KR20070113517A

KR20070113517A - 수중 초음파 원격이탈 제어 시스템

Info

Publication number: KR20070113517A
Application number: KR1020060046487A
Authority: KR
Inventors: 김영진; 정한철; 허경무; 문정숙
Original assignee: 단국대학교 산학협력단; 주식회사 서해수중
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2006-05-24
Publication date: 2007-11-29
Also published as: KR100821264B1

Abstract

본 발명은 해양의 자원과 공간을 이용하기 위하여 해양 탐측 장비를 해저 면에 설치한 다음 수중 초음파 통신을 이용하여 필요시 안전하게 회수하기 위한 수중 초음파 원격제어 이탈 시스템에서 수중음파의 전달에 필요한 매질의 변화와 수심에 따른 온도특성 변화 및 다중 반사파 등 외란요소에 의한 영향을 최소화 하여 수중 초음파 신호를 안정적으로 전송하고 인식할 수 있도록 하여 오동작에 대한 신뢰성을 확보할 수 있는 수중 초음파 원격제어 이탈 시스템을 개시한다.

본 발명은 해양 환경변화에 따른 외란요소에 영향을 받지않고 안정적으로 음파신호를 인식할 수 있는 방식의 회로를 구성하되, 배터리에 의존하여 장시간 운용되어야하는 시스템에 적합하고 신속하게 음파신호를 인식할 수 있도록 하기 위한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 수중 음파신호인식을 위한 수신부에서 1개의 필요주파수 12.5kHz 성분을 추출하기 위하여 RLC 병렬공진회로를 대역통과 필터로 사용하며 대역통과필터를 거친 신호를 배타적 논리합 연산회로에 통과시키면 기준 주파수와 다른 경우와 기준 신호와 위상이 다른 경우를 구분하여 필요 주파수 성분을 추출하는 효과를 얻을 수 있는 배타적 논리합 연산부와 추출된 주파수 성분을 평활회로를 사용하여 직류성분으로 변환하고 기준전압 고정형 비교부에 인가하여 신호의 여부를 판별하도록 된 공지의 것에 있어서, RLC 병렬공진회로 2기를 콘덴서 결합방식으로 결합하여 대역폭과 주파수 선택성이 향상된 대역통과필터와, 필요로 하는 주파수 대역의 신호 성분중 3개의 주파수(33kHz, 35kHz, 38kHz) 성분을 선택할 수 있도록 된 RLC 병렬 공진회로에서 공진시 임피던스가 최대가 되었을 때의 전류가 트랜지스터 구동을 위한 바이어스(Bias)로 사용되는 첨예도가 높은 필요 주파수 선택회로와, 필요 주파수 선택회로에서 출력한 신호성분을 기준전압 가변형 비교부에 인가하여 수신 장치에 도달하는 신호성분의 세기에 따라 기준전압을 보정 제어할 수 있는 기준전압 가변형 비교부를 구비하여서 된 것이다.

이에 따라 본 발명은 배터리에 의존하여 장시간 운용이 가능하고 다양한 해양환경의 변화에 따른 외란 요소에 영향을 받지 않고 안정적으로 음파신호를 인식할 수 있게 되어 심해저에서의 채광분야 뿐만 아니라 군사적인 측면이나 해양연구 또는 연근해의 수자원 확보 및 효율적인 관리를 위하여 탐사선박이나 유.무인 잠수정을 투입하지 않고도 간편하게 다양한 계측장비를 장시간 해양에 위치시킨 후 필요시 회수할 수 있게 되어 심해저의 탐사 및 관리에 소요되는 인력을 줄일 수 있음은 물론 시간과 비용을 크게 절감할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Description

수중 초음파 원격이탈 제어 시스템{The disjoint system by underwater ultrasonic wave}

도1은 수중 초음파 원격이탈 제어 시스템의 전체적인 구성도

도2는 종래의 수중 초음파 원격제어 이탈 시스템 수신부의 구성도

도3은 수중 초음파 원격이탈 시스템의 송신부 구성의 예시도

도4는 본 발명의 수중 초음파 원격제어 이탈 시스템 수신부의 구성도

도5는 필요주파수 선택부의 구성을 예시한 회로도

도6은 기준전압 가변형 비교부의 구성을 예시한 회로도

* 도면의 주요부분에 대한 설명

R1 ~ R3 : 저항

C1 ~ C2 : 콘덴서

L1 : 인덕터

Q1 : 트랜지스터

U1 : OP 앰프

본 발명은 심해저에서의 채광, 군사, 해양연구, 연근해 수자원의 확보 및 효율적인 관리를 위하여 다양한 계측장비를 장시간 해저에 위치시키고 필요시 부상을 위하여 고정된 추로부터 이탈을 제어하는 수중 초음파 원격제어 이탈 시스템에 관한 것이다.

