KR101876928B1 - 레이더와 반사체를 이용한 구조물 변형 감지 시스템 - Google Patents

레이더와 반사체를 이용한 구조물 변형 감지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 사람이 직접 측량하지 않고도 지속적으로 구조물의 변형 상태를 감시할 수 있는 구조물 변형 감지 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 상기와 같은 구조물 변형 감지 시스템을 제공함에 있어서, 기상의 변화 등에 구조물이 아닌 센서 자체가 영향을 받을 염려가 적어 오차 문제가 적고 시공이 좀 더 용이한 기술 구성을 제공하고자 하는 것이기도 하다.
상기 목적에 따라 본 발명은 실시간으로 구조물의 외부 즉 표면의 변형을 측정하기 위하여, 구조물 표면에 다수의 전파 반사체를 부착하고, 부착된 반사체를 감지할 수 있는 전파 레이더를 설치하여, 레이더로 반사체의 거리, 각도, 반사량을 측정하여, 측정된 자료를 디지털화하고, 이를 데이터베이스로 구축하여 저장한 다음, 초기 데이터들에 대해 지속적으로 데이터의 변화량을 분석하여 구조물의 변형을 판단할 수 있는 구조물 변형 감지 시스템을 제공한다. 즉 레이더와 반사체를 이용하면, 구조물 표면의 변화 정도를 실시간으로 분석할 수 있다.

Description

레이더와 반사체를 이용한 구조물 변형 감지 시스템{STRUCTURE DEFORMATION EARLY MONITORING SYSTEM USING RADAR AND REFLECTORS}
본 발명은 절개지, 건물, 도로, 다리, 터널 등과 같은 각종 구조물의 형상의 변화를 감지하는 관제 시스템에 관한 것이다.
구조물은 시간이 지남에 따라 사용 하중에 의하여 변형이 발생한다. 이러한 변형이 계속 누적되면 구조물의 붕괴로 이어질 수 있기 때문에, 구조물의 변형을 측정하는 것은 구조물의 상태를 판단하는데 있어서 매우 중요한 근거가 된다. 기존에는 구조물의 변형 정도를 측정함에 있어서, 측량으로 수평방향 및 수직방향의 변형 여부를 측정하여 구조물의 안전성을 판단하였다. 하지만 기존의 방법은 주기적으로 사람들이 직접 현장에서 측량을 실시하여야 하는 불편함이 있다. 또한, 구조물의 표면이 대부분 옥외에 노출되어 있기 때문에 기상 상태가 좋지 않은 경우에는 측량이 어렵다는 문제도 있다. 또한, 측량자의 안전이 보장될 수 없다는 점과 함께 측량의 오차도 문제가 되었으며, 사람의 측량으로는 분 단위 또는 시간 단위로의 측량이 불가능하다.
또한, 구조물 중에서 사람의 활동이 원활하지 않은 곳의 측량은 더욱 어렵기 때문에 구조물의 변형에 즉각적으로 대응하기 어렵고, 실시간으로 변형을 측정하지 못하기 때문에 구조물의 변형에 따른 안전사고의 예방에 미흡한 측면이 있었다. 따라서 보다 쉽고 간단한 방법으로 구조물의 변형 여부를 실시간으로 정밀하게 측정할 수 있는 기술의 개발이 필요하다.
대한민국 공개번호 10-2014-0128508호에는 광섬유를 적용한 사면 변형 감지 시스템이 공개되어 있으나, 시공 상의 어려움이 있고, 눈, 비, 바람 등의 외부 환경에 따라 구조물이 아닌 광케이블 자체의 위치 변동 등으로 인해 오차가 발생하는 문제가 있다.
따라서 본 발명의 목적은 사람이 직접 측량하지 않고도 지속적으로 구조물의 변형 상태를 감지할 수 있는 구조물 변형 감지 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 상기와 같은 구조물 변형 감지 시스템을 제공함에 있어서, 기상의 변화 등으로 인해 구조물이 아닌 센서 자체가 영향을 받을 요인이 적기 때문에 측정 오차가 적고 시공이 좀 더 용이한 기술 구성을 제공하고자 하는 것이기도 하다.
상기 목적에 따라 본 발명은 실시간으로 구조물의 외부, 즉 표면의 변형을 측정하기 위하여, 구조물 표면에 다수의 전자파 반사체를 부착하고, 부착된 반사체를 감지할 수 있는 전자파 레이더를 설치하여, 레이더로 반사체의 거리, 각도, 반사량을 측정하여, 측정된 자료를 디지털데이터로 변환하고, 이를 데이터베이스로 구축하여 저장한 다음, 초기 데이터들에 대해 지속적으로 데이터의 변화량을 분석하여 구조물의 변형을 판단할 수 있는 구조물 변형 감지 시스템을 제공한다. 즉 레이더와 반사체를 이용하면, 구조물 표면의 변화 정도를 실시간으로 분석할 수 있다.
