KR102074588B1 - 수중침전물질 음향탐지 방법 및 시스템 - Google Patents

수중침전물질 음향탐지 방법 및 시스템 Download PDF

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한양대학교 에리카산학협력단
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Abstract

수중침전물질 음향탐지 방법이 제공된다. 상기 수중침전물질 음향탐지 방법은, 대상체를 향하여 제공된 입사음파가 상기 대상체의 제1 면으로부터 반사되어 형성된 제1 반사파 정보, 및 상기 대상체의 제1 면과 대향하는 제2 면으로부터 반사되어 형성된 제2 반사파 정보를 획득하는 단계, 상기 제1 반사파 정보, 및 상기 제2 반사파 정보에 정합 필터를 적용시켜, 제1 정합 반사파 정보, 및 제2 정합 반사파 정보를 획득하는 단계, 상기 제2 정합 반사파 정보가 나타내는 최대 피크(peak)에서의 시간과 상기 제1 정합 반사파 정보가 나타내는 최대 피크에서의 시간 차이 값인 시간 정보 값을 획득하는 단계, 및 상기 시간 정보 값을 이용하여 상기 대상체의 두께를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

수중침전물질 음향탐지 방법 및 시스템 {Method and system for acoustic detection of underwater sediment}
본 발명은 수중침전물질 음향탐지 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 수중에 침전되어있는 대상체를 향해 음파를 입사시키고, 대상체로부터 반사되는 음파를 획득한 후 반사된 음파를 분석하여 대상체의 두께를 측정하는 수중침전물질 음향탐지 방법 및 시스템에 관련된 것이다.
산업 및 도시의 발달로 공장 폐수 및 가정 하수의 배출량이 계속적인 증가세를 보이고 있으며, 이에 따른 해양 오염 또한 증가되어 생태 환경의 파괴로 이어지고 있다. 이러한 해양 오염의 심각성이 대두됨에 따라, 해양 오염에 대한 즉각적인 대비책의 마련을 위해 해양 오염 정도 의 상시 측정이 요구된다.
근래에는 해양의 오염을 측정하기 위하여 해양의 지속적인 관찰을 통해 시료를 채취하고, 이를 실험실로 운반한 후, 오염물을 추출 및 정제하여 고가의 기기를 이용한 화학 분석을 통해 이루어지고 있다. 그러나 이러한 해양 오염 측정 방법은 인력을 통해 시료 채취를 하는데, 이러한 인용을 이용함에 따라, 다양한 자연재해 요건 발생시 시료 채취가 어려워 비효율적이며, 인력 관리로 인한 비용이 증대되는 문제점이 있다. 또한 해양 오염 정도의 결과를 얻기까지 상당한 시간이 소요되어 이미 오염이 이루어진 해양에서의 대처가 늦어 지는 문제점이 있으며, 고가의 기기를 이용하여 화학 분석이 이루어짐으로써, 해양 오염의 측정을 위한 비용이 증대되는 문제점이 있다. 이에 따라, 해양 오염에 대한 즉각적인 대비책의 마련을 위해 오염의 정도를 상시 측정하기 위한 다양한 기술이 개발 되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 간단한 방법으로 수중침전물질의 두께를 측정할 수 있는 수중침전물질 음향탐지 방법 및 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 수중침전물질의 두께 측정 정확도가 향상된 수중침전물질 음향탐지 방법 및 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 수중에 침전된 다양한 물질의 두께를 측정할 수 있는 수중침전물질 음향탐지 방법 및 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상술된 기술적 과제들을 해결하기 위해 본 발명은 수중침전물질 음향탐지 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 수중침전물질 음향탐지 방법은 대상체를 향하여 제공된 입사음파가 상기 대상체의 제1 면으로부터 반사되어 형성된 제1 반사파 정보, 및 상기 대상체의 제1 면과 대향하는 제2 면으로부터 반사되어 형성된 제2 반사파 정보를 획득하는 단계, 상기 제1 반사파 정보, 및 상기 제2 반사파 정보에 정합 필터를 적용시켜, 제1 정합 반사파 정보, 및 제2 정합 반사파 정보를 획득하는 단계, 상기 제2 정합 반사파 정보가 나타내는 최대 피크(peak)에서의 시간과 상기 제1 정합 반사파 정보가 나타내는 최대 피크에서의 시간 차이 값인 시간 정보 값을 획득하는 단계, 및 상기 시간 정보 값을 이용하여 상기 대상체의 두께를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 입사음파는 시간에 따라 가변하는 주파수 대역을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 입사음파는, 수백 kHz 이상에서 시간에 따라 주파수가 가변할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 수중침전물질 음향탐지 방법은 상기 제1 및 제2 반사파 정보로부터 반사 손실 값을 측정하고, 상기 반사 손실 값으로부터 상기 대상체를 특정하여, 상기 대상체의 음속 정보 값을 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 대상체의 음속 정보 값은, 상기 반사 손실 값 별 상기 대상체의 물질 데이터 베이스를 기본으로 획득될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 대상체의 두께는, <수학식 1>을 통해 계산되는 것을 포함할 수 있다.
