1064/532nm 주사형 이중편광라이다시스템 개발과 이를 이용한 대전시 지역 상공 대기 물질의 파장의존성 계측

Ⅰ. 서 론

최근 온난화에 따른 각종기상이변과 대기유해물질 (황사, 미세먼지, 오염가스)에 의한 사회·경제적 피해가 보고되면서 대기환경 관측결과에 대한 일반인의 관심도 매우 증가되고 있다. 고도 1~2km 이하에 대기 중에 존재하는 각종 물질은 크게 입자상 에어로졸과 먼지, 가스물질, VOC(Volatile Organic Carbon), 수증기 및 구름 등으로 분류되며 이들 물질은 배출원의 위치 및 종류 그리고 기상조건에 따라 지역적으로 많은 분포 변화를 가진다[1][2].

이러한 대기 중 물질을 계측하는 각종 계측기로써 일반적으로는 측정시료를 장치 내로 흡입하여 분석하는 샘플러(PM10, PM2.5) 및 반도체센서가 가장 많이 사용되고 있으나[3][4], 이들 계측기는 그 측정범위가 측정기 주변에 제한되는 단점으로 인하여 최근에는 수십 미터~수 km까지 원거리측정이 가능한 광·원격 계측기가 원거리 대기측정용으로 많이 사용되고 있다. 이들 광·원격 계측기로는 FTIR(Fourier Transform InfraRed), DOAS(Differential Optical Absorption Spectroscopy), TDLAS(Tunable Diode Laser Spectroscopy) 및 라이다(LIDAR, LIght Detection and Ranging)등이 있다[5][6].

이중 라이다는 가·측정거리가 수 미터에서 최대 수십 km로 길고, 농도의 거리별 계측이 가능하며, 파장이 짧은 레이저를 사용하여 거리 및 시간분해능이 상대적으로 높다는 장점을 가진다. 라이다 종류로는 대기계측 물질에 따라 입자상 물질은 미-산란 라이다(Mie-Scattering), 가스측정용 차분흡수라이다(DIAL, Differential Absorption Lidar), 수증기측정 라만라이다(Water vapor raman Lidar), 구름측정라이다(Cloud Lidar) 등이 있으며[7][8] 기술적으로는 여러 파장을 동시에 사용하는 다파장 라이다(Muti-wavelengths Lidar), 편광측정이 가능한 편광라이다(Depolarization Lidar) 및 대기분자의 직접계측이 가능한 HSRL(High Spectral Resolution Lidar)등이 있다[9][10]. 최근에는 2-3종의 다파장을 사용하는 미산란-편광 라이다가 많이 개발되고 있는데 이는 다파장을 사용할 경우 대기물질 광학적 특성의 파장의존성 측정이 가능하고 대기물질의 형태(구형,비구형) 계측에 따른 대기물질의 종류 구분이 가능하다는 장점을 가지기 때문이다[11][12].

국내에서는 90년대 초반부터 미-산란 라이다가 개발되었으며 최근까지 다수의 연구그룹에 의해 미-라만 방식 및 미-편광방식 라이다를 이용한 대기물질 계측연구가 진행되어왔다[13][14]. 하지만 위의 계측연구들은 주로 대기물질의 수직분포 혹은 일정 직선거리의 경사계측에 대한 연구로써 측정지역이 레이저 발산각 주변의 좁은 공간으로 제한된다. 이러한 단점을 보완하기 위해 최근 회전주사계측(Scanning)방식을 이용한 라이다시스템의 개발과 이를 이용한 먼지 및 대기오염가스물질의 공간맵핑 연구가 국내·외에서 활발히 진행되고 있다[15]-[17]. 회전주사계측 방식은 넓은 영역에서의 배출원 위치 및 주변기상환경(바람,온도,습도)에 따른 대기물질의 공간 분포의 변화를 측정할 수 있다는 장점을 가지므로 지역별로 차별화된 대기질(Air quality) 예보에 매우 효율적이다.

