본 연구에서는 물리광학법 (physical optics)과 푸리에 변환 (Fourier transform)을 바탕으로 잠수함과 같이 크고 형상이 복잡한 수중표적의 시간영역 음파 후방산란 신호를 모의하기 위한 수치해석방법을 구현하였다. 키르코프-헬름홀쯔 적분식 (Kirchhoff-Helmholtz integral equation)에 키르코프 근사이론 (Kirchhoff approximation)을 적용하여 유도한 물리광학법을 바탕으로 수중표적의 후방산란 음파에 대한 주파수 응답을 계산하였으며, 시간영역 신호모의를 위해 구해진 주파수응답에 고속 역푸리에 변환 (inverse fast Fourier transform)을 취하였다. 입사 음파의 직접조사 면적을 산정하기 위한 적응 삼각형 빔 방법과 다중반사 효과를 고려하기 위한 가상면 개념을 도입하였다. 평면 음파가 정사각형 평판에 수직으로 입사하는 경우에 대한 수치해석 결과를 시간영역 물리광학법에 근거한 해석해와 비교하여 본 연구에서 구현한 수치해석방법의 정확성을 검증하였으며, 반구형 원통모델에 대한 수치모의 결과를 측정결과와 비교하여 본 연구방법이 거울반사 (specular reflection) 효과가 우세한 경우에 유효한 해를 제공할 수 있으나 작은 표적에 대해서는 오차를 줄 수 있음을 확인하였다. 또한, 이상화된 잠수함 모델에 대한 수치해석을 통해 실제 수중표적에 대한 시간영역 후방산란 해석으로의 적용 가능성을 확인하였다.
In this study, a numerical method for a time-domain acoustic wave backscattering analysis is established based on a physical optics and a Fourier transform. The frequency responses of underwater targets are calculated based on physical optics derived from the Kirchhoff-Helmholtz integral equation by applying Kirchhoff approximation and the time-domain signals are simulated taking inverse fast Fourier transform to the obtained frequency responses. Particularly, the adaptive triangular beam method is introduced to calculate the areas impinged directly by acoustic incident wave and the virtual surface concept is adopted to consider the multiple reflection effect. The numerical analysis result for an acoustic plane wave field incident normally upon a square flat plate is coincident with the result by the analytic time-domain physical optics derived theoretically from a conventional physical optics. The numerical simulation result for a hemi-spherical end-capped cylinder model is compared with the measurement result, so that it is recognized that the presented method is valid when the specular reflection effect is predominant, but, for small targets, gives errors due to higher order scattering components. The numerical analysis of an idealized submarine shows that the established method is effectively applicable to large and complex-shaped underwater targets.
