KR100966795B1 - 낙뢰 위치 표정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 일반 상용의 뇌경보시스템에 적용 가능하도록 시스템 구성을 단순화시키고, 아울러 뇌방전 또는 낙뢰의 위치 추정이 가능한 낙뢰 위치 표정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 낙뢰 위치 표정 장치에 있어서, 낙뢰시 발생하는 전장파형을 검출하여, 낙뢰의 극성을 판별하기 위한 전장파형 검출수단; 낙뢰시 발생하는 자장파형을 검출하고, 상기 자장파형의 영점교차점 시간을 검출하기 위한 자장파형 검출수단; 및 상기 낙뢰의 극성을 기준으로 상기 자장파형 검출수단의 출력을 비교하여 낙뢰의 도래 방향과 방위각을 결정하고, 상기 영점교차점 시간으로부터 뇌방전 또는 낙뢰 지점까지의 거리를 측정하여, 낙뢰의 도래방위각과 상기 측정된 거리를 바탕으로 낙뢰 위치를 추정하기 위한 위치추정수단을 포함한다.
낙뢰, 뇌경보, 자장센서, 전장센서, 휩 안테나, 루프코일

Description

낙뢰 위치 표정 장치 및 방법{Lightning Positioning System and Method}
본 발명은 낙뢰 위치 추정 기술분야에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 뇌경보시스템의 핵심요소로 뇌운의 활동 및 이동을 실시간으로 관측할 수 있는 낙뢰 위치 표정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 천둥이나 번개 즉, 뇌방전의 발생원인이 되는 가장 보편적인 것은 뇌운이다. 이러한 뇌운은 전기로 충전되어 있고 대체로 상부는 양전하를 띤 얼음결정을 이루고, 하부는 음전하를 띤 물방울로 이루어져 있다. 뇌운 속에서 전하축적에 따라 그 바로 아래 지표면에는 운전하와 역극성 전하가 대전되므로 양자간 전계강도가 증대하여 공기절연 파괴내력을 넘으면 양자 사이에 불꽃방전이 발생하고 이른바 대지뇌격(낙뢰)이 일어난다.
구름에 모여있던 전하가 대지로 방전될 때 지상의 전계강도도 올라가게 된다. 즉, 번개의 전하에 유도되어 지상의 한 점으로 전하들이 모이게 되는 데, 이때 돌출된 부위일수록 전하들이 쉽게 모일 수 있어, 가장 돌출된 부위의 전계가 주변에 비해 상승하게 되며, 이곳으로 낙뢰가 떨어지게 된다.
전하들이 쉽게 모일 수 있는 곳으로는 평평한 대지위에 있는 나무, 사람, 건 물 등이 있으며, 특히 건조하거나 금속물질이 있는 곳이 그렇지 않은 곳보다 더욱 모이기 쉽다.
최근 고층건물들이 많이 건축되고 있으며, 이에 따라 낙뢰의 뇌격으로부터 건물들을 보호하기 위한 낙뢰 보호시스템이 마련되고 있다.
전술한 바와 같이, 낙뢰는 뇌운이 가진 전하를 공기절연파괴를 통해 대지로 방출하는 현상이며, 이 과정에서 전자장이 발생하여 대기중을 전파하게 된다. 낙뢰발생의 위치를 분석하는 기술은 뇌운의 활동과 이동경로, 낙뢰의 발생을 예지할 수 있게 해줌으로써 우주선 발사시 기상조건의 관측, 지상 주요 건축물과 전력설비에서의 안전대책, 골프장과 운동장에서 활동의 안전성 확보 등 다양한 분야에서 기상관측과 낙뢰에 의한 피해방지 대책의 수단으로 적용되고 있다.
뇌방전(lightning discharge)의 측정과 분석은 뇌방전 또는 낙뢰에 의한 피해 대책을 연구하고자 수십 년 전부터 수행되어 왔다.
즉, 낙뢰 예측 기술은 옥외활동(골프, 축구 등)에서 낙뢰로 인한 피해 예방(일반 상용), 송배전선로의 절연레벨 설계 자료(특수목적용), 뇌운의 이동 모니터링(특수목적용) 등에 사용된다.
또한, 뇌방전 예측 기술은 항공기 운항 경로(특수목적용) 등에 사용된다. 이는 레이더를 이용하여 뇌운의 움직임을 측정하거나, 센서를 여러 지점에 설치하여 낙뢰 또는 뇌방전 위치를 측정한다.
연구 및 특수목적용 뇌방전 검출 기술로는, 레이더에 의해 뇌운(thundercloud)의 위치 및 크기를 측정하는 기술, 여러 지점에 전자장 검출센서 와 GPS를 설치하고 뇌방전 또는 낙뢰지점으로부터 방사되는 전자장의 시간차(ToA : Time of Arrival)에 의해 측정하는 기술, 여러 지점에 직교의 자장센서를 설치하고 낙뢰의 방위만 측정한 후 센서와의 방위각 교차점으로부터 측정하는 기술 등이 있다.
