조정환
(Jeong-Hwan Cho)
†
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Adaptive Gain Controller, Jitter Characteristic, Marine System, Mariner Sensor
1. 서 론
해양환경 및 해양자원에 대한 관리 및 개발의 중요성이 강조되면서 해양에서 연구 임무의 수행, 해양생태의 연구, 기후 변화의 기록, 오염의 제어,
해양 탐사 임무 및 전술 감시, 자연 재해의 예측 등에 있어서 해양 시스템에 대한 중요성이 더욱 높아지고 있다(1).
이러한 해양환경에서 센서 네크워크 시스템을 수중에 적용하는 해양 모니터링 시스템의 중요장치인 해양 모니터링 IT센서는 수중음파 탐지용 IT센서를
이용하여 수중에서 음향신호를 수신하여 신호의 세기와 방향을 감지하는 기능을 수행하며, 이는 해양환경의 모니터링에 있어서 IT센서를 이용한 정확한 위치정보는
매우 중요하다(2).
그러나 해양과 같은 복잡한 특성을 갖는 환경이나 불특정한 외란이 존재하는 해양의 수중 환경에서 비선형적 특성으로 나타나는 데드존의 영향에 의해 발생하는
지터 잡음으로 인하여 정확한 위치판정이 어려운 문제점으로 지적되고 있다(3).
본 연구에서는 해양 시스템에 사용되는 해양 모니터링 IT센서의 위치측정을 위하여 새로운 해양 IT센서를 개발하였다. 개발된 해양 IT센서는 지터특성을
개선한 적응이득제어기(Adaptive Gain Controller : AGC)를 설계하여 위치탐색 성능과 탐색시간을 향상시켰다. 지터특성을 개선한
적응이득제어기는 음향신호가 미약하게 발생하여 데드존에 진입할 경우 음향신호의 크기를 제어하여 표적신호의 위치탐색 성능을 향상시키는 기능으로 이것은
잡음이 심한 연안수역에서 우수한 탐지성능을 보여준다.
또한, 다양한 주변잡음이 존재하는 악조건의 해양환경에서 수신신호의 크기에 따라 이득을 변화시키는 해양 IT센서의 높은 신뢰성을 확립하기 위하여 시험장치를
설계하여 제작하였고, 이를 활용하여 해양 IT센서의 성능평가를 실행하였고, 그 결과를 분석하였다.
2. AGC형 해양 IT센서의 개발
2.1 해양 IT센서의 특성
센서 네트워크 시스템의 여러 응용 중에서, 해양에서의 정보전송과 수중과 해상의 네트워크 시스템을 포함하는 해양 모니터링 시스템은 그림 1에서와 같이 구성된다. 이는 해양산업에서 해양관측과 함께 고성능 해양 센서네트워크 개발을 가능하게 하는 핵심기술이다(3).
Fig. 1. Marine monitoring system
이때 해양 IT센서는 그림 2와 같은 형태로 구성되고 수중의 음파를 탐지하여 음파가 발생된 음원의 방위를 탐색하는 방법으로 동작하며 입력음향에 따라 방향성을 갖는 방향성 센서(direction
sensor)와 모든 방향에서 동일특성을 갖는 전방향성 센서(omni- direction sensor)로 구성된다(4).
Fig. 2. Structure of marine IT sensor
방향성 센서는 압전소자로부터 발생한 전압을 처리하여 하이드로폰에 전달된 음원을 탐색하는 기능을 수행한다. 압전소자로 이루어진 방향성 센서는 그림 3에 나타나 있다. 방향성 센서는 압전소자 4개로 구성되어 있으며 마주 보고 있는 2개의 센서를 구분하여 각각 “코사인(cosine)센서”와 “사인(sine)센서”로
구분한다. 하이드로폰이 수중에 분포되어 있으면 하이드로폰의 코사인센서는 자북(magnetic north)과 각도 ø만큼을 유지하고 이 각도는 하이드로폰
내의 플럭스게이트(fluxgate) 센서가 탐지하게 된다.
