KR101663684B1 - 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템, 그리고 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 다중 펄스 탐지 방법 - Google Patents

강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템, 그리고 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 다중 펄스 탐지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템, 그리고 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 다중 펄스 탐지 방법에 관한 것이다. 본 발명의 제 1 측면은, 송수신 안테나를 통해 비구름(A)에 대한 전파 송수신을 통해 비구름(A)에 의해 반사된 펄스 신호의 전파 에너지 정보를 획득하는 강우 레이더(10); 외에 강우 레이더(10)의 전파 송신 방향에 펄스 수신점 장치(20); 가 추가 배치되어 강우 레이더(10)에 대한 신호를 수신함으로써, 수신 신호 레벨을 증가시키기 위한 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템에 있어서, 펄스 수신점 장치(20)는, 강우 레이더(10)로부터 송신되는 펄스 주파수를 수신하여 증폭 변환한 뒤, 송신 안테나부(22)로 전달하는 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21); 강우 레이더(10)의 송신용 펄스 주파수 범위에 포함되어 있는 신호 중에 미리 설정된 대역의 1개 채널을 선택하여 복조한 뒤, 복조된 신호를 비구름(A)을 향한 전파 방향으로 레이더 빔을 전송하는 송신 안테나부(22); 및 비구름(A)에 대한 전파 송수신을 통한 비구름(A)에 의해 반사된 펄스 신호의 전파 에너지 정보를 획득하는 안테나 제어부(23); 를 포함하는 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 제 2 측면은, 강우 레이더(10)가 송수신 안테나를 통해 비구름(A)에 대한 전파 송수신을 통해 비구름(A)에 의해 반사된 제 1 펄스 신호의 전파 에너지 정보를 획득하는 제 1 단계; 및 강우 레이더(10) 외에 전파 송신 방향에 추가 배치된 펄스 수신점 장치(20)가 송신 안테나부(22)를 이용해 비구름(A)에 대한 전파 송신 그리고, 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)를 이용해 비구름(A)에 의해 반사된 제 2 펄스 신호의 전파 에너지 정보를 획득하는 제 2 단계; 를 포함하는 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 다중 펄스 탐지 방법을 제공함에 있다.
이에 의해, 원거리 송신 방향에서 신호를 수신함으로써, 원거리에서의 수신 신호 레벨의 증가가 이루어져, 원거리 비구름의 속성 파악이 강화되고, 수신 신호의 신호대 잡음비를 증가시킬 수 있는 효과를 제공한다.
뿐만 아니라, 본 발명은, 제로 앙각 이하의 원거리 탐지 능력을 대폭 향상시킬 수 있어, 탐지 범위를 확장시키는 효과를 제공한다.

Description

강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템, 그리고 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 다중 펄스 탐지 방법{Rain Radar System for Enhancing Observation Performance of Rain Radar, and Multiple Pulse Reception Method for Enhancing Observation Performance of Rain Radar}
본 발명은 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템, 그리고 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 다중 펄스 탐지 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 기존 강우 레이더의 원거리 관측 지점에 소형화된 수신전용장치를 추가 배치하여 탐지 신호 수신능력을 강화하여 강우 예측의 정확성을 높이도록 하기 위한 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템, 그리고 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 다중 펄스 탐지 방법에 관한 것이다.
강우 레이더는 높은 전력의 펄스(pulse)를 직경 6 내지 8미터 이상의 대형 파라볼릭 안테나(송수신 겸용)를 이용하여 비구름(raincloud)에 복사(輻射)하면 비구름에서 산란 또는 반사된 전파 에너지의 일부가 송수신 대형 파라볼릭 안테나로 수신되는데, 수신된 신호의 여러 특성에 대한 분석을 통하여 비구름의 강우 속성을 예측하는데 활용한다.
그런데 강우 레이더로부터 거리가 멀리 위치한 비구름이나 혹은 비구름의 낮은 부분과 레이더 안테나의 위치가 전파 가시거리(Line-of-sight)를 벗어나 있는 상황에서 관측을 하려면 레이더 안테나의 앙각(仰角)을 낮추어야 한다.
이런 경우 결국 전파 에너지의 대부분은 송신 위치 반대편으로 나아가서 소멸되고 강우 레이더가 있는 곳의 송수신 안테나에 도달하는 전파에너지는 극히 일부에 불과하여 신호 강도가 낮고 신호대 잡음비도 낮아 정확한 분석이 어렵게 된다.
