[논문]회전하는 견인 선배열 소나의 적응 빔 형성 기법

이석진; 박경민; 정석문

doi:10.7776/ask.2014.33.6.383

회전하는 견인 선배열 소나의 적응 빔 형성 기법
Adaptive Beamforming Method for Turning Towed Line Array SONAR 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.33 no.6, 2014년, pp.383 - 391

이석진 (경기대학교 전자공학과) , 박경민 (해군사관학교 무기체계공학과) , 정석문 (해군사관학교 무기체계공학과)

초록
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수중의 음향 신호를 탐지하기 위하여 다양한 배열 형태를 가지는 소나가 개발되어 왔으며, 그 중 하나로 견인선배열 소나가 널리 사용된다. 견인 선배열 소나는 매우 긴 형태의 배열을 사용하므로, 회전에 의한 형상 왜곡에 의해 성능이 저하되는 단점이 있다. 이를 해결하기 위하여 회전하는 견인 선배열 소나에 대한 포물선 형태의 형상 모델을 이용하는 기법이 고안되었다. 본 논문에서는 포물선 모델을 이용하여 간섭 신호를 제거하는 적응 빔 형성기 설계 기법을 제안한다. 고안된 빔형성기 시스템은 일반화된 부엽 제거기 구조와 자가 조율 시스템에 기반을 두어 개발되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to detect underwater acoustic signals, various SONAR array types have been developed, including towed line array SONAR system (TASS). However, the TASS suffers from performance degradation which is caused by aperture deformation during a turn, because the TASS have a long-aperture array. A parabolic array model for turning TASS have been developed to solve the degradation problem occurred during a turn. In this paper, adaptive beamforming system is developed using the parabolic TASS model to cancel interference signals. The developed beamforming system is based on generalized sidelobe canceller (GSC) structure and self-tuning adaptive algorithm.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 Gerstoft의 포물선 모델을 이용하여 적응 빔형성기를 설계하고자 하며, 특히 일반화된 부엽 제거기 구조를 바탕으로한 빔형성기 설계 기법을 제안한다. 본 논문에서 적용한 포물선 모델링은 TASS의 위치에 대한 추가적인 센서를 필요로 하지 않으며, 실제 운용 시 비정상적으로 급격한 변침이 일어나지 않는다는 가정 하에서 변침 각도만으로 모델링이 가능하다.
그러나 견인 선배열 소나의 경우 항상 고정된 선배열 형상을 가지는 것이 아니며, 특히 견인함이 회전하는 경우 직선 형태가 아닌 곡선 형태의 배열 형태를 가지게 된다. 본 논문에서는, 이와 같이 회전하는 견인 선배열 소나 환경에서 적응 빔 형성기를 설계하는 방법을 기술하고자 하며, 이를 위하여 회전하는 견인 선배열 소나의 조향 벡터를 기술하고, 이를 이용하여 일반화된 부엽 제거기를 설계하는 방법을 기술한다.

가설 설정

견인 선배열 소나의 견인함이 변침 각도 α 로 회전하는 경우를 가정하자.
배의 속도는 15 knot, 잠수함의 속도는 10 knot로 가정하였으며, TASS의 센서 개수는 32개, 센서간 간격은 1.875 m이다. 이는 400 Hz 음향신호에 해당하는 배열이며, 빔형성기 또한 이에 해당하는 협대역 빔형성기로 동작하는 상황을 가정하였다.
본 논문에서는 Gerstoft의 포물선 모델을 이용하여 적응 빔형성기를 설계하고자 하며, 특히 일반화된 부엽 제거기 구조를 바탕으로한 빔형성기 설계 기법을 제안한다. 본 논문에서 적용한 포물선 모델링은 TASS의 위치에 대한 추가적인 센서를 필요로 하지 않으며, 실제 운용 시 비정상적으로 급격한 변침이 일어나지 않는다는 가정 하에서 변침 각도만으로 모델링이 가능하다.^[2]
본 논문에서는 Fig. 3과 같이 TASS 예인함이 잠수함을 추적하는 과정에서 회전하는 상황을 가정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 본 시뮬레이션에서 타겟 잠수함은 TASS 대비 북쪽으로 5 km 떨어진 곳에 위치하고 있으며, TASS 예인함은 회전하여 북상하는 상황을 가정하였다.
3과 같이 TASS 예인함이 잠수함을 추적하는 과정에서 회전하는 상황을 가정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 본 시뮬레이션에서 타겟 잠수함은 TASS 대비 북쪽으로 5 km 떨어진 곳에 위치하고 있으며, TASS 예인함은 회전하여 북상하는 상황을 가정하였다. 이 때 2 개의 재머가 TASS 예인함 대비 4.
875 m이다. 이는 400 Hz 음향신호에 해당하는 배열이며, 빔형성기 또한 이에 해당하는 협대역 빔형성기로 동작하는 상황을 가정하였다.

