KR101614602B1 - 음향 신호의 도달 시간차를 이용한 위치 탐지 방법 및 장치 - Google Patents

음향 신호의 도달 시간차를 이용한 위치 탐지 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

음향 신호의 도달 시간차를 이용한 위치 탐지 방법 및 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 복수의 마이크로폰(microphone)을 구비한 장치에서 수행되는 음향 신호를 이용한 위치 탐지 방법은, 화기에서 발생된 음향 신호를 복수의 마이크로폰을 통해 수신하는 단계, 각 마이크로폰에서 음향 신호를 수신한 시간 및 입사각을 측정하는 단계, 측정된 시간을 기반으로 음향 신호의 마이크로폰 도달 순서를 획득하는 단계, 마이크로폰 도달 순서 및 입사각에 기초하여 음향 신호가 입사된 방향을 추정하는 단계 및 추정된 방향을 화기가 존재하는 위치로 탐지하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 음향식 저격수 탐지 시스템을 통한 저격수의 탐지 정확도 및 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

음향 신호의 도달 시간차를 이용한 위치 탐지 방법 및 장치{METHOD FOR LOCATION DETECTION USING TIME DIFFERENCE OF ARRIVAL OF ACOUSIC SIGNAL AND APPARATUS THEREFOR}
본 발명은 화기에서 발생되는 음향 신호를 탐지하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 신호의 도달 시간차를 이용하여 위치를 탐지하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 음향 신호를 탐지하는 기술이 발전함에 따라, 전투에서 적용될 수 있는 저격수 탐지를 위한 연구가 많은 곳에서 시도되고 있다. 특히, 저격수 탐지는 음향 신호를 정확하게 분석하는 것이 중요하다.
전투에서 저격수가 사용하는 소총화기(small rifle)에서 발생하는 음향 신호를 총포 신호라 한다. 소총화기에서 발생하는 총포 신호는 소총화기로부터 탄환이 발사될 때 총구에서 발생하는 총성(muzzle blast)과 초음속으로 비행하는 탄환에서 발생하는 탄환 충격파(shockwave)로 구분할 수 있다. 이러한, 음향신호를 분석하기 위해서는 하드웨어(hardware)인 마이크로폰(microphone)의 공간적 배치와 소프트웨어(software)인 신호 분석 기법에 따라 그 성능이 결정된다.
구체적으로, 다수 개의 마이크로폰을 3D 공간 배치하여 단일 어레이(array)로 만들어 이용하는 방법, 차량의 각 모서리에 마이크로폰을 배치하는 방법 및 다수 개의 마이크로폰으로 이루어진 단일 마이크로폰 어레이를 다수의 장소에 배치하는 방법 등 다양한 연구가 이루어지고 있다.
또한, 하드웨어적인 탐지 방법뿐만 아니라, 푸리에 변환(fourier transform)을 이용한 주파수 영역에서의 신호를 탐지하는 방법, 필터링(filtering)을 이용한 총포 신호를 측정하는 방법 및 분산 네트워크를 이용하여 탐지하는 방법 등 소프트웨어적인 접근법도 동시에 시도되고 있다.
이와 같은, 저격수 탐지 방법 중 음향식 저격수 탐지 방법은 소총화기에서 발사된 탄환에 의해 발생하는 탄환 충격파와 총성을 탐지하여, 두 신호가 마이크로폰으로 수집되기까지의 도달시간차(TOA : time of arrival) 및 도달 각도차(AOA : angle of arrival)를 이용하여 탄환의 궤도와 마이크로폰 어레이의 기하학적 관계를 통해 저격수의 위치를 추정한다.
그러나, 이 과정은 비선형 방정식의 해를 찾기 위해 여러 변수들의 값을 변화시키며 정확한 결과가 도출될 때까지 반복해서 계산하는 복잡한 과정을 갖으며, 많은 연산량이 요구되는 문제점이 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 극복하기 위한 본 발명의 목적은 음향 신호의 도달 시간차를 이용하여 위치를 탐지하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 음향 신호의 도달 시간차를 이용하여 위치를 탐지하는 장치를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 복수의 마이크로폰(microphone)을 구비한 장치에서 수행되는 음향 신호를 이용한 위치 탐지 방법은, 화기에서 발생된 음향 신호를 상기 복수의 마이크로폰을 통해 수신하는 단계, 각 마이크로폰에서 상기 음향 신호를 수신한 시간 및 입사각을 측정하는 단계, 측정된 시간을 기반으로 상기 음향 신호의 마이크로폰 도달 순서를 획득하는 단계, 상기 마이크로폰 도달 순서 및 상기 입사각에 기초하여 상기 음향 신호가 입사된 방향을 추정하는 단계 및 상기 추정된 방향을 상기 화기가 존재하는 위치로 탐지하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 복수의 마이크로폰을 통해 수신하는 단계는 상기 화기에서 발생된 음향 신호에 포함된 탄환 충격파(shockwave) 및 총성(muzzle blast)을 수신할 수 있다.
