KR20180090176A - 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치는, 레이더 안테나로부터 레이더 신호를 입력받는 레이더 신호 입력부, 상기 레이더 신호에서 이동 선박에 의한 오류 데이터를 제거하여, 오류 보정을 수행하는 오류 보정부, 상기 오류 데이터가 제거된 상기 레이더 신호에 3차원 고속 푸리에 변환을 수행하는 푸리에 변환부, 그리고 해류 속도를 연산하고, 상기 해류 속도를 이용하여 해양 정보를 추출하는 해양 정보 추출부를 포함한다.

Description

오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR EXTRACTING OF MARINE INFORMATION INCLUDING ERROR CORRECTION}
본 발명은 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 기술에 관한 것으로, 특히 이동 선박에 의한 오류 데이터를 제거하여 안정적이고 정확한 파랑 정보 등의 해양 정보를 추출하는 기술에 관한 것이다.
해상을 통한 교통이 활발해지고, 다양한 종류의 해양 사고가 발생함에 따라, 레이더를 비롯한 다양한 센서를 이용하여 정확한 파랑 정보를 추출하고, 해상교통관제시스템(VTS, Vessel Traffic Service)을 통해 추출된 파랑 정보를 제공할 필요가 있다. 즉, 해상교통관제 영역 내에서 선박의 안전하고 효율적인 움직임을 위해, 해상의 파랑 정보를 정확하게 추출하여 통보하고, 이를 통하여 해상교통관제 영역에서의 안전사고를 미연에 방지하거나, 발생 빈도를 줄이는 것이 요구되고 있다.
해상교통관제시스템(VTS)을 위해서는 파랑을 실시간으로 정확하게 계측 및 모니터링하는 것이 매우 중요하다. 파랑 계측 방법으로는 부이와 같은 직접적인 계측으로부터 인공위성을 이용한 계측까지 다양한 방법이 있다.
그러나 이러한 방법들은 객관적이지 않거나 실시간으로 파랑 정보를 획득할 수 없다. 또한, 분실이나 파손에 노출되기 쉽고, 해상상태에 대한 정보를 얻기 위해 많은 비용이 드는 등 다양한 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위해서 제안된 것이 레이더를 이용한 파랑 모니터링 시스템이다.
레이더를 이용한 파랑 모니터링 시스템은 해상교통관제시스템(VTS)을 위해서 필수적이며, 파랑 탐지 알고리즘 성능을 비교 분석해 최적의 알고리즘을 찾아서 구현하는 것이 필요하다. 파랑 탐지 알고리즘으로 다양한 방법들이 개발되었으나, 종래의 기술들은 정확한 성능을 발휘함과 더불어 안정성 및 신뢰성을 보장하는 데에 있어 여전히 한계점을 지닌다.
특히, 레이더를 이용한 파랑관측 기술에서, 관측 데이터에 이동 선박이나 이동 구조물에 의한 데이터가 포함되어 있을 경우 정확하게 파랑 정보를 추출하기 어렵다.
따라서, 선박의 이동이나 구조물의 이동에 따른 관측 데이터의 오류를 제거하여, 정확한 성능 및 안전성을 보장하는 파랑 관측 기술의 개발이 필요하다.
한국 공개 특허 제10-2015-0106255호, 2015년 09월 21일 공개(명칭: 해상 교통 데이터 공유를 위한 개방형 웹 서비스 방법)
본 발명의 목적은 이동하는 선박에 의해 발생할 수 있는 문제를 근본적으로 제거하여, 파랑 정보 추출 시의 오류를 정정하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 파랑 정보 추출 시 오류를 제거하여, 정확하고 안정된 파랑 정보를 추출하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 X-Band 레이더 안테나를 이용하여 파랑 정보를 산출하는 경우, 해상 교통 관제 영역 내에 위치한 선박의 움직임으로 인한 오류 정보를 사전에 처리하여, 정확한 파랑 정보를 산출할 수 있도록 하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 파랑 정보를 통계적으로 누적하여 획득함으로써, 정확한 파랑 정보를 추출하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 3차원 시공간 분석을 수행하여 파고 및 파향을 정확하게 추출함으로써, 실시간 선박 항해나 관제 시스템의 효과적인 의사 결정을 지원하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치는 레이더 안테나로부터 레이더 신호를 입력받는 레이더 신호 입력부, 상기 레이더 신호에서 이동 선박에 의한 오류 데이터를 제거하여, 오류 보정을 수행하는 오류 보정부, 상기 오류 데이터가 제거된 상기 레이더 신호에 3차원 고속 푸리에 변환을 수행하는 푸리에 변환부, 그리고 해류 속도를 연산하고, 상기 해류 속도를 이용하여 해양 정보를 추출하는 해양 정보 추출부를 포함한다.
