KR101782493B1

KR101782493B1 - 음향위장신호 발생용 수중음원시스템 및 운용방법

Info

Publication number: KR101782493B1
Application number: KR1020170050022A
Authority: KR
Inventors: 이상규; 한승진; 윤형규; 정우진; 이용곤
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2017-04-18
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2017-09-27

Abstract

본 발명인 수중음향위장신호시스템은, 함정(Naval Vessel)의 방사소음을 추정한 후, 방사소음을 위장하는 디지털 음향위장신호를 생성하는 신호생성기, 디지털 음향위장신호를 아날로그 신호로 변환하는 제1신호변환기 및 아날로그 신호를 저주파 신호와 고주파 신호로 각각 분리하는 복수의 필터기를 구비한 센서연동기, 저주파 및 고주파 신호를 각각 증폭하는 복수의 전력증폭기, 전력증폭기로부터 전달된 신호들을 수중에 송출하는 수중센서기를 포함하고, 수중으로 송출한 신호의 모니터링을 위해 수중센서기는 수중 음향 신호를 수신하는 수중청음기, 센서연동기는 수중청음기로부터 전달받은 아날로그 신호를 증폭하는 신호증폭기 및 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환시키는 제2신호변환기, 신호제어기는 상기 제2신호변환기로부터 변환된 디지털 음향모니터링신호를 수집 및 분석하는 데이터수집분석기를 더 포함한다.

Description

음향위장신호 발생용 수중음원시스템 및 운용방법{UNDERWATER ACOUSTIC PROJECTOR SYSTEM AND OPERATING METHOD FOR GENERATING CAMOUFLAGE SIGNAL}

본 발명은 함정(Naval Vessel)이 수동소나시스템(Passive Sound Navigation And Ranging Systems)에 탐지될 가능성이 높은 경우, 음향위장신호를 생성하여 함정에서 발생하는 방사소음을 왜곡시키고, 음향위장신호를 수중으로 송출하여 함정의 방사소음에 대해 식별률을 감소시키는 수중음향위장신호시스템 및 이에 대한 운용방법에 관한 것이다.

수중에서는 전파보다 월등히 원거리까지 신호 전송이 가능한 음파를 이용하는 소나(SONAR, Sound Navigation And Ranging, 이하 소나)로 표적을 탐지, 식별 및 추적한다. 표적에서 발생하는 음향신호를 탐지하는 수동소나시스템(Passive SONAR)에서는 적함에서 발생하여 전파되어 온 방사소음을 탐지한 후, 식별과정에서 분석 및 규명을 거쳐서 방사 소음원을 추정하고 위협이 되는 적함인지의 여부를 판단한다. 수동소나시스템에 탐지되는 함정의 방사소음은 크게 3가지가 있는데, 기계류 소음 등의 원인으로 발생한 토널성 소음인 협대역 소음(Narrowband noise), 유체소음과 캐비테이션(Cavitation) 등의 원인으로 발생하여 특정 토널이 없이 연속적인 주파수 특성을 갖는 소음인 광대역 소음(Broadband noise), 그리고 어뢰 발사 시와 같이 매우 짧은 순간 나타나는 소음인 천이소음(Transient noise) 등 이다. 수동소나시스템은 이와 같이 방사소음의 다양한 소음원을 분석한 후, 보유중인 각종 함정의 방사소음 데이터베이스와 비교함으로써 표적을 추정하게 된다.

수동소나시스템의 발달은 아군의 수중 유·무인함의 작전 중 피탐 확률을 증가시켜 함정의 생존성에 큰 위협이 되고 있으며, 이에 대응하기 위한 기술개발은 함정의 생존성 향상을 위해서 필수적이다.

함정의 생존성을 높이기 위한 종래 기술로, 방사소음 준위를 감소시키는 기술이 오랫동안 개발(추진기/탑재장비 저소음화 기술과 능동·수동 진동전달 최소화 기술 등)되어 왔으나, 적함의 수동소나시스템을 무력화시키는 수준까지 방사 소음의 준위를 완벽하게 줄이는 것은 현 기술로는 불가능하다는 문제점이 있다.

