양상태 소나 배치를 위한 음향탐지성능 평가 방법

손수욱,김원기,배호석,박정수 한국음향학회 2022 韓國音響學會誌 Vol.41 No.4

This paper aims to evaluate the acoustic detection performance for the deployment of the source and receiver positions of a bi-static sonar. In contrast with a mono-static sonar, a bi-static sonar has a large amount of computation and complexity for deployment. Therefore, in this study, we propose an assessment method that reduces the amount of computation while considering the variability of the ocean environment as a method to apply to the placement of the source and receiver of a bi-static sonar. First, we assume the representative ocean environment in the shallow and deep water. The signal excess is calculated with the source to receiver ranges and sensor depths. And the result is compared with the proposed assessment method of acoustic detection performance. 본 논문은 양상태 소나의 음원과 수신기 배치를 위해 음향탐지성능을 평가하는 것을 목표로 한다. 단상태소나와는 다르게 양상태 소나의 경우에는 배치를 위한 연산량과 복잡도가 크기 때문에 해양환경을 고려한 배치 연구는진행된 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 양상태 소나의 음원과 수신기 배치에 적용하기 위한 방법으로 해양환경의 변동성을 고려하면서도 연산량을 줄이는 평가 방법에 대해 제안한다. 본 연구에서는 천해와 심해의 대표 해양환경을 선정하였으며, 그 해역에서 음원과 수신기 간의 거리 및 센서 심도를 변경하며 신호초과를 계산하고, 그 결과를 제안하는음향탐지성능 평가 방법과 비교 및 분석한다.

동해북부에서 관측한 수평 선배열의 배열이득 변동성

손수욱(Su-Uk Son),박정수(Joung-Soo Park),한주영(Jooyoung Hahn),김원기(Won-Ki Kim),조창봉(Chang-Bong Cho) 한국소음진동공학회 2017 한국소음진동공학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.4

Simulation of acoustic waves horizontal refraction using a three-dimensional parabolic equation model

나영남,손수욱,한주영,이근화,Na, Youngnam,Son, Su-Uk,Hahn, Jooyoung,Lee, Keunhwa The Acoustical Society of Korea 2022 韓國音響學會誌 Vol.41 No.2

In order to examine the possibility of horizontal simulations of acoustic waves on the environments of big water depth variations, this study introduces a 3-dimensional model based on the pababolic equation. The model gives approximated solutions by separating the cross- and non cross-terms in the equation. Assuming artificial bathymetry (25 km × 4 km) with a source frequency 75 Hz, the simulations give clear horizontal refractions on the transmission loss distributions. The degree of refractions shows non-linear increase along the propagating range and proportional increase with water depth along the cross range. Another simulations with the real bathymetry (25 km × 8 km) also give clear horizontal refractions. The horizontal distributions present little difference with the depth resolution variations of the same data source because the model gives interpolations over the depth data before simulations. Meanwhile, the horizontal distributions show big difference with those of different data sources.

서해 천해환경에서 단상태 해저면 후방산란강도 측정

손우주,손수욱,최지웅,조성호,정섬규,Son, Wuju,Son, Su-Uk,Choi, Jee Woong,Cho, Sungho,Jung, Seom-Kyu 한국음향학회 2015 韓國音響學會誌 Vol.34 No.6

한국해양과학기술원과 한양대학교가 2013년 5월 서해 경기만 남부의 연안해역에서 공동으로 수행한 해양음향 실험에서 주파수 6 ~ 14 kHz에 대한 해저면 후방산란강도 측정이 실시되었다. 실험해역의 지질 환경 특성은 다중빔 음향측심기, 스파커, 그랩을 이용하여 조사되었으며, 이로부터 정밀 해저지형 및 해저면 하부지층 구조, 표층 퇴적물 구성성분에 대한 자료를 획득하였다. 본 논문에서는 수평입사각 $28^{\circ}{\sim}69^{\circ}$에 대한 해저면 후방산란강도 결과를 도출하여 람베르트 법칙(Lambert's law) 및 APL-UW 산란 모델과 비교하였다. 또한 실험해역의 해양물리/지형학적 특성을 고려하여 해저면 후방산란 특성에 영향을 미치는 지음향 인자들에 대한 토의를 수행하였다. Measurements of bottom backscattering strengths in a frequency range of 6-14 kHz were made on the shallow water off the southern Gyeonggi Bay in Yellow Sea in May 2013, as part of the KIOST-HYU joint acoustics experiment. Geological surveys for the experimental area were performed using multi-beam echo sounder, sparker system, and grab sampling to investigate the bottom topography, sub-bottom profile and composition of surficial sediment, respectively. In this paper, the backscattering strengths as a function of grazing angle (in range of $28^{\circ}{\sim}69^{\circ}$) were estimated and compared to the predictions obtained by Lambert's law and APL-UW scattering model. Finally, the effects of geoacoustic parameters corresponding to the experimental area on the backscattering strengths are discussed.

