서 론
함정의 수중방사소음(URN, Underwater Radiated Noise)은 적함 탐지체계에서 중요한 인식 요소로, 함정의 생존성과 밀접한 관련이 있을 뿐만 아니라 자함 음향 탐지체계의 성능에도 영향을 미친다. 따라서 함정의 수중 스텔스 성능을 관리하기 위해 주기적인 수중방사소음 측정이 수행되며, 이를 위해 Fig. 1과 같이 단일센서 기반의 수중방사소음 측정 장비가 일반적으로 사용되고 있다. 그러나 수중스텔스 기술의 발전으로 함정의 수중방사소음 수준이 점차 낮아지고 있어[1], 정확한 측정을 위해서는 배경소음이 낮은 측정 해역이 요구된다[2]. 반면 최근 지구 온난화 등의 기후변화로 인해 측정해역의 해상상태(풍속, 파고)가 악화되어, 해상 상태의 영향을 크게 받는 측정해역의 배경소음이 지속적으로 증가하는 추세이다[3]. 이러한 배경소음의 영향을 줄이기 위한 방법으로 배열 형태의 수중 방사소음 측정장비를 활용하여 기동하는 함정을 향해 지향성 빔(beam)을 구성하는 것이 있으며, 이를 통해 배열 이득(array gain)을 얻어 배경소음을 억제할수 있다[4]. 일반적으로 수중에서의 빔 형성 신호처리는 원음장(far-field)에 위치한 표적의 탐지나 위치 추정을 위해 사용되며, 배열에서 수신하는 음파는 평면파로 가정되어 신호처리가 이루어진다. 그러나 수중방사소음 측정환경에서는 주파수에 따라 일부 대역에서는 측정 대상 함정과 배열사이의 거리가 짧은 근접장(near-field)에서의 신호처리가 요구되며, 이때 배열에 수신되는 음파는 구면파로 가정된다[5]. 이러한 가정하에서 근접장 배열 신호처리는 음원과 배열 사이의 거리 및 방위각에 따라 초점(focal point)을 형성하게 된다[6]. 따라서 함정의 수중방사소음 측정에 근접 영역 배열 신호처리를 적용하기 위해서는 함정과 배열 사이의 정확한 거리 및 방위각 추정이 필수적이다.
본 논문에서는 이동형 수직선배열(VLA, Vertical Line Array)을 활용하여 해상에서 기동중인 선박의 수중방사소음을 측정하고, 이를 단일 센서 기반 측정결과와 비교 검토하였다. 이를 위해 수중음향 텔레메트리 기술을 이용하여 선배열과 함정 간의 거리 및 방위각을 추정하고, 이를 바탕으로 함정 수중방사소음 선배열 측정 절차를 정립하였다. 더불어 등방성 수중음원을 사용하여 정현파 신호를 발생시키고, 제안한 절차을 적용한 소음준위 측정결과를 확인함으로써 측정절차에 대한 검증을 수행 하였다.
선배열 근접장 수중방사소음 신호처리 이론
여기서 SL 은 함정의 수중방사소음 음원준위, RL 은 센서에 측정되는 수신값, TL은 음원으로부터 측정센서까지의 음파전달손실, DI는 지향계수를 의미한다. N개의 수신기가 등간격 d로 구성된 선배열을 활용해 소음원 S(w)의 음원준위를 측정하는 경우, 측정하고자 하는 소음원이 공간 비상관일 경우 억압되고, 공간 상관일 경우 지향이득을 얻을수 있다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.
여기서 k는 파수(wavenumber), rn는 소음원과 n번째 수신기 사이의 거리, R(w)는 수신단 잡음을 의미한다. 이때 각 수신신호에 더해지는 잡음의 공간 상관성은 없다고 가정한다. 소음원과 수신배열간 거리가 가까운 근접장의 경우 배열에 수신되는 음파는 Fig. 2와 같이 구면파로 가정되며, 음파전달구조의 기하학적 특성을 이용해 rn은 식 (3)과 같이 정의된다.
식 (3)에서 r0는 기준 수신기까지의 거리, θ는 지향각을 의미하며, 거리와 지향각에 따라 rn 값이 달라짐을 확인할 수 있다. 이러한 근접음장의 음파전달 특성에 의해 신호처리 초점이 형성됨을 알수 있으며, 수직선배열을 활용한 함정 수중방사소음 측정을 위해서는 측정시간 동안의 함정과 배열사이의 상대거리와 방위각 추정이 필요하다.
