능동소나 시스템에서 천해내부파에 의한 잔향음으로부터 유도될 수 있는 허위 표적 신호의 발생 가능성에 대하여 연구하였다. 내부파로부터 굴절된 하향 음선은 강한 해저면 잔향음 신호를 발생시켜 허위 표적 신호를 야기한다. 음원으로부터 송출된 음파는 3차원적으로 전파하므로, 2차원(r-z) 뿐만 아니라 수평방향에 대해서도 고려되어야 한다. 솔리톤(soliton)으로 구성된 내부파 모델링은 음원과 솔리톤간 거리 및 솔리톤의 수평폭과 같이 다양한 조건에서 수행되었다. 음원은 가변심도소나(VDS: VariableDepth Sonar)를 가정하여 모의 환경에서의 최소음속층에 위치시켰고, 음선 기반의 잔향음 모델을 이용하여 시간에 따른 잔향음 준위를 모의하였다. 결과적으로 음원과 솔리톤간 거리 및 솔리톤의 수평폭에 따라 여러 개의 허위표적 신호가 동시에 PPI(Plan Position Indicator) 전시기에 나타날 수 있음을 확인하였다.
능동소나 시스템에서 천해 내부파에 의한 잔향음으로부터 유도될 수 있는 허위 표적 신호의 발생 가능성에 대하여 연구하였다. 내부파로부터 굴절된 하향 음선은 강한 해저면 잔향음 신호를 발생시켜 허위 표적 신호를 야기한다. 음원으로부터 송출된 음파는 3차원적으로 전파하므로, 2차원(r-z) 뿐만 아니라 수평방향에 대해서도 고려되어야 한다. 솔리톤(soliton)으로 구성된 내부파 모델링은 음원과 솔리톤간 거리 및 솔리톤의 수평폭과 같이 다양한 조건에서 수행되었다. 음원은 가변심도소나(VDS: Variable Depth Sonar)를 가정하여 모의 환경에서의 최소음속층에 위치시켰고, 음선 기반의 잔향음 모델을 이용하여 시간에 따른 잔향음 준위를 모의하였다. 결과적으로 음원과 솔리톤간 거리 및 솔리톤의 수평폭에 따라 여러 개의 허위표적 신호가 동시에 PPI(Plan Position Indicator) 전시기에 나타날 수 있음을 확인하였다.
It is investigated that there exists the possibility of the false target signals induced by reverberation in an active sonar system due to the internal waves in shallow water. The rays down-refracted from the internal waves may generate strong bottom-reverberation signals, which can result in false ...
It is investigated that there exists the possibility of the false target signals induced by reverberation in an active sonar system due to the internal waves in shallow water. The rays down-refracted from the internal waves may generate strong bottom-reverberation signals, which can result in false target signals. Sound waves emitted from a source propagate 3-dimensionally. Therefore, the study of internal waves on the reverberation should be studied for azimuthal direction as well as 2-dimensional (r-z) plane. Internal-wave modelling was conducted, based on solitons which were predicted with the various conditions such as, the range of source-soliton, horizontal widths of soliton. Variable depth sonar (VDS) was assumed as a source, of which the depth was located in the minimum sound speed layer in a simulation environment. Finally, the simulation on the reverberation level with time was made based on ray-based reverberation model, and the results implied that several false-target signals could be displayed on the PPI(Plan Position Indicator) scope simultaneously with range from source to soliton, and the horizontal width of soliton.
It is investigated that there exists the possibility of the false target signals induced by reverberation in an active sonar system due to the internal waves in shallow water. The rays down-refracted from the internal waves may generate strong bottom-reverberation signals, which can result in false target signals. Sound waves emitted from a source propagate 3-dimensionally. Therefore, the study of internal waves on the reverberation should be studied for azimuthal direction as well as 2-dimensional (r-z) plane. Internal-wave modelling was conducted, based on solitons which were predicted with the various conditions such as, the range of source-soliton, horizontal widths of soliton. Variable depth sonar (VDS) was assumed as a source, of which the depth was located in the minimum sound speed layer in a simulation environment. Finally, the simulation on the reverberation level with time was made based on ray-based reverberation model, and the results implied that several false-target signals could be displayed on the PPI(Plan Position Indicator) scope simultaneously with range from source to soliton, and the horizontal width of soliton.
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문제 정의
내부파가 언제 어디서 어떠한 형태로 발생할지 예측이 어렵고, 수직 · 수평적인 수온구조를 동시에 측정 하기에는 많은 제약이 따르기 때문에 실제 해양에서 내부파가 음파에 미치는 영향을 확인하는 연구 수행은 현실적으로 매우 어렵다. 따라서 본 논문에서는 내부파 환경을 생성하여 수평입사각별로 음파전달 특성 및 잔향음 준위를 모의하고 내부파에 의한 능동소나 시스템에 나타날 수 있는 잔향음 특성을 분석하고자 하였다.
