KR20000046286A - Circuit and method for synthesizing underwater sound reflecting signals - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A circuit for synthesizing underwater sound reflecting signals is provided to synthesize diverse reflecting signals with some program corrections by using a signal processing processor. CONSTITUTION: An analog/digital converter(U1) converts an underwater sound signal into digital data. A memory(U2) stores the output of the analog/digital converter(U1), a reflecting signal synthesis program, and various factors to be considered in synthesizing the reflecting signals. A signal processing processor(U5) synthesizes reflecting signal data in application of the time delay and weight to the output of the analog/digital converter(U1) according to the stored reflecting signal synthesis program. A digital/analog converter(U4) converts the reflecting signal data to a reflecting signal.

Description

수중음파 반사신호 합성회로 및 합성방법Sonar Reflection Signal Synthesis Circuit and Synthesis Method

본 발명은 수중음파에 의한 반사신호를 시뮬레이션(simulation)할 수 있는 반사신호 합성회로와 합성방법에 관한 것으로 특히, 다양한 반사신호를 한 합성기로 구현해내는 회로와 그 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a reflection signal synthesis circuit and a synthesis method capable of simulating a reflection signal by underwater sound, and more particularly, to a circuit and a method for implementing various reflection signals with one synthesizer.

음파를 이용하여 물체의 거리 및 위치를 탐지해내는 장치를 소나(SONA)라고 한다. 음파의 수중에서의 진행속도는 초당 1500[m]정도이므로, 발사한 음파가 피측정물체에 반사되어 돌아오는 시간을 알면 음파발사지점으로부터 피측정물체까지의 거리를 알 수 있다. 또한, 여러 방향으로 음파를 발사하여 피측정물체의 대략적인 위치나 모양도 짐작 가능하다. 이러한 소나의 적용분야는 무궁무진하며, 일 예로 어군탐지기(魚群探知機)를 들 수 있다. 이 어군탐지기는 수중음파를 이용하여 어군의 규모나 어군의 이동경로 등을 알려주므로 어업에 있어서는 대단히 중요한 장비이다. 이렇게 음파를 이용하면 비접촉식으로 피측정물체에 대한 정보를 알 수 있기 때문에 음파를 이용한 각종 측정장비들의 개발이 활발히 진행되고 있다. 또한, 측정장비의 개발에 있어 음파의 진행과 반사의 연구는 필수적이다. 이러한 수중음파 연구시 반사결과를 예측할 수 있는 시뮬레이터(Simulator)가 있다면 연구에 크게 기여할 것이다. 본 발명은 그러한 연구에 크게 기여할 수중음파 반사신호 합성장치에 관한 것이다. 먼저, 종래의 수중음파 반사신호 합성회로에 대해 도1의 블럭도를 참조하여 설명한다.A device that uses sound waves to detect the distance and position of an object is called a sona. Since the velocity of sound waves in the water is about 1500 [m] per second, the distance from the sound emission point to the object can be known by knowing the time when the emitted sound waves are reflected back to the object. In addition, it is possible to guess the approximate position or shape of the object under measurement by emitting sound waves in various directions. The application of such sonar is endless, and an example is a fish finder. This fish finder is very important equipment for fishing because it uses sonar to inform the size of fish group and the movement route of fish group. Thus, since the use of sound waves provides information on the object under test in a non-contact manner, the development of various measuring devices using sound waves is actively progressing. In addition, in the development of measurement equipment, the study of sound wave progression and reflection is essential. If there is a simulator that can predict the reflection result in the study of the sonic wave, it will greatly contribute to the study. The present invention relates to a hydroacoustic reflection signal synthesizing apparatus which will greatly contribute to such research. First, a conventional underwater reflection signal synthesis circuit will be described with reference to the block diagram of FIG.

종래의 합성회로구성은 도1에 도시된 바와 같이 AD변환기(U1), 메모리(U2), EPLD(U3), DA변환기(U4)로 이루어진다.The conventional composite circuit configuration is composed of an AD converter U1, a memory U2, an EPLD U3, and a DA converter U4 as shown in FIG.

상기 AD변환기(U1)는 아날로그 투 디지털 변환기로서, 전압으로 변환된 음파신호를 디지털데이터로 변환한다. 그리고 메모리(U2)는 이 디지털데이터를 저장한다.The AD converter U1 is an analog-to-digital converter, and converts a sound wave signal converted into voltage into digital data. The memory U2 stores this digital data.

다음으로, EPLD(Electrically Programmable Logic Device ; U3)는 내부에 가산기, 곱셈기, 오프셋계산기회로 등이 구성되어 있다.Next, an EPLD (Electrically Programmable Logic Device; U3) includes an adder, a multiplier, an offset calculator circuit, and the like.

EPLD는 적게는 수백개에서 많게는 수만개에 이르는 게이트를 내포하고 있으며, 프로그램에 의해 이 게이트들의 접속을 바꿀수 있는 것이 특징이다. 종래에는 이 EPLD를 이용하여 가산기와 곱셈기와 오프셋계산기회로 등을 구성하여 주로 HL(HighLight)모델에 의한 수학적 계산을 수행하였다.EPLDs contain as few as hundreds to as many as tens of thousands of gates, and can be programmed to change their access. Conventionally, the EPLD is used to construct an adder, a multiplier, and an offset calculator circuit, and mainly perform mathematical calculations based on the HL (HighLight) model.

