수직선배열을 활용한 함정의 수중방사소음 측정 및 소음원 식별에 관한 연구 = A Study on Underwater Radiated Noise Measurement and Noise Source Localization of Vessels Using a Vertical Line Array

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In contemporary naval operations, underwater radiated noise （URN） from vessels is a critical factor determining detection probability by enemy forces, directly affecting vessel survivability. However, the simultaneous progression of vessel noise reduction and increasing ocean ambient noise due to climate change has exposed limitations of traditional single-sensor measurement systems. This study developed URN measurement and noise source localization techniques utilizing a vertical line array （VLA）. A nested array structure enabled broadband measurements with a minimal number of sensors, while LFM signal-based underwater acoustic telemetry provided real-time range and bearing estimation between the vessel and array for near-field focused beamforming. Field validation experiments demonstrated measurement accuracy within 2 dB compared to reference hydrophones and background noise reduction exceeding 10 dB in high-frequency bands. For noise source localization, a super-resolution technique based on compressive sensing theory was developed. To overcome performance degradation of conventional CBF, MVDR, and MUSIC methods in multipath environments, an -norm minimization approach exploiting signal sparsity was applied, incorporating multiple measurement and multiple dictionary techniques to enable accurate localization in multiple source scenarios of slowly maneuvering vessels. Simulation results demonstrated that the proposed compressive sensing approach exhibited superior performance compared to conventional methods even in challenging conditions of SNR -15 dB and complex multipath environments, achieving significantly lower localization errors when source separations exceeded 8 m.

국문 초록 (Abstract)

