KR102363969B1 - 음선 경로를 활용한 수중음향 전달 채널 모의 방법 - Google Patents

음선 경로를 활용한 수중음향 전달 채널 모의 방법 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따른 수중음향 전달 채널 모의 장치에 의한 수중음향 전달 채널 모의 방법은, 음원과 수신기 사이의 다수의 고유 음선 경로에 대하여 고유 음선해를 도출하는 단계와, 도출된 고유 음선해를 이산시간 영역으로 근사하여 수중음향 전달 채널의 정보가 포함된 유한 임펄스 응답을 도출하는 단계를 포함한다.

Description

음선 경로를 활용한 수중음향 전달 채널 모의 방법{METHOD FOR SIMULATING UNDERWATER SOUND TRANSMISSION CHANNEL BASED ON EIGENRAY TRACING}
본 발명은 음선(eigenray) 경로를 활용하여 수중음향 전달 채널을 모의하는 방법에 관한 것이다.
소나는 수중에서 음파를 이용하여 수중 표적을 탐지하는 장비이며, 따라서 수중음향 전달 채널은 소나의 성능을 좌우하는 중요한 요인이다. 그러나 수중음향 전달 채널은 해수면 및 해저면의 경계조건, 해저면의 구성 성분, 수온 분포 등의 다양한 환경 요인들의 영향을 받기 때문에, 수중음향 전달 채널에 따른 소나의 계측 신호를 사전에 모의하는 것은 쉽지 않다. 따라서 소나의 설계 단계에서 실제 환경과 유사한 음파 전달 채널을 모의하여 충분히 검증을 수행하는 것은 어려우며, 해상시험을 포함한 고비용의 시험평가 단계에서 확인을 수행하는 것이 일반적이다.
특히 수중음향 전달 채널은 종종 주파수 영역에서 시간 조화(time harmonic) 함수로 모델링되어, 일부 협대역 신호를 제외하면 광대역 시계열(time-series) 신호 모의시 활용이 어렵다. 또한 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션을 실시하기 위해서는 이산시간(discrete-time) 시스템에서 표현이 가능하여야 한다. 따라서 수중 음파전달 환경을 반영한 이산시간 모델링 기법이 요구된다.
한국 등록특허공보 제10-1502408호 (2015.03.09. 공개)
일 실시예에 따르면, 시간영역에서 다중 경로의 시간지연이 계산 가능한 고유 음선 분석 기법에 기반하여 오차를 최소화할 수 있는 시간영역 근사 및 모의 방법을 제공한다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
제 1 관점에 따른 수중음향 전달 채널 모의 장치에 의한 수중음향 전달 채널 모의 방법은, 음원과 수신기 사이의 다수의 고유 음선(eigenray) 경로에 대하여 고유 음선해를 도출하는 단계와, 상기 도출된 고유 음선해를 이산시간 영역으로 근사하여 수중음향 전달 채널의 정보가 포함된 유한 임펄스 응답을 도출하는 단계를 포함한다.
제 2 관점에 따라 컴퓨터 프로그램을 저장하고 있는 컴퓨터 판독 가능 기록매체는, 상기 컴퓨터 프로그램이, 프로세서에 의해 실행되면, 음원과 수신기 사이의 다수의 고유 음선 경로에 대하여 고유 음선해를 도출하는 단계와, 상기 도출된 고유 음선해를 이산시간 영역으로 근사하여 수중음향 전달 채널의 정보가 포함된 유한 임펄스 응답을 도출하는 단계를 포함하는 수중음향 전달 채널 모의 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함한다.
