Research Article

The Journal of the Acoustical Society of Korea. 31 January 2019. 96-105
https://doi.org/10.7776/ASK.2019.38.1.096

ABSTRACT


MAIN

  • I. 서 론

  • II. 잔향음 세기 및 도플러 효과 모의

  •   2.1 에너지 플럭스 잔향음 모델

  •   2.2 함정 기동에 따른 잔향음 도플러 효과

  • III. 잔향음 시계열 신호 모의

  • IV. 잔향음 시계열 신호 모의 결과

  •   4.1 ONR 잔향음 워크숍-I 11번 문제 모의

  •   4.2 거리종속 환경 모의

  • V. 결론 및 토의

I. 서 론

실제 소나 해상실험 및 훈련 수행간 많은 비용과 제약이 발생하는데 이러한 막대한 비용을 절감하고 소나 운용요원 능력을 극대화하기 위해서 다양한 목적의 소나 시뮬레이터를 활발히 활용 중이다.[1] 특히, 자함에서 음원을 직접 송신하여 표적을 탐지 · 추적 할 수 있도록 설계된 능동소나 시뮬레이터의 경우 더욱이 소나 운용요원에게 중요한 훈련장비로서 인식되고 있다. 능동소나 시뮬레이터에서 주요 신호는 표적신호, 잔향음, 주변소음으로 구성되어 있는데 신호 모의에 있어 계산시간 등의 문제로 가장 제한적인 분야는 잔향음을 모의하는 것이다. 일반적인 잔향음의 정의를 살펴보면, 1999년 美 해군 연구국 주관 잔향음 워크숍에서 잔향음은 ‘능동소나에서 신호를 송신한 이후 음향센서에서 수신되는 음원 중 표적에 의해 반향되거나 주변/배경소음에 의해 발생되는 에너지가 아닌 다른 에너지와 관계된 음원’으로 정의된 바 있다.[1] Fig. 1에서 보듯이 불규칙한 해양 경계층 산란에 의해 발생되는 일반적인 잔향음 세기 방정식은 Eq. (1)과 같이 주어질 수 있다.[2]

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Fig. 1.

Ocean reverberation for general case.[3]

$$R(t)=\int\int_{A(t)}I_0\sum_s\sum_rP_sP_rS\left(\theta_m,\theta_n,\phi\right)dA.$$ (1)

첨자 sr은 음원과 수신기이고, I0는 음원 세기이며, PsPr은 각각 음원에서 산란체, 산란체에서 수신기까지 수신되는 음압 세기를 의미한다. Sθm,θn,ϕ는 산란 면적에 m경로로 입사하여 n 경로로 산란된 경우에 대한 산란강도이고, 𝜙는 입사되고 산란되는 음 전달 사이의 방위각이다. dA는 음 전달 항 P와 연계된 산란 단면적이고, 이중 합은 각 음파전달 항 P와 연계된 모든 음선 또는 모드들을 계산하는 것이다. 또한, 이중적분은 시간 t에서 펄스에 의해 접촉되는 모든 면적들이 포함된다는 것을 의미한다. 그러나, 잔향음 모의에 적용되는 일반식이 같음에도 불구하고 각 모델별로 음파전달 모델, 산란함수 및 면적 등이 상이하게 적용되므로 모델별 특징이 다르게 나타나고 있다.

과거 해양 잔향음 신호 모의에 대한 다양한 연구들이 이루어졌다. 대표적인 시계열 신호 모의 연구로 Chamberlain과 Galli[4]는 비정상 신호에 대한 소나 잔향음 시계열 신호를 선형 스펙트럼 예측 방법으로 모의하였다. 여기서, Faure, Ol'shevskii, Middleton에 의해 정립된 잔향음 준위 계산식과 함정 속도에 따른 도플러 효과를 반영하여 잔향음 포락선의 파워 스펙트럼 밀도를 구하였고, 자기회귀 모델을 적용하여 시계열 신호를 모의하였다. 또한 Luby와 Lytle[5]은 다중 소나 빔 특성에 따른 다변량 자기회귀 모델링 방법을 적용하고 스펙트럼 영역에서 창 겹침 방법을 적용하여 Chamberlain과 Galli의 시계열 신호 모의 방법을 일부 보강하였다.

