KR101294493B1 - 수중 바닥 지형을 측량하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음향 신호들을 지향시켜 방출하는 송신 장치(20) 및 수중 바닥 지형(6)에 의해 반사된 음파들을 수신하는 적어도 2개의 변환기들을 구비한 수신 장치(28)에 의해 수중 바닥 지형(6)을 측량하는 방법에 관한 것이다. 그를 위해, 수중 바닥 지형(6)에 대한 상이한 방향각들(φ_N) 및 거리들(r_N)을 갖는 소정의 위치들(P₁, P₂, P₃, P₄, ..., P_N)로부터의 다수의 N회의 음향 측심들에 의해 음향 신호를 순차적으로 방출한다(40). 다수의 샘플링 시점들에 대해 그리고 N회의 음향 측심들에 대해, 변환기들의 수신 신호들(70; 72)로부터 위상 차를 산출하고(44), 위상 차로부터 나오는 경로 차를 산출하며(46), 해당 투사각들을 산출하고(48), 해당 투사 좌표들을 산출한다(50). 이어서, 투사 좌표를 포함하는 소정의 영역에서 데이터 밀도를 산출한다(56). 데이터 밀도가 최대인 영역을 선택하고(58), 그 영역에 속한 투사 좌표(x, y, z)를 수중 바닥 지형(6)을 산출하는데 원용한다(60), 또한, 본 발명은 그러한 방법을 수행하는 장치에 관한 것이기도 하다.

Description

수중 바닥 지형을 측량하는 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR MEASURING A CONTOUR OF THE GROUND}

본 발명은 선박에 장착된 청구항 1의 전제부에 언급된 타입의 송신 장치 및 수신 장치에 의해 수중 바닥 지형(ground contour)을 측량하는 방법 및 그 방법을 수행하기 위한 청구항 6에 따른 장치에 관한 것이다.

본 발명은 다른 무엇보다도 소정의 수중 지역 내에서 바닥 지형을 측량하거나 가라앉은 물체들을 탐색하는데 적용된다. 선박의 전방의 수중 지역을 조사한다면, 그것은 특히 충돌 회피 및/또는 항행을 위한 역할을 하는 것이다.

상세한 물체 검출을 얻기 위해서는, 수신 장치의 높은 각도 해상도(angular resolution)가 요구된다. 그것은 통상적으로 다수의 변환기들 및 그에 후속 연결된 방향 생성기(direction generator)를 구비한 수신 장치에 의해 달성된다. 방향 생성기는 수신 장치가 정해진 수중 지역에서 서로에 대해 선회한 부채꼴의 다수의 지향 특성들 또는 빔들을 펼치도록 변환기들의 개개의 수신 신호들을 처리한다. 이때, 수신 장치는 예컨대 선형 어레이 또는 컨포멀 어레이(conformal array) 내지 편자(horseshoe) 또는 원통 밑면으로서 형성될 수 있다. DE 199 59 014 A1은 예컨대 다중 빔 음향 측심기(multi-beam echo sounder)에 의해 수역의 수심 값을 결정하는 방법을 개시하고 있다. 그러한 방법에서는, 일련의 부채꼴 빔들(fan beams)에 대해 각각의 측심 빔마다 음파 전파 시간을 측정하여 그로부터 수심 값들 및 지거(offset) 값들을 계산한다. 그러나 그러한 변환기 어레이의 해상도가 빔 폭에 상응하기 때문에, 충분히 정확한 각도 해상도를 위해서는 매우 높은 비용 소모가 발생한다.

수신 장치의 구조로 인해 그 해상도가 제한되는, 수신 장치로서의 변환기 어레이에 의한 그러한 방법 이외에, 각도 결정을 위한 소위 고해상 방법도 공지되어 있다. 특히, 다른 무엇보다도 MUSIC(Multiple Signal Classification: 다중 신호 분류) 방법이 그러한 방법에 속한다. 그러나 그러한 방법에서도 결과의 정확도는 수신 장치의 변환기 수에 의존하여 달라진다. 수신 장치가 더 많은 변환기를 가지면 가질수록 그리고 처리되는 신호 블록이 더 길면 길수록 결과가 더욱더 정확해진다. 또한, 그러한 방법은 그 계산이 복잡하다는 단점이 있고, 그것은 실시간 시스템들에 사용하는 것을 어렵게 한다.

