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문제 정의
- 본 논문은 위와 같이 분석이 제한되는 수중음향 채널에 대한 국내 수중환경에 적합한 탐지 효과도 분석도구를 제안하였다. 본 모의도구는 실 환경과 유사하도록 수중음향 환경 데이터베이스(HYCOM) 기반 합성 수중 환경을 구축하여 수중음향 채널을 모의하였다.
- 또한, 제공하는 자료의 수평해상도는 1/12º 로 대한해협의 각 수로의 지형적 특징을 표현하기에 충분하며, 국립수산과학원정선 관측 자료와 비교하여 HYCOM 결과가 대한해협 동쪽에서 수온과 염분의 계절적 변동성을 잘 반영한다[9]. 이런 특성을 가진 HYCOM 자료가 제공하는 수온, 염분, 압력, 방향벡터 등 수중 환경 연구를 위한 다양한 변수를 제공하며, 현재 우리가 모의하고자 하는 수중 환경에 대한 필요 변수인 수온, 염분, 압력(또는 깊이)을 활용하여 합성 수중환경 거리-종속 음속 단면을 구현하는 것이다.
제안 방법
- Ⅱ장 에서 제안한 수중음향 채널 환경 특성이 고려된 수중음향 탐지 효과도 분석 모의 도구 사용자 운용 화면은 그림 10과 같이 수중음향 수신위치(거리 : 8000m, 깊이 : 500) ①, 운용 주파수(200Hz) ②, 송신 신호 준위(110dB) ③, 수중음향 (30초) ④, 수중음향 관측범위(60초) ⑤, 지향지수(0dB), 수중음향 송신 지속 시간(dB) ⑥, 탐지임계(0dB) ⑦, 추가잡음(0dB) ⑧, 해상 상태 변수(0) ⑨, 수중음향 수신신호 임계준위(70%) ⑩ 등 사용자가 지정하여 수중음향 탐지 효과도 분석이 용의하도록 구현 하였다.
- 그리고 단주기 푸리에 변환(누적된 고속 푸리에 변환 신호 결과)을 통해 수신신호 분석 할 수 있도록 알고리즘을 구현하였으며, HYCOM(‘15.05.19) (36.8424, 130.1600/ 36.9039, 130.3721)(기준 → 거리 : 0m, 깊이 :0m (36.8424, 130.1600) 자료 기반 합성 수중환경 위치(송신기 위치 → 거리 : 0m, 깊이 : 500m, 수신기 위치→ 거리 : 8,000m, 깊이 : 500m)에서 계산된 결과는 그림 8와 같다[20∼21].
- 첫째로 수중 환경 정보 데이터베이스로 부터 획득된 수중환경정보(온도, 염분, 깊이, 해저면 형태)를 기반으로 모의하고자 하는 합성 수중환경을 구현한다. 둘째로 분석하기 위한 음향 신호를 생성하고, 음향신호 준위, 지향이득, 탐지임계, 잡음 및 해상상태 정보를 입력한다. 셋째로 앞서 구현된 합성 수중환경에 대한 수중 음향 수치해석 아이코날(Eikonal)/전송(Transport) 방정식을 통해 계산된 음압/시간 활용한 준-정적 수중음향 채널을 모의한다.
- 본 논문에서 제안하고자 하는 수중음향 탐지 효과도 분석 모의 도구는 수중음향 환경요소가 고려하여 실제 수중음향 채널을 모의하기 위해 HYCOM 수중음향 환경 데이터베이스 기반으로 수중 환경을 구축하였다. 또한, 운용 주파수에 따라 수중음향채널 다중경로/잡음 및 해상 상태를 반영할 수 있도록 구현 하였다. 이렇게 모의된 수중음향 채널에서 분석하고자 하는 위치에 대한 실시간 운용 주파수 수신신호 탐지 효과도 분석을 위해 단주기 푸리에 변환(short time Fourier transform, STFT)을 적용했다.
