KR102028606B1 - 광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정장치 및 이를 이용한 교정방법 - Google Patents

광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정장치 및 이를 이용한 교정방법 Download PDF

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Abstract

광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정장치 및 이를 이용한 교정방법에 대하여 개시한다. 본 발명에 따른 윈드라이다의 교정기술은 불필요한 레이저 신호를 흡수하는 광트랩을 포함하여, 불필요한 레이저 신호가 반사되어 돌아가는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 윈드라이다의 풍속 측정의 정밀도를 향상시키는 효과가 있다. 또한, 윈드라이다의 교정기술은 실내에서 기준 풍속을 발생시키는 회전체 또는 풍동을 이용함에 따라, 원하는 풍속 데이터를 생성할 수 있으므로, 윈드라이다의 교정 시간을 단축시킬 수 있다.
본 발명에 따른 윈드라이다의 교정장치는 기준 풍속을 발생시키기 위해 회전하는 회전체; 상기 회전체가 회전하는 방향으로 레이저를 조사하는 레이저 조사부와, 상기 회전체의 둘레 표면에 반사되어 되돌아오는 레이저를 감지하여 피크 풍속값을 계산하는 연산부를 포함하고, 상기 회전체의 측면에 위치하는 윈드라이다; 및 상기 회전체의 둘레 표면에 반사되지 않고 허공을 통과하는 레이저를 흡수하며, 상기 회전체의 반대편 측면에 위치하는 광트랩;을 포함하고, 상기 회전체의 기준 풍속값을 기준으로 윈드라이다의 피크 풍속값을 교정하는 것을 특징으로 한다.

Description

광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정장치 및 이를 이용한 교정방법{WINDLIDAR CALIBRATION SYSTEM AND CALIBRATION METHOD USING THE SAME}
본 발명은 광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정장치 및 이를 이용한 교정방법 에 관한 것이다.
윈드라이다는 공기 중에 부유하는 입자에 레이저를 조사하고, 입자에 반사된 레이저 신호의 도플러 주파수 변화를 이용하여 풍향 및 풍속을 측정하는 장비이다.
윈드라이다를 교정하기 위해서는 바람개비형 풍속계를 기상탑에 설치하고, 기상탑에 설치된 풍속계를 기준으로 윈드라이다를 교정한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 윈드라이다의 풍속 측정원리는 지상라이다(10)에서 대략 30° 간격으로 방사한 5개의 빔으로부터 LOS(Line Of Sight) 방향의 풍속을 받아와서 빔 중심에서의 풍속을 계산하게 된다. 이때, 방사된 빔이 측정하는 바람성분과 기상탑(20)의 풍속계에서 받아오는 바람성분 간에는 수백 미터에서 수 킬로미터까지 측정점의 오차가 발생할 수 있다. 이에 따라, 풍속 측정의 불확실성이 증가한다.
윈드라이다의 풍속을 측정하기 위해서는 80m 이상의 기상탑 설치가 필요하며, 설치에 필요한 부지확보도 중요하다. 또한, 바람 데이터값이 왜곡되지 않도록 평탄한 지형이 필요하다. 평탄하지 않은 방향에서 불어오는 바람은 균질성에 대한 가정이 어려우므로 풍향에 대한 필터링을 통해 제외시킨다.
윈드라이다의 풍속 측정 방법은 야외 실험을 전제로 한다. 실내와 다르게 야외에서는 인공적인 바람을 생성시킬 수 없으므로, 자연에서 불어오는 바람 데이터값만을 사용한다. 따라서, 측정에 필요한 풍향 및 풍속 데이터값이 모두 모일 때까지 윈드라이다의 풍속 측정이 계속 되어야 한다. 짧게는 20일에서 길게는 몇 달이 걸리기도 한다. 지형에 따른 유효섹터와 계절풍 영향을 고려하면, 많은 시간이 소요되는 단점이 있다. 야외에서 시험하기 때문에 윈드라이다의 풍속 측정의 정확한 비교가 어렵다. 그리고, 풍속계 측정값을 기준으로 4~16m/s를 벗어난 데이터는 모두 제외한다. 풍속계는 회전수(rpm)를 풍속으로 계산하기 때문에, 온도가 영하로 떨어진 경우의 측정 데이터는 제외한다. 결빙으로 인해 회전에 영향을 줄 수 있기 때문이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1853122호(2018.04.23. 등록)
본 발명의 목적은 실내에서 윈드라이다를 교정하기 위해, 기준 풍속을 발생시키는 회전체와 불필요한 레이저 신호를 모두 흡수하는 광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정 기술을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 실내에서 윈드라이다를 교정하기 위해, 기준 풍속을 발생시키는 풍동과 불필요한 레이저 신호를 모두 흡수하는 광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정 기술을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에서는 기준 풍속을 발생시키기 위해 회전하는 회전체; 상기 회전체가 회전하는 방향으로 레이저를 조사하는 레이저 조사부와, 상기 회전체의 둘레 표면에 반사되어 되돌아오는 레이저를 감지하여 피크 풍속값을 계산하는 연산부를 포함하고, 상기 회전체의 측면에 위치하는 윈드라이다; 및 상기 회전체의 둘레 표면에 반사되지 않고 허공을 통과하는 레이저를 흡수하며, 상기 회전체의 반대편 측면에 위치하는 광트랩;을 포함하고, 상기 회전체의 기준 풍속값을 기준으로 윈드라이다의 피크 풍속값을 교정하는 윈드라이다의 교정장치가 제공된다.
