KR101930137B1

KR101930137B1 - 소음원 위치 추정 장치 및 소음원 위치 추정 방법

Info

Publication number: KR101930137B1
Application number: KR1020160135133A
Authority: KR
Inventors: 나태흠; 최종수; 이재형; 고영주; 최동훈
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2016-10-18
Filing date: 2016-10-18
Publication date: 2018-12-17
Also published as: KR20180042662A

Abstract

본 발명은 본 발명은 소음원 위치 추정 장치 및 소음원 위치 추정 방법에 관한 것으로 대기환경 조건에서 TDOA를 기반으로 한 소음원의 추정위치를 바람에 의해 발생하는 오차를 음선 추적 기법을 이용하여 보정함으로써 더 정확하게 소음원의 위치를 추정하고, 위치 추정에 따른 신뢰도를 향상시킨다.

Description

소음원 위치 추정 장치 및 소음원 위치 추정 방법{Estimation Apparatus for Sound source and Estimation Method for Sound source Using the same}

본 발명은 소음원 위치 추정 장치 및 소음원 위치 추정 방법에 관한 것으로 더 상세하게는 대기환경 조건에서 TDOA를 기반으로 한 폭발음 위치추정 과정 중 바람에 의해 발생하는 오차를 음선 추적 기법을 이용하여 보정하는 소음원 위치 추정 장치 및 소음원 위치 추정 방법에 관한 발명이다.

일반적으로 폭발 소음원 위치는 TDOA 기법을 적용하여 포탄의 임팩트 위치를 추정하고 있다.

도 1은 해상 시험 환경에서 포탄 성능 평가가 수행될 때 TDOA 기법을 적용하여 포탄의 임팩트 위치를 추정하는 일 예를 도시한 도면으로, 도 1을 참고하면 다수의 음향 부이(1)를 해상에 띄워 폭발 순간의 음파를 측정하는 시스템 개발할 때, 포탄의 경우 탄착지에서의 임팩트 소음을 해상 음향 부이(1)에서 측정하고, 측정 소음 신호를 기반으로 한 TDOA 기법을 적용하여 포탄의 임팩트 위치를 추정하는 것이다.

음향센서 어레이를 이용한 소음 측정 시 소음원에서 발생한 음압신호는 측정 센서의 위치에 따라 각각 서로 다른 시각에 수집된다. 각 음향 부이(1)에 도달한 신호의 위상은 GPS(2)를 이용하여 동기화된 GPS 시간 정보로 보정되고, 음향 부이(1) 간 발생하는 시간 차를 계산하여 도달지연시간을 구한다. 두 음향 부이(1) 간의 TDOA를 기하학적 거리로 계산하면 쌍곡선으로 표현되며, 다른 음향 부이(1) 쌍에서 계산한 쌍곡선들과의 교점으로부터 소음원의 위치를 추정하는 것이 TDOA(Time Difference Of Arrival) 기법이다. 음향 부이(1) 간의 도달지연시간은 비선형화된 식으로 표현이 되며 테일러 급수를 통해 선형화하여 계산한다.

그러나 소음원 위치는 TDOA 기법을 적용하여 포탄의 임팩트 위치를 추정하는 경우 음파의 전파속도와 진행거리 및 방향에 바람이 영향을 주기 때문에 음파가 센서에 도달할 때 측정오차가 발생하게 되는 문제점이 있었다.

이에 TDOA 기법을 적용하여 추정된 위치의 추정 정확도에 대한 신뢰성이 낮아지는 문제점이 발생하는 것이다.

국내특허공개 제2009-0128221호 '음원 위치 추정 방법 및 그 방법에 따른 시스템'(2009.12.15 공개)

본 발명의 목적은 TDOA를 기반으로 한 소음원의 위치추정 과정 중 바람에 의해 발생하는 오차를 음선 추적 기법을 이용하여 보정하여 소음원의 위치를 더 정확하게 추정할 수 있는 소음원 위치 추정 장치 및 소음원 위치 추정 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 소음원 위치 추정 장치는, 서로 거리를 두고 이격되게 배치되며 소음원에서 발생되는 음향신호를 측정하는 복수의 음향 센서기기 및 상기 음향 센서기기로부터 측정된 음향신호를 전달받아 소음원의 위치를 추정하는 소음원 추정 단말기를 포함하며, 상기 음향 센서기기는, 소음원에서 발생되는 음향신호를 측정하는 음향신호 측정부, 주변의 바람의 방향을 감지하는 풍향 감지부, 주변의 바람의 세기를 감지하는 풍속 감지부, GPS 센서부 및 상기 음향신호 측정부, 상기 풍향 감지부, 상기 풍속 감지부, 상기 GPS 센서부로부터 음향신호 데이터, 풍향 데이터, 풍속데이터, GPS 위치데이터를 전달받고 무선 통신부를 통해 상기 소음원 추정 단말기로 전달하는 데이터 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 소음원 추정 단말기는 상기 데이터 제어부로 전달받은 데이터로 도달지연시간(TDOA ;Time Difference Of Arrival) 방법으로 소음원의 위치를 추정하는 TDOA 위치 추정부 및 상기 TDOA 위치 추정부에서 추정된 소음원의 추정위치(x_ray, y_ray)를 음파에 대한 바람의 영향을 고려하여 보정하는 위치보정 연산부를 포함하며, 상기 TDOA 위치 추정부는 X축과 Y축의 2차원 평면에 상기 음향 센서기기의 위치 좌표와 추정된 소음원의 위치좌표를 표시할 수 있는 격자를 표시하고 도달시간지연시간(DOA ;Time Difference Of Arrival) 방법으로 소음원의 위치를 1차 추정할 수 있다.

본 발명에서 상기 위치보정 연산부는 상기 2차원 평면의 각 격자 내에서의 바람 벡터를 계산하는 바람 벡터 계산부, 상기 TDOA 위치 추정부에서 추정된 소음원의 추정위치(x_ray, y_ray)의 주변에서 바람의 속도와 방향을 고려하여 후보추정위치들을 설정하는 후보위치설정부, 각 후보추정위치의 전방향으로 일정한 각도로 음선을 생성하고 각 음선을 각 벡터의 바람 벡터와 음선 벡터의 합으로 이동시켜 상기 후보추정위치에서 음선이 각 음향 센서기기에 도달하는 도달시간을 계산하는 도달시간 계산부, 각 후보추정위치에서의 계산된 도달시간을 통해 각 후보추정위치에서의 음선 도달지연시간(TDOA_m)을 계산하는 음선 도달지연시간 계산 및 상기 음선 도달지연시간(TDOA_m)과 상기 음향 센서기기에서 측정된 측정시점으로부터의 측정 도달지연시간(TDOA_r)의 RSME를 비교하여 최소가 되는 후보추정위치를 소음원의 보정위치로 결정하는 소음원의 보정위치 결정부를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 바람 벡터 계산부는 각 상기 음향 센서기기의 위치에서 측정된 바람 벡터를 보간법을 이용하여 각 격자점에서의 바람 벡터를 획득한 후 격자를 구성하는 격자점들의 바람 벡터의 평균값으로 격자의 바람 벡터를 계산할 수 있다.

본 발명에서 상기 도달지연시간 비교계산부는 하기 수학식 1을 이용하여 RSME를 계산할 수 있다.

[수학식 1]

N : 후보추정위치의 개수

k : 음향센서기기 표시

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 목적을 달성하기 위한 소음원 위치 추정 방법은 음향신호 데이터, 풍향 데이터, 풍속데이터, GPS 위치데이터를 서로 거리를 두고 이격되게 배치된 다수의 음향 센서기기로부터 전달받는 위치추정 정보수신단계, 상기 위치추정 정보수신단계에서 수신된 음향신호 데이터와 GPS 위치데이터로 도달지연시간(TDOA ;Time Difference Of Arrival) 방법을 이용하여 소음원의 위치를 추정하는 소음원 위치추정단계 및 상기 소음원 위치추정단계에서 추정된 소음원의 위치를 풍향 데이터, 풍속데이터로 바람의 영향을 고려하여 보정하는 소음원 위치보정단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 소음원 위치추정단계는, 좌표공간 설정 및 음향 센서기기의 위치 결정하는 과정, 상기 음향 센서기기의 2차원 공간 좌표 확인하는 과정, GPS 시간에 동기화하는 과정, TDOA 방법으로 2차원 공간 상의 소음원 추정위치(x_ray, y_ray) 계산하는 과정을 포함하며, 상기 좌표공간 설정은 모든 상기 음향 센서기기의 위치를 표시할 수 있도록 X축과 Y축의 2차원 평면에 상기 음향 센서기기의 위치 좌표와 추정된 소음원의 위치좌표를 표시할 수 있는 격자를 표시될 수 있다.

