KR20090009726A - 음향 방출 목표물의 거리 및 위치를 수동적으로 결정하기위한 방법 및 소나 시스템 - Google Patents

음향 방출 목표물의 거리 및 위치를 수동적으로 결정하기위한 방법 및 소나 시스템 Download PDF

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게리트 플뤼메케
우도 샤움부르크
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아틀라스 엘렉트로닉 게엠베하
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Abstract

본 발명은 제1 소나 서브시스템(21)에 할당된 제1 수신 안테나를 이용하여 적어도 음향 방출 목표물(11)의 위치 및 거리를 수동적으로 결정하기 위한 방법에 관한 것으로서, 제1 소나 서브시스템은 음파를 수신하여 수신 전기 신호를 생성하는 일렬로 정렬된 복수 개의 전기음향 변환기를 구비하고 있다. 추정 거리값을 결정하기 위해 제1 수신 안테나(12)는 수직으로 배향되고 수평면과 목표물(11) 사이의 수직으로 놓여지는 앙각 ξ2 이 정해진다. 이런 식으로 고도(높이) 분해능을 갖는 제1 소나 서브시스템(21)이 구해진다. 또한 복수 개의 전기음향 변환기를 가진 제2 소나 서브시스템(22)의 제2 수신 안테나(23)가 사용된다. 이 제2 소나 서브시스템(22)은 방위 분해능을 갖는 소나 서브시스템이며 이 소나 서브시스템에 의해서 수평면(15) 상의 수평 방위 각이 수평면상의 기준 방향과 목표물(11) 사이에서 정해진다. 목표물(11)까지의 거리 A의 추정값은 제1 수신 안테나의 음향 중심의 깊이 T+D을 고려해서 앙각 ξ2 과 수직 위치에서 결정된다. 다음에 목표물의 위치는 추정 거리값과 수평 방위 각으로부터 결정된다.
본 발명은 또한 대응 구조의 소나 시스템에 관한 것이다.

Description

음향 방출 목표물의 거리 및 위치를 수동적으로 결정하기 위한 방법 및 소나 시스템{METHOD FOR PASSIVELY DETERMINING AT LEAST DISTANCE TO AND THE POSITION OF A SOUND-EMITTING TRAGET AND SONAR SYSTEM}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 음향 방출 목표물의 적어도 거리 및 위치를 수동적으로 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 청구항 8의 전제부에 따른 소나 시스템(sonar system)에 관한 것이다.
수중음(water-borne sound) 기술에 있어서, 각종 안테나를 갖춘 선박에서 소나 시스템이 사용되며, 원거리 상의 목표물의 방향을 검출하여 알아내기 위해 안테나와 결합된 소나 서브 시스템이 사용된다. 그러나 목표물 방위 이외에 목표물 거리 또한 중요하다.
독일 특허 제198 25 271 C1호에는 목표물 거리를 결정하기 위한 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 또한 방위를 결정하기 위해 통상 사용되는 선형 안테나를 이용하며 거리를 결정하기 위한 관련 신호 처리 방법을 이용하고 있다. 이를 위해 포커스 신호가 만들어지며, 포커스 신호의 초점은 목표물에 대한 방위 각상에서 정렬된다. 최상위 값을 가진 포커스 신호에 의해 목표물의 위치가 식별된다. 이런 식으 로 목표물의 거리를 정해할 수 있다.
미국 특허 제4,910,719호에는 목표물의 거리를 결정하기 위한 또 다른 방법이 개시되고 있다. 동 특허에서 변환기 장치가 사용되며, 변환기 장치에는 잠수 선박의 한 측면에서 일렬로 소정의 간격으로 3개의 센서가 정렬되어 있다. 입사 음파의 각각의 곡면의 파면(wavefront)이 음파의 입사 방향과 잠수 선박의 거리에 따른 시간차로 3 개의 센서에 도달한다. 상관 관계에 의해서 정해지는 시간 간격으로부터 목표물의 위치가 거리 및 방위에 기초해서 정해진다.
목표물 거리는 통상 선박에 설치된 플랭크 안테나와 선박에 의해서 예인되는 길이가 긴 예인 어레이 안테나의 도움으로 실행되는 교차 방위(cross bearing)에 의해서 또한 결정된다. 예인 어레이 안테나의 음향 중심은 필수적으로 플랭크 안테나의 대응 음향 중심과 동일한 물의 깊이에 놓여 지는데 이는 예인 어레이 안테나가 필수적으로 잠수함 후방에서 수평으로 예인되기 때문이다.
이러한 예인 어레이 안테나는 선박 후방에서 케이블 상에서 예인된다. 그의 음향 중심이 선박에 영구 설치된 플랭크 안테나 후방 공지 거리에 위치한다. 이러한 거리에 기초해서 안테나 분리 거리 및 2 개의 상이한 방위 각을 알고, 목표물 거리를 추정할 수 있도록 목표물에 대한 2개의 상이한 방위 각이 두 안테나 시스템에 의해서 결정될 수 있다.
또한, 상이한 섹션을 이용하여 이격된 음향 중심을 갖는 다수의 부분 안테나를 형성하기 위해 교차 방위를 실행하는 플랭크 안테나 섹션만이 또한 사용된다. 그러나 이러한 교차 방위의 정확도 및 그에 따른 목표물 거리 추정은 플랭크 안테 나의 부분 안테나의 거리가 짧기 때문에 수신 안테나에서 목표물의 거리에 따라서 현저히 감소한다.
그러나, 예인 어레인 안테나는 선박이 휴식 중일 때 무거운 후미부분으로 인해 선박이 가라 않으므로 이동하는 선박의 방향, 특히 교차 방위를 찾기 위해 통상 사용된다. 이는 예인 어레이 안테나의 후미부분에는 예인 어레이 안테나를 안정화하기 위해 특정 무거운 물건이 설치되기 때문이다. 특히 가능하다면 예인 어레이 안테나가 직선 방향을 갖도록 선박이 이동중일 때 예인 어레이 안테나는 이 무거운 물건에 의해서 인장 상태를 유지하도록 의도된다. 이는 이러한 무거운 후미부분 없이는 예인 어레이 안테나에 의해서 수신된 신호들이 더 이상 정확하게 평가될 수 없어 예인 어레이 안테나가 파형 구조를 갖는 위험이 있기 때문이다.