도1에서 보는바와 같이 해저면에 탐사장비를 위치시키고 일정기간이 경과한 후에 이를 회수하기 위한 수중 초음파 원격제어 이탈 시스템의 전체적인 구성을 도시 하였다. 이는 트랜스 듀서로 된 초음파 신호 입력부(100)와, 수신한 신호를 충분한 크기로 증폭하고 디지털 신호로 변환하는 수신부(101)와, 음파를 해석하고 입력된 신호와 미리 저장된 데이터를 비교하여 시스템을 제어 하기위한 중앙제어부(103)와, 각종 동작상태 및 정보를 표시해주는 표시부(102)와, 중앙제어부(103)에서 생성되어 출력한 신호에 의해 응답신호 또는 이탈 신호를 출력하는 출력부(104)와, 시스템 전체에 전원을 공급하기 위한 전원부 공급기(105)로 구성되어 있는 것이다. 아울러 도1의 수신부(101)의 구체적인 구성을 도2로 도시하였다. 이에서 보는 바와 같이 초음파 신호가 입력되는 음파신호 입력부(200)와, 수신된 미약한 신호를 충분한 크기로 증폭하기 위한 신호 증폭부(201)와, 1개의 필요 주파수(12.5kHz) 성분만을 추출하기 위한 RLC 공진회로로 된 대역통과 필터부(202)와, 입력되는 파형의 진폭을 과구동하여 디지털신호로 변환하기 위한 리미터 증폭 부(203)와, 진리값 표에 의해서 2개의 피연산자 중 하나가 '1'이고 다른 하나가 '0'일 때에만 연산의 결과가 '1'이 되는 배타적 논리합 연산부(204)와, 배타적 논리합에 의해 생성된 신호를 적분하기 위한 적분부(205)와, 필요 주파수(12.5kHz)의 성분을 평활회로를 사용하여 직류성분으로 변환하여 기준 신호와 입력된 정보신호를 비교하기 위한 기준전압 고정형 비교부(206)와, 미도시한 중앙제어장치에서 출력한 신호에 의해 이탈장치 구동 및 응답신호를 생성하기 위한 이탈 및 응답신호 생성부(207)로 된 공지의 것에 있어서, 도3에서 예시한 것과 같은 송신부와 전술한 수중 초음파 원격제어 이탈 시스템과의 통신을 위하여 적용한 대역통과 필터부(202)는 1개의 단일 주파수만을 사용하기 때문에 여러개의 공진점이 필요 없으므로 하나의 공진회로만으로 대역 통과 필터를 구성하여 필요한 주파수 성분을 추출하는 방식으로 된 것이다. 또한 배타적 논리합 연산부(204)는 입력된 음파신호를 증폭하고 대역 통과필터를 통과한 신호를 배타적 논리합 연산회로에 통과시키면 연산되어 출력된 결과가 적분회로를 거쳐 기준전압 고정형 비교부에 인가되도록 된 것이다. 또한 기준전압 고정형 비교부(206)는 12.5kHz의 주파수 성분을 평활회로를 사용하여 직류성분으로 변환하고 고정된 기준접압(V_ref)을 사용하는 비교기로 된 것이다.

