[논문]에너지 플럭스 모델을 활용한 해저 잔향음 신호 모의

정영철; 이근화; 성우제; 김성일

doi:10.7776/ask.2019.38.1.096

초록
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능동소나 시뮬레이터에서 실제와 유사하고 실시간 운용 가능토록 설계하는데 가장 제한적인 요소는 잔향음이다. 잔향음 모의는 계산시간이 많이 소요되어 시뮬레이터에 반영하고 실시간으로 신호를 생성하는데 한계가 있었다. 본 연구에서는 Harrison의 에너지 플럭스 해저 잔향음 모델을 기반으로 함정 기동에 따른 도플러 효과와 자기회귀 모델을 적용하여 해저 잔향음 시계열 신호를 모의하였다. 최종적으로 해군연구국 잔향음 워크숍-I 11번 문제와 동해 해양환경을 토대로 모의 한 결과, 실제와 유사한 특징의 해저 잔향음 신호를 생성할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Ocean reverberation is the most limiting factor in designing realistic and real-time system for sonar simulator. The simulation for an ocean reverberation requires a lot of computational loads, so it is hard to embed program and generate real-time signal in the sonar simulator. In this study, we sim...

Ocean reverberation is the most limiting factor in designing realistic and real-time system for sonar simulator. The simulation for an ocean reverberation requires a lot of computational loads, so it is hard to embed program and generate real-time signal in the sonar simulator. In this study, we simulate a time-domain bottom reverberation signal based on Harrison's energy-flux bottom reverberation model by applying Doppler effects as ship maneuvering and autoregressive model. Finally, the bottom reverberation signal with realistic characteristics could be generated for the simulation of ONR reverberation modeling workshop-I problem XI and East Sea ocean environments.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Ocean reverberation for general case.^[3]
그림 Fig. 2. Geometry of bistatic closed-form reverberation and scattering area.^[12]
그림 Fig. 3. Geometry of reverberation Doppler shift.^[13]
그림 Fig. 4. The flow chart for the generation of ocean bottom reverberation signal.
그림 Fig. 5. The ocean environments of RMW-I problem XI.
그림 Fig. 6. Comparision of closed-form reverberation level with RMW-I problem XI results.^[15]
그림 Fig. 7. Simulated result of reverberation time series for a RMW-I problem XI.
그림 Fig. 8. Comparison of ensemble average result with 100 iterations with closed-form reverberation level.
그림 Fig. 9. Spectrogram of CW reverberation signal for a RMW-I problem XI.
그림 Fig. 10. Ship GPS position for the simulation in the East Sea and GEBCO bahtymetry is applied.
그림 Fig. 11. The ocean environments of simulation.
표 Table 1. Sonar system parameter for simulation.
그림 Fig. 12. Simulated result of total reverberation time series for a CW signal.
그림 Fig. 13. Simulated result of total reverberation time series for a LFM signal.
그림 Fig. 14. Spectrogram of total CW reverberation.
그림 Fig. 15. Spectrogram of total LFM reverberation.
그림 Fig. 16. Polar plot of a CW reverberation intensity.
그림 Fig. 17. Polar plot of a LFM reverberation intensity.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 에너지 플럭스 모델을 활용하여 해저 잔향음에 대한 시계열 신호를 모의하였다. 특히, 송신된 음원 신호와 랜덤 특성을 반영하기 위해 자기회귀 모델을 적용하였고, 해저 지형 변화에 따른 Harrison의 해저 잔향음 세기와 함정 기동에 따른 도플러 효과를 모의 한 이후 선형 보간법을 적용하여 최종적인 방위각별 잔향음 시계열 신호를 생성하였다.

가설 설정

또한 Table 1과 같이 송신 신호는 CW 신호와 LFM 신호로 구분하여 설정하였고, 샘플링 주파수는 16.384 kHz, 음원과 수신기 모두무지향성 빔 패턴을 가진다고 가정하였다.
또한 시계열 신호 모의할 때 단상태 환경을 적용하고 함정 속도는 150° 및 5 kts로 기동하고 있다고 가정한다.
함정 좌표는 경도 36° 3' 57.9639'' N, 위도 129° 47' 14.7473'' E에 위치하고 있다고 가정한다.

