KR20240018749A - aerosol PM2.5 retrieval method and system from aerosol extinction coefficient Using wavelength dependent aerosol extinction coefficients power exponent - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 미세먼지의 광학적 소산계수를 이용하여 미세먼지의 총량을 얻는 기술에 관한 것으로, 자세하게는 간단한 방법으로 초미세먼지에 의한 산란계수를 두 파장이상에서 얻고 보정된 산란계수와 PM2.5의 관계 그래프 혹은 표를 이용하여 PM2.5의 값을 추정하는 파장에 따른 멱지수 값을 이용하여 소산계수로부터 PM2.5 입자를 추출하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a technology for obtaining the total amount of fine dust using the optical dissipation coefficient of fine dust. In detail, the scattering coefficient due to ultrafine dust is obtained at more than two wavelengths in a simple method, and the corrected scattering coefficient and PM2.5 It relates to a method and system for extracting PM2.5 particles from the dissipation coefficient using a power exponent value according to the wavelength to estimate the value of PM2.5 using a relationship graph or table.
현재 환경부에서는 미세먼지의 질량을 직경 10마이크로미터보다 작은 것, 2.5마이크로미터보다 작은 것으로 분류하여 측정한다. 이때 일정 크기 이하의 미세먼지의 총량을 얻는데 있어 측정치를 충분히 얻기 위하여 일정 간격의 시간이 소요되며 국지적인 일부의 미세먼지만 흡입하여 측정하기 때문에 빠른 측정이 어렵고, 넓은 지역을 대표하는 것은 힘든 실정이다.Currently, the Ministry of Environment measures the mass of fine dust by classifying it into those smaller than 10 micrometers in diameter and those smaller than 2.5 micrometers in diameter. At this time, in obtaining the total amount of fine dust below a certain size, it takes a certain amount of time to obtain sufficient measurement values, and since only a small portion of fine dust is inhaled and measured locally, it is difficult to measure quickly, and it is difficult to represent a wide area. .
따라서 대기 공간에 존재하는 입자에 의한 평균 소산계수가 사진이나 기타 레이저를 이용하여 순간적으로 얻을 수 있고 한 지점이 아니라 전체 공간에서의 평균 값을 제공하기 때문에 전체를 대표하는 값으로 선호되고 있다.Therefore, the average dissipation coefficient by particles existing in atmospheric space can be obtained instantaneously using photography or other lasers, and is preferred as a value representing the entire space because it provides the average value in the entire space rather than a single point.
그러나 환경부의 표준 측정 물리량이 단위 부피에 존재하는 질량이기 때문에 다른 단위의 소산계수로부터 질량을 얻는 방법은 아직까지 그 오차를 많아 포함할 수밖에 없다. 즉 소산계수는 단위부피에 존재하는 미세먼지의 질량이 아니고 면적이므로 이러한 단위차이에서 문제가 발생하는 것으로 물리량이 단위부피당 총 입자의 질량을 의미하며 장치는 대기 중의 입자를 흡입하는 부분, 크기 별로 분리하는 부분, 그리고 입자의 질량을 측정하는 부분으로 나뉘므로 이에 따른 측정 방법의 번거로움과 넓은 지역을 대표하지 못하는 점, 그리고 고가인 점 등의 이유 때문에 도시 전체를 혹은 넓은 지역을 파악하는 데는 어려움이 있다.However, because the Ministry of Environment's standard measured physical quantity is mass that exists in a unit volume, the method of obtaining mass from the dissipation coefficient of other units is still bound to include many errors. In other words, the dissipation coefficient is not the mass of fine dust existing in a unit volume, but an area, so the problem arises from this difference in units. The physical quantity refers to the total mass of particles per unit volume, and the device separates particles in the air by part and size. Since it is divided into a part that measures the mass of particles and a part that measures the mass of particles, it is difficult to understand the entire city or a large area due to the cumbersome measurement method, the inability to represent a large area, and the high price. there is.
또한, 주어진 크기 이하의 범위(PM2.5의 경우 2.5마이크로미터)에 존재하는 초미세입자(fine particle)는 기상조건이나 발생 원인에 따라서 일정 폭의 분포와 특정 크기가 최대로 많은 로그노말(lognormal) 분포를 하게 된다. 즉 초미세먼지의 입자의 크기와 분포의 변화는 입자의 생성 원인과 기상조건 등의 다양한 원인에 의하여 변하게 된다.In addition, ultrafine particles that exist in the range of a given size or less (2.5 micrometers in the case of PM2.5) have a lognormal distribution with a certain width and a maximum number of a specific size depending on weather conditions or causes of occurrence. It is distributed. In other words, changes in the size and distribution of ultrafine dust particles change due to various causes such as the cause of particle generation and weather conditions.
이때 입자에 의한 소산 정도는 입자의 크기와 사용하는 파장에 따라 그 효율을 달리한다. 이러한 이유로 같은 질량의 입자가 존재하더라도 입자의 크기가 바뀌면 소산계수 값은 달라지게 된다. 그러므로 입자의 크기 변화를 감지하는 기술이 없으면 입자에 의한 소산효율의 변화만으로 입자의 총량을 얻은 것은 이론적으로 불가능하고, 현실적으로는 많은 오차를 갖게 된다. At this time, the efficiency of the degree of dissipation by particles varies depending on the size of the particle and the wavelength used. For this reason, even if particles of the same mass exist, the dissipation coefficient value changes when the particle size changes. Therefore, without technology to detect changes in particle size, it is theoretically impossible to obtain the total amount of particles solely through changes in dissipation efficiency by particles, and in reality, there will be many errors.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 단위차이에서 발생하는 문제를 해결하기 위하여 간단한 방법으로 초미세먼지에 의한 산란계수를 두 파장이상에서 얻고 보정된 산란계수와 PM2.5의 관계 그래프 혹은 표를 이용하여 PM2.5의 값을 추정하는 파장에 따른 멱지수 값을 이용하여 소산계수로부터 PM2.5 입자를 추출하는 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.The present invention was created to solve the above problems. The purpose of the present invention is to obtain the scattering coefficient due to ultrafine dust at two or more wavelengths in a simple method in order to solve the problem arising from the unit difference and calculate the corrected scattering coefficient. It provides a method and system for extracting PM2.5 particles from the dissipation coefficient using a power exponent value according to the wavelength that estimates the value of PM2.5 using a relationship graph or table between PM2.5 and PM2.5.
상기와 같은 목적을 위해 본 발명 소산계수로부터 PM2.5 입자를 추출하는 시스템은 대기 중의 초미세먼지 PM2.5 입자를 측정함에 있어서, 두 개 이상의 파장의 빛을 이용하여 각 파장별 소산계수를 얻는 소산계수취득부; 각 파장별 소산계수를 이용하여 옴스트롱지수를 구하는 AE산출부; 구해진 옴스트롱지수의 설정된 범위를 통해 얻은 소산계수와, PM2.5 입자의 상관관계함수를 구하는 함수생성부; 상기 상관관계함수를 이용하여 단위 부피에서의 PM2.5 입자의 총질량을 산출하는 입자산출부; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.For the above purpose, the system for extracting PM2.5 particles from the dissipation coefficient of the present invention uses light of two or more wavelengths to obtain the dissipation coefficient for each wavelength in measuring ultrafine dust PM2.5 particles in the atmosphere. Dissipation coefficient acquisition unit; AE calculation unit that calculates the Angstrong index using the dissipation coefficient for each wavelength; A function generator that calculates the correlation function of the dissipation coefficient obtained through a set range of the obtained Angstrong index and the PM2.5 particles; a particle calculation unit that calculates the total mass of PM2.5 particles in unit volume using the correlation function; It is characterized by consisting of.
이때 상기 소산계수취득부는, 라이다, 카메라의 RGB 파장, 태양 추정장치로 얻은 미세먼지의 광학적 깊이, 한 포인트에서 소산이나 산란계수를 얻은 네팔로메터를 포함한 산란현상을 측정하는 수단으로부터 산란계수를 얻을 수 있다.At this time, the dissipation coefficient acquisition unit obtains the scattering coefficient from means for measuring scattering phenomena, including LiDAR, the RGB wavelength of the camera, the optical depth of fine dust obtained by a solar estimation device, and the nepalometer that obtains the dissipation or scattering coefficient at one point. You can get it.
또한, 상기 소산계수취득부는, 카메라처럼 다른 범위의 넓은 파장영역에 따른 서로 다른 두 파장으로 가시광선에서 NIR(NearInfrared)영역의 파장을 활용할 수 있다.In addition, the dissipation coefficient acquisition unit can utilize wavelengths in the NIR (Near Infrared) region from the visible light with two different wavelengths according to different wide wavelength regions like a camera.
또한, 상기 함수생성부는, 상기 옴스트롱지수의 설정된 범위는 마이너스 값으로부터 4사이의 모든 영역을 선택된 범위로 나누어서 사용할 수 있다.Additionally, the function generator may use the set range of the Angstrong index by dividing all areas between minus values and 4 into the selected range.
