KR100962670B1 - 모의 항적 신호 발생 장치 및 방법 - Google Patents

모의 항적 신호 발생 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

모의 항적 신호 발생 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 모의 항적 신호 발생 장치는, 기포 항적 또는 난류 항적에 관한 파라미터를 입력받고, 상기 입력받은 파라미터에 기초하여 기포 항적 또는 난류 항적에 대한 반향 신호의 파형을 생성하는 파형 생성기, 상기 생성된 파형에 따른 음향 신호를 발생시키는 음향 신호 발생기 및 상기 발생된 음향 신호를 증폭 또는 감쇄하여 출력하는 이득 조절기를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명에 의하면 항적에서 반향되는 음향 신호를 모사함으로써 항적 탐지 모델의 개발과 시험에 이용할 수 있는 모의 항적 신호 발생 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
항적, 기포 항적, 난류 항적

Description

모의 항적 신호 발생 장치 및 방법{Apparatus and method for generating imitative wake signal}
본 발명은 모의 항적 신호 발생 장치 및 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 수상 또는 수중 운동체의 항적 탐지 모델 개발을 위한 모의 항적 신호 발생 장치 및 방법에 관한 것이다.
어뢰(torpedo)란 수상함이나 잠수함 또는 비행기로부터 발사되어 자체추진장치로 수중을 항주하여 수상함 또는 잠수함을 파괴하거나 격침시키는 무기체계를 말한다. 현재 운용되고 있는 대부분의 어뢰는 음향정보를 사용해 표적을 탐지/추적하는 기능을 탑재하고 있다. 이와 같은 음향추적 어뢰의 경우 이미 개발되어 있는 음향어뢰 대항체계에 기만되어 표적 탐지 및 추적 성능이 저하된다.
근래에, 수중의 복잡한 음향환경과 기만기의 발전으로 인해 기존 어뢰의 탐지방식과는 다른 새로운 패러다임의 어뢰가 요구됨에 따라 함정이 이동하면서 발생시키는 항적을 탐지하는 어뢰가 개발되고 있다. 항적(wake)이란 수상 또는 수중 운동체가 지나간 자취를 말하며, 크게 수상 운동체에 의한 기포 항적과 수중 운동체에 의한 난류(亂流, turbulent flow) 항적으로 나뉜다. 항적은 수중에서 음향을 방 사하고, 항적에서 반향되어 수신된 음향 신호를 이용하여 탐지할 수 있다. 특히 기포 항적은 반향 신호의 산란 현상을 이용하여 탐지할 수 있으며, 난류 항적은 반향 신호의 도플러 현상을 이용하여 탐지할 수 있다. 항적 탐지 모델의 개발과 시험을 위해서는 해상에서 실제 수상 운동체 혹은 수중 운동체가 발생하는 항적을 이용할 수도 있으나, 이 경우 운동체의 크기와 속도 등의 다양한 조건 및 환경을 고려하기 어렵고 비용 및 시간에 있어서도 제약이 따르게 된다. 따라서 항적에서 반향되는 음향 신호를 모사함으로써 항적 탐지 모델의 개발과 시험에 이용할 수 있는 모의 항적 신호 발생 수단이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 항적에서 반향되는 음향 신호를 모사함으로써 항적 탐지 모델의 개발과 시험에 이용할 수 있는 모의 항적 신호 발생 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 모의 항적 신호 발생 장치는, 기포 항적 또는 난류 항적에 관한 파라미터를 입력받고, 상기 입력받은 파라미터에 기초하여 기포 항적 또는 난류 항적에 대한 반향 신호의 파형을 생성하는 파형 생성기; 상기 생성된 파형에 따른 음향 신호를 발생시키는 음향 신호 발생기; 및 상기 발생된 음향 신호를 증폭 또는 감쇄하여 출력하는 이득 조절기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 기포 항적에 관한 파라미터는 해수면으로부터의 거리, 기포 반경, 기포 개수, 탐지 주파수 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 난류 항적에 관한 파라미터는 탐지 주파수, 탐지기와 표적 간의 상대 속도, 탐지기와 표적 간의 거리 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 파형 생성기는 기포 항적에 대한 반향 신호의 파형 신호를 생성하는 경우, 상기 입력받은 파라미터를 반영하여 음파 전달 감쇄 계수를 구하고, 상기 구해진 음파 전달 감쇄 계수에 따라서 반향 신호의 파형을 생성할 수 있다.
