KR101752672B1 - 음향센서를 이용한 수중음향 탐지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 센싱된 음향신호들을 합성한 복합신호를 무선신호로 송출하고 수면에 뜨도록 구성된 부이 모듈 및 수면으로부터 수직한 Z축 방향의 음향신호를 센싱하고 Z축 방향에서 센싱된 음향신호를 포함하는 복합신호를 신호 라인을 통해 부이 모듈로 출력하는 Z축 센서 모듈을 포함하는 음향센서를 이용한 수중음향 탐지장치에 관한 것이다.

Description

음향센서를 이용한 수중음향 탐지장치{DETECTING APPARATUS OF UNDERWATER SOUNDS USING ACOUSTIC SENSOR}

본 발명은 음향센서를 이용한 수중음향 탐지장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 하나 이상의 음향센서를 활용하여 무선으로 송출된 수신음향으로부터 수중음향만을 쉽게 추출하여 음파를 통한 수중 물체를 용이하게 탐지할 수 있도록 하는, 음향센서를 이용한 수중음향 탐지장치에 관한 발명이다.

바다와 같은 수중에서는 전파나 빛 등에 의한 신호 전달이 거의 불가능하여 수중 물체의 탐지를 위해 음파를 이용한 음파 탐지 기술이 유일한 탐지 수단이다. 기술의 발전에 따라 초음파를 이용한 해저 스캔(scan)으로 해저지형을 분석하고 어군을 탐지하고 침몰 선박 등을 찾을 수 있는 수준에 다다르고 있다.

그러나 수중에서 이동하는 물체를 탐지하거나 인식하는 방법은 과거부터 현재까지 음파를 이용하여 이루어지고 있다. 잠수함 등과 같은 수중에서의 이동물체를 탐지하기 위한 음파 기술은 능동형소나 탐지방법과 수동형 탐지방법으로 나눌 수 있다.

능동형소나 탐지방법은 음파를 발신하고 되돌아오는 음파를 분석하여 이동물체를 탐지하고 수동형소나 탐지방법은 수중물체의 소음을 인식하고 인식된 소음을 분석하여 수중물체를 탐지할 수 있다. 능동형소나 탐지방법은 음파송출을 위해 큰 전력이 필요하고 수동형소나 탐지방법과는 기술 적용 방식에 있어 서로 다르다.

기존 수동형소나 탐지방법에 따른 음향탐지 장치는 수상부이, 댐퍼, 2차원 음향센서인 하이드로폰(hydrophone)을 포함한다.

기존 음향탐지 장치의 수상부이는 수면에 띄워지고 하이드로폰이 일정한 깊이로 잠수 되어 수중의 음향을 수집하고 수면의 수상부이에 구비된 무선 송출기를 통해 수집된 음향신호가 발신된다.

송출된 음향신호를 공중의 항공기나 수상함이 수신하고 수신음을 분석하여 의심신호에 대한 주파수 스펙트럼(Frequency Spectrum)을 축출하고 그 2차원 방위를 계산하여 위치를 알아낼 수 있다.

수심이 깊은 원양에서는 수중소음이 적지만 수심이 낮은 연안(약 200m 이내)에서는 각종 소음이 많아 조용히 항해하는 이동물체(특히 잠수함)를 소리로 탐지하는 것이 매우 어렵다. 하이드로폰을 통해 인식된 음향신호에는 해안의 파도소리, 수중의 자연소음, 향해 선박의 소음, 공중의 항공기 소음 등 다양한 종류의 소리가 섞여 있다.

2차원 음향센서인 하이드로폰을 이용하여 수상소음과 수중소음을 구별하기는 사실상 불가능하고 특히 수상소음의 세기가 매우 크기 때문에 일반적으로 수중소음은 수상소음에 묻혀 수중소음을 인식하기는 매우 어렵다. 현실적으로 숙련된 음탐사에 의한 주관적인 판단으로 잠수함과 같은 이동물체의 탐지를 추정할 수 있을 뿐이고 실제 예에서 수동형소나 탐지방법을 통해 잠수함을 탐지한 경우는 극히 드문 게 현실이다.

한편, 특허문헌 1 및 2와 같이 음향 센서를 이용하여 수중의 특정 표적을 감시하는 수중감시(표적)장치가 공개되어 있다.

특허문헌 1은 닻(18) 등을 이용하여 해저에 고정되어 구비된 음향 센서(15)와 신호 처리기(16)를 이용하여 수중의 표적(잠수함) 등을 탐지할 수 있는 수중 표적 탐지 장치를 개시하고 있다.

특허문헌 1은 센싱된 음향 신호의 방향성 고려 없이 센싱된 음향 신호를 기준값과 지속 시간으로 비교하여 일반 잡음(파도 소리, 연안 돌발 소음 등)을 필터링할 수 있다는 내용을 개시(식별번호 [0031], [0032] 참조)하고 있으나 크기와 지속 시간으로 정확한 잡음의 인지와 정확한 필터링이 불가능하다.

특히, 특허문헌 1은 수중과 수면 사이의 음향 신호에 대한 구별과 3차원적인 입체적인 음향 신호 분석이 사실상 불가능하여 음향 신호 분석에 여러 문제점이 존재한다.

특허문헌 2는 부이형 수중감시장치에 관한 발명으로서, 각각의 센서들이 연이어 선배열되는 복합 감지부재를 개시하고 있다. 복합 감지부재는 여러 센서들로 구성되며, 센서는 수중 표적을 탐지하도록 다수 개가 배열된 음향센서(34)와 수중 표적이 발생하는 수중음파를 수신하여 표적의 방위를 탐지하기 위한 수동 지향 음향 센서(35)를 포함하여 수직방향으로 선배열(식별번호 [0049] 참조)된다.

특허문헌 2의 도면 1에서 알 수 있는 바와 같이, 특허문헌 2는 수면에서 해저면으로 설치된 여러 센서를 활용하여 수중으로 침투하는 의아표적을 탐지할 수 있다는 내용을 개시하고 있으나 특허문헌 2는 외부 잡음의 필터링이 용이치 않고 특히 수면으로부터의 잡음을 필터링하기가 용이치 않다. 특히 특허문헌 2는 다수의 센서를 사용하여 해저면에 고정설치하여 생산상의 비용이 증가하고 다수의 신호 처리로 복잡도가 증가하는 문제가 존재한다.

이와 같이, 기존 알려진 수동형소나 탐지방법의 문제점을 극복할 수 있는 음향센서를 이용한 수중음향 탐지장치가 필요하다.

KR 10-1281630 B1 KR 10-1157169 B1

본 발명은, 상술한 문제점을 해결하기 위해서 안출한 것으로서, 탐지되는 음향신호에서 해수면으로부터 일정한 깊이 이내의 수상신호를 필터링할 수 있도록 하는, 음향센서를 이용한 수중음향 탐지장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 수중에서의 설치 위치가 서로 다른 X축 및 Y축 음향센서와 Z축 음향센서를 활용하여 용이하게 지정된 깊이 이상의 수상신호를 필터링 가능토록 하는 음향센서를 이용한 수중음향 탐지장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 기존의 하이드로폰으로부터 출력되는 복합신호와 별도로 제공되는 Z축 음향센서의 음향신호를 포함하는 복합신호를 시분할 방식을 활용하여 공유가능토록 하여 기존의 하이드로폰의 설계변경 없이 수상신호를 필터링 가능토록 하는 음향센서를 이용한 수중음향 탐지장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 수중음향 탐지장치에 GPS 기능을 탑재하여 GPS 기능을 통해 수중음향 탐지장치를 제어 및 관리하고 수중음향 탐지시스템과 동기화가 가능토록 하는 음향센서를 이용한 수중음향 탐지장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 음향센서를 이용한 수중음향 탐지장치는 센싱된 음향신호들을 합성한 복합신호를 무선신호로 송출하고 수면에 뜨도록 구성된 부이 모듈 및 수면으로부터 수직한 Z축 방향의 음향신호를 센싱하고 Z축 방향에서 센싱된 음향신호를 포함하는 복합신호를 신호 라인을 통해 부이 모듈로 출력하는 Z축 센서 모듈을 포함한다.

