KR20090033325A - 전방향성 모드로 송신하기 위해 예인된 선형 송신 안테나로의 전력 공급을 최적화하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수중 음파 탐지기 송신 수단에 관한 것으로서, 특히 전방향성 음향 송신의 구현을 가능하게 하는 송신 수단에 관한 것이다. 본 발명은 복수의 P개의 투사기로 구성되고 외부 신호의 파장보다 큰 길이(L)의 예인형 선형 안테나를 사용하여 전방향성 송신을 구현하기 위한 방법에 관한 것이고, 투사기 사이의 공간은 실질적으로 /2 미만이다. 본 발명의 방법은 주로 공통의 출력 신호로부터 도래하는 출력 신호를 각각의 투사기에 인가하는 것으로 이루어지고, 상기 공통 신호는 안테나의 투사기의 위치에 따른 비선형 항을 포함하는 법칙에 따라 표현되는 지연이 할당되고, 상기 법칙의 적용은 송신 패턴의 각 구경이 조절될 수 있게 한다. 본 발명은 특히 이들을 분리할 필요가 없이 하나의 동일한 윈치 상에 권취될 수 있는 실질적으로 동일한 직경의 송신 및 수신 안테나를 포함하는 수중 음파 탐지기 검출 시스템의 구현을 가능하게 한다.

수중 음파 탐지기, 송신 안테나, 수신 안테나, 전방향성 송신, 투사기, 지연

Description

전방향성 모드로 송신하기 위해 예인된 선형 송신 안테나로의 전력 공급을 최적화하기 위한 방법{METHOD FOR OPTIMISING THE POWER SUPPLY TO A LINEAR TRANSMITTING AERIAL TOWED SO AS TO TRANSMIT IN OMNIDIRECTIONAL MODE}

본 발명은 초저주파수 예인형 능동 수중 음파 탐지기(very-low-frequency towed active sonar)용 송신 시스템의 분야에 관한 것이다. 이들 수중 음파 탐지기는 수중 검출을 위해 수상함(surface ship)에 의해 사용되고, 수중 위협물에 대해 선박을 보호하는 기능을 갖는다. 본 발명은 또한 투사기(projector)로의 전력 공급 및 송신될 신호를 최적화함으로써 복수의 기본 투사기를 포함하는 선형 안테나로부터의 전방향성 송신을 보장하기 위한 방법에 관한 것이다.

수상함이 보호되는 것을 보장하기 위해, 그 수중 음파 탐지기는 장거리에서 그리고 공간 내의 모든 방향에서 주로 잠수함인 위협물을 검출할 수 있어야 한다. 이 검출은 또한 다양한 환경적인 조건 하에서 구현될 수 있어야 한다.

검출 요구는 1 미터 정도의 긴 파장에 대응하는 저주파수에서 작동하는 수중 음파 탐지기 시스템이 사용되어야 한다는 것을 의미한다.

충분한 방향성(directivity)을 얻기 위해, 수신 안테나의 치수는 통상적으로 수십 미터이다. 더욱이, 수중에서의 음속의 프로파일의 특성은 일정의 조건 하에 서 검출을 위해 최적화된 깊이로 침지될 수 있는 송신 및 수신 안테나를 요구한다. 이는 특히 표면에 근접한 구역에서의 음속 구배가 매우 음성(negative)일 때 하절기 중에 해당한다.

작동 주파수, 수신 안테나의 필요 치수 및 시스템의 침지 깊이를 선택하는 능력에 관한 이들 요구의 조합으로 인하여, 현존하는 시스템 또는 개발 중에 있는 시스템에 있어서, 그 전개 및 회수가 비교적 쉬운 권취 가능한 예인형 선형 안테나의 수용을 이용하게 된다. 송신 기능 자체는 예인형 본체 내에 합체된 다른 특정 안테나에 의해 성취된다. 이 송신 안테나는 비방향성일 수 있고, 전방향성 송신이 성취될 수 있게 하거나, 약간 방향성이고, 예를 들어 수평을 커버하기 위해 2개 내지 4개의 섹터에 걸쳐 송신할 수도 있다.

모든 경우에, 이 송신을 위한 특정 안테나의 사용은 다양한 제약을 발생시킨다. 제 1 유형의 제약은 시스템의 구현, 특히 송신 안테나를 포함하는 예인형 본체를 전개하고 회수하는 작업에 관련되는데, 이 작업들은 송신 안테나를 수중에 배치하고 그로부터 회수하기 위한 특정 시스템을 요구한다. 다른 유형의 제약은 송신 안테나를 포함하는 예인형 본체와 관련된 항력(drag)으로 이루어지는데, 이 항력의 크기는 예인 케이블의 크기 및 따라서 시스템의 중량을 결정한다.

이들 제약을 제거하기 위한 일 해결책은 또한 선형이고 권취 가능한 송신 안테나를 제조하는 것과 전체 공간에 균일하게 고주파 음파를 발사할 수 있게 하도록 이 안테나를 구성하는 것으로 이루어진다.

프랑스 특허 제 2 822 960호는 선형 송신 안테나 및 선형 수신 안테나를 포 함하고, 이들 2개의 안테나가 대략 동일한 직경을 갖는 "예인형 저주파수 수중 검출 시스템"을 개시하고 있다. 특히, 이 프랑스 특허 문헌은 RDT 모드라 칭하는 회전 방향성 모드에서 작동하는 송신 채널을 형성함으로써 전체 공간에 고주파 음파를 발사하기 위한 방법을 설명하고 있는데, 여기서 각각의 투사기는 송신될 신호를 공급받고, 이 신호는 채널의 평균 지향 방향의 함수인 지연(delay)이 할당되어 있다. 이 프랑스 특허 문헌에 따르면, 송신될 신호는 송신 채널이 확장될 수 있게 하는 지연이 더 할당되어 있고, 상기 지연은 적응 위상(adapted-phase) 또는 지연 법칙, 예를 들어 이차방정식 유형의 법칙에 의해 규정된다. 유사한 신호가 전체 공간을 커버하기 위해 지연을 스위칭함으로써 다수의 방향에서 연속적으로 송신된다. 송신 섹터는 넓기 때문에, 투사기의 개수보다 훨씬 적은 개수의 섹터로도 충분하다.

