Research Article

The Journal of the Acoustical Society of Korea. 31 July 2022. 419-425
https://doi.org/10.7776/ASK.2022.41.4.419

ABSTRACT


MAIN

  • I. 서 론

  • II. 분석 방법

  • III. 천해에서의 양상태 소나 탐지환경

  • IV. 심해에서의 양상태 소나 탐지환경

  • V. 토 의

I. 서 론

잠수함 및 수상함의 기술발전에 의한 저소음화로 수중표적에 대한 탐지의 어려움이 증대됨에 따라 수중감시체계의 성능향상을 위한 기술개발이 지속적으로 요구되고 있다. 단일 플랫폼에서 같은 위치/심도의 송․수신기를 이용한 단상태 능동소나 시스템에서, 서로 다른 곳에 위치한 플랫폼에서 음원과 수신기를 운용하는 양상태 소나의 개념으로 확장되고 있는 추세이다. 추후에는 다중상태로의 확장이 가능하여, 양상태 소나의 장점이 더욱 부각될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

탐지성능의 관점에서 양상태 소나의 가장 큰 특징으로는 전달손실에서의 이득을 이야기 할 수 있다. 단상태 소나는 동 위치인 음원/수신기로부터 표적간 거리의 양방향 전달손실(Two way Transmission Loss, 2TL)에 의해 신호초과(Signal Excess, SE)가 결정되지만, 양상태 소나는 음원에서 표적 간의 전달손실(TL1)과 표적에서 수신기까지의 전달손실(TL2)의 합에 의해 신호초과가 결정된다. 요약하면, 양상태 소나의 전달손실(TL1 + TL2)이 단상태 소나의 전달손실(2TL)보다 작은 조건에서 단상태 소나 대비 양상태 소나 성능이 우수한 탐지환경이 된다. 하지만 양상태 소나는 음원과 수신기 사이에 탐지가 불가능한 음영구역(Direct blast)이 발생하게 되는데, 이 영역에 표적이 존재하는 경우에는 단상태 소나에 비해 양상태 소나의 성능이 현저히 떨어지는 단점이 존재한다. 궁극적으로 양상태 소나를 효율적으로 운용하기 위해서는 복잡한 해양환경의 특성에 따른 음파의 전달 환경을 이해하고, 최적의 위치와 수심에 음원과 수신기를 각각 배치하는 것이 중요하다. 수동소나와 단상태 소나의 경우에는 해양환경을 고려한 소노부이나 수상함의 배치 연구[1,2,3,4,5]가 많이 진행되었지만, 양상태 소나의 경우에는 해양환경을 충분히 고려하지 않은 형태의 연구만이 진행되어 왔다. 양상태 탐지성능을 카시니 난형(Cassini oval)으로 단순화한 형태로 해양환경을 고려한 경우는 있으나, 원통형 분산을 가정하고 있으므로 천해 도파관에서만 적용이 가능한 한계를 가지고 있다.

특히 양상태 소나의 성능분석은 단상태 소나에 비해 연산량이 상당히 증가하고, 배치를 위해 고려해야할 변수의 복잡도가 증가하게 된다. 본 연구에서는 양상태 소나의 음원 및 수신기 배치의 연산량과 복잡도를 줄이는 방법을 제안하기 위한 사전 연구로 음파의 전달환경과 양상태 소나의 탐지환경의 관계를 이해하고자 한다. 중주파수 대역 가변심도소나의 플랫폼 간 양상태 소나 탐지환경을 파악하기 위하여 대표 해양환경 3가지를 선정 하였으며, 해당 입력조건에서 양상태 소나의 음원과 수신기간 거리, 심도에 따른 표적의 탐지 특성 변화와 음파의 전달 특성을 비교 분석하였다.

II. 분석 방법

본 논문에서는 3가지의 대표 해양환경을 거리독립환경으로 가정하였다(Table 1). 천해의 겨울철 특성을 반영하기 위해 100 m의 비교적 얕은 수심과 등음속구조를 가정하였으며, 심해의 특성을 반영하기 위해서는 2000 m의 수심을 가정하였다. 특히 심해의 경우에는 100 m 이내의 혼합층이 존재하는 겨울철의 대표 음속구조와, 수온약층이 표층까지 발달하는 여름철의 대표 음속구조를 각각 가정하였다(Fig. 1). 본 연구에서 가정한 심해 환경에서는 약 350 m보다 깊은 수심에서는 계절에 의한 효과가 발생하지 않지만, 약 350 m보다 얕은 수심에서는 계절적인 영향으로 인해 수온약층과 혼합층의 구조가 크게 달라진다. 이러한 수직음속구조의 차이에 의해서 음파의 전달환경이 크게 달라지며, 탐지할 수 있는 표적의 심도와 거리 범위에도 영향을 끼치게 된다.

Table 1.

The summary of input parameters for acoustic performance model.

Shallow water Deep water1 Deep water2
Water depth 100 m 2000 m 2000 m
Sound speed Iso-velocity (Summer) (Winter)
Sediment property Fine sand Coarse clay
Source to
receiver range
5 km ~ 40 km
Source depth 50 m 100 m, 150 m
Receiver depth 50 m 100 m, 150 m
Frequency Mid-frequency
FOMN 205 dB

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Fig. 1.

(a) The sound speed profiles of the deep water, (b) the same with an expanded vertical scale.

소나 성능분석을 위해 사용한 음향모델은 2019년 국방과학연구소와 한양대학교가 공동 개발한 Bistatic Sonar Performance Analysis System(BiSPAS)이다.[6] 음선이론 기반의 소나 성능분석 모델인 BiSPAS는 소나 시스템 변수와 표적 변수 및 거리 종속의 해양환경을 고려하여 탐지성능을 도출할 수 있는 소나성능분석모델이다. 소나의 종류에 따라서 탐지성능을 도출하기 위한 BiSPAS의 분석 흐름도는 Fig. 2와 같으며, 이를 소나방정식으로 정리하면 Eq. (1)과 같다. 신호초과는 전달손실과 소나성능지수(Figure of merit, FOM)의 비로 표현 가능하며, 소나성능지수에 비해 전달손실이 작은 경우(SE > 0)에는 표적의 탐지가 가능한 것으로 정의된다.[7]

(1)
SE=FOMN/R(TLST+TLTR)FOMN=SL+TSNL+DIDTFOMR=SL+TSRLDT.

Eq. (1)에서 Source Level(SL)은 음원준위, Target Strength (TS)는 표적강도, Noise Level(NL)은 소음준위, Directivity Index(DI)는 지향지수, Detection Thres-hold(DT)는 탐지문턱, Reverberation Level(RL)은 잔향음 준위를 의미한다. 그리고 TLST는 음원에서 표적까지의 전달손실, TLTR은 표적에서 수신기까지의 전달손실로 정의할 수 있으며, 단상태의 경우에는 TLST와 TLTR이 같다.

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Fig. 2.

Block diagram of Bistatic Sonar Performance Analysis System.

III. 천해에서의 양상태 소나 탐지환경

DSTO에서 Fewell과 Ozols[8]에 의해 발표된 문헌에서는 전달손실을 20log(Range)의 함수로 단순화하여 양상태 소나의 탐지성능을 계산하였는데, 음원과 수신기 거리에 따라서 카시니 난형의 형태로 탐지성능을 도출하였다. Fig. 3은 천해에서 음원과 수신기 간의 거리 5 km, 10 km, 20 km, 30 km에서 모의된 양상태 소나 신호초과 결과이며, 천해 도파관에서의 전형적인 음파전달 특성을 보이기 때문에 Fewell과 Ozols에 의해 발표된 문헌과 유사한 경향을 보인다. Fig. 3 내부의 빨간 점선은 잔향음 제한 환경에서 소음 제한 환경으로 바뀌는 구간을 의미하며, BiSPAS 모델을 이용하여 모의한 잔향음과 수중소음 준위를 비교하여 도출하였다. 본 분석에서 입력한 소나변수 및 해양환경 조건에서는 소음 제한 환경에서 최대탐지거리가 결정되는 것을 확인할 수 있다.

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Fig. 3.

(Color available online) Predicted signal excess in shallow water (source depth: 50 m, receiver depth: 50 m, target depth: 50 m, source to receiver ranges: 5 km, 10 km, 20 km, 30 km).

