KR100481089B1 - 어군탐지기의 시뮬레이션장치 및 그 방법 - Google Patents

어군탐지기의 시뮬레이션장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 어군으로부터 방사되는 각종 음향신호를 가상으로 생성하고, 어군탐지기의 음향센서를 통해 수신되는 가상음원의 상태를 시뮬레이션 함으로써 어군탐지기의 동작실험을 용이하게 수행할 수 있도록 된 어군탐지기의 시뮬레이션장치 및 그 방법에 대한 것으로서, 이는 광대역변조신호, 안정토널신호 및 불안정토널신호를 합성하여 어군으로부터 방사되는 가상음원을 생성하고, 생성된 가상음원을 이용하여 전달손실된 가상음원, 전달손실이 복원된 가상음원, 음향센서별로 수신된 가상음원 및 환경잡음이 합성된 가상음원을 각각 생성/합성하여 어군탐지기의 음향센서를 통해 수신되는 가상음원의 상태를 시뮬레이션하도록 구성된 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명에 의하면, 어군탐지기에 직접 HLA(Horizontal Line Array)를 장착하거나, 실제 해양에 나가지 않고도 어군탐지기의 동작실험을 용이하게 수행할 수 있게 된다.

Description

어군탐지기의 시뮬레이션장치 및 그 방법{Device for simulating a fish detector and Method therefor}
본 발명은 어군탐지기에 대한 것으로서, 특히 어군(魚群)으로부터 방사되는 각종 음향신호를 가상으로 생성하고, 어군탐지기의 음향센서를 통해 수신되는 가상음원의 상태를 시뮬레이션 함으로써 어군탐지기의 동작실험을 용이하게 수행할 수 있도록 된 어군탐지기의 시뮬레이션장치 및 그 방법에 대한 것이다.
최근 지상에 존재하는 자원이 점차 고갈되면서 해저나 심해에 존재하는 각종 자원을 활용하고자 하는 시도가 활발하게 이루어지고 있으며, 이러한 산업적인 측면과 더불어 수중생물에 대한 연구를 통해 미래의 식량부족 문제를 해결하기 위한 다각적인 노력이 행해지고 있다. 그러나 일반적으로 수중에서는 인간의 시계(視界)가 일정 범위내로 한정되고, 또한 지상에서 사용되고 있는 각종 센서(Sensor)도 그 작동환경의 어려움에 의해 수중에서의 사용이 제한적인 바, 해양자원 개발에 많은 어려움이 있게 된다.
따라서 최근에는 물을 매질로 하여 전파되는 음향신호를 검출하는, 즉 물의 진동을 감지하여 전기적인 신호로 변환하는 음향센서인 하이드로폰(Hydrophone)을 통해 수중의 상태나 수중생물 예컨대 어군의 이동상태를 검출하는 어군탐지기가 제안되어 있다.
그런데 일반적으로 수중의 어군으로부터 방사되는 음향신호는 그 주파수에 따라 전달특성이 달라지게 되고, 어군의 직접적인 움직임은 물론 어군의 주위에서 발생되는 각종 음향신호의 영향을 받게 되는 바, 어군탐지기의 정확한 음원탐지를 위해서는 그 설계작업시 어군으로부터 방사되는 음향신호를 탐지하고, 그 탐지결과에 따라 오차를 줄여나가는 여러번의 동작실험이 필수적으로 요구된다.
그러나 어군탐지기의 실측실험은 다수의 하이드로폰이 연결된 어군탐지기를 중대형급 어선에 장착한 채, 항해를 하면서 수행하여야 하기 때문에 여러번의 실측실험시 상당한 비용이 드는 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 어군으로부터 방사되는 각종 음향신호를 가상으로 생성하고, 어군탐지기의 음향센서를 통해 수신되는 가상음원의 상태를 시뮬레이션 함으로써 어군탐지기의 동작실험을 용이하게 수행할 수 있도록 된 어군탐지기의 시뮬레이션장치 및 그 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 어군탐지기의 시뮬레이션장치는 가상데이터를 생성/합성하여 소정 관측/탐지장비의 가상동작실험을 수행하도록 데이터 저장수단과 장치제어수단 및 표시수단을 구비하는 시뮬레이션장치에 있어서, 어군탐지기의 시뮬레이션 실험과 관련하여 생성/합성된 적어도 하나의 음원데이터가 저장되는 음원데이터저장부와, 상기 음원데이터의 생성/합성시 요구되는 소정 매개변수가 저장되는 매개변수저장부와, 시뮬레이션장치의 운영체제와 상기 매개변수저장부에 저장된 소정 매개변수를 근거로 어군으로부터 방사되는 소정 가상음원을 생성/합성하여 어군탐지기의 시뮬레이션을 수행하기 위한 소정 동작프로그램이 구비된 프로그램저장부 및, 상기 장치제어수단을 통해 상기 음원데이터저장부, 매개변수저장부 및 프로그램저장부에 각각 접속되어 상기 매개변수저장부에 저장된 소정 매개변수와 상기 프로그램저장부에 저장된 소정 동작프로그램을 근거로 어군으로부터 방사되는 가상음원의 생성/합성과정과 그 가상음원이 어군탐지기의 음향센서로 수신되는 과정을 시뮬레이션하여 생성/합성된 적어도 하나의 음원데이터를 상기 음원데이터저장부에 저장함과 아울러 시뮬레이션 결과를 상기 표시수단에 표시하도록 제어하는 프로세서부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 어군탐지기의 시뮬레이션방법은 가상데이터를 생성/합성하여 소정 관측/탐지장비의 가상동작실험을 수행하는시뮬레이션방법에 있어서, 광대역변조신호, 안정토널신호 및 불안정토널신호를 합성하여 어군으로부터 방사되는 가상음원을 생성하는 제1 단계와, 상기 가상음원과 음향센서 간의 다중경로 및 다중밴드별 전달손실을 산출하여 전달손실된 가상음원을 합성하는 제2 단계와, 음향센서별 수신 가상음원의 샘플데이터와 보간필터계수를 산출하고 제1 보간필터 알고리즘을 수행하여 상기 전달손실된 가상음원을 복원하는 제3 단계와, 다수의 음향센서별로 수신되는 가상음원의 수신지연시간을 산출하고 제2 보간필터 알고리즘을 수행하여 음향센서별 수신신호를 생성하는 제4 단계 및, 랜덤잡음을 산출하기 위한 시드값, 환경소음크기값을 포함한 매개변수를 근거로 소정 환경잡음을 생성하여 상기 음향센서별 수신신호에 합성하는 제5 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.