방향성 또는 섹터형 송신, 또는 RDT 모드로 작동하는 이러한 시스템은 주로 2개의 유형의 결점을 갖는다.

제 1 결점은 어느 안테나의 경우에서와 같이 송신될 지연된 신호를 전달하는 복수의 공급 전도체(conductor)를 거쳐 독립적으로 공급되는 각각의 투사기를 요구하는 섹터형 송신 모드와 관련된다. 이는 특히 다수의 투사기를 사용하도록 요구되는 경우 예인 케이블 내에 다수의 쌍을 초래한다.

제 2 결점은 RDT형 송신 모드를 사용하는 경우에도, 전방향성 적용범위(coverage)가 고주파 음파 발사된 섹터를 회전시킴으로써 얻어진다는 것이다.

각각의 섹터에서의 송신의 기간(duration)은 주어진 총 송신 시간 동안 감소 된다. 레벨은 전방향성 송신의 경우에서보다 높지만, 도플러 분해능(Doppler resolution)은 기간에 의존하기 때문에 도플러 효과(Doppler effect)를 이용하는 송신 코드의 경우에 도플러 분해능의 열화가 존재한다.

본 발명의 일 목적은 실제 전방향성 송신을 성취하기 위해 선형 안테나를 사용하는 것을 가능하게 하는 해결책을 제안하는 것이다.

이를 위해, 본 발명의 일 요지는 이하에 설명되는 바와 같이, 안테나의 길이에 걸쳐 적합하게 이격된 복수의 P개의 투사기로 이루어진 길이(L)의 예인형 선형 안테나에 의해 전방향성 송신을 성취하기 위한 방법이고, 이 방법은 그 값이 안테나의 투사기의 위치의 함수로서 변동의 법칙을 따르는 지연이 할당된 송신될 공통의 송신 신호로부터 도래하는 신호를 각각의 투사기에 인가하는 것으로 이루어진다.

본 발명에 다른 방법을 구현하는 바람직한 방식에 따르면, 그 투사기가 실질적으로 등간격으로 이격되고 충분히 함께 근접한, 즉 실질적으로 λ/2 미만의 거리만큼 이격된 안테나에서, 안테나의 중심에 대한 투사기의 위치(x)의 함수로서 신호에 인가된 지연 법칙은 이하의 형태의 이차방정식 법칙이다.

본 발명에 따른 방법을 구현하는 일 특정 방식에 따르면, 그 투사기가 실질적으로 등간격으로 이격되고 충분히 함께 근접한 안테나에서, 안테나의 중심에 대한 투사기의 위치(x)의 함수로서 신호에 인가된 지연의 변동 법칙은 이하의 형태이다.

본 발명에 따르면, 신호에 인가된 지연[τ'(x)]은 송신된 신호의 중심 주파수에 대응하는 주기(T₀)를 법으로 한 지연[τ(x)]과 동일하고, τ'(x) 값은 τ₁로부터 τ_Q로 Q개의 레벨에 걸쳐 정량화된다.

본 발명에 따르면, 지연의 정량화된 값(τ_i)이 T₀/2만큼 상이한 투사기는 유리하게는 공급 와이어의 극성을 간단히 반전시킴으로써 동일한 쌍의 공급 와이어를 거쳐 공급받고, 따라서 요구되는 공급 와이어의 쌍의 개수는 유리하게는 Q/2이다.

본 발명에 따른 방법을 구현하는 다른 방식에서, 중심 투사기의 일부는 인접한 투사기의 쌍으로 함께 그룹화되고, 최외측 투사기는 안테나의 중심에 대해 대칭적인 투사기의 쌍으로 함께 그룹화된다. 따라서, 쌍을 구성하는 투사기는 동일한 신호(τ_i)를 공급받는다. 이들 그룹들은 유리하게는 단지 중심 투사기를 사용하는 섹터형 송신 또는 모든 투사기를 사용하는 전방향성 송신을 성취하는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 다른 요지는 본 발명에 따른 방법의 최적의 구현에 적합한 선형 안테나이고, 여기서 투사기의 간격은 비선형 법칙을 따르고, 이 특징은 유리하게는 동일한 지연(τ_i)이 할당된 신호를 공급받는 트랜스듀서의 개수를 최적화하면서 성취되는 지연(τ_i)의 개수를 최소화하는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 또 다른 요지는 이 안테나가 수평과 수직 사이에서 경사지도록 예인될 때 복수의 P개의 투사기로 이루어진 길이(L)의 예인형 선형 안테나에 의해 수평 평면에서의 전방향성 송신을 성취하기 위한 방법이다. 이 방법에 따르면, 각각의 투사기는 지연이 인가되는 공통의 송신 신호로부터 도래하는 송신 신호를 공급받고, 상기 지연의 값은 안테나의 투사기의 위치의 함수로서 비선형 법칙을 따른다. 본 발명에 따르면, 이 법칙은 수평 평면에서의 고주파 음파 발사가 전방향성으로 잔류하도록 구경의 섹터로 섹터화된 송신을 얻기 위해 규정된다.

본 발명에 따른 방법에 의해 제공된 본질적인 장점은 다양한 섹터에 연속적으로 고주파 음파 발사하지 않고 송신의 전체 기간에 걸쳐 동일한 신호의 전방향성 송신을 허용하는 것이고, 이는 안테나의 길이에 걸쳐 분포되고 적은 개수의 공급 쌍에 의해 공급되는 연속적인 투사기를 포함하는 선형 안테나에 의해 얻어지고, 이 개수는 더욱이 안테나를 구성하는 투사기의 개수에 의존하지 않는다.

본 발명의 다양한 양태의 특징 및 장점은 이하에 제시되는 첨부 도면과 관련되는 하기의 설명에서 더 명백해질 것이다.

도 1은 통상적으로 이차방정식 지연[τ(x)] 또는 본 발명에 따른 방법에 의해 생성된 지연을 송신 신호에 인가함으로써 얻어지는, 그 길이에 걸쳐 등간격으로 분포된 투사기를 포함하는 안테나의 방향성 패턴을 도시하는 도면.

