KR0135562Y1

KR0135562Y1 - 음향 탐지기의 센서부

Info

Publication number: KR0135562Y1
Application number: KR2019950045265U
Authority: KR
Inventors: 김형진
Original assignee: 배순훈; 대우전자주식회사
Priority date: 1995-12-21
Filing date: 1995-12-21
Publication date: 1999-03-30
Also published as: KR970045279U

Abstract

본 고안은 해저의 음파를 수신하여 음원의 위치파악, 음원의 크기, 음원의 진행방향에 관한 정보를 획득하기 위하여 사용되는 음향탐지기의 센서부에 관한 것으로서, 상기의 음향센서부에서 해저음파를 탐지하고 증폭하는 음향모듈과, 음향모듈로부터 수신된 신호를 신호처리하는 신호전송모듈에 관한 것이다.

Description

음향 탐지기의 센서부

제1도는 음향 탐지기를 보인 일 예시 구성 블럭도.

제2도는 제1도의 진동격리모듈 및 음향모듈을 세부적으로 보인 블럭도.

제3도는 제1도의 신호전송모듈을 세부적으로 보인 블럭도.

제4도는 본 고안에서 안출한 신호전송모듈과 음향모듈의 상세도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

30 : 아날로그먹스 40, 40a, 40b : 자동이득조정기

41, 42 : 필터 50 : ADC(Analog Digital Converter)

55 : 1차필터링부 60 : 먹스(MUX)

65 : 2차 필터링부 70 : 드라이브

100 : 함상 110 : 자료처리부

120 : 신호처리부 200 : 예인케이블

300 : 음향센서부 310 : 진동격리모듈

311 : 텐션센서 312 : 버퍼

320 : 신호전송모듈 330 : 음향모듈

331 : 수중청음기 332 : 전치증폭기

333 : 보호회로 334 : 해수잡음보상회로

335,335a : 롤센서 336 : 시험제어기

337 : 수심센서 338 : 방위센서

340 : 꼬리로프조립체

본 고안은 수중의 음향을 감지하여 음향원의 정확한 위치(음원의 종류, 음원의 이동속도)를 탐지하는 음향 탐지기(Towed Array SONAR System; TASS)의 음향센서부에 관한 것이다.

일반적으로 수중의 음향 신호를 감지하여 음향원의 정확한 위치 등을 탐지하는 음향 탐지기가 수중음파를 감지하는 방식은 음향에너지를 방사하여 그 에너지가 물체로부터 반사하는 것을 수신하는 능동소자(SONAR) 방식과, 다른 음원으로부터 방사하는 음향에너지만을 수신하는 수동소나방식이 있다.

상기의 음향탐지기는 제1도에 도시한 바와 같이 수중의 음향 신호를 감지하여 전기적인 아날로그 신호로 변환하고 이를 다시 디지털 신호로 변환하여 다중화하여 신호처리부(120)로 전송하는 음향센서부(300)와, 선박이나 구조물과 음향센서부(300)를 연결하는 예인케이블(200)과, 음향 센서부(300)로부터 수신한 전기신호를 함상(100)에 있는 자료처리부(110)에 전달하는 신호처리부(120)와 신호처리부(120)로 부터 수신된 신호 데이터를 분류 검색, 처리하는 자료처리부(110)로 구성된다.

또한 상기 음향센서부(300)는 초기 진동을 감쇄시키는 진동격리모듈(Vibration Isolation Module : 310)과, 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 전송하는 신호전송모듈(320)과, 음향신호를 감지하는 음향모듈(330)과, 최종적으로 진동을 감쇄시키는 꼬리로프조립체(340)로 구성되어 있다.

