KR20170103400A - 낙뢰 경보시스템 - Google Patents

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KR20170103400A
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허진영
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Abstract

본 발명은 3차원 낙뢰추적시스템에 관한 것으로, 본 발명은 낙뢰에서 발생하는 전자기 에너지파 신호를 감지하여 데이터화하는 적어도 1 이상의 낙뢰신호의 센서모듈(S)과 감시된 신호를 바탕으로 낙뢰의 궤적을 추적하여 표시하는 중앙처리부(300)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 구체적으로는 충분히 먼 거리에 설치된 4개 이상의 센서 모듈에서 낙뢰가 발생한 순간에 발생한 전자기 에너지파가 각 낙뢰 감지센서(안테나)에 도달하는 시간을 각각 측정한 후 이를 이용하여 낙뢰의 3차원 궤적을 정확히 관측하고 표출할 수 있도록 한다.

Description

낙뢰 경보시스템{lightning tracking system}
본 발명은 기존의 뇌관측 기술이 갖는 3차원 입체정보취득 특성과 지역별 뇌 감지율등의 문제점들을 해결하기위하여 이루어진 것으로서, 구체적으로는 충분히 먼 거리에 설치된 4개 이상의 센서 모듈에서 낙뢰가 발생한 순간에 발생한 전자기 에너지파가 각 낙뢰 감지센서(안테나)에 도달하는 시간을 각각 측정한 후 이를 이용하여 낙뢰의 3차원 궤적을 정확히 관측하고 표출하기 위한 시스템에 관한 것이다.
사회전반에 걸친 정보화, 디지털화로 인하여 각종기기 및 설비의 낙뢰피해 수준이 심각해지고 있다. 본 발명은 낙뢰 피해에 노출되는 기기나 설비, 건축물, 인명등에 대한 낙뢰 사고로 인하여 발생될 수 있는 경제적 손실과 심리적 불안등이 야기되고 있어, 이러한 낙뢰의 정확한 궤적을 추적하는 시스템의 필요성이 커지고 있다.
뇌 현상은 뇌운내에 축적된 전기에너지의 급속한 방전 현상으로, 이러한 방전과정에서 수 kHz에서부터 수백 MHz 이상의 영역에까지 매우 넓은 주파수 대역에 걸쳐 전자기 신호를 방출한다.
뇌 방전(lightning discharge)은 운간 방전(inter-cloud discharge)과 낙뢰(cloud-ground discharge)로 구분하며, 운간 방전은 낙뢰보다 2~3배 자주 발생하고, 낙뢰는 평균 3km (up to 10km)의 길이를 갖는다. 낙뢰는 하강형과 상승형이 있으며, 일반적으로 음의 극성을 갖는다.
도 1을 참조하여, 이러한 뇌 현상을 구체적으로 설명하면, 낙뢰는 도 1에 제시된 바와 같이 Leader stage와 Return stroke로 구성되며, leader가 대지에 닿는 순간 return stroke가 발생한다. 최초의 leader는 단계적으로 길어지며, step length 는 10 ~ 200m (평균 30m), step 간 시간은 30 ~ 90 us이고 최초leader의 속도는
105~ 106m/s (평균 3*105m/s)이다. 이후의 leader는 한번에 대지에 도달하게 되며, 이를 dart leader라 부른다.
Dart leader의 속도는 (1∼4)*107m/s이다.
특히, 낙뢰는 매우 짧은 시간에 에너지를 방출하기 때문에 임펄스 신호와 유사한 특성을 갖는다. 또한 leader가 진행할 때 방출하는 에너지는 전자기원
(electromagnetic source)으로 작용되며, 수 kHz에서 수백 MHz 대역의 넓은 주파수영역에 걸쳐 낙뢰신호가 나타난다. 이러한 신호는 광대역의 VHF/UHF 안테나에도 탐지된다. 탐지된 신호의 각 주파수 성분들은 전체 측정 주파수영역에서 선형적인 특성을 보인다.