도 2는 도 1의 실선 곡선에 의해 나타낸 패턴을 얻기 위해, 해당 투사기의 함수로서의 기준 송신 신호에 인가될 지연[τ(x)]의 변동 법칙을 도시하는 도면.

도 3은 도 2의 지연[τ(x)]의 변동 법칙의 근사 형태를 도시하는 도면.

도 4는 도 3의 지연[τ(x)]의 변동 법칙에 대응하는 기준 송신 신호의 위상의 연속적인 또는 정량화된 변동 법칙을 도시하는 도면.

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 방법을 구현하는 대안적인 방법을 도시하는 도면.

도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 방법을 구현하기 위한 안테나를 구비한 수중 음파 탐지기 시스템의 예에 관련된 도면.

도 10은 수평 평면에서 전방향으로 송신하기 위한 본 발명에 따른 방법을 구현하는 일 특정예를 도시하는 도면.

먼저, 도 1 및 도 2가 설명될 것이다.

전술된 바와 같이, 다수의 투사기로 구성된 길이 L의 선형 안테나가 공간 내의 섹터에 고주파 음파를 발사하는데 사용될 수 있다는 것이 종래로부터 공지되어 있다. 이 송신은 공통의 송신 신호로부터 도래하는 신호를 각각의 투사기에 공급함으로써 성취되고, 이 공통의 송신 신호에는 가변 지연[τ(x)]이 인가되고, 이 가변 지연의 변동 법칙은 안테나의 축에 대한 원하는 지향 방위(θ)의 함수로서의 선형 법칙이다. 따라서, 안테나의 중심점으로부터 거리 x에 위치된 투사기에 인가된 지연은 이하의 일반식을 갖는다.

여기서, c는 수중에서의 음속을 나타낸다.

본 발명에 따른 방법은 먼저 투사기에 공급하는데 사용된 신호에 비선형 지연 법칙[τ(x)]을 인가하는 단계로 이루어지고, 이 비선형 지연 법칙은 안테나의 중심에 대한 해당 투사기의 위치(x)의 함수이고, 이 법칙의 식은 해당 선형 안테나의 구조의 함수로서 변한다.

따라서, 그 길이에 걸쳐 등간격으로 분포된 투사기로 이루어진 안테나의 경우에, 송신 빔은 안테나의 중심에 대한 투사기의 위치(x)의 함수로서의 비선형의 예를 들어 이차방정식 법칙[τ(x)]을 수학식 1에 의해 주어진 선형 지연 법칙에 중첩함으로써, 도 1의 실선으로서의 곡선(11)에 나타낸 것과 같은 방향성 패턴을 얻기 위해 확장될 수 있다. 이 법칙의 일반식은 이하와 같다.

여기서,

이다.

계수(α)는 여기서 얻어지도록 요구되는 송신 패턴의 각 구경(angular aperture)이다. 일반적으로, 이하의 형태의 계수(α)가 선택된다.

여기서, λ는 파장이고, β는 그 값이 [0, 1.5] 간격 내에 있고 원하는 송신 패턴의 각 구경을 결정하는 계수를 나타낸다.

도 1의 곡선(11)은 32개의 등간격 투사기를 포함하는 선형 안테나로 얻어진 송신 패턴에 대응하고 수학식 2에 따른 이차방정식 지연 법칙[τ(x)]의 송신 신호로의 인가에 대응한다.

도 2의 곡선(21)은 도 1에 도시된 패턴(11)을 얻기 위해, 안테나의 중간부에 대응하는 공통의 기준 신호에 인가될, 해당 투사기의 함수로서의 지연[τ(x)]의 변동 법칙을 나타낸다. 여기서 법칙은 등간격으로 이격된 32개의 투사기를 포함하는 선형 안테나의 경우로 나타낸다.

유사하게, 안테나를 따라 가변 피치를 갖고 분포된 투사기를 포함하는 안테나의 경우에, 송신 빔은 비선형 법칙[τ(x)]을 수학식 1에 의해 제공된 선형 지연에 중첩함으로써 확장될 수 있는데, 이 비선형 법칙의 식은 안테나의 중심에 대한 투사기의 위치(x)의 함수로서 이하의 수학식 4에 의해 제공된다.

여기서,

이다.

전술된 2개의 경우에, 전방향성 빔은 적절한 지연 법칙을 조건에 인가함으로써 얻어지지만 특정 주의가 안테나를 따른 투사기의 분포와 관련하여 취해진다.

이는 일정한 피치[d(x)]를 갖는 등간격의 투사기를 포함하는 안테나의 경우에, θ가 해당 방향과 송신 빔의 방향 사이의 각도인 변수 u=cosθ(u=cosθ이고, -1 내지 +1임)의 함수로서 나타낸 방향성 패턴이 λ/d인 주기(period)를 갖는 주기적인 패턴이라는 것이 종래로부터 공지되어 있기 때문이다.

따라서, 방향성 패턴의 금지된 발진을 초래할 수 있는 엘리어싱(aliasing)을 회피하기 위해, 피치(d)는 전방향성 송신의 경우에 공지된 바와 같이 이하의 수학식을 만족해야 한다.

여기서, U_t는 u 공간에서 나타낸 방향성 패턴의 송신 대역을 나타낸다.

이 조건은 일반적인 경우에 등간격 투사기를 갖는 안테나에 대해, λ/2보다 약간 작은 피치(d)를 갖는 안테나를 따른 투사기의 사용을 일반적으로 유도한다. 그러나, 수학식 2에 의해 설명된 것과 같은 지연 법칙이 사용되는 경우에, 송신 대 역(U_t)은

로서 차원적으로 거동하는데, 이는 안테나 내의 투사기의 개수에 따라 투사기의 분포에 대해 λ/4 내지 λ/3의 근접 간격을 채택하는 것을 의미한다.

수학식 4에 의해 설명된 것과 같은 지연 법칙이 신호에 적용되는 비등간격 센서를 갖는 안테나의 특정 경우에, 조건(수학식 5)은 함께 가장 근접해 있는 안테나의 최외측 투사기에 적용된다. 송신 대역(U_t)은 재차

로서 차원적으로 거동하는데, 이는 피치[d(=L/2)]에 대해서, 안테나의 투사기의 개수에 따라 λ/4 내지 λ/3의 근접 간격을 갖는 것을 의미한다.