여기서, 상기 음향 신호가 입사된 방향을 추정하는 단계는 상기 탄환 충격파의 마이크로폰 도달 순서에 기초하여 상기 음향 신호가 입사된 제1방향을 추정하는 단계, 상기 총성의 마이크로폰 도달 순서에 기초하여 상기 음향 신호가 입사된 제2방향을 추정하는 단계 및 추정된 제1방향 및 제2방향 중 적어도 하나를 상기 음향 신호가 입사된 방향으로 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 입사각은 상기 각 마이크로폰으로 상기 음향 신호가 입사된 앙각(elevation angle) 및 방위각(azimuth angle)일 수 있다.
여기서, 상기 음향 신호가 입사된 방향을 추정하는 단계는 상기 앙각 및 상기 방위각에 따른 상기 음향 신호의 도달 순서를 목록화한 복수의 도달 순서 테이블을 생성하는 단계, 상기 복수의 도달 순서 테이블에서 모든 방위각에 일정한 도달 순서를 가지는 마이크로폰이 존재하는 제1앙각의 도달 순서 테이블을 선택하는 단계, 선택한 제1앙각의 도달 순서 테이블에 포함된 복수의 방위각 별 마이크로폰 도달 순서에서 상기 음향 신호의 마이크로폰 도달 순서와 동일한 제1방위각을 선택하는 단계, 상기 제1앙각 및 제1방위각을 상기 음향 신호가 입사된 방향으로 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 화기에서 발생된 음향 신호(acoustic signal)를 이용하여 위치를 탐지하는 장치는, 구의 형태를 가지고, 외면에 복수의 연결구(620)가 미리 설정된 간격으로 형성된 하우징(housing)(610) 및 원기둥 형태를 가지고, 일단이 상기 연결구에 결합되어, 상기 음향 신호를 수신하는 복수의 마이크로폰(microphone)을 포함한다.
여기서, 상기 하우징(610)은 상부 하우징(611) 및 하부 하우징(612)로 구성되고, 상기 상부 하우징(611)의 상면에 상기 복수의 연결구 중 제1 연결구가 형성되고, 상기 상면으로부터 연장되는 상기 상부 하우징(611)의 빗면 및 상기 하부 하우징(612)의 빗면에 상기 복수의 연결구 중 제1 연결구를 제외한 나머지 연결구가 형성될 수 있다.
여기서, 상기 하우징(610)은 상기 상부 하우징(611)의 빗면 및 상기 하부 하우징(612)의 빗면에 서로 대응되는 위치에 상기 복수의 연결구가 형성될 수 있다.
상술한 바와 같은 신호의 도착 시간차를 이용한 음향 신호 탐지 방법에 따르면, 음향식 저격수 탐지 시스템을 통한 저격수의 탐지 정확도 및 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 신호의 도착 시간차를 이용한 음향 신호 탐지 방법에 따르면, 음향식 저격수 탐지 시스템에서 복잡한 수학식을 사용하지 않고, 저격수의 방향을 탐지할 수 있으며, 저격수까지의 거리와 방향을 탐지하기 위한 비선형 방정식의 연산에서 탐지 범위를 한정함으로써, 비선형 방정식의 해를 효율적으로 계산할 수 있다.
도 1은 음향 신호에 포함된 탄환 충격파 및 총성을 통해 음향 신호의 위치를 추정하는 과정을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 신호의 도달 시간차를 이용한 위치 탐지 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 신호의 입사각 별 마이크로폰 도달 순서를 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 위치 탐지 장치에 +15도의 앙각으로 음향 신호를 수신한 마이크로폰의 순서를 나타내는 표이다.
도 5는 본 발명에 따른 위치 탐지 장치에 +5도의 앙각으로 음향 신호를 수신한 마이크로폰의 순서를 나타내는 표이다.
도 6은 본 발명에 따른 위치 탐지 장치에 0도의 앙각으로 음향 신호를 수신한 마이크로폰의 순서를 나타내는 표이다.
도 7은 본 발명에 따른 위치 탐지 장치에 -5도의 앙각으로 음향 신호를 수신한 마이크로폰의 순서를 나타내는 표이다.
도 8은 본 발명에 따른 위치 탐지 장치에 -15도의 앙각으로 음향 신호를 수신한 마이크로폰의 순서를 나타내는 표이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 신호의 도달 시간차를 이용한 위치 탐지 방법을 수행하는 위치 탐지 장치를 나타내는 개념도이다.