동해 환경에서 차주파수 곱 및 수평선배열을 이용한 음원 위치추정 특성

박정수,박중용,손수욱,배호석,이근화 한국음향학회 2024 韓國音響學會誌 Vol.43 No.1

The Matched Field Processing (MFP) is an estimation method for a source range and depth based on the prediction of sound propagation. However, as the frequency increases, the prediction inaccuracy of sound propagation increases, making it difficult to estimate the source position. Recently proposed, the Frequency- Difference Matched Field Processing (FD-MFP) is known to be robust even if there is a mismatch by applying a frequency-difference autoproduct extracted from the auto-correlation of a high frequency signal. In this paper, in order to evaluate the performance of the FD-MFP using a horizontal line array, simulations were conducted in the environment of the East Sea of Korea. In the area of Bottom Bounce (BB) and Convergence Zone (CZ) where detection of a sound source is possible at a long range, and the results of localization were analyzed. According to the the FD-MFP simulations of horizontal line array, the accuracy of localization is similar or degraded compared to the conventional MFP due to diffracted field and mismatch of sound speed. There was no clear result from the simulations conforming that the FD-MFP was more robust to mismatch than the conventional MFP.

해상 환경을 고려한 수상함 항적 모델 연구

배호석,김원기,손수욱,김우식,박정수,Bae, Ho Seuk,Kim, Won-Ki,Son, Su-Uk,Kim, Woo-Shik,Park, Joung-Soo 한국군사과학기술학회 2021 한국군사과학기술학회지 Vol.24 No.1

The ship wake generated by rotation of the propeller yields changes of characteristics of sound wave such as attenuation and scattering. To develope a battle field environment simulator for military purposes, it is very important to understand acoustical properties of ship wake. Existing research results have limitations in direct application because they performed under simple conditions or model ships were applied. In this study, we developed a ship wake generation model based on the ship's geometric wake distribution theory. The model can provide spatial distribution and void fraction with various marine environments as well as ship size. Through the developed model, geometric distribution features of ship wake according to the ship's maneuvering conditions were successfully simulated. In addition, changes of the bubble void fraction with time at any location within the battle field environment were identified. Therefore, the developed model is expected to be used in the development of a simulator to measure the acoustic characteristics of the ship wake.

해양환경 변동에 따른 수중음향 무선통신 채널 특성

최지웅,김선효,손수욱,김시문 한국통신학회 2016 정보와 통신 Vol.33 No.8

해양에서 음파를 사용하여 수중통신을 시도할 경우 해양매질은 음향 도파관(acoustic waveguide)의 역할을 하게 되고, 이 경우 해양환경의 변동성과 그에 따른 음파와 매질의 간섭에 의해 수중통신 채널의 변동성이 발생한다. 수중음향 채널은 대역제한 채널이면서 잔향음 제한 채널이고 강한 도플러 변이 채널이므로 수신된 통신 신호는 육상통신에 비해 심한 인접 심볼간 간섭(intersymbol interference)과 위상변이를 가지게 된다. 따라서 수중통신을 시도함에 있어 이러한 해양환경 변동성과 그에 따른 수중음향 채널 변동에 대한 충분한 고려가 필요하다. 본 논문은 수중통신 시스템 구성에 도움을 줄 수 있도록 수중통신 채널에 영향을 미치는 해양 매질의 기본적 특성에 대해 소개하고 수중통신 채널과의 상관성 및 환경 변동성에 따른 통신채널의 변동성에 대해 소개하고자 한다.

거제 인근해역에서 측정된 중주파수 음향 해저면 반사 신호를 이용한 표층 해저면 두께 추정

권혁종,최지웅,손수욱,조성호,한주영,박정수,박경주,Kwon, Hyuckjong,Choi, Jee Woong,Son, Su-Uk,Cho, Sungho,Hahn, Jooyoung,park, Joung-Soo,Park, Kyeongju 한국음향학회 2016 韓國音響學會誌 Vol.35 No.6

