KR101303192B1 - 수동 소나시스템 및 이의 데몬 처리 향상기법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 수동 소나시스템을 이용한 데몬(DEMON : Demodulation of Envolop Modulated On Noise) 처리 향상기법은 방사 소음 신호 수신 모드와 방사 소음 신호 분류모드 및 데몬 분석 수행 전처리 모드가 순차적으로 수행됨으로써 데몬 분석 수행 처리 전 데몬 분석 수행 전처리를 통해 수집된 방사 소음에서 토널(Tonal)신호 주파수 영향이 제거될 수 있고, 이로 인해 데몬 분석 수행 처리 시 함정의 프로펠러 축 회전수와 날개 회전 수 및 축 수 등의 해석 정확성이 크게 높아지는 특징을 갖는다.

Description

수동 소나시스템 및 이의 데몬 처리 향상기법{Passive SONAR System and DEMON Treatment Improving Method}
본 발명은 수동 소나(Passive SONAR)에 관한 것으로, 특히 방사 소음을 이용한 수동 소나에서 근접하여 존재하는 토널(Tonal)신호 주파수가 정확히 반영됨으로써 데몬(DEMON : Demodulation of Envelop Modulated On Noise)분석처리의 성능이 크게 개선된 수동 소나시스템 및 이의 데몬처리 향상기법에 관한 것이다.
일반적으로 소나(Sonar, Sound navigation and ranging)는 음파를 이용하여 수중에서 기동하는 표적의 방위 및 거리를 추정하는 장치로서, 수동(Passive) 소나시스템과 능동(Active) 소나시스템으로 구분된다.
통상, 능동 소나시스템은 근거리 탐지정보를 토대로 표적에 대한 공격을 목적으로 하는 함정에 주로 사용된다. 이는, 능동 소나시스템이 비록 수동 소나시스템과 같이 은밀하거나 또는 탐지거리가 길지 않다는 한계성을 갖지만, 음파펄스를 쏘아서 표적으로부터 반사되어 되돌아오는 에코(Echo)를 탐지함으로써 표적의 방위와 거리를 짧은 시간에 동시에 탐지할 수 있는 장점이 있음에 기인된다.
반면, 수동 소나시스템은 표적 탐지거리가 중요한 요소로 작용하는 대잠전에서 장거리 탐지를 목적으로 하는 함정에 적용된다. 이는, 수동 소나시스템이 비록 표적의 거리를 탐지하기 위해서는 복잡한 음향센서와 오랜 시간이 소요될 수밖에 없지만, 표적에서 방출되는 소음을 탐지함으로써 은밀하게 표적을 탐지할 수 있을 뿐 아니라 능동 소나시스템에 비해 탐지거리가 긴 장점이 있음에 기인된다.
그리고, 수동 소나시스템에서는 함정에 의한 방사 소음 신호를 구별할 수 있으므로, 이를 위해 다양한 방식이 수동 소나시스템과 함께 적용되고 있다.
국내특허공개10-2007-0031941(2007년03월20일)
상기 특허문헌은 목표로부터 멀리 떨어진 매체에 배치되는 수신기의 전자 수신 신호의 시간 세그먼트에서 목표를 탐지할 때, 수신 신호의 푸리에 분석 및/또는 웨이브릿 분석이 수행된 선형변환 과정을 겪고, 이로부터 변환된 수신 신호의 엔트로피가 결정되는 방식이 적용된 기술의 예를 나타낸다.
하지만, 상기 특허문헌과 같은 엔트로피의 변형은 수동 소나시스템에서 널리 적용되고 있는 데몬(DEMON : Demodulation of Envelop Modulated On Noise)처리를 통한 신호 분석에 비해 그 효용성이 낮을 수밖에 없다.
이는, 데몬(DEMON)처리가 진폭 변조된 소음 신호를 복조하여 변조 신호가 추출되는 신호 처리 기법이고, 이로부터 수동 소나시스템의 방사 소음신호가 용이하게 확인 및 구별될 수 있음에 기인된다.
