KR20220105073A - 가변형 선측배열 소나 시스템, 이를 포함하는 수중운동체 및 수중운동체의 동작 방법 - Google Patents

가변형 선측배열 소나 시스템, 이를 포함하는 수중운동체 및 수중운동체의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가변형 선측배열 소나 시스템, 이를 포함하는 수중운동체 및 수중운동체의 동작 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예는 수중운동체의 측면에 고정되고, 복수의 하이드로폰 배열을 포함하는 제1 배열 지지부와, 상기 제1 배열 지지부의 양측 단부에 각각 힌지 결합하여 접거나 펼칠 수 있고, 복수의 하이드로폰 배열을 포함하는 제2 배열 지지부 및 제3 배열 지지부를 포함하는 가변형 선측배열 소나, 형상 정보 신호에 따라 상기 가변형 선측배열 소나를 접힘 상태 또는 펼침 상태로 변경하는 소나 가변동작부, 및 상기 가변형 선측배열 소나로부터 수중음향신호를 획득하여 표적을 탐지하는 신호처리부를 포함하는, 수중운동체의 가변형 선측배열 소나 시스템을 제공한다.

Description

가변형 선측배열 소나 시스템, 이를 포함하는 수중운동체 및 수중운동체의 동작 방법{VARIABLE FLANK ARRAY SONAR SYSTEM, UNDERWATER SUBMERSIBLE INCLUDING SAME, AND OPERATING METHOD OF UNDERWATER SUBMERSIBLE}
본 발명은 선측배열 소나 시스템, 이를 포함하는 수중운동체 및 수중운동체의 동작 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 접힘 상태 또는 펼침 상태로 변경되는 선측배열 소나를 이용하여 탐지방위 성능을 향상한 가변형 선측배열 소나 시스템, 이를 포함하는 수중운동체 및 수중운동체의 동작 방법에 관한 것이다.
잠수함 또는 수상함으로부터 방사되는 수중 음향 신호를 획득하기 위한 수중 탐지 체계인 소나(Sound Navigation and Ranging System, SONAR)는 사용 방법에 따라 능동소나(Active Sonar)와 수동 소나(Passive Sonar)로 구별된다.
수동 소나는 탐지 음파의 송신 없이, 표적으로부터 방사되는 음향 신호를 획득하여 표적을 탐지한다. 따라서, 표적에게 자신이 노출될 위험이 적다. 수동 소나는 원통형(Cylindrical Array Sonar, CAS), 선측배열형(Flank Array Sonar, FAS) 및 예인형(Towed Array Sonar)로 구분될 수 있다.
선측배열 소나의 탐지 방위 성능은 수평 방향의 하이드로폰들의 배열 길이와 직접적인 관계를 갖는 것으로 알려져 있다.
R. J. Urick의 'Principles of Underwater Sound (McGraw-Hill, 1983.) 수동 소나 방정식은 아래와 같다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, SE(Signal Excess)는 신호초과이득이며, SL(Source Level)은 수상·수중의 운동체로부터 발생하는 수중음향신호(방사소음) 준위를 가리킨다. TL(Transmission Loss), NL(Noise Level)은 해양환경적인 요소로 각각 전달손실, 배경소음 준위를 의미한다. DI(Directivity Index), DT(Detection Threshold)는 장비성능적인 요소로 수신지향지수, 탐지문턱준위를 나타낸다.
선측배열 소나는 수신빔의 조향각에 따라 방향성을 가지는 수신빔들(1~N개)을 형성한다. 각각의 수신빔들은 수학식 1에 의해 수중음향신호의 탐지유무를 판단하고, 수중음향신호가 탐지된 수신빔은 자신의 조향각을 참고하여 수중표적의 추적방위를 계산한다. 일반적으로 선측배열소나의 수평방향의 추적 탐지방위 해상도는 수평배열길이와 직접적인 관계를 가진다. R. O. Nielsen의 'Sonar Signal Processing(Interstate Electronics Corporation, Anaheim, California, 1991.)' 에 따르면 수평방향의 하이드로폰의 개수가 M개일 때의 3dB 빔폭(
Figure pat00002
)은 아래와 같다.
[수학식 2]
Figure pat00003
Figure pat00004
여기서,
Figure pat00005
은 빔 조향각을, c는 음속을, f는 주파수를, d는 수평방향의 배열에서 하이드로폰들의 간격을 의미한다. 각 수신빔들은 3dB 빔폭(HPBW, Half Power Beam Width)을 기준으로 탐지가능 방위범위를 가진다. 하이드로폰의 개수(M)가 많을수록 3dB 빔폭은 줄어드는 반비례 관계를 가진다.
A. D. Waite의 'SONAR for Practising Engineers Third Edition (John Wiley & Sons, Ltd, 2002.)'에서도 빔폭과 배열 길이가 반비례하는 관계를 가지는 것을 확인할 수 있다.
[수식 3]
Figure pat00006
여기서,
Figure pat00007
은 배열의 길이를 의미한다. 수평 배열의 길이가 길수록 수평방향의 수신빔들의 3dB 빔폭이 좁아지게 되며, 이는 수중 표적 탐지를 위한 수평방위 해상도 향상에 직접적인 영향을 미친다.
일반적으로 무인으로 운용되는 수중운동체의 경우, 유인 잠수함에 비하여 크기가 작다. 따라서, 배열의 길이가 길지만, 운용에 에너지 소모가 크고, 탑재 공간을 필요로 하는 예인형 소나를 수중운동체에 탑재하여 운용하는 것은 어렵다. 수중운동체의 크기 및 운용 상의 제약을 고려할 때, 다수의 하이드로폰(Hydrophone) 배열이 선체의 좌우측 외부에 고정 설치되어 운용되는 선측배열형 수동 소나가 수중운동체에 가장 적합할 수 있다.
