KR101714542B1 - 초음파에 의한 파랑계측방법 및 파랑계측 시스템 - Google Patents

초음파에 의한 파랑계측방법 및 파랑계측 시스템 Download PDF

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유키히로 데라다
도시히데 미야케
하루히코 요시다
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히다치 조센 가부시키가이샤
고쿠리츠다이가쿠호우진 도쿄다이가쿠
도쿠리츠교세이호징 고쿠리츠코토센몬갓코키코
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Abstract

부이(1)에 설치된 초음파 송수신기(2)로부터 바다속으로 초음파를 발신하고 또한, 해저에 배치된 3개의 트랜스폰더(3)로부터의 초음파를 시각신호와 함께 수신하고, 그 초음파의 편도전파시간에 의거하여 각 트랜스폰더(3)와 초음파 송수신기(2) 사이의 거리를 검출하고, 이 거리 데이터에 하이패스필터 처리를 실시하여 단주기 변동성분을 추출하고, 이 단주기 변동성분이 초음파 송수신기의 3차원 좌표축의 변위를 미지수로 하는 식과 같아지게 되는 3원1차 방정식을 각 음파 중계기 별로 작성하고, 이 방정식을 풀어서 높이방향의 변위인 파랑높이를 얻는 방법이다.

Description

초음파에 의한 파랑계측방법 및 파랑계측 시스템{METHOD FOR MEASURING SEA WAVES BY MEANS OF ULTRASONIC WAVES, AS WELL AS SEA WAVE MEASURING SYSTEM}
본 발명은, 초음파를 사용한 파랑계측방법 및 파랑계측 시스템에 관한 것이다.
파랑(波浪)의 정상관측(定常觀測), 즉 파랑을 계측하는 경우, 해저에 있어서의 압력변동을 계측하는 수압식 파고계(水壓式波高計)를 사용하는 것이 일반적이었다.
그런데 이 수압식 파고계를 수심이 얕은 해역에서 사용하는 것은 좋지만, 대수심역(大水深域)에서 사용하는 경우에는 해면파에 의한 물입자의 운동이 해저까지 도달하지 않기 때문에, 단주기(短周期)의 파(波)일수록, 수압식 파고계의 감도가 둔감하게 된다.
이 때문에 이 수압식 파고계를 사용하는 경우에는, 로우패스 필터(low-pass filter)를 통과시킨 관측 파형을 얻게 되어 관측 데이터의 정밀도 및 신뢰성이 저하될 수 밖에 없었다.
이에 대해 수압식 파고계에 비하여, 직접 해면의 파형을 얻을 수 있는 점에서 우수한 것이 초음파식 파고계(超音波式波高計)인데, 현재 전국 각지의 연안역에서 널리 사용되고 있다.
이 초음파식 파고계는, 해저에 설치된 송수파기(送受波器)에서 예리한 빔의 초음파 펄스를 해면을 향하여 발사하여 해면으로부터의 반사파를 수신하고, 이 초음파 펄스의 왕복전파시간(해면수위에 상당)을 연속적으로 기록함으로써 해면의 파를 관측하도록 한 것이다[예를 들면 「연안파랑·해상관측 데이터의 분석·활용에 관한 해설서(제3쪽~제4쪽), 재단법인 연안개발 기술연구센터, 2000년 8월 발행」참조].
상기한 종래의 초음파식 파고계에 의하면, 해저에 설치된 송수파기로부터 해면을 향하여 초음파를 발사하고 해면으로부터의 반사파를 수신하도록 되어 있으나, 파랑이 높은 때에는 파도의 부서짐에 따라, 해면이 일렁거림과 함께 다량의 기포가 휩쓸려 들어가서 초음파가 흡수·산란되는 등의 이유로, 계측 정밀도가 저하되고 경우에 따라서는 계측불능으로 되어버리는 문제도 있다.
그래서 본 발명은, 파랑이 높은 경우에도 정밀도 좋게 계측할 수 있는, 초음파를 사용하는 파랑계측방법 및 파랑계측 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 제1측면은, 해면(海面)에 부유(浮遊)하는 부체(浮體)의 변동을 검출함으로써 소정해역에서의 파랑높이를 계측하는 파랑계측방법으로서, 소정해역의 해면에 계류된 부체 하방의 해저 또는 해저근방의 적어도 3곳에 배치된 초음파 송신기(超音波送信機)로부터 발신된 초음파를 상기 부체의 해면 아래에 설치된 초음파 수신기(超音波受信機)에서 수신하고, 상기 각 초음파 송신기로부터 발신된 초음파의 발신부터 수신까지의 전파시간(傳播時間)에 의거하여 이들 각 초음파 송신기와 상기 초음파 수신기 사이의 거리를 검출하고, 이들 각 거리 데이터(距離 data)에 하이패스필터 처리(high pass filter 處理)를 실시하여 단주기 변동성분(短周期變動成分)을 각각 추출(抽出)하고, 상기 초음파 수신기의 초음파 송신기에 대한 방위각(方位角) 및 부각(俯角; 내려본 각)을 계수(係數)로 하는 초음파 수신기의 3차원 좌표축(3次元座標軸)의 변위(變位)를 미지수(未知數)로 하는 식이 상기 추출된 단주기 변동성분과 같아지도록 하는 3원1차 방정식(3元1次方程式)을 각 초음파 송신기 별로 작성함과 아울러 이 3원1차 연립방정식을 풀어서 적어도 단주기 변동성분의 높이방향의 변위를 구하여 파랑높이를 얻는 방법이다.
또한 본 발명의 제2측면은, 해면에 부유하는 부체의 변동을 검출함으로써 소정해역에서의 파랑을 계측하는 파랑계측 시스템으로서, 소정해역의 해면에 계류된 부체와, 이 부체 하방의 해저 또는 해저근방의 적어도 3곳에 배치된 초음파 송신기와, 상기 부체의 해면 아래에 설치되어서 상기 초음파 송신기로부터의 초음파를 수신할 수 있는 초음파 수신기와, 상기 각 초음파 송신기로부터 발신된 초음파의 발신부터 수신까지의 전파시간에 의거하여 이들 각 초음파 송신기와 상기 초음파 수신기 사이의 거리를 검출함으로써 파랑높이를 계측하는 파랑계측장치를 구비하고, 상기 파랑계측장치를, 상기 각 초음파 송신기로부터 발신된 초음파의 발신부터 수신까지의 전파시간에 의거하여 이들 각 초음파 송신기와 상기 초음파 수신기 사이의 거리를 구하는 거리연산부, 이 거리연산부에 의하여 구해진 각 거리 데이터에 대하여 하이패스필터 처리를 실시함으로써 단주기 변동성분을 각각 추출하는 단주기 변동성분 추출부, 및 상기 초음파 수신기의 초음파 송신기에 대한 방위각 및 부각을 계수로 하는 초음파 수신기의 3차원 좌표축의 변위를 미지수로 하는 식이 상기 단주기 변동성분 추출부에 의하여 추출된 단주기 변동성분과 같아지도록 하는 3원1차 방정식을 각 초음파 송신기 별로 작성함과 아울러 이 3원1차 연립방정식을 풀어서 적어도 단주기 변동성분의 높이방향의 변위를 구하여 파랑높이를 얻는 단주기 변동성분 연산부로 구성한 것이다.
또한 본 발명의 제3측면은, 해면에 부유하는 부체의 변동을 검출함으로써 소정해역에서의 파랑높이를 계측하는 파랑계측방법으로서, 소정해역의 해면에 계류된 부체의 해면 아래에 설치된 초음파 송수신기로부터 바다속으로 초음파를 발신하여 당해 부체 하방의 해저 또는 해저근방에 배치된 적어도 3개의 음파 중계기로부터의 초음파를 수신하고, 상기 초음파 송수신기로부터 발신된 초음파의 발신부터 수신까지의 왕복전파시간에 의거하여 각 음파 중계기와 초음파 송수신기 사이의 거리를 검출하고, 이 거리 데이터에 하이패스필터 처리를 실시하여 단주기 변동성분을 추출하고, 음파 중계기에 대한 상기 초음파 송수신기의 방위각 및 부각을 계수로 하는 초음파 송수신기의 3차원 좌표축의 변위를 미지수로 하는 식이 상기 추출된 단주기 변동성분과 같아지도록 하는 3원1차 방정식을 각 음파 중계기 별로 작성함과 아울러 이 3원1차 연립방정식을 풀어서 적어도 단주기 변동성분의 높이방향의 변위를 구하여 파랑높이를 얻는 방법이다.
