KR20190013963A - 모델 기반의 보호 알고리즘 - Google Patents

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Abstract

복수 개의 변환기를 포함하는 변환기 어레이로 송신 빔을 형성하는 방법이 개시된다. 본 방법은, 의도된 송신 빔에 대하여 적어도 하나의 원하는 특성을 수신하는 단계와, 상기 변환기 어레이의 복수 개의 변환기의 음향 상호 커플링을 고려하여, 적어도 하나의 빔 특성과 적어도 하나의 변환기 보호 특성 사이의 관계를 모델링하기 위한 어레이 모델과, 수신된 적어도 하나의 원하는 특성에 기초하여 상기 변환기 어레이의 변환기에 대한 최적화된 동작 파라미터를 결정하는 단계와, 상기 변환기 어레이에 상기 최적화된 동작 파라미터를 사용하여 상기 송신 빔을 생성하는 단계를 포함한다.

Description

모델 기반의 보호 알고리즘
본 발명은 송신 빔을 형성하기 위한 방법 또는 시스템을 제공하는 것에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 실시예는 복수 개의 변환기를 포함하는 변환기 어레이로 송신 빔을 형성할 때 사용되지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
수중 음파 탐지기 시스템(sonar system)이 차량에서 작동될 때, 수중 음파 탐지기 시스템으로부터의 출력을 최대화, 즉, 지향성 고려 사항을 포함하는 음향 소스 레벨을 최대화하여, 그로부터 형성된 송신 빔의 성능을 최적화하는 것이 바람직하다. 그러나, 이를 수행하려면 수중 음파 탐지기 시스템이 어떻게 구현되는지에 대한 특정 고장-안전 제한(fail-safe limitations)이 필요한데, 그렇지 않으면, 송신 빔을 형성하기 위하여 고전력 신호를 송신할 때 변환기와 같은 수중 음파 탐지기 시스템의 구성 요소에 영구적이거나 또는 일시적인 손상이 발생할 수 있기 때문이다.
구현된 하드웨어 및 차량의 사용 가능한 처리 자원의 한계로 인해, 비관적인 세트(pessimistic set)의 파라미터를 고장-안전 제한으로서 사용해야 하는 경우가 종종 있다. 많은 경우, 이는 송신된 전력을 상당히 낮은 수준으로 제한하는데, 그렇지 않으면 구성 요소의 잠재적인 영구적이거나 또는 일시적인 손상을 고려한 후에도 가능했을 것이다. 이러한 비효율적인 송신 빔의 형성은, 특히, 변환기 간의 음향 상호 작용이 복수 개의 변환기의 어레이로 조종될 때 발생할 수 있는데, 변환기 간의 음향 상호 작용이 최대 진폭 및 변환기 어레이 전체의 전력 레벨에서 넓은 변화를 야기하고, 가장 비관적인 고장-안전 제한만이 변환기의 어레이에 적용되어 영구적이거나 또는 일시적인 손상을 방지할 수 있기 때문이다.
본 발명의 실시예의 목적은 송신 빔을 형성하기 위한 방법 또는 시스템을 제공하는데, 방법 또는 시스템은 복수 개의 변환기 중 임의의 변환기 또는 이와 기계적 및/또는 전기적으로 접촉하고 있는 구성 요소를 손상시키지 않고 송신 빔을 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 방법 및 장치가 첨부된 청구항으로서 제공된다. 본 발명의 다른 특징은 종속항 및 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 의도된 송신 빔에 대하여 적어도 하나의 원하는 특성을 수신하는 단계와, 상기 변환기 어레이의 복수 개의 변환기의 음향 상호 커플링을 고려하여, 적어도 하나의 빔 특성과 적어도 하나의 변환기 보호 특성 사이의 관계를 모델링하기 위한 어레이 모델(array model)과, 수신된 적어도 하나의 원하는 특성에 기초하여 상기 변환기 어레이의 변환기에 대한 최적화된 동작 파라미터를 결정하는 단계와, 상기 변환기 어레이에 상기 최적화된 동작 파라미터를 사용하여 상기 송신 빔을 생성하는 단계를 포함하는 송신 빔 형성 방법이 제공된다.
적절하게는, 본 방법은 상기 의도된 송신 빔에 대하여 적어도 하나의 원하는 특성을 수신하는 단계 이전에, 상기 어레이 모델을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
적절하게는, 상기 최적화된 동작 파라미터를 결정하는 단계는, 상기 변환기에 가해지는 과도한 동작에 의해 발생하는 손상으로부터 상기 변환기를 보호하도록 하는 상기 적어도 하나의 변환기 보호 특성, 상기 어레이 모델을 사용하여 상기 적어도 하나의 변환기 보호 특성을 결정하기 위한 상기 적어도 하나의 원하는 특성 및 상기 적어도 하나의 빔 특성, 및 상기 최적화된 동작 파라미터로 형성되는 생성된 송신 빔이, 상기 변환기에 손상을 주지 않고, 상기 의도된 송신 빔과 동일하거나 또는 가장 근접하도록 하는 상기 적어도 하나의 원하는 특성에 기초하여 수행될 수 있다.
적절하게는, 상기 최적화된 동작 파라미터는 최대 전압, 최대 전류, 및 최대 전력 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 과도한 동작 파라미터는 상기 변환기에 영구적인 손상을 발생하는 과도하게 높은 전압, 전류, 및 전력 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
적절하게는, 상기 변환기 어레이는 수중 음파 탐지기(sonar)의 일부일 수 있고, 상기 송신 빔은 상기 수중 음파 탐지기에 대한 음향 파일 수 있고, 상기 적어도 하나의 원하는 특성을 수신하는 단계는, 미리 결정된 변조 타입의 음향 파를 송신하라는 요청을 수신하는 단계를 포함하고, 상기 요청은 상기 미리 결정된 변조 타입에 대한 주파수 및 시간 파라미터, 상기 변환기 어레이의 특정 조향 방향, 및 음향 소스 레벨을 포함할 수 있다.
적절하게는, 상기 변환기 어레이는, 어뢰, 잠수함, 또는 물 아래 또는 물 위에서 사용하기 위한 다른 타입의 운송 수단과 같은 해상 운송 수단의 내부에 위치할 수 있고, 상기 요청은, 상기 해상 운송 수단의 이동 속도, 상기 해상 운송 수단 내의 전력 소스로부터의 전력 출력, 및 상기 해상 운송 수단의 위치 중 적어도 하나에 의해 제한되는, 상기 송신 빔을 생성하는 단계 동안 상기 해상 운송 수단 내의 가용 전력에 대한 정보를 더 포함할 수 있다.
적절하게는, 상기 어레이 모델은, 상기 적어도 하나의 빔 특성 및 상기 적어도 하나의 변환기 보호 특성의 상이한 조합에 대한 3D 룩업테이블을 포함할 수 있고, 상기 적어도 하나의 빔 특성은, 송신 빔 타입, 지향성 인덱스(DI), 상기 변환기 어레이의 효율(ξ), 컨덕턴스(G), 상기 송신 빔의 주파수, 및 상기 송신 빔의 조향 방향을 포함할 수 있고, 상기 적어도 하나의 변환기 보호 특성은, 최대 전압(VMAX)을 포함할 수 있다.
적절하게는, 상기 최적화된 동작 파라미터를 결정하는 단계는, 상기 요청으로부터의 상기 음향 소스 레벨로부터 실효 음압 레벨(sound pressure level, SPL)을 계산하는 단계와, 상기 요청으로부터의 상기 정보로부터 계산된 미리 결정된 높은 전력에서 상기 변환기의 과열을 회피하면서, 최대 전력 레벨(WMAX_TDCR)을, 상기 요청으로부터 상기 해상 운송 수단 내의 상기 가용 전력에 대한 정보를 사용하여 계산된 최대 가용 전력과, 상기 요청으로부터의 상기 음향 파의 지속 기간 및 빔 송신에 대한 미리 결정된 최대 듀티 사이클을 사용하여 계산된 절대 최대 전력 사이의 최소값으로 설정함으로써 상기 변환기에 대한 최대 전력 레벨(WMAX_TDCR)을 결정하는 단계와, 상기 요청으로부터 시간 파라미터 및 상기 미리 결정된 변조 타입을 사용하여 계산된 상기 음향 파를 형성하기 위하여 상기 변환기에 대한 순간 주파수를 결정하는 단계와, 결정된 순간 주파수에 대하여 요구되는 피크 전압(VMAX_NOM)을 상기 3D 룩업테이블로부터 획득되는 상기 변환기 어레이의 효율(ξ), 빔 쉐이딩 인자(beam shading factor), 및 상기 컨덕턴스(G)의 기능으로서 결정하는 단계와, 상기 변환기에 대한 최적화된 동작 파라미터를, 상기 요구되는 피크 전압(VMAX_NOM)이 상기 결정된 순간 주파수에서 상기 최대 전압(VMAX)보다 작은 경우에는 상기 요구되는 피크 전압(VMAX_NOM)으로서 설정하고, 상기 요구되는 피크 전압(VMAX_NOM)이 상기 결정된 순간 주파수에서 상기 최대 전압(VMAX)보다 작지 않은 경우에는 상기 최대 전압(VMAX)으로서 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 송신 빔을 형성하도록 구성되는 복수 개의 변환기를 포함하는 변환기 어레이와, 의도된 송신 빔에 대하여 적어도 하나의 원하는 특성을 수신하도록 구성되는 수신기와, 상기 변환기 어레이의 복수 개의 변환기의 음향 상호 커플링을 고려하여, 적어도 하나의 빔 특성과 적어도 하나의 변환기 보호 특성 사이의 관계를 모델링하기 위한 어레이 모델(array model)과, 수신된 적어도 하나의 원하는 특성에 기초하여 상기 변환기 어레이의 변환기에 대한 최적화된 동작 파라미터를 결정하고, 상기 변환기 어레이에 상기 최적화된 동작 파라미터를 사용하여 상기 송신 빔을 생성하도록 구성되는 프로세서를 포함하는 송신 빔 형성 시스템이 제공된다.
적절하게는, 상기 시스템은 상기 어레이 모델을 저장하기 위한 저장소 및 상기 시스템과 통신할 수 있는 외부 프로세서를 더 포함할 수 있고, 상기 외부 프로세서는, 상기 시스템의 프로세서에서 상기 의도된 송신 빔에 대하여 상기 적어도 하나의 원하는 특성을 수신하기 이전에, 상기 어레이 모델을 생성하고, 생성된 어레이 모델을 상기 저장소에 전달하도록 구성되고, 상기 프로세서는, 상기 최적화된 동작 파라미터를 결정할 때 상기 저장소의 상기 생성된 어레이 모델에 액세스하도록 구성된다.