다만 상술한 바와 같이, 선측배열 소나의 수평 배열의 길이가 짧아질 경우, 수신빔들의 3dB 빔폭이 좁아져, 수평방위 해상도가 감소하는 문제가 존재한다. 따라서, 작은 크기의 수중운동체에 탑재되더라도, 높은 추적방위 해상도를 갖는 소나 시스템 및 이의 동작 방법이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 제1 기술적 과제는 높은 추적 방위 해상도를 갖는 수중운동체의 가변형 선측배열 소나 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 제2 기술적 과제는 상술한 가변형 선측배열 소나 시스템을 포함하는 수중운동체를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 제3 기술적 과제는 상술한 가변형 선측배열 소나 시스템을 포함하는 수중운동체의 동작 방법을 제공하는데 있다.
상술한 제1 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예는, 수중운동체의 측면에 고정되고, 복수의 하이드로폰 배열을 포함하는 제1 배열 지지부와, 상기 제1 배열 지지부의 양측 단부에 각각 힌지 결합하여 접거나 펼칠 수 있고, 복수의 하이드로폰 배열을 포함하는 제2 배열 지지부 및 제3 배열 지지부를 포함하는 가변형 선측배열 소나, 형상 정보 신호에 따라 상기 가변형 선측배열 소나를 접힘 상태 또는 펼침 상태로 변경하는 소나 가변동작부, 및 상기 가변형 선측배열 소나로부터 수중음향신호를 획득하여 표적을 탐지하는 신호처리부를 포함하는, 수중운동체의 가변형 선측배열 소나 시스템을 제공한다.
상기 소나 가변동작부는, 상기 가변형 선측배열 소나가 접힘 상태일 때, 상기 제2 배열 지지부 및 상기 제3 배열 지지부를 상기 제1 배열 지지부에 접하도록 접철하고, 상기 가변형 선측배열 소나가 펼침 상태일 때, 상기 제2 배열 지지부 및 상기 제3 배열 지지부를 상기 제1 배열 지지부와 평행을 이루도록 펼칠 수 있다.
상기 제2 배열 지지부 및 상기 제3 배열 지지부는 동일한 길이를 가질 수 있으며, 접힘 상태에서, 상기 제2 배열 지지부 및 상기 제3 배열 지지부는 상기 제1 배열 지지부의 하면에 접하고, 펼침 상태에서, 상기 제2 배열 지지부 및 상기 제3 배열 지지부는 상기 제1 배열 지지부를 기준으로 대칭을 이룰 수 있다.
상기 제1 배열 지지부가 N개의 하이드로폰들을 구비할 때, 상기 제2 배열 지지부 및 상기 제3 배열 지지부는 N/2개의 하이드로폰들을 구비할 수 있다.
상기 제1 배열 지지부, 제2 배열 지지부 및 상기 제3 배열 지지부는 일정한 간격으로 이격되어 일렬로 배치되는 복수의 하이드로폰을 포함하고, 상기 일정한 간격은 분석 대상 주파수의 파장 길이의 절반일 수 있다.
상술한 제2 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예는, 상기 수중운동체의 추진력을 생성하는 추진부, 상기 추진부의 동작을 중단하였을 때, 상기 수중운동체의 호버링 상태를 유지하는 부력조절부, 상기 수중운동체의 측면에 고정되고, 형상 정보 신호에 따라, 복수의 하이드로폰 배열을 포함하는 가변형 선측배열 소나를 접힘 상태 또는 펼침 상태로 변경하여 수중음향신호를 획득하는 가변형 선측배열 소나 시스템, 및 상기 수중음향신호를 기초로, 상기 형상 정보 신호를 생성하고, 상기 추진부 및 상기 부력조절부를 제어하는 제어부를 포함하는, 수중운동체를 제공한다.
상기 가변형 선측배열 소나 시스템은, 수중운동체의 측면에 고정되고, 복수의 하이드로폰 배열을 포함하는 제1 배열 지지부와, 상기 제1 배열 지지부의 양측 단부에 각각 힌지 결합하여 접거나 펼칠 수 있고, 복수의 하이드로폰 배열을 포함하는 제2 배열 지지부 및 제3 배열 지지부를 포함하는 가변형 선측배열 소나, 형상 정보 신호에 따라 상기 제2 배열 지지부 및 상기 제3 배열 지지부를 접거나 펼치는 소나 가변동작부, 및 상기 제1 배열 지지부, 상기 제2 배열 지지부 및 상기 제3 배열 지지부로부터 수중음향신호를 획득하여 표적을 탐지하는 신호처리부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 수중운동체가 기동 중일 때, 상기 가변형 선측배열 소나를 접힘 상태로 유지하고, 상기 가변형 선측배열 소나가 상기 수중음향신호로부터 표적을 감지한 경우, 상기 추진부의 동작을 중단하고 상기 부력조절부를 이용하여 상기 수중운동체를 호버링 하고, 상기 가변형 선측배열 소나 시스템에 상기 형상 정보 신호를 전달하여, 상기 가변형 선측배열 소나를 펼침 상태로 변경할 수 있다.
상술한 제3 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예는, 접힘 상태의 가변형 선측배열 소나가 수중음향신호를 획득하여 신호처리부에 전달하는 단계, 상기 신호처리부가 상기 수중음향신호로부터 표적을 감지한 경우, 상기 신호처리부가 제어부로 감지 신호를 전송하고, 상기 제어부는 형상 정보 신호를 생성하여 소나 가변동작부로 전송하는 단계, 상기 소나 가변동작부가 상기 형상 정보 신호에 따라 상기 가변형 선측배열 소나를 펼치는 단계, 및 상기 신호처리부가 상기 가변형 선측배열 소나가 획득한 표적의 수중음향신호로부터 표적의 추적 방위를 산출하는 단계를 포함하는, 수중운동체의 동작 방법을 제공한다.
