한국원자력연구소양자광학부

김덕현

레이저 레이더(라이다)를 이용한 구름 주변의 기상정보 획득

HISTORY

1994-1995 : Study on Stratospheric (15-40 km) Ozone Measurement

1996-1998 : Development of Mobile Pollution LIDAR System

- Trophospheric Range (1-3 km)

- Ozone, SO2, NO2

- Mobile and Scanning Function

1998-1999 : Development of Micropulse LIDAR System

- Trophospheric to near Stratospheic Range (1-20 km)

- Aerosol Measurement

1999-2000 : Study on Meteorological LIDAR

- Water Vapor Density

- Temperature

2000- 2003:

- Aerosol Sizing Measurement Using Multiwavelength Lasers

- Wind Velocity (Doppler LIDAR)

- Military Applications (Chemical & Biological Detection)

2004 – 2006 :

-기상 라이다 (온도, 습도, 에어로졸 측정용 라이다)

- 도플러 라이다 기초연구

물방울의 크기변화 측정- 파장에 후방산란계수 측정법

- 파장에 따른 물방울의 산란계수

발표내용

수증기와 물방울의 상변화 측정-수증기, 물방울,..등의 라란 산란신호 측정- 물의 상변화가 일어나는 위치 및 온도 측정

라이다의 원리 및 장치 구성- 라이다와 레이더- 산란이론- 라이다의 종류

라이다 ?

라이다 (LIDAR : Light Detection And Ranging)(Laser Identification And Ranging)

레이더 : 망원경라이다 : 현미경

250 nm부터 10 um 영역의 파장을 사용

- 작은 입자(1/λ4 ~1), 분자에 의한 Rayleigh(1/λ4) 산란 극대화- 비탄성산란 극대화 (1/λ4)- 비교적 근거리 (고도 : −80 km)

원격/직접(실시간) 측정, 3 차원scanning,구름, 바람장, 온도, 에어로솔습도, 에오솔모양,…

고도에 따른 기상인자 측정한계

Solium : wind, temperature

Incoherent Doppler Raman

water vapor

PRRtemperature

Rayleigh Temperature

Coherent CO2Doppler

DIAL WaterVapor

Electro-Magnetic Wave Scattering by molecule or particle

Size parameter (n=1.33, size parameter = π3D/λ)

원리 : electric dipole interaction

입자의 산란특성분자의 회전란만 특성

레이저에 의한 대기의 산란파장 특성

100 cm-1

1000 cm-1

Mie ScatteringLIDAR

Differential AbsorptionLIDAR (DIAL)

Raman ScatteringLIDAR

• Inelastic scattering

• Small cross sections

• Selectivity by frequency shifts

• Useful for the atmospheric

gases existing with large

amount

(N2, O2, CO2, H2O, etc)

Ground level

Excited level

λon

λoff

λoffvibrationallyexcited level

virtual level

Ground level

λRamanλlaser

hν

hν

Doppler LidarLIDAR

• Elastic scattering from

particles

• Large cross sections

• Non-selectivity

• Particle sizes can be

estimated by using multi-

wavelength laser sources

Small wavelength Change

Seeded Nd:YAG Laser: 0.0045 cm-1

Rayleigh Shift by ThermalBroadening : 0.063 cm-1

0.05 cm-1 equal to 400 m/secor 1.5 GHz

• Differential attenuation of two laser

beams is evaluated from their

backscattered signals.

( lon: resonance wavelength,

loff: detuned wavelength )

• Very sensitive, useful for pollution

gas measurement

• Complicated experimental setup

(expensive)

Various LIDAR Techniques

실험장치의 구성1

355nm의 회전라만 산란신호(질소)와 공기분자와 에어로졸에의한 탄성산란신호(355nm)를 받아서 355 nm에서의 에어로솔의후방산란신호를 얻을 수 있는 채널

532 nm의 의한 회전라만 산란신호 중에서 온도에 비례하는 신호 채널(J=12)와온도에 반비례하는 채널(J=6), 그리고 공기분자와 에어로졸에 의하여산란되는 탄성 산란 신로 채널 3 개로 나눈다. 최종적으로는 온도와 에어로졸의 후방산란신호를 얻는다.

수증기, 물방울, 그리고 기타 상태의 물의 진동 라만 산란신호를 얻는 채널은32 개의 채널로 구성되며, 각 채널은 수증기, 물방울(수소결합), 수소결합이 없는 물방울, 물방울의 표면에 존재하는 물의 라만 산란 신호그리고 이러한 물의 라만 산란 신호를 규격화(Normalization) 시키는 질소의진동라만 산란 신호를 얻는 채널로 구성된다.

