KR101658463B1 - 수중 과도 신호 탐지 및 추적 장치 - Google Patents

Abstract

수중 과도 신호 탐지 및 추적 장치가 개시된다. 본 발명의 실시예들은, 수중의 이동체로부터 음향 신호를 수신하고, 다중배열구조로 형성되는 복수의 하이드로폰과, 상기 수신된 음향 신호를 기초로, 원하는 과도신호를 추출하는 검파부와, 상기 검파부에 의하여 추출하고자 하는 과도신호에 대응되는 표준과도신호를 저장하고, 검파부에 의하여 호출되는 데이터베이스와, 상기 검파부로부터 추출된 과도신호의 중첩신호를 이용하여, 추출된 과도신호에 대응되는 신호원의 방향 및 거리 정보를 산출하는 신호처리부와, 상기 신호원의 방향 및 거리 정보를 이용하여, 상기 신호원의 위치를 추적하고, 상기 신호원의 방향 및 거리 정보와 신호원의 이동경로를 출력하는 단말부와, 상기 검파부, 신호처리부, 단말부의 동작을 제어하고 동기화를 수행하는 제어부를 포함하여 이루어진다.

Description

수중 과도 신호 탐지 및 추적 장치{APPARATUS FOR DETECTING AND TRACKING OF UNDERWATER TRANSIENT SIGNAL}

본 발명은 하이드로폰을 이용한 수중 과도신호 추적 장치에 관한 것이다.

미래의 전장 환경은, 유인 또는 무인 플랫폼(Vehicle)과 지상/공중/해상이 통합 연계된 환경에서 점차적으로 무인화된 비접촉/원격전으로 발전하고 있다.

또한, 고도화된 감시정찰 기능을 무력화시키기 위해, 이동체의 스텔스 기능이 더욱 강화되고 있다. 이에, 스텔스 기능을 갖춘 이동체의 공격을 레이더나 소나로 탐지하고 감시하는 것은 점점 어려워지고 있다.

또한, 수중(또는 해상)에서는 전달 거리가 짧기 때문에, 이동체를 탐지하고 감시하기 위한 수단으로 빛이나 전자파 대산 '음향 신호'를 주로 사용한다. 구체적으로, 이동체 의해 발생되는 방사 소음을 탐지하여서 이동체를 탐지 및 추적한다.

수중감시 체계의 경우, 주변 소음(Ambient noise), 자체 소음(Self-noise), 잔향음(Reverberation), 음향 간섭(Acoustic interference) 등으로 수중 소음을 구분할 수 있는데, 이러한 수중 소음은 해양에서 다양한 물리적인 기작을 토대로 발생하는 음향 현상으로, 신호에 섭동을 일으켜 소나 시스템의 운용을 저해한다.

따라서, 이러한 수중 소음의 발생 원인에 따라, 자체 소음, 잔향음, 음향 간섭 등의 소나 시스템 자체 원인을 제외한 외적인 자연 발생이나 또는 인공 발생에 의하여 생성되는 신호, 예를 들어 주변 소음을 추출하는 것이 중요해졌다.

이러한 주변 소음은, 지리적인 위치나, 수심, 해양 환경 등에 따라 며칠 동안 또는 측정기간 내내 발생하는 '영구 소음'과, 생물, 강우 등에 의하여 수 초에서 수 시간에 걸쳐 발생하는 '간헐 소음'으로 다시 나눌 수 있다.

'영구 소음'은 장기간 측정된 자료를 기초로 생성된 Wenz 모델이나 WOTAN (Weather Observations Through Ambient Noise) 모델 등을 이용하여 예측이 가능하다. 반면, '간헐 소음'은 생물, 강우뿐만 아니라 우박, 눈, 퇴적층 이동, 천둥이나 항공기 소음, 잠수하는 새, 잠수함, 어뢰 등 시공간적으로 매우 다양한 원인에 의하여 그리고 갑작스럽게 발생하기 때문에 예측이나 측정이 쉽지 않다.

이러한 관점에서, '간헐 소음'은 주기를 갖지 않고 제한된 지속 시간을 갖는 신호로 정의할 수 있으며, '과도 신호'로 간주될 수 있다.

