KR101098514B1 - 멀티빔 음향 측심 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 멀티빔 음향 측심 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 음향 측심 작업시 발생하는 측량 오차를 최소화하고, 고가의 멀티빔 트랜듀서가 어망이나 암초 등에 걸려 파손되는 것을 방지하고, 모선의 엔진 소음에 의해 측량 품질이 저하되지 않도록 한 멀티빔 음향 측심 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 멀티빔 음향 측심 시스템은 모선(母船)에 연결되는 자선(子船); 상기 자선의 무게 중심 위치에 장착되고, 자선의 자세정보를 취득하는 모션센서; 상기 모션센서를 지나는 가상의 수직선에 위치하는 상기 자선의 저면에 장착되고, 수중 다방향으로 음파를 발산하고 반사되어 수신되는 음파를 이용하여 수심정보를 취득하는 멀티빔 트랜듀서; 상기 모션센서를 지나는 가상의 수직선에 위치하는 상기 자선의 상부에 장착되고, 자선의 위치정보를 취득하는 GPS 수신기;를 포함하여 이루어진다.

Description

멀티빔 음향 측심 시스템{System for sounding the sea by multibeam}

본 발명은 멀티빔 음향 측심 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모션센서를 측량선(즉, 자선) 중심에 장착하고 트랜듀서와 GPS수신기와 모션센서를 일직선으로 배열 장착하여 측량선의 움직임을 정확히 측량함으로써 측심의 정밀도를 높이고, 음향 측심 작업시 발생하는 측량 오차를 최소화하고, 고가의 멀티빔 트랜듀서가 어망이나 암초 등에 걸려 파손되는 것을 방지하고, 모선의 엔진 소음에 의해 측량 품질이 저하되지 않도록 한 멀티빔 음향 측심 시스템에 관한 것이다.

수심 또는 해저 지형의 측량은 선박에 음파(고주파, 저주파 등)을 발산하는 트랜듀서를 장착하여 발산된 음파가 해저 바닥면에서 반사되어 오는 것을 트랜듀서가 수신하고, 음파가 발산 후 반사되어 수신되기까지의 시간을 계산하여 수심을 측정한다.

수심 측량에 있어서 단빔을 이용한 수심 측량의 경우 정해진 항정 라인을 따라 선박이 진행하면서 단빔을 발산하여 음향 측심으로 연속적으로 수심을 기록하고, 측심되지 않은 구간은 보간법을 통하여 등간격의 수심을 산출하는 방법을 택하고 있다. 이러한 단빔 수심 측량을 통해 얻은 지형은 실제 해저 지형과 많은 부분 상이하다.

이에 반해, 멀티빔 음향 측심은 선박의 진행방향과 수직방향으로 수백 개의 빔을 발산하여 수심의 약 3배의 면적에 해당하는 수심을 실시간으로 얻을 수 있어 미측심 구간이 적어 측량되는 지형은 실제 지형과 유사하다.

그리고 수심 측량 선박에는 트랜듀서 이외에 모션세서와 GPS수신기가 더 장착된다.

측량 선박이 이동하면서 측심 작업을 수행하게 되므로, 선박의 위치에 따른 깊이(수심)을 측량하기 위해 GPS수신기가 필요하다.

GPS수신기는 인공위성들로부터 신호를 수신하여 직접 위치를 계산하거나, 육상의 기지국과 인공위성으로부터 신호를 수신하고 DGPS 방식으로 위치를 계산한다. 전자 보다는 후자가 정밀도가 높다.

그리고 GPS수신기로 수신되는 신호는 선박의 위치뿐만 아니라 이동속도 시간 등의 획득하는데 이용된다.

한편, 수면 위를 이동하는 측량 선박은 파도 등에 의하여 전후, 좌우로 흔들리게 된다. 따라서 선박의 흔들림에 따른 트랜듀서의 위치와 음파의 발산 방향 등을 정확하게 계산하기 위해 모션센서가 필요하다.