일례로, 함정 또는 수중 고속 기동 표적에서 발생될 수 있는 프로펠러 캐비테이션 소음 신호와 기계류에 의한 토널 신호 및 유체역학에 의한 소음 신호가 포함된 방사 소음 신호가 데몬(DEMON)처리되면, 함정의 프로펠러 축 회전수와 날개 회전 수 및 축 수 등의 정보와 같이 특정한 방사 소음 신호가 용이하게 확인 및 구별될 수 있다.
그러나, 데몬(DEMON)처리 방식에서도 프로펠러 캐비테이션 소음 신호만 분리 가능하다고 가정함으로써 그 한계성이 있을 수밖에 없다.
이는, 함정 또는 수중 고속 기동 표적에서는 프로펠러 캐비테이션 소음 신호와 함께 기계류에 의한 토널 신호 및 유체역학에 의한 소음 신호도 포함되고, 전체적인 방사 소음신호는 이들이 모두 합해져 나타남에도 단지 한가지 소음 신호인 프로펠러 캐비테이션 소음 신호만 분리 가능하다고 가정함에 기인된다.
이로 인해 데몬(DEMON)처리 방식에서도 그 성능의 향상을 위한 개선이 이루어지고 있으며, 이러한 일례로 데몬(DEMON) 처리 주파수 영역 내에 토널(Tonal)신호가 존재할 때 토널(Tonal)신호의 간섭에 의한 신호 성분을 추가적으로 추출한 다음, 토널 신호 간섭이 적고 캐비테이션 소음 신호가 관측되는 광대역 신호 대역을 선택하여 데몬(DEMON)분석 처리를 수행하는 방식이 있다.
이로써 데몬(DEMON)분석시 토널 신호를 고려하면서도 토널 신호의 간섭 때문에 잘못된 데몬 처리 결과가 나오지 않도록 처리될 수 있다.
하지만, 이러한 데몬(DEMON)분석 방식은 비록 토널 신호가 고려되었다 하더라도 토널 주파수 분포와 같은 토널 신호 특성과 함께 음향 신호 수신 주파수 대역의 제한 등과 같은 수동 소나의 특성이 보다 효과적으로 고려되지 못함으로써, 그 성능 개선 효과가 크지 않은 한계를 가질 수밖에 없다.
이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 방사 소음을 이용한 수동 소나에서 근접하여 존재하는 토널(Tonal)신호 주파수가 정확히 반영됨으로써, 데몬(DEMON : Demodulation of Envelop Modulated On Noise)처리 방식에서도 함정의 프로펠러 축 회전수와 날개 회전 수 및 축 수 등의 해석 정확성이 크게 높아진 수동 소나시스템 및 이의 데몬처리 향상기법을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수동 소나시스템은 수중으로 전파된 방사소음신호를 수신해 상기 방사소음신호에 포함된 토널(Tonal)신호 주파수의 간섭이 제거되는 토널(Tonal)처리모듈과; 상기 토널(Tonal)신호 주파수의 간섭이 제거된 상태에서 상기 방사소음신호에 포함된 프로펠러 캐비테이션 소음 신호가 추출되는 캐비테이션(Cavitation)처리모듈로 이루어진 수동 소나; 가 포함된 것을 특징으로 한다.
상기 캐비테이션(Cavitation)처리모듈은 상기 방사소음신호가 대역 통과 필터링되는 BPF(BandPass Filter)블록과, 상기 토널(Tonal)신호 주파수의 간섭이 제거된 상기 방사소음신호를 제곱(Square)처리하는 스퀘어(Square)블록과, 상기 스퀘어(Square)블록의 출력을 필터링하는 LF(Lowpass Filter)블록과, 상기 LF(Lowpass Filter)블록의 출력에서 DC신호를 제거하는 DCR(DC Removal)블록과, 상기 DCR(DC Removal)블록의 출력을 시간 영역 신호에서 주파수 영역 신호로 변환하는 캐비테이션 FFT블록과, 상기 캐비테이션 FFT블록의 출력을 소음 규준화 수행으로 배경 소음을 제거하는 캐비테이션 NN(Noise Normalization)블록으로 구성된다.
상기 토널(Tonal)신호 주파수의 간섭이 제거된 상기 방사소음신호는 상기 토널(Tonal)처리모듈에서 입력된다.
