KR101021685B1 - 다공성 반사체의 거리 측정 방법 및 그 측정기 - Google Patents

Abstract

다공성 반사체의 거리 측정 방법 및 그 측정기가 개시된다. 본 발명은 관측점으로부터의 거리 측정 대상인 다공성 반사체에 초음파 신호를 송신하고, 다공성 반사체에서 반사된 초음파 신호를 수신하며, 반사된 초음파 신호의 파형의 선단부 첨두값에 대해 비선형 최소자승법을 적용하여 구한 함수의 영점 교차점을 산출하고, 산출된 영점 교차점으로부터 획득한 초음파의 전달시간 및 초음파 속도를 이용하여 상기 다공성 반사체까지의 거리를 계산하는 과정을 통해 구현된다. 본 발명에 따르면, 대상체의 표면 조건이 일정하지 않음으로써 반사 초음파의 크기 및 파형의 형태가 수시로 변화할 경우에도 정확한 거리값을 측정할 수 있게 된다.

다공성 반사체, 거리 측정, 초음파, 첨두값

Description

다공성 반사체의 거리 측정 방법 및 그 측정기{Method for Distance Measurement of Porous Media and Measuring Device Thereof}

본 발명은 다공성 반사체의 거리 측정 방법 및 그 측정기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대상체의 표면 조건이 일정하지 않음으로써 반사 초음파의 크기 및 파형의 형태가 수시로 변화할 경우에도 정확한 거리값을 측정할 수 있는 다공성 반사체의 거리 측정 방법 및 그 측정기에 관한 것이다.

눈이 내리는 기상상황에 대한 감시를 위해 적설된 눈의 높이를 측정하기 위해 상부에 위치한 초음파 송수신기를 이용하여 눈 표면에서 반사하는 초음파의 전달시간을 측정하여 눈이 쌓인 높이를 측정하는 것이 일반적이다.

그러나 눈의 특성상 벽 등의 반사체와는 달리 밀도가 일정하지 않은 다공성의 형태를 가지므로 (Sirpa Rasmus, "Snow pack structure characteristics in Finland-Measurements and modeling" ,Report series in geophysics No 48, Helsinki, 2005) 정밀하게 눈 표면까지의 거리를 측정하는 것이 곤란한 경우가 많다. 이로 인해 노면결빙 등의 예측에 어려움이 있다.

종래의 초음파를 이용한 거리계는 트리거를 이용하여 초음파 송신기를 통해 펄스 또는 톤버스트 형태의 초음파 신호를 발생시켜 대상체의 표면에서 반사되어 되돌아오는 초음파 신호를 별도의 또는 동일한 초음파 센서를 이용하여 수집한다. 수신신호에 대해 일정 기준값과의 비교를 통해 전달시간(TOF, Time of Flight)을 측정하여 온도를 보정함으로써 대상체와의 거리를 환산하는 것을 기본 원리로 한다. 이 경우 기준값의 설정은 경험에 의해 최적의 잡음대 신호비를 확보할 수 있도록 설정하는 것이 일반적이다.

벽면반사의 경우와 같이 반사파의 특성이 급격히 변화되지 않고 거리에 따라 단순감소되는 경우 거리에 따른 이득함수를 적용하여 반사파의 크기를 거리에 무관하게 일정하게 만드는 역보정을 통해 거리를 측정함에 있어 거리에 무관한 일정한 기준값을 적용할 수 있다.

교차상관법 또는 쳐플렛 등의 기법을 적용함으로써 거리값을 보다 정밀하게 측정할 수 있다. 그러나 대상물체의 표면 조건이 일정하지 않음으로써 반사파의 크기 및 파형의 형태가 수시로 변화할 경우 정확하게 거리값을 구하는 것이 어렵다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 대상체의 표면 조건이 일정하지 않음으로써 반사 초음파의 크기 및 파형의 형태가 수시로 변화할 경우에도 정확한 거리값을 측정할 수 있는 다공성 반사체의 거리 측정 방법 및 그 측정기를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다공성 반사체의 거리 측정 방법은, 관측점으로부터 거리 측정 대상인 다공성 반사체에 초음파 신호를 송신하는 단계; 상기 다공성 반사체에서 반사된 초음파 신호를 수신하는 단계; 상기 반사된 초음파 신호의 파형의 선단부 첨두값에 대해 비선형 최소자승법을 적용하여 구한 함수의 영점 교차점을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 영점 교차점으로부터 획득한 초음파의 전달시간 및 초음파 속도를 이용하여 상기 다공성 반사체까지의 거리를 계산하는 단계를 포함한다.

