KR102590715B1 - 멀티포인트 레이더 유속계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이더 전자파를 이용하여 하천의 유속을 측량하는 레이더 유속계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하천의 표면의 FOV(Field Of View) 구역에서 복수의 측정 영역 별 거리 정보와 유속 정보를 동시에 취득할 수 있는 멀티포인트 레이더 유속계에 관한 것이다.
본 발명에 따른 멀티포인트 레이더 유속계는 레이더 전자파(이하 '송신 전자파')를 송신하는 송신 안테나와, 상기 레이더 전자파가 하천의 표면의 FOV(Field Of View) 구역에서 반사된 복수의 반사 전자파(이하 '수신 전자파')를 수신하는 복수의 수신 안테나를 포함하는 안테나모듈; 상기 안테나모듈의 설치 각도, 상기 송신 전자파 및 상기 복수의 수신 전자파의 정보에 기초하여 상기 FOV 구역 내의 복수의 측정 영역 별 거리 정보 및 유속 정보를 생성하는 프로세서모듈;을 포함하여 이루어진다.

Description

멀티포인트 레이더 유속계{Multipoint radar flow velocity meter}
본 발명은 레이더 전자파를 이용하여 하천의 유속을 측량하는 레이더 유속계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하천의 표면의 FOV(Field Of View) 구역에서 복수의 측정 영역 별 거리 정보와 유속 정보를 동시에 취득할 수 있는 멀티포인트 레이더 유속계에 관한 것이다.
강이나 하천을 효율적으로 이용하고 홍수와 같이 물로 인한 재해를 방지하기 위해서는 하천의 유량을 모니터링하는 것이 필수이다. 특히, 유량 자료는 수자원의 효율적인 계획과 관리, 오염 총량제와 같은 수질 관리, 수공 구조물 설계, 홍수 예보 업무 등 이수, 치수, 수질 관리를 위한 가장 기본적이면서 중요한 자료이다.
하천의 유량을 파악하기 위해서는 먼저 하천의 유속과 수위를 계측해야 한다.
일반적으로, 강이나 하천의 유속을 측정하는 방식은 프로펠러식 유속계를 이용하거나 권양기에 유속계를 매달아 측정하는 방식이 있다.
여기서, 상기 프로펠러식 유속계는 물속에서 유속에 의하여 회전되는 프로펠러를 통해 유속을 측정하는 것으로, 상기 프로펠러식 유속계는 수중에서 작동하는 관계로, 물에 의한 저항이 크므로, 평상시의 유속 측정에만 사용된다.
한편, 유량이 많고 유속도 빠른 홍수기에는, 권양기에 유속계를 매달아 측정하게 되는데, 이 또한, 물의 유량과 유속이 현저하게 증가하는 경우에는 수중에 잠겨진 유속계는 큰 저항을 받게 되고, 이는 권양기로도 지지하는 데에 한계가 있으며, 심한 경우에는 권양기를 잡고 제어하는 측정자가 물 속에 빠질 수도 있는 위험이 상존하고 있다.
등록특허 제10-0204980호 '전자파 표면 유속계', 등록특허 제10-1152454호 '평수기 및 갈수기용 전자파 표면 유속계'는 하천의 유속을 물과 직접 접촉하지 않고서도 안전하고 간단하며 정확하게 측정할 수 있는 것으로 불규칙한 파동을 갖는 물표면에 전자파를 발사하고 물표면에서 반사되는 신호를 수신한 후 도플러 효과에 의한 주파수를 산정하므로써 표면 유속을 취득한다.
전자파를 이용해 하천의 유속을 계측하는 종래기술은 한 번에 하천의 단일 지점에 대한 유속을 계측할 수 있어서, 하천의 여러 지점에 대한 유속을 계측하기 위해서는 유속계의 계측 방향을 바꿔가면서 유속을 계측하거나, 여러 대의 유속계를 이용해 유속을 계측해야 한다. 그래서 종래기술은 인력과 시간과 비용의 낭비가 크다.
그리고 종래기술은 하천의 유속이 느린 경우 유속계에서 계측되는 유속의 정확도가 낮고, 하천의 흐름방향 정면에서 벗어난 지점의 유속을 계측하는 경우 오차가 발생하는데 이를 보정하지 않고 있다.
