KR20170080416A - Sea surface wind measurement system and method using marine rader - Google Patents

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KR20170080416A
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Abstract

본 발명은 항해용 레이더를 이용한 해상풍 계측 시스템 및 계측 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 항해용 레이더를 이용한 해상풍 계측 시스템은, 운항중인 선박의 일정한 범위 내의 물체를 확인하여 해상의 장애물, 다른 선박 및 해안 등을 관측하고 관측된 레이더 영상 데이터를 제공하는 레이더 및 상기 레이더로부터 제공된 레이더 영상 데이터에 기초하여 풍속과 풍향을 추정하여 해상풍을 계측하는 해상풍 계측 서버를 포함한다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a marine wind measurement system and a measurement method using a navigation radar.
The present invention provides a marine wind measurement system using a navigation radar, comprising: a radar for identifying an object within a certain range of a ship in operation and observing an obstacle in the sea, another ship, a coast, etc. and providing observed radar image data; And an azimuth measurement server for measuring the azimuthal wind by estimating the wind speed and the wind direction based on the radar image data provided from the radar image data.

Description

항해용 레이더를 이용한 해상풍 계측 시스템 및 계측 방법{SEA SURFACE WIND MEASUREMENT SYSTEM AND METHOD USING MARINE RADER}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a marine wind measurement system and a measurement method using a navigation radar,

본 발명은 해상풍 계측 시스템 및 계측 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저가의 해상용 레이더를 이용하여 해상풍의 풍향 및 풍속을 실계측과 유사하게 계측할 수 있는 해상용 레이더를 이용한 해상풍 계측 시스템 및 계측 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a marine wind measurement system and method, and more particularly, to a marine wind measurement system using a marine radar capable of measuring the wind direction and wind speed of an off- And a measurement method.

한반도에 위치한 우리나라는 지형적 특성상 해양 기후에 많은 영향을 받는다. 이에 따라, 해양 기상을 관측하여 실생활에도 적용하고, 각종 산업에 활용하기 위해 많은 비용과 노력을 투자하고 있다. 여기서, 해양 기상 관측이란 해상에서 기상 요소를 비롯한 조위, 파고, 파주기, 파향, 유향, 유속, 풍향, 풍속 등을 실시하는 관측을 말한다. 이들을 관측하기 위해 기상청, 국립해양조사원 등에서 다양한 장소에 다양한 장비를 설치해서 지속적으로 관측하고 있으며 관측한 자료를 바탕으로 생활 및 산업에 활용할 수 있는 예보 자료를 도출하고 있다.Korea, located on the Korean peninsula, is highly influenced by the ocean climate due to its geographical characteristics. As a result, we are investing a lot of money and effort to apply it to real life and to utilize it in various industries by observing ocean weather. Here, the ocean meteorological observation refers to observations that perform the tide, wave, wave, wave, direction, flow velocity, wind direction, wind speed, etc., including weather elements at sea. In order to observe these, various instruments are installed at various places in the Meteorological Agency and the National Oceanographic Research Institute, and they are continuously observing and taking forecast data that can be used for life and industry based on the observed data.

해양 기상을 관측하는 대표적인 방법으로 해양 기상을 관측하기 위한 관측 센서를 설치하여 계측하는 방법이 있다. 관측 센서는 해양에서 기상 및 해상 상황을 자동 관측하기 위한 부이(buoy)에 설치되어 운용되고 있다. 이렇게 부이에 설치된 관측 센서를 통해 계측한 값이 현재로서는 가장 신뢰성이 높다. As a representative method for observing ocean weather, there is a method of measuring by installing an observation sensor for observing the ocean gas phase. Observation sensors are installed in buoys for automatic observation of weather and sea conditions in the ocean. The value measured by the installed sensor is the most reliable at present.

그러나, 관측 센서를 설치하기 위해 해양에 부이 등의 장비들을 설치하고 유지하기 위해서는 많은 비용이 지속적으로 발생하고 있다. 예를 들어, 관측 센서를 설치한 부이의 전자장치 모듈은 방수가 요구되기 때문에 이를 위해 모듈 내의 습한 공기를 제거하기 위해 질소나 프레온 가스를 주입해야 하는데, 이를 위한 비용이 지속적으로 발생되고 있다.However, much cost is incurred to install and maintain buoys and other equipment in the ocean to install the observation sensors. For example, Buoy's electronic module, which is installed with an observation sensor, is required to be waterproof. Therefore, it is necessary to inject nitrogen or freon gas to remove humid air in the module.

또한, 부이는 해양에 설치되기 때문에 선박과의 충돌이나 태풍과 같은 거대한 외력에 의해 파손되거나 유실되는 위험에 항상 노출되어 있다. In addition, since the boats are installed in the ocean, they are always exposed to the risk of being damaged or lost by huge external forces such as collision with ships or typhoons.

이에 따라, 부이를 대체하거나 보조할 계측 장비의 필요성이 대두되고 있다. 뿐만 아니라 해양부나 등표가 없는 해역을 운항하는 선박에서는 이들의 계측 자료를 직접적으로 활용할 수 없기 때문에 목측에 의존하고 있지만 IMO와 같은 규제 등에서 해양 기상의 객관적인 계측을 요구하고 있는 실정이다.As a result, there is a need for measuring equipment to replace or assist the buoy. In addition, marine vessels operating in waters free of landmarks are unable to directly use their measurement data, so they depend on the witnesses, but they are demanding objective measurement of marine weather in regulations such as IMO.

