KR20060135715A - 고속 다선체 선박용 장애물 회피 장치 - Google Patents

Abstract

고속 다선체 선박용 장애물 회피 장치

본 발명은 장애물 특히, 낮은 깊이로 잠겨있는 장애물을 회피하는 것이 가능한 선박용 장치를 목적으로 한다. 선박의 항로 상에 위치된 물체로부터 발생하는 에코들의 조기 검출을 수행함으로써, 장치는 특히 선박의 승무원이 이들 물체를 피하도록 기수를 변경하는 것을 가능하게 한다.

바람직한 실시형태에서, 본 발명에 따른 장치는, 적어도,

- 서로 이격되고, 구별되는 주파수 또는 상이한 파형의 파들을 송신하는 2 개의 음향 파 송신기 (23, 25),

- 수신 대역이 상기 송신기들의 방출 주파수에 적합한, 음향 수신기 (29),

- 수신된 에코들을 통해, 송신된 파들의 각각에 영향을 주는 도플러 효과의 측정뿐만 아니라 각각의 송신기에 의해 송신된 파들의 전달 시간들의 차이 측정을 수행하는 것을 가능하게 하여, 에코를 리턴했던 물체 (27) 의 위치를 결정하는 수신 신호 프로세싱 수단을 포함한다.

본 발명에 따른 장치는 구체적으로는 다선체 선박 특히, 고속 다선체 선박용이다.

다선체 선박, 음향 파, 도플러 효과, 에코, 장애물 회피 장치

Description

고속 다선체 선박용 장애물 회피 장치{DEVICE FOR AVOIDING OBSTACLES FOR HIGH-SPEED MULTI-HULLED WATERCRAFT}

본 발명은 구체적으로는 다선체 선박, 특히 고속 다선체 선박용으로 장애물, 특히 낮은 깊이로 잠겨있는 장애물을 회피하기 위한 장치에 대한 것이다. 선박의 항로 상에 위치한 물체로부터 발생하는 에코의 조기 검출을 수행함으로써, 이 장치는, 특히 이들 물체들을 회피하도록 선박의 승무원이 기수 (heading) 를 변경할 수 있게 한다.

선박의 속도와 해상 항로의 여기저기에서의 점진적 증가는, 선박의 항로 상에 위치될 수도 있는 부유 물체의 해상 표류에 의해 명확한 문제점이 발생하게끔 한다. 다소 효과적이 되도록, 이들 물체와 그 위치의 검출은, 선박의 승무원들이 이들 물체를 피하기 위해 기수의 방향을 변경할 수 있도록 충분히 조기에 이루어져야만 한다. 선박이 이동하고 있는 한, 중요한 변수는 선박에 대해 검출된 물체의 상대적 위치이다. 또한, 검출된 물체가 표면 상을 부유하는 경우 또는 잠겨있는 경우에는 그것의 잠겨있는 깊이를 비교적 정확한 방법으로 아는 것이 유용할 수도 있다.

부유 물체의 검출을 수행하기 위해, 레이더와 같은 전자기 센서, 가시 파장 또는 적외선 파장을 이용하는 광학 센서, 또는 다른 레이저 센서를 주로 사용하는 몇몇 타입의 장치들이 있다. 이들 장치들은 특히 해상이 상당히 평온한 경우에, 부유하거나 또는 아주 얕게 잠겨 있는 물체를 검출하는데 효과적이다. 한편, 부유 물체가 비교적 작은 사이즈이고 바다가 거친 경우에는, 전자기 센서의 효율은 실질상 매우 감소한다. 도 1 에 나타내진 바와 같이, 물체의 잠김 깊이가 증가하는 경우에는, 이들의 효율이 마찬가지로 급격히 감소한다. 또한, 전자기 센서 (10) 의 효율은 물의 표면에 대한 방출 (emission) 의 입사 방향에 의해 영향을 받는다. 상세하게는, 고속 선박의 요건에 적합하도록 검출 범위를 증가시키려할 때, 전자기파 (11) 는 종종 해면에 대해 작은 입사각의 그레이징 방식 (grazing manner) 으로 송신되고, 이 후 입사각은 송신 파의 해면 상의 전반사에 대응한 한계각으로 근접한다. 거친 바다에서는, 이들 장치의 성능은 파도에 의해 손상된다.

전자기 센서와 관련된 문제점을 감소시키기 위해, 잠겨 있는 물체 (13) 를 포함한 장애물을 검출하는 것을 가능하게 하는 음향 센서 (12), 예를 들어 액티브 소나를 사용하는 것이 알려져 있다. 그러나, 선행 기술로 알려진 장치들에서 실행되는 것과 같은 식으로 음향 파의 특성을 활용하는 것은, 고속 선박에는 부적당하다. 상세하게는, 이들 선박들은, 특히 몇 개의 매우 가느다란 플로트 (float) 로 이루어진 선체의 존재와 같은 특정의 구조적 특성을 나타낸다. 또한, 이들 고속 선박을 검출하기 위한 수단은, 선박 자신의 속도에 의해 야기되는 도플러 효과의 무시할 수 없는 영향을 받는다.

고속 선박의 경우, 물체의 검출과 위치는 음향 파의 방출 주파수, 송신 파의 형태, 안테나의 치수, 및 선박의 속도에 따른 도플러 효과와 같은 몇몇 변수를 포함하여야 한다. 이들 다양한 변수들은 기존의 장치에 의해서는 체계적으로 사용되지는 않는다.

