I. 서 론

지금까지의 능동 소나는 단상태 소나의 형태로 운용되어왔지만 최근에는 양상태 소나에 대한 연구가 여러 나라에서 진행되고 있다. 양상태 소나는 음원과 수신센서가 공간적으로 분리 되어있기 때문에 이동 가능한 음원 또는 수신기를 예상되는 표적의 위치를 고려하여 배치함으로써 전략적인 운용이 가능하다는 장점이 있다.^[1] 이 점은 수신센서가 고정된 수중감시 시스템에도 유용하게 사용될 수 있는데, 예를 들면 기동성이 뛰어난 음원을 신속하게 예상되는 표적 위치 주변으로 기동하여 표적 탐지율을 증가시킬 수 있다.

양상태 소나는 크게 두 가지로 분류할 수 있는데 음원과 수신센서의 펄스 송신 시간 정보 공유 및 시간 동기화를 통해 표적의 거리를 추정하는 동기식과 펄스 송신 시간 정보를 공유하지 않고 표적의 거리를 추정하는 비동기식으로 분류할 수 있다. 동기식의 경우 표적의 위치를 정확하게 추정할 수 있지만 음원과 수신센서가 탑재된 이종 플랫폼 간에 실시간 통신체계가 구축이 되어있지 않다면 동기식으로 양상태 소나를 운용하는 것은 거의 불가능하다.

비동기 양상태 소나는 음원의 송신시간 정보 없이 수신센서와 표적 사이의 거리를 산출하는 기술이 필요하며, 이를 이행하기 위해서는 수신센서에서 음원의 직접파를 탐지하여 직접파 수신시간을 추정해야한다. 여기서 직접파는 음원 방향에서 수신센서로 도달하는 음원 신호를 의미한다. 또한 천해에서는 음원과 수신센서 사이의 직선 경로가 아닌 해저면이나 해수면 반사에 의한 신호들만 존재할 수 있으며 이러한 다중경로 신호들도 직접파로 간주한다. 비동기식은 동기식에 비해 직접파 수신시간 추정 오차가 더해진다는 단점이 있으며 이는 양상태 소나의 운용 개념을 정립하고 표적 추적 기법을 설계하는데 크게 고려해야할 사항이므로 실제 환경에서의 직접파 수신시간 오차 및 표적 탐지거리 추정 오차를 분석해볼 필요가 있다. 과거에 이미 펄스 반복 주기(Pulse Repetition Interval, PRI)를 이용하여 직접파를 탐지하는 기법에 관해 연구된 바가 있으나 직접파의 수신시간 추정 오차에 대한 분석이 수반되지는 않았다.^[2]

본 논문에서는 해저에 매설된 고정형 수신센서와 물리적으로 분리된 음원으로 구성된 양상태 소나를 이용하여 모의 표적을 탐지하는 실험을 수행하였다. 획득한 실험 데이터로 비동기 양상태 소나의 직접파 도달시간 및 표적 거리 추정 오차를 분석하였다. 본 논문의 구성은 2장에서 양상태 소나의 표적 거리 추정 개념과 비동기 양상태 소나의 시스템 구성에 대한 소개, 3장에서는 해상 실험 시나리오 소개 및 실험 결과 분석, 4장을 끝으로 결론을 맺었다.

II. 본 론

2.1 양상태 소나의 표적 거리 추정

양상태 소나는 탐지된 표적의 위치 산출을 위해서 음원, 수신센서, 표적이 이루는 삼각 형태의 기하학적인 모델을 이용한다. Fig. 1은 양상태 소나의 기하학적인 모델을 보여주고 있으며 $R_1$, $R_2$, $R_3$는 표적-음원, 표적-수신센서, 음원-수신센서 사이의 거리를 의미하고 $\theta$는 표적-수신센서-음원의 사이각을 나타낸다. 이때 표적-수신센서의 거리 $R_2$는 Eq. (1)과 같이 나타낼 수 있다.^[3,4,5]

여기서 $c$는 수중에서의 음속, $\tau$는 시간지연으로써 직접파와 반사파가 수신센서에 도달하는 시간 차이를 나타낸다. $\tau$에 대한 수식은 아래와 같다.