수중 과도 신호는, 과도 신호의 발생 원인에 대응되는 신호 특성에 따라, 생물 딸각거림(Bio clicks), 계류(Mooring), 프로펠러(Propeller), 제어(Controls), 덜컥거림(Rattles), 사슬(Chains), 기계(Machinery), 두드림(Knocks), 딸랑거림(Tinkling), 추진(Propulsion) 등으로 분류될 수 있다.

이와 같이 분류된 과도 신호의 속성은, 공통적으로 음색, 음원 재료, 시간 패턴 등으로 구성된다. 그리고, 현재까지는 다양한 잡음이 포함된 측정 신호에서 운용자가 원하는 과도 신호만을 인식하는 것은 기존의 분류 방법으로는 매우 어렵니다 .

또한, 실제 해양 환경에서는 영구 소음이 배경 소음으로 존재하고 일시적으로 그리고 국지적으로 과도 신호가 발생하므로, 과도 신호와 수중 영구 소음과의 분리가 매우 중요하다. 특히, 과도 신호의 분류에 따라, 특정 과도 신호만 필요한 경우가 있으므로, 운용자가 원하는 과도 신호만을 추출하고 이로부터 신호원을 추적하는 시스템이 필요해졌다.

이에, 본 발명의 실시예들은, 수중 과도 신호를 이용하여 이동체를 탐지 및 추적할 수 있는 수중 과도신호 탐지 및 추적 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 수중 과도신호 탐지 및 추적 장치는, 수중의 이동체로부터 음향 신호를 수신하고, 다중배열구조로 형성되는 복수의 하이드로폰과; 상기 수신된 음향 신호를 기초로, 원하는 과도신호를 추출하는 검파부와; 상기 검파부에 의하여 추출하고자 하는 과도신호에 대응되는 표준과도신호를 저장하고, 검파부에 의하여 호출되는 데이터베이스와; 상기 검파부로부터 추출된 과도신호의 중첩신호를 이용하여, 추출된 과도신호에 대응되는 신호원의 방향 및 거리 정보를 산출하는 신호처리부와; 상기 신호원의 방향 및 거리 정보를 이용하여, 상기 신호원의 위치를 추적하고, 추적 결과 상기 신호원의 방향 및 거리 정보와 신호원의 이동경로를 출력하는 단말부와; 그리고, 상기 검파부, 신호처리부, 단말부의 동작을 제어하고 동기화를 수행하는 제어부를 포함하여 이루어진다.