또한, Z축 센서 모듈은, 수면 방향으로부터의 음향신호를 센싱하기 위한 Z축 제1 센서, 수중 방향으로부터의 음향신호를 센싱하기 위한 Z축 제2 센서, Z축 제1 센서로부터의 음향신호를 변조하는 Z축 제1 변조기, Z축 제2 센서로부터의 음향신호를 변조하는 Z축 제2 변조기 및 Z축 제2 센서로부터의 음향신호와 Z축 제1 변조기에서 변조된 음향신호 및 Z축 제2 변조기에서 변조된 음향신호를 합성하는 Z축 합성기를 포함한다.

또한, Z축 센서 모듈은, Z축 합성기로부터 출력된 제2 복합신호와 연결된 신호라인을 통해 수신된 제1 복합신호를 스위칭하는 스위치 및 스위치의 스위칭을 제어하는 콘트롤러를 더 포함하고, 제1 복합신호는 전방향으로부터 센싱된 음향신호, X축 방향으로부터 센싱된 음향신호, Y축 방향으로부터 센싱된 음향신호가 합성되어 있다.

또한, Z축 센서 모듈은, Z축 제1 센서로부터의 음향신호와 Z축 제2 센서로부터의 음향신호를 비교하고 Z축 제2 센서로부터의 음향신호가 Z축 제1 센서로부터의 음향신호보다 임계치 이상의 차를 가지는 경우에 이상 상태를 나타내는 정보 데이터의 상태 신호를 Z축 합성기로 출력하는 콘트롤러를 더 포함한다.

또한, 수중음향 탐지장치의 부이 모듈은 GPS 모듈을 포함하고, Z축 센서 모듈은 Z축 합성기로부터 출력된 제2 복합신호, 연결된 신호라인을 통해 수신된 제1 복합신호 및 GPS 수신모듈로부터의 GPS 신호를 스위칭하는 스위치 및 스위치의 스위칭을 제어하는 콘트롤러를 더 포함하고, 콘트롤러는 GPS 모듈부터의 GPS 신호에서 현재 시각을 인식하고 인식된 시각에 기초하여 제1 복합신호, 제2 복합신호 및 GPS 신호의 스위칭을 제어하기 위한 제어신호를 스위치로 출력한다.

상기와 같은 본 발명에 따른 음향센서를 이용한 수중음향 탐지장치는 탐지되는 음향신호에서 해수면으로부터 일정한 깊이 이내의 수상신호를 필터링할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명에 따른 음향센서를 이용한 수중음향 탐지장치는 수중에서의 설치 위치가 서로 다른 X축 및 Y축 음향센서와 Z축 음향센서를 활용하여 용이하게 지정된 깊이 이상의 수상신호를 필터링 가능토록 하는 효과가 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명에 따른 음향센서를 이용한 수중음향 탐지장치는 기존의 하이드로폰으로부터 출력되는 복합신호와 별도로 제공되는 Z축 음향센서의 음향신호를 포함하는 복합신호를 시분할 방식을 활용하여 공유가능토록 하여 기존의 하이드로폰의 설계변경 없이 수상신호를 필터링 가능토록 하는 효과가 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명에 따른 음향센서를 이용한 수중음향 탐지장치는 GPS 기능을 탑재하여 GPS 기능을 통해 수중음향 탐지장치를 제어 및 관리하고 수중음향 탐지시스템과 동기화가 가능토록 하는 효과가 있다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 음향센서를 이용한 수중음향 탐지장치의 예시적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 음향센서를 이용한 수중음향 탐지장치의 예시적인 블록도를 도시한 도면이다.
도 3은 시분할 송출 신호 스트림의 예를 도시한 도면이다.
도 4는 제1 복합신호의 구성 예를 나타낸다.
도 5는 제2 복합신호의 구성 예를 나타낸다.
도 6은 수중음향 분석장치의 예시적인 블록도를 도시한 도면이다.
도 7은 수중음향 탐지시스템의 예와 수상소음이 제거된 후의 수중소음의 스펙트럼을 예를 도시한 도면이다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술 되어 있는 상세한 설명을 통하여 더욱 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 음향센서를 이용한 수중음향 탐지장치(10)의 예시적인 구성을 도시한 도면이다. 도 1의 도면은 수중음향 탐지장치(10)의 기구적인 구성을 나타내는 도면으로 수중음향 탐지장치(10)는 부이 모듈(100) 및 Z축 센서 모듈(200)을 포함하고 댐퍼(300) 및 XY축 센서 모듈(400)을 더 포함한다. 수중음향 탐지장치(10)에서 설계예에 따라 댐퍼(300) 및/또는 XY축 센서 모듈(400)은 생략될 수도 있다.

도 1을 통해 수중음향 탐지장치(10)를 살펴보면, 수중음향 탐지장치(10)는 수중으로 투하되어 각 구성 모듈에 의해 3차원의 음향신호를 탐지할 수 있도록 구성된다.

부이(buoy) 모듈(10)은 수면에 뜰 수 있도록 구성된다. 부이 모듈(100)은 부력을 제공할 수 있는 부이 뿐 아니라 부이에 결합되고 방수 처리가 되어 있을 수 있는 기구물을 포함한다.

이 기구물은 GPS 모듈(101), 무선신호 송출기(103), 배터리를 수용(포함)하고 안테나(GPS 안테나(105), 무선 안테나(107))를 수용하거나 안테나로 활용될 수 있다.

부이 모듈(100)은 Z축 센서 모듈(200)에 케이블 등을 통해 연결되고 연결된 케이블의 신호 라인을 통해 출력된 여러 센서의 음향신호들의 복합신호를 무선신호로 송출할 수 있다. 부이 모듈(100)의 구성에 대해서는 도 2를 통해 좀 더 구체적으로 살펴보도록 한다.

Z축 센서 모듈(200)은 센싱되는 음향신호 중에서 수중 또는 수상(면)에서 센싱된 음향신호인 지를 구별 가능토록 구성되는 모듈이다. Z축 센서 모듈(200)은 적어도 두 개의 음향 센서를 구비하고 하나의 음향 센서(이하 'Z축 제1 센서'라 지칭함)는 수중 투하시 부이 모듈(100) 측에 설치되고 다른 하나의 음향 센서(이하 'Z축 제2 센서'라 지칭함)는 댐퍼(300) 측에 설치된다.

Z축 제1 센서(201)는 수중 투하 후 수면 방향으로부터의 음향신호를 센싱하도록 구성되고 Z축 제2 센서(203)는 수중 투하 후 수중 방향으로부터의 음향신호를 센싱하도록 구성된다. Z축 제1 센서(201)는 Z축 센서 모듈(200)의 기구물에서 부이 모듈(100) 측(상측)으로 고정 설치되고 Z축 제2 센서(203)는 Z축 센서 모듈(200)의 기구물에서 댐퍼(300) 측(하측)으로 고정 설치된다.

