KR101909710B1 - A method of estimating the arrival angle of the covariance matrix based on the frequency domain based on the sparsity of the signal in the sonar system and system thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 소나 시스템에서 신호의 희소성을 기초로 주파수영역에서의 공분산행렬 기반 도래각 추정 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 기존에 시간영역에서만 구현되어 있는 공분산 행렬 피팅(fitting) 기반 압축센싱 도래각 추정방법을 주파수영역으로 확장하기 위한 방법 및 시스템에 관한 발명이다.The present invention relates to a method and system for estimating an arrival angle based on a covariance matrix in a frequency domain on the basis of the scarcity of a signal in a sonar system. More particularly, the present invention relates to a method and system for estimating a covariance matrix- The present invention relates to a method and a system for extending a sensing arrival angle estimation method to a frequency domain.
압축센싱 기반 도래각 추정 기법은 신호의 희소성(sparsity)을 이용하여 도래각을 추정하는 방법으로써 기존의 도래각 추정 알고리즘과 비교했을 시 많은 장점을 지니고 있어 꾸준히 연구되어 오고 있다. 구체적으로, 압축센싱기법은 소나 시스템에서 신호가 희박한 특성 자체를 이용하여 도래각(DOA : Direction Of Arrival) 추정하는 기술로서, 신호의 희소성을 이용함으로써 도래각 추정의 정확성은 높일 수 있지만, 계산양이 많은 한계점이 존재한다.Based on the compression sensing, the angular estimation method is a method of estimating the arrival angle using the sparsity of the signal, and has many advantages in comparison with the conventional arrival angle estimation algorithm and has been studied steadily. Specifically, the compression sensing technique is a technique for estimating the DOA (Direction Of Arrival) using the characteristics of the signal in the sonar system itself. Although the accuracy of the arrival angle estimation can be improved by using the signal scarcity, There are many limitations.
또한, 압축센싱 기반 도래각 추정 방법의 일 예로서, 공분산 행렬 피팅(Fitting)을 통한 도래각 추정 기법은 수신신호의 신호 공분산을 비용함수를 통해 희소하게 최적화함으로써 입사신호의 도래각을 추정한다. 해당 기법에서 사용되는 알고리즘은 SpSF(Sparse Spectrum Fitting) 알고리즘이 대표적이며, 기존의 SpSF 알고리즘에 대한 연구는 모두 시간영역에서만 구현되어 있으므로, 수중환경과 같이 다양한 잡음이 존재하는 상황에 있어서 그대로 적용하기 어려운 점이 있다.Also, as an example of the estimation method based on the compression sensing, the arrival angle estimation method using the covariance matrix fitting estimates the arrival angle of the incident signal by scarcely optimizing the signal covariance of the received signal through the cost function. The SpSF (Sparse Spectrum Fitting) algorithm is a typical algorithm used in this technique. Since all studies on the existing SpSF algorithm are implemented only in the time domain, it is difficult to apply them in a situation where various noises such as underwater environments exist There is a dot.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 시간영역이 아니라 주파수영역에서의 공분산행렬 기반 도래각 추정방법을 제공하는 데에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a covariance matrix-based arrival angle estimation method in a frequency domain rather than a time domain.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 주파수영역에서의 공분산행렬 기반 압축센싱 도래각 추정 방법은, 소나 시스템(sonar system)에서 신호의 희소성(sparsity)을 기초로 신호의 도래각을 추정하는 주파수영역에서의 공분산행렬 기반 압축센싱 도래각 추정 방법에 있어서, 센서 배열(sensor array)이 수신한 표적(target)으로부터 반사된 신호를 시간영역의 수신신호행렬로 제1변환하고, 상기 제1변환된 수신신호행렬을 미리 설정된 블록(block)의 수만큼 분할하는 블록분할단계; 상기 분할된 수신신호행렬을 주파수영역에서 처리하기 위해 제2변환하고, 상기 제2변환된 결과에서 빈(bin)의 크기를 기초로 하여, 적어도 하나 이상의 빈을 선택하는 빈선택단계; 상기 선택된 빈을 기초로 하여 빈 벡터(bin vector)를 생성하고, 상기 생성된 빈 벡터를 기초로 공분산행렬을 생성하는 공분산행렬생성단계; 상기 생성된 공분산행렬에 SpSF(Sparse Spectrum Fitting) 알고리즘을 적용하여 상기 수신된 신호의 도래각을 추정하는 도래각추정단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a covariance matrix-based compression sensing angle-of-arrival estimating method in a frequency domain, comprising: estimating an arrival angle of a signal based on a sparsity of a signal in a sonar system; The method comprising: a first step of first converting a signal reflected from a target received by a sensor array into a reception signal matrix in a time domain; Dividing a first transformed received signal matrix by a predetermined number of blocks; A bin selection step of performing a second transformation to process the divided reception signal matrix in the frequency domain and selecting at least one bin based on the size of the bin in the second transformed result; A covariance matrix generating step of generating a bin vector based on the selected bin and generating a covariance matrix based on the generated bin vector; And an arrival angle estimating step of estimating an arrival angle of the received signal by applying an SpSF (Sparse Spectrum Fitting) algorithm to the generated covariance matrix.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 주파수영역에서의 공분산행렬 기반 압축센싱 도래각 추정 시스템은, 소나 시스템(sonar system)에서 신호의 희소성(sparsity)을 기초로 신호의 도래각을 추정하는 주파수영역에서의 공분산행렬 기반 압축센싱 도래각 추정 시스템에 있어서, 센서 배열(sensor array)이 수신한 표적(target)으로부터 반사된 신호를 시간영역의 수신신호행렬로 제1변환하고, 상기 제1변환된 수신신호행렬을 미리 설정된 블록(block)의 수만큼 분할하는 블록분할부; 상기 분할된 수신신호행렬을 주파수영역에서 처리하기 위해 제2변환하고, 상기 제2변환된 결과에서 빈(bin)의 크기를 기초로 하여, 적어도 하나 이상의 빈을 선택하는 빈선택부; 상기 선택된 빈을 기초로 하여 빈 벡터(bin vector)를 생성하고, 상기 생성된 빈 벡터를 기초로 공분산행렬을 생성하는 공분산행렬생성부; 상기 생성된 공분산행렬에 SpSF(Sparse Spectrum Fitting) 알고리즘을 적용하여 상기 수신된 신호의 도래각을 추정하는 도래각추정부를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a covariance matrix-based compression sensing angle-of-arrival estimating system in a frequency domain, which estimates the arrival of a signal based on a sparsity of a signal in a sonar system, In a covariance matrix-based compression sensing arrival angle estimation system in a frequency domain for estimating angles, a sensor array converts a signal reflected from a target into a time-domain received signal matrix, A block dividing unit dividing the first transformed received signal matrix by a predetermined number of blocks; A bin selection unit that performs a second transformation to process the divided reception signal matrix in a frequency domain and selects at least one bin based on a size of a bin in the second transformed result; A covariance matrix generator for generating a bin vector based on the selected bin and generating a covariance matrix based on the generated bin vector; And an adverberating smoothing unit for applying an SpSF (Sparse Spectrum Fitting) algorithm to the generated covariance matrix to estimate an arrival angle of the received signal.
