1. 서 론

해양 플랜트를 비롯한 해양구조물에 적용되는 무선센서네트워크 기술은 해양에서 오염의 발견, 데이터 수집, 자원 탐사, 재해예방, 모니터링 및 감시와 같은 해양산업의 여러 분야에서 응용되고 있다. 한편, 해양 IT시스템의 활용범위를 다양화하는데 있어서 센서네크워크 체계를 해양의 모니터링에 적용하는 것이 해양 모니터링시스템이다. 특히, 수중 환경에서는 무선 신호의 감쇠로 인해 GPS를 사용하여 센서 노드를 찾을 수 없기 때문에 수중 무선센서네트워크에서는 음향 통신 방법을 사용하여 소스와 대상 간에 데이터를 송수신 한다^[1].

그러나 수중의 음향 성분이 불규칙하고 해석이 복잡한 주변소음과 비주기적 불특정 외란이 동시에 발생하는 수중 환경에서 데드존과 같은 예측 불가능한 비선형적 원인에 의해 부가하여 발생하는 잡음으로 인해 수중에서 정확한 위치 결정은 더욱 어려워지고 있다^[2].

센서 네트워크 시스템의 산업적 이용 중에서, 해양에서의 데이터 전송과 해상과 수중의 네트워크를 구성하는 해양 모니터링 시스템은 Fig. 1과 같이 이루어진다. 이러한 해양 모니터링 시스템은 해양 환경을 관측하고 고신뢰도의 해양 센서네트워크의 활용을 가능하게 하는 중요 기술이다^[3].

센서 네트워크 시스템의 산업적 이용 중에서, 해양에서의 데이터 전송과 해상과 수중의 네트워크를 구성하는 해양 모니터링 시스템은 Fig. 1과 같이 이루어진다. 이러한 해양 모니터링 시스템은 해양 환경을 관측하고 고신뢰도의 해양 센서네트워크의 활용을 가능하게 하는 중요 기술이다^[4].

Fig. 1. Environment of Marine monitoring system

본 연구에서는 해양플랜트와 같은 해양구조물에 적용되는 해양 모니터링시스템의 정확한 위치탐지를 위하여 새로운 해양 모니터링 ICT센서를 개발하였다. 개발된 해양 ICT센서는 응답특성을 개선하기 위하여 프로세싱 파라미터를 가변시키는 가변이득 증폭기(VGA:Variable Gain Amplifier) 방식의 자동이득 제어기(AGC:Automatic Gain Controller)를 설계하여 음향감지 성능과 감지 시간을 개선 시켰다. 또한 응답성능을 개선한 해양플랜트용 ICT 센서는 음향신호가 미소하게 감지되어 데드존에 존재할 때 음향신호를 증폭 제어하여 감지된 신호의 위치탐지 성능을 향상시켰다. 이것은 주변잡음이 존재하는 해양플랜트 설치수역에서 우수한 탐지성능을 보여준다. 시제품을 제작하여 해양플랜트용 ICT센서의 성능을 평가하였고, 그 평가결과를 분석하여 개발된 해양 ICT센서의 우수성을 입증하였다.

2. 관련이론

해양 ICT센서는 수중 음향을 감지하여 음향이 발생한 음원의 방위를 탐지하기 위하여 동작한다. 음향이 입력되는 방향에 따라 음향신호의 크기를 측정하여 방위각을 추정하는 두쌍의 지향성(directional) 센서와 전체 방향에서 동일한 특성을 갖으며 음원 방위각의 사분면을 결정하는 한 개의 무지향성(omni directional) 센서로 구성된다.

지향성 센서는 하이드로폰에 전달된 음원을 탐지하는 기능을 수행하고, 방향성 센서는 압전센서 4개로 구성되어 있으며 상호 마주 보고 있는 2개의 센서를 커플링하여 “사인(sine)센서와 코사인(cosine)센서”로 이루어진다. 해양 ICT 센서가 수중에 분포되어 있으면 코사인센서는 자북(magnetic north)위치와 위상 ø만큼을 구성하고, 이 위상은 해양 ICT 센서 내부의 자기탐지회로 센서(flux gate sensor)가 감지한다.

해양 ICT센서에 음향이 탐지되면 Fig. 2와 같이 동작하고, 이때 음원의 입사각 θ는 식(1)과 같다^[5].

