KR20210091273A - 소나용 신호 멀티플렉서 - Google Patents
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Abstract
소나가 개시되고, 소나는 전기 캐리어 케이블 (203) 에 의해 연결된 제 1 부분 (201) 및 제 2 부분 (202) 을 포함하고, 상기 전기 캐리어 케이블 (203) 은 제 2 부분을 기계적으로 지지하고 소나의 2 개 부분들이 신호들을 교환하게 하도록 구성되며, 상기 신호들은,
- 전력 공급 신호 (210, 220) 로 불리는 단방향 신호,
- 상기 제 1 부분에 의해 상기 제 2 부분으로 송신되어 음파들의 형태로 방출되는, 방출될 신호들 (211, 221) 로 불리는 단방향 신호들, 및
- 통신 데이터 (212, 222) 를 전달하는 양방향 신호를 포함하며,
상기 소나는, 상기 제 1 부분은 신호들이 상기 전기 캐리어 케이블을 통해 동시에 송신되도록 구성된, 신호들을 결합하기 위한 수단 (213) 을 포함하고, 상기 제 2 부분은 상기 전기 캐리어 케이블을 통해 송신된 신호들의 각각의 복구를 허용하는 분리 수단 (223) 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
- 전력 공급 신호 (210, 220) 로 불리는 단방향 신호,
- 상기 제 1 부분에 의해 상기 제 2 부분으로 송신되어 음파들의 형태로 방출되는, 방출될 신호들 (211, 221) 로 불리는 단방향 신호들, 및
- 통신 데이터 (212, 222) 를 전달하는 양방향 신호를 포함하며,
상기 소나는, 상기 제 1 부분은 신호들이 상기 전기 캐리어 케이블을 통해 동시에 송신되도록 구성된, 신호들을 결합하기 위한 수단 (213) 을 포함하고, 상기 제 2 부분은 상기 전기 캐리어 케이블을 통해 송신된 신호들의 각각의 복구를 허용하는 분리 수단 (223) 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 소나 (SONAR; SOund NAvigation and Ranging 의 약어) 장비의 분야에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 신호의 교환을 보장하는 케이블에 의해 서로 링크된 2 개의 부분들로 구성된 소나에 관한 것이다.
소나는 수중 음파의 전파 특성을 이용하여 잠수함 물체를 탐지하고 로케이팅하는 디바이스이다. 특히 잠수함이나 지뢰를 탐지하기 위한 방어 분야에서 사용된다.
소나는 때로 2 개의 부분들로 구성된다:
- 선박 또는 항공기와 같은 수상함 (surface vessel) 선상에 위치하는, 부상 부분 (emerged part) 이라고 불리는 제 1 부분. 부상 부분은 물속에 잠기도록 의도되지 않는다는 의미로 해석된다. 이는 잠수함과 같은 담수선 (immersed vessel) 에서의 사용과 양립할 수 없게 만들지 않는다. 이 부분은 적어도 소나의 침지 부분에 의해 방출된 전력 신호들 및 침지 부분에 대한 전력 공급을 허용하는 신호의 생성을 수행한다. 또한 침지 부분과 통신 데이터를 교환하는데 필요한 전자 장치를 포함한다. 유리하게는, 소스의 검출을 위해 침지 부분에 의해 획득된 신호를 분석하는데 필요한 디지털 전자 장치를 가질 수 있다.
- 수중에서 소나 신호를 송신하기 위해 잠기도록 되어 있기 때문에 침지 부분이라고 불리는 제 2 부분. 이 부분은 주로 잠수함 신호의 방출과 수신이 가능한 음향 트랜스듀서로 구성된다. 또한 해저 신호의 획득, 디지털화 및 부상 부분으로의 송신에 필요한 전자장치를 포함한다.
도 1 은 헬리콥터에 탑승한 경우, 잠수함 탐지를 위한 2 부분 소나의 예를 나타나다. 소나의 부상 부분은 헬리콥터 (101) 내부에 위치하고, 침지 부분 (102) 은 수 백 미터에 도달할 수 있는 깊이로 바다 아래에 있다. 2 개의 부분들은 전기 캐리어 케이블 (103) 에 의해 연결된다. 이 케이블은 헬리콥터에 탑재된 윈치에 감겨져 소나의 침지 부분이 상승 및 하강되게 하고, 그 위치가 유지되게 한다. 케이블 (103) 은 외장형이며, 즉 침지 부분의 중량과 그 자체 중량을 견딜 수 있도록 그 구조가 보강된 것이다. 케이블의 길이는 수백 미터에 달할 수 있다. 예시로서, Thales 는 소나 플래시 (Sonar Flash) 라고 불리는 소나를 개발하는데, 그 장비의 침지 부분은 700 미터 초과의 동축 케이블에 의해 부상 부분과 링크된다.
따라서, 전기 캐리어 케이블은 소나의 침지 부분을 고정하는 역할을 하고, 전기 신호의 신송을 위한 매체 역할을 한다. 소나의 2 개 부분들 사이에는 일반적으로 다음과 같은 3 가지 유형의 신호가 송신된다:
- 방출될 신호, 고전력 아날로그 신호. 이들 신호는 부상 부분에 의해 생성되고, 침지 부분의 음향 트랜스듀서에 의해 방출되도록 의도된다. 예시로서, Sonar Flash 케이스에서, 방출된 신호는 2500 V rms 의 교류 전압에서 10 kW 의 전력을 갖는다.
- 소나의 침지 부분에 대한 전기 에너지의 공급을 보장하는 전력 공급 신호. 이 신호는 일반적으로 직류 신호 또는 저주파 교류 신호 (50Hz 내지 400Hz) 이다,
- 다른 것들 중에서도, 일 방향으로 침지 부분에 대한 관리 및 제어/명령 데이터를, 그리고 다른 방향으로 소나의 침지 부분의 상태 및 디지털 획득된 신호들을 송신하는, 소나의 2 부분들 사이에서 통신 데이터의 송신을 허용하는 양방향 신호.