대한민국 등록특허공보 제10-1351793호(2014년 1월 9일)Korean Registered Patent No. 10-1351793 (January 9, 2014)

본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위해서 안출된 것으로, 해상용 레이더를 이용하여 유지 비용을 적게 하면서도 정확도를 유지할 수 있는 해상풍 계측 시스템 및 계측 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a marine wind measurement system and a measurement method that can maintain accuracy while reducing maintenance cost by using a marine radar.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems to be solved by the present invention, which are not mentioned here, As will be appreciated by those skilled in the art.

본 발명에 따른 해상용 레이더를 이용한 해상풍 계측 시스템은 운항중인 선박의 일정한 범위 내의 물체를 확인하여 해상의 장애물, 다른 선박 및 해안 등을 관측하고 관측된 레이더 영상 데이터를 제공하는 레이더 및 레이더로부터 제공된 레이더 영상 데이터에 기초하여 풍속과 풍향을 추정하여 해상풍을 계측하는 해상풍 계측 서버를 포함한다.The present invention relates to a marine wind measurement system using a marine radar, which is provided from radar and radar that observe an object within a certain range of a ship in operation and observe obstacles, other ships, And an ocean wind measurement server for measuring the wind direction by estimating the wind speed and the wind direction based on the radar image data.

상기 레이더는 X-밴드 레이더일 수 있다.The radar may be an X-band radar.

상기 해상풍 계측 서버는 레이더로부터 상기 레이더 영상 데이터를 수신하여 수신된 영상의 정보를 수집하는 레이더 정보 수집부, 레이더 정보 수집부를 통해 수신된 레이더 영상 데이터의 방위각을 동일 방위각 별로 분리하고 분리된 동일 방위각들의 대표값 중 가장 큰 값을 찾아 풍향을 추정하는 풍향 추정부 및 레이더 정보 수집부를 통해 수신된 레이더 영상 데이터의 단위 면적당 레이더 신호의 반사량을 이용하여 풍속을 추정하는 풍속 추정부를 포함할 수 있다.The azimuth measurement server includes a radar information collecting unit for receiving the radar image data from the radar and collecting information of the received image, a radar information collecting unit for separating the azimuths of the received radar image data by the same azimuth angle, And a wind speed estimating unit for estimating the wind speed using the reflection amount of the radar signal per unit area of the received radar image data through the radar information collecting unit and the wind direction estimating unit for estimating the wind direction by finding the largest value among the representative values of the radar image data.

상기 풍속 추정부는 레이더 정보 수집부를 통해 수신된 레이더 영상 데이터의 파고를 추정하기 위한 신호 대 잡음비를 도입하여 풍속과의 관계를 정립한 후 풍속을 추정할 수 있다.The wind speed estimating unit may introduce a signal-to-noise ratio for estimating the wave height of the radar image data received through the radar information collecting unit to estimate the wind speed after establishing a relationship with the wind speed.

본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍 계측 방법은 해상용 레이더에서 관측된 레이더 영상 데이터를 수신하는 단계, 레이더 영상 데이터를 이용하여 풍향을 추정하는 단계 및 레이더 영상 데이터를 이용하여 풍속을 추정하는 단계를 포함한다.The method for measuring the sea air according to an embodiment of the present invention includes the steps of receiving radar image data observed in a marine radar, estimating a wind direction using radar image data, and estimating a wind speed using radar image data .

상기 풍향을 추정하는 단계는 레이더 영상 데이터를 수신 방위각 별로 분리하는 단계, 동일 방위각으로 분리된 레이더 영상 데이터를 적분하여 대표값을 정의하는 단계 및 대표값 중 가장 큰 값의 방향을 풍향으로 추정하는 단계를 포함할 수 있다.The step of estimating the wind direction includes the steps of separating radar image data by receiving azimuth angles, integrating radar image data separated by the same azimuth angle to define representative values, and estimating the direction of the largest value among the representative values as a wind direction . ≪ / RTI >

상기 풍속을 추정하는 단계는 풍속과 파고와의 관계를 통해 풍속을 추정하는 제1 방법 또는 상기 풍속과 단위 면적당 레이더 신호의 반사량과의 관계를 통해 풍속을 추정하는 제2 방법 중 어느 하나의 방법으로 추정할 수 있다.The step of estimating the wind speed may be any one of a first method of estimating the wind speed through the relationship between the wind speed and the wave height or a second method of estimating the wind speed through the relationship between the wind speed and the reflection amount of the radar signal per unit area Can be estimated.

상기 제1 방법은 레이더 영상 데이터에서 해석 영역을 선택하는 단계, 선택된 해석 영역에 대응되는 레이더 영상 데이터의 3D 이미지 스펙트럼을 연산하는 단계, 3D 이미지 스펙트럼을 통해 신호 대 잡음비를 연산하는 단계 및 신호 대 잡음비를 이용하여 풍속을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.The first method comprises the steps of: selecting an interpretation region in the radar image data; computing a 3D image spectrum of radar image data corresponding to the selected interpretation region; computing a signal-to-noise ratio through the 3D image spectrum; And estimating the wind speed using the wind speed.

상기 제2 방법은 레이더 영상 데이터에서 단위 면적을 정의하는 단계, 단위 면적당 레이더 신호 반사량과 풍속과의 관계를 정의하는 단계 및 단위 면적당 레이더 신호 반사량과 풍속과의 관계를 이용하여 풍속을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.The second method includes the steps of defining a unit area in the radar image data, defining a relationship between the radar signal reflection amount per unit area and the wind speed, and estimating the wind speed using the relationship between the radar signal reflection amount per unit area and the wind speed .