함정의 생존성을 높이기 위한 다른 방법으로 적군의 수동소나시스템에 탐지된 아함의 방사소음에 대한 식별률을 최소화시키는 방법이 있다. 이를 구현하기 위한 한 가지 방법으로 해군에서는 아함의 방사소음 데이터베이스를 타군이 획득하기 어렵도록 함정 운용 시 인위적인 수중 소음신호를 발생시키는 조음기(NAU, Noise Augmentation Unit)를 활용한다. 그러나 조음기는 단일 수중 음향 발생기(Underwater acoustic projector)를 이용하므로 광대역에서 높은 음원 준위(Source Level)을 갖는데 한계가 있으며, 특히 함정별 방사소음의 특징이 뚜렷한 저주파수 대역에서 음원 준위를 증가시키는데 한계가 있다.

본 발명의 첫 번째 목적은, 아함이 적함 수동소나시스템의 식별률을 낮춰서 아함의 생존성을 높이기 위해 음향위장신호를 생성하여 함정에서 발생하는 방사소음을 왜곡시키는 데에 있다.

본 발명의 두 번째 목적은, 본 발명은 생성된 음향위장신호가 광대역, 특히 저주파수 대역에서 높은 음원 준위를 가지고 수중으로 송출하는 데에 있다.

본 발명의 세 번째 목적은, 송출한 음향위장신호의 적합 여부를 모니터링하는 시스템을 구축하는 데에 있다.

본 발명의 네 번째 목적은, 수중음향위장신호시스템의 운용 방법을 제안하는 데에 있다.

본 발명의 첫 번째 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 수중음향위장신호시스템은, 디지털 음향위장신호를 생성하는 신호제어기, 상기 디지털 음향위장신호를 아날로그 신호로 변환하는 제1신호변환기와, 상기 아날로그 신호를 저주파 신호와 고주파 신호로 각각 분리하는 복수의 필터기를 구비한 센서연동기, 상기 저주파 및 고주파 신호를 각각 증폭하는 저주파 전력증폭기와 고주파 전력증폭기, 전력 전달 효율을 향상시키기 위해 상기 저주파 전력증폭기와 상기 고주파 전력증폭기에 연결된 제1임피던스와 제2임피던스 매칭기, 상기 제1임피던스와 제2임피던스 매칭기로부터 전달된 신호들을 수중으로 송출하는 수중센서기 포함하고, 상기 신호제어기는 함정의 운용 상태 별 방사소음 데이터베이스를 바탕으로 현재 함정의 운용 상태에 따른 함정의 방사소음을 추정하고, 기구축한 운용 상태별 수중음향위장신호 데이터베이스에서 함정의 방사소음을 위장하기에 적합한 상기 디지털 음향위장신호를 생성한다.

본 발명의 두 번째 목적을 달성하기 위하여, 상기 수중센서기는 저주파 수중음향발생기와 고주파 수중음향발생기를 포함하고, 상기 고주파 수중음향발생기는 구형 음향발생기(Spherical Projector)를 포함한다.

상기 저주파 수중음향발생기의 일 실시례에 따르면, 저주파 수중음향발생기는 가동 코일형 음향발생기(Moving Coil Project, MCP)를 포함하고, 상기 가동코일형음향발생기는 압력보상실린더가 일체형으로 결합되고, 자계(Magnetic field)를 발생시키는 영구자석 자성체 및 음향 방사판에 결합된 보빈을 포함하고 상기 자계의 방향과 상기 보빈에 원주방향으로 감겨있는 코일의 전류방향이 수직으로 되도록 형성된다.

상기 저주파 수중음향발생기의 다른 일 실시례에 따르면, 저주파 수중음향발생기는 배열형 벤더디스크 음향발생기(Bender Disc Array Projector, BDAP)를 포함하고, 상기 배열형 벤더디스크 음향발생기는 복수 개의 단위 벤더디스크 음향발생기가 일정 간격으로 배열되고, 전기적으로 병렬 연결된다.

상기 단위 벤더디스크 음향발생기는 금속탄성구조부와 압전층을 포함하고, 상기 금속탄성구조부는 상부 탄성구조부가 하부 탄성구조부를 포함하고, 상기 상부 탄성구조부가 상기 하부 탄성구조부에 끼워져 (예를 들어, 억지끼움 방식) 결합되며, 상기 상부 및 하부 탄성구조부의 결합에 의해 상기 금속탄성구조부 내부에 공기실이 형성되며, 상기 압전층은 상기 상부 탄성구조부의 일면에 구비된 상부 압전층과 상기 하부 탄성구조부의 일면에 구비된 하부 압전층을 포함한다.