Fig. 1.

Geometry of the bistatic sonar.

음원의 위치를 알고 있다고 가정하면 음원과 수신센서 간의 거리 $R_3$를 알 수 있다. 또한 빔형성 출력으로부터 반사파-수신센서-음원의 각도 $\theta$를 구할 수 있으며 직접파 수신시간 추정으로부터 시간지연 $\tau$를 구하면 Eq. (1)로부터 모든 반사파의 거리를 산출할 수 있다.

2.2 비동기 양상태 소나 시스템

Fig. 2.는 비동기 양상태 소나의 개략적인 시스템 구성도를 나타내고 있다. 동기식 양상태 소나와 비교했을 때 가장 큰 차이점은 능동펄스 탐지/식별과 직접파 탐지/도달시간 추정 부분이 추가되었다는 점이다. 본 논문에서 주로 다루는 부분은 점선으로 된 사각박스 안에 해당하며 직접파 탐지/도달시간 추정을 바탕으로 반사파의 거리를 산출하고 B-scan에 탐지된 표적의 거리 오차를 분석하였다. 여기서 직접파 탐지 기법은 과거에 이미 연구된 사례가 있으며 간략한 알고리듬 순서도를 Fig. 3에 나타내었다.^[2] 직접파 탐지를 수행하기 전에 주변 소음 준위에 대한 영향을 줄이기 위해 음원 방위 빔신호의 정합필터 출력에 대해 잡음 규준화를 수행한다. 다음으로 펄스 반복 주기를 추정하기 위해 규준화 된 정합필터 출력에 여러 개의 가상 임계치를 설정하고 각 임계치마다 해당 임계치를 넘는 첨두값의 시간을 추출한다. 다음으로 가상 임계치 별로 펄스 반복 주기를 추정하고, 펄스 반복 주기가 일정하게 추정되는 가상 임계치만 후보로 선택하여 최종 직접파 탐지 문턱치를 설정한다. 직접파 문턱치를 넘는 첨두치는 직접파로 탐지하지만 실제 해양환경에서는 직접파가 다중경로로 인하여 여러 개의 첨두치로 탐지될 수 있다. 이 때 여러 개의 첨두치 중 어느 것을 선택하여 직접파 도달시간을 추정해야 하는지가 본 논문에서 도출하고자 하는 주요 사항이며 문제의 단순화를 위해 Fig. 4와 같이 크게 두 가지로 제안하였다.

Fig. 2.

(Color available online) Flow diagram of the asynchronous bistatic sonar.

Fig. 3.

Flow diagram of the direct blast detection algorithm.

Fig. 4.

(Color available online) Estimation of the direct blast arrival time from the first peak and the maximum peak.

1. 첫 번째 첨두치 탐지 기법 : 임계치를 넘는 첫 번째 첨두치에 해당하는 시간 정보를 출력한다. 단, 직접파 뒤에 수신되는 다중경로 신호들이 직접파로 판정되는 것을 피하기 위해서 직접파 판정 이후 일정시간 동안은 직접파를 탐지하지 않는다.

2. 최대 첨두치 탐지 기법 : 일정시간 동안 임계치를 넘는 첨두치들 중 가장 큰 첨두치에 해당하는 시간 정보를 출력한다. 여기서 일정 시간이란 다중경로 신호 길이를 포함하도록 2 s로 설정하였다.

첫 번째 첨두치 탐지 기법은 가장 짧은 경로로 도달하는 직접파를 탐지한다는 의미로서 대표성이 있으며 최대 첨두치 탐지 기법은 일반적으로 표적 신호를 측정할 때 최대 첨두치로 많이 측정하기 때문에 이와 동일한 방법으로 직접파를 탐지한다는 의미로서 대표성이 있으므로 이 두 가지 방법을 제안하였다.