이때, 상기 오류 보정부는, 상기 레이더 신호의 연속적인 프레임들에 상응하는 이동 평균 프레임을 생성하고, 현재 프레임과 상기 이동 평균 프레임 간 차영상을 생성하며, 상기 차영상 및 기 설정된 임계값을 기반으로, 상기 레이더 신호에 포함된 상기 이동 선박을 탐지하고, 상기 레이더 신호에서 상기 이동 선박에 상응하는 영역인 상기 오류 데이터를 제거할 수 있다.
이때, 상기 오류 보정부는, 상기 오류 데이터가 제거된 영역을 단순 이동 평균 정보를 기반으로 평활화 처리할 수 있다.
이때, 상기 오류 보정부는, 상기 오류 데이터가 제거된 영역에 모폴로지 기법을 적용하는 것을 특징으로 하는 오류 보정 기능을 포함할 수 있다.
이때, 상기 오류 보정부는, 침식 연산 및 팽창 연산을 수행하여, 상기 오류 데이터가 제거된 영역을 보간할 수 있다.
이때, 상기 레이더 신호를 입력받은 후, 상기 해양 정보를 추출하기 위한 공간적 구간을 설정하고, 통계적 신호처리를 위하여, 상기 공간적 구간에 대한 시간적 누적을 수행하는 전처리부를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 오류 보정부는, 상기 시간적 누적된 상기 레이더 신호에서 이동 선박에 의한 오류 데이터를 제거할 수 있다.
이때, 상기 해양 정보 추출부는, 초기 비용 함수를 이용하여 제1 해류 속도를 연산하고, 고조파 성분을 고려한 분산성 관계식을 이용하여 새로운 비용 함수를 설정하며, 상기 새로운 비용 함수를 이용하여 제2 해류 속도를 연산하고, 상기 제1 해류 속도와 상기 제2 해류 속도의 차이를 기 설정된 임계 차이값과 비교하여, 최종적으로 상기 해류 속도를 산출할 수 있다.
이때, 상기 해양 정보 추출부는, 상기 제1 해류 속도와 상기 제2 해류 속도의 차이가 상기 임계 차이값 미만인 경우, 상기 제2 해류 속도를 최종적으로 상기 해류 속도로 산출할 수 있다.
이때, 상기 레이더 안테나는, 해안에 고정형으로 설치된 X-밴드 레이더 안테나일 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치에 의해 수행되는 해양 정보 추출 방법은 레이더 안테나로부터 레이더 신호를 입력받는 단계, 상기 레이더 신호에서 이동 선박에 의한 오류 데이터를 제거하여, 오류 보정을 수행하는 단계, 상기 오류 데이터가 제거된 상기 레이더 신호에 3차원 고속 푸리에 변환을 수행하는 단계, 해류 속도를 연산하는 단계, 그리고 상기 해류 속도를 이용하여 해양 정보를 추출하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 오류 보정을 수행하는 단계는, 상기 레이더 신호의 연속적인 프레임들에 상응하는 이동 평균 프레임을 생성하는 단계, 현재 프레임과 상기 이동 평균 프레임 간 차영상을 생성하는 단계, 상기 차영상 및 기 설정된 임계값을 기반으로, 상기 레이더 신호에 포함된 상기 이동 선박을 탐지하는 단계, 상기 레이더 신호에서 상기 이동 선박에 상응하는 영역인 상기 오류 데이터를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 오류 데이터가 제거된 영역을 단순 이동 평균 정보를 기반으로 평활화 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 오류 데이터가 제거된 영역에 모폴로지 기법을 적용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 모폴로지 기법을 적용하는 단계는, 침식 연산 및 팽창 연산을 수행하여, 상기 오류 데이터가 제거된 영역을 보간할 수 있다.
이때, 상기 레이더 신호를 입력받은 후, 상기 해양 정보를 추출하기 위한 공간적 구간을 설정하는 단계, 그리고 통계적 신호처리를 위하여, 상기 공간적 구간에 대한 시간적 누적을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 오류 보정을 수행하는 단계는, 상기 시간적 누적된 상기 레이더 신호에서 이동 선박에 의한 오류 데이터를 제거할 수 있다.