상기 신호제어기는 기계류 소음으로 위장하는 토널성 협대역 소음, 유체소음과 캐비테이션 소음으로 위장하는 광대역 소음 및 수중 생물 소음신호 중 적어도 어느 하나를 생성하고, 생성된 소음의 주파수 특성을 변경한다.

상기 수중센서기는 수중 유무인함의 선체(Hull)에 부착되거나 선체에 케이블로 연결되어 예인형으로 운용이 가능하다.

본 발명의 세 번째 목적을 달성하기 위하여, 상기 수중센서기는 수중 음향신호를 수신하는 수중청음기를 포함하고, 상기 센서연동기는 상기 수중청음기로부터 전달받은 아날로그 신호를 증폭하는 제3신호증폭기와 상기 제3신호증폭기으로부터 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환시키는 제2신호변환기를 포함하고, 상기 신호제어기는 상기 제2신호변환기로부터 변환된 디지털 음향모니터링신호를 수집 및 분석하는 데이터수집분석기를 포함하고, 상기 데이터수집분석기는 상기 디지털 음향모니터링신호와 상기 디지털 음향위장신호를 시간 영역과 주파수 영역에서 분석한다.

본 발명의 네 번째 목적을 달성하기 위하여, 수중음향위장신호시스템 운영방법은 함정의 운용 상태를 확인하는 제1단계, 상기 운용 상태에 따른 함정(Naval Vessel)의 방사소음을 추정하는 제2단계, 상기 방사소음에 대응되는 수중음향위장신호를 선택하는 제3단계, 상기 추정된 방사소음에 대응하여 상기 수중음향위장신호의 주파수 특성을 조정하는 제4단계, 상기 조정된 수중음향위장신호를 수중으로 송출하는 제5단계, 수중청음기를 이용하여 상기 수중음향모니터링신호를 수신하는 제6단계, 상기 수중음향모니터링신호와 상기 수중음향위장신호를 비교하여 송출된 위장신호에 오류 여부 확인하는 제7단계, 및 상기 함정의 운용상태가 변경되었는지 확인하는 제8단계, 적함으로부터 위협상황이 해제되었는지 판단하는 제9단계, 수중음향위장신호 송출을 중단하는 제10단계를 포함한다.

상기 제7단계에서 오류가 발견된다면, 상기 제3단계로 되돌아가면서 본 발명 시스템의 고장 유무를 점검하는 단계를 포함한다.

상기 제8단계에서 상기 함정의 운용상태가 변경되었다면 상기 제1단계로 되돌아가는 단계를 포함한다.

상기 제9단계에서 적함으로부터 위협상황이 해제되지 않은 경우, 상기 제5단계로 되돌아가는 단계를 포함한다.

상술한 해결수단을 통해 얻게 되는 본 발명의 효과는 다음과 같다.

첫째, 신호제어기는 함정 운용에 따라 발생하는 방사소음을 추정하고, 이를 왜곡시키는 음향위장신호를 생성시킴으로써, 아함이 적함 수동소나시스템의 식별률을 낮춰서 아함의 생존성을 증가시킬 수 있다.

둘째, 수중음향발생기는 광대역(특히, 저주파수대역에서는 높은 음원 준위를 가지기 힘들다는 점) 높은 음원 준위(160dB)를 가진 음향위장신호를 수중으로 송출할 수 있다.

셋째, 수중청음기와, 데이터 수집분석기는 수중으로 송출된 음향위장신호가 적절한 지를 확인함으로써 안정적인 시스템 환경을 제공한다.

넷째, 본 발명의 시스템 운용 방법을 제안함으로써, 적군의 위협상황에 효과적으로 대응할 수 있다.

도 1은 본 발명인 수중음향위장신호시스템을 나타내는 개략도.
도 2은 저주파 수중 음향 발생기인 가동 코일형 음향발생기를 나타내는 도면.
도 3은 저주파 수중 음향 발생기인 배열형 벤더 디스크 음향발생기를 나타내는 도면.
도 4는 저주파 수중 음향 발생기인 벤더 디스크 음향발생기 구성을 나타내는 도면.
도 5는 수중센서기 실시례를 나타내는 도면.
도 6는 수중센서기 음향 송신 특성을 나타내는 실험 데이터.
도 7은 광대역 소음신호를 이용한 음향위장 실시례를 나타내는 도면.
도 8은 수중생물 소음신호를 이용한 음향위장 실시례를 나타내는 도면.
도 9는 대역 소음신호와 토널 소음신호를 이용한 음향위장 실시례를 나타내는 도면.
도 10은 본 발명인 수중음향위장신호시스템 운용방법에 대한 흐름도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 대해서 상세하게 설명한다.