제 3 관점에 따라 컴퓨터 판독 가능 기록매체에 저장되어 있는 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면, 음원과 수신기 사이의 다수의 고유 음선 경로에 대하여 고유 음선해를 도출하는 단계와, 상기 도출된 고유 음선해를 이산시간 영역으로 근사하여 수중음향 전달 채널의 정보가 포함된 유한 임펄스 응답을 도출하는 단계를 포함하는 수중음향 전달 채널 모의 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 시간영역에서 다중 경로의 시간지연이 계산 가능한 고유 음선 분석 기법에 기반하여 오차를 최소화할 수 있는 시간영역 근사 및 모의 방법을 제공한다. 이처럼, 수중 물리적인 환경(음속 프로파일, 경계면 지형 및 특성 등)을 반영한 수중 음파전달 채널을 모의함으로써, 소나 성능검증용 시뮬레이터 등에 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수중음향 전달 채널 모의 장치에 의한 수중음향 전달 채널 모의 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수중음향 전달 채널 모의 방법에 따른 모의 과정을 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 모의 음원 신호생성을 위한 고속 콘볼루션 연산을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 설계된 위상 천이 필터의 주파수 응답을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 설계된 체적 손실 및 위상 천이 필터의 주파수 응답을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 설계된 소수 시간지연 필터의 주파수 응답을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 고유 음선 분석결과를 활용한 수중음향 전달 채널의 유한 임펄스 응답 모델링 결과를 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
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 있음을 의미한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수중음향 전달 채널 모의 장치에 의한 수중음향 전달 채널 모의 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수중음향 전달 채널 모의 방법에 따른 모의 과정을 예시한 도면이다. 이러한 수중음향 전달 채널 모의 방법을 수행할 수 있는 모의 장치는 마이크로프로세서(microprocessor) 등과 같은 컴퓨팅 연산수단을 포함하는 장치(예컨대, 컴퓨터 등)일 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 수중음향 전달 채널 모의 방법은 음원과 수신기 사이의 다수의 고유 음선(eigenray) 경로에 대하여 고유 음선해를 도출하는 단계(S110)를 포함한다. 도 2에는 고유 음선해를 도출하기 위한 공지의 소프트웨어 중 Bellhop를 이용한 예를 나타내었다.
그리고, 단계 S110에서 도출된 고유 음선해를 이산시간 영역으로 근사하여 수중음향 전달 채널의 정보가 포함된 유한 임펄스 응답을 도출하는 단계(S120)를 더 포함한다.
여기서, 유한 임펄스 응답을 도출하는 단계(S120)는 고유 음선해를 이산시간 영역으로 근사할 때 오차를 최소화 할 수 있는 고유 음선별 근사 필터를 설계하는 단계(S121) 및 고유 음선별 근사 필터를 활용하여 고유 음선해를 근사하는 단계(S122)를 포함할 수 있다. 도 2에는 고유 음선별 근사 필터로서 위상 및 손실 근사 필터 및 소수 시간지연 근사 필터를 포함하는 FIR(Finite Impulse Response) 필터를 이용한 예를 나타내었다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 모의 음원 신호생성을 위한 고속 콘볼루션 연산을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 설계된 위상 천이 필터의 주파수 응답을 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 설계된 체적 손실 및 위상 천이 필터의 주파수 응답을 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 설계된 소수 시간지연 필터의 주파수 응답을 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 고유 음선 분석결과를 활용한 수중음향 전달 채널의 유한 임펄스 응답 모델링 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여 수중음향 전달 채널 모의 장치에 의한 수중음향 전달 채널 모의 방법에 대하여 자세히 살펴보기로 한다.
본 발명은 수중음향 전달 채널의 다중경로 시간지연이 계산 가능한 고유 음선 분석을 통해 산출된 고유 음선의 정보로부터, 수중음향 채널을 시불변의 이산시간 유한 임펄스 응답으로 근사하여 모의한다. 이러한 근사 기법을 적용하기 위해서는 우선 물리적인 제약 환경하에서, 음파 전달 현상을 기술하는 파동 방정식의 고주파수 근사 해로써 주어지는 음선해를 얻어야 한다. 이는 경계 조건하에서 하기의 수학식 1 및 수학식 2와 같은 아이코날 방정식(Eikonal equation)과 수송 방정식(transport equation)의 해로써 얻어진다.