본 발명에서 상기 소음원 위치보정단계는 상기 소음원 추정위치(x_ray, y_ray)의 주변에서 후보추정위치들을 선정하는 소음원 위치 후보군 선정과정, 각 후보추정위치의 전방향으로 일정한 각도로 음선을 생성하고 각 음선을 각 격자에서의 바람 벡터와 음선 벡터의 합으로 이동시켜 상기 후보추정위치에서 음선이 각 음향 센서기기에 도달하는 도달시간을 계산하는 도달시간 계산과정, 각 후보추정위치에서의 계산된 도달시간을 통해 각 후보추정위치에서의 음선 도달지연시간(TDOA_m)을 계산하는 과정, 상기 음선 도달지연시간(TDOA_m)과 상기 음향 센서기기에서 측정된 측정시점으로부터의 측정 도달지연시간(TDOA_r)의 RSME를 비교하여 최소가 되는 후보추정위치를 소음원의 보정위치로 결정하는 소음원의 보정위치 결정과정을 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 각 격자에서의 바람 벡터는 각 상기 음향 센서기기의 위치에서 측정된 바람 벡터를 보간법을 이용하여 각 격자점에서의 바람 벡터를 획득한 후 격자를 구성하는 격자점들의 바람 벡터의 평균값으로 계산될 수 있다.

본 발명에서 상기 소음원의 보정위치 결정과정은 하기 수학식 1을 이용하여 RSME를 계산할 수 있다.

[수학식 1]

N : 후보추정위치의 개수

k : 음향센서기기 표시

본 발명은 대기환경에서 TDOA를 기반으로 한 소음원의 위치 추정 시 바람에 의한 영향을 고려하여 소음원의 위치를 보정하여 추정함으로써 더 정확하게 소음원의 위치를 추정하고, 위치 추정에 따른 신뢰도를 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 해상 시험 환경에서 포탄 성능 평가가 수행될 때 TDOA 기법을 적용하여 포탄의 임팩트 위치를 추정하는 일 예를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 소음원 위치 추정 장치의 일 실시 예를 도시한 블럭도.
도 3은 페르마의 정리에 의해서 굴절되는 음선의 기하학적 형태를 도시한 도면.
도 4는 음파가 바람이 부는 공간을 지나갈 때 음선의 굴절이 발생하는 형태를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 소음원 위치 추정 방법의 일 실시 예를 도시한 공정도.
도 6은 본 발명에 따른 소음원 위치 추정 방법에서 소음원 위치추정단계의 일 실시 예를 도시한 공정도.
도 7은 본 발명에 따른 소음원 위치 추정 방법에서 소음원 위치보정단계의 일 실시 예를 도시한 공정도.
도 8은 본 발명에 따른 소음원 위치 추정 방법의 2차원 평면에서 소음원의 위치 후보군을 설정한 후 추정된 소음원의 위치를 풍향 데이터, 풍속데이터로 바람의 영향을 고려하여 보정하는 예를 도시한 개략도.
도 9는 본 발명에 따른 소음원 위치 추정 방법에서 바람이 선형적으로 증가하는 일 실시예를 도시한 풍속 그래프.
도 10은 본 발명에 따른 소음원 위치 추정 방법에서 바람이 무작위적으로 분포하는 일 실시예를 도시한 풍속 그래프.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 소음원 위치 추정 장치의 일 실시 예를 도시한 블럭도로써, 본 발명의 일 실시예에 의한 소음원 위치 추정 장치에서 음향 센서기기(10)의 구성 및 소음원 추정 단말기(20)의 구성을 도시한 블럭도이다.

