KR101738989B1 - 미확인 물체 음파 탐지 시스템 - Google Patents

미확인 물체 음파 탐지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 선박에 의해 예인되어, 수중에서 광대역 음원을 방사하는 음원 발생기, 상호 연결된 복수개의 센싱모듈을 가지도록 마련되어, 상기 음원 발생기로부터 방사된 광대역 음원이 미확인 물체에 의해 반사된 음향을 수신하는 선배열 음향 수신기 및 상기 선배열 음향 수신기로부터 음향을 전달받아, 상기 미확인 물체의 크기 및 두께를 분석하는 음향 분석기를 포함하는 미확인 물체 음파 탐지 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 방사된 음향신호에 의해 미확인 물체(장애물)에 반사된 신호를 이용하여 미확인 물체의 크기 및 그 두께를 예측할 수 있어, 종래의 기술에 비해 미확인 물체에 대해 비교적 정확한 형상 정보를 획득할 수 있는 효과가 있다.

Description

미확인 물체 음파 탐지 시스템 {Unidentified Object Sonic Detection System}
본 발명은 미확인 물체 음파 탐지 시스템에 관한 것이다.
최근 들어, 유조선과 같은 대형 선박이나 여객선, 어선 등의 중소형 선박의 충돌 사고가 간간히 발생하고 있다.
특히, 유조선이 암초나 타 선박과 충돌하는 경우, 원유가 유출되어 바다에 심각한 오염을 야기하기 때문에, 경제적인 피해는 물론 환경적인 피해도 매우 심각하지만, 국내의 경우 원유나 천연자원들을 해외에서 수입하는 경우가 많고, 이를 운송하는 수단에는 선박이 주로 이용된다.
그러나 항행거리가 길기 때문에 선박을 자동 운항하는 경우가 빈번하며, 자동 항법에 대한 기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2000-0022376호 (발명의 명칭 : 선박용 종합 항법 장치)에 관해 기술되어 있다.
하지만, 상기와 같이, 선박의 자동 항법의 경우, 선박 전방에 존재하는 장애물에 대한 대비가 미흡하다는 문제점이 있었다.
또한, 레이더, 적외선 탐지기, 음향 탐지기 등에 의해 수중에 존재하는 장애물을 감지하는 기술이 다수 존재하지만, 일반적으로 음향 탐지기의 경우 장애물로부터 장애물에 의해 직접 반사된 반사파만을 선박까지의 거리만을 감지하고 있어, 상기한 장애물의 크기를 추측하는 기술이 전무하다.
더 나아가, 상기에서 언급한 각종 탐지 기술에 의해 잠수함을 감지하고 있으나 크기나 형태, 강판 두께 등을 추측하는 기술이 전무하여, 상기한 잠수함이 어느정도의 급인지 인지할 수 없는 상황이다.
따라서 본 발명은 수중에 위치한 장애물을 감지하고, 장애물의 크기, 형태 등을 추측할 수 있는 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 미확인 물체 음파 탐지 시스템은, 선박에 의해 예인되어, 수중에서 광대역 음원을 방사하는 음원 발생기; 상호 연결된 복수개의 센싱모듈을 가지도록 마련되어, 상기 음원 발생기로부터 방사된 광대역 음원이 원통형상의 미확인 물체에 의해 반사된 반향신호를 수신하는 선배열 음향 수신기; 및 상기 선배열 음향 수신기로부터 반향신호를 전달받아, 상기 미확인 물체의 크기 및 두께를 분석하는 음향 분석기;를 포함하며, 상기 음향 분석기는, 상기 선배열 음향 수신기가 수신한 반향신호를 푸리에 변환(Fourier Transform)하여, 주파수 영역에서의 반향신호 스펙트럼정보를 생성하는 푸리에 변환부; 및 상기 선배열 음향 수신기로부터 수신한 반향신호의 시간영역에서의 시계열정보와 상기 푸리에 변환부에 의해 생성된 반향신호의 스펙트럼정보를 통해 상기 미확인 물체의 반경 및 두께를 분석하는 음향 분석부;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 음원 발생기에서 방사하는 광대역 음원은 소정의 주파수대역을 가지는 충격파일 수 있다.
여기서, 상기 음향 분석부는, 상기 선배열 음향 수신기로부터 수신한 반향신호에서, 상기 미확인 물체로부터 정반사된 1차 피크신호와, 상기 미확인 물체의 내부공진에 의해 발생된 2차 피크신호 발생을 확인하고, 상기 1차 피크 신호와 상기 2차 피크 신호 발생 시간의 차이를 통해 상기 미확인 물체의 반경을 분석할 수 있다.
