KR101135456B1 - 수동 소나의 센서 신호 모의 장치 - Google Patents

수동 소나의 센서 신호 모의 장치 Download PDF

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KR101135456B1
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hydrophone
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신동훈
신승제
김광태
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명에 따른 수동 소나의 센서 신호 모의 장치는 수조 내 수면 밑에서 음파를 생성 방사하는 송신 트랜스듀서, 상기 수면 밑에서 상기 음파를 수신하며, 상기 송신 트랜스듀서의 빔 축을 축으로 하는 가상의 직원뿔의 밑면 둘레 상에 3개 이상 배치되는 수신 하이드로폰, 상기 송신 트랜스듀서를 지지하는 제1 가이드 및 상기 수신 하이드로폰을 지지하는 제2 가이드를 포함함으로써, 복수개의 수동 소나 센서를 이용한 표적 위치 추정 알고리즘을 검증하기 위한 데이터를 제공할 수 있다.

Description

수동 소나의 센서 신호 모의 장치{APPARATUS FOR SIMULATING OF SENSOR SIGNAL OF PASSIVE SONAR}
본 발명은 수동 소나의 센서 신호 모의 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실 환경에서의 수동 소나의 센서 신호를 실내와 같은 제한된 공간에서 신뢰성 있게 모의할 수 있는 수동 소나의 센서 신호 모의 장치에 관한 것이다.
수중에서 다중센서 수동 소나(SONAR)를 이용하여 표적 위치를 추정하는 다양한 알고리즘이 개발되고 있지만 이 알고리즘을 실제데이터를 이용하여 검증하는데는 많은 어려움이 있다. 일단 수중에 정확한 간격으로 센서를 배치하는데 큰 비용이 필요하며 위험이 따른다. 또한 수중환경의 다양한 노이즈 성분으로 인해 획득한 데이터를 활용하지 못할 수도 있다.
일반적으로 수중에서 복수개의 수동 소나(SONAR)를 이용하여 표적의 위치를 추정하는 알고리즘을 개발하고 검증하기 위해서는 실제 하드웨어를 제작하여 수중에서 시험을 통해 검증하여야 한다. 원거리 표적을 탐지하기 위해서는 수동 소나의 다중 센서 간격을 넓게 하여야 하므로 실제 하드웨어를 수조 환경에서 시험/검증하는 것이 불가능하다. 또한 해상시험 역시 많은 비용이 필요하게 된다. 또한 하드웨어의 변경이 용이하지 않으므로 간단한 수정 보완도 즉석에서 처리하기가 어렵다.
그러므로 알고리즘을 개발하고 실제 하드웨어를 제작하기에 앞서 충분한 검증을 수행하는 것이 필요하며 그러기 위해서는 적절한 검증 데이터 획득이 필수적이다.
본 발명은 실 환경에서의 수동 소나의 센서 신호를 실내와 같은 제한된 공간에서 신뢰성 있게 모의할 수 있는 수동 소나의 센서 신호 모의 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수동 소나의 센서 신호 모의 장치는 수조 내 수면 밑에서 음파를 생성 방사하는 송신 트랜스듀서, 상기 수면 밑에서 상기 음파를 수신하며, 상기 송신 트랜스듀서의 빔 축을 축으로 하는 가상의 직원뿔의 밑면 둘레 상에 3개 이상 배치되는 수신 하이드로폰, 상기 송신 트랜스듀서를 지지하는 제1 가이드 및 상기 수신 하이드로폰을 지지하는 제2 가이드를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1 가이드 및 상기 제2 가이드는 일체로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 송신 트랜스듀서는 전방향으로 상기 음파를 방사하고, 상기 송신 트랜스듀서 및 상기 수신 하이드로폰은 동일면 상에 배치될 수 있다.
이때, 상기 각 수신 하이드로폰 중 3개의 수신 하이드로폰의 음파 도달 시간을 이용하여 상기 송신 트랜스듀서의 위치를 파악하는 위치 판정부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 파악된 위치를 출력하는 표시부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 수신 하이드로폰 중 선택된 3개의 수신 하이드로폰의 상호상관을 통해 추정된 수신 하이드로폰의 수신 음파의 시간 지연을 이용하여 송신 트랜스듀서의 위치 오차를 산출한 후 각 수신 하이드로폰의 수신 음파 합성에 반영하는 송신 트랜스듀서 위치 산출부를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 선택된 3개의 수신 하이드로폰을 지나는 원주와 상기 선택된 3개의 수신 하이드로폰 외의 수신 하이드로폰 간의 오차 거리를 산출하여 상기 수신 음파 합성에 반영하는 오차 거리 산출부를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 각 수신 하이드로폰의 상호상관을 통해 추정된 수신 하이드로폰의 수신 음파의 시간 지연을 이용하여 수신 하이드로폰의 위치 오차를 보정하는 위치 보정부를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 음파는 화이트 노이즈일 수 있다.
