KR101049704B1 - 선 스펙트럼 방출을 사용한 액티브 소나에 의해 수신되는에코의 시각화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 선 스펙트럼 방출을 갖는 액티브 소나의 동작에 의해 획득된 유용한 정보의 단일 이미지에서의 시각화에 대한 방법에 관한 것이다. 방법은, 오퍼레이터가 모니터링할 필요가 있을 수도 있는 에코 및 소나 파동 잔향, 해저, 표면 또는 체적 잔향에 의해 남겨진 트레이스 (trace) 를 동시에 뷰잉하는 것을 가능하게 한다. 상기 방법은 적어도 3개의 페이즈 (phase) 를 포함한다, 즉, 특히, 이동 에코로부터 고정 에코의 구별을 위한 도플러 프로세싱에 대한 일 페이즈 (71), 방향/거리 평면에서 검출된 에코의 위치를 정하는 인위적인 소나 이미지의 발생에 대한 단계 (72), 특히, 해저로부터의 잔향으로부터 유도된 표현의 인위적인 이미지에서의 재배치를 포함하는 단계 (73) 이다. 특히, 상기 방법은 수신된 에코를 특징짓기 위해 도플러 효과를 사용하는 소나 시스템에 대해 적합하다.

잔향, 폭넓은 스펙트럼 방출, 선 스펙트럼 방출

Description

선 스펙트럼 방출을 사용한 액티브 소나에 의해 수신되는 에코의 시각화 방법{METHOD FOR VISUALISATION OF ECHOES RECEIVED BY AN ACTIVE SONAR USING A LINE SPECTRUM EMISSION}

본 명세서에서 설명되고 청구된 본 발명은, 선 스펙트럼 방출을 갖는 액티브 소나 (sonar) 의 구현에 의해 획득되는 유용한 정보를 단일 이미지상에 시각화하는 것을 가능케 하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 오퍼레이터 (operator) 로 하여금, 위험을 표현하여 모니터링이 요구될 수도 있는 에코뿐만 아니라, 잔향 (reverberation), 특히 종종 가장 큰 방해가 되는 바닥 (bed) 에서의 반사로 인한 잔향을 동시에 뷰잉 (view) 할 수 있게 한다. 특히, 이 방법은, 수신된 에코들을 특징화하기 위해 도플러 효과를 이용하는 소나 시스템에 대해 의도된다.

실제로, 액티브 소나는, 제한된 지속기간 T를 가지며 마찬가지로 제한된 주파수 대역 B를 점유하는 신호를 방출한다. 이들 대역 및 지속기간 특징은, 곱 B×T 에 의존하는 진폭 프로세싱 이득, 및 1/B에 의존하는 해상도를 갖는 시간 도메인 (domain) 및 1/T에 의존하는 해상도를 갖는 주파수 도메인에서 수신된 신호를 분리하는 능력을 획득하기 위해 활용될 수 있다. 각각의 소나에 대해 더 정확하게는, 더 근접하거나 더 먼 소스 (전파 딜레이에 의해 나타낸 거리) 로부터 발신되고 더 신속하거나 더 느리게 진행 (주파수 스펙트럼의 변형에 의한 도플러 효과때문에 나타낸 속도) 하는 에코들을 구별하는 능력을 표현하는 모호성 함수 (ambiguity function) 를 정의하는 것이 가능하다.

광대역 신호는, 대역이 더 넓을수록, 더 좋은 검출, 더 좋은 거리 추정 및 더 좋은 거리 해상력을 허용하는 이점을 나타낸다. 이들 광대역 신호중에, 주파수에서 쌍곡선으로 (hyperbolically) 변조된 신호는 도플러 손상에 둔감한 이점을 갖는다, 다시 말하면, 도플러 효과에 의해 완전히 영향을 받아도, 반사된 신호는 방출된 신호의 이미지내에 존재하고, 타겟은 그의 속도에 관계없이 동일한 검출기에 의해 검출될 것이며, 프로세싱 이득은 변하지 않는다. 그러나, 이러한 둔감도는, 거리에 대한 정보없이는 속도를 추정하는 방법을 정확히 알 수 없게 하며 그 역도 마찬가지가 되게 하는 "도플러-딜레이" 불확실도를 수반한다.

반면, 선 스펙트럼 신호는 소나 및 타겟의 상대적인 속도의 함수로서 에코들을 양호하게 분리하는 이점을 가지며, 도플러 효과는 방출된 주파수에 대한 수신된 신호의 주파수의 시프트 또는 "슬립 (slip) " 에 의해 나타내어 진다. 특히, 이러한 특성은 잔향 노이즈를 제거하기 위해 사용된다. 잔향은, 부유물 (suspension) 내에서의 다중 이질성 (heterogeneity) 상 또는 바닥상 또는 표면상의 다른 곳의 신호의 반사로부터 기인한다. 이들 반사자들은 고정되어 있어서, 소나의 채널에서 수신되는 대응하는 신호들은, 캐리어의 속도 및 소나의 수신 채널에 의해 포인팅된 방향에만 의존하는 도플러에 의해 영향을 받는다. 이동 타겟에 대해서는, 캐리어에 대한 타겟 자체의 속도때문에 도플러 효과가 증가되는 것을 제외하고는 동일하다.

