KR102433912B1 - 가변수심 음탐기의 다중운용수심 결정장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 가변수심 음탐기의 다중운용수심 결정장치는, 목표 해역에서의 해양 환경 데이터를 수집하는 환경자료 수집부; 환경자료 수집부에 의해 수집된 해양 환경 데이터에 기초하여 음탐기의 수심별 탐지확률을 계산하는 확률 계산부; 확률 계산부에 의해 계산된 수심별 탐지확률을 이용하여 음탐기의 다중운용 심도 조합을 분석하는 심도 분석부; 심도 분석부에 의해 분석된 음탐기의 다중운용 심도 조합에 기초하여 최적 심도 조합을 결정하는 최적심도 결정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

가변수심 음탐기의 다중운용수심 결정장치 및 방법{Multi-operational depth determination device and method of variable depth sonar}

본 발명은 가변수심 음탐기(VDS : Variable Depth Sonar)의 최적 다중운용수심을 결정하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 표적의 심도와 상관없이 탐지확률이 높고 수직 탐지범위의 음영을 최소화하는 최적의 심도 조합 및 개수를 결정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

음탐기는 잠수함과 같은 수중 표적을 탐지하기 위해 음향 신호를 사용한 것으로, 가변수심 음탐기는 운용 목적에 따라 탐지 수심을 달리하여 운용할 수 있다.

기존에는 운용 심도를 결정할 때 표적의 심도를 표적의 입장에서 피탐확률이 가장 낮을 것으로 예상되는 심도인 BD(Best Depth)로 가정하여 표적을 탐지하는 입장에서 가장 원거리에서 표적을 탐지할 수 있는 심도 및 예상탐지거리를 산출하나, 이와 같은 방법은 표적이 BD에 있을 경우엔 문제가 없으나 표적이 BD에 없을 경우 예상탐지거리보다 실제탐지거리가 짧은 문제가 발생한다.

이렇게 수직적 탐지확률을 고려하지 않고 가변수심 음탐기 운용 시 예상탐지거리보다 실제탐지거리가 짧아 표적 탐지 확률이 낮아지는 문제가 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 가변수심 음탐기 운용 시 음영구역을 줄이기 위해 가장 큰 수직 탐지면적을 갖는 운용 심도 조합 및 효율성을 고려한 개수 산출 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 가변수심 음탐기의 다중운용수심 결정장치는, 목표 해역에서의 해양 환경 데이터를 수집하는 환경자료 수집부; 환경자료 수집부에 의해 수집된 해양 환경 데이터에 기초하여 음탐기의 수심별 탐지확률을 계산하는 확률 계산부; 확률 계산부에 의해 계산된 수심별 탐지확률을 이용하여 음탐기의 다중운용 심도 조합을 분석하는 심도 분석부; 심도 분석부에 의해 분석된 음탐기의 다중운용 심도 조합에 기초하여 최적 심도 조합을 결정하는 최적심도 결정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 환경자료 수집부는, 목표 해역에서의 수직수온구조, 수직염분구조, 해저지형 또는 해저면 지질성분 중 적어도 어느 하나를 수집할 수 있다.

바람직하게 심도 분석부는, 심도 조합 분석에 대해 몬테카를로 방법을 사용할 수 있다.

바람직하게 최적심도 결정부는, 운용 심도 개수 증가에 따라 탐지확률이 설정된 기준값 이상 증가하지 않을 때 해당 심도 조합을 최적심도 조합으로 결정할 수 있다.

또한 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 가변수심 음탐기의 다중운용수심 결정방법은, 목표 해역에서의 해양 환경 데이터를 수집하는 환경자료 수집단계; 환경자료 수집 단계에서 수집된 해양 환경 데이터에 기초하여 음탐기의 수심별 탐지확률을 계산하는 확률 계산단계; 확률 계산 단계에서 계산된 수심별 탐지확률을 이용하여 음탐기의 다중운용 심도 조합을 분석하는 심도 분석단계; 심도 분석단계에서 분석된 음탐기의 다중운용 심도 조합에 기초하여 최적 심도 조합을 결정하는 최적심도 결정단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 환경자료 수집단계에서, 목표 해역에서의 수직수온구조, 수직염분구조, 해저지형 또는 해저면 지질성분 중 적어도 어느 하나를 수집할 수 있다.

