[논문]해저면 반사신호의 선 배열 소나 방위 오차 해석

오래근; 구본성; 김선효; 송택렬; 최지웅; 손수욱; 김원기; 배호석

doi:10.7776/ask.2018.37.6.412

해저면 반사신호의 선 배열 소나 방위 오차 해석
Estimation of bearing error of line array sonar system caused by bottom bounced path 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.37 no.6, 2018년, pp.412 - 421

오래근 (한양대학교 해양융합공학과 해양음향공학연구실) , 구본성 (한양대학교 해양융합공학과 해양음향공학연구실) , 김선효 (한양대학교 해양융합공학과 해양음향공학연구실) , 송택렬 (한양대학교 해양융합공학과 해양음향공학연구실) , 최지웅 (한양대학교 해양융합공학과 해양음향공학연구실) , 손수욱 (국방과학연구소) , 김원기 (국방과학연구소) , 배호석 (국방과학연구소)

초록
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선 배열 소나는 배열 이득으로 인해 단일 소나에 비해 상대적으로 음압이 낮은 표적 신호일 경우에도 방위 추정이 가능한 장점이 있다. 하지만 선 배열 소나에서는 표적의 방향을 나타내는 표적 방위각과 음파의 다중경로에서 발생되는 수직각의 영향으로 방위 오차가 발생하며 이로 인해 수신 신호로부터 표적 방위를 추정하는데 어려움이 존재한다. 수중의 음파 전달 환경에 의해 발생하는 다중경로는 각 경로별로 상이한 수직각을 가지므로 이러한 특성이 선배열 소나의 방위 추정에 미치는 영향에 대해 고려할 필요가 있다. 본 논문에서는 선 배열 소나에서 다중경로의 영향으로 인해 발생하게 되는 방위 오차를 확인하며 해저면 반사 경로에서 수직각에 의한 오차를 모의하여 환경에 따른 방위 오차의 차이를 분석한다. 또한 추정된 방위각에서 거리에 따라 방위 오차를 고려한 예상 표적 방위선을 도출한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The Line array sonar consisting of several hydrophones increases array gain and improves the performance for detecting the direction of the target compared to single hydrophone. However, line array sonar produces the bearing error that makes it difficult to determine the bearing of incoming source signal due to the relation between bearing angle of target and vertical angle of multipath signals. Vertical angles of multipath are varied with the geometry of receiver and target and various underwater environments, therefore it is necessary to consider the bearing error to estimate accurately the bearing of the target. In this study, acoustic modelling was performed to understand the effect of multipath signals on the target signal. The errors of bearing angle estimated from the bottom bounced signals are calculated with several environment. In addition, the expected bearing line, as a function of source-receiver range, compensated for the bearing error is predicted from the estimated bearing angle.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Schematic representation of target bearing (ϕ), vertical angle (μ) and estimated bearing (θ).
그림 Fig. 2. Relationship between estimated bearing and target bearing as a function of vertical incident angle.
그림 Fig. 3. Eigenray tracing outputs during winter for source-receiver ranges of 5 km (top), 15 km (middle) and 30 km (bottom) in the East Sea.
표 Table 1. Bearing errors resulting from incoming signals with different vertical angles.
그림 Fig. 4. Ray tracing outputs of bottom bounced path with sound speed profile, (a) constant SSP (1500 m/s), (b) Munk SSP (minimum sound speed at 400 m).
그림 Fig. 5. Comparisons between the (a) simulation results of bearing error for the isovelocity condition and (b) simulation results of bearing error for the Munk profile.
그림 Fig. 6. Simulation results of bearing errors as a function of depth for the isovelocity condition. The total water depths of experimental site are (a) 500 m, (b) 1500 m, (c) 2500 m, respectively.
그림 Fig. 7. Sound speed profile and bathymetry of the simulation.
그림 Fig. 8. (a) Example of application of a straight line for the direct path of target signal, (b) example of application of a straight line for the bottom bounced path of target signal.
그림 Fig. 9. (a) Estimated bearing line along distance from constant target bearing, (b) expected target bearing line along the distance from the constant estimated bearing.
그림 Fig. 10. Example of application of expected target bearing line along the distance from the constant estimated bearing for bottom bounced paths of the target signal.