이를 보완하기 위해서 기존 강우 레이더는 고이득의 대형 안테나와 대출력의 펄스 송신기를 갖추게 되는데, 이는 곧 안테나의 대형화, 대출력 송신장치와 주변 시설의 대형화가 필요하게 되는 문제점이 있어 왔다.
이에 따라 해당 기술분야에 있어서는 문제점을 개선하기 위하여 전파 진행 방향의 필요한 곳에 소형 안테나와 수신기를 설치하고 설치된 수신기를 원래의 강우 레이더와 연동(連動) 작동하게 함으로써, 원거리에서도 정확한 관측이 가능하고, 이에 따른 관측 범위 확대는 물론 고가의 강우 레이더 설비 규모를 줄임으로써, 비용 감소와 강우 관측 기술 수준과 정확도를 높이기 위한 기술 개발이 요구되고 있다.
[관련기술문헌]
1. 기상레이더의 강수량 추정 방법(RAINFALL ESTIMATION METHOD OF WEATHER RADAR)(특허출원번호 제10-2009-0108153호)
2. 기상레이더의 반사도 보정 방법(THE CORRECTION TECHNIQUE OF WEATHER RADAR REFLECTIVITY)(특허출원번호 제10-2009-0031084호)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전파 진행 방향의 필요한 곳에 소형 안테나와 수신기로 이루어진 송수신장치를 설치함으로써, 설치된 송수신장치를 원래의 강우 레이더와 연동(連動) 작동하게 함으로써, 원거리에서도 정확한 관측이 가능하도록 하기 위한 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템, 그리고 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 다중 펄스 탐지 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 송수신장치의 추가적인 설치로 인해 관측 범위 확대는 물론 고가의 강우 레이더 설비 규모를 줄임으로써, 비용 감소와 강우 관측 기술 수준과 정확도를 높이도록 하기 위한 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템, 그리고 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 다중 펄스 탐지 방법을 제공하기 위한 것이다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템은, 송수신 안테나를 통해 비구름(A)에 대한 전파 송수신을 통해 비구름(A)에 의해 반사된 펄스 신호의 전파 에너지 정보를 획득하는 강우 레이더(10); 외에 강우 레이더(10)의 전파 송신 방향에 펄스 수신점 장치(20); 가 추가 배치되어 강우 레이더(10)에 대한 신호를 수신함으로써, 수신 신호 레벨을 증가시키기 위한 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템에 있어서, 펄스 수신점 장치(20)는, 강우 레이더(10)로부터 송신되는 펄스 주파수를 수신하여 증폭 변환한 뒤, 송신 안테나부(22)로 전달하는 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21); 강우 레이더(10)의 송신용 펄스 주파수 범위에 포함되어 있는 신호 중에 미리 설정된 대역의 1개 채널을 선택하여 복조한 뒤, 복조된 신호를 비구름(A)을 향한 전파 방향으로 레이더 빔을 전송하는 송신 안테나부(22); 및 비구름(A)에 대한 전파 송수신을 통한 비구름(A)에 의해 반사된 펄스 신호의 전파 에너지 정보를 획득하는 안테나 제어부(23); 를 포함한다.
이때, 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)는, 펄스 주파수 신호를 관측 대상인 비구름(A)으로부터 제 1 관측거리에 있는 강우 레이더(10)로부터 수신하기 위해 모터의 회전축 위에 장착되어 있으며, 강우 레이더(10)로부터 미리 설정된 범위의 펄스 주파수 신호를 수신하고 저잡음 주파수 변환 모듈을 통해 미리 설정된 범위의 주파수 신호에 대해 저잡음 증폭한 뒤, 강우 레이더(10)의 송신용 주파수 범위로 변환한 뒤, 송신 안테나부(22)로 제공하며, 송신 안테나부(22)에 의해 독자적으로 제 2 관측거리에 있는 비구름(A)으로 전파 에너지를 전송시 비구름(A)에 복사(輻射)에 따라 비구름(A)에서 산란 또는 반사된 전파 에너지의 일부를 수신하여 안테나 제어부(23)로 전달하며, 제 2 관측거리는, 제 1 관측거리보다 길이가 짧은 것이 바람직하다.