Fig. 3. Direction sensor part
해양 IT센서에 음향이 도달하면 그림 4와 같이 동작하고 음원의 도래각 θ는 식(1)로 표현된다(5).
Fig. 4. Directional measurement
한편, 신호처리시스템에서 일정크기의 신호를 입력하면 그에 따라 출력의 변화가 나타난다. 그러나 입력신호의 크기가 작게 하면 특정 값 이하에서는 출력에
아무 변화도 나타나지 않는 대역에 이른다. 즉 출력의 변화량이 나타나지 않는 특정범위인 데드존이 존재한다.
해양 IT센서에서 데드존 특성은 식(2)같이 표현되며, d,m>0 일때의 동적특성은 그림 5와 같다. 이러한 동작영역에서 비선형요소인 데드존 특성이 존재한다. 여기서 m은 데드존의 기울기를 나타내고, v는 출력신호를, –d∼d는 데드존의
대역폭을 나타낸다.
Fig. 5. Deadzone Characteristics
이와 같이 시스템의 데드존 특성에 의해 발생된 지터로 인해 특정신호가 원래 기준시점보다 오차를 갖고 발생하여 정확한 위치정보를 탐색하기 위한 해양센서의
신호처리를 방해하는 원인이 되고 있다.
2.2 AGC형 해양 IT센서의 설계
해양 IT센서가 수심 300m 에서 음원의 방위와 음향의 세기를 탐지하게 되면 내부 다중 신호처리 회로에서 신호를 다중화 하여 해양IT센서의 연결선에
따라 해수면의 상부전자장치(UEU : Upper Electronic Unit)에 전송된다. 부표와 연결된 상부전자장치는 음향과 방위 정보를 주파수변조하여
부표 내부에 위치한 안테나를 통하여 항공기로 전송한다. 항공기의 수신장치에서는 전송된 신호를 수신하고 이를 역다중화하여 음향과 방위 정보를 탐색한다.
해양 IT센서의 적응이득제어기는 전방향성 센서와 방향성 센서로 부터 발생한 신호를 그림 6과 같이 증폭하고 다중화하여 해수면에 위치한 신호 송출부로 송신하고, 7.5kHz는 기준주파수 및 위상기준주파수로써 파일럿 주파수의 기능을 한다.
Fig. 6. Multiple processing circuit
즉, 음향증폭부(acoustic amplifier)는 5Hz 부터 2.4kHz 범위의 신호를 전방향, 코사인, 사인채널의 증폭기에서 신호를 증폭하고,
변조부는 플럭스게이트를 통하여 생성된 15kHz 신호의 위상을 90° 앞세워서 코사인채널의 부반송파로 사용하고, 위상을 90° 앞세워서 사인채널의
부반송파로 사용하여 평형변조를 실행한다.
자기탐지부(fluxgate)는 자북을 기준으로 회로의 기준축이 이루는 각도를 코사인채널, 사인채널의 변조용 부반송파 15kHz의 위상을 반영하여 전송하며,
다중화부는 전방향신호, 코사인신호, 사인신호 및 자기탐색신호, 주파수기준신호(7.5kHz)와 위상기준신호(15kHz)를 전송하기 위하여 다중화하고.
다중화된 신호는 그림 1과 그림 7 에서와 같이 해수면에 위치한 신호전송부인 상부전자장치로 전송된다.
지터특성을 개선한 적응이득제어기는 주변소음이나 표적의 음향신호가 미소하여 다중 신호처리 회로에 입력되는 신호가 미약할 경우 신호의 크기를 증폭시켜
표적신호의 안전한 포착을 지원하는 기능이다. 잡음이 심한 연안수역에서 우수한 성능을 수행한다.
적응이득제어기의 기능은 폴 반송파의 입력조건에 따라 미약신호가 30초 이상 지속적으로 입력 시 출력 레벨을 6dB 증가시켜 주파수변조 신호가 탐지되도록
한다. 이후에 레벨 복귀상태가 30초 이상 지속되면 신호 레벨을 원래대로 회복한다.
