KR101080711B1 - 하천 연직 유속분포 측정 장치 및 방법 - Google Patents

하천 연직 유속분포 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

하천 연직 유속분포 측정 장치 및 방법이 개시된다. 초음파의 단일 및 다중 펄스 반복 주파수를 이용하여 하천에서 각 수심별 유속분포를 측정하기 위한 하천 연직 유속분포 측정 장치는 수심 측정부, 최대 유속값 산출부, SPRF 모드 실행부, 측정 모드 전환부, 및 MPRF 모드 실행부를 포함한다. 수심 측정부는 하천의 연직 수심을 측정하고, 최대 유속값 산출부는 연직 수심이 측정되는 방향으로부터 미리 설정된 각도만큼 기울어진 방향으로 송신되는 초음파 신호가 수면에 도달하기까지의 거리인 최대 측정거리를, 측정된 수심 데이터를 이용하여 구한 후 펄스 반복 주파수(PRF)를 산출하고, 펄스 반복 주파수(PRF)를 이용하여 상기 수심 데이터에 대응하는 최대 유속값을 산출하며, SPRF 모드 실행부는 펄스 반복 주파수(PRF)를 적용한 단일 초음파 펄스 신호를 이용하여, 하천의 연직 유속분포를 측정하고, 가장 빠른 유속을 유속의 대표값으로 설정한다. 또한, 측정 모드 전환부는 최대 유속값과 유속의 대표값을 비교하여, 최대 유속값이 유속의 대표값보다 클 경우에는 측정 모드를 전환하지 않고, 작을 경우에 MPRF 모드로 전환하며, MPRF 모드 실행부는 MPRF 모드로 전환될 경우, 하천의 최대 수심까지 측정 가능한 미리 설정된 복수의 펄스 반복 주파수(PRF)를 적용한 복수의 초음파 펄스 신호를 이용하여, 하천의 연직 유속분포를 측정한다. 이로 인해, 측정 수심에 대한 최대 측정거리 및 최대 측정속도를 기준으로 하여, 기준보다 낮을 경우에는 단일 펄스 반복 주파수를 이용한 도플러 신호 해석 방법으로 유속을 구하고, 기준보다 높을 경우에는 다중 펄스 반복 주파수를 이용한 도플러 신호 해석 방법으로 유속을 구하므로, 정확하게 자연 하천의 연직 유속분포를 측정하고, 측정 시간을 단축할 수 있다.

Description

하천 연직 유속분포 측정 장치 및 방법{Apparatus and method for measuring vertical velocity profile of river}
본 발명은 하천 연직 유속분포 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초음파의 단일 및 다중 펄스 반복 주파수를 이용하여 하천에서 각 수심별 유속분포를 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
현재, 연직 유속분포를 측정하는 초음파 유속계가 외국에서 개발되어 시판되고 있는데, 이들은 각각 초음파 신호를 유속으로 바꾸는 과정에 있어서 다양한 방법을 사용하고 있다.
그 중 하나는, 인체의 혈류 속도를 측정하는 방법으로서 의료 기기에 활용되고 있고, 레이더를 이용하여 비행 중인 비행기의 상대속도를 측정하는 등의 영역에서 활용되고 있는, 펄스 반복 주파수를 이용한 도플러 신호(초음파 도플러 및 레이더 도플러 등) 해석 방법이다.
하지만, 단일 펄스 반복 주파수를 이용한 도플러 신호 해석 방법의 경우는, 실험실에서 유체의 속도를 측정한 사례는 보고되어 있지만, 실제 하천에서 유속을 측정한 사례는 거의 보고된 바 없다.
또한, 단일 펄스 반복 주파수를 이용한 도플러 신호 해석 방법을 이용하여 실제 하천의 유속을 측정한다 하더라도, 하천의 수심이 깊어서 유속이 빠른 경우에는 정확한 유속을 측정하기 어렵다는 문제점이 있다.
또한, 펄스 반복 주파수를 이용하여 초음파 유속계를 제작시에, 초음파가 경사지게 방출되므로, 초음파 유속계에 초음파 송수신부를 경사지게 생성하는 것이 일반적일 것이다.
상기와 같은 초음파 유속계는 도 1과 같이 구현해 볼 수 있으며, 도 1은 초음파 송수신부가 경사지게 생성된 초음파 유속계를 나타낸 도면이다.
하지만, 도 1과 같은 초음파 유속계를 하천의 바닥에 매립하게 될 경우, 초음파 송수신부가 바닥의 흙에 의해 덮이게 되어, 초음파를 정확하게 송수신하기 어렵다는 문제점이 있다.
또한, 초음파 송수신부가 덮이는 것을 방지하기 위해 초음파 유속계를 하천 바닥면 위에 설치할 경우에, 하천에서 이동하고 있는 부유물에 의해 초음파 유속계가 파손될 위험이 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 단일 또는 다중 펄스 반복 주파수를 이용한 도플러 신호 해석 방법을 이용하여, 자연 하천의 연직 유속분포를 측정하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 하천 연직 유속분포 측정 장치는 수심 측정부, 최대 유속값 산출부, SPRF 모드 실행부, 측정 모드 전환부, 및 MPRF 모드 실행부를 포함한다.