또한, 상기 파형 생성기는 난류 항적에 대한 반향 신호의 파형을 생성하는 경우 상기 입력받은 파라미터를 반영하여 도플러 주파수 변화량을 구하고, 상기 구해진 도플러 주파수 변화량에 따라서 반향 신호의 파형을 생성할 수 있다.
또한, 상기 음향 신호 발생기는 외부로부터 입력되는 트리거 신호에 동기하여 상기 반향 신호를 발생할 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 모의 항적 신호 발생 방법은, 기포 항적 또는 난류 항적에 관한 파라미터를 입력받고, 상기 입력받은 파라미터에 기초하여 기포 항적 또는 난류 항적에 대한 반향 신호의 파형을 생성하는 단계; 상기 생성된 파형에 따른 음향 신호를 발생시키는 단계; 및 상기 발생된 음향 신호를 증폭 또는 감쇄하여 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 파형을 생성하는 단계에서, 기포 항적에 대한 반향 신호의 파형 신호를 생성하는 경우, 상기 입력받은 파라미터를 반영하여 음파 전달 감쇄 계수를 구하 고, 상기 구해진 음파 전달 감쇄 계수에 따라서 반향 신호의 파형을 생성할 수 있다.
또한, 상기 파형을 생성하는 단계에서, 난류 항적에 대한 반향 신호의 파형을 생성하는 경우, 상기 입력받은 파라미터를 반영하여 도플러 주파수 변화량을 구하고, 상기 구해진 도플러 주파수 변화량에 따라서 반향 신호의 파형을 생성할 수 있다.
상술한 본 발명에 의하면 항적에서 반향되는 음향 신호를 모사함으로써 항적 탐지 모델의 개발과 시험에 이용할 수 있는 모의 항적 신호 발생 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모의 항적 신호 발생 장치의 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 모의 항적 신호 발생 장치는, 사용자 입력부(10), 파형 생성기(20), 음향 신호 발생기(30) 및 이득 조절기(40)를 포함하여 이루어진다.
사용자 입력부(10)는 사용자로부터 기포 항적 또는 난류 항적에 관한 파라미터를 입력받는다. 기포 항적에 관한 파라미터로는, 예를 들어 기포가 발생하는 지점의 해수면으로부터의 거리, 기포 반경, 기포 개수, 탐지 주파수 등이 될 수 있다. 그리고 난류 항적에 관한 파라미터로는 탐지 주파수, 탐지기와 표적 간의 상대 속도, 탐지기와 표적 간의 거리 등이 될 수 있다. 또한, 사용자 입력부(10)는 후술할 음향 신호 발생기(30) 또는 이득 조절기(40)를 제어하기 위한 제어 명령을 사용자로부터 입력받는다.
파형 생성기(20)는 사용자 입력부(10)에서 입력받은 기포 항적에 관한 파라미터에 기초하여 기포가 산란체로 작용할 때의 반향 신호의 파형을 생성하거나, 사용자 입력부(10)에서 입력받은 난류 항적에 관한 파라미터에 기초하여 도플러 주파 수 편이로 인한 반향 신호의 파형을 생성한다.
먼저, 기포 항적에 대한 반향 신호의 파형 생성에 관하여 설명하기로 한다. 파형 생성기(20)는 사용자 입력부(10)를 통하여 입력된, 수상 운동체에 의해 발생되는 기포가 존재하는 해수면으로부터 거리, 기포 반경, 기포 개수를 반영하여 음파 전달 감쇄 계수를 구한다. 이때 상기 감쇄 계수 α는 다음 수학식에 따라 구해질 수 있다.
Figure 112008033150790-pat00001
여기서, n은 단위 체적 1m3에 포함된 기포의 개수를 나타내며,
Figure 112008033150790-pat00002
는 소산 단면(extinction cross-section)을 나타낸다. 상기 소산 단면
Figure 112008033150790-pat00003
는 다음 수학식에 따라 구해질 수 있다.
