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문제 정의
- 원격수신모듈에서는 무인수상정에서 무선으로 전송받은 신호 중 소나와 관련된 신호만을 추출하여 수신하는 기능을 수행하며, 전방 및 하방탐지 결과 도시모듈은 전방 및 하방탐지장치에서 수신된 신호 및 탐지정보를 실시간으로 원격운용자가 의사결정을 용이하게 하도록 효율적으로 전시하는 기능을 수행한다. 무인수상정 모사모듈은 성능검증을 위한 자체 시뮬레이션 용도로 무인수상정의 기동을 모사하는 알고리즘을 탑재하여, 무인수상정 기동이 없더라도 소나부 단독 운용이 가능토록 개발하였으며, 소나 탐지 성능의 모니터링 및 자체 분석을 목적으로 한다.
- 무인수상정에 탑재된 소나장비를 이용하여 수중표적에 대한 탐지 가능성을 확인하는 것을 목적으로 2014년 10월 진해만에서 해상시험을 실시하였다. 소나원격도시장치 및 무선 기지국은 육상에 위치시키고 무인수상정을 인근에서 기동하며 임의의 지점에 설치한 수중 표적 신호를 획득하였다.
- 그 과정의 일환으로 무인수상정 개발을 통해 무인정의 체계화 가능성을 타진하기 위한 연구가 진행되고 있으며[9], 무인수상정의 성공적인 임무 지원을 위한 수중 소나시스템의 개발이 요구되었다. 본 논문에서는 무인수상정의 운용 전략에 맞추어 설계한 소나시스템을 소개하고, 소나시스템의 하드웨어 구성장치 및 세부 운용모드를 설명한 후, 개발된 소나시스템 검증하기 위해 수행된 해상시험 결과에 대해 제시한다.
가설 설정
- 무인수상정 기동 시 수중표적 탐지 가능성을 확인하기 위하여, 전방모의표적기를 무인수상정과 수 km 이격된 위치에 고정시키고 무인수상정이 전방모의표적기를 향하여 10 kts 이상의 속도로 접근하는 시나리오를 가정하였다. 본 논문에서는 대표적인 두 가지 시험 결과만을 제시한다.
- 여기서 SL은 음압 준위를, TL은 전달 손실을, TS는 표적 강도를, DI는 지향성 지수를, NL은 잡음 준위를 각각 의미한다. 분석의 편의를 위해 SL은 상수로 고정하였고 TS는 실린더 형상으로 근사하였으며, TL과 NL은 각각 Francois-Garrison equation[12]과 Wenz model[13]을 따른다고 가정하였다. Fig.
제안 방법
- 하지만, 거리별 빔 패턴을 모델링한 결과(Fig. 3(b))와 천해에서 운용하는 무인수상정의 임무를 종합적으로 고려하여 하방탐지장치의 최소 탐지거리를 결정하였다.
- 개발된 무인수상정용 소나시스템의 성능을 검증하기 위하여 수차례의 해상시험을 수행하였으며, 전방모의 표적기와 하방표적을 이용하여 전방탐지성능과 하방탐지 성능을 각각 검증하였다.
- 개발된 소나시스템을 무인수상정의 용도에 맞게 운용하기 위하여 세부 운용 모드를 전원제어 모드, 자체 진단 모드, Pre-Enable 모드, 데이터 취득 모드, 초기화 모드, 정지 모드로 구분하였으며, 항상 무인수상정 운용, 항해 등을 총괄하는 중앙통제장치의 명령을 대기하도록 설계하였다. Fig.
- 하방탐지장치는 하방에 위치한 표적 식별을 주요 목적으로 하기 때문에 전방탐지장치와 달리 고해상도의 영상 소나가 요구된다. 대표적인 영상 소나에는 측면주사소나(Side Scan Sonar), 합성개구소나(Synthetic Aperture Sonar) 등이 있는데[14,15], 본 소나시스템에서는 기술 성숙도 및 운용성 등을 고려하여 측면주사소나를 기반으로 설계하였다.