제안 방법

TASS의 변침 각도는 20°, 50°, 80°로 설정하여 각 경우에 대한 시뮬레이션을 수행하였다.
견인 선배열 소나의 예인함이 회전하며 목표물을 추적하는 과정을 가정하여 시뮬레이션을 수행하고, 이 과정에서 재머 동작에 대한 적응 빔형성기의 성능을 분석하였다. 시뮬레이션 결과 분석을 통해 적응 빔형성기의 설계에 있어서 포물선 모델의 효과와, 자가-조율 RLS 알고리즘의 효과를 검증할 수 있었다.
일반적으로 저지 행렬을 설계하기 위해서 CCD(Cascaded Column of Differencing)과 같은 기법이 널리 이용되지만,^[5] 회전하는 견인 선배열 소나의 경우는 이와 같은 방법을 이용하기에 적절하지 않다. 따라서 본 논문에서는 특이값 분해 기법을 이용하여 저지 행렬을 설계한다.
본 논문에서는 회전하는 견인 선배열 소나에 대하여 일반화된 부엽 제거기 구조를 이용하여 적응 빔 형성기를 설계하였다. 일반화된 부엽 제거기의 고정 부분을 설계하기 위하여 포물선 형태의 견인 선배열 소나 모델링을 적용하여 설계하였으며, 적응 가중치를 조절하기 위하여 자가-조율 RLS 기법을 적용하였다.
(n)은 입사된 간섭 신호와 잡음 성분을 의미한다. 위의 성능 지표를 가지고 시뮬레이션을 50회 반복 수행하였으며, 이에 대한 앙상블 평균값을 취하여 성능 지표로 도시하였다.
본 시뮬레이션에서 타겟 잠수함은 TASS 대비 북쪽으로 5 km 떨어진 곳에 위치하고 있으며, TASS 예인함은 회전하여 북상하는 상황을 가정하였다. 이 때 2 개의 재머가 TASS 예인함 대비 4.5 km 북쪽에서 작동하는 상황이며, 재머가 작동하기 시작하는 1 s간 적응 빔형성기가 재머 간섭 신호를 제거하여 신호대간섭잡음비(Signal-to-Interferenceand-Noise Ratio, SINR)를 확보하는 성능을 시험하였다.
일반화된 부엽 제거기의 적응 알고리즘은 SMI, RLS, 그리고 자가-조율 RLS 알고리즘을 비교하였다. SMI 알고리즘의 데이터 창 길이는 50으로 설정하였고, RLS 알고리즘의 망각 인자의 값은 0.

이론/모형

이다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 SMI(Sample Matrix Inversion) 기법^[7] 혹은 재귀적 최소 자숭법(Recursive Least Squares, RLS)^[1]이 이용된다. SMI 기법과 RLS 기법 모두 Eqs.
본 논문에서는 회전하는 견인 선배열 소나에 대하여 일반화된 부엽 제거기 구조를 이용하여 적응 빔 형성기를 설계하였다. 일반화된 부엽 제거기의 고정 부분을 설계하기 위하여 포물선 형태의 견인 선배열 소나 모델링을 적용하여 설계하였으며, 적응 가중치를 조절하기 위하여 자가-조율 RLS 기법을 적용하였다.

