합성개구소나 영상을 위한 수중음향 신호 모델링

Abstract

표적 및 해양환경에 대한 수중음향 신호 모델링은 합성개구소나(SAS)나 사이드스캔소나(SSS) 등과 같은 측면주사방식의 이미징 소나 시스템 개발에 유용하게 적용된다. 표적에 대한 음향 산란 모델은 크게 점표적(point scatterer)을 이용하는 방법과 미소면(facet)을 이용하는 방법이 있다. 본 연구에서는 많은 수의 단위표적 개수로 인한 연산 시간 소요라는 문제점을 가지는 점표적 방식으로이 아닌 미소면 기반으로 더 적은 수의 단위표적을 이용하여 효율적으로 표적에 대한 수중음향 신호 모델링을 수행하였다. 발신신호의 종류는 단일주파수를 이용한 방식 혹은 LFM (Linear Frequency Modulation)의 Upchirp 방식을 이용하였으며 이에 대한 표적의 산란강도 및 위상지연은 미소면적을 가진 사각셀과 삼각셀의 단위표적산란 신호를 Kirchhoff 근사법으로 먼저 구하고, 이를 모든 미소면에 대해 위상을 고려한 합을 통해 산출하였다. 미소면 내 입사파와 산란파의 방향은 변화가 없음을 가정하였고 발신기와 수신기의 빔패턴은 고려하지 않았다. 단위표적산란 신호 계산에 필요한 것은 각 미소면의 면적과 함께 미소면과 입사파/산란파 사이의 경사각인데, 이는 미소면의 법선벡터를 통해 구해질 수 있다. 또한 미소면의 다양한 회전변환에 대한 좌표변환 행렬 요소는 미소면의 접선벡터를 통해 구해질 수 있다. 미소면의 법선 벡터와 접선 벡터는 미소면의 주어진 공간좌표를 통해 계산하였다. SAS 신호처리에 적합한 송수신 신호 모델링을 위해 그림 1과 같은 단상태 신호계를 구성하였다. 아울러 SAS 해상도에 대한 적합성을 보기 위해 range 방향으로 ？？만큼 떨어진 지역에 표적이 위치해 있는 상황을 가정하였다. 심도 H는 range에 대해 변화없이 일정하다. 그림 2(a)와 2(b)는 이와 같은 단상태 SAS 신호계에서 SAS 플랫폼에 평행한 20 cm x 40 cm의 매끈한 사각 rigid 표적을 35개의 점표적 및 사각미소면에 대한 송수신 신호를 모사하여 각각 이를 합성개구소나 신호처리를 통해 구현한 표적영상을 보여준다. 점표적 모델(a)의 경우 35개의 각각의 점표적에 대한 영상이 뚜렷하며 along-track 방향으로 표적형상이 점으로 끊어진 결과를 보여준다. 반면 미소면 모델(b)의 경우는 측면방향에 평행한 Edge 부분에서의 후방산란 기여가 크게 나타나며 along-track 방향으로 끊어지지 않고 연속된 표적형상을 보여준다. 매끈한 사각 rigid 표적의 경우 표적의 표면에서의 후방산란에 대한 기여가 없기 때문에 매끈한 표면부분에 대한 합성개구 영상이 나타나지 않는 것은 타당하다. 그림 3(a)와 3(b)는 그림 2의 표적이 x-y 평면에서 45도, y-z 평면에서 72도 기울어진 경우의 표적영상을 보여준다. 그림 2의 결과와 같이 점표적 모델(a)의 경우 35개의 각각의 점표적에 대한 영상이 뚜렷하며 표적형상이 점으로 끊어진 결과를 보여주는 반면 미소면 기반의 경우 실제 상황과 유사하게 모서리 부분에 대한 후방산란의 기여가 크게 나타나는 결과를 보여준다. 이와같은 미소면 기반 수중음향신호 모델링을 통해 추후 실제형상에 가까운 표적을 모델링하여 측면주사 방식의 소나 신호 설계에 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.