- Pre-Enable 모드는 무인수상정이 실제 탐색모드로 진입하기 직전에 소나시스템의 초기변수를 설정하기 위해 필요한 단계로써, 중앙통제장치가 Pre-Enable 단계를 요청하면, 소나장치에서는 탐지변수를 초기화하고 해당 해역에서의 주변소음을 일정시간 기록하고 분석하여 초기 변수를 할당하는 단계이다. 데이터취득 모드는 실제 중앙통제장치의 요청에 따라 능동모드일 경우, 소나장치에서는 송신신호를 인가하고, 반향된 신호를 기록, 분석하여 탐지정보를 추정하고, 수동모드일 경우, 표적에서 방사하는 신호를 기록, 분석하여 탐지정보를 추정한다. 그리고, 획득한 신호 및 추정된 탐지정보를 중앙통제장치로 응답하고, 중앙통제장치의 다음 명령을 대기하게 된다.
- 또한, 전방탐지장치는 소형의 수중장착체에 탑재되므로 기계적 조향(mechanical steering) 대신 전자적 조향(electrical steering) 방식을 채택하였으며, 개발 장치의 성능분석을 위해 Fig. 2(c)와 같이 빔 패턴을 계산하여 조향 각도별 수평/수직 방향에 대한 3 dB 빔폭을 분석하였다.
- 먼저, 안정적인 자세제어 및 긴급 기동에 대한 운용성을 높이기 위해 스트럿 고정형 수중장착체 형태로 소나시스템을 선정하였으며, 전방의 원거리 수중표적탐지를 위한 전방탐지장치를 설계하고, 하방의 고해상도 영상 획득을 위한 하방탐지장치를 설계하였다. 설계 고려사항을 바탕으로 무인수상정 임무에 적합하도록 하드웨어를 구성하고, 상세 운용 모드를 수립하여 최종적으로 무인수상정을 총괄하는 중앙통제장치의 제어에 따른 명령에 따른 탐지를 수행하고, 탐지결과를 중앙통제장치로 전송하는 등 본연의 임무를 수행할 수 있도록 개발하였다.
- 하방탐지장치의 하방표적 탐지가능성을 확인하기 위하여 안정적인 기동 환경에서 하방표적영상을 취득하였다. 본 논문에서는 CW 신호를 인가하였을 때의 획득 신호를 이용하여, 기본적인 영상처리를 수행한 결과를 실제 표적 형상과 대비하여 Fig. 16에 각각 도시 하였다. 시험을 위하여 사용한 하방표적으로는 드럼통을 사용하였으며, 임의의 위치에 입수 및 회수의 편의를 위하여 로프를 연결하여 사용하였다.
- 수동모드로 운용할 때의 수중표적 탐지 가능성을 확인하기 위하여 무인수상정으로부터 일정거리 이격된 위치에서 수동소음원을 위치시키고, 무인수상정을 기동시켰을 때의 수동소음원의 탐지 여부를 확인하는 시험을 추가적으로 수행하였다. 본 시험에서는 고무보트의 엔진 출력음을 수동소음원으로 사용하였으며, 작은 원궤적 주행을 반복함으로써 소음원의 크기를 균일하게 유지하여 안정적인 광대역 신호획득이 가능하도록 하였다.
- 소나원격도시장치 및 무선 기지국은 육상에 위치시키고 무인수상정을 인근에서 기동하며 임의의 지점에 설치한 수중 표적 신호를 획득하였다. 본 시험에서는 시험의 편의를 위하여 전방모의표적기(송신신호를 수신하면 인위적으로 신호를 반향시키는 장치)를 별도로 개발하여, 수중 표적으로 활용하였다.
- 먼저, 안정적인 자세제어 및 긴급 기동에 대한 운용성을 높이기 위해 스트럿 고정형 수중장착체 형태로 소나시스템을 선정하였으며, 전방의 원거리 수중표적탐지를 위한 전방탐지장치를 설계하고, 하방의 고해상도 영상 획득을 위한 하방탐지장치를 설계하였다. 설계 고려사항을 바탕으로 무인수상정 임무에 적합하도록 하드웨어를 구성하고, 상세 운용 모드를 수립하여 최종적으로 무인수상정을 총괄하는 중앙통제장치의 제어에 따른 명령에 따른 탐지를 수행하고, 탐지결과를 중앙통제장치로 전송하는 등 본연의 임무를 수행할 수 있도록 개발하였다. 개발된 소나시스템은 해상시험을 통해 기본적인 탐지성능을 검증하였다.