또한, 레이더와 함께 사람이 눈으로 직접 확인하기 위한 영상 감시를 추가하여, 구조물의 표면과 반사체를 영상으로도 감시할 수 있도록 한다.
또한, 레이더에 의한 데이터베이스를 포함한 영상 감시 시스템을 앱으로 구축하여 관리자가 모바일단말기로 용이하게 상황을 파악할 수 있게 한다.
상기 앱은, 실시간으로 분석된 정보를 토대로 변형 정도가 일정 수준을 넘게 되면, 구조물의 안전사고 예방을 위하여, 구조물 관리자, 상위 관리자, 관련 기관에 실시간으로 경고를 하는 시스템을 구비한다.
즉, 본 발명은,
전파를 반사하는 반사체;
상기 반사체에 전파를 송신하고 반사체에 의해 반사된 반사파를 수신하는 레이더; 및
상기 레이더와 연결되어 반사체로부터 반사되는 반사파 신호에 대한 정보를 데이터베이스로 구축하고 반사파 신호를 지속적으로 업데이트 하는 컴퓨터;를 구비하고,
감시하고자 하는 구조물의 표면에 상기 반사체를 하나 이상 고정하고,
레이더를 반사체들에 대해 전파를 송수신할 수 있는 지점에 배치하여,
특정 시점에 반사체들로부터 수신된 반사파들의 반사각, 반사량 또는 기준점으로부터 반사체의 위치 중 하나 이상의 데이터를 레이더로부터 받아 컴퓨터 서버에 데이터베이스로 구축하고,
반사체들로부터 반사각, 반사량 또는 기준점으로부터 반사체의 위치 중 하나 이상의 데이터를 지속적으로 수신하여 데이터베이스를 업데이트하면서 초기 데이터와 비교분석하는 것을 특징으로 하는 구조물 형상 감지시스템을 제공한다.
상기에 있어서, 반사체까지의 거리는 레이더의 시스템 사양에 의해 결정되는 거리 해상도보다 정밀한 해상도를 얻기 위하여 매스 알고리즘(mass algorithm), 센트로이드(centroid), 내삽(interpolation) 중 하나 이상의 방법을 이용해 반사체로부터 반사되는 반사파의 주파수(frequency)를 추정하여 정밀한 결과값을 얻는 것을 특징으로 하는 구조물 형상 감지시스템을 제공한다.
상기에 있어서, 레이더와 함께 비디오 카메라를 더 구비하여 구조물의 형상을 영상으로도 감시하는 것을 특징으로 하는 구조물 형상 감시시스템을 제공한다.
상기에 있어서, 반사체의 형상은 구, 실린더, 평판, 평판을 접은 코너 형태, 삼각형 세 개를 이어 만든 오목부를 갖는 개방형 사면체, 사각형 세 개를 이어 만든 오목부를 갖는 개방형 다면체, 부채꼴 세 개를 이어 만든 오목부를 갖는 개방형 곡면체, 또는 개방부를 갖는 다면체 중 하나인 것을 특징으로 하는 구조물 형상 감시시스템을 제공한다.
상기에 있어서, 관측되는 반사각, 반사량 또는 기준점으로부터 반사체의 위치 중 하나 이상의 데이터 종류별로 임계치를 설정하여 각 데이터의 변화량이 임계치에 도달하면 컴퓨터에서 경고 메시지를 발생하는 것을 특징으로 하는 구조물 형상 감시시스템을 제공한다.
상기에 있어서, 다수의 반사체 각각에 대해 특정 시점에 레이더에 의해 위치정보를 파악하여 구축된 상기 데이터베이스에 반사체별로 데이터를 관리하는 것을 특징으로 하는 구조물 형상 감시시스템을 제공한다.
상기에 있어서, 다수의 반사체 각각에 대해 특정 시점에 레이더에 의해 위치정보를 파악하여 구축된 상기 데이터베이스에 반사체들의 데이터를 동일 시각에 대해 수집하여 관측대상 구조물의 전체적인 변화 추이를 파악하는 것을 특징으로 하는 구조물 형상 감시시스템을 제공한다.
또한, 상기 감시시스템을 앱으로 구축하여 관리자는 모바일 단말기를 이용하여 감시시스템에 접속할 수 있는 것을 특징으로 하는 구조물 형상 감시시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은,
전파를 송신하고 반사체에 의해 반사된 반사파를 수신하는 레이더; 및
상기 레이더와 연결되어 반사체로부터 반사되는 반사파 신호에 대한 정보를 데이터베이스로 구축하고 반사파 신호를 지속적으로 업데이트 하는 컴퓨터;를 구비하고,
상기 레이더는 물의 수위(水位)를 측량할 수 있도록 수면 위에 설치되고,
반사체는 수면으로서,
레이더에 의해 수면에 의해 반사된 반사파를 통해 레이더가 설치된 지점과 수면 사이의 거리를 측정함으로써 수위를 지속적으로 측량할 수 있는 것을 특징으로 하는 수위 측량 시스템을 제공한다.
