A Study on Output Compensation Method of Active Sonar Transmitter for driving Underwater Acoustic Transducers

Abstract

수중 음향 배열 트랜스듀서의 임피던스 변동 조건에서 능동 소나 시스템의 음원 준위를 극대화하도록 소나 송신기의 설계가 필요하다. 송신기는 다채널의 트랜스듀서를 개별 구동하고, 다양한 송신신호와 송신빔을 구동한다. 그러한 이유로, 배열 트랜스듀서의 임피던스 분포는 커지게 되지만, 실제 소나 시스템에서는 이를 구동하는 송신기의 정격 전력이 제한된다. 본 논문은 임피던스 변동 조건에서 요구된 지향 방위로 고출력 송신하기 위한 송신기의 효과적이고 안정적인 출력 제어 기법을 제안한다. 제안된 제어 기법이 적용될 송신기 설계에 위하여, 트랜스듀서의 전기적 등가 모델링과 임피던스 정합 및 필터 회로를 설계한다. 등가모델링에서는 PSO 알고리즘 기반의 추정 방법과 공기중 및 수중에서의 데이터를 이용하여 추정 오차를 최소화하는 적합도 함수를 적용한다. 정합 회로는 실제 시스템을 고려하여 구동에 불필요한 무효 전력과 정합 트랜스포머의 자화 인덕턴스를 최소화하는 설계 파라미터들을 추정하도록 설계된다. 또한, 필터 회로는 트랜스듀서의 정합 회로와 등가 회로 소자들을 고려하여 출력 신호의 고조파 성분을 줄이도록 설계된다. 제안된 제어 기법과 관련하여, 임피던스 변동 부하를 구동하기 위한 정전력 및 정전압 제어와 순간 전압 및 전류 제어 기법들을 제안한다. 송신기의 출력 전력 및 전압은 임피던스 변동 조건에 따라 PWM 신호의 변조 지수 변화를 통해 제어된다. 제안된 제어 기법들은 모의부하와 실제 배열 트랜스듀서를 통해 검증된다. 송신빔 형성 정확도에 영향을 주는 위상 지연 오차를 보상하기 위하여, 위상 지연 제어 기법을 제안하고 부하 조건에 따른 시뮬레이션을 통해 적용 가능성을 확인하였다.

In the active sonar system, a study of the transmitter is required for maximizing the acoustic source level. For driving acoustic transducer array, the transmitter could individually drive multi-channel transducers for generating various signal types and beams. In the condition, the impedance distribution of the transducer array becomes large, and the power rating of the transmitter also increases for covering the impedance range. But the power and voltage of the transmitter are limited in the real sonar system. This thesis proposes the effective and stable output control methods of the transmitter for high power transmission toward a desired direction in the variable impedance condition. Before applying the proposed control method to the transmitter, design works which consists of the electrical equivalent modeling of the transducer, the design of the impedance matching, and the filter circuit are performed. In the equivalent circuit modeling, an estimation method based on PSO (particle swarm optimization) algorithm and a fitness function, are used for minimizing the estimation errors by utilizing the measured data in air and water. The matching circuit is designed to estimate the design parameters for minimizing the unnecessary reactive power and magnetizing inductance of the matching transformer. The filter circuit is designed to reduce the harmonics of the output signal considering the matching circuit and the equivalent circuit of the transducer. In the control, two methods are proposed for driving the variable impedance loads. One is the constant power & voltage control, and another is the instant voltage & current control method. The output power and voltage of the transmitter are controlled by changing the modulation index of PWM (pulse width modulation) according to the variable impedance conditions. The proposed control methods are verified by using a simulated load and real transducer array. To compensate the phase delay errors affecting the beamforming accuracy, the phase delay control method is proposed and is verified through the simulation according to the load conditions. As a result, the proposed controls can compensate the output power and the phase delay error caused by individually driving the transducer array.