KR102459369B1 - 광빗 기반의 수중 음향 탐지 장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
일 실시 예에 따른 수중 음향 탐지 장치는, 광섬유를 통해 동일한 파장 간격을 가진 복수개의 파장들로 구성되는 광빗 신호를 생성하는 광빗 생성부와, 상기 광빗 생성부에 연결되는 광섬유의 일부로부터 연결되고 음향을 측정할 액체에 배치되는 감지부를 구비하는 광빗부; 및 상기 광빗부에서 출력되는 신호를 라디오 주파수 대역의 신호로 변환시킨 전자 신호에 기초하여 액체 내 음향 정보를 측정하는음파 측정부;를 포함할 수 있다.
Description
이하의 설명은 광빗 기반의 수중 음향 탐지 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전자기파를 사용하는 대기와는 달리, 수중에서는 음파의 수중 투과 감쇠율이 매우 낮으므로 기본적으로 음파에 기반하여 지형탐사 또는 수중 물체 탐지, 장거리 정보 전송 및 통신을 수행한다. 수중 음향 신호 감지는 선박, 잠수함 및 기뢰 탐지 등 감시 체계, 수중 통신, 지진과 관련된 지질 관측, 해양 석유 탐사 등 전반적인 해양 분야에 필수적인 기술이다.
수중 음향 감지 분야에서는 일반적으로 견고하면서도 기계적으로 단순한 구조를 지닌 압전 장치(piezoelectric device) 기반 하이드로폰을 사용하지만 작은 크기, 다양한 채널의 확장성, 높은 감도, 넓은 동적범위의 측정이 필요한 경우 광섬유 장치(fiber optic device) 기반의 센서를 사용한다. 뿐만 아니라 광섬유 음향 센서는 굽힘성이 좋아 피측정물의 구조에 적합한 형태의 센서로 제조할 수 있으며 전자기 간섭에 대한 내성을 가지고 있다는 장점을 지니고 있다. 광섬유 음향 센서는 외부 음파에 의해 광섬유의 굴절률이나 길이가 변화됨에 따라, 광섬유를 진행하는 빛의 세기, 위상, 편광 등이 변조되는 것을 측정하는 원리로 구동되는 센서로, 크게 간섭계형 센서와 레이저 센서로 분류할 수 있다.
광섬유 간섭계형 센서는 두 개의 광 경로를 지난 두 빛을 간섭시킴으로써 외부 음파에 의해 생긴 위상차를 알아내는 방식이다. 간섭계형 센서는 fε급 변형 분해능(strain resolution), pm 이하급 변위 분해능(displacement resolution)의 높은 성능을 지닐수 있으나, 긴 상호 작용 길이에 의존하기 때문에, 간섭계형 센서의 크기를 줄이면 분해능이 크게 낮아진다. 따라서 간섭계형 센서에서 원하는 감도로 설계하기 위해서는 광섬유의 최소 길이, 부피에 대한 하한이 적용된다.
광섬유 레이저 센서는 외부 음파로 인한 레이저의 주파수 변화를 측정하는 방식으로, 짧은 길이와 작은 부피로도 높은 변위 분해능과 변형 분해능을 가질 수 있다는 장점을 가지기 때문에 소형의 수중 광섬유 센서 제작에 적합하다. 광섬유 레이저 센서는 주로 DBR(Distributed Bragg Reflector) 또는 DFB(Distributed Feedback) 레이저에 기반하여 개발이 이루어지고 있으며 광주파수 대역에서 측정이 필요하였다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시 예에 따른 목적은 광빗 기반의 수중 음향 탐지 장치 및 그 방법을 제고하는 것이다.
일 실시 예에 따른 수중 음향 탐지 장치는, 광섬유를 통해 동일한 파장 간격을 가진 복수개의 파장들로 구성되는 광빗 신호를 생성하는 광빗 생성부와, 상기 광빗 생성부에 연결되는 광섬유의 일부로부터 연결되고 음향을 측정할 액체에 배치되는 감지부를 구비하는 광빗부; 상기 광빗부에서 출력되는 신호를 라디오 주파수 대역의 신호로 변환시킨 전자 신호에 기초하여 액체 내 음향 정보를 측정하는 음파 측정부;를 포함할 수 있다.
