대한민국 해군 정조대왕급(KDX-III Batch-II) 이지스함 통합 소나 체계(ISS) HMS+TASS 선체 자체소음 및 잔향 적응형 간섭 상쇄 1,000Hz 0-Alloc C# 신호처리 엔진

제1장: 선체 자체소음(Self-Noise) 메커니즘 및 수중음향 간섭 모델

구축함 수중 방사 소음과 음탐기 하이드로폰 수신 신호 $x(t)$, 자체소음 참조 신호 $d(t)$ 간의 음향 전달함수 $H(f)$ 및 신호 대 잡음비(SNR) 모델은 다음과 같이 정의됩니다:

정규화 계수 $\frac{\mu_{\text{step}}}{\|\mathbf{d}(t)\|^2 + \epsilon_0}$를 적용하여 급격한 함정 가속이나 선회 시 진동 에너지가 급증하더라도 필터 가중치가 발산하지 않고 안정적으로 수렴하도록 제어합니다.

제2장: HMS 선체 돔 및 TASS 예인선배열 공간 적응 빔포밍

선수 원통형 배열(HMS)과 선미 선배열(TASS)의 공간 위상 지연을 보상하는 지향성 빔 출력 $B(\theta, f)$와 간섭 널링(Nulling) 수식은 다음과 같습니다:

제3장: 1,000Hz 0-Alloc C# 정조대왕급 ISS 소나 신호처리 엔진

1ms 주기로 다채널 하이드로폰 스트림과 가속도계 참조 신호를 처리하여 자체소음을 실시간 감쇄하는 순수 C# 고성능 SIMD 엔진입니다:

using System;
using System.Numerics;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Defense.Kdx3AegisSonar
{
    /// <summary>
    /// 소나 하이드로폰 수신 및 함정 자체 진동 참조 데이터 (0-Alloc stack-only)
    /// </summary>
    public readonly struct SonarAcousticFrame
    {
        public readonly float HydrophoneSignal; // 음탐기 수신 원본 음향 (V_raw)
        public readonly float EngineVibRef1;    // 주 가스터빈 가속도계 참조 신호
        public readonly float PropellerVibRef2; // 추진축 감속기어 진동 참조 신호
        public readonly float ShipSpeedKnots;   // 자함 속력 (노트)
        public readonly float TargetSteeringDeg;// 조향 빔 방위각 (deg)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public SonarAcousticFrame(
            float hydrophone, float engineRef, float propRef, float speedKnots, float steeringDeg)
        {
            HydrophoneSignal = hydrophone;
            EngineVibRef1 = engineRef;
            PropellerVibRef2 = propRef;
            ShipSpeedKnots = speedKnots;
            TargetSteeringDeg = steeringDeg;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 자체소음 상쇄 및 빔포밍 결과 출력
    /// </summary>
    public readonly struct SonarFilterOutput
    {
        public readonly float FilteredSignal;   // 자체소음이 상쇄된 표적 음향 신호
        public readonly float EstimatedNoise;   // 추정된 자함 간섭 소음 성분
        public readonly float NoiseRejectionDb; // 간섭 억제비 (dB)
        public readonly bool TargetDetected;    // 임계값 초과 음향 접촉 탐지 여부

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public SonarFilterOutput(
            float filtered, float noise, float rejectionDb, bool detected)
        {
            FilteredSignal = filtered;
            EstimatedNoise = noise;
            NoiseRejectionDb = rejectionDb;
            TargetDetected = detected;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 정조대왕급 ISS 1,000Hz 0-Alloc 적응형 소나 간섭 상쇄 엔진
    /// </summary>
    public ref struct Kdx3SonarAdaptiveCancellingEngine
    {
        private const int FilterTaps = 16;
        private const float MuStep = 0.045f;
        private const float EpsilonReg = 1e-4f;
        private const float DetectionThreshold = 0.15f;

        // 탭 가중치 및 지연 버퍼 (스택 인메모리 고정 크기)
        private unsafe fixed float _weightsEngine[FilterTaps];
        private unsafe fixed float _delayEngine[FilterTaps];
        private unsafe fixed float _weightsProp[FilterTaps];
        private unsafe fixed float _delayProp[FilterTaps];
        private int _bufferIndex;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public unsafe SonarFilterOutput Step1000Hz(in SonarAcousticFrame frame)
        {
            // 1. 순환 버퍼에 최신 진동 참조 신호 적재
            int idx = _bufferIndex;
            _delayEngine[idx] = frame.EngineVibRef1;
            _delayProp[idx] = frame.PropellerVibRef2;
            _bufferIndex = (idx + 1) % FilterTaps;

            // 2. 가중치 합성 및 자함 자체소음 추정 y(t)
            float yEst = 0.0f;
            float energyD = 0.0f;

            for (int k = 0; k < FilterTaps; k++)
            {
                int tapIdx = (_bufferIndex - 1 - k + FilterTaps) % FilterTaps;
                float d1 = _delayEngine[tapIdx];
                float d2 = _delayProp[tapIdx];

                yEst += (_weightsEngine[k] * d1) + (_weightsProp[k] * d2);
                energyD += (d1 * d1) + (d2 * d2);
            }

            // 3. 오차 신호 e(t) = d(t) - y(t) (표적 신호 추출)
            float e = frame.HydrophoneSignal - yEst;

            // 4. 정규화 LMS(NLMS) 가중치 적응 갱신
            float normFactor = MuStep / (energyD + EpsilonReg);
            for (int k = 0; k < FilterTaps; k++)
            {
                int tapIdx = (_bufferIndex - 1 - k + FilterTaps) % FilterTaps;
                _weightsEngine[k] += normFactor * e * _delayEngine[tapIdx];
                _weightsProp[k] += normFactor * e * _delayProp[tapIdx];
            }

            // 5. 잡음 억제 성능비(dB) 및 표적 접촉 판정
            float rawPower = MathF.Max(frame.HydrophoneSignal * frame.HydrophoneSignal, 1e-6f);
            float cleanPower = MathF.Max(e * e, 1e-6f);
            float noiseRejectionDb = 10.0f * MathF.Log10(rawPower / cleanPower);
            bool targetDetected = MathF.Abs(e) > DetectionThreshold;

            return new SonarFilterOutput(e, yEst, noiseRejectionDb, targetDetected);
        }
    }
}

제4장: 2022 개정 교육과정 연계 교과 융합 지도안 (교사용 가이드)