상기 제어부가 형상 정보 신호를 생성하여 소나 가변동작부로 전송하는 단계는, 상기 제어부가 상기 수중운동체의 기동을 위한 추진부의 동작을 중단하는 단계, 및 상기 제어부가 부력조절부를 이용하여 상기 수중운동체를 호버링하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 소나 가변동작부가 상기 형상 정보 신호에 따라 상기 가변형 선측배열 소나를 펼치는 단계는, 상기 소나 가변동작부가 제1 배열 지지부에 접하도록 접철된 제2 배열 지지부 및 제3 배열 지지부를 상기 제1 배열 지지부와 평행을 이루도록 펼치는 단계를 포함할 수 있으며, 이 때, 상기 제1 배열 지지부는 상기 수중운동체의 측면에 고정되며 복수의 하이드로폰 배열을 포함하고, 상기 제2 배열 지지부 및 상기 제3 배열 지지부는 상기 제1 배열 지지부의 양측 단부에 각각 힌지 결합하여 접거나 펼칠 수 있으며 복수의 하이드로폰 배열을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 접힘 상태와 펼침 상태로 가변할 수 있는 가변형 선측배열 소나 시스템은 수중운동체의 작은 크기에도 불구하고 수중음향 탐지 시 복수의 하이드로폰을 수평 방향으로 길게 배열할 수 있어 높은 추적방위 해상도를 갖는다.
가변형 선측배열 소나는 제1 배열 지지부를 기준으로 대칭적으로 펼쳐지는 제2 배열 지지부 및 제3 배열 지지부를 포함하여, 가변형 선측배열 소나의 가변 시 수중운동체의 무게 중심 및 부력 중심에 큰 영향을 미치지 않는다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따라 가변형 선측배열 소나 시스템을 포함하는 수중운동체 및 그의 동작 방법은, 수중운동체의 기동 중에 가변형 선측배열 소나를 접힘 상태로 유지하여 수중음향신호를 탐지할 수 있다.
수중음향신호로부터 표적이 감지된 경우, 추진부의 동작을 중단하고 부력조절부를 이용하여 호버링함으로써, 수중운동체의 추진기로부터 발생하는 소음을 차단하고, 가변형 선측배열 소나를 펼침 상태로 변경하여 표적의 정밀한 방위 추적을 가능하게 한다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 선측배열 소나 시스템을 도시하는 블록도이다.
도 2는 가변형 선측배열 소나의 접힘 상태를 도시하는 도면이다.
도 3은 가변형 선측배열 소나의 펼침 상태를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 선측배열 소나 시스템을 포함하는 수중운동체를 도시하는 블록도이다.
도 5는 수중운동체에 부착된 가변형 선측배열 소나의 접힘 상태를 도시하는 도면이다.
도 6은 수중운동체에 부착된 가변형 선측배열 소나의 펼침 상태를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 선측배열 소나 시스템을 포함하는 수중운동체의 동작 방법을 도시하는 순서도이다.
도 8은 수중음향신호로부터 표적을 감지하였을 때, 가변형 선측배열 소나 시스템을 포함하는 수중운동체의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 24개의 하이드로폰이 수평 방향으로 배열될 때, 조향각 0도에서의 수평 빔 패턴을 도시하는 그래프이다.
도 10은 48개의 하이드로폰이 수평 방향으로 배열될 때, 조향각 0도에서의 수평 빔 패턴을 도시하는 그래프이다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 기능적인 블록 구성들 및 다양한 처리 단계들로 나타내어질 수 있다. 이러한 기능 블록들은 특정 기능들을 실행하는 다양한 개수의 하드웨어 또는/및 소프트웨어 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 하나 이상의 마이크로프로세서의 제어 또는 다른 제어 장치에 의해서 다양한 기능들을 실행할 수 있는, 메모리, 프로세싱, 로직(logic), 룩 업 테이블(look-up table) 등과 같은 직접 회로 구성들을 채용할 수 있다. 본 발명에의 구성 요소들이 소프트웨어 프로그래밍 또는 소프트웨어 요소들로 실행될 수 있는 것과 유사하게, 본 발명은 데이터 구조, 프로세스들, 루틴들 또는 다른 프로그래밍 구성들의 조합으로 구현되는 다양한 알고리즘을 포함하여, C, C++, 자바(Java), 어셈블러(assembler) 등과 같은 프로그래밍 또는 스크립팅 언어로 구현될 수 있다. 기능적나 이상의 프로세서들에서 실행되는 알고리즘으로 구현될 수 있다. 또한, 본 발명은 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다. "부", "요소", "수단", "구성"과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 본 발명의 구성요소들이 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다. 상기 용어는 프로세서 등과 연계하여 소프트웨어의 일련의 처리들(routines)의 의미를 포함할 수 있다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하 도면 상의 동일한 구성 요소에 대하여는 동일한 참조 부호를 사용하고, 동일한 구성 요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 선측배열 소나 시스템을 도시하는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 선측배열 소나 시스템(100)은 가변형 선측배열 소나(110), 소나 가변동작부(120) 및 신호처리부(130)를 포함한다.
상기 가변형 선측배열 소나(110)는 제1 배열 지지부(111), 제2 배열 지지부(113) 및 제3 배열 지지부(115)를 포함한다.
상기 제1 배열 지지부(111)는 수중운동체의 측면에 고정되고, 수평으로 배열된 복수의 하이드로폰 배열을 포함한다. 상기 제2 배열 지지부(113) 및 제3 배열 지지부(115)는 접거나 펼칠 수 있도록 제1 배열 지지부(111)의 양측 단부에 각각 힌지 결합된다. 제2 배열 지지부(113) 및 제3 배열 지지부(115)는 각 배열 지지부의 길이 방향으로 수평 배열된 복수의 하이드로폰 배열을 포함한다.