또한 본 발명의 제4측면은, 해면에 부유하는 부체의 변동을 검출함으로써 소정해역에서의 파랑을 계측하는 파랑계측 시스템으로서, 소정해역의 해면에 계류된 부체와, 이 부체의 해면 아래에 설치되어서 바다속으로 초음파를 발신할 수 있음과 아울러 바다속으로부터의 초음파를 수신할 수 있는 초음파 송수신기와, 상기 부체 하방의 해저 또는 해저근방에 배치되어서 상기 초음파 송수신기로부터의 초음파를 수신하여 발신하는 적어도 3개의 음파 중계기와, 상기 초음파 송수신기로부터 발신된 초음파의 발신부터 수신까지의 왕복전파시간에 의거하여 각 음파 중계기와 초음파 송수신기 사이의 거리를 검출함으로써 파랑높이를 계측하는 파랑계측장치를 구비하고, 상기 파랑계측장치를, 초음파 송수신기에 의한 초음파의 발신부터 수신까지의 왕복전파시간에 의거하여 음파 중계기와 초음파 송수신기 사이의 거리를 구하는 거리연산부, 이 거리연산부에 의하여 구해진 거리 데이터에 대하여 하이패스필터 처리를 실시함으로써 단주기 변동성분을 추출하는 단주기 변동성분 추출부, 및 음파 중계기에 대한 상기 초음파 송수신기의 방위각 및 부각을 계수로 하는 초음파 송수신기의 3차원 좌표축의 변위를 미지수로 하는 식이 상기 단주기 변동성분 추출부에 의하여 추출된 단주기 변동성분과 같아지도록 하는 3원1차 방정식을 각 음파 중계기 별로 작성함과 아울러 이 3원1차 연립방정식을 풀어서 적어도 단주기 변동성분의 높이방향의 변위를 구하여 파랑높이를 얻는 단주기 변동성분 연산부로 구성한 것이다.
또한 본 발명의 제5측면은, 해면에 부유하는 부체의 변동을 검출함으로써 소정해역에서의 파랑높이를 계측하는 파랑계측방법으로서, 소정해역의 해면에 계류된 부체의 해면 아래에 설치된 초음파 송수신기로부터 당해 부체 하방의 해저 또는 해저근방에 배치된 적어도 3개의 음파 중계기에 초음파를 발신하고, 상기 음파 중계기에서 중계된 초음파 및 중계시각을 초음파 송수신기로 수신하여 당해 음파 중계기로부터의 전파시간에 의거하여 각 음파 중계기와 초음파 송수신기 사이의 거리를 검출하고, 이들 각 거리 데이터에 하이패스필터 처리를 실시하여 단주기 변동성분을 추출하고, 음파 중계기에 대한 상기 초음파 송수신기의 방위각 및 부각을 계수로 하는 초음파 송수신기의 3차원 좌표축의 변위를 미지수로 하는 식이 상기 추출된 단주기 변동성분과 같아지도록 하는 3원1차 방정식을 각 음파 중계기 별로 작성함과 아울러 이 3원1차 연립방정식을 풀어서 적어도 단주기 변동성분의 높이방향의 변위를 구하여 파랑높이를 얻는 방법이다.
또한 본 발명의 제6측면은, 해면에 부유하는 부체의 변동을 검출함으로써 소정해역에서의 파랑을 계측하는 파랑계측 시스템으로서, 소정해역의 해면에 계류된 부체와, 이 부체의 해면 아래에 설치되어서 바다속으로 초음파를 발신할 수 있음과 아울러 바다속으로부터의 초음파를 수신할 수 있는 초음파 송수신기와, 상기 부체 하방의 해면 아래에 배치되어서 상기 초음파 송수신기로부터의 초음파를 중계하여 당해 초음파 및 중계시각을 함께 발신하는 적어도 3개의 음파 중계기와, 상기 음파 중계기로부터 발신된 초음파의 발신부터 수신까지의 전파시간에 의거하여 각 음파 중계기와 초음파 송수신기 사이의 거리를 검출함으로써 파랑높이를 계측하는 파랑계측장치를 구비하고, 상기 파랑계측장치를, 상기 음파 중계기로부터 발신된 초음파 및 중계시각을 수신하여 당해 음파 중계기로부터의 전파시간에 의거하여 음파 중계기와 초음파 송수신기 사이의 거리를 구하는 거리연산부, 이 거리연산부에 의하여 구해진 거리 데이터에 대하여 하이패스필터 처리를 실시함으로써 단주기 변동성분을 추출하는 단주기 변동성분 추출부, 및 음파 중계기에 대한 상기 초음파 송수신기의 방위각 및 부각을 계수로 하는 초음파 송수신기의 3차원 좌표축의 변위를 미지수로 하는 식이 상기 단주기 변동성분 추출부에 의하여 추출된 단주기 변동성분과 같아지도록 하는 3원1차 방정식을 각 음파 중계기 별로 작성함과 아울러 이 3원1차 연립방정식을 풀어서 적어도 단주기 변동성분의 높이방향의 변위를 구하여 파랑높이를 얻는 단주기 변동성분 연산부로 구성한 것이다.
본 발명의 제1 및 제2측면에 의하면, 해저 또는 해저근방의 적어도 3곳에 배치된 초음파 송신기에서 초음파를 해면을 향하여 발신함과 아울러 부체(浮體)의 해면 아래에 설치된 초음파 수신기에서 수신하고, 이 초음파의 편도전파시간을 검출하여 부체와 초음파 송신기 사이의 거리를 측정할 때에, 이 측정된 거리 데이터에 하이패스필터 처리를 실시함으로써, 즉 장주기 변동성분(長周期 變動性分)을 제거하여 해수의 영향을 포함하지 않는 단주기 변동성분(短周期 變動性分)만을 추출함으로써 파랑높이를 계측하도록 하였기 때문에, 종래처럼 해저에 설치된 초음파의 송수파기에서 해면을 향하여 초음파를 발사하고 이를 해면에서 반사시켜서 계측하는 방식에 비하여, 해면의 영향을 받지 않는다. 즉 파랑이 높은 경우에도 파랑높이를 정밀도 좋게 계측할 수 있기 때문에, 계측불능으로 되는 경우도 거의 없다.
본 발명의 제3 및 제4측면에 의하면, 해면에 부유하는 부체의 해면 아래에 설치된 초음파 송수신기에서 바다속을 향하여 초음파를 발사하여 해저 또는 해저근방에 배치된 음파 중계기로부터의 초음파를 상기 초음파 송수신기로 수신하고, 이 초음파의 왕복전파시간을 검출하여 부체와 음파 중계기 사이의 거리를 측정할 때에, 이 측정된 거리 데이터에 하이패스필터 처리를 실시함으로써, 즉 장주기 변동성분을 제거하여 해수의 영향을 포함하지 않는 단주기 변동성분 만을 추출함으로써 파랑높이를 계측하도록 하였기 때문에, 종래처럼 해저에 설치된 초음파의 송수파기에서 해면을 향하여 초음파를 발사하고 이를 해면에서 반사시켜서 계측하는 방식에 비하여, 해면의 영향을 받지 않는다. 즉 파랑이 높은 경우에도 파랑높이를 정밀도 좋게 계측할 수 있기 때문에, 계측불능으로 되는 경우도 거의 없다.
본 발명의 제5 및 제6측면에 의하면, 해면에 부유하는 부체의 해면 밑에서부터 바다속을 향하여 초음파를 발사하여 해저 또는 해저근방에 배치된 적어도 3개의 초음파 중계기로부터의 초음파를 그 발신시각과 함께 부체에 설치된 초음파 송수신기로 수신하고, 이 초음파의 편도전파시간을 검출하여 부체와 초음파 중계기 사이의 거리를 측정할 때에, 이 측정된 거리 데이터에 하이패스필터 처리를 실시함으로써, 즉 장주기 변동성분을 제거하여 해수의 영향을 포함하지 않는 단주기 변동성분 만을 추출함으로써 파랑높이를 계측하도록 하였기 때문에, 종래처럼 해저에 설치된 초음파의 송수파기에서 해면을 향하여 초음파를 발사하고 이를 해면에서 반사시켜서 계측하는 방식에 비하여, 해면의 영향을 받지 않는다. 즉 파랑이 높은 경우에도 파랑높이를 정밀도 좋게 계측할 수 있고, 따라서 계측불능으로 되는 경우도 거의 없다.
도1은 본 발명의 실시예1에 관한 파랑계측 시스템의 개략적인 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도2는 동(同) 파랑계측 시스템에 있어서의 계측원리를 설명하는 좌표계를 나타내는 사시도이다.
도3은 동 파랑계측 시스템에 있어서의 파랑계측장치의 개략적인 구성을 나타내는 블럭도이다.
도4는 본 발명의 실시예2에 관한 파랑계측 시스템의 개략적인 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도5는 동 파랑계측 시스템에 있어서의 계측원리를 설명하는 좌표계를 나타내는 사시도이다.
