능동 소나시스템에서 수신 신호의 해상도를 높이기 위한 방법은 다양하게 연구되어 왔다. 본 논문에서는 착저 물체의 탐지 해상도를 높이기 위한 방법으로 소나의 평면 배열 (planar array) 설계를 수행하였다. 해상력이 높은 좁은 형태의 빔 패턴을 얻기 위해서는 평면 형태의 어레이를 고려하는 것이 필요하다. 어레이를 구성하는 개별 음향 트랜스듀서의 송신 주파수는 13 kHz를 사용하였다. 비대칭 크기를 갖는 목표물의 효율적인 탐지를 위해 어레이 디자인에서 방위각(azimuth angle)과 고도각(elevation angle)에 따른 해상도를 동시에 고려하기 위해 areal angle 개념을 사용하였다. 그에 따라 목표 해상도를 만족하는 areal angle을 먼저 구하고 이를 역산하여 각각 목표 방위각과 고도각을 계산하여 어레이의 설계를 진행하였다.
능동 소나시스템에서 수신 신호의 해상도를 높이기 위한 방법은 다양하게 연구되어 왔다. 본 논문에서는 착저 물체의 탐지 해상도를 높이기 위한 방법으로 소나의 평면 배열 (planar array) 설계를 수행하였다. 해상력이 높은 좁은 형태의 빔 패턴을 얻기 위해서는 평면 형태의 어레이를 고려하는 것이 필요하다. 어레이를 구성하는 개별 음향 트랜스듀서의 송신 주파수는 13 kHz를 사용하였다. 비대칭 크기를 갖는 목표물의 효율적인 탐지를 위해 어레이 디자인에서 방위각(azimuth angle)과 고도각(elevation angle)에 따른 해상도를 동시에 고려하기 위해 areal angle 개념을 사용하였다. 그에 따라 목표 해상도를 만족하는 areal angle을 먼저 구하고 이를 역산하여 각각 목표 방위각과 고도각을 계산하여 어레이의 설계를 진행하였다.
In the active SONAR system, various studies have been carried out to enhance the resolution of a received signal. In order to obtain higher resolution for detecting a bottoming cylindrical object, the design of a planar array for SONAR is investigated in this paper. It is necessary to employ planar ...
In the active SONAR system, various studies have been carried out to enhance the resolution of a received signal. In order to obtain higher resolution for detecting a bottoming cylindrical object, the design of a planar array for SONAR is investigated in this paper. It is necessary to employ planar structures for SONAR array to obtain narrower beam pattern which gives high resolution. In this study, the transmit frequency of each acoustic transducer, which consists of an array is 13 kHz. For efficient detection of a target of an asymmetric size, the concept of areal angle is applied, which considers resolution according to both azimuth and elevation angles in array design. In the design, the areal angle is first investigated to satisfy the resolution requirements, and then based on the value of areal angles, the azimuth angle and the elevation angle are calculated respectively to design an array.
In the active SONAR system, various studies have been carried out to enhance the resolution of a received signal. In order to obtain higher resolution for detecting a bottoming cylindrical object, the design of a planar array for SONAR is investigated in this paper. It is necessary to employ planar structures for SONAR array to obtain narrower beam pattern which gives high resolution. In this study, the transmit frequency of each acoustic transducer, which consists of an array is 13 kHz. For efficient detection of a target of an asymmetric size, the concept of areal angle is applied, which considers resolution according to both azimuth and elevation angles in array design. In the design, the areal angle is first investigated to satisfy the resolution requirements, and then based on the value of areal angles, the azimuth angle and the elevation angle are calculated respectively to design an array.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 천해환경에서 착저 물체의 탐지 해상도를 높이기 위한 방법으로 능동소나의 평면 배열 설계를 수행하고자 한다. 이를 위해 선행 연구를 통해 얻은 결과를 바탕으로 1 km 이내의 단거리 탐지 환경을 만족시키는 13 kHz의 중심주파수를 갖는 LFM 송신신호를 이용하고[10∼11], 다양한 크기의 착저 물체를 탐지하기 위한 최적 빔 패턴을 찾기 위해 areal angle의 개념을 사용하였다.
본 논문에서는 1 km 이내의 근거리에서 다양한 크기의 목표물을 탐지하기 위한 평면 어레이 설계를 수행하였다. 먼저 거리 해상도를 만족시키기 위해 선행 연구를 통해 얻은 결과를 이용하여 13 kHz의 중심주파수를 갖는 LFM 신호를 사용하였다.
본 논문에서는 착저 중인 다양한 크기의 물체를 탐지하기 위한 어레이 설계를 수행하였다. 표 1에서 어레이설계 목표 값들을 확인할 수 있다.
가설 설정
1. Concept of areal angle.
어레이의 형태는 평면 어레이 구조를 고려하였으며 반 파장 간격으로 음향 트랜스듀서를 배치하였다. 개별트랜스듀서는 무지향성 (omni-directional)으로 가정하였다. 또한 조향각 (steering angle)은 0〫로 설정하고 설계를 진행하였다.
제안 방법
높은 공간 분해능을 얻기 위해서는 좁은 빔 폭의 설계가 필수적이며, 좁은 빔 폭을 구현하기 위해서는 어레이를 구성해야 한다. 따라서 본 논문에서는 평면 어레이를 고려하였다.
개별트랜스듀서는 무지향성 (omni-directional)으로 가정하였다. 또한 조향각 (steering angle)은 0〫로 설정하고 설계를 진행하였다. 설계 편의성을 위해 평면 어레이의 수평 빔 폭을 결정하는 방위각의 크기는 0.