본 연구는 기존의 연구에 사용된 532nm 미-편광 라이다[15]를 532nm 및 1064nm의 두 파장의 편광계측이 가능한 이중편광 라이다 시스템으로 재개발하고 이를 이용하여 대전 유성지역 상공의 대기물질을 회전주사 계측하여 맵핑한 결과에 대한 것으로써 최종적으로 대기물질의 파장의존성 및 지역별 분포변화를 분석하였다. 본 연구는 국내에서 최초로 시도된 이중편광파장을 사용한 대기물질의 회전주사계측 분석에 대한 것으로서 추후 대기물질 맵핑 분석에 의한 지역별 동네 대기질 예보에 바로 적용이 가능한 기술이다. 또한 개발된 다중파장 편광 계측 기술은 라이다 탑재 자동차의 악기상 조건을 고려한 자율주행 기술, 위성간 레이저통신, 및 위험가스 계측 기술에도 활용될 것으로 기대된다.

Ⅱ. 라이다시스템 및 알고리즘

2.1 이중편광 라이다시스템의 구성

본 연구에 사용된 라이다 시스템은 이중편광 라이다로써 532nm 및 1064nm 각각 파장의 수직, 수평편광 계측이 가능한 시스템이다. 그림 1은 본 라이다 송수신 및 신호처리 시스템의 전체 구성도를 나타내고 있다.

Fig. 1.

Block diagram of the Lidar system

송신 시스템은 1064nm 발진의 Surelite ΙII-10 Nd:YAG 고체 레이저를 기본으로 532nm 생성을 위한 2차고조파 발생기(SHG, Second Harmonic Generator), 송신광의 편광도를 조정하기 위한 편광기(Polarizer), 송신광의 단위면적당 파워를 줄이고 송신광의 발산각을 줄이기 위한 빔확산기(Beam expander)로 구성되어 있다. 빔확산기를 통과한 후 레이저광은 약 36mm의 직경을 가지며 전반사경 및 주사 반사경을 거쳐 망원경의 시야각과 동일한 축(Coaxial)을 가지고 대기 중으로 조사된다. 이때 레이저광의 발산각은 약 0.6~0.8mrad 이다. 주사반사경은 광의 송신 및 수신에 모두 사용되며 크기는 500×800mm이고 532nm, 1064nm에서 각각 92%, 90.6%의 반사율을 가지도록 설계 제작되었다.

주사 반사경은 2개의 모터기동기(Actuator)에 의해 회전기동 되며 회전각도는 수평 0~270도, 수직 0~90도 이다. 실제 계측시 반사경의 수직, 수평 회전각도 및 회전속도는 주사망원경 제어 프로그램에 의해 설정된 후 레이저와 연동되어 운전된다.

대기에 조사된 레이저광의 대기물질 산란반응에 의한 후방산란광은 회전 반사경 및 망원경에 의해 집광된다. 망원경의 구조는 뉴토니안 방식이며 주반사경(Primary mirror) 및 부반사경(Secondary mirror)의 지름은 각각 300mm, 100mm 이다. 망원경의 시야각 (FOV, Field of View)은 0.3~6.4mrad 범위내에서 조정하여 사용이 가능하다. 망원경 내부의 전 반사경을 통과한 광은 망원경 옆면의 핀홀(Pin hole) 및 렌즈(Lens)를 통과하여 분광기로 입사된다. 분광기는 송신파장과 동일한 532nm 및 1064nm 파장의 수직/수평 편광성분을 각각 걸러내어 검출할 수 있도록 4채널로 구성되었다.

분광기로 입사된 Dichroic Filter에 의해 532nm, 1064nm 파장으로 나눠지게 되며 이후 편광필터(Polarization filter)를 거쳐 각 파장의 수직/수평 편광성분 광으로 나눠지게 된다. 이후 파장폭 2nm의 협대역 필터(Interference filter) 및 렌즈를 거쳐 최종적으로 검출기에 의해 검출된다. 532nm 검출기로는 광전증배관(PMT, Photo Multiplier Tube)을 1064nm 검출기로는 어밸런치 광다이오드(APD, Avalanche Photo Diode)를 각각 사용하였다. 표 1은 본 시스템에 사용된 라이다장치의 주요제원을 나타내고 있다. 검출기에서 광전변환된 전기적 신호는 증폭기(Amplifier)를 거친 후 60MHz 12bit의 ADC(Analog Digital Convertor) 변환기에 의해 거리별 신호의 세기 값으로 신호 처리된다.