본 명세서에서는 서로 다른 실시례라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조 번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 발명은 아함이 적함 수동소나시스템의 식별률을 낮춰서 아함의 생존성을 높이기 위한 수중음향위장신호시스템(100) 및 운용방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명인 수중음향위장신호시스템(100)을 나타내는 개략도와 본 발명에 포함되는 각 구성을 나타내며, 본 발명인 수중음향위장신호시스템(100)은 신호제어기(110), 센서연동기(120), 전력증폭기(130), 수중센서기(140)를 포함한다.

이하, 본 발명의 각 구성에 대해 이하 상세하게 살펴본다.

본 발명의 신호제어기(110)는 디지털 음향위장신호를 생성하는 신호생성기(111)와 디지털 음향모니터링신호를 수집하고 분석하는 데이터수집분석기(112)를 포함한다.

신호생성기(111)는 현재 계절, 시간, 운항해역, 속도, 수심, 탑재장비 작동 여부 등에 대한 함정의 운용 상태를 확인한 후, 운용 상태별 아함 방사소음 데이터베이스를 바탕으로 현재 운용 상태에서 함정의 방사 소음을 추정하고, 수중음향위장신호 데이터베이스에서 추정된 방사 소음에 대응하는 위장신호를 선택한 후 디지털 음향위장신호를 생성한다. 신호생성기(111)에서는 기계류 소음으로 위장하는 토널성 협대역 소음, 유체소음과 캐비테이션 소음으로 위장하는 광대역 소음, 수중 생물 소음 신호 등을 생성할 수 있다.

데이터수집분석기(112)는 송출된 위장신호를 신호생성기(111)에서 생성한 위장신호와 비교함으로써, 송출된 신호의 오류가 없는지 등, 신호의 적합 여부를 판단한다.

구체적으로, 수중음향위장신호시스템(100)의 실제 사용 환경은 실험 환경과 상이한바, 입력 신호에 따른 출력 음압이 기존 실험으로 예측된 입력 신호 대비 출력 음압이 다른 경우가 있다. 이 경우, 신호생성기(111)는 보정된 신호를 다시 생성하여 송출하도록 한다. 추가적으로, 신호생성기(111)가 생성한 신호의 특성이 데이터수집분석기(112)가 수집한 신호의 분석결과에 반영되지 않을 경우 본 발명의 시스템 내 장치 고장 여부 등을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 데이터수집분석기(112)는 신호생성기(111)에서 생성시킨 디지털 수중음향위장신호가 원하는 음압을 발생시키는데 충분한지 여부를 판단하거나, 함정의 설치된 장치가 제대로 작동하고 있는지 여부를 판단하는데 필요한 정보를 제공한다.

따라서, 신호제어기(110) 내 배치된 신호생성기(111)와 데이터수집분석기(112)가 함정 운용에 따라 발생하는 방사소음을 추정하고, 이를 왜곡시키는 음향위장신호를 생성시키므로, 아함이 적함 수동소나시스템의 식별률을 낮춰서 아함의 생존성을 증가시키고, 수중으로 송출된 음향위장신호가 적합한지 모니터링을 할 수 있다.

본 발명의 센서연동기(120)는 제1신호변환기(121), 저주파대역필터(123), 고주파대역필터(124), 제2신호변환기(122), 제3신호증폭기(125)를 포함한다.

제1신호변환기(121)는 신호생성기(111)로부터 생성된 디지털 음향위장신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털-아날로그 변환기이다.

저주파대역필터(123)와 고주파대역필터(124)는 제1신호변환기(121)로부터 변환된 아날로그 신호를 각 대역필터(123, 124)를 거쳐 저주파 신호와 고주파신호로 분리하고, 분리된 신호를 각 주파수 대역필터에 대응하게 배치된 전력증폭기(130)로 전달한다.

