KR20210058383A - 전자어구 식별을 위한 수중음향통신방법 및 시스템 - Google Patents

전자어구 식별을 위한 수중음향통신방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복잡 다양한 수중 환경에서 신호대 잡음비를 개선하여 안정적인 통신이 가능하게 한 전자어구 식별을 위한 수중음향통신방법 및 시스템에 관한 것이다. 이를 위하여, 본 발명은 수중 어구에 부착되는 음향태그;상기 음향태그에서 발송되는 신호를 수신하는 식별기를 포함하여 구성되며, 상기 식별기는 복수 개의 수신센서를 포함하며, 상기 복수 개의 수신센서에 의한 다채널 수신신호를 기초로 하여 수신빔을 형성하여 신호대 잡음비를 개선한 전자어구 식별을 위한 수중음향통신 시스템을 제공한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 주파수 정보를 기반으로 하여 다양한 해양 환경에서 안정적인 음향 데이터의 전송을 가능하게 하며, 식별기에서 다채널 수신 빔 형성을 통해 낮은 세기의 초음파 수신이 가능한 장점이 있다.

Description

전자어구 식별을 위한 수중음향통신방법 및 시스템{Underwater acoustic communication method and system to identify electronic fishing gears}
본 발명은 전자어구 식별을 위한 수중음향통신방법 및 시스템에 관한 것이며, 구체적으로 복잡 다양한 수중 환경에서 신호대 잡음비를 개선하여 안정적인 통신이 가능하게 한 전자어구 식별을 위한 수중음향통신방법 및 시스템에 관한 것이다.
투기 및 유실에 의해 방치되는 폐어구는 해양 환경 및 사고를 유발하고, 유령 어업으로 인한 어획량의 감소를 촉진한다. 이러한 문제가 심화됨에 따라 어구와 함께 설치되는 수면의 부표에 어업인 정보를 기입하는 어구 실명제가 실시되고 있다.
하지만, 상기 부표에 명시된 어업인 정보를 확인하기에는 시간적 혹은 비용적인 한계를 가지며, 상기 부표와 어구의 연결 로프가 절단되는 상황도 빈번히 발생하고 있다.
도 1에 나타낸 공개특허공보 10-2019-0048223호에 의하면, 어구에 설치된 능동핑어와 선박의 배열트래커 간의 수중 초음파 통신을 수행하여 어구의 정보를 식별한다.
상기 수중 통신 시스템에 의하면, 전비트와 후비트에 해당하는 초음파 신호 간의 시간 간격을 이용하여 전송된 정보를 식별하는 비동기식 변조 및 복조를 수행한다.
하지만, 본 발명자들이 실제로 어구에 설치된 능동핑어와 선박 간의 초음파 통신을 수행한 결과 수신 신호의 세기에 크게 의존하여 해초, 해양생물 등의 음파 전달 장애 요소에 의한 오류가 다수 발생하여 문제가 된다.
공중파의 경우에는 건물 등 고정된 장애물 외에 이동하는 장애물이 별로 없는 반면, 수중 환경은 흐르는 물, 끊임없이 이동하는 해양생물, 주변 어선 등에 의한 장애물 들이 다수 존재하여 노이즈가 많이 발생하는 환경에서 안정적인 통신환경을 구축할 수 있는 방법이 요구된다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것이며, 다양한 해양 환경에서 음향 데이터 통신을 기반으로 수중 어구의 정보를 식별할 수 있는 안정적인 수중 음향 통신 방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 수중 어구에 부착되는 음향태그;상기 음향태그에서 발송되는 신호를 수신하는 식별기를 포함하여 구성되며, 상기 식별기는 복수 개의 수신센서를 포함하며, 상기 복수 개의 수신센서에 의한 다채널 수신신호를 기초로 하여 수신빔을 형성하여 신호대 잡음비를 개선한 전자어구 식별을 위한 수중음향통신 시스템을 제공한다.
상기 음향태그는 상향대역변환신호 및 하향대역변환신호를 기초로 하여 디지털 정보를 송신하는 것이 바람직하다.
