大气分析装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种大气分析装置，其包括：实测单元，接收观测大气的实测资料并且分析实测资料后输出实测单元资料；模拟单元，模拟大气的状态后输出模拟单元资料；计算单元，针对实测单元资料与模拟单元资料进行比较运算后算出大气的分析资料。
【专利说明】大气分析装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种针对大气的各种组成物质的吸收光谱进行分析而得以分析地球大气的大气分析装置(Apparatus for analyzing atmosphere)。
【背景技术】
[0002]目前为止，主要的观测方法是利用监视大气环境污染物质的观测用地面观测网进行观测。利用地面观测站监视大气环境污染物质的主要原因是设立观测站的成本相对较低，还能直接管理观测仪器。
[0003]但，地面观测网在持续扩充观测站数量时受到很多限制。而且该观测站只拥有国内观测资料而在跨界性污染物质的源头、移动路径等的掌握上受到很多限制。
[0004]韩国注册专利公报第10-0785630号公报揭示了针对红外线波长的光进行分析而量测大气中黄沙分布与浓度的方法。
[0005]现有技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:韩国专利注册公报第10-0785630号
【发明内容】
[0008]解决的技术课题
[0009]本发明涉及一种针对大气的各种组成物质的吸收光谱进行分析而得以分析地球大气的大气分析装置。
[0010]本发明解决的技术课题不限于前述课题，本发明所属领域中具有通常知识者可以在下面的记载中明确地了解到前面没有提到的其它课题。
[0011]解决课题的技术方案
[0012]作为一实施例，本发明大气分析装置包括:实测单元，接收观测大气的实测资料并且分析实测资料后输出实测单元资料；模拟单元，模拟大气的状态后输出模拟单元资料；计算单元，针对实测单元资料与模拟单元资料进行比较运算后算出大气的分析资料。
[0013]作为一实施例，本发明大气分析装置包括:实测单元，处理超光频谱资料而算出气溶胶或微量气体的斜柱浓度；模拟单元，模拟(simulation)化学输送模型及辐射传输模型后算出大气质量因子；把上述斜柱浓度除以上述大气质量因子后算出上述气溶胶或上述微量气体的垂直柱浓度。
[0014]作为一实施例，本发明大气分析装置利用静止轨道人造卫星的超光谱传感器获得超光频谱资料并且以差分吸收光谱法或辐射亮度拟合法处理上述超光频谱资料，按照隶属于上述静止轨道人造卫星观测范围的各地区实时算出大气所含气溶胶或微量气体的浓度或分布。
[0015]有益效果
[0016]本发明由于使用静止轨道人造卫星的超光谱传感器而得以针对广泛地区实时收集高解像力的频谱。
[0017]实时分析高解像力的频谱而得以实时掌握现有技术无法掌握的二氧化氮、二氧化硫、甲醒之类气体(gas)的浓度与分布。
[0018]而且，由于能够实时掌握跨界性污染物质而得以提供可灵活地对应各种环境灾害的信息。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明大气分析装置的概略图。
[0020]图2是本发明的实测单元的概略图。
[0021]图3是本发明的模拟单元的概略图。
[0022]图4是示出本发明大气分析装置从卫星接收资料的情况的说明图。
[0023]图5是示出本发明大气分析装置的进程(process)的顺序图。
[0024]符号说明
[0025]10 一大气分析装置，30 —静止轨道人造卫星，100 —实测单元，110 —传感器部，130 一光运算部，200 —模拟单元，210 —供应部，230 — CTM模拟部，250 — RTM模拟部，270 —卫星观测条件部，300 —计算单元。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图详细说明本发明的实施例。在这个过程中，为了有助于了解本说明内容及说明上的方便而将附图所示构成要素的尺寸或形状等予以夸张地图示。而且，为了照顾本发明的结构及作用而给予特别定义的术语可以根据使用者、运用者的意图或惯例而不同。这些术语的定义应该以本说明书的整体内容为基础。
