대한민국 해군 도산안창호급(KSS-III) 잠수함 어뢰 기만기 음향 대항체계(TACM) 다중 주파수 광대역 기만 음원 방사 및 음향 도플러 편이 1,000Hz 0-Alloc C# 소나 기만 엔진

제1장: 수중 음속 프로파일(Mackenzie 모델) 및 음파 굴절 법칙

해수 내 음속 $c_w$는 수온($T$, $^\circ\text{C}$), 염분($S$, $\text{ppt}$), 수심($D$, $\text{m}$)의 비선형 함수인 Mackenzie(1981) 공식으로 표현됩니다:

제2장: 음향 도플러 주파수 변조 및 에코 리피터(Echo Repeater) 합성 기하

접근하는 어뢰가 중심 주파수 $f_0$로 능동 음향 핑을 방사할 때, 기만기가 가상 잠수함의 상대 속도 $v_{\text{fake}}$를 모사하기 위해 변조해야 하는 응답 주파수 $f_{\text{echo}}$는 다음과 같습니다:

제3장: 1,000Hz 0-Alloc C# TACM 소나 대항 엔진 아키텍처

수중 음파 전달 손실과 음향 도플러 합성을 1ms 주기로 무할당 실행하는 순수 C# 구조체입니다:

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

namespace ZeliDesk.Defense.Kss3Tacm
{
    /// <summary>
    /// 해양 수중 환경 및 음속 프로파일 파라미터 (0-Alloc)
    /// </summary>
    public readonly struct OceanProfile
    {
        public readonly float TemperatureC; // 해수 온도 (deg C)
        public readonly float SalinityPpt;  // 염분 농도 (ppt)
        public readonly float DepthM;       // 수심 (m)
        public readonly float SoundSpeedMps;// 계산된 수중 음속 (m/s)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public OceanProfile(float temp, float sal, float depth)
        {
            TemperatureC = temp;
            SalinityPpt = sal;
            DepthM = depth;
            // Mackenzie(1981) 9계 단순화 모델
            SoundSpeedMps = 1448.96f + 4.591f * temp - 0.05304f * temp * temp 
                          + 1.340f * (sal - 35.0f) + 0.0163f * depth;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 어뢰 음향 핑 탐지 및 기만 음원 방사 지령
    /// </summary>
    public readonly struct TacmDecoyCommand
    {
        public readonly float TransmitFreqHz;   // 기만기 방사 주파수 (Hz)
        public readonly float DopplerShiftHz;   // 도플러 편이량 (Hz)
        public readonly float SourceLevelDb;    // 기만 음원 준위 (dB re 1uPa)
        public readonly float DelayTimeMs;      // 에코 합성 지연시간 (ms)
        public readonly bool EmitBroadbandNoise;// 광대역 마스킹 재머 가동 여부

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public TacmDecoyCommand(float freq, float doppler, float sl, float delayMs, bool jam)
        {
            TransmitFreqHz = freq;
            DopplerShiftHz = doppler;
            SourceLevelDb = sl;
            DelayTimeMs = delayMs;
            EmitBroadbandNoise = jam;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 결정론적 KSS-III 어뢰 음향 대항(TACM) 제어 엔진
    /// </summary>
    public ref struct Kss3TacmDecoyEngine
    {
        private const float AbsorptionCoeffDbKm = 0.85f; // 흡수 감쇠 계수 (30kHz)
        private const float TargetStrengthSubDb = 15.0f; // 3,000톤급 잠수함 반사강도 (dB)

        private Vector3 _decoyPos;
        private Vector3 _fakeSubPos;
        private Vector3 _fakeSubVel;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public Kss3TacmDecoyEngine(Vector3 decoyInitialPos, Vector3 fakePos, Vector3 fakeVel)
        {
            _decoyPos = decoyInitialPos;
            _fakeSubPos = fakePos;
            _fakeSubVel = fakeVel;
        }

        /// <summary>
        /// 1,000Hz 주기 어뢰 능동 핑 분석 및 기만 방사 파라미터 연산 (0-Alloc)
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public TacmDecoyCommand SynthesizeDecoyResponse(
            ref OceanProfile ocean, 
            Vector3 torpPos, 
            Vector3 torpVel, 
            float incomingPingFreqHz, 
            float dt)
        {
            // 가상 잠수함 위치 외삽
            _fakeSubPos += _fakeSubVel * dt;

            // 어뢰와의 기하학적 거리 산출
            Vector3 relDecoy = _decoyPos - torpPos;
            Vector3 relFakeSub = _fakeSubPos - torpPos;

            float distDecoy = relDecoy.Length();
            float distFakeSub = relFakeSub.Length();

            float c = ocean.SoundSpeedMps;

            // 시선 방향 단위 벡터 및 상대 속도
            Vector3 losUnit = Vector3.Normalize(relFakeSub);
            float closingSpeed = Vector3.Dot(_fakeSubVel - torpVel, losUnit);

            // 2차 도플러 주파수 계산: f_echo = f0 * (1 + 2 * v_rel / c)
            float dopplerShift = incomingPingFreqHz * (2.0f * closingSpeed / c);
            float txFreq = incomingPingFreqHz + dopplerShift;

            // 음향 전달 손실 TL = 20*log10(r) + alpha * r (구면 확산)
            float distKm = MathF.Max(distFakeSub / 1000.0f, 0.01f);
            float tl = 20.0f * MathF.Log10(distFakeSub) + AbsorptionCoeffDbKm * distKm;

            // 목표 반사 에코 준위 RL = SL_torp - 2*TL + TS
            // 기만기는 어뢰 수신기에 도달하는 준위를 잠수함 에코 수준(Target Strength)으로 정합
            float sourceLevel = 185.0f; // 기만기 기준 출력 (dB)

            // Range Gate Pull-Off (RGPO) 거리 지연시간 계산
            float deltaR = MathF.Max(0.0f, distFakeSub - distDecoy);
            float delayMs = (2.0f * deltaR / c) * 1000.0f;

            // 어뢰가 1,000m 이내로 초근접 시 광대역 재밍 전환
            bool enableJammer = distDecoy < 1000.0f;

            return new TacmDecoyCommand(txFreq, dopplerShift, sourceLevel, delayMs, enableJammer);
        }
    }
}

제4장: 어뢰 접근 및 RGPO 음향 기만 시계열 검증 지표

시속 50노트(25.7m/s)로 유도 접근하는 적 능동 어뢰에 대한 1,000Hz TACM 기만 반응 시계열 데이터입니다: