[논문]비동기 양상태 소나의 표적 거리 추정 오차 분석

정의철; 김태환

doi:10.7776/ask.2020.39.3.163

비동기 양상태 소나의 표적 거리 추정 오차 분석
Analysis of the range estimation error of a target in the asynchronous bistatic sonar 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.39 no.3, 2020년, pp.163 - 169

정의철 (국방과학연구소 해양기술연구원) , 김태환 (국방과학연구소 해양기술연구원)

초록
AI-Helper

비동기 양상태 소나는 음원 방향에서 수신되는 직접파를 탐지하고 직접파가 수신된 시간을 추정하여 반사파의 거리를 산출한다. 따라서 동기식에 비해 직접파 수신 시간 추정 오차가 표적 거리 추정 오차에 더하여 나타난다. 특히, 직접파는 다중경로 신호에 의해 정합필터 출력이 여러 개의 첨두치로 나타나는데 문턱치를 넘는 첫 번째 첨두치로 직접파 도달시간을 추정하는 기법과 가장 큰 첨두치로 직접파 도달시간을 추정하는 기법에 대하여 분석하였다. 실험은 공간적으로 분리된 음원과 해저에 매설된 선배열 수신센서로 구성된 양상태 소나를 이용하여 모의 반향기에서 반향되는 유사 표적 신호를 획득하는 방식으로 진행되었다. 실험결과 첫 번째 첨두치로 직접파 도달시간을 추정하는 기법이 표적 거리 추정 오차가 더 작은 것을 확인하였다. 도출된 결과는 비동기 양상태 소나의 표적 추적 기법에 활용할 예정이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The asynchronous bistatic sonar needs to estimate direct blast arrival time at a receiver to localize targets, and therefore the direct blast arrival time estimation error could be added to target localization error in comparison with synchronous system. Direct blast especially appears as several peaks at the matched filter output by multipath, thus we compared the first peak detection technique and the maximum peak detection technique of those peaks for direct blast arrival time estimation through sea trial data. The test was performed in a shallow sea with bistatic sonar made up of spatially separated source and line array sensors. Line array sensors obtained the target signal which is generated from the echo repeater. As a result, the first peak detection technique is superior to maximum peak detection technique in direct blast arrival time estimation error. The result of this analysis will be used for further research of target tracking in the asynchronous bistatic sonar.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Geometry of the bistatic sonar.
그림 Fig. 2. (Color available online) Flow diagram of the asynchronous bistatic sonar.
그림 Fig. 3. Flow diagram of the direct blast detection algorithm.
그림 Fig. 4. (Color available online) Estimation of the direct blast arrival time from the first peak and the maximum peak.
그림 Fig. 5. (Color available online) Configuration of the experiment for the bistatic Sonar.
그림 Fig. 6. Placement of source, sensor and echo repeater for (a) scenario 1, and (b) scenario 2.
그림 Fig. 7. (Color available online) Sound speed in the experiment sea area.
그림 Fig. 8. (Color available online) (a) Results of the direct blast detections and measured values of PRI.
그림 Fig. 9. (Color available online) (a) Bscan image with regard to echo rangebearing. The target signal in the circle is from a echo repeater and the other in the square is a ghost target. (b) Target echoes (black color) whose signal to noise ratio are more than 7 dB.
그림 Fig. 10. Measure values of target range for (a) scenario1 and (b) scenario2.
표 Table 1. Estimation error of target range and direct blast arrival time.

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 논문에서는 해저에 매설된 고정형 수신센서와 물리적으로 분리된 음원으로 구성된 양상태 소나를 이용하여 모의 표적을 탐지하는 실험을 수행하였다. 획득한 실험 데이터로 비동기 양상태 소나의 직접파도달시간 및 표적 거리 추정 오차를 분석하였다.

가설 설정

10의 실제 표적 거리는 음원 및 모의 반향기를 운용하는 시험선에 기록된 GPS로 계산하였다. 음원 및 모의 반향기가 정확하게시험선 수직 아래에서 운용이 되었다면 시험선의 GPS와 음원 및 모의 반향기의 위치가 거의 일치한다고 가정할 수 있다. 그러나 해류나 파도에 의해 음원 및 모의 반향기가 수직/수평 운동을 하였다면 GPS위치와 다소 차이가 있을 수 있다.

