KR200224033Y1

KR200224033Y1 - 수중 초음파 신호 송수신 제어장치

Info

Publication number: KR200224033Y1
Application number: KR2020000036029U
Authority: KR
Inventors: 우종식; 오영석
Original assignee: 우종식
Priority date: 2000-12-14
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2001-05-15

Abstract

수중에 있는 물체(해저면, 수중구조물 등)를 영상화하기 위해 초음파 송수신신호를 제어하는 장치가 개시되어 있다. 해저 침몰체 또는 수중 구조물 등을 초음파로 영상화하기 위하여 전기적 에너지를 기계적 에너지로, 또 그 반대로도 구동하는 소자인 트랜스듀스를 이용한다. 트랜스듀스로 하여금 원하는 주파수의 초음파를발생시키고, 또 피사체로부터 반향되어 오는 초음파를 받아 신호처리를 거쳐 영상화하기 위하여 신호 발생장치, 신호 증폭장치, 잡음 제거장치, 주파수 변환장치, 대역 필터링장치, A/D 변환장치가 적절히 결합되었다. 먼저 초음파 펄스 생성부에서 원하는 주파수의 초음파를 생성하고, 지속시간을 조절하여 증폭한 후 어레이 스위치를 통해 충전콘덴서의 에너지를 이용하여 트랜스듀스에 인가하면 초음파를 발진하게 된다. 수중 물체로부터 반향되어 오는 초음파를 수신 모드로 전환된 어레이스위치로 받아들여 대역필터를 통해 잡음을 제거하고 전압증폭을 수행한다. 이 때거리에 따른 수신신호의 크기를 균등화하기 위해 시간변이 이득율을 함께 고려한다. 영상화를 위한 신호처리를 위해 헤테로다인 기법을 적용하여 저주파로 변환처리한 다음 다시 수 차례의 대역필터를 거쳐 잡음을 모두 제거하여 적분 및 A/D 변환기를 거쳐 디지털 신호를 출력하게 된다. 이 디지털 저주파 신호를 별도의 프로그램에 의해 화면상에 표현하면 수중 피사체의 영상이 재현되게 된다.

Description

수중 초음파 신호 송수신 제어장치 {Transceiver for the Underwater Acoustic Scanner}

본 발명은 수중 초음파 신호 송수신 제어장치에 관한 것으로, 보다 상세하게수중에서 초음파를 발신하고 수중 물체로부터 반향(Scattering)된 초음파를 인식하여 화면상에 물체의 형상을 영상화하기 위한 디지털 신호를 생성하고 제어하는 장치에 관한 것이다.

최근 들어 환경에 대한 중요성이 부각되면서 육지뿐만 아니라 연안 해양의 환경오염 실태도 자주 보도되고 있다. 연안해역의 주 오염원은 여러 경로를 통해 바다로 직접 들어오는 육지의 생활폐수 뿐만 아니라 해상에서의 기름 유출사고, 선박 침몰사고, 해상 양식업 등이 대표적 사례들인데 바다가 점차 거대한 쓰레기장으로 변하고 있음에 주목하여야 할 것이다.

해저의 오염상태를 관찰하는 방법은 여러 가지가 있으나 광범위한 해역, 특히 오염이 심한 해역에서는 초음파를 이용한 견인식 스캐너가 보편적으로 사용되고있다. 이러한 스캐너 제작에 있어 가장 중요한 요소는 수중에서의 잡음과, 피사체로부터 반향되는 진짜 음파를 구분해 내는 일이다. 또한 한 개의 초음파 센서와 전자보드가 송신 및 수신의 기능을 함게 가져야 하므로 송수신 시간조절 및 미약한 수중 초음파에 대한 적절한 증폭작업도 중요하다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출된 것으로, 수중에서 초음파를 발신하도록 하고, 수중 물체로부터 반향(Scattering)된 초음파를 인식하여화면상에 물체의 형상을 영상화하기 위한 디지털 신호를 생성하고 제어하는 장치를제공하고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 수중 초음파 신호 송수신 제어장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : Sonic Pulse Former(SPF) 2 : Master Oscillator(MO)

(초음파 발신간격 조정부) (기준초음파 생성부)

3 : Acoustic Pulse Former(APF) 4 : Time Varying Gain(TVG)

(발신초음파 생성부) (시간 변이 조정부)

5 : Power Amplifier(PA) 6 : Accumulating Capacitor(AC)

(전력 증폭부) (에너지 충전 콘덴서)

7 : Array Switch(AS) 8 : Band Pass Filter(BPF)

(어레이 스위치) (대역필터)

9 : Voltage Control Amplifier(VCA) 10 : Buffer(B)

(전압제어 증폭부) (완충기)

11 : Frequency Converter(FC) 12 : Intermediate Freq. Amplifier

(주파수 변환부) (IFA)(중간 주파수 증폭부)

