[논문]초계함용 HMS(Hull Mount Sonar)를 이용한 어뢰방어시스템 연구

김희언; 김영길

[국내논문] 초계함용 HMS(Hull Mount Sonar)를 이용한 어뢰방어시스템 연구
Torpedo defense system research using HMS(Hull Mount Sonar) of PCC(Patrol Combat Corvette) 원문보기

김희언 (아주대학교) , 김영길 (아주대학교)

초계함(천안함급)에 탑재 된 HMS(Hull Mount Sonar) 장비는 능동모드에 적합하도록 설계 되어 있다. 이에 센서 및 시스템 특성이 어뢰 탐지 주파수 대역에 적당하도록 구성되어 있지는 않다. 이에 초계함에 장착 된 기존 HMS 장비를 이용한 어뢰탐지 기능 구현을 위하여, 초계함 함 별 입력 특성을 분석하고, 입력 주파수 신호에 대한 역보상 회로 설계, 입력 신호 크기에 따른 AGC(Auto Gain Control) 기능 구현 및 함별 신호특성에 따른 대역설정 기능을 통하여 함정 별 특성 및 운용환경 특성에 맞는 어뢰방어시스템을 구현한다.

HMS(Hull Mount Sonar) equipment mounted on PCC(Patrol Combat Corvette) is suitably designed for active mode, and the specific character of sensor or system is not appropriate for the frequency range to detect a torpedo. In this article, in order to implement the function of detecting torpedoes with HMS of existing PCC, I will analyze the feature of input signals each PCCs and design a circuit to compensate reversly for the input signal in certain frequency. And also, I will suggest the most adequate torpedo defense system suitable for the special operating environment and the charateristic of naval vessels, implementing functions such as AGC of input signal and fixing the frequency range of different input signals per different warships.

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문제 정의

천안함 사태 이후 함의 생존성을 높이기 위하여 어뢰 대항 체계에 대한 요구가 높아지게 되었으며, 기존 센서 시스템을 가지고 어뢰방어체계를 설계하도록 요구사항이 발생하게 되었다. 이에 기존 장비의 센서 신호를 분석하고 이에 적절하도록 입력단을 설계하여 어뢰 음향대항체계의 신호처리가 적절하게 동작될 수 있도록 시스템을 구성하는데 연구의 목적이 있다.

제안 방법

이에 주파수 구간 별 보상 회로 및 AGC(Auto gain control) 시스템 적용으로 센서에 입력되는 수신레벨에 따라 입력신호 레벨을 조정하고, Active 신호 입력 구간에 대해서도 A/D 컨버터의 overrange 입력구간을 확인하여 입력신호의 gain을 구성할 수 있도록 구성하였다.
한 개의 AD602에는 40dB의 가변 이득을 갖는 VGA가 2개 내장되어 있어, 이를 직렬 연결시 80dB의 변화가 가능하다. 본 시스템의 경우 입력 가변폭을 고려하여 0.5dB 간격의 gain 스템을 갖고 64dB 변경 범위를 갖는 VGA 시스템이 되도록 적용하였다.
해상의 입력신호가 비주기적인 임펄스 신호가 입력 되므로 필요한 신호가 왜곡 돼지 않는 레벨을 선정하였다. AGC의 설계 로직은 FPGA를 통해 구현되었으며 ADC 입력값에 대한 rms 전압값을 기준으로 적용하였다.
AGC 계산을 위한 FPGA는 Xilinx 사의 Virtex-5 계열의 FPGA 를 사용하였으며 ADC로부터 AD 된 데이터를 입력받아 4msec 단위로 128개의 sample 데이터를 입력 받아 게인값을 변경하여 적용하였다. FPGA 사용 로직량은 다음과 같다.
각 센서의 Gain 적용은 모두 동일하게 적용하며 각 센서별 적용 AGC 게인 값을 산출하여 최소 gain 값을 적용하여 신호의 왜곡이 발생하지 않도록 적용하였다.

대상 데이터

설계된 장비는 초계함 함정에 장착된 Sonar 장비인 AN/SQS-58 로부터 센서 신호을 입력 받는다. 이에 AN/SQS-58 장비 및 함에서 발생되는 노이즈 신호가 센서 신호와 혼합되어 입력된다.

이론/모형

역보상 커브를 만들기 위해서는 위상 변위가 적은 Bessel Filter를 적용하였다. 만족스러운 주파수 보상 특성을 얻기 위하여 2차 Low pass filter 3단으로 구성하였다.

성능/효과

AGC의 적용 주기는 gain의 적용값이 그 당시의 해상 상태나 함의 노이즈 상태에 적용하기 위한 것이지 순간적인 신호에 대한것에 반응 하도록 하는것은 아니다. 따라서 gain 적용 주기가 너무 빠를 경우도 문제가 발생하며, gain 적용 주기가 너무 빠르거나 및 gain의 변화량이 클 경우 gain적용되어 환산된 데이터 값이 왜곡 되는 현상을 볼 수 있었다. gain 적용 주기는 4msec 단위로 0.
Sonar 시스템에서의 센서입력 신호는 입력신호의 다이나믹 레벨을 확보하는 것과 빔 형성시의 위상 정보 활용을 위하여 신호의 변형을 최소화 할 필요가 있다. 센서 응답 특성에 맞는 역보상 회로 적용과 입력레벨에 따른 AGC 적용으로 입력신호에 대한 다이나믹 레인지를 얻을 수 있었으며, 입력신호에 따라 신호의 변형 없이 데이터 처리가 가능하게 되었으며, 어뢰 신호에 대한 탐지가 가능하였다.

후속연구

AN/SQS-58 센서의 경우 이러한 주파수 영역이 능동 구간과 상이하여 문제가 발생하지 않았으나 어뢰음향 대항체계의 경우 문제가 발생하므로 자함 노이즈 성분을 선택하여 제외하는 로직의 추가 될 필요가 있다. 또한, AGC 동작 시의 상한 경계값 확보를 위하여 능동 구간에서의 핑 신호 발생에 따른 ADC 의 overrange 지속 구간을 판단하여 능동구간을 판단 한 후 타 HMS 장비에서 적용한것과 같은 TVG(Time Varible gain ) 방식을 적용하는 방법에 대해서도 검토 필요해 보인다.

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