[논문]원통형 배열 소나를 위한 두 개의 분리 빔의 상호상관을 이용한 광대역탐지 기법

곽철현

doi:10.7776/ask.2017.36.5.300

원통형 배열 소나를 위한 두 개의 분리 빔의 상호상관을 이용한 광대역탐지 기법
A broadband detection algorithm using cross-correlation of two split beams for cylindrical array sonar 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.36 no.5, 2017년, pp.300 - 304

곽철현 (국방과학연구소 소나체계개발단)

초록
AI-Helper

원통형 소나 시스템에서 기존의 광대역탐지 기법으로는 인접한 표적을 분리 탐지하는데 한계가 있다. 본 논문에서는 방위분해능을 향상을 위해 상호상관을 이용한 광대역탐지 기법을 원통형 소나 시스템에 적용한다. 제안된 기법은 상호상관을 이용한 광대역탐지 처리 이전에 분리 빔형성을 이용하여 동일 지향방위의 좌.우 반 빔을 생성한다. 생성된 좌 우 반 빔간의 상관관계 결과를 방위 값으로 변환하여 표적의 방위를 추정한다. 시뮬레이션을 통하여 제안된 기법이 기존의 광대역탐지 기법보다 성능이 우수함을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In a cylindrical sonar, a conventional broadband energy detector has limitations in the separation of adjacent targets. In this paper, a broadband detection algorithm using cross-correlation is applied to the cylindrical sonar to improve the bearing resolution. The proposed algorithm uses split beamforming before broadband detection processing using cross-correlation to generate half beams. The time delay obtained from the peak of correlation between half beams is used to estimate the bearing of target. Simulations demonstrate the improved performance of the proposed algorithm against the conventional algorithm.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 원통형 배열 구조를 갖는 소나 시스템에 분리 빔형성 기반의 상호상관을 이용한 광대역탐지 기법을 제안하였다. 제안한 기법의 성능을 확인하기 위하여 모의 신호를 생성하여 시뮬레이션을 수행하였다.
^[9] 원통형 배열 구조를 갖는 소나 시스템에는 부배열 구조를 가정하기 어려워 상호상관을 이용한 광대역탐지 관련 연구가 잘 알려져 있지 않다. 본 논문에서는 원통형 소나에 적용 가능한 상호상관을 이용한 광대역탐지 기법을 제안한다. 본 논문에서 제안한 기법의 성능 확인을 위해 시뮬레이션 결과를 분석하여 기존 기법보다 성능이 우수함을 확인하였다.

가설 설정

센서로 수신되는 표적 신호는 완전한 상관관계를 갖고 잡음신호는 상관관계가 없다는 가정 하에 상관계수 기법을 적용한 광대역 처리과정도 연구되었다. 상관관계를 이용할 경우 잡음의 간섭을 제거하고 표적의 방위 분해능 성능 향상을 기대할 수 있다.

