수중음향합성환경에서 음향 센서 성능 분석을 위한 표적 모델링

Abstract

수중에서 운용되는 소나는 해양환경에 의해 발생되는 잔향음, 표적신호, 수중소음 등 다양한 공간적 영향 요소에 의한 신호가 함께 수신된다. 이로 이해 수중에서 표적을 탐지하는 데는 많은 제약 사항이 있으며 이와 같은 환경에서 운용 성능을 예측하기 위해서는 수중에서 변동되는 음파의 특성을 고려한 표적신호가 모의 되어야 한다. 본 논문에서는 음향탐지에 영향을 주는 요소들을 고려한 해양환경을 수중음향합성환경이라 정의하였으며 이에 따라 발생되는 음파의 다중경로 전달모의와 그에 따른 표적 반향신호, 경계면에서의 잔향음, 소음 등의 모의를 통해 능동소나 시스템의 음향 탐지성능을 평가하기 위한 표적 반향 신호모의 연구를 수행하였다. 특히 수중음향합성환경에서 다중 경로에 의한 표적신호 모의를 위해 3차원 형상의 표적모델을 만들어 실험과의 비교를 통한 유사성을 확인하였다. 비교 결과 실험 표적과 모의 표적의 형상오차 및 실험 오차로 인해 일부 경우에서 5~10dB의 표적강도 차이가 나타났다. 하지만 신호의 입사각에 따른 표적강도 변화 및 표적의 부분별 특성에 따른 신호의 형태 변화가 잘 모의 되었음을 확인할 수 있었다. 또한 기존의 2차원 표적형상을 통한 표적신호모의 결과와 비교하여 3차원 표적형상모델이 실제 표적의 각 부분별 특성을 잘 반영함을 확인하였다. 그리고 수중음향합성환경에서 모의된 표적신호를 통해 단일 전달 경로와 다중전달 경로를 고려한 음파 수신 특성 차이를 비교하였다. 단일 전달경로만을 고려한 표적 반향신호 모의결과는 입사각에 따른 표적의 각 부분별 특성 변화가 잘 나타나는 반면 음파의 다중 전달경로를 고려한 했을 경우는 각 경로별 신호의 중첩현상으로 인해 표적 반향신호의 길이가 변하고 표적의 각 부분별 형상에 의한 신호특성이 사라지거나 변화되어 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로 임의의 천해 해양환경에서 기본적인 신호처리 방법을 적용한 능동소나의 탐지성능을 확인하였다. 임의의 환경에서 모의된 신호는 경계면에 의해 발생되는 잔향음이 크게 나타났으며 이로 인해 표적탐지성능에 크게 저하시키는 것을 확인할 수 있었다. 또한 음파의 다중경로로 인해 신호처리에 의한 표적 정보가 부정확해 지는 것을 확인할 수 있었다. 특히 저속으로 기동하는 표적은 CW 신호 운용을 통한 표적의 속도와 위치를 탐지하는데 어려움을 확인하였다.