본 논문은 특정 환경에서 정확한 내부파 수치모델링을 수행하는 것보다 전체적인 내부파 특성에 따른 잔향음을 양상을 확인하는 것을 목표로 하였다. 따라서 내부파의 일반적 특성을 잘 포함하고 쉽게 모의 가능한 가우시안 분포를 이용한 내부파 모델링을 수행한 후, 이로 인해 발생할 수 있는 잔향음의 특징을 확인하고, 능동소나 시스템에서 허위표적으로 전시될 수 있는 가능성을 확인하였다.
본 논문은 하계 내부파가 존재하는 천해 해양환경 에서 능동소나 시스템에 나타날 수 있는 허위표적 가능성을 확인하기 위해, 음선이론 기반의 잔향음 모델을 이용하여 음선추적 및 잔향음을 모의하였다. 내부파가 언제 어디서 어떠한 형태로 발생할지 예측이 어렵고, 수직 · 수평적인 수온구조를 동시에 측정 하기에는 많은 제약이 따르기 때문에 실제 해양에서 내부파가 음파에 미치는 영향을 확인하는 연구 수행은 현실적으로 매우 어렵다.
가설 설정
4. Definition of horizontal incident angle, range from source to soliton, and the horizontal width of soliton.
솔리톤은 일반적으로 패킷 형태로 전파하는데, 첫 번째 솔리톤의 파장과 진폭이 가장 우세하고 뒤따르는 솔리톤의 파장과 진폭은 점차 감소하는 경향을 가지는 것으로 알려져 있다.[12] 본 논문에서는 단순화된 환경에서 내부파의 영향을 극대화하기 위해 첫 번째 솔리톤이 음파 전달에 가장 큰 영향을 미친다고 가정하였으며, 따라서 단일 솔리톤을 고려하여 음파전달 양상에 따른 잔향음을 모의하였다.
이 때 약 75 dB의 최대 잔향음 준위를 보이는 것으로 모의된다. 모의 시 수심에 따른 체적산란강도는 전 수심에 대하여 -100 dB로 일정하다고 가정하였다. 이에 따라 솔리톤 반응 이전 시간에는 60dB 이하의 체적 잔향음이 발생하지만, 솔리톤과 반응 후의 시간에 고준위의 해저면 잔향음이 생성되는 현상을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 Reference[7]에서와 같이 음원이 최소음속층에 존재한다고 가정하였으며, 수직빔폭 역시 동일한 ±6°를 사용하였다.
는 수심에 따른 음속의 분산을 나타낸다. 솔리톤의 파장은 동해에서 가장 빈번히 발생하는 단주기(short-period)내부파를 가정해 400 m로 설정하였다.[6]
여기서 H0는 솔리톤의 기준폭으로 본 논문에서는 400 m로 가정하였다.
여기서 R0 는 음원과 솔리톤 간 기준거리로 본 논문에서는 3000m로 가정하였다. 음원과 솔리톤 간의 거리변화와 더불어 수평입사각이 증가함에 따라 음선이 진행하는 방향에서의 솔리톤의 수평폭 또한 증가하게 된다.
제안 방법
내부파에 의한 잔향음 특성을 보다 쉽게 도시하기 위해 산출된 잔향음 준위를 이용하여 평면위치 표시기(Plan Position Indicator, PPI)상의 신호를 모의하였다. 일반적으로 능동소나 시스템에 나타나는 수중표 적과 잔향음 신호는 표적의 거리와 방위를 쉽게 판별할 수 있도록 평면위치 표시기를 통하여 전시된다.
또한 수직빔폭에 따른 음파전달양상을 비교하기 위하여 ±12°의 수직빔폭을 추가로 고려하였다.
본 논문에서는 수온약층이 발달되어 있고, 수온약층 하부에 최소음속층이 존재하는 하계 천해의 수중 환경을 기반으로 수치모델을 이용하여 단일 솔리톤을 모의하였다. 이러한 해양환경 하에서 음선이론기반의 잔향음 모델[11]을 이용하여 잔향음 신호를 모의한 후 그 특성을 분석하였다.
음원의 위치는 최소음속층인 수심 40m로 설정하고, Table 1에 주어진 시스템 변수와 ±6°의 수직빔폭을 갖는 음파를 가정하여 음선추적 및 잔향음 준위를 모의하였다.
이러한 방법을 이용하여 0 ~ 60°까지 1° 간격으로 수평입사각에 따라 솔리톤이 포함된 거리종속 음속구조를 생성하였다.
본 논문에서는 수온약층이 발달되어 있고, 수온약층 하부에 최소음속층이 존재하는 하계 천해의 수중 환경을 기반으로 수치모델을 이용하여 단일 솔리톤을 모의하였다. 이러한 해양환경 하에서 음선이론기반의 잔향음 모델[11]을 이용하여 잔향음 신호를 모의한 후 그 특성을 분석하였다.