그러나, 연구 및 특수목적용 뇌방전 검출 기술은, 비록 낙뢰의 위치 추정이 가능하지만, 시스템 구성이 복잡하고, 고가의 장비로 인해 극히 일부에서만 제한적으로 사용되고 있다.
한편, 일반적으로 상용되는 뇌방전 검출 기술로는, 뇌방전시 방사되는 단일 주파수 대역의 전자파를 검출하여 근거리에 뇌방전이 있음을 알리는 기술, 뇌방전시 방사되는 2개의 주파수 대역(300kHz, 500kHz)의 전자파를 검출하여 주파수에 따라 근거리 또는 원거리에 뇌방전이 있음을 알리는 기술 등이 있다.
그런데, 낙뢰는 뇌운이 가진 전하를 공기절연파괴를 통해 대지로 방출하는 현상이며, 이 과정에서 전자장이 발생하여 대기중을 전파하게 된다. 낙뢰 위치는 2지점에 설치된 직교 루프코일에 의한 교차점을 구하거나, 3개 이상의 다지점에 설치된 전자장 센서에 도달하는 전자파의 시간차로부터 분석이 가능하다.
하지만, 일반 상용의 뇌방전 검출 기술[예로서, 일반 상용의 뇌경보시스템(lightning warning system)]은, 뇌방전 또는 낙뢰의 위치 추정이 불가능하다.
본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 일반 상용의 뇌경보시스템에 적용 가능하도록 시스템 구성을 단순화시키고, 아울러 뇌방전 또는 낙뢰의 위치 추정이 가능한 낙뢰 위치 표정 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
본 발명은, 낙뢰 위치 표정 장치에 있어서, 낙뢰시 발생하는 전장파형을 검출하여, 낙뢰의 극성을 판별하기 위한 전장파형 검출수단; 낙뢰시 발생하는 자장파형을 검출하고, 상기 자장파형의 영점교차점 시간을 검출하기 위한 자장파형 검출수단; 및 상기 낙뢰의 극성을 기준으로 상기 자장파형 검출수단의 출력을 비교하여 낙뢰의 도래 방향과 방위각을 결정하고, 상기 영점교차점 시간으로부터 뇌방전 또는 낙뢰 지점까지의 거리를 측정하여, 낙뢰의 도래방위각과 상기 측정된 거리를 바탕으로 낙뢰 위치를 추정하기 위한 위치추정수단을 포함한다.
또한, 본 발명은, 낙뢰 위치 표정 방법에 있어서, 낙뢰시 발생하는 전장파형을 전장센서를 통해 검출하여 낙뢰의 극성을 판별하는 단계; 낙뢰시 발생하는 자장 파형의 크기를 자장센서를 통해 검출하고, 상기 자장파형의 영점교차점 시간을 검출하는 단계; 상기 낙뢰의 극성을 기준으로 상기 자장파형 검출수단의 출력을 비교하여 낙뢰의 도래 방향과 방위각을 결정하는 단계; 및 상기 영점교차점 시간으로부터 뇌방전 또는 낙뢰 지점까지의 거리를 측정하여, 낙뢰의 도래방위각과 상기 측정된 거리를 바탕으로 낙뢰 위치를 추정하는 단계를 포함한다.
상기와 같은 본 발명은 시스템 구성이 단순하여 일반 상용의 뇌경보시스템에 적용 가능하고, 아울러 일반 상용의 뇌경보시스템이 갖지 못하는 뇌방전 또는 낙뢰의 위치 추정이 가능한 이점이 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있을 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1 은 본 발명에 따른 낙뢰 위치 표정 장치의 전자장 검출센서를 보여주는 설명도이다.
본 발명에 따른 낙뢰 위치 표정 장치는, 전장검출용 협대역 안테나(전장센서)와 자장검출용 광대역 직교 루프코일(자장센서)로 뇌방전 또는 낙뢰의 위치를 추정한다.
본 발명에 따른 낙뢰 위치 표정 장치는, 한 지점에 전자장센서(협대역 안테나, 직교 루프코일)의 설치로 뇌방전 또는 낙뢰의 위치 추정이 가능하다. 이때, 특정 주파수대 협대역 안테나(전장센서)로 뇌방전 또는 낙뢰의 극성을 판별하고, 광대역 직교 루프코일(자장센서)로 낙뢰지점의 방위각을 측정하며, 자장파형의 영점교차 시간으로부터 뇌방전 또는 낙뢰 지점까지의 거리를 측정한 후, 낙뢰 위치를 추정한다.
낙뢰 위치 표정 장치는, 도 1에서와 같이 낙뢰시 발생하는 전자장 파형을 검출하기 위해 2개의 루프코일(E-W, N-S)[자장검출용 광대역 직교 루프코일(자장센서)]을 직교시키고, 중앙에 휩(whip) 안테나[전장검출용 협대역 안테나(전장센서)]를 고정시킨다.
루프코일의 동작원리는 하기 [수학식 1]의 맥스웰 방정식(Maxwell Equation)을 기초로 한다.
Figure 112007053742811-pat00001
상기 [수학식 1]에서, E는 전장의 세기, B는 자장의 세기, dL은 루프의 미소길이, dA는 미소면적, Φ는 루프를 통과하는 전자속이다. 루프코일에 입사된 자장중 루프를 관통하는 전자속 쇄교수를 Φ라 하면, 패러데이의 법칙에 의해 루프 안테나[자장검출용 광대역 직교 루프코일(자장센서)]에 유기되는 전압 V는 하기의 [수학식 2]가 되므로, 낙뢰시 발생되는 자장파형을 검출할 수 있다.
이 때, 하기의 [수학식 2]는 시간에 대한 미분량이므로 원래의 자계파형을 구하기 위해서는 적분량이 필요하다. 따라서, 본 발명은 RC회로를 통해 미분된 자계파형을 원신호로 복원한다.
Figure 112007053742811-pat00002
또한, 낙뢰는 정 또는 부극성으로 발생하는데, 루프코일의 수직 정면으로 정극성 자장이 유도되거나 후면으로 부극성 자장이 유도될 경우에 동일한 극성의 전압이 나타나서 낙뢰의 방향을 정할 수 없기 때문에 낙뢰의 극성을 판별할 필요가 있다.
따라서, 낙뢰의 극성은 무지향성 휩(whip) 안테나[전장검출용 협대역 안테나(전장센서)]와 동조회로에 의해 전장파형을 검출함으로써 분석이 가능하며, 극성을 기준으로 루프센서[자장검출용 광대역 직교 루프코일(자장센서)]의 출력과 비교하면 낙뢰시 전자장의 도래 방향을 알 수 있다.
도 2 는 본 발명에 따른 낙뢰 위치 표정 장치의 일실시예 구성도로서, 낙뢰의 위치를 추정하기 위해 무지향성 안테나(10)와 직교 루프코일(20)로 구성한 전자장 검출회로를 보여준다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 낙뢰 위치 표정 장치는, 낙뢰시 발생하는 전장파형을 검출하기 위한 전장파형 검출회로[휩 안테나(10), 전력증폭기, 트리거 회로(30,40)]와, 낙뢰시 발생하는 자장파형을 검출하기 위한 자장파형 검출회로(루프코일(20), RC회로, 전력증폭기, 피크 검출기(50~80)]와, 전장파형으로부터 낙뢰의 극성을 판별하고, 자장파형의 영점교차점 시간을 검출하며, 낙뢰의 극성을 기준으로 자장파형 검출회로의 출력을 비교하여 낙뢰의 도래 방향과 방위각을 결정하고, 영점교차점 시간으로부터 뇌방전 또는 낙뢰 지점까지의 거리를 측정하여, 낙뢰의 도래방위각과 측정된 거리를 바탕으로 낙뢰 위치를 추정하기 위한 제어부(90)를 포함한다. 여기서, RC회로는 미분된 자계파형을 원신호로 복원하기 위한 적분회로이다.
여기서, 자장파형 검출회로는 2개의 루프코일(E-W, N-S)이 직교된 자장검출용 광대역 직교 루프코일(20)을 포함하며, 전장파형 검출회로는 2개의 루프코일(20)의 중앙에 고정된 전장검출용 협대역 휩 안테나(10)를 포함한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 낙뢰 위치 표정 장치의 동작을 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
낙뢰에 의한 전자장파형(전장파형, 자장파형) 도래시 휩 안테나(10) 또는 루프코일(20)의 출력전압에 의해 트리거되고, 휩 안테나 회로(전장파형 검출회로)에서는 전장파형의 극성만을 판별하며, 루프코일 회로(자장파형 검출회로)는 자장파 형의 크기와 폭을 검출한다.
본 발명에서, 휩 안테나 회로(전장파형 검출회로)의 공진주파수는 낙뢰시 전장파형의 주요주파수를 고려하여 300kHz로 설계하였다(협대역 특성).
또한, 루프코일 회로(자장파형 검출회로)의 -3dB의 주파수 대역은 5.2KHz에서 1.71MHz로 낙뢰시 발생하는 자장을 검출하기에 충분한 광대역 특성을 갖는다.
루프코일 회로(자장파형 검출회로)의 출력은 정ㆍ부극성 출력값[도 3 참조]을 피크 검출기(50~80)를 통해 최대값의 크기만 제어부(90)의 A/D 입력에 전달된다.
참고로, 도 3의 파형은 루프안테나에 의해 검출된 자계 파형과 피크검출기의 출력파형을 각각의 안테나 방향(E-W, N-S)에 따라 나타낸 것이다.
즉, 도 3의 y축은 쇄교되는 자속량으로, 이는 상기 [수학식 2]에 의해 전압신호로 검출될 수 있다. 다시 말해, 도 3의 y축은 쇄교자속에 의해 유기된 전압인 것이다.