적절하게는, 상기 시스템은 상기 어레이 모델을 저장하기 위한 저장소를 더 포함할 수 있고, 상기 프로세서는, 상기 시스템의 수신기에서 상기 의도된 송신 빔에 대하여 적어도 하나의 원하는 특성을 수신하기 이전에, 상기 어레이 모델을 생성하고, 생성된 어레이 모델을 상기 저장소에 저장하고, 상기 최적화된 동작 파라미터를 결정할 때, 상기 저장소의 생성된 어레이 모델에 액세스하도록 구성된다.
적절하게는, 상기 변환기 어레이는 수중 음파 탐지기(sonar)의 일부일 수 있고, 상기 송신 빔은 상기 수중 음파 탐지기에 대한 음향 파일 수 있고, 상기 적어도 하나의 원하는 특성을 수신하는 것은 미리 결정된 변조 타입의 음향 파를 송신하라는 요청을 수신하는 것을 포함할 수 있고, 상기 요청은 상기 미리 결정된 변조 타입에 대한 주파수 및 시간 파라미터, 상기 변환기 어레이의 특정 조향 방향, 및 음향 소스 레벨을 포함할 수 있다.
적절하게는, 상기 변환기 어레이는, 어뢰, 잠수함, 또는 물 아래 또는 물 위에서 사용하기 위한 다른 타입의 운송 수단과 같은 해상 운송 수단의 내부에 위치할 수 있고, 상기 요청은, 상기 해상 운송 수단의 이동 속도, 상기 해상 운송 수단 내의 전력 소스로부터의 전력 출력, 및 상기 해상 운송 수단의 위치 중 적어도 하나에 의해 제한되는, 상기 송신 빔을 생성하는 단계 동안 상기 해상 운송 수단 내의 가용 전력에 대한 정보를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제3 측면에 따르면, 본 발명의 제1 측면에 따른 방법을 동작시키기 위한 컴퓨터 프로그램을 저장하는 컴퓨터 판독 가능한 매체가 제공된다.
본 발명을 더 잘 이해하고, 그 실시예가 어떻게 실시될 수 있는지를 나타내기 위해, 예로서, 첨부된 도면을 참조할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 어레이 모델을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 부하 모델을 통합하는 어레이 모델을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 변환기 어레이로 송신 빔을 형성하는 방법을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 변환기 어레이로 송신 빔을 형성하는 방법을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 도3 또는 도 4의 방법에서 변환기 어레이의 변환기에 대하여 최적화된 동작 파라미터를 결정하는 단계의 방법을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 빔을 형성하는 시스템을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 빔을 형성하는 시스템을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 6 또는 도 7의 시스템을 이용하는 해상 운송 수단을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 8의 해상 운송 수단을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 예시적인 환경을 나타낸다.
본 발명의 실시예의 목적 중 하나는 송신 빔을 형성하기 위한 방법 또는 시스템을 제공하는 것이며, 방법 또는 시스템은 복수 개의 변환기 중 임의의 변환기 또는 이와 기계적 및/또는 전기적으로 접촉하는 구성 요소를 손상시키지 않고 송신 빔을 형성할 수 있다. 이는 원하는 특성을 갖는 송신 빔 또는 가능한 한 원하는 특성에 가까운 송신 빔이 어떠한 손상도 야기하지 않고 생성되는 것을 보장하는, 송신 빔을 형성하기 위한 파라미터 세트를 결정하는 단계를 포함하는데, 이는 손상을 야기하지 않는다.
이러한 결정을 하기 위해서, 복수 개의 변환기 및 그 구성 요소가 모델링될 필요가 있다. 여기에 기술된 본 발명의 실시예에서 사용되는 모든 모델은 단일 주파수 정상 상태 정현파 신호를 갖는 경계 조건 하에서 생성 및/또는 사용된다. 그러나, 모델이 물리적 특성 및 동작 파라미터와 같은 모델링된 파라미터가 송신 빔을 형성하는 방법 또는 시스템에서 사용되는 실제 조건을 근사화할 수 있는 있는 한, 단일 주파수 정상 상태 정현파 신호 대신에, 또는 이에 더해서, 다른 경계 조건이 적용될 수 있음을 이해해야 한다.
송신기 신호(VIN), 전압(V 또는 Vo), 전류(I), 힘(F), 속도(U), 및 기타와 같이 여기서 사용되는 다양한 물리적 특성 및/또는 동작 파라미터는 각각, 여기서 설명되는 모델에서 그에 해당하는 실효값(Root Mean Square, RMS)으로 표시된다. 그러나, 이러한 물리적 특성 및/또는 동작 파라미터를 비교 및/또는 계산하기에 적합한 임의의 다른 통계적 수단이 동일한 효과를 달성하기 위해 대신 사용될 수 있음이 이해된다.
모델 또는 어레이 모델은 적어도 두 가지 타입의 파라미터 사이의 관계를 나타내는 데이터 세트이다. 일 실시예에 따르면, 어레이 모델은 최대 전압 값을 엔트리(entry) 또는 엘리먼트(element)로서 포함하는 테이블 또는 행렬에 의해 표현되고, 행 또는 열은 방위각 조향각(azimuth steer angle), 앙각 조향각(elevation steer angle), 컨덕턴스(G), 및/또는 변환기 어레이의 효율과 같은 빔 형상 또는 방향을 정의하기 위한 상이한 파라미터와 관련된다. 대안적인 실시예에 따르면, 어레이 모델은, 데이터 세트와 관련되는 적어도 두 타입의 파라미터 사이의 관계를 표현하면서, 그 데이터 세트를 저장할 수 있는 다른 타입의 데이터 포멧으로 표현되는 것으로 이해된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 어레이 모델(array model; 100)을 나타내며, 여기서 어레이 모델(100)은 송신기 모델(transmitter model), 회로 모델(circuitry model; 110), 및 변환기 모델(transducer model; 120)을 포함한다.
송신기 모델은 단일 송신기를 송신기 신호(VIN)를 출력하는 이상적인 전압 소스로서 모델링한다.
송신기 모델로부터 출력된 송신기 신호(VIN)는 증폭기의 출력 임피던스와, 증폭기 출력과 변환기 사이의 인터페이스 회로의 조합의 전기적 특성을 나타내는 2-포트 모델(two-port model)인 회로 모델(110)에 인가된다. 인터페이스 회로는 변환기를 구동하기 위한 변압기(transformer)와 같은 구성 요소를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 복수 개의 변환기를 포함하는 변환기 어레이가 인터페이스 회로를 통해 송신기에 접속되면, 복수 개의 증폭기가 사용되며, 각 변환기는 변환기 어레이의 단일 변환기를 구동하기 위한 인터페이스 회로를 통해 배열된다. 대안적인 실시예에 따르면, 증폭기 및 변환기는 전술한 일대일 관계를 갖지 않을 수 있지만, 인터페이스 회로는 각 변환기에 구동 신호를 제공하고, 회로 모델(110)은 이를 고려한다.
변환기 모델(120)은 회로 모델(110)을 통해 송신기 측으로부터 그 입력 포트에 전기 인터페이스(전압(V) 및 전류(I)가 입력됨)를 갖고, 그 출력 포트에 변환기 출력 힘(transducer output force(F)) 및 변환기 헤드 속도(transducer head velocity(U))를 출력하는 기계 인터페이스를 갖는 2-포트 모델이며, 이들은 변환기를 구동하기 위한 동작 파라미터와 관련된다. 일 실시예에 따르면, 변환기 모델(120)은 2x2 행렬로 표현된다. 복수 개의 변환기를 포함하는 변환기 어레이가 송신 빔을 형성하는데 사용될 때, 복수 개의 변환기에 연결된 채널들 사이의 상호 임피던스는 변환기 어레이의 전체 성능에 영향을 미친다. 변환기 어레이에 대한 이러한 상호 임피던스 효과는 1960년 미국 음향 학회 저널, vol. 32, issue 6, 730페이지에서 공개된 Pritchard, R의 "Mutual Acoustic Impedance between Radiators in an Infinite Rigid Plane"에서 설명된 것과 유사한 상호 음향 임피던스 모델을 사용하여 모델링될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상호 음향 임피던스 모델은 변환기 어레이의 N개의 상호 작용하는 음향 부하를 나타내는 NxN 행렬(N은 변환기의 수)이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 부하 모델을 통합하는 어레이 모델(200)을 도시하며, 음향 부하 모델은 변환기 어레이의 복수 개의 변환기에 연결된 각 채널 간의 음향 부하 상호 작용을 나타내는 상호 음향 임피던스 모델이다.
어레이 모델(200)은 도 1의 어레이 모델(100), 즉 도 1의 송신기 모델, 회로 모델(110), 및 변환기 모델(120)을 음향 부하 모델과 결합하여, 새로운 NxN 트랜스 임피던스 행렬(trans-impedance matrix)을 형성한다. 의도된 송신 빔에 관한 정보가 어레이 모델(200)에 입력되면, 어레이 모델(200)은 그 특정의 의도된 송신 빔에 대한 변환기 어레이에 대한 최대 송신기 전압(VMAX)을 출력하도록 구성된다. 의도된 송신 빔은 변환기 어레이로부터 생성되도록 요청되는 원하는 송신 빔이다.
의도된 송신 빔에 관한 정보는, 의도된 송신 빔의 특성을 정의하는 송신 빔의 적어도 하나의 원하는 특성과 관련되어, 변환기 어레이로부터 생성된 송신 빔이 그 기능(예를 들어, 수중 음파 탐지기(sonar)에서 구현되는 경우에는 감지 기능)을 수행하기에 효과적 및/또는 적합할 수 있다. 이것을 달성하기 위해, 적어도 하나의 원하는 특성은 주파수(f)와, 방위각 조향각(S1) 및 앙각 조향각(S2)과 같은 특정 빔 조향 방향 파라미터(particular beam steer direction parameter)를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 그 특정 빔에 대한 원하는 진폭(A)(원하는 음향 소스 레벨)도 입력될 수 있다. 대안적인 실시예에 따르면, 변환기 어레이에 어떠한 영구적인 손상을 입히지 않고, 주파수(f)와 빔 조향 방향(방위각 조향각(S1) 및 앙각 조향각(S2))만이 의도된 송신 빔의 원하는 가능한 최대의 진폭(A)과 함께 입력된다.
그 다음, 어레이 모델(200)은 최대 송신기 전압(VMAX)을 결정하게 하여, 변환기 어레이를 구동하는데 사용될 때, 변환기 어레이로 하여금 의도된 송신 빔 또는 적어도 의도된 송신 빔과 가장 유사한 특성을 갖는 송신 빔을 생성할 수 있게 하고, 최대 송신기 전압(VMAX)이 변환기 어레이를 구동하기 위해 사용되는 경우 모든 변환기의 구동 전압, 전류, 및/또는 전력에 대한 높은 제한을 초과하지 않도록 보장한다.
일 실시예에 따르면, 결정된 최대 송신기 전압(VMAX)은 변환기 어레이를 구동하여, 변환기 어레이가 의도된 송신 빔의 모든 특성, 예를 들어, 진폭(A)를 제외하고 원하는 주파수(f) 및 원하는 빔 조향 방향(S1 및 S2)을 갖는 송신 빔을 생성하도록 한다. 이는 의도된 송신 빔의 입력된 원하는 진폭(A)이 가능한 한 가장 크기 때문에, 이후 최대 송신기 전압(VMAX)이 어레이 모델을 사용하여 결정될 때 변환기 어레이의 제한에 의해 제한된다.
대안적인 실시예에 따르면, 결정된 최대 송신기 전압(VMAX)은 변환기 어레이를 구동하여, 변환기 어레이가 원하는 주파수(f), 원하는 빔 조향 방향(S1 및 S2), 및 원하는 진폭(A)을 포함하는 의도된 송신 빔의 모든 특성을 갖는 송신 빔을 생성하도록 한다. 일 실시예에 따르면, 어레이 모델(200)을 획득하기 위하여, 변환기 어레이를 구동하기 위한 송신기 전압의 주어진 벡터(특정 송신 빔에 대해 요구되는 위상 및 진폭으로 가중치화됨)에 대하여 이하의 수학식 1(행렬 방정식)이 구성될 수 있다.
여기서,
Figure pct00002
는 송신기 전압을 V(임의의 위상 차를 고려한 복소수)로 나타내는 N개의 엘리먼트를 갖는 열 벡터이고,
Figure pct00003
는 변환기 헤드 속도를 ms-1(모든 위상 차이를 고려한 복소수)로 나타내는 N개의 엘리먼트가 있는 열 벡터이고,
Figure pct00004
는 NxN 트랜스-임피던스 행렬(엘리먼트는 V/(ms-1) 단위를 가짐)이다.
이 행렬 방정식(
Figure pct00005
)이 단일 주파수에 대해 풀려, 변환기 헤드 속도의 U 벡터가 결정될 수 있다. 추가적인 대체로, 송신 빔을 형성하고, 변환기 어레이를 제어하기 위한 다른 파라미터가 이 솔루션으로부터 결정될 수 있다. 모든 요구되는 주파수, 즉 송신 빔 형성에서 사용될 것으로 예상되는 주파수에 대해 유사한 방정식이 풀리면, 이들 솔루션의 집합은 어레이 모델(200)을 형성한다.
다음은 본 발명의 일 실시예에 따른 어레이 모델(200)의 표현으로서 복수 개의 룩업테이블(lookup table, LUT)을 출력하는, 어레이 모델(200)을 형성 또는 생성하기 위한 제1 프로세스의 개관이다. 제1 프로세스는 물리적인 송신 빔을 형성하기 위해 룩업테이블(LUT)의 실시간 사용 전에 컴퓨터 시뮬레이션으로 실행된다. 각각의 LUT는 주어진 송신 빔 쉐이딩(shading) 세트, 즉 주어진 주파수의 송신 빔을 생성하기 위한 주어진 변환기 어레이에 대한 것이다. 제1 프로세스는 어레이 모델(200)을 형성 또는 생성하는데 사용되어, 형성된 또는 생성된 어레이 모델이 의도된 송신 빔에 대한 최적화된 동작 파라미터를 결정하기 위한 제2 프로세스에 의해 사용될 수 있고, 제2 프로세스는 특정 의도된 송신 빔에 대한 요청이 수신될 때 실시간으로 수행될 수 있다.
제2 프로세스는, 이상적인 환경보다 작은 경우에, 의도된 송신 빔과 동일하거나 가장 가까운 송신 빔을 생성하기 위해 최적화된 최적화된 동작 파라미터를 결정하기 위해 수행된다.
다음에, 적어도 하나의 엘리먼트, 즉 적어도 하나의 변환기는 단일 쉐이딩 인자(unity shading factor)(전형적으로, 변환기 어레이의 부근 또는 중심에 위치한 변환기가 단일 쉐이딩됨(unity shaded))를 갖는다고 가정한다. 단일 쉐이딩 인자를 가진 변환기의 단일 쉐이딩된 채널(unity shaded channel)은 전압(Vo)으로 구동되고, 다른 모든 채널(변환기 어레이의 나머지 변환기에 연결됨)은 Vo 또는 그 이하로 구동되며, 이는 그 특정 변환기에 대한 Vo 및 대응하는 쉐이딩 인자의 비율 또는 배수로서 계산된다. 나머지 변환기의 일부와 단일 쉐이딩된 채널 사이에 위상 차가 존재할 수 있으므로, 전압 진폭은 복소수 값으로 간주된다.
어레이 모델을 형성하거나 또는 생성하기 위한 첫 번째 프로세스는 다음의 파라미터와 경계 조건을 사용하여 수행된다.
쉐이딩 인자는 변환기의 구동 전압과 단일 쉐이딩 인자 변환기(unity shading factor transducer)의 구동 전압(Vo)을 비교한 경우, 변환기 어레이의 각 변환기의 구동 전압에 적용할 수 있는 가중 인자다. 모든 변환기의 구동 전압에 대응하는 쉐이딩 인자를 적용하는 전반적인 효과는, 변환기 어레이가 주어진 주파수에 대해 정의된 모양과 방향의 송신 빔을 생성하면서 송신 빔의 메인 로브(main lobe)를 넓히고, 사이드 로브(side lobe)를 줄이는 것이다.
미리 결정된 전압(VLIM)은 전류, 전압, 및 전력이 모두 한계를 초과하는 레벨 이상으로 복수 개의 변환기 중 적어도 하나를 구동하도록 보장되는 하이 레벨(high level)이다. 일 실시예에 따르면, 미리 결정된 전압(VLIM)은 임의로 선택된다. 다른 실시예에 따르면, 미리 결정된 전압(VLIM)은 변환기 어레이의 일반적인 변환기가 영구적인 손상을 입기 전에 견딜 수 있는 일반적인 최대 전압 값의 적어도 10배가되도록 선택된다.
일 실시예에 따르면, 제1 프로세스는 각각의 변환기에 대한 최대 허용 값 세트, 예를 들어, 개별 변환기에 대한 최대 변환기 전력(PTMAX), 개별 변환기에 대한 최대 변환기 전압(VTMAX), 및 개별 변환기에 대한 최대 변환기 전류(ITMAX)를 사용한다. 각각의 변환기는 상이한 특성을 가질 수 있는데, 예를 들어, 개별 변환기의 구성 요소의 전기적 성능 및/또는 어레이 상호 작용의 작은 변화로 인해, 이들 값은 변환기마다 다를 수 있다.
대안적인 실시예에 따르면, 변환기 어레이의 모든 변환기는 동일하게 동작하는 것으로 가정되고, 따라서 변환기 각각에 대한 최대 허용 값인 동일한 미리 결정된 값들의 세트를 갖는 것으로 이해되며, 예를 들어, 모든 변환기는 개별 변환기에 대한 동일한 최대 변환기 전력(PTMAX), 개별 변환기에 대한 동일한 최대 변환기 전압(VTMAX), 및 개별 변환기에 대한 동일한 최대 변환기 전류(ITMAX)를 포함한다.
단순화를 위해, 여기서 설명된 실시예에서는 변환기 어레이의 모든 변환기가 동일하게 동작하여 최대 허용 값에 대해 동일한 미리 결정된 값 세트를 갖는 것으로 가정한다. 일 실시예에 따르면, 개별 변환기에 대한 최대 변환기 전력(PTMAX), 개별 변환기에 대한 최대 변환기 전압(VTMAX), 및 개별 변환기에 대한 최대 변환기 전류(ITMAX)는 전기적 구성 요소 및/또는 변환기 자체의 설계, 즉, 특정 타입의 변환기의 전력, 전압, 및 전류에 대한 최대 정격(maximum rating)으로부터 결정된다. 일 실시예에 따르면, 개별 변환기에 대한 최대 변환기 전력(PTMAX), 개별 변환기에 대한 최대 변환기 전압(VTMAX), 및 개별 변환기에 대한 최대 변환기 전류(ITMAX)는 다른 동일 타입의 변환기 세트를 테스트함으로써 결정된다.
어레이 모델(200)을 형성 또는 생성하기 위한 다음의 제1 프로세스는 요구된 주파수들의 세트 및 송신 빔 조향(steer) 방향의 세트로부터 선택된 각 주파수 및 송신 빔 조향 방향에 대해 수행된다.
(i) Vo = VLIM의 경계 조건을 갖는 어레이 모델(200)로 컴퓨터 시뮬레이션이 실행된다. 이 시뮬레이션은, 단일 쉐이딩 인자를 갖는 적어도 하나의 변환기가 적어도 하나의 변환기에 대한 단일 쉐이딩된 채널 상의 전압(Vo)에 의해 구동될 때, 그리고 (변환기 어레이의 나머지 변환기에 연결된) 다른 모든 채널이 Vo 또는 그 밑으로 구동될 때(각 구동 전압은 그 특정 변환기에 적용 가능한 쉐이딩 인자 또는 비율에 의해 결정됨), 무엇이 발생하는지를 시뮬레이션 한다.
(ii) 컴퓨터 시뮬레이션 동안, 전력 값, 전압 값, 및 전류 값은 어레이 모델을 사용하는 각 변환기에 대해 계산되고, 모든 변환기에 대한 최대 변환기 전력(PAMAX), 모든 변환기에 대한 최대 변환기 전압(VAMAX), 및 모든 변환기에 대한 최대 변환기 전류(IAMAX)는 변환기에 대한 계산된 전압, 전류, 및 전력 값, 즉 시뮬레이션으로부터 결정된다. 이는 변환기 어레이의 모든 변환기에 대해 전력, 전압, 및 전류 값이 계산될 때의 절대 최대 전력, 전압, 및 전류 값(absolute maximum power, voltage and current value)이며, 즉, 변환기 어레이의 임의의 변환기가 경험하거나 이에 인가되는 가장 큰 전력, 전압, 및 전류 값(largest power, voltage and current value)이다.
상황에 따라, PAMAX, VAMAX, IAMAX의 세 가지 최대값은 변환기 또는 채널 간의 상호 작용으로 인해 동일한 단일 변환기 또는 이를 구동하는 동일한 채널과 관련되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상호 작용 효과 때문에, 더 높은 전압으로 구동되는 변환기는 송신 빔이 비대칭 방식으로 조향(steer)될 수 있기 때문에, 더 낮은 전압으로 구동되는 다른 변환기보다 반드시 더 높은 전류를 경험하는 것은 아니다.
(iii) 이에, 세 개의 비율이 수학식 2에서 계산된다.
Figure pct00006
이 세 개의 비율은 높은 구동 전압 Vo=VLIM을 사용하기 때문에 1보다 작다.