먼저 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 어군탐지기의 시뮬레이션장치 및 그 방법에 따라 생성되는 가상음원에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 수중에 존재하는 각종 음향신호를 주파수 대역별로 나타낸 것이다.
즉 도 1에서 Ⅰ영역은 보통 조류나 지진에 의해 발생되는 음향신호구간이고, Ⅱ영역은 수중에 존재하게 되는 하이드로폰과 그 구조체에 의해 발생되는 음향신호구간이며, Ⅲ영역은 수중의 주변환경, 즉 물고기나 그 밖의 다른 물체의 이동에 의해 발생되는 음향신호구간이고, Ⅳ영역은 수중표면의 소음에 의해 발생되는 음향신호구간이며, Ⅴ영역은 수중의 분자운동에 의한 열노이즈(Thermal noise)에 의해 발생되는 음향신호구간을 나타낸 것으로서, 어군으로부터 방사되는 음향신호는 도 1의 Ⅳ영역중 예컨대, 1~2KHz 영역에 속하게 된다. 그리고 어군으로부터 방사되는 음향신호는 물고기 무리로부터 방사되는 음향신호이므로 Ⅲ영역 보다 고주파 영역인 Ⅳ영역에 속하게 된다. 따라서 본 발명에 따라 어군탐지기의 시뮬레이션 음원으로 사용되는 가상음원은 도 1의 Ⅳ영역중 1~2KHz 영역에 속하게 된다.
그리고 도 2는 본 발명에 따라 어군탐지기의 시뮬레이션 음원으로 사용되는 가상음원의 음원구성을 간략히 설명하기 위한 것으로서, 도 2에서 어군으로부터 방사되는 음향신호, 즉 가상음원(Ssyn)은 광대역신호(SB)에 소정 변조신호(SD)가 승산된 광대역변조신호와 안정토널신호(Sst), 그리고 불안정토널신호(Sunst)가 가산된 합성신호로 구성된다.
도 2에서 상기 광대역신호(SB)는 어군의 이동에 따라 어군의 주변에서 발생되는 음향신호를 의미하고, 상기 안정토널신호(Sst)는 어군의 중앙부로부터 발생되는 협대역 음향신호, 다시 말하면 어군을 형성하는 각각의 물고기가 발생하는 고유의 음향신호를 의미하며, 상기 불안정토널신호(Sunst)는 물고기의 꼬리나 상부, 하부와 같이 물고기의 이동시 움직임이 많은 부분에서 발생되는 협대역 음향신호를 의미한다.
이하 도 3을 참조하여 상기 가상음원(Ssyn)의 생성방법을 간략히 설명하기로 한다.
먼저 상기 광대역신호(SB), 변조신호(SD), 안정토널신호(Sst) 및 불안정토널신호(Sunst)의 생성시 적용되는 각종 매개변수를 설정하게 된다. 이때 상기 매개변수는 실제 어군으로부터 방사되는 음향신호를 근거로 하여 작성된 수치를 이용하게 되며, 이는 상기 광대역신호(SB), 변조신호(SD), 안정토널신호(Sst) 및 불안정토널신호(Sunst)의 신호개수, 신호주파수, 그리고 신호크기를 기본 매개변수로 하고, 상기 변조신호(SD)의 주파수간격과 상기 불안정토널신호(Sunst)의 신호위상이 어군의 가상음원(Ssyn) 생성을 위한 매개변수로 추가설정된다.(ST301 단계)
그리고 상기 ST301 단계에 따라 설정되는 각 매개변수는 후술하는 광대역신호(SB), 변조신호(SD), 안정토널신호(Sst) 및 불안정토널신호(Sunst )의 소정 생성알고리즘에 적용되어 해당되는 음향신호를 각각 생성하게 된다.
이때 상기 광대역신호(SB)를 먼저 생성하고, 상기 변조신호(SD)는 상기 광대역신호(SB)에 승산되어 광대역변조신호를 생성하게 된다. 그리고 상기 광대역변호신호에는 상기 안정토널신호(Sst) 및 불안정토널신호(Sunst)가 생성 및 가산되어 어군으로부터 방사되는 소정 가상음원(Ssyn)을 생성하게 된다.(ST302~ST306 단계)
이하 상기 가상음원(Ssyn)의 생성방법을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
먼저 도 2의 광대역신호(SB)는 다음 수학식1 및 수학식2에 따라 산출되어 진다.