본 발명에서는 기준 풍속을 발생시키는 풍동; 및 상기 풍동 내부에 존재하는 미세입자에 레이저를 조사하는 레이저 조사부와, 상기 미세입자에 반사되어 되돌아오는 레이저를 감지하여 피크 풍속값을 계산하는 연산부를 포함하고, 상기 풍동의 측면에 위치하는 윈드라이다; 상기 미세입자에 반사되지 않고 통과하는 레이저를 흡수하는 광트랩;을 포함하고, 상기 풍동의 기준 풍속값을 기준으로 윈드라이다의 피크 풍속값을 교정하는 윈드라이다의 교정장치가 제공된다.
본 발명에서는 (a) 회전체를 회전시켜 기준 풍속을 발생시키는 단계; (b) 윈드라이다의 레이저 조사부는 회전체가 회전하는 방향으로 레이저를 조사하는 단계; 및 (c) 윈드라이다의 연산부는 회전체의 둘레 표면에 반사되어 되돌아오는 레이저를 감지하여 피크 풍속값을 계산하는 단계;를 포함하고, 상기 회전체의 둘레 표면에 반사되지 않고 허공을 통과하는 레이저는 광트랩에 흡수되며, 상기 회전체의 기준 풍속값을 기준으로 윈드라이다의 피크 풍속값을 교정하는 윈드라이다의 교정방법이 제공된다.
본 발명에서는 (a) 풍동 내부에 기준 풍속을 발생시키는 단계; 및 (b) 윈드라이다의 레이저 조사부는 상기 풍동 내부에 존재하는 미세입자에 레이저를 조사하는 단계; (c) 윈드라이다의 연산부는 상기 미세입자에 반사되어 되돌아오는 레이저를 감지하여 피크 풍속값을 계산하는 단계;를 포함하고, 상기 미세입자에 반사되지 않고 허공을 통과하는 레이저는 광트랩에 흡수되며, 상기 풍동의 기준 풍속값을 기준으로 윈드라이다의 피크 풍속값을 교정하는 윈드라이다의 교정방법이 제공된다.
본 발명에 따른 윈드라이다의 교정기술은 광트랩을 포함하여, 불필요한 레이저 신호가 반사되어 되돌아가는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 윈드라이다의 풍속 측정의 정밀도를 향상시키는 효과가 있다. 그리고, 윈드라이다의 교정기술은 광트랩을 포함하여, 윈드라이다의 검출 영역을 축소시킬 수 있기 때문에, 특정 구간에서만 기준 풍속을 발생시켜도 윈드라이다에 정확한 바람신호를 전달할 수 있다.
또한, 윈드라이다의 교정기술은 실내에서 기준 풍속을 발생시키는 회전체 또는 풍동을 이용함에 따라, 원하는 풍속 데이터를 생성할 수 있으므로, 윈드라이다의 교정 시간을 단축시킬 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 종래의 기상탑과 지상라이다를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 윈드라이다의 교정장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예와 제2실시예에 따른 윈드라이다를 도식화한 것이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예와 제2실시예에 따른 연산부의 작동 메커니즘을 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제1실시예와 제2실시예에 따른 가중치 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 회전체 원리를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 광트랩의 사진이다.
도 11은 도 10의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제1실시예에 따른 윈드라이다의 교정방법을 나타낸 순서도이다.
도 13은 본 발명의 제2실시예에 따른 윈드라이다의 교정장치의 단면도이다.
도 14는 본 발명의 제2실시예에 따른 광트랩의 사시도이다.
도 15는 도 14의 단면도이다.
도 16은 본 발명의 제2실시예에 따른 윈드라이다의 교정방법을 나타낸 순서도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정장치 및 이를 이용한 교정방법을 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 윈드라이다의 교정 기술은 기준 풍속을 발생시키는 회전체 또는 풍동을 이용하여, 기준 풍속값을 기준으로 윈드라이다의 피크 풍속값을 교정하는 것이다.
