KR20220119914A - 굴착용 드릴 로드를 통한 실시간 데이터 전송을 위한 변복조 방법 및 이를 위한 신호 처리 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 굴착용 드릴 로드를 통한 신호 전송을 위한 변복조 방법은, 지하에 설치된 신호 처리 장치의 송신부에서 센서로부터 센싱 데이터 신호를 획득하는 단계; 상기 획득된 신호의 대역폭 감소에 의한 신호 전송을 위한 아날로그 방식 및 디지털 방식의 복합 변조를 수행하는 단계; 상기 드릴 로드를 통해 지상에 위치한 상기 신호 처리 장치의 수신부로 변조된 신호를 전송하는 단계; 상기 수신부는 아날로그/디지털복조부에 신호 복원을 위해 복조 과정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 데이터 전송을 위한 변복조 방법 및 이를 위한 신호 처리 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 굴착용 드릴 로드를 통한 실시간 데이터 전송을 위한 변복조 방법 및 이를 위한 신호 처리 장치에 관한 것이다.
해저 및 지하 석유개발이나 광산 개발 등에서는 탐사작업, 시추작업, 그리고 생산작업 등이 수행된다. 광산 개발 시 천공, 발파, 채광과 같은 순서로 진행되며, 천공과 발파 과정에서 안정성 문제가 존재한다. 천공 과정에서 원하는 방향으로 진행이 수행되지 않을 경우, 발파 시 비산물이 불규칙적으로 튀어서 주변 구조물 및 인명살상을 초래할 수 있다. 따라서 안정적인 발파를 수행하기 위해서는 드릴의 위치 및 천공의 방향 정보가 요구된다. 현재 광산 분야에서 위치 정보를 측정하기 위한 방식은 드릴 비트 뒤에 위치를 기록하는 장치를 두고 천공을 진행한 뒤 어느 정도 천공이 완료되었다고 판단되면 드릴을 지표면으로 올려서 위치 기록 장치를 꺼내어 어느 방향으로 진행되었는지와 어느 정도 깊이까지 천공되었는지 확인하고 부족하면 다시 천공을 시행한다.
원유 및 셰일 시추 개발에서는 수직 및 수평 시추가 필요하다. 특히 셰일 개발에서는 수평 시추가 요구되는데, 처음 시추 장소에서 지하로 수직 시추한 후 수평으로 방향을 틀어 여러 장소를 시추하는 방식으로서 이를 통해 시추 비용이나 위치로 이동 시간을 최소화할 수 있다. 이러한 수직 및 수평 시추를 수행하기 위해서는 드릴링 도중 드릴의 위치를 실시간으로 파악하는 것이 필요하며, 천공 위치 측정은 머드 펄스(Mud-pulse), 전자기(Electromagnetic), 음향파(Acoustic wave) 방식을 사용하고 있는데, 이 방식들은 전송속도와 신뢰성(통신의 정확도, 주변 환경의 영향, 깊이 혹은 거리에 따른 통신 불확실성 증대)의 문제가 있다.
천공 방향 및 위치 오차를 줄이기 위한 드릴 위치 전송장치의 개발은 광산, 석유개발뿐만 아니라 다양한 방면에서 요구되고 있는데, 예를 들면 도심지나 좁은 공간에서 지하 관로 공사를 진행하는데 사용되는 수평지향성 압입공법(Horizontal Directional Drilling)공법에서는 Walkover 방식을 통해 운용자가 드릴 위쪽 지표면에서 걸어 다니면서 드릴의 위치를 파악하는 방식이 있다.
한편, 신호 전송을 위해서는 아래와 같은 이유로 인해 변조(modulation) 방식을 사용하고 있다 : 다중화 용이(변조가 넓은 주파수 대역에 걸치므로, 여러 채널을 통해 동시에 정보 전송 가능), 수신측 안테나 크기 감소(낮은 주파수의 기저대 신호를 직접 보낼 경우 안테나 크기는 매우 큼), 성능향상(잡음과 간섭을 제거하여 신호를 효과적으로 전송), 장거리 전송(전송 매체에 적합한 변조방식을 사용하면 장거리 전송이 가능). 따라서 장거리 전송에서 전송매체의 채널 특성에 적합한 변조 방식을 적용하면 효율적인 신호 전달이 가능하다.