본 발명의 일 실시 예는, 상기 주파수영역에서의 공분산행렬 기반 압축센싱 도래각 추정 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 저장하고 있는 컴퓨터 판독가능한 기록매체를 제공할 수 있다.An embodiment of the present invention can provide a computer-readable recording medium storing a program for executing the covariance matrix-based compression sensing arrival-angle estimation method in the frequency domain.
본 발명에 따르면, 소나 시스템에서 신호의 희소성을 기초로 하여, 시간영역이 아니라 주파수영역에서의 공분산행렬을 생성하고, 생성된 공분산행렬을 기초로 하여 입사신호의 도래각을 추정함으로써, 기존에 알려져 있는 도래각 추정 방법에 비해서 정확한 도래각 추정이 가능하게 된다.According to the present invention, by generating a covariance matrix in the frequency domain instead of the time domain on the basis of the scarcity of the signal in the sonar system, and estimating the incident angle of the incident signal on the basis of the generated covariance matrix, It is possible to estimate the angle of incidence accurately compared with the arrival angle estimation method.
또한, 본 발명에 따르면, 주파수 영역에서 입사신호의 협대역 주파수에 해당하는 빈(bin)만을 취하여 공분산 행렬을 추정함으로써, 시간 영역에서 공분산 행렬을 구하는 것에 비하여, 신호대잡음비 개선효과가 탁월하여, 수중환경과 같이 다양한 잡음으로 인해 도래각 추정에 어려움이 있는 환경에서, 입사 신호의 도래각 추정 성능을 향상시키는 효과가 있다.Further, according to the present invention, the improvement of the signal-to-noise ratio is superior to that of obtaining a covariance matrix in the time domain by estimating the covariance matrix by taking only a bin corresponding to the narrowband frequency of the incident signal in the frequency domain, It is possible to improve the estimation accuracy of the incident angle of the incident signal in an environment where it is difficult to estimate the arrival angle due to various noise such as the environment.
도 1은 본 발명에 따른 도래각 추정 시스템이 수신된 신호를 주파수영역에서 처리하기 위해서 변환한 결과의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도래각 추정 시스템의 블록도의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 도래각 추정 결과의 일 예를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 도래각 추정 결과의 다른 일 예를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 도래각 추정 결과의 또 다른 일 예를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 도래각 추정 결과의 또 다른 일 예를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 주파수영역에서의 공분산행렬 기반 도래각 추정 방법의 일 예의 흐름도를 도시한 도면이다.FIG. 1 is a diagram showing an example of a result obtained by transforming a received signal in order to process a received signal in a frequency domain, according to an arrival angle estimation system according to the present invention.
2 is a block diagram of an arrival angle estimation system according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram schematically illustrating an example of the arrival angle estimation result according to the present invention.
4 is a diagram schematically illustrating another example of the arrival angle estimation result according to the present invention.
5 is a diagram schematically showing another example of the arrival angle estimation result according to the present invention.
6 is a diagram schematically illustrating another example of the arrival angle estimation result according to the present invention.
FIG. 7 is a flowchart illustrating an example of a method of estimating an arrival angle based on a covariance matrix in a frequency domain according to the present invention.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. The effects and features of the present invention and methods of achieving them will be apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to like or corresponding components throughout the drawings, and a duplicate description thereof will be omitted .
이하의 실시 예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. In the following embodiments, the terms first, second, and the like are used for the purpose of distinguishing one element from another element, not the limitative meaning.
이하의 실시 예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. In the following examples, the singular forms "a", "an" and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise.
이하의 실시 예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징을 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다. In the following embodiments, terms such as inclusive or possessed mean that a feature or element described in the specification is present, and does not exclude the possibility that one or more other features or components are added in advance.
어떤 실시 예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.If certain embodiments are otherwise feasible, the particular process sequence may be performed differently from the sequence described. For example, two processes that are described in succession may be performed substantially concurrently, and may be performed in the reverse order of the order described.
도 1은 본 발명에 따른 도래각 추정 시스템이 수신된 신호를 주파수영역에서 처리하기 위해서 변환한 결과의 일 예를 도시한 도면이다.FIG. 1 is a diagram showing an example of a result obtained by transforming a received signal in order to process a received signal in a frequency domain, according to an arrival angle estimation system according to the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 도래각 추정 시스템은 신호를 수신하고 난 후, 신호를 수신신호행렬로 1차적으로 변환하고, 수신신호행렬을 주파수영역에서 처리하기 위해서 2차적으로 변환시킨다.Referring to FIG. 1, the arrival angle estimation system according to the present invention receives a signal, firstly converts the signal into a received signal matrix, and secondarily converts the received signal matrix to process in the frequency domain.
주파수영역에서 처리되기 위해서 2차적으로 변환된 수신신호행렬은 도 1과 같이 다양한 크기를 갖는 여러 가지 주파수 성분으로 분리되며, 이하에서는, 도 1에 도시된 것과 같이 수신신호행렬을 주파수영역에서 처리하기 위해 변환한 결과로서 산출되는 각각의 크기를 갖는 주파수 성분 하나하나를 빈(bin)이라고 호칭하기로 한다.The received signal matrix that has been transformed in order to be processed in the frequency domain is divided into various frequency components having various sizes as shown in FIG. 1. Hereinafter, as shown in FIG. 1, the received signal matrix is processed in the frequency domain Each frequency component having each magnitude calculated as a result of the conversion to be referred to as a bin will be referred to as a bin.