또한, 상기 함수생성부는, 초미세먼지의 총량(Vf)과 조대입자의 총량(Vc)과 초미세먼지의 중심크기(rf)과 조대입자의 중심크기(rc)과 초미세먼지의 중심폭(σf)과 조대입자의 중심폭(σc)의 6가지 매개변수의 변화에서 얻어진 소산계수 및 PM2.5입자 질량의 상관관계에서 옴스트롱지수가 설정범위에 있는 것만 계산하여 상관관계함수를 구할 수 있다.In addition, the function generator generates the total amount of ultrafine dust (V f ), the total amount of coarse particles (V c ), the center size of ultrafine dust (r f ), the center size of coarse particles (r c ), and the ultrafine dust. In the correlation between the dissipation coefficient and PM2.5 particle mass obtained from changes in the six parameters of the center width (σ f ) and the center width (σ c ) of coarse particles, the Angstrong index is calculated by calculating only those within the set range. The relationship function can be obtained.
또한, 상기 6가지 매개변수의 변화에서 얻어진 소산계수 및 PM2.5입자 질량의 상관관계는, 설정된 기간동안의 대기측정에 따른 6가지 매개변수의 범위를 반영하되 굴절율을 일정한 값으로 고정하여 계산함으로 얻어질 수 있다.In addition, the correlation between the dissipation coefficient and PM2.5 particle mass obtained from changes in the above six parameters is calculated by reflecting the range of the six parameters according to atmospheric measurements over a set period, but fixing the refractive index at a constant value. can be obtained.
본 발명 소산계수로부터 PM2.5 입자를 추출하는 방법은 대기 중의 초미세먼지 PM2.5 입자를 측정함에 있어서, 두 개 이상의 파장의 빛을 이용하여 각 파장별 소산계수를 얻는 소산계수취득단계; 각 파장별 소산계수를 이용하여 옴스트롱지수를 구하는 AE산출단계; 구해진 옴스트롱지수의 설정된 범위를 통해 얻은 소산계수와, PM2.5 입자의 상관관계함수를 구하는 함수생성단계; 상기 상관관계함수를 이용하여 단위 부피에서의 PM2.5 입자의 총질량을 산출하는 입자산출단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The method of extracting PM2.5 particles from the dissipation coefficient of the present invention includes a dissipation coefficient acquisition step of obtaining the dissipation coefficient for each wavelength using light of two or more wavelengths in measuring ultrafine dust PM2.5 particles in the air; AE calculation step of calculating the Angstrong index using the dissipation coefficient for each wavelength; A function generation step of calculating the correlation function of the dissipation coefficient obtained through a set range of the obtained Angstrong index and the PM2.5 particles; A particle calculation step of calculating the total mass of PM2.5 particles in unit volume using the correlation function; It is characterized by consisting of.
이때 상기 소산계수취득단계는, 라이다, 카메라의 RGB 파장, 태양 추정장치로 얻은 미세먼지의 광학적 깊이, 한 포인트에서 소산이나 산란계수를 얻은 네팔로메터를 포함한 산란현상을 측정하는 수단으로부터 산란계수를 얻을 수 있다.At this time, the dissipation coefficient acquisition step is to obtain the scattering coefficient from means of measuring the scattering phenomenon, including LiDAR, the RGB wavelength of the camera, the optical depth of fine dust obtained by a solar estimation device, and the nepalometer that obtains the dissipation or scattering coefficient at one point. can be obtained.
또한, 상기 소산계수취득단계는, 카메라처럼 다른 범위의 넓은 파장영역에 따른 서로 다른 두 파장으로 가시광선에서 NIR(NearInfrared)영역의 파장을 활용할 수 있다.In addition, the dissipation coefficient acquisition step can utilize wavelengths in the NIR (Near Infrared) region from visible light with two different wavelengths in a wide wavelength range like a camera.
또한, 상기 함수생성단계는, 상기 옴스트롱지수의 설정된 범위는 마이너스 값으로부터 4사이의 모든 영역을 선택된 범위로 나누어서 사용할 수 있다.Additionally, in the function creation step, the set range of the Angstrong index can be used by dividing all areas between minus values and 4 into the selected range.
또한, 상기 함수생성단계는, 초미세먼지의 총량(Vf)과 조대입자의 총량(Vc)과 초미세먼지의 중심크기(rf)과 조대입자의 중심크기(rc)과 초미세먼지의 중심폭(σf)과 조대입자의 중심폭(σc)의 6가지 매개변수의 변화에서 얻어진 소산계수 및 PM2.5입자 질량의 상관관계에서 옴스트롱지수가 설정범위에 있는 것만 계산하여 상관관계함수를 구할 수 있다.In addition, the function generation step includes the total amount of ultrafine dust (V f ), the total amount of coarse particles (V c ), the center size of ultrafine dust (r f ), the center size of coarse particles (r c ), and the total amount of ultrafine dust (V c ). From the correlation between the dissipation coefficient and PM2.5 particle mass obtained from changes in six parameters of the center width of dust (σ f ) and the center width of coarse particles (σ c ), only the Angstrong index is calculated within the set range. The correlation function can be obtained.
또한, 상기 6가지 매개변수의 변화에서 얻어진 소산계수 및 PM2.5입자 질량의 상관관계는, 설정된 기간동안의 대기측정에 따른 6가지 매개변수의 범위를 반영하되 굴절율을 일정한 값으로 고정하여 계산함으로 얻을 수 있다.In addition, the correlation between the dissipation coefficient and PM2.5 particle mass obtained from changes in the above six parameters is calculated by reflecting the range of the six parameters according to atmospheric measurements over a set period, but fixing the refractive index at a constant value. You can get it.
본 발명은 2개 이상의 파장에서 소산계수를 원격으로 측정하여 넓은 지역을, 빠르게, 그리고 정확하게 측정할 수 있도록 한다. 또한, 입자 크기가 어떻게 이동했는지 예측하여 소산계수로부터 보다 더 정확한 입자의 질량(PM2.5)을 얻고 동시에 입자의 크기변화를 모니터링하여 입자의 소산계수만 측정하여도 입자의 질량을 적은 오차로 얻을 수 있다.The present invention remotely measures the dissipation coefficient at two or more wavelengths, making it possible to measure a large area quickly and accurately. In addition, by predicting how the particle size has moved, a more accurate particle mass (PM2.5) can be obtained from the dissipation coefficient. At the same time, by monitoring the change in particle size, the particle mass can be obtained with a small error by only measuring the particle dissipation coefficient. You can.
넓은 지역의 소산계수를 측정하는 방법으로는 카메라를 이용하여 수동적으로 측정하거나, 레이저(CW-laser 혹은 펄스 레이저)를 이용하여 능동적으로 측정하는 방법 모두에 적용이 가능하다. 하지만, 기존의 기술은 소산계수와 PM2.5 의 관계를 습도만 고려하여 1:1 관계로 두는 방법을 이용하기 때문에 오차가 심하고, 환경 보건과 같이 민감한 사항에 적용하기엔 어움이 있는데 반해, 본 발명에서는 입자의 총 적분량(PM2.5)은 같아도 입자에 의한 소산계수는 입자의 크기분포에 매우 민감하기 때문에 입자의 크기 변화를 고려한 보정이 이루어지게 된다.Methods for measuring the dissipation coefficient in a large area can be applied to either passive measurement using a camera or active measurement using a laser (CW-laser or pulse laser). However, the existing technology uses a 1:1 relationship between the dissipation coefficient and PM2.5 considering only humidity, so errors are severe and it is difficult to apply to sensitive matters such as environmental health. However, the present invention Even though the total integral amount of particles (PM2.5) is the same, the dissipation coefficient due to particles is very sensitive to the size distribution of particles, so correction is made considering changes in particle size.