대안적으로, 변환기들에 의해 수신되는 음파들의 위상을 평가함으로써 수중 바닥 지형의 측량을 수행하는 것이 공지되어 있다. DE 10 2005 041 390 A1은 소나 영상(sonar image)을 생성하는 방법을 개시하고 있다. 그를 위해, 선박에 탑재된 소나를 사용하는데, 그 소나는 음향 임펄스들을 방출하는 송신 안테나 및 다수의 수중 청음기(hydrophone)들을 갖는 수신 안테나를 구비한다. 간섭 측정법(interferometric measurement method)을 사용하여 3차원 소나 영상을 생성하는 것이 일 실시예에 개시되어 있다. 그를 위해서는, 바람직하게는 제1 수신 안테나와 동일한 제2 수신 안테나가 필요하다. 산출하려는 수심 값은 2개의 수신 안테나들의 수신 신호들을 상관시킴으로써 결정된다.

간섭 시스템에서의 직접 위상 측정의 원리가 IEEE Journal of Oceanic Enginnering, 19(3): 382-390, July 1994로부터 발표된 Philip N. Denbigh의 논문 "측심 사이드스캔 소나에 대한 신호 처리 전략(Signal Processing Strategies for a Bathymetric Sidescan Sonar)"에 상세히 기재되어 있다. 그러한 간섭 기법에서는, 제1 변환기와는 별개로 동작하는 제2 변환기가 필요하다. 그러한 제2 변환기는 물체까지의 상이한 거리로 인해 제1 변환기에 대해 시간 지연된 신호를 제공하는 추가의 수신 신호를 제공한다. 변환기들의 간격이 수신 음파들의 파장의 배수이면, 0과 2π 사이에 있는 측정된 위상 차가 지시하는 것은 일군의 가능한 수신 각도들이 된다. 각도 결정에 있어서의 그러한 모호성(ambiguity)은 통상적으로 적절한 간격으로 위치한 다수의 변환기들을 사용함으로써 회피된다.

DE 1 548 452 A는 해저의 등고선들을 결정하는 방법을 개시하고 있다. 송신/수신 장치의 특수한 배열에 의해, 탐색되는 등고선들이 직접적으로 기록된다. 그러한 배열에 따르면, 송신 및 수신 장치들은 동일한 송신기에 의해 방출되어 서로 떨어진 2개의 수신기들에 의해 수신되는 음파들이 해저에 반사된 후에 동 위상(in-phase)으로 수신되도록 하는 상호 간격으로 배열된다. 그 방법에 있어서의 단점은 항상 조정하여 맞춰야하는 일정한 배열 관계를 유지하는 것이 필요하다는 것이다. 그러나 다수의 변환기들을 사용할 경우에는 높은 비용도 또한 발생한다고 하는 단점이 있다.

따라서 본 발명의 과제는 위상 평가에 의해 명백한 측정 결과를 제공하는 저렴한 수중 바닥 지형 측량 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 그러한 과제를 청구항 1에 따른 방법의 특징들 및 그 방법에 상응하는 청구항 6에 따른 특징들을 갖는 장치에 의해 해결하고 있다.

본 발명에서는, 먼저 송신 장치에 의해 임펄스 형태의 음향 신호들을 지향시켜 방출한다. 이때, 송신 장치는 전방 방향으로 매우 좁은 지향 특성들을 갖고, 그에 따라 좁은 바닥 스트립(좁고 긴 땅)의 반향들만이 수신될 수 있다.

수중 바닥 지형에 대한 상이한 방향각(aspect angle) 및 거리를 갖는 소정의 위치들로부터의 다수의 N회의 음향 측심들에서, 수중 지역으로 음향 신호를 방출하고, 그 음향 신호의 반사된 성분들을 수신 장치에 의해 수신하는데, 수신 장치는 2개의 개별적인 변환기들에 의해 동작하는 것이 바람직하다. 2개의 변환기들의 수신 신호들에 의거하여, 순수한 위상 평가 및 뒤이은 측정치들의 밀도 분석을 사용하여 수중 바닥 지형의 측량을 수행한다.

순수한 위상 평가는 수신 장치의 변환기들의 간격 및 방출된 음향 신호의 주파수 또는 파장에 의존하여 모호한 결과들을 제공한다. 본 발명에 따른 방법은 각도 결정에서의 그러한 모호성을 일단은 고려하지 않는다.