도 10은 본 발명에 따른 위치 탐지 방법의 성능을 확인하기 위한 실험 환경을 나타내는 개념도이다.
도 11은 도 10에 도시된 실험 환경에서 음향 신호를 수신한 마이크로폰의 수신 순서를 나타낸다.
도 12는 도 10에 도시된 실험 환경에서 순차적인 사격을 진행하여 위치를 탐지한 실험 결과를 나타내는 표이다.
도 13은 도 10에 도시된 실험 환경에서 일제히 사격을 진행하여 위치를 탐지한 실험 결과를 나타내는 표이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 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.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 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 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
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 있다고 이해되어야할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 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.
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 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 음향 신호에 포함된 탄환 충격파 및 총성을 통해 음향 신호의 위치를 추정하는 과정을 나타내는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 음향 신호를 이용하여 위치를 탐지하는 위치 탐지 장치는 음향 신호에 포함된 탄환 충격파 및 총성을 통해, 음향 신호를 발생시킨 위치를 추정할 수 있다.
먼저, 위치 탐지 장치는 초기 마하수(mach number) M0를 설정할 수 있고, 여기서, 마하수는 음속을 1로 기준했을 때, 탄환이 움직이는 속도를 의미할 수 있다. 일반적으로, 마하수 1은 시속 1200km를 의미할 수 있다. 예를 들어, 위치 탐지 장치는 탐지하는 저격수의 소총화기가 AK-47인 경우, 마하수를 2.0으로 설정할 수 있고, K2인 경우, 마하수를 2.8로 설정할 수 있다.
이후, 위치 탐지 장치는 설정한 마하수 M0에 기초하여, 마하각(mach angle) 를 산출할 수 있고, 마하각은 탄환이 초음속으로 움직일 경우 발생하는 마하파와 탄환의 진행 방향과 이루는 각을 의미할 수 있다. 구체적으로, 위치 탐지 장치는 마하각 를 하기의 수학식 1에 기초하여 산출할 수 있다.
Figure 112014059209611-pat00001
이후, 위치 탐지 장치는 저격수의 위치(110)에서 발생된 음향 신호가 위치 탐지 장치의 위치(140)까지 전파된 거리 D0를 설정할 수 있고, 위치 탐지 장치의 위치(140)에서 음향 신호를 수신하는 방위각(azimuth angle) 및 앙각(elevation angle)을 설정할 수 있다. 여기서, 위치 탐지 장치는 음향 신호가 전파된 거리 D0를 하기의 수학식 2로 설정할 수 있다.
Figure 112014059209611-pat00002
이후, 위치 탐지 장치는 탄환의 추진 궤도(120)와의 최단 거리(CPA, closest point of arrival) R을 하기의 수학식 3에 기초하여 산출할 수 있다.
Figure 112014059209611-pat00003
이후, 위치 탐지 장치는 탄환 충격파가 방사된 지점(120)까지의 구간 A에서의 마하수 MA및 탄환이 구간 A를 비행하는데 소요된 시간 TA를 산출할 수 있다. 여기서, 위치 탐지 장치는 공기 저항 계수(drag coefficient)Cb의 값을 0.243으로 적용하는 것으로 한다.
이후, 위치 탐지 장치는 구간 A의 거리 a및 저격수의 위치(110)까지의 거리 D를 산출할 수 있다. 위치 탐지 장치는 음향 신호의 도달 각도를 나타내는
Figure 112014059209611-pat00004
의 범위를 제공함으로써, 저격수의 위치를 탐지하는 연산량과 오차를 줄일 수 있다.
이하에서는, 도 2 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 신호의 도달 시간차를 이용한 위치 탐지 방법이 수행되는 과정을 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 신호의 도달 시간차를 이용한 위치 탐지 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 위치 탐지 방법은 복수의 마이크로폰(microphone)을 구비한 위치 탐지 장치에서 수행될 수 있다.
먼저, 위치 탐지 장치는 화기에서 발생된 음향 신호를 복수의 마이크로폰을 통해 수신할 수 있다(S110).
여기서, 위치 탐지 장치가 수신하는 화기의 음향 신호는 탄환 충격파(shockwave) 및 총성(muzzle blast)를 포함할 수 있고, 위치 탐지 장치는 화기에서 발생된 음향 신호를 각 마이크로폰을 통해 복수의 방위각, 예를 들어, 시계의 방향을 나타내는 0시 방향에서 11시 방향으로 수신할 수 있다.
이후, 위치 탐지 장치는 각 마이크로폰에서 음향 신호를 수신한 시간 및 입사각을 측정할 수 있다(S120).