Z축 센서 모듈(200)은, 적어도, Z축 센서 모듈(200)을 중심으로 수면으로부터 수직한 +/- Z축 방향의 음향신호를 센싱하고 센싱한 두 개의 +/- 음향신호를 포함하는 복합신호를 생성하여 연결된 신호 라인을 통해 부이 모듈(100)로 출력하도록 구성된다. Z축 센서 모듈(200)은 바람직하게는 수심 5 미터에서 20 미터 사이에 위치한다. 이러한 지정된 위치에 설치되기 위해 Z축 센서 모듈(200)과 부이 모듈(100)은 지정된 길이만큼의 신호 케이블을 이용하여 서로 연결된다. Z축 센서 모듈(200)에 대해서는 도 2를 통해 상세히 살펴보도록 한다.

댐퍼(300)는 수중음향 탐지장치(10)의 균형을 유지할 수 있도록 한다. 댐퍼(300)는 천(직물) 등으로 구성되어 수중에 XY축 센서 모듈(400), Z축 센서 모듈(200)이 부유, 또는 이동을 줄이거나 방지하고 특정 고정 위치에서의 소음 센싱을 가능토록 한다.

XY축 센서 모듈(400)은 댐퍼(300)에 연결되고 수면으로부터 30 미터에서 300 미터 사이의 깊이에 설치되어 수면으로부터 수평한 방향(X축, Y축)들로부터의 음향신호를 센싱하고 센싱된 음향신호를 합성한 복합신호를 출력한다. XY축 센서 모듈(400)은 하이드로폰일 수 있다.

XY축 센서 모듈(400)에 대해서도 도 2를 통해 좀 더 상세히 살펴보도록 한다.

도 2는 음향센서를 이용한 수중음향 탐지장치(10)의 예시적인 블록도를 도시한 도면이다. 도 2의 블록도는 바람직하게는 회로 구성의 블록도를 나타낸다.

수중음향 탐지 장치는 부이 모듈(100), Z축 센서 모듈(200), XY축 센서 모듈(400) 및 댐퍼(300)를 포함하는 데, 각각의 모듈을 회로 구성을 통해 살펴보면, 부이 모듈(100)은 GPS 모듈(101), 무선신호 송출기(103), 배터리(도면, 부호 미도시), GPS 안테나(105) 및 무선 안테나(107)를 포함한다.

GPS 안테나(105)는 L1 대역(1.57542 GHz) 또는 L2 대역(1.2276 GHz) 등의 GPS 위성 신호를 수신한다. GPS 안테나(105)는 이러한 GPS 위성 신호를 수신하도록 튜닝되어 있고 수신된 GPS 위성 신호를 GPS 모듈(101)로 전달한다.

GPS 모듈(101)은 GPS 안테나(105)를 통해 하나 이상의 GPS 위성 신호를 수신하고 수신된 GPS 위성 신호로부터 수중음향 탐지장치(10)의 현위치 좌표와 현재 시각을 나타내는 GPS 신호를 생성하고 생성된 GPS 신호를 출력한다. 출력되는 GPS 신호는 연결된 신호 케이블 내의 신호 라인을 통해 Z축 센서 모듈(200)로 출력될 수 있다. 출력되는 GPS 신호는 좌표 및 시각을 인코딩한 아날로그 신호이거나 약속된 디지털 인터페이스를 통해 출력되는 디지털 신호일 수 있다.

무선신호 송출기(103)는 신호 케이블의 신호 라인을 통해 수신된 복합신호를 무선신호로 출력한다. 예를 들어, 무선신호 송출기(103)는 신호 케이블의 신호 라인으로부터 Z축 센서 모듈(200)에서 출력되고 센싱된 여러 음향신호를 합성한 복합신호를 수신하고 수신된 복합신호를 FM(Frequency Modulation) 변조하여 할당된 무선 주파수(RF, Radio Channel) 채널을 통해 출력할 수 있다.

무선 안테나(107)는 무선신호 송출기(103)에 연결되어 무선신호 송출기(103)로부터의 FM 변조 신호를 무선신호로 출력한다. 무선 안테나(107)는 VHF 송출 안테나일 수 있다.

배터리는 부이 모듈(100) 나아가 다른 모듈(예를 들어 Z축 센서 모듈(200), XY축 센서 모듈(400))의 구동에 필요한 전원을 공급한다. 배터리는 예를 들어 리튬이온, 리튬폴리머, 건전지 등으로 구성될 수 있다.

도 2에서 알 수 있는 바와 같이, XY축 센서 모듈(400)은 X축 센서(401), Y축 센서(403), 전방향 센서(405), 증폭 및 로우패스 필터(407), X축 변조기(409), Y축 변조기(411), XY축 합성기(423), 지자계 센서(413), +45도 위상 쉬프트기(415),-45도 위상 쉬프트기(417), 싸인 펄스 생성기(419), 싸인 펄스 체배기(421)를 포함한다.

하이드로폰으로도 지칭될 수 있는 XY축 센서 모듈(400)은 Z축 센서 모듈(200)과는 별도의 기구물에 내장되고 Z축 센서 모듈(200)보다 더 깊은 위치에 설치되고 예를 들어 30 ~ 300 미터 사이의 수중에 설치되어 해당 위치에서의 수면으로부터 수평한 평면에서의 X축 및 Y 축 방향에서의 음향신호를 센싱하도록 구성된다.

좀 더 구체적으로 살펴보면, X축 센서(401)는 XY축 센서 모듈(400) 내에서 일 방향(예를 들어 X축 방향)으로부터의 음향신호를 센싱한다. 예를 들어 XY축 센서 모듈(400)을 중심으로 하여 특정 한 방향으로부터의 음향신호를 캡쳐링하고 캡쳐링된 음향신호를 전기 신호로 출력한다.

Y축 센서(403)는 X축 센서(401)와는 다른 방향으로부터의 음향신호를 센싱한다. 예를 들어 Y축 센서(403)는 XY축 센서 모듈(400)의 중심 또는 전방향 센서(405)를 중심으로 X축 센서(401)와 90도 각도의 위치에 설치되어 X축 센서(401)와는 다른 축 방향으로부터의 음향신호를 캡쳐링하고 캡쳐링된 음향신호를 전기 신호로 출력한다.

전방향 센서(405)는 XY축 센서 모듈(400) 내의 중심에 설치되어 전방향(OMNI DIRECTION)의 음향신호를 센싱하고 센싱된 음향신호를 출력한다. 전방향 센서(405)로부터 출력되는 음향신호는 기준 음향신호로 이용될 수 있다. 예를 들어 전방향 센서(405)로부터의 음향신호와 X축 센서(401) 또는 Y축 센서(403)로부터의 음향신호의 비교로 어떠한 방향으로부터 음향신호가 캡쳐링되는 지를 결정할 수 있도록 한다.

각각의 증폭 및 로우패스 필터(407)는 대응하는 X축(401), Y축(403) 또는 전방향 센서(405)에 연결되어 센서로부터 출력되는 음향신호를 증폭하고 저역 주파수 대역의 신호만 필터링하고 출력한다. 예를 들어 증폭 및 로우패스 필터(407)는 2.5 KHz 이하의 음역대의 주파수 신호만 필터링하여 이를 출력할 수 있다.

X축 변조기(409)는 X축 센서(401)로부터의 음향신호를 +45도 위상 쉬프트된 신호에 변조(modulation)하여 변조된 X축 음향신호를 출력한다. X축 변조기(409)에 입력되는 +45도 위상 쉬프트된 신호는 +45도 위상 쉬프트기(415)에 의해서 생성된다.

Y축 변조기(411)는 Y축 센서(403)로부터의 음향신호를 -45도 위상 쉬프트된 신호에 변조(modulation)하여 변조된 Y축 음향신호를 출력한다. Y축 변조기(411)에 입력되는 -45도 위상 쉬프트된 신호는 -45도 위상 쉬프트기(417)에 의해서 생성된다.