상기 수학식1 및 2에서 SB(t)는 상기 광대역신호(SB)의 시간변화(t)에 따른 함수식을 나타낸 것이고, x는 입력신호인 백색가우시안잡음(White Gaussian Noise), a와 b는 상기 백색가우시안잡음을 필터링하기 위한 필터계수, h(z)는 전달함수를 나타낸 것이고, N과 M은 신호개수를 의미한다.
즉 도 4는 도 2에 도시된 광대역신호(SB)의 생성알고리즘을 설명하기 위한 기능블록도로서, 먼저 입력신호인 백색가우시안잡음(x)이 인가되면, 이는 도 4에 도시된 것처럼 다수의 밴드패스필터(BPF1~BPF8)를 통해 다수의 주파수대역으로 필터링된다. 이때 상기 밴드패스필터(BPF1~BPF8)의 대역폭은 각각 어군으로부터 방사되는 음향신호의 주파수대역인 1~2KHz내에서 연속적으로 설정되도록 필터계수(a, b)가 지정된다.
도 4에서 상기 밴드패스필터(BPF1~BPF8)의 개수는 8개로 설정되어 있으나, 상기 밴드패스필터(BPF1~BPF8)의 개수는 생성음원의 품질에 따라 가감하는 것이 가능하다. 그리고 밴드패스필터(BPF1~BPF8)의 개수를 증가시킬수록 고품질의 음원을 생성할 수 있게 된다.
그리고 상기 밴드패스필터(BPF1~BPF8)를 통해 필터링되어 생성되는 주파수대역별 신호에는 도 4에 도시된 것처럼 승산기(411~418)를 통해 소정 신호크기(A1 ~A8)를 갖는 매개변수가 승산되고, 매개변수의 승산에 따라 증폭된 주파수대역별 신호는 가산기(42)를 통해 합성되어 광대역신호(SB)로서 출력되게 된다.
그리고 도 2의 변조신호(SD)는 다음 수학식3을 근거로 산출되게 된다.
상기 수학식3에서 SD(t)는 상기 변조신호(SD)의 시간변화(t)에 따른 함수식을 나타낸 것이고, f는 신호주파수(기본주파수로 고정), Ak는 신호크기, N은 신호개수, d는 주파수간격을 의미한다.
따라서 변조신호(SD)의 기본주파수로서 신호주파수(f)와 신호크기(Ak), 그리고 주파수간격(d)이 매개변수로서 지정되면(신호개수(N)은 미리 지정됨), 상기 수학식3의 변조신호 생성알고리즘이 수행되어 시간변화(t)에 따른 변조신호(SD)가 생성되게 된다.
그리고 도 2의 안정토널신호(Sst)는 다음 수학식4를 근거로 산출되게 된다.
상기 수학식4에서 Sst(t)는 상기 안정토널신호(Sst)의 시간변화(t)에 따른 함수식을 나타낸 것이고, fk는 신호주파수, Ak는 신호크기, N은 신호개수를 의미한다.
따라서 안정토널신호(Sst)의 신호주파수(fk)와 신호크기(Ak)가 매개변수로서 지정되면(신호개수(N)은 미리 지정됨), 상기 수학식4의 안정토널신호 생성알고리즘이 수행되어 시간변화(t)에 따른 안정토널신호(Sst)가 생성되게 된다.
그리고 도 2의 불안정토널신호(Sunst)는 다음 수학식5를 근거로 산출되게 된다.
상기 수학식5에서 Sunst(t)는 상기 불안정토널신호(Sunst)의 시간변화(t)에 따른 함수식을 나타낸 것이고, N은 신호개수, fk는 신호주파수, Ak는 신호크기, φ는 신호위상을 의미한다.
따라서 불안정토널신호(Sunst)의 신호개수(N), 신호주파수(fk), 신호크기(Ak) 및 신호위상(φ)이 매개변수로서 지정되면, 상기 수학식5의 불안정토널신호 생성알고리즘이 수행되어 시간변화(t)에 따른 불안정토널신호(Sunst)가 생성되게 된다.
한편 도 5는 상기한 과정에 따라 생성되는 가상음원(Ssyn)의 주파수분석 결과를 나타낸 파형도로서, 각 주파수영역별로 광대역신호(SB)(A), 변조신호(SD), 안정토널신호(Sst)(B) 및 불안정토널신호(Sunst)(C)가 도시되어 있다. 그리고 도 5에서 상기 변조신호(SD)는 도시되지 않았으나, 상대적으로 낮은 주파수영역에 속하므로 X축의 주파수 빈수 100 이내에 포함되게 된다.
이하에서는 상기 가상음원(Ssyn)을 생성 및 이용하여 어군탐지기의 동작실험을 수행하는 어군탐지기의 시뮬레이션장치 및 그 방법을 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 어군탐지기의 시뮬레이션장치의 내부구성을 나타낸 블록구성도이다.
도 6에서 참조번호 61은 시뮬레이션장치내 데이터버스(Data Bus) 및 어드레스버스(Address Bus)의 동작을 제어하기 위한 버스제어기이고, 62는 상기한 가상음원(Ssyn)은 물론 가상음원(Ssyn)의 시뮬레이션 실험결과에 따른 음원데이터, 예컨대 후술하는 전달손실된 가상음원, 전달손실이 복원된 가상음원, 음향센서별로 수신된 가상음원 및 환경잡음이 합성된 가상음원 데이터가 저장되게 된다.