본 발명에 따른 해상풍 계측 시스템 및 계측 방법에서는 저가의 X-밴드 레이더를 이용하여 해상풍을 계측함으로써 계측 과정에서의 유지 비용을 절감시킬 수 있다.The marine wind measurement system and the measurement method according to the present invention can reduce the maintenance cost in the measurement process by measuring the sea wind using a low-cost X-band radar.

또한, 본 발명에 따른 해상풍 계측 시스템 및 계측 방법에서는 X-밴드 레이더의 레이더 신호에 의해 풍속과 풍향을 추정하여 비교적 정확도가 높은 해상풍을 계측할 수 있다.Further, in the marine wind measurement system and the measurement method according to the present invention, it is possible to estimate the wind velocity and the wind direction with the radar signal of the X-band radar and measure the sea wind having relatively high accuracy.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍 계측 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 풍향에 따른 레이더 신호의 반사율 차이를 나타내는 레이더의 PPI 영상을 나타낸 도면이다.
도 3은 일반적인 풍향에 따른 레이더 신호의 반사율 차이를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍 계측 시스템을 통해 풍향을 추정하는 방법을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍 계측 시스템을 통해 풍향을 추정하는 실시예를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍 계측 시스템을 통해 풍속을 추정하는 제1 방법을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6의 방법을 통해 추정된 풍속과 실계측된 값을 비교한 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍 계측 시스템을 통해 풍속을 추정하는 제2 방법을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 단위 면적당 레이더 신호의 반사량과 풍속과의 관계를 나타낸 도면이다.
도 10은 도 8의 방법을 통해 추정된 풍속과 실계측된 값을 비교한 예를 나타낸 도면이다.
1 is a schematic view of a marine wind measurement system according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a PPI image of a radar indicating a difference in reflectance of a radar signal according to a wind direction.
3 is a diagram showing a difference in reflectance of a radar signal according to a general wind direction.
4 is a diagram sequentially illustrating a method of estimating the wind direction using the marine wind measurement system according to an embodiment of the present invention.
5A and 5B are views illustrating an embodiment of estimating the wind direction through the marine wind measurement system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram sequentially illustrating a first method for estimating the wind speed through the sea-wind measurement system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a view showing an example in which the wind speed estimated by the method of FIG. 6 and the actual measured value are compared.
FIG. 8 is a diagram sequentially illustrating a second method of estimating the wind speed through the marine wind measurement system according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram showing the relationship between the amount of reflection of the radar signal per unit area and the wind speed.
FIG. 10 is a view showing an example in which the wind speed estimated by the method of FIG. 8 is compared with the actual measured value.

이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.The above and other objects, features and advantages of the present invention will be more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: FIG. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention and the manner of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍 계측 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 풍향에 따른 레이더 신호의 반사율 차이를 나타내는 레이더의 PPI 영상을 나타낸 도면이며, 도 3은 일반적인 풍향에 따른 레이더 신호의 반사율 차이를 나타낸 도면이다.2 is a view showing a PPI image of a radar showing a difference in reflectivity of a radar signal according to a wind direction, and Fig. 3 is a view showing a general wind direction And the reflectivity of the radar signal according to the present invention.

먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍 계측 시스템은 레이더(100) 및 해상풍 계측 서버(200)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the sea-based wind measurement system according to an embodiment of the present invention includes a radar 100 and a sea-level measurement server 200.

레이더(100)는 운항 중인 선박의 일정한 범위 내의 물체를 확인하여 해상의 장애물(해양 구조물), 다른 선박, 해안 등을 탐지하고, 레이더 영상 신호, 트리거(Trigger), 헤딩(Heading) 및 베어링(Bearing) 신호를 이용해서 레이더 영상을 제공하는 해상용 레이더이다. 보다 상세하게, 레이더(100)는 선박에서 사용하기 위해 설계된 레이더 장치로서, 해상의 장애물, 다른 선박, 해안 등을 탐지하고 그 위치와 자기 선박으로부터의 거리, 방향을 평면 위치 표시기(PPI, Plane Position Indicator) 위에 표시하도록 한다.The radar 100 detects obstacles (marine structures), other ships, shores, and the like on a ship by checking an object within a certain range of the ship in operation, and detects a radar image signal, a trigger, a heading, ) Signal to provide a radar image. In more detail, the radar 100 is a radar device designed for use on a ship, which detects obstacles, other ships, coasts, etc. at sea and measures the distance and direction from the position and the self- Indicator.

레이더(100)의 PPI 영상은 레이더 안테나로부터 조사된 신호가 해수면에 부딪혀 되돌아 오기까지 걸린 시간과 방향, 그리고 그 때의 방위각 별 레이더 신호 크기를 나타내는 것으로, 해수면의 높이 및 해상풍의 크기 또는 방향 등을 정량적인 값으로 보여주지는 않지만 파랑의 주기와 높이 그리고 진행 방향과 밀접한 정보를 내포하고 있다. 이와 같은, 레이더(100)의 PPI 영상은, 도 2에 도시된 바와 같이, 나타날 수 있다. 참고적으로, 도 2는 풍향에 따른 반사 신호를 나타낸 것으로 풍향에 따라 어두운 영역과 밝은 영역이 있는 것을 알 수 있다. 여기서, 밝은 영역은 레이더 신호의 세기가 큼을 나타낸 것이다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 레이더(100)의 PPI 영상을 통해 레이더 신호의 반사 신호 및 방위각을 이용하여 풍향과 풍속을 계측할 수 있다.The PPI image of the radar 100 indicates the time and direction taken for the signal irradiated from the radar antenna to collide with the sea surface and returns to the sea surface and the radar signal size for each azimuth at that time. The height and the size or direction of the sea- It does not show quantitative values, but it contains information about the period, height, and direction of the wave. Such a PPI image of the radar 100 may appear as shown in Fig. For reference, FIG. 2 shows a reflected signal according to a wind direction, and it can be seen that there is a dark region and a bright region according to the wind direction. Here, the bright region represents a large intensity of the radar signal. As described above, in one embodiment of the present invention, the wind direction and the wind speed can be measured using the reflected signal and the azimuth angle of the radar signal through the PPI image of the radar 100.