이때, 상기 해류 속도를 연산하는 단계는, 초기 비용 함수를 이용하여 제1 해류 속도를 연산하는 단계, 고조파 성분을 고려한 분산성 관계식을 이용하여 새로운 비용 함수를 설정하는 단계, 상기 새로운 비용 함수를 이용하여 제2 해류 속도를 연산하는 단계, 그리고 상기 제1 해류 속도와 상기 제2 해류 속도의 차이를 기 설정된 임계 차이값과 비교하여, 최종적으로 상기 해류 속도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 최종적으로 해류 속도를 산출하는 단계는, 상기 제1 해류 속도와 상기 제2 해류 속도의 차이가 상기 임계 차이값 미만인 경우, 상기 제2 해류 속도를 최종적으로 상기 해류 속도로 산출할 수 있다.
이때, 상기 레이더 안테나는, 해안에 고정형으로 설치된 X-밴드 레이더 안테나일 수 있다.
본 발명에 따르면, 이동하는 선박에 의해 발생할 수 있는 문제를 근본적으로 제거하여, 파랑 정보 추출 시의 오류를 정정할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 파랑 정보 추출 시 오류를 제거하여, 정확하고 안정된 파랑 정보를 추출할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, X-Band 레이더 안테나를 이용하여 파랑 정보를 산출하는 경우, 해상 교통 관제 영역 내에 위치한 선박의 움직임으로 인한 오류 정보를 사전에 처리하여, 정확한 파랑 정보를 산출할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 파랑 정보를 통계적으로 누적하여 획득함으로써, 정확한 파랑 정보를 추출할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 3차원 시공간 분석을 수행하여 파고 및 파향을 정확하게 추출함으로써, 실시간 선박 항해나 관제 시스템의 효과적인 의사 결정을 지원할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치가 적용되는 환경을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 도 3의 S330 단계에서 오류 데이터를 제거하는 과정을 나타낸 순서도이다.
도 5는 도 3의 S350 단계에서 해류 속도를 연산하는 과정을 나타낸 순서도이다.
도 6은 파랑 정보에 포함된 왜곡 특성을 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 컴퓨터 시스템을 나타낸 블록도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치가 적용되는 환경을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 레이더 안테나(100)로부터 레이더 신호를 입력받는다. 여기서, 레이더 안테나(100)는 X-band 레이더 안테나이거나, 해당 대역의 레이더 안테나일 수 있다. 그리고 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 레이더 신호에 포함된 오류 데이터를 제거하여 오류 보정을 수행한다.
또한, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 오류 데이터가 제거된 레이더 신호로부터 파랑 정보를 포함하는 해양 정보를 추출하고, 추출된 해양 정보를 해양 정보 출력 장치(300)로 전송할 수 있다. 그리고 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 추출된 해양 정보를 외부의 저장 장치(400)에 저장할 수 있다.
설명의 편의상, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)가 외부의 해양 정보 출력 장치(300)를 통하여 해양 정보를 출력하고, 외부의 저장 장치(400)에 해양 정보를 저장하는 것으로 설명하였으나 이에 한정하지 않고, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 직접 해양 정보를 출력하거나, 내부의 저장소에 해양 정보를 저장할 수 있다.
이하에서는 도 2를 통하여 본 발명의 일실시예에 따른 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치의 구성에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 레이더 신호 입력부(210), 전처리부(220), 오류 보정부(230), 푸리에 변환부(240) 및 파랑 정보 추출부(250)를 포함한다.
먼저, 레이더 신호 입력부(210)는 하나 이상의 레이더 안테나로부터 레이더 신호를 입력받는다. 이때, 레이더 신호를 전송하는 레이더 안테나는 해안에 고정형으로 설치된 X-밴드 레이더 안테나일 수 있다.
그리고 전처리부(220)는 해양 정보를 추출하기 위한 공간적 구간을 설정하고, 통계적 신호 처리를 위하여 공간적 구간에 대한 시간적 누적을 수행한다.
다음으로 오류 보정부(230)는 레이더 신호에서 이동 선박에 의한 오류 데이터를 제거하여, 오류 보정을 수행한다. 이때, 오류 보정부(230)는 전처리부(220)에서 시간적 누적된 레이더 신호에서, 이동 선박에 의한 오류 데이터를 제거할 수 있다.
