KR102617977B1 - E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 물이나 액체의 높이(레벨)를 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 침투성과 투과성이 매우 높은 76 ~ 81GHz의 E-밴드 주파수 대역의 연속 밀리미터파를 송출하고 수신되는 반사에코 수신주파수 신호에 시간영역 CA-CFAR 알고리즘을 적용하여 비트주파수 계측신호를 생성하며, 파형분석을 통해 비트주파수 계측신호를 필터링하고 주파수 분석을 통해 불필요한 산란파를 제거한 후 거리를 계산하는 것에 의해 수신신호의 잡음을 제거하는 동시에, 절연층 구조를 가지는 4-Layer 구조의 송신용, 수신용 안테나 4쌍을 이용하여 측정용 레이더의 안테나를 물리적 및 주파수별로 분리시키고 층별로 각각 다른 주파수의 밀리미터파를 생성하여 송수신하는 것에 의해 송수신 신호의 왜곡을 감소하도록 구성됨으로써, 송수신 신호의 잡음 및 왜곡을 감소하여 보다 더 정확하고 정밀한 측정이 가능한 동시에, 측정환경에 의한 영향을 받지 않고 극심한 분진이나 수증기가 있는 환경에도 효과적으로 적용 가능하도록 구성되는 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법이 제공된다.
Description
본 발명은 물이나 액체의 높이(레벨)를 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 종래, 일반적으로, 초음파 대역의 신호를 이용하여 수위를 측정하도록 구성됨으로 인해 검출거리가 짧고 비나 눈, 안개, 거품 등의 장애물이 있을 경우 정확도 및 정밀도가 떨어지며, 극심한 분진이나 수증기가 있는 환경에는 적용이 불가능한 한계가 있었던 종래기술의 비접촉식 수위측정 장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 침투성과 투과성이 매우 높은 76 ~ 81GHz 대역의 E-밴드 밀리미터파 주파수 레이더를 이용하여, 연속 밀리미터파를 생성하고 미리 정해진 설정에 근거하여 측정거리에 따라 주파수를 각각 다르게 제어하여 송신하며, 목표물에 부딪혀 반사되는 밀리미터파의 송수신 시간차 및 속도를 이용하여 거리값을 계산하고, 이때, 수신되는 반사에코 수신주파수 신호에 시간영역 셀평균-일정오경보확률(Cell Average-Constant False Alarm Rate ; CA-CFAR) 알고리즘을 적용하여 비트주파수(beat frequency) 계측신호를 생성하며, 파형분석을 통해 비트주파수 계측신호를 필터링하고 주파수 분석을 통해 불필요한 산란파를 제거한 후, 송수신 시간차를 이용하여 목표물과의 거리를 계산하는 것에 의해 수위를 측정하도록 구성됨으로써, 수신신호의 잡음을 제거하여 보다 정확하고 정밀한 측정이 가능하도록 구성되는 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 비트주파수 계측신호의 필터링을 통해 수신신호의 잡음을 제거하는 동시에, 절연층 구조를 가지는 4Layer 구조의 송신용, 수신용 안테나 4쌍을 이용하여 측정용 레이더의 안테나를 물리적 및 주파수별로 분리시키는 것에 의해 송수신 신호의 왜곡을 감소하도록 구성됨으로써, 불필요한 산란파를 제거하여 보다 더 정확하고 정밀한 측정이 가능하도록 구성되는 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 초음파 발생수단을 통하여 송, 수신 안테나의 측정부(도파관)에 주기적으로 초음파를 발생하도록 구성됨으로써, 곤충 및 눈, 비, 안개, 이슬 등의 측정환경에 의한 영향을 받지 않고 측정이 가능하고, 미분 사일로(silo) 등과 같이 극심한 분진이나 수증기가 있는 환경에도 효과적으로 적용 가능하도록 구성되는 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법에 관한 것이다.
더욱이, 본 발명은, 상기한 바와 같이 E-밴드 밀리미터파 신호를 이용하여 정확하고 정밀한 측정이 가능한 동시에, 측정환경에 영향을 받지 않고 극심한 분진이나 수증기가 있는 환경에도 효과적으로 적용 가능한 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법을 이용하여, 측정된 수위가 미리 설정된 기준값이나 기준범위를 벗어날 경우에는 펌프를 작동시켜 물을 유입시키거나 외부로 배출하도록 구성됨으로써, 정확한 수위측정에 기반하여 항상 일정한 수위를 유지할 수 있도록 구성되는 수위제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 수위센서는 물이나 액체의 처리 및 관리를 위해 수위를 측정하는 장치로서, 강, 하천, 댐, 정수장, 저수조, 또는, 하수처리장이나 폐수처리장, 폭우 및 홍수방지 예보시스템 등에서 수위를 모니터링하고 적정 수위로 제어하기 위해 주로 설치된다.
또한, 수위센서는, 크게 나누어, 예를 들면, 플로트식, 접점식, 기어식 센서 등과 같이, 특정 위치에 설치된 전극이 액체와 접촉하여 통전되면 해당 지점에서 수위를 감지하도록 구성되는 접촉식 센서와, 예를 들면, 초음파 센서나 레이더 센서 등과 같이, 초음파를 이용하여 액체와 직접적인 접촉이 이루어지지 않고 측정이 가능한 비접촉식 센서가 있다.
아울러, 접촉식 센서는 전체적인 구성이 비교적 간단한 장점이 있으나 전극이 직접 접촉하여야 감지가 이루어짐으로 인해 정확도 및 정밀도가 떨어지고 센서의 설치 및 정비가 용이하지 못한 등의 단점이 있으며, 이에, 최근에는 비접촉식 센서가 널리 사용되고 있다.
여기서, 상기한 바와 같은 비접촉식 수위측정 장치 및 방법에 대한 종래기술의 예로는, 먼저, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-2037132호에 제시된 바와 같은 "분리형 레이더 수위 측정 장치"가 있다.
더 상세하게는, 상기한 한국 등록특허공보 제10-2037132호는, 지지부의 일측에 구비되는 안테나유닛과, 안테나유닛과 분리되어 설치되는 분리형 제어부를 포함하고, 상기 안테나유닛은, 레이더를 송수신하는 혼 안테나와, 혼 안테나를 지지부에 고정하는 고정플랜지와, 혼 안테나와 분리형 제어부를 유선 또는 무선으로 연결하는 연결부와, 고정플랜지 상에 배치되고 혼 안테나를 파지하는 파지부와, 파지부의 자세를 제어하는 자세제어부와, 혼 안테나의 일측에 구비되는 경사센서를 포함하여, 제어부를 측정지역에서 분리 가능하도록 구성됨으로써 사용환경이 가혹한 경우라도 제어부의 손상이 발생할 우려가 낮고 유지보수가 용이하도록 구성되는 분리형 레이더 수위측정장치에 관한 것이다.
아울러, 상기한 바와 같은 비접촉식 수위측정 장치 및 방법에 대한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1856186호에 제시된 바와 같은 "초음파유속계를 포함한 하이브리드 레이더유량계 및 이의 동작방법"이 있다.