이처럼 보다 정밀한 수심 측량을 위해서는 음파를 발산하고 반사되는 음파를 수신하는 트랜듀서 외에, 트랜듀서의 시간에 따른 위치와 자세에 대한 정보를 취득하여 트랜듀서가 측량하는 수심 데이터를 보정하기 위한 GPS수신기와 모션센서가 더 필요하다.

그리고 GPS수신기와 모션센서는 트랜듀서의 위치와 자세 정보를 취득하기 위한 것으로서 트랜듀서에 인접하며 일직선으로 장착되는 것이 바람직하다.

그러나 트랜듀서는 음파 발산을 위해 수중에 장착되어야 하고, GPS수신기는 인공위성으로부터 신호를 수신하기 위해 외부에 장착되어야 하고, 모션세서는 선박의 흔들림에 따른 영향을 최소한으로 받는 위치에 장착되어야 한다.

다시 말해 모션센서는 선박의 흔들림에 따른 영향(자세변화)이 적은 선박의 무게 중심에 장착되어야 하고, 트랜듀서의 자세는 모션센서로부터 얻어지므로 모션센서의 자세와 트랜듀서의 자세가 최대한 일치하도록 트랜듀서는 선박의 무게 중심을 지나는 수직선 상에 위치하는 선박의 저면에 장착되어야 하고, GPS수신기는 인공위성으로부터 신호의 수신이 양호하도록 외부에 노출되되 트랜듀서의 위치를 대신할 수 있도록 선박의 무게 중심을 지나는 수직선 상의 선박 상부에 장착되어야 한다.

그러나 대형 측량 선박의 저면에 트랜듀서를 장착하는 것이 사실상 어렵고, 선박의 무게 중심에는 통상 엔진이 장착되어 있다.

그래서 일반적으로 트랜듀서는 파이프에 연결한 후에 파이프를 측량 선박 측면에 장착하여 트랜듀서를 수중에 배치하고, 모션센서는 선박의 무게 중심에서 벗어나 설치하고, GPS수신기는 선박의 선실 상부에 설치한다.

이처럼 트랜듀서와, 모션센서와, GPS수신기를 설치하는 경우 상호 간의 이격방향과 이격거리에 관한 데이터를 가지고 트랜듀서가 측량하는 수심 데이터를 보정하여야 하는데, 이들 상호 간의 이격방향과 이격거리는 선박의 전후, 좌우 흔들림에 따라 달라지게 되어 보정이 불가능한 측량 오차를 유발하게 된다.

그래서 선박의 흔들림에 따른 트랜듀서, 모션센서, GPS수신기의 상대적인 위치변화에 따른 오차 발생을 최소화하기 위해 등록특허 제0945876호 "다중빔 음향 측심시 거치 시스템" 도1과 같은 거치대를 제안하였다.

상기 등록특허는 거치대의 하부에는 트랜듀서(600)를 장착하고, 중간부에는 모션센서(400)를 장착하고, 상부에는 GPS수신기(500)를 장착하였으며, 거치대(100)는 측량 선박의 측면에 장착하였다.

상기 등록특허는 거치대를 이용하여 하나의 직선 상에 트랜듀서(600), 모션센서(500), GPS수신기(400)를 설치하고, 이들의 이격거리를 최소화하여 이들이 취득하는 데이터의 오차를 줄였다.

그러나 상기 등록특허는 거치대가 측량 선박의 측면에 설치되므로 측량 선박의 흔들림(특히 좌우방향 흔들림)의 영향을 크게 받아 흔들리고, 그에 따라 트랜듀서, 모션센서, GPS수신기의 상대적인 위치 관계의 오차를 줄이는데 한계가 있고, 모션센서는 측량 선박의 측면에 배치되므로 물과 접촉하여 오동작 또는 소손될 위험이 크다.

그리고 거치대는 선박의 전후방향 흔들림에 따른 영향을 최소화하기 위해 선박의 무게 중심을 지나는 가로선 상에 위치하는 선박의 측면에 설치될 것인데, 이 위치는 선박의 엔진과 가깝다. 따라서 선박의 진동과 엔진소음이 트랜듀서에 잡음으로 유입되어 수심 측량 품질을 저하시킨다.

