[논문]GSFM 펄스를 이용한 다중 수직지향각 기반 선체고정소나 능동 표적 탐지

홍정표; 조점군; 김근환; 이균경; 윤경식

doi:10.7776/ask.2020.39.4.237

초록
AI-Helper

수중표적의 저소음화로 표적의 방사소음이 감소함에 따라 수동소나의 한계가 나타나면서 신호를 송신하고 표적 반사 신호를 탐지하는 능동탐지에 대한 연구가 활발해 지고 있다. 일반적으로 선체고정소나(Hull-Mounted Sonar, HMS)를 이용한 능동탐지 시 음파가 도달하지 않는 음영구역을 줄이기 위해 수직지향각을 조정하면서 다수의 Linear Frequency Modulation(LFM) 부펄스를 대역분할하여 순차적으로 송신한다. 하지만 최근에 Sinusoidal Frequency Modulation(SFM)의 일반화된 형태인 Generalized SFM(GSFM) 펄스가 제안되었고, 파라미터 설정에 따라 GSFM 부펄스 간에 직교성이 확인되었다. 따라서, 본 논문에서는 GSFM을 선체고정소나의 다중 수직지향각 능동탐지에 활용함으로써 부펄스의 대역폭 사용을 극대화 하여 신호처리 이득에 따른 능동탐지 성능을 향상 시킬 수 있음을 보였다. 모의실험을 통해 부펄스가 3개일 때, GSFM이 LFM 대비 약 5 dB 정도의 정합필터 이득이 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In decades, active sonar, which transmits signals and detects incident signals reflected by underwater targets, has been significantly studied since passive sonar in Anti-Submarine Warfare (ASW) detection performance becomes lowered, as underwater threats become their radiated noise reduced. In gene...

In decades, active sonar, which transmits signals and detects incident signals reflected by underwater targets, has been significantly studied since passive sonar in Anti-Submarine Warfare (ASW) detection performance becomes lowered, as underwater threats become their radiated noise reduced. In general, active sonar using Hull-Mounted Sonar (HMS) adjusts vertical tilt (depression) and sequentially transmits multiple Linear Frequency Modulation (LFM) subpulses which have non-overlapped bands, i. e. 1 kHz ~ 2 kHz, 2 kHz ~ 3 kHz, in order to reduce shadow zones. Recently, however, Generalized SFM (GSFM), which is generalized form of SFM, is proposed, and it is confirmed that subpulses of GSFM have orthogonality among each other depending on setting of GSFM parameters. Hence, in this paper, we applied GSFM to active target detection using HMS to improve the performance by the signal processing gain obtained from enlarged bandwidths of GSFM subpulses compared to those of LFM subpulses. Through simulation, we verified that when the number of subpulses is three, the matched filter gain of GSFM is approximately 5 dB higher than that of LFM.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. (Color available online) An example of sound propagation transmitted by HMS.
그림 Fig. 2. (Color available online) Bottom bounce detection using HMS vertical tilt.
그림 Fig. 3. (Color available online) The spectrogram of a GSFM pulse (ρ = 2 , C=5).
그림 Fig. 4. (Color available online) The ambiguity function of a GSFM pulse (ρ = 2 , C=5).
그림 Fig. 5. (Color available online) Four types of orthogonal GSFM pulse spectrograms.
그림 Fig. 6. (Color available online) Proposed active target detection with HMS using GSFM pulse.
그림 Fig. 7. (Color available online) Graphical description of the simulation environments.
그림 Fig. 8. (Color available online) Times series of three synthesized scenario signals using Ray-tracing.
그림 Fig. 9. (Color available online) Spectrgram, auto & cross ambiguity functions of GSFM pulses (FT, FT/FF, RT/FF) for orthogonality analysis.
표 Table 1. parameters for simulation environments.
그림 Fig. 10. (Color available online) Ray tracing and matched filtering results of three simulation scenarios.
그림 Fig. 11. (Color available online) Doppler mismatch analysis of the LFM and GSFM.

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

따라서, 본 논문에서는 GSFM 펄스의 직교성을 이용하여 선체고정소나의 수직지향 운용 시 펄스 간의 간섭을 제거하면서 시간 대역폭 곱을 최대화하는 운용 방안을 제안한다. GSFM 펄스는 펄스의 파라미터에 따라서 직교성을 보이는 펄스를 여러개 만들어 낼 수 있기 때문에 직교성을 갖는 GSFM 펄스를 서로 다른 수직지향각으로 송·수신할 경우 주파수 대역폭 이 겹치더라도 상호간의 간섭을 억제할 수 있으므로 시간 대역폭 곱을 최대로 사용할 수 있다.
본 논문에서는 직교성이있는 GSFM 펄스를 선체 고정소나의 수직지향 능동탐지에 적용함으로써 탐 지성능을 향상시키는 방법에 대해서 제안하였다. GSFM의 직교성을 이용한 부펄스의 대역폭 사용 이득으로 능동탐지 성능향상을 기대하였고, 모의실험 결과, 부펄스가 3개일 경우, LFM 대비 GSFM을 이용한 정합필터 성능이 약 5 dB 향상됨을 확인하였다.