여기서, 위치 탐지 장치는 화기에서 발생한 동일한 음향 신호를 각 마이크로폰을 통해 수신할 수 있고, 음향 신호가 각 마이크로폰에 입사된 입사각을 측정할 수 있다. 위치 탐지 장치는 음향 신호가 입사된 입사각으로 앙각(elevation angle) 및 방위각(azimuth angle)을 측정할 수 있다. 여기서, 앙각은 위치 탐지 장치의 위치를 기준으로 음향 신호가 입사된 고도에 따른 각을 의미할 수 있다.
이후, 위치 탐지 장치는 측정된 시간을 기반으로 음향 신호의 마이크로폰 도달 순서를 획득할 수 있다(S130).
여기서, 위치 탐지 장치는 각 마이크로폰에서 음향 신호를 수신한 시간이 빠른 마이크로폰의 순서에 기초하여 음향 신호의 마이크로폰 도달 순서를 결정할 수 있다.
도 3을 참조하여, 위치 탐지 장치가 마이크로폰에서 음향 신호를 수신한 시간을 측정하여 음향 신호의 마이크로폰 도달 순서를 획득하는 구체적인 과정을 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 신호의 입사각 별 마이크로폰 도달 순서를 나타내는 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 위치 탐지 장치는 7개의 마이크로폰을 구비하고 있는 것으로 가정한다.
먼저, 위치 탐지 장치는 화기에서 발생한 음향 신호를 12시 방향에서 1시 방향의 사이로 수신한 경우, 복수의 마이크로폰 중 제4 마이크로폰(540)에서 음향 신호를 수신한 시간이 가장 빠른 것으로 측정할 수 있다.
이후, 위치 탐지 장치는 복수의 마이크로폰에서 제4 마이크로폰(540)을 제외한 마이크로폰 중 제1 마이크로폰(510), 제2 마이크로폰(520), 제7 마이크로폰(570), 제6 마이크로폰(560), 제5 마이크로폰(550) 및 제3 마이크로폰(530)의 순서로 음향 신호를 수신한 시간이 빠른 것으로 측정할 수 있다.
결과적으로, 위치 탐지 장치는 화기에서 발생한 음향 신호를 12시 방향에서 1시 방향의 사이로 수신한 경우, 음향 신호를 수신한 마이크로폰 도달 순서를 제4 마이크로폰(540), 제1 마이크로폰(510), 제2 마이크로폰, (520) 제7 마이크로폰(570), 제6 마이크로폰(560), 제5 마이크로폰(550) 및 제3 마이크로폰(530)의 순서(4-1-2-7-6-5-3)(310)로 획득할 수 있다.
상기와 같은 과정을 통해, 위치 탐지 장치는 화기에서 발생한 음향 신호의 입사각 별 마이크로폰 도달 순서를 획득할 수 있고, 도 3에 도시된 바와 같이, 각 방위각 별로 수신된 음향 신호에 대하여 마이크로폰 도달 순서(310 내지 420)를 획득할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 위치 탐지 장치는 마이크로폰 도달 순서 및 입사각에 기초하여 음향 신호가 입사된 방향을 추정할 수 있다(S140).
구체적으로, 위치 탐지 장치는 단계 S120에서 측정한 앙각 및 방위각을 기반으로 앙각 및 방위각 별 음향 신호의 도달 순서를 목록화하여 도달 순서 테이블을 생성할 수 있다. 도 4 내지 도 8을 참조하여, 위치 탐지 장치가 도달 순서 테이블을 생성하여, 음향 신호가 입사된 방향을 추정하는 과정을 설명한다.
도 4본 본 발명에 따른 위치 탐지 장치에 +15도의 앙각으로 음향 신호를 수신한 마이크로폰의 순서를 나타내는 표이다.
도 4를 참조하면, 위치 탐지 장치에서 측정한 음향 신호의 앙각이 +15도이고, 방위각이 0시 방향에서 11시 방향인 경우에 대하여, 각 방향에 따라 음향 신호가 도달한 마이크로폰의 순서를 알 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 위치 탐지 장치에 +5도의 앙각으로 음향 신호를 수신한 마이크로폰의 순서를 나타내는 표이다.
도 5를 참조하면, 위치 탐지 장치에서 측정한 음향 신호의 앙각이 +5도이고, 방위각이 0시 방향에서 11시 방향인 경우에 대하여, 각 방향에 따라 음향 신호가 도달한 마이크로폰의 순서를 알 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 위치 탐지 장치에 0도의 앙각으로 음향 신호를 수신한 마이크로폰의 순서를 나타내는 표이다.