한편, 본 발명에 따른 다공성 반사체의 거리 측정기는, 관측점으로부터의 거리 측정 대상인 다공성 반사체에 초음파 신호를 송신하는 초음파 송신부; 상기 다공성 반사체에서 반사된 초음파 신호를 수신하는 초음파 수신부; 및 상기 반사된 초음파 신호의 파형의 선단부 첨두값에 대해 비선형 최소자승법을 적용하여 구한 함수의 영점 교차점을 산출하는 연산부를 포함하며, 상기 연산부는, 상기 산출된 영점 교차점으로부터 획득한 초음파의 전달시간 및 초음파 속도를 이용하여 상기 다공성 반사체까지의 거리를 계산하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 대상체의 표면 조건이 일정하지 않음으로써 반사 초음파의 크기 및 파형의 형태가 수시로 변화할 경우에도 정확한 거리값을 측정할 수 있게 된다. 아울러, 본 발명에 따르면, 수신된 반사 초음파 파형의 선단부의 증가 부분을 이용함으로써 눈이 최초에 내리는 경우와 같이 반사 초음파의 크기가 작을 경우에도 거리를 안정적으로 측정할 수 있게 된다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

초음파 거리계는 초음파 센서를 펄스 또는 톤버스트로 구동함으로써 공기중을 통해 단속적인 초음파 신호를 발생킨다. 대상체까지의 거리를 측정하기 위해 초음파 센서를 사용하여 초음파를 발생시켜 공기중을 전파한 초음파가 대상체 표면에서 반사해서 돌아오는 반사 초음파를 같은 또는 별도의 초음파 센서를 이용하여 수신함으로써 초음파의 전달시간을 측정하여 이것을 이미 알고있는 초음파의 진행속도로 나누어줌으로써 대상체까지의 거리를 구할 수 있다. 이것을 수식으로 나타내면 하기의 수학식 1과 같다.

d = ΔT / 2 v

여기서, d는 대상체까지의 거리, ΔT는 초음파의 전달시간, v는 공기중에서의 초음파의 속도를 나타낸다. 역으로 대상체까지의 거리를 알고 있을 경우 동일한 식을 이용하여 초음파의 속도를 정밀하게 측정할 수도 있다.

초음파의 전달시간을 측정하기 위해서 종래에는 기준값에 의한 비교법, 영점교차법, 교차상관법 (Hull, D. R., H. E. Kautz, and A. Vary, Materials Evaluation, 43, Oct., 1985, 1455-1460), 위상기울기법(Wormley, S. J., K. Forouraghi, Y. Li, and R. B. Thompson, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, Vol. 9, 1990, 951-958) 등이 사용되어 왔으나 다공성의 특징을 갖는 눈 등의 표면에서 반사되는 초음파 거리계에 그대로 적용하는 데 있어 정밀도에 문제가 있다.

즉 다공성을 갖는 대상체의 특성에 따라 반사되는 초음파 파형의 변화가 발생하며 이것은 다공성이라는 특성을 갖는 대상체의 밀도 및 형상함수에 크게 의존하게 된다.

도 1은 초음파 신호의 벽면에서의 반사 초음파 신호의 파형을 나타낸 도면이고, 도 2는 초음파 신호의 다공성 반사체 표면인 적설면에서의 반사 초음파 신호의 파형을 규격화하여 도1에서의 반사 초음파 신호의 파형과 함께 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 초음파 신호의 다공성 반사체에서의 반사 초음파 신호는 다공성이 아닌 벽면에서의 반사 초음파 신호의 파형에 비해 파형의 선단부에서의 초기 진폭이 커지면서 전체적으로 파형이 넓어지는 것을 확인할 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 다공성 반사체의 거리 측정 기(100)는 초음파 송신부(130)를 통해 초음파를 다공성 반사체에 송신한 후에, 초음파 수신부(150)를 통해 수신한 반사 초음파 신호를 수신한다.

다공성 반사체의 거리 측정기(100)의 연산부(190)는 초음파 수신부(150)가 수신한 반사 초음파 신호를 디지털 값으로 얻은 후에 이 디지털 파형신호에 대해 반사 초음파의 파형으로부터의 선단부의 첨두값(2)들을 추출한다. 한편, 선단부는 초음파 신호의 파형에서의 머리부를 의미하며, 머리부는 도 3을 참조하면, 수신된 초음파 신호의 최초 수신점에서부터, 최소 자승법을 적용하기 위해 첨두값(2)들이 추출되는 마지막 지점까지의 구간을 의미한다.