그러나, 무거운 후미부분은 선박이 멈출 때 예인 어레이 안테나를 당기게 되는 단점을 갖는다. 그러나, 예인 어레이 안테나와 그에 연결된 소나 시스템은 예인 어레이 안테나의 수평 방향으로 설계되므로, 깊이로 가라앉은 예인 어레이 안테나에 의해서 구한 수신 신호들은 통상의 소나 시스템에 의해서 더 이상 유익하게 평가될 수가 없다. 이는 예인 어레이 안테나에 의해서 형성된 방향성 기능부가 예인 어레이 안테나의 침몰에 의해서 현저히 손상되기 때문이며, 수평 분해능을 갖는 예인 어레이 안테나의 방향성 기능부의 의도 방향이 완전히 소실된다.
따라서 가라앉은 예인 어레이 안테나에 의해서 교차 방위를 구하는 것은 통상적으로 사용되는 소나 시스템으로는 가능하지가 않다. 그러므로 예인 어레이 안테나는 선박이 정지하고 있을 때 정규적으로 검색된다. 이 상태에서 일반적으로 예 인 어레이 안테나는 사용 불가능하며 대신에 예인 어레이 안테나가 예컨대 표류 물체와 충돌하거나 해저를 터치함으로써 손상을 입을 위험이 존재한다.
그럼에도 불구 하고, 독일 특허 제198 25 886 C2 호에 따르면 동 특허는 목표물의 거리를 이미 알고 있을 때 목표물의 깊이 각에 의해 목표물의 침수 깊이를 결정하기 위해 수평에 대해서 90°까지의 경사 위치로 예인 어레이 안테나를 틸트하기 위해 목표물의 침수 깊이를 결정하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 동 특허는 목표물의 거리를 결정하는 방법에 대해서는 상세하게 설명하고 있지 않다. 여하튼, 경사 예인 어레이 안테나는 단지 잠수 깊이를 결정하기 위해서만 사용된다. 90°의 예인 어레이 안테나의 경사로 인해 소나 시스템은 고도의 분해능을 갖게 되어 결과적으로 동 특허는 본 발명의 분야와 관련이 있는 문서이다. 그러나 동 특허에서 목표물 거리를 결정하는 데 있어서 실제적인 정보는 없다.
또한 미국 특허 제 5,034,930 호에서 선형 안테나는 수직으로 정렬되며 목표물의 거리 근사치가 안테나와 안테나의 수중 깊이에 대한 수직음 입사각으로부터 계산된다. 이 계산은 해저 상에 음속(소리 빔)이 한번 반사하는 경우 수평에 대해서 음속의 입사각의 탄젠트로 수중 깊이를 둘로 나눔으로써 행해진다. 그러나 이러한 방법은 깊은 수중에 대해서만 유효하다. 즉 수신 안테나의 잠수 깊이와 목표물의 잠수 깊이보다 현저하게 깊은 수중 깊이에 대해서 유효하다. 그러나 수직음 입사각은 목표물에 대해서 수직각(앙각)이 아니라 반사로 인해 앙각과 현저히 차이가 나는 각이며, 그 차이는 해저에 대한 음속의 반사수 및 수중 깊이에 의해서 지배된다.
또한, 미국 특허 제 4,312,053 호는 잠수 물체의 깊이와 거리의 계산에 관한 것으로서, 여기서는 다경로 전파가 발생할 때 음속의 입사각을 이용한다.
마지막으로 미국 특허 제 5,357 484 호는 수직 정렬 선형 안테나를 개시하고 있으며, 선형 안테나는 해저에서 수면으로 연장하고 그의 길이로 인해 수면 레벨이 변화하지 않는 고정 위치에 대해서만 적합하다.
본 발명은 목표물, 특히 정지 선박의 거리 추정을 위해 추가 시스템에 의해서 목표물의 거리 및 위치를 결정하는 개선된 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 하고 있다.
이러한 목적은 청구항 1에 따른 방법의 특징들과 청구항 8의 특징들을 갖는 소나 시스템에 의한 본 발명에 의해서 달성된다.
본 발명은 일렬로 정렬된 복수 개의 전기음향 변환기를 가진 수직 지향 제1 수신 안테나가 선박에서 목표물에 이르는 추정 거리값을 결정하기 또한 적합함을 인식하였다. 이를 위해 수평 방향의 선박의 정상적인 순항 모드에서 정상적으로 수신 안테나는 수직으로 배향된다. 이 수신 안테나의 음향 중심은 예컨대 선박 아래 수백 미터이다. 수신 안테나에 의해서 음향 중심을 통해 연장하는 수평면과 목표물 사이의 수직면에 놓이는 앙각이 결정된다. 이것에 의해 제1 소나 시스템은 고도 분해능을 갖게 된다. 목표물에 대한 추정 거리값이 이와 같이 구한 앙각과 수직 위치, 특히 목표물의 잠수 깊이에 따라서 그리고 수신 안테나의 음향 중심의 깊이를 고려하여 형성된다.
이러한 소나 서브시스템에는 수평 방향을 알기 위해 인장형 수신 안테나를 통상 이용하는 데, 인장형 수신 안테나는 본 발명에 따른 수평적으로 지향되지 않고 대신에 수직적으로 지향된다. 이처럼 본 발명은 장비에 현저한 비용을 추가하지 않고 거리 추정을 제공할 수 있는 소나 시스템을 위한 추가 소나 서브시스템을 간단한 수단에 의해서 유익하게 생성한다.
또한, 본 발명에 의하면, 음파를 수신하고 전기 수신 신호를 발생하는 복수개의 전기음향 변환기를 갖춘 제2 소나 서브시스템의 제2 수신 안테나가 제공된다. 제1 소나 서브시스템은 고도 분해능을 가진 소나 서브시스템이며, 제2 소나 서브시스템은 방위 분해능을 가진 소나 서브시스템이고, 제2 소나 서브시스템에 의해서 수평면상의 기준 방위, 특히 북쪽 방향과 목표물 간의 수평면 상의 수평 방위 각이 정해진다.
