[논문]선저고정형 소나의 탐지성능 향상을 위한 빔 안정화 빔형성 기법

류영우

선저고정형 소나의 탐지성능 향상을 위한 빔 안정화 빔형성 기법
Beam Stabilization Beamforming Technique for Hull-Mounted Sonar Performance Enhancement 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.11 no.3 = no.34, 2008년, pp.129 - 137

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Hull-Mounted Sonar(HMS) has been the main equipment to detect and track underwater threats like torpedoes and enemy submarines. The HMS has short warming-up time and is employable independently with sea-state and weather condition. But these bad environmental condition and ship maneuvering make ship's roll and pitch. Ship's roll and pitch make unstability of sensor position, then cause degradation of the HMS performance. In this paper, we will show how the unstability influences the HMS performance, propose the 'Beam Stabilization Beamforming Technique' to overcome these phenomenon. And present the effectiveness of proposed technique by comparing with conventional beamforming result.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 원통형 배열 선저고정형 소나의 성능향상을 위하여 빔 안정화 빔형성 기법을 제안하였다. 기존의 빔형성 기법은 높은 해상상태 및 함정의 기동으로 인해 발생한 roll, pitch로 인하여 지향방위 신호크기의 감소 및 지향방위 변동과 같은 탐지성능 저하 문제가 발생한다.
하지만 수상함의 소나배열의 크기가 제한되어있어, 정해진 수의 소나로 최적의 성능을 얻기 위한 센서배치 방안에 대한 연구가 필요하다. 본 논문에서는 직교배열과 교차배열에 대한 수평/수직 빔패턴 및 지향지수와 같은 성능 요소를 비교, 분석하였다. 직교배열과 교차배열에의 형태와 수직/수평 센서간격은 그림 2와 같다.
본 논문에서는 함 운동으로 인한 롤 (roll), 피치(pitch)에 의한 탐지 성능 저하에 대해 분 석하고, 이러한 성능저하를 극복하기 위한 방안으로 서 ‘빔 안정화 빔형성 기법’을 제안하고자 한다.

제안 방법

Roll, pitch는 빔안정화 빔형성 기법의 성능을 확인하기 위하여 평균 5°, 분산 10°의 가우시안 분포를 갖도록 생성하였다.
그리고 표적방위는 60°에서 90°로 증가 후 70°로 감소하도록 0.1초마다 설정하였다.
또한 진북을 기준으로 하여 탐지빔을 형성함으로서, 함 기동과 무관하게 표적이 동일한 빔에서 탐지 가능하도록 식 (6)과 같이 진북안정화를 수행하였다.
1초마다 설정하였다. 모의 신호는 이와 같이 설정된 roll, pitch 및 표적방위를 적용하여 각 센서별로 생성하였다.
상세한 성능비교를 위해, 다양한 값의 roll, pitch 및 표적방위를 갖는 모의 데이터가 요구된다. 모의신호의 roll, pitch는 각각 7초, 5초 주기를 갖는 사인함수에 -10dB의 백색화 잡음을 더하여 0.1초마다 생성하였으며, roll, pitch의 절대값의 큰 경우에 대하여 4개의 구역을 설정하였다.
함 진로, roll, pitch 정보를 수신하여 빔 방향 벡터, 센서 위치 벡터를 계산하여 지연 맵을 생성하고, 이를 센서신호에 적용하여 위상을 보상한다. 보상된 센서신호와 빔별 센서 선택정보를 이용하여 합산함으로서 빔별 출력을 생성한다.
본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘빔 안정화 빔형성 기법’을 제안한다.
빔 안정화 빔형성 기법 적용 전/후의 탐지 성능 비교를 위하여 함 진로 60°, roll -11°, pitch 7.5°, 펄스길이 50msec를 갖는 CW(Continuous Wave) 신호를 생성하였으며, 표적의 방위는 진북기준 180°, 거리는 300m로 설정하였다.
제안된 기법의 성능 분석을 위하여 빔 안정화 빔형성 기법 적용 전/후의 빔-거리 그램과 표적거리에서의 수평 빔출력을 비교 분석하였다. 빔-거리 그램에서의 출력은 각 빔의 출력데이터를 75% 중첩하여 128-FFT 수행하여 전대역의 에너지를 합산하여 나타내었으며, 표적 거리에서의 각 빔의 출력을 통하여 수평 빔출력을 분석하였다.
소나를 이용한 표적 탐지시, 진북을 기준으로 전 방위를 균등 분할하여 빔을 만들며, 빔 번호는 시계방향으로 차례로 부여하였다.
수상함에 탑재된 선저고정형 소나는 소나배열을 구성하는 각 센서들의 수신신호들 간의 위상을 보상하여 합산함으로서 특정방위를 지향하는 빔을 형성하여 표적 탐지를 수행한다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 roll, pitch로 인한 센서의 위치 변이를 시간지연을 통해 보상하는 ‘빔 안정화 빔형성 기법’을 제안하였다.
제안된 기법의 성능 분석을 위하여 빔 안정화 빔형성 기법 적용 전/후의 빔-거리 그램과 표적거리에서의 수평 빔출력을 비교 분석하였다. 빔-거리 그램에서의 출력은 각 빔의 출력데이터를 75% 중첩하여 128-FFT 수행하여 전대역의 에너지를 합산하여 나타내었으며, 표적 거리에서의 각 빔의 출력을 통하여 수평 빔출력을 분석하였다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 roll, pitch로 인한 센서의 위치 변이를 시간지연을 통해 보상하는 ‘빔 안정화 빔형성 기법’을 제안하였다. 제안된 기법의 탐지 성능 향상 정도를 확인하기 위하여 기법 적용 전/후의 수평/수직 빔폭, 부엽준위, 표적방위 신호크기 등을 비교 분석하였으며, roll, pitch, 표적방위를 고려한 모의데이터를 생성하여 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 제안된 기법을 통하여 표적의 방위정확도 84% 개선 및 표적방위 신호크기 1.
제안된 빔 안정화 빔형성 기법의 성능을 검증하기 위하여, 방위-시간그램(BTR : Bearing-Time Record), 실제 표적방위와의 오차, 표적 방위 신호크기에 대하여 기법 적용 전/후에 대한 시뮬레이션을 수행하였다.