또한, 상기 음파가 다중경로 발생 조건을 만족하는 경우 상기 음파의 펄스 길이는 유지한 상태로 상기 음파의 주파수를 증가시킴으로써 다중경로의 발생을 제한하는 다중경로 제한부를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 방사된 음파와 상기 수신된 음파를 동기화하고 상기 수신된 음파를 자동으로 저장하는 자동 수행부를 더 포함할 수 있다.
또한, 실 소나 운용환경에서 수신된 음파를 모의하기 위해 상기 실 소나 운용환경에서의 시간 지연값을 획득한 후 상기 수신된 음파를 상기 획득한 시간 지연값만큼 지연시키는 시간 지연부를 더 포함할 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 수동 소나의 센서 신호 모의 장치는 복수개의 수동 소나 센서를 이용한 표적 위치 추정 알고리즘을 검증하기 위한 데이터를 인공 수조 환경에서 획득할 수 있다.
획득한 데이터를 수중에서 음파의 전달특성을 이용하여 실제 실험을 하지 않고도 다양한 센서 배치를 통해 수집된 데이터와 같은 특성을 가지도록 합성하여 알고리즘 검증에 활용할 수 있다.
이를 통해 시간, 비용적 이점을 획득하게 되고 실제 해상 시험에 수반되는 위험요인을 크게 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 수동 소나의 센서 신호 모의 장치를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수동 소나의 센서 신호 모의 장치를 나타낸 측면도.
도 3은 상호상관을 통해 시간 지연값을 추출하는 과정을 나타낸 개략도.
도 4는 본 발명의 수동 소나의 센서 신호 모의 장치에 포함된 위치 판정부에서의 송신 트랜스듀서의 위치를 파악하는 과정을 설명하기 위한 개략도.
도 5는 송신 트랜스듀서의 위치에 따른 각 수신 하이드로폰의 수신 신호와 상호상관 신호를 나타낸 개략도.
도 6은 송신 트랜스듀서의 미세 위치 오차와 선택된 3개의 수신 하이드로폰이 형성하는 원주와 그 외의 수신 하이드로폰 간의 거리 오차의 산출 과정을 설명하기 위한 개략도.
도 7은 다중경로 발생 조건의 산출 과정을 설명하기 위한 개략도.
이하, 본 발명의 수동 소나의 센서 신호 모의 장치에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 수동 소나의 센서 신호 모의 장치를 나타낸 개략도이다.
도 1에 도시된 수동 소나의 센서 신호 모의 장치는 수조 내 수면 밑에서 음파를 생성 방사하는 송신 트랜스듀서(110), 상기 수면 밑에서 상기 음파를 수신하며, 상기 송신 트랜스듀서의 빔 축을 축으로 하는 가상의 직원뿔의 밑면 둘레 상에 3개 이상 배치되는 수신 하이드로폰(130), 상기 송신 트랜스듀서를 지지하는 제1 가이드(151) 및 상기 수신 하이드로폰을 지지하는 제2 가이드(153)를 포함하고 있다.
소나(sonar)는 음파를 이용, 해저?선박?어군이나 기타 표적과의 거리를 측정하는 장치로 sound navigation and ranging의 약칭이다. 음파탐지기라고도 한다. 수동 소나와 능동 소나가 있다.
능동 소나는 음파를 발사해서 표적로부터의 반사음을 수신하여 방위?거리를 측정하는 방식으로서, 수평 소나와 수직 소나로 분류된다. 다만 수직 소나는 일반적으로 음향 측심기?어군 탐지기 등으로 불리며, 소나만을 말할 때는 수평소나를 가리키는 것이 보통이다. 소나는 어느 한 방향으로 송파기(送波器)를 향하여 음파의 펄스를 발사하고, 그 방향으로부터의 반사파를 수신하고 나서 다음 방향을 향하여 같은 과정을 반복하는 것이 원칙이다. 이러한 점에서는 레이더와 같지만, 수중음파의 속도는 매초 약 1500m로 느리기 때문에 안테나를 빨리 회전시킬 수 없어서 펄스의 반복주파수를 낮추지 않으면 안되어 특별한 연구가 필요하다. 다음과 같은 방식이 있다. ① 선형주사방식(扇形走査方式): 뱃머리를 중심으로 해서 좌?우 수십 도만을 주사한다. ② 나선상탐사방식: 송파기에서 모든 방향으로 펄스를 발사하고, 빔폭이 작고 예민한 지향성을 가진 수파기(受波器)를 고속도로 회전시켜서, 각 방향에서 되돌아오는 반사파를 차례로 수신한다. ③ 다중탐사방식: 나선상탐사방식은 1개의 주파기를 이용하는 데 비해, 다중탐사방식은 예민한 지향성의 수파기를 원주상에 몇 개 정도 장비해 두고 이것을 순차적으로 교환하며 수신한다. 소나의 표시에서는 방향?거리?수심 등 3가지 정보가 필요하므로 평면적인 화면에 나타내기 힘들지만, 표시방법도 여러 가지로 연구되고 있다. 그 밖에 도플러 소나라고 불리는 것이 있는데 이것은 방위?거리를 측정하는 것이 아니라, 음파의 도플러효과를 이용하여 선박의 속력을 측정하는 장치이다.