도 1은 대기 부유 입자의 크기별 부피 및 수 밀도 분포 그래프,
도 2는 입자의 부피 분포 결정 매개변수 6개의 정의에 따른 그래프,
도 3은 산란 빛의 파장으로 규격화한 입자의 크기(2πr/λ)별 소산 효율(Q)을 나타낸 그래프,
도 4는 부피 소산 효율(Qv)과 입자의 크기 별 부피 분포 특성 및 소산계수의 정의를 나타낸 그래프,
도 5는 입자의 부피 분포 밀도로부터 PM2.5와 PM10 등을 얻는 방법에 따른 그래프,
도 6은 대기 중에 존재하는 입자의 6개 변수의 범위를 나타낸 테이블,
도 7은 임의의 초미세먼지 및 조대입자의 총량(Vf, Vc) 변화에서 얻어지는 소산계수 및 PM2.5 상관관계 분포도,
도 8은 임의의 초미세먼지 및 조대입자의 중심 폭(σf, σc) 변화에서 얻어지는 소산계수 및 PM2.5 상관관계를 분포도,
도 9는 임의의 초미세먼지 및 조대입자의 중심크기(rf, rc)변화에서 얻어지는 소산계수 및 PM2.5 상관관계 분포도,
도 10은 6개의 미세먼지 매개변수(Vf, Vc, rf, rc,σf,σc)변화에서 얻어지는 소산계수 및 PM2.5 상관관계(0.12<rf<0.18)를 나타낸 그래프,
도 11은 6개의 미세먼지 매개변수(Vf, Vc, rf, rc,σf,σc)변화에서 얻어지는 소산계수 및 PM2.5 상관관계(0.12<rf<0.52)를 나타낸 그래프,
도 12는 6개의 미세먼지 매개변수(Vf, Vc, rf, rc,σf,σc)변화에서 얻어지는 소산계수 및 PM2.5 상관관계(0.12<rf<0.18)를 나타낸 그래프,
도 13은 6개의 미세먼지 매개변수(Vf, Vc, rf, rc,σf,σc)변화에서 얻어지는 소산계수 및 PM2.5와 상관관계(0.12<rf<0.52)를 나타낸 그래프, (단 AE가 일정 범위에 있는 것만 계산한 경우)
도 14는 본 발명에 따른 PM2.5 입자를 추출하는 시스템의 블록도,
도 15는 본 발명에 따른 PM2.5 입자를 추출하는 방법을 나타낸 순서도이다.Figure 1 is a graph of the volume and number density distribution of airborne particles by size;
Figure 2 is a graph according to the definition of six particle volume distribution determination parameters;
Figure 3 is a graph showing the dissipation efficiency (Q) by particle size (2πr/λ) normalized by the wavelength of scattered light;
Figure 4 is a graph showing the definition of volume dissipation efficiency (Q v ), volume distribution characteristics by particle size, and dissipation coefficient;
Figure 5 is a graph according to the method of obtaining PM2.5 and PM10 from the volume distribution density of particles;
Figure 6 is a table showing the range of six variables of particles existing in the atmosphere;
Figure 7 is a distribution chart of the dissipation coefficient and PM2.5 correlation obtained from changes in the total amount of arbitrary ultrafine dust and coarse particles (V f , V c );
Figure 8 is a distribution chart of the dissipation coefficient and PM2.5 correlation obtained from changes in the central width (σ f , σ c ) of arbitrary ultrafine dust and coarse particles;
Figure 9 is a distribution chart of the dissipation coefficient and PM2.5 correlation obtained from changes in the center size (r f , r c ) of arbitrary ultrafine dust and coarse particles;
Figure 10 is a graph showing the dissipation coefficient and PM2.5 correlation (0.12<r f <0.18) obtained from changes in six fine dust parameters (V f , V c , r f , r c , σ f , σ c ). ,
Figure 11 is a graph showing the dissipation coefficient and PM2.5 correlation (0.12<r f <0.52) obtained from changes in six fine dust parameters (V f, V c , r f , r c , σ f , σ c ). ,
Figure 12 is a graph showing the dissipation coefficient and PM2.5 correlation (0.12<r f <0.18) obtained from changes in six fine dust parameters (V f, V c , r f , r c , σ f , σ c ). ,
Figure 13 shows the correlation (0.12<r f <0.52) with the dissipation coefficient and PM2.5 obtained from changes in six fine dust parameters (V f, V c , r f , r c , σ f , σ c ). Graph, (if only AE within a certain range is calculated)
14 is a block diagram of a system for extracting PM2.5 particles according to the present invention;
Figure 15 is a flowchart showing a method for extracting PM2.5 particles according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 파장에 따른 멱지수 값을 이용하여 소산계수로부터 PM2.5 입자를 추출하는 방법 및 시스템을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, the method and system for extracting PM2.5 particles from the dissipation coefficient using the exponent value according to the wavelength of the present invention will be described in detail.
기본적으로 초미세먼지는 초미세 먼지의 총량, 중심크기, 크기 분포 폭이라는 3가지 변수가 비선형적으로 소산계수에 영향을 주게 되므로 최종적으로는 소산계수와 PM2.5의 관계가 1:1 관계에 있지 않게 된다. 즉 단순히 소산계수만을 측정하는 방법만으로는 소산계수로부터 PM2.5를 얻을 수 없다.Basically, the three variables of ultrafine dust: the total amount of ultrafine dust, the center size, and the size distribution width affect the dissipation coefficient in a non-linear manner, so ultimately, the relationship between the dissipation coefficient and PM2.5 is a 1:1 relationship. It won't exist. In other words, PM2.5 cannot be obtained from the dissipation coefficient by simply measuring the dissipation coefficient.
본 발명에서는 이러한 점을 극복하기 위하여 입자의 크기 변화를 나타내는 AE(Angstrom Exponent, 옴스트롱지수, 이하 'AE'라 칭함)를 근거로 즉 같은 값의 AE를 가진 소산계수로부터 PM2.5 추출하는 방법을 적용한다.In order to overcome this problem, the present invention uses a method of extracting PM2.5 based on AE (Angstrom Exponent, hereinafter referred to as 'AE'), which represents the change in particle size, that is, from a dissipation coefficient with the same AE value. Apply.
즉 기존의 PM2.5를 얻는 방법은 각 파장에서 얻은 소산계수와 PM2.5를 독립적으로 대응관계를 찾는 반면 본 발명에서는 여러 개의 파장에서 얻은 각각의 소산계수를 독립적으로 PM2.5를 얻는데 사용되는 것이 아니라, 여러 파장에서 얻은 소산계수로부터 얻은 AE 구하고 이 값을 새로운 독립변수로 1:1 관계의 상관성을 높여 PM2.5를 좀더 정확하게 얻을 수 있도록 한다.That is, while the existing method of obtaining PM2.5 independently finds the correspondence between the dissipation coefficient obtained at each wavelength and PM2.5, in the present invention, each dissipation coefficient obtained at multiple wavelengths is used to independently obtain PM2.5. Rather, AE obtained from dissipation coefficients obtained at various wavelengths is obtained, and this value is used as a new independent variable to increase the correlation of the 1:1 relationship to obtain PM2.5 more accurately.
도 14는 본 발명에 따른 PM2.5 입자를 추출하는 시스템의 블록도, 도 15는 본 발명에 따른 PM2.5 입자를 추출하는 방법을 나타낸 순서도로서, 본 발명은 대기 중의 초미세먼지 PM2.5 입자를 측정하기 위한 구성으로 소산계수취득부(110)과, AE산출부(120)와, 함수생성부(130)와, 입자산출부(140)를 구비하여 이를 통해 다음과 같은 절차로 PM2.5 입자의 질량을 측정한다.Figure 14 is a block diagram of a system for extracting PM2.5 particles according to the present invention, and Figure 15 is a flow chart showing a method for extracting PM2.5 particles according to the present invention. The present invention is a block diagram of a system for extracting PM2.5 particles according to the present invention. The configuration for measuring particles includes a dissipation coefficient acquisition unit 110, an AE calculation unit 120, a function generation unit 130, and a particle calculation unit 140, through which PM2. 5 Measure the mass of the particle.
첫 번째 단계는 두 개 이상의 파장의 빛을 이용하여 각 파장별 소산계수를 얻는 소산계수취득단계(S 110)로서, 소산계수취득부(110)를 통해 진행된다.The first step is a dissipation coefficient acquisition step (S 110) in which dissipation coefficients for each wavelength are obtained using light of two or more wavelengths, and is performed through the dissipation coefficient acquisition unit 110.
이때 상기 상기 소산계수취득단계(S 110)에서 소산계수취득부(110)는, 라이다, 카메라의 RGB 파장, 태양 추정장치로 얻은 미세먼지의 광학적 깊이, 한 포인트에서 소산이나 산란계수를 얻은 네팔로메터를 포함한 산란현상을 측정하는 수단으로부터 산란계수를 얻을 수 있으며, 카메라처럼 다른 범위의 넓은 파장영역에 따른 서로 다른 두 파장으로 가시광선에서 NIR(NearInfrared)영역의 파장을 활용할 수 있다.At this time, in the dissipation coefficient acquisition step (S 110), the dissipation coefficient acquisition unit 110 is a LiDAR, the RGB wavelength of the camera, the optical depth of fine dust obtained by a solar estimation device, and the dissipation or scattering coefficient obtained at one point in Nepal. Scattering coefficients can be obtained from means of measuring scattering phenomena, including a rometer, and, like a camera, wavelengths in the NIR (Near Infrared) region from visible light can be utilized with two different wavelengths according to a wide range of wavelengths.
두 번째 단계는 각 파장별 소산계수를 이용하여 옴스트롱지수를 구하는 AE산출단계(S 120)로서, AE산출부(120)를 통해 진행된다.The second step is an AE calculation step (S 120) in which the Angstrong index is calculated using the dissipation coefficient for each wavelength, and is performed through the AE calculation unit 120.
세 번째 단계는 구해진 옴스트롱지수의 설정된 범위를 통해 얻은 소산계수와, PM2.5 입자의 상관관계함수를 구하는 함수생성단계(S 130)로서, 함수생성부(130)를 통해 진행된다.The third step is a function generation step (S 130) that obtains the correlation function between the dissipation coefficient obtained through a set range of the obtained Angstrong index and the PM2.5 particles, and is performed through the function generator 130.
