KR101740157B1 - 소노부이의 최적운용 위치 및 수심 결정 방법 - Google Patents

소노부이의 최적운용 위치 및 수심 결정 방법 Download PDF

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KR101740157B1 KR1020150180223A KR20150180223A KR101740157B1 KR 101740157 B1 KR101740157 B1 KR 101740157B1 KR 1020150180223 A KR1020150180223 A KR 1020150180223A KR 20150180223 A KR20150180223 A KR 20150180223A KR 101740157 B1 KR101740157 B1 KR 101740157B1
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김선효
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Abstract

소노부이의 최적운용 위치 및 수심 결정 방법이 개시된다. 소노부이의 최적운용 위치 및 수심 결정 방법은 할당된 해역에서 소노부이의 최적운용 위치 및 수심을 결정하는 방법으로, 상기 해역 내에서 다수의 설치예상지점을 설정하고, 상기 해역의 해양환경 자료를 음파전달 수치모델에 입력하는 단계; 상기 설치예상지점별로 위치 및 수심에 따른 상기 소노부이의 방위각별 음파전달 및 탐지확률을 계산하는 단계; 상기 음파전달 및 탐지확률을 바탕으로 방위각별로 상기 탐지지수를 산출하는 단계; 상기 설치예상지점별로 상기 탐지지수를 산출하여 성능지표를 생성하는 단계; 및 상기 성능지표에서 상기 소노부이의 최적운용 위치 및 수심을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

소노부이의 최적운용 위치 및 수심 결정 방법{Optimal Search Position/Depth Determination Method using SONOBUOY }
본 발명은 소노부이의 최적운용 위치 및 수심 결정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소노부이를 해양에 부설하기 전에 탐지하고자 하는 표적을 고려하여 최적의 소노부이 운용 위치 및 수심을 결정하는 방법에 관한 것이다.
잠수함과 같은 수중 표적을 탐지하기 위해, 음향 신호가 주로 사용된다. 음향 신호를 이용하여 수중에 위치한 표적을 탐지하기 위해 소노부이(Sonobuoy), 수상함 및 잠수함 탐재 소나(SONAR), TASS(Towed Array Sonar System), HMS(Hull Mounted Sonar)등), 항만 감시 체계 등 다양한 기술이 사용된다.
위 장치들 중 소노부이는 수중에서 활동하고 있는 표적을 탐지하기 위해 수중청음장치와 송신장치를 갖춘 소용 부표이다. 소노부이는 해양환경의 시공간적인 변화와 탐지하고자 하는 표적이 위치한 수심에 따라 탐지범위에 많은 영향을 받으므로, 최적의 위치 및 수심에 설치되는 것이 중요하다.
기존의 소노부이 최적운용 위치 및 수심 결정 방법은 소노부이의 탐지거리 예측 시 중요한 변수인 표적의 수심을 고려하지 않았으며, 탐지확률 예측 시 하나의 방향만 예측하여 360° 전 방향에 대한 탐지확률 예측이 미흡한 문제가 있다.
일본 공개특허공보 특개2015-190914호
본 발명은 수중에 위치한 표적의 수심을 고려하여 소노부이의 최적 운용위치 및 수심을 결정할 수 있는 소노부이의 최적운용 위치 및 수심 결정 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 360° 전 방향에 대한 탐지확률 예측이 가능한 소노부이의 최적운용 위치 및 수심 결정 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 소노부이의 최적운용 위치 및 수심 결정 방법은 할당된 해역에서 소노부이의 최적운용 위치 및 수심을 결정하는 방법으로, 상기 해역 내에서 다수의 설치예상지점을 설정하고, 상기 해역의 해양환경 자료를 음파전달 수치모델에 입력하는 단계; 상기 설치예상지점별로 위치 및 수심에 따른 상기 소노부이의 방위각별 음파전달 및 탐지확률을 계산하는 단계; 상기 음파전달 및 탐지확률을 바탕으로 방위각별로 상기 탐지지수를 산출하는 단계; 상기 설치예상지점별로 상기 탐지지수를 산출하여 성능지표를 생성하는 단계; 및 상기 성능지표에서 상기 소노부이의 최적운용 위치 및 수심을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 해양환경 자료는 상기 해역의 수심정보, 계절별 수온 정보, 계절별 풍속정보 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 소노부이의 방위각별 음파전달 및 탐지확률을 계산하는 단계는 상기 설치예상지점별로 위치 및 수심에 따라 30° 내지 60°간격으로 음파전달 및 탐지확률을 계산할 수 있다.
또한, 상기 탐지지수는, 탐지하고자 하는 표적의 활동가능 수심 이내에서의 상기 소노부이의 표적 탐지가능 구역 면적과 상기 소노부이의 탐색구역 면적간의 비율일 수 있다.
