KR101866690B1 - 수중 구조물 측정 시스템 및 수중 구조물 측정 방법 - Google Patents

수중 구조물 측정 시스템 및 수중 구조물 측정 방법 Download PDF

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서진호
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이종득
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Abstract

본 발명은 해저면에 대해 수직한 방향으로 소나 센서를 이동하면서 복수의 단층 형상을 획득하고, 복수의 단층 형상을 누적하여, 수중 구조물의 3차원 형상을 생성하는 것이 가능한 수중 구조물 측정 시스템 및 수중 구조물 측정 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 선박, 상기 선박에 탑재된 인양 윈치, 상기 인양 윈치에 일단이 고정된 인양 로프, 상기 인양 로프의 타단에 결합되어, 수중으로 투입되는 소나 센서 및 상기 인양 윈치 및 상기 소나 센서를 제어하여 수중 구조물의 3차원 형상을 생성하는 제어부를 포함하고, 상기 소나 센서는 프로파일링 소나로 구성되며, 해저면에서부터 고정된 고도(Z축)에서 회전하여, 주변의 단층 형상을 획득하고, 상기 제어부는 상기 인양 윈치를 단계별로 동작하여, 상기 소나 센서의 고도를 단계별로 증가시켜 획득한 복수의 단층 형상을 누적하여 상기 수중 구조물의 3차원 형상을 생성하는 것을 특징으로 하는 수중 구조물 측정 시스템을 개시한다.

Description

수중 구조물 측정 시스템 및 수중 구조물 측정 방법{system for measuring underwater structure and measuring method using the same}
본 발명은 수중 구조물 측정 시스템 및 수중 구조물 측정 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 해저면에 대해 수직한 방향으로 소나 센서를 이동하면서 복수의 단층 형상을 획득하고, 복수의 단층 형상을 누적하여, 수중 구조물의 3차원 형상을 생성하는 것이 가능한 수중 구조물 측정 시스템 및 수중 구조물 측정 방법에 관한 것이다.
종래에는 해저지형 및 수중구조물의 3차원 형상 정보를 생성하기 위해 이미지 소나 센서를 주로 사용하고 있다. 이미지 소나는 일정 영역에 소나를 송신 및 수신하여 마치 디지털 카메라의 2차원 영상과 같은 정보를 얻게 되며, 영상의 각 픽셀에 해당하는 밝기 값이 거리에 대한 정보가 된다.
선행 기술에서는 이미지 소나 영상의 그림자 영역의 정보로 물체의 높이를 계산하여 3차원 정보를 생성하거나(출원번호: 10-2015-0028364), 기존 3차원 해저 지형 공간 정보와 사이드 스캔 소나(이미지 소나와 유사한 방식)의 측정 정보를 결합하여 3차원 해저지형정보를 생성하는 방식을 제안하고 있다(출원번호: 10-2012-0018385).
하지만, 상술한 선행 기술에서는 이미지 소나를 사용하여 영상을 처리하여 3차원 정보를 구성하게 되며, 이미지 소나는 빠른 영상 정보를 받을 수 있는 대신에 측정 거리가 수 미터에서 수십 미터밖에 안되고 해상도도 프로파일링 방식에 비해 동일하거나 낮은 수준이다. 또한, 측정된 정보는 이미지 소나로부터 해저지형 또는 수중 구조물로 대각선 방향으로 측정된 투영(Projection)된 영상 정보로, 원거리로 갈수록 영상의 왜곡으로 인한 오차가 더 커지게 된다.
또한, 실제 운용에서는 배에 긴 구조물(파이프 등)에 이미지 소나를 달아 이동하면서 정보를 측정하게 되며, 이때 파고 등에 의해 배가 위아래로 움직이면 이미지 소나와 해저 지형 또는 수중 구조물과의 거리가 변하게 되어 측정 정보 전체를 보정하여야 하는 어려움이 있으며, 배의 위아래로 움직인 측정 정보가 부정확하면 보정이 되지 않아 전체 3차원 정보의 생성이 불가할 수 있다.
