KR101117760B1 - 3-d ultrasonics revision method for submarine topography exploration - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 해저지형탐사를 위한 3차원 음속보정방법에 관한 것으로, 특히 수심 깊이에 따라 음파가 굴절되고, 수심 깊이에 따라 음속이 달라지는 것을 이용하여 송수파기로부터 투사되는 음파가 해저면에 도달된 지점을 정확하게 측정할 수 있도록 한 해저지형탐사를 위한 3차원 음속보정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a three-dimensional sound speed correction method for the exploration of the seabed topography, in particular, the point where the sound wave projected from the transceiver to reach the sea floor by using the sound wave is refracted according to the depth of the water, the sound speed varies depending on the depth of the water The present invention relates to a three-dimensional sound velocity correction method for underwater topography that can be measured accurately.
일반적으로, 해저지형도를 작성하기 위해서 관측플랫폼에 송수파기를 설치하고, 송수파기로부터 음파, 예컨대 초음파를 해저면으로 투사하여 되돌아 오는 시간을 측정함으로써, 해저면까지의 깊이를 측정한다. 이러한 과정을 반복함으로써 해저지형도를 작성하는 것이 일반적이다. In general, in order to prepare a seabed topography, a wave receiver is installed on an observation platform, and the depth to the sea bottom is measured by measuring the time for the sound wave, for example, the ultrasonic wave, to return to the sea bottom. It is common to create a seabed topography by repeating this process.
그러나, 해저수심의 깊이에 따라 밀도, 수온 등이 변하여 음파의 속도가 가변된다. 또한, 해저 수심의 깊이에 따라서 음파가 굴절되는 현상이 발생된다. 마치 밀도가 다른 두 매질을 빛이 통과할 때, 그 경계면에 굴절이 이루어지는 것처럼, 수심층의 깊이에 따라서 음파가 굴절되는 현상이 발생된다. However, the speed of sound waves is varied by changing the density, water temperature, etc. according to the depth of the seabed. In addition, a phenomenon in which sound waves are refracted occurs depending on the depth of the sea floor. As light passes through two media having different densities, sound waves are refracted according to the depth of the depth layer, as if refraction occurs at the interface.
따라서, 종래 해저지형도를 작성할 때 음파가 직진하여 해저면에 도달하는 것으로 계산하므로, 실제 음파가 해저면에 도달한 지점은 실제와 다르게 된다. 따라서, 보다 정확한 해저지형도를 작성하기 위해서 음속을 보정하는 방법에 대한 요구가 있다. Therefore, since the sound waves go straight and reach the sea bottom when the conventional seabed topography is created, the point where the actual sound waves reach the sea bottom is different from the actual state. Therefore, there is a need for a method of correcting sound velocity in order to create a more accurate seabed topography.
본 발명은 상술한 바와 같은 사항을 고려하여 안출된 것으로, 수심에 따라 음파가 굴절하는 현상을 반영하여 송수파기로부터 투사된 음파가 해저면에 도달하는 지점을 정확하게 계산할 수 있도록 한 해저지형탐사를 위한 3차원 음속보정방법을 제공함을 그 목적으로 한다. The present invention was conceived in consideration of the above-described matters, and reflects the phenomenon that the sound waves are deflected according to the depth of the water, so that it is possible to accurately calculate the point where the sound wave projected from the transceiver reaches the sea bottom. Its purpose is to provide a dimensional sound speed correction method.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3차원 음속보정방법은, 관측플랫폼의 위치좌표를 이용하여 송수파기의 3차원 위치를 결정하는 송수파기 위치 및 자세 결정단계; 수심의 깊이에 따라 임의의 개수로 수심층을 분할하고, 상기 위치결정된 송수파기로부터 투사되는 음파가 상기 각 수심층을 경유할 때 굴절되는 것을 고려하여 최종적으로 도달하는 수심층을 산출하는 도달수심층 결정단계; 상기 송수파기로부터 해저면을 향하여 수직으로 연장한 가상선과, 상기 음파가 최종적으로 도달한 수심층에서 상기 음파가 상기 해저면으로부터 반사되는 지점과의 변위값을 산출하는 변위값 산출단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A three-dimensional sound speed correction method according to the present invention for achieving the above object, the position and attitude determination step of determining the three-dimensional position of the transceiver using the position coordinates of the observation platform; A depth-depth determination step of dividing the depth layer by an arbitrary number according to the depth of the depth, and calculating a final depth layer in consideration of refraction of sound waves projected from the positioned transceivers through each of the depth layers; And a displacement value calculating step of calculating a displacement value between an imaginary line extending vertically from the transceiver to the sea bottom and a point where the sound wave is reflected from the sea bottom in the depth layer where the sound wave finally reached. It is done.
또한, 상기 도달수심층 결정단계는, 위치결정된 상기 송수파기로부터 투사되는 음파가 최초 수심층으로 들어가는 입사각을 결정하는 초기입사각 산출단계; 상기 분할된 각 수심층에 따른 음속도를 제공하는 음속도 프로파일 및 상기 초기입사각을 이용하여 최초 수심층 이후의 각 수심층에서의 층별입사각을 계산하는 수심층별 입사각 결정단계; 상기 초기입사각 및 상기 층별입사각을 이용하여, 상기 최초 수심층 및 상기 최초 수심층 아래 존재하는 각 수심층에서 상기 음파가 진행한 거리를 산출하는 수심층별 거리산출단계; 상기 수심층별 거리산출단계에서 산출된 상기 음파의 진행거리 및 상기 각 수심층에서의 음속도를 이용하여 각 수심층을 통과할 때 소요되는 음파의 경과시간을 산출하는 경과시간 산출단계; 상기 음파가 상기 해저면에 반사되어 되돌아 오는 시간의 1/2 값과 상기 경과시간 산출단계에서 산출된 각 수심층에서의 경과시간을 누적한 누적경과시간을 비교하여 상기 음파가 도달한 최종 수심층을 결정하는 음파도달 수심층 결정단계;를 포함하는 것이 바람직하다. In addition, the depth-determination step of determining, the initial incident angle calculation step of determining the angle of incidence that the sound waves projected from the positional transceivers into the first depth layer; A depth-of-depth incident angle determining step of calculating a layer incident angle in each depth layer after the initial depth layer using a sound velocity profile providing the sound velocity according to each of the divided depth layers and the initial incident angle; Depth-based distance calculation step of calculating the distance traveled by the sound waves in the first depth layer and each depth layer existing below the first depth layer by using the initial incident angle and the layer-by-layer incident angle; An elapsed time calculating step of calculating an elapsed time of the sound wave required to pass through each depth layer by using the traveling distance of the sound waves calculated in the distance calculation step for each depth layer and the sound velocity in each depth layer; The final depth of the layer at which the sound wave reaches is determined by comparing the 1/2 value of the time when the sound wave is reflected back to the sea bottom and the cumulative elapsed time of accumulating the elapsed time at each depth layer calculated in the elapsed time calculating step. It is preferable to include; sonic wave depth depth determination step.
또한, 상기 음파도달 수심층 결정단계는, 상기 음파가 N-1번째 수심층까지 진행한 때 소요되는 제1 누적경과시간과, 상기 음파가 N번째 수심층까지 진행한 때 소요되는 제2 누적경과시간을 상기 1/2 값과 비교하여, 상기 1/2 값이 상기 제1,2 누적경과시간 사이에 존재하는 경우에 상기 음파는 N층에 도달한 것으로 판단하는 누적경과시간비교단계를 포함하는 것이 바람직하다. In addition, the sound wave reaching depth layer determining step, the first cumulative elapsed time required when the sound wave proceeds to the N-1th depth layer, and the second cumulative elapsed time required when the sound wave proceeds to the Nth depth layer; Compared with the 1/2 value, when the 1/2 value exists between the first and second cumulative elapsed times, the sound waves may include a cumulative elapsed time comparison step of determining that the sound waves have reached the N layer. .
또한, 상기 변위값 산출단계는, 위치결정된 상기 송수파기로부터 투사되는 음파가 최초 수심층으로 들어가는 입사각을 결정하는 초기입사각 산출단계; 상기 분할된 각 수심층에 따른 음속도를 제공하는 음속도 프로파일 및 상기 초기입사각을 이용하여 최초 수심층 이후의 각 수심층에서의 층별입사각을 계산하는 수심층별 입사각 결정단계; 상기 초기입사각 및 층별입사각과, 상기 각 수심층의 깊이를 이용하여 상기 각 수심층별로 상기 가상선으로부터 수직한 방향으로 이동한 변위값을 산출하여 누적하는 변위누적단계를 포함하는 것이 바람직하다. The displacement value calculating step may include: an initial incident angle calculation step of determining an incident angle at which the sound waves projected from the positioned transceivers enter the first depth layer; A depth-of-depth incident angle determining step of calculating a layer incident angle in each depth layer after the initial depth layer using a sound velocity profile providing the sound velocity according to each of the divided depth layers and the initial incident angle; It is preferable to include a displacement accumulation step of calculating and accumulating a displacement value moved in a vertical direction from the imaginary line for each depth layer by using the initial incident angle and the incident angle of each floor and the depth of each depth layer.
또한, 상기 변위값 산출단계는, 상기 초기 입사각 및 층별입사각과, 상기 수심층별 거리산출단계에게 산출된 수심층별 음파의 진행거리를 이용하여, 각 수심층별로 상기 가상선으로부터 수직한 방향으로 이동한 변위값을 산출하여 누적하는 변위누적단계를 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the displacement value calculating step, the displacement moved in the vertical direction from the imaginary line for each depth layer by using the initial incident angle and the incident angle of each floor, and the traveling distance of the sound waves for each depth layer calculated in the distance calculation step for each depth layer. It is preferable to include a displacement accumulation step of calculating and accumulating a value.
또한, 상기 변위누적단계는, 상기 도달수심층 결정단계에서 상기 음파가 도달한 수심층이 N번째 층이라 할 때, N-1번째 수심층까지의 변위값을 누적하는 제1 변위누적단계와, N번째 수심층에서의 잔여변위값을 계산하는 제2 변위누적단계를 포함하며, 상기 제2 변위누적단계의 상기 잔여변위값은, 상기 음파가 상기 해저면에 반사되어 되돌아 오는 시간의 1/2 값에서 상기 음파가 N-1번째 층까지 진행한 때 소요되는 제1 누적경과시간을 감하여 잔여시간을 산출하는 잔여시간 산출단계; 상기 음파가 상기 N번째 층에서 상기 잔여시간 동안 진행한 진행거리를 산출하는 잔여거리 산출단계; 상기 잔여거리 및 상기 N번째 층에서의 입사각을 이용하여 상기 N번째 수심층에서 상기 음파가 상기 가상선으로부터 수직한 방향으로 이동한 잔여변위값을 계산하는 잔여변위 산출단계;를 통하여 산출되는 것이 바람직하다.The displacement accumulation step may include a first displacement accumulation step and an Nth depth layer that accumulate displacement values to an N-1th depth layer when the depth layer reached by the sound wave in the determining depth reaches the Nth layer. And a second displacement accumulation step of calculating a residual displacement value at, wherein the residual displacement value of the second displacement accumulation step is the sound wave at a value of 1/2 of the time when the sound wave is reflected by the sea bottom and returns. A remaining time calculating step of calculating a remaining time by subtracting a first cumulative elapsed time required when the N-1th layer proceeds to the N-1th layer; A remaining distance calculating step of calculating a traveling distance of the sound wave during the remaining time in the Nth layer; And a residual displacement calculation step of calculating a residual displacement value of the sound wave moved in the vertical direction from the imaginary line in the Nth depth layer by using the residual distance and the incident angle in the Nth layer. .