실험장치의 구성2

CHS3(2)

PMT

PMTPMT

Rot-Raman2

J=-12~+12

AEROSOL2

Temp

CHS2(3)

Aerosol

PMT

PMT

PMTPMT

Rot-Raman1

J=2~6,-6~-2

J=7~12,-12~-7

AEROSOL 1

Temp

CHS1 (32)

PMT

PMT

PMTPMTλ3

λ4

λ5

H2O(v)

Surface

H2O(l)

PMTλ6

H2O(R)

PMT

N2

Mirror

Dichroic Mirror Holographic Notch filter

355nm

532nm

401-410nm

물의 변화 측정방법 두 가지 소개Korea Atomic Energy Research Institute

1. 물방울의 크기변화 측정을 통한 수증기의 상변화 관측

- 광학적 굴절율이 일정한 동일 물질에 대하여 적용가능함

- 정확한 후방산란신호 획득(회전라만신호 + 탄성산란신호)- 서로 다른 파장에서 얻은 후방산란 신호 비를 구함

후방산란계수에 따른 입자 크기후방산란계수에 따른 입자 크기

2. 수증기와 물방울의 라만 산란 측정

- 물방울(a), 물방울(b), 물방울(c), 그리고 수증기의 서로라만 신호를 측정한다.

- 각각의 신호 크기비를 얻음으로써 상대적인 양을 얻는다.- 두 물질간의 산호 변화 (phase 변화) 를 구한다.- 보조적으로 주위의 온도를 측정함

396 400 404 408 412

Filter 2Filter 1

Water vaporLiquid water

Wavelength, nm

물방울 크기 변화 측정방법

상세 물방울 크기 변화 측정 원리

신호분리(P1 & P2)

먼지공기

zair e

ZCP αβ 2

21−=

zaerosolair e

ZCP αβ 2

22−

+=

100

200

300

400

500

1E-3 0.01 0.1 1 10 100Y Axis Title

Hei

ght(x

37.5

m)

Rotation Raman Elastic Ratio ( Elastic/Rotation)

같은 파장 그러나 선택적 산란 신호 실례

공기+에어로졸

공기

구름주변에서 Backscattering Ratio (BR)

0 200 400 600 800 10000.1

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

1E7

Lida

r Sig

nal

Height(x37.5m)

355 Raman 355 Elastic532 Raman532 elastic

라이다 신호

40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

1E-4

1E-3

0.01

0.1

1

10

Bac

ksca

tterin

g C

oeff.

& B

R V

alue

Height(x37.5m)

355nm 532nm BRx5.04

후방산란 신호의 비

두 파장에서 얻은 라이다 신호로 부터각각의파장에서 후방산란 신호를 얻고 이로부터 파장에 따른 후방산란계수를 얻으면 작은 물방울 입자의 크기가 구름 주변에서 어떻게 분포하는지알 수 있다.

Boundary layer 에서는 BR 값이 0.6 정도되나, 구름에서는 그 값이 증가함을 알 수 있다. 즉 입자의 크기가 구름에서 크다는 것을 말해준다.

궁극적으로 이러한 측정을 실시간으로 빠른 속도로 측정 할 수 있다면, 굵은 입자의 구름이 생기기 전에 미리그 크기변화를 알 수 있다.

구름주변에서 Backscattering Ratio (BR)

고도에 따라서 BR 값이 점점 커지는 것으로 미루어 구름 알갱이의 크기가 커지는 것을 알 수 있다.

4월7일 초저녁늦은 저녁

20 40 60

0.1

1

10

100

1000

β ΑΕ/β

Μο

and

BR

Height(x37.5m)

355nm 532 nm BR

시간/고도에 따른 황사 입자의 크기(BR)변화

18 27 36

0.01

0.1

1

10

100

1000

β ΑΕ/β

Μο

and

BR

X Axis Title

3555nm532 nmBR

4 월 17일 전국적으로 황사가 출현한 날초저녁엔 BR 값이 낮은 지역에선 1 에서 높은 고도에선 0.2 까지 낮아짐.즉 낮은 고도엔 큰 입자들이 많이 존재하고 높은 고도에서는 작은 입자들이 존쟈함그리나 10 시 이후 늦은 시간부터는 고도에 따른 입자의 크기 분포에 뚜렷한 구별 없음그리고 에어로졸의 절대 밀도(후방산란계수)는 비슷한 것으로 미루어 황사 밀도는 변화가없음

다채널 라이다를 이용한 물의상변화 연구

다채널 물라만 라이다의 목적

최종 목적 :물의 상변화 실시간 관측을 통한실시간 대기 온도 측정을 통한구름형성 메커니즘 이해 및 구름의 이동경로 추적모델링에서 중한 입력 파라메타의 다차원 제공

본 연구의 범위Designing & manufacturing Multi-channel Raman lidarMeasuring multi channel water vapor (liquid water ) Raman signalIdentify the difference of Liquid water/water vapor channels

Why Multi channel ?

