KR102109559B1 - 파랑 계측 시스템 및 이를 위한 수신신호 전처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 파랑 계측 시스템은, 트리거(Trigger), 헤딩(Heading), 베어링(Bearing) 및 비디오(Video) 신호를 포함하는 레이더 수신신호를 제공하는 레이더; 상기 트리거 신호의 순서를 나타내는 카운터정보를 생성하고, 상기 트리거 신호와 베어링 신호를 바탕으로 상기 레이더 수신 신호의 방위와 거리를 나타내는 위치정보를 생성하는 기초정보 분석부와, 상기 레이더의 수신신호에서 기 설정된 한계점 이상의 진폭을 갖는 물표 반사 신호를 하나 이상 추출하는 보정대상 추출부 및, 서로 다른 카운터정보를 갖는 둘 이상의 상기 물표 반사 신호의 상기 위치정보가 서로 동일한 경우 해당 물표 반사 신호의 진폭을 상기 한계점 이하로 보정하는 물표신호 보정부를 포함하는 수신신호 전처리 모듈; 상기 수신신호 전처리 모듈을 통해 보정된 레이더 수신신호를 이용하여 PPI 화면에 나타나는 레이더 영상을 바탕으로 파랑 특성을 계측하는 파랑 계측 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 파랑 해석에 방해가 되는 선박이나 해상구조물 또는 육상으로부터 반사되는 물표 반사 신호를 해수면 반사 신호의 진폭 수준으로 보정함으로써 파향 스펙트럼 해석의 정확도를 높이는 효과를 갖는다.

Description

파랑 계측 시스템 및 이를 위한 수신신호 전처리 방법 {Wave measure system and preprocessing method of received signal}
본 발명은 파랑 해석에 방해가 되는 선박이나 해상구조물 또는 육상으로부터 반사되는 물표 반사 신호를 보정함으로써 파향 스펙트럼 해석의 정확도를 높일 수 있도록 하는 파랑 계측 시스템 및 이를 위한 수신신호 전처리 방법에 관한 것이다.
우리나라는 반도라는 지형적 특성상, 해양 기후에 많은 영향을 받는다. 그래서 어업, 양식업, 연근해 해상 교통, 해양 레저 등 심지어 국방까지 실시간 및 축적된 해양 기상 정보들은 매우 중요하며 이 정보들을 통하여 해상의 날씨와 상태 예보, 재난위험 감소 및 해양기상 서비스 결함 해결과 역량 개발을 꾀할 수 있다. 이러한 기대 효과로 해양기상기술은 관측, 분석 및 예보를 통하여 실생활뿐 아니라 각종 산업에 활용하기 위해 많은 비용과 노력을 투자하고 있다.
해양기상의 대표적인 정보에는 조위, 파랑, 조류 및 해류, 해상풍 등이 있다. 이들을 관측하기 위해 기상청, 국립해양조사원, 해군 등에서 다양한 장소에 다양한 장비를 설치해서 지속적으로 관측하고 있으며 관측한 자료를 바탕으로 생활 및 산업에 활용할 수 있는 예보를 위한 통계 자료를 도출하고 있다.
그 중 파랑은 바람이 해면이나 수면 상에 불 때 생기는 풍랑과 어느 해역에서 발생한 풍랑이 바람이 없는 다른 해역까지 진행하여 감쇠해서 생긴 너울이다. 파랑은 마루(파도가 일 때 치솟은 물결의 꼭대기)가 뾰족하고, 파도와 파도 사이의 간격이 비교적 짧지만 너울은 마루가 둥글고 간격이 길다. 또한, 넓은 바다에서는 이 둘이 합쳐 복잡한 해면 양상을 보이며, 파랑의 성격을 나타내는 요소로서는 파고(파도의 골에서 마루까지의 높이), 주기(어느 지점에서 한 마루가 지난 후 다음 마루가 지날 때까지의 시간), 외파장, 파압, 파속 및 파향 등이 있다.
