KR20050117103A - 공기중 파라메트릭 어레이를 이용한 초음파 거리 측정장치 및 방법 - Google Patents

공기중 파라메트릭 어레이를 이용한 초음파 거리 측정장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공기중 파라메트릭 어레이(parametric array)를 이용한 초음파 거리 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 높은 주파수(f1, f2)를 지닌 두개의 고압의 1차 초음파를 공기중에 발생시켜 같은 방향으로 진행시키면 공기의 비선형성에 의해 그 둘의 주파수의 차(fd=f1-f2)에 해당하는 저파수의 2차 초음파가 형성되므로 형성된 상기 2차 초음파를 펄스 형태로 장애물에 방사하고 상기 장애물에 반사되어 되돌아오는 에코 펄스를 검출하여 상기 장애물까지의 거리를 측정하는 것을 특징으로 한다.

Description

공기중 파라메트릭 어레이를 이용한 초음파 거리 측정 장치 및 방법{HIGH DIRECTIONAL ULTRASONIC RANGING MEASUREMENT SYSTEM AND METHOD IN AIR USING PARAMETRIC ARRAY}
본 발명은 공기중에서 초음파 펄스를 발생시켜 장애물에 도달 후 다시 반사되어 돌아오는 에코 펄스를 검출하여 펄스의 진행시간을 기초로 장애물의 거리를 측정하는 초음파 거리 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상대적으로 높은 주파수(f1, f2)를 지닌 두개의 고압의 초음파들(1차 초음파)이 같은 방향으로 공기중을 진행할 때 공기의 비선형성(nonlinear effect)에 의해 그 둘의 주파수의 차(fd=f1-f2)에 해당하는 상대적으로 저주파수의 초음파(2차 초음파)가 형성되는데, 이 2차 초음파를 펄스(pulse) 형태로 형성시켜 장애물에 보내고 장애물에서 반사되어 되돌아오는 에코(echo)와의 시간차를 검출하여 장애물의 거리를 측정하는 공기중 파라메트릭 어레이를 이용한 초음파 거리 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 공기중에서 초음파를 이용한 거리 측정 방법에는 크게 4가지를 고려할 수 있다. 펄스-에코 측정법(pulse-echo method), 위상차 측정법(phase angle method), 주파수 변조 측정법(frequency modulation method), 코릴레이션 측정법(correlation method)이 그것인데, 이 중에서 펄스-에코 측정법은 가장 간단한 방식으로 오랜 기간 사용되어 온 방법으로, 여기서는 이 방법에 대하여 설명하기로 한다.
펄스-에코 측정법은 20~100㎑대역의 초음파 펄스를 최초 시간, T0에 발생시켜 장애물에 전파시킨 뒤 반사되어 되돌아오는 에코 펄스를 시간, T1에 검출하게 된다. 이때, 왕복 주행시간은 T1-T0로 정의할 수 있고, 공기중에서 초음파의 전파속도(c)를 알고 있으므로 두개를 곱한 값의 반(0.5×(T1-T0)×c)이 장애물까지의 거리가 된다.
펄스 신호로서 20~100kHz의 초음파를 이용하는 가장 큰 이유 중의 하나는 펄스 신호의 직진성을 구현하기 위해서 이며, 통상적으로 지름이 D인 피스톤(piston) 형태의 초음파 발생기가 주파수 f로 조화진동(harmonic oscillation)할 때, 근거리 음장(near field)에서는 빔이 평면파의 형태로 전파되나 원거리 음장(far field)에서는 회절(diffraction)로 인해 원뿔형태로 퍼지게 된다. 이로 인해 초음파의 중심 진행방향으로부터 지향각(θ)이 형성되게 되는데, 지향각(θ)은 다음의 수학식 1과 같은 관계를 가진다.(참조 문헌 : L. Kinsler, A. Frey, A. Coppens, and J. Sanders, Fundamentals of Acoustics, 4th edition, Wiley, New York, 1982)
즉, 초음파의 지향각(θ)은 주파수(f)와 피스톤의 크기(D)에 반비례한다.
지향각(θ)이 작아지면 그 만큼 초음파 펄스의 빔폭이 작아지게 되고, 공간상의 평면 분해능을 키울 수 있기 때문에, 일반적으로 빔폭을 줄이는 것이 좋다. 하지만, 초음파의 빔폭을 줄이기 위해 초음파의 구동 주파수(f)를 키우게 되면 공기중에서의 초음파의 감쇄 효과는 주파수(f)의 제곱에 비례하여 커지게 되므로 측정거리가 그 만큼 줄어들게 되는 문제가 있다.