- 이렇게 모의된 수중음향 채널에서 분석하고자 하는 위치에 대한 실시간 운용 주파수 수신신호 탐지 효과도 분석을 위해 단주기 푸리에 변환(short time Fourier transform, STFT)을 적용했다. 마지막으로 운용자가 모의하고자 하는 채널환경에 대한 수중음향 신호 분석이 용의하도록 송신신호/실시간 음파 전달/수신신호/2차원∙3차원 STFT 결과를 가시화하였다.
- 또한, 국내의 경우 수중음향 채널/신호 탐지/분석 도구 대한 연구는 수중음향통신/ 네트워크/신호처리 등 수중음향 신호처리 성능 분석용 무기체계 공학 모델 분석 시 수중음향 채널에 대한 환경 특성을 제외하고 단순히 고정된 다중경로 수중음향 수신에 가우시안 잡음만을 적용한 채널특성/효과도 분석에 제한적으로 활용하고 있다[3～6]. 본 논문에서 제안하고자 하는 수중음향 탐지 효과도 분석 모의 도구는 수중음향 환경요소가 고려하여 실제 수중음향 채널을 모의하기 위해 HYCOM 수중음향 환경 데이터베이스 기반으로 수중 환경을 구축하였다. 또한, 운용 주파수에 따라 수중음향채널 다중경로/잡음 및 해상 상태를 반영할 수 있도록 구현 하였다.
- 본 논문은 위와 같이 분석이 제한되는 수중음향 채널에 대한 국내 수중환경에 적합한 탐지 효과도 분석도구를 제안하였다. 본 모의도구는 실 환경과 유사하도록 수중음향 환경 데이터베이스(HYCOM) 기반 합성 수중 환경을 구축하여 수중음향 채널을 모의하였다. 수중음향 채널 모의 결과 수중음향 채널의 긴 다중경로 지연과 일반 가우시안 노이즈가 아닌 수중음향 채널 특성 잡음/해상 상태 적용 변수에 따라 잘 반영된 것을 확인하였으며, 사용자가 분석하고자 하는 위치에서 수신된 신호 기반으로 수중음향 탐지 효과도 분석을 단주기 푸리에 변환 결과를 통해 확인할 수 있었다.
- 본 수중음향 탐지 효과도 분석 모의 도구에 적용되는 수중환경 잡음은 위 2가지(NLself, NLambient) 잡음준위에 사용자가 유연하게 잡음 준위를 독립적으로 추가 적용할 수 있도록 NLadd를 추가하여 다음과 같이 구현하였다.
- 이렇게 연속 고속 푸리에 변환 계산 누적을 통해 단주기 푸리에 변환을 구할 수 있다. 본 수중음향 탐지 효과도 분석 모의 도구에서는 고속 푸리에 변환 간격을 1초로 설정하였다. 그리고 단주기 푸리에 변환(누적된 고속 푸리에 변환 신호 결과)을 통해 수신신호 분석 할 수 있도록 알고리즘을 구현하였으며, HYCOM(‘15.
- 둘째로 분석하기 위한 음향 신호를 생성하고, 음향신호 준위, 지향이득, 탐지임계, 잡음 및 해상상태 정보를 입력한다. 셋째로 앞서 구현된 합성 수중환경에 대한 수중 음향 수치해석 아이코날(Eikonal)/전송(Transport) 방정식을 통해 계산된 음압/시간 활용한 준-정적 수중음향 채널을 모의한다. 넷째로 계산된 수중음향 채널 충격 응답을 활용하여 송신신호/수중음향 음선-추적/수신신호를 확인할 수 있다.
- 첫째로 Ⓐ 단추를 이용하여 수중 환경 정보 데이터 베이스(HYCOM(‘15.05.19) (36.8424, 130.1600/ 36.9039, 130.3721)(기준 → 거리 : 0m, 깊이 :0m (36.8424, 130.1600)(그림 9)) 기반 모의 합성 수중 환경을 구성한다.