적어도 안테나의 수신 지역에서 오직 하나의 목표물 방출 음향이 있거나 추정 거리값과 수평 방위 각 사이에 어떤 다른 신뢰할 수 있는 연결 관계가 이루어지는 경우, 목표물의 위치는 이런 식으로 결정된 추정 거리값과 수평 방위 각으로부터 결정될 수 있다. 이러한 위치 알기 프로세스는 예컨대 위도 및 경도의 형태로 목표물의 지리적 위치 및/또는 상대 위치, 즉 하나의 소나 서브시스템에 대한 혹은 하나의 수신 안테나에 대한 목표물의 위치를 유리하게 결정한다. 그러므로 양호한 소나 시스템은 추정 거리값과 수평 방위 각으로부터 목표물 위치를 결정하는 수단을 가진다.
인장형 제1 수신 안테나는 선형 안테나, 특히 선박 후방에서 예인되는 예인 어레이 안테나가 바람직하다. 이러한 예인 어레이 안테나는 긴 길이와 긴 예인 케이블을 갖는다는 장점이 있다. 이것에 의해 선박과 제1 수신 안테나의 음향 중심 사이에서 긴 수직 거리를 생성하는 것이 가능하다.
예인 어레이 안테나는 회전 대칭 방향 특성을 형성한다. 안테나의 개개의 주 수신 방향과 관련해서, 이러한 방향 특성은 원추형 엔밸로프 형태로 형성된다. 이러한 맥락에서 개개의 원추형은 수직 지향 수신 안테나의 경우 수직 상방으로 또는 하방으로 개방한다.
제2 수신 안테나는 선박에 영구 설치된 안테나, 특히 플랭크 안테나, 원통형 베이스 또는 말굽형 베이스가 좋다. 이러한 안테나 시스템은 통상 어떻튼 적절한 선박에서 이용 가능하다. 안테나 시스템은 수평 분해능을 가진 소나 서브시스템을 제공하기 특히 적합하다.
거리를 정확하게 나타내기 위해, 목표물이 선박 표면인 일실시예에서 이와 같이 알려진 수직 위치는 수면에 대응한다고 가정한다. 다음에 추정 거리값은 대응 방향 특성의 앙각에 기인한 원추형 엔밸로프와 수면의 평면부와의 교차점으로부터 구해진다.
그러나 목표물이 선박 표면이 아니라 잠수함이면, 추정 거리값을 결정할 수 있기 위해 앙각 이외에 이 목표물의 깊이 또한 필요하다. 이 깊이는 독일 특허 출원 제 40 41 590 A1 호에 개시되어 있는 바와 같이 추가 소나 서브시스템에 의하여 혹은 수신 안테나의 종축의 다른 방향과의 수신각을 측정함으로써 결정된다. 이때 추정 거리값은 앙각에 기인한 원추형 엔밸로프와 목표물의 깊이에 대응하는 수평면과의 교차점으로부터 구해진다.
양호한 실시예에 있어서, 제1 수신 안테나의 목표물에 할당된 수신 신호는 전처리 후 제1 소나 서브시스템에 할당된 제1 스펙트럼을 발생하도록 제1 스펙트럼 분석된다. 이를 위해 제1 소나 서브시스템은 신호 처리 장치 및 스팩트럼 분석 장치를 가진다.
이는 대응적으로 제2 소나 서브시스템에도 적용된다. 즉, 전처리 후, 제2 수신 안테나의 목표물에 할당된 수신 신호는 제2 소나 서브시스템에 할당된 제2 스펙트럼을 생성하도록 제2 스펙트럼 분석된다. 이를 위해 제2 소나 서브시스템은 또한 신호 처리 장치 및 대응 스펙트럼 분석 장치를 가진다.
이런 식으로 구한 제1 소나 서브시스템 및 제2 소나 서브시스템의 스펙트럼은 비교기에 의해서 비교되고 스펙트럼 특징에서 스펙트럼의 대응관계가 결정된다. 스펙트럼 특징의 대응관계를 알면, 제1 소나 서브시스템에 의해서 구해진 추정 거리값은 제2 소나 서브시스템에 의해서 구한 수평 방위 각에 할당된다.
이런 식으로 수평 목표물 방위 각이 추정 거리값에 할당 가능하다. 예컨대, 스펙트럼 분석에 의해 2 개의 상이한 수신 안테나를 통해 얻은 신호는 동일한 프로펠러에 의해서 생성됨을 알 수가 있다. 예컨대 스펙트럼의 대응 주파수대의 유사한 스펙트럼 라인에 의해서 이것이 분명하다.
이 특정 실시예는 신속히 수행 가능한 거리 추정이 정지 선박에 대해서도 수행 가능한 이점을 가진다.
제2 수신 안테나는 선박에 영구 설치된 안테나, 특히 플랭크 안테나, 원통형 베이스 또는 말굽형 베이스일 수 있다. 이들 안테나 시스템은 어쨌든 대응 선박에서 정규적으로 이용 가능하다. 이들 안테나 시스템은 수평 분해능을 가진 소나 서브시스템을 제공하기 특히 적합하다.
특정 실시예에 있어서, 추정 거리 값 및 구한 수평 방위 각은 디스플레이 장치, 특히 스크린 상에 출력되며, a) 스펙트럼 특징의 대응관계를 알고 있는 경우, 수평 방위 각과 추정 거리값의 마크가 출력되며, b) 스펙트럼 특징의 대응관계를 모르는 경우, 추정 거리값 없이 수평 방위 값의 마크가 출력되고, c) 스펙트럼 특징의 부분적인 대응관계를 알고 있는 경우, 수평 방위 각의 마크 표시와 다수의 거리 마크가 디스플레이 장치에서 출력된다. 다수의 거리 마크를 출력하는 것은 거리 추정의 모호성을 표시하는 것이다. 이러한 맥락에서 추정 거리 값과 수평 방위 각은 스펙트럼 특징이 단지 부분적인 대응관계인 경우 다수의 거리 마크의 스포크형 라인을 보여주는 상기 관점에 대응하는 2 차원 위치 표시로 양호하게 출력된다.
