KR100923685B1 - 근사 고속 퓨리에 변환을 기반한 능동 소나 탐지기에서 표적 위치를 탐지하는 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 능동 소나 탐지기에서 표적 위치를 탐지하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 능동 소나 탐지기에서 근사 고속 퓨리에 변환을 이용한 능동 소나 탐지기에서 표적 위치를 탐지하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 근사 고속 퓨리에 변환을 기반한 능동 소나 탐지기에서 표적 위치를 탐지하는 방법에 있어서, 목표물로부터 반사 신호가 수신되면, 상기 수신된 반사 신호로부터 각 방위별로 빔 신호를 생성하는 과정과, 상기 생성된 빔 신호의 크기에 따라 양자화를 다르게 하여 대표값으로 매핑하는 과정과, 상기 빔 신호의 시간 영역에서 퓨리에 연산자를 매핑하고, 상기 매핑된 값을 합산하여 주파수 정보를 추출하는 과정과, 상기 합산된 주파수 정보에서 특정 임계값을 초과하는 신호만을 추출하여 표적 위치를 탐지하는 과정을 포함한다.
Figure R1020090062217
능동 소나, 표적 탐지, 고속 퓨리에 변환, CW 신호

Description

근사 고속 퓨리에 변환을 기반한 능동 소나 탐지기에서 표적 위치를 탐지하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR TARGET LOCALIZATION IN THE ACTIVE SONAR BASED ON APPROXIMATE FAST FOURIER TRANSFORM}
본 발명은 능동 소나 탐지기에서 표적 위치를 탐지하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 능동 소나 탐지기에서 근사 고속 퓨리에 변환을 이용한 능동 소나 탐지기에서 표적 위치를 탐지하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 능동소나 표적탐지에서 연속파(Continuous Wave, 이하 CW라 칭함) 신호를 이용한 표적의 탐지는 보편적인 탐지 방법으로서, CW 표적신호의 탐지를 위해 일반적으로 고속 퓨리에 변환(fast Fourier Transform) 기반의 탐지기법이 널리 사용되고 있다.
소나(sound navigation and ranging, SONAR)란 음파를 이용하여 해저, 선박, 어군이나 기타 목표물과의 거리를 측정하여 항해용으로 제공되는 기법을 말한다. 이러한 소나는 수동 소나와 능동 소나가 있으며, 수동 소나는 선박이나 물고기가 발하는 음의 방향, 거리 및 세기 등을 측정하는 수신 전용 소나이다. 그리고, 능동소나는 음파를 발사해서 목표물로부터의 반사음을 수신하여 방위 및 거리를 측정하 는 방식의 소나이다.
그리고, 이러한 소나에 적용되는 고속 퓨리에 변환은 함수의 근사값을 계산하는 알고리즘으로서, 퓨리에 변환에 근거하여 근사공식을 이용한 이산 퓨리에 변환(discrete Fourier Transform)을 계산할 때, 연산횟수를 줄일 수 있도록 고안된 알고리즘이다.
이와 같이, 고속 퓨리에 변환을 이용한 종래의 CW 표적신호 탐지 기법은 아래 <수학식 1>을 각 방향별 빔 신호에 반복적으로 적용하여 목표물의 위치(예: 방위, 거리, 도플러)를 산출한다.
Figure 112009041653473-pat00001
상기 <수학식 1>에서 x(n)은 시간영역의 이산 신호(Discrete signal) 함수를 나타내며, X(k)는 주파수 영역의 함수를 나타내며, w(n)은 시간영역 창(window) 함수를 나타내며, n은 시간영역 샘플 인덱스를 나타내며, k는 주파수 샘플 인덱스를 나타내며, N은 고속 퓨리에 변환의 수행을 위한 시간영역 데이터의 샘플 수를 나타낸다.
상기 <수학식 1>은 신호처리 과정에서 일반적인 고속 퓨리에 변환 기법을 적용하기 위한 수학식을 나타낸 것으로서, 종래 고속 퓨리에 변환 기법의 경우 특정한 주파수 응답을 획득하기 위해 시간영역 신호 x(n)의 모든 샘플에 대하여 곱(X) 연산과 합(+) 연산을 수행한다.
