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문제 정의
- 본 논문에서는 전방위에 대한 표적을 자동으로 탐지 및 추적하고 다중 주파수선에 의한 주파수 추가 및 삭제 과정을 구현, 설계하여 소나 장비에 적용한 시험 결과를 보여주었다. 기존의 수동추적은 운용자에 의하여 협소한 방위영역을 추적함으로 인해 전방위, 전대역의 많은 표적들을 동시에 추적하지 못했다.
제안 방법
- 개발한 자동탐지 및 추적 기법을 소나 장비에 적용하여 해상에서 실제 수중 표적을 탐지 및 추적하는 실험을 수 차례 수행하였다. 추적 성능 향상을 위하여 수년 간 획득한 실제 해상데이터를 이용하여 설계한 추적 구조를 검증하고 문턱값 자동설정, 측정치연계, 기존 표적과의 연계, 특징정보 처리시 상관관계 문턱값 등의 파라미터들을 최적화하였다.
- 연관되지 않은 측정치들은 새로운 표적으로 생성될 가능성이 있으므로 메모리에 저장한다. 갱신된 추적 정보로부터 프레임마다 표적의 특징정보 데이터 베이스를 구축하고 특징정보를 이용하여 표적의 추적 성능을 향상시킨다.
- 방위정보로 이용하였다. 고차의 다항식으로 보간하면 빔패턴의 좀더 정확한 근사값을 구할 수 있으나 실제 표적으로부터 멀리 떨어진 조향빔에 대해서는 부엽준위를 이용함으로써 추정 성능이 저하될 수있다㈤ 따라서 3개의 조향빔을 이용한 2차 다항식으로 보간하였다.
- 또한 간섭신호에 의하여 잠시 동일 표적으로 융합된 후 소실되는 단일주파수선들에 의해서 다중 주파수선의 방위 추적의 성능저하가 발생한다. 따라서 다중 주파수선의 방위측정치로 입력하기 위한 여러 방법들이 고려되며 대표적으로 단일 주파수선들의 방위추적결과를 단순평균하는 방법, 에너지 크기별 가중치 평균방법, 최소정규화거리의 측정치 선택방법의 3가지 방법에 대해서 해상실험 데이터를 이용하여 분석하였다. 단순평균방법은 표적이 가지고 있는 단일 주파수선들의 방위각을 산술평균하여 다중 주파수선 추적의 방위 필터에 측정치로 입력하는 방법이다.
- 예인형 수동소나가 실제로 운용되는 환경에서는 표적신호와 잡음신호의 확률적 분포가 운용지역, 운용시각, 해상환경 등 많은 환경변수에 따라 변화함으로 인해 일정하지 않으므로 모든 상황에 적합한 탐지문턱값을 결정하기는 어렵다. 따라서 본 논문에서는 다양한 해양환경과 다중 표적의 존재로 인하여 적응적인 문턱값을 구하기 위하여 보편적으로 사용되는 CA-CFAR(Cell Averaging-Constant False Alarm Rate)기법을 토대로 다중표적상황에 적합한 문턱값을 추출하였다® 해상실험 데이터를 분석한 결과 LF (Low Frequency) 대역은 많은 간섭현상으로 인해 MF( Medium Frequency), HF (High Frequency) 대역보다 문턱값이 많이 가변됨을 확인하여 대역별로 문턱값을 설정하였다.
- 다르다. 따라서 표적에서 발생하는 주파수 성분들을 개별적으로 추적하는 단일 주파수선(SFL : Sin이e Frequency Line)으로 추적하면서 동시에 동일 표적임을 계산하여 하나의 표적으로 판단하고 개별적 추적선들을 묶어 다중 주파수선(MFL : Multi Frequency Line)으로 추적을 수행한다. 다중 주파수선 표적 추적의 구조는 그림 1과 같다.
- 표적 추적 성능을 향상시킬 수 있다. 본 논문에서는 다중 주파수선 표적이 가지고 있는 단일 주파수들의 궤적 길이와 신호 대 잡음비를 특징정보로 저장하여 사용하였다. 그림 4는 표적의 특징정보를 보여준다.