상기 HL모델은 수중음파가 피측정물체에서 반사를 일으킬 때, 물체의 모든 면에서의 반사신호를 합성해낸다는 것은 사실상 불가능한 일이므로, 반사가 크게 일어나는 몇 개의 특징적인 점에서의 반사신호만을 합성해내는 것이다. 모든 면에서의 반사신호를 합성해내려면 면을 점들로 분해해서 각 점에서의 반사신호를 합성해내야 한다. 그러나 점이란 크기와 모양을 갖지 않기 때문에 어떤 면을 점으로 분해하면 셀 수도 없이 많은 점들이 생긴다. 셀 수도 없이 많은 점에서의 반사신호를 합성하려면 슈퍼컴퓨터를 동원해도 불가능한 일이다. 따라서, HL모델은 반사가 크게 일어나는 특징적인 점-이러한 점을 HL이라 하며 가중치가 달리 적용된다-들을 물체상에 몇 개 설정하여 그 점들에서 일어나는 반사신호를 합성해내는 것이다. 예를 들어, 수중음파를 물고기를 향해 발사하고 물고기에서의 반사신호를 시뮬레이션한다고 하면 우선, 가상(假想)의 물고기의 아가미나 등지느러미, 꼬리지느러미 등에 HL을 설정하는 것이다. 수중음파의 반사신호를 합성하는데는 이상과 같은 HL모델을 사용하는 방법이 널리 쓰이고 있다.Since the HL model is virtually impossible to synthesize the reflected signals from all sides of the object when the sonar causes reflections on the object under test, only the reflected signals at a few characteristic points where the reflection is large are synthesized. To pay. To synthesize the reflected signal from all sides, we need to decompose the surface into points to synthesize the reflected signal from each point. But points don't have size and shape, so when you break a face into points, you have countless points. It is impossible to mobilize a supercomputer to synthesize the reflected signals at countless points. Therefore, the HL model sets a few characteristic points where reflections occur largely, such as HL and weighted differently, on the object and synthesizes reflection signals generated at those points. For example, if a sound wave is fired toward a fish and a reflection signal from the fish is simulated, first, HL is set in the gills, dorsal fins, caudal fins, etc. of a virtual fish. The method of using the HL model as described above is widely used for synthesizing the reflected signal of the sound waves.

한편, EPLD(U3)의 내부에는 오프셋계산기와 곱셈기와 가산기 등 연산회로를 형성하여 수학적연산을 처리할 수 있도록 구성되어 있다.On the other hand, inside the EPLD U3, an offset calculator, a multiplier, and an adder are formed to process arithmetic operations.

이는 반사신호를 시뮬레이션할 때, 수중음파의 파장이 HL에서 입사파와 반사파간에 중첩 또는 감쇠가 일어나고 물체의 모양이나 재질에 따라 음파의 반사율이 일정하지 않다는 점을 고려하여 입력신호에 가중치를 주기 위한 구성이다. 또한, 각 HL과 소나와의 거리차이에 따른, 음파의 각 HL에 도달하는 시간의 차이(시간지연)를 주기 위한 구성이다.When simulating the reflected signal, it is configured to give weight to the input signal in consideration of the fact that the wavelength of the sound wave overlaps or attenuates between the incident wave and the reflected wave in HL, and the reflectance of the sound wave is not constant according to the shape or material of the object. to be. Moreover, it is a structure for giving the time difference (time delay) which reaches each HL of a sound wave according to the distance difference between each HL and a sonar.

상기 시간지연과 가중치의 적용은 EPLD(U3)의 내부에 오프셋계산기와 곱셈기와 가산기 등 연산회로를 이용하여 처리하고 있다.The application of the time delay and the weight is processed by using a calculation circuit such as an offset calculator, a multiplier, and an adder in the EPLD U3.

다음으로, DA변환기(U4)는 앞의 EPLD(U3)에 의해 연산된 값을 아날로그신호로 변환한다. 이렇게 DA변환기(U4)의 출력이 전기적인 신호이므로 신호변환없이 그대로 연구실의 계측기나 분석장비 등으로 입력시킬 수 있다.Next, the DA converter U4 converts the value calculated by the preceding EPLD U3 into an analog signal. Since the output of the DA converter (U4) is an electrical signal as described above, it can be input directly to a laboratory instrument or analysis equipment without signal conversion.

상기 구성을 토대로 전체적인 동작을 설명하면 다음과 같다.The overall operation will be described based on the above configuration.

일단 수중음파가 발사되면 상기 도1의 합성회로에 몇가지 회로가 추가된 반사신호 합성장치에서 이 음파를 수신한다. 수신한 음파는 음파-전기변환장치 등을 통해 전기적인 신호로 변환되고, AD변환기(U1)를 통하여 디지털데이터로 변환된다. 이 디지털데이터는 메모리(U2)에 저장되고, EPLD(U3)는 메모리(U2)에 저장된, 음파에 대한 디지털데이터를 읽어들여 내부회로에 의해 연산을 수행한다. 즉, EPLD(U3)의 내부의 곱셈기회로에 의해 디지털데이터에 일정한 가중치가 곱해지고, 오프셋계산기회로에 의해 일정한 시간지연이 주어진다. 그리고 EPLD(U3)는 그 외 필요한 일련의 연산을 행하여 최종적인 반사신호데이터를 만들어 DA변환기(U4)로 출력한다. 그러면 DA변환기(U4)는 EPLD(U3)에서 연산한 값을 아날로그신호로 변환한다.Once the sound waves are fired, they are received by the reflected signal synthesizing apparatus in which several circuits are added to the synthesis circuit of FIG. The received sound wave is converted into an electrical signal through a sound wave-electric converter, and is converted into digital data through the AD converter U1. This digital data is stored in the memory U2, and the EPLD U3 reads the digital data for sound waves stored in the memory U2 and performs calculation by the internal circuit. That is, the digital data is multiplied by a certain weight by the multiplier circuit inside the EPLD U3, and a constant time delay is given by the offset calculator circuit. The EPLD U3 then performs other necessary series of operations to produce the final reflected signal data and output it to the DA converter U4. The DA converter U4 then converts the value calculated by the EPLD U3 into an analog signal.