예를 들어 E-W방향에서 낙뢰가 발생하면, 루프안테나에 의해 검출된 자계파형은 도 3의 상단에 있는 파형과 같고, 그로 인한 피크검출기의 파형은 도 3의 아래 파형과 같다. 여기서, 피크검출기의 두 개의 출력 중, 위쪽에 있는 출력값은 자계파형의 정극성에 해당하는 출력값이고, 아래쪽의 출력값은 자계파형의 부극성에 해당하는 출력값이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 맨 위쪽에 있는 파형은 낙뢰 시 발생되는 자계신호를 루프안테나로 검출한 아날로그 신호이며, 아래쪽 두 개의 파형은 제어부(MCU) 기반의 데이터 처리를 위한 피크검출기의 출력을 나타낸다.
본 발명의 피크 검출기(50~80)의 출력의 크기는 낙뢰 시 발생하는 자계의 세기에 비례하고, 자계의 세기는 낙뢰지점과의 거리에 반비례한다.
도 4를 참조하면, 낙뢰지점이 관측지점으로부터 가까울수록 자계의 세기가 '0'(영점 교차점)으로 감쇄하는 시간이 길고, 낙뢰지점이 멀수록 자계의 감쇄시간이 짧아지게 되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 낙뢰가 관측지로부터 멀리서 발생하였을 경우, 영점 교차점 시간이 짧아지게 되는 것이다.
다시 말해, 낙뢰의 발생지점이 관측지로부터 가까울수록 자계 파형의 폭은 넓고, 그로 인한 영점교차점까지의 시간차 및 도달시간차이 길어지게 되는 것이다.
반대로, 낙뢰발생 지점이 먼 경우에는, 자계의 폭은 좁아지고, 그로 인한 시간차는 짧아지게 된다.
따라서, 피크검출기의 도달시간차를 역으로 영점 교차점 시간을 계산할 수 있으며, 영점 교차점 시간으로부터 낙뢰발생지점까지의 거리를 대략적으로 추정하는 것이 가능하다.
참고로, 수평거리 D에서 자계의 세기는 후술되는 [수학식 4]와 같다.
낙뢰의 위치 추정은 낙뢰지점과 관측지점 사이의 거리의 함수로서 전자장 파형이 변화하는 것을 이용하면 가능하다. 가정을 단순화하여 전기쌍극자에 의한 지상에서 D만큼 떨어진 지점에서의 시변 전장과 자장의 세기에 대한 시간적 변화는 다음과 같이 근사적으로 표현할 수 있다.
뇌방전에 의하여 발생하는 전장파형과 자장파형의 특성은 상승시간, 피크후 영점교차점까지의 시간, 제1 귀환 뇌격후 반대방향으로의 오버슈트 등의 여러 가지 파라미터에 의하여 특징지어지는데, 이들 파라미터는 하기의 [수학식 3] 및 [수학식 4]에서 표현된 바와 같이 낙뢰지점 또는 운방전 위치로부터 전ㆍ자장 검출센서[전장검출용 협대역 휩 안테나(전장센서)(10), 자장검출용 광대역 직교 루프코일(자장센서)(20)]까지의 거리에 따라 변화된다.
도 4에 낙뢰에 의한 자장파형의 거리의존성에 대한 영점교차점 변화를 나타 내었다. 10km 이내의 근거리에서는 정전장 성분과 유도성분이 많이 포함되어 있고, 50km 이상 원거리 경우에는 주로 방사성분이 지배적으로 검출된다. 따라서, 루프코일(20)로 검출된 자장파형의 영점교차점 시간으로부터 낙뢰위치가 관측점으로부터 어느 거리에 있는가를 개략적으로 추정할 수 있다.
Figure 112009005362616-pat00003
여기서, E는 시변 전장의 세기이며, [M]은 지연된 시간에서 얻어진 전기 쌍극자 모멘트[A·m2] 값으로,
Figure 112009005362616-pat00021
로 나타낸다. 다시 말해, 괄호안의 값은 대기중의 진전에 의해서
Figure 112009005362616-pat00022
만큼 지연된 시간에서 얻어진 값으로,
Figure 112009005362616-pat00023
으로 나타낼 수 있다. 이 때, D는 지상으로부터의 거리를 의미하며, M은 전기 쌍극자 모멘트 [A·m2]를 나타낸다.
또한, c는 3×108m/s(빛의 속도), ε0는 8.854×10-12F/m(공기의 유전율), π는 3.14를 나타낸다.
Figure 112007053742811-pat00004
여기서, B는 시변 자장의 세기[Wb/m2]로 상기 식에서는 지상에서 거리 D만큼 떨어진 지점에서의 시간적 변화를 나타낸다. 이때, μ0는 공기의 투자율(4π×10-7)을 의미하며, M은 자기 쌍극자 모멘트, c는 자유공간에서의 빛의 속도, 그리고 π는 3.14를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 이용되는 전장신호에 의한 극성판별 예시도로, 보다 자세하게는, 발생한 낙뢰의 극성을 판별하기 위한 극성 판별회로의 출력파형을 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 낙뢰 위치 표정 장치는 정극성 및 부극성 신호를 측정/판별하기 위하여 상,하 두 개의 채널로 신호를 측정한다.
