본 논문에서는 지한 탐사용 레이더를 이용한 특정 산란체의 간단한 탐지 방법을 제안하였다. 기본 원리는 매설된 특정 산란체를 기준으로 하여 몇 가지 크기와 모양 및 전기적 특성이 유사한 산란체들로부터 발생되는 산란신호의 차이를 상관함수(correlation function)을 이용하여 탐지하는 것이다. 산란체가 매설된 지하매질로는 레이더의 동작 주파수에 다른 분산과 손실 등의 전기적 특성 변화를 시뮬레이션에 반영하기 위하여 다항 Debye 모델이 사용되었다. 지상 및 지하 매질에서의 3차원 전파(電波) 전파(傳播) 시뮬레이션을 위한 EDTD 방법을 사용하였다.
전자파 문제는 넓은 의미로 산란(scattering)문제와 역산란(inverse scattering)문제로 나눌 수 있다. 먼저 산란 문제는 에너지 또는 정보가 실린 전자파를 한 지점에서 다른 지점으로 보낼 때 통과하는 경로상의 매질 분포에 따라 왜곡 또는 변형되는 정도를 알아내는 것으로 반사(reflection), 굴절(refraction), 회절(diffraction)등 의 현상을 수반한다. 이 때 전자파를 왜곡시키는 물체를 산란체라고 부르며, 이러한 산란체로서는 전송선, 도파관, 광섬유 등과 같은 도파구조(guided wave structure)자체일 수 있으며 그들 내부에 고의로 부착된 첨가물일 수도 있다. 또한 공기나 지하와 같은 개방 구조 내의 물체나 비균일 매질 분포도 산란체가 될 수 있다. 이와는 반대로 역산란 문제는 알고 있는 전자파를 미지의 산란체에 가한 후, 여기서 산란된 전자파를 측정하여 얻은 자료로 부터 역으로 산란체의 위치, 크기, 모양, 매질 특성 등을 알아내는 것이다. 이러한 역산란 문제는지하 탐사(geophysical probing), 원격탐사(remote sensing), 레이다 영상(radar imaging), 의료진단(medical diagnosis), 비파괴 검사(nondestructive testing)등과 같은 많은 응용분야에 걸쳐 있다. 본 원고에서는 전자파 산란 및 역산란 문제에 대한 기존의 다양한 해석기법들을 체계적으로 분류하고, 이들의 적용범위와 한계에 대해 간략히 소개하기로 한다.
본 논문에서는 비 등방성 복합 산란체의 전자파 산란문제를 surface integral equation을 적용하여 정식화하는 절차를 보였다. 산란체에는 평면파가 입사하는 것으로 가정하고, 산란체의 표면에 유기되는 등가 표면 전류 및 자류 밀도를 계산하기 위하여 모멘트법을 이용하여 산란체의 표면을 삼각 요소로 이산화하여 적절한 경계조건하에서 몇 가지 수치계산 모델에 대하여 계산을 수행하고 그 유효성을 검증하였다. 계산된 후방산란단면적의 결과는 측정결과와 잘 일치하였다.
음향수조 내에 일정한 간격으로 배열된 단순 모양의 산란체들로부터 획득된 후방산란 신호를 분석하여 산란체 간격(scatterer spacing)을 추측 할 수 있는 방법을 연구하였다. 수신신호의 산란특성을 켑스트럼 피크(cepstral peaks)를 이용하여 산란체 간격으로 해석하였다. 임펄스 응답신호를 이용한 수치계산으로 산란체 간격 추정방법을 검증한 후, 수조 실험으로 획득한 후방 산란 신호에 적용해 그 결과를 비교해 보았다.
경계요소법을 이용한 음향홀로그래피 구현에 요구되는 많은 측정 노력을 줄이기 위하여 강체 산란체를 이용한 홀로그래피의 기본이론을 제시하였다. 강체산란체를 음장에 위치시켰을 때의 기본이론을 제시하고, 피스톤의 자유공간방사경우에 산란체의 거리의 변화에 따른 음향진동전달함수의 특이성 변화를 관찰하였다.