도6은 동 파랑계측 시스템에 있어서의 파랑계측장치의 개략적인 구성을 나타내는 블럭도이다.
도7은 본 발명의 실시예3에 관한 파랑계측 시스템의 개략적인 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도8은 동 파랑계측 시스템에 있어서의 계측원리를 설명하는 좌표계를 나타내는 사시도이다.
도9는 동 파랑계측 시스템에 있어서의 파랑계측장치의 개략적인 구성을 나타내는 블럭도이다.
[실시예1]
이하 본 발명의 실시예1에 관한, 초음파를 사용한 파랑계측방법 및 파랑계측 시스템에 대하여 설명한다.
본 실시예1에 있어서는, 연안해역 뿐만 아니라, 특히 대수심해역에서의 파랑높이를, 수중으로 발신(발사)된 초음파를 사용하여 계측하는 것으로 하여서 설명한다.
이 파랑계측 시스템은, 도1~도3에 도시된 바와 같이 계류용 밧줄(mooring cable)(T)에 의하여 대수심해역(大水深海域)의 해면에 부유(浮遊)·계류(係留)됨과 아울러 초음파를 수신할 수 있는 초음파 수신기(2)가 설치된 부체(浮體)인 부이(buoy)(1)와, 이 부이(1)의 대략 바로 아래의 해저근방에 배치되어서 해면을 향하여 초음파를 발신할 수 있는 적어도 3개의 초음파 송신기(3)와, 이들 각 초음파 송신기(3)로 발신된 초음파를 상기 초음파 수신기(2)로 수신하여 부이(1)의 3차원위치를 검출함으로써 파랑높이를 계측하는 파랑계측장치(4)로 구성되어 있다. 상기 초음파 수신기(2)는 부이(1)의 하단부, 즉 바다속에 설치되어 있다. 또한 상기 초음파 송신기(3)의 통모양 용기본체(3a) 내에는 초음파를 발신하는 송신기 본체가 내장되어 있다.
그런데 상기 각 초음파 송신기(3)는 해저에 투하된, 예컨대 닻(5)에 밧줄체(6)를 통하여 계류된 상태로 이동이 가능하지만, 대수심해역의 해저부근에서는 해류가 거의 없기 때문에 정지상태 즉 고정된 것으로 간주해도 좋다. 또한, 초음파 송신기(3)를 직접 해저에 투하하여 설치해도 좋다.
다음으로 파랑계측장치(4)에 대하여 설명한다.
이 파랑계측장치(4)는, 부이(1)에 설치된 초음파 수신기(2)와 3개의 초음파 송신기(3) 사이의 거리를 연속적으로 측정함으로써 부이(1)의 변동, 즉 해면의 변위를 검출하여 파랑높이를 계측하는 것이다. 또, 이 파랑계측장치(4)는, 초음파 송신기(3)로부터 발신된 초음파를 수신한 데이터가 있으면, 어디에 위치시켜도 파랑높이를 연산에 의하여 구할 수 있다. 따라서, 통상적으로, 이 파랑계측장치(4)는 육상의 기지국(K)에 배치되기 때문에 초음파 수신기(2)에서 수신된 데이터, 예를 들면 시간데이터가 위성(S) 등을 통하여 기지국(K)으로 송신되어서, 이 기지국(K)에 설치된 파랑계측장치(4)에 의하여 구해진다. 물론, 부이(1) 측에 파랑계측장치(4)를 배치함과 아울러 이 파랑계측장치(4)에 의하여 구해진 파랑높이를, 위성(S)을 통하여 기지국(K) 등의 소정의 장소에 송신하도록 하여도 좋다.
우선, 초음파를 사용하여 파랑높이를 검출하는 원리에 대하여 간단하게 설명한다.
본 발명에 관한 파랑높이의 계측방법은, 해면에 부유하는 부이(1)의 3차원위치를 계측하여 해면의 변위(변동량)을 계측하는 것으로서, 간단히 말하면 초음파 송신기(3)에 대한 부이(1)의 변위를 검출하는 것이다. 이 검출에 있어서는, 부이(1)와 초음파 송신기(3) 사이의 거리가 초음파를 사용하여 측정된다. 즉 부이(1)에 설치된 초음파 수신기(2)와 대수심해역의 해저(또는 해저근방)에 배치한 초음파 송신기(3) 사이의 거리를 초음파의 전파시간을 사용하여 측정하는 것이지만, 그 측정에 있어서는 해수의 영향을 크게 받게 된다. 구체적으로 말하면, 초음파의 속도는 해수의 온도, 압력, 염분농도에 의하여 크게 변화하기 때문에, 이들의 변동성분을 제거할 필요가 있다.
그래서 본 실시예1에서는, 초음파 수신기(2)와 초음파 송신기(3) 사이의 해수의 온도, 압력 및 염분농도 분포의 시간변화가 긴 것, 바꿔 말하면, 이 시간변화가 파랑에 의한 부이의 상하이동의 주기보다 훨씬 긴 것에 착안하여 해수에 의한 영향을 제거하도록 한 것이다.
구체적으로 부이의 변위(변동)에는, 해수의 영향에 의한 장주기 변동성분(長周期 變動性分)과 파랑에 의한 단주기 변동성분(短周期 變動性分)이 포함되어 있고, 따라서 부이의 변위로부터 장주기 변동성분을 제거함으로써 단주기 변동성분인 파랑높이를 구할 수 있다.
이하, 파랑높이를 구하는 순서에 대하여 설명한다.
여기에서는, 부이(1)의 소정의 위치에 설치되어 있는 초음파 수신기(2)의 설치위치를 관측점(P)이라고 칭하여 설명한다.
우선, 관측점(P)과 초음파 송신기(3)(i;i=1,2,3) 사이의 거리를 ρi, 장주기 변동성분을 ρi1, 단주기 변동성분을 ρi2 라고 하면, 하기 (1)식의 관계가 성립한다. 또, 이하의 식에 있어서는, 장주기 변동성분(ρi1)은 「해트(hat)ρi;
Figure 112012010471886-pct00001
」로, 또 단주기 변동성분(ρi2)은 「틸드(tilde)ρi;
Figure 112012010471886-pct00002
」로 나타내고 있다.
[수식1]
Figure 112012010471886-pct00003
따라서 부이(1)의 초음파 수신기(2)의 설치위치인 관측점(P)의 3차원 좌표위치(x, y, z)를, 장주기 변동성분의 3차원 좌표위치(x1, y1, z1) 및 단주기 변동성분의 3차원 좌표위치(x2, y2, z2)로 나타내면, 하기 (2)식과 같이 된다.
[수식2]
Figure 112012010471886-pct00004
그리고 단주기 변동성분(x2, y2, z2)은, 관측점(P)과 초음파 송신기(3) 사이의 거리(ρi)에 비하여 충분히 작으므로, 하기 (3)식이 성립한다.
[수식3]
Figure 112012010471886-pct00005
상기 (3)식의 (ex i, ey i, ez i)는 관측점(P)으로부터 초음파 송신기(3)로의 벡터의 3차원 좌표성분 즉 단위벡터이며, 도2에 나타나 있는 바와 같이 관측점(P)에서 바라본 초음파 송신기(3)의 부각(俯角; 내려본 각)(θi) 및 방위각(ψi)을 사용하여 나타내면 하기 (4)식과 같이 된다.
[수식4]
Figure 112012010471886-pct00006
즉 부각(θi) 및 방위각(ψi)를 계측함으로써 (ex i, ey i, ez i)를 미리 알게 된다. 또, 이들 각도(θi, ψi)에 대해서는, 부이(1) 및 초음파 송신기(3)의 설치시에 계측할 수 있다.
그리고 (1)식과 (3)식 및 (4)식으로부터, 하기 (5)식이 성립한다.
[수식5]
Figure 112012010471886-pct00007
따라서 3개의 초음파 송신기(3)(i)에 의하여 상기 (5)식의 3원1차 방정식이 3개(i=1,2,3) 얻어지게 되고, 이들 3개의 3원1차 연립방정식을 푸는 것에 의하여 단주기 변동성분을 구할 수 있다. 이 단주기 변동성분에 있어서 상기 단위벡터 방향의 3개의 x, y, z 성분 중, 상하방향인 z성분이 파랑높이에 상당하는 것이다. 즉 관측점(P)과 해저의 초음파 송신기(3) 사이의 단주기 변동성분(ρi2) 를 알면, 파랑높이가 구해지게 된다.
그런데 관측점(P)과 해저의 초음파 송신기(3) 사이의 거리(ρi)에 대해서는, 초음파 송신기(3)로부터 발신된 초음파가 관측점(P)에 도달할 때까지의 전파시간을 ti, 기준음속을 고정값c (실제의 음속은 바다속에서 크게 변화되지만, 예를 들면 평년의 해면부근의 온도에 대응하는 음속값을 사용해도 지장이 없다)라고 하면, 하기 (6)식에 의하여 구해진다.