국내에서 연구된 잔향음 모델은 References [3]과 [6] ~ [9]와 같이 비상관 잔향음 세기 모델링에 집중하였는데, 해양환경과 잔향음 발생에 대한 물리적인 현상을 토대로 시간 경과에 따른 세기 변화와 모델링에 대한 연구가 수행되었다. 대부분 잔향음 세기에만 집중되었으므로 해상실험 데이터와 모의된 잔향음 세기간 비교가 이루어 졌고, 도플러 효과 등 일부 신호의 중요한 특성들이 고려하지 않았다. 한편, Reference [10]과 같은 경우 고속이동 음원에 대한 잔향음 신호 모의도 이루어 졌는데 도플러 효과도 적용하였고, 잔향음 채널 임펄스와 음원 신호를 콘볼루션하여 시계열 신호를 모의한 바도 있다.

본 연구에서는 기존 모의방법 대비 신속한 속도로 계산될 수 있고 비정상 신호의 특성이 반영될 수 있는 잔향음 신호를 모의하기 위해 Harrison[11]의 에너지 플럭스 모델을 활용한 해저 잔향음 세기 식을 기반으로 함정 기동에 따른 도플러 효과를 적용하였고, 대표적인 시계열 예측 기법인 자기회귀 모델 알고리즘을 적용하여 랜덤 특성의 시계열 잔향음 신호를 모의하였다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 제 II장에서는 에너지 플럭스 모델의 해저 잔향음 세기와 함정 기동에 따른 도플러 효과의 알고리즘을 소개하고, 제 III장에서는 자기회귀 모델이 적용된 시계열 잔향음 신호 모의 방법이 제시되었다. 제 IV장에서는 ONR 잔향음 워크숍-I 11번 문제에서 제시된 거리 독립환경과 동해 해저지형이 고려된 거리종속 환경을 바탕으로 잔향음 시계열 신호를 모의 한 결과에 대해서 설명한다. 제 V장은 본 논문의 결론 및 토의에 대한 내용이 제시된다.

II. 잔향음 세기 및 도플러 효과 모의

2.1 에너지 플럭스 잔향음 모델

일반적인 잔향음 모델은 잔향음 세기 준위를 계산하기 위해 음선이론, 정상모드, 포물선 방정식 등 다양한 음파전달 모델들이 적용되었으나, Harrison[11]은 이와 달리 Weston(1976)의 식을 기반으로 모드 스트립의 환경에서 음 전달을 모의하였다. 본 연구에서는 잔향음 세기를 Harrison[11]이 모의한 에너지 플럭스 잔향음 모델의 방법으로 적용하였다.

물리적인 관점에서 모드 스트립은 거리 증가에 따라 높은 스침각에 대한 모드는 점점 사라지고, 낮은 스침각에 대한 모드는 남게 되는 현상이다. 이에 따라 대부분 유효한 음선들은 임계각 안에 위치하고, 스침각에 비례하는 반사 손실을 가진다. 등음속 환경에서 반사계수 Eq. (2)와 음선주기 거리 Eq. (3)에 의해 거리에 따른 감쇠는 Eq. (4)와 같다.

$$\begin{array}{l}R=exp(-\alpha\theta).\\\end{array}$$ (2)
$$\begin{array}{l}r_c=2H/\tan\theta\\\end{array}$$ (3)
$$\begin{array}{l}\mathrm{Atten}=10^{(-R_{dB}\times r/r_c)/10}=\exp\left(-\frac{\alpha\theta^2}{2H}r\right).\\\end{array}$$ (4)

느리게 변화하는 해저지형에 따라 거리 종속환경에 대한 식은 다음과 같이 나타낼 수 있다. Weston(1962)이 정의하였던 해저면 지형에 대한 유효 수심 Heffs,r은 Eq. (5)이고, 임계 수심 Hcs,r은 Eq. (6)과 같이 표현할 수 있다. 첨자 s는 음원에 적용되는 항, r은 수심기에 적용되는 항을 의미한다.

