KR101142671B1 - 이차원의 엇갈림 구조로 배열된 수신 음향트랜스듀서를 갖는 이미징 소나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수신 음향트랜스듀서를 이차원의 엇갈림 구조로 배열함으로써 사용하는 주파수가 높은 경우에도 앨리어싱 현상이 나타나지 않도록 하는 이미징 소나에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 수신 음향트랜스듀서의 요소 간의 간격에 주어진 제한이 완화될 수 있으므로 이미징 소나의 제작이 보다 용이해질 수 있고, 기존의 수신 음향트랜스듀서 요소 간의 간격과 동일한 간격을 유지하면서도 요소의 크기는 상대적으로 크게 할 수 있으므로 이미징 소나의 탐지 거리가 증가한다.

Description

이차원의 엇갈림 구조로 배열된 수신 음향트랜스듀서를 갖는 이미징 소나{Imaging Sonar with Two Arrays of Transducers with Position Offset}

본 발명은 송신 음향트랜스듀서에서 음파를 생성하고 수중 물체에 의해서 반사되어 오는 음파를 수신 음향트랜스듀서에서 음파를 수신한 후 빔성형처리 기법을 이용하여 수중 물체의 영상을 획득하는 장비인 이미징 소나에 관한 것이다.

이미징 소나(Imaging Sonar)는 송신 음향트랜스듀서에서 음파를 생성하고 수중 물체에 의해서 반사되어 오는 음파를 수신 음향트랜스듀서에서 음파를 수신한 후 빔성형처리 기법을 이용하여 수중 물체의 영상을 획득하는 장비이다.

여기서 '빔성형처리 기법'이라 함은 다수의 센서에 입력되는 신호의 시간 차이 또는 위상 차이를 이용하여 입사되는 파의 각도를 추정하는 기법을 말한다. 선형 배열된 센서의 정면에서 입사되는 파의 경우 모든 센서에서 측정되는 신호가 동일하다(도 1의 a). 그러나 경사면 입사의 경우 센서에서 측정되는 신호의 시간 차이가 존재하며, 입사각이 증가할수록 그 차이도 같이 증가하게 된다(도 1의 b). 빔성형처리 기법은 이와 같은 특성을 이용하여 각 센서에서 측정되는 신호를 분석하여 입사각을 추정하는 방법이다.

일반적으로 빔성형처리 기법을 적용하기 위해서는 트랜스듀서 간의 간격이 반파장보다 작아야 앨리어싱(Aliasing)을 방지하고 실제로 존재하지 않는 위치에서 수중 물체가 나타나는 현상을 피할 수 있다.

앨리어싱이란 사운드나 이미지의 제작에서 주파수를 추출할 때 올바른 주파수와 그릇된 주파수가 함께 생성되는 것을 말한다. 앨리어싱에 의하여 이미지의 경우에는 가장자리가 톱니모양으로 들쭉날쭉하게 나타나며, 사운드의 경우에는 와글거리는 소리가 만들어지게 된다. 한편, 앤티앨리어싱(Anti-Aliasing)은 앨리어싱 때문에 거칠어진 이미지나 사운드를 부드럽게 해주는 기법이다. 이미지는 픽셀의 위치를 조정하거나 픽셀의 명암을 설정함으로써 선의 색상과 배경의 색상 사이에 좀더 점진적인 변화가 생기도록 조절하는 하는 수법을 쓰며, 사운드의 경우에는 추출된 표본 주파수 절반 이상을 삭제함으로써 앨리어싱을 제거한다.

도 2에서, 정현파①은 앨리어싱이 없는 상태의 그래프를, 정현파②는 앨리어싱이 발생한 상태의 그래프를 나타내고 있다. 트랜스듀서 간의 간격이 반파장보다 작으면(이를 통상 샘플링을 좁게 한다고 함. 정현파①을 따라 표시되어 있는 포인트들 간의 간격이 트랜스듀서 간의 간격임) 앨리어싱이 발생하지 않지만, 트랜스듀서 간의 간격이 반파장보다 크면(이를 통상 샘플링을 넓게 한다고 함) 사운드나 영상을 세밀하게 측정하지 못하는 관계로 실제(정현파①)와는 다른(즉, 실제만큼 세밀하고 구체적이지 못하거나 실제와는 다르게 왜곡된) 사운드나 이미지가 표현되는 현상(정현파② - 앨리어싱)이 나타나는 것이다.

