KR102232745B1 - 디핑 소나를 위한 컴팩트 무지향성 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디핑 소나를 위한 컴팩트 무지향성 안테나에 관한 것이다. 안테나 (40) 는 안테나 (40) 의 종축 주위로 형성된 복수의 기본 송신 링들 (21) 및 종축 주위로 분포된 복수의 하이드로폰들 (22) 을 포함하고, 안테나 (40) 는 수중에 디핑되도록 의도되고, 하이드로폰들 (22) 은 기본 송신 링들 (21) 로부터 분리되고, 하이드로폰들 (22) 및 기본 송신 링들 (21) 은 안테나 (40) 에 고정된다. 본 발명에 따르면, 기본 송신 링들 (21) 및 하이드로폰들 (22) 은 종축을 따라 측정된 동일한 높이 (H) 를 따라 상호 맞물린다.

Description

디핑 소나를 위한 컴팩트 무지향성 안테나{COMPACT OMNIDIRECTIONAL ANTENNA FOR DIPPING SONAR}

본 발명은, 특히, 대잠수함전에서 구현된 소나 검출의 일반 분야에 관한 것이다. 더 상세하게, 본 발명은 헬리콥터로부터 구현된, "디핑 소나"들로서 지칭되는 공중 소나(airborne sonar)들의 분야에 관한 것이다.

대잠수함전 활동들의 문맥에서, 소정의 영역에서 잠수된 잠수함들을 검출할 수 있기 위해, 소나들이, 특히, 능동 소나들이 일반적으로 채용된다. 이 문맥에서, 공중 플랫폼들, 비행기들 또는 헬리콥터들로부터의 소나들의 전개가 특히 효과적인 것으로 증명되었는데, 왜냐하면 그러한 플랫폼들은 잠수함들에 대하여 높은 이동성을 갖기 때문이다.

따라서, 해상 초계기들은, 음향 센서들 및 종종 송신기들, 및 항공기로의 통신을 위해 릴레이로서 작동하는 VHF 시스템으로 이루어진 소노브이들을 전개한다.

유사한 방식으로, 헬리콥터들은 또한 소나 송신기들 및 수신기들을 구현하는데 사용될 수도 있으며, 이 소나 송신기들 및 수신기들은 그 플랫폼, 즉, 헬리콥터에 케이블에 의해 연결된다. 그렇다면, 이들은 "디핑 소나"들로서 지칭된다. 이후로, 잠수된 케이블 연결형 서브-어셈블리는 안테나로서 지칭된다. 이는 본질적으로 소나 송신기들 및 수신기들을 포함하고, 잠재적으로 송신기들과 수신기들과 연관된 전자 장비를 포함한다. 이는 또한 환경 센서들을 포함할 수도 있다.

플랫폼으로부터 수중으로의 이들 안테나들의 디핑, 잠수될 때의 그 제어, 및 그 복구는 헬리콥터 내부에 위치된 윈치에 의해 수행된다. 안테나 전개 및 복구 기능들에 부가하여, 윈치 케이블은 일반적으로, 수신기들의 음향 송신 및 동작을 위해 요구되는 전력뿐 아니라 소나 신호들을 전달한다. 더욱이, 음향 신호들을 생성하고 그리고 수신된 음향 데이터를 프로세싱하기 위해 요구된 장비가 헬리콥터에 탑재되게 위치된다.

현대 잠수함들의 증가된 음향 스텔스는, 저 주파수에서 동작하는 고전력 소나들을 향해 채용된 검출 기법들의 진화를 필요로 하였다. 이러한 진화는, 소나를 형성하는 다양한 서브-어셈블리들의 치수들 및 질량의 증가로 전환된다. 예를 들어, 안테나에 대해, 그 동작 주파수를 낮춘다는 사실은 그 치수들을 증가시키는 경향이 있었다. 예를 들어, 동작 동안에 전개된 암(arm)들 상에 음파 수신기들 또는 하이드로폰들이 배열되는 안테나들이 개발되었다. 소나 동작 페이즈들 사이에서, 암들은 되접히고, 저장 포지션으로서 지칭된 포지션에 윈치에 의해 되감긴 안테나는 헬리콥터 내부에 적하된다. 헬리콥터 내부로 소나의 서브-어셈블리들 모두를 하우징하는 것은 종종 어렵다. 방위의 관점에서 무지향성이고 고도의 관점에서 지향성이기 위해 일반적으로 원통형인 안테나가 안테나를 지탱하는 케이블에 의해 현수된다. 소나의 최대 수직 치수는, 안테나의 상부에서의 케이블 부착물이 부가되어야 하는 안테나의 높이에 의해, 그리고 적어도 부분적으로, 윈치 풀리에 의해 제약되며, 윈치 풀리의 직경은 케이블이 받게될 수도 있는 최소 곡률 반경에 의존한다. 이 치수는, 높이의 관점에서, 헬리콥터에 피팅할 수 있어야 한다.

소나 서브-어셈블리들의 질량의 증가에 관하여, 이는, 캐리어가 그 소나로 수행할 수 있는 미션들의 지속기간에 영향을 준다.