또한, 빔폭을 줄이기 위해 피스톤의 크기(D)를 키우는 것도 초음파 대역에서 기계적으로 피스톤 모드(piston mode)를 얻어내기 어렵다는 한계와 센서의 크기가 커진다는 문제가 존재한다.
이와 같이, 종래의 초음파 거리 측정 방법은 초음파 펄스 발생시 직접 그 주파수의 전기적인 신호를 입력하여 발생시키기 때문에 빔폭을 줄이는 데에 한계가 있어 거리 측정시 공간 분해능이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 종래의 초음파 거리 센서의 다른 하나의 문제점은 초음파 발생시 중심방향 이외의 방향으로 형성되는 사이드 로브(side lobe)들로서, 이러한 빔들이 형성될 경우, 메인 펄스의 에코가 전달되기 전에 사이드 로브에서 발생된 주변 펄스가 또 다른 장애물을 만나 반사되어 에코가 전달될 수 있으므로 혼선(cross talk)이 발생하여 정확한 거리 측정이 어려워지게 된다.
본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 수중 저주파수 능동 소나 시스템(low frequency active SONAR(SOund NAvigation Ranging))에서 사용되던 파라메트릭 어레이(parametric array)를 이용하여 공기중에 초음파 펄스를 발생시킨 후 펄스가 진행하는 동안 형성되는 차음 펄스(difference freuquency pulse)를 이용하여 펄스-에코 측정법으로 장애물까지의 거리를 측정하는 공기중 파라메트릭 어레이를 이용한 초음파 거리 측정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 높은 주파수(f1, f2)를 지닌 두개의 고압의 1차 초음파를 공기중에 발생시켜 같은 방향으로 진행시키면 공기의 비선형성에 의해 그 둘의 주파수의 차(fd=f1-f2)에 해당하는 저파수의 2차 초음파가 형성되므로 형성된 상기 2차 초음파를 펄스 형태로 장애물에 방사하고 상기 장애물에 반사되어 되돌아오는 에코 펄스를 검출하여 상기 장애물까지의 거리를 측정하는 공기중 파라메트릭 어레이를 이용한 초음파 거리 측정 방법을 제공한다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태는, 측정 시점을 제어하고 장치를 초기화시키는 컨트롤러, 상기 컨트롤러로부터의 제어 신호에 의해 초음파 펄스 신호를 동시에 발생시키는 펄스 발생기 1 및 펄스 발생기 2, 발생된 두개의 상기 초음파 펄스 신호를 곱해 주는 형태로 변조하는 변조기, 변조된 상기 초음파 펄스 신호를 증폭해 주는 증폭기, 증폭된 상기 초음파 펄스 신호를 기계적 에너지로 변환하여 고압의 초음파 펄스를 공기중에 발생시키고, 장애물에서 반사된 후 되돌아오는 에코 펄스를 수신하여 전기적 수신 신호로 변환하는 가역성 초음파 트랜스듀서, 상기 전기적 수신 신호를 증폭해 주는 수신 신호 증폭기, 상기 증폭기에서 증폭된 상기 초음파 펄스 신호가 상기 가역성 초음파 트랜스듀서측으로 보내지고, 상기 가역성 초음파 트랜스듀서에서 수신된 상기 전기적 수신 신호가 상기 수신 신호 증폭기측으로 보내지도록 그 게이트의 방향을 변경하는 고속 스위치, 증폭된 상기 수신 신호중 저주파의 신호만을 통과시키는 밴드 패스 필터 및 상기 증폭기로부터의 상기 초음파 펄스 신호의 입력 시점과 상기 밴드 패스 필터로부터의 상기 수신 신호의 입력 시점을 이용하여 상기 장애물의 거리를 산출하는 거리 계산기를 포함하는 공기중 파라메트릭 어레이를 이용한 초음파 거리 측정 장치를 제공한다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 양태는, 공기중에서 초음파를 이용하여 장애물까지의 거리를 측정하는 장치로서, 측정 시점을 제어하고 장치를 초기화시키는 컨트롤러, 상기 컨트롤러로부터의 제어 신호에 의해 초음파 펄스 신호를 동시에 발생시키는 펄스 발생기 1 및 펄스 발생기 2, 발생된 두개의 상기 초음파 펄스 신호를 곱해 주는 형태로 변조하는 변조기, 변조된 상기 초음파 펄스 신호를 증폭해 주는 증폭기, 증폭된 상기 초음파 펄스 신호를 기계적 에너지로 변환하여 고압의 초음파 펄스를 공기중에 발생하는 초음파 액츄에이터, 발생된 상기 초음파 펄스가 장애물에서 반사된 후 되돌아오는 에코 펄스를 수신하여 전기적 수신 신호로 변환하는 초음파 센서, 상기 전기적 수신 신호를 증폭해 주는 수신 신호 증폭기, 증폭된 상기 수신 신호중 저주파의 신호만을 통과시키는 밴드 패스 필터 및 상기 증폭기로부터의 상기 초음파 펄스 신호의 입력 시점과 상기 밴드 패스 필터로부터의 상기 수신 신호의 입력 시점을 이용하여 상기 장애물의 거리를 산출하는 거리 계산기를 포함하는 공기중 파라메트릭 어레이를 이용한 초음파 거리 측정 장치를 제공한다.