본 발명은 해저면에 대해 수직한 방향으로 소나 센서를 이동하면서 복수의 단층 형상을 획득하고, 복수의 단층 형상을 누적하여, 수중 구조물의 3차원 형상을 생성하는 것이 가능한 수중 구조물 측정 시스템 및 수중 구조물 측정 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 자세정보의 측정 오차를 감소시키고 형상 측정 시의 수중 고도를 빠르게 제어하여 유지하도록 하여 정밀한 수중 구조물 형상을 측정하는 것이 가능한 수중 구조물 측정 시스템 및 수중 구조물 측정 방법에 관한 것이다.
한편, 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.
본 발명의 일 실시예에 따른 수중 구조물 측정 시스템은 선박, 상기 선박에 탑재된 인양 윈치, 상기 인양 윈치에 일단이 고정된 인양 로프, 상기 인양 로프의 타단에 결합되어, 수중으로 투입되는 소나 센서 및 상기 인양 윈치 및 상기 소나 센서를 제어하여 수중 구조물의 3차원 형상을 생성하는 제어부를 포함하고, 상기 소나 센서는 프로파일링 소나로 구성되며, 해저면에서부터 고정된 고도(Z축)에서 회전하여, 주변의 단층 형상을 획득하고, 상기 제어부는 상기 인양 윈치를 단계별로 동작하여, 상기 소나 센서의 고도를 단계별로 증가시켜 획득한 복수의 단층 형상을 누적하여 상기 수중 구조물의 3차원 형상을 생성한다.
또한, 상기 제어부는 다음의 [수학식 1]에 따른 고도 증가 값 이하로 상기 소나 센서의 고도를 단계별로 증가시킬 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112017030831838-pat00001
(여기서,
Figure 112017030831838-pat00002
는 고도 증가 값,
Figure 112017030831838-pat00003
은 소나 센서의 최대 측정 거리,
Figure 112017030831838-pat00004
는 소나 센서에서의 발신하는 초음파의 각도를 나타냄)
또한, 상기 인양 로프와 상기 소나 센서 사이를 연결하며, 상기 인양 로프를 권취 또는 권출하는 윈치, 상기 소나 센서의 하부에 결합되며, 해저면에서부터의 고도를 측정하는 고도 센서 및 상기 고도 센서 및 상기 윈치에 연결된 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 고도 센서에서 측정된 고도 데이터를 기반으로 상기 윈치를 동작시켜, 상기 고도를 목표 고도로 유지시킬 수 있다.
또한, 상기 소나 센서의 하부에 결합되며, 해수면에서부터의 수심을 측정하는 수심 센서 및 상기 소나 센서의 하부에 결합되며, 상기 소나 센서의 자세를 측정하는 자세 측정 센서를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 복수의 단층 형상 각각에서의 미획득 영역을 평면으로 처리할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 스플라인 보간법을 이용해 상기 복수의 단층 형상 각각에서의 미 획득 영역을 곡면으로 처리할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수중 구조물 측정 방법은 선박에 탑재된 인양 윈치를 이용해 소나 센서를 해저로 하강하는 제 1 단계, 상기 소나 센서에서 초음파를 송수신하는 제 2 단계, 상기 소나 센서를 회전하여, 수중 구조물의 단층 형상을 획득하는 제 3 단계, 상기 소나 센서의 고도가 최종 고도인지 판단하는 제 4 단계, 상기 제 4 단계에서, 상기 소나 센서의 고도가 최종 고도가 아니라고 판단되면 상기 인양 윈치를 이용해 상기 소나 센서를 상승시키는 제 5 단계, 상기 제 4 단계에서, 상기 소나 센서의 고도가 최종 고도에 위치한 것으로 판단되면 획득한 복수의 단층 형상을 누적하여 상기 수중 구조물의 3차원 형상을 생성하는 제 6 단계를 포함한다.
또한, 상기 제 6 단계에서, 상기 복수의 단층 형상 각각에서의 미획득 영역을 평면으로 처리할 수 있다.