상기에 있어서, 수면까지의 거리는 레이더의 시스템 사양에 의해 결정되는 거리 해상도보다 정밀한 해상도를 얻기 위하여 수면에서 반사된 반사파의 주파수(frequency)를 매스 알고리즘(mass algorithm), 센트로이드(centroid), 내삽(interpolation) 중 하나 이상의 방법을 이용해 수면으로부터 반사되는 반사파의 주파수(frequency)를 추정하여 정밀한 결과값을 얻는 것을 특징으로 하는 수위 측량 시스템을 제공한다.
상기에 있어서, 주파수 추정을 통해 구한 주파수에 해당하는 거리 값을 소정 시간 동안 저장하여 히스토그램(histogram)을 생성한 후 히스토그램이 나타내는 확률 분포를 확인하여 가장 높은 빈도를 가지는 거리를 수위값으로 판단하는 수위 측량 시스템을 제공한다.
상기에 있어서, 레이더는 다수 지점의 수위를 측량하여, 동일 시각 대의 지점간 수위를 분석하고 시계열적으로 지점간의 수위 변화를 분석하여 파고를 파악하는 것을 특징으로 하는 수위 측량 시스템을 제공한다.
상기에 있어서, 수위 또는 수위 변화량의 임계치를 설정하여 그 이상이 측량되면 경고를 발하는 것을 특징으로 하는 수위 측량 시스템을 제공한다.
상기의 수위 측량 시스템을 하나 이상의 하천에 다수 설치하고 네트워크로 관리하여 홍수를 예보하는 것을 특징으로 하는 수위 관제 시스템을 제공한다.
또한, 상기 수위관제 시스템을 앱으로 구축하여 관리자는 모바일 단말기를 이용하여 수위관제시스템에 접속할 수 있는 것을 특징으로 하는 수위 관제 시스템을 제공한다.
상기에 있어서,
상기 레이더는 훼손을 막기 위해 특정 높이 이상으로 설치되고, 이물질이 쌓이지 않도록 기울기를 가지는 외부 커버를 구비하되, 외부 커버의 재질은 금속성이 아닌 유전체 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 구조물 형상 감시시스템을 제공한다.
상기에 있어서, 상기 외부 커버에 열선을 매립하여 눈이 녹을 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 구조물 형상 감시시스템을 제공한다.
상기에 있어서, 감시대상 구조물은, 건물 외벽, 절개지, 도로공사장 또는 지하철 공사장 시설물, 상수도 배관 매립용 시설물, 전선 매립용 시설물, 쌓여진 건축자재를 포함하는 특징으로 하는 구조물 형상 감시시스템을 제공한다.
레이더는 전파를 이용하는 방식으로 구조물의 표면이 옥외에 노출되어 있는 상황에서, 옥외의 주변 환경, 눈, 비, 바람, 안개, 주간, 야간에 관계없이 감지 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 반사체는 구조물 표면에 부착하는데, 레이더가 구조물과 반사체를 감지하더라도 반사체 고유의 반사 특성으로 구조물과 반사체를 구별할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 구조물 변형 감지 시스템을 경사면에 구축한 일례를 도시한 개략도이다.
도 2는 반사체의 구조와 형상에 다른 반사율을 설명하는 그림이다.
도 3은 레이더의 구성과 기능을 설명하는 개략도이다.
도 4 내지 도 6는 영상 감시 시스템과 레이더-반사체 시스템이 결합되어 구축된 앱 화면을 보여주며 기능을 설명하는 도면이다.
도 7은 레이더가 절개지를 정면으로 바라보도록 설치한 예(상)와 절개지를 비스듬히 바라보도록 설치한 예(하)를 보여준다.
도 8은 frequency estimation의 예로 frequency peak의 무게중심을 찾거나 내삽(interpolation) 기법을 통해 정확도를 향상시킬 수 있다는 것을 보여준다.
도 9는 레이더(200)에 커버(250)를 씌운 것을 보여준다.
도 10에는 상술한 본 발명의 실례를 순서도로 나타내었다.
도 11은 본 발명의 반사체-레이더 관제 시스템을 건축물 감지에 적용한 것을 도시한다.
도 12는 본 발명에 따라 레이더로 수면의 높이를 측량하는 모습을 보여준다.
