KR101252590B1 - Ｌｄａ로 측정한 도플러 신호의 검출 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명이 해결하려는 과제는 LDA로부터 측정되는 다수의 도플러 신호들 중에서 유체 속도 측정에 가장 적합한 한 개의 도플러 신호를 검출하기 위한 LDA로 측정한 도플러 신호의 검출 방법을 제공하는 것이다. 본 발명인 LDA(Laser doppler Anemometry)로 측정한 도플러 신호의 검출 방법은, LDA(Laser Doppler Anemometry)로부터 측정한 도플러 신호들 중에서 유체 속도 측정용 도플러 신호를 검출하기 위한 기준 레벨을 설정하는 단계(S100); 상기 LDA로부터 측정한 도플러 신호를 무차원화하는 단계(S200); 상기 S200단계를 통해 무차원화된 도플러 신호 중에서 상기 기준 레벨을 만족시키는 후보군을 검출하는 단계(S300); 상기 S300단계에서 검출된 후보군을 바탕으로 상기 기준 레벨을 만족시키는 도플러 신호를 검출하고, 검출된 도플러 신호가 유체 속도 측정에 적합한 도플러 신호인지 여부를 검증하는 단계(S400)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, LDA로 측정한 도플러 신호 중 기준 레벨들을 만족하는 고품질의 도플러 신호만을 검출함으로써, 상기 고품질의 도플러 신호를 이용하여 유체의 속도를 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.

Description

ＬＤＡ로 측정한 도플러 신호의 검출 방법{Detection method of Doppler signals as measured by Laser Doppler Anemometry}
본 발명은 LDA(Laser Doppler Anemometry)로 측정한 도플러 신호의 검출 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 검출하고자 하는 도플러 신호의 기준 레벨들을 설정하고, LDA로 측정한 도플러 신호들 중에서 상기 기준 레벨들을 가장 잘 만족시키는 한 개의 도플러 신호를 검출하는 LDA로 측정한 도플러 신호의 검출 방법에 관한 것이다.
LDA(Laser Doppler Anemometry)는 산란입자의 도플러 주파수를 측정하는 장치로서, 유체 흐름을 따라 두 레이저 빔의 교차 지점을 통과하는 입자들의 산란광을 기반으로 도플러 신호를 측정하고, 도플러 주파수를 분석하여 유체 속도를 계산한다.
[도 3]에 의하면 LDA는 입자발생부(100), 레이저발생부(200), 신호처리부(300)로 구성된다. 상기 입자발생부(100)부터는 유체 흐름을 따라 이동하는 입자가 발생되고, 상기 레이저발생부(200)로부터 두 개의 레이저 빔이 생성된다. 이때 두 레이저 빔의 교차 지점이 형성되고, 유체 흐름을 따라 레이저 빔 교차 지점을 통과하는 입자들로부터 발생하는 산란광을 기반으로 도플러 신호를 측정한다.
또한, 상기 신호처리부(300)는 산란광을 분석하여 아날로그 신호를 추출하고, 디지타이저(310)를 통해 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환함으로써 도플러 신호를 측정한다. 이때, 디지타이저(310)를 통해 여러 개의 도플러 신호들이 측정되고, 측정된 여러 개의 도플러 신호들을 대표하는 한 개의 도플러 주파수를 검출하여 유체의 속도를 산출한다.
유체 속도를 정확하게 분석하기 위해서는, 한 개의 산란 입자에 의한 도플러 신호를 측정하고, 1) 푸리에 변환(Fourier transform)하여 주파수를 계산하거나, 2) 도플러 신호가 단위 시간당 영점을 통과하는 횟수를 측정하여 주파수를 계산한다(Time-correlation). 상업적으로 판매되는 LDA는 다양한 환경 조건에서 유체 속도를 측정할 수 있도록 넓은 동적 범위(Dynamic range)와 빠른 처리 속도를 사용자에게 제공한다.