AI 본문요약
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문제 정의

천해 환경은 수평 성분에 비해 수직 성분이 매우 작기 때문에 수직 성분에 따른 방위 오차는 무시할 수 있을 만큼 작다. 따라서 본 연구에서는 수직 성분에 따른 방위 오차가 비교적 크게 존재하는 심해 환경에 대하여 고려한다. Fig.
그러나 (b)와 같이 선 배열 소나에서 해저면 반사 경로의 신호가 수신되었을 경우에는 추정 방위에 수직각에 의한 방위 오차가 포함되어 추정 방위의 방위선 위에 표적이 존재하지 않는 것을 알 수 있다. 수직각이 포함된 해저면 반사 경로의 추정 방위에서 방위 오차가 고려된 방위선을 구하기 위하여 추가적인 모의를 수행하였다.

가설 설정

선 배열 소나에서 최종적으로 얻어지는 표적 정보는 방위정보이며, 이 정보는 선 배열 소나와 표적의 상대적인 위치에서 추정된 방위를 선으로 표시하여 확인 가능하다. 방위선을 모의하기 위하여 북동쪽에서 북쪽으로 변침하는 선 배열 소나와 선 배열 소나로부터 북서쪽 약 5 km지점에서 남쪽으로 기동하는 표적을 가정하고 해양 환경을 적용하여 모의를 수행 하였다. 모의에 사용된 해양 환경의 음속 구조는 GDEM^[6]을 통하여 겨울철 동해의 음속구조를 사용하였고 해저 지형 자료는 ETOPO^[7]를 이용하였다 (Fig.
선 배열 소나의 수심은 250 m로 가정하였으며 음선 추적을 위해 수직각에 해당하는 빔은 해수면과 평행한 0°부터 해저면 방향으로 80°의 범위에서 3° 간격으로 고려하였고 거리는 0 km ~ 25 km의범위로 음선 추적을 수행하였다.
여기에서 표적 방위 각은 선 배열 소나의 배열 방향과의 차이를 나타내는 상대 방위각으로 표현되어야 하지만 본 논문에서는 이해의 편이를 위해 선 배열 소나의 배열 방향은 항상 정북(0°)을 향하고 있다고 가정하여 단순히 표적 방위각으로 표현한다.

제안 방법

^[2] 즉, 3 차원적으로 수직 및수평 성분을 가지며 원뿔 형태의 방위 모호성이 존재하는 추정 각도를 수평 성분에 대한 좌우 모호성으로만 가정하게 되면 추정 방위(estimated bearing)와실제 표적 방위(target bearing) 사이에 오차가 발생하게 된다.^[3] 따라서 본 장에서는 선 배열 소나에 수신되는 신호의 각도를 수직 및 수평 성분으로 구분하고 이에 따른 추정 방위각을 도출함으로써 실제 표적 방위각과의 오차를 분석한다.
