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음원과 수신기 사이에 교차 산란단면적을 이용한 양상태 잔향음 모의
Bistatic reverberation simulation using intersection of scattering cross section between sound source and receiver 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.36 no.1, 2017년, pp.12 - 22  

오래근 (한양대학교 해양융합공학과 해양음향연구실) ,  김선효 (한양대학교 해양융합공학과 해양음향연구실) ,  손수욱 (국방과학연구소) ,  최지웅 (한양대학교 해양융합공학과 해양음향연구실) ,  박정수 (국방과학연구소) ,  신창홍 (LIG 넥스원) ,  안명환 (LIG 넥스원) ,  이범직 (대우조선해양)

초록
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소나 운용에서 잔향음은 수중 표적 탐지의 제한요소이기 때문에 정확한 예측이 중요하다. 최근에는 단상태소나 연구에서 공간적으로 송수신기의 위치가 다른 양상태 소나에 대한 연구로 확장되고 있는 추세이다. 양상태 잔향음을 모의하기 위해서는 양상태 음파전달, 양상태 산란강도 및 산란단면적 등에서 단상태와 다른 복잡한 계산이 요구된다. 전 세계적으로 양상태 잔향음에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있지만 잔향음을 예측하는데 중요한 요소인 양상태 산란단면적을 정확하게 계산하는 방법에 대한 연구는 미비하다. 본 논문에서는 거리 독립 환경의 양상태 잔향음모의에서 두 원의 교차되는 면적을 응용하는 새로운 산란단면적 계산 방법을 제안한다. 최종적으로 본 논문의 양상태 산란단면적 계산 방법으로 모의된 잔향음 준위는 기존에 제안되었던 방법들의 예측값과 비교되며 2013년 5월에 수행된 해상 실험의 측정값과 비교를 수행하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

It is important to predict accurately reverberation level, which is a limiting factor in underwater target detection. Recently, the studies have been expanded from monostatic sonar to bistatic sonar in which source and receivers are separated. To simulate the bistatic reverberation level, the comput...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이 방법은 양상태 잔향음 계산 시 음영구역은 존재하지 않지만 정확한 산란단면적을 계산하기 어렵다. 따라서 본 논문에서는 기존 방법들의 제한사항을 극복하기 위해 음영구역 없이 정확한 산란단면적을 고려할 수 있는 양상태 산란단면적 계산 방법을 제안한다.
  • 양상태 잔향음 모델은 송신기로부터 송출된 음파가 수신기에 도달하기까지의 물리적 기작을 이해하고 양상태 소나를 개발 및 운용하기 위해 중요하다. 본 논문에서는 양상태 잔향음 모델의 성능 향상을 위해 새로운 양상태 산란단면적 계산 방법을 제안하였다. 기존의 양상태 산란단면적 계산 방법은 산란 단면적이 잔향음 계산에서 누락되는 음영구역이 존재하거나, 산란단면적을 단상태에서 양상태로 보상하여 산란단면적이 부정확한 단점이 존재하지만 본 연구의 방법으로 보완이 가능하다.
  • 본 논문은 산란단면적 계산 방법을 통한 양상태 잔향음 모델의 성능 향상에 그 목적을 두고 있기 때문에 특정 주파수 범위를 정하여 모델링을 수행하지 않았으며, 목표 주파수에 따라 본 논문의 산란단면적 계산 방법과 경계면 산란 모델을 적절하게 적용하여 원하는 주파수 대역의 양상태 잔향음을 모의할 수 있을 것이다. 본 논문에서는 제안한 양상태 산란단면적 계산 방법이 FEM 계산 방법에 가장 유사한 결과를 보임을 확인하였고 양상태 해상 실험 데이터와 비교를 통하여 본 연구에서 제안한 양상태 산란단면적 계산 방법으로 모의된 양상태 잔향음의 정확성을 확인하였다.
  • 본 연구에서는 양상태 소나 시스템에서 원의 교차되는 넓이를 이용하여 새로운 양상태 산란단면적 계산 방법을 제안하고, 이 방법을 통해 시간에 따른 잔향음 준위를 모의한다. 모의된 잔향음 결과는 기존의 양상태 산란단면적 계산 방법으로 모의된 잔향음 준위와 비교를 통해 검증한다.