그런데 충분한 개수의 산란 입자를 가지고 여러 환경에서 유체 속도를 측정하다 보면, 여러 개의 산란입자들에 의해 중첩된 도플러 신호가 측정되는 경우도 발생하고, 도플러 신호의 포락선(Envelpoe)이 가우스 형상이 아닌 쌍봉낙타 형상으로 측정되는 경우도 발생한다. 이러한 경우에는 아무리 넓은 동적 범위와 빠른 처리 속도를 구현한다고 하더라도 유체 속도를 정확하게 측정할 수 없다.
상업용 LDA에서는, 포락선 형태가 가우스 윈도우 모양으로 잘 정의된 도플러 신호를 인식시키기 위해 기준레벨(Threshold level)을 설정하고 기준레벨 이상의 도플러 신호들에 대해서 게이트 신호를 하드웨어적으로 발생시킴으로써, 이상적인 형태의 도플러 신호들만 가지고 유체 속도를 측정할 수 있게 한다. 고속 디지타이저를 가지고 도플러 신호를 검출하고자 하는 경우에는 소프트웨어적으로 기준레벨 이상의 도플러 신호들에 대해서 게이트 신호를 발생하여 유체 속도를 정확하게 측정할 수 있게 한다.
그러나 게이트 신호만으로는 도플러 신호의 포락선 형태를 예측할 수 없으므로, 유체 속도를 정확하게 측정하고 있는지를 검증하기는 어렵다. 유체 속도 측정표준을 연구하는 경우에는, 도플러 신호에 따라 측정되는 유체 속도의 미세한 차이가 큰 영향을 끼칠 수도 있으므로, 이상적인 형태의 도플러 신호들만 받아들여 유체 속도의 편차(bias)가 발생되지 않도록 해야 한다.
고속 디지타이저(310)를 통해 측정된 도플러 신호에는 유속 측정에 적합한 고품질의 도플러 신호들뿐만 아니라 잡음이 포함된 저품질의 도플러 신호들도 같이 포함되는 경우가 많았고, 일반적인 디지타이저는 저품질의 도플러 신호를 효과적으로 필터링 하지 못하므로, 상기 도플러 신호를 기반으로 산출된 유체 속도의 정확성이 저하되는 문제점이 있었다.
다시 말하면, 측정된 도플러 신호에 포함된 잡음으로 인하여, 상기 도플러 신호의 주파수를 정확하게 검출하기 어려웠고, 이로 인해 유체 속도를 정확하게 산출하지 못하는 한계가 있었다.
또한, 기존의 신호 필터링 방법만으로는 저품질의 도플러 신호가 필터링된 경우에도 검출된 도플러 신호가 유체 속도 측정에 적합한 도플러 신호인지 여부를 적절히 검증하지 못하므로, 도플러 신호를 기반으로 산출된 유체 속도의 신뢰성이 저하되는 문제점도 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로,
본 발명이 해결하려는 과제는 LDA로부터 측정되는 다수의 도플러 신호들 중에서 유체 속도 측정에 가장 적합한 한 개의 도플러 신호를 검출하기 위한 LDA로 측정한 도플러 신호의 검출 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하려는 과제는 미리 설정된 기준 레벨들을 만족시키는 도플러 신호들만을 검출하기 위한 LDA로 측정한 도플러 신호의 검출 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하려는 과제는 검출된 도플러 신호를 가우스 윈도우 분포 함수(
Figure 112010067477949-pat00001
)와 비교하여 유체 속도 측정에 적합한 도플러 신호인지 여부를 검증하기 위한 LDA로 측정한 도플러 신호의 검출 방법을 제공하는 것이다.