간단히 필터링함으로써, 에코를 잔향과 구별하고, 소나의 주파수 해상도가 충분하다면, 이러한 에코를 리턴한 타겟의 상대적인 속도를 추정하는 것이 가능하다.

일반적으로, 종래의 소나는, 광대역 신호 또는 선 스펙트럼 신호 중 하나를 방출함으로써 임의의 그들의 모드에 따라 동작한다. 따라서, 본 출원인에 의해 01/04/2003에 출원된 출원 FR 03 04042은, 주파수 변조된 신호 및 BPSK와 같이 높은 도플러 해상도를 갖는 신호의 특성을 동시에 사용하는 소나를 설명한다. 선 스펙트럼 방출을 갖는 소나는, 대응하는 수신된 신호들의 강도뿐만 아니라 이들의 도플러 주파수들을 통해, 수신된 신호에 도플러 프로세싱을 용이하게 적용하고 수신된 에코들의 분류를 수행하는 것을 가능하게 한다. 그 후, 소나의 캐리어에 대하여, 에코는 3개의 파라미터, 즉, 캐리어에 대한 에코의 거리, 에코가 위치된 방위 (bearing), 및 에코의 이동 속도에 의해 특징화된다. 방위는, 캐리어 쉽 (ship) 의 진로 방향과 에코가 수신된 물체에 소나를 잇는 방향에 의해 이루어진 각으로서 정의될 수도 있다.

특히, 속도 파라미터는, 검출된 물체가 소나의 캐리어에 대해 임의의 위협 (threat) 을 나타낼 것 같은지를 결정하기 위해 중요하다. 또한, 속도 파라미터는 콘트라스트 (contrast) 에서의 개선을 유리하게 허용한다. 구체적으로, 해저의 강한 파노라마 잔향의 구역에 위치된 소형 사이즈의 이동 타겟에 의해 반사된 에코는, 그 에코의 레벨이 전체의 대역을 균일하게 커버링하는 잔향 신호에 의해 획득되는 레벨에 대해 너무 낮으므로, 폭넓은 스펙트럼 방출에서는 보이지 않는다. 한편, 에코는, 타겟의 속도로부터 발생하는 도플러로 인한 주파수 이동에 의하여, 파노라마 잔향에 의해 구성된 주위의 소음으로부터 용이하게 분리될 수도 있다. 따라서, 에코는 검출되고 격리될 수도 있다.

그러나, 도플러 파라미터의 사용은, 수신된 정보를 뷰잉하는 문제를 오퍼레이터에게 제시한다. 구체적으로, 도플러 분석의 부재시에, 각각의 에코는, 2개의 좌표, 즉, 에코의 방위 및 에코의 거리를 갖는, 점 또는 작은 면으로서 평면상에 묘사될 수도 있다. 따라서, 종래의 뷰잉 스크린을 기초로 하여, 수신된 에코를 표현하는 것이 가능하다. 예를 들어, 이러한 표현은, 루미너스 스팟 (luminous spot) 의 위치 및 사이즈가 에코를 리턴한 물체의 위치 및 사이즈를 반영하는 그 루미너스 스팟의 형태를 취할 수도 있다. 예를 들어, 수신된 에코의 레벨은 루미너스 스팟의 명암도에 의해 렌더링되며, 타겟의 파라미터를 획득하는 것을 대응하는 에코의 간단한 포인팅에 의해 간단하게 제공한다.

한편, 에코의 도플러 특징화가 수행된다면, 각각의 에코는 3개의 좌표, 즉, 에코의 방위, 에코의 거리 및 에코의 도플러 주파수에 의해 식별된다. 따라서, 평면에서의 간단한 표현은 더 이상 가능하지 않다.

또한, 제 1 솔루션은 3차원 공간에서 검출된 에코를 표현하는 것에 존재한다. 이러한 목적을 위해, 예를 들어, 3개의 축, 거리축, 방위축 및 도플러축을 따라 수행된 투시 표현을 사용하는 것이 가능하다. 이러한 표현은 도 2에 도시된다. 그러나, 수신된 모든 에코의 동시 표현을 허용하는 이점을 나타낼지라도, 투시 표현은 중대한 결점을 나타낸다. 먼저, 투시 표현은 간단한 종래의 뷰잉 스크린보다 더 복잡하고 더 고가의 특수한 스크린의 사용을 요구한다. 다음으로, 이러한 표현은, 스크린상에 디스플레이되는 에코의 예를 들어 커서 (cursor) 에 의한 지정과 같은 소나를 관리하는 오퍼레이터에 의해 수행되는 동작을 더 복잡하게 한다. 마지막으로, 많은 수의 에코가 수신되는 경우, 투시 표현은 그의 가독성을 잃는다.

종래 기술로부터 공지되어 통상 사용되는 제 2 솔루션은, 2개의 동시 평면 이미지를 동시에 사용하는 것에 존재한다. 도 3 및 도 4의 이미지와 같이, 제 1 이미지는, 종래의 방위-거리 평면에서 동일한 도플러 주파수를 갖는 수신된 에코의 디스플레이를 수행한다. 원하는 도플러 주파수는 오퍼레이터에 의해 선택된다. 이러한 이미지는 동일한 도플러 주파수를 갖는 모든 에코를 동시에 뷰잉하는 것을 가능하게 한다. 한편, 또 다른 도플러 주파수를 나타내는 에코는 표현되지 않는다. 따라서, 에코의 시각적인 분석은 이용가능한 다양한 이미지에 대한 연속적인 검사에 의해 수행된다.

