[논문]근접장에서 가상 합성 배열을 이용한 수중 이동체의 토널 소음 측정 방법

강태웅; 이근혁; 김기만; 한민수; 최재용

doi:10.7776/ask.2018.37.6.443

근접장에서 가상 합성 배열을 이용한 수중 이동체의 토널 소음 측정 방법
A method for measuring tonal noise of underwater vehicle using virtual synthetic array in near-field 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.37 no.6, 2018년, pp.443 - 450

강태웅 (한국해양대학교 전파공학과) , 이근혁 (한국해양대학교 전파공학과) , 김기만 (한국해양대학교 전파공학과) , 한민수 (국방과학연구소) , 최재용 (국방과학연구소)

초록
AI-Helper

수중 이동체의 토널 소음 분석을 위하여 수신 배열 시스템이 적용되고 있지만 설치와 운용에 어려움이 있으며, 많은 비용이 필요하다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 본 논문에서는 하나의 수신기를 이용하여 가상 배열을 합성한 후 수중 이동체의 토널 소음을 측정하는 방법을 제안한다. 제안한 방법은 수중 음원의 이동으로 인하여 발생하는 도플러 주파수와 시간 지연을 보정하고, 초점 빔 형성 기법을 적용하였다. 모의실험을 통해 제안한 방법의 성능을 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A receiving array system can be applied for tonal noise analysis of underwater vehicles, but it is difficult to install and operate, and a lot of cost is required. In order to overcome this problem, this paper proposes a method to measure the tonal noise of underwater vehicle after synthesizing a virtual array using single receiver. The proposed method compensates the Doppler frequency and time delay caused by the movement of the underwater sound source and applies the focused beamforming technique. The performance of the proposed method was analyzed via simulation.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Geometry between underwater vehicle and single receiver.
그림 Fig. 2. Variation of doppler frequency at 100 Hz.
그림 Fig. 3. Flow of the proposed method.
그림 Fig. 4. Comparison of waveforms at receiver arrays and virtual synthetic receiver arrays, (a) before compensation, (b) after compensation.
그림 Fig. 5. Beamformer output power, (a) 100 Hz, (b) 200 Hz, (c) 300 Hz.
그림 Fig. 6. Comparison of beamforming output power at the highest power point.
그림 Fig. 7. Spectrum according to the source position error, (a) no error, (b) source (5,5) m/receiver (-5,-5) m, (c) source (5,-5) m/receiver (-5,5) m, (d) source (-5,5) m/receiver (5,-5) m.

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 논문에서는 근접장에 위치한 수중 이동체가 방사하는 소음의 세기를 주파수 별로 측정함에 있어서 물리적인 수신 배열의 제약에서 벗어나기 위해 가상 합성 배열을 이용한 수중 이동체의 소음세기 측정을 제안하였으며, 그 가능성을 검증하기 위해 모의실험을 진행하였다. 모의실험은 소음 측정이라는 목적에 따라 이동체의 이동경로와 위치, 속도 정보, 수신기의 위치 정보 등을 알고 있다는 전제하에 설계되었으며, 음원의 위치 정보 오차가 미치는 영향에 대해서도 살펴보았다.
따라서 이러한 제한 조건을 감안 한다면 적은 비용으로 설치 운용이 비교적 수월한 방법이 필요하다. 이에 본 논문에서는 근접장에서 수중 이동체의 방사 소음을 분석하기 위해 하나의 수신기를 이용하여 가상 배열을 합성하는 방법을 제안한다. 기존에 합성 개구면 소나에서 가상 배열을 구성하는 방법에는 ETAM(Extended Towed array Measurement), FFTSA(Fast Fourier Transform Synthetic Aperture) 방법 등이 있으나 이들은 시간 영역 또는 빔 영역에서 모두 물리적으로 수신기 배열로 구성되어 있는 상태에서 가상으로 배열 길이를 확장하는 방법이다.