더 상세하게는, 상기한 한국 등록특허공보 제10-1856186호는, 유체의 상부에서 접촉 없이 관로에 흐르는 유체의 유속과 수위를 측정하고 유속과 수위를 근거로 유량을 계산하는 레이더유량계; 맨홀의 관로 내측벽 상부에 위치하여 유체의 흐름에 따라 상류측과 하류측 각각에 설치된 초음파 송수신기를 이용한 초음파 시간차 방식을 이용하여 유체의 유속을 측정하는 초음파유속계; 및 관로가 비만관시 레이더유량계에 의해 산출된 유량을 최종 유량으로 하고 관로의 수위가 만수위 또는 그 이상부터는 초음파유속계에 의해 산출된 유속을 근거로 산출한 유량을 최종 유량으로 하는 제어부를 포함하여, 관로 만관시나 맨홀 침수시에도 유속이나 유량을 측정할 수 있도록 구성되는 초음파유속계를 포함한 하이브리드 레이더유량계 및 이의 동작방법에 관한 것이다.
상기한 바와 같이, 종래, 비접촉식 수위측정 장치 및 방법에 대하여 다양한 기술내용들이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들은 다음과 같은 한계가 있는 것이었다.
즉, 상기한 바와 같은 종래기술의 비접촉식 수위센서들은, 일반적으로, 초음파를 이용하여 측정대상의 표면에서 반사되어 되돌아오는 시간과 속도를 측정하고 센서로부터 바닥면까지의 거리와 센서로부터 측정대상 표면까지의 거리의 차이를 계산하여 수위를 산출하도록 구성되나, 이와 같이 초음파가 공기 중을 통과하여 측정대상까지 진행한 후 다시 되돌아오는 신호를 수신하여 수위를 측정하도록 구성됨으로 인해 측정환경에 영향을 크게 받는 단점이 있는 것이었다.
더 상세하게는, 상기한 바와 같은 종래기술의 비접촉식 수위센서들은, 일반적으로, 초음파 대역의 주파수(40kHz)를 이용함으로 인해 검출거리가 1 ~ 10m로 비교적 짧은 단점이 있다.
더욱이, 상기한 바와 같은 종래기술의 비접촉식 수위측정 장치 및 방법들은, 예를 들면, 비, 눈, 안개, 거품 등과 같이, 초음파의 진행을 방해하는 장애물이 있을 경우 측정이 어렵고 정밀도가 떨어지며, 그로 인해, 예를 들면, 미분 사일로(silo) 등과 같이, 극심한 분진이나 수증기가 있는 환경에는 적용이 어려운 한계도 있는 것이었다.
따라서 상기한 바와 같은 종래기술의 비접촉식 수위측정 장치 및 방법들의 한계를 해결하기 위하여는, 눈, 비, 안개, 구름 등과 같이 측정환경에 의한 영향을 받지 않고 극심한 분진이나 수증기가 있는 환경에도 효과적으로 적용 가능하도록 구성되는 새로운 구성의 비접촉식 수위측정 장치 및 방법을 제시하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 초음파 대역의 신호를 이용하여 수위를 측정하도록 구성됨으로 인해 검출거리가 짧고 비나 눈, 안개, 거품 등의 장애물이 있을 경우 정확도 및 정밀도가 떨어지며, 극심한 분진이나 수증기가 있는 환경에는 적용이 불가능한 한계가 있었던 종래기술의 비접촉식 수위측정 장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 침투성과 투과성이 매우 높은 76 ~ 81GHz 대역의 E-밴드 밀리미터파 주파수 레이더를 이용하여, 연속 밀리미터파를 생성하고 미리 정해진 설정에 근거하여 측정거리에 따라 주파수를 각각 다르게 제어하여 송신하며, 목표물에 부딪혀 반사되는 밀리미터파의 송수신 시간차 및 속도를 이용하여 거리값을 계산하고, 이때, 수신되는 반사에코 수신주파수 신호에 시간영역 셀평균-일정오경보확률(Cell Average-Constant False Alarm Rate ; CA-CFAR) 알고리즘을 적용하여 비트주파수(beat frequency) 계측신호를 생성하며, 파형분석을 통해 비트주파수 계측신호를 필터링하고 주파수 분석을 통해 불필요한 산란파를 제거한 후, 송수신 시간차를 이용하여 목표물과의 거리를 계산하는 것에 의해 수위를 측정하도록 구성됨으로써, 수신신호의 잡음을 제거하여 보다 정확하고 정밀한 측정이 가능하도록 구성되는 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법을 제시하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 비트주파수 계측신호의 필터링을 통해 수신신호의 잡음을 제거하는 동시에, 절연층 구조를 가지는 4Layer 구조의 송신용, 수신용 안테나 4쌍을 이용하여 측정용 레이더의 안테나를 물리적 및 주파수별로 분리시키는 것에 의해 송수신 신호의 왜곡을 감소하도록 구성됨으로써, 불필요한 산란파를 제거하여 보다 더 정확하고 정밀한 측정이 가능하도록 구성되는 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법을 제시하고자 하는 것이다.
아울러, 본 발명의 또 다른 목적은, 초음파 발생수단을 통하여 송, 수신 안테나의 측정부(도파관)에 주기적으로 초음파를 발생하도록 구성됨으로써, 곤충 및 눈, 비, 안개, 이슬 등의 측정환경에 의한 영향을 받지 않고 측정이 가능하고, 미분 사일로(silo) 등과 같이 극심한 분진이나 수증기가 있는 환경에도 효과적으로 적용 가능하도록 구성되는 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법을 제시하고자 하는 것이다.
더욱이, 본 발명의 또 다른 목적은, 상기한 바와 같이 E-밴드 밀리미터파 신호를 이용하여 정확하고 정밀한 측정이 가능한 동시에, 측정환경에 영향받지 않고 극심한 분진이나 수증기가 있는 환경에도 효과적으로 적용 가능한 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법을 이용하여, 측정된 수위가 미리 설정된 기준값이나 기준범위를 벗어날 경우에는 펌프를 작동시켜 물을 유입시키거나 외부로 배출하도록 구성됨으로써, 정확한 수위측정에 기반하여 항상 일정한 수위를 유지할 수 있도록 구성되는 수위제어 시스템 및 방법을 제시하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법에 있어서, 상기 E-밴드 멀티주파수 레이더에 측정거리에 따라 설정되어 있는 측정주파수를 확인하고, 확인된 주파수 대역에 따라 76 ~ 81GHz의 밀리미터파 대역에서 상기 레이더의 측정주파수를 설정하는 처리가 수행되는 주파수 설정단계; 상기 레이더의 다층구조(multi-layer) 안테나를 통하여, 76 ~ 81GHz 대역에서 상기 주파수 설정단계를 통해 설정된 서로 다른 주파수의 측정주파수 신호를 각각 송신하고 측정대상의 표면에서 반사된 반사신호를 수신하는 처리가 수행되는 측정신호 송수신단계; 상기 측정신호 송수신단계에서 수신된 반사신호로부터 비트주파수 계측신호를 생성하는 처리가 수행되는 비트주파수 계측신호 생성단계; 파형분석을 통해 상기 비트주파수 계측신호 생성단계에서 생성된 상기 비트주파수 계측신호를 필터링하고 주파수 분석을 통해 불필요한 산란파를 제거하는 처리가 수행되는 노이즈 제거단계; 및 상기 노이즈 제거단계를 통해 노이즈가 제거된 상기 비트주파수 계측신호를 이용하여 수위를 산출하는 처리가 수행되는 수위산출단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법이 제공된다.
