[논문]수중에서 고속 기동하는 표적의 방위 탐지를 위한 최적의 청음기 배치 연구

한민수; 최재용; 강동석; 손권; 이필호

doi:10.9766/kimst.2017.20.3.369

[국내논문] 수중에서 고속 기동하는 표적의 방위 탐지를 위한 최적의 청음기 배치 연구
A Study on Optimal Hydrophone Arrangement for The Direction Finding of High Speed Moving Target in Underwater 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.20 no.3, 2017년, pp.369 - 375

한민수 (국방과학연구소 제6기술연구본부) , 최재용 (국방과학연구소 제6기술연구본부) , 강동석 (국방과학연구소 제6기술연구본부) , 손권 (국방과학연구소 제6기술연구본부) , 이필호 (국방과학연구소 제6기술연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

One of good DF(Direction Finding) methods is based on TDOA(Time Difference of Arrival) estimation when finding underwater moving target. For small DF error, high time resolution A/D(Analog-to-digital) conversion board and long baseline are needed. But the result of sea trial about close-range and high speed moving target, spatial correlation coefficient and appeared poor properties below 0.3 when hydrophone arrangement are separated over 6 ${\lambda}$ because of underwater fading channel. And we also find out that the distance between hydrophone should be under 4 ${\lambda}$ apart to take advantage of spatial correlation coefficient gain and performance of DF in underwater moving channel environments.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 논문은 수중이라는 제한된 환경에서 청음기 배열로 근접 고속 기동하는 표적의 DF 오차를 최소화할 수 있는 최적의 청음기 간격을 계산하기 위하여 청음기로 수신되는 표적 방사소음 신호의 포락선을 계산하고 포락선에 공간 상관 계수를 적용시켜 채널 페이딩 영향을 관측하였다. 측정 결과 배열 간격이 상대적으로 넓은 6 λ에서 공간 상관 계수 값이 평균 0.

제안 방법

본 연구에서는 공간 상관 계수 기법을 사용하여 표적이 청음기 배열로부터 근접 고속 기동하는 상황에서 청음기 배열 간격에 따라 시변하는 수중 채널 특성을 측정하고 분석함으로써 표적의 DF를 위한 최적의 청음기 배치 간격을 제시하였으며, 그에 따른 DF 오차를 비교 분석하였다.
본 연구에서는 수신한 신호의 포락선을 이용하여 각 청음기에서 수신한 신호의 페이딩 특성을 추정한후 수중채널 환경에서 청음기 간의 간격에 의한 DF 추정 기법의 사용 가능성을 분석하였으며, 이를 위해 첫 번째 청음기에서 수신한 신호와 공간상으로 d m 이격된 청음기에서 수신한 신호에 대한 공간 상관 계수(spatial correlation coefficient)를 식 (6)과 같이 추정하였다 [8] .
표적의 방사소음 수신을 위하여 시험선 우현 측에 5개의 청음기를 수평으로 배열 하였고 간격은 최대 분석 주파수 대비 1~6 λ로 하였다. 수심은 수중음속 및 표적의 기동 수심에 따라 30~45 m에 설치하였으며, 측정 및 분석을 수행한 장비는 Fig.

대상 데이터

의 최대치는 분석 하고자 하는 수신 신호의 길이와 같다. 본 연구에서의 N값은 측정 장비의 시간측정분해능과 표적 속도를 고려하여 3200 샘플로 하였으며, 이는 매 25 ms 마다 순시 전력을 구한 것과 같다. 그리고 순시 전력의 제곱근은 포락선과 같으며, 포락선은 신호의 페이딩 특성을 나타낸다.
본 실험은 남형제도 근방에서 수행하였으며, 해역의 수심은 약 80 m의 천해이다. 시험환경은 풍속 7 노트, 파고 1 m 이하였고 수심에 따른 수중음속은 Fig.

데이터처리

공간 상관 계수와 DF의 상관성을 확인하기 위해 Fig. 6의 신호에 TDOA 기법을 적용한 후 청음기 배열 간격에 따른 표적에 대한 DF 값을 Fig. 9와 같이 계산하였다.

성능/효과

Fig. 8을 확인한 결과 공간 상관 계수 값은 청음기 거리가 6 λ에서 1 λ로 가까울수록 좋아지며, 표적이 청음기로 근접할수록 나빠지는 경향을 확인할 수 있다. 또한, 시간에 따라 공간 상관 계수 값이 달라지는 것을 확인할 수 있으며, 이는 고속 근접 기동하는 표적이 시변 채널을 가지는 것을 의미한다.
Fig. 9를 확인하면 청음기 배열 간격이 2 λ일 때 DF 성능이 가장 좋은 것으로 확인되었으며, 6 λ에서 다른 청음기 간격보다 DF 오차가 높은 것을 확인할 수 있다. 그리고 Fig.
위 결과를 종합하면 수중에서 청음기로부터 근접 고속 기동하는 표적의 방위를 추정할 때 일반적인 TDOA 이론과 달리 청음기 배열 간격이 너무 크면 수신신호가 수중환경 페이딩 영향을 받아 좋지 못한 DF 성능을 나타내었다. 그리고 청음기 배열 간격이 너무 근접하면, 수신 장비의 하드웨어적인 제약사항으로 인하여 DF 성능이 좋지 못하였다.
본 논문은 수중이라는 제한된 환경에서 청음기 배열로 근접 고속 기동하는 표적의 DF 오차를 최소화할 수 있는 최적의 청음기 간격을 계산하기 위하여 청음기로 수신되는 표적 방사소음 신호의 포락선을 계산하고 포락선에 공간 상관 계수를 적용시켜 채널 페이딩 영향을 관측하였다. 측정 결과 배열 간격이 상대적으로 넓은 6 λ에서 공간 상관 계수 값이 평균 0.3 이하로 가장 낮게 나타났으며, 청음기 간격이 1 λ일 때 공간 상관 계수 값이 평균 0.9 이상으로 높게 나타났다. 위 결과를 토대로 근접 고속 기동하는 표적의 DF를 실시한 결과, 시변동 채널을 극복하고 최적의 DF 성능을 가지기 위해서는 최대 4 λ 이하의 청음기 간격이 필요한 것으로 분석되었다.
9 이상으로 높게 나타났다. 위 결과를 토대로 근접 고속 기동하는 표적의 DF를 실시한 결과, 시변동 채널을 극복하고 최적의 DF 성능을 가지기 위해서는 최대 4 λ 이하의 청음기 간격이 필요한 것으로 분석되었다.