예를 들어 선형 안테나의 경우, 수행된 측정의 각도 결정은

타입의 공식으로 주어지며, 여기서:

- θ₃ 은 -3dB 로 안테나의 주 로브 (main lobe) 의 틈 (aperture) 이고,

- λ 는, λ=c/f 로 주어지는 음향 파의 파장이고 (c 는 고려되는 매체 (예를 들어, 해수 또는 담수) 에서의 파의 전달 속도를 나타내며, f 는 음향 파의 주파수를 나타냄),

- L 은 안테나의 길이이고,

- K 는 안테나의 형태 및 로브에 사용되는 가중치 함수와 특히 관련된 계수이다. K 는 특히 0.9 와 1.5 사이에 놓이는 값을 취할 수 있다.

관계식 [1] 은 안테나의 길이뿐만 아니라 송신 파의 주파수에 θ₃ 가 의존하는 것을 나타낸다.

고속 선박의 경우, 선박의 항로 상에 존재하는 물체의 위치를 빠르면서도 정확한 방식으로 결정할 수 있도록, 충분한 각도 상의 정확성과 꽤 넓은 범위를 한번에 동시적으로 가지는 것이 바람직하다.

정확한 요건을 만족시키는 것은, 관계식 [1] 에 따라, 큰 사이즈의 안테나와 연관된 비교적 높은 방출 주파수를 선택하게 한다. 그러나, 음향 파의 흡수 계수는 송신 파의 주파수, 또는 보다 정확하게는 주파수의 제곱의 역수에 의존한다는 것이 알려져 있다. 다르게 설명하면, 방출 주파수가 더 높을수록 그리고 범위가 더 제한될수록, 또한 송신 전력은 일정해진다. 따라서, 범위 요건은 비교적 낮은 주파수에서의 방출의 선택으로 이어진다. 이들 2 개의 요건의 이원성은 마침내 타협점을 찾는 것으로 귀결된다.

다선체 선박의 특별한 경우에는, 종래의 선박의 경우에서보다 타협점을 찾는 것이 더 어렵다. 크래프트 (craft) 와 같은 것의 유체역학적 제약들은 특히, 선체의 항력 (drag) 에 영향을 줄 수도 있는 임의의 것을 축소하는 것, 구체적으로는 안테나의 사이즈를 축소하는 것이 필수적이 되게끔 한다. 플로트의 세장 (slenderness) 이, 원하는 지향성을 보장하기에 충분한 사이즈의 가용 안테나를 가지는 것을 가능하게 하지는 않는다. 그럼에도 불구하고 예를 들어, 방출시 또는 수신시에 2 이상의 안테나를 포함하는 낮은 치수의 안테나 시스템을 사용함으로써 이러한 단점을 감소시키는 것이 가능하다. 각각의 안테나는 별도의 선체 상에 위치될 수 있다. 따라서, 어레이 안테나가 형성된다. 그러나 이 경우, 주 로브 이외에도 스퓨리어스 (spurious) 이미지 로브의 발생을 고려하는 것이 필요하다. 어레이 로브라고도 불리는 이들 스퓨리어스 로브들은, 안테나들이 배치되는 플로트들을 분리시키는 (seperating) 거리에 의해 유발된다. 음향 신호의 파장에 비하여 매우 큰 이 공간은, 어레이 로브들의 발생을 유발하는 수신 신호의 공간적 언더 샘플링이 일어나도록 한다. 그 결과, 부유 물체에 의해 후방 산 란되는 신호의 도달 방향에 대해 불명확성이 존재하게 된다.

고속 선박에 의한 부유 물체의 검출은, 신호의 전달과 에코의 수신에 무시할 수 없는 방식으로 개입되는 도플러 효과에 의해 또한 영향을 받는다. 부유 물체의 위치에 대해 정확한 결정을 갖기를 원하다면 도플러 효과가 고려되어야만 한다.

송신기와 수신기를 지니는 선박의 경우, 송신기는 해류 또는 비교적 약한 바람에 의한 단순 드리프트 운동 (drift motion) 을 받는 부유 물체에 반사하는 파를 송신하고, 도플러 효과는 특히 선박의 변위 (displacement) 로 인해 단지 관련된다. 이 경우, 1차 근사치로서,

로 기재하는 것이 가능하며, 여기서 g 는 선박의 진로에 대해 물체가 놓이는 베어링 (bearing) 을 나타낸다. 베어링은, 기준 (reference) 으로 취해지는 선박의 속도 벡터 방향에 대해 결정된다. 또한 그것은 안테나의 축에 대한 각도이기도 하다

식 [2] 에서, 도플러 (Doppler) 는 식 (2/c).v_ship.cosg 로 표현된다. 이 양은 송신 주파수에 대해 수신 측에서 관측된 주파수 슬립이 도플러 효과에 기인한 슬립임을 특징짓는다.

계수 2 는, 선박 상에 위치한 소나에 의해 송신되고 잠겨져 있는 물체에 의해 반사된 파가, 아웃워드-리턴 경로 (outward-return pass) 상에서 도플러 효과를 겪는다는 사실로부터 기인한다.