그러나 이상 설명한 종래의 수중음파 반사신호 합성장치는 연산을 행하는 부분이 EPLD를 이용한 디지털 로직으로 되어 있다. 따라서, 계산시 발생되는 소수점이하의 값들이 절상 또는 절하되어 상수화되므로써 정확한 반사신호의 합성이 불가능하다. 또한, 반사신호의 합성을 곱셈기나 오프셋계산기와 같은 하드웨어를 이용하므로써 시간지연을 일정하게 줄 수밖에 없다.However, in the conventional hydroacoustic reflection signal synthesizing apparatus described above, the part performing the calculation is digital logic using EPLD. Therefore, since the values below the decimal point generated in the calculation are rounded up or down and become constant, it is impossible to accurately synthesize a reflected signal. In addition, by using hardware such as a multiplier or an offset calculator to synthesize the reflected signal, it is necessary to give a constant time delay.

상기 시간지연이 일정하다는 것은 HL간의 시간차(거리를 수중음파의 진행시간으로 환산한 개념)에 변화가 없다는 것을 뜻하고, 이는 수중음파가 항상 동일한 방향으로 물체에 입사되는 것을 뜻한다.The constant time delay means that there is no change in the time difference between HL (the concept of converting the distance into the sound wave's advancing time), which means that the sound wave is always incident on the object in the same direction.

앞서 아가미, 등지느러미, 꼬리지느러미에 HL을 설정한 물고기가 이동중이고, 어군탐지기(소나)를 탑재한 배가 이동중인 상황을 가정해본다.Let's assume that the fish with HL set in gills, dorsal fins and caudal fins is moving, and a boat equipped with a fish finder (sonar) is moving.

어군탐지기의 소나에서 수중음파를 발사하면 이 수중음파는 동심원을 그리며 수중으로 전파되어 간다. 물고기의 정면에서 수중음파를 발사한 경우에는 소나와 가장 가까운 HL은 아가미의 HL이고, 다음으로 가까운 HL은 등지느러미의 HL, 그 다음은 꼬리지느러미의 HL이 된다. 그러나 배가 이동하여 수중음파가 물고기의 우측에서 발사되었다면 소나와 가장 가까운 HL은 등지느러미의 HL이고, 다음은 아가미나 꼬리지느러미의 HL이 될 것이다. 상기와 같이 소나의 위치변화에 따라 소나와 등지느러미의 HL과, 소나와 아가미의 HL과의 거리에 변화가 발생한다. 따라서, 물고기의 정면에 소나가 위치할 때와 우측에 위치할 때, 각 HL에 도달하는 음파의 시간이 달라지므로 HL간의 시간차에 변화가 발생한다.When the sonar of the fish finder emits a sonar wave, the sonar wave propagates underwater in a concentric circle. When the sonar is launched from the front of the fish, the HL closest to the sonar is the HL of the gill, the next closest HL is the HL of the dorsal fin, followed by the HL of the caudal fin. But if the ship moved and the sonar was fired from the right side of the fish, the closest HL to the sonar would be the HL of the dorsal fin, followed by the HL of the gill or caudal fin. As described above, a change occurs in the distance between the sonar and HL of the dorsal fin and the sonar and gill HL as the sonar changes. Therefore, when the sonar is located in front of the fish and when it is located on the right side, the time difference between the sound waves reaching each HL is different, so that a change occurs in the time difference between the HLs.

이러한 소나와 물고기와의 위치관계 즉, 수중음파의 입사각 변화에 따른 HL간의 시간차를 고려해줘야 정확한 반사신호를 합성할 수 있다. 그러나 종래는 이 시간차를 일정하게 주고 있기 때문에 항상 물고기와 소나의 위치관계는 일정할 수밖에 없고 따라서, 2차원적인 반사신호밖에 합성할 수 없다는 문제점이 있다. 이러한 문제점의 원인은 EPLD에서 반사신호 합성시 시간지연을 주는 부분을 하드웨어적인 회로로 구성했기 때문이다.It is necessary to consider the time difference between the HL according to the positional relationship between the sonar and the fish, that is, the change in the angle of incidence of the sonar, so that the correct reflected signal can be synthesized. However, since the time difference is fixed in the related art, the positional relationship between the fish and the sonar is inevitably constant. Therefore, only two-dimensional reflection signals can be synthesized. The reason for this problem is that the part that gives time delay in synthesizing the reflected signal in the EPLD is composed of a hardware circuit.