데이터처리

제안된 기법의 일반적인 성능비교를 위하여 1000개의 [roll, pitch] 조합에 대해 반복 시뮬레이션하여 제안된 기법 적용전과 적용후의 탐지 방위오차 평균과 분산을 구하여 성능을 비교하였다. Roll, pitch는 빔안정화 빔형성 기법의 성능을 확인하기 위하여 평균 5°, 분산 10°의 가우시안 분포를 갖도록 생성하였다.

성능/효과

제안된 기법의 탐지 성능 향상 정도를 확인하기 위하여 기법 적용 전/후의 수평/수직 빔폭, 부엽준위, 표적방위 신호크기 등을 비교 분석하였으며, roll, pitch, 표적방위를 고려한 모의데이터를 생성하여 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 제안된 기법을 통하여 표적의 방위정확도 84% 개선 및 표적방위 신호크기 1.03dB 증가 효과를 확인하였으며, 이는 선저고정형 소나의 안정적인 표적탐지에 크게 기여할 것이다.
수평 빔의 경우, 빔폭과 부엽준위 모두 두 배열에서 동일한 값을 나타내었다. 그러나 수직빔의 경우 교차배열에서 빔폭은 0.2도 좁게, 부엽준위는 0.9dB 낮게, 지향지수도 교차배열에서 0.3dB 높게 나타나 교차배열이 더 우수한 센서배치임을 확인할 수 있었다.
그림 16에서 실제 표적방위와 탐지된 표적방위 간의 오차를 살펴보면, 기존의 빔형성 기법의 경우 설정된 네 구간에서 1°에서 2°이상으로 크게 나타나는 반면, 제안된 기법을 적용하면 방위 오차가 평균 0.39°로 67%정도 감소된 안정적인 표적탐지가 가능하다.
15° 감소 효과를 얻을 수 있었다. 또한 알고리듬 적용전 표적방위의 신호크기에 비하여 평균 1.03dB의 신호크기 증대효과를 얻었으며 제안된 기법을 통하여 높은 해상상태 또는 불안정한 함기동 조건하에서도 안정적인 표적 탐지가 가능함을 확인하였다.
시뮬레이션 분석 결과, 함수 방향 빔의 경우 pitch에 의해 빔이 상/하로 움직이는 현상이, roll에 의해 빔이 좌/우로 기울어지는 현상이 발생하였으며, 그 결과 지향방위의 신호크기 감소 및 지향방위 변동이 발생함을 확인할 수 있었다. 상세한 빔 특성 변화는 표 2에 나타내었다.
제안된 ‘빔 안정화빔형성 기법’의 적용을 통해 지향방위에서 3dB의 신호증대 효과를, 부엽에서 2.5dB의 신호감소 효과를 얻을 수 있었다.
제안된 기법을 통하여 표적의 방위오차는 평균 0.39°, 방위오차의 분산은 0.15° 감소 효과를 얻을 수 있었다.
7dB로 전체 평균에 비해서도 2dB 감소된다. 한편 제안된 기법을 적용할 경우, 4개 구역평균은 -1.1dB이며, 전체 평균인 -1.0dB와도 차이가 없음을 확인할 수 있다.