아울러, 상기 음향 분석부는, 상기 푸리에 변환부에서 푸리에 변환된 반향 신호 중 상기 미확인 물체의 내부공진에 의해 발생된 파형의 피크를 식별하고, 상기 파형의 중심주파수를 추출하여 상기 미확인 물체의 두께를 분석할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 방사된 음향신호에 의해 미확인 물체(장애물)에 반사된 신호를 이용하여 미확인 물체의 반경 및 그 두께를 예측할 수 있어, 종래의 기술에 비해 미확인 물체에 대해 비교적 정확한 형상 정보를 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미확인 물체 음파 탐지 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 음향 분석기를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 3는 본 발명의 일실시예에 음향분석기를 통해 원통형상의 미확인 물체에 대응되고, 3cm의 반경과 0.1cm의 두께를 가지는 모사체로부터 반사된 반향신호에 대한 시계열정보를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 음향분석기를 통해 원통형상의 미확인 물체에 대응되고, 3cm의 반경과 0.2cm의 두께를 가지는 모사체로부터 반사된 반향신호에 대한 시계열정보를 나타낸 것이다.
도 5는 도3의 반향신호를 푸리에 변환하여, 3cm의 반경과 0.1cm의 두께를 가지는 모사체로부터 반사된 반향신호의 스펙트럼정보를 나타낸 것이다.
도 6은 도4의 반향신호를 푸리에 변환하여, 3cm의 반경과 0.2cm의 두께를 가지는 모사체로부터 반사된 반향신호의 스펙트럼정보를 나타낸 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지된 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따르는 미확인 물체 음파 탐지 시스템은, 음원 발생기(100), 선배열 음향 수신기(200) 및 음향 분석기(300)를 포함할 수 있다.
음원 발생기(100)는 선박(S)에 의해 예인되어 수중에서 광대역 음원(Broadband Sound Source)을 방사할 수 있다.
여기서, 광대역 음원이란, 단일의 중심주파수를 가지는 파(Wave)가 아닌, 소정의 주파수 대역을 가지는 충격파를 의미한다.
그리고, 음원 발생기(100)에 의해 방사된 광대역 음원은 원통형상의 미확인 물체(U)에 의해 반사되어, 후술할 선배열 음향 수신기(200)에 의해 수신되어 진다.
선배열 음향 수신기(200)는 상호 연결된 복수개의 센싱모듈을 가지도록 마련되어, 음원 발생기로부터 방사된 광대역 음원이 원통형상의 미확인 물체(U)에 의해 반사된 반향신호를 수신할 수 있다.
여기서, 복수개의 센싱모듈은 수중에서 일정 간격으로 배치되도록 마련되는 것이 바람직하며, 각각의 센싱모듈은 외력, 수압, 변형 등에 강한 하우징 조립체에 수용되어 수중에서 발생되는 음향신호를 수신할 수 있다.
또한, 선배열 음향 수신기(200)는 복수개의 센싱모듈에 의해 수신된 아날로그 형태의 음향 신호를 디지털 형태의 정보로 변환시키는 AD부(미도시)와 상기 AD부로부터 변환된 신호의 증폭, 노이즈 보정, 왜곡 방지를 수행하는 전치증폭부(미도시) 및 전치증폭부에서 가공된 신호를 전후단의 센싱모듈 및 케이블을 통해 음향 분석기(300)로 전달하기 위한 신호전달부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 선배열 음향 수신기(200)는 음원 발생기(100)와 더불어 선박(S)에 의해 예인되도록 마련되고 있으나 선박(S)의 하측에 부착되는 것도 고려될 수 있다.
음향 분석기(300)는 선배열 음향 수신기(200)로부터 수신된 반향신호를 전달받아, 원통형상의 미확인 물체(U)의 반경 및 두께를 분석할 수 있으며, 푸리에 변환부(310) 및 음향 분석부(320)을 포함할 수 있다.
푸리에 변환부(310)는 선배열 음향 수신기(200)가 수신한 반향신호를 푸리에 변환하여 주파수영역에서의 반향신호의 스펙트럼정보를 획득할 수 있다.
여기서, 푸리에 변환부(310)는 선배열 음향 수신기(200)가 수신한 시간 영역(Time Domain)에서의 반향신호를 푸리에 변환하여 주파수 영역(Frequency Domain)에서의 반향신호의 스펙트럼정보를 생성할 수 있게 된다.
음향 분석부(320)는 선배열 음행 수신기(200)로부터 수신한 반향신호로부터 시간 영역에서의 반향신호의 시계열정보와 푸리에 변환부(310)를 통해 변환된 반향신호의 스펙트럼정보로부터 원통형상의 미확인 물체(U)의 반경 및 두께를 분석할 수 있다.