또한, 반사신호 합성알고리듬이 약간만 변형되어도 그에 따라 하드웨어를 다시 구성해야 하는 불편함이 있다. 물고기가 아닌 조개류에서의 반사신호를 시뮬레이션하려면 가상의 조개에 HL을 다시 배치해야 하며 따라서, HL간의 시간차도 바뀌게 된다. 이렇게 HL을 재배치하려면 EPLD 내부의 가산기와 곱셈기, 오프셋계산기회로를 다시 구성해야 한다. 그러나 하드웨어의 재구성에는 비용이 추가되며 수중음파 응용장비의 개발시나 연구시 비용부담을 가중시키는 요인으로 작용한다.In addition, even if the reflected signal synthesis algorithm is slightly modified, it is inconvenient to reconfigure the hardware accordingly. To simulate the reflections from non-fish shellfish, the HL must be repositioned in the imaginary shell, thus changing the time difference between the HLs. To relocate HL, the adder, multiplier and offset calculator circuits inside the EPLD must be reconfigured. However, the reconstruction of the hardware adds cost and increases the cost burden in the development and research of sonic applications.

따라서, 본 발명의 목적은 다양하고 정교한 수중음파 반사신호를 합성해낼 수 있는 반사신호 합성회로를 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a reflection signal synthesis circuit capable of synthesizing various sophisticated sonar reflection signals.

도1은 종래의 수중음파 반사신호 합성회로의 블럭도.1 is a block diagram of a conventional underwater reflection signal synthesis circuit;

도2는 본 발명의 실시예에 따른 수중음파 반사신호 합성회로의 블럭도.2 is a block diagram of a hydroacoustic reflection signal synthesis circuit according to an embodiment of the present invention.

도3은 본 실시예의 반사신호 합성알고리듬.3 is a reflection signal synthesis algorithm of the present embodiment.

도4는 본 실시예의 동작흐름도.4 is a flowchart of operation of the present embodiment.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

U1 : AD변환기 U2 : 메모리U1: AD converter U2: memory

U3 : EPLD U4 : DA변환기U3: EPLD U4: DA Converter

U5 : DSPU5: DSP

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 수중음파 반사신호 합성회로는, 수중음파신호를 디지털데이터로 변환하는 아날로그-디지털변환기와, 상기 디지털데이터에 대한 반사신호데이터를 반사신호합성모델을 토대로 프로그램에 의해 합성해내는 신호처리프로세서와, 상기 아날로그-디지털변환기의 출력과 상기 산호처리프로세서에서 반사신호 합성시 고려해줘야 할 각종 팩터를 저장하는 메모리와, 상기 반사신호데이터를 반사신호로 변환하는 디지털-아날로그 변환기로 이루어짐을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the hydroacoustic reflection signal synthesis circuit according to the present invention includes an analog-to-digital converter for converting a hydroacoustic signal into digital data, and the reflected signal data for the digital data into a program based on a reflection signal synthesis model. A signal processing processor for synthesizing, a memory for storing the output of the analog-to-digital converter and various factors to be considered in synthesizing the reflected signal in the coral processing processor, and a digital-analog for converting the reflected signal data into a reflected signal. It is characterized by consisting of a transducer.

또한, 본 발명에 따른 수중음향 반사신호 합성방법은, 수중음파 반사신호 합성모델에 따라 가상물체에서 반사가 두드러지게 일어나는 다수개의 점을 지정하는 과정과, 가상물체와 소나의 위치에 따라 상기 가상물체상에 지정한 다수개의 점에서 소나에 이르는 벡터의 크기순으로 다수개의 점을 정렬하는 과정과, 각 점에 수중음파가 도달하는 시간으로부터 점간의 시간지연를 계산하는 과정과, 수중음파신호가 입력되면 프로그램에 의해 디지털화된 수중음파신호에 시간지연과 가중치를 적용하여 반사신호를 합성하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 한다.In addition, the hydroacoustic reflection signal synthesis method according to the present invention, the process of specifying a plurality of points that the reflection is prominent in the virtual object according to the hydroacoustic reflection signal synthesis model, and depending on the position of the virtual object and sonar A process of arranging a plurality of points in the order of a vector from a plurality of points specified in the image to a sonar, calculating a time delay between the points from the time when the sonar arrives at each point, and inputting a sonar signal. It is characterized by consisting of the process of synthesizing the reflected signal by applying the time delay and weight to the digitized sonar signal.

이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 도2의 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the exemplary embodiment of FIG. 2.

도2를 살펴보면, 전기적인 신호로 변환된 음파를 디지털데이터로 변환시키기 위한 AD변환기(U1)가 있고, 상기 디지털데이터를 이용하여 프로그램에 따라 반사신호를 합성하기 위한 디지털신호처리프로세서(DSP ; U5)가 있다. 그리고 상기 AD변환기(U1)의 출력과 상기 DSP(U5)에서 반사신호 합성시 필요한 각종 팩터(factor)를 저장하는 메모리(U2)와, DSP(U5)에서 합성한 반사신호데이터를 아날로그신호로 변환시키기 위한 DA변환기(U4)가 있다.2, there is an AD converter U1 for converting sound waves converted into electrical signals into digital data, and a digital signal processor (DSP; U5) for synthesizing a reflected signal according to a program using the digital data. There is). And a memory U2 for storing the output of the AD converter U1 and various factors necessary for synthesizing the reflected signal in the DSP U5, and converting the reflected signal data synthesized in the DSP U5 into an analog signal. There is a DA converter U4.