굴착용 드릴비트에 장착된 센서에서 출력되는 정보는 디지털 데이터이므로 신호의 주파수 범위가 넓은 범위에 걸쳐 있다(기저대역의 범위가 넓다). 디지털 데이터를 아날로그 변조 방식으로 직접 전송하기에는 신호의 기저대역 주파수 범위가 너무 넓어 통신 효율이 낮다.
따라서 센서 데이터의 주파수 범위를 상대적으로 감소시킨 후 전송하는 것이 유리하다. 대표적으로 아날로그 변조 방식으로 크기 변조(AM)가 사용되는데 대표적인 방식으로서의 DSB 방식은 2개의 측파대(Sideband)를 전송하기 때문에 소요되는 대역폭의 증가, 전송 시 소모되는 전력의 증가, 잡음 문제가 생기게 된다.
이에 반해 SSB 방식은 DSB에 비해 한쪽 측파대만 보내기 때문에 DSB 방식에 비해서 대역폭이 반으로 줄게 되므로 스펙트럼 효율이 높으며, 전송 시 소모되는 전력도 1/6배 감소하게 되고, 한쪽 측파대만 전송되므로 잡음의 영향도 2배 감소한다. 따라서 신호전력/잡음전력의 비(SNR)도 증가되는 효과가 있다. 더군다나 굴착용 드릴비트에 장착되는 센서에 공급되는 전력이 배터리 기반으로 동작하므로 전력을 효율적으로 사용하기 위해서 전력소비가 낮은 SSB 방식 사용이 바람직하다.
또한 아날로그 변조는 오디오와 같은 신호 통신(대역폭이 상대적으로 작음)에는 적합하다. 그러나 디지털 센서 데이터는 펄스 형태의 신호로서 상대적으로 대역폭이 크므로, 파이프를 통해 신호 전송 과정에서 잡음(noise)이나 왜란(interference)의 영향을 많이 받을 수 있으므로 수신측에서 신호의 불안정으로 인해 데이터 전송에 오류 발생확률이 높다.
따라서, 입력 데이터의 밴드 폭을 좁게 할 수 있는 방법이 추가적으로 요구된다. 이를 위해 아날로그 변조 이전에 디지털 변조 방식 추가 방안이 고려될 필요성이 있다.
본 발명의 목적은, 굴착용 드릴 로드의 위치 및 방향을 추정하기 위한 센서의 센싱 데이터를 지하에 설치된 송신부와 지상에 설치된 수신부를 이용하여, 신호를 전송하되, 신호 전송시 신호 대역폭을 감소시키고, 효율적인 전송을 위해 변복조를 수행하는, 굴착용 드릴 로드를 통한 신호 전송을 위한 변복조 방법 및 이를 위한 신호 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 굴착용 드릴 로드를 통한 신호 전송을 위한 변복조 방법은, 지하에 설치된 신호 처리 장치의 송신부에서 센서로부터 센싱 데이터 신호를 획득하는 단계; 상기 획득된 신호의 대역폭 감소에 의한 신호 전송을 위한 아날로그 및 디지털 방식의 복합 변조를 수행하는 단계; 상기 드릴 로드를 통해 지상에 위치한 상기 신호 처리 장치의 수신부로 변조된 신호를 전송하는 단계; 상기 수신부는 아날로그/디지털복조부에 신호 복원을 위해 복조 과정을 수행하는 단계를 포함한다.
상기에 있어서, 상기 아날로그 방식의 변복조는 SSB 방식에 의해 수행되고, 디지털 방식의 변복조는 Shift Keying 방식에 의해 수행되는 것을 특징으로 한다.
굴착용 드릴 로드를 통한 신호 전송을 위한 변복조를 수행하는 신호 처리 장치에 있어서, 지하에 설치되어 센서로부터 획득된 센싱 데이터 신호를 수신하여 아날로그 및 디지털 방식의 변조를 수행하고 변조된 신호를 상기 드릴 로드에 송신하는 송신부; 및 지상에 설치되어 상기 송신부와 드릴 로드를 통하여 상기 변조된 신호를 수신하고, 아날로그 및 디지털 방식의 복조를 수행하여 원신호인 센싱 데이터 신호를 복원하는 수신부를 포함한다.
