KR101158792B1 - 신호의 믹싱기법을 이용한 코히어런트 도플러 유속분포 측정 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
하천용 코히어런트 도플러 유속분포 측정 장치 및 방법이 개시된다. 신호의 믹싱 기법을 이용한 코히어런트 도플러 유속 분포 측정 방법은, (a) 측정하고자 하는 지점의 수심에 기초하여 펄스반복주파수를 가변적으로 결정하는 단계; (b) 서로 다른 주파수를 가진 두 개의 신호를 믹싱하여 송신 신호를 생성하는 단계; (c) 상기 송신 신호를 상기 펄스반복주파수에 해당하는 주기로 연속적으로 송수신하는 단계; (d) 상기 수신된 신호에서 필터링을 통해 고주파 성분을 제거하고, 같은 거리에 해당하는 신호(도플러신호)를 추출하는 단계; (e) 상기 추출된 신호에서 위상차를 검출하고, 상기 검출된 위상차를 유속으로 환산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 구성에 따르면, 코히어런트 도플러 기법이 가지는 측정 가능한 수심 및 유속에 대한 한계를 극복하여 수로나 하천에서도 적용될 수 있는 확장된 코히어런트 도플러 유속분포 측정 방법 및 장치를 구현할 수 있다.
Description
본 발명은 수로나 하천 등의 연직 유속분포를 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 기본적인 코히어런트 도플러 기법에 신호의 믹싱기법을 접목하여 수로나 하천 등에 적용할 수 있는 확장된 코히어런트 도플러 유속분포 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
현재, 초음파를 이용하여 수로, 하천, 해양 등에서 연직 유속분포를 측정하기 위한 장비들이 해외에서 개발되어 시판되고 있으며, 이들은 대부분 초음파 신호의 도달시간 차이를 이용한 시간차 방법이나, 신호의 코릴레이션을 통한 위상차 방법을 이용하고 있다.
펄스반복주파수를 이용한 코히어런트 도플러 기법은 의료기기 등에서 인체의 혈류속도를 측정하기 위한 기법으로 사용되고 있는데, 하지만 수로나 하천용의 유속계로는 아직 적용된 바 없다.
코히어런트 도플러 기법은 사용된 펄스반복주파수에 따라 측정할 수 있는 수심이나, 유속에 한계를 가지기 때문에 하천이나, 해양처럼 수심이 깊고 유속이 빠른 환경에 적용하기에는 한계를 가질 수 밖에 없다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 코히어런트 도플러 기법에 신호의 믹싱기법을 접목하여 측정 가능한 수심이나 유속의 제한 없이 수로, 하천, 해양 등의 연직 유속분포를 측정하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 첨부 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 설명하고 있는 하기의 설명으로부터 보다 분명해 질 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 신호의 믹싱기법을 이용한 코히어런트 도플러 유속분포 측정 방법은 (a) 측정하고자 하는 지점의 수심에 기초하여 펄스반복주파수를 가변적으로 결정하는 단계; (b) 서로 다른 주파수를 가진 두 개의 신호를 믹싱하여 송신 신호를 생성하는 단계; (c) 상기 송신 신호를 상기 펄스반복주파수에 해당하는 주기로 연속적으로 송수신하는 단계; (d) 상기 수신된 신호에서 필터링을 통해 고주파 성분을 제거하고, 같은 거리에 해당하는 신호(도플러신호)를 추출하는 단계; 및 (e) 상기 추출된 신호에서 위상차를 검출하고, 상기 검출된 위상차를 유속으로 환산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 일실시예에 다른 신호의 믹싱기법을 이용한 코히어런트 도플러 유속분포 측정 장치는 (a) 측정하고자 하는 지점의 수심에 기초하여 펄스반복주파수를 가변적으로 결정하는 펄스반복주파수 결정부; (b) 서로 다른 주파수를 가진 두 개의 신호를 믹싱하여 송신 신호를 생성하는 신호 생성부; (c) 상기 생성된 송신 신호를 상기 결정된 펄스반복주파수에 의거하여 연속적으로 송신하는 신호 송신부; (d) 물속 미세입자에 의해 산란된 신호를 연속적으로 수신하는 신호 수신부; (e) 상기 수신된 신호의 필터링을 통해 고주파 성분을 제거하고 도플러 신호를 검출하는 신호 검출부; (f) 상기 검출된 신호에서 각 펄스의 위상차를 검출하는 위상차 검출부; 및 (g) 상기 검출된 위상차를 유속으로 환산하는 위상-유속 환산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 일면에 따르면 상기 신호 송신부와 상기 신호 수신부는 상기 믹싱된 신호를 반영하여 송/수신할 수 있도록 설계된 광대역 초음파 트랜스듀서로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이러한 과정을 통해 코히어런트 도플러 기법이 가지는 측정 가능한 수심 및 유속에 대한 한계를 극복하고 실제 하천이나 수로에 적용할 수 있는 확장된 코히어런트 도플러 유속분포 측정 장치의 구현이 가능하다.