선박 상의 동일한 위치에 설치된 송신기와 수신기를 포함하는 선박의 경우, 선박의 움직임 효과는, 송신기와 부유 물체 사이에 송신되는 음향 파의 이동 경로와, 부유 물체와 수신기 사이에 반사되는 음향 파의 이동 경로 사이의 지속기간 (duration) 차이로 나타난다. 지속기간의 이러한 차이는 파의 전달 동안에 선박의 변위에 주로 기인한다. 선박이 접근하면 리턴 경로는 더 짧아진다. 이와 반대로, 선박이 멀어지면 이 경로는 더 길어진다.

도플러 효과는, 파의 아웃워드 구간과 리턴 구간 상에서 동일비 v/c 로, 시간의 수축 또는 확장으로, 그 각각의 경우에 따라, 신호에 대해 나타난다. 액티브 소나를 사용하여, 일반적으로 도플러 추정은, 수신 신호와, 도플러 효과에 의해 영향을 받는 송신 신호의 모델들과의 상호상관을 수행함으로써 달성된다. 또한, 스팩트럼간 분석에 의해, 그리고 어떤 신호들의 경우에는 상기에서와 같이 신호화되었을 때, 주파수 슬립의 측정 그 자체로 충분할 수도 있다는 것을 고려함으로써 이러한 추정은 달성될 수 있다. 또한, 2 개의 대응하는 송신 사이의 간격에 대해, 수신된 2 개의 펄스 사이의 시간 수축을 측정하는 것이 가능하다.

물체의 검출과 이들의 위치에 대한 정확한 결정은, 공간으로 분산되고 이용 신호에 잔향 비 (reverberation ratio) 로 영향을 미칠 산란으로부터 발생하는 잔향에 의해 종종 복잡해진다. 이 잔향은, 선박이 더 빨리 움직일수록 그리고 스퓨리어스 로브를 야기하는 공간적 언더 샘플링이 더 커질수록 더욱 성가셔질 뿐이다.

본 명세서에서 나타내진 본 발명의 목적은, 특히 고속 선박에 대해 물체의 위치를 결정하는 동안 직면하는 곤란함을 감소시키는 것이다. 다른 목적은 스퓨리어스 로브와 잔향에 기인한 불명확성을 회피하는 것에 있다. 이러한 목적을 위해, 후자는 부유 물체 또는 잠겨 있는 물체를 검출하고 특히 고속 다선체 선박에 적합하며 이들 물체의 회피를 가능하게 하는 음향 장치를 지향한다. 이 장치의 구성은 적어도,

- 서로 이격된 예를 들어, 상이한 선체들 상에 위치된 2 개의 음향 신호 송신기,

- 선체들 중 하나의 선체 상에 위치되고, 그 수신 대역이 송신기들에 의해 송신된 파들에 적합한 음향 수신기,

- 이 물체에 의해 리턴된 에코에 기초하여 하나 이상의 부유 물체 또는 잠겨있는 물체의 위치를 결정하는 것을 가능하게 하는, 수신 신호 프로세싱 수단을 포함한다. 이들 수단은, 하나의 동일한 에코에 대응하고, 송신기들의 각각의 송신에 의해 생긴 반사 신호들 사이에 존재하는 도플러 차이를 이용한다.

바람직한 실시형태에서, 음향 주파수들 또는 송신된 파형들은 구별된다.

바람직한 실시형태에서, 선박이 여전히 멀리 있고 도플러 차이가 측정의 정확성에 중요하지 않은 때에는, 위치는 우선적으로, 송신기들 각각에 의해 송신되고 물체에 의해 반사된 파형들의 수신기에서의 도달 순간들을 분리하는 시간 편차 T 의 단순 측정에 기초하여 어림잡는 방식으로 (in a coarse manner) 결정될 수 있다.

따라서 수행된 프로세싱은, 에코를 리턴한 물체의 위치에 대해 어림식이지만 조기의, 제 1 결정을 가능하게 하는 이점을 나타낸다. 또한 이 예비적인 프로세싱은 도플러 주파수 편이의 분석에 의한 프로세싱을 단순하게 하는데 유용하다.

전달의 상호성 때문에, 본 발명에 따른 장치는 예를 들어, 단일 송신기과 2 개의 수신기를 포함하는 구성을 채택함으로써 이중 방식으로 구현될 수 있는 이점을 나타낸다. 바람직한 실시형태에서, 이 구성의 경우 2 개의 상이한 신호를 송신하는 것을 또한 선택한다.

다른 특징과 이점은 도 2 내지 도 6 및 상세 설명을 통해 명백해질 것이다.

도 2 는 2 개의 선체를 갖는 기수에 설치된 본 발명에 따른 장치의 도면이다.

도 3 은 본 발명에 따른 장치의 동작 원리를 나타내는 도면이다.

도 4 는 물체의 위치를 결정하기 위해 본 발명에 따른 장치에 의해 구현될 수 있는 예시적 방법의 단계를 나타내는 도면이다.

도 5 는 본 발명에 따른 장치의 구체적인 예시적 사용을 나타내는 도면이다.

도 2 는 본 발명에 따른 장치의 바람직한 구현 예의 가능한 레이아웃 형태를 도식적 방식으로 나타낸다. 도 2 에 의해 나타내진 예에서, 장치는 선박에 2 개의 선체 (21) 를 구비시킨다. 도면은 단지 선박의 기수 부분 특히 2 개 선체의 기수 부분을 나타낸다. 화살표 (22) 는 물체 (27) 을 향해 조정된 선박의 진행 방향을 구체화한다. 이 물체는 예를 들어, 낮은 깊이로 잠겨있고 따라서 레이더 검출을 피하는 물체이다.