본 실시예에서는 종래에 연산회로를 이용하여 HL모델의 연산을 수행하던 EPLD(U3) 대신 신호처리기능이 특화된 DSP(U5)를 이용하여 소프트웨어적으로 연산을 수행하도록 구성한다. DSP(U5)는 일반 마이크로프로세서보다 신호처리기능이 뛰어나고 프로세서의 처리속도가 매우 빠르므로 실시간으로 반사신호를 합성해낼 수 있다. 또한, 반사신호 합성알고리듬의 변형시에는 프로그램만 변경시키면 되므로 한 합성기로 다양한 반사신호의 합성이 가능하다. 그러나 향후(向後) 마이크로프로세서의 성능이 향상되어 실시간으로 반사신호의 합성이 가능해진다면 일반 마이크로프로세서를 이용하는 것도 가능하다.In the present embodiment, instead of the EPLD (U3), which uses a computation circuit to perform the calculation of the HL model, the computation is performed by software using a DSP (U5) specialized in signal processing. DSP (U5) has better signal processing function than general microprocessor and the processing speed of processor is very fast, so it can synthesize the reflected signal in real time. In addition, since only the program needs to be changed when the reflection signal synthesis algorithm is modified, various reflection signals can be synthesized with one synthesizer. However, it is also possible to use a general microprocessor if the performance of the microprocessor is improved in the future and the reflection signal can be synthesized in real time.

다음으로, 메모리(U2)에는 반사신호 합성알고리듬을 프로그램으로 작성하여 저장해 놓는다. 그리고 DSP(U5)에서 반사신호 합성시 가상물체의 모양이나 특성 등에 따라 고려해줘야 할 가중치와 시간지연 등 각종 팩터를 테이블화하여 메모리(U2)에 저장하고, DSP(U5)에서 이 테이블을 읽어오도록 프로그래밍한다. 또한, 테이블의 값을 사용자가 외부에서 변화시킬 수 있도록 구성한다.Next, a reflection signal synthesis algorithm is created and stored in the memory U2. In addition, the DSP U5 tables and stores various factors such as weights and time delays to be considered according to the shape and characteristics of the virtual object when synthesizing the reflected signal in the memory U2, and reads this table from the DSP U5. Program. In addition, the value of the table is configured so that the user can change it externally.

다음으로, 도3은 본 실시예에서 반사신호 합성시 이용하는 합성알고리듬을 도시한 것이다. 도3을 살펴보면, 음파신호(Ping신호)에 대해 0번 HL부터 9번 HL까지 10개의 HL이 만들어낸 반사신호가 시간축에 대해서 배열되어 있다. Τn 은 n번 HL이 만들어낸 반사신호의 시간지연을 뜻하고, 시간축에 수직인 점선은 반사신호인덱스를 나타낸다. 이 반사신호인덱스는 DSP(U5)에서 새로 반사신호데이터를 합성하는 시점이 된다.Next, Fig. 3 shows a synthesis algorithm used in synthesizing the reflected signal in this embodiment. Referring to FIG. 3, reflection signals generated by ten HLs from HL 0 to HL 9 are arranged on a time axis with respect to a sound wave signal (Ping signal). Τ n Is the time delay of the reflected signal generated by n-HL, and the dotted line perpendicular to the time axis represents the reflected signal index. This reflection signal index is a time point at which DSP U5 newly synthesizes reflection signal data.

본 실시예에서는 HL을 10개로 정했지만, 본 실시예를 따르지 않고 HL의 수를 가감(加減)하는 것도 가능하다. HL의 수와 반사신호인덱스의 간격을 조밀하게 하면 더욱 더 정교한 반사신호를 합성할 수 있다.In this embodiment, ten HLs are set, but it is also possible to add or subtract the number of HLs without following this embodiment. By narrowing the number of HLs and the spacing of the reflected signal indexes, more sophisticated reflected signals can be synthesized.

그리고 도3의 경우는 소나가 가상물체의 정면에 위치한 경우(0˚)에 가상물체상의 10개의 HL을 소나와 거리가 가장 가까운 벡터순서로 정렬한 것이다. 따라서, 소나가 가상물체의 우측에 위치할 때 즉, 90°일 때는 도3의 HL의 정렬순서가 변하여 2번 HL, 0번 HL, 1, 3~9번 HL순으로 정렬할 수 있다. HL의 정렬순서는 가상물체와 소나의 위치에 따라 변한다.In the case of FIG. 3, when the sonar is located in front of the virtual object (0 °), the ten HLs on the virtual object are arranged in the vector order closest to the sonar. Therefore, when the sonar is located on the right side of the virtual object, that is, at 90 °, the alignment order of HL in FIG. 3 may be changed, so that the sonar may be arranged in the order of No. 2 HL, No. 0 HL, No. 1 and No. 3 HL. The order of HL changes depending on the position of the virtual object and sonar.

상기와 같이 가상물체와 소나의 위치가 변할 때마다 HL을 재정렬하면 HL간의 시간차에 변화가 발생한다. 즉, Τn 값이 HL을 재정렬할 때마다 바뀌게 된다. 그리고 시간차에 변화를 준다는 것은 입체적인 반사신호의 합성이 가능하다는 것이다. 본 실시예는 상기와 같이 각 HL을 소나와 거리가 가장 가까운 벡터순서로 정렬하므로써 HL간의 시간차의 변화를 유도하고 따라서, 입체적인 반사신호를 합성할 수 있다.As described above, if the HL is rearranged whenever the positions of the virtual object and the sonar change, a change in time difference between the HLs occurs. In other words, Τ n The value changes each time you reorder HL. The change in time difference means that three-dimensional reflection signals can be synthesized. In this embodiment, by arranging each HL in a vector order closest to the sonar as described above, a change in the time difference between the HLs can be induced, and thus a three-dimensional reflection signal can be synthesized.