일 실시 예에서, 상기 신호처리부는, 위상배열신호처리기법을 이용하여 상기 신호원의 방향을 계산하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에서, 상기 검파부는, 상기 데이터베이스로부터 검출된 표준과도신호와 상기 수신된 음향 신호의 정합필터링을 통해 획득된 제1신호에 대한 포락선 검파를 수행하여 제2신호를 획득하고, 상기 제2신호에 최대우도법을 이용하여 획득된 문턱값(Threshold)을 이용하여 정해진 구간에 미리생성된 사운드 마스크를 이용하여 원하는 과도 신호를 추출하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에서, 상기 검파부는, 상기 제1신호와 상기 검출된 표준과도신호의 상호상관관계를 계산한 다음 상기 포락선 검파를 수행하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에서, 상기 사운드 마스크는, 상기 제2신호에서 상기 문턱값(Threshold) 이하인 신호구간은 '0'이고 상기 문턱값(Threshold)을 초과하는 신호구간은 '1'로 정의한 사상태에서, '1'신호구간의 양끝을 표준 신호 길이에 비례하는 만큼 시간을 확장하여 생성된 마스크를 사용하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에서, 상기 검파부는, 상기 과도신호 발생하는 시간영역에는 “1”을 곱하고 나머지 영역에는“0”을 곱하여 원하는 과도 신호를 추출하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에서, 상기 단말부는, 상기 과도 신호의 방향과 거리 정보를 SWT 추적 알고리즘에 적용하여, 상기 신호원의 위치변화와 이동속도를 지속적으로 추적하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에서, 상기 제어부는, 파이프라인 방식(pipeline processing)에 근거하여, 상기 검파부, 신호처리부, 및 단말부의 동작을 제어하고 동기화를 수행하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에서, 상기 단말부에서 출력되는 상기 신호원의 방향 및 거리 정보와 신호원의 이동경로를 각각 저장하는 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에서, 상기 검파부로부터 추출된 과도신호를 합산하기 위한 덧셈부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 수중 과도신호 탐지 및 추적 장치는, 과도신호가 발생되는 시간 영역에서 신호추출을 위한 마스크로 정의되는 '사운드 마스크'를 생성하여 측정된 신호와 곱함으로써, 다른 신호들을 모두 제거하고 원하는 과도 신호만을 추출할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 수중 과도신호 탐지 및 추적 장치는, 원하는 과도신호에 대응되는 신호원을 추적하기 위해 SWT(Slide Window Tracker) 추적 알고리즘을 이용함으로써, 가우시안 노이즈에 강인한 알고리즘을 구현할 수 있고, 기존의 알파 베타(α-β) 추적기보다 노이즈에 강인하며, 칼만필터보다 계산량을 줄일 수 있다. 결과적으로, 노이즈에 강인한 과도신호 추적 장치가 구현된다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중 과도 신호 탐지 및 추적 장치의 예시 구성을 보인 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중 과도 신호 탐지 및 추적 장치의 동작방법의 대표 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라, 수중 과도 신호를 탐지하기 위한 신호 추출을 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라, 수중 과도 신호를 탐지하기 위한 신호가 출력되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라, 수중 과도 신호를 추적하는 방법을 설명하기 위한 예시 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 수중 과도 신호를 추적하기 위한 SWT(Slide Window Tracker)의 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따라, 수중 과도 신호의 추적에 사용된는 추적 알고리즘의 시뮬레이션 결과이다.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 수중 과도 신호 탐지 및 추적 장치는, 수중 이동체를 탐지하는 것이 가능한 모든 장치 및 시스템에 적용될 수 있다.

또한, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

여기서 설명되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 즉, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구서요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항복들 중의 어느 항목을 포함한다.

또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 발명에 개시된 '과도 신호'는 인공적으로 생성되거나 일정 주기를 갖지 않고, 제한된 지속 시간만을 갖는 임의(또는, 간헐) 주기로 생성되는 소음으로 정의될 수 있다. 특히, '수중 과도 신호'는 그러한 과도 신호가 수중에서 발생하는 경우를 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중 과도 신호 탐지 및 추적 장치의 예시 구성을 보인 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 수중 과도 신호 탐지 및 추적 장치는, 복수의 하이드로폰(100), 검파부(200), 데이터베이스(300), 신호처리부(500), 단말부(600), 및 제어부(800)를 포함하여 이루어진다. 또한, 상기 수중 과도 신호 탐지 및 추적 장치는, 덧셈부(400)와 저장부(700)를 더 포함할 수 있다.

복수의 하이드로폰(100)은, 다중배열로 형성되어, 수중에서 청음되는 음향 신호를 각각 수신한다. 즉, 복수의 하이드로폰(100)은, 수중의 이동체로부터 발생되는 음향 신호를 수신한다. 복수의 하이드로폰(100)은 수신된 음향 신호를 검파부(200)로 전달한다.

검파부(200)는, 전달받은 음향 신호 중 원하는 수중 과도 신호를 추출한다. 이를 위해, 검파부(200)는, 탐지하고자 하는 과도 신호의 표준과도신호를 데이터베이스(300)로부터 수신하여 저장한다. 그리고, 상기 검파부(200)는 저장된 표준과도신호를 이용하여 탐지하고자 하는 과도신호를 추출한다.

신호처리부(500)는 추출된 과도신호에 대하여, 예를 들어 위상배열신호처리 기법을 이용하여 추출된 과도신호가 발생된 '신호원'(또는 소음원)의 방향을 계산한다. 또, 상기 신호처리부(500)는 검파부(200)에서 추출된 과도신호의 세기를 기초로, 수중 음파의 채널과 감쇄를 고려한 거리계산방법을 이용하여, '신호원'의 거리를 계산한다. 그리고, 신호처리부(500)는 계산된 '신호원'의 방향 및 거리 정보를 단말부(600)에 전달한다.

