KR101094786B1 - 이종 주파수 빔형성 방법 및 이를 이용한 소나 시스템 - Google Patents

이종 주파수 빔형성 방법 및 이를 이용한 소나 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101094786B1
KR101094786B1 KR1020100064215A KR20100064215A KR101094786B1 KR 101094786 B1 KR101094786 B1 KR 101094786B1 KR 1020100064215 A KR1020100064215 A KR 1020100064215A KR 20100064215 A KR20100064215 A KR 20100064215A KR 101094786 B1 KR101094786 B1 KR 101094786B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
frequency
heterogeneous
covariance matrix
max
target
Prior art date
Application number
KR1020100064215A
Other languages
English (en)
Inventor
박정수
김영규
김재수
Original Assignee
국방과학연구소
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 국방과학연구소 filed Critical 국방과학연구소
Priority to KR1020100064215A priority Critical patent/KR101094786B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101094786B1 publication Critical patent/KR101094786B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/66—Sonar tracking systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/87—Combinations of sonar systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/52001—Auxiliary means for detecting or identifying sonar signals or the like, e.g. sonar jamming signals
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B11/00—Transmission systems employing sonic, ultrasonic or infrasonic waves

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

본 발명은 이종 주파수 빔형성 방법 및 이를 이용한 소나 시스템에 관한 것으로서,동종 주파수 빔을 형성하는 단계와, 표적으로부터 탐지한 주파수 정보로부터 수중의 음파전달 현상에 의하여 발생하는 신호단편 간의 공분산행렬(R(wj))을 추정하는 단계와, 상기 동종 주파수 빔형성 결과를 통해 탐지된 표적의 위치(θ0)에 해당하는 조향벡터(a(w0;θ0))와 상기 추정된 공분산행렬(R(wj))을 이용하여 조향빔처리를 다수번 수행하는 단계와, 상기 다수의 조향빔처리한 결과로 생성된 출력(P(wj,θ0)) 중에서 최대 출력을 갖는 값을 탐색하여 표적 신호강도의 줄무늬 기울기에 해당하는 신호단편 간의 주파수증분(dwmax)을 추정하는 단계와, 상기 추정된 주파수증분(dwmax)을 이용하여 이종 주파수 공분산행렬(Rmax)을 계산하는 단계와, 상기 계산된 이종 주파수 공분산행렬(Rmax)을 이용하여 빔을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 본 발명에 따른 소나의 이종 주파수 빔형성 방법 및 그 소나 시스템은 평면파 빔형성 뿐만 아니라 정합장 처리 등 수중 음향신호를 처리하는 모든 빔형성에 적용되어 이동 표적의 위치 추정 정밀도를 향상시킬 수 있게 됨으로써 소나의 성능향상을 기대할 수 있다.