선체들 중의 하나의 선체 (211) 의 기수에는 음향 파 (24) 를 송신하는 소나 송신기 (23) 가 위치된다. 이와 마찬가지로, 다른 선체 (212) 의 기수에는 음향 파 (26) 를 송신하는 제 2 소나 송신기 (25) 가 위치된다. 상이한 선체 상에 송신기들이 위치하고 있으므로, 송신원들은 거리 A 만큼 떨어져 위치하고 있으며, 이 거리 A 값은 송신기 각각에 의해 송신되는 파장 보다 실질상 더 크다. 이러한 어셈블리의 동작은, 방출 패턴이 송신 방향을 향하는 사용가능 로브와 공간적 주기성을 보이는 스퓨리어스 로브를 포함하는 송신기의 동작과 유사한 것으로 알려져 있다. 이 주기성은 2 개의 송신기를 이격시키는 거리 대 송신된 파장의 비에 의존한다. 그러므로, 이 물체의 위치에서의 불명확성에 의해 물체의 검출이 방해를 받는다. 스퓨리어스 로브들의 존재와 관련된 이러한 문제점을 방지하기 위해, 본 발명에 따른 장치는 바람직한 실시형태에서, 상이한 형태 또는 상이한 주파수의 음향 파들을 송신하는 송신기 (23 및 25) 를 포함한다. 따라서, 각각의 송신기로부터 발생하는 신호는 수신시에 용이하게 식별된다.

2 개의 선체 중 하나의 선체 예를 들면 선체 (211) 상에는, 수신 대역이 파 (24 및 26) 에 의해 점유되는 대역들을 커버링하는 소나 수신기 (29) 가 또한 위치된다.

송신기와 수신기에 의해 구성되는 어셈블리의 동작 원리를 다음과 같이 단순한 방식으로 설명할 수 있다.

2 개의 소나 송신기에 의해 커버링 되는 범위 내에 물체가 위치할 때마다, 물체는 수신기에 의해 감지되는 에코를 리턴한다. 이 에코는 물체 상의 입사 파 (24 및 26) 의 반사로부터 발생하는 반사 파 (28) 로 구별된다. 수신 이후, 에코를 리턴했던 물체의 선박에 대한 위치를 정확하고 빠르게 결정할 수 있도록, 입사 파 (24) 로부터 발생한 반사 신호들과 입사 파 (26) 로부터 발생한 반사 신호들을 프로세싱한다.

도 2 는 본 발명에 따른 장치가 2 개의 선체를 포함하는 선박에 이용되는 특정의 경우를 나타낸다. 물론 예를 들어 3 개의 선체를 포함하는 선박에 본 예를 외삽하는 것이 가능하다. 이 경우, 이미 송신기를 지닌 선체들 중의 하나의 선체 또는 어떠한 송신기도 지니지 않는 선체가 수신기를 지닐 수 있다. 동작의 일반적 원리는 변하지 않는다.

도 3 을 통해 본 발명에 따른 장치의 동작 원리를 설명하는 것이 가능하다.

본 발명에 따라, 선박이 지나는 항로 상에 위치된 부유 물체 또는 약간 잠겨있는 물체에 대한 위치 결정은 2 개의 단계로 달성될 수 있다. 제 1 단계에서, 물체의 위치는, 물체가 여전히 선박으로부터 충분히 떨어져 있는 경우, 각각의 송신기에 의해 송신된 파들의 물체에서의 반사에 의해 수신된 파들의 각각의 도달 시간 사이의 차이에 대한 분석에 의해 수행되는 어림식 결정의 대상 (subject) 이 된다. 그 다음 제 2 단계에서, 물체의 위치는, 수신된 파형들에 영향을 미치는 도플러들의 차이를 분석함으로써 보다 정밀한 방식으로 결정된다.

물체의 위치를 결정하는 이들 2 개의 방법을 이어서 설명한다.

도 3 에서, 선박 (21) 은 방향 (22) 을 따른 진행의 다양한 순간 T₀, T₁ 및 T₂ 에서, 3 개의 디스크 (23, 25 및 29) 에 의해 부호적으로 나타내진다. 또한 도 3 은 선박의 항로 상에 위치된 물체 (27) 를 나타낸다.

D₁ 과 D₂ 를, 순간 T₀ 에서, 선박이 구비하는 송신기 (23 및 25) 로부터 물체를 각각 분리시키는 방출 방향으로의 거리로 상정한다. 설명을 명확하게 하기 위해, 전달 매체는 등방성 및 등속도 (isospeed) 라고 가정한다. 상정된 매체에서 음파의 전달 속도를 C 라 하면, 선박의 변위를 고려하여,

및

로 기재하는 것이 가능하며, 여기서 T₁ 과 T₂ 는 물체 (27) 에 의해 반사된 에코 (31 및 32) 의 수신기 레벨에서의 도달 순간들을 나타낸다. 이들 에코는 2 개의 송신기 (23 및 25) 에 의한 파 (24 및 25) 들의 순간 T₀ 에서의 동기 송신에 따른 것이다. D₀ 와 D'₀ 는 각각 순간 T₁ 과 T₂ 에서 선박으로부터 물체를 분리시키는 반경 방향으로의 거리를 나타낸다. 각도 (33 및 35) 는, 예를 들어 기준으로 취해진 선박의 변위 축과 송신기들에 의해 송신된 파형들의 방향에 의해 이루어진 각도들을 나타낸다. 유사하게, 각도 (34 및 36) 는, 동일한 기준 축과 수신기에 의해 수신된 파형들에 의해 이루어진 각도를 나타낸다.