여기서, 상기 E-밴드 멀티주파수 레이더는, 76 ~ 81GHz의 밀리미터파 대역에서 수위측정을 위한 측정신호를 생성하고 송수신하는 처리가 수행되도록 이루어지는 측정신호 생성부; 미리 정해진 설정에 따라 76 ~ 81GHz의 밀리미터파 대역에서 상기 측정신호 생성부를 통해 생성되는 측정신호의 주파수를 제어하는 처리가 수행되도록 이루어지는 주파수 제어부; 상기 측정신호 송수신부를 통해 송수신된 신호에 근거하여 수위를 계산하는 처리가 수행되도록 이루어어지는 수위산출부; 상기 레이더의 전체적인 동작 및 상기 수위산출부를 통해 산출된 수위를 포함하는 각종 데이터를 출력수단을 통해 출력하는 처리가 수행되도록 이루어지는 출력부; 상기 레이더의 동작을 위한 전원을 공급하는 처리가 수행되도록 이루어지는 전원공급부; 서버나 사용자 단말기를 포함하는 외부 기기와 각각의 측정값 및 처리결과를 포함하는 각종 데이터를 주고받기 위해 유선 또는 무선통신 중 적어도 하나의 방식으로 통신을 행하는 처리가 수행되도록 이루어지는 통신부; 및 상기 레이더의 전체적인 동작을 제어하는 처리가 수행되도록 이루어지는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 측정신호 생성부는, 절연층을 가지는 4-Layer 다층구조로 형성되는 4쌍의 송신용 안테나 및 수신용 안테나를 이용하여 송신용 안테나 및 수신용 안테나를 물리적 및 주파수별로 분리시키고 각 층별로 각각 다른 주파수의 밀리미터파를 생성하여 송수신하는 처리가 수행되도록 구성됨으로써, 송수신 신호의 왜곡을 감소하고 불필요한 산란파를 제거하여 정확하고 정밀한 측정이 이루어질 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 E-밴드 멀티주파수 레이더는, 상기 측정신호 생성부의 송신 안테나 및 수신 안테나에 미리 정해진 설정에 따라 주기적으로 미리 정해진 주파수의 초음파를 발생하는 처리가 수행되도록 이루어지는 초음파 발생부를 더 포함하여 구성됨으로써, 곤충 및 눈, 비, 안개, 구름을 포함하는 측정환경에 의한 영향을 받지 않고 측정이 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 비트주파수 계측신호 생성단계는, 상기 측정신호 송수신단계를 통해 수신된 반사신호에 시간영역 셀평균-일정오경보확률(Cell Average-Constant False Alarm Rate ; CA-CFAR) 알고리즘을 적용하여 상기 비트주파수 계측신호를 생성하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 노이즈 제거단계는, 상기 비트주파수 계측신호의 파형을 미리 저장된 정상 파형과 비교하여, 파형이 비정상인 신호는 노이즈로 간주하여 버리고 정상인 신호만을 선택하는 것에 의해 상기 비트주파수 계측신호의 노이즈를 필터링한 후, 불필요한 산란파를 제거하기 위한 주파수 분석을 통하여 상기 주파수 설정단계에서 설정된 측정주파수와 상기 비트주파수 계측신호의 주파수를 비교하고 미리 정해진 기준범위를 벗어나는 주파수를 제거하는 것에 의해 수신신호의 잡음을 제거하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 수위산출단계는, 상기 측정신호 송수신단계에서 송신된 측정신호와 상기 노이즈 제거단계를 통해 잡음이 제거된 비트주파수 계측신호 사이의 시간차를 이용하여 상기 측정대상까지의 거리를 계산하는 것에 의해 수위를 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 방법은, 상기 수위산출단계에서 산출된 수위가 미리 정해진 기준수위에 도달하거나 측정오차의 크기가 미리 정해진 임계값이나 범위를 만족하지 못하는 경우, 미리 정해진 설정에 따라 경고메시지를 표시하고 경보를 발생하는 동시에, 미리 정해진 연락처에 해당 사실을 알리고 유지보수를 요청하는 처리가 수행되는 모니터링단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방법은, 상기 수위산출단계에서 산출된 수위를 미리 정해진 기준수위와 비교하고, 비교결과에 따라 펌프 및 밸브를 포함하는 유량제어수단을 제어하는 것에 의해 수위를 제어하는 처리가 수행되는 수위제어단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따르면, 수위제어 시스템에 있어서, 각각의 시설이나 지역마다 설치되어 수위를 측정하고 모니터링하는 처리가 수행되도록 이루어지는 다수의 수위측정 시스템; 각각의 상기 수위측정 시스템으로부터 주기적으로 수위측정 및 모니터링 데이터를 수신하여 미리 정해진 기준값이나 범위로 수위를 제어하고 이상발생시 알림을 전달하는 동시에, 수위측정 및 관리에 대한 빅데이터를 구축하고 사용자의 요청에 따라 해당하는 각종 정보를 맞춤형으로 제공하는 처리가 수행되도록 이루어지는 관제서버; 및 각각의 사용자가 측정된 수위를 확인하고 원하는 정보를 요청하여 제공받기 위해 각각의 상기 수위측정 시스템 및 상기 관제서버와 통신하여 각종 데이터를 송수신하는 처리가 수행되도록 이루어지는 사용자 단말기를 포함하여 구성되고, 상기 수위측정 시스템은, 상기에 기재된 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법을 이용하여 수위측정이 이루어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수위제어 시스템이 제공된다.