제3신호증폭기(125)는 수중센서기(140)가 음향발생기로부터 수신한 아날로그 신호를 전달받아 증폭시켜 제2신호변환기(122)로 전달한다. 여기서 수중센서기(140)가 수신한 아날로그 신호는 상기 제1신호변환기(121)에서 변환된 아날로그 신호의 특성을 반영하지 않을 수도 있는 바, 이에 대한 판단은 상술한 신호제어기(110)에 포함된 데이터수집분석기(112)에서 이루어진다.

제2신호변환기(122)는 전력증폭기(130)로부터 증폭된 아날로그 신호를 디지털 음향모니터링신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기이다.

본 발명의 전력증폭기(130)는 제1신호증폭기(131), 제1임피던스 매칭기(133), 제2신호증폭기(132), 제2임피던스 매칭기(134)를 포함한다.

센서연동기(120)로부터 분리된 저주파 신호와 고주파신호 각각은 제1 및 제2신호증폭기(131, 132)를 통해 신호가 증폭되고, 전력 전달 효율을 향상 시키기 위해 제1 및 제2임피던스 매칭기(133, 134)를 거쳐 수중센서로 전달된다.

수중센서기(140)는 수중 유무인함의 선체(Hull)에 부착되거나 선체에 케이블로 연결되어 예인형으로 운용이 가능하고, 섬유강화 플라스틱 재질의 유선형 케이스로 제작되어 유체의 저항을 줄일 수 있는 구조이며, 복수 개의 수중음향발생기(141, 142)를 포함한다. 구체적으로 수중음향발생기는 저주파 수중음향발생기(141), 고주파 수중음향발생기(142) 및 수중청음기(143)를 포함한다.

저주파 수중음향발생기(141)는 고출력 음원 준위를 갖는 가동 코일형 음향발생기(Moving Coil Projector, MCP)(150) 또는 배열형 벤더디스크 음향발생기 (Bender Disc Array Projector, BDAP)(160)를 포함한다. 고주파 수중음향발생기(142)는 구형 음향발생기(Spherical Projector)(180)를 포함한다.

도 2를 참고하면, 깊은 수심에서 운용하는데 필요한 압력보상실린더(153)가 일체형으로 결합된 가동 코일형 음향발생기(150)는 자계(Magnetic field)를 발생시키는 영구자석 자성체(152), 음향 방사판(155)에 결합된 보빈(151) 및 자속이 흐르는 요크(154)를 포함한다.

본 발명의 가동 코일형 음향발생기(150)는 영구 자석에 의해 발생 되는 자계의 방향과 음향 방사 판에 결합 된 보빈(151)에 원주방향으로 감겨있는 코일의 전류방향이 수직이 되도록 제작함으로써, 로렌즈 힘(Lorentz force)에 의해 음향 방사판(155)을 상항 수직방향으로 진동시켜 음향을 발생시키고, 직경이 260mm, 높이가 805mm로 수중 유무인함에서 운용이 용이하도록 크기를 최소화한 것이 특징이다.

도 3을 참고하면, 배열형 벤더디스크 음향발생기(160)는 복수 개의 단위 벤더디스크 음향발생기(171)가 일정 간격으로 원통 실린더 케이스(161) 내에 배열되고, 케이스 내부는 절연 오일(165)로 채워져 있다. 각 단위 벤더디스크 음향발생기(171)는 단위 벤더디스크 음향발생기(171)로부터 돌출된 복수 개의 홀에 삽입된 폴(164)과 알루미늄 재질로 제작된 상부베이스(162) 및 하부베이스(163)에 의해 지지되며, 구체적으로 각각의 단위 벤더디스크 음향발생기(171)는 볼트, 너트와 같은 구성을 통해 폴(164)에 결합되고, 폴(164)의 양단은 상부베이스(162) 및 하부베이스(163)에 고정된다.

배열형 벤더디스크 음향발생기(160)의 케이스는 두께 약 5mm인 섬유강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic, FRP) 재질을 가지며, 직경이 175mm, 길이가 700mm로 제작된다. 각각의 단위 벤더디스크 음향발생기(171)는 전기적으로 병렬 연결되어 작동한다.

