KR101641129B1 - x 밴드 레이더를 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정 시스템 및 그 시스템을 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정방법 - Google Patents

x 밴드 레이더를 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정 시스템 및 그 시스템을 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정방법 Download PDF

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KR101641129B1 KR1020150015285A KR20150015285A KR101641129B1 KR 101641129 B1 KR101641129 B1 KR 101641129B1 KR 1020150015285 A KR1020150015285 A KR 1020150015285A KR 20150015285 A KR20150015285 A KR 20150015285A KR 101641129 B1 KR101641129 B1 KR 101641129B1
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안경모
천후섭
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한동대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 x 밴드 레이더를 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정 시스템 및 그 시스템을 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 레이더(10), 고속신호처리장치(20), 내부에 알고리즘(31)을 포함하는 산정부(30a)가 설치된 PC(30)로 구성되어, 획득한 영상정보를 디지털 데이터로 저장하는 단계(S100); 실시간으로 컴퓨터 화면에 획득한 영상정보를 읽은 후, 관심지역을 선택 하는 단계(S200); 선택된 지역에 포함된 x,y좌표와 분석시간에 해당하는 레이더 수신전파 세기값을 입력하여 FFT를 수행하는 단계(S300); 상기 FFT를 수행한 후 주파수 영역으로 변환된 데이터에서 파랑에 해당하는 주파수 대역만을 선택하고 기타 주파수 대역은 0으로 처리하여 파수벡터(kx,ky), 각주파수(
Figure 112016026689013-pat00049
)만을 획득하는 필터링 하는 단계(S400); 상기 알고리즘(31)의 수학식1,2,3,4,5(33, 34, 35, 36, 37)를 연립하여 해류속도(
Figure 112016026689013-pat00087
,
Figure 112016026689013-pat00088
)와 연안 수심(h)을 구하는 단계(S500)를 통해 특정지역의 해류속도 및 연안 수심 측정하여 분석하여 다양한 분야에 정보를 제공토록 할 수 있는 x 밴드 레이더를 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정 시스템 및 그 측정방법에 관한 것이다.

Description

x 밴드 레이더를 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정 시스템 및 그 시스템을 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정방법{Method and Apparatus for measuring coastal current velocity and water depth using X-band radar}
본 발명은 x 밴드 레이더를 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정 시스템 및 그 시스템을 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이더를 통해 획득한 영상 신호 및 방위 신호를 입력 신호로 하여 파랑에 의한 레이더 후방산란 데이터를 분석함으로 관심지역의 평균 해류속도와 연안 수심을 측정할 수 있어 다양한 정보로 활용이 가능한 x 밴드 레이더를 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정 시스템 및 그 시스템을 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정방법에 관한 것이다.
통상적으로 해류속도 측정은 표류부이의 위치를 GPS로 실시간 추적하여 측정하는 방법과 음향 도플러 유속계(Acoustic Doppler Current Profiler)를 사용하여 측정하는 방법이 있다.
도 1에 나타내는 바와 같이 표류부이를 통한 측정의 경우 부이를 선박을 이용하여 해상에 투척한 뒤 해류에 따라 표류하는 부이의 이동경로를 측정하여 해류속도를 측정함으로 특정 시간의 특정 지점의 해류속도를 측정하는 것에는 어려움이 있으며 연속적으로 한 지점의 유속을 측정을 하기 어렵다.
한편, 도 2에 나타내는 바와 같이 음향 도플러 유속계의 경우 해저에 매설하여 배터리 용량이 소진 되거나 측정자료 저장공간이 소진 될 때까지 연속적으로 유속을 측정하는데, 음향 도플러 유속계는 해저에 매설되므로 실시간으로 측정자료를 이용 할 수 없고, 손상여부를 확인하기가 어려운 단점이 있으며, 고정된 측정지점의 해류속도를 측정하므로 이안류와 같이 발생지점이 국지적인 이상해류를 측정하기에 적합하지 않다.
이에 최근 들어, 상용 x밴드 레이더를 활용한 해상자료 측정 기술이 개발 및 상용화되어 파고, 파향, 주기, 평균유속 등 해상자료를 관측하는데 이를 이용하고 있다.
상기와 같은 레이더를 활용한 해상자료 관측은 기존 방법에 비해 초기비용은 높은 편이지만, 부이나 해저 매설 방식(ADCP)과 같은 기존 측정방식에 비해 유지비용이 저렴하고, 실시간으로 자료를 확인 할 수 있는 이점이 있으며, 기존 측정방식이 한 지점에서 측정하는 것과 달리 x밴드 레이더는 전파가 닿는 범위의 모든 지점을 측정 할 수 있는 이점이 있다.
