[논문]다이파 소노부이를 활용한 수중표적 심도 추정

이영구

doi:10.7776/ask.2019.38.3.302

초록
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현대 대잠전에 있어 잠수함에 대한 2차원 위치추정에 다양한 방법들이 있다. 잠수함에 대한 보다 효과적인 추적 및 공격을 위해 표적 심도는 매우 중요한 요소이다. 하지만 현재까지도 잠수함의 심도를 찾아낸다는 것은 어려운 일이다. 본 논문에서는 최단접근점(Closest Point of Approach, CPA) 전후의 표적 접촉방위와 표적 도플러 신호 등 다이파 소노부이 접촉정보를 이용한 잠수함 심도 추정 기법을 제안하고자 한다. 표적의 상대심도는 표적과 다이파 소노부이의 청음기 간 사선거리 및 수평거리에 피타고라스 정리를 적용하여 결정된다. 이때 사선거리는 도플러변이와 표적 속도에 의해서 계산되며, 수평거리는 표적에 대한 연속된 접촉방위와 표적의 이동거리에 삼각함수를 적용하여 얻을 수 있다. 본 논문에서 제시된 알고리즘의 성능은 소노부이-표적 간 수평거리 및 상대심도에 의해 결정되는 고각과 도플러 변이 값의 측정 정확성에 의해 좌우됨을 시뮬레이션을 통해 알 수 있다.

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In modern Anti-Submarine Warfare, there are various ways to locate a submarine in a two-dimensional space. For more effective tracking and attack against a submarine the depth of the target is a critical factor. However, it has been difficult to find out the depth of a submarine until now. In this p...

In modern Anti-Submarine Warfare, there are various ways to locate a submarine in a two-dimensional space. For more effective tracking and attack against a submarine the depth of the target is a critical factor. However, it has been difficult to find out the depth of a submarine until now. In this paper a possible solution to the depth estimation of submarines is proposed utilizing DIFAR (Directional Frequency Analysis and Recording) sonobuoy information such as contact bearings at or prior to CPA (Closest Point of Approach) and the target's Doppler signals. The relative depth of the target is determined by applying the Pythagorean theorem to the slant range and horizontal range between the target and the hydrophone of a DIFAR sonobuoy. The slant range is calculated using the Doppler shift and the target's velocity. the horizontal range can be obtained by applying a simple trigonometric function for two consecutive contact bearings and the travel distance of the target. The simulation results show that the algorithm is subject to an elevation angle, which is determined by the relative depth and horizontal distance between the sonobuoy and target, and that a precise measurement of the Doppler shift is crucial.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Geometrical relationship for depth estimation of target.
그림 Fig. 2. Trigonometric relationship for calculating V_radial.
그림 Fig. 3. Performance variations with changes in horizontal range.
그림 Fig. 4. Performance variations with changes in relative depth.
그림 Fig. 5. Small angle approximation error with angle.
표 Table 1. Input Parameters for simulation.

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문제 정의

This chapter gives an overview of DIFAR sonobuoys and the Doppler effect, which constitute the basis for the depth estimation of underwater targets.

가설 설정

1) The target moves with constant course and speed without any evasive maneuvers.
2) The depth of the target is constant.
3) The fundamental frequency(f₀) are known.

제안 방법

And the averaged underwater sound speed measured from a depth of upper sonobuoy to that of lower one, assuming that submarine is positioned between both the depth as usual, is applied for simulation. As a geometrical relationship between the underwater target and sonobuoy is a critical factor of the performance, simulations are focused on the errors caused by a geometrical relationship to verify the availability of the algorithm to the real world applications by comparing it with the data from actual submarine. The simulations are conducted with regard to performance variations with changes of horizontal range, while keeping relative depth between the underwater target and sonobuoy constant, and performance variations with changes of relative depth, while keeping the horizontal range constant.
In this paper a method has been proposed which can provide operators involved in ASW with a means to estimate the depth of an underwater target by exploiting the information gained from DIFAR sonobuoy irrespective of the existence of the Lloyd’s mirror effect.
As a geometrical relationship between the underwater target and sonobuoy is a critical factor of the performance, simulations are focused on the errors caused by a geometrical relationship to verify the availability of the algorithm to the real world applications by comparing it with the data from actual submarine. The simulations are conducted with regard to performance variations with changes of horizontal range, while keeping relative depth between the underwater target and sonobuoy constant, and performance variations with changes of relative depth, while keeping the horizontal range constant. The frequencies, contact times, and bearings at the CPA and prior to CPA, and the speed obtained from underwater target are utilized for simulation.

참고문헌 (5)

J. G. Lim, Performance analysis of automatic target detection algorithm for underwater proximity detection sensor node, (Master's degree, Master's degree, 2012).
D. Kapolka, "Equivalence of the waveguide invariant and two path ray theory methods for range prediction based on Lloyd's mirror patterns," J. Acoust. Soc. Am. 123, 3596 (2008).
D. Desrochers, High resolution beamforming techniques applied to a DIFAR sonobuoys, (Master's degree, Royal Military College of Canada, 1999).
Lecture21: The Doppler Effect, http://users.physics.harvard.edu/-schwartz/15cFiles/Lecture21-Doppler.pdf, 2019.
R. Olson and D. H. Cress, "Passive Acoustic Range Estimation of Helicopters," Technical Report EL-92-13 of US Army Corps of Engineers, 06-08 (1992).

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