상기 감지부는, 상기 광빗부의 광섬유 중, 설정된 길이를 가지며 액체 내에 배치되는 광섬유의 일부를 포함하고, 상기 음파 측정부는, 액체 내에 음향이 가해짐에 따라 상기 감지부의 길이 또는 굴절률이 변경되어 광빗 신호를 구성하는 파장들의 절대 위치와 파장 간격의 변화에 따른 신호를 감지할 수 있다.
상기 광빗 생성부는, 상기 광섬유로부터 분지되는 광섬유에 설치되는 제 1 처핑된 광섬유 브래그 격자;를 포함하고, 상기 감지부는, 상기 액체에 배치되는 광섬유에 설치되는 제 2 처핑된 광섬유 브래그 격자;를 더 포함하고, 상기 제 처핑된 1 광섬유 브래그 격자 및 상기 제 2 처핑된 광섬유 브래그 격자는 서로 상이한 방향으로 처핑된(chirped) 구조를 가질 수 있다.
상기 음파 측정부는, 상기 광빗부에서 출력되는 광빗 신호를 전자 신호로 변환하는 광 검출부; 상기 광 검출부에서 입력된 전자신호를 라디오 주파수 대역으로 변화시키는 주파수 변환부; 및 라디오 주파수 대역에서의 신호를 분석하여 음향 정보를 획득하는 신호 분석부;를 포함할 수 있다.
상기 음파 측정부는, 상기 광 검출부에서 입력되는 전자 신호에 기초하여 액체내의 상기 감지부의 주변 환경 요인에 의한 노이즈 신호를 추출하고, 상기 노이즈 신호에 기초하여 상기 광빗부에서 생성되는 광빗 신호를 피드백 제어하는 노이즈 보상부;를 더 포함할 수 있다.
상기 노이즈 보상부는, 상기 광 검출부에서 입력된 전자 신호에 기초하여, 액체내의 상기 감지부의 주변 환경 요인에 의한 노이즈 신호를 추출하는 노이즈 검출부; 상기 노이즈 신호를 상쇄시키기 위한 보상 신호를 생성하는 보상 신호 생성부; 및 상기 광빗부로부터 출력되는 광빗 신호에 상기 보상 신호를 상쇄 시키는 보상 신호 전송부;를 포함할 수 있다.
상기 광빗 생성부는, 상기 제 1 처핑된 광섬유 브래그 격자 및 상기 제 2 처핑된 광섬유 브래그 격자 각각으로부터 연결되는 광섬유를 결합하는 방향성 결합기를 더 포함할 수 있다.
광섬유를 통해 동일한 파장간격을 가진 복수개의 파장들로 구성되는 광빗 신호를 생성하는 광빗 생성부 및 상기 광빗 생성부에 연결되는 광섬유의 일부로부터 연결되고 음향을 측정할 액체를 배치되는 감지부를 구비하는 광빗부와, 상기 광빗부로부터 출력되는 신호에 기초하여 상기 액체 내 음향 정보를 측정하는 음파 측정부를 구비하는 수중 음향 탐지 장치를 통해 수중 음향을 탐지하는 방법에 있어서, 일 실시 예에 따른 수중 음향을 탐지하는 방법은 상기 광빗부의 상기 감지부를 액체 내에 배치하는 단계; 상기 광빗부에서 광빗 신호를 출력하는 단계; 상기 음파 측정부가 상기 광빗부로부터 출력되는 광빗 신호를 라디오 주파수 대역으로 변환 시키는 단계; 및 상기 라디오 주파수 대역으로 변환된 광빗 신호에 기초하여, 액체 내 음향 정보를 획득하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 수중 음향을 탐지하는 방법은 상기 음파 측정부가 상기 광빗부로부터 출력되는 광빗 신호를 구성하는 파장들의 절대 위치와 파장간격의 변화를 감지하여 상기 액체 내에 음향이 감지되었는지 여부를 판단하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 수중 음향을 탐지하는 방법은 상기 음파 측정부가 상기 광빗부로부터 출력되는 광빗 신호에서 액체내의 주변 환경 요인에 의한 노이즈 신호를 추출하는 단계; 및 상기 음파 측정부가 상기 추출된 노이즈 신호에 기초하여 상기 광빗부의 광빗 출력을 피드백 제어하여 노이즈를 상쇄 시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 감지부는, 상기 액체에 배치되는 광섬유에 설치되는 처핑된(chirped) 광섬유 브래그 격자를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 수중 음향 탐지 장치 또는 수중 음향을 탐지하는 방법에 의하면, 음파를 접근성이 높은 라디오 주파수 대역에서 측정하기 위해 창안된 것으로, 소형의 장치로 수중 음향을 높은 변위 분해능과 변형 분해능으로 라디오 주파수 대역에서 측정할 수 있다.