제1실시예
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 윈드라이다의 교정장치의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 제1실시예에 따른 윈드라이다의 교정장치(100)는 윈드라이다(110), 회전체(120) 및 광트랩(130)을 포함한다.
제1실시예에서 윈드라이다(110)는 후술할 회전체(120)의 측면에 위치한다. 상기 윈드라이다(110)는 레이저 조사부와 연산부를 포함한다.
상기 레이저 조사부는 회전체(120)가 회전하는 방향으로 레이저를 조사한다. 레이저는 회전체(120)의 둘레 표면에 닿게 되고, 회전체(120)의 둘레 표면에 접촉되는 레이저는 반사되어 윈드라이다 쪽으로 되돌아온다. 상기 연산부는 회전체(120)의 둘레 표면에 반사되어 되돌아오는 레이저를 감지하여 피크 풍속값을 계산한다.
상기 윈드라이다(110)에서 레이저 신호로부터 피크 풍속값을 계산하는 방법은 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3에서 넘버링은 ① 펄스 레이저(flo), ② 수광 및 출사광을 분리하는 광학소자, ③ 망원경, ④ 산란체, ⑤ Local oscillator laser(원래 신호), ⑥ 주파수 제어기, ⑦ Local oscillator laser의 빔을 정렬하고, 정렬된 빔들을 혼합하는 광학 요소, ⑧ 2차 검출기(quadratic detector), ⑨ 변환기이다. 상기 ④를 제외한 ① 내지 ⑨는 윈드라이다(110, 210)에 포함되는 구성 요소이다. 상기 연산부는 ⑨를 포함한다.
먼저, ⑤에서 방출된 레이저가 ⑥을 거쳐 ①로 방출된다. ①에서 방출된 레이저 빔은 ②를 통해 2개의 빔으로 나눠진다. 하나의 빔은 ③을 통해 공기 중으로 나아가고(ft), 나머지 하나의 빔은 ⑦로 들어가서 기준값(flo)이 된다. 공기 중으로 나아간 빔은 ④에 반사되어 도플러 쉬프트가 된 상태(Δf + ft)가 되어 돌아오고, ②에 의해 ⑦로 들어간다.
⑦에서는 처음에 들어온 기준값(flo)과 반사되어 돌아온 신호(Δf + ft)가 합쳐지게 된다. 합쳐진 신호(광 신호)는 ⑧의 2차 검출기에서 전기 신호로 변환된다. 그리고 ⑨에서는 ⑧에서 변환된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환(ADC)하고, 도 4에서와 같이 신호 과정을 거쳐 피크 주파수로부터 피크 풍속을 산출하게 된다.
도 4는 ⑤ Local oscillator laser로부터 펄스 레이저를 발생시키고, 반사되어 돌아오는 레이저(Δf + ft) 신호를 ⑧에서 전기적 신호로 변환하고, 이 신호를 디지털 신호로 변환한 상태를 나타낸 것이다. 도 4에서 가로 방향에 기재된 숫자 1은 No. of lidar pulses, 2는 시계열(time series), 3은 스펙트럼(시간 도메인에서 주파수 도메인으로 변환), 4는 피크 신호로부터 도플러 쉬프트가 얼마나 되었는지 계산하여 풍속을 산출한 것이다.
따라서, 회전체(120)의 둘레 표면에 반사되어 돌아오는 레이저 신호는 윈드라이다 내부의 ⑧ 2차 검출기에 의해 광 신호에서 전기적 신호로 변환된다. 전기적 신호로 변환된 아날로그 데이터들은 ADC(Analog To Digital Converter)에 의해 디지털 신호로 변환되고 디지털 신호로 변환된 신호들을 시간 순서대로 나열한다.
이어서, 시간으로부터 거리를 계산하여 원하는 범위에 들어온 신호들을 추출한다. 예를 들어, 윈드라이다(110)의 프로브 길이(probe length, 도 2의 x)가 40m(±20m)이고, 풍속을 측정하고자 하는 구간의 범위가 60m라고 가정한다. 상기 프로브 길이(x)는 레이저 조사부에서 회전체(120)의 중심까지의 길이이다. [측정하고자 하는 구간]±[레이저 조사부에서 회전체 중심까지의 길이]에 포함되는 레이저 신호를 추출한다. 윈드라이다(110)는 반사되어 돌아오는 신호 중에 60m±20m 구간에 포함되는 레이저 신호를 추출한다.
이어서, 추출된 레이저 신호 각각에 가중치(weighting function)를 곱하여 합산한다. 상기 가중치는 도 5에 도시한 바와 같이, 거리에 따른 다른 값을 나타낸다.
