본 논문에서는 근거리 효과를 이용하여 음원의 위치를 추정하는 탐지 기법을 해양환경에 적용할 경우에 발생할 수 있는 위치추정 오차에 관하여 분석하였다. 삼각 (triangulation) 알고리듬과 파면곡률 (wavefront curvature) 알고리듬 등을 이용하는 근거리 탐지 기법은 음파가 2차원 평면 (방위, 거리)에서 전달된다고 가정한다. 그러나 해양환경은 2차원 평면이 아닌 3차원 공간 (방위, 거리, 수심)이므로 음파전달에 따른 오차가 발생할 수 있다. 3차원 공간을 가정한 경우에도 해양에서의 다중경로 음파전달을 고려하지 않았다면 역시 오차가 발생하게 될것이다. 근거리 탐지 기법의 위치추정 오차를 분석하기 위하여 다중경로 음파전달모델과 파면곡률을 이용한 초점 빔형성 (focused beamforming)기법을 이용하여 시뮬레이션하였다. 분석결과 수중음속구조, 해저면 수심, 해저면 경사와 음원의 거리 등에 따라 위치추정 오차가 달라짐을 볼 수 있었다.
본 논문에서는 근거리 효과를 이용하여 음원의 위치를 추정하는 탐지 기법을 해양환경에 적용할 경우에 발생할 수 있는 위치추정 오차에 관하여 분석하였다. 삼각 (triangulation) 알고리듬과 파면곡률 (wavefront curvature) 알고리듬 등을 이용하는 근거리 탐지 기법은 음파가 2차원 평면 (방위, 거리)에서 전달된다고 가정한다. 그러나 해양환경은 2차원 평면이 아닌 3차원 공간 (방위, 거리, 수심)이므로 음파전달에 따른 오차가 발생할 수 있다. 3차원 공간을 가정한 경우에도 해양에서의 다중경로 음파전달을 고려하지 않았다면 역시 오차가 발생하게 될것이다. 근거리 탐지 기법의 위치추정 오차를 분석하기 위하여 다중경로 음파전달모델과 파면곡률을 이용한 초점 빔형성 (focused beamforming)기법을 이용하여 시뮬레이션하였다. 분석결과 수중음속구조, 해저면 수심, 해저면 경사와 음원의 거리 등에 따라 위치추정 오차가 달라짐을 볼 수 있었다.
In this paper we analyzed the localization error of near-field detection algorithm in the sea. The near-field detection algorithms using triangulation and wavefront curvature basically assume a signal in two dimension of bearing and range. But the assumption causes localization error because there i...
In this paper we analyzed the localization error of near-field detection algorithm in the sea. The near-field detection algorithms using triangulation and wavefront curvature basically assume a signal in two dimension of bearing and range. But the assumption causes localization error because there is three dimension of bearing, range, and depth in the sea. Even through three dimensional effect is considered, the localization error is occurred if multipath propagation in the sea is ignored. To analyze the localization error in the sea, we simulate the near-field localization using acoustic propagation model and focused beamforming considering wavefront curvature. The simulation results indicate that localization error always occurs in the sea and the error varied with sound velocity profile, water depth, bottom slope, source range, etc.
In this paper we analyzed the localization error of near-field detection algorithm in the sea. The near-field detection algorithms using triangulation and wavefront curvature basically assume a signal in two dimension of bearing and range. But the assumption causes localization error because there is three dimension of bearing, range, and depth in the sea. Even through three dimensional effect is considered, the localization error is occurred if multipath propagation in the sea is ignored. To analyze the localization error in the sea, we simulate the near-field localization using acoustic propagation model and focused beamforming considering wavefront curvature. The simulation results indicate that localization error always occurs in the sea and the error varied with sound velocity profile, water depth, bottom slope, source range, etc.
