실제 해양에서 음파는 해수면/해저면의 거친 경계면이나 기포층/어군과 같이 불규칙적으로 분포된 체적에 의해 산란 되며, 잔향음 신호는 이러한 산란 신호의 합으로 형성된다. 실측된 잔향음 신호를 정확하게 모의하기 위해서는 각 산란 메커니즘에 적합한 산란 모델을 음파 전달 손실 모델과 결합시켜야 한다. 본 논문에서는 기존의 산란 모델과 결합이 용이한 음선 이론을 기반으로 잔향음 모델을 개발하였다. 개발된 잔향음 모델은 (1) 해수면에 대한 산란 신호로 실험 기반의 Chapman-Harris 식과 이론 기반의 APL-UW/SSA 모델, (2) 해저면에 대해서는 실험 기반의 Lambert 법칙과 이론 기반의 APL-UW/SSA 모델을 선택적으로 사용하도록 한다. 개발된 잔향음 모델의 타당성을 검증하기 위해서 정상 모드법 기반으로 개발된 Ellis 모델 결과와 2006 잔향음 공동웍크�乍【� 발표된 여러 잔향음 모델 결과와 비교하였다. 모델간의 비교를 통해 검증된 잔향음 모델을 이용하여 한국 근해의 중주파수 대역 잔향음 신호를 모의하고, 이를 실측 데이터와 시간 영역에서 직접 비교하였다. 이러한 비교를 통해 각 해역의 해양 환경의 특성에 따라 상호 다른 잔향음 신호 경향을 고찰 할 수 있으며, 나아가 각 해역 특성을 반영하는 산란 강도 함수를 본 잔향음 모델을 통해 선정할 수 있다.
실제 해양에서 음파는 해수면/해저면의 거친 경계면이나 기포층/어군과 같이 불규칙적으로 분포된 체적에 의해 산란 되며, 잔향음 신호는 이러한 산란 신호의 합으로 형성된다. 실측된 잔향음 신호를 정확하게 모의하기 위해서는 각 산란 메커니즘에 적합한 산란 모델을 음파 전달 손실 모델과 결합시켜야 한다. 본 논문에서는 기존의 산란 모델과 결합이 용이한 음선 이론을 기반으로 잔향음 모델을 개발하였다. 개발된 잔향음 모델은 (1) 해수면에 대한 산란 신호로 실험 기반의 Chapman-Harris 식과 이론 기반의 APL-UW/SSA 모델, (2) 해저면에 대해서는 실험 기반의 Lambert 법칙과 이론 기반의 APL-UW/SSA 모델을 선택적으로 사용하도록 한다. 개발된 잔향음 모델의 타당성을 검증하기 위해서 정상 모드법 기반으로 개발된 Ellis 모델 결과와 2006 잔향음 공동웍크�乍【� 발표된 여러 잔향음 모델 결과와 비교하였다. 모델간의 비교를 통해 검증된 잔향음 모델을 이용하여 한국 근해의 중주파수 대역 잔향음 신호를 모의하고, 이를 실측 데이터와 시간 영역에서 직접 비교하였다. 이러한 비교를 통해 각 해역의 해양 환경의 특성에 따라 상호 다른 잔향음 신호 경향을 고찰 할 수 있으며, 나아가 각 해역 특성을 반영하는 산란 강도 함수를 본 잔향음 모델을 통해 선정할 수 있다.
Sound in the ocean is scattered by inhomogeneities of many different kinds, such as the sea surface, the sea bottom, or the randomly distributed bubble layer and school of fish. The total sum of the scattered signals from these scatterers is called reverberation. In order to simulate the reverberati...
Sound in the ocean is scattered by inhomogeneities of many different kinds, such as the sea surface, the sea bottom, or the randomly distributed bubble layer and school of fish. The total sum of the scattered signals from these scatterers is called reverberation. In order to simulate the reverberation signal precisely, combination of a propagation model with proper scattering models, corresponding to each scattering mechanism, is required. In this article, we develop a reverberation model based on the ray theory easily combined with the existing scattering models. Developed reverberation model uses (1) Chapman-Harris empirical formula and APL-UW model/SSA model for the sea surface scattering. For the sea bottom scattering, it uses (2) Lambert's law and APL-UW model/SSA model. To verify our developed reverberation model, we compare our results with those in Ellis' article and 2006 reverberation workshop. This verified reverberation model SNURM is used to simulate reverberation signal for the neighboring seas of South Korea at mid frequency and the results from model are compared with experimental data in time domain. Through comparison between experiment data and model results, the features of reverberation signal dependent on environment of each sea is investigated and this analysis leads us to select an appropriate scattering function for each area of interest.