도 6을 참조하면, 위치 탐지 장치에서 측정한 음향 신호의 앙각이 0도이고, 방위각이 0시 방향에서 11시 방향인 경우에 대하여, 각 방향에 따라 음향 신호가 도달한 마이크로폰의 순서를 알 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 위치 탐지 장치에 -5도의 앙각으로 음향 신호를 수신한 마이크로폰의 순서를 나타내는 표이다.
도 7을 참조하면, 위치 탐지 장치에서 측정한 음향 신호의 앙각이 -5도이고, 방위각이 0시 방향에서 11시 방향인 경우에 대하여, 각 방향에 따라 음향 신호가 도달한 마이크로폰의 순서를 알 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 위치 탐지 장치에 -15도의 앙각으로 음향 신호를 수신한 마이크로폰의 순서를 나타내는 표이다.
도 8을 참조하면, 위치 탐지 장치에서 측정한 음향 신호의 앙각이 -5도이고, 방위각이 0시 방향에서 11시 방향인 경우에 대하여, 각 방향에 따라 음향 신호가 도달한 마이크로폰의 순서를 알 수 있다.
먼저, 도 4 내지 도 8을 살펴보면, 음향 신호의 앙각 및 방위각에 따라, 음향 신호가 도달하는 마이크로폰의 순서가 다른 것을 알 수 있고, 그 중 음향 신호의 앙각이 0도인 도 6을 참조하면, 모든 방위각에 대하여 음향 신호가 일정한 순서를 가지는 마이크로폰이 존재하는 것을 알 수 있다.
도 6은 위치 탐지 장치에서 측정한 음향 신호의 앙각이 0도인 경우에 대하여, 음향 신호의 마이크로폰 도달 순서를 목록화 한 것으로, 복수의 마이크로폰 중 제7 마이크로폰으로 음향신호가 방위각에 무관하게 4번째로 음향 신호가 도달하는 것을 알 수 있다.
상기와 같이, 위치 탐지 장치는 음향 신호를 수신하는 앙각 및 방위각에 따라 음향 신호가 도달하는 마이크로폰의 순서가 다른 것을 통해, 음향 신호가 입사된 방향을 추정할 수 있다.
예를 들어, 위치 탐지 장치에서 음향 신호를 특정 방향으로 수신한 상태에서, 음향 신호의 마이크로폰 도달 순서가 제2 마이크로폰(520), 제5 마이크로폰(550), 제4 마이크로폰(540), 제7 마이크로폰(570), 제3 마이크로폰(530), 제1 마이크로폰(510) 및 제6 마이크로폰(560)(2-5-4-7-3-1-6)이라고 가정하고, 도 4 내지 도 8의 도달 순서 테이블을 참조하면, 위치 탐지 장치에서 획득한 마이크로폰 도달 순서 2-5-4-7-3-1-6은 앙각 0도 및 9시 방향에서 음향 신호가 입사된 경우임을 확인할 수 있다.
상기와 같은 과정을 통해, 위치 탐지 장치는 음향 신호의 마이크로폰 도달 순서를 통해, 음향 신호가 입사된 방향을 추정할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 신호의 도달 시간차를 이용한 위치 탐지 방법을 수행하는 위치 탐지 장치를 나타내는 개념도이다.
도 9를 참조하면, 위치 탐지 장치(600)는 복수의 마이크로폰 및 하우징(610)을 포함할 수 있다. 여기서, 위치 탐지 장치(600)는 제1 마이크로폰(631), 제2 마이크로폰(632), 제3 마이크로폰(633), 제4 마이크로폰(634), 제5 마이크로폰(635), 제6 마이크로폰(636) 및 제7 마이크로폰(637)을 포함하는 것을 예로 들어 설명한다.
먼저, 하우징(610)은 구의 형태를 가질 수 있고, 외면에 복수의 연결구(620)가 미리 설정된 간격으로 형성될 수 있다. 또한, 하우징(610)은 하부 하우징(611) 및 상부 하우징(612)로 구성될 수 있고, 상부 하우징(612)의 상면에 복수의 연결구(620) 중 제1 연결구가 형성될 수 있다.
또한, 하우징(610)은 상부 하우징(611)의 상면으로부터 연장되는 빗면 및 하부 하우징(612)의 빗면에 복수의 연결구 중 제1 연결구를 제외한 나머지 연결구가 형성될 수 있다. 여기서, 하우징(610)은 상부 하우징(611)의 빗면 및 하부 하우징(612)의 빗면에 서로 대응되는 위치에 복수의 연결구가 형성될 수 있다.
