저주파 능동 예인형 소나 시스템에서 동해 해역 잔향음 모델링 및 변동성 분석

Abstract

Since the real oceanic environment is very complex and changes over time and space, the detection of the target using only the sonar systems of a surface ship with hull-mounted sonar is limited. As a result, a low-frequency active sonar system was developed and it became possible to detect targets at long distances by adjusting the operating depth of the sonar. The main source of an active sonar system consists of the target signal, ocean reverberation, and ambient noise. In particular, ocean reverberation masks the target signal and negatively affects detection performance. In this study, we improved existing algorithms to simulate the time-series signals of the active towed array sonar system. Also, a time-series ocean reverberation, a target signal, and ambient noise are presented assuming N × 2D concepts, depth bistatic geometry, range-dependent bathymetry, and range-independent sound speed profile. Specifically, time-series ocean reverberation is applied by an autoregressive model and a convolution theory based on an energy-flux and ray propagation model. A target signal is simulated by a highlight model based on ray propagation model, and ambient noise is simulated by Wenz's curve spectrum and an autoregressive model. In particular, a Doppler shift frequency according to the sonar platform, target, and scatterer motion is applied to the reverberation and target signal. The triplet receiver array element signal was implemented by applying time delay shifts of the sensors and an azimuth dependent signal from the reference position to the receiver. Moreover, previous ocean reverberation experiments were performed using a high-frequency source and a fixed hydrophone, a vertical line array or a single towed horizontal line array as a receiver. In this study, however, we analyzed ocean reverberation data using variable depth active sonar and triplet receiver array based on the first sea trial of an active towed array system conducted in East Sea, Korea, 2015. In particular, we analyzed main factors such as depth changes of the source and receiver, changes in seafloor bathymetry, statistical properties, and reverberation Doppler spectra. Finally, we compared the synthesized triplet array element signals with the results of the sea experiment, and the comparison results are in good agreement. In this study, contributions and significance are organized as follows and divided into the field of ocean experiment analysis and modeling. First, in the first domestic sea trials from the East Sea of Korea, we analyzed and clarified the variability of bottom reverberation due to changes in the depths of the source and receiver, and seafloor bathymetry. Secondly, as the first attempt in domestic research, we analyzed the cause of the asymmetry of Doppler spread of ocean reverberation in the time and frequency domain. Third, ocean reverberation that reflects the characteristics of range-dependent bathymetry is modeled for all complex elements of the triplet receiver array, and the time-series signals of all elements are verified by applying actual signal processing beamforming technique. Fourth, by applying techniques such as autoregressive model, time-domain convolution in the frequency domain, etc., previous study algorithms have been improved to maximize the computational efficiency of time-series modeling of the active towed array sonar system. The proposed method is not a completely bistatic model, but a depth bistatic model for the active towed array system. The model has maximized computational efficiency compared to conventional methods and reflects the characteristics of reverberation from the East Sea environment. In the future, the algorithm is expected to be used in a variety of fields, simulation signal algorithms for training sonar operators and performance evaluation of active sonar systems.

실제 해양환경은 시·공간적으로 매우 복잡하고 가변적이므로 수상함의 선저고정형 소나만을 이용한 표적 탐지에 제한사항이 존재한다. 이에 따라 저주파 능동 예인형 소나 시스템이 개발되었고, 소나 운용심도로 조절로 원거리 표적 탐지가 가능해졌다. 능동소나 시스템에서 주요 음원은 표적신호, 해양 잔향음, 주변소음으로 구성되는데 이 중 해양 잔향음은 표적신호를 마스킹하여 탐지성능에 악영향을 미친다. 본 연구에서는 실제와 유사한 능동 예인형 소나신호 모의를 위해 기존 알고리듬을 개선하였고, N×2D 기하학 구조 및 수심 양상태 환경, 거리종속 해저지형, 거리독립 음속구조를 가정하여 해양 잔향음, 표적신호, 주변소음 시계열 신호를 개발하였다. 해양 잔향음은 에너지 플럭스 모델과 음선 음파전달 모델을 기반으로 자귀회귀 모델 및 콘볼루션 이론을 통해 시계열 신호가 모의되었고, 표적신호는 음선 음파전달 모델을 이용한 하이라이트 모델로, 주변소음은 Wenz 곡선 스펙트럼을 이용한 자귀회귀 모델로 시계열 신호가 모의되었다. 특히, 잔향음과 표적신호에서 소나 플랫폼·표적·산란체 모션에 따른 양상태 도플러 변이가 적용되었고, 삼중선 배열 신호는 수신기 참조 위치에서 방위각별 모의 신호와 센서별 시간 지연차를 적용하여 구현되었다. 과거 해양 잔향음 실험은 고주파 대역의 음원과 고정된 하이드로폰, 수직 선배열 또는 예인된 단일 수평 선배열의 수신기를 이용하여 수행되었으나, 본 연구에서는 2015년 동해상에서 국내 최초로 수행된 능동 예인형 소나 시스템 해상실험을 기반으로 가변심도 능동소나와 삼중선 수신 배열을 이용한 해양 잔향음을 분석하였다. 여기서, 음원·수신기의 수심 변화, 해저지형 변화, 확률적 특성, 잔향음 도플러 효과 등 주요 요인들이 분석되었다. 최종적으로 해상실험과 유사한 조건에서 모의된 삼중선 배열 엘리먼트 신호들은 해상실험 결과와 비교되었고, 실제와 유사한 결과를 구현할 수 있었다. 본 연구에서는 해상실험 분석과 모델링 분야로 나누어 다음과 같이 기여도와 의의를 정리할 수 있다. 첫째, 국내 최초로 수행된 동해 능동 예인형 소나 해상실험에서 음원·수신기의 수심, 해저지형의 변화에 따른 잔향음의 가변성을 분석하고 규명하였다. 둘째, 국내 최초로 시간과 주파수 영역의 해양 잔향음 도플러 확산 현상을 분석하여 비대칭성에 대한 원인을 규명하였다. 셋째, 거리종속 해저지형의 특성이 반영된 해양 잔향음을 삼중선 수신 배열에서의 복잡한 모든 엘리먼트에 대해서 모델링을 수행하였고, 실제 신호처리 빔형성 기법을 적용하여 잔향음 신호를 검증하였다. 넷째, 자귀회귀 모델, 주파수 영역에서의 콘볼루션 기법 등 기존 알고리듬을 개선하여 능동소나 시계열 신호 모델링의 계산 효율성을 극대화하였다. 제안된 신호모의 기법은 함정 예인 이동 상황의 수심 양상태 모델로 완전한 양상태 모델이 아니나 기존 기법들에 대비하여 계산 효율성이 극대화되었고, 동해 환경의 잔향음 특성들이 잘 반영될 수 있었다. 향후, 동 알고리듬은 소나 운용요원 훈련을 위한 모의신호 알고리듬, 능동소나 성능평가 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다.