개별 변환기에 대한 최대 변환기 전력(PTMAX), 개별 변환기에 대한 최대 변환기 전압(VTMAX), 및 개별 변환기에 대한 최대 변환기 전류(ITMAX)는 각 변환기에 대한 최대 허용 값인 미리 결정된 값의 세트다.
모든 변환기에 대한 최대 변환기 전력(PAMAX), 모든 변환기에 대한 최대 변환기 전압(VAMAX), 및 모든 변환기에 대한 최대 변환기 전류(IAMAX)는 미리 결정된 하이(high) 레벨 전압(VLIM)으로 시뮬레이션 실행에서 변환기에 대한 전압, 전류, 및 전력 값을 계산함으로써 결정되고, 이는 복수 개의 변환기 중 적어도 하나가 전류, 전압, 및 전력이 모두 한계를 초과하는 레벨 이상으로, 즉, 개별 변환기에 대한 최대 변환기 전력(PTMAX), 개별 변환기에 대한 최대 변환기 전압(VTMAX), 및 개별 변환기에 대한 최대 변환기 전류(ITMAX) 이상으로, 구동되도록 선택된다.
따라서, 미리 결정된 전압(VLIM)이 충분히 큰 한, 세 개의 비율은 항상 1보다 작다.
일 실시예에 따르면, 미리 결정된 전압(VLIM)은 임의로 선택되고, 컴퓨터 시뮬레이션은 초기에 이 임의의 값으로 실행된다. 그 다음, KV, KI, 및 KP 중 어느 하나가 1보다 크거나 같으면, 컴퓨터 시뮬레이션은 세 개의 비율 KV, KI, 및 KP가 모두 1 미만이 될 때까지, 더 높은 미리 결정된 전압 VLIM 값으로 재실행된다.
(iv) KV, KI, 및 KP 사이의 최소값이 선택되거나 계산되고, 최소값에 Vo=VLIM을 곱하여 최대 송신기 전압(VMAX)을 결정하면, 최대 송신기 전압 (VMAX)이 단일 쉐이딩 인자를 갖는 변환기 어레이의 적어도 하나의 변환기를 구동하는데 사용되는 경우, 모든 송신기의 구동 전압에 대한 높은 제한 중 어느 것도 초과되지 않는 것을 보장한다.
Figure pct00007
다른 실시예에 따르면, 최대 송신기 전압(VMAX)의 결정을 가능하게 하는 대신에, 어레이 모델(200)은 최대 송신기 전력(PMAX), 최대 송신기 전류(IMAX), 또는 변환기를 구동하기 위한 임의의 다른 송신기 동작 파라미터의 최대값의 결정을 가능하게 하고, 최대 송신기 전력(PMAX) 또는 최대 송신기 전류(IMAX)와 같은 최대 송신기 동작 파라미터를 결정하기 위해 특정 타입의 송신기 동작 파라미터와 관련하여 제1 프로세스 단계 (i) 내지(iv)가 수행된다. 예를 들어, 전류원이 변환기 어레이를 구동하는 시스템을 모델링하는데 어레이 모델(200)이 사용되는 경우, 최대 송신기 전류(IMAX)가 결정될 수 있어, 이에 결정된 최대 송신기 전류(IMAX)가 변환기 어레이에 보다 쉽게 인가될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 어레이 모델(200)은 변환기를 구동하기 위한 하나 이상의 타입의 최대 송신기 동작 파라미터, 예를 들어, 최대 송신기 전압(VMAX) 및 최대 송신기 전력(PMAX) 또는 전류(IMAX)의 결정을 가능하게 하고, 제1 프로세스 단계 (i) 내지 (iv)가 수행되어 같은 것을 결정하도록 하며, 모든 변환기를 구동하는데 사용되는 관련 송신기 동작 파라미터의 모든 타입에 대한 높은 제한 중 어느 것도 초과되지 않는 것을 보장한다.
제1 프로세스는 각 송신 빔 타입에 대한 주파수, 방위각 조향, 및 앙각 조향의 세트의 각 주파수에 대해 반복된다. 따라서, 각각의 송신 빔 타입에 대한 결과 또는 출력은 3차원 LUT이며, 다음으로 송신 빔을 생성하기 위하여 최적화된 동작 파라미터를 결정하는 제2 프로세스에서 사용되어, 원하는 송신 빔 형태, 원하는 주파수, 및 원하는 빔 조향 방향과 같은, 임의의 주어진 경계 조건에 대한 최적화된 동작 파라미터를 결정할 수 있다. 룩업테이블(LUT)은 음향 빔의 생성 또는 송신 중에 실시간으로 제2 프로세스를 실행하는 수중 음파 탐지기 시스템(sonar system)에 의해 액세스될 수 있도록 저장된다. 이러한 단순한 데이터 포맷을 룩업테이블로 사용함으로써, 실시간으로 송신을 위한 음향 빔을 형성하는 데 수반되는 복잡성을 감소시킨다.
일 실시예에 따르면, 위에서 설명된 제1 프로세스를 사용하여 LUT를 생성하는 프로세스는 MATLAB® 프로그램과 같은 행렬 방정식을 풀 수 있는 프로그래밍 언어 또는 수학 패키지를 사용하여 프로그래밍되고, 이후에, 예를 들어, C++과 같은 컴파일된 언어와 같이 실시간 송신 빔 형성에 사용되는 컴퓨터 프로그램에 직접 삽입되기 위한 적절한 형식의 LUT를 생성할 수 있다.
최대 송신기 전압 VMAX 값을 포함하는 LUT는, 변환기에 인가되고 있는 과도한 전력, 전류, 또는 전압으로부터 발생하는 어떠한 손상도 변환기 어레이에 유발하지 않고, 주어진 빔 타입, 주파수, 및 빔 조향 방향의 의도된 송신 빔을 형성할 때, 변환기 어레이의 변환기에 인가될 수 있는 최대 송신기 전압을 수중 음파 탐지기 시스템(sonar system)에 제공한다.
일 실시예에 따르면, 송신 빔을 형성하는 방법은 시간-지연 빔 형성을 사용한다. 의도된 송신 빔에 대한 주파수(f), 방위각 조향각(S1), 및 앙각 조향각(S2)은 복수 개의 변환기를 포함하는 변환기 어레이를 갖는 송신 빔을 형성하는 방법의 입력으로서 사용된다.
그 다음, 송신 빔을 형성하는 방법은 이들 입력 및 제1 프로세스에 의해 생성된 어레이 모델(200)에 기초하여 의도된 송신 빔에 대한 최적화된 동작 파라미터를 결정하기 위한 제2 프로세스를 수행한다. 이러한 입력을 어레이 모델, 예를 들어, LUT로 참조함으로써, 제2 프로세스는 의도된 송신 빔에 대한 최대 송신기 전압(VMAX)을 결정한다.
송신 빔을 형성하는 방법은 그 후에, 단일 쉐이딩 인자를 갖는 변환기 어레이의 적어도 하나의 변환기와, 그들 쉐이딩 인자에 따른 송신기 전압에 의해 구동되는 나머지 변환기에 대해 최대 송신기 전압(VMAX)을 사용하여 송신 빔을 생성하기 위해, 최대 송신기 전압(VMAX)으로 의도된 송신 빔을 형성하는데 요구되는 시간 지연을 계산한다.
위상-시프트 빔 형성 대신에 시간-지연 빔 형성의 사용은, 위상-시프트 빔 형성이 사용되는 경우, 주파수가 스윕(swept)될 때, 즉, 빔 송신 동안 주파수가 변경될 때, 송신 빔은 왜곡될 수 있으므로, 송신 빔이 주파수-독립적인 방식으로 조정되도록 한다.
그러나, 응용에 따라, 대안적인 실시예에 따르면, 송신 빔을 형성하는 방법은 위상-시프트 빔 형성을 사용할 수 있으며, 방법은 요구되는 시간 지연 대신 요구되는 위상을 계산한다.
일 실시예에 따르면, LUT는 각각의 송신 빔 타입, 주파수, 및 빔 조향 방향 파라미터(예를 들어, 방위각 조향각 및 앙각 조향각)에 대한 VMAX 값을 포함한다. 주파수 및 빔 조향 방향 파라미터의 무한 수의 순열이 있기 때문에, 모든 순열에 대한 모든 VMAX 값을 저장하는 것은 LUT 포맷에서는 비실용적이다. 따라서, LUT는 주파수, 방위각 조향각, 및 앙각 조향각의 이산 간격으로 VMAX 값을 저장한다.
그 다음, 제2 프로세스는 주파수, 방위각 조향각, 및 앙각 조향각에 대한 삼선형 보간(trilinear interpolation)을 사용하여 최대 송신기 전압(VMAX)을 결정한다. 요구되는 최대 송신기 전압(VMAX)을 결정하고 획득하기 위해 다른 타입의 보간 방법이 사용될 수 있음을 이해한다.
방위각 조향각 및 앙각 조향각의 특정 이산 간격에서만 VMAX 값을 저장함으로써, LUT의 크기가 감소되므로 보다 효율적으로 제2 프로세스가 수행될 수 있으며, LUT를 저장하고 그곳의 데이터에 액세스하기 위해 요구되는 자원이 감소된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 변환기를 포함하는 변환기 어레이로 송신 빔을 형성하는 방법을 나타낸 것으로, 의도된 송신 빔에 대하여 적어도 하나의 원하는 특성을 수신하는 단계(S310)와, 상기 변환기 어레이의 복수 개의 변환기의 음향 상호 커플링을 고려하여, 적어도 하나의 빔 특성과 적어도 하나의 변환기 보호 특성 사이의 관계를 모델링하기 위한 어레이 모델(array model)과, 수신된 적어도 하나의 원하는 특성에 기초하여 상기 변환기 어레이의 변환기에 대한 최적화된 동작 파라미터를 결정하는 단계(S320)와, 상기 변환기 어레이에 상기 최적화된 동작 파라미터를 사용하여 상기 송신 빔을 생성하는 단계(S330)를 포함한다.
S310에서 의도된 송신 빔에 대한 적어도 하나의 원하는 특성은, 진폭(A)과 같은 의도된 송신 빔의 음향 소스 레벨, 의도된 송신 빔의 주파수(f), 의도된 송신 빔의 송신 빔 조향(예를 들어, 방위각 조향각(S1), 앙각 조향각(S2), 또는 지향성 인덱스(DI)), 및 의도된 송신 빔의 파형 변조 타입 중 하나 이상을 포함하는 요청에서 수신된다. 그런 다음, 요청은, 도 2와 관련하여 상술한, 의도된 송신 빔의 특정 빔 조향 방향, 그 특정 빔에 대한 원하는 주파수(f), 및 진폭(A)(원하는 음향 소스 레벨)과 같은 원하는 특성을 결정하고, 어레이 모델에 제공하는 데 사용된다. 요청은 또한 생성된 송신되는 빔으로 적어도 하나의 원하는 특성을 달성하기 위해 요구된 시간 지연의 계산을 가능하게 한다.
