KR20230121030A - 동적 보상 바람 측정 레이저 레이더 시스템 및 그 바람 측정 방법 - Google Patents

동적 보상 바람 측정 레이저 레이더 시스템 및 그 바람 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 동적 보상 바람 측정 레이저 레이더 시스템은, 레이저, A/D 변환기, 신호 프로세서 및 데이터 프로세서를 포함하고, 상기 신호 프로세서는 파워 스펙트럼 계산 모듈, 모션 센서 및 펄스 누적 모듈을 포함하며, 펄스 누적 모듈은 단일 빔 주기에 의해 방출된 광 펄스를 n단으로 분할하여 누적하고, 각 단의 누적에 모션 센서에 의해 수집된 실시간 모션 및 자세 데이터를 추가하며, 복수의 주기적 펄스 신호 파워 스펙트럼 밀도를 누적함으로써 신호 대 잡음비를 향상시킨다. 본 발명은 단일 빔의 체류 시간 내의 광 펄스를 단으로 누적하고 자세를 중첩하는 방식을 사용하여 자세 보상 주파수를 크게 향상시키며 자세 보상 주파수를 조정할 수 있다.

Description

동적 보상 바람 측정 레이저 레이더 시스템 및 그 바람 측정 방법
본 발명은 레이저 레이더 분야에 속하고, 구체적으로 동적 보상 바람 측정 레이저 레이더 시스템 및 그 바람 측정 방법에 관한 것이다.
현재 시판되고 있는 바람 측정 레이저 레이더 시스템은 동적인 환경에서 바람을 측정할 경우, 주로 매번 샘플링 시에 레이더 자세 보상을 수행한다. 레이더의 샘플링 주파수는 일반적으로 1Hz이고, 이에 인해 레이더 자세 보상의 주파수도 1Hz로 된다. 부표, 차량 탑재, 항공기 탑재와 같은 복잡한 동적 환경에서, 레이더의 자세 변화 주파수는 종종 1Hz보다 크고, 1Hz의 자세 보상 주파수는 바람 측정 요구를 분명히 충족시킬 수 없다.
레이더는 다수의 고도층의 풍장 정보를 동시에 측정하여야 한다. 현재 시판되고 있는 펄스 레이더는 주로 고정 시간의 빛 반사 신호를 수집하고, 측정 거리는 레이더 자세에 따라 실시간으로 조정되지 않는다. 레이더 자세가 변경될 경우, 측정되는 고도층도 이에 따라 변경될 수 있다. 현재 주류인 방법은 후기 단계에서 지수 비율을 사용하여 보간하는 방법이고, 설정한 고도층의 풍장 정보를 계산하며, 이러한 방법은 분명히 목표 고도층을 직접 측정하는 것만큼 정확하지 않다.
본 발명은 배경기술에 존재하는 문제점을 해결하기 위하여, 동적 보상 바람 측정 레이저 레이더 시스템 및 그 바람 측정 방법을 제안한다.
본 발명에 따른 동적 보상 바람 측정 레이저 레이더 시스템의 바람 측정 방법은,
다중 빔 레이저에 의해 생성된 광 신호가 고정 주파수로 다중 빔 사이에서 주기적으로 전환하는 단계(S1);
광 신호가 대기 에어로졸에 의해 산란된 후, 광 안테나에 의해 수신되어 씨앗광 신호와 비트 주파수를 수행되는 단계(S2);
비트 주파수 신호가 밸런스 감지, A/D 변환을 수행하여, 신호 프로세서에 전송되어 신호 파워 스펙트럼을 획득하고, 동시에 모션 센서는 레이더의 모션 및 자세 데이터를 실시간으로 출력하되,
