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소나 송신신호 설계를 위한 최적 주파수 분석
Optimum Frequency Analysis for Sonar Transmit Signal design 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.53 no.5, 2016년, pp.47 - 54  

김선호 (숭실대학교 일반대학원 정보통신공학과) ,  정장원 (숭실대학교 일반대학원 정보통신공학과) ,  온백산 (숭실대학교 일반대학원 정보통신공학과) ,  임성빈 (숭실대학교 전자정보공학부) ,  서익수 (국방과학연구소)

초록
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수중 환경에서는 특정한 대역이나 형태의 신호를 송수신함으로써 거리(range) 관점에서 높은 해상도를 얻는 것이 필요하다. 본 논문의 탐지 거리인 1 km 이내 근거리에서 미확인 원통형 물체를 탐지 및 식별하기 위해서는 능동소나에 사용되는 송신신호의 설계가 매우 중요하다. 최적의 소나 송신신호를 설계하기 위해서는 탐지 거리를 최대로 갖는 최적 주파수와 신호의 대역폭을 고려하여 개별 파라미터의 적절한 trade-off 값을 찾는 것이 필수 요건이다. 본 논문에서는 EE (Echo Excess) 최대화와 SNR 최대화의 관점으로 여러 파라미터들의 변화에 따라 다양한 조건에서 최적 주파수를 분석하였다. 또한 거리 해상도(range resolution)와 방위각 해상도(azimuth resolution)의 목표 성능을 만족시키는 관점에서 송신신호 파라미터 결정 연구를 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In the underwater environment, high resolution can be achieved in the range direction by transmitting and receiving a signal of a particular band and/or waveform. The design of a transmit signal used in the active sonar is very important in order to detect a cylindrical object within a short distanc...

주제어

#송신신호 설계   #최적 주파수   #능동 소나   #거리 해상도   #방위각 해상도  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 최적 주파수 선택을 위해서는 소나 방정식을 구성하는 모든 파라미터의 변화를 고려해야 하나, 현실적으로 발생할 수 있는 모든 상황을 가정하고 적용하는 것은 매우 어렵다. 따라서 본 절에서는 주요 변수인 흡수 손실에 관한 추가적인 분석을 수행하고, 천해 환경에서 주요 잡음요소로 작용하는 해수면 환경변화의 원인인 풍속변화에 의한 주변 소음의 영향을 살펴본다.
  • 먼저 송신신호의 최적 주파수를 선택하기 위해 전통적인 송신신호 설계 기법인 초과신호 (EE; Echo Excess)최대화와 신호잡음비율 (SNR) 최대화의 관점에서 분석을 수행한다. 또한 이를 기반으로 거리 해상도 (RR; Range Resolution)과 방위각 해상도 (AR; Azimuth Resolution)의 목표성능을 만족시키기 위한 최적 설계 파라미터를 제안하고자 한다. 모의실험 환경은 천해의 광대역 근거리 탐지를 가정하며, 탐지거리는 1 km내외로 하고 표적의 크기는 4×20 m로 설정하였다.
  • 수중 환경에서 1 km 이내 근거리에 위치한 미확인 원통형 물체를 탐지 및 식별하기 위해서는 능동소나에 사용되는 송신신호의 설계가 매우 중요하다. 본 논문에서는 소나의 송신신호를 설계함에 있어 여러 환경 파라미터를 고려하여 최적 주파수를 선정하고, 이 주파수에서 주어진 탐지거리에 도달할 수 있는 조건들을 살펴보았다. 또한 송신신호의 최적 주파수를 선택하기 위해 EE를 최대화 하는 관점, SNR을최대화 하는 관점에서 분석하였다.
  • 본 논문에서는 천해환경에서 효율적인 탐지를 위한 최적 송신신호의 설계 파라미터 결정 연구를 수행한다. 먼저 송신신호의 최적 주파수를 선택하기 위해 전통적인 송신신호 설계 기법인 초과신호 (EE; Echo Excess)최대화와 신호잡음비율 (SNR) 최대화의 관점에서 분석을 수행한다.
  • 본 장에서는 최적송신신호 설계 측면에서 거리 해상도 RR (range resolution)과 방위각 해상도 AR(azimuth resolution)의 관점에서 모의실험을 통해 설계에 필요한 지표를 얻고자 한다. 먼저 거리 해상도의 경우 목표 해상도 RR을 만족시키는 관점에서 탐지거리를 1 km로 고정하고 수심 변화에 따른 음속을 고려하여 대역폭을 결정한다.
  • 본 절에서는 EE를 최대화 하는 관점에서의 거리에 따른 최적 주파수 선택 문제를 분석하였다. 주어진 환경과 파라미터의 변화에 따라 최적 주파수의 선택은 단일 값이 아닌 일정한 범위를 갖는 대역대로 판단할 수 있다.
  • 본 절에서는 목표 거리에 대한 주파수에 따른 감쇄값을 확인하기 위해 분산 손실과 흡수 손실을 개별적으로 분석하였다. 그림 5에서 1 km 이내의 근거리에서의 분산손실 값을 확인할 수 있다.

