KR20110046171A - 능동형 소나시스템의 표적거리 오차추정 방법 및 그 능동형 소나시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 음파 펄스를 이용하여 표적의 방위와 거리를 추정하는 소나시스템에 관한 것으로서,
수중의 수직음속 구조를 고려하여 능동소나의 수중에 존재하는 표적을 탐지하는 능동소나는 음파펄스를 음파펄스는 직선이 아닌 다중경로로 반사와 굴절에 의한 다중경로 전달현상을 적용함으로써, 능동소나에서 표적거리 오차를 추정할 수 있는 방법 및 능동형 소나시스템이다.
소나시스템,sonar

Description

능동형 소나시스템의 표적거리 오차추정 방법 및 그 능동형 소나시스템{METHOD FOR ESTIMATING TARGET RANGE ERROR AND SONAR SYSTEM THEREOF}
본 발명은 음파 펄스를 이용하여 표적의 방위와 거리를 추정하는 소나시스템에 관한 것이다.
소나시스템(sonar system)는 음파를 이용하여 수중에서 기동한느 표적의 방위 및 거리를 추정하는 장치이다.
일반적으로 수중에서 기동하는 잠수함 표적을 탐지하기 위한 수단으로써 음파가 이용된다. 음파는 전달 속도는 느린 특징이 있지만, 전파에 비하여 파장이 길기 때문에 장거리 탐지가 가능하다. 따라서, 군사적인 목적으로 음파를 수단으로 수중의 표적을 탐지하기 위해 소나시스템이 사용되고 있다.
소나시스템의 종류는 수동형과 능동형으로 구분된다.
즉, 표적에서 방출되는 소음을 탐지하는 수동형 소나시스템과, 음파펄스를 쏘아서 표적으로부터 반사되어 되돌아오는 에코를 탐지하는 능동형 소나시스템으로 구분할 수 있다. 수동형 소나시스템는 은밀하게 표적의 방위를 직접 탐지할 수 있 으나, 표적의 거리를 탐지하기 위해서는 복잡한 음향센서와 오랜 시간이 소요된다는 단점이 있다. 반면, 능동형 소나시스템은 수동형과 같이 은밀하지는 않지만, 표적의 방위와 거리를 짧은 시간에 동시에 탐지할 수 있는 장점이 있다.
군사적 목적으로 소나시스템이 사용될 때, 표적의 거리 탐지는 대잠전에서 가장 중요한 요소이다. 예를 들어 대잠전 등과 같은 군사 작전 중에, 신속한 표적의 거리탐지 즉시, 신속하고 적절한 대응을 하여야 한다. 이러한 측면에서, 능동형 소나시스템이 군사 목적에 상응하는 표적 탐지 시스템이다.
능동형 소나시스템(이하, '능동소나'라 한다)는 도 1과 같이 구성된다.
도 1을 참조하면, 음향센서(acoustic sensor)(1)를 통하여 음향펄스 송수신기(2)는 음파펄스를 송신하고, 또한 표적으로부터 반사되어 돌아오는 신호를 수신한다. 신호처리기(signal processor)(3)는 상기 수신한 신호를 빔형성 등의 신호처리를 수행한다. 탐지기(detector)(4)는 신호처리기(3)에서 신호처리된 신호를 이용하여 표적신호가 존재하는지를 판단한다. 능동소나에서 탐지된 표적의 기본 정보는 표적의 위치로서, 방위 및 거리를 의미한다. 여기서, 표적의 방위는 수평 방위별 빔형성 출력에서 탐지되며, 거리는 음파펄스를 송신한 시간을 기준으로 에코가 수신된 시간까지의 소요시간을 이용하여 탐지된다.
도 2는 수중의 음속구조와 음파펄스의 전달 경로의 일례를 나타내 도면이다.
도 2에서, 표적은, 표적(1)과 표적(2)로 2 개인 것으로 가정한다. 또한, 도 2에서, R(1)은 음파펄스가 능동소나에서 송신되어 반향된어 수신될 때까지의 총 거 리이고, R(2)는 마찬가지로 표적(2)에 대한 총거리이다. 또한, Rpath(1) 및 Rpath(2)는 표적(1) 및 표적(2)에 대한 음파펄스의 송수신되는 신호 경로이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 능동소나(active sonar)에서 송신된 음파펄스가 표적에 반향되어 능동소나가 수신하는 시간(편의상 'Techo'라 한다)은, 능동소나에서 표적까지 도달하는 시간의 왕복시간에 해당한다. 따라서, 상기 시간(Techo)를 2로 나누면 표적의 거리를 계산하기 위한 시간(편의상, 'Tsonar'라 한다)을 구할 수 있다. 상기 시간'Tsonar'에 음파펄스의 전달속도를 곱하면 능동소나에서부터 표적까지의 거리(편의상 'Rsonar'라 한다)를 계산할 수 있다.
