KR102254777B1 - 소나 돔 상태 모니터링 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소나 돔에 가해지는 임펄스 신호에 의해 전달되는 진동을 토대로 응답 특성을 추출 후 신호처리 및 분석을 통해 응답 특성 변화를 관찰함으로써, 장기간 수중환경에 노출된 소나 돔의 이물질 부착(파울링)이나 소나 돔의 균열, 파괴 등 소나 돔의 상태 변화를 사전에 주기적으로 모니터링하고 관리하여 소나 어레이가 항시 최적의 성능을 유지할 수 있도록 하는 소나 돔 상태 모니터링 시스템에 관한 것이다.

Description

소나 돔 상태 모니터링 시스템{A SYSTEM FOR MONITORING OF THE SONAR DOME}

본 발명은 소나 돔 상태 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 소나 돔에 가해지는 임펄스 신호에 의해 전달되는 진동을 토대로 응답 특성을 추출 후 신호처리 및 분석을 통해 응답 특성 변화를 관찰함으로써, 장기간 수중환경에 노출된 소나 돔의 이물질 부착(파울링)이나 소나 돔의 균열, 파괴 등 소나 돔의 상태 변화를 사전에 주기적으로 모니터링하고 관리하여 소나 어레이가 항시 최적의 성능을 유지할 수 있도록 하는 소나 돔 상태 모니터링 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 소나 돔(sonar dome)은 일정 수준의 내구도를 가지며 음향적으로 투명한 폴리머(polymer) 계열의 재질로 제작되나, 장기간 수중환경에 노출되면서 외부에 따개비 등의 이물질이 부착(fouling)됨에 따라 성능이 저하되게 된다.

이를 제어하기 위해서는 선체를 수면 밖 환경으로 이동시켜 거치시킨 후 외부 세척 작업을 수행하여야 하는데, 종래에는 소나 돔의 외부에 이물질이 부착되는 것을 사전에 미리 인지하는 것이 아닌 소나 어레이의 성능 저하가 발생할 경우 후처리 방식으로 이를 대처하고 있다는 점에서, 이를 사전에 주기적으로 모니터링하여 소나 어레이의 성능 저하가 발생하기 전에 미리 관리할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.