그런데, 도 3에서 보는 바와 같이 이미징 소나의 경우 수신 음향트랜스듀서는 다수 개의 요소(Transducer Element)가 일정 간격으로 나열된 일차원 배열 구조를 이루고 있는데, 사용하는 주파수가 낮은 경우에는 파장이 커서 요소 간의 간격(d)이 반파장보다 작게 되도록 제작하는 것이 그리 어렵지 않으나, 주파수가 높은 경우에는 파장이 매우 작아(예: 주파수=1MHz → 파장=1.5mm) 요소 간의 간격(d)이 반파장보다 작게 되도록 제작하는 것이 거의 불가능해진다. 설령 요소 간의 간격(d)이 반파장보다 작게 되도록 제작한다 할지라도 이 경우는 요소의 크기(l)가 매우 작아져 송신 음압 레벨도 낮아지며 이로 인하여 탐지 거리가 짧아지는 단점이 발생하게 된다. 해상도를 높이기 위해서는 고주파수를 사용하여야 하는데 이 경우 파장이 감소하여 제작 상의 어려움으로 인해 MHz 대역의 고주파수를 이용하는 이미징 소나가 많지 않다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 수신 음향트랜스듀서를 이차원의 엇갈림 구조로 배열함으로써 사용하는 주파수가 높은 경우에도 앨리어싱 현상이 나타나지 않도록 하는 이미징 소나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 기타 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시 예의 개시 내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
수신 음향트랜스듀서를 이루는 다수 개의 요소가 일정 간격으로 나열된 각각의 일차원 배열 구조가 두 줄로 어긋나게 배열되되,
신호처리를 위하여 실제로 사용하는 식은 일차원 배열과 동일한 아래의 식(여기서, d: 요소 간의 간격, M: 요소의 개수,

,

: 파장)이 사용되며,

다만 요소 간의 간격 d만 일차원 배열의 경우보다 1/2로 감소시켜 추정을 하게 되는 것을 특징으로 하는,
이차원의 엇갈림 구조로 배열된 수신 음향트랜스듀서를 갖는 이미징 소나를 제시한다.

삭제

본 발명에 따르면 다음과 같은 유리한 효과가 발생한다.

첫째, 앨리어싱 효과에 의해 잘못된 영상이 생성되는 것을 방지할 수 있다.

둘째, 수신 음향트랜스듀서의 요소 간의 간격에 주어진 제한이 완화될 수 있으며, 이로써 이미징 소나의 제작이 보다 용이해질 수 있다.

셋째, 기존의 수신 음향트랜스듀서 요소 간의 간격과 동일한 간격을 유지하면서도 요소의 크기는 상대적으로 크게 할 수 있으므로 이미징 소나의 탐지 거리가 증가한다.

본 발명의 다른 효과는, 이상에서 설명한 실시 예 및 본 발명의 청구범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생할 수 있는 효과 및 산업 발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성들에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

도 1은 선형 배열된 센서에 대한 정면 입사파(a) 및 경사면 입사파(b)의 모습.
도 2는 앨리어싱이 없는 상태의 그래프(①) 및 앨리어싱이 발생한 상태의 그래프(②).
도 3은 이미징 소나의 수신 음향트랜스듀서를 이루는 다수 개의 요소가 일정 간격으로 나열되어 일차원 배열 구조를 이룬 모습.
도 4는 본 발명에 따른 이차원의 엇갈림 구조로 배열된 수신 음향트랜스듀서.
도 5는 수신 음향트랜스듀서에 배열된 다수 개의 요소 간의 간격이 반파장보다 작은 경우(a)와 큰 경우(b)의 빔패턴 비교.
도 6 및 도 7은 이미징 소나의 구성을 나타낸 블록도.
도 8은 본 발명에 따른 이차원의 엇갈림 구조로 배열된 수신 음향트랜스듀서에 의한 빔패턴.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

이미징 소나는 송신 음향트랜스듀서에서 음파를 생성하고 수중 물체에 의해서 반사되어 오는 음파를 수신 음향트랜스듀서에서 음파를 수신한 후 빔성형처리 기법을 이용하여 수중 물체의 영상을 획득하는 장비를 말하는데, 그 구성은 도 6과 같다.

