KR20030000681A - 해양음향 토모그라피의 빔 포밍방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 임의의 각도로 기울어진 VLA를 용이하게 빔 포밍할 수 있는 해양음향 토모그라피의 빔 포밍방법을 개시한다. 개시된 본 발명은, 다수개의 하이드로폰들이 일정한 간격(d)으로 배열된 VLA부와 탐지 음파를 발생시키는 어코스틱 소스부로 각각 구성된 제1 및 제2 음향 토모그라피를 해수 속에 소정의 거리를 갖도록, 대향 배치하는 단계와; 상기 제1 음향 토모그라피의 3차원의 기울기를 갖는 일방의 VLA부를 α의 각도를 갖는 인접 평면 축에 사영시키고, 사영된 평면 축에 상기 제2 음향 토모그라피의 어코스틱 소스부가 오도록 하는 단계와; 상기 제1 음향 토모그라피의 어코스틱 소스부와 사영된 상기 제1 음향 토모그라피의 VLA부 중심점의 연장선에 수직인 축과 상기 사영된 VLA부가 이루는 각도는 β이며, 수신된 음파의 각도가 Φ인 경우, 빔 포밍을 위한 지연 시간 τ=dcosα×sin(β+Φ)/ν (단,ν는 수신된 음파의 속도)를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

해양음향 토모그라피의 빔 포밍방법{METHOD FOR BEAM-FORMING OF OCEAN ACOUSTIC TOMOGRAPHY}

본 발명은 음파 탐지 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 3차원의 기울기를 갖는 VLA(Vertical Line Array: 이하, VLA라 한다)를 2차원 평면에 사영시켜, 간편하게 음파의 시간 지연을 보상할 수 있는 해양음향 토모그라피의 빔 포밍방법에 관한 것이다.

일반적으로, 주요 음향 탐지 체계를 운용하기 위 하여는, 해양이라는 매체에 대한 정확한 이해가 필수적으로 요구된다. 하지만, 해양 특성은 시간적으로 혹은 공간적으로 일정한 것이 아니라 끊임없이 변화하고 있기 때문에, 그 특성을 파악하기는 매우 어려운 문제가 있다.

예를 들어, 어느 특정 위치의 해양 정보를 알고자 하면, 직접 해양 탐지장치를 가지고 가서 탐지하여야 하는데, 그러기 위해서는 많은 시간과 막대한 경비가 소요된다. 또한, 이러한 탐지방법은 수십 km정도의 크기를 갖는 해양도 파악하기가 힘들어 적합하지 않다.

따라서, 이러한 직접적인 방법을 지양하고, 간접적인 방법을 통해서 해양 특성을 파악하는 기술이 제시되었는데, 이것이 해양음향 토모그라피(Ocean Acoustic Tomography: 이하, OAT라 한다)이다.

원래 토모그라피는 초음파를 사용하여, 빛이나 전자파가 투과하지 못하는 비파괴 재료, 음향현미경, 수중 또는 인체 내부의 영상을 얻는 장치이지만, OAT는 초음파를 사용하는 대신 가청주파수대의 음파(500MHz이하)를 사용하여, 해양특성을 파악하는 장치이다. 특히, 전자파의 경우에는 수중에서 1백 미터 정도만 들어가도, 처음 에너지의 90%가 감소되기 때문에, 해양특성을 파악하기 어려운 반면, 음파의 경우 수천 km까지 수중에서 전파되므로 매우 넓은 범위까지도 해양특성을 파악할 수 있다.

도 1은 일반적으로 사용되어지고 있는 해양음향 토모그라피의 음파 탐지 원리를 설명하기 위한 도면으로서, 도시된 바와 같이, 해양음향 토모그라피는 음파를 수신하는 VLA부와 음파를 발생시키는 어코스틱 소스(aoustic source)부와 변환(transducer)부 및 해양 속에서 토모그라피를 고정시키는 앵커(anchor)부로 구성되어 있다.

또한, 도면에서는 도시하지 않았지만, 상기와 똑같은 구조를 갖는 해양음향 토모그라피가 일정 거리(수십~수백 km)를 두고, 대향 배치되어 있으며, 음향 토모그라피가 고정된 위치를 파악하기 위하여 부표(sub surface buoy)가 띄워져 있다.

도 2는 일반적으로 수신된 음파의 빔 포밍 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 수직한 VLA부로 음파가 일정한 각도로 입사하면, 상기 VLA부에 배치된 하이드로폰(hydrophone)들에 의하여 음파가 수신된다. 음파가 상기 VLA부에 수직으로 입사한다면, 음파들간의 거리 차에 의한 시간지연이 없겠지만, 임의의 각도를 가지고, 상기 하이드로폰에 입사되면 음파는 각각의 하이드로폰에서 수신되는 시간이 모두 다르게 된다. 그렇게되면, 음파의 신호를 분석하기 힘들기 때문에 시간 지연을 시켜 동시에, 즉, 수직으로 음파가 입사된 것처럼 빔 포밍을 해준다.

