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문제 정의
- 선정하여 이를 광대역에 걸쳐 표적신호를 생성해내는 방법을 제시한다. 또한, 표적의 광대역 음원의 전파에 감쇄요인이 되는 주변 환경에 대한 사실적인 모사를 위해 주변 환경 소음을 한국 해양에 적합한 모델로 근사화하고자 하였으며,[5],[6]어뢰의 기동에 따른 자체소음 모델링을 추가로 연구하여 최종 표적 및 주변소음에 대한 광대역 음향신호 모델링을 통한 보다 실제적인 어뢰소나 표적탐지 모델을 제시한다.
- 본 시뮬레이션은 고정 음원준위 설정값 입력을 통한 기본 소나방정식의 표적탐지 성능과 본 연구에서 제시한 어뢰소나 표적탐지 모델을 비교함으로써 탐지변별력이 향상됨을 통해 성능을 평가하고자 한다.
- 본 시뮬레이션은 운용자의 해상상태 선택입력에 따른 주변환경소음의 영향으로 인한 표적 소음의 감쇄 차이를 통해 탐지 성능의 차이를 확인하기 위함이다. 시뮬레이션에서 표적을 향하는 어뢰의 속력은 중속(12 m/s), 교통량은 중간인 0.
- 본 연구에서 정의하는 표적은 실제 해상에서 존재하는 어선 및 상선에서부터 전시상황에서의 구축함 및 잠수함까지 시나리오에 따라 다양한 입력범위의 기동 및 소음원 준위를 설정할 수 있도록 개발하였으며, 본 절에서는 운용자 설정값에 대해 넓은 주파수대역으로 확장함으로써 표적신호로부터 생성되는 음원 준위(Source Level)가 어뢰소나까지 전파되는 과정에서 손실이 발생되는 경우를 고려하여 광대역에 걸친 소음원으로 모사하는 방법을 제시한다.
- 본 연구에서는 어뢰발사 시뮬레이션에서 수신한 표적소음 기본 준위를 실제 환경과 유사하게 활용할 수 있도록 여러 신호들 가운데에서 표적신호를 선별하기 위한 어뢰소나 표적탐지 모델링 방안을 제시한다. 해양환경에서 수중 음향신호는 해수(Seawater) 매질의 특성으로부터 음원이 일으키는 압력, 부피, 힘 등 물리적인 관계에 의해 신호의 세기와 준위로 유도할 수 있다[3].
- 본 연구에서는 어뢰소나의 표적신호 탐지 과정에 있어서 실제적인 해상환경에 따른 영향성을 근사화한 음파전달 감쇄현상 모사를 위하여 음파의 화학적 전달손실 모델 적용, 환경에 의한 감쇄 및 어뢰 시스템 특성에 따른 감쇄 가능성들에 대한 분석을 통해 표적 소음 및 주변소음에 대한 광대역음원 모델링을 연구하였다. 수중음파탐지환경에서 소나방정식이라는 기본 이론을 근간으로 방정식의 각 항에 대한 기존 모델링 연구결과들 가운데에서 보다 실제 어뢰발사 환경에 근접하도록 해수 매질을 구성하는 화학적 성분에 대한 실험을 통한 전달손실 모델[4] 및 한국해역에서의 측정을 기반으로 한 주변소음모델[5,6] 등 실험치를 기반으로 한 모델을 분석 및 선정하여 어뢰소나 표적탐지 모델링에 적용하였다.
- 본 연구에서는 운용군의 경험치를 기반으로 실험적 데이터 수집을 거쳐 Fig. 7과 같이 구간 선형 모델(Piecewise linear model) 설계를 통해 어뢰속력 증가에 따른 소음 영향을 주변소음모델링에 고려하도록 연구하였다. 어뢰속력 저속을 기준으로 어뢰소나의 표적 접촉거리를 시뮬레이션을 통해 설정한 뒤 어뢰속력을 중속, 고속으로 증가시키며 어뢰속력 별 표적 접촉거리를 데이터로 확보하여 최적화된 어뢰속력 별 어뢰 자체소음 준위를 식 (10)과 같이 모델링하였다.
