KR101521473B1

KR101521473B1 - 수중탐지장치 및 수중탐지방법

Info

Publication number: KR101521473B1
Application number: KR1020140066744A
Authority: KR
Inventors: 정현기; 조성호; 이효선; 임형래
Original assignee: 한국지질자원연구원
Priority date: 2014-06-02
Filing date: 2014-06-02
Publication date: 2015-05-21
Also published as: JP5813268B1; WO2015186853A1; US20150346373A1; US9329296B2; JP2015227876A

Abstract

본 발명은 수중탐지장치 및 수중탐지방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수중에서 물과 전기전도도가 다른 물체가 이동하는 것을 감지하기 위해 2개의 직류전극과 다수의 측정전극을 포함하는 수중탐지장치에 관한 것이다.
본 발명은 2개의 직류전극, 다수의 측정전극, 상기 다수의 측정전극의 전압을 측정하기 위한 제어계측모듈을 포함하여, 조류가 강하여 소음이 큰 지역이나 온도 및 염도차가 있는 수층이 혼합되는 지역에서도 이동 물체의 존재를 정확히 탐지할 수 있다.

Description

수중탐지장치 및 수중탐지방법 {A UNDERWATER DETECTOR AND A METHOD FOR UNDERWATER DETECTION}

본 발명은 수중탐지장치 및 수중탐지방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수중에서 물과 전기전도도가 다른 물체가 이동하는 것을 감지하기 위해 2개의 직류전극과 다수의 측정전극을 포함하는 수중탐지장치에 관한 것이다.

수중의 물체를 탐지하기 위한 다양한 기술이 종래에 존재하였다.

수중 물체 탐지를 위한 방법 중 하나는 음파를 이용하는 것이며, 대한민국 공개특허공보 1999-0078351호(공개일: 1999. 10. 25.)에는 음파를 이용한 수중물체 탐지장치가 개시되어 있다.

그러나 조류가 강하여 소음이 큰 지역이나 온도 및 염도차가 있는 수층이 혼합되는 지역에서는 음파를 이용한 수중물체 탐지가 어려운 문제점이 있다.

수중 물체 탐지를 위한 방법 중 다른 하나는 전자기파를 이용하는 것이며, 미국 등록특허 5,598,152호(등록일: 1997. 01. 28.)에는 전자기파를 이용한 기뢰 탐지시스템이 개시되어 있다.

그런데 미국 등록특허 5,598,152호의 기뢰탐지시스템에서는 수중 비클(AUV)가 이동하면서 순차적으로 기뢰(mine)를 탐지하는 방법이므로 정지된 기뢰를 탐지하는데는 적합한 방법이나 이동 물체를 탐지하기에는 부적합하다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 조류가 강하여 소음이 큰 지역이나 온도 및 염도차가 있는 수층이 혼합되는 지역에서도 이동 물체를 탐지할 수 있는 수중탐지장치를 제공하는 것이다.

위와 같은 과제를 해결하려는 본 발명에 따른 수중탐지장치는, 2개의 직류전극; 다수의 측정전극; 상기 다수의 측정전극의 전압을 측정하기 위한 제어계측모듈;을 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

상기 다수의 측정전극에는 각각 전극제어모듈이 구비되고, 상기 전극제어모듈은 스위치, 제어부를 포함하고, 상기 전극제어모듈에는 전압측정선이 연결되고, 상기 스위치의 상태에 따라 상기 측정전극과 상기 전압측정선의 연결상태가 달라지고, 상기 제어부는 상기 스위치의 상태를 제어할 수 있다.

상기 다수의 측정전극에는 각각 전극제어모듈이 구비되고, 상기 전극제어모듈은 제1 스위치, 제2 스위치, 제어부를 포함하고, 상기 전극제어모듈에는 제1 전압측정선과 제2 전압측정선이 연결되고, 상기 제1 스위치의 상태에 따라 상기 측정전극과 상기 제1 전압측정선의 연결상태가 달라지고, 상기 제2 스위치의 상태에 따라 상기 측정전극과 상기 제2 전압측정선의 연결상태가 달라지고, 상기 제어부는 상기 제1 스위치와 제2 스위치의 상태를 제어할 수 있다.

상기 전극제어모듈은 통신부를 더 포함할 수 있다.

상기 다수의 측정전극은 2열 이상의 다수의 열로 배치될 수 있다.

상기 2개의 직류전극에는 주기적으로 직류전압이 가해질 수 있다.

상기 직류전극과 상기 측정전극은 수중의 바닥면에 설치될 수 있다.