앞서 설명한 코히어런트 도플러 기법은 현재 개발된 다른 유속측정 기법들에 비해 비교적 짧은 시간에 안정적인 유속 값을 도출할 수 있는 것으로 알려져 있다. 하지만 측정 가능한 수심 및 유속에 대한 한계 때문에 의료기기 등에만 국한적으로 적용되어 왔다. 본 발명에 의해 이러한 측정 한계를 극복함으로서 실제 수로나 하천 등에도 적용할 수 있는 확장된 코히어런트 도플러 유속분포 측정 장치의 구현이 가능하다.
또한 측정된 수심에 따라 가변적으로 펄스반복주파수를 선택함으로서 일정한 펄스반복주파수를 사용하는 것에 비해 측정 시간이나, 메모리 용량 등을 줄일 수 있어 더 효율적인 측정이 가능하다.
도 1 은 일반적인 연직 유속분포 측정 장치의 측정 방법을 나타낸 개념도이고,
도 2 는 펄스반복주파수를 이용하여 유속을 측정하는 코히어런트 도플러 기법에 대한 개념도이고.
도 3 은 코히어런트 도플러 기법의 펄스반복주파수에 따른 측정 가능 수심 및 유속을 나타낸 그래프이고,
도 4 는 신호의 믹싱 기법을 적용한 확장된 코히어런트 도플러 기법에 대한 개념도이고,
도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 확장된 코히어런트 도플러 유속 측정 방법을 도시하는 블록도이고,
도 6 은 본 발명이 일실시예에 따른 확장된 코히어런트 도플러 유속 측정 장치의 회로 구성을 나타낸 블록 다이어그램이다.
도 2 는 펄스반복주파수를 이용하여 유속을 측정하는 코히어런트 도플러 기법에 대한 개념도이고.
도 3 은 코히어런트 도플러 기법의 펄스반복주파수에 따른 측정 가능 수심 및 유속을 나타낸 그래프이고,
도 4 는 신호의 믹싱 기법을 적용한 확장된 코히어런트 도플러 기법에 대한 개념도이고,
도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 확장된 코히어런트 도플러 유속 측정 방법을 도시하는 블록도이고,
도 6 은 본 발명이 일실시예에 따른 확장된 코히어런트 도플러 유속 측정 장치의 회로 구성을 나타낸 블록 다이어그램이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
도 1 은 일반적인 연직 유속분포 측정 장치의 측정 방법을 나타낸 개념도로서, 수로나 하천의 바닥에 설치된 초음파 센서(10)를 이용하여 경사지게 확보된 초음파 경로를 통해 초음파 신호를 송/수신하고 이러한 신호를 통해 각 수심별 유속을 측정함을 의미한다.
도 2 는 코히어런트 도플러 기법을 설명하는 것으로, 도 2(a)와 같이 움직이는 산란입자에, 도 2(b)와 같이 동일한 펄스 신호를 일정시간(T) 간격으로 연속적으로 송/수신 하게 되면, 각각의 수신신호는 입자의 움직임으로 인한 거리차이에 의해 도 2(c)와 같이 특정 위상차를 가지고 수신된다. 도 2(c)에서 점선으로 표시한 바와 같이, 같은 거리에서 산란된 신호들을 추출하게 되면 도 2(d)와 같이 특정 거리에서 산란된 도플러 신호를 추출할 수 있고, 이렇게 추출된 신호의 위상차를 이용해 입자의 속도를 추정하는 방법을 코히어런트 도플러 기법이라 한다. 이를 수식으로 표현하면 식 1과 같다.