본 발명의 상기 목적과 여러가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 적용되는 파라메트릭 어레이(parametric array)를 이용한 차음 발생 기술은 오래 전부터 수중 저주파수 능동 소나(low frequency active SONAR(SOund NAvigation Ranging)) 시스템에 적용되어 온 것으로서, 작은 고주파용 초음파 트랜스듀서(transducer)를 이용하여 방향성이 좋은 차음(difference frequency)에 해당하는 저주파를 발생시킬 수 있다.
도 1은 파라메트릭 어레이에서 차음이 발생되는 물리적 현상을 나타내는 도면이다.
도 1의 (a)에서와 같이 초음파 발생기에서 주파수가 f1, f2인 두개의 상대적으로 높은 고주파수들(1차 발생파, primary wave)을 고압으로 같은 방향으로 발생시키면, 도 2의 (b)에서와 같이 일정한 거리를 진행하면서 원래 발생된 f1, f2의 고주파 성분 이외에 공기의 비선형 현상(nonlinear effect)에 의해 2f1, 2f2, f1 -f2, f1+f2, ...의 주파수 성분들(2차 발생파, secondary wave)이 발생하게 된다. 이때, f1-f2《f1 및 f1-f2《f2인 경우, f1 , f2, 2f1, 2f2, f1+f2, ...의 상대적으로 높은 주파수 성분들은 감쇄 효과가 커서 빨리 사라지게 되며, 상대적으로 낮은 주파수 성분인 f1-f2를 전파 주파수로 이용하게 된다. 이와 같은 현상을 도식화한 것이 도 1의 (c)이며, 여기서 f1과 f2가 강해 비선형 현상이 잘 나타나는 근접 음장 주위를 가상음원(virtual source)이라고 칭한다.
파라메트릭 어레이에서는 기본적으로 매질에서의 음파의 비선형 현상을 이용하기 때문에 고압의 고주파를 효율적으로 발생시켜야만 한다.
대표적인 웨스터벨트(Westervelt) 모델에 의하면, 두개의 고주파수에 대해 발생하는 차음 발생 효율인 K는 다음의 수학식 2와 같은 관계를 갖는다.(참조 문헌 : K. Naugolnykh, L. Ostrovsky, Nonlinear wave processes in acoustics, Cambridge University Press, New York, 1998)
여기서, α는 1차 발생파의 감쇄 상수이다.
즉, 좋은 차음 발생 효율을 지니기 위해서는 1차 발생파가 큰 음압(p0=p1=p2)으로 발생되어야 하고, 트랜스듀서의 크기(a=D/2)가 커야 하며, 두개 고주파의 주파수 차(kd=2πfd/c, fd=f1-f2)가 커야 한다. 하지만, 수중에서와 달리 공기중의 비선형성은 매우 작고, 통상적인 초음파 발생기와 공기와의 임피던스(impedance)가 잘 매칭(matching)이 되지 않으므로, 공기중 파라메트릭 어레이는 실질적으로 불가능한 것으로 인식되어 왔었다.
