KR101597918B1 - 메모리 배열 뱅크를 이용한 파라메트릭 배열용 빔 형성 및 조향 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 신호 데이터를 저장하는 2 이상의 메모리 어레이 뱅크, 메모리 어레이 뱅크에 저장된 신호 데이터를 아날로그 신호로 변조하는 변조부 및 변조된 아날로그 신호를 증폭하여 센서부로 전달하는 앰프부를 포함하고, 2 이상의 메모리 어레이 뱅크 중 하나의 메모리 어레이 뱅크는 동기신호에 맞추어 새로운 신호 데이터를 저장하고, 다른 메모리 어레이 뱅크는 저장된 신호 데이터를 변조부에 제공하는, 파라메트릭 배열용 신호 발생 장치 및 수신된 음향 신호를 이퀄라이징 처리하는 프리 앰프부, 이퀄라이징 처리된 음향 신호를 디지털 신호로 변조하는 변조부, 변조된 디지털 신호를 채널별로 취득하여 지연시간을 적용하는 시프트 레지스터부 및 지연시간이 적용된 디지털 신호를 채널별로 분류하여 저장하는 메모리 어레이 뱅크를 포함하고, 채널별로 분류되어 저장된 디지털 신호에 빔형성 알고리즘을 적용하여 수신 빔 패턴을 도출하는, 파라메트릭 배열용 신호 수신 장치가 단일 보드에 구현되는 파라메트릭 배열용 빔 형성 및 조향 장치에 관한 것이다.

Description

메모리 배열 뱅크를 이용한 파라메트릭 배열용 빔 형성 및 조향 장치 {BEAM FORMING AND STEERING APPARATUS FOR PARAMETRIC ARRAY USING MEMORY ARRAY BANK}

본 발명은 파라메트릭 배열용 빔 형성 및 조향 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 파라메트릭 배열의 송수신 빔 형성 및 조향을 디지털 메모리 배열 뱅크와 쉬프트 레지스터를 적용하여 전기적으로 구현하는 기술에 관한 것이다.

파라메트릭 배열은 두 개의 공진 주파수 신호로부터 매질의 비선형 특성에 따라 형성된 차 주파수 성분이 발생되는 현상으로 다양한 음향 시스템에 적용되고 있다. 그러나 두 개의 공진 주파수를 동시에 동기화 하여 여러 개의 센서를 이용한 빔형성 및 조향을 위한 장치는 제안된 예가 없다.

종래기술인 대한민국 특허공보 제1127035호 "자동 고지향 음향 시스템의 신호처리 장치 및 신호처리 방법"는, 신호를 입력받아 포락선 신호를 산출하는 신호 전처리부와 상기 신호 전처리부가 산출한 포락선 신호를 왜곡처리하는 왜곡 처리부와 상기 신호 전처리부의 출력신호의 이득을 계산하고, 목표물까지의 측정된 거리를 출력하는 상기 자세 및 이득 계산부와 상기 왜곡 처리부의 출력에 이득을 주고 변조하는 이득조정 변조부와 상기 이득조정 변조부의 출력을 증폭하는 초음파 증폭단과 상기 초음파 증폭단의 출력신호를 초음파 신호로 변화하는 초음파 송신부를 포함하는 기술을 개시하고 있다. 이는 배열 신호처리를 이용한 것이 아닌 모터를 이용하여 빔을 조향하는 장치이며 전기적인 조향 및 빔형성을 위한 장치에 관하여 제시하고 있는 바가 없다.

종래기술인 한국음향학회지 32권 4호, 2013년 "트랜스듀서 배열을 이용한 파라메트릭 배열 신호 생성 시스템"은, 20 kHz와 32.5 kHz에 공진 주파수를 갖는 공진 트랜스듀서를 3*16 배열로 구성하여 파라메트릭 배열 신호를 생성하는 시스템을 제안하고 있다. 배열 트랜스듀서를 구동하기 위해 상용화된 PXI 시스템과 LabView 8.6을 이용하여 시스템이 구축되어 매우 복잡할 뿐만 아니라 시스템 구축을 위한 많은 비용이 소요되는 한계가 있다.