가설 설정

  • 모의실험 환경은 천해의 광대역 근거리 탐지를 가정하며, 탐지거리는 1 km내외로 하고 표적의 크기는 4×20 m로 설정하였다.
  • 본 논문에서는 탐지 목표의 크기를 4×20 m의 크기를 갖는 원통형 물체로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
능동소나의 구동 주파수가 최적 주파수보다 낮을 경우 발생하는 문제점은 무엇인가? 능동소나의 구동 주파수가 최적 주파수보다 높은 경우 수중 환경에서의 음파 흡수현상은 탐지거리를 감소시킨다. 반대로 구동 주파수가 최적 주파수보다 훨씬 낮은 경우에는 소나 방정식을 구성하는 다양한 파라미터의 값이 올바르게 구성되지 못해 역시 탐지거리를 단축시키는 원인이 된다. 일반적으로 탐지거리는 구동 주파수가 높아질수록 증가하지만 최대 탐지거리를 만족시키는 최적 구동 주파수 이상으로 주파수를 증가시키는 경우에도 최대 탐지거리는 증가하지 않는다.
최적의 소나 송신신호를 설계하기 위한 필수 요건은 무엇인가? 본 논문의 탐지 거리인 1 km 이내 근거리에서 미확인 원통형 물체를 탐지 및 식별하기 위해서는 능동소나에 사용되는 송신신호의 설계가 매우 중요하다. 최적의 소나 송신신호를 설계하기 위해서는 탐지 거리를 최대로 갖는 최적 주파수와 신호의 대역폭을 고려하여 개별 파라미터의 적절한 trade-off 값을 찾는 것이 필수 요건이다. 본 논문에서는 EE (Echo Excess) 최대화와 SNR 최대화의 관점으로 여러 파라미터들의 변화에 따라 다양한 조건에서 최적 주파수를 분석하였다.
광대역 소나 시스템은 협대역 시스템과 비교하여 어떤 장점을 가지는가? 광대역 소나 시스템은 협대역 시스템과 비교하여 높은 거리 정확도, 최소 탐지 거리 향상, 신호 대 잡음비 이득, 강한 도플러 내성, 낮은 신호 차단 확률과 같은 장점을 가진다. 그러나 이러한 장점들은 필연적으로 신호처리 과정에서 연산 복잡도를 증가시키며, 대역폭이 커질수록 잡음 또한 함께 증가한다.
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참고문헌 (7)

  1. B. Katsnelson, V. Petnikov and J. Lynch, Fundamentals of Shallow Water Acoustics, Springer, 2012. 

  2. R. J. Urick, Principles of Underwater Sound, McGraw-Hill, 1983. 

  3. L. Berkhovskikh and Y. Lysanov, Fundamentals of Ocean Acoustics, Springer, 1982. 

  4. S. Kay, "Optimal Signal Design for Detection of Gaussian Point Targets in Stationary Gaussian Clutter/Reverberation" IEEE Jour. of Selected Topics in Signal Processing, Vol. 1, No. 1, June 2007. 

  5. R. O. Nielsen, Sonar Signal Processing, Artech House, 1991. 

  6. M. Stojanovic, "On the Relationship Between Capacity and Distance in an Underwater Acoustic Communication Channel", Proc. of the 1st ACM International Workshop on Underwater Networks, pp. 41-47, Los Angeles, USA, Sep. 2006. 

  7. R. Coates, Underwater Acoustic Systems, Wiley, 1989. 

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