본 발명은 유사한 음향 성능을 유지하면서 디핑 소나의 특정 서브-어셈블리들의 부피와 질량, 특히, 안테나의 질량과 높이를 감소시키는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 또한, 특정 서브-어셈블리들, 특히 안테나의 복잡도를 감소시키는 것을 목적으로 한다. 더 상세하게, 본 발명은 하이드로폰들을 지탱하는 관절식 암들이 생략되게 한다. 그러한 이동부들을 회피시킴으로써, 소나의 신뢰성이 개선된다.

이러한 목적을 위해, 본 발명의 주제는 디핑 소나에 의해 장비되도록 의도된 무지향성 안테나이고, 그 안테나는 안테나의 종축 주위로 형성되는 다수의 기본 송신 링들 및 종축 주위로 분포되는 다수의 하이드로폰들을 포함하고, 안테나는 수중에 디핑되도록 의도되고, 하이드로폰들은 기본 송신 링들로부터 분리되고, 하이드로폰들 및 기본 송신 링들은 안테나에 고정되며, 기본 송신 링들 및 하이드로폰 링들은 종축을 따라 측정된 하나의 동일한 높이를 따라 상호 연결되고, 기본 송신 링들 및 하이드로폰들은 8 kHz 미만의 작동 주파수에서 동작하고, 기본 송신 링들에 의해 점유된 종축 주위의 제 1 최소 원통형 볼륨 및 하이드로폰들에 의해 점유된 종축 주위의 제 2 최소 원통형 볼륨은 30% 미만의 직경 비율을 갖고, 2개의 볼륨들의 직경 비율은 안테나가 동작 중인지 또는 저장 포지션에 있는지에 무관하게 일정한 것을 특징으로 한다.

소나 안테나의 범위는 하이드로폰들의 작동 주파수에 연관된다. 본 발명에 따른 안테나는 8 kHz 미만의 작동 주파수에서 동작할 수도 있다. 달리 서술하면, 기본 송신 링 및 하이드로폰들은 8 kHz 미만의 작동 주파수에서 동작한다. 유리하게, 6 kHz 미만, 또는 심지어 4 kHz 미만의 주파수들로 내려 가는 것이 가능하다.

음파들의 송신 및 수신 양자가 수행되게 하는, 용어 Tonpilz 에 의해 일반적으로 지칭되는 음향 컴포넌트들이 존재한다. 8 kHz 미만의 주파수들에 대해, 이러한 타입의 컴포넌트는 너무 부피가 클 것이며, 안테나는 디핑 소나, 특히, 헬리콥터에 탑재된 디핑 소나에 부적합할 것이다. 저 주파수에서 작동하기 위해, 송신 링들을 하이드로폰으로부터 분리하는 것이 유리하다.

저 주파수 디핑 소나 안테나들의 종래기술에서, 특히, 원통형 안테나들에서, 송신 링들은 하이드로폰들의 볼륨과는 별개인 볼륨을 점유한다. 용어 "볼륨" 은 볼록한 윤곽을 갖는 공간을 의미하도록 이해된다. 이에 반하여, 본 발명에 따르면, 기본 송신 링들 및 하이드로폰들은 상호 연결되며, 즉, 송신 링들에 의해 점유된 볼륨과 하이드로폰들에 의해 점유된 볼륨은 공유 부분들을 갖는다. 하이드로폰들 및 송신 링들의 분포는 규칙적일 수도 또는 규칙적이지 않을 수도 있다. 기본 송신 링들과 하이드로폰 링들을 상호 연결한다는 사실은 음향 송신기들 및 수신기들 각각이 더 큰 볼륨에 걸쳐 분포되게 한다.

더 상세하게, 기본 송신 링들에 의해 점유된 제 1 최소 원통형 볼륨 및 하이드로폰들에 의해 점유된 제 2 최소 원통형 볼륨이 정의된다. 이들 2개의 볼륨들은, 송신 링들 또는 하이드로폰들을 포함하는 최소의 가능한 원통들이다.

유리하게, 종축에 수직인 수평 평면에 있어서 또는 종축을 포함하는 수직 평면에 있어서 하이드로폰들의 위상 중심들로부터의 프로젝션들은 λ/3 미만만큼 이격되며, λ 는 작동 주파수에서의 파장이다. 수평 평면에 있어서의 하이드로폰들 간의 거리를 감소시키는 것은 방위의 관점에서 안테나의 지향성이 개선되게 하고, 수직 평면에 있어서의 하이드로폰들 간의 거리를 감소시키는 것은 고도의 관점에서 안테나의 지향성이 개선되게 한다. 안테나가 의도되는 미션에 의존하여, 일 지향성 또는 다른 지향성을 유리하게 하도록 선택될 수도 있다. 물론, 양쪽 모두의 평면들에 있어서 하이드로폰들 간의 거리를 감소시키는 것이 가능하다.