그런데, 종래 CW 신호를 이용한 능동소나 표적탐지에서는 일반적으로 고속 퓨리에 변환 기반의 신호처리 기법이 이용되고 있으나, 시간 영역 신호 x(n)의 모든 샘플에 대하여 곱(X) 연산과 합(+) 연산의 반복적인 연산 수행으로 매우 많은 연산량이 필요로 한다. 이런 고도한 연산량은 표적탐지시간의 지연 및 많은 양의 전력 소모를 초래하여 궁극적으로 시스템 전체의 성능을 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술이 안고 있는 문제점을 해결하기 위하여 표적 탐지에 적합한 적은 연산량의 신호처리 기법을 기존의 고속 퓨리에 변환 기반 표적 탐지 기법에 적용하여 기존 성능을 유사하게 유지하면서 연산량을 감소하는 근사 고속 퓨리에 변환을 기반한 능동 소나 탐지기에서 표적 위치를 탐지하는 장치 및 방법을 제공한다.
상기한 바를 달성하기 위한 본 발명은 근사 고속 퓨리에 변환(fast Fourier Transform)을 기반한 능동 소나 탐지기에서 표적 위치를 탐지하는 장치에 있어서, 목표물로부터 반사 신호가 수신되면, 상기 수신된 반사 신호로부터 각 방위별로 빔 신호를 생성하는 빔 형성부와, 상기 생성된 빔 신호의 크기에 따라 양자화를 다르게 하여 대표값으로 매핑하는 양자화부와, 상기 빔 신호의 시간 영역에서 퓨리에 연산자를 매핑하고, 상기 매핑된 값을 합산하여 주파수 정보를 추출하는 주파수 정보 연산부와, 상기 추출된 주파수 정보에서 특정 임계값을 초과하는 신호만을 추출하여 표적 위치를 탐지하는 추출부를 포함한다.
또한, 상기한 바를 달성하기 위한 본 발명은 근사 고속 퓨리에 변환(fast Fourier Transform)을 기반한 능동 소나 탐지기에서 표적 위치를 탐지하는 방법에 있어서, 목표물로부터 반사 신호가 수신되면, 상기 수신된 반사 신호로부터 각 방위별로 빔 신호를 생성하는 과정과, 상기 생성된 빔 신호의 크기에 따라 양자화를 다르게 하여 대표값으로 매핑하는 과정과, 상기 빔 신호의 시간 영역에서 퓨리에 연산자를 매핑하고, 상기 매핑된 값을 합산하여 주파수 정보를 추출하는 과정과, 상기 추출된 주파수 정보에서 출력된 값에서 특정 임계값을 초과하는 신호만을 추출하여 표적 위치를 탐지하는 과정을 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 근사 고속 퓨리에 변환을 기반한 능동 소나 탐지기에서 표적 위치를 탐지하는 장치 및 방법을 제공함으로써, 실제 탐지환경에서도 근사 고속 퓨리에 변환 기반 탐지 기법이 종래의 탐지 기법에 비해 성능의 감소를 최소화하면서도 연산량을 감소시키는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 근사 고속 퓨리에 변환 기반 능동 소나 탐지 장치는 능동 소나에서 CW 신호를 송신하여 표적을 탐지할 때, 근사 고속 퓨리에 변환을 이용하여 기존의 고속 퓨리에 변환 기반 능동 소나 탐지 장치에 비해 연산량을 감 소시킨 개선된 표적 탐지 장치이다.