이어서, 합산된 값에서 피크 주파수를 찾아, 원래 신호 (Local oscillator laser) 대비, 피크 주파수가 얼마만큼 이동되었는지 계산하여 피크 풍속값으로 변환한다. 가중치를 적용한 피크 풍속값이 정확하다면, 기준 풍속값과 피크 풍속값은 일치한다. 그리고, 가중치를 적용한 피크 풍속값이 기준 풍속값과 일치하지 않는 경우에는, 기준 풍속값을 기준으로 피크 풍속값을 교정한다.
상기 회전체(120)는 윈드라이다(110)의 측면에 위치한다. 상기 회전체(120)는 기준 풍속을 발생시키기 위해 회전한다.
도 7 내지 도 9에 도시한 바와 같이, 회전체(120)가 회전하면서 접선 속도가 발생하는데, 이 접선 속도를 기준 풍속값으로 사용한다. 상기 접선 속도는 레이저에 부딪히는 공기 중의 입자의 속도와 같다. 상기 접선 속도는 회전체(120)의 가장 바깥부분에서 발생한다. 상기 회전체(120)의 회전 속도가 일정하고, 회전체(120)가 완벽한 원형일 경우, 회전체(120)의 가장 바깥부분에서 모두 동일한 접선 속도를 만들 수 있다. 접선 속도 발생 지점은 레이저와 회전체(120)가 수직으로 만나는 지점이라 할 수 있다. 이 지점에서 발생하는 접선 속도를 기준 풍속이라 할 수 있고, 하기 식 1, 식 2로부터 산출된 접선 속도와 윈드라이다가 지시하는 풍속 지시값을 서로 비교하여 교정 데이터를 산출하게 된다.
상기 회전체(120)의 기준 풍속값은 [식 1]로 표시되는 회전체의 접선 속도(v)이다.
[식 1]
v = r Ⅹ ω
r = 회전체의 반지름, ω = θ/t (θ= 2πN이고, N = 회전체의 회전속도, t = 시간이다.)
상기 접선 속도는 [식 2]로 표시될 수도 있다.
[식 2]
v = 2 Ⅹ π Ⅹ r Ⅹ N / t
상기 2πr은 회전체의 둘레이다. 상기 회전체의 둘레와 회전체의 회전 속도의 곱한 값을 시간으로 나눈 것이 접선 속도라 할 수 있다. 예를 들어, 지름이 1m이고, 접선 속도가 4m/s일 때의 회전체의 회전속도 N(rpm)는 다음과 같다.
v = r Ⅹ ω = r Ⅹ (2πN / 60s)
N = 60 Ⅹ v / (2πr) = (60s Ⅹ 4m/s) / (2πⅩ 0.5m) = 76.43 rpm이 된다.
도 7 및 도 9에 도시한 바와 같이, 레이저의 조사면적이 넓은 경우, 회전체에 레이저가 닿는 면적이 넓어지게 된다. 이에 따라, 회전체의 접선 속도(v) 발생 지점과 레이저가 일치하지 않는 면적이 발생하게 된다. 이런 경우, 회전체의 크기를 크게 하여, 회전체의 접선 속도 발생 지점과 레이저가 일치하도록 할 수도 있다. 그러나, 회전체의 반지름이 커질수록 일정한 회전수를 유지하기 힘들어진다. 그만큼 풍속 측정에 대한 불확실성이 커지게 되므로 상당한 제한이 발생하게 된다.
도 9에서, ①과 ②는 윈드라이다에서 방출된 레이저이다. 레이저 ①은 회전체(120)와 정확하게 수직으로 접하고 있기 때문에, 이 지점에서 발생하는 접선 속도를 기준 풍속이라 할 수 있다. 이때 접선 속도와 윈드라이다의 지시값을 맞비교하면 윈드라이다의 정확한 교정이 이루어질 수 있다.
그러나 레이저 ②는 회전체(120)와 수직으로 접하지 않고, 상대적으로 아래 위치에 접하고 있다. 이때 기준 풍속은 v = r Ⅹ ωⅩ cosθ 가 된다. 즉, cosθ값을 정확히 알 수 없기 때문에, 레이저가 회전체에 접하는 면적이 넓어지는 경우, 측정에 대한 불확실성이 증가하게 된다. 따라서, 측정에 대한 불확실성을 최소화하기 위해서는 도 8 및 도 9의 ①과 같이 레이저가 회전체에 접하는 면적을 최소화시켜야 한다.
그리고 도 8에 도시한 바와 같이, 접선속도가 발생하는 지점의 신호를 온전히 받을 수 있는 부분의 레이저만 반사시키도록 하여, 풍속 측정의 정밀도를 크게 향상시키는 것이 바람직하다. 레이저가 조사될 것으로 예상되는 방향에 광트랩(130)을 설치하여 불필요한 신호가 반사되어 돌아가는 것도 방지할 수 있기 때문에, 광트랩(130)의 활용은 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
따라서, 상기 회전체에 접하지 않고 허공으로 나아가는 레이저, 즉, 불필요한 레이저는 광트랩(130)에 모두 흡수시켜 측정에 대한 불확실성을 최소화할 수 있다.