이때 함수생성단계(S 130)에서 상기 함수생성부(130)는, 상기 옴스트롱지수의 설정된 범위는 마이너스 값으로부터 4사이의 모든 영역을 선택된 범위로 나누어서 사용하고, 초미세먼지의 총량(Vf)과 조대입자의 총량(Vc)과 초미세먼지의 중심크기(rf)과 조대입자의 중심크기(rc)과 초미세먼지의 중심폭(σf)과 조대입자의 중심폭(σc)의 6가지 매개변수의 변화에서 얻어진 소산계수 및 PM2.5입자 질량의 상관관계에서 옴스트롱지수가 설정범위에 있는 것만 계산하여 상관관계함수를 구할 수 있다. 또한, 상기 6가지 매개변수의 변화에서 얻어진 소산계수 및 PM2.5입자 질량의 상관관계는, 설정된 기간동안의 대기측정에 따른 6가지 매개변수의 범위를 반영하되 굴절율을 일정한 값으로 고정하여 계산함으로 얻어질 수 있다.At this time, in the function generation step (S 130), the function generator 130 uses the set range of the Angstrong index by dividing all areas between the minus value and 4 into the selected range, and calculates the total amount of ultrafine dust (V f ) and the total amount of coarse particles (V c ), the center size of ultrafine dust (r f ), the center size of coarse particles (r c ), the center width of ultrafine dust (σ f ), and the center width of coarse particles (σ From the correlation between the dissipation coefficient and PM2.5 particle mass obtained from changes in the six parameters in c ), the correlation function can be obtained by calculating only those Angstrong exponents within the set range. In addition, the correlation between the dissipation coefficient and PM2.5 particle mass obtained from changes in the above six parameters is calculated by reflecting the range of the six parameters according to atmospheric measurements over a set period, but fixing the refractive index at a constant value. can be obtained.
네 번째 단계는 상기 상관관계함수를 이용하여 단위 부피에서의 PM2.5 입자의 총질량을 산출하는 입자산출단계(S 140)로서 입자산출부(140)를 통해 진행된다.The fourth step is a particle calculation step (S 140) in which the total mass of PM2.5 particles in unit volume is calculated using the correlation function, which is performed through the particle calculation unit 140.
소산계수는 라이다, 카메라, 태양 추정장치로 얻은 AOD(미세먼지의 광학 깊이, Aerosol Optical Depth), 그리고 한 포인트에서 소산이나 산란계수를 얻은 네팔로메터나, 각종 산란 현상을 이용하는 장치를 통해 얻을 수 있다.The dissipation coefficient is obtained through AOD (Aerosol Optical Depth) obtained by LiDAR, a camera, and a solar estimation device, and a nepalometer that obtains the dissipation or scattering coefficient at one point, or a device that uses various scattering phenomena. You can.
이를 위해 2개 이상의 파장에서 소산계수를 얻고 이로부터 AE를 구한 다음, 기존의 다양한 방법으로 같은 AE값으로 얻은 PM2.5과 소산계수 관계에서, PM2.5/PM10를 얻는 것으로 같은 AE에서 얻은 다양한 소산계수와 PM2.5의 관계가 필요하다.To do this, obtain the dissipation coefficient at two or more wavelengths, calculate the AE from this, and then obtain PM2.5/PM10 from the relationship between PM2.5 and dissipation coefficient obtained with the same AE value using various existing methods. The relationship between dissipation coefficient and PM2.5 is needed.
본 발명에서는 다양한 경우의 대기 상태에서 1년의 기간동안 얻은 약 106개 이상의 소산 계수와 PM2.5/PM10로부터 AE값에 따른 소산계수와 PM2.5관계를 얻어 이를 해결한다.In the present invention, this problem is solved by obtaining the relationship between the dissipation coefficient and PM2.5 according to the AE value from about 106 or more dissipation coefficients and PM2.5/PM10 obtained over a period of one year in various atmospheric conditions.
도 1은 대기 부유 입자의 크기별 부피 및 수 밀도 분포 그래프, 도 2는 입자의 부피 분포 결정 매개변수 6개의 정의에 따른 그래프이다.Figure 1 is a graph of the volume and number density distribution of particles suspended in the air by size, and Figure 2 is a graph according to the definitions of six parameters for determining the volume distribution of particles.
미세먼지의 크기별 수(부피/면적) 분포는 도 1과 같이 초미세먼지(fine particle)와 조대입자(coarse particle)로 구성되며 그 크기의 로그값 스케일에서 정규분포를 하는 두 곡선의 합으로 표시된다. 부유 입자의 면적이나 부피가 실제 자연현상(시정거리, 화학반응, 유해정도)을 유발하는 직접적인 변수이기 때문에 주로 부피 혹은 면적 분포를 사용한다.The distribution of the number (volume/area) of fine dust by size is composed of ultrafine dust and coarse particles, as shown in Figure 1, and is expressed as the sum of two curves with normal distribution on the log value scale of the size. do. Since the area or volume of suspended particles is a direct variable that causes actual natural phenomena (visibility distance, chemical reaction, degree of hazard), volume or area distribution is mainly used.
도 1 및 2에서 알 수 있듯이 이는 두 종류의 입자는 그 입자의 발생원이 달라서 생기는 현상이며, 초미세먼지는 주로 기체에서 물리/ 화학적으로 변형 과정을 거치면서 입자가 커져서 생기는 것이고, 조대입자는 큰 입자이 쪼개짐 과 같은 물리적 현상으로 생긴 1차 생성물로 생성초기부터 그러한 조대입자 분포를 하게 된다.As can be seen in Figures 1 and 2, this is a phenomenon that occurs because the two types of particles have different sources of particle generation. Ultrafine dust is mainly created by the particles becoming larger through a physical/chemical transformation process in the gas, and coarse particles are large particles. It is a primary product created by a physical phenomenon such as particle splitting, and has such coarse particle distribution from the beginning of its creation.
즉 조대입자 중에서 너무 큰 입자들은 부유성을 띠기 곤란하기 때문에 부유 수밀도(부피밀도)가 낮으며, 1마이크론보다 작은 입자는 1차 생성물로 생성 자체가 많이 되지 않는다는 의미와 함께 부피/면적은 입자가 작을수록 그 면적(부피가) 작기 때문에 다시 작은 값을 지니게 된다.In other words, among coarse particles, particles that are too large are difficult to float, so the floating number density (bulk density) is low, and particles smaller than 1 micron mean that they are not produced in large quantities as primary products, and the volume/area of the particles is The smaller it is, the smaller the area (volume) is, so it has a smaller value again.
또한 1마이크론 크기 영역에서는 초미세먼지의 경우도 작은 부피 밀도 비를 보이는데, 이는 입자의 성장 메커니즘이 충돌 확률과 충돌시 두 입자의 속도에 관계되는 양으로 초미세먼지가 1마이크론 영역까지 성장이 곤란하다는 것을 보여준다. 작은 크기 영역에서 초미세입자의 수 밀도는 작을수록 높은 수밀도(Junge power law distribution)를 갖지만, 역시 작을수록 면적과 부피가 크기의 제곱 혹은 3승에 비례하여 작아지기 때문에 부피 및 면적 분포는 아주 작은 크기에서 0에 수렴한다. 그러므로 조대입자와 초미세먼지의 크기에 따른 부피(면적) 분포는 도면과 같은 분포를 지니게 된다.In addition, in the 1 micron size area, ultrafine dust also shows a small volume density ratio. This is because the particle growth mechanism is related to the probability of collision and the speed of the two particles at the time of collision, making it difficult for ultrafine dust to grow up to the 1 micron size area. It shows that it does. In a small size region, the smaller the number density of ultrafine particles, the higher the number density (junge power law distribution), but as they get smaller, the area and volume become smaller in proportion to the square or third power of the size, so the volume and area distribution are very small. converges to 0. Therefore, the volume (area) distribution according to the size of coarse particles and ultrafine dust has the distribution shown in the figure.
도 3은 산란 빛의 파장으로 규격화한 입자의 크기(2πr/λ)별 소산 효율(Q)을 나타낸 그래프이다.Figure 3 is a graph showing the dissipation efficiency (Q) by particle size (2πr/λ) normalized by the wavelength of scattered light.
입자에 의한 소산계수는 Mie 산란 이론에 의하여 결정되고, 일반적으로 입자의 크기와 빛의 파장에 따라 그 효율(Q)이 달라지나, 기본적으로 주어진 크기의 입자에서 그 입자의 면적에 비례하며, 효율(Q)는 도 3과 같이 입자의 크기와 파장의 비가 충분히 커지면 '2'에 수렴하는 경향을 나타낸다.The dissipation coefficient by a particle is determined by the Mie scattering theory, and its efficiency (Q) generally varies depending on the size of the particle and the wavelength of light, but is basically proportional to the area of the particle for a particle of a given size, and the efficiency (Q) shows a tendency to converge to '2' when the ratio of particle size and wavelength becomes sufficiently large, as shown in Figure 3.