이러한 기술을 바탕으로 사용되고 있는 기존의 낙뢰탐지 시스템의 특성을 살펴보면, 기상청과 한전에서 보유하고 있는 낙뢰감지기는 두 시스템 모두 발생되는 낙뢰에 대한 2차원적인 위치정보만을 가지고 있어, 3차원으로 표현되지 않고 있는 단점이 있다. 국내에 운영중인 광역 뇌관측 시스템의 경우, 그 관측영역이 한반도 전체를 대상으로 하고 있어, 뇌발생 영역과 감지기의 위치와 구성에 따라 포착률이 특정 지역(관측 음영지역)에서는 상당히 떨어지는 문제가 발생하고 있다. 즉, 낙뢰의 관측은 이러한 전자기 신호의 측정에 기초한다. 종래의 뇌관측 기술은 주로 낙뢰 지점에 대한 2차원 위치정보만을 측정할 수 있고 그 과정에 대한 상세한 정보를 제공하지 못하여 왔다.
낙뢰의 특성상 발생되고 있는 영역이 한번 감지가 되면 주변에 동시에 연속적으로 발생하는 특성을 지니고 있어 단시간내의 낙뢰발생정도를 예측가능하다.
특히 전력전송을 위한 송전탑이나 통신기기용 철탑, 기타 높은 구조물 등과 같이 낙뢰의 피해가 많은 설비의 설계 및 사고원인 분석 등에 필요한 정확한 낙뢰정보를 획득가능하다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 실시간으로 낙뢰에서 방사되는 전자기 에너지 신호를 감지하고, 뇌 방전의 진전에 따른 궤적을 추적하여 3차원으로 표현할 수 있도록 하여, 매우 단시간 내에 예측 불가한 시간과 장소에서 발생하는 낙뢰의 궤적을 입체적으로 관측 표현할 수 있는 3차원 낙뢰 추적 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명은 상술한 과제의 해결을 위한 구체적인 구성으로, 낙뢰에서 발생하는 전자기 에너지파 신호를 감지하여 데이터화하는 적어도 1 이상의 낙뢰신호의 센서모듈(S);과 상기 감시된 신호를 바탕으로 낙뢰의 궤적을 추적하여 표시하는 중앙처리부(300);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 낙뢰 추적시스템을 제공할 수 있도록 한다.
특히, 본 발명의 상기 센서모듈(S)은, 낙뢰에서 발생하는 전자기파 신호를 감지하는 낙뢰신호 감지부(100)와 상기 센서모듈에서 수신한 신호를 실시간으로 저장하고 전송하는 데이터 저장출력부(200);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상술한 시스템에서의 상기 낙뢰신호 감지부(100)는, 낙뢰의 기본파를 탐지하는 안테나부(110)와 상기 각각의 센서모듈에서 측정되는 낙뢰의 상대적인 도달시간을 구하기 위해 각 센서모듈 간의 시각정보를 제공하는 시각정보동기화부(precise timing system;PTS)(120);과 상기 안테나부에서 감지한 신호를 디지타이지 하여 고속으로 샘플링하는 아날로그 디지털 컨버터(ADC; 120); 및 상기 샘플링된 신호를 이용하여 주파수분석을 통해 낙뢰는 탐지하는 디지털 시그널 프로세싱 모듈
(disital signal processing module)(140); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 3차원 낙뢰 추적시스템에서의 상기 데이터 저장출력부(200)는, 상기 낙뢰신호 감지부(100)에서 낙뢰라고 판단되는 신호를 시각데이터와 함께 DSP 모듈에 의해 저장하는 저장부(210)와 상기 각각의 센서모듈에서 수집된 데이터를 전송하는 데이터 통신부(220);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 중앙처리부(300)는, 상기 각 센서모듈의 낙뢰신호의 측정치를 종합하여 진정한 낙뢰신호인지 여부를 판단하는 낙뢰 식별기능부(310); 상기 각 센서모듈에 에너지파가 도달한 시각을 이용해 도달시간차(TDOA; time-difference of arrival) 방식으로 낙뢰의 궤적을 구하는 낙뢰 궤적 추적 기능부(320); 낙뢰 궤적에 포함된 노이즈를 처리하여 잡음을 줄이는 궤적데이트 스무딩 기능부(330);를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 상기 중앙처리부(300)는, 구해진 낙뢰의 궤적을 표시하는 디스플레이 유닛(340)을 더 포함하여 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 따르면, 실시간으로 낙뢰에서 방사되는 전자기 에너지 신호를 감지하고, 뇌 방전의 진전에 따른 궤적을 추적하여 3차원으로 표현할 수 있도록 하여, 매우 단시간 내에 예측 불가한 시간과 장소에서 발생하는 낙뢰의 궤적을 입체적으로 관측 표현할 수 있는 효과가 있다.