즉, 해양 IT센서가 음향신호를 탐색할 수 있는 범위는 수중의 주변잡음 보다 큰 신호로 부터 신호처리를 통하여 포화현상이 발생하기 직전 신호레벨까지의
범위에서 안정한 신호검출이 가능하게 된다.
이러한 과정에서 수중의 음파를 탐지하여 음파가 발생한 음원의 방위와 거리를 탐지하는 하이드로폰 형태의 적응이득제어기를 갖는 해양 IT센서를 개발하였고,
이때 해양 IT센서의 성능검증을 위해 Military Specification 인 참고문헌(6)에 따른 목표성능은 표 1과 같다.
3. AGC형 해양 IT센서의 성능평가
개발된 지터특성을 개선한 적응 해양 IT센서의 성능평가를 위하여 참고문헌 (6)에서 제시된 성능시험 결과를 만족하도록 그림 7에서와 같이 시험측정 시스템을 구성하여 특성을 시험하였다. AGC형 해양 IT센서의 음향의 방위 및 세기에 대한 성능 평가를 표 1의 성능조건에 따라 실행 하였으며 측정결과 표 2 ∼ 표 5와 같이 성능목표에 도달하였음을 입증하였다.
Table 1. Performance standards of the marine IT sensor
|
평가항목
|
성능 기준
|
|
이득
|
- 코사인채널과 사인채널
이득편차 : ±1dB
- 방향성채널과 전방향채널
이득편차 : ±5dB
|
|
위상
|
- 코사인채널과 사인채널
위상편차 : ±15°
- 방향성채널과 전방향채널
위상편차 : ±20°
|
|
방위
정확도
|
- 회전각도 90° 변동
방위 측정 오차 : ±10°
|
|
AGC
|
- AGC ON(이득 6 dB 증가)
- AGC OFF(이득 복귀)
|
Fig. 7. Block diagram of test
Table 2. Test of gain performance
|
Test
|
#1
|
#2
|
#3
|
#4
|
#5
|
기준
|
|
코사인채널
과 사인채널
|
50 Hz
|
0.2
|
0.2
|
0.2
|
0.4
|
0.3
|
이득편차
± 1dB
|
|
100 Hz
|
0.2
|
0.3
|
0.2
|
0.3
|
0.4
|
|
200 Hz
|
0.2
|
0.3
|
0.3
|
0.4
|
0.3
|
|
350 Hz
|
0.2
|
0.3
|
0.2
|
0.3
|
0.4
|
|
600 Hz
|
0.2
|
0.3
|
0.2
|
0.3
|
0.3
|
|
1 kHz
|
0.2
|
0.2
|
0.2
|
0.1
|
0.2
|
|
2 kHz
|
0.1
|
0.1
|
0.1
|
0.2
|
0.3
|
|
방향성채널
과
전방향채널
|
50 Hz
|
0.5
|
1.0
|
0.5
|
2.5
|
3.1
|
이득편차
± 5dB
|
|
100 Hz
|
1.0
|
0.8
|
1.0
|
3.0
|
2.1
|
|
200 Hz
|
1.0
|
1.1
|
1.0
|
3.2
|
2.3
|
|
350 Hz
|
0.6
|
1.1
|
0.6
|
3.2
|
2.6
|
|
600 Hz
|
0.3
|
1.5
|
0.3
|
2.5
|
3.1
|
|
1 kHz
|
0.4
|
1.3
|
0.2
|
2.1
|
3.1
|
|
2 kHz
|
0.5
|
0.4
|
0.6
|
2.5
|
3.5
|
Table 3. Test of phase performance
|
Test
|
#1
|
#2
|
#3
|
#4
|
#5
|
기준
|
|
코사인채널과 사인채널
|
50 Hz
|
5.1
|
3.1
|
4.5
|
335
|
4.5
|
위상편차
± 15°
|
|
100 Hz
|
3.3
|
2.2
|
2.1
|
2.1
|
2.1
|
|
200 Hz
|
2.5
|
3.0
|
0.5
|
3.2
|
0.5
|
|
350 Hz
|
3.5
|
1.3
|
1.1
|
0.7
|
1.1
|
|
600 Hz
|
2.4
|
4.3
|
1.7
|
1.8
|
1.5
|
|
1 kHz
|
2.3
|
3.5
|
3.2
|
5.2
|
3.1
|
|
2 kHz
|
3.5
|
5.2
|
4.5
|
8.1
|
4.5
|
|
방향성채널
과 전방향채널
|
50 Hz
|
9.7
|
4.5
|
5.4
|
7.1
|
5.5
|
위상편차
± 20°
|
|
100 Hz
|
8.2
|
3.5
|
5.1
