KR20120006686A - 천해용 소나 네트워크 - Google Patents

Abstract

서해에서 천안함 침몰로 인하여 함정에 대한 새로운 방어체계가 시급하게 필요한 상태이다. 특히 서해처럼 수심이 낮고 조류가 급격하게 변화하는 바다에서는 기존 소나 만을 이용하여 방어하는 것으로는 매우 미흡하다. 심해를 포함하여 모든 바다에 적용되는 초음파를 감지하여 잠수함을 감지하는 SOSUS가 있으나 쌍끌이 어선 조업이 행해지고 있고 태풍의 영향을 받는 천해이며, 수온차가 큰 서해에는 부적합하다. 따라서 서해 바다와 같이 낮은 바다에서 잠수함 침투를 조기에 감지하는 새로운 수단이 개발되어야 한다.
따라서 본 발명에서는 첫째로 수심이 100M 이내로 낮고, 수온차로 인하여 음영 현상이 있어 수평 방향으로 멀리 떨어진 함정에서 잠수함을 감지하기 어려운 서해 지역에서도 침투하는 잠수함을 조기에 감시할 수 있도록 SONAR를 바다 바닥에 설치하는 방안을 구현하고자 하였으며, 센서는 감시하고자 하는 해역에 일정한 간격으로 설치하고 데이터를 중계 전송할 수 있도록 구현하여 침투하는 잠수함을 인접한 곳에서 조기에 정확하게 감지하여 함정 및 관제센터에 보고할 수 있도록 하였다.
이와 같이 SONAR 센서를 감시하고자하는 바다 바닥에 분산해서 여러 개 설치하면 SONAR와 잠수함간에 나타날 수 있는 음영 구역 문제를 개선시킬 수 있다. 첫째로 다수의 SONAR를 여러 장소에 여러 개를 분산 배치하였기 때문에 한 SONAR와 잠수함간에 음영 구역이 발생되더라도 다른 SONAR와 잠수함간에는 음영 구역이 발생하지 않을 수 있으며, 둘째로 한 SONAR에서 송출한 신호를 다른 SONAR에서도 수신할 수 있도록 하여 SONAR와 잠수함간에 송수신 루트가 형성되지 않더라도 다른 SONAR에서 수신된 신호를 분석하여 잠수함 감지가 가능하기 때문에 음영 문제를 좀더 개선할 수 있으며, 세째로 SONAR를 감시하고자하는 해역 바닥에 설치하기 때문에 수직 방향으로의 음파 송수신로에는 음영 문제가 거의 해소된다.
음영 문제 개선 외에도, 근접 거리에서 감지하기 때문에 잠수함 반사 신호가 매우 커서 탐지율이 크게 개선될 수 있다. 즉 감시하고자 하는 해역에 침투하는 잠수함을 조기에 정확하게 감지하는 것이 가능하게 할 수 있다.
본 발명에서는 SONAR를 한 지점에서 신호를 송출하여 반사되는 신호를 수신하여 거리 정보를 얻는 단순 초음파를 이용한 레이더 개념을 넘어서서 SONAR 센서에 타 SONAR에 의한 반사파도 수신하며, 자신의 신호 정보 및 타 센서 노의 데이터도 중계 전송 및 라우팅할 수 있는 기능을 갖도록 하여 함정 및 관제 센터에 대잠수함 탐지 정보를 실시간으로 제공할 수 있도록 하였다. SONAR들 간에 신호 식별을 위해 펄스파 내에서 주파수가 시간에 따라 정해진 순서에 따라 변화하도록 하는 코드를 부여하고, 이 코드를 다른 SONAR들도 알도록 하여 다른 SONAR 에서 발사하여 도달한 신호 및 그 신호가 반사되어 도달한 신호 정보를 모두 획득할 수 있도록 하여 대잠수함 탐지 확률을 높이도록 하였다. 탐지 확률은 이중성 및 음영 지역에 대한 개선 외에도 송출 펄스에 의한 브라인드 문제로 근접된 물체가 안보이는 현상에 대한 탐지 확률도 개선시킬 수 있다.
본 발명에서는 또한 제한된 주파수를 가지고 모든 SONAR들이 네트워크를 형성할 수 있도록 SONAR의 사용 주파수 대역을 셀 단위로 배치하고, 출력 세기를 제한하여 주파수를 반복적으로 사용할 수 있게 하였으며, 상기 모든 SONAR 노드들이 필요한 때에 데이터를 전송할 수 있도록 CSMA/CD 방식의 MULTIPLE ACCESS 방법을 적용하여 노드 간 상호 간섭이 없도록 하였다.
또한 감지된 SONAR 정보를 함정 및 관제 센터에 신속하게 전달하기 위하여 육지와 만나는 지점에는 지상 통신을 할 수 있는 RF 송수신 장치를 보유한 허브를 두었다. 지상에서는 함정과 관제 센터에 RF 신호나 유선 네트워크로 신호가 신속하게 전달 될 수 있도록 하였다.
따라서 본 발명은 서해와 같이 낮고 수온차가 커서 음영 구역 문제 및 탐지 확률이 낮은 천해에서 SONAR를 분산 설치하고 네트워크화하여 잠수함 침투를 조기에 높은 탐지 확률로 신속 정확하게 감지하여 함정 및 관제 센터에 필요 정보를 보내 줄 수 있어 조기 대응이 가능하며, 안전한 상태에서도 임무 수행이 가능하도록 하는데 크게 도움이 될 것이다.