본 발명은 이처럼 종래기술이 갖는 문제를 해결하기 위해 안출된 발명으로서, 송신 전자파가 조사하는 하천의 표면의 FOV(Field Of View) 구역에서 구획한 복수의 측정 영역에 각각에 대한 거리 정보와 유속 정보를 동시에 취득하고, 유속이 느린 측정 영역의 유속을 정확하게 계측할 수 있고, FOV 구역의 측정 영역들 중에서 하천의 흐름방향 정면에서 벗어난 영역의 유속은 보정을 통해 정확하게 계측하는 멀티포인트 레이더 유속계에 관한 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 멀티포인트 레이더 유속계는
레이더 전자파(이하 '송신 전자파')를 송신하는 송신 안테나와, 상기 레이더 전자파가 하천의 표면의 FOV(Field Of View) 구역에서 반사된 복수의 반사 전자파(이하 '수신 전자파')를 수신하는 복수의 수신 안테나를 포함하는 안테나모듈;
상기 안테나모듈의 설치 각도, 상기 송신 전자파 및 상기 복수의 수신 전자파의 정보에 기초하여 상기 FOV 구역 내의 복수의 측정 영역 별 거리 정보 및 유속 정보를 생성하는 프로세서모듈;을 포함하여 이루어진다.
그리고 상기 안테나모듈의 설치 각도를 제공하는 자이로센서;를 더 포함하는 것을 특징으로 하고,
상기 레이더 전자파는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)이고,
상기 송신 안테나와 수신 안테나는 동일 평면 상에 구비되는 것을 특징으로 하고,
상기 프로세서모듈은
상기 송신 전자파와 수신 전자파를 혼합하는 혼합부와,
상기 혼합부에서 출력되는 아날로그신호를 디지털신호를 변환하는 AD컨버터와,
상기 AD컨버터의 디지털신호를 이용해 측정 영역에 대한 거리 정보와 유속 정보를 연산하는 연산부와,
상기 AD컨버터의 출력 위상을 검출하고 이에 가중치를 부가하여, 송신 전자파에 해당하는 주파수대역의 다중빔을 생성하는 디지털 빔포밍부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 멀티포인트 레이더 유속계는 하천의 표면의 FOV(Field Of View) 구역에서 복수의 영역에 대한 거리 정보 및 유속 정보를 계측하여 시간, 비용 및 인력의 획기적으로 절감하고, 유속이 느린 하천에서도 유속을 정확하게 계측할 수 있는 제품으로서, 산업발전에 매우 유용한 발명이다.
도 1 은 본 발명에 따른 멀티포인트 레이더 유속계의 블럭 구성도.
도 2 는 본 발명에 따른 멀티포인트 레이더 유속계의 실제품의 일례를 보여주는 도면 대용 사진.
도 3 은 측정 영역에 대한 거리 정보와 유속 정보를 계측하는 과정을 도시한 도면.
도 4 와 도 5 는 하천의 표면의 FOV(Field Of View) 구역에서 복수의 영역을 설명하는 도면.
도 6 은 유속계의 높이와 측정방향을 적용하여 측정 영역의 유속을 보정하는 것을 설명하는 도면.
도 7 은 측정 영역의 수위를 계측하는 것을 설명하는 도면.
도 8 은 디지털 빔포밍을 통해 다중빔을 생성하는 것을 설명하는 도면.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 멀티포인트 레이더 유속계에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 멀티포인트 레이더 유속계에 관하여 보다 구체적으로 설명하기에 앞서,
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 구현예(態樣, aspect)(또는 실시예)들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면에서 동일한 참조부호, 특히 십의 자리 및 일의 자리 수, 또는 십의 자리, 일의 자리 및 알파벳이 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 기능을 갖는 부재를 나타내고, 특별한 언급이 없을 경우 도면의 각 참조부호가 지칭하는 부재는 이러한 기준에 준하는 부재로 파악하면 된다.
또 각 도면에서 구성요소들은 이해의 편의 등을 고려하여 크기나 두께를 과장되게 크거나(또는 두껍게) 작게(또는 얇게) 표현하거나, 단순화하여 표현하고 있으나 이에 의하여 본 발명의 보호범위가 제한적으로 해석되어서는 안 된다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예(태양, 態樣, aspect)(또는 실시예)를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, ~포함하다~ 또는 ~이루어진다~ 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명에 따른 멀티포인트 레이더 유속계는 레이더 전자파(이하 '송신 전자파')를 송신하고, 송신 전자파가 하천의 표면의 FOV(Field Of View) 구역에서 반사된 복수의 반사 전자파(이하 '수신 전자파')를 수신하며, 송신 전자파와 및 복수의 수신 전자파의 정보에 기초하여 하천의 표면의 거리 정보와 유속 정보 그리고 이에 관련된 정보를 생성할 수 있다. 여기서, FOV 구역은 하천의 표면 상에 투영된 영역일 수 있다.