각각의 하이드로폰(hydrophone)간의 거리가 d라 하고, 임의의 θ의 각도로 음파가 입사한다면, 도면에서처럼, H₁의 하이드로폰에 입사된 음파의 이동거리와 H₂의 하이드로폰에서는 입사된 음파의 이동 거리는 d₁=dsinθ만큼 차이가 난다. 또한, H₃의 하이드로폰에서는 H₁에 비하여 d₂=2dsinθ만큼의 차이가 난다.

따라서, 상기 하이드로폰들에 입사되는 음파의 속도로 d₁, d₂를 각각 나누어주면 보상해야할 시간이 나오는데, 이것이 음파의 빔 포밍 방법이다.

이렇게 고정 배치된 해양음향 토모그라피는 해양을 통하여 전파된 음파들이 일정한 각도를 갖고, 상기 VLA부에 배열된 하이드로폰들에 입사된다. 상기 하이드로폰으로 들어오는 음파들은 서로 다른 전달 시간과 수신 각도를 갖게되는데, 이중 전달시간이 유사한 음선 들을 구분하기 위하여 일정한 각도에 따라 시간 지연을 주어 빔포밍을 수행한다.

상기 VLA부의 하이드로폰으로 수신된 음파들을 분석하여 해양 특성을 파악하는데, 음파의 전달 시간을 분석하고, 그를 토대로 해양 속에서의 음속을 알아낸다. 수중을 통과하는 음파의 속도는 온도와 밀접한 관계가 있으므로, 통과한 해양의 수온을 알 수 있다. 또한, 음속은 염분 밀도, 수압, 유속 등과도 관계가 있으므로 이러한 특성도 알 수 있다.

그러나, 해양음향 토모그라피의 VLA부가 수직으로 위치할 경우에는 수평 기준선을 따라 빔포밍 하고자하는 각도로 시간 지연을 주면 되지만, 수중에서는 3차원형태로 기울어져 있으므로, 빔포밍 하기가 매우 어려운 문제가 있다.

또한, 빔포밍을 하지 못하면 각각의 각도로 들어오는 음파의 전달되는 시간을 알 수 없게된다.

본 발명은, 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,수중에서 임의의 3차원 형태로 기울어진 VLA부를 평면 축에 사영하여, 보다 간편하게 시간 지연을 보상할 수 있는 해양음향 토모그라피의 빔 포밍방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 일반적으로 사용되어지고 있는 해양음향 토모그라피의 음파 탐지 원리를 설명하기 위한 도면.

도 2는 일반적으로 수신된 음파의 빔 포밍 방법을 설명하기 위한 도면.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 해양음향 토모그라피의 빔 포밍 방법을 도시한 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1: 변환부 3: VLA부

4: 하이드로폰 5: 어코스틱 소스부

7: 앵커 13: 사영된 VLA부

상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 해양음향 토모그라피의 빔 포밍방법은,

다수개의 하이드로폰들이 일정한 간격(d)으로 배열된 VLA부와 탐지 음파를 발생시키는 어코스틱 소스부로 각각 구성된 제1 및 제2 음향 토모그라피를 해수 속에 소정의 거리를 갖도록, 대향 배치하는 단계와;

상기 제1 음향 토모그라피의 3차원의 기울기를 갖는 일방의 VLA부를 α의 각도를 갖는 인접 평면 축에 사영시키고, 사영된 평면 축에 상기 제2 음향 토모그라피의 어코스틱 소스부가 오도록 하는 단계와;

상기 제1 음향 토모그라피의 어코스틱 소스부와 사영된 상기 제1 음향 토모그라피의 VLA부 중심점의 연장선에 수직인 축과 상기 사영된 VLA부가 이루는 각도는 β이며, 수신된 음파의 각도가 Φ인 경우, 빔 포밍을 위한 지연 시간

τ=dcosα×sin(β+Φ)/ν (단,ν는 수신된 음파의 속도)

를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 사영된 VLA부의 하이드로폰에서 수신되는 음파의 각도 Φ의 범위는 상기 어코스틱 소스부와 사영된 VLA부의 중심점과 연장된 선을 기준으로 위로는 0°≤Φ≤90°로 음파가 수신되고, 아래로는 -90°≤Φ≤0°로 음파가 수신되는것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 해저 속에서 임의의 3차원 기울기를 가지고, 기울어진 해양음향 토모그라피의 VLA부를 XYZ축의 인접 평면상에 사영시켜, 보다 쉽게 빔 포밍할 수 있는 이점이 있다.

이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 자세히 설명하도록 한다.

먼저, 음향 토모그라피의 VLA부가 수직으로 위치하게된 경우의 빔 포밍 방법을 수학적으로 해석한다. 빔 포밍(beam-forming)을 하기 위하여 필요한, 음파 소오스와 VLA의 거리는 VLA의 거리에 비하여 충분히 멀리 위치(수십 Km~ 수백 Km)하며, 그 위치는 측정에 의하여 이미 알고 있다. 예를 들어, 음향 토모그라피를 최초에 배치할 때 두 장치의 거리를 알 수 있다. 그리고, VLA부에는 음파를 수신하는 하이드로폰이 다수 개 배열되어 있고, 그 개수를 알고 있으며, VLA부는 수직으로 위치한다고 가정한다.