일 실시례로서, 저주파 영역에서 압전 벤더 디스크의 송신전압응답(TVR)은 단위 벤더디스크 음향발생기(171)의 개수가 증가할수록 증가하나 벤더 디스크저주파대역에서 음원 준위 160dB 이상을 충족하기 위해 단위 벤더디스크 음향발생기(171)의 개수는 12로 결정하였으며, 단위 벤더디스크 음향발생기 간 간격(d)이 작을수록 저주파 영역의 TVR이 증가하지만, 고주파 영영에서 응답 특성이 복잡해지는 바, 이를 최소화하기 위한 단위 벤더디스크 음향발생기(171)간 간격(d)은 27mm로 설정하였다.

도 4의 (a), (b) 및 (c)를 참고하면, 단위 벤더디스크 음향발생기(171)는 원형 실린더 형상이고, 압전 세라믹인 PZT(Lead zirconate titante)로 제작된 상부 압전층(172) 및 하부 압전층(175), 알루미늄으로 제작된 상부 탄성구조부(173)와 하부 탄성구조부(174), 금속탄성구조부 내부의 공기실(178)을 포함한다. 단위 벤더디스크 음향발생기(171)의 윗면과 아랫면 모두 음향 방사판 역할을 하며, 전기적으로 병렬 연결되어 작동된다.

일 실시례로서, 압전층(172, 175)의 반경이 커질수록 TVR이 증가하고, 압전층(172, 175)의 두께가 커질수록 음원 준위(SL)가 커지다가 특정 두께에서 최대 음원 준위(Peak point)를 가지고, 이후 두께부턴 음원 준위가 낮아진다. 실시례에 따르면, TVR과 최대 음원 준위를 가지도록, 압전층(172, 175)의 직경(dp)이 120mm, 두께가 3mm이고, 단위 벤더디스크 음향발생기(171)의 직경(dm)이 124mm이고, 높이 27mm를 형성하는 것이 바람직하다.

도 5의 (a)와 (b)를 참고하면, 수중청음기(143)는 수중음향발생기(141, 142)와 함께 수중센서기(140)에 배치되어 음향발생기(141,142)로부터 송출된 음향위장신호를 수신하고, 이를 센서연동기(120)의 제3신호증폭기(125)로 전달하는 역할을 한다. 도 5의 (a)는 수중청음기와 가동 코일형 음향발생기(150)와 구형 음향발생기(180)가 함께 수중센서기(140) 내에 배치된 실시례이고, 도 5의 (b)는 도 5의 (a)에서 가동 코일형 음향발생기(150) 대신에 배열형 벤더디스크 음향발생기(160)를 배치한 실시례이다.

도 6은 저주파 수중음향발생기(141)와 고주파 수중음향발생기(142)의 음향특성 실험결과를 나타낸 것으로, 200 ~ 1,500Hz의 저주파수 영역에서 음원 준위가 모두 160dB 이상이며, 1,500 ~ 10,000Hz의 고주파수 영역에서도 음원 준위가 160dB 이상인 바, 본 발명은 200 ~ 10,000Hz에서 160dB 이상의 음원 준위를 가지는 음향위장신호를 수중으로 송출할 수 있다.

도 7 내지 도 9는 적군이 아함을 다른 함정으로 오인하거나 식별이 불가능하도록 음향 위장을 한 실시 예이다.

도 7의 (a)는 추정된 함정의 방사소음의 스펙트럼이고, 도 7의 (b)는 함정 방사소음의 토널성 협대역 소음을 마스킹 하도록, 광대역 음향 위장용 소음 신호의 스펙트럼이고, 도 7의 (c)는 수중으로 송출된 위장 신호에 의한 결과로 음향 위장 된 함정의 방사소음에 대한 스펙트럼이다.

도 8의 (a)는 추정된 함정의 방사소음의 스펙트럼이고, 도 8의 (b)는 함정 방사소음의 토널성 협대역 소음을 마스킹 하도록, 수중생물 소음 신호의 스펙트럼이고, 도 8의 (c)는 수중으로 송출된 위장 신호에 의한 결과로 음향 위장된 함정의 방사소음에 대한 스펙트럼이다.

도 9의 (a)는 추정된 함정의 방사소음의 스펙트럼이고, 도 9의 (b)는 함정 방사소음의 토널성 협대역 소음을 마스킹 하도록, 인위적으로 생성한 특정 주파수에서 토널 소음 신호의 스펙트럼이고, 도 9의 (c)는 수중으로 송출된 위장 신호에 의한 결과로 음향 위장된 함정의 방사소음에 대한 스펙트럼이다.

