 산출하는 단계(S460)에서는 앞서 S450 단계에서 산출한 유효 입자 크기와 S440 단계에서 산출한 소광계수를 이용하여 도 9의 그래프 혹은 미리 산정된 룩업테이블(LUT)에서 물방울 입자의 총량을 산출할 수 있게 된다. 도 9의 그래프는 앞서 살핀 수학식 1, 2, 3에서 산출될 수 있다.Lastly, in the step S460 of calculating the total amount of water droplet particles, using the graph of FIG. 9 or the look-up table (LUT) calculated in advance by using the effective particle size calculated in the step S450 and the extinction coefficient calculated in the step S440, The total amount of the particles can be calculated. The graph of FIG. 9 can be calculated from Equations (1), (2), and (3) shown above.
다음으로, 도 10에서는 본 발명의 일실시예에 따른 물방울 구름의 유효 입자 크기 및 총량 측정 시스템(100)의 블록도를 도시하고 있다. 도 10에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 물방울 구름의 유효 입자 크기 및 총량 측정 시스템(100)는 레이저 발생기(110), 반파장판(112), 망원경(120), 조리개(130), 렌즈(142, 144, 146), 광학 필터(150), 편광빔분할기(Polarization beam splitter)(160), 광검출기(172, 174), 아날로그-디지털 변환기(ADC)(182, 184) 및 처리부(190)를 포함하여 구성될 수 있다.Next, FIG. 10 shows a block diagram of a droplet cloud effective particle size and total
도 10에서 볼 수 있듯이, 먼저 레이저 발생기(110)에서 나온 빛은 반파장판(112)를 거치면서 소정의 방향 예를 들어 지면과 평행하게 좌우 방향으로 편광되어 구름 등의 측정 목적물로 조사된다. 조사된 편광 레이저는 구름에서 다중산란되어 후방산란되고 이는 망원경(120)을 통하여 모아져, 수신광학계의 시야각(FOV)을 결정하는 조리개(130)를 통하여 입사된다. 입사된 빛은 렌즈(142)을 통하여 평행광으로 만들어지고 다시 조사된 레이저 파장만 투과시키는 광학 필터(150)을 거친 후 편광빔분할기(Polarization beam splitter)(160)에 의하여 조사된 레이저와 같은 방향으로 편광된 빛은 아랫쪽으로 내려오고 그와 직각방향으로 편광된 빛은 왼쪽으로 반사되어 각각 렌즈(144, 146)를 통하여 집광된 후 광신호 검출기(172, 174)에 집속된다. 이렇게 얻어진 신호는 아날로그-디지털 변환기(ADC, Analogue Digital Convertor)(182, 184)나 광자계수기(Photon counter)를 통하여 거리에 따른 신호 크기로 변화된 후 컴퓨터 등으로 구성되는 처리부(190)로 전달되고, 상기 처리부(190)에서는 앞서 살핀 일련의 과정을 거쳐 전달받은 편광 신호의 세기로부터 구름에 포함된 물방울 입자의 유효 입자 크기 및 총량 등을 산출해내게 된다.10, the light emitted from the
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention but to illustrate the present invention. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.
100 : 구름 물방울 입자의 유효 크기 및 총량 원격 측정 시스템
110 : 레이저 발생기
112 : 반파장판
120 : 망원경
130 : 조리개
142, 144, 146 : 렌즈
150 : 광학 필터
160 : 편광빔분할기(Polarization beam splitter)
172, 174 : 광신호 검출기
182, 184 : 아날로그-디지털 변환기(ADC)
190 : 처리부100: effective size and total amount of cloud droplet particles telemetry system
110: laser generator
112: Half wave plate
120: Telescope
130: aperture
142, 144, 146: lens
150: Optical filter
160: Polarization beam splitter
172, 174: optical signal detector
182, 184: an analog-to-digital converter (ADC)
190:
Claims (14)
(b) 상기 각 산란 레이저 신호를 이용하여 구름 깊이에 따른 선형편광도를 계산하는 단계;
(c) 계산된 상기 선형편광도로부터 포화선형편광도 및 선형편광도 기울기를 산출하는 단계;
(d) 상기 선형편광도 기울기를 이용하여 소광계수를 산출하는 단계; 및
(e) 상기 포화선형편광도 및 소광계수를 이용하여 상기 측정 대상물에 포함된 액체 입자의 유효 입자 크기를 산출하는 단계를 포함하여 구성되며,
상기 (a) 단계에서 고정된 소정의 시야각에서 상기 산란 레이저 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 방법.(a) irradiating a measurement object including liquid particles with a laser signal polarized in a predetermined direction, and obtaining two scattered laser signals polarized in directions orthogonal to each other;
(b) calculating a linear polarization degree according to a depth of a cloud using each of the scattered laser signals;
(c) calculating a saturation linear polarization degree and a linear polarization degree slope from the calculated linear polarization degree;
(d) calculating an extinction coefficient using the linear polarization degree gradient; And
(e) calculating the effective particle size of the liquid particles contained in the measurement object using the saturation linear polarization degree and extinction coefficient,
Wherein the scattering laser signal is received at a predetermined viewing angle fixed in the step (a).