이처럼 기존의 빔형성과 조향장치는 각 센서에 일정한 시간 지연 신호를 인가하는 방법으로 센서의 개수에 따라 시간지연 계산이나 동기를 맞추는 것 등이 어려울 뿐 아니라 이로 인해 시스템이 복잡해진다. 또한 파라메트릭 배열의 경우에는 1차와 2차 공진 주파수가 동기를 맞추어 사용되어야하기 때문에 기존의 빔형성과 조향장치에 비해 두 배의 신호를 제어해야 하는 어려움이 존재한다.

대한민국 특허공보 제1127035호 "자동 고지향 음향 시스템의 신호처리 장치 및 신호처리 방법"

한국음향학회지 32권 4호, 2013년 "트랜스듀서 배열을 이용한 파라메트릭 배열 신호 생성 시스템"

본 발명의 종래의 기술이 가진 문제점을 극복하기 위하여, 디지털 메모리 배열 뱅크와 쉬프트 레지스터를 적용한다.

송신의 경우, 다중 전기음향변환기로 구현된 배열 음향변환기에 메모리 배열 뱅크를 이용하여 파라메트릭 배열 신호를 전기적으로 동기를 맞추어 인가하고, 또한 고지향의 파라메트릭 빔형성을 최적화하여 자유롭게 빔을 조향할 수 있는 기술을 도입한다.

수신의 경우, 쉬프트 레지스터를 이용하여 정확한 수신 신호의 지연 데이터를 취득하여 채널별로 저장 및 분석이 가능한 기술을 도입한다.

또한, 송신 및 수신을 모두 제어하는 기능을 갖는 단일 보드 장치를 도입한다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위하여, 파라메트릭 배열용 신호 발생 장치 및 파라메트릭 배열용 신호 수신 장치를 포함하는 파라메트릭 배열용 빔 형성 및 조향 장치를 제안한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 파라메트릭 배열용 신호 발생 장치는, 신호 데이터를 저장하는 2 이상의 메모리 어레이 뱅크, 상기 메모리 어레이 뱅크에 저장된 신호 데이터를 아날로그 신호로 변조하는 변조부 및 변조된 아날로그 신호를 증폭하여 센서부로 전달하는 앰프부를 포함하고, 상기 2 이상의 메모리 어레이 뱅크 중 하나의 메모리 어레이 뱅크는 동기신호에 맞추어 새로운 신호 데이터를 저장하고, 다른 메모리 어레이 뱅크는 저장된 신호 데이터를 상기 변조부에 제공한다.

이 때, 상기 메모리 어레이 뱅크는 N개의 채널을 포함하며, 각 채널별로 상이한 공진주파수를 가지는 신호들이 합산되어 제공될 수 있다.

이 때, 상기 변조부는 N개의 컨버터를 포함하며, 상기 N개의 채널들과 상기 N개의 컨버터는 각각 1:1로 대응하여, 저장된 신호 데이터가 전송될 수 있다.

이 때, 상기 메모리 어레이 뱅크는 2N개의 채널을 포함하며, 각 채널별로 상이한 공진주파수를 가지는 신호들이 각각 제공될 수 있다.

이 때, 상기 2 이상의 메모리 어레이 뱅크 각각은 상기 동기신호에 맞추어 신호 데이터 쓰기 동작과 신호 데이터 읽기 동작을 번갈아가면서 수행할 수 있다.

이 때, 상기 신호 데이터는 조향 설정에 따라 지연시간이 적용되어 저장될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 파라메트릭 배열용 신호 수신 장치는, 수신된 음향 신호를 이퀄라이징 처리하는 프리 앰프부, 이퀄라이징 처리된 음향 신호를 디지털 신호로 변조하는 변조부, 변조된 디지털 신호를 채널별로 취득하여 지연시간을 적용하는 시프트 레지스터부 및 지연시간이 적용된 디지털 신호를 채널별로 분류하여 저장하는 메모리 어레이 뱅크를 포함하고, 상기 채널별로 분류되어 저장된 디지털 신호에 빔형성 알고리즘을 적용하여 수신 빔 패턴을 도출한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 파라메트릭 배열용 빔 형성 및 조향 장치는 파라메트릭 배열용 신호 발생 장치와 파라메트릭 배열용 신호 수신 장치가 단일 보드에 구현할 수 있다.