상기 복수의 하이드로폰은 일정한 간격으로 이격되어 일렬로 배치되며, 상기 일정한 간격은 분석 대상 주파수의 파장의 절반 길이일 수 있다.
상기 가변형 선측배열 소나(110)가 접힘 상태일 때, 상기 제2 배열 지지부(113) 및 제3 배열 지지부(115)는 제1 배열 지지부(111)의 일 면에 접하도록 접철 된다. 상기 제2 배열 지지부(113)와 상기 제3 배열 지지부(115)는 제1 배열 지지부(111)의 동일 면에 접하도록 접철되거나, 서로 상이한 면에 접하도록 접철될 수 있다. 상기 가변형 선측배열 소나(110)가 펼침 상태일 때, 상기 제2 배열 지지부(113) 및 제3 배열 지지부(115)는 상기 제1 배열 지지부와 평행을 이루도록 펼쳐질 수 있다.
상기 제2 배열 지지부(113)와 제3 배열 지지부(115)는 동일한 길이를 가질 수 있다. 일 실시예에서 상기 제2 배열 지지부(113)와 상기 제3 배열 지지부(115)의 길이는 상기 제1 배열 지지부(111)의 길이의 절반일 수 있다. 이 때, 상기 제1 배열 지지부(111)가 N개의 하이드로폰들을 구비한다면, 상기 제2 배열 지지부 및 상기 제3 배열 지지부는 그 절반인 N/2 개의 하이드로폰들을 구비할 수 있다.
상기 가변형 선측배열 소나(110)는 수중운동체의 선수 하부쪽에 설치되어 운용될 수 있으며, 상기 제2 배열 지지부(113)와 제3 배열 지지부(115)는 수중운동체의 아래 방향으로 접히고 펼쳐지도록 상기 제1 배열 지지부(111)와 힌지 결합할 수 있다.
상기 가변형 선측배열 소나(110)는 수중운동체의 양 측면에 대칭적으로 배치될 수 있다.
상기 소나 가변동작부(120)는 수중운동체의 제어부가 송신하는 형상 정보 신호에 따라 상기 제1 배열 지지부(111)의 양측 단부의 구동장치를 구동하여, 상기 제2 배열 지지부(113) 및 상기 제3 배열 지지부(115)를 접거나 펼친다.
상기 신호처리부(130)는 상기 가변형 선측배열 소나(110)에 배치된 복수의 하이드로폰들이 획득한 수중음향신호를 처리하여 표적의 탐지 여부를 판단한다.
상기 가변형 선측배열 소나 시스템(100)은 가변형 선측배열 소나(110)를 접힘 상태와 펼침 상태로 변경할 수 있어, 작은 크기의 수중운동체에 적합하다. 가변형 선측배열 소나(110)가 펼침 상태일 때, 수평 방향으로 배열되는 하이드로폰의 개수가 증가하여, 조향각의 빔 폭이 좁아지게 되어, 조향각 별로 첨예한 빔을 생성할 수 있다. 따라서, 표적의 추적방위 해상도가 높아지게 된다.
도 2는 가변형 선측배열 소나의 접힘 상태를 도시하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 가변형 선측배열 소나(110)의 접힘 상태에서, 제1 배열 지지부(111)의 양측 단부에 힌지 결합된 제2 배열 지지부(113)와 제3 배열 지지부(115)는 상기 제1 배열 지지부(111)의 일 면에 접하도록 접철된다.
도 2에 도시된 일 실시예에서, 상기 제2 배열 지지부(113)와 제3 배열 지지부(115)의 길이는 상기 제1 배열 지지부(111) 길이의 절반이다. 그러나 다른 실시예들에서 상기 제2 배열 지지부(113)와 제3 배열 지지부(115)의 길이는 상기 제1 배열 지지부(111) 길이의 절반보다 길거나 짧을 수 있다.
상기 제2 배열 지지부(113)와 제3 배열 지지부(115)는 상기 제1 배열 지지부(111)의 하면에 접하도록 접철 될 수 있다. 다른 일 실시예에서, 상기 제2 배열 지지부(113)는 상기 제1 배열 지지부(111)의 상면에 접하고, 상기 제3 배열 지지부(115)는 상기 제1 배열 지지부(111)의 하면에 접하도록 접철 될 수 있다.
상기 제1 배열 지지부(111), 제2 배열 지지부(113) 및 제3 배열 지지부(115)는 각 배열 지지부의 길이 방향으로 일렬로 배열되는 복수의 하이드로폰을 포함할 수 있다. 상기 하이드로폰들은 일정한 간격으로 이격되어 배치되며, 상기 일정한 간격은 측정하고자 하는 주파수 파장의 절반일 수 있다.
가변형 선측배열 소나(110)가 접힘 상태일 때, 가변형 선측배열 소나(110)의 길이는 제1 배열 지지부(111)의 길이와 같고, 이는 수중운동체의 몸체 길이보다 짧을 수 있다. 따라서, 유체저항을 감소시킬 수 있어, 몸체가 작은 수중운동체의 기동에 유리하다.
도 3은 가변형 선측배열 소나의 펼침 상태를 도시하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 제2 배열 지지부(113)와 상기 제3 배열 지지부(115)는 상기 제1 배열 지지부(111)와 평행을 이루도록 펼쳐질 수 있다. 상기 제2 배열 지지부(113)와 상기 제3 배열 지지부(115)는 상기 제1 배열 지지부(111)와 동일 직선 상에 위치할 수 있다.