위와 같은 과제를 해결하려는 본 발명에 따른 수중탐지방법은, 2개의 직류전극, 다수의 측정전극, 상기 다수의 측정전극의 전압을 측정하기 위한 제어계측모듈을 포함하는 수중탐지장치를 이용하여 수중 이동 물체를 탐지하는 수중탐지방법으로서, 상기 2개의 직류전극에 직류전압을 가하는 단계; 주기적으로 상기 다수의 측정전극의 전압을 측정하는 단계; 상기 전압 측정값을 이용하여 수중 이동 물체에 관한 추정을 하는 단계;를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

위와 같은 과제를 해결하려는 본 발명에 따른 수중탐지방법은, 2개의 직류전극, 다수의 측정전극, 상기 다수의 측정전극의 전압을 측정하기 위한 제어계측모듈을 포함하는 수중탐지장치를 이용하여 수중 이동 물체를 탐지하는 수중탐지방법으로서, 상기 2개의 직류전극에 직류전압을 가하는 단계; 주기적으로 상기 다수의 측정전극의 전압을 측정하는 단계; 상기 전압 측정값의 변이값을 이용하여 수중 이동 물체에 관한 추정을 하는 단계;를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

본 발명에 수중탐지장치는, 조류가 강하여 소음이 큰 지역이나 온도 및 염도차가 있는 수층이 혼합되는 지역에서도 이동 물체의 존재를 정확히 탐지할 수 있다. 또한 전기적 방법이기 때문에 광학적 육안식별이 불가능한 혼탁한 물속에서도 탐지적용이 가능한 방법이다. 그리고 바닷물과 전기전도도가 다르다면 부도체도 탐지 가능할 뿐만 아니라 전도체(자성체의 철 종류뿐만 아니라 비자성체의 비철금속 물체)도 탐지 가능하다.

도 1은 +전극과 -전극이 있을 때의 전기력선과 등전위선을 도시한 모습
도 2는 +전극과 -전극 사이에 도체가 존재할 경우 등전위선이 변하는 모습
도 3은 2개의 직류전극 사이에 다수의 측정전극이 존재하는 모습
도 4는 직류전극과 측정전극이 2열로 배치된 모습
도 5는 다수의 측정전극 위로 이동체가 이동하는 모습
도 6은 이동체가 이동할 때 측정전극의 측정값 변이의 그래프
도 7은 제어계측모듈과 32개의 측정전극에 연결선이 연결된 모습
도 8은 전극제어모듈을 이용한 제1실시예의 개념도
도 9는 전극제어모듈을 이용한 제2실시예의 개념도

아래에서는 본 발명에 따른 수중탐지장치 및 수중탐지방법을 첨부된 도면을 통해 더욱 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

도 1은 +전극과 -전극이 있을 때의 전기력선과 등전위선을 도시한 모습이다. 전기력선은 도 1에서 화살표 방향으로 표시되어 있는데, 이 전기력선의 방향으로 전류가 흐르게 된다. 등전위선은 전기력선의 수직 방향이 된다.

도 1은 +전극과 -전극 사이에 전기전도도가 균일한 매질이 있을 때의 전기력선과 등전위선을 도시한 것이며, 전기전도도가 다른 물체가 매질에 나타나면 전기력선과 등전위선이 달라지게 된다.

도 2는 +전극과 -전극 사이에 도체가 존재할 경우 등전위선이 변하는 모습이다. 도 2(a)는 +전극과 -전극 사이에 도체가 위치하기 전의 등전위선의 모습이다. 도 2(b)는 +전극과 -전극 사이에 원형의 도체가 위치한 후의 등전위선의 모습이다. 도 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, +전극과 -전극 사이에 도체가 위치하게 되면 전기장의 변화가 생기면서 등전위선(3차원에서는 등전위면)의 변화한다.

따라서 +전극과 -전극 사이의 여러 점에서 전압의 변화를 측정하면 매질과 전기전도도가 다른 물체의 존재를 탐지할 수 있다. 도 2와 같이 매질(물 또는 바닷물)보다 탐지 대상물체의 전기전도도가 높은 경우에도 전기장의 변화가 생기지만, 매질보다 탐지 대상물체의 전기전도도가 낮은 경우에도 전기장의 변화가 생기므로 그 존재를 탐지해낼 수 있다.

예를 들어, 바다에서 바닷물과 물성이 전기전도도가 다른 담수 덩어리나 온도가 다른 해류가 들어오는 경우에도 전기전도도가 달라 전기장이 달라지므로 그 존재를 탐지할 수 있다.