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문제 정의
본 논문에서는 2차원 평면상 (거리, 방위)에서 파면이곡선이라고 가정할 수 있는 근거 리 효과를 이용한 음원의 위치추정 기법들을 다중경로가 존재하는 3차원 공간 (방위, 거리, 수심)인 해양환경에 적용할 경우에 발생할 수 있는 추정오차와 원인을 분석하였다. 파면곡률 알고리듬을 이용한 초점 빔형성 기법에 의한 분석 결과는 다음과 같다.
본 논문에서는 2차원 평면상 (거리, 방위)에서 파면이곡선이라고 가정할 수 있는 근거 리 효과를 이용한 음원의 위치추정 기법들을 다중경로가 존재하는 3차원 공간 (방위, 거리, 수심)인 해양환경에 적용할 경우에 발생할 수 있는 추정오차와 원인을 분석하였다. 파면곡률 알고리듬을 이용한 초점 빔형성 기법에 의한 분석 결과는 다음과 같다.
본 논문에서는 3차원 공간인 해양환경에서 음파가 근거리 음원으로부터 다중경로를 따라 수평선배열에 수신될 때 발생할 수 있는 위치추정 오차와 원인을 해석하였다. 위치추정 오차를 분석하기 위하여 파면곡률을 이용한 기본적인 초점빔형성 (focused beamforming) 기법을 이용하였다.
가설 설정
그림 1과 같이 2차원 평면상에서 수신센서 3개가 간격 d로 배열된 선배열을 가정하고, 1번째 수신센서와 근거리에 있는음원사이의 거리를 R, (, =l2.3)라 하면, R》d 일 때 수신센서 1에 대한2와3의 거리 차는 다음과같다[3].
그림 1과 같이 2차원 평면상에서 수신센서 3개가 간격 d로 배열된 선배열을 가정하고, i번째 수신센서와 근거리에 있는 음원사이의 거리를 Ri(i=1,2,3)라 하면, R1》d일 때 수신센서 1에 대한 2와 3의 거리 차는 다음과같다[3].
3차원 해양환경에서 음파전달모델 (GSM)[8]을 이용하여 100Hz 기준으로 5개의 수신센서가 균등 배열된 길이 30λ의 선배열 센서와 3번째 수신센서를 기준으로 90°방위에 있는 음원으로부터의 파면곡률의 도달시간과 도달각을 계산하면 그림 2와 같고, 기하학적으로 2차원 평면에서 계산한 파면곡률의 결과와 비교하면 그림 3과 같다. 동해를 가정한 심해의 경우에 해역 수심은 2,000m이고 음원과 수신기는 모두 200m에 있고, 남해를 가정한 천해의 경우에는 해역 수심은 200m이고 음원과 수신기는 모두 60m에 있는 겨울철 해양환경을 가정하였다. 먼저 근거리 음파전달 특성을 살펴보기 위하여 음파전달모델로부터 도달시간과 도달각을 계산하였다.
3차원 해양환경에서 음파전달모델 (GSM)[8]을 이용하여 100Hz 기준으로 5개의 수신센서가 균등 배열된 길이 30λ의 선배열 센서와 3번째 수신센서를 기준으로 90°방위에 있는 음원으로부터의 파면곡률의 도달시간과 도달각을 계산하면 그림 2와 같고, 기하학적으로 2차원 평면에서 계산한 파면곡률의 결과와 비교하면 그림 3과 같다. 동해를 가정한 심해의 경우에 해역 수심은 2,000m이고 음원과 수신기는 모두 200m에 있고, 남해를 가정한 천해의 경우에는 해역 수심은 200m이고 음원과 수신기는 모두 60m에 있는 겨울철 해양환경을 가정하였다. 먼저 근거리 음파전달 특성을 살펴보기 위하여 음파전달모델로부터 도달시간과 도달각을 계산하였다.
동해에서 해저면이 경사진 환경에서 위치추정 시뮬레이션을 위하여 해저면 기울기가 4°인 상향경사와 하향경사 환경을 가정하고 수행하였다. 그림 9와 그림 10의 위치 추정 시뮬레이션 결과를 살펴보면 두 경우 모두 방위 오차는 없고, 거리 오차는 하향경사의 경우에는 1.