본 발명은 종래 기술에 비해 매우 정확한 동기를 맞추어 송신 빔 조향이 가능하며, 수신 빔 조향 및 형성에 관한 분석을 동시에 수행할 수 있다.

또한, 기존의 모터를 사용한 빔 조향을 대체하는 전기적 조향 방식을 도입함으로써, 기계적 오동작 오류를 줄여 더욱 정확한 빔 형성 및 조향이 가능하다.

결과적으로, 본 발명은 기존의 복잡하고 불필요하게 구현이 어려운 장치를 경제성이 뛰어나고 간단한 구현이 가능한 효과가 있다.

도 1은 종래의 파라메트릭 배열의 지향성 빔 생성을 도시한 도시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 파라메트릭 배열 센서를 다중 배열하여 고지향성 빔 생성을 도시한 도시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 파라메트릭 배열용 빔 형성 및 조향 장치의 세부 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 신호 발생부의 세부 구성도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 신호 발생부의 세부 구성도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 신호 취득부의 세부 구성도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 제어부의 시간지연 신호 인가를 도시한 도시도이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 출력되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 메모리 배열 뱅크를 이용한 파라메트릭 배열용 빔 형성 및 조향 장치에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래의 파라메트릭 배열의 지향성 빔 생성을 도시한 도면이다.

기존의 파라메트릭 배열은 도 1에 도시된 바와 같다. 각각 상이한 1차 공진 주파수와 2차 공진 주파수의 합을 하나의 초음파 센서에 인가하여 빔을 형성하는 방식(f1+f2)과 1차 공진 주파수와 2차 공진 주파수를 두 개의 센서에 동기를 맞추어 각각 인가하여 지향성 빔을 형성한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 파라메트릭 배열 센서를 다중 배열하여 고지향성 빔 생성을 도시한 도면이다.

도 1에서 설명한 종래의 파라메트릭 배열의 지향성 빔 생성과는 달리, 본 발명의 실시예에 따른 센서부는 파라메트릭 배열 센서를 다중 배열하여 기존의 지향성 빔에 비하여 탁월한 고지향성을 가지는 빔 형성이 가능하다. 또한 3차원 빔 조향을 위한 배치를 이루므로 빔 폭이 기존 기술에 비해 좁고 직진성이 강한 다양한 빔을 조향할 수 있다.

이제, 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 파라메트릭 배열용 빔 형성 및 조향 장치를 상세하게 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 파라메트릭 배열용 빔 형성 및 조향 장치는 제어부(100), 신호 발생부(200), 신호 획득부(300) 및 센서부(400)를 포함하여 구성된다.

파라메트릭 배열용 빔 형성 및 조향 장치의 각 구성의 동작은 제어부(100)를 통해서 제어되며, 회로의 설계에 따라서 신호 발생부와 신호 획득부를 각각 제어하는 개별 제어부를 배치하고, 이들 개별 제어부를 통합 제어부를 통해서 제어하는 방식으로 변형하여 적용할 수도 있다.

센서부(400)는 전송하고자 하는 신호 데이터를 음향신호로 변환하여 발생시키는 매개체 역할을 하며, 파라메트릭 배열용 장치에 속한 통상의 기술자가 적용할 수 있는 센서를 적용할 수 있다. 또한, 도시한 바와 같이 수신용 센서와 송신용 센서를 모노 타입으로 동시에 구현할 수 있으며, 경우에 따라서 수신용 센서와 송신용 센서를 별도의 구성으로 구현할 수도 있다.

신호 발생부(200)는 전송하고자 하는 신호 데이터를 센서부(400)로 전달하는 역할을 수행하며, 신호 발생부(200)의 상세한 구성은 도 4 및 도 5를 통해서 설명한다.

우선 도 4를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 신호 발생부는 메모리 어레이 뱅크(210), 변조부(220), 앰프부(230)를 포함하여 구성된다.