단말부(600)는 전달받은 '신호원'의 방향 및 거리 정보를 이용하여, 정해진 추적 알고리즘을 이용하여 '신호원'을 추적한다. 구체적으로, 단말부(600)는 SWT 추적 알고리즘을 사용하여, 신호원의 위치변화와 이동속도를 지속적으로 추적한다. 또, 단말부(600)는 추적 결과를 모니터에 디스플레이한다.

제어부(800)는 전술한 각 블록의 동작을 전반적으로 제어한다. 또, 제어부(800)는 각 블록의 작업을 관리하고, 각 블록의 동기화를 수행한다. 또, 제어부(800)는 예를 들어, 파이프라인 기법을 이용하여, 과도 신호와 같이 순간적으로 발생하는 신호를 빠르게 샘플링한다. 이와 같이, 파이프라인 기법을 시스템에 적용하면, 과도 신호의 추출 및 추적과 관련된 기능을 더욱 빠르게 수행할 수 있다.

계속해서, 도 1에 도시된 덧셈부(400)는, 검파부(200)로부터 추출된 과도신호를 합산한다. 그리고, 저장부(700)는 '신호원'에 관한 모든 정보, 예를 들어 신호원의 방향, 거리, 추적 결과를 실시간으로 저장한다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시 예에 따른 수중 과도 신호 탐지 및 추적 장치는 다수의 과도신호를 동시에 추출하여 다수의 신호원(또는 그에 대응되는 이동체)들을 동시에 추적할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중 과도 신호 탐지 및 추적 장치의 동작방법의 대표 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 음향 신호에서, 추출하고자 하는 과도신호에 대응되는 표준 과도신호에 대한 데이터를 획득하기 위해, 데이터베이스를 호출한다(S210). 그리고, 다중배열 하이드로폰을 이용하여 수중에서 음향 신호를 수신한다.

다음으로, 다중배열 하이드로폰을 이용하여 수신된 음향 신호에서 추출하고자 하는 과도 신호를 추출한다(S220). 추출하고자 하는 과도 신호가 존재하는지를 판단하고(S230), 원하는 과도 신호가 존재하는 경우, 단계 S240으로 이동한다.

다음, 원하는 과도 신호에 대응되는 신호원의 방향 및 거리를 계산한다(S240). 여기에서, 신호원의 방향 및 거리를 계산하기 위해, 위상배열신호처리 기법과 수중 음파의 채널과 감쇄를 고려한 거리계산기법이 사용될 수 있다.

이와 같이, 신호원이 탐지되면, 가우시안 노이즈에 강한 SWT 추적 알고리즘을 이용하여 신호원을 추적한다(S250).

그리고, 신호원의 방향, 거리, 및 추적 결과 등의 신호원 정보를 저장한다(S260). 신호원 정보가 저장된 이후 또는 저장시 신호원 정보를 모니터에 디스플레이한다(S270). 그리고, 새로운 음향 신호로부터 반복적으로 과도 신호를 추출한다. 즉, 전술한 단계 S220 내지 S270을 반복적으로 수행한다. 한편, 단계S230에서 원하는 과도 신호가 없으면, 단계 S220으로 돌아가서 다음에 수신된 음향 신호를 이용하여 원하는 과도 신호를 추출한다.

도 3은 전술한 단계 S220과 관련하여, 수중 과도 신호를 탐지하기 위한 신호 추출을 설명하기 위한 블록도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 먼저 수중 과도 신호 탐지 및 추적 장치에 측정신호(301)가 입력되면, 정합필터(302)에서 입력받은 측정신호와 데이터베이스(300, 도 1)에서 호출한 표준 과도신호와의 상호상관관계를 계산한다.

그리고, 계산된 상호상관관계를 이용하여 포락선(Envelope) 검파(303)를 수행한다. 포락선(Envelope) 검파는 통계학에서 널리 사용되는 매개변수(Parameter) 의 추정법으로, 표본에서 얻은 확률밀도함수가 '최대값'이 되는 매개변수의 추정치를 계산하는 방식인 최대우도법(Maximum likelihood method)을 이용하여 매개변수를 추정한다. 그리고, 문턱값(Threshold)를 설정하여, 문턱값 이하의 값은 “0”으로, 그 이상의 값은 “1”로 정의한다.