상기와 같이 하우징(610) 에 형성된 복수의 연결구(620)에 각각의 마이크로폰이 연결될 수 있다. 예를 들면, 복수의 마이크로폰 중 제1 마이크로폰(631)은 상부 하우징(611)의 상면에 형성된 제1 연결구를 통해 연결될 수 있다. 또한, 복수의 마이크로폰 중 제2 마이크로폰(632), 제3 마이크로폰(633) 및 제4 마이크로폰(634)은 상부 하우징(611)의 빗면에 형성된 연결구를 통해 연결될 수 있다. 또한, 복수의 마이크로폰 중 제5 마이크로폰(635), 제6 마이크로폰(636) 및 제7 마이크로폰(637)은 하부 하우징(612)의 빗면에 형성된 연결구를 통해 연결될 수 있다.
또한, 상기와 같이 하우징(610)의 외면에 형성된 복수의 연결구(620)를 통해 연결되는 복수의 마이크로폰은 원기둥 형태를 가질 수 있다. 또한, 복수의 마이크로폰은 음향 신호를 수신한 시간 및 입사각을 측정할 수 있고, 음향 신호를 수신한 입사각에 따라 각 마이크로폰에 음향 신호가 도달하는 시간이 서로 다를 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 위치 탐지 장치(600)는 복수의 마이크로폰을 통해 수신한 음향 신호의 입사각 별 마이크로폰 도달 순서에 기초하여 음향 신호가 입사된 방향을 추정할 수 있다.
이하에서는, 도 10 내지 도 13을 참조하여, 본 발명에 따른 위치 탐지 방법의 성능을 확인하기 위한 실험 및 실험 결과를 설명한다.
도 10은 본 발명에 따른 위치 탐지 방법의 성능을 확인하기 위한 실험 환경을 나타내는 개념도이다.
먼저 도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 위치 탐지 방법의 성능을 확인하기 위해, 사격장에서 사격 진행시본 발명에서 제안하는 위치 탐지 방법을 이용하여 저격수의 위치를 탐지하는 실험을 진행하였다.
본 실험에 사용된 화기(710)는 5.56×45㎜ 구경의 탄환을 사용하였으며, 화기(710)로부터 100m의 사거리에 제1위치 탐지 장치(720)를 설치하고, 200m의 사거리에 제2위치 탐지 장치(730)를 설치하였다. 또한, 본 실험은 사격을 통해 발사되는 각 탄환과 위치 탐지 장치 간의 이격거리 즉, 음향 신호로부터 최단 거리(CPA)를 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 및 40m로 구분하여 진행하였다.
본 실험은 사격을 진행하는 방법으로, 각 한발씩 충분한 시간차를 두고 사격하는 순차적인 사격 방법과 순서에 관계없이 준비된 사수부터 동시에 사격하는 일제히 사격하는 방법으로 총 2회에 걸쳐 진행하였고, 사수는 위치 탐지 장치의 제4 마이크로폰을 사격 방향으로 지향하여 사격하였다.
도 11을 참조하여, 본 실험에서 순차적인 사격 방법으로 사격하여 본 발명에 따른 위치 탐지 방법으로 위치를 탐지한 결과를 설명한다.
도 11은 도 10에 도시된 실험 환경에서 음향 신호를 수신한 마이크로폰의 수신 순서를 나타낸다.
도 11을 참조하면, 본 실험에서 위치 탐지 장치는 음향 신호에 포함된 탄환 충격파를 복수의 마이크로폰을 통해 수신하였고, 제2 마이크로폰(920), 제5 마이크로폰(950), 제4 마이크로폰(940), 제7 마이크로폰(970), 제3 마이크로폰(930), 제1 마이크로폰(910) 및 제6 마이크로폰(960)의 순서(2-5-4-7-3-1-6)(810)로 도달한 것을 확인할 수 있었다.
이에 따라, 위치 탐지 장치는 획득한 마이크로폰의 도달 순서(2-5-4-7-3-1-6)(810)에 기초하여, 탄환 충격파를 앙각 0도 및 9시 방향 ~ 10시 방향(10)으로부터 수신한 것으로 판단할 수 있었다.
또한, 본 실험에서 위치 탐지 장치는 음향 신호에 포함된 총성을 복수의 마이크로폰을 통해 수신하였고, 제4 마이크로폰(940), 제2 마이크로폰(920), 제1 마이크로폰(910), 제7 마이크로폰(970), 제5 마이크로폰(950), 제6 마이크로폰(960) 및 제3 마이크로폰(930)의 순서(4-2-1-7-5-6-3)(820)로 도달한 것을 확인할 수 있었다.
이에 따라, 위치 탐지 장치는 획득한 마이크로폰의 도달 순서(4-2-1-7-5-6-3)(820)에 기초하여, 총성을 앙각 0도 및 11시 방향 ~ 12시 방향(20)으로부터 수신한 것으로 판단할 수 있었다.