[0027]图1是本发明大气分析装置的概略图，图2是本发明的实测单元的概略图，图3是本发明的模拟单元的概略图，图4是示出本发明大气分析装置从卫星接收资料的情况的说明图，图5是示出本发明大气分析装置的进程(process)的顺序图。
[0028]下面结合图1到图5详细说明本发明大气分析装置的结构及作用。
[0029]与现有技术利用安装在地面的气候观测站或飞行器等分析大气组成成分的情形相比，使用了以环境卫星有效载荷形态构成的本发明大气分析装置10时可以对广泛地区进行测量，也能针对跨洲际移动的二氧化硫或黄沙之类的跨界性污染物质进行测量。跨界性污染物质可能包含气溶胶，气溶胶则是除了云以外的大气中的粒子状物质的总称。
[0030]作为比较实施例，以地面为基准观察时，极轨道人造卫星是一种没有固定在一个地点而随着时间路经地球上的其它位置的卫星。与本发明形成对比的极轨道卫星形态的大气分析装置10由于无法在所需要的特定时间固定于特定位置而使得其分析大气时受到时间与地点限制，其自由度较低。因此其比较不适于观测诸如黄沙一样跨境移动的跨界性环境污染物质。
[0031]与此相比，以静止轨道卫星形态准备的本发明大气分析装置10由于一直位于固定位置而得以不受时间限制地针对特定地区进行大气分析。而且，容易观测跨界性污染物质，能够实时精密测量大气所含气溶胶、气体(gas)成分。
[0032]静止轨道人造卫星30是一种人造卫星的周期和地球的自转周期相同的人造卫星。静止轨道上的物体以等同于地球自转的角速度绕着地球周围旋转。静止轨道大气分析装置10在高度3万5786km的轨道固定于地球的一个特定地区而得以实时观测特定的一个地区。
[0033]如前所述，本发明大气分析装置10的重要特征在于静止轨道及能够实时观测。而且，针对从太阳通过地球大气后入射到位于宇宙空间的静止轨道卫星的辐射量观测其变化而得以准确地测量大气成分。而且，由于利用超光谱传感器测量辐射量而得以针对波长吸光特性不同的各种气体(gas)成分进行精密分析。
[0034]为此，本发明大气分析装置10包括实测单元100、模拟单元200及计算单元300。实测单元100接收观测大气的实测资料并分析实测资料后输出实测单元100资料。模拟单元200模拟(simulation)大气状态后输出模拟单元200资料。计算单元300则针对实测单元100所输出的实测单元100资料与模拟单元200所输出的模拟单元200资料进行比较运算并且以该结果为基础算出大气的分析资料。
[0035]本发明大气分析装置10能以环境卫星有效载荷(payload)的形态实现。作为一实施例，可以将构成本发明大气分析装置10的实测单元100、模拟单元200、计算单元300全部安装到环境卫星有效载荷。作为另一个实施例，只将实测单元100安装到环境卫星有效载荷后在宇宙空间观测地球的太阳光辐射量，模拟单元200或计算单元300则可以安装在位于地面的卫星观测站。作为其它各种实施例，可以把实测单元100、模拟单元200、计算单元300分散地配置在环境卫星有效载荷、地面的卫星观测站、远程资料处理地点之类的各种位置。
[0036]作为一实施例，实测单元100包括传感器部110及光运算部130。传感器部110与光运算部130可以形成为单一模块或者形成为分离的模块。传感器部110针对从太阳通过大气后被静止轨道人造卫星30接收的太阳光进行观测并输出超光频谱资料。光运算部130接收传感器部110所输出的超光频谱资料并针对大气所含气体算出各类气体的斜柱浓度。
[0037]作为一实施例，传感器部110包含超光谱传感器并且作为光学装置装载到静止轨道人造卫星30。
[0038]一般光谱传感器把光线分光成有限数量的波段并针对特定波段检测光强度变化。由于特定物质对特定波段具有吸光特性，因此只要针对光谱传感器所检测的特定波段的光强度变化进行分析就能测出特定物质的量。作为一般光谱传感器之一的多分光(mul-channel)传感器主要利用数量限制在10几个的波长数算出对象物质，因此遥测大气中各种气体时具有一定限制。