본 발명에 따른 소음원 위치 추정 장치는 서로 거리를 두고 이격되게 배치되며 소음원에서 발생되는 음향신호를 측정하는 복수의 음향 센서기기(10)를 포함한다.

또한, 상기 음향 센서기기(10)에서 측정된 음향신호는 소음원 추정 단말기(20)로 전달되고, 상기 소음원 추정 단말기(20)는 상기 음향 센서기기(10)로부터 측정된 음향신호로 소음원의 위치를 추정한다.

상기 음향 센서기기(10)는 소음원에서 발생되는 음향신호를 측정하는 음향신호 측정부(11)를 포함한다.

또한, 상기 음향 센서기기(10)는 주변의 바람의 방향을 감지하는 풍향 감지부(12), 주변의 바람의 세기를 감지하는 풍속 감지부(13)를 포함하며, 설치 위치를 감지할 수 있도록 GPS 센서부(14)를 포함한다.

상기 음향신호 측정부(11)에서 측정된 음향신호 데이터, 상기 풍향 감지부(12)와 상기 풍속 감지부(13)에서 감지된 풍향 및 풍속 데이터, 상기 GPS 센서부(14)로부터 감지된 음향 센서기기(10)의 설치 위치 즉, GPS 위치데이터는 데이터 제어부(15)로 전달된다.

상기 음향신호 측정부(11)에서 측정된 음향신호 데이터에는 음향이 측정된 시점에 대한 음향측정 시점도 포함되어 상기 소음원 추정 단말기(20)에서 각각의 상기 음향 센서기기(10)에서의 측정 도달지연시간을 확인할 수 있게 한다.

상기 데이터 제어부(15)는 상기 소음원 추정 단말기(20)와 무선통신할 수 있는 무선 통신부(16)를 구비하여 상기 무선 통신부(16)를 통해 상기 음향신호 데이터, 상기 풍향 데이터, 상기 풍속데이터, 상기 GPS 위치데이터를 상기 소음원 추정 단말기(20)로 전송한다.

상기 소음원 추정 단말기(20)는 상기 데이터 제어부(15)로 전달받은 데이터로 도달지연시간(TDOA ;Time Difference Of Arrival) 방법으로 소음원의 위치를 추정하는 TDOA 위치 추정부(21); 및 상기 TDOA 위치 추정부(21)에서 추정된 소음원의 추정위치(x_ray, y_ray)를 음파에 대한 바람의 영향을 고려하여 보정하는 위치보정 연산부(22)를 포함한다.

상기 TDOA 위치 추정부(21)는 X축과 Y축의 2차원 평면에 상기 음향 센서기기(10)의 위치 좌표와 추정된 소음원의 위치좌표를 표시할 수 있는 격자를 표시하고 도달시간지연시간(DOA ;Time Difference Of Arrival) 방법으로 소음원의 위치를 1차 추정하는 것으로 하기의 소음원 위치 추정 방법에서 더 상세하게 설명함을 밝혀둔다.

또한, 상기 위치보정 연산부(22)는 상기 2차원 평면의 각 격자 내에서의 바람 벡터를 계산하는 바람 벡터 계산부, 상기 TDOA 위치 추정부(21)에서 추정된 소음원의 추정위치(x_ray, y_ray)의 주변에서 바람의 속도와 방향을 고려하여 후보추정위치들을 설정하는 후보위치설정부, 각 후보추정위치의 전방향으로 일정한 각도로 음선을 생성하고 각 음선을 각 벡터의 바람 벡터와 음선 벡터의 합으로 이동시켜 상기 후보추정위치에서 음선이 각 음향 센서기기(10)에 도달하는 도달시간을 계산하는 도달시간 계산부, 각 후보추정위치에서의 계산된 도달시간을 통해 각 후보추정위치에서의 음선 도달지연시간(TDOA_m)을 계산하는 음선 도달지연시간 계산부, 상기 음선 도달지연시간(TDOA_m)과 상기 음향 센서기기(10)에서 측정된 측정시점으로부터의 측정 도달지연시간(TDOA_r)의 RSME를 비교하여 최소가 되는 후보추정위치를 소음원의 보정위치로 결정하는 소음원의 보정위치 결정부를 포함하는 것을 일 예로 한다.