도 1에서, i-1번째 빈 및 i번째 빈은 인접하여 나타나며, 모두 역치값(threshold)을 초과하는 것을 알 수 있다. 또한, 도 1에서, i+3번째 빈 및 i+4번째 빈은 서로 인접하여 있지만, i+4번째 빈은 역치값을 초과하는 크기를 갖는 반면, i+3번째 빈은 역치값미만의 크기를 갖는 것을 알 수 있다. 도 1에서 각각의 빈의 크기가 역치값을 초과하는 지 여부 및 서로 다른 빈끼리 인접하고 있는 것의 의미에 대해서는 도 2에서 추가적으로 설명하기로 한다.In FIG. 1, the (i-1) -th bin and the (i) -th bin are adjacent to each other, and all of them are found to exceed the threshold value. 1, the (i + 3) th bin and (i + 4) th bin are adjacent to each other, but the (i + 4) th bin has a size exceeding the threshold value, . ≪ / RTI > In FIG. 1, whether or not the size of each bin exceeds a threshold value and the meaning that adjacent bins are adjacent to each other will be further described with reference to FIG.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도래각 추정 시스템의 블록도의 일 예를 도시한 도면이다.2 is a block diagram of an arrival angle estimation system according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 주파수영역에서의 공분산행렬 기반 도래각 추정 시스템(20)은, 블록분할부(210), 빈선택부(230), 공분산행렬생성부(250) 및 도래각추정부(270)를 포함하는 것을 알 수 있다. 이하에서는, 본 발명에 따른 주파수영역에서의 공분산행렬 기반 도래각 추정 시스템(20)은 도래각 추정 시스템(20)으로 약칭하기로 한다.2, the covariance matrix-based arrival
본 발명에 따른 압축 센싱 기법은 소나 시스템에서 신호가 희박(sparse)하다는 성질을 이용하여 도래각(DOA) 추정 기술에 접근하는 방식이다. 본 발명에 따르면, 신호의 희소성(sparsity)을 이용함으로써 제한되었던 센서 소자 수 이상의 신호가 입사하는 경우 도래각 추정이 어려운 문제점을 기술적으로 극복할 수 있다.The compression sensing technique according to the present invention approaches a DOA estimation technique using a property that a signal is sparse in a sonar system. According to the present invention, by using the sparsity of a signal, it is possible to technically overcome the difficulty in estimating the arrival angle when a signal exceeding the limit of the number of sensor elements is incident.
블록분할부(210)는 선형 어레이 센서에 수신된 신호를 전달받아서, 시간영역의 수신신호행렬로 변환하고, 변환된 수신신호행렬을 미리 설정된 블록의 수만큼 분할한다. 블록분할부(210)가 전달받은 신호는, 센서 배열(sensor array)이 수신한 신호로서, 표적(target)으로부터 반사된 신호를 의미한다.The block dividing
이때, 블록(block)이란, 수신신호행렬을 균일하게 분할하기 위한 추상적 개념으로서, 블록분할부(210)에는 상수값 또는 로직값으로서 수신신호행렬을 분할하기 위한 블록의 수가 미리 설정될 수 있다. In this case, a block is an abstract concept for uniformly dividing a received signal matrix, and the number of blocks for dividing the received signal matrix as a constant value or a logic value may be preset in the
블록분할부(210)에 설정되는 상수값 블록의 수의 일 예로서, 블록의 수는 2000개가 될 수 있다. 다른 예로, 블록분할부(210)에 설정되는 로직값 블록의 수의 일 예로서, 블록의 수는 수신된 신호를 감지하는 데에 사용된 센서(sensor)의 개수와 동일하거나, 그 센서의 수보다 더 큰 임의의 수가 될 수도 있다. 설명의 편의를 위해서, 이하에서는, 블록의 수를 L로 호칭하기로 한다.As an example of the number of constant value blocks set in the
선택적 일 실시 예로서, 수신된 신호는 신호의 크기정보, 신호의 주파수정보 및 신호를 감지하는 데에 사용된 센서의 수에 대한 센서개수정보를 포함할 수 있고, 블록분할부는 변환된 수신신호행렬을 센서개수정보에 포함된 센서의 수와 같거나, 그 센서의 수보다 더 많은 블록의 수만큼 분할할 수 있다. 본 선택적 실시 예에 따르면, 입사신호의 도래각을 정확히 추정하는 데에 충분하도록 블록으로 분할됨에 따라서 더 정확한 도래각을 더 빠른 속도로 추정하는 것이 가능해진다.In an alternative embodiment, the received signal may include signal size information, frequency information of the signal, and sensor number information on the number of sensors used to sense the signal, and the block splitting unit may include a transformed received signal matrix May be equal to or greater than the number of sensors included in the sensor number information. According to this alternative embodiment, it becomes possible to estimate a more accurate incident angle at a higher speed as it is divided into blocks sufficiently to accurately estimate the incident angle of the incident signal.
빈선택부(230)는 수신신호행렬을 주파수영역에서 처리하기 위한 변환을 수행하고, 그 변환된 결과에서 빈의 크기를 기초로 하여 적어도 하나 이상의 빈을 선택한다. 이하에서는, 빈선택부(230)가 수신신호행렬을 변환하는 것을, 블록분할부(210)가 수신된 신호를 수신신호행렬로 변환하는 것과 명확히 구분하기 위해서, 각각 제2변환, 제1변환으로 호칭하도록 한다.The
빈선택부(230)가 수신신호행렬을 제2변환시키는 선택적 일 실시 예로서, 빈선택부(230)는 고속푸리에변환(Fast Fourier Transform)을 통해 수신신호행렬을 제2변환할 수 있다.As an alternative embodiment in which the
빈선택부(230)가 제2변환된 결과에서 빈을 선택하는 방법의 선택적 일 실시 예로서, 빈선택부(230)는 제2변환된 결과에서 빈의 크기 및 인접한 빈들의 크기기준초과여부를 기초로 하여, 적어도 하나 이상의 빈을 선택할 수 있다. 빈선택부(230)는 정확한 도래각 추정을 위해서 신호 에너지가 존재하는 하나의 빈만을 사용하지 않는다. 빈선택부(230)는 제2변환결과에서 가장 큰 크기의 빈을 취하고, 그 빈의 신호크기와 인접한 빈의 신호 크기 비율이 역치값을 초과하면, 인접한 빈의 성분도 공분산 행렬을 생성하는 데에 이용되도록 선택하게 된다. 도 1을 참조하여 설명하면, 빈선택부(230)는 i+4번째 빈이 역치값을 초과함에도 불구하고, i+3번째 빈이 역치값에 미치지 못하므로, i+3번째 빈 및 i+4번째 빈을 공분산행렬을 생성하는 데에 이용되도록 선택하지 않는다. 다른 예로서, 빈선택부(230)는 역치값을 초과하는 것을 기준으로 삼아서, 도 1의 i-1번째 빈 및 i번째 빈을 공분산행렬을 생성하는 데에 이용되도록 선택할 수 있다.As an alternative embodiment of the method in which the
일 예로서, 톤(tone)의 주파수가 주파수 빈이 존재하는 주파수에 가까울수록 최대신호의 크기와 인접한 신호크기의 비율은 감소하며, 이때의 빈선택부(230)는 최대 신호크기를 갖는 빈만 취한다. For example, the closer the frequency of the tone is to the frequency at which the frequency bin exists, the smaller the ratio of the maximum signal size to the adjacent signal size, and the
다른 일 예로서, 톤의 주파수가 주파수 빈이 존재하는 주파수에 멀어질수록 최대신호의 크기와 인접한 신호크기의 비율은 증가하며, 이때의 빈선택부(230)는 최대 신호크기를 갖는 빈뿐만 아니라 인접한 빈의 성분도 취해서 공분산행렬을 생성한다. As another example, as the frequency of the tone moves away from the frequency at which the frequency bin exists, the ratio of the magnitude of the maximum signal to the magnitude of the adjacent signal increases. In this case, Takes a component of the bin and generates a covariance matrix.