도 13은 실시간으로 수위를 계산하는 과정에서 과거 특정 시간 동안의 데이터를 저장하여 histogram을 만든 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실례에 대해 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명에 따라 절개지 사면에 반사체들을 부착하여 레이더와 디지털 비디오 카메라를 결합하여 절개지의 형상을 감지하는 시스템 구축에 대한 일례를 보여준다. 즉, 레이더에 대해, 전자파를 반사하여 절개지의 형상을 지속적으로 감지할 수 있게 하는 반사체를 절개지 사면에 다수 분포시켜 전자파 반사량과 반사각도 및/또는 반사체와 기준점(레이더 위치일 수 있다)으로부터의 거리와 위치(방위)를 지속적으로 측정하고, 각 물리량에 대해 임계치를 설정하여 이를 벗어나면 경고메시지를 띄워 직접 사람이 시찰을 하거나 토목공사 등의 실질적인 조치를 취하도록 하려는 것이다. 즉, 감시대상 구조물은, 건물 외벽, 절개지, 도로공사장 또는 지하철 공사장 시설물, 상수도 배관 매립용 시설물, 전선 매립용 시설물, 쌓여진 건축자재 등에 적용될 수 있다. 지형이나 구조물의 위치나 형태에 영향을 줄 수 있는 현장에 설치하여 위험을 경보 할 수 있다.
즉, 본 실시 예는 산사태 경보 시스템과 마찬가지로 반사체를 위치/형태의 변화 관측이 필요한 여러 가지 대상체에 설치하고 레이더로 실시간 감시하여 형상 변화를 관찰하고 변화량이 일정 수준 이상이 되는 경우 경보를 하는 것이다.
이를 위해 먼저, 다수의 반사체를 감지하고자 하는 구조물에 부착 설치하여야 한다. 반사체의 형상은 필요에 따라 다양하게 구성될 수 있다.
반사체(100)의 형상은 다양하게 만들어질 수 있다.
도 2에는 반사체에 대한 다양한 형상과 그에 따른 반사 표면적을 보여준다. 반사체 형상에 따라 전자파의 반사량이 달라지므로 반사체(100)를 설치한 후 초기 전자파 반사량 등의 물리량을 측정하여 데이터베이스를 구축한다. 반사체(100)의 형상은 구, 실린더, 평판, 평판을 접은 코너 형태, 삼각형 세 개를 이어 만든 오목부를 갖는 개방형 사면체, 사각형 세 개를 이어 만든 오목부를 갖는 개방형 다면체, 1/4 원형 등의 부채꼴 세 개를 이어 만든 오목부를 갖는 개방형 곡면체, 개방부를 갖는 다면체 등 다양하게 구성될 수 있다. 즉, 구조물 표면이 곡면인지 사면인지 평면인지의 여부에 따라 선택적으로 구성될 수 있다.
도 2 하단에는 개방형 사면체(110)의 꼭지점에 막대(120)를 접속한 반사체(100)를 보여준다. 이러한 반사체(100)는 경사면에 거의 균일한 분포로 부착될 수 있다. 부착 방법은 반사체를 구조물 표면에 시멘트 등의 접착제를 이용하여 부착하는 것일 수 있다. 막대를 구비한 반사체는 막대를 이용하여 흙에 꽂아 두는 것도 가능하다. 건물의 벽면, 다리의 이음새 부분과 기타 구조물의 취약부분에 대해 건축 시에 반사체를 설치하면서 공사할 수도 있다.
전자파는 도체에 입사하면 전반사(total reflection)된다. 이러한 성질을 이용하여 도체로 전자파를 차폐하거나 반사판처럼 전자파를 특정 방향으로 보내는 것이 가능하다.
도체에 대한 전자기파의 반사 원리는, 정확히 표현하면 반사라기보다는 재생산의 의미로 볼 수 있다. 전자파는 전기를 잘 전달하는 도체에 닿으면서 거의 모든 에너지가 순간적으로 도체의 표면 전류로 변화된다. 이로 인해 갑작스럽게 발생 된 표면 전류는 입사각과 같은 각도의 전자기파를 생성한다. 여기서, 전자기파의 생성 원리 자체가 전류의 변화라는 점을 상기할 필요가 있다. 이 과정에서 도체에 의한 손실 성분, 즉 도전율에 따라 약간의 손실이 발생한다. 도체에 의한 반사 현상을 고려하여 반사체에 의한 전자파 반사각을 관찰하면, 반사체의 형상 변화를 알 수 있고 이것은 구조물에 고정된 반사체가 구조물의 형상 변화에 의해 나타난 변화로 판단될 수 있다. 반사체의 의한 반사각뿐만 아니라 반사량과 거리 데이터를 함께 관측하여 변화 상태를 좀 더 명확하게 파악할 수 있다.
레이더는 개개의 반사체에 대해 전자파를 송신하고 돌아오는 전자파를 수신하며, 레이더와 연결된 컴퓨터에는 수신 신호를 초기 데이터베이스와 비교 분석하여 구조물의 형상 변화를 지속적으로 감지한다.
만일 어느 구조물에 n개의 반사체가 설치된 경우, 레이더는 각 반사체까지의 거리와 방위각과 같은 위치를 인식하여 각 반사체를 구별되게 인식할 수 있으므로 컴퓨터(또는 프로세서를 갖춘 보드)에서 데이터베이스 구축 시 개개의 반사체에 대해 순번을 부여하고, 이후 반사 신호에 대한 변화 분석을 실시하여 관리한다.