후속연구

소나의 성능은 배열을 구성하는 센서의 수에 비례하게 된다. 하지만 수상함의 소나배열의 크기가 제한되어있어, 정해진 수의 소나로 최적의 성능을 얻기 위한 센서배치 방안에 대한 연구가 필요하다. 본 논문에서는 직교배열과 교차배열에 대한 수평/수직 빔패턴 및 지향지수와 같은 성능 요소를 비교, 분석하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선저고정형 소나란?	선저고정형 소나는 수상함에서 어뢰나 적 잠수함과 같은 수중위협을 탐지/추적 및 식별하기 위해 사용하는 주요수단이다. 선저고정형 소나는 선저에 부착되어 있어 예인형 선배열소나, 헬기 디핑소나에 비하여 운 용준비 시간이 짧으며, 해상상태나 기상상태와 무관 하게 상시 운용가능하다는 장점이 있으나, 높은 해상 상태 및 함의 기동에 의한 함정의 좌우 흔들림(roll)과 위아래 흔들림(pitch)으로 인하여 센서배열의 위치 변화가 발생하여, 소나의 탐지성능이 저하될 우려가 있다.
	선저고정형 소나의 장단점은?	선저고정형 소나는 수상함에서 어뢰나 적 잠수함과 같은 수중위협을 탐지/추적 및 식별하기 위해 사용하는 주요수단이다. 선저고정형 소나는 선저에 부착되어 있어 예인형 선배열소나, 헬기 디핑소나에 비하여 운 용준비 시간이 짧으며, 해상상태나 기상상태와 무관 하게 상시 운용가능하다는 장점이 있으나, 높은 해상 상태 및 함의 기동에 의한 함정의 좌우 흔들림(roll)과 위아래 흔들림(pitch)으로 인하여 센서배열의 위치 변화가 발생하여, 소나의 탐지성능이 저하될 우려가 있다.
	빔 안정화 빔형성 기법의 장점은?	본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘빔 안정화 빔형성 기법’을 제안한다. 이 기법은 roll, pitch로 인해 발생한 각센서의 위치 변이를 산출하여 센서 수신신호의 위상 차이를 보상함으로써 빔 특성 변화와 이로 인한 탐지성능 저하를 극복할 수 있다.

참고문헌 (6)

Fan H. and Hu. X, 'Tracking of Conventional Beamforming with Hydrophone Array of Varying Geometry', Aerospace and Electronic Systems, IEEE Transactions on Volume 28, Issue 2, pp. 335-354, April 1992

상세보기
P. Felisberto, S. M. Jesus, 'Towed-array Beamforming during Ship's Manoeuvring', Radar, Sonar and Navigation, IEE Proceedings, Volume 143, Issue 3, pp. 210-215, June 1996
Randy L. Haupt, 'Experimental Adaptive Cylindrical Array', Aerospace Conference, 1999. Proceedings. 1999 IEEE, Volume 3, pp. 291-296, Mar. 1999
Tawfik. A. and Stergiopoulos. A., 'A generic processing structure decomposing the beamforming process of 2-D and 3-D arrays of sensors into sub-sets of coherent processes', Electrical and Computer Engineering, 1997. IEEE Canadian Conference on Volume 2, pp. 560-563, May 1997
Sureau, J.-C. and Keeping, K., 'Sidelobe control in cylindrical arrays', Antennas and Propagation, IEEE Transactions on [legacy, pre - 1988], Volume 30, Issue 5, pp. 1027-1031, 1988
Jan Egil Kirkebo, 'Layout-optimized Cylindrical Sonar Arrays', OCEANS '04. MTTS/IEEE TECHNO-OCEAN '04, Volume 2, pp. 598-602, Nov. 2004

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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