특히, 본 발명은 실시간의 낙뢰 진전 경로를 파악하고 입체적인 데이터로써 표현이 가능한바, 각종 기기의 낙뢰사고의 예방이나 원인 분석에 응용이 가능하며, 낙뢰사고에 의한 변압기의 교체비용, 정전비용을 절감할 수 있으며, 사용 기기의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 특히 다양한 전력을 취급하는 회사는 물론, 통신기기나 골프장등에서도 범용적으로 활용 가능한 장점도 있다.
도 1은 낙뢰의 발생 경로 및 원리를 설명한 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 3차원 낙뢰 추적시스템의 구성을 표시한 블럭도이다.
도 3은 본 발명에 따른 3차원 낙뢰 추적시스템의 센서모듈의 구성을 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 3차원 낙뢰 추적시스템의 중앙처리부를 도시한 블럭도이다.
본 발명에 의한 3차원 낙뢰 추적시스템은, 특정지역에 발생하는 낙뢰에 대하여 실시간으로 탐지하여 궤적을 추적하여 3차원으로 표현하는 관한 것으로, 본 발명의 3차원 낙뢰 추적시스템은 아주 빠른 시간에 예측 불가능한 시간과 장소에서 발생되는 낙뢰에 대해서 실시간으로 그 진전 경로를 입체적으로 표현할 수 있음으로, 특정한 목적에 따라 다양한 분야에 적용 가능한 가능성을 제공함을 그 요지로 한다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다.도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 3차원 낙뢰 추적시스템은 기본적으로 낙뢰에서 발생하는 전자기 에너지파 신호를 감지하여 데이터화하는 적어도 1 이상의 낙뢰신호의 센서모듈(S)과 감시된 신호를 바탕으로 낙뢰의 궤적을 추적하여 표시하는 중앙처리부(300)를 포함하여 구성된다.
상기 센서모듈(S)는 적어도 1 이상, 바람직하게는 4개 이상으로 구비됨이 바람직하며, 충분히 먼 거리에서 설치된 4개 이상의 센서모듈(S)에서 낙뢰가 발생하는 순간에 발생한 전자기 에너지파가 센서모듈 내의 안테나에 도달하는 시간을 측정한 후 이를 이용하여 낙뢰의 3차원 궤적을 구하는 시스템으로 구성된다. 이를 위하여 상기 센서모듈(S)은, 낙뢰에서 발생하는 전자기파 신호를 감지하는 낙뢰신호 감지부(100)와 상기 센서모듈에서 수신한 신호를 실시간으로 저장하고 전송하는 데이터 저장출력부(200)로 구성될 수 있으며, 이렇게 얻어진 데이터의 후처리는 중앙처리부(300)에서 처리하게 된다.
도 3을 참조하여 발생한 낙뢰를 감지하는 낙뢰신호 감지부(100)와 이를 중앙 처리장치로 전송하기 위한 데이터저장출력부(200)을 설명한다.
상기 낙뢰 신호 감지부(100)는 기본적으로 낙뢰의 기본파를 탐지하는 안테나부
(110)와 상기 각각의 센서모듈에서 측정되는 낙뢰의 상대적인 도달시간을 구하기 위해 각 센서모듈 간의 시각정보를 제공하는 시각정보동기화부
(precise timing system;PTS)(120), 그리고 상기 안테나부에서 감지한 신호를 디지타이징하여 고속으로 샘플링하는 아날로그 디지털 컨버터(ADC; 120) 및 상기 샘플링된 신호를 이용하여 주파수분석을 통해 낙뢰는 탐지하는 디지털 시그널 프로세싱 모듈(disital signal processing module)(140)를 포함하여 구성된다.