이러한 종래의 대역통과 필터부(202)는 1개의 단일 주파수만을 사용하기 때문에 여러개의 공진점이 필요 없게 된다. 따라서 하나의 공진회로만으로 대역 통과 필터를 구성하여 필요한 주파수 성분을 추출하고 있는 것이기 때문에 결과적으로 사용 주 파수가 여러 개인 경우는 원하는 성분의 주파수 성분을 송신 및 수신부에서 하드웨어에서 추가로 설정 하여야 하는 불편한 점과 신호에 전체적인 왜곡이 발생할 경우 오류 가능성이 높게 되는 문제점이 있으며, 배타적 논리합 연산부(204)는 주파수 성분 추출 효과를 얻을 수는 있지만 필요 주파수 성분이 정확히 추출되지 못하여 매질의 변화와 반사파에 의한 영향을 받은 음파 신호를 해석하고 판별하는 데에는 부정확한 문제점이 있으며, 기준전압 고정형 비교부(206)는 비교 기준 전압(V_ref)이 고정되어 있어 기준전압을 너무 높게 선정하면 입력신호 음파가 도달하여 증폭되고 추출되어도 기준전압 이하의 신호로 나타나면 무신호 조건으로 판단하고, 비교 기준전압을 너무 낮게 선정하면 외란성 노이즈 성분이 증폭되어 동작 오율이 증가하는 원인으로 작용하는 문제점이 있는 것이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 초음파를 이용한 발신부와 수신부 간의 통신과정에서 혼입되는 환경잡음 및 외란에 대한 영향을 최소화 할 수 있는 수중 초음파 원격제어 이탈 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 송신부로부터 발신된 초음파를 수신부의 트랜스듀스를 통하여 수신하고 수신된 초음파를 충분한 크기로 증폭하기 위한 신호증폭부와 전송되어 온 수중음향신호를 RLC 병렬공진회로 2기를 콘덴서 결합방식으로 결합하여 대역폭과 주파수 선택성이 향상된 대역통과 필터를 설계하여 필요주파수 대역 30-40kHz의 신호성분 만을 통과 시킬 수 있도록 구성하였다. 또한 대역 통과필터를 통과한 신호 성분중 중간주파수(35kHz) 성분의 세력을 보강하기 위하여 2차 신호 증폭부에 의해 전체 신호를 재차 증폭하여 중간 주파수 성분을 추가로 추출하여 전체적으로 이상적인 대역통과 필터에 근접하는 성능을 나타내는 3단계 대역통과필터를 설계하였다. 또한 필요주파수 선택부에서 필요로 하는 주파수 대역의 신호 성분중 3개의 주파수(33kHz, 35kHz, 38kHz) 성분만을 선택할 수 있도록 한 RLC 병렬공진 회로에서 공진시 임피던서가 최대가 되는 특성을 트랜지스터 구동을 위한 바이어스(Bias)로 사용하여 첨예도(Q=160)가 높은 필요주파수 선택회로를 설계하여 적용하였다. 또한 기준신호와 입력된 정보신호를 비교하기 위한 수중음파신호 검출 비교부에서 비교전압(V_ref)을 수신장치에 도달하는 신호성분의 세기에 따라 보정 제어할 수 있는 기준전압(V_ref) 가변형 비교기 회로를 설계하여 입력되는 신호성분의 레벨이 높거나 낮아지는 변동에 따라 비교기준전압도 가변되어 안정적인 출력레벨을 얻을 수 있도록 함으로서 신호성분의 저감 및 신호세기의 변동에 따른 동작오율의 발생을 방지할 수 있는 수중 초음파 원격이탈 제어 시스템을 제안한다.

이에 따라 본 발명은 심해저에서의 채광분야 뿐만 아니라 군사적인 측면이 나 해양연구, 연근해 수자원의 확보 및 효율적인 관리를 위하여 수중 초음파 원격이탈 제어 시스템을 이용함에 있어서 환경잡음 등 외란 요소에 영향을 받지 않는 안정적인 음원인식을 할 수 있으므로 측정 장비의 신뢰성을 크게 높여 저소비 전력형으로 설계하여 배터리에 의존하여 장비의 분실우려 없이 장시간 운용이 가능하게 되는 효과가 있는 것이다.

이러한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도4는 본 발명의 수중 초음파 원격제어 이탈 시스템 수신부의 구성도이다.