여기에서 v는 입자의 속도, c는 음파의 속도, △φ는 수신신호의 위상차, f0는 송신신호의 주파수, T는 송신주기, θ는 신호의 입사각을 의미한다.
하지만, 이러한 코히어런트 도플러 기법은 송신주기에 따라 측정할 수 있는 수심 및 유속에 한계를 갖게 되는데 이를 식 2와 식 3으로 표현할 수 있다.
여기에서 Dmax는 측정 가능한 최대수심, Vmax는 최대유속, PRF는 펄스반복주파수(Pulse Repetition Frequency)로서 송신주기(T)의 역수로 표현된다.
식 2 의 측정 가능한 수심의 한계는 신호를 연속적으로 송/수신하기 때문에 발생하는 한계로서, n+1번째 송신 이전에 n번째 수신을 완료해야 하기 때문에 송신주기(또는 펄스반복주파수)에 의해 한계를 가진다.
식 3 의 측정 가능한 유속의 한계는 펄스반복주파수가 도플러신호(도 2(d))의 샘플링 주파수가 되기 때문에 발생하는 한계로서, 샘플링 정리에 의해 펄스반복주파수의 1/2이상이 되는 주파수의 도플러 신호에 대해서는 엘리어싱(Aliasing)이 발생하게 되고, 따라서 이러한 경우에는 유속을 측정할 수 없게 된다. 이에 따라, 식 3과 같은 측정 가능한 유속의 한계를 가지게 된다.
이와 같이, 측정 가능한 수심 및 유속의 한계는 펄스반복주파수에 따라 결정되는데, 이를 도 3에 나타내었다. 이는 각각의 펄스반복주파수(Hz)에 대해 측정 가능한 수심(cm) 및 유속(cm/s)을 나타내는 것으로서, 가령 펄스반복주파수가 1000Hz라고 하면, 수심은 약 50cm, 유속은 약 50cm/s 까지 측정이 가능하다는 의미이다. 더 높은 유속을 측정하기 위해서는 펄스반복주파수를 증가시켜야 하는데, 그럴 경우 측정할 수 있는 수심이 낮아지고, 펄스반복주파수를 낮출 경우 반대의 한계에 부딪히게 된다. 즉, 유속은 펄스반복주파수에 비례적인 관계이고, 수심은 반비례적인 관계에 있기 때문에, 실제 수로나 하천에서는 이 기법을 제한적으로 사용할 수 밖에 없다.
본 발명에서는 이러한 측정 수심 및 유속의 한계를 극복하기 위한 방법으로 신호의 믹싱 기법을 사용한다. 여기에서 신호의 믹싱 기법이란, 서로 다른 주파수(f1, f2)를 가진 두 개의 신호를 혼합(믹싱)하면 두 신호의 합주파수(f1+f2)와 차주파수(f1-f2)에 해당하는 주파수 성분을 함께 가지는 새로운 신호가 만들어지는데 이러한 과정을 신호의 믹싱이라 한다. 이렇게 믹싱된 신호를 송/수신하여 수신된 신호의 필터링을 통해 고주파수 성분을 제거하면 신호의 주파수대역을 낮출 수 있기 때문에 식 3에서 표현한 측정 속도의 한계를 증가시키는 효과를 얻을 수 있다. 이에 대한 개념을 도 4에 나타내었다. 참고로, 단일 주파수로 주파수 대역을 낮출 수 없는 이유는 주파수 대역을 낮추게 되면 그에 비례하여 초음파 센서의 크기가 커져야 하는 한계가 있고, 또한 유속 측정을 목적으로 하는 산란입자들은 물속에 존재하는 미세한 입자들이기 때문에 낮은 주파수에 대해서는 산란이 아닌 투과를 일으키게 된다. 따라서 미세한 입자들이 산란을 일으킬 수 있는 수백kHz 이상의 고주파에 해당하는 초음파를 이용하고, 이를 한계 없이 실제 하천의 유속을 측정할 수 있는 수십kHz 이하의 주파수 대역으로 낮추기 위해 수백 kHz 대역의 서로 다른 주파수를 가진 두 개의 신호를 믹싱해서 사용하는 것이다. 