오류 보정부(230)는 레이더 신호의 연속적인 프레임들에 상응하는 이동 평균 프레임을 생성하고, 현재 프레임과 이동 평균 프레임 간 차영상을 생성한다. 또한, 오류 보정부(230)는 차영상 및 기 설정된 임계값을 기반으로 레이더 신호에 포함된 이동 선박을 탐지하고, 레이더 신호에서 이동 선박에 상응하는 영역인 오류 데이터를 제거할 수 있다.
그리고 오류 보정부(230)는 오류 데이터가 제거된 영역을 단순 이동 평균 정보를 기반으로 평활화 처리할 수 있다. 또한, 오류 보정부(230)는 오류 데이터가 제거된 영역에 모폴로지 기법을 적용할 수 있으며, 오류 보정부(230)는 침식 연산 및 팽창 연산을 수행하여, 오류 데이터가 제거된 영역을 보간할 수 있다.
푸리에 변환부(240)는 오류 데이터가 제거된 레이더 신호에 3차원 고속 푸리에 변환을 수행한다.
또한, 파랑 정보 추출부(250)는 해류 속도를 연산하고, 해류 속도를 이용하여 파랑 정보를 포함하는 해양 정보를 추출한다.
파랑 정보 추출부(250)는 초기 비용 함수를 이용하여 제1 해류 속도를 연산하고, 고조파 성분을 고려한 분산성 관계식을 이용하여 새로운 비용 함수를 설정한다. 또한, 파랑 정보 추출부(250)는 새로운 비용 함수를 이용하여 제2 해류 속도를 연산하고, 제1 해류 속도와 제2 해류 속도의 차이를 기 설정된 임계 차이값과 비교하여, 최종적으로 해류 속도를 산출할 수 있다.
이때, 파랑 정보 추출부(250)는 제1 해류 속도와 제2 해류 속도의 차이가 임계 차이값 미만인 경우, 제2 해류 속도를 최종 해류 속도로 산출할 수 있다.
또한, 3차원 고속 푸리에 변환(3D-FFT)을 수행한 후, 파랑 정보 추출부(250)는 현재의 해류 속도인 제1 해류 속도(Calculating Current Velocity)를 연산하고, 분산 관계(Dispersion Relation)를 파악하며, 3차원 고속 푸리에 변환(3D-FFT)을 수행한 결과에서 양의 주파수 영역만을 적분하여 방향파 스펙트럼(directional wave spectrum)을 구할 수 있다.
그리고 파랑 정보 추출부(250)는 보정을 통하여 변조 전달 함수(Modulation Transfer Function)를 획득하고, 파고 스펙트럼(Wave Height Spectrum)을 구하며, 파고를 수정(Revision of Wave Height)할 수 있다.
이하에서는 도 3 내지 도 6을 통하여 본 발명의 일실시예에 따른 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치에 의해 수행되는 해양 정보 추출 방법에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
먼저, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 레이더 신호를 입력받는다(S310).
오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 해안가에 고정형으로 설치된 하나 이상의 레이더 안테나로부터 레이더 신호를 입력받을 수 있다.
이때, 레이더 안테나는 X-band 레이더 안테나일 수 있으며, 9.41 ~ 10.5Ghz 대역 주파수 범위로, 2.8 ~ 3.2cm의 파장 정보를 통하여 파랑 정보를 관측할 수 있다. 일반적으로 레이더 안테나의 길이가 길수록 레이더 이미지의 공간 해상도는 높아지고, 안테나 회전 속도가 빠를수록 분석되는 시간 축 해상도가 높아진다.
오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 주기적으로 레이더 안테나로부터 레이더 신호를 입력받을 수 있으며, 입력받은 레이더 신호는 관측하고자 하는 관측 대상 영역을 포함하는 고해상도 이미지 시퀀스일 수 있다.
또한, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 레이더 안테나로부터 입력받은 레이더 신호(레이더 이미지)를 출력하거나, 레이더 디스플레이 장치로 전송할 수 있다.
레이더 안테나로부터 5Km 이상 떨어진 거리에서는 배경의 백색 잡음보다 바다 클러터 노이즈(Sea clutter noise)가 더욱 크게 나타날 수 있으며, 이러한 특성을 고려하여 레이더 안테나로부터의 거리 효과를 고려한 파랑 관측이 요구된다.
그리고 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 입력받은 레이더 신호의 전처리를 수행한다(S320).
오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 입력된 고해상도 이미지인 레이더 신호에서, 파랑 분석을 위한 공간적 구간을 설정하고, 통계적 신호 처리를 위하여 공간적 구간에 대한 시간적 누적을 수행한다.