Description

이종 주파수 빔형성 방법 및 이를 이용한 소나 시스템{METHOD FOR HETERO FREQUENCY BEAMFORMING AND SONAR SYSTEM USING THE METHOD}
본 발명은 주파수 빔형성 방법 및 이를 이용한 시스템에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 이종 주파수에 해당하는 신호를 이용하여 빔형성함으로써 이동하는 표적의 방위와 거리 추정 정밀도를 향상시킬 수 있는 이종 주파수 빔형성 방법 및 이를 이용한 소나 시스템에 관한 것이다.
소나(SONAR: Sound Navigation And Ranging)는 수중에 있는 표적의 위치를 탐지하기 위하여 음파를 사용하며, 수중에 존재하는 표적으로부터 방사되는 소음을 탐지하거나, 음파펄스를 송신하여 임의 거리에 있는 표적으로부터 반사되어 되돌아오는 신호를 수신하고 분석함으로써 표적을 탐지하는 기능을 한다. 소나는 여러 개의 음향센서 또는 연속된 시간으로부터 수신된 음파의 주파수 성분에서 서로 같은 주파수에 해당하는 값을 추출하여 빔형성 기법을 이용하여 표적의 방위와 거리 등을 추정한다. 빔형성을 이용하는 소나는 수중의 표적이 정지해 있을 때 최상의 탐지 성능을 유지할 수 있다. 그러나 실제로 소나의 탐지 대상이 되는 수중의 표적은 대부분 이동 중에 탐지되기 때문에 소나의 탐지 성능을 최상으로 유지하기 어렵다. 즉, 표적이 이동하면 소나의 빔형성 출력 신호의 크기가 저하되고 인접 방위의 빔에 표적의 에너지가 퍼지게 됨으로써, 결과적으로 탐지와 위치 추적 성능은 나빠지고 인접한 표적의 분리 탐지가 어려워진다.
도 1은 종래 기술에 따른 소나 시스템의 구성도이다. 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 소나 시스템은 종래에 수신된 신호로부터 표적의 방위, 거리, 수심 등을 탐지할 수 있는 음향센서배열(11), 신호수신/처리기(12), 빔형성기(13)와 탐지기(14)로 구성된다.
수중 표적과 각각의 음향센서(11) 사이의 수평거리가 다르므로 수신된 표적의 신호는 진행거리의 차만큼의 시간차가 발생한다. 표적에서 방사된 신호는 각 신호수신/처리기(12)에 동일한 파형으로 시간차를 두고 수신되며, 빔형성기(13)에서는 센서에 수신된 신호들의 도달 시간차를 계산하여 보정시키는 빔형성을 수행함으로써 센서 출력 파워의 합을 극대화시킬 수 있고, 탐지기(14)에서는 표적의 방위, 거리, 수심을 탐지할 수 있다.
빔형성(Beamforming)은 안테나에서 방사된 에너지가 특정 방향을 따라서 집중적으로 방사되는 안테나 구현방식으로서, 전방향으로 방사 빔을 형성하는 기존 안테나 대신 해당 단말에게만 지향성의 빔을 방사함으로써 신호간섭의 영향을 최소화하여 통신 품질과 시스템 채널 용량을 높이는 기술이다.
도 2는 종래 기술에 따른 소나 시스템에서의 빔형성에 대한 개념도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 빔형성은 음향센서 배열(21)로부터 θs 방위에서 표적신호를 수신하여 주파수 성분(x(ω), 22)을 추출할 수 있으며, 각 센서 신호에 적절한 가중값(23)을 첨가하여 합(24)하는 과정이다.
도 3은 종래 동종 주파수의 신호단편 추출에 대한 개념도이다. 기존의 빔형성에서는 도 3에 도시된 바와 같이 각각의 신호단편의 공분산행렬(R)을 구하는 과정에서 동일한 주파수 성분을 모아서 평균값을 추출하는 과정을 수행한다. 즉, M 번째 센서에 수신된 N개의 신호단편에서 동일한 주파수 ω0에 해당하는 성분을 추출하여 공분산행렬(R)을 추정하여 빔형성한다. 이러한 동종 주파수 빔형성 기법은 가장 널리 일반적으로 사용되는 방법이지만, 수중에서 표적이 이동 중에 방사한 신호를 수신하여 빔형성 할 경우에는 신호의 손실과 확산, 적응자유도의 감소 등을 초래한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 이동하는 표적 신호의 관측시간이 길어야 하지만, 결과적으로 탐지와 위치 추정 성능이 악화되는 부작용이 발생할 수 있으며, 인접한 표적 간의 분리탐지 성능도 저하된다.
본 발명의 목적은 이종 주파수 빔형성 방법을 이용함으로써 이동 표적의 방위, 거리, 수심 정밀도를 향상시킬 수 있는 이종 주파수 빔형성 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 이종 주파수 빔형성 방법을 이용하여 이동 표적의 방위, 거리, 수심 정밀도를 향상시킬 수 있는 이종 주파수 빔형성 방법을 이용한 소나 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 본 발명의 목적에 따른 이종 주파수 빔형성 방법은, 동종 주파수 빔을 형성하는 단계와, 표적으로부터 탐지한 주파수 정보로부터 수중의 음파전달 현상에 의하여 발생하는 신호단편 간의 공분산행렬(R(wj))을 추정하는 단계와, 상기 동종 주파수 빔형성 결과를 통해 탐지된 표적의 위치(θ0)에 해당하는 조향벡터(a(w0;θ0))와 상기 추정된 공분산행렬(R(wj))을 이용하여 조향빔처리를 다수번 수행하는 단계와, 상기 다수의 조향빔처리한 결과로 생성된 출력(P(wj,θ0)) 중에서 최대 출력을 갖는 값을 탐색하여 표적 신호강도의 줄무늬 기울기에 해당하는 신호단편 간의 주파수증분(dwmax)을 추정하는 단계와, 상기 추정된 주파수증분(dwmax)을 이용하여 이종 주파수 공분산행렬(Rmax)을 계산하는 단계와, 상기 계산된 이종 주파수 공분산행렬(Rmax)을 이용하여 빔을 형성하는 단계를 포함한다
상기 본 발명의 세부적 목적에 따른 이종 주파수 빔형성 방법은, 상기 조향빔처리 출력(P(wj,θ0))은 비적응 빔형성 기법을 사용하는 하기의 수학식에 의하여 계산된다.
Figure 112010043203254-pat00001
.
여기서, aH(w0;θ0)는 조향벡터의 허미션, R(wj)는 공분산행렬, a(w0;θ0)는 조향벡터이다.