또한 종속 청구항으로부터 양호한 실시예들이 파악되며 이에 대해서는 첨부 도면을 참조하여 이후 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 방향 찾기 방법 및 소나 시스템에 의해 수평 및 수직 분해능 기능이 있는 소나 서브시스템은 소나 위치가 이를 위해 별개의 조치를 수행하는 대응의 선박 없이 실제 시간으로 구축될 수 있도록 수신 스펙트럼을 통해 서로 결합된다. 이것은 적군의 소재 위치로부터 탈출하기 위해 유익하다.
도 1은 잠수 선박(10)이 선박 표면(11)을 찾기 위해 시도하는 바다에서 전형의 위치를 수직 단면으로 도시하고 있다. 이러한 위치 찾기는 수동적으로 양호하게 행해진다. 즉 잠수 선박(10)은 선박 표면(11)을 찾기 위해 임의의 음파를 내보내지 않는다. 대신에 선박 표면(11)에서 방사하는 음파를 잠수 선박(10)의 소나 시스템이 포착하여 신호 처리 후 평가한다. 소나 시스템은 방출 음향의 방향, 즉 음향 생성 또는 음향 반사 목표물을 찾을 수가 있다. 이 실시예에서 수평 방위 각은 기준 방향, 특히 북쪽에 대해서 수평면에 놓인 선박 표면(11)의 각을 규정한다. 이 각을 또한 방위각이라 한다.
이용된 잠수 선박은 특히 잠수함이다. 그러나 본 발명은 잠수함에 제한되지 않는다. 본 발명은 무인 잠수 선박에서도 이용 가능하다. 또한 본 발명은 잠수 선박의 소나 시스템에 제한되지 않고 선박 표면의 소나 시스템에서도 이용 가능하다.
또한, 본 발명은 놓여질 목표물 표면의 목표물 거리 또는 목표물 데이터를 결정하는 것에 제한되지 않고 잠수 선박의 목표물 데이터 또는 목표물 거리를 결정하는데도 이용 가능하다.
잠수 선박(10)은 수직으로 플렉시블한 인장형 엘리먼트(13), 특히 케이블, 또는 케이블 또는 체으로 잠수 선박(10)에 연결되는 예인 어레이 안테나(12)를 갖고 있다. 인장형 엘리먼트(13)는 예인 어레이 안테나(12)와 잠수 선박 사이에서 단지 기계적인 연결부로서 사용될 뿐만 아니라 예인 어레이 안테나(12)에 위치한 전기음향 변환기의 수신 신호의 데이터 전송을 위해서도 사용된다.
예인 어레이 안테나는 무거운 단부, 소위 잠수 선박이 정지할 때 수직 위치로 예인 어레이 안테나를 지향하는 후미부(14)를 갖고 있다.
예인 어레이 안테나(12)는 등간격으로 배열된, 즉 서로 열로 등거리로 배열된 복수 개의 전기음향 변환기를 구비하고 있다. 이 실시예에서 모든 전기음향 변 환기는 직선을 따라 양호하게 배향된다. 전기음향 변환기는 음향적으로 투명한 봉인체에 의해서 완전히 덮혀진다. 전기음향 변환기에 의해 예인 어레이 안테나(12)는 음원 형성 목표물, 예컨대 선박 표면(12)에 의해서 방출되는 입사음을 수신하고 물에서 전파한다.
정상 동작 시, 예인 어레이 안테나(12)는 예인 어레이 안테나(12)가 수중 선박과 동일한 수평면(15)에서 위치하고 수평적으로 배향하는 방식으로 잠수 선박 후방에서 끌어 당겨진다.
예인 어레이 안테나(12)는 예인 어레이 안테나(12)를 따라 전기음향 변환기 전체의 지오메트릭 중심에 대응하는 음향 중심(16)을 가진다. 이 음향 중심은 잠수 선박(10)의 수평면(15)으로부터 일정 거리 D에 위치한다. 거리 D는 수백 미터이다. 예컨대, 거리 D는 300 내지 500 미터 범위 내이다.
그러나, 거리 D는 가변적이다. 특히 잠수 선박(10)으로부터 예인 어레이 안테나(12)의 거리 D는 플레시블한 엘리먼트(13)을 연장하거나 끌어들여서 변경 가능하다. 이를 위해 잠수 선박(10)은 예인 어레이 안테나(12)를 연장하거나 끌어들일 수 있는 대응 윈치를 갖고 있다. 또한, 잠수 선박(10)은 거리 D를 결정하기 위한 수단을 갖고 있다. 이 수단은 예컨대 연장된 플렉시블 엘리먼트 길이 또는 예컨대 윈치의 회전 수를 획득한다. 이처럼 결정된 거리 D는 후속 방향 찾기 또는 목표물 데이터 생성 시 처리된다.
이후 보다 상세히 설명되는 신호 처리 장치의 전자 장치들에 기초해서, 상이한 수직 방위 각 또는 앙각의 방위는 각각 예인 어레이 안테나(12)에 의해서 취해 질 수 있다. 이것이 음향적 방위 빔(17,18,19)이 된다. 방위 빔(17)은 앙각 ξ1으로 설계된 수직 방위를 갖는 예인 어레이 안테나(12)의 방향 특성과 관련이 있다. 방위 빔(18)은 앙각 ξ2 또는 수직 방위 각과 관련이 있다. 대응적으로 방위 빔(19)은 수직 방위 각 또는 앙각 ξ3 과 관련이 있다.
선박 표면(11)은 방위 빔(18,19) 지역에 위치하며, 방위 빔(17)은 선박 표면(11)을 지나는 것을 목표로 하고 있다. 그러므로 잠수 선박(10)에 제공된 소나 시스템의 신호 처리 장치는 방위 빔(18,19)에 속하는 방향 패턴 내에서 구별의 신호들을 수신한다. 비교에 의해 오직 매우 낮은 신호 레벨 만이 방위 빔(17)에 속하는 방향 패턴에 의하여 수신될 수가 있거나 전혀 어떤 신호도 수신이 불가능하다.
선박이 움직이는 경우 가장 강한 신호가 프로펠러에 의해서 생성된다. 그러므로 가장 강한 신호는 방위 빔(18)에 속하는 방향 패턴을 통해서 포착된다.
