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KR101948459B1 - 다중 경로 전파 효과가 제거된 신뢰 음향 신호를 산출하고 음원까지의 거리 및/또는 방향을 결정하는 방법 및 그 장치와 선체 - Google Patents

다중 경로 전파 효과가 제거된 신뢰 음향 신호를 산출하고 음원까지의 거리 및/또는 방향을 결정하는 방법 및 그 장치와 선체 Download PDF

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KR101948459B1
KR101948459B1 KR1020177021936A KR20177021936A KR101948459B1 KR 101948459 B1 KR101948459 B1 KR 101948459B1 KR 1020177021936 A KR1020177021936 A KR 1020177021936A KR 20177021936 A KR20177021936 A KR 20177021936A KR 101948459 B1 KR101948459 B1 KR 101948459B1
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acoustic signal
calculating
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signal
multipath propagation
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아네타 니콜러브스카
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아틀라스 엘렉트로닉 게엠베하
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Abstract

본 발명은 다중 경로 전파 효과가 제거된 신뢰 음향 신호 V(t), 특히 신뢰 수중 음향 신호를 산출하는 방법에 관한 것으로, 그러한 방법은, 시간 종속적 측정 음향 신호 M(t)를 결정하되, 여기서 상기 측정 음향 신호 M(t)에는 신뢰 음향 신호 V(t)와 다중 경로 음향 신호 S(t)가 중첩되어 특히 상기 측정 음향 신호 M(t)가 간섭을 갖는 단계, 측정 음향 신호 M(t)의 포락선(envelope) U(t)를 산출하는 단계, 포락선 U(t)의 주기 시간 T를 산출하는 단계, 및 측정 음향 신호를 a*T의 시간 구간을 포함하는 초기 시간 동안 사용하여 [t=0 내지 a*T]에 대해 다중 경로 전파 효과가 제거된 신뢰 음향 신호 V(t)가 주어지도록 하되, 여기서 a는 1 이하의 안전 계수이고, T는 상기 산출된 주기 시간인 단계를 포함한다.

Description

다중 경로 전파 효과가 제거된 신뢰 음향 신호를 산출하고 음원까지의 거리 및/또는 방향을 결정하는 방법 및 그 장치와 선체
본 발명은 다중 경로 전파(multipath propagation) 효과가 제거된 신뢰 음향 신호(confidence acoustic signal), 특히 신뢰 수중 음향 신호(confidence underwater acoustic signal)을 산출하는 방법, 그러한 다중 경로 전파 효과가 제거된 신뢰 음향 신호 산출 방법을 포함하는, 음원(sound source)까지의 거리 및/또는 방향을 결정하는 방법, 및 그 장치와 선체(ship)에 관한 것이다.
바다에서 전파되는 수중 음향 신호는 특히 수중에서의 불균일성 및 다중 경로 전파 효과로 인해 교란된다. 특히, 예컨대 수중 음파(hydroacoustic wave)는 해수면(및/또는 해저면)에서 후방 산란(backscatter)되는 부분에 의해 중첩될 수 있다. 그러한 현상으로 인해, 예컨대 방향과 거리에 의한 음원 정위(source location)에 오류가 생기게 된다. 그것은 측정된 수중 음향 신호가 수정 불가능하거나 단지 어렵게만(컴퓨터 기법으로 복잡하게) 교정 가능한 교란을 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
특히, 예컨대 해상 풍력 터빈의 기초 또는 수중에 가라앉은 고고학적 유적과 같은, 해수면 아래에 위치하는 물체를 측정할 경우에는, 스캔한 영역의 사실적 이미지(realistic image)를 얻을 수 있도록 정확한 측정이 요구된다.
본 발명의 과제는 그와 같은 선행 기술을 개선하는 것이다.