또한, 상기 제 6 단계에서, 스플라인 보간법을 이용해 상기 복수의 단층 형상 각각에서의 미 획득 영역을 곡면으로 처리할 수 있다.
본 발명에 따른 수중 구조물 측정 시스템 및 수중 구조물 측정 방법은 해저면에 대해 수직한 방향으로 소나 센서를 이동하면서 복수의 단층 형상을 획득하고, 복수의 단층 형상을 누적하여, 수중 구조물의 3차원 형상을 생성하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 수중 구조물 측정 시스템 및 수중 구조물 측정 방법은 자세정보의 측정 오차를 감소시키고 형상 측정 시의 수중 고도를 빠르게 제어하여 유지하도록 하여 정밀한 수중 구조물 형상을 측정하는 것이 가능하다.
한편, 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.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 구조물 측정 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 구조물 측정 시스템을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 구조물 측정 시스템의 프로파일링 소나 센서를 나타내는 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 구조물 측정 시스템을 이용해 단층 형상을 획득하는 과정을 나타낸다.
도 5는 도 4의 단층 형상을 누적한 결과를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 구조물 측정 시스템을 이용해 생성한 수중 구조물의 3차원 형상의 나타낸다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중 구조물 측정 시스템을 이용해 생성한 수중 구조물의 3차원 형상의 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 구조물 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 구성은 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는" 는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
<수중 구조물 측정 시스템>
우선, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 구조물 측정 시스템을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 구조물 측정 시스템을 개략적으로 나타내며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 구조물 측정 시스템을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 구조물 측정 시스템은 인양 로프(20), 소나 센서(100), 윈치(200), 제어부(300), 센서부(410, 420, 430), 수밀 하우징(400) 및 인양 윈치(500)를 포함한다.
상기 인양 로프(20)는 일단이 선박(10)에서 고정부(11)를 통해 위치 고정되며, 일단이 인양 윈치(500)에 연결되며 타단이 수중으로 삽입된다.
상기 인양 로프(20)의 타단의 일부는 윈치(200)에 권취되어 있으며, 윈치(200)의 동작에서 의해 권취(捲取) 또는 권출(捲出)될 수 있다.
이러한 인양 로프(20)는 강도와 내부식성이 우수하며 자유로이 변형할 수 있는 것이 바람직하며, 일 예로 다수의 강선이 꼬여 형성된 강연선(鋼撚線)으로 구성될 수 있다.
상기 소나 센서(100)는 "sonar(sound navigation and ranging) sensor"의 약어로, 음파에 의해 수중목표의 방위 및 거리를 알아내는 장비를 의미하며 음향탐지장비 혹은 음탐기로도 불린다.
이러한 상기 소나 센서(100)는 스캐닝 소나로 구현될 수 있으며, 수중으로 음파를 발신하고, 발신된 음파에 대한 반사신호를 수신하여 수중 지형물(물체)의 존재, 위치, 성질 등을 탐지할 수 있다.
여기서, 도 3을 함께 참조하면, 상기 소나 센서(100)는 프로파일링 소나 센서(Profiling Sonar)로 구성될 수 있으며, 음파 송수신부(110)와 회전부(120)로 구성된다. 즉, 소나 센서(100)에서는 회전부(120)를 통해 360도 회전하며, 음파 송수신부(110)에서 음파를 발신 및 수신하여, 수중 구조물의 단층 형상을 획득한다.
상기 윈치(200)는 상기 소나 센서(100)의 상부에 결합되며, 상기 인양 로프(20)를 소정 간격으로 권취 또는 권출하도록 동작한다.
즉, 상기 윈치(200)의 동작으로 수중에서 소나 센서(100)가 상하로 소정 간격 위치 이동하여, 목표하는 고도가 유지될 수 있다.
상기 제어부(300)는 상기 수밀 하우징(400)의 내부에 배치될 수 도 있으며, 상기 선박(10) 내부에 배치될 수 있다.