한편, 'Tsonar'는 능동소나에서 표적까지의 직선거리를 음파펄스가 전달된 시간이라고 가정하고, 또한 음파펄스의 전달속도를 대표 값 1개(C0)만 사용한다. 여기서, 직선거리 전달을 가정한 것은, 단순하고 빠른 시간 내에 계산이 용이하기 때문이다. 또한, C0를 사용하면 표적의 수심에 따른 거리를 알 수 없다.
수중에서 음파펄스가 표적까지 전달되는 경로는 도 2에 도시된 바와 같이 직선이 아니며, 능동소나와 표적의 위치가 고정되어 있는 경우에도 다양한 굴절과 반사 등에 의하여 다중경로가 발생한다. 도 2에는 다중경로 중에서 표적 별로 대표적인 1개의 경로를 예시하였다. 도 2에서 표적의 수심이 달라도 표적(1)까지 경로(Rpath(1))를 전달된 시간()과 표적(2)까지 경로(Rpath(2))를 전달된 시간(Tpath(2)) 이 같을 수 있다. 상술한 바와 같이 수심으로 인한 굴절을 고려하지 않는 경우 , Tpath(1)과 Tpath(2)로부터 동일한 표적거리가 계산된다. 그러나, 실제 거리는 도 2에 도시된 바와 같이 표적(1)의 거리(R(1))와 표적(2)의 거리(R(2))는 서로 다르다는 것을 알 수 있다. 따라서, 수중에서 종래의 기술에 의한 능동소나의 표적거리 추정 결과는 탐지 표적의 거리오차가 발생하기 때문에, 항상 실제 거리와 다를 수 밖에 없다. 이와 같이 종래 기술에서 탐지 표적의 거리오차는, 대잠전의 신속성과 정확성을 저하시키는 기술적인 문제점이 있다.
본 발명은 능동소나에서부터 표적까지의 음파펄스 전달경로를 직선으로 가정하지 않고, 실제 수중 환경을 적용하여 전달경로를 예측함으로써 표적의 거리를 정확하게 계산하고 거리오차를 추정하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 능동형 소나시스템에서의 표적거리 오차 추정 방법은,
(a) 능동소나에서 탐지한 표적시간(Tsonar) 및 표적거리(Rsonar)를 초기조건으로 하여, 표적의 거리오차 추정을 위한 표적의 탐색범위(Rs)를 설정하는 단계와;
(b) 상기 표적이 존재하는 구역의 해양조건을 입력하는 단계와;
(c) 상기 표적으로부터 반사된 다중경로 음선들을 탐지하여, 상기 탐색범위(Rs) 내에서 다중경로별(k), 거리별(j), 수심별(i)로 음선의 도달시간(Tpath(i,j,k))과 음압(Ppath(i,j,k))을 예측하는 단계와;
(d) 상기 탐지한 다중경로 음선들 중에서 음압이 가장 강한 음선의 경로 또는 가장 먼저 도달하는 음선경로의 도달시간(Tpath(i,j))을 추출하기 위해 상기 탐지한 다중경로의 음선들를 필터링을 수행하는 단계;
(e) 상기 필터링하여 추출된 음선경로의 도달시간(Tpath(i,j))과 상기 탐지한 표적시간(Tsonar)이 일치하는 수평거리를 수심별로 탐색하는 단계와;
(f) 상기 탐색결과로 제시된 수심별 도달시간(Tpath(i))에 해당하는 수평거리(R(i))와, 상기 탐지한 표적시간으로부터 계산된 표적거리(Rsonar) 사이의 거리오차(Rerror(i))를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (a) 단계에서
상기 표적시간은 상기 능동소나가 음선을 전송한 때부터 상기 표적으로부터 반사된 음선을 수신한 때까지의 시간을 2로 나눈 값이고,
상기 표적거리는 상기 표적시간과 음파속도를 곱하여 계산되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (a) 단계에서 상기 표적의 탐색범위(Rs)는
"Rsonar - △R < Rs < Rsonar + △R" 이고,
여기서, △R는 거리오차 허용 범위인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (b) 단계에서 상기 해양조건은
수심과 수중음속구조를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (f) 단계에서 상기 거리오차는
Rerror(i) = R(i) - Rsonar 식을 통하여 계산되며,
여기서, R(i) 상기 탐색결과로 제시된 수심별 도달시간(Tpath(i))에 해당하는 수평거리이고, Rsonar 는 상기 능동소나에서 탐지한 표적시간으로부터 계산된 표적거리인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 능동형 소나시스템에서의 표적거리 오차 추정 방법은,
(A) 능동소나가 표적을 탐지하여 획득한 표적시간과 표적거리를 초기조건으로 하여 실제 수중환경 자료를 적용하는 단계와;