위상 평가의 모호한 결과들에 기인하여 이뤄지는 송신 장치의 다수의 위치들로부터의 수중 바닥 지형의 다중 측정(multiple measurement)을 밀도 분석을 사용하여 수중 바닥 지형을 명백하게 결정하는데 이용한다. 그와 관련하여, 다수의 미리 정해진 샘플링 시점들에서의 및 상이한 위치들로부터의 N회의 음향 측심들에 대한 2개의 수신 신호들 사이의 위상 차가 수신 장치의 변환기들의 간격에 의존하여 다수의 모호한 경로 차(path difference)들을 제공한다. 그러한 모호한 경로 차들로부터, 그 샘플링 시점들 및 N회의 음향 측심들에 대해 해당 투사각들 및 투사 좌표들을 산출할 수 있다. 샘플링 시점들 및 N회의 음향 측심들에 있어서, 모호한 투사 좌표들에 대해 투사 좌표를 포함하는 소정의 영역에서의 데이터 밀도를 산출한다. 실제 수중 바닥 지형이 위치하는 영역에서는 측정치들의 밀도가 증가한다. 위상 평가를 기반으로 하여 나온 또 다른 모호한 투사 좌표들의 장소들은 더 낮은 데이터 밀도를 갖고, 무효의 것으로 특징져진다. 따라서 본 발명에 따른 방법은 어떤 것이 수중 바닥 지형에의 실제 투사 좌표인지 확인하기 위한 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 방법은 적어도 2개의 변환기들을 갖는 수신 장치의 사용 시의 전술한 각도 결정의 모호성에도 불구하고, 수중 바닥 지형에 대한 상이한 방향각 및 거리를 갖는 상이한 위치들로부터의 수중 바닥 지형의 측량을 수행하고 이어서 측정 데이터의 밀도 분석을 수행함으로써 명백한 측정 결과를 얻을 수 있다는 이점을 갖는다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 있어서, 본 발명에 따른 장치는 단지 2개의 개별적인 변환기들만을 갖는 수신 장치를 사용하여 제조될 수 있다는 이점을 갖는다. 본 발명에 따른 방법은 변환기들의 간격이 수신 신호 또는 수신된 음파들의 파장의 절반보다 큰 경우에도 수중 바닥 지형의 명백한 측정 결과를 제공한다. 그러한 수신 장치는 바람직하게도 작은 치수에 의해 예컨대 독립형으로 작동하는 또는 원격 제어되는 소형 수중 운항체에 의해 탑재될 수도 있다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 있어서, 변환기 어레이가 수신 장치로서 사용된다. 송신 장치가 수중 지역으로의 음향 신호들의 지향된 방출을 가능하게 하도록 설계되지 않거나 송신 장치가 선박의 전방 방향으로 넓은 지향 특성을 갖는 경우, 다수의 변환기들 및 수중 지역에서 부채꼴로 펼쳐진 다수의 빔들을 생성하는 후속 연결된 방향 생성기 또는 빔포머(beamformer)를 구비한 수신 장치는 빔 폭에 상응하는 소나 시스템의 해상도를 높인다는 이점을 갖는다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 있어서, 측정치들의 밀도를 산출하는 영역들은 소정의 크기를 갖는 면적소(area element)들에 해당한다. 이때, 그러한 면적소들은 모든 투사 좌표들에 대해 동일한 크기이다. 그 크기는 계산 복잡도 및 요구되는 해상도에 적절하게 정해지는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 있어서, N회의 음향 측심들의 N개의 상이한 위치들은 송신 장치 및 수신 장치의 전진 이동에 의해 미리 주어진다. 그것은 선박의 전진 이동에 해당하는 것이 바람직하다. 그러한 실시 형태의 이점은 송신 장치와 수신 장치가 선회 가능한 구성으로 되는 대신에 견고하게 고정될 수 있다는데 있다.

종속 청구항들 및 첨부 도면들에 의거하여 상세히 설명되는 실시예들로부터 또 다른 바람직한 실시 형태들을 명확히 파악할 수 있을 것이다. 첨부 도면들 중에서,
도 1은 파악하고자 하는 수중 지역과 함께 선박을 개략적으로 나타낸 도면,
도 2A 및 도 2B는 소나 시스템을 개략적으로 나타낸 도면,
도 3은 수신 장치를 개략적으로 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 방법의 흐름도,
도 5는 변환기에 투사하는 음파면(acoustic wavefront)을 개략적으로 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 방법을 수행하는 본 발명에 따른 장치의 블록 선도.

