파라메트릭 배열 기반 초음파 시스템 개발 및 응용

Abstract

본 논문에서는 파라메트릭 배열 현상을 이용한 고지향 음향 시스템 설계 및 고지향 통신, 지형조사 그리고 지향성 스피커의 응용 분야에 대하여 각 시스템을 설계하고 성능 향상을 위한 알고리즘을 적용하여 실험을 통해 검증하였다. 파라메트릭 배열기반 음향 시스템 설계를 위해 비선형이 고려된 SONAR 모델을 소개하고 시스템의 송신음압감도와 음원준위와의 관계 그리고 수신음압감도와 음원준위와의 관계로부터 시스템의 이론적인 성능 예측 방법을 정리하였다. 고지향 통신 시스템의 전송률 향상을 위해 파라메트릭 배열의 QPSK 방식과 다중사용자 환경을 고려한 주파수 분할 방식을 적용한 통신 시스템을 제안 후 실험을 통해 검증하였다. 제안된 통신 시스템은 LabView를 기반으로 프로그래밍 하였으며 MSI사의 F82 파라메트릭 트랜스듀서와 DAQ 보드(USB-6361, NI)를 이용하여 구현하였다. 파라메트릭 배열 현상을 이용한 탐지 시스템의 탐지 성능 향상을 위해 파라메트릭 배열 Chirp 신호의 대역 확장 기법과 다중 대역을 이용한 탐지 알고리즘을 제안 후 공중용, 수조 및 해상실험을 통해 검증하였다. 공중용 지층탐지 시스템은 TR-2436/150(MASSA) 초음파 트랜스듀서 배열(8x2)과 PXI-6259(NI)를 이용하여 구현 후 잠수함 모형 및 스테인레스 파이프 탐지 실험을 수행하였다. 해저지층탐사 시스템은 BII-7541(Benthowave) 파라메트릭 트랜스듀서 배열과 DSP 등을 이용하여 구현 후 2차원 수조 실험 및 실해역 실험을 수행하였다. 또한 수조실험 및 실해역 실험 결과와 시스템의 수신음압감도를 적용하여 파라메트릭 배열 성분의 초기 음원준위(SL)를 추정 및 요구되는 1차 주파수의 음원준위(SL)와 송신전압을 예측하였다. 마지막으로 파라메트릭 배열 기반 지향성 음향 시스템의 빔 조향을 위해 VSB(Vestgial Side Band)변조 기반의 디지털 Beam-steering 시스템을 설계하였다. 제안된 시스템의 성능 평가를 위해 강당에서 전파 특성, 빔 패턴 그리고 빔 조향 실험을 수행하였다.