상기 (d) 단계에서 소광계수를 산출하거나,
상기 (e) 단계에서 액체 입자의 유효 입자 크기를 산출함에 있어,
미리 산정된 룩업테이블(Look Up Table) 또는 그래프를 이용하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 방법.The method according to claim 1,
The extinction coefficient is calculated in the step (d)
In calculating the effective particle size of the liquid particle in the step (e)
Characterized in that a pre-calculated look-up table or graph is used.
전산 시뮬레이션을 통하여 상기 룩업테이블(Look Up Table) 또는 그래프를 구성하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 방법.3. The method of claim 2,
Wherein the look-up table or graph is constructed through computer simulation.
상기 전산 시뮬레이션으로서 몬테카를로 기법을 사용하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 방법.The method of claim 3,
Wherein the Monte Carlo technique is used as the computational simulation.
상기 (d) 단계에서 소광계수를 산출하거나,
상기 (e) 단계에서 액체 입자의 유효 입자 크기를 산출함에 있어,
비선형최적화기법을 이용하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 방법.The method according to claim 1,
The extinction coefficient is calculated in the step (d)
In calculating the effective particle size of the liquid particle in the step (e)
Characterized in that a nonlinear optimization technique is used.
상기 (e) 단계에 이어서,
(f) 상기 소광계수와 유효 입자 크기를 이용하여 상기 측정 대상물에 포함된 액체 입자의 총량을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 방법.The method according to claim 1,
Following step (e) above,
(f) calculating a total amount of the liquid particles contained in the measurement object using the extinction coefficient and the effective particle size.
상기 (f) 단계에서 액체 입자의 총량을 산출함에 있어,
미리 산정된 룩업테이블(Look Up Table), 그래프 또는 비선형최적화기법을 이용하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 방법.The method according to claim 6,
In calculating the total amount of the liquid particles in the step (f)
Characterized in that a pre-estimated look-up table, graph or non-linear optimization technique is used.
상기 측정 대상물에 의하여 산란된 레이저 신호를 수신하고,
그로부터 서로 직각 방향으로 편광된 두개의 산란 레이저 신호를 얻는 수신부; 및
상기 수신부가 수신한 각 산란 레이저 신호로부터 구름 깊이에 따른 선형편광도를 구하고, 포화선형편광도와 선형편광도 기울기를 산출한 후, 소광계수를 구하여, 상기 측정 대상물에 포함된 액체 입자의 유효 입자 크기를 산출하는 처리부를 포함하여 구성되며,
상기 수신부는 고정된 소정의 시야각에서 상기 산란 레이저 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 시스템.A transmitter for irradiating a laser signal polarized in a predetermined direction to a measurement object including liquid particles;
Receiving a laser signal scattered by the measurement object,
A receiving unit for obtaining two scattered laser signals polarized in directions perpendicular to each other; And
A linear polarization degree corresponding to the depth of the cloud is obtained from each of the scattered laser signals received by the receiving section, a saturation linear polarization and a slope of the linear polarization degree are calculated, and then an extinction coefficient is determined to determine the effective particle size of the liquid particles contained in the measurement object And a processing unit for calculating,
Wherein the receiving unit receives the scattering laser signal at a fixed predetermined viewing angle.
상기 처리부가 소광계수 또는 액체 입자의 유효 입자 크기를 산출함에 있어,
미리 산정된 룩업테이블(Look Up Table)을 이용하거나 그래프를 이용하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 시스템.9. The method of claim 8,
In calculating the extinction coefficient or the effective particle size of the liquid particle,
Characterized in that a pre-calculated look-up table is used or a graph is used.
전산 시뮬레이션을 통하여 상기 룩업테이블(Look Up Table) 또는 그래프를 구성하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 시스템.10. The method of claim 9,
Wherein the look-up table or graph is constructed through computer simulation.
상기 전산 시뮬레이션으로서 몬테카를로 기법을 사용하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 시스템.11. The method of claim 10,
Wherein the Monte Carlo technique is used as the computational simulation.
상기 처리부가 소광계수 또는 액체 입자의 유효 입자 크기를 산출함에 있어,
비선형최적화기법을 이용하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 시스템.9. The method of claim 8,
In calculating the extinction coefficient or the effective particle size of the liquid particle,
Characterized by using a non-linear optimization technique.
상기 처리부는 상기 소광계수 및 액체 입자의 유효 입자 크기와 함께 상기 측정 대상물에 포함된 액체 입자의 총량도 함께 산출하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 시스템.9. The method of claim 8,
Wherein the processing unit also calculates the extinction coefficient and the effective particle size of the liquid particles together with the total amount of the liquid particles contained in the measurement object.
상기 액체 입자의 총량을 산출함에 있어,
미리 산정된 룩업테이블(Look Up Table), 그래프 또는 비선형최적화기법을 이용하는 것을 특징으로 하는 원격 액체 입자 특성 측정 시스템.14. The method of claim 13,
In calculating the total amount of the liquid particles,
Characterized in that a pre-estimated look-up table, graph or non-linear optimization technique is used.
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|---|---|---|---|---|
| KR20230021451A (en) * | 2021-08-05 | 2023-02-14 | 한밭대학교 산학협력단 | Short range fog-forecast system and methods using time dependent atmospheric aerosol extinction variations |
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