방위-거리 평면에서의 표현은, 도 5의 이미지와 같이, 방위-도플러 평면의 제 2 이미지로 보완된다. 이러한 제 2 이미지는, 소나에 의해 커버링되는 도플러 범위에서의 에코의 도플러 주파수와는 관계없이 소정의 거리에 위치된 전체 세트의 에코를 뷰잉하는 것을 가능하게 한다. 또한, 이러한 거리는 오퍼레이터에 의해 선택된다. 페이지와이즈 (pagewise) 시각화를 포함하는 제 2 솔루션은, 통상 사용되는 뷰잉 스크린과 호환가능하다는 이점을 갖는다. 한편, 제 2 솔루션은 2개의 상이한 평면에서의 많은 수의 이미지의 연속적인 검사를 요구하는 사실 때문에, 하나의 평면의 표현으로부터 다른 평면의 표현까지의 전환이 일반적으로 컴퓨터 툴 (tool) 의 구현에 의해 용이하게 수행됨에도 불구하고, 오퍼레이터가 구현하기에는 길고 곤란하다. 특히, 이것은 강한 잔향의 구역에서 이동하는 비교적 소형 사이즈의 물체의 검출에 관해 일정한 수의 해석 에러의 원인이다. 또한, 이러한 표현은 해저의 파노라마 잔향의 전체적인 시각화를 허용하지 않으며, 이러한 잔향을 나타내는 에코들이, 이들의 도플러 주파수의 함수로서 모든 이미지에 걸쳐 분포된다. 따라서, 각각의 이미지를 적절히 분석할 수 있기 위해, 오퍼레이터는 파노라마 잔향의 내적인 재구성을 수행해야 한다.

이들 난제를 완화하기 위해, 본 발명에 따른 방법은 도플러 정보를 사용하는 또 다른 방식을 제안한다. 선 스펙트럼 방출을 기초로 하여, 본 발명에 따른 방법은 방위-거리 평면에서 제공되는 합성 평면 이미지의 재구성을 수행한다. 이러한 합성 이미지는 구별된 방식으로 검출된 에코를 표현하고, 다양한 잔향 형태, 특히 바닥의 형태로부터 발신된 음향 신호를 다양한 범위의 구역의 형태로 묘사한다.

이러한 목적을 위해, 본 발명에 따른 방법은 수 개의 단계를 포함한다. 수신된 소나 신호의 도플러 프로세싱하는 제 1 단계는, 도플러 주파수의 함수로서 수신된 에코를 분류하는 것을 가능하게 한다. 특히, 그 에코는 2개의 카테고리, 즉, 고정 에코 및 이동 에코로 분류된다.

제 2 단계는, 도플러 주파수에 관계없이, 수신된 에코의 전체 세트를 단일 방위-거리 평면에 나타내는 평면 이미지를 합성하고, 특히, 에코가 고정 또는 이동인지를 나타내는 심볼에 의해 검출된 각각의 에코를 나타내는 것에 존재한다.

마지막으로, 최종 단계는, 해저의 파노라마 잔향을 재구성하는 에코 신호의 표현에 중첩하는 것에 존재한다.

본 발명에 따른 방법은, 폭넓은 스펙트럼 파동을 방출하는 소나 시스템의 이용을 위해 사용하는 것과 유사하므로, 오퍼레이터에 의해 용이하게 이용가능한 평면 및 뚜렷한 파노라마 표현을 유도하는 이점을 갖는다. 획득된 이미지는 모든 유용한 정보를 오퍼레이터에게 한꺼번에 제공한다. 본 발명에 따른 방법은, 특히, 오퍼레이터가 소형 사이즈의 물체로부터 발신되는 에코를 뷰잉할 수 있도록 하는 실질적으로 개선된 콘트라스트를 갖는 이미지를 획득하기 위해 도플러 효과를 유리하게 이용한다. 또한, 고정 에코 및 이동 에코의 구별된 디스플레이의 가능성을 제공하는 이점을 갖는다. 또한, 본 발명에 따른 방법은, 해저의 잔향의 이미지를 오퍼레이터에게 제공하는 이점을 가지며, 그 잔향은 소나 이미지의 이용에 대한 지원을 구성한다.

다른 특징 및 이점은 도시된 도면과 함께 제공된 설명과 관련하여 명백할 것이다.

도 1은, 폭넓은 스펙트럼 파동을 방출하는 종래의 소나로부터 획득된 소나 이미지상에 표현된 엘리먼트의 도식적 예시도이다.

도 2는, 에코의 거리, 방위, 및 도플러 주파수에 의해 특징을 나타낸 3차원의 소나 에코의 예시적인 표현이다.

도 3은, 도 2에 언급된 방위-거리 평면 p₁에서, 동일한 도플러 주파수를 갖는 수신된 에코의 디스플레이에 대응하는 평면 이미지의 도식적인 표현이다.