지자계 센서(413)(FLUXGATE SENSOR)는 구동 펄스에 따라 XY축 센서 모듈(400)에서의 자기장의 세기 및 방향을 판단할 수 있는 자기 펄스를 출력한다. 예를 들어 자기 펄스는 구동 펄스를 활용하여 구성되고 구동 펄스의 주파수, 진폭 등을 변경하여 구성될 수 있다.

+45도 위상 쉬프트기(415)는 지자계 센서(413)로부터의 자기 펄스를 +45도 위상 쉬프트하고 +45도 위상 쉬프트된 신호를 출력한다.

-45도 위상 쉬프트기(417)는 지자계 센서(413)로부터의 자기 펄스를 -45도 위상 쉬프트하고 -45도 위상 쉬프트된 신호를 출력한다.

싸인 펄스 생성기(419)는 지정된 주파수의 싸인(Sine)파 신호를 생성하여 출력한다. 예를 들어 싸인 펄스 생성기(419)는 7.5 KHz로 지정된 주파수의 싸인파 신호를 생성하여 출력할 수 있다.

싸인 펄스 체배기(421)는 싸인 펄스 생성기(419)로부터의 싸인파 신호를 지정된 배수의 주파수 신호로 체배하여 출력한다. 예를 들어 싸인 펄스 체배기(421)는 7.5 KHz의 싸인파 신호를 2배인 15 KHz 싸인파 신호로 체배하여 출력할 수 있다.

XY축 합성기(423)는 센싱된 각종 음향신호와 기준 신호를 합성하여 출력한다. XY축 합성기(423)에서 합성되어 출력되는 합성신호를 이하에서는 '제1 복합신호'로 지칭한다.

XY축 합성기(423)에 의해서 생성되는 제1 복합신호는 전방향 센서(405)에서 센싱된 음향신호, X축 방향의 X축 센서(401)로부터 센싱된 음향신호, Y축 방향의 Y축 센서(403)로부터 센싱된 음향신호가 합성되어 있다. X축 방향의 음향신호는 +45도 위상 쉬프트되고 Y축 방향의 음향신호는 -45도 위상 쉬프트된다. 제1 복합신호는 나아가 두 개의 기준(Reference) 신호를 더 포함한다. 하나의 기준 신호는 싸인 펄스 생성기(419)의 싸인파 신호이고 다른 하나의 기준 신호는 싸인 펄스 체배기(421)에 의해서 체배된 신호이다. 이러한 기준 신호는 이후 합성된 음향신호들의 복조(demodulation)를 위해서 이용 가능하다.

XY축 합성기(423)에 의해 출력되는 제1 복합신호는 다음과 같은 식으로 간단하게 표현할 수 있다.

제1 복합신호 = OMNI_신호(407) + X축_+45도_변조신호(409) + Y축_-45도_변조신호(411)+ 주파수기준신호(419) + 위상기준신호(421).

도 4는 위 식을 통해 구성된 제1 복합신호의 구성 예를 나타낸다.

XY축 합성기(423)에 의해서 합성된 제1 복합신호는 Z축 센서 모듈(200)에 연결된 신호 케이블의 신호 라인을 통해 Z축 센서 모듈(200)로 출력된다.

Z축 센서 모듈(200)은 두 개의 Z축 센서, 두 개의 Z축 변조기, 두 개의 증폭 및 로우패스 필터(205), 싸인 펄스 생성기(211), 싸인 펄스 체배 및 위상 쉬프트기(213), Z축 합성기(215), 스위치(217), 메모리(219) 및 콘트롤러(221)를 포함한다. Z축 센서 모듈(200)은 바람직하게는 수면으로부터 5미터에서 20미터 사이에 설치되고 설치된 위치에서 수면 방향(Z+ 방향) 또는 수중 방향(Z- 방향)의 음향신호를 센싱하고 이를 인지하고(거나) 구별할 수 있도록 적어도 구성된다.

Z축 센서 모듈(200)에 대해 좀 더 구체적으로 살펴보면, 두 개의 Z축 센서 중 하나인 Z축 제1 센서(201)는 수면 방향으로부터의 음향신호를 센싱한다. 예를 들어 Z축 제1 센서(201)는 Z축 센서 모듈(200)의 기구물에서 수중 투하시에 부이 모듈(100) 측 방향에 위치하도록 고정 설치되어 하나의 방향(바람직하게는 수면 방향)으로부터의 음향신호를 센싱하도록 구성된다. Z축 제1 센서(201)로부터의 음향신호는 바람직하게는 수면 측 방향으로부터의 획득된다.

두 개의 Z축 센서 중 다른 하나인 Z축 제2 센서(203)는 수면 방향과 반대인(180도) 수중 방향으로부터의 음향신호를 센싱한다. 예를 들어 Z축 제2 센서(203)는 Z축 센서 모듈(200)을 중심으로 Z축 제1 센서(201)가 설치되는 위치와 반대되는 방향의 기구물에 고정 설치되어 Z축 제1 센서(201)와는 다른 방향(바람직하게는 수중 방향)으로부터의 음향신호를 센싱하도록 구성된다.

각각의 증폭 및 로우패스 필터(205)는 대응하는 Z축 제1 센서(201) 및 Z축 제2 센서(203)에 연결되어 각 센서로부터 출력되는 음향신호를 증폭하고 저역 주파수 대역의 신호만 필터링하고 출력한다. 예를 들어 증폭 및 로우패스 필터(205)는 2.5 KHz 이하의 음역대의 주파수 신호만 필터링하여 이를 출력할 수 있다.

두 개의 Z축 변조기 중 하나의 변조기(이하 'Z축 제1 변조기'라고 지칭함)는 증폭 및 로우패스 필터(205)를 통해 Z축 제1 센서(201)로부터의 음향신호를 +45도 위상 쉬프트된 신호에 변조하여 변조된 Z+ 음향신호를 출력한다. Z축 제1 변조기(207)에 입력되는 +45도 위상 쉬프트된 신호는 싸인 펄스 체배 및 위상 쉬프트기(213)에 의해 출력된다.

두 개의 Z축 변조기 중 다른 하나의 변조기(이하 'Z축 제2 변조기'라고 지칭함)는 증폭 및 로우패스 필터(205)를 통해 Z축 제2 센서(203)로부터의 음향신호를 -45도 위상 쉬프트된 신호에 변조하여 변조된 Z- 음향신호를 출력한다. Z축 제2 변조기(209)에 입력되는 -45도 위상 쉬프트된 신호는 싸인 펄스 체배 및 위상 쉬프트기(213)에 의해 출력된다.

싸인 펄스 생성기(211)는 지정된 주파수의 싸인파 신호를 생성하여 출력한다. 예를 들어 싸인 펄스 생성기(211)는 7.5 KHz로 지정된 주파수의 싸인파 신호를 생성하여 출력할 수 있다.

싸인 펄스 체배 및 위상 쉬프트기(213)는 싸인 펄스 생성기(211)로부터의 싸인파 신호를 지정된 배수의 주파수 신호로 체배하여 출력한다. 예를 들어 싸인 펄스 체배 및 위상 쉬프트기(213)는 입력된 7.5 KHz의 싸인파 신호를 2배인 15 KHz 싸인파 신호로 체배하여 출력할 수 있다.

또한, 싸인 펄스 체배 및 위상 쉬프트기(213)는 체배된 싸인파 신호를 위상 쉬프트하여 쉬프트된 싸인파 신호를 출력할 수 있다. 싸인 펄스 체배 및 위상 쉬프트기(213)는 체배된 싸인파 신호를 +45도 위상 쉬프트하여 쉬프트된 싸인파 신호를 출력하고 -45도 위상 쉬프트하여 쉬프트된 싸인파 신호를 출력한다.