본 발명의 다른 주제는 본 발명에 따른 안테나를 포함하는 소나이다. 유리하게, 소나는 소나 빔형성을 실행하도록 구성된 컴퓨터를 포함하고, 빔형성 파라미터들은, 안테나 교정 에러들에 관하여 강인한 적응적 프로세싱 형태에 따른 공간적으로 상관된 노이즈의 공분산에 기반하여 계산된다.

물론, 본 발명은 헬리콥터에 의해 장비된 소나로 한정되지 않는다. 본 발명에 따른 디핑 소나가 장비된 캐리어는 임의의 본성이 있을 수도 있다. 디핑 소나의 질량을 감소시킴으로써, 예를 들어, 드론에 본 발명에 따른 소나가 장비되는 것이 가능하다.

예로서 주어진 일 실시형태의 상세한 설명을 읽을 시 본 발명이 더 잘 이해될 것이고 추가의 이점들이 명백하게 될 것이며, 그 설명은 첨부 도면에 의해 예시된다.
도 1 은 디핑 소나가 장비된 헬리콥터를 도시한다.
도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 2d 는 도 1 의 소나에 속하는 안테나의 제 1 실시형태를 도시한다.
도 3 은 도 1 의 소나에 속하는 안테나의 제 2 실시형태를 도시한다.
도 4 는 도 1 의 소나에 속하는 안테나의 제 3 실시형태를 도시한다.
명료화를 위해, 동일한 엘리먼트들은 다양한 도면들에서 동일한 참조부호들을 가질 것이다.

도 1 은 물 위를 선회하는 헬리콥터 (10) 를 도시한다. 헬리콥터 (10) 에는 능동 디핑 소나 (11) 가 장비된다. 이러한 타입의 소나는, 특히, 잠수함 오브젝트들이 검출 및 분류되게 한다.

소나 (11) 는, 헬리콥터 (10) 에 탑재되게 설치된 윈치 (12), 케이블 (13), 및 도 1 에 잠수되게 도시된 무지향성 안테나 (14) 를 본질적으로 포함한다. 안테나 (14) 는 케이블 (13) 로부터 현수되고, 윈치 (12) 는 안테나 (14) 를 잠수시키길 원하는 깊이에 의존하여 감겨 들어오거나 감겨 나가게 한다. 윈치는 또한, 안테나 (14) 가 헬리콥터 (10) 내부로 되감겨 지게 한다. 소나 (11) 는 또한, 헬리콥터 (10) 에 탑재된 전자 장비 (도시 안됨) 를 포함한다. 그 장비는, 특히, 음파들을 생성하기 위해 그리고 송신된 파들의 에코들로서 수신된 파들을 이용하기 위해, 소나가 동작되게 한다. 그 장비는 또한, 안테나 (14) 에게 전력이 공급되게 한다.

케이블 (13) 은 2가지 기능들을 이행하는데, 첫번째로 안테나 (14) 를 기계적으로 지지하는 것이고, 후속적으로, 헬리콥터 (10) 에 탑재되게 배치된 전자 장비를 안테나 (14) 에 전기적으로 접속시키는 것이다. 전기 접속은 전력의 공급 및 데이터의 안테나 (14) 로의 송신 또는 안테나로부터의 발신을 포괄한다. 대안적으로, 캐리어와의 전기 접속없이, 그에 따라 케이블이 단독으로 지지하는 것없이, 자율적인 안테나 (14) 를 생산하는 것이 가능하다. 그러면, 안테나 (14) 는, 예를 들어, 배터리의 형태인 전력의 그 자신의 소스를 갖는다. 예를 들어, 라디오파에 의해 데이터를 송신하는 수단이 구현될 수도 있다.

소나 (11) 는, 예를 들어, 윈치 (12) 의 베이스에 배치된 컴퓨터 (15) 를 포함한다. 컴퓨터 (15) 는 안테나 (14) 에 송신된 데이터를 생성하고 그리고 안테나 (14) 로부터의 데이터를 프로세싱하도록 구성된다. 컴퓨터 (15) 는, 특히, 소나 빔형성을 실행하도록 구성된다. 컴퓨터 (15) 는, 예를 들어, 윈치 (12) 상에 배치된 슬립을 통해 케이블 (13) 에 접속된다. 컴퓨터 (15) 는, 유리하게, 소나 이미지가 관측되게 하는 스크린에 접속된다. 컴퓨터 (15) 는, 예를 들어, 명령들을 포함하는 메모리, 및 소나 빔형성이 계산되게 하는 명령들을 구현하는 것이 가능한 프로세서를 포함한다.

도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 2d 는 안테나 (14) 의 제 1 실시형태를 도시한다. 도 2a 는 안테나 (14) 의 능동부의 외부의 도식적 뷰를 도시한다. 도 2b 및 도 2c 는 안테나 (14) 의 단면을 도식적으로 도시하고 도 2d 는 안테나 (14) 의 사시도를 도시한다.

안테나 (14) 는 본질적으로 원통형이다. 안테나는 종축 (20) 을 따라 연장한다. 안테나 (14) 가 그 자신의 무게 만큼 케이블 (13) 에 의해 현수될 경우, 케이블 (13) 이 또한 종축 (20) 을 따라 연장한다.