- 무인수상정의 운용전략에 따라 전방탐지장치는 능동 모드와 수동모드를 모두 운용한다. 수동모드로 운용할 때의 수중표적 탐지 가능성을 확인하기 위하여 무인수상정으로부터 일정거리 이격된 위치에서 수동소음원을 위치시키고, 무인수상정을 기동시켰을 때의 수동소음원의 탐지 여부를 확인하는 시험을 추가적으로 수행하였다. 본 시험에서는 고무보트의 엔진 출력음을 수동소음원으로 사용하였으며, 작은 원궤적 주행을 반복함으로써 소음원의 크기를 균일하게 유지하여 안정적인 광대역 신호획득이 가능하도록 하였다.
- 수중장착체는 수압, 수밀 등 기본적인 설계요소 뿐만 아니라 내부에서 발생하는 고온의 열을 효과적으로 전도시킬 수 있는 재질을 고려하여 설계하였으며, 부가적으로 방열패드와 쿨러 등을 별도로 장착하여 내부의 열을 효과적으로 낮추도록 설계하였다.
- 전방탐지장치, 하방탐지장치 및 부가센서가 탑재된 수중장착체를 실제 수상정 스트럿에 연결한 후, 사전에 설계한 능동신호를 인가하였으며, 인가된 신호는 일정 거리가 이격된 전방모의표적기로 전달되는데, 이를 반향시켜 다시 수중장착체 내부 탑재소나에서 반향신호를 기록하였다. 수중장착체에서 획득한 신호는 전방탐지 알고리즘을 거쳐 표적의 유무, 거리, 방위각 등의 정보를 추정하며, 하방탐지 알고리즘을 통해 하방표적에 대해 영상 및 추정 위치정보를 획득하였다.
- 수평방향에 대한 3 dB 빔폭을 이용하여 최대 빔 개수를 선정하였으며, 선정한 빔 별로 각각 방위추정 성능의 만족 여부를 확인하였다. Fig 2(d)는 설계한 빔 중 일부 빔에 대한 방위추정 성능을 보여주는데, 조향각 별로 실제 방위각을 추종하는 것을 확인하였다.
- 따라서 플랫폼 및 해양환경의 영향을 최소화하기 위해서 선체 부착형태를 배제하고, 예인형 또는 스트럿 고정형의 수중장착체 개발을 고려하였다. 실제, 해군의 운용 개념상 자세제어가 유리하지만 운용절차가 복잡한 예인형 보다는 스트럿 고정형이 긴급 운용 등의 활용성이 높다고 판단되어 수중장착체 구조를 스트럿 고정형으로 최종 결정하여 Fig. 4와 같이 설계하였다.
- 소나시스템 내부 구성부의 개별 성능 검증에 앞서 선행적으로 스트럿 고정형 소나장착체의 자세 변화를 측정하여야 하며, 측정된 자세 변화량이 소나시스템에서 설계된 빔폭을 벗어나지 않도록 추가적인 방진설계를 고려하거나 획득신호의 후보정 처리를 수행하여야 한다. 자세 변화량을 확인하기 위하여, 수중장착체 내부에 장착된 부가센서 중 하나인 자세센서에서 취득한 자료를 이용하여 무인수상정 선속에 따른 소나시스템의 자세 변화를 분석하였다. 일반적으로 피치(pitch) 값은 전방탐지장치 성능에 지대한 영향을 주며, 롤(Roll) 값은 하방탐지장치 성능에 큰 영향을 주는데, 이에 대한 분석을 수행하기 위하여 일정한 선속으로 주행할 때의 피치 값과 롤 값을 30초 동안 획득하여 Fig.