도 6에서, 송신 음향트랜스듀서는 전기 신호를 이용하여 음파를 발생시키는 장치이며, 수신 음향트랜스듀서는 음파를 수신하여 전기 신호를 발생시키는 장치이며, 송신 회로는 전기 신호의 전력을 증폭시키는 장치이며, 수신 회로는 수신된 미약한 신호를 증폭시키는 장치이며, 신호발생기는 전기 신호를 발생시키는 장치이며, 신호수집기는 전기 신호를 샘플링하여 처리 가능한 데이터를 형성하는 장치이며, 신호처리기는 수집된 데이터를 이용하여 빔성형처리를 수행하는 장치이며, 초음파 영상 표시장치는 빔성형 데이터를 이용하여 초음파 영상을 표시하는 장치이다.

이때, 이미징 소나는 도 7과 같이 송수신 절환회로를 이용하여 수신 음향트랜스듀서와 송신 음향트랜스듀서를 한 개의 음향트랜스듀서로 구성하는 것이 가능하다.

한 개의 음향트랜스듀서를 이용하여 송수신을 하는 경우 송수신을 동시에 할 수는 없고 송신하는 시간과 수신하는 시간을 구분하여야 한다. 즉, 송신 시에는 송신 회로에서 발생하는 높은 전압을 수신 회로에 그 영향을 미치지 않고 음향트랜스듀서에 전달하여야 하며, 수신 시에는 작은 신호를 수신 회로에 전달하여야 하는 것이다. 이와 같은 기능을 하는 회로가 바로 송수신 절환회로이다.

도 3에서 보는 바와 같이 이미징 소나의 경우 수신 음향트랜스듀서는 다수 개의 요소(Transducer Element)가 일정 간격으로 나열된 일차원 배열 구조를 이루고 있다.

이 경우 요소 간의 간격(d)은 요소의 크기(l)보다 큰 값이 되도록 임의로 조정하는 것이 가능한데, 요소의 개수를 M이라고 할 때 도 3의 배열 구조에 의한 빔패턴 식은 아래와 같다.

여기서, 빔패턴(Beam Pattern)이란 입사되는 각에서 가장 큰 값을 가지는 일종의 'Parameter Estimator'를 말한다. 상기 식에서 최대값이 나타나는 지점에서는 분모가 0이 되는 상태이므로, 다음의 수식을 만족하여야 한다. 여기서 k=2π/λ이며, λ는 파장을 의미한다.

일반적으로 빔성형처리 기법을 적용하기 위해서는 이들 요소 간의 간격(d)이 반파장(λ/2)보다 작아야 앨리어싱을 방지하고 실제로 존재하지 않는 위치에서 수중 물체가 나타나는 현상을 피할 수 있다. 즉, d＜λ/2인 경우에는 도 5의 (a)와 같이 -π/2＜θ＜π/2 중 한 곳에서만 최대값 1의 값을 가지나, d＜λ/2인 경우에는 도 5의 (b)와 같이 -π/2＜θ＜π/2 중 두 곳 이상에서 최대값 1의 값을 가진다. 그리고 도 5의 (b)의 경우에는 두 곳에서 입사되는 신호의 구분이 어려워 소나의 제 기능이 발휘되지 못한다.

그런데, 사용하는 주파수가 낮은 경우에는 파장이 커서 요소 간의 간격(d)이 반파장보다 작게 되도록 제작하는 것이 그리 어렵지 않으나, 주파수가 높은 경우에는 파장이 매우 작아(예: 주파수=1MHz → 파장=1.5mm) 요소 간의 간격(d)이 반파장보다 작게 되도록 제작하는 것이 거의 불가능해진다. 설령 요소 간의 간격(d)이 반파장보다 작게 되도록 제작한다 할지라도 이 경우는 요소의 크기(l)가 매우 작아져 송신 음압 레벨도 낮아지며 이로 인하여 탐지 거리가 짧아지는 단점이 발생하게 된다.

