KR100454669B1 - 광대역주파수범위응용들을가진원대칭의제로용장성의평면어레이 - Google Patents

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Abstract

소스 위치, 소스 이미징 또는 투사 빔에 의한 타겟 조사를 위한 광대역 주파수 범위의 응용을 갖는 임의 종류의 평면 어레이가 본 명세서에 상세히 설명된다. 비용장성 어레이들은 원대칭이며 넓은 범위의 주파수에 대해 그레이팅 로브를 실질적으로 제거하도록 배치된 다수의 센싱 및/또는 송신 소자들로 이루어진다. 소자들로부터 수신된 신호들 또는 소자로 송신된 신호들은 어레이의 빔을 제어하도록 적절히 위상이 조절된다.

Description

광대역 주파수 범위 응용들을 갖는 원대칭의 제로 용장성의 평면 어레이
본 발명은 소스 위치, 소스 이미징 또는 투사빔을 이용한 타겟 조사를 위한 광 대역 주파수 범위에 응용 가능한 평면(planar) 어레이에 관한 것이다. 어레이 소자들의 수가 제한되는 평면 어레이 설계를 다루는 종래 기술은 단일 주파수 응용에 국한되고, 원대칭의 문제는 다루지 않으며, 및/또는 원거리 응용에 관한 것이므로, 소스 매핑 또는 투사빔에 의한 타겟 조사를 위한 근거리, 원대칭 및 광대역 응용을 포괄적으로 다루지는 않는다.
규칙적 어레이는 당업계에서 공지되었는데, 이 어레이 소자는 정방형, 삼각형 또는 육각형 그리드와 같이 주기적인 형태를 갖도록 배치된다. 이러한 배치에서, 어레이 패턴이 지향 방향 이외의 방향으로 다중 메인로브(mainlobe)를 가지는 것, 즉 공간 에일리어싱(spatial aliasing) 또는 그레이팅 로브(grating lobe)라 칭하는 현상을 방지하기 위해 인접 소자들은 서로 1/2 파장 범위내에 위치하는 것이 요구된다. 사용코자 하는 최저 주파수는 어레이 어퍼츄어 크기를 보다 크게 할 것을 요구[적절한 어레이 해상도를 얻기 위해]하고, 최고 주파수는 소자 간격을 보다 작게 할 것을 요구[공간 에일리어싱 방지]하기 때문에, 넓은 주파수 범위 응용들에서 요구되는 소자들의 수의 관점에서 볼 때 이러한 1/2 파장 요건은 비용이 과중하게 될 수 있다.
불규칙 어레이들은 소자 위치들의 주기성을 제거하기 때문에 규칙 어레이 고유의 그레이팅 로브 문제들을 다루는 방법을 제공하는 불규칙 어레이들이 당업계에 알려져 있다. 랜덤 어레이들은 당업계에서는 불규칙 어레이의 한 형태로 알려져 있다. 랜덤 어레이들은 최악의 경우의 사이드로브들을 예측가능하게 제어하는 능력에 있어서 제한적이다. 어레이 소자 위치가 제어될 수 있는 경우, 불규칙 간격을 보장하고 최악의 경우의 사이드로브들을 보다 예측 가능하게 제어할 수 있게 하는 소자 위치를 결정하기 위해 알고리즘이 사용될 수 있다. 종래 기술은 불규칙 간격의 선형 어레이들에 대한 다수 예를 포함하지만, 대다수는 비용장이고, 즉 임의의 소정 소자 쌍 사이의 간격이 두 번 반복되지 않는다. 비용장성은 그레이팅 로브를 제어하는데 관하여 어레이 설계의 최적성의 정도를 알려준다.
불규칙 평면 어레이들을 설계하는 종래 기술은 전반적으로 임시 변통적이다. 비용장성 평면 어레이들의 소수의 단순한 예 - 비교적 적은 수의 소자들 또는 원주 주위와 같은 단순한 소자 분포중 어느 하나를 갖는 예 - 만이 종래 기술에 존재하는 것처럼 보인다. 비용장성 및 원대칭을 보장하기 위한 제어 방식으로 어레이 개구를 통해 [원주 주변과 반대로] 분포된 임의 개수의 소자들을 비채하는 비용장성 평면 어레이 설계 기술들이 종례예에는 없는 것으로 보인다.
본 발명의 한가지 목적은 광범위한 주파수에 걸쳐 그레이팅 로브가 실질적으로 없는 평면 어레이 설계를 제공하는 것으로, 이 경우에 이용가능한 소자들의 개수는 소스 맵들 또는 투사 빔의 그레이팅 로브 열화를 막기 위해 일반적으로 필요한 1/2파장 기준을 충족시키는 소자간의 간격을 갖는 규칙적(즉, 균일 간격 소자) 어레이를 구성하는데 필요한 것보다 실질적으로 적다.