Complexity of Raman scattering spectrum depend on the number of OH bond, structure and temperature

Raman spectrum of surface water(prl, vol. 70, 2313p)

Raman spectrum for different phase(J. chem. Phys. Vol.77, 47p)

Key point in designing Raman system

시스템 디자인 아이디어 및 개략적인 구성

구름 측정에서는 다른 라만 신호 측정보다 구름에 의한 탄성산란 신호의 제거가 매우 중요하다.일반 대기 상태에서 두 신호의 비 ( Elastic : Water라만 = 1: 10-5 )

Double grating Monochrometer(10-8) + Holographic notch Filter ( 10-6)-> 10-14 Blocking ratio 탄성산란 신호 차단 효과를 얻을 수 있다.

Optical Fiber

Optical Fiber

Holographic Notch Filter

Grating(50x50mm,1800g/mm)

Lens(d=50mm,f=500mmLens(d=100mm,f=1000mm

Grating(100x100mm,1800g/mm)BA=21.1 degree

32 channelPhoton counter

전체 시스템 구성

32 channel

Holographic Notch filter

Water vapor/liquid water

Aerosol

PMT

PMT

PMTPMT

Rot-Raman1

J=2~6,-6~-2

J=7~12,-12~-7

AEROSOL 1

TempNitrogen Ramanfilter

532nm355nm

concentration of water per dry air( g /kg )

TemperatureAerosol backscattering Coeff.@532nm

Channel 17 : 404.6 nm(3453 cm-1)Channel 22 : 407.8 nm(3647 cm-1)

Channel 12 : Liquid 1Channel 19 : Liquid 2Channel 25 : Vapor 1Channel 29 : Vapor 2

510

1520

2530

0

2

20

40

60

Ram

an s

igna

l

Height(

x37.5

m)

Channel(wavelength)Ch12

Ch19Ch25

Ch29

파장 검정(CALIBRATION) 방법 및 전형적인 32 채널라만 신호

Calibration with Mercury Lamp

본 연구 발표에서 정의한 물방울/수정기의 용어정의

Liquid Bulk Water

- “ Open “ : water Hydrogen bonded molecule: overtone of bending vibration of molecular water: 3250 cm-1 ( liquid1 )

- “ Closed” : symmetric and anti-symmetric stretching vibration: 3450 cm-1 ( liquid2 )

Low temperature ice water ( completely coupled water)3150 cm-1

Water molecule3652 cm-1 ( Vapor1 )

Surface water Include Broken H bond > 3700 cm-1 ( free OH bond) ( vapor2 )

개발된 32 채널 수신장치로 얻은라만 스펙트럼(온도 : 25 도)

0 5 10 15 20 25 30 35

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

0.014

0.016

0.018

0.020

Liqu

id w

ater

Sig

nal&

fitti

ng

Channel2832 cm-1

4035 cm-1

물의 라만 스펨그럼

기존의 장치를 이용하여 얻은 라만 스펙트럼

맑은 날 얻어지는 전향적인 라이다 신호 및그 비(ratio) (Oct. 2, 2006)

All of the lidar signal have the same profile : constantLidar signal gives the concentration of each phaseliquid water(liquid1) and Vapor2 signals are quite low and similar shape

1000 2000

1

10

100

Lida

r Sig

nal

Height(m)

Liquid1 Liquid2 Vapor1 Vapor2

1000 2000

-1

0

1

Rat

io o

f Lid

ar s

igna

l

Height(m)

Liquid1/Vapor1 Liquid2/Vapor1 Vapor2/Vapor1

1000 2000

2

3

4

aero

sol b

acks

catte

ring

coef

f.

