[논문]선체 고정형 소나의 음영 구역 최소화

임세한; 한윤후; 장찬주

선체 고정형 소나의 음영 구역 최소화
Minimization of Shadow Zone for Hull Mounted Sonar 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.13 no.2, 2010년, pp.211 - 217

임세한 (해군사관학교) , 한윤후 (해군작전사) , 장찬주 (한국해양연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper introduces the Hull Mounted Sonar Vertical Scanning(HMS Verscan) technique to overcome the limitation of target detection in short range shadow zone. Numerical experiments were done with the HMS Verscan taking advantage of the vertical beamforming technique for two-dimension hydrospace(range-depth). For numerical experiments, ray model and high-frequency monostatic reverberation model were used. HMS Verscan increased a sound pressure level at the short range shadow zone through reflections at the sea surface and seafloor. Inclusion of the boundary scattering improved target detection due to the sound reflected into the shadow zone.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이러한 음영 구역을 최소화하기 위한HMS 운용의 기술적 개선사항으로 선진 해군에서 사용하고 있는 능동 소나의 빔형성(Beamforming)을 이용한 Vertical Scanning(Verscan)기법을 제안한다. 이 기법은 기존 HMS의 장비를 크게 변경하지 않고, 음파 방사 방식을 결정하는 운용 모듈의 빔 형성 알고리즘만을 개선하는 것으로 비교적 비용이 적게 들면서 HMS의 성능을 향상 시킬 수 있는 방법으로 알려져 있다^[2].
본 연구에서는 음향 탐지 체계 운용시 발생하는 음영 구역을 최소화하고 표적탐지 가능성을 향상시키기 위한 방법으로 HMS에 의한 Verscan 기법의 효용성을 분석하였다. HMS Verscan 기법은 최근 개발되고 있는 능동 소나체계에는 운용모드의 하나로 포함되고 있는 추세이나 효용성에 대한 정량적인 접근이 부족한 상황이었다.

가설 설정

이것을 빔 형성(Beamforming) 기법이라 하고 음파의 송수신 모두에 적용된다^[5,6]. 본 논문에서는 HMS의 일반적인 송신단 형태인 실린더 프레임에 여러 줄의 선형 어레이(트랜듀서)가 장착되어 있는 것으로 가정하였다(Fig. 2). 여기서 선형 어레이의 길이는 l 이며, 트랜듀서의 개수는 N=2k+1, d는 트랜듀서간의 거리이며, θ₀는 조향각도이다.
5). 수심은 1550m로 평탄하며, 저질은 Fine sand로, 음속장내의 음속 구조는 실험의 성격상 균일(Range Independent)하다고 가정하였다. Fig.

제안 방법

Bellhop 모델을 이용한 수치 실험을 위해 실제 HMS의 운용환경과 유사하게 음원수심은 6m,주파수 10kHz, 빔폭 20° 등을 입력변수로 하였다.
3은 선형 어레이를 주파수 10kHz로 설정하고 기준각인 θ=0°에서 θ₀=20°로 빔을 조향할 때의 지향성 패턴을 보여준다. 본 논문에서 제안하는 HMS Verscan 개념은 빔 형성기법을 수직으로 적용하여 HMS로부터 해저면 방향으로 연속적인 ping을 일정한 빔 조향각에 따라서 수행하는 것이다. 이때 음파의 해저면 반사를 전제조건으로 한다(Fig.
또한 방사된 음파의 산란간섭을 분석하기 위해 음파산란 손실 계산 모델인 HYREV(Han Yang University Reverberation Model)^[4]를 이용하였다. 수치 실험 결과를 통해 HMS Verscan에 의한 근거리 음영 구역의 감소 효과를 제시한다.
따라서 근거리 음영 구역을 최소화하기 위해 Verscan기법을 적용시 경계면효과에 의해 발생하는 잔향음준위의 크기가 빔 조향각에 따라 현저하게 감소하며, Verscan이 HMS의 성능을 향상시킬 수 있는 중요한 요소가 됨을 확인할 수 있었다. 이를 보다 정량적으로 분석하기 위해 능동 소나 방정식에 잔향음 조건을 대입하여 신호 이득값(ASE : Active Signal Excess)을 산출해 보았다(식 6).
HMS가 Sonar Ping(음파 방사)시 경계면(해저면, 해표면)에서의 산란은 소나 성능에 중요한 요소로 작용하게 된다. 자체소음과 잔향음이 HMS에 미치는 영향을 분석해 보기 위해 일반적인 자체소음 준위^[10]와 한양대학교 해양음향연구실에서 개발한 HYREV(Hanyang University Reverberation Model)를 이용하여 계산한 잔향음 준위를 비교해 보았다(Fig. 8). HYREV는 고유 음선을 계산하고 경계면까지의 음파 도달 시간과 입사각 및 전달 손실을 파악한 후 경계면에서의 산란 모델인 compositeroughness 모델을 이용하여 산란 특성을 계산하는 고주파 단상태 잔향음 계산 모델이다^[4].
분석 결과 Verscan 기법 적용이 음영 구역내로 음파전달을 증가시키고 잠수함을 탐지할 수 있는 가능성을 어느 정도 개선할 수 있는 것으로 수치실험 결과 판명되었다. 한편 Verscan 기법의 효과가 HMS의 성능 제원, 해양 환경 변화에 영향을 받는 음속장의 음속 구조, 해저 경계면의 경사도, 해저 퇴적물 특성에 따른 잔향음 준위의 크기 등과 밀접한 관계가 있음을 제한 사항으로 도출하였다. 추후 연구과제로 각 제한 요소들과 HMS Verscan기법 적용시 효용성과의 정량적인 상관관계 분석을 실시할 예정이다.