가설 설정

Eqs. (6)과 (7)에서 c는 수중에서의 음속이며, 1500 m/s로 가정하였다. 위에서 정의된 변수들을 이용하면 수신된 신호에 포함된 시간지연과 도플러 함수에 대해 보정이 가능하다.
제안한 방법의 성능을 확인하기 위해 모의실험을 Matlab 프로그램을 이용하여 수행하였다. Fig. 1에서와 같이 수중 이동체는 x축을 따라 일정한 속도 v로 이동하는 상황을 가정하였으며, 시간에 따른 위치 정보를 정확하게 알고 있는 경우와 위치 정보에 오류가 발생하여 부정확하게 알고 있는 경우를 각각 고려하였다. 수신기의 위치는 음원의 이동 경로에서 최근접점 (0,0) 으로부터 40 m 떨어진 (0,40) m로 설정 하였으며, 음원은 (0,0) 지점을 기준점으로 하여 대칭되는 경로를 이동하는 것으로 가정하였다.
그 결과로써 수직 선형 배열을 이용하여 음원의 수심을 추정한 것과 단일 수신기로 음원의 수심을 추정한 방법의 성능을 비교 하였다.^[5] 이러한 기존의 연구에서는 움직이는 음원에 대한 수심 추정을 위하여 음원의 수심은 모르지만 이동하는 거리의 범위는 알고 있다는 가정을 하였다. 이와 같이 위치 정보 또는 거리 정보를 알아야 하는 이유는 움직이는 음원에 의해 발생하는 도 플러 주파수가 빔 형성 성능에 영향을 미치게 되기 때문이다.
그림에서 고정된 수신기의 위치 (x_r, y_r)는 GPS(Global Positioning System) 등을 이용하여 알 수 있고, 수중 이 동체의 이동 속도 v와 직선 이동 경로 및 위치는 음원에 설치한 송신기로부터 방사되는 핑을 이용한 FOA(Frequency-of-Arrival) 추정과 같은 방법들로 추정할 수 있다.^[6] 따라서 수중 이동체의 위치 정보는 알고 있다고 가정한다. 또한 음원과 수신기 위치 사 이의 가역성이 성립하는 채널을 가정하는데 이는 음원과 수신기의 위치를 서로 반대로 바꾸더라도 수신되는 신호는 같다는 의미이다.
^[6] 따라서 수중 이동체의 위치 정보는 알고 있다고 가정한다. 또한 음원과 수신기 위치 사 이의 가역성이 성립하는 채널을 가정하는데 이는 음원과 수신기의 위치를 서로 반대로 바꾸더라도 수신되는 신호는 같다는 의미이다. 따라서 실제 운용 환경은 Fig.
또한 음원과 수신기의 수심은 같다고 가정하였는데 실제 환경은 3차원 공간이지만 수심 오차에 의한 오류는 결국 음원과 수신기의 거리 차에 따른 보정계수들의 오차발생으로 나타날 것이므로 위에서 언급한 위치 정보 오차의 연장선에 있는 문제로 판단되어 논의의 편의성을 위해 2차원 공간 모델로 제한하였다. 샘플링 주파수 f_s는 100 kHz로 하였으며, SNR(Signal-to-Noise Ratio)은 -5 dB로 가정하였다. 가상 배열을 구성하는 수신기의 수는 26개로 하였는데 이는 각 주파수 별 반파장의 길이가 다르므로 가상 배열의 전체 길이도 주파수에 따라 다르게 된다.
1에서와 같이 수중 이동체는 x축을 따라 일정한 속도 v로 이동하는 상황을 가정하였으며, 시간에 따른 위치 정보를 정확하게 알고 있는 경우와 위치 정보에 오류가 발생하여 부정확하게 알고 있는 경우를 각각 고려하였다. 수신기의 위치는 음원의 이동 경로에서 최근접점 (0,0) 으로부터 40 m 떨어진 (0,40) m로 설정 하였으며, 음원은 (0,0) 지점을 기준점으로 하여 대칭되는 경로를 이동하는 것으로 가정하였다. 또한 음원과 수신기의 수심은 같다고 가정하였는데 실제 환경은 3차원 공간이지만 수심 오차에 의한 오류는 결국 음원과 수신기의 거리 차에 따른 보정계수들의 오차발생으로 나타날 것이므로 위에서 언급한 위치 정보 오차의 연장선에 있는 문제로 판단되어 논의의 편의성을 위해 2차원 공간 모델로 제한하였다.
여기서 αi(i = 1,...,n)는 수중 채널 전달 과정에서 주파수 별로 나타내는 감쇄율로써 보통 수중에서는 주파수가 높을수록 감쇄율이 증가하지만 이 논문에서 분석 대상인 토널 신호들의 주파수 차이는 크지 않고 근접장을 대상으로 하므로 이에 대한 영향은 상 대적으로 작다고 가정하였다.
가상 배열을 구축하고 물리적인 수신 배열과 같이 각 가상 수신기가 동시에 신호를 수신하는 것과 같은 효과를 갖기 위해서는 #항에 대한 보정이 필요하다. 제안한 방법에서는 가상 수신기 간의 거리와 수중 이동체의 이동 속도 정보를 모두 안다고 가정하였기 때문에 이에 대한 보정이 가능하다.