여기서, 음향분석부(320)는 선배열 음향 수신기(200)로부터 수신한 반향신호에서, 원통형상의 미확인 물체(U)로부터 정반사된 1차 피크신호와, 원통형상의 미확인 물체(U)의 내부공진에 의해 발생된 2차 피크신호 발생을 확인하고, 1차 피크 신호와 상기 2차 피크 신호 발생 시간의 차이를 통해 원통형상의 미확인 물체(U)의 반경을 분석하고, 푸리에 변환부(310)에서 푸리에 변환된 반향신호의 스펙트럼 정보에서, 원통형상의 미확인 물체(U)의 내부공진에 의해 발생된 파형의 피크를 식별하고, 해당 파형의 중심주파수를 추출하여 원통형상의 미확인 물체(U)의 두께를 분석할 수 있게 된다.
이하에서는, 원통형상의 미확인 물체(U)에 대응되는 모사체를 통한 모의실험을을 통해, 음향분석부(320)가 모사체의 반경 및 두께를 분석하는 방법에 대해 설명하도록 한다.
도 3는 본 발명의 일실시예에 음향분석기를 통해 원통형상의 미확인 물체에 대응되고, 3cm의 반경과 0.1cm의 두께를 가지는 모사체로부터 반사된 반향신호에 대한 시계열정보를 나타낸 것이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 음향분석기를 통해 원통형상의 미확인 물체에 대응되고, 3cm의 반경과 0.2cm의 두께를 가지는 모사체로부터 반사된 반향신호에 대한 시계열정보를 나타낸 것이다.
모사체는 반경이 3cm인 속이 빈 원통인 강체(Rigid Body)를 사용하였으며, 강체 내부에 각각 공기, 물, 모래를 채워 넣어 실험하였다.
이때, 모사체와 음원 발생기(100)와 단일의 음향 수신기를 수조에 넣고, 수조의 바닥과 음원 발생기(100)의 충격파 도달방향에 위치한 수조의 내벽에는 흡음판을 설치하였고, 음원 발생기(100)는, 1MHz ~ 3MHz 주파수 대역에서 중심 주파수 대역이 2MHz인 충격파를 방사하는 방식으로 실험을 진행하였다.
도3은 음원 발생기(100)의 충격파가 전달된 3cm의 반경과 0.1cm의 두께를 가지는 모사체의 내부에 각각 (a)공기, (b)물, (c)모래를 채워 넣어, 단일의 음원 수신기를 통해 모사체로부터 반사된 시간영역에서의 반향신호를 나타낸 것이고, 도4는 음원 발생기(100)의 충격파가 전달된 3cm의 반경과 0.2cm의 두께를 가지는 모사체의 내부에 각각 (a)공기, (b)물, (c)모래를 채워 넣어, 단일의 음원 수신기를 통해 모사체로부터 반사된 시간영역에서의 반향신호를 나타낸 것이다.
이때, 강체에서의 전파 속도는 약 5790 m/s이고,
Figure 112016040630969-pat00001
(L은 모사체의 둘레, c는 강체의 전파속도)의 관계식으로부터, t = 33us을 구할 수 있고, 도3 및 도4의 경우, 모사체의 두께 및 내부에 충진된 공기, 물, 모래와 상관없이 동일하게 1차 피크신호와 2차 피크신호의 사이 간격이 20us인 것을 확인할 수 있어, 원통형상의 미확인 물체(U)로부터 정반사된 1차 피크신호와, 원통형상의 미확인 물체(U)의 내부공진에 의해 발생된 2차 피크신호 발생을 확인하고, 1차 피크 신호와 상기 2차 피크 신호 발생 시간의 차이를 통해 원통형상의 미확인 물체(U)의 반경 분석이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
도 5는 도3의 반향신호를 푸리에 변환하여, 3cm의 반경과 0.1cm의 두께를 가지는 모사체로부터 반사된 반향신호의 스펙트럼정보를 나타낸 것이고, 도 5는 도4의 반향신호를 푸리에 변환하여, 3cm의 반경과 0.2cm의 두께를 가지는 모사체로부터 반사된 반향신호의 스펙트럼정보를 나타낸 것이다.