대상 데이터

여기서 SL(Source Level)은 음원준위, TL(Transmission Loss)은 전달 손실, TS(Target Strength)는 표적강도, RL(Reverberation Level)은 잔향음 준위, DT(Detection Threshold)는 탐지문턱값이다. 신호이득 계산시 SL, TS, DT는 실제 해군함정에 탑재되어 있는 HMS 운용값을 적용하였다. 신호이득값이 0dB 이상이 되면서부터 표적 탐지가 가능하게 된다.

이론/모형

2차원 공간(거리-수심)에서 HMS Verscan의 효과도 분석을 위해 고주파 및 근거리 음파 전달 손실 계산에 적합한 Bellhop(Ray/Beam Model) 모델을 사용하였다^[3]. 또한 방사된 음파의 산란간섭을 분석하기 위해 음파산란 손실 계산 모델인 HYREV(Han Yang University Reverberation Model)^[4]를 이용하였다.
. 또한 방사된 음파의 산란간섭을 분석하기 위해 음파산란 손실 계산 모델인 HYREV(Han Yang University Reverberation Model)^[4]를 이용하였다. 수치 실험 결과를 통해 HMS Verscan에 의한 근거리 음영 구역의 감소 효과를 제시한다.
Bellhop 모델을 이용한 수치 실험을 위해 실제 HMS의 운용환경과 유사하게 음원수심은 6m,주파수 10kHz, 빔폭 20° 등을 입력변수로 하였다. 음속구조는 KODE(Korean Oceanography Data Developedusing EOF analysis)^[7]로부터 얻은 해수의 물리적 요소(수온, 염분, 압력)를 바탕으로 Mackenzie(1998)^[8]의 음속계산식을 사용하여 계산하였다(Fig. 5). 수심은 1550m로 평탄하며, 저질은 Fine sand로, 음속장내의 음속 구조는 실험의 성격상 균일(Range Independent)하다고 가정하였다.

성능/효과

따라서 근거리 음영 구역을 최소화하기 위해 Verscan기법을 적용시 경계면효과에 의해 발생하는 잔향음준위의 크기가 빔 조향각에 따라 현저하게 감소하며, Verscan이 HMS의 성능을 향상시킬 수 있는 중요한 요소가 됨을 확인할 수 있었다. 이를 보다 정량적으로 분석하기 위해 능동 소나 방정식에 잔향음 조건을 대입하여 신호 이득값(ASE : Active Signal Excess)을 산출해 보았다(식 6).
HMS Verscan 기법은 최근 개발되고 있는 능동 소나체계에는 운용모드의 하나로 포함되고 있는 추세이나 효용성에 대한 정량적인 접근이 부족한 상황이었다. 분석 결과 Verscan 기법 적용이 음영 구역내로 음파전달을 증가시키고 잠수함을 탐지할 수 있는 가능성을 어느 정도 개선할 수 있는 것으로 수치실험 결과 판명되었다. 한편 Verscan 기법의 효과가 HMS의 성능 제원, 해양 환경 변화에 영향을 받는 음속장의 음속 구조, 해저 경계면의 경사도, 해저 퇴적물 특성에 따른 잔향음 준위의 크기 등과 밀접한 관계가 있음을 제한 사항으로 도출하였다.
빔 조향각 30°이상에서는 여름/겨울철의 음영 구역 면적이 동일한 추세로 감소되며 0°에서 5°로 조향될 때 약 25%(겨울철 47%)이상의 감소로 가장 큰 감소폭을 보였다.
주파수 10kHz, 함정 속도 10knot를 기준으로 자체소음 준위는 약 60dB, 빔 조향을 10°로 하였을 때의 잔향음 준위는 70dB이상으로 잔향음 준위가 더 높게 나타났다.

