수중 표적 탐지 방위 및 거리 오차 연구

Abstract

해양에는 표적으로부터 발생하는 신호성분과 인위·물리·지질학적 요소에 기인하는 소음성분이 존재한다. 이로 인해 발생된 음향신호는 표적의 위치나 소음신호의 세기에 따라 배열센서에 수신되는 SNR(Signal to Noise Ratio)이 달라진다. 그리고 SNR에 따라 배열센서의 성능이 변화되며, 소음의 환경에서 빔 형성하는 경우 빔 조향(beam steering)각에 따라 수신되는 소음의 세기가 달라져 배열이득이 변화한다. 또한 음파전달 거리에 따른 전달손실, 배열센서의 형상(배열 간격과 센서 수) 등 SNR에 영향을 주는 음향학적 요소가 존재한다. 이와 같이 표적을 탐지(detection) 및 위치추정(localization)을 수행하는 경우 다양한 환경적 요소에 따라 그 성능이 달라질 것이다. 본 연구에서는 표적의 탐지 및 위치추정 시 방위오차와 거리오차를 계산하였다. 방위오차의 확률적 분포특성을 계산하기 위하여 크래머-라오 하한(Cramer-Rao lower bound)을 이용하였다. 크래머 라오하한은 임의적인 데이터의 Fisher 정보를 이용하여 데이터의 최소 분산을 계산하는 알고리즘이다. 이를 이용하면 표적 탐지 시 SNR의 변화에 따른 표적신호의 방위오차를 계산할 수 있다. 시뮬레이션에서 표적의 위치나 선 배열센서의 상대적 위치에 따른 모의 환경을 설정하고, 주어진 표적에 대하여 SNR에 영향을 미치는 파라메터인 소음준위, 전달손실, 배열센서의 형상, 빔 조향 방위를 달리하는 경우 탐지 방위 오차 및 위치추정 거리오차를 도출하였다.따라 배열센서의 성능이 변화되며, 소음의 환경에서 빔 형성하는 경우 빔 조향(beam steering)각에 따라 수신되는 소음의 세기가 달라져 배열이득이 변화한다. 또한 음파전달 거리에 따른 전달손실, 배열센서의 형상(배열 간격과 센서 수) 등 SNR에 영향을 주는 음향학적 요소가 존재한다. 이와 같이 표적을 탐지(detection) 및 위치추정(localization)을 수행하는 경우 다양한 환경적 요소에 따라 그 성능이 달라질 것이다. 본 연구에서는 표적의 탐지 및 위치추정 시 방위오차와 거리오차를 계산하였다. 방위오차의 확률적 분포특성을 계산하기 위하여 크래머-라오 하한(Cramer-Rao lower bound)을 이용하였다. 크래머 라오하한은 임의적인 데이터의 Fisher 정보를 이용하여 데이터의 최소 분산을 계산하는 알고리즘이다. 이를 이용하면 표적 탐지 시 SNR의 변화에 따른 표적신호의 방위오차를 계산할 수 있다. 시뮬레이션에서 표적의 위치나 선 배열센서의 상대적 위치에 따른 모의 환경을 설정하고, 주어진 표적에 대하여 SNR에 영향을 미치는 파라메터인 소음준위, 전달손실, 배열센서의 형상, 빔 조향 방위를 달리하는 경우 탐지 방위 오차 및 위치추정 거리오차를 도출하였다.