안테나 (14) 의 능동부가 사운드 송신기들 및 수신기들로부터 형성된다. 송신기들은, 축 (20) 주위로 형성되는 기본 음파 송신 링들 (21) 로부터 형성되고, 수신기들은, 축 (20) 주위로 형성된 링들에 분포되는 하이드로폰들 (22) 로부터 형성된다. 기본 송신 링들 (21) 의 예시적인 구현은, 예를 들어, 특허 EP 0 799 097 B1 에서 기술된다. 하이드로폰들 (22) 은 축 (20) 주위로 균등하게 분포된다. 하이드로폰들 (22) 은, 예를 들어, 폴리우레탄계 수지로 절연되거나 플렉시블 엔벨로프에 포함된 오일 배쓰에 침지된다.

본 발명에 따르면, 기본 송신 링들 (21) 및 하이드로폰 링들 (22) 은 종축 (20) 을 따라 측정된 하나의 동일한 높이 (H) 를 따라 분포된다. 전체 높이 (H) 에 걸친 이러한 분포는 고도의 관점에서 음향 수용의 지향성이 하이드로폰들에 대해 개선되게 한다.

도 2b 는 수직 평면으로서 지칭되는, 종축 (20) 을 포함하는 평면 (V) 에서의 단면으로 안테나 (14) 를 도시하고, 도 2c 는 수평 평면으로서 지칭되는, 종축 (20) 에 수직인 평면 (P) 에서의 단면으로 안테나 (14) 를 도시한다.

종축 (20) 을 포함하는 하나의 동일한 수직 평면에서의 2개의 이웃한 하이드로폰들 (22) 을 분리하는 스페이싱 (p1) 이 정의될 수도 있다. 단면 도 2c 에서, 링의 둘레에 규칙적으로 분포된 12개의 하이드로폰들 (22) 의 링이 보인다. 하이드로폰들의 다양한 링들은, 유리하게, 동일하다. 하나의 동일한 링에서의 2개의 이웃한 하이드로폰들을 분리하는 스페이싱 (p2) 이 정의된다. 스페이싱 (p2) 은 하이드로폰들 (22) 각각의 위상 중심들을 분리한다. 이는, 2개의 이웃한 하이드로폰들을 분리하는 링의 둘레에 걸친 현의 길이에 의해 정의된다. 스페이싱들 (p1 및 p2) 은, 유리하게, 규칙적이다. 그럼에도 불구하고, 스페이싱들 (p1 및 p2) 의 비규칙적인 분포를 채택하는 것이 가능하다.

도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 2d 에 도시된 예에서, 링들 (21 및 22) 은 교번하여 배열된다. 더 상세하게, 기본 송신 링들 (21) 및 하이드로폰 링들 (22) 의 치수들은 축 (20) 주위의 직경의 관점에서 실질적으로 동일하다. 기본 송신 링들 (21) 및 하이드로폰 링들 (22) 은, 대안적으로, 서로의 상부 상에 적층된다.

기본 송신 링들 (21) 에 의해 점유되는, 최소 볼륨으로서 지칭되는, 축 (20) 상의 최소 원통형 볼륨은 참조부호 23 을 갖는다. 축 (20) 주위의 그 직경은 D1 에 의해 표기된다. 하이드로폰들 (22) 에 의해 점유되는, 최소 볼륨으로서 지칭되는, 축 (20) 상의 최소 원통형 볼륨은 참조부호 24 를 갖는다. 축 (20) 주위의 그 직경은 D2 에 의해 표기된다. 직경들 (D1 및 D2) 은 30% 미만의 비율을 갖는다. 달리 서술하면, 2개의 직경들 (D1 및 D2) 간의 절대 값의 차이는 2개의 직경들 (D1 및 D2) 의 최소값의 30% 미만으로 남겨진다. 도시된 예에 있어서, 직경 (D1) 은 직경 (D2) 보다 작다. 따라서,

(D2 - D1) / D1 < 30% 이다.

유리하게, 안테나의 유체역학을 개선하기 위하여, 이 비율은 20% 미만, 또는 심지어 10% 미만, 이상적으로는, 5% 미만일 수도 있다.

2개의 볼륨들 (23 및 24) 의 직경 비율은, 안테나가 동작 중인지 또는 저장 포지션에 있는지에 무관하게 일정하다. 달리 서술하면, 안테나는, 저 주파수에서 동작하는 이러한 타입의 안테나에 대해 공지된 종래기술에서와 같이 어떠한 접이식 암들도 포함하지 않는다.

