[논문 리뷰] Argentinian multi-wavelength scanning Raman lidar to observe night sky atmospheric transmission

Juan Pallotta, P. Ristori외 6명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 18.

Impact of Light on Environment and Health참고 문헌 6인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 아르헨티나의 체렌코프 망원경 어레이(CTA)를 위한 실시간 대기 투과도 모델링을 위해 CEILAP(CITEDEF-CONICET)에서 개발한 다파장 스캐닝 라만 레이저 시스템을 제시한다. 355, 532, 1064 nm에서 레이저 펄스를 사용하고, 6개의 40 cm 뉴턴식 망원경을 활용하여 387 nm(N₂), 607 nm(N₂), 408 nm(H₂O)에서의 라만 산란을 통해 스펙트럼 에어로졸 흡수율과 수증기 프로파일을 측정한다. 이는 저에어로졸 환경에서 고정밀도의 체렌코프 망원경 성능 모델링을 가능하게 한다.

ABSTRACT

This paper discusses the multi-wavelength scanning Raman lidar being built at Lidar Division, CEILAP (CITEDEF-CONICET) in the frame of the Argentinean Cherenkov Telescope Array (CTA) collaboration to measure the spectral characteristics of the atmospheric aerosol extinction profiles to provide better transmission calculations at the future CTA site. This lidar emits short laser pulses of 7-9 ns at 355, 532 and 1064 nm at 50 Hz with nominal energy of 125 mJ at 1064 nm. This wavelengths are also used to retrieve the atmospheric (air, aerosol and clouds) backscattered radiation in the UV, VIS and IR ranges. Raman capabilities were added in the UV and VIS wavelengths to retrieve the spectral characteristics of the aerosol extinction and the water vapor profile. Due to the expected low aerosol optical depth of the future site, the short observation period as well as the extension of the observation, an enhanced collection area is required. This system uses six 40 cm f/2.5 newtonian telescopes to avoid dealing with bigger mirror deformation, aberration issues and higher costs that imply the use of a single mirror with the same collection surface. In addition, dismounting of single mirrors for replacement or recoating will affect slightly the performance but not the operation. The additional alignment procedure has been solved by an automatic mirror alignment to follow the line of sight of the observation during the acquisition period. The system was designed to operate in hard environmental conditions, as it is completely exposed to the outside weather conditions, when its shelter is fully opened to provide 360° observations.

연구 동기 및 목표

• 미래의 CTA 현지에서 저에어로졸 투과도 조건이 요구하는 고시공간 해상도를 확보하기 위해, 향후 아르헨티나 현지에서 대기 투과도의 빠르고 정확한 스펙트럼 특성화를 가능하게 하기 위해.
• 기존의 수직선 전용 레이저의 한계를 극복하기 위해, 어떤 시야각이라도 투과도를 측정할 수 있는 스캐닝 시스템을 개발하기 위해.
• 최소한의 유지보수와 높은 신뢰성으로 혹독한 환경 조건에서도 견고하고 원격으로 작동할 수 있도록 하기 위해.
• 6개의 40 cm 망원경을 통해 증대된 수광 면적과 최적화된 레이저 파arameters(1064 nm에서 125 mJ, 50 Hz 반복 주기)를 통해 고신호대잡음비를 달성하기 위해.
• 라만 이동 신호를 이용한 파장 의존성 에어로졸 흡수율 프로파일 제공를 통해 체렌코프 망원경의 에너지 재구성에 기여하기 위해.

제안 방법

• 레이저 펄스는 355 nm, 532 nm, 1064 nm에서 7–9 ns 지속시간, 50 Hz 반복 주기, 1064 nm에서 125 mJ 에너지를 가지며, UV, VIS, IR 범위에서 다중파장 반사광 탐측이 가능하다.
• 라만 산란을 통해 387 nm(N₂, 355 nm에서 2331 cm⁻¹ 이동), 607 nm(N₂, 532 nm에서 1556 cm⁻¹ 이동), 408 nm(H₂O)에서의 신호를 이용하여 라만 레이저 방정식을 통해 에어로졸 흡수율과 수증기 프로파일을 추출한다.
• 단일 큰 거울에 비해 변형과 비용 문제를 피하기 위해, 6개의 40 cm f/2.5 뉴턴식 망원경을 사용하여 수광 면적을 증대시킨다.
• 스캐닝 중에도 선형 시야 추적을 유지하기 위해 자동 거울 정렬 시스템을 구현하여 수동 조작 없이도 안정적인 정렬을 유지한다.
• 로컬 AP를 기반으로 한 Wi-Fi 기반 TCP/IP 네트워크를 통해 원격 제어를 가능하게 하며, 제어 소프트웨어는 C/C++와 ROOT 라이브러리로 작성되었고, 셸터 및 데이터 수집 제어를 위한 HTML 인터페이스를 제공한다.
• 모듈러 설계를 통해 20피트 강화 컨테이너 셸터를 사용하여 전체 360도 스캐닝이 가능하고, 사용하지 않을 땐 기상 조건으로부터 보호할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다파장 라만 레이저 시스템은 저에어로졸 환경에서 체렌코프 망원경의 대기 투과도 측정 정확도를 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 혹독한 외부 환경 조건에서 빠르고 스캐닝 기능을 갖춘 원격 작동 라만 레이저를 운영하기 위해 어떤 설계적 트레이드오프가 필요한가?
• RQ3 단일 큰 거울 대비 다수의 작은 망원경을 사용할 경우, 신호 수집 능력, 정렬 안정성, 유지보수 측면에서 어떤 차이가 있는가?
• RQ4 387 nm, 607 nm, 408 nm에서의 라만 이동 신호는 에어로졸 흡수율과 수증기 프로파일 추출에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 자동 정렬 및 원격 제어 시스템을 어떻게 구현하여 스캐닝 레이저의 신뢰성 있고 유지보수가 적은 작동을 보장할 수 있는가?

주요 결과

• 다파장 스캐닝 라만 레이저 시스템은 355 nm, 532 nm, 1064 nm에서의 스펙트럼 에어로졸 흡수율을 라만 이동된 신호(387 nm(N₂), 607 nm(N₂), 408 nm(H₂O))를 통해 성공적으로 측정하였다.
• 6개의 40 cm 뉴턴식 망원경을 사용함으로써, 저에어로졸 투과도와 짧은 통합 시간 조건에서도 고신호대잡음비를 확보할 수 있는 충분한 수광 면적을 확보하였다.
• 자동 거울 정렬 시스템은 스캐닝 중에도 안정적인 선형 시야 추적을 가능하게 하여 정렬 이격과 정지 시간을 최소화하였다.
• 로컬 TCP/IP 네트워크 기반 Wi-Fi와 HTML 인터페이스를 통한 원격 제어는 현장 전문 지식 없이도 전체 시스템을 운영할 수 있도록 하여 자율적 데이터 수집을 지원한다.
• 모듈러리티와 유지보수 용이성을 위해 설계되어, 전체 시스템 정지를 멈추지 않고도 개별 망원경의 교체나 재코팅이 가능하다.
• 현재 시스템은 개발 중이며, 향후 모터식 방위-진동 스캐닝 기구와 동시에 6선(3선 탄성 + 3선 라만) 탐측이 가능한 소형 파이버 커플드 분광계 박스를 통합할 계획이다.