도 3은 2개의 직류전극 사이에 다수의 측정전극이 존재하는 모습이다. 직류전원으로 2개의 전극, C+(+전극)과 C-(-전극)에 직류전원을 공급하고, 측정전극 32개(E1, E2,....., E32)의 전압을 측정하면 탐지 대상물체의 존재 여부를 추정할 수 있다. 이때 2개의 직류전극과 측정전극은 금속전극이 아닌 흑연전극으로 할 수도 있다. 2개의 직류전극 사이에는 수십 암페어의 전류가 흐를 정도의 전압을 가할 수도 있고, 필요에 따라 다른 크기의 전압을 가할 수도 있다.

도 4는 직류전극과 측정전극이 2열로 배치된 모습이다. 도 3과 같이 다수의 측정전극을 2개의 직류전극과 다수의 측정전극을 1열로 배치한 경우 탐지 대상물체의 이동방향과 이동속도는 추정할 수 없으나 도 4와 같이 측정전극을 2열로 배치하면 대상물체의 이동방향과 이동속도도 추정할 수 있다. 필요에 따라서는 직류전극과 측정전극이 2열 이상으로 배치할 수도 있다.

도 5는 다수의 측정전극 위로 이동체가 이동하는 모습이고, 도 6은 이동체가 이동할 때 측정전극의 측정값 변이의 그래프이다.

도 5에서와 같이, 다수의 측정전극이 2열로 배열된 상황에서 이동체가 1번 위치에서 7번 위치로 차례로 이동한다면, 측정전극에서 측정된 전압의 변이값(대상물체가 없을 때의 전압값과 대상물체가 있을 때의 전압값의 차이로 전위 변화량으로 표시될 수 있음)도 이에 따라 변화된다. 측정값의 변이값은 이동체와 가까운 측정전극에서 클 가능성이 높다.

도 6의 왼쪽 그래프는 1감시선의 측정전극에 의한 측정전압 변이값이고, 오른족 그래프는 2감시선 측정전극에 의한 측정전압 변이값이다. 도 6의 왼쪽 그래프의 x축은 1감시선의 다수의 전극위치이며, 오른쪽 그래프의 x축은 2감시선의 다수의 전극위치이다.

그래프에서 보면 이동 물체가 측정전극에 가까워질수록 측정 전압의 변이값이 커지다가 이동 물체가 측정전극에서 멀어질수록 측정 전압의 변이값이 작아진다. 또한 이동 물체가 가장 가까이 지나가는 측정전극에서 가장 큰 전압 변이값이 나타날 가능성이 크다.

도 6은 2열의 측정전압 변이값을 측정하였으므로, 이동 물체의 이동방향과 이동속도도 추정할 수 있다.

직류전극과 측정전극은 수중에 부유하게 설치할 수도 있으나, 도 5에서와 같이 수중 바닥에 설치하면 위치가 쉽게 고정될 수 있고 물이나 수중 이동체에 의해 파손될 가능성이 적어지는 장점이 있다.

도 7은 제어계측모듈과 32개의 측정전극에 연결선(전압측정선)이 연결된 모습이다. 제어계측모듈에서 32개의 측정전극의 전압을 측정함에 있어서 32개의 측정전극 각각에 연결선을 연결할 수도 있다. 그러나 이렇게 할 경우 측정전극의 수에 비례하여 많은 수의 연결선이 제어계측모듈에 연결되어야 하는 문제점이 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해서는, 각각의 측정전극에 스위치와 제어부를 포함하는 전극제어모듈을 설치하여 연결선(전압측정선)의 수를 줄일 수 있다.

(실시예 1)

도 8은 전극제어모듈을 이용한 제1실시예의 개념도이다.

전압측정선은 하나만 존재하고, 이 전압측정선은 32개의 전극제어모듈에 연결된다. 32개의 전극제어모듈은 각각 스위치, 제어부, 통신부를 구비한다. 스위치의 상태에 따라 측정전극(E1 - E32)과 전압측정선의 연결상태가 달라진다. 즉 스위치가 온(on)상태이면 전압측정선과 해당 측정전극이 연결되고, 스위치가 오프(off)상태이면 전압측정선과 해당 측정전극이 연결되지 않는다. 제어부는 스위치의 연결상태를 제어한다. 통신부는 제어계측모듈과 32개의 전극제어모듈 사이의 통신을 가능하게 한다. 스위치로 사용될 수 있는 장치의 예로는 소형 릴레이가 있고, 제어부로 사용될 수 있는 장치의 예로는 MCU(마이크로 콘트롤 유닛)이 있고, 통신부로 사용될 수 있는 장치의 예로는 RS-485 모듈이 있다. 제어계측모듈은 각 전극제어모듈의 제어부에 통신을 통해 명령을 내려서 전압을 측정할 측정전극의 스위치만 온(on)상태로 만들고 나머지 측정전극의 스위치는 오프(off)상태로 만든다. 그렇게 하면 전극 C-와 측정전극 사이의 전압을 측정할 수 있다. 제어전극모듈은 증폭기를 통해 전극 C-와 측정전극 사이의 신호(전압)를 증폭한 후 ADC(아날로그-디지털 컨버터)를 통해 디지털 값으로 변환한 후 주컴퓨터로 그 값을 전송할 수 있다.

