KR101004656B1 - 이중 ａ/ｄ 변환기를 갖는 실시간 지진 신호 측정 장치 및 그 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실시간 지진 신호 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 측정 레인지를 변경하지 않고 넓은 동적 레인지를 갖이고 지진 신호를 측정하는 이중 A/D 변환기를 가진 실시간 지진 신호 측정 장치 및 측정 방법에 관한 것이다.

본 발명에 의한 이중 A/D 변환기를 가진 실시간 지진 신호 측정 장치는 미세한 신호를 증폭하도록 설정된 신호 증폭기와; 상기 신호 증폭기와 동일한 신호원에 병렬로 접속되어 큰 신호를 감쇠하도록 이루어진 신호 감쇠기와; 상기 신호 증폭기에 접속되어 아나로그 신호를 디지틀 신호롤 변환하는 제 1 A/D 변환기와; 상기 신호 감쇠기에 연결되어 아나로그 신호를 디지틀 신호롤 변환하는 제 2 A/D 변환기와; 상기 신호 증폭기와 상기 신호 감쇠기와 상기 제 1 A/D 변환기와 상기 제 2 변환기에 연결되어 전반적인 제어를 제어부와; 상기 제어부의 제어 프로그램이 내장되는 메모리와; 상기 제 1 A/D 변환기와 상기 제 2 A/D 변환기와 상기 제어부와 상기 메모리에 클럭을 공급하는 클럭 생성기;를 포함하여 이루어지며, 측정된 신호를 실시간으로 디지틀 필터링함으로서 지진 신호를 추출하는 특징을 갖는다. 실시간 디지털 필터는 그 차단 주파수가 프로그램에 의하여 가변 가능하고, 신호의 위상 성분이 선형성을 유지하도록 되어 있어 디지틀 필터링에 의한 위상 왜곡을 방지하여 위상 왜곡으로 인한 지진 신호 분석 오류를 방지하도록 하였다. 또한 디지틀 필터는 종래의 아나로그 필터에 비하여 주파수 특성이 우수하다.

본 발명에 의한 이중 A/D 변환기를 가진 실시간 지진 신호 측정 장치 및 그 측정 방법은 신호 크기의 변동 범위가 넓은 실시간 신호를 측정 레인지를 신호의 크기에 맞추어 레인지를 변경하지 않고도 신호를 손실없이 효과적으로 측정할 수 있는 편리함이 있다.

측정 장치, A/D 변환기, 이중 A/D 변환기, 지진 신호 측정 장치, 지진 신호 측정 방법

Description

이중 Ａ/Ｄ 변환기를 갖는 실시간 지진 신호 측정 장치 및 그 측정 방법{A Real Time Seismo Signal Measurement Aparatus Which has Dual A/D Convert and a Method Thereof}

본 발명은 실시간 지진 신호 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 측정 레인지를 변경하지 않고도 넓은 동적 레인지를 갖는 이중 A/D 변환기를 가진 실시간 지진 신호 측정 장치 및 그 측정 방법에 관한 것이다.

지진의 크기 즉, 진도는 지진의 규모와 진앙 거리, 그리고 진원의 깊이에 따라 크게 좌우된다. 진도는 여러 등급으로 나뉘며 세계적으로 통일되어 있지 않고 나라마다 실정에 맞는 척도를 채택하고 있다. 우리나라 기상청은 일본 기상청에서 분류한 등급(JMA Scale)을 사용한다. JMA 스케일은 8등급인 반면 미국에서 사용하는 MM 스케일과 국제적으로 사용되는 MSK 스케일은 12등급을 갖는다

지진의 진도는 어떤 장소에 나타난 지진의 진동의 세기를 사람의 느낌이나 주변의 물체 또는 구조물의 흔들림 정도를 수치로 표현한 것이다. 진도는 가속도 단위(cm/sec²)로 나타내며, 중력 가속도 1g=980cm/sec²를 사용하기도 한다. 또, cm/sec²는 gal로 표시하며 1g는 980gal에 해당한다.

일반적으로 지진센서의 출력신호 크기는 최대 전압 12.5 볼트에서 최저 전압은 수백 나노 볼트 정도이다. 따라서 지진신호를 정확히 측정하기 위하여는 신호 증폭기와 A/D 변환기의 정밀도가 140 DB 정도가 요구되나, 실제 A/D 변환기의 다이나믹레인지는 최대 100 ~ 127 DB 이하로, 보다 넓은 동적 레인지를 갖는 A/D 변환기가 요구되고 있는 실정이다.