이를 위해, 광트랩(130)은 회전체(120)의 반대편 측면에 위치한다. 상기 조사되는 레이저와 회전체의 둘레 표면의 접점(a')이 발생하도록, 상기 레이저의 위치와 회전체(120)의 둘레 표면이 수평으로 위치하는 것이 바람직하다. 접점(a')은 레이저와 회전체의 둘레표면이 적어도 한 점을 공유해서 접하는 점을 의미한다.
따라서, 상기 광트랩(130)은 상기 회전체(120)의 둘레 표면에 반사되지 않고 허공을 통과하는 레이저를 흡수한다.
도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 광트랩의 사진이고, 도 10은 도 10의 단면도이다. 도 10 및 도 11에 도시한 바와 같이, 광트랩(130)의 형상은 중공을 포함하는 원기둥일 수 있다. 광트랩(130)은 이외에도 사각형 또는 구 형상일 수도 있다. 상기 광트랩(130)은 레이저를 흡수하기 위해서, 상기 회전체(120)와 마주보는 면이 개구부를 가진다. 그리고, 레이저가 광트랩(130) 내부로 들어와 여러 번 반사되어 흡수될 수 있도록 내부에 콘 형상(132)을 포함한다. 상기 콘 형상(132)은 개구부로 갈수록 관경이 좁아진다.
상기 광트랩(130)은 회전체(120)의 둘레 표면보다 표면 반사율이 낮은 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 표면 반사율이 낮은 물질은 레이저의 반사도가 대략 1% 이하인 물질을 가리킨다. 표면 반사율이 낮은 물질은 Ag, Ni, Cr, MgF2 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 광트랩(130)은 플루오르화 마그네슘(MgF2)으로 형성되거나, 적어도 표면에 플로오르화 마그네슘으로 코팅될 수 있다.
이처럼, 상기 회전체(120)의 기준 풍속값을 기준으로 윈드라이다(110)의 피크 풍속값을 교정한다. 이에 따라, 윈드라이다(110)의 풍속에 대한 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 12는 본 발명의 제1실시예에 따른 윈드라이다의 교정방법을 나타낸 순서도이다. 도 12를 참조하면, 제1실시예에 따른 윈드라이다의 교정방법은 회전체를 회전시켜 기준 풍속을 발생시키는 단계(S110), 윈드라이다에서 레이저를 조사하는 단계(S120) 및 피크 풍속값을 계산하여, 기준 풍속값을 기준으로 피크 풍속값을 교정하는 단계(S130)를 포함한다.
윈드라이다(110), 회전체(120) 및 광트랩(130)이 순차적으로 위치하는 상태에서 윈드라이다(110)의 교정이 진행된다. 이때, 윈드라이다(110)의 레이저 조사부와 회전체는 수평으로 위치한다.
먼저, 회전체(120)를 회전시켜 기준 풍속을 발생시킨다. 회전체(120)에 대한 사항은 교정장치에서 전술한 바와 같다.
회전체(120)가 회전하는 상태에서, 윈드라이다(110)의 레이저 조사부는 회전체(120)가 회전하는 방향으로 레이저를 조사한다. 조사되는 레이저는 회전체(120)의 둘레 표면에 반사되어 되돌아온다. 윈드라이다(110)의 연산부는 되돌아온 레이저를 감지하여 피크 풍속값을 계산하게 된다. 이때, 회전체(120)의 둘레 표면에 반사되지 않고 나아가는 레이저, 즉, 허공을 통과하는 레이저는 회전체(120)의 측면에 위치하는 광트랩(110)에 모두 흡수된다. 이에 따라, 광트랩(110)은 회전체의 접선속도가 발생하는 지점과 일치하는 레이저만 반사시키도록 한다. 또한, 광트랩(110)은 불필요한 레이저 신호가 반사되어 돌아가는 것을 방지한다.
상기 피크 풍속값을 계산하여 회전체의 기준 풍속값과 일치하는 경우, 측정오차가 0%에 가깝다는 것을 의미한다. 반대로, 피크 풍속값이 기준 풍속값과 일치하지 않는 경우, 기준 풍속값을 기준으로 윈드라이다의 피크 풍속값을 교정한다.
제2실시예
도 13은 본 발명의 제2실시예에 따른 윈드라이다의 교정장치의 단면도이다.
도 13을 참조하면, 제2실시예에 따른 윈드라이다의 교정장치(200)는 윈드라이다(210), 풍동(220) 및 광트랩(230)을 포함한다.
제2실시예에서 윈드라이다(210)는 후술할 풍동(220)의 측면에 위치한다. 상기 윈드라이다(210)는 레이저 조사부와 연산부를 포함한다.