음향의 신호처리 시스템에서 일정한 신호를 입력하면 그에 따라 출력이 발생한다. 그러나 입력신호의 크기가 미소하게 감지되면 특정 값 이하에서는 출력에 어떠한 신호도 발생하지 않는 대역에 도달한다. 즉, 출력의 상태 값이 발생하지 않는 특정범위인 데드존이 존재한다. 데드존 특성은 Fig. 3과 같이 d, m>0 일 때 Fig. 3과 같이 표현되고 여기서 m은 데드존 양쪽의 기울기를 나타내고, v는 출력을, –d～d는 데드존의 폭을 나타낸다.

데드존 특성에 의해 발생한 불감대 응답으로 인해 출력신호가 원 신호에 비해 편차가 발생하여 정확한 위치 값을 파악하는데 장애요인이 되고 있다.

Fig. 2. Directional measurement

Fig. 3. Marine ICT sensor characteristics with Deadzone

3.VGA방식 해양플랜트용 ICT 센서의 개발

3.1 센서의 설계

해양 ICT센서가 수중에서 음원의 방위와 세기를 감지하게 되면 내부의 다중화 신호처리 회로에서 신호를 다중화시켜 해양 ICT센서의 연결선을 따라 해수면의 해상전자장치(UEU : Up Electronic circuit Unit)에 전달한다. 이때 해상전자장치는 전달된 음향과 방위각 데이터를 주파수 변조하여 부표에 장착된 안테나를 통하여 항공기 또는 해안 기지국의 수신 안테나로 전송한다. 수신된 신호는 이를 다시 역다중화 시켜 음향과 방위각 정보를 탐지하게 된다.

해양 ICT센서의 VGA방식의 AGC는 무지향성 센서와 지향성 센서로 부터 발생된 신호를 Fig. 4과 같이 증폭하고 다중화하여 신호 송출부로 송신한다.

Fig. 4. Signal processing circuit of sonobuy

응답특성을 개선한 AGC는 표적물체의 실제 음향이 미약하거나 주변소음 보다 미소하게 다중 신호처리 회로에 입력될 때, 신호의 크기를 증폭하여 표적신호를 신속하게 포착하는 기능을 한다. 이 기능은 해양플랜트 및 잡음 발생원이 산재하여 잡음이 심한 연안해역에서 우수한 성능을 수행한다.

AGC의 기능은 미소신호가 30초 이상 연속적으로 입력될 때, 출력 레벨을 6dB 증가시켜 주파수변조 신호가 감지되도록 한다. 이후에 레벨 복귀상태가 30초 이상 지속되면 신호 레벨을 원래대로 복귀시킨다.

즉, 해양 ICT센서는 수중의 주위잡음 보다 큰 신호를 신호처리를 통하여 포화 출력이 발생하기 직전의 신호레벨까지 증폭시켜 안정한 신호감지를 가능하게 한다. VGA 방식의 AGC의 출력특성은 Fig. 5와 같이 양자화 과정과 포화과정으.로 나타나며 양자화 처리과정에서는 주파수 편차에 따라서 양자화 레벨을 3 단계로 구분하여 양자화 기능을 수행한다. VGA의 이득 제어 특성으로부터 샘플링된 테이터를 이용하여 주파수 편차 신호에 따라 선형성을 갖도록 AGC 이득을 제어한다.

즉, R=1 : ( fe ≤ │fD│), R=3 : ( fe ≤│3fD│), R=5 : (fe≤│5fD│) 일 때, 각각 이득이 가변형으로 양자화 되도록 설계하여 신속하게 포화상태의 신호를 발생시켜 응답시간을 감소시킨다.

Fig. 5. Quantization process of AGC

이러한 동작과정을 통하여 수중의 음향을 신속하게 감지하여 음향이 발생한 음원 물체의 방위와 이격거리를 탐지하는 해양 ICT센서를 Fig. 6과 같이 개발하였다.

Fig. 6. Prototype of marine monitoring ICT Sensor for Marine Plant

개발한 해양 ICT센서의 성능검증을 위해 국제규격에 따른 성능 목표는 Table 1과 같이 제시된다.