상기 음향태그는 1차원 수신신호에 대하여 상기 상향대역변환신호 및 하향대역변환신호를 이용하여 각각 상향정합신호 및 하향정합신호의 2차원 출력을 검출하여 신호대 잡음비를 개선할 수 있다.
상기 음향태그는 상기 상향정합신호 및 하향정합신호에 대해 포락선을 검출하고 이에 대한 벡터의 차를 계산하여 디지털 논리값 '0'과 '1'에 해당하는 처리결과가 각각 양과 음의 값을 갖도록 하는 것이 바람직하다.
상기 음향태그는 상기 벡터의 차로부터 극대값과 극소값을 추출하고 상기 극대값과 극소값을 기초로 하여 디지털 논리값 '0'과 '1'로 변환하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면 또한, 상기 음향태그에서 발송되는 신호를 수신하는 식별기를 포함하여 구성되며,상기 음향태그는 상향대역변환신호 및 하향대역변환신호를 기초로 하여 디지털 정보를 송신하며, 1차원 수신신호에 대하여 상기 상향대역변환신호 및 하향대역변환신호를 이용하여 각각 상향정합신호 및 하향정합신호의 2차원 출력을 검출하여 신호대 잡음비를 개선한 전자어구 식별을 위한 수중음향통신방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 주파수 정보를 기반으로 하여 다양한 해양 환경에서 안정적인 음향 데이터의 전송을 가능하게 하며, 식별기에서 다채널 수신 빔 형성을 통해 낮은 세기의 초음파 수신이 가능한 장점이 있다.
또한, 병렬 구조의 상향정합신호 및 하향정합신호를 적용하여 이진 데이터에 대한 2차원 출력을 형성함으로써 보다 정확하고 효율적인 연산을 가능하게 한다.
또한, 상향대역변환신호 및 하향대역변환신호에 대한 2차원 출력 결과를 기반으로, 디지털 논리값 ‘0’과 ‘1’에 대해 양과 음의 영역으로 구분되는 1차원 벡터 변환 과정을 통하여 보다 정확한 부호 판단을 가능하게 하는 장점이 있다.
도 1은 종래기술에 의한 어구정보수신시스템의 구성을 나타내는 구성도;
도 2는 본 발명에 의한 전자어구 식별을 위한 수중음향통신시스템의 구성을 나타내는 구성도;
도 3은 본 발명에 의한 식별기의 구성를 나타내는 구성도;
도 4는 본 발명에 의한 식별기와 음향태그 사이의 통신 방법을 설명하기 위한 설명도;
도 5는 본 발명에 의한 식별기와 음향태그 사이의 통신 방법을 설명하기 위한 절차도;
도 6a 내지 도 6d는 본 발명에 의한 식별기와 음향태그 사이의 통신 방법을 설명하기 위한 그래프.
본 발명에 의한 구체적인 실시예의 구성 및 작용에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전자어구 식별을 위한 플랫폼을 도시한 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 식별기의 배열 센서의 구성과 수신 신호로부터 정보 식별 과정을 간략히 도시한 도면이다.
본 발명에 의한 전자어구 식별을 위한 수중음향통신 시스템은 수중 어구에 구비되는 음향태그(100) 및 수상함에 구비되는 식별기(200)를 포함하여 구성된다. 상기 식별기(200)는 음향태그(100)에 요청신호를 전송할 수 있으며, 상기 음향태그(100)는 식별기의 요청신호에 대응하여 고유식별부호, 배터리 상태 등의 정보를 포함한 응답신호를 전송할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 식별기(200)는 하나의 송신센서(210) 및 상기 송신센서 주위로 복수 개의 수신센서(220)가 배열되어 구성된다.
상기 복수 개의 수신센서(220) 각각에서 수신된 신호는 수신빔형성부(230)에서 하나의 수신신호로 변환된다.
구체적으로, 식별기(200)에서 응답요청신호 및 식별코드를 송신하면, 음향태그(100)에서는 응답요청신호를 확인한 후 식별코드가 일치하는 것으로 판단되면 자신의 식별코드를 다시 식별기(200)로 전송된다.