상기 본 발명의 목적에 따른 이종 주파수 빔형성 방법은, 표적으로부터 탐지한 주파수 정보로부터 수중의 음파전달 현상에 의하여 발생하는 신호단편 간의 공분산행렬(R(wj))을 추정하는 단계와, 상기 추정된 공분산행렬(R(wj))에 대하여 다수번의 특이값분해를 수행함으로서, 공분산행렬(R(wj))로부터 신호단편 간의 표적성분 연관성을 고유값 크기로 추출하는 단계와, 상기 다수번의 특이값분해로 인하여 추출된 표적성분 연관성 중에서 최대 출력을 갖는 고유값을 탐색하여 표적 신호강도의 줄무늬 기울기에 해당하는 신호단편 간의 주파수증분(dwmax)을 추정하는 단계와, 상기 추정된 주파수증분(dwmax)을 이용하여 이종 주파수 공분산행렬(Rmax)을 계산하는 단계와, 상기 계산된 이종 주파수 공분산행렬(Rmax)을 이용하여 빔을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 본 발명의 세부적 목적에 따른 이종 주파수 빔형성 방법은, 상기 표적으로부터 탐지한 주파수 정보는 동종 주파수 빔형성 결과로 파악된 주파수 정보이다.
상기 본 발명의 세부적 목적에 따른 이종 주파수 빔형성 방법은, 상기 추정된 주파수증분(dwmax)을 이용하여 이종 주파수 공분산행렬(Rmax)을 계산하는 단계는, 각 신호단편의 주파수(wi)를 하기의 수학식과 같이 설정함으로서 이종 주파수 공분산행렬(Rmax)을 계산한다.
Figure 112010043203254-pat00002
여기서, w0는 기준 주파수, dwmax(i)는 i 번째 신호단편의 줄무늬 기울기에 해당하는 주파수 증분이다.
상기 본 발명의 세부적 목적에 따른 이종 주파수 빔형성 방법은, 상기 신호단편 간의 공분산행렬(R(wj))을 추정하는 단계는, N개의 신호단편의 주파수 기울기(wij)가 하기의 수학식과 같이 변하는 경우로 분할하여 추정하는 단계이다.
Figure 112010043203254-pat00003
여기서, w0는 기준 주파수, dwj(i)는 i 번째 신호단편의 주파수 증분이다.
상기 본 발명의 세부적 목적에 따른 이종 주파수 빔형성 방법은, 상기 계산된 이종 주파수 공분산행렬(Rmax)을 이용하여 빔을 형성하는 단계는 하기의 수학식과 같이 백색잡음 이득구속(εI)을 적용하여 적응처리하여 이종 주파수 빔형성 출력(B(θ))을 형성하는 단계이다.
Figure 112010043203254-pat00004
여기서, aH(w0)는 임의의 위치에 대한 조향벡터의 허미션, Rmax는 이종 주파수 공분산행렬, ε는 백색잡음 세기, I는 항등행렬, a(w0)는 임의의 위치에 대한 조향벡터이다.
상기 본 발명의 다른 목적에 따른 이종 주파수 빔형성 방법은, 소나 시스템에 있어서, 상기 소나 시스템에 의하여 탐지된 표적 정보를 이용하여 수중의 음파전달 현상에 의하여 발생하는 신호단편 간의 주파수 기울기를 추정하고, 상기 신호단편 간의 이종 주파수 합을 적용하여 이종 주파수 빔형성하는 이종 주파수 빔형성기와, 상기 이종 주파수 빔형성기로부터의 빔출력을 이용하여 표적 정보를 탐지하는 탐지기를 더 구비하여 이루어진다.
본 발명에 따른 소나의 이종 주파수 빔형성 방법 및 그 소나 시스템은 평면파 빔형성 뿐만 아니라 정합장 처리 등 수중 음향신호를 처리하는 모든 빔형성에 적용되어 이동 표적의 위치 추정 정밀도를 향상시킬 수 있게 됨으로써 소나의 성능향상을 기대할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 소나 시스템의 구성도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 소나 시스템에서의 빔형성에 대한 개념도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 동종 주파수의 신호단편 추출에 대한 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 소나 시스템의 표적 탐지 과정에 대한 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 이종 주파수 신호단편 추출에 대한 개념도이다.
도 6은 본 발명에 따른 이종 주파수 빔형성 방법을 이용한 소나 시스템의 구성도이다.
도 7은 본 발명에 따른 조향빔처리(SBP) 기법을 적용한 이종 주파수 빔형성 방법에 대한 흐름도이다.
도 8은 본 발명에 따른 특이값분해(SDV) 기법을 적용한 이종 주파수 방법에 대한 흐름도이다.
도 9은 종래 기술에 따른 동종 주파수 빔형성 출력을 거리-수심 축으로 나타낸다.
도 10는 본 발명에 따른 이종 주파수 빔형성 출력을 거리-수심 축으로 나타낸다.
도 11은 종래 기술에 따른 동종 주파수 빔형성 출력과 본 발명에 따른 이종 주파수 빔형성 출력에 대한 비교 결과를 나타낸다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 소나 시스템의 표적 탐지 과정에 대한 흐름도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이종 주파수 빔형성을 수행하여 표적을 탐지하는 소나 시스템은 표적으로부터 음향센서가 주파수 정보를 수신하는 단계(S41), 탐지된 주파수 정보를 분석하는 단계(S42), 분석된 주파수 정보를 통해 이종 주파수 빔형성 하는 단계(S45), 형성된 빔으로부터 표적의 방위, 거리, 수심 정보 등을 탐지하는 단계(S46)로 구성된다. 또한, 빠른 시간 내에 주파수 기울기를 추정하기 위해서는 동종 주파수 빔형성(S43) 결과로부터 대상표적을 먼저 탐지(S44)하고, 탐지된 대상 표적 위치정보를 활용하여 이종 주파수 빔형성(S45)을 하는 것이 바람직하다
한편, 도 5는 본 발명에 따른 이종 주파수 신호단편 추출에 대한 개념도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 거리-주파수 축에서 이동하는 표적으로부터 음향센서에 수신된 신호강도는 도파관 불변성 현상에 의하여 기울어진 줄무늬 형태(51)로 나타난다. 이종 주파수 빔형성을 하기 위해서, 신호강도 줄무늬의 기울기에 일치하도록 신호단편(52)을 추출한다. 이종 주파수 빔형성의 구체적인 과정은 도 7과 도 8에 나타난다.
