KR102149604B1 - 면단위의 관측이 가능한 유속 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 면단위의 관측이 가능한 유속 측정 장치는 하천 등의 유속을 측정하기 위한 것으로서,
지주에 직각으로 결합되는 중심대와, 중심대에 결합되는 3 개의 안테나를 포함하고, 3 개의 안테나는 각각이 소정의 일정 간격으로 이격되어 중심대에 결합되는 것을 특징으로 하는 것이고, 송신 신호를 생성하는 신호발생부와, 신호발생부에서 생성된 신호를 증폭하는 증폭기와, 증폭기를 통해 증폭된 신호를 방출하는 안테나와, 수신된 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기와, 저잡음 증폭기로부터 생성된 신호에 대하여 필터링을 수행하는 BPF(Band Pass Filter)와, 신호발생부에서 생성된 송신 신호와 BPF를 통과한 수신 신호를 합성하여 기저대역 신호로 변환하는 주파수 혼합기와, 주파수 혼합기에서 생성된 신호에 대하여 필요한 대역의 신호만 통과시키는 LPF(Low Pass Filter)와. 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해 주는 A/D 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

면단위의 관측이 가능한 유속 측정 장치{Flow velocity measurement device capable of plane observation}

본 발명은 유속의 측정 장치에 관한 것이다.

오늘날 수자원은 식량 생산, 안보, 국내 물 공급, 위생, 보건, 에너지, 여행, 산업 그리고 생태계 기능을 포함한 거의 모든 사회 그리고 경제에 영향을 미치고 있기 대문에 수자원 관리의 중요성은 그 어느때 보다도 높으며 나날이 그 중요성은 커져만 가고 있는 실정이다.

특히 근자에 들어 지구 온난화 등의 기후 변화는 극단적으로 날씨 패턴을 바꾸는 등 수자원의 관리에 관한 변동성을 크게 증가시키고, 이로써 물의 관리를 더욱 어렵게 하는 것은 물론, 장기적으로 물 공급의 양과 질에 큰 불확실성을 유인합니다.

최근 많은 사상자와 천문학적인 액수의 경제적 피해를 입게 한 심각한 홍수의 영향은 증가한 기후 변동성이 그 얼마나 심각한 것인지를 극명히 보여주는 것이고, 이에 대한 인간의 대비책에 대한 학문적인 연구 또한 활발하게 진행되고 있다.

상기와 같이 오늘날 물관리의 중요성은 지대하다고 할 수 있으며, 이러한 물관리를 수행함에 있어서, 하천 등의 유속을 측정하여 일정 기간 동안의 유량을 계측함으로써 각 하천들의 기본적인 정보를 입수해 가는 것은 수자원 관리의 출발점으로써 매우 큰 의미를 가진다고 할 것이다.

본 발명에 따른 면단위의 관측이 가능한 유속 측정 장치는 수자원 관리에 있어서 가장 기본이 되는 것으로서, 하천 등의 유량을 관측하기 위해 유속을 측정하는 장치에 관한 것이다.

하천의 유량 관측은 수자원 관리에서 중요한 항목이며 초음파를 이용하는 ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler), 또는 사람이 직접 이동하며 정밀하게 유속을 측정하는 도섭법, 그리고 전자파를 이용하는 전자파 표면유속계 등의 방법을 사용하고 있다.

ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)는 음파의 도플러효과(Doppler effect) 현상을 이용하여 하천이나 바다에서 물의 흐름 방향과 유속을 그 깊이에 따라 각 층별로 연속적으로 관측할 수 있도록 미국의 RD Ins.에서 만든 유속계의 일종이다. 송수파기로부터 3개의 음파 빔을 발사한 후, 이것이 수중 및 해저로부터 반사되어 굴절된 음파를 수신하고 이 수신 음파를 해석 처리하여 그 흐름의 방향과 속도를 산출하게 된다

이러한 ADCP는 무인화가 가능하고 실시간 관측이 가능하다는 장점이 있으나 그 설치조건이 까다로워 막대한 비용의 부대시설들을 필요로 한다.

