KR101783822B1 - 수상 이동체 내의 소음원 위치 추정 방법 - Google Patents

수상 이동체 내의 소음원 위치 추정 방법 Download PDF

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Abstract

소음원 위치 추정 방법은 수상 이동체와 제1 청음기 및 제2 청음기를 접근시키는 단계; 상기 제1 청음기 및 상기 제2 청음기에서, 상기 수상 이동체 내의 소음원(제1 음원)으로부터 발생하는 소음 신호와, 상기 수상 이동체에 구비된 음향 음향 신호 발생기(제2 음원)로부터 발생한 음향 신호를 수신하는 단계; 상기 제1 청음기에서 수신된 소음 신호 및 음향 신호와, 상기 제2 청음기에서 수신된 소음 신호 및 음향 신호를, 각각의 시간에 대한 주파수 분포로 산출하는 단계; 상기 시간에 대한 주파수 분포에 기초하여, 각각의 상기 청음기들과 각각의 상기 음원들 간의 최단 접근 거리들을 구하는 단계; 및 상기 최단 접근 거리들을 이용하여, 상기 수상 이동체의 이동 방향에 대해 수직한 평면 상에서, 상기 음향 신호 발생기에 대한 상기 소음원의 위치 좌표를 계산하는 단계를 포함한다.

Description

수상 이동체 내의 소음원 위치 추정 방법{METHOD FOR ESTIMATING LOCATION OF NOISE SOURCE WITHIN WATERCRAFT}
본 발명은 수상 이동체 내의 소음원 위치 추정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이동하는 수상 이동체 내의 소음원으로부터 발생하는 소음 신호를 감지하고 분석하여 수상 이동체 내 소음원의 위치를 추정하는 방법에 관한 것이다.
상선의 규모가 점점 더 대형화되고 해양 무역의 물동량이 급격히 증가함에 따라 이로 인한 소음 준위가 지속적으로 증가하고 있다. 또한, 해양 포유류와의 음향 신호 주파수 대역이 겹치는 문제점도 거론되고 있다. 이로 인해, 국제해사기구(International Maritime Organization, IMO)에서는 해양 생물 보호를 위해 지금까지는 중요하게 여겨지지 않았던 상선들의 방사 소음에 대한 규제를 제정하기 위한 움직임을 보이고 있다.
수상 운행체의 소음을 줄이기 위해서는 수상 운행체 내의 소음원의 위치를 파악하는 것이 선행되어야 한다. 동력 기관 외에도 수상 운행체 상의 다수의 위치에서 소음이 발생할 수 있으나, 이러한 소음원들의 위치를 직접 파악하는 것은 상당히 곤란하다. 따라서, 수상 운행체 내에 위치하는 소음원을 수상 운행체 외부에서 찾는 방법에 대한 연구가 다수 진행되었다.
도 1을 참조하면, 종래의 소음원 위치 추정 방법은 수중에 설치된 청음기(1)로써 수상 이동체(2)의 소음원(3)으로부터 발생된 소음을 감지하여 소음원의 1차원 상의 위치를 추정하는 방법을 제공한다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같은 또 다른 종래의 소음원 위치 추정 방법은 수중에 설치된 청음기(5)로써 수중 이동체(4)를 측방향에서 바라보았을 경우 2차원 상의 소음원(6)의 위치를 추정하는 방법을 제공한다.
상술한 종래 기술들에 의하면, 실제로 3차원 공간 상에 존재하는 소음원의 위치를 정확하게 추정할 수 없다. 따라서, 수상 이동체 내의 소음원의 공간 상 위치를 정확하게 추정할 수 있는 소음원 위치 추정 방법이 요구된다.