대상 데이터
본 논문에서 모의한 내부파 환경은 수심 100 m, 최소음속층 40 m, 표층과 최소음속층간 음속 차이 약 50 m/s(온도변화 10 ~ 12°)의 음속구조를 기본으로 하였다.
이론/모형
본 논문에서는 음선이론 기반의 음파전달 모델인 Bellhop[14]을 이용하여 고유음선정보를 산출하고, HYREV(Han Yang Univ. REVerberation) 모델[11]을 이용하여 수평입사각별 잔향음 준위를 산출하였다. 잔향음 준위는 Eq.
성능/효과
Figs. 6에서 8결과에 의해서 수평입사각에 따라 잔향음 준위 양상이 다르게 나타날 수 있음을 확인하였고, 이를 통해 음원과 솔리톤 간 거리변화에 따라 잔향음 양상이 달라질 수 있음을 예상할 수 있다.
본 논문은 특정 환경에서 정확한 내부파 수치모델링을 수행하는 것보다 전체적인 내부파 특성에 따른 잔향음을 양상을 확인하는 것을 목표로 하였다. 따라서 내부파의 일반적 특성을 잘 포함하고 쉽게 모의 가능한 가우시안 분포를 이용한 내부파 모델링을 수행한 후, 이로 인해 발생할 수 있는 잔향음의 특징을 확인하고, 능동소나 시스템에서 허위표적으로 전시될 수 있는 가능성을 확인하였다. 모의 결과는 입력한 해양환경이나 소나 시스템 변수에 따라 변화될수 있으며, 실제로 음원과 솔리톤 간 기준거리나 수직빔폭을 변경하여 모의한 결과, 수평입사각별 고준위 잔향음 준위 양상이 달라지는 것을 확인하였다.
수평입사각 21°에서는 약 77 dB정도의 고준위 잔향음이 발생하는 것으로 모의되었고, 이외의 수평입사각에서는 상대적으로 저준위 잔향음 준위를 가졌다. 따라서 소나 시스템 변수 및 음원과 솔리톤 간 거리 등의 해양환경변수에 따라 발생되는 잔향음 준위의 변동 양상도 달라지고, 능동소나 시스템에 전시되는 허위표적신호의 형태 또한 달라질 수있다는 것을 알 수 있다.
8 s 부근에서 발생하는 해저면 잔향음 준위, 약 68 dB보다 8 dB정도 상승한 약 76 dB로 모의되었다. 또한 4.6 s 이후에 나타나는 고준위 해저면 잔향음 구간보다도 최소 7 dB 이상 높은 잔향음 준위를 보였으며, 시간이 흐를수록 그 차이는 커지는 것으로 모의되었다. 잔향음 준위는 일반적으로 시간이 경과하면서 감소하는 경향을 보이는데, 본 논문의 모의된 해양환경에서 솔리톤 반응 전에 감소하던 잔향음 준위는 솔리 톤과 반응 직후에 다시 상승하는 것을 확인할 수 있다.
또한 평면위치 표시기 시뮬레이션을 통해 고준위 잔향음과 저준위 잔향음이 내부파와 평행하게 나타나고 이러한 것들이 다중 허위표적 신호로 인식될 수있는 가능성이 있음을 확인하였다. 본 논문에서는 단일 솔리톤이 존재하는 내부파 환경만을 고려하였고, 그 외의 다양한 해양환경 변동 성을 모두 고려하지는 못하였다.
마지막으로 본 논문에서는 내부파에 의해 하향굴 절된 음파가 강한 해저면 잔향음을 발생시킬 수 있고, 이러한 신호가 허위표적으로 인식될 수 있음을 모의하였다. 잔향음 신호는 송신신호의 종류, 사용 주파수 및 펄스길이에 따라 변화할 수 있으나, 그 특성은 이론적으로 쉽게 모의될 수 있고, 내부파에 의해서 강하게 발생하는 잔향음 준위와 다른 경로에 의해 발생하는 잔향음 준위와의 절대준위 차이는 송신신호에 따라 변화가 없으므로 송신신호에 따른 잔향음 모의 결과는 본 논문에서 다루어지지 않았다.
따라서 내부파의 일반적 특성을 잘 포함하고 쉽게 모의 가능한 가우시안 분포를 이용한 내부파 모델링을 수행한 후, 이로 인해 발생할 수 있는 잔향음의 특징을 확인하고, 능동소나 시스템에서 허위표적으로 전시될 수 있는 가능성을 확인하였다. 모의 결과는 입력한 해양환경이나 소나 시스템 변수에 따라 변화될수 있으며, 실제로 음원과 솔리톤 간 기준거리나 수직빔폭을 변경하여 모의한 결과, 수평입사각별 고준위 잔향음 준위 양상이 달라지는 것을 확인하였다.