상기 수신빔형성부(230)에서는 복수 개의 수신센서(220)에 의해 수신된 각각의 수신파형을 해당 수신센서의 배열위치에 따라 위상변환을 하고, 위상변환된 수신파형에 대해 평균진폭 또는 평균주파수를 산출한다. 그리고, 상기 평균진폭 또는 평균주파수를 기초로 하여 일정 범위를 벗어난 수신파형은 제거를 하고 다시 나머지 수신파형으로 평균진폭 또는 평균주파수를 산출하여 1차원 변환된 수신신호를 생성한다.
또한, 상기 수신신호처리부(240)에서는 1차원 변환된 수신신호를 디지털 신호로 변환하여 수신데이터를 생성할 수 있다.
상기 식별기(200)는 선박에서 원활한 전력공급의 이점을 기반으로 높은 세기의 초음파를 송신하여 상기 음향태그(100)에 정보 전달을 요청한다.
도 4를 참조하면, 상기 음향태그(100)와 식별기(100)에서 서로 주고받는 음향신호는 상향대역변환신호 및 하향대역변환신호를 포함하는 처프신호로 이루어질 수 있으며, 상기 상향대역변환신호는 시간에 따라 주파수가 점차적으로 높아지는 신호이며, 상기 하향대역변환신호는 시간에 따라 주파수가 점차적으로 낮아지는 신호이다.
본 실시예에서 상기 상향대역변환신호 및 하향대역변환신호는 계산상의 편리함을 위해 시간에 따라 선형적으로 주파수가 변화되는 것으로 하였다.
상기 상향대역변환신호
Figure pat00001
와 하향대역변환신호
Figure pat00002
는 심볼 길이
Figure pat00003
에 대해 아래와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00004
Figure pat00005
(
Figure pat00006
: 신호 세기,
Figure pat00007
: 시작 주파수,
Figure pat00008
: 종료 주파수,
Figure pat00009
: 신호의 위상)
도 4를 참조하면, 위 수식의 이진 신호는 전송 부호에 따라 연결되어 지속적인 파형을 형성하며, 전송 부호를 구성하는 이진 신호는 파형의 연속성을 보존하기 위해 아래와 같이 위상
Figure pat00010
를 보정한다.
Figure pat00011
(
Figure pat00012
: 전송 부호를 구성하는 이진 신호의 순서)
도 5을 참조하면, 상기 식별기(200)의 신호처리부는 수신신호에 대해 병렬 구조의 정합필터를 적용한다. 구체적으로, 1차원 수신신호에 대하여 상향정합필터 및 하향정합필터를 각각 적용하여 상향정합신호 및 하향정합신호의 2차원 출력을 생성한다. 이때, 각 차원의 출력은 디지털 논리값 '0'과 '1'에 대한 음향 신호 처리 결과를 포함한다.
구체적으로, 수신 신호
Figure pat00013
로부터 상향대역변환신호와 하향대역변환신호에 대한 상향정합신호 및 하향정합신호 출력
Figure pat00014
,
Figure pat00015
는 아래와 같이 산출된다.
Figure pat00016
Figure pat00017
('*': 켤레 복소수)
상향대역변환신호와 하향대역변환신호는 수신 신호처리 과정에서 정합 필터에 응답하여 펄스 압축 효과에 의해 우수한 신호 대 잡음비 개선 성능을 나타내며, 다른 통신링크에 의해 중첩된 신호에 대한 시간 분해능을 개선할 수 있다.
펄스 압축 효과에 의한 신호 대 잡음비 개선 이득
Figure pat00018
과 시간 분해능
Figure pat00019
는 아래와 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00020
Figure pat00021
(
Figure pat00022
: 주파수 대역폭)
이후, 상기 2차원의 상향정합신호 및 하향정합신호 출력에 대해 포락선을 검출하고, 상기 포락선에 대하여 동일시간에 대한 벡터의 차를 계산함으로써 1차원 벡터로 변환한다.
