KR101977813B1 - 원형 센서 배열을 이용한 수중 근접물체 탐지 방법 - Google Patents

원형 센서 배열을 이용한 수중 근접물체 탐지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 원형 배열 센서를 이용하여 근접 물체를 탐지하는 방법은, 탐지용 신호를 표적으로 송신하는 단계; 상기 표적으로부터 표적 반사 신호를 수신하는 단계; 및 기 표적의 존재 유무를 판단하는 단계를 포함하고, 상호 고속으로 기동하는 수중 운동체가 근접하는 경우 음향 신호를 이용하여 근접여부의 판단을 가능하게 함으로써, 자기탐지 장치 등이 사용이 불가능한 경우에도 이를 대체할 수 있다.

Description

원형 센서 배열을 이용한 수중 근접물체 탐지 방법{Underwater Near Object Detection Method using Circular Sensor Array}
본 발명은 원형 센서 배열을 이용한 수중 근접물체 탐지 방법에 관한 것이다.
종래의 수중 유도 시스템들은 음향 추적(acoustic homing), 항적 추적(wake homing) 방식을 이용하여 표적을 추적한 후, 음향 추적 정보를 이용하여 표적과의 접촉 지점을 예측하고 자기 센서(magnetic sensor) 등을 이용하여 표적의 근접여부를 판단하였다.
하지만, 무인 잠수정(unmanned underwater vehicle) 등과 같은 소형 수중 운동체들은 작은 체적으로 인해 종래의 근접탐지 방법의 적용이 어려우며, 소형 수중 운동체가 고속으로 주행하거나, 복잡한 기동을 수행하는 경우 접촉 지점을 정확하게 예측하기 어려우므로 근접탐지를 대체하기에 부적합하다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 수중 운동체가 상호 고속 기동하는 환경에서 근접탐지의 어려움을 해소하기 위해 안출된 것으로, 수중 운동체의 수직 단면 상에 원형으로 배치된 송수신이 가능한 센서 배열 또는 송신 전용 센서와 수신용 원형 센서 배열을 이용하여, 360° 방향에 대한 근접탐지를 수행하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 원형 배열 센서를 이용하여 근접 물체를 탐지하는 방법은, 탐지용 신호를 표적으로 송신하는 단계; 상기 표적으로부터 표적 반사 신호를 수신하는 단계; 및 상기 표적의 존재 유무를 판단하는 단계를 포함하고, 상호 고속으로 기동하는 수중 운동체가 근접하는 경우 음향 신호를 이용하여 근접여부의 판단을 가능하게 함으로써, 자기탐지 장치 등이 사용이 불가능한 경우에도 이를 대체할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 탐지용 신호를 송신하는 단계는, 잔향음에 의한 영향을 최소화하기 위하여 수중 운동체의 속도에 따라 송신 주파수의 간격을 획득하고, 상기 획득된 송신 주파수의 간격에 기반하는 송신 주파수를 갖는 신호를 조합하여 송신하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 표적 반사 신호를 수신하는 단계는, 펄스 반복 주기 및 빔형성 전처리 소요시간의 초과 유무에 따라 수신 빔 형성 여부와 개별 수신 여부를 선택적으로 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 표적의 존재 유무를 판단하는 단계는, 이동 슬라이드 윈도우를 이용하여 신호의 합을 구한 후 설정된 문턱 값과의 비교를 통해 상기 표적의 존재 유무를 판단하고, 인접 센서 또는 빔의 탐지 정보와 연계하여 탐지 결과의 개수가 2 이상인 경우 상기 표적이 존재한다고 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상호 고속으로 기동하는 수중 운동체가 근접하는 경우 음향 신호를 이용하여 근접여부의 판단을 가능하게 함으로써, 자기탐지 장치 등이 사용이 불가능한 경우에도 이를 대체할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 근접탐지를 위해 수중 운동체에 부착되는 음향센서의 일례를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 수중에서 음향센서를 이용하여 근접물체는 탐지하는 방법의 흐름도의 일례를 나타낸 것이다.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제1, 제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈", "블록" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 하기에서 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
이하에서는, 본 발명에 따른 원형 센서 배열을 이용한 수중 근접물체 탐지 방법에 대해 살펴보기로 한다. 이와 관련하여, 도 1은 본 발명에 따른 근접탐지를 위해 수중 운동체에 부착되는 음향센서의 일례를 나타낸 것이다.