에코를 리턴하는 물체를 각각의 송신기로부터 순간 T₀ 에서 분리하는 거리 D₁ 과 거리 D₂ 는 구별된다. 이들은 T₀ 에서 선박과 물체의 상대적 위치들에 의존한다. 따라서, T₀ 에서 각각의 송신기에 의해 동시에 송신된 2 개의 파는, 동일 순간에서 물체에 도달하지 않으며, 물체에 반사된 이후 상이한 순간에서 수신기에 의해 수신된다.

또한, 선박의 변위 속도 때문에, 수신기에 대한 물체의 상대적 위치들은, 물체에 의해 반사된 파들의 수신 순간 T₁ 과 T₂ 사이에서 변화한다. 따라서, 반사된 파들에 의해 이동된 경로 D₀ 와 D'₀ 도 또한 상이하다. 따라서 차이 (T₂-T₁) 는, 하나의 동일 시간에서 선박에 대한 물체의 위치와 선박의 변위 속도에 의존한다.

또한 선박과 물체 사이의 거리가 측정 동안에 실질상 변화하지 않는 것으로 고려하면, 경로 D₀ 와 D'₀ 가 합쳐질 수 있다. 그러면, T₁ 과 T₂ 값 또는 그 편차 (T₂-T₁) 에 대한 정보는, 본 명세서에서 설명하지 않는 기지의 수단에 의해 선박에 대한 물체의 위치를 결정하는데 충분하다. 한편, 고속 선박의 경우에는, 경로 D₀ 와 D'₀ 는 엄밀히 말해서 합쳐지지 않을 수도 있다. 선박 (21) 으로부터 물체 (27) 를 분리시키는 거리가, 예를 들어 1km 보다 큰 경우에도, 수중에서 음파의 이동 동안 선박의 변위는 무시될 수 없으며 거리는,

로 기재하는 것이 가능하다.

그러면, 편차 (T₂-T₁) 는 편차 (D₂-D₁) 에 상당한 정도 의존하고 편차 (D₀-D'₀) 에는 보다 덜한 정도로 의존한다. 따라서, T₀=0 라 두면,

로 기재하는 것이 가능하다.

물체가 선박으로부터 더 먼 거리에 위치된다고 고려하면, T₂-T₁ # (D₂-D₁)/C 이고, V 는 예를 들어 50 킬로노트 (knot) 로 진행하는 고속 선박의 경우에 조차도 C 에 대해 여전히 작은 것으로 고려하는 것이 가능하다. 그러면, 이전의 식들을 다음과 같이,

로 단순화시키는 것이 가능하다.

그러면, T₁ 과 T₂ 의 값 또는 그 차이 (T₂-T₁) 의 측정은 물체의 좌표 X 및 Y 를 만족스럽게 결정하는데 충분하다.

그래픽 방식으로, 이들 좌표 X 및 Y 는 2 개 타원의 교차를 결정한다. 타원들 중 하나는 송신기 (1) 에 의해 송신된 파의 전달 시간이 T₁ 에 대응하는 점들의, 수신기에 대한 위치에 대응한다. 다른 타원은 송신기 (2) 에 의해 송신된 파의 전달 시간이 T₂ 에 대응하는 점들의, 수신기에 대한 위치에 대응한다.

T₁ 값과 T₂ 값의 측정을 보다 용이하게 하기 위해, 본 발명에 따른 장치는 바람직한 실시형태에서, 상이한 주파수 F₁ 과 F₂ 를 나타내는 2 개의 구별되는 음향 방출 또는 다른 상이한 형태를 바람직하게 이용한다. 따라서, 송신 시작 순간 T₀ 이 동일하고, 수신기는 예를 들어 필터링함으로써, 동일 에코에 대응하는 수신 신호들을 이들의 주파수의 도움으로 용이하게 분리할 수 있고, 송신기 (23 및 25) 로부터 각각 발생한 신호들의 수신 순간 T₁ 과 T₂ 를 용이하게 결정할 수 있다.

따라서, 물체가 선박으로부터 각각 먼 거리에서 위치하는 경우, 편차 (T₂-T₁) 의 측정에 기초한 결정의 원리는, 선박에 대한 물체의 위치를 비교적 단순한 방식으로 결정하는 것을 가능하게 한다. 선박을 분리시키는 거리와 관련하여서는, 물체의 위치는 충분히 정확하게 결정된다.

한편, 물체의 검출이 근방 필드에서 수행될 때, 차이 (T₂-T₁) 의 측정에만 기초한 결정의 원리는 너무 부정확해서 안전한 항해를 허용할 수 없다. D'₀ 를 D₀ 와 동일시하는 것으로 이루어진 근사치는 더 이상 수용할 수 없다. 또한 이 부정확성은, 이후 물체가 선박 근거리에 위치할 때 더욱 불리해진다. 이에 의 해, 회피 기동 (avoidance maneuver) 을 조작하는데 이용가능한 시간 길이는 매우 짧아진다. 이러한 점에서 근방 필드에서의 조작은 물체와 선박 사이의 거리 D 가 작고 A/λ 비가 큰 조작의 경우를 의미하는 것으로 이해되어야만 한다. A 와 λ 는 각각 2 개의 송신기들을 분리시키는 거리와 신호의 길이 (λ) 를 나타낸다.

