2. 합성 개구 소나 신호처리
2.3. 데이터 획득 및 신호 샘플링
2.4.1 수신 신호를 이용한 운동 추정 방법
수신 신호를 이용한 운동 추정 방법은 소나의 surge, sway, 그리고 yaw를 추정할 수 있다. 그림 II-12에서 수중 운동체의 각 운동을 보여준다.
surge 운동을 추정하는 방법에는 DPCA 가 있으며, DPCA 기법은 표적에서 입사된 연속적인 수신신호를 이용하여 수중 운동체의 위치를 추정 하는 기법이다. 개의 하이드로폰이 장착된 소나 시스템에서만 적용할 수 있는 기법으로 겹쳐진 하이드로폰에 입사 되는 연속적인 신호의 상관관계를 통해서 surge, sway, yaw 의 수중 운동체의 자유도를 추정한다. 따라서 연속적인
핑을 수신할 때의 어레이에서 겹치는 수신기를 DPCA 라고도 한다. 그림 II-13은 연속적인 핑에 해당되는 수신기의 궤적이다.
Surge 의 운동 추정은 다음과 같다. 연속적인 소나 위치에서 개의 수신기로 구성된 어레이에 수신되는 표적 반사 신호를 이용하여 각 수신기에 대해 상관관계 행렬을 만들 수 있다. 식 (II-51)은 상관 행렬 (correlation matrix), 이다. 는 각 수신기에 수신되는 와 의 연속적인 표적 반사 신호에 대한 상관 계수 (correlation coefficient), 으로 구성되어 있다. 은 과 의 수신기에 입사되는 신호 와 의 상관 계수 (correlation coefficient)이다.
⋮ ⋱⋮ ⋯ ⋱ ⋮⋯ ⋮
⋯ ⋯
(II-53)
〈
〉
(II-54)
그림 II-13. 소나 운동에 따른 수신기의 기하학적 형상.
그림 II-14. 연속적인 핑에 대한 DPCA.
(a) surge 운동 할 때의 DPCA
(b) surge 와 sway 운동을 할 때의 DPCA
만약 수중 운동체가 정지해있다면 소나는 계속 같은 자리에 있기 때문에 각 어레이에 수신되는 연속적인 핑에 의한 신호 또한 같다. 따라서 어레이를 구성한 개의 수신기에 입사된 신호가 같아 상관관계 행렬을 구성했을 경우
의 행렬요소 즉, 주대각요소 (main diagonal)에서 가장 큰 값을 갖는다. 그림 II-14에서 surge 운동을 한다면 큰 상관관계를 갖는 요소들이 대각요소 (diagonal) 형태로 나타나게 되어 주대각요소로부터 떨어진 거리가 surge 가 된다. 그림 II-15는 30개의 수신기로 구성된 어레이의 상관관계 행렬이다.
그림 II-15. 연속적인 신호에 대한 상관관계 행렬, .
Sway 운동 추정은 surge 방향으로 겹쳐진 수신기의 상호상관관계 (cross correlation)를 통해 운동을 추정할 수 있다. 상호상관관계를 통해 얻어진 시간지연으로 surge 운동 방향의 수직 방향인 sway 운동을 추정한다. 그림 II-16은 sway 추정 알고리즘이다. 그림 II-16과 같이 surge 운동이 없을 경우 연속적 위치의 어레이는 수직 방향으로 동일한 위치에 있기 때문에 각 어레이의 번째 수신기에 수신되는 신호는 sway 운동에 의해 시간 지연이 발생한다. 번째 수신기에 들어오는 신호는 정합필터처리 후, 신호는 상호상관관계를 통해 위상차에 의한 시간 지연을 추정을 한다. 이때 상호 상관도 이 가장 높을 때의 시간 영역의 표본 을 찾는다. 이렇게 추정된 시간 지연은 그림 II-16의 알고리즘 6. 에 의하여 sway 를 추정할 수 있으며 sway 운동에 의해 야기되는 yaw 또한 추정이 가능하다.
실제 합성 개구 소나 시스템을 운용할 때, 소나의 수신신호만을 이용한 DPCA 기법으로 surge, sway, yaw를 추정할 뿐만 아니라 관성 측정 장치와 같은 항법 장치를 통해 그 외의 소나의 운동을 추정한다. 위에 언급된 3가지 방법을 통해 획득된 추정 값을 결합하여 소나 운동 오차를 최소화 시켜
고분해능의 합성 개구 소나 영상을 구현한다.
그림 II-16. sway 와 yaw 추정 알고리즘.