(B)다중경로와, 수심과, 음압을 고려하여 상기 능동소나가 송신한 음선이 표적까지 전달되는 경로 및 도달시간을 예측하는 단계와;
(C)상기 다중경로의 음선경로들 중 음압이 가장 강한 경로와 가장 빨리 탐지된 경로에 해당하는 음선경로를 필터링하여, 상기 표적시간과 상기 예측한 도달시간이 일치하는 해당 수평거리를 찾아서 표적거리와의 오차를 추정한 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (B) 단계에서
상기 능동소나가 상기 표적을 탐색하는 단계를 포함하되, 상기 표적의 탐색범위(Rs)는 "Rsonar - △R < Rs < Rsonar + △R" 이고, 여기서, △R는 거리오차 허용 범위인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (C) 단계에서 상기 거리오차는
Rerror(i) = R(i) - Rsonar 식을 통하여 계산되며,
여기서, R(i) 상기 탐색결과로 제시된 수심별 도달시간(Tpath(i))에 해당하는 수평거리이고, Rsonar 는 상기 능동소나에서 탐지한 표적시간으로부터 계산된 표적거리인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 능동형 소나시스템은,
음향센서(acoustic sensor)와, 음향펄스 송수신기와, 신호처리기(signal processor)와, 탐지기(detector)를 구비한 능동형 소나시스템에 있어서,
다중경로별, 거리별, 수심별로 표적으로부터 반사된 음선들의 도달시간과 음압을 예측하여, 다중경로 음선들 중에서 음압이 가장 강한 음선의 경로 또는 가장 먼저 도달하는 음선경로의 도달시간을 추출하기 위해 상기 다중경로의 음선들를 필터링을 수행하고;
상기 필터링하여 추출된 음선경로의 도달시간과 상기 탐지한 표적시간이 일치하는 수평거리를 수심별로 탐색하고;
상기 탐색결과로 제시된 수심별 도달시간(Tpath(i))에 해당하는 수평거리와, 상기 탐지한 표적시간으로부터 계산된 표적거리 사이의 거리오차를 계산하는; 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 모듈은
(1) 능동소나에서 탐지한 표적시간(Tsonar) 및 표적거리(Rsonar)를 초기조건으 로 하여, 표적의 거리오차 추정을 위한 표적의 탐색범위(Rs)를 설정하는 단계와;
(2) 상기 표적이 존재하는 구역의 해양조건을 입력하는 단계와;
(3) 상기 표적으로부터 반사된 다중경로 음선들을 탐지하여, 상기 탐색범위(Rs) 내에서 다중경로별(k), 거리별(j), 수심별(i)로 음선의 도달시간(Tpath(i,j,k))과 음압(Ppath(i,j,k))을 예측하는 단계와;
(4) 상기 탐지한 다중경로 음선들 중에서 음압이 가장 강한 음선의 경로 또는 가장 먼저 도달하는 음선경로의 도달시간(Tpath(i,j))을 추출하기 위해 상기 탐지한 다중경로의 음선들를 필터링을 수행하는 단계;
(5) 상기 필터링하여 추출된 음선경로의 도달시간(Tpath(i,j))과 상기 탐지한 표적시간(Tsonar)이 일치하는 수평거리를 수심별로 탐색하는 단계와;
(6) 상기 탐색결과로 제시된 수심별 도달시간(Tpath(i))에 해당하는 수평거리(R(i))와, 상기 탐지한 표적시간으로부터 계산된 표적거리(Rsonar) 사이의 거리오차(Rerror(i))를 계산하는 단계;를 수행하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (1) 단계에서 상기 표적의 탐색범위(Rs)는
"Rsonar - △R < Rs < Rsonar + △R" 이고,
여기서, △R는 거리오차 허용 범위인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (6) 단계에서 상기 거리오차는
Rerror(i) = R(i) - Rsonar 식을 통하여 계산되며,
여기서, R(i) 상기 탐색결과로 제시된 수심별 도달시간(Tpath(i))에 해당하는 수평거리이고, Rsonar 는 상기 능동소나에서 탐지한 표적시간으로부터 계산된 표적거리인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 능동소나 표적거리오차 추정 알고리즘에 의하면, 능동소나의 표적거리 추정 과정에 수중의 수직음속구조를 고려한 음파펄스의 반사와 굴절에 의한 다중경로 전달현상을 적용함으로써, 표적거리를 정확하게 추정 및 탐지할 수 있다.
