대한민국 해군 잠수함 어뢰음향대항체계(TACM) 자항식 디코이 음향 모사 및 1,000Hz 0-Alloc C# 도플러 합성 엔진

1. 수중 음향 표적강도(TS) 및 도플러 편이 수리 모델

어뢰 송신 주파수 $f_0$, 음속 $c \approx 1500\,\text{m/s}$, 어뢰 접근 속도 $v_{\text{tor}}$, 디코이 기만 항주 속도 $v_{\text{dec}}$에 대한 도플러 수신 주파수 $f_{\text{rx}}$ 및 편이량 $\Delta f$:

타원체 근사 잠수함 등가 음향 반사 단면적 $A_{\text{eff}}$ 및 입사각 $\theta$에 따른 능동 표적강도 $TS(\theta)$:

2. 광대역 능동 에코 모사 및 위상 변조식

수신된 어뢰 핑 신호 $s_{\text{in}}(t)$에 대한 방사 합성 신호 $s_{\text{out}}(t)$:

3. 1,000Hz 0-Alloc SIMD C# 음향 디코이 신호 합성 엔진

GC 지연 없이 1밀리초 주기로 어뢰 핑을 분석하고 고출력 압전 트랜스듀서로 기만 방사 신호를 생성하는 C# 엔진입니다.

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Defense.AcousticCountermeasure
{
    /// 

    /// 수신 어뢰 핑 및 디코이 기동 상태 텔레메트리 (Stack 전용)
    /// 
    public readonly ref struct TorpedoPingTelemetry
    {
        public readonly float PingCarrierFreqKhz;     // 어뢰 탐색 핑 중심주파수 (20~60 kHz)
        public readonly float ReceivedSoundLevelDb;   // 수신 신호 음압 레벨 (dB)
        public readonly float RelativeApproachSpeedMps;// 어뢰 상대 접근 속도 (m/s)
        public readonly float AspectAngleDeg;         // 어뢰 조우 조각 (Aspect Angle, 도)
        public readonly float DecoySpeedKnots;        // 디코이 자항 속도 (노트)

        public TorpedoPingTelemetry(
            float freq, float soundLevel, float relSpeed, float aspect, float decoySpeed)
        {
            PingCarrierFreqKhz = freq;
            ReceivedSoundLevelDb = soundLevel;
            RelativeApproachSpeedMps = relSpeed;
            AspectAngleDeg = aspect;
            DecoySpeedKnots = decoySpeed;
        }
    }

    /// 

    /// 디코이 트랜스듀서 방사 제어 출력
    /// 
    public readonly ref struct DecoyAcousticOutput
    {
        public readonly float TransmitSourceLevelDb;  // 방사 음원 준위 (Source Level, dB)
        public readonly float DopplerShiftKhz;        // 합성 도플러 주파수 편이 (kHz)
        public readonly float BpfCavitationGain;      // 추진기 캐비테이션 변조도
        public readonly bool IsDecoyLocked;           // 어뢰 기만 유인 성공 여부

        public DecoyAcousticOutput(float sl, float doppler, float bpfGain, bool locked)
        {
            TransmitSourceLevelDb = sl;
            DopplerShiftKhz = doppler;
            BpfCavitationGain = bpfGain;
            IsDecoyLocked = locked;
        }
    }

    /// 

    /// TACM 1,000Hz 0-Alloc C# 음향 기만 합성 엔진
    /// 
    public static class AcousticDecoySynthesisEngine
    {
        private const float SpeedOfSoundInWater = 1500.0f; // 수중 공칭 음속 (m/s)
        private const float BaseSubmarineTsDb = 15.0f;     // 잠수함 공칭 표적강도 (dB)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static DecoyAcousticOutput SynthesizeEcho(
            in TorpedoPingTelemetry telemetry)
        {
            // 1. 도플러 편이량 산출: fd = f0 * (2 * v_rel / c)
            float dopplerShiftHz = telemetry.PingCarrierFreqKhz * 1000.0f * 
                (2.0f * telemetry.RelativeApproachSpeedMps / SpeedOfSoundInWater);
            float dopplerShiftKhz = dopplerShiftHz / 1000.0f;

            // 2. 각도별 표적강도(TS) 계산 (정면/후면은 낮고 측면 90도는 최대)
            float rad = telemetry.AspectAngleDeg * (MathF.PI / 180.0f);
            float angleFactor = MathF.Abs(MathF.Sin(rad));
            float synthesizedTsDb = BaseSubmarineTsDb + (angleFactor * 8.5f);

            // 방사 음원 준위 (SL = Rx + TS + Geometrical Spreading Gain)
            float transmitSlDb = Math.Clamp(telemetry.ReceivedSoundLevelDb + synthesizedTsDb, 140.0f, 215.0f);

            // 3. 자항식 프로펠러 BPF 캐비테이션 변조 게인
            float bpfGain = Math.Clamp(telemetry.DecoySpeedKnots / 30.0f, 0.2f, 1.0f);

            // 어뢰 신호 레벨이 기준치 이상이고 방사 음압이 충분할 때 록온 유인 판정
            bool locked = telemetry.ReceivedSoundLevelDb > 85.0f && transmitSlDb > 180.0f;

            return new DecoyAcousticOutput(transmitSlDb, dopplerShiftKhz, bpfGain, locked);
        }
    }
}

4. 수중 음향 기만 HIL 시뮬레이션 및 교육적 가치