LDA(Laser doppler Anemometry)로 측정한 도플러 신호의 검출 방법은, LDA(Laser Doppler Anemometry)로부터 측정한 도플러 신호들 중에서 유체 속도 측정용 도플러 신호를 검출하기 위한 기준 레벨을 설정하는 단계(S100); 상기 LDA로부터 측정한 도플러 신호를 무차원화하는 단계(S200); 상기 S200단계를 통해 무차원화된 도플러 신호 중에서 상기 기준 레벨을 만족시키는 후보군을 검출하는 단계(S300); 상기 S300단계에서 검출된 후보군을 바탕으로 상기 기준 레벨을 만족시키는 도플러 신호를 검출하고, 검출된 도플러 신호가 유체 속도 측정에 적합한 도플러 신호인지 여부를 검증하는 단계(S400)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S100단계의 기준 레벨은, 무차원화된 도플러 신호 중에서 소정의 크기 이상의 도플러 신호를 검출하기 위한 기본레벨, 후보군내의 도플러 신호 중에서 소정의 크기 이상의 도플러 신호를 검출하기 위한 크기레벨, 후보군내의 도플러 신호 중에서 소정의 지속시간 이상의 도플러 신호를 검출하기 위한 시간레벨, 기준이 되는 가우스 윈도우 분포레벨 및 검출할 수 있는 도플러 신호의 최대개수레벨을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S200단계는, LDA로 측정한 도플러 신호의 최대값을 검출하고, 상기 측정한 도플러 신호와 상기 최대값을 기반으로 일정한 진폭의 도플러 신호로 무차원화하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S200단계는, 측정한 도플러 신호를 -1이상 +1이하의 진폭으로 무차원화하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S300단계는, 상기 무차원화된 도플러 신호 중에서 상기 기본레벨 이상의 도플러 신호를 후보군으로 검출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S300단계는, 상기 기본레벨의 크기는 0.05인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S400단계는, 상기 S300단계에서 검출된 후보군을 기반으로 상기 크기레벨 및 상기 시간레벨 이상의 도플러 신호를 검출하는 단계(S410); 상기 S410단계에서 검출한 도플러 신호의 포락선(Envelope)과 상기 가우스 윈도우 분포레벨을 비교한 결과를 기반으로 유체 속도 측정에 적합한 도플러 신호인지 검증하는 단계(S420)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S420단계는, 상기 도플러 신호의 포락선과 상기 가우스 윈도우 분포레벨을 최소자승법을 통해 비교하여, 상기 가우스 윈도우 분포레벨보다 작은 도플러 신호를 검출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S400단계는, 상기 S410단계에서 크기레벨 및 시간레벨을 만족시키는 도플러 신호를 검출하지 못한 경우, 상기 후보군 중에서 새로운 도플러 신호를 선택하는 단계(S430)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S430단계는, 선택된 도플러 신호의 누적개수가 상기 최대개수레벨 이하가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, LDA로 측정한 도플러 신호 중 기준 레벨들을 만족하는 고품질의 도플러 신호만을 검출함으로써, 상기 고품질의 도플러 신호를 이용하여 유체의 속도를 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 검출된 도플러 신호를 가우스 윈도우 분포(
Figure 112010067477949-pat00002
)와 비교함으로써, 검출된 도플러 신호가 유체 속도 측정에 적합한지 여부를 확인할 수 있다. 이로 인해, 더욱 정확한 유체의 속도를 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 검출된 고품질의 도플러 신호를 기반으로 유체의 가속도를 정확하게 측정할 수 있는 효과도 있다.
도 1은 LDA로 측정한 도플러 신호의 검출 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도.
도 2는 도 1에 의해 검출된 도플러 신호를 도시한 결과.
도 3은 LDA의 구성을 도시한 블럭도.
이하 LDA로 측정한 도플러 신호의 검출 방법의 바람직한 일 실시예에 대하여 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명인 LDA(Laser Doppler Anemometry)로 측정한 도플러 신호의 검출 방법은, LDA(Laser Doppler Anemometry)로부터 측정한 도플러 신호들 중에서 유체 속도 측정용 도플러 신호를 검출하기 위한 기준 레벨을 설정하는 단계(S100); 상기 LDA로부터 측정한 도플러 신호를 무차원화하는 단계(S200); 상기 S200단계를 통해 무차원화된 도플러 신호 중에서 상기 기준 레벨을 만족시키는 후보군을 검출하는 단계(S300); 상기 S300단계에서 검출된 후보군을 바탕으로 상기 기준 레벨을 만족시키는 도플러 신호를 검출하고, 검출된 도플러 신호가 유체 속도 측정에 적합한 도플러 신호인지 여부를 검증하는 단계(S400)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 S100단계는 유체의 속도를 계산하기 위하여 사용하는 도플러 신호를 검출하기 위한 기준 레벨들을 설정한다. 즉, 디지타이저(310)에 의해 적어도 하나 이상의 도플러 신호가 측정되며, 측정된 도플러 신호들 중에는 고품질의 도플러 신호들도 존재하고 잡음이 포함된 저품질의 도플러 신호들도 존재하고 가우스 윈도우 분포 함수(
Figure 112010067477949-pat00003
)가 아닌 쌍봉낙타 형상의 포락선을 가진 신호들도 존재할 수 있으므로, 고품질의 도플러 신호를 검출하기 위한 여러 기준 레벨들을 설정하고 상기 기준 레벨들에 가장 적합한 한 개의 도플러 신호를 검출한다.