상기 레이저 조사부는 풍동(220) 내부에 존재하는 미세입자에 레이저를 조사한다. 상기 미세입자는 수 nm의 입자, 수 ㎛의 입자 등을 포함한다.
레이저는 미세입자에 반사되어 되돌아온다. 상기 연산부는 미세입자에 반사되어 되돌아오는 레이저를 감지하여 피크 풍속값을 계산한다.
상기 윈드라이다(210)에서 레이저 신호로부터 피크 풍속값을 계산하는 방법은 다음과 같다.
먼저, 미세입자에 반사되어 돌아오는 레이저 신호는 윈드라이다 내부의 ⑧ 2차 검출기에 의해 광 신호에서 전기적 신호로 변환된다. 전기적 신호로 변환된 아날로그 데이터들은 ADC(Analog To Digital Converter)에 의해 디지털 신호로 변환되고 디지털 신호로 변환된 신호들을 시간 순서대로 나열한다.
이어서, 시간으로부터 거리를 계산하여 원하는 범위에 들어온 신호들을 추출한다. 예를 들어, 윈드라이다의 프로브 길이(probe length, y)가 40m(±20m)이고, 풍속을 측정하고자 하는 구간의 범위가 60m라고 가정한다. 상기 프로브 길이(y)는 풍동(220)의 길이이다. 이때, 윈드라이다(210)와 풍동(220) 사이의 거리는 최소 20m일 수 있다.
이어서, [측정하고자 하는 구간]±[풍동의 길이]에 포함되는 레이저 신호를 추출한다. 도 4에 도시한 바와 같이, 윈드라이다(210)는 반사되어 돌아오는 신호 중에 60m±20m 구간에 포함되는 레이저 신호를 추출한다.
이어서, 추출된 레이저 신호 각각에 가중치를 곱하여 합산한다. 합산된 값에서 피크 주파수를 찾아, 원래 신호 (Local oscillator laser) 대비, 피크 주파수가 얼마만큼 이동되었는지 계산하여 피크 풍속값으로 변환한다.
상기 풍동(220)은 윈드라이다(210)의 측면에 위치한다. 상기 풍동(220)은 레이저가 풍동(220) 내부로 조사될 수 있도록 지면에 대하여 수평으로 위치하는 것이 바람직하다. 상기 풍동(220)은 기준 풍속을 발생시키기 위해 일정한 길이를 갖는다. 상기 기준 풍속은 열선형 유속계 또는 레이저-도플러 풍속 측정기(LDA)로 측정한다. 풍동(220)의 길이는 대략 8~20m일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 풍동(220)은 기준 풍속을 공급하기 위한 연무기(fog machine, 222)를 포함한다. 연무기(222)는 풍동(220) 내부에 일정한 바람을 공급한다. 바람이 공급되면서, 풍동(220) 내부에 미세입자가 공급되어 풍속 신호를 충분히 측정할 수 있게 된다. 공급되는 바람과 동일한 속도로 이동하는 미세입자에 레이저가 반사된다. 반사되어 되돌아가는 레이저 신호로부터 윈드라이다(210)의 피크 풍속을 계산한다.
상기 풍동(220)은 전면과 후면이 개구부를 갖는 구조이다. 전면의 개구부를 통해 풍동(220) 내부에 존재하는 미세입자에 레이저를 조사한다. 후면의 개구부를 통해 연무기(222)로부터 바람을 공급받는다. 자연바람처럼 풍속 및 풍향이 원활하게 진행되기 위해, 상기 풍동(220)의 상부에는 개구부를 가지는 통로부(224)가 더 포함될 수 있다. 상기 풍동(220)은 유리와 같은 투명한 재질로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 광트랩(230)은 풍동(220)의 측면에 위치한다. 상기 광트랩(230)은 미세입자에 반사되지 않고 통과하는 레이저를 모두 흡수한다. 도 11 및 도 12에 도시한 바와 같이, 레이저를 흡수하기 위해, 상기 광트랩(230)의 형상은 중공을 포함하는 원기둥일 수 있다. 광트랩(230)은 이외에도 사각형 또는 구 형상일 수도 있다. 상기 광트랩(230)은 레이저를 흡수하기 위해, 상기 풍동(220)과 마주보는 면이 개구부를 가진다. 다른 일면은 지지대(234)를 포함한다. 상기 지지대(234)는 강풍을 일으키는 풍동(220) 내부에 콘 형상(232)을 구비한 광트랩(230)이 고정될 수 있도록 지지하는 역할을 한다.
그리고, 레이저가 광트랩(230) 내부로 들어와 여러 번 반사되어 흡수될 수 있도록 내부에 콘 형상(232)을 포함한다. 상기 콘 형상(232)은 개구부로 갈수록 관경이 좁아진다.