- 수중음향 탐지 효과도 분석 알고리즘은 그림 1과 같이 구성되어 있으며, 알고리즘 실행 순서는 다음과 같다. 첫째로 수중 환경 정보 데이터베이스로 부터 획득된 수중환경정보(온도, 염분, 깊이, 해저면 형태)를 기반으로 모의하고자 하는 합성 수중환경을 구현한다. 둘째로 분석하기 위한 음향 신호를 생성하고, 음향신호 준위, 지향이득, 탐지임계, 잡음 및 해상상태 정보를 입력한다.
대상 데이터
- 본 논문에서 제안하는 수중음향 탐지 효과도 분석 모의 구현을 위해 갖춰야 하는 기능은 수중 환경 정보 데이터베이스 기반 거리-종속 음속단면 처리 모델, 수중 음향 전달 경로/음압 계산을 위한 수치해석 모델, 수중 음향 송·수신 신호처리 모델, 수중음향 수신 신호 분석 모델 등 4가지 모델로 구성되어 있다.
- 본 분석 모의 도구에서 사용된 신호는 단일 주파수 성분을 가지는 사인 신호 기반(CW 핑-신호)으로 그림 4와 같이 구현할 수 있으며, 송신 신호 수식은 다음과 같다.
이론/모형
- . 3가지 수중음향 수치해석 모델 중 연산 시간 및 데이터 이식성과 수중음향 신호 합성이 용의한 음선이론을 적용하였다. 음선이론은 Eikonal 방정식과 Transport 방정식을 기반으로 수중음향 경로(시간)/음압(손실)을 계산할 수 있다.
- 본 모의 도구에 적용된 수중음향 채널은 수중 환경 정보 데이터베이스로부터 얻은 데이터 기반으로 거리-종속 음속 단면을 계산한다. 그리고 음속 단면 기반으로 음선이론을 통해 Eikonal 방정식과 Transport 방정식을 풀어서 음향의 방향과 음압을 계산할 수 있다. 결론적으로, 위 두 방정식을 통해 모의된 합성 수중 환경에서 원하는 위치에 대한 수중음향 채널 충격 응답 기반으로 수중음향채널의 다중경로를 모의할 수 있으며, 수식으로 나타내면 다음과 같다[18].
- 수중음향 탐지 효과도 분석을 위한 수중음향 채널은 다른 채널 특성에 비해 상대적으로 외부 환경 요소에 의한 영향을 쉽게 받기 때문에 분석이 매우 제한적이다. 또한 수중음향 채널 분석이 필요한 개발대상 및 연구에 대한 실 환경 테스트-베드를 구축하기에 많은 시간, 비용적 문제가 발행하는 어려움을 극복하기 위해 모델링 및 시뮬레이션 기법을 활용한 수중음향 채널 분석 모의 도구를 사용한다. 이러한 수중음향 채널 분석 모의 도구에 대한 연구는 국외 경우 연구가 활발하게 이루어지고 있으나 국내 경우 수중음향 채널/신호 탐지/분석 도구 대한 연구는 수중음향통신/ 네트워크/신호처리 등 수중음향 신호처리 성능 분석용 무기체계 공학 모델 분석 시 수중음향 채널에 대한 환경 특성을 제외하고 단순히 고정된 다중경로 수중음향 수신에 가우시안 잡음만을 적용한 채널특성/효과도 분석에 제한적으로 활용하고 있는 실정이다.
- 소나방정식을 가지고 다양한 잡음이 존재하는 수중환경에서 송신기와 수신기 사이의 탐지 가능한 거리를 산출할 수 있는 계산식이다. 본 모의 도구에서는 합성 수중환경에서 정해진 송신기 위치로부터 송신된 신호를 기준으로 분석하고자 하는 수신기 위치를 선택하여 수신신호를 분석하는 구조로 알고리즘 구현 범위를 설정했기 때문에 수동 소나 방정식으로 적용하였으며, 다음과 같다[15].