Figure 112012010471886-pct00008
그리고 상기 (6)식으로 나타내지는 거리 데이터(ρi)에 적절한 하이패스필터 처리를 실시하여 장주기 변동성분(ρi1)을 제거함으로써 단주기 변동성분(ρi2)이 구해진다.
또, 초음파 송신기(3)로부터 발신되어서 초음파 수신기(2)로 수신할 때까지의 초음파의 편도전파시간을 검출하는 데에도, 당연히 초음파 수신기(2) 측에서, 초음파 송신기(3)로부터 초음파가 발신되는 타이밍, 즉 시각을 알 수 있도록 되어 있다. 즉 정밀도 좋은 시계가 초음파 수신기(2) 및 초음파 송신기(3)에 설치됨과 아울러 양자의 시간이 일치하도록 되어 있어, 초음파 송신기(3)로부터 발신되는 시각을 미리 알 수 있다.
여기서 상기한 파랑높이의 계측을 실행할 수 있는 파랑계측장치(4)에 대하여 설명한다.
이 파랑계측장치(4)는, 도3에 나타나 있는 바와 같이 초음파 송신기(3)로부터 발신(발사)된 초음파를 초음파 수신기(2)로 수신할 때까지의 시간(ti)를 검출하여 부이(1)와 초음파 송신기(3) 사이의 거리(ρi)를 상기 (6)식에 의거하여 연산하는 거리연산부(距離演算部)(11)와, 이 거리연산부(11)에 의하여 구해진 거리 데이터에 하이패스필터 처리를 실시하여 장주기 변동성분(ρi1)을 제거하여 단주기 변동성분(ρi2)을 추출하는 단주기 변동성분 추출부(短周期 變動成分 抽出部)(12)와, 이 단주기 변동성분 추출부(12)에 의하여 얻어진 단주기 변동성분(ρi2)에 의거하여 3개의 초음파 송신기(3)에 대하여 3원1차 방정식을 작성하는 방정식 작성부(方程式 作成部)(13)와, 이 방정식 작성부(13)에 의하여 얻어진 3원1차 연립방정식을 푸는 방정식해 연산부(方程式解 演算部)(14)로 구성되어 있다. 또한, 적어도 거리연산부(11), 단주기 변동성분 추출부(12), 방정식 작성부(13), 방정식해 연산부(14) 등에 있어서는, 프로그램에 의하여 그 기능이 실현된다. 물론 필요에 따라, 각 구성부는 동일한 프로그램으로 짜여져 있지만, 여기에서는 설명을 쉽게 하기 위해서 기능에 따른 구성부의 이름으로써 설명을 하고 있다.
상기 구성에 있어서, 파랑높이의 계측방법에 대하여 설명한다.
해저의 각 초음파 송신기(3)로부터 해면을 향하여 발신된 초음파가, 해면에 부유하는 부이(1)에 설치된 초음파 수신기(2)로 수신되어서, 이 초음파 수신기(2)와 각 초음파 송신기(3) 사이의 전파시간(ti)가 검출되면, 거리연산부(11)에 의하여 초음파 수신기(2)와 각 초음파 송신기(3) 사이의 거리(ρi)가 구해진다.
다음으로 이 거리 데이터가 단주기 변동성분 추출부(12)에 입력되고, 여기에서 단주기 변동성분(ρi2)이 추출된다.
다음으로 이 추출된 단주기 변동성분(ρi2)이 방정식 작성부(13)에 입력되어서 3개의 초음파 송신기(3)에 대하여 상기 (5)식에 의거하는 3원1차 방정식이 각각 작성된다.
그리고 이 작성된 3원1차 연립방정식이 방정식해 연산부(14)에 입력되어서 3개의 미지수인 x, y, z가 구해지는데, 이 중 z성분이 파랑높이로서 추출된다.
이와 같이 상기 파랑계측방법 및 파랑계측 시스템에 의하면, 해저 또는 해저근방의 3곳에 배치된 초음파 송신기에서 해면을 향하여 초음파를 발신함과 아울러 부이의 해면 아래에 설치된 초음파 수신기에서 수신하고, 이 초음파의 편도전파시간을 검출하여 부이와 초음파 송신기 사이의 거리를 측정할 때에, 이 측정된 거리 데이터에 하이패스필터 처리를 실시함으로써, 즉 장주기 변동성분을 제거하여 해수의 영향을 포함하지 않는 단주기 변동성분 만을 추출함으로써 파랑높이를 계측하도록 하였기 때문에, 종래처럼 해저에 설치된 초음파의 송수파기에서 해면을 향하여 초음파를 발사하고 이를 해면에서 반사시켜서 계측하는 방식에 비하여, 해면의 영향을 받지 않는다. 즉 파랑이 높은 경우에도 파랑높이를 정밀도 좋게 계측할 수 있기 때문에, 계측불능으로 되는 경우도 거의 없다.
[실시예2]
다음으로 본 발명의 실시예2에 관한, 초음파를 사용한 파랑계측방법 및 파랑계측 시스템에 대하여 설명한다.
상기 실시예1에 있어서는, 해저에 배치된 초음파 송신기로부터 발신된 초음파를 부이에 설치된 초음파 수신기에서 수신하여 초음파의 편도전파시간을 검출하도록 했지만, 본 실시예2에 있어서는, 부이에 설치된 초음파 송수신기로부터 발신된 초음파를 해저에 배치된 트랜스폰더(transponder; 음파 중계기)에서 수신하여 발신된, 즉 중계된 초음파의 왕복전파시간을 검출하도록 한 것이다.
또한 본 실시예2에 대해서는, 실시예1과 마찬가지로 처음부터 설명하는 것으로 한다.
이 파랑계측 시스템은, 도4~도6에 나타나 있는 바와 같이 계류용 케이블(T)에 의하여 대수심해역의 해면에 부유(浮遊)·계류(係留)됨과 아울러 수중에 초음파를 발사하는 초음파의 발신 및 수신을 할 수 있는 초음파 송수신기(22)가 설치된 부체인 부이(21)와, 이 부이(21)의 대략 바로 아래인 해저근방에 배치되어서 상기 초음파 송수신기(22)로부터 발신된 초음파를 수신함과 아울러 이 초음파를 증폭시켜서 해면을 향하여 발신할 수 있는(중계를 하는) 적어도 3개의 트랜스폰더(음파 중계기)(23)와, 이들 각 트랜스폰더(23)로 발신된 초음파를 상기 초음파 송수신기(22)로 수신하여 부이(21)의 3차원위치를 검출함으로써 파랑높이를 계측하는 파랑계측장치(24)로 구성되어 있다. 상기 초음파 송수신기(22)는, 부이(21)의 하단부, 즉 바다속에 설치되어 있다. 또한 상기 트랜스폰더(23)의 통모양 용기본체(23a) 내에는 초음파를 수신함과 아울러 이 초음파를 증폭하여 발신하는 중계기 본체가 내장되어 있다.
그런데 상기 각 트랜스폰더(23)는 해저에 투하된, 예를 들면 닻(25)에 밧줄체(26)를 통하여 계류된 상태로 이동이 가능하지만, 대수심해역의 해저부근에서는 해류가 거의 없기 때문에 정지상태 즉 고정된 것으로 간주해도 좋다. 또한, 트랜스폰더(23)를 직접 해저에 투하하여 설치해도 좋다.
다음으로 파랑계측장치(24)에 대하여 설명한다.
이 파랑계측장치(24)는, 부이(21)에 설치된 초음파 송수신기(22)와 3개의 트랜스폰더(23) 사이의 거리를 연속적으로 측정함으로써 부이(21)의 변동, 즉 해면의 변위를 검출하여 파랑높이를 계측하는 것이다. 또, 이 파랑계측장치(24)는, 초음파 송수신기(22)로부터 발신된 초음파가 트랜스폰더(23)에 의하여 중계되고 이 중계된 초음파를 수신한 데이터가 있으면, 어디에 위치시켜도 파랑높이를 연산에 의하여 구할 수 있다. 따라서 통상적으로, 이 파랑계측장치(24)는 육상의 기지국(K)에 배치되기 때문에 초음파 송수신기(22)에서 수신된 데이터, 예를 들면 시간데이터가 위성(S) 등을 통하여 기지국(K)으로 송신되어서, 이 기지국(K)에 설치된 파랑계측장치(24)에 의하여 구해진다. 물론, 부이(21) 측에 파랑계측장치(24)를 배치함과 아울러 이 파랑계측장치(24)에 의하여 구해진 파랑높이를, 위성(S)을 통하여 기지국(K) 등의 소정의 장소에 송신하도록 하여도 좋다.
우선, 초음파를 사용하여 파랑높이를 검출하는 원리에 대하여 간단하게 설명한다.