한편, 레이더에 의한 정보만으로 구조물을 감시하기에는 명백한 확인이 되지 않는다는 점이 있다.
그에 따라 본 실시예에서는 영상으로도 구조물의 형상을 감시할 수 있도록 디지털 비디오 카메라를 레이더와 함께 설치하여 영상을 함께 관찰할 수 있게 하였다. 즉, 비디오 카메라를 레이더와 함께 설치하여 레이더가 바라보는 방향을 바라보도록 함으로써, 구조물의 영상을 지속적으로 수신하여 레이더에 의한 데이터 분석 결과와 함께 영상을 관찰하여 문제 발생을 직관적으로 조기 판단할 수 있으며, 문제 발생 시에도 영상으로 먼저 확인하고 인력을 파견할 수 있다.
레이더와 비디오 카메라에 의한 영상 감시 시스템은 컴퓨터 서버를 이용하여 웹 사이트를 구축하고 앱으로 구현될 수 있다. 그에 따라 스마트 폰과 같은 단말기를 소지한 관리자는 편리하게 구조물을 감시할 수 있다.
본 실시예의 구현에 대해 정리 요약하면 다음과 같다.
① 다수의 반사체를 구조물 표면에 부착
② 레이더를 이용하여 구조물 표면의 다수의 반사체를 감지
③ 감지된 반사체 거리, 각도, 반사량을 기초로 초기 감지 기준 설정
④ 레이더를 이용하여 지속적으로 반사체의 거리, 각도, 반사량 측정
⑤ 측정된 자료를 누적하고, 표준편차 알고리즘을 이용하여 자료를 가공
⑥ 초기 감지 기준과 가공된 자료를 비교하여, 반사체의 변화를 분석
⑦ 반사체의 변화가 설정된 값 이상일 경우 구조물이 변형된 것으로 판단하고, 구조물 관리자에게 경고
⑧ 구조물 관리자는 반사체 변화량과 영상감지 자료를 확인, 안전사고 예방을 위한 조치를 취함
도 3에는 레이더의 기능에 대한 이해를 돕는 개략도가 나와 있다.
본 실시예에서는 레이더를 구조물에 부착된 반사체들을 감시할 수 있는 지점에 설치하여 구조물 형상을 감시하도록 한 것이다. 레이더는 야간은 물론, 폭설, 폭우, 안개와 같은 기상악화 환경 하에서도 신뢰성 있는 데이터를 수집할 수 있는 장점이 있다. 이는 곧 위험 상황이 발생 될 수 있는 환경에 처하여 진 경우, 구조물에 대한 정보를 정확히 수집할 수 있는 장점이 되며, 그에 따라 안전 대피 조처 등이 신속히 발하여 질 수 있게 한다.
본 실례에 사용된 디지털 비디오 카메라와 그에 따른 영상 감시에 대해 도 4에 도시하였다.
필름 없이 전자 센서를 이용하여 영상을 감지하여, 촬영한 영상 정보를 MPEG, DV, MJPEG 등의 디지털 동영상 파일 형식으로 저장할 수 있는 카메라가 디지털 비디오 카메라이다. 일반 카메라는 영상을 아날로그 데이터로 저장하는 데 비해 영상을 비트맵으로 분할하고, 각각의 휘도를 디지털 데이터로 기록한다. 사진 촬영 후 외부 컴퓨터와 연결하여 영상을 전송할 수 있으며, 컴퓨터로 간편하게 편집, 수정, 출력 등을 할 수 있다.
도 5는 전국적으로 반사체와 레이더가 설치된 지역을 영상으로 동시 다발적인 감지를 할 수 있도록 네트워크로 구축된 감지 시스템으로 감지하는 중앙의 관리자 컴퓨터 화면의 일례를 보여준다. 지도와 더불어 각 지역별 썸네일 영상이 도시되고 특정 썸네일을 클릭하여 확대 영상을 볼 수 있다.
도 6은 앱으로 구축하여 관리자가 스마트폰으로 관찰하는 장면을 보여준다.
도 7은 레이더가 절개지를 정면으로 바라보도록 설치한 예(상)와 절개지를 비스듬히 바라보도록 설치한 예(하)를 보여준다. 레이더 설치 지점은 주변 환경에 맞추어 적절한 곳으로 선택되고, 절개지 내에 하나의 반사체의 위치를 기준점으로 선택한다. 레이더는 하나의 절개지에 대해 하나 또는 다수가 설치될 수 있다.
반사체들의 설치 위치의 한계는 레이더가 바라보는 평면 방향에 대해 거리(radial) 방향으로는 레이더의 사용 전파 주파수의 대역폭(bandwidth)에 따른 거리 분해능에 의해 결정되고 각도(azimuth) 방향으로는 안테나 구경(aperture)에 의한 빔 폭(beamwidth)에 따른 각도 분해능에 의해 결정된다. 안정적인 감지를 위해 각각의 방향으로 적어도 거리/각도 분해능에 해당하는 대역폭과 빔 폭의 두 배 이상에 해당되는 위치까지 반사체를 설치하는 것이 바람직하다.