본 발명에 따른 멀티포인트 레이더 유속계(VM)는 하천에 설치된 교량의 특정 지점에 설치될 수 있다.
도1은 본 발명에 따른 멀티포인트 레이더 유속계(VM)를 개략적으로 도시한 블럭 구성도로서, 본 발명은 안테나모듈(1), 발진기(2), 프로세서모듈(3), 자이로센서(4), 통신모듈(5)을 포함하여 이루어진다.
도2를 참조하면, 본 발명에 따른 멀티포인트 레이더 유속계(VM)는 본체(6)의 전면에 안테나모듈(1)이 장착되고, 본체의 후면에 발진기(2), 프로세서모듈(3), 자이로센서(4) 및 통신모듈(5) 등이 실장되는 제어보드(6)가 장착되고, 본체의 양측으로는 커버(8, 9)가 결합되어 안테나모듈(1)과 제어보드(7)를 덮어 보호한다.
상기 안테나모듈(1)은 송신 안테나(11)와 복수의 수신 안테나(13)를 포함한다.
도2를 참조하면, 송신 안테나(11) 및 복수의 수신 안테나(13)는 동일 평면 상에서 미리 설정된 간격으로 이격되어 배치될 수 있다. 즉, 송신 안테나(11) 및 복수의 수신 안테나(13) 동일 평면 상에 구비될 수 있다. 송신 안테나(11) 및 복수의 수신 안테나(13) 동일 평면 상에 구비되면 거리와 유속 등의 계측이 보다 정확해 질 수 있다.
상기 송신 안테나(11)는 송신 전자파를 송신하고, 복수의 수신 안테나(13)는 송신 전자파가 하천의 표면의 FOV 구역에서 반사된 복수의 수신 전자파를 수신한다.
상기 송신 안테나(11)는 2채널을 사용하여 송신 전자파가 비송신되는 에러가 발생되지 않도록 하고, 상기 수신 안테나(13)는 16채널을 사용하여 FOV(Field Of View) 구역의 복수의 측정 영역에서 수신 전자파가 수신되지 않는 영역이 발생되지 않도록 한다.
상기 안테나모듈(1)이 사용하는 레이다 전자파의 중심 주파수 24.15 GHz인 다중빔으로 구성되는 주파수대역을 사용하고 특성은 아래의 [표1]과 [표2]와 같을 수 있다.
목 록 특 성 비 고
중심 주파수 24.15 GHz
대역폭 < 200 MHz
출력 < 20 dBm (100mW) EIRP.
목 록 특 성 비 고
송신 수신
수평 빔폭 ±35° ±90° -3 dB
수직 빔폭 ±15° ±15° -3 dB
최대 이득 14 dBi 10 dBi
Side-lobe Suppression > 20 dB > 20 dB
도1을 참조하면, 상기 발진기(2)는 직류전원을 발진시켜 전자파를 생성하는 기준발진부(21)와, 상기 기준발진부(21)에서 생성되는 전자파를 이용해 중심 주파수가 24.15 GHz인 주파수 대역의 다중빔으로 구성되는 레이더 전자파, 즉, 송신 주파수를 생성하고 증폭하여 송신 안테나(11)로 출력하는 구동발진부(23)와, 상기 기준발진부(21)와 구동발진부(23)를 연결하는 PPL(Phase Locked Loop)부(25)를 포함한다.
상기 PLL부(25)는 상기 구동발진부(23)에서 출력하는 다중빔들의 주파수가 변동되지 않도록 위상을 고정시킨다.
상기 발진기(2)에서 생성되는 레이더 전자파는 FMCW(Frequency Modulate Continuous Wave)로서, FOV 구역으로 전자파를 화상 형식으로 송신하고 반사파를 수신하고, 이에 따라 복수의 측정 영역 모두에서 거리 정보 및 유속 정보를 산출할 수 있고, 바위 같은 고체물질의 식별도 가능하다.
상기 프로세서모듈(3)은 상기 안테나모듈(1)의 설치 각도, 상기 송신 전자파 및 상기 복수의 수신 전자파의 정보에 기초하여 상기 FOV 구역 내의 복수의 측정 영역 별 거리 정보 및 유속 정보를 생성한다.