단일 빔 주기에 의해 방출된 광 펄스를 n단으로 분할하여 누적하고, 각 단의 누적에 모션 센서에 의해 수집된 실시간 모션 및 자세 데이터를 추가하며 복수의 주기적 펄스 신호 파워 스펙트럼 밀도를 누적함으로써 신호 대 잡음비를 향상시키는 단계(S3);
신호 파워 스펙트럼, 레이더의 실시간 모션 및 자세 데이터를 패키징하여 데이터 프로세서에 전송하여 빔 반경방향 풍속을 획득하는 단계(S4);
그 앞 1주기의 빔 반경방향 풍속의 역산정을 결합하여 레이더 상방의 풍속과 풍향을 얻는 단계(S5)를 포함한다.
바람직하게는, 단계(S3)에서, A/D 샘플링 신호를 계산하여 펄스 신호 파워 스펙트럼을 획득한다.
바람직하게는, 단계(S3)에서, 레이더의 자세 및 높이 변화에 따라 A/D 변환기의 샘플링 간격 시간을 실시간으로 조정하되,
식에 있어서, 는 변경된 샘플링 간격 시간이고, 는 관성 좌표축에서의 변경된 빔의 벡터이고, 는 진공에서의 광속이고; 는 변경된 빔의 고도층까지의 편도거리이고, 는 변경 전 레이더에서 고도층까지의 수직 거리이고, 는 레이더의 높이 변화이다.
바람직하게는, 단계(S3)에서, 레이더 단일 빔 주기의 펄스를 n단으로 분할하고,
t는 단일 빔의 체류 시간이고, 레이저의 반복 주파수는 FkHz이고, M은 펄스 누적 횟수이다.
본 발명에 따른 동적 보상 바람 측정 레이저 레이더 시스템은,
다중 빔 광 신호를 송출하기 위한 레이저;
대기 에어로졸에 의해 산란된 광 신호를 수신하여 씨앗광 신호와 비트 주파수를 수행하는 광 안테나;
비트 주파수 신호를 샘플링하고 밸런스 감지, A/D 변환을 수행하여 신호 프로세서에 전송하는 A/D 변환기;
신호 파워 스펙트럼을 획득하는 파워 스펙트럼 계산 모듈과, x축, y축, z축의 각도, g값 및 각속도와 같은 레이더의 모션 및 자세 데이터를 실시간으로 출력하는 모션 센서와, 단일 빔 주기로 방출되는 광 펄스를 n단으로 분할하여 누적하고 각 단의 누적에 모션 센서에 의해 수집된 실시간 모션 및 자세 데이터를 추가하며 복수의 주기적 펄스 신호 파워 스펙트럼 밀도를 누적함으로써 신호 대 잡음비를 향상시키는 펄스 누적 모듈을 포함하는 신호 프로세서; 및
신호 파워 스펙트럼, 레이더의 모션 및 자세 데이터에 따라 데이터 처리를 수행하여 빔 반경방향 풍속을 획득하고, 그 앞 1주기의 빔 반경방향 풍속의 역산정을 결합하여 레이더 상방의 풍속과 풍향을 얻는 데이터 프로세서를 포함한다.
바람직하게, 파워 스펙트럼 계산 모듈은 A/D 샘플링 신호를 계산하여 펄스 신호 파워 스펙트럼을 획득한다.
바람직하게, 신호 프로세서는 높이 보상 시스템을 더 포함하고 높이 보상 시스템은 레이더의 자세 및 높이 변화에 따라 A/D 변환기의 샘플링 간격 시간을 실시간으로 조정하되,
식에 있어서, 는 변경된 샘플링 간격 시간이고, 는 관성 좌표축에서의 변경된 빔의 벡터이고, 는 진공에서의 광속이고; 는 변경된 빔의 고도층까지의 편도거리이고, 는 변경 전 레이더에서 고도층까지의 수직 거리이고, 는 레이더의 높이 변화이고; 상기 레이더의 자세 및 높이 변화는 모션 센서로부터 획득한다.
바람직하게는, 레이더 단일 빔 주기의 펄스를 n단으로 분할하고,
t는 단일 빔의 체류 시간이고, 레이저의 반복 주파수는 FkHz이고, M은 펄스 누적 횟수이다.
