J. Ocean Eng. Technol. Search

CLOSE


J. Ocean Eng. Technol. > Volume 28(5); 2014 > Article
다중상태 소나시스템을 적용한 표적반향음 연구 - Part I : 측정시스템 설계

Abstract

The target echoes contain information on the target such as the orientation, kinematics, and internal structure, as well as the external geometrical shape of the target. In addition, the pattern of the target echoes depends on the arrangement of the transmitters and receivers in space. Therefore, the study of the target echoes in a multi-static SONAR system can be useful for detecting and tracking submerged objects using an underwater surveillance system. For this purpose, an acoustic measuring system for multi-static target echoes was designed and tested in an acoustic water tank. Some preliminary data are presented and discussed.

1. 서 론

능동소나의 표적반향음(Target echoes) 연구를 위한 축소표적 시험은 제한된 크기의 수조 또는 호수 등과 같은 환경에서 실제 수중운동체와 유사한 표적을 일정한 비율로 축소하여 수행 하는 시험으로, 경제적 효율성과 실제 수중환경에 필연적으로 수되는 환경요인, 시험장비에 대한 불확실성을 제거할 수 있기 때문에 신호 대 잡음비(Signal to noise ratio, SNR)가 높은 표적 반향음을 획득할 수 있는 장점이 있다. 축소표적시험의 궁극적인 목적은 능동소나를 운용하여 수중표적을 탐지하고 이를 추적하는 등 수중감시체계를 효과적으로 구축하기 위한 설계치를 제공하는 것이며, 이러한 목적을 달성하기 위하여 실제 수조환경에서 축소표적의 외/내부형상 및 표적자세각 등의 다양한 표적정보에 대한 반향음을 획득하는 것이 필요하다. 획득된 표적반향음 자료는 특정 운용환경에 대한 수치모델링의 정확성 검증, 반향음의 정밀 분석 및 해석, 그리고 자료 구축을 통해 다양한 체계로 활용된다.
축소표적시험을 이용한 연구는 과거부터 지속적으로 수행되어 왔는데, 국외의 경우, NSWC (Naval Surface Warfare Center), ARD (Acoustic Research Detachment), 그리고 NUWC (Naval Undersea Warfare Center)에서는 환경적 불확실성을 최대한 배제하기 위해 다양한 시스템의 해상시험, 호수시험, 축소표적시험을 고안하여 수중운동체에 대한 방사소음, 표적강도(Target strength, TS), 그리고 표적반향음의 특성분석을 수행하였다 (Schreppler et al., 1996; Niemiec et al., 2005). 하지만, 본 연구분야는 기술공개 기피 대상이며, 세부적인 시험설계 방법 등이 공개되지 않아 국내 자체적인 연구가 필수적으로 요구되었다. 국내의 경우, 송/수신센서가 동일한 위치에 배치된 단상태 소나시스템(Mono-static SONAR system)에 대한 축소표적시험을 구성하여 현대 능동소나에 대한 음향산란영역에서는 주된 반향음 성분이 거울면반사(Specular reflection)임을 실험적으로 확인하였고(Shin et al., 1998), 다양한 표적구조물의 형상에 대한표적강도 및 반향특성을 파악하기 위한 연구를 수행한 바 있다 (Choi, 2005; Kim, 2005). 또한 Park(2007)은 단수의 송/수신센서가 분리된 양상태(Bi-static) 소나시스템에 대해 단순한 실린더 형상의 표적을 이용하여 양상태 표적반향음의 특성분석에 대한 실험적 방법의 초기연구를 수행하였다. 하지만, 최근 수중감시 체계의 능동표적 탐지개념은 송/수신센서의 위치가 동일한 단 상태 환경과 송/수신센서가 물리적으로 분리된 양상태 환경에서 벗어나, 다수의 송/수신센서가 배치되어 통합적으로 수중환경을 감시하는 다중상태(Multi-static) 환경으로 확장되고 있는 추세이므로, 이에 대한 다중상태 표적반향음을 이해하기 위해서는 정밀한 측정시스템의 구축이 필수적이다.
본 논문에서는 다중상태 환경에서의 표적반향음을 측정하기 위해 제한된 규모의 음향수조에서 축소표적시험을 위한 설계방안을 제시한다. 이를 바탕으로 실제 수조시험을 수행하여 다중상태 표적반향음을 측정하고 임의의 표적형상 및 표적자세각에 따른 표적강도 모델자료를 구축하며, 측정된 표적반향음 자료는 후속 논문에서 제안하는 다중상태 소나시스템 표적반향음 수치모델링 모의자료의 신뢰성 검증을 위한 근거로 활용한다.

