단상태 소나를 이용한 소형 수중표적 물성추정

배호석,김완진,이다운,정우근,Bae, Ho Seuk,Kim, Wan-Jin,Lee, Da-Woon,Chung, Wookeen 한국음향학회 2017 韓國音響學會誌 Vol.36 No.5

수중에서 기동하는 소형무인 플랫폼은 미래의 핵심적인 해군전력이지만, 이와 동시에 아군세력을 위협하는 비대칭 세력이기도 하다. 이러한 소형무인 플랫폼을 탐지, 식별하기 위한 하나의 방법으로 반복적 수치해석 기법에 기반한 물성추정 기법을 소개한다. 물성추정 기법은 표적의 위치정보뿐만 아니라 표적의 물리적인 물성치를 추정할 수 있기 때문에 정지한 표적을 탐지 및 식별할 수 있으며, 다수의 수중표적도 동시에 탐지 가능하며, 표적과 주변 자연물체와의 구분이 가능한 장점을 가진다. 본 연구에서는 기존에 제안한 기법을 보다 확장하여, 실제 호수시험 획득자료를 이용하여 실제 수중 소형표적을 대상으로 물성추정을 수행하였다. 그 결과 단 한 개의 채널신호만으로도 소형플랫폼에 대한 물성추정이 가능하였으며, 현장자료에도 강인한 결과를 획득할 수 있었다. Small unmanned platforms maneuvering underwater are the key naval future forces, utilized as the asymmetric power in war. As a method of detecting and identifying such platforms, we introduce a property estimation technique based on an iterative numerical analysis. The property estimation technique can estimate not only the position of a target but also its physical properties. Moreover, it will have a potential in detecting and classifying still target or multiple targets. In this study, we have conducted the property estimation of an small underwater target using the data acquired from the lake experiment. As a result, it shows that the properties of a small platform may be roughly estimated from the in site data even using one channel.

무인수상정 탑재 측면주사소나 설계를 위한 모델링 연구

배호석,김우식,김정훈 한국군사과학기술학회 2018 한국군사과학기술학회지 Vol.21 No.1

In order to successfully detect and identify underwater targets located on the seabed, unmanned surface vehicles (USVs) typically acquire acoustic signals with a side-scan sonar device and reconstruct information about the target from the processed images. As the quality of the side-scan sonar images acquired by USVs depends on the environment and operating parameters, using modeling and simulation techniques to design side-scan sonar devices can help optimize the reconstruction of the sonar images. In this work, we study a side-scan sonar design for use in USVs, that takes the movement of the platform into account. First, we constructed a simulated seabed environment with underwater targets, and specified the maneuvering conditions and sonar systems. We then generated the acoustic signals from the simulated environment using the sonar equation. Finally, we successfully imaged the simulated seabed environment using simple signal processing. Our results can be used to derive USV side-scan sonar design parameters, predict the resulting sonar images in various conditions, and as a basis for determining the optimal sonar parameters of the system.

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.

무인수상정 탑재 소나시스템 개발

배호석,김완진,김우식,최상문,안진형,Bae, Ho Seuk,Kim, Wan-Jin,Kim, Woo-Shik,Choi, Sang-Moon,Ahn, Jin-Hyeong 한국군사과학기술학회 2015 한국군사과학기술학회지 Vol.18 No.4

Recently, unmanned systems are largely utilized in various fields due to the persistency and the least operational risk and an unmanned surface vehicle(USV) is the one of the representative application in the naval field. To assign multiple roles to an USV, we developed a sonar system which consists of a forward detecting sonar for the long-range detection, a downward detecting sonar for the small target scan and identification, and a strut type body for mounting sonar systems. In this paper, we described the developed sonar system for USV and the sea test results for verifying system performance. The test results showed that the developed sonar system was able to detect the underwater target about several kilometers away and could recognize a small object at the downside of the sonar system. We expect that the developed sonar system will be easily applied to other unmanned platforms without serious consideration.

