KR101519328B1 - ３차원 전계 센서 및 이를 이용한 뇌운 위치 추정 시스템 - Google Patents

３차원 전계 센서 및 이를 이용한 뇌운 위치 추정 시스템 Download PDF

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Abstract

3차원 전계 센서를 이용하여 뇌운의 위치를 정확하게 추정하는 시스템이 개시된다. 본 발명은 지면에 대해 평행한 제1면과 상기 제1면에 수직한 제2면을 구비하고, 상기 제1면에는 복수의 제1 평판전극이 배열되고, 상기 제2 면에는 복수의 제2 평판전극이 배열된 전극 마운트; 및 상기 전극 마운트에 탑재되며, 외부 전기장에 대하여 상기 복수의 평판 전극들을 교번하여 노출 및 차폐하는 하는 셔터를 포함하는 뇌운 위치 추정용 3차원 전계 센서를 제공한다. 본 발명에 따르면, 간단한 구조로 뇌운에 의해 발생하는 수직 및 수평 성분 전계를 측정할 수 있는 3차원 전계 센서를 제공할 수 있게 된다.이와 같이 다수의 측정지점에서 측정된 수직 및 수평 전계를 최적화 기법에 적용하여 뇌운의 위치와 크기를 추정할 수 있게 된다.

Description

３차원 전계 센서 및 이를 이용한 뇌운 위치 추정 시스템 {Three Dimensional Electric Field Sensor And Lightning Position Estimation System Using The Same}
본 발명은 뇌운 위치 추정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3차원 전계 센서를 이용하여 뇌운의 위치를 정확하게 추정하는 시스템에 관한 것이다.
낙뢰는 일종의 정전 방전 현상으로서, 반도체나 정밀 기기 등의 전자 장비를 취급하는 공장에서는 장비의 손상을 일으킬 수 있으며, 인체에도 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 낙뢰가 발생하기 전에 뇌운이 갖는 전하량이나 위치를 정확하게 측정하고 이를 예보하는 시스템이 필요하게 된다.
낙뢰를 예보하는 방법에는 코로나 전류의 값이나 그 변화폭으로부터 뇌운의 근접 여부를 추정하는 방법, 루프 안테나나 전계 센서를 이용하여 낙뢰를 예측하는 방법 등이 있다.
전계 센서를 이용하는 방법은 회전전극형 및 진동용량성 형태의 센서를 이용하여 전기장의 강도를 측정하여 뇌운의 접근 여부를 간편하게 측정할 수 있다는 장점을 갖는다.
도 1은 종래의 전계 센서를 이용한 뇌운 측정 원리를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 종래의 전계 센서(10)는 상면에 형성된 전극(14)이 뇌운과 대향하도록 배치된다. 상기 전계 센서(10)는 지면으로부터 소정 높이로 돌출되어 있어 뇌운에 의해 발생하는 전기장이 상기 전계 센서(10)에 집중하도록 하며, 발생된 전기장을 측정하도록 되어 있다.
도 2는 종래의 전계 센서의 구조를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 전계 센서는 전극 마운트(12)의 상면에 돌출된 복수의 평판 전극(14)이 배치된다. 또한 상기 전극 마운트(12)에는 셔터(16) 구조가 구비된다. 상기 셔터(16)는 상기 전극 마운트(12) 상에서 회전하는데, 셔터가 상기 전극을 노출 또는 차폐함에 따라 뇌운에 의한 정전기장이 전극에서 시변 전류로 출력하도록 한다. 이에 따라, 종래의 전계 센서는 뇌운에 의해 발생하는 전기장의 강도를 측정하여, 이를 낙뢰 예보에 활용할 수 있게 한다.
그러나, 전계 강도는 뇌운의 전하량과 거리의 함수이기 때문에, 전계 센서는 높은 전하량의 원거리 뇌운과 보다 낮은 전하량의 근접한 뇌운을 구별할 수 없다는 문제점을 갖는다. 따라서, 뇌운의 전하량을 고려하여 위치를 정확하게 추정하기 위해서는 전계 센서에 추가의 검출 수단 예컨대 루프 안테나의 추가 또는 다수의 전계센서에 새로운 뇌운 추정기법을 적용해야 한다.
결과적으로 종래의 전계 센서를 이용하여 낙뢰를 예보하기 위해서는 검출된 전계 강도에 대한 숙련된 경험자의 판단이 필요한 실정이었고, 뇌운의 전하량과 거리를 모니터링하면서 적절한 시점에 낙뢰 예보를 하는 것은 매우 어려운 실정이다.