일 실시 예에 따른 수중 음향 탐지 장치 또는 수중 음향을 탐지하는 방법에 의하면, 종래의 간섭계형 센서가 감도를 높이기 위해서 필요하였던 긴 상호 작용 길이 없이도 소형의 부피와 중량을 가진 탐지부를 이용해서 수중 음향을 높은 변위 분해능과 변형 분해능으로 측정할 수 있게 되는 효과가 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 수중 음향 탐지 장치의 블록도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 수중 음향 탐지 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 광빗부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 수중 음향 탐지 장치의 블록도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 수중 음향 탐지 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 수중 음향을 탐지하는 방법의 순서도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 수중 음향 탐지 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 광빗부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 수중 음향 탐지 장치의 블록도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 수중 음향 탐지 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 수중 음향을 탐지하는 방법의 순서도이다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 실시예들의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 실시예에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.
다만, 일 실시예를 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 일 실시예에 따른 수중 음향 탐지 장치의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적으로 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 일 실시 예에 따른 수중 음향 탐지 장치의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 일 실시예에 따른 수중 음향 탐지 장치의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 일 실시예에 따른 체결 장치의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 수중 음향 탐지 장치의 블록도이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 수중 음향 탐지 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 수중 음향 탐지 장치(1)는, 동일한 파장간격을 가진 복수개의 파장들로 구성된 광신호를 출력하며 액체 내 음향이 가해지면 광빗 신호(L)를 구성하는 파장들의 절대 위치와 파장 간격이 변화하는 것을 특징으로 하는 광빗부(11)와, 광빗부(11)에서 입력되는 광빗 신호(L)를 라디오 주파수 대역으로 변환시킨 신호에 기초하여 액체 내 음향에 대한 정보를 획득하는 음파 측정부(13)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 광빗부(11)는, 광섬유를 통해 동일한 파장간격을 가진 복수개의 파장들로 구성되는 광빗(Optical Combs) 신호(L)를 생성하는 광빗 생성부(112)와, 광빗 생성부(112)에 연결되는 광섬유의 일부로부터 연결되고 음향을 측정할 액체를 통과하는 감지부(111)를 포함할 수 있다.
광빗 생성부(112)는, 광섬유를 통해 동일한 파장간격을 가진 복수개의 파장들로 구성되는 광빗 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 광빗 생성부(112)는 시간영역에서 극초단 펄스 생성을 유발하여 주파수 영역 광빗 신호(L)를 생성할 수 있다.
광빗 생성부(112)는 이득 매질(1123), 상기 이득 매질의 일측에 배치되고 이득 매질(1123)을 펌핑하는 펌핑 레이저(1124), 이득 매질(1123)에서 방출된 광을 전반사하는 제 1 거울(1121),이득 매질에(1123)서 방출된 광을 부분반사하고 일부는 출력하는 제 2 거울(1125),제 1 거울(1121)과 제 2 거울(1125) 사이에 배치되고 극초단 펄스 생성을 유도하는 모드 잠금 소자(1122)를 포함할 수 있다.
모드 잠금 소자(1122)는 반도체 포화흡수체, 탄소나노튜브 포화흡수체 및 그래핀 포화흡수체 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
감지부(111)는, 광빗부(11)의 광섬유 중 소정의 길이를 가지며 액체 내에 배치되는 부분일 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시되는 바와 같이 감지부(111)는, 광빗 생성부(112)의 모드 잠금 소자(1122)와 이득 매질(1123) 사이를 연결하는 광섬유 중, 설정된 길이를 갖는 구간의 광섬유의 부분이 음향을 탐지할 액체 내에 배치되는 부분일 수 있다.