도 1은 해역에서 운항하는, 전방 감시 소나 시스템(forward looking sonar system)(4)을 탑재한 선박(2)의 개략도를 도시하고 있다. 그러한 소나 시스템(4)은 송신 장치 및 수신 장치와 수중 바닥 지형(6)의 데이터 파악을 위한 그에 부속된 신호 처리 장치를 구비한다. 그러나 본 발명은 전방 감시 소나 시스템에 의한 실시예에 한정되는 것이 아니다. 또한, 예컨대 선박(2)의 선미를 통해 음향을 방출하는 것도 가능하다.

도 1에는, 소나 시스템(4)에 대한 수중 바닥 지점의 거리(r)에 따른 측량 기하학이 또한 도시되어 있다. 거리(r)는 반사되는 음향 신호의 전파 시간을 통해 산출된다. 음향 임펄스는 수중 바닥에 도달하여 반사되고 또 하나의 전파 시간 후에 수신 장치에 투사할 때까지 일정 시간을 소요한다. 그러한 측정 가능한 총 전파 시간을 기반으로, 주지의 음속에 의해 물체 또는 수중 바닥 지점의 거리(r)를 산출할 수 있다.

또한, 소나 시스템(4)에 대한 수직 방향으로의 기준 높이(H) 및 방향각(φ)이 표시되어 있다.

수중 바닥 지형(6)의 측량을 위해, 소나 시스템(4)에 의해 음향 신호들을 수중 지역(8)으로 지향시켜 방출하고, 다수의 수중 바닥 지점들(x, y, z)의 반사된 음파들(10)을 수신한다. 이때, 소나 시스템(4)은 운항 방향을 가로질러 강렬하게 시준된 음향 방사를 갖고, 선박 길이 방향으로 매우 넓은 지향 특성을 갖는다. 그럼으로써, 좁은 수중 바닥 스트립(좁고 긴 땅)의 반향들만이 수신될 수 있다.

음향 신호들을 조사하는 수중 지역(8)의 연장은 도 2에 상세하게 도시된 소나 시스템(4)에 의존하여 달라진다.

도 2A 및 도 2B는 소나 시스템(4)의 개략도를 도시하고 있다. 도 2A에는 소나 시스템(4)의 측면도가 도시되어 있고, 도 2B에는 동일 장치의 평면도가 도시되어 있다.

송신 장치(20)는 안테나 캐리어에 배치된 다수의 변환기들 구비하는데, 그 변환기들은 송신 빔(22)의 형태의 지향된 음향 신호들을 소정의 수중 지역(8)으로 방출한다. 그리하여 생기는 타원의 형태의 송신 빔(22)은 길이(24) 및 송신 장치에 속한 지향 특성의 지향각에 의존하여 달라지는 폭(26)을 갖는다.

그러한 송신 장치(20)는 수중 바닥 지형(6)에 대한 상이한 방향각들(φ_N) 및 거리들(r_N)을 갖는 소정의 위치들(P₁, P₂, P₃, P₄, ..., P_N)로부터의 다수의 N회의 음향 측심들에 의해 수중 지역(8)으로 음향 신호를 순차적으로 방출하는데, N회의 음향 측심들의 상이한 위치들(P₁, P₂, P₃, P₄, ..., P_N)은 선박(2)의 전진 방향으로 주어지는 것이 바람직하다. 대안적으로, N회의 음향 측심들의 상이한 위치들(P₁, P₂, P₃, P₄, ..., P_N)을 소나 시스템(4)의 상응하는 이동에 의해 직접 생성하기 위해 소나 시스템(4)을 선회 가능하게 선박(2)에 고정하는 것도 생각해볼 수 있다. 수중 지역(8) 내의 수중 바닥 지형(6)에 의해 반사된 음향 신호의 성분들을 도 3에 상세하게 도시된 수신 장치(28)를 통해 수신한다.

도 3은 수신 장치(28)의 개략도를 도시하고 있다. 거리(r)에 추가하여 수중 바닥 지형(6)의 높이(h)도 산출하기 위해, 적어도 2개의 상이한 변환기들을 구비한 수신 장치(28)가 필요하다. 본 발명의 그러한 예시적 실시 형태에서는, 수신 장치(28)가 도 3에 도시된 바와 같이 2개의 개별적인 변환기들(A, B)로 구성된다. 그러한 변환기들(A, B)은 송신 장치(20)에 의해 방출된 음향 신호의 파장(λ)의 절반보다 큰 간격(30)을 서로 갖는다. 변환기들(A, B)의 그러한 작은 위치 편이로부터 수신 신호의 상당한 전파 시간 차가 발생하고, 그러한 전파 시간 차는 위상 측정들을 기반으로 하여 정밀하게 산출될 수 있다.