천해 환경에서 수평입사각에 따른 음향반사 신호 측정 실험을 2015년 10월 거제 인근 해역에서 실시하였다. 본 논문에서는 수평입사각 $9{\sim}14^{\circ}$ 범위에서 측정된 중주파수 4 ~ 8 kHz의 표층 해저면 반사 신호와 하부 퇴적층 반사신호의 도달시간 차이를 이용하여 표층 퇴적층의 두께를 역으로 추정하였다. 실험 해역의 지질 정보는 한국지질자원 연구원에서 제공한 실험 해역의 평균입도범위인 $8{\sim}10{\phi}$를 사용하였다. 두 다중경로의 도달시간 차이를 이용하여 추정한 표층 퇴적층의 두께는 4 ~ 7 m이며, 한국해양과학기술원이 제공한 실험 해역 인근의 천부지층탐사기를 이용한 하부 퇴적층 분석 결과와 비교하였다. Measurements of bottom loss as a function of grazing angle (in range of $9{\sim}14^{\circ}$) at a frequency range of 4 ~ 8 kHz were conducted on an experimental site off Geoje island in October 2015. Geoacoustic inversion of the surficial sediment thickness is performed using the arrival time difference between the surficial layer and the sub-bottom layer reflected signal. To invert the thickness of surficial sediment, we used the grain size of $8{\sim}10{\phi}$ obtained by KIGAM (Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources). The thickness of the surficial sediment was estimated to be 4 ~ 7 m. Finally, this inversion result was compared with the geoacoustic observation conducted by the KIOST (Korea Institute of Ocean Science & Technology) using sub-bottom profiler.

방향성 있는 음원이 적용된 음향 포물선 방정식 모델

이근화,나영남,손수욱 한국음향학회 2020 韓國音響學會誌 Vol.39 No.1

The acoustic parabolic equation method in the ocean is an efficient technique to calculate the acoustic field in the range-dependent environment, emanating from a point source. However, we often need to use the directional source with a main beam in the practical problem. In this paper, we present two methods to implement the directional source in the acoustic parabolic equation code easily. One is simply to filter the Delta function idealized as an omni-directional point source. Another method is based on the rational filtering of the self-starter solution. It has a limitation not to separate the up-going and the down-going wave for the depth, but would be useful in implementing the mode propagation. Numerical examples for validation are given in the Pekeris environment and the deep sea environment. 해양에서 음향 포물선 방정식은 거리 의존 환경에서 단일 음원으로부터 음장을 계산하는데 효율적인 방법이 다. 그렇지만 실제 문제에서는 종종 방향성 있는 음원을 사용해야하는 필요성이 있다. 본 논문에서는 포물선 방정식 모델에 손쉽게 방향성 있는 음원을 적용할 수 있는 두 가지 방법을 제안한다. 첫 번째 방법은 전 방향음원의 수학적 모델 인 Delta 함수를 필터링 하는 것이다. 두 번째 방법은 포물선 방정식의 self-starter 해에 유리함수 필터를 적용하는 방법 이다. 후자의 방법은 깊이 방향에 대해 상향 및 하향 음파를 분리하지 못한다는 단점이 있으나 모드 전파를 구현하는 데는 유용하다. 검증을 위한 수치 예제가 Pekeris 환경과 심해 환경에서 주어졌다.

A study on the variations of water temperature and sonar performance using the empirical orthogonal function scheme in the East Sea of Korea

나영남,조창봉,손수욱,한주영 한국음향학회 2024 韓國音響學會誌 Vol.43 No.1

For measuring the performance of passive sonars, we usually consider the maximum Detection Range (DR) under the environment and system parameters in operation. In shallow water, where sound waves inevitably interacts with sea surface or bottom, detection generally maintains up to the maximum range. In deep water, however, sound waves may not interact with sea surface or/and bottom, and thus there may exist shadow zones where sound waves can hardly reach. In this situation, DR alone may not completely define the performance of each sonar. For complete description of sonar performance, we employ the concept ‘Robustness Of Detection (ROD)’. In the coastal region of the East Sea, the spatial variations of water masses have close relations with DR and ROD, where the two parameters show reverse spatial variations in general. The spatial and temporal analysis of the temperature by employing the Empirical Orthogonal Function (EOF) shows that the 1-st mode represents typical pattern of seasonal variation and the 2-nd mode represents strength variations of mixed layers and currents. The two modes are estimated to explain about 92 % of the variations. Assuming two types of targets located at the depths of 5 m (shallow) and 100 m (deep), the passive sonar performance (DR) gives high negative correlations (about -0.9) with the first two modes. Most of temporal variations of temperature occur from the surface up to 200 m in the water column so that when we assume a target at 100 m, we can expect detection performance of little seasonal variations with passive sonars below 100 m.