KR100434429B1 - 배열 센서의 가상 확장을 이용한 입사각 추정 방법 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속하는 기술분야

본 발명은 배열 센서의 가상 확장을 이용한 입사각 추정 방법 및 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것임.

2. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제

본 발명은, 크기가 서로 다른 여러 개의 가상 확장 안테나를 만들어서 각각의 가상 확장 안테나에 입사각을 추정하는 알고리즘을 적용하고 그 결과로 얻은 공간 스펙트럼들을 평균하여 의사 신호의 크기를 실제 신호보다 작게 하여, 의사 신호를 실제신호로 오판정하지 않도록 하면서, 2개 이상의 신호가 입사되었을 때 2 개 이상의 신호를 서로 구별해 내는 분해능 성능을 향상시켜 입사각을 추정하기 위한 배열 센서의 가상 확장을 이용한 입사각 추정 방법 및 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공함에 그 목적이 있음.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, 배열 센서의 가상 확장을 이용한 입사각 추정 방법에 있어서, 배열 센서에서 외부로부터의 신호를 감지함에 따라, 상기 배열 센서를 가상적으로 확장하여 크기가 서로 다른 다수개의 가상 확장된 배열 센서들로 변환하는 가상 확장 배열 센서 변환 단계; 상기 변환한 다수개의 가상 확장된 배열 센서들에서 각각 입사된 신호를 이용하여 각각의 공간 스펙트럼들을 계산하고, 상기 계산한 공간 스펙트럼들의 평균값을 산출하는 공간 스펙트럼 평균값 산출 단계; 및 상기 산출한 공간 스펙트럼들의 평균값을 통하여 첨두치를 나타내는 각도를 상기 외부로부터 수신한 신호의 입사각으로 결정하는 입사각 결정 단계를 포함함.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 스마트 안테나 등에 사용됨.

Description

배열 센서의 가상 확장을 이용한 입사각 추정 방법{A incident angle estimation method using virtual expansion of sensor array}

본 발명은 배열 센서의 가상 확장을 이용한 입사각 추정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 크기가 서로 다른 배열 센서를 가상 확장하고, 상기 가상 확장된 배열 센서를 통해 입사되는 방향을 추정해 얻은 공간 스팩트럼들을 평균하여 의사 신호의 발생이 억제된 입사각을 추정하기 위한 배열 센서의 가상 확장을 이용한 입사각 추정 방법 및 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다.

일반적으로, 전파, 음파(수중 또는 대기중), 지진파와 같은 파동의 입사 방향을 추정하기 위해서는 여러개 배열한 배열 센서를 통해 입사각을 추정하고, 상기 추정된 입사각을 공간 스펙트럼을 통해 표시한다.

여기에서 배열 센서는 도 1에 도시된 바와 같이, 8개의 센서를 원형으로 배열된 형태로 구현될 수 있는데, 전파의 경우에는 안테나, 음파의 경우에는 마이크로폰, 수중 음파인 경우에는 하이드로폰 그리고 지진파의 경우에는 지오폰을 사용한다. 이러한 배열 센서에서 수신한 신호를 이용하여 신호의 방향을 추정하는 알고리즘을 입사각 추정 알고리즘이라고 한다.

또한, 상기 입사각 추정 알고리즘은 2개 이상의 신호가 입사했을 때, 이 여러신호의 입사각을 각각 구별하여 추정할 수 있는 알고리즘의 능력을 분해능이라고 하며, 상기 분해능은 배열 센서의 크기와 비례하므로 배열 센서의 크기가 작으면 2개의 신호가 입사되었어도 도 3에 도시된 바와 같이 한 개의 신호만 입사된 것으로 잘못 추정할 수 있다.

여기서, 도 3은 신호가 2개 입사되었을 경우에 각각 다른 조건하에서 입사각 추정 알고리즘을 수행하여 구한 공간 스펙트럼을 나타낸 것으로, 후술될 도 4 및 도 7도에서도 동일한 공간 스펙트럼을 적용한다. 이때, 상기 공간 스펙트럼의 가로축은 0 ~ 360도의 방위각을 나타내고 세로축은 공간 스펙트럼의 크기를 나타낸다. 이 그래프에서 공간 스펙트럼이 첨두치를 나타내는 2개의 첨두치의 위치가 구하고자 하는 입사각, 즉 방위각이 된다.