또한, 상기 소노부이의 표적탐지가능 구역은 상기 소노부이가 상기 표적을 탐지할 확률이 50~100%에 해당되는 구역일 수 있다.
또한, 상기 탐지지수를 산출하는 단계는 방위각별로 계산된 상기 탐지지수 중 최소값을 대표값으로 지정하되, 상기 대표값은 상기 설치예상지점들의 위치 및 수심별로 지정하며, 상기 성능지표를 생성하는 단계는 상기 대표값들로 상기 성능지표를 생성하며, 상기 소노부이의 최적운용 위치 및 수심을 결정하는 단계는 상기 성능지표가 최대값을 가지는 지점을 상기 최적운용 위치 및 수심으로 결정할 수 있다.
또한, 상기 소노부이의 방위각별 음파전달 및 탐지확률을 계산하는 단계는 아래 계산식 (1)을 이용하여 신호초과이득을 계산하는 단계; 및 상기 신호초과이등으로부터 아래 계산식 (2)를 이용하여 상기 음파전달 및 탐지확률을 계산할 수 있다.
계산식 (1)
Figure 112015123435840-pat00001
SE: 신호초과이득
SL: 표적의 음원준위
TL: 전달 손실
TS: 표적강도
DI: 지향지수
RL: 전향음준위
NL: 소음준위
DT: 탐지문턱
계산식 (2)
Figure 112015123435840-pat00002
σ: 신호초과이득의 분포에 대한 표준편차
본 발명에 따르면, 탐색지수가 3차원으로 나타나므로, 할당된 해역의 수중공간에서 소노부이의 전체적인 탐색성능을 파악하기 쉽다.
또한, 본 발명에 따르면, 해양환경의 시공간적인 변화 및 표적의 활동정보를 이용하여 최적운용 위치/수심을 결정함으로써 소노부이를 이용한 탐색효율이 극대화될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따라 소노부이의 최적운용 위치 및 수심을 결정하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 할당된 해역의 해양환경 자료를 음파전달 수치모델에 입력하는 단계를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 탐지지수를 산출하는 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 하나의 설치예상지점에서, 특정 수심에서의 방위각별 탐지지수를 나타내는 도면이다.
도 5는 할당된 해역 전체 구역에서 생성된 성능지표를 나타내는 도면이다.
도 6은 생성된 성능지표에서 소노부이의 최적운용 위치 및 수심을 결정하는 방법을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따라 소노부이의 최적운용 위치 및 수심을 결정하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 소노부이의 최적운용 위치 및 수심을 결정하는 방법은 할당된 해역에서 소노부이의 최적운용 위치 및 수심을 결정한다. 소노부이(sonobuoy)는 수중에서 활동하고 있는 표적을 탐지하기 위해 수중청음장치와 송신장치를 갖춘 소용 부표로, 해양환경의 시공간적인 변화와 탐지하고자 하는 표적이 위치한 수심에 따라 탐지범위에 많은 영향을 받는다. 본 발명에 따른 소노부이의 최적운용 위치 및 수심을 결정하는 방법은 해양 환경의 시공간적인 변화와 표적의 활동 수심을 고려하여 소노부이의 위치 및 수심별로 탐지확률을 예측하고 탐지지수를 산출하며, 산출된 탐지지수에 기초하여 소노부이의 최적운용 위치 및 수심을 결정한다.
구체적으로, 소노부이의 최적운용 위치 및 수심을 결정하는 방법은 해역 내에서 다수의 설치예상지점을 설정하고 할당된 해역의 해양환경 자료를 음파전달 수치모델에 입력하는 단계(100), 상기 설치예상지점별로 위치 및 수심에 따른 상기 소노부이의 방위각별 음파전달 및 탐지확률을 계산하는 단계(200), 상기 음파전달 및 탐지확률을 바탕으로 방위각별로 상기 탐지지수를 산출하는 단계(300), 상기 설치예상지점별로 상기 탐지지수를 산출하여 성능지표를 생성하는 단계(400), 그리고 상기 성능지표에서 상기 소노부이의 최적운용 위치 및 수심을 결정하는 단계(500)를 포함한다.
