KR102021591B1 - 디지털 신호 출력 고주파 센서 및 그 동작방법 - Google Patents

디지털 신호 출력 고주파 센서 및 그 동작방법 Download PDF

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강이규
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Abstract

본 발명은, 수중으로 제1 신호를 송신하고, 상기 수중 내에서 발생된 제2 신호를 수신하는 센서부, 외부의 신호 발생 장치에서 입력된 신호를 상기 제1 신호로 증폭하여 상기 센서부로 출력하고, 상기 센서부에서 수신한 상기 제2 신호를 전달하는 트랜스 포머부 및 상기 제2 신호를 설정된 주파수 대역으로 필터링하여 디지털 신호로 변환하여, 연결된 신호계측장치로 출력하는 신호 변환부를 포함하는 디지털 신호 출력 고주파 센서를 제공한다.

Description

디지털 신호 출력 고주파 센서 및 그 동작방법 {High-frequency sensor for digital signal output and the operation method}
본 발명은 디지털 신호 출력 고주파 센서 및 그 동작방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외부의 전원이나 다른 장치에서 발생되는 외란의 영향 및 케이블 임피던스 효과를 최소화하기 위한 디지털 신호 출력 고주파 센서 및 그 동작방법에 관한 것이다.
일반적으로, 고주파 음향 센서(이하, '고주파 센서'로 칭함)는 항적신호탐지나 ADCP(Acoustic Doppler Current Velocimeter), 수심계 및 고도계 등 미세한 물체나 항적 등을 탐지하기 위해 사용된다.
고주파 센서는 디퍼런셜 타입의 아날로그 라인으로 전처리 장치까지 연결되며, 동축 라인 등으로 라인을 구성하였다.
따라서, 고주파 센서는 케이블 길이에 따라 케이블 임피던스 효과로 주파수 특성 변조가 발생하며, 케이블 임피던스 효과를 제거하기 위해 센서 뒷단에 초단 증폭기만을 사용한다.
또한, 고주파 센서는 기타 외란이 발생할 경우 주파수 성분에 의한 포화가 발생할 수도 있다.
특히, 고주파 센서는 수중유도무기나 UUV(Unmanned Underwater Vehicle: 무인잠수정) 등 추진체와 함께 쓸 경우, 추진모터나 방향타 등의 제어 주파수에 의한 외란을 심하게 받아 포화가 발생하는 경우가 많다.
상술한 바와 같이, 외란을 줄이기 위하여 고주파 센서는 케이블에 차폐를 할 수 있으나, 케이블에 과도하게 차폐를 할 경우, 전체 시스템의 성능이 저하 될 수 있다.
또한, 고주파 센서를 활용한 수중 시험 시, 수중 투입 깊이 등을 고려하여 추가 케이블 연결이 필요한데 주파수가 높아질 수록 케이블 임피던스 효과가 커지게 되어 주파수 특성이 변조되어 정확한 성능시험이 불가능하게 된다.
최근들어, 외부의 전원이나 다른 장치에서 발생되는 외란에 의한 노이즈를 줄이고, 케이블 임피던스 효과를 제거할 수 있는 방법을 연구하고 있다.
한국 등록 특허 제10-1854352호 (등록)
본 발명의 목적은, 외부의 전원이나 다른 장치에서 발생되는 외란의 영향을 최소화하기 위한 디지털 신호 출력 고주파 센서 및 그 동작방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 목적은, 고주파 센서와 케이블 확장에 의한 케이블 임피던스 효과를 제거할 수 있는 디지털 신호 출력 고주파 센서 및 그 동작방법을 제공함에 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 디지털 신호 출력 고주파 센서는, 수중으로 제1 신호를 송신하고, 상기 수중 내에서 발생된 제2 신호를 수신하는 센서부, 외부의 신호 발생 장치에서 입력된 신호를 상기 제1 신호로 증폭하여 상기 센서부로 출력하고, 상기 센서부에서 수신한 상기 제2 신호를 전달하는 트랜스 포머부 및 상기 제2 신호를 설정된 주파수 대역으로 필터링하여 디지털 신호로 변환하여, 연결된 신호계측장치로 출력하는 신호 변환부를 포함할 수 있다.
상기 센서부는, 상기 제1 신호에 대응하는 진동 신호로 변환하여 송신하고, 상기 수중 내에서 발생된 진동을 상기 제2 신호로 변환하여 수신하는 센서조립체일 수 있다.
