간단한 협대역 RF 기법을 이용하여 뇌우를 탐지한다
ams의 뇌우 탐지기 IC는 매우 낮은 전력에서 동작하며 코인셀 하나로 배터리 수명이 수년간 유지된다. 이 솔루션은 최종 제품에서 SPI나 I2C 인터페이스를 가진 간단한 마이크로컨트롤러와 페라이트 코어 인덕터로 만들어진 병렬 공진 안테나, 그리고 커패시터 및 저항 외에 다른 외부 부품들을 필요로 하지 않는다.
Ruggero Leoncavallo austriamicrosystems
미국은 번개가 인간의 삶에 미치는 위험을 장기적으로 기록한 날씨 및 사고 보고서를 보관하고 있다. 미국 국립기상청(NOAA)에 따르면, 1940년 이래 허리케인에 의해 죽은 사람보다 번개에 의해 죽은 사람이 대략 30% 이상 더 많았다고 한다.
최근 정확한 일기예보를 통해 뇌우의 위험이 높을 때 사람들을 미리 조심시키고 있는데도 미국에서는 평균적으로 한 해에 50명 정도의 사망자가 나오고 있다.
하지만 모든 죽음은 안타까운 일이며, 뇌우가 잘 덮치는 지역에 사는 사람들은 낙뢰의 충격으로 인한 부상과 장비 손실(www.struckbylightning.org 참조)을 겪게 된다.
한편, 최근 중국 과학자들은 지구 온난화가 날씨 패턴을 극변시킬 수 있다고 경고해 왔는데, 근래의 심각한 폭풍은 아마도 그 전조일 것이다(2007년 7월 30일 중국기상청).
그러나 번개에 기인하는 것으로 생각되는 죽음과 손상은 사람들이 다가오는 뇌우에 대해 충분한 경고를 받을 수 있을 경우 대부분 피할 수 있다. 소위 “30-30 법칙”에 의하면 번개와 천둥 사이의 시간이 30초 이하일 때 사람들은 적어도 30분 동안 은폐물 아래로 피해있어야 한다. 천둥 소리를 들었다면 이미 위험에 처해있는 상태이지만, 사람의 감각은 뇌우가 시작되는 것을 인지할 정도로 좋지 않다.
음속은 공기 중에서 300m/s 정도이므로, 번개가 친 후 번개와 천둥 사이에 30초의 지연이 있었다면 이는 10km의 거리에 해당한다. 이것은 소리를 가로막는 물리적인 장벽이 없는 조용한 환경에서 인간이 천둥 소리를 들을 수 있는 가장 먼 거리이다. 물리적인 장벽이나 차량 소리, 군중 소리 등과 같은 주변 잡음이 높은 경우에는 이 거리가 수km 정도로 줄어든다.
문제를 악화시키는 것은 번개가 땅을 수직으로 치는 것이 아니라 대부분 수평으로, 10km 정도에 걸쳐 사선으로 친다는 것이다. 이것이 30-30 법칙의 가장 큰 한계이다.
사람이 천둥 소리를 들을 수 있는 최대 거리는 10km이므로 아무런 도움 없이 인간의 감각에만 의존한다면 생명과 재산 모두 상당한 위험에 노출될 것이 분명하다.
번개의 EMP
18세기 사람인 알렉산더 포포프(Alexander Stepanovic Popov)는 간단한 AM 라디오 수신기로 낙뢰를 탐지할 수 있다는 것을 알아냈다. 이것은 뇌우를 예측할 수 있는 첫 번째 전기 시스템이었다.
사실 번개는 매우 낮은 주파수에서부터 X 레이 대역에 이르는 전자기 에너지를 방출한다. EMP(Electro-Magnetic Propagation) 현상의 강도는 1/f 행동을 나타낸다. 전자기 에너지 방출의 경우 낮은 kHz의 주파수에서 최대가 되고 주파수가 올라갈수록 약해진다.
포포프는 증폭기, 다운믹서, 저역통과 필터를 가진 간단한 시스템을 이용하여 번개가 만들어내는 신호를 들을 수 있었다.
오늘날에도 유사한 기술이 개인용 번개탐지기(또는 ‘낙뢰 카운터’)에서 사용되고 있다. 미국 기상학회는 이와 같은 휴대 기기의 신뢰성 및 가치를 인정하고 있지 않지만, 낙뢰 카운터는 적절한 조건 하에서 좁은 지역 내의 번개를 탐지할 수 있다.
하지만 이러한 초보적 장치들은 뇌운의 꼭대기로부터의 거리를 어림잡을 수 없을 뿐만 아니라 전자레인지, 형광등 안정기, 모터, 자동차 엔진, 카메라 플래시 등과 같은 간섭원과 번개를 확실하게 구분하지 못하므로 제한적으로 사용된다. 게다가 이와 같은 시스템들은 이산형 솔루션을 기반으로 하고 있기 때문에 전류 소모가 최적화되어 있지 않고, 배터리 수명이 2주 정도로 제한된다.
믿을 수 있는 경고를 적절한 때에 소비자에게 제공하여 소비자가 자신을 보호할 수 있도록 하는 데 필요한 것은 30km 이상의 거리를 정확하게 구할 수 있게 해주고 다른 EMP원으로부터 번개 신호를 확실히 구분해 주는 기기이다.
협대역 시스템을 이용하여 번개 탐지
번개는, 구름과 지면 사이의 번개와 구름과 구름 사이의 번개의 두 가지 종류로 나눌 수 있다.