또한, 고품질의 도플러 신호를 검출하기 위한 기준 레벨들로서, 무차원화된 도플러 신호 중에서 소정의 크기 이상의 도플러 신호를 검출하기 위한 기본레벨, 후보군내의 도플러 신호 중에서 소정의 크기 이상의 도플러 신호를 검출하기 위한 크기레벨, 후보군내의 도플러 신호 중에서 소정의 지속시간 이상의 도플러 신호를 검출하기 위한 시간레벨, 이상적인 도플러 신호의 포락선 형태의 기준이 되는 가우스 윈도우 분포레벨 및 디지타이저(310)로 일정 시간동안 측정된 신호를 가지고 검출할 수 있는 도플러 신호의 최대개수레벨을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기본레벨들은 가우스 윈도우 분포 함수(
Figure 112010067477949-pat00004
)를 따르는 고품질의 도플러 신호를 검출하기 위한 것으로, LDA로부터 측정되는 도플러 신호에는 가우스 윈도우 분포에 따르는 포락선 형태를 가진 도플러 신호가 존재하며 작은 크기를 가지는 잡음 신호가 도플러 신호에 중첩되기도 한다. 정확한 유체 속도를 측정하기 위해서는 가우스 윈도우 분포를 따르는 고품질의 도플러 신호만을 검출하여야 하므로, LDA로부터 측정되는 잡음 신호는 제거되어야 한다.
따라서, 기본레벨은 이러한 잡음 신호를 제거하기 위한 것으로, 일반적으로 잡음 신호는 상대적으로 작은 크기를 가지므로, LDA로부터 측정된 도플러 신호의 최대값의 5%를 기본레벨의 크기로 설정하여 상기 기본레벨보다 작은 신호를 필터링 한다.
예를 들어, LDA로부터 측정된 도플러 신호의 최대값이 1인 경우 기본레벨의 크기는 0.05가 되며, 0.05보다 작은 신호는 필터링된다. 또한, 기본레벨의 크기는 최대값의 5%로 한정되지 않으며, 최대값의 10%를 기본레벨의 크기로 정의할 수도 있다.
상기 크기레벨과 시간레벨은 잡음에 의해 피크값이 발생하는 경우, 이를 필터링하기 위한 것이다. 상기S300단계에서 검출된 도플러 신호 중에서 미리 설정된 크기레벨 및 시간레벨 이상의 도플러 신호를 검출한다.
또한, 크기레벨은 검출된 도플러 신호의 최대값의 50%로 설정하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 검출된 도플러 신호의 최대값이 1인 경우 크기레벨은 0.5이므로, 0.5보다 작은 도플러 신호는 필터링된다.
또한, 시간레벨은 1~2μs 정도의 시간으로 설정하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 시간레벨 이상의 도플러 신호를 검출하는 경우, 먼저 크기레벨을 만족시키는 도플러 신호를 우선적으로 검출하고 상기 도플러 신호가 나타내는 지속시간과 시간레벨을 비교하여 상기 시간레벨을 만족하는 도플러 신호를 검출한다. 따라서, 크기레벨을 만족하는 도플러 신호라도 상기 도플러 신호가 나타나는 시간이 시간레벨을 만족하지 못하면 필터링된다.