그러한 과제는 다중 경로 전파 효과가 제거된 신뢰 음향 신호 V(t), 특히 수중 신뢰 음향 신호를 산출하는 방법으로서,
- 시간 종속적(time-dependent) 측정 음향 신호 M(t)를 결정하되, 여기서 측정 음향 신호 M(t)에는 신뢰 음향 신호 V(t)와 다중 경로 음향 신호 S(t)가 중첩되어 특히 측정 음향 신호 M(t)가 간섭을 갖는 단계,
- 측정 음향 신호 M(t)의 포락선(envelope) U(t)를 산출하는 단계,
- 포락선 U(t)의 주기 시간(period duration) T를 산출하는 단계, 및
- 측정 음향 신호를 a*T의 시간 구간을 포함하는 초기 시간 동안 사용하여 [t=0 내지 a*T]에 대해 다중 경로 전파 효과가 제거된 신뢰 음향 신호 V(t)가 주어지도록 하되, 여기서 a는 1 이하의 안전 계수(safety factor)이고, T는 산출된 주기 시간인 단계를 포함하는 방법에 의해 해결된다.
따라서 다중 경로 전파 효과에 기인하여 발생한 교란이 제거될 수 있는 신호를 형성할 수 있다. 이후, 그러한 신호를 기반으로 하여, 예컨대 음원까지의 방향(방위와 유사어) 또는 거리를 산출하는 후속 처리를 수행할 수 있다.
이하, 다음의 개념들에 관해 설명하기로 한다.
"다중 경로 전파 효과"는 수중 음원 그 자체에 기인하여 일어나는 수중 음파의 교란 또는 중첩이다, 특히, 그것은 수중 음파의 반사되는 부분에 의해 수중 음파 그 자체가 중첩됨으로써 일어난다. 따라서 수면에서 반사되는 수중 음파의 부분이 그 수중 음파의 직접적인 방출 부분과 간섭을 일으킬 수 있다.
"신뢰 음향 신호 V(t)"는 특히 이를테면 "중첩이 없는" 또는 "간섭이 없는" 측정 신호 또는 처리 신호이다. 따라서 그것은 적어도 다중 경로 전파 효과 있어 교정된 신호로서, 후속 처리에 제공되는 신호이다.
"시간 종속적 측정 음향 신호 M(t)를 결정"한다는 것은 수중 음향 변환기에 의해 압력 변동을 전기 신호로 변환한다는 것을 의미한다. 이때, 전기 신호는 처리되어 신호 조절(signal conditioning)될 수 있다. 음향 변환기로서는, 예컨대 압전 세라믹(piezoceramics)과 같은 수중 청음기(hydrophone)가 사용될 수 있다. 측정 음향 신호는 특히 시간에 따라 변하는 진폭을 갖는다.
"신뢰 음향 신호 V(t)"는 특히 다중 경로 전파 효과에 의거한 영향이 없거나 단지 약간만 존재한다고 전제할 수 있는, 신호(측정 음향 신호)의 부분이다.
본 발명의 핵심적인 기술 사상은 교란을 일으키는 다중 경로 신호가 통상적으로 그것이 수신되는 음향 변환기까지 긴 진행 시간을 진행하므로, 그러한 효과가 시간상으로 신뢰 음향 신호의 인가 이후에 영향을 미치게 된다는 사실에 있다. 특히, 포락선의 주기성에 의거하여, 다중 경로 전파 효과가 이미 존재하는 것이 배제될 수 있는 시간 명세(time specification)를 파악할 수 있다.
"다중 경로 음향 신호 S(t)"는 특히 음원으로부터 음향 변환기로 직접적으로 방출되는 것이 아니라. 예컨대 해수 층에서 또는 해수면에서 반사되어 일정 정도의 간섭 내지 맥놀이 효과를 일으키는 음향 신호이다.