Description

천해용 소나 네트워크{SONAR NETWORK FOR THE SHALLOW SEA}

본 발명은 수심이 낮은 바다에서 잠수함 및 함정의 침투를 감지하지 위한 SONAR 네트워크 구현 기술에 대한 것이다.

서해처럼 낮고 조류가 급격하게 변화하는 바다에서는, 함정에 부설하여 원거리 및 근거리를 모두 탐지하는 기존 소나 만을 이용하여 대잠수함을 탐지하는 것으로는 매우 미흡하다.

또한 심해를 포함하여 모든 바다에 적용되며 초음파를 이용하여 잠수함을 감지하는 SOSUS가 있으나, 쌍끌이 어선 조업이 행해지고 있고, 태풍의 영향을 받는 서해에는, 크기, 케이블, 모양 등의 문제로 훼손이 크게 우려되며, 수온 차와 낮은 수심으로 인한 음영구역 문제, 수면 반사 및 잡음 등의 문제로 원거리에서 정밀한 탐지가 곤란하다.

따라서 서해 바다와 같이 낮고 열악한 조건의 바다에서 잠수함 침투를 조기에 탐지할 수 있는 적절한 수단이 요구되고 있다.

함정 및 관제 센터는 원격지에 위치하고, SONAR는 경계 지역에 설치하여, 원격으로 안전하게 잠수함 또는 함정의 침투를 초기에 탐지할 수 있도록 하고자 하며, 아울러 탐지 정확도를 개선하고자 한다.

탐지율을 높이기 위해 경계 지역에는 다수의 SONAR를 분산 배치하고, 동시 탐지가 가능하도록 하고자 하며, 탐지한 결과값은 이웃하는 노드를 통해 중계 전송할 수 있도록 하는 SONAR 네트워크 구조를 도출하고자 한다.

경계 구역에 설치된 SONAR는 외력에 의한 훼손이 적게 발생 되도록 하며, 전원 및 통신은 무선화하고, SONAR는 소형이면서도 지향성을 갖도록 하고자 한다.

아울러 음영 구역 문제를 해결하기 위한 방안을 도출하고, 설치 후 유지보수하는 시간 및 비용을 최소화할 수 있는 방안을 찾고자 한다.

본 발명에서는 침투 초기에 원거리에서 안전하고 정확하게 탐지할 수 있도록

하기 위하여, SONAR를 경계 구역에 다수 설치하고, 각 SONAR에는 중계 전송 기능을 부가하고, 지상과 접하는 부분에는 RF 중계 허브를 이용하여, 탐지된 정보를 신속하게 원격지의 함정 및 관제센터에 전송할 수 있도록 네트워크화하고자 하였다.

SONAR를 네트워크화하기 위하여, SONAR 기능 외에, 데이터를 송수신할 수 있는 초음파 통신 모뎀과, 라우팅 알고리즘을 내장하여, 인근 SONAR에서 수신한 데이터를 AD-HOC 방식으로 중계 전송할 수 있도록 하였다.

또한 제한된 초음파 주파수를 가지고 네트워크를 구성한 모든 SONAR들이 상호 간섭없이 정상적으로 동작할 수 있도록, 주파수 대역을 셀 단위로 배치하고, 출력 세기를 제한하여 주파수를 반복적으로 사용할 수 있도록 하였다.

설치된 SONAR는 외력에 의한 훼손이 적게 발생 되도록 하기 위하여, SONAR를 소형화하였으며, 자체적으로 전력을 발생시켜 전원공급 케이블을 없앴으며, 보호망을 반구형으로 구현하고, 바다 바닥에 설치할 수 있는 구조를 갖도록 하였다.

아울러 반구형 보호망 내에서 조류에 의해서 지속적이고도 최적의 전력을 얻도록 하기 위하여 발전기의 회전체를 다중화하였으며, 소형 구형 보호망 구조물에 진동자를 분산 배치하여 SONAR가 지향성을 가지며, 상하로는 90도, 좌우로는 360도 로 방향 조절을 할 수 있도록 하였다.

음영 구역 문제를 해결하기 위해서는, 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 이중으로 다양화하였다.