도섭법은 사람이 직접 유속계를 가지고 하천에 들어가 유속을 측정하는 방법이다. 최근에는 다수심 유속계가 개발되어 표면의 유속을 측정하는 동시에 깊이에 따른 각각의 지점(수심대비 0.2, 0.6, 0.8)에 대한 유속을 측정할 수 있는 것이 가능하다.

도섭법은 사람이 직접 유속계를 가지고 유속을 측정하는 것이어서 관측자료의 정밀도는 가장 양호하지만, 사람의 수작업을 필요로하는 것이어서 실시간으로 유속을 관측하는 것이 불가능하고 인건비에 대한 비용 부담으로 역시 경제성이 떨어지는 단점이 있다.

전자파 표면유속계는 전자기파의 도플러 편이를 이용(송신후 신호가 회수되는 시간의 차이를 이용)하여 비접촉으로 표면유속을 관측할 수 있는 것으로서, 무인으로 신속하게 특정 지점의 유속을 측정하는 것이 가능하고, 대규모의 하천이나 홍수 등 사람이 직접 측정하는 도섭법이 불가능한 경우에도 그 활용이 가능하다는 장점을 가진다. 그러나 전자파 표면유속계는 도플러 효과에 따른 편이 현상을 직접적으로 사용하여 그 사간적 차이에 따라 유속을 산출하는 방식을 취하기 때문에 측정 지점 주변의 나뭇가지나 풀의 흔들림 등에 의해서 영향을 받아 측정의 오차가 발생할 수 있으며, 따라서 관측자가 현장의 상황을 판단하여 관측자료의 신뢰도를 검증해야 하는 문제점을 가지고 있다.

이와 관련하여, 진일보된 유속 측정 장치로서 도 1에 도시한 바와같이, 코다社(CODAR Ocean Sensors, LTd. 미국 캘리포니아 소재)의 리버존데(RiverSonde)가 있다. 리버존데의 경우 2차원으로 유속정보를 산출할 수 있는 장점이 있는 반면 방향탐지 등 복잡한 신호처리과정을 요하며 상대적으로 처리속도가 늦어지는 단점이 있다. 또한 하천의 흐름에 대해 측면에서 관측을 하며 수집된 1차원 자료를 2차원 자료로 변환하고 다시 1차원 자료로 변환하는 과정에서 관측 정밀도가 저하되는 문제점을 안고 있다.

한편, 안테나는 크게 지향성 안테나(Directional Antenna)와 무지향성 안테나(Omnidirectional antenna)로 대별된다.

지향성 안테나는 등방성 안테나의 뒷면에 반사판(Reflector)을 부착하여 특정 방위각으로만 전파가 형성되도록 설계된 것으로서, 보통 반파장 다이폴을 다단으로 배열한 것이 일반적이고 야기(Yagi) 안테나가 대표적인 지향성 안테나이다.

지향성 안테나는 구조적으로 복잡하여 고장가능성이 높아지는 등의 문제가 있어 무지향성 안테나에 비해 유지관리의 어려움이 더 크다고 볼 수 있다.

무지향성 안테나는 특정 방향이 없이 전방향성의 방사 패턴을 보이는 안테나로서 수평면에 대해서는 무지향적 패턴을 보이지만 수직면에서는 지향적 패턴을 보인다. 턴스타일 안테나, 수퍼 게인 안테나 등이 대표적인 무지향성 안테나이다. 본 발명에 따른 면단위의 관측이 가능한 유속 측정 장치는 무지향적 특성을 가지는 단일 소자 안테나를 사용한 것이다.

본 발명에 따른 면단위의 관측이 가능한 유속 측정 장치는 하천의 유량을 측정함에 있어서 무인화가 가능하고 그 구조를 간단화시켜 소요 비용을 감소시키는 것을 기술적 과제로 한다.

본 발명에 따른 면단위의 관측이 가능한 유속 측정 장치는 기존의 기술에 해당하는 지향성 야기 안테나(4소자 또는 5소자로 구성됨)를 사용하여 신호의 세기(진폭)를 비교하여 정보를 얻는 것이 아니라, 수신된 신호의 위상차(시간차)를 이용하여 방향을 탐지하는 무지향적 단일의 소자로 이루어진 것이어서, 장치의 고장가능성을 줄여 내구성을 증진시키는 한편, 유지 보수의 편의성을 증대시키는 것을 기술적 과제로 한다.