동해에서 해저면이 경사진 환경에서 위치추정 시뮬레이션을 위하여 해저면 기울기가 4°인 상향경사와 하향경사 환경을 가정하고 수행하였다. 그림 9와 그림 10의 위치 추정 시뮬레이션 결과를 살펴보면 두 경우 모두 방위 오차는 없고, 거리 오차는 하향경사의 경우에는 1.
제안 방법
위치추정 오차를 분석하기 위하여 파면곡률을 이용한 기본적인 초점빔형성 (focused beamforming) 기법을 이용하였다. 대표적인 한국근해의 해양환경을 고려한 다중경로 음파전달모델로부터 음원의 신호를 만들어 위치추정 시뮬레이션을 수행하고, 이로부터 거리 추정오차 및 원인을 분석하였다. 위치추정 시뮬레이션은 기본적인 해양환경 요소들인 수중음속구조, 해저면 수심, 해저면 경사와 음원의 거리를 변화시키며 수행하였다.
위치추정 오차를 분석하기 위하여 파면곡률을 이용한 기본적인 초점빔형성 (focused beamforming) 기법을 이용하였다. 대표적인 한국근해의 해양환경을 고려한 다중경로 음파전달모델로부터 음원의 신호를 만들어 위치추정 시뮬레이션을 수행하고, 이로부터 거리 추정오차 및 원인을 분석하였다. 위치추정 시뮬레이션은 기본적인 해양환경 요소들인 수중음속구조, 해저면 수심, 해저면 경사와 음원의 거리를 변화시키며 수행하였다.
동해의 여름철 (8월)과 겨울철 (2월)의 평균적인 음속 구조를 사용하여 위치추정 시뮬레이션을 수행하였다 (그림 5 참조). 겨울철 음속은 표층에서 약 150m까지 음속이 일정한 혼합층이 형성되어 있고, 두 계절 모두 약 400m 부근에 최소 음속층이 있다.
동해를 가정한 심해의 경우에 해역 수심은 2,000m이고 음원과 수신기는 모두 200m에 있고, 남해를 가정한 천해의 경우에는 해역 수심은 200m이고 음원과 수신기는 모두 60m에 있는 겨울철 해양환경을 가정하였다. 먼저 근거리 음파전달 특성을 살펴보기 위하여 음파전달모델로부터 도달시간과 도달각을 계산하였다.
동해를 가정한 심해의 경우에 해역 수심은 2,000m이고 음원과 수신기는 모두 200m에 있고, 남해를 가정한 천해의 경우에는 해역 수심은 200m이고 음원과 수신기는 모두 60m에 있는 겨울철 해양환경을 가정하였다. 먼저 근거리 음파전달 특성을 살펴보기 위하여 음파전달모델로부터 도달시간과 도달각을 계산하였다.
센서에 수신되는 다중경로 중에서 수신신호의 크기에 가장 큰 기여를 하는 경로를 기준으로 근거리 탐지 알고리즘에서 이용하는 기하학적 파면곡률의 도달시간과 도달각을 해역에 따라 거리별로 비교하였다(그림 3 참조). 도달 시간 차이는 심해인 경우에 지속적으로 증가하여 약 12km에서 0.
센서에 수신되는 다중경로 중에서 수신신호의 크기에 가장 큰 기여를 하는 경로를 기준으로 근거리 탐지 알고리즘에서 이용하는 기하학적 파면곡률의 도달시간과 도달각을 해역에 따라 거리별로 비교하였다(그림 3 참조). 도달 시간 차이는 심해인 경우에 지속적으로 증가하여 약 12km에서 0.
대표적인 한국근해의 해양환경을 고려한 다중경로 음파전달모델로부터 음원의 신호를 만들어 위치추정 시뮬레이션을 수행하고, 이로부터 거리 추정오차 및 원인을 분석하였다. 위치추정 시뮬레이션은 기본적인 해양환경 요소들인 수중음속구조, 해저면 수심, 해저면 경사와 음원의 거리를 변화시키며 수행하였다.