제안 방법

2500 Hz에서 3500 Hz 사이의 주파수 대역을 갖는 LFM과 GSFM 펄스 두 종류를 사용하였으며, 3개의 수직지향각을 각각 10°, 4°, -2°로 설정하였다.
이때 LFM은 전체 1 kHz 대역폭을 3개의 부펄스가 1/3씩 대역분할하였고, GSFM 펄스는 부펄스의 중심주파수, 대역폭, 펄스길이는 같게 하고, 직교성을 확보하기 위해서 TFR만을 변경하였다. GSFM의 부펄스 간 직교성을 분석하기 위해 Fig. 8과 같이 스펙트로그램과 모호성 함수를 분석하였다. 해당 모의실험의 GSFM의 부펄스로는 FT, FT/FF, RT/FF 세가지를 사용하였고, Fig.
Spectrgram, auto & cross ambiguity functions of GSFM pulses (FT, FT/FF, RT/FF) for orthogonality analysis.
시나리오 1은 기존 방법인 LFM을 이용한 수직지 향 능동탐지를 모사하였다. Fig.
해당 시나 리오의 표적 정보(거리, 심도, 도플러), 펄스 종류 및 파라미터(중심주파수, 대역폭, 펄스길이)는 Table 1에 구체적으로 기술하였다. 이때 LFM은 전체 1 kHz 대역폭을 3개의 부펄스가 1/3씩 대역분할하였고, GSFM 펄스는 부펄스의 중심주파수, 대역폭, 펄스길이는 같게 하고, 직교성을 확보하기 위해서 TFR만을 변경하였다. GSFM의 부펄스 간 직교성을 분석하기 위해 Fig.
는 펄스의 길이를 나타낸다. 표적의 도플러도 탐지하기 위해 수직지향 송․수신을 할 때 LFM 부펄 스 앞에 각각 Continuous Wave(CW) 펄스를 송신하기 도 하지만 본 논문의 목적에 맞게 LFM 부펄스만을 고려하기로 한다. \(N\)개의 LFM 부펄스로 이루어진 수직지향 송신신호를 수식화하면 아래와 같다.
한편, 최근에 Hague와 Buck이 Sinusoidal Frequency Modulation(SFM)의 일반화된 형태인 Generalized SFM (GSFM)을 제안하였다. ^[5] GSFM은 거리-도플러 분해 능이 모두 우수한 압정형태의 광대역 펄스로서, 파 라미터 설정에 따라 서로 직교하는 부펄스를 생성할 수 있는 특징이 있는 것으로 알려져 있다.

이론/모형

음속이 심도가 깊어질수록 증가하 도록 설정하였다. 실제 해상환경을 모사하기 위해 음선 추적기법[10]을 활용하여 잔향신호를 합성하였 으며, 그 결과는 Fig. 8과 같다. 합성된 신호의 표본화 주파수는 8192 Hz, 수심은 75 m, 송수신기의 깊이는 5 m로 신호대 잡음비는 -3.

성능/효과

본 논문에서는 직교성이있는 GSFM 펄스를 선체 고정소나의 수직지향 능동탐지에 적용함으로써 탐 지성능을 향상시키는 방법에 대해서 제안하였다. GSFM의 직교성을 이용한 부펄스의 대역폭 사용 이득으로 능동탐지 성능향상을 기대하였고, 모의실험 결과, 부펄스가 3개일 경우, LFM 대비 GSFM을 이용한 정합필터 성능이 약 5 dB 향상됨을 확인하였다. 향후 본 모의실험에서 수행된 시나리오를 실제 해상 실험을 통해 유효성을 입증할 계획이다.
10(b) 와 같이 시나리오1과 동일 한 표적일 때, 제안한 GSFM을 이용한 수직지향의 정 합필터 결과를 분석하기 위한 실험이다. LFM과 같 이 수직지향# 1에 해당하는 음선만 지나가므로 Fig. 10(e), (h), (k) 중 (e)에서만 표적이 탐지되었고, 표적 거리에 해당하는 2.53 s에 정합필터 첨두값이 존재하 며, 이득은 20.98 dB로 LFM 대비 5.17 dB 가량 높았다. 이는 LFM대비 부펄스의 대역폭이 3배 증가했기 때문으로 보인다.
3은 GSFM의 스펙트로그램을 나타내었다. SFM의 스펙 트로그램이 정현파(CW) 형태를 갖는 반면에 GSFM 은 LFM형태의 스펙트로그램을 갖는 것을 확인할 수 있다. 이와같이 시간-주파수 영역에서의 주기성을 제거함으로써, SFM의 도플러축 grating lobe에 해당 하는 탐지불가속도를없앨 수 있다.
65 dB였다. 표적의 위치가 다르므로 시나리오1과 직접적인 비교는 무리지만 참고하여 결과를 분석해 보면, LFM 대비 탐지 성능을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