종래의 파랑 계측은 주로 육안 관측에 의해 수행되었으나, 이 경우 관측자의 숙련도에 따라 관측치의 신뢰도가 크게 좌우되고 야간 관측이 어려운 점 등으로 인해서 관측 결과의 신뢰도에 문제가 발생한다. 계측과 관련된 기술의 발전에 의해서 가속도 센서나 초음파 센서를 이용한 부이나 수직형의 수면 변위 계측 시스템 등이 개발되었다.
최근에는 레이더를 이용한 원격 계측 방식이 개발되었는데, 이는 계측한 파랑 레이더 신호에 해수면의 직간접적인 상태를 나타내는 정보들이 잡음성분과 함께 포함되어 있는 영상을 활용하기 때문에 이를 해양파 역학 관점으로 파랑 정보를 추출하고 해석하는 기법의 연구가 진행되고 있다. 국내에서도 일부 연구를 통해 선박용 X-band 레이더를 이용한 파랑레이더 시스템을 적용한 국산 상용 제품이 출시되었으나 다양한 외부 방해 요소로 인하여 파랑 계측의 정확도가 낮아지는 문제 등의 해결과제로 인해, 실제 운용되고 있는 빈도는 매우 적은 수준이다.
특히 해석 영역에 선박이나 해상구조물이나 육상에서 반사되는 신호가 있으면 파향 스펙트럼이 전방위로 나타나게 되고 해석 정확도가 급격히 떨어지는 문제가 발생하므로, 이를 해결하는 기술 개발의 필요성이 절실히 대두되는 실정이다.
한국등록특허 제 10-1790482호 '항해용 레이더를 이용한 파고 측정 시스템 및 측정 방법'(2016년 07월 12일 출원) 한국등록특허 제 10-1031260호 '파랑 계측 시스템 및 방법' (2009년 07월 17일 출원)
본 발명은 파랑 해석에 방해가 되는 선박이나 해상구조물 또는 육상으로부터 반사되는 물표 반사 신호를 보정함으로써 파랑 해석의 정확도를 높일 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 파랑 계측 시스템은, 트리거(Trigger), 헤딩(Heading), 베어링(Bearing) 및 비디오(Video) 신호를 포함하는 레이더 수신신호를 제공하는 레이더; 상기 트리거 신호의 순서를 나타내는 카운터정보를 생성하고, 상기 트리거 신호와 베어링 신호를 바탕으로 상기 레이더 수신 신호의 방위와 거리를 나타내는 위치정보를 생성하는 기초정보 분석부와, 상기 레이더의 수신신호에서 기 설정된 한계점 이상의 진폭을 갖는 물표 반사 신호를 하나 이상 추출하는 보정대상 추출부 및, 서로 다른 카운터정보를 갖는 둘 이상의 상기 물표 반사 신호의 상기 위치정보가 서로 동일한 경우 해당 물표 반사 신호의 진폭을 상기 한계점 이하로 보정하는 물표신호 보정부를 포함하는 수신신호 전처리 모듈; 상기 수신신호 전처리 모듈을 통해 보정된 레이더 수신신호를 이용하여 PPI 화면에 나타나는 레이더 영상을 바탕으로 파랑 특성을 계측하는 파랑 계측 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 한계점은, 해수면 반사 신호(Sea clutter)의 최고치 이상인 것을 특징으로 한다.
이 때 상기 레이더는, 엑스 밴드 레이더인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 파랑 계측 시스템을 이용한 수신신호 전처리 방법은, 레이더로부터 트리거(Trigger), 헤딩(Heading), 베어링(Bearing) 및 비디오(Video) 신호를 포함하는 레이더 수신신호를 획득하는 수신신호 획득 단계; 상기 트리거 신호의 순서를 나타내는 카운터정보를 생성하고, 상기 트리거 신호와 베어링 신호를 바탕으로 상기 레이더 수신 신호의 방위와 거리를 나타내는 위치정보를 생성하는 기초정보 분석 단계; 상기 레이더 수신신호에서 기 설정된 한계점 이상의 진폭을 갖는 물표 반사 신호를 하나 이상 추출하는 보정대상 추출 단계; 서로 다른 카운터정보를 갖는 둘 이상의 상기 물표 반사 신호의 상기 위치정보가 서로 동일한 경우 해당 물표 반사 신호의 진폭을 상기 한계점 이하로 보정하는 물표 신호 보정 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 파랑 계측 시스템 및 이를 위한 수신신호 전처리 방법은, 파랑 해석에 방해가 되는 선박이나 해상구조물 또는 육상으로부터 반사되는 물표 반사 신호를 해수면 반사 신호의 진폭 수준으로 보정함으로써 파향 스펙트럼 해석의 정확도를 높이는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 파랑 계측 시스템의 기본적인 구성을 나타낸 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 파랑 계측 시스템의 구성을 나타낸 블록도.