<수학식 1>
대상체의 두께(s)=대상체의 음속 정보 값(v)반사신호 도달시간 정보 값(△T)
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 및 제2 정합 반사파 정보를 획득하는 단계는, 상기 입사음파와 상기 제1 및 제2 반사파 정보간의 자기상관성에 따라 획득하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 및 제2 정합 반사파 정보는, 상기 제1 및 제2 반사파 정보가 상기 입사음파와의 자기상관성이 높을수록 피크가 높게 나타나는 것을 포함할 수 있다.
상술된 기술적 과제들을 해결하기 위해 본 발명은 수중침전물질 음향탐지 시스템을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 수중침전물질 음향탐지 시스템은, 대상체를 향하여 입사음파를 제공하는, 음파 제공부, 대상체를 향하여 제공되는 상기 음파에 대한 입사파 정보, 상기 음파가 상기 대상체의 제1 면으로부터 반사되어 형성되는 제1 반사파 정보, 및 상기 음파가 상기 대상체의 제2 면으로부터 반사되어 형성되는 제2 반사파 정보를 획득하는 음파 정보 획득부, 상기 제1 반사파 정보, 및 상기 제2 반사파 정보에 정합 필터를 적용시켜, 제1 정합 반사파 정보, 및 제2 정합 반사파 정보를 획득하는, 정합 필터부, 및 상기 제2 정합 반사파 정보가 나타내는 최대 피크(peak)에서의 시간과 상기 제1 정합 반사파 정보가 나타내는 최대 피크에서의 시간 차이 값인 시간 정보 값을 이용하여 상기 대상체의 두께를 측정하는, 두께 측정부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 음파 제공부에서 제공되는 상기 입사음파는, 시간에 따라 가변하는 주파수 대역을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 음파 정보 획득부는, 상기 제1 및 제2 반사파 정보로부터 반사 손실 값을 측정하고, 상기 반사 손실 값으로부터 상기 대상체를 특정하여, 상기 대상체의 음속 정보 값을 더 획득할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 대상체의 음속 정보 값은, 상기 반사 손실 값 별 상기 대상체의 물질 데이터 베이스를 기본으로 획득될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 두께 측정부는, 상기 대상체의 두께를, <수학식 1>을 통해 계산할 수 있다.
<수학식 1>
대상체의 두께(s)=대상체의 음속 정보 값(v)반사신호 도달시간 정보 값(△T)
일 실시 예에 따르면, 상기 두께 측정부는, 상기 대상체의 두께를, 상기 제1 및 제2 반사파 정보를 기준으로, 상기 입사음파와의 자기상관성에 따라 획득하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법은, 시간에 따라 가변하는 주파수 대역을 갖는 상기 실시 예에 따른 입사음파를 대상체에 제공한 후, 상기 대상체의 상부면 및 하부면에서 반사된 반사파로부터 각각 제1 및 제2 반사파 정보를 획득하고, 상기 제1 및 제2 반사파 정보로부터 반사 손실 값을 측정하는 간단한 방법으로, 상기 대상체의 음속 정보 값을 획득할 수 있다.
또한, 상기 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법은, 상기 제1 및 제2 반사파 정보와 상기 입사음파사이의 자기상관성에 따른 정합 필터가 적용된 제1 및 제2 정합 반사파 정보를 획득하고, 이로부터 시간 정보 값을 획득함에 따라, 노이즈의 개입이 최소화되고 정확도가 향상된 상기 시간 정보 값이 획득될 수 있다.
결과적으로, 상기 대상체의 음속 정보 값 및 상기 시간 정보 값을 통하여 상기 대상체의 두께를 측정하는 상기 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법은, 간단한 방법으로 상기 대상체의 두께를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 대상체의 두께 측정 정확도 까지 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법을 설명하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법 중 제1 및 제2 반사파를 획득하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법 중 제1 및 제2 반사파가 획득되는 과정을 보다 구체적으로 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법 중 제1 및 제2 반사파 정보를 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 4에 도시된 CW 및 LFM을 각각 분리하여 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물 음향탐지 방법 중 제1 및 제2 반사파 정보로부터 측정된 반사 손실 값을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물 음향탐지 방법 중 물질 데이터 베이스의 일 예를 나타내는 표이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법 중 제1 및 제2 정합 반사파 정보를 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 8 그래프의 Y축 범위를 확장시켜 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 8에 도시된 LFM 및 MF RESULT를 각각 분리하여 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 시스템을 설명하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법의 모의 실험 방법을 촬영한 사진 및 모식도이다.
