The Journal of the Acoustical Society of Korea (한국음향학회지)

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High-resolution range and velocity estimation method based on generalized sinusoidal frequency modulation for high-speed underwater vehicle detection

고속 수중운동체 탐지를 위한 일반화된 사인파 주파수 변조 기반 고해상도 거리 및 속도 추정 기법

  • Jinuk Park ;
  • Geunhwan Kim ;
  • Jongwon Seok (Department of Information and Communication Engineering, Changwon National University) ;
  • Jungpyo Hong (Department of Information and Communication Engineering, Changwon National University)
  • 박진욱 (창원대학교 산업기술연구원) ;
  • 김근환 (세종대학교 해양시스템융합공학과) ;
  • 석종원 (창원대학교 정보통신공학과) ;
  • 홍정표 (창원대학교 정보통신공학과)
  • Received : 2023.05.03
  • Accepted : 2023.06.23
  • Published : 2023.07.31
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Abstract

Underwater active target detection is vital for defense systems, requiring accurate detection and estimation of distance and velocity. Sequential transmission is necessary at each beam angle, but divided pulse length leads to range ambiguity. Multi-frequency transmission results in time-bandwidth product losses when bandwidth is divided. To overcome these problem, we propose a novel method using Generalized Sinusoidal Frequency Modulation (GSFM) for rapid target detection, enabling low-correlation pulses between subpulses without bandwidth division. The proposed method allows for rapid updates of the distance and velocity of target by employing GSFM with minimized pulse length. To evaluate our method, we simulated an underwater environment with reverberation. In the simulation, a linear frequency modulation of 0.05 s caused an average distance estimation error of 50 % and a velocity estimation error of 103 % due to limited frequency band. In contrast, GSFM accurately and quickly tracked targets with distance and velocity estimation errors of 10 % and 14 %, respectively, even with pulses of the same length. Furthermore, GSFM provided approximate azimuth information by transmitting highly orthogonal subpulses for each azimuth.

고속 수중운동체 능동 탐지는 수중 무기 방어 시스템에 중요한 기술로, 정확한 표적 탐지와 거리 및 속도 추정이 필수적이다. 빔 형성 각도마다 신호를 순차적으로 송신해야 하지만 펄스 분할 송신 방법은 거리 추정의 모호성이 발생한다. 이를 보완하기 위해 다중 주파수 기반 방법이 제안되었지만 대역폭을 분할할 경우 시간-대역폭 곱에서 손실이 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 연구에서는 대역폭을 분할하지 않아도 부펄스 간의 상관관계를 낮게 설계할 수 있는 일반화된 사인파 주파수 변조(Generalized Sinusoidal Frequency Modulation, GSFM)를 사용한 능동 고속 탐지 기법을 제안한다. 제안한 방법은 펄스 길이를 최소화시킨 GSFM을 사용함으로써 표적의 거리와 속도를 빠르게 갱신할 수 있다. 제안한 방법의 성능을 검증하기 위해 잔향이 존재하는 모의 환경을 구축하였다. 모의 실험 결과 0.05 s의 선형 주파수 변조 펄스는 한정적인 주파수 대역으로 인해 추정 거리 대비 평균적으로 50 %의 거리 추정 오차와 103 %의 속도 추정오차가 발생하였다. 이에 반해, GSFM은 같은 길이의 펄스를 사용하더라도 추정 거리 대비 거리 추정 오차와 속도 추정 오차가 각각 10 %와 14 %로 표적을 비교적 정확하고 빠르게 추적할 수 있었다. 게다가, GSFM은 방위별로 직교성이 높은 부펄스를 송신하여 표적의 대략적인 방위까지 알 수 있었다.

Keywords

Acknowledgement

이 논문은 2023년 정부(방위사업청)의 재원으로 국방기술진흥연구소의 지원을 받아 수행된 연구임 (20-106-B00-003).

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