2. 다중상태 축소표적시험

다중상태 축소표적시험은 수중운동체를 모사하는 축소표적모델을 중심으로 1 채널의 송신센서와 16 채널의 수신센서를 Fig.1과 같이 표적 주변에 일정 간격으로 배치하여 설계된 송신신호에 대해 표적에서 반사되는 표적반향음을 표적의 자세각, 표적외/내부의 형상, 송신센서의 심도 등의 변화에 따른 반향음의 시계열 신호를 기록하고, 이를 통해 다중상태 표적강도의 분석 및 표적 외/내부구조물에 의한 표적신호의 영향 등을 분석하기 위한 목적의 시험이다. 표적 외/내부형상의 변화를 위해 표적의 구조물을 세부모듈로 제작하여 다양한 조립이 가능토록 설계하였으며, 3 차원 표적강도 측정을 시도하기 위해 Fig. 2와 같이 송신센서의 높이를 조절가능토록 고정구조물을 설계하였다.
Fig. 1

Multi-static measuring system

HOGHC7_2014_v28n5_429_f001.jpg
Fig. 2

Available depth of transmitter

HOGHC7_2014_v28n5_429_f002.jpg

2.1 다중상태 축소표적시험 측정시스템 설계

다중상태 측정시스템 구성의 중요한 요건은 신호측정의 정확성을 높여 획득된 표적반향음의 신뢰성을 확보하는 것으로 표적과 송/수신센서의 위치정렬이 필수적으로 요구되며, 제한적인 음향수조공간에서는 수면반사와 수조벽면반사 그리고 시험을 구성하는 구조물과 같은 경계면에서 발생하는 음향학적 간섭에 의한 영향을 최소화하도록 설계해야 한다. 본 시험에서 다중상태 소나시스템의 구성은 다수센서의 흔들림을 최소화하고, 정확한 위치정렬을 위해 Fig. 1과 같은 팔면체 형태의 구조물을 설계하였다. 구조물의 반경은 3m로 설계하여 제안된 18m(L)×12m(W)×10m(D)의 음향수조 내에서 발생 가능한 수조벽면 또는 시험구성요소에 의한 무의미한 반사파와 표적반향음의 기하학적인 분리를 시도하였다. 또한, 팔면체 구조물의 반사신호의 영향을 최소화하기 위해 구조물의 모서리를 곡면으로 가공하여 반사면적을 최소화하였다. Fig. 2의 송신센서의 설치심도의 설정은 수면 및 수조 바닥면 반사신호의 분리가 가능하도록 5m수심의 표적에 대해 4~6m의 심도로 가변 할 수 있도록 설계하였다. 본 측정시스템의 전체적인 설계사양은 Table 1과 같으며, 다중상태 측정시스템의 전체적인 개념도는 Fig. 3과 같다.
Table 1

Specification of system

HOGHC7_2014_v28n5_429_t001.jpg
Fig. 3

Configuration for Multi-static measuring system

HOGHC7_2014_v28n5_429_f003.jpg
본 논문에서 제안하는 음향수조를 활용한 다중상태 축소표적시험 시스템은 축소표적모델에 대한 이론적 표적강도를 고려하여 송/수신센서에 대한 음압준위를 결정하고, 음향수조의 규모와 설계된 표적제원을 고려하여 송신주파수 및 펄스형태, 송/수신센서부, 신호처리부, 기록장치 등을 설계한다.

2.2 축소표적모델 설계

표적반향음의 산란특성을 결정짓는 큰 요인은 단상태 소나시스템을 적용한 축소표적시험자료의 분석을 통해 수중운동체를 구성하는 구조물형상에 의한 거울면반사라고 알려져 있으며 (Shin et al., 1998), 실제와 유사한 표적반향음을 측정하기 위해서는 탐지/분석의 대상이 되는 실제 수중운동체의 구조형상과 동일한 표적이 필요하다. 그러나, 실제 수중운동체의 외/내부에는 다수의 구조물이 존재하기 때문에 실제 수중운동체의 구조를 정밀하게 축소시켜 제작하기에는 기술적 측면에서 많은 어려움이 따른다. 또한, 각각의 외/내부구조물들이 표적반향음에 미치는 구체적인 영향을 분석하기 위해서는 복수의 외/내부구조물을 가지는 다수의 축소표적모델을 제작해야하나, 이는 현실적으로 쉽지 않다. 이러한 문제들로 인해 종래에는 특정 구조물만을 부착한 축소표적모델을 제작하거나 형상을 단순화 시킨 모형을 이용하였다(Choi, 2005; Park, 2007). 하지만 이 방법들은 실제 수중운동체의 구조물에 의해 발생되는 물리적 현상을 설명하기에는 제한적이며, 개별 구조물들이 표적반향음에 미치는 영향을 분석하는 데에도 한계가 있었다.
본 축소표적시험 시스템에서는 실제 수중운동체의 실린더, 갑판, 밸러스트 탱크, 내부보강재, 수평타, 프로펠러, 모터, 타원형상부 구조물 등과 같이 표적반향음 형성에 기여도가 높은 구조물형상을 선별하여 시험환경에 맞추어 특정비율로 축소하고 모듈화 시킨 후, 모듈별로 분리하여 구조물을 제작하였고, 시험목적에 따라 모듈을 선택하여 조립하는 제작방식을 제안하며, 이는 기존 축소표적모델에서 제한적으로 적용되었던 내부구조물의 한계를 보완하여 보다 정밀한 구조물로 형상한 실제와 유사한 축소표적모델을 설계하기 위함이다.
Fig. 4는 모듈식으로 설계된 축소표적모델의 내부구조물의 구성과 상부 구조물, 프로펠러를 장착한 완전체의 축소표적모델 의 형상을 나타낸다. 각 구조물에 대한 세부사항은 Table 2와 같이 단순한 실린더 형상의 몸체에 4개의 내부보강재, 밸러스트탱크, 내부의 갑판, 상부의 갑판, 그리고 프로펠러 등을 모사하여 내부구조물의 복잡성이 단계적으로 구성할 수 있도록 설계 되었고, 공기압 펌프를 이용하여 밸러스트탱크 내부를 물 또는 공기로 채울 수 있다. 이는 단계적으로 정밀하게 설계된 축소표적모델을 활용하여 측정된 표적반향음의 분석을 통해 실제 수중운동체로부터 반향된 음향신호로부터 표적상태에 대한 정보를 예측하기 위해 각 구조물에 따른 반향특성의 분석/비교할 수 있도록 고안된 방법이다.
Fig. 4