한편, 대표적인 입사각 추정 알고리즘인 빔포밍 알고리즘은 분해능이 낮은 단점이 있어서 1970년대 후반부터 빔포밍 방식보다 우수한 초분해능 알고리즘이 발표되었다. 대표적인 초분해능 알고리즘으로는 뮤직(MUSIC) 알고리즘을 들 수 있다.

여기서, 상기 입사각 추정 알고리즘의 분해능은 배열 센서의 크기가 클수록 좋아지고, 신호의 입사 방향을 추정하는 기존의 기술은 고정된 크기의 배열 센서를 사용하여 입사 방향을 추정하는데, 상기 배열 센서의 크기가 고정되어 있으므로 파장이 긴 신호의 입사 방향을 추정할 경우에는 신호의 파장에 대한 배열 센서의 크기가 상대적으로 작아져서 분해능이 저하된다.

따라서, 입사각 추정 알고리즘의 분해능을 개선하기 위해서 도 2에 도시된 바와 같이, 배열 센서를 가상적으로 확장하고, 이 가상 확장된 배열 센서에 뮤직(MUSIC) 알고리즘과 같은 기존의 입사각 추정 알고리즘을 적용하여 알고리즘의 분해능을 향상시키는 방법이 제안되어 있고, 이 방식으로 구한 공간 스펙트럼이 도 4에 도시되었다.

그러나, 상기 방법은 배열 센서를 구성하는 센서의 갯수를 증가시키지 않고 배열 센서의 크기만 증가시키므로, 배열 센서간의 간격이 넓어져서 도 4에 도시된 바와 같이 실제 신호가 아닌 의사 신호가 발생하고, 상기 의사 신호의 크기가 실제 신호보다 커서 의사 신호를 실제 신호로 판정하게 되는 단점이 있었다.

부연 설명하면, 입사각 추정 알고리즘의 분해능을 향상시키기 위해 배열 안테나를 가상적으로 확장하는 방법은 안테나 소자의 갯수를 증가시키지 않고 배열 안테나의 크기만 증가시키는 것이므로, 안테나 소자사이의 간격이 넓어져서 공간 스펙트럼 상에 실제 신호가 아닌 여러 개의 의사 신호가 발생한다. 이러한 의사 신호는 도 4에 도시된 바와 같이 그 위치가 0도 ~ 360도의 전체에 걸쳐서 나타나며 그 크기도 다양하며 의사 신호중의 일부는 그 크기가 실제 신호와 거의 같거나 잡음이 많은 경우에는 오히려 커지는 경우도 있어서 의사 신호를 실제 신호로 잘못 판정하는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 크기가 서로 다른 여러 개의 가상 확장 안테나를 만들어서 각각의 가상 확장 안테나에 입사각을 추정하는 알고리즘을 적용하고 그 결과로 얻은 공간 스펙트럼들을 평균하여 의사 신호의 크기를 실제 신호보다 작게 하여, 의사 신호를 실제신호로 오판정하지 않도록 하면서, 2개 이상의 신호가 입사되었을 때 2 신호를 구별해 내는 분해능 성능을 향상시켜 입사각을 추정하기 위한 배열 센서의 가상 확장을 이용한 입사각 추정 방법 및 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 8개의 센서가 원형으로 배열된 원형 배열 센서를 나타내는 도면.

도 2는 도 1에 도시된 원형 배열 센서를 H 배로 가상 확장한 형태를 나타내는 도면.

도 3은 뮤직(MUSIC) 알고리즘을 이용한 공간 스펙트럼을 나타내는 도면.

도 4는 도 3의 조건에서 배열 센서의 반지름이 확장된 경우의 공간 스펙트럼을 나타내는 도면.

도 5는 본 발명이 적용되는 배열 센서의 가상 확장을 이용한 입사각 추정 장치에 대한 상세 구성도.

도 6은 본 발명에 따른 배열 센서의 가상 확장을 이용한 입사각 추정 방법에 대한 일실시예 흐름도.

도 7은 본 발명에 따른 배열 센서의 가상 확장을 이용한 입사각 추정에 의한 공간 스팩트럼의 평균을 나타내는 도면.