잠수 선박(10)은 계속해서 그의 잠수 깊이 T 및 그에 따른 깊이 게이지를 통한 수평면(15)의 깊이를 결정한다. 또한, 잠수 선박은 예인 어레이 안테나(12)의 음향 중심(16)의 거리 D를 결정한다. 전반적으로 음향 중심(16)의 깊이 또는 바다 표면으로부터 수직 거리는 또한 합 T+D로서 알려져 있다. 방위 빔(18)에 속하는 소나 시스템의 앙각 ξ2이 또한 공지이므로, 잠수 선박(10)과 선박 표면(11) 사이의 수평 거리(11)는 다음의 식, 즉
A = (D + T)/tan ξ2
에 따라서 삼각 계산에 의해서 계산된다.
제1 소나 서브시스템을 형성하는 예인 어레이 안테나와는 별개로, 잠수 선박은 제2 소나 서브시스템의 제2 수신 안테나를 구비하고 있다. 예컨대 이 안테나는 소위 플랭크 안테나 또는 원통형 베이스 또는 말굽형 베이스라고도 불린다. 이 제2 안테나 시스템은 양호한 방위 분해능을 가진다. 이를 위해 이들 안테나에 할당된 전기음향 변환기는 전체적으로 혹은 부분적으로 잠수 선박(10)의 종축과 평행하게 혹은 수평으로 정렬된다.
비교하자면, 제1 수신 안테나, 즉 예인 어레이 안테나(12)에 의해서 형성된 제1 소나 서브시스템은 높은 고도 분해능을 가진 소나 서브시스템은 구비하고 있다.
도 1의 선박 표면(11)으로 도시한 목표물이 잠수 선박인 경우, 이 잠수 선박의 잠수 깊이는 목표물 거리 A를 추정하기 위해 필요하다. 이는 예컨대 추가 소나 서브시스템 또는 추가 안테나에 의해서 결정될 수가 있다. 다음에 추정된 거리 값은 앙각 ξ에 기인한 원추형 엔밸로프와 목표물의 잠수 깊이에 대응하는 수평면과의 교차점에서 소나 시스템에 의해서 계산된다.
소나 서브시스템에 의해서 구한 데이터는 소나 시스템에서 결합되어 추가 처리된다.
도 2는 이러한 소나 시스템에 의하여 목표물 데이터, 즉 목표물(예컨대 선박 표면(11))에 대한 방위각 또는 수평 방위각 및 수직 방위 각 또는 앙각 ξ으로부터 도출된 추정 거리값 A를 수동으로 결정하기 위해 수행되는 방법을 설명하고 있다.
목표물로부터 방사하는 음파는 단계 S1에서 잠수 선박(10)의 수신 안테나에 의해서 수신된다.
단계 S2에서 제1 소나 서브시스템은 수직 지향 수신 안테나, 특히 예인 어레이 안테나(12)에 의해서 목표물로부터 방사하는 음파를 수신하여 이를 처리한다. 이 제1 소나 서브시스템은 높은 고도 분해능을 가진다. 즉 소나 서브시스템은 이 수신 안테나에 대한 목표물의 수직각을 결정할 수 있다.
단계 S3에서 목표물에 속하는 앙각은 목표물 추적을 위해 기록된다. 또한 추정 거리 값 A은 개개의 앙각으로부터 형성되며 목표물에 속하는 음향 신호는 목표물 스펙트럼을 생성하기 위해 스펙트럼 분석된다.
단계 S2 및 S3에 병행해서 제2 소나 서브시스템은 고 방위 분해능으로 목표물로부터 음파를 수신하여 처리한다. 이 제2 소나 서브시스템은 고 분해능으로 목표물의 기준 방향에 대한 수평각을 규정할 수 있다. 이 제2 소나 서브시스템은 예컨대 플랭크 안테나, 원통형 베이스 및/또는 말굽형 베이스를 가진다. 이들 안테나는 영구적으로 잠수 선박(10)에 연결된다.
단계 S5에서 목표물에 속하는 수평 방위 각 또는 방위 각은 목표 추적을 위해 기록된다. 또한 목표물에 속하는 음향 신호는 스펙트럼 분석된다. 단계 S2 및 S4 및 단계 S3 및 S5는 각각의 경우 동시에 수행된다. 이런 식으로 단계 S3 및 S5에서 구한 목표물 스펙트럼은 단계 S6에서 소정의 스펙트럼 특징의 대응관계와 관련해서 비교될 수 있다.
스펙트럼 특징의 대응 관계가 있다면, 단계 S5에서 결정된 수평 방위 각 또 는 방위각은 방위 분해능을 갖는 소나 서브시스템에 의해서 고도 분해능을 갖는 소나 서브시스템에 의하여 결정된 소나 서브시스템에 의하여 결정된 추정 거리값에 할당된다. 즉, 상이한 안테나 시스템에 의해서 구해진 시간 영역에서 신호는 각각의 경우 스펙트럼 분석되어 주파수 영역에서 서로 비교된다. 이런 식으로 제1 소나 서브시스템의 목표물 데이터는 제2 소나 서브시스템의 목표물 데이터와 상관될 수가 있다. 그 상관관계는 대응 스펙트럼의 스펙트럼 특징의 대응관계에 따라서 영향을 받는다.
스펙트럼 특징의 대응관계가 있다면, 수평 방위 각과 추정 거리 값의 마크는 대응 디스플레이 장치 또는 스크린상에 출력된다. 이 마크는 또한 소정의 시간 간격에 걸쳐서 트랙으로서 표현될 수가 있다. 이 마크는 잠수 선박(10)의 방향 찾기 시스템에 대한 목표물의 위치, 특히 지리적 위치 또는 상대 위치, 즉 잠수 선박(10)의 상대 위치를 나타낸다.
두 스펙트럼 간의 대응관계가 없다면, 전술한 관점의 위치 표시에 대응하는 2 차원 표현의 경우 스포크로서 발생하는 오직 수평 방위 각만이 출력된다. 일례의 특정 실시예에 따르면, 추정 거리값은 추정 거리 값에 대응하는 반경을 가진 원으로서 각각의 경우에서 표시된다.