바람직하게 심도 분석단계에서, 심도 조합 분석에 대해 몬테카를로 방법을 사용할 수 있다.

바람직하게 최적심도 결정단계에서, 운용 심도 개수 증가에 따라 탐지확률이 설정된 기준값 이상 증가하지 않을 때 해당 심도 조합을 최적심도 조합으로 결정할 수 있다.

본 발명에 따르면, 가변심도 음탐기 운용 시 수직 구간의 음영구역을 효과적으로 제거하여 표적 탐지확률을 높일 수 있는 최적 심도 조합 및 그 개수를 산출할 수 있으며, 음영구역을 제거하기 때문에 표적의 심도와 상관없이 표적 탐지 확률이 높은 구간 즉, 신뢰도 높은 탐지거리가 산출될 수 있어 예상탐지거리와 실제탐지거리간 차이를 없앨 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기존 가변수심 음탐기 운용 시 탐지거리 오차가 생기는 이유를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변수심 음탐기의 다중운용수심 결정장치의 구성을 나타낸 것이다.
도 3은 신호초과에 따른 표준편차 별 탐지 확률분포(좌) 및 누적 탐지확률 분포(우)를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음탐기 운용 심도 개수 증가에 따른 탐지면적을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 2개 이상의 심도에서 누적 탐지 확률을 산출하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 운용 심도에서 누적탐지확률을 도출하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 누적 탐지 면적 비율 및 탐지거리 도출 과정을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 운용 심도가 각각 2개, 3개, 4개 일 때의 누적 탐지 면적이 최대가 되는 최적 운용 수심을 산출한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 최적 운용 심도 개수를 산출하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 결정된 최적 심도 조합에 대해 수직 범위에 대해서도 높은 신뢰도의 예상 탐지거리가 산출되는 것을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변수심 음탐기의 다중운용수심 결정방법의 순서도를 나타낸 것이다.

본문에 게시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대하여, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

기존에는 가변수심 음탐기 운용 시 표적의 심도를 BD(Best Depth)로 가정하여 표적이 BD 심도에 있을 때 가장 원거리에서 표적 접촉이 가능한 가변수심 음탐기의 심도를 산출하여 표적을 탐지하였다.

그러나 도 1에서와 같이 표적의 심도는 여러 이유에 의해서 BD에 있지 않을 확률이 있고, 이 경우 예상과 달리 표적의 탐지 여부가 달라지게 되는데, 도 1의 예와 같이 표적의 BD가 200m 일 때는 예상탐지거리가 3.9km 였으나, 표적의 실제 심도가 90m일 경우 실제 탐지거리는 3.2km가 되어 도 1의 오른쪽과 같이 예상 탐지반경(예상 탐지거리)의 신뢰도가 낮아질 수 있다.

따라서 가변심도 음탐기의 최적 운용 수심을 결정함에 있어서 수직 범위의 탐지 음영을 최소화하는 다중운용심도를 산출할 필요성이 있다.

일 실시예에 따른 본 발명은 도 2와 같이 구성되어 있다.

일 실시예에 따른 도 2의 환경자료 수집부(100)는 목표 해역에서의 해양 환경 데이터를 수집하며, 바람직하게는 목표 해역에서의 수직수온구조, 수직염분구조, 해저지형 또는 해저면 지질성분 중 적어도 어느 하나를 수집할 수 있다.

수집된 수심별 수온, 염분을 토대로 수심별 음속 구조를 산출할 수 있으며, 해저지형 데이터는 미국 국립과학재단이 전 세계 연구자 및 협력기관에서 제공한 멀티빔 자료들을 재구성하여 전 세계 해역에 대해 100m*100m 공간해상도로 구성한 GMRT(Global Multi-Resolution Topography)의 해저면 지형구조 자료를 사용할 수 있다.

