KR100505327B1 - 어군탐지기의 시뮬레이션을 위한 가상음원 생성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 어군으로부터 방사되는 각종 음향신호를 가상으로 생성 및 합성하여 어군탐지기의 시뮬레이션 음원으로 사용할 수 있도록 된 어군탐지기의 시뮬레이션을 위한 가상음원 생성방법에 대한 것으로서, 이는 입력신호인 백색가우시안잡음을 소정 주파수대역으로 필터링 및 가중하여 광대역신호를 생성하는 광대역신호 생성단계와, 상기 광대역신호에 소정 주파수 및 크기를 갖은 변조신호를 승산하여 광대역변조신호를 생성하는 광대역변조신호 생성단계와, 상기 광대역변조신호에 소정 주파수 및 크기를 갖는 안정토널신호를 가산하는 안정토널신호 가산단계 및, 상기 광대역변조신호에 소정 주파수, 크기 및 위상을 갖은 불안정토널신호를 가산하는 불안정토널신호 가산단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

어군탐지기의 시뮬레이션을 위한 가상음원 생성방법{Virtual Sound Source Generating Method for simulating a fish detector}

본 발명은 어군탐지기에 대한 것으로서, 특히 어군(魚群)으로부터 방사되는 각종 음향신호를 가상으로 생성 및 합성하여 어군탐지기의 시뮬레이션 음원(音原)으로 사용할 수 있도록 된 어군탐지기의 시뮬레이션을 위한 가상음원 생성방법에 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, 어군(魚群)과 어군의 이동에 따라 주변으로부터 생성되는 각종 음원을 가상으로 생성 및 합성하여 어군탐지기의 동작실험시 시뮬레이션 음원으로 사용할 수 있도록 된 어군탐지기의 시뮬레이션을 위한 가상음원 생성방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 어군탐지기의 시뮬레이션을 위한 가상음원 생성방법은 입력신호인 백색가우시안잡음을 소정 주파수대역으로 필터링 및 가중하여 광대역신호를 생성하는 광대역신호 생성단계와, 상기 광대역신호에 소정 주파수 및 크기를 갖은 변조신호를 승산하여 광대역변조신호를 생성하는 광대역변조신호 생성단계와, 상기 광대역변조신호에 소정 주파수 및 크기를 갖는 안정토널신호를 가산하는 안정토널신호 가산단계 및, 상기 광대역변조신호에 소정 주파수, 크기 및 위상을 갖은 불안정토널신호를 가산하는 불안정토널신호 가산단계를 포함하여 이루어진 것을 특징을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.

도 1은 수중에 존재하는 각종 음향신호를 주파수 대역별로 구분한 것으로서, 도 1을 통해 본 발명에 따라 생성되는 가상음원의 주파수 대역을 설명하기로 한다.

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 발명은 어군탐지기의 시뮬레이션 음원으로 도 1의 Ⅳ영역중 1~2KHz 영역에 해당하는 음향신호를 가상음원으로 생성하도록 제안된 것이다.

그리고 도 2는 본 발명에 따른 어군탐지기의 시뮬레이션을 위한 가상음원 생성방법의 기본개념을 설명하기 위한 것으로서, 도 2에서 어군으로부터 방사되는 음향신호, 즉 가상음원(S_syn)은 광대역신호(S_B)에 소정 변조신호(S_D)가 승산된 광대역변조신호와 안정토널신호(S_st), 그리고 불안정토널신호(S_unst)가 가산된 합성신호로 구성된다.

도 2에서 상기 광대역신호(S_B)는 어군의 이동에 따라 어군의 주변에서 발생되는 음향신호를 의미하고, 상기 안정토널신호(S_st)는 어군의 중앙부로부터 발생되는 협대역 음향신호, 다시 말하면 어군을 형성하는 물고기가 발생하는 고유의 음향신호를 의미하며, 상기 불안정토널신호(S_unst)는 어군의 꼬리나 상부, 하부와 같이 물고기의 이동시 움직임이 많은 부분에서 발생되는 협대역 음향신호를 의미한다.

이하 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 어군탐지기의 시뮬레이션을 위한 가상음원 생성방법을 설명하기로 한다.