본 발명은 표적을 탐지하는 능동형 소나시스템에 적용된다. 그러나, 본 발명은 이에 한정하지 않고 본 발명의 기술적 사상은 다른 기술분야의 시스템 및 분야에 적용될 수도 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것 으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항복들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 기본 개념은: 1) 능동소나 표적의 탐지시간과 탐지거리를 초기조건으로 하여 실제 수중환경 자료를 적용하고; 2) 능동소나 음파펄스가 표적까지 전달되는 경로와 도달시간을 예측하고; 3) 탐지시간과 도달시간이 일치하는 수평거리를 찾아서 탐지거리와의 오차를 추정하는 것이다.
본 발명의 설명에서 사용되는 파라미터는 다음과 같다:
Techo : 왕복 표적 탐지 시간(2-way target detection time);
Tsonar : 표적 탐지 시간(1-way target detection time);
C0 : 기준 음파 속도 (reference sound velocity);
Rsonar : 표적 거리 (detection target range);
Rs : 탐색범위 (search range boundary);
i : 1, 2, ..., l (수심 : depth);
j : 1, 2, ..., m (거리 : range);
k : 1, 2, ..., n (다중경로 : multipath);
Ppath(i,j,k) : 다중경로 음압 (multipath eigenray pressure) ;
Tpath(i,j,k) : 음선(음파)의 도달시간 (multipath eigenray time);
Tpath(i,j) : 다중경로 중에서 음압이 가장 강한 경로 또는 가장 먼저 도달하는 경로의 도달시간 (dominant or first arrival path time);
Tpath(i) : 매칭 시간 (matching time) 즉, 필터링된 음선경로의 도달시간(Tpath(i,j))이 수심별(i)로 능동소나에서 탐지한 표적시간(Tsonar)과 가장 일치하는 도달시간;
R(i) : 수심별(i) 도달시간 Tpath(i)에서 표적과의 수평거리 (hosizontal range corresponding to Tpath(i));
Rerror(i) : 수심별 도달시간(Tpath(i))에 해당하는 수평거리(R(i))와 능동소나에서 탐지한 표적시간으로부터 계산된 표적거리(Rsonar) 사이의 거리오차 (target range error).
도 3은 본 발명의 일 실시 예로서, 표적의 거리오차를 추정하는 알고리즘을 나타낸 흐름도이다.
도 4 내지 도 6은 는 도 3의 실시 예의 알고리즘이 적용된 그래프들이다.
도 4는 본 발명에 의한 거리추정 값의 비교를 수심별로 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 의한 거리추정 오차를 거리별로 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 의한 거리추정 오차를 거리와 수심별로 나타낸 그래프이다.
도 3의 실시 예는, 표적 거리오차를 추정하는 알고리즘의 순서도이며, 크게 표적거리의 추정범위를 설정하는 과정과, 음선(또는 음파)경로를 예측하는 과정과, 음선경로를 필터링하는 과정과, 도달시간 탐색하는 과정과, 거리오차를 계산하는 과정으로 구성된다.
도 3의 실시 예는, 능동소나 표적의 탐지시간과 탐지거리를 초기조건으로 하여 실제 수중환경 자료를 적용하고, 능동소나 음파펄스가 표적까지 전달되는 경로와 도달시간을 예측하고, 탐지시간과 도달시간이 일치하는 수평거리를 찾아서 탐지거리와의 오차를 추정하기 위한 알고리즘을 흐름도로 도시한 것이다.