"포락선 U(t)"는 포락 곡선으로 지칭되기도 하고, 엄밀히 말하자면 수학적으로 일 지점에서의 곡선들의 집합(수신된 (전체) 측정 음향 신호들)의 모든 곡선(측정된 음향 주파수)에 접하는 곡선이다. 간섭에 기인하여, 측정 음향 신호의 파동 진동들의 각각의 최대 진폭에서 각각 경미한 상승 또는 하락이 생기고, 그에 따라 주기적 패턴이 형성된다. 그러한 패턴의 근사된 경과 추이를 본 경우의 포락선이라 하고, 수학적으로 함수 U(t)로 기술한다. 그러한 포락선 U(t)에는 "주기 시간 T"가 할당될 수 있다. 이때, 그러한 주기 시간 T는 상수 또는 평균치일 수 있다. 본 발명의 기술 사상의 핵심은 t=0과 t=T 사이의 구간에서는 다중 경로 음향 신호 S(t)의 영향이 없거나 단지 조금만 발생한다는 사실에 있다.
따라서 그로부터 나오는 "초기 시간"은 측정 신호가 교란되지 않거나 단지 조금만 교란되는 것의 기반이 되는 신뢰 시간이다.
측정 신호가 다중 경로 음향 신호 S(t)에 의한 일체의 교란으로부터 영향을 받지 않도록 하는 것을 확실히 하기 위해, 1 이하의(<=1) 값을 이루는 "안전 계수"를 도입한다. 따라서 초기 시간의 최대 시간은 "산출된 주기 시간"에 해당하는 시간 값 T를 포함한다. 이때, 초기 시간의 시작 및 그에 따른 t=0에 대한 정의는 예컨대 측정 음향 신호의 최대 신호의 5%부터 시작하는 임계 진폭을 기반으로 하여 정해진다.
다른 실시 양태에서는, 안전 계수가 0.1 내지 0.7의 값, 특히 0.2 내지 0.5 또는 특히 0.25 내지 0.4의 값을 갖는다. 특히, 약 0.3 정도의 값에서는, 사실상 다중 경로 전파 효과가 생기지 않아 그 신호가 신뢰 음향 신호 V(t)로서 평가될 수 있는 것으로 판명되었다.
포락선 U(t)의 주기 시간을 가능한 한 신속하고도 간단하게 산출할 수 있도록 하기 위해, 그 주기 시간을 수학적 매칭에 의해 산출할 수 있다. 수학적 매칭은 일반적으로 핏팅(fitting)으로 지칭되기도 한다. 핏팅 또는 수학적 매칭은 회귀 분석의 상위 개념하에 수행되고, 일련의 측정 데이터, 기하학적-물리적 모델의 미지의 매개 변수들, 또는 소정의 함수의 매개 변수들을 결정하기 위해(산정하기 위해) 수학적 최적화 방법을 지정한다. 특히, 본 경우의 포락선에서는, 그것이 예컨대 사인 함수와 같은 주기 함수라고 가정될 수 있다. 그러한 매칭된 사인 함수를 기반으로 하여, 주기 시간 T를 결정할 수 있다.
또 다른 실시 양태에서는, 시간 종속적 측정 음향 신호 M(t)를 결정하는 것이 수중 청음기에 의해 이뤄진다.
이때, 수중 청음기는 특히 수중 청음기에서의 압력차를 전기 신호로 변환하는 음향 변환기이다. 그러한 수중 청음기는 예컨대 압전 세라믹으로 형성될 수 있다.
거리 및 방향(방위와 유사어로서 이해될 수 있음)을 산출하기 위해, 시간 종속적 측정 신호를 결정하는 것을 또 다른 수중 청음기들을 사용하여 수행할 수 있는데, 이때 전체의 수중 청음기들은 특히 소나 안테나(sonar antenna)를 형성한다. 그러한 소나 안테나는 예컨대 선형 안테나로서 구성되거나, 선형 안테나에 대응하는 신호로 상응하게 변환되거나, 수학적으로 또는 컴퓨터 기법에 의해 선형 안테나의 신호가 존재하도록 변환될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에서는, 본 발명의 과제가 음원까지의 거리 및/또는 방향을 산출하는 방법에 의해 해결되는데, 그러한 방법은 선행 청구항들 중 어느 한 항에 따른, 다중 경로 전파 효과가 제거된 신뢰 음향 신호 V(t)를 산출하는 방법을 포함하되,
- 다중 경로 전파 효과가 제거된 신뢰 음향 신호 V(t)를 사용하여 음원 방향을 산출하는 단계,
- 산출된 음원 방향에서 다중 경로 전파 효과가 제거된 신뢰 음향 신호 V(t)를 사용하여 소나 안테나를 순차로 수학적으로 곡률을 갖도록 구부리는 단계,
- 신호 최대치 및 그에 대응하는 곡률 반지름을 산출하는 단계, 및
- 산출된 곡률 반지름을 기반으로 하여 거리를 결정하는 단계를 추가로 포함한다.