수중에서 원통형 산란체의 산란 음장에서 발생하는 간섭 효과를 확인하기 위하여 한 개의 원통형 산란체와 동일한 두 원통형 산란체의 방위각에 따른 고주파 (120 kHz) 산란 패턴을 측정하였다. 실험은 가로, 세로, 높이가 각각 $5m\times5m\times5m$ 수조에서 공기가 채워진 원통형 PVC (poly vinyl-chloride)로부터 1.5m 거리에 위치한 수중 청음기를 $360^{\circ}$ 회전시키면서 실시하였다. 실험 결과 한 개 원통은 후방에서 무지향성으로 산란하는 특성을 보였으나 두 개 원통에서는 방위각에 따른 표적 강도의 변동성 (fluctuation)이 나타났다. Stanton이 제한한 이론 식과 측정한 산란 패턴을 비교한 결과 유사한 경향을 확인할 수 있었다.. 두 개 원통의 산란 패턴에서 나타나는 표적 강도의 변동성은 두 산란체의 중심으로부터 청음기까지의 거리차로 인한 산란 음장의 간섭 때문이다. 또한 두 개 원통의 산란 이론으로부터 원통의 간격이 커짐에 따라 표적 강도의 변동성이 심해지는 현상을 확인할 수 있었다.
근접하고 있는 원통형 유전체 실린더들에 의한 산란전계를 수하였다. 산란체들 사이에서의 다중산란을 도려하고 실린더 표면에 경계조건을 적용하여 반복절차에 의해 산란계수를 계산하였다. M개의 실린더 중 i번째 실린더와 나머지 실린더들 사이에서의 상호영향을 반복절차에 의해 계산하여 i번째 실린더에서의 산란전계를 구하였다. 원통형 실린더가 아닌 임의의 단면을 가지는 실린더형 산란체에 대하서는 반지름이 작은 원통형 실린더들에 의해 모델링을 하였다. 그 실린더들에 의해 만들어지는 무한차원의 식들에 대해 적당한 절단을 하고 계산하여 산란계수의 값을 구할 수 있었다. 얻어진 산란계수에 의해 산란전계를 구하고 기존의 논문결과들과 비교하였다.
최근 개발된 탄성파 공명산란이론에 기초하여, 원통형 유체산란체, 원통형 구멍 및 공명산란체의 문제에서 초음파탐촉자로 측정할 수 있는 응력 성분간 관계식을 유도하였다. 계산된 공명산란 응력부분파는 산란계수와 유사한 주파수 거동을 보이는데, 특히 공명주파수 근처에서 180°의 급격한 위상변화를 보인다. 유체 매질내 압력의 주파수 거동도 고찰함으로써, 탄성파 공명산란이론에 대한 이해를 증진하였다. 본 논문에서 연구되고 개발된 방법을 사용하면, 탄성매질 내의 유체개재물에 대한 비파괴평가의 신뢰성이 더욱 향상될 것이다.
거리종속 해양환경에서 정상모드 모델 중 하나인 KRAKEN 과 Lambert 공식 형태의 산란 함수를 이용하여 양상태 잔향음을 모델링 하였다. 단열 (adiabatic) 정상모드 모델을 이용하여 거리종속 환경에서의 송신기와 산란체, 산란체와 수신기 사이의 음장을 계산하며 각 산란체에서의 산란 강도는 각 모드별 파수에 의한 입사각 및 산란각을 이용, 모드 조합에 의해 계산하였다. 또한 광대역 모델링을 이용하여 시간 영역에서의 잔향음 신호를 계산하였다.
한국소음진동공학회 1998년도 춘계학술대회논문집; 용평리조트 타워콘도, 21-22 May 1998
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pp.622-628
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1998
The SONAR(SOund NAvigation and Ranging) is the system that detects objects and finds their locations in water by using the echo ranging technique. In this paper, the scattering phenomena for a rigid spherical scatterer will be analyzed using closed form solution, Boundary Element Method and Finite Element Method. Scattering analysis for an elastic spherical scatterer will be analyzed, later. In oder to analyzing the sound wave scattering phenomena for an elastic scatterer in water coupled problem between acoustic and vibration must be considered.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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