KR20100071353A - Method for distance measurement of porous media and measuring device thereof - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A distance measuring method and a measuring device of the porosity reflector are provided so that the size of the reflected ultrasonic wave and form of waveform from time to time change. The exact distance value can be measured. CONSTITUTION: The ultrasonic transmitter(130) transmits a message the ultrasonic signal in the porosity reflector from the observation point. The ultrasonic receiver(150) receives a message the ultrasonic signal reflected to the porosity reflector. The operation unit(190) applies the non-linear least squares method to the tip-end part peak value of the waveform of the ultrasonic signal reflected to.

Description

다공성 반사체의 거리 측정 방법 및 그 측정기{Method for Distance Measurement of Porous Media and Measuring Device Thereof}Method for distance measurement of porous reflector and measuring device thereof

본 발명은 다공성 반사체의 거리 측정 방법 및 그 측정기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대상체의 표면 조건이 일정하지 않음으로써 반사 초음파의 크기 및 파형의 형태가 수시로 변화할 경우에도 정확한 거리값을 측정할 수 있는 다공성 반사체의 거리 측정 방법 및 그 측정기에 관한 것이다. The present invention relates to a method for measuring the distance of a porous reflector and a measuring device thereof, and more particularly, even if the size and shape of the waveform of the reflected ultrasonic waves change from time to time because the surface conditions of the object are not constant, accurate distance values can be measured. The present invention relates to a distance measuring method of a porous reflector and a measuring device thereof.

눈이 내리는 기상상황에 대한 감시를 위해 적설된 눈의 높이를 측정하기 위해 상부에 위치한 초음파 송수신기를 이용하여 눈 표면에서 반사하는 초음파의 전달시간을 측정하여 눈이 쌓인 높이를 측정하는 것이 일반적이다.It is common to measure the height of snow accumulation by measuring the transmission time of the ultrasonic waves reflected from the snow surface by using the ultrasonic transceiver located on the top to measure the snow height that is snowed for monitoring the weather conditions of snow falling.

그러나 눈의 특성상 벽 등의 반사체와는 달리 밀도가 일정하지 않은 다공성의 형태를 가지므로 (Sirpa Rasmus, "Snow pack structure characteristics in Finland-Measurements and modeling" ,Report series in geophysics No 48, Helsinki, 2005) 정밀하게 눈 표면까지의 거리를 측정하는 것이 곤란한 경우가 많다. 이로 인해 노면결빙 등의 예측에 어려움이 있다.However, due to the characteristics of the eye, unlike the reflectors such as walls, it has a form of porosity that is not uniform in density (Sirpa Rasmus, "Snow pack structure characteristics in Finland-Measurements and modeling", Report series in geophysics No 48, Helsinki, 2005) It is often difficult to accurately measure the distance to the eye surface. As a result, it is difficult to predict road surface freezing.

종래의 초음파를 이용한 거리계는 트리거를 이용하여 초음파 송신기를 통해 펄스 또는 톤버스트 형태의 초음파 신호를 발생시켜 대상체의 표면에서 반사되어 되돌아오는 초음파 신호를 별도의 또는 동일한 초음파 센서를 이용하여 수집한다. 수신신호에 대해 일정 기준값과의 비교를 통해 전달시간(TOF, Time of Flight)을 측정하여 온도를 보정함으로써 대상체와의 거리를 환산하는 것을 기본 원리로 한다. 이 경우 기준값의 설정은 경험에 의해 최적의 잡음대 신호비를 확보할 수 있도록 설정하는 것이 일반적이다. The conventional rangefinder using ultrasonic waves generates an ultrasonic signal in the form of a pulse or tone burst through an ultrasonic transmitter using a trigger to collect ultrasonic signals reflected from the surface of the object using separate or identical ultrasonic sensors. The basic principle is to convert a distance to an object by measuring a time of flight (TOF) and correcting a temperature by comparing a received signal with a predetermined reference value. In this case, it is common to set the reference value so that an optimal noise-to-signal ratio can be obtained by experience.