해저면 지질성분은 한국지질자원연구원, 한국해양과학기술원, 국방과학연구소, 한양대학교에서 측정 및 보유하고 있는 연근해 해저면 지질성분 자료를 통합하여 활용할 수 있다.

일 실시예에 따른 도 2의 확률 계산부(200)는 상기 환경자료 수집부(100)에 의해 수집된 해양 환경 데이터에 기초하여 가변수심 음탐기의 수심별 탐지확률을 계산하며, 일 실시예로 구체적인 계산방법은 아래와 같다.

가변수심 음탐기의 탐지성능은 일반적으로 소나방정식을 이용하여 산출되는 신호초과(SE : Signal Excess)에 확률분포 함수를 적용한 표적의 탐지확률을 통해 도출되며, 표적의 탐지확률을 산출하기 위해 면저 표적의 신호 대 잔향음 및 주변소음의 비를 의미하는 신호초과를 계산한다.

ASE는 능동 신호초과이고 SL은 음원 준위,

은 음원에서 표적까지의 전달 손실,

은 표적에서 음원까지의 전달 손실이다.

TS는 표적강도, RL과 NL은 각각 잔향음 준위와 주변 소음 준위, DI는 지향지수, DT는 탐지 문턱을 나타낸다.

일 실시예에로 본 발명에서는 거리종속 해양환경(수심별 음속 구조, 해저 지형 및 해저면 지질성분)에서 적용 가능하고 가변수심 음탐기의 주파수 대역에서 효율적인 음선이론 기반 음파전달 모델을 활용할 수 있다.

음파전달 모델을 활용하여

과

의 양방향 전달 손실을 계산하고, 가변수심 음탐기의 소나 시스템 변수를 적용하여 능동 신호초과(ASE)를 계산할 수 있다.

일 실시예에 따라 도출된 능동 신호초과는 확률분포함수의 관계를 나타내는 식을 이용하여 탐지 확률로 변환할 수 있다.

여기서

는 신호초과에 대한 표준편차로 일반적으로 8dB로 고려하여 탐지확률을 산출할 수 있다.

일 실시예에 따라 탐지확률분포 식에 표준편차를 대입한 후 신호초과 축에서 적분을 수행하면 신호 초과에 따른 누적 탐지확률의 함수로 변환할 수 있다.

도 3은 일 실시예에 따라 신호 초과비에 따른 표준편차 별 탐지 확률분포(좌) 및 누적 탐지확률 분포(우) 그래프를 나타낸다.

상기 과정을 거리, 수심 평면의 각 점에서 계산하여 가변수심 음탐기의 수심별 탐지확률을 계산할 수 있다.

일 실시예로 일반적으로 가변심도 음탐기의 성능이 발휘되는 최저심도인 20m부터 수심의 -30%를 적용한 심도(100m 수심인 해역에서는 70m 까지, 음탐기의 충돌을 방지하기 위해) 까지 10m 단위로 각 심도에서 음파가 전파되는 면적을 계산하는데, 바람직하게 음파가 전파된다는 것은 탐지확률 50% 이상인 곳으로 설정할 수 있다.

일 실시예에 따른 도 2의 심도 분석부(300)는 상기 확률 계산부(200)에 의해 계산된 가변수심 음탐기의 수심별 탐지확률을 이용하여 음탐기의 다중운용 심도 조합을 분석할 수 있다.

일 실시예에 따라 도 4에서와 같이 가변수심 음탐기의 운용 심도의 개수가 증가할수록 탐지면적이 넓어지며 수직적으로도 탐지 음영이 줄어든다.

탐지 음영을 줄이기 위해 5~10m 단위로 전심도 운용이 제일 확실하나 가변수심 음탐기를 투하하는 헬기 등의 체공시간 및 작전의 효율성을 고려하여 최적, 효율적 심도 조합 산출이 필요하다.

일 실시예에 따른 가변수심 음탐기의 심도 조합 방법은 도 5와 같다.

도 6은 음탐기를 20m 및 100m 수심에서 운용 시 누적 탐지 확률을 나타낸다.

이 경우 각 수심의 탐지 확률의 합으로 표현되며, 이는 하나의 가변수심 음탐기를 20m 수심에서 운용하고 바로 100m로 내려 다시 운용하기 때문이다.

