KR101236722B1 - 3차원 레이저 어레이부가 구비된 강수입자 밀도관측 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 레이저 어레이가 구비된 강수입자 밀도관측 시스템에 관한 것으로서, 원통형 몸체 내측 면에 복수로 배열되어 레이저 빔을 발진시키는 레이저 송신부; 상기 레이저 송신부에 대응하여 상기 원통형 몸체 내측 면에 복수로 배열되는 레이저 수신부; 및 상기 원통형 몸체 내측으로 들어오는 강수입자에 의해 차단되는 상기 레이저 빔의 차단신호를 전기적 신호로 변환하여 기록하는 레이저 제어부;를 포함하며, 강수의 입자형태, 부피, 개수, 낙하속도, 강우강도, 밀도 그리고 무게를 통합 측정할 수 있는 효과가 있다.

Description

3차원 레이저 어레이부가 구비된 강수입자 밀도관측 시스템{Precipitation observation system with three dimensional laser array}

본 발명은 3차원 레이저 어레이가 구비된 강수입자 밀도관측 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3차원으로 배치된 레이저 송, 수신부 및 중량측정부를 구비하여 강수의 입자형태, 부피, 개수, 낙하속도, 강우강도, 무게 및 밀도를 통합 측정할 수 있는 강수관측 밀도관측시스템에 관한 것이다.

대기의 기상현상 중 강수현상 관측을 위한 관측기기는 1441년 세종대왕의 측우기의 발명 이후 세계적으로 보다 정밀한 관측을 위해 발전되어 왔다.

그 중 비를 관측하는 대표적인 장비인 우량계는 저수형 원통우량계, 저수형 자기우량계, 전도형 우량계, 중량형 우량계 그리고 로드 셀(load cell)형 우량계 등 여러 종류가 있다. 눈의 경우 대부분 적설관측을 위한 관측장비가 대부분이며 그 종류는 관측방법에 따라 사람의 직접 목측을 이용한 적설판을 비롯하여 적외선방식을 이용한 적외선적설관측기기, 영상카메라를 이용한 영상적설관측기기, 초음파를 이용한 초음파적설관측기기 그리고 레이저를 이용한 레이저적설관측기기 등이 있다.

강수현상의 관측은 대표적으로 그 양이나 깊이를 관측하는데 중점을 두었으나 레이더 및 기상위성 등 원격탐사장비가 개발된 후 정량적 강수예보를 위한 강수의 입자 크기, 형태, 농도, 낙하속도, 강우강도 그리고 중량에 대한 정밀한 관측의 필요성이 대두되고 있다.

현재 세계적으로 강수입자를 관측하기 위해 고안된 대표적인 장비는 광학방식을 이용한 강수입자관측장비(Disdrometer)가 개발되어 사용되고 있다. 이러한 강수입자관측장비(Disdrometer)는 강수입자의 크기, 낙하속도, 강우강도, 시정 그리고 강수형태 등을 측정하는 장비로 레이저 발신기에서 광선의 수평 빔(beam)을 발생시켜 이를 수신장치에서 전기신호로 전환한다. 그럼에도 강수입자관측장비(Disdrometer)는 이차원 레이저 방식으로 강수(비, 눈)의 정확한 형태, 부피, 밀도 그리고 강수의 상당수량을 관측하지 못하는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 대기의 기상현상 중 강수현상을 관측하는 기기로써 비를 관측하는 우량계, 눈을 관측하는 적설계 그리고 강수입자를 관측하는 강수입자관측장비(Disdrometer)의 단점을 보완하고, 강수의 3차원 입자형태, 크기, 농도, 낙하속도, 강우강도 그리고 강수의 즉시적 상당수량을 수 마이크로초(㎲)와 수 마이크로그램(㎍)으로 관측 가능한 강수입자 밀도관측 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 원통형 몸체 내측 면에 교대로 배치되고, 복수로 배열되며, 각각의 3차원 좌표값을 가지고, 레이저 빔을 발진시키는 레이저 송신부; 상기 레이저 송신부에 대응하여 상기 원통형 몸체 내측 면에 교대로 배치되고, 복수로 배열되며, 각각의 3차원 좌표값을 가지는 레이저 수신부; 상기 원통형 몸체 내측으로 들어오는 강수입자에 의해 차단되는 상기 레이저 빔의 차단신호를 전기적 신호로 변환하여 기록하는 레이저 제어부; 및 상기 레이저 제어부와 연결되고, 상기 레이저 제어부에 기록된 전기적 신호를 입력받는 데이터 수집기; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 어레이부가 구비된 강수입자 밀도관측 시스템을 제공한다.
또한, 상기 레이저 제어부는 차단신호가 감지된 레이저 송신부의 3차원 좌표값과 상기 전기적 신호를 1㎲ 이상의 시간단위로 기록하는 것일 수도 있다.
또한, 상기 원통형 몸체를 통과한 강수입자는 고정밀 전자저울이 구비된 저수병으로 유입되는 것일 수도 있다.
또한, 상기 전자저울은 1㎍ ~ 300㎏까지의 무게를 측정하되, 1㎲ 이상의 시간단위로 측정하는 것일 수도 있다.
또한, 상기 전자저울로부터 측정된 무게와 강수량단위(mm)로 변환된 값을 산출하여 전송하는 중량측정 제어부를 더 포함할 수도 있다.
또한, 상기 저수병에 유입된 강수는 10분간 무 강수 시 1분 이내에 자동으로 배출되는 것일 수도 있다.
또한, 상기 강수입자 밀도관측 시스템은 강수감지센서가 더 포함되는 것일 수도 있다.

