KR102161246B1 - 해저 고정형 수신기를 갖는 양상태 소나 시스템 및 이를 이용한 해양 환경 기반 음원 배치 방법 - Google Patents

해저 고정형 수신기를 갖는 양상태 소나 시스템 및 이를 이용한 해양 환경 기반 음원 배치 방법 Download PDF

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Abstract

적어도 하나의 프로세스에 의해 구동되며, 적어도 하나의 해저 고정형 수신기를 가지는 양상태 소나 시스템이 음원을 배치하는 방법으로서, 음원이 배치될 대상 영역의 참고 정보를 수신하면, 대상 영역에서 음원이 배치될 음원 배치 후보 영역을 설정한다. 음원 배치 후보 영역에 상기 참고 정보에 포함된 해양 환경 정보와 음향 환경 정보, 그리고 소나 변수를 반영하고, 음원과 적어도 하나의 수신기 각각의 조합에 따른 탐지 확률을 각각 산출한 후 융합 탐지 확률을 계산한다. 융합 탐지 확률을 기초로, 음원 배치 후보 영역 중 상기 음원이 배치될 위치와 수심을 결정한다.

Description

해저 고정형 수신기를 갖는 양상태 소나 시스템 및 이를 이용한 해양 환경 기반 음원 배치 방법{BISTATIC SONAR SYSTEM HAVING BOTTOM MOUNTED HYDROPHONES AND METHOD FOR SOURCE DEPLOYMENT BASED ON OCEAN ENVIRONMENT USING THE SAME}
본 발명은 해저 고정형 수신기를 갖는 양상태 소나 시스템 및 이를 이용한 해양 환경 기반 음원 배치 방법에 관한 것이다.
잠수함 및 수상함의 기술발전에 의한 저소음화로, 수중 표적에 대한 탐지의 어려움이 증폭되고 있다. 이에 따라 수중 감시체계의 성능 향상을 위한 기술개발이 지속적으로 요구되고 있다.
탐지 성능을 개선하기 위한 수중 감시체계의 발전 방향은, 음원과 수신기가 같은 위치에 있는 단상태 소나에서, 음원과 수신기가 서로 다른 위치에 있는 양상태 소나의 개념으로 확장되고 있다. 양상태 소나는 수신기의 위치가 노출되지 않기 때문에, 상대의 대응 전략에 혼선을 준다는 장점이 있다.
또한, 동일한 위치에 설치된 음원 및 수신기로부터 표적까지의 탐지 거리가 거리 함수로 결정되는 단상태 소나와는 달리, 양상태 소나는 음원과 표적간의 거리, 표적과 수신기 간의 거리에 의해 탐지 거리가 결정된다. 따라서, 수신기의 위치를 조정하지 못하는 고정형 수신기를 사용하는 조건에서는, 음원을 표적의 예상 위치 근처에 배치하여 전달손실의 이득을 얻음으로써, 양상태 소나의 탐지성능을 높일 수 있는 장점이 있다.
그러나, 양상태 소나는 음원과 수신기 사이의 영역에 탐지가 불가능한 음영구역(direct blast)이 발생하게 된다. 따라서 만약 음영구역에 표적이 존재하는 경우에는 단상태 소나에 비해 양상태 소나의 탐지성능이 현저히 떨어지는 단점이 존재한다.
궁극적으로 수신기가 고정되어 있는 양상태 소나의 단점을 극복하고 장점을 최대화하기 위해서는 표적의 예상 위치/영역을 고려하여 탐지성능이 우수한 위치에 음원을 배치하는 것이 중요하다.
따라서, 본 발명은 고정형 수신기를 가지고 있는 양상태 소나의 음원을 최적의 위치/수심에 배치하는 해양 환경 기반 음원 배치 장치 및 방법을 제공한다.
상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징인 적어도 하나의 프로세스에 의해 구동되며, 적어도 하나의 해저 고정형 수신기를 가지는 양상태 소나 시스템이 음원을 배치하는 방법으로서,
상기 음원이 배치될 대상 영역의 참고 정보를 수신하는 단계, 상기 대상 영역에서 상기 음원이 배치될 음원 배치 후보 영역을 설정하는 단계, 상기 음원 배치 후보 영역에 상기 참고 정보에 포함된 해양 환경 정보와 음향 환경 정보, 그리고 소나 변수를 반영하는 단계, 상기 음원과 적어도 하나의 수신기 각각의 조합에 따른 탐지 확률을 각각 산출하고, 각 탐지 확률을 토대로 융합 탐지 확률을 산출하는 단계, 그리고 상기 융합 탐지 확률을 기초로, 상기 음원 배치 후보 영역 중 상기 음원이 배치될 위치와 수심을 결정하는 단계를 포함한다.