도 4는, 도 2에 언급된 방위-거리 평면 p₂에서, 동일한 도플러 주파수를 갖는 수신된 에코의 디스플레이에 대응하는 평면 이미지의 도식적인 표현이다.

도 5는, 방위-도플러 평면에서, 도 2에 언급된 동일한 거리 D에 위치되고 수신된 에코의 디스플레이에 대응하는 평면 이미지를 도시한 도식적인 표현이다.

도 6은, 방위-도플러 평면을 다양한 구역으로의 분할을 나타낸 예시도이며, 그 분할은 본 발명에 따른 방법에 의해 사용된다.

도 7은, 본 발명에 따른 방법의 간략화된 흐름도이다.

도 8은, 본 발명에 따른 방법에 의해 획득된 이미지의 예시도이다.

도 1은, 쌍곡선 주파수 변조 또는 HFM된 신호를 방출하는 액티브 소나에 의해 획득된 이미지와 같은 소나 이미지를 신중하게 간략화된 방식으로 제공한다. 그 이미지는, 기하학적인 심볼 (12) 상에 중첩된 다양한 사이즈의 영역 (11) 의 세트로서 도식적으로 도식화된다. 실제 이미지상에서, 이들 영역 (11) 은 소정의 범위에 위치된 노이즈 레벨 또는 잔향 레벨을 갖는 구역에 대응한다. 일반적으로, 그들은 다양한 컬러 및 사이즈의 컬러화된 엘리먼트로서 표현되며, 그 컬러는, 예를 들어, 수신된 에코의 강도의 함수로서 변화한다. 이러한 이미지상에서, 더 광범위한 영역은 일반적으로 해저상에서 소나 파동의 잔향을 표현한다.

수신된 신호의 딜레이 및 강도는 이러한 에코를 리턴한 물체가 위치된 거리에 특히 의존한다. 따라서, 도면에 도시된 바와 같이, 일반적인 방식으로, 수신된 신호의 강도가 전체적으로 감소하는 연속적인 구역들 (13, 14 및 15) 을 대략적으로 구별하는 것이 가능하다. 따라서, 일정한 거리에 달하는 동일한 심해의 고저 (relief) 는, 상이한 컬러 또는 상이한 콘트라스트의 인접한 영역들 (12) 의 연속에 의해 표현된다. 이들 패치 (patch) 들의 전체 세트의 전체적인 컨투어 (contour; 16) 는 고려된 고저의 일반적인 컨투어를 묘사한다. 단순화를 위해, 다양한 영역 및 구역은 기하학적인 형상에 의해 도 1에 표현된다. 실제로, 그들은 덜 규칙적이고 덜 정확한 컨투어를 가질 수도 있다.

대체로, 그들의 부분에 대한 심볼 (12) 은, 오퍼레이터의 주의를 요구하는 에코가 검출된 위치를 표시하는 역할을 한다. 이들 에코의 검출은, 예를 들어, 수신된 신호에 의해 벗어난 진폭 임계값의 함수로서 수행될 수도 있다. 비-도플러 소나를 구현함으로써 획득되는 이미지의 경우, 일반적으로, 검출된 에코는, 예를 들어, 원형 (circle) 의 형상과 같은 동일한 형상의 심볼에 의해 표현되며, 심볼의 사이즈는 검출된 에코의 강도에 의존한다.

따라서, HFM 타입의 광대역 신호를 방출하는 소나에 관해, 수신된 에코의 시각화는 종래의 임의의 특정 난제를 제공하지 않는다. 에코의 위치 및 강도에 의해 특징화된 각각의 에코가 평면 이미지상에서 정보의 손실없이 표현될 수도 있다. 한편, 타겟의 속도가 알려지지 않는 한, 이러한 타입의 소나의 이용은, 검출된 에코의 속도의 특징의 부재에 의해 및 에코의 정확한 거리의 불확실도에 의해 도입된 제한으로부터 어려워진다. 따라서, 그 표현은 고려된 에코의 고정 또는 이동 특성을 나타내지 않는다.

따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 상이한 속도를 갖는 2개의 에코는 뷰잉 스크린상에서 동일한 방식으로 표현될 것이다. 표현의 이러한 유사함은, 많은 수의 에코가 존재할 시에, 이미지의 연속적인 리프레시 (refresh) 를 통해 이동 에코로부터 고정 에코를 구별하도록 의도되는 경계를 높이도록 오퍼레이터에게 강요한다.

도 2는, 예를 들어, 선 스펙트럼 파동을 방출하는 FP 타입의 소나에 의해 검출된 에코에 관련된 정보의 평면의 표현으로부터 유래한 난제를 도시한 것이다. 이러한 타입의 소나로, 에코의 위치 및 도플러 주파수, 즉, 에코를 리턴한 물체의 거리 및 속도의 함수로서 수신된 에코를 특징화하는 것이 가능하다. 수신된 에코들의 속도들을 동시에 강조하는 시각적인 표현을 획득하기 위해, 예를 들어, 3차원에서 더 복잡한 표현을 채용하게 된다. 예를 들어, 이러한 표현은 도 2의 예시도와 유사한 투시도를 형성할 수도 있다. 이러한 표현은, 방위/거리축을 따른 쌓여진 평면 표현 p_i의 스택 (stack) 에 비유될 수도 있으며, 각각의 평면 표현은, 동일한 소정의 도플러 주파수 fd를 갖는 수신된 에코 및 검출된 에코에 대응하는 영역 (22) 및 심볼 (23) 을 나타낸다. 따라서, 각각의 평면 p_i는, 그 상에 다양한 사이즈 및 심볼의 영역이 위치된 이미지를 구성하며, 가장 짙은 영역은 고려된 도플러 주파수에 대한 잔향 신호에 대응한다.

