KR101749646B1 - 고기동 비행체 시스템의 음파 및 진동 스펙트럼 계측 장치 - Google Patents
고기동 비행체 시스템의 음파 및 진동 스펙트럼 계측 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 센서 데이터를 바로 전송하지 않고 센서 스펙트럼 정보로 변환하여 전송할 수 있는 고기동 비행체 시스템의 스펙트럼 계측 장치 및 방법에 관한 것으로, 고기동 시스템의 음파 및 진동을 계측하는 센서부; 상기 센서부에서 계측된 시간 영역의 음파 및 진동 데이터를 주파수 영역의 데이터로 변환하여, 음파 및 진동 스펙트럼을 출력하는 스펙트럼 계측 장치; 및 상기 스펙트럼 계측 장치에서 출력된 음파 및 진동 스펙트럼을 무선 링크를 통해 지상으로 전송하는 무선 원격 측정장치;를 포함한다.
Description
본 발명은 센서 데이터를 바로 전송하지 않고 센서 스펙트럼 정보로 변환하여 전송할 수 있는 고기동 비행체 시스템의 스펙트럼 계측 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 높은 주파수 대역의 스펙트럼을 분석하기 위해서는 높은 해상도의 데이터가 필요하다. 나이키스트 표본화 정리(Nyquist Sampling Theorem)에 따르면 원하는 주파수 대역(
)을 분석하기 위해서는 수학식 1과 같이 최소 2배 이상의 주파수로(
) 표본화(샘플링)를 해야 가능하다. 따라서, 높은 주파수 대역의 스펙트럼을 분석하기 위해서는 많은 샘플의 센서 데이터가 필요하다.
[수학식 1]
고기동 시스템의 경우 무선 원격 측정장치를 탑재하여 시스템의 상태 및 성능을 확인한다. 무선 원격 측정장치는 무선 링크를 통해 시스템에서 감지된 센서 데이터를 그대로 지상으로 전송하는 장치이다. 무선 원격 측정장치는 시스템의 크기에 따라 채널수, 전송 속도, 표본화 주기 및 측정항목 등에 대한 제약조건이 있다. 따라서, 고기동 시스템의 가속도 및 진동 특성을 분석하기 위하여 무선 원격 측정장치에 많은 채널을 할당하여 센서 데이터를 수신하였다.
그런데, 무선 원격 측정장치는 시간 영역(Time domain)에서 센서 데이터를 수집하여 분석하기 때문에 확인 가능한 주파수 대역에 한계가 있으며, 센서 데이터를 수신하기 위해 많은 채널을 할당하게 되면 다른 계측 항목을 추가하지 못하는 어려움이 있다.
본 발명의 목적은 고기동 시스템의 센서 데이터를 지상으로 전송할 때 적은 데이터로 높은 주파수 대역 정보를 수신할 수 있는 고기동 비행체 시스템의 스펙트럼 계측 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 고기동 비행체 시스템의 스펙트럼 계측 장치는, 고기동 시스템의 음파 및 진동을 계측하는 센서부; 상기 센서부에서 계측된 시간 영역의 음파 및 진동 데이터를 주파수 영역의 데이터로 변환하여, 음파 및 진동 스펙트럼을 출력하는 스펙트럼 계측 장치; 및 상기 스펙트럼 계측 장치에서 출력된 음파 및 진동 스펙트럼을 무선 링크를 통해 지상으로 전송하는 무선 원격 측정장치를 포함한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 고기동 비행체 시스템의 스펙트럼 계측 장치는, 센서부를 통해 계측된 고기동 시스템의 음파 및 진동 데이터에서 노이즈를 제거하는 대역제한필터; 상기 노이즈가 제거된 음파 및 진동 데이터를 표본화 주파수로 샘플링하여 디지탈 데이터로 변환하는 A/D 변환부; 상기 A/D변환부(21)에서 출력된 N개의 음파 및 진동 데이터를 고속 푸리에 변환하여 음파 및 진동 스펙트럼을 획득하는 주파수 분석부; 및 상기 주파수 분석부에서 출력된 음파 및 진동 스펙트럼을 시분할 통신 방법으로 외부의 무선 원격 측정장치로 전송하는 통신부;를 포함한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고기동 비행체 시스템의 스펙트럼 계측 방법은, 고기동 시스템의 음파 및 진동을 계측하는 단계; 상기 계측된 시간 영역의 음파 및 진동 데이터를 주파수 영역의 데이터로 변환하여 음파 및 진동 스펙트럼을 획득하는 단계; 및 상기 획득된 음파 및 진동 스펙트럼을 무선 링크를 통해 지상으로 전송하는 단계;를 포함한다.