이하 본 실시예의 반사신호 합성알고리듬을 프로그램으로 구현한 내용에 대해 설명한다.Hereinafter, the contents of the reflection signal synthesis algorithm according to the present embodiment will be described.

HL모델에 따르면 어느 한 순간의 반사신호는 각각 다른 시간지연을 가지는 여러개의 음파신호의 합으로 표현된다. 따라서, 하나의 HL모델에 의해 만들어진 반사신호를 hi(t)라 하고, 다수개의 HL모델에 의한 반사신호를 y(t)라고 할 때 상기 hi(t)와 y(t)간의 관계식은 다음과 같이 표현할 수 있다.According to the HL model, the reflected signal at any one time is represented by the sum of several sound wave signals having different time delays. Therefore, when the reflection signal generated by one HL model is called h i (t) and the reflection signal by multiple HL models is y (t), the relation between h i (t) and y (t) is It can be expressed as

y(t)= h0(t) + h1(t) + h2(t) + … (식1)y (t) = h 0 (t) + h 1 (t) + h 2 (t) +... (Eq. 1)

그리고 각 hi(t)는, 입사한 음파신호를 x(t)라고 할 때, x(t)에 가중치를 곱하고, 적절한 시간지연을 준 것이므로 다음과 같이 표현된다.In addition, each h i (t) is multiplied by the weight x (t) when the incident sound signal is x (t), and given the appropriate time delay is expressed as follows.

y(t)= h0(t) + h1(t) + h2(t) + …y (t) = h 0 (t) + h 1 (t) + h 2 (t) +...

= W0x(t- Τ0 ) + W1x(t- Τ1 )+ W2x(t- Τ2 ) + … (식2)= W 0 x (t- Τ 0 ) + W 1 x (t- Τ 1 ) + W 2 x (t- Τ 2 ) +… (Eq. 2)

이상의 수식(數式)을 본 실시예에서는 DSP(U5)내에서 다음과 같은 배열을 이용하여 프로그램으로 처리한다.In the present embodiment, the above equations are processed by the program using the following arrangement in the DSP U5.

반사신호배열을 Echo[], 음파신호배열을 Ping[], 가중치배열을 HLTS[], 그리고 각 HL의 시간지연을 고려한 인덱스값을 PingI[]라고 하면, 임의 순간의 반사신호 Echo[i]는 다음과 같이 표현된다.If the reflected signal array is Echo [], the sound wave signal array is Ping [], the weight array is HLTS [], and the index value considering the time delay of each HL is PingI [], the reflected signal Echo [i] at any moment is It is expressed as follows.

Echo[i] = Ping[PingI[0]]* HLTS[0] (식3)Echo [i] = Ping [PingI [0]] * HLTS [0] (Equation 3)

+ Ping[PingI[1]]* HLTS[1]+ Ping [PingI [1]] * HLTS [1]

+ Ping[PingI[2]]* HLTS[2]+ Ping [PingI [2]] * HLTS [2]

+ …+…

그리고 각 HL의 시간지연을 고려한 인덱스값 PingI[n]는 다음과 같이 계산된다.The index value PingI [n] considering the time delay of each HL is calculated as follows.

PingI[n] = i - Τn * fs(식4)PingI [n] = i- Τ n f s

상기 i는 반사신호인덱스이고, Τn 은 n번 HL이 만들어낸 반사신호의 시간지연, fs는 DA변환기(U4)의 샘플링주파수이다.I is a reflection signal index, Τ n Is the time delay of the reflected signal generated by No. HL, and f s is the sampling frequency of the DA converter U4.

상기 수식을 바탕으로, 본 실시예를 이용하여 수중음파에 대한 반사신호를 합성하는 과정을 도4의 흐름도를 참조하여 상세히 설명한다.Based on the above equation, the process of synthesizing the reflected signal for the acoustic wave using the present embodiment will be described in detail with reference to the flowchart of FIG.