예를 들어, Sonar Flash 와 같은 종래의 헬리콥터-윈치형 소나들은 다양한 신호의 송신을 위한 매체로서 동축 전기 캐리어 케이블을 사용한다. 이들은 케이블을 통해 연속적으로 송신되므로, 상이한 기능들 간에 시간 공유된다. 그러나, 이러한 시분할 멀티플렉싱은 각각의 신호, 특히 전력 공급 신호에 대해 차단을 야기한다. 그 후, 전력 공급 신호를 위한 에너지 저장 디바이스들 (배터리들) 과 같은 신호들의 연속성을 보장하기 위한 전용 장비가 침지 부분에서 구현되어야 한다. 또한, 전력 릴레이와 같은 능동 전력 스위칭 엘리먼트가 침지 부분에서 구현되어야 하며, 신뢰할 수 없는 원인이 된다. 모든 것은 침지 부분의 중량 및 부피, 따라서 전기 캐리어 케이블의 직경, 및 전체 부피 및 중량에 반영된다. 따라서, 침지 부분의 중량 및 부피를 감소시키면서 신뢰성을 향상시킬 수 있는 해결책을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 통신 데이터를 전달하는 신호의 평균 비트 레이트는 자신에게 할당되는 시분할 리소스들에 따라 제한된다. 컴포넌트 소형화 및 신호의 처리를 위한 계산 전력의 증가에 대한 진보는 소나가 점점 더 많은 센서를 차지하게 한다. 전달된 데이터 수량에 대한 요건은 그에 따라 증가한다. 따라서, 이 신호의 평균 비트 레이트를 증가시키는 것을 가능하게 하는 해결책이 발견되어야 한다.
따라서, 제기되는 문제는, 디바이스를 경량화하고, 그 신뢰성을 증가시키고, 통신 데이터를 전달하는 신호에 할당된 비트 레이트를 증가시키는 것이다.
통신 데이터를 전달하는 신호의 비트 레이트를 증가시키기 위해, 단일 송신 라인 대신에, 신호의 각각의 타입에 대해 하나씩, 케이블 내에 병렬로 다수의 송 라인들을 갖는 것이 가능할 것이다. 이는 침지 부분의 전력 스위칭 및 에너지 저장 디바이스들을 제거하는 것을 가능하게 할 것이다. 그러나, 송신 라인의 수를 증가시킴으로써, 케이블의 섹션 및 그 중량이 증가할 것이고, 이는 케이블의 전체 길이에 걸쳐 케이블을 견인하는데 필요한 드럼의 벌크의 문제, 및 케이블과 드럼에 가해지는 기계적 응력의 문제를 증가시킬 것이다. 따라서, 이 해결책은 특히 소나가 헬리콥터에 탑재될 때 적합하지 않다.
종래 기술에서 야기된 문제점을 해결하면서 지적되고 있는 문제점을 해결하기 위하여, 각 유형의 신호가 그 신호에 특정된 주파수 대역을 사용하는 상이한 신호들을 결합함으로써 모든 신호들 (전력 공급, 방출, 및 통신 데이터) 를 연속적이고 동시에 송신하는 것을 제안한다. 이러한 조합은, 하나의 동일한 매체를 통해, 매우 상이한 특성들을 갖는 이종 신호들, 즉, 침지 부분에 의해 방출되도록 의도되고 전압이 수천 볼트 및 전력이 수십 킬로와트에 도달할 수 있는 신호들과 같은 고전력 신호들, 및 통신 데이터를 전달하는 신호와 같은 저전력 신호들을 송신하는 것에 해당하기 때문에, 종래 기술에서는 고려되지 않는다. 이들 신호는, 이들의 상이한 전력 및 이들의 상이한 주파수 대역에 의해, 매우 상이하고 소나에서 사용된 컴포넌트들에 반드시 호환가능하지 않은 제약들을 부과한다.
본 발명은 전기 캐리어 케이블을 통해 송신된 상이한 신호들을 혼합하기 위해, 한편으로는 신호 결합 수단과 다른 한편으로는 신호 분리 수단을 구현하는 것을 제안한다. 소나의 제 2 부분의 중량 및 부피를 감소시키도록 최적화된 이러한 디바이스의 구현의 실제 예가 도 3 에 제공되고 상세히 설명된다.
이를 위해, 본 발명은 전기 캐리어 케이블에 의해 연결된 제 1 부분 및 제 2 부분을 포함하는 소나에 관한 것이며, 전기 캐리어 케이블은 제 2 부분을 기계적으로 지지하고 소나의 2 부분들이 신호를 교환하게 하도록 구성된다. 송신된 신호는 다음을 포함한다:
- 제 1 부분이 제 2 부분에 전력 공급을 송신하는, 전력 공급 신호로 불리는 단방향 신호,
- 제 1 부분에 의해 제 2 부분으로 송신되어 음파의 형태로 방출되는, 방출될 신호로 불리는 아날로그 단방향 신호,
- 2 개 부분들 간에 교환되는 통신 데이터를 전달하는 양방향 신호.
본 발명에 따른 소나에서, 제 1 부분은, 전력 공급 신호, 방출될 신호들, 및 통신 데이터를 전달하는 신호가 전기 캐리어 케이블을 통해 동시에 그리고 상이한 주파수 대역들로 송신되도록 구성된 신호 결합 수단을 포함한다. 또한, 제 2 부분은 전기 캐리어 케이블을 통해 송신된 신호들 각각의 복구를 허용하는 분리 수단, 하나 이상의 방출 음향 트랜스듀서 (Tr), 및 방출 음향 트랜스듀서 또는 트랜스듀서들을 위한 튜닝/매칭 수단 (L1) 을 포함한다.
유리하게는, 전기 캐리어 케이블은 단일 송신 라인을 포함한다.