이하 상기 음향센서부(300)의 구성을 제2도와 제3도를 이용하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

음향모듈(Acoustic module : 330)은 수중의 음향신호를 수신하여 전기적으로 변환시키면서 신호를 타고 흐르는 해수 잡음을 제거하는 기능을 하는 모듈로 해저의 음향 신호를 수신하여 전기 신호로 변환하는 수중청음기(Hydrophone : 331)와, 미세신호를 증폭하는 전치증폭기(Pro-Amp : 332)와, 전치증폭기(332)를 과전류로부터 보호하는 보호회로(Input Protector : 333)와, 음향센서부(300)의 기울어짐을 감지하는 롤센서(Roll Sensor : 335,335a)와, 해수로 인한 잡음을 보상하는 해수잡음 보상회로(Sea Noise Correction Amp : 334)와, 음향센서부(300)의 수심을 측정하는 수심센서(337)와, 음향센서부(300)의 방위를 측정하는 방위센서(338)와, 음향센서부(300)의 이상유무를 시험하는 시험제어기(336)로 구성된다.

또한 신호전송모듈(320)은 상기의 음향모듈(330)이 출력신호를 병렬로 받아 직렬신호로 출력하는 아날로그 먹스(30)와, 후단 ACD(50)에서의 디지털변환을 위해 아날로그 신호의 진폭을 키우는 자동이득조정기(40)와, 아날로그신호를 디지털신호화 하는 ADC(50)와, 디지털신호를 멀티플렉싱하기 위한 먹스(60)와, 상기의 신호로 함상(100)의 신호처리부(120)를 구동하기 위한 드라이브(70)로 구성된다.

또한 진동격리모듈(310)은 인장을 감지하는 텐션센서(311)와,인장을 감쇠시키는 버퍼(312)로 구성된다.

이하 상기의 구성을 한 음향센서부(300)의 동작을 제2도와 제3도를 이용하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

수중음향은 해수 입자의 기계적 소밀 작용에 의해 전파되며 이 진동이 주파수의 제곱과 진폭과의 곱에 정비례하는 크기로 수중청음기(331)에 체적변화를 일으키고 이로써 수중청음기(331)는 전기적 에너지 신호를 발생한다.

상기의 전기적 에너지 신호는 전류와 전압의 형태로 표현되는데 수중청음기(331)의 출력단 전치증폭기(332)와의 감도를 고려하여 임피던스 매칭(matching)시키면 수중청음기(331)의 신호를 멀리 전송할 수 있다.

상기 전치증폭기(332)는 수중청음기(331)출력단의 미약한 신호를 증폭하고, 음파의 수중진행에 따른 감쇄 보상을 위해 엠퍼시스(Emphasis) 처리후 수중청음기(331)의 작은 신호를 신호처리하기에 용이하게 증폭한다.

상기 엠퍼시스란 고주파 확산을 발생하도록 신호를 변경하는 프리엠퍼시스(Pre-emphasis)와 저주파 성분을 고주파에 비해 확장시키는 디엠퍼시스(De-emphasis)를 통칭하는 것으로 엠퍼시스 처리를 함으로써 수신단의 신호대잡음비(Signal To Noise Ratio : SNR)가 증가하게 된다.

좀더 상세히 설명하면 음파와 같이 대부분의 에너지가 저주파 영역에 존재하는 신호는 같은 크기의 고주파 성분으로 인하여 커다란 주파수편이(Frequency Deviation)를 발생시키지 않는다.

그러므로 신호의 에너지가 할당된 대역폭에 균일하게 분포하는 것이 아니라 고주파 부분의 에너지는 적게 분포한 결과 고주파 신호에 대해서는 아주 낮은 신호대잡음비를 나타내는 약점을 가진다.

이러한 약점을 개선하기 위한 프리엠퍼시스 (Pre-emphasis)와 디엠퍼시스(De-emphasis)방식은 송신기에서는 신호레벨이 높고 잡음이 어느 정도 억제될 수 있어 변조할 신호는 저주파에 비하여 저주파를 확장시켜 의도적으로 변경하는 것을 말한다.

상기 전치증폭기(332)에서 신호가 증폭될 때 잡음도 신호에 실려 같이 증폭되므로, 주변잡음뿐만 아니라 증폭소자 자체 잡음 요인의 제거도 고려하여 전치증폭기(332)의 증폭회로 대역폭을 제한함으로써 잡음레벨을 감소키기고 있다.