이때, 강체에서의 전파 속도는 약 5790 m/s 이므로,
Figure 112016040630969-pat00002
의 관계식으로부터 0.1cm의 두께를 가지는 모사체는 2.89MHz, 0.2cm의 두께를 가지는 모사체는 1.48MHz,로 계산되며, 도4 및 도5에서 확인된 모사체로부터 반사되어 퓨리에 변환된 주파수대역에서의 반향신호의 피크 값은, 모사체의 내부에 충진된 공기, 물, 모래와 상관없이 0.1cm의 두께를 가지는 2.65 MHz 0.2cm의 두께를 가지는 모사체는 1.38 MHz의 주파수가 확인되므로, 푸리에 변환된 반향신호의 스펙트럼 정보에서, 원통형상의 미확인 물체(U)의 내부공진에 의해 발생된 파형의 피크를 식별하고, 해당 파형의 중심주파수를 추출함으로써, 원통형상의 미확인 물체(U)의 두께 분석이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
상기의 모사체를 통한 실험을 통해서, 음향분석부(320)는 선배열 음향 수신기(200)로부터 수신한 반향신호에서, 원통형상의 미확인 물체(U)로부터 정반사된 1차 피크신호와, 원통형상의 미확인 물체(U)의 내부공진에 의해 발생된 2차 피크신호 발생을 확인하고, 1차 피크 신호와 상기 2차 피크 신호 발생 시간의 차이를 통해 원통형상의 미확인 물체(U)의 반경을 분석하고, 푸리에 변환부(310)에서 푸리에 변환된 반향신호의 스펙트럼 정보에서, 원통형상의 미확인 물체(U)의 내부공진에 의해 발생된 파형의 피크를 식별하고, 해당 파형의 중심주파수를 추출하여 원통형상의 미확인 물체(U)의 두께를 분석할 수 있는 것을 확인할 수 이었다.
결국, 본 발명은, 방사된 음향신호에 의해 미확인 물체(장애물)에 반사된 신호를 이용하여 미확인 물체의 크기 및 그 두께를 예측할 수 있어, 종래의 기술에 비해 미확인 물체에 대해 비교적 정확한 형상 정보를 획득할 수 있는 미확인 물체 음파 탐지 기술을 제공한다.
따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 보호범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 음원 발생기
200 : 선배열 음향 수신기
300 : 음향 분석기
310 : 푸리에 변환부
320 : 음향 분석부
U : 원통형상의 미확인 물체

Claims (4)

  1. 선박에 의해 예인되어, 수중에서 광대역 음원을 방사하는 음원 발생기;
    상호 연결된 복수개의 센싱모듈을 가지도록 마련되어, 상기 음원 발생기로부터 방사된 광대역 음원이 원통형상의 미확인 물체에 의해 반사된 반향신호를 수신하는 선배열 음향 수신기; 및
    상기 선배열 음향 수신기로부터 반향신호를 전달받아, 상기 미확인 물체의 크기 및 두께를 분석하는 음향 분석기;를 포함하며,
    상기 음향 분석기는,
    상기 선배열 음향 수신기가 수신한 반향신호를 푸리에 변환하여, 주파수 영역에서의 반향신호 스펙트럼정보를 생성하는 푸리에 변환부; 및
    상기 선배열 음향 수신기로부터 수신한 반향신호의 시간영역에서의 시계열정보를 통해 상기 미확인 물체의 반경을 분석하고, 상기 푸리에 변환부에 의해 생성된 반향신호의 스펙트럼정보에서 상기 미확인 물체의 내부공진 발생을 확인하여 상기 미확인 물체의 두께를 분석하는 음향 분석부;를 포함하며,
    상기 음원 발생기에서 방사하는 광대역 음원은 소정의 주파수 대역에 걸친 중심 주파수를 가지는 충격파인 것을 특징으로 하는
    미확인 물체 음파 탐지 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 음향 분석부는, 상기 선배열 음향 수신기로부터 수신한 반향신호에서, 상기 미확인 물체로부터 정반사된 1차 피크신호와, 상기 미확인 물체의 내부공진에 의해 발생된 2차 피크신호 발생을 확인하고, 상기 1차 피크 신호와 상기 2차 피크 신호 발생 시간의 차이를 통해 상기 미확인 물체의 반경을 분석하는 것을 특징으로 하는
    미확인 물체 음파 탐지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 음향 분석부는, 상기 푸리에 변환부에서 푸리에 변환된 반향신호의 스펙트럼 정보에서, 상기 미확인 물체의 내부공진에 의해 발생된 파형의 피크를 식별하고, 상기 파형의 중심주파수를 추출하여 상기 미확인 물체의 두께를 분석하는 것을 특징으로 하는
    미확인 물체 음파 탐지 시스템.
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CN117805834B (zh) * 2024-02-29 2024-05-07 广东海洋大学 基于频谱共振峰的多目标空间位置关系预报方法

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