투사기 사이의 간격에 부여되는 이 조건은 사용된 안테나의 구조 및 따라서 본 발명에 따른 방법의 효용성에 영향을 주는 필수 조건이다. 이는, 이 투사기 간격 조건이 고려되지 않으면, 송신된 신호는 더 이상 모든 방향에서 동일하지 않고 따라서 그로부터 발생하는 방향성 패턴의 엘리어싱에 기인하여 더 이상 정확하게 전방향성이 아니기 때문이다.

다음, 도 3 및 도 4가 설명될 것이다.

능동 수중 음파 탐지기에 사용된 송신 신호는 중심 주파수(F₀)에 중심을 둔 대역폭(B)을 갖는 신호이기 때문에, 본 발명에 따른 방법은 둘째로 T₀=1/F₀을 법으로 한 그 식에 의해 인가된 지연 법칙을 근사하는 것으로 이루어진다. 따라서, 예 를 들어 등간격으로 분포된 투사기를 갖는 안테나의 경우에 투사기에 인가된 지연은 이하의 수학식으로 표현될 것이다.

[T₀를 법으로 함]

이 T₀을 법으로 한 지연 법칙은 이하의 수학식의 형태의 신호에 인가된 위상 법칙의 견지에서 더 간단하게 표현된다.

채널을 형성하기 위해 선택된 지연 법칙[τ(x)]의 경우에, 협대역 근사라 칭하는 이 근사는 비교적 제한적이고 안테나 길이(L)에 신호의 대역폭(B)을 연결하는 이하의 조건이 부합되면 허용 가능하다.

여기서, c는 전파 매체 내의 음속을 나타낸다.

그러나, 전방향성 송신을 얻는데 사용되는 수학식 2 또는 수학식 4에 대응하는 유형의 지연 법칙의 경우에, 조건(수학식 8)보다 훨씬 덜 제한적인 조건이 적용되어 근사(수학식 6 및 7)의 본 발명에 따른 방법에서의 사용이 일반적으로 가능하 다.

본 발명에 따른 방법에서의 초기 지연 법칙을 근사하는 지연 법칙의 대체는 상당한 장점을 갖는다. 이는 송신 신호에 인가될 지연의 가능한 변동을 간격 [0; T₀](0과 2π 사이의 신호의 위상의 변동)으로 제한하기 때문이다. 이 유리한 특징은 도 3에 도시된 지연 곡선(31) 및 도 4에 실선으로 도시된 위상 변위 곡선(41)에 의해 도시되어 있고, 이들 곡선은 도 1에 곡선(11)에 의해 도시된 방향성 패턴을 갖는 안테나와 관련된 곡선이다.

본 발명에 따른 방법은 셋째로 안테나를 구성하는 다양한 투사기에 대해 얻어진 지연값을 정량화하는 것으로 이루어진다. 본 발명에 따른 방법을 구현하는 바람직한 방법에서, 지연 간격 [0; T₀]은 Q개의 등간격 레벨로 분할된다. 각각의 분사기는 이어서 정량화된 값에 있는 그 값 τ_i(x)가 근사된 값 τ'(x)에 가장 근접하는 지연에 영향을 받는 송신 신호를 공급받는다. 따라서, 본 발명에 따른 방법에서, 지연은 따라서 Q개의 상태에 걸쳐 정량화된다.

본 발명에 따르면, 정량화 레벨의 수는 송신된 레벨의 방위의 변동이 고정된 요건에 부합하도록 이루어진다. 따라서, 예를 들어 16 단계에 걸쳐 수행된 정량화에 대해, 방위의 함수로서의 송신된 신호 레벨의 이론적인 변동은 ±1.5 dB이다.

적당하게 수행된 정량화 작업은 상당한 장점을 갖는다. 이는 안테나를 구성하는 투사기의 개수가 무엇이건간에 모든 투사기가 제한된 수의 Q개의 신호를 공급받게 하고, 각각의 신호는 가능한 Q개의 지연 중으로부터 지정된 지연(τ₁)을 인가 함으로써 송신 신호로부터 유도되기 때문이다. 가능한 지연값을 정량화하는 것에 의한 이 제한은 유리하게는 모든 투사기가 신호를 공급받게 하기 위해 필요한 전도체의 쌍의 수를 최대 개수의 Q개의 쌍으로 제한될 수 있게 한다. 이는 유리하게는 이들 지연을 구현하기 위한 책임이 있는 수단의 복잡성을 제한하고, 또한 사용될 전도체의 양 및 따라서 안테나 공급 케이블의 중량을 제한한다.

도 4의 점선 곡선(42)은 예로서 곡선(41)에 의해 나타낸 위상 법칙의 12개의 상태에 걸쳐 정량화를 수행함으로써 얻어진 위상 변동 법칙을 도시한다. 곡선(41, 42)이 사실상 중첩된다는 사실은 본 예를 통해 본 발명에 따른 방법에 의해 구현된 정량화 단계의 유리한 특성을 명백하게 증명하고, 이 단계는 자체로 선형 법칙[τ(x)]에 협대역 근사를 적용한 후에만 가능하다.

본 발명에 따른 방법에 의해 얻어지고 안테나에 의해 송신된 신호의 방향성 패턴은 도 1에 점선 곡선(12)에 의해 나타낸다. 이 곡선과 수학식 2에 의해 규정된 비선형 지연 법칙을 인가함으로써 얻어진 이론적인 곡선 사이의 밀접한 유사성은 본 발명에 따른 방법의 유리한 특성을 또한 증명한다.