여기서, 상기 사용자 단말기는, PC를 포함하는 정보처리장치를 이용하여 구성되거나, 또는, 스마트폰이나 태블릿 PC 또는 노트북을 포함하는 개인 휴대용 정보통신 단말기에 전용의 어플리케이션을 설치하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 수위제어방법에 있어서, 수위의 측정 및 모니터링을 위해 각각의 시설이나 지역마다 수위를 측정하고 모니터링하는 처리가 수행되도록 이루어지는 수위측정 시스템을 설치하는 처리가 수행되는 시스템 구축단계; 및 상기 시스템 구축단계를 통해 각각의 설비나 지역마다 설치된 상기 수위측정 시스템을 통하여 수위를 측정하고 이상 여부를 모니터링하여 미리 정해진 기준값이나 범위로 제어하는 처리가 수행되는 수위제어단계를 포함하여 구성되고, 상기 수위측정 시스템은, 상기에 기재된 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법을 이용하여 수위측정이 이루어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수위제어방법이 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 침투성과 투과성이 매우 높은 76 ~ 81GHz 대역의 E-밴드 밀리미터파 주파수 레이더를 이용하여, 연속 밀리미터파를 생성하고 미리 정해진 설정에 근거하여 측정거리에 따라 주파수를 각각 다르게 제어하여 송신하며, 목표물에 부딪혀 반사되는 밀리미터파의 송수신 시간차 및 속도를 이용하여 거리값을 계산하고, 이때, 수신되는 반사에코 수신주파수 신호에 시간영역 CA-CFAR 알고리즘을 적용하여 비트주파수(beat frequency) 계측신호를 생성하며, 파형분석을 통해 비트주파수 계측신호를 필터링하고 주파수 분석을 통해 불필요한 산란파를 제거한 후, 송수신 시간차를 이용하여 목표물과의 거리를 계산하는 것에 의해 수위를 측정하도록 구성되는 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법이 제공됨으로써, 수신신호의 잡음을 제거하여 보다 정확하고 정밀한 측정이 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 비트주파수 계측신호의 필터링을 통해 수신신호의 잡음을 제거하는 동시에, 절연층 구조를 가지는 4Layer 구조의 송신용, 수신용 안테나 4쌍을 이용하여 측정용 레이더의 안테나를 물리적 및 주파수별로 분리시키는 것에 의해 송수신 신호의 왜곡을 감소하도록 구성되는 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법이 제공됨으로써, 불필요한 산란파를 제거하여 보다 더 정확하고 정밀한 측정이 가능해진다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 수신신호의 잡음을 제거하고 송수신 신호의 왜곡을 감소하여 보다 더 정확하고 정밀한 측정이 이루어질 수 있는 동시에, 초음파 발생수단을 통하여 송, 수신 안테나의 측정부(도파관)에 주기적으로 초음파를 발생하도록 구성되는 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법이 제공됨으로써, 곤충 및 눈, 비, 안개, 구름 등의 측정환경에 의한 영향을 받지 않고 측정이 가능하고, 미분 사일로(silo) 등과 같이 극심한 분진이나 수증기가 있는 환경에도 효과적으로 적용 가능한 장점을 가지며, 그것에 의해, 초음파 대역의 신호를 이용하여 수위를 측정하도록 구성됨으로 인해 검출거리가 짧고 비나 눈, 안개, 거품 등의 장애물이 있을 경우 정확도 및 정밀도가 떨어지며, 극심한 분진이나 수증기가 있는 환경에는 적용이 불가능한 한계가 있었던 종래기술의 비접촉식 수위측정 장치 및 방법들의 문제점을 해결할 수 있다.
더욱이 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 수신신호의 잡음을 제거하고 송수신 신호의 왜곡을 감소하여 보다 더 정확하고 정밀한 측정이 이루어질 수 있는 동시에, 측정환경에 영향받지 않고 극심한 분진이나 수증기가 있는 환경에도 효과적으로 적용 가능한 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법을 이용하여, 측정된 수위가 미리 설정된 기준값이나 기준범위를 벗어날 경우에는 펌프를 작동시켜 물을 유입시키거나 외부로 배출하는 것에 의해 정확한 수위측정에 기반하여 항상 일정한 수위를 유지할 수 있도록 구성되는 수위제어 시스템 및 방법을 용히하게 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법에 적용되는 E-밴드 멀티주파수 레이더의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법에 적용되는 E-밴드 멀티주파수 레이더의 실제 구성예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법에 적용되는 E-밴드 멀티주파수 레이더의 안테나의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법에서 비트주파수 계측신호를 생성하기 위해 적용되는 CA-CFAR 알고리즘의 처리과정을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법에서 비트주파수 계측신호의 파형을 확인하여 필터링하는 처리를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법을 이용한 수위제어 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법에 적용되는 E-밴드 멀티주파수 레이더의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법에 적용되는 E-밴드 멀티주파수 레이더의 실제 구성예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법에 적용되는 E-밴드 멀티주파수 레이더의 안테나의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법에서 비트주파수 계측신호를 생성하기 위해 적용되는 CA-CFAR 알고리즘의 처리과정을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법에서 비트주파수 계측신호의 파형을 확인하여 필터링하는 처리를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법을 이용한 수위제어 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
더 상세하게는, 먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법은, 크게 나누어, 먼저, E-밴드 멀티주파수 레이더를 이용하여, 상기 멀티주파수 레이더에 측정거리에 따라 설정되어 있는 측정주파수를 확인하고, 확인된 주파수 대역에 따라 76 ~ 81GHz의 밀리미터파 대역에서 레이더의 측정주파수를 설정하는 처리가 수행되는 주파수 설정단계(S10)와, 상기 레이더의 다층구조(multi-layer) 안테나를 통하여, 76 ~ 81GHz 대역에서 주파수 설정단계(S10)를 통해 설정된 서로 다른 주파수의 측정주파수 신호를 각각 송신하고, 측정대상의 표면에서 반사된 반사신호를 수신하는 처리가 수행되는 측정신호 송수신단계(S20)와, 수신된 반사신호로부터 비트주파수 계측신호를 생성하는 처리가 수행되는 비트주파수 계측신호 생성단계(S30)와, 비트주파수 계측신호 생성단계(S30)에서 생성된 비트주파수 계측신호의 연속파 파형을 확인하여 필터링하고 주파수 분석을 통해 불필요한 산란파를 제거하는 처리가 수행되는 노이즈 제거단계(S40) 및 노이즈 제거단계(S40)를 통해 잡음이 제거된 비트주파수 계측신호를 이용하여 수위를 산출하는 처리가 수행되는 수위산출단계(S50)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 도 2 및 도 3을 참조하면, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법에 적용되는 E-밴드 멀티주파수 레이더(10)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 3은 도 2에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법에 적용되는 E-밴드 멀티주파수 레이더(10)의 실제 구성예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수위측정방법에 적용되는 E-밴드 멀티주파수 레이더(10)는, 크게 나누어, 수위측정을 위한 측정신호를 생성하고 송수신하는 처리가 수행되도록 이루어지는 측정신호 생성부(11)와, 미리 정해진 설정에 따라 측정신호 생성부(11)를 통해 생성되는 측정신호의 주파수를 제어하는 처리가 수행되도록 이루어지는 주파수 제어부(12)와, 측정신호 생성부(11)를 통해 생성되고 송수신된 신호에 근거하여 수위를 계산하는 처리가 수행되도록 이루어어지는 수위산출부(13)와, 상기한 각 부와 레이더(10)의 전체적인 동작 및 수위산출부(13)를 통해 산출된 수위를 포함하는 각종 데이터를 모니터나 디스플레이 및 스피커 등의 출력수단을 통해 출력하는 처리가 수행되도록 이루어지는 출력부(14)와, 상기한 각 부와 레이더(10)의 동작을 위한 전원을 공급하는 처리가 수행되도록 이루어지는 전원공급부(15)와, 서버나 사용자 단말기 등을 포함하는 외부 기기와 각각의 측정값 및 처리결과를 포함하는 각종 데이터를 주고받기 위해 유선 또는 무선통신 중 적어도 하나의 방식으로 통신을 행하는 처리가 수행되도록 이루어지는 통신부(16)와, 상기한 각 부 및 레이더(10)의 전체적인 동작을 제어하는 처리가 수행되도록 이루어지는 제어부(17) 및 미리 정해진 설정에 따라 송, 수신 안테나의 측정부(도파관)에 주기적으로 초음파를 발생하는 처리가 수행되도록 이루어지는 초음파 발생부(18)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 E-밴드 멀티주파수 레이더(10)는, 후술하는 바와 같이 구성되는 4-Layer 다층구조(multi-layer) 안테나를 통해 수위측정 거리에 따라 미리 설정된 밀리미터파 주파수를 송신하고 목표(즉, 물이나 액체)의 표면에서 반사되어 되돌아오는 신호를 수신하여, 밀리미터파의 속도 및 시간차를 통해 목표와의 거리(즉, 수위)를 측정하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
이때, 상기한 밀리미터파는, 예를 들면, E-밴드 대역의 주파수를 이용하도록 구성될 수 있으며, 바람직하게는, 76 ~ 81GHz 대역의 E-밴드 주파수를 이용하도록 구성될 수 있다.
