Research Article

The Journal of the Acoustical Society of Korea. 31 May 2024. 305-313
https://doi.org/10.7776/ASK.2024.43.3.305

ABSTRACT


MAIN

  • I. 서 론

  • II. 표적강도 시뮬레이션

  •   2.1 양상태 표적강도 시뮬레이션

  •   2.2 양상태 표적강도의 극좌표계 변환

  • III. 천해에서의 표적강도를 고려한 소나 탐지성능 분석

  • IV. 심해에서의 표적강도를 고려한 소나 탐지성능 분석

  • V. 요약 및 결론

I. 서 론

수중에서 능동소나를 이용한 표적 탐지를 수행하는 경우에는 일반적으로 단상태 소나가 사용되어왔으나, 최근에는 적으로부터의 피탐 위협을 줄이고 표적 탐지성능을 향상시키기 위해 양상태 및 다중상태 소나에 대한 연구가 수행되고 있다.[1,2,3,4] 양상태 소나는 단상태와 달리 음원과 수신기의 위치가 분리된 형태의 소나를 의미한다. 이러한 기하학적 차이는 단상태 소나와 양상태 소나의 탐지성능 특성의 차이를 만들어낸다. 첫 번째로 전달손실 관점에서 양상태 소나는 음원에서 표적까지의 전달손실(TL1)과 표적에서 수신기까지의 전달손실(TL2)이 단상태(2TL)보다 작은 경우 탐지성능의 이득을 볼 수 있다. 두 번째로 표적강도 관점에서는 잠수함과 같이 원기둥에 가까운 표적을 가정한다면 음파가 선체에 해당하는 옆면에 맞고 반사되는 특수한 경우에 양상태 소나가 단상태에 비해 더 높은 탐지성능의 이득을 볼 수 있다. 따라서 효과적인 양상태 소나 운영을 위해서는 해양환경에 의한 음파전달 특성과 표적의 특성을 함께 고려하여 양상태 탐지성능 특성을 분석하는 것이 필수적이다.

하지만 현재까지의 많은 양상태 및 다중상태 탐지성능 연구는 모델의 연산량 및 계산 복잡도로 인해 해양환경 및 표적 특성을 고려하지 않거나 단순화하여 탐지성능을 모의하였다.[2,5] Kim et al.[6]은 해양환경 특성을 반영한 양상태 소나의 탐지성능을 분석하기 위해 천해 환경에서 음속구조 및 음원 수심에 따른 신호초과 특성을 분석하였고, Son et al.[7]은 한반도 해역에서 해양환경을 고려한 양상태 소나의 탐지성능 분석 연구를 수행하였으나 양상태 표적강도의 특성은 반영되지 않았다.

이러한 양상태 표적강도 특성을 반영하기 위해 국외에서는 Technical Advisory Panel(TAP) 모델을 개발하였다.[8,9] TAP 모델은 잠수함의 양상태 표적강도를 모의하기 위한 모델로써, 복잡한 형상을 가지는 잠수함 형상을 신속하게 모의하기 위해 표적을 원기둥과 반구의 형상으로 단순화하였다. 국내의 경우 Kim et al.[10]은 대표반향점 방법을 이용해 표적 신호를 모의하였다. 대표반향점 방법은 표적을 해석식이 존재하는 독립된 형상들로 단순화하여 표적의 특성을 고려하는 방법으로 빠른 표적 신호 모의에 장점이 있으나 복잡한 형상일수록 표적의 반향 특성을 정확히 반영하는데 제한점이 존재한다. Bae et al.[11]과 Ji et al.[12]은 양상태 표적 반향음 연구를 위해 다중상태 소나 시스템을 이용하여 축소 표적에 대한 음향실험을 수행하였다. 수신된 신호와 수치해석 모델을 이용해 모의된 표적 반향신호 간 비교/검증을 통해 최종적으로 표적 반향음 구현 알고리즘을 개발하였다. 하지만 국내외에서 수치해석적 방법으로 모의된 표적 특성을 반영한 양상태 탐지성능분석 연구 사례는 매우 부족하다.