미국 특허 공개 번호 2008/0165617 (2008. 7. 10)
본 발명은 전술한 종래의 소음원 위치 추정 방법의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 수중에 설치된 두 개의 청음기에 의해 감지된 수상 이동체로부터 발생한 소음 신호와, 수상 이동체에 구비된 음향 신호 발생기로부터 방출되는 음향 신호를 분석하여, 각각의 청음기로부터 소음원 및 음향 신호 발생기까지의 최단 거리를 구하고, 이를 통해 소음원의 위치를 추정할 수 있는 소음원 위치 추정 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 수상 이동체 내의 소음원 위치 추정 방법은, 수상 이동체와 제1 청음기 및 제2 청음기를 접근시키는 단계; 상기 제1 청음기 및 상기 제2 청음기에서, 상기 수상 이동체 내의 소음원(제1 음원)으로부터 발생하는 소음 신호와, 상기 수상 이동체에 구비된 음향 신호 발생기(제2 음원)로부터 발생한 음향 신호를 수신하는 단계; 상기 제1 청음기에서 수신된 소음 신호 및 음향 신호와, 상기 제2 청음기에서 수신된 소음 신호 및 음향 신호를, 각각의 시간에 대한 주파수 분포로 산출하는 단계; 상기 시간에 대한 주파수 분포에 기초하여, 각각의 상기 청음기들과 각각의 상기 음원들 간의 최단 접근 거리들을 구하는 단계; 및 상기 최단 접근 거리들을 이용하여, 상기 수상 이동체의 이동 방향에 대해 수직한 평면 상에서, 상기 음향 신호 발생기에 대한 상기 소음원의 위치 좌표를 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 최단 접근 거리들을 구하는 단계는, 하기 수학식에서 임의의 최단 접근 거리 R0를 설정하고, 하기 수학식에 따른 시간 t에 대한 주파수 f의 그래프를 상기 산출된 시간에 대한 주파수 분포에 근접시켜, 청음기와 음원이 최단 접근 거리일 때의 시간 t0와 주파수 f0를 추정하는 단계; 및 상기 추정된 시간 t0와 f0을 대입한 하기 수학식에 따른 시간 t에 대한 주파수 f의 관계의 그래프를 상기 산출된 시간에 대한 주파수 분포에 근접시켜, 청음기와 음원의 최단 접근 거리 R0을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
[수학식]
Figure 112016022962338-pat00001
여기에서, c는 음파의 속도이며, v는 상기 수중 이동체의 이동 속도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 시간 t0와 주파수 f0를 추정하는 단계는, 시간 t0 및 주파수 f0로 예상되는 복수의 시간들 및 주파수들을 소정 간격으로 추출하는 단계; 및 상기 추출된 시간 및 주파수를 상기 수학식에 대입하여 도출되는 복수의 시간 t에 대한 주파수 f의 관계의 그래프들 중에서, 상기 산출된 시간에 대한 주파수 분포와 가장 근접한 그래프에 대응하는 시간에 대한 주파수 관계에 대입된 시간과 주파수를 시간 t0 및 주파수 f0로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 추출 단계 및 상기 결정 단계는 복수 회 반복 수행되며, 이전 수행에서 결정된 시간 t0 및 주파수 f0를 중심으로 하여, 이전 수행 시의 추출 간격보다 작은 간격으로 복수의 시간들 및 주파수들이 추출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 시간들 및 주파수들 중에서, 상기 산출된 시간에 대한 주파수와 상기 수학식에 따른 시간 t에 대한 주파수 f 간의 오차의 제곱의 합이 최소가 되도록 하는 시간과 주파수를 시간 t0 및 주파수 f0로 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 최단 접근 거리 R0을 추정하는 단계는, 최단 접근 거리 R0로 예상되는 복수의 거리를 소정 간격으로 추출하는 단계; 및 상기 추출된 거리를 상기 수학식에 대입하여 도출되는 복수의 시간 t에 대한 주파수 f의 관계의 그래프들 중에서, 상기 산출된 시간에 대한 주파수 분포와 가장 근접한 그래프에 대응하는 시간에 대한 주파수 관계에 대입된 거리를 최단 접근 거리 R0로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 추출 단계 및 상기 결정 단계는 복수 회 반복 수행되며, 이전 수행에서 결정된 최단 접근 거리 R0을 중심으로 하여, 이전 수행 시의 추출 간격보다 작은 간격으로 복수의 거리들이 추출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 거리들 중에서, 상기 산출된 시간에 대한 주파수와 상기 수학식에 따른 시간 t에 대한 주파수 f 간의 오차의 제곱의 합이 최소가 되도록 하는 거리를 최단 접근 거리 R0로 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수상 이동체는 상기 제1 청음기와 상기 제2 청음기를 잇는 직선에 대해 수직한 방향으로 이동할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수상 이동체는 상기 청음기들 중에서 어느 하나의 청음기의 직상을 통과할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수상 이동체는 등속으로 이동할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수상 이동체는 상기 청음기들에 2회 이상 서로 상이한 속도로 접근하며, 상기 수상 이동체의 둘 이상의 이동 속도와, 각각의 경우에서 최단 접근 거리 상의 상기 음원들에서 발생한 신호들이 상기 청음기들에 도달하는 시간차를 고려하여, 상기 음향 신호 발생기에 대한 상기 소음원의 상기 수상 이동체의 이동 방향에 따른 위치 좌표를 구하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 수상 이동체 내의 소음원의 위치를 추정하는 방법에 대한 개념도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 수상 이동체 내의 소음원의 위치를 추정하는 방법에 대한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소음원 위치 추정 방법의 흐름도이다.
도 4a 및 도 4b는 청음기 근방을 통과하는 수상 이동체와 청음기를 도시한 개략적인 사시도 및 정면도이다.
도 5는 청음기에 의해 감지된 음파를 도시하는 스펙트로그램이다.
도 6a는 도 5의 스펙트로그램 상에 최소자승법을 수행하기 위하여 선정된 예상 도플러 중심을 도시한다.
도 6b는 도 5의 스펙트로그램 상에서 최소자승법을 수행함에 따라 구해진 최종 도플러 중심을 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 최소자승법을 수행함에 따른 최초 시행과 최종 시행에서의 결과값 분포를 도시한다.