Structure of scaled target

HOGHC7_2014_v28n5_429_f004.jpg
Table 2

Design for scaled target model

HOGHC7_2014_v28n5_429_t002.jpg

2.3 주파수 및 송신신호 설계

축소표적시험은 실제 수중운동체에 의한 음장효과를 축소표적모델을 이용한 제한적인 환경에서 재현해야 하므로 상사법칙에 근거하여 설계하는 것이 필수적이며, 음향학적 상사법칙을 만족하기 위해서는 표적의 크기와 사용 주파수의 관계를 고려한 설계가 이루어져야 한다. 본 시스템은 제안된 규모의 음향수조 내 구성요소들 간의 시험배치를 고려하여 특정한 표적축소율 1/n으로 축소된 1.4m(L)×0.14m(D) 크기의 축소표적모델을 설계하였다. 실제 능동소나의 음향산란영역은 물리광학 이상의 영역으로, 음향매질 내의 음압에 대한 3 차원 파동방정식으로 전개된 축소모형에 대한 음향학적 상사모델은 표적크기(L)와 사용주파수(w=2𝜋f)에 대한 식 (1), 그리고 상사모델과 음압(HOGHC7_2014_v28n5_429_e001.jpg)에 대한 식 (2)에 근거하여 설계한다(Shin, 1996). 여기서, c는 음향매질의 음속, p는 밀도를 의미한다. 따라서, 표적크기와 사용주파수는 식 (1)에 의한 반비례관계로 표적축소율을 고려하여 중심주파수를 n배 증가시켜 1.3MHz로 결정하여 시스템 설계에 반영하였다.
HOGHC7_2014_v28n5_429_e901.jpg
HOGHC7_2014_v28n5_429_e902.jpg
시험에 사용된 송신신호는 목적에 따라 Table 3과 같이 CW(Continuous wave)와 LFM(Linear frequency modulation)에 대해 표적길이와 표적의 대표반향점 간의 거리로 분해능펄스 (HL pulse), 장펄스(Long pulse), 그리고 단펄스(Short pulse)로 설계하였다. 분해능펄스는 펄스길이 T<2ΔH/c으로 정의되며, 표적의 대표반향점 간의 거리(ΔH)에 의한 표적반향음이 시간영역에서 분리가 가능하도록 공간에 대해 충분한 분해능을 가진 펄스이다. 본 논문은 정밀한 구조로 고안된 축소표적모델의 표적자세각과 표적구조물 변화에 따른 대표반향점으로부터 형성된 시험자료의 측정과 추후, 시험자료에 기반한 표적구조물 변화에 따른 대표반향점을 추출하여 자료화하기 위한 목적으로 5λ과 10λ의 CW 송신펄스를 설계하였다. 다중상태 표적강도를 환산하기 위해서는 표적에 분포한 모든 대표반향점들로부터 충분한 중첩이 발생되도록 LFM의 장펄스에 의한 표적반향음을 측정해야 한다. 이는 장펄스 구간에 수렴하는 송신펄스를 사용하면 표적의 모든 구조형상에 의해 음장이 동시에 형성된 표적반향음의 음향 자료로부터 안정적인 표적강도의 확보가 가능하다. 이 때, 장펄스를 결정하는 임계펄스 길이(𝜏0 )는 2L/c에 의해 주어지며, 송신센서와 표적자세각의 변화에 따라 𝜏0 는 달라진다(Urick, 1983). 여기서, L은 표적의 장축길이이다. CW의 단펄스는 수치해석을 통한 표적반향음 모델링의 검증용도로 설계되었다.
Table 3

Pulse design

HOGHC7_2014_v28n5_429_t003.jpg

2.4 송/수신센서부 설계

센서부는 1 채널의 송신센서와 16 채널의 수신센서로 구성된 다중상태 소나시스템으로 설계하며, Fig. 5와 같은 지름 약 6m의 팔각형 센서고정치구를 이용하여 축소표적시험을 위한 다중 상태 측정시스템을 구축한다. 센서고정치구는 수중에서 흔들림없이 센서의 정확한 위치를 제어할 수 있도록 부력(Buoyancy)과 충분한 강도를 고려하여 제작되었으며, 송신센서의 심도를 변경할 수 있도록 설계하였다. 송신센서부는 전기적인 신호를 받아서 음향신호로 전환하는 장치로 Fig. 6(a)과 같이 송신트랜스듀서와 매칭트랜스포머로 구성되어 있으며, 본 시험에서는 1채널로 설계하였다. 수신센서부는 음향신호를 전기적인 신호로 전환하는 장치로 다중상태 시스템을 모사하기 위하여 축소표적 모델 중심으로 22.5°간격의 16 채널로 구성하였고, Fig 6(b)과 같이 전치증폭기(Pre-amplifier)를 배열하여 수중부의 수신센서와 수상부의 신호처리부까지의 설치거리를 고려하여 원거리 전송에 의한 시스템의 신호 대 잡음비의 저하를 방지하였다.
Fig. 5