전체 영역을 동시에 처리하기 어려우므로, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 일정 영역의 공간적 구간을 설정하고, 이를 일정한 프레임들로 누적하여 시공간 분석을 수행할 수 있다. 특히, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 128x128 해상도의 영상을 32프레임 또는 64프레임씩 누적하여 시공간 분석을 수행할 수 있다.
또한, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 레이더 신호로부터 각종 파랑 정보를 추출하기 위하여, 아날로그 정보를 디지털 정보로 변환한다. 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 A/D 변환기를 이용하여 레이더 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있으며, ADC(Analog-to-Digital Converter)율이 빠를수록 고해상도의 이미지 정보로 변환할 수 있다. 이때, 레이더 신호는 A/D 변환기에 의해 8 비트 그레이 스케일 값으로 변환될 수 있다.
설명의 편의상, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)가 아날로그 형식의 레이더 신호를 디지털 형태로 변환하는 전처리를 수행하는 것으로 설명하였다. 그러나 이에 한정하지 않고, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)가 디지털 레이더 안테나로부터 레이더 신호를 수신하는 경우, S320 단계의 수행을 생략할 수 있다.
다음으로 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 레이더 신호에 포함된 오류 데이터를 제거한다(S330).
S320 단계에서 누적된 레이더 신호에는 이동 선박에 의한 데이터가 포함되어 있을 수 있다. 관측 대상 영역에 이동 선박이 많이 포함되어 있을 경우, 방향의 모호성이 발생되며 관측된 값이 실제의 값과 상이할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 관측 대상 영역에 포함된 선박이나 장애물 등의 움직임을 관측하고, 오류를 유발할 수 있는 요소인 오류 데이터를 제거한다. 그리고 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 오류 데이터가 제거된 레이더 신호로부터 파랑 정보 등의 해양 정보를 추출한다.
도 4는 도 3의 S330 단계에서 오류 데이터를 제거하는 과정을 나타낸 순서도이다.
오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 연속적인 프레임의 이동 평균 프레임을 생성한다(S331).
오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 레이더 신호의 연속적인 프레임들에 상응하는 이동 평균 프레임(Moving Average Frame)을 생성한다. 예를 들어, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 5분 동안의 연속적인 100 프레임에 대한 이동 평균 프레임을 생성할 수 있다.
그리고 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 현재 프레임과 이동 평균 프레임 간 차영상을 생성한다(S333).
오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 현재 프레임과 이동 평균 프레임 간의 차영상이 일정한 값 이상이 되도록, 차영상을 생성할 수 있다.
여기서, 일정한 값은 실제 선박임을 확인할 수 있는 실제 데이터와 영상 데이터를 상화 확인하는 과정에서 객체를 선박으로 판단하는 일종의 경험에 의해 결정된 값일 수 있다. 그리고 일정한 값은 차영상의 고정된 일정한 값 또는 변위값을 가진 일정한 값일 수 있다.
다음으로 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 이동 선박의 영역을 탐지한다(S335).
오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 차영상 및 기 설정된 임계값을 기반으로, 레이더 신호에 포함된 이동 선박을 탐지할 수 있다.
오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 오류 데이터를 제거한다(S337).
오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 레이더 신호에서 S335 단계에서 탐지된 이동 선박의 영역에 상응하는 오류 데이터를 제거한다. 그리고 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 오류 데이터가 제거된 영역을 단순 이동 평균 정보를 기반으로 평활화 처리할 수 있다.
또한, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 오류 데이터가 제거된 영역에 모폴로지 기법을 적용할 수 있다. 이때, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 침식 연산 및 팽창 연산 중 적어도 어느 하나를 수행하여, 오류 데이터가 제거된 영역을 보간할 수 있다.
이와 같이, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 오차가 줄어드는 새로운 프레임을 생성하여 처리함으로써, 오류 데이터가 제거된 영역이 비워진 레이더 신호를 처리하여 파랑 정보를 추출하는 것 보다 더 정확하게 파랑 정보를 추출할 수 있다.
다시 도 3에 대하여 설명하면, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 3차원 고속 푸리에 변환을 수행한다(S340).
S330 단계에서 오류가 보정된 레이더 신호의 누적된 분석 구간에 대해, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 시공간적 3차원 고속 푸리에 변환(3D Fast Fourier Transform, 3D FFT)을 수행할 수 있다.
오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 해류 속도를 연산한다(S350).
이때, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 3차원 스펙트럼인 레이더 신호에 포함된 잡음을 제거하는 과정을 수행한 후, 해류 속도를 연산할 수 있다.