벽면반사의 경우와 같이 반사파의 특성이 급격히 변화되지 않고 거리에 따라 단순감소되는 경우 거리에 따른 이득함수를 적용하여 반사파의 크기를 거리에 무관하게 일정하게 만드는 역보정을 통해 거리를 측정함에 있어 거리에 무관한 일정한 기준값을 적용할 수 있다.If the characteristics of the reflected wave do not change drastically as in the case of wall reflection, but simply decrease according to the distance, the distance is measured through the inverse correction that makes the size of the reflected wave constant regardless of the distance by applying the gain function according to the distance. It is possible to apply certain reference values irrespective of

교차상관법 또는 쳐플렛 등의 기법을 적용함으로써 거리값을 보다 정밀하게 측정할 수 있다. 그러나 대상물체의 표면 조건이 일정하지 않음으로써 반사파의 크기 및 파형의 형태가 수시로 변화할 경우 정확하게 거리값을 구하는 것이 어렵다는 문제점이 있다. By applying techniques such as cross-correlation or chapel, distance values can be measured more precisely. However, since the surface conditions of the object are not constant, it is difficult to accurately obtain a distance value when the magnitude and shape of the reflected wave change frequently.

따라서, 본 발명의 목적은, 대상체의 표면 조건이 일정하지 않음으로써 반사 초음파의 크기 및 파형의 형태가 수시로 변화할 경우에도 정확한 거리값을 측정할 수 있는 다공성 반사체의 거리 측정 방법 및 그 측정기를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for measuring a distance and a measuring device of a porous reflector capable of measuring an accurate distance value even when the size and shape of the reflected ultrasound change frequently because the surface condition of the object is not constant. Is in.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다공성 반사체의 거리 측정 방법은, 관측점으로부터 거리 측정 대상인 다공성 반사체에 초음파 신호를 송신하는 단계; 상기 다공성 반사체에서 반사된 초음파 신호를 수신하는 단계; 상기 반사된 초음파 신호의 파형의 선단부 첨두값에 대해 비선형 최소자승법을 적용하여 구한 함수의 영점 교차점을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 영점 교차점으로부터 획득한 초음파의 전달시간 및 초음파 속도를 이용하여 상기 다공성 반사체까지의 거리를 계산하는 단계를 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method of measuring a distance of a porous reflector, the method including: transmitting an ultrasonic signal from a viewpoint to a porous reflector as a distance measuring object; Receiving an ultrasonic signal reflected from the porous reflector; Calculating a zero point intersection point of a function obtained by applying a nonlinear least-squares method to a tip peak value of a waveform of the reflected ultrasonic signal; And calculating the distance to the porous reflector by using the ultrasonic wave speed and the transmission time of the ultrasonic waves obtained from the calculated zero point intersection.

한편, 본 발명에 따른 다공성 반사체의 거리 측정기는, 관측점으로부터의 거리 측정 대상인 다공성 반사체에 초음파 신호를 송신하는 초음파 송신부; 상기 다공성 반사체에서 반사된 초음파 신호를 수신하는 초음파 수신부; 및 상기 반사된 초음파 신호의 파형의 선단부 첨두값에 대해 비선형 최소자승법을 적용하여 구한 함수의 영점 교차점을 산출하는 연산부를 포함하며, 상기 연산부는, 상기 산출된 영점 교차점으로부터 획득한 초음파의 전달시간 및 초음파 속도를 이용하여 상기 다공성 반사체까지의 거리를 계산하는 것을 특징으로 한다. On the other hand, the distance measurer of the porous reflector according to the present invention, the ultrasonic transmitter for transmitting an ultrasonic signal to the porous reflector that is the distance measurement target from the viewpoint; An ultrasonic receiver for receiving an ultrasonic signal reflected from the porous reflector; And a calculation unit for calculating a zero crossing point of a function obtained by applying a nonlinear least-squares method to a tip peak value of the waveform of the reflected ultrasonic signal, wherein the calculation unit includes: a transfer time of the ultrasonic wave obtained from the calculated zero crossing point; The distance to the porous reflector is calculated using the ultrasonic speed.

본 발명에 따르면, 대상체의 표면 조건이 일정하지 않음으로써 반사 초음파의 크기 및 파형의 형태가 수시로 변화할 경우에도 정확한 거리값을 측정할 수 있게 된다. 아울러, 본 발명에 따르면, 수신된 반사 초음파 파형의 선단부의 증가 부분을 이용함으로써 눈이 최초에 내리는 경우와 같이 반사 초음파의 크기가 작을 경우에도 거리를 안정적으로 측정할 수 있게 된다. According to the present invention, even when the surface condition of the object is not constant, the accurate distance value can be measured even if the size and shape of the reflected ultrasound change frequently. In addition, according to the present invention, the distance can be stably measured even when the size of the reflected ultrasound is small, such as when the eye first falls, by using the increased portion of the tip of the received reflected ultrasound waveform.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, with reference to the drawings will be described the present invention in more detail. It should be noted that the same elements in the figures are represented by the same numerals wherever possible. In addition, detailed descriptions of well-known functions and configurations that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be omitted.