도 1 및 도3을 참조하면, 상기 프로세서모듈(3)은 상기 수신 안테나(13)가 수신하여 전송하는 수신 전자파와 상기 발진기(2)에서 생성하는 전송하는 송신 전자파를 혼합하는 혼합부(31)와, 상기 혼합부(31)에서 출력되는 아날로그신호를 디지털신호를 변환하는 AD컨버터(33)와, 상기 AD컨버터(33)의 디지털신호를 이용해 측정 영역에 대한 거리 정보와 유속 정보를 연산하는 연산부(35)와, 상기 AD컨버터(33)의 출력 위상을 검출하고 이에 가중치를 부가하여, 송신 전자파에 해당하는 주파수대역의 다중빔을 생성하는 디지털 빔포밍부(37)를 포함한다.
상기 연산부(35)는 디지털 신호로 변환된 송신 전자파와 수신 전자파의 혼합 신호를 1차 FFT(Fast Fourier Transform)하여 FOV 구역 내의 측정 영역 별 거리 정보를 산출하고, 디지털 반사 신호를 2차 FFT하여 복수의 측정 영역 별 유속 정보를 산출할 수 있다.
FMCW 레이더 전자파는 전자파를 화상 형식으로 송수신하는 전자파로서, 반사되어 수신되는 수신 전자파의 수신방향을 알 수 있고, 1차 FFT를 통해 전자파가 송신되어 수신되기 까지의 시간을 취득하여 거리를 산출할 수 있고, 2차 FFT를 통해 송신 주파수의 주파수(f1)와 수신 주파수(f2)의 차이인 도플러 주파수(fd=f1-f2)를 취득하여 유속을 산출할 수 있다.
도플러 효과란, 파동을 발생시키는 파원과 운동하는 물체 사이에 상대적인 주파수 차이(fd=f1-f2)가 발생하는 것을 의미하는데, 주파수(fd=f1-f2)는 물체의 속도(v)와 전파의 파장(λ), 그리고 물체 속도 방향과 파장 진행 방향 사이의 각(θ)에 의해 아래의 수식과 같이 정의된다.
fd=f1-f2=(2v÷λ)×cosθ
하천의 유속을 측정하기 위해서는 수표면의 운동에 의해 반사파를 수신해야 하기 때문에 최소한의 파고가 있어야 하고, 수표면의 산란이 많고 유속이 빠를수록 측정 결과의 신뢰성이 높아진다. 일정한 주파수를 수표면으로 송신하고, 수표면의 운동에 의한 반사파를 수신하며, 송수신된 신호의 주파수를 비교하여 표면 유속을 산정한다.
하천의 유속이 느린 경우 고속푸리에변환(FFT) 보다는 MUSIC 알고리즘을 적용하는 유속 측정의 정확도를 높일 수 있다. MUSIC 알고리즘은 유속 측정 시 잡음 부공간(Noise subspace)과 신호 부공간(Signal subspace)이 서로 수직(Orthogonal)하다는 이론을 적용한 스펙트럼 분석 기법으로, 잡음에 대하여 강인하며, Fast Fourier transform (FFT)보다 향상된 해상도로 주파수 식별이 가능한 장점이 있다.
상기 자이로센서(4)는 멀티포인트 레이더 유속계(VM)의 설치 각도, 즉 안테나모듈(1)의 설치 각도를 측정하여 제공한다.
상기 통신모듈(5)은 상기 프로세서모듈(3)에서 산출된 복수의 측정 영역 별 거리 정보와 유속 정보 등을 외부의 서버나 RTU로 전송한다. 이를 위해, 상기 통신 모듈은 근거리 및 원거리 통신 모듈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도4와 도5는 하천(51)의 교량(53)에 설치된 유속계(VM)와 하천 표면의 FOV 구역(54)과, FOV 구역(54) 내에 포함된 복수의 측정 영역(56)들을 도시한 것이다.
측정 영역(56)들은 하천(51)의 흐름 방향(52)와 나란하게(평행하게) 설정되는 복수의 라인 영역(55; 55a, 55b, 55c)으로 구성되고, 복수의 라인 영역(55) 각각은 2 이상의 서브 영역(551)을 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 라인 영역(55)과 서브 영역(551)은 이격되어 위치될 수도 있다. 도4와 도5에서는 5개의 서브 영역(551)을 각각 포함하는 3개의 라인 영역(55a, 55b, 55c)으로 구성되는 측정 영역(56)들을 도시하고 있다. 한편, 도4와 도5에 도시된 바와 같이, 서브 영역(551)의 개수는 라인 영역(55)마다 동일할 수도 있지만, 다른 실시예에 따르면 서브 영역(551)의 개수는 라인 영역(55)마다 상이할 수도 있다. 일례로서, 하천(51)의 횡단 방향의 중심에 가장 많은 물이 흐르므로, 하천(51)의 횡단 방향의 중심의 라인 영역(55b)은 다른 라인 영역(55a, 55c)보다 더 많은 서브 영역(551)을 가질 수도 있다.