Z축 합성기(215)는 센싱된 각종 음향신호와 기준 신호를 합성하여 출력한다. Z축 합성기(215)에서 합성되어 출력되는 합성신호를 이하에서는 '제2 복합신호'로 지칭한다.

Z축 합성기(215)에 의해서 생성되는 제2 복합신호는 Z축 제2 센서(203)로부터의 음향신호, Z축 제1 변조기(207)에서 변조된 음향신호, Z축 제2 변조기(209)에서 변조된 음향신호가 합성되어 있다. 제2 복합신호는 나아가 두 개의 기준(Reference) 신호를 더 포함한다. 하나의 기준 신호는 싸인 펄스 생성기(211)의 싸인파 신호이고 다른 하나의 기준 신호는 싸인 펄스 체배 및 위상 쉬프트기(213)에 의해서 체배된 신호이다. 이러한 기준 신호는 이후 합성된 음향 신호들의 복조(demodulation)를 위해서 이용 가능하다.

그 외, Z축 합성기(215)는 콘트롤러(221)를 통해 출력되는 상태 신호를 제2 복합신호에 더 합성할 수 있다. 상태 신호는 콘트롤러(221)에 의해서 판단되는 이상 상태를 나타내기 위한 정보 데이터를 인코딩한 신호일 수 있고 예를 들어 특정 주파수(예를 들어 2500 Hz ~ 3200 Hz 사이의 주파수)에 인코딩될 수 있다.

Z축 합성기(215)를 통해 출력되는 제2 복합신호는 아래의 식을 통해서 간단하게 표현할 수 있다.

제2 복합신호 = -Z축_음향신호(203,205) + +Z축_+45도_변조신호(207) + -Z축_-45도_변조신호(209) + 상태 신호(221) + 주파수기준신호(211) + 위상기준신호(213).

도 5는 위 식을 통해 구성된 제2 복합신호의 구성 예를 나타낸다.

스위치(217)는 여러 신호를 입력 신호로 수신하고 콘트롤러(221)의 제어에 따라 선택된 신호를 출력한다. 스위치(217)는 신호 케이블의 신호 라인을 통해 수신되는 XY축 센서 모듈(400)로부터의 제1 복합신호, Z축 합성기(215)로부터의 제2 복합신호, GPS 모듈(101)로부터의 GPS 신호 중 하나의 신호를 콘트롤러(221)로부터 수신된 제어 신호에 따라 선택하여 선택된 신호를 신호 케이블의 신호 라인을 통해 연결되는 부이 모듈(100)의 무선신호 송출기(103)로 출력한다.

메모리(219)는 각종 데이터, 프로그램 등을 저장한다. 메모리(219)는 휘발성 메모리 및/또는 비휘발성 메모리를 포함한다. 적어도 메모리(219)는 구비된 비휘발성 메모리에 수중음향 탐지장치(10)(특히 Z축 센서 모듈(200))의 설정 데이터와 콘트롤러(221)에서 이용가능한 프로그램 코드를 저장한다.

메모리(219)에 저장되는 설정 데이터에는 무선신호 송출이 이루어질 지역범위, 최초 송출 시작 시각 및 송출 주기, 스위치(217)를 통해 송출될 신호와 신호 간의 순서, 각 신호의 송출 시간, 전원 절약을 위해 이용 가능한 여러 절전모드 중에서 설정되는 절전모드 등이 있을 수 있다. 이러한 설정 데이터는 수중음향 탐지장치(10)의 수중 투하 전에 미리 설정된다.

무선신호 송출의 지역범위는 특정 직사각형의 공간 영역을 나타낼 수 있고 두 개의 이상의 위도와 경도 데이터의 위치 지점 쌍으로 표현될 수 있다.

최초 송출 시작 시각 및 송출 주기 중 최초 송출 시작 시각은 무선신호 송출기(103)를 통해 출력되고 스위치(217)를 통해 스위칭이 시작될 최초 시각을 나타낸다. 최초 송출 시작 시각 이후에 스위치(217)가 동작하여 스위칭된 신호가 무선신호 송출기(103)를 통해 FM 변조 등을 통해 공중으로 출력될 수 있다.

송출 주기는 일련의 신호들이 무선신호로 출력될 반복 주기를 나타낸다. 송출 주기가 도래함에 따라 새로운 시분할 송출 데이터(신호) 스트림이 구성되어 스위치(217)를 통해 공중으로 출력될 수 있다.

스위치(217)를 통해 송출될 신호는 제1 복합신호, 제2 복합신호, GPS 신호 중에서 출력될 신호들을 나타내고 신호 간의 순서는 출력된 신호들 사이에서의 선후 관계를 나타낸다.

각 신호의 송출 시간은 해당 신호의 출력 시에 연속적으로 출력되는 시간을 나타낸다. 예를 들어 GPS 신호는 10초, 제1 복합신호는 3분, 제2 복합신호는 5분 등의 형태의 데이터로 출력 시간이 메모리(219) 등에 저장될 수 있다.

절전 모드는 수중음향 탐지장치(10), 특히 Z축 센서 모듈(200),의 전원 절약을 위해 설정되는 모드이다. 수중음향 탐지장치(10)는 적어도 두 개의 절전모드를 가질 수 있는 데 하나의 절전모드(이하 '절전모드 1'이라 지칭함)는 지정된 신호 순서에 따라 신호를 송출한 후에 일정한 시간 동안 절전모드(콘트롤러(221)에 의한 절전모드)로 전환하는 방식이다. 다른 하나의 절전모드(이하 '절전모드 2'라 지칭함)는 신호(예를 제2 복합신호)로부터 이상 상태를 판단하고 이상 상태가 판단되지 않는 경우에는 무선신호 송출기(103)를 통해 무선신호를 송출하지 않고 이상 상태가 판단되는 경우에만 (이후) 무선신호를 송출하도록 구성된다.

콘트롤러(221)는 수중음향 탐지 장치를 제어하도록 구성되고 바람직하게는 메모리(219)에 저장된 프로그램을 이용하여 각종 제어를 수행하도록 구성된다. 콘트롤러(221)는 마이컴, CPU, DSP(Digital Signal Processing), MPU 등을 나타내거나 포함할 수 있다. 콘트롤러(221)는 하나 이상의 ADC(Analog Digial Converter), DAC(Digital Analog Converter), 디멀티플렉스(De-Mux), 복조기 등을 설계예에 따라 더 포함할 수도 있다.

콘트롤러(221)를 통한 제어 예를 살펴보면, 콘트롤러(221)는 GPS 모듈(101)을 통해 GPS 신호를 계속 수신하고 GPS 신호로부터 현재 시각과 현재 위치를 결정한다.

콘트롤러(221)는 결정된 현재 위치가 메모리(219)의 지역범위 내인지를 결정하고 지역범위 내인 경우에 콘트롤러(221)는 메모리(219)의 최초 송출 시작 시각 및 송출 주기를 이용하여 시분할 송출 데이터(신호) 스트림의 시작 시각을 결정한다. 예를 들어 콘트롤러(221)는 최초 송출 시작 시각 이후 송출 주기에 따른 여러 시각 중에서 현재 시각 직후의 시각을 시분할 송출 데이터(신호) 스트림의 시작 시각으로 결정한다.

타이머 등을 이용하여 현재 시각으로부터 시분할 송출 데이터(신호) 스트림의 시작 시각에 도달한 경우에 콘트롤러(221)는 송출될 신호와 신호 간의 순서, 송출 시간 등을 이용하여 제어신호를 스위치(217)로 출력하여 약속된 순서와 시간에 따른 신호를 스위치(217)를 통해 출력시킨다.

이와 같이, 콘트롤러(221)는 스위치(217)를 제어하여 시분할 송출 신호 스트림을 무선신호 송출기(103)를 통해 출력할 수 있다.