즉, 76 ~ 81GHz 대역의 밀리미터파 주파수는 투과성이 매우 우수하여 눈, 비, 안개, 구름 등의 측정환경에 의한 영향을 받지 않고 측정이 가능하며, 그것에 의해, 예를 들면, 미분 사일로(silo) 등과 같이 극심한 분진이나 수증기가 있는 환경에도 적용 가능하고, 유독성 환경의 수조나 탱크에서도 비접촉으로 정확하고 정밀한 측정이 이루어질 수 있다.
아울러, 상기한 E-밴드 멀티주파수 레이더(10)는, 밀리미터파가 송수신되는 안테나의 표면을 볼록한 라운드 형태로 형성함으로써, 결로 발생에 의한 밀리미터파의 송수신 차단을 방지하고 노이즈를 완화 및 개선하도록 구성될 수 있다.
더욱이, 상기한 주파수제어부(12)는, 미리 정해진 설정에 따라 해당하는 주파수의 신호를 생성하도록 측정신호 생성부(11)를 제어하여 E-밴드 대역의 밀리미터파 신호를 생성하고 송수신하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
또는, 상기한 주파수제어부(12)는, 측정거리에 따라 미리 정해진 설정에 근거하여 76 ~ 81GHz의 밀리미터파 대역에서 최적의 주파수를 선택하여 측정 주파수로 설정하고 해당 주파수의 밀리미터파를 생성하여 송수신하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 주파수제어부(12)는, 예를 들면, 디지털 필터와 같은 필터수단을 이용하여 송수신 신호의 노이즈를 각각 제거하도록 구성될 수 있으며, 그것에 의해, 측정의 정확도를 더욱 높일 수 있다.
따라서 상기한 바와 같은 구성으로부터, 본 발명에 따르면, 미리 설정된 특정 주파수를 사용하는 도중에 측정환경에 따라 레이더를 교체하거나, 또는, 서로 다른 주파수를 가지는 다수의 레이더나 멀티채널 레이더를 이용하여 측정시 최적의 주파수를 선택하는 등과 같이, 필요에 따라 측정을 위한 밀리미터파의 주파수를 변경하는 것에 의해 오차를 최소화하여 항상 정확하고 정밀한 측정이 이루어질 수 있도록 구성될 수 있다.
이에 더하여, 본 발명에 따르면, 단일의 주파수제어기를 통해 다양한 주파수 대역을 가지는 다수의 레이더 센서를 연결하는 것이 가능하므로, 센서의 관리가 용이하고 유지보수 비용을 절감할 수 있다.
또한, 상기한 수위산출부(13)는, 상기한 바와 같이 하여 레이더를 통해 측정된 송신 밀리미터파와 수신 밀리미터파의 속도와 시간차를 이용하여 거리값을 계산하는 것에 의해 수위를 산출하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
이때, 상기한 수위산출부(13)는, 미리 저장된 정상 수위값과 산출된 수위값을 비교하여 두 값의 차이가 미리 정해진 기준값이나 범위를 벗어나는 경우는 정상 수위값에 근거하여 산출값을 보정하는 것에 의해 측정오차를 최소화할 수 있도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 바와 같이 레이더를 통해 측정된 데이터로부터 거리를 계산하는 과정에 대한 보다 구체적인 내용에 대하여는 기존의 레이더 장치나 수위측정 센서 등을 참고하여 당업자가 적절히 구현할 수 있는 사항이므로, 이에, 본 발명에서는, 설명을 간략히 하기 위해, 상기한 바와 같이 종래기술의 문헌 등을 참조하여 당업자가 용이하게 이해하고 실시할 수 있는 내용에 대하여는 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
아울러, 상기한 제어부(17)는, 상기한 바와 같이 하여 계산된 수위가 미리 정해진 기준수위에 도달한 경우나, 또는, 측정오차의 크기가 미리 정해진 임계값이나 범위를 벗어나는 경우, 상기한 출력부(14)의 디스플레이 및 스피커를 통해 경고메시지를 표시하고 경보를 발생하는 동시에, 상기한 통신부(16)를 통하여 담당자나 담당부서 등과 같이 미리 정해진 연락처에 해당 사실을 알리고 유지보수를 요청하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
더욱이, 상기한 E-밴드 멀티주파수 레이더(10)는, 예를 들면, 펌프나 밸브 등과 같이, 유량을 제어하기 위한 유량제어수단을 더 포함하여 구성될 수 있으며, 이때, 상기한 제어부(17)는, 수위산출부(13)의 수위 산출값에 근거하여, 산출된 수위가 미리 정해진 기준수위보다 낮을 경우는 펌프를 동작시켜 물을 유입시키고, 높을 경우는 밸브를 열어 물을 배출시키도록 제어하는 것에 의해 수위를 항상 일정 수준으로 유지하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 송신용 안테나와 수신용 안테나 사이에 절연층을 포함하여 물리적으로 분리시킴으로써 송수신 신호간 왜곡을 감소하여 측정오차를 최소화할 수 있도록 구성될 수 있다.
더 상세하게는 도 4를 참조하면, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더(10)에 적용되는 안테나의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면으로, 멀티주파수 대역의 FMCW 레이더에 대한 송수신단 안테나의 구조를 나타내고 있다.
여기서, 도 4에 나타낸 실시예에서는 상기한 안테나가 4-Layer 다층구조로 형성되는 경우를 예로 하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 상기한 실시예에 제시된 구성으로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은, 예를 들면, 상기한 안테나가 4-Layer 구조 이외에 다른 형태의 다층구조로 형성될 수도 있는 등, 본 발명은 본 발명의 취지 및 본질을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 필요에 따라 다양하게 수정 및 변경하여 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더(10)에 적용되는 안테나는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 최상의 밀리미터파 송수신율을 위해 절연층 구조를 가지는 4-Layer 구조의 송신용, 수신용 안테나 4쌍을 이용하여 측정용 레이더의 안테나를 물리적 및 주파수별로 분리시키고 층별로 각각 다른 주파수의 밀리미터파를 생성하여 송수신하도록 구성됨으로써, 송수신 신호의 왜곡을 감소하고 불필요한 산란파를 제거하여 보다 더 정확하고 정밀한 측정이 가능하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더(10)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 미리 정해진 주파수의 초음파를 발생하는 초음파 발생부(18)를 더 포함하여 송, 수신 안테나의 측정부(도파관)에 미리 정해진 설정에 따라 주기적으로 초음파를 발생하도록 구성됨으로써, 곤충 및 눈, 비, 안개, 구름 등의 측정환경에 의한 영향을 받지 않고 측정이 가능하며, 그것에 의해, 미분 사일로(silo) 등과 같이 극심한 분진이나 수증기가 있는 환경에도 효과적으로 적용 가능하도록 구성될 수 있다.