먼저 상기 광대역신호(S_B), 변조신호(S_D), 안정토널신호(S_st) 및 불안정토널신호(S_unst)의 생성시 적용되는 각종 매개변수를 설정하게 된다. 이때 상기 매개변수는 실제 어군으로부터 방사되는 음향신호를 근거로 하여 작성된 수치를 이용하게 되며, 이는 상기 광대역신호(S_B), 변조신호(S_D), 안정토널신호(S_st) 및 불안정토널신호(S_unst)의 신호개수, 신호주파수, 그리고 신호크기를 기본 매개변수로 하고, 상기 변조신호(S_D)의 주파수간격과 상기 불안정토널신호(S_unst)의 신호위상이 어군의 가상음원(S_syn) 생성을 위한 매개변수로 추가설정된다.(ST301 단계)

그리고 상기 ST301 단계에 따라 설정되는 각 매개변수는 후술하는 광대역신호(S_B), 변조신호(S_D), 안정토널신호(S_st) 및 불안정토널신호(S_unst )의 소정 생성알고리즘에 적용되어 해당되는 음향신호를 각각 생성하게 된다.

이때 상기 광대역신호(S_B)가 먼저 생성되고, 상기 변조신호(S_D)는 광대역신호(S_B)에 승산되어 광대역변조신호를 생성하게 된다. 그리고 상기 광대역변호신호에는 상기 안정토널신호(S_st) 및 불안정토널신호(S_unst)가 생성 및 가산되어 어군으로부터 방사되는 소정 가상음원(S_syn)을 생성하게 된다.(ST302~ST306 단계)

이하 도 4 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

도 4 및 도 5는 상기 광대역신호(S_B)의 생성과정을 설명하기 위한 것으로서, 상기 광대역신호(S_B)는 다음 수학식1 및 수학식2에 따라 산출되어 진다.

상기 수학식1 및 2에서 S_B(t)는 상기 광대역신호(S_B)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.

이하 상기 수학식1 및 2에 따른 광대역신호(S_B)의 생성알고리즘을 설명하기로 한다. 먼저 입력신호인 백색가우시안잡음(x)이 인가되면, 이는 도 5에 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 소정 필터계수(a, b)가 지정된다.

도 5에서 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.(ST401 단계)

이후 상기 밴드패스필터(BPF1~BPF8)를 통해 필터링되어 생성되는 주파수대역별 신호에는 도 5에 도시된 것처럼 승산기(51₁~51₈)를 통해 소정 신호크기(A₁ ~A₈)를 갖는 매개변수가 승산되고(ST402, ST403 단계), 매개변수의 승산에 따라 증폭된 주파수대역별 신호는 가산기(52)를 통해 합성되어 광대역신호(S_B)로서 출력되게 된다.(ST404 단계)

도 6은 상기 변조신호(S_D)의 생성과정을 설명하기 위한 것으로서, 상기 변조신호(S_D)는 다음 수학식3을 근거로 도 6에 도시된 단계에 따라 산출되어 진다.

상기 수학식3에서 S_D(t)는 상기 변조신호(S_D)의 시간변화(t)에 따른 함수식을 나타낸 것이고, f는 신호주파수(기본주파수로 고정), A_k는 신호크기, N은 신호개수, d는 주파수간격을 의미한다.

따라서 변조신호(S_D)의 기본주파수로서 신호주파수(f)와 신호크기(A_k), 그리고 주파수간격(d)이 매개변수로서 지정되면(신호개수(N)은 미리 지정됨), 상기 수학식3의 변조신호 생성알고리즘이 수행되어 시간변화(t)에 따른 변조신호(S_D)가 생성되게 된다.(ST601~ST605 단계)

도 7은 상기 안정토널신호(S_st)의 생성과정을 설명하기 위한 것으로서, 상기 안정토널신호(S_st)는 다음 수학식4를 근거로 도 7에 도시된 단계에 따라 산출되어 진다.

상기 수학식4에서 S_st(t)는 상기 안정토널신호(S_st)의 시간변화(t)에 따른 함수식을 나타낸 것이고, f_k는 신호주파수, A_k는 신호크기, N은 신호개수를 의미한다.

따라서 안정토널신호(S_st)의 신호주파수(f_k)와 신호크기(A_k)가 매개변수로서 지정되면(신호개수(N)은 미리 지정됨), 상기 수학식4의 안정토널신호 생성알고리즘이 수행되어 시간변화(t)에 따른 안정토널신호(S_st)가 생성되게 된다.(ST701~ST704 단계)

도 8은 상기 불안정토널신호(S_unst)의 생성과정을 설명하기 위한 것으로서, 상기 불안정토널신호(S_unst)는 다음 수학식5를 근거로 도 8에 도시된 단계에 따라 생성되어 진다.

