KR0156080B1

KR0156080B1 - 수동예인형 음향 탐지기의 센서부

Info

Publication number: KR0156080B1
Application number: KR1019950056615A
Authority: KR
Inventors: 이남재
Original assignee: 배순훈; 대우전자주식회사
Priority date: 1995-12-26
Filing date: 1995-12-26
Publication date: 1998-12-15
Also published as: KR970048616A

Abstract

본 발명은 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 병렬처리하는 신호전송모듈에 관한 것이다.

Description

수동예인형 음향 탐지기의 센서부

제1도는 음향 탐지기를 보인 일 예시 구성 블록도.

제2도는 제1도의 진동격리모듈 및 음향모듈을 세부적으로 보인 블록도.

제3도는 제1도의 신호전소오듈을 세부적으로 보인 블록도.

제4도는 각기 다른 위치에서 발췌된 음향신호를 복원하는 파형.

제5도는 본 발명에서 안출한 신호전송모들의 상세도.

제6도는 제5도의 나임챠트(Time Chart).

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

30 : 아날로그먹스 40 : 병/직렬변환기

41 : 리세트수단 42 : 지연수단

45 : 병렬처리수단 50 : ADC(Analog Digital Converter)

60 : 먹스(MUX) 70 : 드라이브

100 : 함상 110 : 자료처리부

120 : 신호처리부 200 : 예이케이블

300 : 음향센서부 310 : 진동격리모듈

311 : 텐션센서 312 : 버퍼

320, 320a : 신호전송모듈 330 : 음향모듈

331 : 수중청음기 332 : 전치증폭기

333 : 보호회로 334 : 해수잡음보상회로

335,335a : 롤센서 336 : 시험제어기

337 : 수심센서 338 : 방위센서

340 : 꼬리로프조립체

본 발명은 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 능동소나(SONAR) 방식과, 다른 음원으로부터 방사하는 음향에너지만을 수신하는 수동소나방식이 있다.

상기의 음향탐지기는 제1도에 도시한 바와 같이 수중의 음향 신호를 감지하여 전기적인 아날로그 신호를 변환하고 이를 다시 디지털 신호로 변환하고 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)로부터 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 전기적신호를 변환시키면서 신호를 타고 흐르는 해수 잡음을 제거하는 기능을 하는 모듈로 해저의 음향 신호를 수신하여 전기 신호로 변환하는 수중청음기(Hydrophone : 331)와, 미세신호를 증폭하는 전치증폭기(Pre-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, 아날로그신호를 디지털 신호화 하는 ADC(50)와, 디지털신호를 멀티플렉싱하기 위한 먹스(60)와, 상기의 신호로 함삼(100)의 신호처리부(120)를 구동하기 위한 드라이브(70)로 구성된다.

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

이하 상기의 구성을 한 음향센서부(300)의 동작을 제2도와 3도를 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 프리 엠퍼시스(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 고주파를 확장시켜 의도적으로 변경하고, 수신기에서는 신호레벨이 높고 잡음이 어느정도 억제될 수 있어 복조할 신호를 고주파에 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 잡음 레벨을 감소시키고 있다.

상기 증폭소자 자체 잡음 요인에는 증폭소자에서 발생하는 잡음을 지역통과 여파기 주파수 대역에서 발생하는 1/f잡음, 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 저 주파영역에 존재하는 해수내의 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 수심 정보를 각각 측정하여 상기 신호전송모듈(320)에 전달한다.

상기의 처리과정을 거쳐 신호전송모듈(320)에 전송된 신호는 아날로그먹스(30)에서 순차적으로 멀티플렉싱되어진 후 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 구성을 한 경우 음향모듈(330)의 수중청음기(331)가 포착한 음향신호가 복원되는 과정은 제4도에서와 같이 CH1이 신호를 복원하고 난후 일정시간(2.77㎲)지연후 CH2의 신호를 복원하게 되고 CH80의 경우는 포착된 신호를 복원하기 까지는 218.83㎲(2.77㎲×79)의 지연시간이 필요하게 되므로 음향신호의 처리에 에러가능성이 커지게 되어 출력단에서의 신호대 잡음비(SNR)이 저하되는 결점을 안고 있었다.