수동 소나(passive sonar)는 능동 소나와 반대되는 개념을 가진 소나라고 할 수 있는데 주로 외부에서 전달되는 음파를 받아들여 대상의 방향과 거리 및 특성 데이터를 얻는데 사용된다.
또한 능동 소나와 달리 음파를 받아들이는 역할이기에 매우 작은 에너지로도 운용이 가능하고 도달거리와 탐지거리가 능동 소나에 비해 수백배까지 되므로 수상함보다 조용하고 자신의 위치를 숨기는 잠수함은 주로 수동 소나를 이용한다.
수동 소나의 원리는 일반적으로 사용되는 마이크와 거의 같은데, 압전 세라믹이라 불리우는 자성체에 약간의 전류를 가한 상태에서 주변의 음파가 압전 세라믹에 닿으면 압전 세라믹에 가해진 전류의 흐름을 변형시키게 된다. 즉 수동 소나는 진동 때문에 생기는 압전 세라믹 주위의 전류변화를 검출한 이후 이를 증폭하여 출력한다.
송신 트랜스듀서(110)는 음파를 생성 방사하는 요소이다. 본 발명은 수동 소나에 관한 것으로 송신 트랜스듀서는 수동 소나의 구성물이 아니다. 송신 트랜스듀서는 소위 표적을 모의한다. 수중에서의 표적로부터 전달되는 음파를 모의하기 위해 송신 트랜스듀서는 수조 내의 수면 밑에 배치된다.
수동 소나는 표적로부터 전달된 음파를 탐지하는 장치로 음파를 직접 획득하는 센서와 획득된 음파를 처리하는 음파 처리부를 포함한다.
수신 하이드로폰(130)은 음파를 직접 획득하는 센서에 해당한다.
수신 하이드로폰은 3개 이상 설비되는데 이때 각 수신 하이드로폰의 수신 음파를 합성하고 합성된 음파를 소정의 알고리즘 검증에 이용한다. 합성된 음파를 알고리즘 검증에 이용하기 위해서 상기 합성된 음파는 신호대 잡음비가 일정해야 한다.
소나 운용환경에서 다중 센서의 수신 신호(수신 음파)는 표적과 센서의 거리에 의한 시간 지연 및 신호대 잡음비에 따라 달라진다. 원거리 표적의 경우 다중 센서에서 수신한 신호는 평면파로 근사되어 신호대 잡음비가 일정해지며, 수신 신호의 특성은 다중 센서 수신 신호의 시간 지연에 의해 결정된다.
수조 환경에서 원거리 표적을 모의하기 위해 다중 센서 수신 신호의 신호대 잡음비를 일정하게 유지할 필요가 있다. 이를 위해 각 수신 하이드로폰과 송신 트랜스듀서와의 거리를 동일하게 구성하고 송신 트랜스듀서의 빔 축을 정렬하여 비대칭 빔패턴에 의한 영향을 최소화한다. 이렇게 다중 센서 수신 신호의 신호대 잡음비를 일정하게 유지하면 역으로 시간 지연은 모두 동일한 값을 가지므로, 시간 지연 파라미터가 실 운용환경에 비해 달라지게 된다. 이러한 문제를 해소하기 위해 시간 지연부가 이용된다.
다중 센서에서 수신된 신호의 신호대 잡음비를 일정하게 유지하도록 하기 위해 수신 하이드로폰은 수조의 수면 밑에서 송신 트랜스듀서의 빔 축을 축으로 하는 가상의 직원뿔의 밑면 둘레상에 형성된다. 이에 따르면 각 수신 하이드로폰에서 상기 송신 트랜스듀서의 빔각과 송신 트랜스듀서와의 거리를 동일하게 할 수 있다. 이를 통해 각 수신 하이드로폰에서 수신된 신호의 신호대 잡음비를 일정하게 유지할 수 있으며, 그 결과 원거리 표적을 모의하기 위한 조건 중 하나를 만족시킬 수 있다.