수심 측정부는 하천의 연직 수심을 측정하고, 최대 유속값 산출부는 연직 수심이 측정되는 방향으로부터 미리 설정된 각도만큼 기울어진 방향으로 송신되는 초음파 신호가 수면에 도달하기까지의 거리인 최대 측정거리를, 측정된 수심 데이터를 이용하여 구한 후 펄스 반복 주파수(PRF)를 산출하고, 펄스 반복 주파수(PRF)를 이용하여 상기 수심 데이터에 대응하는 최대 유속값을 산출하며, SPRF 모드 실행부는 펄스 반복 주파수(PRF)를 적용한 단일 초음파 펄스 신호를 이용하여, 하천의 연직 유속분포를 측정하고, 가장 빠른 유속을 유속의 대표값으로 설정한다.
또한, 측정 모드 전환부는 최대 유속값과 유속의 대표값을 비교하여, 최대 유속값이 유속의 대표값보다 클 경우에는 측정 모드를 전환하지 않고, 작을 경우에 MPRF 모드로 전환하며, MPRF 모드 실행부는 MPRF 모드로 전환될 경우, 하천의 최대 수심까지 측정 가능한 미리 설정된 복수의 펄스 반복 주파수(PRF)를 적용한 복수의 초음파 펄스 신호를 이용하여, 하천의 연직 유속분포를 측정한다.
이로 인해, 측정 수심에 대한 최대 측정거리 및 최대 측정속도를 기준으로 하여, 기준보다 낮을 경우에는 단일 펄스 반복 주파수를 이용한 도플러 신호 해석 방법으로 유속을 구하고, 기준보다 높을 경우에는 다중 펄스 반복 주파수를 이용한 도플러 신호 해석 방법으로 유속을 구하므로, 정확하게 자연 하천의 연직 유속분포를 측정하고, 측정 시간을 단축할 수 있다.
또한, SPRF 모드 실행부는 미리 설정된 시간 동안 복수의 하천의 연직 유속분포를 측정하고, 측정된 복수의 연직 유속분포를 미리 설정된 시간으로 평균을 낸 후, 가장 빠른 평균 유속을 유속의 대표값으로 설정할 수 있다.
또한, MPRF 모드 실행부는 복수의 펄스 신호를 각 펄스 반복 주파수(PRF)별로 송신하고, 산란되는 복수의 펄스 신호를 수신하여, 수심 데이터에 대응하는 수심에서 산란된 신호들을 추출하고, 추출된 신호들로부터 엘리어싱(aliasing) 된 도플러 신호를 추출하여 하천의 연직 유속분포를 측정할 수 있다.
또한, MPRF 모드 실행부는 엘리어싱(aliasing) 된 복수의 도플러 주파수에 '중국인의 나머지 정리'를 적용하여 하천의 연직 유속분포를 측정할 수 있다.
'중국인의 나머지 정리'를 적용함으로써, aliasing 된 도플러 주파수로도 정확한 도플러 주파수를 산출할 수 있으므로, 이로 인해 정확한 유속을 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 하천 연직 유속분포 측정 장치는 초음파가 송수신 되는 경로를 확보하고, 상기 하천 연식 유속분포 측정 장치의 상면이 평탄해지도록 미리 설정된 형태로 구현되며, 초음파 송수신에 영향을 주지 않도록 하는 재질로 구현되는 초음파 경로 제공부를 더 포함할 수 있다.
아울러, 상기 장치를 방법의 형태로 구현한 발명이 개시된다.
본 발명에 의해 하천에서 사용자가 유속을 측정하고자 하는 수심의 유속이 느릴 경우에는 SPRF 모드로 유속을 측정하고, 유속이 빠를 경우에는 MPRF 모드로 유속을 측정할 수 있으므로, 수심 및 유속의 제한 없이 정확하게 자연 하천의 연직 유속분포를 측정할 수 있고, 하나의 장치로 SPRF 모드와 MPRF 모드를 실행할 수 있으므로 측정 시간을 단축할 수 있다.
도 1은 초음파 송수신부가 경사지게 생성된 초음파 유속계를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 하천 연직 유속분포 측정 장치 구성의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 블록도.
도 3은 하천 연직 유속분포 측정 장치를 이용하여 하천에서의 연직 유속분포를 측정하는 일 실시예를 나타낸 도면.
도 4는 초음파 신호의 측정 라인이 연직 방향과 45°각도를 이룰 경우, 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 산출한 펄스 반복 주파수(PRF)에 따른 측정 수심과 속도에 대한 한계를 그래프로 나타낸 도면.
도 5는 SPRF 모드 실행부에서 펄스 반복 주파수(PRF)를 이용하여 연직 유속 분포를 측정하는 과정을 나타낸 도면.
도 6은 하천 연직 유속분포 측정 장치의 각 구성을 나타내는 회로도.
도 7a는 하천 바닥에 매설된 하천 연직 유속분포 측정 장치의 측면도.
도 7b는 하천 바닥에 매설된 하천 연직 유속분포 측정 장치의 사시도.
도 8은 도 2의 하천 연직 유속분포 측정 장치를 이용한 연직 유속분포 측정 방법의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 흐름도.