Sound in the ocean is scattered by inhomogeneities of many different kinds, such as the sea surface, the sea bottom, or the randomly distributed bubble layer and school of fish. The total sum of the scattered signals from these scatterers is called reverberation. In order to simulate the reverberation signal precisely, combination of a propagation model with proper scattering models, corresponding to each scattering mechanism, is required. In this article, we develop a reverberation model based on the ray theory easily combined with the existing scattering models. Developed reverberation model uses (1) Chapman-Harris empirical formula and APL-UW model/SSA model for the sea surface scattering. For the sea bottom scattering, it uses (2) Lambert's law and APL-UW model/SSA model. To verify our developed reverberation model, we compare our results with those in Ellis' article and 2006 reverberation workshop. This verified reverberation model SNURM is used to simulate reverberation signal for the neighboring seas of South Korea at mid frequency and the results from model are compared with experimental data in time domain. Through comparison between experiment data and model results, the features of reverberation signal dependent on environment of each sea is investigated and this analysis leads us to select an appropriate scattering function for each area of interest.
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문제 정의
이러한 비교를 통해 각 해역의 잔향음 특성을 고찰하고 나아가 각 해역에 지배적인 산란 메커니즘을 분석하였다. 결론에서 본 논문에서 개발된 잔향음 모델의 특징과 실측 데이터 비교 과정 및 결과에 대해 요약하였다. 또한, 한국 근해에 보다 적합한 잔향음 신호를 모의하기 위해 개선해야 할 부분에 대해 언급하였다.
결론에서 본 논문에서 개발된 잔향음 모델의 특징과 실측 데이터 비교 과정 및 결과에 대해 요약하였다. 또한, 한국 근해에 보다 적합한 잔향음 신호를 모의하기 위해 개선해야 할 부분에 대해 언급하였다.
시간 영역 잔향음 모델은 주파수 영역 잔향음 모델에 비해 잔향음 신호 특성을 관측하기 쉽고, 실측 데이터와의 직접 비교가 용이 하다. 본 논문에서 이러한 방법으로 모의된 시간 영역 잔향음 신호를 기존의 잔향음 모델과 비교하여 그 타당성을 검증하였다.
본 논문에서는 기존의 이론/실험 기반의 산란 모델을 음선이론과 결합하여 시간 영역 잔향음 신호 모의 모델을 개발하였다. 본 모델의 목적은 잠수함 능동 소나 운영 주파수 대역인 중주파수 대역 잔향음 특징을 분석하고, 이를 통해 수신 신호에서 표적 신호를 구별하는 것이다.
본 논문에서는 음선이론을 적용하여 수치 해법 기반의 거리 종속 잔향음 모델을 개발하였다. 본 모델에 사용된 산란 모델은 크게 해수면/해저면에 대한 실험 기반의 산란 모델과 이론 기반으로 나눌 수 있다 (각 산란 모델의 적용 범위나 특징은 2장에서 언급한다).
본 논문에서는 기존의 이론/실험 기반의 산란 모델을 음선이론과 결합하여 시간 영역 잔향음 신호 모의 모델을 개발하였다. 본 모델의 목적은 잠수함 능동 소나 운영 주파수 대역인 중주파수 대역 잔향음 특징을 분석하고, 이를 통해 수신 신호에서 표적 신호를 구별하는 것이다. 이를 위해서 중고주파 대역에서 다른 이론 기반의 모델에 비해 효율적인 음선 이론을 본 잔향음 모델에 적용하였다.