구체적으로는 상기 안테나부(110)는 낙뢰의 탐지를 위한 안테나로서 UHF 광대역 안테나 등을 이용할 수 있다..
또한, PTS(precise timing system)(120)에서는 각 센서 모듈에서 낙뢰의 상대적인 도달시간을 구하기 위해서 센서 모듈 간의 측정시각이 동기(synchronization)되어야 하는바, 이를 위하여 정밀한 시각정보를 제공하는 역할을 한다.
즉, PTS의 시각출력을 이용하여 ADC(A/D converter)(130)를 trigger시키면 샘플링 시간을 동기 시킨다. 또한, PTS(120)는 DSP 모듈(140)에 고정밀 시각 신호를 제공(10MHz 클럭)한다.
상기 ADC(120)에서는 낙뢰탐지 안테나에서 얻어진 신호를 디지타이징하여 500MHz 8bit 이상 고속으로 샘플링하는 기능을 한다. 이와 같이 동기된 샘플링 신호를 이용하여 DSP(Digital Signal Processing) 모듈(140)에서는 낙뢰 여부를 탐지한다. 즉, 일정 개수의 신호를 샘플링한 후 이를 이용하여 FFT를 이용한 주파수 분석 등을 이용하여 낙뢰를 탐지한다.
상기 데이터 저장출력부(200)에서는 낙뢰라고 판단되는 신호의 샘플은 시각(timing)데이터와 함께 DSP 모듈에 의해 저장부(210)에 저장하고 그렇지 않은 경우 이를 버리고 실시간으로 다음 데이터를 처리한다. 이와 같이 각 센서 모듈에서 수집된 데이터는 데이터 통신부(220)에 의해 서버로 보내지게 된다.
도 3을 참조하여, 상술한 과정에서 얻어진 데이터를 이용하여 후처리를 하는 중앙처리부(300)에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 중앙처리부(300)는 상기 각 센서모듈의 낙뢰신호의 측정치를 종합하여 진정한 낙뢰신호인지 여부를 판단하는 낙뢰 식별기능부(310)와 상기 각 센서모듈에 에너지파가 도달한 시각을 이용해 도달시간차(TDOA; time-difference of arrival) 방식으로 낙뢰의 궤적을 구하는 낙뢰 궤적 추적 기능부(320), 그리고 낙뢰 궤적에 포함된 노이즈를 처리하여 잡음을 줄이는 궤적데이트 스무딩 기능부(330)를 포함하여 이루어짐이 바람직하다.
구체적으로는 낙뢰감지부로부터 얻어진 각각의 데이터에 의해 중앙처리부(300)에서는 다음의 기능을 수행한다.
상기 낙뢰 식별 기능부(310)에서는 여러 사이트의 측정치를 종합하여 어떤 시각의 데이터가 진짜 낙뢰신호인가 여부를 판단하는 기능을 한다.
아울러 상기 낙뢰 궤적 추적 기능부(320)에서는 각 센서모듈에 에너지파가 도달한 시각을 이용하여 TDOA(Time-Difference-Of-Arrival) 방식으로 낙뢰의 궤적을 구하는 기능으로서 샘플링된 순간의 낙뢰의 위치와 4개의 센서모듈에서 측정된 데이터를 차분(differencing)하면 다음과 같은 관계를 갖는다.
{식 1}
Figure pat00001
상기 식 1에서 c는 광속, Ti는 i번째 센서 모듈에서 측정한 시각, Xsi, Ysi, Zsi는 i번째 센서모듈 안테나 위치, X , Y, Z는 샘플링 순간의 낙뢰 leader의 위치를 나타낸다. 식에서 미지수는 X, Y, Z이기 때문에 4개 이상의 센서모듈에서 신호를 측정하면 낙뢰의 위치를 구할 수 있다.
상기 궤적 데이터 스무딩 기능부(330)에는 낙뢰궤적에 포함된 잡음의 영향을 줄이기 위하여 후처리로 낙뢰 궤적을 신호 처리하여 잡음의 영향을 줄이는 기능을 수행한다.