수중 운동체가 근접하여 지나가는 수중 운동체를 탐지하기 위해 안출된 본 발명에서, 원형 센서 배열은 종래의 소나와 같이 신호 송수신이 가능한 센서(이하 트랜스듀서(transducer)) 또는 수신 센서(이하 하이드로폰(hydrophone))로 구성된다. 한편, 하이드로폰만으로 구성된 경우 별도의 송신 센서(이하 프로젝터(projector))를 포함하여 구성된다.
한편, 도 2는 본 발명에 따른 수중에서 음향센서를 이용하여 근접물체는 탐지하는 방법의 흐름도의 일례를 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 트랜스듀서로 구성된 원형 센서 배열 또는 프로젝터와 하이드로폰 센서 배열을 이용하여 근접탐지를 수행하는 방법은 탐지용 신호를 송신하는 단계(S210); 표적 반사 신호를 수신하는 단계(S220); 표적 존재 유무를 판단하는 단계(S250)를 포함하는 것을 특징으로 하며, 탐지 처리 순서는 도 2와 같다. 보다 상세하게는, 근접 탐지를 수행하는 방법은, 근접 탐지 신호 송신 단계(S210), 수신신호 아날로그-디지털 변환 단계(S220), 수신 신호 필터링(또는 선택) 단계(S230), 윈도우 내 수신 신호 합 계산 단계(S240), 표적 유무 판단 단계(S250) 및 복수 센서 정보 융합 단계(S260)를 포함한다.
바람직한 실시 예로서, 탐지용 신호를 송신하는 단계는 트랜스듀서로 구성된 원형 배열 센서 또는 별도로 설치된 프로젝터로 음향신호를 송신하기 위한 것으로, 신호 송신 시 필요한 파라미터는 다음과 같이 결정할 수 있다.
우선 탐지용 송신 신호의 반복 주기 TPRI는 상적으로 탐지 유효범위 Reff와 파의 전파속도(propagation speed)를 고려하여 TPRI ≥ Reff/c로 결정된다. 탐지용 송신 신호는 연속파(continuous wave) 펄스 또는 선형 주파수 변조(linear frequency modulation) 펄스 등이 사용될 수 있으며, 송신 펄스의 길이 Tpulse는 통상적으로 TPRI와 듀티 비(duty ratio, DR)의 곱으로 표현된다. 탐지용 신호를 송신하는 동안에는 신호를 수신할 수 없어 음영 구역(eclipsing zone or blind zone)이 발생하므로, 근접 탐지 가능거리 RD는 이론적으로 c ×Tpulse < RD < Reff가 된다. 탐지용 송신 신호의 경우 동일한 주파수를 사용하여 송신할 수 있으나, 수중에서 신호를 송신하는 경우 해수면, 해저면, 수중 부유물 등에 의한 영향으로 잔향음(reverberation)이 발생하게 되며, 잔향음의 유지시간이 긴 경우 다음 송신 신호까지 영향을 받을 수 있다. 이를 방지하기 위하여 인접한 송신 핑의 경우 주파수를 변경하여 송신할 수 있으며, 이때 송신 신호의 주파수 fT는 하기의 수학식 1와 같이 결정할 수 있다.
Figure 112017085835326-pat00001
여기서, fc는 송신 기준 주파수, fint는 송신 주파수 간격, vs는 수중 운동체의 속도, vt는 표적의 속도, fα는 잔향음에 의한 최대 주파수 분산(dispersion) 값, fg는 송신 신호 간 간섭을 방지하기 위한 보호 대역(guard band) 값을 뜻한다. 만약 vt와 fα를 알기 어려운 경우에는, fint는 = fc2vs/c + fg로 대체할 수 있다. 수학식 1에서 n은 0 < n ≤ N-1인 정수(integer)로, 프로젝터의 송신 가능 대역폭을 BWT라고 하면 송신 신호의 주파수 개수 N은
Figure 112017085835326-pat00002
이 된다. 여기서, 연산자
Figure 112017085835326-pat00003
는 올림 연산자(operator)이다. N개의 송신 신호 주파수를 이용하면 M개의 주파수 조합이 가능하며, 송신 시에는 가능한 조합 중 하나를 반복적으로 사용하거나, 복합하여 사용할 수 있다.