도 1은 본 발명에 따른 근사 고속 퓨리에 변환 기법을 적용한 능동 소나 탐지 장치를 나타낸 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 능동 소나 CW 신호 표적 탐지를 위한 근사 고속 퓨리에 변환(approximate fast Fourier Transform) 기법을 적용한 능동 소나 탐지 장치는 수신된 센서신호를 시간에 따라서, 이득의 감소가 일정하도록 보상하고, 능동 소나 탐지 장치가 구비된 자함의 이동 속도에 따른 주파수 변이를 보상하는 보상부(110), 보상된 신호를 이용하여 센서 신호로부터 각 방위별로 수신 신호를 생성하는 빔 형성부(120), 상기 빔 형성부(120)로부터 출력된 빔 신호의 크기에 따라 대표값으로 양자화하고, 양자화된 값에서 빔 신호의 시간 영역 신호에 퓨리에 연산자를 매핑하고, 매핑된 값을 합산하는 근사 고속 퓨리에 변환부(130)와, 합산된 값에서 주변 소음의 영향을 줄이기 위해 특정 임계 값을 초과하는 신호만을 추출하는 추출부(140)을 포함한다. 상기 근사 고속 퓨리에 변환부(130)는 출력된 빔 신호의 크기에 따라 대표 값으로 양자화하는 양자화부(132), 양자화부(132)로부터 출력된 신호를 빔 신호의 시간 영역 신호에 퓨리에 연산자를 매핑하고, 상기 매핑된 값을 합산하여 주파수 정보를 추출하는 주파수 정보 연산부(138)로 구성된다. 상기 주파수 정보 연산부(138)는 상기 양자화부(132)에서 양자화된 빔 신호를 시간 영역 신호에 퓨리에 연산자인 값으로 매핑하는 퓨리에 연산자 매핑부(134)와 상기 퓨리에 연산자 매핑부(134)에서 출력된 값을 합산하는 합 연산부(136)를 포함한다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 근사 고속 퓨리에 변환 기법을 적용한 능동 소나 탐지 장치를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 능동 소나 탐지 장치가 구비된 자함(ownship)에서 목표물의 방위 및 거리를 측정하기 위해 음파를 발사하고, 목표물로부터 반사음 즉, 센서 신호가 수신되면, 보상부(110)는 시간에 따른 이득의 감소가 일정하도록 수신된 센서 신호의 세기를 보상한다. 또한, 상기 보상부(110)는 자함의 이동 속도에 따라서 수신된 센서 신호의 주파수 변이를 보상한다. 상기 보상부(110)에서 보상된 센서신호를 이용하여 빔 형성부(120)는 각 방위별로 빔 신호를 생성하고, 생성된 빔 신호를 양자화부(132)로 전달한다. 상기 양자화부(132)는 빔 형성부(120)에서 생성된 빔 신호의 크기에 따라 -1, 0, 1의 대표값으로 변환한다. 즉, 상기 양자화부(132)는 빔 형성부(120)로부터 수신된 빔 신호의 샘플 중 가장 크기가 큰 샘플이 A의 크기를 가진다고 할 때, 수신된 신호의 샘플을 A로 양자화한 후, -1, 0, 1로 각각 양자화하여 양자화된 시간 영역 신호를 퓨리에 연산자인
Figure 112009041653473-pat00002
,
Figure 112009041653473-pat00003
, 0의 값으로 매핑함으로써 모든 시간 샘플에서 곱 연산 및 합 연산을 감소한다. 상기 양자화부(132)에서 -1, 0, 1로 각각 양자화하는 과정은 후술한다.
그리고, 주파수 정보 연산부(138)의 퓨리에 연산자 매핑부(134)는 상기 양자화부(132)로부터 양자화된 시간영역 빔신호에서 주파수(doppler) 정보를 추출한다. 상기 주파수 정보 연산부(138)는 상기 빔 형성부(120)에서 다중 출력된 빔 신호를 양자화부(132)에서 다중화된 빔 신호별로 양자화 과정을 거친의 시간 영역에 퓨리에 연산자를 매핑하는 모듈과 이를 합하는 모듈이 구비되어 있다. 이와 같이, 상기 양자화부(132)와 주파수 정보 연산부(138)는 본 발명에 따른 근사 고속 퓨리에 변환 기법을 적용하기 위한 장치로서, 빔 신호의 크기에 따라, -1, 0, 1의 값으로 양자화한 후, 고속 퓨리에 변환의 값을
Figure 112009041653473-pat00004
,
Figure 112009041653473-pat00005
, 0의 값으로 함축시킴으로써, 연산의 복잡성을 감소시킨다.
상기 주파수 정보 연산부(138)를 통해 빔 신호의 시간 영역에서 퓨리에 연산자를 매핑하고, 매핑값을 합산하여 주파수 정보가 추출되면, 상기 추출부(140)는 합산된 주파수 정보에서 주변 소음의 영향을 줄이기 위해 특정 임계값을 초과하는 신호만을 추출함으로써 목표물의 방위 및 거리를 측정한다.
이하에서는 전술한 바와 같이, 양자화부(132)에서 -1, 0, 1의 3단계로 양자화하고, 주파수 정보 연산부(138)에서 빔 신호의 시간 영역에서 퓨리에 연산자를 매핑하고, 매핑값을 합산하여 주파수 정보가 추출되는 과정을 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 근사 고속 퓨리에 변환의 기법에 적용되는 근사화된 주파수 영역의 함수는 아래 <수학식 2>로 표현된다.