파형역산 기법을 이용한 수중표적 탐지 연구

배호석,김원기,김우식,최상문,Bae, Ho Seuk,Kim, Won-Ki,Kim, Woo Shik,Choi, Sang Moon 한국음향학회 2015 韓國音響學會誌 Vol.34 No.6

중주파수 및 고주파수 대역을 이용한 근거리 수중표적 탐지와 식별 기술은 이미 성숙단계에 있으나, 수중 위협세력의 은닉화 및 고속화에 따른 저주파수 대역을 이용한 원거리 탐지 요구가 새롭게 대두되고 있다. 본 논문에서 소개할 파형역산 기술은 최근 국내외 석유탐사 관련 학계 및 업계에서 매우 각광받는 최신 기술로, 저주파수 대역을 이용하여 해저 수 킬로미터 이상의 해저 지층을 고해상도로 구축하는 수치해석 기법이다. 이러한 파형역산 기술을 응용하여 작전 해역에서의 해저지층을 영상화하는 동시에, 수중에 위치하는 인공표적의 탐지 가능성을 확인하였다. 본 제안 기술은 인공표적의 형상뿐만 아니라 음파속도 등의 물성정보를 정확하게 추정할 수 있기 때문에 오탐지 확률을 획기적으로 줄일 수 있으리라 기대된다. A short-range underwater target detection and identification techniques using mid- and high-frequency bands have been highly developed. However, nowadays the long-range detection using the low-frequency band is requested and one of the most challengeable issues. The waveform inversion technique is widely used and the hottest technology in both academia and industry of the seismic exploration. It is based on the numerical analysis tool, and could construct more than a few kilometers of the subsurface structures and model-parameters such as P-wave velocity using a low-frequency band. By applying this technique to the underwater acoustic circumstance, firstly application of underwater target detection is verified. Furthermore, subsurface structures and it's parameters of the war-field are well reconstructed. We can confirm that this technique greatly reduces the false-alarm rate for the underwater targets because it could accurately reproduce both the shape and the model-parameters at the same time.

고속기동 조건에서의 수중 음향 카메라 영상의 도플러 왜곡 보정 연구

배호석,김우식,권래언,정우근 한국마린엔지니어링학회 2019 한국마린엔지니어링학회지 Vol.43 No.4

Recently, acoustic cameras have become increasingly important with developments in autonomous underwater vehicle (AUV) technology. An acoustic camera is a device that visualizes nearby underwater targets and plays a major role in the autonomous operation of AUVs. For acoustic cameras that use multi-frequencies, the Doppler effect inevitably occurs during the operation of the platform. This Doppler effect causes a transition in the frequency component of the received signals, resulting in a locational distortion in the underwater target image. This study describes the image distortion caused by the Doppler effect of an acoustic camera using multi-frequencies and performs correction of the acquired images using numerical datasets. The study confirms that the position distortion of the acquired image using the acoustic camera is quantitatively generated through numerical tests. In addition, the applicability of the proposed technique to compensate the Doppler effect is verified. 최근 자율형 무인잠수정 기술의 발전과 함께 무인잠수정에 탑재되는 음향 카메라의 중요성이 대두되고 있다. 음향 카메라는 수중에 위치하는 근접 수중물체를 가시화하는 장비로 자율형 무인잠수정에 있어 매우 중요한 역할을 한다. 다중주파수를 사용하는 음향 카메라의 경우 수중플랫폼 운용 중에 도플러 효과가 필연적으로 발생하는데, 이러한 도플러 효과는 수신 음향신호의 주파수 성분의 천이를 발생시키므로, 결과적으로 수중물체 영상의 위치적 왜곡을 야기시킨다. 본 연구는 다중주파수를 사용하는 음향 카메라의 도플러 효과에 의해 발생되는 영상 왜곡에 대하여 설명하고, 가상모의 자료를 이용하여 획득영상의 보정을 수행한다. 수치모델링 결과로부터 음향카메라를 이용한 획득영상의 위치상의 왜곡이 정량적으로 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 도플러 천이를 이용한 도플러 보상 기법의 적용성을 확인하였다.