도 8은 본 발명에 따른 배열 센서의 가상 확장을 이용한 분해능 성능을 나타내는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 배열 센서부 200 : 신호 수신부

300 : 연산 처리부 400 : 입사각 표시부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 배열 센서의 가상 확장을 이용한 입사각 추정 방법에 있어서, 배열 센서에서 외부로부터의 신호를 감지함에 따라, 상기 배열 센서를 가상적으로 확장하여 크기가 서로 다른 다수개의 가상 확장된 배열 센서들로 변환하는 가상 확장 배열 센서 변환 단계; 상기 변환한 다수개의 가상 확장된 배열 센서들에서 각각 입사된 신호를 이용하여 각각의 공간 스펙트럼들을 계산하고, 상기 계산한 공간 스펙트럼들의 평균값을 산출하는 공간 스펙트럼 평균값 산출 단계; 및 상기 산출한 공간 스펙트럼들의 평균값을 통하여 첨두치를 나타내는 각도를 상기 외부로부터 수신한 신호의 입사각으로 결정하는 입사각 결정 단계를 포함한다.

한편, 본 발명은, 프로세서를 구비한 입사각 추정 장치에, 배열 센서에서 외부로부터의 신호를 감지함에 따라, 상기 배열 센서를 가상적으로 확장하여 크기가 서로 다른 다수개의 가상 확장된 배열 센서들로 변환하는 가상 확장 배열 센서 변환 기능; 상기 변환한 다수개의 가상 확장된 배열 센서들에서 각각 입사된 신호를 이용하여 각각의 공간 스펙트럼들을 계산하고, 상기 계산한 공간 스펙트럼들의 평균값을 산출하는 공간 스펙트럼 평균값 산출 기능; 및 상기 산출한 공간 스펙트럼들의 평균값을 통하여 첨두치를 나타내는 각도를 상기 외부로부터 수신한 신호의 입사각으로 결정하는 입사각 결정 기능을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.

여기서 상술된 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명이 적용되는 배열 센서의 가상 확장을 이용한 입사각 추정 장치에 대한 상세 구성도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 입사각의 표시 장치는, 배열 센서부(100), 신호 수신부(200), 연산 처리부(300) 및 입사각 표시부(400)를 포함한다.

상기 배열 센서부(100)는 다수개의 센서를 원형으로 배열하여 입사되는 적어도 하나 이상의 신호를 감지하여 신호 수신부(200)로 전달한다. 상기 신호 수신부(200)는 배열 센서부(100)로부터 감지된 신호를 디지털 신호로 변환 및 일정한 레벨 이상으로 증폭하여 연산 처리부(300)로 전달한다. 따라서, 상기 연산 처리부(300)는 신호 수신부(200)에서 일정한 레벨 이상으로 수신된 신호를 입사각 추정 알고리즘을 적용하여 연산 처리하여 최종적으로 공간 스펙트럼을 생성하여 입사각 표시부(400)로 전달한다. 상기 입사각 표시부(400)는 연산 처리부(300)로부터 전달받은 공간 스펙트럼을 표시한다.

여기서, 상기 연산 처리부(300)는 가상 확장된 각 배열 센서들의 공간 스펙트럼을 계산하고, 상기 계산된 공간 스펙트럼의 평균 값을 토대로 첨두치를 나타내는 각도를 신호의 입사각으로 한다.

도 6은 본 발명에 따른 배열 센서의 가상 확장을 이용한 입사각 추정 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 먼저, 배열 센서부(100)는 배열 센서에서 감지된 신호를 수신하고(601), 상기 수신된 신호를 신호 수신부(200)를 통해 디지털 신호로 변환하여 연산 처리부(300)에 전달한다(602). 그러면, 상기 연산 처리부(300)는 기존의 배열 센서를 가상적으로 확장하여 여러 개의 가상 확장된 배열 센서를 만든다(603). 이때, 가상 확장된 배열 센서들의 크기는 서로 다르게 확장된다.

여기서, 상기 가상 확장이란 실제로 존재하는 배열센서는 1개이지만, 이미 알고있는 실제 배열 센서를 구성하고 있는 각 센서의 좌표에 확장하고자 하는 배수만큼 숫자를 곱하여 확장된 배열 센서의 좌표를 구하는 것을 의미한다.