일 실시형태에서, 결합 수단은 방출될 신호들을 전력 공급 신호와 커플링하도록 구성된 컴포넌트들을 포함한다. 이들 컴포넌트들은 유리하게는 방출될 신호들의 전압을 상승시키고 이들을 전력 공급 신호와 커플링하도록 구성된 변압기를 포함한다. 이들은 또한 전기 캐리어 케이블을 향해 신호들의 전파를 가이드하도록 구성된 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 전기 캐리어 케이블을 향해 신호들의 전파를 가이드하도록 구성된 컴포넌트들은 다음을 포함한다:
- 전력 공급 신호 및 방출될 신호들이 통신 데이터를 전달하는 신호의 전파를 통과 및 제한하게 하도록 구성된 인덕터, 상기 인덕터는 일 측에서 전기 캐리어 케이블과 타 측에서 방출될 신호들을 생성하고 전력 공급 신호를 생성하기 위한 엘리먼트들 사이에 연결되어 있음,
- 통신 데이터를 전달하는 신호가 전력 공급 신호 및 방출될 신호들의 전파를 통과 및 제한하게 하도록 구성된 필터, 상기 필터는 전기 캐리어 케이블과 통신 데이터를 전달하는 신호의 생성기 사이에 연결됨.
유리하게는, 분리 수단은 전기 캐리어 케이블에 의해 전달되는 다른 신호들로부터 전력 공급 신호를 분리하고 음향 트랜스듀서 또는 트랜스듀서들의 튜닝/매칭을 수행하는 것 양자를 위해 구성된 인덕터를 포함한다. 일 실시형태에서, 이 인덕터는 음향 트랜스듀서 또는 트랜스듀서들과 병렬로 장착되고, 전기 캐리어 케이블과, 전기 캐리어 케이블이 직렬로 장착되는 커패시터 사이에 연결되고, 전력 공급 신호는 상기 커패시터의 단자들에서 복구된다.
유리하게는, 인덕터는 전력 공급 신호가 통신 데이터를 전달하는 신호 및 방출될 신호들의 전파를 통과 및 제한하게 하도록 구성된다.
본 발명에 따른 소나의 일 실시형태에서, 분리 수단은 다음을 포함한다:
- 방출될 신호들이 통신 데이터를 전달하는 신호의 전파를 통과 및 제한하게 하도록 구성된 인덕터, 상기 인덕터는 전기 캐리어 케이블과 방출 음향 트랜스듀서 또는 트랜스듀서들 사이에 연결됨, 및
- 통신 데이터를 전달하는 신호가 전력 공급 신호 및 방출될 신호들의 전파를 통과 및 제한하게 하도록 구성된 필터, 상기 필터는 전기 캐리어 케이블과 통신 데이터를 전달하는 신호를 변조/복조하기 위한 엘리먼트 사이에 연결됨.
본 발명에 따른 소나에서, 전력 공급 신호는 0 내지 400 Hz 범위의 스펙트럼의 부분 내에 포함될 수 있고, 방출될 신호들은 1 kHz 내지 200 kHz 범위의 스펙트럼의 부분 내에 포함될 수 있고, 통신 데이터를 전달하는 신호는 200 kHz 보다 높은 스펙트럼의 부분 내에 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 소나의 일 실시형태에서, 통신 데이터를 전달하는 신호는 제로 평균 변조에 의해 변조된다. 바람직하게, 변조는 직교 주파수 분할 멀티플렉싱, 또는 OFDM 을 사용한다.
예를 들어 제한없는 예로서 제공되는 하기의 설명을 읽을 시에 그리고 이하 첨부된 도면들로부터, 본 발명은 더 잘 이해될 수 있고, 다른 특징들 및 장점들은 명백하게 될 것이다:
도 1 은 2 부분으로 구성된 헬리콥터-윈치형 소나의 예를 제시한다.
도 2 는 본 발명에 따른 소나의 일 실시형태를 도시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 소나의 유리한 실시형태를 도시한다.
이하에서, 동일한 참조들이 상이한 도면들에서 사용되는 경우, 이들은 동일한 엘리먼트들을 지정한다.
도 1 은 2 부분으로 구성된 헬리콥터-윈치형 소나의 예를 제시한다.
도 2 는 본 발명에 따른 소나의 일 실시형태를 도시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 소나의 유리한 실시형태를 도시한다.
이하에서, 동일한 참조들이 상이한 도면들에서 사용되는 경우, 이들은 동일한 엘리먼트들을 지정한다.
도 2 는 전기 캐리어 케이블 (203) 에 의해 분리되고 연결된 2 개 부분들 (201, 202) 을 포함하는 본 발명에 따른 소나의 실시형태를 나타낸다. 소나는 선박, 항공기, 잠수함 등의 선박에 설치되도록 의도된 제 1 부분 (201), 부상 부분과, 물속에 잠기도록 의도된 제 2 부분 (202), 침지 부분을 갖는다. 전기 캐리어 케이블 (203) 은 제 2 부분 (202) 에 대한 기계적 지지 기능, 및 하나의 동일한 송신 라인을 통한 2 부분들 (201 및 202) 사이의 신호 송신 기능을 제공하며, 상기 신호들은 다음을 포함한다:
- 전력 공급 신호 (210). 이 신호는 소나의 침지 부분의 동작을 보장하기 위한 것이다. 이는 일반적으로 직류 신호이지만, 동일하게 수십 Hz 의 주파수를 갖는 교류 신호일 수도 있다. 신호는 에너지 저장 수단 (배터리) 을 가질 때 소나의 부상 부분 (201) 에 의해 동일하게 생성되거나, 또는 소나가 연결된 외부 전력 소스에 의해 공급될 수 있다;
- 방출될 신호들 (211). 이들은 음파의 형태로 소나의 침지 부분에 의하여 수중에서 방출되기 위한 전기 신호들이다. 이들 신호들은 고주파수 (전형적으로, kHz 에서 수백 kHz 까지) 로 송신되는 고전력 신호이다. 방출될 신호들 (211) 은 수십 킬로와트에 도달할 수 있는 높은 전력을 전달한다. 방출될 신호들 (211) 의 전류의 세기를 제한하기 위해, 전압은 수천 볼트를 초과할 수 있다. 방출될 신호들은 소나의 제 1 부분에 의해 생성되고, 그 후에 소나의 제 2 부분으로 송신되어 소나가 음향 트랜스듀서를 이용하여 신호들을 방출한다.