이러한 상기 제어부(300)는 소나 센서(100), 윈치(200), 센서부(410, 420, 430) 및 인양 윈치(500)에 유선 또는 무선으로 통신적으로 연결되어 있으며, 소나 센서(100), 윈치(200), 센서부(410, 420, 430) 및 인양 윈치(500)의 동작을 제어함과 동시에 소나 센서(100) 및 센서부(410, 420, 430)에서 측정된 정보를 수렴할 수 있다.
여기서, 상기 센서부(410, 420, 430)는 소나 센서(100)의 하부에 결합된 수밀 하우징(400)의 내부에 배치될 수 있으며, 고도 센서(410), 수심 센서(420) 및 자세 측정 센서(430)로 구성된다.
여기서, 상기 수밀 하우징(400)은 소나 센서(100)의 하부에 결합되며, 무게 추 역할을 수행하도록 설정된 제 1 질량 범위 내에서 설정될 수 있다.
여기서, 제 1 질량 범위는 대략 30kg 내지 100kg의 범위로 설정될 수 있으며, 30kg보다 커 해수의 흐름이나 파랑 또는 선박의 움직임 등의 영향에 의한 소나 센서(100)의 흔들림을 최대한 감쇄할 수 있으며, 인양 로프(20)의 인장 하중을 버티기 위해 100kg 이하로 설정되는 것이 바람직하다. 다만, 상기 제 1 질량의 수치 범위는 하나의 실시예에 불과한 것으로, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
상기 고도 센서(410)는 상기 수밀 하우징(400)에 수용될 수 있으며, 음파 감지기로 구성되어, 수중의 해저면(2)에서부터의 고도를 측정한다.
상기 고도 센서(410)에서 측정된 고도 데이터는 상기 제어부(300)에 유선 또는 무선으로 전송된다.
상기 수심 센서(420)는 상기 수밀 하우징(400)에 수용될 수 있으며, 압력 센서로 구성되어, 수면(1)으로부터의 수심을 측정한다.
상기 수심 센서(420)에서 측정된 수심 데이터는 상기 제어부(300)에 유선 또는 무선으로 전송된다.
즉, 제어부(300)에서는 지정된 위치에서 설정된 목표 고도와 상기 고도 데이터를 비교하고, 설정된 목표 수심과 상기 수심 데이터를 비교하여, 상기 윈치(200)의 회전 방향과 회전 양을 결정한다. 이로써, 상기 소나 센서(100)의 고도 또는 수심을 항상 일정하게 유지한다.
따라서, 해수의 흐름이나 파랑 또는 선박의 움직임 등의 영향을 받지 않고 목표 고도를 유지한 상태에서 소나 센서(100)를 통해 수중 지형물을 측정함으로써, 재측정 횟수를 줄이고 미 측정된 부분을 감소시켜 작업 효율을 향상 시킬 수 있다.
상기 자세 측정 센서(430)는 해수의 흐름이나 파랑 또는 선박의 움직임 등에 의해 움직이는 소나 센서(100)의 속도, 가속도, 회전각속도, 기울기 중 적어도 하나를 포함하는 자세를 측정한다.
여기서, 자세 측정 센서(430)는 자이로스코프로 구현될 수 있다. 자이로스코프의 원리는 제1 축 방향으로 관성체가 일정하게 진동하거나 회전하는 관성체가 제1 축 방향에 대하여 직각인 제2 축 방향에서의 회전에 의한 각속도의 입력을 받을 때, 그 두 개의 축에 대하여 직교하는 제3 축 방향으로 발생하는 코리올리의 힘(Coriolis Force)을 검출함으로써 회전 각속도를 검출하며, 검출된 회전 각속도에 기초하여 속도, 가속도, 기울기 등을 산출할 수 있다. 이때, 관성체에 가해지는 힘을 평형 시키면 각속도 검출의 정확성이 높아진다.