다음으로, 도 6은 본 발명에 따른 이종 주파수 빔형성 방법을 이용한 소나 시스템의 구성도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 이종 주파수 빔형성 방법을 이용한 소나 시스템은 음향센서배열(61), 신호수신/처리기(62), 동종 주파수 빔형성기(63)와 탐지기(64)를 구비한 종래 기술에 따른 소나 시스템에, 상기 소나 시스템에 의하여 탐지된 표적 정보를 이용하여 이종 주파수 빔형성 하는 이종 주파수 빔형성기(65)와 탐지기(66)를 더 구비하여 이루어진다. 이때, 이종 주파수 빔형성기(65)는 수중의 음파전달 현상에 의하여 발생하는 신호단편 간의 주파수 기울기를 추정하고, 신호단편 간의 이종 주파수 합을 적용하는 빔형성 모듈을 포함할 수 있고, 탐지기(66)는 상기 이종 주파수 빔형성기(65)로부터의 빔출력을 이용하여 표적 정보를 탐지할 수 있다.
이하, 이종 주파수 빔형성 방법에 대하여 도 7과 도 8을 통하여 구체적으로 살펴본다.
먼저, 도 7은 본 발명에 따른 조향빔처리(SBP) 기법을 적용한 이종 주파수 빔형성 방법에 대한 흐름도이다. 우선 조향빔처리 기법을 적용한 이종 주파수 빔형성을 위하여 종래 기술에 따른 동종 주파수 빔형성 과정을 수행하고, 그 후 도 7에 도시된 바와 같이, 표적으로부터 탐지한 주파수 정보로부터 수중의 음파전달 현상에 의하여 발생하는 신호단편 간의 공분산행렬(R(wj))을 추정한다(S71). 공분산행렬(R(wj))의 추정치는 수학식 1에 의해 계산된다.
Figure 112010043203254-pat00005
여기서, x(wij)는 i 번째 신호단편의 주파수 데이터, xH(wij)는 i 번째 신호단편의 주파수 데이터의 허미션(hermitian)이다.
이 때, 공분산행렬(R(wj))의 추정은, N개의 신호단편들 각각의 주파수 기울기가 수학식 2에 따라 변하는, 주파수 기울기가 j=1, 2, ..., NB인 경우로 분할하여 수행된다.
Figure 112010043203254-pat00006
여기서, wij는 i 번째 신호단편의 주파수, w0는 기준 주파수, dwj(i)는 i 번째 신호단편의 주파수 증분이다.
따라서, 추정된 공분산행렬(R(wj))은 NB개가 된다. 그 후, 상기 동종주파수 빔형성 결과로부터 탐지된 표적의 위치(θ0)에 해당하는 조향벡터(a(wo;θ0))와 상기 추정된 공분산행렬(R(wj))을 이용하여 조향빔처리를 다수(NB)번 수행(S72)한다. 이때, 상기 조향빔처리는 비적응 빔형성 기법을 사용할 수 있다. 비적응 빔형성 기법을 사용한 조향빔처리 출력(P(wj,θ0))은 수학식 3에 의해 계산된다.
Figure 112010043203254-pat00007
여기서, aH(w0;θ0)는 조향벡터의 허미션, R(wj)는 공분산행렬, a(w0;θ0)는 조향벡터이다.
다수(NB)의 조향빔처리 결과로 생성된 출력(P(wj,θ0)) 중에서 최대 출력을 갖는 값을 탐색하여 표적 신호강도의 줄무늬 기울기에 해당하는 신호단편 간의 주파수 증분(dwmax)을 추정(S73)할 수 있다. 그 후, 상기 추정된 주파수 증분(dwmax)을 이용하여 신호단편의 주파수를 기설정된 식으로 설정함으로써 이종 주파수 공분산행렬(Rmax)을 계산(S74)한다. 이종 주파수 공분산행렬(Rmax)의 계산식 및 신호단편 주파수의 기설정된 식은 수학식 4와 같다.
Figure 112010043203254-pat00008
여기서, x(wj)는 주파수 데이터, xH(wi)는 i 번째 신호단편의 주파수 데이터의 허미션, wi는 i 번째 신호단편의 주파수, w0는 기준 주파수, dwmax(i)는 i 번째 신호단편의 줄무늬 기울기에 해당하는 주파수 증분이다.
그 후 계산된 이종 주파수 공분산행렬(Rmax)을 이용하여 빔을 형성하게 되는데, 빔형성시에 백색잡음 이득구속(εI)을 적용한 적응처리를 수행하면 견실한 빔출력(B(θ), S75)을 얻을 수 있으며, 빔출력(B(θ))은 수학식 5에 의해 계산된다.
Figure 112010043203254-pat00009
여기서, aH(w0)는 임의의 위치에 대한 조향벡터의 허미션, Rmax는 이종 주파수 공분산행렬, ε는 백색잡음 세기, I는 항등행렬, a(w0)는 임의의 위치에 대한 조향벡터이다.
본 발명에 따른 이종 주파수 빔형성 방법에서, 조향빔처리 출력이 최대가 될 때의 주파수 기울기는 음향 센서에 수신된 표적 신호강도의 줄무늬 기울기와 일치할 때이므로 수중 음파의 도파관 불변성 이론을 만족한다. 수중에서 표적이 이동하는 것에 의해 음향센서 배열과의 거리가 시간이 흐름에 따라 가변될 경우에 수신된 신호단편 간에는 도 5에 나타내는 바와 같은 신호강도의 기울기 현상(intensity striation)이 나타나는 도파관 불변성 현상이 나타난다. 즉, 음향센서에 관측된 표적 신호로부터 거리의 함수로 나타낸 스펙트로그램 분석을 하면 표적 신호강도의 최대 및 최소 값이 거리-주파수 축에서 기울어진 줄무늬 형태로 나타난다. 거리-주파수 축에서 줄무늬 형태의 기울기는 빔형성 결과에서도 동일하게 나타나며, 음파가 전달될 때 발생하는 정상모드의 간섭 현상이 그 원인이다. 줄무늬의 기울기는 도파관에서 불변하다고 밝혀져 왔으며, 이를 도파관 불변성 현상이라 한다. 일정한 수중 음속구조를 보이는 도파관이나 한정된 구간에서는 줄무늬 형태의 기울기가 모드의 수, 주파수, 음원의 수심과 무관하다고 가정할 수 있다. 이러한 도파관 불면성 현상은 표적이 이동할 경우에 발생하며, 만약 거리-주파수 축의 신호강도 기울기를 추정하여 보상할 수 있다면 음원이 정지된 효과를 얻을 수 있다. 즉, 신호단편에 나타나는 줄무늬의 기울기와 동일하게 주파수 기울기를 취하여 공분산행렬을 추정하여 빔형성하면 시간단편 내에서 표적이 정지된 것처럼 에너지가 수렴되어 빔형성 출력이 향상되고, 인접한 표적의 분리 탐지 성능을 향상시킬 수 있다. 이종 주파수 빔형성을 수행할 때에는 표적 신호가 음향센서에 수신되기까지의 과정에서 일어난 음파전달의 물리적인 현상을 알 필요가 없기 때문에 간편하다. 상기와 같이 조향빔 처리기법을 사용하면 수신 신호에 포함된 임의 지정 표적의 주파수 기울기를 추정할 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 특이값분해(SDV) 기법을 적용하여 형성된 이종 주파수 빔형성 흐름도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 표적으로부터 탐지한 주파수 정보로부터 수중의 음파전달 현상에 의하여 발생하는 신호단편 간의 공분산행렬(R(wj))을 추정한다(S81). 공분산행렬(R(wj)) 추정식은 수학식 1과 같다. 이때, 공분산행렬(R(wj))의 추정은, N개의 신호단편들 각각의 주파수 기울기가 수학식 2에 따라 변하는, 주파수 기울기가 j=1, 2, ..., NB인 경우로 분할하여 수행된다.