Figure 112020044672111-pat00001
(수학식 1)
Figure 112020044672111-pat00002
(수학식 2)
상기 방정식의 해는 일반적으로 복잡한 경계조건 및 음속구조 하에서는 해석적으로 얻어지지는 않으며, 다양한 수치해석 방법을 적용할 수 있다. 또한 Bellhop 등의 인터넷에 공개된 소프트웨어 이용하여 고유 음선해를 얻는 것도 가능하다. 한편 주어진 음원과 수신기 사이의 다수의 고유 음선 경로가 존재하여, 여러 고유 음선해
Figure 112020044672111-pat00003
가 얻어질 수 있으며, 각각의 음선은 크기
Figure 112020044672111-pat00004
, 위상
Figure 112020044672111-pat00005
, 도달 시간지연
Figure 112020044672111-pat00006
의 정보를 포함한다. 이로써, 음원과 수신기 사이의 다수의 고유 음선 경로에 대하여 고유 음선해를 도출하였다(S110).
단계 S110에서 도출된 고유 음선해는 연속시간 방정식인 수학식 1을 통해 얻었으므로, 이를 이산시간 시스템에 바로 적용할 수는 없으며, 따라서 이를 이산시간 영역으로 근사하는 과정을 거쳐야 한다. 이러한 근사 결과로 얻어진 수중 음향 전달 채널의 모든 정보가 포함되어 도출되는 유한 임펄스 응답
Figure 112020044672111-pat00007
을 수식으로 표현하면 아래의 수학식 3과 같다(S120).
Figure 112020044672111-pat00008
(수학식 3)
(단,
Figure 112020044672111-pat00009
: 샘플 인덱스,
Figure 112020044672111-pat00010
: 고유 음선 개수,
Figure 112020044672111-pat00011
: 콘볼루션 연산, round(): 반올림 연산,
Figure 112020044672111-pat00012
: i번째 고유 음선의 위상 및 손실 근사 필터,
Figure 112020044672111-pat00013
: i번째 고유 음선의 소수 시간지연(
Figure 112020044672111-pat00014
, fractional delay) 근사 필터,
Figure 112020044672111-pat00015
Figure 112020044672111-pat00016
의 필터 차수,
Figure 112020044672111-pat00017
Figure 112020044672111-pat00018
의 필터 차수)
임의의 음원 신호와 수중 음향 채널을 나타내는 유한 임펄스 응답의 콘볼루션을 실시하면, 소나에서 수신한 이산시간 신호
Figure 112020044672111-pat00019
을 모의할 수 있다. 콘볼루션 연산은 교환(commute)되기 때문에 어떤 순서로 실행하더라도 무관하며, 참고로 필터 차수가 긴 경우의 콘볼루션 연산은 신호의 분할과 FFT를 활용한 도 3 및 아래의 수학식 4와 같은 주파수 영역 연산(overlap add)으로 효율적으로 계산할 수 있다.
Figure 112020044672111-pat00020
(수학식 4)
(단,
Figure 112020044672111-pat00021
: 음원의 신호,
Figure 112020044672111-pat00022
,
Figure 112020044672111-pat00023
Figure 112020044672111-pat00024
의 필터 차수)
한편, 단계 S110를 통하여 고유 음선해가 도출되면, 도출된 고유 음선해에 기초하여 수중음향 전달 채널의 정보가 포함된 유한 임펄스 응답을 도출한다(S120). 이를 위하여, 고유 음선해를 이산시간 영역으로 근사할 때 오차를 최소화 할 수 있는 고유 음선별 근사 필터를 설계하고(S121), 설계된 고유 음선별 근사 필터를 활용하여 고유 음선해를 근사한 후에 유한 임펄스 응답을 도출할 수 있다(S122).
수학식 3으로 주어진 수중음향 채널의 유한 임펄스 응답
Figure 112020044672111-pat00025
을 구성하는 고유 음선별 근사 필터인
Figure 112020044672111-pat00026
,
Figure 112020044672111-pat00027
은 다음과 같이 얻어질 수 있다.
우선
Figure 112020044672111-pat00028
는 각각의 고유 음선의 주파수 영역 진폭 및 위상인
Figure 112020044672111-pat00029
에 대한 근사를 나타낸다. 이러한 주파수 영역에서 임의의 위상을 가지는 신호는, 원래 신호와 위상이
Figure 112020044672111-pat00030
천이된 힐버트 변환(Hilbert transform) 신호의 주파수 영역의 가중 합으로 표현 가능하다. 따라서 필터
Figure 112020044672111-pat00031
을 이용하여 힐버트 변환의 근사가 용이하여야 한다.