또한, 상기 송수파기 위치 및 자세 결정단계에서는 상기 관측플랫폼의 요잉, 피칭, 롤링을 고려하는 것이 바람직하다. In addition, in the step of determining the position and attitude of the transmitter, it is preferable to consider yawing, pitching, and rolling of the observation platform.
또한, 상기 변위값과 상기 송수파기의 위치를 이용하여 해저표면의 좌표를 산출하는 해저표면 좌표산출단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. In addition, it is preferable to further include a sea surface coordinate calculation step of calculating the coordinates of the sea surface using the displacement value and the position of the transceiver.
본 발명에 따른 해저지형탐사를 위한 3차원 음속보정방법은, 수심깊이에 따라서 음파가 굴절하여 진행하는 것을 고려하므로 실제 음파가 해저면에 도달한 지점을 정확하게 산출하는 효과를 제공한다. The three-dimensional sound velocity correction method for exploration of the seabed terrain according to the present invention considers that the sound waves are refracted according to the depth of the water, and thus provides the effect of accurately calculating the point where the actual sound waves reach the sea floor.
도1은 본 발명 실시예에 따른 음속보정방법의 블럭도,
도2는 송수파기의 위치 및 자세를 3차원적으로 결정하는 과정을 개략적으로 보여주는 도면,
도3은 수심에 따른 음파의 진행경로를 개략적으로 도시한 도면,
도4는 도3의 요부를 발췌하여 도시한 도면이다.1 is a block diagram of a sound speed correction method according to an embodiment of the present invention;
2 is a diagram schematically illustrating a process of three-dimensionally determining a position and a posture of a transceiver;
3 is a diagram schematically showing a path of sound waves according to water depth;
4 is a diagram illustrating an essential part of FIG. 3;
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도1은 본 발명 실시예에 따른 음속보정방법의 블럭도이고, 도2는 송수파기의 위치 및 자세를 3차원적으로 결정하는 과정을 개략적으로 보여주는 도면이다. 도3은 수심에 따른 음파의 진행경로를 개략적으로 도시한 도면이고, 도4는 도3의 요부를 발췌하여 도시한 도면이다.1 is a block diagram of a sound speed correction method according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a process of three-dimensionally determining a position and a posture of a transceiver. FIG. 3 is a view schematically showing a path of sound waves depending on the depth, and FIG. 4 is a view illustrating main parts of FIG. 3.
먼저, 도1 및 도2을 참조하면, 본 발명 실시예에 따른 해저지형탐사를 위한 3차원 음속보정방법은, 송수파기 위치 및 자세 결정단계(S1), 도달수심층 결정단계(S2), 및 변위값 산출단계(S3)를 포함한다. First, referring to Figures 1 and 2, the three-dimensional sound speed correction method for the seabed terrain exploration according to an embodiment of the present invention, the position and attitude determination step (S1), reach depth layer determination step (S2), and displacement value A calculation step S3 is included.
상기 송수파기 위치 및 자세 결정단계(S1)는, 관측플랫폼(10)의 위치좌표를 이용하여 송수파기의 3차원 위치 및 자세를 결정하는 단계이다. 이때, 상기 관측플랫폼(10)의 요잉, 피칭, 롤링을 모두 고려하여 송수파기(20)의 위치와 자세를 3차원적으로 결정한다. 즉, 상기 송수파기(20)의 3차원 위치 및 자세는 관측플랫폼(10)의 3차원 위치 및 자세를 먼저 결정하고, 상기 관측플랫폼(10)에 대한 송수파기(20)의 상대위치를 조합하여 송수파기(20)의 3차원 위치 및 자세를 결정한다. 상기 송수파기(20)는 관측플랫폼(10)에 결합되어 해저면(30)을 향하여 음파를 투사한다. 상기 음파로는 초음파 등이 이용된다. The transceiver position and attitude determination step (S1) is a step of determining the three-dimensional position and attitude of the transceiver using the position coordinates of the observation platform (10). At this time, considering the yawing, pitching, and rolling of the
상기 도달수심층 결정단계(S2)는 수심의 깊이에 따라 임의의 개수로 수심층을 분할하고, 상기 위치결정된 송수파기(20)로부터 투사되는 음파가 각 수심층을 경유할 때 굴절되는 것을 고려한 후에, 최종적으로 도달하는 수심층을 결정하는 단계이다. 이때, 각 수심층 내에서 상기 음파는 직진하는 것으로 가정한다. The reaching depth layer determining step S2 divides the depth layer by an arbitrary number according to the depth of the depth, and finally considers that the sound waves projected from the positioned
도3 및 도4에 도시된 바와 같이, 각 수심층에서 상기 음파는 직진하는 것으로 도시되어 있다. 최초 수심층에서 음파가 β1의 각도로 입사할 때, 각 수심층에서 굴절이 이루어지지 않는다면 음파는 이상적경로(B2)로 진행할 것이나, 실제 음파는 각 수심층에서 굴절되어 실제경로(B1)을 따라 진행한다.As shown in Figures 3 and 4, the sound waves are shown to go straight in each depth layer. When the sound wave is incident at the angle of β1 in the first depth layer, if no refraction is made in each depth layer, the sound wave will proceed to the ideal path B2, but the actual sound wave will be refracted in each depth layer and proceed along the actual path B1.
즉, 수심의 깊이에 따라 임의의 개수로 수심층을 분할한 음속도 프로파일을 미리 준비하고, 상기 송수파기(20)로부터 투사되는 음파는 각 수심층을 경유할 때, 수심층의 밀도, 수온 등을 고려하여 미리 결정된 음속도로 진행하는 것을 고려한 것이다. 즉, 각 수심층에서 음파는 굴절하게 되며 그 각 수심층에 따라 다른 음속도로 진행하게 된다. That is, a sound velocity profile obtained by dividing the depth layer by an arbitrary number according to the depth of the water is prepared in advance, and the sound waves projected from the
상기 수심층 결정단계는, 초기입사각 결정단계(S21), 수심층별 입사각 결정단계(S22), 수심층별 거리산출단계(S23), 경과시간 산출단계(S24), 및 음파도달 수심층 결정단계(S25)를 포함한다. The depth determination step includes determining an initial incident angle (S21), determining an incident angle for each depth layer (S22), calculating a distance for each depth layer (S23), calculating an elapsed time (S24), and determining an acoustic wave depth layer (S25). Include.