이에서 볼 수 있는 바와 같이 트랜스듀스로 된 음파신호 입력부(300)를 통해 입력된 미약한 초음파 신호는 증폭부(301)에서 충분한 크기로 증폭된 다음 RLC 병렬공진회로 2기를 콘덴서 결합방식으로 결합하여 대역폭과 주파수 선택성이 향상된 대역통과 필터부(302)에 인가하여 필요 주파수 대역 30-40kHz의 신호성분만을 통과 할 수 있도록 하였으며 이를 통과한 신호 성분 중 35kHz의 중간주파수 성분의 세력을 보강하기 위하여 전체 신호를 재차 증폭하고 중간주파수 성분을 추가로 추출하여 전체적으로 이상적인 대역통과 필터에 근접하는 성능을 나타내도록 하였다. 또한 대역통과 필터부(302)를 통과한 신호성분은 입력되는 파형의 진폭을 과구동하여 디지털신호로 변환하기 위한 리미터 증폭부(303)를 통과하여 필요주파수 선택부(304)에 인가된다.

필요주파수 선택부(304)에서는 RLC 병렬공진회로(305)에 의해 필요로 하는 주파수 대역의 신호성분 중 3개의 주파수 즉, 33kHz, 35kHz, 38kHz 성분만 선택되어 필요주파수 선택부(306)로 출력된다. 이러한 본 발명에서 필요주파수 선택부(304)의 구 체적인 구성 예를 도5로 도시하였다.

이에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명은 리미터 증폭부(303)을 통과한 신호성분은 저항(R1)과 콘덴서(C1)과 인덕터(L1)으로 된 RLC 병렬공진회로에 인가되고 콘덴서(C1)과 인덕터(L1)의 값에 의해 공진 임피던스가 최대가 되었을 때 저항(R1)을 통과하는 전류로 하여금 필요 주파수 출력 트랜지스터(Q1)을 구동하기 위한 바이어스(Bias)로 사용하여서 첨예도(Q=160)가 높은 필요 주파수 선택회로가 되는 것이다. 또한 이와 같은 필요주파수 선택회로는 3개를 설계하여서 필요 주파수 33kHz와 35kHz와 38kHz의 신호성분 중 각각 하나씩의 주파수만 선택할 수 있도록 공진 임피던스가 최대가 되도록 조정하여 출력하게 되는 것이다.

이와 같이 필요주파수 선택부(304)를 통과한 신호는 적분부(307)에서 고주파나 노이즈 성분은 적분되어서 기준전압 가변형비교부(308)에 인가되며 기준전압 가변형비교부(308)의 구성을 예시한 회로도를 도6에 도시하였다.

이에서 볼 수 있는바와 같이 OP 앰프(U1)의 반전입력단자(-)에 필요주파수 선택부(304)로부터 입력되는 신호가 없을 때 반전입력단자(-)와 전원전압(Vcc)측 사이에 연결된 저항(R8)과 어스(GND)와의 사이에 연결된 저항(R9)에 의하여 분압된 전원전압(Vcc)로 아래의 식(1)에 의해 기준전압(

)을 얻고 있다.

(1)

*

는 전원전압(Vcc)

또한 입력신호전압(

)는 OP 앰프(U1)의 비반전입력단자(+)에 필요주파수 선택부(304)로부터 입력되는 신호가 있을 때 비반전입력단자(+)의 입력측 저항(R6)와 어스(GND)와의 사이에 연결된 저항(R7)에 의하여 아래의 식(2)에 의해 입력신호전압(

)를 얻고 있다.

(2)

*

는 입력신호 전류(필요주파수 출력트랜지스터(Q1)의 콜렉터 전류)

한편 OP 앰프(U1)의 반전입력단자(-)에 필요주파수 선택부(304)로부터 입력되는 신호가 있을 경우 기준전압(

)과 입력신호 전압(

)이 합해진 가변형 기준전압(

)를 만들수 있도록 구성한 것으로서, OP 앰프(U1)의 반전입력단자(-)와 전원전압(Vcc)측 사이에 연결된 저항(R8)과 어스(GND)와의 사이에 연결된 저항(R9)와 신호입력측 저항(R4)로 된 회로에서 아래의 식(3)에 의하여 분압된 전원전압(Vcc)과 필요주파수 선택부(304)로부터 인가된 입력신호 전압(

)가 합해진 가변형 기준전압(

)을 얻고 있다.

(3)

이와같은 방식으로 된 기준전압(

)은 반전입력단자(-)에 입력되는 신호성분의 세기에 따라 가변형 기준전압(

)으로 가변되는 것이어서 매질이나 반사파의 영향으로 인하여 수신기에 도달하는 신호의 세기가 낮을 때에는 비반전입력단자(+)에 입력되는 신호성분의 레벨이 낮을 뿐만 아니라 반전입력단자(-)에 입력되는 신호성분도 낮아짐으로 역시 가변형 기준전압(

)도 낮아지므로, 그 증폭도가 증가하므로, 신호 성분이 충분한 크기의 적당한 레벨로 되도록 할 수 있게 된다.