따라서 본 논문에서는 거리종속 해양환경에서 양상태 소나의 표적강도를 고려한 탐지성능 분석을 수행하였다. 해양환경 특성을 반영하기 위해 여름철 동해 울릉분지 및 서해 임의 해역을 분석 정점으로 선정하였다. 또한 양상태 소나의 표적강도를 고려하기 위해 Benchmark Target Strength Simulation II(BeTSSi II) 워크샵[13]에서 제시된 잠수함 형상에 수치해석적 방법을 이용해 표적강도를 계산하였다. 계산된 표적강도를 신호초과 계산 과정에서 반영하여 최종적으로 두 소나 시스템에서 모의된 탐지성능 결과에 대한 비교/분석을 수행하였다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 제II장에서는 표적의 특성을 반영하기 위해 선정한 표적 모델과 표적강도 시뮬레이션에 대해 설명하고 제III장과 IV장에서는 표적강도 특성이 반영된 단상태 및 양상태 탐지성능 모의 결과에 대해 분석하였다. 마지막으로 제V장에서는 본 연구의 요약 및 결론에 대해 기술하였다.

II. 표적강도 시뮬레이션

2.1 양상태 표적강도 시뮬레이션

본 논문에서는 표적강도 특성을 반영한 소나 탐지성능 분석을 위해 잠수함 형상을 가정하여 분석을 수행하였다. 잠수함 형상은 표적강도 모의 소프트웨어의 성능 비교 및 평가를 위해 개최된 BeTSSi II 워크샵에서 제시한 표적을 사용하였으며 전장은 62 m, 선폭은 7 m이다(Fig. 1).

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Fig. 1.

(Color available online) Target shape and coordinate of incident angle and scattering angle.

표적강도는 수치해석 기반 물리현상을 시뮬레이션할 수 있는 상용 프로그램인 COMSOL[14]을 이용하여 계산되었다. 표적강도 계산은 격자를 나누어 산란 강도를 도출하는 수치해석 이론 중 복잡한 기하 구조에 높은 정확도를 나타내는 경계요소법(Boundary Element Method, BEM)이 사용되었으며,[15] 격자 크기는 파장의 1/4배로 설정하였다. 표적의 표면은 강성체로 가정하였으며, 주파수는 수상함의 능동소나인 저주파 가변 심도 소나(Low Frequency Projector Array, LFPA)와 수동소나인 다기능 예인형 배열 소나(Multi Function Towed Array, MFTA)운용을 가정하여 1.7 kHz로 설정하였다. 산란체의 산란 특성은 파수(k)와 표적 크기(a)의 곱으로 나타내는 ka에 따라 달라지는데, 연구에서 사용된 표적의 ka는 음속을 1,480 m/s로 가정 시 선체 전장을 기준으로 447.5, 선폭을 기준으로 25.2의 값을 가진다. 이 값은 기하광학 영역에 해당되므로 산란보다는 거울면 반사가 우세한 특성을 보인다.[16] 또한 표적강도 계산 시 표적에 입사 및 반사되는 신호는 평면파를 만족할 수 있도록 송신기와 수신기를 표적으로부터 10 km 거리에 위치하도록 설정하였다.

표적강도는 Fig. 1에서 표현된 입사각과 산란각 외에도 표적의 피치, 롤에 따라서도 달라지지만 본 연구에서는 탐지성능 분석의 단순화를 위해 표적의 피치각과 롤각은 0도로 설정하였으며, 송․수신기와 표적의 수심은 동일하다고 가정하였다. 이러한 가정을 바탕으로 주어진 형상에 대해 계산된 양상태 표적강도는 Fig. 2와 같다. 그림에서 입사각과 산란각이 모두 0°인 경우와 180°인 경우는 각각 선수, 선미에서의 후방산란에 해당되어 상대적으로 약한 표적강도를 보인다. 그리고 음파가 잠수함의 측면부에 해당하는 선체에 맞고 반사되는 각도 부근에서는 음파가 넓은 영역을 맞고 반사됨에 따라 높은 표적강도가 모의되었음을 확인할 수 있다.