특히, 신호의 선형성과 대역폭을 넓히려면 힘의 평형방법을 이용한 구조가 바람직하다. 자이로스코프의 종류로는, 전술한 바와 같이 회전체 질량을 이용하여 각속도를 측정하는 자이로스코프 이외에도 진동 자이로스코프(Vibrating Gyroscope), 광섬유 자이로스코프(Fiber Optic Gyroscope), 고리형 레이저 자이로스코프(Ring Laser Gyroscope), 동적 전환형 자이로스코프(Dynamically Turned Gyroscope) 등이 이용될 수 있다.
상기 인양 윈치(500)는 선박(10)에 탑재되거나, 선박(10)의 측면에 부착되도록 배치될 수 있으며, 제어부(300)의 제어에 의해 동작하며 상기 인양 로프(20)를 권취 또는 권출하여 소나 센서(100)의 고도를 변경(상승 또는 하강)할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 인양 윈치(500)를 통해 소나 센서(100)는 제 1 시간에 제 1 고도(H1)에 위치하여 수중 구조물(3)(지형물) 측으로 음파(M)를 발신하고, 구조물(3)에서 반사되는 반사파(M1)를 수신하여 수중 구조물(3)의 존재, 위치, 성질 등을 탐지할 수 있다.
이후, 제 1 고도(H1)에서 소나 센서(100)가 360도 회전하여, 주변의 수중 구조물(3)을 탐지하며 제 1 고도(H1)에서의 단층 형상을 획득한다.
여기서, 상기 단층 형상은 음파(M)의 방사 각도에 의해 소정의 높이(Z축)를 갖는 3차원 형상일 수 있다.
이후, 제어부(300)는 인양 윈치(500)를 동작하여, 소나 센서(100)를 제 1 고도(H1)에서 제 1 높이(H2) 상승시켜, 제 2 고도(H1+H2)로 위치시킨다.
여기서, 소나 센서(100)의 상승 높이(H1)는 다음의 [수학식 1]에 따른 고도 증가 값 이하의 값으로 설정되는 것이 바람직하다.
[수학식 1]
Figure 112017030831838-pat00005
(여기서,
Figure 112017030831838-pat00006
는 고도 증가 값,
Figure 112017030831838-pat00007
은 소나 센서의 최대 측정 거리,
Figure 112017030831838-pat00008
는 소나 센서에서의 발신하는 음파의 각도를 나타냄)
즉, 제 1 고도(H1)에서의 음파(M) 발신 범위와 제 2 고도(H1+H2)에서의 음파(M) 발신 범위는 적어도 일부가 중첩되는 것이 바람직하며, 중첩 범위가 넓을수록 결과적으로 생성되는 3차원 형상의 정확도가 향상된다.
다만, 중첩 범위가 넓을수록 3차원 형상을 생성하는 시간이 증가하므로, 정밀도와 작업 시간의 관계를 고려하여 바람직한 작업 시간 및 중첩 범위가 설정될 수 있다.
이후, 제 2 고도(H1+H2)에서 소나 센서(100)가 360도 회전하여, 주변의 수중 구조물(3)을 탐지하며 제 2 고도(H1+H2)에서의 단층 형상을 획득한다.
이와 마찬가지로, 이후, 제어부(300)는 인양 윈치(500)를 동작하여, 소나 센서(100)를 제 2 고도(H1+H2)에서 제 2 높이(H3) 상승시켜, 제 3 고도(H1+H2+H3)로 위치시킨다.
이후, 제 3 고도(H1+H2+H3)에서 소나 센서(100)가 360도 회전하여, 주변의 수중 구조물(3)을 탐지하며 제 3 고도(H1+H2+H3)에서의 단층 형상을 획득한다.
즉, 예를 들어, 소나 센서(100)의 음파(M)가 폭을 가지고 송신되기 때문에 수중 구조물(3)의 첫 번째 언덕에서 최초에 반사된 반사파(M1) 외에도, 그 이후의 두 번째, 세 번째 언덕에 대해서도 신호가 반사되어 수신되며, 고도를 상승하여 측정하며, 두 번째 언덕과 세 번째 언덕에 의해 반사된 신호를 수신하게 된다. 따라서, 이전에 측정되지 않은 두 번째 언덕과 세 번째 언덕 사이의 지형 정보를 더욱 자세히 측정할 수 있게 된다.