예컨대, 정극성 낙뢰가 발생하게 되면 도 5의 '(a)-하'에서와 같이 정극성 측정채널에 낙뢰신호(input signal)가 측정되며, 트리거 펄스(trigger pulse)가 high에서 low로 떨어지게 된다. 반면, 부극성 측정채널 '(a)-상'에서는 아무런 신호도 측정되지 않는다.
이러한 트리거 신호는 MCU(micro controller unit)에 입력되며, 이 신호로부터 정극성 낙뢰가 발생한 것을 인식하게 된다.
한편, 부극성 낙뢰가 발생하게 되면, 도 5의 '(b)-상'에서와 같이 부극성 측정 채널에 낙뢰신호(input signal)가 측정되며, 트리거 펄스(trigger pulse)가 high에서 low로 떨어지게 된다. 반면, 정극성 측정채널 '(b)-하'에서는 아무런 신호도 측정되지 않는다.
이러한 트리거 신호는 MCU(micro controller unit)에 입력되며, 이 신호로부터 부극성 낙뢰가 발생한 것을 인식하게 된다.
도 5는 동 위치에서 정ㆍ부극성 서지전압을 발생시켜 휩 안테나 회로로부터 검출된 전장신호의 극성에 따른 트리거 회로(30,40)의 출력 예를 나타낸 것이다. 제어부(90)에서 극성 판별은 도 2의 회로에서 정극성 입력에 대해 INT0, 부극성 입력에 대해서는 INT1이 5V에서 0V(High ⇒ Low)로 변화할 때 검출된다. 방사 전장파형은 극성만을 판별하는 것으로 크기는 측정하지 않는다. 낙뢰 위치는 얻어진 파라미터로부터 다음과 같은 알고리즘으로 추정한다. 하기에서, INT0의 입력은 트리거 회로(30)의 출력값이고[정극성 입력에 대해 5V에서 0V(High ⇒ Low)로 변화할 때 검출], INT1의 입력은 트리거 회로(40)의 출력값이다[부극성 입력에 대해 5V에서 0V(High ⇒ Low)로 변화할 때 검출].
또한, AD0의 입력은 피크 검출기(50)의 정ㆍ부극성 출력값의 최대값이고, AD1의 입력은 피크 검출기(60)의 정ㆍ부극성 출력값의 최대값이며, AD2의 입력은 피크 검출기(70)의 정ㆍ부극성 출력값의 최대값이고, AD3의 입력은 피크 검출기(80)의 정ㆍ부극성 출력값의 최대값이다.
다시 말해, 정극성 또는 부극성 낙뢰 발생시, 제어부(AD0 내지 AD3 포트)에는 피크 검출기(50~80)로부터 출력되는 신호가 입력되는데, 이때, 피크 검출기(50~80)의 출력 신호는 루프코일 회로(자장파형 검출회로)로부터 입력되는 정, 부극성 출력값에 대한 최대값이 제어부의 AD0 내지 AD3 로 전달되는 것이라 할 수 있다.
본 발명에서 낙뢰 시 발생하는 자계 파형을 검출하기 위한 회로는 2개의 루프 코일을 직교(E-W, N-S)시킨 형태로 이루어져 있으며, 루프안테나에는 하나 당 두 개의 피크 검출회로가 구비된다. 이 때, 각각의 루프 안테나의 경우, 낙뢰에 의한 자계신호가 전면(이하, '+'로 표기) 또는 후면(이하, '-'로 표기)에서 입사할 수 있다.
이하, 도 2를 참고하여 낙뢰에 의한 자계신호가 입사하는 경우에 대해 설명한다.
1) E-W, 전면(+)에서 자계신호 입사 시
E-W방향 전면(+)에서 자계신호가 입사하게 되면, RC 적분회로에 의해 검출된 전압신호는 증폭기에 의해 반전 증폭되며, 첫 번째 피크검출기(50)에는 (-)값이 입력되게 된다. 이 때, 피크검출기(50)는 (+)값만 처리할 수 있으므로 최종적으로 제어부(90)의 AD0에는 신호가 입력되지 않게 된다. 반대로 두 번째 증폭기까지 거친 자계신호는 한 번 더 반전 증폭되어 (+)값이 두 번째 피크 검출기(60)에 입력되고, 최종적으로 AD1에 신호가 입력되게 된다. (AD0 < AD1인 경우, E-W 전면(+)에서 낙뢰가 발생한 것으로 판별)
2) E-W, 후면(-)에서 자계신호 입사 시
E-W방향 후면(-)에서 자계입사 시, RC 적분회로에 의해 검출된 전압신호는 첫번째 증폭기에 의해 반전 증폭되어 첫 번째 피크검출기(50)에 (+)값이 입력된다. 따라서, 제어부(90)의 AD0에 신호가 입력되게 된다.