또한, 크기레벨과 시간레벨의 크기는 상술한 설명에 한정되지 않으며, 사용자가 필요에 따라 크기레벨과 시간레벨의 크기를 설정할 수 있다.
상기 가우스 분포레벨은 고품질의 도플러 신호를 검출하기 위한 것으로, 고품질의 도플러 신호는 일반적으로 가우스 윈도우 분포(
Figure 112010067477949-pat00005
)를 따르므로 상기 가우스 윈도우 분포와 유사한 도플러 신호를 검출하기 위한 기준 레벨이다. 가우스 윈도우 이외에도 해닝 윈도우, 해밍 윈도우 등과 같은 신호처리에 통상적으로 사용되는 윈도우 형상들도 고품질의 도플러 신호를 검출하기 위한 기준 레벨로 활용될 수도 있다.
상기 최대개수레벨은 본 발명에 의해 검출할 수 있는 도플러 신호를 제한하기 위한 것으로, 일반적으로 디지타이저(310)를 통해 측정할 수 있는 도플러 신호의 개수는 한정되어 있으므로 이를 제한하기 위함이다.
일반적으로 디지타이저(310)에서는 하나의 도플러 신호가 측정되거나 2개의 도플러 신호가 겹쳐서 측정되기도 한다. 또한, 도플러 신호를 측정하는 동안 유체의 속도 변화가 크게 나타나거나 측정된 도플러 신호의 신호 대 잡음비(SNR)가 낮은 경우에는 여러 개의 이상의 도플러 신호들이 동시에 측정되기도 한다.
따라서, 디지타이저(310)를 통해 측정되는 도플러 신호의 개수를 기반으로 최대개수레벨을 설정하게 된다.
상기 S200단계는, LDA로 측정한 다수의 도플러 신호들 중에서 최대값을 검출하고, 상기 측정한 도플러 신호를 상기 최대값으로 나누어 일정한 진폭의 도플러 신호로 무차원화시킨다. 도플러 신호들을 무차원화시키는 이유는, 상기 S100단계에서 설정된 기준 레벨들이 신호 진폭에 대해 상대적인 비율로서 정의되기 때문이다. 이때, 다수의 도플러 신호들 중에서 가장 진폭이 큰 도플러 신호의 크기를 1로 정의하여 무차원화시키고, 무차원화된 도플러 신호가 -1이상 +1이하의 진폭을 갖도록 조절한다.
상기 S300단계는, 무차원화된 도플러 신호들 중에서 기본레벨 이상의 도플러 신호들을 검출한다. 상기 무차원화된 도플러 신호에는 다수의 도플러 신호들이 존재하며, 상기 무차원화된 도플러 신호들 중에서 사용자에 의해 미리 설정된 기본레벨 이상의 도플러 신호들만을 검출한다.
LDA의 디지타이저(310)에 의해 여러 개의 도플러 신호들이 측정되며, 여러개의 도플러 신호들 중에서 기본레벨 이상의 도플러 신호들을 검출하고, 상기 기본레벨을 만족하는 도플러 신호들을 후보군이라고 정의한다. 상기 후보군에는 적어도 하나 이상의 도플러 신호가 포함되며, 이후 단계에서는 후보군 내의 도플러 신호가 그 밖의 다른 기준 레벨들에 대해 적합한지 여부를 판단하여 상기 기준 레벨들을 만족시키는 최적의 도플러 신호를 검출한다.
또한, 무차원화된 도플러 신호 중에서 기본레벨을 만족하는 도플러 신호를 검출하는 경우, 상기 기본레벨의 크기는 0.05로 하는 것이 바람직하다. 즉, S200단계에서 디지타이저(310)에 의해 측정된 도플러 신호의 최대값이 1로 설정되므로, 기본레벨은 최대값의 5%인 0.05의 크기를 가진다. 또한, 기본레벨의 크기는 최대값의 5%에 한정되지 않으며, 최대값의 10%로 설정할 수도 있다.