[0039]本发明的超光谱传感器(Hyperspectroscopy sensor)的频谱解像力高于现有的光谱传感器，作为一例，可以针对波长宽窄于多分光(multispectral)传感器且连续的分光带(band)的频谱收集辐射量分析资料。因此，可以从特定时间接收的辐射量数据同时分析出构成大气的混合气体(gas)的各气体(gas)的浓度。通过本发明的超光谱传感器收集的超光频谱资料在大气分析的准确度上比现有的光谱传感器更加精密。
[0040]如果把超光谱传感器安装到极轨道卫星就能利用超光谱传感器的高解像力特性测量大气所含各气体(gas)的浓度或气溶胶，但是由于极轨道卫星的位置会移动而无法针对地球上的特定位置进行实时分析大气。与此相比，本发明的传感器部110则包含安装在静止轨道人造卫星30的超光谱传感器。因此，同时具备了超光谱传感器的高解像力气体(gas)分析特性与静止轨道人造卫星30的实时测量特性。
[0041]另一方面，极轨道人造卫星虽然装载了超光谱传感器就能确保设定的光分析准确度，但由于静止轨道人造卫星30所处位置更高于极轨道人造卫星而难以确保如同超光谱传感器的光分析准确度。本发明则具备了超光谱传感器，该超光谱传感器则具有足够用于静止轨道人造卫星30的分辨率及精密度。把超光谱传感器适用于静止轨道，不仅能测量气溶胶及臭氧(O3)，还能实时算出目前为止无法实时观测的大气组成物质二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)、甲醛(HCHO)等的浓度与分布。
[0042]本发明大气分析装置10通过在静止轨道人造卫星30使用超光谱传感器而不仅能够实时分析气溶胶及臭氧(O3)，还能实时算出目前为止无法实时测量的包含二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)、甲醛(HCHO)在内的各种气体的浓度与分布。
[0043]作为一实施例，传感器部110以至少一小时以下的周期输出超光频谱资料并提供给光运算部130。传感器部110则为了实时测量而每一小时就收集一次超光频谱资料或者为了得到更高的时间解像力以数分钟?数十分钟的周期收集超光频谱资料。
[0044]传感器部110所输出的超光频谱资料的波长区是紫外线到可视光线区，因此能够针对作为主要环境气体(gas)污染物质的二氧化氮、二氧化硫、臭氧及甲醛逐一进行分析。
[0045]大气分析装置10利用包含紫外线及可视光线区超光谱传感器的静止轨道卫星有效载荷所测量的辐射亮度测量气溶胶、作为主要环境气体(gas)污染物质的二氧化氮、二氧化硫、臭氧及甲醒的大气垂直柱浓度(VO):Vertical Column Density)。
[0046]但，由于人造卫星所搭载的超光谱传感器的观测光路径没有垂直于地面，因此以差分吸收光谱法或辐射亮度拟合法处理超光频谱资料时算出来的是斜柱浓度(SCD =SlantColumn Density) 0为了从作为实测资料值的斜柱浓度求得垂直柱浓度而需要大气质量因子(AMF:Air Mass Factor)。大气质量因子表示斜柱浓度除以垂直柱浓度后的值。
[0047]大气质量因子(AMF:Air Mass Factor)的计算法如下。把排放量资料输入到化学输送模型(CTM:Chemical Transfer Model)。然后，把化学输送模型经过模拟后算出来的对象气体们的铅直分布及卫星观测时的几何信息输入辐射传输模型(RTM=RadiativeTransfer Model)。以上述输入值为基础在辐射传输模型经过模拟后算出指示垂直柱浓度与斜柱浓度之比的大气质量因子。
[0048]在作为实测数据值的斜柱浓度上除以作为模拟资料值的大气质量因子后算出作为最终结果值的垂直柱浓度。
[0049]作为一实施例，实测单元100把气溶胶或微量气体的斜柱浓度作为实测单元100资料而输出。斜柱浓度则如下所示地求得。
[0050]对于在紫外线及可视光线区利用超光谱传感器以每一小时测量或者以更高的时间解像力测量的超光频谱资料以差分吸收光谱法(D0AS: Differential Opticalabsorption spectroscopy)或福射亮度拟合法分析后得到对应于该卫星测量角度的微量气体的斜柱浓度。