Mounting system

HOGHC7_2014_v28n5_429_f005.jpg
Fig. 6

Sensor design

HOGHC7_2014_v28n5_429_f006.jpg
축소표적모델은 1.4m길이로 설계되었으며, 송/수신센서는 표적상의 모든 대표반향점에 의한 반향음 성분이 형성/수신될 수 있도록 기하학적 구조를 고려하여 Fig. 7과 같이 약 ±13°의 빔폭이 요구된다. 중심주파수에 대한 센서 직경은 다음 식 (3)에 의해 결정되며, 여기서 f는 중심주파수, D는 센서직경, 그리고 BW는 설계 빔폭이다(ITC Publication, 1995).
Fig. 7

Design for beam-width

HOGHC7_2014_v28n5_429_f007.jpg
중심주파수가 1.3MHz 인 경우, ±13°의 빔폭을 유지하기 위해서는 식 (3)에 의해 약 2.7mm의 직경이 요구되나, 제작 상의 어려움으로 20mm의 직경으로 설계하고 센서표면을 곡면으로 제작하여 요구되는 송신음압이 출력되도록 제작하였다.
HOGHC7_2014_v28n5_429_e903.jpg
축소표적모델을 이용한 음향수조시험을 위해서는 예상되는 표적강도를 고려하여 송신센서의 음압준위를 결정해야한다. Fig. 8은 1~1.5MHz의 주파수대역으로 설계된 송신센서의 송신감도 곡선과 수신센서의 수신감도 곡선의 수조측정 결과이며, 본 시스템은 설계된 축소표적모델의 표적자세각 90°에 대한 이론적 표적강도 -10dB(Dyer, 1995)를 고려하여 능동소나 방정식인 식 (4)로 부터 수신전압을 1 Vrms로 가정하여 송신음압을 결정한다. 따라서, 수신센서의 수신감도(RVS)는 -207dB re V/μpa, 시스템의 측정이득(Gain)은 50dB, 그리고 거리에 의한 왕복 전달손실(2TL)은 3m 거리에 대한 21dB(중심주파수 1.3MHz)로 설정하여 송신음압(SL)을 약 188dB 이상 출력되도록 설계하였다.
Fig. 8

Specification of transmitting/receiving sensor

HOGHC7_2014_v28n5_429_f008.jpg
HOGHC7_2014_v28n5_429_e904.jpg

2.5 신호처리부 설계

제어명령에 따라 송신센서를 구동하여 송신펄스 신호를 발생시킬 수 있는 디지털-아날로그 변환회로(Digital to analog convertor, DAC) 1 채널과 센서로부터 수신되는 신호를 증폭하며, 16 bit 해상도로 4MHz 동시 샘플링이 가능한 디지털-아날로 그 변환회로(Analog to digital convertor, ADC) 16 채널로 구성되었다. 송신센서의 임피던스에 따라 충분한 전력을 공급하여 원하는 음압을 발생시킬 수 있도록 전력증폭기는 1~1.5MHz 대역에서 26dB 이득과 출력 임피던스는 0.5Ω 이하로 설계하였다. 수신센서의 측정증폭기 경우, 수신된 신호가 전력증폭기를 거쳐 신호 케이블을 통한 원거리 전송에 따른 손실을 보상해 주어야 하며, 실험의 상황에 따른 수신되는 신호크기의 유동성을 고려하여 5dB단계로 최대 60dB이득범위까지 가변적으로 제어가 가능하도록 하였다. 시험에서 설계된 주파수 대역은 1MHz이상의 고주파수로 증폭이 이루어지는 단계에서 저주파수 신호의 포화를 방지하기 위해 HPF(High pass filter)를 이득 0dB, 차단주파수 500kHz인 2차 필터를 설계하여 적용하였다. 또한, 신호 증폭이 광대역으로 이루어져 기록장치에서 신호를 디지털로 변환하는 과정에서 발생되는 엘리어싱(Aliasing) 잡음을 막고자 LPF(Low pass filter)를 이득 0dB, 차단주파수 2MHz의 4차 필터를 설계하여 신호처리부 설계에 반영하였다.

2.6 기록부 설계

기록부의 운용은 클라이언트 PC와 서버 PC로 구성되며, 센서부와 기록부는 랜(LAN) 통신으로 연결되어 시스템을 제어하도록 하였으며, 그 기능은 Table 4와 같다. 기록부 제어 시, 축소표적모델은 음향수조의 선회장치(Rotator)에 시스템적으로 연결되어 임의의 간격으로 자세각 회전이 가능하게 설계하였다. 또한, 축소표적모델의 표적자세각 회전에 의해 수조 내 유동이 발생할 수 있으므로 기록되는 신호 간섭현상을 최소화하기 위해 기록부의 대기시간을 임의로 설정할 수 있도록 설계하였고, 송수신센서 및 표적간의 기하학적 배치를 고려하여 송신시점 이후 수신센서에 수신되는 신호는 16 채널에서 128k 샘플링으로 32ms의 음향자료를 동시에 기록되도록 설계하였다.
Table 4