상기에 있어서, 상기 송신부는 상기 센서로부터 센싱 데이터 신호를 수신하는 신호수신부; 상기 신호수신부로부터 수신된 신호의 대역폭을 감소시키기 위해 디지털 신호로 변조하는 디지털변조부; 상기 드릴 로드로 신호 전송시 스펙트럼 효율을 향상시키고, 전력 소모를 줄이기 위해 아날로그 신호로 변조하는 아날로그변조부를 더 포함한다.
상기에 있어서, 상기 수신부는 상기 드릴 로드를 통하여 상기 아날로그변조부에 의해 변조된 신호를 수신하는 신호획득부; 상기 신호획득부로부터 변조된 신호를 전달받아 아날로그 복조를 수행하는 아날로그복조부; 상기 아날로그복조부로부터 아날로그 복조된 신호를 전달받아 디지털 복조를 수행하여 원 신호인 센싱 데이터 신호를 복원하는 디지털복조부; 상기 복원된 센싱 데이터 신호를 이용하여 드릴 비트 위치 및 방향을 추정할 수 있도록 지상에 위치한 CPU 처리 장치에 전달하기 위해 신호 추출 및 전달 과정을 수행하는 신호추출부를 더 포함한다.
상기에 있어서, 상기 아날로그 방식의 변복조는 SSB 방식에 의해 수행되고, 디지털 방식의 변복조는 Shift Keying 방식에 의해 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 굴착용 드릴 로드를 통한 신호 전송을 위한 변복조 방법에 의해 아날로그 방식과 디지털 방식의 복합 변조를 수행함으로써, 대역폭 감소, 잡음, 왜란(interference) 제거뿐만 아니라, 스펙트럼 효율을 향상시키고 저전력으로 신호를 전송할 수 있도록 하여 신호 전송에 안정성 및 효율성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면 수직 및 수평 굴착과정에서 드릴 머신의 헤드의 지하위치를 각종 센서를 통해 수집하고 CPU는 수집된 정보를 파이프의 공진특성을 이용한 최적의 효율성으로 최적화된 전송조건으로 지상에 지하의 위치정보와 필요한 환경정보 등을 지상으로 고속으로 전송하게 되는 장치로서, 특히 주변 잡음 및 왜란에 강하도록 파이프의 공진주파수를 변조 신호로 사용하여 측정 데이터를 송신하고 수신부에서는 복조를 통해 센서 데이터를 추출하도록 발명된 것으로, 기존 방식에 비해 높은 통신 신뢰성과 진동에 의한 빠른 전송속도 구현이 가능하게 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치의 개념을 전체적으로 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 공진 특성 분석용 송수신 장치의 동작 과정을 설명한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치의 송수신부의 변복조 및 드릴로드를 통한 신호 송수신을 위한 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치의 송수신부의 변복조 및 드릴로드를 통한 신호 송수신을 위한 세부적 구성을 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치의 송수신부의 변복조 및 드릴로드를 통한 신호 송수신 과정을 나타낸 순서도이다.
도 2는 공진 특성 분석용 송수신 장치의 동작 과정을 설명한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치의 송수신부의 변복조 및 드릴로드를 통한 신호 송수신을 위한 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치의 송수신부의 변복조 및 드릴로드를 통한 신호 송수신을 위한 세부적 구성을 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치의 송수신부의 변복조 및 드릴로드를 통한 신호 송수신 과정을 나타낸 순서도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다. 또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치의 개념을 전체적으로 설명하기 위한 블록도이며, 도 2는 공진 특성 분석용 송수신 장치의 동작 과정을 설명한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치의 송수신부의 변복조 및 드릴로드를 통한 신호 송수신을 위한 구성을 나타낸 블록도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치의 송수신부의 변복조 및 드릴로드를 통한 신호 송수신을 위한 세부적 구성을 나타낸 블록도이다.