도 9는 SPRF 모드로 연직 유속분포 측정 및 유속의 대표값을 설정하는 단계를 상세히 나타낸 흐름도.
도 10은 MPRF 모드로 유속 연직분포를 측정하는 단계를 상세히 나타낸 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 발명의 이해를 보다 명확하게 하기 위해 동일한 구성요소에 대해서는 상이한 도면에서도 동일한 부호를 사용하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 하천 연직 유속분포 측정 장치(100)를 이용하여 하천에서의 연직 유속분포를 측정하는 일 실시예를 나타낸 도면이다.
연직 유속분포 측정 장치(100)는 하천의 바닥에 설치되며, 연직 유속분포 측정 장치(100)가 설치된 지점에서의 하천의 연직 유속분포를 측정한다.
연직 유속분포는 연직 유속분포 측정 장치(100)가 설치된 부근부터 수면 부근까지 수심층별 유속을 의미하며, 본 발명의 연직 유속분포 측정 장치(100)는 도 2의 (c)와 같이, 하천의 전체 수심을 1cm이하의 수심층별로 측정할 수 있다.
이때, 연직 유속분포 측정 장치(100)는 도 2의 (a)와 같이, 하천의 상류로부터 하류로 흐르는 흐름(주 흐름)의 반대 방향으로 경사지게 초음파를 송/수신하여, 하천의 연직 유속분포를 측정할 수 있다.
도 3은 도 2의 하천 연직 유속분포 측정 장치(100) 구성의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
단일 및 다중 초음파 펄스 반복 주파수를 이용하여 하천에서 각 수심별 유속분포를 측정하기 위한 하천 연직 유속분포 측정 장치(100)는 수심 측정부(110), 최대 유속값 산출부(120), SPRF 모드 실행부(130), 초음파 송수신부(140), 측정 모드 전환부(150), MPRF 모드 실행부(160), 및 유속 데이터 저장부(170)를 포함한다.
수심 측정부(110)는 일반적으로 유체의 수심 측정에 사용되는 수심 센서를 이용하여 측정 장치(100)로부터 수면까지의 연직거리를 측정함으로써 하천의 연직 수심을 측정한다.
이하에서, 측정한 하천의 연직 수심 값은 수심 데이터라 칭하며, 수심 데이터에는 수심 측정 시간이 포함될 수 있다.
최대 유속값 산출부(120)는 수심 측정부(110)에서 측정된 수심 데이터를, 도 2(a)에서의 연직 방향과 측정 라인 사이의 각도를 반영하여 최대 측정거리로 변환 계산하는데, 예를 들면, 측정된 수심이 1m이고, 연직 방향과 측정 라인 사이의 각도가 45°라면, 최대 측정거리는 1m×(1/cos 45°)가 되어, 1.414m가 될 수 있다.
최대 유속값 산출부(120)는 이와 같이 계산된 최대 측정거리를 미리 설정된 수학식 1의 최대 측정거리(Rmax)에 대입하여 펄스 반복 주파수(PRF)를 산출하고, 산출한 펄스 반복 주파수(PRF)와 송신 신호의 주파수를 미리 설정된 수학식 2의 펄스 반복 주파수(PRF)와 송신 신호의 주파수(fo)에 대입하여, 수심 데이터에 대응하는 최대 유속값을 산출한다.
수학식 1은
Figure 112010053897209-pat00001
이며, 후술 되는 SPRF 모드 실행부(130)에서 펄스 신호를 반복적으로 송/수신하는 것으로 인해 측정거리의 한계가 생기는 것으로부터 유도할 수 있다.
즉, n+1번째 펄스 신호의 송신 이전에 n번째 펄스 신호의 수신을 종료해야 하므로, 펄스 반복 주기에 의해서 최대 측정거리가 결정된다.
수학식 1에서 Rmax는 최대 측정거리, Tr은 펄스 반복 주기, c는 음속, PRF는 펄스 반복 주파수를 의미한다.
또한, 수학식 2는
Figure 112010053897209-pat00002
이다.
수학식 2는 샘플링 정리로부터 유도할 수 있는데, 즉, 펄스 반복 주기가 도플러 신호의 샘플링 주기가 되기 때문에 샘플링 정리에 의해 펄스 반복 주파수(PRF)의 1/2 이상이 되는 도플러 주파수 편이량은 측정할 수 없게 되므로, 이로 인해 최대 측정속도의 제한이 생기는 것으로부터 유도할 수 있다.
수학식 2에서 Vmax는 최대 측정속도, c는 음속, PRF는 펄스 반복 주파수, fo는 송신 신호의 주파수를 의미한다.
도 4는 초음파 신호의 측정 라인이 연직 방향과 45°각도를 이룰 경우, 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 산출한 펄스 반복 주파수(PRF)에 따른 측정 수심과 속도에 대한 한계를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 펄스 반복 주파수(PRF)가 1000Hz일 경우, 초음파 송수신부(140)로부터 연직 방향의 수심은 약 75cm 이내의 범위에서, 속도는 약 40cm/s 이하의 유속만을 측정할 수 있음을 알 수 있다.
SPRF 모드 실행부(130)는 단일 초음파 펄스 신호를 이용하여, 하천의 연직 유속분포를 측정하고, 유속의 대표값을 설정한다.