또한, 이전보다 만큼 고도를 상승하여 측정하며, 이전에 측정되지 않았던 네 번째 언덕에 의해 반사된 반사파(M1)의 신호를 수신할 수 있게 되어, 음파(M)가 도달하는 범위 내에 상세한 형상 정보를 획득할 수 있다.
이후, 제어부(300)에서는 각 고도에서 획득한 단층 형상을 누적하며, 중첩되는 범위를 정합하여 수중 구조물(3)에 대한 3차원 형상을 생성한다.
여기서, 도 6을 참조하면, 각 단계별 고도(제 1 고도, 제 2 고도, 제 3 고도)에서 획득한 단층 형상에서는 수중 구조물(3)에 의해 가려져 음파(M)가 도달하지 못하고 이로 인해 반사파(M1)을 수신하지 못하는 미 획득 영역(A)이 존재한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 도 6에 도시된 바와 같이, 제어부(300)는 각 단계별 고도에서 획득한 단층 형상에서 마지막 지점들을 연결하여 미획득 영역(A)을 3차원 형상에서 평면(3a)으로 구성되도록 처리할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 도 7에 도시된 바와 같이, 제어부(300)는 각 단계별 고도에서 획득한 단층 형상의 마지막 지점에서의 기울기를 바탕으로 최저점의 위치(거리, 높이)를 추정하고, 그 다음으로 첫 번째 언덕의 최고점과 미획득 영역(A)의 추정된 최저점, 두 번째 언덕의 최고점의 세 점에 대한 스플라인 보간법을 수행하여, 미획득 영역(A)을 3차원 형상에서 곡면(3b)으로 구성되도록 처리할 수 있다.
<수중 구조물 측정 방법>
다음은 수중 구조물 측정 시스템을 이용한 수중 구조물 측정 방법을 도 4 내지 도 8을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 구조물 측정 시스템을 이용해 단층 형상을 획득하는 과정을 나타내고, 도 5는 도 4의 단층 형상을 누적한 결과를 나타내며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 구조물 측정 시스템을 이용해 생성한 수중 구조물의 3차원 형상의 나타내며, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중 구조물 측정 시스템을 이용해 생성한 수중 구조물의 3차원 형상의 나타내며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 구조물 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.
우선, 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 구조물 측정 방법은 하강 단계(S10), 초음파 송수신 단계(S20), 회전 단계(S30), 최종 고도인지 판단하는 단계(S40), 상승 단계(S50) 및 3차원 형상 생성 단계(S60)를 포함한다.
상기 하강 단계(S10)에서는 선박(10)에 배치된 GPS(Global Positioning System)에 기초하여, 현재의 위치를 측위한 후, 선박(10)을 고정시킨 후, 제어부(300)의 제어를 통해 인양 윈치(500)가 동작하여, 소나 센서(100)가 제 1 고도(H1)로 하강하여 위치한다.
상기 초음파 송수신 단계(S20)에서는 소나 센서(100)에서 일방향으로 음파(M)를 발신하고, 수중 구조물(3)에 반사되는 반사파(M1)를 수신하여, 수중 구조물(3)의 존재, 위치, 성질 등을 탐지한다.
여기서, 상술한 바와 같이, 제어부(300)에서는 지정된 위치에서 설정된 목표 고도(제 1 고도)와 현재 고도 데이터를 비교하고, 설정된 목표 수심과 상기 수심 데이터를 비교하여, 상기 윈치(200)의 회전 방향과 회전 양을 결정하고 상기 소나 센서(100)의 고도 또는 수심을 항상 일정하게 유지한다.
상기 회전 단계(S30)에서는 제 1 고도(H1)에서 고도를 유지하면서, 소나 센서(100)를 360도 회전하여, 전 방향의 수중 구조물(3)을 탐지하며, 제 1 고도(H1)에서의 단층 형상을 획득한다.