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Fig. 2.

(Color available online) Target strength of BeTSSi II submarine at 1.7 kHz.

2.2 양상태 표적강도의 극좌표계 변환

Fig. 2에서 계산된 결과와 같이 양상태 표적강도는 입사각과 산란각에 따라 값에서 큰 차이를 보인다. 이는 고정된 위치에 표적이 존재하는 경우 송․수신기의 기하학적 위치에 따라 표적의 탐지 여부가 달라지게 됨을 의미한다. 본 연구에서는 표적강도를 고려한 소나 탐지성능 분석을 수행하기 위해 계산된 입사각-산란각 별 표적강도를 단상태 및 양상태의 송․수신기 위치에 따라 극좌표계로 변환하여 Fig. 3과 같은 결과를 도출하였다. 삼각형으로 표시된 수신기가 중심이 되는 극좌표계에서 표적이 모든 위치에 존재하며 선수가 북쪽 방향을 향하고 있다고 가정하였다.

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Fig. 3.

(Color available online) Target strength results in polar coordinates centered on the receiver. (a) Monostatic target strength. And bistatic target strength when source is located to the right side of the receiver at a distance of (b) 10 km, (c) 20 km and (d) 30 km and above of the receiver at a distance of (e) 10 km, (f) 20 km and (g) 30 km.

먼저 단상태에 해당하는 Fig. 3(a)를 보면 높은 표적강도를 보이는 송․수신기의 좌우측 부분은 음파가 선체에 맞고 후방산란되는 부분에 해당되어 서로 대칭을 이루고, 상대적으로 낮은 표적강도를 보이는 남쪽 부분과 북쪽 부분은 각각 표적의 선수, 선미에 반사되는 부분임을 알 수 있다. Fig. 3(b) ~ (d)와 (e) ~ (g)는 송신기가 수신기의 동쪽과 북쪽에 위치하고 거리는 10 km, 20 km, 30 km 이격되어 있는 경우의 표적강도 양상을 나타낸다. 먼저 송신기가 수신기의 동쪽에 위치한 경우에는 수신기 서쪽 방향의 표적강도가 단상태의 결과와 유사하지만 남쪽 방향의 표적강도가 단상태보다 약 20 dB 높은 경향을 보인다. 반면 송신기가 수신기의 북쪽에 위치한 경우에는 수신기 남북 방향의 표적강도 경향이 단상태와 유사하지만 송․수신기 간 이격거리가 멀어질수록 강한 표적강도를 보이는 구간이 위쪽으로 올라가는 경향을 보인다. 따라서 양상태 탐지성능 계산 시 양상태 표적강도를 적용한 경우와 표적을 단순히 점 표적으로 가정한 경우의 결과는 큰 차이를 보일 것으로 예상할 수 있다.

III. 천해에서의 표적강도를 고려한 소나 탐지성능 분석

양상태 표적강도를 적용한 소나 탐지성능을 모의하기 위해 천해 환경에 해당되는 서해 임의 해역을 분석 정점으로 설정하였다(Fig. 4). 분석 정점의 수심은 약 70 m로 전반적으로 얕고 평탄한 해저지형 특성을 보이며, 해양환경을 고려한 탐지성능 도출을 위해 여름철 서해 음속구조가 사용되었다. 여름철 서해는 높은 표층 수온으로 인해 상부층에서는 음속이 빠르고, 저층에서는 냉수대[17,18]가 존재하여 상대적으로 낮은 음속 구조를 보인다. 이러한 음속구조를 보이는 환경에서 소나가 표층에 존재하게 된다면 강한 하향굴절로 인해 장거리까지의 표적 탐지가 제한된다. 따라서 본 연구에서는 음파가 충분히 장거리 전파할 수 있는 수심인 50 m에 송․수신기를 위치시켜 분석을 수행하였다. 이때 표적의 수심 또한 50 m에 존재한다고 가정하였다.

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Fig. 4.