수중음향 텔레메트리 기술
선배열 측정체계를 활용한 선박의 수중방사소음 측정시 초점 형성과 음파 전달손실 보정을 위해서는 측정배열과 선박 사이의 거리측정이 요구된다. 선박이 측정배열을 통과한 거리를 추정하는 방법으로는 GPS 와 수중음향 텔레메트리 기술을 활용하는 것이 있다. GPS를 활용하면 높은 정확도로 상대 거리를 추정할수 있지만, GPS 수신이 불가능한 환경에서는 거리 추정이 제한된다. 반면 수중음향 텔레메트리 기술은 사전 정의된 음향신호를 송신하고, 시간동기화된 수신기를 사용해 수신신호의 시간 지연을 계산하여 거리를 추정하는 기술로, 모든 수중환경에서 사용이 가능하다[8]. 이에 따라 본 논문에서는 수중음향 텔레메트리 기술을 활용하여 상대거리를 추정 하였다. 사용된 음향 신호는 Fig. 3과 같다. 이때 사용된 송신음파의 주기는 1 초로 설정하여, 수중음속을 고려했을 때 최대 추정가능한 상대거리는 약 1,500 m 이다.
수직선배열을 활용한 선박 수중방사소음 측정절차
수직선배열을 활용한 함정의 수중방사소음 측정절차는 Fig. 4와 같이 요약할 수 있다.
① 측정대상 함정은 수직선배열을 일정한 거리를 유지하며 통과하고, 이 과정에서 수중음향 텔레메트리와 선배열을 통해 상대거리 및 음향신호를 획득한다. 이때 상대거리 계산을 위한 수중음파전달 속력은 측정해역에서의 계측값을 사용한다.
② 상대거리 측정 데이터를 바탕으로, 선배열 기준 전방위에 대해 근접장 빔형성 신호처리를 수행하여, 각 시점별 선박의 방위각을 추정한다. 이때 방위각 추정은 측정된 시간영역 데이터에 대하여 대역통과 필터를 적용하고, delay & sum 방식으로 빔형성 신호처리를 수행한다[7].
③ 계산된 각 시점별 상대거리 및 방위각을 활용하여, 2장에서 설명한 선배열 근접장 음향신호처리를 통해 선박의 수중방사소음을 산출한다.
신호처리 기법 및 측정절차 검증
본 논문에서는 2장에서 설명한 선배열 근접장 음향신호처리 기법과 4장에서 제시한 수중방사소음 측정절차를 검증하기 위해 Fig. 5와 같이 해상에서 표준 등방성 수중음원을 이용해 정현파 신호를 발생시키고, 이를 선배열로 측정하였다. 이때, 음원 준위 계산에 필요한 전달손실을 정확하게 구하기 위해 선배열의 중심과 등방성 음원의 설치 심도를 유사하게 설정하였으며, 이를 통해 전달손실 계산시 수평거리만 활용할수 있도록 하였다. 표준 등방성 수중 음원에서 발생되는 소음 준위를 측정하기 위해 Fig. 5와 같이 음원에서 1 m 떨어진 위치에 기준 청음기를 설치하였으며, Table 1과 같은 수평거리에서 수직 선배열을 통한 소음을 측정하였다. 이때 사용된 음파전달손실은 구형전달손실로 식 (4)와 같이 표현된다.
Table 1.
Verification test results
| Frequency | Horizontal Range | Amplitude | |
|---|---|---|---|
| Beam | Ref HYD | ||
| 8.8 kHz | 142.2 m | 110.5 dB | 108.1 dB |
| 9.2 kHz | 131.7 m | 110.3 dB | 108.6 dB |
| 9.6 kHz | 119.3 m | 109.0 dB | 109.4 dB |
| 10 kHz | 197.5 m | 130.8 dB | 130.3 dB |
여기서 R은 음원과 배열간의 수평거리, Rref 는 1 m로 설정된 음원 준위 기준점을 의미한다.
등방성 수중음원에 대한 기준 청음기 측정결과와 선배열 측정 음향신호처리 결과간의 소음준위를 비교한 결과, Table 1 및 Fig. 6에서 확인할 수 있듯이 발생주파수에서 유의미한 차이가 없음을 확인하였다. 여기서 음원발생 주파수 이외의 대역에서 두 결과 간 차이가 발생한 이유는 배열 수신 데이터의 음파전달손실을 보정할 때, 주파수별로 구분하지 않고 전체 측정주파수 대역에 동일한 보정을 적용했기 때문이다. 이러한 보정 방식은 함정 수중방사소음 측정과정에서 일반적으로 사용되며, 이는 함정 소음원의 주파수 대역을 사전에 알수 없기 때문에 모든 주파수 대역에 동일한 보정을 수행하는 것이 필요하기 때문이다.
배경소음 측정결과
본 논문에서는 선배열을 활용한 수중방사소음 측정 시 실제 배경소음 저감 효과를 검증하기 위하여, 동일 해역에서 선배열과 단일 센서를 각각 이용해 배경소음을 측정하고, 이를 동해 해상 풍속 10 kts 미만 조건에서의 평균 배경소음과 비교하였다. 이때 배열 신호처리의 지향각은 배열의 수직방향으로 설정하여, 특정 방향의 배경소음만을 강조하거나 억제하지 않는 조건을 유지하였다. Fig. 7의 결과에서 확인할수 있듯이, 단일 센서 측정값은 동해 평균 배경소음과 유사한 수준을 나타낸 반면, 선배열을 적용한 경우에는 동일 조건에서도 배경소음이 현저히 감소하는 것을 확인하였다. 이는 선배열이 공간 상관관계에 따라 비상관 소음을 억제하기 때문이다. 따라서, 선배열을 활용할 경우 저소음 함정에 대한 정밀한 수중방사소음 측정이 가능할 것으로 판단된다.