$$H_{effs,r}\left(r\right)=\left(\frac{H_{s,r}^2H_{scat}^2}r\right)\int_0^r\frac1{H^3\left(r'\right)}dr'$$ (5)
$$H_{cs,r}(r)=\min(H_{s,r},H_{scat}),$$ (6)

여기서 Hs는 음원의 해저 수심(m), Hr은 수신기의 해저 수심(m), Hscat는 산란체 수심(m), Hr'은 음원과 산란체 사이의 거리 간격 r'에 따른 수심(m)이다.

이에 따라 음파전달 세기를 Eq. (7)과 같이 나타낼 수 있고, 해저 잔향음 세기를 구하면 Eq. (8)과 같다.

$$P(r_{s,r})=\frac{H_{s,r}}{\alpha r_{s,r}^2H_{effs,r}}\left(1-e^{-\frac{\alpha r_{s,r}\theta_c^2H_{cs,r}^2H_{effs,r}}{2H_{scat}^2H_{s,r}^2}}\right).$$ (7)
$$\triangle_\phi I_R(t)=P(r_s)P(r_r)\mu f(\beta)\delta A,$$ (8)

여기서 P(rs)는 음원에서 산란체까지 전달되는 음파 세기, P(rr)는 산란체에서 수신기까지 전달되는 음파 세기, 𝛼는 감쇠 계수(dB/𝜆), 𝜇는 경험적인 Lambert 계수, δA는 산란 단면적이다. fβ는 양상태 각도에 대한 함수로 양상태 삼각 관계에 따라 전방산란과 후방산란에 대한 효과를 모의하기 위해 적용된 해석적 식인데 Reference [12]를 참조하면 된다.

또한 산란 단면적인 δA는 Fig. 2과 같이 다중경로의 시간지연에 관계없이 단일경로만 고려되어 가정 되는데, 음속 c, 펄스 길이 δt, 음원에서 산란체까지 거리 rs, 산란체에서 수신기까지 거리 rr, 단위 빔에 대한 각도 δϕ, 양상태 각도 𝛽를 이용하여 타원의 폭 q 사이에서 겹치는 부분을 Eq. (9)와 같이 계산할 수 있다.

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Fig. 2.

Geometry of bistatic closed-form reverberation and scattering area.[12]

$$\delta A=\frac{c\delta tr_r\delta\phi}{2\cos^2\left(\beta/2\right)}=\frac{c\delta tr_r\delta\phi}{1+\cos\left(\beta\right)}.$$ (9)

Harrison 모델의 장·단점을 정리하면 해석적인 식을 통해 신속하게 평균화된 잔향음 세기를 계산할 수 있고, Weston(1962)의 유효수심 개념을 적용하여 단상태 및 양상태 환경과 해저지형이 변화하는 거리 종속 환경에 대해서도 쉽게 적용할 수 있다. 그러나 음속구조가 변하지 않는 등음속 해양환경의 해저 잔향음 모델에만 적용할 수 있고, 평균적인 잔향음 세기 변화를 모의 할 수 있으나 음원 수심과 수신기 수심을 입력 값으로 기입할 수 없어 음원 · 수신기 수심에 대한 모의는 불가능 하다. 또한 초기 잔향음 세기 값이 다른 모델들에 비해 상대적으로 낮은 값을 보이므로 근거리에 대한 경향은 비교적 일치하지 않으며, 동해 환경과 같이 일정한 시간 지연 이후 표적신호와 유사한 잔향음의 정점 신호들은 모의할 수 없다. 그럼에도 실제 표적을 탐지하고 추적할 때 근거리 잔향음 보다 원거리 잔향음이 중요하게 작용하므로 이러한 모델을 적용해도 무방할 것으로 판단된다.

2.2 함정 기동에 따른 잔향음 도플러 효과

해저 잔향음에서 도플러 변이를 모의하는 경우 Fig. 3과 같이 표현 할 수 있는데, 이동하는 음원/수신기와 정상적인 해저 산란체가 가정된 상황으로 Eq. (10)과 같이 표현될 수 있다. 또한 동 모델은 에너지 플럭스 모델이 활용되므로 우세한 직접경로의 도플러 효과만 고려하기로 한다.