즉, 합주파수에 해당하는 고주파의 초음파는 미세 입자들의 산란을 일으키고, 이렇게 산란된 신호를 필터링을 통해 차주파수에 해당하는 저주파 대역으로 주파수를 감소시킴으로서 측정 가능한 최대 유속을 증가시키고자 하는 것이다. 도 4(a)는 믹싱된 신호가 수신되었음을 의미하는데, 상대적인 고주파와 저주파의 두 가지 주파수 성분이 있음을 알 수 있다. 이렇게 수신된 신호를 필터링을 통해 합주파수에 해당하는 고주파 성분을 제거하면 도 4(b)와 같이 차주파수에 해당하는 저주파 신호를 얻을 수 있는데, 이 과정이 주파수대역을 낮추는 과정이다. 이렇게 주파수 대역을 낮추게 되면 그에 비례하여 산란입자의 움직임에 의한 위상차도 작아지기 때문에 앨리어싱을 피할 수 있게 된다. 예를 들어, 펄스반복주파수가 500Hz인 경우에는, 도 3에서 확인되는 바와 같이 수심은 약 1m까지 측정이 가능하지만 유속은 약 25cm/s 이상 측정할 수 없게 되고, 이는 현실적으로 수로나 하천에 적용할 수 없음을 의미한다. 하지만 신호의 믹싱을 통해 주파수를 1/10로 낮추게 되면 측정 가능한 유속이 2.5m/s 까지 증가하게 된다. 이러한 원리를 이용하여 측정하고자 하는 수심에 맞추어 펄스반복주파수를 낮추고 그에 상응하여 신호의 믹싱을 통해 신호의 주파수를 낮추게 되면 측정 가능한 유속이 증가하게 되어 수로나 하천에 적용할 수 있는 확장된 코히어런트 도플러 기법으로 응용이 가능하다.
도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 측정 방법을 도시하는 블록도이다.
먼저, 측정하고자 하는 지점의 수심에 기초하여 펄스반복주파수를 가변적으로 결정한다(S10). 예를 들어, 측정하고자 하는 지점의 수심이 약 10m라고 가정하면, 상기 식(2)에 의해 펄스반복주파수를 50Hz로 결정할 수 있다. 측정하고자 하는 지점의 수심은 상용의 일반적인 수위 센서에 의해 획득될 수 있다. 이 경우 송신 신호의 중심 주파수가 1000kHz인 경우 식(3)에 의해 측정가능 유속은 약 0.03m/s로 된다. 이 값을 유속이 10m/s 정도 되는 하천에 적용하기 위해서는 송신 신호의 중심 주파수를 3kHz로 낮춰야 한다.
본 발명에서는 서로 다른 주파수를 가진 두 개의 신호를 믹싱하여 송신신호를 생성(S20)한다. 상기의 예를 이용하면, 1000kHz의 신호에 997kHz 신호를 믹싱시켜 송신 신호를 생성한다.
이렇게 생성된 송신 신호를 상기 결정된 펄스반복주파수의 주기로 반복적으로 송/수신하고(S30), 상기 수신된 신호에서 필터링을 통해 고주파 성분을 제거하면(S40), 중심 주파수가 3kHz인 신호를 얻게 된다. 이 후, 같은 거리에서 산란된 신호(도플러신호)들을 추출하고(S50), 상기 추출된 신호에서 위상차를 검출하고(S60), 상기 검출된 위상차를 상기 식(1)에 의해 유속으로 환산하여 유속을 측정할 수 있다.
도 6 은 본 발명이 적용된 확장된 코히어런트 도플러 유속분포 측정 장치의 일실시예의 회로 구성을 나타낸 블록 다이어그램이다.