- 전방탐지장치 설계를 위하여 먼저 소나방정식을 이용한 통상적인 잡음환경 하에서의 탐지 표적에 대한 최적 송신주파수 분석을 수행하였다. 능동모드에 대한 신호 이득(SE : Signal Excess)을 주파수의 함수로 표현하면 다음 식 (1)과 같이 정리할 수 있다[10,11].
- 전방탐지장치, 하방탐지장치 및 부가센서가 탑재된 수중장착체를 실제 수상정 스트럿에 연결한 후, 사전에 설계한 능동신호를 인가하였으며, 인가된 신호는 일정 거리가 이격된 전방모의표적기로 전달되는데, 이를 반향시켜 다시 수중장착체 내부 탑재소나에서 반향신호를 기록하였다. 수중장착체에서 획득한 신호는 전방탐지 알고리즘을 거쳐 표적의 유무, 거리, 방위각 등의 정보를 추정하며, 하방탐지 알고리즘을 통해 하방표적에 대해 영상 및 추정 위치정보를 획득하였다.
- 전원제어모드는 무인수상정 중앙통제장치가 소나장치로의 전원제어 요청 시, 소나장치의 전원을 인가하거나 제거하고, 그 결과를 중앙통제장치로 전송하는 응답을 수행한다. 자체진단모드는 무인수상정 초기점검 중 중앙통제장치가 소나장치의 자체진단 수행을 요청하면, 소나장치는 즉시 소나부 구성장치가 정상작동하는지 확인하고, 그 결과를 중앙통제장치로 응답하는 단계이다.
- 추가적으로, 수직방향에 대한 빔폭과 천해의 운용수심을 고려할 때, 해수면 잔향음으로 인한 탐지성능 저하가 우려되어, 표적탐지 시 해수면 잔향음에 대한 영향을 최소화 할 수 있도록 전방탐지장치의 조향 각도를 수평면 기준 일정 각도로 눕혀 설계하였다.
- 하방탐지장치는 전방탐지장치와 동시 운용 시 전방 탐지장치의 송신신호에 의해 신호 간섭이 발생할 소지가 있으므로, 이를 방지하기 위해 아날로그 대역 통과 필터를 설계하였으며, 플랫폼의 고속 기동 시에도 고해상도 영상을 제공하기 위해 무인수상정 기동 속도에 따라 최대 3개의 수신 빔을 선택적으로 사용하도록 설계하였다. 추가적으로, 자세센서를 탑재하여 자세 변화에 따라 수신 빔 형성을 달리해, 보다 높은 해상도의 영상을 얻을 수 있도록 설계하였다.
- 하방탐지장치가 결합될 수중장착체의 물리적 크기 제약 하에서, 기뢰 탐지 및 식별이 가능한 해상도를 종합적으로 고려하여 운용주파수를 설계하였으며, 최대 탐색거리를 고려하여 송신음압을 결정하였다. Fig.
- 하방탐지장치는 전방탐지장치와 동시 운용 시 전방 탐지장치의 송신신호에 의해 신호 간섭이 발생할 소지가 있으므로, 이를 방지하기 위해 아날로그 대역 통과 필터를 설계하였으며, 플랫폼의 고속 기동 시에도 고해상도 영상을 제공하기 위해 무인수상정 기동 속도에 따라 최대 3개의 수신 빔을 선택적으로 사용하도록 설계하였다. 추가적으로, 자세센서를 탑재하여 자세 변화에 따라 수신 빔 형성을 달리해, 보다 높은 해상도의 영상을 얻을 수 있도록 설계하였다.
- 하방탐지장치의 하방표적 탐지가능성을 확인하기 위하여 안정적인 기동 환경에서 하방표적영상을 취득하였다. 본 논문에서는 CW 신호를 인가하였을 때의 획득 신호를 이용하여, 기본적인 영상처리를 수행한 결과를 실제 표적 형상과 대비하여 Fig.
- 하지만, 단일 소나장치 만으로는 요구하는 목적을 달성할 수 없으므로, 본 소나시스템은 원거리 탐색용 전방탐지장치와 근거리 표적탐지, 소형 표적인식 및 식별을 위한 하방탐지장치로 분리하여 각각 개발하였다.