전자기 분석 측면에서 보면, 뇌우에서 발생한 큰 전류는 넓은 스펙트럼에 걸쳐 넓은 대역의 신호를 발생시킨다. 휴대용 가전 기기로 그와 같이 넓은 주파수 범위를 모니터링하는 것은 거의 불가능하다. 다행히도 포포프의 실험 덕분에 협대역 시스템이 번개로부터 나오는 신호를 수집할 수 있다는 것이 알려졌다. 그런데 이 협대역 신호는 얼마나 정확할까?
사실 번개는 항복, 귀환 뇌격, 구름 내부 작용, 후속 뇌격 등 몇 가지 서로 다른 현상들이 복잡하게 조합된 것이다. 신호 형태에서 일부 세부적인 부분이 손실되기는 하지만, 협대역 시스템으로 번개를 탐지할 수 있다는 사실이 과학 문헌(Le Vine, D.M., ‘Review of Measurements of the RF Spectrum of Radiation from Lightning’, 1987)으로 정립되어 있다. 그림 1과 같이 광대역 전기장과 500kHz에서 협대역 수신기로 수집한 신호 사이에는 들어맞는 것이 있다.
Le Vine의 논문에서는 또한 번개의 방출이 5kHz 근처에서 최대값으로 되고, 1/f의 함수로 떨어지는 현상을 나타냈다. 그러므로 협대역 수신기의 중심 주파수가 너무 높게 설정되어 있으면 수신 신호 강도가 다른 EMP 간섭원으로부터 구분하기 어려운 지점으로 떨어진다.
신호 강도는 낮은 주파수에서 훨씬 더 크다. 하지만 너무 낮은 주파수에서는 안테나가 너무 거대해져 휴대 기기에 달 수 없다. 따라서 신호 강도와 기기 크기 사이에서 절충이 이루어져야 하는데, 가장 적합한 주파수는 수백kHz에서 수MHz 사이이다.
패턴 매칭 소프트웨어로 믿을 수 있는 거리 측정값 구하기
포포프의 발견에 따르면, 저주파 수신기는 낙뢰에서 방출되는 것들을 감지할 수 있다.
그러나 믿을만하고 유용한 낙뢰 탐지기를 만드는 데에는 다음과 같은 큰 과제들을 해결해야 한다.
·다른 방출원으로부터 신호 차단
·뇌운으로부터 정확한 거리 계산
ams는 적합한 기술을 개발하여 자사의 AS3935 뇌우 탐지기 IC에 구현했다. 구름과 대지 사이의 번개, 그리고 구름과 구름 사이의 번개에서 모두 효과적인 이 기술은, 들어오는 신호를 분석하여 그 형태를 일반적인 낙뢰 파형의 형태와 비교하는 알고리즘을 이용한 것이다.
다른 방출원에서의 간섭을 차단하는 것과 번개에 의해 방출되는 순수한 신호들을 인식하는 것 사이에서 균형을 잘 잡도록 알고리즘을 조절하는 철저한 작업이 이루어졌다.
또한 AS3935에 구현된 전용 고정 배선 알고리즘은 이 IC의 RF 프론트엔드에 의해 검출된 신호의 에너지를 분석하여 정확한 거리를 계산할 수 있다.
그림 2는 AS3935의 블록도를 나타낸 것이다. 이것은 포포프 시스템과 같이 번개의 강한 1/f 시그너처 특성을 탐지하기 위해서 LF 대역(500kHz∼2MHz)을 모니터링한다. 이 시스템은 아날로그 프론트엔드(AFE)를 포함하고 있는데, AFE는 안테나에서 수집된 입력 신호를 증폭하여 베이스밴드로 넘겨 주고 백엔드에서의 수치 계산을 위해 그 신호들을 필터링한다. 번개 알고리즘 블록은 신호 타당성 검사, 에너지 계산, 통계적 거리 계산의 세 단으로 이루어져 있다.
첫 번째 블록은 들어오는 신호 패턴을 체크하고 사람이 만든 잡음을 차단한다. 그림 1에 나타난 바와 같이, 일반적인 번개 신호는 매우 빠르게 높이 올라가며 피크에서 내려올 때에는 부드럽게 내려온다. AS3935의 유연한 알고리즘은 최종 사용자가 효과적인 번개 탐지 기능과 다른 교란 신호의 차단 기능 사이에서 최적의 절충점을 찾게 해준다.
수신된 신호가 번개로 판단되면 두 번째 블록이 에너지를 계산한다. 그 후 이 계산값은 마지막 블록에서 분석되는데, 이 마지막 블록에서는 전체 뇌우 주기 동안 수집한 데이터를 기반으로 뇌운 꼭대기까지의 거리를 어림잡는다. 거리 계산은 1km∼4km 사이의 가변 해상도에서 km 단위로 제공된다(계산값은 뇌우가 장비에 가까워질수록 더 정확해진다).
미국 멜번의 플로리다 공대는 AS 3935의 성능을 테스트하여 번개 모니터링의 골든 표준으로 간주되는 미국 NLDN(National Lightning Detec- tion Network)이 제공하는 공식 번개 데이터와 비교했다(그림 3 참조).
비교 데이터를 살펴보면, 소형 핸드헬드 장비에서 구현하는 데 적합한 싱글 IC임에도 전문적인 대형 고정 설비와 비슷한 정도의 정확한 번개 탐지 능력 및 거리 계산값을 제공한다는 것을 알 수 있다.