- 평균 방위각 게이트는 두 표적이 근접한 방위에서 확정시간 동안 두 표적의 방위각상 차이가 평균 방위각 게이트이내에 들어오면 연관관계를 비교한다. 삭제된 표적의 동일 표적 판단은 삭제된 시점에서 변화율과 이동방향을 고려하여 30 프레임(8초/1프레임) 동안 방위탐색 범위를 열어서 현재 추적중인 표적들과의 연관성을 비교한다. 표 2는 주요 파라미터 변수들의 최적값을 나타낸다.
- 기존의 수동추적은 운용자에 의하여 협소한 방위영역을 추적함으로 인해 전방위, 전대역의 많은 표적들을 동시에 추적하지 못했다. 수년 간 획득한 해상실험 데이터를 이용하여 잠수함이 탐지되는 환경을 연구하였으며 이를 바탕으로 자동 탐지 및 추적 구조를 설계하였고 표적의 특징 정보처리를 통하여 이미 삭제된 표적도 재 탐지시 다시연계 추적하였다. 제안한 기법을 해상데이터를 이용하여 검증하였고 실제환경에 적합한 파라미터들을 최적화하는 과정을 수했하였다.
- 있다. 신호처리된 방위별 빔 에너지 정보를 적절한 문턱값과 비교하여 표적의 고유주파수를 탐지한다. 예인형 수동소나가 실제로 운용되는 환경에서는 표적신호와 잡음신호의 확률적 분포가 운용지역, 운용시각, 해상환경 등 많은 환경변수에 따라 변화함으로 인해 일정하지 않으므로 모든 상황에 적합한 탐지문턱값을 결정하기는 어렵다.
- 최소 정규화거리의 측정치 선택방법은 표적이 가지고 있는 여러 단일 주파수선들 중 다중 주파수선 주적의 방위각 예즉치에 가장가까운 거리에 있는 측정치 하나만을 선택하는 방법이다. 실제 해상실험 데이터를 이용한 결과 이 방법은 표적 신호의 세기가 약하고 간헐적으로 탐지되는 경우에도 방위 추적 성능이 가장 우수함을 보여 본논문에서는 세 번째 방법을 사용하였다. 선택과정은 그림 3과 같다.
- 구조는 그림 2와 같다. 우선 센서로부터 측정한 신호에서 표적의 방위각, 고유주파수, 신호 대 잡음비 정보를 대역별로 자동으로 검출한다. 자동 검출된 초기 측정치를 3프레임 동안 판단하여 연속으로 탐지되는 경우 표적의 단일 주파수선으로 초기화 및 추적을 수행한다.
- 자동으로 삭제한다. 이때 오래 지속된 표적과 잡음에 의해 잠시 발생한 궤적과의 삭제기준을 달리하기 위해서 가격함수를 도입하였다. 즉, 측정치와 연계되는 경우 +1, 연계되지 못하는 경우 -2의 값을 더하며 최대값을 12로 설정하여 0이하의 값을 가지는 표적은 자동 삭제한다.
- 이러한 문제점을 개선하기 위하여 국내에서 자동 표적 탐지 및 추적기법이 연구되었으며田 개발된 기법을 실제 소나 장비에 적용하기 위한 연구가 수행되었다回 본 논문에서는 3차원 영역의 데이터를 동시에 탐색해야 하는 운용자의 부담을 줄여 표적의 자동 탐색, 추적 시작, 유지, 특징정보 관리, 자동경보 설정으로 인한 조기경보까지 자동으로 수행하는 알고리즘을 설계하고 실제 해상실험 데이터를 이용하여 그 결과를 검증하였다.
- 수년 간 획득한 해상실험 데이터를 이용하여 잠수함이 탐지되는 환경을 연구하였으며 이를 바탕으로 자동 탐지 및 추적 구조를 설계하였고 표적의 특징 정보처리를 통하여 이미 삭제된 표적도 재 탐지시 다시연계 추적하였다. 제안한 기법을 해상데이터를 이용하여 검증하였고 실제환경에 적합한 파라미터들을 최적화하는 과정을 수했하였다.