유지보수 시간 및 비용을 최소화하기 위해서는, MEMS 가속도 및 각속도 센서로 SONAR의 자세를 감지하고, 모터 및 기어를 이용하여 자세 보정을 자동으로 하도록 하여 바닥 바닥에 설치한 SONAR가 부유물에 덮이지 않도록 하며, 수평자세를 계속 유지하여 전력을 지속적으로 공급할 수 있도록 하였다.

본 발명은 서해와 같이 낮고 수온 차가 커서 음영 구역 문제 및 탐지 확률이 저조한 바다에서 SONAR를 분산 설치하고 네트워크화하여, 대잠수함 침투를 초기에 높은 탐지 확률로 신속 정확하게 감지할 수 있도록 하여, 함정 및 관제 센터에서 조기 대응이 가능하며, 안전한 상태에서도 임무 수행이 가능하도록 하는데 크게 도움이 될 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 SONAR를 탑재한 소형 함정을 많이 투입하거나, SOSUS 등의 시스템을 적용하려고 한다면, 상대적으로 엄청난 비용과 유지보수를 위한 추가적인 노력이 소요될 것으로 사료된다.

도 1은 SONAR 네트워크의 개념을 나타낸 그림이다.
도 2는 주파수 재사용을 위해 셀 단위로 시간 주파수 코드 세트를 할당하는 방법을 나타낸 그림이다.
도 3은 침투 잠수함이 이동하는 루트가 SONAR 네트워크로 감지되는 것을 나타낸 그림이다.
도 4는 SONAR 신호의 시간 대 주파수 세트의 일 예를 나타낸 그림이다.
도 5는 SONAR의 수신 방법을 나타낸 블럭도이다.
도 6은 SONAR의 블럭도이다.
도 7은 초음파통신기의 블럭도이다.
도 8은 SONAR 노드의 불럭도를 나타낸 그림이다.
도 9는 SONAR의 보호망 및 진동자를 나타낸 그림이다.
도 10은 전기 발생 장치의 회전체 및 지지장치를 나타낸 입면도이다.

서해에서 천안함 침몰로 인하여 함정에 대한 새로운 방어체계가 시급하게 필요한 상태이다. 특히 서해처럼 수심이 낮고 조류가 급격하게 변화하는 바다에서는 기존 레이더 및 기존 소나 만을 이용하여 방어하는 것으로는 매우 미흡하다. 심해를 포함하여 모든 바다에 적용되는 초음파를 감지하여 잠수함을 감지하는 SOSUS가 있으나 쌍끌이 어선 조업이 행해지고 있고, 태풍의 영향을 받는 천해이며, 수온차가 큰 서해에는 부적합하다. 따라서 서해 바다와 같이 낮은 바다에서 잠수함 침투를 조기에 감지하는 새로운 수단이 개발되어야 한다.

따라서 본 발명에서는 수심이 100M 이내로 낮고, 수온차로 인하여 음영 현상이 있어 수평 방향으로 멀리 떨어진 함정에서 잠수함을 감지하기 어려운 서해 지역에서도 침투하는 잠수함을 조기에 감시할 수 있도록 SONAR를 바다 바닥에 설치하는 방안을 구현하고자 하였으며, 센서는 감시하고자 하는 해역에 일정한 간격으로 설치하고, 센서에는 추가적으로 데이터를 중계 전송할 수 있도록 구현하여, 침투하는 잠수함을 인접한 곳에서 조기에 정확하게 감지하여 함정 및 관제센터에 보고할 수 있도록 하고자한다.

이와 같이 SONAR를 감시하고자하는 바다 바닥에 분산해서 다수 설치하면 SONAR와 잠수함 간에 나타날 수 있는 음영 구역 문제를 개선할 수 있다. 첫째로 다수의 SONAR를 여러 장소에 여러 개를 분산 배치하였기 때문에 한 SONAR와 잠수함간에 음영 구역이 발생 되더라도 다른 SONAR와 잠수함 간에는 음영 구역이 발생하지 않을 수 있으며, 둘째로 한 SONAR에서 송출한 신호를 다른 SONAR에서도 수신할 수 있도록 하여 SONAR와 잠수함 간에 송수신 루트가 형성되지 않더라도 다른 SONAR에서 수신된 신호를 분석하여 대잠수함 감지가 가능하기 때문에, 음영 문제를 좀더 개선할 수 있으며, 세째로 SONAR를 감시하고자하는 해역 바닥에 설치하기 때문에 수직 방향으로의 음파 송수신로에는 음영 구역 문제가 나타나지 않을 확률이 높다. 음영 문제 개선 외에도, 근접 거리에서 감지하기 때문에 잠수함 반사 신호가 매우 커서 FALSE ALRAM을 크게 개선시킬 수 있다. 즉 감시하고자 하는 해역에 침투하는 잠수함을 조기에 정확하게 감지하는 것이 가능하게 할 수 있다.