상기 트랜스 포머부는, 상기 신호 발생 장치로부터 입력된 신호가 증폭되어 상기 제1 신호를 출력하며, 상기 제2 신호를 상기 신호 변환부로 패스하는 양방향 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 센서부 및 상기 신호 변환부는, 상기 양방향 다이오드를 기준으로 서로 병렬 연결될 수 있다.
상기 신호 변환부는, 상기 제2 신호를 설정된 식별 주파수 대역으로 증폭한 제3 신호를 출력하는 저잡음 증폭기, 상기 제3 신호를 상기 주파수 대역으로 필터링한 대역 신호를 출력하는 밴드패스 필터 및 상기 대역 신호를 상기 디지털 신호로 변환하여, 상기 신호 계측 장치로 출력하는 AD 컨버터를 포함할 수 있다.
상기 식별 주파수 대역은, 상기 제2 신호에 대응하는 진동원을 식별하기 위한 주파수 대역일 수 있다.
상기 주파수 대역은, 상기 진동원의 종류를 확인하기 위한 주파수 대역일 수 있다.
본 발명에 따른 디지털 신호 출력 고주파 센서의 동작방법은, 외부의 신호 발생 장치에서 입력된 신호를 제1 신호로 증폭하여 송신하는 단계, 센서부가 수신한 제2 신호를 신호 변환부로 전달하는 단계, 신호 변환부가 상기 제2 신호를 설정된 주파수 대역으로 필터링하여 디지털 신호로 변환하는 단계 및 상기 디지털 신호를 외부의 신호 계측 장치로 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 디지털 신호로 변환하는 단계는, 상기 센서부로부터 입력된 상기 제2 신호가 트랜스 포머부에서 상기 신호 변환부로 전달되고, 상기 제2 신호를 설정된 식별 주파수 대역으로 증폭한 제3 신호를 출력하는 단계, 상기 제3 신호를 상기 주파수 대역으로 필터링한 대역 신호를 출력하는 단계 및 상기 대역 신호를 상기 디지털 신호로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 디지털 신호 출력 고주파 센서의 동작방법은, 입력된 신호를 제1 신호로 증폭하여 상기 센서부로 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 디지털 신호 출력 고주파 센서 및 그 동작방법은, 트랜스 포머부를 통하여 신호 발생부에서 입력된 신호를 제1 신호로 증폭하여 센서부를 통하여 수중으로 송신할 수 있으며, 센서부가 수신한 제2 신호를 신호 변환부로 전달하고, 신호 변환부에서 제2 신호를 디지털 신호로 변환하여 신호 계측 장치로 출력함으로써, 시험용 확장 케이블이 결합되는 경우에도 케이블 임피던스 효과를 제거할 수 있는 이점이 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명에 따른 디지털 신호 출력 고주파 센서를 개략적으로 나타낸 구조도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 디지털 신호 출력 고주파 센서의 제어 구성을 나타낸 제어 블록도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 트랜스 포머부를 간략하게 나타낸 회로도이다.
도 4는 도 3에 나타낸 트랜스 포머부에서 제1 신호를 패스하는 동작도이다.
도 5는 도 3에 나타낸 트랜스 포머부에서 제2 신호를 패스하는 동작도이다.
도 6는 도 2에 나타낸 디지털 신호 출력 고주파 센서의 동작방법을 나타낸 순서도이다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 디지털 신호 출력 고주파 센서 및 그 동작방법에 관하여 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 디지털 신호 출력 고주파 센서를 개략적으로 나타낸 구조도이다.
도 1을 참조하면, 디지털 신호 출력 고주파 센서(100)는 센서부(110), 트랜스 포머부(120), 신호 변환부(130) 및 케이블 커넥터(150)를 포함할 수 있다.
먼저, 도 1(a)는 인쇄회로기판 상에 센서부(110), 트랜스 포머부(120), 신호 변환부(130), 및 케이블 커넥터(150)가 결합된 평면도이며, 도 1(b)는 측면도이다.
센서부(110)는 압전효과를 갖는 세라믹으로 제조될 수 있다. 센서부(110)는 센서 어레이 조립체일 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
센서부(110)는 수중으로 전기적인 신호, 즉 외부의 신호 발생부로부터 입력되어 트랜스 포머부(120)를 통해 전달된 제1 신호를 송신할 수 있다. 또한, 센서부(110)는 수중에서 진동원에 의해 발생된 진동에 의한 음향 신호, 즉 전기적인 제2 신호를 수신할 수 있다.