상기 토널(Tonal)처리모듈은 대역 통과 필터링된 상기 방사소음신호에서 시간 영역 신호를 주파수 영역 신호로 변환하는 토널 FFT블록과, 상기 토널 FFT블록의 출력을 소음 규준화 수행으로 배경 소음을 제거하는 토널 NN(Noise Normalization)블록과, 상기 토널 NN(Noise Normalization)블록의 출력에서 토널 신호를 추출하는 TD(Tonal Detection)블록과, 상기 TD(Tonal Detection)블록의 출력에서 상기 토널 신호를 제거하는 BSF(Bandstop Filter)블록으로 구성된다.
상기 대역 통과 필터링된 방사소음신호는 상기 방사소음신호를 대역 통과 필터링하는 BPF(BandPass Filter)블록에서 입력된다.
상기 토널 신호 추출은 DT(detection threshold)를 이용하고, 토널 신호 > DT(detection threshold)의 조건이고, 상기 DT(detection threshold)는 수동 소나에 수신된 음향 신호의 소음 특성에 따라 조정된다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수동 소나시스템의 데몬 처리 향상기법은 함정의 방사소음신호가 수중에서 수신되고, 상기 방사소음신호가 적어도 토널(Tonal)신호 및 캐비테이션(Cavitation) 소음 신호와 함께 세부 신호로 분류된 음향신호로 정의되는 방사소음신호분류단계;
상기 음향신호에서 토널(Tonal)신호의 성분이 제거되고, 상기 토널(Tonal)신호의 성분이 제거된 상태에서 상기 토널(Tonal)신호 성분의 주파수 간섭이 제거된 다음 상기 캐비테이션(Cavitation)소음 신호의 배경 소음이 제거된 후, 상기 캐비테이션(Cavitation)소음 신호에서 상기 토널(Tonal)신호 간섭이 제거된 무간섭 음향신호로 변환하는 데몬분석 전처리단계;
상기 무간섭 음향신호에서 프로펠러 축 회전수와 날개 회전 수 및 축 수가 해석되는 데몬분석 처리단계; 로 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 방사소음신호분류단계에서, 상기 세부 신호는 함정 또는 수중 고속 기동 표적에 작용하는 유체역학에 의한 광대역 소음 신호와, 소음이 서로 합쳐진 하모닉 변조 신호이다.
상기 데몬분석 전처리단계에서; 상기 토널(Tonal)신호의 성분 제거 단계는 상기 음향신호가 대역 통과 필터링된 후 시간 영역 신호에서 주파수 영역 신호로 변환되고, 상기 시간 영역 신호의 소음 규준화 후 토널 신호를 추출해 성분을 제거해주는 연속 과정으로 이루어지며; 상기 캐비테이션(Cavitation)소음 신호의 배경 소음 제거 단계는 상기 토널신호 성분이 제거된 상태에서 제곱(Square)처리되고, 필터링처리 후 DC 신호를 제거하여 DC 신호가 제거된 상태에서 시간 영역 신호를 주파수 영역 신호로 변환해준 다음 배경 소음을 제거해주는 연속 과정으로 이루어진다.
상기 토널(Tonal)신호의 성분 제거 단계에서, 상기 주파수 영역 신호 변환은 상기 시간 영역 신호를 고속 퓨리에 변환(FFT)하여 이루어지고, 상기 추출된 토널 신호의 성분 제거는 필터링처리로 이루어지고, 상기 토널신호의 성분이 제거된 음향신호에는 광대역 소음 신호와 캐비테이션 소음 신호가 존재한다.
상기 토널 신호 성분 제거 조건은 DT(detection threshold)가 적용되고, 토널 신호 > DT(detection threshold)의 조건일 때 제거된다.