일반적으로 레이더를 활용한 해상자료 관측 기술은 주로 파랑에 관한 자료를 수집하는데 그 목적으로 하고 있으며 파고, 주기, 파향에 관한 관측기술은 일반적인 측정방법 및 그에 대한 보정방법이 개발 되었으나 유속 및 수심에 관한 측정에 대한 기술개발은 미흡한 실정이다.
또한, 최근 연구에 의하면 연안에서 이안류가 발생할 경우 레이더에 수신되는 신호의 강도가 이안류가 발생하지 않은 경우에 비하여 강하게 나타나는 것을 이용하여 레이더를 활용한 이안류 발생 관측이 가능하다는 것이 알려졌다. 하지만 상기 연구 결과는 이안류의 유속을 정량적으로 측정하지는 못하는 문제점이 있다.
우선 종래의 기술들을 살펴보면,
본 발명의 출원인이 출원한 것으로 등록번호 10-0769873호 X 밴드 레이다와, 상기 X 밴드 레이다와 PC사이에 레이다 신호처리장치가 구비되어, 상기 X 밴드 레이다로부터 영상신호 및 방위신호를 입력받아 디지털 신호로 변환하여 출력하는 레이다 신호 처리장치; 및 상기 레이다 신호 처리장치로부터 입력되는 영상신호 및 방위 신호를 이용하여 수면 상태를 나타내는 이미지를 실시간으로 추출하여 화면상에 출력하는 수면 상태 이미지 제공장치;를 포함하여 이루어진 레이다 신호처리장치를 갖는 X 밴드 레이다를 이용한 파랑 관측 시스템에 있어서, 상기 레이다 신호 처리장치는, 레이다의 영상 신호와 방위 신호를 입력받아 처리하는 전처리부와, 상기 전처리부로부터 출력되는 아날로그 영상신호를 디지털 영상신호로 변환시키는 데이터 변환부와, 상기 데이터 변환부로부터 출력되는 디지털 영상신호를 임시로 저장하는 제1 버퍼와, 상기 X 밴드 레이다로부터 입력되는 영상신호와 방위 신호를 이용하여 상기 PC에서 수면 상태를 이미지를 생성시킬 수 있도록 레이다 신호 처리장치를 이루는 구성요소들을 제어하는 메인 컨트롤러부와, 상기 메인 컨트롤러부의 제어에 따라 상기 데이터 변환부로부터 입력되는 디지털 영상신호를 저장하고, 저장되어 있던 디지털 영상신호를 상기 PC로 전송하는 저장부와, 상기 저장부로부터 출력되는 디지털 영상신호를 임시로 저장하는 제2버퍼와, 상기 저장부에 저장되어 있는 디지털 영상신호가 상기 PC로 전송될 수 있도록 인터페이스하는 PCI 제어부와, 상기 메인 컨트롤러의 제어에 의해 레이다 안테나를 회전시키는 모터를 제어하는 안테나 모터 제어부, 로 이루어진 레이다 신호처리장치를 갖는 X 밴드 레이다를 이용한 파랑 관측 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 출원인이 출원한 것으로 등록번호 10-0950301호 레이더형 파고계를 이용하는 레이더형 파랑측정 시스템의 유의파고 보정방법에 있어서, a) 신호처리장치가 레이더형 파고계를 이용하여 측정된 해면으로부터의 레이더 반사 신호를 수집하여 3차원 이미지데이터로 변환하고 퍼스널 컴퓨터로 전달하는 단계; b) 상기 퍼스널 컴퓨터가 상기 3차원 이미지데이터에 3차원 고속 퓨리에 변환(FFT) 처리를 하여 3차원 이미지스펙트럼을 산출하는 단계; c, d) 상기 산출된 3차원 이미지 스펙트럼을 분산관계식을 이용하여 필터링함으로써 노이즈를 제거하여 상기 레이더 반사 신호에 내포된 파랑에 관한 3차원 파랑 스펙트럼을 산출하는 단계; e) 상기 3차원 파랑 스펙트럼으로부터 첨두주기(Peak Period: 'Tp'), 평균주기(Mean Period: 'Tm'), 및 유의파고(Significant Wave Height: 'Hs')를 산출하는 단계; f) 상기 평균주기(Tm)와 상기 첨두주기(Tp) 사이의 상관관계(co-relation)를 회귀분석(Regression analysis)하여 수식화하는 단계; g) 상기 유의파고(Hs)와 상기 평균주기(Tm)와의 상관관계를 회귀분석하여 수식화하는 단계; h) 상기 평균주기(Tm)와 상기 첨두주기(Tp) 사이의 관계식과, 상기 유의파고(Hs)와 상기 평균주기(Tm) 사이의
관계식을 연립하여, 상기 유의파고(Hs)와 상기 첨두주기(Tp) 사이의 관계식을 산출하는 단계; 및 i) 상기 유의파고(Hs)와 상기 평균주기(Tm) 사이의 관계식에 측정된 평균주기를 대입하거나, 또는 상기 유의파고(Hs)와 상기 첨두주기(Tp) 사이의 관계식에 측정된 첨두주기를 대입하여, 실제와 근사하게 보정된 유의파고를 산출하는 단계를 포함하되, 상기 i) 단계의 실제와 근사하게 보정된 유의파고에 의해 브래그공명 현상이 발생하지 않는 경우에도 파고를 측정할 수 있는 레이더형 파랑측정 시스템에서의 유의파고 보정방법에 관한 것이다.