후속연구

결국 음영 구역의 크기는 거리-수심별 음 전달 손실분포와 관련이 있기 때문에 해양 환경 변화와 관련된 음속장과 HMS의 제원에 따라 조향각을 적의 조정하여야 최상의 효과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 특히 음속장의 구조가 음 에너지 전달에 가장 중요한 요소임을 감안할 때 다양한 음속장에서의 Verscan 효과 확인을 차후 연구과제로 실시할 예정이다.
.따라서 국내 HMS 개발단계에서 HMS의 성능을 극대화할 수 있는 Vertical Scanning 기법 등의 운용 모드를 적용하고 선진 해군의 능동 소나 개발 추세에 따라 저주파수 대역의 HMS를 개발, 운용하게 되면 우리해군 수상함정들의 대잠작전능력이 크게 향상될 것으로 기대된다.
분석 결과 Verscan을 통해 HMS의 성능 향상을 기대할 수는 있지만 결국 HMS의 제원과 해저 저질에 따라 조향각을 적의 조정하여야 한다는 제한 사항을 도출할 수 있으며 추후 연구 과제로 실시 할 예정이다.
한편 Verscan 기법의 효과가 HMS의 성능 제원, 해양 환경 변화에 영향을 받는 음속장의 음속 구조, 해저 경계면의 경사도, 해저 퇴적물 특성에 따른 잔향음 준위의 크기 등과 밀접한 관계가 있음을 제한 사항으로 도출하였다. 추후 연구과제로 각 제한 요소들과 HMS Verscan기법 적용시 효용성과의 정량적인 상관관계 분석을 실시할 예정이다.
결국 음영 구역의 크기는 거리-수심별 음 전달 손실분포와 관련이 있기 때문에 해양 환경 변화와 관련된 음속장과 HMS의 제원에 따라 조향각을 적의 조정하여야 최상의 효과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 특히 음속장의 구조가 음 에너지 전달에 가장 중요한 요소임을 감안할 때 다양한 음속장에서의 Verscan 효과 확인을 차후 연구과제로 실시할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소나란 무엇인가?	소나(SONAR)는 “SOund NAvigation and Ranging”의약자로서 수중 물체의 존재, 위치, 혹은 특성을 파악하기 위해 수중음향을 이용하는 음파 탐지 체계이다. 기본적인 동작 방식에 따라 능동형(Active)과 수동형(Passive)으로 분류되며[1] 급격하게 변화하는 전략적상황은 소나의 요구사항과 체계를 지속적으로 변화시켜왔다.
	소나는 기본적인 동작 방식에 따라 무엇으로 분류되는가?	소나(SONAR)는 “SOund NAvigation and Ranging”의약자로서 수중 물체의 존재, 위치, 혹은 특성을 파악하기 위해 수중음향을 이용하는 음파 탐지 체계이다. 기본적인 동작 방식에 따라 능동형(Active)과 수동형(Passive)으로 분류되며[1] 급격하게 변화하는 전략적상황은 소나의 요구사항과 체계를 지속적으로 변화시켜왔다. 즉, 추진기 발생 소음 등 방사소음의 탐지에 주목적을 둔 예인배열소나(TASS : Towed Array Sonar System)와 수동소노부이(Sono-buoy)를 포함하는 광범위한 수동소나 중심의 음향 탐지 체계에서 디젤-전기 추진(AIP 포함) 잠수함의 개발 등과 관련된 방사소음 최소화에 대응하기 위해 저주파 능동 소나의 등장 및 기존 능동 소나의 기술적 운용방법 개선 등이 포함된 능동 소나의 귀환을 들 수 있다.
	급격하게 변화하는 전략적상황에 따른 소나의 요구사항과 체계를 지속적으로 변화시킨 것의 예는 무엇이 있는가?	기본적인 동작 방식에 따라 능동형(Active)과 수동형(Passive)으로 분류되며[1] 급격하게 변화하는 전략적상황은 소나의 요구사항과 체계를 지속적으로 변화시켜왔다. 즉, 추진기 발생 소음 등 방사소음의 탐지에 주목적을 둔 예인배열소나(TASS : Towed Array Sonar System)와 수동소노부이(Sono-buoy)를 포함하는 광범위한 수동소나 중심의 음향 탐지 체계에서 디젤-전기 추진(AIP 포함) 잠수함의 개발 등과 관련된 방사소음 최소화에 대응하기 위해 저주파 능동 소나의 등장 및 기존 능동 소나의 기술적 운용방법 개선 등이 포함된 능동 소나의 귀환을 들 수 있다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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상세보기
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R. J. Urick, "Principles of Underwater Sound", McGraw-Hill, New York, 1983.
최병웅, 정태진, 류창수, 김인익, 이균경, "선체고정형 소나를 이용한 근거리 소형 물체 탐지 기법", 제7회 해양무기 학술대회 논문 초록집, p. 44, 2008.

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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