도 6 을 참조하여 보면, 본 발명의 일실시예에 따른 측정 장치는 펄스반복주파수 결정부, 신호 생성부, 신호 송/수신부, 신호 검출부, 위상차 검출부, 위상-유속 환산부를 포함한다. 상기 펄스반복주파수 결정부에서는 효율적인 측정을 위해 측정하고자 하는 지점의 수위에 맞추어 펄스반복주파수를 가변적으로 결정하여 적용한다. 상기 신호 생성부에서는 서로 다른 주파수를 가진 두 개의 신호를 믹싱하여 송신 신호를 생성하고, 상기 신호 송/수신부에서는 생성된 펄스 신호를 결정된 펄스반복주파수에 의거하여 연속적으로 송/수신한다. 상기 신호 송/수신부는 상기 믹싱된 신호를 반영하여 송/수신할 수 있도록 설계된 광대역 초음파 트랜스듀서를 포함한다. 상기 신호 검출부에서는 수신된 신호의 필터링을 통해 고주파 성분을 제거하고, 이를 통해 신호의 중심주파수를 낮춰 측정 가능한 유속을 증가시키는 효과를 얻게 되며, 또한 주파수가 낮아진 신호에서 같은 거리에서 산란된 도플러 신호를 추출하는 역할을 하게 된다. 상기 위상차 검출부에서는 추출된 도플러 신호를 통해 각 펄스 사이의 위상차를 검출하고, 상기 위상-유속 환산부에서는 검출된 위상차를 유속으로 환산한다. 이를 통해, 코히어런트 도플러 기법이 가지는 측정 가능한 수심 및 유속에 대한 한계를 극복하여 수로나 하천에서도 적용될 수 있는 확장된 코히어런트 도플러 유속분포 측정 장치를 구현할 수 있다.
한편, 상기에서 구체적인 실시예에 의해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이나 수정이 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구의 범위뿐만 아니라, 이 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다
Claims (3)
- 신호의 믹싱 기법을 이용한 코히어런트 도플러 유속 분포 측정 방법에 있어서, 상기 방법은,
(a) 측정하고자 하는 지점의 수심에 기초하여 펄스반복주파수를 가변적으로 결정하는 단계;
(b) 서로 다른 주파수를 가진 두 개의 신호를 믹싱하여 송신 신호를 생성하는 단계;
(c) 상기 송신 신호를 상기 펄스반복주파수에 해당하는 주기로 연속적으로 송수신하는 단계;
(d) 상기 수신된 신호에서 필터링을 통해 고주파 성분을 제거하고, 같은 거리에 해당하는 신호(도플러신호)를 추출하는 단계;
(e) 상기 추출된 신호에서 위상차를 검출하고, 상기 검출된 위상차를 유속으로 환산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호의 믹싱 기법을 이용한 코히어런트 도플러 유속 분포 측정 방법. - 신호의 믹싱 기법을 이용한 코히어런트 도플러 유속 분포 측정 장치에 있어서, 상기 장치는,
(a) 측정하고자 하는 지점의 수심에 기초하여 펄스반복주파수를 가변적으로 결정하는 펄스반복주파수 결정부;
(b) 서로 다른 주파수를 가진 두 개의 신호를 믹싱하여 송신 신호를 생성하는 신호 생성부;
(c) 상기 생성된 송신 신호를 상기 결정된 펄스반복주파수에 의거하여 연속적으로 송신하는 신호 송신부;
(d) 물속 미세입자에 의해 산란된 신호를 연속적으로 수신하는 신호 수신부;
(e) 상기 수신된 신호의 필터링을 통해 고주파 성분을 제거하고 도플러 신호를 검출하는 신호 검출부;
(f) 상기 검출된 신호에서 각 펄스의 위상차를 검출하는 위상차 검출부; 및
(g) 상기 검출된 위상차를 유속으로 환산하는 위상-유속 환산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호의 믹싱 기법을 이용한 코히어런트 도플러 유속 분포 측정 장치. - 제 2 항에 있어서, 상기 신호 송신부와 상기 신호 수신부는 광대역 초음파 트랜스듀서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 신호의 믹싱 기법을 이용한 코히어런트 도플러 유속 분포 측정 장치.
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| CN113671552B (zh) * | 2021-08-24 | 2024-02-06 | 北京航空航天大学 | 一种陆基gnss反射计的河流流速与水位反演方法 |
Citations (2)
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| JPH05340952A (ja) * | 1990-05-21 | 1993-12-24 | Kontron Instr Holding Nv | ドップラ流速計 |
| KR20050005533A (ko) * | 2002-06-04 | 2005-01-13 | 도쿄 덴료쿠 가부시기가이샤 | 도플러식 초음파 유량계, 도플러식 초음파 유량계를이용한 유량 계측 방법과, 이 도플러식 초음파 유량계에이용하는 유량 계측 프로그램 |
-
2010
- 2010-12-02 KR KR1020100121899A patent/KR101158792B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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