그 후, 상기 여러개의 가상 확장된 배열 센서를 이용하여 각 배열 센서들의 공간 스펙트럼을 계산한다(604). 즉, 다수개의 배열 센서로부터 각각 가상 확장된 배열 센서를 만들고, 이 가상 확장된 배열 센서에 공간 스펙트럼 추정 알고리즘을 적용하여 다수의 공간 스펙트럼을 계산한다.

따라서, 상기 과정(604)에서 계산된 여러 개의 공간 스펙트럼을 평균하여 최종적으로 1개의 평균 공간 스펙트럼을 계산한다(605). 그리고, 상기 평균 공간 스펙트럼에서 첨두치를 나타내는 각도를 신호의 입사각으로 판정하고(606), 상기 판정된 입사각을 입사각 표시부(400)를 통해 외부로 표시한다(607).

도 7은 본 발명에 따른 배열 센서의 가상 확장을 이용한 입사각 추정에 의한 공간 스팩트럼의 평균을 나타내는 도면이다.

즉, 도 7은 센서가 8 개이고, 최초 반지름이 0.5인 원형 배열 센서에서 -3°및 3°으로 신호가 입사할 경우에, 반지름을 9,10,11,12,13,14,15,16 및 17 배로 각각 확장한 9 개의 배열 센서에 각각 뮤직(MUSIC) 알고리즘을 적용하고, 그 결과로 얻은 9개의 공간 스펙트럼을 평균한 공간 스펙트럼을 보여주고 있다.

도 8은 본 발명에 따른 배열 센서의 가상 확장을 이용한 분해능 성능을 나타내는 그래프이다.

즉, 도 8은 본 발명에 따른 분해능을 신호대 잡음비(SNR)를 변화시키면서 기존의 분해능과 비교한 그래프로서, 그 분해능이 우수함을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 진술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.

상기와 같은 본 발명은, 크기가 서로 다른 여러개의 가상 확장 배열 센서를 만들고 각각의 가상 확장된 배열 센서에 입사 방향을 추정하는 알고리즘을 적용하여 얻는 공간 스펙트럼을 평균함으로써, 의사 신호의 크기를 실제 신호의 크기보다 작게 만들어서 실제적인 입사 신호를 정확히 표시시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 배열 센서의 가상 확장을 이용한 입사각 추정 방법에 있어서,

   배열 센서에서 외부로부터의 신호를 감지함에 따라, 상기 배열 센서를 가상적으로 확장하여 크기가 서로 다른 다수개의 가상 확장된 배열 센서들로 변환하는 가상 확장 배열 센서 변환 단계;

   상기 변환한 다수개의 가상 확장된 배열 센서들에서 각각 입사된 신호를 이용하여 각각의 공간 스펙트럼들을 계산하고, 상기 계산한 공간 스펙트럼들의 평균값을 산출하는 공간 스펙트럼 평균값 산출 단계; 및

   상기 산출한 공간 스펙트럼들의 평균값을 통하여 첨두치를 나타내는 각도를 상기 외부로부터 수신한 신호의 입사각으로 결정하는 입사각 결정 단계

   를 포함하는 배열 센서의 가상 확장을 이용한 입사각 추정 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 가상 확장된 배열 센서는,

   그 크기가 실질적인 배열 센서의 좌표에 확장하고자 하는 배수만큼 숫자를 곱하여 확장시킨 배열 센서의 좌표값인 것을 특징으로 하는 배열 센서의 가상 확장을 이용한 입사각 추정 방법.
3. 프로세서를 구비한 입사각 추정 장치에,

   배열 센서에서 외부로부터의 신호를 감지함에 따라, 상기 배열 센서를 가상적으로 확장하여 크기가 서로 다른 다수개의 가상 확장된 배열 센서들로 변환하는 가상 확장 배열 센서 변환 기능;

   상기 변환한 다수개의 가상 확장된 배열 센서들에서 각각 입사된 신호를 이용하여 각각의 공간 스펙트럼들을 계산하고, 상기 계산한 공간 스펙트럼들의 평균값을 산출하는 공간 스펙트럼 평균값 산출 기능; 및

   상기 산출한 공간 스펙트럼들의 평균값을 통하여 첨두치를 나타내는 각도를 상기 외부로부터 수신한 신호의 입사각으로 결정하는 입사각 결정 기능

   을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.