그러나 그럼에도 기존의 변환기 베이스를 사용하여 그로부터 2개의 변환기들을 골라내는 것도 가능하다. 마찬가지로, 본 발명에 따른 방법은 도 2에 따른 대로 서로 상하로 배치된 2개의 변환기 어레이들에 의해 수행될 수도 있다. 선박(2)의 구조가 요구한다면, 변환기들은 약간 서로 엇갈려 배치될 수도 있다. 그러나 수신 신호들의 처리 시에 그에 상응하게 수신 장치(28)의 기하 형태를 고려하여야 한다.

변환기(A)는 수중 바닥 지점(x₀)까지의 상이한 거리들(r_A, r_B)로 인해 변환기(B)에 비해 시간 지연된 수신 신호를 제공한다. 그 지점(x₀)에 의해 반사된 방출 음향 신호의 성분들은 변환기(B)에 먼저 도달하고, Δt만큼 지연되어 변환기(A)에 도달한다. 해당 수신 신호들의 위상 차로부터, 수직 방향으로 수신 장치(28)의 아래쪽으로 기준 높이(H)를 기준으로 한 높이(h)가 다음과 같이 산출될 수 있다:

도 4는 상이한 거리들(r_N) 및 방향각들(φ_N)로부터 수중 바닥 요소들을 여러 번 측량하는 것을 기반으로 하는 본 발명에 따른 방법 진행의 일 실시예를 설명하기 위한 흐름도를 도시하고 있다. 그를 위해, 블록(36)에서의 초기화 후에 우선 블록(38)에서 카운터 변수(counter variable) i에 값 1을 할당한다.

수중 바닥 지형(6)의 측량을 위해, 블록(40)에 따라 미리 정해진 위치(P₁)로부터 송신 장치(20)에 의해 바람직하게는 전방 방향으로 좁고 수직 방향으로 넓은 각도 영역으로 음향 신호를 방출한다.

수중 바닥 또는 물체에 의해 반사된 음파들을 2개의 변환기들(A, B)에 의해 수신하는데, 변환기들(A, B)은 수신된 음파들로부터 수신 신호를 각각 생성하고, 각각의 수신 신호는 블록(42)에서 소정의 샘플링 시점들에 샘플링되고 디지털화되어 저장된다.

이어서, 블록(44)에서 샘플링 시점들에 대해 2개의 변환기들의 수신 신호들 사이의 각각의 위상 차를 결정한다. 그러나 2개의 변환기들(A, B)의 간격(30)에 의존하여 모호성이 발생할 수 있다. 그것이 도 5에 상세하게 도시되어 있다.

도 5는 변환기들(A, B)에 투사하는 음파면(acoustic wavefront)(64)의 개략도를 도시하고 있다. 2개의 변환기들(A, B)의 간격(30)이 수신된 음파면(64)의 파장(λ)의 절반보다 크면, 모호성이 발생한다. 즉, 변환기들(A, B) 사이의 수신 신호들의 산출된 위상 차가 다의적이고, 그에 따라 변환기들의 간격(30)에 의존하여 다수의 모호한 경로 차들(Δx₁, Δx₂, Δx₃)을 제공한다.

도 5에 따른 본 예시적인 실시 형태에서는, 경로 차(Δx₃)가 변환기들(A, B) 사이의 수신 신호들의 실제 경로 차에 해당한다. 그러한 경로 차(Δx₃)는 변환기들의 간격(30)과 연계되어 해당 수신 각도를 제공한다.

도 4에 따른 블록(46)에서, 앞서 산출된 위상 차들에 대해 모호한 경로 차들을 모두 계산한다. 그 후, 후속 블록(48)에서 개개의 경로 차들에 대해 그 경로 차들로부터 나오는 투사각들을 모두 계산하고, 블록(50)에서 그 투사각들로부터 해당 투사 좌표들을 산출한다. 각각의 투사 좌표에 대해, 샘플링 시점 및 위치 또는 음향 측심 번호를 저장한다.