또한, 위치 탐지 장치는 탄환 충격파를 수신한 것으로 판단한 제1 방향과 총성을 수신한 것으로 판단한 제2 방향 중 하나를 음향 신호가 입사된 방향으로 추정할 수 있다. 즉, 위치 탐지 장치는 제1 방향 및 제2 방향 중 하나를 음향 신호를 발생시킨 화기가 존재하는 위치로 판단할 수 있다. 또한, 위치 탐지 장치는 제1 방향 및 제2 방향을 방향의 경계로 하는 전체 범위를 음향 신호를 발생시킨 화기가 존재하는 위치로 판단할 수도 있다.
이하에서는, 상기와 같은 과정으로 본 발명에 따른 위치 탐지 방법을 사용하여 순차적인 사격 방식과 일제히 사격하는 방식을 적용하여 실험을 진행하였으며, 도 12 내지 13을 참조하여 실험 결과를 설명한다.
도 12는 도 10에 도시된 실험 환경에서 순차적인 사격을 진행하여 위치를 탐지한 실험 결과를 나타내는 표이고, 도 13은 도 10에 도시된 실험 환경에서 일제히 사격을 진행하여 위치를 탐지한 실험 결과를 나타내는 표이다.
먼저, 도 12를 참조하면, 위치 탐지 장치는 100m의 사거리에서 저격수의 위치를 탐지 한 결과, 순차적 사격간 발생한 음향 신호에 포함된 전체 56개의 탄환 충격파 중 56개의 탄환 충격파를 모두 검출하였고, 전체 56개의 총성 중 56개의 총성을 모두 검출하였다. 또한, 위치 탐지 장치는 사격간 발생한 56개의 음향 신호 중 54개의 음향 신호를 정탐지 하였고, 2개의 음향 신호를 오탐지 하였다.
또한, 위치 탐지 장치는 200m의 사거리에서 저격수의 위치를 탐지한 결과, 사격간 발생한 음향 신호에 포함된 전체 56개의 탄환 충격파 중 56개의 탄환 충격파를 모두 검출하였고, 전체 56개의 총성 중 56개의 총성 모두 검출하였다. 또한, 위치 탐지 장치는 사격간 발생한 56개의 음향 신호 중 52개의 음향 신호를 정탐지 하였고, 4개의 음향 신호를 오탐지 하였다.
도 13을 참조하면, 위치 탐지 장치는 100m의 사거리에서 저격수의 위치를 탐지 한 결과, 일제히 사격하여 발생한 음향 신호에 포함된 전체 56개의 탄환 충격파 중 42개의 탄환 충격파를 검출하였고, 전체 56개의 총성 중 56개의 총성을 검출하였다. 또한, 위치 탐지 장치는 사격간 발생한 56개의 음향 신호 중 36개의 음향 신호를 정탐지 하였고, 20개의 음향 신호를 오탐지 하였다.
또한, 위치 탐지 장치는 200m의 사거리에서 저격수의 위치를 탐지한 결과, 사격간 발생한 음향 신호에 포함된 전체 49개의 탄환 충격파 중 49개의 탄환 충격파를 모두 검출하였고, 전체 56개의 총성 중 48개의 총성을 검출하였다. 또한, 위치 탐지 장치는 사격간 발생한 56개의 음향 신호 중 22개의 음향 신호를 정탐지 하였고, 34개의 음향 신호를 오탐지 하였다.