본 발명에 관한 파랑높이의 계측방법은, 해면에 부유하는 부이(21)의 3차원위치를 계측하여 해면의 변위(변동량)을 계측하는 것으로서, 간단히 말하면 트랜스폰더(23)에 대한 부이(21)의 변위를 검출하는 것이다. 이 검출에 있어서는, 부이(21)와 트랜스폰더(23) 사이의 거리가 초음파를 사용하여 측정된다. 즉 부이(21)에 설치된 초음파 송수신기(22)와 대수심해역의 해저(또는 해저근방)에 배치된 트랜스폰더(23) 사이의 거리를 초음파의 전파시간을 사용하여 측정하는 것이지만, 그 측정에 있어서는 해수의 영향을 크게 받게 된다. 구체적으로 말하면, 초음파의 속도는 해수의 온도, 압력, 염분농도에 의하여 크게 변화하기 때문에, 이들의 변동성분을 제거할 필요가 있다.
그래서 본 실시예2에서는, 초음파 송수신기(22)와 트랜스폰더(23) 사이의 해수의 온도, 압력 및 염분농도의 분포의 시간변화가 긴 것, 바꿔 말하면, 이 시간변화가 파랑에 의한 부이의 상하이동의 주기보다 훨씬 긴 것에 착안하여 해수에 의한 영향을 제거하도록 한 것이다.
구체적으로 부이의 변위(변동)에는, 해수의 영향에 의한 장주기 변동성분과 파랑에 의한 단주기 변동성분이 포함되어 있고, 따라서 부이의 변위로부터 장주기 변동성분을 제거함으로써 단주기 변동성분인 파랑높이를 구할 수 있다.
이하, 파랑높이를 구하는 순서에 대하여 설명한다.
여기에서는, 부이(21)의 소정의 위치에 설치되어 있는 초음파 송수신기(22)의 설치위치를 관측점(P)이라고 칭하여 설명한다.
우선, 관측점(P)과 트랜스폰더(23)(i;i=1,2,3) 사이의 거리를 ρi, 장주기 변동성분을 ρi1, 단주기 변동성분을 ρi2 라고 하면, 하기 (11)식의 관계가 성립한다. 또, 이하의 식에 있어서는, 장주기 변동성분(ρi1)은 「해트ρi;
Figure 112012010471886-pct00009
」로, 또 단주기 변동성분(ρi2)은 「틸드ρi;
Figure 112012010471886-pct00010
」로 나타내고 있다.
[수식6]
Figure 112012010471886-pct00011
따라서 부이(21)의 초음파 송수신기(22)의 설치위치인 관측점(P)의 3차원 좌표위치(x, y, z)를, 장주기 변동성분의 3차원 좌표위치(x1, y1, z1) 및 단주기 변동성분의 3차원 좌표위치(x2, y2, z2)로 나타내면, 하기 (12)식과 같이 된다.
[수식7]
Figure 112012010471886-pct00012
그리고 단주기 변동성분(x2, y2, z2)은, 관측점(P)과 트랜스폰더(23) 사이의 거리(ρi)에 비하여 충분히 작으므로, 하기 (13)식이 성립한다.
[수식8]
Figure 112012010471886-pct00013
상기 (13)식의 (ex i, ey i, ez i)는 관측점(P)으로부터 트랜스폰더(23)로의 벡터의 3차원 좌표성분 즉 단위벡터이며, 도5에 나타나 있는 바와 같이 관측점(P)에서 바라본 트랜스폰더(23)의 부각(θi) 및 방위각(ψi)를 사용하여 나타내면 하기 (14)식과 같이 된다.
[수식9]
Figure 112012010471886-pct00014
즉 부각(θi) 및 방위각(ψi)를 계측함으로써 (ex i, ey i, ez i)를 미리 알게 된다. 또, 이들 각도(θi, ψi)에 대해서는, 부이(21) 및 트랜스폰더(23)의 설치시에 계측할 수 있다.
그리고 (11)식과 (13)식 및 (14)식으로부터, 하기 (15)식이 성립한다.
[수식10]
Figure 112012010471886-pct00015
따라서 3개의 트랜스폰더(23)(i)에 의하여 상기 (15)식의 3원1차 방정식이 3개(i=1,2,3) 얻어지게 되고, 이들 3개의 3원1차 연립방정식을 푸는 것에 의하여 단주기 변동성분을 구할 수 있다. 이 단주기 변동성분에 있어서 상기 단위벡터 방향의 3개의 x, y, z 성분 중, 상하방향인 z성분이 파랑높이에 상당하는 것이다. 즉 관측점(P)과 해저의 트랜스폰더(23) 사이의 단주기 변동성분(ρi2)을 알면, 파랑높이가 구해지게 된다.
그런데 관측점(P)과 해저의 트랜스폰더(23) 사이의 거리(ρi)에 대해서는, 관측점(P)으로부터 발신된 초음파의 왕복전파시간을 ti, 기준음속을 고정값c (실제의 음속은 바다속에서 크게 변화되지만, 예를 들면 평년의 해면부근의 온도에 대응하는 음속값을 사용해도 지장이 없다)라고 하면, 하기 (16)식에 의하여 구해진다.
Figure 112012010471886-pct00016
그리고 상기 (16)식으로 나타내지는 거리 데이터(ρi)에 적절한 하이패스필터 처리를 실시하여 장주기 변동성분(ρi1)을 제거함으로써 단주기 변동성분(ρi2)이 구해진다.
여기에서 상기한 파랑높이의 계측을 실행할 수 있는 파랑계측장치(24)에 대하여 설명한다.
이 파랑계측장치(24)는, 도6에 나타나 있는 바와 같이 부이(21)로부터 발신(발사)된 초음파를 트랜스폰더(23)를 통하여 수신할 때까지의 시간(ti)을 검출하여 부이(21)와 트랜스폰더(23) 사이의 거리(ρi)를 상기 (6)식에 의거하여 연산하는 거리연산부(31)와, 이 거리연산부(31)에 의하여 구해진 거리 데이터에 하이패스필터 처리를 실시하여 장주기 변동성분(ρi1)을 제거하여 단주기 변동성분(ρi2)을 추출하는 단주기 변동성분 추출부(32)와, 이 단주기 변동성분 추출부(32)에 의하여 얻어진 단주기 변동성분(ρi2)에 의거하여 3개의 트랜스폰더(23)에 대하여 3원1차 방정식을 작성하는 방정식 작성부(33)와, 이 방정식 작성부(33)에 의하여 얻어진 3원1차 연립방정식을 푸는 방정식해 연산부(34)로 구성되어 있다. 또한, 적어도 거리연산부(31), 단주기 변동성분 추출부(32), 방정식 작성부(33), 방정식해 연산부(34) 등에 있어서는, 프로그램에 의하여 그 기능이 실현된다. 물론 필요에 따라, 각 구성부는 동일한 프로그램으로 짜여져 있지만, 여기에서는 설명을 쉽게 하기 위해서 기능에 따른 구성부의 이름으로써 설명을 하고 있다.
상기 구성에 있어서, 파랑높이의 계측방법에 대하여 설명한다.
해면에 부유하는 부이(21)의 초음파 송수신기(22)로부터 수중을 향하여 초음파가 발신되어 트랜스폰더(23)에서 수신되고, 이 수신과 동시에 그 초음파가 해면을 향하여 발신된다(바꿔 말하면, 초음파가 중계된다).
이 초음파는 초음파 송수신기(22)에서 수신되어 각 트랜스폰더(23)와의 왕복전파시간(ti)가 검출되면, 거리연산부(31)에서 초음파 송수신기(22)와 각 트랜스폰더(23) 사이의 거리(ρi)가 구해진다.
다음으로 이 거리 데이터가 단주기 변동성분 추출부(32)에 입력되고, 여기에서 단주기 변동성분(ρi2)이 추출된다.
다음으로 이 추출된 단주기 변동성분(ρi2)이 방정식 작성부(33)에 입력되어서 3개의 트랜스폰더(23)에 대하여 상기 (15)식에 의거하는 3원1차 방정식이 각각 작성된다.
그리고 이 작성된 3원1차 연립방정식이 방정식해 연산부(34)에 입력되어서 3개의 미지수인 x, y, z가 구해지는데, 이 중 z성분이 파랑높이로서 추출된다.