본 발명은 수직 굴착 및 수평 굴착 시추를 진행하면서 드릴 머신의 헤드의 지하위치를 각종 센서를 통해 수집하고 CPU는 수집된 정보를 파이프의 공진특성을 이용한 최적의 효율성으로 최적화된 전송 조건으로 지상에 지하의 위치정보와 필요한 환경정보(온도, 압력, 수질, 유량, 오일상태 가스) 등의 정보를 지상수신 장치에 안정적이면서 고속으로 전송하는 장치이다.
본 발명은 기존의 어려움 및 문제점을 해결하고 지하의 굴착 시추의 진행 방향과 지하환경을 실시간으로 파악할 수 있도록 신호 전송이 가능하도록 하며, 각종 굴착 및 시추용 드릴 로드(Drill Rod)의 재질에 따라 공진 주파수를 측정하고 최적의 공진 특성을 갖는 즉 시추용 파이프에 가장 적합한 파동전달 특성이 유리한 조건을 CPU가 탐색하여 공진 특성 알고리즘을 통해 분석하고 찾아진 최적의 공진 주파수에 맞게 각종 데이터를 변조하여 전송하고 복조(demodulation)하여 데이터를 추출 후 드릴 로드(10)의 위치를 추정하도록 한다.
본 발명을 구성하기 위한 전체적인 개념을 도 1을 참조하여 아래와 같이 설명한다.
공진특성 분석용 송수신 장치(100)는 시추 및 굴착용 로드 비트의 파이프 재질 특성이 다양하여 고유진동 주파수 즉 파형을 전달하는 특성이 다양하므로, 다양한 재질의 특성과 성질에 따라 파동전달 특성은 매우 달라진다. 본 장치는 이런 경우 재질의 특성에 맞추어 최적의 고유 공진 주파수를 찾아서 파동의 전달 특성을 극대화할 수 있도록 재질에 고유 공진 주파수 측정을 수행한다.
이를 위해 우선 송신장치에서 진동을 발생시키고 파이프를 통해 전송하고 수신부에서는 발생된 진동의 파형을 CPU에 전달하여 파형을 시간으로 스캔하여 값을 메모리에 저장한 후 FFT(Fast Fourier Transform) 알고리듬을 사용하여 주파수 분석을 수행하여 최적의 공진특성을 가지는 주파수를 확인한다.
이때 전기적 진동 파형은 Sweep Generator에서 발생시켜 파이프에 전기적 힘을 전달하는 것과 파이프에서 미세하게 일어나는 파동 신호 즉, 파이프의 미세한 파형을 감지한 신호를 CPU에서 수집하고 주파수 특성을 분석하는 장치이다.
데이터 송수신 장치(200)는 시추 및 굴착용 로드 비트의 파이프에 최적의 공진 주파수로 변조된 데이터를 전달하는 것이다. 즉 CPU에서 최적의 공진 주파수와 환경 센서 데이터, 지하 위치 데이터를 일정한 지상의 관제 시스템과의 송수신 절차에 따라서 가공된 데이터를 최적화 공진 주파수에 변조하여 보내어지고, 이렇게 보내진 신호를 받아서 수신부에서 CPU로 전달하는 역할을 하게 된다.
CPU에서는 지하 위치 데이터와 환경 센서 데이터를 지상의 일정한 관제 시스템과의 송수신 절차에 따라서 가공된 데이터를 최적화 공진 주파수에 변조하여 보내어지고, 이렇게 보내진 신호를 지상 관제에서 수신하여 CPU로 전달되어 신호를 복원하게 된다.
여러 종류의 변조 방식을 사용할 수 있으나 본 발명에서는 SSB(Single Side Band) 방식을 사용하며, 이 변복조 과정에서 FIR(Finite Impulse Response) 혹은 IIR(Infinite Impulse Response)방식의 디지털 필터 설계도 요구되는데, 변복조 외 필터링을 실시간으로 수행하기 위해서는 고속 신호처리가 가능한 DSP(Digital Signal Processing) 프로세서를 사용할 수 있다.