이상의 구조에 의하면 액체 내에 음향이 가해짐에 따라, 감지부(111)를 형성하는 광섬유의 길이 또는 굴절률이 변경되어 광빗 신호(L)를 구성하는 파장들의 절대 위치와 파장간격의 변화를 감지할 수 있고, 이를 음파 측정부(13)를 통해 측정하는 것이 가능할 수 있다.
일 실시 예에 따른 음파 측정부(13)는, 광빗부(11)에서 입력되는 광 신호를 전자 신호로 변환하는 광 검출부(133)와, 광검출부에서 입력된 신호를 라디오 주파수 대역으로 변화시키는 주파수 변환부(131)와, 라디오 주파수 대역으로 변환된 신호를 분석하는 신호 분석부(132)를 포함할 수 있다.
광 검출부(133)는, 광빗부(11)로부터 출력되는 광빗 신호(L)를 전자 신호로 변환하여 주파수 변환부(131)로 전달할 수 있다.
주파수 변환부(131)는, 광 검출부(133)로부터 입력된 전자신호를 라디오 주파수 대역으로 변화시킬 수 있다.
예를 들어, 주파수 변환부(131)는, 광빗의 반복률 주파수만을 필터링하는 대역 통과 필터(1311), 주파수 정확도와 안정도가 높은 정해진 주파수를 출력하는 제 1 기준 시계(1314), 제 1 기준 시계의 주파수 안정도와 정확도에 소급하면서 임의의 주파수의 제 1 기준 신호를 생성할 수 있는 제 1 주파수 발생기(1313), 광빗의 반복률 주파수와 제 1 주파수 발생기에서 입력된 제 1 기준 신호를 합성하는 제 1 믹서(1312), 합성된 신호를 저주파수 대역으로 필터링하는 제 1 저주파 통과 필터(1315)를 포함할 수 있다.
신호 분석부(132)는, 입력받은 라디오 주파수신호에 기초하여, 결과적으로 음파 측정부(13)에 입력되는 광빛 신호를 구성하는 파장들의 절대 위치 또는 파장 간격의 변화가 이루어진 것을 감지할 수 있고, 이를 통해 음향 감지부(111)에 가해진 음향 정보를 계측할 수 있다.
예를 들어, 신호 분석부(132)는, 라디오 주파수 스펙트럼을 분석할 수 있는 스펙트럼 분석기, 라디오 주파수 신호를 분석할 수 있는 오실로스코프 및 라디오 주파수를 측정할 수 있는 주파수 카운터 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 3은 일 실시 예에 따른 광빗부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 도 1 내지 도 2에 도시된 수중 음향 탐지 장치(1)의 광빗부(11)와 상이한 구조를 갖는 광빗부(21)의 구성을 확인할 수 있다.
일 실시 예에 따른 광빗부(21)는, 광섬유를 통해 동일한 파장 간격을 가진 복수개의 파장들로 구성되는 광빗 신호(L)를 생성하는 광빗 생성부(212)와, 광빗 생성부(212)에 연결되는 광섬유의 일부로부터 연결되고 음향을 측정할 액체를 통과하는 감지부(211)를 포함할 수 있다.
광빗 생성부(212)는, 이득 매질(2123)과, 이득 매질(2123)의 일측에 배치되고 이득 매질을 펌핑하는 펌핑 레이저(2124), 이득 매질에서 방출된 광을 전반사하는 제 1 거울(2121), 이득 매질에서 방출된 광을 부분반사하고 일부는 출력하는 제 2 거울(2125), 제 1 거울과 제 2 거울 사이에 배치되고 극초단 펄스 생성을 유도하는 모드 잠금 소자(2122)와, 광섬유로부터 분지되어 설치되는 제 1 처핑된 광섬유 브래그 격자(2127)와, 제 1 처핑된 광섬유 브래그 격자(2127)와 감지부(211) 사이의 광섬유를 결합하는 방향성 결합기(2126)를 포함할 수 있다.
음향 감지부(211)는, 광빗 생성부(212)의 광섬유로부터 분지되어 연결되는 제 2 처핑된 광섬유 브래그 격자(2111)를 포함할 수 있다.