Table 1.

Specification of the Lidar system

Ⅲ. 대전시 지역 상공의 에어로졸의 계측

본 532nm, 1064nm 이중편광 주사형 라이다 시스템을 이용하여 대전 유성지역 상공의 대기 에어로졸의 편광비를 측정하였다. 본 계측은 서구 도안동에 위치한 목원대학교 산학협력단 창업보육센터 건물을 기점으로(36.324439N, 127.337885E)하여 유성구 덕송초등학교(36.358750, 127.318653)를 회전원점(0도)롤 하여 우측으로 수평 60도 회전 계측하였다.

10Hz 송신 레이저와 동기화 된 회전주사 계측시간은 2도 회전당 1분으로 총 60도 계측에 소요된 시간은 30분이며 얻어진 프로파일은 총 30개이다. 레이저 송신 수직각도는 관측기점의 근거리에 위치한 건축물(아파트)을 회피하기 위해 10도로 설정하였다. 1개의 프로파일당 거리분해능은 12m이며 최대 12km 까지 데이터를 얻었으나 배경광 및 신호유도 잡음 제거 후 532nm, 1064nm 전 채널에서 신호의 통계적 오차(Statistical error)가 10% 미만인 4km까지만 데이터로 표출하였다. 60도 회전 계측을 통해 각각의 파장에서 얻어진 30개의 편광비 프로파일 데이터를 Contour 데이터 처리 후 대전시내의 지도에 오버랩하여 대전상공의 에어로졸 편광비분포를 맵핑하였다.

본 시스템은 주·야간 계측이 가능하나 배경광 크기의 제한으로 계측은 야간에 진행하였다. 본 계측시 기상조건으로 기상청 미세먼지 분포는 PM10 기준으로 25μg/m³ 으로 낮은 값을 보였으며 흐리고 낮은 구름이 있는 상태였다. 그림 3, 4는 2022년 1월19일 저녁9시부터 9시30분까지 30분동안 계측된 532nm 및 1064nm의 편광비 분포를 나타내고 있다. 그림 5는 1064nm 편광비와 532nm 편광비의 비인 파장의존성 값 RDR을 나타낸 것이다.

Fig. 3.

Scanning measurement of 532nm depolarization ratio on Jan. 09, 2022 over Yuseung, Daejeon city

Fig. 4.

Scanning measurement of 1064nm depolarization ratio on Jan. 09, 2022 over Yuseung, Daejeon city

Fig. 5.

RDR distribution Measured on Jan. 09, 2022 over Yuseung, Daejeon city

Ⅳ. 계측자료의 분석 및 검토

그림 3에서 532nm의 편광비 값은 전체지역에서 0.01~0.10(1~10%)내의 값을 나타내었으며 전체평균값은 0.048(4.8%)이다. 관측기점을 중심으로 원신흥동-봉명동-유성온천역 방면에서 기타 지역보다 약 2~3%정도의 높은 값을 나타내고 있다. 기존의 보고에 의하면 532nm의 편광비[%]의 경우 스모그 나 오염가스의 경우는 0.2~10%, 바이오메스의 경우는 7~13%, 스모크와 먼지의 경우 12~55% 정도로 보고되고 있다[17]. 하지만 water cloud의 경우에도 1~15%의 값을 cirrus cloud 경우에도 그 두께에 따라 5%~60%의 값을 가지므로[20] 532nm 단일 파장에 의한 대기성분 물질의 분류에는 한계를 가진다.

그림 4에서 1064nm의 편광비는 그림 3의 532nm 편광비와는 매우 상이한 분포값을 나타내었다.