레이더(100)의 PPI 영상은 다른 계측 장비들과 달리 넓은 범위의 공간적인 정보를 제공할 뿐만 아니라 연속된 영상을 얻게 되면 시간적인 정보 또한 얻을 수 있다.The PPI image of the radar 100 provides a wide range of spatial information unlike other measurement equipments, and time information can be obtained when a continuous image is obtained.

레이더(100)는 현재 운항중인 선박의 일정한 범위 내의 물체를 확인하고, 레이더 비디오의 신호처리와 디스플레이를 지원하도록 한다.The radar 100 identifies objects within a certain range of the ship currently operating, and supports signal processing and display of the radar video.

본 발명의 일 실시예에서의 레이더(100)는 X-밴드 레이더일 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에서의 레이더(100)는 파랑의 물리적인 특성을 파악하기 위해 해수면 계측이 필요하기 때문에 X-밴드 레이더가 더욱 적합하다. X-밴드 레이더(100)는 부이와 인공위성 각각의 장·단점의 중간적 성격을 가질 수 있다. 또한, X-밴드 레이더(100)는 부이보다 유실의 위험이 적고, 장비 자체가 대체적으로 저가이기 때문에 이를 이용하여 해상풍을 계측하게 되면 계측 과정에서의 비용을 절감시킬 수 있다.The radar 100 in one embodiment of the present invention may be an X-band radar. Particularly, the radar 100 in the embodiment of the present invention is more suitable for the X-band radar because the sea surface measurement is required to grasp the physical characteristics of the wave. The X-band radar 100 may have an intermediate nature between the short and the long sides of each satellite. In addition, since the X-band radar 100 has less risk of loss than the unit, and the equipment itself is generally inexpensive, the X-band radar 100 can reduce the cost in the measurement process by measuring the sea air.

해상풍 계측 서버(200)는 레이더(100)로부터 레이더 신호를 수신하여 레이더 신호의 방위각을 이용하여 풍향을 추정하고, 레이더 신호를 이용하여 추정하여 해상풍을 계측할 수 있다. 이러한 해상풍 계측 서버(200)는 레이더 정보 수집부(210), 풍향 추정부(220), 풍속 추정부(230), 디스플레이부(240) 및 제어부(250)를 포함할 수 있다.The marine wind measurement server 200 receives the radar signal from the radar 100, estimates the wind direction using the azimuth angle of the radar signal, and estimates the wind direction by using the radar signal. The sea surface measurement server 200 may include a radar information collecting unit 210, a wind direction estimating unit 220, a wind speed estimating unit 230, a display unit 240, and a control unit 250.

레이더 정보 수집부(210)는 레이더(100)에서 PPI 영상을 수신한 후 PPI 영상에 포함된 정보를 수집한다. 이때, PPI 영상은 해수면에 부딪혀 되돌아 오기까지 걸린 시간과 방향, 즉, 반사 신호, 그리고 그 때의 방위각 별 레이더 신호 크기를 포함할 수 있다.The radar information collecting unit 210 collects the information included in the PPI image after receiving the PPI image from the radar 100. In this case, the PPI image may include the time and direction taken to return to the sea surface, that is, the reflected signal, and the radar signal size by the azimuth at that time.

풍향 추정부(220)는 레이더 정보 수집부(210)를 통해 수집된 PPI 영상에서 레이더 신호를 수신하는 방향 별로 신호의 세기, 즉 방위각을 이용하여 풍향을 추정한다. 보다 상세하게, 풍향 추정부(220)는 레이더 신호를 수신 방위각 별로 분리하고 분리된 동일 방위각들의 대표값 중 가장 큰 값을 찾아 이를 통해 풍향을 추정할 수 있다. 여기서, 방위각 별로 레이더 신호를 분리하는 이유는 일반적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 바람이 불어오는 방향으로 레이더 신호의 세기가 높고 반대 방향으로 레이더 신호의 세기가 낮기 때문에 수신된 레이더 신호의 세기를 방위각 별로 분리하여 풍향을 추정하면 보다 정확도가 향상될 수 있기 때문이다. 풍향 추정부(220)의 풍향 추정하는 방법은 다음 도 4에서 보다 상세히 살펴보기로 한다.The wind direction estimating unit 220 estimates the wind direction using the intensity of the signal, that is, the azimuth, by the direction in which the radar signal is received from the PPI image collected through the radar information collecting unit 210. More specifically, the wind direction estimating unit 220 may divide the radar signal by the received azimuth angle, find the largest value among the representative values of the same azimuth angles, and estimate the wind direction. The reason for separating the radar signal by the azimuth angle is that generally, as shown in FIG. 3, since the intensity of the radar signal is high in the wind direction and the intensity of the radar signal is low in the opposite direction, The accuracy can be improved by estimating the wind direction. A method of estimating the wind direction of the wind direction estimating unit 220 will be described in detail with reference to FIG.