도 3은 레이더 수신신호의 일 실시예를 나타낸 참고도.
도 4는 본 발명에 따른 파랑 계측 시스템을 위한 수신신호 전처리 방법을 나타낸 순서도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 각 도면의 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명에 따른 파랑 계측 시스템의 기본적인 구성을 나타낸 개념도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 상기 파랑 계측 시스템은 기본적으로 레이더(Radar)(100)와 상기 레이더(100)로부터 수신된 신호들을 수집 및 처리하는 관리 서버(200)를 포함하여 해수면을 향한 레이더 신호의 송수신을 통해 파랑에 대한 정보를 획득한다.
레이더(100)는, 해수면을 향해 송신 신호를 발사하고 반사되는 레이더 수신 신호를 제공하는 것으로, 이 때 사용되는 레이더 신호는 안테나의 전파 송신에 동기되는 트리거(Trigger) 신호, 선박 또는 육지 구조물의 머리 방향으로 절대방위각을 구하기 위한 기준이 되는 헤딩(Heading), 실제 안테나의 방향에 해당되는 펄스인 베어링(Bearing) 신호 및 레이더가 제공하는 영상 정보인 비디오(Video) 신호를 포함하며, 상기 레이더 수신 신호들은 상기 관리 서버(200)에 의해 수집되어 평면 위치 표시기(PPI. Plane Position Indicator) 위에 표시되는 레이더 영상을 생성하는 데이터로서 활용된다.
이 때 상기 레이더(100)는 부이와 인공위성 각각의 장ㅇ단점의 중간적 성격을 가지면서, 저가로서 산업적 이용성이 용이한 엑스 밴드 레이더(X-Band Radar)인 것이 바람직하다.
관리 서버(200)는 Radar Scan Converter(RSC)보드와 PC를 결합한 형태로, 상기 레이더(100)로부터 수신된 신호들을 수집 및 처리하여 평면 위치 표시기(PPI. Plane Position Indicator) 상에서 나타낼 수 있도록 한다.
상기 RSC 보드는 상기 레이더(100)의 비디오 신호와 트리거, 헤딩, 베어링 신호가 아이솔레이터(Isolator)를 거쳐 입력되면 고속의 ADC를 이용하여 트리거와 베어링 및 카운터 신호값을 이용하여 메모리 어드레스(memory address)를 지정하여 상기 비디오 신호 값을 저장하도록 구성된다. 이 때 비디오 신호 값의 양자화 전 단계에서 오프셋(Offset)과 게인(Gain)을 조정하여 사이드 로브(side-lobe)나 다른 선박에서 송신하는 강력한 노이즈 신호를 1차적으로 제거할 수 있다.
상기 RSC 보드는 메모리에 저장된 많은 데이터를 연속적으로 고속 처리하기 위해 32 비트 PCI 버스 인터페이스를 이용한 DMA 전송방식을 이용하여 PC로 전달하도록 설계되며, 데이터를 전달받은 PC는 기 설정된 알고리즘에 따라 파랑을 해석하여 사용자에게 디스플레이한다.
도 2는 본 발명에 따른 파랑 계측 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2를 참조하여 상기 관리 서버(200)의 구성을 보다 상세히 설명하면, 상기 관리 서버(200)는 수신신호 전처리 모듈(210)과 파랑 계측 모듈(220)을 포함한다.
수신신호 전처리 모듈(210)은, 기초정보 분석부(211)와 보정대상 추출부(212) 및 물표신호 보정부(213)를 포함하여 이루어진다.