즉, SPRF 모드는 단일 펄스 반복 주파수(SPRF, Single Pulse Repetition Frequency)를 이용한 유속분포 측정 모드를 의미한다.
이때, 초음파 송수신부(140)는 단일 초음파 펄스 신호인, 최대 유속값 산출부(120)에서 수학식 1로부터 산출한 펄스 반복 주파수(PRF)를 적용한 펄스 신호를 하천 주 흐름의 반대 방향으로 송신하고, 수중의 부유물(20)로부터 산란되는 펄스 신호를 수신할 수 있다.
또한, SPRF 모드 실행부(130)는 초음파 송수신부(140)로 수신되는 산란된 신호들 중에서, 초음파 송수신부(140)로부터 특정한 거리(수면)에서 특정 시간차(펄스 반복 주파수(PRF)에 따른 시간차)를 두고 수신한 신호들을 추출한다.
도 5는 SPRF 모드 실행부(130)에서 펄스 반복 주파수(PRF)를 이용하여 연직 유속 분포를 측정하는 과정을 나타낸 도면으로, 도 2를 함께 참조하고자 한다.
도 5의 (a)는, 도 2의 (a)와 같은 측정 라인을 따라 초음파 송수신부(140)에서 초음파 펄스 신호를 송신하면, 부유물(20)로부터 신호가 산란되는 것을 나타내고 있으며, 도 5의 (b)는, 도 2의 (b)와 같이 초음파 송수신부(140)에서 펄스 반복 주파수(PRF)에 따라 송신한 초음파 펄스 신호로부터, 부유물(20)에 의해 산란되어 수신되는 신호들 중, 초음파 송수신부(140)로부터 특정한 거리에서 펄스 반복 주파수(PRF)에 따른 시간 차이를 두고 추출한 신호를 나타낸 것이다.
또한, 도 5의 (b)에서 수직 점선(화살표 점선)의 가로 방향 위치(송신 후의 상대 시간)는 연직 유속분포 측정 장치(100)로부터의 거리(수심)를 의미하므로, 만약 수직 점선의 위치가 우측에 있다면, 연직 유속분포 측정 장치(100)로부터 먼 곳의 수심을 의미하고, 수직 점선의 위치가 좌측에 있다면, 연직 유속분포 측정 장치(100)로부터 가까운 곳의 수심을 의미한다.
즉, 송신 후의 상대 시간 축은 연직 유속분포 측정 장치(100)로부터의 거리(수심)와 같다.
또한, SPRF 모드 실행부(130)는 펄스 반복 주파수(PRF)에 따른 시간 차이를 두고 추출된 신호들로부터 도 5의 (c)와 같은 도플러 주파수를 산출하고, 도플러 주파수로부터 유속을 측정할 수 있다.
도플러 주파수는 해당 수심(선택된 상대 시간)에서 이동하는 부유물에 의한 도플러 주파수를 의미한다.
도 5의 (c)를 보면, 도 5의 (b)와 같은 추출된 신호들에서 상대 시간이 동일한 신호들을 추출하여 특정 주기를 갖는 신호를 생성한 것을 나타내며, 이 특정 주기를 갖는 신호가 도플러 신호가 된다.
생성된 도플러 신호의 주파수로부터 각 수심별로 정확한 유속을 측정할 수 있는데, 자세하게는, 초음파 송수신부(140)로부터 수면까지의 하천 전체 수심을 1cm 간격으로 나눈 수심과 대응하는 상대 시간들로부터 연직 유속분포를 측정할 수 있다.
이와 같은, 초음파 신호를 송신하여 연직 유속분포를 측정하기까지의 과정을 미리 설정된 시간 동안 반복하여, 복수의 연직 유속분포를 측정한 결과를 상기 미리 설정된 시간으로 평균을 내면, 1cm 수심별로 유속의 평균값을 구할 수 있고, 연직 유속분포 중에서 가장 빠른 유속이 나타나는 위치(일반적으로, 하천의 수면 부근 위치)의 유속 평균값을 유속의 대표값으로 설정할 수 있다.
측정 모드 전환부(150)는 최대 유속값 산출부(120)에서 산출한 최대 유속값과 SPRF 모드 실행부(130)에서 측정한 유속의 대표값을 비교하여, 최대 유속값이 유속의 대표값보다 클 경우에는 측정 모드를 전환하지 않고, SPRF 모드 실행부(130)에서 측정한 연직 유속분포 평균값을 유속 데이터로 설정하여 저장할 수 있다.
또는, 연직 유속분포를 재측정하여 이를 유속 데이터로 설정할 수 있는데, 상술한 바와 같은 초음파 송수신부(140)가 최대 유속값 산출부(120)에서 수학식 1로부터 산출한 펄스 반복 주파수(PRF)로 초음파 신호를 송신하고, 수신하는 산란된 신호들 중에서 특정 거리로부터 수신된 신호들을 추출하여, 추출된 신호들로부터 도플러 신호를 생성하며, 도플러 주파수로부터 연직 유속분포를 측정할 수 있다.
또한, 측정 모드 전환부(150)는 최대 유속값이 유속의 대표값보다 작을 경우에 MPRF 모드로 전환한다.