- 양방향 통신 신호 (212). 다운링크로 (즉, 소나의 부상 부분 (201) 으로부터 침지 부분 (202) 으로) 송신된 데이터는 본질적으로 구성 데이터에 대응하는 반면, 업링크로 (즉, 소나의 침지 부분으로부터 부상 부분으로) 송신된 데이터는 주로 소나의 침지 부분에 의해 획득되고, 증폭되고, 아마도 디지털화된 음향 신호, 및 그 부분의 상태에 관한 데이터에 대응한다. 따라서, 통신 데이터를 전달하는 양방향 신호의 업링크 및 다운링크 상에서 송신되는 데이터의 양은 대칭적이지 않으며, 비트 레이트 요건은 다운링크 상에서보다 업링크 상에서 더 크다. 소나의 부상 부분 (201) 은 통신 데이터를 전달하는 신호의 생성 (변조, 코딩) 및 수신 (복조, 디코딩) 을 위해 필요한 전자장치를 갖는다. TDD (Time-Division Duplex) 와 같이 당업자에게 공지된 방법에 따라, 업 링크와 다운 링크는 동일한 스펙트럼 자원을 공유할 수 있거나, 또는 이들 각각은 FDD (Frequency-Division Duplex) 와 같은 공지된 방법에 따라, 특정한 전용 주파수 대역을 가질 수 있다. 이들은 신호들 (210 및 211) 보다 높은 캐리어 주파수들 상에서 송신된다.
소나의 부상 부분 (201) 은 또한 소나의 침지 부분에 의해 획득된 신호들의 분석을 진행하게 하는 계산 수단을 가질 수 있다.
이는 또한 상이한 신호들이 결합되게 하는 수단 (213) 을 갖는다. 이러한 수단의 기능은 전력 공급 신호 (210), 방출될 신호들 (211) 및 통신 데이터가 전기 캐리어 케이블 (203) 에서 동일한 송신 매체, 이 경우에 동축 케이블과 같은 단일 송신 라인을 동시에 사용하는 것을 보장하기 위한 것이며, 이들 신호들의 각각의 생성을 담당하는 장비를 위협하지 않는다. 동시에 각 신호가 다른 신호에 의해 방해받지 않고 연속적으로 송신될 수 있다는 것을 의미하는 것으로 이해된다.
침지 부분 (202) 은 제 1 부분 (201) 으로부터 수신한 방출될 신호들 (211) 을 수중에서 방출되는 음파로 변환하고, 수중에서 전파되는 음파를 수신하도록 구성된다. 따라서, 이를 위해, 제 2 부분은 음향 트랜스듀서들을 포함하고, 이들 중 일부는 방출하도록 구성되고 다른 일부는 음향 신호들을 획득하도록 구성된다. 음향 트랜스듀서들은 전기 거동이 대부분 용량성인 압전 소자들이다. 음향 트랜스듀서들에 대한 튜닝/매칭 어레이의 구현은 방출될 신호들 상의 전력 손실들을 최소화하는 것을 가능하게 한다.
제 2 부분 (202) 은 또한 수신시 동작하는 음향 트랜스듀서들에 의해 획득된 신호들의 증폭, 이들의 가능한 디지털화, 및 소나의 부상 부분 (201) 으로의 이들의 송신을 위해 필요한 전자장치를 포함한다.
마지막으로, 소나의 침지 부분 (202) 은 또한 상이한 신호들을 분리하기 위한 분리 수단 (223) 을 갖는다. 이러한 분리 수단은 전력 공급 신호 (220), 방출될 신호들 (221) 및 통신 데이터(222) 를 개별적으로 복구할 수 있게 한다.
따라서, 본 발명에 따른 디바이스는, 케이블을 통해 송신될 모든 신호가 매 순간, 투명하게 그리고 중단 없이 이용가능하기 때문에, 종래 기술의 디바이스들보다 더 유연한 동작을 허용한다. 따라서 다음을 포함하는 다양한 이점을 제공한다:
- 모든 신호는 동일한 송신 라인을 취하며, 이는 전기 캐리어 케이블 (203) 의 직경 및 중량이 제어될 수 있게 한다. 따라서, 단순한 동축 케이블 또는 트위스트 페어가 송신 라인으로서 기능할 수 있다.
- 상기 디바이스는 그 침지 부분에 전기기계 스위칭 엘리먼트들 (예를 들어, 파워 릴레이) 의 구현을 요구하지 않고, 이는 그 부피, 중량, 비용을 감소시키며, 또한 신호의 송신 및 스위칭 소자가 동기화될 것을 요구하지 않으며, 이는 시스템의 신뢰성을 향상시키고 시스템을 단순화한다. 제어 회로는 침지 부분으로부터 제거될 수 있고,
- 전력 공급 신호 (220) 의 시간적 연속성이 보장되고, 그 후 침지 부분은 에너지 저장 엘리먼트 (배터리) 의 사용을 배제할 수 있으며, 이는 그 부피, 중량, 비용을 감소시키고, 신뢰성을 향상시킨다.
- 통신 데이터 (222) 의 시간적 연속성이 보장되며, 이는 전달되는 데이터의 양, 및 따라서 침지 부분의 음향 센서들의 수가 증가될 수 있다는 것을 의미한다.
- 상기 모든 이점은 소나의 침지 부분의 중량 및 용적을 감소시킬 수 있고, 따라서 그의 유체역학적 성능, 뿐만 아니라 전기 캐리어 케이블의 크기, 및 그것을 운반하기 위해 필요한 드럼의 크기를 감소시킬 수 있다.