도 13은 도 12의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법의 정확도를 확인하는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법을 설명하는 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법 중 제1 및 제2 반사파를 획득하는 과정을 설명하는 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법 중 제1 및 제2 반사파가 획득되는 과정을 보다 구체적으로 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법은, 대상체를 향하여 제공된 입사음파가 상기 대상체로부터 반사된 제1 및 제2 반사파 정보를 획득하는 단계(S100), 상기 제1 및 제2 반사파 정보에 정합 필터를 적용시켜, 제1 및 제2 정합 반사파 정보를 획득하는 단계(S200), 상기 제1 및 제2 정합 반사파 정보로부터 시간 정보 값을 획득하는 단계(S300), 및 상기 시간 정보 값을 이용하여 대상체의 두께를 측정하는 단계(S400)를 포함할 수 있다. 이하, 각 단계에 대해 구체적으로 설명된다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 S100 단계에서는 대상체(Ob)를 향하여 입사음파(IS)가 제공될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 입사음파(IS)는 해상에 배치된 음파제공장치(10)를 통하여 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 음파제공장치(10)는 선박(ship) 내에 배치되어, 해상을 이동하며 해저의 임의의 지점을 향하여 상기 입사음파(IS)를 제공할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 대상체(Ob)는 수중침전물질일 수 있다. 예를 들어, 상기 수중침전물질은 클로로폼과 같이 수중에 침전되어 위험성을 나타내는 물질일 수 있다. 즉, 상기 S100 단계에서는, 음파제공장치(10)로부터 수중침전물질로 상기 입사음파(IS)가 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 입사음파(IS)는, 자연적으로 존재하지 않는 주파수 대역을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 입사음파(IS)는 고주파 특히 수백 kHz 이상의 고조파일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 입사음파(IS)는 시간에 따라 가변하는 주파수 대역을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 입사음파(IS)는 190 kHz 부터 210 kHz까지 주파수가 가변하고, 평균 200 kHz의 주파수 대역을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 입사음파(IS)가 사용된 수중침전물질 음향탐지 방법은, 상기 대상체(Ob)의 두께를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
이와 달리, 기존의 음향탐지 방법과 같이, 자연적으로 존재하는 주파수 대역을 갖는 입사음파를 사용하여, 상기 대상체(Ob)의 두께를 측정하는 경우, 후술되는 제1 및 제2 정합 반사파 정보 획득 단계에서, 제1 및 제2 정합 반사파 정보의 정확도가 감소되는 문제점이 발생할 수 있다. 이 경우, 후술되는 시간 정보 값을 획득하는 단계에서, 시간 정보 값의 정확도 까지 감소되는 문제로 이어질 수 있다. 결과적으로, 상기 대상체(Ob)의 두께 측정률이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 제1 및 제2 정합 반사파 정보와 시간 정보 값을 정확도가 감소되는 구체적인 설명은 후술된다.
하지만, 상술된 바와 같이 자연적으로 존재하지 않는 주파수 대역을 갖는 상기 입사음파를 사용하여 상기 대상체(Ob)의 두께를 측정하는 경우, 후술되는 제1 및 제2 정합 반사파 정보 획득 단계에서, 제1 및 제2 정합 반사파 정보의 정확도가 향상될 수 있다. 이 경우, 후술되는 시간 정보 값을 획득하는 단계에서, 시간 정보 값의 정확도 또한 향상될 수 있다. 결과적으로, 상기 대상체(Ob)의 두께 측정률이 향상될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법 중 제1 및 제2 반사파 정보를 나타내는 그래프이고, 도 5는 도 4에 도시된 CW 및 LFM을 각각 분리하여 나타낸 그래프이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 대상체(Ob)에 제공된 상기 입사음파(IS)는, 상기 대상체(Ob)의 제1 면(Ob1) 및 제2 면(Ob2)으로부터 반사될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 면(Ob2)은 상기 제1 면(Ob1)과 대향하는 면일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 면(Ob1)은 상기 대상체(Ob)의 상부면이고, 상기 제2 면(Ob2)은 상기 대상체(Ob)의 하부면일 수 있다.