본 발명은 시간 영역에서 센서 데이터(음파 및 진동)를 수집하는 것이 아니라 스펙트럼 계측장치를 통해 주파수 영역에서 센서 스펙트럼 정보를 수집함으로써 종래처럼 무선 원격 측정장치가 센서 데이터를 수집하기 위하여 많은 채널을 할당할 필요가 없으며, 특히 적은 데이터로 높은 주파수 대역의 정보를 수집할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고기동 비행체 시스템의 스펙트럼 계측 장치의 구성도.
도 2는 본 발명에서 주파수 분석부에서 수행되는 주파수 분석동작을 나타낸 동작 흐름도.
도 3은 본 발명에서 센서 데이터의 전체 처리 흐름도.
도 4는 본 발명에서 계측된 음파 및 진동 스펙트럼의 일 예.
도 5는 지상의 수신장치에서 디코딩된 음파 및 진동 스펙트럼의 일 예.
도 6은 본 발명에 따른 스펙트럼 계측장치의 외관도.
도 2는 본 발명에서 주파수 분석부에서 수행되는 주파수 분석동작을 나타낸 동작 흐름도.
도 3은 본 발명에서 센서 데이터의 전체 처리 흐름도.
도 4는 본 발명에서 계측된 음파 및 진동 스펙트럼의 일 예.
도 5는 지상의 수신장치에서 디코딩된 음파 및 진동 스펙트럼의 일 예.
도 6은 본 발명에 따른 스펙트럼 계측장치의 외관도.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고기동 비행체 시스템의 스펙트럼 계측 장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와같이, 본 발명에 따른 스펙트럼 계측 장치(200)는 센서부 (100)와 무선 원격 측정장치(300)의 사이에 구비되어, 적은 데이터로 높은 주파수 대역정보를 포함할 수 있도록 센서부(100)에서 계측된 센서 정보를 스펙트럼 정보로 변환한다.
상기 센서부(100)는 마이크로폰 및 가속도 센서를 구비하여 고기동 시스템의 센서 데이터(=센서 신호) 즉, 음파 및 진동을 측정한다.
상기 스펙트럼 계측장치(200)는 센서부(100)에서 측정된 음파 및 진동신호를 분석하여 음파 및 진동 스펙트럼을 전송한다.
상기 무선 원격 측정장치(300)는 스펙트럼 계측장치(200)와 센서부(100)에 전원(DC전원)을 공급하고, 상기 스펙트럼 계측장치(200)에서 전송된 음파 및 진동 스펙트럼을 지상의 수신장치로 전송하는 역할을 수행한다.
상기 스펙트럼 계측장치(200)는 센서부(100)에서 출력된 음파 및 진동신호에서 노이즈(DC 성분)를 제거하는 대역제한필터(20)와, 설정된 분석 주파수 범위에서 표본화(샘플링) 주파수로 음파 및 진동신호를 표본화하여 디지털 신호로 변환하는 A/D(Analog to Digital) 변환부(21)와, 상기 A/D변환부(21)에서 출력된 N개의 음파 및 진동신호를 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)하여 음파 및 진동 스펙트럼을 획득하는 주파수 분석부(22)와, 상기 주파수 분석부(22)에서 출력된 음파 및 진동신호를 시분할 통신 방법으로 무선 원격 측정장치(300)로 전송하는 통신부 (23)로 구성된다.
이와같이 구성된 본 발명에 따른 고기동 비행체 시스템의 스펙트럼 계측장치의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
초기에 무선 원격 측정장치(300)로부터 공급된 전원이 스펙트럼 계측장치 (200)와 센서부(100)의 각 센서 즉, 마이크로폰 및 가속도 센서로 인가된다.
센서부(100)는 마이크로폰 및 가속도 센서를 통해 고기동 시스템의 센서 데이터(음파와 진동)를 계측한 후 인터페이스를 통해 스펙트럼 계측장치(200)로 출력한다. 상기 센서부(100)에서 계측된 센서 데이터는 스펙트럼 계측장치(200)의 대역제한필터(20)에 의해 노이즈(DC성분) 제거됨과 함께 분석 주파수 범위(원하는 주파수 대역)가 설정된다.