상기 수학식3에서 S_unst(t)는 상기 불안정토널신호(S_unst)의 시간변화(t)에 따른 함수식을 나타낸 것이고, N은 신호개수, f_k는 신호주파수, A_k는 신호크기, φ는 신호위상을 의미한다.

따라서 불안정토널신호(S_unst)의 신호개수(N), 신호주파수(f_k), 신호크기(A_k) 및 신호위상(φ)이 매개변수로서 지정되면, 상기 수학식4의 불안정토널신호 생성알고리즘이 수행되어 시간변화(t)에 따른 불안정토널신호(S_unst)가 생성되게 된다.(ST801~ST806 단계)

한편 도 9는 상기한 과정에 따라 생성되는 생성 및 합성된 가상음원(S_syn)의 주파수분석 결과를 나타낸 것으로서, 각 주파수영역별로 광대역신호(S_B)(A), 변조신호(S_D), 안정토널신호(S_st)(B) 및 불안정토널신호(S_unst)(C)가 도시되어 있다. 그리고 도 9에서 상기 변조신호(S_D)는 도시되지 않았으나, 상대적으로 낮은 주파수영역에 속하므로 X축의 주파수 빈수 100 이내에 포함되게 된다.

따라서 상기한 실시예에 의하면, 어군의 이동에 따라 어군 주변으로부터 발생되는 광대역신호(S_B)를 변조한 광대역변조신호와, 어군의 몸체, 즉 중앙부로부터 발생되는 안정토널신호(S_st)와 어군의 꼬리, 상부, 하부와 같이 이동시 움직임이 많은 부분으로부터 발생되는 불안정토널신호(S_unst)를 각각 생성 및 합성하여 어군의 이동시 방사되는 가상음원(S_syn)을 용이하게 생성할 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 어군으로부터 방사되는 각종 음향신호를 가상으로 생성 및 합성하여 어군탐지기의 동작실험을 위한 가상음원을 생성하게 되는 바, 어군탐지기의 동작실험시 소요되는 비용을 절감할 수 있게 된다.

도 1은 수중에 존재하는 각종 음향신호를 주파수 대역별로 구분한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 어군탐지기의 시뮬레이션을 위한 가상음원 생성방법의 기본개념을 설명하기 위한 도면.

도 3, 도 4, 도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 어군탐지기의 시뮬레이션을 위한 가상음원 생성방법을 설명을 설명하기 위한 플로우챠트.

도 5는 도 2에 도시된 광대역신호 생성과정을 설명하기 위한 기능블록도.

도 9는 본 발명에 따라 생성된 가상음원의 주파수분석 결과를 나타낸 파형도.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

21, 51₁~51₈ : 승산기, 22, 23, 52 : 가산기,

S_B : 광대역신호, S_D : 변조신호,

S_st : 안정토널신호, S_unst : 불안정토널신호,

S_syn : 가상음원.

Claims (3)

1. 입력신호인 백색가우시안잡음을 1 내지 2KHz 주파수대역으로 필터링 및 가중하여 광대역신호를 생성하는 광대역신호 생성단계,

   상기 광대역신호에 해당 주파수대역 내의 주파수를 갖는 변조신호를 승산하여 광대역변조신호를 생성하는 광대역변조신호 생성단계,

   상기 광대역변조신호에 해당 주파수대역 내의 주파수를 갖는 안정토널신호를 생성하여 가산하는 안정토널신호 가산단계 및,

   상기 광대역변조신호에 해당 주파수대역 내의 주파수를 갖는 불안정토널신호를 생성하여 가산하는 불안정토널신호 가산단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 어군탐지기의 시뮬레이션을 위한 가상음원 생성방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 광대역신호 생성단계는 상기 백색가우시안잡음을 1 내지 2 KHz의 통과대역을 갖는 다수의 밴드패스필터를 통해 필터링하는 단계,

   각 밴드패스필터로부터 출력되는 다수의 주파수대역별 신호를 신호별로 그 크기를 가중하는 단계,

   상기 신호크기가 가중된 다수의 주파수대역별 신호를 가산하여 광대역신호를 생성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 어군탐지기의 시뮬레이션을 위한 가상음원 생성방법.
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