잠수함 방사소음
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잠수함 방사소음
  • 신선규 기자
  • 승인 2021.10.14 03:36
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방사소음 테스트와 데이터 베이스 구축

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함정의 소음을 감소시키기 위해 선행되어야 하는 작업은 다양한 해역 환경에서 전투함의 방사 소음 특성을 측정하여 이를 데이터 베이스로 구축하는 것이다. 전투함은 다양한 소음원을 보유하고 있으며, 이 때문에 방사하는 소음 대역 역시 범위가 크다고 할 수 있다. 또한 같은 전투함이라도 기동 상태와 해상 상태에 따라서 발생하는 소음 규모와 특성이 다르고, 같은 기동 상태라고 하더라도 해역 특성에 따라서 소음의 외부 방사 특성이 변하게 된다.

이 때문에 다양한 조건에서 어떠한 특성의 소음이 어떠한 경로를 통해 음향 센서로 전달되는지를 측정해야 할 필요가 있다. 이미 이 분야에 많은 투자를 하고 있는 해외 선진국들은 측정 여건이 좋은 시험 해역을 확보하고 이 곳에서 주요 함정의 방사 소음을 측정하는 고정 청음 장비를 운용 중이다. 참고로 측정 여건이 좋은 해역이라 함은 해상 활동이 거의 없는 해역을 의미한다. 해상 활동으로 인해 발생하는 소음은 측정 대상의 소음 측정에 영향을 미치며 측정 결과 해석에 오류를 초래하는데, 이러한 변인을 통제하는 것은 거의 불가능하다.

반면 한국의 경우, 주변 해역 대부분이 해양 경제활동권이기 때문에 측정을 방해하는 변인들로부터 자유로운 고정 측정 해역을 확보하기 쉽지 않다. 이 때문에 상황에 따라 측정 여건이 되는 해역에서 측정을 할 수 밖에 없다. 이를 위해 고정형 장비가 아니라 측정 해역에 이동 설치가 가능하고, 측정이 완료되면 회수가 가능한 측정 체계를 필요로 한다.

이 시스템의 핵심은 부표형 측정체계이다. 측정체계를 통합하여 부표로 만든 것은 역시 이동 배치와 퇴거가 가능해야 하기 때문이다. 이 시스템의 구성은 센서와 추적체계, 그리고 처리/제어를 담당하는 체계로 구성되어 있다. 음향 센서는 소노부이의 그것처럼 수면 위의 부표 안에 내장되어 있으며, 측정을 할 때에는 수중 케이블에 의해 지정된 심도까지 내려진 후 고정된다. 센서를 측정 심도에 고정시키기 위해 추와 고탄성 케이블이 사용되는데, 이는 센서의 불필요한 유동으로 인한 오차와 노이즈가 발생하지 않도록 하기 위함이다.

추적체계는 부이를 기준으로 측정 표적의 위치를 파악하고, 획득한 음향 신호 정보를 전송하기 위한 시스템이다. 이를 위해 처리/제어체계와의 인터페이스를 필요로 한다. 센서가 획득한 음향 정보는 제어/처리 체계의 프로세서에서 디지털 처리기법에 의해 실시간으로 스펙트럼으로 재구성된다.

다만 여기서 말하는 디지털 처리는 RF 신호를 사용하는 레이더와 ESM에서 사용하는 FFT 기반이 아니라 DFT 기반 알고리즘을 사용하게 된다(전자 신호 수신 장비에서 DFT 처리를 사용하지 않는다는 뜻 절대 아님). 음향 정보의 디지털 처리가 가능하다는 점을 이용하여 정밀한 측정을 위한 몇 가지 기법 적용을 예상할 수 있다. 쉽게 생각할 수 있는 것으로 밴드 필터링(Band Filtering) 또는 밴드 패스 필터링(Band Pass Filtering)을 사용하여 측정하고자 하는 대역의 소음만을 집중적으로 추적함으로써 보다 효율적인 테스트가 가능하도록 하는 것이다.

이를 위해서는 먼저 접촉하고 있는 소음에서 가장 높은 에너지를 점유하고 있는 주파수를 찾아내고, 다른 주파수도 어느 정도의 에너지를 점유하고 있는지를 파악한다. 이러한 작업이 이루어지면 부분적인 밴드폭(Bandwidth)을 찾을 수 있게 된다. 이 때 각 센서마다 집중적으로 추적하려는 중심 주파수 몇 가지를 결정하고, 각 센서에 추적해야 하는 중심주파수와 밴드폭을 할당하게 된다. 이 때 Band-pass filtering 기법을 유용하게 사용할 수 있다.

디지털 처리된 신호 정보의 도플러 분석을 통해 수중의 잡음들은 자동으로 필터링된다. 재구성된 정보는 추적 체계의 RF 모뎀에서 전송 가능한 전자적인 정보로 재구성되기 전까지 신호 저장기에 저장된다. 전자적인 정보라 함은 RF 모뎀에서 구성되는 반송파에 의해 전달되는 각종 베이스 밴드로 해석되는 정보를 의미한다.

베이스 밴드로 수신되는 정보에는 음향 정보뿐만 아니라 해당 음향이 수신된 각도와 심도, 수신 시각과 수신 당시 수중 환경 등의 정보도 포함된다. 이들은 측정/분석 소프트웨어에 의해 저장되어 데이터 베이스로 구축된다. 이러한 데이터 베이스를 이용하여 측정 대상이 된 함정에서 수중 환경과 기동에 따라 방사되는 소음 특성과 이들의 부분적인 밴드 폭, 대역 별로 노출되는 영역 등에 대해서 파악하고 이에 맞춰서 소음 감소 대책을 수립할 수 있다.

[디펜스투데이]

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