또한, 본 발명에서는 구해진 낙뢰의 궤적을 표시하는 디스플레이 유닛(340)을 더 구비함이 바람직하다. 구체적으로 상기 디스플레이 유닛(340)에서는 얻어진 최종결과를 사용자의 편의에 따라 각 항목별로 볼 수 있는 화면표시용 소프트웨어로 구성된다.
이상에서 상술한 본 발명에 따른 3차원 낙뢰 추적 시스템에 따르면, 실시간으로 낙뢰발생 현상을 입체적으로 데이터를 확보 가능하기 때문에 많은 분야에서의 활용이 가능하다. 특히 본 발명에서의 3차원 낙뢰 추적시스템을 이용하여 낙뢰발생 여부를 실시간으로 판단하면, 각종 기기의 낙뢰사고 예방이나 원인분석에 사용될 수 있으므로, 사고에 의한 변압기의 교체비용, 정전비용을 절감할 수 있고, 사용기기의 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 특히 본 발명을 이용하면 특히 전력전송을 위한 송전선로와 철탑이나 통신기기용 철탑, 기타 높은 구조물 등과 같이 낙뢰의 피해가 많은 설비의 설계 및 고장원인 분석 등에 필요한 정확한 3차원 낙뢰정보의 획득이 가능하다.전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 낙뢰신호 감지부 110: 안테나부
120: PTS(precise timing system) 130: ADC(A/D converter)
140: DSP 모듈 200: 데이터 저장출력부
210: 저장부 220: 데이터 통신부
300: 중앙처리부 310: 낙뢰 식별 기능부
320: 낙뢰 궤적 추적 기능부 330: 궤적 데이터 스무딩 기능
340: Display Unit

Claims (6)

  1. 낙뢰에서 발생하는 전자기 에너지파 신호를 감지하여 데이터화하는 적어도 1 이상의 낙뢰신호의 센서모듈(S) 감시된 신호를 바탕으로 낙뢰의 궤적을 추적하여 표시하는 중앙처리부(300)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 낙뢰 추적시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 센서모듈(S)은, 낙뢰에서 발생하는 전자기파 신호를 감지하는 낙뢰신호 감지부(100)와 상기 센서모듈에서 수신한 신호를 실시간으로 저장하고 전송하는 데이터 저장출력부(200);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 낙뢰 추적시스템.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 낙뢰신호 감지부(100)는 낙뢰의 기본파를 탐지하는 안테나부(110)와 상기 각각의 센서모듈에서 측정되는 낙뢰의 상대적인 도달시간을 구하기 위해 각 센서모듈 간의 시각정보를 제공하는 시각정보동기화부(precise timing system;PTS)(120); 상기 안테나부(110)에서 감지한 신호를 디지타이징하여 고속으로 샘플링하는 아날로그 디지털 컨버터(ADC;120); 및 상기 샘플링된 신호를 이용하여 주파수분석을 통해 낙뢰는 탐지하는 디지털 시그널 프로세싱 모듈(disital
    signal processing module)(140)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 낙뢰 추적 시스템.
  4. 청구항 2 또는 3에 있어서, 상기 데이터 저장출력부(200)는, 상기 낙뢰신호 감지부(100)에서 낙뢰라고 판단되는 신호를 시각데이터와 함께 DSP 모듈에 의해 저장하는 저장부(210);와 상기 각각의 센서모듈에서 수집된 데이터를 전송하는 데이터 통신부(220)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 낙뢰 추적시스템.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 중앙처리부(300)는, 상기 각 센서모듈의 낙뢰신호의 측정치를 종합하여 진정한 낙뢰신호인지 여부를 판단하는 낙뢰 식별기능부(310);
    상기 각 센서모듈에 에너지파가 도달한 시각을 이용해 도달시간차(TDOA; time-difference of arrival) 방식으로 낙뢰의 궤적을 구하는 낙뢰 궤적 추적 기능부(320); 낙뢰 궤적에 포함된 노이즈를 처리하여 잡음을 줄이는 궤적데이트 스무딩 기능부(330)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 낙뢰 추적시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 중앙처리부(300)는, 구해진 낙뢰의 궤적을 표시하는 디스플레이 유닛(340)을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 낙뢰 시스템.
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