따라서 본 발명에서는 서해와 같이 낮고 음영 문제로 인하여 원거리에서 대잠수함 감지가 어려운 해역에서 침투하는 잠수함을 조기에 정확하게 감지하여 함정 및 관제센터에 탐지 데이터를 전송해 줄 수 있는 SONAR 센서 네트워크를 창안하였다.

본 발명에서는 SONAR를, 한 지점에서 펄스를 송출하고, 반사되는 펄스를 수신하여 거리 정보를 얻는 초음파를 이용한 단순한 레이더 개념을 넘어서, 타 SONAR에 의한 반사파도 수신할 수 있도록 하며, 자신의 신호 정보 및 타 노드의 데이터도 중계 전송 및 라우팅할 수 있는 기능을 갖도록 하여, 함정 및 관제 센터에 다각도록 수집한 대잠수함에 대한 탐지 정보를 실시간으로 제공할 수 있도록 하였다.

SONAR들 간에 신호 식별을 위해, 펄스파 내에서 주파수가 시간에 따라 정해진 순서에 따라 변화하도록 하는 코드를 부여하고, 이 코드를 다른 SONAR들도 알도록 하여 다른 SONAR에서 발사하여 도달한 신호 및 그 신호가 반사되어 도달한 신호 정보를 모두 획득할 수 있도록 하여 대잠수함 탐지 확률을 높이도록 하였다. 상기 방법은 이중성 및 음영 지역에 대한 개선 외에도, 송출 펄스에 의한 브라인드 현상으로 근접된 물체가 안보이는 문제에 대한 탐지 확률도 크게 개선시킬 수 있다.

본 발명에서는 또한 제한된 주파수를 가지고 모든 SONAR들이 네트워크를 형성할 수 있도록 SONAR의 사용 주파수 대역을 셀 단위로 배치하고, 출력 세기를 제한하여, 주파수를 반복적으로 재사용할 수 있도록 하였다.

본 발명에서는 또한 감지된 SONAR 정보를 함정 및 관제 센터에 신속하게 전달하기 위하여 육지와 만나는 지점에는 지상 통신을 할 수 있는 RF 송수신 장치를 보유한 허브를 두었다. 지상에서는 함정과 관제 센터에 RF나 유선으로 신호가 신속하게 전달될 수 있다.

추가적으로 기뢰 및 폭뢰에 전기 뇌관, 제어 장치, 통신장치를 추가하면, 함정 및 관제센터에서 내려진 명령 신호에 의해 원격에서 폭파할 수 있도록 할 수 있으므로, 명령 및 제어신호의 전송망 역할도 할 수 있다.

또한 본 발명에서는 SONAR 노드가 그물망 구조로 네트워크를 형성하였기 때문에 잠수함이 침투하면 거리 및 위치 정보를 조기에 감지하는 것 외에 잠수함이 이동하는 루트를 파악할 수 있으며, 아울러 진행 방향을 예측할 수 있다.

도 1은 해저에 SONAR(101,102,103,104,105,106,107,108,109)가 네트워크를 형성한 그림으로, 본 발명의 개념도이다. 본 네트워크는 SONAR 노드(101,102, 103,104,105,106,107,108,109)와 RF 중계 허브 (110)와 모니터(111)로 구성된다.

SONAR 노드(101,102,103,104,105,106,107,108,109)는 기본적으로 초음파 펄스를 송출하고 물체로 부터 되돌아오는 반사펄스를 이용하여 거리를 측정하는, 능동형 SONAR를 내장하며, 충격을 감지할 수 있는 감지기, 자력을 감지할 수 있는 감지기 및 수동형 SONAR를 추가적으로 구비한 복합 센서 노드가 될 수도 있다.

RF 중계 허브(110)는 바다와 육지가 만나는 지점 또는 섬 또는 바다 위에 돌출된 바위 위에 설치되며, 초음파 송수신기와 RF 송수신기를 내장하여 물속에 있는 SONAR 노드(101,102,103,104,105,106,107,108,109)와 초음파를 이용하여 통신하고, 함정 및 관제 센터의 모니터(111)와 통신은 RF를 사용한다. RF 송수신은 군전용 주파수 대역을 사용하는 무선전송장비나 지향성 안테나를 가진 상용 무선랜 장비를 이용한다. RF 중계 허브(110)는 도 1의 SONAR 노드(101,102,103,104,105,106, 107,108,109)외에 다른 SONAR 노드들과 연결된다.

모니터(111)는 함정 및 관제센터에 설치되며 RF 중계 허브(110)의 RF 송수신 장치와 맞대응되는 통신장치를 내장하여 SONAR 노드(101,102,103,104,105,106, 107,108,109)로부터 RF 중계 허브(110)를 통하여 감지 신호를 수신하거나 제어 및 명령 신호를 전송한다.