한편 4형 선형위상 필터(linear phase filter, Type 4)의 경우 힐버트 변환과 동일한 위상이 보장되는 것이 알려져 있으며,
Figure 112020044672111-pat00032
에서 주파수 응답이 널(null)이 발생하는 3형 선형위상 필터와는 달리
Figure 112020044672111-pat00033
에서만 널이 발생하므로, 힐버트 변환 근사에 유리하다. 따라서 필터
Figure 112020044672111-pat00034
의 차수
Figure 112020044672111-pat00035
은 4형 선형위상 필터 구성이 가능하도록 홀수(odd) 임이 요구된다.
또한 필터
Figure 112020044672111-pat00036
은 주파수 영역에서 주어진 임의의 위상 및 크기를 근사할 수 있어야 하므로, 필터의 설계를 위해 주파수 영역 최적화 기법의 적용이 요구된다. 주파수 영역 최적화 기법으로 최소제곱법이 알려져 있다. 주파수 영역 최소제곱법은 근사가 요구되는 주파수 대역에서만 최적화를 실시하므로, 근사 대역에서 정확도가 증대되는 장점이 있다. 다만, 주파수 영역 최소제곱 방법으로 근사 필터를 설계하는 것은 일 실시예이며, 공지의 다른 방법으로 필터를 설계할 수도 있다.
주파수 영역 최소제곱 방법에서 이상적인 필터의 응답을
Figure 112020044672111-pat00037
라고 두고, 이를 근사하기 위한 필터
Figure 112020044672111-pat00038
의 응답을
Figure 112020044672111-pat00039
라고 하면, 근사대상 주파수 대역에서 가중 최소제곱 오차는 다음의 수학식 5와 같이 주어진다.
Figure 112020044672111-pat00040
(수학식 5)
(단,
Figure 112020044672111-pat00041
: 오차가 정의된 근사대역,
Figure 112020044672111-pat00042
: 0이상인 실수의 가중 함수)
수학식 5는 아래의 수학식 6과 같은 이차식으로 정리할 수 있다.
Figure 112020044672111-pat00043
(수학식 6)
(단,
Figure 112020044672111-pat00044
,
Figure 112020044672111-pat00045
,
Figure 112020044672111-pat00046
,
Figure 112020044672111-pat00047
,
Figure 112020044672111-pat00048
)
상기 수학식 6에서 어깨 글자(superscript)인
Figure 112020044672111-pat00049
는 복소 공액인 전치행렬(complex conjugate transpose)을 의미하고,
Figure 112020044672111-pat00050
는 전치행렬을 의미하며,
Figure 112020044672111-pat00051
는 복소공액을 의미한다. 수학식 6은 최적화 대상인 필터 계수의 이차식이므로, 그 구배를 0으로 두면 필터 계수를 다음의 수학식 7과 같이 얻는다.
Figure 112020044672111-pat00052
(수학식 7)
필터의 설계 결과를 확인하기 위해, 음선의 진폭이 주파수에 무관하다고 가정한 이상적인 응답을
Figure 112020044672111-pat00053
으로 두었다. 진폭의 크기는 주파수와 무관하게 일정하며 위상만
Figure 112020044672111-pat00054
로 일정하게 천이되는 상황에서,
Figure 112020044672111-pat00055
및 차수가
Figure 112020044672111-pat00056
일 때, 위의 방법으로 위상천이(phase shift) 필터를 설계한 결과는 도 4와 같다. 설계 결과 위상이
Figure 112020044672111-pat00057
또는
Figure 112020044672111-pat00058
인 경우, 필터가 정확한 위상을 가지는 것을 알 수 있으며, 다른 위상에서도 설계 대역인
Figure 112020044672111-pat00059
내에서는 오차가 최소화됨을 확인할 수 있다.
일반적으로 음선 진폭의 크기와 위상은 체적 손실, 경계면 손실 등 주파수의 함수로 주어진다. 따라서 이상적인 필터응답을
Figure 112020044672111-pat00060
에 이러한 손실이 반영되어야 한다. 이를 위해서 (수학식 5)에 따른 적분
Figure 112020044672111-pat00061
및
Figure 112020044672111-pat00062
를 수치적으로 계산하여야 한다. 수치 적분 방법으로는 알려진 trapzoidal rule 등의 1차원 적분 방법을 사용할 수 있다.