Recording system

HOGHC7_2014_v28n5_429_t004.jpg

3. 다중상태 표적반향음의 측정

3.1 측정데이터의 구성

설계된 다중상태 측정시스템을 이용하여 Fig. 9와 같이 축소표적모델을 중심으로 반경 3m로 송/수신센서를 배치하여 측정된 음향자료들 중, Table 5와 같은 시험조건에 대한 다중상태 표적반향음 자료로부터 시스템을 검증한다. 송/수신센서는 측정된 신호의 신뢰성을 확보하기 위해 송/수신센서를 센서고정치구에 일체로 체결하여 5m수심에 고정하였다. 송신센서는 0°표적자세 각 방향에 배치하고, 수신센서는 표적을 중심으로 22.5°간격으로 16 채널의 수신센서를 분리하여 배치하였다. 여기서, 표적자세각은 반시계방향(Counter-clockwise)을 (+)방향으로 정의하고, Fig. 9에서 각 수신센서 위치마다 표기된 각도표시는 송신센서와 수 신센서의 사잇각인 양상태소나각(Bi-static angle)을 나타낸다. 본 논문에서는 분해능 펄스와 장펄스를 송신펄스로 사용한 시험자료에 대해 기술한다.
Table 5

Measured data-set

HOGHC7_2014_v28n5_429_t005.jpg
Fig. 9

SONAR arrangement

HOGHC7_2014_v28n5_429_f009.jpg

3.2 분해능 펄스를 이용한 측정시스템의 검증

측정된 시험자료는 분해능 펄스의 특성을 이용하여 시험예측결과의 비교를 통해 설계된 다중상태 축소표적시험 시스템을 검증하며, 이 때, 사용된 축소표적모델은 Fig. 4에서 정의한 C-001 모델이다.
다중상태 측정시스템을 이용하여 측정된 시험자료의 신뢰성을 확인하기 위해 시험배치에 따른 송/수신센서와 표적의 선수부, 선회장치, 선미부의 좌표정보를 이용하여 0~180°의 표적자세각에 대한 분해능 펄스의 단상태 표적반향음(Fig. 10)과 다중상태 표적반향음(Fig. 11)의 수신시점을 예측하였다. 표적의 선수부, 선회장치, 선미부의 국부좌표(Local coordinate)는 오일러변환(Euler transform)을 통해 자세각에 대한 전체좌표(Global coordinate)로 변환되고 전체좌표간의 유기적 거리계산을 통해 결과를 도출하였다. 표적의 선수부와 선미부의 좌표만을 도시한 것은 모든 자세각에 대해 최단 거리와 최장 거리로 수신되는 부분이기 때문이며, 표적 이외 선회장치의 좌표정보를 활용한 이유는 실제 수조에 축소표적을 고정하기 위해 사용된 선회장치 고정봉에 대한 효과를 재현하기 위함이다.
Fig. 10

Comparison of measured data and simulated time-delay using analytic (x,y,z)coordinate of Bow(◇), Rotator(□), and Stern(☆) in Mono-static system

HOGHC7_2014_v28n5_429_f010.jpg
Fig. 11

Comparison of measured data and simulated time-delay using analytic (x,y,z) coordinate of Bow(◇), Rotator(□), and Stern(☆) in Multi-static system.

HOGHC7_2014_v28n5_429_f011.jpg
단상태 소나시스템의 결과인 Fig. 10은 1°간격의 표적자세각과 분해능 펄스를 사용해 높은 해상도로 수신센서와 표적자세 각 변화에 따른 표적모델의 반향 이벤트를 나타낸다. 측정된 시험자료를 힐버트 변환(Hilbert transform)하여 기록시간(x축)-표적자세각(y축)에 대한 표적반사신호의 상대적 에너지 분포로 나타냈으며, 좌표정보로 예측된 표적반향음의 수신시점과의 비교를 통해 구축된 측정시스템을 활용하여 측정된 시험자료의 정확성을 검증하였다. 특히, 80~100°(Broad-side) 표적자세각 부근에 강한 에너지가 분포되는 것으로 부터 상대적으로 큰 반사면적에 의한 거울면반사의 영향 또한 관찰할 수 있다.
Fig. 11은 고정된 표적자세각 0°, 45°, 90°에 대한 다중상태 환경의 시계열신호와 표적과 수신센서 간의 기하학적 거리산정을 통해 예측된 수신시점을 비교하여 나타낸다. 여기서, x축은 기록시간, y축은 Fig. 9의 소나배치에 의한 수신센서의 양상태소나각을 나타낸다. 사각형 점선으로 표시한 부분은 예측결과와 일치하지 않는 신호성분이 공통적으로 기록되는 영역으로 7번~11번 수신센서에서는 고정적으로 기록되는 강한 신호성분이 13번 수신센서를 기준으로 동일한 시간대에 대칭적으로 존재한다. 이들 수신센서 반대편의 동일한 수심에 고정된 송신센서(1번 수신센서 위치)의 빔패턴 특성에 의해 직접파(Direct wave)가 수신된 결과로, 13번 수신센서의 좌/우측으로 수신신호의 세기가 감소되어 기록되는 것을 관찰할 수 있다. 즉, 기하학 배치에 따라 표적반향음보다 직접파에 의한 강한 간섭이 존재하는 경우가 있는데, 이 경우는 f-k 필터링 등의 추가적인 후처리의 수행이 요구되나 본 논문에서는 생략하였다.
또한, 0°, 45°, 90°으로 고정된 표적자세각에 대한 표적구조별 외부반향점에 대한 다중상태 환경의 수신시점 예측결과와 표적의 주변에 배치된 수신센서의 위치에서 기록된 시계열신호를 비교함으로써, 시간영역 상에서 외부반향점에 대한 반향성분으로 분해가 가능하다. Fig. 11(a)Fig. 11(c)은 축소표적모델과 송/수신센서의 공간상 배치가 대칭적인 구조로 기록신호도 역시 9 번 수신센서를 기준으로 대칭적인 수신시점으로 표적으로 부터 반향된 신호가 기록되며, Fig. 11(b)은 축소표적모델의 선수부가 3 번 수신센서 방향으로 회전된 상태(표적자세각 = 45°)로 거울면반사가 발생되는 주변영역에 배치된 12 ~ 15 번 수신센서에 강한 반향신호가 기록된다. 이러한 다중상태 소나시스템에서 공간상에 배치된 다중 수신센서로 수신되는 표적반향음의 반향특성은 송신센서의 공간배치와 표적상태의 변화에 따라 특정 수신센서의 방향으로 강한 반향성분이 형성되는 경향을 보이는 것을 관찰할 수 있다.

