KR101875273B1 - Apparatus and Method for estimating position of acoustic source using Time Difference Of Arrival scheme based on sound wave directly transmitted from acoustic source and sound wave measurement reflected from the ground - Google Patents
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Abstract
본 발명은 음원 추정 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 마이크로폰 어레이를 통해 제공되는 음향 신호 채널들 사이의 지연시간도달(TDOA: Time Difference Of Arrival) 기법을 적용하는 과정에서 마이크로폰에 직접 전달된 음파와 지면을 반사한 후 전달된 음파의 신호를 이용하여 지면에 가상의 센서를 가정하고 소음원의 위치를 더 정확하게 위치를 추정할 수 있는 장치 및 방법에 대한 것이다.
본 발명에 따르면, 지면에 반사되어 측정된 신호는 지면 맞은편에 가상 센서가 존재하여 측정한 것과 같은 효과를 내며 이를 이용하여 증가된 센서 조합을 만들어 낼 수 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sound source estimation technique, and more particularly, to a sound source estimation technique using a time difference between arrival (TDOA) technique between sound signal channels provided through a microphone array, The present invention relates to an apparatus and a method for accurately estimating a position of a noise source by assuming a virtual sensor on the ground using a signal of a sound wave transmitted after reflecting the ground surface.
According to the present invention, a measured signal reflected on the ground surface has the same effect as measured by the existence of a virtual sensor on the opposite side of the ground, and can be used to produce an increased sensor combination.
Description
본 발명은 음원 추정 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 마이크로폰 어레이를 통해 제공되는 음향 신호 채널들 사이의 지연시간도달(TDOA: Time Difference Of Arrival) 기법을 적용하는 과정에서 마이크로폰에 직접 전달된 음파와 지면을 반사한 후 전달된 음파의 신호를 이용하여 지면에 가상의 센서를 가정하고 소음원의 위치를 더 정확하게 위치를 추정할 수 있는 장치 및 방법에 대한 것이다.BACKGROUND OF THE
무기체계 개발에서 포탄 성능 평가의 폭발 위치 측정은 신관 성능을 확인하기 위한 중요한 시험평가 지표이다. 따라서 폭발이 정확한 위치에서 이뤄졌는지 여부를 판단하기 위해 정확한 측정 기술이 요구된다. 음향 센서를 이용한 소음원 위치 추적 시스템은 넓은 범위의 무기 시험장에 사용하기 적합하여 다양한 선행 연구가 이루어지고 있다. Explosion location measurement of shell performance evaluation in weapon system development is an important test evaluation index to confirm fuse performance. Accurate measurement techniques are therefore required to determine whether an explosion has occurred at the correct location. Noise source location tracking system using acoustic sensor is suitable for use in a wide range of weapon test sites and various prior studies are being conducted.
폭발물이 작동하면 강한 충격음을 발생하는데 신호가 명확하여 신호 획득이 용이하고 음향 센서로 사용하는 마이크로폰은 영상이나 레이더와 같은 장비에 비하여 소형이고 비용이 저렴하기 때문에 실용적인 측면에서 적용연구가 많이 이루어지고 있다. 마이크로폰 배열을 이용한 소음원 위치 추적 방법은 소음원의 특징, 실험 환경 등에 따라 다양한 알고리즘이 개발되어 있다.When the explosive is activated, a strong impact sound is generated. Since the signal is clear and the signal is easy to acquire, and the microphone used as the acoustic sensor is smaller than the equipment such as the image and the radar, and the cost is low, . A variety of algorithms have been developed for the noise source location tracking method using the microphone array, depending on the characteristics of the noise source and the experimental environment.
특히, 공중에서 폭발하는 충격음을 측정하는 경우, 도달지연시간(TDOA: Time Difference Of Arrival)을 이용한 충격음의 위치를 추정하는 연구를 수행되고 있다. 이러한, 도달지연시간을 이용한 소음원 위치 추정 방법은 이론적으로 3개 이상 마이크로폰을 사용하는 것으로 공간상의 소음원의 위치 추정이 가능하다. 하지만 측정 환경이나 배열 방법에 따라 측정 결과에 직접적인 영향을 주기 때문에 마이크로폰의 개수를 늘리거나 다양한 배열 방법 등에 의하여 추정 정확도를 높이는 연구가 필요하다.Particularly, in the case of measuring an impact sound that explodes in the air, studies are being conducted to estimate the location of an impact sound using a Time Difference of Arrival (TDOA). The noise source position estimation method using the arrival delay time can theoretically estimate the position of the noise source in the space by using three or more microphones. However, it is necessary to increase the number of microphones or to increase the estimation accuracy by various arrangements because it directly affects the measurement results depending on the measurement environment and the arrangement method.