후속연구

GSFM의 직교성을 이용한 부펄스의 대역폭 사용 이득으로 능동탐지 성능향상을 기대하였고, 모의실험 결과, 부펄스가 3개일 경우, LFM 대비 GSFM을 이용한 정합필터 성능이 약 5 dB 향상됨을 확인하였다. 향후 본 모의실험에서 수행된 시나리오를 실제 해상 실험을 통해 유효성을 입증할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수동소나의 한계가 나타나면서 최근에 제안된 펄스는 무엇인가?	일반적으로 선체고정소나(Hull-Mounted Sonar, HMS)를 이용한 능동탐지 시 음파가 도달하지 않는 음영구역을 줄이기 위해 수직지향각을 조정하면서 다수의 Linear Frequency Modulation(LFM) 부펄스를 대역분할하여 순차적으로 송신한다. 하지만 최근에 Sinusoidal Frequency Modulation(SFM)의 일반화된 형태인 Generalized SFM(GSFM) 펄스가 제안되었고, 파라미터 설정에 따라 GSFM 부펄스 간에 직교성이 확인되었다. 따라서, 본 논문에서는 GSFM을 선체고정소나의 다중 수직지향각 능동탐지에 활용함으로써 부펄스의 대역폭 사용을 극대화 하여 신호처리 이득에 따른 능동탐지 성능을 향상 시킬 수 있음을 보였다.
	선체고정소나를 이용한 능동탐지 시 펄스의 탐지 성능이 저하되는 이유는 무엇인가?	일반적으로 선체고정소나를 이용한 능동탐지 시, 거리-방위 추정을 위해 여러 개의 Linear Frequency Modulation(LFM) 부펄스를주파수 대역 분리하여 운 용한다. 이는 서로 다른 LFM 부펄스 간의 간섭을 제 거하는 측면에서는 유용하지만 전체 시스템에서 사 용가능한 주파수 대역이 한정되어 있기 때문에 각각 의 부펄스가 사용하는 대역폭이 좁아지므로 시간대 역폭 곱이 감소하여 펄스의 탐지 성능이 저하되는 단점이 있다.
	소나의 종류는 무엇이 있는가?	소나는 음향신호의 송신여부에 따라 능동소나와 수동소나로 나뉘며, [1,2] 90년대 이후 표적의 정숙화 와 해상 교통량 증가로 인해 수동소나를 이용한 표적 탐지의 한계점이 드러나면서 능동소나에 대한 연구가 활발해 지고 있다.

참고문헌 (10)

A. A. Winder, "II. Sonar system technology," IEEE Tran. Sonics Ultrason. 22, 291-332 (1975).
W. C. Knight, R. G. Pridham, and S. M. Kay, "Digital signal processing for sonar," Proc. IEEE, 69, 1451-1506 (1981).

상세보기
A. D. Waite, Sonar for Practising Engineers, 3rd ed. (John Wiley & Sons, West Sussex, U.K. 2002), pp. 125-219.
T. G. Bell, Probing the Ocean for Submarines: A History of the AN/SQS-26 Long-Range, Echo-Ranging Sonar (Warfare centers, NAVSEA, Newport, 2010), pp. 1-58.
D. A. Hague and J. R. Buck, "The generalized sinusoidal frequency-modulated waveform for active sonar," IEEE J. Ocean. Eng. 42, 109-123 (2017).
D. A. Hague and J. R. Buck, "The generalized sinusoidal frequency modulated waveform for continuous active sonar," OCEANS 2015-Genova. IEEE 1-8 (2015).
D. A. Hague, The generalized sinusoidal frequency modulated waveform for active sonar systems: A dissertation in electrical engineering (Ph.D. thesis, University of Massachusetts Dartmouth, 2015).
G. Kim, K. Yoon, D, Lee, C. Cho, J. Hong, and K. Lee, "Design of the robust generalized sinusoidal frequency modulated pulse in reverberation environments" (in Korean), J.ksiis. 24, 95-104 (2009).
C. Guan, Z. Zhou, and X. Zeng, "Optimal waveform design using frequency-modulated pulse trains for active sonar," Sensors, 19, (2019).
R. J. Urick, Principles of Underwater Sound 3rd ed. (Peninsula Publising Los Atlos, California, 1983), pp. 147-197.

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

GSFM 펄스를 이용한 다중 수직지향각 기반 선체고정소나 능동 표적 탐지
Multiple vertical depression-based HMS active target detection using GSFM pulse 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (12)

표/그림 (12)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (10)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

GSFM 펄스를 이용한 다중 수직지향각 기반 선체고정소나 능동 표적 탐지 Multiple vertical depression-based HMS active target detection using GSFM pulse 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (12) 모든 표/그림 보기

표/그림 (12) 슬라이드로 보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (10)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김근환 (5) 이균경 (40) 윤경식 (3)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

GSFM 펄스를 이용한 다중 수직지향각 기반 선체고정소나 능동 표적 탐지
Multiple vertical depression-based HMS active target detection using GSFM pulse 원문보기

초록
AI-Helper

표/그림 (12)

표/그림 (12)

AI 본문요약
AI-Helper