다중 경로 신호의 도달 주파수 및 시간 차를 이용한 수중 음원 거리 추정에 관한 연구

Abstract

수중에서는 공기 중에서의 신호 전달과는 달리 음파에 의해 신호가 전달된다. 또한 음파는 해수면, 해저면, 수온, 염분 등 다양하고, 복잡한 수중 환경 특성으로 인해 직접 혹은 반사 등의 간접 경로로 전달된다. 이런 다양하고, 복잡한 수중 환경에서 잠수함의 생존성과 적 함정으로부터 피탐 위험성의 정도를 파악하기 위해 반드시 수행하는 시험이 수중방사 소음 측정 시험이다. 우리나라에서 건조되는 잠수함은 약 200여 항목 이상의 시험을 수행하여 모든 시험 항목들이 기준을 만족했을 때 비로소 해군에 인도된다. 수중방사 소음 측정 시험도 다른 시험 항목들과 동일하게 시험만족 여부에 대한 기준들이 있고, 측정을 위한 여러 조건들이 있다. 수중방사 소음 측정을 위한 여러 조건들 중 가장 중요한 것이 측정 센서와 잠수함과의 거리이다. 보통 수중방사 소음의 음원 준위 측정은 측정 센서와 잠수함과의 최근접 점(CPA : Closet Point of Approach) ±수 미터 내에서 이루어져야 측정한 음원 준위 값을 유효한 것으로 간주한다. 일반적으로 수상함에서 거리에 대한 조건들을 만족하기 위한 여러 시험 항목에서는 GPS, Radar 정보를 사용한다. 하지만 수중에서는 전파의 전달 특성으로 인해 GPS 혹은 Radar 정보를 이용할 수가 없다. 따라서 거리에 대한 추정을 하기 위해 다른 방법들이 사용되어야 한다.

이에 본 연구에서는 수중방사 소음 측정과 같이 근접 영역에서, 잠수함 즉, 측정하고자 하는 수중 음원의 속도, 경로, 측정에 사용되는 수신 센서 수심 등의 정보들을 알고 있을 때 거리를 추정하는 방법을 제시하였다. 수중 음원에서 방사된 소음 신호는 음원의 이동으로 인해 도플러 효과가 발생하게 되고, 수중 환경 특성에 의해 다중 경로 전달 현상이 일어난다. 이 때 다중 경로로 전달되는 신호들은 수신 센서 측면에서 입사각이 다르기 때문에 다른 도플러 천이 주파수 및 다른 도달 시간 차를 갖는 신호를 수신하게 된다. 따라서 이미 알고 있는 정보들을 통해 이론적으로 계산된 다중 경로 신호들의 도플러 천이 주파수 및 다른 도달 시간 차 신호를 추정하여 상호 비교를 통해 오차가 가장 작은 지점을 거리로 추정하는 방법이다. 수신된 신호의 도플러 천이 주파수 및 시간 추정을 위해 서로 다른 도플러 천이 주파수 및 시간에 대응하는 정합필터 뱅크를 구성하고, 수신된 신호를 각 정합필터에 통과시켜 가장 큰 에너지 값을 갖는 정합필터 출력을 찾아 도플러 천이 주파수 및 시간을 추정하는 모호 함수를 사용하였다.

제안한 방법의 타당성을 고찰하기 위해 수중 채널 전달 모델 기반의 모의실험을 수행하였다.