이러한 본 발명은 데몬(DEMON : Demodulation of Envelop Modulated On Noise)분석처리시 방사 소음신호에 포함된 토널(Tonal)신호 주파수가 정확히 반영됨으로써 데몬(DEMON)처리 방식의 해석 정확성이 크게 개선되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 데몬(DEMON)분석처리시 토널(Tonal)신호가 포함된 방사 소음신호에서도 토널 신호의 간섭 주파수에 의한 혼란을 배제할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 데몬(DEMON)분석처리시 토널(Tonal)신호 주파수가 근접하여 존재하더라도 정확한 데몬(DEMON) 처리가 가능함으로써, 함정의 프로펠러 축 회전수와 날개 회전 수 및 축 수 등의 해석 정확성이 크게 높아지는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 데몬(DEMON)분석처리의 알고리즘 개선으로 토널(Tonal)신호 주파수의 영향이 정확히 반영됨으로써 수동 소나시스템의 구조나 설계 변경도 거의 없이 수동 소나시스템의 성능을 크게 개선하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수동 소나시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 수동 소나시스템의 데몬(DEMON : Demodulation of Envelop Modulated On Noise)처리 향상기법 흐름도이며, 도 3내지 도 5는 본 발명에 따른 수동 소나시스템의 데몬처리 동작흐름이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 실시예에 따른 수동 소나시스템의 구성을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 수동 소나시스템에는 수중으로 전파되는 방사소음신호가 수신되는 신호수신부(10)와, 방사 소음신호에 포함된 프로펠러 캐비테이션 소음 신호가 처리되는 캐비테이션(Cavitation)처리모듈(20)과, 방사 소음신호에 포함된 토널(Tonal)신호 주파수가 처리되는 토널(Tonal)처리모듈(30)로 이루어진 수동 소나(1)가 포함된다.
상기 신호수신부(10)는 수중에서 방사 소음신호를 수집하는 마이크폰으로 이루어지고, 수신된 방사 소음신호는 음향 신호 Sr(t)로 정의된다.
상기 캐비테이션(Cavitation)처리모듈(20)은 수신된 음향 신호 Sr(t)가 대역 통과 필터를 통해 Sbf(t)로 변환되는 BPF(BandPass Filter)블록(21)과, 토널 신호 제거 방사 소음 신호
Figure 112013022040916-pat00001
를 제곱(Square)처리하는 스퀘어(Square)블록(22)과, 제곱 처리된 신호를 필터링하는 LF(Lowpass Filter)블록(23)과, DC신호가 제거되어 S"(t)로 생성되는 DCR(DC Removal)블록(24)과, 시간 영역 신호인 Sbf(t)를 FFT(고속 푸리에 변환)처리하여 주파수 영역 신호 Sbf(f)로 변환하는 캐비테이션 FFT블록(25)과, 소음 규준화가 수행되어 수신된 음향 신호에서 배경 소음을 제거하는 캐비테이션 NN(Noise Normalization)블록(26)으로 구성된다.
상기 토널(Tonal)처리모듈(30)은 시간 영역 신호인 Sbf(t)를 FFT(고속 푸리에 변환)처리하여 주파수 영역 신호 Sbf(f)로 변환하는 토널 FFT블록(31)과, 소음 규준화가 수행되어 수신된 음향 신호에서 배경 소음을 제거하는 토널 NN(Noise Normalization)블록(32)과, 설정된 DT(detection threshold)이상인 토널 신호
Figure 112013022040916-pat00002
(j=1,...)를 추출하는 TD(Tonal Detection)블록(33)과, Sbf(t)에 대해 추출된 토널 신호
Figure 112013022040916-pat00003
(j=1,...)를 제거하는 BSF(Bandstop Filter)블록(34)으로 구성된다.
여기서, 상기 DT(detection threshold)는 수동 소나에 수신된 음향 신호의 소음 특성에 따라 조정된다.
본 실시예에서, 캐비테이션(Cavitation)처리모듈(20)의 BPF(BandPass Filter)블록(21)에서 출력된 Sbf(t)는 토널(Tonal)처리모듈(30)의 토널 FFT블록(31)으로 입력되며, 토널(Tonal)처리모듈(30)의 BSF(Bandstop Filter)블록(34)은 TD(Tonal Detection)블록(33)에서 나와 입력된 신호를 캐비테이션(Cavitation)처리모듈(20)의 스퀘어(Square)블록(22)으로 출력해준다.