도 8a는 청음기 상측에 선정된 예상 최단 접근 거리의 각 지점들을 도시한다.
도 8b는 도 5의 스펙트로그램 상에서 최소자승법을 수행함으로써 구해진 최단 접근 거리에 따른 기울기 변화를 도시한다.
도 9a 및 도 9b는 각각의 청음기로써 감지할 신호의 처리 범위를 도시한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층"위(on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 소음원 위치 추정 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 먼저, 제1 청음기(21)와 제2 청음기(22)로 수상 이동체(10) 내의 소음원(제1 음원)(12)으로부터 발생하는 소음 신호와, 수상 이동체(10)에 구비된 음향 신호 발생기(제2 음원)(11)로부터 방출된 음향 신호를 감지한다(S110).
수상 이동체(10)는 수면 또는 수중에서 이동한다. 수상 이동체(10)는 여객선, 화물선, 어선 등의 선박일 수 있다. 수상 이동체(10)는 수면 또는 수중으로 이동하므로 그로부터 발생하는 소음 신호, 음향 신호 등의 음파가 물을 통해 외부로 전파될 수 있다.
청음기들(21, 22)은 수중에 설치된다. 제1 청음기(21)와 제2 청음기(22)는 y축 방향으로 일정한 간격을 두고 배치된다. 수상 이동체(10)는 제1 청음기(21)와 제2 청음기(22)를 잇는 직선, 즉 y축에 대해 수직한 x축 방향으로 이동한다. 또한, 수상 이동체(10)는 제2 청음기(22)의 직상을 통과하도록 이동한다.
한편, 수상 이동체(10)가 +x축 방향으로 이동하는 경우에 제1 청음기(21)와 제2 청음기(22)에 의해 감지되는 것에 대응하여, 수상 이동체(10)가 -x축 방향으로 되돌아올 경우 수상 이동체(10)의 전방에 대해 제1 청음기(21)는 반대 방향에 위치하게 되므로, 두 경우를 한 번에 고려하기 위하여 가상의 제3 청음기(23)를 가정한다. 즉, 수상 이동체(10)가 +x축 방향으로 이동할 경우, 제1 청음기(21)와 제2 청음기(22)에 의해 감지가 수행되며, 수상 이동체(10)가 -x축 방향으로 이동하는 것을 +x축 방향으로 이동하는 것으로 볼 경우, 제2 청음기(22)와 제3 청음기(23)에 의해 감지가 수행되는 것으로 볼 수 있다. 이는 설명과 이해의 편의를 위하여 하나의 방향으로의 이동을 통해 두 가지 방향으로의 이동을 동시에 고려하도록 가정된 점에 유의해야 한다.
한편, 본 실시예에서는, 수상 이동체(10)가 제2 청음기(22)의 직상을 청음기들(21, 22)에 대해 수직하게 이동하는 것으로 설명되지만, 이는 설명과 이해의 편의를 위하여 위치 추정 과정을 단순화하고자 전제된 것이다. 따라서, 본 발명이 반드시 이러한 전제에 의해 제한되는 것은 아니며, 본 실시예를 통해서 수상 이동체(10)가 청음기들(21, 22)에 대해 비스듬하게 이동하거나, 청음기들(21, 22) 중 어느 하나의 직상을 통과하지 않는 경우에도 수상 이동체(10)가 청음기들(21, 22)에 접근하였다 멀어지도록 이동할 경우 위치 추정이 가능하다. 이에 대해 상세하게 후술된다.
수상 이동체(10)에는 음향 신호 발생기(11)가 구비된다. 음향 신호 발생기(11)는 선박 등에서 발생하는 통상적인 소음 신호와 상이한 주파수를 가지는 음파를 발생시키는 것이 바람직하다. 이로써, 청음기(21, 22)에 의해 음향 신호와 소음 신호가 동시에 감지되어도 각각에 대한 감지 정보를 용이하게 구분하여 파악할 수 있다. 음향 신호 발생기(11)는 계산의 편의를 위해 수상 이동체(10)의 이동 방향의 전방측 하단 중앙에 배치될 수 있다. 따라서, 수상 이동체(10)의 이동 시, 음향 신호 발생기(11)는 제2 청음기(22)의 직상을 통과하게 된다.
또한, 수상 이동체(10)의 내부에는 소음원(12)이 존재한다. 소음원(12)은 수상 이동체(10)의 이동 시 미리 설정된 기준치 이상의 소음 신호를 외부로 방출한다. 이러한 소음원(12)은 수상 이동체(10) 내의 임의의 위치에 존재할 수 있다. 또한, 수상 이동체(10)에는 둘 이상의 소음원이 존재할 수도 있다.
각각의 청음기들(21 내지 23)이 수상 이동체(10)가 이동함에 따라 음향 신호 발생기(11)로부터 방출된 음향 신호와 소음원(12)으로부터 발생한 소음 신호를 감지함으로써, 각각의 청음기(21 내지 23)에 대한 음향 신호 및 소음 신호의 시간에 따른 주파수 분포를 산출한다.