상기 S400단계는, 상기 S300단계에서 검출된 후보군을 기반으로 상기 크기레벨 및 상기 시간레벨 이상의 도플러 신호를 검출하는 단계(S410); 상기 S410단계에서 검출한 도플러 신호의 포락선(Envelope)과 상기 가우스 윈도우 분포레벨을 비교한 결과를 기반으로 유체 속도 측정에 적합한 도플러 신호인지 여부를 검증하는 단계(S420)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 S410단계는, 상기 S300단계에서 검출된 후보군에 포함되는 도플러 신호들 중에서 첫번째 도플러 신호를 선택하고, 선택된 도플러 신호가 미리 설정된 크기레벨 이상인지 여부를 판단한다. 만일 선택한 도플러 신호가 미리 설정된 크기레벨 이상인 경우, 다음 단계로서 상기 도플러 신호가 미리 설정된 시간레벨 이상인지 여부를 판단한다.
이때, 크기레벨과 시간레벨을 모두 만족시키는 도플러 신호가 검출된 경우, 상기 도플러 신호를 기반으로 다음 단계를 진행한다. 예를 들어, 크기레벨이 0.5이고 시간레벨이 1μs인 경우, 먼저 후보군에서 0.5보다 큰 도플러 신호를 검출하고, 검출된 도플러 신호 중에서 1μs보다 긴 도플러 신호를 검출한다.
상기 크기레벨과 시간레벨은 잡음에 의한 피크값이 발생하는 경우 이를 필터링 하기 위한 것으로, 잡음을 필터링함으로써 고품질의 도플러 신호를 검출할 수 있다.
상기 S420단계는, 상기 S410단계에서 검출한 도플러 신호의 포락선과 상기 S100단계에서 설정된 가우스 윈도우 분포레벨을 비교한 결과를 기반으로 유체 속도 측정에 적합한 도플러 신호인지 검증한다.
상기 S420단계는, 상기 S410단계에서 검출된 도플러 신호가 유체 속도 측정에 적합한 도플러 신호인지 여부를 검증하는 단계로, 상기 검출된 도플러 신호를 가우스 윈도우 분포 함수와 비교하여 유속 측정에 적합한 도플러 신호인지 여부를 검증한다.
즉, 검출한 도플러 신호의 포락선과 상기 가우스 분포레벨을 최소자승법(Least square)을 통해 변환하고, 변환한 값을 비교하여 가우스 윈도우 분포레벨보다 작은 도플러 신호를 검출한다.
고품질의 도플러 신호는 가우스 윈도우 분포를 따르며, 기본레벨, 크기레벨 및 시간레벨을 만족시키는 도플러 신호의 경우에도 가우스 분포를 따르지 않는 도플러 신호가 있으므로 이를 필터링하기 위한 것이다. 예를 들어, 포락선이 쌍봉낙타의 형상을 가지는 경우에도 기본레벨, 크기레벨 및 시간레벨을 만족시킬 수 있으므로, 이를 필터링하기 위한 것이다.
또한, 상기 S400단계는, 상기 S410단계에서 크기레벨과 시간레벨을 모두 만족시키는 도플러 신호를 검출하지 못한 경우, 상기 후보군 중에서 새로운 도플러 신호를 선택하는 단계(S430)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 S430단계는, 상기 S410단계에서 선택한 도플러 신호가 크기레벨과 시간레벨을 만족시키지 않는 경우 상기 S300단계에서 검출된 후보군 중에서 새로운 도플러 신호를 선택한다. 이때, 순차적으로 도플러 신호를 선택하고, 선택된 도플러 신호를 기반으로 S410단계, S420단계를 순차적으로 진행한다. 만일, 새로 선택된 도플러 신호가 크기레벨 및 시간레벨을 만족시키지 못하는 경우, 후보군에서 다시 새로운 도플러 신호를 선택한다.
또한, 상기 S430단계는, 선택된 도플러 신호의 누적개수가 상기 최대개수레벨 이하가 되도록 하는 것을 특징으로 한다. LDA의 디지타이저(310)로부터 측정된 일정한 크기의 샘플에서 검출할 수 있는 도플러 신호의 개수는 한정되어 있으므로, 후보군에서 선택된 도플러 신호의 누적개수는 미리 설정된 최대개수레벨을 초과하지 않도록 하는 것이 바람직하다.