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 공중에서 폭발하는 충격음을 측정하는 경우, 도달지연시간(TDOA: Time Difference Of Arrival)을 이용한 충격음의 위치를 추정할 수 있는 지연시간도달 기법을 이용한 음원 위치 추정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed in order to solve the above problem, and it is an object of the present invention to provide a delay time estimation method and a delay time estimation method capable of estimating a location of an impact sound using a Time Difference of Arrival (TDOA) And an object of the present invention is to provide an apparatus and method for estimating a sound source position using an arrival technique.
또한, 본 발명은 공중에서 폭발하는 충격음의 추정 정확도를 높일 수 있는 지연시간도달 기법을 이용한 음원 위치 추정 장치 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.It is another object of the present invention to provide an apparatus and method for estimating a sound source position using a delay time arrival technique that can improve estimation accuracy of an impact sound explosion in the air.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 공중에서 폭발하는 충격음을 측정하는 경우, 도달지연시간도달지연시간(TDOA: Time Difference Of Arrival)을 이용한 충격음의 위치를 추정할 수 있는 지연시간도달 기법을 이용한 음원 위치 추정 장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a delay time arrival technique capable of estimating the location of an impact sound using time delay difference arrival (TDOA) when measuring an impact sound explosion in the air And provides a sound source position estimating device.
상기 음원 위치 추정 장치는,The sound source position estimating apparatus comprises:
다수의 마이크로폰으로 이루어지는 마이크로폰 어레이로부터 음원의 음향 신호를 획득하는 신호 획득부;A signal acquiring unit acquiring an acoustic signal of a sound source from a microphone array composed of a plurality of microphones;
상기 다수의 마이크로폰에 대응하는 다수의 가상 센서를 생성하는 가상 센서 생성부;A virtual sensor generating unit for generating a plurality of virtual sensors corresponding to the plurality of microphones;
상기 다수의 마이크로폰과 상기 다수의 가상 센서를 각 쌍으로 조합하는 센서쌍 조합부;A sensor pair combining unit for combining the plurality of microphones and the plurality of virtual sensors into each pair;
상기 조합에 의해 직접 전달된 직접 음파 신호와 지면반사로 전달된 지면 반사 음파 신호 측정을 이용하여 상기 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호간 시간지연을 계산하여 도달지연시간 연립 방정식 정보를 생성하는 지연시간 계산부; 및A time delay between the direct sound wave signal and the surface-reflected sound wave signal is calculated using the direct sound wave signal transmitted directly by the combination and the surface-reflected sound wave signal transmitted by ground reflection to generate arrival delay time simultaneous equations information Calculating section; And
상기 도달지연시간 연립 방정식 정보를 이용하여 상기 음원의 최종 위치 정보를 추정하는 위치 추정부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.And a position estimator for estimating the final position information of the sound source using the arrival delay time simultaneous equations information.
또한, 상기 다수의 가상 센서는 지면 위에 일정 높이에 있는 상기 다수의 마이크로폰의 좌표 정보를 지면에 대칭으로 가정하여 좌표 정보가 설정되는 것을 특징으로 할 수 있다.The plurality of virtual sensors may be characterized in that the coordinate information is set assuming that the coordinate information of the plurality of microphones at a predetermined height above the ground is symmetric with respect to the ground.
또한, 상기 음향 신호간 시간지연은 캡스트럼(cepstrum)을 통하여 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.The time delay between the sound signals may be calculated through a cepstrum.
또한, 상기 다수의 마이크로폰의 좌표 정보는 상기 다수의 마이크로폰의 2차원 평면상 위치 및 지면에서의 높이에 의해 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.The coordinate information of the plurality of microphones may be determined by a position on the two-dimensional plane of the plurality of microphones and a height of the microphones on the ground.
또한, 상기 최종 위치 정보는 3차원 공간에서의 음원 위치 정보인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the final position information may be sound source position information in a three-dimensional space.
또한, 상기 음원의 최종 위치 정보는 최소 자승법을 이용한 상기 연립 방정식 정보의 연립 방정식 해인 것을 특징으로 할 수 있다.The final position information of the sound source may be a simultaneous equations solution of the simultaneous equations information using the least squares method.
또한, 상기 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호간 시간지연은 수학식 (여기서, 는 에서 측정된 신호의 파워 캡스트럼 함수를 나타내며, 는 i번째 마이크로폰 위치를 나타내며, 이고, FFT는 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform)이고, IFFT는 역고속 푸리에 변환(inverse fast Fourier transform)을 나타내고, x(t)는 x좌표의 시간함수를 나타낸다)으로 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.Also, the time delay between the direct sound wave signal and the ground- (here, The Lt; / RTI > represents the power capstrum function of the signal measured at < RTI ID = Represents the i-th microphone position, , The FFT is a fast Fourier transform, the IFFT is an inverse fast Fourier transform, and x (t) is a time function of an x coordinate). have.