예를 들어, 변환기 어레이가 수중 음파 탐지기 시스템(sonar system)의 일부일 때, 의도된 송신 빔은 수중 음파 탐지기 시스템에 의해 사용되는 음향 파다. 따라서, S310에서 적어도 하나의 원하는 특성을 수신하는 단계는 미리 결정된 변조 타입의 음향 파를 송신하라는 요청을 수신하는 단계를 포함하고, 요청은 또한 미리 결정된 변조 타입에 대한 주파수 및 시간 파라미터, 변환기 어레이의 특정 조향 방향, 및 음향 소스 레벨을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 요청은 시작 주파수, 종료 주파수, 주파수 변조의 타입, 및 진폭 변조의 타입 중 적어도 하나와 같은 미리 결정된 변조 타입에 대한 송신 변조 파라미터, 방위각 조향 및 앙각 조향과 같은 특정 조향 방향, 및 원하는 음향 소스 레벨을 포함한다.
S320에서는, S310에서 수신된 적어도 하나의 원하는 특성에 기초하여, 도 2의 어레이 모델(200) 및 의도된 송신 빔에 대한 최적화된 동작 파라미터를 결정하기 위한 제2 프로세스는, 최대 송신기 전압(VMAX)을 결정하기 위하여 사용되며, 변환기 어레이를 구동하기 위해 사용될 때, 변환기 어레이로 하여금 의도된 송신 빔 또는 의도된 송신 빔과 가장 유사한 특성을 갖는 적어도 거의 의도된 송신 빔을 생성할 수 있게 하고, 여기서 최대 송신기 전압(VMAX)이 변환기 어레이를 구동시키기 위하여 사용되는 경우, 모든 변환기의 구동 전압, 전류, 및 전력에 대한 높은 한계 중 어느 것도 초과하지 않는 것을 보장한다.
최적화된 동작 파라미터로 형성된 생성된 송신 빔이, 변환기를 손상시키지 않고, 의도된 송신 빔과 동일하거나 (거의 의도된 송신 빔에) 가장 근접하도록, 적어도 하나의 원하는 특성이 어레이 모델(200)에 의해 사용된다.
일 실시예에 따르면, 수중 음파 탐지기 시스템(sonar system)에서 사용될 때, 이 방법은 또한 거의 의도된 송신 빔이 원하는 진폭, 즉 음향 소스 레벨을 제외한 적어도 하나의 원하는 특성을 모두 지니고 있음을 보장한다. 이는 수중 음파 탐지기 시스템(sonar system)에서, 의도된 송신 빔의 다른 모든 원하는 특성이 생성된 송신 빔에 존재하도록 보장하면서, 변환기 어레이는 보통 가능한 한 큰 진폭(음향 소스 레벨)을 갖는 송신 빔을 생성하도록 요구되기 때문이다. 이러한 거의 의도된 송신 빔을 생성함으로써, 본 방법은 가능한 한 큰 진폭을 갖는 거의 의도된 송신 빔의 생성을 가능하게 한다.
적어도 하나의 빔 특성은: 송신 빔 타입 및 송신 빔을 위한 주파수 세트, 지향성 인덱스(DI), 변환기 어레이의 효율(ξ), 컨덕턴스(G), 송신 빔의 주파수(f), 및 송신 빔의 조향 방향(예를 들어, 각 주파수(f)에 대한 방위각 조향각(S1) 및 앙각 조향각(S2)) 중 적어도 하나를 포함한다.
적어도 하나의 변환기 보호 특성은: 최대 송신기 전압(VMAX), 최대 송신기 전류(IMAX), 및 최대 송신기 전력(PMAX) 중 적어도 하나 이상을 포함한다. 최적화된 동작 파라미터를 결정하는 것은 적어도 하나의 변환기 보호 특성에 수행되어, 변환기에 인가되고 있는 과도한 동작 파라미터에 의해 야기되는 손상으로부터 변환기가 보호되도록 한다. 과도한 동작 파라미터는 과도하게 높은 전압, 전류, 및 전력 중 적어도 하나를 포함하여, 변환기에 일시적 및/또는 영구적인 손상을 유발할 수 있다.
어레이 모델(200)은 이들 두 세트의 특성 파라미터, 즉, 적어도 하나의 빔 특성 및 적어도 하나의 변환기 보호 특성 사이의 관계를 모델링한다. 이 관계는 룩업테이블(LUT)의 포맷으로 저장되고, 의도된 송신 빔에 대한 적어도 하나의 원하는 특성이 수신될 때, LUT는 적어도 하나의 원하는 특성을 갖는 적어도 하나의 빔 특성을 참조하는데 사용되며, 여기서 그 특정한 적어도 하나의 원하는 특성에 대한 (최대 송신기 전압(VMAX)과 같은) 변환기 보호 특성은, 도 2와 관련하여 상술한 어레이 모델(200)을 형성 또는 생성하기 위한 제1 프로세스로부터 명백한 바와 같이, 두 세트의 특성 파라미터 사이의 관계로부터 결정된다.
그 다음, 결정된 최대 송신기 전압(VMAX)은 변환기 어레이의 각 변환기를 구동하기 위한 최적화된 동작 파라미터를 결정하는데 사용되며, 여기서 변환기 어레이는 S330에서 의도된 또는 거의 의도된 송신 빔을 생성한다.
각각의 변환기를 구동하기 위한 최적화된 동작 파라미터는 변환기 어레이의 적어도 하나의 단일 쉐이딩 인자 변환기에 대해 결정된 최대 송신기 전압(VMAX) 및 변환기 어레이의 나머지 변환기, 즉, 비-단일 쉐이딩 인자 변환기에 대한 적어도 하나의 가중치화된(weighted) 최대 송신기 전압을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 복수 개의 변환기가 변환기 어레이에 배열되는 방법은 변환기 어레이의 적어도 하나의 단일 쉐이딩 인자 변환기가 변환기 어레이의 중심 위치에 또는 그 근처에 정상적으로 위치된다는 것을 의미한다. 적어도 하나의 가중치화된 최대 송신기 전압의 각각은 변환기 어레이의 대응하는 비-단일 쉐이딩 인자 변환기에 대한 최대 송신기 전압이고, 가중치화된 최대 송신기 전압은 결정된 최대 송신기 전압(VMAX)에 비례한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 도 3의 복수 개의 변환기를 포함하는 변환기 어레이로 송신 빔을 형성하는 방법을 나타내며, 본 방법은 의도된 송신 빔에 대한 적어도 하나의 원하는 특성을 수신하는 단계 이전에 어레이 모델을 생성하는 단계를 더 포함한다(S400).
룩업테이블(LUT)의 형태의 어레이 모델(200)은 도 2와 관련하여 설명된 제1 프로세스를 사용하여 생성되거나 또는 형성되며, 나중에 S400에서 사용하기 위해 저장된다. S310에서 의도된 송신 빔에 대한 적어도 하나의 원하는 특성이 수신되면, 저장된 LUT가 액세스되고, S320에서 최적화된 동작 파라미터를 결정하는데 사용된다.
상술한 바와 같이, 어레이 모델(200)을 생성하는 것은 상당한 처리 능력, 메모리 공간, 및 시간을 필요로 하는 자원 집약적인 프로세스일 수 있다. 그러나, 변환기 어레이로 송신 빔을 형성하는 방법은 해상 운송 수단에서 실행될 필요가 있을 수 있고, 여기서 본 방법은 매우 짧은 시간 내에 송신 빔을 생성할 필요가 있고, 이용 가능한 자원은 매우 제한적이다. 따라서, 송신 빔이 실제로 실시간으로 요청되거나 생성되기 전에 어레이 모델(200)을 생성하는 것이 유리할 수 있다. 즉, 의도된 송신 빔에 대한 적어도 하나의 원하는 특성을 수신하는 단계(S310) 이전에 어레이 모델을 형성 또는 생성하기 위한 제1 프로세스를 수행하는 것은, 자원 집약적인 제1 프로세스가 미리 수행되도록 하기 때문에 유용할 수 있고, 송신 빔의 즉각적인(immediate) 또는 즉시적인(prompt) 생성이 필요한 실시간은 아닌 것이다.
일 실시예에 따르면, 어레이 모델(200)은 송신 빔을 형성하는 방법의 나머지 단계로부터 공간적 및 시간적으로 상이한 위치 및 시간에서 생성된다.
예를 들어, 변환기 어레이는 어뢰(torpedo), 잠수함, 또는 물 아래 또는 물 위에서 사용하기 위한 다른 타입의 운송 수단과 같은 해상 운송 수단의 내부에 위치하고, 어레이 모델(200)은 더 좋고 보다 효율적인 자원이 이용 가능한 다른 곳에서 생성된다. 그리고 생성된 어레이 모델(200)은 저장을 위해 해상 운송 수단에 전달되어, 어레이 모델(200)은 송신 빔을 형성하는 방법의 나머지 단계를 위하여, 예를 들어, 의도된 송신 빔에 대한 최적화된 동작 파라미터를 결정하는 제2 프로세스를 수행할 때, 사용하기 위해 나중에 이용 가능하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 도 3 또는 도 4의 방법에서 변환기 어레이의 변환기에 대한 최적화된 동작 파라미터를 결정하기 위한 방법 단계를 도시하며, 여기서 변환기 어레이는 어뢰, 잠수함, 또는 물 아래 또는 물 위에서 사용하기 위한 다른 타입의 운송 수단과 같은 해상 운송 수단의 내부에 위치하고, S310에서 수신된 요청은 또한 송신 빔을 생성하는 단계 동안 해상 운송 수단 내에서 이용 가능한 전력에 관한 정보를 포함하며, 이용 가능한 전력은 해상 운송 수단의 이동 속도, 해상 운송 수단 내의 전력 소스로부터의 전력 출력, 및 해상 운송 수단의 위치 중 적어도 하나에 의해 제한된다.
일 실시예에 따르면, 이용 가능한 전력에 관한 정보는 해상 운송 수단을 추진(propel)하기 위한 엔진의 엔진 속도를 포함하여, 발전기(alternator)가 주 전력 소스로서 기능할 때, 엔진 속도가 엔진 샤프트로부터 구동되는 발전기로부터 이용 가능한 전력을 결정하는데 사용되도록 한다.