Fig. 3(c)의 노란색 별 심볼은 수신기로부터 약 25 km, 음원으로부터 약 50 km 떨어진 지점으로 신호초과가 0 dB인 경계 영역이다. 이 지점의 전달손실은 Fig. 4(b)의 전달손실 곡선에서 확인할 수 있는데, TLTR은 93.6 dB, TLST는 111.4 dB이며, TLTR + TLST는 입력한 FOMN과 일치하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 소음 제한환경으로 가정한다면, FOMN과 전달손실(TLTR + TLST)의 비교만을 통해 양상태 소나의 탐지환경을 개략적으로 파악할 수 있는 것을 확인하였다. Fig. 5는 전달손실(Fig. 4)을 이용하여 양상태 소나 탐지환경을 도출한 결과이다. Fig. 3과의 비교 분석을 위해 음원과 수신기 거리, 심도를 Fig. 3과 동일하게 입력하였다. 단순한 천해의 해양환경을 가정하면 BiSPAS로 모의한 탐지가능영역과 전달손실만을 이용해 도출한 탐지가능영역은 전반적으로 유사한 것을 확인할 수 있다. 하지만 음원과 수신기 사이에 존재하는 음영구역은 전달손실만 가지고는 계산할 수 없기 때문에, 추가로 제외할 필요가 있다.

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Fig. 4.

(Color available online) (a) The transmission loss field in shallow water at a source depth of 50 m and (b) their transmission loss curve at a target depth of 50 m.

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Fig. 5.

(Color available online) The results of assessment of acoustic detection performance using propagation loss in shallow water in winter (source depth: 50 m, receiver depth: 50 m, target depth: 50 m, source to receiver ranges: 5 km, 10 km, 20 km, 30 km).

IV. 심해에서의 양상태 소나 탐지환경

심해에서는 천해와 같이 단순한 탐지환경을 갖지 않는다. 천해의 전달손실은 거리가 증가함에 따라 연속적으로 증가하는 경향을 보이나, 심해의 경우에는 수직 방향으로의 굴절 효과가 강하게 나타나기 때문에 음영구역이 반복적으로 발생하게 된다. Fig. 6은 심해 겨울철 환경에서 모의한 전달손실 결과이다. 음원 심도가 150 m인 경우에는 음수렴구역(Convergence zone)을 이용한 장거리 음파전달이 가능하다. Fig. 6(b)의 전달손실 곡선을 보면 10 km ~ 28 km 거리 범위에서는 음영구역이 형성되어 전달손실이 크고, 28 km ~ 40 km 거리 범위에서는 전달손실 100 dB 이하로 양호한 탐지환경을 보인다. 이후 거리에서는 음영구역이 형성되다가 55 km ~ 60 km 거리 범위에서는 다시 표적의 탐지가 가능한 음파 전달 환경을 볼 수 있다.

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Fig. 6.

(Color available online) (a) The transmission loss field in deep water in winter at a source depth of 150 m and (b) their transmission loss curve at a target depth of 150 m.

Fig. 7은 음원과 수신기 간 거리 10 km, 20 km, 30 km, 40 km에서 양상태 소나 신호초과를 모의한 결과이다. 심해에서는 최소음속층을 기준으로 음파가 굴절을 반복하며 전파하는 특성을 보이기 때문에 음원과 수신기 간 거리가 가까운 경우에는 단상태 소나의 탐지성능과 유사하게 도넛 모양의 탐지 가능 영역이 나타나는 것을 볼 수 있다. 하지만 음원과 수신기 간 거리가 멀어지면서 음원과 수신기 중심의 원형 띠가 벌어지게 되고, 두 원형 띠가 중복되는 영역 부근에서 TLST + TLTR가 FOMN보다 작은 구간이 형성된다(Fig. 7). Fig. 8은 음원과 수신기 기준으로 방위각별 전달손실을 모의하여, TLST + TLTR을 계산한 결과이다. TLST + TLTR이 소나성능지수보다 작은 구간만을 표현하였다. Fig. 7의 신호초과 모의 결과와 전반적으로 유사한 경향을 보이나, 음원과 수신기의 근거리에서는 상이한 결과가 도출되는 것을 볼 수 있다. 이는 음원과 수신기의 근거리에서 비교적 강하게 형성되는 잔향음에 의해 탐지성능이 제한되는 구간으로 예상된다. 심해 해양환경에서도 전달손실과 소나성능지수와의 비교만으로는 음원과 수신기 근거리에서의 탐지성능은 부정확하지만, 원거리의 소음 제한구간에서는 양상태 소나의 탐지환경 평가가 가능한 것을 확인하였다.