도2를 참조하면, 초기입사각 결정단계(S21)는, 상기 송수파기(20)의 위치 및 자세를 3차원적으로 결정한 후에 송수파기(20)로부터 투사되는 음파가 최초 수심층으로 들어가는 입사각(β1)을 결정하는 단계이다. Referring to FIG. 2, in the initial incident angle determining step S21, after determining the position and attitude of the
송수파기(20)의 위치 및 자세가 관측플랫폼(10)의 요잉, 롤링, 피칭에 따라 가변되고, 이를 고려하여 결정된 송수파기(20)의 위치 및 자세에 따라서 해저로 투사되는 음파의 초기 입사각(β1)이 달라진다. The position and attitude of the
도2에 도시된 바와 같이, 송수파기(20)가 최초 수심층으로 음파를 투사할 때, 상기 송수파기(20)로부터 해저면(30)을 향하여 수직으로 연장한 가상선(L)에 대하여 기울어진 각도가 초기 입사각(β1)이다. As shown in Fig. 2, when the
상기 수심층별 입사각 결정단계(S22)는, 각 수심층에서의 층별입사각(β2,...βn-1,βn)을 계산하는 단계이다. 상기 음속도 프로파일은 분할된 각 수심층에서의 음속도를 제공하고, 최초 초기 입사각(β1)을 알고 있으므로, 최초 수심층의 다음에 존재하는 수심층의 입사각(β2)은 스넬의 법칙을 이용하여 산출된다. 이와 같은 과정을 반복하여, 최초 수심층 이후의 각 수심층에서의 층별입사각(β2,...βn-1,βn)을 연속적으로 산출한다. The determining the incident angle for each depth layer (S22) is a step of calculating the incident angles (β2, ... βn-1, βn) for each depth layer. The sound velocity profile provides the sound velocity in each of the divided depth layers, and since the initial initial incidence angle β1 is known, the incident angle β2 of the next depth layer next to the initial depth layer is calculated using Snell's law. By repeating this process, the incident angles (β2, ... βn-1, βn) in each depth layer after the initial depth layer are continuously calculated.
상기 수심층별 거리산출단계(S23)는, 각 수심층에서 음파가 실제로 진행한 진행거리를 산출하는 단계이다. 상기 초기입사각(β1) 및 상기 층별입사각(β2,...βn-1,βn)을 이용하여, 상기 초기 수심층 및 최초 수심층 아래에 존재하는 각 수심층에서 음파가 진행한 거리를 산출한다. The distance calculation step (S23) for each depth layer is a step of calculating a travel distance actually progressed by the sound waves in each depth layer. Using the initial incident angle β1 and the layer incident angle β2,..., N-1, βn, the distance traveled by the sound waves in the initial depth layer and each depth layer existing below the initial depth layer is calculated.
구체적으로, 최초 수심층(제1 수심층)에서 음파의 진행거리(Δr1)는 초기 입사각(β1)과 음속도 프로파일에서 최초 수심층의 깊이(Δz1)를 미리 알고 있으므로, 진행거리는 최초수심층의 깊이(Δz1)를 cos(β1)으로 나누어 산출될 수 있다. Specifically, since the traveling distance Δr1 of the sound waves in the first depth layer (first depth layer) knows the initial incident angle β1 and the depth Δz1 of the initial depth layer in the sound velocity profile, the traveling distance is the depth of the initial depth layer Δz1. It can be calculated by dividing by cos (β1).
최초 수심층의 다음에 위치하는 수심층(이하, "제2 수심층" 이라함)에서 음파의 진행거리(Δr2)는 제2 수심층의 깊이(Δz2)를 cos(β2)로 나누어 산출될 수 있다. 이와 같은 과정을 반복하여, 각 수심층에서 음파가 진행한 거리(Δr1,Δr2,...Δrn-1,Δrn)를 각각 산출한다. The advancing distance Δr2 of sound waves in the depth layer next to the first depth layer (hereinafter referred to as “second depth layer”) may be calculated by dividing the depth Δz2 of the second depth layer by cos (β2). By repeating the above process, the distances (Δr1, Δr2, ... Δrn-1, Δrn) in which sound waves travel in each depth layer are respectively calculated.
상기 경과시간 산출단계(S24)는, 음파가 각 수심층을 통과할 때 소요되는 음파의 경과시간을 산출하는 단계이다. 상기 수심층별 거리산출단계(S23)에서 산출된 상기 음파의 진행거리(Δr1,Δr2,...Δrn-1,Δrn) 및 상기 각 수심층에서의 음속도를 이용하여 경과시간을 산출한다. The elapsed time calculating step (S24) is a step of calculating the elapsed time of the sound wave required when the sound wave passes through each depth layer. The elapsed time is calculated using the
즉, 음속도 프로파일에서 각 수심층에서의 음속도가 제공되고, 상기 수심층별 거리산출단계(S23)에서 각 수심층에서의 진행거리(Δr1,Δr2,...Δrn-1,Δrn)가 산출되므로, 각 수심층에서 음파의 경과시간을 산출할 수 있다.That is, since the sound velocity in each depth layer is provided in the sound velocity profile, and in the distance calculation step S23 for each depth layer, the travel distances Δr1, Δr2, ... Δrn-1, Δrn in each depth layer are calculated. The elapsed time of sound waves in each depth layer can be calculated.
상기 음파도달 수심층 결정단계(S25)는, 수심의 깊이에 따라 나뉜 수심층 중에서 최종적으로 음파가 도달한 최종수심층을 결정하는 단계이다.The sound wave reaching depth layer determining step (S25) is a step of determining the final depth layer that the sound waves finally reached from the depth layer divided according to the depth of the water.