통신 데이터를 운반하는 신호는 아날로그 또는 디지털 신호의 형태를 동일하게 취할 수 있다. 임의의 변조/코딩 방식이 사용될 수 있다. 유리하게는, 소나는 어떠한 직접적인 컴포넌트도 갖지 않기 위해 제로-평균 변조를 사용한다. 실제로, 그러한 컴포넌트는 전력 공급 신호에 중첩될 것이다. 더 유리하게는, 전기 성능 레벨이 낮은 것으로 입증될 수 있고, 특히 케이블의 길이, 그의 견인/유급 상태, 또는 수명을 통해 가변성을 겪는 케이블을 통한 송신의 품질을 향상시키기 위해, 에러 정정 코드를 구현한다. 바람직하게, 통신 신호들은 예를 들어, OFDM 변조와 같은 직교 주파수 분할 멀티플렉싱 기술에 따라 변조된다. 사실, 이러한 변조 방식은 주어진 스펙트럼 점유에 대해 매우 높은 비트 레이트를 달성하는 것을 가능하게 하고, 송신 품질이 향상되게 하는 에러 정정 코드의 사용과 양립한다. OFDM 은 또한 스펙트럼 자원을 적응하는데 매우 큰 유연성을 제공하며, 이는 주파수 자원의 할당을 양 송신 방향들에 동적으로 적응시키는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 구현의 일 예는 송신된 신호들 각각에 매칭된 필터링 요소들을 소나의 부분들 각각에 설치하여, 한편으로는 간섭 없이 결합되게 하고, 다른 한편으로는 분리되게 하는 것으로 구성된다. 보다 구체적으로, 일 실시형태에 따르면, 이러한 엘리먼트들은 전력 공급 신호를 위한 저역 통과 필터, 방출될 신호들을 위한 대역 통과 필터, 및 통신 데이터를 전달하는 신호를 위한 대역통과 또는 고역 통과 필터일 수 있다. 이들 필터들은 저항기들, 인덕터들 및 커패시터들의 네트워크들에 기초하여 설계될 수 있다. 그러나, 전력 전자 장치와 관련하여, 컴포넌트들은 상당한 부피와 중량을 부과하는 낮은 주파수 (수백 킬로헤르츠) 에서 매우 높은 전력 및 전압 레벨을 견뎌야만 한다. 필터들에서 구현되는 컴포넌트들 중에서, 인덕터들은 일반적으로 체적 및 중량의 관점에서 가장 큰 기여를 형성하고, 이는 이어서 케이블 (203) 및 연관된 드럼의 치수화에서 반영된다. 또한, 이러한 컴포넌트들은 비용이 매우 많이 든다. 그러므로 그 수는, 특히 소나의 침지 부분에서, 제한되어야 한다.
이를 위해, 도 3 은 사용되는 엘리먼트들의 수를 제한하기 위해 최적화된, 본 발명의 일 구현에 따른 소나의 주요 엘리먼트들을 설명한다. 제시된 실시형태는 송신될 신호들 사이에 존재하는 상당한 주파수 차이들을 이용한다. 이를 위해, 부상 부분에는 결합 수단으로서 작용하는 컴포넌트들이 구현된다. 이들 컴포넌트들은 전기 캐리어 케이블 (203) 이 각각의 신호 (210, 211 및 212) 의 주파수에 가장 잘 일치하는 임피던스를 나타내도록 구성되어, 이들 신호들은 전기 캐리어 케이블 (203) 로 가이드되고, 따라서 이들 신호의 각각의 생성 엘리먼트들로의 임의의 복귀를 최소화한다. 이와 같이, 침지 부분에서 분리 수단으로서 작용하는 컴포넌트들이 구현된다. 이들 컴포넌트들은 전기 캐리어 케이블 (203) 에 의해 그 목적지로 각각의 신호를 개별적으로 전도하기 위해 신호의 주파수에 매칭되는 임피던스를 나타내도록 구성된다.
도 2 와 마찬가지로, 도 3 은 선박, 항공기 또는 잠수함에 탑재되도록 의도된 제 1 부상 부분 (201), 타겟들의 검출을 가능하게 하는 음향 신호를 방출하기 위해 수중에 침지되도록 의도된 제 2 부분 (202) 을 포함하는 소나를 나타내며, 2 개 부분들은 침지 부분의 고정 및 소나의 부상 부분과 침지 부분 사이의 신호 송신을 보장하는 전기 캐리어 케이블 (203) 에 의해 연결된다.
부상 부분 (201) 은 방출될 신호를 생성하기 위한 이미터 (TX) 를 포함한다. 이들 신호는 일반적으로 수 킬로와트의 전력을 가지며, 초저주파수의 소나의 경우 수 킬로헤르츠에서 고주파수의 소나의 경우 수 백 킬로헤르츠의 범위의 주파수 대역에서 변조된다. 방출될 신호들의 반송파 주파수는 시간에 따라 변화될 수 있다.
침지 부분은 또한, 도면에서 직류 소스로서 표현되는 전력 공급 소스 (A1), 및 통신 데이터를 전달하는 신호를 생성/수신하는 모뎀 (310) 을 포함한다. 모뎀 (310) 은 또한 업 및 다운 링크들에서 통신 데이터를 전달하는 신호의 동기화를 처리한다. 전력 공급 소스 (A1) 는 소나에 속하거나 또는 소나가 연결되는 외부 소스에서 발신하는 직류 또는 교류 전력 소스일 수 있다.
부상 부분 (201) 은 전력 공급부 (A1) 에 의해 전달된 신호 (210) 가 이미터 (TX) 에 의해 전달된 신호 (211) 및 모뎀 (310) 에 의해 공급된 통신 데이터를 전달하는 신호 (212) 와 조합되게 하는 수단 (213) 을 포함한다.
이를 위해, 이 실시형태에서, 부상 부분 (201) 은 변압기 (TR1) 를 포함하며, 그 역할은 방출될 신호의 전압을 상승시키는 것 및 따라서 전기 캐리어 케이블 (203) 의 전체 길이에 걸쳐 송신 시에 이들 신호의 전력 손실을 제한하기 위해, 전자 장치의 작동 임피던스를 음향 트랜스듀서의 작동 임피던스와 매칭시키는 것이다. 변압기 (TR1) 의 구현은 반드시 필수적인 것은 아니지만, 소나의 제 1 부분과 제 2 부분 사이에서 방출될 신호의 전달을 상당히 개선시키고, 전력 공급 신호와 방출될 신호를 커플링하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 방출될 신호의 전압 상승을 수행하고 동시에 방출될 신호와 전력 공급 신호의 집성에 기여하기 때문에 이중적 역할을 갖는다.