물체가 선박에 더 가까워지는 한에서는, 방출 각도 (33, 35) 와 수신 각도 (34, 36) 사이의 변동의 현저함과 연관된 도플러 효과의 영향에서의 증가는, 임의의 단순 근사치가 T₁ 과 T₂ 또는 차이 (T₂-T₁) 의 측정을 단순히 사용하여 물체의 위치를 결정하는 것을 방해한다. 또한, 예를 들어 수신된 에너지의 측정을 이용하는 비상관 프로세싱의 구현도 가능하지 않다. 이런 종류의 프로세싱은, 특히 체적 또는 표면 잔향 현상의 고려를 통해 유도되는 수많은 그릇된 경보의 발생을 초래한다.

근방 필드에서 물체의 검출에 의해 발생하는 문제점을 처리하기 위해, 본 발명에 따른 장치는 전술한 프로세싱과 상이한 프로세싱을 구현하며, 이것은 지연 (T₂-T₁) 의 측정의 이용을, 수신된 신호에 영향을 미치는 도플러 효과의 이용과 연관시킨다. 상세하게는, 양쪽 송신기에 대한 검출 물체의 상대적 위치의 함수로서, 2 개의 송신기 (23, 25) 에 의해 송신되고 물체에 의해 반사된 신호들이 상이한 주파수 이동으로 영향을 받는다. 따라서, 구현된 프로세싱은 수신 신호들의 주파수 분석에 기초하여 미분 (differential) 도플러 주파수를 이용함으로써 물체 의 위치를 결정하는 것으로 이루어진다. 이 결정은 다양한 기지의 수단에 의해 수행될 수 있다.

미분 도플러 주파수의 결정은 유용하게, 순간 T₁ 과 T₂ 사이의 선박의 위치에서의 변동을 아는 것을 가능하게 한다. V 에 대한 정보와 관련하여, 관계식 [6] 내지 [9] 에 의해 나타내진 바와 같이, 이 정보는 물체의 좌표 X 및 Y에 대한 정확한 결정을 가능하게 한다. V 는 또한 알려질 수도 있고 도플러 효과에 의해 통상적으로 추정될 수도 있다. 본 발명에 따른 미분 도플러 주파수의 결정 원리를 이하 설명한다.

설명의 명확성을 이유로, 에코를 리턴하는 물체가 이동가능하지 않거나 또는 적어도 매우 낮은 고유 속도에 있다라고 고려하면, 에코를 리턴한 물체의 위치에 상이한 도플러 주파수를 연결하는 관계는 단순한 방식으로 설정될 수 있다.

2 개의 송신기가 동기화되고 예를 들어, 각각 주파수 F₁ 과 F₂ 의 신호를 송신하면, 수신기에 의해 감지되고 송신된 신호의 물체에 의한 반사로부터 발생한 신호들은,

및

와 같이 주파수 Fr₁ 과 Fr₂ 에서 수신되고, 여기서 θ₁, θ₂ 및 θ'₀ 은 각각 도 3 의 입사각 (33, 35) 과 반사각 (34, 36) 에 대응한다. 이들 각도는 물체의 좌표 X 및 Y 에 의존한다.

송신기 신호와 수신기 신호 사이의 주파수 이동은 물체에 대한 선박의 상대적 위치가 변화하도록 야기하는 선박의 속도와 관련된다.

물체로부터 발생하는 에코들의 수신 순간을 분리하는 시간 편차에 대응하는 상이한 지연 (T₂-T₁) 이 보상되고 동일 방출 순간에 대응하는 수신 신호의 상호상관이 수행되면,

의 형태를 갖는 신호를 획득한다.

획득된 신호는 유용하게 2 개의 주파수 성분,

및

를 포함한다.

그러면, "저역-통과" 타입의 필터링과 "고역 통과" 타입의 필터링을 적용함으로써 주파수 성분 ΔF_r 과 ΣF_r 을 분리하는 것이 가능하다.

한편, Vr₁ 과 Vr₂ 를, D₁ 과 D₂ 를 따라서의 선박의 속도의 예상치 (projection) 라하면, 관계식 [13] 과 [14] 에 기초하여 다음과 같이,

로 기재하는 것이 가능하고,

이로부터

를 유도하며,

따라서,

을 획득한다.

관계식 [22] 및 [23] 은 따라서, 송신 주파수 F₁ 과 F₂ 를 안다면, 식

(ΔFr=Fr₂-Fr₁ 이고 ΔF=F₂-F₁) 으로 주어진 미분 도플러 주파수 값들을 결정하는 것을 가능하게 한다.