제안 방법

Fig. 10과 같이 CW와 LFM(Linear Frequency Modulation) 신호를 이용하여 동해 해저 지형의 거리종속 특성이 반영된 신호를 모의하였다. 여기서 해저 지형은 영국 해양데이터 센터에서 공개 중인 GEBCO(General Bathymetric Chart of the Oceans) 데이터베이스가 활용되었다.
시나리오에 따른 모의도 수행하였는데 잔향음 워크숍-I 11번 해저 잔향음 문제를 활용하여 거리독립 환경에 대한 상황을 모의 및 검증하였으며, 동해 해양 환경을 기반으로 시계열 잔향음도 모의하여 거리 종속성도 구현하였다. 모의 한 결과, 시계열 신호의 특성과 도플러 효과가 반영된 잔향음의 특징들이 발생하는 것을 확인하였다.
여기서, Faure, Ol'shevskii, Middleton에 의해 정립된 잔향음 준위 계산식과 함정 속도에 따른 도플러 효과를 반영하여 잔향음 포락선의 파워 스펙트럼 밀도를 구하였고, 자기회귀 모델을 적용하여 시계열 신호를 모의하였다.
본 논문에서는 에너지 플럭스 모델을 활용하여 해저 잔향음에 대한 시계열 신호를 모의하였다. 특히, 송신된 음원 신호와 랜덤 특성을 반영하기 위해 자기회귀 모델을 적용하였고, 해저 지형 변화에 따른 Harrison의 해저 잔향음 세기와 함정 기동에 따른 도플러 효과를 모의 한 이후 선형 보간법을 적용하여 최종적인 방위각별 잔향음 시계열 신호를 생성하였다. 또한, 샘플 레이트에 따른 잔향음 신호를 모의 생성하였고, 해저지형 변화에 따른 잔향음 세기와 도플러 효과도 반영할 수 있었다.
11에서 보듯이 음원 수심은 150 m, 수신기 수심은 125 m로 설정하였고, 함정 침로와 속력은 150° - 5 kts로 동일하게 설정하였다. 해저 재질은 동해와 유사한 실트질 점토로 모의하였으며, Lambert 계수는 -33, 시계열 잔향음 신호를 생성할 때 랜덤 신호는 평균0, 단위 분산의 복소 가우시안 랜덤 변수를 입력하였다.

대상 데이터

10과 같이 CW와 LFM(Linear Frequency Modulation) 신호를 이용하여 동해 해저 지형의 거리종속 특성이 반영된 신호를 모의하였다. 여기서 해저 지형은 영국 해양데이터 센터에서 공개 중인 GEBCO(General Bathymetric Chart of the Oceans) 데이터베이스가 활용되었다. 함정 좌표는 경도 36° 3' 57.

이론/모형

(16)의 Yule-Walker 모델이 활용되었고, Levinson-Durbin 회귀 방법을 통해 방정식을 풀면 극 값 ak와 이득값 σ를 추정할 수 있다.
ONR 잔향음 워크숍-I 문제 11번 문제^[15]를 이용하여 Fig. 5와 같은 환경에서 시계열 잔향음 신호를 생성하였다. 동 문제는 경험적인 Lambert 계수 -27을 이용하여 해저 잔향음을 모의한 예제로 음원은 1초의 가우시안 펄스, 음원 준위는 0 dB이다.
본 연구에서는 기존 모의방법 대비 신속한 속도로 계산될 수 있고 비정상 신호의 특성이 반영될 수 있는 잔향음 신호를 모의하기 위해 Harrison^[11]의 에너지 플럭스 모델을 활용한 해저 잔향음 세기 식을 기반으로 함정 기동에 따른 도플러 효과를 적용하였고, 대표적인 시계열 예측 기법인 자기회귀 모델 알고리즘을 적용하여 랜덤 특성의 시계열 잔향음 신호를 모의하였다.
은 이와 달리 Weston(1976)의 식을 기반으로 모드 스트립의 환경에서 음 전달을 모의하였다. 본 연구에서는 잔향음 세기를 Harrison^[11]이 모의한 에너지 플럭스 잔향음 모델의 방법으로 적용하였다.
본 연구에서는 잔향음 시계열 신호를 모의하기 위해 자기회귀 모델이 적용되었다. 자기회귀 모델은 대표적인 파라메트릭 모델링 기법으로 샘플링된 데이터를 이용하여 랜덤 특성과 신호의 주파수 특성이 반영된 시계열 신호를 예측할 수 있다.