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본 발명에 의한 3차원 레이저 어레이가 구비된 강수입자 밀도관측 시스템은 강수의 입자형태, 크기, 농도, 낙하속도, 강우강도 그리고 무게를 통합 측정할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 3차원 레이저 어레이부가 구비된 강수입자 밀도관측 시스템의 구성도,
도 2는 도 1의 3차원 레이저 어레이부의 평면도,
도 3 및 도 4는 레이저를 이용한 강수입자의 형태, 부피, 개수 등을 측정하는 모식도이다.

이하, 본 발명에 의한 3차원 레이저 어레이부가 구비된 강수입자 밀도관측 시스템의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 3차원 레이저 어레이부가 구비된 강수입자 밀도관측 시스템의 구성도이며, 도 2는 도 1의 3차원 레이저 어레이부의 평면도이고, 도 3 및 도 4는 레이저를 이용한 강수의 형태, 부피, 개수를 측정하는 모식도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명은 3차원 레이저 어레이부(10)와 저수병부(20)를 포함한다. 3차원 레이저 어레이부(10)는 원통형 몸체(11)와 몸체 내벽에 설치되는 레이저 송신부(12)와 수신부(13)를 포함한다. 원통형 몸체의 상부에는 3차원 레이저 어레이부(10)를 개폐할 수 있는 커버(미도시)가 설치되는 것이 바람직하다. 레이저 송신부(12)와 수신부(13)는 정확히 원통형 몸체(11) 내측 면에 교대로 설치되고, 하나의 레이저 송신부(12)와 이와 대응되는 하나의 레이저 수신부(13)가 원통형 몸체의 중심점을 대칭점으로 하여 서로 반대 측 내벽에 설치된다. 각각의 레이저 송,수신부(12, 13)는 설치 위치에 따른 3차원 좌표값(x,y,z)을 가진다.

레이저 송,수신부(12, 13)의 내측으로는 보호벽(14)이 설치된다. 보호벽(14)은 강수입자(D)에 의해 레이저 송,수신부(12, 13)가 훼손되는 것을 방지한다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 레이저 송신부(12)는 기기의 입구를 통해 강수입자(비, 눈)가 들어올 때 레이저 빔(beam)(L)을 발생시키고 레이저 수신부(13)는 상기 레이저 빔(L)을 수신하여 전기신호를 변환한다. 레이저 송신부(12)에서 발진된 레이저빔은 수신부의 광전소자(미도시)에 입사되고, 강수입자가 없는 상태에서 수신부는 최대 전압값을 출력한다. 레이저빔을 통과하는 강수입자(D)가 있는 경우 강수입자는 그 지름에 해당하는 만큼 레이저 빔의 일부분을 차단(block off)하고, 레이저 수신부(14)는 감소된 전압값을 출력하게 된다. 감소된 전기신호의 출력값은 기 입력되어 있는 고유의 3차원 레이져 좌표값(x, y, z)으로 입력되어 데이터 수집기(logger)(30)에 저장된다. 이때 신호값은 수 마이크로초(㎲) 시간단위로 관측되어 기록된다. 표출시스템(40)은 상기 관측 데이터를 기초로 강수입자의 형태, 부피, 개수를 측정하고 상단 레이져빔(upper laser beam)과 하단 레이져빔(lower laser beam)의 측정차이로 낙하속도를 계산하여 출력하게 된다. 또한, 측정된 부피와 질량으로 기초로 밀도를 계산하여 출력하게 된다.

레이저 송수신부의 레이저 발진 및 수신 및 전기적 신호로의 변환은 레이저 제어부(15)를 통하여 이루어진다. 레이저 제어부(15)는 데이터 수집기(30)와 연결된다.

레이저 송,수신부(12, 13)를 통과한 강수는 중량측정부(20)로 유입되어 저장된다. 중량측정부(20)는 저수병(21)과 전자저울(22)을 포함한다. 저수병(21)은 전자배출 제어센서(24)에 의해 작동하는 배출구(23)가 설치되고, 전자배출 제어센서(24)는 강수감지센서(25)와 연결된다.