도 2는 SONAR 노드(101,102,103,104,105,106,107,108,109)들이 제한적인 주파수 자원을 가지고 동시에 사용할 수 있도록 주파수 및 코드를 셀 단위로 나누어 사용하는 개념을 보여준다. 도 2와 같이 셀 형태로 섹터를 나누어 자원을 할당할 때 두가지 방법이 가능하다. 첫번째 방법은 한 셀(210) 내에서는 한개의 SONAR 노드만 펄스(펄스 내에서 특정시간에 특정 주파수 세트를 갖는 코드화 된 펄스)를 송출하고 나머지는 수신 모드로 만 동작한다. 이 때 다른 셀(220,230,240,250,260, 270)은 다른 한 SONAR 노드만 할당된 코드 펄스를 송출하고 나머지 SONAR 노드들은 수신한다. 셀은 육각형 모양으로 구성하여 2개의 셀마다 코드의 재사용이 된다. 따라서 바다 전체에 특정시간에 특정 코드를 식별 가능하도록 배정하도록 한다. 두번째 방법은 한 셀(210) 내에서도 펄스 내에서 특정시간에 특정 주파수 세트를 갖는 코드를 이웃 SONAR 노드들과 구별된 코드를 각각 할당하여 동시에 이웃 SONAR 노드에서 펄스 송신이 가능하도록 한 방법이다. 첫번째 방법과 마찬가지로 셀은 육각형 모양으로 구성하여 2개의 셀마다 코드의 재사용이 된다. 첫번째 방법에 비해서는 많은 식별 가능한 코드가 필요하나 이웃 SONAR 노들들과 동시에 펄스를 송출할 수 있다는 것이 장점이다. 두 방법 모두에 대해서 펄스 수신기는 자신의 펄스 코드외에 이웃 펄스 코드를 수신할 수 있도록 하여 한 SONAR 노드에서 송출한 펄스의 반사파가 중간에 굴절되어 다른 곳으로 향할 때도 다수의 다른 SONAR 노드가 이 신호를 검출할 수 있으며, 설치시 SONAR 노드의 위치 정보를 가지고 있도록 하여, 다른 곳에서 감지된 반사파와 SONAR 노드의 위치정보를 이용하여, 침투 잠수함의 위치를 파악할 수 있다. 따라서 음영 구역 문제는 크게 줄어들게 된다.

도 3은 SONAR 노드들이 바다에 그물망 구조로 설치되었을 때 대잠수함 감지 상황을 나타낸 그림이다. 잠수함이 SONAR 노드 305, 306에 감지되고 이동하여 310, 307에 감지되며, 계속 이동하여 311, 316에 감지되면, 이 데이터들을 이용하여 잠수함의 이동 루트, 이동 속도 및 앞으로의 진행 방향을 예측할 수 있다. SONAR에서는 SONAR 노드와 잠수함 간의 거리를 알 수 있으며, 지향성을 이용하여 방향도 알 수 있으나, 상기 설명과 같이 한 SONAR의 펄스를 다른 SONAR에서 수신이 가능하면 3 지점에서 들어온 반사파와 반사파를 보낸 SONAR의 위치정보를 이용하여 삼각법으로 계산하면 잠수함의 위치(위도,경도,높이)를 좀더 정확하게 알 수 있다. 모니터(111)에는 지도 정보와 표적 이동 루트를 표시하여 정학하고 신속하게 판단할 수 있도록 한다.

본 발명에서는 각 SONAR는 코드화된 펄스를 사용하며, 도 4와 같이 펄스 내의 특정시간에 특정 주파수를 갖지는 코드 세트를 각각 부여하며, 부여한 코드 세트는 상호 영향을 주지 않도록 하며, 한 SONAR에서 송출한 신호가 다른 SONAR에서도 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 개선한다. SONAR(101,102,103, 104,105,106,107,108,109)를 도 1과 같이 설치하고, 각 SONAR는 도 4와 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 5와 같이 자신의 펄스외에 다른 SONAR의 펄스도 수신하도록 인근의 타 SONAR 코드를 수신할 수 있는 MATCHED 필터(501,502,503,504)를 갖도록 한다.

도 5의 DETECTION PROCESSOR(505)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 SONAR의 펄스도 탐지에 활용한다. 타 SONAR로 부터의 신호는, 근접한 거리에 있는 물체에 의한 초단 반사파 및 DUPLEXER를 통해서 새들어오는 신호에 의해 근접한 거리에 있는 물체가 잘 안 보이는, 브라인드 현상을 완화시켜 준다. 또한 이웃 노드들의 위치 정보와 3개 이상의 타 SONAR로 부터 수신된 반사파를 가지고 삼각법을 사용하여 침입 잠수함의 위치를 정확하게 파악할 수 있도록 하며, 여러 노드에서 탐지되는 정보를 이용하여, 잠수함의 이동 루트, 속도, 예상 진행 방향을 정확하게 파악할 수 있도록 하는 정보를 제공한다.