먼저 거리 해상도를 만족시키기 위해 선행 연구를 통해 얻은 결과를 이용하여 13 kHz의 중심주파수를 갖는 LFM 신호를 사용하였다. 목표 공간 해상도를 결정하기 위한 탐지 목표물의 크기는 해저면에 착저 중인미확인 이동물체 (AUV)나 잠수정의 일반적인 크기를 고려하여 임의로 설정하였으며 이를 탐지할 수 있는 공간 분해능을 만족시키는 areal angle을 계산하여 어레이의 설계를 진행하였다. 본 연구에서는 설계 편의성을 위해 목표 수평 방위각의 크기를 고정하고 설계를 진행하여 실제 어레이를 제작하는 문제에 있어 제약 사항으로 작용할 수 있다.
목표 공간 해상도를 결정하기 위한 탐지 목표물의 크기는 해저면에 착저 중인미확인 이동물체 (AUV)나 잠수정의 일반적인 크기를 고려하여 임의로 설정하였으며 이를 탐지할 수 있는 공간 분해능을 만족시키는 areal angle을 계산하여 어레이의 설계를 진행하였다. 본 연구에서는 설계 편의성을 위해 목표 수평 방위각의 크기를 고정하고 설계를 진행하여 실제 어레이를 제작하는 문제에 있어 제약 사항으로 작용할 수 있다. 향후 탐지 목표의 크기 이외에 어레이의 제작 크기 역시 고려하여 좀 더 가변적인 평면 어레이의 설계 연구를 진행하고자 한다.
어레이의 형태는 평면 어레이 구조를 고려하였으며 반 파장 간격으로 음향 트랜스듀서를 배치하였다. 개별트랜스듀서는 무지향성 (omni-directional)으로 가정하였다.
이를 위해 선행 연구를 통해 얻은 결과를 바탕으로 1 km 이내의 단거리 탐지 환경을 만족시키는 13 kHz의 중심주파수를 갖는 LFM 송신신호를 이용하고[10∼11], 다양한 크기의 착저 물체를 탐지하기 위한 최적 빔 패턴을 찾기 위해 areal angle의 개념을 사용하였다.
그림 3(a)의 경우 탐지 목표물의 크기가 10 × 20m 인 경우 설계 수직 빔폭이다. 첨두값보다 3-dB 낮은 크기를 갖는 유효 빔폭인 HPBW (Half Power Beam Width)는 1.5〫로 설계하였다. 따라서 구현된 areal angle은0.
대상 데이터
본 논문에서는 1 km 이내의 근거리에서 다양한 크기의 목표물을 탐지하기 위한 평면 어레이 설계를 수행하였다. 먼저 거리 해상도를 만족시키기 위해 선행 연구를 통해 얻은 결과를 이용하여 13 kHz의 중심주파수를 갖는 LFM 신호를 사용하였다. 목표 공간 해상도를 결정하기 위한 탐지 목표물의 크기는 해저면에 착저 중인미확인 이동물체 (AUV)나 잠수정의 일반적인 크기를 고려하여 임의로 설정하였으며 이를 탐지할 수 있는 공간 분해능을 만족시키는 areal angle을 계산하여 어레이의 설계를 진행하였다.
성능/효과
설계된 어레이의 3차원 빔 패턴을 보면 어레이에서 직교하는 방향으로 매우 좁고 집약된 형태의 메인 빔 패턴을 확인할 수 있다. 메인 빔의 정규화된 지향 이득은 약 10dB이며 가장 근접한 부엽의 지향이득은 약 -50dB로 관측되어 부엽의 간섭을 최소화 한 것을 확인할 수 있다.
그림 3에서는 areal angle을 이용하여 구한 목표 수직 고도각의 빔 폭을 보였다. 탐지 목표물의크기가 작아짐에 따라 설계 빔 폭도 함께 작아지는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
본 연구에서는 설계 편의성을 위해 목표 수평 방위각의 크기를 고정하고 설계를 진행하여 실제 어레이를 제작하는 문제에 있어 제약 사항으로 작용할 수 있다. 향후 탐지 목표의 크기 이외에 어레이의 제작 크기 역시 고려하여 좀 더 가변적인 평면 어레이의 설계 연구를 진행하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
바다란?
바다는 자연이 선물한 천혜의 자원이다. 3면이 바다로 둘러싸이고 주변국과 바다를 통해 인접해 있는 국내의 경우 특히 천해 환경에서의 목표물의 탐지와 식별은 매우 중요한 문제이다.
어레이의 형태에서 개별트랜스듀서은 어떤 특성을 가정하는가?
어레이의 형태는 평면 어레이 구조를 고려하였으며 반 파장 간격으로 음향 트랜스듀서를 배치하였다. 개별트랜스듀서는 무지향성 (omni-directional)으로 가정하였다. 또한 조향각 (steering angle)은 0〫로 설정하고 설계를 진행하였다.
천해 환경에서의 목표물의 탐지와 식별의 문제점은?
3면이 바다로 둘러싸이고 주변국과 바다를 통해 인접해 있는 국내의 경우 특히 천해 환경에서의 목표물의 탐지와 식별은 매우 중요한 문제이다. 그러나 주변 소음의 영향이 크고 탐지 목표 물체의 산란과 간섭이 심한 천해 수중 환경의 특성으로 인해 천해 환경에서 목표물의 탐지와 식별은 해결이 어려운 실정이다[1∼2].
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