이때 상기 변환된 1차원 벡터에서 디지털 논리값 '0'과 '1'에 해당하는 신호처리 결과는 각각 양의 값과 음의 값을 나타내며, 무작위 값을 가지는 잡음 성분에 대해 평활화 효과를 포함하여 데이터 식별을 유리하게 한다.
도 6a 내지 도 6d는 디지털 부호 '[0 1]'의 수신 신호에 대한 병렬구조의 상향정합신호와 하향정합신호의 2차원 출력과 포락선 검출 및 차에 의한 1차원 변환 출력을 나타낸다.
즉, 도 6b 및 도 6c에서 파란색은 각각 상향정합신호 yu(t), 하향정합신호 yd(t)를 나타내며, 빨간색은 각각의 포락선을 나타낸다. 그리고, 도 6d는 도 6b의 포락선에서 도 6c의 포락선의 차를 계산하여 1차원 벡터로 변환된 그래프를 나타낸다.
신호처리부에서는 상기 변환된 1차원 벡터로부터 2차 도함수 기반의 극대값(peak)과 극소값(valley)을 추출하고, 상기 추출된 극대값과 극소값 간의 시간 차가 전송된 이진 신호의 심볼 길이와 일치하고 각각 임계값
Figure pat00023
이상,
Figure pat00024
이하인 경우에 한하여 디지털 논리값 '0'과 '1'로 변환한다.
상기한 전자어구 식별을 위한 수중음향통신 시스템에 의하여 주파수 정보를 기반으로 하여 다양한 해양환경에서 안정적으로 음향 데이터를 전송할 수 있으며, 식별기에서 다채널 수신 빔형성을 통해 낮은 세기의 초음파 수신이 가능하다.
상기에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 음향태그 200 : 식별기
210 : 송신센서 220 : 수신센서
230 : 수신빔형성부 240 : 수신신호처리부

Claims (6)

  1. 수중 어구에 부착되는 음향태그;
    상기 음향태그에서 발송되는 신호를 수신하는 식별기를 포함하여 구성되며,
    상기 식별기는 복수 개의 수신센서를 포함하며, 상기 복수 개의 수신센서에 의한 다채널 수신신호를 기초로 하여 수신빔을 형성하여 신호대 잡음비를 개선한 전자어구 식별을 위한 수중음향통신 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음향태그는 상향대역변환신호 및 하향대역변환신호를 기초로 하여 디지털 정보를 송신하는 것을 특징으로 하는 전자어구 식별을 위한 수중음향통신 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 음향태그는 1차원 수신신호에 대하여 상기 상향대역변환신호 및 하향대역변환신호를 이용하여 각각 상향정합신호 및 하향정합신호의 2차원 출력을 검출하여 신호대 잡음비를 개선한 전자어구 식별을 위한 수중음향통신 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 음향태그는 상기 상향정합신호 및 하향정합신호에 대해 포락선을 검출하고 이에 대한 벡터의 차를 계산하여 디지털 논리값 '0'과 '1'에 해당하는 처리결과가 각각 양과 음의 값을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 전자어구 식별을 위한 수중음향통신 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 음향태그는 상기 벡터의 차로부터 극대값과 극소값을 추출하고 상기 극대값과 극소값을 기초로 하여 디지털 논리값 '0'과 '1'로 변환하는 것을 특징으로 하는 전자어구 식별을 위한 수중음향통신 시스템.
  6. 수중 어구에 부착되는 음향태그;
    상기 음향태그에서 발송되는 신호를 수신하는 식별기를 포함하여 구성되며,
    상기 음향태그는 상향대역변환신호 및 하향대역변환신호를 기초로 하여 디지털 정보를 송신하며, 1차원 수신신호에 대하여 상기 상향대역변환신호 및 하향대역변환신호를 이용하여 각각 상향정합신호 및 하향정합신호의 2차원 출력을 검출하여 신호대 잡음비를 개선한 전자어구 식별을 위한 수중음향통신방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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