- 초기 측정치를 검출하고 기존에 추적중인 표적과의 거리를 비교하여 기존표적에 연계된 측정치인지 혹은 새로운 표적의 측정치인지 판단한다. 거리 판단 후 새로운 표적으로 인정되면 새로운 표적 생성 과정을 거치며 기존 표적의 측정치로 판단되면 기존 표적 연계 과정을 거쳐서 추적정보를 갱신한다.
- 수 차례 수행하였다. 추적 성능 향상을 위하여 수년 간 획득한 실제 해상데이터를 이용하여 설계한 추적 구조를 검증하고 문턱값 자동설정, 측정치연계, 기존 표적과의 연계, 특징정보 처리시 상관관계 문턱값 등의 파라미터들을 최적화하였다.
- 표적의 고유 특징 주파수 정보를 이용하여 추적의 성능을 향상시키기 위하여 근접 표적의 동일 표적 처리, 그리고 삭제된 표적과 현재 추적중인 표적의 동일 표적 처리의 두 가지 기능을 수행한다. 평균 방위각 게이트는 두 표적이 근접한 방위에서 확정시간 동안 두 표적의 방위각상 차이가 평균 방위각 게이트이내에 들어오면 연관관계를 비교한다.
데이터처리
- 자동탐지 및 추적 알고리즘의 성능비교를 위해서 해상실험 데이터를 이용하여 기존에 검증되어 사용되고 있는 수동추적과 비교하였으며 결과를 표 3에 나타내었다. 기존에 검증된 수동추적과 유사한 방위오차의 추적결과를 나타내었으며 표적당 추적선의 길이는 평균적으로 15프레임 이상 더 추적을 유지하여 수분 이상 더 추적이 유지됨을 보여주었다.
이론/모형
- 빔형성된 출력을 이용하여 방위각을 추정할 때 지향빔 사이의 방위각에 표적이 존재하는 경우 보간기법을 이용하여 표적의 방위각을 추정하고 초기 측정치의 방위정보로 이용하였다. 고차의 다항식으로 보간하면 빔패턴의 좀더 정확한 근사값을 구할 수 있으나 실제 표적으로부터 멀리 떨어진 조향빔에 대해서는 부엽준위를 이용함으로써 추정 성능이 저하될 수있다㈤ 따라서 3개의 조향빔을 이용한 2차 다항식으로 보간하였다.
- 실제 예인형 수동 소나를 운용하는 해상 환경에서 적절한 탐지 문턱값이 설정된 경우 초기측정치의 신뢰도를 바탕으로 계산이 단순하고 확률모델에 의존도가 낮은 NNA(Nearest Neighbor Association) 기법을 이용하여 필터를 갱신하였다.
성능/효과
- 기존에 검증된 수동추적과 유사한 방위오차의 추적결과를 나타내었으며 표적당 추적선의 길이는 평균적으로 15프레임 이상 더 추적을 유지하여 수분 이상 더 추적이 유지됨을 보여주었다.
- 기존의 수동추적과의 방위 추적 성능을 비교하여 유사한 방위추적성능을 나타내었으며 결국 운용자에 의한 수동추적의 정확성을 가지고 전방위의 많은 표적들을 동시에 추적하는 성능을 보여주었다.
- 문턱값은 주변 간섭(선박, 어선 등) 영향 및 탐지 환경에 따라서 가변됨을 확인하였으며 분석한 결과 오탐지확률은 간섭신호의 영향에 따라 10-4〜10「2이내에 설정해야 함을 확인하였다.
- 표적당 단일 주파수선 개수와 전방위 표적 개수에서 수동추적에 비해 많은 표적들과 주파수성분들을 추적하였으며 결과적으로 기존의 수동추적의 방위 정확도를 가지고 전방위, 전대역의 표적들을 놓치지 않고 지속적으로 탐지 가능함을 보여주었다.
후속연구
- 향후 표적의 고유 정보가 되는 다양한 특징정보를 연구하고 표적의 기동과 다양한 해양 환경에 적합한 추적 필터를 구현함으로써 더욱 정밀한 추적이 가능할 것이다.
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