또한, 송신 안테나부(22)는, 레이더 빔 방향 제어를 위해 모터의 회전축 위에 장착되어 있으며 강우 레이더(10)에서 전송된 주파수만을 수신하여 제 2 관측거리에 있는 비구름(A)으로 전송하며, 안테나 제어부(23)는, 강우 레이더(10)의 위치에 따라 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)의 방향을 조절하기 위한 제어신호를 출력하며, 비구름(A)의 위치에 따라 송신 안테나부(22)의 방향을 조절하기 위한 제어신호를 출력하는 것이 바람직하다.
또한, 안테나 제어부(23)는, 강우 레이더(10)의 위치 및 비구름(A)의 위치 추적 방법을 실행하여, 안테나 방향 제어 구동부(24)에 제어 신호를 제공하며, 송신 안테나부(22)로부터 송신 신호레벨에 해당하는 전압과 자이로스코프부(25)로부터 송신 안테나부(22)에 대한 회전 각도 정보를 수신하여 비구름(A) 추적 알고리즘을 실행시켜 안테나 방향 제어 구동부(24)에 제어신호를 공급하며, 비구름(A) 추적 알고리즘에 대해서 강우 레이더(10)에 의해 수행시 강우 레이더(10)가 비구름(A)의 추적정보를 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)를 통해 펄스 수신점 장치(20)로 전송하는 것이 바람직하다.
또한, 안테나 제어부(23)는, 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)로부터 수신 신호레벨에 해당하는 전압과 자이로스코프부(25)로부터 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)에 대한 회전 각도 정보를 수신하여 강우 레이더(10)의 위치 추적 알고리즘을 실행시켜 안테나 방향 제어 구동부(24)에 제어신호를 공급하며, 강우 레이더(10)의 위치 추적 알고리즘은, 강우 레이더(10)로부터 강우 레이더(10)의 위치정보를 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)를 통해 펄스 수신점 장치(20)로 전송하는 방식으로 수행되는 것이 바람직하다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 다중 펄스 탐지 방법은, 강우 레이더(10)가 송수신 안테나를 통해 비구름(A)에 대한 전파 송수신을 통해 비구름(A)에 의해 반사된 제 1 펄스 신호의 전파 에너지 정보를 획득하는 제 1 단계; 및 강우 레이더(10) 외에 전파 송신 방향에 추가 배치된 펄스 수신점 장치(20)가 송신 안테나부(22)를 이용해 비구름(A)에 대한 전파 송신 그리고, 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)를 이용해 비구름(A)에 의해 반사된 제 2 펄스 신호의 전파 에너지 정보를 획득하는 제 2 단계; 를 포함한다.
이때, 본 발명은, 제 1 단계 이후, 제 2 단계와 동시에 펄스 수신점 장치(20)가 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)를 제어하여 강우 레이더(10)로부터 송신되는 펄스 주파수를 수신하여 증폭 변환한 뒤, 송신 안테나부(22)로 전달하는 제 3-1 단계; 펄스 수신점 장치(20)가 송신 안테나부(22)를 제어하여 강우 레이더(10)의 송신용 펄스 주파수 범위에 포함되어 있는 신호 중에 미리 설정된 대역의 1개 채널을 선택하여 복조한 뒤, 복조된 신호를 비구름(A)을 향한 전파 방향으로 레이더 빔을 전송하는 제 3-2 단계; 및 펄스 수신점 장치(20)의 안테나 제어부(23)가 비구름(A)에 대한 전파 송수신을 통한 비구름(A)에 의해 반사된 제 3 펄스 신호의 전파 에너지 정보를 획득하는 제 3-3 단계; 를 더 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템, 그리고 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 다중 펄스 탐지 방법은, 원거리 송신 방향에서 신호를 수신함으로써, 원거리에서의 수신 신호 레벨의 증가가 이루어져, 원거리 비구름의 속성 파악이 강화되고, 수신 신호의 신호대 잡음비를 증가시킬 수 있는 효과를 제공한다.
뿐만 아니라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템, 그리고 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 다중 펄스 탐지 방법은, 제로 앙각 이하의 원거리 탐지 능력을 대폭 향상시킬 수 있어, 탐지 범위를 확장시키는 효과를 제공한다.