상기 최종 고도인지 판단하는 단계(S40)에서는 현재 고도가 목표로 하는 최종 고도(예를 들어, 제 3 고도)인지를 비교/판단하여, 최종 고도에 도달한 것으로 판단하면 현재까지 획득한 다수의 단층 형상을 누적하여, 수중 구조물(3)에 대한 3차원 형상을 생성한다.
상기 상승 단계(S50)에서는 상기 단계(S40)에서 현재 고도가 최종 고도에 도달하지 않은 것으로 판단되면, 상기 인양 윈치(500)를 동작하여 설정된 높이(H2)만큼 고도를 상승하여, 제 2 고도(H1+H2)에 도달한다.
상기 상승 단계(S50)에서 제 2 고도(H1+H2)에 도달에 도달한 후, 다시 소나 센서(100)를 360도 회전하여, 전 방향의 수중 구조물(3)을 탐지하며, 제 2 고도(H1+H2)에서의 단층 형상을 획득한다.
이로써, 상술한 일련의 과정을 통해 목표로 하는 최종 고도(예를 들어, 제 3 고도)까지, 소나 센서(100)를 상승 및 회전하여 각 단계별 고도에서 단층 형상을 획득할 수 있다.
여기서, 소나 센서(100)의 상승 높이(H1)는 다음의 [수학식 1]에 따른 고도 증가 값 이하의 값으로 설정되는 것이 바람직하다.
[수학식 1]
Figure 112017030831838-pat00009
(여기서,
Figure 112017030831838-pat00010
는 고도 증가 값,
Figure 112017030831838-pat00011
은 소나 센서의 최대 측정 거리,
Figure 112017030831838-pat00012
는 소나 센서에서의 발신하는 음파의 각도를 나타냄)
즉, 제 1 고도(H1)에서의 음파(M) 발신 범위와 제 2 고도(H1+H2)에서의 음파(M) 발신 범위는 적어도 일부가 중첩되는 것이 바람직하며, 중첩 범위가 넓을수록 결과적으로 생성되는 3차원 형상의 정확도가 향상된다.
다만, 중첩 범위가 넓을수록 3차원 형상을 생성하는 시간이 증가하므로, 정밀도와 작업 시간의 관계를 고려하여 바람직한 작업 시간 및 중첩 범위가 설정될 수 있다.
상기 3차원 형상 생성 단계(S60)에서는 현재 고도가 목표로 하는 최종 고도(예를 들어, 제 3 고도)에 도달한 것으로 판단하면, 현재까지 획득한 다수의 단층 형상을 누적하며, 중첩되는 범위를 정합하여 수중 구조물(3)에 대한 3차원 형상을 생성한다.
여기서, 도 6을 참조하면, 각 단계별 고도(제 1 고도, 제 2 고도, 제 3 고도)에서 획득한 단층 형상에서는 수중 구조물(3)에 의해 가려져 음파(M)가 도달하지 못하고 이로 인해 반사파(M1)을 수신하지 못하는 미 획득 영역(A)이 존재한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 도 6에 도시된 바와 같이, 제어부(300)는 각 단계별 고도에서 획득한 단층 형상에서 마지막 지점들을 연결하여 미획득 영역(A)을 3차원 형상에서 평면(3a)으로 구성되도록 처리할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 도 7에 도시된 바와 같이, 제어부(300)는 각 단계별 고도에서 획득한 단층 형상의 마지막 지점에서의 기울기를 바탕으로 최저점의 위치(거리, 높이)를 추정하고, 그 다음으로 첫 번째 언덕의 최고점과 미획득 영역(A)의 추정된 최저점, 두 번째 언덕의 최고점의 세 점에 대한 스플라인 보간법을 수행하여, 미획득 영역(A)을 3차원 형상에서 곡면(3b)으로 구성되도록 처리할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 수중 구조물 측정 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
10: 선박 20: 인양 로프
100: 소나 센서 200: 윈치
300: 제어부 400: 수밀 하우징
410, 420, 430: 센서부
500: 인양 윈치

Claims (9)

  1. 선박;
    상기 선박에 탑재된 인양 윈치;
    상기 인양 윈치에 일단이 고정된 인양 로프;
    상기 인양 로프의 타단에 결합되어, 수중으로 투입되는 소나 센서; 및