이와 같이 송신 트랜스듀서와 수신 하이드로폰을 배치하기 위해 제1 가이드 및 제2 가이드가 이용된다. 가이드가 없는 경우 송신 트랜스듀서와 수신 하이드로폰을 수조 내 수면 밑에서 적절하게 배치할 수 없다.
제1 가이드(151)는 송신 트랜스듀서를 지지하고, 제2 가이드(153)는 수신 하이드로폰을 지지한다. 따라서, 송신 트랜스듀서와 각 수신 하이드로폰은 자신을 지지하는 각 가이드에 의해 배치 위치가 결정될 수 있다.
제1 가이드 및 제2 가이드는 일체로 형성될 수 있다. 이에 따르면 제1 가이드의 위치를 변경해가며 송신 트랜스듀서의 위치를 조정하지 않을 수 있다. 일체로 알맞게 형성되어 있는 제1 가이드 및 제2 가이드에 각각 송신 트랜스듀서와 수신 하이드로폰을 설치하기만 하면 된다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수동 소나의 센서 신호 모의 장치를 나타낸 측면도이다.
도 2에 도시된 수동 소나의 센서 신호 모의 장치는 원뿔 상의 축 방향에서 바라본 모습을 나타낸 것으로 이때, 송신 트랜스듀서(110)와 각 수신 하이드로폰(130)은 동일면 상에 배치될 수 있다. 물론, 이러한 배치를 위해서 송신 트랜스듀서는 전방향으로 음파를 방사할 수 있어야 한다. 이때 제1 가이드(151)와 제2 가이드(153)은 일체로 형성되어 하나의 가이드(150)를 형성할 수 있다.
동일 평면상(다른 평면상에 위치해도 무방)에 위치하는 송신 트랜스듀서의 위치를 알아내려면 최소 3개의 수신 하이드로폰이 필요하다. 3개의 수신 하이드로폰에 음파가 도달한 시간을 측정하여 얻은 3개의 수식을 풀면, 송신 트랜스듀서의 위치(x좌표, y좌표)와 송신 시점의 3개의 미지수를 계산할 수 있다. 이때, 음파의 도달 시간 대신에 2개의 채널에 도달한 음파의 시간 차이를 측정하면, 동일한 미지수인 송신 시점을 소거할 수 있으므로 도 4에서 다음의 수학식 1을 얻을 수 있다. 연산에 필요한 시간 지연 τ21, τ31, τ41은 도 3과 같이 상호상관을 이용하여 얻을 수 있다.
Figure 112011007740341-pat00001
Figure 112011007740341-pat00002
두 식을 연립하여 풀면, 송신 트랜스듀서 위치와 관련한 다음의 수학식 2와 같은 관계를 얻을 수 있다.
Figure 112011007740341-pat00003
이 관계를 수학식 1에 대입하여 정리하면 다음의 수학식 3과 같은 2차식을 얻을 수 있다.
Figure 112011007740341-pat00004
Figure 112011007740341-pat00005
Figure 112011007740341-pat00006
Figure 112011007740341-pat00007
따라서, 수학식 2와 수학식 3을 만족하는 4가지 조합의 해 중에서 수학식 1에 대입하였을 때에 만족하는 해가 송신 트랜스듀서의 위치가 된다.
가이드의 중심을 기준으로 송신 트랜스듀서의 위치를 확인하고 이를 이용하여 송신 트랜스듀서를 가이드의 중심에 정렬할 수 있다. 이를 통해 송신 트랜스듀서를 4개의 수신 하이드로폰과 등간격으로 배치할 수 있다.
이상의 처리를 위해 수동 소나의 센서 신호 모의 장치는 각 수신 하이드로폰 중 3개의 수신 하이드로폰의 음파 도달 시간을 이용하여 상기 송신 트랜스듀서의 위치를 파악하는 위치 판정부(160)를 더 포함할 수 있다. 위치 판정부는 시간 지연값을 얻기 위해 도 3에서와 같은 처리를 수행하는 시간 지연 추정부를 포함할 수 있다. 예를 들어 채널1(수신 하이드로폰 1)의 신호(센서1 수신 신호)를 기준으로 채널2의 신호를 시간 지연하여 곱하고, 그 합을 구하면 시간 지연을 기준으로 상호상관(cross-correlation) 값을 얻을 수 있다. 상호상관 값이 최대가 되는 시간 지연 값을 채널1과 채널2 사이의 신호의 시간 지연으로 추정한다. 디지털 신호 처리에서 샘플 간격으로 상호상관 값을 얻게 되는데 시간 지연이 샘플 간격이 아니므로 상호상관 값을 보간하여 최대값(피크위치 추정)이 나오는 시점을 시간 지연으로 추정한다. 이와 같은 내용은 도 3에 나타나 있다.