제 1 처핑된 광섬유 브래그 격자(2127) 및 제 2 처핑된 광섬유 브래그 격자(2111)는 모두 각각에 연결되는 광섬유에 설치되어 축 방향으로 광섬유 코어의 굴절율을 비주기적으로 변조하여 격자 주기를 선형적으로 변화되며 새김으로써 넓은 파장의 빛을 반사시키는 소자일 수 있다. 제 1 처핑된 광섬유 브래그 격자(2127) 및 제 2 처핑된 광섬유 브래그 격자(2111)는 각각에 연결되는 광섬유에 처핑된(chirped) 구조로 새겨지는 격자 구조를 포함할 수 있다.
방향성 결합기(2126)를 통해 연결되고 결합되는 제 1 처핑된 광섬유 브래그 격자(2127) 및 제 2 처핑된 광섬유 브래그 격자(2111)는 각각의 격자가 형성되는 방향이 서로 상이하게 형성될 수 있다.
예를 들어, 제 1 처핑된 광섬유 브래그 격자(2127) 및 제 2 처핑된 광섬유 브래그 격자(2111)는 각각의 격자가 형성되는 방향이 서로 반대 방향일 수 있다.
예를 들어, 방향성 결합기(2126)는 방향성 결합기 및 광 써큘레이터 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 4는 일 실시 예에 따른 수중 음향 탐지 장치의 블록도이고, 도 5는 일 실시 예에 따른 수중 음향 탐지 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4 내지 도 5를 참조하면, 도 1 내지 도 2에 도시된 수중 음향 탐지 장치(1)와 상이한 구조를 갖는 수중 음향 탐지 장치(3)의 구성을 확인할 수 있다.
일 실시 예에 따른 수중 음향 탐지 장치(3)는, 동일한 파장간격을 가진 복수개의 파장들로 구성된 광신호를 출력하며 액체 내 음향이 가해지면 광신호를 구성하는 파장들의 절대 위치와 파장 간격이 변화하는 것을 특징으로 하는 광빗부(31)와, 광빗부(31)에서 입력되는 광빗 신호(L)를 라디오 주파수 대역으로 변환시킨 신호에 기초하여 액체 내 음향에 대한 정보를 획득하는 음파 측정부(33)를 포함할 수 있다.
음파 측정부(33)는, 광빗부(31)에서 입력되는 광 신호를 전자 신호로 변환하는 광 검출부(333)와, 광 검출부(333)에서 입력된 신호를 라디오 주파수 대역으로 변화시키는 주파수 변환부(331)와, 라디오 주파수 대역으로 변환된 신호를 분석하는 신호 분석부(332)와, 음파 측정부(33)가 입력받는 신호에 기초하여 액체 내의 음향 감지부(311)의 주변 환경에 의한 노이즈를 추출하고, 광빗부(31)에서 생성되는 광 신호를 피드백 제어하는 노이즈 보상부(334)를 포함할 수 있다.
노이즈 보상부(334)는, 광 검출부에서 입력된 전자 신호에서 주변 환경 요인에 의한 노이즈 신호를 추출하는 노이즈 검출부(3341)와, 노이즈를 상쇄시키기 위한 보상 신호를 생성하는 보상 신호 생성부(3342)와, 보상 신호에 기초하여 광빗부(31)로부터 출력되는 광빗 신호를 피드백 제어하는 보상 신호 전송부(3343)를 포함할 수 있다.
노이즈 검출부(3341)는, 광 검출부(333)에서 입력된 전자 신호로부터 온도, 진동 등 환경에 의한 노이즈 신호를 추출할 수 있다.
보상 신호 생성부(3342)는, 주파수 정확도와 안정도가 높은 정해진 주파수를 출력하는 제 2 기준 시계(33423), 제 2 기준 시계의 주파수 안정도와 정확도에 소급하면서 임의의 주파수의 제 2 기준 신호를 생성할 수 있는 제 2 주파수 발생기(33422), 노이즈 검출부(3341)에서 입력된 신호와 주파수 발생기(33422)에서 입력된 제 2 기준 신호를 합성하는 제 2 믹서(33421), 합성된 신호를 저주파수 대역으로 필터링하는 제 2 저주파 통과 필터(33424)를 포함할 수 있다.