(Color available online) (a) Sound speed profile in summer, (b) bathymetry of Yellow sea and (c) sound transmission loss in north direction at receiver position.

분석 해역에서 소나의 특성 및 거리종속 해양환경을 고려한 양상태 탐지성능 모의를 위해 Bistatic Sonar Performance Analysis System(BiSPAS) 모델을 사용하였다.[19] 탐지성능을 나타내는 지표 중 하나인 능동 신호초과는 Eq. (1)과 같은 소나방정식으로 정의된다.[20]

(1)
ASE=SL-(TL1+TL2)+TS-(RL,NL)+DI-DT.

Eq. (1)에서 SL은 음원준위(215 dB), TL1은 음원에서 표적까지의 전달손실, TL2는 표적에서 수신기까지의 전달손실이다. TS는 표적강도를 의미하며 송․수신기 위치에 따라 Fig. 3에서 계산된 표적강도가 적용되었다. 그리고 RLNL은 각각 잔향음 준위와 주변소음 준위이며, DI는 지향지수, DT는 탐지문턱을 의미한다.

Fig. 5는 단상태부터 송신기가 수신기 우측 방향으로 멀어질 때 점 표적 및 양상태 표적강도를 적용한 신호초과 계산 결과이다. 그림의 각 행에 따라 송신기가 단상태에서부터 10 km 씩 거리가 멀어졌을 때의 결과를 전시하였으며, 각 열에서 좌측 그림들[Fig. 5(a, c, e)]은 점 표적을 가정한 경우이고 우측 그림들[Fig. 5(b), (d), (f)]은 양상태 표적강도를 적용한 결과이다. 먼저 점 표적을 가정한 모의 결과에서는 일반적인 도파관에서의 음파전달 특성을 보여 거리가 멀어짐에 따라 탐지성능이 점차 감소하는 특성을 확인할 수 있다. 양상태 표적강도를 고려한 경우에는 송․ 수신기 좌우 방향이 선체에 맞아 강한 표적강도를 보이는 부분에 해당되므로 점 표적을 가정한 경우보다 더 먼 거리까지 탐지가능 영역이 확보됨을 확인할 수 있다. 반대로 송․수신기 남북 방향에서는 음파가 표적의 선수, 선미 방향을 맞고 반사되는 경우에 해당되어 좌우 방향보다는 낮은 탐지성능을 보이는데, 특히 선미 방향을 맞고 돌아오는 북쪽 영역에서 탐지성능이 급격히 감소되는 경향을 확인할 수 있다.

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Fig. 5.

(Color available online) Simulation results of active signal excess at Yellow sea when the source is located in the eastern direction of the receiver. Assuming single target strength value with source to receiver ranges are (a) 0 km, (c) 10 km, (e) 20 km and applying bistatic target strength with source to receiver ranges are (b) 0 km, (d) 10 km, (f) 20 km respectively.

Fig. 6은 단상태부터 송신기가 수신기 북측 방향으로 점점 멀어지는 경우이다. Fig. 5와 유사하게 센서로부터 거리가 멀어짐에 따라 탐지성능이 점차 감소되는 경향을 확인할 수 있다. 또한 양상태 표적강도 적용 시 좌우 방향에서 높은 탐지성능을 보이게 되는데 송신기가 수신기로부터 멀어짐에 따라 이러한 구간이 위쪽으로 올라가는 경향을 확인할 수 있다. 반면 남북 방향의 경우 Fig. 5의 결과와 유사하게 점 표적을 가정한 경우보다 더 낮은 탐지성능 결과가 확인된다.

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Fig. 6.

(Color available online) Simulation results of active signal excess at Yellow sea when the source is located in the northern direction of the receiver. Assuming single target strength value with source to receiver ranges are (a) 0 km, (c) 10 km, (e) 20 km and applying bistatic target strength with source to receiver ranges are (b) 0 km, (d) 10 km, (f) 20 km respectively.