III. 해상 실험

양상태 소나 모의 표적 탐지 실험을 위하여 Fig. 5와 같이 해저에 매설된 선배열 수신센서와 음원, 모의 반향기를 이용하였다. 모의 반향기는 음원에서 송신된 펄스를 수신하여 1.5 s 뒤에 반향하면서 모의 표적 역할을 수행한다. 또한 모의 반향기는 수중 표적의 반사강도를 모사하기 위해 수신된 펄스의 준위에 10 dB를 증가시켜 반향한다. 능동 음원에서는 Hyperbolic Frequency Modulation(HFM) 펄스를 송신하며 밴드폭은 1120 Hz, 준위는 약 200 dB, 펄스 길이는 1 s, 펄스 반복 주기는 15 s, 펄스의 -3 dB 거리 해상도는 0.6 m이다. 시험 시나리오는 Fig. 6과 같이 두 가지로 진행하였다. 첫 번째 시나리오[Fig. 6(a)]는 모의 반향기를 선배열 수신센서로부터 4 km 정도 이격하였고 두 번째 시나리오[Fig. 6(b)]는 모의 반향기를 9 km 이상 이격하여 고정된 상태로 시험하였다. 음원 수심은 두 시나리오 모두 15 m, 선배열 수신센서의 수심은 첫 번째 시나리오에서 90 m, 두 번째 시나리오에서 50 m이다. 실험 해역의 음속은 수심에 따라 1480 m/s ~ 1510 m/s로 측정되었으며(Fig. 7) 본 논문에서는 표적 거리계산에 필요한 음속 값을 해수면부터 선배열 수신센서 수심까지의 음속 평균값인 1495 m/s(첫 번째 시나리오), 1500 m/s(두 번째 시나리오)로 설정하였다.

Fig. 5.

(Color available online) Configuration of the experiment for the bistatic Sonar.

Fig. 6.

Placement of source, sensor and echo repeater for (a) scenario 1, and (b) scenario 2.

Fig. 7.

(Color available online) Sound speed in the experiment sea area.

Fig. 8(a)는 정합필터 출력 신호를 송신 PRI 주기로 잘라서 송신 핑 순서로 나열한 것이다. 그 중에서 첫 번째 첨두치 탐지 기법과 최대 첨두치 탐지 기법의 직접파 도달시간 추정 위치를 표시하였다. Fig. 8(b)는 직접파 PRI 측정값을 나타내고 있다. 실제 송신센서에서 방사되는 송신펄스 PRI는 오차 없이 15초를 유지하지만 수신센서에서 측정한 직접파 PRI는 추정 오차가 발생한다. 직접파 수신시간 추정 오차는 측정 PRI의 표준편차로 대표할 수 있으며 Fig. 8(b)로부터 첫 번째 첨두치 탐지 기법이 최대 첨두치 탐지 기법의 표준편차보다 더 작은 것을 확인할 수 있다.

Fig. 8.

(Color available online) (a) Results of the direct blast detections and measured values of PRI.