이하, 본 발명을 도 3 내지 도 6을 참조하여 더욱 구체적으로 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 탐색범위 설정은 표적거리 오차 추정을 위한 시간을 단축하기 위하여 능동소나의 표적거리(Rsonar)를 이용하여 탐색범위(Rs)를 제한한다. 능동소나의 표적거리(Rsonar)의 경로가 직선임을 가정함으로써 실제 표적의 수평 거리는 다를 수 있으나, Rsonar로부터 멀지않은 거리(△R)내에 존재하기 때문에 수중환경을 고려하여 탐색범위(Rs)를 "Rsonar - △R < Rs < Rsonar + △R"와 같이 설정한다.
즉, 능동소나(active sonar)에서 송신된 음파펄스가 표적에 반향되어 능동소나가 수신하는 시간(즉, Techo)은, 능동소나에서 표적까지 도달하는 시간의 왕복시간에 해당한다. 따라서, 상기 시간(Techo)를 2로 나누면 표적의 거리를 계산하기 위한 시간(즉, Tsonar)을 구할 수 있다(S10). 상기 시간 'Tsonar'에 음파펄스의 전달속도(즉, C0)를 곱하면 능동소나에서부터 표적까지의 거리(즉, Rsonar)를 계산할 수 있다(S20).
그리고, 표적 탐색범위 에러를 추정한다(S30). 이하, 상기 S30 단계를 상세히 설명한다.
능동소나 표적의 탐지거리(Rsonar)를 초기조건으로 하여 거리오차 추정을 위한 탐색범위(Rs)를 설정한다(S31). 이때, 상기 S31 단계에서, 거리오차 허용 범위(△R)이고, 표적 탐색범위(Rs)는 "Rsonar - △R < Rs < Rsonar + △R" 이어야 한다. 특히, 능동소나에 수신된 표적신호를 능동소나의 신호처리기 및 탐지기의 표적탐지 알고리즘의 특성에 따라 표적의 탐지시간 기준이 달라질 수 있다. 탐지시간 기준은 두 가지로 분류될 수 있으며, 표적신호의 최초 도달시간을 기준으로 "Rsonar - △R < Rs < Rsonar + △R"하거나 표적신호에서 음압이 가장 강한 시간을 기준으로 한다.
능동소나와 표적이 존재하는 구역의 수심과 수중음속구조 등으로 구성된 해양조건을 입력한다(S32). 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 음선경로 예측에 필수적으로 제공되어야 할 수중음속구조 등으로 구성된 해양환경 자료는 현장에서 직접 관측하거나 사전에 준비한 데이터베이스로부터 추출하여 입력할 수 있다.
상기 S32 단계에서, 입력조건에 따라 수치해석 모델링 기법을, 즉 음파펄스 전달경로를 수치해석하는 기법을 적용하여 수중에서 음파펄스가 반사와 굴절하며 전달되는 다중경로 음선을 탐색범위(Rs) 내에서 다중경로별(k), 거리별(j), 수심별(i)로 예측하고, 또한 음선의 도달시간(Tpath(i,j,k))과 음압(Ppath(i,j,k))을 예측한다(S33).
능동소나에 수신된 표적신호를 도 1에 도시된 바와 같은 신호처리기 및 탐지기의 표적탐지 알고리즘의 특성에 따라, 다중경로 중에서 음압이 가장 강한 경로 또는 가장 먼저 도달하는 경로의 도달시간(Tpath(i,j))을 추출하는 음선경로 필터링을 수행한다(S34). 한편, 음선경로 필터링 단계(즉, S34)에서 다중경로 중에서 하나를 선택하여 도달시간(Tpath(i,j))을 추출할 경우, 음압이 가장 강한 경로를 선택하거나 도달시간이 가장 빠른 경로를 추출하는 음선경로 필터링이 이루어져야한다.