[도 2]는 본 발명인 LDA로 측정한 도플러 신호의 검출 방법에 의해 검출된 도플러 신호를 나타낸다. [도 2a]는 LDA로부터 측정한 도플러 신호를 기반으로 -1 이상 +1 이하의 크기로 무차원화된 도플러 신호를 나타낸 것이다.
[도 2b]는 [도 2a]에 나타낸 도플러 신호 중에서 잡음을 제외한 도플러 신호를 나타낸 것이고, [도 2a]의 신호를 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)하여 산출한 도플러 주파수를 기준으로, 일정한 주파수 대역 이내의 주파수 성분만을 통과시키고, 상기 대역 이외의 주파수 성분들은 잡음으로 처리하여 제거한 다음, 역 푸리에 변환(Inverse Fourier Transform)한 결과를 나타낸다. 디지타이저(310)로 측정한 도플러 신호들은 [도 2b]에 나타낸 것과 동일한 방법으로 잡음을 제거할 수 있는데, 이러한 방법은 신호 처리에 관한 전문가들이 통상적으로 활용하는 방법이다. 그러나, [도 2b]를 도시하는 과정에서 언급된 도플러 주파수는, 고품질의 도플러 신호와 저품질의 도플러 신호, 그리고 잡음이 혼재된 신호를 가지고 산출한 주파수로서, 정확한 유체 속도로 환산되지는 않는다. 그보다는, 후술된 설명과 같이, 기준레벨들을 모두 만족시키는 최적의 도플러 신호를 검출한 이후에야 비로소 더 정확한 유체 속도가 계산될 수 있다.
[도 2c]는 [도 2a]에 나타낸 도플러 신호 중에서 잡음만을 나타낸 것이다. 즉, [도 2b]에 나타낸 도플러 신호와 [도 2c]에 나타낸 잡음을 중첩시키며, [도 2a]에 나타낸 것과 동일한 신호를 복원할 수 있다.
[도 2d]에 나타낸 도플러 신호를 검출하기 위해, 1) 기본레벨을 사용하여 디지타이저(310)로부터 측정된 신호의 일부분을 도플러 신호들로서 인식시키고, 2) 두 개의 도플러 신호들로 이루어진 후보군 중에서, 크기레벨과 시간레벨을 모두 만족시키는 한 개의 도플러 신호를 검출하였다. 즉, [도 2b]로부터 [도 2d]에 나타낸 도플러 신호를 검출하기 위해서는, 1) 기본레벨과 크기레벨, 시간레벨을 사용하여 한 개의 도플러 신호를 선택했고, 2) 선택된 도플러 신호의 포락선과 가우스 윈도우 분포 함수의 차이에 대해 최소자승법을 계산한 변환값이 가우스 윈도우 분포레벨 이하인 것을 확인했고, 3) 선택된 도플러 신호가 최대개수레벨을 초과하지 않은 것을 확인했다. 이러한 도플러 신호 검출 과정을 통해, 단일 주파수 피크값을 가지는 고품질의 도플러 신호를 구할 수 있었고, [도 2d]에 나타낸 도플러 신호가 [도 2a]에 나타낸 도플러 신호보다 품질이 우수한 것을 직관적으로 확인할 수 있었다.
즉, 종래에는 [도 2a]에 나타난 도플러 신호를 기반으로 유체의 속도를 계산하였고, 상술한 바와 같이 [도 2a]의 도플러 신호에는 잡음과 신호특성이 떨어지는 저품질의 도플러 신호가 혼재하므로 정확한 유체 속도를 계산할 수 없는 문제점이 있었다.
이에 반해, 본 발명은 미리 설정된 기준 레벨들에 부합되는 도플러 신호를 검출하고, 상기 도플러 신호를 기반으로 단일한 주파수 피크값을 산출하므로 더욱 정확한 유체의 속도를 계산할 수 있는 장점이 있다. 즉, [도 2d]에 나타난 고품질의 도플러 신호를 이용하므로 측정의 정확도를 더욱 향상시킬 수 있다.