유리하게, 기본 송신 링들 (21) 및 하이드로폰 링들 (22) 은, 2개의 단부들 (26 및 27) 사이에서 종축 (20) 을 따라 연장하는 튜브 (25) 를 형성한다. 튜브는 최대 직경 (D1 또는 D2 (도시된 예에서는 D2)) 을 갖고 높이 (H) 에 의해 한정된다. 안테나 (14) 는 튜브 (25) 를 폐쇄하는 2개의 구조물들 (28 및 29) 을 포함하고, 그 구조물들 각각은 튜브 (25) 의 단부들 (26 및 27) 중 하나에 있다. 따라서, 튜브 (25) 의 내부는, 안테나 (14) 가 디핑되는 환경으로부터 격리된다. 튜브 (25) 의 외부 표면의 양호한 수밀성을 보장하고 또한 기본 송신 링들 (21) 및 하이드로폰 링들 (22) 의 기계적 보호를 보장하기 위하여, 튜브 (25) 의 원통형 외부 표면은 예를 들어 폴리우레탄계 재료와 같은 엘라스토머 재료로 커버될 수도 있다. 2개의 구조물들 (28 및 29) 은 예를 들어 몰딩된 알루미늄 합금으로 제조된 1 피스 금속부들일 수도 있다. 상부 구조물 (29) 은, 특히, 윈치 (12) 가 작동 중일 경우 하강 및 상승 동안, 물을 통해 이동하면서 안테나 (14) 의 유체역학이 개선되게 하는 수직 핀들을 포함할 수도 있다.

안테나 (14) 가 디핑되는 환경으로부터 기본 송신 링들 (21) 의 내부가 격리될 경우, 송신 링들 (21) 은, 공기가 링들 (21) 의 내부에 위치되는 기법에 따라 동작한다. 이 기법은, 문헌에서, 용어 "에어 백 링" 또는 ABR 에 의해 공지된다.

튜브 (25) 가 그 단부들의 양쪽에서 폐쇄될 경우, 전자 장비가 내부에 배치될 수도 있는 수밀성 인클로저를 형성한다. 예로서, 안테나 (14) 는 기본 송신 링들 (21) 에 접속된 전자 송신기 (31) 및 하이드로폰들 (22) 에 접속된 전자 수신기 (32) 를 포함한다. 송신기 (31) 및 수신기 (32) 는 튜브 (25) 내부에 배치된다. 예를 들어, 배터리 (33) 와 같은 다른 컴포넌트들이 튜브 (25) 내부에 배치될 수도 있다. 환경 센서들 (34) 이 또한 튜브 (25) 내부에 배치될 수도 있다.

도 3 은 본 발명에 따른 안테나 (40) 의 제 2 실시형태를 도시한다. 이 실시형태에 있어서, 하이드로폰들 (22) 은 기본 송신 링들 (21) 각각 상에 동심적으로 배열된다. 기본 송신 링 (21) 은 하이드로폰들 (22) 의 링 내부에 위치된다. 기본 송신 링들 (21) 및 하이드로폰 링들 (22) 은, 제 1 실시형태에서와 같이, 높이 (H) 를 따라 분포된다.

기본 송신 링들 (21) 을 서로 접촉하도록 배치하는 것이 가능하다. 그러면, 기본 송신 링들 (21) 은 전체 높이 (H) 를 점유한다. 동일한 것이 하이드로폰 링들 (22) 에 대해 적용된다. 따라서, 높이의 관점에서 매우 컴팩트한 안테나 (40) 가 획득된다. 이러한 배열에서, 튜브 (25) 는, 상기와 같이, 수밀성일 수도 있고, 튜브 (25) 의 내부는 전자 장비를 내부에 배치하기 위해 이용될 수도 있다. 그 후, 기본 송신 링들 (21) 은 ABR 기법에 따라 동작한다.

대안적으로, 이 제 2 실시형태에 있어서, 기본 송신 링들 (21) 의 내부 벽들은 액체 상태로 유체와 접촉한다. 이 액체는 튜브 (25) 내부에 밀봉될 수도 있다. 액체의 존재는 안테나의 음향 성능이 개선되게 한다. 안테나의 질량을 증가시키지 않고 액체의 존재의 이점들로부터 이익을 얻기 위하여, 안테나 (14) 가 디핑되는 물이 기본 송신 링들 (21) 의 내부 벽들과 접촉하게 되게 하는 것이 가능하다. 이러한 목적을 위해, 안테나 (40) 는, 기본 송신 링들 (21) 사이에 배열된 개구들 (41) 을 포함한다. 이들 개구들은, 안테나 (40) 가 디핑되는 물이 기본 송신 링들 (21) 의 내부 벽들 (42) 을 따라 흐르게 한다. 따라서, 안테나 (14) 가 잠수되지 않을 경우, 안테나의 내부를 배싱하는 물은 사라지고 안테나의 질량을 증가시키지 않는다. 안테나 (40) 가 디핑되는 환경에서 기본 송신 링들 (21) 의 내부가 배싱될 경우, 송신 링들 (21) 은, 물이 송신 링 (21) 주위로 자유롭게 흐르는 기법에 따라 동작한다. 이 기법은, 문헌에서, 용어 "자유 범람 링" 또는 FFR 에 의해 공지된다.

개구들 (41) 의 존재를 허용하기 위하여, 안테나 (40) 는 2개의 구조물들 (28 및 29) 을 연결하는 다수의 지지체들 (44) 을 포함한다. 송신 링들 (21) 은 지지체들 (44) 에 고정된다.

