Study on Underwater Black Box Data Recovery System using Optical Wireless Communication

수중 가시광 통신을 이용한 블랙박스 데이터 회수 시스템 연구

Abstract

Underwater wireless light communication system is quite necessary to retrieve recorded data from underwater devices or the black box without taking back it body. In this paper, a research on the light sensor technology in underwater wireless light communication under turbid sea was studied. A noise source under turbid sea for light communication was analysed, and a sensor system for light sensing using the reference light signal to remove the noises and to improve the output swing power wasstudied. Also, an underwater communication system was manufactured to validate the good performance of the development system, and using the system, the good performance of the developed system was validated through the light communication test in the tank containing the turbid sea water was presented.

블랙박스 본체를 회수하지 않고도 블랙박스의 정보나 수중 장비의 기록된 정보 등을 회수할 수 있도록 빛을 이용하는 수중 무선 광 통신 시스템은 매우 요긴하다. 본 논문에서는 탁도가 높은 천해환경에서 수중 가시광 통신시 발생하는 노이즈 원인을 분석하고 이러한 환경에서도 노이즈를 효과적으로 제거하면서도 광 검출신호의 최대 전압 스윙을 향상시킬 수 있는 기준신호 기반의 광 검출 센서 기술을 연구하였다. 그리고 개발한 통신 시스템의 성능을 입증하기 위해 광 무선통신 시스템을 제작하고 탁한 해수가 담긴 수조에서 송수신 시험을 수행하여 개발한 광 무선통신 기법이 실제로 효과가 있음을 검증하였다.

그림 1. 한국해양대학교 개발 광무선통신 모뎀 Fig. 1. Optical modems of KMOU.

그림 2. (주)볼시스에서 개발, 상용화 중인광무선통신모뎀 (BOLcomm 200) Fig. 2. Underwater optical communication modem of BORsys co., ltd. (BOLcomm 200)

그림 3. 수중에서 파장에 따른 광 감쇠 Fig. 3. Underwater light absorption.

그림 4. 탁한 수중 채널을 투과하는 광선의 진행경로 예시 Fig. 4. An example of the path of light rays passing through a turbid underwater channel.

그림 5. 담수를 투과한 광 신호 / 탁한 해수를 투과한 광 신호 Fig. 5. Optical signals transmitted through fresh water / Optical signals transmitted through turbid seawater.

그림 6. 주변 광 간섭을 받는 신호 / 정상 신호 Fig. 6. Interfered signals by ambient light / Normal signal.

그림 7. 광 트랜스미터 프로토타입 전면 / 광 트랜스미터 프로토타입 후면 Fig. 7. Optical transmitter prototype front / Optical transmitter prototype back.

그림 8. 제작한 광 수신기 프로토타입 / 센서 유닛 Fig. 8. Optical receiver prototype / Sensor unit.

그림 9. 탁한 해수가 담긴 아크릴 수조 Fig. 9. Acrylic water tank with turbidity seawater.

그림 10. 센서신호 복조 과정 Fig. 10. Demodulation process of the sensor signal.

그림 11. 맑은 해수채널 실험 – 1 MHz 구형파 Fig. 11. Clear seawater test – 1 MHz square wave.

그림 12. 맑은 해수채널 실험 – 2 MHz 구형파 Fig. 12. Clear seawater test – 2 MHz square wave.

그림 13. 맑은 해수채널 실험 – 3 MHz 구형파 Fig. 13. Clear seawater test – 3 MHz square wave.

그림 14. 맑은 해수채널 실험 – 4 MHz 구형파 Fig. 14. Clear seawater test – 4 MHz square wave.

그림 15. 탁한 해수채널 실험 – 1 MHz 구형파 Fig. 15. Turbidity seawater test – 1 MHz square wave.

그림 16. 탁한 해수채널 실험 – 2 MHz 구형파 Fig. 16. Turbidity seawater test – 2 MHz square wave.

그림 17. 탁한 해수채널 실험 – 3 MHz 구형파 Fig. 17. Turbidity seawater test – 3 MHz square wave.

그림 18. 탁한 해수채널 실험 – 4 MHz 구형파 Fig. 18. Turbidity seawater test – 4 MHz square wave.

표 1. 514nm 파장에 대한 다양한 해수의 감쇠계수 Table 1. Attenuation coefficient of various seawater @ 514nm.

표 2. 우즈홀 해양연구소 수중 가시광통신 모뎀 사양 (2015) Table 2. WHOI optical modem spec (2015).

표 3. 시험한 탁도 레벨과 테스트 파형 Table 3. Turbidity level and test wave type.