심해의 해양환경에서 선 배열 소나에 수신되는 다중경로 신호 중 해저면 반사 경로는 상대적으로 큰 수직각을 가지게 되며 추정 방위각의 오차가 발생할 가능성이 높다. 따라서 본 논문에서는 음선 추적을 수행하여 해저면 반사 경로의 수직각을 도출하고 Eq. (1)을 통해 표적 방위각에 따른 추정 방위각을 모의한다.
^[3] 국내외에서 선 배열 소나의 방위 오차를 언급한 연구는 많으나 이를 해양 환경과 연계하여 구체적으로 해석한 연구 결과는 드물다. 따라서 본 논문에서는 음선 추적을 이용하여 해저면 반사 경로의 수직각을 구한 후 표적 방위 및 해양 환경에 따른 방위 오차를 확인하였으며 나아가 해저면 반사 신호를 이용하여 추정한 방위에서 거리에 따른 예상 표적 방위를 산출한다.
본 논문에서는 모의된 환경의 선 배열 소나에서 다중경로의 영향으로 인해 발생하게 되는 방위 모호성을 정량적으로 산출하였으며 해저면 반사 경로에서 수직각에 의한 오차를 고려하여 환경에 따른 방위 오차를 분석하였다. 마지막으로 추정된 방위각에서 방위 오차를 고려하여 거리에 따른 예상 표적 방위선을 도출하였다. 모의 결과 상향 굴절이 우세한 음속 구조에서는 방위 오차가 더 크게 나타났으며 해저 지형이 깊어질수록 방위 오차가 크게 나타났다.
본 논문에서는 모의된 환경의 선 배열 소나에서 다중경로의 영향으로 인해 발생하게 되는 방위 모호성을 정량적으로 산출하였으며 해저면 반사 경로에서 수직각에 의한 오차를 고려하여 환경에 따른 방위 오차를 분석하였다. 마지막으로 추정된 방위각에서 방위 오차를 고려하여 거리에 따른 예상 표적 방위선을 도출하였다.
또한 Munk 음속 구조에서는 음파의 상향 굴절 효과로 인하여 같은 거리에서 등속 음속 구조일 때보다 큰 수직각으로 수신되며 이로 인해 Munk 음속 구조의 방위 오차가 등속 음속 구조일 경우보다 큰 것을 알 수 있다. 아래 그림은 각 음속 구조에서 표적 수심에 따른 방위 오차를 확인한 결과로 잠수함의 활동 가능 수심을 고려하여 3개 수심(15 m, 150 m, 250 m)의 방위 오차를 비교하였다. 두 음속구조에서 표적 수심에 따른 방위 오차의 차이는 모두 2° 이내로 계산되었으며 선 배열 소나의 측정 방위 오차를 감안하면 표적 수심에 따른 방위 오차 차이는 크지 않은 것으로 모의되었다.
(1)을 통해 표적 방위각에 따른 추정 방위각을 모의한다. 이때 표적 방위에 따른 방위 오차만을 고려하기 위하여 표적 방위에 대해 음속 구조와 해저 지형이 동일한 등방성 해양 환경을 모의하며 최종적으로 모의된 추정 방위각과 표적 방위각과의 각도 차이를 계산하여 방위 오차를 계산하였다.