다른 한편으로 본 발명의 다른 일실시예는, 신호 획득부가 다수의 마이크로폰으로 이루어지는 마이크로폰 어레이를 이용하여 음원의 음향 신호를 획득하는 단계; 가상 센서 생성부가 상기 다수의 마이크로폰에 대응하는 다수의 가상 센서를 생성하는 단계; 센서쌍 조합부가 상기 다수의 마이크로폰과 상기 다수의 가상 센서를 각 쌍으로 조합하는 단계; 지연시간 계산부는 상기 조합에 의해 직접 전달된 직접 음파 신호와 지면반사로 전달된 지면 반사 음파 신호 측정을 이용하여 상기 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호간 시간지연을 계산하는 단계; 상기 지연시간 계산부가 상기 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호간 시간지연을 이용하여 도달지연시간 연립 방정식 정보를 생성하는 단계; 및 위치 추정부가 상기 도달지연시간 연립 방정식 정보를 이용하여 상기 음원의 최종 위치 정보를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 음원에서 직접 전파된 음파와 지면에 반사된 음파 측정을 기반으로 한 지연시간도달 기법을 이용한 음원 위치 추정 방법을 제공할 수 있다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of generating a sound signal, the method including: acquiring an acoustic signal of a sound source using a microphone array having a plurality of microphones; The virtual sensor generating unit generating a plurality of virtual sensors corresponding to the plurality of microphones; Combining the sensor pair combination with the plurality of microphones and the plurality of virtual sensors in each pair; Calculating a delay time between the direct sound wave signal and the surface-reflected sound wave signal by using the direct sound wave signal transmitted directly by the combination and the surface-reflected sound wave signal transmitted by ground reflection; Generating the delay time alignment equation information by using the time delay between the direct sound signal and the surface acoustic wave signal; And estimating the final position information of the sound source using the arrival delay time simultaneous equations information. The method of
본 발명에 따르면, 지면에 반사되어 측정된 신호는 지면 맞은편에 가상 센서가 존재하여 측정한 것과 같은 효과를 내며 이를 이용하여 증가된 센서 조합을 만들어 낼 수 있다. According to the present invention, a measured signal reflected on the ground surface has the same effect as measured by the presence of a virtual sensor on the opposite side of the ground, and can be used to produce an increased sensor combination.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 증가된 센서 조합을 통해 증가된 센서 수로서 TDOA(Time Difference Of Arrival) 기법을 적용하여 소음원(예를 들면, 포탄의 폭발 등을 들 수 있음)의 위치 추정 정밀도를 향상시킬 수 있다는 점을 들 수 있다.As another effect of the present invention, a TDOA (Time Difference of Arrival) technique is applied as an increased number of sensors through an increased sensor combination to estimate a position estimation accuracy of a noise source (e.g., explosion of a shell) And the like.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지면반사 효과 기반 TDOA(Time Difference Of Arrival) 기법을 이용한 위치 추정 장치(100)의 구성 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지면반사에 의한 소리의 전파 경로를 보여주는 개념도이다.
도 3은 도 2에 도시된 지면 반사된 음압 신호가 음향센서에서 수신되어 나타나는 신호도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 지면반사 효과에 의해 나타나는 음압신호가 가상으로 지면을 기준으로 맞은편에 가상 센서에서 받은 것과 기하학적으로 동일함을 보여주는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 여러 개로 구성된 센서 조합에서 가상 센서를 포함하여 지연 시간 관계 쌍 조합을 만드는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 지면반사 효과 기반 TDOA(Time Difference Of Arrival) 기법을 이용하여 위치를 추정하는 과정을 보여주는 흐름도이다.FIG. 1 is a block diagram of a
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a propagation path of sound due to ground reflection according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a signal diagram in which the ground-reflected sound pressure signal shown in FIG. 2 is received by the acoustic sensor.
FIG. 4 is a conceptual diagram showing that a sound pressure signal generated by a floor reflection effect according to an embodiment of the present invention is virtually the same as that received by a virtual sensor on the opposite side of the ground.