따라서, 추정된 공분산행렬(R(wj))은 NB개가 된다. 그 후, 등방 행렬인 상기 추정된 공분산행렬(R(wj))에 다수(NB)번의 특이값분해를 수행(S82)하면, 공분산행렬(R(wj))로부터 고유값(eigenvalue) 크기로 나타나는 신호단편 간의 표적성분 연관성(Eigenvalue(wj))을 추출할 수 있으며, 그 식은 수학식 6에 나타난다.
Figure 112010043203254-pat00010
여기서, SDV는 특이값분해(Singular Value Decomposition), R(wj)는 공분산행렬이다.
이때, 고유값이 클수록 신호단편 간의 연관성이 커진다고 할 수 있다. 따라서, 상기 다수(NB)번의 특이값분해 결과로부터 추출된 표적성분 연관성 중에서 최대 출력을 갖는 고유값을 탐색하여 표적 신호강도의 줄무늬 기울기에 해당하는 신호단편 간의 주파수 증분(dwmax)을 추정(S83)할 수 있다. 그 후, 상기 추정된 주파수 증분(dwmax)을 이용하여 신호단편의 주파수를 기설정된 식으로 설정함으로써 이종 주파수 공분산행렬(Rmax)을 계산(S84)한다. 이종 주파수 공분산행렬(Rmax)을 계산식 및 신호단편 주파수의 기설정된 식은 수학식 4와 같다.
그 후 계산된 이종 주파수 공분산행렬을 이용하여 빔을 형성하게 되는데, 빔형성시에 수학식 5와 같이 백색잡음 이득구속(εI)을 적용한 적응처리를 수행하면 견실한 빔출력(B(θ), S85)을 얻을 수 있다. 이때, 상기 표적으로부터 탐지한 주파수 정보로서 동종 주파수 빔형성 결과로 파악된 주파수 정보를 사용하면 더욱 빠르고 정확한 결과를 얻을 수 있다. 이와 같이, 특이값분해 기법을 사용하면 수신신호에 포함된 가장 강한 표적의 주파수 기울기를 추정할 수 있다.
도 9는 종래 기술에 따른 동종 주파수 빔형성 출력을 거리-수심 축으로 나타내며, 도 10은 본 발명에 따른 이종 주파수 빔형성 출력을 거리-수심 축으로 나타낸다. 도 9 및 도 10에서는, 정해진 방위의 주파수를 이용한 빔형성 출력을 거리-수심 축으로 표시될 수 있도록 정합장처리 빔형성을 하였다. 즉, 표적이 움직이면 신호단편의 시간은 표적과 음향센서 사이의 거리로 치환할 수 있다. 도 9에서는 수심 60m와 거리 2~2.5km 구간에 강한 빔출력(91)이 나타나는 것을 알 수 있으며, 이는 표적이 수심 60m와 거리 2~2.5km 구간에 1개 존재함을 나타낸다. 마찬가지로, 도 10에서는 수심 60m에 거리 2km와 거리 2.3km 구간에 강한 빔출력이 2개 나타나며, 이는 표적이 수심 60m에 거리 2km(101)와 거리 2.3km(102)에 2개 존대함을 나타낸다. 도 9와 도 10을 비교해 보면, 동종 주파수를 이용한 빔형성 결과에서는 움직이는 인접한 2개의 표적의 빔출력 에너지가 거리-수심 공간에서 넓게 퍼져 있어서 분리 탐지가 불가능한 반면에, 이종 주파수를 이용한 빔형성 결과에서는 거리-수심 공간에서 넓게 퍼진 빔출력 에너지가 각 표적의 중심 위치로 수렴하여 분리 탐지가 가능하다.
도 11은 종래 기술에 따른 동종 주파수를 이용한 빔형성 출력과 본 발명에 따른 이종 주파수 빔형성 출력에 대한 비교 결과를 나타낸다. 도 11에서는 도 9과 도 10의 빔형성 결과에서 수심 60m 단면의 출력을 그래프로 그려 정량적으로 비교하였다. 동종 주파수 빔형성 결과(111)에서는 표적이 1개로 나타나지만, 이종 주파수 빔형성 결과(112)에서는 2km와 2.3km에 약 5dB의 크기차이를 보이며 명확하게 분리됨을 볼 수 있다.
본 발명에 따른 이종 주파수 빔형성 방법은 평면파 빔형성 뿐만 아니라 정합장 처리 등 수중 음향신호를 처리하는 모든 빔형성에 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 이종 주파수 빔형성 방법에 있어서, 빠른 시간 내에 주파수 기울기를 추정하기 위해서는 동종 주파수 빔형성 결과로부터 대상표적을 먼저 탐지하고, 탐지된 대상 표적 위치정보를 활용하여 이종 주파수 빔형성을 하는 것이 바람직하다.
또한, 임의의 주파수 기울기 경우의 수(j=1, 2, ..., NB)는 수중표적의 속도 특성을 고려하여 결정하고, 조향빔처리는 비적응처리를 이용하면 빠른 시간 내에 빔을 형성하는 것이 가능하다.
또한, 이종 주파수 빔형성은 백색잡음 이득구속을 적용한 적응처리를 적용하면 견실한 빔출력을 얻을 수 있다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 이종 주파수 빔형성 방법에 의하면, 평면파 빔형성 뿐만 아니라 정합장 처리 등 수중 음향신호를 처리하는 모든 빔형성에 적용되어 이동 표적의 위치 추정 정밀도를 향상시킬 수 있게 됨으로써 소나 시스템의 성능향상을 기대할 수 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
11 : 음향센서배열 12 : 신호수신/처리기
13 : 동종 주파수 빔형성기 14 : 탐지기
21 : 음향센서배열 22 : 주파수 성분
23 : 가중값 첨가부 24 : 합산부
31 : 신호강도 32 : 신호단편
51 : 신호강도 52 : 신호단편
61 : 음향센서배열 62 : 신호수신/처리기
63 : 동종 주파수 빔형성기 64 : 탐지기
65 : 이종 주파수 빔형성기 66 : 탐지기
91 : 빔출력 101 : 빔출력
102 : 빔출력 111 : 동종 주파수를 이용한 빔출력
112 : 이종 주파수 빔출력