본 발명의 또 다른 목적은 원대칭을 제공하는 평면 어레이 설계를 제공하여 소스 맵 해상도 또는 투사 빔폭이 어레이 치수(즉, 방위각(azimuthal angle))에 실질적으로 독립적이 되도록 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 어레이가 비용장성인 경우에 고정된 개수의 어레이 소자를 최적으로 사용하게 만들어 주는 평면 어레이 설계를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 어레이 빔폭과 사이드로브 레벨 사이에서 어레이 설계의 트레이드-오프를 허용하는 어레이 설계에 있어서의 간격 밀도 감소의 유연성을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 공간적 샘플링 간격에서 원대칭 및 비용장성을 보장하는 방식으로 임의 직경의 원형 평면 개구 상에 임의 개수의 소자들을 분포시키기 위한 일반적인 방법을 제공하는 것이다.
동일한 대수 나선들의 세트를 따라 다양한 호 길이들 및 반지름들에 있어서 간격을 두고 배치된 센싱 또는 송신 소자(예들 들어 마이크로폰 또는 안테나)로 구성된 평면 어레이가 제공되며, 여기서 나선들의 세트의 구성원들은 원점 주위에서 균일한 각도로 배치되고, 균일하게 분포된 소자(예를 들면, 정방형 또는 직사각형 그리드)를 가진 어레이들 또는 랜덤 어레이들과 비교할 때 넓은 범위의 주파수에 걸쳐 최악의 경우의 사이드로브가 낮고 그레이팅 로브가 잘 감소한다. 어레이는 원대칭이고, 홀수개의 나선들이 있는 경우에 어레이는 비용장성이다. 양호한 나선 사양 실시예는 등면적 환상 영역의 반경 방향의 기하학적인 중심을 형성하는 동심원들 상의 어레이 소자의 위치를, 사용될 최고 주파수에 있어서의 어레이의 성능을 향상시키기 위해 반경이 독립적으로 선택된 최내측 동심원 상의 위치들과 조합시킨다. 이 결과는 넓은 파장 대역에 걸쳐 적용되는데, 예를 들면, 10:1 비율에 적용되어 위상 음향 마이크로폰 또는 스피커 어레이들 또는 위상 전자기 안테나 어레이에 유용하게 한다. 작은 수의 어레이 소자들에 대해서는, 랜덤 어레이보다 월등하다. 또 다른 나선 사양 실시예들은 어레이 설계의 유연성, 및 어레이 빔폭과 사이드로브 레벨들 사이의 어레이 성능 트레이드-오프를 허용하는 어레이 간격 밀도 감소를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 소자들이 등환상 영역에 간격을 두고 배치된 복수의 대수 나선 형상의 어레이들로 이루어지는 원형 평면 어레이의 개략도로서, 나선들중 하나로부터의 어레이 소자들이 하이라이트되어 있는 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 어레이 개구 내의 소자들 사이의 모든 벡터 간격의 세트를 표시하는 코어레이(coarray)의 개략도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 동일 반경 방향의 증분들이 간격을 두고 배치되어 있는 소자들에 의해 다수의 대수 나선 형상의 어레이들로 이루어지는 원형 평면 어레이의 개략도로서, 나선들중 하나로부터의 소자들이 하이라이트되어 있는 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 외측의 대수 반경 방향의 증분들이 간격을 두고 배치되어 있는 소자들에 의해 다수의 대수 나선 형상의 어레이들로 이루어지는 원형 평면 어레이의 개략도로서, 나선들중 하나로부터의 소자들이 하이라이트되어 있는 도면.
도 5는 54인치 오프 브로드사이드의 점에 초점을 둔 1kHz에서 도 1의 어레이를 사용하는 단일 주파수 동작에 대한 예시적인 어레이 패턴.
도 6은 54인치 오프 브로드사이드의 점에 초점을 둔 5kHz에서 도 1의 어레이를 사용하는 단일 주파수 동작에 대한 예시적 어레이 패턴.
도 7은 54인치 오프 브로드사이드의 점에 초점을 둔 10kHz에서 도 1의 어레이를 사용하는 단일 주파수 동작에 대한 예시적 어레이 패턴.
도 8은 54인치 오프 브로드사이드의 점에 초점을 둔 1kHz에서 도 1의 어레이를 사용하는 단일 주파수 동작에 대한 최악의 경우의 사이드로브 특성도.