전력 공급 소스 (A1) 는 변압기 (TR1) 의 2 차측을 통해 연결된다. 전력 공급 전압이 변압기에 의해 전달되는 전압과 중첩되도록 하기 위해, 커패시터 (C1) 가 전력 공급 소스와 병렬로 장착된다. 이 커패시터 없이, 변압기에 의해 전달된 전압은 전력 공급부로 복귀할 것이고, 이는 소나의 침지 부분이 더 이상 전력 공급 또는 방출될 신호를 수신하지 않게 할 것이며, 아마도 전력 공급부 (A1) 를 파괴할 것이다. 따라서, 전력 공급 소스와 병렬로 장착된 커패시터 (C1) 는 방출될 신호를 전력 공급 신호와 커플링시키는 것을 가능하게 한다.
통신 데이터는 모뎀 (310) 에 의해 생성/수신되고, 고역 통과 (또는 대역통과) 필터 (311) 를 통해 다른 신호들에 링크된다. 케이블 (203) 의 입력으로부터 모뎀 (310) 을 분리하기 위해 연결된 이러한 고역 통과 필터는 전력 공급 신호 및 방출될 신호들의 주파수들에서 케이블의 입력보다 훨씬 더 높은 임피던스를 갖는다. 따라서, 커플링된 신호, 방출될 신호 및 전력 공급 신호가 모뎀 (310) 으로 복귀하는 것을 방지할 수 있고, 이는 전기 캐리어 케이블 (203) 및 따라서 소나의 침지 부분 (202) 으로 지향시킨다. 유리하게는, 고역 통과 필터는, 예를 들어, 고전압 레벨을 유지하도록 설계된 컴포넌트들을 사용함으로써, 또는 더 낮은 전압 레벨을 위해 설계된 직렬 엘리먼트들을 직렬 결합함으로써, 방출될 신호들의 고전압을 견디도록 설계된다.
인덕터 (L2) 는 케이블 (203) 과 변압기 (TR1) 사이에 연결되어, 전력 공급 신호와 함께 방출될 신호들의 결합을 핸들링하는 부분과, 통신 데이터를 전달하는 신호의 송신에 전용되는 부분을 분리시킨다. 이 인덕터는 통신 데이터를 전달하는 신호에 의해 사용되는 주파수에서 높은 임피던스를 가져서, 이 신호가 방출기 및 전력 공급 소스로 복귀하는 것을 방지하며, 이 신호를 케이블 (203) 및 따라서 소나의 침지 부분 (202) 으로 가이드한다. 송신된 3 가지 신호의 전압은 그 후 중첩된다.
따라서, 이 실시형태에서, 신호 결합 수단 (213) 은 커패시터 (C1), 고역 통과 필터 (311) 및 인덕터 (L2) 를 포함한다.
전기 캐리어 케이블 (203) 은 침지 부분 (202) 의 기계적 고정 및 단일 송신 라인을 통한 결합된 신호의 송신을 보장한다.
침지 부분 (202) 은 전기 캐리어 케이블 (203) 을 통해 송신된 신호들을 분리하기 위한 수단 (223) 을 포함한다. 도 3 에 기술된 실시형태에서, 이러한 수단 (223) 은 고주파 신호가 통과하게 하면서 저주파수를 감쇠시킴으로써 방출될 신호 및 전력 공급 신호의 전파를 제한하기 위해, 전력 공급 신호의 주파수 및 방출될 신호의 주파수에서 높은 임피던스를 갖는 고역 통과 필터 (311) 에 필적하는 고역 통과 필터 (320) 를 포함한다. 고역 통과 필터의 역할은 방출될 신호 및 전력 공급 신호의 전파를 완전히 차단하는 것이지만, 그럼에도 불구하고 이들 신호의 잔여물은 필터를 통과할 수 있는데, 그 이유로 이들 신호의 전파를 "제한한다" 고 말한다. 따라서, 통신 데이터를 전달하는 신호가 다른 신호들로부터 분리될 수 있다. 유리하게는, 소나의 제 1 부분 (201) 의 고역 통과 필터 (311) 와 마찬가지로, 소나의 제 2 부분 (202) 의 고역 통과 필터 (320) 는 방출될 신호의 고전압을 견디도록 설계된다. 그것은 전기 캐리어 케이블 (203) 과 모뎀 (321) 사이에 배치되고, 통신 데이터를 전달하는 신호를 생성 및 수신하기 위해 모뎀 (310) 과 동기화하도록 구성된, 부상 부분 (201) 의 모뎀 (310) 에 매달린다. 모뎀은 증폭기를 통해 수신용 음향 트랜스듀서 (도시하지 않음) 에 연결되며, 필요에 따라 아날로그/디지털 컨버터 (도시하지 않음) 에 연결된다.
이 실시형태의 신호 분리 수단 (223) 은 또한 통신 데이터를 전달하는 신호의 주파수에서 고 임피던스를 갖는 2 개의 인덕터 (L1, L3) 및 커패시터 (C2) 를 포함한다. 인덕터 (L1) 는 커패시터 (C2) 와 직렬로 장착된다. 전력 공급 신호 (A2) 는 커패시터 (C2) 의 단자들에서 복구된다. 인덕터 (L1) 는 커패시터 (C2) 를 전기 캐리어 케이블 (203) 로부터 분리시킨다. 인덕터 (L3) 는 음향 트랜스듀서 또는 트랜스듀서들 (Tr) 과 직렬로 장착되며, 이는 전기 캐리어 케이블 (203) 로부터 분리된다. 인덕터들 (L1 및 L3) 은, 방출 음향 트랜스듀서들 (Tr) 및 전력 공급부 (A2) 의 복구를 허용하는 컴포넌트들, 즉 커패시터 (C2), 및 필요하다면 다이오드 (D1) 및 커패시터 (C3) 로의 이러한 신호의 전파를 방지하기 위해, 통신 데이터를 송신하는 신호의 주파수에서 높은 임피던스를 나타낸다. 실제로, 통신 데이터를 전달하는 신호는 음향 트랜스듀서들 및 전력 공급부의 동작을 방해하지 않지만, L1 및 L3 에서 이 신호의 전파를 제한하는 것은 통신 데이터를 전달하는 신호의 모든 전력을 모뎀 (321) 으로 지향시키는 것을 가능하게 한다. 또한, 인덕터들 (L1 및 L3) 은 모뎀 (310) 을 위해 의도된 모뎀 (321) 에 의해 방출된 업링크 통신을 전기 캐리어 케이블로 가이드하고, 음향 트랜스듀서 (Tr) 또는 전력 공급부 (A2) 의 복구를 허용하는 부분으로는 가이드하지 않는다.