이어서, 블록(52)에서 카운터 변수 i를 하나의 값만큼 증가시키고, 후속 블록(54)에서 카운터 변수 i가 수행할 음향 측심들의 수에 대한 값 N에 도달하였는지 여부를 검사한다. 그렇지 않으면, 또 다른 위치로부터의 다음번 음향 측심에 대한 투사 좌표를 산출하기 위해 루프(loop)로 블록(40)에서의 할당 단계로 되돌아간다. 그러나 카운터 변수 i가 값 N에 도달하였으면, 블록(56)에서 투사 좌표들에 대한 데이터 밀도를 산출한다. 데이터 밀도는 각각의 투사 좌표를 포함하는 소정의 영역 내에서 앞서 수집된 데이터의 수에 대한 척도이다.

데이터 밀도의 산출은 다수의 N회의 음향 측심들에 대해 그리고 그러한 관측된 음향 측심들의 모든 샘플링 시점들에 대해 그리고 개개의 모호한 투사 좌표들에 대해 수행된다. 블록(58)에서, 그와 같이 산출된 데이터 밀도들로부터 최대 데이터 밀도를 산출한다. 최대치에서, 데이터 밀도가 가장 큰 투사 좌표를 유효의 것으로 출력하여 수중 바닥 지형을 산출하는데 원용한다(블록(60)에서). 블록(62)에서, 그 샘플링 시점에 속한 다른 모든 모호한 투사 좌표들을 무효의 것으로 특징짓고 폐기한다.

도 6은 도 4에 따른 본 발명에 따른 방법을 수행하는 장치를 설명하기 위한 블록 선도를 도시하고 있다.

변환기들(A, B)은 N회의 음향 측심들에 대해 각각 전기적 수신 신호(70₁, 70₂, ..., 70_N 또는 72₁, 72₂, ..., 72_N)를 제공하는데, 그 N회의 음향 측심들에 대한 수신 신호의 후속 신호 처리는 블록들(74₁, 74₂, ..., 74_N)에 따라 수행된다.

블록(74)에 관한 이후의 설명은 제1 음향 측심에 의거하여 이뤄질 것이다. 그러한 설명의 진술은 또 다른 제2 내지 제N 음향 측심들에도 역시 해당되는 것이다.

변환기들(A, B)의 전기적 수신 신호들(70₁, 72₁)은 블록(76₁)에서 소정의 샘플링 시점들에 샘플링되어 디지털화된다.

계산 유닛(78₁)에서, 다수의 샘플링 시점들에 대해 신호들(70₁, 72₁) 사이의 위상 차뿐만 아니라 그 신호들의 전파 시간이 산출된다.

후속 계산 유닛(80₁)에서, 도 5에 의거하여 전술한 바와 같이, 샘플링 시점들에 대해 앞서 산출된 위상 차들에 해당하는 모호한 경로 차들을 산출한다. 후속 계산 유닛(82₁)에서, 샘플링 시점들에 대해 신호 전파 시간 및 수신 각도에 의해 그러한 모호한 경로 차들에 해당하는, 수중 바닥 지형에의 모호한 투사각들 및 투사 좌표들을 계산한다.

그와 같이 하여, 다수의 샘플링 시점들에 대해 그리고 N회의 음향 측심들에 대해 수중 바닥 지형에의 모호한 투사 좌표들이 산출된다. N회의 음향 측심들의 그러한 모호한 투사 좌표들은 해당 샘플링 시점들의 정보와 함께 후속 계산 유닛(84)에 전달된다. 그 계산 유닛(84)에서, 각각의 샘플링 시점에 대해, N회의 음향 측심들 각각에 대해, 그리고 모호한 투사 좌표들 각각에 대해 투사 좌표를 포함하는 소정의 영역에서의 데이터 밀도가 산출된다. 여기서, 데이터 밀도는 그 영역 내에서 수집된 데이터의 수에 대한 척도이다. 그러나 동일한 음향 측심의 투사 좌표들은 밀도를 산출하는데 고려되지 않는다.

그러한 소정의 영역은 면적소인 것이 바람직한데, 그 면적소의 크기는 충분히 작고 계산 비용에 의존하여 결정된다. 그러나 면적소는 모든 투사 좌표들에 대해서는 동일한 크기이다.

최대치 검출기(86)는 샘플링 시점들에 대해 최대 데이터 밀도를 산출한다. 각각의 샘플링 시점에 대해, 그 해당 면적소가 최대 데이터 밀도를 갖는 투사 좌표를 유효의 것으로 특징짓는데, 따라서 그 투사 좌표는 실제 수중 바닥 지점(z, y, z)에 해당하는 것이다. 다른 모호한 투사 좌표들은 무효의 것으로 특징져진다.

