기뢰는 손쉽게 부설 가능하고 적이 접근할 때 까지 대기하여 공격하는 해군 무기체계이다. 한번 부설된 기뢰는 폭발하기 전까지 기뢰 존재여부 및 위치를 추정하기 어려워 소해에 많은 위험이 동반되므로 기뢰탐지연구에 대한 중요성이 부각되고 있다^[1]. 기뢰 탐지에 대한 연구는 측면주사소나(Side Scan Sonar, SSS), 전방주시소나(Forward Looking Sonar, FLS)등으로 획득된 소나 이미지를 이용하여 탐지하는 방법이 주로 연구되었다^[2,3]. 국내에서는 전방주시소나의 하드웨어 개발연구가 활발히 진행되고 있으나^[4], 전방주시소나를 이용하여 기뢰를 탐지하는 방법론에 대한 연구는 미비한 실정이다. 전방주시소나는 단상태 능동소나로써 신호를 송신하고 표적으로부터의 반향음이 수신기에 수신되는 시간을 측정하여 표적의 거리를 추정한다. 전방주시소나의 수신기로부터 획득되는 소나 이미지는 일반적으로 음파의 전달경로를 직선으로 가정하여 전 방을 방위와 수심에 대한 격자로 나눈 후 각 격자에서 반사 또는 산란된 음파 세기를 표현하여 이미지를 만든다^[5]. 하지만 이는 음파의 전달경로를 직선 경로로 가정하였기 때문에 음속구조에 의한 음파의 굴절현상은 반영하지 못한다. 해양환경은 시공간적으로 달라지며 음속구조의 변동성을 야기한다. 해양환경에서 전달되는 음파는 음속이 빠른 곳에서 느린 곳으로 굴절하는 현상이 발생하며, 이러한 음파의 굴절현상에 의하여 추정된 기뢰의 거리와 수심에 오차가 포함될 수 있다. 소나를 이용한 표적 위치 추정 연구는 주로 수동 수직 수신기배열을 이용하여 표적의 위치를 추정하는 기법으로 연구되었다. 빔형성 기법을 이용한 정합장처리 기법(Matched Filed Processing, MFP), 차주파수 빔형성, 압축센싱 빔형성, 배열 불변성 등 다양한 기법이 연구되었으며, 국내에서는 다중경로의 입사각과 시간지연 값을 이용하여 표적의 심도를 추정하는 기법이 연구되었으나, 표적의 거리는 알고 있다고 가정하였다^[6–12]. 하지만 전방주시소나의 구조처럼 수직 송신기 배열과 수평 수신기 배열의 broadside 방향에서 표적의 위치를 추정하는 연구는 미비한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 수중에 계류된 기뢰를 탐지하는 상황을 가정하여, 음속구조에 따른 음파의 굴절현상을 반영한 계류기뢰의 위치를 추정하기 위한 연구를 수행하였다. 이를 위해 전방주시소나의 원시데이터인 기뢰표적의 반향신호를 모의하고 신호처리 과정을통해 기뢰표적 반향신호 탐지 및 기뢰 표적의 위치인 거리와 수심을 동시에 추정하는 알고리즘을 제안한다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서 전방주시소나의 구조 및 송신신호, 구성방법과 기뢰 표적 반향신호 모의과정에 대하여 설명하고, 3장에서 제안한 송신각도 추정기법과 기뢰 표적의 거리 및 수심 추정 알고리즘을 설명한다. 4장에서 모의환경에서의 시뮬레이션 실험을 통하여 제안 알고리즘의 성능을 확인하며, 5장에서 결론을 맺는다.

 

본 논문에서 제안하는 알고리즘은 전방주시소나에서 기뢰표적 반향신호를 모의 및 탐지하여 기뢰표적 반향신호의 전달시간과 수신 고각을 추정하는 것이며, 이를 음파전달모델에 적용하여 계산함으로써 표적의 위치 추정하는 기법이다.

제안한 전방주시소나의 기뢰표적 위치추정 알고리즘의 성능을 확인하기 위하여 모의실험을 진행하였다. 모의실험 환경은 수심 100 m 천해 환경으로 설정하였다. 해수면 음속이 1510 m/s 해저면 음속이 1500 m/s 로 선형음속구조 환경에서 직접파만을 고려하여 기뢰표적 반향신호의 수신 고각을 추정하고, 기뢰표적의 거리 및 수심 추정 알고리즘의 정확도를 비교하였다. 전방감시소나의 운용수심, 즉 송수신기 수심은 50 m 로 설정하였고, 기뢰표적의 수심은 계류기뢰를 가정하여 30 m, 80 m로 설정하였다.