상기 입사음파(IS)가 상기 제1 면(Ob1)에서 반사되는 경우, 제1 반사파(RS1)가 형성되고, 상기 제2 면(Ob2)에서 반사되는 경우, 제2 반사파(RS2)가 형성될 수 있다. 즉, 상기 입사음파(IS)는 상기 대상체(Ob)의 상부면으로 입사되어 상기 대상체(Ob)의 하부면까지 도달하는 과정에서, 상기 대상체(Ob)의 상부면 및, 하부면에서 각각 반사될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 및 제2 반사파(RS1, RS2)는 상기 음파제공장치(10)로 제공되어, 각각 제1 및 제2 반사파 정보(RSI1, RSI2)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 반사파 정보(RSI1, RS2)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 시간(Time, ms)에 따른 진폭(Amplitude, volt)로 표시될 수 있다. 도 4 및 도 5에 도시된 CW는 자연적으로 존재하는 주파수 대역을 갖는 입사음파가 제공된 경우를 나타내고, LFM은 자연적으로 존재하지 않는 주파수 대역을 갖는 상기 입사음파(IS)가 제공된 경우를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물 음향탐지 방법 중 제1 및 제2 반사파 정보로부터 측정된 반사 손실 값을 나타내는 그래프이고, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물 음향탐지 방법 중 물질 데이터 베이스의 일 예를 나타내는 표이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 S100 단계로부터 획득된 상기 제1 및 제2 반사파 정보(RSI1, RSI2)를 이용하여 반사 손실 값(Reflection Loss, dB re 1μPa)이 측정될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 실시 예에 따른 수중침전물 음향탐지 방법은, 복수의 대상체(Ob)를 향하여 각각 상기 입사음파(IS)를 제공한 후, 각각의 대상체(Ob)로부터 상기 제1 및 제2 반사파 정보(RSI1, RSI2)를 획득할 수 있다. 이에 따라, 각각의 대상체(Ob)로부터 반사 손실 값이 측정될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이 제1 내지 제 6 대상체(Number of measurements 1~6)를 향하여 각각 상기 입사음파(IS)를 제공한 경우, 상기 제1 내지 제6 대상체 각각으로부터 반사 손실 값이 측정될 수 있다.
상기 대상체(Ob)의 반사 손실 값이 측정된 경우, 상기 반사 손실 값으로부터 상기 대상체(Ob)가 특정될 수 있다. 즉, 상기 대상체(Ob)의 반사 손실 값이 측정된 경우, 상기 반사 손실 값으로부터 상기 대상체(Ob)의 물질 종류를 알 수 있다. 상기 대상체(Ob)가 특정된 이후, 물질 데이터 베이스를 기본으로 상기 대상체(Ob)의 음속 정보 값이 획득될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 물질 데이터 베이스는, 복수의 대상체(Ob)들 각각에 대한 음속 정보 값이 저장된 것일 수 있다. 상기 대상체(Ob)의 음속 정보 값은, 후술되는 대상체의 두께 측정 단계에서, 상기 대상체(Ob)의 두께 측정에 활용될 수 있다. 상기 대상체(Ob)의 음속 정보 값이 구체적으로 활용되는 과정은 후술된다.
즉, 상기 대상체(Ob)로부터 상기 제1 및 제2 반사파 정보(RSI1, RSI2)가 획득된 경우, 상기 제1 및 제2 반사파(RS1, RS2)를 이용하여 상기 반사 손실 값이 측정될 수 있다. 이 경우, 상기 반사 손실 값으로부터 상기 대상체가 특정되며, 특정된 대상체는 상기 물질 데이터 베이스를 통하여 음속 정보 값을 획득할 수 있다.
예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이 제1 내지 제7 대상체(Number of measurement 1~7)각각으로부터 상기 제1 및 제2 반사파 정보(RSI1, RSI2)가 획득된 경우, 각각의 상기 제1 및 제2 반사파 정보(RSI1, RSI2)를 이용하여 제1 내지 제7 대상체의 반사 손실 값이 각각 1~7로 측정될 수 있다. 이후, 1의 반사 손실 값을 갖는 물질은 A로 특정되고, 2의 반사 손실 값을 갖는 물질은 B로 특정될 수 있다. 또한, A 또는 B로 특정된 물질들은 상기 물질 데이터 베이스를 통하여 각각 Av 또는 Bv의 음속 정보 값이 획득될 수 있다. 즉, 반사 손실 값이 1인 물질은 A로 특정되고, A에 대한 음속 정보 값은 Av로 획득될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법 중 제1 및 제2 정합 반사파 정보를 나타내는 그래프이고, 도 9는 도 8 그래프의 Y축 범위를 확장시켜 나타낸 그래프이고, 도 10은 도 8에 도시된 LFM 및 MF RESULT를 각각 분리하여 나타낸 그래프이다.
도 1 및 도 8 내지 도 10을 참조하면, 상기 S100 단계 이후 상기 S200 단계에서는, 상기 제1 반사파 정보(RSI1), 및 제2 반사파 정보(RSI2)에 정합 필터를 적용시켜, 제1 정합 반사파 정보(ARSI1), 및 제2 정합 반사파 정보(ARSI2)가 획득될 수 있다. 상기 제1 정합 반사파 정보(ARSI1), 및 제2 정합 반사파 정보(ARSI2)는 도 8에 도시된 바와 같이 시간(Time, ms)에 따른 진폭(Amplitude, volt)으로 표시될 수 있다. 도 8에 도시된 LFM는 상기 제1 및 제2 반사파 정보(RSI1, RSI2)를 나타내고, MF RESULT는 상기 정합 필터가 적용된 상기 제1 및 제2 정합 반사파 정보(ARSI1, ARSI2)를 나타낸다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 및 제2 정합 반사파 정보(ARSI1, ARSI2)는 상기 제1 및 제2 반사파 정보(RSI1, RSI2)와 상기 입사음파(IS)간의 자기상관성에 따라 획득될 수 있다. 즉, 상기 제1 및 제2 정합 반사파 정보(ARSI1, ARSI2)는 상기 제1 및 제2 반사파 정보(RSI1, RSI2)가 상기 입사음파(IS)를 통하여 노이즈(noise)가 제거된 것일 수 있다. 이 경우, 상술된 바와 같이, 상기 입사음파(IS)는 자연적으로 존재하지 않는 주파수 대역을 가짐에 따라, 상게 제1 및 제2 반사파 정보(RSI1, RSI2)로부터 노이즈를 용이하게 제거할 수 있다.