다중의 고정 타겟의 병치 (juxtaposition) 로서 간주될 수도 있는 한, 잔향은, 오직 캐리어 보트 (boat) 의 이동으로 인한 도플러 효과에 의해 영향을 받는다. 따라서, 기하학적인 대칭 이내까지, 방위와 도플러 주파수 사이의 전개 (evolution) 의 매칭이 존재한다. 이러한 대응은, 도 2의 하나의 도플러 평면 p_i로부터 다른 평면으로의 구역 (22) 의 전개를 설명한다.

각각의 평면사이의 도플러 주파수 갭 (gap) Δfd 및 디스플레이 가능한 평면 p_i의 수는 분석된 도플러 대역 및 사용된 소나의 도플러 해상도의 특징에 의해 제공된다.

요건을 충족함에도, 이러한 표현은 사용하기 어렵게 보인다. 실제로, 체적 효과에도 불구하고, 그리고 컬러 및 심볼의 수단 (artifice) 을 사용함에도, 평면의 이러한 스택은 동시에 분석하기가 매우 어렵다. 이는, 통상 사용되는 이용 모드가 한 평면씩의 시각화를 포함하며, 단일 평면 p_i가 한꺼번에 시각화되기 때문이다. 이용의 이러한 모드는 도 3 및 4에 의해 도시된다.

도 3은, 도 2에서 제공된 평면 p₁의 투시 표현에 대응하는 이미지를 도식적인 방식으로 제공한다. 평면 p₁은 주파수에 대해 선 스펙트럼 방출을 갖는 소나 시스템에 의해 제공된 소나 이미지에 대응한다. 이러한 이미지상에 표현된 것은 검출된 에코에 대응하는 심볼 (23) 이며, 그 에코의 도플러 주파수는 주파수 Fd₁ 의 중심에 있는 도플러 해상도 구역에 위치된다. 유사하게, 잔향에 대응하는 신호는 구역 (22) 에 의해 표현되며, 방위축의 부분에만 걸쳐 연장한다.

자신의 부분으로서, 도 4는 도 2에서 제공된 평면 p₂의 투시 표현에 대응하는 이미지를 제공한다. 도 3에서와 같이, 심볼 (23) 및 파노라마 잔향에 대응하는 2개의 구역 (22) 이 도 4에서 발견된다.

종래의 소나 시스템에서, 오퍼레이터는, 도 3 및 4에 의해 도시된 이미지와 같은 이미지를 통해 수신된 에코를 이용한다. 오퍼레이터는, 예를 들어, 선택된 도플러 주파수 fd_i의 값을 디스플레이함으로써 소정의 이미지를 선택할 수 있다.

도 3 및 4는 시각화의 이러한 모드의 사용에 관한 난제를 강조한다.

제 1 난제는 파노라마 잔향으로부터 발신한 신호의 표현에 관련있다. 상세하게는, 특히 도 2에 나타낼 수도 있는 바와 같이, 잔향의 에코는 다양한 평면 p_i에 걸쳐 분포된다. 분석되는 평면에 따라, 주로 잔향의 에코를 표현하는 영역 (22) 의 위치 및 사이즈는 실질적으로 변화하여, 패치의 세트의 전체적인 컨투어를 잔향 엘리먼트의 전체적인 컨투어와 연관시키는 것이 항상 가능하지 않다.

따라서, 도 2에서, 잔향 신호는, 방위 0°에 대응하는 축에 대해 중앙에 있는 영역의 주파수 Fd₁에 대응하는 평면 p_i에 형태를 취한다. 한편, 주파수 Fd₂에 대응하는 평면 p₂에서, 잔향 신호는 이러한 축의 어느 한 측에 위치된 2개의 측면 영역에 형태를 취한다. 더 일반적으로, 다양한 평면 p_i에서의 잔향을 구성하는 영역의 방위축에 걸친 분포는 파선 (24) 에 대응한다.

잔향의 일반적인 양태의 복원은, 파노라마 잔향에 대응하는 영역의 결합을 수행함으로써만 수행될 수 있으며, 이는 다양한 평면 p_i에 나타난다.