그리고 바다에는 어망, 로프, 암초 등이 곳곳에 존재하는데, 수중에 배치된 고가의 트랜듀서가 이들에 걸려 파손되는 경우가 종종 발생한다. 따라서 트랜듀서가 어망, 로프, 암초 등에 걸려 파손되는 것을 방지할 수 있는 수단이 필요하다.

본 발명은 위와 같이 종래의 멀티빔 음향 측심 시스템이 갖는 문제를 해결하기위해 안출된 발명으로서, 대형 측량 선박, 즉, 모선(母船)에 연결되는 소형의 자선(子船)을 구비하고, 자선의 무게 중심에 모션센서를 장착하고, 모션센서의 수직선 상의 상부와 하부에 각각 GPS수신기와 멀티빔 트랜듀서를 장착하여, 이들이 취득하는 데이터 들의 상대적인 오차를 최소화하여 보다 정밀한 수심 데이터를 얻을 수 있고,

수면의 파동에 따른 자선의 전후좌우 흔들림(요동)을 최대한 억제하여 보다 정밀한 수심 데이터를 얻을 수 있고,

모션센서가 물기에 접촉되어 오동작하거나 고장나는 것을 방지하고, 트랜듀서가 어망이나 암초 등에 걸려 파손되는 것을 방지하는 멀티빔 음향 측심 시스템을 제공함을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 멀티빔 음향 측심 시스템은

모선(母船)에 연결되는 자선(子船);

상기 자선의 무게 중심 위치에 장착되고, 자선의 자세정보를 취득하는 모션센서;

상기 모션센서를 지나는 가상의 수직선에 위치하는 상기 자선의 저면에 장착되고, 수중 다방향으로 음파를 발산하고 반사되어 수신되는 음파를 이용하여 수심정보를 취득하는 멀티빔 트랜듀서;

상기 모션센서를 지나는 가상의 수직선에 위치하는 상기 자선의 상부에 장착되고, 자선의 위치정보를 취득하는 GPS 수신기;를 포함하여 이루어진다.

그리고 상기 자선은

상기 모션센서가 수용되어 장착되는 수용부를 갖는 몸체와,

상기 몸체의 양 측면에 배치되는 부력부재와,

상기 몸체와 상기 부력부재를 연결하는 제1연결막대와,

상기 몸체와 상기 모선의 측면을 연결하는 두 제2연결막대를 포함하여 이루어지되,

상기 제1연결막대는 일단은 상기 몸체에 힌지결합되고, 타단은 상기 부력부재에 고정결합되고,

상기 두 제2연결막대는 일단은 상기 모선의 무게중심을 지나는 가상의 가로선에 위치하는 측면에 힌지결합되고, 타단은 각각 상기 몸체의 전후방에 고정결합되어,

상기 몸체는 수면의 파동에 대항한 전후좌우의 흔들림이 억제되는 것을 특징으로 하고,

상기 자선의 몸체에는 상기 수용부를 개폐하는 도어부재가 구비되고,

상기 도어부재에는 상단에 상기 GPS수신기가 장착되며, 길이조절이 가능한 가변막대가 구비되어 있는 것을 특징으로 하고,

상기 자선의 저면에는 상기 멀티빔 튜랜듀서의 전후좌우를 감싸 보호하는 보호부재가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 멀티빔 음향 측심 시스템은 트랜듀서, 모션센서 및 GPS수신기가 상호 근접하며 일직선으로 배치되고, 모션센서는 자선의 무게중심에 장착되어 자선의 흔들림에 따른 영향을 적게 받으면서 흔들림을 정확하게 측정하고, 자선은 수면의 파동에 따른 전후좌우 흔들림이 억제되고, 트랜듀서는 모선의 엔진에서도 멀리 떨어져 엔진소음의 유입을 줄일 수 있어, 본 발명에 따른 시스템을 이용하여 취득하는 데이터들은 상대적인 오차가 적고, 그에 따라 고품질의 측심 데이터를 얻을 수 있다.

