TRM 기법을 활용한 능동소나의 음파전달모델 기반 수중표적 수심 추정

Abstract

해양환경은 3차원 공간으로 이루어져 있으므로 수중표적(Target)의 위치를 정확히 파악하기 위해서는 방위 및 거리뿐만 아니라 수심 정보도 필요하다. 수중표적의 수심정보는 표적의 분류를 위한 기준점 또는 전략적 측면에서 핵심 전술정보로 활용될 수 있으므로 매우 중요한 정보이나 고각측정이 되지 않는 소나장비로는 수심정보를 획득할 수 없다는 현실적인 문제점이 존재한다. 본 논문에서는 해양연구에 널리 활용되는 음파전달모델과 Time Reversal Mirror(TRM) 이론을 능동소나의 반향신호와 결합시킴으로써 고각 측정이 불가능한 능동소나의 한계점을 극복하고, 수심을 추정할 수 있는 새로운 방법을 제안한다. 한양대학교 수조에서 TRM 실험을 수행하여 가역성 및 능동소나 반향음의 집속여부를 확인하였으며, 능동소나 반향음을 활용한 TRM의 수심추정 가능성을 확인하기 위해 음파전달모델 시뮬레이션을 수행하였다. 음파전달모델 상에서 해양환경을 구현하고 능동소나의 송신 및 수신신호를 모의하였으며, 생성된 능동소나 반향음 신호에 시역전 채널응답을 적용시켜 TRM을 수행하였다. 이후 각 지점에서의 채널응답 간의 상관성을 상호 비교하여 수중표적의 예상수심을 도출하였다. 뿐만 아니라 수심 추정성능을 향상시키기 위해 TRM 신호의 집속성능을 높일 수 있는 이중신호처리(2nd TRM) 개념을 새롭게 제안하고 수심추정 알고리즘에 적용하였다. 시뮬레이션을 통해 능동소나의 반향음을 활용한 TRM(1st TRM)이 가능함을 확인하였으며, 이중신호처리(2nd TRM)를 적용하여 수심추정 성능을 향상시켰다. 또한 실제 해양환경와 유사한 조건을 구현하여 2nd TRM을 수행함으로써 다양한 해양환경에서의 능동소나 반향음을 활용한 TRM 수심추정 가능성을 확인하였다.; Since the marine environment consists of three-dimensional space, information on the depth of water as well as the direction and distance is required to accurately grasp the location of the underwater target. Depth information of underwater targets is very important information because it can be used as a reference for the classification of targets or key tactical information in a strategic aspect, but there is a real problem that depth information cannot be obtained with sonar equipment that cannot measure elevation. In this paper, a new method for overcoming the limitations of active sonar, which cannot measure elevation, and estimating the depth of water, is proposed by combining the acoustic propagation model widely used in ocean research and the Time Reversal Mirror (TRM) theory with the echo signal of the active sonar. A TRM experiment was performed in a tank at Hanyang University to check the reciprocity and whether the active sonar echo is focused, and a sound wave transmission model simulation was performed to confirm the possibility of estimating the depth of the TRM using the active sonar echo signal. The marine environment was implemented on the acoustic propagation model, the transmission and reception signals of the active sonar were simulated, and the TRM was performed by applying the channel response to the generated active sonar echo signal. After that, the correlation between the channel responses at each point was compared to derive the expected depth of the underwater target. In addition, in order to improve the depth estimation performance, the concept of double signal processing(2nd TRM) that can increase the focusing performance of the TRM signal was newly proposed and applied to the depth estimation algorithm. Through simulation, it was confirmed that TRM(1st TRM) using the reverberation sound of active sonar is possible, and the depth estimation performance was improved by applying double signal processing(2nd TRM). In addition, by conducting the 2nd TRM by implementing conditions similar to the actual marine environment, the possibility of the TRM depth estimating using active sonar echo signal was confirmed in various marine environments.