FIG. 5 is a conceptual diagram for creating a delay time relation pair combination including a virtual sensor in a plurality of sensor combinations according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 6 is a flowchart illustrating a process of estimating a position using a ground reflection effect based TDOA (Time Difference of Arrival) technique according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.Like reference numerals are used for similar elements in describing each drawing.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. The term " and / or " includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Should not.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 음원에서 직접 전파된 음파와 지면에 반사된 음파 측정을 기반으로 한 지연시간도달 기법을 이용한 음원 위치 추정 장치 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an apparatus and method for estimating a sound source position using a delay time arrival technique based on a sound wave directly propagated in a sound source and a sound wave reflected on the ground according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings do.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지면반사 효과 기반 TDOA(Time Difference Of Arrival) 기법을 이용한 위치 추정 장치(100)의 구성 블록도이다. 도 1을 참조하면, 위치 추정 장치(100)는, 다수의 마이크로폰을 통해 음원의 음향 신호를 획득하는 신호 획득부(110), 다수의 가상 센서를 생성하는 가상 센서 생성부(120), 상기 다수의 마이크로폰과 상기 다수의 가상 센서를 각 쌍으로 조합하는 센서쌍 조합부(130), 상기 조합에 의해 음향 신호간 시간지연을 계산하여 도달지연시간 연립 방정식 정보를 생성하는 지연시간 계산부(140), 및 상기 도달지연시간 연립 방정식 정보를 이용하여 상기 음원의 최종 위치 정보를 추정하는 위치 주정부(150) 등을 포함하여 구성될 수 있다.FIG. 1 is a block diagram of a
여기서, 다수의 마이크로폰은 마이크로폰 어레이(10)로 이루어질 수 있다.Here, the plurality of microphones may be composed of the
가상 센서 생성부(120)는 다수의 마이크로폰에 대응하는 다수의 가상 센서를 생성한다. 부연하면, 지면 위에 일정 높이에 있는 마이크로폰 어레이의 좌표를 지면에 대칭한 가상의 마이크로폰(즉, 가상 센서)이 있다고 가정하며 좌표를 설정한다.The virtual
지연시간 계산부(140)는 다수의 마이크로폰을 통해 직접 전달된 음파와 지면반사로 전달된 음파 측정을 수행하고, 이를 이용하여 상기 음향 신호간 시간지연을 계산하여 도달지연시간 연립 방정식 정보를 생성할 수 있다. The delay
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지면반사에 의한 소리의 전파 경로를 보여주는 개념도이다. 도 2를 참조하면, 넓은 범위의 폭발물 시험장에서는 일반적으로 지면(230) 위에 마이크로폰(210)을 설치하여 소음원(220)을 측정한다. 공중 폭발에 의하여 발생한 충격음은 공기 중으로 전파되어 지면위에 있는 마이크로폰(210)에 수신된다. 이를 직접 전달된 음파 경로(Ri)라고 한다. FIG. 2 is a conceptual diagram showing a propagation path of sound due to ground reflection according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, in a wide range of explosive test sites, a
한편, 지면 위 특정 높이에 고정되어 있는 마이크로폰의 경우 지면에 반사된 음압 신호가 추가되어 측정되는 현상이 발생하며 이를 지면 반사 효과라고 한다. 이를 반사되어 전달된 음파 경로(Ri*)라고 한다.On the other hand, in the case of a microphone fixed at a specific height above the ground, a phenomenon occurs in which a sound pressure signal reflected on the ground is added to the sound, and this phenomenon is referred to as a reflection effect. This is called a reflected sound wave path (R i *).
지면에 반사된 음향신호는 직접 수신되는 신호와 전파 경로 차이가 발생하며 일정 시간 후에 측정이 된다. 캡스트럼 분석 방식은 단일 마이크로폰에서 측정된 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호를 분리하여 지연시간을 계산하여 준다. 그리고 지면반사신호의 전달 경로는 기하학적으로 지면에 대칭인 위치와 같기 때문에 가상의 측정 지점으로 적용할 수 있다.The acoustic signal reflected on the ground is measured after a certain time because the difference between the direct received signal and the propagation path occurs. The cepstrum analysis method calculates the delay time by separating the direct sound wave signal measured from a single microphone and the ground reflection sound wave signal. Since the propagation path of the ground reflection signal is geometrically symmetrical to the ground, it can be applied as a virtual measurement point.
도 3은 도 2에 도시된 지면 반사된 음압 신호가 음향센서에서 수신되어 나타나는 신호도이다. 도 3을 참조하면, 지면 반사 음파 신호와 직접 음파 신호간 시간 지연(τii *)은 다음식과 같다.FIG. 3 is a signal diagram in which the ground-reflected sound pressure signal shown in FIG. 2 is received by the acoustic sensor. 3, the ground between the sound wave and the reflected sound wave signal directly to the signal delay time (τ * ii) is equal to the expression.
여기서, Ri는 직접 전달된 음파 경로이고, Ri*는 반사되어 전달된 음파 경로이고, c는 음속을 나타낸다.Here, R i is a directly transmitted sound wave path, R i * is a reflected sound wave path, and c indicates a sound velocity.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 지면반사 효과에 의해 나타나는 음압신호가 가상으로 지면을 기준으로 맞은편에 가상 센서에서 받은 것과 기하학적으로 동일함을 보여주는 개념도이다. 도 4를 참조하면, 점소음원에서 구형 파면으로 방사되는 소음을 가정하였을 때 소음원(220)과 각각의 마이크로폰의 기하학적 위치 관계는 상대적인 거리차이를 가지며 동일한 시간으로 비교하였을 때 위상이 다른 신호로 측정된다. 두 개 마이크로폰에서 각각 측정된 신호의 위상은 각각의 도달 거리 의 차이에 의하여 발생한다. FIG. 4 is a conceptual diagram showing that a sound pressure signal generated by a floor reflection effect according to an embodiment of the present invention is virtually the same as that received by a virtual sensor on the opposite side of the ground. Referring to FIG. 4, assuming the noise radiated from the point source to the spherical wavefront, the geometrical positional relationship between the
실제 신호를 측정하게 되면 도달지연시간 에 의하여 위상차이가 발생하고 다음식에 의하여 도달지연거리 와 음속 의 관계로 계산된다. When the actual signal is measured, the arrival delay time The phase difference is generated by the following equation And sound speed .