이와 달리, 입사음파(IS)가 자연적으로 존재하는 주파수 대역을 갖는 경우, 상기 제1 및 제2 반사파 정보(RSI1, RSI2)의 노이즈 제거 효율이 저하될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 및 제2 반사파 정보(RSI1, RSI2)에는, 수중에서 발생하는 다양한 환경들에 의하여 자연적으로 존재하는 주파수 대역을 갖는 노이즈들이 포함될 수 있다. 이러한 노이즈를 자연적으로 존재하는 주파수 대역을 갖는 입사음파(IS)를 이용하여 제거하는 경우, 노이즈와 입사음파(IS)사이에 주파수가 겹치게 되는 부분이 많아져, 노이즈 제거 효율이 저하될 수 있다.
하지만, 상술된 바와 같이 자연적으로 존재하지 않는 주파수 대역을 갖는 상기 입사음파(IS)를 사용하여, 상기 제1 및 제 반사파 정보(RSI1, RSI2)의 노이즈를 제거하는 경우, 주파수가 겹치게 되는 부분이 적어져, 노이즈 제거 효율이 향상될 수 있다. 결과적으로, 상기 실시 예에 따른 입사음파(IS)가 사용됨에 따라, 상기 제1 및 제2 정합 반사파 정보(ARSI1, ARSI2)의 정확도가 향상될 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 정합 반사파 정보(ARSI1, ARSI2)의 정확도가 향상됨에 따라, 후술되는 S300 단계에서 시간 정보 값의 정확도가 향상될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 및 제2 정합 반사파 정보(ARSI1, ARSI2)는 상기 제1 및 제2 반사파 정보(RSI1, RSI2)가 상기 입사음파(IS)와의 자기상관성이 높을수록 피크가 높게 나타날 수 있다. 즉, 상기 제1 및 제2 정합 반사파 정보(ARSI1, ARSI2)의 피크가 높다는 것은, 노이즈 제거율이 높다는 것을 의미할 수 있다.
계속해서 도 1을 참조하면, 상기 S200 단계 이후, 상기 S300 단계에서는 상기 제1 및 제2 정합 반사파 정보(ARSI1, ARSI2)를 이용하여 시간 정보 값이 획득될 수 있다. 구체적으로, 상기 시간 정보 값(△T)은 상기 제2 정합 반사파 정보(ARSI2)가 나타내는 최대 피크(peak)에서의 시간(T2)과 상기 제1 정합 반사파 정보(ARSI1)가 나타내는 최대 피크에서의 시간(T1) 차이 값일 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제2 정합 반사파 정보(ARSI2)가 나타내는 최대 피크(peak)에서의 시간(T2)이 0.45ms이고, 상기 제1 정합 반사파 정보(ARSI1)가 나타내는 피크에서의 시간(T1)이 0.35ms 인 경우, 상기 시간 정보 값(△T)은 0.1ms로 획득될 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 실시 예에 따른 입사음파(IS)가 사용되는 경우, 상기 제1 및 제2 정합 반사파 정보(ARSI1, ARSI2)의 정확도가 향상되고, 이에 따라 상기 시간 정보 값(△T)의 정확도가 향상될 수 있다. 즉, 상기 대상체(Ob)의 상기 제2 면(Ob2)으로부터 반사되어 상기 음파제공장치(10)로 돌아오는데 걸리는 음파의 시간과 상기 제1 면(Ob1)으로부터 반사되어 상기 음파제공장치(10)로 돌아오는데 걸리는 음파의 시간이 정확히 측정될 수 있다.
상기 S300 단계 이후, 상기 S400 단계에서는 상기 시간 정보 값(△T) 및 상기 대상체의 음속 정보 값(v)을 이용하여, 상기 대상체(Ob)의 두께를 측정할 수 있다. 구체적으로 상기 대상체(Ob)의 두께는 아래 <수학식 1>을 통하여 계산될 수 있다.