따라서 특히 물체의 수중 측위가 이뤄질 수 있다. 또한, 예컨대 풍력 터빈 또는 시추 타워의 기초에서의 유지 보수를 위해 또는 난파선의 수색 시에 수중 물체까지의 직접적인 경로를 산출할 수 있다. 그것은 물체를 찾는데 드는 시간을 단축해주고, 예컨대 다이빙 시에 유효 작업 시간을 연장해준다.
이하, 다음의 개념들에 관해 설명하기로 한다.
"거리"는 특히 안테나로부터 정위 대상 물체까지의 거리이다. 이때, 특히 안테나의 중심이 출발점으로 사용된다. 다른 지점이 사용될 수도 있으나, 그 경우에는 그 지점을 컴퓨터 기법에 의해 상응하게 산출하여야만 한다.
"방향"은 방위로 지칭되기도 한다. 통상적으로, 전술한 출발점으로부터의 각도, 특히 선형 안테나의 경우에는 출발점을 통과하는 선형 안테나의 직교선에 대한 각도로 표시된다. 그것은 물체가 바로 전방에 있으면, 방위가 예컨대 0이라는 것을 의미한다.
"음원 방향을 산출"한다는 것은 특히 출발점을 중심으로 하여 선형 안테나(가상 선형 안테나)를 수학적으로 선회시킴으로써 수행된다. 이때, 방위각별로 각각 수중 청음기들에서의 신호들을 합산하거나 예컨대 수중 청음기의 진폭들을 각각 통합시켜 합산하고, 선형 안테나에 대한 직교선이 바로 음원 쪽을 향할 때에 해당 각도에서(해당 방위에서) 최대 신호가 존재한다고 전제할 수 있다.
여기서, 수학적 선회는 특히 단계적으로 이뤄지는데, 예컨대 1°만큼씩 선회시킨다. 본 경우도 역시, 선회점은 특히 추후에 음향 물체까지의 거리를 결정하는 기준이 되는 출발점이다.
물론, 진폭 대신에 수학적 측정 음향 신호 아래의 면적을 산출할 수도 있는데, 그러한 면적도 역시 에너지에 대한 척도가 될 수 있다. 진폭 또는 진폭 경과 추이로부터 유도된 또 다른 변량들을 사용할 수도 있다.
"순차로 수학적으로 곡률을 갖도록 구부리는" 것은 선형 안테나(가상 선형 안테나)가 음원 쪽을 향하는 경우(예컨대, 방위 0°)에, 선형 안테나(가상 선형 안테나)의 개개의 수중 청음기들이 반지름에 의해 기술될 수 있는 원호에 해당하도록 수중 청음기들 상호 간에 시간 오프셋(time offset)을 둔다는 것을 의미한다. 그 경우, 그러한 반지름(곡률 반지름)은 음향 물체까지의 거리에 해당한다. 순차로 수학적으로 곡률을 갖게 구부리는 경우에도 역시, 특히 각각의 개별 곡률에 대해 존재하는 합산된 진폭 신호를 산출하는데, 이때에도 역시 최대 신호는 해당 곡률이 정확한 곡률임을 나타내고, 따라서 거리(곡률 반지름)에 대한 도드라진 추정임을 나타낸다.