현대 해군 작전환경에서 함정의 수중방사소음은 적 잠수함과 기뢰의 피탐 확률을 결정하는 핵심적인 전술 요소로서 함정의 생존성과 직결되는 중요한 성능 지표이다. 동시에 자함에 탑재된 음향 탐지체계의 성능에도 직접적인 영향을 미치기 때문에 주기적인 수중방사소음 측정이 필수적으로 수행되어야 한다. 그러나 최근 수중 스텔스 기술의 급속한 발전으로 함정의 소음 수준이 지속적으로 낮아지고 있는 반면, 기후 변화로 인한 해상상태 악화로 측정 해역의 배경소음은 증가하는 추세를 보이고 있어 전통적인 단일 센서 기반 측정 시스템의 한계가 드러나고 있다.
본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 수직선배열을 활용하여 근접장 환경에서 기동하는 함정의 수중방사소음을 효과적으로 측정하고, 나아가 함정 내 특정 소음원의 위치를 고분해능으로 식별할 수 있는 수중음향 신호처리 기법을 개발하였다. 이를 위해 중첩（nested） 구조의 선배열 및 LFM 신호 기반의 수중음향 텔레메트리 기술을 활용하여 실시간으로 측정 함정의 상대거리와 방위각을 추정하고, 이를 바탕으로 근접장 초점 빔형성을 수행하는 수중방사소음 측정 절차를 제시하였다. 제시된 측정절차의 검증을 위해 실해역에서 표준 등방성 음원을 이용한 검증실험을 수행한 결과, 모든 측정 주파수에서 기준 청음기 대비 2 dB 이내의 측정 정확도를 확인하였다. 배경소음 측정에서는 단일 센서 대비 고주파수 대역에서 약 10 dB 이상의 현저한 저감 효과를 확인하였으며, 이는 수직선배열이 공간 상관관계에 따라 비상관 소음을 효과적으로 억제하기 때문이다. 실선을 대상으로 한 해상 측정실험에서는 제안된 측정절차가 단일 센서 측정과 동등한 수준의 음원준위를 확보하면서도 수중음향 텔레메트리 신호와 같은 간섭 신호를 효과적으로 억제할 수 있음을 검증하였다.
함정 소음원의 정밀한 위치 식별을 위해서는 압축센싱 이론을 적용한 초해상도 기법을 개발하였다. 전통적인 일반 빔형성은 레일리 한계로 인해 낮은 분해능을 보이며, MVDR과 MUSIC과 같은 적응빔형성 기법은 높은 해상도를 제공하지만 해수면 반사파와 같이 직접파와 상관성이 높은 신호가 존재하는 다중 경로 환경에서 성능이 크게 저하되는 한계를 가진다. 본 연구에서는 함정 소음원이 관측 가능한 범위 내에서 제한적이므로 희소 신호로 간주할 수 있다는 점에 착안하여 -norm 최소화 문제를 통해 소음원의 위치를 추정하였다. 특히 다중측정과 다중사전 기법을 도입하여 저속으로 기동하는 함정의 시변 특성을 고려하고, 좌우대칭성으로 인한 허위 신호를 감소시켜 다중 소음원 환경에서도 정확한 위치 식별이 가능하도록 하였다. 함정 기동 특성을 반영한 수신신호 모델링을 통해 직접파 및 반사파를 포함한 다양한 해양 환경 조건에서 시뮬레이션을 수행하였다. 단일 소음원 시나리오에서 SNR -15 dB부터 10 dB까지의 다양한 조건에서 성능을 평가한 결과, 압축센싱 기법이 낮은 SNR 환경에서도 기존 방법들에 비해 높은 에너지 비율을 유지하였으며 가장 낮은 위치추정 오차를 보였다. 특히 반사파가 포함된 신호 환경에서 MVDR과 MUSIC의 성능이 크게 저하된 반면, 압축센싱은 일정 수준 이상의 성능을 유지하였다. 다중 소음원 시나리오에서는 소음원 간 거리에 따른 성능을 평가하였으며, 소음원 간 거리가 8 m 이상일 때 압축센싱 기법이 다른 기법들에 비해 현저히 높은 에너지 비율과 낮은 MSE를 나타내어 다중 소음원 환경에서도 우수한 위치추정 성능을 가짐을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구목적 및 범위 2
• 1.3 연구 동향 3
• 1.3.1 수중방사소음 측정기술 동향 3
• 1.3.2 함정 소음원 위치추정 기술 동향 5
• 1.4 논문의 구성 6
• 2. 수직선배열을 활용한 함정 수중방사소음 측정 8
• 2.1 함정 수중방사소음 특성 8
• 2.1.1 소음원 분류 8
• 2.1.2 함정 속도별 주요 소음 특성 9
• 2.2 수중음향 전파이론 11
• 2.2.1 음원과 수신기 간 거리에 따른 음파전달 특성 11
• 2.2.2 음파전달 손실 모델 13
• 2.3 선배열 신호처리 이론 15
• 2.3.1 선배열 빔형성 원리(Conventional Beamforming) 15
• 2.3.2 근접장 선배열 빔형성 17
• 2.4 선배열 측정시스템 구성 19
• 2.4.1 수직선배열 설계 및 제원 19
• 2.4.2 수중음향 텔레메트리 시스템 21
• 2.5 선배열 활용 수중방사소음 측정 및 분석 절차 22
• 2.5.1 신호 획득 및 전처리 22
• 2.5.2 거리 및 방위각 추정 22
• 2.6 선배열 기반 수중방사소음 측정절차 검증 25
• 2.6.1 등방성 음원 활용 검증 25
• 2.6.2 배경소음 저감 효과 분석 26
• 2.7 실선 측정 및 결과 분석 30
• 2.7.1 실선대상 검증실험 조건 30
• 2.7.2 상대 거리 및 방위각 추정결과 30
• 2.7.3 실선 대상 수중방사소음 측정결과 32
• 3. 수직선배열 기반 함정 소음원 위치추정 34
• 3.1 근접장 수신신호 모델링 34
• 3.1.1 격자 공간 및 정현파 신호의 생성 34
• 3.1.2 시간에 따른 음파 전달 경로 설정 36
• 3.1.3 시간에 따른 음파 전달 모델 생성 37
• 3.2 근접장 소음원 위치추정 모델 38
• 3.3 일반 빔형성(CBF)을 통한 함정 소음원 식별 39
• 3.4 소음원 식별을 위한 전통적 적응빔형성 기법 41
• 3.4.1 MVDR(Minimum variance distortionless response) 41
• 3.4.2 MUSIC(Multiple signal classification) 44
• 3.5 소음원 식별을 압축센싱 빔형성 기법 47
• 3.5.1 전통적 적응빔형성 기법의 한계 47
• 3.5.2 압축센싱(Compressive sensing) 빔형성 기법 48
• 3.5.3 다중측정 (Multiple measurements) 빔형성 기법 52
• 3.5.4 다중사전 (Mutliple dictionaries) 빔형성 기법 54
• 3.6 시뮬레이션 기반 알고리즘 성능분석 56
• 3.6.1 알고리즘 성능 분석 방법 56
• 3.6.2 단일 소음원 시뮬레이션 결과 56
• 3.6.3 다중 소음원 시뮬레이션 결과 64
• 4. 결 론 71
• 4.1 연구결과 요약 71
• 4.2 연구의 한계점 및 향후 연구방향 72
• 참고 문헌 74
• Abstract 79