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단상태 소나를 이용한 소형 수중표적 물성추정
Estimation of the property of small underwater target using the mono-static sonar 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.36 no.5, 2017년, pp.293 - 299  

배호석 (국방과학연구소) ,  김완진 (국방과학연구소) ,  이다운 (한국해양대학교) ,  정우근 (한국해양대학교)

초록
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수중에서 기동하는 소형무인 플랫폼은 미래의 핵심적인 해군전력이지만, 이와 동시에 아군세력을 위협하는 비대칭 세력이기도 하다. 이러한 소형무인 플랫폼을 탐지, 식별하기 위한 하나의 방법으로 반복적 수치해석 기법에 기반한 물성추정 기법을 소개한다. 물성추정 기법은 표적의 위치정보뿐만 아니라 표적의 물리적인 물성치를 추정할 수 있기 때문에 정지한 표적을 탐지 및 식별할 수 있으며, 다수의 수중표적도 동시에 탐지 가능하며, 표적과 주변 자연물체와의 구분이 가능한 장점을 가진다. 본 연구에서는 기존에 제안한 기법을 보다 확장하여, 실제 호수시험 획득자료를 이용하여 실제 수중 소형표적을 대상으로 물성추정을 수행하였다. 그 결과 단 한 개의 채널신호만으로도 소형플랫폼에 대한 물성추정이 가능하였으며, 현장자료에도 강인한 결과를 획득할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Small unmanned platforms maneuvering underwater are the key naval future forces, utilized as the asymmetric power in war. As a method of detecting and identifying such platforms, we introduce a property estimation technique based on an iterative numerical analysis. The property estimation technique ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 먼저, 비용 및 운용성 측면을 고려하기 위하여 수신 채널수를 다수 개 이용할 때와 한 개만을 이용할 때의 물성추정 결과를 비교 분석한다. 그리고 실제 호수시험을 통해 고주파 대역에서 획득한 단채널 시계열 자료를 이용하여 물성추정 기법을 수행한 후, 실환경에서의 물성추정 기법 적용 가능성을 타진하고자 한다.
  • 본 연구는 기존에 제안한 기법을 보다 확장하여, 현장자료를 이용하여 실제 수중 소형플랫폼을 대상으로 물성추정 가능성을 보여주고자 한다. 먼저, 비용 및 운용성 측면을 고려하기 위하여 수신 채널수를 다수 개 이용할 때와 한 개만을 이용할 때의 물성추정 결과를 비교 분석한다.
  • [12] 정확한 파동장을 계산하기 위해서는 분산해석 및 안정조건을 고려하여야 하는데, 일반적으로 송신 주파수가 높아질수록 격자간격과 시간간격이 조밀해야 하므로 고주파수 대역에서 음파전달 모델링을 수행하는 것은 매우 어렵다. 본 연구에서는 고주파수 대역을 저주파수 대역으로 변조하여 기존의 수치 해석적인 한계를 넘어서고자 시도하였다.
  • 본 장에서는 운용비용의 감소가 가장 효과적인 수신채널수를 제한하여 물성추정을 수행하고자 한다. 채널수에 따른 물성추정 결과의 비교를 위하여 수신 채널수를 180개와 1개로 구분하였으며, 다른 변수는 모두 동일하게 가정하였다.