도 3 에서, 개구들 (41) 은 방사상이다. 이들 개구들을 구조물들 (28 및 29) 에 있게 하는 것이 또한 가능하다.

FFR 기법을 구현함으로써, 송신 링들 (21) 의 내부 공간은 전자 장비를 내부에 배치하기 위해 더 이상 이용가능하지 않으며, 이 전자 장비는 구조물들 (28 및 29) 에서 생성된 수밀성 컴파트먼트들에 배치될 수도 있다.

FFR 기법은, 튜브 (25) 의 내부가 외부와 소통하게 하는 하나 이상의 개구들을 제공함으로써, 도 2a, 도 2b 및 도 2c 의 도움으로 도시된 제 1 실시형태에서 구현될 수도 있다.

도 4 는 본 발명에 따른 안테나 (50) 의 제 3 실시형태를 도시한다. 송신 링들 (21) 및 2개의 구조물들 (28 및 29) 이 다시 도시된다. 이 실시형태에 있어서, 하이드로폰들 (22) 은 링들에 배열되지 않고, 송신 링들 (21) 에 고정된 바(51)들 상에 배열된다. 바들 (51) 은 종축 (20) 에 평행할 수도 있다. 이 실시형태에 있어서, 지지체들 (44) 이 바들 (51) 로부터 분리되게 유지하는 것이 가능하다. 대안적으로, 바들 (51) 은 2개의 구조물들 (28 및 29) 을 접속하고 지지체들 (44) 을 대체하기 위해 사용될 수도 있다. 바들 (51) 은 송신 링들 (21) 의 내부 또는 외부에 배치될 수도 있다.

다양한 실시형태들에 있어서, 특히, FFR 기법을 구현하는 실시형태들에 있어서, 안테나를, 그 유체역학 거동을 개선하기 위해 유선형으로 하는 것이 가능하다.

전개가능 안테나 원리의 포기는 안테나 (14) 의 직경에서의 감소를 야기하고, 따라서, 세트포인트 방향으로 착신하는 신호에 대한 전파 지연들을 보상한 이후 하이드로폰들 (22) 로부터 신호들을 증가시킴으로써 형성된 빔의 지향성 다이어그램에서의 메인 로브의 증대를 야기한다. 따라서, 4 kHz 에서, 축 (20) 에 수직인 수평 평면에서의 -3 dB 의 이 다이어그램의 폭은, 본 발명에서 설명된 바와 같이, 12개의 전개가능 암들로 이루어진 700 mm 의 직경을 갖는 원통형 안테나로부터, 고정된 원통형 지오메트리 및 300 mm 의 직경을 갖고 12개의 컬럼들로 이루어진 컴팩트 안테나로 스위칭할 경우, 22° 로부터 52° 까지 간다. 안테나의 전개가능 암들 및 컴팩트 안테나의 컬럼들이 각각 수직 축 (20) 을 따라 160 mm 만큼 이격된 4개의 하이드로폰들로 이루어지면 빔형성 출력에서의 더 낮은 신호대 노이즈 비, 즉, 등방성 노이즈의 관점에서 약 -3 dB 로 전환될 뿐 아니라 3의 팩터만큼 인접 타깃의 각 위치의 정밀도의 손실로 전환하기 때문에, 방위의 관점에서의 해상도의 그러한 감소는 문제를 부과한다.

본 발명에 있어서, 신호대 노이즈 비를 최대화하는 빔형성을 실행하기 위해, 서브-어레이에서의 수평 스페이싱은 1/2 파장보다 훨씬 더 작고 그리고 결과적으로 2개의 이웃한 하이드로폰들에서의 주변 노이즈가 강하게 상관된다는 사실이 이용되며, 그러한 빔형성은, 노이즈가 공간적으로 상관해제될 경우에 신호대 노이즈 비를 최대화하는 이전의 종래의 빔형성과는 상이하다. 기저대역 빔형성을 위한 복소 계수들이, 적응 안테나들을 위한 널리 공지된 프로세싱 형태에 따른 노이즈 공분산 매트릭스로부터 계산될 수도 있다. 종래기술에 따르면, 공분산 매트릭스는 주변 노이즈의 가정된 각 분포로부터 계산되거나 또는 안테나로부터의 신호들에 기반하여 추정될 수도 있다. 하이드로폰의 출력에서의 노이즈의 전력과 항등 매트릭스의 곱과 동일한 노이즈 공분산 매트릭스를 위한 이러한 프로세싱의 특정한 경우인 종래의 프로세싱에 관하여, 등방성 노이즈에 대한 신호대 노이즈 비에서의 이득, 즉, 지향성 이득은 5dB 만큼 증가되고, 수평 평면에서의 지향성 다이어그램에서의 -3dB 의 개구는 23° 로 감소되며, 이에 의해, 컴팩트 안테나의 지향성 이득을 전개가능 안테나의 지향성 이득보다 2dB 초과하게 한다. 전개가능 안테나에 대한 동일한 적응적 프로세싱은 이 안테나에 대한 노이즈의 낮은 공간적 상관으로 인해 겨우 1dB 초과의 이득만을 야기하며, 이를 위해 하이드로폰들 간의 스페이싱은 1/2 파장에 근접한다.