상기 광트랩(230)은 미세입자보다 표면 반사율이 낮은 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 표면 반사율이 낮은 물질은 레이저의 반사도가 대략 1% 이하인 물질을 가리킨다. 표면 반사율이 낮은 물질은 Ag, Ni, Cr, MgF2 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 광트랩(230)은 플루오르화 마그네슘(MgF2)으로 형성되거나, 적어도 표면에 플로오르화 마그네슘으로 코팅될 수 있다.
이처럼, 레이저가 조사될 것으로 예상되는 방향에 광트랩(230)을 설치하여 불필요한 신호가 반사되어 돌아가는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 광트랩(230)의 활용은 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 13은 본 발명의 제2실시예에 따른 윈드라이다의 교정방법을 나타낸 순서도이다. 도 13을 참조하면, 제2실시예에 따른 윈드라이다의 교정방법은 풍동 내부에 기준 풍속을 발생시키는 단계(S210), 윈드라이다에서 레이저를 조사하는 단계(S220) 및 피크 풍속값을 계산하여, 기준 풍속값을 기준으로 피크 풍속값을 교정하는 단계(S230)를 포함한다.
윈드라이다(210), 풍동(220) 및 광트랩(230)이 순차적으로 위치하는 상태에서 윈드라이다(210)의 교정이 진행된다.
먼저, 일정한 길이를 갖는 풍동(220) 내부에 기준 풍속을 발생시킨다. 연무기(222)를 이용하여 풍동(220) 내부에 기준 풍속을 공급한다. 풍동(220)에 대한 사항은 교정장치에서 전술한 바와 같다.
풍동(220) 내부로 바람이 공급되는 상태에서, 윈드라이다(210)의 레이저 조사부는 풍동(220) 내부로 레이저를 조사한다. 조사되는 레이저는 풍동(220) 내부에 존재하는 미세입자에 반사되어 되돌아온다. 윈드라이다(210)의 연산부는 되돌아온 레이저를 감지하여 피크 풍속값을 계산하게 된다. 이때, 미세입자에 반사되지 않고 나아가는 레이저, 즉, 허공을 통과하는 레이저는 광트랩(230)에 모두 흡수된다. 이에 따라, 광트랩(230)은 미세입자에 접촉하는 레이저만 반사시키도록 한다. 또한, 광트랩(230)은 불필요한 레이저 신호가 반사되어 돌아가는 것을 방지한다.
상기 피크 풍속값을 계산하여, 풍동(220)의 기준 풍속값과 일치하는 경우, 측정오차가 0%에 가깝다는 것을 의미한다. 반대로, 피크 풍속값이 기준 풍속값과 일치하지 않는 경우, 기준 풍속값을 기준으로 윈드라이다(210)의 피크 풍속값을 교정한다.
따라서, 본 발명에 따른 윈드라이다의 교정기술은 불필요한 레이저 신호를 흡수하는 광트랩, 및 기준 풍속을 발생시키는 회전체 또는 풍동을 이용하여, 실내에서 윈드라이다의 교정이 가능하고, 교정 시간을 단축시키는 효과가 있다.
또한, 윈드라이다의 풍속 측정 정밀도를 향상시키는 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
100, 200 : 윈드라이다의 교정장치
110, 210 : 윈드라이다
120, 220 : 회전체
130, 230 : 광트랩
233 : 콘 형상
234 : 지지대

Claims (18)

  1. 기준 풍속을 발생시키기 위해 회전하는 회전체;
    상기 회전체가 회전하는 방향으로 레이저를 조사하는 레이저 조사부와, 상기 회전체의 둘레 표면에 반사되어 되돌아오는 레이저를 감지하여 피크 풍속값을 계산하는 연산부를 포함하고, 상기 회전체의 측면에 위치하는 윈드라이다; 및
    상기 회전체의 둘레 표면에 반사되지 않고 허공을 통과하는 레이저를 흡수하며, 상기 회전체의 반대편 측면에 위치하는 광트랩;을 포함하고,
    상기 회전체의 기준 풍속값을 기준으로 윈드라이다의 피크 풍속값을 교정하는
    광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전체의 기준 풍속값은 [식 1]로 표시되는 회전체의 접선 속도(v)인
    광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정장치.
    [식 1]
    v = r Ⅹ ω
    r = 회전체의 반지름, ω = θ/t (θ = 2πN이고, N = 회전체의 회전속도, t = 시간이다.)