본 발명에서는 소노부이의 최적운용 위치 및 수심의 결정방법을 설명하기 위해 잠수함을 표적으로 설정하고, 표적을 탐색하기 위한 해역을 경상북도 포항 근해로 설정한다. 탐색 표적 및 소노부이를 운영할 수 있는 해역은 다양하게 변경될 수 있다. 소노부이의 탐색반경을 7Km로, 잠수함의 최대잠항수심을 150m로 고려한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 할당된 해역의 해양환경 자료를 음파전달 수치모델에 입력하는 단계를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 육지로부터 소정 거리 떨어진 지점에서 일정 면적을 탐색 영역으로 할당한다. 그리고 할당된 해역에서 다수의 소노부이의 설치예상지점을 설정한다. 설치예상지점은 소노부이가 설치될 수 있는 예상지점으로, 등간격으로 바둑판 형태로 설정될 수 있다. 실시예에 의하면, 육지로부터 25Km 떨어진 지점에서 20KmX20Km 면적을 탐색이 요청되는 해역으로 할당하고, 설치예상지점을 5km X 5Km 간격으로 설정한다.
설치예상지점들을 설정 후, 해당 해역의 해양환경 자료를 음파전달 수치모델에 입력한다. 해양환경 자료는 기존 해양환경 데이터와 실제 수집된 해양환경 데이터를 포함한다. 해양환경 데이터는 할당된 해역의 수심정보, 계절별 수직 수온 정보, 계절별 풍속 정보, 해저지형, 그리고 해저면 구성물질 등을 포함할 수 있다.
실시예에 의하면, 겨울(1월)로 시기를 설정하고, 할당된 해역의 해저지형, 해당 계절별 수심에 따른 음속자료를 입력한다.
설치예상지점별로 위치 및 수심에 따른 소노부이의 방위각별 음파전달 및 탐지확률을 계산하는 단계는 소노부이의 설치 위치 및 수심에 따라 방위각별로 음파전달 및 탐지확률을 계산한다. 수심은 최대 150m 내지 250m를 고려할 수 있다. 방위각은 위치 및 수심에 따라 30° 내지 60° 간격으로 전방위로 고려될 수 있다. 실시예에 의하면, 방위각은 45° 간격으로 전방위에 대해 고려될 수 있다.
소노부이의 방위각별 음파전달 및 탐지확률을 계산하는 단계는 신호초과이득을 계산하는 단계와, 신호초과이득으로부터 탐지확률을 계산하는 단계를 포함한다.
신호초과이득을 계산하는 단계는 아래 계산식(1)을 이용한다.
계산식 (1) :
Figure 112015123435840-pat00003
여기서, SE(Signal Excess)는 신호초과이득이고, SL(Source Level)은 표적의 음원준위이고, TL(Transmission Loss)은 전달 손실이고, TS(Target Strength)는 표적강도이고, DI(Directivity Index)는 지향지수이고, RL(Reverberation Level)은 잔향음준위이고, NL(noise Level)은 소음준위이고, DT(Detection Threshold)는 탐지문척이다.
탐지확률을 계산하는 단계는 계산식 (1)에 의해 계산된 신호초과이득으로부터 아래 계산식(2) Log-normal 분포에 적용한다.
계산식 (2):
Figure 112015123435840-pat00004
여기서 σ는 신호초과이득의 분포에 대한 표준편차이다.
소노부이의 방위각별 음파전달 및 탐지확률이 계산되면, 이를 바탕으로 방위각별로 탐지지수를 산출한다. 탐지지수란, 방위각별로 계산된 탐지확률을 바탕으로 탐지하고자 하는 표적의 활동가능 수심 이내에서의 표적 탐지가능 구역 면적과 탐색구역 면적간의 비율이다.
탐지지수=[탐지가능 구역 면적 / 탐색 구역 면적]*100
실시예에 의하면, 탐지가능 구역은 탐지 확률이 50~100%에 해당하는 지점으로 설정하였다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 탐지지수를 산출하는 예를 나타내는 도면으로, 특정 설치예상지점에서 수심에 따라 일 방위각에 대한 탐지 확률을 산출하는 방법이 나타난다. 소노부이는 수심(Source Depth) 10m와 30m에 각각 설치되는 것을 고려하였고, 탐지되는 음파의 크기는 색깔로 구분 표시하였다.
도 3을 참조하면, 소노부이의 수심이 30m일 경우, 표적탐지가능 구역이 거의 발견되지 않는 것을 확인할 수 있다. 반면 수노부이의 수심이 10m일 경우 표적탐지가능 구역(붉은 색 영역)이 넓게 발견되고, 잠수함의 활동가능 수심 150m 이내에서 표적 탐지가능 구역 면적(녹색선)과 탐색구역 면적(붉은 색 점선)간의 비율, 즉 탐지지수가 79.5912%로 확인된다.
이러한 방법으로 탐지지수는 설치예상지점들의 위치 및 수심에 따라 방위각별로 산출된다.
산출된 탐지지수들 중 설치예상지점별로, 그리고 해당 지점의 수심별로 대푯값을 지정한다. 대푯값은 방위각별로 계산된 탐지지수 중 최소값으로 지정된다.