소나에 대한 종래기술에 있어서, 작은 수의 하이드로폰들의 그룹들은 1/2 파장보다 더 작은 스페이싱을 가지며, 그 신호들은, 지향성 다이어그램이 미리결정된 방향들에서 제로를 갖는 카디오이드형 빔형성에 의해 결합된다. 안테나는 이러한 타입의 다수의 그룹들로 이루어질 수도 있으며, 그룹들 간의 스페이싱의 값은 소나의 대역에서의 최고 주파수에서 1/2 파장에 근접한다. 본 발명에 있어서, 2개의 이웃한 하이드로폰들 간의 수평 스페이싱 (p2) 은, 유리하게, 파장의 1/3 (λ/3) 미만이며, 상기 예에서, 하나의 동일한 수직 컬럼의 이웃한 하이드로폰들 간의 스페이싱 (p1) 과 같이 약 λ/5 이다. 하이드로폰들 간의 스페이싱을 측정하기 위해, 개별 하이드로폰들의 위상 중심들로부터의 프로젝션들이 고려된다. 파장은 수온 및 압력과 같은 다수의 파라미터들에 의존하여 변할 수도 있다. 하이드로폰들 간의 스페이싱의 기하학적 정의를 위해, 수중에서의 음파의 속도 (c) 는 1500 m/s 로 취해진다. 파장 (λ) 은 식 λ = c/f 에 의해 주어진다. 환형 단면의 안테나에 대해, 2개의 하이드로폰들 간의 수평 스페이싱은 당해 직경에 걸쳐 2개의 이웃한 하이드로폰들 간의 현의 길이이다. 4 kHz 의 작동 주파수에 대해, 파장은 0.375 m 이다. 따라서, 이러한 작동 주파수에 대해, 2개의 이웃한 하이드로폰들 간의 수평 스페이싱은, 유리하게, λ/3, 즉, 0.125 m 미만이다. 각각의 수평 평면에서 12개의 하이드로폰들 (22) 을 갖고 4 kHz 에서 작동하는 300 mm 의 직경을 갖는 컴팩트 안테나에 대해, 대략 0.08 m 즉, 대략 λ/5 의 스페이싱이 획득된다.

본 예에서의 컴팩트 안테나의 컬럼들이 처음 가정된 바와 같은 160 mm 의 스페이싱을 갖는 4개의 하이드로폰들 대신 80 mm 의 스페이싱을 갖는 7개의 하이드로폰들로 이루어지면, 480 mm 와 동일하게 남겨지는 컬럼의 2개의 단부 하이드로폰들 간의 높이에 있어서, 등방성 주변 노이즈의 공간적 상관에 관하여 최적화되는 프로세싱의 종래 프로세싱에 관한 이득은 6 dB 보다 높게 된다.

하이드로폰들 간의 스페이싱을 협소화하는 것 및 빔형성 계수들의 계산에서 등방성 노이즈의 공간적 상관을 고려하는 것에 기인한 지향성 이득은 특히 안테나 교정 에러들에 민감하다. 그 후, 완전히 교정된 안테나에 대해 최적인 것과 동일한 형태에 따라 계산되는 계수들을 갖는 빔형성은 종래의 프로세싱의 성능보다 더 낮을 수도 있는 성능을 제공하며, 그러한 이유로, 이러한 타입의 안테나가 지금까지 채용되지 않았다. 본 발명에 있어서, 이러한 민감성은, 노이즈 공분산 매트릭스에 기반하여 남겨지지만 빔의 방향에서의 안테나의 응답의 불확실성을 고려하는 "적응적 강인한" 형태로서 지칭된 프로세싱 형태에 따라 그 부정적 영향을 감쇄하는 것을 목적으로 하는 계수 계산에 의해 치유될 수도 있다. 다수의 계수 계산 변형예들이 존재한다. 예를 들어, 2003년 7월 7일자로 발행된 Jian LEE 에 의한 논문 "On Robust Capon Beamforming and Diagonal Loading" (IEEE Transactions on signal processing, Vol.51 No.7) 에 기술된 프로세싱이 사용될 수도 있다. 안테나 교정이 완벽한 이상적인 경우에 관하여 그리고 예를 들어 이득의 관점에서 1 dB 및 위상의 관점에서 10° 의 표준 편차를 갖는 현실적인 교정 에러들에 대하여, 이전의 예에 있어서, 각각 4개의 하이드로폰들을 지닌 12개의 암들로 이루어진 700 mm 의 직경을 갖는 전개가능 안테나에 비해, 7개의 하이드로폰들의 12개 컬럼들로 이루어진 300 mm 의 직경을 갖는 컴팩트 안테나의 지향성 이득에서의 이점을 상실하며, 그러면 양쪽 모두의 안테나들은 거의 균등한 지향성 이득들을 갖는다.