한국공개특허 제10-2014-0147554호

본 발명은 상술한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 소나 돔에 가해지는 임펄스 신호에 의해 전달되는 진동을 토대로 응답 특성을 추출 후 신호처리 및 분석을 통해 응답 특성 변화를 관찰함으로써, 장기간 수중환경에 노출된 소나 돔의 이물질 부착(파울링)이나 소나 돔의 균열, 파괴 등 소나 돔의 상태 변화를 사전에 주기적으로 모니터링하고 관리하여 소나 어레이가 항시 최적의 성능을 유지할 수 있도록 하는 소나 돔 상태 모니터링 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 소나 돔 상태 모니터링 시스템은 소나 돔(Sonar dome)의 내측 벽면에 설치되고, 상기 소나 돔 내 소나 어레이(Sonar array)에서 상기 소나 돔 방향으로 가해지는 임펄스 신호에 따라 발생되는 진동을 토대로 상기 진동에 상응하는 응답 특성을 측정하여 이를 토대로 응답 신호를 생성하는 PVDF 센서, 상기 PVDF 센서로부터 수신되는 상기 응답 신호에 대한 응답 특성을 기 저장된 레퍼런스 정보와 비교한 결과를 토대로 상기 소나 돔의 상태를 분석하는 신호처리 및 분석부 및 상기 응답 특성과 기 저장된 레퍼런스 정보 간의 비교값이 기 설정된 오차 범위를 벗어나는 경우, 상기 소나 돔에 상태 변화가 발생한 것으로 판단하여 경보신호를 생성 후 관리단말에 전송하는 경보신호 전송부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 신호처리 및 분석부는 상기 PVDF 센서를 통해 생성된 상기 응답 신호에 대한 응답 특성을 고속 퓨리에 변환(FFT) 과정을 통해 주파수 대역에서의 응답 특성(FRF)으로 변환하고, 변환된 응답 특성으로부터 상기 소나 돔의 공진 주파수를 추출 후 기 저장된 레퍼런스 정보에 포함된 기준 공진 주파수와 비교하는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 신호처리 및 분석부는 상기 소나 돔의 공진 주파수의 한 쌍의 피크(peak)값을 비교를 위한 기준값으로 설정한 후 기 저장된 레퍼런스 정보에 포함된 한 쌍의 기준 공진 주파수의 피크값과 비교하는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 신호처리 및 분석부는 상기 소나 돔의 공진 주파수의 전체적인 형태가 상기 기준 공진 주파수의 전체적인 형태 대비 변화된 것으로 판단된 경우 상기 소나 돔에 상태 변화가 발생한 것으로 판단하여 경보신호를 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 PVDF 센서는 상기 소나 돔 내측에 마련된 배플(Baffler)의 후방에서 상기 소나 어레이와 이격되도록 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 장기간 수중환경에 노출된 소나 돔의 이물질 부착(파울링)이나 소나 돔의 균열, 파괴 등 소나 돔의 상태 변화를 사전에 주기적으로 모니터링하고 관리하여 소나 어레이가 항시 최적의 성능을 유지할 수 있도록 하는 이점을 가진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소나 돔 상태 모니터링 시스템(100)의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 PVDF 센서(110)의 부착 위치를 보다 구체적으로 도시한 도면이다.
도 3은 소나 어레이(3)에 의해 발생되는 임펄스 신호가 PVDF 센서(110)를 통해 응답 신호로 변환된 후 신호처리 및 분석부(120)로 전송되는 과정을 순서대로 도시한 도면이다.
도 4는 응답 특성으로부터 추출된 공진 주파수와, 기 저장된 레퍼런스 정보에 포함된 기준 공진 주파수를 나타낸 도면이다.
도 5는 응답 특성으로부터 추출된 공진 주파수로에 대한 비교용 기준값인 피크값을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적인 실시예에서만 설명하고, 그 외의 다른 실시예에서는 대표적인 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하는 것을 의미할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소나 돔 상태 모니터링 시스템(100)의 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 PVDF 센서(110)의 부착 위치를 보다 구체적으로 도시한 도면이다.

도 1 및 도 2를 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 소나 돔 상태 모니터링 시스템(100)은 크게 소나 돔(1)의 내측 벽면에 부착되는 PVDF 센서(110), PVDF 센서(110)로부터 응답 신호를 수신 후 이를 신호처리하여 소나 돔(1)의 상태를 분석하는 신호처리 및 분석부(120) 및 소나 돔(1)의 상태 변화가 발생된 것으로 판단될 경우 중앙처리부의 관리단말로 경보신호를 전송하는 경보신호 전송부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.

먼저, PVDF 센서(110)는 소나 돔(sonar dome)(110)의 내측 벽면에 설치되어, 소나 돔(1) 내에 탑재된 소나 어레이(sonar array)(2)에서 소나 돔(1)의 벽면 방향으로 가해지는 임펄스 신호에 따라 발생되는 진동을 토대로, 해당 진동에 상응하는 응답 특성을 추출하여 이를 응답 신호로 생성하는 역할을 한다.

일반적으로 소나 돔(110)의 외벽은 장기간 수중환경에 노출됨에 따라, 따개비 등의 부착물이 부착(fouling)되면서 소나 어레이(2)의 성능 저하를 야기하게 된다. 따라서, PVDF 센서(110)에서는 주기적으로 소나 돔(1)을 통해 전달되는 임펄스 신호(impulse signal)를 토대로 응답 특성을 추출 후 이를 토대로 응답 신호(reponse signal)를 생성하여 이를 신호처리 및 분석부(120)로 전달하게 된다.

소나 어레이(2)는 소나 돔(1)의 내벽을 향해 임펄스 신호를 가하게 되며, 소나 돔(1)의 질량, 밀도 등 고유한 구조적 특성에 의해 PVDF 센서(110)에는 일정한 진동이 전달되며, PVDF 센서(110)에서는 이를 토대로 소나 돔(1)의 고유한 응답 특성을 추출하게 된다.

임펄스 신호의 경우, 소나 어레이(2)가 active array 적용 시 최고 출력으로 임펄스 신호를 발생시키게 되며, 만약 소나 어레이(2)가 passive array 적용 시 소나 돔(1) 내부에 별도로 수밀처리된 piezoelectric actuator와 같은 가진기(미도시)가 설치되어 임펄스 신호를 발생시키게 된다.