즉 상기 전달손실된 가상음원은 어군으로부터 방사되는 음향신호가 수중의 전달경로와 전달주파수에 따라 손실된 음원을 나타내고, 상기 전달손실이 복원된 가상음원은 수중의 전달경로 및 전달주파수에 따라 손실되는 음향신호의 에너지준위를 보간알고리즘을 수행하여 복원한 음원을 나타내며, 상기 음향센서별로 수신된 가상음원은 어군탐지기의 음향센서, 즉 다수의 음향센서가 등간격을 두고 수평면상에 직선으로 배열된 HLA(Horizontal Line Array)로 수신되는 가상음원을 음향센서별 수신지연시간을 고려하여 생성한 음원을 나타내고, 상기 환경잡음이 합성된 가상음원은 어군의 주위는 물론 어군탐지기의 음향센서 주위에서 생성되는 각종 잡음신호(환경잡음)를 어군으로부터 방사되는 가상음원에 합성한 음원을 나타낸 것으로서, 상기 환경잡음은 상기 음향센서별로 수신된 가상음원에 합성되게 된다.
그리고 본 발명에 따른 어군탐지기의 시뮬레이션장치에서 어군탐지기의 음향센서인 HLA는 실제 음향센서를 이용하지 않고, HLA를 구성하는 음향센서수, 수신감도, 음향센서별 간격등의 사양을 고려하여 프로그램적으로 구현되게 된다.
그리고 도 6에서 참조번호 63은 상기 가상음원(Ssyn), 전달손실된 가상음원, 전달손실이 복원된 가상음원, 음향센서별로 수신된 가상음원 및 환경잡음이 합성된 가상음원을 생성하기 위한 각종 매개변수 저장되는 매개변수저장부이고, 64는 후술하는 표시부로 출력되는 음원데이터의 입출력 순서를 제어하는 FIFO(First Input First Output)이며, 65는 상기 FIFO(64)로부터 출력되는 데이터, 즉 가상음원(Ssyn) 및 이를 근거로 한 각종 시뮬레이션 결과정보를 시각적으로 디스플레이하기 위한 표시부이다.
그리고 도 6에서 참조번호 66는 본 시뮬레이션장치의 운영체제(OS)와 상기 매개변수저장부(63)에 저장된 각종 매개변수를 근거로 어군으로부터 방사되는 가상음원(Ssyn), 전달손실된 가상음원, 전달손실이 복원된 가상음원, 음향센서별로 수신된 가상음원 및 환경잡음이 합성된 가상음원을 각각 생성하여 어군탐지기의 시뮬레시션을 수행하기 위한 소정 동작프로그램이 구비된 프로그램저장부이다.
그리고 도 6에서 참조번호 67은 어군탐지기의 시뮬레이션과 관련하여 후술하는 프로세서부를 통해 연산처리되는 각종 데이터가 일시 저장되는 버퍼로서, 상기 버퍼(67)는 도 6에 도시된 바와 같이 데이터버스 및 어드레스버스를 통해 버스제어기(61), 음원데이터저장부(62), 매개변수저장부(63), FIFO(64), 표시부(65) 및 프로그램저장부(66)에 각각 접속되어 후술하는 프로세서부로 송수신되는 데이터를 일시 저장하게 된다. 그리고 도 6에서 참조번호 68은 각종 가상음원의 생성/합성시 상기 매개변수저장부(63)로부터 독출된 소정 매개변수 데이터와 가상음원의 생성/합성에 따라 연산처리된 데이터를 임시 저장하도록 다수의 램(68a~68d)을 구비하여 구성된 메모리부이다.
그리고 도 6에서 참조번호 69는 후술하는 프로세서부의 제어하에 본 시뮬레이션장치에 구비된 버스제어기(61), 음원데이터저장부(62), 매개변수저장부(63), FIFO(64), 표시부(65), 프로그램저장부(66), 버퍼(67), 메모리부(68) 및 프로세서부 간의 데이터 송수신을 위한 인터럽트(Interrupt) 처리등 장치제어를 수행하는 장치제어부로서, 상기 장치제어부(69)는 도 6에 도시된 것처럼 제어라인을 통해 인터럽트신호 등 소정 제어신호를 해당 장치로 인가하게 된다.
그리고 도 6에서 참조번호 70은 본 시뮬레이션장치 전반을 제어함과 아울러 상기 매개변수저장부(63)에 저장된 각종 매개변수와 상기 프로그램저장부(66)에 저장된 소정 동작프로그램을 근거로 어군으로부터 방사되는 가상음원(Ssyn)을 생성함과 아울러 가상음원(Ssyn)을 이용하여 상기 전달손실된 가상음원, 전달손실이 복원된 가상음원, 음향센서별로 수신된 가상음원 및 환경잡음이 합성된 가상음원을 각각 생성/합성하도록 제어하도록 다수의 마이크로 프로세서(70a~70d)를 구비하여 구성된 프로세서부이다.
한편 도 6에 도시된 4 개의 마이크로 프로세서(70a~70d)는 하나의 마이크로 프로세서가 하나의 어군으로부터 방사되는 가상음원(Ssyn)을 생성 및 시뮬레이션하도록 구성된 것으로서, 본 실시예에 따른 어군탐지기의 시뮬레이션장치는 최대 4개의 어군으로부터 방사되는 가상음원(Ssyn)을 생성 및 시뮬레이션할 수 있게 된다. 따라서 상기 마이크로 프로세서(70a~70d)의 개수를 가감하여 동시에 시뮬레이션할 수 있는 가상음원(Ssyn)의 개수를 증감하는 것도 가능하다.