한편, 도 2는 본 실시예에 따른 수동 소나시스템의 데몬(DEMON : Demodulation of Envelop Modulated On Noise)처리 향상기법에 대한 흐름을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 데몬(DEMON)처리 향상기법은 S10은 방사 소음 신호 수신 모드와 S20의 방사 소음 신호 분류모드 및 S30의 데몬 분석 수행 전처리 모드가 순차적으로 수행된 다음, S200의 데몬 분석 수행 처리 모드가 실행됨으로써 수집된 방사 소음에서 토널(Tonal)신호 주파수 영향이 제거될 수 있다.
S10의 방사 소음 신호 수신 모드는 함정 방사 소음 신호의 수집을 위해 수동 소나가 작동된 상태이다. S20의 방사 소음 신호 분류모드는 수동 소나를 통해 수집된 함정의 방사 소음 신호가 분류되는 과정이다.
본 실시예에서 방사 소음 신호 분류는 S21의 광대역 소음 신호와 S22의 토널 신호와 S23의 하모닉 변조 신호 및 S24의 캐비테이션 소음 신호로 구분된다.
상기 토널 신호는 함정 또는 수중 고속 기동 표적의 기계류에 에 의해 발생되는 소음이고, 상기 캐비테이션 소음 신호는 함정 또는 수중 고속 기동 표적의 프로펠러류에 의해 발생되는 소음이며, 상기 광대역 소음 신호는 함정 또는 수중 고속 기동 표적에 작용하는 유체역학에 의한 소음이고, 상기 하모닉 변조 신호는 모든 소음이 서로 합쳐진 소음이다.
도 3에는 방사 소음 신호가 수집되고 분류되는 수동 소나시스템의 작동상태를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 신호수신부(10)를 통해 수집된 방사 소음신호는 음향 신호 Sr(t)로 정의되고, 음향 신호 Sr(t)는 캐비테이션(Cavitation)처리모듈(20)의 BPF(BandPass Filter)블록(21)으로 입력됨으로써 대역 통과 필터를 거쳐 Sbf(t)로 변환되며, 이를 통해 상기 Sbf(t)에서는 토널 신호의 간섭이 제거된다.
상기 음향 신호 Sr(t)는 다음의 식(1)로 정의됨으로써 광대역 소음 신호 성분과 토널 신호성분 및 하모닉 변조 신호성분과 캐비테이션 소음 신호성분으로 분류 된다.
식(1) :
Figure 112013022040916-pat00004
여기서, ηr(t)와 υr(t)는 수동 소나의 특성에 의하여 수신 대역이 제한된 광대역 소음 신호와 캐비테이션 소음 신호이고, J는 토널 신호의 수, B j는 토널 신호의 세기, fj는 토널 신호 주파수, Φj는 토널 신호의 초기 위상이다. 그리고, I는 하모닉 차수의 길이, Ai는 변조 지수, fo는 기본 주파수, Φi는 변조 신호의 초기 위상을 의미한다.
한편, S30의 데몬 분석 수행 전처리 모드는 수신된 음향 신호 Sr(t)로부터 함정의 프로펠러 축 회전수와 날개 회전 수 및 축 수 등을 정확히 파악하기 위해 수행되는 데몬(DEMON)의 전 단계 처리과정을 나타내며, 이는 수신된 음향 신호 Sr(t)에서 토널신호를 제거하기 위한 S40내지 S90단계와, 토널신호 제거 후 배경소음을 제거하기 위한 S100내지 S140단계로 수행된다.
이하, S40내지 S90단계는 도 4를 참조하고, S100내지 S140단계는 도 5를 참조하여 함께 기술된다.
S40은 수신된 음향 신호가 대역 통과 필터 처리되는 과정으로서, 이는 도 4와 같이 캐비테이션(Cavitation)처리모듈(20)의 BPF(BandPass Filter)블록(21)으로 입력된 음향 신호 Sr(t)가 대역필터를 통과함으로써 Sr(t)에서 Sbf(t)로 변환되고, Sbf(t)로 변환된 음향 신호가 토널(Tonal)처리모듈(30)로 입력됨으로써 토널신호 제거 과정이 수행된다.