도 1은 종래의 기술에 따른 강우 레이더의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템과의 비교 설명을 위한 종래의 기술에 따른 강우 레이더 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템에서의 펄스 수신점 장치(20)의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 다중 펄스 탐지 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 명세서에 있어서는 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 데이터 또는 신호를 '전송'하는 경우에는 구성요소는 다른 구성요소로 직접 상기 데이터 또는 신호를 전송할 수 있고, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 데이터 또는 신호를 다른 구성요소로 전송할 수 있음을 의미한다.
도 1은 종래의 기술에 따른 강우 레이더(10)의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 강우 레이더(10)의 기본 원리는 관측 대상인 비구름을 향하여 펄스(pulse) 신호 형태의 전파를 발사하면 대부분의 에너지는 난반사 또는 흡수되고 극히 일부의 반사된 전파 에너지를 원래의 송신점에 있는 강우 레이더(10)의 수신 안테나를 이용해 수신하여 강우에 대한 분석 자료로 활용하게 된다.
강우 레이더(10)의 수신 안테나에 입력된 신호의 세기와 형태는 분석을 통하여 비구름의 상태와 강우에 대한 예측을 가능하게 한다.
한편, 이하에서는 강우 레이더(10)의 수신 안테나와 송신 안테나가 일체형으로 형성된 예를 기준으로 설명하도록 한다.
이에 따라, 도 1과 같은 강우 레이더(10)가 비구름(A)을 향하여 전파를 발사하는 형태는 강우 레이더(10)의 송수신 안테나가 단계별로 조정된 앙각을 유지한 상태에서 강우 레이더(10)의 송수신 안테나가 회전하면서 전파를 송수신한다. 이러한 과정을 안테나 앙각이 0˚ 또는 그 이하까지 반복하면 결국은 강우 레이더(10)의 송수신 안테나 위치를 중심으로 일정한 공간 범위 내의 비구름의 상태를 파악하게 된다.
첫 번째 문제점으로 강우 레이더(10)로부터 멀리 있는 비구름(A)을 관측하기 위해서는 강우 레이더(10)의 송수신 안테나의 앙각이 낮게 설정되어야 하는데 이런 상황에서는 강우 레이더(10)로 돌아오는 수신에너지가 매우 낮게 되어 관측 범위를 축소하거나 아니면 강우 레이더(10)의 송수신 안테나의 전기적 특성을 높이기 위해서 강우 레이더(10)의 송수신 안테나의 직경을 더욱 확장하여야 한다.
파라볼릭 안테나의 이득은 안테나의 실효 면적에 비례하므로, 안테나 특성 가운데 전파 신호 세기 즉, 안테나 이득(antenna gain)을 2배 증가하려면 직경이 1.4배 확장되어야 하며, 4배의 경우는 직경이 2배 확장되어야 한다.
그러나 이렇게 되면 안테나 중량, 안테나 구동부(pedestal), 안테나 설치 철탑이나 건물의 구조적 특성들이 강화되어야 하고 이는 연쇄적인 비용 증가를 유발하게 되어 실제 적용은 거의 불가한 사항이다. 탐지거리 확장을 위해서는 레이더를 추가 설치하는 불가피하다.
또한, 두 번째 문제점으로, 원거리 측정시 현재의 방법은 펄스의 송신과 수신에 이르는 거리가 강우 레이더(10)의 위치와 비구름(A)까지의 거리의 2배가 된다. 그러므로 레이더 펄스처럼 파장이 매우 짧은 전파의 경우 수신 신호가 약하고 이로 인하여 전파 경로 상에 레이더 주파수 대역의 기저대역(基底帶域)에 해당하는 외부의 잡음에 거의 직접적으로 영향을 받는 한계점이 있다.
이에 따라, 본 발명에서는 관측 대상이 되는 비구름(A)에 대한 상태 파악의 정확도를 향상하기 위해서 강우 레이더 관측 대상인 비구름(A)에 도달되는 전파의 세기를 높이는 방법을 고려할 수 있으나 이는 강우 레이더(10) 이외의 주변장치에 대해 전파 방해를 유발할 수 있으므로 배제되어야 한다.
본 발명은 다른 무선국에 영향을 미치지 않으면서도 원거리에 있는 비구름(A)에서 반사되는 레이더 신호를 인접 주파수의 영향을 받지 않으면서도 정확한 분석이 가능하도록 수신 방법을 개선할 필요에 의해 고안되었다.