본 발명에 따른 멀티포인트 레이더 유속계(VM)는 복수의 측정 영역(56) 모두에 대해 유속을 측정할 수 있는 멀티포인트 유속계(VM)로서, 특정 라인 영역(55)의 속도는 라인 영역(55)에 포함된 2 이상의 서브 영역(551)의 유속 중 중간 유속(평균 유속)으로 정의될 수 있다.
이때, 측정 영역(56)에 돌덩이 같은 고정물질(57)이 존재하는 경우, 고정물질(57)에서 반사되어 수신된 신호는 일반적으로 높은 신호 세기를 가지므로, 라인 영역(55)의 속도에 반영되지 않는다.
유속계(VM)가 하천 표면에서 설치된 높이(h)와, 유속계(VM)가 하천의 흐름방향(52)을 정면으로 바라보게 설치된 경우에 측정 영역(52)이 유속계(VM)의 설치방향(Y축 방향; boresiht 0도)에서 벗어난 각도는 측정 영역(52)의 실제 유속에 영향을 준다. 유속계(VM)의 설치 높이(h)가 높을 수록, 측정 영역(52)이 Y축 방향에서 벗어난 각도가 클 수록 실제 유속에 주는 영향은 커진다. 유속계(VM)의 설치 높이(h)는 하천 수위에 따라 변화되기도 한다.
도6은 유속계(VM)의 설치 높이(h)와 측정 영역(52)이 Y축 방향에서 벗어난 각도가 유속의 실제속도(vg)에 미치는 영향을 보여준다.
본 발명이 측정 영역의 거리(R)를 계측한 후에 측정 영역의 유속을 계측하는 것은 이처럼 유속계(VM)의 설치 높이(h)와 측정 영역(52)이 Y축 방향에서 벗어난 각도를 유속 계측에 반영하기 위함이다.
도7은 실제 유속 계측시 고려해야하는 사항을 설명하기 위한 도면이다.
초기 설치시 유속계(VM)와 하천 표면의 높이(h0)는 작업자가 직접 측량하게 얻을 수 있고, 하천의 흐름방을 정면으로 바라보는 유속계(VM)의 설치방향(Y축 방향; boresiht 0도)으로 레이더 전자파를 송신하고 반사파를 수신하여 측정 영역의 거리(R0)를 산출하고, 자이로 센서의 각도(θ), 즉, 유속계(VM)의 설치 각도(θ)를 이용해 h0=R0×sinθ 수식으로부터 연산할 수 있다.
하천의 수위 변화로 하천 표면에서 유속계(VM)의 높이에 변화가 있는 경우, 수위 변화에 따른 높이(h)는 초기 설치시 높이(h0)와 초기 설치시 측정 영역의 거리(R0)와 수위 변화 후에 동일 방향으로 레이다 전자파를 조사하여 계측되는 측정 영역의 거리(R)을 이용해 h=h0×R÷R0 수식으로부터 연산할 수 있다.
하천에 돌과 같은 고정물(57)이 있는 경우 고정물이 위치한 특정 영역은 거리(R) 계산, 수위 변화량(h0-h) 계산, 유속 계산 등에서 제외한다. 고정물 여부는 수신 전자파의 세기로부터 판단할 수 있다.
본 발명은 거리와 각도 설정에 기초하여, 여러 각도와 위치를 다중 선택하여 유속을 측정할 수 있도록 하기 위해, 멀티포인트 레이더 유속계(VM)는 디지털 빔포밍 알고리즘을 사용할 수 있다. 디지털 빔포밍을 통해 거리에 따른 FOV(Field Of View) 및 탐지 폭을 분석할 수 있다. 또한, 레이더 전자파의 주 로브(lobe 또는 Boresight)를 기준으로 수신 전자파의 각도를 추가 또는 삭제하여 수신 안테나(13) 간의 전파 간섭이 회피될 수 있으며, 하천의 표면 폭의 최대 범위가 조정될 수 있다.