3.3 외/내부구조물에 대한 실측자료 구축

다양한 표적형상에 대한 축소표적시험을 위해 고안된 6종 축소표적모델을 이용하여 외부구조물뿐만 아니라 내부구조물의 효과가 포함된 표적반향음 자료를 구축하였다. 본 논문에서는 음향수조에서 축소표적시험을 통해 구축된 시험자료 중, 표적 C-001, C-002, 그리고 C-005를 이용하여 측정된 시험자료를 힐버트 변환하여 나타내었다. 이 때, 송신펄스에 대한 시험자료는 표적 구조물의 효과에 대한 반향특성이 시간영역에서 분리되어 표현이 가능하도록 충분한 거리분해능을 갖는 5λ의 CW 분해능펄스를 사용하였다.
Fig. 12는 내부구조물 변화에 대한 표적반향음의 특성을 비교하기 위해 C-001, C-002, 그리고 C-005 표적을 이용한 시험자료 의 반향특성을 각각 나타낸다. 여기서, 본 시험자료는 1번 수신센서에서 측정된 단상태 환경의 표적반향음이며, 기록시간(x축)과 표적자세각(y축)에 대한 함수로 표현된다.
Fig. 12

Target echoes from various Ex/Internal structures in Mono-static system

HOGHC7_2014_v28n5_429_f012.jpg
C-001 표적의 경우, 내부가 공기로 채워진 텅 빈 실린더 현상의 선체이기 때문에 수중의 입사파가 표적의 외부표면에서 반사되어 형성된 신호성분이 대부분이며, Fig. 12(a)에서도 외부형상에 의한 신호 이외의 두드러진 특징의 반향성분은 나타나지 않는다. 여기서, 표적의 외부형상에 의한 표적반향음 영역은 대략 3ms ~ 5ms 이내에 분포하며, 4ms 부근에 나타나는 성분은 축소표적모델의 자세각 제어를 위해 연결된 선회장치 고정봉에 의한 영향으로 Fig. 11에서 표적의 좌표를 이용하여 예측된 수신시점 결과에서 확인된 바와 같다.
반면에, Fig. 12(b)는 C-002 표적에 대한 시험자료이며, Fig 12(a)의 C-001 표적에 대한 반향성분과 비교하면 실린더 선체에 추가로 부착된 내부보강재 효과에 의한 두드러진 반향성분을 관찰할 수 있다. 실린더 선체에 부착된 4 개의 내부보강재는 음향학적으로 표적을 특징짓는 대표반향점으로 작용하여 표적자세각 50°∼ 150°영역에 4개의 화살표로 표시된 부분과 같이 부채살 형태의 상당히 강한 반향성분이 형성되는 것을 확인할 수 있으며, 이는 내부보강재에 의한 모서리반사(Corner reflection)에 의한 현상으로 예측된다. 또한, Fig. 12(c)는 내부보강재 이외의 추가적인 내부구조물을 부착한 C-005 표적의 시험자료로, 복잡해진 내부구조물에 의한 다중산란 또는 재반사 등에 의한 효과로 원으로 표시된 표적 측면의 표적자세각 영역에서 C-002 표적 보다 많은 간섭효과가 나타남을 관찰할 수 있다.
Fig. 13은 다중상태 표적반향음의 수신특성을 나타내기 위해, 축소표적모델 중 C-001 표적을 사용하여 16 채널의 모든 수신센서에 기록된 표적반향음을 나타낸다. 기록된 시험자료는 각 수신센서 위치에 대해 기록시간(x축)과 표적자세각(y축)에 대한 함수로 표현된다. Fig. 13(a)의 1번 채널은 송/수신센서의 위치가 동일한 단상태 환경의 Fig. 12(a)와 동일한 시험자료이며, 1번 채널을 제외한 나머지 Fig. 13(b)Fig.13(p)은 송신센서에 대해 양상태소나각 22.5°간격으로 분리된 15 채널의 수신센서에서 각각 기록된 다중상태 환경 시험자료이다. 이렇게 측정된 표적반향음은 송신센서, 표적상태, 그리고 각각의 수신센서의 기하학적 구조 변화에 따라 다양한 시간지연(Time-delay)에 의해 수신센서로 기록되며, 1°간격의 정밀한 표적자세각의 제어를 통하여 고 해상도의 시험자료를 구축하였다.
Fig. 13

Multi-static target echoes from C-001

HOGHC7_2014_v28n5_429_f013.jpg
이러한 다중상태 측정시스템 구축을 통하여 기존에는 제한적 /부분적 이였던 표적의 외/내부구조물에 따른 표적반향음 자료를 확보하고, 단상태 환경 뿐만 아니라 양상태 환경을 포함하는 다중상태 환경에서의 표적반향음 자료를 구축함으로써, 추후 시험자료 기반의 물리적 해석 및 모델링 검증에 실질적으로 유용하게 활용될 것으로 판단된다.

