소나를 이용한 아임계각에서의 매설 표적 탐지에 관한 고찰

Abstract

해저에 매설된 표적은 고주파수의 소나 이미지로는 식별이 불가능하여 바닥으로 투과되는 중저주파 신호를 이용해야한다. 바닥면에 임계각(critical angle)보다 큰 각도로 입사하는 초임계각(supercritical angle)에서는 바닥으로 투과되어 경계층 혹은 표적에 반사되어 수중으로 후방 산란된다[1,2]. 입사파가 임계각보다 작은 아임계각(subcritical angle)인 경우 바닥으로의 투과가 잘 이루어지지 않고, 경계면에서 깊이 방향으로 지수적으로 감소하며 입사파의 진행경로와 같은 방향으로 전파되는 감쇠파(evanescent wave)가 형성된다[3]. 본 연구에서는 소나를 이용하여 아임계각으로 매설 표적을 탐지할 때, 초임계각보다 더 큰 표적 신호를 계측할 수 있는 조건과 표적 산란의 공간적 특징을 분석하고자 한다. 아임계각으로 입사되는 경우, 초임계각 입사보다 바닥 반사가 감소하여 신호대잡음비(Signal to noise raio, SNR)가 높아질 수 있다. Fox는 해저에 구형 표적을 매설하여 입사파 각도에 따른 표적 산란을 계측하였다[4]. 그 결과 저주파에서는 아임계각으로 입사된 경우가 초임계각으로 입사된 경우보다 더 높은 신호대잡음비로 계측되었다. 반면, Simpson은 수조에서 평면파를 생성하여 입사파의 아임계각과 초임계각에서 표적강도를 계측하였는데, 초임계각에서 더 강한 표적 신호를 계측하였다[5]. 본 연구에서는 두 상반된 결과를 분석하여 더 강한 표적 신호를 계측할 수 있는 조건에 대해 연구하였다. 또한, 아임계각에서 탐지 범위는 초임계각보다 더 넓어서 효율적인 표적 탐지가 가능하다. Lucifredi는 해저에 구형 표적을 매설하고 수평 배열을 설치하여, 표적 산란 신호의 공간적 분포를 계측하였다[6]. 표적의 유도파(Guided wave)가 매설 위치로부터 음원 방향으로 이동하여 수중으로 전파됨을 관측하였다. 이는 초임계각에서는 계측할 수 없는 특징이고, 표적의 식별에 이용될 수 있다. 위 연구들을 바탕으로 입사파의 입사각에 따른 매설 표적의 신호대잡음비를 계산하고 탐지 범위를 추정하였다. 매설 표적을 탐지할 때, 사용 주파수와 바닥면 입사파 각도 등을 고려한 소나 시스템의 최적 조건을 도출하고자 한다.