도 3의 가로축(x-축)은 입자의 둘레(2πr) 크기를 파장(λ)으로 나눈 값(x=2πr/λ)을 나타낸다. 도면에서 2로 수렴하는 것은 주어진 하나의 입자가 존재하고, 사용한 파장이 입자의 크기 입자보다 충분히 크다면 면적의 두배 정도가 산란되어 흩어진다는 것을 의미한다. 즉 산란 효율과 면적의 곱으로 산란되는 양을 구할 수 있다는 의미이다. 그러므로 입자의 부피 분포가 도 1과 같이 된다면, 산란되는 총 양은 산란 효율과 면적 대신에 부피 산란 효율(QV=3Q/4r)과 주어진 입자의 부피 곱으로 구할 수 있다. 그러므로 소산계수는 [수학식 1]과 같이 얻어진다.The horizontal axis (x-axis) of FIG. 3 represents the size of the particle's perimeter (2πr) divided by the wavelength (λ) (x=2πr/λ). In the figure, convergence to 2 means that if one given particle exists and the wavelength used is sufficiently larger than the size of the particle, about twice the area is scattered. This means that the amount of scattering can be obtained by multiplying the scattering efficiency and the area. Therefore, if the volume distribution of particles is as shown in Figure 1, the total amount scattered can be obtained by multiplying the volume scattering efficiency (Q V = 3Q/4r) and the volume of a given particle instead of the scattering efficiency and area. Therefore, the dissipation coefficient is obtained as [Equation 1].
[수학식 1][Equation 1]
도 4는 부피 소산 효율(Qv)과 입자의 크기 별 부피 분포 특성 및 소산계수의 정의를 나타낸 그래프, 도 5는 입자의 부피 분포 밀도로부터 PM2.5와 PM10 등을 얻는 방법에 따른 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the definition of volume dissipation efficiency (Q v ), volume distribution characteristics and dissipation coefficient by particle size, and Figure 5 is a graph according to a method of obtaining PM2.5 and PM10 from the volume distribution density of particles.
[수학식 1]을 그림으로 설명하면 도 4 및 5와 같다. 도 4 및 5는 입자의 부피 분포가 있고, 그 부피분포와 부피산란 효율을 곱하여 얻어 진다는 의미이다. 도 4 및 5에서 직감적으로 알 수 있듯이 조대입자는 그 중심크기가 변해도 소산계수에 큰 영향은 없으나, 초미세먼지의 입자 크기는 작은 크기변화에도 소산계수에 큰 영향을 준다는 것을 알 수 있다.[Equation 1] is illustrated graphically as shown in Figures 4 and 5. Figures 4 and 5 indicate that there is a volume distribution of particles, which is obtained by multiplying the volume distribution and the volumetric scattering efficiency. As can be intuitively seen in Figures 4 and 5, changes in the center size of coarse particles do not have a significant effect on the dissipation coefficient, but the particle size of ultrafine dust has a large impact on the dissipation coefficient even with a small change in size.
PM10과 PM2.5는 직경 10마이크로미터와 2.5 마이크로미터 크기 이하의 모든 부유 입자를 전부합한 질량을 나타내며, 도 5에 그 정의를 다시 표시하였다. 일반적으로 PM2.5는 초미세먼지(fine particle)의 크기가 크게 변해도 PM2.5 값에는 영향을 주지 않는다.PM10 and PM2.5 represent the combined mass of all suspended particles with a diameter of 10 micrometers and 2.5 micrometers or less, and the definitions are again shown in Figure 5. In general, PM2.5 does not affect the PM2.5 value even if the size of ultrafine particles (fine particles) changes significantly.
이는 PM10과 문턱치 값(d=10,d=2.5um)이 두 모드로 구성된(도 1 및 2) 입자 분포의 6가지 파라메터의 변화에 민감하지 않다는 의미이다. 즉 이는 소산계수와 매우 다른 양상을 보인다. 즉 소산계수는 초미먼지의 크기 변화에 매우 민감한 특징이 있다. 그러므로 언급한 것처럼 초미세먼지의 크기 변화를 감지하지 않으면 같은 PM2.5 에서도 다양한 초미세먼지의 다양한 부피분포 모두에서 같은 PM2.5 을 값을 유지하는 반면 다른 소산계수를 보인다는 것을 알 수 있다.This means that PM10 and the threshold values (d=10, d=2.5um) are not sensitive to changes in the six parameters of the two-mode particle distribution (Figures 1 and 2). In other words, it shows a very different aspect from the dissipation coefficient. In other words, the dissipation coefficient has the characteristic of being very sensitive to changes in the size of ultrafine dust. Therefore, as mentioned, if a change in the size of ultrafine dust is not detected, it can be seen that the same PM2.5 maintains the same PM2.5 value in all the various volume distributions of ultrafine dust, but shows different dissipation coefficients.
PM2.5는 단위 부피에 존재하는 특정 크기 이하 입자의 총질량을 의미하며 소산계수는 단위부피에 존재하는 입자의 총 면적을 의미한다. 그러므로 그 단위는 각각 g/㎥과 ㎡/㎥이 된다. 즉 같은 질량의 입자가 대기 중에 존재하더라도 작은 상태로 존재하면 입자의 면적은 넓어지게 되어 면적과 질량(부피) 관계를 1:1로 대응시키기 위해서는 반드시 입자의 크기에 대한 정보도 동시에 고려되어야 한다.PM2.5 refers to the total mass of particles of a certain size or less existing in a unit volume, and the dissipation coefficient refers to the total area of particles existing in a unit volume. Therefore, the units are g/㎥ and ㎡/㎥, respectively. In other words, even if particles of the same mass exist in the atmosphere, if they exist in a small state, the area of the particle becomes larger. In order to correspond 1:1 between area and mass (volume), information about the size of the particle must be considered at the same time.
도 6은 대기 중에 존재하는 입자의 6개 변수의 범위를 나타낸 테이블이다.Figure 6 is a table showing the range of six variables of particles existing in the atmosphere.
입자의 크기에 따른 부피 분포는 대기의 부유특성, 입자의 발달과정과 성장 메커니즘, 그리고 크기에 따른 각 입자의 부피 특성 때문에 매우 복잡한 모양을 제한하고 입자 크기의 로그 스케일에서 정규분포를 이루고 있다는 것을 도 1및 2를 통하여 이미 설명한바 있다. 이러한 입자 크기에 따른 부피 분포는 크게 3가지 변수로 그 특징을 완벽히 모사할 수 있는데, 입자의 총량에 해당하는 값, 입자 부피 분포의 폭에 해당하는 양, 그리고 입자의 중심크기에 해당하는 것이 그것이다. 두 가지 모드(초미세먼지와 조대입자)가 존재하기 때문에 총 6개의 변수, 즉 초미세먼지의 총량(Vf), 조대입자의 총량(Vc), 초미세먼지의 중심크기(rf), 조대입자의 중심크기(rc), 초미세먼지의 중심폭(σf), 조대입자의 중심폭(σc)이 존재 한다고 할 수 있다.The volume distribution according to the size of the particles is limited to very complex shapes due to the suspension characteristics of the atmosphere, the development process and growth mechanism of the particles, and the volume characteristics of each particle depending on the size, and shows that it is normally distributed on the logarithmic scale of the particle size. This has already been explained through 1 and 2. The volume distribution according to particle size can be completely simulated by three variables: a value corresponding to the total amount of particles, an amount corresponding to the width of the particle volume distribution, and the center size of the particles. will be. Since there are two modes (ultrafine dust and coarse particles), there are a total of six variables: total amount of ultrafine dust (V f ), total amount of coarse particles (V c ), and center size of ultrafine dust (r f ). , it can be said that there exist the central size of coarse particles (r c ), the central width of ultrafine dust (σ f ), and the central width of coarse particles (σ c ).
소산계수로부터 입자의 질량(PM2.5)을 추출함에 있어서, 6개의 독립 변수에 따라서 소산 계수와 입자의 질량의 상관 관계를 이론적으로 알아보고 그 상관관계를 밝혀 해결책을 찾는 것은 매우 중요하다. 즉 6개의 입자 변수를 알 수 없는 상태에서 오직 소산계수만으로 단위가 다른 입자의 질량을 측정하는 것은 어려운 일이나, 제한된 조건에서는 그 값을 추출할 수도 있다.In extracting the mass of particles (PM2.5) from the dissipation coefficient, it is very important to theoretically investigate the correlation between the dissipation coefficient and the mass of the particles according to the six independent variables and find a solution by revealing the correlation. In other words, it is difficult to measure the mass of particles with different units using only the dissipation coefficient when the six particle variables are unknown, but the value can be extracted under limited conditions.
1) 이러한 6개의 변수 중에서 먼저 입자의 총량은 의심의 여지 없이 다른 두 양(다른 4변수가 일정)이 일정하면 모두 소산계수와 PM2.5 에 선형적으로 기여하기 때문에 두 측정값(소산계수와 PM2.5) 사이의 1:1 대응에 있음을 예측할 수 있다.1) Among these six variables, the total amount of particles is undoubtedly the first of the two measurements (dissipation coefficient and It can be predicted that there is a 1:1 correspondence between PM2.5).
도 7은 임의의 초미세먼지 및 조대입자의 총량(Vf, Vc) 변화에서 얻어지는 소산계수 및 PM2.5 상관관계 분포도로서, 그러므로 입자의 총부피 변화는 소산계수와 PM2.5 동시에 선형적으로 기여하게 되어서 입자의 총량이 변하여도 두 값은 좋은 상관관계를 이룰 것으로 예측할 수 있다.Figure 7 is a distribution chart of the dissipation coefficient and PM2.5 correlation obtained from changes in the total amount (V f , V c ) of arbitrary ultrafine dust and coarse particles. Therefore, the change in the total volume of particles is linear at the same time as the dissipation coefficient and PM2.5. It can be predicted that the two values will have a good correlation even if the total amount of particles changes.