연산부(190)가 선단부 첨두값(2)들을 추출함에 있어서는, 소정의 기준값(1) 이상인 첨두값(2)들만을 추출하게 된다. 여기서, 소정의 기준값(1)은 반사 초음파 신호가 아직 수신되지 않은 경우의 노이즈에 의한 신호의 크기를 고려하여 결정되는 값으로서, 반사 초음파가 없는 구간에서의 노이즈 신호의 분산값보다는 적어도 큰 값으로 결정하는 것이 바람직할 것이다.

그 다음, 연산부(190)는 추출된 선단부 첨두값(2)들에 대해 비선형 최소자승법을 적용하여 구한 함수의 영점 교차점(3)을 산출한다. 여기서, 영점 교차점(3)은 반사 초음파의 최초 도달시간이 되며, 비선형 최소자승법이란, 가정한 함수에서 실제 데이타와 오차의 제곱들을 모두 합한 값이 최소가 되는 조건을 만족하도록 하여, 가정한 함수의 형태를 찾아내는 방법이다.

한편, 본 발명을 실시함에 있어서는, 도 3에서와 같이 수신한 반사 초음파 신호를 정류(rectify)한 것에 대해 비선형 최소자승법을 적용할 수도 있을 것이다.

연산부(190)는 영점 교차점(3)을 산출함으로써, 반사 초음파의 최초 도달시간 및 초음파의 전달시간(ΔT)을 얻게 되며, 이미 알려진 값인 공기중에서의 초음파 속도(v), 및 상기 수학식 1을 이용하여 다공성 반사체까지의 거리(d)를 계산하 게 된다.

한편, 본 발명을 실시함에 있어서는 공기중에서의 초음파 속도(v)는 온도에 따른 보정을 실행한 값이 될 것이다.

본 발명은 상술한 바와 같이, 수신된 반사 초음파 파형의 선단부의 증가 부분을 이용함으로써 눈이 최초에 내리는 경우와 같이 반사 초음파의 크기가 작을 경우에도 거리를 안정적으로 측정할 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

도 1은 초음파 신호의 벽면에서의 반사 초음파 신호의 파형을 나타낸 도면,

도 2는 초음파 신호의 다공성 반사체 표면인 적설면에서의 반사 초음파 신호의 파형을 규격화하여 도1에서의 반사 초음파 신호의 파형과 함께 나타낸 도면,

도 3은 도 2에서의 다공성 반사체 표면에서의 반사 초음파 신호를 분석하는 원리를 나타낸 도면, 및

도 4는 본 발명에 따른 다공성 반사체의 거리 측정기의 구성도이다.

Claims (2)

1. 다공성 반사체의 거리 측정기가, 관측점으로부터 거리 측정 대상인 다공성 반사체에 초음파 신호를 송신하는 단계;

   상기 거리 측정기가, 상기 다공성 반사체에서 반사된 초음파 신호를 수신하는 단계;

   상기 거리 측정기가, 상기 반사된 초음파 신호의 파형의 머리부 첨두값들에 대해 비선형 최소자승법을 적용하여 구한 함수의 영점 교차점을 산출하는 단계; 및

   상기 거리 측정기가, 상기 산출된 영점 교차점으로부터 획득한 초음파의 전달시간 및 초음파 속도를 이용하여 상기 다공성 반사체까지의 거리를 계산하는 단계

   를 포함하는 다공성 반사체의 거리 측정 방법.
2. 관측점으로부터의 거리 측정 대상인 다공성 반사체에 초음파 신호를 송신하는 초음파 송신부;

   상기 다공성 반사체에서 반사된 초음파 신호를 수신하는 초음파 수신부; 및

   상기 반사된 초음파 신호의 파형의 머리부 첨두값들에 대해 비선형 최소자승법을 적용하여 구한 함수의 영점 교차점을 산출하는 연산부

   를 포함하며,

   상기 연산부는, 상기 산출된 영점 교차점으로부터 획득한 초음파의 전달시간 및 초음파 속도를 이용하여 상기 다공성 반사체까지의 거리를 계산하는 것인 다공성 반사체의 거리 측정기.

Images