도 10은 적군의 위협상황에 효과적으로 대응하기 위한 음향신호 발생용 수중음향위장신호시스템(100)의 운용방법에 대한 흐름도이다.

먼저, 함정이 적군의 수동소나시스템에 탐지될 가능성이 높다고 판단되는 경우, 함정의 운용 상태를 확인하는 단계(S10)를 거쳐, 운용 상태에 따른 함정의 방사소음을 추정하는 단계(S20)로 진행된다.

추정된 방사소음에 대응되는 디지털 음향위장신호를 선택하는 단계(S30)를 거쳐, 디지털 음향위장신호를 아날로그 신호로 변경하고, 신호의 크기와 형태를 조정(S40)한 후, 수중센서기(140)에 내 수중음향 발생기를 통해 음향 위장신호를 수중으로 송출(S50)한다.

수중청음기(143)는 수중으로부터 위장된 함정의 방사소음을 수신하고, 데이터수집분석기(112)는 수중청음기로부터 전달받은 디지털 음향모니터링신호와 디지털 음향위장신호를 비교 및 분석(S60)하고, 위장신호의 적합여부를 판단(S70)한다. 만약 송출된 음향 위장신호가 적합하지 않다고 판단되면, 시스템 고장유무를 확인(S75)하고 운용 상태별 수중음향위장신호 데이터베이스에서 방사소음에 적합한 신호를 선택하는 단계(S30)로 되돌아간다.

송출된 음향 위장신호가 적합하다면, 함정의 운용상태가 변경되었는지 확인(S80)한다. 만약 함정의 운용상태가 변경되었다면, 함정의 운용상태를 확인하는 단계(S10)로 되돌아간다.

함정의 운용상태가 변경되지 않았다면, 적함으로부터 위협 상황이 해제될 때까지 수중음향위장신호 위장신호를 계속 송출(S90)하며, 수중청음기로부터 전달받은 디지털 음향모니터링신호와 디지털 음향위장신호를 반복 비교 및 분석(S60)한다. 만약, 적함의 위협상황이 해제되었다면, 음향 위장신호 송출을 중단(S100)한다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 수중음향위장신호시스템(100)을 실시하기 위한 실시례들에 불과한 것으로서, 본 발명은 이상의 실시례들에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.

100: 수중음향위장신호시스템 110: 신호제어기
111: 신호생성기 112: 데이터수집분석기
120: 센서연동기 121: 제1신호변환기
122: 제2신호변환기 123: 저주파대역필터
124: 고주파대역필터 125: 제3신호증폭기
130: 전력증폭기 131: 제1신호증폭기
132: 제2신호증폭기 133: 제1임피던스 매칭기
134: 제2임피던스 매칭기 140: 수중센서기
141: 저주파 수중음향발생기 142: 고주파 수중음향발생기
143: 수중청음기 150: 가동 코일형 음향발생기
151: 보빈 152: 영구자석 자성체
153: 압력보상실린더 154: 요크
155: 음향 방사판 160: 배열형 벤더디스크 음향발생기
161: 원통 실린더 케이스 162: 상부베이스
163: 하부베이스 164: 폴
165: 절연 오일 170: 복수의 벤더디스크 음향발생기
171: 단위 벤더디스크 음향발생기 172: 상부 압전층
173: 상부 탄성구조부 174: 하부 탄성구조부
175: 하부 압전층 176: 상부 전극
177: 하부 전극 178: 공기실
180: 구형 음향발생기