제안 방법

도플러 주파수 보정이 수행된 후 가상 배열을 합성한다. 가상 배열을 합성할 때 가상 수신기 사이의 간격은 관심 주파수의 파장 길이에 맞추어 설계하는데 일반적인 배열 이론에서 수신기 사이 거리는 반파장 이하의 간격으로 구성되므로 본 논문에서도 반 파장 간격으로 설정하였다.
기존에 움직이는 음원의 수심 추정을 위해 가상 합성 수신 배열을 구성하여 물리적인 수신기 배열의 효과를 내는 방법이 연구되었다. 그 결과로써 수직 선형 배열을 이용하여 음원의 수심을 추정한 것과 단일 수신기로 음원의 수심을 추정한 방법의 성능을 비교 하였다.^[5] 이러한 기존의 연구에서는 움직이는 음원에 대한 수심 추정을 위하여 음원의 수심은 모르지만 이동하는 거리의 범위는 알고 있다는 가정을 하였다.
이러한 문제를 해결하기 위해 수중 이동체의 이동 속도 와 위치 정보 등을 이용하여 도플러 주파수를 보상 한다. 다음으로 가상으로 구성된 수신기들 사이의 시간차를 보상하고, 근접장에서의 초점 빔 형성 기법을 적용한다. 이러한 제안한 방법의 성능을 모의실험을 수행하여 분석하였다.
또한 수신되는 신호의 길이도 달라지므로 빔 형성 출력 이후에 출력 값의 크기 비교를 위해 신호 길이의 차이(주파수의 비율)에 대한 보상 후에 비교하였다.
수신기의 위치는 음원의 이동 경로에서 최근접점 (0,0) 으로부터 40 m 떨어진 (0,40) m로 설정 하였으며, 음원은 (0,0) 지점을 기준점으로 하여 대칭되는 경로를 이동하는 것으로 가정하였다. 또한 음원과 수신기의 수심은 같다고 가정하였는데 실제 환경은 3차원 공간이지만 수심 오차에 의한 오류는 결국 음원과 수신기의 거리 차에 따른 보정계수들의 오차발생으로 나타날 것이므로 위에서 언급한 위치 정보 오차의 연장선에 있는 문제로 판단되어 논의의 편의성을 위해 2차원 공간 모델로 제한하였다. 샘플링 주파수 f_s는 100 kHz로 하였으며, SNR(Signal-to-Noise Ratio)은 -5 dB로 가정하였다.
본 논문에서는 근접장에 위치한 수중 이동체가 방사하는 소음의 세기를 주파수 별로 측정함에 있어서 물리적인 수신 배열의 제약에서 벗어나기 위해 가상 합성 배열을 이용한 수중 이동체의 소음세기 측정을 제안하였으며, 그 가능성을 검증하기 위해 모의실험을 진행하였다. 모의실험은 소음 측정이라는 목적에 따라 이동체의 이동경로와 위치, 속도 정보, 수신기의 위치 정보 등을 알고 있다는 전제하에 설계되었으며, 음원의 위치 정보 오차가 미치는 영향에 대해서도 살펴보았다. 모든 주파수의 분석에서 가상 합성 배열의 수신기 수는 같게 적용하였다.
이 논문에서는 위의 그림과 같이 도플러 효과로 인해 발생하는 도플러 주파수 f_di(t)항에 대해서 시간영역에서의 보간법을 사용하여 보정한다. Fig.
도플러 효과가 발생하면 수신되는 신호의 주파수가 원래 음원에서 방사되는 신호의 주파수와 다르게 되면서 측정의 정확도가 감소한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 수중 이동체의 이동 속도 와 위치 정보 등을 이용하여 도플러 주파수를 보상 한다. 다음으로 가상으로 구성된 수신기들 사이의 시간차를 보상하고, 근접장에서의 초점 빔 형성 기법을 적용한다.
그러나 기존의 시간 좌표는 f_s에 의해 정해진 동일한 시간 간격마다 구성되어 있으므로 도플러 주파수의 크기에 따라 조정하고자 하는 시간이 시간 샘플 사이의 값을 가져야 하는 경우가 발생한다. 이러한 샘 플링 문제를 해결하기 위해 보간법을 사용하여, 동일한 간격의 시간 샘플 사이의 새로운 시간 샘플을 만들어 시간 좌표 상의 보정을 수행한다.
제안한 방법에서는 음원과 단일 수신기 위치 사이의 가역성(reciprocity)을 이용하여 가상 배열을 구성한다. 이러한 가상 배열 구성 과정에서 발생하는 문제 가운데 하나는 수중 음원의 이동성 때문에 발생하는 도플러 효과인데 지상과는 달리 수중에서는 신호의 전달 속도가 낮으므로 도플러 주파수를 무시하기 어렵다.