상기 음파가 해저면(30)에 반사되어 되돌아 오는 시간의 1/2 값과 상기 경과시간 산출단계(S24)에서 산출된 각 수심층에서의 경과시간을 누적한 누적경과시간을 비교하여 음파가 도달한 최종수심층을 결정한다. When the sound wave reaches the cumulative elapsed time of accumulating the elapsed time in each depth layer calculated in the elapsed time calculating step (S24) and the 1/2 value of the time when the sound wave is reflected on the
상기 음파도달 수심층 결정단계(S25)는 누적경과시간 비교단계(S251)를 포한한다. The sound wave reaching depth layer determination step S25 includes a cumulative elapsed time comparison step S251.
구체적으로, 상기 누적경과시간 비교단계(S251)는, 상기 음파가 N-1번째 수심층까지 진행한 때 소요되는 제1 누적경과시간과, 상기 음파가 N번째 수심층까지 진행한 때 소요되는 제2 누적경과시간을 상기 1/2 값과 비교한다. 상기 1/2 값이 상기 제1,2 누적경과시간 사이에 존재하는 경우에 상기 음파는 N층에 도달한 것으로 판단하는 단계이다. Specifically, the cumulative elapsed time comparison step (S251), the first cumulative elapsed time required when the sound wave proceeds to the N-1th depth layer, and the second cumulative time required when the sound wave proceeds to the Nth depth layer The elapsed time is compared with the 1/2 value above. When the 1/2 value is present between the first and second cumulative elapsed times, the sound wave reaches the N layer.
여기서, 상기 제1 누적경과시간은 음파가 N번째 수심층으로 진입하기 직전까지의 누적경과시간을 의미하고, 상기 제2 누적경과시간은 음파가 N+1번째 수심층으로 진입하기 직전까지의 누적경과시간을 의미한다. Here, the first cumulative elapsed time means the cumulative elapsed time until the sound wave enters the Nth depth layer, and the second cumulative elapsed time is the cumulative elapsed time until the sound wave enters the N + 1th depth layer. Means.
따라서, 1/2 값이 제2 누적경과시간보다 작다는 것은 음파가 N번째 수심층 중 어딘가에 도달했다는 의미이다.Therefore, the 1/2 value is less than the second cumulative elapsed time means that the sound wave has reached somewhere in the Nth depth layer.
이와 같은 과정을 거쳐 수심의 깊이에 따른 음파의 굴절률을 고려하여 최종적으로 음파가 도달한 수심층을 확정하게 된다.Through this process, the depth layer at which the sound wave finally reaches is determined in consideration of the refractive index of the sound wave according to the depth of the water.
상기 변위값 산출단계(S3)는 음파가 최종적으로 도달한 수심층에서 음파가 해저면(30)으로부터 반사되는 지점과의 변위값을 산출하는 단계이다. 즉, 송수파기(20)로부터 해저면(30)을 향하여 수직으로 연장한 가상선(L)과 음파가 최종적으로 해저면(30)에 도달한 지점과의 변위값을 산출하는 단계이다. The displacement value calculating step S3 is a step of calculating a displacement value with a point where the sound wave is reflected from the
상기 변위값 산출단계(S3)는, 초기입사각 산출단계(S31), 수심층별 입사각 결정단계(S32), 및 변위누적단계(S33)를 포함한다.The displacement value calculating step S3 includes an initial incident angle calculating step S31, a depth-deciding incident angle determining step S32, and a displacement accumulation step S33.
상기 초기입사각 산출단계(S31) 및 수심층별 입사각 결정단계(S32)는 상기 도달수심층 결정단계(S2)에서 사용된 방법을 채용한다. The initial incident angle calculating step S31 and the depth-of-depth incident angle determining step S32 employ the method used in the reaching depth layer determining step S2.
상기 변위누적단계(S33)는, 상기 초기 입사각(β1) 및 층별입사각(β2,,..βn-1.βn)과, 상기 각 수심층의 깊이(Δz1,Δz2,.. Δzn-1,Δzn)를 이용하여 상기 각 수심층별로 상기 가상선(L)으로부터 수직한 방향으로 이동한 변위값을 산출하여 누적한다. In the displacement accumulation step S33, the initial incident angle β1 and the layer incident angle β2,... Βn-1.βn and the depths of the depth layers Δz1, Δz2,... Δzn-1, Δzn The displacement values moved in the vertical direction from the imaginary line L for each depth layer are calculated and accumulated.
도3 및 도4를 참조하면, 상기 초기입사각(β1)과 최초 수심층의 깊이(Δz1)를 이용하면 최초 수심층에서의 변위값(ΔV1)이 산출된다. 즉, 최초 수심층의 깊이(Δz1)에 tan(β1)을 곱하면 최초 수심층에서의 변위값(ΔV1)이 산출된다. 3 and 4, the displacement value ΔV1 at the first depth layer is calculated using the initial incident angle β1 and the depth Δz1 of the first depth layer. In other words, multiplying tan (β1) by the depth Δz1 of the first depth layer yields the displacement value ΔV1 in the first depth layer.
이어서, 최초 수심층의 바로 아래에 존재하는 제2 수심층에서의 변위값(ΔV2)은, 제2 수심층의 깊이(Δz2)에 tan(β2)을 곱하여 산출된다.Subsequently, the displacement value ΔV2 in the second depth layer that exists immediately below the first depth layer is calculated by multiplying tan (β2) by the depth Δz2 of the second depth layer.