또한, 소형의 자선은 가볍고 트랜듀서는 보호부재에 감싸져 보호되어, 어망, 로프 암초 등이 부딪히는 경우에 이를 타고 넘어갈 수 있어, 고가의 트랜듀서가 파손되는 것을 방지할 수 있다.

도 1 은 종래기술에 따른 멀티빔 음향 측심 시스템을 구성하는 트랜듀서, 모션센서, GPS수신기가 거치대에 결합된 상태도.
도 2 내지 도4 는 본 발명에 따른 멀티빔 음향 측심 시스템의 개요도로서, 각각 위에서 본 평면도, 전방에서 본 정면도, 측면에서 본 측면도.

도면에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 멀티빔 음향 측심 시스템은 모선(1)에 연결되는 자선(3)과, 자선(3)에 장착되는 모션센서(7), 멀티빔 트랜듀서(5), GPS수신기(9)와, 모선(1)에 설치되어 모션센서(7), 멀티빔 트랜듀서(5), GPS수신기(9)로부터 유선 또는 무선으로 전송되는 데이터를 연산하여 수심과 지형을 측량하는 컴퓨터(2)를 포함하여 이루어진다.

상기 멀티빔 트랜듀서(5)는 수직방향으로 수백 개의 빔(음파)를 발산하고, 발산된 후 수중 바닥면에서 반사되는 음파를 수신하고, 발산 후 수신되기까지의 시간 차이로부터 수심을 측량한다.

상기 모션센서(7)는 흔들림에 따른 자선(3)의 자세정보(즉, 요, 피치, 롤 각도)를 취득하고, 상기 GPS수신기(9)는 자선(3)의 위치정보 및 시간에 대한 정보를 취득한다.

그리고 상기 컴퓨터(2)는 상기 멀티빔 트랜듀서(5), 모션센서(7), GPS수신기(9)로부터 데이터를 전송받고 이를 연산하여 수심을 측량한다.

상기 모션센서(7), 멀티빔 트랜듀서(5), GPS수신기(9)와, 컴퓨터(2)는 공지의 것과 크게 다를 바 없으므로 이에 대한 보다 구체적인 설명은 생략한다.

상기 모선(1)은 일반적인 선박으로서 측량자들이 탑승하고, 이동을 위한 엔진 등이 탑재된 대형 선박이고, 상기 자선(3)은 상기 모선(1)의 측면에 연결되고 수심 측량을 위한 기기들만이 장착되는 소형 선박이다.

상기 자선(3)은 몸체(10)와, 부력부재(20)와, 보호부재(40)를 포함하여 이루어지고, 상기 멀티빔 트랜듀서(5), 모션센서(7), GPS수신기(9)가 무게중심을 지나는 가상의 수직선 상에 장착된다.

상기 몸체(10)의 중앙, 즉, 무게중심에는 모션센서(7)가 수용되어 장착되는 수용부(11)가 형성되어 있고, 상기 수용부(11)에는 상기 모션센서(7)가 장착되는 제1브라켓(13)이 구비되어 있다.

그리고 몸체(10)의 중앙 저면에는 멀티빔 트랜듀서(5)의 전후좌우 주변을 감싸 트랜듀서(5)가 로프나 암초 등에 부딪쳐 파손되는 것을 방지하는 보호부재(40)가 결합되어 있고, 상기 보호부재(40)에는 상기 멀티빔 트랜듀서(5)가 장착되는 제2브라켓(15)이 구비되어 있다.

그리고 상기 보호부재(40)는 자선(3)의 이동에 대한 저항을 줄이고, 로프나 암초 등에 접촉시 타고 넘어갈 수 있도록 경사진 구조로 되어 있는 것이 바람직하다.

그리고 몸체(10)의 상부면에는 상기 수용부(11)를 개폐하는 도어부재(30)가 구비되고, 도어부재(30)에는 GPS수신기(9)가 장착되 가변막대(70)가 구비된다. 상기 도어부재(30)는 상기 수용부(11) 내로 물이 유입되지 않도록 하여 모션센서(7)를 보호한다.