S50은 대역필터링 처리된 음향 신호를 시간 영역 신호에서 주파수 영역 신호로 변환하는 과정으로서, 이는 도 4와 같이 토널(Tonal)처리모듈(30)의 토널 FFT블록(31)에는 PF(BandPass Filter)블록(21)의 Sbf(t)가 입력되고, Sbf(t)는 시간 영역 신호에서 주파수 영역 신호인 Sbf(t)로 변환된다. 이를 위해, 토널 FFT블록(31)에서는 시간 영역 신호인 Sbf(t)가 FFT(고속 퓨리에 변환) 처리된다.
S60은 시간 영역 신호로 변환된 음향 신호의 소음 규준화를 수행하는 과정이고, S70은 소음 규준화가 수행된 음향 신호에서 토널 신호를 추출하는 과정이며, S90은 추출된 토널 신호 성분이 제거되는 과정이다.
이때, S80과 같이 토널 신호 성분의 제거 조건이 설정되며, 본 실시예에서는 토널 신호 > DT(detection threshold)일 때 토널 신호 성분이 제거된다. 여기서, DT(detection threshold)는 수동 소나에 수신된 음향 신호의 소음 특성에 따라 조정되므로 특정 값으로 설정하지 않는다.
이러한 과정은 도 4와 같이 토널(Tonal)처리모듈(30)의 토널 NN(Noise Normalization)블록(32)에는 토널 FFT블록(31)의 Sbf(t)가 입력되고, 토널 NN(Noise Normalization)블록(32)에서 소음 규준화가 수행된 Sbf(t)는 TD(Tonal Detection)블록(33)으로 입력되며, TD(Tonal Detection)블록(33)은 Sbf(t)에서 설정된 DT(detection threshold)이상인 토널 신호
Figure 112013022040916-pat00005
(j=1,...)가 추출된다. 상기 토널 신호
Figure 112013022040916-pat00006
(j=1,...)는 토널 신호의 성분이다.
이어, TD(Tonal Detection)블록(33)에서 출력된 토널 신호
Figure 112013022040916-pat00007
(j=1,...)가 BSF(Bandstop Filter)블록(34)으로 입력되고, BSF(Bandstop Filter)블록(34)은 토널 신호
Figure 112013022040916-pat00008
(j=1,...)를 제거해줌으로써 Sbf(t)가
Figure 112013022040916-pat00009
로 변환되어 출력된다. 이러한 결과는 식(2)로 표현된다.
식(2) :
Figure 112013022040916-pat00010
여기서,
Figure 112013022040916-pat00011
와
Figure 112013022040916-pat00012
는 BSF(Bandstop Filter)블록(34)을 통과한 광대역 소음 신호와 캐비테이션 소음 신호를 의미한다.
한편, S100은 토널 신호의 성분 제거된 소음 신호가 제곱 처리됨으로써 캐비테이션 소음신호를 추출하는 과정으로서, 이는 도 5와 같이 토널(Tonal)처리모듈(30)의 BSF(Bandstop Filter)블록(34)에서 출력된 소음신호
Figure 112013022040916-pat00013
가 캐비테이션(Cavitation)처리모듈(20)의 스퀘어(Square)블록(22)으로 입력되고, 스퀘어(Square)블록(22)에서
Figure 112013022040916-pat00014
가 제곱(Square)처리되어 출력된다.
S110은 제곱(Square)처리된 소음신호에 대해 필터링처리와 함께 DC 신호를 제거하는 과정이고, 이로부터 수신된 방사소음신호는 토널 신호 간섭 주파수 성분이 제거된 상태로 전환된다.
이러한 과정은 도 5와 같이 스퀘어(Square)블록(22)의 제곱(Square)처리된
Figure 112013022040916-pat00015
가 LF(Lowpass Filter)블록(23)로 입력되어 필터링 처리된 후 DCR(DC Removal)블록(24)으로 입력되면, DCR(DC Removal)블록(24)에서는 토널 신호의 주파수 간섭이 제거된
Figure 112013022040916-pat00016
가 DC신호 제거된 S"(t)로 변환되어 출력된다. 이러한 결과는 식(3)으로 표현된다.
식(3) :
Figure 112013022040916-pat00017
여기서,
Figure 112013022040916-pat00018
와
Figure 112013022040916-pat00019
는 제곱 수행 후 저주파 통과 필터 적용과 DC 제거가 된 광대역 소음 신호와 캐비테이션 소음 신호이며, μi(t), i=0,...,2I는 각 주파수 신호의 크기이고, S"(t)로부터 데몬 처리 기법에서 존재하던 토널 신호의 주파수 간섭이 제거됨을 알 수 있다.