플랜와이즈 (planewise) 시각화의 제 2 난제는 오퍼레이터에 의한 정보의 이용에 관한 난제이다. 상세하게는, 통상의 콘텍스트 (context) 에서, 3차원 표현은 사용된 하드웨어로 가능하지 않다. 오퍼레이터는 소정의 평면 p_i에 대응하는 도 3 및 4의 이미지와 같은 하나의 평면 이미지만의 액세스를 가질 수 있다. 따라서, 제공한 전체 세트의 에코를 뷰잉하기 위해, 오퍼레이터는, 연속적으로 평면 p_i의 세트에 대응하는 다양한 이미지를 디스플레이하도록 유도된다. 연속적인 디스플레이의 이러한 동작은 한번에 동일한 시간에서 곤란하며, 모니터링에 관해 효과없고 실시간 이용과 양립할 수 없는 것으로 판명된다. 시각화된 신호를 선택하는 것을 어느 정도 더 용이하게 하기 위해, 일반적으로 오퍼레이터는 보충적인 이미지를 디스플레이하는 가능성을 이용한다. 이러한 이미지는, 오퍼레이터에 의해 선택가능한 거리 D에 대해, 검출된 에코 및 잔향 에코의 방위-도플러 평면에서의 표현을 포함한다. 이러한 표현은 도 5에 도시된다.

도 5의 예시도는, 방위-도플러 평면에서 도 2의 예시도의 단면도를 제공한다, 즉, 섹션은 평면 pi에 직각인 평면을 따라 절단되고, 예를 들어, 소나로부터 거리 D에 위치된 직선 (25) 을 지나간다. 이미지는 동일한 거리 D에 위치되고 상이한 도플러 주파수를 갖는 검출된 에코에 대응하는 심볼 (22) 뿐만 아니라, 특히 파노라마 잔향에 대응하는 구역 (24) 을 나타낸다.

도 5에 도시된 바와 같이, 잔향은 많은 수의 에코에 의해 구분되고, 에코의 도플러 주파수는 소나의 도플러 대역에서 방위의 함수로서 변화하므로, 구역 (24) 을 형성한다. 또한, 이러한 결과는, 소나에 의해 해저의 검출의 구역에 대응하는 거리 D에 위치된 직선을 지나가는 평면에 대응하는 임의의 방위-도플러 이미지에 대해 일반화될 수 있다.

일반적으로, 선 스펙트럼 방출을 갖는 통상 사용되는 소나 시스템의 이용은 일반적으로 소정의 도플러 주파수에 대해 방위-거리 평면에서의 표현에 대응하는 이미지와 소정의 거리에 대해 방위-도플러 평면에서의 표현에 대응하는 이미지를 연관시키는 것에 존재한다. 일반적으로, 2개 이미지의 연관은, 2개 타입의 이미지들 사이의 자동적인 관계의 확립에 의해 더 용이하게 행해질 수 있다. 따라서, 이들 시스템은, 거리 D₁에 대응하는 방위-도플러 표현상에서 커서에 의해 소정의 도플러 주파수 fd₁를 선택하고, 주파수 fd₁에 대응하는 방위-거리 표현을 뷰잉하는 것을 가능하게 한다. 이와 대조적으로, 동일한 시스템은 방위-거리 표현상의 거리 D₂를 선택하고 대응하는 방위-도플러 표현을 뷰잉하는 것을 가능하게 한다. 그럼에도, 이러한 타입의 이미지의 처리는 곤란하고, 순수한 실시간 이용에 대해 매우 느리다.

수신된 에코의 신속하고 효과적인 이용을 허용하고 동시에 파노라마 잔향의 양호한 복원으로부터 이점을 얻기 위해, 본 발명에 따른 방법은, 특히 도플러 프로세싱에 의해 획득되는 정보의 다른 이용을 제안한다.

본 발명에 따른 방법은, 방위-거리 평면에서 모든 검출된 에코를 심볼들의 형태로 표현하는 합성 이미지를 생성하는 것에 존재한다. 에코를 표현하는 방법에 의해 사용되는 심볼의 형상 또는 특성은, 에코가 고정되어 있는지 또는 이동하는지에 따라 상이하다. 또한, 이러한 합성 이미지에서의 특징은, 오퍼레이터가 잔향의 인식을 가져서, 디스플레이되는 에코를 용이하게 분석할 수 있게 하는 방식으로 파노라마 잔향을 충실히 복원하도록 의도된 인위적으로 분할된 영역들이다.

도 6의 예시도는 본 발명에 따른 방법이 기초하는 원리를 도시한다. 도 6은, 임의의 소정의 거리에 대해 도 5에 제공된 표현과 같은 수신된 에코의 방위-도플러 표현 평면의 분할을 제공한다. 이러한 분할은 이들 에코를 리턴한 물체의 속도 및 위치와 에코의 도플러 주파수를 연관시킴으로써 수행된다.

에코의 속도에 대해 언급하는 경우, 일반적으로, 소나에 의해 고주파가 발사된 섹터에 위치된 물체에 의해 반사된 신호의 주파수에 영향을 미친 도플러 주파수로 지칭된다. 이러한 도플러 주파수는 소나의 캐리어 쉽에 대한 물체의 상대적인 시선 속도 (radial speed) 에 의존한다. 또한 물체가 위치된 방위에 의존하며, 그 방위는 물체에 소나를 잇는 직선과 캐리어 쉽이 뒤따르는 진로 방향 사이의 각 갭을 표현한다.