바람직한 실시 예로서, 표적 반사 신호를 수신하는 단계는 탐지용 송신 신호가 표적에 반사되는 신호를 트랜스듀서 또는 하이드로폰을 이용하여 수신하기 위한 것으로, 신호 수신 시 각 센서 별로 신호를 독립적으로 수신하거나, 원형 센서 배열 빔 형성(beam forming) 기법을 이용하여 다수의 수신 빔을 형성하여 수신할 수 있다. 이때, 각 센서별로 신호를 수신할 경우 필요한 센서 개수를 Ns, 수신 빔을 형성할 경우 필요한 센서 개수를 Nb라고 하면, 하기의 수학식 2와 같이 구할 수 있다.
Figure 112017085835326-pat00004
여기서, θs는 단일 수신 센서의 3 dB 빔폭(beamwidth)을, θb는 수신 빔의 3 dB 빔폭을 의미하며, λ와 a는 각각 원형 센서 배열의 수신 주파수의 파장(wavelength)과 반지름을 의미한다. 각각의 방법별로 실제 센서 배치 간격은 360°/Ns와 360°/Nb가 되며, 다음 단계에서는 Ns개의 신호 또는 Nb개의 빔을 처리한다.
이때, 수신 신호는 탐지 성능 향상을 위하여 부가적으로 탐지 처리 대역 BW△ (fT ≤ BW△ ≤ fT + fint)에 맞춰 아날로그 또는 디지털 필터를 이용하여 신호를 필터링할 수 있으며, 필터링 시 대역 통과 필터(bandpass filter)를 사용하거나 데이터량 감소를 위해 수신 신호를 기저대역(baseband)으로 내려 저역 통과 필터(lowpass filter)를 사용할 수 있다.
근접 탐지를 위해서는 TPRI내에 처리가 이루어져야 하므로, 빔 형성 및 필터링 등의 처리에 소요되는 시간의 합 Tproc이 TPRI 이하인 경우에는 센서별 또는 빔으로 탐지를 수행할 수 있으며, Tproc가 TPRI 를 초과하는 경우에는 센서 별로 탐지를 수행해야 한다.
바람직한 실시 예로서, 표적 존재 유무 판단 및 거리 추정 단계에서는 표적 반사 신호를 수신하는 단계는 출력된 센서 출력 신호 또는 빔 신호를 이용하며 표적 유무를 판단하고, 표적이 존재하는 경우 표적 거리를 추정한다. 통상적으로 수중에서 거리 R을 왕복할 경우 신호 감쇄(attenuation)는, 근거리에서의 주파수에 따른 흡수 손실(absorption loss)을 무시하면 2×20log10R이 된다. 따라서 수신 신호의 크기 RL은 송신 음압을 SL이라고 할때, SL - 2×20log10R 이하가 되며, 통상적으로 잡음 지배(noise-limited) 환경하에서 센서 또는 배열의 지향적 지수(directivity index) DI, 표적 강도 TS, 잡음 수준 NL을 고려하여 하기의 수학식 3을 만족하는 경우 표적 신호가 존재한다고 판단한다.
Figure 112017085835326-pat00005
여기서, DT는 설정된 탐지 문턱 값(detection threshold)를 뜻한다. 일반적으로 DT는 오탐지(false alarm) 발생을 최소화하기 위해 CFAR(constant false alarm rate) 알고리즘을 이용하여 상황에 따라 가변적인 DT를 사용하나, CFAR 알고리즘의 경우 테스트 셀을 기준으로 좌/우측 셀의 값을 모두 이용하므로 탐지 결과를 산출에 시간 지연이 발생한다. 상호 고속으로 진행하는 수중 운동체에서 근접탐지를 수행할 경우 탐지 가능 시간에 제약이 있으므로, 탐지 성능을 확보하면서 지연이 최소화 되어야 한다.