또 다른 일 예로서, 톤의 주파수가 fs/N의 정수배에 가까운 경우, 하나의 주파수에 에너지가 집중되므로 가장 큰 빈의 신호와 인접한 빈의 신호의 비율이 감소하고, 이런 경우에도 빈선택부(230)는 가장 큰 빈만 선택하게 된다.As another example, when the frequency of the tone is close to an integral multiple of fs / N, energy is concentrated at one frequency, so that the ratio of the signal of the largest bin to the signal of the adjacent bin decreases, 230) will only select the largest bean.
전술한 예와 또 다른 일 예로서, 톤의 주파수가 fs/N의 (정수+0.5)배에 가까울 경우, 인접한 두 빈에 에너지가 흩어지므로 가장 큰 신호와 인접한 빈의 신호의 비율이 증가하고, 이 경우, 빈선택부(230)는 가장 큰 빈뿐만 아니라 인접한 빈으로 공분한행렬이 생성될 수 있도록 복수의 빈을 선택하게 된다.In another example, if the frequency of the tone is close to (integer + 0.5) times of fs / N, energy is scattered in the adjacent two bins, so that the ratio of the largest signal to the adjacent bin signal increases, In this case, the
공분산행렬생성부(250)는 빈선택부(230)가 선택한 빈을 기초로 하여, 빈벡터를 생성하고, 생성된 빈벡터를 기초로 공분산행렬을 생성한다.The
신호에너지가 존재하는 빈이 i번째 빈이고, i번째 빈과 인접한 빈으로서, 신호 크기 비율이 역치값(threshold) 이상인 빈이 i-1번째 빈일 때, 공분산행렬생성부(250)는 그 두 개의 빈으로 이루어진 빈벡터(bin vector)를 로 정의할 수 있다.When the bin in which the signal energy is present is the i-th bin, the bin adjacent to the i-th bin, and the bin with the signal size ratio equal to or greater than the threshold value is the (i-1) -th bin, the covariance
수학식 1 내지 수학식 7은, 수신된 신호(입사신호)가 상관관계가 있을 때, 공분산행렬생성부(250)에 의해 수신된 신호의 공분산행렬을 생성하기 위해 필요한 수학식을 일괄적으로 나타낸다.Equations (1) to (7) collectively show the mathematical equations necessary for generating the covariance matrix of the signal received by the
수학식 1은 i-1번째 빈 및 i번째 빈으로 구성된 빈벡터를 나타낸다.Equation (1) represents an empty vector composed of i-1 < th > bin and i < th > bin.
수학식 2 및 수학식 3은 수신신호벡터를 나타낸 것으로서, 수신신호벡터를 수신신호행렬을 벡터로 표현한 것을 의미한다. 수학식 2에 따르면, 수신신호벡터 는 표적신호벡터와 잡음신호벡터로 구성되는 것을 알 수 있다.Equation (2) and Equation (3) represent the received signal vector, which means that the received signal vector is expressed as a vector of the received signal matrix. According to Equation (2), the received signal vector Lt; RTI ID = 0.0 > And the noise signal vector . ≪ / RTI >
또한, 수학식 4는 표적신호벡터를 나타내고, 수학식 5는 잡음(노이즈)벡터를 나타내며, 수학식 6 및 수학식 7은 표적신호벡터에 곱해지는 계수벡터를 나타낸다.Equation (4) represents a target signal vector, Equation (5) represents a noise (noise) vector, and Equations (6) and (7) represent a coefficient vector multiplied to a target signal vector.
수학식 1 내지 7에서 M은 수신된 신호를 감지하는 데에 사용된 센서의 개수이고, 는 본 발명에 따른 도래각 추정 시스템(20)이 탐색하고자 하는 도래각의 개수이다.In
공분산행렬생성부(250)는 빈선택부(230)로부터 수학식 1 내지 수학식 7에 따른 정보를 전달받은 후, 수학식 8을 이용함으로써, 주파수영역에서 블록평균으로 구한 공분산 행렬을 구할 수 있다.The
수학식 8은 공분산행렬생성부(250)가 수신된 신호의 공분산행렬을 구하기 위해 사용하는 수식의 일 예이다.Equation (8) is an example of a formula used by the
수학식 8에서 는 j번째 블록의 빈벡터를 의미하고, L은 블록의 개수, 는 수신된 신호(입사신호)의 공분산행렬, E는 잡음 공분산행렬을 의미한다. In Equation (8) Denotes an empty vector of the jth block, L denotes the number of blocks, Denotes a covariance matrix of the received signal (incident signal), and E denotes a noise covariance matrix.
공분산행렬생성부(250)는 수학식 8을 통해서 신호공분산행렬을 생성할 때, 입사신호가 일반적인 상관을 가질 때와 상관관계를 가지지 않을 때로 구분하여 생성할 수 있다.The
주파수 영역에서 SpSF 알고리즘을 이용한 도래각 추정 방법은 입사신호 상관 여부에 따라 상관관계가 없는 신호(uncorrelated)의 도래각 추정과 일반적인 상관관계를 갖는 신호(correlated)의 도래각 추정으로 나뉜다.In the frequency domain, the arrival angle estimation method using the SpSF algorithm is divided into the arrival angle estimation of the uncorrelated signal and the arrival angle estimation of the correlated signal having the general correlation according to the incident signal correlation.
먼저, 입사신호가 일반적인 상관을 가질 때에는, 신호의 공분산행렬은 대각성분뿐만 아니라 다른 성분에서도 0이 아닌 값이 나오므로, 공분산행렬생성부(250)가 가장 희소(sparse)한 신호공분산 를 구하기 위해 사용하는 비용함수는 수학식 9와 같다.First, when the incident signal has a general correlation, the covariance matrix of the signal has a value other than 0 in both the diagonal component and the other components, so that the
수학식 9는 공분산행렬생성부(250)가 가장 희소한 신호 공분산을 구하기 위해서 사용하는 비용함수를 의미한다. 어레이 행렬 A는 행렬이고, 탐색하는 도래각의 개수인 는 센서의 배열개수인 M보다 훨씬 더 많기 때문에 수학식 1은 비결정시스템(underdetermined system)이고, 수학식 8을 만족하는 해는 무수히 많이 존재한다.Equation (9) represents a cost function used by the
수학식 9에서 L2-norm(첫 번째 항) 연산 부분은 공분산벡터 R와 연산을 통해 추정된 신호공분산 벡터 와 A의 곱을 통해 산출되는 공분산벡터의 차이(difference)를 나타낸다. 보다 구체적으로, L2-norm은 최적화하는 과정에서 추정된 값들 중 참값과 가장 비슷한 추정값을 선택하는 부분이다.In Equation (9), the L2-norm (first term) operation portion includes a covariance vector R and a signal covariance vector And the difference between the covariance vectors calculated through the product of A and A. More specifically, the L2-norm is a portion that selects the estimation value that is closest to the true value among the estimated values in the optimization process.