예컨대 잠수 선박(10)에서 본 다수의 목표물이 서로 일렬로 이루어져 있다면 그 경우에 있을 수 있는 스펙트럼의 부분적인 대응관계에 있는 경우, 다수의 거리 마크를 가진 스포크와 같은 다수의 거리 마크를 가진 수평 방위 각은 모호성을 표시하기 위해 도시되고 있다.
디스플레이 장치상에서의 표시는 단계 S7에서 발생한다.
도 3은 제1 소나 서브시스템(21)과 제2 소나 서브시스템(22)을 갖춘 소나 시스템(20)을 도시한다. 제1 소나 서브시스템(21)은 전술한 수직 지향 수신 안테나(12)를 구비하고 있다.
제2 소나 서브시스템(22)은 방위 분해능을 갖는 수신 안테나 또는 잠수함의 플랭크 안테나인 제2 수신 안테나(23)을 구비하고 있다. 이 플랭크 안테나는 또한 등간격으로 양호하게 배열된, 즉 서로 열로 일정 간격으로 배열된 복수 개의 전기음향 변환기를 구비하고 있다. 모든 전기음향 변환기는 적어도 보트 선체의 외곽을 따라서가 아니라 직선을 따라 양호하게 정렬된다. 이들 변환기는 또한 음향적으로 투명한 엔밸로프 몸체에 의해서 완전히 커버된다. 변환기에 의해 제2 수신 안테나(23)는 음원 형성 목표물이 방사하고 물에서 전파하는 수신음을 수신한다.
제1 안테나(12)의 변환기와 제2 안테나(23)의 변환기는 각각 신호 처리 장치(24,25)에 연결되며, 신호 처리 장치는 입사음의 방향과 그에 따른 이후 명세서에서 수신 신호라 불리는 변환기의 전기적 출력 신호에 의하여 목표물의 수직 및 수평 방위 각을 결정한다. 이 수직 및 수평 방위 각에 목표물 관련 수직 및 수평 방위 각 또는 앙각 및 방위 각이라 불리는 목표물이 할당된다.
소나 시스템(20)의 각각의 신호 처리 장치(24,25)는 각각 데이터 메모리(28,29)에 저장된 시간 지연 계수를 제1 및 제2 수신 안테나(12,23)의 변환기의 수신 신호 각각에 인가하는 방향 발생기(26,27)를 구비하고 있다. 변환기의 수신 신호는 시간 지연 계수가 제1 소나 서브시스템(21)의 경우 입사음의 방향과 직각의 기준면에서 동위상인 그리고 제2 소나 서브시스템(22)의 경우 입사음의 수평 방향과 직각의 기준면에서 동위상인 방식으로 개개의 시간 지연 계수를 인가함으로써 시간 지연된다.
신호 처리 장치(24,25)는 또한 각각 그룹 신호 처리 유닛(30,31)을 구비하고 있는 이들 유닛에는 개개의 시간 지연 계수에 종속해서 수신 안테나(12,23)라 불리며, 또한 본 명세서에서 안테나 관련 방위 각이라고도 불리는 수평 및 수직 방위 각이 할당된다. 이 그룹 신호 처리 유닛(30,31)은 또한 안테나 관련 수직 및 수평 방위 각과 상관하여 그룹 신호의 레벨 형태로 세기 값, 특히 기준값이라 불리는 진폭값 또는 전력값을 결정한다. 또한, 그룹 신호 처리 장치(30,31)는 세기 값, 특히 안테나 관련 수직 및 수평 방위 각에 대해서 결정된 레벨에 기인한 세기 변형 또는 레벨 변형을 생성한다.
또한, 신호 처리 장치(24,25)는 각각의 경우 최대치 검출기(32,33)를 구비하며, 최대치 검출기에 의해 각각의 로컬 최대치는 개개의 세기 변형, 특히 개개의 레벨 변형에서의 로컬 레벨 최대치에서 결정되며, 각각의 목표물 관련 수직 방위 각, 즉 앙각 및 수평 방위 각, 즉 방위 각이 각각 이들 최대치에 할당된다.
제2 신호 처리 장치(25)는 또한 목표물 관련 수평 방위 각(방위각)을 북쪽 관련 목표물 관련 수평 방위 각이라 불리는 북쪽 관련 목표물 관련 방위 각으로 변환하는 변환 유닛(34)을 구비하고 있다. 북쪽으로의 변환은 수신 안테나(23) 또는 잠수 선박(10)의 선수 φ에 종속해서 발생한다. 즉 나침반 방향, 예컨대 북쪽에 따라서, 즉 수신 안테나(23) 또는 잠수 선박(10)의 방향에 종속하여 발생한다. 이를 위해 신호 처리 장치(25)는 선수 φ를 신호 처리 장치(25)에 공급하는 방위 기점의 센서, 예컨대 나침반에 연결된다.
소나 시스템(20) 또는 제2 소나 서브시스템(22)은 각각 신호 처리 장치(25)에 연결되는 출력 유닛(35), 예컨대 목표물 관련 수평 또는 북쪽 관련 목표물 연관 수평 방위 각 또는 방위각이 출력되는 모니터 또는 프린터 또는 플로터를 양호하게 구비하고 있다. 이 출력 유닛(35)에 의하여 소나 시스템(25)의 동작은 그의 주변에 위치한 음향 방출 목표물의 위치 표시를 구한다.
신호 처리 장치(24)는 또한 예컨대 모니터 또는 프린터 또는 플로터로서 다시 구성되는 출력 유닛(35)에도 연결된다. 이 출력 유닛(36)에서, 목표물 관련 수직 방위 각 및 앙각 ξ이 각각 출력된다.
각각의 경우 하나의 목표물로 삽입된 그룹 신호는 타이밍 신호를 형성하도록 제1 소나 서브시스템(21) 및 제2 소나 서브시스템(22)의 각각의 유닛(37,38)에서 결합된다. 따라서 각각의 경우 하나의 목표물에 속하는 그룹 신호의 시간에 따른 변화는 추가 평가된다. 각각의 유닛(37,38)의 신호의 시간에 따른 변화는 예컨대 스펙트럼 분석 장치(39,40)에서 FFT(고속 퓨리에 변환)의 형태로 스펙트럼 분석, 예컨대 퓨리에 분석된다. 이처럼 제1 소나 서브시스템은 대응 수직 방위 각 또는 앙각 및/또는 추정 거리 값으로 목표 관련 신호에 대한 스펙트럼을 공급한다. 마찬가지로 제2 소나 서브시스템(22)은 수평 방위 각 또는 방위각에 대한 스펙트럼을 공급한다.