그러나, 1970년대 초 블랙스톡(Blackstock)에 의해 공기중에서도 이러한 파라메트릭 어레이를 이용한 차음 발생이 가능하다는 것이 실험적으로 증명되었으며, 그 이후 이 기술은 공기중에서 방향성을 가진 가청음을 발생시키는 방향성 라우드 스피커(directional loudspeaker, parametric loudspeaker)에 한해서 개발이 활발하게 이루어져 왔다.
본 발명에서는 이상과 같은 공기중에서 파라메트릭 어레이를 이용하여 초음파 펄스를 발생시킨 후 펄스가 진행하는 동안 형성되는 차음 펄스(difference freuquency pulse)를 이용하여 펄스-에코 측정법으로 장애물의 거리를 측정하는 장치 및 방법이 마련되며, 이하 상세히 설명하기로 한다.
파라메트릭 어레이는 일반적으로 근거리 음장에서 주로 비선형 현상이 일어나는 경우와 원거리 음장에서 비선형 현상이 일어나는 경우, 또는 양 구간에 걸쳐서 적절히 비선형 현상이 발생하는 경우가 있는데, 근거리 음장에서만 주로 발생하는 경우 차음의 방향성은 다음의 수학식 3과 같은 관계를 갖는다.(참조 문헌 : B. K. Novikov, O. V. Rudenko, and V. I. Timoshenko, Nonlinear Underwater Acoustics, The American Institute of Physics, New York, 1987)
즉, 동일한 차음 주파수(kd)에 대해 1차 발생파의 주파수 대역이 커질수록 감쇄 효과(α)로 인해 방향성이 오히려 떨어지게 된다.
한편, 장거리 음장에서 주로 비선형 현상이 발생하는 경우 차음의 방향성은 다음의 수학식 4와 같은 관계를 갖는다.
즉, 두개의 1차 발생파의 방향성의 곱의 형태로 발생되므로 차음의 방향성은 역시 직접 차음 주파수를 발생시키는 경우보다 빔폭이 좁아지게 된다. 이때, 1차 발생파의 주파수 대역이 낮아질수록 빔폭은 커지게 된다.
실질적으로 2차 발생파인 차음 주파수의 크기가 정해진 경우, 1차 발생파의 주파수의 크기가 커짐에 따라 낮은 주파수 대역에서는 수학식 4의 방향성 관계를 따르다가 주파수가 올라감에 따라 수학식 3의 방향성 관계를 따르게 된다.
이와 같은 관계는 도 2와 같이 도식화할 수 있는데, 이것은 1차 발생파의 주파수 대역에 따른 실효 빔폭인 HPBW(Half Power Beam Width ; =2×θHP )와 발생 음압을 도식화한 것이다.(참조 문헌 : B. K. Novikov, O. V. Rudenko, and V. I. Timoshenko, Nonlinear Underwater Acoustics, The American Institute of Physics, New York, 1987)
도 2의 결과로부터 가장 빔폭이 작은 주파수 대역을 결정할 수 있으며, 또한 이 주파수 대역에서 가장 효율적인 비선형 현상이 일어난다는 것을 확인할 수 있다.
이론적으로 최저 빔폭을 갖는 주파수 대역(수학식 5)과 빔폭(수학식 6)은 다음과 같은 관계를 갖는다.
,
도 2에서 0.8〈ω/ω0=2πf/ω0〈1.1 정도의 영역에서 최소 빔폭을 가짐을 알 수 있으며, 이 범위로 1차 발생파의 구동 주파수(f=1/2×［f1+f2］)를 결정할 수 있다.
한편, 파라메트릭 어레이를 이용하면 종래의 직접 초음파 발생기를 이용하는 경우에 비해 사이드 로브가 현저하게 감소되므로, 사이드 로브에 의해 발생될 수 있는 혼선을 크게 줄일 수 있다.
이는 도 3의 일 예에 대한 시뮬레이션 결과를 통해 확인할 수 있으며, 도 3의 (a) 내지 (c)는 파라메트릭 어레이를 이용하는 경우의 방향성을 나타내는 그래프로서, (a)와 (b)는 1차 발생파의 방향성, (c)는 2차 발생파인 차음의 방향성을 나타내며, 한편 (d)는 차음에 해당하는 주파수를 종래의 초음파 발생기로 방사한 경우의 방향성을 나타내는데, 여기서 (c)와 (d)를 대비하면 전술한 사이드 로브의 발생이 현저하게 방지됨을 확인할 수 있다.