레이더에 의해 측정된 물리량들에 대해 반사체의 위치별로 수집/관리된다. 이때 반사체의 위치는 (r,θ)에서 (x,y)로 변환되어 관리될 수 있다.
레이더의 거리 분해능은 대역폭(bandwidth)에 의해 결정되는데 예를 들어 24GHz ISM band의 경우에 200MHz 이하의 bandwidth를 사용할 수 있고, 이 경우에 거리 정확도는 0.75m로 산사태 경보를 위한 센서로는 적합하지 않다. 이러한 거리 부정확성(ambiguity)을 극복하기 위하여 주파수 도메인에서 frequency estimation 기법을 사용한다. 도 8은 frequency estimation의 예로 frequency peak의 무게중심을 찾거나 내삽(interpolation) 기법을 통해 정확도를 향상시킬 수 있다는 것을 보여준다. 그 외 mass algorithm, centroid 법도 적용될 수 있다.
레이더를 통해 반사체의 각도 정보를 추출할 때 기본적인 conventional beamforming 알고리즘에서 steering vector의 각도 단위를 작게 할수록 정확도는 높아진다. 각도 단위가 너무 작은 경우 필요 메모리가 매우 크고 연산량도 많기 때문에 각도 단위를 필요수준보다 크게 설정하는 경우 frequency estimation과 마찬가지로 angular power spectrum의 estimation을 통해 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, angle estimation을 두 단계 이상으로 나누어 처음의 각도 단위는 크게 설정하여 대략적인 피크(coarse peak)를 찾은 후 해당 피크 주변으로 각도를 세밀하게 나누어 계산을 하면 연산량 증가가 심하지 않으면서도 정확한 결과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 첫 번째 단계에서는 각도 단위를 1도로 하여 연산 후 피크를 찾고 그 피크 주변으로 0.1도 단위의 각도 추정을 수행할 수 있다. 더 높은 정밀도가 필요하면 더 작은 각도 단위로 반복 수행하면 된다.
또한 기본적인 각도추정 알고리즘 외에 고해상도 알고리즘(MUSIC, ESPRIT, Maximum Likelihood)을 이용하여 각도 정확도를 높일 수 있다.
다수의 반사체에 대해 개개의 위치, 반사량 및/또는 반사각도 등의 물리량을 각각 데이터베이스에 저장하고 전체적인 지형에 대한 통계치를 생성하여 이에 대해서도 데이터베이스에 저장한다. 이들 데이터는 저마다 분, 시, 일, 월 단위로 지속적으로 갱신되며, 통계처리 된 데이터도 시계열적으로 갱신되고, 평균, 분산, 표준편차와 같은 수량을 포함한다. 한편, 반사체에 의한 물리량 외에 반사체 주변부에 대한 지형 데이터도 수집될 수 있으므로 이들을 반사체를 기준으로 하여 일정 반경 내로 한정하여 주변 데이터를 수집하여 참조데이터베이스로 한다.
또한, 각각의 반사체에 대한 물리량들을 위치별로 같은 시각을 연결하여 측량치를 분석하면 전체 지형이나 구조물의 형상의 전반적인 변화추이를 파악할 수 있다. 통계는 개별 반사체의 시간적 통계, 동일 시각의 지역적 통계를 포함한다.
도 9는 레이더(200)에 커버(250)를 씌운 것을 보여준다. 레이더는 주변 동물 등에 의한 훼손을 막기 위해 특정 높이 이상으로 설치하고 눈이나 빗물이 고이지 않도록 기울기를 갖는 외부 커버(250)를 포함하도록 한다. 외부 커버의 재질은 금속성이 아닌 전자파의 반사율이 낮은 유전체 재질로 한다.
강설이 많은 지역의 경우에, 외부 커버에 열선을 매립하여 눈이 녹을 수 있도록 설치할 수 있다.
도 10에는 상술한 본 발명의 실례를 순서도로 나타내었다.
도 11과 도 12는 본 발명의 반사체-레이더 관제시스템을 건축물 감지와 수면 감지에 적용한 것을 각각 도시한다.
레이더를 이용한 관제/감지 시스템은 절개지뿐만 아니라 지하철 공사장, 상수도 배관 매립 공사장, 전선 매립 현장 주변 등 지형 및 구조물의 위치나 형태의 변화가 안전에 영향을 줄 수 있는 현장에 설치하여 위험을 경보 할 수 있다.
도 11의 실시 예는 산사태 경보 시스템과 마찬가지로 반사체를 위치/형태의 변화 관측이 필요한 대상체에 설치하고 레이더로 실시간 감지하여 반사체를 통한 물리량 변화를 관찰하고 변화량이 일정 수준 이상이 되는 경우 경보를 발한다.