여기서, 는 i와 j 마이크로폰 까지 거리, 는 소음원으로부터 i 마이크로폰 까지 거리를 나타내고, c는 다음식과 같다.here, Is the distance to i and j microphones, Represents the distance from the noise source to i microphone, and c is the following equation.
여기서, 는 대기 온도를 나타낸다.here, Represents the atmospheric temperature.
도달지연시간은 상호상관함수 에 의하여 계산하며, 다음식과 같다.The arrival delay time is the cross-correlation function Is calculated by the following equation.
여기서, 는 i와 j 마이크로폰 신호의 지연시간을 나타내고, τ는 도달지연시간을 나타낸다.here, Represents the delay time of the i and j microphone signals, and t represents the arrival delay time.
상호상관함수 는 다음식과 같다.Cross-correlation function Is as follows.
여기서, T는 시간 , x(t)는 x좌표의 시간 함수, y(t)는 y좌표의 시간함수를 나타낸다.Here, T is time, x (t) is time function of x coordinate, and y (t) is time function of y coordinate.
소음원의 위치는 최소 3개 이상의 마이크로폰에서 신호를 측정하였을 때 추정될 수 있다. 개의 마이크로폰을 사용하였을 경우 도달지연시간을 계산할 수 있는 쌍의 개수는 개이다. 계산된 각각의 도달지연거리는 도 2와 같이 쌍곡선 형태로 나타나며 이 쌍곡선들의 교점이 소음원의 위치 추정 결과이다. 이 기법에서는 쌍곡선에 의한 기하학적 교점을 찾는 추정 방법 대신에 테일러 급수를 이용하여 수렴 오차가 최소인 지점을 찾는 수치적 방법을 통하여 위치를 추정하도록 할 수 있다. 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.The position of the noise source can be estimated when measuring signals from at least three microphones. The number of pairs that can calculate the arrival delay time when using two microphones is Dog. Each of the calculated arrival delay distances is shown in a hyperbolic shape as shown in FIG. 2. The intersection point of the hyperbolas is a result of the position estimation of the noise source. In this technique, instead of estimating the geometric intersection by hyperbola, the Taylor series can be used to estimate the position using a numerical method to find the point where the convergence error is minimum. This can be expressed by the following equation.
여기서, 는 에서 측정된 신호의 파워 캡스트럼 함수를 나타내며, 는 i번째 마이크로폰 위치를 나타낸다.here, The Lt; / RTI > represents the power capstrum function of the signal measured at < RTI ID = Represents the i-th microphone position.
수렴 오차는 직교 좌표계의 각 축방향으로 약 가 되도록 하였다.The convergence error is approximate to the direction of each axis of the Cartesian coordinate system. Respectively.
지면 위 일정 높이에 고정되어 있는 마이크로폰은 공기 중 직선 경로로 입사되는 직접 음파 신호와 지면에 반사된 신호가 입사되는 지면 반사 음파 신호가 합쳐져 측정된다. 도 3은 마이크로폰에 입사되는 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호의 경로를 나타낸 것이다. The microphone, which is fixed at a fixed height above the ground, is measured by the combination of a direct sound signal incident on a linear path in the air and a ground reflected sound signal on which a signal reflected on the ground is incident. 3 shows the paths of a direct acoustic wave signal and a ground reflection acoustic wave signal that are incident on a microphone.
도 4를 계속 참조하면, 신호의 반사는 지면에서 입사각과 반사각이 같은 지점에서 발생한다. 지면 반사 음파 신호의 도달거리 는 지면(230)을 기준으로 실제 마이크로폰 위치 와 대칭인 위치 에 대한 도달거리 와 같다. 지면반사효과에 의하여 측정되는 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호는 도 4에 도시된 바와 같다. 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호의 경로차이에서 나타나는 지연시간 는 다음식의 캡스트럼 및 수학식 6에 의해서 측정된다.4, reflection of a signal occurs at a point where the incident angle and the reflection angle at the ground surface are the same. Ground reflection Sound wave signal reach distance The actual microphone position < RTI ID = 0.0 > And symmetric position Reach for . The direct sound wave signal and the ground reflection sound wave signal measured by the ground reflection effect are as shown in FIG. The delay time that appears from the path difference between the direct sound signal and the ground reflection sound signal Is measured by the following expression and the expression (6).
여기서, FFT는 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform)이고, IFFT는 역고속 푸리에 변환(inverse fast Fourier transform)을 나타낸다. Here, the FFT is a fast Fourier transform and the IFFT is an inverse fast Fourier transform.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 여러 개로 구성된 센서 조합에서 가상 센서를 포함하여 지연 시간 관계 쌍 조합을 만드는 개념도이다. 우선, 캡스트럼에 의해서 측정된 지면 반사 음파 신호의 지연시간은 도 3에서 도시된 바와 같이 측정된 마이크로폰 위치와 가상의 마이크로폰 위치 사이의 도달지연시간으로 가정할 수 있다. 한 쌍으로 구성되는 제 1 및 제 2 마이크로폰 , (511,512)에 대한 상호상관함수로부터 , 각 마이크폰의 캡스트럼으로부터 , 가 각각 계산되며 이를 표로 나타내면 다음과 같다. FIG. 5 is a conceptual diagram for creating a delay time relation pair combination including a virtual sensor in a plurality of sensor combinations according to an embodiment of the present invention. FIG. First, the delay time of the surface-reflected sound wave signal measured by the capstrum is calculated by multiplying the measured microphone position and the virtual microphone position As shown in FIG. The first and second microphones , (511, 512) from the cross-correlation function , From each microphone's Capstrum , Are calculated as follows.
위 표1과 같은 계산 조합에 의해서 가상 마이크로폰 , 을 포함하는 도달지연시간을 구할 수 있다.By combining the calculation as shown in Table 1 above, , Can be obtained.
위 표1의 경우, 지연시간도달(TDOA) 쌍의 개수는 다음식과 같다.In the case of Table 1 above, the number of delay time arrival (TDOA) pairs is as follows.
여기서, 은 마이크로폰의 개수이다.here, Is the number of microphones.
가상 마이크로폰에 의한 도달지연시간 계산은 가상 센서의 조합 개수를 늘려 정확도를 향상하는 장점도 있지만 3차원 배열로 확장되어 공간 위치 추정 성능을 향상시키는 효과가 크다. 평면 배열은 높이 방향에 대한 위치 추정 오차가 크기 때문에 3차원 배열을 구성하는 것으로 위치에 대한 오차 감소 효과가 나타난다. 가상 센서(즉 가상 마이크로폰)은 지면 반사 음파 신호가 캡스트럼 방식에 의하여 구분되어 반사신호의 지연시간이 측정되는 경우에 가능하다. 즉, 지면에 의한 음향 반사 환경이 잘 갖추어져야 한다. The calculation of the arrival delay time by the virtual microphone has the advantage of improving the accuracy by increasing the number of combinations of the virtual sensors, but it has an effect of improving the spatial position estimation performance by being extended to the three-dimensional array. Since the planar array has a large positioning error with respect to the height direction, it constitutes a three-dimensional array, which results in an error reduction effect on the position. The virtual sensor (i.e., the virtual microphone) is possible when the reflected sound wave signal is divided by the cepstrum method and the delay time of the reflected signal is measured. That is, the environment of acoustic reflection by the ground should be well prepared.
모든 마이크로폰에서 지면 반사 음파 신호가 측정되는 것은 아니기 때문에 선택적으로 적용 가능하며 실제 측정에 사용한 마이크로폰의 개수 와 지면 반사 음파 신호의 개수 에 의해서 위치 추정 계산에 이용되는 도달지연시간 쌍의 개수는 다음식과 같다.Since all surface acoustic wave signals are not measured in all microphones, they can be selectively applied and the number of microphones And the number of ground reflection acoustic wave signals The number of arrival delay time pairs used in the position estimation calculation is given by the following equation.
여기서, 는 지면 반사 음파 신호의 개수이고, 은 마이크로폰의 개수이다.here, Is the number of surface-reflected sound wave signals, Is the number of microphones.
따라서, TDOA 쌍의 개수를 늘려 정확도 향상에 기여할 수 있다.또한, 2차원 어레이를 3차원 입체 어레이 형태로 구성할 수 있다. Therefore, the number of TDOA pairs can be increased to contribute to the improvement of the accuracy. Further, the two-dimensional array can be configured as a three-dimensional stereoscopic array.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 지면반사 효과 기반 TDOA(Time Difference Of Arrival) 기법을 이용하여 위치를 추정하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 6을 참조하면, 신호 획득부(도 1의 110)가 다수의 마이크로폰으로 이루어지는 마이크로폰 어레이(10)를 이용하여 음원의 음향 신호를 획득한다(단계 S610).이후, 가상 센서 생성부(120)가 상기 다수의 마이크로폰에 대응하는 다수의 가상 센서를 생성한다(단계 S620).FIG. 6 is a flowchart illustrating a process of estimating a position using a ground reflection effect based TDOA (Time Difference of Arrival) technique according to an embodiment of the present invention. 6, the
이후, 센서쌍 조합부(130)가 상기 다수의 마이크로폰과 상기 다수의 가상 센서를 각 쌍으로 조합한다(단계 S630).Then, the sensor
이후, 지연시간 계산부(140)는 상기 조합에 의해 직접 전달된 직접 음파 신호와 지면반사로 전달된 지면 반사 음파 신호 측정을 이용하여 상기 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호간 시간지연을 계산하고, 상기 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호간 시간지연을 이용하여 도달지연시간 연립 방정식 정보를 생성한다(단계 S640).Thereafter, the delay
최종적으로, 위치 주정부(150)가 상기 도달지연시간 연립 방정식 정보를 이용하여 상기 음원의 최종 위치 정보를 추정한다(단계 S650).Finally, the
명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 하드웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하기 위해 디자인된 ASIC(application specific integrated circuit), DSP(digital signal processing), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array), 프로세서, 제어기, 마이크로 프로세서, 다른 전자 유닛 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하는 모듈로 구현될 수 있다. 소프트웨어는 메모리 유닛에 저장될 수 있고, 프로세서에 의해 실행된다. 메모리 유닛이나 프로세서는 당업자에게 잘 알려진 다양한 수단을 채용할 수 있다.The terms " part, " and the like, as described in the specification, may be embodied in hardware, software, or a combination thereof. (DSP), a programmable logic device (PLD), a field programmable gate array (FPGA), a processor, a controller, a microprocessor, and the like, which are designed to perform the above- , Other electronic units, or a combination thereof. In software implementation, it may be implemented as a module that performs the above-described functions. The software may be stored in a memory unit and executed by a processor. The memory unit or processor may employ various means well known to those skilled in the art.