Claims (8)

  1. 동종 주파수 빔을 형성하는 단계와,
    표적으로부터 탐지한 주파수 정보로부터 수중의 음파전달 현상에 의하여 발생하는 신호단편 간의 공분산행렬(R(wj))을 추정하는 단계와,
    상기 동종 주파수 빔형성 결과를 통해 탐지된 표적의 위치(θ0)에 해당하는 조향벡터(a(w0;θ0))와 상기 추정된 공분산행렬(R(wj))을 이용하여 조향빔처리를 다수번 수행하는 단계와,
    상기 다수의 조향빔처리한 결과로 생성된 출력(P(wj,θ0)) 중에서 최대 출력을 갖는 값을 탐색하여 표적 신호강도의 줄무늬 기울기에 해당하는 신호단편 간의 주파수증분(dwmax)을 추정하는 단계와,
    상기 추정된 주파수증분(dwmax)을 이용하여 이종 주파수 공분산행렬(Rmax)을 계산하는 단계와,
    상기 계산된 이종 주파수 공분산행렬(Rmax)을 이용하여 빔을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 주파수 빔형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조향빔처리 출력(P(wj,θ0))은 비적응 빔형성 기법을 사용하는 하기의 수학식에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 이종 주파수 빔형성 방법.
    Figure 112010043203254-pat00011
    .
    여기서, aH(w0;θ0)는 조향벡터의 허미션, R(wj)는 공분산행렬, a(w0;θ0)는 조향벡터이다.
  3. 표적으로부터 탐지한 주파수 정보로부터 수중의 음파전달 현상에 의하여 발생하는 신호단편 간의 공분산행렬(R(wj))을 추정하는 단계와,
    상기 추정된 공분산행렬(R(wj))에 대하여 다수번의 특이값분해를 수행함으로서, 공분산행렬(R(wj))로부터 신호단편 간의 표적성분 연관성을 고유값 크기로 추출하는 단계와,
    상기 다수번의 특이값분해로 인하여 추출된 표적성분 연관성 중에서 최대 출력을 갖는 고유값을 탐색하여 표적 신호강도의 줄무늬 기울기에 해당하는 신호단편 간의 주파수증분(dwmax)을 추정하는 단계와,
    상기 추정된 주파수증분(dwmax)을 이용하여 이종 주파수 공분산행렬(Rmax)을 계산하는 단계와,
    상기 계산된 이종 주파수 공분산행렬(Rmax)을 이용하여 빔을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 주파수 빔형성 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 표적으로부터 탐지한 주파수 정보는 동종 주파수 빔형성 결과로 파악된 주파수 정보인 것을 특징으로 하는 이종 주파수 빔형성 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추정된 주파수증분(dwmax)을 이용하여 이종 주파수 공분산행렬(Rmax)을 계산하는 단계는, 각 신호단편의 주파수(wi)를 하기의 수학식과 같이 설정함으로서 이종 주파수 공분산행렬(Rmax)을 계산하는 것을 특징으로 하는 이종 주파수 빔형성 방법.
    Figure 112010043203254-pat00012