이하 도 7을 참조하여 도 6의 시뮬레이션장치를 이용한 어군탐지기의 시뮬레이션방법을 설명하기로 한다.
먼저 도 6의 프로세서부(70)는 버스제어부(61) 및 장치제어부(69)를 제어하여 매개변수저장부(63)로부터 가상음원(Ssyn)의 생성과 관련된 각종 매개변수를 독출하고, 독출된 매개변수를 메모리부(68)에 저장한 후, 프로그램저장부(66)의 동작프로그램에 따라 상술한 광대역신호(SB), 변조신호(SD), 안정토널신호(Sst) 및 불안정토널신호(Sunst)를 생성 및 합성하여 어군으로부터 방사되는 가상음원(Ssyn)을 생성하게 된다. 이때 생성된 가상음원(Ssyn)은 도 6의 음원데이터저장부(62)에 저장되고, FIFO(64)를 경유하여 표시부(65)에 출력되게 된다.(ST701 단계)
이후 도 6의 프로세서부(70)는 가상음원(Ssyn)과 어군탐지기의 음향센서(프로그램적으로 설정됨) 간의 전달경로 및 주파수대역별 전달손실을 감안하여 어군으로부터 음향센서까지 전달손실된 가상음원을 합성하게 된다.
즉 수중에서 전파되는 음향신호는 해수면 및 해저면과 복잡한 수직음속의 구조에 의해 다양한 전달경로를 가지게 되고, 각 전달경로의 주파수대역별로 전달손실이 발생되는 바, 도 6의 프로세서부(70)는 매개변수저장부(63)의 소정 매개변수와 프로그램저장부(66)의 동작프로그램을 근거로 다수의 전달경로와 주파수대역을 설정한 후, 전달손실된 가상음원을 합성하여 음원데이터저장부(62)에 저장함과 아울러 FIFO(64)를 경유하여 표시부(65)에 출력하게 된다. 그리고 전달손실된 가상음원의 합성과정에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.(ST702 단계)
이후 도 6의 프로세서부(70)는 가상음원(Ssyn)과 음향센서 간의 전달경로 및 주파수대역에 따른 전달손실을 감안하여 전달손실된 가상음원을 복원하게 된다.
이 경우 도 6의 프로세서부(70)는 매개변수저장부(63)의 소정 매개변수와 프로그램저장부(66)의 동작프로그램을 근거로 전달손실된 가상음원에 대하여 예컨대 14차 10배 보간필터 알고리즘을 적용하여 가상음원을 복원하고, 복원된 가상음원을 음원데이터저장부(62)에 저장함과 아울러 FIFO(64)를 경유하여 표시부(65)에 출력하게 된다. 그리고 전달손실된 가상음원의 복원과정에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.(ST703 단계)
그리고 도 6의 프로세서부(70)는 다수의 음향센서별로 수신되는 가상음원의 수신지연시간을 산출하여 음향센서별로 수신된 가상음원(이하, "음향센서별 수신신호"라 칭함)를 생성하게 된다.
이 경우 도 6의 프로세서부(70)는 매개변수저장부(63)의 소정 매개변수와 프로그램저장부(66)의 동작프로그램을 근거로 손실복원된 가상음원에 대하여 예컨대 4차 100배 보간필터 알고리즘을 적용하여 음향센서별 수신신호를 생성하고, 이를 음원데이터저장부(62)에 저장함과 아울러 FIFO(64)를 경유하여 표시부(65)에 출력하게 된다. 이때 상기 음향센서별 수신신호는 FIFO(64)로의 전송속도를 높이도록 예컨대 2:1의 비율로 압축저장되게 된다.(ST704 단계)
이후 도 6의 프로세서부(70)는 수중과 어군 및 음향센서 주위로부터 발생되는 잡음신호인 환경잡음을 생성하여 상기 ST704 단계에서 생성된 음향센서별 수신신호에 합성하게 된다.
이 경우 도 6의 프로세서부(70)는 랜덤잡음(Random Noise)을 산출하기 위한 시드(Seed)값, 환경소음크기값을 포함한 소정 매개변수를 매개변수저장부(63)로부터 독출하고, 프로그램저장부(66)의 동작프로그램을 근거로 예컨대 1~2KHz의 대역폭으로 설정된 IIR(Infinite Impulse Response) 필터링을 수행하여 소정 환경잡음를 생성하며, 생성된 환경잡음을 상기 음향센서별 수신신호에 합성하여 음원데이터저장부(62)에 저장함과 아울러 FIFO(64)를 경유하여 표시부(65)에 출력하게 된다.(ST705 단계)
이하 도 8 내지 도 10을 참조하여 도 7의 ST702 단계 및 ST703 단계의 전달손실된 가상음원의 합성과 복원과정을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
도 8은 도 7의 ST702 단계에 따른 전달손실된 가상음원의 합성과정을 설명하기 위한 플로우챠트이다.
먼저 도 6의 프로세서부(70)는 매개변수저장부(63)로 가상음원의 전달손실 산출시 이용되는 각종 매개변수를 독출하여 메모리부(68)에 저장함과 아울러 전달손실 산출과 관련된 동작프로그램을 로딩하게 된다.(ST801 단계)
그리고 어군과 음향센서의 위치지정을 위한 좌표를 설정하고, 설정된 어군과 음향센서의 좌표값을 근거로 어군과 음향센서 간의 상대거리를 산출하게 된다. 좌표값을 근거로 한 상대거리 산출은 일반적인 내용인 바, 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.(ST802 단계)
이후 도 6의 프로세서부(70)는 어군과 음향센서 간의 상대거리를 이용하여 음향센서로 수신되는 가상음원의 전달경로인 다중경로별 시간지연값을 산출하게 된다. 이하 도 11을 참조하여 어군과 음향센서의 상대거리에 따른 시간지연값 산출과정을 설명하기로 한다.