강수감지센서(25)는 압전소자 방식이나 광센서 방식 등 공지된 강수감지센서가 사용될 수 있다. 강수감지센서(25)가 강수를 감지하면 전자배출 제어센서 부에 신호를 보내어 저수병(21)의 배출구(23)를 열고 저수병(21)에 남아 있는 강수를 배출시킨다.

전자저울(22)은 저수병(21)에 저장된 빗물의 무게를 수 마이크로초(㎲) 시간단위로 측정하고, 수 마이크로그램(㎍) 단위로 300kg까지 측정한다. 관측된 강수량의 무게는 데이터 수집기(30)에 실시간으로 전송되며, 데이터의 저장은 무게 단위뿐만 아니라 그 무게를 강수량 단위(mm)로 변환한 값으로도 저장된다.

연속적으로 측정되는 강수량이 저수병(21)에서 1,100 mm 이상이거나 전자저울에서 300kg 이상을 초과하는 경우 또는 10분간 무 강수 시에는 1분 이내로 전자배출 제어센서(24)의 작동에 의해 배출구(23)를 통해서 자동 배출되고 배출시간은 시스템 제어부(31)에 기록된다. 또한, 강수발생 이후 무 강수가 10분간 지속되면 저수병(21)에 저장된 강수는 1분 이내로 자동 배출된다.

저수병(21)은 열선(27))을 포함한다. 열선(27)은 측정 개시에 앞서 저수병(21)에 잔존하는 강수를 증발시켜 측정오차를 줄이기 위한 것이다. 강수감지센서(25)가 강수를 감지하면 저수병 제어부(26)는 열선(27)을 가동시켜 저수병(21)에 잔존하는 강수입자를 증발시켜 제거한다. 전자저울(22)의 중량측정, 전자배출 제어센서 및 열선(27)의 가동은 중량측정 제어부(26)를 통해서 이루어진다.

레이저 제어부(15)와 중량측정 제어부(26)는 데이터 수집기(30)와 시스템 제어부(31)에 연결된다. 시스템 제어부(40)는 강수감지센서(25)로부터 감지되는 강수신호에 의해 관측개시를 지시하고, 데이터 수집기(30)에 저장된 관측기록을 바탕으로 강수입자의 3차원 형태, 부피, 개수, 낙하속도, 무게를 계산하고 표출한다.

이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위는 상기 실시 예에 한정되는 것이 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 3차원 레이저 어레이부 11: 원통형 몸체
12: 레이저 송신부 13: 레이저 수신부
15: 레이저 제어부 20: 중량측정부
21: 저수병 22: 전자저울
23: 배출구 24: 배출구 제어센서
25: 강수감지센서 26: 중량 측정부 제어부
30: 데이터 수집기(로거) 40: 표출 시스템

Claims (9)

1. 원통형 몸체 내측 면에 교대로 배치되고, 복수로 배열되며, 각각의 3차원 좌표값을 가지고, 레이저 빔을 발진시키는 레이저 송신부;
   상기 레이저 송신부에 대응하여 상기 원통형 몸체 내측 면에 교대로 배치되고, 복수로 배열되며, 각각의 3차원 좌표값을 가지는 레이저 수신부;
   상기 원통형 몸체 내측으로 들어오는 강수입자에 의해 차단되는 상기 레이저 빔의 차단신호를 전기적 신호로 변환하여 기록하는 레이저 제어부; 및
   상기 레이저 제어부와 연결되고, 상기 레이저 제어부에 기록된 전기적 신호를 입력받는 데이터 수집기; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 어레이부가 구비된 강수입자 밀도관측 시스템.
   
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4. 제 1항에 있어서,
   상기 레이저 제어부는 차단신호가 감지된 레이저 송신부의 3차원 좌표값과 상기 전기적 신호를 1㎲ 이상의 시간단위로 기록하는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 어레이부가 구비된 강수입자 밀도관측 시스템.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 원통형 몸체를 통과한 강수입자는 고정밀 전자저울이 구비된 저수병으로 유입되는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 어레이부가 구비된 강수입자 밀도관측 시스템.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 전자저울은 1㎍ ~ 300㎏까지의 무게를 측정하되, 1㎲ 이상의 시간단위로 측정하는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 어레이부가 구비된 강수입자 밀도관측 시스템.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 전자저울로부터 측정된 무게와 강수량단위(mm)로 변환된 값을 산출하여 전송하는 중량측정 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 어레이부가 구비된 강수입자 밀도관측 시스템.
   
8. 제 5항에 있어서,
   상기 저수병에 유입된 강수는 10분간 무 강수 시 1분 이내에 자동으로 배출되는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 어레이부가 구비된 강수입자 밀도관측 시스템.
   
9. 제 1항에 있어서,
   상기 강수입자 밀도관측 시스템은 강수감지센서가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 어레이부가 구비된 강수입자 밀도관측 시스템.
   
   
   
   
   

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