[0051]作为一实施例，模拟单兀200把大气质量因子作为模拟单兀200资料输出。大气质量因子则如下所示地求得。
[0052]排放量资料被输入化学输送模型后，化学输送模型以排放量资料为基础把微量气体或气溶胶的铅直分布信息以模拟值输出。铅直分布信息则以每一小时或者以更高的时间解像力计算。卫星观测条件部270把卫星观测几何资料输入到辐射传输模型。卫星观测几何资料至少包括超光谱传感器查看地表面对象地点的角度及方位角、太阳位置、地表面反射度中的至少一个。化学输送模型所模拟的铅直分布信息及卫星观测条件部270所提供的卫星观测几何资料被一起输入到辐射传输模型后，辐射传输模型输出大气质量因子。
[0053]作为实测单元100的被测对象物的微量气体指的是诸如二氧化氮、二氧化硫、甲醒、臭氧等需要通过超光频谱资料实测的气体。作为模拟单元200的模拟(simulation)对象物的微量气体指的是需要算出模拟铅直分布值的大气中气体，为了实测单元100的资料同化而需要改铅直分布值，该微量气体包括二氧化氮、二氧化硫、甲醛、臭氧，此外还可以包括以Ippm以下的浓度存在于大气的气体(gas)。
[0054]作为一实施例，模拟单元200包括供应部210、CTM模拟部230、卫星观测条件部270及RTM模拟部250。
[0055]供应部210输出排放到大气的各类气体的排放量资料。供应部210接收释放因子与活动率后输出排放量资料，排放量资料则被传输到CTM模拟部230。释放因子是构成各气体排放原因的信息，活动率则指示各排放原因的排放强度。
[0056]CTM模拟部230模拟(simulation)化学输送模型,该化学输送模型为了生成实时分析大气时所需要的模拟资料而以至少一小时以下的周期输出各气体的铅直分布。化学输送模型接受排放量资料后输出大气所含气体的铅直分布信息。
[0057]卫星观测条件部270在人造卫星观测时提供卫星观测几何资料而得以提供给辐射传输模型。RTM模拟部250模拟(simulation)福射传输模型,该福射传输模型为了生成实时分析大气时所需要的模拟资料而以至少一小时以下的周期输出大气质量因子。辐射传输模型输出大气质量因子并提供给计算单元300。
[0058]作为一实施例，计算单元300从实测单元100接受所输入的斜柱浓度并且从模拟单元200接受所输入的大气质量因子，把斜柱浓度除以大气质量因子后算出垂直柱浓度。
[0059]把以差分吸收光谱法或辐射亮度拟合法算出来的微量气体的斜柱浓度除以以每一小时或者更高的时间解像力计算出来的大气质量因子，就能以每一小时或者更高的时间解像力算出各气体的垂直柱浓度。
[0060]作为利用静止轨道人造卫星30的观测资料掌握大气的气溶胶或气体(gas)浓度与分布的手段，本发明需要差分吸收光谱法、排放量资料、化学输送模型、辐射传输模型、气体(gas)柱浓度。下面将依次说明。
[0061]下面说明差分吸收光谱法。
[0062]差分吸收光谱法针对所观测到的超光频谱资料进行分析后算出大气中的气溶胶或各种气体的斜柱浓度。
[0063]不仅仅是通过了地球大气的太阳直照光，差分吸收光谱法还能从大气中散射或者从地球表面反射的太阳光的测量值分析出大气的气体(gas)量与种类。
[0064]差分吸收光谱法利用通过地球大气之前的太阳光的强度Etl与通过地球大气后的太阳光的强度E之间的关系进行计算。关系式如下。
[0065]E(X)=E式⑴
[0066] 太阳光在通过大气时其强度以指数函数方式减弱，指数函数中指数的大小则表示太阳光通过大气时衰减的程度。λ表示太阳光的波长。ts( λ)则表示倾斜光学厚度(SlantOptical thickness)。倾斜光学厚度则表示在不垂直于地面的几何状态的光路径中通过大气的太阳光的光学厚度。倾斜光学厚度如下。
【权利要求】
1.一种大气分析装置，其特征在于， 包括: 实测单元，接收观测大气的实测资料并且分析上述实测资料后输出实测单元资料； 模拟单元，模拟上述大气的状态后输出模拟单元资料； 计算单元，针对上述实测单元资料与上述模拟单元资料进行比较运算后算出上述大气的分析资料。