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Fig. 3.

Geometry of reverberation Doppler shift.[13]

$$f_d=-\frac1\lambda\left[\frac{dr_s}{dt}+\frac{dr_r}{dt}\right].$$ (10)

도플러 변이를 근사한 형태로 표현하면 양상태 환경의 경우 Eq. (11)이 구할 수 있다.

$$f_d=-\left[\frac{V_S}\lambda\cos\left(\delta_S-\theta_S\right)+\frac{V_R}\lambda\cos\left(\delta_R-\theta_R\right)\right].$$ (11)

이에 따라 방위각별 도플러 효과를 적용하기 위해 해당 방위각에서 거리별 수심정보를 읽고 𝛿와 θ 벡터 값을 산출할 수 있다. 최종적으로 Eq. (11)에서 fd를 구한 이후 시간 t에 따라 선형 보간하면 잔향음 도플러의 정보들을 계산할 수 있다. 단상태 환경의 경우 음원과 수신기의 위치가 동일하므로 Vs, δS, θSVR, δR, θR 값과 동일하고 Eq. (12)와 같이 표현 될 수 있다.

$$f_d=\frac{2V}\lambda\cos\left(\delta-\theta\right).$$ (12)

다음 장에서는 해저 잔향음 세기와 잔향음 도플러 효과를 이용하여 자기회귀 모델 기반의 시계열 신호 모의 방법을 상세히 서술하겠다.

III. 잔향음 시계열 신호 모의

본 연구에서는 잔향음 시계열 신호를 모의하기 위해 자기회귀 모델이 적용되었다. 자기회귀 모델은 대표적인 파라메트릭 모델링 기법으로 샘플링된 데이터를 이용하여 랜덤 특성과 신호의 주파수 특성이 반영된 시계열 신호를 예측할 수 있다. 일반적으로 자기회귀 모델은 Eq. (13)과 같이 주어지는데, 주어진 시간 n에서 예측된 yn 값은 과거 yn-k 값과 랜덤 함수 ξn 값의 선형적인 조합으로 주어진다.

$$y_n=-\sum_{k=1}^pa_ky_{n-k}+\delta\xi_n,$$ (13)

여기서 p는 극의 개수, ak는 극의 계수, 𝜎는 이득 값, ξn는 복소 랜덤 변수이다.

Eq. (14)와 같이 p의 값에 따른 yn 값을 선형적으로 예측하기 위해 자기회귀 모델 계수를 구하는 것이 필수적인데 최소 제곱법은 가장 최적화된 방법이며, 추정된 에러 값 εn=xn-xn*은 Eq. (15)처럼 제곱의 평균에서 최소화될 수 있다.

$$y_n^\ast=-\sum_{k=1}^pa_ky_{n-k}.$$ (14)
$$\min E\left\{\varepsilon_n^2\right\}=\min E\left\{\left(y_n+\sum_{k=1}^pa_ky_{n-k}\right)\right\}^2.$$ (15)

이에 따라 자기회귀 모델 계수를 구하기 위해 Eq. (13)의 yn이 자기상관 함수 R 값으로 대체된 Eq. (16)의 Yule-Walker 모델이 활용되었고, Levinson-Durbin 회귀 방법을 통해 방정식을 풀면 극 값 ak와 이득 값 𝜎를 추정할 수 있다.

$$R_n=-\sum_{k=1}^pa_kR_{n-k}+\delta^2.$$ (16)

Fig. 4는 시계열 신호 모의 과정을 나타낸 것으로 다음과 같은 절차로 모의될 수 있다. 우선, 정규화된 CW(Continuous Wave) 또는 FM 음원 신호를 Eq. (17)에 대입하여 비편이 자기상관 함수 Rxx.biased 값을 구할 수 있다.

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Fig. 4.