일단 사용자가 프로그램상에서 가상물체에 HL을 배치하고, 가상물체와 소나와의 위치(음파의 입사각)를 매크로 등을 이용하여 지정한다.(10단계) 그리고 합성회로를 동작시키면 DSP(U5)는 HL을 각 HL과 소나와의 벡터크기순으로 정렬한다.(20단계) HL이 정렬되면 다음으로 Τn 을 계산한다.(30단계) DSP(U5)는 Τn 의 계산이 끝나면 수중음파신호가 입력될 때를 기다린다.(40단계) 기다리던 도중 수중음파신호가 AD변환기(U1)를 통해 디지털데이터로 변환되어 입력되면 디지털데이터는 메모리(U2)에 저장된다. 수중음파신호가 지속되는 동안 AD변환기(U1)는 샘플링주파수에 따라 전기적인 신호로 변환된 음파신호를 디지털데이터로 변환한다. 그리고 DSP(U5)는 수중음파신호가 입력되었으므로 반사신호데이터의 합성을 시작한다.(50단계) 반사신호인덱스 i = 0 인 시점일 때 반사신호배열 Echo[0]을 계산하고,(60단계) 수중음파신호가 계속해서 입력되고 있는지를 확인한다.(70단계) 확인결과 계속해서 수중음파신호가 입력되고 있으면 반사신호인덱스를 1 증가시킨다.(80단계) 그러면 반사신호인덱스 i=1이 되고 이 때의 반사신호배열 Echo[1]을 계산하고,(60단계) 다시 수중음파신호가 계속해서 입력되고 있는지를 확인한다.(70단계) 계속해서 수중음파신호가 입력되고 있으면 다시 반사신호인덱스를 1 증가시킨다.(80단계) 상기와 같은 과정을 수중음파신호의 입력이 없을 때까지 계속 반복한다. 그리고 상기 DSP(U5)에서 계산한 Echo[]은 DA변환기(U4)를 통하여 아날로그신호로 변환된다.Once the user has placed the HL on the virtual object in the program, the user can specify the position of the virtual object and the sonar (incidence angle of the sound wave) using a macro (step 10). In the order of the vector size of each HL and sonar (step 20). Τ n (Step 30) DSP U5 Τ n After the calculation is completed, it waits for the input of the sonar signal. (Step 40) If the sonar signal is converted into digital data through the AD converter U1 while waiting, the digital data is stored in the memory U2. During the sonic signal, the AD converter U1 converts the sonic signal converted into an electrical signal according to the sampling frequency into digital data. The DSP U5 starts synthesizing the reflected signal data since the sonar signal is input (step 50). When the reflected signal index i = 0, the reflected signal array Echo [0] is calculated (step 60). Check if the sonar signal is continuously input (step 70). If the sonar signal is continuously input, increase the reflected signal index by one (step 80). Then, the reflected signal index i = 1 is obtained. Calculate the reflected signal array Echo [1] at step 60 (step 60) and check whether the sonar signal is continuously input (step 70). (Step 80) The above process is repeated until there is no input of the sonar signal. The Echo [] calculated by the DSP U5 is converted into an analog signal through the DA converter U4.

다음으로, DSP(U5)에서의 계산과정을 자세히 설명한다. 상기 20단계에서 HL을 정렬한 결과 도3과 같이 되었다고 가정하고 설명한다.Next, the calculation process in the DSP U5 will be described in detail. Assume that the alignment of HL in step 20 results in the same result as in FIG. 3.

도3을 살펴보면, 반사신호인덱스가 0인 시점의 반사신호데이터의 합성은 0번 HL만이 만든 반사신호와 관련이 있다. 따라서 수식(3)에 의하여Referring to FIG. 3, the synthesis of the reflected signal data at the time when the reflected signal index is 0 is related to the reflected signal generated only by HL 0. Therefore, according to equation (3)

Echo[0] = Ping[PingI[0]] * HLTS[0]; (식5)Echo [0] = Ping [PingI [0]] * HLTS [0]; (Eq. 5)

0번 HL의 시간지연 Τ0 은 0이므로 수식(4)에 의하여Time delay of 0 HL Τ 0 Is 0, so by (4)

PingI[0] = 0 - 0* fs(식6)PingI [0] = 0-0 * f s (Equation 6)

= 0= 0

시간지연을 고려한 인덱스값 PingI[0]이 0이므로 DSP(U5)는 메모리(U2)에 저장된 음파신호배열 Ping[]으로부터 Ping[0]을 읽어오고, 가중치배열 HLTS[]로부터 HLTS[0]을 읽어들여 반사신호배열 Echo[]를 다음과 같이 계산한다.Since the index value PingI [0] considering the time delay is 0, the DSP U5 reads Ping [0] from the sound wave signal array Ping [] stored in the memory U2, and reads HLTS [0] from the weighted array HLTS []. Read the reflected signal array Echo [] as follows.

Echo[0] = Ping[0] * HLTS[0]; (식7)Echo [0] = Ping [0] * HLTS [0]; (Eq. 7)

도3에서 반사신호인덱스가 100일 때는 HL 0, 1, 2, 3, 4번이 반사신호데이터의 합성과 관련있다. 따라서, DSP(U5)는 시간지연을 고려한 인덱스값 PingI[0], PingI[1], PingI[2], PingI[3], PingI[4]를 상기 수식(4)를 이용하여 계산한다.In FIG. 3, when the reflected signal index is 100, HL 0, 1, 2, 3, and 4 are related to the synthesis of the reflected signal data. Therefore, the DSP U5 calculates the index values PingI [0], PingI [1], PingI [2], PingI [3], and PingI [4] in consideration of the time delay by using Equation (4).

PingI[0] = 100 - Τ0 * fs(식8)PingI [0] = 100- Τ 0 f s (8)

= 100 (∵ Τ0 = 0 )= 100 (∵ Τ 0 = 0)