지진 신호와 같은 실시간 신호는 한번 신호가 지나가면 다시금 신호의 수집이 불가능하므로, 반드시 신호를 놓치지 않고 측정할 수 있어야 한다. 특히 신호의 크기가 불규칙적이고 변동폭이 매우 큰 실시간 입력 신호를 손실없이 측정하기 위해서는 매우 넓은 동적 레인지를 갖는 신호 증폭기와 A/D 변환기가 요구되고 있다.동적 레인지가 넓다는 것은 미약한 신호 부터 큰 신호까지 레인지를 변경하지 않고도 한번에 측정이 가능하다는 것을 의미하며, 측정 레인지를 바꾸지 않고 측정 가능하다는 것은 지진 신호 처름 순간적으로 미약한 신호에서 강한 신호로 급격하게 바뀔 때, 미약한 신호와 큰 신호 모두 같은 정밀도를 유지하면서 동시에 측정 가능하다는 것을 의미한다.

따라서, 지진 신호 측정과 같이 신호의 변동 폭이 매우 큰 실시간 신호의 측정에 있어서는, 미약한 신호에서 부터 큰 신호까지 외부에서 측정 레벨을 변경하지 않고 모두 측정 가능한 넓은 동적 레인지를 제공하는 신호 측정 장치가 절실히 요구되고 있다.

본 발명에 의한 실시간 지진 신호 측정 장치 및 그 측정 방법은 넓은 동적 레인지를 갖는 실시간 지진 신호를 측정 레인지를 변경하지 않고, 신호의 손실없이 높은 정밀도로 측정할 수 있도록 하는 실시간 지진 신호 측정 장치 및 그 측정 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 실시간 지진 신호 측정 장치는 미세한 신호를 증폭하도록 설정된 신호 증폭기와; 상기 신호 증폭기와 동일한 신호원에 병렬로 접속되어 큰 신호를 감쇠하도록 이루어진 신호 감쇠기와; 상기 신호 증폭기에 접속되어 아나로그 신호를 디지틀 신호롤 변환하는 제 1 A/D 변환기와; 상기 신호 감쇠기에 연결되어 아나로그 신호를 디지틀 신호롤 변환하는 제 2 A/D 변환기와; 상기 신호 증폭기와 상기 신호 감쇠기와 상기 제 1 A/D 변환기와 상기 제 2 변환기에 연결되어 전반적인 제어를 제어부와; 상기 제어부의 제어 프로그램이 내장되는 메모리와; 상기 제 1 A/D 변환기와 상기 제 2 A/D 변환기와 상기 제어부와 상기 메모리에 클럭을 공급하는 클럭 생성기;를 포함하여 이루어지며,

본 발명에 의한 이중 A/D 변환기를 가진 실시간 신호 측정 방법은 미세한 신호를 증폭하도록 증폭도가 높게 설정된 소신호용 제 1 A/D 변환기와, 동일한 신호원으로 부터 신호가 입력되고 제 1 A/D 변환기와 병렬로 접속되어 있는 대신호용 제 2 A/D 변환기를 통해 동시에 측정이 이루어지게 함으로서, 미세한 소신호에서 부터 대신호까지 측정 레인지의 변경없이 동시에 측정할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하여 이루어진다.

본 발명에 의한 이중 A/D 변환기를 가진 실시간 지진 신호 측정 장치 및 그 측정 방법은 신호 크기의 변동 범위가 넓은 실시간 신호를 측정 레인지를 신호의 크기에 맞추어 변경하지 않고도 신호를 손실없이 효과적으로 측정할 수 있는 편리함이 있다.

이하 본 발명에 따른 '이중 A/D 변환기를 가진 실시간 지진 신호 측정 장치 및 그 방법'에 관한 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 다음의 실시 예는 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하고, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

도 1은 구성도 이중 A/D 변환기를 가진 실시간 지진 신호 측정 장치의 구성도이며, 도 2는 3축 센서 출력을 지진 센서로 부터 출력 되는 지진 신호를 3차원적으로 측정하는 구성도이며, 도 3은 측정 과정을 나타낸 처리 흐름도이다.