2) 반면에 두 모드 중에서 초미세먼지와 조대입자의 분포 폭은(다른 4 변수가 일정) PM2.5에 전혀 영향을 주지 않을 것으로 쉽게 예상할 수 있다. 왜냐하면 PM2.5의 정의에 의하면 이는 직경 2.5um 이하의 입자의 총량을 적분하는 것이기 때문에 그 폭이 달라져도 그 적분 값은 크게 변하지 않기 때문이다. 그러나, 두 모드의 분포 폭은 도 4 및 5에서 알 수 있듯이 소산 계수에 영향을 줄 수 있다. 이는 도 4 및 5에서 입자의 분포 폭이 변하면 소산 효율과 분포의 곱으로 계산되는 소산계수에 영향을 줄 수 있다는 의미이다.2) On the other hand, among the two modes, it can be easily expected that the distribution width of ultrafine dust and coarse particles (if the other four variables are constant) will have no effect on PM2.5. This is because, according to the definition of PM2.5, it integrates the total amount of particles with a diameter of 2.5um or less, so even if the width changes, the integrated value does not change significantly. However, the distribution width of the two modes can affect the dissipation coefficient, as can be seen in Figures 4 and 5. This means that changes in the distribution width of particles in Figures 4 and 5 can affect the dissipation coefficient, which is calculated as the product of dissipation efficiency and distribution.
도 8은 임의의 초미세먼지 및 조대입자의 중심 폭(σf, σc) 변화에서 얻어지는 소산계수 및 PM2.5 상관관계를 분포도로서, 정량적인 결과는 뒤에서 알 수 있다.Figure 8 is a distribution chart of the dissipation coefficient and PM2.5 correlation obtained from changes in the central width (σ f , σ c ) of arbitrary ultrafine dust and coarse particles, and the quantitative results can be seen later.
3) 두 모드의 중심크기는 PM2.5 뿐만 아니라 소산계수에도 영향을 준다. 그러므로 이에 대한 정보는 고려되어야 한다. 그러나 중심크기가 변할 경우 PM2.5에 끼치는 영향과 소산 계수에 미치는 영향이 같다면 중심크기가 변해도 두 변수(소산계수와 PM2.5)의 상관관계가 변하지 않기 때문에 이를 고려하지 않아도 된다.3) The size of the centers of the two modes affects not only PM2.5 but also the dissipation coefficient. Therefore, information about this should be taken into consideration. However, if the impact on PM2.5 and the dissipation coefficient are the same when the center size changes, there is no need to consider this because the correlation between the two variables (dissipation coefficient and PM2.5) does not change even if the center size changes.
도 9는 임의의 초미세먼지 및 조대입자의 중심크기(rf, rc)변화에서 얻어지는 소산계수 및 PM2.5 상관관계 분포도로, 도 9에서 중심크기 변수가 소산계수와 PM2.5에 각각 어떻게 영향을 주는 알 알아볼 예정이다.Figure 9 is a distribution chart of the dissipation coefficient and PM2.5 correlation obtained from changes in the center size (r f , r c ) of arbitrary ultrafine dust and coarse particles. In Figure 9, the center size variable is related to the dissipation coefficient and PM2.5, respectively. We are going to find out how it affects us.
앞서 입자의 6개 변수가 입자의 소산계수와 PM2.5 값에 어떻게 영향을 주는지 알아보았다. 이때 각 6개의 변수 범위는 일상에서 변하는 범주에 한정하여 결정하였다. 예를 들어 초미세먼지의 중심크기는 그 입자의 생성 기원에 관계 없이 0.12-0.18um 범위에 있으며, 조대입자는 1.9에서 3.2um 범위에 있다.Previously, we looked at how the six variables of particles affect the particle dissipation coefficient and PM2.5 value. At this time, the range of each of the six variables was determined limited to categories that change in daily life. For example, the central size of ultrafine dust is in the range of 0.12-0.18um, regardless of the particle's origin, and coarse particles are in the range of 1.9 to 3.2um.
실례로 도 7은 초미세먼지와 조대입자의 총량이 임의로(randomly) 변했을 때 소산계수와 PM2.5의 관계를 보여준다. 계산에 사용하는 파장은 시정 거리 측정에 사용되는 파장550nm을 사용하였다. 초미세먼지와 조대입자의 총량만 변하고 다은 4개의 매개변수가 일정하다면 소산 계수의 측정만으로도 PM2.5를 매우 정확하게 특정할 수 있 수 있다는 것을 보여준다. 이때 고정값으로 사용한 4개의 변수는 도 6의 중앙 값을 사용한 것이다. 그리고 굴절률은 1.45와 0.001을 각각 고정 값으로 사용하였다.For example, Figure 7 shows the relationship between the dissipation coefficient and PM2.5 when the total amount of ultrafine dust and coarse particles changes randomly. The wavelength used in the calculation was 550 nm, which is used to measure the visibility distance. This shows that if only the total amount of ultrafine dust and coarse particles changes and the other four parameters are constant, PM2.5 can be specified very accurately just by measuring the dissipation coefficient. At this time, the four variables used as fixed values were the central values of Figure 6. And the refractive indices of 1.45 and 0.001 were used as fixed values, respectively.
도 8은 같은 방법으로 두 모드 입자의 분포 폭의 변화를 임의로 주었을 경우 얻어지는 두 측정값 (소산 계수와 PM2.5)의 관계를 보여 준다. 이때 기타 4개의 다른 미세먼지 매개변수는 도 7과 같은 방법으로 고정된 일정한 값을 사용하였다.Figure 8 shows the relationship between the two measured values (dissipation coefficient and PM2.5) obtained when the distribution width of the two mode particles is randomly changed in the same manner. At this time, the other four fine dust parameters used constant values fixed in the same manner as in Figure 7.
도면에서 알 수 있듯이 분포 폭의 변화는 소산 계수와PM2.5의 변화에 전혀 기여도가 없음을 알 수 있다. 즉 입자의 분포 폭은 소산 계수와 PM2.5의 변화에 기여도가 없다는 것이다. 즉 소산계수도 380부터 470×10-6m-1까지 좁은영역에서 10% 이내 값으로 안정된 값을 보이고, PM2.5는 41-45μgm-3정도로 10% 내외로 변한다.As can be seen from the figure, the change in distribution width does not contribute at all to the change in dissipation coefficient and PM2.5. In other words, the distribution width of particles does not contribute to changes in dissipation coefficient and PM2.5. In other words, the dissipation coefficient shows a stable value within 10% in a narrow range from 380 to 470×10 -6 m -1 , and PM2.5 varies by around 10% at around 41-45μgm -3 .
도 9는 두 모드 입자의 중심크기의 변화를 임의로 주었을 경우 얻어지는 두 측정값(소산 계수와 PM2.5)의 관계를 보여 준다. 이때 기타 미세먼지 매개변수는 도 7과 같은 방법으로 고정된 일정한 값을 사용하였다.Figure 9 shows the relationship between the two measured values (dissipation coefficient and PM2.5) obtained when the center size of the two mode particles is randomly changed. At this time, other fine dust parameters used constant values fixed in the same manner as in Figure 7.
도 9는 소산계수가 230부터 320×10-6m-1까지 40% 이내 값으로 변위가 있는 반면 PM2.5는 41-50μgm-3정도로 20% 내외로 비교적 안정된 범위의 값을 내고 있으나, 두 값의 상관관계를 이용하기엔 너무 큰 차이를 보이며, 특히 도 9에서 알 수 있듯이 소산 계수가 특정 값(본 경우엔 320×10-6m-1) 근처에서 분포 밀도가 높으며, 이는 크기가 임의로(randomly) 특정값으로 측정이 될 확률이 높다는 의미이다. Figure 9 shows that the dissipation coefficient varies within 40% from 230 to 320 The difference is too large to use the correlation of values, and in particular, as can be seen in Figure 9, the dissipation coefficient has a high distribution density near a certain value (in this case, 320×10 -6 m -1 ), which is arbitrarily sized ( randomly) This means that there is a high probability that it will be measured as a specific value.
이 경우 같은 소산계수에서 (Δα/α≪ 1) 매우 다른 PM2.5 값을 얻을 수 있다는 의미이기 때문에 PM2.5를 얻기 위하여 소산계수와 PM2.5의 상관관계를 이용할 수 없다는 뜻이다.In this case, it means that very different PM2.5 values can be obtained from the same dissipation coefficient (Δα/α≪ 1), so the correlation between the dissipation coefficient and PM2.5 cannot be used to obtain PM2.5.
도 10은 6개의 미세먼지 매개변수(Vf, Vc, rf, rc,σf,σc)변화에서 얻어지는 소산계수 및 PM2.5 상관관계(0.12<rf<0.18)를 나타낸 그래프, 도 11은 6개의 미세먼지 매개변수(Vf, Vc, rf, rc,σf,σc)변화에서 얻어지는 소산계수 및 PM2.5 상관관계(0.12<rf<0.52)를 나타낸 그래프이다.Figure 10 is a graph showing the dissipation coefficient and PM2.5 correlation (0.12<r f <0.18) obtained from changes in six fine dust parameters (V f , V c , r f , r c , σ f , σ c ). , Figure 11 shows the dissipation coefficient and PM2.5 correlation (0.12<r f <0.52) obtained from changes in six fine dust parameters (V f, V c , r f , r c , σ f , σ c ). It's a graph.