Figure 112008033150790-pat00004
여기서,
Figure 112008033150790-pat00005
는 기포 반경(cm),
Figure 112008033150790-pat00006
는 탐지 주파수,
Figure 112008033150790-pat00007
은 공진 주파수를 나타내고,
Figure 112008033150790-pat00008
은 파수(wave number)로서, 공진 파장을
Figure 112008033150790-pat00009
이라 할 때
Figure 112008033150790-pat00010
는
Figure 112008033150790-pat00011
로 계산되어진다. 그리고
Figure 112008033150790-pat00012
는 감쇄 상수로서, 열전도성에 의한 감쇄 상수, 산란에 의한 감쇄 상수, 점성률에 의한 감쇄 상수의 세 가지 요소로 구성되며, 이들의 합을 상기
Figure 112008033150790-pat00013
로 사용할 수 있다.
상기 공진 주파수
Figure 112008033150790-pat00014
은 다음 수학식에 따라 구해질 수 있다.
Figure 112008033150790-pat00015
여기서,
Figure 112008033150790-pat00016
는 기포 반경(cm), d는 기포가 존재하는 해수면으로부터 거리(m)를 의미한다.
파형 생성기(20)는 상기된 감쇄 계수 α에 해수면 아래 기포 층이 존재하는 구간의 전달 손실을 더하여 정규화된 기포 항적에 대한 반향 신호의 파형을 생성한다. 도 2는 상기된 본 발명의 일 실시예에 따라 생성되는, 기포 항적에 대한 반향 신호의 파형을 나타낸 도면이다.
다음으로, 난류 항적에 대한 반향 신호의 파형 생성에 관하여 설명하기로 한다. 파형 생성기(20)는 사용자 입력부(10)를 통하여 입력된 탐지기와 표적 간의 상대 속도, 탐지기의 탐지 주파수를 반영하여 도플러 주파수 변화량을 구한다. 이때 상기 도플러 주파수 변화량
Figure 112008033150790-pat00017
는 다음 수학식에 따라 구해질 수 있다.
Figure 112008033150790-pat00018
여기서,
Figure 112008033150790-pat00019
는 노트(knot) 단위로서 탐지기와 표적과의 상대 속도를 나타내며,
Figure 112008033150790-pat00020
는 탐지기의 탐지 주파수를 나타낸다. 그리고 기호 ±는 표적이 탐지기로부터 접근하거나 멀어짐에 따른 업-도플러(up-doppler) 현상 또는 다운-도플러(down-doppler) 현상을 각각 의미한다.
파형 생성기(20)는 상기된 도플러 주파수 변화량을 표적에 의해 반향되는 신호의 주파수에 더함으로써 정규화된 난류 항적에 대한 반향 신호의 파형을 생성한다. 도 3은 상기된 본 발명의 일 실시예에 따라 생성되는, 난류 항적에 대한 반향 신호의 파형을 나타낸 도면이다.
한편, 상기 파형 생성기(20)에 의해 생성되는 파형은 메모리 등 저장 수단에 저장될 수 있고, 본 실시예에 따른 모의 항적 신호 발생 장치는 상기 저장 수단을 더 포함할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 음향 신호 발생기(30)는 외부로부터 입력되는 트리거 신호에 동기하여 상기 파형 생성기(20)에서 생성된 기포 항적에 대한 반향 신호의 파형 또는 난류 항적에 대한 반향 신호의 파형에 따른 음향 신호를 발생시킨다. 이때 상기 트리거 신호는 상기 사용자 입력부(10)를 통하여 입력되는 제어 명령에 따라 발생될 수 있다.
이득 조절기(40)는 음향 신호 발생기(30)에서 발생된 음향 신호를 증폭 또는 감쇄하여 출력한다. 이때 증폭 또는 감쇄의 정도를 조절하기 위하여 사용자 입력부(10)는 사용자로부터 증폭 또는 감쇄의 설정을 예를 들어 데시벨(dB) 단위로 입력받고, 이득 조절기(40)는 상기 입력받은 설정에 따라서 음향 신호를 증폭 또는 감쇄하여 모의된 항적 신호를 출력한다. 예를 들어 사용자 입력부(10)는, 음향 신호를 감쇄시켜 출력하도록 하는 경우, 0dB 내지 99dB 사이의 데시벨 값을 입력받도록 구현될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모의 항적 신호 발생 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 생성되는, 기포 항적에 대한 반향 신호의 파형을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 생성되는, 난류 항적에 대한 반향 신호의 파형을 나타낸 도면이다.