성능/효과

특히, 송신된 음원 신호와 랜덤 특성을 반영하기 위해 자기회귀 모델을 적용하였고, 해저 지형 변화에 따른 Harrison의 해저 잔향음 세기와 함정 기동에 따른 도플러 효과를 모의 한 이후 선형 보간법을 적용하여 최종적인 방위각별 잔향음 시계열 신호를 생성하였다. 또한, 샘플 레이트에 따른 잔향음 신호를 모의 생성하였고, 해저지형 변화에 따른 잔향음 세기와 도플러 효과도 반영할 수 있었다.
모의된 시계열 잔향음 신호의 세기가 에너지 플럭스 모델의 잔향음 세기와 일치하는지 검증하기 위해 Fig. 8과 같이 100개 시계열 신호를 생성하여 앙상블 평균을 하였을 때 Fig. 6의 잔향음 세기 경향과 일치 하는 것을 확인하였다. 또한 Fig.
17은 LFM 잔향음 신호를 전시한 것이다. 여기서 해저지형에 대한 거리종속성도 확인할 수 있는데 서쪽 방향에서 동북쪽 방향으로 수심이 깊어지는 경사 구조이므로 잔향음 신호의 크기도 서쪽 방향이 상대적으로 크며 동쪽 경사가 깊어질수록 약해지는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

그러나 본 모델은 등음속 구조만 가정되므로 수심에 따라 변화하는 음속구조를 반영할 수 없고, 근거리 잔향음 세기가 타 모델에 비해 상대적으로 낮으므로 이러한 단점은 음선 모델 등 다른 음파전달모델이 활용된 잔향음 시계열 모델로 개선이 가능할 것으로 판단된다. 향후, 동 알고리즘을 통해 능동소나 시뮬레이터에서 빠르고 실질적인 잔향음 신호가 생성되는데 기여할 것으로 판단된다.
또한 초기 잔향음 세기 값이 다른 모델들에 비해 상대적으로 낮은 값을 보이므로 근거리에 대한 경향은 비교적 일치하지 않으며, 동해 환경과 같이 일정한 시간 지연 이후 표적신호와 유사한 잔향음의 정점 신호들은 모의할 수 없다. 그럼에도 실제 표적을 탐지하고 추적할 때 근거리 잔향음 보다 원거리 잔향음이 중요하게 작용하므로 이러한 모델을 적용해도 무방할 것으로 판단된다.
그러나 본 모델은 등음속 구조만 가정되므로 수심에 따라 변화하는 음속구조를 반영할 수 없고, 근거리 잔향음 세기가 타 모델에 비해 상대적으로 낮으므로 이러한 단점은 음선 모델 등 다른 음파전달모델이 활용된 잔향음 시계열 모델로 개선이 가능할 것으로 판단된다. 향후, 동 알고리즘을 통해 능동소나 시뮬레이터에서 빠르고 실질적인 잔향음 신호가 생성되는데 기여할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	잔향음이란?	능동소나 시뮬레이터에서 주요 신호는 표적신호, 잔향음, 주변소음으로 구성되어 있는데 신호 모의에 있어 계산시간 등의 문제로 가장 제 한적인 분야는 잔향음을 모의하는 것이다. 일반적인 잔향음의 정의를 살펴보면, 1999년 美 해군 연구국 주관 잔향음 워크숍에서 잔향음은 ‘능동소나에서 신호를 송신한 이후 음향센서에서 수신되는 음원 중 표적에 의해 반향되거나 주변/배경소음에 의해 발생되는 에너지가 아닌 다른 에너지와 관계된 음원’으로 정의된 바 있다. [1] Fig.
	거리독립 환경에 대한 상황에 대해서 해저 잔향음에 대한 시계열 신호의 모의를 통해 알 수 있는 점은 무엇인가?	시나리오에 따른 모의도 수행하였는데 잔향음 워크숍-I 11번 해저 잔향음 문제를 활용하여 거리독립 환경에 대한 상황을 모의 및 검증하였으며, 동해 해양 환경을 기반으로 시계열 잔향음도 모의하여 거리 종속성도 구현하였다. 모의 한 결과, 시계열 신호의 특성과 도플러 효과가 반영된 잔향음의 특징들이 발생하는 것을 확인하였다.
	능동소나 시뮬레이터의 주요신호는 어떻게 구성되는가?	[1] 특히, 자함에서 음원을 직접 송신하여 표적을 탐지 · 추적 할 수 있도록 설계된 능동소나 시뮬레이터의 경우 더욱이 소나 운용요원에게 중요한 훈련장비로서 인식되고 있다. 능동소나 시뮬레이터에서 주요 신호는 표적신호, 잔향음, 주변소음으로 구성되어 있는데 신호 모의에 있어 계산시간 등의 문제로 가장 제 한적인 분야는 잔향음을 모의하는 것이다. 일반적인 잔향음의 정의를 살펴보면, 1999년 美 해군 연구국 주관 잔향음 워크숍에서 잔향음은 ‘능동소나에서 신호를 송신한 이후 음향센서에서 수신되는 음원 중 표적에 의해 반향되거나 주변/배경소음에 의해 발생되는 에너지가 아닌 다른 에너지와 관계된 음원’으로 정의된 바 있다.