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

이하 본 발명의 구성을 제5도를 이용하여 설명하면 다음과 같다. 음향전송모듈(320(a))은 해저의 음파를 포착하는 수중청음기(331)의 신호를 병렬처리하기 위한 병렬처리수단(45)과 드라이브(70)로 구성되는데, 상기의 병렬처리수단(45)은 S/H(sampl and hold) 신호에 의해 온, 오프하는 트랜지스터(Q1)와, 전치증폭기(332)의 음향신호를 충전하는 커패시터(C1)와, ADC(50)에 입력된 신호를 지연시키기 위하여 저항(R1)과 커패시터(C2)로 구성된 지연수단(42)과, 아날로그신호를 디지탈 신호로 변환하는 (ADC)와, 병렬신호를 직렬로 변환하는 병/직렬변환기(40)와, 상기 커패시터(C1)에 충전된 신호를 방전하는 리세트수단(41)으로 구성되며, 리세트수단(41)은 온, 오프하는 트랜지스터(Q2)와 상기 트랜지스터(Q2)를 온하기 위한 전압을 공급하기 위한 저항(R2)과, 커패시터(C2)로 구성된다.

본 발명의 작용을 제5도를 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) 출력단위 미약한 신호를 증폭하고, 음파의 수중진행에 따른 감쇄 보상을 위해 앰퍼시스(Emphasis)처리후 수중청음기(331)의 작은 신호를 신호처리하기에 용이하게 증폭한다.

상기와 같이 처리된 신호는 잡음성분을 감소시키기 위하여 후단의 해수잡음 보상회로(334)를 통과시키면 저주파영역에 존재하는 해수내에 잡음신호는 차단되고 감쇄된 고주파 성분신호는 보상되어 신호전송모듈(320a)에 전달된다.

이때 S/H신호에 의해 트랜지스터(Q)는 온하게 되고 이 신호는 ADC(50)에 신호를 전달하면서, 소신호 데이터 홀드(data hold)용 커패시터(C1)를 충전한다.

지연수단(42)은 저항(R1)과 커패시터(C2)의 시상수(time constant)크기로 제6도에서와 같이 인에이블신호에 의해 ADC(50)의 신호를 지연시킨다.

이때 트랜지스터(Q2)가 리세트수단(41)에 의해 온되면 커패시터(C1)에 충전된 신호는 방전하면서 상기의 전치증폭기(332)로부터 새로운 신호를 받아 들이게 되고 병/직렬 변환기(40)에 입력된 신호는 클럭(clock)에 의해 순차적으로 드라이브(70)로 보내어 여기서 신호를 드라이브하게 된다.

따라서 본 발명의 센서부는 음향모듈과 신호전송모듈에 각 채널의 신호를 병렬처리할 수 있도록하여 신호에 실린 잡음의 제거가 가능토록 함으로써, 정확한 수중음향정보의 확보를 가능케하여 해저에서 음파를 발생하는 음원의 위치, 크기, 그리고 이동방향에 대한 정확한 정보의 적출이 가능하여 적군의 교란이나 기만전술에 대응하여 효과적인 방어전술이나 공격전술 수립에 기여할수 있는 효과를 가진다.

Claims

해저음파를 포착하여 음원의 위치, 크기, 이동방향 등을 탐지하기 위하여 해수음파를 포착하는 수중청음기(331)와, 신호를 증폭하고 잡음을 제거하는 전치증폭기(332)와, 해수잡음을 감쇄하는 해수잡음 보상회로(334)와, 전치증폭기(332)를 보호하는 보호회로(333)와, 음향모듈(330)의 기울어짐을 감지하는 롤센서(335,335a)와, 동작의 이상 유·무를 시험하기 위한 시험하기 위한 시험제어기(336)와, 수심을 측정하는 수심센서(337)와, 방위를 측정하는 방위센서(338)로 구성된 음향모듈(330)과, 상기 음향모듈(330)의 출력신호를 병렬로 받아 직렬신호로 출력하는 아날로그 먹스(30)와, 아날로그신호를 디지털신호화하는 ADC(50)와, 디지털신호를 멀티플렉싱하기 위한 먹스(60)와, 상기의 신호로 함상(100)의 신호처리부(120)를 구동하기 위한 드라이브(70)로 구성된 신호전송모듈(320)로 이루어진 음향탐지기의 센서부에 있어서, 상기 신호전송모듈(320)에는 증폭된 신호를 병렬처리하기 위한 병렬 처리수단(45)과, 신호를 구동하기 위한 드라이브(70)가 포함되게 구성함을 특징으로 하는 수동예인형 음향탐지기의 센서부
제1항에 있어서, 상기 병렬처리수단(45)은 스위칭 작용을 하는 트랜지스터(Q1)와, 아날로그신호를 디지탈신호로 변환하는 ADC(50)와, ADC(50)의 신호를 인에이블하는 지연수단(42)과, 리세트를 위한 리세트수단(41)고, 병렬신호를 직렬로 변환하는 병/직렬변환기(40)를 구비한 것을 특징으로 하는 수동예인형 음향탐지기의 센서부.