다음, 신호 왜곡을 방지하고, 부엽 효과를 최소화하기 위해 마스크(305)에서 “1”구간의 양끝에 오차 한계값으로 표준 신호 길이의 50%에 해당하는 시간을 확장하는 마스크를 생성한다. 그런 다음, 그러한 신호가 곱셈부(306)를 통과하여, 최종적으로 과도 신호(307)가 추출된다.

구체적으로, 과도신호가 발생되는 시간 영역에 대응되는 신호에는“1”을 곱하고 나머지 영역에는“0”을 곱하도록, 시간 영역에서 신호추출을 위한 마스크로 정의되는 '사운드 마스크'를 생성하고, 이를 측정된 신호와 곱함으로써, 원하는 신호를 추출할 수 있다. 그에 따라, 추출하고자 하는 과도 신호 외의 다른 신호들을 모두 제거할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라, 수중 과도 신호를 탐지하기 위한 신호가 출력되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 전술한 도 3에서 수중 과도신호 탐지를 위한 신호 추출은 데이터베이스(300, 도 1)에서 호출한 표준과도신호(411)와 다중배열 하이드로폰을 이용하여 측정한 측정신호(412)를 상호상관(413)시켜서 제1신호(414)를 획득한다. 그리고, 제1신호(414)를 포락선 검파하여 제2신호(415)를 획득하고, 제2신호(415)에 최대우도법의 문턱값을 이용하여 생성한 마스크(416)를 씌운다. 그러면, 다른 모든 신호가 제거되고 원하는 과도신호의 구간만 남은 최종신호(417)가 출력된다.

이하, 도 5는, 도 2의 단계 S250과 관련하여, 수중 과도 신호를 추적하는 방법을 설명하기 위한 예시 흐름도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 먼저 SWT 추적 알고리즘을 수행하기 위한 Window 크기를 결정한다(S510). 여기에서, Window 크기는 들어오는 데이터의 수를 의미한다. 또한, 여기에서, 데이터의 수는 측정된 과도신호를 이용하여, 위상배열 신호처기법을 이용하여, 지정된 시간 구간 동안 계산된 거리와 방향 정보의 데이터 개수를 의미한다.

이와 같이, 결정된 Window 크기를 사용하여 SWT 추적 알고리즘을 수행한다(S520). 그런 다음, SWT 추적 알고리즘에 의해 계산된 예측값의 유효성(Data Validation)을 검증한다(S530).

한편, 수중 과도신호의 경우, 측정신호로부터 위상배열 신호처리 기법과 측정된 신호의 세기를 이용하여 방향과 거리를 계산하기 때문에, 많은 노이즈가 발생된다. 이러한 노이즈는 과도 소음원의 위치 추적에 있어서 오차를 누적시키고, 결국 수중의 과도 소음원의 위치를 정확히 추정할 수 없게 만든다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 수중 과도신호 추적 시스템에서 계산되는 신호원의 위치에 가우시안 노이즈가 부가되며, 이러한 노이즈에 의해 야기되는 위치 추정 에러를 제거해야 한다. 이에, 본 발명에서는 단말부(600, 도 1)에서 과도신호 를 추적하기 위한 알고리즘으로 SWT 추적 알고리즘을 사용하였다. SWT 추적 알고리즘은 가우시안 노이즈에 강인한 알고리즘으로, 기존의 알파 베타 추적기보다 노이즈에 강인하고, 칼만필터 보다 계산량이 적은 장점을 갖는다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 원하는 과도신호에 대응되는 신호원을 추적하기 위해 SWT(Slide Window Tracker) 추적 알고리즘을 이용함으로써, 가우시안 노이즈에 강인한 알고리즘을 구현할 수 있고, 기존의 알파 베타(α-β) 추적기보다 노이즈에 강인하며, 칼만필터보다 계산량을 줄일 수 있다. 결과적으로, 노이즈에 강인한 과도신호 추적 장치가 구현된다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 수중 과도 신호를 추적하기 위한 SWT(Slide Window Tracker)의 개념도이다.