Figure 112009041653473-pat00006
상기 <수학식 2>에서
Figure 112009041653473-pat00007
는 양자화된 시간영역의 이산 신호(Discrete signal) 함수를 나타내며,
Figure 112009041653473-pat00008
는 근사화된 주파수 영역의 함수를 나타내며, n은 시간영역 샘플 인덱스를 나타내며, k는 주파수 샘플 인덱스를 나타내며, N은 고속 퓨리에 변환의 수행을 위한 시간영역 데이터의 샘플 수를 나타낸다. 즉, 본 발명에 따른 양자화부(132)는 상기
Figure 112009041653473-pat00009
을 양자화하여 -1, 0, 1의 특정값으로 매핑한다. 그리고, 주파수 정보 연산부(138)는 시간영역 데이터의 샘플 수에 비례하여 매핑된 값을 퓨리에 변환된 값에 곱하여
Figure 112009041653473-pat00010
을 생성 한다.
상기 <수학식 2>에서
Figure 112009041653473-pat00011
은 아래 <수학식 3>으로 표현된다.
Figure 112009041653473-pat00012
상기 <수학식 3>에서,
Figure 112009041653473-pat00013
이며, A는 가장 큰 샘플값을 나타 낸다.
즉, 상기 <수학식 3>을 통해서, 본 발명에 따른 양자화부(132)에서 빔 신호의 크기에 따라 -1, 0, 1의 대표값으로 매핑한다. 매핑시, <수학식 3>에 도시된 바와 같이, A값이 1/3보다 크면, 1이고, -1/3보다 작으면 -1이고, 1/3과 -1/3 사이이면 0으로 매핑한다. 그리고, 매핑된 값을 퓨리에 변환된 신호에 곱하여
Figure 112009041653473-pat00014
이 생성되면,
Figure 112009041653473-pat00015
은
Figure 112009041653473-pat00016
의 크기에 따라
Figure 112009041653473-pat00017
,
Figure 112009041653473-pat00018
, 0의 값을 가진다.
따라서, 본 발명에 따른 근사 고속 퓨리에 변환은 상기 <수학식 2>, <수학식 3>을 이용하여 신호의 크기를 -1, 0, 1로 대체하며, 퓨리에 변환 값 역시 신호의 값에 따라 각각
Figure 112009041653473-pat00019
,
Figure 112009041653473-pat00020
, 0의 3가지 값으로 변환되어 연산을 간단화 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 근사 고속 퓨리에 변환을 위한 양자화 예시도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 근사 고속 퓨리에 변환을 위한 양자화 방법은 상술한 바와 같이, 가장 큰 샘플 값인 A를 1로 하고, 가장 작은 샘플 값인 -A를 -1로 하고, 이를 다시 3등분하여 -1, 0, 1의 특정값으로 매핑시킨다.
예를 들어, 샘플 크기가 -1~-1/3인 경우, -1로 매핑하고, -1/3~1/3인 경우 0 으로 매핑하고, 1/3~1인 경우 1로 매핑한다. 이와 같이, 특정 3개의 값 즉, -1, 0, 1로 매핑하고, 매핑이 완료되면, 상기 <수학식 3>에서 나타난 바와 같이 퓨리에 변환 값이 각각
Figure 112009041653473-pat00021
,
Figure 112009041653473-pat00022
, 0의 단 3가지 값으로 변환된다. 퓨리에 변환 값이
Figure 112009041653473-pat00023
,
Figure 112009041653473-pat00024
이 되는 경우는 곱 연산을 생략할 수 있고, 퓨리에 변환 값이 0이 되는 경우는 곱 연산 및 합 연산을 생략할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고속 퓨리에 변환을 기반한 능동 소나 탐지기에서 표적 위치를 탐지하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 능동 소나 탐지기에서 표적 위치를 탐지하는 방법은 능동 소나 탐지 장치가 구비된 자함(ownship)에서 목표물의 방위 및 위치를 측정하기 위해 음파를 발사하고, 목표물로부터 반사음 즉, 센서 신호가 수신되면, 수신된 센서 신호의 이득과 주파수 변이를 보상한다(S310). 상기 보상된 신호를 이용하여 센서 신호로부터 각 방위별로 빔 신호를 생성한다(S312). 그리고, 생성된 빔 신호의 크기에 따라 -1, 0, 1의 대표값으로 매핑한다(S314). 그리고, 빔신호로부터 추출된 주파수 정보와 대표값을 연산한다(S316). 그리고, 연산된 값에서 소정 임계값을 초과하는 신호를 추출한다(S318). 상기 임계값은 목표물 주변 상황, 통신 상황등에 따라 적응적으로 변경될 수 있다. 소정 임계값을 초과하는 신호가 추출되면, 추출된 신호를 통해 표적물의 거리 및 방위를 탐지한다(S320).