상기 음원 배치 후보 영역을 설정하는 단계는, 상기 참고 정보에 표적에 대한 표적 정보가 포함되어 있으면, 상기 표적의 현재 위치로부터 음원 배치에 소요되는 시간까지 이동 가능한 직선 거리를 계산하는 단계, 상기 직선 거리를 반경으로 하는 표적 이동 가능 영역을 계산하는 단계, 그리고 상기 표적 이동 가능 영역을 포함하여 일정 배수 넓은 영역을 상기 음원 배치 후보 영역으로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 음원 배치 후보 영역을 설정하는 단계는, 상기 참고 정보에 상기 표적 정보가 포함되어 있지 않으면, 상기 대상 영역 전체를 상기 음원 배치 후보 영역으로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 음원 배치 후보 영역은 음원 탐색 영역과 음원 배치 가능한 수심을 고려하여 복수의 영역들을 포함하는 3차원 격자로 구성될 수 있다.
상기 해양 환경 정보는 상기 음원 배치 후보 영역의 해저지형, 표층 퇴적물 구성 성분, 그리고 수직 음속구조에 대한 정보 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 음향 환경 정보는 방위 별 배경 소음 정보를 포함하며, 상기 소나 변수는 주파수, 음원 준위, 펄스 타입, 펄스 길이, 대역폭, 수직 빔 패턴, 수평 빔 패턴, 지향지수, 탐지 문턱, 예상 표적의 표적 강도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 소나 변수를 반영하는 단계는, 상기 고정형 수신기로 수신되는 신호를 기초로 표적 반향음 대 잔향음 및 배경 소음의 비율인 신호 초과를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
음원준위, 음원으로부터 표적까지의 전달손실, 표적으로부터 고정형 수신기까지의 전달손실, 잔향음 준위, 배경소음 준위, 수신 지향지수, 예상 표적의 표적강도, 그리고 탐지문턱 중 복수의 정보들을 이용하여 상기 신호 초과를 계산할 수 있다.
상기 융합 탐지 확률을 산출하는 단계는, 상기 음원과 상기 고정형 수신기의 조합으로 복수의 탐지 확률들을 계산하는 단계, 그리고 상기 복수의 탐지 확률들을 조합하여 상기 하나의 융합 탐지 확률을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 음원이 배치될 위치와 수심을 결정하는 단계는, 상기 음원이 설치될 위치와 수심을 결정하기 위한 목적 함수를 계산하는 단계를 포함하고, 상기 참고 정보에 표적 정보가 포함되어 있으면 상기 탐지 확률을 상기 목적 함수로 결정하고, 상기 참고 정보에 표적 정보가 포함되어 있지 않으면 탐지가능면적을 상기 목적 함수로 결정할 수 있다.
상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징인 음원을 배치하는 고정형 수신기를 가지는 양상태 소나 시스템으로서,
외부로부터 음원이 배치될 대상 영역의 참고 정보를 수신하는 인터페이스, 그리고 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 음원이 배치될 음원 배치 후보 영역을 설정하고, 상기 음원 배치 후보 영역에 대한 해양 환경 정보와 음향 환경 정보, 그리고 소나 변수를 반영하여 음원과 상기 고정형 수신기를 조합한 적어도 하나의 탐지 확률들을 산출하고, 상기 적어도 하나의 탐지 확률들로부터 융합 탐지 확률을 산출하여 음원 배치 위치와 수심을 결정한다.
상기 프로세서는, 상기 참고 정보에 표적 정보가 포함되어 있으면, 상기 표적의 현재 위치로부터 음원 배치에 소요되는 시간까지 이동 가능한 직선 거리를 계산하고, 계산한 직선 거리를 반경으로 하여 표적 이동 가능 영역을 계산하며, 상기 표적 이동 가능 영역을 포함하여 상기 음원 배치 후보 영역을 설정할 수 있다.
상기 프로세서는, 상기 고정형 수신기로 수신되는 신호를 기초로 표적 반향음 대 잔향음 및 배경 소음의 비율인 신호 초과를 계산할 수 있다.
상기 프로세서는, 상기 참고 정보에 표적 정보가 포함되어 있으면 상기 탐지 확률을 이용하여 상기 음원이 배치될 위치와 수심을 결정하고, 상기 참고 정보에 표적 정보가 포함되어 있지 않으면 탐지가능면적을 이용하여 상기 음원이 배치될 위치와 수심을 결정할 수 있다.