메모리 어레이 뱅크(210)는 2개 이상이며, 본 실시예에서는 2개의 메모리 어레이 뱅크로 구성되는 예시만 소개한다. 메모리 어레이 뱅크는 제어부(100)를 통해 제공된 신호 데이터를 저장하고, 또한 저장된 신호 데이터를 변조부(220)에 제공한다. 이때, 제어부(100)는 동기 신호에 맞추어 신호 데이터를 저장하며, 원래의 신호 데이터를 원하는 조향에 따라 일정한 지연시간을 계산하여 각 메모리 어레이 뱅크에 저장한다. 동기 신호는 PRF(펄스반복주파수)로 제공되며, 상세한 형태는 도 7에 도시된 바와 같다. 빔 형성 및 조향을 위해서는 도 7과 같이 동기 신호에 맞추어 각 센서에 원하는 시간지연 신호가 인가된다.

여기서, 제어부(100)는 2 개의 메모리 어레이 뱅크 중 하나의 메모리 어레이 뱅크에 새로운 신호 데이터를 저장(쓰기 동작)하고, 다른 하나의 메모리 어레이 뱅크에 미리 저장되어 있던 신호 데이터를 변조부(220)에 제공(읽기 동작)하도록 제어한다. 이렇게 동작이 이루어질 경우, 매 동기신호에 따라 2 개의 메모리 어레이 뱅크는 번갈아 가면서 사용되므로, 항상 동작을 할 수 있게 된다. 또한, 송신 빔 조향에서 정확한 동기를 맞출 수 있게 되며, 메모리 어레이 뱅크가 바뀌는 주기에 따라 어떠한 시간 지연도 없이 원하는 방향으로 빔을 조향할 수 있게 된다. 또한 2 개의 메모리 뱅크를 사용하여 타이밍의 손실이 없게 되므로, 송신 및 수신에 소요되는 CPU의 계산량이 대폭 줄어들게 되어 경제적인 CPU 사용이 가능하게 된다.

메모리 어레이 뱅크(210)는 N개의 채널을 포함하며, 각 채널별로 상이한 공진주파수를 가지는 신호들이 합산(f1+f2)되어 제공된다.

변조부(220)는 N개의 컨버터를 포함하며, 상기 N개의 채널들과 상기 N개의 컨버터는 각각 1:1로 대응하여, 메모리 어레이 뱅크(210)에 저장된 신호 데이터를 전송받는다. 변조부(220)는 제공된 신호 데이터를 아날로그 신호로 변조하여 앰프부(230)로 전달하고, 앰프부(230)는 아날로그 신호를 증폭시켜 센서부(400)로 전달한다.

도 2에서 언급한 바와 같이, 다중 배열된 센서부(400)는 전달된 아날로그 신호를 이용하여 고지향성을 가지는 빔 형성을 한다. 이 때, 센서부(400)는 좁고 직진성이 강한 3차원 빔 조향이 가능하다.

한편, 도 5를 참고하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 신호 발생부를 구성할 수 있다.

도 5의 신호 발생부는 도 4의 신호 발생부와 각 세부 구성들의 배치 순서는 동일하나, 메모리 어레이 뱅크(211)의 채널 수가 2N이며, 이에 따라 변조부(221) 및 앰프(231)의 수가 2N이 된다.

메모리 어레이 뱅크(211)의 채널 수가 2N이 된다는 것은 메모리 레지스터의 양이 2 배가 된다는 것이며, 제어부(100)는 도 4의 신호 발생부와는 달리 각 채널별로 합산한 신호를 제공하는 것이 아니라, 상이한 공진주파수를 가지는 신호들 각각을 제공하게 된다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 신호 취득부(300)의 세부 구성을 도시한 도면이다.

신호 취득부(300)는 외부에서 전달된 수신 신호를 빔형성 알고리즘을 적용하여 빔 패턴을 분석한다. 이러한 신호 취득부(300)는 메모리 어레이 뱅크(310), 시프트 레지스터(320), 변조부(330) 및 프리 앰프(340)를 포함하여 구성된다.