위치 판정부를 통해 송신 트랜스듀서의 위치(원뿔의 축 상에서 보았을 때의 위치)를 파악할 수 있는데, 소망하는 데이터를 얻기 위해 파악된 송신 트랜스듀서의 위치를 이용하여 송신 트랜스듀서를 각 수신 하이드로폰의 중심에 배치하여야 한다. 이를 위해 송신 트랜스듀서 또는 제1 가이드를 원뿔의 축의 수직 방향으로 움직일 수 있는 운송 수단(180)을 구비할 수 있다. 또는 표시부(170)를 통해 파악된 송신 트랜스듀서의 위치를 표시함으로써 사용자로 하여금 송신 트랜스듀서를 적정 위치에 배치하도록 유도할 수 있다.
참고로 도 5에 송신 트랜스듀서의 위치에 따라 각 수신 하이드로폰에서 수신되는 음파(수신 신호)와 상호상관 신호를 나타내었다. 살펴보면 송신 트랜스듀서가 중앙에 배치될 경우 각 신호의 시간 지연값이 거의 동일하게 되어 상호상관값이 중앙에 정렬되는 것을 확인할 수 있다.
송신 트랜스듀서와 수신 하이드로폰을 최대한 물리적으로 정렬하더라도, 송신 트랜스듀서의 위치를 현실적으로 정확하게 가이드의 중심에 위치시키기 어렵다. 또한, 가이드의 제작 오차를 인하여 수신 하이드로폰의 위치에 오차가 있을 수 있다. 따라서, 위치 판정부(160)에서 이루어지는 수학식 1 내지 3의 연산을 통해 송신 트랜스듀서의 위치를 바로잡았다고 하더라도 미세한 위치 오차가 발생할 수 있다.
이러한 미세 오차를 물리적으로 제거하는 것이 어려우므로 상호상관을 통해 얻은 시간 지연값을 이용하여 미세 오차를 파악하고 이를 모의 신호 합성시의 보정에 이용할 수 있다.
도 6에서 송신 트랜스듀서는 수신 하이드로폰 1, 3, 4를 지나는 원의 중심에 위치해야 하나 물리적으로 이를 만족하지 못할 수 있으므로 채널1/채널4, 채널1/채널3의 시간 지연을 이용하여 송신 트랜스듀서의 미세 위치 오차를 추정한다. 원의 중심에서 (Δx,Δy)만큼 벗어난 경우 시간 지연 식은 다음의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011007740341-pat00008
Figure 112011007740341-pat00009
따라서, 미세 오차는 다음의 수학식 5로 표현될 수 있다.
Figure 112011007740341-pat00010
Figure 112011007740341-pat00011
이때의 미세 오차로 수신 하이드로폰의 수신 음파를 보정한 후 합성하면 물리적으로 해결할 수 없는 미세한 오차를 수학적 보정에 의해 해결할 수 있다.
이를 위해 수동 소나의 센서 신호 모의 장치는 상기 수신 하이드로폰 중 선택된 3개의 수신 하이드로폰의 상호상관을 통해 추정된 수신 하이드로폰의 수신 음파의 시간 지연을 이용하여 송신 트랜스듀서의 위치 오차를 산출한 후 각 수신 하이드로폰의 수신 음파 합성시의 보정에 이용하는 송신 트랜스듀서 위치 산출부(190)를 더 포함할 수 있다. 송신 트랜스듀서 위치 산출부(190)는 수학식 4 내지 수학식 5의 연산을 수행한다.
한편, 가이드 제작상의 오차로 인하여 수신 하이드로폰 1, 2, 3, 4가 같은 원주 상에 위치하지 않을 수 있다. 따라서 도 6에서 수신 하이드로폰 2의 위치와 수신 하이드로폰 1, 3, 4를 지나는 원주 사이의 거리를 계산한다. 이를 통해 송신 트랜스듀서와 수신 하이드로폰의 미세 위치 오차를 파악하여 추후 신호 합성시의 보정에 이용할 수 있다. 이를 위해 수동 소나의 센서 신호 모의 장치는 선택된 3개의 수신 하이드로폰을 지나는 원주와 상기 선택된 3개의 수신 하이드로폰 외의 수신 하이드로폰 간의 오차 거리를 산출하여 상기 수신 음파 합성시의 보정에 이용하는 오차 거리 산출부(191)를 더 포함할 수 있다.
도 6에서 수신 하이드로폰 2와 원주 간의 거리(최단 거리)는 다음의 수학식 6으로 표현될 수 있다.