S130은 토널 신호의 주파수 차가 제거된 소음신호를 시간 영역 신호에서 주파수 영역 신호로 변환하는 과정이고, S140은 주파수 영역 신호로 변환된 소음신호에서 배경 소음이 제거되는 과정이다.
이러한 과정은 도 5와 같이 DCR(DC Removal)블록(24)에서 출력된 S"(t)가 캐비테이션 FFT블록(25)로 입력되고, 캐비테이션 FFT블록(25)에서 FFT(고속 퓨리에 변환)처리되어 시간 영역 신호에서 변환된 주파수 영역 신호가 캐비테이션 NN(Noise Normalization)블록(26)으로 입력됨으로써 주파수 영역 신호에 대해 소음 규준화가 수행된다. 이로부터 캐비테이션 NN(Noise Normalization)블록(26)에서는 토널 소음신호와 배경 소음 신호가 제거된 출력이 나오게 된다.
한편, S200은 데몬(DEMON : Demodulation of Envolop Modulated On Noise)처리가 실 수행되는 과정으로서, 이는 일반적인 데몬(DEMON)처리과정과 동일하다. 그러나, 본 실시예에서는 캐비테이션 소음만 고려된 방사소음신호를 처리하는 기존 데몬(DEMON)처리과정과 달리, 토널(Tonal)처리모듈(30)을 이용한 토널 신호의 차 주파수성분제거와 캐비테이션(Cavitation)처리모듈(20)을 이용한 캐비테이션 소음제거된 방사소음신호를 처리함으로써 데몬(DEMON)처리 후 정확도가 크게 높아지게 된다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 수동 소나시스템을 이용한 데몬(DEMON : Demodulation of Envolop Modulated On Noise) 처리 향상기법은 방사 소음 신호 수신 모드와 방사 소음 신호 분류모드 및 데몬 분석 수행 전처리 모드가 순차적으로 수행됨으로써 데몬 분석 수행 처리 전 데몬 분석 수행 전처리를 통해 수집된 방사 소음에서 토널(Tonal)신호 주파수 영향이 제거될 수 있고, 이로 인해 데몬 분석 수행 처리시 함정의 프로펠러 축 회전수와 날개 회전 수 및 축 수 등의 해석 정확성이 크게 높아진다.
1 : 수동 소나 10 : 신호수신부
20 : 캐비테이션(Cavitation)처리모듈
21 : BPF(BandPass Filter)블록 22 : 스퀘어(Square)블록
23 : LF(Lowpass Filter)블록 24 : DCR(DC Removal)블록
25 : 캐비테이션 FFT블록
26 : 캐비테이션 NN(Noise Normalization)블록
30 : 토널(Tonal)처리모듈 31 : 토널 FFT블록
32 : 토널 NN(Noise Normalization)블록
33 : TD(Tonal Detection)블록 34 : BSF(Bandstop Filter)블록

Claims (9)

  1. 수중으로 전파된 방사소음신호를 수신해 상기 방사소음신호에 포함된 토널(Tonal)신호 주파수가 제거되는 토널(Tonal)처리모듈과,
    상기 토널(Tonal)신호 주파수의 제거로 간섭이 제거된 상태인 상기 방사소음신호를 변환하고, 상기 방사소음신호에 포함된 프로펠러 캐비테이션 소음 신호를 추출하는 캐비테이션(Cavitation)처리모듈로 이루어진 수동 소나;
    가 포함된 것을 특징으로 하는 수동 소나시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 캐비테이션(Cavitation)처리모듈은 상기 방사소음신호가 대역 통과 필터링되는 BPF(BandPass Filter)블록과, 상기 토널(Tonal)신호 주파수의 제거로 간섭이 제거된 상기 방사소음신호를 제곱(Square)처리하는 스퀘어(Square)블록과, 상기 스퀘어(Square)블록의 출력을 필터링하는 LF(Lowpass Filter)블록과, 상기 LF(Lowpass Filter)블록의 출력에서 DC신호를 제거하는 DCR(DC Removal)블록과, 상기 DCR(DC Removal)블록의 출력을 시간 영역 신호에서 주파수 영역 신호로 변환하는 캐비테이션 FFT블록과, 상기 캐비테이션 FFT블록의 출력을 소음 규준화 수행으로 배경 소음을 제거하는 캐비테이션 NN(Noise Normalization)블록으로 구성된 것을 특징으로 하는 수동 소나시스템.