상기 제2 배열 지지부(113)와 상기 제3 배열 지지부(115)는 상기 제1 배열 지지부(111)를 기준으로 대칭을 이루어 접힘 상태와 펼침 상태의 변경 시 수중운동체의 무게 중심 및 부력 중심에 큰 영향을 미치지 않을 수 있다.
상기 제2 배열 지지부(113) 또는 상기 제3 배열 지지부(115)는 수중운동체의 좌우승강타 또는 수중운동체의 외측면에 돌출된 구성에 간섭 받지 않는 방향으로 펼쳐질 수 있다. 가변형 선측배열 소나(110)가 수중운동체의 선수 하부 쪽에 설치되어 운용되는 경우, 상기 제3 배열 지지부(115)는 수중운동체의 아래 방향으로 펼쳐져 수중운동체 후미의 좌우승강타와 충돌하지 않고 상태를 변경할 수 있다.
가변형 선측배열 소나(110)가 펼침 상태일 때, 가변형 선측배열 소나(110)의 길이는 제1 배열 지지부(111), 제2 배열 지지부(113), 및 제3 배열 지지부(115) 길이의 합과 같다. 이 때, 가변형 선측배열 소나(110)의 길이는 수중운동체 몸체의 길이보다 길 수 있다. 가변형 선측배열 소나(110)의 펼침 상태에서, 수평 방향으로 배열되는 하이드로폰의 개수가 증가하여 조향각 별로 첨예한 빔을 생성할 수 있어 표적의 추적 방위 해상도가 높아진다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 선측배열 소나 시스템을 포함하는 수중운동체를 도시하는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 수중운동체(200)는 가변형 선측배열 소나 시스템(100), 추진부(210), 부력조절부(220) 및 제어부(230)를 포함한다.
가변형 선측배열 소나 시스템(100)은 상기 수중운동체의 양 측면에 고정되는 가변형 선측배열 소나(110)를 접힘 상태 또는 펼침 상태로 변경하여 수중음향신호를 획득한다.
추진부(210)는 상기 수중운동체(200)가 기동하기 위한 추진력을 생성한다.
부력조절부(220)는 상기 추진부(210)가 동작하지 않을 때, 상기 수중운동체(200)에 부력을 공급하여, 상기 수중운동체(200)가 추진부(210)의 동작 없이도 일정 수심에서 호버링 상태를 유지하도록 한다.
제어부(230)는 가변형 선측배열 소나 시스템(100)이 획득한 수중음향신호를 기초로, 가변형 선측배열 소나 시스템(100)의 상태를 변경하기 위한 형상 정보 신호를 생성하고, 추진부(210) 및 부력조절부(220)를 제어한다.
상기 제어부(230)는 가변형 선측배열 소나 시스템(100)이 획득한 수중음향신호, 이를 분석하기 위한 신호 처리 프로그램 및 수중운동체(200)의 제어를 위한 프로그램 등의 다양한 데이터를 저장하기 위한 메모리를 포함할 수 있다. 메모리에 저장된 응용 프로그램 및 데이터를 처리하여, 가변형 선측배열 소나 시스템(100)과 수중운동체(200)가 동작(또는 기능)을 수행하도록 구동되는 프로세서를 포함할 수 있다. 상기 프로세서는 디지털 신호를 처리하는 디지털 시그널 프로세서(digital signal processor(DSP), 마이크로프로세서(microprocessor), TCON(Time controller)으로 구현될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 중앙처리장치(central processing unit(CPU)), MCU(Micro Controller Unit), MPU(micro processing unit), 컨트롤러(controller), 어플리케이션 프로세서(application processor(AP)), 또는 커뮤니케이션 프로세서(communication processor(CP)), ARM 프로세서 중 하나 또는 그 이상을 포함하거나, 해당 용어로 정의될 수 있다. 또한, 프로세서는 프로세싱 알고리즘이 내장된 SoC(System on Chip), LSI(large scale integration)로 구현될 수도 있고, FPGA(Field Programmable gate array) 형태로 구현될 수도 있다.
상기 제어부(230)는 상기 수중운동체(200)가 기동 중일 때, 가변형 선측배열 소나 시스템(100)의 소나 가변동작부(120)에 상기 가변형 선측배열 소나(110)를 접힘 상태로 유지하기 위하여 제1 형상 정보 신호를 전송한다. 가변형 선측배열 소나 시스템(100)은 접힘 상태의 가변형 선측배열 소나(110)를 이용하여 주변의 수중음향신호를 지속적으로 획득하고, 획득한 수중음향신호를 신호처리부(130)에 송신하여, 표적을 탐지한다.
접힘 상태의 가변형 선측배열 소나(110)가 주변의 수중음향신호로부터 표적을 감지한 경우, 신호처리부(130)는 제어부(230)로 표적 감지 신호를 전송한다. 제어부(230)는 표적 감지 신호를 수신하면, 추진부(210)의 동작을 중단하여 추진부(210)의 구동으로 인한 수중운동체(200) 자체의 구동음을 차단하고, 부력조절부(220)에 부력 조절 신호를 전송하여, 수중운동체(200)가 호버링 상태로 변경되어 일정한 수심을 유지하도록 한다. 제어부(230)는 상기 가변형 선측배열 소나 시스템(100)의 소나 가변동작부(120)에 가변형 선측배열 소나(110)를 펼침 상태로 변경하기 위한 제2 형상 정보 신호를 전송한다.
펼침 상태의 가변형 선측배열 소나(110)가 표적의 수중음향신호를 획득하면, 신호처리부(130)가 상기 표적의 수중음향신호를 분석하여 제어부(230)로 전송하고, 상기 제어부(230)는 표적의 추적 방위를 산출한다.