도 10 및 11은 6개의 미세먼지 매개변수 모두를 임의의 값으로 변화시키면서 오직 굴절률만 도 7과 같이 일정한 값으로 고정하여 계산한 것이다. 도 10 및 11에 사용한 6개의 변수는 도 6에서 보여주는 전체 영역에서 그 값을 변화시켰다. 다만 Vf/Vc 의 비는 다양한 대기 조건에서 그 영향을 얻기 위하여 두 값(Vf , Vc)을 독립변수로 두고 5배까지 그 크기를 변화시켰다.Figures 10 and 11 are calculations made by changing all six fine dust parameters to arbitrary values while fixing only the refractive index to a constant value as shown in Figure 7. The six variables used in Figures 10 and 11 changed their values over the entire area shown in Figure 6. However, in order to obtain the effect of the ratio of V f /V c under various atmospheric conditions, the two values (V f and V c ) were set as independent variables and the size was changed up to 5 times.
또한 도 10은 초미세먼지의 중심크기를 0.12~0.18㎛까지 더 넓은 영역에서 변화가 생기도록 하였으며, 도 11은 초미세먼지의 중심크기를 좀더 큰 영역까지 확장이 가능하도록 0.12~0.52㎛ 까지 더 넓은 영역에서 변화가 생기도록 하였다.In addition, Figure 10 shows changes in the center size of ultrafine dust from 0.12 to 0.18㎛ over a wider area, and Figure 11 shows the center size of ultrafine dust from 0.12 to 0.52㎛ to enable expansion to a larger area. Changes occurred in a wide area.
계산 결과는 도면에서 보듯이 주어진 하나의 파장에서 얻은 소산계수에서 다양한 PM2.5값을 대응시킬 수 있다. 이러한 문제를 해결하는 것이 본 발명에서 해결하고자 하는 것이다.As shown in the figure, the calculation results can correspond to various PM2.5 values from the dissipation coefficient obtained at a given wavelength. Solving this problem is what the present invention seeks to solve.
본 분야에 종사하는 당업자는 AE(Angstrom Exponent)를 잘 알고 있다. 본 값은 소산계수가 파장에 따라 다른 정도를 나타내는 것으로 파장에 따른 소산계수를 수학식 2 와 같이 표현할 때 정의되는 값이다.Those skilled in the art are well aware of Angstrom Exponent (AE). This value represents the degree to which the dissipation coefficient varies depending on the wavelength, and is a value defined when the dissipation coefficient according to the wavelength is expressed as Equation 2.
[수학식 2][Equation 2]
일반적으로 AE은 입자의 크기에 의존하는 값으로 음수와 양수값을 가질 수 있다. 음수는 주로 공기 중에 큰 입자만 존재할 경우에 생기는 것으로 안개나 구름, 황사와 같은 현상이 발생하면 이 값은 음수로 된다. 즉 이 값이 일정할 경우 입자의 크기가 일정하다는 의미와도 유사한 의미를 지닌다.In general, AE is a value that depends on the size of the particle and can have negative or positive values. Negative numbers mainly occur when only large particles exist in the air, and when phenomena such as fog, clouds, or yellow dust occur, this value becomes negative. In other words, if this value is constant, it has a similar meaning to the meaning that the particle size is constant.
이러한 AE의 물리적 의미를 바탕으로 AE값에 따라 도 10 및 11의 상관관계가 어떻게 변하는지 도 12 및 13에 나타내었다.Based on this physical meaning of AE, Figures 12 and 13 show how the correlations in Figures 10 and 11 change depending on the AE value.
도 12는 6개의 미세먼지 매개변수(Vf, Vc, rf, rc,σf,σc)변화에서 얻어지는 소산계수 및 PM2.5 상관관계(0.12<rf<0.18)를 나타낸 그래프, 도 13은 6개의 미세먼지 매개변수(Vf, Vc, rf, rc,σf,σc)변화에서 얻어지는 소산계수 및 PM2.5와 상관관계(0.12<rf<0.52)를 나타낸 그래프이다. (단 AE가 일정 범위에 있는 것만 계산한 경우)Figure 12 is a graph showing the dissipation coefficient and PM2.5 correlation (0.12<r f <0.18) obtained from changes in six fine dust parameters (V f, V c , r f , r c , σ f , σ c ). , Figure 13 shows the correlation (0.12<r f <0.52) with the dissipation coefficient and PM2.5 obtained from changes in six fine dust parameters (V f, V c , r f , r c , σ f , σ c ). This is the graph shown. (However, if only AE is calculated within a certain range)
도 12에서는 도 10의 전체 데이터 중에서 AE=1~1.1 경우와 AE=2~2.1 경우를 따로 나누어 나타낸 것이다. 도면에서 알 수 있듯이 각각의 경우 기울기가 0.1635×106 (PM2.5/α(550)) 값과 0.1552×106 (PM2.5/α(550))값으로 다르게 표현되며, 도 10과 달리 두 물리량(소산계수와 PM2.5)의 상관관계도 각각 0.995와 0.986으로 더 좋은 상관관계를 보인다. 그러므로 AE따라 다른 상관관계 함수를 적용해야 한다. 도 13도 역시 도 11에서 특정 AE 값만 추출하여 얻은 소산계수와 PM2.5의 관계를 보여주는 것으로 도 11에 비하여 기울기와 상관계수가 크게 증가했음을 보여준다.In FIG. 12, the AE = 1 to 1.1 case and the AE = 2 to 2.1 case are shown separately among the entire data in FIG. 10. As can be seen from the figure, in each case, the slope is expressed differently as a value of 0.1635×10 6 (PM2.5/α(550)) and 0.1552×10 6 (PM2.5/α(550)), and unlike Figure 10, The correlation between the two physical quantities (dissipation coefficient and PM2.5) also shows a better correlation of 0.995 and 0.986, respectively. Therefore, different correlation functions must be applied depending on the AE. Figure 13 also shows the relationship between the dissipation coefficient and PM2.5 obtained by extracting only specific AE values in Figure 11, showing that the slope and correlation coefficient have increased significantly compared to Figure 11.
도 12 및 13에서 얻은 AE 값은 두 파장 이상에서 소산계수를 얻어야만 알 수 있는 양이다. 그러므로 도 12 및 13과 같이 AE 값을 이용하여 소산계수와 PM2.5의 상관관계를 높이려면 두 파장 이상에서 소산계수를 얻어야 한다. 두 파장 이상에서 소산계수를 얻는 방법은 카메라의 RGB 파장을 이용하거나, 라이다의 경우 다파장 라이다가 흔하게 사용된다. 그 밖에 지점 혹은 전체 대기의 소산계수 태양광을 이용하는 법 등이 있다. 이렇게 두 파장 이상의 여러 파장에서 소산계수를 측정하면 [수학식 2]를 이용해서 AE를 구할 수 있고, 다른 상관관계 함수를 이용하여(도 13) PM2.5를 구할 수 있다.The AE values obtained in Figures 12 and 13 are quantities that can only be known by obtaining dissipation coefficients at more than two wavelengths. Therefore, to increase the correlation between the dissipation coefficient and PM2.5 using the AE value as shown in Figures 12 and 13, the dissipation coefficient must be obtained at more than two wavelengths. The way to obtain the dissipation coefficient at more than two wavelengths is to use the RGB wavelengths of a camera, or in the case of LiDAR, multi-wavelength LiDAR is commonly used. Other methods include using solar radiation with a dissipation coefficient of a point or the entire atmosphere. By measuring the dissipation coefficient at multiple wavelengths of two or more, AE can be obtained using [Equation 2], and PM2.5 can be obtained using another correlation function (FIG. 13).
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.The rights of the present invention are not limited to the embodiments described above but are defined by the claims, and those skilled in the art can make various changes and modifications within the scope of the claims. This is self-evident.
110: 소산계수취득부
120: AE산출부
130: 함수생성부
140: 입자산출부110: Dissipation coefficient acquisition unit 120: AE calculation unit
130: Function generation unit 140: Particle calculation unit
Claims (12)
두 개 이상의 파장의 빛을 이용하여 각 파장별 소산계수를 얻는 소산계수취득부(110);
각 파장별 소산계수를 이용하여 옴스트롱지수를 구하는 AE산출부(120);
구해진 옴스트롱지수의 설정된 범위를 통해 얻은 소산계수와, PM2.5 입자의 상관관계함수를 구하는 함수생성부(130);
상기 상관관계함수를 이용하여 단위 부피에서의 PM2.5 입자의 총질량을 산출하는 입자산출부(140); 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소산계수로부터 PM2.5 입자를 추출하는 시스템
In measuring ultrafine dust PM2.5 particles in the air
A dissipation coefficient acquisition unit 110 that obtains a dissipation coefficient for each wavelength using light of two or more wavelengths;
An AE calculation unit 120 that calculates the Angstrom index using the dissipation coefficient for each wavelength;
A function generator 130 that calculates a correlation function between a dissipation coefficient obtained through a set range of the obtained Angstrong index and a correlation function of PM2.5 particles;
a particle calculation unit 140 that calculates the total mass of PM2.5 particles in unit volume using the correlation function; A system for extracting PM2.5 particles from the dissipation coefficient, characterized in that it consists of
상기 소산계수취득부(110)는,
라이다, 카메라의 RGB 파장, 태양 추정장치로 얻은 미세먼지의 광학적 깊이, 한 포인트에서 소산이나 산란계수를 얻은 네팔로메터를 포함한 산란현상을 측정하는 수단으로부터 산란계수를 얻는 것을 특징으로 하는 소산계수로부터 PM2.5 입자를 추출하는 시스템.