즉, 유속의 대표값이 최대 유속값보다 클 경우(최대 측정속도를 넘어서는 도플러 주파수)에는 언더 샘플링(undersampling)에 의한 엘리어싱(aliasing) 때문에 정확한 도플러 주파수를 산출할 수 없으므로, 이를 해결하기 위해, 다중 펄스 반복 주파수를 이용하는 모드(MPRF 모드)로 전환하는 것이다.
또한, 도 4를 참조하면, SPRF 모드를 이용한 유속 측정 방법에 의해서는 얕은 수심과 느린 유속을 측정할 수 있으나, 수심이 깊으면서 유속이 빠른 흐름은 측정할 수가 없다는 것을 알 수 있으므로, 하천의 홍수 시에는 MPRF 모드로 전환하여 유속을 측정하는 것이 바람직할 것이다.
MPRF 모드 실행부(160)는 MPRF 모드로 전환되면, 다중 초음파 펄스 신호를 이용하여, 하천의 연직 유속분포를 측정한다.
즉, MPRF 모드는, 다중 펄스 반복 주파수(MPRF, Multiple Pulse Repetition Frequency)를 이용한 유속분포 측정 모드를 의미한다.
이때, 초음파 수신부(140)는 다중 초음파 펄스 신호인, 미리 설정된 복수(3개 이상)의 펄스 반복 주파수(PRF)를 적용한 복수의 펄스 신호를 송신하고, 수중의 부유물(20)로부터 산란되는 복수의 펄스 반복 주파수(PRF)에 대한 복수의 펄스 신호를 수신할 수 있는데, 미리 설정된 복수의 펄스 반복 주파수(PRF)는 하천의 최대 수심까지 측정 가능하도록 하는 낮은 펄스 반복 주파수(PRF)(예컨대, 200Hz, 320Hz, 440Hz 등)가 됨이 바람직할 것이다.
MPRF 모드 실행부(160)는 초음파 수신부(140)에서 수신하는 복수의 산란된 신호들 중에서, 초음파 송수신부(140)로부터 특정한 거리(수면)에서 특정한 시간차를 두고 수신한 신호들을 추출한다.
또한, MPRF 모드 실행부(160)는 각각의 펄스 반복 주파수(PRF)에 대해, 상기 추출한 신호들에서 상대 시간이 동일한 신호로부터, 엘리어싱(aliasing) 된 복수의 도플러 주파수를 구하여 유속을 측정한다.
엘리어싱(aliasing) 된 도플러 주파수는 이동하는 부유물에 의한 도플러 주파수이다. 상기와 같은 복수의 각각의 낮은 펄스 반복 주파수(PRF)는 유속을 측정하고자 하는 유체의 최대 수심까지 측정 가능한 낮은 펄스 반복 주파수(PRF)이므로, 모든 수심을 측정할 수 있지만, 상대적으로 높은 유속을 측정할 수 없으므로, 최대 측정속도를 넘어서면 엘리어싱이 발생하기 때문에 엘리어싱(aliasing) 된 도플러 주파수가 추출될 수 있다.
즉, 엘리어싱(aliasing) 된 도플러 주파수는 상기에서 추출된 특정 시간차를 가지는 신호들에서 상대 시간이 같은 신호들을 추출하고, 이 신호들로부터 특정 주기를 갖는 신호를 생성하여, 생성된 신호의 주파수로부터 산출할 수 있다.
엘리어싱(aliasing) 된 도플러 주파수로부터는 해당 수심에 대한 정확한 유속을 산출할 수 없으므로, MPRF 모드 실행부(160)는 엘리어싱(aliasing) 된 복수의 도플러 주파수에 '중국인의 나머지 정리'를 적용하여 정확한 유속을 측정할 수 있다.
'중국인의 나머지 정리'는 연립 선형 합동식의 공통해를 찾는 문제에 대한 답을 주는 정리로서, 엘리어싱(aliasing)이 일어난 측정값(엘리어싱(aliasing) 된 도플러 주파수)을 나머지로 하고, 대응하는 펄스 반복 주파수(PRF)를 법(法, law)으로 하여 중국인의 나머지 정리에 적용하면, 정확한 도플러 주파수를 산출할 수 있고, 이를 유속으로 환산하여 해당 수심에 대한 정확한 유속을 측정할 수 있다.
상술한 MPRF 모드 실행부(160)의 기능을 수학식 1 및 2에 적용하면,
MPRF 모드에서는 낮은 펄스 반복 주파수(PRF)를 사용하므로,
수학식 1인
Figure 112010053897209-pat00003
은
수학식 3인
Figure 112010053897209-pat00004
이 되고,
또한, 낮은 펄스 반복 주파수(PRF)를 복수로 사용하므로,
수학식 2인
Figure 112010053897209-pat00005
는
수학식 4인
Figure 112010053897209-pat00006
가 된다.
즉, 변경된 수학식 3 및 수학식 4를 통해, MPRF 모드로 하천의 유속을 측정함에 있어서, 측정거리(수심)나 측정속도(유속)에 제한이 없음을 수식적으로 알 수 있다.
유속 데이터 저장부(170)는 SPRF 모드 실행부(130) 및 MPRF 모드 실행부(160)에서 측정한 유속에 대한 데이터를 수심 데이터와 연계시켜 저장할 수 있다.