가설 설정

  • 1(a)와 (b)에 도시한 바와 같다. 즉, 5 m 길이의 2차원 사각형태 알루미늄 모형 표적을 실험환경 중심에 위치시켰으며, 송신기는 표적의 정면방향에 1개를 가정하고, 수신기는 송신기로부터 (a) 1° 간격의 180개를, (b) 송신기 위치에 1개만을 각각 가정하였다. 그리고 신호의 중첩을 위하여 송수신 센서를 1°씩 이동시켜가며 수신신호를 획득하였다.
  • 2. The concept of the lake experiment.
  • 제시한 기법은 물성값을 도출할 수 있으므로, 표적의 탐지 뿐 아니라 동시에 식별을 할 수 있는 장점이 있지만 아직 막대한 계산비용으로 인한 실시간 탐지가 불가능 하다는 한계점을 직면하고 있다. 따라서, 본 논문에서는 실제 수중환경 및 수중표적을 단순 음향매질로 가정하여 음향 파동방정식 기반 수치모델링 기법을 적용하여 P파 속도에 대한 물성값을 추정하였다. 이는 본 연구의 목적을 정확성보다는 탐지 가능성 검증에 주안점을 두었기 때문이며, 향후 병렬화, FPGA, GPU 등 고속연산 연구가 뒷받침된다면 P파 속도뿐만 아니라 S파 속도, 밀도, Lam’e상수 등에 대한 물성값도 동시에 추정할 수 있는 음향- 탄성 결합매질 기반 파동방정식을 적용할 수 있으리라 판단된다.
  • 물성추정 기법의 실해역 적용성을 확인하기 위하여, 본 연구에서는 물리적 비용 및 운용성 관점에서 가장 유리한 단상태 환경을 가정하였다. 즉, 획득된 반향신호 이벤트 중 단상태 환경인 Fig.
  • 제안 기법을 적용하기 위해 사용된 초기 속도모델은 실제 수중표적의 존재여부를 알 수 없기 때문에 음속과 유사한 1.5 km/s의 전파속도를 가정한 등속모델을 사용하였다.
  • 본 장에서는 운용비용의 감소가 가장 효과적인 수신채널수를 제한하여 물성추정을 수행하고자 한다. 채널수에 따른 물성추정 결과의 비교를 위하여 수신 채널수를 180개와 1개로 구분하였으며, 다른 변수는 모두 동일하게 가정하였다. 시뮬레이션을 위한 수중 표적으로 알루미늄 모형을 배치하였으며, 그 주변에 송수신 센서를 배치하여 반향신호를 획득하고자 하였다.
  • 1(c)와 (d)는 각 시험군에서의 초기 속도모델을 보여준다. 초기에는 수중표적의 존재 유무를 알 수 없기 때문에 해수의 음속과 동일한 1.5 km/s의 등 속도 모델을 가정하였다. Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
ROV, UUV는 어떤 분아에서 미래의 핵심적인 해군전력 중 하나로 각광받고 있는가? 수중에서 기동하는 ROV, UUV 등과 같은 소형무인 플랫폼은 수중감시‧ 정찰 분야에서 미래의 핵심적인 해군전력 중 하나로 각광받고 있으며, 은닉 침투, 매복이 가능할 정도의 소형화된 플랫폼은 특수 임무 전에서도 우월한 지위를 가지는 전략무기가 될 수 있기 때문에 해군으로부터 지대한 관심을 받고 있다. 역설적으로 이러한 소형무인 플랫폼은 적군에서 운용할 경우, 아군 전력의 노출 및 정보 수집을 가능케 하는 등 해군의 안전을 위협하는 세력이기도 하다.
수중에서 기동하는 소형무인 플랫폼에는 무엇이 있는가? 수중에서 기동하는 ROV, UUV 등과 같은 소형무인 플랫폼은 수중감시‧ 정찰 분야에서 미래의 핵심적인 해군전력 중 하나로 각광받고 있으며, 은닉 침투, 매복이 가능할 정도의 소형화된 플랫폼은 특수 임무 전에서도 우월한 지위를 가지는 전략무기가 될 수 있기 때문에 해군으로부터 지대한 관심을 받고 있다. 역설적으로 이러한 소형무인 플랫폼은 적군에서 운용할 경우, 아군 전력의 노출 및 정보 수집을 가능케 하는 등 해군의 안전을 위협하는 세력이기도 하다.
연구기관에서는 수중에 위치하는 소형 수중표적을 정밀하게 탐지하고 식별하기 위한 수중탐지 기술을 지속적으로 연구하고, 검증하기 위한 시험을 다각도로 수행하고 있는 이유는? 수중에서 기동하는 ROV, UUV 등과 같은 소형무인 플랫폼은 수중감시‧ 정찰 분야에서 미래의 핵심적인 해군전력 중 하나로 각광받고 있으며, 은닉 침투, 매복이 가능할 정도의 소형화된 플랫폼은 특수 임무 전에서도 우월한 지위를 가지는 전략무기가 될 수 있기 때문에 해군으로부터 지대한 관심을 받고 있다. 역설적으로 이러한 소형무인 플랫폼은 적군에서 운용할 경우, 아군 전력의 노출 및 정보 수집을 가능케 하는 등 해군의 안전을 위협하는 세력이기도 하다. 따라서 해군 및 관련 연구기관에서는 수중에 위치하는 소형 수중표적을 정밀하게 탐지하고 식별하기 위한 수중탐지 기술을 지속적으로 연구하고, 검증하기 위한 시험을 다각도로 수행하고 있다.
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참고문헌 (13)

  1. R. Headrick and L. Freitag, "Growth of underwater communication technology in the U.S. Navy", IEEE Communications Magazine. 47, 80-82 (2009). 

  2. R. W. Button, J. Kamp, T. B. Curtin, and J. Dryden, A Survey of Missions for Unmanned Undersea Vehicles (RAND Corp., Santa Monica, 2009), pp. 9-20. 

  3. J. L. Choi, "R&D trend of unmanned vehicle for anti-submarine warfare," Agency for Defense Development, Tech. Rep., 2013. 

  4. A. D. Waite, Sonar for Practising Engineering 3rd Ed. (John Wiley & Sons Ltd., England, 2002), pp. 119-219. 

  5. C. M. Payne, Principles of Naval Weapon Systems (Hantee Media, Seoul, 2015), pp. 289-387. 

  6. R. O. Nielson, Sonar Signal Processing (Artech House Inc., Boston.London, 1991), pp. 95-257. 

  7. H. S. Bae, W. Kim, W. S. Kim, and S. M. Choi, "A study on the underwater target detection using the waveform inversion technique," (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 34, 487-492 (2015). 

  8. A. Tarantola, "Inversion of seismic reflection data in the acoustic approximation," Geophys. 49, 1259-1266 (1984). 

  9. H. S. Bae, S. Pyun, C. Shin, and K. J. Marfort, "Laplace-Fourier domain waveform inversion versus refraction-traveltime tomopgraphy," Geophys. J. Int. 169, 2165-2179 (2012). 

  10. J. Shin and C. Shin, "Laplace-domain waveform inversion for the 3D acoustic-elastic coupled media," J. Appl. Geophys. 129, 41-52 (2016). 

  11. C. H. Jo, C. Shin, and J. H. Suh, "An optimal 9-point, finite-difference, frequency-space, 2-D scalar wave extrapolator," Geophys. 61, 529-537 (1996). 

  12. R. W. Graves, "Simulating seismic wave propagation in 3D elastic media using staggered- grid finite differences," Bull. Seismol. Soc. Am. 86, 1091-1106 (1996). 

  13. H. S. Bae, S. Pyun, W. Chung, S. G. Kang, and C. Shin, "Gauss-Newton-CG technique for acoustic-elastic coupled media," 2011 SEG Annual Meeting, 2659-2663 (2011). 

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