The Journal of the Acoustical Society of Korea (한국음향학회지)

The Acoustical Society of Korea (한국음향학회)
권호 표지

Modeling of Scattered Signal from Ship Wake and Experimental Verification

항적 산란신호의 모델링과 실험적 검증

  • 지윤희 (한국해양대학교 해양개발공학과) ;
  • 이재훈 (한국해양대학교 해양개발공학과) ;
  • 김재수 (한국해양대학교 해양개발공학과) ;
  • 김정해 (LIG 넥스원(주)) ;
  • 김우식 (국방과학연구소) ;
  • 최상문 (국방과학연구소)
  • Published : 2009.01.31
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

A moving surface vessel generates a ship wake which contains a cloud of micro-bubbles with radii ranging between $8{\sim}200{\mu}m$. Such micro-bubbles can be detected by active sonar system for more than ten minutes depending on the size and speed of the surface vessel. In this paper, a reverberation model for the ship wake is presented. The developed model consists of the acoustic scattering model due to the distribution of the micro-bubbles and the kinematic model for the moving active sonar. The acoustic scattering model is based on the volume integration, where the volume scattering strengths are obtained from the spatial distribution of micro-bubbles. Since the directivity and look-direction of active sonar are important factors for moving active sonar, the kinematic model utilizes the Euler transformation to obtain the relative motion between the global and local coordinates. In order to verify the developed model, a series of sea experiment was executed in September 2007 to obtain the spatial-temporal distribution of a bubble cloud, and analyzed to be compared with the simulation results.

이동하는 수상 운동체는 반경 $8{\sim}200{\mu}m$ 크기의 미세기포군을 포함하는 기포항적을 발생시킨다. 경우에 따라 10여분 이상 지속되는 수중 미세기포는 음향산란을 일으키는 요인이 되며, 기포가 존재하는 동안 능동소나에 의한 지속적인 탐지가 가능하다. 본 논문에서는 기포항적에 존재하는 미세기포의 사공간적인 분포변화에 따라 산란되는 음파를 모의하는 잔향음 모델을 제시하였다. 기포항적 산란신호의 모델은 음향학적 모델과 운동학적 모델로 이루어져 있으며 음향학적 모델에서는 미세기포의 공간분포를 체적산란강도로 변환하여 공간에 대한 적분을 수행하고, 운동학적 모델은 해양공간의 고정좌표계와 능동소나에 고정된 국부좌표계 사이의 좌표변환을 위한 오일러변환을 기반으로 구현되었다. 구현된 모델의 점증을 위해 2007년 9월 한국해양대학교 앞 해상에서 실제 선박을 운항하여 기포항적을 발생시킨 후 일정간격으로 신호를 획득하여 분석하였고, 이를 모델에 적용하여 타당성을 검증하였다.

Keywords

References

  1. R. D. Peltzer, W. D. Garrett, P. M, Srrwth, "A remote sensing study of a surface ship wake," IEEE J. Oceans, 17, 277-286, 1985 https://doi.org/10.1080/01431168708948681
  2. M. V. Trevorrow, S. Vagle, D. M. Farmer, "Acoustical measurements of microbubbles within ship wakes," J. Acoust. Soc. Am. 95, 1922-1930, 1994 https://doi.org/10.1121/1.408706
  3. G. C, Gaunaurd, H. Huang, "Sound scattering by bubble clouds near the sea surface," J. Acoust. Soc. Am. 107, 95-102, 2000 https://doi.org/10.1121/1.428356
  4. R. J. Urick, Principles of Underwater Sound, (3rd ed., McGraw-Hill, New York, 1983)
  5. P. C. Etter, Underwater Acoustic Modeling, (2rd ed., E & FN SPON, 1996)
  6. 성낙진, 능동 표적신호 합성, 석사학위논문, 한국해양대학교, 1994
  7. W. S. Hodgkiss, Jr., "An Oceanic Reverberation Model," J. Acoust. Soc. Am. Vo. OE-9, 63-72, 1984
  8. F. B. Jensen, W. A. Kuperman, M. B. Porter, H. s., "Com-putational Ocean Acoustical (AIP series in modern acoustics and signal processing)", (American Institute of Physics, New York, 1994)
  9. F. H. Fisher, V. P. Simmons, "Sound absorption in sea water," J. Acoust. Soc. Am. 62, 558-564, 1997 https://doi.org/10.1121/1.381574
  10. J. C. Novarini, R. S. Keiffer, G. V. Norton, "A model for variations in the range and depth dependence of the sound speed and attenuation induced by bubble clouds under wind-driven sea surfaces," IEEE J. Oceanic. Eng., 23, 423-438, 1998 https://doi.org/10.1109/48.725236
  11. C. S. Clay, H. Medwin, Acoustical Oceanography : Principles and Applications, Wiley-Interscience, New York, 1977
  12. R. P. Chapman, J. H. Harris, "Surface backscattering strengths measured with explosive sources," J. Acoust. Soc. Am. 34, 1592-1597, 1962 https://doi.org/10.1121/1.1909057
  13. J. K. E. Tunaley, E. H. Buller, K. H. Wu, M. T. Rey, "The Simulation of the SAR Image of a Ship Wake," IEEE J. Trans. Geosci. Remote Sens., 29, 149-156, 1991 https://doi.org/10.1109/36.103305
  14. 지윤희, 이재훈, 김재수, 김우식, 최상문, "항적에 의한 산란신호의 실험적 연구," 제7회 해양무기 학술발표대회 논문 초록집, pp.64, 2008
  15. 이재훈, 지윤희, 김재수, 김우식, 최상문, "항적내 미세기포의 $시{\cdot}공간적$ 분포," 한국해양과학기술협 의회공동학술대회 논문집, pp.2317-2318, 2008
  16. 지윤희, 이재훈, 김재수, 김우식, 최상문, "항적 산란 신호의 이론과 모델링," 한국음양학회 춘계학술 발표대회 논문집, pp. 191-192, 2008