수중 환경에서 체적 손실(volume attenuation)은 음파 전달 경로의 길이에 따라 증가하는 것으로 알려져 있으며, 이를 반영한 이상적인 응답은 다음의 수학식 8과 같다. 이를 반영하여 수치 적분을 통해 설계한 필터의 특성을 도 5에 나타내었다. 도 5에서 수학식 8에 따른 체적 손실의 크기는 검은색 점선으로 나타내었으며, 필터 설계 결과 근사 대역 내에서 목표로 한 체적 손실이 정확하게 반영되는 것을 확인할 수 있다.
Figure 112020044672111-pat00063
(수학식 8)
(단,
Figure 112020044672111-pat00064
,
Figure 112020044672111-pat00065
: 경로 길이
Figure 112020044672111-pat00066
,
Figure 112020044672111-pat00067
)
한편 수학식 3으로 주어진 고유 음선의 도달 시간 지연인
Figure 112020044672111-pat00068
는 신호를 해당 시간만큼 지연시켜 달성할 수 있다. 이 중 샘플 개수의 정수배에 해당하는 부분인
Figure 112020044672111-pat00069
는 이산 시간에서 해당 샘플만큼 신호를 지연하는 것으로 해결이 되나, 남은 소수 시간지연(fractional delay)
Figure 112020044672111-pat00070
는 이산시간 필터인
Figure 112020044672111-pat00071
을 활용하여 근사적으로 처리되어야 한다. 특히 이러한 소수 시간지연이 적절히 반영되지 않으면, 상대적으로 작은 값을 가지는 배열 내의 센서간 시간지연 모의 정확도 저하로 인해, 빔형성 등의 신호처리 성능 검증 활용시 영향을 줄 수 있다.
샘플 주기내의 소수 시간지연을
Figure 112020044672111-pat00072
,
Figure 112020044672111-pat00073
(샘플)라 하면, 주파수 대역에서 해당하는 위상을 가지는 이상적인 응답으로
Figure 112020044672111-pat00074
을 얻는다. 설계필터
Figure 112020044672111-pat00075
의 응답을
Figure 112020044672111-pat00076
라고 하면, 주파수 영역 최소제곱 방법을 적용하기 위한 가중 최소제곱 오차는 수학식 5와 마찬가지로 다음의 수학식 9와 같이 주어진다.
Figure 112020044672111-pat00077
(수학식 9)
필터의 설계 결과를 확인하기 위해, 소수 시간지연이
Figure 112020044672111-pat00078
로 주어진 상황에서,
Figure 112020044672111-pat00079
및 차수가
Figure 112020044672111-pat00080
일 때, 위의 방법으로 소수 시간지연(fractional delay) 필터를 설계한 결과는 도 6과 같다. 분석 결과 근사 대역 내에서는 설계된 필터가 정확한 위상 시간지연을 가짐을 확인할 수 있다. 특히 도달 시간지연이
Figure 112020044672111-pat00081
인 경우에는, 전체 대역에서 정확한 위상지연을 가진다. 한편 근사 대역 외의
Figure 112020044672111-pat00082
영역에서는 오차가 발생하나, 주파수 중첩(aliasing) 문제로 인해 신호처리 시 해당 대역을 보통 활용하지 않으므로, 오차를 용인할 수 있다.
한편 도 6에서 설계된 필터의 위상 시간지연(phase delay)을 도시하였는데, 이는 근사 대역내의 협대역 신호 성분별 시간지연에 관심이 있기 때문이다. 만약 DEMON(Demodulation on Noise) 신호와 같이 포락선(envelop)의 시간지연이 중요한 경우 위상 시간지연 대신 군 시간지연(group delay) 설계 결과를 검토할 수 있으며, 군 시간지연은 주파수 영역의 필터 위상 미분으로 주어지므로, 이상적인 응답으로 상기와 동일한
Figure 112020044672111-pat00083
을 사용할 수 있다.