이와 같은 과정을 반복하면, 각 수심층에서의 변위값(ΔV1,ΔV2,..,ΔVn-1,ΔVn)이 산출되고, 이를 누적하면 송수파기(20)를 수직하방으로 연장한 가상선(L)으로부터 음파가 최종 도달한 해저면(30)의 지점과의 수평방향의 변위값이 산출된다. By repeating this process, the displacement values (ΔV1, ΔV2, .., ΔVn-1, ΔVn) in each depth layer are calculated, and when accumulated, from the imaginary line L extending the
이때, 상기 변위값 산출단계(S3)에서 변위값을 누적하기 위해서, 상기 수심층별 거리산출단계(S23)에서 산출된 수심층별 음파의 진행거리(Δr1,Δr2,...Δrn-1,Δrn)를 이용하여 변위값을 산출할 수 있다. 즉, 수심층별 음파의 진행거리(Δr1,Δr2,...Δrn-1,Δrn)에 각 수심층에서의 입사각의 코사인값을 곱하여 변위값을 산출할 수 있다. At this time, in order to accumulate displacement values in the displacement value calculating step S3, the traveling distances of the sound waves for each depth layer calculated in the distance calculation step S23 for each depth layer Δr1, Δr2, ... Δrn-1, Δrn The displacement value can be calculated using. That is, the displacement value may be calculated by multiplying the advancing
상기 초기입사각(β1)과 최초 수심층에서의 음파의 진행거리(Δr1)를 이용하면 최초 수심층에서의 변위값(ΔV1)이 산출된다. 즉, 최초 수심층에서의 음파의 진행거리(Δr1)에 cos(β1)을 곱하면 최초 수심층에서의 변위값(ΔV1)이 산출된다. Using the initial incident angle β1 and the traveling distance Δr1 of the sound wave in the initial depth layer, the displacement value ΔV1 in the initial depth layer is calculated. In other words, multiplying the traveling distance Δr1 of sound waves in the first depth layer by cos (β1) yields the displacement value ΔV1 in the first depth layer.
이어서, 최초 수심층의 바로 아래에 존재하는 제2 수심층에서의 변위값(ΔV2)은, 제2 수심층에서의 음파의 진행거리에 cos(β2)을 곱하여 산출된다.Next, the displacement value (DELTA) V2 in the 2nd depth layer which exists just under the initial depth layer is computed by multiplying the traveling distance of the sound wave in a 2nd depth layer by cos ((beta) 2).
이와 같은 과정을 반복하면, 각 수심층에서의 변위값(ΔV1,ΔV2,..,ΔVn-1,ΔVn)이 산출되고, 이를 누적하면 송수파기(20)를 수직하방으로 연장한 가상선(L)으로부터 음파가 최종 도달한 해저면(30)의 지점과의 수평방향의 변위값이 산출된다.By repeating this process, the displacement values (ΔV1, ΔV2, .., ΔVn-1, ΔVn) in each depth layer are calculated, and when accumulated, from the imaginary line L extending the
또한, 본 실시예에 따른 음속보정방법에 있어서, 상기 변위누적단계(S33)는 제1 변위누적단계(S331)와, 제2 변위누적단계(S332)를 포함한다. In addition, in the sound speed correction method according to the present embodiment, the displacement accumulation step S33 includes a first displacement accumulation step S331 and a second displacement accumulation step S332.
상기 제1 변위누적단계(S331)는, 상기 도달수심층 결정단계(S2)에서 상기 음파가 도달한 수심층이 N번째 층이라 할 때, N-1번째 수심층까지의 변위값을 누적하는 단계이다.The first displacement accumulation step S331 is a step of accumulating displacement values to the N-1 th depth layer when the depth layer reached by the sound wave in the determination of the depth reach layer S2 is the Nth layer.
상기 제2 변위누적단계(S332)는, 음파가 최종적으로 도달한 N번째 수심층에서의 잔여변위값을 계산하는 단계이다. 상기 제2 변위누적단계(S332)는 상기 잔여변위값을 산출하기 위하여, 잔여시간 산출단계(S3321), 잔여거리 산출단계(S3322), 및 잔여변위 산출단계(S3323)를 포함한다. The second displacement accumulation step (S332) is a step of calculating a residual displacement value in the Nth depth layer in which the acoustic wave finally reached. The second displacement accumulation step S332 includes a residual time calculation step S3321, a residual distance calculation step S3322, and a residual displacement calculation step S3323 to calculate the residual displacement value.
상기 잔여시간 산출단계(S3321)는, 상기 음파가 상기 해저면(30)에 반사되어 되돌아 오는 시간의 1/2 값에서 상기 음파가 N-1번째 층까지 진행한 때 소요되는 제1 누적경과시간을 감하여 잔여시간을 산출하는 단계이다. 즉, 음파가 최종적으로 N번째 수심층에 도달했을 때, 음파는 N번째 수심층 중 어딘가에서 위치할 수 있다. 바꾸어 말하면, N번째 수심층 중 어딘가가 해저면(30)이 위치하는 지점이 된다. The remaining time calculating step (S3321) is a first cumulative elapsed time required when the sound wave proceeds to the N-1 th layer at a
상기 잔여거리 산출단계(S3322)는, 상기 음파가 상기 N번째 층에서 상기 잔여시간 동안 진행한 진행거리를 산출하는 단계이다. 상기 잔여거리는 상기 N번째 수심층에서의 음속도와 상기 잔여시간을 곱하여 산출된다.The remaining distance calculating step (S3322) is a step of calculating a traveling distance in which the sound wave proceeds for the remaining time in the Nth layer. The remaining distance is calculated by multiplying the sound speed in the Nth depth layer by the remaining time.
상기 잔여변위 산출단계(S3323)는, 상기 잔여거리 및 상기 N번째 층에서의 입사각(βn)을 이용하여 상기 N번째 수심층에서 상기 음파가 상기 가상선(L)으로부터 수직한 방향으로 이동한 잔여변위값을 계산하는 단계이다. The residual displacement calculation step (S3323), the residual displacement in which the sound wave is moved in the vertical direction from the imaginary line L in the Nth depth layer by using the residual distance and the incident angle βn in the Nth layer. Compute the value.