강우 레이더(10)의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템을 제시한다, 먼저, 종래의 도 2와 같은 기존의 강우 레이더 시스템에서, 도 3과 같은 본 발명의 실시예에 따른 강우 레이더(10)의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템으로의 전환시의 가장 큰 특징은 기존 설치된 강우 레이더(10) 외에 전파 송신 방향에 펄스 수신점 장치(20)를 추가 배치하는 것이다.
추가 배치되는 펄스 수신점 장치(20)는 필요한 곳에만 배치되어 수신되는 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)에 의한 탐지 신호 세기가 높아 정확도를 제공한다.
즉, 원거리송신 방향에서 강우 레이더(10)에 대한 펄스 신호를 수신함으로써, 원거리에서의 수신 신호 레벨을 증가시킨다. 이에 따라, 원거리 비구름(A)의 속성 파악 강화, 그리고 강우 레이더(10)로부터의 수신 신호에 대한 신호대 잡음비를 증가시킨다. 또한, 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템은 제로 앙각 이하의 원거리 탐지 능력 대폭 향상시킴으로써, 비구름(A)에 대한 탐지 범위에 대한 확장 효과를 제공한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템에서의 펄스 수신점 장치(20)의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 4를 참조하면, 펄스 수신점 장치(20)는 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21), 송신 안테나부(22), 안테나 제어부(23), 안테나 방향 제어 구동부(24) 및 자이로스코프부(25)를 포함한다.
이하, 펄스 수신점 장치(20)의 각 구성요소에 대해서 구체적으로 살펴보도록 한다.
수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)는 강우 레이더(10)로부터 송신되는 펄스 주파수를 수신하여 증폭 변환하는 수신 안테나 모듈 및 저잡음 증폭 주파수 변환 모듈을 구비한다.
본 발명에서 모듈이라 함은, 본 발명의 기술적 사상을 수행하기 위한 하드웨어 및 상기 하드웨어를 구동하기 위한 소프트웨어의 기능적, 구조적 결합을 의미할 수 있다. 예컨대, 상기 모듈은 소정의 코드와 상기 소정의 코드가 수행되기 위한 하드웨어 리소스의 논리적인 단위를 의미할 수 있으며, 반드시 물리적으로 연결된 코드를 의미하거나, 한 종류의 하드웨어를 의미하는 것은 아님은 본 발명의 기술분야의 평균적 전문가에게는 용이하게 추론될 수 있다.
수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)는 펄스 주파수 신호를 제 1 관측거리에 있는 강우 레이더(10)로부터 수신하기 위해 모터의 회전축 위에 장착되어 있으며, 강우 레이더(10)로부터 미리 설정된 범위(예컨대, 11.7㎓ 내지 12.0㎓ 범위)의 펄스 주파수 신호를 수신하고 저잡음 주파수 변환 모듈을 통해 미리 설정된 범위의 주파수 신호에 대해 저잡음 증폭함으로써, 강우 레이더(10)의 송신용 주파수 범위(예컨대, 950 내지 1250㎒ 범위)로 변환한 뒤, 송신 안테나부(22)로 공급한다.
그 밖에 송신 안테나부(22)가 독자적으로 제 2 관측거리에 있는 비구름(A)으로 전파 에너지를 전송하면, 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)는 비구름(raincloud)(A)에 복사(輻射)에 따라 비구름(A)에서 산란 또는 반사된 전파 에너지의 일부를 수신하여 안테나 제어부(23)로 전달할 수 있다.
송신 안테나부(22)는 레이더 빔 방향 제어를 위해 모터의 회전축 위에 장착되어 있으며 강우 레이더(10)에서 전송된 주파수만을 수신하여 제 2 관측거리에 있는 비구름(A)으로 전송한다. 여기서 해당 제 2 관측거리는 상술한 제 1 관측거리보다 도시된 바와 같이 짧은 거리에 해당한다.
송신 안테나부(22)는 강우 레이더(10)의 송신용 펄스 주파수 범위에 포함되어 있는 신호 중에 미리 설정된 대역의 1개 채널을 선택하여 복조한 뒤, 복조된 신호를 비구름(A)을 향한 전파 방향으로 레이더 빔을 전송한다.