도 3은 시분할 송출 신호 스트림의 예를 도시한 도면이다. 도 3의 (a)는 절전모드 1에서의 시분할 송출 신호 스트림의 예를 나타내고 도 3의 (b)는 절전모드 2에서의 시분할 송출 신호 스트림의 예를 나타낸다.

도 3에서 알 수 있는 바와 같이 스위치(217)를 통해 출력되는 신호 스트림은 GPS 신호, 제1 복합신호, 제2 복합신호가 멀티플렉싱된다. 각각의 신호 들은 메모리(219)의 지정된 시간에 출력되도록 콘트롤러(221)가 제어한다.

절전모드 1에서는 송출 주기 중 신호 출력 시간을 제외한 시간 동안에 콘트롤러(221)가 절전모드로 전환하여 전원을 절약하도록 구성된다. 절전모드 2에서는 송출 주기 동안에 제1 복합신호나 제2 복합신호를 통해 이상 상태를 판단(결정)하고 이상 상태가 인식되는 경우에만 GPS 신호, 제1 복합신호 및 제2 복합신호를 출력하고 이상 상태가 인식되지 않는 경우에는 콘트롤러(221)는 송출 주기마다 절전모드로 전환하여 전원을 절약할 수 있다.

도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 콘트롤러(221)는 GPS 신호를 통해 현재 시각을 인식하고 현재 시각에 기초하여 이후 송출 시작 시각을 결정하여 결정된 송출 시작 시각에서 시작하여 각 신호(GPS 신호, 제1 복합신호, 제2 복합신호)의 순서 및 시간 등의 정보를 활용하여 GPS 모듈(101)로부터의 GPS 신호(또는 콘트롤러(221)로부터 출력되는 GPS 신호), XY축 센서 모듈(400)로부터의 제1 복합신호, Z축 센서 모듈(200)로부터의 제2 복합신호를 스위칭하기 위한 제어신호를 생성 및 스위치(217)로 출력한다.

예를 들어, 콘트롤러(221)에서 결정되는 송출 주기의 시작 시각인 t0 시점에 스위치(217)를 제어하기 위한 콘트롤러(221)가 제어신호를 출력하여 GPS 신호를 출력하도록 하고 이후 t1 시점에 제1 복합신호가 출력되도록 제어신호를 스위치(217)로 출력하고 t2 시점에 제2 복합신호가 출력되도록 제어신호를 변경하여 스위치(217)로 출력한다.

t3 시점에 콘트롤러(221)는 절전모드로 전환하여 무선신호 송출기(103)를 통한 무선신호의 출력을 지정된 시간 동안에(제1 절전모드) 또는 지정된 조건을 만족하는 동안에(제2 절전모드) 중단하고 절전모드로 전이하여 각 블록의 전원을 관리할 수 있다. 절전 동안에 콘트롤러(221)는 다른 블록에 공급되는 전원 공급을 차단할 수 있다. 특히, 콘트롤러(221)는 무선신호 송출기(103)에 공급되는 전원을 절전 시간 동안 차단할 수 있다.

콘트롤러(221)는 이상 상태를 감지하고 감지된 이상 상태를 나타내기 위한 상태 신호를 생성하여 Z축 합성기(215)로 출력할 수 있고 나아가 이상 상태의 감지를 활용(제2 절전모드)하여 전원을 절약 또는 관리할 수 있다.

좀 더 구체적으로 살펴보면, 콘트롤러(221)는 구비된 ADC를 통해 Z축 제1 센서(201) 및 Z축 제2 센서(203)로부터 음향신호를 수신하고 두 음향신호를 비교한다. 비교결과 Z축 제2 센서(203)로부터의 음향신호가 Z축 제1 센서(201)로부터의 음향신호보다 임계치 이상의 차이를 가지는 경우엔 이상 상태를 나타내는 정보 데이터를 생성하고 생성된 정보 데이터에 대응하는 상태 신호로 변환하여 이를 Z축 합성기(215)로 출력한다. 콘트롤러(221)는 구비된 DAC 등을 통해 특정 주파수를 나타내는 상태 신호를 Z축 합성기(215)로 출력 가능하다.

자세히 살펴보면, 콘트롤러(221)는 구비된 복수의 ADC(Analog Digital Converter)를 통해 Z축 제1 센서(201)로부터의 증폭되고 필터링된 센싱된 음향신호의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고 Z축 제2 센서(203)로부터 센싱된 음향신호의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다.

콘트롤러(221)는 센싱된 음향신호의 디지털 스트림을 대상으로 주파수 도메인 신호로 변환한다. 예를 들어 콘트롤러(221)는 Z축 제1 센서(201)로부터의 음향신호를 FFT(Fast Fourier Transform)의 스펙트럼 연산을 수행하고 또한 Z축 제2 센서(203)로부터의 음향신호를 FFT 스펙트럼 연산을 수행한다.

FFT 연산을 통해 콘트롤러(221)는 Z축 제1 센서(201) 및 Z축 제2 센서(203)로부터의 주파수 스펙트럼을 획득하고 콘트롤러(221)는 Z축 제2 센서(203)로부터의 주파수 성분세기를 Z축 제1 센서(201)로부터의 주파수 성분세기와 비교하고 특정 주파수에서 성분세기 차이(예를 들어, Z축 제2 센서(203) 주파수 성분세기 - Z축 제1 센서(201) 주파수 성분세기)가 설정된 임계치 이상의 차이를 나타내는 경우에 이상 상태를 나타내는 정보 데이터를 생성한다.

예를 들어, 콘트롤러(221)는 하나 이상의 이상 상태 레벨을 구비하고 주파수 성분간 세기 차이가 제1 임계치(정상 여부를 판별하기 위한 임계 레벨) 이내인 경우에 정상 상태(정상 레벨)를 나타내는 정보 데이터를 생성한다. 만일, 주파수 성분 간 세기 차이가 제1 임계치 이상이나 제2 임계치(이 임계치는 제1 임계치보다 큼) 이하인 경우에 주의 레벨(제1 레벨)의 이상 상태를 나타내는 정보 데이터를 생성한다.

만일, 주파수 성분 간 세기 차이가 제2 임계치 이상이나 제3 임계치(이 임계치는 제2 임계치보다 큼) 이하인 경우에 경계 레벨(제2 레벨)의 이상 상태를 나타내는 정보 데이터를 생성한다. 만일, 주파수 성분 간 세기 차이가 제3 임계치 이상인 경우에 경고 레벨(제3 레벨)의 이상 상태를 나타내는 정보 데이터를 생성한다.

콘트롤러(221)는 생성된 정보 데이터에 대응하는 상태 신호를 DAC 등을 통해서 생성하여 출력한다. 예를 들어 콘트롤러(221)는 정상 상태에 대응하는 상태 신호를 생성하도록 DAC를 제어하여 2500 Hz의 신호를 생성하여 Z축 합성기(215)로 출력하고 제1 레벨에 대응하는 상태 신호를 생성하도록 DAC를 제어하여 2550 Hz의 신호를 생성하여 Z축 합성기(215)로 출력한다. 또한, 콘트롤러(221)는 제2 레벨에 대응하는 상태 신호를 생성하도록 DAC를 제어하여 2600 Hz의 신호를 생성하여Z축 합성기(215)로 출력하고 제3 레벨에 대응하는 상태 신호를 생성하도록 DAC를 제어하여 2600 Hz의 신호를 생성하여 Z축 합성기(215)로 출력한다.

이와 같이 콘트롤러(221)는 2500 Hz 이상에서 이상 상태를 나타내는 상태 신호를 인코딩하여 제2 복합신호를 통해 출력할 수 있다. 일반적으로 음탐사는 5Hz에서 2400 Hz 사이의 음파 신호를 탐지한다. 따라서 2500Hz 이상에 이상 상태를 나타내도록 인코딩함으로써 음탐사의 방해없이 용이하게 이상 상태를 내장시킬 수 있다.