- 한국 해군의 무인화 체계 가능성을 판단하기 위해 현재 개발 중인 무인수상정 플랫폼에 가장 적합한 소나시스템은 수중의 적 잠수함 표적을 원거리에서 정밀하게 탐지하는 것이며, 이를 목표로 소나시스템을 설계하여, 해상시험을 통해 탐지성능을 검증하였다.
대상 데이터
- 무인수상정에 탑재된 소나장비를 이용하여 수중표적에 대한 탐지 가능성을 확인하는 것을 목적으로 2014년 10월 진해만에서 해상시험을 실시하였다. 소나원격도시장치 및 무선 기지국은 육상에 위치시키고 무인수상정을 인근에서 기동하며 임의의 지점에 설치한 수중 표적 신호를 획득하였다. 본 시험에서는 시험의 편의를 위하여 전방모의표적기(송신신호를 수신하면 인위적으로 신호를 반향시키는 장치)를 별도로 개발하여, 수중 표적으로 활용하였다.
- 수중장착체는 무인수상정 스트럿에 체결되어 수중에 위치되는 조립체이다. 수중장착체는 전방탐지장치, 하방탐지장치, 수중부제어장치 및 부가센서로 구성된다.
- 16에 각각 도시 하였다. 시험을 위하여 사용한 하방표적으로는 드럼통을 사용하였으며, 임의의 위치에 입수 및 회수의 편의를 위하여 로프를 연결하여 사용하였다.
- 전방 및 하방탐지장치 간의 신호 간섭을 최소화하기 위하여 앞에서 설명한 전자적인 방법과는 별도로 수중장착체 내부에 차단벽을 설치하고, 두 장치를 최대한 이격시켜 위치시켰다. 표적 탐지정보의 세부적인 보정을 위하여 수중장착체 내부에 자세센서, 고도센서, 수심센서, 온도센서 등의 부가 센서를 별도로 탑재하였다.
데이터처리
- 설계 고려사항을 바탕으로 무인수상정 임무에 적합하도록 하드웨어를 구성하고, 상세 운용 모드를 수립하여 최종적으로 무인수상정을 총괄하는 중앙통제장치의 제어에 따른 명령에 따른 탐지를 수행하고, 탐지결과를 중앙통제장치로 전송하는 등 본연의 임무를 수행할 수 있도록 개발하였다. 개발된 소나시스템은 해상시험을 통해 기본적인 탐지성능을 검증하였다.
성능/효과
- Fig. 14(a)의 연속 시계열 신호 상에서 표적신호가 안정적으로 탐지됨을 확인할 수 있으며, 표적신호의 도달시간이 감소하는 것으로부터 무인수상정이 표적에 근접함을 알 수 있다. Fig.
- 송신신호의 종류를 달리한 두 가지 시험으로부터, 무인수상정용 전방탐지장치는 10 kts 이상의 기동 환경에서 수 km 이상 이격된 전방 수중표적을 안정적으로 탐지한 것을 확인할 수 있었으며, 계획된 기본 성능 이상을 만족한 것을 검증할 수 있었다.
- 시간에 따른 피치 값의 변화량은 시험 속도 내에서 설계 빔폭 내에 위치하는 것을 확인하였으나, 시간에 따른 롤 값의 변화량은 10 kts, 15 kts에서 큰 편차 값을 가지는 것을 관찰할 수 있었다. Table 1은 선속에 따른 30초 동안의 피치 값과 롤 값의 평균과 분산을 보여주는데, 10 kts 이상의 속도에서 롤 성분이 상대적으로 분산이 큰 것을 확인할 수 있다.
- 실제 모터보트에 GPS 계측 장치를 탑재하지 못하여 정밀한 결과를 분석하지는 못하였으나, 획득신호와 탐지결과를 살펴 볼 때 전방탐지장치를 수동모드로 운용할 때에도 수동표적탐지가 가능할 것임을 짐작할 수 있었다.