각각의 청음기(21 내지 23)에 의해 감지된 소음 신호와 음향 신호의 시간에 따른 주파수 변화가 파악되면, 이에 기초하여 이동 중인 음향 신호 발생기(11)와 소음원(12)이 각각의 청음기(21 내지 23)에 가장 근접할 때 각각의 청음기(21 내지 23)와 음향 신호 발생기(11) 및 소음원(12) 사이의 거리를 구한다(S120). 즉, 시간에 대한 주파수 분포에 기초하여, 각각의 청음기들(21 내지 23)과 각각의 음원들(11, 12) 간의 최단 접근 거리들을 구한다.
먼저, 이동하는 수상 이동체(10)로부터의 소음 신호와 음향 신호의 시간에 따른 주파수에 기초하여, 각각의 경우에서 도플러 변이가 일어나는 시간과 주파수인 도플러 중심을 구한다(S121).
수상 이동체(10)가 청음기(21 내지 23)를 향하여 이동하는 경우 청음기(21 내지 23)에서 감지되는 주파수는 수상 이동체(10)가 정지 상태일 경우의 주파수에 비해 작아지고, 수상 이동체(10)가 청음기(21 내지 23)로부터 멀어지는 방향으로 이동하는 경우 청음기(21 내지 23)에서 감지되는 주파수는 더 커진다. 이때, 수상 이동체(10)가 등속으로 청음기(21 내지 23) 부근을 통과할 경우, 감지되는 주파수는 수상 이동체(10)가 청음기(21 내지 23)로 접근함에 따라 점점 작아지다 청음기(21 내지 23)의 직상에서 정지 상태일 경우의 주파수와 동일하고 점점 멀어짐에 따라 다시 작아진다. 즉, 파원과 관찰자 간의 거리가 최단 거리가 될 때 도플러 변이가 일어난다.
이와 같은 도플러 효과는, v의 속도로 수상 이동체(10)가 등속 운동을 하며 음파의 속도가 c인 경우, 청음기(21 내지 23)에서 감지되는 파동의 주파수 f는 시간 t에 따라 아래의 수학식 1과 같이 나타난다.
Figure 112016022962338-pat00002
상기 수학식 1에서 도플러 중심에서의 시간과 주파수는 각각 t0과, f0이며, R0은 음향 신호 발생기(11) 또는 소음원(12)과 같은 파원과 청음기(21 내지 23)와 같은 관찰자 간의 최단 접근 거리에 해당한다.
상기 수학식 1에서 음파의 속도 c와 수상 이동체(10)의 속도 v가 일정할 경우, 시간 t과 주파수 f에 대한 그래프는 도 5에 도시된 바와 같이 하나의 변곡점을 가지는 곡선의 형태를 가진다. 이때 변곡점이 도플러 중심(t0, f0)에 해당한다.
음파 속도 c와 수상 이동체(10)의 속도 v가 일정할 경우, 시간-주파수 그래프에 영향을 미치는 변수로는 R0, t0 및 f0가 있다. 도플러 변이에서 최단 접근 거리 R0가 달라지면 시간에 따른 주파수의 변화율이 변경되지만, 도플러 중심(t0, f0)을 기준으로 그래프가 대칭을 이루므로, R0를 임시로 설정하고 도플러 중심(t0, f0)을 먼저 구할 수 있다. 즉, 상기 수학식 1에서 임의의 최단 접근 거리 R0를 설정하고, 수학식 1에 따른 시간 t에 대한 주파수 f의 그래프를 상기 단계(S110)에서 산출된 시간에 대한 주파수 분포에 근접시켜, 청음기(21 내지 23)와 음원(11, 12)이 최단 접근 거리일 때의 시간 t0와 주파수 f0를 추정할 수 있다.
도 5에서, 도플러 변이 이전의 주파수와 도플러 변이 이후의 주파수 차이는 약 1Hz범위 내이고, 약 20초 안에 주파수가 변화하는 것으로 나타난다. 이를 기초로 하여, 최소자승법(Least Square Method, LSM)을 이용해 도플러 중심(t0, f0)을 구할 수 있다.
도플러 변이 범위를 고려하여, 도 6a에 도시된 바와 같이 동일 주파수의 25초 범위 내에 50개의 지점, 동일 시간에서 2Hz 범위 내에 200개의 지점들을 초기 예상 도플러 중심으로 선정한다(S121a). 즉, 상기 단계(S110)에서 산출된 시간에 대한 주파수 분포와 근접하도록, 수학식 1의 시간 t0 및 주파수 f0로 예상되는 복수의 시간들 및 주파수들을 소정 간격으로 추출한다.
