Editorial Board

수중 이동체의 이동 상황을 파악하기 위해 이동체로부터 발생한 수중 전기장 신호를 이용하는 위치추정 기술들이 연구되고 있다. 항만과 교량 주변에는 일반적인 선박들을 포함하여 수중 토목공사 등을 위한 다양한 수중 이동체들이 통행한다. 이러한 수중 이동체들의 이동 상황을 감지하는 기술은 선박과 수상/수중 구조물의 안전을 위해 중요하다. 전통적으로는 수중 이동체의 위치를 파악하기 위해 이동체에 의해 발생한 수중 음향 및 자기장 신호를 분석하는 기술들이 개발되었다[1,2]. 최근에는 이동체의 더 정밀한 위치추정을 위해 이동체로부터 발생한 수중 전기장 신호를 이용하는 센서 융합 기술 등이 연구되고 있다[3]. 특히 군사분야에서는 수중 음향 및 자기장 신호에 대한 피탐 기술이 적용된 수중 이동체를 탐지하기 위해 수중 전기장 신호를 이용한 탐지 기술이 활발히 연구되고 있다[4].

수중 전기장은 전기적 성질을 지닌 수중 목표물의 탐지 및 위치추정 등에 유용하게 사용될 수 있는 전기적 신호이다. 다양한 수중 자연물 및 인공물은 수중 전원(electric source)으로 작용하여 수중에 전기장을 형성하는데 이러한 전기적 신호를 측정하여 수중 전원을 분석하는 기술들이 연구되고 있다[5-7]. 특히 수중 이동체의 주변에는 선체와 프로펠러를 구성하는 이종 금속간의 부식 반응으로 발생한 전류와 부식 방지를 위한 음극방식 방법에 의해 인가된 전류 등으로 인하여 특유의 전기장이 형성된다[8,9]. 이러한 전기적 신호를 이용하여 수중 이동체의 위치추정 등에 활용할 수 있도록 수중 전기장 신호를 측정하기 위한 센서들이 개발되고 있다[10-12].

수중 전기장 센서는 복수의 전극, 전치증폭기, 그리고 신호처리기 등으로 구성되어 수중 목표물로부터 발생한 전기장 신호를 측정하는 센서이다. 전기장 센서는 센서를 구성하는 전극들 사이의 전위 차들을 감지하고, 감지된 신호를 증폭하고, 증폭된 신호를 주파수에 대해 처리하여 목표 주파수 대역의 전기장 신호 측정값을 제공한다. 수중 전기장 센서는 대표적으로 마주보는 세 쌍의 전극을 정육면체 형태로 배치하여 정밀한 3차원 전기장 신호를 측정하는 단일센서[13]와 일렬로 나열된 복수의 전극에서 여러 채널의 1차원 전기장 신호를 측정하여 원거리의 수중 목표물을 탐지하는 배열센서[14] 등이 있다. 본 연구에서는 원거리의 수중 이동체를 탐지하기 위해 배열센서를 사용하였다. 배열센서는 구성 전극들이 순서대로 케이블에 연결되고 선박 등을 통해 옮겨져 목표 부설 위치의 해수면 부근에서 하나씩 투하되는 방식으로 부설된다. 각 전극은 부설 중 전극에 작용하는 해류 및 코리올리 힘 등의 외력과 해저면의 불균일성 등으로 인해 목표 위치에 정확하게 부설되기 어렵다 (Fig. 1). 수중 이동체로부터 발생한 전기장 신호를 정확하게 측정하기 위해 이러한 전극 부설 위치 오차를 보정하는 기술이 필요하다.

Fig. 1. 
Installation of electric field sensor array and misplacement(red arrow) of electrodes.

수중 전기장 배열센서의 전극 부설 위치 오차는 수중 이동체의 전기장 신호 기반 위치추정 정확도에 영향을 미친다. 수중 이동체의 위치추정은 배열센서가 측정한 전기장 신호와 그 전기장 신호를 측정한 전극의 위치를 고려하여, 배열센서를 구성하는 전극들과 수중 이동체 사이의 상대 거리를 추정하는 방식으로 이루어진다. 따라서 수중 이동체의 정확한 위치추정을 위해서는 배열센서가 측정한 전기장 신호를 배열센서를 구성하는 전극들의 부설 위치 오차에 대해 보정하여야 한다. 지상에서는 전기장 배열센서가 날개에 부착된 기체 등이 폭풍의 위치를 정확히 탐지하여 안전하게 운행할 수 있도록 배열센서의 전극 설치 위치 오차를 보정하는 방법 등이 일부 연구되었으나[15], 수중에 부설된 전기장 배열센서의 전극 부설 위치 오차를 보정하기 위한 효과적인 방법 등은 연구가 필요하다. 본 논문은 배열센서 주변에 기지(known) 전기장 신호를 발생하는 신호발생장치를 기정(predefined) 경로를 따라 이동시켜 측정된 전기장 신호를 분석하여 배열센서를 구성하는 전극들의 부설 위치 오차를 추정하는 방법을 제안한다. 또한 추정된 전극들의 부설 위치 오차를 고려하여 측정된 전기장 신호를 부설 위치 오차 없이 이상적으로 부설된 배열센서가 측정했을 전기장 신호로 보정하는 방법을 제안한다. 제안 방법을 검증하기 위해 시뮬레이션 실험을 수행하여 배열센서를 구성하는 전극들의 부설 위치 오차 추정과 측정 전기장 신호의 보정 결과를 확인하였다.