성능/효과

특히, Figs. 4와 5를 보면 TASS 예인함이 이동하는 과정에서 TASS의 형태가 정확한 포물선을 그리지 못함에도 불구하고 이러한 오차에 강인한 성능을 보임을 확인할 수 있다.
9와 동일한 조건에서 변침 각도만 다르게 설정한 결과이다. 각 결과를 보면 변침 각도가 증가할수록 재머 동작 이후의 성능 저하 수준이 부분적으로 다르게 나타나며, 변침 각도가 클수록 성능 저하가 더 빠르게 일어나는 경향을 보인다. 그러나 전체적인 경향에는 큰 차이가 없으며, 여러 변침 각도의 경우에 대해 유사한 성능을 보이고 있음을 확인할 수 있다.
이 때 적응 알고리즘들이 적응에 실패하여 신호대잡음비를 확보하지 못하는 것을 볼 수 있다. 반면, Fig. 7은 동일한 상황에서 포물선 모델을 이용한 경우의 성능을 도시하고 있으며, 이를 통하여 본 논문에서 적용한 포물선 모델이 회전하는 TASS에서 빔을 형성하는 데에 효과적임을 알 수 있다.
견인 선배열 소나의 예인함이 회전하며 목표물을 추적하는 과정을 가정하여 시뮬레이션을 수행하고, 이 과정에서 재머 동작에 대한 적응 빔형성기의 성능을 분석하였다. 시뮬레이션 결과 분석을 통해 적응 빔형성기의 설계에 있어서 포물선 모델의 효과와, 자가-조율 RLS 알고리즘의 효과를 검증할 수 있었다.

후속연구

[2] 해당 연구는 추가적인 위치 정보 없이 변침 각도만을 이용하여 빔형성기를 설계하는 방법을 고안한 바 있으나, 본 연구는 적응 빔형성기가 아닌 고정된 빔형성기 설계에 한정되어 있다. 또한 Gerstoft는 포물선 모델을 이용하여 적응 빔형성기를 설계한 바 있으나,^[3] 일반화된 부엽 제거기 구조에 기반하지 않아서 다양한 적응 알고리즘을 적용하기 어려운 면이 있고, 또한 자가-조율 능력이 없어 다양한 신호 환경에 대처하기 어려운 단점이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	견인 선배열 소나의 단점은?	수중의 음향 신호를 탐지하기 위하여 다양한 배열 형태를 가지는 소나가 개발되어 왔으며, 그 중 하나로 견인선배열 소나가 널리 사용된다. 견인 선배열 소나는 매우 긴 형태의 배열을 사용하므로, 회전에 의한 형상 왜곡에 의해 성능이 저하되는 단점이 있다. 이를 해결하기 위하여 회전하는 견인 선배열 소나에 대한 포물선 형태의 형상 모델을 이용하는 기법이 고안되었다.
	회전에 의한 형상 왜곡에 의한 성능 저하 해결을 위해 고안된 방법은?	견인 선배열 소나는 매우 긴 형태의 배열을 사용하므로, 회전에 의한 형상 왜곡에 의해 성능이 저하되는 단점이 있다. 이를 해결하기 위하여 회전하는 견인 선배열 소나에 대한 포물선 형태의 형상 모델을 이용하는 기법이 고안되었다. 본 논문에서는 포물선 모델을 이용하여 간섭 신호를 제거하는 적응 빔 형성기 설계 기법을 제안한다.
	적응 빔형성기의 역할은?	수중에서 원하는 방향의 신호를 감지하기 위하여, 일반적으로 선배열 소나를 이용하여 빔을 형성함으로써 특정 방향의 신호를 강화한다. 뿐만 아니라, 적응 빔형성기를 이용하여 재머와 디코이 등과 같은 간섭 신호를 제거한다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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상세보기
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상세보기
J. Lim, S. Lee, and H.-S. Pang, "Low complexity adaptive forgetting factor for online sequential extreme learning machine (OS-ELM) for application to nonstationary system estimations," Neural Comput. Appl. 22, 569-576 (2013).

상세보기
K. -M. Park, S. Lee, and S.-M. Jung, "Steering beam pattern synthesis of line array SONAR using modified two-step least squares method" (in Korean), Journal of The Institute of Electronics and Information Engineers 51, 1356-1364 (2014).

저자의 다른 논문 :

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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