Table 1. Performance standards of the marine ICT sensor

Evaluation items	Performance standards
Gain	- Cosine and sine channel Gain deviation : ±1dB - Directional and omni directional channel Gain deviation : ±5dB
Phase	- Cosine and sine channel Phase deviation : ±15° - Directional and omni directional channel Phase deviation : ±20°
Bearing accuracy	- Rotation angle 90° change Bearing accuracy : ±10°
AGC	- AGC ON(gain 6dB increase) - AGC OFF(gain return)

3.2 센서의 성능평가

응답특성을 개선한 해양 ICT센서의 성능을 평가하기 위하여, 국제규격에 따른 성능 목표를 만족하도록 Fig. 7과 같이 신호발생기, 신호분석기, RF 수신기, 음향분석기, 변조분석기를 이용하여 시험측정시스템을 자체 제작하였으며 이를 이용하여 이득, 위상, 방위정확도, AGC 기능을 측정하였다.

이득 측정을 위해 해양 ICT센서에 음향신호를 인가 할 때 출력되는 해당 레벨 값을 코사인 센서와 사인 센서, 무지향성 채널에 음향신호 발생기를 이용하여 인가하여 수신신호의 세기를 측정하였고 그 결과 요구성능에 부합되는지를 평가하였다.

또한, 위상 성능을 측정하기 위해 해양 ICT센서에 지향성 채널의 위상차 값에 해당하는 신호를 코사인 센서와 사인 센서, 무지향성 채널 인가하여, 코사인 센서와 사인 센서, 무지향성 채널의 수신위상을 측정하여 요구성능에 부합하는지를 평가하였다.

그리고 방위 정확도를 측정하기 위하여 AGC의 Y축을 자북과 일치시키고 무지향성 채널, 사인 센서, 코사인 센서에 음향신호 발생기를 이용하여 주파수별 신호 레벨 및 위상 편차를 인가하고 신호분석장치가 지시하는 방위를 45°씩 증가시키면서 신호분석장치에 방위지시 각도가 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315° 를 지시하는지 확인하였다.

AGC 기능을 측정하기 위하여 AGC ON 기능과 AGC OFF 기능을 구분하여 시험하였다. 신호발생기의 주파수를 100Hz로 설정하고 AGC 회로의 각 채널에 VHF 반송파 편이가 생성 되도록 신호레벨을 조정하고 인가하였다. Demux된 신호의 무지향성 신호 레벨을 Audio Spectrum으로 측정하고 신호레벨이 VHF 반송파 편이가 ± 75 kHz를 생성시키는 레벨보다 6dB 만큼 증가시켜 AGC 기능이 동작하도록 신호레벨을 조정하였다. Demux된 신호의 무지향성 신호레벨을 Audio Spectrum으로 측정하고, AGC 기능 동작 전후에 Demux된 신호의 무지향성 신호를 측정하고 비교하여 이득이 6dB 감소하였는지를 확인하였다.

해양 ICT센서의 성능 평가를 Table 1의 성능기준에 따라 실행 하였으며, 측정결과는 Table 2∼Table 5와 같이 성능기준을 만족하고 있음을 확인하였다.

Table 2와 같이 사인과 코사인 센서, 지향성과 무지향성 채널에 대해 이득을 측정하여 표준에 적합한 결과를 얻을 수 있었다. 그리고 Table 3과 같이 사인과 코사인 센서, 지향성과 무지향성 채널에 대해 위상 성능을 측정하여 표준을 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. Table 4와 같이 방위 정확도를 측정하여 표준을 만족하는 결과를 얻을 수 있었고, Table 5와 같이 AGC 기능을 측정한 결과 AGC 기능이 ON일 때 이득이 6dB 증가되고 AGC 기능이 OFF일 때 이득이 리셋되는 결과를 얻을 수 있었다.