    여기서, w0는 기준 주파수, dwmax(i)는 i 번째 신호단편의 줄무늬 기울기에 해당하는 주파수 증분이다.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신호단편 간의 공분산행렬(R(wj))을 추정하는 단계는, N개의 신호단편의 주파수 기울기(wij)가 하기의 수학식과 같이 변하는 경우로 분할하여 추정하는 단계인 것을 특징으로 하는 이종 주파수 빔형성 방법.
    Figure 112010043203254-pat00013

    여기서, w0는 기준 주파수, dwj(i)는 i 번째 신호단편의 주파수 증분이다.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 계산된 이종 주파수 공분산행렬(Rmax)을 이용하여 빔을 형성하는 단계는 하기의 수학식과 같이 백색잡음 이득구속(εI)을 적용하여 적응처리하여 이종 주파수 빔형성 출력(B(θ))을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 이종 주파수 빔형성 방법.
    Figure 112010043203254-pat00014

    여기서, aH(w0)는 임의의 위치에 대한 조향벡터의 허미션, Rmax는 이종 주파수 공분산행렬, ε는 백색잡음 세기, I는 항등행렬, a(w0)는 임의의 위치에 대한 조향벡터이다.
  8. 소나 시스템에 있어서,
    상기 소나 시스템에 의하여 탐지된 표적 정보를 이용하여 수중의 음파전달 현상에 의하여 발생하는 신호단편 간의 주파수 기울기를 추정하고, 상기 신호단편 간의 이종 주파수 합을 적용하여 이종 주파수 빔형성하는 이종 주파수 빔형성기와,
    상기 이종 주파수 빔형성기로부터의 빔출력을 이용하여 표적 정보를 탐지하는 탐지기를 더 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이종 주파수 빔형성 방법을 이용한 소나 시스템.




KR1020100064215A 2010-07-05 2010-07-05 이종 주파수 빔형성 방법 및 이를 이용한 소나 시스템 KR101094786B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100064215A KR101094786B1 (ko) 2010-07-05 2010-07-05 이종 주파수 빔형성 방법 및 이를 이용한 소나 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100064215A KR101094786B1 (ko) 2010-07-05 2010-07-05 이종 주파수 빔형성 방법 및 이를 이용한 소나 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101094786B1 true KR101094786B1 (ko) 2011-12-16