Claims

디지털 음향위장신호를 생성하고, 디지털 음향모니터링신호를 수집 및 분석하는 신호제어기;
상기 디지털 음향위장신호를 아날로그 신호로 변환하는 제1신호변환기와, 상기 아날로그 신호를 저주파 신호와 고주파 신호로 각각 분리하는 복수의 필터기를 구비하는 센서연동기;
상기 저주파 및 고주파 신호를 각각 증폭하는 저주파 전력증폭기와, 고주파 전력증폭기; 및
상기 전력증폭기로부터 전달받은 신호들을 수중으로 송출하는 수중센서기를 포함하고,
상기 수중센서기는 수중 음향 신호를 수신하는 수중청음기를 포함하고,
상기 센서연동기는 상기 수중청음기로부터 전달받은 아날로그 신호를 증폭하는 제3신호증폭기와 상기 제3신호증폭기으로부터 증폭된 신호를 상기 디지털 음향모니터링신호로 변환시키는 제2신호변환기를 포함하며,
상기 신호제어기는,
함정(Naval Vessel)의 방사소음을 추정하고, 상기 추정된 방사소음을 위장하는 상기 디지털 음향위장신호를 생성하는 신호생성기; 및
상기 제2신호변환기로부터 변환된 상기 디지털 음향모니터링신호를 수집하고, 상기 디지털 음향모니터링신호와 상기 디지털 음향위장신호를 시간 영역과 주파수 영역에서 분석하는 데이터수집분석기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중음향위장신호시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 수중센서기는 저주파 수중음향발생기와 고주파 수중음향발생기를 포함하고,
상기 고주파 수중음향발생기는 구형 음향발생기(Spherical projector)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중음향위장신호시스템.
제3항에 있어서,
저주파 수중음향발생기는 가동 코일형 음향발생기(Moving Coil Project, MCP)를 포함하고,
상기 가동 코일형 음향발생기는,
압력보상실린더가 일체형으로 결합되고,
자계(Magnetic field)를 발생시키는 영구자석 자성체; 및
음향 방사판에 결합된 보빈을 포함하고 상기 자계의 방향과 상기 보빈에 원주방향으로 감겨있는 코일의 전류방향이 수직으로 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수중음향위장신호시스템.
제3항에 있어서,
저주파 수중음향발생기는 배열형 벤더디스크 음향발생기(Bender Disc Array Projector, BDAP)를 포함하고,
상기 배열형 벤더디스크 음향발생기는 복수 개의 단위 벤더디스크 음향발생기가 일정 간격으로 배열되고, 전기적으로 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 수중음향위장신호시스템.
제5항에 있어서,
상기 단위 벤더디스크 음향발생기는 금속탄성구조부과 압전층을 포함하고,
상기 금속탄성구조부는 상부 탄성구조부가 하부 탄성구조부를 포함하고, 상기 상부 탄성구조부가 상기 하부 탄성구조부에 끼워지도록 결합되며,
상기 상부 및 하부 탄성구조부의 결합에 의해 상기 금속탄성구조부 내부에 공기실이 형성되며,
상기 압전층은 상기 상부 탄성구조부의 일면에 구비된 상부 압전층과 상기 하부 탄성구조부의 일면에 구비된 하부 압전층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수중음향위장신호시스템.
제1항에 있어서,
신호제어기는 기계류 소음으로 위장하는 토널성 협대역 소음, 유체소음과 캐비테이션 소음으로 위장하는 광대역 소음 및 수중 생물 소음신호 중 적어도 어느 하나를 생성하고, 생성된 소음의 주파수 특성을 변경하는 것을 특징으로 하는 수중음향위장신호시스템.
제1항에 있어서,
수중센서기는 수중 유무인함의 선체(Hull)에 부착되는 것을 특징으로 하는 수중음향위장신호시스템.
제1항에 있어서,
수중센서기는 수중 유무인함의 선체(Hull)에 케이블로 연결되어 예인형으로 운용되는 것을 특징으로 하는 수중음향위장신호시스템.
함정의 운용 상태를 확인하는 제1단계;
상기 운용 상태에 따른 함정(Naval Vessel)의 방사소음을 추정하는 제2단계;
상기 방사소음에 대응되는 수중음향위장신호 선택하는 제3단계;
상기 추정된 방사소음에 대응하여 상기 수중음향위장신호의 주파수 특성을 조정하는 제4단계;
상기 조정된 수중음향위장신호를 수중으로 송출하는 제5단계;
수중청음기를 이용하여 수중음향모니터링신호를 수신하는 제6단계;
상기 수중음향모니터링신호와 상기 수중음향위장신호를 비교하여 송출된 신호에 오류 여부 확인하는 제7단계; 및
상기 함정의 운용상태가 변경되었는지 확인하는 제8단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중음향위장신호시스템 운용방법.
제10항에 있어서,
상기 제7단계에서 오류가 발견된다면, 상기 제3단계로 되돌아가는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중음향위장신호시스템 운용방법.
제10항에 있어서,
상기 제8단계에서 상기 함정의 운용상태가 변경되었다면, 상기 제1단계로 되돌아가는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중음향위장신호시스템 운용방법.