Fig. 7은 설정한 해양환경에서 음선추적 결과를 나타낸다. 음파가 전파되면서 하향 굴절하는 환경임을 확인할 수 있다. 기뢰표적의 거리는 150 m부터 1 km 까지 50 m 간격으로 나누어 모의실험을 진행하였다. 측정 오차를 포함하기 위하여 송신신호 모의 시 송신 고각에 평균이 0, 분산이 1 도인 표준 정규분포를 따르는 노이즈를 추가하여 표적의 거리별 100회의 몬테칼로(Monte‑Carlo) 시뮬레이션을 수행하여 제안한 방법의 성능을 확인하였다. Fig. 8은 기뢰표적의 수심이 30 m, 80 m 일 때 거리별 수신 고각을 추정한 결과로 100번의 몬테칼로 시뮬레 이션을 통하여 구해진 거리별 수신 고각의 평균추정 값을 나타낸다. 참 값에 해당하는 표적신호 수신 고각과 추정한 수신 고각 값의 큰 차이가 존재하지 않으며, 기뢰표적의 거리가 점점 멀어지더라도 좋은 추정 결과를 보인다.

Fig. 9는 기뢰 표적의 수심이 30 m, Fig. 10은 기뢰 표적의 수심이 80 m 일 때거리별로 직선 경로를 가정하여 기뢰의 거리(위) 및 수심(아래)을 추정한 결과와 고유음선 추적을 통하여 추정한 결과를 나타낸다. Fig. 7과 마찬가지로 100 번의 몬테칼로 시뮬레이션을 통하여 구해진 거리별 위치 추정 값의 평균 추정값을 나타낸다. 표적의 수심이 30 m 결과에서 거리가 멀어질수록 거리 추정 시 직선경로를 가정한 추정방법의 오차가 발생함을 보이며 이는 직선경로 가정 시 모의 환경의 해수면 부근 음속이 빨라짐을 반영하지 못하여 생기는 오차이다. Fig. 9와 Fig. 10의 수심추정 오차 그래프에서 직선으로 가정하여 수심을 추정한 방법이 거리가 멀어질수록 표적수심보다 얕은 수심을 추정하는 경향이 나타난다. 이는 3.2절에 기술하였듯이, 음파가 하향 굴절하는 환경이라 음파가 도달하는 수신 고각이 실제 표적 위치의 고각보다 해수면 방향고각으로 추정된다. 수신 고각을 이용하여 직선으로 추정하게 되면 실제 표적의 수심보다 얕은 수심으로 추정될 수 밖에 없다. 따라서 음파의 굴절을 고려하지 않고 직선으로 기뢰위치를 추정한다면, Fig. 6과 같이 거리가 멀어질수록 굴절에 의한 오차의 크기가 증가한다. 따라서 음파의 전달경로를 직선 경로로 가정하였을 때 음파의 굴절효과를 반영하지 못하므로 음선추적 방법을 이용하였을 경우 기뢰표적의 거리 및 수심 추정의 정확성을 높일 수 있었다.

잠수함에서 전방을 탐색하기 위하여 전방주시소나를 사용하며, 복잡한 수중 환경에서 잠수함의 생존성을 보장하기 위하여 기뢰탐지 기법의 정확성이 중요시 된다. 이에 본 논문에서는 전방주시소나를 이용하여 전방주시소나의 원시 데이터를 모의하고 기뢰표적 반향신호를 모의하였다. 이후 모의된 기뢰표적 반향신호를 이용하여 음파의 굴절효과를 반영한 기뢰표적 위치를 추정하는 방법을 제안하였다. 모의실험을 통하여 음속구조를 반영한 환경에서 표적위치 추정결과가 좋은 추정 값을 보이는 것을 확인하였다. 본 연구에서 제안하는 표적 위치추정 기법은 거리 및 수심을 동시에 추정할 수 있어 효과적인 방법으로 사용될 수 있다고 판단된다.

Fig. 11은 다중경로를 고려한 환경에서 기뢰표적의 수심이 30 m 일 때 거리별 표적신호의 수신 고각을 추정한 결과이다. 표적신호의 수신 고각 추정 시 직접파만 고려한 환경보다 표적의 거리가 멀어질수록 추정 오차가 커짐을 보이며, 이는 LFM 송신신호의 시간분해능보다 짧은 시간 내 여러 경로의 표적신호가 수신되면서 직접경로의 수신준위를 정확히 탐지하지 못하여 수신 고각 추정결과에 오차를 야기하는 것으로 판단된다. 위의 결과는 음파의 반사만을 고려하여 다중경로가 모의되었지만 실제 해양에서 음파는 많은 경로에서 산란을 거치며 잔향음이 발생하고 표적 탐지의 제한 요소로 작용된다. 따라서 다중경로 환경을 반영한 기뢰탐지를 고려하기 위해서는 추후 잔향음까지 고려된 기뢰탐지에 대한 연구가 필요하며, 실제 해양환경에서 실측된 신호를 이용하여 제안된 알고리즘의 검증이 추가적으로 요구된다. 본 논문에서는 방위에 대한 고려는 제외된 기뢰 표적의 거리 및 수심을 추정 기법을 제안하였으며, 향후 전방주시소나의 수평배열 수신센서를 고려하여 기뢰표적의 거리, 수심, 방위추정 기법으로 확장 가능성이 존재한다.

이 논문은 2019년도 한화시스템(주)의 재원을 지원 받아 수행된 연구임.