제안 방법

표적의 방위분해능 확인을 위한 시뮬레이션에 사용된 모의신호는 두 가지 시나리오로 구성하였다. 공통적으로 두 개의 표적을 일정 방위를 이격 시켜가며 표적의 분리 탐지가 되지 않을 때 까지 시나리오를 설정하였다. 시나리오 간 특징으로 첫 번째 시나리오는 두 표적의 신호 크기를 동일하게 설정하였으며, 두 번째 시나리오는 두 표적의 신호 크기가 3 dB 차이나도록 설정하였다.
방위별로 산출된 상호상관 값 중 최대값을 선택하며, 해당 방위 내 상호상관 값이 존재하지 않을 경우 인접한 두 값의 선형 보간을 이용하여 값을 산출한다. 산출된 전 방위에 대한 결과에서 첨두값을 추출하고 시간적분을 수행하여 운용자에게 최적화된 전시화면을 제공한다.
공통적으로 두 개의 표적을 일정 방위를 이격 시켜가며 표적의 분리 탐지가 되지 않을 때 까지 시나리오를 설정하였다. 시나리오 간 특징으로 첫 번째 시나리오는 두 표적의 신호 크기를 동일하게 설정하였으며, 두 번째 시나리오는 두 표적의 신호 크기가 3 dB 차이나도록 설정하였다. 시뮬레이션 시 빔형성에 이용된 원통형 배열 센서의 수는 빔 지향방위 ± 60º에 해당되는 총 32개를 사용하였다.
제안하는 광대역탐지 기법은 공간 및 시간에 대한 상관도를 고려하여 표적 방위를 추정하는 방법으로, 각 지향방위 별로 좌‧ 우 반 빔을 생성하는 분리 빔형 성과 좌‧ 우 반 빔 출력의 상관도를 산출하여 표적방위를 추정하는 부분으로 구성된다. 제안하는 기법의 블록 다이어그램은 Fig.
본 논문에서는 원통형 배열 구조를 갖는 소나 시스템에 분리 빔형성 기반의 상호상관을 이용한 광대역탐지 기법을 제안하였다. 제안한 기법의 성능을 확인하기 위하여 모의 신호를 생성하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시나리오에 따른 모든 결과에서 제안한 기법의 성능이 우수함을 알 수 있다.
표적의 방위각 추정을 위해 분리 빔형성을 통해 획득한 좌‧ 우 반 빔 출력 간의 상관관계를 이용한다. 각 지향방위별로 좌‧ 우 반 빔 출력 b_Left(t), b_Right(t)의 상관관계를 통해 상관 출력 R_k(t)를 얻을 수 있으며, 이를 이용하여 전방위에 대해 θ_b표적의 방위각을 구할 수 있다.

대상 데이터

시뮬레이션 시 빔형성에 이용된 원통형 배열 센서의 수는 빔 지향방위 ± 60º에 해당되는 총 32개를 사용하였다.

데이터처리

제안한 광대역탐지 기법의 성능을 확인하기 위해 MATLAB을 이용한 시뮬레이션을 수행하였다. 표적의 방위분해능 확인을 위한 시뮬레이션에 사용된 모의신호는 두 가지 시나리오로 구성하였다.

이론/모형

본 논문에서 제안한 기법의 결과와 성능을 비교하기 위해 일반적인 에너지 탐지(Conventional Energy Detection, CED) 기법을 기존 기법으로 선정하였다. CED 기법은 표적의 방위 추정을 위해 N개의 빔출력을 FFT와 제곱검파를 수행한 뒤, 각 빔 별 전체 주파수 대역의 에너지를 합산하여 전시화면에 맞추어 방위 보간을 수행한다.
이를 위해 동일 지향방위에 대해 좌·우 반 빔 출력을 획득할 수 있는 분리 빔형성 기법을 이용하였다.

