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문제 정의
- 본 논문에서는 능동탐지효과도를 분석하기 위하여 정지된 표적에 대한 탐지소나의 기동경로로부터 탐지 확률을 계산하고, 전체기동경로에 따른 누적탐지확률을 도출하였다.
가설 설정
- Wenz 곡선으로부터 주파수 30kHz에 대한 해상의 풍속을 4m/s로 가정하면 1Hz 대역폭에 대한 소음준위가 약 45dB이 되며, 이를 적용하였다[5].
- . 본 논문은 능동소나 탐지확률 계산에 사용되는 표준편차를 9dB로 가정하여 계산하였다.
제안 방법
- Fig. 10과 Fig. 12에서 입체적으로 나타낸 빔패턴의 형상에 대한 혼동을 피하기 위해 x - y 평면상에 빔패턴을 등고선으로 투영하여 도식화하였다.
- 능동소나 탐지효과도 분석을 위하여 두 가지 기동 시나리오에서 표적탐지를 위한 거리 및 수평방위, 수직방위에 대하여 탐지정보 및 탐지확률을 도식화하였고, 개별 탐지확률로부터 전체 기동시간에 대한 누적 탐지확률을 도출하였다.
- 능동소나 탐지효과도 분석을 위하여 탐지소나 및 표적의 정보, 해양환경으로부터 능동소나방정식에 대한 소나파라메터(SONAR Parameter)를 도출하였다. 기뢰/장애물 회피소나는 수직배열센서를 이용하여 신호를 송신하고, 수평배열센서를 이용하여 신호를 수신하며 표적을 탐지한다[1].
- 본 논문에서는 조향빔의 패턴을 간단한 수치모델을 사용하였으나, 정확한 계산을 위해서는 실제 관측데이터를 적용할 수 있다. 능동소나방정식으로부터 신호초과이득(SE : Signal Excess)을 계산하여 탐지소나와 표적의 기동시나리오에 대한 시간대별 탐지정보 및 탐지확률을 도출하고, 표적탐지를 위한 거리와 방위에 대하여 도식화하였으며, 전체 기동시간에 한 누적탐지확률을 계산을 통해 능동소나의 탐지효과도 분석을 수행하였다[6].
- 능동탐지소나에서는 수신된 신호에 대하여 근거리에 대한 신호가 원거리에 대한 신호보다 강하며, 이에 대하여 평준화하는 시간가변이득(TVG : Time Varying Gain)을 적용하였다. Fig.
- 능동탐지효과도를 도출하기 위해 해양환경과 탐지소나의 제원 및 기동경로를 설정하였고, 정지하여 계류된 표적에 대하여 각 시점에서의 신호초과이득을 도출 하여 탐지확률을 계산하였으며, 탐지확률로부터 전체기동경로에 대한 누적탐지확률을 계산하여 효과도 측정 및 분석을 수행하였다.
- 본 논문에서 능동탐지효과도를 측정하기 위해 설정된 시나리오는 해역좌표(1.5,1.5)km, 수심 250m에서 표적이 정지하여 계류된 상태이며, 탐지소나가 표적과 동일한 수심 250m에서 10km/hr의 속도로 기동하며 표적을 탐지한다. 설정된 능동소나의 최대 탐지거리는 2km이며, 빔 조향하는 수평방위(Θ)는 -45° ～ +45°, 수직방위(Φ)는 -12° ～ +12°이고, 30kHz의 주파수신호로 표적을 탐지하게 된다.
- 본 논문에서 사용한 능동탐지소나는 수직배열센서를 이용하여 송신하고, 수평배열센서를 이용하여 신호를 수신하여 표적을 탐지한다. 이러한 소나형상에 대한 빔 패턴을 Fig.
- 본 논문에서 설정된 능동탐지소나를 적용하여 주어진 시나리오에서의 누적탐지확률을 계산함으로써 능동 탐지 효과도를 도출하였다. 시나리오 #1은 탐지소나가 표적과의 거리 200m 측면으로 지나가며 기동하는 경로로서 누적탐지확률이 0.