본 논문의 3.1에서 모의한 ±6°의 상대적으로 좁은 수직빔폭을 가지는 경우에는 최소음속층을 기준으로 음향도파관을 형성하여 음파가 전파되기 때문에, 솔리톤과 반응한 경우의 잔향음 특성을 쉽게 파악할수 있다.
수평입사각 0°를 모의한 결과와 유사한 경향으로, 수온약층에서 하향 굴절된 음선들이 솔리톤과 반응하여 음원으로부터 약 4 km 거리의 해저면에 수렴구역을 형성한다. 수렴구역으로부터 후방 산란된 해저면 잔향음 신호들은 5.4 s 후에 수신기로 집중되어 약 76 dB의 높은 잔향음 준위를 나타내는 것으로 모의되었다. 반면, 특정 수평입사각에서는 음파가 동일한 솔리톤과 반응 하더라도 잔향음 준위가 낮은 구간이 존재한다.
수직빔폭을 ±12°로 변경한후 수평입사각 0°에서 60°까지 잔향음 준위를 모의한 결과, 수직빔폭이 증가하더라도 수평입사각에 따라 잔향음 준위가 달라지는 현상은 나타났다.
6 s 이후에 나타나는 고준위 해저면 잔향음 구간보다도 최소 7 dB 이상 높은 잔향음 준위를 보였으며, 시간이 흐를수록 그 차이는 커지는 것으로 모의되었다. 잔향음 준위는 일반적으로 시간이 경과하면서 감소하는 경향을 보이는데, 본 논문의 모의된 해양환경에서 솔리톤 반응 전에 감소하던 잔향음 준위는 솔리 톤과 반응 직후에 다시 상승하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 수직빔폭이 증가하더라도 솔리톤에 의한 잔향음 준위 상승 현상은 여전히 발생할 수 있음을 예상할 수 있다.
후속연구
또한 평면위치 표시기 시뮬레이션을 통해 고준위 잔향음과 저준위 잔향음이 내부파와 평행하게 나타나고 이러한 것들이 다중 허위표적 신호로 인식될 수있는 가능성이 있음을 확인하였다. 본 논문에서는 단일 솔리톤이 존재하는 내부파 환경만을 고려하였고, 그 외의 다양한 해양환경 변동 성을 모두 고려하지는 못하였다. 추후 실측된 환경 자료 및 모의 환경을 이용하여 다양한 해양환경 변동성을 고려한 잔향음 특성을 확인하고, 이에 따른 허위표적 가능성에 대한 연구가 필요하다.
본 논문에서는 단일 솔리톤이 존재하는 내부파 환경만을 고려하였고, 그 외의 다양한 해양환경 변동 성을 모두 고려하지는 못하였다. 추후 실측된 환경 자료 및 모의 환경을 이용하여 다양한 해양환경 변동성을 고려한 잔향음 특성을 확인하고, 이에 따른 허위표적 가능성에 대한 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
내부파로부터 굴절된 하향 음선은 무엇을 야기합니까?
능동소나 시스템에서 천해 내부파에 의한 잔향음으로부터 유도될 수 있는 허위 표적 신호의 발생 가능성에 대하여 연구하였다. 내부파로부터 굴절된 하향 음선은 강한 해저면 잔향음 신호를 발생시켜 허위 표적 신호를 야기한다. 음원으로부터 송출된 음파는 3차원적으로 전파하므로, 2차원(r-z) 뿐만 아니라 수평방향에 대해서도 고려되어야 한다.
음원으로부터 송출된 음파는 어떻게 전파하는가?
내부파로부터 굴절된 하향 음선은 강한 해저면 잔향음 신호를 발생시켜 허위 표적 신호를 야기한다. 음원으로부터 송출된 음파는 3차원적으로 전파하므로, 2차원(r-z) 뿐만 아니라 수평방향에 대해서도 고려되어야 한다. 솔리톤(soliton)으로 구성된 내부파 모델링은 음원과 솔리톤간 거리 및 솔리톤의 수평폭과 같이 다양한 조건에서 수행되었다.
솔리톤으로 구성된 내부파 모델링을 음원과 솔리톤간 거리 및 솔리톤의 수평폭과 같이 다양한 조건에서 수행한 결과는?
음원은 가변심도소나(VDS: Variable Depth Sonar)를 가정하여 모의 환경에서의 최소음속층에 위치시켰고, 음선 기반의 잔향음 모델을 이용하여 시간에 따른 잔향음 준위를 모의하였다. 결과적으로 음원과 솔리톤간 거리 및 솔리톤의 수평폭에 따라 여러 개의 허위표적 신호가 동시에 PPI(Plan Position Indicator) 전시기에 나타날 수 있음을 확인하였다.
참고문헌 (14)
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