대상 데이터

방위선을 모의하기 위하여 북동쪽에서 북쪽으로 변침하는 선 배열 소나와 선 배열 소나로부터 북서쪽 약 5 km지점에서 남쪽으로 기동하는 표적을 가정하고 해양 환경을 적용하여 모의를 수행 하였다. 모의에 사용된 해양 환경의 음속 구조는 GDEM^[6]을 통하여 겨울철 동해의 음속구조를 사용하였고 해저 지형 자료는 ETOPO^[7]를 이용하였다 (Fig. 7).

성능/효과

III장의 결과와 같이 추정 방위각의 방위 선들은 선 배열 소나의 종단에 해당하는 방위각 180°, 360°에서 표적 방위와의 차이가 크게 존재하고 횡단에 해당하는 방위각 90°, 270°에서는 추정 방위 선과 표적 방위가 일치하여 방위 오차가 없는 것을 확인할 수 있다.
두 음속구조에서 표적 수심에 따른 방위 오차의 차이는 모두 2° 이내로 계산되었으며 선 배열 소나의 측정 방위 오차를 감안하면 표적 수심에 따른 방위 오차 차이는 크지 않은 것으로 모의되었다.
Munk 음속 구조로 모의된 (b)에서 20 km 이후의 거리에서는 해저면에 한번 반사된 경로가 존재하지 않는 음영구역에 해당하여 방위 오차가 계산되지 않는다. 또한 Munk 음속 구조에서는 음파의 상향 굴절 효과로 인하여 같은 거리에서 등속 음속 구조일 때보다 큰 수직각으로 수신되며 이로 인해 Munk 음속 구조의 방위 오차가 등속 음속 구조일 경우보다 큰 것을 알 수 있다. 아래 그림은 각 음속 구조에서 표적 수심에 따른 방위 오차를 확인한 결과로 잠수함의 활동 가능 수심을 고려하여 3개 수심(15 m, 150 m, 250 m)의 방위 오차를 비교하였다.
모의 결과 상향 굴절이 우세한 음속 구조에서는 방위 오차가 더 크게 나타났으며 해저 지형이 깊어질수록 방위 오차가 크게 나타났다. 또한 방위 오차를 고려하기 위하여 추정 방위각 에서 거리에 따른 예상 표적 방위각을 도출하였으며 도출된 방위선 위에 표적이 위치함을 보였다. 본 논문에서 모의에 사용된 해저 지형과 음속구조는 단순한 환경이므로 복잡한 해양 환경에 적용하기 위해서는 추가적인 검증이 필요할 것으로 생각된다.
9에서 확인한 것과 같이 추정 방위각보다 큰 수직각을 갖는 근거리에서는 표적이 존재할 수 없는 이유로 예상 표적 방위선의 시작 위치와 선 배열 소나의 위치는 일치하지 않는다. 또한 추정 방위가 종단에 가까울수록 표적이 존재 가능한 수직각이 작기 때문에 방위선의 시작점과선 배열 소나의 거리가 멀게 도출되는 현상이 반영 되어 모의 결과에서 변침 후 선 배열 소나는 시간이지남에 따라 남쪽(▣)에서 북쪽(★)으로 기동하지만 방위선은 북쪽에서 남쪽의 순서로 그려지고 있는 것을 확인 가능하다. 결과적으로 표적이 예상 표적 방위선 위에 존재하는 것을 확인 할 수 있으며 해저면 반사 경로의 추정 방위각을 통해 도출된 예상 표적방위선을 응용하여 표적 기동 분석 수행이 가능하다면 보다 정확한 분석이 가능할 것으로 기대된다.
또한 표적 방위 30° 추정 방위선에서 거리가 멀어질수록 방위오차가 작아지는 현상을 확인 가능하다.
마지막으로 추정된 방위각에서 방위 오차를 고려하여 거리에 따른 예상 표적 방위선을 도출하였다. 모의 결과 상향 굴절이 우세한 음속 구조에서는 방위 오차가 더 크게 나타났으며 해저 지형이 깊어질수록 방위 오차가 크게 나타났다. 또한 방위 오차를 고려하기 위하여 추정 방위각 에서 거리에 따른 예상 표적 방위각을 도출하였으며 도출된 방위선 위에 표적이 위치함을 보였다.
세 그림에서 모두 방위각이 종단에 가까울수록 방위 오차가 커지는 것을 확인 가능하고 총 수심이 깊어질수록 방위 오차의 값이 커지며 1° 이상의 방위오차를 가지는 면적도 넓어지는 것을 확인 가능하다.
추정 방위각 30°의 예상 표적 방위선은 약 7 km까지는 계산되지 않다가 이후의 거리에서 특정 방위각으로 계산되는 것을 확인 가능하며 이는 약 7 km 이하의 거리에서는 수직각이 30°를 넘어가기 때문에 30°의 추정 방위는 존재할 수 없음을 반영한 결과이다. 즉 해저면 반사 신호에서 추정 방위각을 통해 구해지는 예상 표적 방위선은 추정 방위각의 각도에 따라 선 배열 소나의 위치와 예상 표적 방위선의 시작 지점이 일치하지 않을 수 있음을 알 수 있다. 단 선 배열 소나의 방향에서 표적이 정확히 횡단에 위치하는 90°, 270°일 때는 방위 오차가 존재하지 않기 때문에 선 배열 소나의 위치와 예상 표적 방위선의 시작점이 일치한다.
추정 방위각 30°의 예상 표적 방위선은 약 7 km까지는 계산되지 않다가 이후의 거리에서 특정 방위각으로 계산되는 것을 확인 가능하며 이는 약 7 km 이하의 거리에서는 수직각이 30°를 넘어가기 때문에 30°의 추정 방위는 존재할 수 없음을 반영한 결과이다.