먼저 도 11에서 X축과 Y축이 형성하는 평면은 해양의 수평면을 나타내고, Z축은 해양의 수심을 나타내며, a는 어군과 음향센서(HLA)의 상대거리, b는 상기 상대거리 a의 수평면에 대한 정사영, c는 상기 b의 X축에 대한 정사영을 나타낸다. 그리고 도 11에서 상기 a, b, c가 형성하는 각도를 각각 μn , Φ, θn 이라고 하면, 어군으로부터 방사되는 가상음원(Ssyn)의 음향센서(HLA)에 대한 수평방위 θn 은 다음 수학식6과 같이 나타낼 수 있다.
그리고 도 6의 매개변수저장부(63)에는 상기 수평방위 θn 에 대응되는 시간지연값이 매개변수로서 미리 구비되어 있는 바, 도 6의 프로세서부(70)는 어군과 음향센서의 상대거리를 산출한 후, 이를 근거로 상기 수학식6에 따라 결정된 가상음원(Ssyn)의 수평방위 θn 에 대응되는 시간지연값을 매개변수저장부(63)로부터 조회하여 가상음원(Ssyn)의 다중경로별 시간지연값을 산출하게 된다. 한편 도 11에서 n은 시간변화를 나타내는 바, 다중경로별 시간지연값은 시간변화에 따라 산출되어 진다.(ST803 단계)
이후 도 6의 프로세서부(70)는 매개변수저장부(63)의 소정 매개변수와 프로그램저장부(66)의 동작프로그램을 근거로 가상음원의 전달경로에 따른 다중경로와 주파수대역에 따른 다중밴드별 전달손실을 산출하게 되는 바, 이하 도 9를 참조하여 가상음원(Ssyn)의 다중경로 및 다중밴드별 전달손실 산출과정을 설명하기로 한다.
즉 도 9는 가상음원(Ssyn)의 다중경로 및 다중밴드별(주파수대역별) 전달손실을 산출하는 동작프로그램의 기능블록을 나타낸 것으로서, 먼저 입력신호인 가상음원(Ssyn(t))이 입력되면, 입력된 가상음원(Ssyn(t))은 도 9에 도시된 것처럼 다수의 FIR(Finite Impulse Response) 필터(911~918)를 통해 다중경로로 필터링된 후, 다수의 밴드패스필터(BPF)군(921~928)을 통해 다중대역으로 필터링된다. 그리고 다중경로 및 다중밴드로 필터링된 가상음원은 가산기(93)를 합성되어 전달손실된 가상음원(Ssyn1(t))으로 출력되게 된다.
이때 도 9의 FIR 필터(911~918)는 한정된 수의 샘플데이터, 즉 다중경로별 가상음원이 연속성을 갖도록 소정 FIR 필터계수와 상기 ST803 단계에서 산출된 전달경로별 시간지연값을 근거로 필터링동작을 수행하게 된다. 또한 도 9에 도시된 다수의 밴드패스필터군(921~928)은 각각 도 4에 도시된 필터구성을 이용하게 되고, 통과대역이 예컨대 1~2KHz내에서 설정되도록 소정 필터계수(a, b)가 지정된다.
한편 도 9에 도시된 FIR 필터계수에 대한 상세한 설명은 Paul. M. Embree와 Bruce Kimble의 C language algorithms for digtal signal processing에 기재되어 있는 바, 본 명세서에서는 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.(ST804~ST806 단계)
도 10은 도 7의 ST703 단계에 따른 전달손실된 가상음원의 복원과정을 설명하기 위한 플로우챠트이다.
먼저 도 6의 프로세서부(70)는 매개변수저장부(63)로 가상음원의 전달손실 복원시 이용되는 각종 매개변수를 독출하여 메모리부(68)에 저장함과 아울러 전달손실 복원과 관련된 동작프로그램을 로딩하게 된다.(ST1001 단계)
그리고 어군과 음향센서의 위치지정을 위한 초기 좌표를 설정하고(ST1002 단계), 설정된 어군과 음향센서의 초기 좌표값을 근거로 어군과 음향센서 간의 상대거리 및 수평방위를 산출하게 된다. 이때 상기 수평방위는 도 11에서 설명한 수평방위( θn ) 산출방법을 이용하게 된다.(ST1003 단계)
이후 도 6의 프로세서부(70)는 어군과 음향센서 간의 시간변화에 따른 상대거리별 초기 보간필터계수와 가상음원의 전달경로별(다중경로별) 수평방위를 산출하게 된다.(ST1004, ST1005 단계)
그리고 도 6의 프로세서부(70)는 음향센서 간의 가상음원 수신지연시간을 산출하고, 음향센서별로 수신되는 가상음원(음향센서별 수신신호)의 샘플데이터와 보간필터계수를 산출하게 된다. 이때 음향센서 간의 가상음원 수신지연시간은 HLA를 구성하는 다수의 음향센서가 등간격으로 설치되어 있는 바, 어군과 음향센서 간의 초기 상대거리와 상기 ST1005 단계에 따라 산출된 전달경로별 수평방위를 근거로 음향센서별 수신신호의 시간지연값을 도 6의 매개변수저장부(63)로부터 조회하여 산출하게 된다.(ST1006, ST1007 단계)
이후 도 6의 프로세서부(70)는 음향센서별 수신신호의 샘플데이터에 대하여 예컨대 14차 10배 보간필터 알고리즘을 수행하게 되고, 도 7의 ST702 단계에 따라 전달손실된 가상음원을 복원하게 된다. 이때 상기 14차 10배 보간필터 알고리즘의 보간식은 일반적인 보간식을 이용하게 되는 바, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.(ST1008 단계)
따라서 상기한 실시예에 의하면, 실험자가 수중에서 직접 계측기를 이용하거나, 다수의 음향센서가 등간격으로 배열된 어군탐지기의 HLA를 어선에 장착하여 어군으로부터 방사되는 음향신호를 채취한 후, 전달경로 및 주파수대역에 따라 손실되는 음향신호의 에너지준위를 측정하여 음향신호의 전달손실치를 산출하고, 다수의 음향센서를 통해 수신된 음향신호의 복원과정 및 합성결과를 관측해야 하는 복잡한 과정을 거치지 않고도 어군탐지기의 시뮬레이션을 수행할 수 있게 된다.