상기 제2브라켓(15)과 상기 제1브라켓(13)과, 상기 가변막대(70)는 자선(3)의 무게중심을 지나는 가상의 수직선 상에 구비된다. 다시 말해, 상기 멀티빔 트랜듀서(5), 모센션서, GPS수신기(9)는 자선(3)의 무게 중심을 지나는 가상의 수신선 상에 일렬로 배치된다.

상기 부력부재(20)는 상기 몸체(10)의 좌우방향 양측면에 각각 구비되어 자선(3)이 수면 위에 안정감 있게 떠 있도록 하고, 자선(3)의 좌우방향 흔들림을 억제한다.

멀티빔 트랜듀서(5), 모센션서, GPS수신기(9)가 취득하는 데이터들의 상대적인 오차를 줄이기 위해서는 멀티빔 트랜듀서(5), 모센션서, GPS수신기(9)가 상대적인 위치와 자세 변화 없이 이동을 하여야 한다. 다시 말해 자선(3)은 흔들림 없이 고요하게 전진을 하여야 한다.

그러나 수면의 파동에 의해 자선(3)이 전혀 흔들림 없이 전진할 수는 없고, 다만 수면의 파동에 대항하여 자선(3)의 흔들림을 억제할 수는 있다.

자선(3), 특히 장비들이 장착되어 있는 몸체(10)의 흔들림을 억제하는 것이 제1연결막대(50)와 제2연결막대(60)의 연결구조이다.

상기 제1연결막대(50)는 상기 부력부재(20)와 상기 몸체(10)에 연결하고, 상기 제2연결막대(60)는 상기 몸체(10)와 상기 모선(1)의 측면을 연결하며, 상기 제1연결막대(50)는 몸체(10)의 좌우방향의 흔들림을 억제하고, 제2연결막대(60)는 몸체(10)의 전후방향 흔들림을 억제한다.

상기 제1연결막대(50)는 일단이 상기 몸체(10)에 상하방향으로 회전가능하게 힌지결합되고, 타단이 부력부재(20)에 고정결합된다.

이처럼 제1연결막대(50)를 통해 몸체(10)의 좌우측에 연결된 두 부력부재(20)는 몸체(10)의 좌우 균형을 잡아주되, 몸체(10)의 좌우측 중 어느 한쪽의 파고가 높아질 때는 제1연결막대(50)가 몸체(10)의 힌지결합된 타단을 축으로 상승하여 부력부재(20)는 상승시키면서 몸체(10)의 상승은 억제시키게 된다.

상기 제2연결막대(60)는 두 개가 일단은 상기 모선(1)의 측면에 상하방향으로 회전가능하게 힌지결합되고 타단은 몸체(10)의 전후방에 각각 고정결합된다.

선박이 클 수록 수면의 파동에 대항하여 흔들림이 적고, 선박의 무게 중심 부분은 다른 부분 보다 흔들림이 적다.

그래서 상기 제2연결막대(60)의 일단은 상기 모선(1)의 무게중심을 지나는 가상의 가로선에 위치하는 측면에 힌지결합된다.

모선(1)의 무게중심(P)을 지나는 가상의 가로선은 모선(1)의 전후방향 흔들림이 상대적으로 적은 곳이다. 따라서 이곳에 연결된 제2연결막대(60)는 전후방향 흔들림이 적고, 제2연결막대(60)에 연결된 몸체(10)도 모선(1)의 영향을 받아 전후방향 흔들림이 억제된다.

그러나 모선(1)의 측면은 좌우방향 흔들림이 큰 곳이다. 따라서 모선(1)의 좌우방향 흔들림이 몸체(10)에 영향을 주지 않도록, 즉, 모선(1)의 좌우방향 흔들림에 따라 제2연결막대(60)가 상하로 움직이고, 몸체(10)는 제2연결막대(60)를 따라 상하로는 움직이되 좌우로 흔들리는 것은 억제된다.

그리고 상기 제2연결막대(60)와, 상단에 GPS수신기(9)가 장착되는 가변막대(70)는 길이 조절이 가능하다.