필터링된 음선경로의 도달시간(Tpath(i,j))과 능동소나에서 탐지한 표적시간(Tsonar)이 일치하는 수평거리를 수심별로 탐색한다(S35). 즉, 도달시간 탐색 단계(즉, S35)에서는 필터링된 음선경로의 도달시간(Tpath(i,j))이 수심별(i)로 능동소 나에서 탐지한 표적시간(Tsonar)과 가장 일치하는 도달시간(Tpath(i))을 탐색하고, 도달시간(Tpath(i))에 해당하는 수평거리(R(i))를 수심별(i)로 탐색한다. 이때, 수평거리(R(i))는 능동소나의 표적시간(Tsonar)에 해당하는 정확한 표적거리라고 할 수 있으며, 표적의 존재 수심별(i)로 수평거리(R(i))가 달라진다. 한편, 도 4에 도시된 본 발명에 의한 알고리즘의 적용결과 예제에서와 같이, 능동소나의 표적거리가 수심에 관계없이 22 km이지만, 탐색된 수평거리(R(i))는 수심에 따라 20 ~ 21.2 km 사이에서 달라짐을 볼 수 있다.
상기 S35 단계의 탐색결과로 제시된 수심별 도달시간(Tpath(i))에 해당하는 수평거리(R(i))와, 능동소나에서 탐지한 표적시간으로부터 계산된 표적거리 사이의 거리오차(Rerror(i))를 "Rerror(i) = R(i) - Rsonar" 식을 통하여 계산한다(S36). 즉, 표적 거리오차 계산하는 단계(즉, S36)에서는 탐색결과로 제시된 수심별 도달시간(Tpath(i))에 해당하는 수평거리(R(i))와 능동소나에서 탐지한 표적시간으로부터 계산된 표적거리(Rsonar) 사이의 거리오차(Rerror(i))를 "Rerror(i) = R(i) - Rsonar" 식을 통하여 계산하며, 거리오차도 수심별로 달라진다. 도 5에 도시된 본 발명에 의한 알고리즘을 적용한 예제에서와 같이 능동소나가 탐지한 표적거리(Rsonar)를 1 ~ 30 km까지 매 1 km씩 이동시키며 수심을 100 m로 고정하고 각각의 표적거리에서 계산한 거리오차는 거리에 따라 -1.2 ~ 2.1 km 사이에서 달라짐을 볼 수 있다. 여기에서 거리오차가 (-)이면 실제 표적은 능동소나에 의한 탐지거리보다 가까이에 있고, (+)이면 실제 표적은 능동소나에 의한 탐지거리보다 멀리에 있음을 의미한다. 도 6에 도시된 본 발명에 의한 알고리즘의 적용결과 예제에서와 같이 능동소나가 탐지한 표적거리(Rsonar)를 1 ~ 30 km 범위에서 매 1 km씩, 수심을 0 ~ 400 m 범위에서 매 10 m씩 이동 시키며 계산한 거리오차는 탐지거리와 수심에 따라 변화가 있음을 볼 수 있다.
상기 S10 내지 S30 단계들을 수행함으로써, 본 발명의 실시 예는 표적거리 오차 추정을 위하여 능동소나의 표적탐지 결과를 이용하여 탐색범위를 제한함으로써 추정시간을 단축할 수 있다. 또한, 본 발명은, 수중의 음속 등을 고려하여, 음파펄스의 전달경로를 예측하기 위한 효율적인 수치해석 방법을 통하여, 짧은 시간 내에 전달경로를 정확하게 예측할 수 있는 알려진 음선추적 계열의 방법을 적용할 수도 있다. 또한, 요구되는 거리오차 정밀도를 만족하기 위해서는 음선경로 예측 간격(거리, 수심 간격)을 조절하여야 한다.
이하, 상술한 본 발명의 실시 예가 적용될 수 있는 능동형 소나시스템을 설명한다. 본 발명에 따른 소나시스템은 도 3의 알고리즘을 수행할 수 있는 모듈을 포함한다. 이때, 상기 모듈은 소프트웨어 및/또는 하드웨어의 일구성으로 구현할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 능동형 소나시스템은,
음향센서(acoustic sensor)와, 음향펄스 송수신기와, 신호처리기(signal processor)와, 탐지기(detector)를 구비한 능동형 소나시스템에 있어서,
다중경로별, 거리별, 수심별로 표적으로부터 반사된 음선들의 도달시간과 음압을 예측하여, 다중경로 음선들 중에서 음압이 가장 강한 음선의 경로 또는 가장 먼저 도달하는 음선경로의 도달시간을 추출하기 위해 상기 다중경로의 음선들를 필터링을 수행하고;
상기 필터링하여 추출된 음선경로의 도달시간과 상기 탐지한 표적시간이 일치하는 수평거리를 수심별로 탐색하고;
상기 탐색결과로 제시된 수심별 도달시간(Tpath(i))에 해당하는 수평거리와, 상기 탐지한 표적시간으로부터 계산된 표적거리 사이의 거리오차를 계산하는; 모듈을 더 포함하는 것을 특징이다.