13 : Logarithmic Amplifier(LA) 14 : Detector(D)

(대수 증폭부) (감지부)

15 : Low Pass Filer(LPF) 16 : Analog-Digital Converter(ADC)

(저주파 필터) (A/D 변환보드)

17 : Transducer Array(TA) 18 : Power Supply Circuits(PSC)

(초음파 센서) (전원 공급부)

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 수중으로 특정 주파수의 초음파를 발신하도록 명령을 주기 위한 초음파 펄스 생성부(SPF); 상기 발신 주파수의 지속시간을 조정하는 주파수 간격 조정부(APF); 초음파 센서(TA)를 인가하기 위한 전력증폭부(PA); 반향되어 수신된 초음파의 잡음을 제거하는 대역 필터부(BPF); 상기 수신된 초음파의 시간적 불균일성을 조정하는 시간변이 조정부(TVG); 상기 초음파에 대한 신호처리를 원만히 하기 위한 저주파 변환부(FC); 신호의 전송 감쇄를 극복하기 위한 대수 증폭부(LA); 상기 증폭된 저주파 신호를 확인하는 감지부(D); 불필요한 고주파 성분의 잡음을 제거하는 제1 저주파 필터부(#1 LPF); BPF를 구성하기 위한 고주파 필터부(HPF); 불필요한 고주파 성분의 잡음을 제거하는 제2 저주파필터부(#2 LPF); 이미지 프로세싱을 위한 신호 변환부(ADC); 전체 시스템에 전원을공급하는 전원 공급부(PSC)로 이루어지는 수중 초음파 신호 송수신 제어장치를 제공한다.

본 발명에 의하면, 초음파 발신용 센서(TA)에 특정 주파수로 전원을 인가하여 발진토록하고, 다시 어레이 스위치(AS)를 수신모드로 전환시켜 수중의 물체로부터 반향된 초음파를 수신한다. 수신된 신호음 중 유효한 정보만을 취득하기 위해 페라이트 코어로 제작된 Band Pass Filter를 통과시키고, 미약한 신호정보를 실은전압을 증폭한다. 증폭된 고주파 신호에 내재된 영상신호만 분리해 내기 위해 특정주파수의 디지털 신호를 곱하면 두 주파수의 차이 만큼의 주파수를 갖는 저주파가생성되고, 수중 대상물의 영상정보를 담고있는 신호는 이 저주파형으로부터 읽을 수 있다. 상기 저주파 음파신호는 1차 LPF와 HPF를 거치면서 고주파 잡음 성분을 걸러내고 유효한 저주파 신호만 남긴다. 이렇게 BPF를 거친 신호는 다시 2차의 LPF를 거치면서 완전히 고주파를 배제한 신호가 된다. 상기 저주파 신호는 적분기에 입력되어 저주파에 해당되는 시정수를 설정하여 적분이 되도록 하여 A/D 변환부의입력으로 인가된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 수중 초음파 신호 송수신 제어장치를 개념적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하여 본 발명에 따른 수중 초음파 신호 송수신 제어장치를 설명한다. 수중 초음파 신호 송수신 장치의 구성도(도 1)는 전체적으로 크게 두 부분으로 나누어지는데, 수중의 피 견인체(Towfish)에 장착되는 송수신 부분 (Transceiver)과 피 견인체를 견인하는 수상의 모선에 장착되는 deck 장치부(Deck Unit)이다. 수중의 송수신 부분의 동작은 먼저, 기준초음파 생성부(2)와 초음파 발신간격 조정부(1)를 이용하여 목적하는 발신초음파를 생성(3)하고, 따라서 발신하고자 하는 주파수의 지속 시간이 지정되고, 이러한 일정시간 동안 발신되는 초음파 주파수가 전력 증폭부(5)로 인가되면 에너지 충전 콘덴서(6)에 충전된 에너지를 이용하여 어레이 스위치(7)를 통하여 초음파 센서(17)에 인가되어 초음파를 발신하게 된다. 발신된 초음파는 해저면으로부터 반향되어 초음파 센서의 입력으로 인가된다. 입력된 초음파 반향 신호는 어레이 스위치(7)를 거쳐 대역필터(8)를 거치면서 잡음을 제거하는 동시에 입력되는 초음파 신호가 미세하므로 신호처리가 가능한 신호레벨로 변환하기 위해 증폭을 수행한다. BPF(8)에서의 필터링과 증폭을 거친 신호는 전압 제어 증폭부(9)에 입력되고 시간 변이 조정부(4)와 결합되어 입력되는 신호를 증폭하는데, TVG(4)에 의해 최초 입력신호의 증폭은 약하게 하고 시간이 증가할수록 증폭율을 증가시킨다. 이렇게 증폭된 신호는 완충기(10)부분을 거쳐서 주파수 변환부(11)로 인가된다. 본 장치에서 사용하는 주파수는 400kHz 대의 고주파를 사용하고 있는데, 신호를 처리하는데 있어서 고주파의 처리는 여러 가지 문제점들이 있으므로 해저면 정보를 가진 400kHz대의 고주파를 30kHz의 저주파로 변환하기 위한 부분이 FC(11)이다. FC(11)에서 신호의 변환이 이루어지면 중간 주파수 증폭부(12)로 인가되어 수면상의 모선의 Deck 장치로 신호가 전송된다.