스펙트럼 및 추정 거리값 및 방위각은 비교기 논리부(41) 및 결합 논리부(42)에 공급된다. 비교기 논리부(41)는 스펙트럼을 비교하여 소정의 스펙트럼 특징에서의 대응관계를 판정한다. 이 경우 대응관계를 찾으면, 결합 논리부(42)는 추정 거리값을 방위각에 할당한다.
이런 식으로 결합된 추정 거리값은 방위 각 정보 및 거리 정보를 가진 ㅁ표마크(44,45)로서 그리고 전술한 관점에서 위치의 2 차원으로 표현된 트랙으로서 결정된 목표 데이터, 특히 목표물의 목표물 거리 및 위치를 표시하는 디스플레이 장치(43), 예컨대 모니터상에 표현된다. 두 스펙트럼의 상관관계가 명료하지 않고 모호하다면, 그 표현은 다수의 마크(48,49,50)를 가진 스포크(47)의 형태를 취한다. 앙각 또는 추정 거리값이 목표물 관련 수평 방위 각 또는 방위각에 할당되면, 목표물은 디스플레이 장치(43)에서 스포크(51)로서 단지 표현된다.
수평 방위 각 또는 방위각이 목표물 관련 추정 거리값에 할당 가능하지 않으면, 목표물은 특정 실시예에서 디스플레이 장치(43)에서 원(52)으로 표현된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 거리 추정을 위한 잠수함 상의 수직 지향 수신 안테나의 개략 측면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 목표물 거리, 방위 각 및 위치 정보를 수동으로 결정하기 위한 방법을 설명하는 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 소나 시스템을 도시하는 도면.

Claims (14)

  1. 제1 소나 서브시스템(21)에 할당된 음향 방출 목표물(11)의 적어도 거리 및 위치를 제1 수신 안테나(12)를 이용하여 수동으로 결정하기 위한 방법으로, 제1 소나 서브시스템은 일렬로 정렬되어 음파를 수신하여 수신된 전기 신호를 생성하는 복수 개의 전기음향 변환기를 구비하며, 상기 제1 수신 안테나(12)는 수직으로 지향되고, 수평면과 상기 음향 방출 목표물(11) 사이에서 수직면으로 놓인 앙각 ξ2이 정해짐으로써 고도(높이) 분해능을 갖는 소나 서브시스템(21)이 마련되는 것인 목표물의 거리 및 위치 결정 방법에 있어서,
    음파를 수신하여 수신된 전기 신호를 생성하는 복수 개의 전기음향 변환기를 구비한 제2 소나 서브시스템(22)의 제2 수신 안테나(23)를 또한 사용하며,
    상기 제2 소나 서브시스템(22)은 방위 분해능을 가진 소나 서브시스템이며, 이 소나 서브시스템에 의해 수평면(15)으로 놓인 상기 수평면에 대한 기준 방향과 상기 음향 방출 목표물(11) 사이의 수평 방위 각이 정해지고,
    이 목표물(11)로부터의 거리(A)의 추정 거리값은 상기 앙각 ξ2과 상기 목표물(11)의 수직 위치에 종속하고 상기 제1 수신 안테나(12)의 음향 중심(16)의 깊이(T+D)를 고려하여 결정되며,
    상기 목표물(11)의 위치는 상기 추정 거리값과 상기 수평 방위 각으로부터 정해지는 것을 특징으로 하는 목표물의 거리 및 위치 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 수신 안테나(12)는 선박(10) 후방에서 예인 가능한 선형 안테나, 즉 예인 어레이 안테나이며, 상기 제2 수신 안테나(23)는 선박에 영구 설치된 안테나, 즉 플랭크 안테나, 원통형 베이스 또는 말굽형 베이스인 것을 특징으로 하는 목표물의 거리 및 위치 결정 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 목표물은 선박 표면이라고 추정되며, 상기 추정 거리값(A)은 회전 수직축을 중심으로 상기 목표물(11)을 지시하는 앙각(ξ2)에 대응하는, 직선 회전에 기인한 원추형 엔밸로프와 수면의 평면과의 단면으로부터 정해지는 것을 특징으로 하는 목표물의 거리 및 위치 결정 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 목표물은 잠수 선박으로 추정되며, 이 목표물의 깊이가 정해지고, 상기 추정 거리값은 회전 수직축을 중심으로 앙각(ξ2)에 대응하는, 목표물(11)을 지시하는 직선 회전에 기인한 원추형 엔밸로프와 목표물의 깊이에 대응하는 수평면과의 교차점으로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 목표물의 거리 및 위치 결정 방법.
  5. 선행항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 수신 안테나(12)의 목표물(11)에 할당된 신호는 전 처리 후(24) 상기 제1 소나 서브시스템(21)에 할당된 제1 스펙트 럼을 발생하도록 제1 스펙트럼 분석(39)되며,
    상기 제2 수신 안테나(23)의 목표물(11)에 할당된 수신 신호는 전 처리 후(25) 상기 제2 소나 서브시스템(22)에 할당된 제2 스펙트럼을 발생하도록 제2 스펙트럼 분석(40)되며,
    상기 제1 스펙트럼은 상기 제2 스펙트럼(46,41)과 비교되어 스펙트럼 특징의 대응관계가 결정되고,
    스펙트럼 특징의 대응관계를 알면 상기 제1 소나 서브시스템(21)에 의해서 구해진 추정 거리값은 상기 제2 소나 서브시스템(22)에 의해서 구해진 수평 방위 각에 할당되는 것을 특징으로 하는 목표물의 거리 및 위치 결정 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 추정 거리값과 수평 방위 각은 디스플레이 장치(43)에서 출력되며,
    a) 스펙트럼 특징의 대응관계를 아는 경우, 수평 방위각과 추정 거리값의 마크(44,45)가 출력되고,
    b) 스펙트럼 특징의 대응관계을 알지못하는 경우, 수평 방위각의 마크는 추정 거리 값없이 출력되며, 그리고/또는
    c) 스펙트럼 특징의 부분적인 대응관계를 아는 경우, 수평 방위 각 표시(47) 및 복수 거리 표시(46,49,50)가 출력되는 것을 특징으로 하는 목표물의 거리 및 위치 결정 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 추정 거리값과 수평 방위 각은 상기 관점에 대응하는 2 차원 표현으로 출력되며, 복수 거리 표시(48,49,50)와 스포크형 라인 형태의 마크(47)는 스펙트럼 특징의 부분적인 대응관계를 아는 경우에만 표현되는 것을 특징으로 하는 목표물의 거리 및 위치 결정 방법.