    상기 인양 윈치 및 상기 소나 센서를 제어하여 수중 구조물의 3차원 형상을 생성하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 소나 센서는 프로파일링 소나로 구성되며, 해저면에서부터 고정된 고도(Z축)에서 회전하여, 주변의 단층 형상을 획득하고,
    상기 제어부는 상기 인양 윈치를 단계별로 동작하여, 상기 소나 센서의 고도를 단계별로 증가시켜 획득한 복수의 단층 형상을 누적하여 상기 수중 구조물의 3차원 형상을 생성하는 것을 특징으로 하는 수중 구조물 측정 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 다음의 [수학식 1]에 따른 고도 증가 값 이하로 상기 소나 센서의 고도를 단계별로 증가시키는 것을 특징으로 하는 수중 구조물 측정 시스템.
    [수학식 1]
    Figure 112017030831838-pat00013

    (여기서,
    Figure 112017030831838-pat00014
    는 고도 증가 값,
    Figure 112017030831838-pat00015
    은 소나 센서의 최대 측정 거리,
    Figure 112017030831838-pat00016
    는 소나 센서에서의 발신하는 초음파의 각도를 나타냄)
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 인양 로프와 상기 소나 센서 사이를 연결하며, 상기 인양 로프를 권취 또는 권출하는 윈치;
    상기 소나 센서의 하부에 결합되며, 해저면에서부터의 고도를 측정하는 고도 센서; 및
    상기 고도 센서 및 상기 윈치에 연결된 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 고도 센서에서 측정된 고도 데이터를 기반으로 상기 윈치를 동작시켜, 상기 고도를 목표 고도로 유지시키는 것을 특징으로 하는 수중 구조물 측정 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 소나 센서의 하부에 결합되며, 해수면에서부터의 수심을 측정하는 수심 센서 및
    상기 소나 센서의 하부에 결합되며, 상기 소나 센서의 자세를 측정하는 자세 측정 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 구조물 측정 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 복수의 단층 형상 각각에서의 미획득 영역을 평면으로 처리하는 것을 특징으로 하는 수중 구조물 측정 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는
    스플라인 보간법을 이용해 상기 복수의 단층 형상 각각에서의 미획득 영역을 곡면으로 처리하는 것을 특징으로 하는 수중 구조물 측정 시스템.
  7. 선박에 탑재된 인양 윈치를 이용해 소나 센서를 해저로 하강하는 제 1 단계;
    상기 소나 센서에서 초음파를 송수신하는 제 2 단계;
    상기 소나 센서를 회전하여, 수중 구조물의 단층 형상을 획득하는 제 3 단계;
    상기 소나 센서의 고도가 최종 고도인지 판단하는 제 4 단계;
    상기 제 4 단계에서, 상기 소나 센서의 고도가 최종 고도가 아니라고 판단되면 상기 인양 윈치를 이용해 상기 소나 센서를 상승시키는 제 5 단계;
    상기 제 4 단계에서, 상기 소나 센서의 고도가 최종 고도에 위치한 것으로 판단되면 획득한 복수의 단층 형상을 누적하여 상기 수중 구조물의 3차원 형상을 생성하는 제 6 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 구조물 측정 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제 6 단계에서,
    상기 복수의 단층 형상 각각에서의 미획득 영역을 평면으로 처리하는 것을 특징으로 하는 수중 구조물 측정 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 제 6 단계에서,
    스플라인 보간법을 이용해 상기 복수의 단층 형상 각각에서의 미획득 영역을 곡면으로 처리하는 것을 특징으로 하는 수중 구조물 측정 방법.
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