대표적인 한국근해의 해양환경을 고려한 다중경로 음파전달모델로부터 음원의 신호를 만들어 위치추정 시뮬레이션을 수행하고, 이로부터 거리 추정오차 및 원인을 분석하였다. 위치추정 시뮬레이션은 기본적인 해양환경 요소들인 수중음속구조, 해저면 수심, 해저면 경사와 음원의 거리를 변화시키며 수행하였다.
음원 위치추정 시뮬레이션을 위한 입력 신호를 만들기 위하여 겨울철에 해역 수심이 2,000m 일 때 음원이 선배열의 중간 센서를 기준으로 90° 방위에 있고, 선배열 센서의 길이는 30λ, 음원과 선배열 센서의 수심을 심해의 경우에 200m로, 천해의 경우에 60m로 가정하고 음선이론을 적용한 음파전달모델 (GSM)로부터 eigenray 성분을 산출하여 합성하였다. 위치추정 시뮬레이션 결과는 거리와 방위의 2차원 평면에 나타내고, 빔출력을 등준위선으로 나타냈다.
음원 위치추정 시뮬레이션을 위한 입력 신호를 만들기 위하여 겨울철에 해역 수심이 2,000m 일 때 음원이 선배열의 중간 센서를 기준으로 90° 방위에 있고, 선배열 센서의 길이는 30λ, 음원과 선배열 센서의 수심을 심해의 경우에 200m로, 천해의 경우에 60m로 가정하고 음선이론을 적용한 음파전달모델 (GSM)로부터 eigenray 성분을 산출하여 합성하였다. 위치추정 시뮬레이션 결과는 거리와 방위의 2차원 평면에 나타내고, 빔출력을 등준위선으로 나타냈다.
음원위치 (R, %)를포함하는가상음원 위치 ( 私, 们) 들로 이루어진 탐색평면상에서 빔형성 출력들을 비교하여 최대값을 갖는 위치 ( 如 们)를탐색하고 오차를 계산하였다.
음원위치 (Rs, θs)를포함하는가상음원위치 #들로 이루어진 탐색평면상에서 빔형성 출력들을 비교하여 최대값을 갖는 위치 #를 탐색하고 오차를 계산하였다.
이론/모형
본 논문의 시뮬레이션을 위하여 식 ⑵의 주파수영역 초점빔형성 식을 이용하였다.
본 논문에서는 3차원 공간인 해양환경에서 음파가 근거리 음원으로부터 다중경로를 따라 수평선배열에 수신될 때 발생할 수 있는 위치추정 오차와 원인을 해석하였다. 위치추정 오차를 분석하기 위하여 파면곡률을 이용한 기본적인 초점빔형성 (focused beamforming) 기법을 이용하였다. 대표적인 한국근해의 해양환경을 고려한 다중경로 음파전달모델로부터 음원의 신호를 만들어 위치추정 시뮬레이션을 수행하고, 이로부터 거리 추정오차 및 원인을 분석하였다.
본 논문에서는 3차원 공간인 해양환경에서 음파가 근거리 음원으로부터 다중경로를 따라 수평선배열에 수신될 때 발생할 수 있는 위치추정 오차와 원인을 해석하였다. 위치추정 오차를 분석하기 위하여 파면곡률을 이용한 기본적인 초점빔형성 (focused beamforming) 기법을 이용하였다. 대표적인 한국근해의 해양환경을 고려한 다중경로 음파전달모델로부터 음원의 신호를 만들어 위치추정 시뮬레이션을 수행하고, 이로부터 거리 추정오차 및 원인을 분석하였다.