한편, PVDF 센서(110)는 소나 돔(1) 내부에서 소나 어레이(2)와 인접하게 설치된 배플(baffler)(3)의 직후방에 설치될 수 있는데, 이에 대해 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

도 2를 살펴보면, 소나 돔(1)의 내부에는 T자 형상의 격벽인 배플(3)이 설치된다. PVDF 센서(110)로 인해 소나 어레이(2)의 음향적 간섭이 발생하면 안되기 때문에, PVDF 센서(110)는 외부 환경에 최대한 영향을 받지 않도록 배플(3)의 직후방에서 소나 돔(1)의 내벽에 부착 설치된다. 배플(3)은 소나 어레이(2)를 음향적으로 분리시키는 역할을 하며, 운용 중 어떠한 변형이 발생하는 위치가 아니기 때문에, PVDF 센서(110)를 설치하기 위한 최적의 위치가 될 수 있다.

다시 도 1로 돌아와서, 신호처리 및 분석부(120)는 PVDF 센서(110)로부터 수신되는 응답 신호(response signal)에 대한 응답 특성을 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT) 과정을 거쳐 주파수 대역에서의 응답 특성(FTF)로 변환하고, 변환된 응답 특성으로부터 소나 돔(1)의 공진 주파수와 같은 파라미터값을 추출하게 된다. 그 후, 신호처리 및 분석부(120)는 기 저장된 레퍼런스 정보에 포함된 기준 공진 주파수와 서로 비교함으로써 소나 돔(1)의 상태를 분석하게 된다. 여기에서, 기 저장된 레퍼런스 정보라 함은, PVDF 센서(110)를 통해 최초로 측정된 응답 특성이 레퍼런스 정보로써 저장부(미도시)에 미리 저장된 정보를 의미하게 되며, 이후에 측정되는 응답 특성들은 저장부에 미리 저장된 응답 특성과의 비교, 분석을 통해 소나 돔(1)의 구조적 특성 변화에 이용된다.

이러한 신호처리 및 분석부(120)에서는 소나 돔(1)의 공진 주파수에 있어서 서로 다른 한 쌍의 피크(peak) 값을 비교용 기준값으로 설정한 후 이를 기 저장된 레퍼런스 정보의 기준 공진 주파수의 피크값과 각각 비교하게 되는데, 이에 대해서는 도 4 및 도 5를 통해 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.

도 4는 응답 특성으로부터 추출된 공진 주파수와, 기 저장된 레퍼런스 정보에 포함된 기준 공진 주파수를 나타낸 도면이고, 도 5는 응답 특성으로부터 추출된 공진 주파수로에 대한 비교용 기준값인 피크값을 나타낸 도면이다.

도 4 및 도 5를 살펴보면, 일반적으로 소나 돔(1)의 공진 주파수는 소나 돔 자체의 질량(modal mass) 및 탄성계수(spring constant)에 의해서 결정되는 고유한 값으로서, 소나 돔(1)이 정상적인 상태일 경우, 즉 손상이나 변형이 없으며 어떠한 부착물도 부착되지 않은 상황에서는 항시 공진 주파수가 일정하게 유지되어야 한다.

따라서, 신호처리 및 분석부(120)에서는 이에 기초하여 소나 돔(1)에 대해 측정된 응답 특성과 미리 저장된 응답 특성 간의 공진 주파수를 다수 회 비교하는 과정을 통해, 소나 돔(1)에 대해 측정된 응답 특성의 공진 주파수와 기 저장된 응답 특성의 기준 공진 주파수 간의 값들이 일정한 범위 내에 있으며 기 설정된 오차 내에 들어오는 것으로 확인될 경우에는 소나 돔(1)의 구조적 변경이 적은 것으로 판단하게 되고, 이를 벗어날 경우에는 소나 돔(1) 외부의 이물질 부착(fouling)이나 소나 돔(1) 자체의 균열, 파손 등의 상황으로 인지하게 된다.