결과적으로, 송수파기(20)로부터 투사된 음파가 송수파기(20)로부터 수직하방으로 연장된 가상선(L)을 기준으로 수평방향으로 이동한 변위값은, 제1 변위누적단계(S331)에서 누적된 변위값과 제2 변위누적단계(S332)에서 계산된 잔여변위값을 합하여 주어진다.As a result, the displacement value in which the sound wave projected from the
이처럼, 본 발명에 따른 해저지형탐사를 위한 3차원 음속보정방법은, 수심의 깊이에 따라서 음속이 굴절되는 성질을 음속보정에 이용한 것이다. 즉, 수심층을 분할하여 각 수심층 별로 깊이 및 음속도를 미리 설정해 둔 음속도 프로파일을 마련하고, 송수파기(20)의 위치를 3차원적으로 결정하여 송수파기(20)로부터 해저로 투사되는 음파의 초기 입사각 및 층별 입사각을 산출한다. 그리고, 최종적으로 음파가 도달한 수심층과, 그 수심층에서의 변위값을 계산하여 음파가 도달한 해저면(30)의 위치를 정확하게 계산하게 된다. As described above, the three-dimensional sound speed correction method for seabed terrain exploration according to the present invention utilizes the property that the speed of sound is refracted according to the depth of the water. That is, by dividing the depth layer, a sound velocity profile having a depth and sound velocity set in advance for each depth layer is provided, and the position of the
한편, 본 발명 실시예에 따른 해저지형탐사를 위한 3차원 음속보정방법은, 해저표면 좌표산출단계(S4)를 더 구비한다. On the other hand, the three-dimensional sound speed correction method for the seabed terrain exploration according to an embodiment of the present invention, further comprises a seabed surface coordinate calculation step (S4).
상기 해저표면 좌표산출단계(S4)는 상기 변위값 산출단계(S3)에서 산출된 변위값과 송수파기(20)의 3차원 위치를 이용하여 해저표면의 좌표를 산출한다. 송수파기(20)는 복수의 음파를 해저를 행하여 투사하면서 각 음파가 해저면(30)에 도달한 지점을 개별적으로 계산하고 이를 조합하여 해저표면의 좌표를 산출하게 된다. 송수파기(20)의 3차원 좌표가 확정되어 있고, 송수파기(20)를 기준으로한 변위값이 산출되므로, 이를 조합하면 해조표면의 절대좌표가 구현된다.The sea surface coordinate calculation step (S4) calculates the coordinates of the sea surface by using the displacement value calculated in the displacement value calculating step (S3) and the three-dimensional position of the
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 많은 변형이 제공될 수 있다.In the above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and many other modifications can be provided without departing from the scope of the present invention.
10... 관측플랫폼 20... 송수파기
30... 해저면10 ...
30 ... bottom
Claims (8)
수심의 깊이에 따라 임의의 개수로 수심층을 분할하고, 상기 위치결정된 송수파기로부터 투사되는 음파가 상기 각 수심층을 경유할 때 굴절되는 것을 고려하여 최종적으로 도달하는 수심층을 산출하는 도달수심층 결정단계;
상기 송수파기로부터 해저면을 향하여 수직으로 연장한 가상선과, 상기 음파가 최종적으로 도달한 수심층에서 상기 음파가 상기 해저면으로부터 반사되는 지점과의 변위값을 산출하는 변위값 산출단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 해저지형탐사를 위한 3차원 음속보정방법.A transmitter position and attitude determination step of determining a three-dimensional position and attitude of the transmitter using position coordinates of the observation platform;
A depth-depth determination step of dividing a depth layer by an arbitrary number according to the depth of the depth, and calculating a final depth layer in consideration of refraction of sound waves projected from the positioned transceivers through each of the depth layers;
And a displacement value calculating step of calculating a displacement value between an imaginary line extending vertically from the transceiver to the sea bottom and a point where the sound wave is reflected from the sea bottom in the depth layer where the sound wave finally reached. 3D Sonic Wave Compensation Method for Seabed Terrain Exploration.
상기 도달수심층 결정단계는,
위치결정된 상기 송수파기로부터 투사되는 음파가 최초 수심층으로 들어가는 입사각을 결정하는 초기입사각 산출단계;
상기 분할된 각 수심층에 따른 음속도를 제공하는 음속도 프로파일 및 상기 초기입사각을 이용하여 최초 수심층 이후의 각 수심층에서의 층별입사각을 계산하는 수심층별 입사각 결정단계;
상기 초기입사각 및 상기 층별입사각을 이용하여, 상기 최초 수심층 및 상기 최초 수심층 아래 존재하는 각 수심층에서 상기 음파가 진행한 거리를 산출하는 수심층별 거리산출단계;
상기 수심층별 거리산출단계에서 산출된 상기 음파의 진행거리 및 상기 각 수심층에서의 음속도를 이용하여 각 수심층을 통과할 때 소요되는 음파의 경과시간을 산출하는 경과시간 산출단계;
상기 음파가 상기 해저면에 반사되어 되돌아 오는 시간의 1/2 값과 상기 경과시간 산출단계에서 산출된 각 수심층에서의 경과시간을 누적한 누적경과시간을 비교하여 상기 음파가 도달한 최종 수심층을 결정하는 음파도달 수심층 결정단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 해저지형탐사를 위한 3차원 음속보정방법.The method of claim 1,
The depth reach determination step,
An initial incident angle calculating step of determining an incident angle at which the sound waves projected from the positioned transceivers enter the first depth layer;
A depth-of-depth incident angle determining step of calculating a layer incident angle in each depth layer after the initial depth layer using a sound velocity profile providing the sound velocity according to each of the divided depth layers and the initial incident angle;
Depth-based distance calculation step of calculating the distance traveled by the sound waves in the first depth layer and each depth layer existing below the first depth layer by using the initial incident angle and the layer-by-layer incident angle;
An elapsed time calculating step of calculating an elapsed time of the sound wave required to pass through each depth layer by using the traveling distance of the sound waves calculated in the distance calculation step for each depth layer and the sound velocity in each depth layer;
The final depth of the layer at which the sound wave reaches is determined by comparing the 1/2 value of the time when the sound wave is reflected back to the sea bottom and the cumulative elapsed time of accumulating the elapsed time at each depth layer calculated in the elapsed time calculating step. A three-dimensional sound speed correction method for submarine topography, characterized in that it comprises a;
상기 음파도달 수심층 결정단계는, 상기 음파가 N-1번째 수심층까지 진행한 때 소요되는 제1 누적경과시간과, 상기 음파가 N번째 수심층까지 진행한 때 소요되는 제2 누적경과시간을 상기 1/2 값과 비교하여, 상기 1/2 값이 상기 제1,2 누적경과시간 사이에 존재하는 경우에 상기 음파는 N층에 도달한 것으로 판단하는 누적경과시간비교단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 해저지형탐사를 위한 3차원 음속보정방법.The method of claim 2,
The sound wave reaching depth layer determining step may include a first cumulative elapsed time required when the sound wave proceeds to the N-th depth layer and a second cumulative elapsed time required when the sound wave proceeds to the Nth depth layer. Compared with the value of 2, when the 1/2 value is present between the first and second cumulative elapsed time, the sound wave comprises a cumulative elapsed time comparison step of determining that the arrival to the N layer 3D Sound Compensation Method for Terrain Exploration.