투사 좌표(x, y, z)는 다음과 같이 구성된다: x 좌표는 각각의 샘플링 시점에서 삼각법의 법칙에 의해 산출될 수 있고, y 좌표는 송신 빔(22)의 폭(26)에 의존하여 결정되며, z 좌표는 변환기들(A, B) 사이의 전파 시간 차로부터 산출되는 높이(h)에 해당한다.

그 경우, 좌표계는 선박(2) 또는 송신 장치 및 수신 장치(4)를 기준으로 한다. 그러나 신호 처리에서 적절히 감안한다고 한다면, 절대 좌표계를 방법을 수행하는데 원용하는 것도 또한 가능하다.

전술한 방법은 수신 장치로서의 2개의 개별적인 변환기들 대신에 하나의 변환기 어레이를 사용하는 방식으로 변형될 수 있다. 수신 장치에 후속하여, 수중 지역에서 부채꼴의 지향 특성들 또는 빔들을 펼치는 방향 생성기 또는 빔포머가 연결된다. 빔의 수평 폭은 그것의 수평 지향각에 의해 결정된다. 그것은 방출 빔의 충분히 큰 시준이 가능하지 않은 경우에 있어 y 방향으로의 높은 해상도를 가능하게 한다.

전술한 첨부 도면들에 관한 설명, 특허 청구 범위, 및 명세서 도입부에 언급된 모든 특징들은 개별적으로는 물론 서로 임의로 조합되어 사용될 수 있다. 따라서 본 발명은 설명하고 청구하고 있는 특징 조합들에만 한정되는 것이 아니다. 오히려, 개별 특징들의 모든 조합들을 개시한 것으로 보아야 한다.

Claims (10)