|
9.3
|
5.1
|
|
200 Hz
|
12.2
|
1.3
|
6.3
|
13.4
|
6.2
|
|
350 Hz
|
6.1
|
4.5
|
8.3
|
12.1
|
8.3
|
|
600 Hz
|
6.2
|
8.5
|
7.5
|
9.4
|
7.3
|
|
1 kHz
|
8.0
|
7.4
|
11.1
|
5.3
|
11.1
|
|
2 kHz
|
7.2
|
7.3
|
9.0
|
7.5
|
9.0
|
Table 4. Test of direction accuracy
|
Test
|
#1
|
#2
|
#3
|
#4
|
#5
|
오차 범위
|
|
45°
|
46°
|
45°
|
47
|
43°
|
46°
|
± 10°
|
|
135°
|
133°
|
137°
|
134°
|
135°
|
136°
|
|
225°
|
226°
|
223°
|
225°
|
228°
|
227°
|
|
315°
|
316°
|
314°
|
317
|
315°
|
317°
|
Table 5. Test of AGC performance
|
Test
|
#1
|
#2
|
#3
|
#4
|
#5
|
성능기준
|
|
AGC ON
|
6.2
|
6.3
|
6.1
|
6.2
|
6.1
|
AGC 6dB 증가
|
|
AGC OFF
|
복귀
|
복귀
|
복귀
|
복귀
|
복귀
|
AGC 복귀
|
그림 8은 지터특성을 개선한 해양 IT센서의 방향성을 시험한 결과로써, 데드존의 영향으로 인한 지터특성을 개선하여 수신신호의 찌그러짐이 없이 양호한 결과를
얻을 수 있었다.
4. 결 론
본 논문에서는 해양 모니터링시스템의 핵심 장치인 지터특성을 개선한 적응이득제어방식의 해양 IT센서를 개발하였다. 또한 악조건의 해양환경에서 주변잡음을
고려한 적응 해양 IT센서의 신뢰성과 성능을 검증하기 위하여 시험장치를 개발하여 성능 시험을 수행하였고, 성능 기준을 충족하는 결과를 입증하였다.
본 연구의 결과로 해양시스템용 IT센서의 개발 및 평가기술이 발전하는 계기가 될 것으로 예상되며, 향후에는 이러한 해양 모니터링 기술과 해양산업 발전에
기여할 것으로 전망된다.
Acknowledgements
본 논문은 2020학년도 김포대학교 연구비 지원에 의하여 연구되었음.
References
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Gao J. , Shen X. , Wang H. , 2017, "A hybrid localization algorithm for multi-hop
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Luo J. , Fan L. , Wu. S. , Yan X. , 2018, Research on localization algorithms based
on acoustic communication for underwater sensor networks, Sensors, Vol. 18, No. 2,
pp. 67
Military Specification MIL-S-81487E(AS), Naval Air Engineering Center
Biography
He received the B.S., M.S., and Ph.D. degrees in Electronic Engineering from Hanyang
University, Korea, in 1988, 1990 and 2003, respectively.
Since 1996, he has been an Professor with the Department of Avionic Electrical Engineering,
Kimpo University, kyeonggi, Korea. Currently he is a Professor of Kimpo University
and Professional Engineer.
His research interests include smartfactory, industrial-machine automation and unmanned
aerial vehicle (UAV) trol.