- . 본 논문에서는 누적탐지확률을 계산하는 알고리즘 중 하나인 독립적관측(Independent Discrete Glimpses)에 대한 누적탐지확률을 계산하였으며[11], 탐지시간 변화만 고려된 독립적인 누적탐지확률 계산식 (3)에서 Pdi는 현재시점에 대한 탐지확률이고 CDPi-1는 이전시점에 대한 누적탐지확률이다.
- 본 논문에서는 능동소나의 제원과 소나탐지시스템을 고려한 능동소나방정식으로부터 두 가지 기동시나리오에 따른 시간대별 탐지확률과 누적탐지확률을 계산하여 능동탐소나의 탐지효과도를 분석하였다.
- 본 논문에서는 능동소나의 제원과 탐지시스템을 기반으로 두 가지 기동시나리오에 따른 시간대별 탐지확률(PD : Probability of Detection)과 누적탐지확률(CDP : Cumulative Detection Probability)을 계산하여 능동소나의 탐지효과도를 분석하였다.
- 본 논문에서는 능동탐지센서의 빔 패턴을 적용한 잔향음인분홍실선의 잔향음을 적용하였으며, 탐지거리-수평방위(Θ)에 대하여 도식화 하면 Fig. 14와 같다.
- 시뮬레이션에는 체적 잔향음만을 고려하여 적용하였으며, volume scattering strength를 -50dB로 설정하여 잔향음을 계산하면 Fig. 13과 같다. Fig.
- . 앞서 계산된 빔 패턴으로부터 신호를 송신하는 경우의 지향지수(DIt )와 수신하는 경우의 지향지수(DIr)를 계산하여 적용하였다.
- 기뢰/장애물 회피소나는 수직배열센서를 이용하여 신호를 송신하고, 수평배열센서를 이용하여 신호를 수신하며 표적을 탐지한다[1]. 이러한 센서의 형상에 대하여 수치적분법을 적용하여 송·수신 빔패턴을 계산하였고[4], 빔패턴으로부터 빔조향 방위에 대한 지향지수 (Directivity Index) 및 유효빔폭을 고려한 잔향음준위 (Reverberation Level)를 도출하였다[5]. 본 논문에서는 조향빔의 패턴을 간단한 수치모델을 사용하였으나, 정확한 계산을 위해서는 실제 관측데이터를 적용할 수 있다.
- 6은 음향전파모델을 적용하여 계산한 결과로서 현실성 있는 결과이지만 거리 변화에 따른 전달손실의 변동폭이 최고 20dB 이다. 이에 거리에 따른 탐지확률의 경향파악을 위해 전달손실을 Fig. 7과 같이 11m 간격으로 이동평균 (Moving Average)하여 시뮬레이션 환경에 적용하였다.
- 능동시나리오에서 사용된 능동탐지소나는 국내외에서 많이 사용되고 있는 기뢰/장애물 회피소나로서 30kHz의 주파수를 이용하여 수직배열센서에서 신호를 송신하고, 수평배열센서에서 표적의 정보를 수신하여 탐지한다. 이와 같은 탐지소나의 빔 패턴 계산 및 탐지알고리즘을 적용한 탐지소나의 정보와 표적 및 해양환경의 정보로부터 소나파라메터를 도출하고, 능동소나방정식으로부터 신호초과이득을 계산하였다.
- 탐지공간상에 능동소나의 탐지확률을 계산하기 위하여 능동소나방정식의 소나파라메터(SONAR Parameter)를 설정하고, 탐지하고자 하는 공간에서 소나방정식식 (1)에 의해 신호초과이득을 계산하여 Log - normal 분포로부터 탐지확률을 도출하였다.
- 표적이 존재하는 위치에서 각 탐지시점에 대해 확대하였고, 탐지거리-수평 방위(Θ)를 확대한 결과로부터 표적의 탐지확률을 함께 도식화하였다. 탐지하는 시간간격을 1분으로 설정하였으며, 이에 대해 탐지확률을 계산하였다.