한편, 파라메트릭 어레이의 발생 효율은 수학식 2와 같이 두 고주파의 주파수차(fd = f1-f2)의 제곱에 비례하여 커지게 된다. 종래의 수중 소나 시스템에서는 주파수차가 매우 작은 저음 주파수를 이용하기 때문에 그 만큼 발생 효율이 떨어지지만, 본 발명에서는 차음 주파수로 20~60kHz 대역을 이용하게 되므로 공기중이지만 높은 발생 효율을 얻을 수 있게 된다.
여기서, 바람직한 차음 주파수의 범위로 20~60kHz를 이용하는데, 그 이유는 만약 20kHz 미만을 이용할 경우 일반적인 가청 주파수 대역이 되기 때문에 수많은 외부 음향 노이즈와 중복이 되어 거리 측정에 혼선이 쉽게 발생될 수 있다는 문제점이 발생되며, 한편 60kHz 초과를 이용할 경우 그 자체의 감쇄 효과가 커지기 때문에 거리 측정 범위가 그 만큼 감소되게 되므로 각각 바람직하지 않다.
한편, 본 발명에 따른 초음파 거리 측정 장치는 두가지 형태로 구성될 수 있는데, 이를 각각 도 4와 도 5에 나타낸다.
도 4는 넓은 주파수 응답 특성을 갖는 초음파 트랜스듀서(15)를 초음파 액츄에이터(actuator)와 초음파 센서(sensor)로 동시에 사용하는 경우에 대한 것이고, 도 5는 초음파 액츄에이터와 초음파 센서를 각기 별도로 사용하는 경우에 대한 것이다.
도 4의 경우는 컨트롤러(controller)(10), 펄스 발생기 1(pulse generator 1)(11a), 펄스 발생기 2(11b), 변조기(modulator)(12), 증폭기(amplifier)(13), 고속 스위치(high speed switch)(14), 가역성 초음파 트랜스듀서(reversible ultrasonic transducer)(15), 수신 신호 증폭기(16), 밴드 패스 필터(band pass filter)(17), 거리 계산기(ranging processor)(18)를 포함한다.
그 작용은, 먼저 컨트롤러(10)에서 프로그램이나 외부의 입력신호에 의해 세개의 제어 신호를 발생하며, 발생된 하나의 제어 신호는 거리 계산기(18)를 초기화시켜 측정 준비 상태를 만든다. 다른 하나의 제어 신호는 고속 스위치(14)를 초기화시키며, 마지막 하나의 제어 신호는 두개의 펄스 발생기(11a, 11b)로 동시에 입력되어 각각 f 1과 f 2의 주파수를 가진 펄스 신호가 전기적으로 발생되도록 한다.
발생된 펄스 신호는 지수 함수의 감쇄 형태를 지니는 F1(t)=exp(-a1t)sin(2πf1t), F2(t)=exp(-a2t)sin(2πf2t)의 형태이거나 가우시안 분포(Gaussian distribution)를 가지는 F1(t)=G1(t)sin(2πf1t), F2(t)=G2 (t)sin(2πf2t)의 형태로 발생될 수 있다.
여기서, a1과 a2는 감쇄 상수이고, G1(t)와 G2(t)는 시간에 따른 가우시안 분포 함수로 정의된다.
이어서, 발생된 두개의 초음파 신호는 변조기(12)로 입력되어 변조되는데, 변조 프로세스는 F1(t)×F2(t)와 같이 두개의 신호를 곱하는 형식이 된다. 즉, 변조기(12)는 일반적인 멀티플라이어(multiplier)가 사용될 수 있다. 이렇게 변조된 신호는 동시에 거리 계산기(18)와 증폭기(13)로 보내지고, 거리 계산기(18)에서는 신호가 검출된 시각을 T0로 기록한다.
증폭기(13)측으로 보내진 신호는 증폭기(13)에서 가역성 초음파 트랜스듀서(15)의 입력 범위에 맞도록 적절히 증폭된 후 고속 스위치(14)로 입력되어 고속 스위치(14)를 통해 가역성 초음파 트랜스듀서(15)측으로 보내진다.
여기서, 고속 스위치(14)는 신호를 가역성 초음파 트랜스듀서(15)측으로 보낸 후, 바로 수신 모드로 변환되어 그 게이트를 수신 신호 증폭기(16)측으로 열게 된다.