상기 모듈은 도 3을 참조하여 설명한 기능을 수행할 수 있으며, 그 기능의 상세한 설명은 상술한 바와 같다.
이상, 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 능동형 소나시스템의 개략적인 블록도이다.
도 2는 수중의 음속구조와 음파펄스의 전달 경로의 일례를 나타내 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예로서, 표적의 거리오차를 추정하는 알고리즘을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 의한 거리추정 값의 비교를 수심별로 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 의한 거리추정 오차를 거리별로 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 의한 거리추정 오차를 거리와 수심별로 나타낸 그래프이다.

Claims (13)

  1. (a) 능동소나에서 탐지한 표적시간(Tsonar) 및 표적거리(Rsonar)를 초기조건으로 하여, 표적의 거리오차 추정을 위한 표적의 탐색범위(Rs)를 설정하는 단계와;
    (b) 상기 표적이 존재하는 구역의 해양조건을 입력하는 단계와;
    (c) 상기 표적으로부터 반사된 다중경로 음선들을 탐지하여, 상기 탐색범위(Rs) 내에서 다중경로별(k), 거리별(j), 수심별(i)로 음선의 도달시간(Tpath(i,j,k))과 음압(Ppath(i,j,k))을 예측하는 단계와;
    (d) 상기 탐지한 다중경로 음선들 중에서 음압이 가장 강한 음선의 경로 또는 가장 먼저 도달하는 음선경로의 도달시간(Tpath(i,j))을 추출하기 위해 상기 탐지한 다중경로의 음선들를 필터링을 수행하는 단계;
    (e) 상기 필터링하여 추출된 음선경로의 도달시간(Tpath(i,j))과 상기 탐지한 표적시간(Tsonar)이 일치하는 수평거리를 수심별로 탐색하는 단계와;
    (f) 상기 탐색결과로 제시된 수심별 도달시간(Tpath(i))에 해당하는 수평거리(R(i))와, 상기 탐지한 표적시간으로부터 계산된 표적거리(Rsonar) 사이의 거리오차(Rerror(i))를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동형 소나시스템에서의 표적거리 오차 추정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서
    상기 표적시간은 상기 능동소나가 음선을 전송한 때부터 상기 표적으로부터 반사된 음선을 수신한 때까지의 시간을 2로 나눈 값이고,
    상기 표적거리는 상기 표적시간과 음파속도를 곱하여 계산되는 것을 특징으로 하는 능동형 소나시스템에서의 표적거리 오차 추정 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 상기 표적의 탐색범위(Rs)는
    "Rsonar - △R < Rs < Rsonar + △R" 이고,
    여기서, △R는 거리오차 허용 범위인 것을 특징으로 하는 능동형 소나시스템에서의 표적거리 오차 추정 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계에서 상기 해양조건은
    수심과 수중음속구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동형 소나시스템에서의 표적거리 오차 추정 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 (f) 단계에서 상기 거리오차는
    Rerror(i) = R(i) - Rsonar 식을 통하여 계산되며,
    여기서, R(i) 상기 탐색결과로 제시된 수심별 도달시간(Tpath(i))에 해당하는 수평거리이고, Rsonar 는 상기 능동소나에서 탐지한 표적시간으로부터 계산된 표적거리인 것을 특징으로 하는 능동형 소나시스템에서의 표적거리 오차 추정 방법.