따라서, 본 발명에 따른 방법을 구현하는 것은, 단지 Q개의 공급 신호를 이들 투사기에 공급함으로써 복수의 투사기를 포함하는 선형 안테나에 의해 직접 전방향성 송신을 성취하고, 이들 신호의 각각은 채택된 Q개의 값으로부터 선택된 지연(또는 위상 변위) 값을 인가함으로써 공통의 신호로부터 생성된다. 그러나, 이하의 점을 고려하는 것이 유리하다. 절반 주기 T₀만큼 수정하기 위해 지연의 기간 이 주어진 투사기에 공급하도록 공통의 공급 신호에 적용되는 사실을 고려하면, 단지 요구되는 것은 이 투사기에 공급하는 신호의 극성을 반전시키는 것이다. 이 극성 반전은 투사기의 단자로의 공급 와이어를 스위칭함으로써 용이하게 얻어질 수 있다. 따라서, Q개의 신호의 세트는 케이블 내의 N=Q/2개의 공급 쌍에 의해 [0; T₀/2] 사이에서 지연된 (또는 0과 π 사이에서 위상 변위된) 동일한 신호로부터 도래하는 Q/2개의 공급 신호를 발생시킴으로써 얻어질 수 있다.

이러한 구조에서, 각각의 쌍은 상이한 수의 송신 트랜스듀서를 공급할 수 있고, 적응은 Q/2개의 대응 송신기 회로에 대해 특정하게 이루어진다.

사용된 공급 신호의 개수(Q)는 반드시 미리 고정되는 것은 아니고, 안테나에 포함된 투사기의 총 개수에 직접 의존하는 것은 아니다. 그러나, 정량화 단계와 관련된 근사의 방향성 패턴에 대한 효과를 분석하는 것은 Q=10 내지 20 값 정도의 지연의 개수에 걸친 정량화가 허용 가능한 것을 지시한다. 이러한 정량화는 모든 투사기에 공급하기 위해 예인 케이블 내에 5 내지 10개의 공급 케이블 쌍의 도입을 유도한다.

따라서, 본 명세서에 제시된 발명은 유리하게는 지연을 적합하게 정량화함으로써 합리적인 방식으로 예인 케이블 내의 공급 쌍의 개수(N)를 제한하고 원하는 전방향성 송신의 레벨을 위해 필요한 만큼의 투사기를 공급하는 것을 가능하게 한다.

방향성 모드에서, 가중은 선형이고 위상 정량화는 이하의 조건에 의해 전술 된 바와 같이(협대역 근사) 제한된다는 것을 유의해야 한다.

그러나, 전방향성 모드에서, 본 발명의 요지를 형성하는 수학식 2 및 4에 의해 규정된 지연 법칙에 의해, 전방향성 모드를 위한 선형 안테나 길이에 대한 제한은 덜 엄격하다. 이는 이하의 조건에 의해 제공되는데,

여기서, f는 주파수를 나타내고, B는 송신된 신호의 대역폭을 나타낸다.

항 4f/B는 반드시 1보다 큰데, f>>B이고 따라서 안테나 길이 제한은 방향성 방출의 경우에서보다 전방향성 송신의 경우에 덜 제한적이기 때문이다. 따라서, 예를 들어 1.5 kHz의 중심 주파수 및 300 Hz의 대역폭을 갖는 신호가 송신되는 경우, 최대 100 m일 수 있는 길이를 갖는 안테나를 사용하는 것이 가능하다. 동일한 중심 주파수를 갖지만 1 kHz의 대역폭을 갖는 신호에 있어서, 심지어는 9 미터로 제한된 안테나 길이를 사용하는 것이 가능하다.

다음, 도 5가 설명될 것이다.

이전의 도면, 특히 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 수학식 2에 의해 규정된 이차방정식 지연 법칙[τ(x)]의 경우에, 안테나의 단부에 위치된 투사기에서 지연의 변동이 가장 신속하다. 따라서, 투사기들 사이에 일정한 간격을 유지하면서 가장 신속한 지연 변동을 정확하게 샘플링하는 이중 제약을 나타내는 조건(수학식 5) 은 안테나의 중심으로부터 가장 멀리 이격된 투사기에 대해 부합되어야 한다.

대조적으로, 가장 중심의 투사기에 관해서는, 두배의 간격이 허용 가능한 것으로 나타난다. 이 관찰은 중심 구역 내의 일정의 개수의 투사기가 쌍으로 함께 그룹화되어 2개의 인접한 투사기를 구성할 수 있다는 것을 의미한다. 이 쌍 형성은 유리하게는 안테나가 투사기의 개수보다 작은 개수의 공급 케이블 쌍을 거쳐 공급받을 수 있게 한다. 더욱이, 안테나의 중심에 대한 지연 법칙의 대칭성에 기인하여, 대칭적인 투사기가 동일한 쌍을 거쳐 공급받는 것이 가능하다는 것을 또한 발견하였다. 본 발명에 따른 방법을 구현하는 바람직한 방법은 그 일 특정예가 도 5에 도시되어 있는 이 유리한 특징을 이용한다.

바람직한 구현 방법을 적용하는 이 예는 약 0.20 m의 간격을 갖는 안테나를 따라 배치된 P=32개의 투사기(51)로 구성된 안테나를 고려한다. 중심 작동 주파수는 여기서 F₀=1500 Hz이다. 도면에서, 투사기(51)는 1 내지 32로 도면부호를 붙이고 있고, 안테나의 중심은 투사기(16, 17) 사이에 배치되어 있다.

20개의 중심 투사기(7 내지 26)는 인접한 투사기의 쌍으로 그룹화된다[(7, 8), (9, 10)...(25, 26)]. 투사기의 각각의 쌍은 한 쌍의 전도체(52)를 거쳐 공급받는다. 나머지 12개의 측면의 투사기(1 내지 6, 27 내지 32)는 중심에 대해 대칭적으로 그룹화된다[(1, 32), (2, 31)...(6, 27)]. 투사기의 각각의 쌍은 또한 한 쌍의 전도체(53)를 거쳐 공급받는다.

이 유형의 구현예의 일 장점은, 안테나가 32개의 투사기로 구성되지만 그 신 호 공급은 단지 16쌍의 전도체만을 요구한다는 것이다. 더욱이, 이러한 구현예에서, 전도체의 각각의 쌍은 동일한 개수(2개)의 투사기가 적재된다.