트랜스 포머부(120)는 외부의 신호 발생 장치(140)에서 생성된 신호를 증폭한 제1 신호를 센서부(110)로 출력할 수 있다. 또한, 트랜스 포머부(120)는 센서부(110)에서 수신한 제2 신호를 신호 변환부(130)로 전달할 수 있다.
신호 변환부(130)는 센서부(110)에서 수신하여 트랜스 포머부(120)를 통해 전달된 제2 신호가 입력된다.
이때, 신호 변환부(130)는 상기 제2 신호를 저잡음 증폭 및 필터링한 디지털 신호로 변환하여 케이블 커넥터(150)에 연결되는 신호 계측 장치(미도시)로 출력할 수 있다.
실시 예에서, 신호 발생 장치 및 신호 계측 장치는 디지털 신호 출력 고주파 센서의 동작을 시험할 수 있는 시험 장치일 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
외부의 신호 발생 장치는 입력된 전원을 기반으로 신호를 생성하여 트랜스 포머부(120)로 출력할 수 있다.
케이블 커넥터(150)는 복수의 핀으로 구성되며, 상기 복수의 핀을 통하여 송신시 연결되는 외부의 신호 발생 장치(미도시)로부터 입력되는 상기 제1 신호 또는 수신시 연결되는 신호 계측 장치(미도시)의 상기 전원 및 상기 디지털 신호를 전달할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 디지털 신호 출력 고주파 센서의 제어 구성을 나타낸 제어 블록도 및 도 3은 도 2에 나타낸 트랜스 포머부를 간략하게 나타낸 회로도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 디지털 신호 출력 고주파 센서(100)는 센서부(110), 트랜스 포머부(120), 신호 변환부(130), 및 케이블 커넥터(150)를 포함할 수 있다.
센서부(110)는 입력된 제1 신호(ts)를 수중으로 송신할 수 있다. 또한, 센서부(110)는 수중의 진동원으로부터 발생된 진동에 대응하는 제2 신호(rs)를 수신할 수 있다.
이때, 제2 신호(rs)를 수신하는 경우, 센서부(110)는 트랜스 포머부(120)로 제2 신호(rs)를 출력할 수 있다.
트랜스 포머부(120)는 트랜스포머(122) 및 양방향 스위치(124)를 포함할 수 있다.
먼저, 제1 신호(ts)를 출력하는 경우, 트랜스포머(122)는 외부의 신호 발생 장치(140)으로부터 전달된 신호(s)를 증폭한 제1 신호(ts)를 양방향 다이오드(124)로 출력할 수 있다.
여기서, 트랜스포머(122)의 1차측은 외부의 신호 발생 장치(140)와 연결되어 신호(s)가 입력되며, 트랜스포머(122)의 2차측은 양방향 다이오드(124)와 연결되어 증폭된 제1 신호(ts)를 양방향 다이오드(124)를 통하여 센서부(110)로 출력할 수 있다.
또한, 제2 신호(rs)가 입력되는 경우, 트랜스포머부(120)의 양방향 다이오드(124)에 의해 트랜스포머(122) 1차측과 분리되어 신호 변환부(130)로 출력할 수 있다.
양방향 다이오드(124)는 송신 시 상기 제1 신호(ts)를 통과시키고, 수신 시에는 1차측과 전기적으로 분리하고 상기 제2 신호를 신호 변환부(130)로 전달하는 구조로 연결되어 있다.
신호 변환부(130)는 저잡음 증폭기(132), 밴드 패스 필터(134) 및 AD 컨버터(136)를 포함할 수 있다.
저잡음 증폭기(132)는 센서부(110)에서 출력되어 양방향 다이오드(124)로 패스되는 상기 제2 신호(rs)를 입력 받을 수 있다.
이때, 저잡음 증폭기(132)는 제2 신호(rs)를 식별 주파수 대역으로 증폭한 제3 신호(fs)를 출력할 수 있다.
여기서, 상기 식별 주파수 대역은 제2 신호(rs)에 대응하는 진동원을 식별하기 위한 주파수 대역일 수 있으며, 운용자에 의해 가변될 수 있다.