그리고 나서, 미리 설정된 v 및 R0를 바탕으로, 최소자승법에 의해 하나의 청음기에서 받아들인 음향 신호와 총 10,000개의 지점에 대응하는 상기 수학식 1의 주파수 간의 오차의 제곱의 합이 가장 작은 값을 가진 지점을 찾는다(S121b). 즉, 상기 단계(S121a)에서 추출된 시간 및 주파수를 수학식 1에 대입하여 도출되는 복수의 시간 t에 대한 주파수 f의 관계의 그래프들 중에서, 상기 단계(S110)에서 산출된 시간에 대한 주파수 분포와 가장 근접한 그래프에 대응하는 시간에 대한 주파수 관계에 대입된 시간과 주파수를 수학식 1의 시간 t0 및 주파수 f0로 결정한다. 이때, 상기 단계(S121a)에서 추출된 복수의 시간들 및 주파수들 중에서, 산출된 시간에 대한 주파수와 수학식 1에 따른 시간 t에 대한 주파수 f 간의 오차의 제곱의 합이 최소가 되도록 하는 시간과 주파수를 시간 t0 및 주파수 f0로 결정한다.
이러한 결과는 도 7a에 도시된다. 시간에 대한 x축과 주파수에 대한 y축에 의한 평면 상의 총 10,000개의 지점에 대하여 청음기(21 내지 23)로부터 감지된 소음 신호 또는 음향 신호와 각각 최소자승법으로써 나온 결과 값이 z축에 해당된다.
최소자승법을 1회 시행하였을 때 결과값이 가장 작은 도플러 중심(t1, f1)을 기초로 하여 다시 새로운 10000개의 도플러 중심을 선정한다(S121a). 즉, 이전 수행에서 결정된 시간 t0 및 주파수 f0를 중심으로 하여, 이전 수행 시의 추출 간격보다 더 작은 간격으로 복수의 시간들 및 주파수들이 추출된다. 이때, 인접한 두 지점 사이의 거리를 초기 도플러 중심 사이의 거리의 80%로 설정함으로써 반복 시행함에 따라 보다 정확한 결과값을 얻을 수 있다. 그리고 나서, 새로운 10000개의 지점에 대해 최소자승법을 시행하여 가장 작은 결과값을 가지는 지점을 찾는다(S121b).
이와 같은 단계(S121a 및 S121b)를 40회 반복함으로써 도 6b에 도시된 바와 같이 수학식 1에 대한 곡선 상의 도플러 중심의 위치는 청음기에 의해 감지된 음향 신호의 도플러 중심에 거의 일치하도록 접근한다. 최소자승법에 따른 결과값은 도 7b에 도시된 바와 같다. 도 7b의 z축을 살펴보면 거의 변화가 없는데, 이로써 도플러 중심(t0, f0)에 상당히 근접하게 도달하였다고 판단할 수 있으며, 이때 가장 작은 값을 가지는 점이 도플러 변이가 일어나는 최종 도플러 중심(f0, t0)으로 결정된다.
총 40회 반복 하였을 때, 선정된 10000개의 도플러 중심들 중 인접한 두 지점 사이의 간격은 시간과 주파수가 각각 6.6x10-8초, 1.35x10-6Hz로 굉장히 작은 값을 가지는바, 분해능(resolution)이 상당히 높은 편이라는 것을 확인할 수 있다.
그 다음으로, 상기 단계(S121a 및 S121b)에서 구한 도플러 중심(t0, f0)을 기초로, 다시 상기 수학식 1을 이용하여 최소자승법으로써 최단 접근 거리 R0를 구한다(S122). 즉, 추정된 시간 t0와 f0을 대입한 수학식 1에 따른 시간 t에 대한 주파수 f의 관계의 그래프를 상기 단계(S110)에서 산출된 시간에 대한 주파수 분포에 근접시켜, 청음기(21 내지 23)와 음원(11, 12)의 최단 접근 거리 R0을 추정한다.
본 단계(S122)에서는, 도 8a에 도시된 바와 같이, 초기 예상 최단 접근 거리를 청음기(22)로부터 수상 이동체(10)의 중심까지의 거리로 설정하고, 각 지점 사이의 간격(Rstep)과 지점들의 개수를 정하여 복수의 예상 최단 접근 거리를 선정한다(S122a). 즉, 상기 단계(S110)에서 산출된 시간에 대한 주파수 분포와 근접하도록, 수학식 1의 최단 접근 거리 R0로 예상되는 복수의 거리를 소정 간격으로 추출한다.
그리고 나서, 최소자승법을 통해 새로운 예상 최단 접근 거리를 재탐색한다(S122b). 본 단계(S122b)에서는, 상기 단계(S122a)에서 추출된 거리를 수학식 1에 대입하여 도출되는 복수의 시간 t에 대한 주파수 f의 관계의 그래프들 중에서, 상기 단계(S110)에서 산출된 시간에 대한 주파수 분포와 가장 근접한 그래프에 대응하는 시간에 대한 주파수 관계에 대입된 거리를 최단 접근 거리 R0로 결정한다. 이때, 복수의 거리들 중에서, 상기 단계(S110)에서 산출된 시간에 대한 주파수와 수학식 1에 따른 시간 t에 대한 주파수 f 간의 오차의 제곱의 합이 최소가 되도록 하는 거리를 최단 접근 거리 R0로 결정한다.