(실시예 2)

도 9는 전극제어모듈을 이용한 제2실시예의 개념도이다. 제1실시예와 달라진 점은, 전압측정선이 2개(제1 전압측정선, 제2 전압측정선)이고 전극제어모듈마다 2개의 스위치{제1 스위치(SW 1), 제2 스위치(SW 2)}가 있어서 각각의 측정전극을 제1 스위치(SW 1) 또는 제2 스위치(SW 2)에 선택하여 연결할 수 있도록 한 것이다. 즉, 제1 스위치의 상태에 따라 측정전극과 제1 전압측정선의 연결상태가 달라지고, 제2 스위치의 상태에 따라 측정전극과 제2 전압측정선의 연결상태가 달라지고, 제어부는 제1 스위치와 제2 스위치의 상태를 제어할 수 있도록 한 것이다.

따라서 제어부의 제어에 따라 32개의 측정전극 중 임의의 2개의 측정전극을 선택하고 그 2개의 측정전극 사이의 전압을 측정할 수 있다.

이때 각 측정전극 상이의 차동 전압값을 순차적으로 구할 수도 있으나, 대상물체 규모가 커진다면 2배 간격의 측정결과를 얻을 수도 있다. 즉, E1-E2, E2-E3, E3-E4 가 아닌 E1-E3, E3-E5, E5-E7과 같이 한 칸씩 건너서 전압차를 측정함으로써 2배 규모의 탐지 대상 물체를 더욱 효율적으로 탐지해낼 수도 있다. 여기서 2배 간격 뿐 아니라 3배 간격, 4배 간격의 측정도 가능함은 물론이다.

위의 실시예 1과 실시예 2에서는 측정전극의 수를 32개로 하였으나 그 수의 설계상의 필요에 따라 변경할 수 있다. 또한 측정전극 사이의 거리도 30m로 할 수도 있고 설계상의 필요에 따라 적절히 변경할 수 있다.

또한 2개의 직류전극을 계속적으로 직류전원에 연결할 필요는 없고 필요한 순간에만 연결할 수도 있다. 또한 각 측정전극의 전압을 측정하는 주기도 설계상의 필요에 따라 변경할 수 있다.

도 7에서와 같은 방법은 전극제어모듈 없이 신속한 멀티플렉싱 측정이 가능한 장점이 있으나, 케이블의 두께가 두꺼워지고 현장설치 비용과 시간이 증가하는 단점이 있다.

실시예 1과 실시예 2의 방법은 별도의 전극제어모듈이 필요한 단점은 있으나 전압측정선의 수가 적어져서 현장 설치 비용과 시간이 감소되는 장점이 있다.

실시예 1의 방법은 실시예 2보다 장치가 단순하지만, 잡음에 취약한 단점이 있다. 실시예 2는 실시예 2보다 2배의 스위치가 필요하지만 인접하는 측정전극의 전압 차이만 측정하므로(differential mode 측정) 더욱 정밀한 측정이 가능한 장점이 있다.

본 발명에 따른 수중탐지방법은, 2개의 직류전극, 다수의 측정전극, 상기 다수의 측정전극의 전압을 측정하기 위한 제어계측모듈을 포함하는 수중탐지장치를 이용하여 수중 이동 물체를 탐지하는 수중탐지방법으로서, 다음의 단계를 포함한다.

1단계: 상기 2개의 직류전극에 직류전압을 가하는 단계;

2단계: 주기적으로 상기 다수의 측정전극의 전압을 측정하는 단계;

3단계: 상기 전압 측정값을 이용하여 수중 이동 물체에 관해 추정하는 단계

전압 측정값을 이용하여 수중 이동 물체에 관해 추정할 때, 정상상태 전압과 비교한 차이값, 즉 전압 변이값을 이용하여 추정하는 것이 바람직하다.

상기 추정의 내용으로는 수중 이동 물체의 존재, 크기, 이동 속도와 이동방향 등이 될 수 있다.