저장된 유속 데이터는 하천을 관리하는 데에 이용될 수 있는데, 예를 들어보면, 오염물을 중화시키는 시간을 산출하거나, 장마철에 댐에 축적되는 물의 유입속도를 예상하여 방류량을 설정하거나, 하천에 설치된 보(洑)에 설치하여 하천의 유량을 측정하여 수자원량을 파악하는데 활용할 수 있다.
도 6은 하천 연직 유속분포 측정 장치(100)의 각 구성을 나타내는 회로도로, 디지털 제어부(30)에는 초음파 송수신부(140)를 제외한 나머지 구성들(수심 측정부(110), 최대 유속값 산출부(120), SPRF 모드 실행부(130), 측정 모드 전환부(150), MPRF 모드 실행부(160), 및 유속 데이터 저장부(170))이 포함될 수 있다.
상술한 바와 같은 하천 연직 유속분포 측정 장치(100)는 하천 바닥 또는 하천을 가로막고 있는 보와 같은 바닥이 평평한 하천 구조물에 설치되거나, 하천의 바닥면과 하천 연직 유속분포 측정 장치(100)의 상부면이 평면을 이루도록 매설될 수 있다.
도 7a는 하천 바닥에 매설된 하천 연직 유속분포 측정 장치(100)의 측면도이고, 도 7b는 하천 바닥에 매설된 하천 연직 유속분포 측정 장치(100)의 사시도이다.
이때, 하천 연직 유속분포 측정 장치(100)는 초음파 경로 제공부(10)를 더 포함할 수 있는데, 초음파 경로 제공부(10)는 초음파 송수신에 영향을 주지 않도록 하는 재질로 구현될 수 있으며, 초음파가 송수신 되는 경로를 확보할 수 있는 형태를 가질 수 있고, 또한 하천의 바닥면에 따라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
예컨대, 도 7a 및 도 7b에서와 같이, 초음파 경로 제공부(10)의 상면이 하천 연직 유속분포 측정 장치(100)의 상면이 평탄해지도록 하는 미리 설정된 형태로 구현될 수 있으며, 이러한 형태는 부유물에 의한 측정 장치(100)가 파손될 위험을 줄일 수 있고, 하천의 흐름에 대한 교란을 줄일 수 있다.
상술한 바와 같은 수심 측정부(110), 최대 유속값 산출부(120), SPRF 모드 실행부(130), 초음파 송수신부(140), 측정 모드 전환부(150), MPRF 모드 실행부(160), 및 유속 데이터 저장부(170)의 구성으로 인해, 하천에서 사용자가 유속을 측정하고자 하는 수심의 유속이 느릴 경우에는 SPRF 모드로 유속을 측정하고, 유속이 빠를 경우에는 MPRF 모드로 유속을 측정할 수 있으므로, 수심 및 유속의 제한 없이 정확하게 자연 하천의 연직 유속분포를 측정할 수 있고, 하나의 장치로 SPRF 모드와 MPRF 모드를 실행할 수 있으므로 측정 시간을 단축할 수 있다.
도 8은 도 2의 하천 연직 유속분포 측정 장치(100)를 이용한 연직 유속분포 측정 방법의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
하천 연직 유속분포 측정 장치(100)는, 측정 장치(100)로부터 수면까지의 연직거리인, 하천의 전체 수심을 일반적인 수심 센서를 이용하여 측정하고(S100), 측정된 수심에 대한 수심 데이터와, 미리 설정된 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 최대 유속값을 산출한다(S200).
즉, 수심 데이터를 수학식 1인
Figure 112010053897209-pat00007
의 Rmax에 대입하여 펄스 반복 주파수(PRF)를 산출하고, 펄스 반복 주파수(PRF)를 수학식 2인
Figure 112010053897209-pat00008
에 대입하여, 수심 데이터에 대응하는 최대 유속값을 산출할 수 있다.
다음으로, 하천 연직 유속분포 측정 장치(100)는 단일 초음파 펄스 신호를 이용하는 SPRF 모드로, 연직 유속분포를 측정하고 유속의 대표값을 설정한다(S300).
도 9는 SPRF 모드로 연직 유속분포 측정 및 유속의 대표값을 설정하는 단계를 상세히 나타낸 흐름도로, 도 9를 참조하여 단계 S300을 살펴보고자 한다.
하천 연직 유속분포 측정 장치(100)의 초음파 송수신부(140)에서 단일 초음파 펄스 신호인, 단계 S200에서 산출한 펄스 반복 주파수(PRF)를 적용하여 펄스 신호를 송신하고, 수중의 부유물(20)로부터 산란되는 펄스 신호를 수신하면(S310), 하천 연직 유속분포 측정 장치(100)는 측정 장치(100)로부터 특정한 거리에서 특정 시간차를 두고 수신한 신호들을 추출할 수 있다(S320).
그리고, 추출된 신호들로부터 상대 시간이 같은 신호들을 추출하여(S330), 상대 시간이 같은 신호들로부터 도플러 신호를 생성하면(S340), 생성한 도플러 신호의 주파수를 유속으로 환산하여 해당 상대 시간에 대응하는 수심의 유속을 측정할 수 있다(S350).