풍속 추정부(230)는 레이더 정보 수집부(210)를 통해 수집된 레이더 신호를 이용하여 풍속을 추정할 수 있다. 보다 상세하게, 풍속 추정부(230)는 레이더 신호를 이용하여 풍속과 파고와의 관계를 통해 풍속을 추정하거나 단위 면적당 레이더 신호의 반사량을 이용하여 풍속을 추정할 수 있다. 즉, 풍속 추정부(230)는 풍속과 파고와의 관계를 통해 풍속을 추정하는 제1 방법과 레이더 신호의 반사량을 이용하여 풍속을 추정하는 제2 방법이 있다. 제1 방법은 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ration, SNR) 값을 도입하여 파고를 추정한 후 풍속과의 관계를 정립하여 풍속을 추정할 수 있다. 제2 방법은 우선 단위 면적당 레이더 신호 반사량(Normalized Radar Cross Section; NRCS)과 풍속과의 관계를 정립하여 풍속을 추정할 수 있다. 풍속 추정부(230)의 풍속 추정 방법은 다음 도6 내지 10에서 보다 상세히 살펴보기로 한다.The wind speed estimating unit 230 can estimate the wind speed using the radar signal collected through the radar information collecting unit 210. [ In more detail, the wind speed estimating unit 230 estimates the wind speed through the relationship between the wind velocity and the wave height using the radar signal, or estimates the wind speed using the reflection amount of the radar signal per unit area. That is, the wind speed estimation unit 230 has a first method of estimating the wind speed through the relationship between the wind speed and the wave height, and a second method of estimating the wind speed using the reflection amount of the radar signal. In the first method, the signal-to-noise ratio (SNR) value is introduced to estimate the wave height, and the wind speed can be estimated by establishing the relationship with the wind speed. In the second method, the relationship between the normalized radar cross section (NRCS) per unit area and the wind speed can be established to estimate the wind speed. The method of estimating the wind speed of the wind speed estimating unit 230 will be described in detail below with reference to FIGS.

디스플레이부(240)는 풍향 추정부(220)와 풍속 추정부(230)를 통해 추정된 풍향 및 풍속을 외부에서 인식할 수 있도록 표시한다.The display unit 240 displays the wind direction and the wind speed estimated through the wind direction estimating unit 220 and the wind speed estimating unit 230 so that the wind direction and the wind speed can be recognized from the outside.

제어부(250)는 레이더 정보 수집부(210), 풍향 추정부(220), 풍속추정부(230) 및 디스플레이부(240)의 동작을 제어한다.The controller 250 controls operations of the radar information collecting unit 210, the wind direction estimating unit 220, the wind speed estimating unit 230, and the display unit 240.

한편, 도면에는 도시하지는 않았으나, 해상풍 계측 서버(200)는 저장부를 더 구비할 수 있다. 이러한 저장부는 레이더 영상 데이터, 즉 PPI 영상에 포함된 트리거(Trigger), 헤딩(Heading), 베어링(Bearing) 신호 및 비디오(video) 신호를 저장할 수 있다.Meanwhile, although not shown in the figure, the sea-level measurement server 200 may further include a storage unit. The storage unit may store a trigger, a heading, a bearing signal, and a video signal included in the radar image data, that is, the PPI image.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍 계측 시스템을 통해 풍향을 추정하는 방법을 순차적으로 나타낸 도면이다.4 is a diagram sequentially illustrating a method of estimating the wind direction using the marine wind measurement system according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 풍향을 측정하기 위해 먼저, 레이더(100)로부터 수신된 레이더 신호를 수신 방위각 별로 분리한다(S410). Referring to FIG. 4, in order to measure the wind direction, the radar signal received from the radar 100 is separated by the received azimuth angle (S410).

이후, 방위각 별로 분리된 동일 방위각 성분들끼리 적분하여 동일 방위각의 대표값을 정의한다(S420).Then, the same azimuth components separated for each azimuth are integrated to define a representative azimuth (S420).

이후, 각 방위각의 대표값 중 가장 큰 값을 찾은 후 가장 큰 값의 방향을 풍향으로 추정한다(S430). 이때, 가장 큰 값은 다음 [수학식 1]을 통해 근사값으로 찾을 수 있다.Then, the largest value among the representative values of the azimuth angles is found, and the direction of the largest value is estimated as the wind direction (S430). At this time, the largest value can be found as an approximate value through the following equation (1).

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서,

Figure pat00002
는 방위각 별 레이더 신호의 적분값,
Figure pat00003
는 레이더 신호 수신 방위각,
Figure pat00004
는 풍향을 나타낸다. 이때, 레이더(100)의 안테나가 수평 편파방식일 경우에 C는 0을 가질 수 있다. here,
Figure pat00002
Is an integral value of the radar signal per azimuth,
Figure pat00003
A radar signal receiving azimuth angle,
Figure pat00004
Indicates the wind direction. At this time, C may be 0 when the antenna of the radar 100 is a horizontal polarization type.

이와 같은 [수학식 1]을 통해 구한 값과 레이더(100)를 통해 실계측된 값이 최소가 되기 위한 A, B, C를 구하면 풍향을 계측할 수 있다.The wind direction can be measured by obtaining A, B, and C so that the value obtained through Equation 1 and the actual measured value through the radar 100 are minimized.