소형 수중표적의 물성추정 가능성 연구

배호석(Ho Seuk Bae),김완진(Wan-Jin Kim),김우식(Woo-Shik Kim),정우근(Wookeen Chung) 한국소음진동공학회 2017 한국소음진동공학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.4

그래픽 프로세서를 이용한 고차 유한 차분식 기반 수중채널모델 연구

배호석(Ho Seuk Bae),김원기(Won-Ki Kim),손수욱(Su-Uk Son),하완수(Wansoo Ha) 한국시뮬레이션학회 2021 한국시뮬레이션학회 논문지 Vol.30 No.1

최근 수중 무인 체계가 대두됨에 따라 핵심 기반 기술인 장거리 수중통신기술 및 고속 수중채널모델링 기술이 많은 관심을 받고 있다. 본 논문에서는 고속 수중채널모델링을 수행하기 위한 고속 음파전달모델을 제안하여, 정량적인 성능 분석을 통해 제안 기술의 적용 가능성을 살펴보았다. 수층에서의 파동 전파를 모사하기 위하여 고차 유한 차분 기법을 사용하였으며, 범용그래픽 프로세서를 이용한 영역 분할 기법을 적용하여 여러 개의 그래픽 프로세서 병렬 처리를 통해 연산 속도를 향상시켰다. 제안한 기법은 반무한 매질에서의 해석해와의 비교 및 파선법에 기반한 VirTEX 모델을 이용한 결과와의 비교를 통해 그 타당성을 검증하였다. 최종적으로 수치예제를 통해 고속 수중채널 모델링 기법의 정량적인 연산 성능을 분석하였다. 개발모델의 연산 성능 향상 정도를 정량적으로 분석한 결과 그래픽 프로세서 수가 증가함에 따라 연산 속도가 선형에 가깝게 빨라지는 것을 확인하였다. 연산 영역의 크기가 2배로 증가할 때와 주파수가 2배로 증가할 때 계산 시간은 각각 2배와 8배로 증가하였다. 본 논문을 통해 제안한 고속 수중채널모델 기술은 해양무인체계의 수중통신기술 개발을 위한 수중통신 채널모델 및 분석 툴로 탑재되어 국방력 강화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. As unmanned underwater systems have recently emerged, a high-speed underwater channel modeling technique, which is one of the most important techniques in the system, has received a lot of attention. In this paper, we proposed a high-speed sound propagation model and verified the applicability through quantitative performance analyses. We used a high-order finite difference method (FDM) for wave propagation modeling in the water, and a domain decomposition method was adopted using multiple general-purpose graphics processing units (GPUs) to increase the calculation efficiency. We compared the results of the model we proposed with the analytic solution in the half-infinite media and results of the Virtual Timeseries Experiment (VirTEX) model, which is based on the ray method. Finally, we analyzed the performance of the model quantitatively using numerical examples. Through quantitative analyses of the improvement in computational performance, we confirmed that the computational speed increases linearly as the number of GPUs increases. The computation times are increased by 2 times and 8 times, respectively, when the domain size of computation and the maximum frequency are doubled. We expect that the proposed high-speed underwater channel modeling technique is able to contribute to the enhancement of national defense as an underwater communication channel model and analysis tool to develop the underwater communication technique for the unmanned underwater system.

다중상태 소나시스템을 적용한 표적반향음 연구

배호석(Ho Seuk Bae),지윤희(Yoon Hee Ji),김완진(Wan-Jin Kim),김우식(Woo-Shik Kim),김재수(Jea Soo Kim),윤성웅(Sung-Ung Yun) 한국해양공학회 2014 韓國海洋工學會誌 Vol.28 No.5

The target echoes contain information on the target such as the orientation, kinematics, and internal structure, as well as the external geometrical shape of the target. In addition, the pattern of the target echoes depends on the arrangement of the transmitters and receivers in space. Therefore, the study of the target echoes in a multi-static SONAR system can be useful for detecting and tracking submerged objects using an underwater surveillance system. For this purpose, an acoustic measuring system for multi-static target echoes was designed and tested in an acoustic water tank. Some preliminary data are presented and discussed.

효과도 분석을 통한 천해용 수중분산 센서망 설계 연구

김완진,배호석,김우식,이상국,최상문,Kim, Wan-Jin,Bae, Ho Seuk,Kim, Woo Shik,Lee, Sang Kug,Choi, Sang Moon 한국군사과학기술학회 2014 한국군사과학기술학회지 Vol.17 No.5

In this paper, we have described the characteristics of the Underwater Distributed Sensor Network (UDSN) and proposed the conceptual design guideline by an effectiveness analysis. To perform the effectiveness analysis, we defined an battlefield environment, and then analyzed principal components which compose the UDSN to find out simulation parameters and system constraints. We have chosen a measure of effectiveness based on a target trajectory, which could enhance intuitive understanding about current status, and performed various simulations to reveal critical design parameters in terms of sensor node types, arrangement, cost and combination of detection information.