<수학식 1>
대상체의 두께(s)=대상체의 음속 정보 값(v)반사신호 도달시간 정보 값(△T)
<수학식 1>에서 알 수 있듯이, 상기 대상체(Ob)의 두께(s)를 측정하기 위해서는, 상기 대상체(Ob)의 음속 정보 값(v) 및 시간 정보 값(△T)이 사용됨에 따라, 상기 대상체(Ob)의 음속 정보 값(v) 및 시간 정보 값(△T)의 정확도가 향상될수록, 상기 대상체(Ob)의 두께 정확도가 향상될 수 있다.
이와 관련하여, 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법은, 시간에 따라 가변하는 주파수 대역을 갖는 상기 실시 예에 따른 입사음파(IS)를 상기 대상체(Ob)에 제공한 후, 상기 대상체(Ob)의 상부면 및 하부면에서 반사된 반사파로부터 각각 제1 및 제2 반사파 정보(RSI1, RSI2)를 획득하고, 상기 제1 및 제2 반사파 정보(RSI1, RSI2)로부터 반사 손실 값을 측정하는 간단한 방법으로, 상기 대상체의 음속 정보 값(v)을 획득할 수 있다.
또한, 상기 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법은, 상기 제1 및 제2 반사파 정보(RSI1, RSI2)와 상기 입사음파(IS)사이의 자기상관성에 따른 정합 필터가 적용된 상기 제1 및 제2 정합 반사파 정보(ARSI1, ARSI2)를 획득하고, 이로부터 상기 시간 정보 값을(△T) 획득함에 따라, 노이즈의 개입이 최소화되고 정확도가 향상된 상기 시간 정보 값(△T)이 획득될 수 있다.
결과적으로, 상기 대상체(Ob)의 음속 정보 값(v) 및 상기 시간 정보 값(△T)을 통하여 상기 대상체(Ob)의 두께(s)를 측정하는 상기 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법은, 간단한 방법으로 상기 대상체(Ob)의 두께를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 대상체(Ob)의 두께 측정 정확도 까지 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법이 설명되었다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 시스템이 설명된다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 시스템을 설명하는 도면이다.
도 11을 참조하면, 상기 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 시스템(100)은, 대상체를 향하여 입사음파를 제공하는 음파 제공부(10), 제1 및 제2 반사파 정보를 획득하는 음파 정보 획득부(20), 제1 및 제2 반사파 정보에 정합 필터를 적용시켜, 제1 및 제2 정합 반사파 정보를 획득하는 정합 필터부(30), 및 상기 제1 및 제2 정합 반사파 정보로부터 획득된 시간 정보를 이용하여 대상체의 두께를 측정하는 두께 측정부(40)를 포함할 수 있다. 이하, 각 구성에 대해 설명된다.
상기 음파 제공부(10)는 대상체(Ob)를 향하여 입사음파(IS)가 제공될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 입사음파(IS) 및 상기 대상체(Ob)는 도 1을 참조하여 설명된 상기 대상체(Ob) 및 입사음파(IS)와 같을 수 있다. 이에 따라 구체적인 설명은 생략된다. 즉, 상기 음파 제공부(10)는 수중침전물질을 향하여 상기 입사음파(IS)를 제공할 수 있다.
상기 음파 정보 획득부(20)는 제1 반사파 정보(RSI1), 및 제2 반사파 정보(RSI2)를 획득할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 반사파 정보(RSI1)는 상기 대상체(Ob)의 제1 면(Ob1)에서 반사된 반사파로부터 획득되는 정보일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 면(Ob1)은 상기 대상체(Ob)의 상부면일 수 있다. 상기 제2 반사파 정보(RSI2)는 상기 대상체(Ob)의 제2 면(Ob2)에서 반사된 반사파로부터 획득되는 정보일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 면(Ob2)은 상기 대상체(Ob)의 하부면일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 및 제 반사파 정보(RSI1, RSI2)는 시간(Time, ms)에 따른 진폭(Amplitude, volt)로 표시될 수 있다.
또한, 상기 음파 정보 획득부(20)는 상기 제1 및 제2 반사파 정보(RSI1, RSI2)로부터 반사 손실 값을 측정하고, 상기 반사 손실 값으로부터 상기 대상체(Ob)를 특정하여, 상기 대상체(Ob)의 음속 정보 값을 획득할 수 있다. 상기 대상체(Ob)의 음속 정보 값을 획득하는 구체적인 방법은 도 6 및 도 7을 참조하여 설명된 음속 정보 값(v)의 획득 방법과 같을 수 있다.
상기 정합 필터부(30)는 상기 제1 반사파 정보(RSI1) 및 상기 제2 반사파 정보(RSI2)에 각각 정합 필터를 적용시켜, 제1 정합 반사파 정보(ARSI1) 및 제2 정합 반사파 정보(ARSI2)를 획득할 수 있다. 상기 제1 및 제2 정합 반사파 정보(ARSI1, ARSI2) 역시 시간(Time, ms)에 따른 진폭(Amplitude, volt)으로 표시될 수 있다.