안테나 제어부(23)는 강우 레이더(10)의 위치에 따라 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)의 방향을 조절하기 위한 제어신호를 출력하며, 비구름(A)의 위치에 따라 송신 안테나부(22)의 방향을 조절하기 위한 제어신호를 출력한다.
안테나 제어부(23)는 강우 레이더(10)의 위치 및 비구름(A)의 위치 추적 방법을 실행하여, 안테나 방향 제어 구동부(24)에 제어 신호를 제공하는 구성 요소이며, 송신 안테나부(22)로부터 송신 신호레벨에 해당하는 전압과 자이로스코프부(25)로부터 송신 안테나부(22)에 대한 회전 각도 정보를 수신하여 비구름(A) 추적 알고리즘을 실행시켜 안테나 방향 제어 구동부(24)에 제어신호를 공급한다.
여기서 비구름(A) 추적 알고리즘은 강우 레이더(10)에 의해 수행될 수도 있으며, 이 경우 강우 레이더(10)는 비구름(A)의 추적정보를 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)를 통해 펄스 수신점 장치(20)로 전송할 수 있다.
또한, 안테나 제어부(23)는 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)로부터 수신 신호레벨에 해당하는 전압과 자이로스코프부(25)로부터 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)에 대한 회전 각도 정보를 수신하여 강우 레이더(10)의 위치 추적 알고리즘을 실행시켜 안테나 방향 제어 구동부(24)에 제어신호를 공급한다. 강우 레이더(10)의 위치 추적 알고리즘은 강우 레이더(10)로부터 강우 레이더(10)의 위치정보를 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)를 통해 펄스 수신점 장치(20)로 전송하는 방식일 수 있다.
또한, 송신 안테나부(22)는 독자적으로 제 2 관측거리에 있는 비구름(A)으로 전파 에너지 전송에 따라, 안테나 제어부(23)는 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)로 수신된 비구름(A)에서 산란 또는 반사된 전파 에너지의 일부의 수신 정보를 송신 안테나부(22)를 제어하여 강우 레이더(10)로 전송할 수 있다.
한편, 안테나 방향 제어 구동부(24)는 안테나 제어부(23)의 제어신호에 따라 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21), 그리고 송신 안테나부(22)의 방향을 변환시킨다. 한편, 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)과, 송신 안테나부(22)는 하나의 송수신 겸용 파라볼릭 안테나로 형성되거나 개별적인 파라볼릭 안테나 내지는 평판형으로 형성될 수 있다.
안테나 방향 제어 구동부(24)는 안테나 제어부(23)로부터 제어신호를 받아들여 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21), 그리고 송신 안테나부(22)를 회전시키기 위해 스텝핑 모터를 구동시키는 기능을 갖는다.
자이로스코프부(25)는 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21), 그리고 송신 안테나부(22)에 변환각도 데이터를 구현하는 기능을 수행한다.
즉, 자이로스코프부(25)는 회전각 감지 및 제어기로서 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21), 그리고 송신 안테나부(22)에 대한 각도를 검출하여 디지털 신호로 변환하여 안테나 제어부(23)로 공급하며, 안테나 제어부(23)로부터 피드백 제어신호를 수신하여 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21), 그리고 송신 안테나부(22)에 대한 각도를 제어한다.
이러한 구성을 통해 강우 레이더(10)는 높은 전력의 펄스(pulse)를 직경 6 내지 8미터 이상의 대형 파라볼릭 안테나(송수신 겸용)를 이용하여 선택된 비구름(raincloud)(A)에 복사(輻射)하면 비구름(A)에서 산란 또는 반사된 전파 에너지의 일부가 송수신 대형 파라볼릭 안테나로 수신될 뿐만 아니라, 전파 진행 방향에 위치한 0.9 내지 1.2 미터 직경의 펄스 수신점 장치(20)과 연동(連動)하여 작동하게 함으로써, 원거리에서도 정확한 관측이 가능하다. 또한, 이에 따른 관측 범위 확대는 물론 고가의 강우 레이더 설비 규모를 줄임으로써, 비용 감소와 강우 관측 기술 수준과 정확도를 높일 수 있다.