이때, 하천의 수심 1cm에 간격에 대응하는 복수의 상대 시간에서, 각 상대 시간별로 도플러 신호를 생성하면, 생성된 도플러 신호의 주파수를 유속으로 환산하여 하천의 연직 유속분포를 측정할 수 있다(S360).
다음으로, 상술한 단계 S310 내지 단계 S360을 미리 설정된 시간 동안 반복하여 복수의 연직 유속분포를 측정하고, 측정한 결과를 미리 설정된 시간으로 평균을 내어, 1cm 수심별 유속의 평균값인 연직 유속분포의 평균값을 산출한 후(S370), 연직 유속분포의 평균값에서 가장 빠른 유속이 나타나는 위치(일반적으로, 하천의 수면 부근 위치의 유속 평균값)을 유속의 대표값으로 설정한다(S380).
다시 도 8을 참조하면, 하천 연직 유속분포 측정 장치(100)는 상기와 같이 산출한 최대 유속값과 유속의 대표값을 비교하여 MPRF 모드로의 전환 여부를 결정하는데(S400), 최대 유속값이 유속의 대표값보다 클 경우에는(S410), 유속의 대표값을 생성하기 위해 SPRF 모드로 산출한 연직 유속분포의 평균값을 유속 데이터로 설정하여 하천 연직 유속분포 측정 장치(100) 내의 유속 데이터 저장부(170)에 저장한다(S500).
이때, 유속 데이터로 단계 S300에서 측정한 연직 유속분포의 평균값을 설정하지 않고, 단계 S200에서 수학식 1로부터 산출한 펄스 반복 주파수(PRF)를 적용한 초음파 신호로, 도 9의 단계 S310 내지 단계 S350를 다시 수행하고, 측정된 하천의 연직 유속분포를 유속 데이터로 설정하여 유속 데이터 저장부(170)에 저장할 수 있다.
만약, 최대 유속값과 유속의 대표값을 비교하여, 최대 유속값이 유속의 대표값보다 작을 경우에는(S410), 하천 연직 유속분포 측정 장치(100)는 MPRF 모드로 전환되며, 다중 초음파 펄스 신호를 이용하는 MPRF 모드로 수심 데이터에 대응하는 유속을 측정한다(S600).
도 10은 MPRF 모드로 유속 연직분포를 측정하는 단계를 상세히 나타낸 흐름도로, 도 10을 참조하여 단계 S600을 살펴보고자 한다.
하천 연직 유속분포 측정 장치(100)의 초음파 송수신부(140)에서 다중 초음파 펄스 신호인, 미리 설정된 복수(3개 이상)의 낮은 펄스 반복 주파수(PRF)를 적용한 복수의 펄스 신호를 송신하고, 수중의 부유물(20)로부터 산란되는 복수의 펄스 신호를 수신하면(S610), 하천 연직 유속분포 측정 장치(100)는 측정 장치(100)로부터 특정한 거리에서 특정 시간차를 두고 수신한 신호들을 각 펄스 반복 주파수(PRF)별로 추출한다(S620).
그리고, 추출된 신호들로부터 상대 시간이 같은 신호들을 다시 추출하여(S630), 추출된 상대 시간이 같은 신호들로부터 엘리어싱(aliasing) 된 도플러 신호를 각 펄스 반복 주파수(PRF)별로 생성한다(S640).
복수의 엘리어싱(aliasing) 된 도플러 신호의 주파수에 '중국인의 나머지 정리'를 적용하여, 각각의 펄스 반복 주파수(PRF)별로 정확한 도플러 주파수를 산출할 수 있으며(S650), 산출된 도플러 주파수로 유속을 구하여, 해당 상대 시간에 대응하는 수심에서의 정확한 유속을 측정할 수 있다(S660).
그리고나서, 1cm 간격의 수심별 위치에 대응하도록 상대 시간을 변경하며 단계 S630 내지 단계 S660을 반복하여, 하천의 연직 유속분포를 측정할 수 있다(S670).
다시 도 8을 참조하면, 하천 연직 유속분포 측정 장치(100)는 MPRF 모드로 측정한 하천의 연직 유속분포인 유속 데이터를 하천 연직 유속분포 측정 장치(100) 내의 유속 데이터 저장부(170)에 저장한다(S500).
