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업무영역

 

 

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본 연구소의 업무영역은 소나(SONAR)를 포함한 수중 음향장비 개발을 위한 연구지원과 사업관리 지원으로 구분한다.

 

1. 연구지원

   ㅇ 수중음향 시뮬레이션ᆞ

      - 수중소음(Ambient noise) 예측

            1438637557_f-right_256.png  자세히 보기
         심해 및 천해 수중소음(혹은 주변소음)으로 구분하며, 비, 바람 등 해상상태에 의한 소음과 선박

 

         및 항만에서 발생하는 인위적인 소음 등으로 구성된다

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         옆의 그림은 wenz curve라 불리 심해소음

        모델로서  소음 발생요인에 따른 소음

        주파수 특성을 보인 것이다.

 

         출처 : F.B.Jensen ,”Computa tional

         Ocean Acoustics”,AIP Press, New

         York,p59.

 

         천해(Shallow water)의 수중소음은 운용

         해역  및 환경의 영향을 많이 받기 때문에

         심해(Deep water)의 경우 보다 예측이 

         어렵다.

 

            따라서 심해 수중소음을 기준으로 장비 운용

         해역의  특성을 감안하여 보완하고 있다. 즉

           , 천해 수중소음을 예측하기 위해서는 심해

         소음 예측기술과 함께 해당 해역의 환경 데

         이터, 측정자료 DB 등이 필요하다.

          

         옆의 그림은 심해 모델을 적용하여 선박

         도(Ship density), 해상상태(Sea state) 등

         환경 변화에 따른 소음의 변화를 보인 것

         이다

          

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      - 전달손실(Transmission loss) 예측

             1438637557_f-right_256.png  자세히 보기

          현재 전 세계적으로 널리 사용되고 있는 모델은 대부분 미국에서 개발되었으며, 각국이 

          자국에 맞게 개량하여 사용하고 있다.

 

          예측모델은 파동방정식(Wave equation)의 해를 구하는 방법에 따라서 Fast Field Program

          (FFP), Normal Mode(NM), Ray, Parabolic Equation(PE), Finite-Difference(FD) 혹은 Finite

          Element(FE) 등 5 가지로 크게 나뉘며, 이들은 수평방향의 환경변화 적용 여부에 따라 아래

          그림에서 보인 바와 같이 거리독립(Range Independent) 혹은 거리종속(Range Dependent)

          으로 구분된다

 

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        출처 : F.B.Jensen , ”C  omputational Ocean Acoustics”, AIP Press, New York, p61.     

               

 

        음원을 떠난 음파는 해수면 및 해저상태와 수직 음속 분포도 등 해양환경에 많은 영향을 받으며

        , 한반도 주변과 같이 수심이 낮은 천해

        (Shallow water)의 복잡한 환경에서는

        특히 심하다.

       

        옆 그림은 수심 5000m의 심해에서 

        거리독립 가정하에, Ray모델의 일종

        인 Bellhop모델을 이용한 전달손실

        예측결과를 보인 것이다.

       

         
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  ㅇ 체계분석(System analysis)

     체계분석에서는 시스템이 설계목적에 맞는 능력을 갖고 있는지를 확인하는데 시스템 요구사항

      (System requirements) 분석에서부터 시스템 설계(System design)를 거쳐 설계사양(System

      specifications)을 도출하고, 최종 산출물에 부여된 임무(Mission)가 달성 가능한 지 여부를 기술적

      인 측면에서 점검한다.

 

               

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     - 시스템 요구사항(System requirements) 분석

             1438637557_f-right_256.png  자세히 보기

          시스템 개발 발주처에서 소요자 혹은 운용자의 운용 요구성능 및 요구사항을 토대로 시스템

          요구사항이 작성된다.

          개발업체에서는 제시된 요구사항을 분석하여, 이를 충족시킬 수 있는지를 확인하고, 설계에 

          반영하기 위해 필요한 인적, 물적자원을 확보하기 위한 방안을 마련한다. 

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        - 시스템 설계(System design) 및 설계사양(System specifications) 도출

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         시스템 설계는 기본설계와 상세설계로 구분한다.

 

          • 기본설계 : 제시된 요구사항을 충족시킬 시스템 구성요소(부체계)를 결정하고, 각 구성요소    

                             가져야 할 사양을 결정한다.

                          소나를 예로 든다면 능동(Active)형인지 혹은 수동(Passive)형인지를 구분하고, 

                             다시 센서의 종류신호처리 방식과 탐지방식 혹은 표적 식별방식을 선택한다.