최적화된 동작 파라미터를 결정하는 단계(S320)는, 상기 요청으로부터의 상기 음향 소스 레벨로부터 실효 음압 레벨(sound pressure level, SPL)을 계산하는 단계(S510)와, 상기 요청으로부터의 상기 정보로부터 계산된 미리 결정된 높은 전력에서 상기 변환기의 과열을 회피하면서, 최대 전력 레벨(WMAX_TDCR)을, 상기 요청으로부터 상기 해상 운송 수단 내의 상기 가용 전력에 대한 정보를 사용하여 계산된 최대 가용 전력과, 상기 요청으로부터의 상기 음향 파의 지속 기간 및 빔 송신에 대한 미리 결정된 최대 듀티 사이클(duty cycle)을 사용하여 계산된 절대 최대 전력 사이의 최소값으로 설정함으로써 상기 변환기에 대한 최대 전력 레벨(WMAX_TDCR)을 결정하는 단계(S520)와, 상기 요청으로부터 시간 파라미터 및 상기 미리 결정된 변조 타입을 사용하여 계산된 상기 음향 파를 형성하기 위하여 상기 변환기에 대한 순간 주파수를 결정하는 단계(S530)와, 결정된 순간 주파수에 대하여 요구되는 피크 전압(VMAX_NOM)을 상기 3D 룩업테이블로부터 획득되는 상기 변환기 어레이의 효율(ξ), 빔 쉐이딩 인자(beam shading factor), 및 상기 컨덕턴스(G)의 기능으로서 결정하는 단계(S540)와, 상기 변환기에 대한 최적화된 동작 파라미터를, 상기 요구되는 피크 전압(VMAX_NOM)이 상기 결정된 순간 주파수에서 상기 최대 전압(VMAX)보다 작은 경우에는 상기 요구되는 피크 전압(VMAX_NOM)으로서 설정하고, 상기 요구되는 피크 전압(VMAX_NOM)이 상기 결정된 순간 주파수에서 상기 최대 전압(VMAX)보다 작지 않은 경우에는 상기 최대 전압(VMAX)으로서 설정하는 단계(S550)를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 미리 결정된 높은 전력에서의 변환기의 과열을 회피하면서, 빔 송신에 대한 미리 결정된 최대 듀티 사이클은 현재 수신된 요청의 도달 시간, 이전에 수신된 요청의 도달 시간, 및 요구되는 펄스 지속 시간으로부터 계산된다.
이는 또한 방법이, 매우 제한될 수 있는, 해상 운송 수단 내에서 이용 가능한 전력을 고려할 수 있게 하고, 변환기 어레이에 손상을 주지 않도록 보장하며, 의도된 또는 적어도 거의 의도된 송신 빔이 생성될 때, 해상 운송 수단의 다른 구성 요소로부터 과도한 전력을 빼앗기지 않게 된다.
도 6 내지 도 9는 도 3 내지 도 5 중 하나에 도시된 복수 개의 변환기를 포함하는 변환기 어레이로 송신 빔을 형성하는 방법을 실시하도록 구성되는 시스템(600)을 나타낸다. 송신 빔을 형성하기 위한 실제 방법 단계는 도 3 내지 도 5와 관련하여 상세히 기술되어 있으므로, 이하에서는 생략한다. 그러나, 도 3 내지 도 5와 관련하여 설명된 동일한 세부 사항은, 도 6 내지 도 9와 관련하여 여기서 기술된 상응하는 단계에도 적용되는 것으로 이해된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 빔을 형성하기 위한 시스템(600)을 나타내며, 시스템(600)은 송신 빔(690)을 형성하도록 구성되는 복수 개의 변환기(611, 613, 615, 617, 619)를 포함하는 변환기 어레이(610)와, 의도된 송신 빔에 대한 적어도 하나의 원하는 특성(B)을 수신하도록 구성되는 수신기(630)와, 변환기 어레이(610)의 복수 개의 변환기(611, 613, 615, 617, 619)의 음향 상호 커플링을 고려하여, 적어도 하나의 빔 특성과 적어도 하나의 변환기 보호 특성 사이의 관계를 모델링하기 위한 어레이 모델(array model)과, 수신된 적어도 하나의 원하는 특성(B)에 기초하여 변환기 어레이(610)의 변환기(611, 613, 615, 617, 619)에 대한 최적화된 동작 파라미터를 결정하고, 변환기 어레이(610)에 최적화된 동작 파라미터를 사용하여 송신 빔(690)을 생성하도록 구성되는 프로세서(650)를 포함한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 6의 송신 빔을 형성하기 위한 시스템(600)을 도시하며, 시스템(600)은 어레이 모델을 저장하기 위한 저장소(storage; 710)를 더 포함한다.
일 실시예에 따르면, 시스템(600)의 프로세서(650)는 시스템(600)의 수신기(630)에서 의도된 송신 빔에 대한 적어도 하나의 원하는 특성(B)을 수신하기 전에 어레이 모델을 생성하고, 생성된 어레이 모델을 저장소(710)에 저장하고, 적어도 하나의 원하는 특성(B)이 수신될 때 저장소(710)의 생성된 어레이 모델에 액세스하도록 구성되고, 프로세서(650)는 최소 지연으로 최적화된 동작 파라미터를 결정한다.
어레이 모델을 생성하는 자원 집약적이고 시간 소모적인 단계를 미리 수행함으로써, 시스템(600)은 적어도 하나의 원하는 특성(B)이 나중에 수신될 때 의도된 또는 거의 의도된 송신 빔(690)의 신속한 생성을 가능하게 한다.
또 다른 실시예에 따르면, 시스템(600)과 통신 가능한 외부 프로세서(external processor; 750)가 제공되며, 외부 프로세서(750)는 시스템(600)의 프로세서(650)에서 의도된 송신 빔에 대한 적어도 하나의 원하는 특성(B)을 수신하기 전에 어레이 모델을 생성하고 생성된 어레이 모델을 저장소(710)에 전달하도록 구성된다. 그 후에, 적어도 하나의 원하는 특성(B)이 수신될 때, 시스템(600)의 프로세서(650)는 저장 장치(710)의 생성된 어레이 모델에 액세스하며, 이에 프로세서(650)는 최소 지연으로 의도된 또는 거의 의도된 송신 빔(690)을 생성하기 위한 최적화된 동작 파라미터를 결정한다.
본 실시예에 따르면, 시스템(600) 및 외부 프로세서(750)는 함께 송신 빔을 형성하기 위한 전체 시스템을 구성한다.
어레이 모델을 생성하는 자원 집약적이며 시간 소모적인 단계를 미리 수행함으로써, 본 실시예에 따른 시스템(600)은 적어도 하나의 원하는 특성(B)이 나중에 수신될 때, 의도된 또는 거의 의도된 송신 빔(690)의 신속한 생성을 가능하게 한다.
또한, 시스템(600)과 공간적으로 분리된 외부 프로세서(750)를 사용하여 어레이 모델을 생성하는 자원 집약적이고 시간 소모적인 단계를 수행함으로써, 본 실시예에 따른 시스템(600)은 시스템(600) 내에서 요구되는 처리 전력 및 자원의 양을 감소시켜, 시스템(600) 자체에서 부피가 덜 나가는 및/또는 강력한 하드웨어가 사용될 수 있다. 이는 송신 빔을 형성하는 방법의 나머지 단계를 수행하기 위한 시스템(600)이 어뢰, 잠수함, 또는 물 아래 또는 물 위에서 사용하기 위한 다른 타입의 운송 수단과 같은 공간 제한적 해상 운송 수단에서 수행될 필요가 있을 때 유용하다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 6 또는 도 7의 시스템(600)을 사용하는 해상 운송 수단(800)을 도시한다.
해상 운송 수단(800)은 변환기 어레이(610)를 포함하는 도 6 또는 도 7의 시스템(600)을 포함하는 어뢰이다.
변환기 어레이(610)는 수중 음파 탐지기(sonar)의 일부이며, 의도된 송신 빔은 수중 음파 탐지기의 음향 파이다. 적어도 하나의 원하는 특성(B)을 수신하는 단계는 미리 결정된 변조 타입의 음향 파를 송신하라는 요청을 수신하는 단계를 포함하고, 요청은 또한 미리 결정된 변조 타입에 대한 주파수 및 시간 파라미터, 변환기 어레이의 특정 조향 방향, 및 음향 소스 레벨을 포함한다.
선박(ship; 890)의 형태로 된 또 다른 해상 운송 수단도 보여진다. 선박(890)은 도 7과 관련하여 설명된 외부 프로세서(750)를 포함하여, 외부 프로세서(750)가 도 7의 시스템(600)을 사용하는 해상 운송 수단(800)으로부터 어레이 모델의 생성을 수행할 수 있게 한다. 외부 프로세서(750)는 임의의 무선 또는 유선 통신 방법을 사용하여 생성된 어레이 모델을 구현할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 해상 운송 수단(800)은 와이어로 선박(890)에 묶여있고(tether), 와이어는 시스템(600)과 외부 프로세서(750) 사이의 통신을 가능하게 한다.
일 실시예에 따르면, 외부 프로세서(750)는 해상 운송 수단(800)이 사용되는 동안 해상 운송 수단(800)의 시스템(600)과 통신하여, 이것이 사용 중일 때 어레이 모델이 해상 운송 수단(800)에 의해 수집된 물리적 데이터를 사용하여 생성될 수 있게 및/또는 업데이트될 수 있게 하고, 즉, 어레이 모델은 또한 경험적 파라미터(empirical parameter)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 외부 프로세서(750)는 생성된 어레이 모델을 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장하고, 어레이 모델을 저장한 컴퓨터 판독 가능 매체는 물리적으로 운송되어 해상 운송 수단(800)에 설치된다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 8의 해상 운송 수단(800)을 나타내며, 해상 운송 수단(800)은 해상 운송 수단(800) 내의 이용 가능한 전력(C)에 관한 정보를 획득하도록 구성되는 전력 게이지(power gauge; 910)를 더 포함한다.
적어도 하나의 원하는 특성(B)을 수신하는 단계는 또한 송신 빔의 생성 동안 해상 운송 수단(800) 내의 이용 가능한 전력(C)에 관한 정보를 포함한다. 정보는 전력 게이지(910)에 의해 획득된다. 전력 게이지(910)는 해상 운송 수단의 이동 속도, 해상 운송 수단 내의 전력 소스로부터의 전력 출력, 및 해상 운송 수단의 위치 중 적어도 하나를 측정하고, 이용 가능한 전력(C)은 이들 파라미터 중 적어도 하나에 의해 제한된다.
도 10은, 도 6 내지 도 9 중 어느 하나에 도시된 시스템(600)의 일부를 나타내는, 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 환경(1010)을 나타낸다. 도 7 또는 도 8에 도시된 외부 프로세서(750)는 이 예시적인 환경(1010)으로 도시될 수 있는 외부 시스템의 일부이고, 외부 프로세서(750)는 그 내부에 제공되는 처리 컴포넌트(processing component; 1022)이다.
통상의 기술자는 본 발명의 실시예가 임의의 적절한 컴퓨터 시스템을 사용하여 구현 될 수 있음을 인식하고 이해할 것이며, 도 6 내지 도 9 중 어느 하나에 도시된 예시적인 시스템(600)은 단지 예시적인 것이며 단지 완성도(completeness)를 목적으로 제공된다. 이 정도까지, 환경(1010)은 본 발명의 실시예를 수행하기 위해 본 명세서에 설명된 도 3 내지 도 5 중 어느 하나의 방법을 실행하기 위한 프로세스를 수행할 수 있는 컴퓨터 시스템(1020)을 포함한다. 특히, 여기에 설명된 프로세스 또는 방법을 수행함으로써 본 발명의 일 실시예를 구현하도록 동작 가능한 컴퓨터 시스템(1020)을 만드는 프로그램(1030)을 포함하는 컴퓨터 시스템(1020)이 도시되어있다.
