다중경로 환경에 강인한 SAGE 알고리즘 기반의 합성 개구 소나 신호처리 기법 연구

Abstract

합성 개구 소나 시스템은 소나를 탑재한 수중운동체가 이동하면서 수신한 표적 신호를 합성하여 이동한 거리만큼의 어레이 확장 효과를 가져와 고분해능 수중 영상을 제공하는 기법이다. 이는 기존 사용되었던 수중음향 영상처리장치인 사이드스캔소나보다 영상 분해능이 향상된다는 장점이 있지만 신호처리 기술 구현이 어려워진다는 단점이 있다. 이에 현재 합성 개구 소나의 다양한 신호처리 기법들이 연구되고 있다. 한국 근해와 같은 천해 환경에서 능동 소나 시스템을 운용할 경우 다중경로 신호로 인해 능동 소나 시스템의 오류 및 성능의 저하가 발생한다. 따라서안전하고 효율적인 능동 합성 개구 소나 시스템 운용을 위해 다중경로로 인한 영향을 최소화 하는 합성 개구 소나 신호처리 연구가 진행되고 있다. 일반적으로 다중경로 영향을 제거하기 위해 적응 빔포밍 기법을 적용하여 표적 반사 신호의 입사각을 추정한다. 추정된 입사각을 기반으로 빔 스티어링을 하여 직접파만을 획득한 후, 이를 합성 개구 소나 시스템에 적용한다. 그러나 앞의 연구는 신호의 특성에 따라 성능 제약을 갖게 되고, 어레이를 수직으로 배열해야만 고도각을 추정할 수 있기 때문에 소나를 장착하는 수중운동체의 공간적 한계와 비용적인 문제를 야기한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 최소한의 어레이만을 이용하여 각 경로를 통해 입사되는 신호의 파라미터를 추정하고자 Space-Alternating Generalized Expectation-Maximization (SAGE) 알고리즘을 적용하였다. SAGE 알고리즘 은 반복법의 종류로 Expectation-Maximization (EM) 알고리즘보다 계산속도 측면에서 향상된 기법으로 직접파를 포함한 모든 경로의 파라미터를 산출할 수 있다. 이 기법은 제안된 파라미터를 기반으로 각 경로의 신호를 재 생성할 수 있다. 따라서 본 논문에서 소나 위치에 따라 수신된 신호에서 직접파만을 산출하여 합성 개구 소나 영상 및 수심 (bathymetry)을 구현할 수 있다. 본 논문은 다음의 두 가지 연구내용으로 구분할 수 있다. 먼저 고분해능의 영상 구현을 위한 합성 개구 소나에 적용되는 다양한 신호처리 기법에 대해 서술하였다. 이후 천해역 환경에서 발생하는 다중경로의 영향을 최소화하기 위한 SAGE 알고리즘 기법을 적용하였다. 제안된 알고리즘의 유효성을 검증하기 위해 다양한 환경에서 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션을 통해 얻어진 결과를 선행연구와 비교하여 제안된 알고리즘의 강인함을 보였다. 또한, 국방과학연구소 수조에서 수행된 실험으로부터 획득한 데이터에 이를 적용함으로 실제 해양환경에서의 운용가능성을 확인하였다.