1. 선박(2)에 장착되어 음향 신호들을 수중 지역(8)으로 지향시켜 방출하는 송신 장치(20) 및 그 선박(2)에 장착되고, 수중 지역(8) 내의 수중 바닥 지형(6)에 의해 반사된 음파들을 수신하여 그 음파들로부터 소정의 샘플링 시점들에 샘플링되고 디지털화되며 저장되는(42) 수신 신호(70; 72)를 각각 생성하는 적어도 2개의 변환기들을 구비한 수신 장치(28)에 의해 수중 바닥 지형(6)을 측량하는 방법에 있어서,
   송신 장치(20)를 사용하여 수중 바닥 지형(6)에 대한 상이한 방향각들(φ_N) 및 거리들(r_N)을 갖는 소정의 위치들(P₁, P₂, P₃, P₄, ..., P_N)로부터의 다수의 N회의 음향 측심들에 의해 수중 지역(8)으로 음향 신호를 순차적으로 방출하고(40), 수중 바닥 지형(6)에 의해 반사된 음향 신호의 N회의 음향 측심들의 성분들을 수신 장치(28)에 의해 수신하며(42),
   다수의 샘플링 시점들에 대해 그리고 N회의 음향 측심들에 대해, 수신 신호들(70; 72)로부터 수신 장치(28)의 2개의 변환기들 사이의 수신 음파들의 위상 차를 산출하고(44), 그뿐만 아니라 위상 차로부터 나오는 수신 음파들의 경로 차도 산출하며(46),
   그 샘플링 시점들에 대해 그리고 N회의 음향 측심들에 대해, 경로 차들에 해당하는 투사각들을 산출하고(48), 그로부터 투사 좌표들을 각각 산출하며(50),
   그 샘플링 시점들에 대해 그리고 N회의 음향 측심들에 대해, 각각의 투사 좌표를 포함하는 소정의 영역에서 투사 좌표들에 대한 데이터 밀도를 산출하되(56), 여기서 데이터 밀도는 그 영역 내의 앞서 산출된 데이터의 수의 척도가 되고,
   최대치 검출기(86)에 의해 데이터 밀도가 최대인 영역을 선택하고(58), 그 영역에 속한 투사 좌표를 수중 바닥 지형(6)을 산출하는데 원용하는(60) 것을 특징으로 하는 수중 바닥 지형 측량 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 수신 장치(28)는 수신 신호(70; 72)의 파장(λ)의 절반보다 큰 간격(30)으로 배열된 2개의 개별적인 전기 음향 변환기, 광음향 변환기, 또는 둘 다로 구성되는 것을 특징으로 하는 수중 바닥 지형 측량 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 수신 장치(28)는 다수의 전기 음향 변환기, 광음향 변환기, 또는 둘 다로 구성되고, 그럼으로써 음파들을 방향 선택적으로 수신하는 것을 특징으로 하는 수중 바닥 지형 측량 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서, 투사 좌표들을 포함하고 데이터 밀도를 산출하는데 원용되는 영역은 소정의 크기를 갖는 면적소에 해당하는 것을 특징으로 하는 수중 바닥 지형 측량 방법.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서, 송신 장치 및 수신 장치(4)의 전진 이동에 의해 N회의 음향 측심들의 소정의 위치들(P₁, P₂, P₃, P₄, ..., P_N)에 도달하는 것을 특징으로 하는 수중 바닥 지형 측량 방법.
6. 선박(2)에 장착되어 음향 신호들을 수중 지역(8)으로 지향시켜 방출하는 송신 장치(20) 및 그 선박(2)에 장착되고, 수중 지역(8) 내의 수중 바닥 지형(6)에 의해 반사된 음파들을 수신하여 그 음파들로부터 소정의 샘플링 시점들에 샘플링될 수 있고 디지털화될 수 있으며 저장될 수 있는(42) 수신 신호(70; 72)를 각각 생성하는 적어도 2개의 변환기들을 구비한 수신 장치(28)에 의해 수중 바닥 지형(6)을 측량하는 장치에 있어서,
   수중 바닥 지형(6)에 대한 상이한 방향각들(φ_N) 및 거리들(r_N)을 갖는 소정의 위치들(P₁, P₂, P₃, P₄, ..., P_N)로부터의 다수의 N회의 음향 측심들에 의해 수중 지역(8)으로 음향 신호를 순차적으로 방출하는(40) 송신 장치(20),
   수중 바닥 지형(6)에 의해 반사된 음향 신호의 N회의 음향 측심들의 성분들을 수신하는(42) 수신 장치(28),
   다수의 샘플링 시점들에 대해 그리고 N회의 음향 측심들에 대해, 수신 장치(28)의 2개의 변환기들 사이의 수신 음파들의 위상 차를 산출하고(44), 그뿐만 아니라 위상 차로부터 나오는 수신 음파들의 경로 차도 산출하는(46) 2개의 계산 유닛들(78; 80),
   그 샘플링 시점들에 대해 그리고 N회의 음향 측심들에 대해, 경로 차들에 해당하는 투사각들을 산출하고(48), 투사각들로부터 투사 좌표들을 각각 산출하는(50) 추가의 계산 유닛(82),
   그 샘플링 시점들에 대해 그리고 N회의 음향 측심들에 대해, 각각의 투사 좌표를 포함하는 소정의 영역에서 그 영역 내의 앞서 산출된 데이터의 수의 척도인 투사 좌표들의 데이터 밀도를 산출하는(56) 추가의 계산 유닛(84),
   데이터 밀도가 최대인 영역을 선택하고(58), 그 영역에 속한 투사 좌표를 수중 바닥 지형(6)을 산출하는데 원용하는(60) 최대치 검출기(86)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 바닥 지형 측량 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 수신 장치(28)는 수신 신호(70; 72)의 파장(λ)의 절반보다 큰 간격으로 배열된 2개의 개별적인 전기 음향 변환기, 광음향 변환기, 또는 둘 다로 구성되는 것을 특징으로 하는 수중 바닥 지형 측량 장치.
8. 제 6 항에 있어서, 수신 장치(28)는 다수의 전기 음향 변환기, 광음향 변환기 또는 둘 다로 구성되고, 그럼으로써 음파들이 방향 선택적으로 수신될 수 있는 것을 특징으로 하는 수중 바닥 지형 측량 장치.
9. 제 6 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 있어서, 투사 좌표들을 포함하고 데이터 밀도를 산출하는데 원용되는 영역은 소정의 크기를 갖는 면적소인 것을 특징으로 하는 수중 바닥 지형 측량 장치.
10. 제 6 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 있어서, N회의 음향 측심들의 소정의 위치들(P₁, P₂, P₃, P₄, ..., P_N)은 송신 장치 및 수신 장치(4)의 전진 이동에 의해 도달되는 것을 특징으로 하는 수중 바닥 지형 측량 장치.

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