  3. 제1항에 있어서,
    상기 조사되는 레이저와 회전체의 둘레 표면의 접점이 발생하도록, 상기 레이저 조사부와 회전체가 수평으로 위치하는
    광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연산부는
    반사되어 되돌아오는 레이저 신호를 시간 순서대로 나열하고, [측정하고자 하는 구간]±[레이저 조사부에서 회전체 중심까지의 길이]에 포함되는 레이저 신호를 추출한 후, 추출된 레이저 신호 각각에 가중치(weighting function)를 곱하여 합산하고, 합산된 값으로 피크 풍속값을 계산하는
    광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광트랩은
    중공을 포함하고, 상기 회전체와 마주보는 면이 개구부를 가지며, 내부에 개구부로 갈수록 관경이 좁아지는 콘 형상을 포함하는
    광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광트랩은 회전체의 둘레 표면보다 표면 반사율이 낮은 물질로 형성된
    광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정장치.
  7. 기준 풍속을 발생시키는 풍동; 및
    상기 풍동 내부에 존재하는 미세입자에 레이저를 조사하는 레이저 조사부와, 상기 미세입자에 반사되어 되돌아오는 레이저를 감지하여 피크 풍속값을 계산하는 연산부를 포함하고, 상기 풍동의 측면에 위치하는 윈드라이다;
    상기 미세입자에 반사되지 않고 통과하는 레이저를 흡수하는 광트랩;을 포함하고,
    상기 풍동의 기준 풍속값을 기준으로 윈드라이다의 피크 풍속값을 교정하는
    광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 풍동은 기준 풍속을 공급하기 위한 연무기를 포함하는
    광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 연산부는
    반사되어 되돌아오는 레이저 신호를 시간 순서대로 나열하고, [측정하고자 하는 구간]±[풍동의 길이]에 포함되는 레이저 신호를 추출한 후, 추출된 레이저 신호 각각에 가중치를 곱하여 합산하고, 합산된 값으로 피크 풍속값을 계산하는
    광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 광트랩은
    중공을 포함하고, 상기 풍동과 마주보는 일면은 개구부를 가지며, 내부에 개구부로 갈수록 관경이 좁아지는 콘 형상을 포함하며, 다른 일면은 지지대를 포함하는
    광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 광트랩은 상기 미세입자보다 표면 반사율이 낮은 물질로 형성된
    광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정장치.
  12. (a) 회전체를 회전시켜 기준 풍속을 발생시키는 단계;
    (b) 윈드라이다의 레이저 조사부는 회전체가 회전하는 방향으로 레이저를 조사하는 단계; 및
    (c) 윈드라이다의 연산부는 회전체의 둘레 표면에 반사되어 되돌아오는 레이저를 감지하여 피크 풍속값을 계산하는 단계;를 포함하고,
    상기 회전체의 둘레 표면에 반사되지 않고 허공을 통과하는 레이저는 광트랩에 흡수되며,
    상기 회전체의 기준 풍속값을 기준으로 윈드라이다의 피크 풍속값을 교정하는
    광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 회전체의 기준 풍속값은 [식 1]로 표시되는 회전체의 접선 속도(v)인
    광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정방법.
    [식 1]
    v = r Ⅹ ω
    r = 회전체의 반지름, ω = θ/t (θ = 2πN이고, N = 회전체의 회전속도, t = 시간이다.)
  14. 제12항에 있어서,
    상기 레이저 조사부와 회전체가 수평으로 위치하여, 상기 조사되는 레이저와 회전체의 둘레 표면의 접점이 발생하는
    광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 연산부는
    반사되어 되돌아오는 레이저 신호를 시간 순서대로 나열하고, [측정하고자 하는 구간]±[레이저 조사부에서 회전체 중심까지의 길이]에 포함되는 레이저 신호를 추출한 후, 추출된 레이저 신호 각각에 가중치를 곱하여 합산하고, 합산된 값으로 피크 풍속값을 계산하는
    광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정방법.
  16. (a) 풍동 내부에 기준 풍속을 발생시키는 단계; 및
    (b) 윈드라이다의 레이저 조사부는 상기 풍동 내부에 존재하는 미세입자에 레이저를 조사하는 단계;
    (c) 윈드라이다의 연산부는 상기 미세입자에 반사되어 되돌아오는 레이저를 감지하여 피크 풍속값을 계산하는 단계;를 포함하고,
    상기 미세입자에 반사되지 않고 허공을 통과하는 레이저는 광트랩에 흡수되며,
    상기 풍동의 기준 풍속값을 기준으로 윈드라이다의 피크 풍속값을 교정하는
    광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정방법.
  17. 제16항에 있어서,
    연무기를 이용하여, 상기 풍동 내부에 기준 풍속을 공급하는
    광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 연산부는
    반사되어 되돌아오는 레이저 신호를 시간 순서대로 나열하고, [측정하고자 하는 구간]±[풍동의 길이]에 포함되는 레이저 신호를 추출한 후, 추출된 레이저 신호 각각에 가중치를 곱하여 합산하고, 합산된 값으로 피크 풍속값을 계산하는
    광트랩을 이용한 윈드라이다의 교정방법.

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