한편, 이전 수행에서 결정된 최단 접근 거리 R0을 중심으로 하여, 이전 수행 시의 추출 간격보다 더 작은 간격으로 복수의 거리들이 추출된다. 각 지점 사이의 간격을 80%로 범위를 줄여가며 40회 반복하여 수행한다. 이로써, 도 8b에 도시된 바와 같이, 상기 수학식 1에 따른 그래프는 청음기(21 내지 23)에 의해 감지된 음향 신호의 분포와 가장 근사하게 추정된다.
한편, 청음기(21 내지 23)의 신호 처리 범위를 적절하게 선정하는 것이 적은 회수의 시행으로 더욱 정확한 추정을 위하여 바람직하다. 예를 들면, 배의 폭이 Lb이고 높이가 Lc라 하였을 때, 도 9a에 도시된 바와 같이, 제1 청음기(21) 또는 제3 청음기(23)의 신호 처리 범위는 아래의 수학식 2와 같이 정할 수 있다.
Figure 112016022962338-pat00003
Figure 112016022962338-pat00004
Figure 112016022962338-pat00005
또한, 도 9b에 도시된 바와 같이, 제2 청음기(22)의 신호 처리 범위는 아래의 수학식 3과 같이 정할 수 있다.
Figure 112016022962338-pat00006
Figure 112016022962338-pat00007
Figure 112016022962338-pat00008
선정된 신호 처리 범위 내에서 감지된 소음 신호 또는 음향 신호와, 상기 단계(S122a)에서 선정된 예상 최단 접근 거리에 기초한 상기 수학식 1의 결과값을 이용하여 최소자승법에 의해 각각의 경우의 최단 접근 거리를 구할 수 있다.
정리하면, 청음기(21 내지 23)에서 받아들인 음향 신호 또는 소음 신호와 도플러 변이를 나타내는 수학식 1을 기초로 최소자승법을 수행하여 도플러 중심을 구한다. 그리고 나서, 도플러 중심을 고정시키고 음향 신호 또는 소음 신호와 수학식 1을 기초로 다시 최소자승법을 수행하여 청음기(21 내지 23)와 음향 신호 발생기(11) 또는 소음원(12) 사이의 최단 접근 거리를 구할 수 있게 된다.
도 4b를 참조하면, 상기 단계(S120)에서 추정된 최단 접근 거리로서, 제1 청음기(21)와 음향 신호 발생기(11) 간의 최단 거리 r0와, 제1 청음기(21)와 소음원(12) 간의 최단 거리 r1과, 제2 청음기(22)와 음향 신호 발생기(11) 간의 최단 거리 r00와, 제2 청음기(22)와 소음원 간의 최단 거리 r2와, 제3 청음기(23)와 소음원 간의 최단 거리 r3을 구할 수 있다. 한편, 제3 청음기(23)와 음향 신호 발생기(11) 간의 최단 거리는 제1 청음기(21)와 음향 신호 발생기(11) 간의 최단 거리 r0과 동일하다.
그 다음으로, 청음기(21 내지 23)와 음향 신호 발생기(11) 또는 소음원(12) 사이의 최단 접근 거리를 이용하여, 수상 이동체(10)의 이동 방향에 대해 수직한 yz평면 상에서, 음향 신호 발생기(11)에 대한 소음원(12)의 위치 좌표(Ny, Nz)를 계산한다(S130).
이하에서는, 본 단계(S130)를 수상 이동체(10)가 +x축 방향으로 이동하는 경우와, -축 방향으로 이동하는 경우와, 양 방향으로 이동하는 경우로 나누어 설명하도록 한다. 각각의 경우, 개별적으로 수행됨으로써 소음원(12)의 위치 좌표(Ny, Nz)를 구할 수 있다. 또한, 모든 경우를 계산하여 이를 통해 위치 추정의 신뢰도를 높일 수도 있다.
먼저, 수상 이동체(10)가 +x축 방향으로 이동하는 경우, 제1 청음기(21)와 음향 신호 발생기(11) 간의 최단 거리 r0와, 제1 청음기(21)와 소음원(12) 간의 최단 거리 r1과, 제2 청음기(22)와 음향 신호 발생기(11) 간의 최단 거리 r00와, 제2 청음기(22)와 소음원 간의 최단 거리 r2를 이용하여, 아래의 수학식 4와 같이 소음원(12)의 위치 좌표(Ny1, Nz1)을 계산할 수 있다.
Figure 112016022962338-pat00009
Figure 112016022962338-pat00010
Figure 112016022962338-pat00011
수상 이동체(10)가 -x축 방향으로 이동하는 경우, 제3 청음기(21)와 음향 신호 발생기(11) 간의 최단 거리 r0와, 제3 청음기(21)와 소음원(12) 간의 최단 거리 r3과, 제2 청음기(22)와 음향 신호 발생기(11) 간의 최단 거리 r00와, 제2 청음기(22)와 소음원 간의 최단 거리 r2를 이용하여, 아래의 수학식 5와 같이 소음원(12)의 위치 좌표(Ny2, Nz2)을 계산할 수 있다.