미분 도플러 주파수, 속도 V 의 이미지는 각도 θ₀, θ'₀, θ₁ 및 θ₂ 에 의 존하는 것으로 나타난다. 따라서, 미분 도플러 주파수 Δf_d 의 값을 결정함으로써 θ₀, θ'₀, θ₁ 및 θ₂ 를 결정하고, 에코를 리턴했던 물체 (27) 의 좌표 X 및 Y 를 결정하는 것이 가능하다. 이러한 결정은 임의의 기지의 절차에 의해 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 장치의 경우, 바람직한 실시형태에 따르면, 수신 신호의 주파수 분석 구현은 2 개의 상이한 음향 송신 주파수 F₁ 및 F₂ 의 사용에 의해 용이해지는 이점이 있다. 수신시, 송신기 (25) 로부터 발생한 신호로부터 송신기 (23) 으로부터 발생한 신호를 필터링함으로써 분리시키는 것이 용이해지고, 신호들 각각의 주파수 분석을 별도로 수행하는 것도 용이해진다. 이 주파수 분석은, 각각의 신호에 대한 도플러 주파수를 결정하고 그 미분 도플러 주파수를 계산하는 것을 가능하게 한다.

다른 신호 분류의 이용이 가능하며, 이것은 어떤 애플리케이션에 대해서는 유용한 것으로 판명될 수도 있어, 이들 신호들은 지연과 도플러 관점에서 구별을 가능하게 하는 능력을 특징짓는 모호성 함수 (ambiguity function) 특성의 함수로서 선택될 수 있다.

선박에 대해 근접 범위 내에 위치하고 있는 물체의 위치를 결정하기 위해 미분 도플러 주파수 Δf_d 의 이용은 또한, 물체가 보다 상당한 거리에 위치하는 경우에도 이용될 수 있다.

도 3 은 본 발명에 따른 장치를, 서로 이격된 2 개의 송신기와 하나의 수신 기를 포함하는 구성으로 나타낸다. 물론, 사용되는 특성의 상호성으로 인해, 상이한 주파수의 2 개의 파를 동시에 송신하는 단일 송신기와, 각각이 송신 주파수들 중 하나의 주파수에 적합한 대역을 갖는 서로 이격된 2 개의 수신기를 포함하는 장치를 사용함으로써, 전술한 부유 물체의 위치를 결정하기 위한 원리를 구현하는 것이 가능하다.

도 4 는 예시로서, 본 발명에 따른 장치를 구비한 선박에 대해 부유 물체의 위치를 결정하는 것을 가능하게 하는 방법의 단계를 기술한 도면이다. 이 방법은 다양한 단계를 포함한다.

수신기 (29) 의 출력에서, 수신 신호는 2 개의 병렬 프로세싱 트랙 41 및 42 로 분산된다. 프로세싱 트랙 41 은, 스펙트럼이 제 1 송신기 (23) 의 송신 주파수 Fe1 로 집중되는 수신 신호의 성분만을 보존하고자 하는 프리 필터링 단계 43 을 포함한다. 따라서, 트랙 41 에 의해 프로세싱된 신호는 송신기 (23) 로부터 발생하여 물체 (27) 에 의해 반사된 신호에 대응한다.

병렬적으로, 프로세싱 트랙 42 에서, 수신 신호는, 제 2 송신기 (25) 의 송신 주파수 Fe2 로 스펙트럼이 집중되는 수신 신호의 성분만을 보존하고자 하는 프리 필터링 단계 44 를 겪는다. 따라서, 트랙 42 에 의해 프로세싱된 신호는 송신기 (25) 로부터 발생하여 물체 (27) 에 의해 반사된 신호에 대응한다. 이 후, 필터링된 신호는 이득 보정 단계 46 뿐만 아니라 샘플링 및 디지털화 단계 (48) 를 겪는다.

따라서, 획득된 디지털 신호는, 상호상관 단계 411 이 뒤따르는 시간적 재조 정의 단계 49 의 대상이 된다. 시간적 재조정은 수신기에 의해 수신된 신호들을 재동기화하여, 2 개의 송신기 (23 및 25) 에 의해 동일한 순간에서 송신된 신호들로부터 발생한, 검출 물체에 의해 반사되는 신호들을 리하모나이징하는 것을 목적으로 한다. 이 시간적 재조정은 예를 들어, 지연 세트를 프로세싱 트랙 41 또는 42 들 중의 한 트랙의 신호에 적용함으로써 수행되고, 각각의 지연은 2 개의 송신기에 의해 송신되고 수신기에 의해 반사되는 음향 파들의 경로 길이의 차이 값에 대응한다. 시간적 재조정 단계는 결정된 값 T₂-T₁ 에 기초하여 물체의 좌표 X 및 Y 를 어림잡아 결정하는 단계 410 을 발생시킬 수도 있다. 이 제 1 결정은 선박의 속도 V 를 고려하지 않는다.

이후, 단계 411 은 적용된 지연들의 각각에 대해 트랙의 각각의 신호들의 상호상관을 수행한다. 따라서, 일반적 형태가 관계식 [15] 에 의해 표현될 수 있는 신호 C(t) 를 획득한다.

이후, 획득된 신호들은, 신호가 검출되는 ΔF_r 값들을 각각의 상호상관 결과에 대해 특히 결정하는 것을 목적으로 하는 주파수 분석의 단계 412 의 대상이 된다. 각각의 분석으로부터 생성된 스펙트럼 성분의 레벨은, 도면에서 언급되는 바와 같이, 검출 임계값과의 비교 단계 413 의 대상이 된다. 대응하는 ΔF_r 값들은 검출된 물체의 위치를 결정하기 위한 단계 414 를 생성한다. 이 단계는 예를 들어, 기지의 절차에 따른 ΔF_r 에 기초하여 결정된 선박의 속도 V를 고려함으로써, 물체의 좌표 X 및 Y 를 계산하는 것으로 이루어진다. 이들 좌표는 이용 단계 415 를 생성한다. 후자는, 조작자가 물체가 나타내는 위협을 결정할 수 있도록 콘솔을 통한 디스플레이와, 모니터링 및 자동 회피 장치에 의한 이용으로 이루어질 수 있다.