The flow chart for the generation of ocean bottom reverberation signal.

$$R_{xx.biased}(n)=\frac1N\sum_{n=0}^{N-\vert m\vert-1}s_ns_{n+\vert m\vert,}$$ (17)

여기서 Rxx.biased은 편의상 R로 부르겠다.

Levinson-Durbin 회귀 방법은 대칭적인 Toeplitz 선형 방정식 시스템을 해결하는 문제로 Eq. (18)과 같이 행렬 방정식을 풀 수 있다.

$$\begin{bmatrix}R_0&R_1^\ast&\cdots&R_k^\ast\\R_2&R_2&\cdots&R_{k-1}^\ast\\\vdots&\ddots&\ddots&\vdots\\R_k&\cdots&R_2&R_0\end{bmatrix}\begin{bmatrix}a_1\\a_2\\\vdots\\a_k\end{bmatrix}=-\begin{bmatrix}R_1\\R_2\\\vdots\\R_k\end{bmatrix},$$ (18)

여기서 *는 전치된 값을 의미한다.

Reference [14]에서 인용된 방법과 같이 자기상관 함수인 R 값과 극의 개수 p를 이용하여 Eqs. (19) ~ (21)과 같이 초기 값들을 설정한다.

$$\delta^{(0)2}=R_{0,}$$ (19)
$$a_1^{(1)}=\frac{R_1}{\delta^2a_1^{(0)}},$$ (20)
$$\delta^{(1)2}=\delta^{(0)2}\left(1-a_1^{(1)2}\right),$$ (21)

다음 Eqs. (22) ~ (25)와 같이 k, i 값에 따라 반복적으로 문제를 풀면 최종적으로 극의 계수 ak와 예측 오차인 이득 값 𝜎를 구할 수 있다.

$$a_k^{(k)}=\frac{R_k-{\displaystyle\sum_{i=1}^{k-1}}a_i^{(k-1)}R_{k-i}}{\delta^{(k-1)}},\;\mathrm{for}2\leq k\leq p,$$ (22)
$$a_i^{(k)}=a_i^{(k-1)}-a_k^{(k)}a_{k-i}^{(k-1)},\;for\;1\leq i\leq k-1,$$ (23)
$$\delta_{}^{(k)2}=\delta_{}^{(k-1)}(1-a_k^{(k)2}),$$ (24)
$$\delta=\sqrt{\delta^{(k)2}.}$$ (25)

다음 과정으로 Eq. (26)의 평균 0, 단위 분산을 가진 복소 가우시안 랜덤 변수 ξn을 설정된 샘플 레이트에 근거한 시간만큼 생성하고, 구해진 자기회귀 계수 ak, 𝜎 값을 Eq. (13)에 대입하면 주어진 시간 n에 대한 시계열 신호 yn을 계산할 수 있다. 여기서, 메트랩 함수는 다이렉트 형식-II 전치 필터(direct form-II transposed filter)가 활용되었다.

$$\xi_n=\frac{\left(W_R+jW_I\right)}{\sqrt2}.$$ (26)

최종적으로 방위각별 잔향음 시계열 신호는 시간 t에 따라 생성된 y(t) 값에 선형 보간된 잔향음 세기의 제곱근 값과 도플러 주파수에 대한 지수함수를 곱하고 실수 값을 취하면 Eq. (27)과 같이 주어진다.

$$\triangle_\phi RL\left(t\right)=Re(y\left(t\right)\sqrt{\triangle_\phi I_R(t)}e^{-j2\pi f_d(\phi,t)t}).$$ (27)

한편, 극 값 개수의 설정과 관련하여 Reference [4]에서 40 이상으로 설정하면 스펙트럼상 모델링 오차를 최소화 될 수 있다고 설명하고 있다.