본 발명에 따른 방법을 구현하는 바람직한 방식의 변형예(도시 생략)는 안테나의 중심 구역의 쌍 형성 방식으로 그룹화된 투사기를 형성하는 투사기의 쌍을 쌍으로 그룹화하는 것으로 이루어진다. 따라서, 안테나의 중심점에 대해 대칭인 투사기 쌍은 그 자체로 쌍 형성 방식으로 그룹화된다. 따라서, 상기 예에서, 10개의 쌍의 인접한 중심 투사기가 대칭 쌍으로 함께 그룹화된다{[(7, 8), (25, 26)]; [(9, 10), (23, 24)]; 등}. 이와 같이 형성된 각각의 4개의 투사기는 이어서 한 쌍의 전기 전도체를 거쳐 공급받아, 이 유리한 변형예에서는 유리하게는 중심의 12개의 투사기에 공급하기 위한 5쌍의 전기 전도체와 전체 안테나를 공급하기 위한 11쌍의 전도체면 충분하다.

그 결과, 단지 11개의 상태에 걸쳐 정량화된 이차방정식 지연 법칙을 송신 신호에 적용함으로써, 전방향성 송신이 선형 안테나에 의해 성취된다.

본 발명에 따른 방법을 구현하는 이 바람직한 대안적인 방식의 일 유리한 특징은 전방향성 및 방향성 전송 모드의 양자 모두가 사용될 수 있게 한다는 것이다.

이 이중 기능성은 예를 들어 주연 투사기에 공급하는지 중심 투사기에 공급하는지 여부에 따라 송신 신호에 인가된 지연의 특성을 차등화함으로써 간단하게 성취된다.

따라서, 그 위치 설정이 조건(수학식 5)을 만족하는 P개의 등간격 투사기, 예를 들어 48개의 투사기를 갖는 선형 안테나가 사용되는 경우, 유리하게는 섹터형 방향성 송신 및 전방향성 송신의 양자 모두를 성취하는 것이 가능하다. 이를 수행하기 위해, 안테나의 중심부에 위치된 예를 들어 20개의 투사기와 같은 짝수(P₁)의 투사기가 예를 들어 선택되고, 이들 투사기는 N₁ 쌍의 독립적인 전도체를 거쳐 공급받는 N₁(=P₁/2) 쌍의 인접한 투사기로 그룹화된다. 나머지 P₂(=P-P₁)개의 투사기, 해당 예에서는 28개의 투사기는 안테나의 중심에 대해 대칭적으로 2개씩 함께 그룹화되어, Q개의 상태에 걸쳐 정량화되는 지연에 대응하는 N(=Q/2)개의 부가의 쌍을 거쳐 공급받는 N₂(=P₂/2) 쌍을 형성하고, Q는 예를 들어 12이다.

따라서, 섹터형 방향성 모드에서의 송신을 성취하기 위해, P₁개의 중심 투사기는 수학식 1에 의해 규정된 지연 법칙[τ(x)]에 따라 N₁개의 독립적인 신호를 공급받아 주어진 방향에서의 송신 패턴을 구성하는 것을 가능하게 하고, 반면에 외부의 P₂개의 투사기는 사용되지 않는다. 마찬가지로, 전방향성 모드에서의 송신을 성취하기 위해, P개의 투사기 모두가 공급받는다. 중심의 P₁개의 투사기는 수학식 2에 의해 규정된 유형의 이차방정식 지연 법칙에 따른 N₁개의 신호를 공급받고, 반면에 외부의 P₂개의 투사기는 Q개의 지연 상태에 걸쳐 정량화된 이차방정식 지연 법칙(τ_i)에 대응하는 N개의 신호를 공급받는다.

따라서, 특히 중심 투사기에 인가된 지연은 이하의 일반식에 의해 규정될 수 있다.

따라서, α가 0일 때, 방향 θ를 따라 지향된 섹터형 송신이 얻어지고, 반면에 α가 2π/(λL)일 때 전방향성 송신이 얻어진다.

다음, 도 6이 설명될 것이다.

도 6에 도시된 본 발명에 따른 방법을 구현하는 이 대안적인 방식은 원하는 송신의 유형에 의존하는 각각의 투사기에 송신 신호를 전달하기 위한 특정 스위칭 수단(61)과 관련된 선형 송신 안테나를 포함하는 수중 음파 탐지기 시스템에 더 특정하게 의도된다. 이 구현예에서, 유리하게는 선택된 송신 모드가 섹터형이건 전방향성이건간에 모든 투사기가 사용된다. 이는 최대 송신 레벨이 성취될 수 있게 한다. 여기에서 고려된 선형 안테나에서, 각각의 투사기(61)는 특정 쌍의 전도체(62)를 거쳐 공급받고, 이 쌍에 인가된 공급 신호는 원하는 송신 모드에 대응하는 지연 법칙에 따라 결정된 지연이 적용되는 동일한 송신 신호로부터 도래하는 N개의 공급 신호(63)로부터 스위칭 수단(61)에 의해 선택된다.

따라서, 특히

- 단지 수학식 2에 의해 규정된 유형의 이차방정식 지연 법칙만을 적용함으로써 최대 레벨에서의 전방향성 모드를 얻는 것이 가능하고,

- 수학식 10에 의해 규정될 수 있는 지연 법칙[τ(x)]을 인가함으로써 최대 레벨에서의 섹터형 모드를 얻는 것이 가능하고, 송신 섹터의 구경은 수학식 10의 이차방정식 성분 및 θ의 선형 함수 성분에 의한 송신 방향(θ)에 의해 생성되고,

- 주어진 지향 각도(θ)에 대해 인가된 지연의 선형 변동을 서술하는 수학식 1에 의해 규정될 수 있는 지연 법칙[τ(x)]을 인가함으로써 최대 레벨에서의 본질적인 방향성 모드를 얻는 것이 가능하다.

따라서, 여기에서 고려된 제 2 모드에서, 원하는 송신 모드에 따라 지연 법칙을 갖는 N개의 공급 신호(64)가 인가되고, N개의 신호는 제어 신호(64)에 따라 스위칭 수단(61)에 의해 투사기 상에 분포된다.

이제, 도 7 내지 도 9가 설명될 것이다.