Figure 112011007740341-pat00012
한편, 각 수신 하이드로폰의 상호상관을 통해 추정된 수신 하이드로폰의 수신 음파의 시간 지연을 이용하여 수신 하이드로폰의 위치 오차를 보정하는 위치 보정부(193)를 더 포함할 수 있다.
상호상관을 통해 수신 하이드로폰 수신 신호의 시간 지연을 추정하려면, 수신된 4채널의 신호를 버퍼에 저장하고 채널쌍(채널1/채널2, 채널1/채널3, 채널1/채널4)을 선택하여 상호상관을 계산한 뒤, 상호상관 결과를 보간하고 피크 위치를 추정한다. 한편, 상호상관 시간 지연 추정 결과를 이용하여 수신 하이드로폰의 위치를 보정하려면 시간 지연 추정 오차를 최소화할 필요가 있다. 이를 위해 방사 음파로써 화이트 노이즈(백색 잡음)를 사용할 수 있다.
위치 판정부는 상호상관을 이용하여 송신 트랜스듀서의 위치를 파악하여 보정하는데, 위치 보정부는 상호상관을 이용하여 수신 하이드로폰의 위치를 파악하여 보정한다. 위치 판정부의 경우와 마찬가지로 파악된 수신 하이드로폰의 위치를 표시하거나 자동 조정하는 표시부, 운송수단을 포함할 수 있다. 이때 표시부는 위치 판정부에 연결된 표시부와 일체로 형성될 수 있다.
참고로 E. Weinstein과 A. J. Weiss가 1984년 논문에서 밝힌 다음과 같은 관계식을 이용하면, 시간지연추정 오차의 크기는 송신신호의 중심주파수 ω0, 대역폭 W, 펄스 길이 T, 수신 신호대 잡음비 및 수신 하이드로폰간 거리 D의 함수(수학식 7)로 나타낼 수 있다.
Figure 112011007740341-pat00013
단, 대역 내에서 신호 및 잡음의 psd는 평평하다고 가정하며, 대역 내 신호의 psd를 S, 수신 하이드로폰 1에서의 대역 내 잡음의 psd를 N1, 수신 하이드로폰 2에서의 대역 내 잡음의 psd를 N2라고 하면, 신호대 잡음비는 다음의 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011007740341-pat00014
Figure 112011007740341-pat00015
Figure 112011007740341-pat00016
,
Figure 112011007740341-pat00017
Figure 112011007740341-pat00018
Figure 112011007740341-pat00019
[1] A. J. Weiss and E. Weinstein (1983), Fundamental Limitations in Passive Time Delay Estimation - Part II: Wide-Band Systems, IEEE Transsactions on Acoustics, Speech and Signal Processing, Vol. ASSP-32, No. 5
한편, 제한된 수조 내에서 펄스 길이 연장시 표면, 바닥, 측면의 반사파로 인한 다중경로가 발생하므로, 이를 배제하기 위한 주파수 변환 배수를 결정하여야 한다.
도 7에서 송신 트랜스듀서와 수신 하이드로폰의 위치에 따라 다중경로의 첫번째 도달 시간차를 계산할 수 있으며, 펄스의 길이는 이보다 짧아야 다중경로에 의한 영향이 없음을 알 수 있다. 도 7에서 앞/뒷면, 위/아랫면, 좌/우면에서 거울반사 특성을 이용하여 첫번째 다중경로의 길이를 구하면 다음의 수학식 9와 같다.
Figure 112011007740341-pat00020
Figure 112011007740341-pat00021
Figure 112011007740341-pat00022
Figure 112011007740341-pat00023
Figure 112011007740341-pat00024
Figure 112011007740341-pat00025
한편, 송신 트랜스듀서와 수신 하이드로폰의 직접 전달 경로의 길이는 다음의 수학식 10과 같다.
Figure 112011007740341-pat00026
따라서, (음속×펄스 길이) 값이 다음과 같이 첫번째 다중경로 길이에서 직접 전달 경로 길이를 빼준 값보다 크게 되면, 다중경로에 의한 간섭이 발생하게 된다. 즉, 다중경로 발생 조건은 다음의 수학식 11과 같이 정리될 수 있다.
Figure 112011007740341-pat00027
이 경우, 펄스 길이를 줄이는 대신 주파수를 동일 비율로 높여주면, 음향학적 상사법칙에 의해 동일한 조건에서 다중경로 효과를 배제하고 실험을 수행할 수 있다.
정리하면, 본 발명의 수동 소나의 센서 신호 모의 장치는 음파가 다중경로 발생 조건을 만족하는 경우 음파의 펄스 길이는 유지한 상태로 음파의 주파수를 증가시킴으로써 다중경로의 발생을 제한하는 다중경로 제한부(195)를 더 포함할 수 있다.