IV. 심해에서의 표적강도를 고려한 소나 탐지성능 분석

심해에서 양상태 표적강도를 적용한 소나 탐지성능을 모의하기 위해 여름철 동해 울릉분지를 분석 정점으로 설정하였다(Fig. 7). 분석 정점의 수심은 약 2,000 m로 깊고 평탄한 해저지형을 보인다. 여름철 동해는 높은 표층 수온으로 인해 상부층에서는 음속이 빠르고, 수심이 깊어질수록 수온이 낮아져 약 300 m 수심에서 최소 음속층이 존재한다. 이러한 해양환경에서 송신기가 표층에 존재한다면 강하게 하향굴절되어 해저면 반사파를 통해 표적을 탐지할 수 있으며, 송신기 수심이 깊어짐에 따라 방사된 음파는 해저면에 반사되지 않고 굴절되어 장거리에서의 표적을 탐지할 수 있다. 본 연구에서는 송․수신기 및 표적의 수심을 150 m로 설정하여 음파가 장거리 전파되는 경우에 대해 탐지성능 분석을 수행하였다.

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Fig. 7.

(Color available online) (a) Sound speed profile in summer, (b) bathymetry of East sea and (c) sound transmission loss in north direction at receiver position.

Fig. 8은 심해 환경에서 단상태부터 송신기가 수신기의 우측 방향으로 멀어질 때 점 표적 및 양상태 표적강도를 적용한 신호초과 계산 결과이다. 서해의 경우와 동일하게 각 행에 따라 송신기가 단상태에서부터 10 km씩 거리가 멀어졌을 때의 결과를 전시하였다. 점 표적을 가정한 경우 탐지성능 결과를 보면 서해의 결과와 다르게 특정 거리에서만 강한 탐지성능이 나타남을 확인할 수 있다. 단상태 결과에서 보면 전 방향에 대해 공통적으로 35 km ~ 40 km 거리에서 수렴영역에 의해 높은 탐지성능이 모의되었는데, 이 거리는 음원에서 방사된 음파가 하향굴절 후 다시 표층 부근까지 상향굴절되는 거리에 해당된다. 송신기가 수신기로부터 멀어지게 되면 높은 탐지성능이 나타나는 원 형태의 탐지 가능 영역이 타원형의 형태로 변환되고 수신기 기준 동서방향보다 남북방향에서 더 높은 탐지성능이 모의됨을 확인할 수 있다. 이는 송신기에서 표적까지의 거리와 수신기에서 표적까지의 거리가 35 km ~ 40 km로 동일한 경우가 남북방향에서만 존재하기 때문에 발생되는 현상으로 해석할 수 있다. 이러한 해양환경에서 표적강도를 고려할 경우 단상태에서는 신호초과가 0 dB 이상인 영역이 크게 달라지지 않지만 양상태에서는 남북방향에 비해 탐지성능이 낮았던 좌우측 부근에서도 선체를 맞고 반향되는 높은 표적강도에 의해 탐지성능이 증가됨을 확인할 수 있다. 특히 송․수신기 거리가 20 km인 경우 점 표적을 가정했을 때 탐지 가능성이 매우 낮았던 수신기 서쪽 40 km 거리에서 양상태 표적강도를 적용할 경우 두 번째 수렴영역에 의한 추가적인 탐지 가능 영역이 확보되는 것을 확인할 수 있다[Fig. 8(e), (f)].

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Fig. 8.

(Color available online) Simulation results of active signal excess at East sea when the source is located in the eastern direction of the receiver. Assuming single target strength value with source to receiver ranges are (a) 0 km, (c) 10 km, (e) 20 km and applying bistatic target strength with source to receiver ranges are (b) 0 km, (d) 10 km, (f) 20 km respectively.

Fig. 9는 단상태부터 송신기가 수신기의 북측 방향으로 점점 멀어지는 경우이다. Fig. 8과 유사하게 양상태 표적강도를 적용하면 좌우 방향에서 점 표적을 가정했을 때보다 더 높은 탐지성능을 가지게 된다. 또한 송신기가 수신기로부터 멀어짐에 따라 탐지 가능 영역이 원형에서 타원형으로 변형되고 높은 탐지성능을 보이는 구간이 위쪽으로 올라가는 경향이 확인되었다. 반면 남북 방향에서는 낮은 표적강도에 의해 점 표적을 가정했을 때보다 더 낮은 탐지성능을 보임을 확인할 수 있다.