도 7은 본 발명에 따른 방법을 구현할 수 있는 수중 음파 탐지기 시스템의 예가 설비된 안테나의 전체도를 개략적으로 도시한다. 이 시스템에서, 대략 수평이 되게 하기 위해 예인된 선형 송신 안테나(71)는 경량 요소(72) 및 선형 수신 안테나(73)로 이어진다. 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 기계적인 연결을 보장하는 사실은 별개로 하고, 요소(72)는 캐리어로부터 수신 안테나(73)를 이격하는 기능을 갖는다. 선형 수신 안테나(73)는 경우에 따라 간단한 선형 안테나이거나 수중 청음기의 트리플렛(triplet)을 포함하는 방향성 안테나일 수 있다. 조립체는 종래의 선형 수신 안테나를 위한 미리 해양 적합된 방법을 사용하는 조작자의 개입 없이 자동 전개를 위한 트레일링 라인(trailing line)(74)으로 완료된다.

조립체의 일 가능한 실시예에 따르면, 송신 안테나는 도 8에 도시된 것들과 같은 원통형 굽힘긴장(flextension) 투사기(81)에 의해 제조될 수 있고, 수신 안테나는 트리플렛을 갖는 선형 안테나이다. 조립체는 가능하게는 100 mm 미만의 실질 적으로 일정한 직경을 갖고, 유리하게는 윈치(winch) 상에 권취될 수 있다. 예를 들어 120 또는 150 mm의 대직경의 송신 섹션은 메모리형 감김 시스템에 의해 취급될 수 있다.

도 9에 도시된 이러한 시스템의 일 실시예에서, 본 발명에 따른 방법을 사용하여 구현된 적어도 2개의 수직으로 중첩된 안테나(92, 93)로 형성된 선형 송신 안테나(91)를 구비하는 것이 가능하다. 유리하게는, 이 구조는 예를 들어 전방향성 송신의 환경 내에서 상향 및 하향의 모두에서 수직 평면에 송신된 에너지를 최소화하는 것을 가능하게 한다.

송신 안테나(92, 93) 사이의 간격은 이어서 일반적으로 평균 파장의 1/2이다. 이 구조는 따라서 유리하게는 송신 방향이 무엇이건간에 수평 평면에 에너지를 집중시키는 것을 가능하게 한다.

마지막으로, 도 10이 설명될 것이다.

도 10에 도시된 본 발명에 따른 송신 방법의 적용예는 경사 위치, 또는 심지어 실질적으로 수직 위치에서 예인된 선형 어레이에 의해 수평 평면에서 전방향으로 송신하는 것으로 이루어진다. 이 적용예에서, 본 발명에 따른 방법은 송신 신호에 비선형 지연 법칙을 적용함으로서 가변 송신 패턴 폭을 갖는 섹터형 송신에 사용된다. 이와 같이 설계된 송신 시스템은 예를 들어 USV 유형의 가능하게는 자동의 무인형 소형 캐리어 운송체(vehicle)(101)에 의해 작동될 수 있는 권취형 소직경 시스템이다. 이 송신 시스템은 그 내부 구조가 선택적으로 가중되는 전술된 것과 같은 선형 송신 안테나(102)와, 캐리어(101)가 이동할 때조차 예인된 송신 안 테나를 가능한 한 수직 자세로 유지하기 위한 무거운 권취형 테일 요소(tail element)(103)를 포함한다.

따라서, 안테나는 각도(θ_incl)를 수평이 되게 하는 것으로 고려되고, 이 각도는 캐리어(101)의 속도에 의해 변한다. 더욱이, 매체의 전파 조건에 의존하여, 상당한 거리에서의 물 기둥의 양호한 고주파 음파 발사는 이 고주파 음파 발사가 각도(±θ_prop)를 갖고 수평(104)으로 발생되는 것을 요구한다는 것이 또한 고려된다. 따라서, 수평 평면에서 전방향성 고주파 음파 발사를 얻기 위해 상기 2개의 파라미터가 고려되면, 안테나에 대한 수직 둘레의 고주파 음파 발사된 섹터(±θ_sector)의 폭은 이하의 관계를 만족시키기 위해 영구적으로 조정되어야 한다.

각도(θ_sector)에 의해 경계 형성된 방향에서 실질적으로 일정한 이득을 갖는 상기 조건에 부합하는 송신 로브(lobe)는, 이차방정식 비선형 지연 법칙을 적용함으로써 본 발명에 따른 방법에 의해 유리하게 얻어질 수 있고, 이 법칙은 특히 고주파 음파 발사된 섹터 내에 거의 일정한 송신 레벨을 얻는 것을 가능하게 한다. 전방향성 레벨에 대한 해당 각도(θ)(θ_sector)의 함수로서의 송신 이득의 변동(105)은 도 9에 기호로 표현된다. 본 발명에 따른 방법에 의해 얻어진 이러한 넓은 송신 로브는 유리하게는 모든 투사기가 통상적으로 동시에 송신하는 선형 안테나에 의해 얻어진 좁은 -3 dB 구경을 갖는 송신 로브보다 이러한 시스템의 작동적인 제약에 훨씬 더 양호하게 적용된다.

가동 캐리어 상에 장착되고 캐리어가 이동할 때조차 송신할 수 있는 이러한 송신 시스템은 유리하게는 매우 다양한 각도에서 넓은 영역이 신속하게 고주파 음파 발사될 수 있게 한다. 또한, 예를 들어 다중 상태 수신 모드에서 작동함으로써 영역 내의 물체를 위치 확인하고 분류하는 것을 용이하게 한다.

유리하게는, 이 방식으로 본 발명에 따른 방법을 적용함으로써 안테나 상부에 더 얕은 깊이에 있는 물의 부분에 국부적으로 고주파 음파를 발사하는 것이 또한 가능하다. 이를 수행하기 위해, 단지 요구되는 것은 안테나(102)를 수직으로 위치시켜 θ_incl=0°가 되게 하기 위해 캐리어(101)를 고정하고 안정화하는 것이다. 이 방식으로, 전방향성 고주파 음파 발사로 얻어진 레벨에 대한 예를 들어 8 dB의 더 높은 고주파 음파 발사 레벨로 물의 더 큰 부분에 고주파 음파 발사하는 것이 가능하다.

