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한국 해양환경에서 음파전달모델을 이용한 표적기동분석 알고리즘

Target motion analysis algorithm using an acoustic propagation model in the ocean environment of South Korea

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.38 no.4, 2019년, pp.387 - 395  

서기훈 (국방과학연구소)

초록
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수동소나에서의 표적기동분석은 방위 또는 방위-주파수와 같이 제한된 정보를 이용하여 수행된다. 표적기동분석을 빠르고 정확하게 수행하기 위해서는 정확한 표적기동 초기치의 추정이 필수적이다. 기존의 표적기동분석과 달리 신호 대 잡음비 정보와 음파전달모델을 추가로 이용하면 표적기동분석의 정확도를 향상시킬 수 있다. 이 방법은 표적의 방사소음수준은 알고 있다고 가정하지만 가정한 수준과 실제 수준간의 오차에 따라 표적기동분석의 정확도가 저하될 수 있다. 본 논문에서는 수동 소나로 탐지한 표적 방위정보, 탐지 신호 대 잡음비 정보 및 음파전달모델을 이용한 표적기동분석 알고리즘을 한국 해양환경(동해/서해/남해)에서 수행한다. 그리고 가정한 표적 방사소음수준과 실제 수준간의 차이에 따른 성능분석 결과를 제시한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

TMA (Target Motion Analysis) in passive sonar is generally conducted with the bearing only or the bearing frequency. In order to conduct TMA fast and accurately, it is essential to estimate a initial target maneuver precisely. The accuracy of TMA can be improved by using SNR (Signal to Noise Ratio) ...

주제어

표/그림 (9)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서 한국 해양환경에서 음파 전달 모델을 이용한 TMA의 성능을 확인하였다. 한국 해양환경에서 음파 전달 모델을 이용한 TMA를 수행할 시 표적의 기동 추정이 빠르고 정확하게 산출되어 TMA가 효과적으로 수행됨을 확인 하였다.
  • 본 논문에서는 음파 전달 모델과 측정치 SNR정보를 이용하여 표적기동 초기치를 효과적으로 추정하는 TMA 기법을 한국 해양환경(동해/서해/남해)에 적용해보고 그 성능을 분석 하였다. 또한 가정한 표적방사소음과 실제 표적방사소음 간의 차이에 따른 성능저하 정도에 대해 분석하였다.

가설 설정

  • 4장 2절에서 음파전달 모델을 이용한 TMA를 수행하면서 표적의 방사소음수준을 알고 있다고 가정하였다. 그러나 실제 환경에서는 표적의 방사소음수준을 알 수 없으므로 임의로 가정한 표적의 방사소음수준에 따라 TMA 결과의 정확도가 저하 될 수 있다.
  • [7] 일괄추정 단계에서 비선형 문제를 해결하기 위해 표적이 일정한 속력과 침로로 기동한다고 가정하고 표적기동 초기치, 상태 방정식과 측정치 방정식을 다음과 같이 정의 한다.
  • 일괄추정 단계에서 방위 또는 방위-주파수 정보와 함께 측정되는 SNR 정보와 음파전달모델로 산출한 SNR 정보를 추가로 이용하여 기존 TMA의 ML 추정과는 다르게 MAP 추정으로 표적기동의 초기치를 추정 할 수 있다.[8] TMA 문제를 해결하는 시간동안 거리별 SNR 확률분포는 변하지 않는다고 가정하였다
  •   h(∙)는 측정치와 표적 상태벡터와의 관계 함수이며,  #는 n시간 후의 직교 좌표계에서 관측자(자함)의 X축 거리, Y축 거리, X축 속력, Y축 속력을 의미한다. 그리고 Vn는 측정 잡음으로 평균 0, 공분산행렬 Rn인 정규분포로 가정한다
  • 표적의 방사소음수준은 주파수 200 Hz기준으로 140 dB로 설정하였고 해당 주파수에서의 주변소음수준은 73 dB로 설정하였다. 선배열 센서 탐지로 DI는 12.5 dB 설정하였고, 표적 수심은 센서의 수심과 동일하다고 가정하였다. 탐지된 표적의 방위 및  SNR 측정오차는 AWGN으로 각각 #, #를 가진다고 가정하였다.
  • 음파전달 모델을 이용한 TMA의 성능을 분석하기 위해 Fig. 4와 같은 기동 시나리오를 가정하였다.
  • 자함은 가관측성이 보장되도록 2차례 변침기동을 수행하며 표적은 직선운동으로 기동한다고 가정하다. 또한 표적은 초기 자함 위치를 기준으로 160° 방위에 위치한다.
  • 탐지된 표적의 방위 및  SNR 측정오차는 AWGN으로 각각 #, #를 가진다고 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
표적의 방사소음 수준을 알고있다면 어떤 정보로 초기치를 효과적으로 산출할 수 있는가? 방위 또는 방위-주파수 정보 외에 다른 정보를 추 가적으로 이용할 수 있다면, 일괄추정기법의 수렴속 도와 정확도를 향상시킬 수 있다. 표적의 방사소음 수준을 알고 있다면, 측정된 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio,SNR) 정보와 음파 전달 모델을 추가적으 로 이용하여 MAP(Maximum A Posterior) 추정 기법으 로 표적기동 초기치를 효과적으로 산출할 수 있다. [8] 음파전달모델을 이용한 MAP 추정 기법은 일반적인 TMA에서 ML 추정을 위해 적용하는 Gauss-Newton과 같은 수치해석 기법이 아닌 EM(Expectation- maximization) 기법을 적용하여 비선형 측정치 방정식의 미 분가능성에 대한 고려가 불필요하다는 장점이 있 다.
수동소나에서의 표적기동분석이란? 수동소나에서의 표적기동분석(Target Motion Analysis, TMA)은 탐지된 표적의 방위 또는 방위-주파수 측정치 정보를 이용하여 표적의 거리, 침로, 속력을 추정하는 기술이다. 측정치 정보에 따라 방위정보 만을 이용하는 BOTMA(Bearing Only TMA)와 방위주파수정보를 함께 이용하는 BFTMA(Bearing Frequency TMA)로 구분된다.
표적기동분석 결과를 얻기 위해서는 일괄추정 시 정확한 표적기동 초기치를 산출하는 것이 중요한 이유는? 측정치 정보에 따라 방위정보 만을 이용하는 BOTMA(Bearing Only TMA)와 방위주파수정보를 함께 이용하는 BFTMA(Bearing Frequency TMA)로 구분된다. [1,2] 이러한 TMA는 가관측 성이 보장되는 조건[3,4]에서 일정 시간동안 획득된 측정치를 이용하여 표적기동 초기치를 추정하는 일 괄추정 기법과 일괄추정으로부터 산출한 표적기동 초기치를 필터의 초기치로 설정하여 표적 정보를 추 정하는 순차추정 방법이 결합되어 수행되는 것이 일반적이다. [5,6] 따라서 빠르고 정확한 TMA 결과를 얻 기 위해서는 일괄추정 시 정확한 표적기동 초기치를 산출하는 것이 중요하다.
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