상기 증폭소자 자체 잡음 요인에는 증폭소자에서 발생하는 잡음을 저역통과 여파기 주파수 대역에서 발생하는 1/f 잡음, Shot 잡음, 그리고 Johnson 잡음들이 있으며, 1/f 잡음은 저역통과 대역에서 발생하며 Johnson 잡음, shot 잡음은 에프엠(Frequency Modulation)대역 이상에서 나타나고 주파수대역에 균일하게 분포하는 특성이 있으므로 백색잡음이라 한다.

상기와 같이 처리된 신호는 해수잡음보상회로(334)를 통과하면서 저주파영역에 존재하는 해수내의 잡음신호는 차단되고 감쇄된 고주파 상분신호는 보상되어 신호전송모듈(320)에 전달된다.

또한 음향모듈(330)의 수심센서(337)와 방위센서(338)는 음향센서부(300)의 예인 방위와 수심 정보를 각각 측정하여 상기 신호전송모듈(320)에 전달한다.

상기의 처리과정을 거쳐 신호전송모듈(320)에 전송된 신호는 아날로그먹스(30)에서 순차적으로 멀티플렉싱되어진 후 디지털신호화 과정에서 발생하는 양자화 에러를 억제하기 위하여 자동이득조정기(40)에서 아날로그신호의 진폭을 키우게 되고 상기의 처리과정을 거친 신호는 ADC(50)에서 샘플링,양자화 과정을 거쳐 디지털 신호화 된다.

상기의 디지털신호는 먹스(60)에서 순차적으로 멀티플렉싱되고, 후단의 드라이브(70)에서는 신호처리부(120)를 구동하기 위하여 상기 신호를 드라이브하게 된다.

그러나 상기와 같은 처리과정을 거친 신호는 신호전송모듈의 자동이득조정기에서 45dB 이득값으로 한꺼번에 증폭함으로서 신호성분에 섞인 잡음도 함께 증폭되어 출력단에서의 신호대 잡음비(SNR)이 저하되는 결점을 안고 있었다.

따라서 본 고안에서는 상기의 과정과는 달리 증폭과정에서 발생하는 잡음을 억제시킬 목적으로 구성한 음향센서부를 제공하는데 그 목적이 있다.

이하 본 고안의 구성을 제4도를 이용하여 설명하면 다음과 같다.

음향센서부(300)의 음향모듈(330)은 해저의 음파를 포착하는 수중청음기(331)와, 미세신호를 증폭하는 전치증폭기(332)와, 전치증폭기(332)를 과전류로부터 보호하는 보호회로(333)와 음향센서부(330)의 기울어짐을 감지하는 롤센서(335, 335a)와, 해수잡음을 보상하기 위한 해수잡음 보상회로(334)와, 음향센서부(330)의 수심을 측정하는 수심센서(337)와, 음향센서부(330)의 방위를 측정하는 방위센서(338)와, 동작의 이상유무를 위한 시험제어기(336)로 구성된다.

또한 전치증폭기(221)와 해수잡음보상회로(334)사이에는 신호에 섞인 잡음을 제거하기 위하여 1차 필터링부(55)가 연결되는데 1차 필터링부(55)는 상기 아날로그 신호를 멀티플렉싱하는 아날로그먹스(30)와, 크기가 적은 신호를 증폭하기 위한 자동이득조정기(40a)와, 증폭된 신호의 출력잡음을 제거하기 위한 필터(41)로 이루어진다.

신호전송모듈(320)은 신호를 다시 필터링하는 2차 필터링부(65)와, 신호를 디지털화 하기위한 ADC(50)와, 함상(100)의 신호처리부(120)를 구동하기 위한 드라이브(70)로 구성되는데 상기의 2차필터링부(65)는 입력잡음을 제거하기 위한 필터(42)와, 신호를 증폭하기 위한 자동이득조종기(40b)와, 아날로그 신호를 멀티플렉싱하는 아날로그먹스(30)로 이루어진다.