밴드 패스 필터(134)는 저잡음 증폭기(132)에서 출력된 제3 신호(fs)를 설정된 주파수 대역으로 필터링한 대역 신호(ps)를 출력할 수 있다.
여기서, 상기 주파수 대역은 상기 진동원의 종류를 확인하기 위한 주파수 대역일 수 있으며, 운용자에 의해 주파수 대역이 가변될 수 있다.
AD 컨버터(136)는 대역 신호(ps)를 아날로그-디지털 변환하여 디지털 신호(ds)를 출력할 수 있다.
외부의 신호 발생 장치(140)는 외부에서 입력된 전원으로 신호(s)를 발생시켜 트랜스포머(122)로 출력할 수 있다.
케이블 커넥터(150)는 신호 계측 장치(190)에 연결된 시험용 케이블이 연결될 수 있으며, AD 컨버터(136)에서 출력된 디지털 신호(ds)를 신호 계측 장치(190)로 출력할 수 있다.
신호 계측 장치(190)는 디지털 신호(ds)가 입력되며, 디지털 신호(ds)를 아날로그 신호로 변환하여, 상기 진동원의 종류를 확인할 수 있다.
실시 예에 따른 디지털 신호 출력 고주파 센서(100)는 디지털 신호(ds)를 신호 계측 장치(190)로 출력함으로써, 시험용 케이블에 의해 발생되는 케이블 임피던스 효과를 제거할 수 있는 이점이 있다.
도 4는 도 3에 나타낸 트랜스 포머부에서 제1 신호를 패스하는 동작도, 및 도 5는 도 3에 나타낸 트랜스 포머부에서 제2 신호를 패스하는 동작도이다.
먼저, 도 4는 센서부(110)에서 제1 신호(ts)를 송신하는 것을 나타낸다.
즉, 도 4를 참조하면, 트랜스포머(122)의 1차측은 외부의 신호 발생 장치(140)에서 출력된 신호(s)가 입력된다. 이때, 트랜스포머(122)의 2차측은 1차측과의 권선비에 따라 증폭된 제1 신호(ts)를 양방향 스위치(124)로 출력할 수 있다.
이때, 양방향 다이오드(124)는 센서부(110)로 제1 신호(ts)를 전달할 수 있다. 여기서, 양방향 다이오드(124)는 제1 신호(ts)가 아날로그 신호인 관계로 트랜스포머(122)의 2차측 2개의 단자에 각각 연결될 수 있다.
센서부(110)는 양방향 다이오드(124)를 통하여 입력된 제1 신호(ts)를 수중으로 송신할 수 있다.
도 5는 센서부(110)에서 제2 신호(rs)를 수신하는 것을 나타낸다.
즉, 도 5를 참조하면, 센서부(110)는 제2 신호(rs)를 수신하면, 병렬 연결된 양방향 다이오드(124) 및 저잡음 증폭기(132)로 제2 신호(rs)를 전달할 수 있다.
이때, 양방향 다이오드(124)는 트랜스포머(122)와 전기적으로 분리하여 센서부(110)로 수신된 제2 신호(rs)를 저잡음 증폭기(132)로 전달할 수 있다.
이때, 저잡음 증폭기(132)는 제2 신호(rs) 중 적어도 하나를 제3 신호(fs)로 증폭하여, 밴드 패스 필터(134)로 출력할 수 있다.
도 6는 도 2에 나타낸 디지털 신호 출력 고주파 센서의 동작방법을 나타낸 순서도이다.
도 6을 참조하면, 디지털 신호 출력 고주파 센서(100)는 송신 용도인지 수신 용도인지에 따른 동작을 구분할 수 있다(S210).
이때, 수중으로부터 센서부가 신호를 입력받아 디지털 신호를 출력하는 수신 용도로 동작하면, 센서부(110)는 수신한 제2 신호(rs)를 신호 변환부(130)로 전달할 수 있다.
신호 변환부(130)는 제2 신호(rs)를 식별 주파수 대역으로 증폭한 제3 신호(fs)를 출력할 수 있다(S230).
이후, 신호 변환부(130)는 제3 신호(fs)를 주파수 대역으로 필터링한 대역 신호(ps)를 출력할 수 있다(S240).
신호 변환부(130)는 대역 신호(ps)를 디지털 신호(ds)로 변환하고(S250), 신호 계측 장치(190)로 디지털 신호(ds)를 출력할 수 있다(S260).