예컨대, 소나 돔(1)의 손상 발생 전의 응답 특성은 해당 소나 돔(1)의 고유값으로서 소나 돔(1) 별로 서로 다른 값을 가지고 있으며, fouling이나 구조적 손상으로 인해 질량(m)이나 탄성계수(k)가 변경되는 경우에는 각 소나 돔 별 응답 특성도 자연스레 변하게 된다.

따라서, 신호처리 및 분석부(120)에서는 이러한 소나 돔(1)의 응답 특성을 모니터링하기 위하여, 선박의 운용 중 혹은 정박 시와 같이 소나 시스템 운용이 불필요한 경우, 소나 돔(1)의 기준 공진 주파수를 측정하였을 때와 동일한 방식으로 응답 특성을 추출 및 공진 주파수를 측정하게 되고, 이를 서로 비교하게 된다.

비교 시 주요 사항은 큰 변위값인 피크(peak)값이 발생한 주파수 영역의 값들로, 해당 값들은 원칙적으로 두 주파수 간에 서로 일치하여야 하며 두 주파수 간의 차이가 기 설정된 허용 오차를 벗어날 경우 경보신호 전송부(130)에서는 현재 소나 돔(1)에 구조적인 문제가 발생한 것으로 판단하여 중앙처리부의 관리 단말에 경고 신호를 전송하게 된다.

또한, 응답 특성의 주파수 영역에서의 전체적인 형태 또한 소나 돔(1) 자체의 고유한 특성이므로, 두 주파수의 전체적인 형상에 변화가 있는 경우에도 경보신호 전송부(130)에서는 소나 돔(1)에 구조적인 문제가 발생한 것으로 판단하여 중앙처리부의 관리 단말에 경고 신호를 전송하게 된다.

이때, 관리 단말에 표시되는 경고 신호는 두 주파수의 그래프가 표시될 수도 있고, 데이터 간 일관성(chherence) 계산을 수행한 값이 기 설정된 기준값 이하로 떨어질 경우 이를 관리 단말에 표시되도록 할 수도 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 소나 돔 상태 모니터링 시스템
110: PVDF 센서
120: 신호처리 및 분석부
130: 경보신호 전송부

Claims (5)

1. 소나 돔(Sonar dome)의 내측 벽면에 설치되고, 상기 소나 돔 내 소나 어레이(Sonar array)에서 상기 소나 돔 방향으로 가해지는 임펄스 신호에 따라 발생되는 진동을 토대로 상기 진동에 상응하는 응답 특성을 측정하여 이를 토대로 응답 신호를 생성하는 PVDF 센서;
   상기 PVDF 센서로부터 수신되는 상기 응답 신호에 대한 응답 특성을 기 저장된 레퍼런스 정보와 비교한 결과를 토대로 상기 소나 돔의 상태를 분석하는 신호처리 및 분석부; 및
   상기 응답 특성과 기 저장된 레퍼런스 정보 간의 비교값이 기 설정된 오차 범위를 벗어나는 경우, 상기 소나 돔에 상태 변화가 발생한 것으로 판단하여 경보신호를 생성 후 관리단말에 전송하는 경보신호 전송부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 소나 돔 상태 모니터링 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 신호처리 및 분석부는,
   상기 PVDF 센서를 통해 생성된 상기 응답 신호에 대한 응답 특성을 고속 퓨리에 변환(FFT) 과정을 통해 주파수 대역에서의 응답 특성(FRF)으로 변환하고, 변환된 응답 특성으로부터 상기 소나 돔의 공진 주파수를 추출 후 기 저장된 레퍼런스 정보에 포함된 기준 공진 주파수와 비교하는 것을 특징으로 하는, 소나 돔 상태 모니터링 시스템.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 신호처리 및 분석부는,
   상기 소나 돔의 공진 주파수의 한 쌍의 피크(peak)값을 비교용 기준값으로 설정한 후 기 저장된 레퍼런스 정보에 포함된 기준 공진 주파수의 피크값과 비교하는 것을 특징으로 하는, 소나 돔 상태 모니터링 시스템.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 PVDF 센서는,
   상기 소나 돔 내측에 마련된 배플(Baffler)의 후방에서 상기 소나 어레이와 이격되도록 설치되는 것을 특징으로 하는, 소나 돔 상태 모니터링 시스템.

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