실선대상 수중방사소음 측정결과
5장에서 검증한 수중방사소음 측정절차를 실선에 적용하여, 기동 중인 선박의 수중방사소음을 측정하였다. 이를 위해 Fig. 8과 같이 자유표류하는 측정대상 선박의 현측에 수중음향 텔레메트리를 설치하여 배열과 측정 대상간의 상대거리 및 수중방사소음을 측정하였다. 측정 해역의 수심은 약 2,000 m이며, 측정 해역 내 약 20 마일 반경 안에 통행하는 선박이 없어 해저면 반사 및 기타 표적에 의한 소음 간섭은 무시할수 있다. 선박 소음측정을 위한 수중음향 텔레메트리 거리 추정값은 Fig. 9와 같으며, 이를 통해 Fig. 10과 같이 각 측정 시간별 선박의 방위각을 추정하였다. 방위각 추정에 사용된 주파수 대역은 250 Hz에서 500 Hz로, 이는 선박 기계류 소음의 주요 주파수 범위에 해당한다[9]. 각 측정 시간별 상대거리와 추정된 방위각을 바탕으로 선배열 신호처리 기법을 통해 선박의 수중방사소음을 계산하였다. 그리고 계산결과와 배열을 구성하는 수중 청음기중 중심 청음기와 비교한 결과를 Fig. 11에 나타내었다. 비교결과, 선박에서 발생하는 소음에 해당하는 주파수 대역에서는 1/3 octave band 분석과 협대역(Narrow band) 분석모두 배열처리 결과와 단일 청음기 측정 결과간에 차이가 없는 것으로 나타났다. 그러나 선배열 하단에 위치한 수중음향 텔레메트리에서 송신된 고주파수 대역소음(18 kHz ∼ 21 kHz)의 경우 단일 청음기가 전방위 소음을 측정하기 때문에 해당 대역의 소음을 확인할수 있었다. 반면, 선배열 신호처리는 특정 방향을 지향하여 소음을 측정하므로 수중음향 텔레메트리 신호가 효과적으로 억압됨을 확인할수 있었다.
결 론
본 연구에서는 수직선배열을 이용한 선박의 수중방사소음 측정 절차를 제안하고, 이를 검증한 후 실제 선박에 적용해 보았다. 절차 검증을 위해 해상에서 등방성 수중음원을 이용하여 단일 청음기와 선배열을 통해 측정한 소음 준위를 비교한 결과, 음원 송신 주파수에서 단일 청음기와 선배열의 측정 결과에 유의미한 차이가 없음을 확인하였다. 또한 동일한 측정환경에서 선배열과 단일센서를 이용해 배경소음을 비교한 결과, 선배열을 활용할 경우 실제 배경소음 저감효과가 있음을 확인하였다. 마지막으로 검증된 측정 절차를 실제 선박에 적용한 결과, 선박에서 발생하는 주파수 대역의 소음은 단일 청음기와 배열 신호처리간에 유의미한 차이가 없었다. 그러나 선배열 하단에 위치한 수중음향 텔레메트리 송신 신호 대역에서는 배열 신호처리가 지향이득을 통해 해당 소음을 효과적으로 억압하는 것을 확인하였다. 따라서 이러한 검증과정을 통해 선배열을 활용한 수중 방사소음 측정이 측정 해역의 배경소음에 대해 우수한 강인성을 발휘함을 확인할수 있었다.
본 연구에서 제안한 수중방사소음 측정 절차는 수중음향 텔레메트리를 통해 상대 거리를 추정하는 방식으로, 고속으로 기동하는 측정 대상의 경우 도플러 효과의 영향을 받아 적용제한이 발생할 수 있다. 또한, 측정 중 실시간으로 표적을 추적하는 빙형성 신호처리가 고려되지 않았기 때문에, 측정 시간 동안 수중방사소음의 실시간 모니터링에 제약이 있다. 따라서 향후 연구에서는 도플러에 강한 수중음향 텔레메트리 송신 신호의 개발과 실시간 빔형성 처리가 가능한 측정절차에 대한 연구가 필요하다. 또한 수중방사소음 측정에 선배열을 활용할 경우, 측정해역의 조류환경에 의해 배열에 구배가 발생할 수 있다. 이러한 구배는 선배열의 빔패턴 형성에 영향을 주어, 설정된 지향각 외 방향에서의 소음이 부각될 가능성이 있다. 따라서 향후 연구에서는 배열의 구배를 보정하여 정확한 소음 측정을 수행할수 있는 절차 및 기법에 대한 추가적인 검토가 필요하다.
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