이어서, 가역성 초음파 트랜스듀서(15)는 입력된 전기적 신호를 기계적 에너지로 변환하여 고압의 변조된 1차 초음파 펄스를 공기중에 발생시키게 된다.
발생된 1차 초음파 펄스는 공기중에서 차음의 초음파 펄스를 형성시키며, 함께 진행하다가 장애물에 반사되어 에코 펄스로 되돌아오게 된다. 이 에코 펄스 신호에는 원래의 신호 이외에 상대적으로 저주파의 신호도 들어 있게 되며, 되돌아온 에코 펄스 신호는 가역성 초음파 트랜스듀서(15)에서 검출되게 되는데, 이 과정을 도식화한 것이 도 6의 (a)이다.
가역성 초음파 트랜스듀서(15)에서 검출된 에코 펄스 신호는 전기적 신호로 변환된 후, 고속 스위치(14)를 통해 수신 신호 증폭기(16)측으로 보내지게 된다.
수신 신호 증폭기(16)에서는 입력된 전기적 신호를 거리 계산기(18)에서 처리 가능한 정도로 증폭하며, 증폭된 전기적 신호는 밴드 패스 필터(17)로 보내져 밴드 패스 필터(17)에서 정류 과정을 거쳐 순수한 차음의 주파수 성분만이 거리 계산기(18)로 보내지게 된다.
거리 계산기(18)에서는 신호가 검출된 시각을 T1으로 기록하며, 이로써 거리 계산기(18)는 획득한 T0와 T1을 이용하여 초음파 펄스가 진행한 시간을 계산하여 장애물의 거리를 산출하게 된다.
이때, 거리 계산은 다음의 수학식 7에 의해 이루어진다.
여기서, Tsys.는 시간 보정 상수이고, c cal.는 속도 보정 상수로서, Tsys. 는 장치에서 발생되는 전체적인 시간 오차를 보정해 주며, c cal.는 작동 환경에 대한 초음파의 속도를 보정해 주는 것으로, 각각 실험적으로 구해질 수 있다.
한편, 다른 구성 형태인 도 5의 경우는 전술한 도 4의 경우와 비교하여 고속 스위치(14)가 생략되고, 가역성 초음파 트랜스듀서(15) 대신에 초음파 액츄에이터(24)와 초음파 센서(25)가 구비되는 형태로, 높은 효율로 초음파 펄스를 발생시킬 수 있고, 좋은 감도로 초음파 에코를 검출할 수 있다는 장점을 갖는다.
그 작용은 도 4의 경우와 유사한데, 개략 서술하면 다음과 같다.
먼저, 컨트롤러(20)에서 두개의 제어 신호가 발생하여 그 하나는 거리 계산기(28)를 초기화시켜 측정 준비 상태로 만들고, 다른 하나의 제어 신호는 두개의 펄스 발생기(21a, 21b)로 동시에 입력되어 각각 f 1과 f 2의 주파수를 가진 펄스 신호가 전기적으로 발생되도록 한다.
발생된 초음파 펄스는 변조기(22)에서 곱하는 형태로 변조되며, 변조된 신호는 거리 계산기(28)와 증폭기(23)로 입력된다. 거리 계산기(28)에서는 신호가 입력되는 시각을 T0로 기록하며, 증폭기(23)에서는 입력된 신호를 전기적으로 증폭한다. 이어서, 증폭된 신호는 초음파 액츄에이터(24)로 입력되어 1차 초음파 펄스를 공기중에 발생시키도록 한다.
발생된 1차 초음파 펄스는 공기중에서 차음의 초음파 펄스를 형성시키고, 함께 진행하다가 장애물에 부딪힌 후 반사되어 에코 펄스 신호로 되돌아오게 되며, 이 에코 펄스 신호는 초음파 센서(25)에 검출되게 되는데, 이 과정을 도식화한 것이 도 6의 (b)이다.
초음파 센서(25)에서 검출된 신호는 수신 신호 증폭기(26)에서 거리 계산기(28)의 입력 범위에 맞도록 증폭된 후, 밴드 패스 필터(27)에서 정류 과정을 거쳐 순수한 차음의 주파수 성분만이 거리 계산기(28)로 입력되게 된다.
거리 계산기(28)에서는 신호가 검출된 시각을 T1으로 기록하며, 이로써 거리 계산기(28)는 획득한 T0와 T1을 이용하여 전술한 수학식 7을 통해 장애물의 거리를 산출하게 된다.