Fig. 7. Performance evaluation of marine monitoring system

Table 2. Evaluation results of gain performance

Test		#1	#2	#3	#4	#5	standards
Cosine and sine channel	50 Hz	0.2	0.2	0.2	0.1	0.3	Gain deviation ± 1dB
	100Hz	0.2	0.3	0.2	0.2	0.3
	200Hz	0.2	0.3	0.3	0.3	0.3
	350Hz	0.2	0.3	0.2	0.3	0.2
	600Hz	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
Directional and omni directional channel	50 Hz	0.5	1.0	1.5	2.1	2.3	Gain deviation ± 5dB
	100Hz	1.0	0.8	1.0	3.0	2.1
	200Hz	1.0	1.1	1.0	2.2	2.3
	350Hz	0.6	1.1	0.6	2.2	2.6
	600Hz	0.3	1.5	0.3	2.5	2.1
	1 kHz	0.4	1.3	0.2	2.1	2.1
	2 kHz	0.5	0.4	0.6	2.5	2.5

Table 3. Evaluation results of phase performance

Test		#1	#2	#3	#4	#5	standards
Cosine and sine channel	50 Hz	4.1	3.1	4.5	3.7	4.5	Phase deviation ± 15°
	100 Hz	3.3	2.2	2.5	2.3	2.5
	200 Hz	2.5	3.0	2.5	3.2	2.5
	350 Hz	3.5	1.5	2.0	1.5	1.2
	600 Hz	2.5	4.0	3.5	2.5	1.5
	1 kHz	2.5	3.5	3.5	4.0	3.2
	2 kHz	3.5	4.0	4.5	6.0	3.5
Directional and omni-directional channel	50 Hz	9.5	4.5	5.0	7.0	5.0	Phase deviation ± 20°
	100 Hz	8.0	4.5	5.0	7.5	5.0
	200 Hz	8.5	2.5	7.0	9.0	7.0
	350 Hz	6.0	5.5	8.5	9.5	8.0
	600 Hz	6.0	8.0	7.5	9.0	7.0
	1 kHz	8.0	7.0	10.5	5.5	10.0
	2 kHz	8.5	7.0	9.0	6.5	8.0

Table 4. Evaluation results of Bearing accuracy

Test	#1	#2	#3	#4	#5	standards
45°	48°	45°	44°	43°	46°	Bearing accuracy ± 10°
135°	133°	138°	132°	137°	136°
225°	222°	227°	226°	223°	228°
315°	313°	313°	315	314°	318°

Table 5. Evaluation results of AGC performance

AGC Test	#1	#2	#3	#4	#5	standards
AGC ON	6.2	5.9	6.0	6.1	5.8	AGC 6dB Increase
AGC OFF	OK	OK	OK	OK	OK	AGC Return

Fig. 8은 응답성능을 향상시킨 해양 ICT센서의 방향성 기능을 측정한 결과로써, 프로세싱 파라미터를 가변시키는 가변이득 증폭기 형태인 VGA방식의 AGC 기능에 의해 데드존의 영향을 최소화하여 불감대 응답을 개선시켜 수신신호의 왜곡 없이 신속하게 응답특성을 향상시킨 양호한 성능결과를 얻을 수 있었다.

Fig. 8. Evaluation results of response performance

4. 결 론

해양 모니터링시스템의 중요 기능을 수행하는 해양 모니터링 ICT센서는 수중에서 음향 감지용 ICT센서를 이용하여 수중의 음향을 수신하여 발생신호의 크기와 방향을 감지하는 기능을 수행한다. 해양의 모니터링에 있어서 ICT센서를 이용한 신속하고 정확한 위치정보 데이터는 수중에서 음원의 위치를 탐지하는데 매우 중요한 성분이다.

본 논문에서는 해양 플랜트와 같은 해양구조물에 적용되는 해양 모니터링시스템의 중요 장치인 해양 ICT센서를 VGA방식의 AGC를 설계하여 개발하였다. 또한 악조건의 해양환경에서 주위 잡음과 데드존과 같은 비선형 특성에 적응하여 동작하는 해양 ICT센서의 성능을 확인하기 위해 시험장치를 제작하여 이득, 위상, 방위 정확도, AGC 성능을 검증하였으며 그 결과 성능 기준을 만족하는 평가 결과를 확인하였다.

본 연구의 결과로 해양플랜트용 ICT센서의 개발 및 품질관리와 시험평가 기술이 한층 발전할 것으로 전망되며, 향후에는 더욱 고성능의 신뢰성을 갖춘 해양 센서의 개발에 활용되고 이러한 해양 모니터링 기술이 수중통신 기술에 적용되고 미래의 통신 기술인 IIoT(Industry IoT)로 발전되어 해양산업 기술발전에 기여할 것으로 기대된다.