그 외, 콘트롤러(221)는 다른 주파수(예를 들어 2800 Hz ~ 3200 Hz)에 수중음향 탐지장치(10)의 각종 설정 데이터를 나타내도록 인코딩할 수 있다. 예를 들어 콘트롤러(221)는 절전모드, 송출 주기 등의 설정값을 2800 Hz ~ 3200 Hz에 인코딩하여 Z축 합성기(215)로 출력하고 이를 수중음향 탐지시스템으로 전달 가능하다. 또는 콘트롤러(221)는 수중음향 탐지장치(10)의 식별자를 이 다른 주파수 범위(예를 들어 2800 Hz ~ 3200 Hz)에 인코딩할 수도 있다. 수중음향 탐지장치(10)의 식별자는 콘트롤러(221)에 의해 인코딩되어 무선신호로 송출될 수 있다.

한편, 콘트롤러(221)는 설정된 절전모드에 따라 무선신호의 송출을 제어하도록 구성되고 특히 제2 절전모드에서 지정된 조건을 만족하는 경우 무선신호 송출을 중단하도록 구성된다. 제2 절전모드에서 Z축 제1 센서(201) 및 Z축 제2 센서(203)의 음향신호에 대한 주파수 분석 등을 통해 정상 상태인 것으로 결정된 경우, 이후 시분할 송출 신호 스트리밍의 출력을 중단하고 이상 상태를 발견한 경우에, 콘트롤러(221)는 이후의 시분할 송출 신호 스트리밍이 스위치(217)를 통해 출력될 수 있도록 스위치(217)를 제어한다.

이와 같이, 콘트롤러(221)는 절전모드에 따라 전원 제어를 수행하여 소비되는 전력을 줄일 수 있다.

또한, 결정된 현재 위치가 메모리(219)의 지역범위를 벗어나는 경우에 콘트롤러(221)는 연결된 신호 케이블의 특정 신호 라인을 통해 부이 모듈(100)을 제어하여 부력을 제공하는 부이를 파괴(파손)할 수 있다. 콘트롤러(221)는 부이의 파괴 외에 메모리(219) 등에 저장된 각종 데이터를 삭제하고 프로그램을 동작 중단할 수 있다.

도 6은 수중음향 분석장치(20)의 예시적인 블록도를 도시한 도면이다.

도 6에 따르면 수중음향 분석장치(20)는 무선 안테나(21), RF 증폭기 & 리시버(22), 디지타이저(23), 저장부(24), 입력부(25), 디스플레이(26), GPS 수신부(27) 및 신호분석 제어부(28)를 포함한다. 도 7의 (a)의 예에서 알 수 있는 바와 같이 수중음향 탐지시스템은 수중음향 분석장치(20), 하나 이상의 수중음향 탐지장치(10)를 포함하고 수중음향 분석장치(20)는 배, 함정, 비행기 등에 탑재될 수 있는 장치이다.

수중음향 분석장치(20)는 수중에 투하된 수중음향 탐지장치(10)와 연계하여 수중소음을 분석하도록 구성되는 데, 무선 안테나(21)는 수중음향 탐지장치(10)로부터 송출되는 무선신호를 인식할 수 있다. 무선 안테나(21)는 VHF 안테나 일 수 있다.

RF 증폭기 & 리시버(22)는 무선 안테나(21)의 신호를 증폭하고 각 RF 채널별로 FM 신호를 복조(demodulation)한다. RF 증폭기 & 리시버(22)는 다수의 RF 채널에 대한 FM 신호를 복조할 수 있도록 구성될 수 있다.

디지타이저(23)(Digitizer)는 하나 또는 복수의 RF 채널 각각의 복조된 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환한다. 예를 들어 디지타이저(23)는 샘플링 주기(예를 들어 96KHz, 192KHz, 384KHz 등)에 따라 복조된 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환하고 변환된 디지털 데이터를 출력한다. 변환된 디지털 데이터는 GPS 신호, 제1 복합신호, 제2 복합신호 등을 포함하는 시분할 송출 데이터 스트림일 수 있다.

저장부(24)는 비휘발성 메모리, 휘발성 메모리 및/또는 하드디스크 등과 같은 대용량 저장매체를 구비하여 각종 데이터와 프로그램을 저장한다. 저장된 프로그램 중 하나는 신호분석 제어부(28)에서 이용 가능한 신호분석 프로그램일 수 있다. 저장부(24)는 일련의 시분할 송출 데이터 스트림을 수신 시각에 맵핑하여 저장할 수 있다.

저장부(24)는 모든 또는 각각의 수중음향 탐지장치(10)의 설정 데이터를 저장할 수 있다.

입력부(25)는 사용자 입력을 수신할 수 있다. 입력부(25)는 마우스, 터치 패널, 버튼, 키보드 등을 구비하여 수중 음향신호를 탐지하거나 임의의 또는 특정 음향신호를 선택할 수 있다.

하나 이상의 디스플레이(26)는 LCD, LED, CRT 모니터를 구비하여 수중음향 탐지장치(10)에 관련된 각종 분석 정보를 출력할 수 있다. 예를 들어 하나의 디스플레이(26)는 RF 채널로 수신된 시분할 송출 데이터 스트림으로부터 복합신호를 추출하고 복합신호에 대한 1차원 스펙트럼(예를 들어 주파수 스펙트럼)이나 2차원 스펙트럼(예를 들어 스펙트로그램)을 디스플레이할 수 있다. 다른 하나의 디스플레이(26)는 수중음향 탐지장치(10)의 현재 위치를 디스플레이하고 각 수중음향 탐지장치(10)에서 탐지한 음향의 탐지 방향을 디스플레이할 수 있다.

이와 같이 디스플레이(26)는 각종 정보를 출력할 수 있고 입력부(25)를 통한 입력으로 선택된 특정 정보를 출력하거나 임의의 정보를 필터링할 수 있다.

GPS 수신부(27)는 GPS 안테나를 구비하여 GPS 위성 신호를 수신한다. GPS 수신부(27)는 GPS 위성 신호로부터 수중음향 분석장치(20)의 현재 위치를 결정할 수 있고 나아가 현재 시각을 결정할 수 있다.

신호분석 제어부(28)는 저장부(24)에 저장된 수중음향 탐지장치(10)의 설정 데이터와 GPS 수신부(27)로부터 결정되는 현재 시각을 이용하여 시분할 송출 데이터 스트림을 추출하고 분석할 수 있다.

신호분석 제어부(28)는 프로그램 코드를 수행할 수 있는 실행 유닛을 하나 이상 포함하여 저장부(24)에 저장된 신호분석 프로그램을 로딩하여 각종 분석을 수행할 수 있다.

신호분석 제어부(28)는 GPS 시각에 동기화하여 시분할 송출 데이터 스트림을 추출하고 시분할 송출 데이터 스트림에서 GPS 신호, 제1 복합신호, 제2 복합신호를 추출할 수 있다.

신호분석 제어부(28)는 추출된 일련의 제1 복합신호로부터 전방향 음향신호, X축 방향 음향신호 및 Y축 방향 음향신호를 추출하고 인식되는 음향신호의 방향을 탐지할 수 있다.

또한, 신호분석 제어부(28)는 추출된 일련의 제2 복합신호로부터 +Z축 방향의 음향신호와 -Z축 방향의 음향신호를 추출하고 특히 -Z축 방향의 음향신호를 입력부(25)를 통한 선택에 따라 구비된 스피커, 이어폰잭, 및/또는 마이크폰 잭 등을 통해 출력할 수 있다.