상기 기초정보 분석부(211)는, 상기 트리거 신호의 순서를 나타내는 카운터정보를 생성하고, 상기 트리거 신호와 베어링 신호를 바탕으로 상기 레이더 수신 신호의 방위와 거리를 나타내는 위치정보를 생성한다. 상기 카운터정보와 위치정보는 평면 위치 표시기에 레이더 영상을 표시함에 있어서 기준이 됨과 동시에, 후술할 물표 반사 신호를 보정하는 데 판단 기준으로서도 활용된다.
도 3은 레이더 수신신호의 일 실시예를 나타낸 참고도이다.
도 3을 참조하여 보정대상 추출부(212)와 물표신호 보정부(213)를 설명하면, 상기 보정대상 추출부(212)는, 상기 레이더 수신신호에서 기 설정된 한계점(Threshold) 이상의 진폭을 갖는 물표 반사 신호를 하나 이상 추출하고, 상기 물표신호 보정부(213)는 서로 다른 카운터정보를 갖는 둘 이상의 상기 물표 반사 신호의 상기 위치정보가 서로 동일한 경우 해당 물표 반사 신호의 진폭을 상기 한계점 이하로 보정한다.
이 때 상기 물표신호 보정부(213)는, NAND 로직을 이용하여 서로 다른 카운터정보를 갖는 레이더 수신신호를 비교하여 보정을 수행토록 하는 것이 바람직하다.
또한, 파랑계측에서 사용하는 해수면 반사 신호(Sea clutter)와 선박이나 해상구조물 등의 물표에서 반사되는 물표 반사 신호는 두 배 가량의 진폭 차이를 보이므로, 불필요한 보정 작업이 발생되지 않도록 하기 위하여 상기 한계점은 해수면 반사 신호(Sea clutter)의 최고치 이상으로 설정되는 것이 바람직하다.
파랑 계측 모듈(220)은, 상기 수신신호 전처리 모듈(210)을 통해 보정된 레이더 수신신호를 이용하여 PPI 화면에 나타나는 레이더 영상을 바탕으로 기 설정된 알고리즘을 통해 파랑 특성을 계측한다.
이 때 상기 알고리즘은 상기 레이더 영상을 이용하여 계측한 해상의 3차원 방향파 스펙트럼을 획득하고, 상기 스펙트럼의 모멘트를 이용하여 파랑 특성을 계측하는 방식이 적용될 수 있다. 예를 들어, 파의 분산성 곡선을 만족하는 에너지 성분을 파로 간주하고 이외의 에너지 성분을 잡음으로 취하여 레이더 영상에서 신호와 잡음을 분리하고, 이후 FFT를 이용하여 방향파 스펙트럼을 얻을 수 있으며, 그 외 공지된 다양한 기법을 적용할 수 있음은 물론이다.
상기 파랑 계측 모듈(220)의 결과는, 파랑 해석에 방해가 되는 선박이나 해상구조물 또는 육상으로부터 반사되는 물표 반사 신호를 해수면 반사 신호의 진폭 수준으로 보정하는 전처리를 거친 데이터를 기반으로 함에 따라, 파향 스펙트럼 해석의 정확도가 현저하게 높아진다.
도 4는 본 발명에 따른 파랑 계측 시스템을 위한 수신신호 전처리 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3을 참조하여 파랑 계측 시스템을 위한 수신신호 전처리 방법을 설명하면, 본 발명은 순차적으로 수신신호 획득 단계(S100)와 기초 정보 분석 단계(S200), 보정대상 추출단계(S300), 물표 신호 보정 단계(S400) 및 파랑 계측 단계(S500)를 포함한다.
수신신호 획득단계(S100)는, 레이더(100)로부터 트리거(Trigger), 헤딩(Heading), 베어링(Bearing) 및 비디오(Video) 신호를 포함하는 레이더 수신신호를 획득하는 단계이다.
기초 정보 분석 단계(S200)는, 상기 트리거 신호의 순서를 나타내는 카운터정보를 생성하고, 상기 트리거 신호와 베어링 신호를 바탕으로 상기 레이더 수신 신호의 방위와 거리를 나타내는 위치정보를 생성한다.