이상의 두가지 형태의 구성에 있어서, 컨트롤러(10, 20)와 거리 계산기(18, 28)는 하나의 프로세서로 구현될 수 있으며, 이와 다르게 컨트롤러(10, 20), 거리 계산기(18, 28), 펄스 발생기 1(11a, 21a), 펄스 발생기 2(11b, 21b), 변조기(12, 22), 밴드 패스 필터(17, 27)가 하나의 프로세서로 구현될 수도 있다.
후자의 경우, 변조기(12, 22)와 증폭기(13, 23) 사이에는 D/A 컨버터(Digital/Analog converter)가, 밴드 패스 필터(17, 27)와 수신 신호 증폭기(16, 26) 사이에는 A/D 컨버터(Analog/Digital converter)가 각각 추가로 구비될 수 있다.
한편, 공기중에서 큰 출력의 차음 초음파 펄스가 발생되도록 공기중에 높은 주파수 대역의 1차 발생파를 고압으로 발생시키기 위한 초음파 발생기로는 pMUT(piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer), cMUT(capacitive type Micromachined Ultrasonic Transducer), 압전필름인 PVDF(Poly Vinyli Dene Fluoride)를 이용하는 초음파 발생기, 정전기형 초음파 발생기 등이 이용될 수 있다.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정과 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
1. 종래의 초음파 거리 측정 방법에 비해 초음파 펄스의 빔폭을 획기적으로 줄일 수 있고, 이를 통해 거리 측정에서 공간상의 평면 분해능을 크게 높힐 수 있다.
2. 종래의 초음파 거리 측정 방법에 비해 발생되는 초음파 펄스의 사이드 로브가 크게 저감되므로 거리 측정에서 발생되는 혼선을 제거하여 정확한 측정값을 얻을 수 있게 된다.
도 1은 파라메트릭 어레이에서 차음이 발생되는 물리적 현상을 설명하는 도면으로, (a)는 초음파 발생기에서 발생된 두 초음파의 주파수(1차 초음파)의 스펙트럼을 보여주는 도면, (b)는 일정한 거리만큼 진행되었을 때 새롭게 차음(2차 초음파)이 발생한 경우의 스펙트럼을 보여주는 도면, (c)는 이와 같은 현상을 공간상에 도식화한 도면,
도 2는 본 발명에 따라 1차 발생파인 구동 주파수로서 빔폭이 가장 작게 발생하는 영역을 나타내는 그래프,
도 3은 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프로서, (a)와 (b)는 1차 초음파의 방향성, (c)는 2차 초음파인 차음의 방향성, (d)는 차음에 해당하는 주파수를 종래의 초음파 발생기로 방사한 경우의 방향성을 각각 나타내는 그래프,
도 4는 본 발명에 따라 초음파 트랜스듀서를 이용하는 경우의 초음파 거리 측정 장치의 구성을 보여주는 블록도,
도 5는 본 발명에 따라 초음파 액츄에이터-초음파 센서를 이용하는 경우의 초음파 거리 측정 장치의 구성을 보여주는 블록도,
도 6은 본 발명에 따른 초음파 거리 측정 장치의 거리 측정 원리를 보여주는 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10, 20 : 컨트롤러 11a, 21a : 펄스 발생기 1
11b, 21b : 펄스 발생기 2 12, 22 : 변조기
13, 23 : 증폭기 14 : 고속 스위치
15 : 가역성 초음파 트랜스듀서 16, 26 : 수신 신호 증폭기
17, 27 : 밴드 패스 필터 18, 28 : 거리 계산기
24 : 초음파 액츄에이터 25 : 초음파 센서

Claims (7)

  1. 공기중에서 초음파를 이용하여 장애물까지의 거리를 측정하는 방법으로서,
    높은 주파수(f1, f2)를 지닌 두개의 고압의 1차 초음파를 공기중에 발생시켜 같은 방향으로 진행시키면 공기의 비선형성에 의해 그 둘의 주파수의 차(fd=f1-f2 )에 해당하는 저파수의 2차 초음파가 형성되므로 형성된 상기 2차 초음파를 펄스 형태로 장애물에 방사하고 상기 장애물에 반사되어 되돌아오는 에코 펄스를 검출하여 상기 장애물까지의 거리를 측정하는 공기중 파라메트릭 어레이를 이용한 초음파 거리 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차 초음파의 주파수로 20~60kHz의 범위를 이용하는 것을 특징으로 하는 공기중 파라메트릭 어레이를 이용한 초음파 거리 측정 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 1차 발생파의 구동 주파수(f=1/2×［f1+f2］)로 0.8〈ω/ω0=2πf/ω0〈1.1 범위를 이용하는 것을 특징으로 하는 공기중 파라메트릭 어레이를 이용한 초음파 거리 측정 방법.