상당수의 오경보의 발생을 방지하기 위해, 이 방법은 타당하게 (plasubile) 여겨지는 미분 도플러 주파수에 ΔF_d 가 일치하지 않는 지점들을 배제 (rejection) 하게 하는, ΔFr 값들에 기초하여 계산된 ΔF_d 값들에 대한 테스트로 이루어지는 단계 416 를 더 포함할 수 있다. 테스트는 예를 들어, 계산된 ΔF_d 값과 테이블에 제시된 값들과의 비교를 통해 이루어질 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 장치는 선박 특히, 쌍동선 (catamaran) 타입의 고속 선박의 항로 상에 위치한 부유 물체 또는 약간 잠겨 있는 물체의 검출에 의해 야기되는 문제점에 대한 해결책을 제공한다. 이들 물체들은 선박의 변위를 방해하거나 또는 선박을 손상시킬 수 있다. 그러나, 도 5 에 나타내진 바와 같이, 상당한 관성을 갖는 더 느린 물체에도 사용될 수 있다. 이러한 맥락에서, 빠른 물체 (54) 의 접근을 조기에 검출하여 이들 물체를 회피하는 것을 가능하게 한다. 이러한 사용을 위해, 예를 들어, 양단에 위치된 2 개의 송신기 (52) 와 중앙에 위치된 수신기 (53) 을 포함하는 본 발명에 따른 장치가, 선박 (51) 의 에지 각각 상에 설치된다.

여기서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 장치는 선박 상의 구성 요소이며,선박의 항로 상에 위치된 물체의 위치를 결정하고자 한다. 그러나, 아날로그 방식으로, 항구 (port) 에 접근하기 위한 페어웨이 (fairway) 와 같은 고정 설치물 상에 배치되어 예를 들어, 이 페어웨이로 접근하여 진입하기를 원하는 선박에 대하여 양호한 위치결정을 제어할 수 있다.

Claims (8)

1. 선박의 항로 상에 또는 이 항로에 근접한 범위에 위치된 부유 또는 약간 잠겨있는 물체 (13) 의 회피를 상기 선박으로 하여금 가능하게 하는, 선박용 회피 장치로서, 적어도

   - 서로 이격된 2 개의 음향 파 송신기,

   - 수신 대역이 상기 송신기들이 방출 주파수에 적합한, 음향 수신기,

   - 수신된 에코들을 통해, 송신된 파들 각각에 영향을 미치는 도플러 효과의 측정뿐만 아니라 각각의 송신기에 의해 송신된 파들의 전달 시간들의 차이 측정을 수행하는 것을 가능하게 하여, 에코를 리턴했던 물체 (13) 의 위치를 결정하는 수신 신호 프로세싱 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 회피 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 2 개의 송신기 (23, 25) 는 구별되는 주파수 또는 상이한 파형의 파들을 송신하는 것을 특징으로 하는 선박용 회피 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 프로세싱 수단은,

   하나의 반사 파는 제 1 송신기로부터 발생하고 다른 반사파는 제 2 송신기로부터 발생하는, 상기 물체에 의해 반사되는 상기 2 개의 반사 파 사이에 존재하는 도플러 주파수 편이 ΔF_d 와 시간 편차 ΔT 에 대한 계산에 기초하여, 물체의 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 선박용 회피 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 선박용 회피 장치의 애플리케이션으로서,

   상기 2 개의 음향 파 송신기 (23, 25) 가 상이한 선체들 상에 배치되고, 음향 수신기 (29) 는 상기 선체들 중 어느 하나의 선체 상에 배치되는 다선체 선박에 적용되는, 선박용 회피 장치의 애플리케이션.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 선박용 회피 장치의 애플리케이션으로서,

   본 발명에 따른 장치를 각각의 에지 상에 구비하는 선박 (51) 에 고속으로 접근하는 물체의 검출 및 회피에 적용되는, 선박용 회피 장치의 애플리케이션.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 선박용 회피 장치의 애플리케이션으로서,

   본 발명에 따른 하나 이상의 장치를 구비하는 항구의 진입부에서 선박의 위치 결정을 제어하는데 적용되는, 선박용 회피 장치의 애플리케이션.
7. 음향 파를 사용하여, 다선체 선박에 대한 잠겨있는 장애물을 회피하기 위한 장치로서, 적어도,

   - 상기 선체들 중 하나의 선체 상에 위치된 음향 파 송신기,

   - 상이한 선체들 상에 위치된 2 개의 음향 수신기,

   - 상기 수신기들 각각에 의해 수신된 에코들을 통해, 수신 파들 각각에 영향을 미치는 도플러 효과의 측정뿐만 아니라, 2 개의 수신기로의 송신파의 전달 시간 차이의 측정을 수행하는 것을 가능하게 하여, 에코를 리턴했던 물체 (13) 의 위치를 결정하는 수신 신호 프로세싱 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장애물 회피 장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 송신기는 상이한 주파수의 2 개 파를 동시에 송신하며, 각각의 수신기는 상기 송신 주파수들 중 하나의 송신 주파수에 적합한 수신 대역을 갖는, 장애물 회피 장치.

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