A/D변환부(21)는 설정된 분석 주파수 범위에 따라 표본화(샘플링) 주파수로 각 센서 데이터를 표본화(샘플링)하여 디지털 센서 데이터로 변환한다. 이때 연속적으로 출력된 디지털 센서 데이터는 N개의 데이터 단위로 데이터 셋으로 구성되어 저장될 수 있다.
주파수 분석부(22)는 연속적으로 출력된 N개의 센서 데이터를 고속 푸리에 변환(FFT : Fast Fourier Transform)하여 시간 영역(Time domain)의 센서 데이터를 주파수 영역(Frequency domain)의 센서 데이터로 변환한다. 상기 FFT 변환 후 얻어진 주파수 분석 결과는 단위 데이터 셋에 저장이 될 수 있으며, 상기 저장된 분석 결과는 전송 셋으로 구성되며, 통신부(23)는 상기 단위 데이터 셋으로부터 셀의 조합을 추출하여 전송 셋으로 구성한 후 무선 원격 측정장치(300)로 제공한다.
도 2는 주파수 분석부에서 수행되는 주파수 분석동작을 나타낸 동작 흐름도이고, 도 3은 센서 데이터의 전체 처리 흐름도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, A/D 변환부(21)에서 F kHz의 표본화(샘플링) 주기로 센서 데이터를 샘플링하면 연속적인 N개의 데이터가 획득된다(S100). 주파수 분석부(22)는 획득된 N 개의 데이터를 FFT변환하여 시간 영역의 데이터를 주파수 영역의 데이터로 변환하고(S110), 데이터 크기를 줄이기 위해 FFT변환된 센서 데이터를 로그 스케일(dB) 단위로 변환한 후(S120) N/2개의 파워 스펙트럼을 획득한다 (S130). 이어서 주파수 분석부(22)는 운영자가 설정한 주파수 대역 즉, 분석 주파수 범위(
)에서 데이터를 추출하고, 도 3에 도시된 바와같이 상기 추출된 데이터를 전송을 위해 인코딩한다.
이때, 분석 주파수 범위(
), 무선 원격 측정장치(300)에 할당된 채널 (ch), 전송주기(
)와 주파수 분해능(해상도)(
)과의 관계는 다음과 같다.
무선 원격 측정장치(300)에 할당된 채널수가 한정되어 있을 때, n개의 채널을 n Byte, 출력(전송) 주기는 
이라고 가정하면, FFT변환으로 획득되는 샘플수(데이터 채널수)(
)는 다음의 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
또한, 수학식 2에서 구해진 샘플수(
)와 분석 주파수 범위(
)를 이용하여 다음의 수학식 3과 같이 분해능 즉, 주파수 해상도(
)를 얻을 수 있다.
[수학식 3]
따라서, 주파수 분석부(22)는 상기 샘플링된 데이터를 분해능에 따라 FFT변환한 후 분석 주파수 범위(
)내에서 추출하고, 상기 추출된 데이터 즉, 음파 및 진동 스펙트럼을 인코딩하여 통신부(23)를 통해 무선 원격 측정장치 (300)로 전송한다.
도 4는 계측된 음파 및 진동 스펙트럼의 일 예이고, 도 5는 지상의 수신장치에서 디코딩된 음파 및 진동 스펙트럼의 일 예이다.
따라서, 무선 원격 측정장치(300)는 도 4에 도시된 바와같이 계측된 시간 동안 원하는 주파수 대역의 음파 및 진동 스펙트럼을 수신할 수 있게 되어, 적은 데이터로 높은 주파수 대역의 정보를 획득할 수 있다. 그 결과, 무선 원격 측정장치(300)는 많은 채널을 할당하지 않고도 데이터 수집이 가능하므로 많은 비용을 절감할 수 있다. 상기 무선 원격 측정장치(300)로 전송된 음파 및 진동 스펙트럼은 다시 지상의 수신장치로 전송되어 도 5와 같이 복원된다.
도 6은 본 발명에 따른 스펙트럼 계측장치의 외관도이다.