또한, 상기 정합 필터부(30)는 상기 제1 및 제2 정합 반사파 정보(ARSI1, ARSI2)를 이용하여 시간 정보 값이 획득될 수 있다. 구체적으로, 상기 시간 정보 값(△T)은 상기 제2 정합 반사파 정보(ARSI2)가 나타내는 최대 피크(peak)에서의 시간(T2)과 상기 제1 정합 반사파 정보(ARSI1)가 나타내는 최대 피크에서의 시간(T1) 차이 값일 수 있다.
상기 두께 측정부(40)는 상기 시간 정보 값(△T) 및 상기 대상체의 음속 정보 값(v)을 이용하여, 상기 대상체(Ob)의 두께를 측정할 수 있다. 구체적으로 상기 대상체(Ob)의 두께는 아래 <수학식 1>을 통하여 계산될 수 있다.
<수학식 1>
대상체의 두께(s)=대상체의 음속 정보 값(v)시간 정보 값(△T)
이에 따라, 상기 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 시스템(100)은 시간에 따라 가변하는 주파수 대역을 갖는 상기 실시 예에 따른 입사음파(IS)를 상기 대상체(Ob)에 제공한 후, 상기 대상체(Ob)의 상부면 및 하부면에서 반사된 반사파로부터 각각 제1 및 제2 반사파 정보(RSI1, RSI2)를 획득하고, 상기 제1 및 제2 반사파 정보(RSI1, RSI2)로부터 반사 손실 값을 측정하는 간단한 방법으로, 상기 대상체의 음속 정보 값(v)을 획득할 수 있다.
또한, 상기 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 시스템(100)은, 상기 제1 및 제2 반사파 정보(RSI1, RSI2)와 상기 입사음파(IS)사이의 자기상관성에 따른 정합 필터가 적용된 상기 제1 및 제2 정합 반사파 정보(ARSI1, ARSI2)를 획득하고, 이로부터 상기 시간 정보 값을(△T) 획득함에 따라, 노이즈의 개입이 최소화되고 정확도가 향상된 상기 시간 정보 값(△T)이 획득될 수 있다.
결과적으로, 상기 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 시스템(100)은, 간단한 방법으로 상기 대상체(Ob)의 두께를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 대상체(Ob)의 두께 측정 정확도 까지 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 시스템이 설명되었다. 이하, 상기 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법의 구체적인 실험 예 및 특성 평가 결과가 설명된다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법의 모의 실험 방법을 촬영한 사진 및 모식도이고, 도 13은 도 12의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12의 (a) 및 도 13을 참조하면, 0.25m의 폭 및 0.68m의 높이를 갖는 수조 하부에 음향 발생 장치를 배치하고, 음향 발생 장치로부터 0.35m의 높이로 물을 채웠다. 이후, 음향 발생 장치를 동작 시켜, 물로부터 반사된 음파를 시간(Time, ms)에 따른 진폭(Amplitude, volt)로 나타내었다.
도 13에서 확인할 수 있듯이, 수조 내부에 물만 채워진 경우, 음향 발생 장치로부터 발생된 음파가 0.475 ms 내지 0.6 ms 구간에서만 급격한 진폭 변화가 발생하는 것을 알 수 있었다. 이는, 수조 내부에 물만 채워진 경우, 음향 발생 장치로부터 발생된 음파가 한번만 반사되었다는 것을 나타내는 것으로 판단될 수 있다.
도 12의 (b) 및 도 13을 참조하면, 0.25m 의 폭 및 0.63m의 높이를 갖는 수조 하부에 음향 발생 장치를 배치하고, 음향 발생 장치로부터 0.25m의 물을 채운 후, 물 상부에 피마자유(castor oil)을 0.05m의 높이로 채웠다. 이후, 음향 발생 장치를 동작 시켜, 피마자유로부터 반사된 음파를 시간(Time, ms)에 따른 진폭(Amplitude, volt)로 나타내었다.
도 13에서 확인할 수 있듯이, 수조 내부에 물 및 피마자유가 채워진 경우, 음향 발생 장치로부터 발생된 음파가 0.375 내지 0.425 구간, 및 0.475 ms 내지 0.6 ms 구간의 두 구간에서 급격한 진폭 변화가 발생하는 것을 알 수 있었다. 이는, 수조 내부에 물 및 피마자유가 채워진 경우, 음향 발생 장치로부터 발생된 음파가 피마 자유의 상부면 및 하부면에서 각각 반사되었다는 것을 나타내는 것으로 판단될 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법의 정확도를 확인하는 그래프이다.