도 5는 도 3의 S350 단계에서 해류 속도를 연산하는 과정을 나타낸 순서도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 초기 비용 함수를 설정하고(S351), 제1 해류 속도를 연산한다(S352).
오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 R. Gangeskar의 "Ocean Current Estimated From X-Band Radar Sea Surface Images"에 개시된 방법을 이용하여, 다음의 수학식 1과 같이 초기 비용 함수를 설정할 수 있다.
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
이고, 수학식 1을 최소화하기 위하여 각 주파수 성분에 대해 미분하면, 다음의 수학식 2와 같다.
Figure pat00003
오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 새로운 비용 함수를 설정하고(S353), 제2 해류 속도를 연산한다(S354).
오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 수학식 2를 기반으로, p(=0, 1, 2, ...)계의 분산성 관계를 포함하는 방정식을 다음의 수학식 3과 같이 설정할 수 있다.
Figure pat00004
그리고 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 수학식 3을 기반으로 새로운 비용 함수를 수학식 4와 같이 설정할 수 있다.
Figure pat00005
여기서,
Figure pat00006
와
Figure pat00007
는 i번째 반복 구간에서의 파수를 의미하고,
Figure pat00008
는
Figure pat00009
와
Figure pat00010
에서 3차원 고속 푸리에 변환을 수행한 결과를 의미하며,
Figure pat00011
는 각 주파수에 대해 i번째 반복 구간에서의 파수에 대응되는
Figure pat00012
를 의미한다.
그리고 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 새로운 비용 함수를 최소화 하기 위하여, 수학식 2를 이용하여 새로운 해류 속도인 제2 해류 속도를 연산한다. 이때, 제2 해류 속도를
Figure pat00013
,
Figure pat00014
이라고 하고, 제1 해류 속도를
Figure pat00015
,
Figure pat00016
이라고 한다.
다음으로 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 제2 해류 속도와 제1 해류 속도 간의 차이와 임계 차이값을 비교한다(S355).
오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 다음의 수학식 5와 같이 제2 해류 속도와 제1 해류 속도 간의 차이와 임계 차이값을 비교할 수 있다.
Figure pat00017
여기서,
Figure pat00018
,
Figure pat00019
는 제2 해류 속도를 의미하고,
Figure pat00020
,
Figure pat00021
는 제1 해류 속도를 의미하며, 0.005는 임계 차이값을 의미한다. 설명의 편의상, 임계 차이값이 0.005인 것으로 설명하였으나 이에 한정하지 않고 임계 차이값은 필요에 따라 다르게 설정될 수 있다.
비교 결과, 제2 해류 속도와 제1 해류 속도 간의 차이가 임계 차이값보다 작은 경우, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 최종 해류 속도를 산출한다(S356).
오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 수학식 5의 수렴 조건을 만족하는 경우, 제2 해류 속도인
Figure pat00022
,
Figure pat00023
을 최종 해류 속도로 산출할 수 있다. 그리고 최종 해류 속도를 산출한 후, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 S360 단계를 수행한다.
반면, 제2 해류 속도와 제1 해류 속도 간의 차이가 임계 차이값 이상인 경우, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 다시 S353 단계를 수행하여 새로운 비용함수를 재설정할 수 있다.
오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 수학식 5의 수렴 조건을 만족하지 않는 경우, S353 단계 이후의 과정을 수행하여 고조파 성분을 고려한 분산성 관계식을 재 정의할 수 있다.
다시 도 3에 대하여 설명하면, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 해류 속도를 이용하여 파랑 정보를 추출한다(S360).
오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 최종 해류 속도(
Figure pat00024
,
Figure pat00025
)를 이용하여, 파향 및 파고를 포함하는 파랑 정보를 추출할 수 있다. 단기적인 구간에서는 추출된 파랑 정보가 다양한 잡음에 의해 불안정하고, 변동이 심하게 발생할 수 있다.
도 6은 파랑 정보에 포함된 왜곡 특성을 나타낸 예시도이다.
잡음이 없는 해수면 레이더 신호(레이더 이미지)에 3차원 고속 푸리에 변환을 적용하면, 3차원 고속 푸리에 변환은 공간좌표 x, y와 시간 좌표 t에 대해 3차원 적분을 수행하여 3차원 주파수 영역(610)으로의 변환된다.