본 발명은 단일 빔의 체류 시간 내의 광 펄스를 단으로 누적하고 자세를 중첩하는 방식을 사용하여 자세 보상 주파수를 크게 향상시키며, 자세 보상 주파수를 조정할 수 있다. “부표, 차량 탑재, 항공기 탑재와 같은 복잡한 동적 환경에서, 레이더의 자세 변화 주파수는 종종 1Hz보다 크고, 1Hz의 자세 보상 주파수는 바람 측정 요구를 유의하게 충족시킬 수 없는” 배경기술의 문제를 해결한다.
본 발명은 수집된 자세 정보에 따라 실시간으로 계산하고, AD를 피드백하여 수집 시간을 실시간으로 조정하여 레이더가 항상 측정한 것이 목표 고도층의 풍장 정보인 것을 확보한다. “레이더 자세가 변경될 경우, 측정된 고도층도 이에 따라 변경되는” 배경기술의 문제를 해결한다.
도 1은 본 발명의 레이더 시스템의 원리도이다.
도 2는 본 발명의 분단 자세 및 모션 보상 시퀀스도이다.
도 3은 본 발명의 높이 보상 시스템의 원리도이다.
이하 실시예에 결부하여 본 발명을 추가로 설명하지만, 본 발명의 보호 범위는 이에 한정되지 않는다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 동적 보상 바람 측정 레이저 레이더 시스템은,
다중 빔 광 신호를 송출하기 위한 레이저;
대기 에어로졸에 의해 산란된 광 신호를 수신하여 씨앗광 신호(seed optical signal)와 비트 주파수(beat frequency)를 수행하는 광 안테나;
비트 주파수 신호를 샘플링하고 밸런스 감지, A/D 변환을 수행하여 신호 프로세서에 전송하는 A/D 변환기;
신호 파워 스펙트럼을 획득하는 파워 스펙트럼 계산 모듈과, x축, y축, z축의 각도, g값 및 각속도와 같은 레이더의 모션 및 자세 데이터를 실시간으로 출력하는 모션 센서와, 단일 빔 주기로 방출되는 광 펄스를 n단(段)으로 분할하여 누적하고 각 단의 누적에 모션 센서에 의해 수집된 실시간 모션 및 자세 데이터를 추가하며 복수의 주기적 펄스 신호 파워 스펙트럼 밀도를 누적함으로써 신호 대 잡음비를 향상시키는 펄스 누적 모듈을 포함하는 신호 프로세서; 및
신호 파워 스펙트럼, 레이더의 모션 및 자세 데이터에 따라 데이터 처리를 수행하여 빔 반경방향 풍속을 획득하고, 그 앞 1주기의 빔 반경방향 풍속의 역산정(inversion)을 결합하여 레이더 상방의 풍속과 풍향을 얻는 데이터 프로세서를 포함한다.
본 출원에서, “신호 파워 스펙트럼, 레이더의 모션 및 자세 데이터에 따라 데이터 처리를 수행하여, 빔 반경방향 풍속을 획득한다”; “빔 반경방향 풍속의 반전에 기반하여 레이더 상방의 풍속 및 풍향을 얻는다”는 것은 모두 종래기술이고, 구체적으로 주쇼펑(Zhu Xiaopeng, 朱孝鵬)의 논문 《코히어런트 도플러 바람 측정 레이저 레이더 핵심기술 연구(Research on Key Technologies of Coherent Doppler Wind Lidar)》를 참조할 수 있다. 본 출원의 발명점은, 펄스 누적 모듈이 단일 빔 펄스를 단(段)으로 분할하여 누적함으로써 자세 보상 주파수를 향상시키는 것에 있다.