상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 전계 센서를 이용하여 뇌운의 위치를 정확하게 추정할 수 있는 전계 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
뇌운의 전계만을 측정하여 뇌운의 위치 및 전하량을 신뢰성 있게 추정하기 위해 전계 센서를 다수지점에 많이 설치할수록 좋지만, 이러한 설치상의 어려운 점을 해결하기 위해 하나의 측정지점에서 수평전계, 수직전계, 측정지점에서의 뇌운 위치 방향을 동시에 측정함으로써 전계센서 측정지점의 수를 줄여도 신뢰성이 있는 뇌운의 위치 및 크기를 추정할 수 있는 뇌운 위치 추정 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 뇌운의 정확한 위치와 크기를 추정할 수 있는 뇌운 위치 추정 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 지면에 대해 평행한 제1면과 상기 제1면에 수직한 제2면을 구비하고, 상기 제1면에는 복수의 제1 평판전극이 배열되고, 상기 제2 면에는 복수의 제2 평판전극이 배열된 전극 마운트; 및 상기 전극 마운트에 탑재되며, 외부 전기장에 대하여 상기 복수의 평판 전극들을 교번하여 노출 및 차폐하는 하는 셔터를 포함하는 뇌운 위치 추정용 3차원 전계 센서를 제공한다.
본 발명에서, 상기 마운트는 상면 및 원통형 외주면을 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 복수의 제1 평판 전극은 상기 상면에 배열되고, 상기 복수의 제2 평판 전극은 상기 외주면을 따라 배열되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 셔터는, 상기 마운트 상면에 장착된 회전 로터; 및 상기 로터에 장착된 복수의 날개를 포함하도록 구현될 수 있다. 이 때, 상기 셔터는, 상기 복수의 회전 날개의 최소한 일부는 상기 마운트 외주면으로 연장된다.
본 발명에서 상기 전계 센서는, 상기 복수의 평판전극에서 취득된 신호로부터 전계 강도를 측정하는 전계 강도 측정 모듈을 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 각각이 뇌운에 의해 발생하는 수평 방향 전계 및 수직 방향 전계를 동시에 검출하기 위하여 지면에 평행한 1군의 전극과 지면에 수직인 1군의 전극을 탑재하고, 소정 거리 이격 배치되는 복수의 전계 센서; 및 상기 복수의 전계 센서들에 의해 측정되어 전송되는 전계 데이터로부터 상기 뇌운의 위치를 추정하는 뇌운 위치 추정 알고리즘을 포함하는 뇌운 위치 추정 시스템을 제공한다.
본 발명에서 상기 뇌운 위치 추정 알고리즘은, 상기 전계 센서들로부터 전송되는 전계 데이터의 수평 방향 전계 성분 및 수직 방향 전계 성분으로부터 뇌운의 위치를 추정한다.
또한, 상기 뇌운 위치 추정 시스템은, 상기 복수의 전계 센서로부터 얻어진 전계 데이터를 처리하여 뇌운의 위치 및 뇌운의 전하량을 추정하는 프로세서를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 프로세서는 뇌운 위치 및 전하량의 추정을 위하여 추정 오차를 최소화하는 분석적 기법을 사용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 간단한 구조로 뇌운에 의해 발생하는 수직 및 수평 성분 전계를 측정할 수 있는 3차원 전계 센서를 제공할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 전계 센서만으로도 뇌운의 위치를 정확하게 추정할 수 있게 한다.
나아가, 본 발명은 뇌운의 위치를 추적함으로써 낙뢰의 발생 시점을 예보할 수 있는 낙뢰 예보 시스템을 제공할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 전계 센서를 이용한 뇌운 측정 원리를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 전계 센서의 구조를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 뇌운 위치 추정 시스템에 적용되는 3차원 전계 센서를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 뇌운 위치 추정 시스템에 적용 가능한 3차원 전계 센서를 예시적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 뇌운 위치 추정 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 전계 센서에 의한 전계 강도의 측정 원리를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따라 시뮬레이션 된 뇌운의 실제 위치와 추정된 뇌운의 위치의 부합 여부에 대한 일례를 나타낸 도면이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.
도 3은 본 발명의 뇌운 위치 추정 시스템에 적용되는 3차원 전계 센서를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 3차원 전계 센서(100)는 상기 전극을 지지하기 위한 마운트(120), 상기 마운트에 장착된 복수의 전극(140A, 140B) 및 상기 전극을 노출 및 차폐하는 셔터(160)를 포함하여 구성된다.
본 발명에서 상기 전극 마운트(120)는 전계 측정용 전극이 탑재되기 위한 적절한 표면을 구비하고 있다. 예시적으로 본 발명에서 상기 전극은 평판 전극(140A, 140B)으로 구현될 수 있다. 평판 전극(140A, 140B)은 임의의 도전성 금속 재질로 구현될 수 있다.
본 발명에서 상기 평판 전극(140A, 140B)은 뇌운에 의해 발생하는 전계의 수직 성분 및 수평 성분을 측정하기에 용이하도록 배치된다. 이를 위하여, 상기 마운트(120)는 전계 수직 성분 및 수평 성분의 측정에 대응하여 서로 직교하는 두 장착면을 구비하는 것이 바람직하다.
예시적으로, 도 3은 상면과 상기 상면에 수직한 측면을 구비한 원통 형상의 마운트(120) 구조를 보여주고 있다.
도시된 바와 같이, 상기 상면에는 수직 방향 전계 성분의 측정을 위한 수직 평판 전극(140A)이 상기 상면과 평행하게 장착된다.
또한, 측면에는 수평 방향 전계 성분의 측정을 위한 수평 평판 전극(140B)이 장착된다. 본 발명에서 상기 마운트(120)의 측면은 원통형으로 구성되는 것이 바람직하다. 원통형 마운트는 외주를 따라 수평 평판 전극(140B)을 배치함으로써, 뇌운의 방향과 무관하게 그 위치를 추정할 수 있게 된다는 장점을 갖는다.
본 발명에서 상기 전계 센서(100)는 셔터(160)를 포함한다. 상기 셔터(160)는 상기 평판 전극(140A, 140B)들 각각을 외부 전기장에 대하여 하여 노출 및 차폐하기에 적합한 구조를 가진다.
도 4는 본 발명의 뇌운 위치 추정 시스템에 적용되는 3차원 전계 센서를 예시적으로 도시한 사시도이다.
도 4를 참조하면, 원통형 마운트(120)의 상면 및 측면에 각각 평판 전극(140A, 140B)이 배치되어 있다. 상기 수직 평판 전극(140A) 및 수평 평판 전극(140B)은 각각 전극면이 상면 및 측면에 실질적으로 평행하게 장착된다. 도시하지는 않았지만, 상기 각 평판 전극에는 신호선이 연결되어 장치 내부 또는 외부의 전계 측정 모듈로 연결된다.
도면에는 상면에 6개의 평판 전극(140A)과 측면에 16개의 평판 전극(140B)이 배열된 것을 도시하였지만 상기 상면 및 측면에 형성된 평판 전극의 수는 적절히 선택될 수 있다.
상기 측면의 수평 평판 전극(140B)은 원통 외주면을 따라 일정한 간격으로 배치된다. 또한, 상기 상면의 수직 평판 전극(140A) 또한 상면 외주를 따라 일정한 간격으로 배치되어 있다.
상기 원통형 마운트(120) 상단에는 로터와 로터에 장착된 복수의 회전 날개로 구성된 셔터(160)가 구비된다. 본 발명에서 상기 셔터(160)는 전기장의 강도를 측정하는 데에 적용되는 통상의 셔터 구조가 채용될 수 있음은 물론이다.
도시된 바와 같이, 상기 셔터(160)는 로터에 의해 회전하는 복수의 회전 날개로 구성될 수 있지만, 이와 달리 복수의 슬롯이 배열된 형태로 구현될 수도 있다. 예컨대, 상기 셔터(160)는 상기 마운트(120)의 상면의 전극에 대응하여 복수의 슬롯을 구비하여 상기 전극을 번갈아 노출 및 차폐하는 구조를 가질 수도 있다. 또한, 상기 마운트(120)의 측면의 전극에 대응하는 복수의 슬롯을 구비하여 상기 전극을 교번하여 노출 및 차폐하는 구조를 가질 수 있다.
복수의 회전 날개는 상기 로터에 결합되어, 상기 마운트(120) 상면에 장착된다. 상기 마운트(120)의 측면에 장착된 수평 평판 전극(140B)을 커버하기 위해 상기 회전 날개 중 최소한 일부는 마운트 측면으로 연장되어 있다.
별도로 도시하지는 않았지만, 상기 마운트 내부 또는 외부에 상기 로터를 구동하기 위한 모터가 구비된다. 상기 로터는 바람직하게는 수백 rpm의 속도로 회전할 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 뇌운 위치 추정 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 3차원 전계 센서(100)의 각 전극(140A, 140B)은 전계 측정 모듈(200)에 연결되어 있다. 도면에는 상기 전계 측정 모듈(200)이 3차원 전계 센서(100) 외부에 설치되어 있는 것으로 도시되어 있지만, 상기 전계 측정 모듈(200)은 3차원 전계 센서(100)와 일체로 구성될 수도 있다.
상기 전계 측정 모듈(200)은 상기 센서(100)로부터 취득된 신호로부터 전계 강도를 측정한다. 이를 위해 상기 모듈(200)은 증폭기, 필터, CPU 등의 회로 구성을 구비할 수 있다.
부가적으로, 상기 전계 측정 모듈(200)은 상기 센서(100)의 셔터(160)의 동작을 제어할 수 있다. 이를 위해 상기 센서(100)에는 셔터(160)의 회전수를 감지하기 위한 별도의 센서가 구비될 수 있고, 상기 전계 측정 모듈(200)은 모터(M)를 구동하여 상기 셔터(160)의 동작을 제어할 수 있다.
상기 전계 측정 모듈(200)은 측정된 수평 전계 및 수직 전계 신호를 뇌운 위치 추정 서버(300)로 전송한다. 이를 위해 상기 모듈(200)은 유선 또는 무선 통신 수단을 구비할 수 있다.
상기 뇌운 위치 추정 서버(300)는 전송된 전계 강도 데이터로부터 뇌운의 위치를 추정한다. 상기 서버(300)는 뇌운 위치 추정을 위해 인접한 지역에 설치된 최소한 3개의 전계 센서의 전계 강도 데이터를 이용한다.
이하에서는 도 6을 참조하여 뇌운의 위치를 추정하는 방법을 설명한다.
도 6은 점전하(Q)로 가정된 뇌운에 의해 발생한 전계가 3차원 전계 센서(100)에 미치는 전계 강도를 모식적으로 나타내고 있다.
뇌운의 점전하(Q)와 지면에 유도되는 점전하(-Q)에 의해 전계 센서(100)에는 총 전계(Etot)가 미치게 되며, 전계의 크기는 쿨롱의 법칙에 따라 계산할 수 있다.
즉, 뇌운의 위치 (x, y, z)에서 센서의 위치(x1, y1, z1)에 미치는 전계(Etot) 중 수직 방향 성분 Ev1, 수평 방향 성분을 Eh1은 다음과 같이 표현될 수 있다.
(수학식 1)
Figure 112013105493910-pat00001
Figure 112013105493910-pat00002
(여기서, H1=z-z1이고, H1'=z+z1)
마찬가지로, 다른 센서 위치 (x2, y2, z2) 및 (x3, y3, z3)에 미치는 전계 성분 Ev2, Eh2, Ev3, Eh3도 동일한 방식으로 계산될 수 있다.
측정된 전계 성분값(Ev1, Ev2, Ev3, Eh1, Eh2, Eh3)와 전계 센서의 위치 정보(x1, x2, x3, y1, y2, y3, z1, z2, z3)값을 대입하고, 위 방정식들로부터 뇌운의 위치 및 전하량에 대한 해가 구해진다.
본 발명에서 뇌운 위치 및 전하량에 대한 해를 구하는 방법에는 다양한 분석적 기법이 적용될 수 있다. 예컨대, 최소자승법, 유전 알고리즘(Genetic Algorithm), 최적화 기법(Optimization Algorithm) 등의 위치 추정 오차를 최소화하는 알고리즘이 사용될 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 상기 서버(300)는 이상의 방법을 통해 최소한 3개의 전계 측정 모듈(200)들로부터 전송된 전계 강도 데이터로부터 상기 뇌운의 위치를 추정한다. 이를 위해 상기 서버(300)는 뇌운 위치 연산부를 포함할 수 있다. 상기 연산부는 중앙 처리 프로세서(CPU)와 위치 추정을 위한 알고리즘이 구현된 소프트웨어를 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 뇌운 위치 추정 서버(300)는 뇌운의 추정된 위치 및 전하량을 추정할 수 있고, 이로부터 뇌운의 근접 정도, 낙뢰 가능성 등을 예측할 수 있다. 따라서, 상기 서버(300)는 적절한 시점에 상기 전계 센서(100)가 위치한 지점에 경보를 발생할 수 있게 된다.
상술한 본 발명에 따른 뇌운 추정 알고리즘의 적정성을 검증하기 위하여 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션은 다음과 같이 진행하였다.
먼저, 뇌운의 3차원 좌표상의 위치 및 전하량을 포함하는 임의의 뇌운 모델을 가정하였다.
이어서, 3차원 좌표를 알고 있는 측정 지점에 전계 센서가 존재하는 것으로 가정하고, 측정 지점의 전계 센서에 발생하는 전계를 수학식 1에 따라 계산하였다.
한편, 측정 지점의 3차원 좌표 및 계산된 전계값을 입력하고 거꾸로 수학식 1의 수식에 따라 최적의 뇌운 모델(3차원 좌표 및 전하량)을 추정하였다. 추정에는 최적화 기법으로, 유전 알고리즘(Genetic Algorithm), 최적화 기법(Optimization Algorithm)을 사용하였다. 추정된 뇌운 모델을 사전에 가정된 뇌운 모델(참값)의 값과 비교함으로써, 본 발명에 따른 3차원 전계 센서로부터 측정 및 추정된 뇌운 모델의 오차의 정도를 알 수 있다.
도 7은 본 발명에 따라 시뮬레이션 된 뇌운의 실제 위치(가정 모델)와 추정된 뇌운의 위치의 부합 여부에 대한 일례를 나타낸 도면이다.
이 예에서 뇌운 모델의 전하량은 5 쿨롱(C) 에서 30 쿨롱(C)까지 변화시키고 뇌운 위치는 각각의 측정지점에서 수평으로 10km, 높이가 3km이내로 변화시켰다. 또한 전계센서가 위치한 측정지점은 낙뢰 감시주변을 중심으로 측정지점간 5km ~ 10km 이격시킨 조건으로 하였다. 도 7로부터 본 발명의 전계 센서를 통해 뇌운의 위치가 상당한 정도로 정확하게 추정될 수 있음을 알 수 있다.
10 전계 센서 12 전극 마운트
14 평판 전극 16 셔터
100 3차원 전계 센서 120 마운트
140A 수직 평판 전극 140B 수평 평판 전극
160 셔터 200 전계 측정 모듈
300 뇌운 위치 추정 서버

Claims (10)

  1. 지면에 대해 평행한 제1면과 상기 제1면에 수직한 외주면을 구비하고, 상기 제1면에는 복수의 제1 평판전극이 배열되고, 상기 외주면을 따라 복수의 제2 평판전극이 배열된 전극 마운트; 및
    상기 전극 마운트에 탑재되며, 외부 전기장에 대하여 상기 복수의 제1 및 제2 평판 전극을 교번하여 노출 및 차폐하기 위한 셔터를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌운 위치 추정용 3차원 전계 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마운트는 원통형 외주면을 구비하는 것을 특징으로 하는 뇌운 위치 추정용 3차원 전계 센서.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    상기 셔터는,
    상기 마운트 상면에 장착된 회전 로터; 및
    상기 로터에 장착된 복수의 날개를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌운 위치 추정용 3차원 전계 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 셔터는,
    상기 복수의 날개의 최소한 일부가 상기 마운트의 외주면으로 연장되는 것을 특징으로 하는 뇌운 위치 추정용 3차원 전계 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전계 센서는,
    상기 복수의 제1 및 제2 평판전극에서 취득된 신호로부터 전계 강도를 측정하는 전계 강도 측정 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌운 위치 추정용 3차원 전계 센서.
  7. 각각이 뇌운에 의해 발생하는 수평 방향 전계 및 수직 방향 전계를 동시에 검출하기 위하여 지면에 평행한 1군의 전극과 지면에 수직인 1군의 전극을 탑재하고, 소정 거리 이격 배치되는 복수의 전계 센서; 및
    상기 복수의 전계 센서에 의해 측정되어 전송되는 전계 데이터로부터 상기 뇌운의 위치를 추정하는 뇌운 위치 추정 서버를 포함하고,
    상기 뇌운 위치 추정 서버는, 상기 복수의 전계 센서로부터 전송되는 전계 데이터의 수평 방향 전계 성분 및 수직 방향 전계 성분으로부터 뇌운의 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 뇌운 위치 추정 시스템.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 뇌운 위치 추정 서버는,
    상기 복수의 전계 센서로부터 얻어진 전계 데이터를 처리하여 뇌운의 위치 및 뇌운의 전하량을 추정하는 알고리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌운 위치 추정 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 뇌운 위치 추정 서버가 뇌운 위치 및 전하량의 추정을 위하여 추정 오차를 최소화하는 분석적 기법을 사용하는 것을 특징으로 하는 뇌운 위치 추정 시스템.
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대지전계측정을 위한 필드밀의 설계 및 제작(조명전기설비학회논문지. 조명전기설비학회. 2007.01.31., 제21권, 제1호(52-58면))*

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