IV. 잔향음 시계열 신호 모의 결과

4.1 ONR 잔향음 워크숍-I 11번 문제 모의

ONR 잔향음 워크숍-I 문제 11번 문제[15]를 이용하여 Fig. 5와 같은 환경에서 시계열 잔향음 신호를 생성하였다. 동 문제는 경험적인 Lambert 계수 -27을 이용하여 해저 잔향음을 모의 한 예제로 음원은 1초의 가우시안 펄스, 음원 준위는 0 dB이다. 해양환경은 수심 100 m의 거리 독립 환경으로 음속은 1500 m/s의 등음속 구조이고, 해저질은 모래로 음속 1700 m/s, 밀도 2000 kg/m3, 감쇠계수는 0.5 dB/𝜆이다. 또한 시계열 신호 모의할 때 단상태 환경을 적용하고 함정 속도는 150° 및 5 kts로 기동하고 있다고 가정한다.

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Fig. 5.

The ocean environments of RMW-I problem XI.

Fig. 6은 중심 주파수 250 Hz에 대해서 모의된 에너지 플럭스 잔향음 세기의 결과이다. 공신력 있는 다른 연구자들의 모델과 비교 시에도 전반적으로 떨어지는 경향은 유사하여 타당한 결과 값을 보이나 근거리에 해당되는 0 s ~ 1 s 구간에서 상대적으로 가장 낮은 준위를 보인다.

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Fig. 6.

Comparision of closed-form reverberation level with RMW-I problem XI results.[15]

이러한 잔향음 세기 결과를 이용하여 앞서 언급한 절차대로 시계열 신호를 생성하였고, Fig. 7은 잔향음 시계열 신호를 30 s까지 생성한 결과이다. 해저면, 음원, 수신기의 수심에 근거하여 0.08 s 이후 신호가 발생하기 시작하였으며 시간에 따라 크기가 감소하는 경향을 보인다.

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Fig. 7.

Simulated result of reverberation time series for a RMW-I problem XI.

모의된 시계열 잔향음 신호의 세기가 에너지 플럭스 모델의 잔향음 세기와 일치하는지 검증하기 위해 Fig. 8과 같이 100개 시계열 신호를 생성하여 앙상블 평균을 하였을 때 Fig. 6의 잔향음 세기 경향과 일치하는 것을 확인하였다. 또한 Fig. 9에서 방위각별로 모의된 신호를 합하여 주파수 대 시간 영역의 스펙트로그램으로 전시하였다. 여기서도 중심주파수 250 Hz를 중심으로 함정속도 5 kts에 준하는 도플러 변이가 양(+)과 음(-)의 주파수 대역에서 발생하는 것을 확인할 수 있다.

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Fig. 8.

Comparison of ensemble average result with 100 iterations with closed-form reverberation level.

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Fig. 9.

Spectrogram of CW reverberation signal for a RMW-I problem XI.

4.2 거리종속 환경 모의

Fig. 10과 같이 CW와 LFM(Linear Frequency Modulation) 신호를 이용하여 동해 해저 지형의 거리종속 특성이 반영된 신호를 모의하였다. 여기서 해저 지형은 영국 해양데이터 센터에서 공개 중인 GEBCO(General Bathymetric Chart of the Oceans) 데이터베이스가 활용되었다. 함정 좌표는 경도 36° 3' 57.9639'' N, 위도 129° 47' 14.7473'' E에 위치하고 있다고 가정한다.

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Fig. 10.

Ship GPS position for the simulation in the East Sea and GEBCO bahtymetry is applied.

또한 Table 1과 같이 송신 신호는 CW 신호와 LFM 신호로 구분하여 설정하였고, 샘플링 주파수는 16.384 kHz, 음원과 수신기 모두 무지향성 빔 패턴을 가진다고 가정하였다.

Table 1. Sonar system parameter for simulation.

Classification CW signal LFM signal
Source level (dB) 215 215
Frequency (kHz) 3 2.8 ~ 3.2
Bandwidth (Hz) 1 400
Pulse length (s) 1 1
Source depth (m) 150 150
Receiver depth (m) 125 125
Source/receiver course and speed 150° and 5 kts 150° and 5 kts

Fig. 11에서 보듯이 음원 수심은 150 m, 수신기 수심은 125 m로 설정하였고, 함정 침로와 속력은 150° - 5 kts로 동일하게 설정하였다. 해저 재질은 동해와 유사한 실트질 점토로 모의하였으며, Lambert 계수는 -33, 시계열 잔향음 신호를 생성할 때 랜덤 신호는 평균 0, 단위 분산의 복소 가우시안 랜덤 변수를 입력하였다.