- 따라서 실제 어뢰 발사 전 작전 시나리오를 통해 운용군의 팀웍훈련을 반복 수행함으로써 운용능력을 고취시키기 위한 시뮬레이션 기능은 운용군에게 있어서 반드시 요구되는 기능이다. 본 연구에서는 잠수함 통합전투체계 개발에서 보다 실제적인 어뢰발사훈련 환경을 요구하는 운용군의 경험을 토대로 어뢰소나 표적탐지 환경에 대한 분석, 모델링 및 시뮬레이션 방법을 제시하였다. 실제 어뢰발사 환경은 넓은 주파수대역에서 어뢰와 표적 간 음파전달에 있어 다양한 요인에 의한 신호의 손실 및 감쇄가 발생하기 때문에, 본 연구에서는 이러한 요인에 대해 실험치 기반의 모델 연구결과 활용과 운용군의 경험치를 기반으로 분석, 모델링함으로써 손실 및 감쇄 요인에 대해 가상의 어뢰발사훈련 상황에서 다양하게 설정 가능하도록 시뮬레이션 개발에 반영하였다.
- 본 연구에서는 표적신호를 생성함에 있어 보다 실제적인 해상환경에 따른 영향성을 모사하기 위하여 표적이 발생하는 음향신호에 대해 광대역 음원으로 모델링하고 발생 소음이 전파되는 과정에서 감쇄, 즉 전달손실 현상에 대한 분석과 적용을 연구하였다. 일반적인 소나방정식에서 제시하는 거리에 따른 감쇄 영역인 기하학적 전달손실에 이어 매질을 구성하는 화학적 성분의 수심에 따른 수온, 압력에 의한 음향 전파 특성 이론을 추가로 가정하여 적용함으로써 표적으로부터 발생되어 해수를 통해 전달되는 음향신호 레벨은 식 (6)과 같이 광대역음원 준위와 전달손실 레벨로 모델링 할 수 있다.
- 본 연구의 목적은 전술훈련장 및 함 내 모의훈련 기능에 탑재되는 어뢰발사 시뮬레이션 개발에 있어서 이처럼 보다 실제적인 해상환경을 고려하여 모사함으로써 실제 유선유도 어뢰 발사 후 운용절차를 훈련에 접목하고자하는 운용군의 요구사항 및 경험을 기반으로 한 어뢰소나 음향 표적탐지 모델링 방안을 제시함에 있다.
- 이처럼 속력 제어에 의한 어뢰자체소음의 변화는 어뢰 선수에 탑재된 어뢰소나가 인지하는 시스템잡음으로 모델링 할 수 있다. 수중운동체에 대한 유체소음특성 분석을 통한 자체소음 모델링 연구가 잠수함 등의 플랫폼의 종류에 따라 진행되고 있으며[1,8,9], 본 연구에서는 현실적인 운용군의 경험치를 기반으로 해석함으로써 최종 운용군의 모의훈련 기능으로의 활용성을 목적으로 풀어내고자하였다.
가설 설정
- 본 연구에서는 보다 실제적인 모사를 위해 거리에 따른 전달손실과 더불어 해수라는 매질의 수중환경을 고려함으로써 매질을 구성하는 성분의 화학적 특성, 수심에 따른 수온 및 압력의 영향 등에 의한 음파 전달손실 가능성을 추가적으로 가정하였다.
- 본 연구에서는 표적신호 모델링과 동일하게 실제적인 소음원 모사를 위해 광대역소음원을 수신하는 상황을 가정하여 주변잡음에 대한 광대역 소음원 준위를 Fig. 4와 같이 모델링하였다. 주변소음신호 또한 표적신호와 마찬가지로 주파수대역 내의 각 주파수성분에 대한 세기의 합으로 근사화한 광대역음원으로 모델링 할 수 있다.
- 그리고 fBA, fMS는 붕산, 황산마그네슘의 화학적 반응에 따른 주파수 영향성으로써 순수 물의 경우 영향성을 고려하지 않는 완화주파수로 정의된다[4]. 여기서 염도 35 ‰, 산성도 8.0인 해수의 온도는 10 ℃, 압력은 1 atm으로 가정하였다. 이와 같이 매질의 성분에 따라, 그리고 매질의 환경에 따라 흡수되는 음향신호를 고려한 거리 당 전달손실 레벨 TLa는 식 (5)와 같이 흠읍계수와 거리로 표현할 수 있다.
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