한편, 안테나 제어부(23)는 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)에 수신된 신호의 세기와 형태는 분석을 통하여 비구름의 상태와 강우에 대한 예측을 가능하게 한다. 즉, 안테나 제어부(23)는 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)에 비구름(A)으로부터 반사 또는 산란되어 오는 펄스 신호의 크기로 강수량을 정량적으로 산출하게 된다. 목표물인 비구름(A)에 산란되어 오는 신호(반사도)는 강우 레이더(10)에서 발사되는 펄스 볼륨 내에 존재하는 물방울의 크기분포와 관계가 있으며, 지상에 떨어지는 강수량도 물방울의 크기분포의 함수이므로 안테나 제어부(23)는 레이더 반사도와 지상 강수량과의 Z-R관계식(Z=aRb)을 사용하면 레이더 반사도로부터 지상 강수량을 추정해 낼 수 있다.
실제 반사도와 강수량은 강수입자 직경분포의 함수로써 각각 강수입자 직경의 6승 및 3승에 각각 비례하는데, 우적계(Disdrometer)는 지상으로 떨어지는 강수입자의 크기분포를 관측하기 때문에 이 자료를 이용하여 계산된 반사도 및 강수량은 기준값이라고 할 수 있다.
그리고 안테나 제어부(23)를 이용하여 강수량을 산출하거나 레이더 반사도를 보정할 때에는 전체 고도각의 관측자료를 보간법(interpolation)으로 계산하여 특정 높이(고도)의 반사도 값을 추출한 CAPPI(Constant Altitude Plan Position Indicator)자료 또는 최저 고도각 관측자료 이용한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 다중 펄스 탐지 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 5를 참조하면, 강우 레이더(10)는 송수신 안테나를 통해 비구름(A)에 대한 전파 송수신을 통해 비구름(A)에 의해 반사된 제 1 펄스 신호의 전파 에너지 정보를 획득한다(S10).
이후, 강우 레이더(10) 외에 전파 송신 방향에 추가 배치된 펄스 수신점 장치(20)는 송신 안테나부(22)를 이용해 비구름(A)에 대한 전파 송신 그리고, 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)를 이용해 비구름(A)에 의해 반사된 제 2 펄스 신호의 전파 에너지 정보를 획득한다(S20).
단계(S20)과 동시에 펄스 수신점 장치(20)는 도 5에서 단계(S31) 내지 단계(S33)의 과정을 동시에 수행할 수 있다.
즉, 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)는 강우 레이더(10)로부터 송신되는 펄스 주파수를 수신하여 증폭 변환한 뒤, 송신 안테나부(22)로 전달한다(S31).
단계(S31) 이후, 송신 안테나부(22)는 강우 레이더(10)의 송신용 펄스 주파수 범위에 포함되어 있는 신호 중에 미리 설정된 대역의 1개 채널을 선택하여 복조한 뒤, 복조된 신호를 비구름(A)을 향한 전파 방향으로 레이더 빔을 전송한다(S32).
단계(S32) 이후, 안테나 제어부(23)는 비구름(A)에 대한 전파 송수신을 통한 비구름(A)에 의해 반사된 제 3 펄스 신호의 전파 에너지 정보를 획득한다(S33).