가설 설정

  • 해양에서 잔향음은 음파가 음향학적 성질이 다른 매질의 경계면에서 산란되어 수신되는 음파들의 시간에 따른 총합이기 때문에 모의를 위해서는 송수신기로부터 산란단면적까지 고유음선 정보가 필수적이다. 본 논문에서는 제안하는 산란단면적 계산 방법의 효율성만을 검증하기 위하여 거리 독립 해저면과 등속 음속 구조를 가정하여 잔향음을 계산하였다.
  • 3은 본 논문에서 제안하는 산란단면적 계산 방법으로 구해진 산란단면적 모식도이다. 실선으로 이루어진 원은 송신기로부터 dr을 간격으로 하는 원이며, 거리 독립 환경을 가정한다면 두 실선 원의 사이의 회색 산란 면적은 송신기로부터 경계면까지 동일한 전달 손실과 수평 입사각을 가진다. 그 후, 회색 면적에서 수신기까지의 전달 손실을 계산하기 위해 수신기로부터 dr의 간격을 갖는 점선으로 이루어진 원들을 고려한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
양상태 산란단면적 계산 방법을 제안한 이유는 무엇인가? 또한 Weinberg[8]는 수신기를 기준으로 단상태 산란단면적을 계산한 후에 송신기로부터 산란단면적까지의 입사각과 방위각을 고려하여 양상태 산란단면적으로 보상하는 방법을 적용하였다. 이 방법은 양상태 잔향음 계산 시 음영구역은 존재하지 않지만 정확한 산란단면적을 계산하기 어렵다. 따라서 본 논문에서는 기존 방법들의 제한사항을 극복하기 위해 음영구역 없이 정확한 산란단면적을 고려할 수 있는 양상태 산란단면적 계산 방법을 제안한다.
잔향음이란? 해양에서 소나를 이용하여 송신된 음파는 다양한 경로로 전파된다. 이때 경계면의 비균질성에 의해 산란되어 수신되는 음파들의 시간에 따른 합을 잔향음이라 하며, 경계면의 종류에 따라 체적, 해수면, 해저면 잔향음으로 구분된다.[1] 잔향음은 군사적인 목적의 능동 소나 운용에서 표적 반향음의 탐지를 제한하는 요소가 되며 특히 천해 환경에서는 심해에 비해 경계면의 산란이 빈번하게 발생하기 때문에 표적 탐지는 잔향음에 의해 더욱 제한된다.
잔향음은 경졔면의 종류에 따라 어떻게 분류되는가? 해양에서 소나를 이용하여 송신된 음파는 다양한 경로로 전파된다. 이때 경계면의 비균질성에 의해 산란되어 수신되는 음파들의 시간에 따른 합을 잔향음이라 하며, 경계면의 종류에 따라 체적, 해수면, 해저면 잔향음으로 구분된다.[1] 잔향음은 군사적인 목적의 능동 소나 운용에서 표적 반향음의 탐지를 제한하는 요소가 되며 특히 천해 환경에서는 심해에 비해 경계면의 산란이 빈번하게 발생하기 때문에 표적 탐지는 잔향음에 의해 더욱 제한된다.
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참고문헌 (21)

  1. R. J. Urick, Principles of Underwater Sound (McGraw- Hill, New York, 1983), 237-290. 

  2. M. Schafer and M. Coran, "Submarine hunting in shallows," in Proc. UDT, MAST and COE Conference, 1-4 (2009). 

  3. H. G. Schneider, Vertically bistatic reverberation and the back propagated field with the split step PE, Saclant Undersea Research Ctr. Rept., SR-225 1994. 

  4. D. D. Ellis, "A shallow water normal mode reverberation model," J. Acoust. Soc. Am. 97, 2804-2814 (1995). 

  5. C. H. Harrison, "Closed form bistatic reverberation and target echoes with variable bathymetry and sound speed," IEEE J. Oceanic Eng. 30, 660-675 (2003). 

  6. K. D. LePage and C. H. Harrison, "Bistatic reverberation benchmarking exercise:BIStaR versus analytic formulas," in Proc. J. Acoust. Soc. Am. 113, 2333-2334 (2003). 

  7. R. L. Culver and S. T. McDaniel, "Bistatic ocean surface reverberation simulation," in Proc. IEEE ICASSP, 2, 1453-1456 (1991). 

  8. H. Weinberg, "CASS Roots," in Proc. MTS/IEEE Oceans 2000 Conf. Providence, Rhode Island, 1071-1076 (2000). 

  9. N. Kim, S. Oh, K. S. Yoon, S. Lee, and J. Na, "Bi-static low-frequency reverberation model in shallow water" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 22, 472-481 (2003). 

  10. T. Oh, H. La, J. Na, and C. Park, "Mid-frequency bistatic reverberation model" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 25, 389-394 (2006). 

  11. S. Kim, W. Lee, S. K. You, J. W. Choi, W. Kim, J. S. Park, and K. J. Park, "High-frequency reverberation simulation of high-speed moving source in rangeindependent ocean environment" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 32, 104-115 (2013). 

  12. S. Oh, S. Cho, D. Kang, and K. Park, "Low-frequency normal mode reverberation model" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 34, 184-191 (2015). 

  13. J. Park, Y. Choo, K. Lee, and W. Seong, "Long range incoherent seafloor reverberation model based on coupled normal mode method" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 35, 243-252 (2016). 

  14. Y. Choo, W. Seong, I. Yang, and W. Oh, "Mid frequency band reverberation model development using ray theory and comparison with experimental data" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 28, 740-754 (2009). 

  15. J. W. Choi and P. H. Dahl, "Measurement and simulation of the channel intensity impulse response for a site in the east China Sea," J. Acoust. Soc. Am. 119, 2677-2685 (2006). 

  16. H. Cox, "Fundamentals of bistatic active sonar," Underwater Acoustic Data Processing, edited by Y.T. Chan (Springer, Netherlands, 1989). 

  17. R. E. Francois and G. R. Garrison, "Sound absorption based on ocean measurements. Part II: Boric acid contribution and equation for total absorption," J. Acoust. Soc. Am. 72, 1879-1890 (1982). 

  18. F. Jensen, W. Kuperman, M. Porter, and H. Schmidt, Computational Ocean Acoustics (American Institute of Physics, New York, 1993), pp. 40-46. 

  19. APL-UW, "APL-UW High-frequency ocean environmental acoustic models handbook," APL-UW TR 9407, AEAS 9501, Appl. Physics Lab., University of Washington, Tech. Rep., (1997). 

  20. H. La and J. W. Choi, "8-kHz bottom backscattering measurements at low grazing angles in shallow water," J. Acoust. Soc. Am. 127, 160-165 (2010). 

  21. Y. G. Yoon, C. Lee, J. W. Choi, S. Chom S. Oh, and S. K. Jung, "Measurements of mid-frequency bottom loss in shallow water of the yellow sea" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 34, 423-431 (2015). 

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