수중의 송수신 부분으로부터 증폭되고 주파수 변환이 이루어진 초음파 반향신호를 Deck Unit에서 수신하게 되면 수중에서 초음파 신호의 감쇄나 전송은 대수적인 관계를 가지므로 먼저 대수 증폭부(13)로 인가된다. 대수 증폭이 이루어진 후에 신호의 형태를 감지부(14)에서 인식하면 저주파 필터(15)에 인가되어 불필요한고주파 성분의 잡음을 제거하게 된다. 저주파 필터를 통과한 초음파 반향 신호는 A/D 변환보드(16)로 입력되어 컴퓨터를 이용하여 영상화를 하게 된다. Deck 장치의 전원 공급부(18)는 수중 송수신 부분에 전원을 공급하는 역할을 하게 된다.

이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 수중의 물체를 영상화하기 위하여 수중에서 초음파를 발신하고 물체로부터 반향되는 초음파 신호를 처리하는 장치를 개시한다. 원하는 주파수를 만들어 초음파 발신용 센서(TA)에 인가하여 발진토록하고, 다시 어레이 스위치(AS)를 수신모드로 전환시켜 수중 물체로부터 반향된 초음파를 수신한다. 수신된 신호음 중 유효한 정보만을 취득하기 위해 페라이트 코어로 제작된 BPF를 통과시키고, 미약한 신호정보를 실은 전압을 증폭한다. 증폭된 고주파 신호에 내재된 영상신호만 분리해 내기 위해 일정한 고주파 디지털 신호를 곱하면 두 주파수의 차이 만큼의 주파수를 갖는 저주파가 생성되고, 수중 대상물의 영상정보를 담고있는 신호는 이 저주파형으로부터 읽을 수 있다. 상기 저주파 음파신호는 1차 LPF와 HPF를 거치면서 고주파 잡음성분을 걸러내고 유효한 저주파 신호만 남긴다. 이렇게 BPF를 거친 신호는 다시 2차의 LPF를 거치면서 완전히 고주파를 배제한 신호가 된다. 상기 저주파 신호는 적분기에 입력되어 저주파에 해당되는 시정수를 설정하여 적분이 되도록 하여 A/D 변환부의 입력으로 인가된다. A/D 변환된 디지털 정보로부터 신호분석 작업을 거쳐 영상화를 달성할 수 있다.

Claims

수중으로 특정 주파수의 초음파를 발신하도록 명령을 주기 위한 초음파 펄스생성부(SPF); 상기 발신 주파수의 지속시간을 조정하는 주파수 간격 조정부(APF);초음파 발신장치(TA)를 인가하기 위한 전력 증폭부(PA); 반향되어 수신된 초음파의잡음을 제거하는 대역 필터부(BPF); 상기 수신된 초음파의 시간적 불균일성을 조정하는 시간 변이 조정부(TVG); 상기 초음파에 대한 신호처리를 원만히 하기 위한 저주파 변환부(FC); 신호의 전송 감쇄를 극복하기 위한 대수 증폭부(LA); 상기 증폭된 저주파 신호를 확인하는 감지부(D); 불필요한 고주파 성분의 잡음을 제거하는 제1 저주파 필터부(#1 LPF); BPF를 구성하기 위한 고주파 필터부(HPF); 불필요한 고주파 성분의 잡음을 제거하는 제2 저주파 필터부(#2 LPF); 신호처리를 위한 신호변환부(ADC); 전체시스템에 전원을 공급하는 전원 공급부(PSC)로 이루어지는 수중초음파 신호 송수신 제어장치.
제 1 항에 있어서, 상기 주파수 간격 조정부(APF)는 인덕터(L)와 콘덴서(C)를 이용하여 발신하고자 하는 초음파의 2배 또는 3배의 주파수를 만들어 내는Master Oscillator와, 발신하는 초음파의 지속시간을 조절하기 위한 Sonic Pulse Former로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수중 초음파 신호 송수신 제어장치.
제 1 항에 있어서, 상기 시간 변이 조정부(TVG)는 저항(R)과 콘덴서(C)로 구성된 증폭기로서, 초음파 발신기(TA)로부터 멀리 위치한 물체의 반향신호를 반향시간에 비례적으로 더 증폭하여, 수중 물체까지의 거리에 관계없이 평균적인 반향강도를 출력하는 것을 특징으로 하는 수중 초음파 신호 송수신 제어장치.