기저 파형 성분만을 고려할 경우 주파수 모호성이 발생될 수 있으며, 3차원 주파수 영역(610)의 3차원 데이터를 적분하면, 2차원 평면에 대응된 2차원 스펙트럼(620)과 같다.
그리고 2차원 스펙트럼(620)에 도시한 바와 같이, 기저 주파수와 고조파 주파수가 중첩되는 경우가 발생할 수 있으며, 이로 인하여 잡음이 있는 환경에서는 왜곡이 발생하고, 실제 최대값이 아닌 다른 곳의 값이 추출될 수 있다.
따라서, 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 기 설정된 시간 단위(ex. 1분 또는 2분)로 파랑 정보의 평균값을 연산하고, 연산된 평균 값을 최종 파랑 정보로 추출할 수 있다.
마지막으로 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 추출된 파랑 정보를 출력하거나, 외부의 장치로 파랑 정보를 전송한다(S370).
오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치(200)는 추출된 파랑 정보를 해상교통관제 시스템(VTS)으로 전송하거나, 외부의 출력 장치로 전송할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 컴퓨터 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체와 같은 컴퓨터 시스템(700)에서 구현될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 컴퓨터 시스템(700)은 버스(720)를 통하여 서로 통신하는 하나 이상의 프로세서(710), 메모리(730), 사용자 인터페이스 입력 장치(740), 사용자 인터페이스 출력 장치(750) 및 스토리지(760)를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨터 시스템(700)은 네트워크(780)에 연결되는 네트워크 인터페이스(770)를 더 포함할 수 있다. 프로세서(710)는 중앙 처리 장치 또는 메모리(730)나 스토리지(760)에 저장된 프로세싱 인스트럭션들을 실행하는 반도체 장치일 수 있다. 메모리(730) 및 스토리지(760)는 다양한 형태의 휘발성 또는 비휘발성 저장 매체일 수 있다. 예를 들어, 메모리는 ROM(731)이나 RAM(732)을 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예는 컴퓨터로 구현된 방법이나 컴퓨터에서 실행 가능한 명령어들이 기록된 비일시적인 컴퓨터에서 읽을 수 있는 매체로 구현될 수 있다. 컴퓨터에서 읽을 수 있는 명령어들이 프로세서에 의해서 수행될 때, 컴퓨터에서 읽을 수 있는 명령어들은 본 발명의 적어도 한 가지 태양에 따른 방법을 수행할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치 및 방법은 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
100: 레이더 안테나
200: 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치
210: 레이더 신호 입력부 220: 전처리부
230: 오류 보정부 240: 푸리에 변환부
250: 파랑 정보 추출부 300: 해양 정보 출력 장치
400: 저장 장치 610: 3차원 주파수 영역
620: 2차원 스펙트럼 700: 컴퓨터 시스템
710: 프로세서 720: 버스
730: 메모리 731: 롬
732: 램 740: 사용자 인터페이스 입력 장치
750: 사용자 인터페이스 출력 장치
760: 스토리지 770: 네트워크 인터페이스
780: 네트워크

Claims (20)

  1. 레이더 안테나로부터 레이더 신호를 입력받는 레이더 신호 입력부,
    상기 레이더 신호에서 이동 선박에 의한 오류 데이터를 제거하여, 오류 보정을 수행하는 오류 보정부,
    상기 오류 데이터가 제거된 상기 레이더 신호에 3차원 고속 푸리에 변환을 수행하는 푸리에 변환부, 그리고
    해류 속도를 연산하고, 상기 해류 속도를 이용하여 해양 정보를 추출하는 해양 정보 추출부
    를 포함하는 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오류 보정부는,
    상기 레이더 신호의 연속적인 프레임들에 상응하는 이동 평균 프레임을 생성하고, 현재 프레임과 상기 이동 평균 프레임 간 차영상을 생성하며, 상기 차영상 및 기 설정된 임계값을 기반으로, 상기 레이더 신호에 포함된 상기 이동 선박을 탐지하고, 상기 레이더 신호에서 상기 이동 선박에 상응하는 영역인 상기 오류 데이터를 제거하는 것을 특징으로 하는 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 오류 보정부는,
    상기 오류 데이터가 제거된 영역을 단순 이동 평균 정보를 기반으로 평활화 처리하는 것을 특징으로 하는 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 오류 보정부는,
    상기 오류 데이터가 제거된 영역에 모폴로지 기법을 적용하는 것을 특징으로 하는 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 오류 보정부는,
    침식 연산 및 팽창 연산을 수행하여, 상기 오류 데이터가 제거된 영역을 보간하는 것을 특징으로 하는 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 레이더 신호를 입력받은 후, 상기 해양 정보를 추출하기 위한 공간적 구간을 설정하고, 통계적 신호처리를 위하여, 상기 공간적 구간에 대한 시간적 누적을 수행하는 전처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 오류 보정부는,