표적의 방위가 산출되거나, 수중운동체(100)가 다른 위치로 기동하여야 할 경우, 상기 제어부(230)는 프로그램 또는 통신장치를 통하여 수신하는 외부 입력 신호에 따라 소나 가변동작부(120)에 가변형 선측배열 소나(110)를 접힘 상태로 변경하기 위한 제3 형상 정보 신호를 전송한다. 가변형 선측배열 소나(100)는 다시 접힘 상태로 변경되고, 제어부(230)는 추진부(210) 및 부력조절부(220)에 제어 명령을 인가하여 수중운동체(100)를 목표 위치를 향하여 기동한다.
도 5는 수중운동체에 부착된 가변형 선측배열 소나의 접힘 상태를 도시하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 가변형 선측배열 소나(110)는 상기 수중운동체(200)의 선수 하단에 장착될 수 있다. 상기 가변형 선측배열 소나(110)는 상기 수중운동체(200)의 양 측면에 대칭적으로 설치될 수 있다.
상기 가변형 선측배열 소나(110)의 길이는 접힘 상태에서 제1 배열 지지부(111)의 길이와 같으며, 제1 배열 지지부(111)의 길이는 수중운동체(200)의 몸체 길이보다 짧게 형성될 수 있다.
상기 가변형 선측배열 소나(110)는 접힘 상태에서 주변의 수중음향신호를 획득하고, 이를 신호처리부(130)가 변환하여 수중운동체(200)의 제어부(230)로 전송할 수 있다.
제2 배열 지지부(113)와 제3 배열 지지부(115)는 도 5에 도시된 바와 같이 제1 배열 지지부(111)의 하면에 접하도록 접철될 수 있다. 상기 제2 배열 지지부(113)와 제3 배열 지지부(115)는 제1 배열 지지부(111)의 중심을 기준으로 대칭을 이룰 수 있다.
도 6은 수중운동체에 부착된 가변형 선측배열 소나의 펼침 상태를 도시하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 획득한 수중음향신호로부터 표적이 탐지되었을 때, 제어부(230)는 소나 가변동작부(120)에 형상 정보 신호를 인가하여, 가변형 선측배열 소나(110)를 펼침 상태로 변경할 수 있다.
가변형 선측배열 소나(110)가 펼침 상태일 때, 가변형 선측배열 소나(110)의 길이는 제1 배열 지지부(111), 제2 배열 지지부(113) 및 제3 배열 지지부(115)가 일직선을 따라 연장된 길이와 실질적으로 같을 수 있다. 제1 배열 지지부(111), 제2 배열 지지부(113) 및 제3 배열 지지부(115)의 길이를 따라 일정한 간격으로 배열되는 복수의 하이드로폰들은 일직선상에 배열되어, 표적의 추적 방위 해상도가 높아진다.
제2 배열 지지부(113) 또는 제3 배열 지지부(115)는 수중운동체(200)의 측면에 돌출되어 있는 구성요소들과 충돌하지 않는 범위 내에서 구동될 수 있다. 일 예로, 도면에 도시된 바와 같이, 수중운동체(200) 후미의 좌우승강타와 충돌하지 않도록 제3 배열 지지부(115)는 접힘 상태에서 제1 배열 지지부(111)의 하부에 접하며, 펼침 상태로 변경 시 수중운동체(200)의 아래 방향을 향하여 펼쳐져 수평 상태로 변경될 수 있다. 제2 배열 지지부(113)와 제3 배열 지지부(115)는 수중운동체(200)의 무게 중심 및 부력 중심이 변경되지 않도록 구동될 수 있다.
제어부(230)는 신호처리부(130)로부터 표적 감지 신호를 수신하면, 수중운동체(200)의 추진부(210)의 동작을 중단하고, 부력조절부(220)에 부력 조절 신호를 전송하여, 수중운동체(200)가 호버링 상태로 변경되어 일정한 수심을 유지하도록 한다. 따라서, 수중운동체(200)의 기동으로 인한 소음을 차단하여, 보다 정밀한 수중음향신호의 획득을 가능하게 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 선측배열 소나 시스템을 포함하는 수중운동체의 동작 방법을 도시하는 순서도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수중운동체의 동작 방법은 수중음향신호를 획득하는 단계(S101), 수중음향신호로부터 표적을 감지하는 단계(S102), 가변형 선측배열 소나를 펼치는 단계(S103), 표적의 추적 방위를 산출하는 단계(S104)를 포함한다.
수중음향신호를 획득하는 단계(S101)는, 수중운동체가 기동하며 수중음향신호를 획득하는 단계이다. 수중운동체의 기동 시 유체저항을 감소시키기 위하여 가변형 선측배열 소나는 접힘 상태로 운용된다. 가변형 선측배열 소나는 주변의 수중음향신호를 획득하고 신호처리부에서 이를 변환하여 수중운동체의 제어부로 전송한다.
수중음향신호로부터 표적을 감지하는 단계(S102)에서, 신호처리부는 제어부로 표적의 감지 신호를 전송한다. 또는 신호처리부는 가변 선측배열 소나가 획득한 수중음향신호를 변환하여 전송하고, 제어부는 이로부터 표적의 존재 여부를 감지할 수 있다. 표적이 감지되었을 때, 제어부는 형상 정보 신호를 생성하여 소나 가변동작부로 전송한다.
이 때, 제어부는 수중운동체의 기동을 위한 추진부의 동작을 중단하고 부력조절부를 제어하여, 수중운동체가 일정한 수심을 유지하도록 수중운동체를 호버링 상태로 변경할 수 있다.
가변형 선측배열 소나를 펼치는 단계(S103)는, 소나 가변동작부가 제어부가 생성한 형상 정보 신호를 수신하고, 상기 신호에 따라 가변형 선측배열 소나를 구동하여 펼침 상태로 변경하는 단계이다.