도 12는 레이더를 이용하여 수위(水位) 변화를 감지하는 것을 보여준다.
수위 측량의 경우, 인력으로 실시하는 데에는 오차 포함을 비롯하여 악천후에는 측량이 불가능하다는 문제 그리고 분 단위 시간단위 측량이 어렵다는 문제를 지닌다.
따라서 이러한 수위 측량을 위한 관제 시스템으로서 레이더를 적용한다.
도 12와 같이 레이더를 교량과 같은 곳에 설치하여 수면으로부터 반사되는 반사파를 관찰하면 수위를 지속적으로 측량할 수 있다. 물 자체가 전자파를 반사하는 도체이기 때문에 별도의 반사체를 요하지 않는다. 단지 레이더를 설치함으로써 기존의 카메라에 의한 감지보다 더 정확하게 수위를 측량할 수 있다. 즉, 레이더를 이용하여 수면에 전자기파를 송수신하여 거리 정보를 추출할 수 있고 이를 통해 수위를 측정할 수 있다. 이러한 수위 측정은 안개, 눈, 비 등의 악천후 상황에서도 안정적인 감지 성능을 가지기 때문에 항상 안정적인 수위 측정이 가능하며 악천후 상황에서 사람이 직접 확인할 필요가 없기 때문에 인명사고 위험을 없앰으로써 시스템 관리상의 안전도도 높일 수 있다.
바람 등에 의해 수면의 높이가 변화하는 경우 이를 정확히 측정하여 파고 정보도 제공 가능하다.
또한, 현재의 수위뿐만 아니라 원하는 시간 단위로 변화량을 계산하여 정보를 제공할 수 있고 수위의 변화량이 급격히 변하는 경우 위험 상황을 경보 할 수 있다.
레이더의 특성 상 거리 정확도는 주파수 bandwidth에 반비례하기 때문에 정밀한 측정을 위해서는 bandwidth가 넓어야 한다. 하지만 주파수 규제 등에 의해 bandwidth를 넓게 사용하지 못하는 경우, 본 발명에서는 주파수 추정 기법을 사용하여 주파수 정확도를 높이고 추출된 주파수를 통해 계산되는 거리(수위)의 정확도를 높일 수 있다.
예를 들어, 대역폭(bandwidth)가 200MHz인 경우 거리 정확도는 0.75m로
수위 측정에 적합하지 않지만 제안 방법을 통해 수 cm 단위로 측정 가능하다.
여기서도 도 8과 같이 frequency peak 추출을 통해 수면까지의 거리를 구하는 경우 주파수 bandwidth의 한계 및 FFT의 resolution에 의해 거리 정확도가 정밀하지 않지만, 이를 frequency estimation을 통해 정확도를 높일 수 있다. Frequency estimation의 방법은 mass algorithm, centroid, interpolation 등 다양하게 결정할 수 있다.
Frequency estimation을 통해 매 scan(cycle)마다 거리 정확도를 높인 다 하더라도 레이더의 특성 상 fluctuation에 의해 순간의 거리 정보는 변화할 수 있다. 이러한 이유 때문에 실시간으로 수위를 계산하는 과정에서 과거 특정 시간 동안의 데이터를 저장하여 histogram을 만들면 수위의 확률 분포를 구할 수 있고 통계적 특성이 반영된 더욱 정밀한 수위 측정이 가능하다(도 13 참조).
또한, 과거 특정 시간 동안의 데이터를 저장하여 표준 편차(standard deviation)를 계산함으로써 수면에서 바람이나 조류에 의한 파고 정보를 추출할 수 있다. 즉, 특정 점의 수위와 이와 인접한 지점의 수위를 연계시켜 히스토그램을 그리면 파고를 파악할 수 있다.
이러한 수위 측정 시스템은 하천의 여러 곳에 설치하여 이들을 네트워크로 관리할 수 있다. 서버를 설치하고 각 하천의 수위 측정 시스템에서 수집된 정보를 통합하여 홍수 예보를 할 수 있으며, 다수의 하천에 수위 측정 시스템을 설치하여 서버에서 지도상에 수위 측정 시스템 설치 지점에 대한 정보를 통합 관제할 수 있다. 수위 관제시스템에서도 필요 시 레이더의 설치는 도 9에서와 같이 높이 및 덮개, 덮개에 대한 열선 설치 등을 적용할 수 있고 앱으로 구축되어 모바일 단말기로 관리할 수 있다.