본 발명에 따른 면단위의 관측이 가능한 유속 측정 장치는 고정된 값의 주파수만을 사용하는 것이 아니라 주파수를 가변하여 신호를 송신함으로써 거리 및 방향 별로 유속 정보를 산출함으로써 데이터에 대한 신뢰도를 높이는 것을 기술적 과제로 한다.

본 발명에 따른 면단위의 관측이 가능한 유속 측정 장치는 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서,

지주에 직각으로 결합되는 중심대와, 중심대에 결합되는 3 개의 안테나를 포함하고, 3 개의 안테나는 각각이 소정의 일정 간격으로 이격되어 중심대에 결합되는 것을 특징으로 하는 한편,

송신 신호를 생성하는 신호발생부와, 신호발생부에서 생성된 신호를 증폭하는 증폭기와, 증폭기를 통해 증폭된 신호를 방출하는 안테나와, 수신된 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기와, 저잡음 증폭기로부터 생성된 신호에 대하여 필터링을 수행하는 BPF(Band Pass Filter), 송신 신호와 BPF를 통과한 수신 신호를 합성하여 기저대역 신호로 변환하는 주파수 혼합기와, 주파수 혼합기에서 생성된 신호에 대하여 필요한 대역의 신호만 통과시키는 LPF(Low Pass Filter)와, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해 주는 A/D 컨버터를 포함하는 것을 기술적 과제의 해결 수단으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 면단위의 관측이 가능한 유속 측정 장치는,

3개의 안테나가 무지향성 안테나인 것을 특징으로 하면서도 3개의 각각의 안테나에 수신되는 신호의 위상차(시간차)를 이용하여 유속을 측정하고자 하는 지점의 방향을 탐지하는 것을 기술적 과제의 해결 수단으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 면단위의 관측이 가능한 유속 측정 장치는,

A/D 컨버터를 통과한 신호에 대하여 시계열 신호를 거리별 신호로 변환함으로써 주파수 도메인을 변환하는 1차 FFT 단계와, 속도와 거리 자료를 분리하여 유속을 산출하는 2차 FFT 단계와, 안테나의 개수에 따른 다수의 채널을 이용하여 입사된 신호의 방향을 판별하는 단계와, 최종적으로 부채꼴 형상의 2차원 자료를 생성하는 단계를 거치는 것을 기술적 과제의 해결 수단으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 면단위의 관측이 가능한 유속 측정 장치는, 거리에 따른 시간지연을 측정하여 거리정보를 분리하기 위하여, 송신하는 신호의 주파수를 시간의 흐름에 따라 가변하는 것을 기술적 과제의 해결 수단으로 한다.

본 발명에 따른 면단위의 관측이 가능한 유속 측정 장치는 하천의 유량을 측정함에 있어서 무인화가 가능하고 그 구조를 간단화시켜 소요 비용을 감소시켜 경제성을 향상시키는 효과를 가진다.

본 발명에 따른 면단위의 관측이 가능한 유속 측정 장치는 수신된 신호의 위상차(시간차)를 이용하여 방향을 탐지하는 무지향적 단일의 소자로 이루어진 것이어서, 장치의 고장가능성을 줄여 내구성을 증진시키는 한편, 유지 보수의 편의성을 증대시키는 효과를 가진다.

본 발명에 따른 면단위의 관측이 가능한 유속 측정 장치는 고정된 값의 주파수만을 사용하는 것이 아니라, 주파수를 가변하여 신호를 송신함으로써 거리 및 방향 별로 유속 정보를 반복적으로 산출하여 산출된 데이터에 대한 신뢰도를 높이는 효과를 가진다.

결국 상기와 같은 이점을 가지는 본 발명에 따른 면단위의 관측이 가능한 유속 측정 장치는 유속측정에 관한 전반적인 효율성을 극대화시켜서 수자원 관리의 효율성을 증가시키는 효과를 가진다.

도 1은 선행기술로서 리버존데 제품에 대한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 신호 처리 과정에 대한 흐름을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 유속 관측 장치의 안테나 부분에 대한 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 유속 관측 장치의 전체 모습에 대한 사진이다.