전체지역에서에서는 약 0.03~0.25(1~25%)의 값을 가지며 평균값은 0.064(6.4%)이다. 관측기점을 중심으로 2.5km이하에서는 평균 0.043(4.3%)의 값을 2.5~4km 지역에서 0.083(8.3%)으로 높은 값을 나타내었으며. 특히 3.5km 이상에서의 특정지역에서는 0.2~0.6(20~60%)이상의 높은 값을 나타내기도 하였다. 대기 물질의 종류에 따른 편광비의 파장 의존성에 관한 보고에 따르면 입자가 적고 구형인 오염입자(Pollutant matter)의 경우 532nm를 기준으로 파장이 증가할수록 편광비는 감소하며, 입자가 크고 비구형인 먼지(Dust)혹은 cirrus cloud의 경우 파장이 증가할수록 편광도도 비례하여 커진다[21][22].

그림 5는 식 (4)에 의해 계산된 파장의존성 RDR값의 분포를 나타내고 있다. 그림에서 파란색의 부분은 RDR 1이하의 값을 나타내고 있으며 이는 1064nm의 편광비가 532nm의 편광비 보다 낮은 것이다. 관측기점에서 1.5km 이내에서 RDR의 평균값은 0.827 이고, 1.5~3km의 지점에서의 평균값은 1.358, 3km 이상의 RDR 값이 큰 지역에서의 평균값은 5.08로 매우 크게 나타났다. 이러한 큰 값은 그림 5에서 초록색으로 표시된 RDR값이 10이상인 지역이 부분적으로 존재하기 때문이다. 그림 RDR 값의 프로파일 별 분포변화를 4개의 개별 프로파일을 선택하였다. 그림 6, 7, 8, 9는 그림 5의 (a), (b), (c), (d)로 표시된 프로파일에서의 RDR 값 및 532nm, 1064nm의 편광비의 값을 나타내고 있다. 이때 회전각도는 각각 20도, 26도, 44도, 52도 이다.

Fig. 6.

Profiles of RDR (a)-1 and 1064nm, 532nm depolarization ratio, (a)-2 at rotation angle 20°

Fig. 7.

Profiles of RDR (a)-1 and 1064nm, 532nm depolarization ratio, (a)-2 at rotation angle 26°

Fig. 8.

Profiles of RDR (a)-1 and 1064nm, 532nm depolarization ratio, (a)-2 at rotation angle 44°

Fig. 9.

Profiles of RDR (a)-1 and 1064nm, 532nm depolarization ratio, (a)-2 at rotation angle 52°

그림 6의 회전각도 20도 계측 프로파일의 경우 1064nm와 532nm 편광비가 0.1(10%) 이내로 낮으며 RDR값도 1보다 낮은 구간(1.7km이하, 3.5~3.75km)과 높은 구간(1.75~3.4km)이 교차하여 나타난다. 이는 기존의 보고들과 비교 할 때 대기 오염물질과 약한 먼지의 입자상 물질이 혼재되어 분포하여 나타난 것으로 보인다.

그림 7의 회전각도 26도의 계측에는 3.1km 이하의 구간에서는 20도의 프로파일과 비슷한 1064nm 와 532nm 편광비값을 나타내고 있으나 3.1km 이상의 구간에서 1064nm의 편광비가 증가하며 동시에 532nm의 편광비는 감소하여 RDR의 값은 3.25km이상에서 5이상 최대 11의 값을 나타내고 있다.

1064 nm 편광비의 증가 0.1~0.2(10~20%)의 경우에는 cloud 혹은 먼지에 의한 영향으로 분석되나 같은 구간에서 532nm 편광비의 감소가 이루어지므로 이는 먼지에 의한 증가 보다는 water cloud의 경우로 분석된다. 먼지의 경우나 cirrus cloud의 경우에는 구름의 두께 및 입자의 크기에 따라 다르긴 하나 일반적으로 구름의 표면에서 1064nm와 532nm의 편광비는 동시에 증가한다.

그림 8의 회전각도 44도의 경우에도 3.3km 이하의 구간에서 RDR은 2이하의 낮은값을 나타내고 있다. 이후 3.35km 이상의 구간에서는 1064nm 편광비는 증가 532nm는 감소하는 경향을 나타내며 값은 두 편광비 모두 그리 크지 않아 RDR은 5이하의 값을 나타내지만 역시 water cloud에 의한 값으로 보인다.