보상 신호 전송부(3343)는, 보상 신호 생성부(3342)로부터 형성된 보상 신호에 기초하여 광빗 생성부(312)로부터 형성되는 광빗 신호의 출력을 실시간으로 피드백 제어할 수 있다.
이 경우, 광빗 생성부(312)는 노이즈 상쇄부(313)의 광섬유의 경로 상에 설치되어 보상 신호 전송부(3343)로부터 전자적으로 연결되는 노이즈 상쇄부(313)를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 노이즈 상쇄부(313)는 길이 또는 광로길이를 조절할 수 있는 PZT 압전소자, 펌핑 레이저, 전자 광학변조기(Electro-Optic Modulator) 및 음향 광학변조기(Acousto-Optic Modulator) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 6은 일 실시 예에 따른 수중 음향을 탐지하는 방법의 순서도이다.
도 6을 참조하면, 일 실시 예에 따른 수중 음향을 탐지하는 방법은 동일한 파장간격을 가진 복수개의 파장들로 구성된 광빗 신호를 출력하여 액체 내 음향이 가해지면 광빗 신호를 구성하는 파장들의 절대 위치와 파장 간격이 변화하는 것에 기초하여 수중 음향을 탐지하는 방법에 관한 것이다.
예를 들어, 일 실시 예에 따른 수중 음향을 탐지하는 방법은, 도 1 내지 도 5에 도시된 실시 예에 따른 수중 음향 탐지 장치를 이용하여 액체 내의 음향을 탐지하는 방법으로 이해되어도 무방하다는 점을 밝혀둔다.
한편, 본 실시 예의 설명에 있어서, 도 5의 실시 예에 따른 수중 음향 탐지 장치(3)를 사용하여 설명할 것이지만, 이는 설명 및 도시의 편의를 위해서 선택한 하나의 예시일 뿐 이에 제한되는 것은 아니라는 점을 밝혀둔다.
일 실시 예에 따른 수중 음향을 탐지하는 방법은, 광빗부(31)의 감지부(311)를 액체 내에 배치하는 단계(41)와, 광빗 신호를 출력하는 단계(42)와, 음파 측정부(33)가 광빗부(31)로부터 출력되는 광 신호를 구성하는 파장들의 절대 위치와 파장간격의 변화를 감지하여 액체 내에 음향이 감지되었는지 여부를 판단하는 단계(43)와, 음파 측정부(33)가 광빗부(31)로부터 출력되는 광빗 신호를 라디오 주파수 대역으로 변환 시키는 단계(44)와, 음파 측정부(33)가 광빗부(31)로부터 출력되는 광빗 신호에서 환경에 의한 노이즈를 추출하는 단계(45)와, 음파 측정부(33)가 추출된 노이즈에 기초하여 광빗부의 광 출력을 피드백 제어하여 노이즈를 상쇄 시키는 단계(46)와, 음파 측정부(33)가 라디오 주파수 대역으로 변환된 광빗 신호에 기초하여, 액체 내 음향 정보를 획득하는 단계(47)를 포함할 수 있다.
감지부를 액체 내에 배치하는 단계(41)는, 광빗부(31)의 감지부(311)를 수중 음향을 탐자하기 위한 액체 내에 있도록 배치하는 단계일 수 있다.
광빗 신호를 출력하는 단계(42)에서, 광빗 생성부(312)는 동일한 파장간격을 가진 복수개의 파장들로 구성된 광빗 신호(L)를 출력할 수 있다.
음향이 감지되었는지 여부를 판단하는 단계(43)에서, 음파 측정부(33)는, 광빗부(31)로부터 출력되는 광빗 신호를 구성하는 파장들의 절대 위치 또는 파장간격의 변화를 감지하여 액체 내에 음향이 감지되었는지 여부를 판정할 수 있다.
광빗 신호(L)를 라디오 주파수 대역으로 변환 시키는 단계(44)에서, 광 검출부(333)는 광빗부(31)로부터 입력받은 광빗 신호(L)를 전자 신호로 변환시켜 출력하고, 주파수 변환부(331)는 변환된 전자 신호를 라디오 주파수 대역의 신호로 변환시킬 수 있다.