  4. 공기중에서 초음파를 이용하여 장애물까지의 거리를 측정하는 장치로서,
    측정 시점을 제어하고 장치를 초기화시키는 컨트롤러,
    상기 컨트롤러로부터의 제어 신호에 의해 초음파 펄스 신호를 동시에 발생시키는 펄스 발생기 1 및 펄스 발생기 2,
    발생된 두개의 상기 초음파 펄스 신호를 곱해 주는 형태로 변조하는 변조기,
    변조된 상기 초음파 펄스 신호를 증폭해 주는 증폭기,
    증폭된 상기 초음파 펄스 신호를 기계적 에너지로 변환하여 고압의 초음파 펄스를 공기중에 발생시키고, 장애물에서 반사된 후 되돌아오는 에코 펄스를 수신하여 전기적 수신 신호로 변환하는 가역성 초음파 트랜스듀서,
    상기 전기적 수신 신호를 증폭해 주는 수신 신호 증폭기,
    상기 증폭기에서 증폭된 상기 초음파 펄스 신호가 상기 가역성 초음파 트랜스듀서측으로 보내지고, 상기 가역성 초음파 트랜스듀서에서 수신된 상기 전기적 수신 신호가 상기 수신 신호 증폭기측으로 보내지도록 그 게이트의 방향을 변경하는 고속 스위치,
    증폭된 상기 수신 신호중 저주파의 신호만을 통과시키는 밴드 패스 필터 및
    상기 증폭기로부터의 상기 초음파 펄스 신호의 입력 시점과 상기 밴드 패스 필터로부터의 상기 수신 신호의 입력 시점을 이용하여 상기 장애물의 거리를 산출하는 거리 계산기를 포함하는 공기중 파라메트릭 어레이를 이용한 초음파 거리 측정 장치.
  5. 공기중에서 초음파를 이용하여 장애물까지의 거리를 측정하는 장치로서,
    측정 시점을 제어하고 장치를 초기화시키는 컨트롤러,
    상기 컨트롤러로부터의 제어 신호에 의해 초음파 펄스 신호를 동시에 발생시키는 펄스 발생기 1 및 펄스 발생기 2,
    발생된 두개의 상기 초음파 펄스 신호를 곱해 주는 형태로 변조하는 변조기,
    변조된 상기 초음파 펄스 신호를 증폭해 주는 증폭기,
    증폭된 상기 초음파 펄스 신호를 기계적 에너지로 변환하여 고압의 초음파 펄스를 공기중에 발생하는 초음파 액츄에이터,
    발생된 상기 초음파 펄스가 장애물에서 반사된 후 되돌아오는 에코 펄스를 수신하여 전기적 수신 신호로 변환하는 초음파 센서,
    상기 전기적 수신 신호를 증폭해 주는 수신 신호 증폭기,
    증폭된 상기 수신 신호중 저주파의 신호만을 통과시키는 밴드 패스 필터 및
    상기 증폭기로부터의 상기 초음파 펄스 신호의 입력 시점과 상기 밴드 패스 필터로부터의 상기 수신 신호의 입력 시점을 이용하여 상기 장애물의 거리를 산출하는 거리 계산기를 포함하는 공기중 파라메트릭 어레이를 이용한 초음파 거리 측정 장치.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 변조기와 상기 증폭기 사이에 구비되는 D/A 컨버터 및
    상기 수신 신호 증폭기와 상기 밴드 패스 필터 사이에 구비되는 A/D 컨버터를 더 포함하는 공기중 파라메트릭 어레이를 이용한 초음파 거리 측정 장치.
  7. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 초음파 펄스 신호는 지수 함수의 감쇄 형태 또는 가우시안 분포를 가지는 형태중의 어느 한 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 공기중 파라메트릭 어레이를 이용한 초음파 거리 측정 장치.
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