앞서 제안된 이산시간 모의 방법을 적용하여, 고유 음선 분석결과로부터 수중음향 전달 채널(유한 임펄스 응답)을 도출한 결과를 도 8에 표현하였다. 도 8의 분석시, 수심 1000m, 음원 깊이 10m, 수신기 깊이 100m이며, 음원과 수신기의 이격 거리는 5km로 두었다. 환경 조건으로 해수면 경계는 진공(vaccum)으로 두었으며, 해저면은 음속이 1600m/s, 단위 밀도의 1.8배인 음향학적 반공간(acoustic halfspace)으로 설정하였다. 음선 분석 방법으로 가우시안 빔 기법을 적용하였고, 수직각 ±12° 이내에 101개의 음선을 사용하였으며, 체적 손실은 반영하지 않았다. 매질의 음속은 동해에서 겨울철에 측정한 실제 음속 프로파일을 적용하였다. 제안한 기법의 적용 결과 실제 환경조건을 반영한 고유 음선 분석 결과로부터, 컴퓨터 시뮬레이션에 활용 가능한 이산시간 유한 임펄스 응답을 모의할 수 있음을 확인하였다.
한편, 전술한 일 실시예에 따른 수중음향 전달 채널 모의 방법에 포함된 각각의 단계는, 이러한 단계를 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함하는 컴퓨터 프로그램을 기록하는 컴퓨터 판독가능한 기록매체에서 구현될 수 있다.
또한, 전술한 일 실시예에 따른 수중음향 전달 채널 모의 방법에 포함된 각각의 단계는, 이러한 단계를 수행하도록 위한 명령어를 포함하도록 프로그램된, 컴퓨터 판독가능한 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램의 형태로 구현될 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 시간영역에서 다중 경로의 시간지연이 계산 가능한 고유 음선 분석 기법에 기반하여 오차를 최소화할 수 있는 시간영역 근사 및 모의 방법을 제공한다. 이처럼, 수중 물리적인 환경(음속 프로파일, 경계면 지형 및 특성 등)을 반영한 수중 음파전달 채널을 모의함으로써, 소나 성능검증용 시뮬레이터 등에 활용할 수 있다.
본 발명에 첨부된 각 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 기록매체에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 기록매체에 저장된 인스트럭션들은 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시예들에서는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 품질에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 수중음향 전달 채널 모의 장치에 의한 수중음향 전달 채널 모의 방법으로서,
    음원과 수신기 사이의 다수의 고유 음선(eigenray) 경로에 대하여 고유 음선해를 도출하는 단계와,
    상기 도출된 고유 음선해를 이산시간 영역으로 근사하여 수중음향 전달 채널의 정보가 포함된 유한 임펄스 응답을 도출하는 단계를 포함하고,
    상기 유한 임펄스 응답을 도출하는 단계는,
    상기 고유 음선해를 상기 이산시간 영역으로 근사할 때 오차를 최소화 할 수 있는 고유 음선별 근사 필터를 설계하는 단계와,
    상기 고유 음선별 근사 필터를 활용하여 상기 고유 음선해를 근사하는 단계를 포함하는
    음선 경로를 활용한 수중음향 전달 채널 모의 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 고유 음선별 근사 필터는 위상 및 손실 근사 필터 및 소수 시간지연 근사 필터를 포함하는
    음선 경로를 활용한 수중음향 전달 채널 모의 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 유한 임펄스 응답(g[n])은 하기의 식으로 표현되는
    Figure 112020044672111-pat00084

    (단,
    Figure 112020044672111-pat00085
    : 샘플 인덱스,
    Figure 112020044672111-pat00086
    : 고유 음선 개수,
    Figure 112020044672111-pat00087
    : 콘볼루션 연산, round(): 반올림연산,
    Figure 112020044672111-pat00088
    : i번째 고유 음선의 위상 및 손실 근사 필터,
    Figure 112020044672111-pat00089
    : i번째 고유 음선의 소수 시간지연(
    Figure 112020044672111-pat00090
    , fractional delay) 근사 필터,
    Figure 112020044672111-pat00091
    Figure 112020044672111-pat00092
    의 필터 차수,
    Figure 112020044672111-pat00093
    Figure 112020044672111-pat00094