Claims (9)

  1. 기포 항적 또는 난류 항적에 관한 파라미터를 입력받고, 상기 입력받은 파라미터에 기초하여 기포 항적 또는 난류 항적에 대한 반향 신호의 파형을 생성하되,
    기포 항적에 관한 파라미터에 따른 음파 전달 감쇄 계수에 해수면 아래 기포 층이 존재하는 구간의 전달 손실을 더하여 정규화된 반향 신호의 파형을 생성하거나, 난류 항적에 관한 파라미터에 따른 도플러 주파수 변화량을 표적에 의해 반향되는 신호의 주파수에 더하여 정규화된 반향 신호의 파형을 생성하는 파형 생성기;
    상기 생성된 파형에 따른 음향 신호를 발생시키는 음향 신호 발생기; 및
    상기 발생된 음향 신호를 증폭 또는 감쇄하여 출력하는 이득 조절기를 포함하는 것을 특징으로 하는 모의 항적 신호 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기포 항적에 관한 파라미터는 해수면으로부터의 거리, 기포 반경, 기포 개수, 탐지 주파수 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 모의 항적 신호 발생 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 난류 항적에 관한 파라미터는 탐지 주파수, 탐지기와 표적 간의 상대 속도, 탐지기와 표적 간의 거리 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 모의 항적 신호 발생 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 파형 생성기는 기포 항적에 대한 반향 신호의 파형 신호를 생성하는 경우, 상기 입력받은 파라미터를 반영하여 음파 전달 감쇄 계수를 구하고, 상기 구해진 음파 전달 감쇄 계수에 따라서 반향 신호의 파형을 생성하는 것을 특징으로 하는 모의 항적 신호 발생 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 파형 생성기는 난류 항적에 대한 반향 신호의 파형을 생성하는 경우 상기 입력받은 파라미터를 반영하여 도플러 주파수 변화량을 구하고, 상기 구해진 도플러 주파수 변화량에 따라서 반향 신호의 파형을 생성하는 것을 특징으로 하는 모의 항적 신호 발생 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 음향 신호 발생기는 외부로부터 입력되는 트리거 신호에 동기하여 상기 반향 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 모의 항적 신호 발생 장치.
  7. 기포 항적 또는 난류 항적에 관한 파라미터를 입력받고, 상기 입력받은 파라미터에 기초하여 기포 항적 또는 난류 항적에 대한 반향 신호의 파형을 생성하되,
    기포 항적에 관한 파라미터에 따른 음파 전달 감쇄 계수에 해수면 아래 기포 층이 존재하는 구간의 전달 손실을 더하여 정규화된 반향 신호의 파형을 생성하거나, 난류 항적에 관한 파라미터에 따른 도플러 주파수 변화량을 표적에 의해 반향되는 신호의 주파수에 더하여 정규화된 반향 신호의 파형을 생성하는 단계;
    상기 생성된 파형에 따른 음향 신호를 발생시키는 단계; 및
    상기 발생된 음향 신호를 증폭 또는 감쇄하여 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모의 항적 신호 발생 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 파형을 생성하는 단계에서, 기포 항적에 대한 반향 신호의 파형 신호를 생성하는 경우, 상기 입력받은 파라미터를 반영하여 음파 전달 감쇄 계수를 구하고, 상기 구해진 음파 전달 감쇄 계수에 따라서 반향 신호의 파형을 생성하는 것을 특징으로 하는 모의 항적 신호 발생 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 파형을 생성하는 단계에서, 난류 항적에 대한 반향 신호의 파형을 생성하는 경우, 상기 입력받은 파라미터를 반영하여 도플러 주파수 변화량을 구하고, 상기 구해진 도플러 주파수 변화량에 따라서 반향 신호의 파형을 생성하는 것을 특징으로 하는 모의 항적 신호 발생 방법.
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