레이더는 반복 주파수가 높은 레이저를 사용하기에, 반복 주파수는 수십 kHz에 달성할 수 있다. 레이저의 반복 주파수가 FkHz이고, 빔1, 빔2의 단일 빔의 체류 시간이 t초라고 가정하면, 단일 빔 주기로 방출되는 광 펄스의 수는 1000*F*t개이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 1000Ft개의 펄스를 n개의 단(段)으로 분할하여 누적하고, 각 단(段)의 누적에 모션 센서에 의해 수집된 실시간 모션 및 자세 데이터를 추가한다. 바람 측정 요구를 충족시키기 위하여, 신호 대 잡음비 CNR＞Tdb를 확보하여야 하고, 이에 따라 최소 펄스 누적 횟수 M을 확인하면, 레이더 단일 빔 주기의 펄스는 최대로 다음과 같이 분할할 수 있다.
t는 단일 빔의 체류 시간이고, 레이저의 반복 주파수는 FkHz이며, M은 펄스 누적 횟수이다.
그러면 레이더의 최대 자세 보상 주파수는 를 달성할 수 있다.
실제 상황에 따라, M보다 작지 않은 펄스 누적 횟수를 임의로 선택하여 자세 보상 주파수를 합리적으로 조정할 수 있다. 동시에 레이저의 반복 주파수를 향상시켜, 최대 자세 보상 주파수를 보다 향상시킬 수도 있다.
동시에, “레이더 자세가 변경될 경우, 측정된 고도층도 이에 따라 변경”되는 배경기술의 문제점을 해결하기 위함이다. 본 출원의 신호 프로세서는 높이 보상 시스템을 더 포함하고, 레이더의 자세 및 높이 변화를 통해 A/D의 샘플링 간격 시간을 실시간으로 조정한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 레이더가 초기 자세에 있는 경우, 관성 좌표축(X, Y, Z)에서의 빔의 단위 벡터(vector)는 이다.
그러면 A/D의 샘플링 간격 시간은 이다.
여기서, c는 진공에서의 광속이고, 는 변경 전의 레이더에서 고도층까지의 수직 거리이며, 는 관성 좌표축에서의 빔의 벡터이다.
레이더의 실시간 자세가 변경되면, 레이더 좌표축(X',Y',Z') 및 관성 좌표축, 세 축의 협각은 각각 (회전 각도의 방향은 회전축의 부(負)방향을 따라 볼 때 시계 방향이 정(正)이고, 시계 반대 방향이 부(負)임)로 변경된다. 그러면 관성 좌표축에서의 빔의 벡터는 다음과 같이 변경된다.
여기서,
이다.
그러면 A/D의 샘플링 간격 시간은 다음과 같이 변경된다.
식에 있어서, 는 변경된 샘플링 간격 시간이고, 는 관성 좌표축에서의 변경된 빔의 벡터이고, 는 진공에서의 광속이고; 는 변경된 빔의 고도층까지의 편도거리이고, 는 변경 전 레이더에서 고도층까지의 수직 거리이고, 는 레이더의 높이 변화이고; 상기 레이더의 자세 및 높이 변화는 모션 센서로부터 획득된다.
상기 기술적 구성은 수집 간격 시간을 실시간으로 조정하여 레이더가 측정하는 것이 설정된 고도층의 풍속 및 풍향 데이터인 것을 확보하고, 높이 오차로 인해 바람 측정 정확도에 영향이 미치지 않도록 한다.
본문에서 설명된 구체적인 실시예는 단지 본 발명의 사상을 예를 들어 설명한 것이다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 설명된 구체적인 실시예에 대해 다양한 수정 또는 보충 또는 유사한 대체가 이루어지지만, 본 발명의 사상을 벗어나거나 첨부된 청구범위에 의해 정의된 범위를 벗어나지 않을 것이다.