후속연구

본 논문에서 모의에 사용된 해저 지형과 음속구조는 단순한 환경이므로 복잡한 해양 환경에 적용하기 위해서는 추가적인 검증이 필요할 것으로 생각된다. 결과 적으로 해저면 반사 경로의 추정 방위각으로부터 도출된 예상 표적 방위선은 표적의 거리, 침로, 속력 등추가적인 정보를 분석하기 위한 표적기동분석에 활용 가능할 것으로 기대되며 해저면 반사 경로를 이용하여 표적기동분석이 가능하게 된다면 기존 직접 경로를 이용한 표적기동분석과 비교하여 장거리 탐지가 가능할 것으로 기대된다.
또한 추정 방위가 종단에 가까울수록 표적이 존재 가능한 수직각이 작기 때문에 방위선의 시작점과선 배열 소나의 거리가 멀게 도출되는 현상이 반영 되어 모의 결과에서 변침 후 선 배열 소나는 시간이지남에 따라 남쪽(▣)에서 북쪽(★)으로 기동하지만 방위선은 북쪽에서 남쪽의 순서로 그려지고 있는 것을 확인 가능하다. 결과적으로 표적이 예상 표적 방위선 위에 존재하는 것을 확인 할 수 있으며 해저면 반사 경로의 추정 방위각을 통해 도출된 예상 표적방위선을 응용하여 표적 기동 분석 수행이 가능하다면 보다 정확한 분석이 가능할 것으로 기대된다.
또한 방위 오차를 고려하기 위하여 추정 방위각 에서 거리에 따른 예상 표적 방위각을 도출하였으며 도출된 방위선 위에 표적이 위치함을 보였다. 본 논문에서 모의에 사용된 해저 지형과 음속구조는 단순한 환경이므로 복잡한 해양 환경에 적용하기 위해서는 추가적인 검증이 필요할 것으로 생각된다. 결과 적으로 해저면 반사 경로의 추정 방위각으로부터 도출된 예상 표적 방위선은 표적의 거리, 침로, 속력 등추가적인 정보를 분석하기 위한 표적기동분석에 활용 가능할 것으로 기대되며 해저면 반사 경로를 이용하여 표적기동분석이 가능하게 된다면 기존 직접 경로를 이용한 표적기동분석과 비교하여 장거리 탐지가 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선 배열 소나의 장점은 무엇인가?	선 배열 소나는 배열 이득으로 인해 단일 소나에 비해 상대적으로 음압이 낮은 표적 신호일 경우에도 방위 추정이 가능한 장점이 있다. 하지만 선 배열 소나에서는 표적의 방향을 나타내는 표적 방위각과 음파의 다중경로에서 발생되는 수직각의 영향으로 방위 오차가 발생하며 이로 인해 수신 신호로부터 표적 방위를 추정하는데 어려움이 존재한다.
	선 배열 소나에서 방위 오차가 발생하는 원인은 무엇인가?	선 배열 소나는 배열 이득으로 인해 단일 소나에 비해 상대적으로 음압이 낮은 표적 신호일 경우에도 방위 추정이 가능한 장점이 있다. 하지만 선 배열 소나에서는 표적의 방향을 나타내는 표적 방위각과 음파의 다중경로에서 발생되는 수직각의 영향으로 방위 오차가 발생하며 이로 인해 수신 신호로부터 표적 방위를 추정하는데 어려움이 존재한다. 수중의 음파 전달 환경에 의해 발생하는 다중경로는 각 경로별로 상이한 수직각을 가지므로 이러한 특성이 선배열 소나의 방위 추정에 미치는 영향에 대해 고려할 필요가 있다.
	DAS(Delay-And-Sum) 빔 형성 기법의 문제점은 무엇인가?	선 배열 소나의 방위 추정은 주로 DAS(Delay-And-Sum) 빔 형성 기법이 사용되며 음원으로부터 발생된 신호가 배열의 각 센서에 도달할때 발생하는 센서 간 지연 시간의 차이를 이용하여 방위가 추정된다. 해당 기법은 선 배열 소나의 종단 (endfire)을 기준으로 좌우 수신신호의 지연시간이 동일하기 때문에 빔 패턴이 대칭적으로 형성되고 좌우 방위 모호성이 발생하는 문제점을 갖고 있다.[1] 이외에도 선 배열 소나에서 수신되는 신호는 수중에서 반사와 굴절을 통해 수직적인 각도를 포함하여 3차원적으로 수신되기 때문에 수신신호를 2차원적으로 처리하면 좌우뿐만 아니라 원뿔 형태 수신 각도를 모두 동일한 방위각으로 추정하는 문제점이 발생한다.

참고문헌 (7)

A. D. Waite, Sonar for Practising Engineers, 3rd ed. (John Wiley and Sons Ltd, UK, 2002), pp. 158-160.
F. B. Jensen, W. A. Kuperman, M. B. Porter, and H. Schmidt, Computational Ocean Acoustics AIP Series in Modern Acoustics and Signal Processing (American Institute of Physics, Melville, New York, 1994), pp. 584-596.
J. S. Park, Y. N. Na, and J. W. Choi, "LIine array sonar and nethod for detecting target bearing of the same" (in Korean), Korea. patent No.10-1257097, 2014.
M. B. Porter, "The BELLHOP Manual and User's Guide: Preliminary Draft," Heat, Light, and Sound Research, Inc. (2011).
W. H. Munk, "Sound channel in an exponentially stratified ocean with applications to sofar," J. Acoust. Soc. Am. 55, 220-226 (1974).
M. R. Carnes, Description and Evaluation of GDEM-V 3.0, Naval Research Laboratory, 2009.
C. Amante and B. W. Eakins, "Etopo1 arc-minute global relief model: procedures, data, sources and analysis," NGDC, Tech. Rep., 2003.

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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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