수중 이동 물체의 크기는 전압 변이값이 큰 측정전극의 수로 추정할 수 있다. 수중 이동 물체의 크기가 작으면 1~2개의 측정전극에서 강한 측정값 변이가 발생할 것이고, 수중 이동 물체의 크기가 크면 많은 수의 측정전극에서 강한 측정값 변이가 발생할 확률이 높다.

Claims

수중에 설치되고 직류전원에 연결되는 2개의 직류전극;
상기 수중에 2열 이상의 다수의 열로 설치되는 다수의 측정전극;
상기 다수의 측정전극의 전압을 측정하기 위한 제어계측모듈;을 포함하고,
상기 다수의 측정전극에는 각각 전극제어모듈이 구비되고,
상기 전극제어모듈은 제1 스위치, 제2 스위치, 제어부, 상기 제어계측모듈과의 통신을 가능하게 하는 통신부를 포함하고,
상기 전극제어모듈에는 제1 전압측정선과 제2 전압측정선이 연결되고,
상기 제1 스위치의 상태에 따라 상기 측정전극과 상기 제1 전압측정선의 연결상태가 달라지고,
상기 제2 스위치의 상태에 따라 상기 측정전극과 상기 제2 전압측정선의 연결상태가 달라지고,
상기 제어부는 상기 제1 스위치와 제2 스위치의 상태를 제어하고,
상기 측정전극의 전압은 상기 직류전극의 전압에 의해 발생하는 전기장에 의한 것을 특징으로 하는 수중탐지장치.
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제1항에 있어서,
상기 2개의 직류전극에는 주기적으로 직류전압이 가해지는 것을 특징으로 하는 수중탐지장치.
제1항에 있어서,
상기 직류전극과 상기 측정전극은 수중의 바닥면에 설치되는 것을 특징으로 하는 수중탐지장치.
수중에 설치되고 직류전원에 연결되는 2개의 직류전극, 상기 수중에 설치되는 2열 이상의 다수의 열로 다수의 측정전극, 상기 다수의 측정전극의 전압을 측정하기 위한 제어계측모듈을 포함하는 수중탐지장치를 이용하여 수중 이동 물체를 탐지하는 수중탐지방법으로서,
상기 2개의 직류전극에 직류전압을 가하는 단계;
주기적으로 상기 다수의 측정전극의 전압을 측정하는 단계;
상기 전압 측정값을 이용하여 수중 이동 물체에 관한 추정을 하는 단계;를 포함하고,
상기 측정전극의 전압은 상기 직류전극의 전압에 의해 발생하는 전기장에 의한 것이고,
상기 다수의 측정전극에는 각각 전극제어모듈이 구비되고, 상기 전극제어모듈은 제1 스위치, 제2 스위치, 상기 제1 스위치와 제2 스위치의 상태를 제어하는 제어부, 상기 제어계측모듈과의 통신을 가능하게 하는 통신부를 포함하여, 2개의 측정전극 사이의 전압을 측정할 때, 측정 대상이 되는 2개의 측정전극이 선택되면 선택된 2개 중 하나의 측정전극은 제1 스위치를 통해 연결하고 다른 하나의 측정전극은 제2 스위치를 통해 연결하여, 측정대상이 된 2개의 측정전극 사이의 전압을 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 수중탐지방법.
수중에 설치되고 직류전원에 연결되는 2개의 직류전극, 상기 수중에 2열 이상의 다수의 열로 설치되는 다수의 측정전극, 상기 다수의 측정전극의 전압을 측정하기 위한 제어계측모듈을 포함하는 수중탐지장치를 이용하여 수중 이동 물체를 탐지하는 수중탐지방법으로서,
상기 2개의 직류전극에 직류전압을 가하는 단계;
주기적으로 상기 다수의 측정전극의 전압을 측정하는 단계;
상기 전압 측정값의 변이값을 이용하여 수중 이동 물체에 관한 추정을 하는 단계;를 포함하고,
상기 측정전극의 전압은 상기 직류전극의 전압에 의해 발생하는 전기장에 의한 것이고,
상기 다수의 측정전극에는 각각 전극제어모듈이 구비되고, 상기 전극제어모듈은 제1 스위치, 제2 스위치, 상기 제1 스위치와 제2 스위치의 상태를 제어하는 제어부, 상기 제어계측모듈과의 통신을 가능하게 하는 통신부를 포함하여, 2개의 측정전극 사이의 전압을 측정할 때, 측정 대상이 되는 2개의 측정전극이 선택되면 선택된 2개 중 하나의 측정전극은 제1 스위치를 통해 연결하고 다른 하나의 측정전극은 제2 스위치를 통해 연결하여, 측정대상이 된 2개의 측정전극 사이의 전압을 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 수중탐지방법.