- 본 모의도구에 적용된 수신신호 분석은 단주기 푸리에 변환을 이용하여 분석을 진행하였다. 먼저 분석을 진행하기에 앞서 수신되는 연속 신호를 표본화를 통해 이산신호로 만들어야 한다.
- 본 수중음향 탐지 효과도 분석 도구에 적용되는 음속 방정식 선정 기준은 국립수산과학원에서 제공하는 국내 해안에서 측정되는 수온, 염분 및 압력(또는 깊이) 범위를 고려하여 표 1의 범위를 갖는 다음과 같이 Coppens 방정식을 적용하였다[10∼11].
- 또한, 운용 주파수에 따라 수중음향채널 다중경로/잡음 및 해상 상태를 반영할 수 있도록 구현 하였다. 이렇게 모의된 수중음향 채널에서 분석하고자 하는 위치에 대한 실시간 운용 주파수 수신신호 탐지 효과도 분석을 위해 단주기 푸리에 변환(short time Fourier transform, STFT)을 적용했다. 마지막으로 운용자가 모의하고자 하는 채널환경에 대한 수중음향 신호 분석이 용의하도록 송신신호/실시간 음파 전달/수신신호/2차원∙3차원 STFT 결과를 가시화하였다.
성능/효과
- 마지막으로 Ⓓ 단추를 이용하여 수중음향 수신신호ⓕ에 대하여 상세한 음향 효과도 분석과 스펙트럼 누손 감소를 위해 해밍 윈도우가 적용된 식 (20)을 계산하여 1초 주기 실시간 단주기 푸리에 변환ⓖ과 ⓖ의 결과를 X 축(분석 주파수 범위), Y 축(시간)으로 나열하여 2차원 단주기 푸리에 변환ⓗ 을 가시화한다. 그리고 ⓗ의 결과에 수신 음압에 대한 결과를 사용자가 쉽게 인지할 수 있도록 Z 축(음압준위)을 추가하여 3차원 단주기 푸리에 변환ⓘ 결과를 가시화하여 사용자 지정 위치 수중음향 참지 효과도 분석 결과를 시각적/정량적으로 확인이 가능하다.
- 넷째로 계산된 수중음향 채널 충격 응답을 활용하여 송신신호/수중음향 음선-추적/수신신호를 확인할 수 있다. 마지막으로 수신신호를 활용한 단주기 푸리에 변환 분석을 통해 합성 수중환경 주파수/위치별 수중음향 탐지 효과도를 확인할 수 있다.
- 본 모의도구는 실 환경과 유사하도록 수중음향 환경 데이터베이스(HYCOM) 기반 합성 수중 환경을 구축하여 수중음향 채널을 모의하였다. 수중음향 채널 모의 결과 수중음향 채널의 긴 다중경로 지연과 일반 가우시안 노이즈가 아닌 수중음향 채널 특성 잡음/해상 상태 적용 변수에 따라 잘 반영된 것을 확인하였으며, 사용자가 분석하고자 하는 위치에서 수신된 신호 기반으로 수중음향 탐지 효과도 분석을 단주기 푸리에 변환 결과를 통해 확인할 수 있었다. 향후 연구방향은 현재 합성 수중 환경을 2차원 좌표 환경 분석체계에서 3차원 좌표 분석체계로 확장할 예정이며, 수중 유속을 고려한 도플러 효과를 추가 확장할 예정이다.
후속연구
- 수중음향 채널 모의 결과 수중음향 채널의 긴 다중경로 지연과 일반 가우시안 노이즈가 아닌 수중음향 채널 특성 잡음/해상 상태 적용 변수에 따라 잘 반영된 것을 확인하였으며, 사용자가 분석하고자 하는 위치에서 수신된 신호 기반으로 수중음향 탐지 효과도 분석을 단주기 푸리에 변환 결과를 통해 확인할 수 있었다. 향후 연구방향은 현재 합성 수중 환경을 2차원 좌표 환경 분석체계에서 3차원 좌표 분석체계로 확장할 예정이며, 수중 유속을 고려한 도플러 효과를 추가 확장할 예정이다.
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