또한, 방사된 음파와 수신된 음파를 동기화하고 수신된 음파를 자동으로 저장하는 자동 수행부(197)를 더 포함할 수 있다. 수신된 신호를 이용하여 알고리즘을 통계적으로 검증하려면, 동일 조건에서 같은 실험을 여러번 반복한 결과가 필요하다. 이때 실험을 자동화함으로써 반복 실험의 효율을 향상시킬 수 있다. 구체적으로 자동 수행부를 통해 방사된 음파와 수신된 신호를 동기화하고 수신 신호를 저장한다. 이에 따르면 송신 트리거 입력만으로 실험이 자동으로 진행될 수 있다. 방사 음파의 종류, 주파수, 펄스 길이, 수신 신호대 잡음비, 파일저장경로, 반복회수 등의 파라미터를 입력함으로써 반복적으로 실험할 수 있다.
수조와 같은 제한된 환경에서 원거리의 표적을 모의하려면 신호대 잡음비를 일정하게 유지하고 실 환경과 같은 시간 지연값을 적용하여야 한다. 위에서는 신호대 잡음비를 일정하게 유지하기 위해 송신 트랜스듀서와 수신 하이드로폰 간의 거리를 동일하게 하는 방안에 대해서 살펴보았다. 다음으로 실 환경과 같은 시간 지연값을 적용하기 위해 센서 신호 모의 장치는 시간 지연부(199)를 더 포함할 수 있다.
시간 지연부(199)는 실 소나 운용환경에서 수신된 음파를 모의하기 위해 실 소나 운용환경에서의 시간 지연값을 획득한 후 수신된 음파를 획득한 시간 지연값만큼 지연시킨다. 실 소나 운용환경에서의 수신 신호와 동일한 특성을 갖는 모의 신호를 합성하기 위해서 모의 표적(송신 트랜스듀서)의 위치 및 센서(수신 하이드로폰) 배치에 따른 시간 지연을 갖도록 각 수신 하이드로폰의 수신 신호를 변환하여야 한다. 모의 표적에서 송신한 신호가 센서에 도달한 시간은 모의 표적과 수신 센서 사이의 거리 계산을 통해 알 수 있다. 따라서, 실 운용환경의 시간 지연을 갖는 신호를 합성하려면, 합성 전에 각 센서의 신호를 보간하여 해당 시간 지연을 갖는 시점에서 신호를 획득한 것으로 처리해야 한다. 이때의 신호는 미세 오차를 포함하고 있으므로 이를 보정해준다.
한편, 이상에서 살펴본 송신 트랜스듀서, 수신 하이드로폰, 위치 판정부, 오차 거리 산출부, 송신 트랜스듀서 위치 산출부, 위치 보정부, 다중 경로 제한부, 자동 수행부, 시간 지연부는 데이터 버스를 통해 신호의 송수신을 수행할 수 있다.
이상에서 설명된 수동 소나의 센서 신호 모의 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
다중센서 수신신호의 신호대 잡음비를 일정하게 유지하기 위해, 각 수신 하이드로폰과 송신 트랜스듀서와의 거리를 동일하게 구성하고 송신 트랜스듀서의 빔축을 정렬하여 비대칭 빔패턴에 의한 영향을 최소화한다. 이렇게 다중센서 수신신호의 신호대 잡음비를 일정하게 유지하면 역으로 시간지연은 모두 동일한 값을 가지므로, 시간지연 파라미터가 소나 운용환경에 비해 달라지게 된다. 이는 시간 지연부(199)에서 수신신호 데이터 변환을 통해 해당 시간지연을 가지는 모의신호를 합성함으로써 해결한다.
수조에서 실험신호를 획득하려면, 송신 트랜스듀서와 수신 하이드로폰의 거리를 실제로 동일하도록 위치시켜야 한다. 이를 위해 위치 판정부(160)에서 송신 트랜스듀서의 위치에 따른 수신 신호의 상호상관 결과를 이용하며, 구체적인 상호상관 계산 시스템은 위치 보정부(193)에 의해 처리될 수 있다(위치 판정부에서 필요한 상호상관도 위치 보정부에 처리되어 위치 판정부로 전달될 수 있음). 송신 트랜스듀서의 위치가 특정 수신 하이드로폰 방향으로 치우쳐 있으면, 수신신호의 상호상관 결과 해당 하이드로폰을 기준으로 한 다른 하이드로폰의 시간지연이 0보다 큰 값을 갖게 된다. 이러한 사실을 이용하여 위치 판정부의 결과에 따라 송신 트랜스듀서의 위치를 물리적으로 이동시켜 송신 트랜스듀서를 수신 하이드로폰의 중심에 위치시킨다. 한편, 물리적인 위치 이동의 한계 때문에, 송신 트랜스듀서와 수신 하이드로폰에 미세 위치 오차가 발생하므로 송신 트랜스듀서 위치 산출부(190) 또는 오차 거리 산출부(191)를 통하여 미세 위치 오차를 추정하고, 추후 모의신호 합성시 미세 위치 오차를 보정해준다.
