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다중 주파수 재생을 위한 광대역 수중 음향 신호 증폭기 설계 연구
A study on wideband underwater acoustic signal amplifier design for generating multi-frequency 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.36 no.3, 2017년, pp.179 - 185  

이동훈 (부산대학교 전자공학과) ,  유승진 (국방과학연구소) ,  김형문 (국방과학연구소) ,  김형남 (부산대학교 전자공학과)

초록
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본 논문에서는 수중에서 운용하는 임베디드 능동 음향탐지 시스템에 적용하기 위한 광대역 송신 전력 증폭기 설계/제작/시험 과정에서 발생된 문제를 분석하고 해결방안을 제시한다. 최근 수중음향 분야에서도 탐지 성능을 향상시키기 위해 광대역 소나(Sound Navigation and Ranging, SONAR) 신호처리 연구가 진행되고 있으며 이를 위한 광대역 수중음향 송수신 장치 개발이 이루어지고 있다. 본 논문에서는 임베디드 시스템 특성상 복잡하지 않고 구현이 간단한 2 레벨 톱니파 형태의 Class D 급 PWM(Pulse Width Modulation) 신호 생성 방식을 사용하여 광대역 수중음향 신호를 생성한 이후에, 송신 증폭기를 통하여 다양한 형태의 송신 파형을 재생하고 수중에서 실험을 하는 과정에서 두가지 이상의 주파수를 가진 소나 신호를 동시에 재생한 경우, 원신호에 두 신호의 주파수 차의 정수배만큼 더해진 기생 주파수가 나타나는 현상이 발생하여 원하지 않은 송신 음원이 재생되는 문제가 있음을 발견하였다. 이러한 문제점의 원인을 분석하기 위해 MATLAB 및 Simulink를 이용하여 송신 하드웨어 및 PWM 제어 과정을 모델링하고 시뮬레이션 하였으며, 시뮬레이션을 통해 문제점을 재현하고 해결방안을 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The problem that occurred in the design/fabrication/testing of the wideband transmitting power amplifier for an embedded active SONAR (Sound Navigation and Ranging) system operating underwater was analyzed and the solution of the problem was proposed in this paper. Wideband acoustic SONAR systems ha...

주제어

#임베디드 능동 음향탐지 시스템   #수중음향   #광대역 송신 증폭기  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 10 (MATLAB 사용)에서와 같이 시뮬레이션 결과에서도 기생 주파수 문제가 존재함을 확인하였다. 따라서 기생 주파수 문제는 실제 송신 전력 증폭기의 제작과정에서 회로에 사용된 소자의 자체적 결함이나 환경적 영향으로부터 초래한 것이 아님을 확인하였으며, 스위칭 구동 방식의 문제로 초래된 것이라 추론하고 다양한 구동방식에 변화를 주어 문제를 해결하고자 하였다.
  • 그러나 수중 음향 트랜스듀서를 사용하는 광대역 다중 주파수 송신에서는 송신한 두 신호의 주파수 차의 정수배만큼 더해진 기생 주파수가 나타나는 현상을 발견하였다. 본 논문에서는 기생 주파수의 원인을 파악하고 분석하였으며, 삼각파 형태의 PWM 구동 방식을 사용함으로써 기생 주파수 성분을 제거할 수 있는 해결방안을 제시하였다. 삼각파를 사용한 PWM 신호는 대칭인 반면, 톱니파는 비대칭이기 때문에 기생주파수가 발생되는 것으로 추정되며, 추후 추가적인 연구를 통해 기생 주파수 문제를 이론적으로 분석하고 삼각파 구동 방식의 문제 해결 타당성을 검증할 예정이다.
  • 추가적인 원인으로 송신용 트랜스듀서와 연동성 오류를 고려해 볼 수 있다. 본 논문에서는 이러한 문제 해결을 위한 방법으로서, 기생 주파수 문제가 전력 증폭기가 아닌 센서와의 연동 과정에서 초래된 것인지 알아보기 위해 우선적으로 센서의 전기적 등가 모델로 제작한 더미로드를 이용하여 추가 실험을 하였다. 참고로, 더미로드는 센서 설계단계에서 계산된 등가회로로 제작되었으며 Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
PWM 방식이 광대역 송수신 시스템에 적합한 이유는? 이전까지의 임베디드형 소형 수중운동체에 사용되는 능동 소나 시스템은 주로 협대역으로 처리하였기 때문에 증폭기 제어를 위상제어(phase control) 방식으로 사용하였는데, 이 방식은 저속 스위칭에 적합하고 비교적 구현이 간단하지만 고조파 성분이 많아 광대역 영역에서는 사용이 적합하지 않다.[8] 반면, 고속 스위칭이 필요한 PWM (Pulse Width Modulation) 방식은 고조파(harmonics) 성분이 적어 광대역 송수신 시스템에 적합하다.[8,9] 따라서 본 논문에서는 광대역 신호를 생성하기 위해 Fig.
복합형태의 신호는 어떤 특징을 가졌는가? 수중 음향환경에서 수중운동체를 탐지하는 방법으로 음향신호 송신을 통한 능동 탐지기법을 주로 사용하며, 원거리 탐지 및 탐지 성능 향상을 위하여 복합형태의 신호를 고음압으로 재생할 수 있는 시스템을 개발하고 있다.[1-5] 복합형태의 신호는 한 번에 다양한 형태의 수중음향 신호를 사용하여 송수신함으로써 탐지를 위한 정보를 더 많이 얻을 수 있기 때문에 최근에 이러한 복합형태의 신호를 사용하기 위해서 광대역 음향 센서 연구 및 광대역 송수신 시스템 개발이 진행되고 있다.[5-7]
송신주파수의 파형과 관련된 소프트웨어와 하드웨어 항목은 대표적으로 무엇이 있는가? 송신주파수의 파형에 관련된 소프트웨어와 하드웨어 항목은 크게 두 가지가 있다. PWM 제어의 정확성과 출력부 필터의 스위칭 주파수 필터링 회로이다. 구현된 신호생성 하드웨어와 동일한 정밀도 및 이상적인 PWM 제어 과정을 모델링하고 그 결과를 확인하는 방법으로 MATLAB을 사용하였으며, 출력 필터는 등가회로로 모델링하고, 더미로드와 동일한출력 임피던스로 모사하였다.
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참고문헌 (9)