음향 트랜스듀서 또는 트랜스듀서들과 병렬로 장착된 인덕터 (L1), 음향 트랜스듀서 또는 트랜스듀서들과 직렬로 장착된 인덕터 (L3), 및 용량성 엘리먼트들로서 거동하는 음향 트랜스듀서 또는 트랜스듀서들은, 음향 신호들의 방출시 전력을 손실하지 않도록, 소나에 의해 방출된 신호들의 주파수에 튜닝된 LC 공진기를 유리하게 형성한다. 따라서, 인덕터들 (L1 및 L3) 은 방출 음향 트랜스듀서 또는 트랜스듀서들 (Tr) 에 대한 튜닝/매칭 수단을 형성한다.
또한, 인덕터 (L1) 는 커패시터 (C2) 의 단자들에서 전력 공급 신호만을 복원할 수 있도록 방출될 신호들의 주파수에서 충분한 임피던스를 나타내도록 구성된다.
일 실시형태에서, 방출 음향 트랜스듀서 또는 트랜스듀서들 (Tr) 과 병렬로 장착된 인덕터 (L1) 의 값은 방출될 신호들의 주파수에서 방출 음향 트랜스듀서들의 임피던스의 함수로서 선택되어, 방출 음향 트랜스듀서 또는 트랜스듀서들 (Tr) 의 튜닝/매칭을 일차적으로 처리한다. 인덕터 (L3) 의 값은 L1 및 방출 음향 트랜스듀서 또는 트랜스듀서들에 의해 형성된 LC 네트워크를 디튜닝하지 않도록, L1 의 값보다 더 낮도록 선택된다. 따라서, 인덕터 (L1) 에 의해 수행되는 역할은 2 배이다: 이는 방출될 신호들의 일부 및 통신 신호들을 필터링함으로써 전력 공급 신호의 복구를 허용하고, 동시에 방출 음향 트랜스듀서들 (Tr) 의 튜닝/매칭에 기여한다. 전력 공급 신호를 필터링하고 방출에 사용된 음향 트랜스듀서들의 튜닝/매칭을 처리하기 위해 동일한 인덕터 (L1) 를 사용함으로써, 본 발명의 이 실시형태에 따른 소나의 침지 부분을 구현하기 위해 필요한 컴포넌트들의 수는 최소로 감소된다.
인덕터 (L3) 는 음향 트랜스듀서 또는 트랜스듀서들 (Tr) 로의 전력 공급 신호의 전파를 차단하지 않지만, 이들 엘리먼트들은 본질적으로 용량성이고 직류 전압을 소비하지 않는다. 이어서, 전력 공급 신호의 전력은 L1 을 통해 커패시터 (C2) (및 적절한 경우 커패시터 (C3)) 로 일차적으로 전파된다.
따라서, 이 실시형태에서, 신호 분리 수단 (223) 은 커패시터 (C2), 고역 통과 필터 (320) 및 인덕터들 (L1 및 L3) 을 포함한다.
도 3 의 설정, 특히 인덕터들 (L1 및 L3) 의 포지셔닝은 당업자에게 명백하게 나타나지 않을 것이다. 실제로, 2 개 인덕터들의 치수는 처음에는 모순적으로 보일 수 있는 특정 수의 요구들을 만족해야 하며, 즉:
ⅰ.
L3 은 고역 통과 필터 (320) 를 디튜닝하지 않기 위해, 통신 데이터를 전달하는 신호에 의해 사용되는 최소 주파수에서 케이블 (203) 의 특성 임피던스보다 훨씬 더 높은 임피던스를 가져야 한다,
ⅱ.
L3 의 임피던스는 방출 음향 트랜스듀서 또는 트랜스듀서들에서 너무 많은 전력을 손실하지 않기 위해 방출될 신호들의 주파수에서 너무 높지 않아야 한다,
ⅲ.
L1 의 임피던스는 통신 데이터를 전달하는 신호에 의해 사용되는 최소 주파수에서 케이블 (203) 의 특성 임피던스보다 훨씬 더 높아야만 하고, 방출될 신호의 주파수에서 L3 의 임피던스보다 더 높아야 한다,
ⅳ.
L1 및 L3 의 값은 방출 음향 트랜스듀서들 (Tr) 의 튜닝/매칭을 수행하기 위해 선택되어야 한다.
실제로, 상기 제약들을 모두 만족하는 L1 및 L3 의 값을 결정할 수 있음을 확인하였다.
유리하게는, 침지 부분 (202) 은 전력 공급 신호를 필터링하도록 배치된 다이오드 (D1) 및 커패시터(C3) 를 가질 수 있다. 이러한 필터링은 L1 을 통과하는 방출될 신호들의 잔류물들로 인한 전력 공급 신호의 변동을 평활화하게 할 수 있다.
도 3 에 도시된 설정은 본 발명에 따른 소나의 구현에 필요한 전자 엘리먼트들의 수를 최대로 제한함으로써, 그 비용을 감소시킬 수 있지만, 소나의 침지 부분 (202) 의 모든 중량 및 체적을 초과할 수 있다. 명백하게, 소나의 제 1 부분 (201) 에 대해 설명된 구현과 소나의 제 2 부분 (202) 에 대해 설명된 구현은 독립적이며 독립적으로 고려될 수 있다.