프리 앰프(340)는 외부로부터 수신된 음향 신호를 이퀄라이징 처리하여, 변조부(330)로 전달한다. 변조부(330)는 이퀄라이징 처리된 음향 신호를 디지털 신호로 변조한다.

시프트 레지스터(320)는 변조된 디지털 신호를 채널별로 취득하여 지연시간을 적용하며, 지연시간이 적용된 디지털 신호를 채널별로 분류하여 메모리 어레이 뱅크(310)에 저장한다.

저장된 디지털 신호는 제어부(100)에 의해 빔형성 알고리즘으로 수신 빔 패턴이 분석되며, 시프트 레지스터(320)에 의하여 지연시간이 적용되어 정확한 수신신호 분석이 가능하다.

한편, 도 4 또는 도 5에 설명한 파라메트릭 배열용 신호 발생 장치와 도 6에 설명한 파라메트릭 배열용 신호 수신 장치가 단일 보드에 구현되는 것이 바람직하며, 이에 따라 더욱 정확한 동기를 맞추어 송신 빔 조향이 가능할 뿐만 아니라 수신 빔 조향 및 형성에 관한 분석을 동시에 수행할 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.

100: 제어부 200: 신호 발생부
210, 211, 310: 메모리 어레이 뱅크 220, 221, 330: 변조부
230, 231: 앰프부 340: 프리앰프
400: 센서부

Claims (8)

1. 신호 데이터를 저장하는 2 이상의 메모리 어레이 뱅크;
   상기 메모리 어레이 뱅크에 저장된 신호 데이터를 아날로그 신호로 변조하는 변조부; 및
   변조된 아날로그 신호를 증폭하여 센서부로 전달하는 앰프부; 를 포함하고,
   상기 2 이상의 메모리 어레이 뱅크 중 하나의 메모리 어레이 뱅크는 동기신호에 맞추어 새로운 신호 데이터를 저장하고, 다른 메모리 어레이 뱅크는 저장된 신호 데이터를 상기 변조부에 제공하며,
   상기 메모리 어레이 뱅크는 N개의 채널을 포함하며, 각 채널별로 상이한 공진주파수를 가지는 신호들이 합산되어 제공되는 것을 특징으로 하는, 파라메트릭 배열용 신호 발생 장치.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 변조부는 N개의 컨버터를 포함하며, 상기 N개의 채널들과 상기 N개의 컨버터는 각각 1:1로 대응하여, 저장된 신호 데이터가 전송되는 것을 특징으로 하는, 파라메트릭 배열용 신호 발생 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 메모리 어레이 뱅크는 2N개의 채널을 포함하며, 각 채널별로 상이한 공진주파수를 가지는 신호들이 각각 제공되는 것을 특징으로 하는, 파라메트릭 배열용 신호 발생 장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 2 이상의 메모리 어레이 뱅크 각각은 상기 동기신호에 맞추어 신호 데이터 쓰기 동작과 신호 데이터 읽기 동작을 번갈아가면서 수행하는 것을 특징으로 하는, 파라메트릭 배열용 신호 발생 장치.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 신호 데이터는 조향 설정에 따라 지연시간이 적용되어 저장되는 것을 특징으로 하는, 파라메트릭 배열용 신호 발생 장치.
7. 수신된 음향 신호를 이퀄라이징 처리하는 프리 앰프부;
   이퀄라이징 처리된 음향 신호를 디지털 신호로 변조하는 변조부;
   변조된 디지털 신호를 채널별로 취득하여 지연시간을 적용하는 시프트 레지스터부; 및
   지연시간이 적용된 디지털 신호를 채널별로 분류하여 저장하는 메모리 어레이 뱅크; 를 포함하고,
   상기 채널별로 분류되어 저장된 디지털 신호에 빔형성 알고리즘을 적용하여 수신 빔 패턴을 도출하는, 파라메트릭 배열용 신호 수신 장치.
8. 청구항 1에 기재된 파라메트릭 배열용 신호 발생 장치와 청구항 7에 기재된 파라메트릭 배열용 신호 수신 장치가 단일 보드에 구현되는 것을 특징으로 하는, 파라메트릭 배열용 빔 형성 및 조향 장치.

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