가설 설정
잔향음 신호를 모의하기 위해서는 음원에서 각 산란면적까지의 고유 음선을 구해야 하므로 수신기의 위치가 경계면에 위치한다고 가정한다. 본 잔향음 모델에서는 고유 음선을 산란 면적으로부터 음원까지 역으로 추적하여 고유 음선 탐색 범위를 줄일 수 있었으며 결과적으로 계산의 효율성을 높였다.
제안 방법
그림 4에서 보는 바와 같이 산란 면적이 작아질수록 잔향음 신호의 변동성이 줄어들며 각 시간 마다 특정 값으로 수렴되는 것을 확인할 수 있다 또한, 시간이 지날수록 잔향음 신호가 초기 시간에 비해 빨리 수렴함을 알수 있다. 따라서 검증을 위해 잔향음 신호를 모의할 때 산란 면적을 일정 비율로 늘려 계산하였으며, 이를 통해 계산 시간을 단축시켰다. 한편, 산란 면적은 비간섭 잔향음 신호 모의뿐만 아니라 간섭 신호 모의에 더 큰 영향을 줄 수 있는 요인이며 정확한 간섭 잔향음 신호를 모의하기 위해서는 수학적 혹은 물리적으로 타당한 산란 면적을 결정해야 한다.
특히, 음선 이론 기반의 CASS [8] 경우 특정 시간에 영향을 주는 산란 신호를 탐색하고 이에 대한 산란면적을 계산하여 최종 잔향음을 계산한다. 반면에 본 모델에서는 특정 산란 면적에서 음파가 산란되어 여러 시간에 걸쳐 산란 신호를 형성하며 전 산란 면적에 의한 산란 신호의 합으로 최종 잔향음을 모의하였다. 이과정에서 각 산란 면적에 대한 고유 음선을 추적하는데, 이러한 방법으로 형성된 고유 음선 구조 분석을 통해 해양 환경에 따른 잔향음 경향이나 특정 산란 면적에 대한 산란 신호 분석을 용이하게 할 수 있다.
이는 고전 음선 이론 (classical ray theory)에서 사용하는 고유 음선 탐색 알고리듬과 유사하다. 이 같은 방법으로 구해진 각 고유 음선의 음압 크기는 경계면에 의한 반사 손실의 누적과 기하학적인 확산에 의한 손실 (spherical spreading loss)을 고려하여 근사하였다. 식 ⑵는 각 고유 음선에 대한 음압 크기를 모의하는 식이다.
3장에서는 본 모델을 활용하여 나온 결과를 기존의 잔향음 모델 결과와 비교하였다 4장에서는 앞서 검증된 잔향음 모델을 이용하여 한국 근해의 잔향음 신호를 모의하고 이를 각 해역의 실측데이터와 시간 영역에서 직접 비교하였다. 이러한 비교를 통해 각 해역의 잔향음 특성을 고찰하고 나아가 각 해역에 지배적인 산란 메커니즘을 분석하였다. 결론에서 본 논문에서 개발된 잔향음 모델의 특징과 실측 데이터 비교 과정 및 결과에 대해 요약하였다.
본 모델의 목적은 잠수함 능동 소나 운영 주파수 대역인 중주파수 대역 잔향음 특징을 분석하고, 이를 통해 수신 신호에서 표적 신호를 구별하는 것이다. 이를 위해서 중고주파 대역에서 다른 이론 기반의 모델에 비해 효율적인 음선 이론을 본 잔향음 모델에 적용하였다. 본 잔향음 모델의 적용 주파수 대역은 전달 손실 모델인 음선이론 보다 음선이론과 결합되는 산란 모델에 의존 적이다.
본 잔향음 모델에 이용된 전달 모델은 박철수 등 [14]에 의해 개발된 음선 모델을 일반적인 거리 종속 해저 지형에 적용 가능하도록 확장된 모델이며, 이 모델의 특징은 다음과 같다. 일반적인 해양 음속 구조를 선형 음속 구간으로 분리하여 각 음속 구조에 대한 음선 경로를 해석적인 식을 적용하였다. 이 식을 반복적으로 수행하여 음원으로부터 전파되는 음선을 추적하며, 이와 같은 음선 추적 과정을 해를 찾는 수치 기법과 결합하여 수신기에 입사하는 고유 음선을 찾는다.