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 초음파 경로 제공부
20 부유물
30 디지털 제어부
100 하천 연직 유속분포 측정 장치
110 수심 측정부
120 최대 유속값 산출부
130 SPRF 모드 실행부
140 초음파 송수신부
150 측정 모드 전환부
160 MPRF 모드 실행부
170 유속 데이터 저장부

Claims (9)

  1. 하천의 연직 수심을 측정하는 수심 측정부;
    상기 연직 수심이 측정되는 방향으로부터 미리 설정된 각도만큼 기울어진 방향으로 송신되는 초음파 신호가 수면에 도달하기까지의 거리인 최대 측정거리를, 상기 수심 측정부에서 측정된 수심 데이터를 이용하여 구한 후 펄스 반복 주파수(PRF)를 산출하고, 상기 펄스 반복 주파수(PRF)를 이용하여 상기 수심 데이터에 대응하는 최대 유속값을 산출하는 최대 유속값 산출부;
    상기 펄스 반복 주파수(PRF)를 적용한 단일 초음파 펄스 신호를 이용하여, 상기 하천의 연직 유속분포를 측정하고, 가장 빠른 유속을 유속의 대표값으로 설정하는 SPRF 모드 실행부;
    상기 최대 유속값과 상기 유속의 대표값을 비교하여, 상기 최대 유속값이 상기 유속의 대표값보다 클 경우에는 측정 모드를 전환하지 않고, 작을 경우에 MPRF 모드로 전환하는 측정 모드 전환부;
    상기 MPRF 모드로 전환될 경우, 하천의 최대 수심까지 측정 가능한 미리 설정된 복수의 펄스 반복 주파수(PRF)를 적용한 복수의 초음파 펄스 신호를 이용하여, 상기 하천의 연직 유속분포를 측정하는 MPRF 모드 실행부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 반복 주파수를 이용한 하천 연직 유속분포 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 SPRF 모드 실행부는,
    미리 설정된 시간 동안 복수의 상기 하천의 연직 유속분포를 측정하고, 상기 측정된 복수의 연직 유속분포를 상기 미리 설정된 시간으로 평균을 낸 후, 가장 빠른 평균 유속을 유속의 대표값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 펄스 반복 주파수를 이용한 하천 연직 유속분포 측정 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 MPRF 모드 실행부는,
    상기 복수의 펄스 신호를 상기 각 펄스 반복 주파수(PRF)별로 송신하고, 산란되는 복수의 펄스 신호를 수신하여, 상기 수심 데이터에 대응하는 수심에서 산란된 신호들을 추출하고, 상기 추출된 신호들로부터 엘리어싱(aliasing) 된 도플러 신호를 추출하여 상기 하천의 연직 유속분포를 측정하는 것을 특징으로 하는 펄스 반복 주파수를 이용한 하천 연직 유속분포 측정 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 MPRF 모드 실행부는,
    상기 엘리어싱(aliasing) 된 복수의 도플러 신호의 주파수에 '중국인의 나머지 정리'를 적용하여 상기 하천의 연직 유속분포를 측정하는 것을 특징으로 하는 펄스 반복 주파수를 이용한 하천 연직 유속분포 측정 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    초음파가 송수신 되는 경로를 확보하고, 상기 하천 연식 유속분포 측정 장치의 상면이 평탄해지도록 미리 설정된 형태로 구현되며, 초음파 송수신에 영향을 주지 않도록 하는 재질로 구현되는 초음파 경로 제공부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 반복 주파수를 이용한 하천 연직 유속분포 측정 장치.
  6. (a) 하천의 연직 수심을 측정하는 단계;
    (b) 상기 연직 수심이 측정되는 방향으로부터 미리 설정된 각도만큼 기울어진 방향으로 송신되는 초음파 신호가 수면에 도달하기까지의 거리인 최대 측정거리를, 상기 (a)단계에서 측정된 수심 데이터를 이용하여 구한 후 펄스 반복 주파수(PRF)를 산출하고, 상기 펄스 반복 주파수(PRF)를 이용하여 상기 수심 데이터에 대응하는 최대 유속값을 산출하는 단계;
    (c) 상기 펄스 반복 주파수(PRF)를 적용한 단일 초음파 펄스 신호를 이용하여, 상기 하천의 연직 유속분포를 측정하고, 가장 빠른 유속을 유속의 대표값으로 설정하는 단계;
    (d) 상기 최대 유속값과 상기 유속의 대표값을 비교하여, 상기 최대 유속값이 상기 유속의 대표값보다 클 경우에는 측정 모드를 전환하지 않고, 작을 경우에 MPRF 모드로 전환하는 단계; 및
    (f) 상기 MPRF 모드로 전환될 경우, 하천의 최대 수심까지 측정 가능한 미리 설정된 복수의 펄스 반복 주파수(PRF)를 적용한 복수의 초음파 펄스 신호를 이용하여, 상기 하천의 연직 유속분포를 측정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 반복 주파수를 이용한 하천 연직 유속분포 측정 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서는,
    미리 설정된 시간 동안 복수의 상기 하천의 연직 유속분포를 측정하고, 상기 측정된 복수의 연직 유속분포를 상기 미리 설정된 시간으로 평균을 낸 후, 가장 빠른 평균 유속을 유속의 대표값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 펄스 반복 주파수를 이용한 하천 연직 유속분포 측정 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 (f) 단계에서는,
    상기 복수의 펄스 신호를 상기 각 펄스 반복 주파수(PRF)별로, 송신하고, 산란되는 복수의 펄스 신호를 수신하여, 상기 수심 데이터에 대응하는 수심에서 산란된 신호들을 추출하고, 상기 추출된 신호들로부터 엘리어싱(aliasing) 된 도플러 신호를 추출하여 상기 하천의 연직 유속분포를 측정하는 것을 특징으로 하는 펄스 반복 주파수를 이용한 하천 연직 유속분포 측정 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 (f) 단계에서는,
    상기 엘리어싱(aliasing) 된 복수의 도플러 주파수에 '중국인의 나머지 정리'를 적용하여 상기 하천의 연직 유속분포를 측정하는 것을 특징으로 하는 펄스 반복 주파수를 이용한 하천 연직 유속분포 측정 방법.
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