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Fig. 7.

(Color available online) Predicted signal excess in deep water in winter (source depth: 150 m, receiver depth: 150 m, target depth: 150 m, source to receiver ranges: 10 km, 20 km, 30 km, 40 km).

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Fig. 8.

(Color available online) The results of assessment of acoustic detection performance using propagation loss in deep water in winter (source depth: 150 m, receiver depth: 150 m, target depth: 150 m, source to receiver ranges: 10 km, 20 km, 30 km, 40 km).

Fig. 9는 심해 여름철 해양환경에서 모의한 전달손실 결과이다. 약 350 m까지 수온약층이 강하게 형성된 수직음속구조에서 음원심도를 100 m로 입력하여 모의하였다. 약 40 km 이내 거리 구간에서 해저면 반사파를 이용한 표적 탐지 성능이 양호한 환경이 존재한다.

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Fig. 9.

(Color available online) (a) The transmission loss field in deep water in summer at a source depth of 100 m and (b) their transmission loss curve at a target depth of 100 m.

Figs. 1011은 각각 양상태 소나 신호초과를 모의한 결과와 전달손실을 이용한 양상태 소나 탐지환경의 모의 결과이다. 이 때 음원과 수신기 간 거리는 10 km, 20 km, 30 km, 40 km, 음원과 수신기 심도는 100 m로 설정하였다. Fig. 11Fig. 10과 비교하였을 때, 음원과 수신기 기준의 근거리에서는 잔향음에 의한 영향으로 인해 신호초과로 계산한 탐지가능 영역이 감소하는 것을 확인하였지만, 원거리에서는 전달손실 만을 이용한 탐지가능 영역과 신호초과 모의 결과로 도출된 탐지 가능영역이 상당히 잘 일치하는 것을 확인하였다.

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Fig. 10.

(Color available online) Predicted signal excess in deep water in summer (source depth: 100 m, receiver depth: 100 m, target depth: 100 m, source to receiver ranges: 10 km, 20 km, 30 km, 40 km).

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Fig. 11.

(Color available online) The results of assessment of acoustic detection performance using propagation loss in deep water in summer (source depth: 100 m, receiver depth: 100 m, target depth: 100 m, source to receiver ranges: 10 km, 20 km, 30 km, 40 km).

V. 토 의

III, IV장에서는 음원과 수신기를 고정하고 전체 영역에 표적이 존재할 경우의 탐지 가능영역에 대한 관점으로 분석을 수행하였으나, 표적의 위치를 중심으로 음파 전달환경을 분석하면 더욱 쉽게 배치 문제에는 접근할 수 있다. Fig. 12는 심해 겨울철에 (-30 km, 20 km) 좌표, 심도 100 m에 표적이 존재하는 경우를 가정하여, 표적의 위치에서 전달손실을 계산한 결과이다. 여기서 (0 km, 0 km) 위치에 이미 음원이 위치하고 있는 시나리오를 가정한다면, TLST는 이미 도출되었기 때문에 FOMN-TLST > TLTR의 조건을 만족하는 영역에 수신기를 배치할 수 있는 범위로 제안할 수 있다.

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Fig. 12.

(Color available online) Predicted transmission loss at target position in deep water in summer (target depth: 100 m).

본 연구에서는 대표적인 해양환경을 3가지의 거리독립 환경으로 구분하였고, 해당 조건에서 양상태 소나의 탐지성능과 음파 전달환경의 특성을 분석하였다. 음원과 수신기 기준으로 비교적 근거리에서는 잔향음이 소음보다 우세한 환경이기 때문에 전달손실과 소나성능지수의 비교를 이용한 탐지환경 평가 결과가 부정확하지만, 원거리로 갈수록 소음 우세 환경으로 전환되면서 잘 일치하는 것을 여러 가지 조건에서 확인하였다. 하지만 본 논문에서는 제한적인 해양환경과 소나 시스템 변수를 적용한 모의이기 때문에 그 한계가 있으며, 추후에는 복잡한 실제 해양환경에 가까운 다양한 조건에서의 추가 분석을 통한 검증을 수행할 계획이다.

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