소나 가변동작부는 제1 배열 지지부에 접하도록 접철된 제2 배열 지지부 및 제3 배열 지지부를 상기 제1 배열 지지부와 평행을 이루도록 펼친다. 이 때, 제1 배열 지지부, 제2 배열 지지부 및 제3 배열 지지부의 길이 방향을 따라 일정한 간격으로 배열되는 복수의 하이드로폰 배열은 일 직선을 이룰 수 있다. 하이드로폰 배열의 수평방향 길이가 연장됨에 따라, 좁은 빔 폭을 가져, 조향각별로 첨예한 빔을 생성할 수 있다.
표적의 추적 방위를 산출하는 단계(S104)는, 제어부가 펼침 상태의 가변형 선측배열 소나가 획득한 표적의 수중음향신호로부터 표적의 추적 방위를 산출한다. 상술한 바와 같이, 펼침 상태의 가변형 선측배열 소나는 조향각별로 첨예한 빔을 생성할 수 있어, 높은 해상도로 표적의 방위를 추적할 수 있다.
제어부는 표적의 추적 방위를 산출하거나, 프로그램 또는 외부 입력 신호에 따라 수중운동체를 재기동할 수 있다. 이 때, 제어부는 상기 가변형 선측배열 소나를 접힘 상태로 변경하기 위한 형상 정보 신호를 인가하고, 추진부 및 부력조절부를 제어하여, 수중운동체를 목표 위치를 향하여 기동한다.
도 8은 수중음향신호로부터 표적을 감지하였을 때, 가변형 선측배열 소나 시스템을 포함하는 수중운동체의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, a 단계에서, 수중운동체(200)는 기동 중에 유체 저항을 감소시키기 위하여 가변형 선측배열 소나를 접힘 상태로 운용한다. 가변형 선측배열 소나는 수중운동체(200)의 주변으로부터 수중음향신호를 획득한다.
b 단계에서, 수중운동체(200)가 수중음향신호로부터 표적(T)을 감지하면, 표적(T)이 발송하는 수중음향신호를 보다 효과적으로 획득하기 위한 위치로 이동할 수 있다. 일 예로, 수중운동체(200)는 표적(T)에 보다 가깝게 이동하거나, 주변 환경에 의한 잡음을 최소화할 수 있는 위치로 이동할 수 있다.
c 단계에서, 수중운동체(200)는 추진부의 구동을 정지하고, 부력조절부를 이용하여 일정 수심에서 호버링 상태를 유지할 수 있다. 수중운동체(200)는 호버링 상태에서 가변형 선측배열 소나를 펼침 상태로 변경한다. 소나 가변동작부는 수중운동체(200)의 무게 중심 및 부력 중심을 변경하지 않도록 제1 배열 지지부의 중심을 기준으로 제2 배열 지지부 및 제3 배열 지지부를 대칭적으로 구동할 수 있다.
d 단계에서, 제1 배열 지지부, 제2 배열 지지부 및 제3 배열 지지부가 평행하게 배치된다.
e 단계에서, 가변형 선측배열 소나가 보다 정밀한 추적 해상도를 갖는 수중음향신호를 획득한다. 제어부는 표적(T)의 수중음향신호를 분석하여 표적(T)의 방위를 보다 정밀하게 산출할 수 있다.
도 9는 24개의 하이드로폰이 수평 방향으로 배열될 때, 조향각 0도에서의 수평 빔 패턴을 도시하는 그래프이고, 도 10은 48개의 하이드로폰이 수평 방향으로 배열될 때, 조향각 0도에서의 수평 빔 패턴을 도시하는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 제2 배열 지지부 및 제3 배열 지지부를 펼치기 전의 접힘 상태의 가변형 선측배열 소나는 24개의 하이드로폰을 가지며, 하이드로폰 간의 간격이 목표 주파수 파장 길이의 절반인 것으로 가정하였다. 상술한 수식 2에 따르면,
Figure pat00008
이므로, 조향각 0도에서의 3dB 빔 폭은 약 4.20˚이다.
도 10을 참조하면, 제2 배열 지지부 및 제3 배열 지지부 길이는 각각 제1 배열 지지부 길이의 절반이고, 각각 12개의 하이드로폰을 구비한 것으로 가정하였을 때, 상술한 수식 2에 따르면, 조향각 0도에서의 3dB 빔 폭이 약 2.10 ˚로 절반으로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 빔 폭이 감소할 경우 표적의 추적 방위 해상도가 향상되고, 추적 방위 해상도의 향상은 표적의 추적 방위 정확도와 직접적인 관련이 있다. 따라서, 수평으로 배열되는 하이드로폰의 개수를 증가시켜 선측배열 소나의 장비 성능을 높일 수 있다.
상기에서는 본 발명에 따른 실시예들을 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속한다.