이때, A, B, C 및 풍향(

Figure pat00005
)은 최소 자승법을 이용하여 구할 수 있다.At this time, A, B, C, and wind direction
Figure pat00005
) Can be obtained using the least squares method.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍 계측 시스템을 통해 풍향을 추정하는 실시예를 나타낸 도면이다.5A and 5B are views illustrating an embodiment of estimating the wind direction through the marine wind measurement system according to an embodiment of the present invention.

도 5a에 도시된 바와 같이, 레이더(100)의 PPI 영상을 통해 레이더 신호의 방위각을 분리할 수 있고, 도 5b에 도시된 바와 같이, 방위각 별로 레이더 신호의 적분 값을 나타낸 것이다. 즉, 도 5b를 참조하면, 대표 값은 120이 될 수 있다. As shown in FIG. 5A, the azimuth angle of the radar signal can be separated through the PPI image of the radar 100, and the integrated value of the radar signal is shown by the azimuth angle as shown in FIG. 5B. That is, referring to FIG. 5B, the representative value may be 120. FIG.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍 계측 시스템을 통해 풍속을 추정하는 제1 방법을 순차적으로 나타낸 도면이다.FIG. 6 is a diagram sequentially illustrating a first method for estimating the wind speed through the sea-wind measurement system according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하기 전에, 풍속을 추정하는 제1 방법은 풍속과 파고를 직접적으로 비교하지 않고 파고와 관련 있는 매개 변수를 이용하여 풍속과의 관계를 정립하여 풍속을 추정하는 방법이다. 이는 풍속에 따른 해상의 상태를 나타내는 보퍼트 스케일(Beaufort Scale)에 따르면 풍속이 올라갈수록 파고도 높아지는 관계, 즉, 풍속과 파고가 비례 관계이기 때문에 풍속과 파고와의 관계를 통해 풍속을 추정하는 것이다.Before referring to FIG. 6, the first method of estimating the wind speed is a method of estimating the wind speed by establishing the relationship with the wind speed by using the parameters related to the wave height without directly comparing the wind speed and the wave height. According to the Beaufort Scale, which indicates the state of the sea according to the wind speed, the wind speed is estimated through the relationship between the wind speed and the wave height because the wind speed and the wave height are proportional to each other .

이에 따라, 파고를 계측 시 이용됐던 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ration; SNR)을 이용하여 풍속을 추정할 수 있다.Accordingly, the wind speed can be estimated using the signal-to-noise ratio (SNR) used for measuring the wave height.

도 6을 참조하면, 먼저, 레이더(100)의 PPI 영상에 임의의 개수만큼 해석 영역을 선택한다(S610).Referring to FIG. 6, an arbitrary number of analysis regions are selected in the PPI image of the radar 100 (S610).

이후, 해석 영역으로 선택된 레이더 영상의 한 부분을 시간 영역에서 표현된 신호를 주파수 영역으로 변환하기 위한 3차원 FFT를 이용하여 3D 이미지 스펙트럼을 연산한다(S620). 3D 이미지 스펙트럼은 다음 [수학식 2]를 통해 연산될 수 있다.Thereafter, a 3D image spectrum is calculated using a three-dimensional FFT for transforming a part of the radar image selected as the analysis area into the frequency domain in the time domain (S620). The 3D image spectrum can be calculated through the following equation (2).

Figure pat00006
Figure pat00006

여기서, g는 중력 가속도, d는 수심,

Figure pat00007
는 선속,
Figure pat00008
는 조류 등에 의한 해수면의 이동속도이다. 이때, 3차원 FFT는 입력된 PPI 영상으로부터 노이즈 외에 필요한 영상 데이터 값을 취득하기 위하여 소거시킬 노이즈 값을 고속으로 푸리에 변환을 수행하는 3차원 고속 푸리에 변환을 말한다. 또한, 3D 이미지 스펙트럼은 3차원 FFT를 통해 얻어진 영상 이미지의 스펙트럼을 말한다.Where g is gravitational acceleration, d is depth,
Figure pat00007
However,
Figure pat00008
Is the rate of sea level movement by algae and so on. In this case, the 3-dimensional FFT refers to a 3-dimensional fast Fourier transform that performs Fourier transform on a noise value to be erased in order to acquire image data values other than noise from an input PPI image. Also, the 3D image spectrum refers to the spectrum of the image obtained through the 3D FFT.

이후, 3D 이미지 스펙트럼을 통해 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio; SNR)를 연산한다(S630). 이때, 신호 대 잡음비는 다음 [수학식 3]을 통해 연산할 수 있다.Then, a signal to noise ratio (SNR) is calculated through the 3D image spectrum (S630). At this time, the signal-to-noise ratio can be calculated by the following equation (3).

Figure pat00009
Figure pat00009

이후, 신호 대 잡음비를 이용하여 다음 [수학식 4]를 통해 풍속을 추정한다(S640).Then, the wind speed is estimated through the following equation (4) using the signal-to-noise ratio (S640).

Figure pat00010
Figure pat00010

여기서 U는 풍속, A, B는 실험과 수치해석으로 구할 수 있는 상수, SNR은 신호 대 잡음비를 나타낸다. Where U is the wind speed, A and B are constants that can be obtained by experiment and numerical analysis, and SNR is the signal-to-noise ratio.

도 7은 도 6의 방법을 통해 추정된 풍속과 실계측된 값을 비교한 예를 나타낸 도면이다.FIG. 7 is a view showing an example in which the wind speed estimated by the method of FIG. 6 and the actual measured value are compared.