PingI[1] = 100 - Τ1 * fs PingI [1] = 100- Τ 1 * f s

PingI[2] = 100 - Τ2 * fs PingI [2] = 100- Τ 2 * f s

PingI[3] = 100 - Τ3 * fs PingI [3] = 100- Τ 3 * f s

PingI[4] = 100 - Τ4 * fs PingI [4] = 100- Τ 4 * f s

Τ1 , Τ2 , Τ3 , Τ4 에 1~4번 HL이 만들어낸 반사신호의 시간지연을 대입하고, fs에 DA변환기(U4)의 샘플링주파수를 대입하여 계산한다. 계산후 DSP(U5)는 메모리(U2)에 저장된 음파신호배열 Ping[]으로부터 Ping[PingI[0]], Ping[PingI[1]], Ping[PingI[2]], Ping[PingI[3]], Ping[PingI[4]]을 읽어온다. 그리고 DSP(U5)는 메모리(U2)에 저장된 가중치배열 HLTS[] 테이블로부터 HLTS[0], HLTS[1], HLTS[2], HLTS[3], HLTS[4]을 읽어들여 다음과 같은 연산을 수행한다. Τ 1 , Τ 2 , Τ 3 , Τ 4 Calculate by substituting the time delay of the reflected signal generated by HL Nos. 1 to 4 and substituting the sampling frequency of the DA converter (U4) for f s . After the calculation, DSP U5 calculates Ping [PingI [0]], Ping [PingI [1]], Ping [PingI [2]], Ping [PingI [3] from sound wave signal array Ping [] stored in memory U2. ], Ping [PingI [4]]. DSP U5 reads HLTS [0], HLTS [1], HLTS [2], HLTS [3], and HLTS [4] from the weighted array HLTS [] table stored in memory U2. Do this.

Echo[100] = Ping[PingI[0]] * HLTS[0]; (식9)Echo [100] = Ping [PingI [0]] * HLTS [0]; (9)

Echo[100] += Ping[PingI[1]] * HLTS[1];Echo [100] + = Ping [PingI [1]] * HLTS [1];

Echo[100] += Ping[PingI[2]] * HLTS[2];Echo [100] + = Ping [PingI [2]] * HLTS [2];

Echo[100] += Ping[PingI[3]] * HLTS[3];Echo [100] + = Ping [PingI [3]] * HLTS [3];

Echo[100] += Ping[PingI[4]] * HLTS[4];Echo [100] + = Ping [PingI [4]] * HLTS [4];

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 수중음파 반사신호 합성회로는 신호처리프로세서를 이용하므로써 약간의 프로그램수정만으로 다양한 반사신호의 합성 뿐만 아니라 입체적인 반사신호의 합성이 가능하다. 따라서, 종래처럼 합성알고리듬을 수정할 때 마다 하드웨어를 재구성할 필요가 없어 비용절감을 가져올 수 있다. 본 수중음파 반사신호 합성회로는 수중음파 응용장비의 개발시나 음파를 연구하는 분야에 적용할 수 있으며, 특히 음파의 반사신호를 시뮬레이션 해보는데 큰 기여를 할 수 있다.As described above, the hydroacoustic reflection signal synthesizing circuit according to the present invention is capable of synthesizing three-dimensional reflection signals as well as synthesis of various reflection signals with only a few program modifications by using a signal processing processor. Therefore, there is no need to reconfigure the hardware every time the synthesis algorithm is modified as in the prior art, resulting in cost reduction. This hydroacoustic reflection signal synthesis circuit can be applied to the development of hydroacoustic application equipment and the field of sound wave research. Especially, it can make a great contribution to simulating the reflection signal of sound waves.

Claims (3)

수중음파신호를 디지털데이터로 변환하는 아날로그-디지털변환기와,An analog-digital converter for converting the sonar signal into digital data; 상기 아날로그-디지털변환기의 출력과 반사신호합성모델을 토대로 한 반사신호합성프로그램과 반사신호합성시 고려해줘야 할 시간지연, 가중치 등 각종 팩터를 저장하는 메모리와,A memory for storing various factors such as a reflection signal synthesis program based on the output of the analog-to-digital converter and a reflection signal synthesis model, a time delay to be considered in the reflection signal synthesis, and weights; 상기 메모리에 저장된 반사신호합성프로그램에 따라 상기 아날로그-디지털변환기의 출력에 시간지연과 가중치를 적용하여 반사신호데이터를 합성하는 신호처리프로세서와,A signal processor for synthesizing the reflected signal data by applying a time delay and a weight to an output of the analog-to-digital converter according to the reflected signal synthesis program stored in the memory; 상기 반사신호데이터를 반사신호로 변환하는 디지털-아날로그 변환기를 포함하여 구성되는 수중음파 반사신호 합성회로.And a digital-analog converter for converting the reflected signal data into a reflected signal. 수중음파 반사신호 합성모델에 따라 가상물체에서 반사가 두드러지게 일어나는 다수개의 점을 지정하는 과정과,The process of designating a number of points where reflection is prominent in the virtual object according to the hydroacoustic reflection signal synthesis model, 가상물체와 수중음파발생장치의 위치에 따라 상기 가상물체상에 지정한 다수개의 점에서 수중음파발생장치에 이르는 벡터의 크기순으로 다수개의 점을 정렬하는 과정과,Arranging a plurality of points in order of the size of the vector from the plurality of points designated on the virtual object to the sonar device according to the position of the virtual object and the sonar device, 각 점에 수중음파가 도달하는 시간으로부터 점간의 시간지연를 계산하는 과정과,Calculating the time delay between the points from the time when the sonar reaches each point, 수중음파신호가 입력되면 프로그램에 의해 디지털화된 수중음파신호에 시간지연과 가중치를 적용하여 반사신호를 합성하는 과정을 포함하는 수중음파 반사신호 합성방법.And a method for synthesizing the reflected signal by applying a time delay and a weight to the digitized sonar signal by the program when the sonar signal is input. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 수중음파신호에 시간지연과 가중치를 적용하는 과정은, 배열을 이용하는 것을 특징으로 하는 수중음파 반사신호 합성방법.The method of applying a time delay and a weight to the sonar signal, characterized in that for using the reflection method of the sonar reflection signal.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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