파면곡률 효과를 이용하여 음원의 위치를 추정하는 기법들을 해양환경에 적용할 경우에 II장에서 살펴본 바와 같은 현상 등에 의하여 발생할 수 있는 오차를 분석하기 위한 시뮬레이션을 위하여 초점빔형성 기법을 이용하였다[7]. 기본적으로 초점빔형성은 음원이 근거리에 있다는 가정 하에 2차원 탐색평면에 대하여 기하학적으로 각각의 수신센서에 대한 파면곡률을 계산하고, 계산된 파면곡률의 시간지연을 이용하여 빔형성한다.
파면곡률 효과를 이용하여 음원의 위치를 추정하는 기법들을 해양환경에 적용할 경우에 II장에서 살펴본 바와 같은 현상 등에 의하여 발생할 수 있는 오차를 분석하기 위한 시뮬레이션을 위하여 초점빔형성 기법을 이용하였다[7]. 기본적으로 초점빔형성은 음원이 근거리에 있다는 가정 하에 2차원 탐색평면에 대하여 기하학적으로 각각의 수신센서에 대한 파면곡률을 계산하고, 계산된 파면곡률의 시간지연을 이용하여 빔형성한다.
성능/효과
(1) 여름철보다 겨울철의 수온구조에서 수신 각이 작아지는 원인에 따라 거리 오차가 감소한다.
(3) 해저면이 기울어져 있는 경우에 평탄한 해저면의 경우보다 위치추정의 오차가 크고, 수심이 증가할 때보다 감소할 때의 거리 오차가 크다.
(4) 거 리오차는 다중경로 사이의 도달시간 차이가 큰 구간에서는 크고 시간차이가 작은 경우에는 오차도 감소한다.
후속연구
본 논문에서 나타난 추정오차는 개선된 탐지기법을 사용한다면 다소 줄어들 수 있지만 근본적인 오차요인의 영향을 제거하기는 어려울 것으로 보인다. 따라서 근거리 효과를 이용한 위치추정 기법을 해양에 적용할 경우에는 본 논문에서 분석한 요인 외에도 다양한 오차요인에 대한 심층적인 분석이 병행되어야할 것이다.
본 논문에서 나타난 추정오차는 개선된 탐지기법을 사용한다면 다소 줄어들 수 있지만 근본적인 오차요인의 영향을 제거하기는 어려울 것으로 보인다. 따라서 근거리 효과를 이용한 위치추정 기법을 해양에 적용할 경우에는 본 논문에서 분석한 요인 외에도 다양한 오차요인에 대한 심층적인 분석이 병행되어야할 것이다.
근거리 효과를 이용한 위치추정 기법은 원거리 평면파를 가정한 고전적 빔형성을 이용하는 경우보다 해양환경에 보다 민감하고 특히, 배열의 형상에 매우 민감하게 되는 등 얻을 수 있는 정보가 많아지는 반면에 오차요인도 더불어 증가하게 된다. 본 논문에서 나타난 추정오차는 개선된 탐지기법을 사용한다면 다소 줄어들 수 있지만 근본적인 오차요인의 영향을 제거하기는 어려울 것으로 보인다. 따라서 근거리 효과를 이용한 위치추정 기법을 해양에 적용할 경우에는 본 논문에서 분석한 요인 외에도 다양한 오차요인에 대한 심층적인 분석이 병행되어야할 것이다.
근거리 효과를 이용한 위치추정 기법은 원거리 평면파를 가정한 고전적 빔형성을 이용하는 경우보다 해양환경에 보다 민감하고 특히, 배열의 형상에 매우 민감하게 되는 등 얻을 수 있는 정보가 많아지는 반면에 오차요인도 더불어 증가하게 된다. 본 논문에서 나타난 추정오차는 개선된 탐지기법을 사용한다면 다소 줄어들 수 있지만 근본적인 오차요인의 영향을 제거하기는 어려울 것으로 보인다. 따라서 근거리 효과를 이용한 위치추정 기법을 해양에 적용할 경우에는 본 논문에서 분석한 요인 외에도 다양한 오차요인에 대한 심층적인 분석이 병행되어야할 것이다.
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