도 9는 54인치 오프 브로드사이드의 점에 초점을 둔 5kHz에서 도 1의 어레이를 사용하는 단일 주파수 동작에 대한 최악의 경우의 사이드로브 특성도.
도 10은 54인치 오프 브로드사이드의 점에 초점을 둔 10kHz에서 도 1의 어레이를 사용하는 단일 주파수 동작에 대한 최악의 경우의 사이드로브 특성도.
도 11은 노이즈 소스 위치 매핑에 대한 도 1의 평면 어레이로부터 마이크로폰 입력, 신호 조건, 신호 처리 및 디스플레이를 도시하는 예시적인 블럭도.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
12: 어레이 소자
14: 소자
15: 평면 어레이 설계
16: 대수 나선
17: 소자
본 발명의 상기 및 다른 목적들은 동일한 부분에 동일한 참조 부호를 부기한 첨부 도면들을 참조하여 바람직한 실시예들에 대한 다음 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1에 도시된 평면 어레이 설계(15)는 원들로 표시된 어레이 소자들(12)을 도시한다. 대수 나선(logarithmic spiral ; 16)에 따른 분포를 강조하기 위해 소자들(14)의 서브세트가 하이라이트되었다. 하이라이트된 소자들(14)은 다수의 방법중 임의의 방법에 따라 나선을 따라 배치될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 한가지 양호한 방법은 M개의 소자를 갖는 나선의 (M-1)개의 최외측의 소자들이 동심의 동 등면적의 환상 영역(annuli)의 기하학적 반경 중심들과 일치하도록 배치되는 동일 환상 면적 샘플링 방법이다. M번째 소자는 의도되는 용도에 있어서의 최고 주파수에서 어레이의 성능을 향상시키기 위해 상기 (M-1)개의 소자들의 최내측의 반경 보다 약간 작은 반경으로 독립적으로 배치된다. 원대칭은 도 1에 도시된 등간격으로 배치된 소자들(17)의 N개의 소자의 원형 어레이를 나선 소자들(14) 각각으로부터클럭함으로써 달성된다. 원형 어레이들 내의 소자들의 수가 홀수이면, 결과적으로 어레이는 공간적 샘플링 간격에서 제로 용장성을 갖는다. 이것은 도 1의 어레이 개구의 소자들(12) 사이의 모든 벡터 간격의 집합을 나타내는 도 2에 도시된 코어레이(coarray)로 표현된다. 코어레이 내의 각 지점(18)은 어레이 내의 두개의 소자들의 위치들 사이의 벡터차를 나타낸다. 본 발명의 평면 어레이 설계(15)의 경우, 어떠한 벡터차도 반복되지 않는다.
대안적인 나선 소자 이격 방법들은 도 3 및 도 4에 도시되어 있다. 도 3에서, 나선 소자들(14)은 내측과 외측 반경 방향의 사양 사이에 나선(16)을 따라 동일한 반경 방향의 증분들의 간격으로 배치된다. 도 4에서, 나선 소자들(14)은 외측과 내측 반경 방향의 사향 사이에 나선(16)을 따라 대수적으로 증가하는 반지름 증분의 간격으로 배치된다(즉, 나선이 최외측으로부터 최내측 소자로 진행할 때 나선 소자들 사이의 반경 방향의 증분이 증가된다). 이것은 내측의 대수 반경 간격(logarithmic radial spacing outside-in)이라 지칭된다. 외측의 대수 반경 간격(logarithmic radial spacing inside-out)이라 지칭되는 또 다른 방법은, 내측 및 외측의 반경 방향 사양 사이에 나선을 따라 대수적으로 증가하는 반경 방향의 증분들로 간격을 두어 나선 소자들을 배치시킨다. 이들 및 다른 나선 소자 이격 방법은 어레이 메인로브 폭(즉, 어레이 해상도)과 사이드로브 레벨들 사이의 트레이드-오프를 도시한다. 도 3의 어레이(18)와 같이 이 원주 근처에 소자들이 집중되는 어레이는 보다 좁은 메인로브 및 그에 따른 더 높은 평균 사이드로브 레벨들을 갖는다. 도 1, 3 및 4의 실시예들과 외측의 대수 반경 간격을 포함하는 실시예는 본발명에 따른 반경 방향 간격 구조의 예일 따름이다.