또 다른 양태에서는, 본 발명의 과제가 전술한 방법들 중의 하나를 수행할 수 있도록 구성된 장치에 의해 해결된다. 특히, 그러한 장치는 소나를 포함한다. 이때, 선형 안테나를 갖는 소나는 물론, 예컨대 원통형 베이스와 같은 다른 베이스를 갖는 소나도 가능하다. 예인선 배열 소나(towed array sonar)는 물론 측면 스캔 소나(side scan sonar) 등도 소나에 사용될 수 있다. 실제의 구현은 컴퓨터 기법에 의해, 예컨대 컴퓨터에 의해 상응하게 구현되는 FPGA에 의해 또는 소프트웨어 코드에 의해 이뤄질 수 있다.
또 다른 양태에서는, 본 발명의 과제가 전술한 장치를 탑재한 선체, 특히 선박에 의해 해결된다. 물론, 여기서 헬리콥터 등도 역시 그것이 소나 안테나를 구비하는 한 제공될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시 예에 의거하여 더욱 상세히 설명하기로 한다. 첨부 도면들 중에서,
도 1은 다중 경로 정파 효과를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 2는 개개의 수중 청음기에 인가되는 시간 신호 및 그에 대응하는 수학적 포락선을 매우 개략적으로 나타낸 도면이다.
물체(101)는 본 경우에는 측면 배열 소나(flank array sonar) 안테나(103)에 의해 감시하려는 AUV(autonomous underwater vehicle; 자율 무인 잠수정)이다. 측면 배열 소나 안테나는 다수의 수중 청음기들을 구비한다.
이때, AUV(101)의 프로펠러는 직접적인 음파(105)로서 수중 음향 신호를 방출한다. 그러한 음파(105)는 특히 수면(109)에서 반사되고, 그에 따라 수면에서 반사된 수중 음파(107)가 직접적인 음파(105)에 중첩된다. 그러면 그러한 중첩된 음파들이 측면 배열 소나 안테나(103) 및 그에 속한 수중 청음기들에 의해 전기적으로 측정되어 처리된다.
직접적인 수중 음파(105)와 수면에서 반사된 음파(107)의 중첩에 기인하여, 예컨대 측면 배열 소나 안테나(103)의 개개의 수중 청음기에 의해 측정되는 신호들의 중첩(간섭)이 일어난다. 그러한 개개의 수중 청음기 신호는 특히 도 2에 도시되어 있다.
그러한 간섭에 의해, 진폭 최대치들 및 최소치들에서 각각 주기적 구조가 형성된다. 그러한 주기적 구조는 수학적으로 핏팅된 포락선들(223)에 의해 매칭된다. 본 경우에는, 매칭 함수가 고조파 사인 함수(harmonic sine function)라고 전제한다. 그러한 사인 함수의 규명된 매개 변수들을 기반으로 하여, 핏팅된 포락선들(223)의 주기 시간(T)을 결정한다.
본 발명은 주기 시간까지는 신호가 수면에서 반사된 음파(107)에 의한 영향을 거의 받지 않는다는 것으로부터 출발하고 있다. 측정된 임계 진폭 ATH가 제1 최대치의 3%에 있을 때에 시점 t=0이 설정된다. 그 시점으로부터 시작하여 시점 t=T의 신뢰 진폭 AV까지의 측정 신호의 시간 경과 추이가 사용되므로, 시간 구간 t=0 내지 t=T의 시간 구간에 대해 신뢰 음향 신호 V(t)가 존재한다.
본 경우에는, 단순화를 위해 모든 수중 청음기들에 대해 신뢰 진폭 AV를 각각 결정한다. 이어서, 측면 배열 소나 안테나(103)를 수학적으로 그 중심점을 중심으로 하여 선회시킨다. 또한, 각각의 회전각(단계적으로 0.1°)에 대해 모든 수중 청음기들에 대한 신뢰 진폭들 AV의 합을 형성한다. 모든 수중 청음기들에 걸쳐 산출된 신뢰 진폭들 AV의 합에 대해 주어지는 최대치에서, 수학적으로 선회한 소나 안테나(103)가 AUV(101)에 대해 직교하는 방향으로 향한다고 전제한다.