                                     구성요소가 선택되면 다시 탑재조건 및 운용 방식, 체계요구사항 등을 충족시킬

                             수 있도록 각 구성요소의 사양을 결정한다.

 

 

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                                                    선배열 빔패턴                                            평면배열 빔패턴   

 

                            윗 그림은 센서배열에 따른 빔패턴(Beam pattern)의 형태를 보인 것이다.

 

          • 상세설계 : 구성요소의 사양이 결정되면 각 구성요소의 사양을 충족시킬 세부 구성품의 사양

                             을 결정한다.

                             설계결과 세부 구성품의 사양이 구성요소의 사양은 만족시키나 전체 시스템 요구

                             사항을 족시키지 못할 경우는 기본설계 및 구성요소 사양을 보완하는 과정(feed

                             back)을 반복하며 시스템의 요구사항을 만족시키는 최적의 설계 사양을 도출한다.

 

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     - 시스템 효과도 분석(System effectiveness analysis)      

             1438637557_f-right_256.png  자세히 보기

         체계요구사항에는 시스템의 효과도를 측정할 척도(Measure)가 있으나, 그렇지 않을 경우에는

         기본설계시 척도를 설정해야한다.

         예를 들어 소나의 경우에는 표적탐지확률, 수중통신장비의 경우는 신호전송률 등이 될 수 있다.

               

         앞에서 기술한 시스템 사양과 수중 음향학을 기반으로 모의시험(simulation)을 하며, 시험결과

         를 확률론적로 산출한 후 척도와 비교함으로써 효과도를 도출한다.

        

 

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  ㅇ 시뮬레이터 설계

          모의실험이라  불리우는 시뮬레이션을 가능케하는 시뮬레이터는 설계 과정에서 혹은 시제 

      제작 전에 설계검토용으로 활용되고 있으며,    

      물을 전달매질로하는 수중음향 장비나 시스템, 그리고 시험에 많은 비용이 드는 시스템 등의 개발

      에 있어서 시간과 비용을 절감하고 쉽게 설계상의 오류로 잡을 수 있다는 면에서 시뮬레이터

      는 특히 유용하다.

 

      - 알고리즘 검증 시뮬레이터 설계      

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       앞서 기술한 바와 같이 시스템 구성요소인 부 체계에도 설계사양이 있고, 이들이 부체계에 할당된

       역할을 충족키는지 여부를 확인하는 작업이 필요하다.

 

       아래 그림은 표적 시뮬레이터의 화면을 보인 것으로 수중의 각종 표적의 신호를 모사해서 신호

       처리기의 알고리즘을 검증하기 위해 설계된 것이다.

 

       신호를 구성하고 있는 요소들의 사양을 통해 신호음를 만들고, 음원과 센서의 상호위치를 정하여

       센서에 입력되는 신호의 성격을 규정

표적시뮬레이터 운용화면.png         한다.

           

       알고리즘 검증용 시뮬레이터는 목적에 

       따라 대상 부체계 모사용(simulator)과 

       시험장비 등 구분할 수 있다.

        

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      - 시스템 시뮬레이터 설계

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       시스템 시뮬레이터는 설계사양 검증과 효과도 분석을 통한 체계분석용으로 활용된다.

      

       아래 그림은 수중무인 운동체(UUV : Unmanned Undersea Vehicle)의 체계분석을 음향학적 측면

       에서 수행하기 위한 체계분석용 시뮬레이터의 운용화면을 보인 것으로서, 설계 사양에 따른 탐지

       성능 변화와 탐지확률을 분석 전시한다.

운용화면.jpg        

       체계 효과도는 척도를 사용하는 방법에

       따라 달리 표현되는데 본 시뮬레이터에   

       서는 거리에 따른 탐지확률의 전시로

       표현하였다.

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  유체역학적 시뮬레이션

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      수중에서 센서를 운용할 경우에는 주위의 름으로 인한 수압이 센서나 센덮게(SONAR

      Dome),  수중 구조물 등  물리적인 변형을 줄 수 있으며, Turbulence인한 소음은 센서의

      신호대 잡음비(S/N)를 저하시킬 수도 있다.

         

      따라서 이러한 유체의 영향을 사전에 예측하여 설계에 반영하도록 준비해야 한다.

         

      아래 그림은 가상의 선수에 발생 가능한 유체의 압력분포에 대한 시뮬레이션 결과를 보인

      것이다.