아울러, 상기한 안테나는, 도 4에 나타낸 바와 같은 다층구조의 1층부터 4층까지 층별로 각각 다른 주파수의 밀리미터파를 생성하여 송신하고 측정대상에서 반사되어 수신되는 밀리미터파를 분석하여 수위를 측정하기 위한 회로유닛을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 회로유닛은, 회로의 부품이 안착되고 전기적으로 연결되는 PCB가 다층으로 이루어지고, PCB의 최하부층 기판 전체가 도파관(프레임)과 연결되어 PCB 전체에 정전용량이 균일하게 분포될 수 있도록 구성되는 동시에, 볼트를 이용하여 회로유닛의 PCB 전체를 골고루 프레임과 접촉결합시켜 PCB 전체에 밀리미터파의 진행방향에 균일하게 그라운드 상태가 분포되도록 구성됨으로써, 밀리미터파의 손실을 최소화하고 출력효율을 높일 수 있도록 구성될 수 있다.
따라서 상기한 바와 같은 구성으로부터 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더(10) 및 이를 이용한 수위측정방법을 용이하게 구현할 수 있다.
즉, 상기한 주파수 설정단계(S10) 및 측정신호 송수신단계(S20)에 있어서, 주파수 설정단계(S10)에서는 76 ~ 81GHz 대역의 밀리미터파 신호를 측정주파수로 설정하는 처리가 상기한 주파수제어부(12)를 통해 수행되고, 측정신호 송수신단계(S20)에서는 측정신호 생성부(11) 및 주파수제어부(12)를 통해 생성된 서로 다른 주파수의 밀리미터파 신호를 도 4에 나타낸 바와 같이 구성되는 다층구조 안테나를 통해 각각 송신하고 측정대상(즉, 물이나 액체)의 표면에서 반사되어 되돌아오는 반사신호를 수신하는 처리가 각각 수행되도록 구성될 수 있다.
따라서 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 투과성이 매우 우수한 76 ~ 81GHz 대역의 밀리미터파 신호를 측정주파수로 이용함으로써, 눈, 비, 안개, 구름 등의 측정환경에 의한 영향을 받지 않고 측정이 가능하며, 예를 들면, 미분 사일로(silo) 등과 같이, 극심한 분진이나 수증기가 있는 환경에도 적용 가능하고, 유독성 환경의 수조나 탱크에서도 비접촉으로 정확하고 정밀한 측정이 이루어질 수 있다.
아울러, 상기한 E-밴드 멀티주파수 레이더(10)는, 76 ~ 81GHz 대역의 밀리미터파 신호를 송수신하기 위해 도 4에 나타낸 바와 같이 절연층 구조를 가지는 4-Layer 구조의 송신용, 수신용 안테나 4쌍을 이용하여 측정용 레이더의 안테나를 물리적 및 주파수별로 분리시키고 층별로 각각 다른 주파수의 밀리미터파를 생성하여 송수신하는 것에 의해 송수신 신호의 왜곡을 감소하고 불필요한 산란파를 제거하여 더욱 정확하고 정밀한 측정이 이루어질 수 있다.
더욱이, 상기한 E-밴드 멀티주파수 레이더(10)는, 미리 정해진 주파수의 초음파를 발생하는 초음파 발생부(18)를 더 포함하여 송, 수신 안테나의 측정부(도파관)에 미리 정해진 설정에 따라 주기적으로 초음파를 발생하는 것에 의해 곤충 및 눈, 비, 안개, 구름 등의 측정환경에 의한 영향을 받지 않고 측정이 가능하며, 미분 사일로(silo) 등과 같이 극심한 분진이나 수증기가 있는 환경에도 효과적으로 적용 가능하도록 구성될 수 있다.
계속해서, 도 5를 참조하면, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법에서 비트주파수 계측신호를 생성하기 위해 적용되는 CA-CFAR 알고리즘의 처리과정을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 비트주파수 계측신호 생성단계(S30)는, 레이더의 수신신호에 대한 신호해석 및 분석방법의 하나로서 많이 사용되고 있는 시간영역 셀평균-일정오경보확률(Cell Average-Constant False Alarm Rate ; CA-CFAR) 알고리즘을 이용하여, 상기한 바와 같이 하여 측정신호 송수신단계(S20)를 통해 수신된 반사신호로부터 비트주파수(beat frequency) 계측신호를 생성하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
계속해서, 상기한 노이즈 제거단계(S40)는, 상기한 바와 같이 비트주파수 계측신호 생성단계(S30)에서 반사신호에 CA-CFAR 알고리즘을 적용하여 생성된 비트주파수 계측신호에 대하여 미리 정해진 기준에 따라 정상신호와 비정상 신호를 판별하여 필터링하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 도 6을 참조하면, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법에서 비트주파수 계측신호의 파형을 확인하여 필터링하는 처리를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 상기한 노이즈 제거단계(S40)는, 비트주파수 계측신호의 연속파 구간의 파형을 확인하고, 예를 들면, 미리 저장된 정상 파형과 비교하여 파형이 불규칙하거나 변형된 경우와 같이, 파형이 비정상인 신호는 노이즈로 간주하여 버리고 온전한 파형을 가지는 정상신호만을 선택하는 것에 의해 비트주파수 계측신호의 노이즈를 필터링하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
이에 더하여, 상기한 노이즈 제거단계(S40)는, 상기한 바와 같이 파형분석을 통해 비트주파수 계측신호를 필터링한 후, 주파수 분석을 통해 주파수 설정단계(S10)에서 설정된 측정주파수와 비트주파수 계측신호의 주파수를 비교하여 미리 정해진 기준범위를 벗어나는 주파수를 제거(커트)하는 것에 의해 불필요한 산란파를 제거함으로써, 수신신호의 잡음을 보다 확실하게 제거하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
이어서, 상기한 수위산출단계(S50)는, 측정신호 송수신단계(S20)에서 송신된 측정신호와 상기한 바와 같이 하여 노이즈 제거단계(S40)를 통해 잡음이 제거된 비트주파수 계측신호 사이의 시간차를 이용하여 측정대상까지의 거리를 계산하는 것에 의해 수위를 산출하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 본 발명의 실시예에 있어서, E-밴드 멀티주파수 레이더를 이용하여 거리(수위)를 측정하는 과정에 대한 보다 구체적인 내용은 기존의 레이더 장치나 수위측정 센서 등을 참고하여 당업자가 적절히 구현할 수 있으며, 또한, CA-CFAR 알고리즘은 레이더를 통해 수신된 신호를 분석하기 위한 신호해석 방법의 하나로서 레이더 분야에 있어서 당업자에게 자명한 기술내용에 해당하므로, 이에, 본 발명에서는, 설명을 간략히 하기 위해, 상기한 E-밴드 멀티주파수 레이더나 CA-CFAR 알고리즘의 구체적인 구성이나 동작원리 등과 같이, 종래기술의 문헌 등을 참조하여 당업자가 용이하게 이해하고 실시할 수 있는 내용에 대하여는 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
더욱이, 본 발명의 실시예에 따른 수위측정방법은, 도시되지는 않았으나, 수위산출단계(S50)에서 산출된 수위가 미리 정해진 기준수위에 도달하거나 측정오차의 크기가 미리 정해진 임계값이나 범위를 만족하지 못하는 경우 미리 정해진 설정에 따라 경고메시지를 표시하고 경보를 발생하는 동시에, 미리 정해진 연락처에 해당 사실을 알리고 유지보수를 요청하는 처리가 수행되는 모니터링단계와, 수위산출단계(S50)에서 산출된 수위를 미리 정해진 기준수위와 비교하여, 예를 들면, 펌프나 밸브 등과 같은 유량제어수단을 제어하는 것에 의해 수위가 항상 일정 수준으로 유지되도록 제어하는 처리가 수행되는 수위제어단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기한 수위산출단계(S50)는, 미리 저장된 정상 수위값과 산출된 수위값을 비교하여 두 값의 차이가 미리 정해진 기준값이나 범위를 벗어나는 경우는 정상 수위값에 근거하여 산출값을 보정하는 것에 의해 측정오차를 최소화하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법 및 이를 이용한 수위측정 장치를 용이하게 구현할 수 있으며, 그것에 의해, E-밴드 멀티주파수 레이더를 이용하여 오수펌프장이나 배수지 등의 원격제어, 진단 및 모니터링이 가능한 수위제어 시스템을 용이하게 구현할 수 있다.