Claims (11)
- 소나로서,
상기 소나는 전기 캐리어 케이블 (203) 에 의해 링크된 제 1 부분 (201) 및 제 2 부분 (202) 을 포함하고, 상기 전기 캐리어 케이블 (203) 은 상기 제 2 부분을 기계적으로 지지하고 상기 소나의 2 개 부분들이 신호들을 교환하게 하도록 구성되며, 상기 신호들은,
- 상기 제 1 부분이 상기 제 2 부분에 전력 공급을 송신하는, 전력 공급 신호 (210, 220) 로 불리는 단방향 신호,
- 상기 제 1 부분에 의해 상기 제 2 부분으로 송신되어 음파들의 형태로 방출되는, 방출될 신호들 (211, 221) 로 불리는 아날로그 단방향 신호들, 및
- 상기 2 개 부분들 간에 교환되는 통신 데이터 (212, 222) 를 전달하는 양방향 신호
를 포함하며,
상기 소나는,
- 상기 제 1 부분은, 상기 전력 공급 신호, 상기 방출될 신호들, 및 상기 통신 데이터를 전달하는 신호가 상기 전기 캐리어 케이블을 통해 동시에 그리고 상이한 주파수 대역들로 송신되도록 구성된 신호 결합 수단 (213) 을 포함하고,
- 상기 제 2 부분은 상기 전기 캐리어 케이블을 통해 송신된 상기 신호들 각각의 복구를 허용하는 분리 수단 (223), 하나 이상의 방출 음향 트랜스듀서들 (Tr), 및 상기 방출 음향 트랜스듀서 또는 트랜스듀서들의 튜닝/매칭 수단 (L1)
을 포함하는 것을 특징으로 하는 소나. - 제 1 항에 있어서,
상기 결합 수단은 상기 방출될 신호들을 상기 전력 공급 신호와 커플링하도록 구성된 컴포넌트들 (TR1, C1) 을 포함하는, 소나. - 제 2 항에 있어서,
상기 방출될 신호들을 상기 전력 공급 신호와 커플링하도록 구성된 상기 컴포넌트들은 상기 방출될 신호들의 전압을 상승시키고 상기 전력 공급 신호와 커플링하도록 구성된 변압기 (TR1) 를 포함하는, 소나. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 결합 수단은 상기 전기 캐리어 케이블 (203) 을 향해 상기 신호들의 전파를 가이드하도록 구성된 컴포넌트들 (L2, 311) 을 포함하는, 소나. - 제 4 항에 있어서,
상기 전기 캐리어 케이블 (203) 을 향해 상기 신호들의 전파를 가이드하도록 구성된 상기 컴포넌트들은,
- 상기 전력 공급 신호 (210) 및 상기 방출될 신호들 (211) 이 상기 통신 데이터를 전달하는 신호 (212) 의 전파를 통과 및 제한하게 하도록 구성된 인덕터 (L2) 로서, 상기 인덕터는 일 측에서 상기 전기 캐리어 케이블과 타 측에서 상기 방출될 신호들 (TX) 을 생성하고 상기 전력 공급 신호 (A1) 를 생성하기 위한 엘리먼트들 사이에 연결되는, 상기 인덕터 (L2), 및
- 상기 통신 데이터를 전달하는 신호가 상기 전력 공급 신호 및 상기 방출될 신호들의 전파를 통과 및 제한하게 하도록 구성된 필터 (311) 로서, 상기 필터는 상기 전기 캐리어 케이블과 상기 통신 데이터를 전달하는 신호의 생성기 (310) 사이에 연결되는, 상기 필터 (311)
를 포함하는, 소나. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분리 수단 (223) 은 상기 전기 캐리어 케이블 (203) 에 의해 전달되는 다른 신호들로부터 상기 전력 공급 신호를 분리하고 상기 음향 트랜스듀서 또는 트랜스듀서들의 튜닝/매칭에 기여하도록 구성된 인덕터 (L1) 를 포함하는, 소나. - 제 6 항에 있어서,
상기 다른 신호들로부터 상기 전력 공급 신호를 분리하고 상기 방출 음향 트랜스듀서 또는 트랜스듀서들의 상기 튜닝/매칭을 수행하도록 구성된 상기 인덕터 (L1) 는 상기 음향 트랜서듀서 또는 트랜스듀서들 (Tr) 과 병렬로 장착되고, 상기 전기 캐리어 케이블 (203) 및 상기 전기 캐리어 케이블 (203) 과 직렬로 장착된 커패시터 (C2) 사이에 연결되며, 상기 전력 공급 신호는 상기 커패시터의 단자들에서 복구되는, 소나. - 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 다른 신호들로부터 상기 전력 공급 신호를 분리하고 상기 방출 음향 트랜스듀서 또는 트랜스듀서들의 상기 튜닝/매칭을 수행하도록 구성된 상기 인덕터 (L1) 는 상기 전력 공급 신호 (220) 가 상기 통신 데이터를 전달하는 신호 (222) 및 상기 방출될 신호들 (221) 의 전파를 통과 및 제한하게 하도록 구성되는, 소나. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분리 수단 (223) 은,
- 상기 방출될 신호들 (221) 이 상기 통신 데이터를 전달하는 신호 (222) 의 전파를 통과 및 제한하게 하도록 구성된 인덕터 (L3) 로서, 상기 인덕터는 상기 전기 캐리어 케이블 (203) 과 상기 방출 음향 트랜스듀서 또는 트랜스듀서들 (Tr) 사이에 연결되는, 상기 인덕터 (L3), 및
- 상기 통신 데이터를 전달하는 신호가 상기 전력 공급 신호 (211) 및 상기 방출될 신호들의 전파를 통과 및 제한하게 하도록 구성된 필터 (320) 로서, 상기 필터는 상기 전기 캐리어 케이블과 상기 통신 데이터를 전달하는 신호를 변조/복조하기 위한 엘리먼트 (321) 사이에 연결되는, 상기 필터 (320)
를 포함하는, 소나. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 통신 데이터를 전달하는 신호는 제로 평균 변조에 의해 변조되는, 소나. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 통신 데이터를 전달하는 신호의 변조는 직교 주파수 분할 멀티플렉싱을 사용하는, 소나.
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