         

                                

         
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  기타

      - 핵심부품 설계

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          기본설계가 완료되면 상세설계 단계에서 구성요소 중 다음과 같은 핵심부품에 대한 세부사양을

        출한다.

 

         • 센서배열 설계 : 센서 갯수와 센서간 간격, 가중기법 선택

            신호대 잡음비(S/N : Signal to Noise ratio)를 향상시키기 위해서 센서 갯수와 센서간 간격 등

            센서배열을 설해야 하며, 센서배열 설계 후에는 가중기법를 적용하여 소음의 영향을 감소

            시킨다. 가중기법에는 여러 가지가 있으나 Tschebyscheff 가중기법이 보편적으로 사용된다.

          

            옆의 그림은 선형 센서배열에 

            Tschebyscheff 가중기법 적 전

            과 후의 빔패턴의 변화를 보

            이다.

           

 

         배플(Baffle)설계

           배플은 센서에 자체소음이 전달되어 신호대 잡음비가 저하되는 것을 방지하기 위한 목적으로

           사용된다.

 

           옆의 그림은 설계사양에 따른 배플의 소음차단성능

           의 변화를 보인 것이다. 

          

        

 

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     - 표적신호 자동식별 알고리즘 개발

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          수동 소나를 이용하여 선박  또는 수중 이동의 표적

          신호를 자동식별하는 방법은, 수신된 신호에서 표적의

          프로펠러 회전으로 인해 발생되는 신호를 식별해 내는
          방법이 주로 사
용된다. 

 

          표적식별의 대상이 되는 캐비테이션(cavitation)은 수중에서 폭발함으로써 광대역 소음을 발

          시키는데 프로펠러의 회전에 의해 변조된 신호형태를 가지며, 주파수 스펙트럼(spectrogram)

          에서 토날(Tonal)의 형태로 나타난다. 이러한 신호를

홈페이지03m092x.jpg          주파수 천이(Frequency shift)방법을 이용하거나,

          혹은 직접적인 분석방법을 통해 자동별(Auto

          Identification)한다.

                      

              옆의 그림은 수신신호에서 프로펠러의 신호 특징 

          을 갖는 토날을 추출해 보인 것이다.

          이렇게 추출된 신호가 저장된 DB 중 표적신호와

          동일한 성격을 갖거나, 혹은 표적신호로서의 성격을

          보이면 비로소 표적으로 식별(Identification)된다.

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      - 시스템 전시화면 구성

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         전시기를 포함하는 시스템에서는 시스템의 최종 결과가 전시화면을 통해 운용자에게달된다. 

         따라서 전시화면은

 

ㅇ 단순한 구도하에서

ㅇ 운용자가 필요로 하는 모든 정보를 담아야하며,

ㅇ 또한 장시간 감시함에 따라 느끼는 피로를 최소화해야 한다.

 

                   홈페이지03m12X.jpg

                                       신호 분석화면                                            운용자 화면

        

 

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2. 사업관리 지원

     근래에는 국가사업 뿐만 아니라 업체 자체개발 사업에도 사업의 효율적인 관리를 위해 체계공학적

     개념을 도입하고 있다. 이는 개발자 입장에서는 성가시기는 하지만 피할 수 없는 일이기도 하다.  

 

     본 연구소에서는 최근의 과제 수행을 통해 습득한 경험을 토대로 다음과 같은 분야에서 사업관리

     분야에 대한 지원을 하고자 한다.

 

  ㅇ 계획서 작성

     - 사업 계획서, 시험 계획서

 

  ㅇ 검토회의 자료 작성

     - SSR, SFR, PDR, CDR 발표용 기초자료 작성

 

  ㅇ 보고서 작성

     - 사업/ 시험 결과 보고서

 

  ㅇ 시험평가 지원

     - SW 신뢰성 평가 지원  

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        SW 신뢰성 평가는 정적평가와 동적평가로 구분된다.

        평가는 Tool을 보유한 평가인증기관에서 수행하며, 개발업체에서는 평가기관의 평가결과에 따

        라 일부 SW를 수정, 보완해야 한다. 그러나 경우에 따라서는 다양한 종류의 SW를 전체 시스템

        의 성능에 영향을 주지 않는 범위 내에서 수정,보완해야 하므로 전문가의 도움이 필요하다.

 

        본 연구소에서는 SW 전문지식과 SW 신뢰성 평가 경험을 갖춘 전문가를 보유하고 있으며,

        SW 신뢰성 평가지원을 위한 준비를 갖추고 있다.

 

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