Claims (12)

1. 디핑 소나 (11) 에 의해 장비되도록 의도된 무지향성 안테나로서,
   상기 안테나 (14; 40, 50) 는 상기 안테나 (14; 40; 50) 의 종축 (20) 주위로 형성되는 다수의 기본 송신 링들 (21) 및 상기 종축 (20) 주위로 분포되는 다수의 하이드로폰들 (22) 을 포함하고, 상기 안테나 (14; 40; 50) 는 수중에 디핑되도록 의도되고, 상기 하이드로폰들 (22) 은 상기 기본 송신 링들 (21) 로부터 분리되고, 상기 하이드로폰들 (22) 및 상기 기본 송신 링들 (21) 은 상기 안테나 (14; 40; 50) 에서 서로 고정되며,
   상기 기본 송신 링들 (21) 및 상기 하이드로폰들 (22) 은 상기 종축 (20) 을 따라 측정된 하나의 동일한 높이 (H) 를 따라 상호 연결되고, 상기 기본 송신 링들 (21) 및 상기 하이드로폰들 (22) 은 8 kHz 미만의 작동 주파수에서 동작하고, 상기 기본 송신 링들 (21) 에 의해 점유된 상기 종축 (20) 주위의 제 1 최소 원통형 볼륨은 직경 D1 을 갖고, 상기 하이드로폰들 (22) 에 의해 점유된 상기 종축 (20) 주위의 제 2 최소 원통형 볼륨은 직경 D2 를 가지며, 2개의 상기 직경들 (D1 및 D2) 간의 절대 값의 차이는 상기 2개의 직경들 (D1 및 D2) 의 최소값의 30% 미만으로 남겨지고, 2개의 상기 볼륨들의 직경 비율은 상기 안테나 (14; 40, 50) 가 동작 중인지 또는 저장 포지션에 있는지에 무관하게 일정하며, 상기 종축 (20) 에 수직인 수평 평면 (P) 에 있어서 또는 상기 종축 (20) 을 포함하는 수직 평면 (V) 에 있어서 상기 하이드로폰들 (22) 의 위상 중심들로부터의 프로젝션들은 λ/3 미만의 스페이싱에 의해 이격되며, λ 는 상기 작동 주파수에서의 파장이고, 상기 하이드로폰들은 상기 수평 평면 (P) 에 있어서 상기 종축 주위로 형성된 링들에 분포되고, 2개의 하이드로폰들 사이의, 수평 스페이싱으로서 지칭되는 스페이싱 (p2) 은 당해 직경에 걸친 2개의 이웃한 하이드로폰들 간의 현의 길이인 것을 특징으로 하는 무지향성 안테나.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 하이드로폰들 (22) 은, 상기 송신 링들 (21) 에 고정되는 바(51)들 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 무지향성 안테나.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 하이드로폰들 (22) 은, 상기 종축 (20) 주위에 형성되는 링들에 분포되는 것을 특징으로 하는 무지향성 안테나.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 기본 송신 링들 (21) 및 하이드로폰 링들 (22) 은 상기 높이 (H) 를 따라 교번하여 배열되는 것을 특징을 하는 무지향성 안테나.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 하이드로폰들 (22) 은 상기 기본 송신 링들 (21) 위에 겹쳐 놓이는 것을 특징으로 하는 무지향성 안테나.
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 기본 송신 링들 (21) 및 하이드로폰 링들 (22) 은, 2개의 단부들 (26, 27) 사이에서 상기 종축 (20) 을 따라 연장하는 튜브 (25) 를 형성하고, 상기 안테나 (14, 40, 50) 는 상기 튜브 (25) 를 폐쇄하는 2개의 구조물들 (28, 29) 을 포함하고, 상기 구조물들 각각은 상기 튜브 (25) 의 상기 단부들 (26, 27) 중 하나에 있는 것을 특징으로 하는 무지향성 안테나.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 기본 송신 링들 (21) 의 내부 벽들은 액체 상태로 유체와 접촉하는 것을 특징으로 하는 무지향성 안테나.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 안테나 (40) 가 디핑되는 물이 상기 기본 송신 링들 (21) 의 상기 내부 벽들을 따라 흐르게 하는 개구들 (41) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 무지향성 안테나.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 개구들 (41) 은 상기 송신 링들 (21) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 무지향성 안테나.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 안테나 (14) 및 케이블 (13) 을 포함하고, 상기 안테나 (14; 40, 50) 는 상기 케이블 (13) 로부터 현수되는, 디핑 소나 (11).
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 케이블 (13) 이 감겨 들어오게 되고 감겨 나가게 되게 하는 윈치 (12) 를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 디핑 소나 (11).
12. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 안테나 (14) 및 컴퓨터 (15) 을 포함하고, 상기 컴퓨터 (15) 는 소나 빔형성을 실행하도록 구성되고, 빔형성 파라미터들은, 안테나 교정 에러들 (14) 에 관하여 강인한 적응적 프로세싱 형태에 따른 공간적으로 상관된 노이즈의 공분산에 기반하여 계산되는, 디핑 소나 (11).

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