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 토널(Tonal)신호 주파수의 제거로 간섭이 제거된 상기 방사소음신호는 상기 토널(Tonal)처리모듈에서 입력되는 것을 특징으로 하는 수동 소나시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 토널(Tonal)처리모듈은 대역 통과 필터링된 상기 방사소음신호에서 시간 영역 신호를 주파수 영역 신호로 변환하는 토널 FFT블록과, 상기 토널 FFT블록의 출력을 소음 규준화 수행으로 배경 소음을 제거하는 토널 NN(Noise Normalization)블록과, 상기 토널 NN(Noise Normalization)블록의 출력에서 토널 신호를 추출하는 TD(Tonal Detection)블록과, 상기 TD(Tonal Detection)블록의 출력에서 상기 토널 신호를 제거하는 BSF(Bandstop Filter)블록으로 구성된 것을 특징으로 하는 수동 소나시스템.
  5. 함정의 방사소음신호가 수중에서 수신되고, 상기 방사소음신호가 적어도 토널(Tonal)신호 및 캐비테이션(Cavitation) 소음 신호와 함께 세부 신호로 분류된 음향신호로 정의되는 방사소음신호분류단계;
    상기 음향신호에서 토널(Tonal)신호의 성분이 제거되고, 상기 토널(Tonal)신호의 성분이 제거된 상태에서 상기 토널(Tonal)신호 성분의 주파수 차가 제거된 다음 상기 캐비테이션(Cavitation)소음 신호의 배경 소음이 제거된 후, 상기 캐비테이션(Cavitation)소음 신호에서 상기 토널(Tonal)신호 간섭이 제거된 무간섭 음향신호로 변환하는 데몬분석 전처리단계;
    상기 무간섭 음향신호에서 프로펠러 축 회전수와 날개 회전 수 및 축 수가 해석되는 데몬분석 처리단계;
    로 수행되는 것을 특징으로 하는 수동 소나시스템의 데몬 처리 향상기법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 방사소음신호분류단계에서, 상기 세부 신호는 함정 또는 수중 고속 기동 표적에 작용하는 유체역학에 의한 광대역 소음 신호와, 소음이 서로 합쳐진 하모닉 변조 신호인 것을 특징으로 하는 수동 소나시스템의 데몬 처리 향상기법.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 데몬분석 전처리단계에서; 상기 토널(Tonal)신호의 성분 제거 단계는 상기 음향신호가 대역 통과 필터링된 후 시간 영역 신호에서 주파수 영역 신호로 변환되고, 상기 시간 영역 신호의 소음 규준화 후 토널 신호를 추출해 성분을 제거해주는 연속 과정으로 이루어지며;
    상기 캐비테이션(Cavitation)소음 신호의 배경 소음 제거 단계는 상기 토널신호 성분이 제거된 상태에서 제곱(Square)처리되고, 필터링처리 후 DC 신호를 제거한 다음 상기 토널신호의 주파수 차가 제거되며, 상기 토널 신호의 주파수 차가 제거된 상태에서 시간 영역 신호를 주파수 영역 신호로 변환해준 다음 배경 소음을 제거해주는 연속 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수동 소나시스템의 데몬 처리 향상기법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 토널(Tonal)신호의 성분 제거 단계에서, 상기 주파수 영역 신호 변환은 상기 시간 영역 신호를 고속 퓨리에 변환(FFT)하여 이루어지고, 상기 추출된 토널 신호의 성분 제거는 필터링처리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수동 소나시스템의 데몬 처리 향상기법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 토널신호의 성분이 제거된 음향신호에는 광대역 소음 신호와 캐비테이션 소음 신호가 존재하는 것을 특징으로 하는 수동 소나시스템의 데몬 처리 향상기법.
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