도 6은 일 실시예에 따라 2개의 심도에서 음탐기 운용 시 누적탐지확률 도출하는 과정을 나타내며, 도 5와 같이 계산된 탐지확률 그래프에서, 설정된 탐지확률 이상이 되는 부분만 도출하여 수평거리에 따른 탐지 구역을 누적하여 전체 면적(거리x수심)대비 탐지 가능한 면적의 비율을 결정할 수 있다.

일 실시예에 따라 탐지확률을 50% 이상으로 설정할 수 있다.

도 7은 일 실시예에 따른 최대 누적 탐지 면적 비율 및 탐지거리 도출 방법을 나타낸다.

도 7의 상단 그래프는 도 6에서 도출된 탐지 범위를 나타낸 것이며, 하단 그래프는 수평거리에 따라 전체 탐지구역 대비 탐지 가능한 면적의 비율을 나타낸 것이다.

누적 탐지 비율은 일정 거리까지 상승하다가 이후 감소하는 모양을 나타내며, 여기서 누적 탐지 비율이 최대가 되는 지점을 탐지거리로 설정할 수 있다.

가변수심 음탐기의 최적 운용 심도 조합을 산출하기 위해 심도 개수에 따른 최적 운용 심도를 산출해야 하며, 일 실시예로 음탐기 2개 운용 시 누적 탐지 비율, 탐지 거리를 산출하고, 음탐기 3개 운용 시의 누적 탐지 비율, 탐지 거리를 산출하는 방식으로 심도를 1개씩 늘려가며 각 심도 개수에 따른 최적 운용 심도를 산출할 수 있다.

도 8은 일 실시예에 따라 운용 심도가 각각 2개, 3개, 4개 일 때의 누적 탐지 면적이 최대가 되는 최적 운용 수심을 산출한 것이다.

운용 심도 개수가 증가함에 따라 누적 탐지 면적이 증가하는 것을 확인할 수 있다.

일 실시예로 최적 운용 수심을 산출하기 위해 운용 심도가 1개일 경우 음탐기의 운용 가능한 심도 범위 내에서 10m 단위로 탐지비율이 큰 심도 1개를 산출하면 되며, 운용 심도 2개 이상부터는 경우의 수가 많아져 산출 시 상당한 시간이 소요될 수 있으므로 몬테카를로 방식을 이용하여 심도 조합을 산출할 수 있다.

일 실시예에 따른 몬테카를로 방식은, 많은 경우의 수 중 랜덤으로 몇 개를 선택하여 결과값을 계산하는 것을 일정 횟수 반복하여 가장 최적의 값이 나오는 경우를 최종 결과값으로 선택하는 것을 말한다.

예를 들어 1~1000의 숫자에서 가장 큰 숫자를 산출해야 한다고 하면, 50개 정도를 랜덤으로 한번 산출하여 어떤 숫자가 985라는 숫자가 나왔다 하면, 이러한 방법을 10번 정도 반복하면 최종적으로 1000에 가까운 숫자가 나오는 원리를 이용한 것이다.

따라서 최적 운용 심도조합 산출에 있어 몬테카를로 방식을 활용하면 정확도와 속도를 동시에 만족할 수 있다.

최적 심도 개수는 증가할수록 탐지면적이 증가하여 음영 구역을 줄이는 효과가 있으나, 개수가 많아질수록 운용 시간이 증가하며 효율성이 떨어지므로 작전의 효과성이 좋으면서도 효율성이 좋은 최적 심도 개수 산출이 필요하다.

일 실시예에 따른 도 2의 최적심도 결정부(400)는 상기 심도 분석부(300)에 의해 분석된 음탐기의 다중운용 심도 조합에 기초하여 최적 심도 조합을 결정할 수 있다.

일 실시예로 최적 심도 개수를 결정하기 위해 심도 개수 증가에 따른 누적 탐지면적의 비율이 설정한 기준치 이상 늘어나지 않으면 효율성을 고려하여 더이상 심도 개수를 증가시키지 않을 수 있다.