초음파 거리계는 초음파 센서를 펄스 또는 톤버스트로 구동함으로써 공기중을 통해 단속적인 초음파 신호를 발생킨다. 대상체까지의 거리를 측정하기 위해 초음파 센서를 사용하여 초음파를 발생시켜 공기중을 전파한 초음파가 대상체 표면에서 반사해서 돌아오는 반사 초음파를 같은 또는 별도의 초음파 센서를 이용하여 수신함으로써 초음파의 전달시간을 측정하여 이것을 이미 알고있는 초음파의 진행속도로 나누어줌으로써 대상체까지의 거리를 구할 수 있다. 이것을 수식으로 나타내면 하기의 수학식 1과 같다. The ultrasonic range finder generates an intermittent ultrasonic signal through the air by driving the ultrasonic sensor with a pulse or tone burst. Ultrasonic waves are generated by using an ultrasonic sensor to measure the distance to the object, and the ultrasonic wave propagated in the air receives reflected ultrasonic waves reflected from the surface of the object by using the same or separate ultrasonic sensors, so that the ultrasonic wave is delivered. The distance to the object can be determined by measuring and dividing it by the known velocity of ultrasound. This is expressed by the following equation (1).

d = ΔT / 2 vd = ΔT / 2 v

여기서, d는 대상체까지의 거리, ΔT는 초음파의 전달시간, v는 공기중에서의 초음파의 속도를 나타낸다. 역으로 대상체까지의 거리를 알고 있을 경우 동일한 식을 이용하여 초음파의 속도를 정밀하게 측정할 수도 있다.Where d is the distance to the object, ΔT is the delivery time of the ultrasound, and v is the speed of the ultrasound in the air. Conversely, if the distance to the object is known, the velocity of the ultrasound may be precisely measured using the same equation.

초음파의 전달시간을 측정하기 위해서 종래에는 기준값에 의한 비교법, 영점교차법, 교차상관법 (Hull, D. R., H. E. Kautz, and A. Vary, Materials Evaluation, 43, Oct., 1985, 1455-1460), 위상기울기법(Wormley, S. J., K. Forouraghi, Y. Li, and R. B. Thompson, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, Vol. 9, 1990, 951-958) 등이 사용되어 왔으나 다공성의 특징을 갖는 눈 등의 표면에서 반사되는 초음파 거리계에 그대로 적용하는 데 있어 정밀도에 문제가 있다. In order to measure the propagation time of ultrasonic waves, a comparison method based on a reference value, a zero crossing method, a cross correlation method (Hull, DR, HE Kautz, and A. Vary, Materials Evaluation, 43 , Oct., 1985, 1455-1460), Phase gradient techniques (Wormley, SJ, K. Forouraghi, Y. Li, and RB Thompson, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, Vol. 9 , 1990, 951-958) have been used, There is a problem in precision in applying it as it is to the ultrasonic rangefinder reflected from the surface.

즉 다공성을 갖는 대상체의 특성에 따라 반사되는 초음파 파형의 변화가 발생하며 이것은 다공성이라는 특성을 갖는 대상체의 밀도 및 형상함수에 크게 의존하게 된다.That is, a change in the ultrasonic wave wave reflected according to the property of the object having porosity occurs, which is highly dependent on the density and shape function of the object having the property of porosity.

도 1은 초음파 신호의 벽면에서의 반사 초음파 신호의 파형을 나타낸 도면이고, 도 2는 초음파 신호의 다공성 반사체 표면인 적설면에서의 반사 초음파 신호의 파형을 규격화하여 도1에서의 반사 초음파 신호의 파형과 함께 나타낸 도면이다. 1 is a view showing the waveform of the reflected ultrasonic signal on the wall surface of the ultrasonic signal, Figure 2 is a waveform of the reflected ultrasonic signal in Figure 1 by normalizing the waveform of the reflected ultrasonic signal on the snow surface which is the porous reflector surface of the ultrasonic signal It is shown with.