이와 같이 하여, 구조물 및 수위의 관리를 전천후로 지속 감시할 수 있는 레이더-반사체 구조물 변형 감지 시스템을 구현할 수 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실례에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
100: 반사체
110: 개방형 사면체
120: 막대
200: 레이더
250: 커버

Claims (18)

  1. 감시하고자 하는 구조물의 표면에 다수 고정되는, 전파를 반사하는 도체로 된 반사체;
    상기 반사체에 전파를 송신하고 반사체에 의해 반사된 반사파를 수신하는 레이더; 및
    상기 레이더와 연결되어 반사체로부터 반사되는 반사파 신호에 대한 정보를 데이터베이스로 구축하고 반사파 신호를 지속적으로 업데이트 하는 컴퓨터;를 구비하고,
    감시하고자 하는 구조물의 표면에 상기 반사체를 다수 고정하고,
    레이더를 반사체들에 대해 전파를 송수신할 수 있는 지점에 배치하여,
    특정 시점에 각각의 반사체들로부터 수신된 반사파들의 반사각, 반사량 또는 기준점으로부터 반사체의 위치 중 하나 이상의 변수 데이터를 레이더로부터 받아 컴퓨터 서버에 데이터베이스로 구축하고,
    반사체들로부터 반사각, 반사량 또는 기준점으로부터 반사체의 위치 중 하나 이상의 데이터를 지속적으로 수신하여 데이터베이스를 업데이트하면서 초기 데이터와 비교분석하며,
    상기 반사체들의 설치 위치의 한계는, 상기 레이더가 바라보는 평면 방향에 대해 거리(radial) 방향으로는 레이더의 사용 전파 주파수의 대역폭(bandwidth)에 따른 거리 분해능에 의해 결정되고, 각도(azimuth) 방향으로는 레이더의 안테나 구경(aperture)에 의한 빔 폭(beamwidth)에 따른 각도 분해능에 의해 결정되고,
    레이더를 통한 반사체의 각도 정보 추출은 두 단계 이상으로 나누어 수행하며, 첫 단계의 각도 단위는 두 번째 단계 각도 단위보다 크게 설정하여 먼저 대략적인 피크(coarse peak)를 찾은 후 두 번째 단계에서 각도를 작은 단위로 나누어 해당 피크 주변에서 각도 추정을 수행하며,
    다수의 반사체 각각에 대해 특정 시점에 상기 레이더에 의해 위치정보를 파악하여 구축된 상기 데이터베이스에 반사체별로 데이터를 관리하고,
    감지시스템은 레이더와 함께 비디오 카메라를 더 구비하여 구조물의 형상을 영상으로도 감시하고,
    다수의 반사체 각각에 대해 특정 시점에 레이더에 의해 위치정보를 파악하여 구축된 상기 데이터베이스에 반사체들의 데이터를 동일 시각에 대해 수집하여 관측대상 구조물의 전체적인 변화 추이를 파악하는 것을 특징으로 하는 구조물 형상 감지시스템.
  2. 제1항에 있어서, 반사체까지의 거리는 레이더의 시스템 사양에 의해 결정되는 거리 해상도보다 정밀한 해상도를 얻기 위하여 매스 알고리즘(mass algorithm), 센트로이드(centroid), 내삽(interpolation) 중 하나 이상의 방법을 이용해 반사체로부터 반사되는 반사파의 주파수(frequency)를 추정하여 정밀한 결과값을 얻는 것을 특징으로 하는 구조물 형상 감지시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 반사체의 형상은 구, 실린더, 평판, 평판을 접은 코너 형태, 삼각형 세 개를 이어 만든 오목부를 갖는 개방형 사면체, 사각형 세 개를 이어 만든 오목부를 갖는 개방형 다면체, 부채꼴 세 개를 이어 만든 오목부를 갖는 개방형 곡면체, 또는 개방부를 갖는 다면체 중 하나인 것을 특징으로 하는 구조물 형상 감지시스템.
  5. 제1항에 있어서, 관측되는 반사각, 반사량 또는 기준점으로부터 반사체의 위치 중 하나 이상의 데이터 종류별로 임계치를 설정하여 각 데이터의 변화량이 임계치에 도달하면 컴퓨터에서 경고 메시지를 발생하는 것을 특징으로 하는 구조물 형상 감지시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항, 제2항, 제4항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 감지시스템을 앱으로 구축하여 관리자는 모바일 단말기를 이용하여 감지시스템에 접속할 수 있는 것을 특징으로 하는 구조물 형상 감지시스템.


  9. 삭제
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  15. 삭제
  16. 제1항에 있어서,
    상기 레이더는 훼손을 막기 위해 특정 높이 이상으로 설치되고, 이물질이 쌓이지 않도록 기울기를 가지는 외부 커버를 구비하되, 외부 커버의 재질은 금속성이 아닌 유전체 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 구조물 형상 감지시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 외부 커버에 열선을 매립하여 눈이 녹을 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 구조물 형상 감지시스템.
  18. 제1항에 있어서, 감시대상 구조물은, 건물 외벽, 절개지, 도로공사장 또는 지하철 공사장 시설물, 상수도 배관 매립용 시설물, 전선 매립용 시설물, 쌓여진 건축자재를 포함하는 특징으로 하는 구조물 형상 감지시스템.













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