바람직하게 기준치를 5%로 설정할 수 있으며, 이는 작전 성격에 따라 운용자가 다양하게 설정할 수 있다.

일 실시예로 도 9에서와 같이 음탐기 운용 심도 개수가 1개일 때 탐지면적이 60%, 2개일 때 78%, 3개일 때 82.5%, 4개일 때 84%로 나타나고 기준치를 5%로 설정했을 경우, 최적 운용 심도 개수는 3개로 결정되는 것이다.

일 실시예에 따라 도 10에서, 최적 운용 심도 조합을 결정하여 가변심도 음탐기 운용 시 수직 범위에 대해서도 높은 신뢰도의 예상 탐지거리를 산출할 수 있는 것을 확인할 수 있다.

도 11은 일 실시예에 따른 상기 가변수심 음탐기의 다중운용수심 결정방법을 각 단계별로 나타낸 순서도이다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명이 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서 본 발명의 사상은 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이와 균등하거나 또는 등가적인 변형 모두는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100 : 환경자료 수집부
200 : 확률 계산부
300 : 심도 분석부
400 : 최적심도 결정부
S10 : 환경자료 수집단계
S20 : 확룰 계산단계
S30 : 심도 분석단계
S40 : 최적심도 결정단계

Claims (8)

1. 목표 해역에서의 해양 환경 데이터를 수집하는 환경자료 수집부;
   상기 환경자료 수집부에 의해 수집된 해양 환경 데이터에 기초하여 음탐기의 수심별 탐지확률을 계산하는 확률 계산부;
   상기 확률 계산부에 의해 계산된 수심별 탐지확률을 이용하여 음탐기의 다중운용 심도 조합을 분석하는 심도 분석부;
   상기 심도 분석부에 의해 분석된 음탐기의 다중운용 심도 조합에 기초하여 최적 심도 조합을 결정하는 최적심도 결정부를 포함하고,
   상기 최적심도 결정부는, 운용 심도 개수 증가에 따라 탐지확률이 설정된 기준값 이상 증가하지 않을 때 해당 심도 조합을 최적심도 조합으로 결정하는 것을 특징으로 하는 가변수심 음탐기의 다중운용수심 결정장치
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 환경자료 수집부는, 목표 해역에서의 수직수온구조, 수직염분구조, 해저지형 또는 해저면 지질성분 중 적어도 어느 하나를 수집하는 것을 특징으로 하는 가변수심 음탐기의 다중운용수심 결정장치
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 심도 분석부는, 심도 조합 분석에 대해 몬테카를로 방법을 사용한 것을 특징으로 하는 가변수심 음탐기의 다중운용수심 결정장치
   
4. 삭제
5. 목표 해역에서의 해양 환경 데이터를 수집하는 환경자료 수집단계;
   상기 환경자료 수집 단계에서 수집된 해양 환경 데이터에 기초하여 음탐기의 수심별 탐지확률을 계산하는 확률 계산단계;
   상기 확률 계산 단계에서 계산된 수심별 탐지확률을 이용하여 음탐기의 다중운용 심도 조합을 분석하는 심도 분석단계;
   상기 심도 분석단계에서 분석된 음탐기의 다중운용 심도 조합에 기초하여 최적 심도 조합을 결정하는 최적심도 결정단계를 포함하는 것을 특징으로 하고,
   상기 최적심도 결정단계는, 운용 심도 개수 증가에 따라 탐지확률이 설정된 기준값 이상 증가하지 않을 때 해당 심도 조합을 최적심도 조합으로 결정하는 것을 특징으로 하는 가변수심 음탐기의 다중운용수심 결정방법
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 환경자료 수집단계는, 목표 해역에서의 수직수온구조, 수직염분구조, 해저지형 또는 해저면 지질성분 중 적어도 어느 하나를 수집하는 것을 특징으로 하는 가변수심 음탐기의 다중운용수심 결정방법
   
7. 제5항에 있어서,
   상기 심도 분석단계는, 심도 조합 분석에 대해 몬테카를로 방법을 사용한 것을 특징으로 하는 가변수심 음탐기의 다중운용수심 결정방법
   
8. 삭제

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