이에 본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위하여 이차원의 엇갈림 구조로 배열된 수신 음향트랜스듀서를 갖는 이미징 소나를 제안하게 되었다.

도 4에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 수신 음향트랜스듀서는 다수 개의 요소(Transducer Element)가 일정 간격(d)으로 나열된 각각의 일차원 배열 구조(A1, A2)가 두 줄로 어긋나게 배열(이차원의 엇갈림 구조로 배열)되어 있다.

본 발명에서 수신 음향트랜스듀서를 이처럼 이차원의 엇갈림 구조로 배열하는 것은, 이로써 수신 음향트랜스듀서의 요소 간의 간격(d)이나 요소의 크기(l)는 기존과 동일하게 유지하면서도 실질적으로는 요소 간의 간격(d)이 반파장(λ/2)보다 작아지는 효과를 이끌어 낼 수 있기 때문이다.

즉, 도 4에서 수신 음향트랜스듀서를 이차원의 엇갈림 구조로 배열하게 되면, A1 배열의 요소들(a11, a12, a13, …) 사이에 A2 배열의 요소들(a21, a22, …)이 위치하게 되고 이로써 도 4의 수신 음향트랜스듀서는 전체적으로 보아 a11, a21, a12, a22, a13, …의 요소들이 아주 작은 간격으로 위치하는 것과 같은 효과가 발생하게 되며, 그 결과 요소 간의 간격(d)이 반파장(λ/2)보다 작아질 수 있는 것이다.
다시 말하면, 본 발명의 경우 신호처리를 위하여 실제로 사용하는 식은 일차원 배열과 동일한 아래의 식(여기서, d: 요소 간의 간격, M: 요소의 개수,

,

: 파장)이 사용되며, 다만 요소 간의 간격 d만 일차원 배열의 경우보다 1/2로 감소시켜 추정을 하게 되는 것이다.

도 8은 본 발명에 따른 이차원의 엇갈림 구조로 배열된 수신 음향트랜스듀서에 의한 빔패턴을 나타내고 있는데, 최대값을 갖는 위치가 한 곳에만 존재하여 앨리어싱에 의한 왜곡 없이 정확한 영상 생성이 가능함을 확인할 수 있다.

한편, 본 발명에 따르면 수신 음향트랜스듀서의 요소 간의 간격에 주어진 제한이 완화될 수 있으므로 이미징 소나의 제작이 보다 용이해질 수 있다. 그리고 기존의 수신 음향트랜스듀서 요소 간의 간격과 동일한 간격을 유지하면서도 요소의 크기는 상대적으로 크게 할 수 있으므로 이미징 소나의 탐지 거리가 증가한다.

본 발명은, 수신 음향트랜스듀서를 이루는 다수 개의 요소를 일정 간격으로 나열하여 일차원 배열 구조를 만드는 단계 및; 상기 일차원 배열 구조를 두 줄로 어긋나도록 배열하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 이미징 소나의 수신 음향트랜스듀서의 배열 구조를 최적화하는 방법을 또한 제시하는 바, 이에 대한 구체적인 설명은 상술한 바와 같다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (2)

1. 수신 음향트랜스듀서를 이루는 다수 개의 요소가 일정 간격으로 나열된 각각의 일차원 배열 구조가 두 줄로 어긋나게 배열되되,
   신호처리를 위하여 실제로 사용하는 식은 일차원 배열과 동일한 아래의 식(여기서, d: 요소 간의 간격, M: 요소의 개수,

   

   ,

   

   : 파장)이 사용되며,
   

   

   
   다만 요소 간의 간격 d만 일차원 배열의 경우보다 1/2로 감소시켜 추정을 하게 되는 것을 특징으로 하는,
   이차원의 엇갈림 구조로 배열된 수신 음향트랜스듀서를 갖는 이미징 소나.
2. 삭제

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