다른 경우에, 수행되는 계산은, 물체와 상관없이 에코의 도플러 주파수 fd는 값 fd_min = f₀ (1 - 2v/c) 와 값 fd_max = f₀ (1 + 2v/c) 사이에 놓여있다는 것을 나타내며, 여기서, v는 캐리어 쉽의 진로 방향을 따른 캐리어 쉽의 속도를 표현하고, c는 매체에서 음향파의 전파 속도를 표현하며, f₀는 소나의 방출 주파수를 심볼화한다.

또한, 방위의 코사인의 값이 절대값으로 증가함에 따라, 도플러 주파수 fd는 실질적인 선형 방식으로 fd_max로부터 fd_min으로 감소하는 것이 또한 도시된다.

따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 방위-도플러 평면의 에코의 표현에서 3개의 구역을 구별하는 것이 가능하다. "구역 C" 라 지칭된 제 1 구역 (61) 은, 고정 에코에 대응할 수 있는 도플러 주파수가 없는 도플러 도메인의 일부에 대응한다. 이러한 구역은, fd_max 와 fd_min 사이에 놓여진 도메인의 어느 한 측상에 위치되며, -180°로부터 +180°까지의 방위축에 달한다.

이와 대조적으로, "구역 A" 라 지칭된 구역 (62) 은, 고정된 에코에 대응하는 도플러 주파수가 방위의 함수로서 분포되는 도플러 도메인의 일부에 대응한다. 이러한 구역은, -180°로부터 +180°까지의 방위에 달하는 갈매기 모양 (chevron) 과 같은 형상인 협대역의 형태를 취하며, 이러한 구역의 진폭은 fd_max로부터 fd_min까지 변화한다. 대역 A의 폭은, 특히, 소나의 주파수 해상도에 의존한다. fd_max 와 fd_min 사이에 놓여있고 구역 A에 대응하지 않는 도메인의 나머지는 "구역 B" 라 지칭되는 구역 (63) 을 구성한다.

도 6은 소나의 특정 예를 통해 구역 A, B 및 C로 분할하는 것의 이점을 설명하며, 각의 틈 (angular aperture) Δg 의 소나의 수신 채널들 중 하나는 방위 g로 배향 (orient) 된다. 이러한 수신 채널은 차트 (64) 에 의해 심볼화된다.

이러한 특정 수신 채널에 대해, 고정된 에코는, g에 대한 폭 Δg의 구역 A의 일부 (65) 에 포함된 도플러 주파수 Fd_g에 의해 영향을 받을 것이다. 한편, 방위 g'로 배향된 또 다른 수신 채널에 대해, 고정된 에코는, g'에 대한 폭 Δg의 구역 A의 또 다른 일부에 포함된 도플러 주파수 Fd_g'에 의해 영향을 받을 것이다. 따라서, 예를 들어 해저의 고저의 경우인 것과 같이, 방위에서 일정한 범위를 나타내는 고정된 물체의 에코는 수 개의 수신 채널을 통해 검출될 것이고, 각각의 채널에 대한 상이한 도플러 주파수에 의해 영향을 받을 것이다.

따라서, 도 3 및 4 에서와 같이 이러한 에코가 표현되는 경우, 소정의 도플러 주파수에 대해 방위-거리 평면 p_i에서, 그 에코는 오퍼레이터에 의해 그 에코의 올바른 식별을 방해할 수도 있는 부분적인 표현의 대상을 형성한다. 유사하게, 해저의 잔향으로부터 발신한 연장된 에코는, 각각의 방위-거리 평면 p_i에서 부분적인 표현의 대상을 형성한다.

에코들이 구역 A, B 및 C 중 하나에 속하는지에 의한 수신된 에코들의 식별의 원리는, 본 발명에 따른 방법에 의해 2개의 방식으로 활용된다.

먼저, 검출된 에코는, 그의 도플러 주파수가 구역 A에 속하는지, 또는 구역 B 또는 C 중 하나에 속하는 지에 따라 고정 또는 이동 에코로 분류된다. 또한, 그렇게 분류된 검출된 에코들은 별개의 심볼들에 의해 방위-거리 평면에서 표현될 수도 있다.

또한, 광범위한 특성에 의해, 해저의 잔향 신호는, 도플러 주파수들이 구역 A에 속하는 다수의 에코들에 대응한다. 따라서, 구역 A에 도플러 주파수가 포함되는 신호의 이미지를 각각의 방위 간격 Δg에 대해 디스플레이함으로써, 방위-거리 평면에서 잔향의 표현을 생성하는 것이 가능하다.

도 7은 본 발명에 따른 방법이 구성되는 주요한 단계들의 연속을 흐름도의 형태로 제공한다. 제안된 흐름도는 예로서 제공되며, 방법은 약간의 변형에 따라 구현가능하며, 그렇지 않으면, 보충적인 단계들로 향상된다. 또한, 본 발명에 따른 방법은, 특히 레벨이 소정의 검출 임계값을 벗어나는 에코들을 구별하고, 검출된 에코들을 고정 에코 및 이동 에코로 분류하는 것을 가능하게 하는, 도플러 프로세싱 및 검출의 제 1 단계 71을 포함한다. 그 후, 방법은, 방위-거리 평면에서 검출된 에코들을 배치하는 합성 소나 이미지를 생성하는 제 2 단계 72를 포함한다. 각각의 에코는 심볼에 의해 나타나며, 채용된 이러한 심볼은, 에코가 고정 또는 이동인지에 따라 상이하다. 또한, 심볼의 사이즈는 수신된 에코의 레벨에 의존한다.