상기한 기술은 레이더를 통해 획득한 영상정보를 디지털신호로 변환하여 고속신호처리장치를 통해 PC로 전송시켜 데이터화하여 저장한 후, 필요에 따라서 그 데이터를 이용하여 필요한 정보를 측정하여 사용하도록 하는 기술이다.
등록번호 10-0769873호는 레이다로부터 영상 신호 및 방위 신호를 입력 신호로 하여 파랑관측에 이용되는 데이터인 x,y 공간좌표 및 시간 t에 대한 레이다 후방산란(back scatter)의 연속적인 아날로그적 강도를 실시간의 고속 신호 처리를 위한 기술이고,
또한, 등록번호 10-0950301호는 레이더형 파고계에 의하여 얻어진 파랑자료들의 상관관계를 회귀분석하여 관계식을 도출하고, 그 관계식을 이용하여 실제와 근사하도록 보정된 유의파고를 얻는 방법에 관한 것이다.
한편, 상기한 종래기술에서는 레이더에서 획득한 영상을 PC로 전송함에 있어서 실시간으로 신속하게 전송될 수 있도록 하는 장치 또는 전송된 데이터를 이용하여 유의파고를 얻을 수 있는 방법을 설명하고 있다.
따라서 획득한 영상정보를 통해 특정지역 또는 원하는 지역의 해류속도 및 연안 수심을 측정 할 수 있는 기술이 필요하다.
따라서 본 발명의 목적은 x 밴드 레이더를 통해 획득한 영상신호 및 방위신호를 이용하여 해수면 상의 특정지역 또는 관심지역의 해류속도를 정량적으로 측정하고, 그 위치의 수심을 측정하는 방법을 제공함과 더불어, 상기 목적을 수행하는데 있어 기반이 되도록 하는 연안에 설치되어 해상에서 반사되는 전파를 아날로그 신호로 획득하는 레이더의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜 PC로 전송하는 고속신호처리장치와 상기 고속신호처리장치로부터 전송받은 디지털신호를 데이터화 하여 저장하는 PC로 구성되되, 상기 PC의 내부에 설치된 알고리즘을 통해 상기 데이터를 이용하여 그 지역의 해류속도 및 수심을 측정할 수 있도록 하여 측정된 정보를 다양하게 활용 가능한 x 밴드 레이더를 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정 시스템 및 그 시스템을 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정방법을 제공함에 주안점을 두고 그 기술적 과제로 창안한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서, 연안 근처에 회전 가능토록 설치되어 해상에서 반사되는 전파를 아날로그 신호로 실시간으로 획득하는 레이더(10); 상기 레이더(10)와 연결되어 레이더(10)에서 획득한 아날로그 신호를 PC(30)에서 인식할 수 있게 디지털신호로 변환시키는 고속신호처리장치(20); 상기 고속신호처리장치(20)로부터 변환된 디지털신호를 전송받아 데이터로 저장하여 필요로 하는 정보를 관측 및 측정할 수 있는 x 밴드 레이더를 이용한 측정시스템에 있어서, 상기 고속신호처리장치(20)와 PC(30)의 인터페이스는 USB모듈(27)를 이용하여 데이터를 전송하도록 구성되고, 상기 PC(30)는, 상기 저장된 데이터를 기반으로 FFT를 수행하여 주파수 영역으로 변환시키고, 파랑에 관한 주파수 이외에 다른 주파수 대역을 필터링을 통해 파랑에 관련된 파수벡터(kx,ky)와 각 주파수(
Figure 112016026689013-pat00001
)를 획득하며, 알고리즘(31)이 설치된 산정부(30a)를 통해 해류속도와 연안 수심을 측정 및 분석하도록 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.