2.根据权利要求1所述的大气分析装置，其特征在于， 上述实测单元包括: 传感器部，针对从太阳通过上述大气被静止轨道人造卫星接受的太阳光进行观测并输出超光频谱资料； 光运算部，接收上述传感器部所输出的上述超光频谱资料并针对上述大气所含气体算出各类气体的斜柱浓度。
3.根据权利要求2所述的大气分析装置，其特征在于， 上述传感器部以至少一小时以下的周期向上述光运算部供应上述超光频谱资料。
4.根据权利要求2所述的大气分析装置，其特征在于， 上述超光频谱资料的波长区是紫外线到可视光线区。
5.根据权利要求2所述的大气分析装置，其特征在于， 上述光运算部以差分吸收光谱法或辐射亮度拟合法处理上述超光频谱资料而算出上述斜柱浓度。
6.根据权利要求2所述的大气分析装置，其特征在于， 算出上述斜柱浓度的上述气体是二氧化氮、二氧化硫、甲醛或臭氧中的一个以上。
7.根据权利要求1所述的大气分析装置，其特征在于， 上述模拟单元包括: 供应部，按照排放到上述大气的气体的种类输出排放量资料； CTM模拟部，其模拟(simulation)化学输送模型，该化学输送模型输出上述大气所含上述气体的铅直分布信息； 卫星观测条件部，在人造卫星观测时提供卫星观测几何资料； RTM模拟部,其模拟(simulation)福射传输模型,该福射传输模型输出大气质量因子。
8.根据权利要求7所述的大气分析装置，其特征在于， 上述供应部接收释放因子与活动率后输出上述排放量资料， 上述释放因子是构成上述各气体的排放原因的信息， 上述活动率则指示上述各排放原因的排放强度。
9.根据权利要求7所述的大气分析装置，其特征在于， 上述化学输送模型接受上述排放量资料后输出上述气体的铅直分布。
10.根据权利要求9所述的大气分析装置，其特征在于， 上述CTM模拟部模拟(simulation)上述化学输送模型,该化学输送模型则以至少一小时以下的周期输出上述气体的铅直分布。
11.根据权利要求7所述的大气分析装置，其特征在于， 上述卫星观测条件部把上述卫星观测几何资料输入到上述辐射传输模型，上述卫星观测几何资料至少包括人造卫星超光谱传感器查看地表面的对象地点的角度及方位角、太阳位置、地表面反射度中的至少一个。
12.根据权利要求7所述的大气分析装置，其特征在于， 上述辐射传输模型接受了上述气体的铅直分布信息与上述卫星观测几何资料后输出上述大气质量因子。
13.根据权利要求7所述的大气分析装置，其特征在于， 被计算上述排放量信息或铅直分布的上述气体包括微量气体及气溶胶， 上述微量气体以至少Ippm以下的浓度存在于上述大气。
14.根据权利要求1所述的大气分析装置，其特征在于， 上述计算单元从上述实测单元接收上述大气所含各气体的斜柱浓度并且从上述模拟单元接收大气质量因子，从上述斜柱浓度与上述大气质量因子算出上述各气体的垂直柱浓度。
15.根据权利要求14所述的大气分析装置，其特征在于， 上述气体是二氧化氮、二氧化硫、甲醛或臭氧中的一个以上。
16.一种大气分析装置，其特征在于， 包括: 实测单元，处理超光频谱资料而算出气溶胶或微量气体的斜柱浓度； 模拟单元，模拟(simulation)化学输送模型及辐射传输模型后算出大气质量因子；把上述斜柱浓度除以上述大气质量因子后算出上述气溶胶或上述微量气体的垂直柱浓度。
17.一种大气分析装置，其特征在于， 利用静止轨道人造卫星的超光谱传感器得到超光频谱资料， 以差分吸收光谱法或辐射亮度拟合法处理上述超光频谱资料而按照隶属于上述静止轨道人造卫星观测范围的各地区实时算出大气所含气溶胶或微量气体的浓度或分布。
【文档编号】G01N21/31GK103994979SQ201410052720
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年2月17日 优先权日:2013年2月15日
【发明者】金雋, 李翰林, 朴淥镇, 金宰焕, 李光睦, 宋哲汉, 金英俊, 安明焕, 刘正文, 朴善基 申请人:延世大学校产学协力团, 梨花女子大学校产学协力团, 光州科学技术院