도 4는 하나의 설치예상지점에서, 특정 수심에서의 방위각별 탐지지수를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 소노부이의 설치 수심은 180m로 설정하였고, 해당 수심에서 45° 방위각별로 탐지지수가 표시된다. 방위각별 탐지 지수 중 최저값은 방위각 90°에서 44.7874%로 나타나며, 이 값이 대푯값으로 지정된다.
소노부이의 설치예상지점별로, 그리고 수심별로 탐지 지수의 대푯값이 지정되면, 성능지표를 생성한다. 성능지표는 도 5와 같이, 소노부이의 설치예상지점별로, 그리고 수심별로 대푯값을 탐색지수로 나타낸 그래프이다. 그래프에는 위도(latitude), 경도(longitude), 그리고 수심(depth)에 따라 탐색지수가 색으로 구분되어 3차원 그래프로 나타난다. 붉은 색은 탐색지수가 높게 나타나는 영역을, 파란 색은 탐색지수가 낮게 나타나는 영역을 나타낸다.
성능지표가 생성되면, 도 6과 같이 탐색지수가 가장 높게 나타나는 지점을 소노부이의 최적운용 위치 및 수심으로 결정할 수 있다.
상술한 소노부이의 최적운용 위치 및 수심의 결정방법에서 탐색지수가 3차원으로 나타나므로, 할당된 해역의 수중공간에서 소노부이의 전체적인 탐색성능을 파악하기 쉬우며, 해양환경의 시공간적인 변화 및 표적의 활동정보를 이용하여 최적운용 위치/수심을 결정함으로써 소노부이를 이용한 탐색효율이 극대화될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 할당된 해역에서 소노부이의 최적운용 위치 및 수심을 결정하는 방법에 있어서,
    상기 해역 내에서 다수의 설치예상지점을 설정하고, 상기 해역의 해양환경 자료를 음파전달 수치모델에 입력하는 단계;
    상기 설치예상지점별로 위치 및 수심에 따른 상기 소노부이의 방위각별 음파전달 및 탐지확률을 계산하는 단계;
    상기 음파전달 및 탐지확률을 바탕으로 방위각별로 탐지지수를 산출하는 단계;
    상기 설치예상지점별로 상기 탐지지수를 산출하여 성능지표를 생성하는 단계;
    상기 성능지표에서 상기 소노부이의 최적운용 위치 및 수심을 결정하는 단계를 포함하되,
    상기 탐지지수는,
    탐지하고자 하는 표적의 활동가능 수심 이내에서의 상기 소노부이의 표적 탐지가능 구역 면적과 상기 소노부이의 탐색구역 면적간의 비율인 소노부이의 최적운용 위치 및 수심을 결정하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 해양환경 자료는 상기 해역의 수심정보, 계절별 수온 정보, 계절별 풍속정보 중 적어도 어느 하나를 포함하는 소노부이의 최적운용 위치 및 수심을 결정하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 소노부이의 방위각별 음파전달 및 탐지확률을 계산하는 단계는
    상기 설치예상지점별로 위치 및 수심에 따라 30° 내지 60°간격으로 음파전달 및 탐지확률을 계산하는 소노부이의 최적운용 위치 및 수심을 결정하는 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 소노부이의 표적탐지가능 구역은 상기 소노부이가 상기 표적을 탐지할 확률이 50~100%에 해당되는 구역인 소노부이의 최적운용 위치 및 수심을 결정하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 탐지지수를 산출하는 단계는
    방위각별로 계산된 상기 탐지지수 중 최소값을 대표값으로 지정하되, 상기 대표값은 상기 설치예상지점들의 위치 및 수심별로 지정하며,
    상기 성능지표를 생성하는 단계는 상기 대표값들로 상기 성능지표를 생성하며,
    상기 소노부이의 최적운용 위치 및 수심을 결정하는 단계는 상기 성능지표가 최대값을 가지는 지점을 상기 최적운용 위치 및 수심으로 결정하는 소노부이의 최적운용 위치 및 수심을 결정하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 소노부이의 방위각별 음파전달 및 탐지확률을 계산하는 단계는
    아래 계산식 (1)을 이용하여 신호초과이득을 계산하는 단계; 및
    상기 신호초과이득으로부터 아래 계산식 (2)를 이용하여 상기 음파전달 및 탐지확률을 계산하는 소노부이의 최적운용 위치 및 수심을 결정하는 방법.
    계산식 (1)
    Figure 112017011220255-pat00005

    SE: 신호초과이득
    SL: 표적의 음원준위
    TL: 전달 손실
    TS: 표적강도
    DI: 지향지수
    RL: 전향음준위
    NL: 소음준위
    DT: 탐지문턱
    계산식 (2)
    Figure 112017011220255-pat00006

    σ: 신호초과이득의 분포에 대한 표준편차
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