이어서, 수학식 9의 L1-norm(두 번째 항) 연산 부분은 의 희소성(sparsity)을 조절하는 부분이다. 가중치 λ값을 크게 설정함으로써, 기존의 신호와 연산을 통해 구한 추정데이터와의 차이를 줄이는 것보다 추정 데이터의 희소성을 강조한다. 그와 반대로, 가중치 λ값을 작게 설정하게 되면, 데이터의 희소성보다는 기존의 신호와의 차이를 최소화하는 것을 강조한다. 수학식 9와 같은 비용함수를 통해서, 최적화 작업을 반복함으로써, 공분산행렬생성부(250)는 가장 희소한 신호공분산 벡터를 구할 수 있게 된다.Then, the L1-norm (second term) operation portion of Equation (9) Which is the part that controls the sparsity. By setting the weighting lambda value large, the scarcity of the estimated data is emphasized rather than reducing the difference from the estimated data obtained through calculation with the existing signal. Conversely, by setting the weighting lambda value small, it is emphasized that the difference from the existing signal is minimized rather than the scarcity of the data. By repeating the optimization operation through the cost function shown in Equation (9), the
공분산행렬생성부(250)는 입사신호가 상관이 없는 경우, 수신된 신호의 공분산행렬은 대각성분만 0이 아닌 값을 갖고, 대각성분 이외의 값들은 모두 0인 특성을 갖는다. 따라서, 주파수영역에서 블록 평균으로 구한 공분산행렬은 수학식 10과 같이 표현할 수 있다. 상관성이 없는 신호(uncorrelated signal)의 공분산 특성상 신호공분산 역시 대각선 성분들만 0이 아닌 값이며, 신호공분산을 벡터화하기 위해서, 공분산행렬생성부(250)는 수학식 13과 같이 신호공분산 벡터 를 정의하게 된다.The
수학식 10 내지 수학식 15는, 수신된 신호(입사신호)가 상관관계가 없을 때, 공분산행렬생성부(250)에 의해 수신된 신호의 공분산행렬을 생성하기 위해 필요한 수학식을 일괄적으로 나타낸다.(10) to (15) collectively indicate mathematical equations necessary for generating a covariance matrix of the signal received by the
수학식 10 내지 수학식 15는, 수학식 2 내지 수학식 7와 대응되는 수식으로서, 입사된 신호로부터 산출되는 수신신호행렬(벡터)을 나타낸다. 수신된 신호가 상관관계가 없을 때의 SpSP 비용함수는 수학식 16과 같다.Equations (10) to (15) are mathematical expressions corresponding to Equations (2) to (7), and show a received signal matrix (vector) calculated from an incident signal. The SpSP cost function when the received signal is not correlated is expressed by Equation (16).
수학식 16은 공분산행렬생성부(250)가 수신된 신호가 상관관계가 없을 때, 신호공분산행렬을 생성하기 위해 사용하는 비용함수를 나타낸다. 공분산행렬생성부(250)는 수학식 9에서 설명한 것과 동일하게 수학식 16에서 가중치인 λ의 값을 조절함으로써, 수신된 신호의 공분산과 가장 흡사하면서도 가장 희소한 신호공분산행렬 를 구할 수 있다. 공분산행렬생성부(250)는 SpSF 비용함수에서 가중치 λ의 값을 정하는 방법인 경우, λ의 값을 양의 정수 방향으로 바꾸어가면서 신호공분산 행렬 (uncorrelated 신호인 경우에는 )을 구하는 과정을 반복하고, 위와 같은 반복과정을 통해 생성된 신호공분산 행렬들 중에서 수학식 17을 만족하는 λ값을 가중치로 결정한다.Equation 16 represents a cost function used by the
수학식 17은 공분산행렬생성부(250)가 수신된 신호가 상관관계가 인정되지 않을 때, 가중치 λ를 구하기 위해 사용하는 수학식을 나타낸다.Equation (17) represents a mathematical expression used by the
실질적으로 잡음의 공분산행렬은 신호처리시에는 구할 수 없으므로, 잡음공분산행렬의 통계적인 특성을 이용하여 를 수학식 17과 같이 유도함으로써, 수학식 9와 수학식 16을 통해서 가장 적합한 가중치 λ를 구할 수 있다.Since the covariance matrices of noise are practically not available at the time of signal processing, the statistical properties of the noise covariance matrices are used Is derived as shown in Equation (17), then the most suitable weighting value? Can be obtained through Equations (9) and (16).
공분산행렬생성부(250)는 위와 같이 수신된 신호의 상관성(correlation)을 판단하기 위한 상관기준값을 미리 저장하고 있을 수 있다.The
도래각추정부(270)는 공분산행렬생성부(250)가 생성한 공분산행렬에 SpSF 알고리즘을 적용하여 수신된 신호의 도래각을 추정한다. 보다 구체적으로, 도래각추정부(270)는 신호공분산행렬을 기초로 주파수영역에서의 SpSF 알고리즘을 수행하여, 신호공분산행렬의 대각선성분의 스펙트럼(spectrum)화를 수행하고, 수신된 신호의 도래각을 추정하게 되며, 이미 결정되어 있는 공분산행렬에 SpSF 알고리즘을 적용하여 수신된 신호의 도래각을 추정하는 방법론은 널리 알려져 있으므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.The
도 3은 본 발명에 따른 도래각 추정 결과의 일 예를 도식적으로 나타낸 도면이다.3 is a diagram schematically illustrating an example of the arrival angle estimation result according to the present invention.
보다 구체적으로는, 도 3은, 입사신호가 두 개(30도, 75도), 센서의 개수가 10개, 블록의 개수가 2000개, 신호 주파수가 동일하게 400Hz, 신호대잡음비가 0dB인 경우의 도래각 추정 결과이다.More specifically, FIG. 3 shows the case where the number of incident signals is two (30 degrees, 75 degrees), the number of sensors is 10, the number of blocks is 2000, the signal frequency is equal to 400 Hz, and the signal- This is the estimation result of the arrival angle.
도 3을 참조하면, 신호대잡음비가 0dB이고 신호가 2개 입사하는 경우로써, 본 발명에서 구현한 빈을 취하여 신호공분산행렬을 생성하는 방법을 이용하였으며, 해당 환경의 경우 신호대잡음비가 낮아서 인접한 빈의 파워(power)가 높다는 것을 알 수 있다. 공분산행렬생성부(250)는 빈을 취하는 방법을 통해서, 총 3개의 빈을 취하여 공분산행렬을 만든 후, 이를 SpSF 알고리즘(CS 알고리즘)에 적용하였다. 도 3에서, MVDR과 SpSF 알고리즘에 의하면, 2개의 신호가 입사한 위치에서 가장 큰 스펙트럼 값을 가진다. 또한, 도 3에서, CBF알고리즘에 의하면, 두 입사신호 중 한 신호에 대해서만 정확한 추정을 하고 나머지 신호에 대해서는 추정오차가 발생함을 알 수 있다.Referring to FIG. 3, a signal covariance matrix is generated by taking a bin implemented in the present invention when a signal-to-noise ratio is 0 dB and two signals are incident. In the case of the environment, the SNR is low, It can be seen that the power is high. The covariance
도 4는 본 발명에 따른 도래각 추정 결과의 다른 일 예를 도식적으로 나타낸 도면이다.4 is a diagram schematically illustrating another example of the arrival angle estimation result according to the present invention.
보다 구체적으로는, 도 4는, 입사신호가 두 개(15도, 30도), 센서의 개수가 10개, 블록의 개수가 2000개, 신호 주파수가 동일하게 400Hz, 신호대잡음비가 10dB인 경우의 도래각 추정 결과이다.More specifically, FIG. 4 shows a case where the number of incident signals is two (15 degrees, 30 degrees), the number of sensors is 10, the number of blocks is 2000, the signal frequency is 400 Hz and the signal- This is the estimation result of the arrival angle.
도 4는 신호대잡음비가 10dB이고 신호가 2개 입사할 때 입사 각도가 15도와 30도로 서로 근접해 있을 경우의 각 알고리즘의 도래각 추정 결과를 보여주고 있다. 도 4에서, 공분산행렬생성부(250)는 신호대잡음비가 10dB라서 인접한 빈들이 역치값에 못 미치는 작은 파워값을 가지게 된 것을 고려하여, 공분산행렬을 생성할 때에 1개의 빈만을 이용했다. 도 4를 통해서, 주파수 영역으로 확장한 SpSF 알고리즘(CS 알고리즘)만이 입사신호의 두 각도를 정확히 분해를 하여 도래각을 추정한 반면, CBF나 MVDR 알고리즘의 경우는 도래각을 제대로 추정하지 못하는 것을 알 수 있다.FIG. 4 shows the results of the arrival angle estimation of each algorithm when the incident angle is close to 15 degrees and 30 degrees when the signal-to-noise ratio is 10 dB and two signals are incident. In FIG. 4, the
도 5는 본 발명에 따른 도래각 추정 결과의 또 다른 일 예를 도식적으로 나타낸 도면이다.5 is a diagram schematically showing another example of the arrival angle estimation result according to the present invention.
보다 구체적으로는, 도 5는, 입사신호가 두 개(15도, 30도), 센서의 개수가 10개, 블록의 개수가 2000개, 신호 주파수가 15도인 경우 400Hz, 신호 주파수가 30도인 경우 380Hz, 신호대잡음비가 10dB인 경우, 입사신호의 도래각인 15도인 경우의 도래각 추정 결과이다.More specifically, FIG. 5 shows a case where the incident signal is two (15 degrees, 30 degrees), the number of sensors is 10, the number of blocks is 2000, the signal frequency is 400 degrees, 380 Hz, and the signal-to-noise ratio is 10 dB, it is the arrival angle estimation result in the case where the arrival angle of the incident signal is 15 degrees.
도 5에서도, 공분산행렬생성부(250)는 신호대잡음비가 10dB라서 가장 큰 파워를 갖는 빈에 인접한 빈들이 작은 파워를 갖게 되어, 공분산행렬을 생성하는 데에 단 1개의 빈만을 취하게 되며, 도 5를 참조하면, CBF, MVDR 그리고 SpSF 알고리즘 모두 입사신호의 도래각을 정상적으로 추정하는 것이 가능한 것을 알 수 있다.5, the
도 6은 본 발명에 따른 도래각 추정 결과의 또 다른 일 예를 도식적으로 나타낸 도면이다.6 is a diagram schematically illustrating another example of the arrival angle estimation result according to the present invention.
보다 구체적으로는, 도 6은, 입사신호가 두 개(15도, 30도), 센서의 개수가 10개, 블록의 개수가 2000개, 신호 주파수가 15도인 경우 400Hz, 신호 주파수가 30도인 경우 380Hz, 신호대잡음비가 10dB인 경우, 입사신호의 도래각인 30도인 경우의 도래각 추정 결과이다.More specifically, Fig. 6 shows a case where the incident signal is two (15 degrees, 30 degrees), the number of sensors is 10, the number of blocks is 2000, the frequency is 400 Hz when the signal frequency is 15 degrees, 380 Hz, a signal-to-noise ratio of 10 dB, and an incident angle of the incident signal of 30 degrees.
도 6에서도, 공분산행렬생성부(250)는 신호대잡음비가 10dB라서 가장 큰 파워를 갖는 빈에 인접한 빈들이 작은 파워를 갖게 되어, 공분산행렬을 생성하는 데에 단 1개의 빈만을 취하게 되며, 도 6을 참조하면, CBF, MVDR 그리고 SpSF 알고리즘 모두 입사신호의 도래각을 정상적으로 추정하는 것이 가능한 것을 알 수 있다.6, the
도 5와 도 6을 동시에 참조하면, 입사신호의 도래각이 서로 다르고, 주파수도 서로 다른 경우에 있어서, 본 발명에 따라 공분산행렬을 생성하고, 종래의 추정알고리즘에 모두 적용하였을 때에 대체적으로 입사신호의 도래각을 정상적으로 추정할 수 있지만, 스펙트럼을 통해서 SpSF의 성능이 CBF나 MVDR알고리즘에 비해 더욱 우수하다는 것을 알 수 있다.5 and 6, when a covariance matrix is generated according to the present invention when the incident angles of the incident signals are different from each other and the frequencies are different from each other, when the covariance matrix is applied to all the conventional estimation algorithms, Can be estimated normally, but it can be seen from the spectrum that SpSF performance is better than CBF or MVDR algorithm.
또한, 도 3과 도 4를 동시에 참조하면, 입사신호의 도래각이 서로 다르고, 주파수가 서로 같은 경우에서 신호대잡음비가 일정수준이상 높은 경우에는, 본 발명에 따라 공분산행렬을 생성하고, 그 생성된 공분산행렬을 기초로 SpSF 알고리즘을 적용하여 입사신호의 도래각을 추정하는 것이 가장 우수한 성능을 보인다는 것을 알 수 있다.3 and 4, if the signal-to-noise ratio is higher than a certain level when the incident angles of the incident signals are different from each other and the frequencies are equal to each other, a covariance matrix is generated according to the present invention, It is shown that the best performance is obtained by applying the SpSF algorithm based on the covariance matrix and estimating the angle of incidence of the incident signal.
도 7은 본 발명에 따른 주파수영역에서의 공분산행렬 기반 도래각 추정 방법의 일 예의 흐름도를 도시한 도면이다.FIG. 7 is a flowchart illustrating an example of a method of estimating an arrival angle based on a covariance matrix in a frequency domain according to the present invention.
도 7에 따른 방법은 도 2에서 설명한 도래각 추정 시스템(20)에 의해서 구현될 수 있으므로, 도 2에서 설명한 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 하며, 이하에서는, 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.Since the method according to FIG. 7 can be implemented by the arrival
블록분할부(210)는 수신된 신호를 수신신호행렬로 제1변환하고, 수신신호행렬을 미리 설정된 블록의 수만큼 분할한다(S710).The
빈선택부(230)는 수신신호행렬을 주파수영역에서 처리하기 위해 제2변환하고, 제2변환된 결과에서 빈의 크기를 기초로 적어도 하나 이상의 빈을 선택한다(S730).The
공분산행렬생성부(250)는 빈선택부(230)에 의해 선택된 빈을 기초로 빈벡터를 생성하고, 생성된 빈벡터로 공분산행렬을 생성한다(S750).The
도래각추정부(270)는 공분산행렬생성부(250)가 생성한 공분산행렬에 SpSF 알고리즘을 적용하여 수신된 신호의 도래각을 추정한다(S770).The
입사신호가 시간 영역에서 협대역 신호인 경우, 시간 영역 신호는 시간 영역 인덱스의 모든 값에 대하여 큰 값을 가진다. 반면, 협대역 신호의 특성상, FFT(DFT)를 통하여 시간영역 신호를 주파수영역 신호로 변환하면 협대역 신호는 특정 주파수 빈들에서만 값을 가지며 다른 부분의 빈들에서는 아주 작은 값을 가지며, 잡음은 백색 잡음이므로 잡음의 주파수 영역 스펙트럼은 모든 빈에 대하여 거의 같은 크기의 값을 가진다. If the incident signal is a narrowband signal in the time domain, the time domain signal has a large value for all values of the time domain index. On the other hand, due to the characteristics of the narrowband signal, when the time domain signal is converted into the frequency domain signal through the FFT (DFT), the narrowband signal has a value only in certain frequency bins and has a very small value in other part bins, , The frequency domain spectrum of the noise has almost the same value for all bins.
따라서, 주파수 영역에서 입사신호의 협대역 주파수에 해당하는 빈만을 취하여 공분산행렬을 추정하면 시간 영역에서 공분산 행렬을 구하는 것에 비하여 신호대잡음비 개선효과가 있다. 이러한 현상은 하나의 주파수에 모든 에너지가 밀집된 변조가 없는 정현파(sinusoidal signal, tone signal)를 입사신호로 받을 때 극대화된다. 본 발명은 위와 같은 특성에 의해, 수중환경과 같이 다양한 잡음으로 인해 도래각 추정에 어려움이 있는 상황에서 입사 신호의 도래각 추정 성능을 향상시키는 효과가 있다.Therefore, estimating the covariance matrix by taking only the bin corresponding to the narrowband frequency of the incident signal in the frequency domain has an effect of improving the signal-to-noise ratio compared to obtaining the covariance matrix in the time domain. This phenomenon is maximized when a sinusoidal wave (sinusoidal signal, or tone signal), which is dense and all energy is dense at one frequency, is received as an incident signal. The present invention has the effect of improving the arrival angle estimation performance of an incident signal in a situation where it is difficult to estimate an arrival angle due to various noises such as an underwater environment due to the above characteristics.
이상 설명된 본 발명에 따른 실시 예는 컴퓨터 상에서 다양한 구성요소를 통하여 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램의 형태로 구현될 수 있으며, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터로 판독 가능한 매체에 기록될 수 있다. 이때, 매체는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM 및 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical medium), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은, 프로그램 명령어를 저장하고 실행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다. The embodiments of the present invention described above can be embodied in the form of a computer program that can be executed on various components on a computer, and the computer program can be recorded on a computer-readable medium. At this time, the medium may be a magnetic medium such as a hard disk, a floppy disk and a magnetic tape, an optical recording medium such as CD-ROM and DVD, a magneto-optical medium such as a floptical disk, , A RAM, a flash memory, and the like, which are specifically configured to store and execute program instructions.
한편, 상기 컴퓨터 프로그램은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 예에는, 컴파일러에 의하여 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함될 수 있다. Meanwhile, the computer program may be designed and configured specifically for the present invention or may be known and used by those skilled in the computer software field. Examples of computer programs may include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that may be executed by a computer using an interpreter or the like.
본 발명에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다. The specific acts described in the present invention are, by way of example, not intended to limit the scope of the invention in any way. For brevity of description, descriptions of conventional electronic configurations, control systems, software, and other functional aspects of such systems may be omitted. Also, the connections or connecting members of the lines between the components shown in the figures are illustrative of functional connections and / or physical or circuit connections, which may be replaced or additionally provided by a variety of functional connections, physical Connection, or circuit connections. Also, unless explicitly mentioned, such as " essential ", " importantly ", etc., it may not be a necessary component for application of the present invention.
본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.The use of the terms " above " and similar indication words in the specification of the present invention (particularly in the claims) may refer to both singular and plural. In addition, in the present invention, when a range is described, it includes the invention to which the individual values belonging to the above range are applied (unless there is contradiction thereto), and each individual value constituting the above range is described in the detailed description of the invention The same. Finally, the steps may be performed in any suitable order, unless explicitly stated or contrary to the description of the steps constituting the method according to the invention. The present invention is not necessarily limited to the order of description of the above steps. The use of all examples or exemplary language (e.g., etc.) in this invention is for the purpose of describing the present invention only in detail and is not to be limited by the scope of the claims, It is not. It will also be appreciated by those skilled in the art that various modifications, combinations, and alterations may be made depending on design criteria and factors within the scope of the appended claims or equivalents thereof.
Claims (9)
센서 배열(sensor array)이 수신한 표적(target)으로부터 반사된 신호를 시간영역의 수신신호행렬로 제1변환하고, 상기 제1변환된 수신신호행렬을 미리 설정된 블록(block)의 수만큼 분할하는 블록분할단계;
상기 분할된 수신신호행렬을 주파수영역에서 처리하기 위해 제2변환하여 복수의 빈들을 산출하고, 상기 산출된 빈들의 크기 및 인접한 빈들의 크기기준초과여부를 기초로 하여, 상기 복수의 빈들 중에서 적어도 하나 이상의 빈을 선택하는 빈선택단계;
상기 선택된 빈을 기초로 하여 빈 벡터(bin vector)를 생성하고, 상기 생성된 빈 벡터를 기초로 공분산행렬을 생성하는 공분산행렬생성단계; 및
상기 생성된 공분산행렬에 SpSF(Sparse Spectrum Fitting) 알고리즘을 적용하여 상기 수신된 신호의 도래각을 추정하는 도래각추정단계를 포함하는 주파수영역에서의 공분산행렬 기반 압축센싱 도래각 추정 방법.A covariance matrix-based compression sensing arrival angle estimation method in a frequency domain based on the sparsity of a signal in a sonar system,
A sensor array first converts a signal reflected from a target into a time-domain received signal matrix, and divides the first received signal matrix by a predetermined number of blocks Block dividing step;
Calculating a plurality of bins by performing a second transformation to process the divided reception signal matrices in a frequency domain and calculating at least one of the plurality of bins based on the size of the calculated bins and whether or not the size of the adjacent bins exceeds a size reference An empty selection step of selecting more than one bin;
A covariance matrix generating step of generating a bin vector based on the selected bin and generating a covariance matrix based on the generated bin vector; And
And an arrival angle estimating step of estimating an arrival angle of the received signal by applying SpSF (Sparse Spectrum Fitting) algorithm to the generated covariance matrix.
상기 제2변환은,
고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)인 것을 특징으로 하는 주파수영역에서의 공분산행렬 기반 압축센싱 도래각 추정 방법.The method according to claim 1,
Wherein the second conversion comprises:
Wherein the fast Fourier transform is a Fast Fourier Transform (FFT).
상기 수신된 신호는,
상기 신호의 크기정보, 상기 신호의 주파수정보 및 상기 신호를 감지하는 데에 사용된 센서의 수에 대한 센서개수정보를 포함하고,
상기 블록분할단계는,
상기 제1변환된 수신신호행렬을 상기 센서개수정보에 포함된 센서의 수와 같거나, 상기 센서의 수보다 더 많은 블록의 수만큼 분할하는 것을 특징으로 하는 주파수영역에서의 공분산행렬 기반 압축센싱 도래각 추정 방법.The method according to claim 1,
The received signal may be transmitted,
The signal size information, the frequency information of the signal, and the sensor number information on the number of sensors used to sense the signal,
Wherein, in the block dividing step,
Wherein the first transformed received signal matrix is divided by the number of blocks equal to or greater than the number of sensors included in the sensor number information or the number of blocks larger than the number of the sensors. Respectively.
상기 수신된 신호는,
상기 신호의 상관여부에 대한 정보를 포함하고,
상기 공분산행렬생성단계는,
미리 설정된 상관기준을 상기 수신된 신호가 기초로 상관을 가질 때와 상관이 없는 경우를 구분하여, 서로 다른 방식으로 공분산행렬을 생성하는 것을 특징으로 하는 주파수영역에서의 공분산행렬 기반 압축센싱 도래각 추정 방법.The method according to claim 1,
The received signal may be transmitted,
And information on the correlation of the signal,
The covariance matrix generating step may include:
A covariance matrix based on a covariance matrix in a frequency domain is generated by dividing a predetermined correlation criterion by a case where the correlation is not correlated with a correlation based on the received signal, Way.
센서 배열(sensor array)이 수신한 표적(target)으로부터 반사된 신호를 시간영역의 수신신호행렬로 제1변환하고, 상기 제1변환된 수신신호행렬을 미리 설정된 블록(block)의 수만큼 분할하는 블록분할부;
상기 분할된 수신신호행렬을 주파수영역에서 처리하기 위해 제2변환하고, 상기 제2변환된 결과에서 빈(bin)의 크기를 기초로 하여, 적어도 하나 이상의 빈을 선택하는 빈선택부;
상기 선택된 빈을 기초로 하여 빈 벡터(bin vector)를 생성하고, 상기 생성된 빈 벡터를 기초로 공분산행렬을 생성하는 공분산행렬생성부; 및
상기 생성된 공분산행렬에 SpSF(Sparse Spectrum Fitting) 알고리즘을 적용하여 상기 수신된 신호의 도래각을 추정하는 도래각추정부를 포함하는 주파수영역에서의 공분산행렬 기반 압축센싱 도래각 추정 시스템.In a covariance matrix-based compression sensing arriving angular estimation system in the frequency domain based on the sparsity of a signal in a sonar system,
A sensor array first converts a signal reflected from a target into a time-domain received signal matrix, and divides the first received signal matrix by a predetermined number of blocks Block dividers;
A bin selection unit that performs a second transformation to process the divided reception signal matrix in a frequency domain and selects at least one bin based on a size of a bin in the second transformed result;
A covariance matrix generator for generating a bin vector based on the selected bin and generating a covariance matrix based on the generated bin vector; And
And estimating an arrival angle of the received signal by applying an SpSF (Sparse Spectrum Fitting) algorithm to the generated covariance matrix based on the covariance matrix based on the covariance matrix.
상기 제2변환은,
고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)인 것을 특징으로 하는 주파수영역에서의 공분산행렬 기반 압축센싱 도래각 추정 시스템.The method according to claim 6,
Wherein the second conversion comprises:
Wherein the fast Fourier transform is a fast Fourier transform (FFT).
상기 수신된 신호는,
상기 신호의 크기정보, 상기 신호의 주파수정보 및 상기 신호를 감지하는 데에 사용된 센서의 수에 대한 센서개수정보를 포함하고,
상기 블록분할부는,
상기 제1변환된 수신신호행렬을 상기 센서개수정보에 포함된 센서의 수와 같거나, 상기 센서의 수보다 더 많은 블록의 수만큼 분할하는 것을 특징으로 하는 주파수영역에서의 공분산행렬 기반 압축센싱 도래각 추정 시스템.The method according to claim 6,
The received signal may be transmitted,
The signal size information, the frequency information of the signal, and the sensor number information on the number of sensors used to sense the signal,
Wherein the block division unit comprises:
Wherein the first transformed received signal matrix is divided by the number of blocks equal to or greater than the number of sensors included in the sensor number information or the number of blocks larger than the number of the sensors. Each estimation system.
상기 수신된 신호는,
상기 신호의 상관여부에 대한 정보를 포함하고,
상기 공분산행렬생성부는,
미리 설정된 상관기준을 기초로 상기 수신된 신호가 상관을 가질 때와 상관이 없는 경우를 구분하여, 서로 다른 방식으로 공분산행렬을 생성하는 것을 특징으로 하는 주파수영역에서의 공분산행렬 기반 압축센싱 도래각 추정 시스템.The method according to claim 6,
The received signal may be transmitted,
And information on the correlation of the signal,
Wherein the covariance matrix generator comprises:
Wherein a covariance matrix is generated in a different manner by distinguishing a case in which the received signal has no correlation and a case in which the received signal has no correlation based on a predetermined correlation criterion, system.
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