반대로, 두 번째 증폭기까지 거친 자계신호는 한 번 더 반전 증폭되어 (-)값이 두 번째 피크 검출기(60)에 입력되고, 최종적으로는 AD1에 신호가 입력되지 않게된다. (AD0 > AD1인 경우, E-W 후면(-)에서 낙뢰가 발생한 것으로 판별)
상기 1), 2)의 설명에서 언급하는 첫 번째 및 두 번째 증폭기는 피크 검출기(50, 60)에 각각 연결된 증폭기로, 이 중 RC 적분회로에 근접한 증폭기를 첫 번째 증폭기인 것으로 정의한다. (참고로, 도 2에서 상단에 위치한 증폭기들이 여기에 해당된다.)
3) N-S, 전면(+)에서 자계신호 입사 시
N-S방향 전면(+)dptj 자계입사 시 RC 적분회로에 의해 검출된 전압신호는 첫 번째 증폭기에 의해 반전 증폭되어 첫 번째 피크검출기(70)에는 (-)값이 입력된다. 피크검출기는 (+)값만을 처리할 수 있으므로 최종적으로 제어부(90)의 AD2에는 신호가 입력되지 않는다. 반대로 두 번째 증폭기까지 거친 자계신호는 한 번 더 반전 증폭되어 (+)값이 두 번째 피크검출기(80)에 입력되게 되고, 최종적으로는 AD3에 신호가 입력되게 된다. (AD2 < AD3인 경우, N-S 전면(+)에서 낙뢰가 발생한 것으로 판별)
4) N-S, 후면(-)에서 자계신호 입사 시
N-S 방향 후면(-)에서 자계입사 시, RC 적분회로에 의해 검출된 전압신호는 첫 번째 증폭기에 의해 반전 증폭되어 첫 번째 피크검출기(70)에는 (+)값이 입력되고, 최종적으로 제어부(90)의 AD2에 신호가 입력된다.
반대로, 두 번째 증폭기까지 거친 자계신호는 한 번 더 반전 증폭되어 (-)값이 두 번째 피크검출기(80)에 입력되고, 최종적으로 제어부(90)의 AD3에는 신호가 입력되지 않는다. (AD2 > AD3인 경우, N-S 후면(-)에서 낙뢰가 발생한 것으로 판별)
상기 3), 4)의 설명에서 언급하는 첫 번째 및 두 번째 증폭기는 피크 검출기(70, 80)에 각각 연결된 증폭기로, 이 중 RC 적분회로에 근접한 증폭기를 첫 번째 증폭기인 것으로 정의한다. (참고로, 도 2에서 하단에 위치한 증폭기들이 여기에 해당된다.)
상기 본 발명의 실시예 1) 내지 4)에 적용된 증폭기는 이득이 "1"인 증폭기로써, 단순히 극성만 반전시키는 것을 특징으로 한다. 참고로, 이득 증폭은 RC적분회로에서 증폭하게 된다.
따라서, 본 발명의 피크검출기(50~80)의 출력값은 낙뢰에 의해 발생된 자계의 입사방향에 따라 달라지게 된다. 즉, 전면이냐 후면이냐에 따라 피크검출기(50~80)에는 (+) 또는 (-) 신호가 입력될 수 있는데, 이 때, 피크검출기(50~80)는 (+)신호만을 처리하므로 어느 포트(AD0, AD1, AD2, AD3)에 high 값이 입력되었으냐에 따라 자계 입사방향이 결정하게 되는 것이다.
(1) "Case Int0 동작시"는 정극성 낙뢰로 트리거된 경우로,
① "AD0 〉AD1 & AD2 〉AD3"이면, 자장의 도래 방향은 1/4분면,
즉 0° 이상 90° 미만에 위치한다.
② "AD0 〉AD1 & AD2〈 AD3"이면, 자장의 도래 방향은 2/4분면,
즉 90° 이상 180° 미만에 위치한다.
③ "AD0〈 AD1 & AD2〈 AD3"이면, 자장의 도래 방향은 3/4분면,
즉 180° 이상 270° 미만에 위치한다.
④ "AD0〈 AD1 & AD2 〉AD3"이면, 자장의 도래 방향은 4/4분면,
즉, 270° 이상 360° 미만에 위치한다.
이와 같이 낙뢰시 자장의 도래 방향을 알 수 있으며, 방위각은 상기 ①~④조건의 경우에 따라,
①
Figure 112007053742811-pat00007
②
Figure 112007053742811-pat00008
③
Figure 112007053742811-pat00009
④
Figure 112007053742811-pat00010
로 산출할 수 있다. 산출된 각 θ는 수평 X축을 기준으로 표시한다.
이와 같이 낙뢰의 도래방위각을 결정하면, 측정점으로부터 낙뢰점까지의 거리를 도 3에서 계산된 영점교차점 시간에 반비례하여 계산되며, 영점교차점 시간의 계산은 ①과 ②의 경우는 AD0, ③과 ④의 경우는 AD1을 적용한다.