- Table 1은 선속에 따른 30초 동안의 피치 값과 롤 값의 평균과 분산을 보여주는데, 10 kts 이상의 속도에서 롤 성분이 상대적으로 분산이 큰 것을 확인할 수 있다. 즉, 선속에 따른 자세정보 분석을 통해, 스트럿 고정형 수중장착체를 이용하여 소나시스템을 운영할 경우, 자세값의 변화가 전방탐지장치 성능에는 영향을 주지 않지만, 하방탐지장치의 성능에는 어느 정도 영향을 미칠 것임을 예측할 수 있다. 현재 롤 값에 대한 움직임을 감쇄하는 방안에 대한 추가적인 연구를 수행하고 있으며, 획득신호를 후처리하는 기법을 적용하고자 시도하고 있다.
- 13은 획득된 시계열 신호 및 그 스펙트로그램을 도시한 것이다. 첫 번째 시험과 마찬가지로 시계열 신호에서는 적색 화살표로 표시된 지점에서 표적신호와 잔향음 신호를 정확하게 구분하기 어려우나, 스펙트로그램 상에서 도플러 천이로 인해 잔향음 성분과 표적신호 성분의 구분이 가능함을 확인할 수 있었다.
- 획득 영상에서 로프가 연결된 드럼통 표적은 명확히 식별 가능하였으며, 연결된 로프까지 육안으로 인식 가능하였다. 하지만, 표적의 경계선은 뚜렷이 구분되지 않았기에 실제 무인수상정에서 목표로 하는 소형 표적의 자동 식별을 위한 해상도 개선이 여전히 요구된다.
후속연구
- 하지만, 무인화 체계의 특성상 운용시간의 증대는 필수적이며, 소형화된 공간에서 발열문제를 해소시킬 수 있는 방안에 대한 심도있는 후속 연구가 필요하다. 또한, 고속 주행시 제어가 불가능한 수중장착체의 거동에 대해서도 높은 해상도를 확보할 수 있도록 추가적인 방진설계 및 후처리 알고리즘의 개발이 요구된다.
- 본 소나시스템은 무인수상정에 국한되지 않고 소형화된 공간에 탑재되는 대잠소나에 쉽게 적용할 수 있으며, 수중분산 센서망의 이동노드로도 확장 가능하리라 판단된다. 하지만, 무인화 체계의 특성상 운용시간의 증대는 필수적이며, 소형화된 공간에서 발열문제를 해소시킬 수 있는 방안에 대한 심도있는 후속 연구가 필요하다.
- 본 소나시스템은 무인수상정에 국한되지 않고 소형화된 공간에 탑재되는 대잠소나에 쉽게 적용할 수 있으며, 수중분산 센서망의 이동노드로도 확장 가능하리라 판단된다. 하지만, 무인화 체계의 특성상 운용시간의 증대는 필수적이며, 소형화된 공간에서 발열문제를 해소시킬 수 있는 방안에 대한 심도있는 후속 연구가 필요하다. 또한, 고속 주행시 제어가 불가능한 수중장착체의 거동에 대해서도 높은 해상도를 확보할 수 있도록 추가적인 방진설계 및 후처리 알고리즘의 개발이 요구된다.
- 즉, 선속에 따른 자세정보 분석을 통해, 스트럿 고정형 수중장착체를 이용하여 소나시스템을 운영할 경우, 자세값의 변화가 전방탐지장치 성능에는 영향을 주지 않지만, 하방탐지장치의 성능에는 어느 정도 영향을 미칠 것임을 예측할 수 있다. 현재 롤 값에 대한 움직임을 감쇄하는 방안에 대한 추가적인 연구를 수행하고 있으며, 획득신호를 후처리하는 기법을 적용하고자 시도하고 있다.
- 하지만, 표적의 경계선은 뚜렷이 구분되지 않았기에 실제 무인수상정에서 목표로 하는 소형 표적의 자동 식별을 위한 해상도 개선이 여전히 요구된다. 현재 영상화 로직 개선 및 최적의 송신신호의 선정, 수신빔 추가 생성 등을 통하여 추가적인 연구를 수행중이며, 이에 적용하기 위한 하드웨어를 설계 중이다.
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