다음으로 표적 추정 거리오차를 확인하기 위하여 거리 방위 B스캔 결과를 Fig. 9(a)에 나타내었다. B스캔의 동그라미 박스 안에 해당하는 표적이 실제 표적, 네모 박스 안에 해당하는 표적은 선배열 빔형성의 방위 구분 모호성으로 인해 생기는 허위 표적이다. Fig. 9(b)에는 Fig. 9(a)의 동그라미 박스 영역의 표적 모양을 자세히 나타내기 위해 신호대잡음비 7 dB 이상의 표적 측정치를 확대하여 검정색으로 나타내었다. 표적 측정치는 263° 방위에서 273° 방위에 걸쳐서 나타나며 방위 오차를 배제한 직접파 수신시간 추정 오차에 의한 표적 거리 오차를 측정하기 위해 실제 표적 방위에 해당하는 가장 큰 표적 측정치의 거리값을 Fig. 10에, 직접파 도달시간 및 표적 거리 오차는 Table 1에 나타내었다. Fig. 10의 실제 표적 거리는 음원 및 모의 반향기를 운용하는 시험선에 기록된 GPS로 계산하였다. 음원 및 모의 반향기가 정확하게 시험선 수직 아래에서 운용이 되었다면 시험선의 GPS와 음원 및 모의 반향기의 위치가 거의 일치한다고 가정할 수 있다. 그러나 해류나 파도에 의해 음원 및 모의 반향기가 수직/수평 운동을 하였다면 GPS 위치와 다소 차이가 있을 수 있다. 음원과 모의 반향기의 케이블 길이를 고려했을 때 GPS 위치와 실제 위치 간에 10 m 이내로 차이가 있을 것으로 추정된다. Table 1에서 직접파 도달시간의 PRI와 표적거리 표준편차는 첫 번째 탐지 기법이 더 작은 것으로 나타났으나 바이어스 오차와 Root Mean Square Error (RMSE)는 최대 첨두치 탐지 기법이 더 작은 것으로 나타났다. 바이어스 오차에는 앞에서 언급한 GPS 위치와 음원 및 모의 반향기의 실제 위치 간의 차이, 표적 거리 추정에 사용한 음속값과 실제 음속값의 차이 등에 의해서 발생할 수 있다. 따라서 두 기법의 성능을 비교하기 위한 척도로서 바이어스 오차를 배제한 표적거리 추정값의 표준편차가 더 적절한 것으로 판단된다. 첫 번째 첨두치 탐지 기법의 표적거리 표준편차가 더 작은 이유는 Fig. 8(a)에서 알 수 있듯이 첫 번째 첨두치 탐지 기법으로 추정한 직접파의 위치가 송신 핑에 따라 비교적 변동 없이 고정적으로 나타나며 Eq. (1)의 표적거리 산출 수식은 시간지연 변수에 대하여 분모보다 분자의 차수가 높은 함수로서 시간지연의 표준편차가 커질수록 표적거리의 표준편차도 커지는 것은 자명하다. 이러한 이유로 표적거리 표준편차에 대해서는 첫 번째 첨두치 탐지 기법의 성능이 더 우수하다고 할 수 있다.

Fig. 9.

(Color available online) (a) B­scan image with regard to echo range­bearing. The target signal in the circle is from a echo repeater and the other in the square is a ghost target. (b) Target echoes (black color) whose signal to noise ratio are more than 7 dB.

Fig. 10.

Measure values of target range for (a) scenario1 and (b) scenario2.

IV. 결 론

비동기 양상태 소나의 표적 거리 추정 오차는 직접파 도달시간 추정 오차에 직접적인 영향을 받으며 본 논문에서는 천해에서 실시한 모의 표적 실험으로부터 비동기 양상태 소나의 직접파 도달시간 및 표적 거리 추정 오차를 분석하였다. 특히, 직접파는 다중경로 신호에 의해 정합필터 출력이 여러 개의 첨두치로 나타나는데 첫 번째 첨두치로 직접파 도달시간을 추정하는 기법과 최대 첨두치로 직접파 도달시간을 추정하는 기법에 대하여 분석한 결과 첫 번째 첨두치 탐지 기법의 직접파 추정오차 및 표적 거리 표준편차가 더 작은 것을 확인하였다. 이 결과로서 표적 추적 알고리듬에 첫 번째 첨두치 탐지 기법으로 더 안정적인 표적 거리 입력값을 제공하고 더 높은 추적 성능을 기대할 수 있다.

비동기 양상태 소나에 대한 연구는 현재까지 국내외로 알려진 바가 거의 없으며 본 연구를 통해 얻어진 결과는 향후 비동기 양상태 소나의 표적 추적 기법에 활용할 예정이다.