따라서, 비한정적인 예로서 본 명세서에 설명된 다양한 구현예로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 다른 방법은 선형 안테나에 의한 실제 전방향성 송신 뿐만 아니라, 송신 패턴의 폭이 고려된 적용예에 유리하게 적용되는 섹터형 송신을 성취하는 것을 가능하게 한다. 이 방법은 또한 임의의 구조의 변경 없이 섹터형 송신 모드와 전방향성 송신 모드 사이를 겸용할 수 있는 선형 안테나가 설계될 수 있게 한다. 일정의 구현예에서, 방법은 또한 사용된 선형 안테나를 구성하는 투사 기에 송신 신호를 공급하는데 요구되는 전도체의 쌍의 개수를 매우 상당히 감소시키는 것을 가능하게 한다.

Claims (12)

1. 복수의 P개의 투사기(51)로 이루어지고 송신된 신호의 파장(λ)보다 큰 길이(L)의 예인형 선형 안테나에 의해 전방향성 송신을 성취하는 방법에 있어서,

   상기 투사기(51) 사이의 간격이 실질적으로 λ/2 미만일 때 공통의 송신 신호로부터 도래하는 송신 신호는 각각의 투사기에 인가되고, 상기 공통 신호는 지연[τ(x)]이 할당되고, 이 지연의 식은 안테나의 투사기의 위치(x)의 함수로서 비선형 법칙을 따르고, 이 법칙의 적용은 송신 패턴의 각 구경이 조절될 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 전방향성 송신의 성취 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 안테나를 구성하는 투사기(51)가 실질적으로 λ/2 미만의 거리만큼 서로로부터 실질적으로 등간격일 때, 상기 안테나의 중심에 대한 투사기의 위치(x)의 함수로서 신호에 인가된 지연 법칙은 이하의 형태의 이차방정식 법칙인, 전방향성 송신의 성취 방법.

   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 투사기(51)가 중심으로부터 말단을 향해 감소하는 거리만큼 서로로부터 분리될 때, 상기 거리는 실질적으로 λ/2 미만이고, 상기 안테나의 중심에 대한 투사기의 위치(x)의 함수로서 신호에 인가된 지연 법칙은 이하 의 형태인, 전방향성 송신의 성취 방법.

   
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 신호에 인가된 지연[τ'(x)]은 송신된 신호의 중심 주파수에 대응하는 주기(T₀)를 법으로 한 지연[τ(x)]과 동일하고, τ'(x)의 값은 τ₁로부터 τ_Q로 Q개의 레벨에 걸쳐 정량화되는, 전방향성 송신의 성취 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 지연의 정량화된 값(τ_i)이 T₀/2만큼 상이한 투사기는 공급 와이어의 극성을 간단히 반전시킴으로써 동일한 공급 쌍을 거쳐 공급받고, 요구되는 공급 와이어의 쌍의 개수는 Q/2인, 전방향성 송신의 성취 방법.
6. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 또는 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 선형 안테나의 중심 투사기의 일부는 인접한 투사기의 쌍으로 함께 그룹화되고, 최외측 투사기는 안테나의 중심에 대해 대칭적인 투사기의 쌍으로 함께 그룹화되고, 쌍을 구성하는 투사기는 동일한 신호[τ_i(52, 53)]를 공급받고, 상기 그룹들은 단지 중심 투사기를 사용하는 섹터형 송신 또는 모든 투사기를 사용하는 전방향성 송신을 성취하는 것을 가능하게 하는, 전방향성 송신의 성취 방법.
7. 제 6 항에 따른 방법을 구현하기 위한 송신 안테나에 있어서,

   각각의 투사기(51)가 특정 쌍의 전도체(62)를 거쳐 공급받을 때, 주어진 개수(N)의 공급 신호(63)에 의해 상기 투사기에 공급하기 위한 스위칭 수단(61)을 포함하고, 개수(N)는 안테나를 구성하는 투사기의 개수(P)보다 작은 것을 특징으로 하는 송신 안테나.
8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 구현하기 위한 송신 안테나에 있어서,

   상향 및 하향으로 송신된 에너지를 최소화하기 위해 수직으로 중첩된 2개의 선형 안테나(92, 93)를 포함하고, 상기 2개의 안테나는 평균 파장(λ)의 절반에 실질적으로 동일한 거리만큼 이격되어, 수면을 향해 또는 해저를 향해 수직으로 에너지의 송신을 제한하는 것을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 송신 안테나.
9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 구현하기에 적합한 방향성 선형 수신 안테나(73) 및 선형 송신 안테나(71)를 포함하는 음향 검출 시스템에 있어서,

   상기 선형 송신 및 수신 안테나는 실질적으로 동일한 직경을 가져 조립체가 윈치 상에 자동으로 권취될 수 있게 하는 음향 검출 시스템.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 선형 송신 안테나(71)는 굽힘긴장형의 원통형 투사기(81)로 구성된 안테나이고, 상기 선형 수신 안테나(73)는 수중 청음기 트리플렛으로 이루어진 안테나인 음향 검출 시스템.
11. 복수의 P개의 투사기로 이루어지고 수평과 수직 사이의 임의의 항법 위치에서 예인되는 길이(L)의 예인형 선형 안테나(102)에 의해 수평 평면에서의 전방향성 송신을 성취하기 위한 방법에 있어서,

    각각의 투사기는 지연이 인가되는 공통의 송신 신호로부터 도래하는 송신 신호를 공급받고, 상기 지연의 값은 상기 안테나의 투사기의 위치의 함수로서 비선형 법칙을 따르고, 이 법칙은 수직에 대한 안테나의 경사에 요구된 바와 같은 고주파 음파 발사된 섹터의 구경을 수정하기 위해 캐리어(101)의 속도에 따라 자동으로 규정되는 것을 특징으로 하는 전방향성 송신의 성취 방법.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 비선형 법칙은 이하의 조건

    

    을 만족하는 송신 패턴의 구경 각(θ_sector)을 얻기 위해 규정되고, 여기서 θ_incl은 수평에 대한 안테나의 경사각을 나타내고, θ_prop는 해당 송신 방향을 나타내 는, 전방향성 송신의 성취 방법.

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