아울러, 수신기에 도달하는 신호의 세기가 높을 때에는 비반전입력단자(+)에 입력되는 신호성분의 레벨이 높을 뿐만 아니라 반전입력단자(-)에 입력되는 신호성분도 높으므로, 역시 가변형 기준전압(

)도 높아져 기준전압이상의 신호성분에 대해서만 출력신호로 나타나게 되어 입력되는 신호성분의 변화에 능동적으로 대응할 수 있게 되는 것이다.

이와 같이 기준전압 가변형 비교부(308)에서 출력된 신호는 미도시한 중앙제어부에 내장된 이탈 및 응답신호 생성부(309)에 인가하여 미리 저장되어 있는 알고리즘(algorithm)에 따라 신호 처리, 해석하여 판독 결과에 따라 응답신호를 출력하거나 이탈제어 신호를 출력하게 된다.

이에 따라 본 발명은 심해저에서의 채광분야 뿐만 아니라 군사적인 측면이나 해양연구, 연근해 수자원의 확보 및 효율적인 관리를 위하여 수중 초음파 원격이탈 제어 시스템을 이용함에 있어서 환경잡음 등 외란 요소에 영향을 받지 않는 안정적인 수신이 가능하게 되므로, 오동작에 의한 부상(浮上)등을 방지하여 장비 손실이나 확보 데이터의 손실을 예방하여 경제적 피해를 방지할 수 있게 되는 유용한 효과가 있다.

Claims

초음파 신호가 입력되는 음파신호 입력부(200)와, 수신된 미약한 신호를 충분한 크기로 증폭하기 위한 신호 증폭부(201)와, 대역통과 필터부(202)와, 진폭을 과구동하여 디지털신호로 변환하기 위한 리미터 증폭부(203)와, 배타적 논리합 연산부(204)와, 배타적 논리합에 의해 생성된 신호를 적분하기 위한 적분부(205)와, 기준 신호와 입력된 정보신호를 비교하기 위한 기준전압 고정형 비교부(206)와, 이탈장치 구동 및 응답신호를 생성하기 위한 이탈 및 응답신호 생성부(207)로 된 공지의 것에 있어서,

전술한 리미터 증폭부(303)을 통과한 출력을 RLC 병렬공진회로(306)을 거쳐서 필요주파수 출력부(306)에 인가하여 복수개의 주파수 출력을 얻고, 신호 성분 출력을 적분부(307)를 거쳐서, 각각 기준전압 가변형 비교부(308)에 인가되도록 하며, 그 출력이 미도시한 중앙제어부에 내장된 이탈 및 응답신호 생성부(309)에 인가되도록 하는 것을 특징으로 하는 수중 초음파 원격제어 이탈 시스템
청구항1에 있어서,

전술한 필요주파수 출력부(306)는 RLC 병렬공진회로(305)에 의하여 복수개의 주파수 대역의 신호성분을 구분 출력시키는 것을 특징으로 하는 수중 초음파 원격제어 이탈 시스템.
청구항2에 있어서,

전술한 필요주파수 출력부(306)는 RLC 병렬공진회로(305)에 의하여 복수개의 주파수 대역의 신호성분을 각각의 필요 주파수 출력부(306)에 의하여 추출, 증폭 출력시키는것을 특징으로 하는 수중 초음파 원격제어 이탈 시스템
청구항1에 있어서,

입력신호에 해당하는 주파수 성분 신호가 전술한 적분부(307)를 거쳐서 기준전압 가변형 비교부(308)의 비반전단자(+)에 인가되도록 하고, 나머지 주파수 성분 신호가 저항값에 의하여 공급되는 기준 전압에 더하여져 조정된 레벨 신호로 기준전압 가변형 비교부(308)의 반전단자(-)에 인가되도록 하여 기준전압 가변형 비교부(308)의 기준전압 레벨이 입력되는 신호세기에 따라 능동적으로 적응하는 것을 특징으로 하는 수중 초음파 원격제어 이탈 시스템