Figure 112016022962338-pat00012
Figure 112016022962338-pat00013
Figure 112016022962338-pat00014
아래 수학식 6과 같이, 제1 청음기(21)와 음향 신호 발생기(11) 간의 최단 거리 r0와, 제1 청음기(21)와 소음원(12) 간의 최단 거리 r1과, 제2 청음기(22)와 음향 신호 발생기(11) 간의 최단 거리 r00와, 제3 청음기(22)와 소음원 간의 최단 거리 r3를 이용하여, 아래의 수학식 6와 같이 소음원(12)의 위치 좌표(Ny3, Nz3)을 계산할 수 있다.
Figure 112016022962338-pat00015
Figure 112016022962338-pat00016
Figure 112016022962338-pat00017
Figure 112016022962338-pat00018
한편, 수상 이동체(10)의 이동 속도와 청음기에 음향 신호 또는 소음 신호가 도달한 시간을 고려하여, 수상 이동체(10)의 이동 방향과 평행한 x축 상에서 음향 신호 발생기(10)에 대한 소음원의 위치 좌표 Nx를 구할 수 있다.
수상 이동체(10)가 속도 v로 이동할 때, 제2 청음기(22)에서 소음 신호를 감지한 시간 t12 및 음향 신호를 감지한 시간 t02와, 음향 신호 발생기(11)와 제2 청음기(22)가 최단 접근 거리가 되는 시간 t0 및 소음원(12)과 제2 청음기(22)가 최단 접근 거리가 되는 시간 t1은, 각각 음파의 전달 시간이 존재하기에, 수중에서의 음속(c=1500m/s)을 고려하여 아래의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016022962338-pat00019
Figure 112016022962338-pat00020
Figure 112016022962338-pat00021
또한, 수상 이동체(10)가 속도 v와 상이한 속도 v'로 이동할 때, 제2 청음기(22)에서 소음 신호를 감지한 시간 t12' 및 음향 신호를 감지한 시간 t02'와, 음향 신호 발생기(11)와 제2 청음기(22)가 최단 접근 거리가 되는 시간 t0' 및 소음원(12)과 제2 청음기(22)가 최단 접근 거리가 되는 시간 t1'은, 각각 음파의 전달 시간이 존재하기에, 수중에서의 음속(c=1500m/s)을 고려하여 아래의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016022962338-pat00022
Figure 112016022962338-pat00023
Figure 112016022962338-pat00024
한편, 각각의 속도에서 음향 신호 발생기(11)와 소음원(12)에 대한 최단 접근 거리에서의 시간차는, 음향 신호 발생기(11)에 대한 소음원(12)의 위치 좌표 Nx만큼 속도 v 또는 v'의 수상 이동체(10)가 이동하는데 걸리는 시간으로 아래의 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016022962338-pat00025
Figure 112016022962338-pat00026
따라서, 음향 신호 발생기(11)에 대한 소음원(12)의 x축 좌표는 아래의 수학식 10과 같다.
Figure 112016022962338-pat00027
이때, 수상 이동체(10)가 속도 v 및 이와 상이한 속도 v'의 경우를 동시에 고려해야 하는 점에 유의해야 한다. 특히, 각각의 속도의 경우에서 최단 접근 거리가 파악되어야 하는바, 두 경우 모두 수상 이동체(10)가 청음기들(21 내지 23)에 접근하였다가 멀어지도록 이동하는 것이 바람직하다.
이로써, 음향 신호 발생기(11)에 대한 소음원(12)의 3차원 공간상 위치 좌표 (Nx, Ny, Nz)를 구할 수 있다. 두 개의 청음기(21 및 22)로 소음 신호뿐만 아니라 음향 신호 발생기(11)의 음향 신호를 추가적으로 감지하여 각각의 청음기(21 내지 23)들과 음향 신호 발생기(11) 및 소음원(12) 간의 거리를 구함으로써, 수상 이동체(10) 상 기지의 위치에 설치된 음향 신호 발생기(11)에 대한 소음원(12)의 위치 좌표를 구할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는, 하나의 소음원(12)에 대한 위치 추정이 수행되었으나, 복수의 소음원에 대하여 독립적으로 위치 추정이 가능하다는 점이 이해되어야 한다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 수상 운행체
11 : 음향 신호 발생기
12 : 소음원
21 : 제1 청음기
22 : 제2 청음기
23 : 제3 청음기

Claims (12)

  1. 수상 이동체와 제1 청음기 및 제2 청음기를 접근시키는 단계;
    상기 제1 청음기 및 상기 제2 청음기에서, 상기 수상 이동체 내의 소음원(제1 음원)으로부터 발생하는 소음 신호와, 상기 수상 이동체에 구비된 음향 음향 신호 발생기(제2 음원)로부터 발생한 음향 신호를 수신하는 단계;
    상기 제1 청음기에서 수신된 소음 신호 및 음향 신호와, 상기 제2 청음기에서 수신된 소음 신호 및 음향 신호를, 각각의 시간에 대한 주파수 분포로 산출하는 단계;
    상기 시간에 대한 주파수 분포에 기초하여, 각각의 상기 청음기들과 각각의 상기 음원들 간의 최단 접근 거리들을 구하는 단계; 및
    상기 최단 접근 거리들을 이용하여, 상기 수상 이동체의 이동 방향에 대해 수직한 평면 상에서, 상기 음향 신호 발생기에 대한 상기 소음원의 위치 좌표를 계산하는 단계를 포함하는 수상 이동체 내의 소음원 위치 추정 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    최단 접근 거리들을 구하는 단계는,
    하기 수학식에서 임의의 최단 접근 거리 R0를 설정하고, 하기 수학식에 따른 시간 t에 대한 주파수 f의 그래프를 상기 산출된 시간에 대한 주파수 분포에 근접시켜, 청음기와 음원이 최단 접근 거리일 때의 시간 t0와 주파수 f0를 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 시간 t0와 f0을 대입한 하기 수학식에 따른 시간 t에 대한 주파수 f의 관계의 그래프를 상기 산출된 시간에 대한 주파수 분포에 근접시켜, 청음기와 음원의 최단 접근 거리 R0을 추정하는 단계를 포함하는 소음원 위치 추정 방법.