제안 방법

3에 나타내었다.^[2] 직접파 탐지를 수행하기 전에 주변 소음 준위에 대한 영향을 줄이기 위해 음원 방위 빔신호의 정합필터 출력에 대해 잡음 규준화를 수행한다. 다음으로 펄스 반복 주기를 추정하기 위해 규준화 된 정합필터 출력에 여러 개의 가상 임계치를 설정하고 각 임계치마다 해당 임계치를 넘는 첨두값의 시간을 추출한다.
다음으로 펄스 반복 주기를 추정하기 위해 규준화 된 정합필터 출력에 여러 개의 가상 임계치를 설정하고 각 임계치마다 해당 임계치를 넘는 첨두값의 시간을 추출한다. 다음으로 가상 임계치 별로 펄스 반복 주기를 추정하고, 펄스 반복 주기가 일정하게 추정되는 가상 임계치만 후보로 선택하여 최종 직접파 탐지 문턱치를 설정한다. 직접파 문턱치를 넘는 첨두치는 직접파로 탐지하지만 실제 해양환경에서는 직접파가 다중경로로 인하여 여러 개의 첨두치로 탐지될 수 있다.
^[2] 직접파 탐지를 수행하기 전에 주변 소음 준위에 대한 영향을 줄이기 위해 음원 방위 빔신호의 정합필터 출력에 대해 잡음 규준화를 수행한다. 다음으로 펄스 반복 주기를 추정하기 위해 규준화 된 정합필터 출력에 여러 개의 가상 임계치를 설정하고 각 임계치마다 해당 임계치를 넘는 첨두값의 시간을 추출한다. 다음으로 가상 임계치 별로 펄스 반복 주기를 추정하고, 펄스 반복 주기가 일정하게 추정되는 가상 임계치만 후보로 선택하여 최종 직접파 탐지 문턱치를 설정한다.
동기식 양상태 소나와 비교했을 때 가장 큰 차이점은 능동펄스 탐지/식별과 직접파 탐지/도달시간 추정 부분이 추가되었다는 점이다. 본 논문에서 주로 다루는 부분은 점선으로된 사각박스 안에 해당하며 직접파 탐지/도달시간 추정을 바탕으로 반사파의 거리를 산출하고 B-scan에 탐지된 표적의 거리 오차를 분석하였다. 여기서 직접파 탐지 기법은 과거에 이미 연구된 사례가 있으며 간략한 알고리듬 순서도를 Fig.
비동기 양상태 소나의 표적 거리 추정 오차는 직접파 도달시간 추정 오차에 직접적인 영향을 받으며 본 논문에서는 천해에서 실시한 모의 표적 실험으로부터 비동기 양상태 소나의 직접파 도달시간 및 표적 거리 추정 오차를 분석하였다. 특히, 직접파는 다중경로 신호에 의해 정합필터 출력이 여러 개의 첨두치로 나타나는데 첫 번째 첨두치로 직접파 도달시간을 추정하는 기법과 최대 첨두치로 직접파 도달시간을 추정하는 기법에 대하여 분석한 결과 첫 번째 첨두치 탐지 기법의 직접파 추정오차 및 표적 거리 표준편차가 더 작은 것을 확인하였다.
음원 수심은두 시나리오 모두 15 m, 선배열 수신센서의 수심은 첫 번째 시나리오에서 90 m, 두 번째 시나리오에서 50 m이다. 실험 해역의 음속은 수심에 따라 1480 m/s~ 1510 m/s로 측정되었으며(Fig. 7) 본 논문에서는 표적 거리계산에 필요한 음속 값을 해수면부터 선배열 수신센서 수심까지의 음속 평균값인 1495 m/s(첫 번째 시나리오), 1500 m/s(두 번째 시나리오)로 설정하였다.
양상태 소나 모의 표적 탐지 실험을 위하여 Fig. 5와 같이 해저에 매설된 선배열 수신센서와 음원, 모의 반향기를 이용하였다. 모의 반향기는 음원에서 송신된 펄스를 수신하여 1.
직접파 문턱치를 넘는 첨두치는 직접파로 탐지하지만 실제 해양환경에서는 직접파가 다중경로로 인하여 여러 개의 첨두치로 탐지될 수 있다. 이 때 여러 개의 첨두치 중 어느 것을 선택하여 직접파 도달시간을 추정해야 하는지가 본 논문에서 도출하고자 하는 주요 사항이며 문제의 단순화를 위해 Fig. 4와 같이 크게 두 가지로 제안하였다.
첫 번째 첨두치 탐지 기법은 가장 짧은 경로로 도달하는 직접파를 탐지한다는 의미로서 대표성이 있으며 최대 첨두치 탐지 기법은 일반적으로 표적 신호를 측정할 때 최대 첨두치로 많이 측정하기 때문에 이와 동일한 방법으로 직접파를 탐지한다는 의미로서 대표성이 있으므로 이 두 가지 방법을 제안하였다.
본 논문에서는 해저에 매설된 고정형 수신센서와 물리적으로 분리된 음원으로 구성된 양상태 소나를 이용하여 모의 표적을 탐지하는 실험을 수행하였다. 획득한 실험 데이터로 비동기 양상태 소나의 직접파도달시간 및 표적 거리 추정 오차를 분석하였다. 본 논문의 구성은 2장에서 양상태 소나의 표적 거리 추정 개념과 비동기 양상태 소나의 시스템 구성에 대한 소개, 3장에서는 해상 실험 시나리오 소개 및 실험결과 분석, 4장을 끝으로 결론을 맺었다.