대상 데이터

모의실험에 사용된 신호는 세 가지의 토널 주파수 (100 Hz, 200 Hz, 300 Hz) 성분을 갖고, 각 주파수별로 크기는 (0 dB, 3 dB, 1.1 dB)의 비율을 갖도록 하였다. Fig.

데이터처리

다음으로 가상으로 구성된 수신기들 사이의 시간차를 보상하고, 근접장에서의 초점 빔 형성 기법을 적용한다. 이러한 제안한 방법의 성능을 모의실험을 수행하여 분석하였다.
제안한 방법의 성능을 확인하기 위해 모의실험을 Matlab 프로그램을 이용하여 수행하였다. Fig.

이론/모형

수신된 신호에 대해 도플러 주파수에 대한 보정과 가상 배열 합성이 수행되면 주파수 별로 근접장에서의 초점 빔 형성 기법을 통해 수중 이동체의 소음세기를 측정한다. 초점 빔 형성 방법에는 최소 분산 빔 형성 기법 등 다양한 형태가 있으나 이 논문에서는 초점 빔 형성이 주요 목적은 아니므로 고전적인 지연-합 빔 형성 기법을 적용하였다. ^[8,9]

성능/효과

모의실험의 결과로부터 각 주파수 별로 소음세기를 측정하였을 때, 신호를 설계할 때 설정하였던 크기의 값에 대응되게 빔 형성 출력 값의 크기에도 나타나는 것을 확인할 수 있었고, 음원과 수신기의 위치 정보가 각각 오차를 가질 때, 처음에 생성한 신호와 정확하게 일치하는 소음 크기를 추정하지는 못하지만 위치 오차가 발생하더라도 이동체가 발생하는 소음에 많은 영향을 미치는 주파수가 어느 것인지를 분석하는 영역에서는 신뢰성을 가질 수 있음을 보인다. 이러한 결과를 토대로 가상 합성 배열을 이용한 수중 이동체의 소음 측정이 원하는 주파수에 대해 가능할 것이라고 판단된다.
5에서 각 빔 형성 출력 값의 최대점이 형성되는 거리에서의 출력 값들을 비교한 것이다. 신호를 설계할 때 각 주파수 성분마다의 크기를 다르게 설정한 것에 대응하여 빔 형성 출력 결과 또한 주파수 별로 신호의 세기가 각각 최고 출력 점의 크 기가 0 dB, 3 dB, 1.1 dB로 원래 신호의 상대적인 비율에 맞게 출력되는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 가상 배열을 이용한 수중 이동체의 주파수 별 소음 측정이 가능함을 알 수 있다
이 결과로부터 모든 경우에 대하여 가상 배열의 중심점으로부터 90° 방위의 40 m 거리에서 초점 빔이 형성되는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