지진 신호는 수 볼트에서 수백 나노 볼트까지 변동폭이 매우 넓어, 하나의 A/D 변환기에서 측정 레인지를 변경하지 않고 측정할 수 있는 측정 범위를 벗어난 다. 따라서 미세한 신호를 측정할 수 있도록 A/D 변환기의 전단에 증폭기를 두어 증폭된 신호를 A/D 변환하는 제 1 A/D 변환 회로와, A/D 변환기의 최대 허용 입력 폭을 벗어나는 수 볼트가 넘는 큰 신호는 감쇠기로 감쇠하여 감쇠된 신호를 A/D 변환하는 제 2 A/D 변환 회로가 병렬로 연결되어 있어, 2 개의 A/D 변환기에서 동시에 측정이 일어나며, 측정된 2 개의 값 중에서 하나를 선택하는 방법이다. 신호가 미세한 경우에는 감쇠기를 통하여 A/D 변환한 값은 언더스케일(Under Scale)이 되어, 거의 '0'에 가까운 값이 나타날 것이나, 증폭기를 통하여 A/D 변환한 값은 적절한 값으로 나타날 것이다. 반대로, 신호가 매우 큰 경우에는 증폭기를 통하여 A/D 변환한 값은 오버스케일(Over Scale)이 되어, 포화된 값으로 나타날 것이나, 감쇠기를 통하여 A/D 변환한 값은 절절한 값을 나타낼 것이다. 따라서, 동시에 측정된 2 개의 A/D 변환기 중에서 측정시의 신호 레벨에 따라 적절한 것을 선택하게 하여 높은 해상도를 유지하면서도 넓은 동적 레인지를 갖게 하는 것이 이 발명의 특징이다. 여기서 증폭기와 감쇠기는 적용분야에 따라, 모두가 증폭기가 될 수도 있으며, 모두가 감쇠기가 되거나 이들의 또 다른 조합이 될 수 도 있다.

도 1을 참조하면, 지진 신호는 지진 센서(101)에 의해 감지된다. 지센 센서(101)는 일반적으로 3축 가속도 센서로 이루어져 있다. 지진 신호는 수 볼트에서 수백 나노 볼트까지 변동폭이 매우 넓어, 하나의 A/D 변환기가 레인지를 변경하지 않고 측정할 수 있는 범위를 벗어난다. 따라서 증폭기(103)는 미세한 신호를 측정할 수 있도록 증폭된 신호를 제 1 A/D 변환기(107)에 공급한다. 한편 수 볼트가 넘는 큰 신호는 A/D 변환기(107, 109)의 최대 허용 입력 폭을 벗어나므로, 감쇠가 필 요하다. 따라서, 감쇠기(105)는 신호를 적합한 레벨로 감쇠하여 제 2 A/D 변환기(109)에 신호를 공급하는 역할을 한다. 입력 신호의 신호 레벨에 따라 감쇠기(105) 대신에 증폭도가 낮은 제 2 신호 증폭기를 사용할 수 도 있다. 제 1 A/D 변환기(107)와 제 2 A/D 변환기(109)는 병렬로 연결되어 있어 동시에 A/D 변환을 하여 측정이 이루어진다.

제 1 데이터 스케일러(113)는 제 1 A/D 변환기(107)에서 측정된 데이터를 증폭기에서 증폭한 것과 동일한 비율로 나누어 주어 원래 증폭전의 신호 크기로 복원하는 역할을 하며, 제 2 데이터 스케일러(115)는 제 2 A/D 변환기(109)에서 측정된 데이터를 감쇄기(105)에서 감쇄한 비율만큼 곱하여 주어 원래 감쇠전의 신호 크기로 복원한다.

비교기(111)에서는 제 2 A/D 변환기(109)의 출력과 제 1 A/D 변환기(107)의 출력이 입력되며, 제 2 A/D 변환기(109)의 출력이 기 설정된 레벨 이하로 내려가거나, 제 1 A/D 변환기(107)의 출력이 기 설정된 레벨 이상이 되면, 비교기(111)에서는 제 1 선택 신호가 발생하며, 반대의 경우에는 제 2 선택 신호가 발생한다.

데이터 셀렉터(117)는 비교기(111)에서 제 1 선택 신호가 발생하면, 제 1 데이터 스케일러(113)의 출력 데이터를 취하고, 비교기(111)에서 제 2 선택 신호가 발생하면 제 2 데이터 스케일러(117)의 출력 데이터를 취하여 출력한다.

디지틀 필터(119)는 데이터 셀렉터(117)의 출력 데이터에서 지진 신호 성분에 해당하는 주파수 성분만을 위상(Phase) 왜곡 없이 통과시키는 역할을 한다. 디지틀 필터링시에 위상(Phase) 왜곡은 지진 신호의 잘못된 분석 오류를 가져오게 하 는 주요 원이 되며, 본 발명에서는 이러한 위상 왜곡을 개선한 점이 또한 특징적인 요소이다. 제어부(129)는 디지틀 필터(119)와 A/D 변환기(107, 109)와 데이터 스케일러(113, 115)와 디지틀 필터(119)를 제어하여 측정이 이루어지게 한다.