  8. 일렬로 정렬되어 음파를 수신하여 수신된 전기 신호를 생성하는 복수 개의 전기음향 변환기를 포함하는 제1 소나 서브시스템(21)에 할당된 제1 수신 안테나(12)에 의해서 음향 방출 목표물(11)의 적어도 위치 및 거리를 수동으로 결정하는 소나 시스템으로, 상기 제1 소나 서브시스템(21)은 고도(높이) 분해능을 가진 소나 서브시스템(21)으로 구성되며, 이 소나 서브시스템에 의해서 수직 지향 수신 안테나(12)의 경우 수평면과 상기 목표물(11) 사이의 수직면으로 위치하는 앙각(ξ2)이 정해지는 것인 목표물의 위치 및 거리 결정 소나 시스템에 있어서,
    상기 소나 시스템(20)은 또한 음파를 수신하여 수신된 전기 신호를 생성하는 복수 개의 전기음향 변환기를 또한 구비한 제2 소나 서브시스템(22)의 제2 수신 안테나(23)를 포함하며,
    상기 제2 소나 서브시스템(22)은 방위 분해능을 가진 소나 서브시스템이며, 이 소나 서브시스템에 의해서 수평면에 대한 기준 방향, 특히 북쪽과 상기 목표물(11) 사이에서 수평면으로 위치하는 수평 방위 각이 정해질 수 있고,
    상기 목표물(11)로부터의 거리의 추정 거리값(A)은 상기 제1 수신 안테 나(12)의 음향 중심(16)의 깊이(T+D)를 고려하고 목표물의 수직 위치와 앙각(ξ2)에 종속해서 결정될 수 있고,
    상기 목표물의 위치 및 거리 결정 소나 시스템은 상기 추정 거리 값과 수평 방위각으로부터 상기 목표물의 위치를 결정하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 목표물의 위치 및 거리 결정 소나 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 수신 안테나(12)는 선박 후방에서 예인 가능한 선형 안테나, 즉 예인 어레이 안테나이며,
    제2 수신 안테나(23)는 선박에 영구 설치된 안테나, 즉 플랭크 어레이, 원통형 베이스 또는 말굽형 베이스인 것을 특징으로 하는 목표물의 위치 및 거리 결정 소나 시스템.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 제1 소나 서브시스템(21)에 의해서 상기 추정 거리값은 회전 수직축을 중심으로 목표물(11)을 지시하는 앙각(ξ2)에 대응하는, 직선 회전에 기인하는 원추형 엔밸로프와 수면의 평면과의 교차점으로부터 정해질 수 있는 것을 특징으로 하는 목표물의 위치 및 거리 결정 소나 시스템.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 목표물의 깊이와 추정 거리값은 회전 수직축을 중심으로 목표물(11)을 지시하는 앙각(ξ2)에 대응하는, 직선 회전에 기인하는 원추형 엔밸로프와 목표물의 깊이에 대응하는 수평면과의 교차점으로부터 정해질 수 있는 것을 특징으로 하는 목표물의 위치 및 거리 결정 소나 시스템.
  12. 제8항에 있어서, 상기 제1 소나 서브시스템(21)은 상기 제1 수신 안테나(12)의 목표물(11)에 할당된 신호의 신호 처리를 수행하는 신호 처리 장치(24)와 이 제1 소나 서브시스템(21)에 할당된 제1 스펙트럼을 발생하는 제1 스펙트럼 분석 장치(39)를 구비하며,
    상기 제2 소나 서브시스템(22)은 상기 제2 수신 안테나(23)의 목표물(11)에 할당된 신호의 신호 처리를 수행하는 신호 처리 장치(25)와 제2 소나 서브시스템(22)에 할당된 제2 스펙트럼을 발생하는 제2 스펙트럼 분석 장치(40)를 구비하고,
    상기 소나 시스템(20)은 상기 제1 스펙트럼과 상기 제2 스펙트럼을 비교하고 스펙트럼 특징에서 스펙트럼의 대응관계를 판정하는 수단(41)을 구비하며,
    스펙트럼 특징의 대응관계를 아는 경우, 상기 제2 소나 서브시스템(22)에 의해서 구한 수평 방위 각에 상기 제1 소나 서브시스템(21)에 의해서 구한 추정 거리값을 할당하는 수단(42)을 구비하는 것을 특징으로 하는 목표물의 위치 및 거리 결정 소나 시스템.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 소나 시스템(20)은 상기 추정 거리값과 상기 수평 방위 각을 출력하는 디스플레이 장치(43)를 구비하며, 상기 디스플레이 장치는 다음과 같이 동작하며, 즉
    a) 스펙트럼 특징의 대응관계를 아는 경우, 수평 방위 각과 추정 거리값의 마크(44,45)가 출력 가능하고,
    b) 스펙트럼 특징의 대응관계를 모르는 경우, 추정 거리 값없이 수평 방위 각이 출력 가능하며,
    c) 스펙트럼 특징의 부분적인 대응관계를 아는 경우, 수평 방위 각 표시(47)와 다수의 거리 표시(48,49,50)가 출력되는 것을 특징으로 하는 목표물의 위치 및 거리 결정 소나 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 디스플레이 장치는 상기 추정 거리값과 수평 방위 각이 상기 관점에 대응하는 2 차원 표현으로 출력 가능하도록 동작 가능하며, 스펙트럼 특징의 부분적인 대응관계를 아는 경우, 다수의 거리 표시(48,49,50)와 함께 스포크형 라인의 마크(47)가 표현 가능한 것을 특징으로 하는 목표물의 위치 및 거리 결정 소나 시스템.
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