본 논문은 수중 전기장 배열센서의 전극 부설 위치 오차를 보정하여 수중 목표물로부터 발생한 전기장 신호를 정확하게 측정할 수 있도록, 배열센서를 구성하는 전극들의 부설 위치 오차를 추정하고 추정된 부설 위치 오차를 기반으로 측정된 전기장 신호를 보정하는 방법을 제안한다. 수중 전기장 배열센서는 복수의 전극으로 구성되며, 각 전극은 부설 시 해류와 코리올리 힘 등의 외력과 해저면의 불균일성 등으로 인해 의도된 위치에 정확하게 부설되지 못한다 (Fig. 1). 배열센서를 구성하는 임의의 전극의 목표 부설 위치(p), 부설 위치 오차 (m), 그리고 실제 부설 위치(q)는 다음 3차원 벡터의 형태로 표현할 수 있다,

여기서 N는 배열센서를 구성하는 전극들의 총 개수, i는 배열센서를 구성하는 각 전극들에 순서대로 부여된 고유번호 (ID)이다. 배열센서는 구성 전극들 중 두 개씩의 전극들을 다양한 조합으로 선택하고, 선택된 각 전극조합의 두 전극 사이 전위차를 감지하는 방식으로 다채널 전기장 신호를 측정한다. 배열센서가 측정한 다채널 전기장 신호와 신호 측정을 담당한 전극들의 고유번호(electrode ID)는 각각 다음 행렬의 형태로 표현할 수 있다,

여기서 J는 배열센서가 측정하는 전기장 신호의 총 채널 수, E_j는 배열센서의 j-번째 채널에서 측정한 전기장 신호, eid_j1와 eid_j2는 배열센서의 j-번째 채널 전기장 신호 측정을 담당하는 두 전극의 고유번호이다 (1≤eid_j1, eid_j2≤I를 만족하는 정수).

본 연구에서는 배열센서 주변에 기지 전기장을 형성한 후 배열센서가 실제 측정한 전기장 신호와 유사한 측정환경에서 측정되어야 하는 이론적인 전기장 신호 사이의 오차를 분석하여 전극들의 부설 위치 오차를 추정하는 방법을 제안한다. 또한 추정된 전극들의 부설 위치 오차를 기반으로 미지의 수중 목표물로부터 측정한 전기장 신호를 보정하는 방법을 제안한다.

제안된 수중 전기장 배열센서 전극 부설 위치 오차 보정 방법을 검증하기 위해 시뮬레이션 실험을 진행하였다. 시뮬레이션 실험에서 임의의 전극 부설 위치 오차를 가진 가상의 배열센서를 구성하고 그 주변에 기지 전기장 신호발생장치와 미지 수중 이동체를 이동하며 측정 전기장 신호의 보정 과정 및 결과를 확인하였다. 우선 제안 방법이 배열센서의 전극 부설 위치 오차를 추정할 수 있는지 확인하기 위해 시뮬레이션 실험에서 설정한 전극 부설 위치 오차와 제안 보정 방법을 통해 추정된 전극 부설 위치 오차를 비교하였다. 다음으로 제안 보정 방법이 배열센서가 측정한 전기장 신호를 보정할 수 있는지 확인하기 위해 제안 보정 방법을 통해 보정된 전기장 신호와 이상적으로 부설된 배열센서가 측정한 이론적 전기장 신호를 비교하였다. 마지막으로 제안 보정 방법을 이용한 배열센서의 측정 전기장 신호 보정이 수중 이동체의 위치추정 정확도 증가에 어느정도 영향을 미치는지 분석하기 위해 제안 보정 방법을 적용하기 전/후 수중 이동체 위치추정 오차를 비교하였다.

제안 보정 방법의 검증을 위한 시뮬레이션 실험을 진행하기 위해 임의 설정의 전극 부설 위치 오차를 가진 배열센서, 전기장 신호발생장치, 그리고 수중 이동체 등을 구성하였다.