상기 해양 환경 정보는 상기 음원 배치 후보 영역의 해저지형, 표층 퇴적물 구성 성분, 그리고 수직 음속구조에 대한 정보 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 음향 환경 정보는 방위 별 배경 소음 정보를 포함하며, 상기 소나 변수는 주파수, 음원 준위, 펄스 타입, 펄스 길이, 대역폭, 수직 빔 패턴, 수평 빔 패턴, 지향지수, 탐지 문턱 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 수신기가 고정된 형태의 양상태 소나의 운용 시 표적 정보의 유무에 따라 작전 상황에 적합한 최적 음원 위치/수심을 제공하여, 양상태 소나의 운용성을 증대하고 탐지성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 시공간적인 변동성을 가지는 해양/음향 환경을 고려한 양상태 소나 시스템을 이용함으로써, 실제 해역에서 소나를 운용하는 효과를 반영할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 양상태 소나 시스템의 구조도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 양상태 소나 시스템이 해양 환경 기반으로 음원을 배치하는 방법에 대한 흐름도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 양상태 음원의 배치 가능한 대상 영역과 정점을 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 해양 환경에 의한 영향을 반영하여 모델링한 결과의 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 음원의 위치에 따른 탐지 확률을 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 표적 정보를 아는 경우의 표적 이동 가능 영역에 대한 평균 융합 탐지 확률을 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 표적 정보를 모르는 경우의 탐지 가능 면적을 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 컴퓨팅 장치의 하드웨어 구성도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 해저 고정형 수신기를 갖는 양상태 소나 시스템 및 이를 이용한 해양 환경 기반 음원 배치 방법에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 양상태 소나 시스템의 구조도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 양상태 소나 시스템(100)은 정보 수신부(110), 음원 배치 후보 영역 설정부(120), 탐지 확률 산출부(130), 그리고 위치 정보 출력부(140)를 포함한다.
정보 수신부(110)는 음원을 배치할 대상 영역 전체에 대한 해양 환경 정보와 음향 환경 정보를 수신한다. 여기서, 해양 환경 정보는 해저지형, 표층 퇴적물 구성 성분, 그리고 수직 음속구조에 대한 정보를 포함한다. 그리고 음향 환경 정보는 방위 별 배경 소음 정보를 포함한다.
또한, 정보 수신부(110)는 양상태 소나 시스템(100)의 수신기 정보를 수신한다. 수신기 정보는 수신기 위치 정보와 수신기에 부여된 식별 정보를 포함한다.
또한, 정보 수신부(110)는 소나 변수를 수신한다. 소나 변수는 다양한 종류의 음원이나 수신기를 적용하기 위해 분석하고자 하는 소나의 제원에 해당하는 것으로, 소나 변수는 주파수, 음원 준위, 펄스 타입, 펄스 길이, 대역폭, 수직 빔 패턴, 수평 빔 패턴, 지향지수, 탐지 문턱, 예상 표적의 표적 강도 등을 포함한다.
또한, 정보 수신부(110)는 표적 정보를 수신할 수도 있다. 본 발명의 실시예에서는 상기에서 설명한 해양 환경 정보, 음향 환경 정보, 수신기 정보, 소나 변수, 표적 정보들을 포함하여 '참고 정보'라 지칭한다.
음원 배치 후보 영역 설정부(120)는 음원이 배치될 수 있는 대상 영역과 정점을 격자로 선정하여 음원 배치 후보 영역으로 설정한다. 이때, 정보 수신부(110)가 수신한 참고 정보에 표적 정보의 포함 여부에 따라 서로 다른 방법으로 음원 배치 후보 영역을 설정한다.
즉, 음원 배치 후보 영역 설정부(120)는 표적 정보를 수신하였다면 표적의 현재 위치로부터 음원 배치에 소요되는 시간까지 이동 가능한 직선 거리를 반경으로 하여, 표적 이동 가능 영역으로 계산한다. 그리고 계산한 표적 이동 가능 영역을 포함하여 일정 배수의 넓은 영역을 음원 배치 후보 영역으로 설정한다.
만약 표적 정보가 없는 경우라면, 음원 배치 후보 영역 설정부(120)는 탐색 영역과 수심 전체에 표적이 존재할 수 있다는 가정 하에, 대상 탐색 영역 전체를 음원 배치 후보 영역으로 설정한다.
탐지 확률 산출부(130)는 음원 배치 후보 영역 설정부(120)가 음원 배치 후보 영역을 설정하면, 임의의 음원 배치 가능 영역과 적어도 하나의 수신기 조합으로 탐지 확률을 계산한다. 그리고, 탐지 확률 산출부(130)는 계산한 탐지 확률에 대한 탐지 확률 데이터베이스를 생성한다.
이때, 탐지 확률 산출부(130)는 임의의 음원 배치 가능 영역의 격자 개수와 수신기 개수를 곱하여 탐지 확률 데이터베이스를 생성하는 것을 예로 하여 설명한다. 이에 대해서는, 이후 상세히 설명한다.
탐지 확률 산출부(130)는 정보 수신부(110)가 수신한 참고 정보들을 기초로, 양상태 능동 소나 방정식을 이용하여 신호 초과(Signal excess)를 계산한다. 여기서, 신호 초과는 수신기로 수신되는 신호에서 표적 반향음 대 잔향음 및 주변 소음과의 비를 의미한다. 이것은 수신신호와 잔향음 및 주변소음의 크기를 시간에 따라 비교하여 거리/수심/방위의 함수로 나타낼 수 있다. 탐지 확률 산출부(130)가 신호 초과를 계산하는 방법은 이미 알려진 방식으로 계산할 수 있으므로, 본 발명의 실시예에서는 어느 하나의 방법으로 한정하지 않는다.
탐지 확률 산출부(130)는 신호 초과를 계산한 후, 음원과 수신기 조합의 탐지 확률과 융합 탐지 확률을 각각 계산한다. 탐지 확률 산출부(130)는 복수의 수신기별로 탐지 확률을 각각 계산하고, 복수의 탐지 확률들을 하나로 융합하여 하나의 융합 탐지 확률로 계산한다. 이에 대해서는 이후 상세히 설명한다.
위치 정보 출력부(140)는 탐지 확률 산출부(130)가 산출한 탐지 확률 정보를 기초로, 음원을 배치할 위치 정보를 출력한다.
이상에서 설명한 양상태 소나 시스템(100)이 해양 환경을 기반으로 음원을 배치할 위치와 수심을 결정하는 방법에 대해 도 2를 참조로 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 양상태 소나 시스템이 해양 환경 기반으로 음원을 배치하는 방법에 대한 흐름도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 양상태 소나 시스템(100)은 외부로부터 입력되는 참고 정보를 수신한다(S100). 여기서, 참고 정보는 해양 환경 정보와 음향 환경 정보, 수신기 정보, 소나 변수를 포함하고, 표적 정보를 포함할 수도 있다.
양상태 소나 시스템(100)은 음원을 배치하기 위하여 음원 배치 후보 영역을 설정한다(S110). 이때, 양상태 소나 시스템(100)은 수신한 정보에 표적 정보가 포함되어 있는지 여부에 따라 음원 설치 가능영역을 선정한다.
양상태 소나 시스템(100)은 양상태 음원을 배치하기 위하여 음원 탐색 영역과 배치 가능한 수심을 고려하여 3차원 격자를 우선 구성한다. 그리고 표적의 위치를 나타내는 표적 정보가 수신 정보에 포함되어 있는지 여부에 따라 음원 배치 가능한 대상 영역과 정점을 격자로 선정한다. 이에 대해서는 이후 설명한다.
음원 설치 가능 영역을 선정한 후, 양상태 소나 시스템(100)은 음원 배치 후보 영역에 S100 단계에서 수신한 참고 정보인 해양 환경 정보 및 음향 환경 정보를 반영하여, 음원을 배치하기 위한 최적의 위치와 수심을 탐색한다(S120).
양상태 소나 시스템(100)은 음원 배치 가능 격자와 다수의 수신기 조합으로 계산된 탐지 확률 데이터베이스를 기반으로 음원의 최적 위치와 수심을 탐색한다. 이때, 탐지 확률의 정확도를 향상시키기 위해, 시공간적으로 복잡한 변동성을 가지는 해양 환경 및 음향 환경의 특성을 반영하는 것이 필수적이다.
본 발명의 실시예에서는 해양 환경 정보로 해저지형, 표층 퇴적물 구성 성분, 수직 음속 구조를 사용한다. 그리고, 음향 환경 정보로 방위 별 배경 소음 정보를 사용하는 것을 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.
양상태 소나 시스템(100)은 해양 환경 정보와 음향 환경 정보를 이용하여 탐지 확률을 계산하는데 사용하기 위하여, 복수의 해양 환경 정보들과 음향 환경 정보들 중 음원을 설치할 시간과 영역에 적합한 정보를 추출한다.
여기서, 해양 환경 정보는 해저 지형, 지음향 인자, 그리고 수층 음속 구조를 포함하는데, 2차원 격자 또는 3차원 격자로 구성된다. 또한, 배경 소음인 음향 환경 정보는 방위와 주파수별로 구성된다. 따라서, 양상태 소나 시스템(100)은 각 수신기를 기준으로 해당 방위와 주파수의 값을 입력으로 받는다.
따라서, 양상태 소나 시스템(100)은 수신기 및 송신기 기준에서의 거리, 수심, 방위별로 입력된 해양 환경 정보를 이용하여, 전달 손실 및 잔향음을 계산한다.
음원을 설치하기 위한 위치와 수심을 선정한 후, 양상태 소나 시스템(100)은 S110 단계에서 수신한 참고 정보 중 소나 변수를 신호 초과 계산에 반영한다(S130). 이는, 다양한 종류의 음원 및 수신기를 양상태 소나 시스템(100)에 적용하기 위해, 분석하고자 하는 소나 제원도 반영하기 위함이다.
즉, 음원 준위, 지향지수, 탐지 문턱, 예상 표적의 표적 강도는 소나 방정식의 변수로써, 신호 초과를 계산하기 위해 사용되는 수학식 1에 바로 적용된다. 또한 주파수, 음원준위, 펄스타입, 펄스길이, 대역폭, 수직/수평 빔 패턴은 전달 손실 및 잔향음을 계산하기 위한 수치 모델의 입력 변수로 적용된다. 여기서, 수치 모델에 해당 정보들이 적용되는 방식은 이미 알려진 것으로, 정보들의 적용 방식을 어느 하나로 한정하지 않는다.