또한, 신호분석 제어부(28)는 -Z축 방향의 음향신호에 대한 주파수 스펙트럼을 FFT 연산을 통해 생성하고 생성된 주파수 스펙트럼을 디스플레이(26)에 출력(도 7의 (b) 참조)할 수 있다.

또한, 신호분석 제어부(28)는 +Z축(수상) 방향의 음향신호에 대한 주파수 스펙트럼을 FFT 연산을 통해 생성하고 -Z축(수중) 음향신호의 주파수 스펙트럼에서 +Z축 음향신호의 주파수 스펙트럼의 차(예를 들어 주파수 성분 간의 주파수 성분세기 차이)로 수중 음향의 주파수 스펙트럼을 생성할 수 있다. 신호분석 제어부(28)는 생성된 수중 음향의 주파수 스펙트럼을 디스플레이(26)로 출력(도 7의 (c) 참조)하고 생성된 수중 음향의 주파수 스펙트럼을 역변환(Inverse FFT)하여 구비된 스피커, 이어폰잭, 및/또는 마이크폰 잭 등을 통해 출력할 수 있다.

이와 같은 구성을 통해 수중 음향을 쉽게 분리할 수 있고, 휴먼 에러를 줄이면서 수중음향 분석장치(20)가 용이하게 수중 음향을 분석할 수 있다. 또한 수중음향 탐지장치(10)의 자가탐지 기능을 제공함으로써 용이하게 탐지해야 할 음향 대상을 찾을 수 있도록 한다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

10 : 수중음향 탐지장치
100 : 부이 모듈
101 : GPS 모듈 103 : 무선신호 송출기
105 : GPS 안테나 107 : 무선 안테나
200 : Z축 센서 모듈
201 : Z축 제1 센서 203 : Z축 제2 센서
205 : 증폭 및 로우패스 필터
207 : Z축 제1 변조기 209 : Z축 제2 변조기
211 : 싸인 펄스 생성기 213 : 싸인 펄스 체배 및 위상 쉬프트기
215 : Z축 합성기 217 : 스위치
219 : 메모리 221 : 콘트롤러
300 : 댐퍼
400 : XY축 센서 모듈
401 : X축 센서 403 : Y축 센서
405 : 전방향 센서 407 : 증폭 및 로우패스 필터
409 : X축 변조기 411 : Y축 변조기
413 : 지자계 센서 415 : +45도 위상 쉬프트기
417 : -45도 위상 쉬프트기 419 : 싸인 펄스 생성기
421 : 싸인 펄스 체배기 423 : XY축 합성기
20 : 수중음향 분석장치
21 : 무선 안테나 22 : RF 증폭기 & 리시버
23 : 디지타이저 24 : 저장부
25 : 입력부 26 : 디스플레이
27 : GPS 수신부 28 : 신호분석 제어부

Claims (5)

1. 음향센서를 이용한 수중음향 탐지장치로서,
   센싱된 음향신호들을 합성한 시분할 복합신호를 무선신호로 송출하고 수면에 뜨도록 구성된 부이 모듈;
   X축 센서, Y축 센서 및 전방향 센서를 구비하여 수면으로부터 수평한 X축 및 Y축 방향의 음향신호를 센싱하고 X축 및 Y축 방향의 음향신호를 나타내는 제1 복합신호를 출력하는 XY축 센서 모듈; 및
   상기 XY축 센서 모듈이 내장되는 기구물과는 다른 기구물에 내장되고 상기 XY축 센서 모듈로부터의 제1 복합신호를 연결된 신호 케이블을 통해 수신하는 Z축 센서 모듈;을 포함하며,
   상기 Z축 센서 모듈은 상기 부이 모듈 및 상기 XY축 센서 모듈의 사이에 위치하여 수면으로부터 수직한 Z축 방향의 음향신호를 센싱하고 Z축 방향에서 센싱된 음향신호를 포함하는 제2 복합신호를 생성하고 수신된 상기 제1 복합신호 및 상기 제2 복합신호를 합성한 시분할 복합신호를 신호 라인을 통해 상기 부이 모듈로 출력하는,
   수중음향 탐지장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 Z축 센서 모듈은,
   수면 방향으로부터의 음향신호를 센싱하기 위한 Z축 제1 센서;
   수중 방향으로부터의 음향신호를 센싱하기 위한 Z축 제2 센서;
   상기 Z축 제1 센서로부터의 음향신호를 변조하는 Z축 제1 변조기;
   상기 Z축 제2 센서로부터의 음향신호를 변조하는 Z축 제2 변조기; 및
   상기 Z축 제2 센서로부터의 음향신호와 상기 Z축 제1 변조기에서 변조된 음향신호 및 상기 Z축 제2 변조기에서 변조된 음향신호를 제2 복합신호로 합성하는 Z축 합성기;를 포함하는,
   수중음향 탐지장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 Z축 센서 모듈은,
   수면 방향으로부터의 음향신호를 센싱하기 위한 Z축 제1 센서;
   수중 방향으로부터의 음향신호를 센싱하기 위한 Z축 제2 센서;
   상기 Z축 제1 센서 및 상기 Z축 제2 센서의 음향신호의 합성을 통해 구성되는 제2 복합신호와 연결된 신호 케이블의 신호라인을 통해 상기 XY축 센서 모듈로부터 수신된 제1 복합신호를 제어 신호에 따라 스위칭하여 시분할 복합신호로 출력하는 스위치; 및
   상기 스위치의 신호 스위칭을 제어하기 위한 상기 제어 신호를 출력하는 콘트롤러;를 포함하고,
   상기 콘트롤러는 설정된 송출 주기에 따라 송출 주기의 기간 내 각각의 제1 및 제2 복합신호에 설정된 시간동안 각각의 제1 및 제2 복합신호를 스위칭하여 출력되도록 상기 스위치를 제어하는,
   수중음향 탐지장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 콘트롤러는 상기 Z축 제1 센서로부터의 음향신호와 상기 Z축 제2 센서로부터의 음향신호를 비교하고 상기 Z축 제2 센서로부터의 음향신호가 상기 Z축 제1 센서로부터의 음향신호보다 임계치 이상의 차를 가지는 경우에 이상 상태를 나타낼 수 있는 정보 데이터의 상태 신호를 상기 제2 복합신호에 합성되도록 하고,
   상기 이상 상태가 인식되는 경우에만, 상기 콘트롤러는 상기 스위치를 제어하여 시분할 복합신호를 구성하고 구성된 시분할 복합신호를 상기 부이 모듈로 출력하며,
   상기 이상 상태를 나타내는 상태 신호는 상기 Z축 제1 센서 및 상기 Z축 제2 센서의 음향신호의 주파수 대역과는 다른 주파수 대역에 인코딩되는,
   수중음향 탐지장치.
5. 제3항에 있어서,
   상기 부이 모듈은 GPS 모듈;을 포함하고,
   상기 스위치는 상기 제1 복합신호, 상기 제2 복합신호 및 상기 GPS 모듈로부터의 GPS 신호를 수신된 제어 신호에 따라 시분할 복합신호로 출력하며,
   상기 콘트롤러는 상기 GPS 모듈의 GPS 신호로부터 현재 시각과 현재 위치를 결정하고 현재 위치가 설정된 송출 지역범위내 인 경우 상기 현재 시각 이후 송출 시작 시각부터 송출 주기의 기간 내에 상기 제1 복합신호, 상기 제2 복합신호 및 상기 GPS 신호에 설정된 시간동안 상기 제1 복합신호, 상기 제2 복합신호 및 상기 GPS 신호를 스위칭하여 출력되도록 상기 스위치를 제어하는,
   수중음향 탐지장치.

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