도 6은 SONAR의 블럭도이며, SONAR는 FPGA(601), D/A CONVERTER(602), LPF(603), POWER AMP(604), DUPLEXER(605), 진동자(606), 수신신호처리부(607)로 구성된다.

CPU(608)에서는 할당 받은 고유의 코드를 FPGA(601)에 보낸다. 상기 코드는 도 4의 401에서 보여주는 바와 같은 TIME과 FREQUENCY 세트로, 코드들 간에는 MATCHED FILTER를 이용한 자기상관관계값을 가지고 상호 식별이 가능하다.

FPGA(601)는 상기 코드에 의거한 주파수 데이터를 생성하여 D/A CONVERTER (602)에 보낸다. D/A CONVERTER(602)는 FPGA(601)로부터 받은 데이터를 가지고 초음파 펄스를 생성하여 LOW PASS FILTER(603)에 보낸다. LPF(603)를 통과한 초음파 펄스의 형태는 도 4의 402와 같이, 펄스 내에서 시간 T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7 에 따라 각각 다른 주파수 값을 갖는다. LPF(603)로부터의 펄스 신호는 POWER AMP(604)를 통하여 증폭되고, DUPLEXER(605)와 초음파진동자(606)를 통하여 수중으로 송출된다.

송출된 초음파펄스는 수중에 있는 물체에 의하여 반사되어 되돌아온다. 반사된 펄스는 초음파진동자(606)와 DUPLEXER(605)를 통하여 수신신호처리부(607)에 수신된다. 수신신호처리부(607)의 상세 블럭도는 도 5와 같다. 수신신호처리부(607)에 입력된 펄스는 저잡음증폭기인 PRE AMP(506)을 통하여 증폭한 후 MATCHED FILTER(501,502,503,504)에 보낸다. MATCHED FILTER 1(501)은 부여받은 자신의 코드와 일치할 때 최대값을 갖도록 하며, MATCHED FILTER 2, 3, 4(502,503,504)는 인근의 SONAR에 할당된 코드와 일치할 때 최대값을 갖도록 한다. MATCHED FILTER (501,502,503,504)의 각 출력값은 DETECTION PROCESSOR(505)에 보내진다. DETECTION PROCESSOR(505)는 MATCHED FILTER(501,502,503,504)에서 입력된 각 신호값에 대하여 A/D 변환한 값과, 해당 MATCHED FILTER 번호를 FPGA(601)에 보낸다. PGA(601)는 DETECTION PROCESSOR(605)에서 보낸 데이터를 가지고 자신이 보낸 펄스인지, 다른 SONAR로 부터의 펄스인지를 판단한다. 상기 판단 과정은, 자신이 보낸 펄스이면 MATCHED FILTER 1(601)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(608)를 통하여 제공되며, CPU(608)는 상기 정보를 설치 당시에 얻을 수도 있으며, 운용중에 초음파통신기(803)를 통하여 제공 받을 수도 있다.

초음파통신기(803)의 블럭도는 도 7과 같다. 초음파통신기들 간의 통신은, 한정된 주파수 자원을 효율적으로 사용하기 위하여 CSMA/CD 방식의 통신 방식을 사용한다. 만일 SONAR 노드의 수가 많아지고, 전송할 데이터가 너무 많은 네트워크를 구성하게 되면, 상기 SONAR 펄스를 위해 적용했던 셀 단위 개념을 적용하여, 주파수 자원의 재사용이 이루어지게 한다.

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(710, 802)는 해당 데이터를 FPGA(701)에 보낸다. FPGA(701)는 전송할 데이터를 채널 코딩하고 변조하여 D/A CONVERTER (702)에 보낸다. D/A CONVERTER(702)는 FPGA(701)로부터 받은 데이터를 가지고 초음파 신호로 만들어서 LOW PASS FILTER(703)에 보낸다. LPF(703)를 통과한 초음파 신호는 POWER AMP(704)를 통하여 증폭하고, DUPLEXER(705)와 초음파진동자(706)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(706)와 DUPLEXER(705)를 통하여 LNA(707)에 수신된다. LNA(707)에 입력된 초음파 신호는 저잡음증폭기를 통하여 증폭한 후 LPF(708) 저역필터를 통과시켜 A/D(709)에서 A/D 변환한다. A/D 변환한 신호는 FPGA(701)에 보내져 복조 및 채널 디코딩 과정을 거쳐 데이터를 추출한다. 추출된 데이터는 CPU(710, 802)에 보내져 분석하고 데이터를 저장한다.

도 8은 SONAR 노드의 블럭도이다. SONAR 노드는 도 8과 같이, SONAR(801), CPU(802), 초음파통신기(803), 라우터(814), 초음파 진동자(804, 805, 811, 812, 813), 발전기(806), 전원공급기(807), 자세감지기(808), DRIVER(809), 베이스(810)로 구성된다. SONAR(801)와 초음파통신기(803)의 동작은 전술한 내용과 같다.

라우터(814)는 SONAR가 탐지한 정보를 관제센터 및 함정 등의 목적지까지 중계 전송하는 길을 찾도록 하는 역할을 하는 것으로, 실제로는 CPU(802)와 라우팅 테이블 역할을 하는 메모리를 사용하여 소프트웨어적으로 수행되나, 본 발명에서는 설명을 위하여 하드웨어적인 블럭도로 표현하였다. 라우터(814)는 주변 SONAR 노드와 라우팅 테이블 데이타를 계속 주고 받으면서 업데이트하여, 최근에 전송됐던 가장 짧은 패스로 탐지 및 제어 정보를 AD-HOC 방식으로 중계 전송하는 역할을 한다. 따라서 SONAR 노드에는 초음파 통신 모뎀 외에 라우터를 모두 내장시킨다.

CPU(802)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(802)는 SONAR 펄스의 송수신, 초음파통신기의 송수신, 베이스의 자세 유지, 충전 등의 작동을 주관한다.

발전기(801)는 조류를 이용한 소형 전기 발생장치로, 도 10은 발전기를 정면에서 본 그림이다. 도 10의 수직축(003)은 베이스(001)에 고정되며, 수평축(002)은 수직축(003)과 베어링으로 연결되어 지지를 받으며 조류에 편향될 수 있도록 한다. 회전체(004,008, 009)는 각 수평축(002,006,007)에 의해 베어링으로 지지를 받으며 회전한다. 회전체(004,008,009)에 의해서 발생한 전기는, 한 회전체 및 수평축이 고장 났을 때 다른 회전체에서 발생한 전기를 원활하게 이용할 수 있도록 하기 위하여, 개별적 회로로 전원공급기(807)에 연결되도록 한다. 또한 회전체(004,008, 009)에는 영구자석을 두고 수평축(002,006,007)에는 권선 코일을 두어 전기적인 접점을 최소화하여 고장 발생을 줄이도록 한다. 회전체(004,008,009)의 회전에 의해 발생된 전기는 수평축(002,006,007)과 수직축 (003) 간의 접점을 통하여 베이스에 전달되도록 한다. 이때 누전이 되지 않도록 지지축과 회전축 사이는 방수가 되도록 한다. 6개의 회전체에서 발생한 전기를 다이오드를 통하여 합하여 전원공급기(807)에 보낸다.

전원공급기(807)는 발전기(806)에서 발생한 전기를 각부에 알맞는 레벨로 변환하여 공급하거나, 남는 전원을 충전하는 역할을 한다.

베이스(810)는 SONAR를 고정시키는 역할을 한다. CPU(802)는 자세감지부 (808)의 MEMS 가속도 및 각속도 센서를 이용하여 높낮이 및 수평자세를 감지하여 DRIVER(809)를 통하여 베이스를 바닥면과 동일한 높이에서 수평을 유지하도록 한다.

도 9는 SONAR 노드를 위한 보호망(901) 및 베이스(902)를 나타낸 그림이다. 도 9에서 보호망(901)은 그림에서 나타나는 바와 같이 그물에 걸리지 않도록 반구 모양으로 이루어지며, 조류의 흐름에는 지장을 주지 않도록 모기장 형태의 구조를 갖는다. 보호망(901)의 바닥면 즉 베이스(902) 윗면은 둥글게 하여 침전물에 영향을 덜 받도록 하며, 또한 베이스(902)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(902)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.

현재 서해에서 천안함 침몰로 인하여 함정에 대한 새로운 방어체계가 시급하게 필요한 상태이나, 서해는 조류가 급격하게 변화하고, 수온차가 크며, 바다 깊이가 매우 낮아서 음영 구역이 많아서 기존 소나만을 이용하여 함정에서만 감지하는 것만으로는 매우 열악한 상황이며, 만일 감지하더라도 함정과 매우 근접한 상태에서 감지가 이루어지면 대응할 시간이 부족하게 된다.

따라서 본 발명은 서해와 같이 낮고 수온 차가 커서 음영 구역 문제 및 탐지 확률이 저조한 바다에서 SONAR를 분산 설치하고 네트워크화하여 잠수함 침투를 조기에 높은 탐지 확률로 신속 정확하게 감지하여 함정 및 관제 센터에 필요 정보를 보내 줄 수 있도록 하여, 안전한 상태에서도 경계 임무를 수행하는데 크게 도움이 될 것이다. SONAR를 탑재한 소형 함정을 많이 투입하거나 SOSUS 등 고가의 시스템을 통하여 이와 같은 효과를 얻기 위해서는 상대적으로 엄청난 비용이 소요될 것으로 사료된다.