메모리(131)에는 제어부(129)의 제어 프로그램이 실장되며, 클럭 생성기(125)는 A/D 변환기(107, 109)와 데이터 스케일러(113, 115)와 데이터 셀렉터(117)와 디지틀 필터(119)와 제어부(129) 및 메모리(131) 등에 클럭을 공급한다. 측정된 신호가 일정 레벨 이상이면 제어부(129)는 D/A 변환기(123)을 통하여 경보음을 생성시켜 알람(121)를 통하여 경보 신호를 발생시킨다. 측정된 데이터는 통신부(127)를 통하여 외부로 전송된다.

도 2는 도 1에서 제시된 측정 회로를 3축 지진 센서(101)에 적용하여 3중화된 것을 나타낸 것으로, 측정부를 제외한 나머지 부분은 동일한다.

도 3을 참조하면, 측정 단계는 증폭기를 통하여 증폭된 신호와 감쇠기를 통하여 감쇠된 신호를 동시에 각각 독립적인 A/D 변환기를 통하여 변환하는 A/D 변환 단계(S301)와, A/D 변환된 데이터를 증폭 혹은 감쇠된 비율에 따라 역으로 곱하여 원래 신호 레벨을 구하는 데이터 스케일링 단계(S303)와, A/D 변환된 신호를 기설정한 특정 레벨과 비교하는 신호 레벨 비교 단계(S305)와, 신호 레벨 비교 단계(S305)에서 비교한 결과가 특정 레벨 이하이면 증폭하여 A/D 변환된 데이터를 취하고, 특정 레벨 이상이면 감쇠하여 A/D 변환한 데이터를 취하는 변환값 선택 단계(S307)와, 디지틀 필터(119)를 통하여 위상 왜곡없이 잡음 성분을 제거하고 순수 지진 신호만을 통과시키는 디지틀 필터링 단계(S309)로 이루진다. 여기서 측정 단 계의 순서 및 구성은 적용에 따라 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변경되어 실시 될 수 있으며, 스케일링 단계와 셀렉션 단계는 상호 바뀌어서 실시될 수도 있고, 디지틀 필터링은 위상 선형 디지틀 필터링으로 실시 될 수도 있다.

도 1은 구성도 이중 A/D 변환기를 가진 실시간 지진 신호 측정 장치의 구성도,

도 2는 3축 센서 출력을 지진 센서로 부터 출력 되는 지진 신호를 3차원적으로 측정하는 구성도,

도 3은 측정 과정을 나타낸 처리 흐름도이다.

Claims (15)