후속연구

또한 본 측정의 경우를 분석한 결과로는 청음기 간격이 1 λ가아닌 2 λ일 때 최적의 DF 성능을 나타내었으며, 이는 하드웨어적인 제약 때문이다. 그리고 본 연구를 바탕으로 근접 고속 이동하는 표적의 방위 추적뿐만 아니라 속도 및 거리 계산에 대한 연구가 진행되어야 할것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TDOA 방식은 어떤 방식인가?	대표적인 방위 추적(DF) 기술은 능동 방식과 수동 방식이 있는데 1990년대 이후에는 시간측정정확도가 향상되어 다중 센서에 도달한 신호의 도달시간차 (TDOA)를 이용하여 음원의 위치를 추정하는 수동 방식이 많이 연구되었다[3]. TDOA 방식은 음속이 균일한 2차원 평면에서, 2개의 센서에 도달한 신호의 시간차를 만족하는 쌍곡선의 교점에서 음원의 위치를 결정 짓는다[4].
	수중에서의 음파전달 채널 환경은 육상보다 정확한 위치추정을 계산하기 어려워 진행된 개발에는 무엇이 있는가?	따라서 수중에서 TDOA 기법을 적용하기 위하여 수중 채널 환경의 다이버시티[5]에 대한 연구가 진행 되고 있으며, 천해의 다중경로 수중 채널 환경에서 송신기와 수신기 거리를 바꿔가며 측정한 데이터를 바탕으로 채널 상관 계수를 분석한 연구도 진행되었다[6].하지만 위 연구들은 송신기와 수신기가 고정되어 있거나 송신기에서 특정 음파를 송신하여 수중 채널 정보를 추출한 것으로 청음기로부터 근접 고속 기동하는 표적의 수중방사소음에 대한 채널 연구 및 DF 오차 분석은 아직 미비하다.
	수중에서의 음파전달 채널 환경이 육상보다 정확한 위치추정을 계산하기 어려운 이유는 무엇인가?	이때, TDOA를 이용한 신호원의 위치 추정은 청음기로 수신되는 신호들의 정밀한 상관관계가 있어야 가능하며, 일반적으로 육상에서의 TDOA 기술은 청음기 배열의 기준선이 길고 시간측정분해능이 높아야 수신되는 표적 신호의 상관관계가 높아져 DF 오차가 낮아진다고 알려져 있다. 하지만 수중에서의 음파전달 채널 환경은 수심 및 수온이나 염분 등에 의하여 신호 전달속도가 다르고 산란 및 해면이나 해저 반사파 등에 의한 다중경로 페이딩 영향으로 청음기 배열로 수신되는 소음의 상관관계가 낮아져 육상보다 정확한 위치추정을 계산하기 어렵다.

참고문헌 (9)

C. H. Knapp and G. C. Carter, "The Generalized Correlation Method for Estimation of Time Delay," IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing Vol. 24, pp. 320-327, 1976.

상세보기
S. E. Lee, S. Y. Chun, S. B. Hwang, and H. U. Lee, "Implementation of The Omnidirectional Target Bearing Detector Utilizing Towed Linear Array", Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, Vol. 5, No. 1, pp. 59-64, 2002.
Y. T. Lim and T L. Song, "A Study of Maneuvering Target Motion Analysis for a Passive Sonar System with the IMM," Proceedings of UARC 2000, pp. 91-95, 2000.
J. Chen, J. Benesty, and Y. Huang, "Time Delay Estimation in Room Acoustic Environments : An Overview," EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, Vol. 2006, No. 1, pp. 1-19, 2006.
T. C. Yang, "Measurements of Temporal Coherence of Sound Transmissions Through Shallow Water," Journal of the Acoustic Society of America, Vol. 120, No. 5, pp. 2595-2614, 2006.

상세보기
B. Tomasi, G. Zappa, Kim McCoy, P. Casari, and M. Zorzi, "Experimental Study of Space-Time Properties of Acoustic Channels for Underwater Communications," in Proc. of OCEANS'2010, 2010.
A. Dresan and Y. Tanik, "Passive Radar Location by Time Difference of Arrival", IEEE Transaction on Antennas and Propagation, pp. 1251-1257, 2002.
M. S. Han, "Performance Analysis of the Spatial Correlation about High Speed Target For Underwater Channel Environments," Korea Institute of Military science and Technology Annual Conference Proceedings, pp. 636-637. 2016.
J. P Kermoal, L Schunmacher, and K. I Pedersen, "A Stochastic MIMO Radio Channel Model with Experimental Validation," IEEE Transaction on Communication, Vol. 20, No. 6, pp. 1211-1226, 2002.

저자의 다른 논문 :

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증