본 고안의 작용을 제4도를 이용하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

수중음향은 주파수의 제곱과 진폭과의 곱에 정비례하는 크기로 수중청음기(331)에 전기적 에너지 신호를 발생한다.

상기의 전기적 에너지 신호는 수중청음기(331)의 출력단 전치증폭기(332)에서 임피던스를 매칭시켜 결합시키면 상기 전치증폭기(332)는 수중청음기(331) 출력단의 미약한 신호를 증폭하고, 음파의 수중진행에 따른 감쇄 보상을 위해 앰퍼시스(Emphasis)처리후 수중청음기(331)의 작은 신호를 신호처리하기에 용이하게 증폭한다.

상기와 같이 처리된 신호는 크기가 적은 표적신호이므로 증폭과정을 거치게 되는데 1차 필터링부(55)에서는 신호를 24dB 증폭시킨 후 필터(41)를 거치게함으로서 잡음성분을 감소시켜 후단의 해수잡음 보상회로(334)를 통과시키면 저주파영역에 존재하는 해수내에 잡음신호는 차단되고 감쇄된 고주파 성분신호는 보상되어 신호전송모듈(320)에 전달된다.

또한 음향모듈(330)의 수심센서(337)와 방위센서(338)는 음향센서부(300)의 예인 방위와 수심정보를 각각 측정하여 상기 신호전송모듈(320)에 전달하고 시험제어기(336)는 상기 음향모듈(320)의 이상 유·무 판단하기 위한 기능으로 사용된다.

신호전송모듈(320)은 2차 필터링부(65)에서 상기의 신호를 21dB증폭한 후 ADC(50)에서 디지털신호로 변환시켜 드라이브(70)가 신호처리부(120)를 구동하게 한다.

따라서 본고안의 센서부는 음향모듈과 신호전송모듈에 자동이득조정기와 아날로그 먹스를 분리 설치하여 신호에 실린 잡음의 제거가 가능토록 함으로서 정확학 수중음향정보의 확보를 가능케하여 해저에서 음파를 발생하는 음원의 위치, 크기, 그리고 이동방향에 대한 정확한 정보의 적출이 가능하여 적군의 교란이나 기만전술에 대응하여 효과적인 방어전술이나 공격전술 수립에 기여할 수 있는 효과를 가진다.

Claims

수중청음기(331)를 통하여 해저음파를 포착하여 음원의 위치, 크기, 이동방향등을 탐지한 신호를 입력받아 증폭하고 잡음을 제거하는 전치증폭기(332)와 상기 전치증폭기(332)에서 출력되는 신호속에 섞여 있는 해수잡음을 감쇄하는 해수잡음보상회로(334)등을 구비하고 있는 음향모듈(330)과, 상기 음향모듈(330)에서 출력되는 신호를 함상의 신호 처리부(120)으로 전달하기 위해 상기 음향모듈(330)에서 출력되는 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기(50)등을 구비하고 있는 신호전송모듈(320)을 포함하고 있는 음향탐지기의 센서부에 있어서: 상기 음향모듈(330)에는 상기 전치증폭기(332)에서 출력되는 증폭신호를 입력받아 증폭된 잡음을 제거하여 상기 해수잡음보상회로(334)에 전달하도록 아날로그신호를 멀티플렉싱하는 아날로그먹서(30)와, 저레벨의 신호를 1차적으로 증폭하는 자동이득조정기(40a)와, 출력신호를 필터링하는 필터(41)로 이루어진 1차 필터링부(55)를 포함하고; 상기 신호전송모듈(320)에는 상기 음향모듈(330)에서 출력되는 신호에 실려있는 잡음을 제거하여 상기 A/D 변환기(50)에 제공하도록 입력신호를 필터링하는 필터(42)와, 저레벨의 신호를 2차적으로 증폭하는 자동이득조정기(40b)와, 아날로그 형태의 출력신호를 멀티플렉싱하는 아날로그먹스(30)로 이루어지는 2차 필터링부(65)를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향탐지기의 센서부.