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10: 강우 레이더
20: 펄스 수신점 장치
21: 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부
22: 송신 안테나부
23: 안테나 제어부
24: 안테나 방향 제어 구동부
25: 자이로스코프부

Claims (7)

  1. 송수신 안테나를 통해 비구름(A)에 대한 전파 송수신을 통해 비구름(A)에 의해 반사된 펄스 신호의 전파 에너지 정보를 획득하는 강우 레이더(10); 및
    강우 레이더(10)의 전파 송신 방향에 배치되며, 강우 레이더(10)에 대한 신호를 수신하는 펄스 수신점 장치(20)를 포함하되,
    펄스 수신점 장치(20)는,
    강우 레이더(10)로부터 미리 설정된 주파수 범위의 펄스 주파수 신호를 수신하고 저잡음 주파수 변환 모듈을 통해 수신된 미리 설정된 주파수 범위의 펄스 주파수 신호에 대해 저잡음 증폭함으로써, 펄스 주파수 신호가 미리 설정된 주파수 범위보다 낮은 주파수 범위인 송신용 주파수 범위를 갖도록 변환한 뒤, 송신 안테나부(22)로 전달하는 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21);
    송신용 주파수 범위를 갖는 펄스 주파수 신호에서 미리 설정된 대역의 1개 채널을 선택하여 복조한 뒤, 복조된 신호를 비구름(A)을 향한 전파 방향으로 전송하는 송신 안테나부(22); 및
    비구름(A)에 대한 전파 송수신을 통한 비구름(A)에 의해 반사된 펄스 신호의 전파 에너지 정보를 획득하는 안테나 제어부(23)를 포함하는 것을 특징으로 하는 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)는,
    미리 설정된 주파수 범위를 갖는 펄스 주파수 신호를 강우 레이더(10)로부터 수신하기 위해 모터의 회전축 위에 장착되어 있고, 송신 안테나부(22)에 의해 비구름(A)으로 전파 에너지를 전송시 비구름(A)에 복사(輻射)에 따라 비구름(A)에서 산란 또는 반사된 전파 에너지의 일부를 수신하여 안테나 제어부(23)로 전달하는 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 송신 안테나부(22)는,
    레이더 빔 방향 제어를 위해 모터의 회전축 위에 장착되어 있으며 강우 레이더(10)에서 전송된 주파수만을 수신하여 제 2 관측거리에 있는 비구름(A)으로 전송하며,
    안테나 제어부(23)는,
    강우 레이더(10)의 위치에 따라 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)의 방향을 조절하기 위한 제어신호를 출력하며, 비구름(A)의 위치에 따라 송신 안테나부(22)의 방향을 조절하기 위한 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 안테나 제어부(23)는,
    강우 레이더(10)의 위치 및 비구름(A)의 위치 추적 방법을 실행하여, 안테나 방향 제어 구동부(24)에 제어 신호를 제공하며, 송신 안테나부(22)로부터 송신 신호레벨에 해당하는 전압과 자이로스코프부(25)로부터 송신 안테나부(22)에 대한 회전 각도 정보를 수신하여 비구름(A) 추적 알고리즘을 실행시켜 안테나 방향 제어 구동부(24)에 제어신호를 공급하며,
    비구름(A) 추적 알고리즘에 대해서 강우 레이더(10)에 의해 수행시 강우 레이더(10)가 비구름(A)의 추적정보를 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)를 통해 펄스 수신점 장치(20)로 전송하는 것을 특징으로 하는 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서, 안테나 제어부(23)는,
    수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)로부터 수신 신호레벨에 해당하는 전압과 자이로스코프부(25)로부터 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)에 대한 회전 각도 정보를 수신하여 강우 레이더(10)의 위치 추적 알고리즘을 실행시켜 안테나 방향 제어 구동부(24)에 제어신호를 공급하며,
    강우 레이더(10)의 위치 추적 알고리즘은, 강우 레이더(10)로부터 강우 레이더(10)의 위치정보를 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)를 통해 펄스 수신점 장치(20)로 전송하는 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 강우 레이더 시스템.
  6. 강우 레이더(10)가 송수신 안테나를 통해 비구름(A)에 대한 전파 송수신을 통해 비구름(A)에 의해 반사된 제 1 펄스 신호의 전파 에너지 정보를 획득하는 단계;
    강우 레이더(10)의 전파 송신 방향에 추가 배치된 펄스 수신점 장치(20)는 송신 안테나부(22)를 이용해 강우 레이더(10)의 송신용 펄스 주파수 신호 중에 미리 설정된 대역의 1개 채널을 선택하여 복조하고 송신 안테나부(22)를 이용해 복조된 신호를 비구름(A)을 향한 전파 방향으로 송신하는 단계; 및
    펄스 수신점 장치(20)는 송신 안테나부(22)를 이용해 복조된 신호를 비구름(A)을 향한 전파 방향으로 송신한 후 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)를 이용해 송신 안테나부(22)에서 송신한 복조된 신호가 비구름(A)에 의해 반사된 제 2 펄스 신호의 전파 에너지 정보를 획득하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 다중 펄스 탐지 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    펄스 수신점 장치(20)는 수신 안테나 및 저잡음 증폭 주파수 변환부(21)를 제어하여 강우 레이더(10)로부터 송신되는 펄스 주파수를 수신하여 증폭 변환한 뒤, 송신 안테나부(22)로 전달하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강우 레이더의 관측 성능 향상을 위한 다중 펄스 탐지 방법.
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