성능/효과

1°일 때 광대역탐지 처리한 결과이다. 기존 기법과 제안된 기법 모두에서 표적의 분리 탐지가 되었음을 알 수 있다. 그러나 Fig.
기존 기법은 첫 번째 시나리오와 같이 표적 간 방위차가 5.1° 이상부터 표적을 분리 탐지할 수 있었으나, 제안한 기법은 2.9°일 때까지 분리 탐지됨을 확인하였다.
기존 기법의 경우에 표적 간 방위 차가 5.1° 이상부터 표적을 분리 탐지할 수 있으며, 제안한 기법의 경우에는 4.4°일 때까지 분리 탐지됨을 확인하였다.
따라서 제안된 기법이 기존 기법에 비해 동일한 신호 크기를 갖는 두 표적의 경우에는 약 0.7°, 신호 크기가 다른 두 표적에 대해서는 약 2.2°만큼 표적을 분리 탐지 할 수 있는 것을 알 수 있다.
본 논문에서는 원통형 소나에 적용 가능한 상호상관을 이용한 광대역탐지 기법을 제안한다. 본 논문에서 제안한 기법의 성능 확인을 위해 시뮬레이션 결과를 분석하여 기존 기법보다 성능이 우수함을 확인하였다.
제안한 기법의 성능을 확인하기 위하여 모의 신호를 생성하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시나리오에 따른 모든 결과에서 제안한 기법의 성능이 우수함을 알 수 있다. 실제 시스템의 시험 조건에 맞는 동일한 신호 크기를 갖는 시나리오를 기준으로 제안한 기법이 기존 기법 대비 약 13 %의 방위 분해능 성능이 향상되는 것을 확인하였다.
시나리오에 따른 모든 결과에서 제안한 기법의 성능이 우수함을 알 수 있다. 실제 시스템의 시험 조건에 맞는 동일한 신호 크기를 갖는 시나리오를 기준으로 제안한 기법이 기존 기법 대비 약 13 %의 방위 분해능 성능이 향상되는 것을 확인하였다. 향후에는 추가적인 실험을 통해 다양한 배열 구조를 갖는 소나 시스템에서의 적용 가능 여부도 연구 할 수 있을 것으로 기대된다.
2°만큼 표적을 분리 탐지 할 수 있는 것을 알 수 있다. 이를 통해 제안한 기법이 표적의 분리 탐지를 효과적으로 수행하여 원통형 배열 소나의 방위 분해능을 향상시켰음을 확인할 수 있다.

후속연구

실제 시스템의 시험 조건에 맞는 동일한 신호 크기를 갖는 시나리오를 기준으로 제안한 기법이 기존 기법 대비 약 13 %의 방위 분해능 성능이 향상되는 것을 확인하였다. 향후에는 추가적인 실험을 통해 다양한 배열 구조를 갖는 소나 시스템에서의 적용 가능 여부도 연구 할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수동 소나 시스템의 목적은 무엇인가?	수동 소나 시스템은 수중 위협세력으로부터 생성된 방사 소음을 신호처리를 통해 탐지하여 표적의 방위 및 특징 정보를 운용자에게 제공한다. [1] 수동소나의 기본적인 탐지 기능은 신호처리 방법과 방사 소음의 특성에 따라 광대역 신호를 이용하는 방위탐지와 협대역 신호를 이용하는 주파수 탐지로 구분된다.
	수동소나의 기본적인 탐지 기능은 어떻게 구분되는가?	수동 소나 시스템은 수중 위협세력으로부터 생성된 방사 소음을 신호처리를 통해 탐지하여 표적의 방위 및 특징 정보를 운용자에게 제공한다. [1] 수동소나의 기본적인 탐지 기능은 신호처리 방법과 방사 소음의 특성에 따라 광대역 신호를 이용하는 방위탐지와 협대역 신호를 이용하는 주파수 탐지로 구분된다. 수동 소나 시스템에서 광대역탐지를 이용한 방위 탐지는 표적의 특정 주파수 정보가 없을 경우에도 광대역 신호를 이용하여 표적 기동 유무 및 위치를 추정할 수 있기 때문에 가장 기본적인 기능이다.
	제안된 기법인 광대역탐지 기법은 기존 기법 대비 향상된 점은 무엇인가?	시나리오에 따른 모든 결과에서 제안한 기법의 성능이 우수함을 알 수 있다. 실제 시스템의 시험 조건에 맞는 동일한 신호 크기를 갖는 시나리오를 기준으로 제안한 기법이 기존 기법 대비 약 13 %의 방위 분해능 성능이 향상되는 것을 확인하였다. 향후에는 추가적인 실험을 통해 다양한 배열 구조를 갖는 소나 시스템에서의 적용 가능 여부도 연구 할 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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원문보기 상세보기
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Y. W. Ryu, E. C. Jeong, and S. Y. Chun, "Analysis on noise correlation of triplet line array sensors in the east sea" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 34, 479-486 (2015).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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