    의 필터 차수)
    음선 경로를 활용한 수중음향 전달 채널 모의 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 위상 및 손실 근사 필터의 차수는 4형 선형위상 필터 구성이 가능하도록 홀수(odd)인
    음선 경로를 활용한 수중음향 전달 채널 모의 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 위상 및 손실 근사 필터는 주파수 영역 최적화 기법이 적용된
    음선 경로를 활용한 수중음향 전달 채널 모의 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 주파수 영역 최적화 기법으로서 근사가 요구되는 주파수 대역에서만 최적화를 실시하는 주파수 영역 최소제곱법이 적용된
    음선 경로를 활용한 수중음향 전달 채널 모의 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 주파수 영역 최소제곱법에서 이상적인 필터의 응답을
    Figure 112021145866164-pat00095
    라고 두고, 이를 근사하기 위한 필터
    Figure 112021145866164-pat00096
    의 응답을
    Figure 112021145866164-pat00097
    라고 하면, 근사대상 주파수 대역에서 가중 최소제곱 오차는 하기의 식과 같이 주어지는
    Figure 112021145866164-pat00098

    (단,
    Figure 112021145866164-pat00099
    : 오차가 정의된 근사대역,
    Figure 112021145866164-pat00100
    : 0이상인 실수의 가중 함수)
    음선 경로를 활용한 수중음향 전달 채널 모의 방법.
  9. 제 4 항에 있어서,
    샘플 주기내의 소수 시간지연을
    Figure 112021145866164-pat00101
    ,
    Figure 112021145866164-pat00102
    (샘플)라 하면, 주파수 대역에서 해당하는 위상을 가지는 이상적인 응답으로
    Figure 112021145866164-pat00103
    을 얻고, 상기 소수 시간지연 근사 필터
    Figure 112021145866164-pat00104
    의 응답을
    Figure 112021145866164-pat00105
    라고 하면, 주파수 영역 최소제곱법을 적용하기 위한 가중 최소제곱 오차는 하기의 식과 같이 주어지는
    Figure 112021145866164-pat00106

    (단, [o, βπ]: 오차가 정의된 근사대역,
    Figure 112021145866164-pat00107
    : 0이상인 실수의 가중 함수)
    음선 경로를 활용한 수중음향 전달 채널 모의 방법.
  10. 컴퓨터 프로그램을 저장하고 있는 컴퓨터 판독 가능 기록매체로서,
    상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면, 음원과 수신기 사이의 다수의 고유 음선(eigenray) 경로에 대하여 고유 음선해를 도출하는 단계와, 상기 도출된 고유 음선해를 이산시간 영역으로 근사하여 수중음향 전달 채널의 정보가 포함된 유한 임펄스 응답을 도출하는 단계를 포함하고, 상기 유한 임펄스 응답을 도출하는 단계는, 상기 고유 음선해를 상기 이산시간 영역으로 근사할 때 오차를 최소화 할 수 있는 고유 음선별 근사 필터를 설계하는 단계와, 상기 고유 음선별 근사 필터를 활용하여 상기 고유 음선해를 근사하는 단계를 포함하는 수중음향 전달 채널 모의 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함하는, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
  11. 컴퓨터 판독 가능 기록매체에 저장되어 있는 컴퓨터 프로그램으로서,
    상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면, 음원과 수신기 사이의 다수의 고유 음선(eigenray) 경로에 대하여 고유 음선해를 도출하는 단계와, 상기 도출된 고유 음선해를 이산시간 영역으로 근사하여 수중음향 전달 채널의 정보가 포함된 유한 임펄스 응답을 도출하는 단계를 포함하고, 상기 유한 임펄스 응답을 도출하는 단계는, 상기 고유 음선해를 상기 이산시간 영역으로 근사할 때 오차를 최소화 할 수 있는 고유 음선별 근사 필터를 설계하는 단계와, 상기 고유 음선별 근사 필터를 활용하여 상기 고유 음선해를 근사하는 단계를 포함하는 수중음향 전달 채널 모의 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함하는, 컴퓨터 프로그램.
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