빔 포밍을 구하는 일반적인 정의 식은 다음과 같다.

B(t,τ)는 시간 t와 시간 지연 τ에서 빔 포밍 출력값을 나타내고, x_k는 하이드로폰에서 나오는 출력값을 나타낸다. k는 하이드로폰의 개수이다.

상기의 빔 포밍 출력 공식은 시간 지연(Time Delay)값 τ에만 의존하므로 하이드로폰들 간에 음파가 도달하는 시간 지연을 구하면 된다.

따라서, 임의의 기울기를 갖는 VLA을 수직 축으로 사영시킨 후, 음파의 빔 포밍을 하면, 상기에서 설명한 것과 같이 수직 VLA의 빔포밍 방법과 동일하게 할 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 해양음향 토모그라피의 빔 포밍 방법을 도시한 도면으로서, 도 3a에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 음향 토모그라피가 배치된 수중에서 X, Y, Z축 좌표를 정한 다음, 상기 제2 음향 토모그라피의 임의의 3차원의 기울기를 갖는 VLA부(3)의 하이드로폰(hydrophone)들을 XZ평면에 사영시킨다. 상기 VLA부(3)와 XZ평면이 이루는 각도는 α이므로, 상기 하이드로폰들의 거리를 d라 한다면, 사영된 VLA부(13)의 하이드로폰의 거리(d')는 d=cosα가 된다.

또한, 사영된 XZ 평면상에는 상기 제1 음향 토모그라피의 어코스틱 소스부와 사영된 VLA부가 같이 존재하도록 한다. 그런 다음, 도 3b에 도시한 바와 같이, 2차원 평면상에서 사영된 VLA부를 빔 포밍 한다. 상기 사영된 VLA부(13)는 Z축과 β의 각도를 이루고 있으므로, 상기 제1 음향 토모그라피의 어코스틱 소스부에서 발사되는 음파가 Φ의 각도로 상기 제2 음향 토모그라피의 VLA부에 입사된다면, 음파의 지연 거리(d")는 d'sin(β+ Φ)가된다.

음파의 속도가 ν라면, 시간 지연 τ=d'×sin(β+ Φ)/ν이 된다.

위의 시간 지연 공식은, 도면에서는 음파의 입사각을 도시하지 않았지만, 상기 사영된 VLA부의 중심을 통과하면서, X축과 평행한 기준선을 중심으로 위로 0°≤Φ≤90°로 음파가 입사하는 경우와 아래로 -90°≤Φ≤0°로 음파가 입사하는경우에 모두 적용될 수 있다.

또한, 도면에서는 특정한 축과 평면을 중심으로 기술하였지만, 임의의 기울기를 갖는 VLA부는 인접한 어느 평면상에도 사영이 가능하다. 단, 사영된 평면은 반드시 음파의 소스인 어코스틱 소스부가 동일 평면상에 오도록 한다.

따라서, 본 발명에 의하면, 어떠한 3차원 기울기를 갖더라도, 음파의 빔 포밍을 쉽게 할 수 있다.

이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명에 의하면, 음향 토모그라피의 VLA부가 수중에서 3차원의 기울기를 가질 때, 인접 평면 축에 사영시켜 시간 지연을 구하면, 쉽게 음파를 빔 포밍 할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하 청구 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims (2)

1. 다수개의 하이드로폰들이 일정한 간격(d)으로 배열된 VLA부와 탐지 음파를 발생시키는 어코스틱 소스부로 각각 구성된 제1 및 제2 음향 토모그라피를 해수 속에 소정의 거리를 갖도록, 대향 배치하는 단계와;

   상기 제1 음향 토모그라피의 3차원의 기울기를 갖는 일방의 VLA부를 α의 각도를 갖는 인접 평면 축에 사영시키고, 사영된 평면 축에 상기 제2 음향 토모그라피의 어코스틱 소스부가 오도록 하는 단계와;

   상기 제1 음향 토모그라피의 어코스틱 소스부와 사영된 상기 제1 음향 토모그라피의 VLA부 중심점의 연장선에 수직인 축과 상기 사영된 VLA부가 이루는 각도는 β이며, 수신된 음파의 각도가 Φ인 경우, 빔 포밍을 위한 지연 시간

   τ=dcosα×sin(β+Φ)/ν (단,ν는 수신된 음파의 속도)

   를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 해양음향 토모그라피의 빔포밍 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 사영된 VLA부의 하이드로폰에서 수신되는 음파의 각도 Φ의 범위는 상기 어코스틱 소스부와 사영된 VLA부의 중심점과 연장된 선을 기준으로 위로는 0°≤Φ≤90°로 음파가 수신되고, 아래로는 -90°≤Φ≤0°로 음파가 수신되는 것을 특징으로 하는 해양음향 토모그라피의 빔 포밍방법.