  1. S. C. Butler and F. A. Tito. "A broadband hybrid magnetostrictive/ piezoelectric transducer array," Oceans 2000 MTS/IEEE Conference and Exhibition. 3, 1469-1475 (2000). 

  2. M. P. Hayes, P. J. Barclay, P. T. Gough, and H. J. Callow, "Test results from a multi-frequency bathymetric synthetic aperture sonar," OCEANS, 2001. MTS/ IEEE Conference and Exhibition. 1682-1688 (2001). 

  3. P. Chapman, D. Wills, G. Brookes, and P. Stevens, "Visualizing underwater environments using multifrequency sonar," IEEE Computer Graphics and Applications. 19, 61-65 (1999). 

    상세보기

  4. K. H. Kim, D. S. Cho, and J. C. Kim. "High frequency acoustic scattering analysis of underwater target" (in Korean), Journal of the Society of Naval Architects of Korea 42, 528-533 (2005). 

    원문보기 상세보기 crossref

  5. J. W. Shin, W. J. Kim, D. W. Do, D. H. Lee, and H. N. Kim. "Fast wideband active detection and doppler estimation using the extended replica of an HFM pulse in active SONAR systems" (in Korean), Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers 51, 11-19 (2014). 

  6. X. Song, P. Willet, and S. Zhou, "Range bias modeling for hyperbolic-frequency-modulated waveforms in target tracking," IEEE Journal of Oceanic Engineering, 37, 670-679 (2012). 

    상세보기 crossref

  7. Y. Doisy, L. Deruaz, S. P. vanljsselmuide, and S. P. Beerens, "Reverberation suppression using wideband doppler-sensitive pulses," IEEE Journal of Oceanic Engineering, 33, 419-433 (2008). 

    상세보기 crossref

  8. D. H. Jang, G. H. Choe, and M. Ehsani, "Asymmetrical PWM technique with harmonic elimination and power factor control in AC choppers," IEEE Transactions on Power Electronics, 10, 175-184 (1995). 

    상세보기 crossref

  9. B. G. Cho, H. C. Jin, and K. W. Lee, "Real-time implementation of variable-frequency sinusoidal PWM with harmonics suppressing characteristics" (in Korean), The Transaction of the Korean Institute of Electrical Engineers 1071-1073 (1992). 

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