마지막으로, 방법은, 잔향, 특히, 해저의 잔향의 재구성된 표현을 합성 이미지상에 복원하는 것에 존재하는 제 3 단계 73을 포함한다. 이러한 재구성은, 각각의 수신 채널에 대해 구역 A의 대응하는 부분 (65) 의 중앙에 도플러 주파수가 위치되는 에코들의 전체 세트를 이미지상에 디스플레이함으로써 실시된다.

도 8은 획득된 이미지의 도식적인 표현을 제공한다. 이러한 이미지는, 폭넓은 스펙트럼 방출을 갖는 소나 시스템으로 획득된 소나 이미지를 제공하는 도 1 과, 또한 특정 도플러 주파수에 대해 선 스펙트럼 방출을 갖는 소나 시스템으로 획득된 부분적인 이미지를 제공하는 도 3 및 4 의 종래의 기술로부터 알려진 이미지와 비교될 것이다.

각각, 검출된 이동 에코 및 검출된 고정 에코를 표현하는 구별된 심볼들 (81 및 82) 가 도 8의 이미지상에 표현될 수 있다. 고정 및 이동 에코들 사이의 이러한 구별은 상이한 심볼들의 디스플레이에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 방법에 의한 도플러 프로세싱의 사용에 의하여 유리하게 가능하게 된다.

또한, 도 8의 이미지는, 잔향의 구역에 대응하는 영역 (83) 을 포함하며, 그 잔향의 시각적인 연관은, 예를 들어, 해저의 파노라마 잔향을 구성하는 고저의 엘리먼트와 같은 광범위한 엘리먼트의 표현을 제공한다. 이들 패치는 구역 A의 에코로부터 이전에 나타낸 바와 같이 재구성된다. 따라서, 이러한 이미지는, 잔향을 구성하는 엘리먼트의 표현을 유리하게 복원한다. 이는, 오퍼레이터로 하여금, 도 1에서 도식적으로 표현된 이미지와 같은 폭넓은 스펙트럼을 갖는 소나 시스템의 이미지상에서 가능한 바와 같이, 검출된 에코를 분석할 수 있도록 하지만, 임의의 고저 엘리먼트가 존재하는지의 정보를 갖는다.

구역 A의 신호가 표현되는 한, 도 8의 이미지는 해저의 잔향의 이미지를 표현하며, 그 잔향의 레벨은 거리의 함수로서 다소 규칙적으로 감소한다. 이러한 이미지는 유사한 방식으로 구역 (84 내지 87) 내에 표현된다.

따라서, 본 발명에 따른 방법은, 폭넓은 스펙트럼 방출을 갖는 소나로부터 획득된 소나 이미지에 의해 제공된 판독가능한 이점과, 선 스펙트럼 방출을 갖는 소나에 의한 도플러 효과의 이용에 관련된 이점을 조합하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 방위-도플러 평면에서 표현된 단일 이미지상에 검출된 고정 에코 및 검출된 이동 에코의 구별된 표현을 획득하며, 또한, 표현은 바닥 잔향, 표면 잔향 또는 체적 잔향의 재구성된 프리젠테이션 (presentation) 을 묘사한다.

Claims (4)

1. 선 스펙트럼 방출을 사용하는 액티브 소나에 의해 수신된 에코들을 시각화하는 방법으로서, 상기 시각화는 파노라마 스크린상에서 수행되는, 상기 수신된 에코들을 시각화 방법으로서,

   수신된 신호를 도플러 프로세싱하는 단계 (71) 로서, 상기 수신된 에코들의 도플러 주파수의 함수로서 상기 수신된 에코들을 분류하는 것을 가능하게 하는, 상기 도플러 프로세싱 단계,

   심볼 형태로 검출된 에코들의 세트를 방위-거리 (bearing-distance) 평면에 표현하는 합성 이미지를 생성하는 단계 (72), 및

   재구성된 파노라마 잔향의 이미지에 대한 복원 단계 (73) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 에코의 시각화 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   고정 에코들에 관한 도플러 주파수들에 대응하는 구역 A (62) 의 중심에 도플러 주파수들이 위치된 에코를, 그 거리 및 그 방위에 의해 태그 (tag) 된 상기 합성 이미지의 각각의 점에 대해 디스플레이함으로써, 상기 파노라마 잔향의 재구성이 수행되는 것을 특징으로 하는, 에코의 시각화 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 재구성된 파노라마 잔향 및 검출된 이동 에코들을 한번에 그리고 동시에 포함하는 이미지를 생성하며,

   상기 검출된 이동 에코들은, 수신된 에코의 레벨 및 지속기간의 함수로서 컬러 및 사이즈가 변화하는 영역들에 의해 표현되는 것을 특징으로 하는, 에코의 시각화 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 생성된 이미지상에서, 상기 검출된 에코들은 심볼들에 의해 강조되며,

   상기 심볼들은, 상기 고정 에코 (82) 로부터 상기 이동 에코 (81) 를 구별하는 것을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는, 에코의 시각화 방법.

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