본 발명의 실시예에서는 소나 변수로 주파수, 음원 준위, 펄스 타입, 펄스 길이, 대역폭, 수직/수평 빔 패턴, 지향지수, 탐지 문턱, 예상 표적의 표적 강도 등을 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.
양상태 소나 시스템(100)은 소나 변수를 반영한 후, 음원의 대상 정점과 복수의 수신기들의 위치에 대한 각 조합별 탐지 확률을 산출한다(S140). 여기서, 탐지 확률을 계산하기 위해, 본 발명의 실시예에서는 다음 수학식 1의 양상태 능동 소나 방정식을 이용하여 신호 초과를 계산한다.
Figure 112020084432197-pat00001
여기서, SL은 음원준위, TL 1 은 음원으로부터 표적까지의 전달손실, TL 2 는 표적으로부터 수신기까지의 전달손실, RL은 잔향음 준위, NL은 배경소음 준위, DI는 수신 지향지수, TS는 표적강도, DT는 탐지문턱을 의미한다. 이때, 입력된 해양 환경 정보에 의한 영향을 받는 인자는 전달손실과 잔향음이다.
양상태 소나 시스템(100)은 음선이론(ray theory) 기반의 수치모델을 사용하여 고유음선을 도출하고, 해당 정보를 이용하여 거리/수심/방위 별 3차원 음장에 대한 전달손실 및 잔향음을 계산한다. 그리고 양상태 소나 시스템(100)은 도출한 전달손실과 잔향음에 입력된 음원준위, 배경소음, 수신지향각, 예상 표적의 표적강도, 탐지문턱을 적용하여 신호초과를 도출한다.
양상태 소나 시스템(100)은 로그 정규 분포(Log-normal distribution)를 수학식 1을 통해 계산된 신호초과에 적용하여 탐지 확률(P d )를 계산할 수 있다. 탐지 확률은 다음 수학식 2를 이용한다.
Figure 112020084432197-pat00002
여기서, σ는 신호초과의 표준 편차를 의미하며, 본 발명의 실시예에서는 8~9dB를 적용하는 것을 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 탐지 확률을 산출한 후, 양상태 소나 시스템(100)은 하나의 음원과 복수의 수신기에서 독립적으로 계산된 각각의 탐지 확률들을 융합하여 융합 탐지 확률을 산출한다(S150). 양상태 소나 시스템(100)은 다음 수학식 3을 이용하여 융합 탐지 확률은 산출한다.
Figure 112020084432197-pat00003
여기서, i는 수신기의 인덱스, P di 는 단일 수신기의 탐지 확률을 의미한다.
본 발명의 실시예에서는 2개의 수신기가 존재하는 것을 예로 하여 설명하므로, 양상태 소나 시스템(100)은 2개 수신기에 대한 융합 탐지 확률을 산출한다.
양상태 소나 시스템(100)은 S150 단계에서 융합 탐지 확률을 산출한 후, 음원을 설치할 위치와 수심을 결정한다(S160). 이때, 양상태 소나 시스템(100)은 표적 정보를 알고 있는 경우와 모르는 경우로 구분하여 음원을 설치할 위치와 수심을 결정하기 위한 목적 함수를 계산한다.
여기서, 목적함수는 표적 위치를 알고 있는 경우에는 탐지 확률(
Figure 112020084432197-pat00004
)에 해당하고, 표적 위치를 모르는 경우에는 목적함수는 탐지가능면적(DA)에 해당한다.
먼저, 양상태 소나 시스템(100)은 표적 정보를 알고 있을 경우의 탐지 확률을 다음 수학식 4를 통해 계산한다.
Figure 112020084432197-pat00005
여기서,
Figure 112020084432197-pat00006
,
Figure 112020084432197-pat00007
,
Figure 112020084432197-pat00008
, 그리고
Figure 112020084432197-pat00009
는 음원, 수신기, 표적 위치, 음원 깊이를 의미하고, m은 예상되는 표적의 위치에 부여한 번호이다. 그리고 M은 예상되는 표적 위치의 총 개수를 의미한다.
표적의 위치와 속력을 아는 경우에는 표적이 존재 가능한 영역을 대상으로 탐지확률이 가장 높은 위치/수심에 음원을 선정하는 것을 목적으로 하며, 음원 배치 가능 격자 중에서 융합탐지확률이 가장 높은 음원 위치/수심을 계산하여 최적 음원 위치를 결정한다.
한편, 양상태 소나 시스템(100)은 표적의 위치를 모를 경우, 다음 수학식 5를 이용하여 탐지 가능 면적을 계산한다.
Figure 112020084432197-pat00010
여기서,
Figure 112020084432197-pat00011
,
Figure 112020084432197-pat00012
,
Figure 112020084432197-pat00013
, 그리고
Figure 112020084432197-pat00014
는 음원, 수신기, 표적 감시 영역 전체에 해당하는 표적 위치, 탐색 영역의 수심을 의미하고, i, j, I, J는 음원 배치 가능 격자의 위/경도에 해당하는 번호와 총 개수를 의미한다. 표적의 정보를 모르는 경우에는 모든 탐색영역에 표적이 존재 가능하기 때문에 특정 영역에 탐지 확률이 높은 음원의 위치/수심을 결정하지 않고, 탐지 가능한 면적이 가장 넓은 음원의 위치/수심을 결정한다.