Height(m)

1000 2000

1

2

3

Lida

r sig

nal a

nd ra

tios

Height(m)

liquid1/vapor1 liquid2/vapor1 vapor2/vapor1

Liquid1 lidar signal is strongly depend on the cloud. Vapor1, liquid2 and Vapor2 are different from each otherVapor2 and liquid 2 have similar shape

Traditional Raman spectrum on cloudy day(Sep. 25, 2006)

1000m

600m

구름이 있는 날 얻어지는 전형적인 라만 스펙트럼( Sep. 19, 2006)

Cloud

Lidar signal (normalized with nitrogen Raman)(g/kg)

500 1000 1500 2000 2500

0.01

0.1

1

Lida

r Sug

nal

Height(m)

Liquid2 Vapor1

2250m

0 1000 2000 3000

0.1

1

10

Rat

io

Height(m)

liquid1/vapor1 liquid2/vapor1 vapor2/vapor1

2000m

Ratios

그름 주변에서의 온도변화 및 구름의 밀도( Sep. 25, 2006)

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 80000.1

1

10

100

1000

10000

100000

Lida

r Sig

nals

Height(m)

Nitrogen Raman(387nm)

Rotational Raman(J=6)

Elastic (532nm)

Rotationa Raman(J=12)

temperature

4000 5000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Tem

pera

ure

H e ight(m )

5500m

5500m

6000m

1000 2000 3000

0.2

0.4

Liqu

id2/

vapo

r1

Height(m)

물의 밀도와 온도 상의 변화Sep.9, 2006

1000 2000 30001E-4

1E-3

0.01

0.1

1

Sig

nal

and

ratio

Height(m)

Liquid2 Vapor1 Liquid2/vapor1

C1 C2 C3 C4 PC1 PC2

Summary

기상 파라메타 측정용 라이다 시스템을 개발

물의 라만 신호를 나타내는 각 채널은 대기상태에 따라 다른 특성을 지님을 확인.

물의 상변화는 구름 근처에서 일어난다.(구름 내부보다는, 외곽에서 물과 수증기의 비가 크다)

구름의 성장 혹은 연무가 발달하여 구름을 형성하는 경우 공간적으로 그 크기분포를 알 수 있기 때문에 밀도를 측정하는 것보다. 각 지점의 물의 상태(상, 물방울 크기)를 파악하는데 도움이 된다.

구름 주변에서 온도를 관측할 수 있었고, 때론 구름 내부보다 가장자리에서 온도가 더 낮은 경우도 관측할 수 있었다.

이러한 기상 라이다에서 얻어지는 정보는, 직접적으로는 온도, 습도 정보제공, 공기의 이동경로에 대한 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

1000 2000 3000

0

5

10

15

20

25

Aer

osol

bac

ksca

tterin

g C

oeff.

Height(m)

E G

500 1000 1500 2000

0

1

Rat

io(v

2/v1

)

( )

21:00) 23:00

500 1000 1500 2000 2500 3000-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0.00

0.02

0.04

Diff

eren

ce o

f Tem

pera

ture

Height(m)

이상한 구름(에어로졸, 갈색구름??) Sep.29, 2006

1000 20000.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

Con

cent

ratio

n of

wat

er (

g/kg

)

Height(m)

liquid2: 21:00 liquid2: 23:00

600 1200 1800

0.00

0.09

Con

tratio

n of

Wat

er(g

/kg)

Height(m)

Loquid1 : 21:00 Liquid1 : 23:00

1000 2000 3000

0

5

10

15

20

25

Aer

osol

bac

ksca

tterin

g C

oeff.

Height(m)

21:00 23:00

300 600 900 1200 1500

0.8

1.2

1.6

2.0

2.4

Rat

io

Height(m)

ch12/ch25 X

Time dependence of water concentration and phase distribution(1): peak is not cloudSep.29, 2006

????

?

1000 20000.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

Con

cent

ratio

n of

wat

er (

g/kg

)

Height(m)

liquid2: 21:00 liquid2: 23:00

1000 2000 3000

0

5

10

15

20

25

Aer

osol

bac

ksca

tterin

g C

oeff.

Height(m)

21:00 23:00

Time dependence of water concentration and phase distribution(2) peak is not cloud ?Sep.29, 2006

20 40

0.00

0.08

0.16

Liqu

id2/

vapo

r1

X Axis Title

21:00 23:00

?

1 0 0

0 .4

0 .5

0 .6

Y A

xis

Title

X A x is T i t le

E F G

100

0 .1

1

10Y

Axi

s Ti

tle

X A x is T itle

E F G

Aerosol density change very quickly & Temperature change (Sep.29, 2006)