즉, 도 7을 참조하면, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법을 이용한 수위제어 시스템(50)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수위제어 시스템(50)은, 크게 나누어, 예를 들면, 액체 저장탱크나 저수지, 하천, 댐 등과 같이, 각각의 시설이나 지역마다 설치되어 수위를 측정하고 모니터링하는 처리가 수행되도록 이루어지는 다수의 수위측정 시스템(51)과, 각각의 수위측정 시스템(51)으로부터 주기적으로 수위측정 및 모니터링 데이터를 수신하여 수위가 낮은 곳은 물을 유입시키고 수위가 높은 곳은 배출시키도록 제어하는 것에 의해 미리 정해진 일정 수준으로 수위를 조절하고 이상발생시 알림을 전달하는 동시에, 수위측정 및 관리에 대한 빅데이터를 구축하고 사용자의 요청에 따라 해당하는 각종 정보를 맞춤형으로 제공하는 처리가 수행되도록 이루어지는 관제서버(52) 및 각각의 사용자가 측정된 수위를 확인하고 원하는 정보를 요청하여 제공받기 위해 각각의 수위측정 시스템(51) 및 관제서버(52)와 통신하여 각종 데이터를 송수신하는 처리가 수행되도록 이루어지는 사용자 단말기(53)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 수위측정 시스템(51)은, 도 1 내지 도 6을 참조하여 상기한 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더(10) 및 이를 이용한 수위측정방법을 이용하여, 해당 위치에서 수위를 측정하고 이상 유무를 모니터링하여 얻어지는 각종 데이터를 관제서버(52)로 전송하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기한 사용자 단말기(53)는, 예를 들면, PC와 같은 단말장치를 이용하여 구성될 수 있고, 또는, 스마트폰이나 태블릿 PC 또는 노트북 등과 같이, 개인이 휴대 가능한 정보통신 단말기에 전용의 어플리케이션을 설치하여 구성될 수도 있으나, 본 발명은 반드시 이러한 구성으로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은 본 발명의 취지 및 본질을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 필요에 따라 다양하게 수정 및 변경하여 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
상기한 바와 같은 구성으로부터, 본 발명에 따르면, 각각의 시설이나 지역마다 수위측정 시스템(51)을 설치하여 두고, 각각의 수위측정 시스템(51)들이 서로 통신하여 각종 데이터를 주고받도록 하는 동시에, 관제서버(52)의 요청에 따라, 또는, 미리 정해진 설정에 따라 주기적으로 모니터링 데이터를 관제서버(52)로 각각 전송하도록 구성됨으로써, 예를 들면, 전국 단위의 광범위한 지역에 대하여도 대규모의 수위제어 시스템(50) 및 방법을 용이하게 구축할 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법을 구현할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
10. E-밴드 멀티주파수 레이더
11. 측정신호 생성부
12. 주파수 제어부
13. 수위산출부
14. 출력부
15. 전원공급부
16.통신부
17. 제어부
18. 초음파 발생부
50. 수위제어 시스템
51. 수위측정 시스템
52. 관제서버
53. 사용자 단말기
11. 측정신호 생성부
12. 주파수 제어부
13. 수위산출부
14. 출력부
15. 전원공급부
16.통신부
17. 제어부
18. 초음파 발생부
50. 수위제어 시스템
51. 수위측정 시스템
52. 관제서버
53. 사용자 단말기
Claims (12)
- E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법에 있어서,
상기 E-밴드 멀티주파수 레이더에 측정거리에 따라 설정되어 있는 측정주파수를 확인하고, 확인된 주파수 대역에 따라 76 ~ 81GHz의 밀리미터파 대역에서 상기 레이더의 측정주파수를 설정하는 처리가 수행되는 주파수 설정단계;
상기 레이더의 다층구조(multi-layer) 안테나를 통하여, 76 ~ 81GHz 대역에서 상기 주파수 설정단계를 통해 설정된 서로 다른 주파수의 측정주파수 신호를 각각 송신하고 측정대상의 표면에서 반사된 반사신호를 수신하는 처리가 수행되는 측정신호 송수신단계;
상기 측정신호 송수신단계를 통해 수신된 반사신호에 시간영역 셀평균-일정오경보확률(Cell Average-Constant False Alarm Rate ; CA-CFAR) 알고리즘을 적용하여 상기 측정신호 송수신단계에서 수신된 반사신호로부터 비트주파수 계측신호를 생성하는 처리가 수행되는 비트주파수 계측신호 생성단계;
상기 비트주파수 계측신호 생성단계에서 생성된 상기 비트주파수 계측신호의 파형을 미리 저장된 정상 파형과 비교하여, 파형이 비정상인 신호는 노이즈로 간주하여 버리고 정상인 신호만을 선택하는 것에 의해 상기 비트주파수 계측신호의 노이즈를 필터링한 후, 불필요한 산란파를 제거하기 위한 주파수 분석을 통하여 상기 주파수 설정단계에서 설정된 측정주파수와 상기 비트주파수 계측신호의 주파수를 비교하고 미리 정해진 기준범위를 벗어나는 주파수를 제거하는 것에 의해 수신신호의 잡음을 제거하는 처리가 수행되는 노이즈 제거단계; 및
상기 측정신호 송수신단계에서 송신된 측정신호와 상기 노이즈 제거단계를 통해 잡음이 제거된 비트주파수 계측신호 사이의 시간차를 이용하여 상기 측정대상까지의 거리를 계산하는 것에 의해 수위를 산출하는 처리가 수행되는 수위산출단계를 포함하여 구성되고,
상기 E-밴드 멀티주파수 레이더는,
절연층을 가지는 4-Layer 다층구조로 형성되는 4쌍의 송신용 안테나 및 수신용 안테나를 포함하여 송신용 안테나와 수신용 안테나가 물리적 및 주파수별로 분리되도록 구성되고, 76 ~ 81GHz의 밀리미터파 대역에서 각 층별로 각각 다른 주파수의 밀리미터파를 생성하여 수위측정을 위한 측정신호로서 송수신하는 처리가 수행되도록 이루어지는 측정신호 생성부;
미리 정해진 설정에 따라 76 ~ 81GHz의 밀리미터파 대역에서 상기 측정신호 생성부를 통해 생성되는 측정신호의 주파수를 제어하는 처리가 수행되도록 이루어지는 주파수 제어부;
상기 측정신호 생성부를 통해 송수신된 신호에 근거하여 수위를 계산하는 처리가 수행되도록 이루어어지는 수위산출부;