이론/모형

양상태 소나는 탐지된 표적의 위치 산출을 위해서 음원, 수신센서, 표적이 이루는 삼각 형태의 기하학적인 모델을 이용한다. Fig.

성능/효과

8(a)에서 알 수 있듯이 첫 번째 첨두치 탐지 기법으로 추정한 직접파의 위치가 송신 핑에 따라 비교적 변동 없이 고정적으로 나타나며 Eq. (1)의 표적거리 산출 수식은 시간지연변수에 대하여 분모보다 분자의 차수가 높은 함수로서 시간지연의 표준편차가 커질수록 표적거리의 표준편차도 커지는 것은 자명하다. 이러한 이유로 표적거리 표준편차에 대해서는 첫 번째 첨두치 탐지기법의 성능이 더 우수하다고 할 수 있다.
비동기 양상태 소나의 표적 거리 추정 오차는 직접파 도달시간 추정 오차에 직접적인 영향을 받으며 본 논문에서는 천해에서 실시한 모의 표적 실험으로부터 비동기 양상태 소나의 직접파 도달시간 및 표적 거리 추정 오차를 분석하였다. 특히, 직접파는 다중경로 신호에 의해 정합필터 출력이 여러 개의 첨두치로 나타나는데 첫 번째 첨두치로 직접파 도달시간을 추정하는 기법과 최대 첨두치로 직접파 도달시간을 추정하는 기법에 대하여 분석한 결과 첫 번째 첨두치 탐지 기법의 직접파 추정오차 및 표적 거리 표준편차가 더 작은 것을 확인하였다. 이 결과로서 표적 추적 알고리듬에 첫 번째 첨두치 탐지 기법으로 더 안정적인 표적 거리 입력값을 제공하고 더 높은 추적 성능을 기대할 수 있다.

후속연구

비동기 양상태 소나에 대한 연구는 현재까지 국내외로 알려진 바가 거의 없으며 본 연구를 통해 얻어진 결과는 향후 비동기 양상태 소나의 표적 추적 기법에 활용할 예정이다.
특히, 직접파는 다중경로 신호에 의해 정합필터 출력이 여러 개의 첨두치로 나타나는데 첫 번째 첨두치로 직접파 도달시간을 추정하는 기법과 최대 첨두치로 직접파 도달시간을 추정하는 기법에 대하여 분석한 결과 첫 번째 첨두치 탐지 기법의 직접파 추정오차 및 표적 거리 표준편차가 더 작은 것을 확인하였다. 이 결과로서 표적 추적 알고리듬에 첫 번째 첨두치 탐지 기법으로 더 안정적인 표적 거리 입력값을 제공하고 더 높은 추적 성능을 기대할 수 있다.

참고문헌 (5)

G. -L. Liang, Y. Zhang, G. -P. Zhang, and K. Liu, "Research on the frequency hopping bistatic sonar system," ICGIP. 8285 (2011).
E. Jeong, J. -k. Ahn, and J. Kim, "Direct blast detection algorithm for asynchronous bistatic sonar systems" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 37, 139-146 (2018).
P. A. M. de Theije and J. -C. Sindt, "Single-ping target speed and course estimation using a bistatic sonar," IEEE J. Ocean. Eng. 31, 236-243 (2006).

상세보기
Y. T. Chan, Underwater Acoustic Data Processing (Springer, Netherlands, 1989), pp. 3-24.
S. Coraluppi, "Multistatic sonar localization," IEEE J. Ocean. Eng. 31, 964-974 (2006).

상세보기

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