100 : 가변형 선측배열 소나 시스템
110 : 가변형 선측배열 소나 111 : 제1 배열 지지부
113 : 제2 배열 지지부 115 : 제3 배열 지지부
120 : 소나 가변동작부 130 : 신호처리부
200 : 수중운동체 210 : 추진부
220 : 부력조절부 230 : 제어부

Claims (11)

  1. 수중운동체의 측면에 고정되고, 복수의 하이드로폰 배열을 포함하는 제1 배열 지지부와, 상기 제1 배열 지지부의 양측 단부에 각각 힌지 결합하여 접거나 펼칠 수 있고, 복수의 하이드로폰 배열을 포함하는 제2 배열 지지부 및 제3 배열 지지부를 포함하는 가변형 선측배열 소나;
    형상 정보 신호에 따라 상기 가변형 선측배열 소나를 접힘 상태 또는 펼침 상태로 변경하는 소나 가변동작부; 및
    상기 가변형 선측배열 소나로부터 수중음향신호를 획득하여 표적을 탐지하는 신호처리부를 포함하는, 수중운동체의 가변형 선측배열 소나 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소나 가변동작부는,
    상기 가변형 선측배열 소나가 접힘 상태일 때, 상기 제2 배열 지지부 및 상기 제3 배열 지지부를 상기 제1 배열 지지부에 접하도록 접철하고,
    상기 가변형 선측배열 소나가 펼침 상태일 때, 상기 제2 배열 지지부 및 상기 제3 배열 지지부를 상기 제1 배열 지지부와 평행을 이루도록 펼치는, 수중운동체의 가변형 선측배열 소나 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 배열 지지부 및 상기 제3 배열 지지부는 동일한 길이를 갖고,
    접힘 상태에서, 상기 제2 배열 지지부 및 상기 제3 배열 지지부는 상기 제1 배열 지지부의 하면에 접하며,
    펼침 상태에서, 상기 제2 배열 지지부 및 상기 제3 배열 지지부는 상기 제1 배열 지지부를 기준으로 대칭을 이루는 수중운동체의 가변형 선측배열 소나 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 배열 지지부는 N개의 하이드로폰들을 구비하고,
    상기 제2 배열 지지부 및 상기 제3 배열 지지부는 N/2개의 하이드로폰들을 구비하는, 수중운동체의 가변형 선측배열 소나 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배열 지지부, 제2 배열 지지부 및 상기 제3 배열 지지부는 일정한 간격으로 이격되어 일렬로 배치되는 복수의 하이드로폰을 포함하고,
    상기 일정한 간격은 분석 대상 주파수의 파장의 절반인, 수중운동체의 가변형 선측배열 소나 시스템.
  6. 수중운동체에 있어서,
    상기 수중운동체의 추진력을 생성하는 추진부;
    상기 추진부의 동작을 중단하였을 때, 상기 수중운동체의 호버링 상태를 유지하는 부력조절부;
    상기 수중운동체의 측면에 고정되고, 형상 정보 신호에 따라, 복수의 배열 지지부를 포함하는 가변형 선측배열 소나를 접힘 상태 또는 펼침 상태로 변경하여 수중음향신호를 획득하는 가변형 선측배열 소나 시스템; 및
    상기 수중음향신호를 기초로, 상기 형상 정보 신호를 생성하고, 상기 추진부 및 상기 부력조절부를 제어하는 제어부를 포함하는, 수중운동체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가변형 선측배열 소나 시스템은,
    수중운동체의 측면에 고정되고, 복수의 하이드로폰 배열을 포함하는 제1 배열 지지부와, 상기 제1 배열 지지부의 양측 단부에 각각 힌지 결합하여 접거나 펼칠 수 있고, 복수의 하이드로폰 배열을 포함하는 제2 배열 지지부 및 제3 배열 지지부를 포함하는 가변형 선측배열 소나;
    형상 정보 신호에 따라 상기 제2 배열 지지부 및 상기 제3 배열 지지부를 접거나 펼치는 소나 가변동작부; 및
    상기 제1 배열 지지부, 상기 제2 배열 지지부 및 상기 제3 배열 지지부로부터 수중음향신호를 획득하여 표적을 탐지하는 신호처리부를 포함하는, 수중운동체.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 수중운동체가 기동 중일 때, 상기 가변형 선측배열 소나를 접힘 상태로 유지하고,
    상기 가변형 선측배열 소나가 상기 수중음향신호로부터 표적을 감지한 경우, 상기 추진부의 동작을 중단하고 상기 부력조절부를 이용하여 상기 수중운동체를 호버링 하고, 상기 가변형 선측배열 소나 시스템에 상기 형상 정보 신호를 전달하여, 상기 가변형 선측배열 소나를 펼침 상태로 변경하는, 수중 운동체.
  9. 수중운동체의 동작 방법에 있어서,
    접힘 상태의 가변형 선측배열 소나가 수중음향신호를 획득하여 신호처리부에 전달하는 단계;
    상기 신호처리부가 상기 수중음향신호로부터 표적을 감지한 경우, 상기 신호처리부가 제어부로 감지 신호를 전송하고, 상기 제어부는 형상 정보 신호를 생성하여 소나 가변동작부로 전송하는 단계;
    상기 소나 가변동작부가 상기 형상 정보 신호에 따라 상기 가변형 선측배열 소나를 펼치는 단계; 및
    상기 신호처리부가 상기 가변형 선측배열 소나가 획득한 표적의 수중음향신호로부터 표적의 추적 방위를 산출하는 단계를 포함하는, 수중운동체의 동작 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부가 형상 정보 신호를 생성하여 소나 가변동작부로 전송하는 단계는,
    상기 제어부가 상기 수중운동체의 기동을 위한 추진부의 동작을 중단하는 단계; 및
    상기 제어부가 부력조절부를 이용하여 상기 수중운동체를 호버링하는 단계를 포함하는, 수중운동체의 동작 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 소나 가변동작부가 상기 형상 정보 신호에 따라 상기 가변형 선측배열 소나를 펼치는 단계는,
    상기 소나 가변동작부가 제1 배열 지지부에 접하도록 접철된 제2 배열 지지부 및 제3 배열 지지부를 상기 제1 배열 지지부와 평행을 이루도록 펼치는 단계를 포함하고,
    상기 제1 배열 지지부는 상기 수중운동체의 측면에 고정되어 복수의 하이드로폰 배열을 포함하고,
    상기 제2 배열 지지부 및 상기 제3 배열 지지부는 상기 제1 배열 지지부의 양측 단부에 각각 힌지 결합하여 접거나 펼칠 수 있으며 복수의 하이드로폰 배열을 포함하는 것인, 수중운동체의 동작 방법.
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