이와 같이 상기 파랑계측방법 및 파랑계측 시스템에 의하면, 해면에 부유하는 부이의 해면 아래에 설치된 초음파 송수신기에서 바다속을 향하여 초음파를 발사하여 해저(또는 해저근방)에 배치된 3개의 트랜스폰더로부터의 초음파를 상기 초음파 송수신기로 수신하고, 이 초음파의 왕복전파시간을 검출하여 부이와 각 트랜스폰더 사이의 거리를 측정할 때에, 이 측정된 각 거리 데이터에 하이패스필터 처리를 실시함으로써, 즉 장주기 변동성분을 제거하여 해수의 영향을 포함하지 않는 단주기 변동성분 만을 추출함으로써 파랑높이를 계측하도록 했기 때문에, 종래처럼 해저에 설치된 초음파 송수파기로부터 해면을 향하여 초음파를 발사하고 이를 해면에서 반사시켜서 계측하는 방식에 비하여, 해면의 영향을 받지 않는다. 즉 파랑이 높은 경우에도 파랑높이를 정밀도 좋게 계측할 수 있기 때문에, 계측불능으로 되는 경우도 거의 없다.
[실시예3]
다음으로 본 발명의 실시예3에 관한, 초음파를 사용한 파랑계측방법 및 파랑계측 시스템에 대하여 설명한다.
상기 실시예2에 있어서는, 부이의 해면 아래에 설치된 초음파 송수신기로부터 발신된 초음파를 해저근방에 배치된 트랜스폰더(음파 중계기)에서 수신하여 발신된, 즉 중계된 초음파의 왕복전파시간을 검출하도록 했지만, 본 실시예3에 있어서는 트랜스폰더에서 중계된 초음파의 편도전파시간을 검출하도록 한 것이다.
본 실시예3에 있어서도, 실시예2와 마찬가지로 처음부터 설명하는 것으로 한다.
이 파랑계측 시스템은, 도7~도9에 나타나 있는 바와 같이 계류용 케이블(T)에 의하여 대수심해역의 해면에 부유·계류됨과 아울러, 수중에 초음파를 발사하는 초음파의 발신 및 수신을 할 수 있는 초음파 송수신기(42)가 설치된 부체인 부이(41)와, 이 부이(41)의 대략 바로 아래인 해저에 배치되어서 상기 초음파 송수신기(42)로부터 발신된 초음파를 수신함과 아울러 이 초음파를 증폭시켜서 해면을 향하여 발신할 수 있는(중계를 하는) 적어도 3개의 트랜스폰더(음파 중계기)(43)와, 이들 각 트랜스폰더(43)로 발신된 초음파를 상기 초음파 송수신기(42)로 수신하여 부이(41)의 3차원위치를 검출함으로써 파랑높이를 계측하는 파랑계측장치(44)로 구성되어 있다. 상기 초음파 송수신기(42)는, 부이(41)의 하단부, 즉 바다속에 설치되어 있다. 또한 상기 트랜스폰더(43)의 통모양 용기본체(43a) 내에는 초음파를 수신함과 아울러 이 초음파를 증폭하여 발신하는 중계기 본체가 내장되어 있다.
그리고 이들 각 트랜스폰더(43)에는 정밀도 좋은 시계가 설치되어 있고, 초음파를 수신하여 발신할 때에 그 발신시각(중계시각 이라고도 말할 수 있다)의 신호도 함께 발신되며, 또 초음파 송수신기(42) 측에도 트랜스폰더(43)에 설치되어 있는 시계와 동기화 된(같은 시각의) 시계가 설치되어, 초음파의 발신부터 수신까지의 편도전파시간을 검출할 수 있도록 되어있다.
그런데 상기 각 트랜스폰더(43)는 해저에 투하된, 예를 들면 닻(45)에 밧줄체(46)를 통하여 계류된 상태로 이동이 가능하지만, 대수심해역의 해저부근에서는 해류가 거의 없기 때문에 정지상태 즉 고정된 것으로 간주해도 좋다. 또, 트랜스폰더(43)를 직접 해저에 투하하여 설치해도 좋다.
다음으로 파랑계측장치(44)에 대하여 설명한다.
이 파랑계측장치(44)는, 부이(41)와 3개의 트랜스폰더(43) 사이의 거리를 연속적으로 측정함으로써 부이(41)의 변동, 즉 해면의 변위를 검출하는 것이다. 또, 이 파랑계측장치(44)는, 초음파 송수신기(42)로부터 발신된 초음파가 트랜스폰더(43)에 의하여 중계되고 이 중계된 초음파를 수신한 데이터가 있으면, 어디에 위치시켜도 파랑높이를 연산에 의하여 구할 수 있다. 따라서 통상적으로, 이 파랑계측장치(44)는 육상의 기지국(K)에 배치되기 때문에 초음파 송수신기(42)에서 수신된 데이터, 예를 들면 시간데이터가 위성(S) 등을 통하여 기지국(K)에 송신되어서, 이 기지국(K)에 설치된 파랑계측장치(24)에 의하여 구해진다. 물론, 부이(41) 측에 파랑계측장치(44)를 배치함과 아울러 이 파랑계측장치(44)에 의하여 구해진 파랑높이를, 위성(S)을 통하여 기지국(K) 등의 소정의 장소에 송신하도록 하여도 좋다.
우선, 초음파를 사용하여 파랑높이를 검출하는 원리에 대하여 간단하게 설명한다.
본 발명에 관한 파랑높이의 계측방법은, 해면에 부유하는 부이(41)의 3차원위치를 계측하여 해면의 변위(변동량)을 계측하는 것으로서, 간단히 말하면 트랜스폰더(43)에 대한 부이(41)의 변위를 검출하는 것이다. 이 검출에 있어서는, 부이(41)와 트랜스폰더(43) 사이의 거리가 초음파를 사용하여 측정된다. 즉 부이(41)에 설치된 초음파 송수신기(42)와 대수심해역의 해저(또는 해저근방)에 배치된 트랜스폰더(43) 사이의 거리를 초음파의 전파시간을 사용하여 측정하는 것이지만, 그 측정에 있어서는 해수의 영향을 크게 받게 된다. 구체적으로 말하면, 초음파의 속도는 해수의 온도, 압력, 염분농도에 의하여 크게 변화하기 때문에, 이들의 변동성분을 제거할 필요가 있다.
그래서 본 실시예3에서는, 초음파 송수신기(42)와 트랜스폰더(43) 사이의 해수의 온도, 압력 및 염분농도의 분포의 시간변화가 긴 것, 바꿔 말하면, 이 시간변화가 파랑에 의한 부이의 상하이동의 주기보다 훨씬 긴 것에 착안하여 해수에 의한 영향을 제거하도록 한 것이다.
구체적으로 부이의 변위(변동)에는, 해수의 영향에 의한 장주기 변동성분과 파랑에 의한 단주기 변동성분이 포함되어 있고, 따라서 부이의 변위로부터 장주기 변동성분을 제거함으로써 단주기 변동성분인 파랑높이를 구할 수 있다.
이하, 파랑높이를 구하는 순서에 대하여 설명한다.
여기에서는, 부이(41)의 소정의 위치에 설치되어 있는 초음파 송수신기(42)의 설치위치를 관측점(P)이라고 칭하여 설명한다.
우선, 관측점(P)과 트랜스폰더(43)(i;i=1,2,3) 사이의 거리를 ρi, 장주기 변동성분을 ρi1, 단주기 변동성분을 ρi2 라고 하면, 하기 (21)식의 관계가 성립한다. 또, 이하의 식에 있어서는, 장주기 변동성분(ρi1)은 「해트ρi;
Figure 112012010471886-pct00017
」로, 또 단주기 변동성분(ρi2)은 「틸드ρi;
Figure 112012010471886-pct00018
」로 나타내고 있다.
[수식11]
Figure 112012010471886-pct00019
따라서 부이(41)의 초음파 송수신기(42)의 설치위치인 관측점(P)의 3차원 좌표위치(x, y, z)를, 장주기 변동성분의 3차원 좌표위치(x1, y1, z1) 및 단주기 변동성분의 3차원 좌표위치(x2, y2, z2)로 나타내면, 하기 (22)식과 같이 된다.
[수식12]
Figure 112012010471886-pct00020
그리고 단주기 변동성분(x2, y2, z2)은, 관측점(P)과 트랜스폰더(23) 사이의 거리(ρi)에 비하여 충분히 작으므로, 하기 (23)식이 성립한다.
[수식13]
Figure 112012010471886-pct00021
상기 (23)식의 (ex i, ey i, ez i)는 관측점(P)으로부터 트랜스폰더(43)로의 벡터의 3차원 좌표성분 즉 단위벡터이며, 도8에 나타나 있는 바와 같이 관측점(P)에서 바라본 트랜스폰더(43)의 부각(θi) 및 방위각(ψi)를 사용하여 나타내면 하기 (24)식과 같이 된다.
[수식14]
Figure 112012010471886-pct00022
즉 부각(θi) 및 방위각(ψi)를 계측함으로써 (ex i, ey i, ez i)를 미리 알게 된다. 또, 이들 각도(θi, ψi)에 대해서는 부이(41) 및 트랜스폰더(43)의 설치시에 계측할 수 있다.