- 표적이 존재하는 위치에서 각 탐지시점에 대해 확대하였고, 탐지거리-수평 방위(Θ)를 확대한 결과로부터 표적의 탐지확률을 함께 도식화하였다.
이론/모형
- Fig. 2에서 정의한 해양환경정보를 바탕으로 음향전파모델인 Bellhop을 이용하여 전달손실을 계산하였으며, 탐지소나가 위치한 수심 250m에서 최대탐지거리 2km에 대한 전달손실은 Fig. 5와 같다.
- 능동소나가 표적을 탐지함에 있어서 탐색경로에 대한 효과도 측정 방법인 누적탐지확률을 계산하였다[3]. 본 논문에서는 누적탐지확률을 계산하는 알고리즘 중 하나인 독립적관측(Independent Discrete Glimpses)에 대한 누적탐지확률을 계산하였으며[11], 탐지시간 변화만 고려된 독립적인 누적탐지확률 계산식 (3)에서 Pdi는 현재시점에 대한 탐지확률이고 CDPi-1는 이전시점에 대한 누적탐지확률이다.
- . 본 논문에서는 설정된 시나리오에서 기동경로에 대한 능동탐지효과도를 분석하기 위하여 임무구분에 따른 17가지 임무 중 탐지에 대한 항목인 ASW Detection에서 거리에 따른 누적탐지확률로서 효과도를 정의한 Cumulative detection probability as a function of range 를 능동탐지효과도의 MOE로 적용하였다.
- 해양에는 수상, 수중운동체를 운용함에 있어서 수많은 위험요소가 존재한다. 이 중 소형장애물로는 기뢰가 있으며, 이를 탐지하기 위하여 능동소나인 기뢰/장애물 회피소나(MOAS : Mine and Obstacle Avoidance SONAR)를 사용한다. 선진국의 경우 기뢰 또는 장애물에 대한 탐지 및 회피기동에 대한 수중음향모델링의 연구가 이루어졌고[1], 대기뢰전(MIW : Mine Warfare) 의 훈련체계인 MIREM(Mine Warfare Readiness and Effectiveness Measuring)으로부터 능동탐지효과도(MOE : Measure of Effectiveness)를 측정 및 분석을 하는 등 기뢰/장애물 회피소나 운용에 대한 체계가 확립되어 있다[2].
- 탐지확률 계산을 위해 식 (1)과 같이 능동소나방정식을 이용하여 신호초과이득을 계산하였다[5,13,14].
성능/효과
- 시나리오의 시작부터 탐지소나가 표적을 탐지하고, 표적을 향하여 기동하면서 표적과의 거리가 근접하게 되지만 탐지되는 표적의 방위가 수평방위(Θ)에 대하여 측면으로 향하기 때문에 탐지확률이 저하되는 것을 확인할 수 있다.
- 23은 탐지소나가 기동하는 1분 간격에 대하여 탐지확률을 그래프로 나타낸 결과이다. 탐지소나가 표적을 향하여 정면으로 접근함에 따라 탐지확률이 증가하고, 회피기동을 수행함에 따라 탐지확률이 저하 되는 것을 확인 할 수 있다.
후속연구
- 이러한 센서의 형상에 대하여 수치적분법을 적용하여 송·수신 빔패턴을 계산하였고[4], 빔패턴으로부터 빔조향 방위에 대한 지향지수 (Directivity Index) 및 유효빔폭을 고려한 잔향음준위 (Reverberation Level)를 도출하였다[5]. 본 논문에서는 조향빔의 패턴을 간단한 수치모델을 사용하였으나, 정확한 계산을 위해서는 실제 관측데이터를 적용할 수 있다. 능동소나방정식으로부터 신호초과이득(SE : Signal Excess)을 계산하여 탐지소나와 표적의 기동시나리오에 대한 시간대별 탐지정보 및 탐지확률을 도출하고, 표적탐지를 위한 거리와 방위에 대하여 도식화하였으며, 전체 기동시간에 한 누적탐지확률을 계산을 통해 능동소나의 탐지효과도 분석을 수행하였다[6].
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