환경 센서 데이터 수집 장치(300)는 시추 및 굴착용 로드 비트의 파이프의 지하 굴착 시 주위 환경 정보 및 드릴 비트의 위치센서 데이터를 수집하는 것이다. 즉 지상관측소에서 필요한 환경정보로서 온도, 압력, 가스, 오일, 수량, 수질, 자력 등의 정보로서 방위각, 경사, 드릴 각도 등 각종 센서를 탑재하고 센서로부터 입력되는 값을 ADC를 거쳐 CPU에 센서 데이터를 수집하는 장치이다.
반송파 주파수를 결정하기 위해 변조에 사용될 반송파(Carrier) 신호로 정현파를 사용하는데 파이프를 통해 송신 효율을 최대화(최대 전력 전송)하기 위해서는 파이프의 공진주파수를 확인하여야 한다. 공진주파수는 파이프 재질에 따라서 변화될 수 있으므로 공진주파수 검출을 위해 다음과 같은 실험을 통해서 최적의 공진주파수를 결정한다.
도 2는 공진주파수 검출을 위한 구성도와 신호 흐름도를 보여주고 있다.
Sweep Generator(가변주파수 발생기)에서 낮은 주파수로부터 서서히 주파수를 상승시켜 설정된 최대 주파수까지 정현파를 생성하여 파이프를 통해서 신호를 전송한다. 파이프의 다른 끝단에서 검출된 신호에서 FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 주파수 분석을 수행하여 고조파(Harmonics) 성분들을 찾아낸다.
최대 주파수에 도달할 때까지 이러한 과정을 반복하여 최대 크기의 고조파 성분을 검출하는데 이때의 주파수가 파이프의 공진주파수에 해당된다. 검출된 공진주파수의 정현파 신호를 반송파 신호로 사용하여 변조를 구현한다.
CPU는 센서 데이터 획득, 변조, 복조, 그리고 잡음 제거를 위한 필터링 등을 수행하기 위해서는 고속 및 고성능의 프로세서가 사용된다.
CPU 신호처리 장치(400)는 추가적으로 외부 장치와의 통신을 위해 I2C, SPI, UART 및 McBSP를 포함하는 직렬 인터페이스와 CAN 및 LIN과 같은 프로토콜, 그리고 USB 및 FSI와 같은 표준 입출력 장치와 애플리케이션을 동기화하는 다양한 외부 장치와의 연결 옵션을 제공한다.
구성된 회로에서 수집된 센서 데이터는 측정된 공진주파수를 사용하여 변조를 수행할 수 있다. 그리고 변조된 신호를 받게 되면 드릴의 진동이나 혹은 주변 잡음의 신호들을 제거하기 위해 복조 전 대역통과 필터가 필요하며, 신호 왜곡을 방지하기 위해 선형 위상이어야 되므로 선형 위상으로 구현하기 좋은 디지털 FIR 필터로 구현할 수도 있다.
또한, 대역통과 필터와 동일하게 비동기 검파 과정의 저역통과 필터 또한 선형 위상을 가져야 하므로 대역통과 필터와 비동기 검파를 동일한 고속 프로세서에서 구현할 수 있다.
비동기 검파에서 Rectifier는 조건문을 통해 구현하고, RC 저역통과 필터는 FIR 저역 통과 필터로 대체하여 구현할 수 있다.
또한 선형위상 특성과 안정성이 보장된 FIR 디지털 필터를 사용할 수 있으며, FIR 필터 설계는 대표적으로 창(Window) 함수 기법을 가장 많이 사용하는데 Hamming 창을 적용할 수 있으며, 필요에 따라 창(Window) 함수 기법을 선택적으로 사용할 수 있다.
필터는 센서에서 출력되는 데이터 전송 속도에 따라 통과 대역이 변화되고, 주변 잡음 정도에 따라 저역통과 및 대역통과의 차단 대역과 차단 크기가 변하므로 FFT(Fast Fourier Transform)를 사용하여 주파수 분석을 통해서 필터 사양을 결정한다.
지하 위치 센서 데이터 수집 장치(500)는 시추 및 굴착용 로드 비트 파이프의 지하 굴착 시 드릴 비트의 위치 및 방향제어 정보를 수집한다.