먼저, 도 6에 도시된 바와 같이, 신호원의 이동 궤적은 짧은 구간에서 선형이라고 가정한다. 도시된 바와 같이, 이동 거리(D)는 과거 이동거리의 평균에 에러 보정을 위한 가중치(weight)값인 μ를 곱하여 계산한다. 즉, 이하의 수학식1로 표현된다.

여기서, D는 신호원의 이동 거리이고, M은 데이터 개수이고, N은 Window 크기이고, μ는 가중치(weight)값을 의미한다.

한편, 신호원의 짧은 이동 구간은 선형이고, 특히 이러한 짧은 선형 구간은 Window 크기가 된다. 이러한 구간이 연속적으로 이동하면서 구간 평균을 산출하므로, 가우시안 노이즈의 경우 평균이 영('0')이 되므로, 가우시안 노이즈는 제거되고 신호원의 이동을 예측하고 추적할 수 있다. 이러한 가정은 수중 과도 신호에 대응되는 신호원이 수중에서 매우 빠르게 이동한다고 가정하여도, 본 발명의 시스템의 샘플링에 비해 속도가 매우 느리므로 이 또한 구간별 선형으로 가정할 수 있다.

또한, 가우시안 노이즈의 평균은 데이터 양이 많으면 많을수록 영('0')에 가깝게 수렴하므로, 도 5의 Window 크기 결정시, SWT 추적 알고리즘을 수행하면서 신호원의 이동 속도에 따라 선형이되는 최적의 구간을 적응형으로 선정할 수도 있다.

이하에서는, 표 1을 참조하여, 본 발명에서 사용되는 SWT 추적 알고리즘을 보다 구체적으로 설명한다.

표 1을 참조하면, 신호원의 위치 측정시, M개의 데이터 수 단위로 업데이트된 신호원 위치의 이동 길이를 D로 정의할 수 있다. 이것은 과거 이동거리의 평균화로 예측한 이동 좌표 x_p으로부터 계산할 수 있다. 또한, 예측 업데이트(Measurement update)는, 예를 들어 알파-베타 추적기와 같은 방식으로 위상배열 신호처리 기법과 측정된 신호의 세기를 이용하여 계산된 좌표 x_m과, 표 1과 같이 업데이트 수“k”로 계산되는 α를 이용하여 계산할 수 있다.

이하, 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따라, 수중 과도 신호의 추적에 사용된 추적 알고리즘(SWT 추적 알고리즘)의 시뮬레이션 결과이다.

본 발명은 가우시안 노이즈가 심하게 부가된 비선형 1차원 데이터에서도 정확하게 신호원의 위치를 추적할 수 있다. 즉, AWGN: N~(0, 1)의 가우시안 노이즈가 부가된 비선형 2차원 데이터에 대해 본 발명의 알고리즘은 알파-베타 추적기에 비해 정확하게 위치를 추적하여 과도신호의 안전한 이동을 유지할 수 있다.

도 7과 관련하여 상기한 표 2와 표 3을 참조하면, 이동 위치는 x축의 이동 위치를 의미하며, SWT 추적 알고리즘이 한 번만 사용하여 구현가능하다. 또한 2차원 및 3차원의 경우 각각의 축((x축, y축), 또는 (x축, y축, z축)) 모두를 SWT 추적 알고리즘을 이용하여 신호원의 위치를 추적할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 수중 과도 신호 탐지 및 추적 장치는, SWT 추적 알고리즘을 통해 노이즈가 제거함과 동시에 과도 신호원을 추적하여 원하는 수중 과도신호의 이동 위치를 정확하게 추적할 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시 예에만 한정되는 것은 아니므로, 본 발명은 본 발명의 사상 및 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있다. 또한, 여기에서 기술된 본 발명에 따른 방법은 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 방법은 저장매체(예, 단말내부 메모리, 플래쉬 메모리, 하드디스크, 등)에 저장될 수 있고, 프로세서(예, 단말 내부 마이크로 프로세서)에 의해 실행될 수 있는 소프트웨어 프로그램 내에 포함되는 코드들 또는 명령어들로 구현될 수 있다.