101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109 : SONAR 노드
110 : RF 중계 허브
210, 220, 230, 240, 250, 260, 270 : SONAR 셀
211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218, 219 : SONAR 노드
301, 302, 303, 304, 305, 306, 307, 308 : SONAR 노드
309, 310, 311, 312, 313, 314, 315, 316 : SONAR 노드
401 : FREQUENCY & TIME 세트
402 : SONAR 펄스
501, 502, 503, 504 : MATCHED FILTER
505 : DETECTION PROCESSOR 506 : PRE AMP
601 : FPGA 602 : D/A CONVERTER
603 : LOW PASS FILTER 604 : POWER AMP
605 : DUPLEXER 606 : 진동자
607 : 수신신호처리부 608 : CPU
701 : FPGA 702 : D/A CONVERTER
703, 708 : LOW PASS FILTER 704 : POWER AMP
705 : DUPLEXER 706 : 진동자
707 : LOW NOISE AMP 709 : A/D CONVERTER
710 : CPU
801 : SONAR 802 : CPU
803 : 초음파통신기 804, 805, 811, 812, 813 : 진동자
806 : 발전기 807 : 전원공급기
808 : 자세감지기 809 : DRIVER
810 : 베이스 814 : 라우터
901 : 보호망 902 : 베이스
903, 904, 905, 906, 907, 908, 909 : 진동자
001 : 지지대 002, 006, 007 : 수평축
003 : 수직축 004, 008, 009 : 회전체
05, 010, 011 : 방향타

Claims (3)

1. SONAR를 네트워크화하기 위하여,
   SONAR 기능외에, 데이터를 송수신할 수 있는 초음파 통신 모뎀과, 라우팅 알고리즘을 내장하여, 인근 SONAR에서 수신한 데이터를 AD-HOC 방식으로 중계 전송할 수 있도록 한 방법과;
   지면과 수면이 접하는 지점에 RF 중계 허브를 두어, 인근의 SONAR 노드로부터 수신한 데이터를 함정 및 관제센터의 모니터에 신속 정확하게 탐지정보를 보낼 수 있도록 한 방법과;
   제한된 주파수를 가지고 모든 SONAR들이 네트워크를 형성할 수 있도록 SONAR의 사용 주파수 대역을 셀 단위로 배치하고, 출력 세기를 제한하여 주파수를 재사용할 수 있도록 하며, SONAR 신호 주파수와 데이터 전송 주파수를 시간적 공간적으로 할당하여, 신호 감지 및 데이터 통신이 원활하게 이루어질 수 있도록 한 방법과;
   설치된 SONAR는 외력에 의한 훼손이 적게 발생 되도록 하기 위하여, SONAR를 소형화하고, 자체적으로 전력을 발생시키며, 보호망을 반구형으로 구현하고, 바다 바닥에 설치할 수 있는 구조를 갖도록 하는 방법과;
   반구형 보호망 내에서 조류에 의해서 지속적이고도 최적의 전력을 얻도록 하기 위해 발전기의 회전체를 다중화하며, 소형 반구형 보호망 구조물 겉면에 진동자를 분산 배치하여 발전기의 회전체와 전기적 또는 기계적 간섭이 없도록 하는 방식과;
   음영 구역을 문제를 해결하기 위해서, 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 한 방법과;
   유지보수 시간 및 비용을 최소화하기 위해서, MEMS 가속도 및 각속도 센서로 SONAR의 자세를 감지하고, 모터 및 기어를 이용하여 자세 보정을 자동으로 하도록 하여, 바닥 바닥에 설치한 SONAR의 수평자세 및 높이가 부유물에 덮이지 않도록 하며, 전력을 지속적으로 공급할 수 있도록 한 방법과;
   탐지 정보를 해역 지도에 표기하여 조기에 정확하고 신속하게 대잠수함 침입을 확인할 수 있도록 하는 방법을;
   사용하여 구현한 SONAR 네트워크.
2. 청구항 1을 실시함에 있어서, 소형 구형 보호망 구조물에 진동자을 분산 배치하여 SONAR가 지향성을 가지며, 상하로는 90도, 좌우로는 360도로 방향 조절을 할 수 있도록 한 방법.
3. 청구항 1을 실시함에 있어서 SONAR 노드를 그물망 구조로 설치하고 이웃 SONAR 노드들이 동시에 잠수함을 탐지하고, 또한 타 SONAR 반사파도 수신할 수 있도록 하여,
   SONAR에서 근접한 거리에 있는 물체에 의한 초단 반사파 및 DUPLEXER를 통해서 새들어오는 신호에 의해 근접한 거리에 있는 물체가 잘 안 보이는 브라인드 현상을 개선하도록 하며,
   이웃 노드들의 위치 정보와 3개 이상의 타 SONAR로 부터 수신된 반사파를 가지고 삼각법을 사용하여 침입 잠수함의 위치를 정확하게 파악할 수 있도록 하며,
   여러 노드에서 탐지되는 정보를 이용하여, 잠수함의 이동 루트, 속도, 예상 진행 방향을 정확하게 파악할 수 있도록 한 방법.

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