참고문헌 (15)

D. McCammon, "Active sonar modeling with emphasis on sonar simulators," DRDC Atlantic Rep., CR 2004-130, 2004.
D. McCammon, "A literature survey of reverberation modeling," DRDC Atlantic Rep., CR 2010-119, 2010.
Y. Choo, W. Seong, and W. Hong, "Modeling and analysis of monostatic seafloor reverberation from bottom consisting of two slopes," J. Comput. Acoust. 22, 1450005-1-1450005-15 (2014).
S. G. Chamberlain and J. C. Galli, "A model for numerical simulation of nonstationary sonar reverberation using linear spectral prediction," IEEE J. Ocean. Eng. OE-8, 21-36 (1983).
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Y. Chu, W. Seong, I. Yang, and W. Oh, "Mid frequency band reverberation model development using ray theory and comparison with experimental data" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 28, 740-754 (2009).
Y. Choo, W. Seong, and K. Lee, "Efficient algorithm for long-range monostatic reverberation in shallow water using geometrical ray-buddle," J. Comput. Acoust. 21, 1650002-1-1650002-12 (2016).
K. Lee, Y. Chu, and W. Seong, "Geometrical ray-bundle reverberation modeling," J. Comput. Acout. 21, 135011-1-135011-17 (2013).
J. Park, Y. Choo, K. Lee, and W. Seong, "Long range incoherent seafloor reverberation model based on coupled normal mode method" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 35, 243-252 (2016).

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S. Kim, W. LEE, S. You, J. W. Choi, W. Kim, J. S. Park, and K. J. Park, "High-frequency reverberation simulation of high-speed moving source in range-independent ocean environment" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 32, 104-115 (2013).

원문보기 상세보기
C. H. Harrison, "Closed-form expressions for ocean reverberation and signal excess with mode stripping and Lambert's law," J. Acoust. Soc. Am. 114, 2744-2756 (2003).

상세보기
C. H. Harrison, "Fast bistatic signal to reverberation ratio calculation," J. Comput. Acoust. 13, 317-340 (2005).

상세보기
M. A. Richards, J. A. Scheer, and W. A. Holm, Principles of Modern Radar: Basic Principles (SciTech, New York, 2010), Chapter 8.
B. Iser, W. Minker, and G. Schmidt, Bandwidth Extension of Speech Signals (Springer, Berlin, Germany, 2008), pp. 126-129.
J. S. Perkins, "Reverberation modeling workshops," NRL Rep., ADA531397, 2009.

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