100 : 다중 배열 하이드로폰
200: 검파부
300: 데이터베이스
500: 신호처리부
600: 단말부
700: 저장부
800: 제어부

Claims (10)

1. 수중의 이동체로부터 음향 신호를 수신하고, 다중배열구조로 형성되는 복수의 하이드로폰;
   상기 수신된 음향 신호를 기초로, 원하는 과도신호를 추출하는 검파부;
   상기 검파부에 의하여 추출하고자 하는 과도신호에 대응되는 표준과도신호를 저장하고, 검파부에 의하여 호출되는 데이터베이스;
   상기 검파부로부터 추출된 과도신호의 중첩신호를 이용하여, 추출된 과도신호에 대응되는 신호원의 방향 및 거리 정보를 산출하는 신호처리부;
   상기 신호원의 방향 및 거리 정보를 이용하여, 상기 신호원의 위치를 추적하고, 추적 결과 상기 신호원의 방향 및 거리 정보와 신호원의 이동경로를 출력하는 단말부; 및
   상기 검파부, 신호처리부, 단말부의 동작을 제어하고 동기화를 수행하는 제어부를 포함하고,
   상기 신호원의 위치를 추적하는 것은,
   소정 시간 구간 동안의 상기 과도 신호의 방향 정보와 거리 정보를 결정하고, 결정된 방향 정보와 거리 정보를 SWT 추적 알고리즘에 적용하고, 상기 신호원의 위치변화와 이동속도에 따라 선형이 되는 최적의 시간 구간을 적응형으로 선정하면서 상기 신호원의 위치를 지속적으로 추적하고, 추적된 값의 유효성(data validation)을 검증하는 것을 특징으로 하는 수중 과도 신호 탐지 및 추적 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 신호처리부는, 위상배열신호처리기법을 이용하여 상기 신호원의 방향을 계산하는 것을 특징으로 하는 수중 과도 신호 탐지 및 추적 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 검파부는,
   상기 데이터베이스로부터 검출된 표준과도신호와 상기 수신된 음향 신호의 정합필터링을 통해 획득된 제1신호에 대한 포락선 검파를 수행하여 제2신호를 획득하고,
   제2신호에 최대우도법을 이용하여 획득된 문턱값(Threshold)을 이용하여 정해진 구간에 미리생성된 사운드 마스크를 이용하여 원하는 과도 신호를 추출하는 것을 특징으로 하는 수중 과도 신호 탐지 및 추적 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 검파부는, 상기 제1신호와 상기 검출된 표준과도신호의 상호상관관계를 계산한 다음 상기 포락선 검파를 수행하는 것을 특징으로 하는 수중 과도 신호 탐지 및 추적 장치.
5. 제3항에 있어서,
   상기 사운드 마스크는,
   상기 제2신호에서 상기 문턱값(Threshold) 이하인 신호구간은 '0'이고 상기 문턱값(Threshold)을 초과하는 신호구간은 '1'로 정의한 상태에서, '1'신호구간의 양끝을 표준 신호 길이에 비례하는 만큼 시간을 확장하여 생성된 마스크를 사용하는 것을 특징으로 하는 수중 과도 신호 탐지 및 추적 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 검파부는,
   과도신호가 발생하는 시간영역에는 “1”을 곱하고 나머지 영역에는“0”을 곱하여 원하는 과도 신호를 추출하는 것을 특징으로 하는 수중 과도 신호 탐지 및 추적 장치.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   파이프라인 방식(pipeline processing)에 근거하여, 상기 검파부, 신호처리부, 및 단말부의 동작을 제어하고 동기화를 수행하는 것을 특징으로 하는 수중 과도 신호 탐지 및 추적 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 단말부에서 출력되는 상기 신호원의 방향 및 거리 정보와 신호원의 이동경로를 각각 저장하는 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 과도 신호 탐지 및 추적 장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 검파부로부터 추출된 과도신호를 합산하기 위한 덧셈부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 과도 신호 탐지 및 추적 장치.

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