이상의 절차를 통해 음원이 설치될 위치와 수심을 결정할 때, S120 단계에서 음원 설치 가능 영역을 선정하는 예에 대해 도 3a 내지 도 3c를 참조로 설명한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 양상태 음원의 배치 가능한 대상 영역과 정점을 나타낸 예시도이다.
먼저, 양상태 소나 시스템(100)은 도 3a에 도시된 바와 같이 음원 탐색 영역과 배치 가능한 수심을 고려하여 3차원 격자를 구성한다. 그리고, 표적 정보를 아는 경우, 즉, 표적의 위치와 속력을 아는 경우, 도 3b에 도시된 바와 같이, 표적의 현재 위치로부터 음원 배치에 소요되는 시간까지 이동 가능한 직선거리를 반경으로 하여, 표적 이동 가능 영역을 계산한다.
그리고, 계산한 표적 이동 가능 영역보다 약 4배 넓은 영역과 수심에 음원이 배치되도록 배치 가능 대상 영역을 설정한다. 여기서, 음원 배치까지 소요되는 시간과 표적 속력의 곱으로 표적이 이동 가능한 직선거리를 계산한다.
표적 이동 가능 영역 주변으로 음원 배치 가능 영역을 제한한 것은, 표적의 주변에 음원이 위치할 경우 음원으로부터 표적까지의 전달손실을 최소화하기 위함이다. 전달손실이 최소화되면 탐지확률을 높일 수 있고, 최소화된 음원 배치 가능 격자의 수로 인하여 연산량 감소의 효과를 얻을 수 있다.
한편, 표적 정보를 모르는 경우, 양상태 소나 시스템(100)은 탐색 영역과 수심 전체에 표적이 존재할 수 있다고 가정하고, 도 3c에 도시된 바와 같이 탐색영역 전체를 음원 배치 가능 격자로 선정한다.
다음은 하나의 음원과 수신기 위치에서, 방위를 하나로 고정하고 거리/수심별로 해양 환경에 의한 영향을 반영한 모델링 결과에 대해 도 4를 참조로 설명한다. 양상태 소나 시스템(100)이 실제 탐지 확률을 계산할 때는 방위/거리/수심별 3차원 원통형으로 계산되나, 본 발명의 실시예에서는 해양 환경에 의한 영향을 반영한 모델링 결과를 용이하게 표현하기 위하여 2차원으로 표현한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 해양 환경에 의한 영향을 반영하여 모델링한 결과의 예시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에서는 해양 환경 정보 중 수층 수온구조, 해저지형, 해저면 구성 성분 등에 의한 영향을 반영한 모델링 결과를 나타내었다. 여기서 (a)는 해양 환경 정보를 반영한 경우의 전달손실, (b)는 해양 환경 정보를 반영한 경우의 잔향음을 나타낸 예시도이다. 그리고 (c)는 해양 환경 정보를 반영한 경우의 신호 초과에 대한 예시도이고, (d)는 해양 환경 정보를 반영한 경우의 탐지확률을 나타낸다.
탐지 확률은 하나의 음원과 수신기의 위치를 기초로 계산된다. 따라서 양상태 소나 시스템(100)은 복수의 음원 배치 가능 격자와 수심, 수신기 간의 조합을 모두 계산하고, 음원의 최적 위치/수심 탐색을 위한 탐지 확률 데이터베이스를 구성한다.
예를 들어, 음원 배치 가능 격자의 개수가 M개, 수신기의 개수가 N개라면, 양상태 소나 시스템(100)은 M×N개의 탐지확률 데이터베이스를 생성한다. 단, 음원의 수심은 사용자가 비등간격으로 입력할 수 있다.
다음은 양상태 소나 시스템(100)이 2개의 수신기를 가질 경우, 2개 탐지 확률에 대한 융합을 수행하여 탐지 가능 구간을 정의한 예에 대해 도 5를 참조로 설명한다. 본 발명의 실시예에서는, 융합 탐지 확률이 50% 이상이 되는 구간을 탐지 가능 구간으로 정의하는 것을 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 음원의 위치에 따른 탐지 확률을 나타낸 예시도이다.
도 5의 (a), (b), (c)는 음원이 경도 0.68°, 위도 1.02°, 수심 10m에 위치한 경우, (d), (e), (f)는 음원이 경도 0.77°, 위도 0.93°, 수심 25m에 위치한 경우, (g), (h), (i)는 음원이 경도 0.88°, 위도 1.02°, 수심 50m에 위치한 경우에서 모델링한 탐지 확률 결과를 나타낸 예시도이다.