Family

ID=45506403

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100064215A KR101094786B1 (ko) 2010-07-05 2010-07-05 이종 주파수 빔형성 방법 및 이를 이용한 소나 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101094786B1 (ko)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101869802B1 (ko) * 2017-10-19 2018-06-21 한국해양과학기술원 복수의 그룹 빔 형성 기법을 이용한 수중음원 방향성 탐지 방법
CN108627839A (zh) * 2017-03-16 2018-10-09 中国科学院声学研究所 一种基于声波高更新率发射模式的目标探测方法及装置
KR20200059574A (ko) * 2018-11-21 2020-05-29 에스티엑스엔진 주식회사 부대역 조향 공분산 행렬을 이용한 적응형 빔형성기의 신호처리방법
KR20210037407A (ko) * 2019-09-27 2021-04-06 엘아이지넥스원 주식회사 빅데이터 기반의 소나 성능 검증 시스템 및 그 방법
KR20210068235A (ko) * 2019-11-29 2021-06-09 에스티엑스엔진 주식회사 공분산 행렬의 크기감소 기법을 적용한 적응형 빔형성기의 신호처리방법
KR20220098933A (ko) * 2021-01-05 2022-07-12 국방과학연구소 적응 빔포밍 방법 및 이를 이용한 능동 소나 장치

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108627839A (zh) * 2017-03-16 2018-10-09 中国科学院声学研究所 一种基于声波高更新率发射模式的目标探测方法及装置
CN108627839B (zh) * 2017-03-16 2020-12-29 中国科学院声学研究所 一种基于声波高更新率发射模式的目标探测方法及装置
KR101869802B1 (ko) * 2017-10-19 2018-06-21 한국해양과학기술원 복수의 그룹 빔 형성 기법을 이용한 수중음원 방향성 탐지 방법
KR20200059574A (ko) * 2018-11-21 2020-05-29 에스티엑스엔진 주식회사 부대역 조향 공분산 행렬을 이용한 적응형 빔형성기의 신호처리방법
KR102159631B1 (ko) * 2018-11-21 2020-09-24 에스티엑스엔진 주식회사 부대역 조향 공분산 행렬을 이용한 적응형 빔형성기의 신호처리방법
KR20210037407A (ko) * 2019-09-27 2021-04-06 엘아이지넥스원 주식회사 빅데이터 기반의 소나 성능 검증 시스템 및 그 방법
KR102257198B1 (ko) * 2019-09-27 2021-05-28 엘아이지넥스원(주) 빅데이터 기반의 소나 성능 검증 시스템 및 그 방법
KR20210068235A (ko) * 2019-11-29 2021-06-09 에스티엑스엔진 주식회사 공분산 행렬의 크기감소 기법을 적용한 적응형 빔형성기의 신호처리방법
KR102357309B1 (ko) * 2019-11-29 2022-02-04 에스티엑스엔진 주식회사 공분산 행렬의 크기감소 기법을 적용한 적응형 빔형성기의 신호처리방법
KR20220098933A (ko) * 2021-01-05 2022-07-12 국방과학연구소 적응 빔포밍 방법 및 이를 이용한 능동 소나 장치
KR102483990B1 (ko) 2021-01-05 2023-01-04 국방과학연구소 적응 빔포밍 방법 및 이를 이용한 능동 소나 장치

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mao et al. Rnn-based room scale hand motion tracking
US7266044B2 (en) Method and apparatus for acoustic source tracking using a horizontal line array
KR101094786B1 (ko) 이종 주파수 빔형성 방법 및 이를 이용한 소나 시스템
CN109283536B (zh) 一种多波束测深声呐水体成像波束形成方法
US11630195B2 (en) Estimation method, estimation device, and program
US8669901B2 (en) Method for determining azimuth and elevation angles of arrival of coherent sources
EP2263097B1 (en) Autonomous sonar system and method
US8270252B2 (en) Method for estimating target range error and sonar system thereof
US11269070B2 (en) Radar apparatus
US5914912A (en) Sonar array post processor
CN102466794A (zh) 雷达设备
CN103901395A (zh) 一种冲击噪声环境下相干信号波达方向动态跟踪方法
KR101897763B1 (ko) 레이더를 이용한 거리 측정 방법 및 장치
CN110320490A (zh) 一种无直达信号条件下的无线电波达方向估计方法
CN103513250A (zh) 一种基于鲁棒自适应波束形成原理的模基定位方法及系统
Tabrikian et al. Transmission diversity smoothing for multi-target localization [radar/sonar systems]
RU2515179C1 (ru) Способ определения направления на гидроакустический маяк-ответчик в условиях многолучевого распространения навигационного сигнала
Qi et al. Passive source localization based on multipath arrival angles with a vertical line array using sparse Bayesian learning
US8116169B2 (en) Active sonar system and active sonar method using noise reduction techniques and advanced signal processing techniques
RU2724962C1 (ru) Способ определения координат морской шумящей цели
KR102195232B1 (ko) 무선 전력 전송 시스템 및 이의 빔포밍 가중치 추정 방법
RU2723145C1 (ru) Способ и устройство обнаружения шумящих в море объектов бортовой антенной
KR102159631B1 (ko) 부대역 조향 공분산 행렬을 이용한 적응형 빔형성기의 신호처리방법
JP2005189171A (ja) レーダ装置
JP2010237087A (ja) レーダ装置及びそれを用いた電波到来方向の計測方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141202

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151202

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161202

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171204

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181204

Year of fee payment: 8