컴퓨터 시스템(1020)은 처리 컴포넌트(1022)(예를 들어, 도 6 내지 도 9 중 어느 하나에 도시된 시스템(600)의 프로세서(650)와 같은 하나 이상의 프로세서), 스토리지 컴포넌트(storage component; 1024)(예를 들어, 도 7에 도시된 저장소(710)를 포함하는 스토리지 계층(storage hierarchy)), 입출력 컴포넌트(input/output(I/O) component; 1026)(예를 들어, 하나 이상의 I/O 인터페이스 및/또는 디바이스), 및 통신 경로(1028)를 포함할 수 있다. 일반적으로, 처리 컴포넌트(1022)는, 적어도 부분적으로 스토리지 컴포넌트(1024)에 고정된, 프로그램(1030)과 같은 프로그램 코드를 실행한다. 프로그램 코드를 실행하는 동안, 처리 컴포넌트(1022)는 데이터를 처리하여, 추가 처리를 위하여 저장 컴포넌트(1024) 및/또는 I/O 컴포넌트(1026)로부터/에(from/to) 변환된 데이터를 판독 및/또는 기록할 수 있다. 경로(1028)는 컴퓨터 시스템(1020) 내의 각각의 컴포넌트 사이의 통신 링크를 제공한다. I/O 컴포넌트(1026)는, 휴먼 외부 사용자(human external user; 1012)로 하여금 컴퓨터 시스템(1020) 및/또는 하나 이상의 통신 장치와 상호 작용하게 하여, 도 7 또는 도 8에 도시된 외부 프로세서(750)와 같이, 시스템 외부 사용자(1012)로 하여금 임의의 타입의 통신 링크를 사용하여 컴퓨터 시스템(1020)과 통신하도록 하는, 하나 이상의 휴먼 I/O 장치(human I/O device)를 포함할 수 있다. 이 정도로, 프로그램(1030)은 휴먼 및/또는 시스템 외부 사용자(1012)로 하여금 프로그램(1030)과 상호 작용할 수 있게 하는 인터페이스 세트(예를 들어, 그래픽 사용자 인터페이스(들), 어플리케이션 프로그램 인터페이스 등)를 관리할 수 있다. 또한, 프로그램(1030)은 임의의 솔루션을 사용하여 복수 개의 데이터 파일(1040)과 같은 데이터를 관리(예를 들어, 저장, 검색, 생성, 조작, 구성, 제시 등)할 수 있다.
임의의 경우에, 컴퓨터 시스템(1020)은 프로그램(1030)과 같이 거기에 설치된 프로그램 코드를 실행할 수 있는 하나 이상의 범용 컴퓨팅 제품(예를 들어, 컴퓨팅 장치)을 포함할 수 있다. 여기에서 사용된 바와 같이, "프로그램 코드"는 정보 처리 능력을 갖는 컴퓨팅 장치로 하여금 직접적으로 또는 다음의 임의의 조합 이후에 특정 동작을 수행하게 하는 임의의 언어, 코드, 또는 표기법으로 된 임의의 명령 집합을 의미하는 것으로 이해된다: (a) 다른 언어, 코드 또는 표기법으로의 변환, (b) 다른 자료 형태로 재생산, 및/또는 (c) 압축 해제(decompression). 이러한 정도로, 프로그램(1030)은 시스템 소프트웨어 및/또는 어플리케이션 소프트웨어의 임의의 조합으로서 구현될 수 있다.
또한, 프로그램(1030)은 모듈의 세트를 사용하여 구현될 수 있다. 이 경우, 모듈은, 컴퓨터 시스템(1020)으로 하여금 프로그램(1030)에 의해 사용되는 일련의 작업을 수행하게 할 수 있고, 프로그램(1030)의 다른 부분과 별개로 개별적으로 개발 및/또는 구현될 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "컴포넌트(component, 구성 요소)"라는 용어는 임의의 솔루션을 사용하여 함께 설명된 기능을 구현하는, 소프트웨어와 함께 또는 소프트웨어 없이, 하드웨어의 임의의 구성을 의미하는 반면, "모듈"이라는 용어는 컴퓨터 시스템(1020)으로 하여금 임의의 솔루션을 사용하여 그와 함께 설명된 동작을 구현하는 프로그램 코드를 의미한다. 처리 컴포넌트(1022)를 포함하는 컴퓨터 시스템(1020)의 저장 컴포넌트(1024)에 고정될 때, 모듈은 동작을 구현하는 컴포넌트의 실질적인 부분이다. 그럼에도 불구하고, 둘 이상의 컴포넌트, 모듈, 및/또는 시스템이 각각의 하드웨어 및/또는 소프트웨어의 일부/전부를 공유할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 여기서 논의된 기능성 중 일부는 구현되지 않을 수도 있고, 추가 기능성이 컴퓨터 시스템(1020)의 일부로서 포함될 수도 있음을 이해해야 한다.
컴퓨터 시스템(1020)이 다수의 컴퓨팅 장치를 포함할 때, 각각의 컴퓨팅 장치는 그 위에 고정된 프로그램(1030)의 일부만을 가질 수 있다(예를 들어, 하나 이상의 모듈). 그러나, 컴퓨터 시스템(1020) 및 프로그램(1030)은 여기에 기술된 프로세스를 수행할 수 있는 다양한 가능한 등가의 컴퓨터 시스템만을 나타내는 것으로 이해된다. 이러한 점에서, 다른 실시예에서, 컴퓨터 시스템(1020) 및 프로그램(1030)에 의해 제공되는 기능성은, 프로그램 코드와 함께 또는 프로그램 코드 없이, 일반 및/또는 특정 목적 하드웨어의 임의의 조합을 포함하는 하나 이상의 컴퓨팅 장치에 의해 적어도 부분적으로 구현될 수 있다. 각각의 실시예에서, 하드웨어 및 프로그램 코드는, 포함되는 경우, 각각 표준 엔지니어링 및 프로그래밍 기술을 사용하여 생성될 수 있다.
그럼에도 불구하고, 컴퓨터 시스템(1020)이 다수의 컴퓨팅 장치를 포함할 때, 컴퓨팅 장치는 임의의 타입의 통신 링크를 통해 통신할 수 있다. 또한, 여기에 설명된 프로세스를 수행하는 동안, 컴퓨터 시스템(1020)은 임의의 타입의 통신 링크를 사용하여 하나 이상의 다른 컴퓨터 시스템과 통신할 수 있다. 어느 경우에나, 통신 링크는 다양한 타입의 광섬유, 유선, 및/또는 무선 링크의 임의의 조합을 포함할 수 있고, 하나 이상의 타입의 네트워크의 임의의 조합을 포함할 수 있고, 및/또는 다양한 타입의 송신 기술 및 프로토콜의 임의의 조합을 이용할 수 있다.
임의의 경우에, 컴퓨터 시스템(1020)은 임의의 솔루션을 사용하여 파일(1040)로부터 데이터를 획득할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 시스템(1020)은 데이터 파일(1040)를 생성 및/또는 생성하는데 사용되고, 하나 이상의 데이터 저장소에 저장될 수 있는 파일(1040)로부터 데이터를 검색하고, 다른 시스템으로부터 파일(1040)로부터 데이터를 수신 등을 할 수 있다.
여기서 기술된 방법 중 임의의 단계는 본 발명의 대안적인 실시예에서 생략되거나 다르게 배열될 수 있음이 이해된다.
구현된 하드웨어 및 도 8 및 도 9에 도시된 해상 운송 수단(800)과 같은 운송 수단(vehicle)의 이용 가능한 처리 자원의 한계로 인해, 송신 빔을 형성할 때 고장-안전 제한의 비관적인 세트를 사용하는 것이 종종 필요하다. 많은 경우, 이것은 운송 수단의 컴포넌트(구성 요소)에 잠재적으로 영구적인 및/또는 일시적인 손상을 고려한 후에도 그렇지 않은 가능한 경우보다 송신된 전력을 현저히 낮은 수준으로 제한하는 것을 의미한다. 변환기 간 음향 상호 작용이 변환기의 어레이에 걸쳐 최대 진폭 및 전력 레벨에서 넓은 변화를 야기하고, 영구적인 또는 일시적인 손상을 방지하기 위해 변환기의 전체 어레이에 가장 비관적인 고장-안전 제한만이 적용될 수 있기 때문에, 송신 빔의 이러한 비효율적인 형성은, 특히, 송신 빔이 복수 개의 변환기의 어레이로 조향될 때, 발생할 수 있다.
여기서 설명된 본 발명의 실시예는 변환기 간의 음향 상호 작용의 효과를 모델링 할 수 있는 어레이 모델(200)을 사용함으로써 덜 비관적인 파라미터 세트의 사용을 가능하게 한다.
또한, 어레이 모델(200)의 생성은 완료까지 수행하는데 종종 상당한 시간을 요구할 수 있는 계산 집약적 프로세스를 필요로 하기 때문에, 본 발명의 실시예는 어레이 모델(200)의 생성(즉, 형성 또는 생성을 위한 제1 프로세스, 어레이 모델)으로 하여금, 송신 빔을 형성하기 위한 나머지 방법 또는 프로세스와 분리되어 수행되도록 한다. 이는 특정 타입의 의도된 송신 빔에 대한 요청이 수신되면, 송신 빔을 생성하는데 있어서의 최소 지연으로, 더 효율적이고 견고하게(robustly) 사용될 수 있는 복수 개의 변환기를 포함하는 변환기 어레이를 가능하게 한다.
비록 어레이 모델을 형성 또는 생성하기 위한 제1 프로세스가, 여기서 어레이 모델의 표현으로서 복수 개의 룩업테이블(LUT)을 출력하도록 설명되었지만, 대안적인 실시예에 따르면, 제1 프로세스는 어레이 모델을 나타낼 수 있는, 즉, 어레이 모델에 정의된 상이한 파라미터 간의 관계를 나타낼 수 있고, 또한 데이터 포멧에 저장된 데이터에 액세스하기 위하여 송신 빔을 형성하는 방법을 가능하게 할 수 있는, 임의의 다른 타입의 데이터 포맷으로 어레이 모델의 표현을 출력할 수 있다.
몇몇 바람직한 실시예가 도시되고 설명되었지만, 첨부된 청구 범위에서 정의된 바와 같이, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있음은 통상의 기술자에게 자명 할 것이다.