(S210) 단계에서 송신 용도로 확인하면, 트랜스포머부(120)는 1차측에서 신호(s)를 입력받고, 신호(s)를 제1 신호(ts)로 증폭할 수 있다.
트랜스포머부(120)는 제1 신호(ts)를 센서부(110)로 출력하고, 센서부(110)는 수중으로 제1 신호(ts)를 송신할 수 있다(S280).
전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 후술될 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100, 400: 디지털 신호 출력 고주파 센서 110, 310: 센서부
120, 320: 트랜스포머부 130, 330: 신호 변환부
150, 350: 케이블 커넥터

Claims (11)

  1. 수중으로 제1 신호를 송신하고, 상기 수중 내에서 발생된 제2 신호를 수신하는 센서부;
    외부의 신호 발생 장치에서 입력된 신호를 상기 제1 신호로 증폭하여 상기 센서부로 출력하고, 상기 센서부에서 수신한 상기 제2 신호를 전달하는 트랜스 포머부; 및
    상기 제2 신호를 설정된 주파수 대역으로 필터링하여 디지털 신호로 변환하여, 연결된 신호계측장치로 출력하는 신호 변환부를 포함하되,
    상기 트랜스 포머부는, 상기 신호 발생 장치로부터 입력된 신호를 증폭하여 상기 제1 신호를 출력하며, 상기 제2 신호를 상기 신호 변환부로 패스하는 양방향 다이오드를 포함하는, 디지털 신호 출력 고주파 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서부는,
    상기 제1 신호에 대응하는 진동 신호로 변환하여 송신하고, 상기 수중 내에서 발생된 진동을 상기 제2 신호로 변환하여 수신하는 센서조립체인,
    디지털 신호 출력 고주파 센서.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서부 및 상기 신호 변환부는, 상기 양방향 다이오드를 기준으로 서로 병렬 연결된, 디지털 신호 출력 고주파 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 변환부는,
    상기 제2 신호를 설정된 식별 주파수 대역으로 증폭한 제3 신호를 출력하는 저잡음 증폭기;
    상기 제3 신호를 상기 주파수 대역으로 필터링한 대역 신호를 출력하는 밴드패스 필터; 및
    상기 대역 신호를 상기 디지털 신호로 변환하여, 상기 신호계측장치로 출력하는 AD 컨버터를 포함하는,
    디지털 신호 출력 고주파 센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 식별 주파수 대역은, 상기 제2 신호에 대응하는 진동원을 식별하기 위한 주파수 대역인, 디지털 신호 출력 고주파 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 주파수 대역은, 상기 진동원의 종류를 확인하기 위한 주파수 대역인 것을 특징으로 하는 디지털 신호 출력 고주파 센서.
  8. 트랜스 포머부가, 외부의 신호 발생 장치에서 입력된 신호를 제1 신호로 증폭하여 센서부로 송신하는 단계;
    상기 센서부가 수신한 제2 신호를 신호 변환부로 전달하는 단계;
    상기 신호 변환부가 상기 제2 신호를 설정된 주파수 대역으로 필터링하여 디지털 신호로 변환하는 단계; 및
    상기 신호 변환부가 상기 디지털 신호를 외부의 신호 계측 장치로 출력하는 단계를 포함하되,
    상기 트랜스 포머부는, 상기 신호 발생 장치로부터 입력된 신호를 증폭하여 상기 제1 신호를 출력하며, 상기 제2 신호를 상기 신호 변환부로 패스하는 양방향 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 신호 출력 고주파 센서의 동작방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 디지털 신호로 변환하는 단계는,
    상기 센서부로부터 입력된 상기 제2 신호가 상기 트랜스 포머부에서 상기 신호 변환부로 전달되고, 상기 제2 신호를 설정된 식별 주파수 대역으로 증폭한 제3 신호를 출력하는 단계;
    상기 제3 신호를 상기 주파수 대역으로 필터링한 대역 신호를 출력하는 단계; 및
    상기 대역 신호를 상기 디지털 신호로 변환하는 단계를 포함하는,
    디지털 신호 출력 고주파 센서의 동작방법.
  10. 삭제
  11. 제8항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 디지털 신호 출력 고주파 센서의 동작방법을 컴퓨터에서 수행하기 위한 컴퓨터에서 판독 가능한 프로그램이 기록된 저장 매체.
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