이제, 그러한 위치에서 수학적으로 선회한 측면 배열 소나 안테나(103)를 수학적으로 곡률을 갖도록 구부린다. 그와 같이 곡률을 갖도록 구부리는 것은 특히 수학적 선회와 마찬가지로 수중 청음기들의 개개의 신호들을 시간 오프셋을 두고 평가함으로써 달성된다. 곡률을 갖도록 구부리는 것은 단계적으로(순차로) 수행된다. 물론, 본 경우에 대안적으로 최적의 결과를 보다 신속하게 근사하기 위해 처음에 작은 곡률 반지름을, 이어서 더 큰 곡률 반지름을 설정할 수도 있다. 그것도 역시 순차로 수학적으로 곡률을 갖도록 구부리는 것으로 이해되어야 한다.
다시, 결과적으로 얻어진 측면 배열 소나 안테나(103)의 신뢰 진폭들 AV의 합을 각각 산출하고, 최대치에서 측면 배열 소나 안테나(103)의 구부림이 곡률 반지름을 갖는 원호 상에 위치하여 그 곡률 반지름이 AUV(101)까지의 거리에 해당한다고 전제하는데, 그것은 수중 음파가 대략 구형으로 전파되는 것으로 가정되기 때문이다.
101: 물체/AUV
103: 측면 배열 소나 안테나
105: 직접적인 음파
107: 수면에서 반사된 음파
109: 수면
ATH: 임계 진폭
A: 진폭
AV: 신뢰 진폭
T: 주기 시간
t: 시간
221: 측정 신호
223: 핏팅된 포락선

Claims (8)

  1. 다중 경로 전파 효과가 제거된 신뢰 음향 신호 V(t)를 산출하는 방법으로서,
    - 시간 종속적 측정 음향 신호 M(t)를 결정하되, 여기서 상기 측정 음향 신호 M(t)에는 신뢰 음향 신호 V(t)와 다중 경로 음향 신호 S(t)가 중첩되어 상기 측정 음향 신호 M(t)가 간섭을 갖는 단계,
    - 상기 측정 음향 신호 M(t)의 포락선(envelope) U(t)를 산출하는 단계,
    - 상기 포락선 U(t)의 주기 시간 T를 산출하는 단계, 및
    - 상기 측정 음향 신호를 a*T의 시간 구간을 포함하는 초기 시간 동안 사용하여 [t=0 내지 a*T]에 대해 상기 다중 경로 전파 효과가 제거된 신뢰 음향 신호 V(t)가 주어지도록 하되, 여기서 a는 1 이하의 안전 계수이고, T는 상기 산출된 주기 시간인 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 안전 계수는 0.1 내지 0.7의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 포락선 U(t)를 형성하는 단계는 수학적 매칭에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 시간 종속적 측정 음향 신호 M(t)를 결정하는 단계는 수중 청음기에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 시간 종속적 측정 음향 신호 M(t)를 결정하는 단계는 또 다른 수중 청음기들에 의해 수행되되, 전체의 수중 청음기들은 소나 안테나를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 음원까지의 거리 및 방향 중 적어도 하나를 산출하는 방법으로서, 상기 방법은 제1항 또는 제2항에 따른, 다중 경로 전파 효과가 제거된 신뢰 음향 신호 V(t)를 산출하는 방법을 포함하되,
    - 상기 다중 경로 전파 효과가 제거된 신뢰 음향 신호 V(t)를 사용하여 음원 방향을 산출하는 단계,
    - 상기 산출된 음원 방향에서 상기 다중 경로 전파 효과가 제거된 신뢰 음향 신호 V(t)를 사용하여 소나 안테나를 순차로 수학적으로 곡률을 갖도록 구부리는 단계,
    - 신호 최대치 및 그에 대응하는 곡률 반지름을 산출하는 단계, 및
    - 상기 산출된 곡률 반지름을 기반으로 하여 거리를 결정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 따른 방법을 수행할 수 있도록 구성된 장치.
  8. 제7항에 따른 장치를 탑재한 선체.
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