삭제
삭제
상기 산정부(30a)의 알고리즘(31)은,
Figure 112016026689013-pat00057
로 이루어지는 수학식1(33)과,
Figure 112016026689013-pat00058
로 이루어지는 수학식2(34)와,
Figure 112016026689013-pat00059
로 이루어지는 수학식3(35)과,
Figure 112016026689013-pat00060
로 이루어지는 수학식4(36)와,
Figure 112016026689013-pat00061
로 이루어지는 수학식5(37)가 구성되어,
분산방정식"
Figure 112016026689013-pat00062
"의 오차의 제곱의 합
Figure 112016026689013-pat00063
을 최소화 하는 유속(
Figure 112016026689013-pat00064
,
Figure 112016026689013-pat00065
)과 수심 h을 구하기 위해 수학식4(36)의 결과값을 수학식3(35)에 대입하고, 수학식3(35)의 결과값을 수학식1,2(33, 34)에 대입하여 x,y방향의 해류속도(
Figure 112016026689013-pat00066
,
Figure 112016026689013-pat00067
)를 획득하고, 수학식1,2(33, 34)결과값을 수학식5(37)에 대입하여 연안 수심(h)로 알고리즘을 반복 수행하여 수학식5(37)의 연안 수심(h)을 획득하여 실시간으로 결과값을 생성하는 것을 기술적 특징으로 한다.
삭제
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상기한 측정시스템을 이용한 연안 수심 및 해류속도 측정방법을 보면 획득한 영상정보를 디지털 데이터로 저장하는 단계(S100); 실시간으로 컴퓨터 화면에 획득한 영상정보를 읽은 후, 관심지역을 선택 하는 단계(S200); 선택된 지역에 포함된 x,y공간좌표와 시간 t에 해당하는 레이더 수신전파 세기값을 입력하여 FFT를 수행하는 단계(S300); 상기 FFT를 수행한 후 주파수 영역으로 변환된 자료에서 파랑에 해당하는 주파수 대역만을 선택하고 기타 주파수 대역은 0으로 처리하여 파수벡터(kx,ky), 각주파수(
Figure 112016026689013-pat00007
)만을 획득하여 필터링 하는 단계(S400); 상기 알고리즘(31)의 수학식1,2,3,4,5(33, 34, 35, 36, 37)를 연립하여 해류속도(
Figure 112016026689013-pat00068
,
Figure 112016026689013-pat00069
)와 연안 수심(h)을 구하는 단계(S500)로 이루어지도록 하는 기술적 특징으로 한다.
상기 선택하는 단계(S200)에서 하나 또는 다수의 특정지역을 선택하는 것을 기술적 특징으로 한다.
상기 구하는 단계(S500)에서
유속을 고려한 파랑의 분산방정식“
Figure 112016026689013-pat00008
”에 레이더 영상자료로부터 직접적인 획득이 가능한 파수벡터 (kx,ky)와 각주파수
Figure 112016026689013-pat00009
를 대입하고, 최소제곱법을 이용하여 상기 분산방정식의 오차의 제곱의 합
Figure 112016026689013-pat00010
을 최소화 하는 유속(ux,uy)과 수심 h를 구하는 기술적 특징으로 한다.
본 발명에 따른 x 밴드 레이더를 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정 시스템 및 그 시스템을 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정방법에 의하면, 상용 x-밴드 레이더를 통해 획득한 아날로그 영상신호를 고속신호처리장치를 이용하여 PC에 데이터화시켜 필요한 정보를 측정하는 본연의 목적을 그대로 수행함과 동시에 상기 PC에 저장된 데이터를 내부에 설치된 알고리즘을 이용하여 특정지역 또는 관심지역의 해류속도와 연안 수심을 실시간 측정 및 수집 할 수 있으며, 필요에 따라 선택적으로 관심지역을 실시간으로 변경하여, 공간적, 시간적 변화하는 흐름을 정확하게 포착 할 수 있어, 다양한 정보로 활용할 수 있는 발명인 것이다.
도 1은 종래에 수심 측정을 위해 사용되는 표류부이를 나타내는 도면
도 2는 종래에 해류속도(유속)을 측정하기 위해 사용되는 음향 도플러 유속계를 나타내는 도면
도 3은 본 발명의 전체적인 구성을 나타내는 도면
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예의 고속신호처리장치를 나타내는 도면
도 5는 본 발명의 알고리즘의 수학식1,2,3,4,5에 대하여 나타내는 도면
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예를 나타내는 순서도
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 분석과정을 나타내는 도면
통상적으로 해류속도 측정은 도 1에 나타내는 바와 같이 표류부이의 위치를 GPS로 실시간 추적하여 측정하는 방법과 도 2에 나타내는 바와 같이 음향 도플러 유속계(Acoustic Doppler Current Profiler)를 사용하여 측정하는 방법이 있다.
그러나 표류부이의 방법으로는 특정시간에 특정지점 및 연속적으로 한 지점의 유속을 측정하기 어렵고, 음향 도플러 유속계로는 실시간으로 측정자료를 이용할 수 없으며 손상여부의 즉각적인 확인이 불가함에 따른 자료손실 및 고정된 지점에서만 사용함으로써 이안류와 같이 발생지점이 국지적인 이상해류를 측정하기 적합하지 못한 문제점을 갖고 있다.