모의실험의 결과로부터 각 주파수 별로 소음세기를 측정하였을 때, 신호를 설계할 때 설정하였던 크기의 값에 대응되게 빔 형성 출력 값의 크기에도 나타나는 것을 확인할 수 있었고, 음원과 수신기의 위치 정보가 각각 오차를 가질 때, 처음에 생성한 신호와 정확하게 일치하는 소음 크기를 추정하지는 못하지만 위치 오차가 발생하더라도 이동체가 발생하는 소음에 많은 영향을 미치는 주파수가 어느 것인지를 분석하는 영역에서는 신뢰성을 가질 수 있음을 보인다. 이러한 결과를 토대로 가상 합성 배열을 이용한 수중 이동체의 소음 측정이 원하는 주파수에 대해 가능할 것이라고 판단된다. 향후 실제 해양에서 획득한 데이터를 이용한 검증과 함께 실제 수중 이동체의 위치 정보의 정확도가 성능에 미치는 영향에 대한 분석이 필요하다.
이러한 결과를 토대로 가상 합성 배열을 이용한 수중 이동체의 소음 측정이 원하는 주파수에 대해 가능할 것이라고 판단된다. 향후 실제 해양에서 획득한 데이터를 이용한 검증과 함께 실제 수중 이동체의 위치 정보의 정확도가 성능에 미치는 영향에 대한 분석이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도플러 효과가 발생하는 이유는 무엇인가?	제안한 방법에서는 음원과 단일 수신기 위치 사이의 가역성(reciprocity)을 이용하여 가상 배열을 구성한다. 이러한 가상 배열 구성 과정에서 발생하는 문제 가운데 하나는 수중 음원의 이동성 때문에 발생하는 도플러 효과인데 지상과는 달리 수중에서는 신 호의 전달 속도가 낮으므로 도플러 주파수를 무시하기 어렵다. 도플러 효과가 발생하면 수신되는 신호의 주파수가 원래 음원에서 방사되는 신호의 주파수와 다르게 되면서 측정의 정확도가 감소한다.
	해외의 소나 시스템은 소음 분석을 위해 다수의 고정 수신기들과 빔 형성 기법 등을 적용하여 운용하게 되는데 이 방식의 문제점은 무엇인가?	이러한 목적을 위하여 해외에서는 수직 또는 수평으로 배열된 다수의 고정 수신기들과 빔 형성 기법 등을 적용하여 운용 하고 있다. [1] 하지만 이는 큰 규모의 시스템으로 설치 운용이 쉽지 않고, 많은 비용이 요구된다. 특히, 수중 이동체의 방사 소음 측정은 해상 교통량이 거의 없는 조용한 해역에서 이루어져야 하나 국내의 경우 연안 해상 교통량이 많아 이러한 조건을 만족하는 해역은 육상으로부터 멀리 떨어져야 하며 이 경우 해외 사례와 같은 수신기 배열 시스템의 설치와 운용은 어렵게 된다.
	기존에 합성 개구면 소나에서 가상 배열을 구성하는 방법의 특징은 무엇인가?	이에 본 논문에서는 근접장에서 수중 이동체의 방사 소음을 분석하기 위해 하나의 수신기를 이용하여 가상 배열을 합성하는 방법을 제안한다. 기존에 합성 개구면 소나에서 가상 배열을 구성하는 방법에는 ETAM(Extended Towed array Measurement), FFTSA(Fast Fourier Transform Synthetic Aperture) 방법 등이 있으나 이들은 시간 영역 또는 빔 영역에서 모두 물리적으로 수신기 배열로 구성되어 있는 상태에서 가상으로 배열 길이를 확장하는 방법이다. [2-4] 무엇 보다도 이들 방법들은 견인형 배열을 이용하여 이동 하면서 가상 배열을 구성하기 때문에 근접장에서 수중 이동체의 방사 소음 측정 환경과는 차이가 있다.

참고문헌 (9)

J. Ranicar, "Shallow acoustic underway range," Technical report, Nautronix Ltd., 1991.
S. Stergiopoulos and E. J. Sullivan, "Extended towed array processing by an overlap correlator," J. Acoust. Soc. Am. 86, 158-171 (1989).
S. Stergiopoulos and H. Urban, "An experimental study in forming a long synthetic aperture at sea," IEEE J. Oceanic Engineering, 17, 62-72 (1992).
S. Stergiopoulos and H. Urban, "An new passive synthetic aperture technique for towed arrays," IEEE J. Oceanic Engineering, 17, 16-25 (1992).
T. C. Yang, "Source depth estimation based on synthetic aperture beamforming for a moving source," J. Acoust. Soc. Am. 138, 1678-1686 (2015).
W. J. Park and K. M. Kim, "Range estimation of underwater acoustic moving source using doppler frequency map" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr, 36, 413-418 (2017).
R. J. Urick, Principles of Underwater Sound (McGraw- Hill Co., New York, 1983), pp. 328-376.
Y. D. Huang and M. Barkat, "Near-field multiple source localization by passive sensor array," IEEE Trans. Antennas and Propagation, 39, 968-975 (1991).
S.D. Somasundaram, "Wideband robust Capon beamforming for passive sonar," IEEE J. Oceanic Engineering, 38, 308-322 (2013).

저자의 다른 논문 :

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].

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