이를 위해 본 발명에서는 표적의 존재 유무 판단을 위해 하기의 수학식 4와 같이 탐지 신호 송신 종료 시점부터 수신 신호 준위는
Figure 112017085835326-pat00006
번째 슬라이딩 윈도우의 구간 합 S(k)을 이용하여 계산한다.
Figure 112017085835326-pat00007
여기서, NP는 펄스 길이에 대응하는 이산화된 샘플의 수이고, fs는 샘플링 주파수이며, [ ]는 반올림 연산자이다. k는 슬라이딩 윈도우의 이동 인덱스이며, 슬라이딩 윈도우의 최대 개수 K는 [(TPRI - Tpulse)/fs] 이다.
이때, 슬라이딩 윈도우의 이동 인덱스는 1 이상의 양의 정수 값을 가질 수 있으며, 이동 간격의 크기에 비례하여 슬라이딩 윈도우의 최대 개수 K는 감소하게 된다. S(k)를 계산한 후 표적의 존재 유무는 종래의 방법과 유사하게 DT와의 비교를 통해 하기의 수학식 5와 같이 판단할 수 있다.
Figure 112017085835326-pat00008
여기서 DT는 근접탐지 전에 센서를 통해 측정된 NL값과 설정된 오탐지율을 이용하여 CFAR 알고리즘의 문턱 값 계산식을 통해 구해진 고정 값을 사용한다. 이 때, 단일 센서 또는 단일 빔에서 획득된 탐지 결과만을 이용할 경우 발생할 수 있는 오탐지를 더욱 감소시키기 위하여 추가적으로 인접 센서 또는 인접 빔의 탐지 결과와 비교하는 절차를 수행하며, 인접 센서 또는 인접 빔에서도 탐지가 이루어진 경우, 즉 탐지 결과의 수가 2이상인 경우 표적이 존재한다고 판단한다.
본 발명에 따르면, 상호 고속으로 기동하는 수중 운동체가 근접하는 경우 음향 신호를 이용하여 근접여부의 판단을 가능하게 함으로써, 자기탐지 장치 등이 사용이 불가능한 경우에도 이를 대체할 수 있는 이점이 있다.
소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능뿐만 아니라 각각의 구성 요소들에 대한 설계 및 파라미터 최적화는 별도의 소프트웨어 모듈로도 구현될 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 메모리에 저장되고, 제어부(controller) 또는 프로세서(processor)에 의해 실행될 수 있다.

Claims (4)

  1. 원형 배열 센서를 이용하여 근접 물체를 탐지하는 방법에 있어서,
    탐지용 신호를 표적으로 송신하는 단계;
    상기 표적으로부터 표적 반사 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 표적의 존재 유무를 판단하는 단계를 포함하고,
    상기 탐지용 신호를 송신하는 단계는,
    잔향음에 의한 영향을 최소화하기 위하여 수중 운동체의 속도에 따라 송신 주파수의 간격을 획득하고, 상기 획득된 송신 주파수의 간격에 기반하는 송신 주파수를 갖는 신호를 조합하여 송신하는 것을 특징으로 하는, 근접 물체 탐지 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 표적 반사 신호를 수신하는 단계는,
    펄스 반복 주기 및 빔형성 전처리 소요시간의 초과 유무에 따라 수신 빔 형성 여부와 개별 수신 여부를 선택적으로 사용하는 것을 특징으로 하는, 근접 물체 탐지 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 표적의 존재 유무를 판단하는 단계는,
    이동 슬라이드 윈도우를 이용하여 신호의 합을 구한 후 설정된 문턱 값과의 비교를 통해 상기 표적의 존재 유무를 판단하고, 인접 센서 또는 빔의 탐지 정보와 연계하여 탐지 결과의 개수가 2 이상인 경우 상기 표적이 존재한다고 판단하는 것을 특징으로 하는, 근접 물체 탐지 방법.
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