이에 본 발명은 레이더(10)를 통해 획득한 영상 신호 및 방위 신호를 입력 신호로 하여 파랑에 의한 레이더 후방산란 데이터를 분석함으로 관심지역의 평균 해류속도와 연안 수심을 측정할 수 있어 다양한 정보로 활용이 가능한 x 밴드 레이더를 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정 시스템 및 그 시스템을 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정방법을 제공한다.
이하, 첨부되는 도면과 관련하여 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 구성 및 작용에 대하여 도 3 내지 도 7을 참고로 하여 설명하면 다음과 같다.
우선 본 발명을 설명하기에 앞서 그 구성을 도 3 내지 도 5을 참고하여 살펴보면, 연안 근처에 회전 가능토록 설치되어 해상에서 반사되는 전파를 아날로그 신호로 실시간으로 획득하는 레이더(10); 상기 레이더(10)와 연결되어 레이더(10)에서 획득한 아날로그 신호를 PC(30)에서 인식할 수 있게 디지털신호로 변환시키는 고속신호처리장치(20); 상기 고속신호처리장치(20)로부터 변환된 디지털신호를 전송받아 데이터로 저장하여 필요로 하는 정보를 관측 및 측정할 수 있는 x 밴드 레이더를 이용한 측정시스템에 있어서,
상기 고속신호처리장치(20)와 PC(30)의 인터페이스는 USB모듈(27)를 이용하여 데이터를 전송하도록 구성되고,
상기 PC(30)는, 상기 저장된 데이터를 기반으로 FFT를 수행하여 주파수 영역으로 변환시키고, 파랑에 관한 주파수 이외에 다른 주파수 대역을 필터링을 통해 파랑에 관련된 파수벡터(kx,ky)와 각주파수(
Figure 112015010558773-pat00011
)를 획득하며, 알고리즘(31)이 설치된 산정부(30a)를 통해 해류속도와 연안 수심을 측정 및 분석하도록 구성된다.
즉, PC(30)의 산정부(30a)는 저장된 데이터(해수면 파랑이미지)를 불러와 그 데이터를 적용시켜 해류속도 및 수심을 산정하는 알고리즘(31)을 이용하여 임의적으로 선택 또는 특정지역의 평균 해류속도와 수심을 알 수 있게 되는 것이다.
한편, 본 발명의 시스템을 구성하는 구성들을 설명하면,
도 3에 도시된 바와 같이 연안에 근접하게 설치되되 회전가능토록 설치되는 레이더(10)가 해상에서 반사되는 전파를 아날로그 신호로 실시간으로 획득하게 구성된다.
한편, 상기 레이더(10)와 근접되게 고속신호처리장치(20)가 구성되는데, 그 세부구성을 보면 도 4에 도시된 바와 같이 샘플링 주파수(sampling rate)를 제어하는 FPGA(field programmable gate array)(21)가 구성되고, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 디지털컨버터(ADC board)(23)가 구성되며, 상기 디지털신호를 임시저장하며 상기 PC(30)가 자료를 수신할 준비가 된 경우 자동적으로 상기 PC(30)로 자료를 보내는 버퍼(buffer)(25)로 이루어져 있으며, PC(30)와 고속처리장치(20)간의 인터페이스는 USB모듈(27)를 이용하여 디지털 데이터를 전송하며, PC(30)에 설치된 소프트웨어의 제어 신호를 고속처리장치(20)에 전달한다.
상기 PC(30)의 경우 상기 고속신호처리장치(20)로부터 실시간으로 제공받는 영상(해수면 파랑 이미지)을 내부에 설치된 알고리즘(31)을 통해 해류속도와 수심을 획득할 수 있는 산정부(30a)가 구성되는 것이다.
여기서, 상기 산정부(30a)의 알고리즘(31)을 도 5를 참고하여 살펴보면,
Figure 112015010558773-pat00012
로 이루어지는 수학식1(33)이 구성되어 사용되고,
Figure 112015010558773-pat00013
로 이루어지는 수학식2(34)가 구성되어 사용되며,
Figure 112015010558773-pat00014
로 이루어지는 수학식3(35)이 구성되어 사용되고,
Figure 112015010558773-pat00015
로 이루어지는 수학식4(36)가 구성되어 사용되며,
Figure 112016026689013-pat00070
로 이루어지는 수학식5(37)가 구성되어, 상기 PC(30)에 저장된 데이터를 상기한 수학식1,2,3,4,5(33, 34, 35, 36, 37)에 대입시켜 해류속도와 수심을 알 수 있게 되는 것이다.
다시 말해, 상기 PC(30)는 수학식4(36)의 결과값을 수학식3(35)에 대입하고, 수학식3(35)의 결과값을 수학식1,2(32, 33)에 대입하여 x,y방향의 해류속도(
Figure 112016026689013-pat00071
,
Figure 112016026689013-pat00072
)를 획득하고, 수학식1,2(32, 33)결과값을 수학식5(37)에 대입하여 연안 수심(h)을 획득하여 실시간으로 결과값을 생성하게 되는 것이다.