본 발명의 어레이들의 일반적인 설계 파라미터는 (1) 대수 나선의 각도, (2) 내측 반경; (3) 외측 반경; (4) 나선당 소자들의 수; (5) 원 당 소자들의 수(즉, 나선들의 수); 및 (6) 나선 소자 이격 방법과 같은 것이다. 이들 파라미터들은 규칙적이거나 랜덤한 어레이들로 달성될 수 있는 것과 비교하여 넓은 범위의 주파수들에 걸쳐서 아주 낮은 최악의 경우의 사이드로브 특성들을 갖는 광범위한 종류의 원대칭 비용장성 평면 어레이들(원 당 소자들의 수가 홀수이면)을 형성한다.
도 1의 실시예에 대한 어레이 패턴들은 도 1에 대해서는 1kHz인 경우에 대해서 도시되고, 도 6에서는 5kHz인 경우에 대해서 도시되고, 도 7에서는 10kHz인 경우에 대해서 도시되며, 어레이는 54인치 브로드사이드의 점에 초점을 맞추어 넓은 주파수 범위 및 넓은 주사 영역에 걸쳐 그레이팅(grating) 로브들이 없다는 것을 나타내고 어레이의 원대칭 특성을 도시한다. 이들 예시적 어레이 패턴들은 1125 ft./s.의 전파 속도를 이용하는 음파의 대기 전파에 상응하는 주파수들에 대해 결정되었다. 도 1의 실시예에 대한 최악의 경우의 사이드로브 특성은 도 8에서는 1 kHz인 경우에 대해, 도 9에서는 5 kHz인 경우에 대해, 도 10에서는 10 kHz 경우에 대해 도시되었으며, 어레이가 54인치 브로드사이드의 점에 초점을 둔 경우, -90_ 내지 +90_ 고도각(elevation angle)에 대해서의 넓은 주파수 범위에 걸쳐 강한 그레이팅 로브 억압을 나타낸다. 도 8, 도 9 및 도 10은 91개의 각 고도각으로 어레이 패턴을 절단하는 45 방위각으로부터 최대값을 취함으로써 형성되는 어레이 패턴 엔벨로프를 도시한다.
도 11은 도 1 어레이의 음향 응용을 위한 장치, 신호 조절, 데이터 획득, 신호 처리 및 디스플레이 시스템에 대한 블록도이다. N개의 채널의 어레이 설계(1)는 마이크로폰 진동판들의 중심들의 서로에 대한 위치들이 어레이 설계 사양(즉 공간 좌표들)과 일치하도록, 적절한 공간 위치들에 N개의 마이크로폰들을 위치시킴으로써 수행된다. 마이크로폰 버튼(어레이 소자; 12), 프리 앰프(3), 및 송신 라인(4)으로 구성된 N개의 마이크로폰 시스템들은 N개의 대응하는 입력 모듈(5)로 공급된다. 각각의 입력 채널은 프로그램 가능한 이득(6), 아날로그 안티-에일리어스 필터(7), 및 샘플 및 홀드 아날로그-대-디지탈 변환(8)을 포함한다. 입력 채널들은 공통 트리거 버스(9)를 공유하여 샘플 및 홀드가 동시에 이루어지도록 한다. 공통 시스템 버스(10)는 입력 모듈들을 호스트하고 동시에 획득된 시계열 데이터를 빔형성기(11)로 채널링한다. 빔형성기는 다수의 종래 시간 및/또는 주파수 도메인 빔형성 처리기 프로세스들중 하나 이상일 수 있으며, 이 처리기는 그래픽 표시 장치(13)를 포함하는 판독 수단에 데이터를 제공한다.
예로서, 주파수 도메인 빔형성기(11)는 도 1 및 도 11의 N개의 마이크로폰 소자들(12 및 14)로 구성된 평면 어레이로부터의 신호에 대해 다음의 신호 처리를 제공하여 다음의 단계들을 수행한다:
1. 각각의 채널에 대해 협대역 신호를 생성하도록 퓨리에 변환하는 단계.
2. NxN 상관 매트릭스를 얻기 위해 적시에 협대역 신호의 쌍마다의 곱을 적분하는 단계.
3. 각각의 잠재적인 도착 방향(평면파 빔형성의 경우) 또는 소스 위치(구형빔형성의 경우)에 대하여 N-차원 복소수 스티어링 벡터를 구하는 단계.
4. 상관 매트릭스와 스티어링 벡터들을 곱하여 각각의 도착 방향 또는 소스 위치에 대하여 추정된 소스 전력을 생성하는 단계.
본 발명에 따라서, 광범위한 주파수에 걸쳐서 그레이팅 로브가 실질적으로 없는 평면 어레이 설계가 제공되었다. 또한, 공간적 샘플링 공간에서 원대칭 및 비용장성을 보장하는 방식으로 임의의 직경의 원형 개구 상에 임의 개수의 소자를 분포시키는 일반적 방법이 제공되었다.