위치 및 방향 제어에 필요한 데이터는 경사와 방위각, 드릴 각도이며, 이러한 데이터를 측정하기 위한 센서가 Directional Sensor이며, 센서로부터 입력되는 값을 ADC를 거쳐 CPU에서 센서 데이터를 수집한다.
위치 센서는 방위각 및 경사 센서의 정확도는 RPM과 기울기에 따라 달라짐을 전기적 신호로 전달된다.
충전식 및 진동 자가 발전형 전원 장치(600)는 CPU, 송수신 장치, 그리고 수집 장치에 필요한 전원을 공급하는 장치로서 외부에서 충전 후 사용하는 충전식 전원 혹은 자체적으로 전기를 발전시킬 수 있는 자가 발전형 전원을 사용한다.
본 발명의 신호 처리 장치는 센서(20)의 신호를 수신하여 변조를 수행하고, 드릴 로드(10)를 통하여 지상으로 전달하며, 복조에 의해 원신호를 제공하는 장치로서, 그 기능을 수행하기 위해 도 1의 데이터송수신장치(200) 자체가 될 수 있으며, 지하 위치 센서 데이터 수집 장치(500)가 더 포함될 수도 있고, 필요에 따라 도 1의 일부 구성이 포함되거나 분리될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치는 도 3 및 도 4를 참조하면, 지하에 설치되어 드릴 로드(10)로 신호를 송신하는 송신부(210)와 지상에 설치되어 드릴 로드(10)로부터 신호를 수신하는 수신부(220)를 포함한다.
또한 송신부(210)는 신호수신부(211), 디지털변조부(212), 아날로그변조부(213)를 더 포함하며, 수신부(220)는 신호획득부(221), 아날로그복조부(222), 디지털복조부(223), 신호추출부(224)를 더 포함한다.
신호수신부(211)는 센서(20)로부터 센싱 데이터 신호를 수신한다. 여기서 센서(20)는 위치 및 방향 제어에 필요한 데이터로서 경사와 방위각, 드릴 각도 등을 측정하기 위한 지자기센서, 9축 가속도센서, 자이로 센서 등이 될 수 있으며, 필요에 따라 복수 개로 구비될 수 있다.
디지털변조부(212)는 신호수신부(211)로부터 수신된 신호의 대역폭을 감소시키기 위해 디지털 신호로 변조한다.
디지털 변조 방식은 일반적으로 원 디지털 신호의 대역폭에 비해 대역폭을 좁게 변화시키므로, 수신부(220)에서의 데이터 복원율이 상대적으로 높아 Shift Keying 변조 방식을 사용하는 것이 바람직하다.
아날로그변조부(213)는 드릴 로드(10)로 신호 전송시 스펙트럼 효율을 향상시키고, 전력 소모를 줄이기 위해 아날로그 신호로 변조한다.
아날로그 변조 방식은 SSB(Single Side Band) 방식을 사용할 수 있으며 그 이유는 다음과 같다.
디지털 데이터를 아날로그 변조 방식으로 직접 전송하기에는 신호의 기저대역 주파수 범위가 너무 넓어 통신 효율이 낮다. 따라서 센서(20) 데이터의 주파수 범위를 상대적으로 감소시킨 후 전송하는 것이 유리하다.
대표적으로 아날로그 변조 방식으로 크기 변조(AM)가 사용되는데, 대표적인 방식으로서의 DSB(Double Side Band) 방식은 2개의 측파대(Sideband)를 전송하기 때문에 소요되는 대역폭의 증가, 전송 시 소모되는 전력의 증가, 잡음 문제가 생기게 된다.
이에 반해 SSB 변조 방식은 DSB 변조 방식에 비해 한쪽 측파대만 보내기 때문에, DSB 방식에 비해서 대역폭이 반으로 줄게 되므로 스펙트럼 효율이 높으며, 전송 시 소모되는 전력도 1/6배 감소하게 되고, 한쪽 측파대만 전송되므로 잡음의 영향도 2배 감소한다.