그림 9의 회전각도 52도의 경우에서는 3.2 km이상의 구간에서 1064nm의 편광비가 급격히 증가하면서 3.9km구간에서 약 0.6(60%)의 매우 큰 편광비를 나타내고 있다. 같은 구간에서 532nm는 0.05(5%)이하의 값을 나타내고 있다. RDR값은 5이상으로 약 26의 최대값을 나타내고 있다. 이러한 1064nm 편광비의 증가 532nm 편광비의 감소는 그림 7, 8의 3.5 km이상에서의 변화와 같은 경향이나 1064nm의 값이 60%이상으로 매우 크게 나타난 것은 일반적인 water cloud의 경우로 보기에는 매우 큰 값이다. 이의 높은 값에 대하여서는 구름 물방울 입자크기, 입자의 수, 구름 내부에서의 다중산란효과 혹은 라이다 장치의 FOV값 설정, 송수신 광축의 불일치 등[19]의 다양한 해석이 가능하나, 실제 어떠한 영향에 의한 것인지는 좀 더 분석이 필요해 보인다.

표 2는 1064nm, 532nm 편광비의 값과 RDR값의 결과에서 1064nm 편광비가 높은, 532nm 편광비가 높은, RDR값이 높은 지역을 거리별 구간으로 정리한 것이다. 지역별로 다소 분포의 차이는 있으나 평균적으로 1.5km 이하의 구간에서는 RDR값이 0.82이하로 532nm의 편광비가 1064nm의 편광비보다 높은 분포를 보였으며 1.5~3km구간에서는 RDR값이 1.37으로 1064nm 편광비가 532nm 편광비보다 높은 값을 3~4km 구간에서는 RDR값이 3.77로 1064nm 편광비가 상대적으로 매우 높은 값을 나타내었다. 이는 기존의 계측보고와 비교할 때 3km 이하의 구간에서는 지역 오염물질과 먼지가 혼재하며 3km이상에서는 이들 물질과 동시에 구름이 지역별로 분포하는 것으로 보인다.

Table 2.

Distribution of 1064nm, 532nm depolarization ratio (DPR) and RDR over Yuseung area, Daejeon city

Ⅴ. 결 론

본 연구에서는 1064nm 및 532nm 의 수직, 수평편광 광을 이용하여 대기물질의 편광비를 계측할 수 있는 주사형 이중편광라이다 시스템을 구성하고 이를 이용하여 대전 목원대를 관측기점으로 4km 이내의 유성지역 상공의 편광비를 60도 회전 주사계측 하였다. 본 계측의 결과로써 라이다 1064nm 편광비는 532nm 편광비와 지역적으로 많은 차이를 나타내는 것을 알 수 있었다. 또한 1064nm 편광비와 532nm의 편광비를 비교한 RDR값을 분석하여 532nm 편광비만을 단독으로 계측할 때는 분석할 수 없었던 오염물질 혹은 구름의 파장의존성도 알 수 있었다.

기존의 계측보고와 본 계측결과를 비교하여 분석하였을 때 지역적으로 3km 이하의 구간에서는 대기오염물질과 먼지가 혼재하며 3km 이상에서는 지역적으로 낮은 구름이 존재하는 것으로 보인다. 하지만 구름의 경우 1064nm의 편광비가 기존의 보고와 비교하여 비교적 높은 값을 나타내는 것으로 나타났다. 이러한 차이는 시스템의 구성 및 잡음 제거과정에 따른 시스템오차(Systematical error) 및 신호의 통계적오차(Statistical error)에 기인한 것으로 보인다. 본 시스템 및 계측결과의 정확성을 검증하기 위해서는 위의 오차요인에 대한 정밀한 분석과 더불어 동일한 편광도 및 RDR값을 도출할 수 있는 기타장치에 의한 비교검증이 필요하며 이는 앞으로 추가 진행되어야 할 과제이다.

본 연구는 기존의 대기물질의 수직측정과는 차별화된 회전주사형 이중편광방식 라이다에 의한 대기물질의 측정으로 앞으로 다중파장을 이용하여 대기물질의 종류를 분별하는 연구에 많은 도움이 될 것으로도 기대한다.

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