(2) "Case Int1 동작시"는 부극성 낙뢰로 트리거된 경우로,
① "AD0〈 AD1 & AD2〈 AD3"이면, 자장의 도래 방향은 1/4분면,
즉 0° 이상 90° 미만에 위치한다.
② "AD0〈 AD1 & AD2 〉AD3"이면, 자장의 도래 방향은 2/4분면,
즉 90° 이상 180° 미만에 위치한다.
③ "AD0 〉AD1 & AD2 〉AD3"이면, 자장의 도래 방향은 3/4분면,
즉 180° 이상 270° 미만에 위치한다.
④ "AD0 〉AD1 & AD2〈 AD3"이면, 자장의 도래 방향은 4/4분면,
즉 270° 이상 360° 미만에 위치한다.
이와 같이 낙뢰시 자장의 도래 방향을 알 수 있으며, 방위각은 상기 ①~④조건의 경우에 따라,
①
Figure 112007053742811-pat00011
②
Figure 112007053742811-pat00012
③
Figure 112007053742811-pat00013
④
Figure 112007053742811-pat00014
로 산출할 수 있다. 산출된 각 θ는 수평 X축을 기준으로 표시한다.
이와 같이 낙뢰의 도래방위각을 결정하면, 측정점으로부터 낙뢰점까지의 거리를 도 3에서 계산된 영점교차점 시간에 반비례하여 계산되며, 영점교차점 시간의 계산은 ①과 ②의 경우는 AD1, ③과 ④의 경우는 AD0을 적용한다.
예컨대, 본 발명에서 방위각은, 피크검출기의 출력값으로부터 자계의 입사방향(사분면)을 결정하고, 피크검출기의 크기는 입사자계의 크기에 비례하므로 피크검출기의 출력크기를 비교하여 아래의 조건[표 1]에 의해 세부적인 자계의 입사방위각을 계산할 수 있다. 이는, 일반적인 수식
Figure 112009045867238-pat00025
로 계산되는 각도와 동일하게 이해하면 된다[도 7 참조].
[표 1]
Figure 112009045867238-pat00026

상기의 [표 1]과 도 7을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 살펴보면 다음과 같다.
가령, 제어부의 INT0가 동작할 때(정극성 낙뢰로 트리거된 경우),
① "AD0 > AD1 & AD2 > AD3"이면, 자장의 도래 방향은 1/4분면에 위치하고,
② "AD0 < AD1 & AD2 > AD3"이면, 자장의 도래 방향은 2/4분면에 위치하고,
③ "AD0 < AD1 & AD2 < AD3"이면, 자장의 도래 방향은 3/4분면에 위치하고,
④ "AD0 > AD1 & AD2 < AD3"이면, 자장의 도래 방향은 4/4분면에 위치한다.
여기서, 1/4분면은 0°이상 90°미만, 2/4분면은 90° 이상 180°미만, 3/4분면은 180° 이상 270°미만, 4/4분면은 270° 이상 360° 미만을 나타낸다.
이때, 방위각은 상기 ① 내지 ④의 조건에 따라,
①
Figure 112009045867238-pat00027

②
Figure 112009045867238-pat00028

③
Figure 112009045867238-pat00029

④
Figure 112009045867238-pat00030

로 나타낼 수 있다.
이는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 예시일 뿐, 본 발명이 반드시 이에 한정되지 아니함은 당연하다.
도 6에 낙뢰 위치 표정 장치(전자장 검출회로)로부터 분석된 위치 정보를 나타내었다. AD0~AD3는 루프코일 E-W 및 N-S의 정극성과 부극성 출력의 절대값이며, Dir.은 전장회로로 분석된 낙뢰의 극성과 AD0~AD3을 비교하여 계산된 전자장의 도래방향(1: E-N, 2: W-N, 3: W-S, 4: E-S)이다. 또한, PW는 자장파형의 영점 교차점까지의 시간[us]을 나타낸다. 루프코일(20)의 방향이 정해지면, 방향(Dir.), 방위각(Ang.) 및 영점교차시간(PW)을 알 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다.
도 1은 본 발명에 따른 낙뢰 위치 표정 장치의 전자장 검출센서를 보여주는 설명도이다.
도 2는 본 발명에 따른 낙뢰 위치 표정 장치의 일실시예 구성도이다.
도 3은 본 발명에 이용되는 자장파형의 크기 및 영점교차시간 분석 예시도이다.
도 4는 본 발명에 이용되는 자장 파형의 거리에 따른 영점교차점 변화 예시도이다.
도 5는 본 발명에 이용되는 전장신호에 의한 극성판별 예시도이다.
도 6은 본 발명에 따라 위치 데이터의 예를 나타낸 설명도이다.