따라서 신호전력/잡음전력의 비(SNR)도 증가되는 효과가 있다. 더군다나 굴착용 드릴비트에 장착되는 센서(20)에 공급되는 전력이 배터리 기반으로 동작하므로 전력을 효율적으로 사용하기 위해서 전력소비가 낮은 SSB 방식 사용이 바람직하다.
또한 송신부(210)는 아날로그변조부(213)로부터 아날로그신호로 변조된 신호에 대해 드릴 로드(10)로 전송하는 역할을 수행하며 이를 위한 통신 프로토콜이 추가로 내장될 수 있다.
또한 드릴 로드(10)는 송신부(210)로부터 송신한 신호를 수신하고, 지상에 위치한 수신부(220)로 전송하기 위한 전송라인을 포함할 수 있고, 드릴 로드(10)는 지하에 일부 또는 전부 매립되는 형태로 설치될 수 있으며, 필요에 따라 복수 개로 구비되고, 송신부(210) 및 수신부(220)와 신호를 송수신하기 위해 케이블로 연결되거나, 내장 안테나에 의해 무선 통신할 수 있다.
신호획득부(221)는 드릴 로드(10)를 통하여 상기 아날로그변조부(213)에 의해 변조된 신호를 수신할 수 있으며,
아날로그복조부(222)는 신호획득부(221)로부터 변조된 신호를 전달받아 아날로그 복조를 수행한다.
디지털복조부(223)는 아날로그복조부(222)로부터 아날로그 복조된 신호를 전달받아 디지털 복조를 수행하여 원 신호인 센싱 데이터 신호를 복원한다.
이와 같은 아날로그(SSB) 및 디지털(Shift Keying) 복조 과정을 통해 원신호인 센싱 데이터 신호를 복원하게 된다.
신호추출부(224)는 복원된 신호를 이용하여 드릴 비트 위치를 추정할 수 있도록 CPU에 전달하기 위해 신호 추출 및 전달 과정을 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치의 송수신부의 변복조 및 드릴로드를 통한 신호 송수신 과정을 나타낸 순서도이다.
먼저, 장치의 송신부(210)는 센서(20)의 센싱 데이터 신호를 획득한다(S100).
획득된 신호를 대역폭 감소에 의한 효율적인 전송을 위한 아날로그(SSB) 및 디지털(Shift Keying) 방식의 복합 변조를 수행한다(S102).
드릴 로드(10)를 통해 지상에 위치한 수신부(220)로 변조된 신호를 전송한다(S104).
수신부(220)의 아날로그/디지털복조부(222,223)에 신호 복원을 위해 복조 과정을 수행한다(S106).
이후 복조된 신호 데이터 추출 및 추출된 원신호를 이용하여 드릴 비트 위치를 추정할 수 있다(S108).
10 ; 드릴 로드
20 ; 센서
100 ; 공진특성 분석용 송수신장치
200 ; 데이터 송수신 장치
210 ; 송신부
211 ; 신호수신부
212 ; 디지털변조부
213 ; 아날로그변조부
220 ; 수신부
221 ; 신호획득부
222 ; 아날로그복조부
223 ; 디지털복조부
224 ; 신호추출부
300 ; 환경 센서 데이터 수집 장치
400 ; CPU 처리장치
500 ; 지하 위치 센서 데이터 수집 장치
600 ; 충전식 및 진동 자가발전형 전원장치
20 ; 센서
100 ; 공진특성 분석용 송수신장치
200 ; 데이터 송수신 장치
210 ; 송신부
211 ; 신호수신부
212 ; 디지털변조부
213 ; 아날로그변조부
220 ; 수신부
221 ; 신호획득부
222 ; 아날로그복조부
223 ; 디지털복조부
224 ; 신호추출부
300 ; 환경 센서 데이터 수집 장치
400 ; CPU 처리장치
500 ; 지하 위치 센서 데이터 수집 장치
600 ; 충전식 및 진동 자가발전형 전원장치
Claims (6)
- 굴착용 드릴 로드를 통한 신호 전송을 위한 변복조 방법에 있어서,
지하에 설치된 신호 처리 장치의 송신부에서 센서로부터 센싱 데이터 신호를 획득하는 단계;
상기 획득된 신호의 대역폭 감소에 의한 신호 전송을 위한 아날로그 방식 및 디지털 방식의 복합 변조를 수행하는 단계;
상기 드릴 로드를 통해 지상에 위치한 상기 신호 처리 장치의 수신부로 변조된 신호를 전송하는 단계; 및
상기 수신부는 아날로그/디지털복조부에 신호 복원을 위해 복조 과정을 수행하는 단계를 포함하는 굴착용 드릴 로드를 통한 신호 전송을 위한 변복조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 아날로그 방식의 변복조는 SSB 방식에 의해 수행되고,