본 모델에 사용된 산란 모델은 크게 해수면/해저면에 대한 실험 기반의 산란 모델과 이론 기반으로 나눌 수 있다 (각 산란 모델의 적용 범위나 특징은 2장에서 언급한다). 특히, 이론 기반의 산란 모델을 사용하면 경계면 거칠기에 의한 산란 신호만을 계산하는데, Dahl [2]이 제안했던 모델과 섭동 이론 기반으로 유도된 식을 각각 해수면, 해저면에 적용하여 체적 산란에 대한 영향을 고려하였다. 또한, 본 모델은 박철수 등 [14]이 개발한 음선 모델을 이용하여 이산화된 시간 영역 잔향음 신호를 모의하였다.
해저면의 경우 체적 비균질성에 의한 산란이 존재하는데 이러한 산란 크기는 섭동 이론 [3]을 적용하여 예측할 수 있다. 해수면과 마찬가지로 거칠기에 의한 산란과 체적 산란을 결합 하여 해저면에 의한 산란을 계산한다.
이론/모형
특히, 이론 기반의 산란 모델을 사용하면 경계면 거칠기에 의한 산란 신호만을 계산하는데, Dahl [2]이 제안했던 모델과 섭동 이론 기반으로 유도된 식을 각각 해수면, 해저면에 적용하여 체적 산란에 대한 영향을 고려하였다. 또한, 본 모델은 박철수 등 [14]이 개발한 음선 모델을 이용하여 이산화된 시간 영역 잔향음 신호를 모의하였다. 시간 영역 잔향음 모델은 주파수 영역 잔향음 모델에 비해 잔향음 신호 특성을 관측하기 쉽고, 실측 데이터와의 직접 비교가 용이 하다.
앞서 언급한 바와 같이 보다 정확한 잔향음 신호를 모의 하기 위해서는 모델에 결합될 산란 모델의 특징을 잘 이해해야 하며 음원의 주파수 영역이나 실험 환경에 맞게 산란 모델을 적용하여야 한다. 본 논문에서 개발된 잔향음 모델은 실험 기반의 해수면/해저면 산란 모델과 이론 기반의 해수면/해저면 산란 모델을 사용하였다.
본 논문에서 사용된 음선 모델은 박철수 등 [14]에 의해 개발된 모델로써 시간 영역 광대역 신호 모델링에 효율적 이다. 이러한 음선 모델에 해수면/해저면에 대한 산란 모델을 결합하여 최종적인 잔향음 신호를 모의하는데 보다 정확한 잔향음 신호를 구하기 위해서는 각 산란 강도 함수의 특징을 이해하고 그 적용 영역을 잘 인지하고 있어야 한다.
본 잔향음 모델의 적용 주파수 대역은 전달 손실 모델인 음선이론 보다 음선이론과 결합되는 산란 모델에 의존 적이다. 본 모델은 실험기반의 Chapman-Harris식과 Lambert 법칙, 이론기반의 APL-UW모델과 SSA모델을 사용함으로써 중주파수 대역 특히 , 잠수함 능동소나 운영 주파수 대역에서 유효한 잔향음 신호를 모의하였다.
해상 상태가 거칠거나 체적의 불균질성에 의해 기포/ 체적 산란이 지배적 인 경우, 이 러한 산란 효과를 고려하기 위해 해수면에 대해서는 Dahl [2]이 제한하였던 식을 적용하고, 해저면에 대해서는 섭동 이론 기반으로 유도된 식 [3]을 사용하였다. 표 1을 통해 APL-UW의 적용 주파수 범위가 10-100 kHz인 고주파수 대역임을 확인할 수 있다.
성능/효과
잔향음 신호를 모의하기 위해서는 음원에서 각 산란면적까지의 고유 음선을 구해야 하므로 수신기의 위치가 경계면에 위치한다고 가정한다. 본 잔향음 모델에서는 고유 음선을 산란 면적으로부터 음원까지 역으로 추적하여 고유 음선 탐색 범위를 줄일 수 있었으며 결과적으로 계산의 효율성을 높였다. 그림 2는 임의의 하향 구배 음속 구조와 거리 종속 해저면을 가지는 해양 환경에서 경계면에서 음원으로 고유 음선을 추적한 결과이다.
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