  6. (A) 능동소나가 표적을 탐지하여 획득한 표적시간과 표적거리를 초기조건으로 하여 실제 수중환경 자료를 적용하는 단계와;
    (B)다중경로와, 수심과, 음압을 고려하여 상기 능동소나가 송신한 음선이 표적까지 전달되는 경로 및 도달시간을 예측하는 단계와;
    (C)상기 다중경로의 음선경로들 중 음압이 가장 강한 경로와 가장 빨리 탐지된 경로에 해당하는 음선경로를 필터링하여, 상기 표적시간과 상기 예측한 도달시간이 일치하는 해당 수평거리를 찾아서 표적거리와의 오차를 추정한 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동형 소나시스템에서의 표적거리 오차 추정 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 (C) 단계에서
    상기 다중경로의 음선경로를 수심별로 예측하여 상기 표적시간과 상기 도달시간이 일치하는 상기 표적의 수심별 수평거리를 추정하는 것을 특징으로 하는 능동형 소나시스템에서의 표적거리 오차 추정 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 (B) 단계에서
    상기 능동소나가 상기 표적을 탐색하는 단계를 포함하되, 상기 표적의 탐색범위(Rs)는 "Rsonar - △R < Rs < Rsonar + △R" 이고, 여기서, △R는 거리오차 허용 범위인 것을 특징으로 하는 능동형 소나시스템에서의 표적거리 오차 추정 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 (C) 단계에서 상기 거리오차는
    Rerror(i) = R(i) - Rsonar 식을 통하여 계산되며,
    여기서, R(i) 상기 탐색결과로 제시된 수심별 도달시간(Tpath(i))에 해당하는 수평거리이고, Rsonar 는 상기 능동소나에서 탐지한 표적시간으로부터 계산된 표적거리인 것을 특징으로 하는 능동형 소나시스템에서의 표적거리 오차 추정 방법.
  10. 음향센서(acoustic sensor)와, 음향펄스 송수신기와, 신호처리기(signal processor)와, 탐지기(detector)를 구비한 능동형 소나시스템에 있어서,
    다중경로별, 거리별, 수심별로 표적으로부터 반사된 음선들의 도달시간과 음압을 예측하여, 다중경로 음선들 중에서 음압이 가장 강한 음선의 경로 또는 가장 먼저 도달하는 음선경로의 도달시간을 추출하기 위해 상기 다중경로의 음선들를 필터링을 수행하고;
    상기 필터링하여 추출된 음선경로의 도달시간과 상기 탐지한 표적시간이 일치하는 수평거리를 수심별로 탐색하고;
    상기 탐색결과로 제시된 수심별 도달시간(Tpath(i))에 해당하는 수평거리와, 상기 탐지한 표적시간으로부터 계산된 표적거리 사이의 거리오차를 계산하는; 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 능동형 소나시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 모듈은
    (1) 능동소나에서 탐지한 표적시간(Tsonar) 및 표적거리(Rsonar)를 초기조건으로 하여, 표적의 거리오차 추정을 위한 표적의 탐색범위(Rs)를 설정하는 단계와;
    (2) 상기 표적이 존재하는 구역의 해양조건을 입력하는 단계와;
    (3) 상기 표적으로부터 반사된 다중경로 음선들을 탐지하여, 상기 탐색범위(Rs) 내에서 다중경로별(k), 거리별(j), 수심별(i)로 음선의 도달시간(Tpath(i,j,k))과 음압(Ppath(i,j,k))을 예측하는 단계와;
    (4) 상기 탐지한 다중경로 음선들 중에서 음압이 가장 강한 음선의 경로 또는 가장 먼저 도달하는 음선경로의 도달시간(Tpath(i,j))을 추출하기 위해 상기 탐지한 다중경로의 음선들를 필터링을 수행하는 단계;
    (5) 상기 필터링하여 추출된 음선경로의 도달시간(Tpath(i,j))과 상기 탐지한 표적시간(Tsonar)이 일치하는 수평거리를 수심별로 탐색하는 단계와;
    (6) 상기 탐색결과로 제시된 수심별 도달시간(Tpath(i))에 해당하는 수평거리(R(i))와, 상기 탐지한 표적시간으로부터 계산된 표적거리(Rsonar) 사이의 거리오차(Rerror(i))를 계산하는 단계;를 수행하는 것을 특징으로 하는 능동형 소나시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 (1) 단계에서 상기 표적의 탐색범위(Rs)는
    "Rsonar - △R < Rs < Rsonar + △R" 이고,
    여기서, △R는 거리오차 허용 범위인 것을 특징으로 하는 능동형 소나시스 템.
  13. 제10항에 있어서, 상기 (6) 단계에서 상기 거리오차는
    Rerror(i) = R(i) - Rsonar 식을 통하여 계산되며,
    여기서, R(i) 상기 탐색결과로 제시된 수심별 도달시간(Tpath(i))에 해당하는 수평거리이고, Rsonar 는 상기 능동소나에서 탐지한 표적시간으로부터 계산된 표적거리인 것을 특징으로 하는 능동형 소나시스템.
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