디지털 방식의 변복조는 Shift Keying 방식에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 굴착용 드릴 로드를 통한 신호 전송을 위한 변복조 방법. - 굴착용 드릴 로드를 통한 신호 전송을 위한 변복조를 수행하는 신호 처리 장치에 있어서,
지하에 설치되어 센서로부터 획득된 센싱 데이터 신호를 수신하여 아날로그 방식 및 디지털 방식의 변조를 수행하고 변조된 신호를 상기 드릴 로드에 송신하는 송신부; 및
지상에 설치되어 상기 송신부와 드릴 로드를 통하여 상기 변조된 신호를 수신하고, 아날로그 및 디지털 방식의 복조를 수행하여 원신호인 센싱 데이터 신호를 복원하는 수신부를 포함하는 신호 처리 장치. - 제3항에 있어서,
상기 송신부는
상기 센서로부터 센싱 데이터 신호를 수신하는 신호수신부;
상기 신호수신부로부터 수신된 신호의 대역폭을 감소시키기 위해 디지털 신호로 변조하는 디지털변조부; 및
상기 드릴 로드로 신호 전송시 스펙트럼 효율을 향상시키고, 전력 소모를 줄이기 위해 아날로그 신호로 변조하는 아날로그변조부를 더 포함하는 신호 처리 장치. - 제4항에 있어서,
상기 수신부는
상기 드릴 로드를 통하여 상기 아날로그변조부에 의해 변조된 신호를 수신하는 신호획득부;
상기 신호획득부로부터 변조된 신호를 전달받아 아날로그 복조를 수행하는 아날로그복조부;
상기 아날로그복조부로부터 아날로그 복조된 신호를 전달받아 디지털 복조를 수행하여 원 신호인 센싱 데이터 신호를 복원하는 디지털복조부; 및
상기 복원된 센싱 데이터 신호를 이용하여 드릴 비트 위치 및 방향을 추정할 수 있도록 지상에 위치한 CPU 처리 장치에 전달하기 위해 신호 추출 및 전달 과정을 수행하는 신호추출부를 더 포함하는 신호 처리 장치. - 제3항에 있어서,
상기 아날로그 방식의 변복조는 SSB 방식에 의해 수행되고,
디지털 방식의 변복조는 Shift Keying 방식에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 신호 처리 장치.
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|---|---|---|---|
| KR1020210023370A KR20220119914A (ko) | 2021-02-22 | 2021-02-22 | 굴착용 드릴 로드를 통한 실시간 데이터 전송을 위한 변복조 방법 및 이를 위한 신호 처리 장치 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210023370A KR20220119914A (ko) | 2021-02-22 | 2021-02-22 | 굴착용 드릴 로드를 통한 실시간 데이터 전송을 위한 변복조 방법 및 이를 위한 신호 처리 장치 |
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| KR20220119914A true KR20220119914A (ko) | 2022-08-30 |
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| KR1020210023370A KR20220119914A (ko) | 2021-02-22 | 2021-02-22 | 굴착용 드릴 로드를 통한 실시간 데이터 전송을 위한 변복조 방법 및 이를 위한 신호 처리 장치 |
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| KR (1) | KR20220119914A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20030037905A (ko) | 2001-11-07 | 2003-05-16 | (주) 기산텔레콤 | 복소 주파수를 갖는 아날로그 신호의 디지털 전송을 위한송수신 방법 및 이를 위한 장치 |
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2021
- 2021-02-22 KR KR1020210023370A patent/KR20220119914A/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
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