노이즈를 추출하는 단계(45)에서, 노이즈 보상부(334)의 노이즈 검출부(3341)는 광빗 신호가 광 검출부(333)에 의해서 변환된 전자 신호에 기초하여 온도 또는 진동 등과 같은 주변 환경에 의한 노이즈를 검출할 수 있다.
노이즈를 상쇄 시키는 단계(46)에서, 노이즈를 추출하는 단계(45)에서 검출된 노이즈에 기초하여 보상 신호를 생성하고, 이를 통해 광빗부(31)의 광빗 신호(L)의 출력을 보상하는 단계일 수 있다.
노이즈를 상쇄 시키는 단계(46)에서, 음파 측정부(33)의 노이즈 보상부(334)는 보상 신호 생성부(3342)를 통해 환경 요인에 따른 노이즈를 제거하기 위한 보상 신호를 생성할 수있고, 이를 보상 신호 전송부(3343)를 통해 광빗부(31)의 노이즈 상쇄부(313)를 제어하여 광빗 신호(L)의 노이즈를 제거할 수 있다.
음향 정보를 획득하는 단계(47)에서, 음파 측정부(33)의 신호 분석부(332)는 광빗 신호가 라디오 주파수 대역으로 변환된 신호를 분석하여 감지부(311)에서 감지된 음향 정보를 분석 또는 획득할 수 있다.
일 실시 예에 따른 수중 음향 탐지 장치 또는 수중 음향을 탐지하는 방법에 의하면, 음파를 접근성이 높은 라디오 주파수 대역에서 측정하기 위해 창안된 것으로, 소형의 장치로 수중 음향을 높은 변위 분해능과 변형 분해능으로 라디오 주파수 대역에서 측정할 수 있다.
일 실시 예에 따른 수중 음향 탐지 장치 또는 수중 음향을 탐지하는 방법에 의하면, 종래의 간섭계형 센서가 감도를 높이기 위해서 필요하였던 긴 상호 작용 길이 없이도 소형의 부피와 중량을 가진 탐지부를 이용해서 수중 음향을 높은 변위 분해능과 변형 분해능으로 측정할 수 있게 되는 효과가 있다. 본 발명의 경우 높은 변위 분해능과 변형 분해능을 획득하기 위해서 필요한 측정 장치 자체의 부피 및 중량이 상대적으로 작기 때문에 다양한 운용 조건에 맞추어 제작, 운반 및 설치가 용이한 효과가 있다. 또한 이러한 효과 이외에도 음파로 인한 광주파수 변화를 접근성이 높은 라디오 주파수 영역에서 측정할 수 있다.
이상과 같이 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 실시예가 설명되었으나 이는 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Claims (11)
- 광섬유를 통해 동일한 파장 간격을 가진 복수개의 파장들로 구성되는 광빗 신호를 생성하는 광빗 생성부와, 상기 광빗 생성부에 연결되는 광섬유의 일부로부터 연결되고 음향을 측정할 액체에 배치되는 감지부를 구비하는 광빗부; 및
상기 광빗부에서 출력되는 신호를 라디오 주파수 대역의 신호로 변환시킨 전자 신호에 기초하여 액체 내 음향 정보를 측정하는 음파 측정부;를 포함하고,
상기 감지부는,
상기 광빗부의 광섬유 중, 설정된 길이를 가지며 액체 내에 배치되는 광섬유의 일부를 포함하고,
상기 음파 측정부는,
액체 내에 음향이 가해짐에 따라 상기 감지부의 길이 또는 굴절률이 변경되어 광빗 신호를 구성하는 파장들의 절대 위치와 파장 간격의 변화에 따른 신호를 감지하는 것을 특징으로 하는, 수중 음향 탐지 장치.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 광빗 생성부는,
상기 광섬유로부터 분지되는 광섬유에 설치되는 제 1 처핑된 광섬유 브래그 격자;를 포함하고,
상기 감지부는,
상기 액체에 배치되는 광섬유에 설치되는 제 2 처핑된 광섬유 브래그 격자;를 더 포함하고,
상기 제 1 처핑된 광섬유 브래그 격자 및 상기 제 2 처핑된 광섬유 브래그 격자는 서로 상이한 방향으로 처핑된(chirped) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 수중 음향 탐지 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 음파 측정부는,
상기 광빗부에서 출력되는 광빗 신호를 전자 신호로 변환하는 광 검출부;
상기 광 검출부에서 입력된 전자신호를 라디오 주파수 대역으로 변화시키는 주파수 변환부; 및
라디오 주파수 대역에서의 신호를 분석하여 음향 정보를 획득하는 신호 분석부;를 포함하는 수중 음향 탐지 장치.