본 발명의 시스템을 종합적으로 설명하면 해상에서 반사된 전파는 아날로그 신호로 레이더가 획득하게 되며 이 아날로그 신호를 PC(30)에서 인식할 수 있는 디지털 신호로 고속신호처리장치(20)가 변환하여, 변환된 디지털 신호는 PC(30)에 저장되어 산정부(30a)에 의해 해류속도와 수심측정을 하기위한 분석에 사용되는 것이다.
상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 x 밴드 레이더를 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정 시스템을 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정방법을 도 6 내지 도 7을 참고 하여 설명하면,
획득한 영상정보를 디지털 데이터로 PC(30)에 저장하는 단계(S100); 실시간으로 컴퓨터 화면에 획득한 영상정보를 읽은 후, 선택적으로 관심지역을 선택 하는 단계(S200); 선택된 지역에 포함된 x,y공간좌표와 시간 t에 해당하는 레이더 수신전파 세기값을 입력하여 3차원 FFT를 수행하는 단계(S300); 상기 3차원 FFT를 수행하여 획득한 레이더 이미지 영상을 주파수 영역으로 변환한 자료에서 파랑에 해당하는 주파수 대역만을 선택하고 기타 주파수 대역은 0으로 처리하여 파랑에 해당하는 파수벡터(kx,ky)와 각주파수(
Figure 112016026689013-pat00017
)만을 획득하는 필터링 하는 단계(S400); 상기 알고리즘(31)의 수학식1,2,3,4,5(33, 34, 35, 36, 37)를 연립하여 해류속도(
Figure 112016026689013-pat00073
,
Figure 112016026689013-pat00074
)와 연안 수심(h)을 구하는 단계(S500)로 이루어진다.
여기서, 상기 선택하는 단계(S200)에서 사용자가 직접 컴퓨터 화면을 클릭하여 선택하는 직접선택(S210)과, 특정조건을 만족하는 지역을 자동으로 모니터링 할 수 있는 자동선택(S220)으로 나누어져 필요에 따라 직접 또는 자동적으로 선택할 수 있으며, 저장된 데이터에서 하나 또는 다수의 특정지역을 선택할 수도 있다.
한편, 상기 구하는 단계(S500)에서는,
유속을 고려한 파랑의 분산방정식“
Figure 112016026689013-pat00018
”에 레이더 영상자료로부터 직접적인 획득이 가능한 파수벡터 (kx,ky)와 각주파수
Figure 112016026689013-pat00019
를 대입하고, 최소제곱법을 이용하여 상기 분산방정식의 오차의 제곱의 합
Figure 112016026689013-pat00020
을 최소화 하는 유속성분 ux,uy와 수심 h를 구하는 기술적 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 방법을 통해 전체적인 분석 절차를 도 6을 참고하여 설명하면,
먼저, 고속신호처리장치(20)로부터 전송받은 데이터를 실시간으로 저장하는 단계(S100)를 수행하게 된다.
그 후 영상자료를 화면에 출력하여 사용자가 실시간으로 자료를 확인하도록 한 후, PC(30) 상에 나타난 화면에서 관심지역을 선택하게 되며, 직접선택(S210) 또는 사용자의 설정에 따라 자동선택(S220)에 의해 관심지역이 선택되는 선택단계(S200)를 수행하게 된다.
여기서, 관심지역은 선택하는 단계(S200)를 생략하고 불러온 데이터(레이더 영상)를 전체적으로 분석할 수도 있다.
상기 선택하는단계(S200)에서 선택된 지역에 포함된 x,y 좌표와 분석시간 t에 해당하는 레이더 수신 전파 세기값을 입력으로 하여 3차원 FFT를 수행하게 되는데, 상기 데이터의 레이더 영상은 레이더 주위를 1회전하며 수신한 한 장의 이미지로 저장되며, 각 레이더 영상 한 장간의 시간 간격은 레이더 회전속도에 따라 다르나, 예를 들어 1회전 소요시간이 1.4초인 경우 분석의 정확도를 위하여 최소 30장 이상의 레이더 영상을 사용하여 3차원 FFT를 수행하는 수행하는단계(S300)를 거치게 된다.
상기 수행하는단계(S300) 후 파랑에 관한 신호만을 분석하기 위하여 파랑에 해당하는 주파수 대역만을 선택하고 나머지 자료는 0으로 처리하는 필터링하는단계(S400)를 수행하게 된다.
즉, 파랑에 해당하는 주파수 이외의 주파수는 삭제한다는 의미가 되는 것이며, 이렇게 필터링하게 되면 기타 주파수는 제외되며 파랑자료의 x, y 좌표와 분석시간 t에 관련하여 파랑에 해당하는 (kx(파수의 x방향성분),ky(파수의 y방향성분),
Figure 112016026689013-pat00021
(각주파수))를 얻게 되며, 각각 얻은 (kx(파수의 x방향성분),ky(파수의 y방향성분),
Figure 112016026689013-pat00022
(각주파수))값을 이용하여 산정부(30a)의 알고리즘(31)을 통해 x방향 해류속도 수학식1(33)Ux와 y방향 해류속도 수학식2(34)Uy을 계산하여 해류속도를 산정함과 더불어, 상기 수학식1(33)과 수학식2(34)를 통해 계산된 결과값을 수학식5(37)에 대입하여 h(수심)을 계산하여 산정하는 구하는단계(S500)를 수행하게 된다.
여기서, 상기 구하는단계(S500)에서 수학식1,2,3,4,5(33, 34, 35, 36, 37)을 연립하여 해류속도와 수심을 얻게 되는데 그 계산 순서를 설명하면,
먼저, 수학식4(36)의
Figure 112016026689013-pat00023
에 대입하여
Figure 112016026689013-pat00024
를 얻게 되는데 상기
Figure 112016026689013-pat00025
의 경우 주파수쌍(
Figure 112016026689013-pat00026
(파수의 x방향성분),ky(파수의 y방향성분),
Figure 112016026689013-pat00027
(각주파수)))에 해당하는 파수(wave number)벡터의 크기이다.
여기서, 상기 수학식4(36)를 통해
Figure 112016026689013-pat00028
의 값을 얻어 수학식3(35)의
Figure 112016026689013-pat00029
에 대입하여 그
Figure 112016026689013-pat00030
의 값을 얻게 된다.
상기 수학식3(35)에서 h는 수심을 나타내며, 산정 시 그 값은 사용자가 임의의 초기 추정값을 넣어 산정하여
Figure 112016026689013-pat00031
의 값을 최종적으로 얻게 된다.
상기 수학식3(35)을 통해 얻은
Figure 112016026689013-pat00032
값을 수학식1(33)의
Figure 112016026689013-pat00033
에 대입하고,
수학식2(34)의
Figure 112016026689013-pat00034
에 각각 대입하여,
Figure 112016026689013-pat00035
와
Figure 112016026689013-pat00036
의 값을 얻게 되며, 상기 수학식1,2(33, 34)를 통해 얻은
Figure 112016026689013-pat00037
와
Figure 112016026689013-pat00038
의 값을 수학식5(37)의
Figure 112016026689013-pat00075
에 대입하여 h(수심)에 대해 수학식5(37)의 계산값이 0이 되게 하는 실제 수심을 계산하여 산정하게 되는 것이다.
여기서, 상기 계산되어 산정된 h(수심)를 이용하여 다시 상기한 과정을 단계별로 반복하되, 계산된 h(수심)값이 이전 계산하여 산정한 결과값과 유사할 때 까지 반복적으로 하여, 수회에 걸쳐 계산되어 산정된 결과값의 평균 또는 유사한 결과값이 나오는 값을 그 지역의 h(수심)가 되는 것이다.
본 발명에 따른 x 밴드 레이더를 이용한 연안 수심 및 해류속도 측정 시스템 및 그 측정방법에 의하면, 상용 x 밴드 레이더를 통해 획득한 아날로그 영상신호를 고속신호처리장치를 이용하여 PC(30)에 데이터화시켜 필요한 정보를 측정하는 본연의 목적을 그대로 수행함과 동시에 상기 PC(30)에 저장된 데이터를 내부에 설치된 알고리즘(31)을 이용하여 특정지역 또는 관심지역의 해류속도와 연안 수심을 실시간 측정 및 수집 할 수 있으며, 필요에 따라 선택적으로 관심지역을 실시간으로 변경 하여, 공간적, 시간적 변화하는 흐름을 정확하게 포착 할 수 있어, 다양한 정보로 활용할 수 있는 발명인 것이다.
10 : 레이더
20 : 고속신호처리장치 21 : FPGA 23 : ADC board
25 : buffer 27 : USB모듈
30 : PC 30a : 산정부 31 : 알고리즘
33 : 수학식1 34 : 수학식2 35 : 수학식3
36 : 수학식4 37 : 수학식5
S100 : 저장하는단계 S200 : 선택하는단계 S210 : 직접선택
S220 : 자동선택 S300 : 수행하는단계 S400 : 필터링단계
S500 : 구하는단계

Claims (6)

  1. 연안 근처에 회전 가능토록 설치되어 해상에서 반사되는 전파를 아날로그 신호로 실시간으로 획득하는 레이더(10); 상기 레이더(10)와 연결되어 레이더(10)에서 획득한 아날로그 신호를 PC(30)에서 인식할 수 있게 디지털신호로 변환시키는 고속신호처리장치(20); 상기 고속신호처리장치(20)로부터 변환된 디지털신호를 전송받아 데이터로 저장하여 필요로 하는 정보를 관측 및 측정할 수 있는 x 밴드 레이더를 이용한 측정시스템에 있어서,
    상기 고속신호처리장치(20)와 PC(30)의 인터페이스는 USB모듈(27)를 이용하여 데이터를 전송하도록 구성되고,
    상기 PC(30)는, 상기 저장된 데이터를 기반으로 FFT를 수행하여 주파수 영역으로 변환시키고, 파랑에 관한 주파수 이외에 다른 주파수 대역을 필터링을 통해 파랑에 관련된 파수벡터(kx,ky), 각주파수(
    Figure 112015010558773-pat00040
    )만을 획득하며, 알고리즘(31)이 설치된 산정부(30a)를 통해 해류속도와 연안 수심을 측정 및 분석하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 x 밴드 레이더를 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 산정부(30a)의 알고리즘(31)은,
    Figure 112016026689013-pat00041
    로 이루어지는 수학식1(33)과,
    Figure 112016026689013-pat00042
    로 이루어지는 수학식2(34)와,
    Figure 112016026689013-pat00043
    로 이루어지는 수학식3(35)과,
    Figure 112016026689013-pat00044
    로 이루어지는 수학식4(36)와,
    Figure 112016026689013-pat00076
    로 이루어지는 수학식5(37)가 구성되어,
    분산방정식"
    Figure 112016026689013-pat00077
    "의 오차의 제곱의 합
    Figure 112016026689013-pat00078
    을 최소화 하는 유속(
    Figure 112016026689013-pat00079
    ,
    Figure 112016026689013-pat00080
    )과 수심 h을 구하기 위해 수학식4(36)의 결과값을 수학식3(35)에 대입하고, 수학식3(35)의 결과값을 수학식1,2(33, 34)에 대입하여 x,y방향의 해류속도(
    Figure 112016026689013-pat00081
    ,
    Figure 112016026689013-pat00082
    )를 획득하고, 수학식1,2(33, 34)결과값을 수학식5(37)에 대입하여 연안 수심(h)로 알고리즘을 반복 수행하여 수학식5(37)의 연안 수심(h)을 획득하여 실시간으로 결과값을 생성하는 것을 특징으로 하는 x 밴드 레이더를 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정 시스템.
  3. 제 2항의 측정시스템을 이용하되,
    획득한 영상정보를 디지털 데이터로 PC(30)에 저장하는 단계(S100);
    실시간으로 컴퓨터 화면에 획득한 영상정보를 읽은 후, 선택적으로 관심지역을 선택 하는 단계(S200);
    선택된 지역에 포함된 x,y공간좌표와 시간 t에 해당하는 레이더 수신전파 세기값을 입력하여 3차원 FFT를 수행하는 단계(S300);
    상기 3차원 FFT를 수행하여 획득한 레이더 이미지 영상을 주파수 영역으로 변환하며, 파랑에 해당하는 주파수 대역만을 선택하고 기타 주파수 대역은 0으로 처리하여 파랑에 해당하는 파수벡터(kx,ky), 주파수(
    Figure 112016026689013-pat00046
    )만을 획득하는 필터링 하는 단계(S400);
    상기 알고리즘(31)의 수학식1,2,3,4,5(33, 34, 35, 36, 37)를 연립하여 해류속도(
    Figure 112016026689013-pat00083
    ,
    Figure 112016026689013-pat00084
    )와 연안 수심(h)을 구하는 단계(S500); 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 x 밴드 레이더를 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정 시스템을 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정방법
  4. 삭제
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 선택하는 단계(S200)에서 하나 또는 다수의 특정지역을 선택하는 것을 특징으로 하는 x 밴드 레이더를 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정 시스템을 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정방법.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 구하는 단계(S500)에서
    유속을 고려한 파랑의 분산방정식“
    Figure 112016026689013-pat00047
    ”에 레이더 영상자료로부터 직접적인 획득이 가능한 파수벡터 k와 각주파수 w를 대입하고, 최소제곱법을 이용하여 상기 분산방정식의 오차의 제곱의 합
    Figure 112016026689013-pat00048
    을 최소화 하는 유속성분
    Figure 112016026689013-pat00085
    ,
    Figure 112016026689013-pat00086
    와 수심 h를 구하는 것을 기술적 특징으로 하는 x 밴드 레이더를 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정 시스템을 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정방법.
KR1020150015285A 2015-01-30 2015-01-30 x 밴드 레이더를 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정 시스템 및 그 시스템을 이용한 해류속도 및 연안 수심 측정방법 KR101641129B1 (ko)

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