본 출원과 관련하여 본 명세서와 동시에 또는 이전에 제출되고, 본 명세서와 함께 대중에게 공개된 모든 논문 및 문서에 주의를 기울여야 하며, 그러한 모든 논문 및 문서의 내용은 여기에 참고로 포함된다.
(첨부된 청구 범위, 요약, 및 도면을 포함하여) 본 명세서에 개시된 모든 특징, 및/또는 개시된 임의의 방법 또는 프로세스의 모든 단계는 임의의 조합으로 조합될 수 있지만, 그러한 특징 및/또는 단계 중 상호 배타적인 적어도 일부는 제외한다.
(첨부된 청구 범위, 요약, 및 도면을 포함하여) 본 명세서에 개시된 각 특징은, 다르게 명시되지 않는 한, 동일하거나, 동등하거나, 또는 유사한 목적을 위한 대체 특징으로 대체될 수 있다. 따라서, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 개시된 각 특징은 동등하거나 또는 유사한 특징의 일반적인 일련의 일 예이다.
본 발명은 전술한 실시예(들)의 세부 사항에 제한되지 않는다. 본 발명은 (첨부된 임의의 청구 범위, 요약, 및 도면을 포함하는) 본 명세서에 개시된 특징의 임의의 신규한 것, 또는 임의의 신규한 조합, 또는 개시된 임의의 방법 또는 프로세스의 임의의 신규한 것 또는 임의의 새로운 조합으로 확장된다.

Claims (15)

  1. 복수 개의 변환기를 포함하는 변환기 어레이로 송신 빔을 형성하는 방법으로서,
    의도된 송신 빔에 대하여 적어도 하나의 원하는 특성을 수신하는 단계;
    상기 변환기 어레이의 복수 개의 변환기의 음향 상호 커플링을 고려하여, 적어도 하나의 빔 특성과 적어도 하나의 변환기 보호 특성 사이의 관계를 모델링하기 위한 어레이 모델(array model)과, 수신된 적어도 하나의 원하는 특성에 기초하여 상기 변환기 어레이의 변환기에 대한 최적화된 동작 파라미터를 결정하는 단계; 및
    상기 변환기 어레이에 상기 최적화된 동작 파라미터를 사용하여 상기 송신 빔을 생성하는 단계
    를 포함하는 송신 빔 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 의도된 송신 빔에 대하여 적어도 하나의 원하는 특성을 수신하는 단계 이전에, 상기 어레이 모델을 생성하는 단계
    를 더 포함하는 송신 빔 형성 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 최적화된 동작 파라미터를 결정하는 단계는,
    상기 변환기에 가해지는 과도한 동작에 의해 발생하는 손상으로부터 상기 변환기를 보호하도록 하는 상기 적어도 하나의 변환기 보호 특성;
    상기 어레이 모델을 사용하여 상기 적어도 하나의 변환기 보호 특성을 결정하기 위한 상기 적어도 하나의 원하는 특성 및 상기 적어도 하나의 빔 특성; 및
    상기 최적화된 동작 파라미터로 형성되는 생성된 송신 빔이, 상기 변환기에 손상을 주지 않고, 상기 의도된 송신 빔과 동일하거나 또는 가장 근접하도록 하는 상기 적어도 하나의 원하는 특성
    에 기초하여 수행되는,
    송신 빔 형성 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 최적화된 동작 파라미터는 최대 전압, 최대 전류, 및 최대 전력 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 과도한 동작 파라미터는 상기 변환기에 영구적인 손상을 발생하는 과도하게 높은 전압, 전류, 및 전력 중 적어도 하나를 포함하는,
    송신 빔 형성 방법.
  5. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변환기 어레이는 수중 음파 탐지기(sonar)의 일부이고,
    상기 송신 빔은 상기 수중 음파 탐지기에 대한 음향 파이고,
    상기 적어도 하나의 원하는 특성을 수신하는 단계는,
    미리 결정된 변조 타입의 음향 파를 송신하라는 요청을 수신하는 단계
    를 포함하고,
    상기 요청은 상기 미리 결정된 변조 타입에 대한 주파수 및 시간 파라미터, 상기 변환기 어레이의 특정 조향 방향, 및 음향 소스 레벨을 포함하는,
    송신 빔 형성 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 변환기 어레이는,
    어뢰, 잠수함, 또는 물 아래 또는 물 위에서 사용하기 위한 다른 타입의 운송 수단과 같은 해상 운송 수단의 내부에 위치하고,
    상기 요청은,
    상기 해상 운송 수단의 이동 속도, 상기 해상 운송 수단 내의 전력 소스로부터의 전력 출력, 및 상기 해상 운송 수단의 위치 중 적어도 하나에 의해 제한되는, 상기 송신 빔을 생성하는 단계 동안 상기 해상 운송 수단 내의 가용 전력에 대한 정보를 더 포함하는,
    송신 빔 형성 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 어레이 모델은,
    상기 적어도 하나의 빔 특성 및 상기 적어도 하나의 변환기 보호 특성의 상이한 조합에 대한 3D 룩업테이블을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 빔 특성은,
    송신 빔 타입, 지향성 인덱스(DI), 상기 변환기 어레이의 효율(ξ), 컨덕턴스(G), 상기 송신 빔의 주파수, 및 상기 송신 빔의 조향 방향을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 변환기 보호 특성은,
    최대 전압(VMAX)을 포함하는,
    송신 빔 형성 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 최적화된 동작 파라미터를 결정하는 단계는,
    상기 요청으로부터의 상기 음향 소스 레벨로부터 실효 음압 레벨(sound pressure level, SPL)을 계산하는 단계;
    상기 요청으로부터의 상기 정보로부터 계산된 미리 결정된 높은 전력에서 상기 변환기의 과열을 회피하면서, 최대 전력 레벨(WMAX_TDCR)을, 상기 요청으로부터 상기 해상 운송 수단 내의 상기 가용 전력에 대한 정보를 사용하여 계산된 최대 가용 전력과, 상기 요청으로부터의 상기 음향 파의 지속 기간 및 빔 송신에 대한 미리 결정된 최대 듀티 사이클을 사용하여 계산된 절대 최대 전력 사이의 최소값으로 설정함으로써 상기 변환기에 대한 최대 전력 레벨(WMAX_TDCR)을 결정하는 단계;
    상기 요청으로부터 시간 파라미터 및 상기 미리 결정된 변조 타입을 사용하여 계산된 상기 음향 파를 형성하기 위하여 상기 변환기에 대한 순간 주파수를 결정하는 단계;
    결정된 순간 주파수에 대하여 요구되는 피크 전압(VMAX_NOM)을 상기 3D 룩업테이블로부터 획득되는 상기 변환기 어레이의 효율(ξ), 빔 쉐이딩 인자(beam shading factor), 및 상기 컨덕턴스(G)의 기능으로서 결정하는 단계; 및
    상기 변환기에 대한 최적화된 동작 파라미터를, 상기 요구되는 피크 전압(VMAX_NOM)이 상기 결정된 순간 주파수에서 상기 최대 전압(VMAX)보다 작은 경우에는 상기 요구되는 피크 전압(VMAX_NOM)으로서 설정하고, 상기 요구되는 피크 전압(VMAX_NOM)이 상기 결정된 순간 주파수에서 상기 최대 전압(VMAX)보다 작지 않은 경우에는 상기 최대 전압(VMAX)으로서 설정하는 단계
    를 포함하는,
    송신 빔 형성 방법.
  9. 송신 빔을 형성하는 시스템으로서,
    상기 송신 빔을 형성하도록 구성되는 복수 개의 변환기를 포함하는 변환기 어레이;
    의도된 송신 빔에 대하여 적어도 하나의 원하는 특성을 수신하도록 구성되는 수신기; 및
    상기 변환기 어레이의 복수 개의 변환기의 음향 상호 커플링을 고려하여, 적어도 하나의 빔 특성과 적어도 하나의 변환기 보호 특성 사이의 관계를 모델링하기 위한 어레이 모델(array model)과, 수신된 적어도 하나의 원하는 특성에 기초하여 상기 변환기 어레이의 변환기에 대한 최적화된 동작 파라미터를 결정하고, 상기 변환기 어레이에 상기 최적화된 동작 파라미터를 사용하여 상기 송신 빔을 생성하도록 구성되는 프로세서
    를 포함하는 송신 빔 형성 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 어레이 모델을 저장하기 위한 저장소; 및
    상기 시스템과 통신할 수 있는 외부 프로세서
    를 더 포함하고,
    상기 외부 프로세서는,
    상기 시스템의 프로세서에서 상기 의도된 송신 빔에 대하여 상기 적어도 하나의 원하는 특성을 수신하기 이전에, 상기 어레이 모델을 생성하고, 생성된 어레이 모델을 상기 저장소에 전달하도록 구성되고,
    상기 프로세서는,
    상기 최적화된 동작 파라미터를 결정할 때 상기 저장소의 상기 생성된 어레이 모델에 액세스하도록 구성되는,
    송신 빔 형성 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 어레이 모델을 저장하기 위한 저장소를 더 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 시스템의 수신기에서 상기 의도된 송신 빔에 대하여 적어도 하나의 원하는 특성을 수신하기 이전에, 상기 어레이 모델을 생성하고, 생성된 어레이 모델을 상기 저장소에 저장하고, 상기 최적화된 동작 파라미터를 결정할 때, 상기 저장소의 생성된 어레이 모델에 액세스하도록 구성되는,
    송신 빔 형성 시스템.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변환기 어레이는 수중 음파 탐지기(sonar)의 일부이고,
    상기 송신 빔은 상기 수중 음파 탐지기에 대한 음향 파이고,
    상기 적어도 하나의 원하는 특성을 수신하는 것은 미리 결정된 변조 타입의 음향 파를 송신하라는 요청을 수신하는 것을 포함하고,
    상기 요청은 상기 미리 결정된 변조 타입에 대한 주파수 및 시간 파라미터, 상기 변환기 어레이의 특정 조향 방향, 및 음향 소스 레벨을 포함하는,
    송신 빔 형성 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 변환기 어레이는,
    어뢰, 잠수함, 또는 물 아래 또는 물 위에서 사용하기 위한 다른 타입의 운송 수단과 같은 해상 운송 수단의 내부에 위치하고,
    상기 요청은,
    상기 해상 운송 수단의 이동 속도, 상기 해상 운송 수단 내의 전력 소스로부터의 전력 출력, 및 상기 해상 운송 수단의 위치 중 적어도 하나에 의해 제한되는, 상기 송신 빔을 생성하는 단계 동안 상기 해상 운송 수단 내의 가용 전력에 대한 정보를 더 포함하는,
    송신 빔 형성 시스템.
  14. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 방법을 동작시키기 위한 컴퓨터 프로그램을 저장하는 컴퓨터 판독 가능한 매체.
  15. 첨부된 도면을 참조하여 여기서 설명된 방법, 시스템, 또는 컴퓨터 판독 가능한 매체.
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