여기서 (a), (d), (g)는 각각의 음원 위치와 수신기 A 조합의 탐지 확률을 나타낸 것이고, (b), (e), (h)는 각각의 음원 위치와 수신기 B 조합의 탐지 확률을 나타낸 것이다. 그리고, (c), (f), (i)는 수신기 A, B의 융합 탐지 확률 결과를 의미한다.
음원 위치와 수심을 결정하기 위해, 양상태 소나 시스템(100)은 모든 음원 배치 가능 격자 및 수심에서 융합 탐지 확률을 도출한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 표적 정보를 아는 경우의 표적 이동 가능 영역에 대한 평균 융합 탐지 확률을 나타낸 예시도이다
도 6에 도시된 바와 같이, 양상태 소나 시스템(100)은 음원의 수심 4개와 음원 배치 가능 격자를 선정하고, 각 위치에서의 표적 이동 가능 영역에 대한 평균 융합 탐지 확률을 매핑한다. 본 발명의 실시예에서는 음원 수심 50m, 경도 0.66도, 위도 1.02도에서 가장 높은 탐지 확률을 가지는 것으로 도출되었으며, 이 지점을 최적 음원 위치와 수심으로 권고한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 표적 정보를 모르는 경우의 탐지 가능 면적을 나타낸 예시도이다.
도 7에서는 양상태 소나 시스템(100)이 음원의 수심 4개와 음원 배치 가능 격자를 선정하여, 각 위치에서의 탐지 면적을 매핑한 결과이다. 본 발명의 실시예에서는 음원 수심 25m, 경도 0.90도, 위도 0.80도에서 가장 넓은 탐지 면적을 가지는 것으로 도출되어, 이 지점을 최적 음원 위치와 수심으로 권고한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 컴퓨팅 장치의 하드웨어 구성도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 양상태 소나 시스템(100)은 적어도 하나의 프로세서에 의해 동작하는 컴퓨팅 장치(200)에서, 본 발명의 동작을 실행하도록 기술된 명령들(instructions)이 포함된 프로그램을 실행한다.
컴퓨팅 장치(200)의 하드웨어는 적어도 하나의 프로세서(210), 메모리(220), 스토리지(230), 통신 인터페이스(240)를 포함할 수 있고, 버스를 통해 연결될 수 있다. 이외에도 입력 장치 및 출력 장치 등의 하드웨어가 포함될 수 있다. 컴퓨팅 장치(200)는 프로그램을 구동할 수 있는 운영 체제를 비롯한 각종 소프트웨어가 탑재될 수 있다.
프로세서(210)는 컴퓨팅 장치(200)의 동작을 제어하는 장치로서, 프로그램에 포함된 명령들을 처리하는 다양한 형태의 프로세서(210)일 수 있고, 예를 들면, CPU(Central Processing Unit), MPU(Micro Processor Unit), MCU(Micro Controller Unit), GPU(Graphic Processing Unit) 등 일 수 있다. 메모리(220)는 본 발명의 동작을 실행하도록 기술된 명령들이 프로세서(210)에 의해 처리되도록 해당 프로그램을 로드한다. 메모리(220)는 예를 들면, ROM(read only memory), RAM(random access memory) 등 일 수 있다. 스토리지(230)는 본 발명의 동작을 실행하는데 요구되는 각종 데이터, 프로그램 등을 저장한다. 통신 인터페이스(240)는 유/무선 통신 모듈일 수 있다.
이와 같이, 수신기가 고정된 형태의 양상태 소나 시스템(100)을 운용할 때, 표적 정보의 유무에 따른 작전 상황에 적합한 최적 음원 위치/수심을 제공하여, 양상태 소나 시스템(100)의 운용성을 증대하고 탐지성능을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (14)

  1. 적어도 하나의 프로세스에 의해 구동되며, 적어도 하나의 해저 고정형 수신기를 가지는 양상태 소나 시스템이 음원을 배치하는 방법으로서,
    상기 음원이 배치될 대상 영역의 참고 정보를 수신하는 단계,
    상기 대상 영역에서 상기 음원이 배치될 음원 배치 후보 영역을 설정하는 단계,
    상기 음원 배치 후보 영역에 상기 참고 정보에 포함된 해양 환경 정보와 음향 환경 정보, 그리고 소나 변수를 반영하는 단계,
    상기 음원과 적어도 하나의 수신기 각각의 조합에 따른 탐지 확률을 각각 산출하고, 각 탐지 확률을 토대로 융합 탐지 확률을 산출하는 단계, 그리고
    상기 융합 탐지 확률을 기초로, 상기 음원 배치 후보 영역 중 상기 음원이 배치될 위치와 수심을 결정하는 단계
    를 포함하는, 음원 배치 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음원 배치 후보 영역을 설정하는 단계는,
    상기 참고 정보에 표적에 대한 표적 정보가 포함되어 있으면, 상기 표적의 현재 위치로부터 음원 배치에 소요되는 시간까지 이동 가능한 직선 거리를 계산하는 단계,
    상기 직선 거리를 반경으로 하는 표적 이동 가능 영역을 계산하는 단계, 그리고
    상기 표적 이동 가능 영역을 포함하여 일정 배수 넓은 영역을 상기 음원 배치 후보 영역으로 설정하는 단계
    를 포함하는, 음원 배치 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 음원 배치 후보 영역을 설정하는 단계는,
