[논문]표적강도 수치해석 기법 개발과 실험적 검증

최영호; 김재수; 신기철; 유진수; 주원호; 김영현; 박종현; 최상문; 김우식

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최영호 (한국해양대학교 해양개발공학부) , 김재수 (한국해양대학교 해양개발공학부) , 신기철 (한국해양대학교 해양개발공학부) , 유진수 (한국해양대학교 해양개발공학부) , 주원호 (현대중공업 선박해양연구소) , 김영현 (현대중공업 선박해양연구소) , 박종현 (현대중공업 선박해양연구소) , 최상문 (국방과학연구소) , 김우식 (국방과학연구소)

표적강도는 수중 산란체의 능동 탐지 확률을 좌우하는 중요한 변수중 하나이며 산란체의 기하학적 형상에 의해 결정이 되기 때문에 수치해석을 통한 해석 및 예측이 가능하다. 수치해석 기법은 현재 여러 가지가 알려져 있으며, 그중 Kirchhoff approximation이 다른 해석 기법에 비해 거울면 반사특성의 산란해석에 적합하며, 프로그램으로의 적용이 용이하다는 장점으로 인해 많이 사용되고 있다. 본 연구에서는 이러한 장점에 의거하여 Kirchhoff approximation을 이용하여 표적강도 수치해석 프로그램을 개발 및 검증하였다. 프로그램의 성능 검증은 원통형 산란체에 대한 이론해 검증과 원통형 실험 산란체를 통한 실험 검증을 수행하였다.

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문제 정의

본 연구에서는 이러한 장점에 의거 하여 Kimhhoff approximatioir을 이용하여 표적강도 수치 해석 프로그램을 개발 및 검중하였다.
현재까지 알려진 표적강도 수치해석 기법으로는 BIE(Boundary Integral Equation), GTD (Geometrical Theory of Diffraction), BEM(Boundary Element Method), FEM(Finite Element Method), Kirchhoff approximation등이 있으며[1], 이중 Kirchhoff approximation이 거울면 반사특성의 산란해석에 적합하며, 다른 해석기법에 비해 프로그램으로의 적용이 용이하다는 장점으로 인해 현재 많이 사용되고 있다. 본 연구에서는 이러한 장점에 의거하여 Kimhhoff approximatioir을 이용하여 표적강도 수치해석 프로그램을 개발 및 검증하였다.

제안 방법

수치해석을 통한 표적강도는 음원과 수신기의 거리를 산란체의 기하학적 중심으로부터 원거리 음장 조건에 맞게 81m에 위치시켜 계산하였다. 그리고 이를 원통형 확산에 따른 전달손실(TS: Transmission Loss)을 보상하여 이론해와 검증하였다. 검증 결과 수치해석과 이론해가 비교적 유사한 결과를 보임을 확인할 수 있다.
수치해석을 통한 표적강도는 음원과 수신기의 거리를 산란체의 기하학적 중심으로부터 원거리 음장 조건에 맞게 81m에 위치시켜 계산하였다. 그리고 이를 원통형 확산에 따른 전달손실(TS: Transmission Loss)을 보상하여 이론해와 검증하였다. 검증 결과 수치해석과 이론해가 비교적 유사한 결과를 보임을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 Kirchhoff approximation을 이용하여 표적강도 수치해석 프로그램을 개발하였고, 이를 이론해와 실험을 통하여 성능을 검증하였다. 성능 검중 결과 이론적인 해와는 정확한 일치를 보였으며, 원통형 실험 산란체와도 실험 오차와 수치 오차를 고려할 때 어느정도 유사한 결과를 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 Kirchhoff approximation을 이용하여 표적강도 수치해석 프로그램을 개발하였고, 이를 이론해와 실험을 통하여 성능을 검증하였다. 성능 검중 결과 이론적인 해와는 정확한 일치를 보였으며, 원통형 실험 산란체와도 실험 오차와 수치 오차를 고려할 때 어느정도 유사한 결과를 확인할 수 있었다.
그림 4는 원통형 산란체의 이론해를 통해 검증한 결과이다. 수치해석을 통한 표적강도는 음원과 수신기의 거리를 산란체의 기하학적 중심으로부터 원거리 음장 조건에 맞게 81m에 위치시켜 계산하였다. 그리고 이를 원통형 확산에 따른 전달손실(TS: Transmission Loss)을 보상하여 이론해와 검증하였다.

대상 데이터

수신이 가능한 420kHz 의 음향 변환자 (Transducer)를 사용하였고, 음파는 12p.sec 톤 버스트 (Tone burst)파를 사용하였다, 음향 변환자의 위치는 실험 환경의 제약조건으로 인해 산란체의 기하학적 중심 에서 2ma리에 위치하며, 이는 근거리 음장 조건이다.
실험은 송·수신이 가능한 420kHz의 음향 변환자(Transducer)를 사용하였고, 음파는 12μsec 톤 버스트(Tone burst)파를 사용하였다, 음향 변환자의 위치는 실험 환경의 제약조건으로 인해 산란체의 기하학적 중심에서 2m거리에 위치하며, 이는 근거리 음장 조건이다.
원통형 신란체는 반경이 1cm이고, 길이가 40cm이다. 이론해가 산란체의 끝단(End-fire)은 고려하지 않기 때문에 양 끝단이 열린 형태로 모델링 되었고 주파수는 200kHz를 사용하였다.

데이터처리

프로그램의 성능 검증은 원통형 산란체의 이론해 검증과 원통형 실험 산란체의 실험 검증을 수행하였다.
프로그램의 성능 검증은 원통형 산란체의 이론해 검증과 원통형 실험 산란체의 실험 검증을 수행하였다.

성능/효과

그리고 이를 원통형 확산에 따른 전달손실(TS: Transmission Loss)을 보상하여 이론해와 검증하였다. 검증 결과 수치해석과 이론해가 비교적 유사한 결과를 보임을 확인할 수 있다.
그리고 이를 원통형 확산에 따른 전달손실(TS: Transmission Loss)을 보상하여 이론해와 검증하였다. 검증 결과 수치해석과 이론해가 비교적 유사한 결과를 보임을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 Kirchhoff approximation을 이용하여 표적강도 수치해석 프로그램을 개발하였고, 이를 이론해와 실험을 통하여 성능을 검증하였다. 성능 검중 결과 이론적인 해와는 정확한 일치를 보였으며, 원통형 실험 산란체와도 실험 오차와 수치 오차를 고려할 때 어느정도 유사한 결과를 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 Kirchhoff approximation을 이용하여 표적강도 수치해석 프로그램을 개발하였고, 이를 이론해와 실험을 통하여 성능을 검증하였다. 성능 검중 결과 이론적인 해와는 정확한 일치를 보였으며, 원통형 실험 산란체와도 실험 오차와 수치 오차를 고려할 때 어느정도 유사한 결과를 확인할 수 있었다.

후속연구

그러므로 완전한 표적강도에 대한 수치해석이 이루어지기 위해서는 내부 재방사 특성이 고려되어야만 한다. 내부재방사 특성은 Kirchhoff approximation자체만으로는 구현하기 어렵고, 다른 해석기법과 연성을 하여야 하며, 이는 추후 연구되어야 할 부분이다.
그러므로 완전한 표적강도에 대한 수치해석이 이루어지기 위해서는 내부 재방사 특성이 고려되어야만 한다. 내부재방사 특성은 Kirchhoff approximation자체만으로는 구현하기 어렵고, 다른 해석기법과 연성을 하여야 하며, 이는 추후 연구되어야 할 부분이다.

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