상기 레이더의 전체적인 동작 및 상기 수위산출부를 통해 산출된 수위를 포함하는 각종 데이터를 출력수단을 통해 출력하는 처리가 수행되도록 이루어지는 출력부;
상기 레이더의 동작을 위한 전원을 공급하는 처리가 수행되도록 이루어지는 전원공급부;
서버나 사용자 단말기를 포함하는 외부 기기와 각각의 측정값 및 처리결과를 포함하는 각종 데이터를 주고받기 위해 유선 또는 무선통신 중 적어도 하나의 방식으로 통신을 행하는 처리가 수행되도록 이루어지는 통신부; 및
상기 레이더의 전체적인 동작을 제어하는 처리가 수행되도록 이루어지는 제어부를 포함하여 구성됨으로써,
다층구조 안테나를 통해 76 ~ 81GHz의 밀리미터파 대역에서 층별로 각각 다른 주파수의 밀리미터파를 생성하여 송수신하는 것에 의해 송수신 신호의 왜곡을 감소하고 눈, 비, 안개, 구름, 분진, 수증기를 포함하는 측정환경에 의한 영향을 받지 않고 측정이 가능한 동시에, 비트주파수 계측신호의 필터링을 통해 노이즈를 제거하여 정확하고 정밀한 측정이 이루어질 수 있으며,
또한, 상기 E-밴드 멀티주파수 레이더는,
상기 측정신호 생성부의 각각의 송신용 안테나 및 수신용 안테나의 측정부(도파관)에 미리 정해진 설정에 따라 주기적으로 미리 정해진 주파수의 초음파를 발생하는 처리가 수행되도록 이루어지는 초음파 발생부를 더 포함하여 구성됨으로써,
상기 초음파 발생부를 통하여 상기 측정신호 생성부의 각각의 송신용 안테나 및 수신용 안테나의 측정부(도파관)에 미리 정해진 설정에 따라 주기적으로 초음파를 발생하도록 하는 것에 의해 곤충에 의한 영향을 방지할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 방법은,
상기 수위산출단계에서 산출된 수위가 미리 정해진 기준수위에 도달하거나 측정오차의 크기가 미리 정해진 임계값이나 범위를 만족하지 못하는 경우, 미리 정해진 설정에 따라 경고메시지를 표시하고 경보를 발생하는 동시에, 미리 정해진 연락처에 해당 사실을 알리고 유지보수를 요청하는 처리가 수행되는 모니터링단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 방법은,
상기 수위산출단계에서 산출된 수위를 미리 정해진 기준수위와 비교하고, 비교결과에 따라 펌프 및 밸브를 포함하는 유량제어수단을 제어하는 것에 의해 수위를 제어하는 처리가 수행되는 수위제어단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법.
- 수위제어 시스템에 있어서,
각각의 시설이나 지역마다 설치되어 수위를 측정하고 모니터링하는 처리가 수행되도록 이루어지는 다수의 수위측정 시스템;
각각의 상기 수위측정 시스템으로부터 주기적으로 수위측정 및 모니터링 데이터를 수신하여 미리 정해진 기준값이나 범위로 수위를 제어하고 이상발생시 알림을 전달하는 동시에, 수위측정 및 관리에 대한 빅데이터를 구축하고 사용자의 요청에 따라 해당하는 각종 정보를 맞춤형으로 제공하는 처리가 수행되도록 이루어지는 관제서버; 및
각각의 사용자가 측정된 수위를 확인하고 원하는 정보를 요청하여 제공받기 위해 각각의 상기 수위측정 시스템 및 상기 관제서버와 통신하여 각종 데이터를 송수신하는 처리가 수행되도록 이루어지는 사용자 단말기를 포함하여 구성되고,
상기 수위측정 시스템은,
청구항 1항, 청구항 8항 및 청구항 9항 중 어느 한 항에 기재된 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법을 이용하여 수위측정이 이루어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수위제어 시스템.
- 제 10항에 있어서,
상기 사용자 단말기는,
PC를 포함하는 정보처리장치를 이용하여 구성되거나,
또는, 스마트폰이나 태블릿 PC 또는 노트북을 포함하는 개인 휴대용 정보통신 단말기에 전용의 어플리케이션을 설치하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수위제어 시스템.
- 수위제어방법에 있어서,
수위의 측정 및 모니터링을 위해 각각의 시설이나 지역마다 수위를 측정하고 모니터링하는 처리가 수행되도록 이루어지는 수위측정 시스템을 설치하는 처리가 수행되는 시스템 구축단계; 및
상기 시스템 구축단계를 통해 각각의 설비나 지역마다 설치된 상기 수위측정 시스템을 통하여 수위를 측정하고 이상 여부를 모니터링하여 미리 정해진 기준값이나 범위로 제어하는 처리가 수행되는 수위제어단계를 포함하여 구성되고,
상기 수위측정 시스템은,
청구항 1항, 청구항 8항 및 청구항 9항 중 어느 한 항에 기재된 E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법을 이용하여 수위측정이 이루어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수위제어방법.
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| KR1020220189814A KR102617977B1 (ko) | 2022-12-29 | 2022-12-29 | E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법 |
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| KR1020220189814A KR102617977B1 (ko) | 2022-12-29 | 2022-12-29 | E-밴드 멀티주파수 레이더 계측신호의 산란파가 제거된 수위측정방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5952168B2 (ja) * | 1975-02-05 | 1984-12-18 | 宇部興産株式会社 | １，３−ブタジエンの重合法 |
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| KR102037132B1 (ko) | 2019-02-27 | 2019-10-28 | 안민헌 | 분리형 레이더 수위 측정 장치 |
| KR102434509B1 (ko) * | 2022-03-15 | 2022-08-19 | 김정환 | E-밴드 멀티주파수 제어가 가능한 비접촉식 수위측정 시스템 및 방법, 이를 이용한 수위제어 시스템 및 방법 |
-
2022
- 2022-12-29 KR KR1020220189814A patent/KR102617977B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (6)
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