3.4 다중상태 표적강도의 자료구축

다중상태 측정시스템을 활용한 축소표적시험으로부터 축소 표적모델에 대한 표적강도는 송신펄스를 1ms의 LFM 신호형태를 송신하여 측정된 시험자료를 이용하여 식 (5)의 입사신호( Pi )와 반사신호(Pr )의 시간영역에 대한 평균 에너지의 비율로 계산되는 RTS(Root mean square target strength)방법을 이용하여 표적강도를 환산한다(Cook, 1985). 여기서, 𝜏는 송신펄스의 길이, te는 표적반향음이 존재하는 유효시간으로 시험자료에서는 송신펄스의 길이를 고려하여 2.8ms ~ 6ms영역으로 설정한다.
HOGHC7_2014_v28n5_429_e905.jpg
시험자료로부터 환산된 표적강도 자료 중, Fig. 12에 사용된 표적 3종으로부터 환산된 단상태 환경의 표적강도와 다중상태 환경의 표적강도에 대한 결과를 Fig. 14에 비교하여 나타낸다.
Fig. 14

Target strength from various Ex/Internal structures of scaled target

HOGHC7_2014_v28n5_429_f014.jpg
Fig. 14(a)는 3종의 표적에 대해 1 번 수신센서에서 측정된 시험자료의 단상태 표적강도의 결과를 나타낸다. 시험에 사용된 축소표적모델은 실제 수중운동체 형상과 유사한 외부형상으로 표적자세각 90°을 기준으로 선수부(< 90°)에 비해 선미부(> 90°)의 표적면적이 작아 상대적으로 낮은 표적강도로 분포하며, 표적자세각 90°의 경우는 큰 반사면적에 의한 반향성분이 두드러지므로 3종 표적에 대해 유사한 표적강도의 분포를 나타낸다.
표적의 외/내부구조물 변화에 따른 단상태 표적강도의 특징으로는 50°~150°표적자세각 영역에서 C-001 표적에 비해 C-002 와 C-005 표적이 상대적으로 높은 표적강도를 나타내며, 이는 Fig. 12에서 표적 3종에 대한 비교를 통해 확인한 바와 같이, 표적의 구조물에 따른 두드러진 반향특징으로 선체 내부에 부착된 내부보강재가 강한 대표반향점으로 작용하여 표적자세각 50°~150°의 영역에서 부채살 형태의 강한 반향성분을 발생시킨 결과이다.
Fig. 14(b)는 송신센서의 좌측으로 -45°방향에 배치된 13번 수신센서에서 측정된 시험자료의 다중상태 표적강도의 결과를 나타낸다. 이 경우, 송신센서와 수신센서의 표적에 대한 기하학적 구조에 의해 반향음의 형성은 거울면반사가 발생하게 되는 45°의 표적자세각 부근에서 대략 -5dB~-6dB의 강한 표적강도를 나타내며, 130°의 표적자세각 부근의 결과는 시험배치 상 선미부 끝단에 부착된 방향타에 의한 결과로 예측된다. 즉, 단상태 환경의 표적강도 결과로부터 3 종 표적의 구조변화에 따른 표적 강도의 변화를 도출할 수 있었으며, 다중상태 환경에서는 송신센서, 수신센서, 그리고 축소표적모델 간의 기하학적 배치 및 자세각 변화에 따른 표적강도 분포를 통해 표적반향음의 방향성을 확인할 수 있다.
다중상태 측정시스템에 사용된 16 채널의 수신센서를 이용한 다중상태 표적강도의 분포와 이를 통해 주어진 환경에서 형성되는 표적반향음의 방향성을 나타내기 위해 C-001 표적을 이용하여 Fig. 15에 그 결과를 나타내었다. 16 채널의 수신센서 중, 송신센서에 의한 직접파의 영향이 강한 수신센서(7번~11번)를 제외한 나머지 11 채널 수신센서를 이용하며, 축소표적모델이 0°, 45°, 90°, 180°으로 고정된 표적자세각에 대한 다중상태 표적강도 분포를 나타낸다. 여기서, 도형 “HOGHC7_2014_v28n5_429_e002.jpg ”은 송신센서의 위치, 도형 “ HOGHC7_2014_v28n5_429_e003.jpg”은 11 개의 수신센서의 위치를 나타낸다. 시험자료로 부터 환산된 다중상태 표적강도는 축소표적모델의 표적자세각의 변화와 표적의 주변에 배치된 각 수신센서 위치에 따라 다르게 분포한다. 특히, Fig. 15(b)의 고정된 표적자세각 45° 인 경우, 270°방향으로 거울면반사로 인한 강한 표적강도를 나타내며, Fig 14(b)에서 확인된 바와 같다. 따라서, 다중상태 표적강도는 표적자세각의 변화 및 분산된 수신센서 위치에 따라 유기적으로 변동되는 것을 알 수 있으며, 이러한 시험자료를 바탕으로 능동탐지를 위한 효과적인 송/수신센서 위치의 선별을 위한 기반자료로 유용하리라 판단된다.
Fig. 15