도 4a 및 4b는 종래의 고속 퓨리에 변환 기법과 본 발명에 따른 근사 고속 퓨리에 변환 기법의 탐지 결과를 나타낸 예시도이다.
도시된 바와 같이, 도 4a 및 4b는 종래의 고속 퓨리에 변환 및 근사 고속 퓨리에 변환을 이용한 능동 소나의 CW 탐지 장치에 적용하여 탐지 성능을 분석한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
도 4a는 종래의 고속 퓨리에 변환 및 근사 고속 퓨리에 변환을 적용한 능동 소나 탐지 장치에서 동일한 임계값을 적용한 탐지 결과 (시간-도플러)와 연산량을 나타낸 것이며, 상기 연산량은 MATLAB에서 제공하는 연산량 측정 척도인 flops 함수를 이용하였다.
그리고, 도 4b는 근사 고속 퓨리에 변환을 이용하여 나타낸 결과로서, 도 4a와 비교해 볼때, 실제 표적이 나타내는 값 이외의 다른 값(false alarm)들이 비교적 증가하였으나, 표적으로 인한 첨두값이 여전히 가장 두드러진 값을 가짐을 확인 할 수 있다. 또한 연산량 측면에서는 근사 고속 퓨리에 변환 기법이 16, 884, 864 flops를 나타내어 기존의 고속 퓨리에 변환 기법이 나타낸 23,078,464 flops에 비해 약 26.9% 정도 감소한 것을 확인 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 근사 고속 퓨리에 변환 기법을 적용한 능동 소나 탐지 장치를 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 근사 고속 퓨리에 변환을 위한 양자화 예시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 근사 고속 퓨리에 변환을 기반한 능동 소나 탐지기에서 표적 위치를 탐지하는 방법을 나타낸 순서도.
도 4a 및 4b는 종래의 고속 퓨리에 변환 기법과 본 발명에 따른 근사 고속 퓨리에 변환 기법의 탐지 결과를 나타낸 예시도.

Claims (6)

  1. 근사 고속 퓨리에 변환(fast Fourier Transform)을 기반한 능동 소나 탐지기에서 표적 위치를 탐지하는 장치에 있어서,
    목표물로부터 반사 신호가 수신되면, 상기 수신된 반사 신호로부터 각 방위별로 빔 신호를 생성하는 빔 형성부와;
    상기 생성된 빔 신호의 크기에 따라 양자화를 다르게 하여 대표값으로 매핑하는 양자화부와;
    상기 빔 신호의 시간 영역에서 퓨리에 연산자를 매핑하고, 상기 매핑된 값을 합산하여 주파수 정보를 추출하는 주파수 정보 연산부와;
    상기 추출된 주파수 정보에서 특정 임계값을 초과하는 신호만을 추출하여 표적 위치를 탐지하는 추출부를 포함하는 표적 위치 탐지 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 대표값은
    -1, 0, 1의 값인 것을 특징으로 하는 표적 위치 탐지 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 주파수 정보 연산부는
    상기 빔 신호의 시간 영역의 데이터 샘플 수에 비례하여 주파수 정보를 추출 하는 것을 특징으로 하는 표적 위치 탐지 장치.
  4. 근사 고속 퓨리에 변환(fast Fourier Transform)을 기반한 능동 소나 탐지기에서 표적 위치를 탐지하는 방법에 있어서,
    목표물로부터 반사 신호가 수신되면, 상기 수신된 반사 신호로부터 각 방위별로 빔 신호를 생성하는 과정과;
    상기 생성된 빔 신호의 크기에 따라 양자화를 다르게 하여 대표값으로 매핑하는 과정과;
    상기 빔 신호의 시간 영역에서 퓨리에 연산자를 매핑하고, 상기 매핑된 값을 합산하여 주파수 정보를 추출하는 과정과;
    상기 합산된 주파수 정보에서 출력된 값에서 특정 임계값을 초과하는 신호만을 추출하여 표적 위치를 탐지하는 과정을 포함하는 표적 위치 탐지 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 대표값은
    -1, 0, 1의 값인 것을 특징으로 하는 표적 위치 탐지 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 주파수 정보를 추출하는 과정은
    상기 빔 신호의 시간 영역의 데이터 샘플 수에 비례하여 주파수 정보를 추출하는 것을 특징으로 하는 표적 위치 탐지 방법.
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