According to paragraph 1,
The dissipation coefficient acquisition unit 110,
The dissipation coefficient is characterized by obtaining the scattering coefficient from means of measuring scattering phenomena, including LiDAR, the RGB wavelength of a camera, the optical depth of fine dust obtained by a solar estimator, and a nepalometer that obtains the dissipation or scattering coefficient at one point. A system for extracting PM2.5 particles from
상기 소산계수취득부(110)는,
카메라처럼 다른 범위의 넓은 파장영역에 따른 서로 다른 두 파장으로 가시광선에서 NIR(NearInfrared)영역의 파장을 활용하는 것을 특징으로 하는 소산계수로부터 PM2.5 입자를 추출하는 시스템.
According to paragraph 1,
The dissipation coefficient acquisition unit 110,
A system that extracts PM2.5 particles from the dissipation coefficient, which utilizes wavelengths in the NIR (Near Infrared) region from visible light with two different wavelengths in a wide wavelength range like a camera.
상기 함수생성부(130)는,
상기 옴스트롱지수의 설정된 범위는 마이너스 값으로부터 4사이의 모든 영역을 선택된 범위로 나누어서 사용하는 것을 특징으로 하는 소산계수로부터 PM2.5 입자를 추출하는 시스템.
According to paragraph 1,
The function generator 130,
A system for extracting PM2.5 particles from a dissipation coefficient, characterized in that the set range of the Angstrong index is divided into the selected range from a negative value to 4.
상기 함수생성부(130)는,
초미세먼지의 총량(Vf)과 조대입자의 총량(Vc)과 초미세먼지의 중심크기(rf)과 조대입자의 중심크기(rc)과 초미세먼지의 중심폭(σf)과 조대입자의 중심폭(σc)의 6가지 매개변수의 변화에서 얻어진 소산계수 및 PM2.5입자 질량의 상관관계에서 옴스트롱지수가 설정범위에 있는 것만 계산하여 상관관계함수를 구하는 것을 특징으로 하는 소산계수로부터 PM2.5 입자를 추출하는 시스템.
According to paragraph 1,
The function generator 130,
Total amount of ultrafine dust (V f ), total amount of coarse particles (V c ), center size of ultrafine dust (r f ), center size of coarse particles (r c ), and center width of ultrafine dust (σ f ). The feature is that the correlation function is obtained by calculating only those Angstrong exponents within the set range from the correlation between the dissipation coefficient and PM2.5 particle mass obtained from changes in the six parameters of the center width (σ c ) of the coarse particles. A system that extracts PM2.5 particles from the dissipation coefficient.
상기 6가지 매개변수의 변화에서 얻어진 소산계수 및 PM2.5입자 질량의 상관관계는, 설정된 기간동안의 대기측정에 따른 6가지 매개변수의 범위를 반영하되 굴절율을 일정한 값으로 고정하여 계산함으로 얻어지는 것을 특징으로 하는 소산계수로부터 PM2.5 입자를 추출하는 시스템.
According to clause 6,
The correlation between the dissipation coefficient and PM2.5 particle mass obtained from changes in the above six parameters is obtained by calculating the range of the six parameters according to atmospheric measurements over a set period while fixing the refractive index at a constant value. A system that extracts PM2.5 particles from the characteristic dissipation coefficient.
두 개 이상의 파장의 빛을 이용하여 각 파장별 소산계수를 얻는 소산계수취득단계(S 110);
각 파장별 소산계수를 이용하여 옴스트롱지수를 구하는 AE산출단계(S 120);
구해진 옴스트롱지수의 설정된 범위를 통해 얻은 소산계수와, PM2.5 입자의 상관관계함수를 구하는 함수생성단계(S 130);
상기 상관관계함수를 이용하여 단위 부피에서의 PM2.5 입자의 총질량을 산출하는 입자산출단계(S 140); 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소산계수로부터 PM2.5 입자를 추출하는 방법.
In measuring ultrafine dust PM2.5 particles in the air
A dissipation coefficient acquisition step (S 110) of obtaining dissipation coefficients for each wavelength using light of two or more wavelengths;
AE calculation step (S 120) of calculating the Angstrong index using the dissipation coefficient for each wavelength;
A function generation step (S 130) of calculating the correlation function of the dissipation coefficient obtained through a set range of the obtained Angstrong index and the PM2.5 particles;
A particle calculation step (S 140) of calculating the total mass of PM2.5 particles in unit volume using the correlation function; A method of extracting PM2.5 particles from the dissipation coefficient, characterized in that it consists of.
상기 소산계수취득단계(S 110)는,
라이다, 카메라의 RGB 파장, 태양 추정장치로 얻은 미세먼지의 광학적 깊이, 한 포인트에서 소산이나 산란계수를 얻은 네팔로메터를 포함한 산란현상을 측정하는 수단으로부터 산란계수를 얻는 것을 특징으로 하는 소산계수로부터 PM2.5 입자를 추출하는 방법.
In clause 7,
In the dissipation coefficient acquisition step (S 110),
The dissipation coefficient is characterized by obtaining the scattering coefficient from means of measuring scattering phenomena, including LiDAR, the RGB wavelength of a camera, the optical depth of fine dust obtained by a solar estimator, and a nepalometer that obtains the dissipation or scattering coefficient at one point. How to extract PM2.5 particles from.
상기 소산계수취득단계(S 110)는,
카메라처럼 다른 범위의 넓은 파장영역에 따른 서로 다른 두 파장으로 가시광선에서 NIR(NearInfrared)영역의 파장을 활용하는 것을 특징으로 하는 소산계수로부터 PM2.5 입자를 추출하는 방법.
In clause 7,
In the dissipation coefficient acquisition step (S 110),
A method of extracting PM2.5 particles from the dissipation coefficient, which is characterized by utilizing wavelengths in the NIR (Near Infrared) region from visible light with two different wavelengths in a wide wavelength range like a camera.
상기 함수생성단계(S 130)는,
상기 옴스트롱지수의 설정된 범위는 마이너스 값으로부터 4사이의 모든 영역을 선택된 범위로 나누어서 사용하는 것을 특징으로 하는 소산계수로부터 PM2.5 입자를 추출하는 방법.
In clause 7,
In the function creation step (S 130),
A method for extracting PM2.5 particles from a dissipation coefficient, characterized in that the set range of the Angstrong index is divided into the selected range from a negative value to 4.
상기 함수생성단계(S 130)는,
초미세먼지의 총량(Vf)과 조대입자의 총량(Vc)과 초미세먼지의 중심크기(rf)과 조대입자의 중심크기(rc)과 초미세먼지의 중심폭(σf)과 조대입자의 중심폭(σc)의 6가지 매개변수의 변화에서 얻어진 소산계수 및 PM2.5입자 질량의 상관관계에서 옴스트롱지수가 설정범위에 있는 것만 계산하여 상관관계함수를 구하는 것을 특징으로 하는 소산계수로부터 PM2.5 입자를 추출하는 방법.
In clause 7,
In the function creation step (S 130),
Total amount of ultrafine dust (V f ), total amount of coarse particles (V c ), center size of ultrafine dust (r f ), center size of coarse particles (r c ), and center width of ultrafine dust (σ f ). The feature is that the correlation function is obtained by calculating only those Angstrong exponents within the set range from the correlation between the dissipation coefficient and PM2.5 particle mass obtained from changes in the six parameters of the center width (σ c ) of the coarse particles. A method of extracting PM2.5 particles from the dissipation coefficient.
상기 6가지 매개변수의 변화에서 얻어진 소산계수 및 PM2.5입자 질량의 상관관계는, 설정된 기간동안의 대기측정에 따른 6가지 매개변수의 범위를 반영하되 굴절율을 일정한 값으로 고정하여 계산함으로 얻어지는 것을 특징으로 하는 소산계수로부터 PM2.5 입자를 추출하는 방법.According to clause 11,
The correlation between the dissipation coefficient and PM2.5 particle mass obtained from changes in the above six parameters is obtained by calculating the range of the six parameters according to atmospheric measurements over a set period while fixing the refractive index at a constant value. Method for extracting PM2.5 particles from the characterized dissipation coefficient.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118501900A (en) * | 2024-07-10 | 2024-08-16 | 中国气象局人工影响天气中心 | Mie scattering laser radar cloud bottom detection method and system |
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| KR102702224B1 (en) | 2024-09-04 |
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