    상기 참고 정보에 상기 표적 정보가 포함되어 있지 않으면, 상기 대상 영역 전체를 상기 음원 배치 후보 영역으로 설정하는 단계
    를 포함하는, 음원 배치 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 음원 배치 후보 영역은 음원 탐색 영역과 음원 배치 가능한 수심을 고려하여 복수의 영역들을 포함하는 3차원 격자로 구성되는, 음원 배치 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 해양 환경 정보는 상기 음원 배치 후보 영역의 해저지형, 표층 퇴적물 구성 성분, 그리고 수직 음속구조에 대한 정보 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 음향 환경 정보는 방위 별 배경 소음 정보를 포함하며,
    상기 소나 변수는 주파수, 음원 준위, 펄스 타입, 펄스 길이, 대역폭, 수직 빔 패턴, 수평 빔 패턴, 지향지수, 탐지 문턱, 예상 표적의 표적 강도 중 적어도 하나를 포함하는, 음원 배치 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 소나 변수를 반영하는 단계는,
    상기 고정형 수신기로 수신되는 신호를 기초로 표적 반향음 대 잔향음 및 배경 소음의 비율인 신호 초과를 계산하는 단계
    를 포함하는, 음원 배치 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    음원준위, 음원으로부터 표적까지의 전달손실, 표적으로부터 고정형 수신기까지의 전달손실, 잔향음 준위, 배경소음 준위, 수신 지향지수, 예상 표적의 표적강도, 그리고 탐지문턱 중 복수의 정보들을 이용하여 상기 신호 초과를 계산하는, 음원 배치 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 융합 탐지 확률을 산출하는 단계는,
    상기 음원과 상기 고정형 수신기의 조합으로 복수의 탐지 확률들을 계산하는 단계, 그리고
    상기 복수의 탐지 확률들을 조합하여 상기 하나의 융합 탐지 확률을 산출하는 단계
    를 포함하는, 음원 배치 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 음원이 배치될 위치와 수심을 결정하는 단계는,
    상기 음원이 설치될 위치와 수심을 결정하기 위한 목적 함수를 계산하는 단계
    를 포함하고,
    상기 참고 정보에 표적 정보가 포함되어 있으면 상기 탐지 확률을 상기 목적 함수로 결정하고,
    상기 참고 정보에 표적 정보가 포함되어 있지 않으면 탐지가능면적을 상기 목적 함수로 결정하는, 음원 배치 방법.
  10. 음원을 배치하는 고정형 수신기를 가지는 양상태 소나 시스템으로서,
    외부로부터 음원이 배치될 대상 영역의 참고 정보를 수신하는 인터페이스, 그리고
    프로세서
    를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 음원이 배치될 음원 배치 후보 영역을 설정하고, 상기 음원 배치 후보 영역에 대한 해양 환경 정보와 음향 환경 정보, 그리고 소나 변수를 반영하여 음원과 상기 고정형 수신기를 조합한 적어도 하나의 탐지 확률들을 산출하고, 상기 적어도 하나의 탐지 확률들로부터 융합 탐지 확률을 산출하여 음원 배치 위치와 수심을 결정하는, 양상태 소나 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 참고 정보에 표적 정보가 포함되어 있으면, 상기 표적의 현재 위치로부터 음원 배치에 소요되는 시간까지 이동 가능한 직선 거리를 계산하고, 계산한 직선 거리를 반경으로 하여 표적 이동 가능 영역을 계산하며, 상기 표적 이동 가능 영역을 포함하여 상기 음원 배치 후보 영역을 설정하는, 양상태 소나 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 고정형 수신기로 수신되는 신호를 기초로 표적 반향음 대 잔향음 및 배경 소음의 비율인 신호 초과를 계산하는, 양상태 소나 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 참고 정보에 표적 정보가 포함되어 있으면 상기 탐지 확률을 이용하여 상기 음원이 배치될 위치와 수심을 결정하고,
    상기 참고 정보에 표적 정보가 포함되어 있지 않으면 탐지가능면적을 이용하여 상기 음원이 배치될 위치와 수심을 결정하는, 양상태 소나 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 해양 환경 정보는 상기 음원 배치 후보 영역의 해저지형, 표층 퇴적물 구성 성분, 그리고 수직 음속구조에 대한 정보 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 음향 환경 정보는 방위 별 배경 소음 정보를 포함하며,
    상기 소나 변수는 주파수, 음원 준위, 펄스 타입, 펄스 길이, 대역폭, 수직 빔 패턴, 수평 빔 패턴, 지향지수, 탐지 문턱 중 적어도 하나를 포함하는, 양상태 소나 시스템.
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