그리고 (21)식과 (23)식 및 (24)식으로부터, 하기 (25)식이 성립한다.
[수식15]
Figure 112012010471886-pct00023
따라서 3개의 트랜스폰더(43)(i)에 의하여 상기 (25)식의 3원1차 방정식이 3개(i=1,2,3) 얻어지게 되고, 이들 3개의 3원1차 연립방정식을 푸는 것에 의하여 단주기 변동성분을 구할 수 있다. 이 단주기 변동성분에 있어서 상기 단위벡터 방향의 3개의 x, y, z 성분 중, 상하방향인 z성분이 파랑높이에 상당하는 것이다. 즉 관측점(P)과 해저의 트랜스폰더(23) 사이의 단주기 변동성분(ρi2)을 알면, 파랑높이가 구해지게 된다.
그런데 관측점(P)과 해저의 트랜스폰더(23) 사이의 거리(ρi)에 대해서는, 트랜스폰더(23)로부터 발신된 초음파의 관측점(P)까지의 편도전파시간을 ti, 기준음속을 고정값c (실제의 음속은 바다속에서 크게 변화되지만, 예를 들면 평년의 해면부근의 온도에 대응하는 음속값을 사용해도 지장이 없다)라고 하면, 하기 (26)식에 의하여 구해진다.
Figure 112012010471886-pct00024
그리고 상기 (26)식으로 나타내지는 거리 데이터(ρi)에 적절한 하이패스필터 처리를 실시하여 장주기 변동성분(ρi1)을 제거함으로써 단주기 변동성분(ρi2)이 구해진다.
여기에서 상기한 파랑높이의 계측을 실행할 수 있는 파랑계측장치(44)에 대하여 설명한다.
이 파랑계측장치(44)는, 도9에 나타나 있는 바와 같이 부이(41)로부터 발신(발사)된 초음파를 트랜스폰더(43)에서 수신하고 증폭하여 발신하는 경우에 그 발신시각의 신호를 함께 초음파 송수신기(42)에서 수신하여, 트랜스폰더(43)로부터 관측점(P)까지의 편도전파시간(ti)를 검출함으로써 부이(41)와 트랜스폰더(43) 사이의 거리(ρi)를 상기 (26)식에 의거하여 연산하는 거리연산부(51)와, 이 거리연산부(51)에 의하여 구해진 거리 데이터에 하이패스필터 처리를 실시하여 장주기 변동성분(ρi1)을 제거하여 단주기 변동성분(ρi2)을 추출하는 단주기 변동성분 추출부(52)와, 이 단주기 변동성분 추출부(52)에 의하여 얻어진 단주기 변동성분(ρi2)에 의거하여 3개의 트랜스폰더(43)에 대하여 3원1차 방정식을 작성하는 방정식 작성부(53)와, 이 방정식 작성부(53)에 의하여 얻어진 3원1차 연립방정식을 푸는 방정식해 연산부(54)로 구성되어 있다. 또한, 적어도 거리연산부(51), 단주기 변동성분 추출부(52), 방정식 작성부(53), 방정식해 연산부(54) 등에 있어서는, 프로그램에 의하여 그 기능이 실현된다. 물론 필요에 따라 각 구성부는 동일한 프로그램으로 짜여져 있지만, 여기에서는 설명을 쉽게 하기 위해서 기능에 따른 구성부의 이름으로써 설명을 하고 있다.
상기 구성에 있어서 파랑높이의 계측방법에 대하여 설명한다.
해면에 부유하는 부이(41)의 초음파 송수신기(42)로부터 수중을 향하여 초음파가 발신되어 각 트랜스폰더(43)에서 수신되고, 그리고 이들 각 트랜스폰더(43)로부터, 이 수신과 동시에 그 초음파 및 그 발신시각의 신호가 해면을 향하여 발신된다.
이 초음파는 초음파 송수신기(42)에서 수신되어 각 트랜스폰더(43)와의 편도전파시간(ti)가 검출되면, 거리연산부(51)에서 초음파 송수신기(42)와 트랜스폰더(43) 사이의 거리(ρi)가 구해진다.
다음으로 이 거리 데이터가 단주기 변동성분 추출부(52)에 입력되고, 여기에서 단주기 변동성분(ρi2)이 추출된다.
다음으로 이 추출된 단주기 변동성분(ρi2)이 방정식 작성부(53)에 입력되어서 3개의 트랜스폰더(43)에 대하여 상기 (25)식에 의거하는 3원1차 방정식이 각각 작성된다.
그리고 이 작성된 3원1차 연립방정식이 방정식해 연산부(54)에 입력되어서 3개의 미지수인 x, y, z가 구해지는데, 이 중 z성분이 파랑높이로서 추출된다.
이와 같이 상기 파랑계측방법 및 파랑계측 시스템에 의하면, 해면에 부유하는 부이의 해면 아래에 설치된 초음파 송수신기로부터 바다속을 향하여 초음파를 발사하고 해저(또는 해저근방)에 배치된 3개의 트랜스폰더로부터의 초음파를 그 발신시각과 함께 부이에 설치된 초음파 송수신기에서 수신하고, 이 초음파의 편도전파시간을 검출하여 부이와 각 트랜스폰더 사이의 거리를 측정할 때에, 이 측정된 거리 데이터에 하이패스필터 처리를 실시함으로써, 즉 장주기 변동성분을 제거하여 해수의 영향을 포함하지 않는 단주기 변동성분 만을 추출함으로써 파랑높이를 계측하도록 하였기 때문에, 종래처럼 해저에 설치된 초음파의 송수파기로부터 해면을 향하여 초음파를 발사하고 이를 해면에서 반사시켜서 계측하는 방식에 비하여, 해면의 영향을 받지 않는다. 즉 파랑이 높은 경우에도 파랑높이를 정밀도 좋게 계측할 수 있기 때문에, 계측불능으로 되는 경우도 거의 없다.
그런데 상기한 각 실시예에 있어서는, 초음파 송신기 또는 트랜스폰더를 3개 설치했을 경우에 대하여 설명했지만, 4개 이상의 초음파 송신기 또는 트랜스폰더를 설치할 수 있는 경우에는, 최소제곱법을 적용함으로써 단주기 변동성분에 있어서의 각 좌표값, 즉 파랑높이의 계측의 신뢰성을 높일 수 있다.
[산업상 이용가능성]
본 발명에 관한 파랑계측방법 및 파랑계측 시스템은, 해면에 계류된 부이와 해저에 설치된 트랜스폰더 사이에서의 초음파의 전파시간을 계측함으로써 정밀도 좋게 파랑을 계측할 수 있어서, 해안으로부터 멀리 떨어진 해역에 있어서도 용이하게 파랑의 계측을 실시할 수 있다.

Claims (6)

  1. 해면(海面)에 부유(浮遊)하는 부체(浮體)의 변동을 검출함으로써 소정해역에서의 파랑높이를 계측하는 파랑계측방법으로서,
    소정해역의 해면에 계류된 부체 하방의 해저 또는 해저근방의 적어도 3곳에 배치된 초음파 송신기(超音波送信機)로부터 발신된 초음파를 상기 부체의 해면 아래에 설치된 초음파 수신기(超音波受信機)에서 수신하고,
    상기 각 초음파 송신기로부터 발신된 초음파의 발신부터 수신까지의 전파시간(傳播時間)에 의거하여 이들 각 초음파 송신기와 상기 초음파 수신기 사이의 거리를 검출하고,
    이들 각 거리 데이터(距離 data)에 하이패스필터 처리(high pass filter 處理)를 실시하여 단주기 변동성분(短周期變動成分)을 각각 추출(抽出)하고,
    상기 초음파 수신기의 초음파 송신기에 대한 방위각(方位角)(ψi) 및 부각(俯角; 내려본 각)(θi)을 계수(係數)로 하는 초음파 수신기의 3차원 좌표축(3次元座標軸)의 변위(變位)를 미지수(未知數)로 하는 식(
    Figure 112016091783087-pct00034
    )이 상기 추출된 단주기 변동성분(
    Figure 112016091783087-pct00035
    )과 같아지도록 하는 3원1차 방정식(3元1次方程式)을 각 초음파 송신기 별로 작성함과 아울러 이 3원1차 연립방정식을 풀어서 적어도 단주기 변동성분의 높이방향의 변위를 구하여 파랑높이를 얻는 것을
    특징으로 하는 초음파에 의한 파랑계측방법.