레이더 전자파는 주파수대역에서 주파수가 조금씩 다른 복수의 빔(다중빔)으로 구성되고, 다중빔의 생성원리는 도8에 도시된 바와 같다.
도8을 참조하면, 수신 안테나(13)의 배열 수가 적으면 빔폭이 넓어서 정확도가 감소할 수 있기 때문에, 본 발명의 멀티포인트 레이더 유속계(VM)는 수신 안테나(13)로 16 채널이 적용되었다. 빔 패턴을 결정하고 각각의 ADC 출력 위상을 산출한 후 각도 가중치(웨이트)를 곱하여 다중 빔이 생성될 수 있다. 상기 프로세서모듈(3)의 디지털 빔포밍부(37)가 다중빔의 주파수를 산출하고, 산출된 다중빔의 주파수를 발진기(2)로 전송하여, 발진기(2)가 다중빔에 따른 주파수 대역의 송신 전자파를 발진하여 송신한다.
이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 형상과 구조를 갖는 멀티포인트 레이더 유속계에 대해 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
1 : 안테나모듈
11 : 송신 안테나 13 : 수신 안테나
2 : 발진기
21 : 기준발진부 23 : 구동발진부
25 : PLL부
3 : 프로세서모듈
31 : 혼합부 33 : AD컨버터
35 : 연산부 37 : 빔포밍부
4 : 자이로센서
5 : 통신모듈
6 : 본체
7 : 제어보드
8,9 : 커버
VM : 유속계

Claims (4)

  1. 레이더 전자파(이하 '송신 전자파')를 송신하는 송신 안테나와, 상기 레이더 전자파가 하천의 표면의 FOV(Field Of View) 구역에서 반사된 복수의 반사 전자파(이하 '수신 전자파')를 수신하는 복수의 수신 안테나를 포함하는 안테나모듈;
    상기 안테나모듈의 설치 각도, 상기 송신 전자파 및 상기 복수의 수신 전자파의 정보에 기초하여 상기 FOV 구역 내의 복수의 측정 영역 별 거리 정보 및 유속 정보를 생성하는 프로세서모듈;을 포함하여 이루어지는 멀티포인트 레이더 유속계에 있어서,

    상기 프로세서모듈은
    상기 송신 전자파와 수신 전자파를 혼합하는 혼합부와,
    상기 혼합부에서 출력되는 아날로그신호를 디지털신호를 변환하는 AD컨버터와,
    상기 AD컨버터의 디지털신호를 이용해 측정 영역에 대한 거리 정보와 유속 정보를 연산하는 연산부와,
    상기 AD컨버터의 출력 위상을 검출하고 이에 가중치를 부가하여, 송신 전자파에 해당하는 주파수대역의 다중빔을 생성하는 디지털 빔포밍부를 포함하고,

    상기 측정 영역은 하천의 흐름 방향과 나란하게 설정되는 복수의 라인 영역과, 상기 복수의 라인 영역 각각에 설정되는 복수의 서브 영역으로 구성되고,
    상기 디지털 빔포밍부는 송신 전자파인 다중빔의 주 로브를 기준으로 수신 전자파의 각도를 조정하여 상기 수신 안테나들 간의 전파 간섭을 회피하도록 하는 디지털 빔포밍 알고리즘을 구비하는 것을 특징으로 하는 멀티포인트 레이더 유속계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나모듈의 설치 각도를 제공하는 자이로센서;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티포인트 레이더 유속계.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 레이더 전자파는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)이고,
    상기 송신 안테나와 수신 안테나는 동일 평면 상에 구비되는 것을 특징으로 하는 멀티포인트 레이더 유속계.
  4. 삭제
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009300207A (ja) * 2008-06-12 2009-12-24 Nagano Japan Radio Co 海洋レーダ局および海洋レーダ観測装置
KR102233671B1 (ko) * 2020-11-26 2021-03-30 한국건설기술연구원 하천 유속, 수위 및 안전도 실시간 모니터링 장치 및 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009300207A (ja) * 2008-06-12 2009-12-24 Nagano Japan Radio Co 海洋レーダ局および海洋レーダ観測装置
KR102233671B1 (ko) * 2020-11-26 2021-03-30 한국건설기술연구원 하천 유속, 수위 및 안전도 실시간 모니터링 장치 및 방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118067079A (zh) * 2023-12-07 2024-05-24 北京雷音电子技术开发有限公司 一种岸基测流雷达的安装方法

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