- 제 4 항에 있어서,
상기 음파 측정부는,
상기 광 검출부에서 입력되는 전자 신호에 기초하여 액체내의 상기 감지부의 주변 환경 요인에 의한 노이즈 신호를 추출하고, 상기 노이즈 신호에 기초하여 상기 광빗부에서 생성되는 광빗 신호를 피드백 제어하는 노이즈 보상부;를 더 포함하는, 수중 음향 탐지 장치.
- 제 5 항에 있어서,
상기 노이즈 보상부는,
상기 광 검출부에서 입력된 전자 신호에 기초하여, 액체내의 상기 감지부의 주변 환경 요인에 의한 노이즈 신호를 추출하는 노이즈 검출부;
상기 노이즈 신호를 상쇄시키기 위한 보상 신호를 생성하는 보상 신호 생성부; 및
상기 광빗부로부터 출력되는 광빗 신호에 상기 보상 신호를 상쇄 시키는 보상 신호 전송부;를 포함하는, 수중 음향 탐지 장치.
- 제 3 항에 있어서,
상기 광빗 생성부는,
상기 제 1 처핑된 광섬유 브래그 격자 및 상기 제 2 처핑된 광섬유 브래그 격자 각각으로부터 연결되는 광섬유를 결합하는 방향성 결합기를 더 포함하는 수중 음향 탐지 장치.
- 광섬유를 통해 동일한 파장간격을 가진 복수개의 파장들로 구성되는 광빗 신호를 생성하는 광빗 생성부 및 상기 광빗 생성부에 연결되는 광섬유의 일부로부터 연결되고 음향을 측정할 액체에 배치되는 감지부를 구비하는 광빗부와, 상기 광빗부로부터 출력되는 신호에 기초하여 상기 액체 내 음향 정보를 측정하는 음파 측정부를 구비하는 수중 음향 탐지 장치를 통해 수중 음향을 탐지하는 방법에 있어서,
상기 광빗부의 상기 감지부를 액체 내에 배치하는 단계;
상기 광빗부에서 광빗 신호를 출력하는 단계;
상기 음파 측정부가 상기 광빗부로부터 출력되는 광빗 신호를 구성하는 파장들의 절대 위치와 파장간격의 변화를 감지하여 상기 액체 내에 음향이 감지되었는지 여부를 판단하는 단계;
상기 음파 측정부가 상기 광빗부로부터 출력되는 광빗 신호를 라디오 주파수 대역으로 변환 시키는 단계; 및
상기 라디오 주파수 대역으로 변환된 광빗 신호에 기초하여, 액체 내 음향 정보를 획득하는 단계;를 포함하는 수중 음향을 탐지하는 방법.
- 삭제
- 제 8 항에 있어서,
상기 음파 측정부가 상기 광빗부로부터 출력되는 광빗 신호에서 액체내의 주변 환경 요인에 의한 노이즈 신호를 추출하는 단계; 및
상기 음파 측정부가 상기 추출된 노이즈 신호에 기초하여 상기 광빗부의 광빗 출력을 피드백 제어하여 노이즈를 상쇄 시키는 단계;를 더 포함하는 수중 음향을 탐지하는 방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 감지부는, 상기 액체에 배치되는 광섬유에 설치되는 처핑된(chirped) 광섬유 브래그 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 음향을 탐지하는 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020220034083A KR102459369B1 (ko) | 2022-03-18 | 2022-03-18 | 광빗 기반의 수중 음향 탐지 장치 및 그 방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020220034083A KR102459369B1 (ko) | 2022-03-18 | 2022-03-18 | 광빗 기반의 수중 음향 탐지 장치 및 그 방법 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |