KR20120004889A - 분산 소나 - Google Patents

Abstract

SONAR는 초음파를 송출하고 물체에서 반사된 반사파를 감지하여 물체와의 거리 및 위치 등을 알아내는 방법이다. 초음파는 바다속 물의 수온차로 인하여 반사가 일어난다. 특히 수온차의 기울기에 의하여 음영지역이 발생할 수 있다. 따라서 송출한 초음파가 물체에 도달하지 못하고 다른 곳으로 보내지거나, 물체에 도달하였다고 하더라도 되돌아 오지 못하는 경우가 발생한다. 따라서 음영 지역으로 침투하는 잠수함은 크게 위협이 되고 있다.
본 발명에서는 음영 구역 문제를 해결하기 위하여, SONAR를 여러 장소에 분산 설치하여 초음파 전송 패스를 다각화 하도록 하며, 한 SONAR의 코드화된 펄스 신호를 다른 SONAR 수신기들에서도 수신 가능하도록 하여, 음영 구역이 나타나는 문제를 해결하였다.
본 발명에 의한 SONAR를 잠수함 침투를 감시하기 위한 해역에 분산 설치하고, 탐지정보를 원격지에 있는 함정 및 관제센터에 전송하도록 하면, 침투 초기에 신속 정확하게 침투 잠수함을 탐지하고, 여유있게 대응할 수 있어서, 대잠수함 경계에 크게 도움이 될 것이다.

Description

분산 소나{DISTRIBUTED SONAR}

본 발명은 해저에서 SONAR를 이용하여 잠수함을 탐색할 때, 음영구역 문제를 해결하기 위한 기술에 대한 것이다.

SONAR는 초음파 펄스를 송출하고, 물체에서 반사된 반사파를 감지하여 물체와의 거리 및 위치 등을 알아내는 장비이다. 그러나 초음파는 바다 물의 수온차로 인한 경계면에서 반사가 일어난다. 특히 수온차의 기울기에 의하여 음영지역이 발생할 수 있다. 따라서 송출한 초음파가 물체에 도달하지 못하고 다른 곳으로 보내지거나, 물체에 도달하더라도 반사파는 되돌아오지 못하는 경우가 발생한다. 이러한 현상으로 인하여 탐지하지 못하는 구역을, 음영 구역이라고 한다. 따라서 음영구역으로 침투하는 잠수함은 크게 위협이 되고 있다.

해저에서 SONAR를 이용하여 잠수함을 탐색하고자 할 때, 음영 구역 문제로 인하여, 이 구역으로 침투하는 잠수함을 탐지하지 못하는 경우가 많아서 크게 위협이 되고 있다. 따라서 본 발명에서는 SONAR의 상기 음영 구역 문제를 해결하고자 한다.

음영 구역을 문제를 해결하기 위하여, SONAR를 여러 장소에 분산 설치하고, 한 SONAR의 코드화된 펄스 신호를 다른 SONAR 수신기들에서도 식별할 수 있도록 하며, 동시에 다른 SONAR도 식별 가능한 펄스를 동시 또는 순차적으로 송출하여, 모든 분산 설치된 SONAR 들이 병행해서 감지하도록 하여, 초음파 전송 패스를 다양화하여, 음영 구역이 나타나는 문제를 해소하였다.

각각 다른 장소에 분산 설치된 SONAR들은 각각 다른 루트로 초음파를 발사하기 때문에, 한 지점에서 음영 문제가 발생하여 대잠수함 감지가 이루어지지 않더라도, 나머지 다른 SONAR에서는 잠수함이 감지될 수 있다.

또한 한 SONAR가 송출한 초음파 펄스가 잠수함에 맞고 되돌아오다가, 수온차의 기울기에 의해 굴절되어 원 송출지점으로 되돌아오지 않더라도, 그 반사 펄스는 다른 SONAR에 도달할 수 있으며, 그 반사 펄스를 수신한 SONAR는 상대방 SONAR의 위치 및 코드를 사전에 알고 있으면, 탐지할 잠수함의 거리 및 위치를 알아낼 수 있다.

본 발명에서는 SONAR를 분산 설치하는 방법으로 SONAR의 음영 문제를 해결하여, 정확하고 높은 탐지율로 대잠수함 감지를 가능하게 하였다. 본 발명에 의한 SONAR를 잠수함 침투를 감시하기 위한 해역에 분산 설치하고, 탐지정보를 원격지에 있는 함정 및 관제센터에 전송하도록 하면, 침투 초기에 신속 정확하게 침투잠수함을 탐지하고, 여유있게 대응할 수 있으므로, 대잠수함 경계에 크게 도움이 될 것이다.

도 1은 분산 SONAR의 개념을 나타낸 그림이다.
도 2는 SONAR 신호의 시간 대 주파수 세트의 일 예를 나타낸 그림이다.
도 3은 분산 SONAR의 수신 방법을 나타낸 그림이다.
도 4는 분산 SONAR 및 초음파통신기의 블럭도이다.
도 5는 분산 SONAR 노드의 블럭도이다.
도 6은 분산 SONAR용 전기 발생 장치의 입면도이다.
도 7은 분산 SONAR용 지지대 및 보호망을 나타낸 그림이다.

SONAR는 초음파를 송출하고 물체에서 반사된 반사파를 감지하여 물체와의 거리 및 위치 등을 알아내는 방법이다. 초음파는 바다속 물의 수온차로 인하여 반사가 일어난다. 특히 수온차의 기울기에 의하여 음영지역이 발생할 수 있다. 따라서 송출한 초음파가 물체에 도달하지 못하고 다른 곳으로 보내지거나, 물체에 도달하였다고 하더라도 되돌아 오지 못하는 경우가 발생한다. 따라서 음영 지역으로 침투하는 잠수함은 크게 위협이 되고 있다.

본 발명에서는 음영 문제를 극복하고, 함정 또는 관제센터에서 침투 초기에 신속하고 정확한 잠수함 감지정보를 획득하는 수단을 제공하고자 한다. 음영 문제는 두가지 방법으로 해결하였다. 첫번째는 SONAR를 여러 장소에 분산 설치하는 방법과 두번째는 한 SONAR 신호를 다른 SONAR 수신기에서도 식별되도록 하는 방법을 창안하였다.

첫번째 방법은 먼저 침투가 예상되는 해역에 SONAR를 여러 곳에 분산 설치하는 것이다. 각각 다른 장소에 분산 설치된 SONAR는 각각 다른 루트로 초음파를 발사하기 때문에 한 지점에서 음영 문제가 발생하여 대잠수함 감지가 이루어지지 않더라도, 나머지 다른 SONAR에서는 잠수함이 감지될 수 있도록 하여, 탐지확률을 높이는 방법이다.

두번째 방법은 첫번째 방법과 마찬가지로 침투가 예상되는 해역에 SONAR를 여러 곳에 분산 설치하나, 각각 식별이 가능한 초음파 신호를 발사하고 다른 수신기에서도 이 신호가 수신될 수 있도록 하는 방법이다. 이때 식별 코드 및 타이밍 정보 전송은 상호간에 데이터 통신을 통하여 이루어지도록 하거나, 또는 설치시에 주입한다.

함정 및 관제센터에서는 여러 SOANR 수신기를 통하여 수집된 여러 정보를 가지고 좀더 정확하고 높은 확률로, 침투 초기에 잠수함의 거리, 위치 정보 및 이동 루트에 대한 정보를 얻을 수 있다.

SONAR 노드의 잠수함 감지를 위한 초음파 펄스는, 시간 및 주파수로 이루어진 고유의 코드를 SONAR 마다 다르게 갖도록 하여, 어떤 지점의 SONAR 신호인지를 식별 가능하도록 한다. 통신을 위한 초음파 신호는 SONAR 동작에 지장이 없는 대역 또는 다른 시간대를 사용하며, 할당된 주파수대역 또는 다른 시간대에서 모든 노드가 데이터를 송수신할 수 있도록 CSMA/CD 방식을 사용한다. 각 지점에 설치된 SONAR 노드는 그물망 구조로 배치하여 AD-HOC 중계에 의한 통신 네트워크를 형성하거나, 경계 구역에 일렬로 배치하여 AD-HOC 중계 전송하는 방식으로 운용할 수 있다.

도 1은 해저에 다수의 SONAR(101,102,103,104,105,106,107,108,109)가 분산되어 설치된 그림이다. 첫번째 분산 개념에 의해 SONAR(101,102,103, 104,105,106,107,108,109)를 분산해서 설치하고 감시 해역으로 침투하는 잠수함을 동시에 탐지하도록 하면, 한 SONAR(예:101)와 잠수함간에 음영구역으로 인해 침투 잠수함을 감지하지 못하더라도 다른 SONAR(예:102, 103)는 감지할 수 있다. 그러나 가까운 지점에 다수 설치된 SONAR 가, 동시에 초음파 펄스를 송출하게 되면 상호 간에 간섭을 일으켜, 오히려 탐지를 방해할 수가 있다. 따라서 SONAR 상호간에 간섭을 일으키지 않도록 하는 방법이 강구되어야 한다.

한 SONAR(101,102,103, 104,105,106,107,108,109)가 다른 SONAR 펄스를 식별하고, 또한 다른 SONAR 펄스가 자기 펄스를 식별하는데 방해가 되지 않도록 하기 위한 방법으로는 다음 2가지가 있다. 첫번째는 특정 시간에 한 SONAR만 펄스를 송출하도록 시간적으로 할당하는 방법이고, 두번째는 도 2와 같이 특정 TIME 에 특정 주파수 세트 즉 코드를 할당하고, 그 코드를 다수 두고, 그 코드들 간에는 영향을 미치지 않도록 하여, 자기 자신의 펄스를 식별하도록 하는 방법이다.

펄스 송출권을 시간적으로 할당하는 방법으로는, 각 SONAR 마다 미리 정해진 TIME SLOT을 할당하는 방법과, 가장 최근에 침입이 감지되고 대상체가 움직임이 있는 SONAR에 우선권을 부여하여 차등을 두고, 이과정에서 이웃 SONAR 들과 통신하여 송출권을 부여받은 특정시간에는 우선권을 부여 받은 SONAR만 송출하도록 하는 것이다.

두번째 분산 개념은 감시하고자하는 바다 바닥에, SONAR를 여러 개 설치하여 한 SOANR에서 송출한 신호가 다른 SOANR에서도 신호를 식별할 수 있도록 하여, 반사된 신호가 되돌아 오지 않고 다른 SONAR에 도달하여도, 물체의 거리와 위치를 알 수 있도록 하여, 음영 문제 및 탐지 확률을 개선하는 방법이다. SONAR(101,102,103, 104,105,106,107,108,109)를 도 1과 같이 설치하고, 각 SONAR는 도 2와 같이 펄스 내의 특정시간에 특정 주파수를 가지는 코드 세트를 각각 부여하며, 부여한 코드 세트는 상호 영향을 주지 않도록 한다. 또한 펄스 송신기는, 부여받은 코드로 초음파 펄스를 송출하나, 수신기는 도 3과 같이 자신의 펄스외에 다른 SONAR의 펄스도 수신하도록 인근의 타 SOANR 코드를 수신할 수 있는 MATCHED 필터(301,302,303,304)를 갖도록 한다. 도 3의 DETECTION PROCESSOR(305)는 이웃 SONAR와 통신을 하여 이웃 SONAR들의 위치 정보, 자신과의 거리 및 펄스 송출 시간 등의 정보를 사전에 갖고 있어서 자기 자신의 반사 펄스 외에 타 SOANR의 펄스도 탐지에 활용한다.

상기 2가지 방법으로 음영구역 문제를 해소할 수 있으며, 상기 방법은 다음과 같이 구현된다. 도 4는 분산 SONAR의 블럭도이며, 초음파통신기의 블럭도이기도 하다. 도 4에서 분산 SONAR와 초음파통신기는 수신신호처리부(407)을 제외하고는 하드웨어적인 면에서는 동일하다. 분산 SONAR는 FPGA(401), D/A CONVERTER(402), LPF(403), POWER AMP(404), DUPLEXER(405), 진동자(406), 수신신호처리부(407)로 구성된다.

CPU(408)에서는 할당 받은 고유의 코드를 FPGA(401)에 보낸다. 상기 코드는 도 2의 201에서 보여주는 바와 같은 TIME과 FREQUENCY 세트로, 코드들 간에는 MATCHED FILTER를 이용한 자기상관관계값을 가지고 상호 식별이 가능하다.

FPGA(401)는 상기 코드에 의거한 주파수 데이터를 생성하여 D/A CONVERTER(402)에 보낸다. D/A CONVERTER(402)는 FPGA(401)로부터 받은 데이터를 가지고 초음파 펄스를 생성하여 LOW PASS FILTER(403)에 보낸다. LPF(403)를 통과한 초음파 펄스의 형태는 도 2의 202와 같이, 펄스 내에서 시간 T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7 에 따라 각각 다른 주파수 값을 갖는다. LPF(403)로부터의 펄스 신호는 POWER AMP(404)를 통하여 증폭되고, DUPLEXER(405)와 초음파진동자(406)를 통하여 수중으로 송출된다.

송출된 초음파펄스는 수중에 있는 물체에 의하여 반사되어 되돌아온다. 반사된 펄스는 초음파진동자(406)와 DUPLEXER(405)를 통하여 수신처리부(407)에 수신된다. 수신처리부(407)의 상세 블럭도는 도 3과 같다. 수신처리부(407)에 입력된 펄스는 저잡음증폭기인 PRE AMP(306)을 통하여 증폭한 후 MATCHED FILTER(301,302,303,304)에 보낸다. MATCHED FILTER 1(301)은 부여받은 자신의 코드와 일치할 때 최대값을 갖도록 하며, MATCHED FILTER 2, 3, 4(302,303,304)는 인근의 SONAR에 할당된 코드와 일치할 때 최대값을 갖도록 한다. MATCHED FILTER(301,302,303,304)의 각 출력값은 DETECTION PROCESSOR(305)에 보내진다. DETECTION PROCESSOR(305)는 MATCHED FILTER(301,302,303,304)에서 입력된 각 신호값에 대하여 A/D 변환한 값과, 해당 MATCHED FILTER 번호를 FPGA(401)에 보낸다. FPGA(401)는 DETECTION PROCESSOR(305)에서 보낸 데이터를 가지고 자신이 보낸 펄스인지, 다른 SONAR로 부터의 펄스인지를 판단한다. 상기 판단 과정은, 자신이 보낸 펄스이면 MATCHED FILTER 1(301)의 값이 최대이고, 이웃 SONAR로 부터의 펄스이면 해당 MATCHED FILTER 값이 최대가 되므로, 각 MATCHED FILTER의 출력값을 비교함으로써 이루어진다.

상기 과정을 통하여 자신이 보낸 펄스인 것이 확인되면, 펄스 송출 시간과 반사파 도달 시간을 이용하여 물체와의 거리를 계산한다. 만일 다른 SONAR가 보낸 펄스로 확인되면, 해당 코드 값을 가진 SONAR의 위치 정보와 펄스 송출 시간 및 수신된 반사파 도달 시간을 이용하여 물체와의 거리를 계산한다. 다른 SONAR의 위치 정보와 펄스 송출 시간은 CPU(408, 502)를 통하여 제공되며, CPU(408, 502)는 상기 정보를 설치 당시에 얻을 수도 있으며, 운용중에 초음파통신기(503)를 통하여 제공 받을 수 도 있다.

초음파통신기(503)의 블럭도는, 수신신호처리부(407)을 제외하면 도 4의 SONAR 블럭도와 동일하다. 그러므로 초음파통신기(503)에 대한 상세 설명은 도 4의 블럭도를 가지고 설명하기로 한다. 초음파통신기들 간의 통신은, 한정된 주파수 자원을 효율적으로 사용하기 위하여 CSMA/CD 방식의 통신 방식을 사용한다. 따라서 임의의 한 SONAR 노드가 데이터를 전송하고자 하면, 먼저 다른 SONAR가 데이터를 전송하고 있는지 수신 신호를 확인한다. 이때 데이터 전송 중인 SONAR가 없으면 데이터를 전송한다.

위치정보, 코드정보, 탐지정보 등의 보낼 데이터가 있고 데이터 전송중인 다른 SONAR가 없으면, CPU(408)는 해당 데이터를 FPGA(401)에 보낸다. FPGA(401)는 전송할 데이터를 채널 코딩하고 변조하여 D/A CONVERTER(402)에 보낸다. D/A CONVERTER(402)는 FPGA(401)로부터 받은 데이터를 가지고 초음파 신호로 만들어서 LOW PASS FILTER(403)에 보낸다. LPF(403)를 통과한 초음파 신호는 POWER AMP(404)를 통하여 증폭하고, DUPLEXER(405)와 초음파진동자(406)를 통하여 수중으로 송출된다.

수중에서 활용 가능한 초음파 주파수 대역이 넓지 않은 관계로 HALF DUPLEXING 통신 방식을 사용한다. 따라서 데이터를 모두 보내고 나면, 수신 모드로 돌아가서 상대 신호를 기다린다. 상대방에서 전송한 초음파 신호는 초음파진동자(406)와 DUPLEXER(405)를 통하여 수신처리부(407)에 수신된다. 초음파통신기의 수신처리부(407)는 SONAR의 수신처리부(407)와는 다르다. 수신처리부(407)에 입력된 초음파 신호는 저잡음증폭기를 통하여 증폭한 후 저역필터를 통과시켜 A/D 변환한다. A/D 변환한 신호는 FPGA(401)에 보내져 복조 및 채널 디코딩 과정을 거쳐 데이터를 추출한다. 추출된 데이터는 CPU(502)에 보내져 분석하고 데이터를 저장한다.

도 5는 본 발명에 의한 SONAR 노드를 구현한 전체 블럭도이다. SONAR 노드는 도 5와 같이, SONAR(501), CPU(502), 초음파통신기(503), 초음파 진동자(504, 505), 발전기(506), 전원공급기(507), 자세감지기(508), DRIVER(509), 베이스(510) 으로 구성된다. SONAR(501)와 초음파통신기(503)의 동작은 전술한 내용과 같다.

CPU(502)는 위치정보, 신호코드, 송출시간, 탐지결과 등의 데이터를 저장하며, 필요에 따라 이웃 SONAR 노드에 보내거나, RF 중계 허브(110)를 통하여 원격지에 있는 함정 및 관제센터에 전송한다. 또한 CPU(502)는 SONAR 펄스의 송수신, 초음파통신기의 송수신, 베이스의 자세 유지, 충전 등의 작동을 주관한다.

발전기(501)는 조류를 이용한 소형 전기 발생장치로, 도 6은 발전기를 정면에서 본 그림이다. 도 6의 수직축(603)은 베이스(601)에 고정되며, 수평축(602)은 수직축(603)과 베어링으로 연결되어 지지를 받으며 조류에 편향될 수 있도록 한다. 회전체(604,608, 609)는 각 수평축(602,606,607)에 의해 베어링으로 지지를 받으며 회전한다. 회전체(604,608, 609)에 의해서 발생한 전기는, 한 회전체 및 수평축이 고장 났을 때 다른 회전체에서 발생한 전기를 원활하게 이용할 수 있도록 하기 위하여, 개별적 회로로 전원공급기(507)에 연결되도록 한다. 또한 회전체(604,608, 609)에는 영구자석을 두고 수평축(602,606,607)에는 권선 코일을 두어 전기적인 접점을 최소화하여 고장 발생을 줄이도록 한다. 회전체(604,608,609)의 회전에 의해 발생된 전기는 수평축(602,606,607)과 수직축(603) 간의 접점을 통하여 베이스에 전달되도록 한다. 이때 누전이 되지 않도록 지지축과 회전축 사이는 방수가 되도록 한다. 6개의 회전체에서 발생한 전기를 다이오드를 통하여 합하여 전원공급기(507)에 보낸다.

전원공급기(507)는 발전기(506)에서 발생한 전기를 각부에 알맞는 레벨로 변환하여 공급하거나, 남는 전원을 충전하는 역할을 한다.

베이스(510)는 SONAR를 고정시키는 역할을 한다. CPU(502)는 자세감지부(508)의 MEMS 가속도 및 각속도 센서를 이용하여 높낮이 및 수평자세를 감지하여 DRIVER(509)를 통하여 베이스를 바닥면과 동일한 높이에서 수평을 유지하도록 한다.

도 7은 SONAR 노드를 위한 보호망(701) 및 베이스(702)를 나타낸 그림이다. 도 7에서 보호망(701)은 그림에서 나타나는 바와 같이 그물에 걸리지 않도록 반구 모양으로 이루어지며, 조류의 흐름에는 지장을 주지 않도록 모기장 형태의 구조를 갖는다. 보호망(701)의 바닥면 즉 베이스(702) 윗면은 둥글게 하여 침전물에 영향을 덜 받도록 하며, 또한 베이스(702)는 3축 제어가 가능하도록 하여 높낮이 조절 및 자세를 조절할 수 있도록 한다. 베이스의 자세는, 조류 흐름으로 전기를 최대로 발생하기 위하여 항상 수평을 유지하도록 한다. 베이스(702)는 그물에 걸리지 않고, 높낮이 및 수평자세 변화 시에도 측면이 노출되지 않도록, 측면에 주름이 있는 형태로 구현한다.

수면과 지상의 경계면에는 도 1에서 나타나는 바와 같이 상기 설명한 SONAR 노드 외에 초음파 및 RF 전송이 가능한 RF 중계 허브(110)를 추가로 두어, 감시 지역에서 탐지한 정보를 원거리에 있는 관제 센터 및 함정에 신속하게 보낼 수 있도록 한다.

101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109 : 분산 SONAR 노드
110 : RF 중계 허브
201 : FREQUENCY & TIME 세트
202 : SONAR 펄스
301, 302, 303, 304 : MATCHED FILTER
305 : DETECTION PROCESSOR 306 : PRE AMP
401 : FPGA 402 : D/A CONVERTER
403 : LOW PASS FILTER 404 : POWER AMP
405 : DUPLEXER 406 : 진동자
407 : 수신신호처리부 408 : CPU
501 : SONAR 502 : CPU
503 : 초음파통신기 504, 505 : 진동자
506 : 발전기 507 : 전원공급기
508 : 자세감지기 509 : DRIVER
510 : 베이스
601 : 지지대 602, 606, 607 : 수평축
603 : 수직축 604, 608, 609 : 회전체
605, 610, 611 : 방향타
701 : 보호망 702 : 베이스
703 : 고정장치

Claims (2)

1. SONAR를 여러 곳에 분산 설치하고, 각각 다른 장소에 분산 설치된 SONAR는 각각 다른 루트로 초음파를 발사하도록 하여, 한 지점의 SONAR가 음영 문제가 있더라도, 나머지 다른 SONAR에서는 잠수함이 탐지될 수 있도록 하여, 탐지확률을 높이는 방법과;
   SONAR를 분산해서 설치하고, 설치한 각 SOANR에 고유의 코드(펄스내에서 시간 대 주파수 조합; 도2 참조)를 부여하고,
   수신단에는 자신의 코드에 해당되는 MATCHED FILTER외에 다른 코드에 대한 MATCHED FILTER도 구비하여 자신의 펄스 외에 이웃에 있는 다른 SONAR의 펄스도 수신할 수 있도록 하며,
   부여받은 고유의 송출 신호 코드와 송출 시각 정보를 인접한 SONAR 노드를 통하여 AD-HOC 방식으로 중계 전송 및 공유하도록 하여,
   SONAR 펄스를 송출한 노드뿐만 아니라 SONAR 펄스 수신이 가능한 모든 다른 SONAR 노드에서도 그 반사파를 탐지하고 어떤 SONAR의 것인지를 식별할 수 있도록 한 방법을;
   사용하여 음영문제를 개선하도록 한 초음파 탐지 방법 및 장치.
2. 청구항 1항에 있어서,
   코드를 셀 단위로 나누어서 할당하고, 셀 내에서는 펄스 전송권을 시간적으로 할당하며, 펄스 전송권을 시간적으로 할당하는 데 있어서 각 SONAR 마다 미리 정해진 TIME SLOT을 할당하는 방식과;
   TIME SLOT을 할당하는데 있어서 가장 최근에 침입이 감지되고, 대상체의 움직임이 있는 SONAR에게 우선권을 부여하여 송출권에 있어서 차등을 두고, 이 과정에서 이웃 SONAR 들과 통신하여 송출권을 부여받은 특정시간에는 우선권을 부여 받은 SONAR만 송출하도록 하는 방식을; 사용하여,
   부여 가능한 코드보다 더 많은 SONAR를 동일 지역에서 작동할 수 있도록 하여,
   인근에 설치된 많은 SONAR 노드들이 동시에 대잠수함을 탐지하는데 코드 중복 사용 문제가 없도록 한 방법.

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