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Fig. 11.

The ocean environments of simulation.

Fig. 12는 CW 신호를 송신하였을 때 발생되는 시계열 잔향음 신호의 결과이고, Fig. 13은 LFM 신호에 대한 결과이다. 모의된 시계열 신호는 시간에 따라 감소되고 랜덤한 특성이 경향이 잘 나타나는 것을 확인할 수 있다.

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Fig. 12.

Simulated result of total reverberation time series for a CW signal.

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Fig. 13.

Simulated result of total reverberation time series for a LFM signal.

Fig. 14는 방위각별 CW 잔향음을 합한 신호의 스펙트로그램이고, Fig. 15는 LFM 신호에 대한 스펙트로그램이다. CW 신호의 경우 중심주파수 3 kHz에서 도플러 변이가 -10 Hz에서 +10 Hz의 범위로 발생한 것 확인할 수 있으며, 방위각 별로 에너지의 크기가 상대적으로 다르므로 주파수 대역별 에너지가 비대칭적으로 발생하는 것을 확인할 수 있다. LFM 신호의 경우 대역폭이 400 Hz로 넓기 때문에 도플러 효과는 상대적으로 미미하다.

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Fig. 14.

Spectrogram of total CW reverberation.

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Fig. 15.

Spectrogram of total LFM reverberation.

Fig. 16은 방위각별 CW 잔향음 신호를 극좌표 체계로 전시한 결과이고, Fig. 17은 LFM 잔향음 신호를 전시한 것이다. 여기서 해저지형에 대한 거리종속성도 확인할 수 있는데 서쪽 방향에서 동북쪽 방향으로 수심이 깊어지는 경사 구조이므로 잔향음 신호의 크기도 서쪽 방향이 상대적으로 크며 동쪽 경사가 깊어질수록 약해지는 것을 확인할 수 있다.

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Fig. 16.

Polar plot of a CW reverberation intensity.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/ask/2019-038-01/N0660380112/images/ASK_38_01_12_F17.jpg
Fig. 17.

Polar plot of a LFM reverberation intensity.

V. 결론 및 토의

본 논문에서는 에너지 플럭스 모델을 활용하여 해저 잔향음에 대한 시계열 신호를 모의하였다. 특히, 송신된 음원 신호와 랜덤 특성을 반영하기 위해 자기회귀 모델을 적용하였고, 해저 지형 변화에 따른 Harrison의 해저 잔향음 세기와 함정 기동에 따른 도플러 효과를 모의 한 이후 선형 보간법을 적용하여 최종적인 방위각별 잔향음 시계열 신호를 생성하였다. 또한, 샘플 레이트에 따른 잔향음 신호를 모의 생성하였고, 해저지형 변화에 따른 잔향음 세기와 도플러 효과도 반영할 수 있었다.

시나리오에 따른 모의도 수행하였는데 잔향음 워크숍-I 11번 해저 잔향음 문제를 활용하여 거리독립 환경에 대한 상황을 모의 및 검증하였으며, 동해 해양 환경을 기반으로 시계열 잔향음도 모의하여 거리 종속성도 구현하였다. 모의 한 결과, 시계열 신호의 특성과 도플러 효과가 반영된 잔향음의 특징들이 발생하는 것을 확인하였다.

그러나 본 모델은 등음속 구조만 가정되므로 수심에 따라 변화하는 음속구조를 반영할 수 없고, 근거리 잔향음 세기가 타 모델에 비해 상대적으로 낮으므로 이러한 단점은 음선 모델 등 다른 음파전달모델이 활용된 잔향음 시계열 모델로 개선이 가능할 것으로 판단된다. 향후, 동 알고리즘을 통해 능동소나 시뮬레이터에서 빠르고 실질적인 잔향음 신호가 생성되는데 기여할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 국방과학연구소의 지원을 받아 수행 되었음(계약번호: UD170008DD).

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