상기 변위값 산출단계는,
위치결정된 상기 송수파기로부터 투사되는 음파가 최초 수심층으로 들어가는 입사각을 결정하는 초기입사각 산출단계;
상기 분할된 각 수심층에 따른 음속도를 제공하는 음속도 프로파일 및 상기 초기입사각을 이용하여 최초 수심층 이후의 각 수심층에서의 층별입사각을 계산하는 수심층별 입사각 결정단계;
상기 초기입사각 및 층별입사각과, 상기 각 수심층의 깊이를 이용하여 상기 각 수심층별로 상기 가상선으로부터 수직한 방향으로 이동한 변위값을 산출하여 누적하는 변위누적단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 해저지형탐사를 위한 3차원 음속보정방법.The method of claim 1,
The displacement value calculating step,
An initial incident angle calculating step of determining an incident angle at which the sound waves projected from the positioned transceivers enter the first depth layer;
A depth-of-depth incident angle determining step of calculating a layer incident angle in each depth layer after the initial depth layer using a sound velocity profile providing the sound velocity according to each of the divided depth layers and the initial incident angle;
And a displacement accumulation step of accumulating and accumulating a displacement value moved in the vertical direction from the imaginary line for each depth layer by using the initial incident angle and the incident angle of each floor and the depth of each depth layer. 3D Sound Compensation Method.
상기 변위값 산출단계는,
상기 초기 입사각 및 층별입사각과, 상기 수심층별 거리산출단계에게 산출된 수심층별 음파의 진행거리를 이용하여, 각 수심층별로 상기 가상선으로부터 수직한 방향으로 이동한 변위값을 산출하여 누적하는 변위누적단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 해저지형탐사를 위한 3차원 음속보정방법.The method of claim 2,
The displacement value calculating step,
A displacement accumulation step of calculating and accumulating displacement values moved in the vertical direction from the imaginary line for each depth layer by using the initial incident angle and the incident angle of each floor and the traveling distance of sound waves for each depth layer calculated in the distance calculation step for each depth layer. Three-dimensional sound speed correction method for submarine topography, characterized in that it comprises a.
상기 변위누적단계는,
상기 도달수심층 결정단계에서 상기 음파가 도달한 수심층이 N번째 층이라 할 때, N-1번째 수심층까지의 변위값을 누적하는 제1 변위누적단계와, N번째 수심층에서의 잔여변위값을 계산하는 제2 변위누적단계를 포함하며,
상기 제2 변위누적단계의 상기 잔여변위값은,
상기 음파가 상기 해저면에 반사되어 되돌아 오는 시간의 1/2 값에서 상기 음파가 N-1번째 층까지 진행한 때 소요되는 제1 누적경과시간을 감하여 잔여시간을 산출하는 잔여시간 산출단계;
상기 음파가 상기 N번째 층에서 상기 잔여시간 동안 진행한 진행거리를 산출하는 잔여거리 산출단계;
상기 잔여거리 및 상기 N번째 층에서의 입사각을 이용하여 상기 N번째 수심층에서 상기 음파가 상기 가상선으로부터 수직한 방향으로 이동한 잔여변위값을 계산하는 잔여변위 산출단계;를 통하여 산출되는 것을 특징으로 하는 해저지형탐사를 위한 3차원 음속보정방법.The method of claim 4, wherein
The displacement accumulation step,
Computing the first displacement accumulation step of accumulating the displacement value to the N-1th depth layer and the residual displacement value in the Nth depth layer when the depth layer reached by the sound wave in the step of determining the depth reaches the N-th layer; A second displacement accumulation step,
The residual displacement value of the second displacement accumulation step is
A remaining time calculating step of calculating a remaining time by subtracting a first cumulative elapsed time required when the sound wave proceeds to the N-1 th layer from a 1/2 value of the time when the sound wave is reflected by the sea bottom and returns;
A remaining distance calculating step of calculating a traveling distance of the sound wave during the remaining time in the Nth layer;
And a residual displacement calculation step of calculating a residual displacement value of the sound wave moved in the vertical direction from the imaginary line in the Nth depth layer by using the residual distance and the incident angle in the Nth layer. 3D Sonic Wave Compensation Method for Seabed Terrain Exploration
상기 송수파기 위치 및 자세 결정단계에서는 상기 관측플랫폼의 요잉, 피칭, 롤링을 고려하는 것을 특징으로 하는 해저지형탐사를 위한 3차원 음속보정방법.The method of claim 1,
In the step of determining the position and attitude of the transmitter, the three-dimensional sound speed correction method for subsea landform exploration, characterized in that yawing, pitching, rolling of the observation platform.
상기 변위값과 상기 송수파기의 위치를 이용하여 해저표면의 좌표를 산출하는 해저표면 좌표산출단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해저지형탐사를 위한 3차원 음속보정방법.The method of claim 1,
And calculating a subsurface surface coordinate using the displacement value and the position of the wave receiver.
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