Target strength of C-001 in Multi-static system

HOGHC7_2014_v28n5_429_f015.jpg

4. 결 론

본 논문에서는 다중상태 환경의 표적반향음 측정을 위한 축소표적시험의 설계방안을 제안하며, 제안한 설계를 바탕으로 다중상태 측정시스템을 구축하여 음향수조시험을 성공적으로 수행하였다. 시스템 설계의 결정요소 중, 표적크기와 사용주파수는 축소표적시험을 구성하는 중요한 요소로 중심주파수는 1.3MHz, 표적은 1.4m(L)×0.14m(D)로 결정하고 축소표적모델의 외/내부구조물을 총 6 종의 형태로 조립 가능하도록 고안하였다. 음향수조의 규모와 설계된 표적제원을 고려하여 송신펄스형태, 송/수신센서부, 신호처리부, 기록장치 등을 구성하여, 설계된 다중상태 측정시스템을 바탕으로 단상태 및 다중상태 환경의 시계열신호, 표적강도 자료를 구축하였다.
본 시험설계 연구는 표적교체를 통해 손쉽게 표적형상, 종류 및 크기에 따른 다중상태 표적강도를 데이터베이스화 하는데 활용 가능하며, 이러한 자료구축을 기반으로 다중상태 환경이 적용된 수중감시/탐지의 시스템에 활용되어 수중운동체의 존재여부, 위치 추정 및 추적을 위한 판단의 근거로 활용도가 높을 것으로 기대된다. 또한, 다중상태 표적강도 모델은 다중상태 환경에서의 효과적인 수중운동체 탐지를 위한 송/수신센서의 배치선정 전략에 기여하리라 예측되며, 반대로 수중운동체를 운용하는 입장에서는 양상태/다중상태 환경에서 피탐의 최소화를 위한 효과도 분석에서 최적의 궤적을 선정하는데 활용 가능할 것으로 판단된다.
다중상태 환경 구축이 제한적이나 송신센서의 심도를 3 단계로 설정하여 송신심도의 변화에 따라 16 채널 수신센서를 이용 한 다중상태 표적반향음 및 표적강도 모델의 자료구축을 시도 하였으며, 구축된 시스템에 대한 정확성 검증 및 송신심도에 따른 영향은 추후 추가적인 분석을 통해 진행하고자 한다. 또한, 후속 논문에서는 본 시험설계를 통해 획득된 시험자료를 기반으로 수치해석을 통한 모델링 결과를 비교하여 제안된 음향수조환경에서 다양한 환경으로 확장하여 다중상태 표적반향음 및 3 차원 표적강도 모델의 자료구축에 관한 연구를 수행할 예정이다.

References

Cook, J.C.. (Target Strength and Echo Structure, Adaptive Methods in Underwater Acoustics. NATO ASI Series, 1985). 151, 155-172.
crossref
Choi, Y.H.. (Numerical Modeling and Experimental Verification for Target Strength of Submerged Objects, Journal of Ocean Engineering and Technology, 2005). 19(1):64-70.

Dyer, I.. (Fundamentals and Applications of Underwater Sound Department of Ocean Engineering. MIT, 1995.

Application Equations for Underwater Sound Transducer International Transducer Corporation, 1995.

Kim, W.S.. (A Study on Target Echo Analysis and Target State Estimation for an Active SONAR. Ph.D. thesis Korea Maritime Univ.; 2005.

Niemiec, J.M., Shang, P.C., Schreppler, S.. (Intermediate scale measurement system for underwater acoustic measurement, Journal of the Acoustical Society of America, 2005). 117(4):2481-2482.
crossref
Park, S.H.. (Bistatic Scattering from a Hemi-spherically Capped Cylinder. M.S. thesis Hanyang Univ.; 2007.

Urick, R.J.. (Principles of Underwater Sound 3rd Edition McGraw-Hill, New York: 1983.

Schreppler, S.C., Jebsen, G.M., Kneessi, S.L.. (Intermediate Scale Measurement System: A State of the Art Facility for Naval Structural Acoustics Research; System Overview and Measurement Results, Journal of the Acoustical Society of America, 1996). 100(4):2721-2722.
crossref
Shin, K.C., Kim, J.S., Kim, W.S., Kim, W.H., Kim., Y.Y.. (A Study on the Acoustic Scattering of Submerged Scale Target Experiment and Analysis, Journal of Ocean Engineering and Technology, 1998). 12(4):92-100.

Shin, Y.D.. (Similarity Laws for the Scale Model in Underwater Acoustic Environment. M.S. Thesis Korea Maritime Univ.; 1996.



ABOUT
ARTICLE CATEGORY

Browse all articles >

BROWSE ARTICLES
AUTHOR INFORMATION
Editorial Office
President Office BD Rm. 1302, 13 Jungang-daero 180beon-gil, Dong-gu, Busan 48821, Republic of Korea
Tel: +82-51-759-0656    Fax: +82-51-759-0656    E-mail: ksoehj@ksoe.or.kr                

Copyright © 2019 by The Korean Society of Ocean Engineers. All rights reserved.

Developed in M2community

Close layer
prev next