10: 마이크로폰 어레이
100: 음원 위치 추정 장치
110: 신호 획득부 120: 가상 센서 생성부
130: 센서쌍 조합부 140: 지연시간 계산부
150: 위치 주정부10: microphone array
100: sound source position estimating device
110: signal acquisition unit 120: virtual sensor generation unit
130: sensor pair combining unit 140: delay time calculating unit
150: Location State
Claims (8)
상기 다수의 마이크로폰에 대응하는 다수의 가상 센서를 생성하는 가상 센서 생성부;
상기 다수의 마이크로폰과 상기 다수의 가상 센서를 각 쌍으로 조합하는 센서쌍 조합부;
상기 조합에 의해 직접 전달된 직접 음파 신호와 지면반사로 전달된 지면 반사 음파 신호 측정을 이용하여 상기 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호간 시간지연을 계산하여 지연 시간 관계 쌍 조합을 생성하고, 상기 지연 시간 관계 쌍 조합으로부터 상기 다수의 마이크로폰과 상기 다수의 가상 센서에 대한 도달지연시간 연립 방정식 정보를 생성하는 지연시간 계산부; 및
상기 도달지연시간 연립 방정식 정보를 이용하여 상기 음원의 최종 위치 정보를 추정하는 위치 주정부;를 포함하며,
상기 다수의 가상 센서는 지면 위에 일정 높이에 있는 상기 다수의 마이크로폰의 좌표 정보를 지면에 대칭으로 가정하여 좌표 정보가 설정되며,
상기 다수의 마이크로폰의 좌표 정보는 상기 다수의 마이크로폰의 2차원 평면상 위치 및 지면에서의 높이에 의해 결정되며,
상기 음향 신호간 시간지연은 한쌍의 마이크로폰에 대한 상호상관함수로부터 캡스트럼(cepstrum)을 통하여 산출되며,
상기 최종 위치 정보는 3차원 공간에서의 음원 위치 정보인 것을 특징으로 하는 음원에서 직접 전파된 음파와 지면에 반사된 음파 측정을 기반으로 한 지연시간도달 기법을 이용한 음원 위치 추정 장치.
A signal acquiring unit acquiring an acoustic signal of a sound source from a microphone array composed of a plurality of microphones;
A virtual sensor generating unit for generating a plurality of virtual sensors corresponding to the plurality of microphones;
A sensor pair combining unit for combining the plurality of microphones and the plurality of virtual sensors into each pair;
Generating a pair of delay time relationship pairs by calculating a time delay between the direct sound wave signal and the ground surface reflected sound wave signal using the direct sound wave signal directly transmitted by the combination and the surface reflected sound wave signal transmitted by ground reflection, A delay time calculation unit for generating arrival delay time simultaneous equation information for the plurality of microphones and the plurality of virtual sensors from the time relation pair combination; And
And a position state part estimating final position information of the sound source using the arrival delay time simultaneous equations information,
Wherein the plurality of virtual sensors are configured such that coordinate information of the plurality of microphones at a predetermined height above the ground is symmetric to the ground,
The coordinate information of the plurality of microphones is determined by a position on the two-dimensional plane of the plurality of microphones and a height of the microphones on the ground,
The time delay between the acoustic signals is calculated from a cross-correlation function for a pair of microphones through a cepstrum,
Wherein the final position information is sound source position information in a three-dimensional space. 2. The sound source position estimating method according to claim 1, wherein the final position information is sound source position information in a three-dimensional space.
상기 음원의 최종 위치 정보는 최소 자승법을 이용한 상기 연립 방정식 정보의 연립 방정식 해인 것을 특징으로 하는 음원에서 직접 전파된 음파와 지면에 반사된 음파 측정을 기반으로 한 지연시간도달 기법을 이용한 음원 위치 추정 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the final position information of the sound source is a simultaneous equations solution of the simultaneous equations information using a least squares method, and the sound source position estimating device using the delay time arrival technique based on the sound waves reflected directly on the ground and the sound wave reflected on the ground .
상기 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호간 시간지연은 수학식 (여기서, 는 에서 측정된 신호의 파워 캡스트럼 함수를 나타내며, 는 i번째 마이크로폰 위치를 나타내며, 이고, FFT는 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform)이고, IFFT는 역고속 푸리에 변환(inverse fast Fourier transform)을 나타내고, x(t)는 x좌표의 시간함수를 나타낸다)으로 산출되는 것을 특징으로 하는 음원에서 직접 전파된 음파와 지면에 반사된 음파 측정을 기반으로 한 지연시간도달 기법을 이용한 음원 위치 추정 장치.
The method according to claim 1,
The time delay between the direct sound wave signal and the ground- (here, The Lt; / RTI > represents the power capstrum function of the signal measured at < RTI ID = Represents the i-th microphone position, , Wherein the FFT is a fast Fourier transform, the IFFT is an inverse fast Fourier transform, and x (t) is a time function of an x coordinate. An apparatus for estimating a sound source position using a delay time arrival technique based on sound waves directly propagated in a sound source and sound waves reflected on the ground.
가상 센서 생성부가 상기 다수의 마이크로폰에 대응하는 다수의 가상 센서를 생성하는 단계;
센서쌍 조합부가 상기 다수의 마이크로폰과 상기 다수의 가상 센서를 각 쌍으로 조합하는 단계;
지연시간 계산부는 상기 조합에 의해 직접 전달된 직접 음파 신호와 지면반사로 전달된 지면 반사 음파 신호 측정을 이용하여 상기 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호간 시간지연을 계산하는 단계;
상기 지연시간 계산부가 상기 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호간 시간지연을 이용하여 지연시간관계쌍조합을생성하고, 상기 지연 시간 관계 쌍 조합으로부터 상기 다수의 마이크로폰과 상기 다수의 가상센서에 대한 도달지연시간 연립 방정식 정보를 생성하는 단계; 및
위치 추정부가 상기 도달지연시간 연립 방정식 정보를 이용하여 상기 음원의 최종 위치 정보를 추정하는 단계;를 포함하며,
상기 다수의 가상 센서는 지면 위에 일정 높이에 있는 상기 다수의 마이크로폰의 좌표 정보를 지면에 대칭으로 가정하여 좌표 정보가 설정되며,
상기 다수의 마이크로폰의 좌표 정보는 상기 다수의 마이크로폰의 2차원 평면상 위치 및 지면에서의 높이에 의해 결정되며,
상기 음향 신호간 시간지연은 한쌍의 마이크로폰에 대한 상호상관함수로부터 캡스트럼(cepstrum)을 통하여 산출되며,
상기 최종 위치 정보는 3차원 공간에서의 음원 위치 정보인 것을 특징으로 하는 음원에서 직접 전파된 음파와 지면에 반사된 음파 측정을 기반으로 한 지연시간도달 기법을 이용한 음원 위치 추정 방법.Obtaining a sound signal of a sound source using a microphone array having a plurality of microphones;
The virtual sensor generating unit generating a plurality of virtual sensors corresponding to the plurality of microphones;
Combining the sensor pair combination with the plurality of microphones and the plurality of virtual sensors in each pair;
Calculating a delay time between the direct sound wave signal and the surface-reflected sound wave signal by using the direct sound wave signal transmitted directly by the combination and the surface-reflected sound wave signal transmitted by ground reflection;
Wherein the delay time calculation unit generates a delay time relationship pair combination using the time delay between the direct sound wave signal and the ground surface reflected sound wave signal and calculates a delay time relation pair combination from the delay time relationship pair combination to the arrival delay of the plurality of microphones and the plurality of virtual sensors Generating time series equation information; And
Estimating a final position information of the sound source using the arrival delay time simultaneous equations information,
Wherein the plurality of virtual sensors are configured such that coordinate information of the plurality of microphones at a predetermined height above the ground is symmetric to the ground,
The coordinate information of the plurality of microphones is determined by a position on the two-dimensional plane of the plurality of microphones and a height of the microphones on the ground,
The time delay between the acoustic signals is calculated from a cross-correlation function for a pair of microphones through a cepstrum,
The final position information is information on the sound source position in the three-dimensional space A method for estimating a sound source location using a delay time arrival technique based on sound waves propagated directly from a sound source and sound waves reflected on the ground.
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최소 제곱 추정기(LS Estimator)를 이용한 지연 시간 추정(1996년도 제9회 신호처리합동학술대회 논문집 제9권 1호, pp.165-168; 공지시점 : 1996년)* |
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