즉 수중에 존재하는 어군으로부터 방사되는 음향신호를 실제로 측정하여 어군의 위치를 파악하려면, 다수의 음향센서가 구비된 HLA를 어선에 장착애햐 함은 물론 HLA에 구비된 각 음향센서의 단면구조는 예컨대 내각이 60°를 이루도록 제작하여야 한다. 그러나 이러한 다수의 음향센서를 구비한 HLA를 실제 제작하여 시뮬레이션 실험을 수행하는 것은 매우 어려운 일이다. 따라서 상기한 과정에 의하면 고가의 HLA를 실제 어선에 장착하지 않고도, 어군탐지기의 시뮬레이션을 용이하게 수행하는 것이 가능하게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 어군으로부터 방사되는 각종 음향신호를 가상으로 생성하고, 어군탐지기의 음향센서를 통해 수신되는 가상음원의 상태를 시뮬레이션 함으로써 어군탐지기에 HLA를 장착하거나, 실제 해양에 나가지 않고도 어군탐지기의 동작실험을 용이하게 수행할 수 있게 된다.
도 1은 수중에 존재하는 각종 음향신호를 주파수 대역별로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따라 어군탐지기의 시뮬레이션 음원으로 사용되는 가상음원(Ssyn)의 음원구성을 간략히 설명하기 위한 도면.
도 3은 도 2에 도시된 가상음원(Ssyn)의 생성방법을 설명을 설명하기 위한 플로우챠트.
도 4는 도 2에 도시된 광대역신호(SB)의 생성알고리즘을 설명하기 위한 기능블록도.
도 5는 도 2에 도시된 가상음원(Ssyn)의 주파수분석 결과를 나타낸 파형도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 어군탐지기의 시뮬레이션장치의 내부구성을 나타낸 블록구성도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 어군탐지기의 시뮬레이션방법을 설명하기 위한 플로우챠트.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 전달손실된 가상음원의 합성과정을 설명하기 위한 도면.
도 10은 본 발명에 따른 전달손실된 가상음원의 복원과정을 설명하기 위한 도면.
도 11은 본 발명에 따라 어군과 음향센서의 상대거리에 따른 수평방위 산출방법을 설명하기 위한 도면.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
21, 411~418 : 승산기, 22, 23, 42, 93 : 가산기,
61 : 버스제어기, 62 : 음원데이터저장부,
63 : 매개변수저장부, 64 : FIFO,
65 : 표시부, 66 : 프로그램저장부,
67 : 버퍼, 68 : 메모리부,
69 : 장치제어부, 70 : 프로세서부,
911~918 : FIR 필터, 921~928 : 밴드패스필터(BPF)군,
SB : 광대역신호, SD : 변조신호,
Sst : 안정토널신호, Sunst : 불안정토널신호,
Ssyn : 가상음원.

