Depth estimation of an underwater target using DIFAR sonobuoy

다이파 소노부이를 활용한 수중표적 심도 추정

Abstract

In modern Anti-Submarine Warfare, there are various ways to locate a submarine in a two-dimensional space. For more effective tracking and attack against a submarine the depth of the target is a critical factor. However, it has been difficult to find out the depth of a submarine until now. In this paper a possible solution to the depth estimation of submarines is proposed utilizing DIFAR (Directional Frequency Analysis and Recording) sonobuoy information such as contact bearings at or prior to CPA (Closest Point of Approach) and the target's Doppler signals. The relative depth of the target is determined by applying the Pythagorean theorem to the slant range and horizontal range between the target and the hydrophone of a DIFAR sonobuoy. The slant range is calculated using the Doppler shift and the target's velocity. the horizontal range can be obtained by applying a simple trigonometric function for two consecutive contact bearings and the travel distance of the target. The simulation results show that the algorithm is subject to an elevation angle, which is determined by the relative depth and horizontal distance between the sonobuoy and target, and that a precise measurement of the Doppler shift is crucial.

현대 대잠전에 있어 잠수함에 대한 2차원 위치추정에 다양한 방법들이 있다. 잠수함에 대한 보다 효과적인 추적 및 공격을 위해 표적 심도는 매우 중요한 요소이다. 하지만 현재까지도 잠수함의 심도를 찾아낸다는 것은 어려운 일이다. 본 논문에서는 최단접근점(Closest Point of Approach, CPA) 전후의 표적 접촉방위와 표적 도플러 신호 등 다이파 소노부이 접촉정보를 이용한 잠수함 심도 추정 기법을 제안하고자 한다. 표적의 상대심도는 표적과 다이파 소노부이의 청음기 간 사선거리 및 수평거리에 피타고라스 정리를 적용하여 결정된다. 이때 사선거리는 도플러변이와 표적 속도에 의해서 계산되며, 수평거리는 표적에 대한 연속된 접촉방위와 표적의 이동거리에 삼각함수를 적용하여 얻을 수 있다. 본 논문에서 제시된 알고리즘의 성능은 소노부이-표적 간 수평거리 및 상대심도에 의해 결정되는 고각과 도플러 변이 값의 측정 정확성에 의해 좌우됨을 시뮬레이션을 통해 알 수 있다.

Fig. 1. Geometrical relationship for depth estimation of target.

Fig. 2. Trigonometric relationship for calculating V_radial.

Fig. 3. Performance variations with changes in horizontal range.

Fig. 4. Performance variations with changes in relative depth.

Fig. 5. Small angle approximation error with angle.

Table 1. Input Parameters for simulation.