이상 본 발명의 일 실시예로 설명하였으나 본 발명의 기술적 사상이 상기 일 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 방법을 통해 LDA로 측정한 도플러 신호의 검출 방법을 구현할 수 있다.
100… 입자발생부
200… 레이저발생부
300… 신호처리부

Claims (10)

  1. LDA(Laser Doppler Anemometry)로부터 측정한 도플러 신호들 중에서 유체 속도 측정용 도플러 신호를 검출하기 위한 기준 레벨을 설정하는 단계(S100);
    상기 LDA로부터 측정한 도플러 신호를 무차원화하는 단계(S200);
    상기 S200단계를 통해 무차원화된 도플러 신호 중에서 상기 기준 레벨을 만족시키는 후보군을 검출하는 단계(S300);
    상기 S300단계에서 검출된 후보군을 바탕으로 상기 기준 레벨을 만족시키는 도플러 신호를 검출하고, 검출된 도플러 신호가 유체 속도 측정에 적합한 도플러 신호인지 여부를 검증하는 단계(S400)를 포함하고,
    상기 단계(S400)는
    상기 S300단계에서 검출된 후보군을 기반으로 크기 레벨 및 시간레벨 이상의 도플러 신호를 검출하는 단계(S410);
    상기 S410단계에서 검출한 도플러 신호의 포락선(Envelope)과 미리 설정된 기준이되는 가우스 윈도우 분포레벨을 비교한 결과를 기반으로 유체 속도 측정에 적합한 도플러 신호인지 검증하는 단계(S420)를 포함하는 것을 특징으로 하는 LDA로 측정한 도플러 신호의 검출 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 S100단계의 기준 레벨은,
    무차원화된 도플러 신호 중에서 소정의 크기 이상의 도플러 신호를 검출하기 위한 기본레벨, 후보군내의 도플러 신호 중에서 소정의 크기 이상의 도플러 신호를 검출하기 위한 크기레벨, 후보군내의 도플러 신호 중에서 소정의 지속시간 이상의 도플러 신호를 검출하기 위한 시간레벨, 기준이 되는 가우스 윈도우 분포레벨 및 검출할 수 있는 도플러 신호의 최대개수레벨을 포함하는 것을 특징으로 하는 LDA로 측정한 도플러 신호의 검출 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 S200단계는,
    LDA로 측정한 도플러 신호의 최대값을 검출하고, 상기 측정한 도플러 신호와 상기 최대값을 기반으로 일정한 진폭의 도플러 신호로 무차원화하는 것을 특징으로 하는 LDA로 측정한 도플러 신호의 검출 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 S200단계는,
    측정한 도플러 신호를 -1이상 +1이하의 진폭으로 무차원화하는 것을 특징으로 하는 LDA로 측정한 도플러 신호의 검출 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 S300단계는,
    상기 무차원화된 도플러 신호 중에서 상기 기본레벨 이상의 도플러 신호를 후보군으로 검출하는 것을 특징으로 하는 LDA로 측정한 도플러 신호의 검출 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 S300단계는,
    상기 기본레벨의 크기는 0.05인 것을 특징으로 하는 LDA로 측정한 도플러 신호의 검출 방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 S420단계는,
    상기 도플러 신호의 포락선과 상기 가우스 윈도우 분포레벨을 최소자승법을 통해 비교하여, 상기 가우스 윈도우 분포레벨보다 작은 도플러 신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 LDA로 측정한 도플러 신호의 검출 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 S400단계는,
    상기 S410단계에서 크기레벨 및 시간레벨을 만족시키는 도플러 신호를 검출하지 못한 경우, 상기 후보군 중에서 새로운 도플러 신호를 선택하는 단계(S430)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LDA로 측정한 도플러 신호의 검출 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 S430단계는,
    선택된 도플러 신호의 누적개수가 최대개수레벨 이하가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 LDA로 측정한 도플러 신호의 검출 방법.
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