Claims (10)

  1. 가상데이터를 생성/합성하여 소정 관측/탐지장비의 가상동작실험을 수행하도록 데이터 저장수단과 장치제어수단 및 표시수단을 구비하는 시뮬레이션장치에 있어서,
    어군탐지기의 시뮬레이션 실험과 관련하여 생성/합성된 적어도 하나의 음원데이터가 저장되는 음원데이터저장부,
    상기 음원데이터의 생성/합성시 요구되는 소정 매개변수가 저장되는 매개변수저장부,
    시뮬레이션장치의 운영체제와 상기 매개변수저장부에 저장된 소정 매개변수를 근거로 광대역신호, 변조신호, 안정토널신호 및 불안정토널신호를 포함하는 가상음원을 생성/합성하여 어군탐지기의 시뮬레이션을 수행하기 위한 소정 동작프로그램이 구비된 프로그램저장부 및,
    상기 장치제어수단을 통해 상기 음원데이터저장부, 매개변수저장부 및 프로그램저장부에 각각 접속되어 상기 매개변수저장부에 저장된 소정 매개변수와 상기 프로그램저장부에 저장된 소정 동작프로그램을 근거로 어군으로부터 방사되는 가상음원의 생성/합성과정과 그 가상음원이 어군탐지기의 음향센서로 수신되는 과정을 시뮬레이션하여 생성/합성된 적어도 하나의 음원데이터를 상기 음원데이터저장부에 저장함과 아울러 시뮬레이션 결과를 상기 표시수단에 표시하도록 제어하는 프로세서부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 어군탐지기의 시뮬레이션장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로그램저장부는 N 개의 다중경로를 형성하도록 연속성을 갖는 N 개의 FIR 필터와 상기 FIR 필터의 출력에 대응되게 1 내지 2 KHz의 통과대역에서 N 개의 다중밴드를 형성하는 N 개의 밴드패스필터군과 상기 N 개의 밴드패스필터군의 출력을 가산하는 가산기가 프로그램 구성된 동작프로그램을 구비하고,
    상기 프로세서부는 상기 어군으로부터 방사되는 가상음원에 대해 상기 N 개의 다중경로 및 다중밴드별 전달손실을 산출하고 각 경로 및 밴드별로 필터링된 가상음원을 합성하여 전달손실된 가상음원을 생성/합성하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 어군탐지기의 시뮬레이션장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 프로그램저장부는 음원데이터에 대하여 14차 10배 보간필터 알고리즘을 실행하기 위한 동작프로그램을 구비하고,
    상기 프로세서부는 상기 전달손실된 가상음원의 음향센서별 샘플데이터와 보간필터계수를 산출하고 상기 음향센서별 샘플데이터에 대하여 14차 10배 보간필터 알고리즘를 수행하여 전달손실된 가상음원을 복원하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 어군탐지기의 시뮬레이션장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 프로그램저장부는 음원데이터에 대하여 4차 100배 보간필터 알고리즘을 실행하기 위한 동작프로그램을 구비하고,
    상기 프로세서부는 상기 전달손실이 복원된 가상음원에 대하여 4차 100배 보간필터 알고리즘을 수행하여 음향센서별 수신신호를 생성하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 어군탐지기의 시뮬레이션장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 프로그램저장부는 소정 환경잡음을 생성하도록 1 내지 2KHz의 통과대역에서 연속성을 갖도록 설정된 N 개의 IIR 필터가 프로그램 구성된 동작프로그램을 구비하고,
    상기 프로세서부는 랜덤잡음을 산출하기 위한 시드값, 환경소음크기값을 포함한 소정 매개변수를 근거로 상기 IIR 필터링을 수행하여 상기 환경잡음을 생성하고 이를 상기 음향센서별 수신신호에 합성하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 어군탐지기의 시뮬레이션장치.
  6. 가상데이터를 생성/합성하여 소정 관측/탐지장비의 가상동작실험을 수행하는시뮬레이션방법에 있어서,
    음원데이터로부터 광대역신호, 변조신호, 안정토널신호 및 불안정토널신호를 생성 및 합성하여 어군으로부터 방사되는 가상음원을 생성하는 제1 단계,
    상기 가상음원과 음향센서 간의 다중경로 및 다중밴드별 전달손실을 산출하여 전달손실된 가상음원을 합성하는 제2 단계,
    음향센서별 수신 가상음원의 샘플데이터와 보간필터계수를 산출하고 제1 보간필터 알고리즘을 수행하여 상기 전달손실된 가상음원을 복원하는 제3 단계,
    다수의 음향센서별로 수신되는 가상음원의 수신지연시간을 산출하고 제2 보간필터 알고리즘을 수행하여 음향센서별 수신신호를 생성하는 제4 단계 및,
    랜덤잡음을 산출하기 위한 시드값, 환경소음크기값을 포함한 매개변수를 근거로 소정 환경잡음을 생성하여 상기 음향센서별 수신신호에 합성하는 제5 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 어군탐지기의 시뮬레이션방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2 단계는 상기 가상음원의 전달손실과 관련된 매개변수를 설정하는 단계,
    어군과 음향센서의 좌표설정 및 상대거리를 산출하는 단계,
    어군과 음향센서의 상대거리에 따른 다중경로별 시간지연을 산출하는 단계,
    가상음원의 다중경로 및 다중밴드별 전달손실을 산출하는 단계,
    다중경로 및 다중밴드별로 전달손실된 가상음원을 가산하여 합성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 어군탐지기의 시뮬레이션방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 다중경로 및 다중밴드별 전단손실을 산출하는 단계는
    N 개의 연속성을 갖는 FIR 필터를 통해 가상음원을 필터링하는 단계,
    상기 N 개의 FIR 필터의 출력을 1 내지 2 KHz의 통과대역에 형성된 N 개의 밴드패스필터군을 통해 필터링하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 어군탐지기의 시뮬레이션방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제3 단계는 상기 전달손실된 가상음원의 복원과 관련된 매개변수를 설정하는 단계,
    어군과 음향센서의 초기 좌표, 어군과 음향센서 간의 초기 상대거리 및 수평방위를 산출하는 단계,
    어군과 음향센서 간의 시간변화에 따른 상대거리별 초기 보간필터계수를 산출하는 단계,
    어군과 음향센서 간의 시간변화에 따른 전달경로별 수평방위를 산출하고 이를 근거로 음향센서 간의 가상음원 수신지연시간을 산출하는 단계,
    음향센서별로 수신되는 가상음원의 샘플데이터와 보간필터계수를 산출하는 단계,
    가상음원의 샘플데이터에 대하여 상기 제1 보간필터 알고리즘을 수행하여 전달손실된 가상음원을 복원하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 어군탐지기의 시뮬레이션방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 보간필터 알고리즘은 14차 10배 보간필터 알고리즘이고,
    상기 제2 보간필터 알고리즘은 4차 100배 보간필터 알고리즘인 것을 특징으로 하는 어군탐지기의 시뮬레이션방법.
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