Claims (6)

  1. 동적 보상 바람 측정 레이저 레이더 시스템의 바람 측정 방법에 있어서,
    다중 빔 레이저에 의해 생성된 광 신호가 고정 주파수로 다중 빔 사이에서 주기적으로 전환하는 단계(S1);
    광 신호가 대기 에어로졸에 의해 산란된 후, 광 안테나에 의해 수신되어 씨앗광 신호와 비트 주파수를 수행하는 단계(S2);
    비트 주파수 신호가 밸런스 감지, A/D 변환을 수행하여 신호 프로세서에 전송되어 신호 파워 스펙트럼을 획득하고, 동시에 모션 센서가 레이더의 모션 및 자세 데이터를 실시간으로 출력하되,
    단일 빔 주기에 의해 방출되는 광 펄스를 n단으로 분할하여 누적하고 각 단의 누적에 모션 센서에 의해 수집된 실시간 모션 및 자세 데이터를 추가하며 복수의 주기적 펄스 신호 파워 스펙트럼 밀도를 누적함으로써 신호 대 잡음비를 향상시키고,
    레이더의 자세 및 높이 변화에 따라 A/D 변환기의 샘플링 간격 시간을 실시간으로 조정하되

    식에 있어서, 는 변경된 샘플링 간격 시간이고, 는 관성 좌표축에서의 변경된 빔의 벡터이고, 는 진공에서의 광속이고; 는 변경된 빔의 고도층까지의 편도거리이고, 는 변경 전 레이더에서 고도층까지의 수직 거리이고, 는 레이더의 높이 변화인 단계(S3);
    신호 파워 스펙트럼, 레이더의 실시간 모션 및 자세 데이터를 패키징하여 데이터 프로세서에 전송하여 빔 반경방향 풍속을 획득하는 단계(S4);
    그 앞 1주기의 빔 반경방향 풍속의 역산정을 결합하여 레이더 상방의 풍속과 풍향을 얻는 단계(S5);를 포함하는 것을 특징으로 하는 동적 보상 바람 측정 레이저 레이더 시스템의 바람 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    단계(S3)에서, A/D 샘플링 신호를 계산하여 펄스 신호 파워 스펙트럼을 획득하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    단계(S3)에서, 레이더 단일 빔 주기의 펄스를 n단으로 분할하고,

    t는 단일 빔의 체류 시간이고, 레이저의 반복 주파수는 FkHz이며, M은 펄스 누적 횟수인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 동적 보상 바람 측정 레이저 레이더 시스템에 있어서,
    다중 빔 광 신호를 송출하기 위한 레이저;
    대기 에어로졸에 의해 산란된 광 신호를 수신하여 씨앗광 신호와 비트 주파수를 수행하는 광 안테나;
    비트 주파수 신호를 샘플링하고 밸런스 감지, A/D 변환을 수행하여 신호 프로세서에 전송하는 A/D 변환기;
    신호 파워 스펙트럼을 획득하는 파워 스펙트럼 계산 모듈과, x축, y축, z축의 각도, g값 및 각속도와 같은 레이더의 모션 및 자세 데이터를 실시간으로 출력하는 모션 센서와, 단일 빔 주기로 방출되는 광 펄스를 n단으로 분할하여 누적하고 각 단의 누적에 모션 센서에 의해 수집된 실시간 모션 및 자세 데이터를 추가하며 복수의 주기적 펄스 신호 파워 스펙트럼 밀도를 누적함으로써 신호 대 잡음비를 향상시키는 펄스 누적 모듈과, 레이더의 자세 및 높이 변화에 따라 A/D 변환기의 샘플링 간격 시간을 실시간으로 조정하는 높이 보상 시스템을 포함하는 신호 프로세서; 및
    신호 파워 스펙트럼, 레이더의 모션 및 자세 데이터에 따라 데이터 처리를 수행하여 빔 반경방향 풍속을 획득하고, 그 앞 1주기의 빔 반경방향 풍속의 역산정을 결합하여 레이더 상방의 풍속과 풍향을 얻는 데이터 프로세서를 포함하고,

    식에 있어서, 는 변경된 샘플링 간격 시간이고, 는 관성 좌표축에서의 변경된 빔의 벡터이고, 는 진공에서의 광속이고; 는 변경된 빔의 고도층까지의 편도거리이고, 는 변경 전 레이더에서 고도층까지의 수직 거리이고, 는 레이더의 높이 변화이고; 상기 레이더의 자세 및 높이 변화는 모션 센서로부터 획득하는 것을 특징으로 하는 동적 보상 바람 측정 레이저 레이더 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    파워 스펙트럼 계산 모듈은 A/D 샘플링 신호를 계산하여 펄스 신호 파워 스펙트럼을 획득하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    레이더 단일 빔 주기의 펄스를 n단으로 분할하고,

    t는 단일 빔의 체류 시간이고, 레이저의 반복 주파수는 FkHz이고, M은 펄스 누적 횟수인 것을 특징으로 하는 시스템.
KR1020237012186A 2020-10-14 2021-08-30 동적 보상 바람 측정 레이저 레이더 시스템 및 그 바람 측정 방법 KR20230121030A (ko)

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