특정 장치가 설명되었지만, 이러한 설명은 예를 들기 위한 것이지 본 발명의 목적 및 첨부된 특허청구범위에서 설명하는 본 발명의 범위를 좁히고자 하는 것은 아니다.

Claims (13)

  1. 동일한 대수 나선들의 군을 따라 여러가지 반경들로 간격을 둔 다수의 소자를 포함하고, 상기 군의 구성원들은 원점 주위에서 그 각도가 균일하게 이격되고 상기 나선들의 군 내에는 홀수개의 구성원들이 있는 넓은 주파수 범위의 원대칭 제로 용장성의 평면 어레이.
  2. 제1항에 기재된 평면 어레이와, 별개의 수신 경로들을 통해 상기 어레이 소자들 각각으로부터 신호 에너지를 수신하기 위한 수단이 결합되는 결합장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수신 경로들의 각각에 연결되어 상기 어레이 소자들의 위상 및 진폭을 제어하도록 상기 신호 에너지를 처리함으로써 상기 어레이의 주 빔을 제어하는 수단이 결합되는 결합 장치.
  4. 제1항에 기재된 평면 어레이와, 별개의 송신 경로들을 통해 상기 어레이 소자들 각각에 신호 에너지를 공급하기 위한 수단이 결합되는 결합 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 송신 경로들 각각에 연결되어 상기 어레이 소자들의 위상 및 진폭을 제어하도록 상기 신호 에너지를 처리함으로써 상기 어레이의 주 빔을 제어하는 수단이 결합되는 결합 장치.
  6. 제3항 또는 제5항에 있어서,
    상기 어레이 소자들은 등면적 환상 영역들(equal-area annuli)의 기하학적 반경 중심들을 형성하는 동심원들 상에 그리고 그 반경이 독립적으로 지정되는 최내측 동심원 상에 각각의 상기 대수 나선을 따라 배치되는 결합 장치.
  7. 제3항 또는 제5항에 있어서,
    상기 어레이 소자들은 내측 및 외측 반경 사양 사이에 동일한 반경 방향의 증분들로 각각의 상기 대수 나선을 따라 배치되는 결합 장치.
  8. 제3항 또는 제5항에 있어서,
    상기 어레이 소자들은 외측 및 내측 반경 사양 사이에 대수적으로 증가되는 반경 방향의 증분들로 각각의 상기 대수 나선을 따라 배치되어, 상기 나선이 최외측에서 최내측 소자로 진행함에 따라 상기 대수 나선을 따르는 상기 소자들 사이의 반경 방향의 증분들이 증가되게 하는 결합 장치.
  9. 제3항 또는 제5항에 있어서,
    상기 어레이 소자들은 외측 및 내측 반경 사양 사이에 대수적으로 증가되는반경 방향의 증분들로 각각의 상기 대수 나선을 따라 배치되어, 상기 나선이 최내측에서 최외측 소자로 진행함에 따라 상기 대수 나선을 따르는 상기 소자들 사이의 반경 방향의 증분들이 증가되게 하는 결합 장치.
  10. 제3항 또는 제5항에 있어서,
    상기 어레이 소자들은 제6항 내지 제9항 중의 어느 한 항에서 규정된 수단 이외에 간격 밀도 감소(space density tapering)를 달성하기 위한 수단에 의하여 상기 각각의 대수 나선을 따라 배치되는 결합 장치.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 어레이 소자들은 수동(passive) 음향 센서(예를 들어, 콘덴서 마이크로폰들)이고,
    상기 신호 에너지를 수신하고 상기 신호 에너지를 처리하여 상기 어레이 소자들의 위상 진폭을 제어하는 상기 수단은 프리 앰프, 송신 라인, 및 신호 조절과 각각의 채널에 대한 샘플 및 홀드(sample and hold) 아날로그-디지탈 변환 능력을 갖는 입력 모듈을 포함하는 N-채널 신호 조절 시스템이며,
    모든 입력 모듈들은 윤곽 플롯(contour plot) 형태로 빔 형성 및 최종 노이즈 소스 맵 생성을 위한 데이터 처리 시스템에 접속되는 공통 시스템 버스에 연결되는 결합 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    원대칭 및 제로 용장성의 평면 어레이를 제공하기 위해, 대수 나선의 각도, 내측 반경, 외측 반경, 나선 당 소자들의 수, 나선들의 수, 및 나선 소자 이격이 조절되는 평면 어레이.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 어레이 내의 소자들의 개수 및 상기 어레이의 외측 반경이 임의의 값인 평면 어레이.
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