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Fig. 9.

(Color available online) Simulation results of active signal excess at East sea when the source is located in the northern direction of the receiver. Assuming single target strength value with source to receiver ranges are (a) 0 km, (c) 10 km, (e) 20 km and applying bistatic target strength with source to receiver ranges are (b) 0 km, (d) 10 km, (f) 20 km respectively.

V. 요약 및 결론

수중에서 음향을 이용한 표적의 탐지성능 예측을 위해서는 소나의 기계적 특성, 해양환경 정보 뿐 아니라 표적의 특성이 반영되어야 한다. 소나를 이용한 표적 탐지 관련 연구는 과거 수동 및 단상태 소나 시스템 내에서 중점적으로 수행되어 왔으나 시간이 지남에 따라 정숙화되고있는 표적의 탐지성능을 향상시키고자 양상태 소나를 이용한 표적 탐지 연구가 활발히 수행되고 있다. 하지만 양상태 소나를 이용한 표적 탐지성능 예측은 수동 및 단상태 소나에 비해 계산 복잡도가 높고 많은 연산량이 소요되므로 기존의 많은 연구들은 해양환경 또는 표적의 특성을 단순화하여 탐지성능을 모의하였다. 따라서 본 논문에서는 양상태 탐지성능 예측 정확도를 향상시키고자 거리종속 해양환경에서 음파전달 특성과 더불어 수치해석적 방법을 통해 사전에 계산된 복잡한 형상의 표적강도를 양상태 탐지성능 모의에 적용하였고 그 결과를 점 표적을 가정한 탐지성능 결과와 비교하였다. 해역에 관계 없이 표적에 맞고 반사되는 위치에 따른 표적강도의 차이가 탐지 확률 또는 탐지 면적의 변화를 야기하였다. 서해와 같이 거리에 따라 탐지성능이 점차적으로 감소하는 해역에서는 양상태 표적강도 고려 유무에 의한 탐지성능 변화가 전 방위 및 거리에 대해 명확히 확인되었다. 동해 울릉분지 해역의 경우 수렴영역 부근에서 높은 탐지성능이 나타나는 것을 확인할 수 있었으며, 해당 영역에 대해서 양상태 표적강도 고려 유무에 의한 탐지성능 변화가 두드러지게 확인되었다. 특히 양상태 표적강도를 고려한 경우에 두 번째 수렴영역에서도 추가적인 탐지 가능 영역이 확보될 수 있음이 확인되었다. 표적 특성이 반영된 탐지성능 모의 분석 결과의 체계 적용을 통해 향후 보다 정확한 표적 탐지를 위한 소나 운용을 가능하게 해줄 것으로 기대할 수 있다. 그 예로 만약 두 소나 플랫폼을 이용해 단상태 소나와 양상태 소나를 동시에 운용한다고 가정하면 송신기를 수신기의 동서 방향에 위치시킬 경우 해당 방향 근처에 더 높은 탐지성능을 확보할 수 있다. 반대로 송신기를 수신기의 남북 방향에 위치시킬 경우 단상태에서 낮은 탐지성능을 보였던 영역에서의 표적 탐지 가능성을 추가로 확보할 수 있을 것이다.

마지막으로 본 연구에서는 송․수신기와 표적이 동일 수심에 있고 고각의 변화를 주지 않은 2차원적인 양상태 표적강도만을 고려하였으며 표적의 이동에 따른 도플러 효과를 고려하지 않았다. 하지만 추후 표적의 수심, 고각, 속도 등을 고려한 3차원 양상태 표적강도를 탐지성능 모의에 적용한다면 양상태 탐지성능 예측 정확도를 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgements

이 논문은 2024년 정부(방위사업청)의 재원으로 국방과학연구소의 지원을 받아 수행된 연구임(관리번호: UD210004DD).

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