이하에서는 본 발명에 따른 면단위의 관측이 가능한 유속 측정 장치에 대하여 첨부된 도면을 기준으로 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 면단위의 관측이 가능한 유속 측정 장치가 신호를 송신 및 수신하는 등 그 처리과정을 도식적으로 표현한 것이다.

도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명은 송신 신호를 생성하는 신호발생부와, 신호발생부에서 생성된 신호를 증폭하는 증폭기와, 증폭기를 통해 증폭된 신호를 방출하는 안테나와, 수신된 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기와, 저잡음 증폭기로부터 생성된 신호에 대하여 필터링을 수행하는 BPF(Band Pass Filter), 송신 신호와 BPF를 통과한 수신 신호를 합성하여 기저대역 신호로 변환하는 주파수 혼합기와, 주파수 혼합기에서 생성된 신호에 대하여 필요한 대역의 신호만 통과시키는 LPF(Low Pass Filter)와, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해 주는 A/D 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 면단위의 관측이 가능한 유속 측정 장치는, 이중으로 FFT(Fast Fourier Transform)을 수행한다는 것에 그 기술적 요지가 있다. A/D 컨버터를 통과한 신호에 대하여 시계열 신호를 거리별 신호로 변환함으로써 주파수 도메인을 변환하는 1차 FFT 단계를 수행한다. 다음으로 속도와 거리 자료를 분리하여 유속을 산출하는 2차 FFT 단계를 수행하고, 이후에 안테나의 개수에 따른 다수의 채널을 이용하여 입사된 신호의 방향을 판별하는 과정을 수행한다. 이후 최종적으로 부채꼴 형상의 2차원 자료를 생성하는 단계를 거치게 된다.

다시 말해 기저대역 신호를 1차 FFT 처리하면 거리 정보를 얻게 되고, 이후에 2차 FFT처리를 하게 되면 속도 정보를 얻게 되는 것이다.

본 발명에서는 기존의 기술처럼 지향성 안테나를 사용하지 아니하고, 무지향적 특성을 가지는 단일 소자의 안테나를 사용했다는 특징이 있는 것이다. 지향성 안테나를 사용하는 방식은 각 채널간의 신호세기 차이를 이용하여 입사된 신호의 방향을 판별하며 이를 위해서는 각 안테나의 방사패턴을 측정하여 그 값을 신호처리에 적용하는 절차를 필요로 한다. 이에 반해 규칙적으로 배열된 무지향성 안테나를 이용하는 본 발명은 방향 탐지에 이용하는 채널간의 위상정보를 기하학적 수식으로 처리가 가능하며 상기 방사패턴 측정 과정이 불필요하다.

이로써 본 발명은 종래의 기술보다 신호의 처리과정을 간단히 함으로써 처리 속도를 증가시키고, 더하여 제작 비용 및 유지 관리 등의 비용적인 측면에서도 경제적으로 뛰어난 효과를 가지는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 면단위의 관측이 가능한 유속 측정 장치는 송신하는 신호의 주파수를 가변하여 다지점의 데이터를 축적하게 되고, 이로써 산출된 데이터의 신뢰도를 높이는 효과를 가지게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 유속 관측 장치에 대한 사진이고, 도 4는 본 발명에 따른 유속 관측 장치의 전체 모습에 대한 사진이다.

본 발명은 안테나의 구조에도 기술적 특성이 있는 것이다. 도 3에서 보는 바와 같이, 지주(100)는 지반에 본 발명에 따른 안테나를 고정시키기 위한 것이고, 지주(100)에는 직각으로 중심대(110)가 형성되어 있다. 중심대(110)에는 3개의 무지향적 안테나(120)가 설치되어 있다.

3개의 안테나(120)는 서로 일정한 간격으로 중심대(110)에 결합되어 있다.

3개의 무지향성(nondirectional; Omnidirectional) 안테나(120)를 일정 간격으로 배치하고, 유속을 측정하고자 하는 지점의 수면으로부터 돌아오는 전자파가 수신되는 시간차(또는 위상차; 3개의 안테나에 따른 차이)를 계산하여, 수면상의 어느 지점에서 온 신호인지 파악하게 되는 것이다.