도 2를 참조하면, 초음파 신호의 다공성 반사체에서의 반사 초음파 신호는 다공성이 아닌 벽면에서의 반사 초음파 신호의 파형에 비해 파형의 선단부에서의 초기 진폭이 커지면서 전체적으로 파형이 넓어지는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2, it can be seen that the reflected ultrasonic signal of the ultrasonic reflector in the porous reflector of the ultrasonic signal becomes wider as the initial amplitude at the tip of the waveform becomes larger than the waveform of the reflected ultrasonic signal in the non-porous wall surface.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 다공성 반사체의 거리 측정 기(100)는 초음파 송신부(130)를 통해 초음파를 다공성 반사체에 송신한 후에, 초음파 수신부(150)를 통해 수신한 반사 초음파 신호를 수신한다. 3 and 4, the distance measuring device 100 of the porous reflector according to the present invention transmits ultrasonic waves to the porous reflector through the ultrasonic transmitter 130, and then reflects ultrasonic waves received through the ultrasonic receiver 150. Receive the signal.

다공성 반사체의 거리 측정기(100)의 연산부(190)는 초음파 수신부(150)가 수신한 반사 초음파 신호를 디지털 값으로 얻은 후에 이 디지털 파형신호에 대해 반사 초음파의 파형으로부터의 선단부의 첨두값(2)들을 추출한다. The calculating unit 190 of the distance measuring device 100 of the porous reflector obtains the reflected ultrasonic signal received by the ultrasonic receiver 150 as a digital value, and then the peak value (2) of the tip of the tip from the waveform of the reflected ultrasonic wave for the digital waveform signal. Extract them.

연산부(190)가 선단부 첨두값(2)들을 추출함에 있어서는, 소정의 기준값(1) 이상인 첨두값(2)들만을 추출하게 된다. 여기서, 소정의 기준값(1)은 반사 초음파 신호가 아직 수신되지 않은 경우의 노이즈에 의한 신호의 크기를 고려하여 결정되는 값으로서, 반사 초음파가 없는 구간에서의 노이즈 신호의 분산값보다는 적어도 큰 값으로 결정하는 것이 바람직할 것이다. When the calculator 190 extracts the tip peak values 2, only the peak values 2 that are greater than or equal to the predetermined reference value 1 are extracted. Here, the predetermined reference value 1 is a value determined in consideration of the magnitude of the signal due to noise when the reflected ultrasonic signal has not been received yet, and is at least larger than the variance of the noise signal in the section without the reflected ultrasonic signal. It would be desirable to decide.

그 다음, 연산부(190)는 추출된 선단부 첨두값(2)들에 대해 비선형 최소자승법을 적용하여 구한 함수의 영점 교차점(3)을 산출한다. 여기서, 영점 교차점(3)은 반사 초음파의 최초 도달시간이 되며, 비선형 최소자승법이란, 가정한 함수에서 실제 데이타와 오차의 제곱들을 모두 합한 값이 최소가 되는 조건을 만족하도록 하여, 가정한 함수의 형태를 찾아내는 방법이다.Next, the operation unit 190 calculates the zero point intersection point 3 of the function obtained by applying the nonlinear least-squares method to the extracted tip extreme values (2). Here, the zero crossing point 3 is the initial arrival time of the reflected ultrasound, and the nonlinear least-squares method means that the sum of the squares of the actual data and the error in the hypothesized function satisfies the minimum condition. It's a way of finding form.

한편, 본 발명을 실시함에 있어서는, 도 3에서와 같이 수신한 반사 초음파 신호를 정류(rectify)한 것에 대해 비선형 최소자승법을 적용할 수도 있을 것이다. Meanwhile, in implementing the present invention, a nonlinear least-squares method may be applied to rectifying the received reflected ultrasonic signal as shown in FIG. 3.

연산부(190)는 영점 교차점(3)을 산출함으로써, 반사 초음파의 최초 도달시간 및 초음파의 전달시간(ΔT)을 얻게 되며, 이미 알려진 값인 공기중에서의 초음파 속도(v), 및 상기 수학식 1을 이용하여 다공성 반사체까지의 거리(d)를 계산하 게 된다. The calculation unit 190 calculates the zero crossing point 3 to obtain the initial arrival time of the reflected ultrasound and the propagation time ΔT of the ultrasonic waves, and the ultrasonic velocity v in air, which is a known value, and Equation 1 above. The distance d to the porous reflector is calculated.