수식 (6)을 적용하여 시뮬레이션에서 사용된 배열센서의 전기장 신호 수신 모델을 구성하였다. 배열센서는 여섯 개의 전극으로 구성하였고, 각 전극은 수심이 30 m인 바다의 해저면에 Y축 방향으로 30 m 간격으로 정렬되도록 목표 부설 위치를 설정하였다,

각 전극의 부설 위치 오차는 X와 Y축 방향으로는 표준편차 2 그리고 Z축 방향으로는 표준편차 0.5의 정규분포 모델을 이용해 구성하였다 (Table 2). 배열센서는 일렬로 나열된 여섯 개의 전극 중 서로 인접한 두 전극 사이의 전기장 신호를 측정하여 총 다섯 개 채널의 신호를 측정하였다. 신호발생장치는(-10 0 0) 위치부터 (10 0 0) 위치까지 직선 경로를 따라 20 m 거리를 이동하였고, 이동 경로의 방향으로 10 A·m의 다이폴모먼트를 가진 하나의 점 다이폴로 구성하였다. 배열센서는 신호발생장치가 5 m 이동할 때마다 신호발생장치에서 발생한 전기장 신호를 측정하였다. 수중 이동체는 (-1000 15) 위치부터 (100 0 15) 위치까지의 첫 번째 경로 그리고 -1002 -1002 15 위치부터 1002 1002 15 위치까지의 두 번째 경로를 따라 각각 200 m 거리를 이동하였고, 이동 경로의 방향으로 20 A·m의 다이폴모먼트를 가진 하나의 점 다이폴로 구성하였다. 첫 번째 경로에서는 수중 이동체가 배열센서의 전극 배열과 수직한 방향으로 그리고 두 번째 경로에서는 사선의 방향으로 접근하였다. 배열센서는 수중 이동체가 2 m 이동할 때마다 수중 이동체에서 발생한 전기장 신호를 측정하였다. 해수의 전기전도도는 5.0 S/m로 설정하였다. Table 1은 입자군집최적화 방법에 사용된 제어변수이다. 최적화 중 배열센서를 구성하는 전극 및 수중 이동체가 존재하는 공간은 원점을 기준으로 X와 Y축 방향으로 각각 1000 m 그리고 Z축 방향으로 20 m로 제한하였다. 최적화는 5회 반복시행하여 그 평균값을 최적값으로 사용하였다.

본 논문은 수중 전기장 배열센서의 측정 전기장 신호를 기반으로 수중 이동체의 위치를 추정할 경우 정밀한 위치추정을 위하여 배열센서가 측정한 전기장 신호를 배열센서의 전극 부설 위치 오차를 고려하여 보정하는 방법을 제안한다. 제안 보정 방법은 기지 전기장 신호발생장치를 이용하여 배열센서를 구성하는 전극들의 부설 위치 오차를 추정하는 단계, 추정된 전극들의 부설 위치 오차를 고려하여 측정되는 전기장을 발생하는 수중 이동체를 추정하는 단계, 그리고 추정된 미지의 수중 이동체를 기준으로 이상적으로 부설된 배열센서가 측정했을 이론적인 전기장 신호를 계산하는 단계로 구성된다. 제안 방법은 전기장 신호발생장치와 수중 이동체를 점 다이폴의 집합으로 표현하여 이론적 계산을 위한 전기장 신호 수신 모델을 구성하였고, 배열센서의 전극 부설 위치 오차와 수중 이동체를 구성하는 점 다이폴 집합의 추정을 최적화하기 위해 입자군집최적화 방법을 사용하였다. 시뮬레이션 실험을 통해 제안 방법을 검증하였고 실험 결과 제안 방법이 배열센서의 전극 위치 오차를 추정하고 측정된 전기장 신호를 보정할 수 있음을 확인하였다 (Table 3). 본 논문에서 구성한 시뮬레이션 실험에서 수중 이동체가 배열센서의 전극 배열과 수직한 방향 그리고 사선 방향으로 두 가지 방향에서 접근하였을 때, 배열센서의 전기장 신호 측정 오차는 보정 전과 비교하여 보정 후에 각각 89.1%와 87.8% 감소하였다. 수중 이동체의 위치추정 오차는 보정 전과 비교하여 보정 후에 각각 68.8%와 64.3% 감소하였다. 제안된 수중 전기장 배열센서 전극 부설 위치 오차 보정 방법은 수중 전기장 신호의 정확한 측정을 요구하는 수중 목표물 탐지 및 위치추정 등의 향후 응용연구에 기여할 수 있다.