도 7을 참조하면, 실계측 값과 제1 방법으로 추정된 풍속 값이 유사하다는 것을 알 수 있다. 실계측된 값과 제1 방법으로 추정된 풍속 값의 유사도는 대략 80% 정도로, 그 유사도가 높다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 7, it can be seen that the actual measurement value is similar to the wind speed value estimated by the first method. It can be seen that the similarity between the actual measured value and the wind speed value estimated by the first method is about 80%, which is high.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍 계측 시스템을 통해 풍속을 추정하는 제2 방법을 순차적으로 나타낸 도면이고, 도 9는 단위 면적당 레이더 신호의 반사량과 풍속과의 관계를 나타낸 도면이다.FIG. 8 is a diagram sequentially illustrating a second method of estimating the wind speed through the marine wind measurement system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the reflection amount of the radar signal per unit area and the wind speed.

도 8을 참조하기 전에, 풍속을 추정하는 제2 방법은 레이더(100)의 PPI 영상에서 단위 면적당 레이더 신호 반사량(Normalized Radar Cross Section; NRCS)을 이용하여 풍속을 추정하는 기법이다. 풍속을 추정하는 제2 방법에서 단위 면적당 레이더 신호 반사량을 이용하는 이유는 풍속에 따라 해수면이 거칠어지는 정도가 달라지고 그에 따른 레이더 신호 반사율도 달라지기 때문이다. 8, the second method for estimating the wind speed is a technique for estimating the wind speed using the Normalized Radar Cross Section (NRCS) per unit area in the PPI image of the radar 100. In the second method of estimating the wind speed, the reason why the radar signal reflection amount per unit area is used is that the degree of coarsening of the sea surface varies depending on the wind speed and the reflectivity of the radar signal changes accordingly.

도 8을 참조하면, 먼저, 레이더(100)의 PPI 영상에서 단위 면적을 정의한다(S810).Referring to FIG. 8, a unit area is defined in the PPI image of the radar 100 (S810).

이후, 단위 면적당 레이더 신호의 반사량(NRCS)을 연산하여 풍속과 레이더 신호 반사량(NRCS)과의 관계를, 도 9에 도시된 바와 같이, 정의한다(S920). 풍속과 단위 면적당 레이더 신호 반사량(NRCS)은 다음의 [수학식 5]에 의해 정의될 수 있다.Then, the reflection amount (NRCS) of the radar signal per unit area is calculated, and the relationship between the wind speed and the radar signal reflection amount (NRCS) is defined as shown in Fig. 9 (S920). The wind speed and the radar signal reflection amount per unit area (NRCS) can be defined by the following equation (5).

Figure pat00011
Figure pat00011

여기서 U는 풍속,

Figure pat00012
,
Figure pat00013
는 실험과 수치해석으로 구할 수 있는 상수,
Figure pat00014
는 NRCS를 나타낸다. 또한, 상수
Figure pat00015
,
Figure pat00016
를 최소자승법으로 구한다.Where U is the wind speed,
Figure pat00012
,
Figure pat00013
Is a constant that can be obtained by experiment and numerical analysis,
Figure pat00014
Indicates an NRCS. Also,
Figure pat00015
,
Figure pat00016
By the least squares method.

이후, 단위 면적당 레이더 신호 반사량과 풍속과의 관계를 이용하여 풍속을 추정한다(S930).Then, the wind speed is estimated using the relationship between the radar signal reflection amount per unit area and the wind speed (S930).

도 10은 도 8의 방법을 통해 추정된 풍속과 실계측된 값을 비교한 예를 나타낸 도면이다.FIG. 10 is a view showing an example in which the wind speed estimated by the method of FIG. 8 is compared with the actual measured value.

도 10을 참조하면, 실계측 값과 제2 방법으로 추정된 풍속 값이 유사하다는 것을 알 수 있다. 실계측된 값과 제2 방법으로 추정된 풍속 값의 유사도는 대략 83% 정도로, 그 유사도가 높다는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 10, it can be seen that the actual measurement value is similar to the wind speed value estimated by the second method. The similarity between the actual measured value and the wind speed value estimated by the second method is about 83%, which indicates that the similarity is high.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍 계측 시스템 및 계측 방법은 X-밴드 레이더를 이용함으로써 레이더 자체의 가격이 저가이고, 유실의 위험성이 부이에 비해 낮아 해상풍 계측 과정에서의 유지 비용을 절감시킬 수 있다.As described above, since the radar itself is low in price and the risk of loss is low compared to the buoy by using the X-band radar according to the embodiment of the present invention, Can be reduced.

이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.As described above, it is to be understood that the technical structure of the present invention can be embodied in other specific forms without departing from the spirit and essential characteristics of the present invention.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, it should be understood that the above-described embodiments are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive, the scope of the invention being indicated by the appended claims rather than the foregoing description, All changes or modifications that come within the scope of the present invention should be construed as being included within the scope of the present invention.