한편, 본 발명을 실시함에 있어서는 공기중에서의 초음파 속도(v)는 온도에 따른 보정을 실행한 값이 될 것이다. On the other hand, in the practice of the present invention, the ultrasonic velocity v in the air will be a value that has been corrected according to the temperature.

본 발명은 상술한 바와 같이, 수신된 반사 초음파 파형의 선단부의 증가 부분을 이용함으로써 눈이 최초에 내리는 경우와 같이 반사 초음파의 크기가 작을 경우에도 거리를 안정적으로 측정할 수 있게 된다. As described above, the distance can be stably measured even when the size of the reflected ultrasound is small, such as when the eye first falls, by using the increased portion of the tip of the received reflected ultrasound waveform.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.While the above has been shown and described with respect to preferred embodiments and applications of the present invention, the present invention is not limited to the specific embodiments and applications described above, the invention without departing from the gist of the invention claimed in the claims Various modifications can be made by those skilled in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or the prospect of the present invention.

도 1은 초음파 신호의 벽면에서의 반사 초음파 신호의 파형을 나타낸 도면,1 is a view showing the waveform of the reflected ultrasonic signal on the wall surface of the ultrasonic signal,

도 2는 초음파 신호의 다공성 반사체 표면인 적설면에서의 반사 초음파 신호의 파형을 규격화하여 도1에서의 반사 초음파 신호의 파형과 함께 나타낸 도면,FIG. 2 is a view showing the waveform of the reflected ultrasonic signal in FIG. 1 by normalizing the waveform of the reflected ultrasonic signal on the snow surface which is the surface of the porous reflector of the ultrasonic signal.

도 3은 도 2에서의 다공성 반사체 표면에서의 반사 초음파 신호를 분석하는 원리를 나타낸 도면, 및 3 is a view showing a principle of analyzing the reflected ultrasonic signal on the surface of the porous reflector in FIG.

도 4는 본 발명에 따른 다공성 반사체의 거리 측정기의 구성도이다. 4 is a block diagram of a range finder of the porous reflector according to the present invention.

Claims (2)

관측점으로부터 거리 측정 대상인 다공성 반사체에 초음파 신호를 송신하는 단계;Transmitting an ultrasonic signal from the viewpoint to the porous reflector to be measured; 상기 다공성 반사체에서 반사된 초음파 신호를 수신하는 단계;Receiving an ultrasonic signal reflected from the porous reflector; 상기 반사된 초음파 신호의 파형의 선단부 첨두값에 대해 비선형 최소자승법을 적용하여 구한 함수의 영점 교차점을 산출하는 단계; 및Calculating a zero point intersection point of a function obtained by applying a nonlinear least-squares method to a tip peak value of a waveform of the reflected ultrasonic signal; And 상기 산출된 영점 교차점으로부터 획득한 초음파의 전달시간 및 초음파 속도를 이용하여 상기 다공성 반사체까지의 거리를 계산하는 단계Computing the distance to the porous reflector using the ultrasonic wave time and the transmission time of the ultrasonic wave obtained from the calculated zero point intersection 를 포함하는 다공성 반사체의 거리 측정 방법.Distance measuring method of the porous reflector comprising a. 관측점으로부터의 거리 측정 대상인 다공성 반사체에 초음파 신호를 송신하는 초음파 송신부;An ultrasonic transmitter for transmitting an ultrasonic signal to a porous reflector that is a distance measurement target from a viewpoint; 상기 다공성 반사체에서 반사된 초음파 신호를 수신하는 초음파 수신부; 및An ultrasonic receiver for receiving an ultrasonic signal reflected from the porous reflector; And 상기 반사된 초음파 신호의 파형의 선단부 첨두값에 대해 비선형 최소자승법을 적용하여 구한 함수의 영점 교차점을 산출하는 연산부An operation unit for calculating a zero crossing point of a function obtained by applying a nonlinear least-squares method to the tip peak value of the waveform of the reflected ultrasonic signal 를 포함하며,Including; 상기 연산부는, 상기 산출된 영점 교차점으로부터 획득한 초음파의 전달시간 및 초음파 속도를 이용하여 상기 다공성 반사체까지의 거리를 계산하는 것인 다공성 반사체의 거리 측정기.The calculating unit, the distance measurer of the porous reflector to calculate the distance to the porous reflector using the ultrasonic wave transfer time and the ultrasonic wave obtained from the calculated zero point intersection.
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