    상기 시간적 누적된 상기 레이더 신호에서 이동 선박에 의한 오류 데이터를 제거하는 것을 특징으로 하는 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 해양 정보 추출부는,
    초기 비용 함수를 이용하여 제1 해류 속도를 연산하고, 고조파 성분을 고려한 분산성 관계식을 이용하여 새로운 비용 함수를 설정하며, 상기 새로운 비용 함수를 이용하여 제2 해류 속도를 연산하고, 상기 제1 해류 속도와 상기 제2 해류 속도의 차이를 기 설정된 임계 차이값과 비교하여, 최종적으로 상기 해류 속도를 산출하는 것을 특징으로 하는 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 해양 정보 추출부는,
    상기 제1 해류 속도와 상기 제2 해류 속도의 차이가 상기 임계 차이값 미만인 경우, 상기 제2 해류 속도를 최종적으로 상기 해류 속도로 산출하는 것을 특징으로 하는 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 레이더 안테나는,
    해안에 고정형으로 설치된 X-밴드 레이더 안테나인 것을 특징으로 하는 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치.
  11. 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치에 의해 수행되는 해양 정보 추출 방법에 있어서,
    레이더 안테나로부터 레이더 신호를 입력받는 단계,
    상기 레이더 신호에서 이동 선박에 의한 오류 데이터를 제거하여, 오류 보정을 수행하는 단계,
    상기 오류 데이터가 제거된 상기 레이더 신호에 3차원 고속 푸리에 변환을 수행하는 단계,
    해류 속도를 연산하는 단계, 그리고
    상기 해류 속도를 이용하여 해양 정보를 추출하는 단계
    를 포함하는 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 오류 보정을 수행하는 단계는,
    상기 레이더 신호의 연속적인 프레임들에 상응하는 이동 평균 프레임을 생성하는 단계,
    현재 프레임과 상기 이동 평균 프레임 간 차영상을 생성하는 단계,
    상기 차영상 및 기 설정된 임계값을 기반으로, 상기 레이더 신호에 포함된 상기 이동 선박을 탐지하는 단계,
    상기 레이더 신호에서 상기 이동 선박에 상응하는 영역인 상기 오류 데이터를 제거하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 오류 데이터가 제거된 영역을 단순 이동 평균 정보를 기반으로 평활화 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 오류 데이터가 제거된 영역에 모폴로지 기법을 적용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 모폴로지 기법을 적용하는 단계는,
    침식 연산 및 팽창 연산을 수행하여, 상기 오류 데이터가 제거된 영역을 보간하는 것을 특징으로 하는 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 레이더 신호를 입력받은 후, 상기 해양 정보를 추출하기 위한 공간적 구간을 설정하는 단계, 그리고
    통계적 신호처리를 위하여, 상기 공간적 구간에 대한 시간적 누적을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 오류 보정을 수행하는 단계는,
    상기 시간적 누적된 상기 레이더 신호에서 이동 선박에 의한 오류 데이터를 제거하는 것을 특징으로 하는 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 방법.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 해류 속도를 연산하는 단계는,
    초기 비용 함수를 이용하여 제1 해류 속도를 연산하는 단계,
    고조파 성분을 고려한 분산성 관계식을 이용하여 새로운 비용 함수를 설정하는 단계,
    상기 새로운 비용 함수를 이용하여 제2 해류 속도를 연산하는 단계, 그리고
    상기 제1 해류 속도와 상기 제2 해류 속도의 차이를 기 설정된 임계 차이값과 비교하여, 최종적으로 상기 해류 속도를 산출하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 최종적으로 해류 속도를 산출하는 단계는,
    상기 제1 해류 속도와 상기 제2 해류 속도의 차이가 상기 임계 차이값 미만인 경우, 상기 제2 해류 속도를 최종적으로 상기 해류 속도로 산출하는 것을 특징으로 하는 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 방법.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 레이더 안테나는,
    해안에 고정형으로 설치된 X-밴드 레이더 안테나인 것을 특징으로 하는 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 방법.
KR1020170088499A 2017-02-02 2017-07-12 오류 보정 기능을 포함하는 해양 정보 추출 장치 및 방법 KR20180090176A (ko)

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