도 7은 본 발명에 피크검출기의 출력값으로부터 자계의 입사방향을 결정하는 예를 나타낸 예시도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 휩 안테나 20 : 루프코일
30,40 : 트리거 회로 50~80 : 피크 검출기
90 : 제어부

Claims (7)

  1. 낙뢰 위치 표정 장치에 있어서,
    낙뢰시 발생하는 전장파형을 검출하여, 낙뢰의 극성을 판별하기 위한 전장센서 및 트리거회로를 구비하는 전장파형 검출수단;
    낙뢰시 발생하는 자장파형을 검출하고, 상기 자장파형의 영점교차점 시간을 검출하기 위한 자장센서 및 피크검출기를 구비하는 자장파형 검출수단; 및
    상기 판별된 낙뢰의 극성을 기준으로 상기 자장파형 검출수단의 출력을 비교하여 낙뢰의 도래 방향과 방위각을 결정하고, 상기 영점교차점 시간으로부터 뇌방전 또는 낙뢰 지점까지의 거리를 측정하여, 낙뢰의 도래방위각과 상기 측정된 거리를 바탕으로 낙뢰 위치를 추정하기 위한 위치추정수단을 포함하되,
    상기 낙뢰의 도래 방향과 방위각은, 상기 피크검출기에 의해 출력되는 상기 자장파형의 최대값이 양(+)의 신호만을 처리하는 상기 위치추정수단의 다수개의 A/D 포트로 각각 입력되어 상기 A/D 포트 별 신호 입력여부에 대응하는 룩업테이블에 의해 결정되고, 상기 뇌방전 또는 낙뢰 지점까지의 거리는, 상기 검출된 자장파형의 영점교차점 시간에 반비례되도록 계산되며, 상기 낙뢰 위치는, 상기 낙뢰의 도래 방위각과 상기 거리를 바탕으로 낙뢰위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 낙뢰 위치 표정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자장파형 검출수단은, 2개의 루프코일(E-W, N-S)이 직교된 자장검출용 광대역 직교 루프코일을 포함하며,
    상기 전장파형 검출수단은, 상기 2개의 루프코일의 중앙에 고정된 전장검출용 협대역 휩 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 낙뢰 위치 표정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 낙뢰의 극성은,
    무지향성의 상기 전장검출용 협대역 휩 안테나와 동조회로에 의해 전장파형을 검출함으로써 낙뢰의 극성 분석이 가능한 것을 특징으로 하는 낙뢰 위치 표정 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 전장파형 및 상기 자장파형은,
    상승시간, 피크후 영점교차점까지의 시간, 제1 귀환 뇌격후 반대방향으로의 오버슈트에 의하여 특징지어지며, 낙뢰지점 또는 운방전 위치로부터 상기 자장검출용 광대역 직교 루프코일 및 상기 전장검출용 협대역 휩 안테나까지의 거리에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 낙뢰 위치 표정 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위치추정수단은,
    낙뢰의 도래방위각을 결정하면, 측정점으로부터 낙뢰점까지의 거리를 상기 영점교차점 시간에 반비례하여 계산하는 것을 특징으로 하는 낙뢰 위치 표정 장치.
  6. 낙뢰 위치 표정 방법에 있어서,
    낙뢰시 발생하는 전장파형을 전장센서 및 트리거회로를 통해 검출하여 낙뢰의 극성을 판별하는 단계;
    낙뢰시 발생하는 자장파형의 크기를 자장센서 및 피크검출기를 통해 검출하고, 상기 자장파형의 영점교차점 시간을 검출하는 단계;
    상기 낙뢰의 극성을 기준으로 상기 자장파형 검출수단의 출력을 비교하여 낙뢰의 도래 방향과 방위각을 결정하는 단계; 및
    상기 영점교차점 시간으로부터 뇌방전 또는 낙뢰 지점까지의 거리를 측정하여, 낙뢰의 도래방위각과 상기 측정된 거리를 바탕으로 낙뢰 위치를 추정하는 단계를 포함하되,
    상기 낙뢰의 도래 방향과 방위각을 결정하는 단계는, 상기 피크검출기에 의해 출력되는 상기 자장파형의 최대값이 양(+)의 신호만을 처리하는 위치추정수단의 다수개의 A/D 포트로 각각 입력되어 상기 A/D 포트 별 신호 입력여부에 대응하는 룩업테이블에 의해 결정되고,
    상기 낙뢰 위치를 추정하는 단계는, 상기 검출된 자장파형의 영점교차점 시간에 반비례되도록 상기 뇌방전 또는 낙뢰 지점까지의 거리를 계산하여, 상기 낙뢰의 도래 방위각과 상기 거리 정보를 바탕으로 낙뢰 위치의 추정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 낙뢰 위치 표정 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 자장센서는, 2개의 루프코일(E-W, N-S)이 직교된 자장검출용 광대역 직교 루프코일이며,
    상기 전장센서는, 상기 2개의 루프코일의 중앙에 고정된 전장검출용 협대역 휩 안테나인 것을 특징으로 하는 낙뢰 위치 표정 방법.
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