제2연결막대(60)는 자선(3)을 모선(1)에서 내리고 모선(1)과 자선(3)의 이격 거리를 조절하기 위해 길이 조절이 필요하고, 가변막대(70)는 GPS수신기(9)의 수신감도가 양호한 범위 내에서 GPS수신기(9)를 가급적 낮게 설치하기 위해 길이 조절이 필요하다.

길이조절을 위해 제2연결막대(60)와 가변막대(70)는 인출 및 수납이 가능하도록 직경이 다른 파이프들(61,63, 71,73)을 이용한다.

제2연결막대(60)에 도시한 바와 같이 내측으로 삽입되는 직경이 작은 파이프(61)에 일정간격으로 고정홀(62)들을 천공하고, 직경이 큰 파이프(63)에도 고정홀(64)을 천공하고, 고정핀(65)으로 두 파이프의 고정홀에 삽입되도록 하여 길이를 조절할 수 있다.

다른 방식으로는 가변막대(70)에 도시한 바와 같이 내측으로 삽입되는 직경이 작은 파이프(71)의 외경과 직경이 큰 외측의 파이프(73) 내경에 나사산(72,74)을 일정 구간에 형성시켜 길이를 조절할 수 있다. 이때는 내외측의 두 나사산(72,74)이 서로 맞물려 두 파이프(71,73)를 고정하고, 내외측의 두 나사산(72,74)이 서로 어긋나도록 파이프를 회전한 후에 파이프를 인출 또는 수납하여 길이조절하고, 다시 파이프를 돌려 두 나사산이 맞물려 고정된다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 형상과 구조를 갖는 멀티빔 음향 측심 시스템에 대해 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

1 : 모선 3 : 자선
5 : 멀티빔 트랜듀사 7 : 모션센서
9 : GPS수신기 10 : 몸체
20 : 부력부재 30 : 도어부재
40 : 보호부재 50 : 제1연결막대
60 : 제2연결막대 70 : 가변막대

Claims (4)

1. 모선(母船)에 연결되는 자선(子船);
   상기 자선의 무게 중심 위치에 장착되고, 자선의 자세정보를 취득하는 모션센서;
   상기 모션센서를 지나는 가상의 수직선에 위치하는 상기 자선의 저면에 장착되고, 수중 다방향으로 음파를 발산하고 반사되어 수신되는 음파를 이용하여 수심정보를 취득하는 멀티빔 트랜듀서;
   상기 모션센서를 지나는 가상의 수직선에 위치하는 상기 자선의 상부에 장착되고, 자선의 위치정보를 취득하는 GPS 수신기;를 포함하여 이루어지는 멀티빔 음향 측심 시스템에 있어서,
   
   상기 자선은
   상기 모션센서가 수용되어 장착되는 수용부를 갖는 몸체와,
   상기 몸체의 양 측면에 배치되는 부력부재와,
   상기 몸체와 상기 부력부재를 연결하는 제1연결막대와,
   상기 몸체와 상기 모선의 측면을 연결하는 두 제2연결막대를 포함하여 이루어지되,
   
   상기 제1연결막대는 일단은 상기 몸체에 힌지결합되고, 타단은 상기 부력부재에 고정결합되고,
   상기 두 제2연결막대는 일단은 상기 모선의 무게중심을 지나는 가상의 가로선에 위치하는 측면에 힌지결합되고, 타단은 각각 상기 몸체의 전후방에 고정결합되어,
   상기 몸체는 수면의 파동에 대항한 전후좌우의 흔들림이 억제되는 것을 특징으로 하는 멀티빔 음향 측심 시스템.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 자선의 몸체에는 상기 수용부를 개폐하는 도어부재가 구비되고,
   상기 도어부재에는 상단에 상기 GPS수신기가 장착되며, 길이조절이 가능한 가변막대가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 멀티빔 음향 측심 시스템.
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 자선의 저면에는 상기 멀티빔 튜랜듀서의 전후좌우를 감싸 보호하는 보호부재가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 멀티빔 음향 측심 시스템.

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