    [수학식]
    Figure 112017059156187-pat00028

    (여기에서, c는 음파의 속도이며, v는 상기 수상 이동체의 이동 속도임.)
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 시간 t0와 주파수 f0를 추정하는 단계는,
    시간 t0 및 주파수 f0로 예상되는 복수의 시간들 및 주파수들을 소정 간격으로 추출하는 단계; 및
    상기 추출된 시간 및 주파수를 상기 수학식에 대입하여 도출되는 복수의 시간 t에 대한 주파수 f의 관계의 그래프들 중에서, 상기 산출된 시간에 대한 주파수 분포와 가장 근접한 그래프에 대응하는 시간에 대한 주파수 관계에 대입된 시간과 주파수를 시간 t0 및 주파수 f0로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소음원 위치 추정 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 추출 단계 및 상기 결정 단계는 복수 회 반복 수행되며,
    이전 수행에서 결정된 시간 t0 및 주파수 f0를 중심으로 하여, 이전 수행 시의 추출 간격보다 더 작은 간격으로 복수의 시간들 및 주파수들이 추출되는 것을 특징으로 하는 소음원 위치 추정 방법.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 복수의 시간들 및 주파수들 중에서, 상기 산출된 시간에 대한 주파수와 상기 수학식에 따른 시간 t에 대한 주파수 f 간의 오차의 제곱의 합이 최소가 되도록 하는 시간과 주파수를 시간 t0 및 주파수 f0로 결정하는 것을 특징으로 하는 소음원 위치 추정 방법.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 최단 접근 거리 R0을 추정하는 단계는,
    최단 접근 거리 R0로 예상되는 복수의 거리를 소정 간격으로 추출하는 단계; 및
    상기 추출된 거리를 상기 수학식에 대입하여 도출되는 복수의 시간 t에 대한 주파수 f의 관계의 그래프들 중에서, 상기 산출된 시간에 대한 주파수 분포와 가장 근접한 그래프에 대응하는 시간에 대한 주파수 관계에 대입된 거리를 최단 접근 거리 R0로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소음원 위치 추정 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 추출 단계 및 상기 결정 단계는 복수 회 반복 수행되며,
    이전 수행에서 결정된 최단 접근 거리 R0을 중심으로 하여, 이전 수행 시의 추출 간격보다 더 작은 간격으로 복수의 거리들이 추출되는 것을 특징으로 하는 소음원 위치 추정 방법.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 복수의 거리들 중에서, 상기 산출된 시간에 대한 주파수와 상기 수학식에 따른 시간 t에 대한 주파수 f 간의 오차의 제곱의 합이 최소가 되도록 하는 거리를 최단 접근 거리 R0로 결정하는 것을 특징으로 하는 소음원 위치 추정 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 수상 이동체는 상기 제1 청음기와 상기 제2 청음기를 잇는 직선에 대해 수직한 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 소음원 위치 추정 방법.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 수상 이동체는 상기 청음기들 중에서 어느 하나의 청음기의 직상을 통과하는 것을 특징으로 하는 소음원 위치 추정 방법.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 수상 이동체는 등속으로 이동하는 것을 특징으로 하는 소음원 위치 추정 방법.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 수상 이동체는 상기 청음기들에 2회 이상 서로 상이한 속도로 접근하며,
    상기 수상 이동체의 둘 이상의 이동 속도와, 각각의 경우에서 최단 접근 거리 상의 상기 음원들에서 발생한 신호들이 상기 청음기들에 도달하는 시간차를 고려하여, 상기 음향 신호 발생기에 대한 상기 소음원의 상기 수상 이동체의 이동 방향에 따른 위치 좌표를 구하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소음원 위치 추정 방법.
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