1. 실시간 지진 신호 측정 장치에 있어서, 미세한 신호를 증폭하도록 설정된 제 1 신호 증폭기와; 상기 제 1 신호 증폭기와 동일한 신호원에 병렬로 접속되어 큰 신호를 감쇠하도록 이루어진 신호 감쇠기와; 상기 신호 증폭기에 접속되어 아나로그 신호를 디지틀 신호롤 변환하는 제 1 A/D 변환기와; 상기 신호 감쇠기에 연결되어 아나로그 신호를 디지틀 신호롤 변환하는 제 2 A/D 변환기와; 상기 신호 증폭기와 상기 신호 감쇠기와 상기 제 1 A/D 변환기 및 상기 제 2 변환기에 연결되어 전반적인 제어를 하는 제어부와; 상기 제어부의 제어 프로그램이 내장되어 있는 메모리와; 상기 제 1 A/D 변환기와 상기 제 2 A/D 변환기와 상기 제어부와 상기 메모리를 포함한 전체 회로에 클럭을 공급하는 클럭 생성기;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이중 A/D 변환기를 가진 실시간 지진 신호 측정 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 감쇠기 대신에 상기 제 1 신호 증폭기 보다 낮은 증폭도로 신호를 증폭하는 제 2 신호 증폭기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이중 A/D 변환기를 가진 실시간 지진 신호 측정 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 A/D 변환기의 출력에 연결되어 상기 제 1 A/D 변환기의 출력을 상기 제 1 신호 증폭기에 의하여 증폭되기 이전의 신호 크기로 복원하는 제 1 스케일러와; 상기 제 2 A/D 변환기의 출력에 연결되어 상기 제 2 A/D 변환기의 출력을 상기 신호 감쇠기에 의하여 감쇠되기 이전의 신호 크기로 복원하는 제 2 스케일러를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이중 A/D 변환기를 가진 실시간 지진 신호 측정 장치.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 A/D 변환기의 출력에 연결되어 상기 제 1 A/D 변환기의 출력을 상기 제 1 신호 증폭기에 의하여 증폭되기 이전의 신호 크기로 복원하는 제 1 스케일러와; 상기 제 2 A/D 변환기의 출력에 연결되어 상기 제 2 A/D 변환기의 출력을 상기 제 2 신호 증폭기에 의하여 증폭되기 이전의 신호 크기로 복원하는 제 2 스케일러를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이중 A/D 변환기를 가진 실시간 지진 신호 측정 장치.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 스케일러의 출력이 기 설정된 레벨 값과 비교하여 일정 값 이하이면 상기 제 1 스케일러의 출력을 취하고, 상기 제 1 스케일러의 출력이 기 설정된 일정값 이상이면, 제 2 스케일러의 출력을 취할 수 있도록 비교 신호를 출력하는 비교기와; 상기 비교기의 출력에 따라 상기 제 1 스케일러 출력을 취하가나, 상기 제 2 스케일러의 출력을 택일적으로 선택하게 하는 선택기를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이중 A/D 변환기를 가진 실시간 지진 신호 측정 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 선택기의 출력에 포함된 노이즈 성분을 제거하기 위한 위상 선형 디지틀 필터를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이중 A/D 변환기를 가진 실시간 지진 신호 측정 장치.
7. 제 6항에 있어서, 상기 디지틀 필터의 출력이 일정 크기 이상이면 경보 신호를 발생시키는 경보 출력부를 더 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이중 A/D 변환기를 가진 실시간 지진 신호 측정 장치.
8. 제 7항에 있어서, 상기 디지틀 필터의 출력을 외부의 통신망을 통해 출력할 수 있도록 통신부를 더 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이중 A/D 변환기를 가진 실시간 지진 신호 측정 장치.
9. 제 8 항에 있어서, 지진 신호 혹은 진동 신호를 실시간으로 측정할 수 있도 록 구비된 3축 가속도 센서를 더 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이중 A/D 변환기를 가진 실시간 지진 신호 측정 장치.
10. 실시간 신호 측정 방법에 있어서, 미세한 신호를 증폭하도록 증폭도가 높게 설정된 소신호용 제 1 A/D 변환기와, 동일한 신호원으로 부터 신호가 입력되고 제 1 A/D 변환기와 병렬로 접속되어 있는 대신호용 제 2 A/D 변환기를 통해 동시에 측정이 이루어지게 함으로서, 미세한 소신호에서 부터 대신호까지 측정 레인지의 변경없이 동시에 측정할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 이중 A/D 변환기를 가진 실시간 지진 신호 측정 방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 소신호용 제 1 A/D 변환기는 증폭도가 큰 별도의 제 1 증폭기를 구비하고, 대신호용 제 2 A/D 변환기는 증폭도가 낮은 별도의 제 2 증폭기를 구비하여 각각 증폭도를 가변함으로서 동적 레인지를 가변할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 이중 A/D 변환기를 가진 실시간 지진 신호 측정 방법.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 소신호용 제 1 A/D 변환기와 상기 대신호용 제 2 A/D 변환기를 통하여 획득된 측정값을 각각 A/D 변환기 이전에서 증폭 혹은 감쇠한 비율과 도일한 비율을 역으로 곱하여 각각 증폭 혹은 감쇠되기 이전의 신호 크기로 복원하는 데이터 스케일링 단계를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이중 A/D 변환기를 가진 실시간 지진 신호 측정 방법.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 데이터 스케일링 단계에서 스케일링된 각각의 측정값을 비교기를 통하여 기 설정된 기준 값과 비교하여 대신호용 제 2 A/D 변환기의 측정값이 일정값 이하이면, 상기 소신호용 A/D 변환기의 측정값을 취하고 상기 소신호용 A/D 변환기의 측정값이 일정 값 이상이면, 상기 대신호용 A/D 변환기의 측정값을 취하는 측정된 변환값 선택 단계를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이중 A/D 변환기를 가진 실시간 지진 신호 측정 방법.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 상기 변환값 선택단계에서 선택된 신호를 위상 선형 디지틀 필터링하여 노이즈 성분을 제거하는 위상 선형 디지틀 필터링 단계를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이중 A/D 변환기에 의한 실시간 지진 신호 측정 방법.
15. 제 14 항에 있어서, 측정된 신호가 일정 값 이상이면, 경보 신호를 발생하는 경보 신호 발생 단계를 더 포함하여 이루어진 것을 것을 특징으로 하는 이중 A/D 변환기에 의한 실시간 지진 신호 측정 방법.

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