이와 같은 과정을 통해 송신 트랜스듀서와 수신 트랜스듀서의 정렬을 마치면, 펄스 송신(음파 방사) 및 4채널 신호 수신-저장 과정을 통해 실험신호를 얻는다. 이때 수조의 공간적인 제약으로 송신 가능한 최대 펄스 길이를 넘어서면, 다중경로 간섭이 발생한다. 따라서 다중경로 제한부(195)를 통해 실험 주파수를 변환하여 송신 펄스를 모사한다. 또한 알고리즘의 통계적 검증을 위해 반복실험결과가 필요하므로, 자동 수행부(197)을 통해 실험 과정을 자동화하여 효율적으로 반복실험을 수행하게 된다.
한편, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
실제 환경에서의 수동 소나의 센서 출력 신호를 모의하고자 하는 장치에 적용할 수 있다.
특히, 수동 소나의 알고리즘을 테스트하기 위해 반복적인 수동 소나의 센서 출력 신호를 필요로 하는 검증 시스템에 적용하는 것이 유리하다.
110...송신 트랜스듀서 130...수신 하이드로폰
150...가이드 151...제1 가이드
153...제2 가이드 160...위치 판정부
170...표시부 180...운송 수단
190...송신 트랜스듀서 위치 산출부 191...오차 거리 산출부
193...위치 보정부 195...다중경로 제한부
197...자동 수행부 199...시간 지연부

Claims (12)

  1. 수조 내 수면 밑에서 음파를 생성 방사하는 송신 트랜스듀서;
    상기 수면 밑에서 상기 음파를 수신하며, 상기 송신 트랜스듀서의 빔 축을 축으로 하는 가상의 직원뿔의 밑면 둘레 상에 3개 이상 배치되는 수신 하이드로폰;
    상기 송신 트랜스듀서를 지지하는 제1 가이드; 및
    상기 수신 하이드로폰을 지지하는 제2 가이드;
    를 포함하는 수동 소나의 센서 신호 모의 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 가이드 및 상기 제2 가이드는 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 수동 소나의 센서 신호 모의 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 송신 트랜스듀서는 전방향으로 상기 음파를 방사하고,
    상기 송신 트랜스듀서 및 상기 수신 하이드로폰은 동일면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 수동 소나의 센서 신호 모의 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 각 수신 하이드로폰 중 3개의 수신 하이드로폰의 음파 도달 시간을 이용하여 상기 송신 트랜스듀서의 위치를 파악하는 위치 판정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 소나의 센서 신호 모의 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 파악된 위치를 출력하는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 소나의 센서 신호 모의 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 수신 하이드로폰 중 선택된 3개의 수신 하이드로폰의 상호상관을 통해 추정된 수신 하이드로폰의 수신 음파의 시간 지연을 이용하여 송신 트랜스듀서의 위치 오차를 산출한 후 각 수신 하이드로폰의 수신 음파 합성시의 보정에 이용하는 송신 트랜스듀서 위치 산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 소나의 센서 신호 모의 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 선택된 3개의 수신 하이드로폰을 지나는 원주와 상기 선택된 3개의 수신 하이드로폰 외의 수신 하이드로폰 간의 오차 거리를 산출하여 상기 수신 음파 합성시의 보정에 이용하는 오차 거리 산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 소나의 센서 신호 모의 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 수신 하이드로폰의 상호상관을 통해 추정된 수신 하이드로폰의 수신 음파의 시간 지연을 이용하여 수신 하이드로폰의 위치 오차를 보정하는 위치 보정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 소나의 센서 신호 모의 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 음파는 화이트 노이즈인 것을 특징으로 하는 수동 소나의 센서 신호 모의 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음파가 다중경로 발생 조건을 만족하는 경우 상기 음파의 펄스 길이는 유지한 상태로 상기 음파의 주파수를 증가시킴으로써 다중경로의 발생을 제한하는 다중경로 제한부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 소나의 센서 신호 모의 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 방사된 음파와 상기 수신된 음파를 동기화하고 상기 수신된 음파를 자동으로 저장하는 자동 수행부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 소나의 센서 신호 모의 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    실 소나 운용환경에서 수신된 음파를 모의하기 위해 상기 실 소나 운용환경에서의 시간 지연값을 획득한 후 상기 수신된 음파를 상기 획득한 시간 지연값만큼 지연시키는 시간 지연부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 소나의 센서 신호 모의 장치.
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