  2. 해면에 부유하는 부체의 변동을 검출함으로써 소정해역에서의 파랑을 계측하는 파랑계측 시스템으로서,
    소정해역의 해면에 계류된 부체와, 이 부체 하방의 해저 또는 해저근방의 적어도 3곳에 배치된 초음파 송신기와,
    상기 부체의 해면 아래에 설치되어서 상기 초음파 송신기로부터의 초음파를 수신할 수 있는 초음파 수신기와,
    상기 각 초음파 송신기로부터 발신된 초음파의 발신부터 수신까지의 전파시간에 의거하여 이들 각 초음파 송신기와 상기 초음파 수신기 사이의 거리를 검출함으로써 파랑높이를 계측하는 파랑계측장치를
    구비하고,
    상기 파랑계측장치를,
    상기 각 초음파 송신기로부터 발신된 초음파의 발신부터 수신까지의 전파시간에 의거하여 이들 각 초음파 송신기와 상기 초음파 수신기 사이의 거리를 구하는 거리연산부, 이 거리연산부에 의하여 구해진 각 거리 데이터에 대하여 하이패스필터 처리를 실시함으로써 단주기 변동성분을 각각 추출하는 단주기 변동성분 추출부, 및 상기 초음파 수신기의 초음파 송신기에 대한 방위각(ψi) 및 부각(θi)을 계수로 하는 초음파 수신기의 3차원 좌표축의 변위를 미지수로 하는 식(
    Figure 112016091783087-pct00036
    )이 상기 단주기 변동성분 추출부에 의하여 추출된 단주기 변동성분(
    Figure 112016091783087-pct00037
    )과 같아지도록 하는 3원1차 방정식을 각 초음파 송신기 별로 작성함과 아울러 이 3원1차 연립방정식을 풀어서 적어도 단주기 변동성분의 높이방향의 변위를 구하여 파랑높이를 얻는 단주기 변동성분 연산부로 구성하는 것을
    특징으로 하는 초음파에 의한 파랑계측 시스템.
  3. 해면에 부유하는 부체의 변동을 검출함으로써 소정해역에서의 파랑높이를 계측하는 파랑계측방법으로서,
    소정해역의 해면에 계류된 부체의 해면 아래에 설치된 초음파 송수신기로부터 바다속으로 초음파를 발신하여 당해 부체 하방의 해저 또는 해저근방에 배치된 적어도 3개의 음파 중계기로부터의 초음파를 수신하고,
    상기 초음파 송수신기로부터 발신된 초음파의 발신부터 수신까지의 왕복전파시간에 의거하여 각 음파 중계기와 초음파 송수신기 사이의 거리를 검출하고,
    이 거리 데이터에 하이패스필터 처리를 실시하여 단주기 변동성분을 추출하고,
    음파 중계기에 대한 상기 초음파 송수신기의 방위각(ψi) 및 부각(θi)을 계수로 하는 초음파 송수신기의 3차원 좌표축의 변위를 미지수로 하는 식(
    Figure 112016091783087-pct00038
    )이 상기 추출된 단주기 변동성분(
    Figure 112016091783087-pct00039
    )과 같아지도록 하는 3원1차 방정식을 각 음파 중계기 별로 작성함과 아울러 이 3원1차 연립방정식을 풀어서 적어도 단주기 변동성분의 높이방향의 변위를 구하여 파랑높이를 얻는 것을
    특징으로 하는 초음파에 의한 파랑계측방법.
  4. 해면에 부유하는 부체의 변동을 검출함으로써 소정해역에서의 파랑을 계측하는 파랑계측 시스템으로서,
    소정해역의 해면에 계류된 부체와, 이 부체의 해면 아래에 설치되어서 바다속으로 초음파를 발신할 수 있음과 아울러 바다속으로부터의 초음파를 수신할 수 있는 초음파 송수신기와, 상기 부체 하방의 해저 또는 해저근방에 배치되어서 상기 초음파 송수신기로부터의 초음파를 수신하여 발신하는 적어도 3개의 음파 중계기와, 상기 초음파 송수신기로부터 발신된 초음파의 발신부터 수신까지의 왕복전파시간에 의거하여 각 음파 중계기와 초음파 송수신기 사이의 거리를 검출함으로써 파랑높이를 계측하는 파랑계측장치를 구비하고,
    상기 파랑계측장치를,
    초음파 송수신기에 의한 초음파의 발신부터 수신까지의 왕복전파시간에 의거하여 음파 중계기와 초음파 송수신기 사이의 거리를 구하는 거리연산부, 이 거리연산부에 의하여 구해진 거리 데이터에 대하여 하이패스필터 처리를 실시함으로써 단주기 변동성분을 추출하는 단주기 변동성분 추출부, 및 음파 중계기에 대한 상기 초음파 송수신기의 방위각(ψi) 및 부각(θi)을 계수로 하는 초음파 송수신기의 3차원 좌표축의 변위를 미지수로 하는 식(
    Figure 112016091783087-pct00040
    )이 상기 단주기 변동성분 추출부에 의하여 추출된 단주기 변동성분(
    Figure 112016091783087-pct00041
    )과 같아지도록 하는 3원1차 방정식을 각 음파 중계기 별로 작성함과 아울러 이 3원1차 연립방정식을 풀어서 적어도 단주기 변동성분의 높이방향의 변위를 구하여 파랑높이를 얻는 단주기 변동성분 연산부로 구성하는 것을
    특징으로 하는 초음파에 의한 파랑계측 시스템.
  5. 해면에 부유하는 부체의 변동을 검출함으로써 소정해역에서의 파랑높이를 계측하는 파랑계측방법으로서,
    소정해역의 해면에 계류된 부체의 해면 아래에 설치된 초음파 송수신기로부터 당해 부체 하방의 해저 또는 해저근방에 배치된 적어도 3개의 음파 중계기에 초음파를 발신하고,
    상기 음파 중계기에서 중계된 초음파 및 중계시각을 초음파 송수신기로 수신하여 당해 음파 중계기로부터의 전파시간에 의거하여 각 음파 중계기와 초음파 송수신기 사이의 거리를 검출하고,
    이들 각 거리 데이터에 하이패스필터 처리를 실시하여 단주기 변동성분을 추출하고,
    음파 중계기에 대한 상기 초음파 송수신기의 방위각(ψi) 및 부각(θi)을 계수로 하는 초음파 송수신기의 3차원 좌표축의 변위를 미지수로 하는 식(
    Figure 112016091783087-pct00042
    )이 상기 추출된 단주기 변동성분(
    Figure 112016091783087-pct00043
    )과 같아지도록 하는 3원1차 방정식을 각 음파 중계기 별로 작성함과 아울러 이 3원1차 연립방정식을 풀어서 적어도 단주기 변동성분의 높이방향의 변위를 구하여 파랑높이를 얻는 것을
    특징으로 하는 초음파에 의한 파랑계측방법.
  6. 해면에 부유하는 부체의 변동을 검출함으로써 소정해역에서의 파랑을 계측하는 파랑계측 시스템으로서,
    소정해역의 해면에 계류된 부체와, 이 부체의 해면 아래에 설치되어서 바다속으로 초음파를 발신할 수 있음과 아울러 바다속으로부터의 초음파를 수신할 수 있는 초음파 송수신기와, 상기 부체 하방의 해면 아래에 배치되어서 상기 초음파 송수신기로부터의 초음파를 중계하여 당해 초음파 및 중계시각을 함께 발신하는 적어도 3개의 음파 중계기와, 상기 음파 중계기로부터 발신된 초음파의 발신부터 수신까지의 전파시간에 의거하여 각 음파 중계기와 초음파 송수신기 사이의 거리를 검출함으로써 파랑높이를 계측하는 파랑계측장치를 구비하고,
    상기 파랑계측장치를,
    상기 음파 중계기로부터 발신된 초음파 및 중계시각을 수신하여 당해 음파 중계기로부터의 전파시간에 의거하여 음파 중계기와 초음파 송수신기 사이의 거리를 구하는 거리연산부, 이 거리연산부에 의하여 구해진 거리 데이터에 대하여 하이패스필터 처리를 실시함으로써 단주기 변동성분을 추출하는 단주기 변동성분 추출부, 및 음파 중계기에 대한 상기 초음파 송수신기의 방위각(ψi) 및 부각(θi)을 계수로 하는 초음파 송수신기의 3차원 좌표축의 변위를 미지수로 하는 식(
    Figure 112016091783087-pct00044
    )이 상기 단주기 변동성분 추출부에 의하여 추출된 단주기 변동성분(
    Figure 112016091783087-pct00045
    )과 같아지도록 하는 3원1차 방정식을 각 음파 중계기 별로 작성함과 아울러 이 3원1차 연립방정식을 풀어서 적어도 단주기 변동성분의 높이방향의 변위를 구하여 파랑높이를 얻는 단주기 변동성분 연산부로 구성하는 것을
    특징으로 하는 초음파에 의한 파랑계측 시스템.
KR1020127003459A 2009-08-21 2010-07-30 초음파에 의한 파랑계측방법 및 파랑계측 시스템 KR101714542B1 (ko)

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