보정대상 추출 단계(S300)는, 상기 레이더 수신신호에서 기 설정된 한계점 이상의 진폭을 갖는 물표 반사 신호를 하나 이상 추출한다.
물표 신호 보정 단계(S400)는, 서로 다른 카운터정보를 갖는 둘 이상의 상기 물표 반사 신호의 상기 물표위치정보가 서로 동일한 경우 해당 물표 반사 신호의 진폭을 상기 한계점 이하로 보정한다.
마지막으로 상기 파랑 계측 단계(S500)는, 상기 물표 신호 보정 단계(S400)를 통해 보정된 레이더 신호를 이용하여 PPI 화면에 나타나는 레이더 영상을 바탕으로 파랑 특성을 계측하여 이를 사용자에게 제공한다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 파랑 계측 시스템 및 이를 위한 수신신호 전처리 방법의 구성 및 작용을 상기 설명 및 도면에 표현하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하여 본 발명의 사상이 상기 설명 및 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.
100: 레이더
200: 관리 서버
210: 수신신호 전처리 모듈
211: 기초정보 분석부
212: 보정대상 추출부
213: 물표신호 보정부
220: 파랑 계측 모듈
S100: 수신신호 획득 단계
S200: 기초 정보 분석 단계
S300: 보정대상 추출 단계
S400: 물표 신호 보정 단계
S500: 파랑 계측 단계

Claims (4)

  1. 트리거(Trigger), 헤딩(Heading), 베어링(Bearing) 및 비디오(Video) 신호를 포함하는 레이더 수신신호를 제공하는 레이더;
    상기 트리거 신호의 순서를 나타내는 카운터정보를 생성하고, 상기 트리거 신호와 베어링 신호를 바탕으로 상기 레이더 수신 신호의 방위와 거리를 나타내는 위치정보를 생성하는 기초정보 분석부와,
    상기 레이더의 수신신호에서 기 설정된 한계점 이상의 진폭을 갖는 물표 반사 신호를 하나 이상 추출하는 보정대상 추출부 및,
    서로 다른 카운터정보를 갖는 둘 이상의 상기 물표 반사 신호의 상기 위치정보가 서로 동일한 경우 해당 물표 반사 신호의 진폭을 상기 한계점 이하로 보정하는 물표신호 보정부를 포함하는 수신신호 전처리 모듈;
    상기 수신신호 전처리 모듈을 통해 보정된 레이더 수신신호를 이용하여 PPI 화면에 나타나는 레이더 영상을 바탕으로 파랑 특성을 계측하는 파랑 계측 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 파랑 계측 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 한계점은,
    해수면 반사 신호(Sea clutter)의 최고치 이상인 것을 특징으로 하는, 파랑 계측 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이더는,
    엑스 밴드 레이더인 것을 특징으로 하는 파랑 계측 시스템.
  4. 레이더로부터 트리거(Trigger), 헤딩(Heading), 베어링(Bearing) 및 비디오(Video) 신호를 포함하는 레이더 수신신호를 획득하는 수신신호 획득 단계;
    상기 트리거 신호의 순서를 나타내는 카운터정보를 생성하고, 상기 트리거 신호와 베어링 신호를 바탕으로 상기 레이더 수신 신호의 방위와 거리를 나타내는 위치정보를 생성하는 기초정보 분석 단계;
    상기 레이더 수신신호에서 기 설정된 한계점 이상의 진폭을 갖는 물표 반사 신호를 하나 이상 추출하는 보정대상 추출 단계;
    서로 다른 카운터정보를 갖는 둘 이상의 상기 물표 반사 신호의 상기 위치정보가 서로 동일한 경우 해당 물표 반사 신호의 진폭을 상기 한계점 이하로 보정하는 물표 신호 보정 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 파랑 계측 시스템을 이용한 수신신호 전처리 방법.
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JP2017133902A (ja) * 2016-01-27 2017-08-03 国立大学法人 千葉大学 波浪計測装置及び物標探知装置

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