도 6에 도시된 바와같이, 본 발명에 따른 스펙트럼 계측장치는 본체(401), 마이크로폰 및 가속도센서에 연결되는 케이블(402, 403) 및 외부 통신 및 전원 연결 포트(404)를 포함한다. 본 발명에 따른 스펙트럼 계측장치는 크기를 최소화하기 위하여 1개의 보드로 설계되기 때문에 공간 활용도를 높일 수 있으며 여러 시스템에 쉽게 장착 및 적용이 가능하다.
상술한 바와같이 본 발명은 시간 영역에서 센서 데이터(음파 및 진동)를 수집하는 것이 아니라 스펙트럼 계측장치를 통해 주파수 영역에서 센서 스펙트럼 정보를 수집함으로써 종래처럼 무선 원격 측정장치가 센서 데이터를 수집하기 위하여 많은 채널을 할당할 필요가 없으며, 특히 적은 데이터로 높은 주파수 대역의 정보를 수집할 수 있는 장점이 있다.
상기 설명된 실시예들의 구성과 방법은 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.
20 : 대역제한필터 21 : A/D변환부
22 : 주파수 분석부 23 : 통신부
100 : 센서부 200 : 스펙트럼 계측장치
300 : 무선 원격장치
22 : 주파수 분석부 23 : 통신부
100 : 센서부 200 : 스펙트럼 계측장치
300 : 무선 원격장치
Claims (9)
- 고기동 비행체 시스템의 음파 및 진동을 계측하는 센서부;
상기 센서부에서 계측된 시간 영역의 음파 및 진동 데이터를 주파수 영역의 데이터로 변환하여, 음파 및 진동 스펙트럼을 출력하는 스펙트럼 계측 장치; 및
상기 스펙트럼 계측 장치에서 출력된 음파 및 진동 스펙트럼을 무선 링크를 통해 지상으로 전송하는 무선 원격 측정장치;를 포함하며,
상기 스펙트럼 계측 장치는 1개의 보드로 설계되어 고기동 비행체 시스템에 장착되며, 본체가 케이블을 통해 센서부에 연결됨과 함께 통신 및 전원 연결 포트를 통해 무선 원격 측정장치에 연결되어,
(a) 상기 센서부에서 계측되어 케이블을 통해 전송된 음파 및 진동 데이터로부터 노이즈를 제거하는 대역제한필터;
(b) 상기 노이즈가 제거된 음파 및 진동 데이터를 표본화 주파수로 샘플링하여 N개의 디지탈 데이터로 변환하는 A/D 변환부;
(c) 상기 A/D변환부(21)에서 출력된 N개의 음파 및 진동 데이터를 주파수 해상도에 따라 고속 푸리에 변환한 후 로그 스케일 단위로 변환하여 N/2개의 음파 및 진동 스펙트럼을 출력하는 주파수 분석부; 및
(d) 상기 주파수 분석부에서 출력된 음파 및 진동 스펙트럼을 통신연결 포트를 통해 무선 원격 측정장치로 전송하는 통신부;를 포함하며,
상기 무선 원격 측정장치는 고기동 비행체 시스템의 크기에 따라 채널 수(n), 전송주기, 표본화 주기 및 측정항목이 한정적으로 할당되며,
상기 주파수 분석부는 전송주기에 무선 원격 측정장치에 할당된 채널 수(n)보다 적은 채널수(n-1)를 곱하여 샘플 수를 계산하고, 상기 계산된 샘플 수를 운영자가 설정한 분석주파수 범위로 나누어 상기 주파수 해상도를 계산하는 것을 특징으로 하는 고기동 비행체 시스템의 스펙트럼 계측 장치. - 제1항에 있어서, 상기 스펙트럼 계측 장치는
하나의 보드로 설계되며, 상기 센서부는 마이크로폰 및 가속도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 고기동 비행체 시스템의 스펙트럼 계측 장치.
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| KR20200018020A (ko) | 2018-08-10 | 2020-02-19 | 국방과학연구소 | 데이터 축약 통합 계측 장치, 이의 제어 방법, 그리고 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 |
| KR20200023681A (ko) * | 2018-08-17 | 2020-03-06 | 국방과학연구소 | 무선 계측 장치, 방법 및 시스템 |
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- 2015-12-16 KR KR1020150180432A patent/KR101749646B1/ko active IP Right Grant
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