도 14를 참조하면, 도 12에서 준비된 피마자유의 두께를, 도 1 내지 도 10을 참조하여 설명된 상기 실시 예에 다른 수중침전물질 음향탐지 방법으로 6회 반복하여 측정하였다. 도 14에서 확인할 수 있듯이, 6회 반복하여 측정된 경우, 상기 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법은 피마자유의 두께 측정 정확도가 높다는 것을 알 수 있다. 특히, 4회 내지 6회 반복된 경우, 상기 실시 예에 따른 수중침전물질 음향탐지 방법은, 피마자유의 실제 두께와 실질적으로 일치하도록 측정된 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
10: 음파 제공부
20: 음파 정보 획득부
30: 정합 필터부
40: 두께 측정부

Claims (14)

  1. 대상체를 향하여 제공된 입사음파가 상기 대상체의 제1 면으로부터 반사되어 형성된 제1 반사파 정보, 및 상기 대상체의 제1 면과 대향하는 제2 면으로부터 반사되어 형성된 제2 반사파 정보를 획득하는 단계;
    상기 제1 반사파 정보, 및 상기 제2 반사파 정보에 정합 필터를 적용시켜, 제1 정합 반사파 정보, 및 제2 정합 반사파 정보를 획득하는 단계;
    상기 제2 정합 반사파 정보가 나타내는 최대 피크(peak)에서의 시간과 상기 제1 정합 반사파 정보가 나타내는 최대 피크에서의 시간 차이 값인 시간 정보 값을 획득하는 단계; 및
    상기 시간 정보 값을 이용하여 상기 대상체의 두께를 측정하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 및 제2 정합 반사파 정보를 획득하는 단계는,
    상기 입사음파와, 상기 제1 및 제2 반사파 정보 각각의 자기상관성에 따른 정합 필터를 적용시키는 것을 포함하는 수중침전물질 음향탐지 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 입사음파는 시간에 따라 가변하는 주파수 대역을 갖는, 수중침전물질 음향탐지 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 입사음파는, 수백 kHz 이상에서 시간에 따라 주파수가 가변하는 수중침전물질 음향탐지 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 반사파 정보로부터 반사 손실 값을 측정하고, 상기 반사 손실 값으로부터 상기 대상체를 특정하여, 상기 대상체의 음속 정보 값을 획득하는 단계를 더 포함하는 수중침전물질 음향탐지 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 대상체의 음속 정보 값은, 상기 반사 손실 값 별 상기 대상체의 물질 데이터 베이스를 기본으로 획득되는, 수중침전물질 음향탐지 방법.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 대상체의 두께는, <수학식 1>을 통해 계산되는 것을 포함하는 수중침전물질 음향탐지 방법.
    <수학식 1>
    대상체의 두께(s)=대상체의 음속 정보 값(v)반사신호 도달시간 정보 값(△T)
  7. 삭제
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 정합 반사파 정보는, 상기 제1 및 제2 반사파 정보가 상기 입사음파와의 자기상관성이 높을수록 피크가 높게 나타나는 것을 포함하는, 수중침전물질 음향탐지 방법.
  9. 대상체를 향하여 입사음파를 제공하는, 음파 제공부;
    대상체를 향하여 제공되는 상기 음파에 대한 입사파 정보, 상기 음파가 상기 대상체의 제1 면으로부터 반사되어 형성되는 제1 반사파 정보, 및 상기 음파가 상기 대상체의 제2 면으로부터 반사되어 형성되는 제2 반사파 정보를 획득하는 음파 정보 획득부;
    제1 정합 반사파 정보, 및 제2 정합 반사파 정보를 획득하고, 상기 입사음파와, 상기 제1 및 제2 반사파 정보 각각의 자기상관성에 따른 정합 필터를 적용시키는 정합 필터부; 및
    상기 제2 정합 반사파 정보가 나타내는 최대 피크(peak)에서의 시간과 상기 제1 정합 반사파 정보가 나타내는 최대 피크에서의 시간 차이 값인 시간 정보 값을 이용하여 상기 대상체의 두께를 측정하는, 두께 측정부를 포함하는 수중침전물질 음향탐지 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 음파 제공부에서 제공되는 상기 입사음파는, 시간에 따라 가변하는 주파수 대역을 갖는, 수중침전물질 음향탐지 시스템.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 음파 정보 획득부는, 상기 제1 및 제2 반사파 정보로부터 반사 손실 값을 측정하고, 상기 반사 손실 값으로부터 상기 대상체를 특정하여, 상기 대상체의 음속 정보 값을 더 획득하는, 수중침전물질 음향탐지 시스템.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 대상체의 음속 정보 값은, 상기 반사 손실 값 별 상기 대상체의 물질 데이터 베이스를 기본으로 획득되는, 수중침전물질 음향탐지 시스템.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 두께 측정부는,
    상기 대상체의 두께를, <수학식 1>을 통해 계산하는 수중침전물질 음향탐지 시스템.
    <수학식 1>
    대상체의 두께(s)=대상체의 음속 정보 값(v)시간 정보 값(△T)
  14. 제9 항에 있어서,
    상기 두께 측정부는, 상기 대상체의 두께를, 상기 제1 및 제2 반사파 정보를 기준으로, 상기 입사음파와의 자기상관성에 따라 획득하는 것을 포함하는, 수중침전물질 음향탐지 시스템.
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