100 : 레이더
200 : 해상풍 계측 서버
210 : 레이더 정보 수집부
220 : 풍향 추정부
230 : 풍속 추정부
240 : 디스플레이부
250 : 제어부
100: Radar
200: Oceanographic measurement server
210: Radar information collecting unit
220: Wind direction estimating unit
230: wind velocity estimation unit
240:
250:

Claims (9)

운항중인 선박의 일정한 범위 내의 물체를 확인하여 해상의 장애물, 다른 선박 및 해안 등을 관측하고 관측된 레이더 영상 데이터를 제공하는 레이더; 및
상기 레이더로부터 제공된 레이더 영상 데이터에 기초하여 풍속과 풍향을 추정하여 해상풍을 계측하는 해상풍 계측 서버를 포함하는 해상풍 계측 시스템.
A radar which observes an object within a certain range of a ship in operation to observe obstacles at sea, other ships and coasts, and provides observed radar image data; And
And an ocean wind measurement server for measuring a sea wind by estimating a wind speed and a wind direction based on the radar image data provided from the radar.
제1항에 있어서,
상기 레이더는 X-밴드 레이더인 해상풍 계측 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the radar is an X-band radar.
제1항에 있어서, 상기 해상풍 계측 서버는,
상기 레이더로부터 상기 레이더 영상 데이터를 수신하여 수신된 영상의 정보를 수집하는 레이더 정보 수집부;
상기 레이더 정보 수집부를 통해 수신된 레이더 영상 데이터의 방위각을 동일 방위각 별로 분리하고 분리된 동일 방위각들의 대표값 중 가장 큰 값을 찾아 풍향을 추정하는 풍향 추정부; 및
상기 레이더 정보 수집부를 통해 수신된 레이더 영상 데이터의 단위 면적당 레이더 신호의 반사량을 이용하여 풍속을 추정하는 풍속 추정부;
를 포함하는 해상풍 계측 시스템.
The navigation system according to claim 1,
A radar information collecting unit for receiving the radar image data from the radar and collecting information of the received image;
A wind direction estimating unit that separates the azimuths of the radar image data received through the radar information collecting unit by the same azimuth angle and estimates the wind direction by finding the largest value among the representative values of the same azimuth angles; And
A wind speed estimating unit for estimating a wind speed using a reflection amount of the radar signal per unit area of the radar image data received through the radar information collecting unit;
And an airflow meter.
제3항에 있어서, 상기 풍속 추정부는,
상기 레이더 정보 수집부를 통해 수신된 레이더 영상 데이터의 파고를 추정하기 위한 신호 대 잡음비를 도입하여 풍속과의 관계를 정립한 후 풍속을 추정하는 해상풍 계측 시스템.
The wind speed estimating apparatus according to claim 3,
And a signal-to-noise ratio for estimating the wave height of the radar image data received through the radar information collecting unit is introduced to establish the relationship with the wind speed, and then the wind speed is estimated.
해상용 레이더에서 관측된 레이더 영상 데이터를 수신하는 단계;
상기 레이더 영상 데이터를 이용하여 풍향을 추정하는 단계; 및
상기 레이더 영상 데이터를 이용하여 풍속을 추정하는 단계를 포함하는 해상풍 계측 방법.
Receiving radar image data observed in a marine radar;
Estimating a wind direction using the radar image data; And
And estimating a wind speed using the radar image data.
제5항에 있어서, 상기 풍향을 추정하는 단계는,
상기 레이더 영상 데이터를 수신 방위각 별로 분리하는 단계;
상기 동일 방위각으로 분리된 레이더 영상 데이터를 적분하여 대표값을 정의하는 단계; 및
상기 대표값 중 가장 큰 값의 방향을 풍향으로 추정하는 단계를 포함하는 해상풍 계측 방법.
6. The method of claim 5, wherein estimating the wind direction comprises:
Separating the radar image data by a received azimuth angle;
Integrating the radar image data separated by the same azimuth angle to define a representative value; And
And estimating a direction of a largest value among the representative values as a wind direction.
제5항에 있어서, 상기 풍속을 추정하는 단계는,
상기 풍속과 파고와의 관계를 통해 풍속을 추정하는 제1 방법 또는 상기 풍속과 단위 면적당 레이더 신호의 반사량과의 관계를 통해 풍속을 추정하는 제2 방법 중 어느 하나의 방법으로 추정하는 해상풍 계측 방법.
6. The method of claim 5, wherein the estimating the wind speed comprises:
A first method of estimating the wind speed through the relationship between the wind speed and the wave height or a second method of estimating the wind speed through the relationship between the wind speed and the reflection amount of the radar signal per unit area, .
제7항에 있어서, 상기 제1 방법은,
상기 레이더 영상 데이터에서 해석 영역을 선택하는 단계;
상기 선택된 해석 영역에 대응되는 레이더 영상 데이터의 3D 이미지 스펙트럼을 연산하는 단계;
상기 3D 이미지 스펙트럼을 통해 신호 대 잡음비를 연산하는 단계; 및
상기 신호 대 잡음비를 이용하여 풍속을 추정하는 단계를 포함하는 해상풍 계측 방법.
8. The method according to claim 7,
Selecting an analysis region from the radar image data;
Calculating a 3D image spectrum of radar image data corresponding to the selected analysis region;
Computing a signal-to-noise ratio through the 3D image spectrum; And
And estimating the wind speed using the signal-to-noise ratio.
제7항에 있어서, 상기 제2 방법은,
상기 레이더 영상 데이터에서 단위 면적을 정의하는 단계;
상기 단위 면적당 레이더 신호 반사량과 풍속과의 관계를 정의하는 단계; 및
상기 단위 면적당 레이더 신호 반사량과 풍속과의 관계를 이용하여 풍속을 추정하는 단계를 포함하는 해상풍 계측 방법.
8. The method according to claim 7,
Defining a unit area in the radar image data;
Defining a relationship between the reflection amount of the radar signal per unit area and the wind speed; And
And estimating the wind velocity using the relationship between the reflection amount of the radar signal per unit area and the wind speed.
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