상술한 바와 같이, 위치 탐지 장치는 순차적인 사격을 실시했을 경우, 탄환 충격파 및 총성이 모두 탐지된 상황에서 저격수의 탐지율이 94.6%로 우수한 것으로 알 수 있다. 반면, 위치 탐지 장치는 일제히 사격을 실시했을 경우, 탄환 충격파 및 총성의 탐지율 저하와 여러 개의 탄환이 동시에 발사되면서, 검출된 탄환 충격파와 총성을 매칭시킬 수 없는 상황으로 인해 저격수의 탐지율이 51.8%로 저조하게 나타난 것을 알 수 있다. 따라서, 위치 탐지 장치는 일제히 사격이 진행되는 환경에서 탐지를 수행할 경우, 탄환 충격파와 총성 간의 도달 시간차가 초기값으로 미리 설정되는 것이 바람직하다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110 : 저격수의 위치
120 : 탄환 추진 궤적
600 : 위치 탐지 장치
710 : 화기
720 : 제1 위치 탐지 장치
730 : 제2 위치 탐지 장치

Claims (9)

  1. 복수의 마이크로폰(microphone)을 구비한 장치에서 수행되는 음향 신호를 이용한 위치 탐지 방법에 있어서,
    화기에서 발생된 음향 신호를 상기 복수의 마이크로폰을 통해 수신하는 단계;
    각 마이크로폰에서 상기 음향 신호를 수신한 시간 및 상기 각 마이크로폰으로 상기 음향 신호가 입사된 앙각(elevation angle) 및 방위각(azimuth angle)인 입사각을 측정하는 단계;
    측정된 시간을 기반으로 상기 음향 신호의 마이크로폰 도달 순서를 획득하는 단계;
    상기 마이크로폰 도달 순서 및 상기 입사각에 기초하여 상기 음향 신호가 입사된 방향을 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 방향을 상기 화기가 존재하는 위치로 탐지하는 단계를 포함하고,
    상기 음향 신호가 입사된 방향을 추정하는 단계는,
    상기 앙각 및 상기 방위각에 따른 상기 음향 신호의 도달 순서를 목록화한 복수의 도달 순서 테이블을 생성하는 단계;
    상기 복수의 도달 순서 테이블에서 모든 방위각에 일정한 도달 순서를 가지는 마이크로폰이 존재하는 제1 앙각의 도달 순서 테이블을 선택하는 단계;
    선택한 제1 앙각의 도달 순서 테이블에 포함된 복수의 방위각 별 마이크로폰 도달 순서에서 상기 음향 신호의 마이크로폰 도달 순서와 동일한 제1방위각을 선택하는 단계; 및
    상기 제1 앙각 및 제1 방위각을 상기 음향 신호가 입사된 방향으로 추정하는 단계를 포함하는 음향 신호의 도달 시간차를 이용한 위치 탐지 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 마이크로폰을 통해 수신하는 단계는,
    상기 화기에서 발생된 음향 신호에 포함된 탄환 충격파(shockwave) 및 총성(muzzle blast)을 수신하는 것을 특징으로 하는 음향 신호의 도달 시간차를 이용한 위치 탐지 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 음향 신호가 입사된 방향을 추정하는 단계는,
    상기 탄환 충격파의 마이크로폰 도달 순서에 기초하여 상기 음향 신호가 입사된 제1 방향을 추정하는 단계;
    상기 총성의 마이크로폰 도달 순서에 기초하여 상기 음향 신호가 입사된 제2방향을 추정하는 단계; 및
    추정된 제1 방향 및 제2 방향 중 적어도 하나를 상기 음향 신호가 입사된 방향으로 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 신호의 도달 시간차를 이용한 위치 탐지 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 화기에서 발생된 음향 신호(acoustic signal)를 이용하여 위치를 탐지하는 장치로서,
    구의 형태를 가지고, 외면에 복수의 연결구(620)가 미리 설정된 간격으로 형성된 하우징(housing)(610); 및
    원기둥 형태를 가지고, 일단이 상기 연결구에 결합되어, 상기 음향 신호를 수신하는 복수의 마이크로폰(microphone)을 포함하고,
    상기 복수의 마이크로폰 각각은,
    상기 음향 신호를 수신한 시간 및 상기 음향 신호가 입사된 앙각(elevation angle) 및 방위각(azimuth angle)인 입사각을 측정하고,
    상기 복수의 마이크로폰 중 적어도 하나는,
    상기 앙각 및 상기 방위각에 따른 상기 음향 신호의 도달 순서를 목록화한 복수의 도달 순서 테이블을 생성하고, 상기 복수의 도달 순서 테이블에서 모든 방위각에 일정한 도달 순서를 가지는 마이크로폰이 존재하는 제1 앙각의 도달 순서 테이블을 선택하고, 선택한 제1 앙각의 도달 순서 테이블에 포함된 복수의 방위각 별 마이크로폰 도달 순서에서 상기 음향 신호의 마이크로폰 도달 순서와 동일한 제1방위각을 선택하여, 상기 제1 앙각 및 제1 방위각을 상기 음향 신호가 입사된 방향으로 추정하는 것을 특징으로 하는 음향 신호의 도달 시간차를 이용한 위치 탐지 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 하우징(610)은,
    상부 하우징(611) 및 하부 하우징(612)로 구성되고, 상기 상부 하우징(611)의 상면에 상기 복수의 연결구 중 제1 연결구가 형성되고, 상기 상면으로부터 연장되는 상기 상부 하우징(611)의 빗면 및 상기 하부 하우징(612)의 빗면에 상기 복수의 연결구 중 제1 연결구를 제외한 나머지 연결구가 형성되는 것을 특징으로 하는 음향 신호의 도달 시간차를 이용한 위치 탐지 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 하우징(610)은,
    상기 상부 하우징(611)의 빗면 및 상기 하부 하우징(612)의 빗면에 서로 대응되는 위치에 상기 복수의 연결구가 형성되는 것을 특징으로 하는 음향 신호의 도달 시간 차를 이용한 위치 탐지 장치.
  9. 삭제
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