기존의 리버존데 안테나의 경우 측정 지점의 파악을 위해서는 미리 안테나의 수신 세기(진폭)에 따른 특성을 미리 알고 있어야 하는데, 본 발명은 이러한 과정이 필요 없게 되는 것이다.

도 3에서 3개의 각 안테나(120)는 슬롯형으로 도시되어 있으나, 원형, 직사각형 등 본 발명의 기술적 효과를 달성할 수 있는 한도 내에서 그 형상의 변화가 얼마든지 가능하며, 이러한 변형은 단순한 설계 변형으로서 본 발명의 기술적 범주에 속한다고 할 것이다.

또한 도 3에서는 안테나(120)의 개수가 3개인 것으로 도시되어 있으나, 이는 본 발명의 일실시예를 도시한 것에 지나지 아니하는 것이고, 본 발명의 목적과 효과를 달성하는 한도에서 그 개수의 변형은 얼마든지 변경이 가능하다고 할 것이다.

도 4에서 나타난 바와 같이, 하단부에는 신호의 생성, 처리 및 데이터 산출 등을 담당하는 제어부가 설치되어 있다.

상기 제어부는 신호발생부, 증폭기, 저잡음 증폭기, BPF(Band Pass Filter), 주파수 혼합기, LPF(Low Pass Filter), A/D 컨버터 등으로 구성되어 있으며, 각 구성들의 기능은 앞서 설명한 바와 같다.

상기한 바와 같은 구성 및 효과에 관한 설명 등은 본 발명에 대한 일실시예에 대한 것으로서 본 발명의 특허청구범위를 제한하는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 변경하지 아니하는 범위 내에서 다양한 변경과 수정이 가능함은 본 발명이 속하는 분야에 종사하는 자에게는 자명한 것으로서 그러한 단순한 설계 변경 등은 본 발명의 기술적 범주에 속한다고 할 것이다.

지주 : 100
중심대 : 110
안테나 : 120

Claims (7)

1. 지주에 직각으로 결합되는 중심대와,
   상기 중심대에 결합되는 3 개의 안테나를 포함하고,
   상기 3 개의 안테나는 각각이 소정의 일정 간격으로 이격되어 상기 중심대에 결합되는 것을 특징으로 하는 유속 관측 장치에 있어서,
   
   송신 신호를 생성하는 신호발생부;
   상기 신호발생부에서 생성된 신호를 증폭하는 증폭기;
   상기 증폭기를 통해 증폭된 신호를 방출하는 안테나;
   수신된 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기;
   상기 저잡음 증폭기로부터 생성된 신호에 대하여 필터링을 수행하는 BPF(Band Pass Filter);
   상기 신호발생부에서 생성된 송신 신호와 BPF를 통과한 수신 신호를 합성하여 기저대역 신호로 변환하는 주파수 혼합기;
   상기 주파수 혼합기에서 생성된 신호에 대하여 필요한 대역의 신호만 통과시키는 LPF(Low Pass Filter); 및
   아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해 주는 A/D 컨버터를 포함하고,
   상기 안테나는 무지향성 안테나로서 원형, 슬롯형, 직사각형 중 선택된 어느 하나 인것을 특징으로 하고,
   상기 3개의 안테나에 수신되는 신호의 위상차를 이용하여 유속을 측정하고자 하는 지점의 방향을 탐지하는 것을는 면단위의 관측이 가능한 유속 측정 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 A/D 컨버터를 통과한 신호에 대하여,
   시계열 신호를 거리별 신호로 변환함으로써 주파수 도메인을 변환하는 1차 FFT 단계;
   속도와 거리 자료를 분리하여 유속을 산출하는 2차 FFT 단계;
   상기 안테나의 개수에 따른 다수의 채널을 이용하여 입사된 신호의 방향을 판별하는 단계; 및
   부채꼴 형상의 2차원 자료를 생성하는 단계를 거치는 것을 특징으로 하는 면단위의 관측이 가능한 유속 측정 장치.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   송신하는 신호의 주파수를 가변하여 유속을 반복적으로 측정하는 것을 특징으로 하는 면단위의 관측이 가능한 유속 측정 장치.
   
   
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