상기 바람 벡터 계산부는 각 상기 음향 센서기기(10)의 위치에서 측정된 바람 벡터를 보간법을 이용하여 각 격자점에서의 바람 벡터를 획득한 후 격자를 구성하는 격자점들의 바람 벡터의 평균값으로 격자의 바람 벡터를 계산하는 것을 일 예로 한다.

한편, 음파에 대한 바람의 영향은 하기에서 설명한다.

음선의 방향은 바람에 따라 변하며 바람이 없는 경우 음선은 직진하고 바람이 있으면 바람 방향으로 음선이 굴절한다. 소음을 측정하는 필드 내 풍속, 풍향의 분포에 따라 음선의 굴절각이 영향을 받으며, 음파의 실제 경로와 기하학적 최단경로가 차이가 발생한다. 본 발명에서 음선추적 방법을 적용하기 위해 하기 수학식 2와 같이 음선 벡터

와 바람 벡터

의 합을 음파 진행방향으로 계산한다. 대기에서 진행하는 음파는 매질인 공기의 움직임과 함께 이동한다고 가정한다.

[수학식 2]

또한, 다른 풍속의 영역을 음파가 통과할 때 음선이 최단경로를 따라 이동하는 페르마의 정리에 의해서 굴절되는 음선의 기하학적 형태를 도 3에서 확인할 수 있다. 두 매질의 음속이 다르고 풍속이 다를 때 에서 전파되는 음파가 에 전달되는 경로를 설명하고 있다. 각 격자 사이에서 음파의 방향은 하기의 수학식 3과 같다.

[수학식 3]

도 4는 음파가 바람이 부는 공간을 지나갈 때 음선의 굴절이 발생하는 형태를 보이고 있다. 위 식을 바탕으로 바람이 존재하는 형태에 따라 음선의 형태에 영향을 받는 것을 확인할 수 있다. 바람이 균일하게 분포한 공간을 지날 때 음선은 직선형으로 굴절하며 선형적인 분포 공간에서는 곡선형으로 굴절한다.

본 발명은 상기한 바와 같이 TDOA를 기반으로 한 소음원의 위치 추정 시 바람에 의한 영향을 고려하여 소음원의 위치를 보정하여 추정하는 것이며 도 5는 본 발명에 따른 소음원 위치 추정 방법의 일 실시 예를 도시한 공정도이다.

도 5를 참고하면, 본 발명에 따른 소음원 위치 추정 방법의 일실시예는 음향신호 데이터, 풍향 데이터, 풍속데이터, GPS 위치데이터를 다수의 음향 센서기기(10)로부터 전달받는 위치추정 정보수신단계(S100), 상기 위치추정 정보수신단계(S100)에서 수신된 음향신호 데이터와 GPS 위치데이터로 도달지연시간(TDOA ;Time Difference Of Arrival) 방법을 이용하여 소음원의 위치를 추정하는 소음원 위치추정단계(S200) 및 상기 소음원 위치추정단계(S200)에서 추정된 소음원의 위치를 풍향 데이터, 풍속데이터로 바람의 영향을 고려하여 보정하는 소음원 위치보정단계(S300)를 포함한다.

본 발명에 따른 소음원 위치 추정 방법은 상기 소음원 추정 단말기(20) 내에 프로그램으로 설치되는 상기 TDOA 위치 추정부(21)와 상기 위치보정 연산부(22)로부터 실행되는 것으로 더 상세하게 설명하면 하기와 같다.

상기 음향신호 데이터는 음향이 측정된 시점에 대한 음향측정 시점에 대한 데이터로써 상기 소음원 위치추정단계(S200)에서 각 소음원에서 소음이 발생된 시점에 대해 각 음향 센서기기(10)까지의 측정 도달지연시간(TDOA_r)을 측정할 수 있게 한다.

도 6은 본 발명에 따른 소음원 위치 추정 방법에서 소음원 위치추정단계(S200)의 일 실시 예를 도시한 공정도로써 도 6을 참고하면 상기 소음원 위치추정단계(S200)는 좌표공간 설정 및 음향 센서기기(10)의 위치 결정하는 과정(S210), 상기 음향 센서기기(10)의 2차원 공간 좌표 확인하는 과정(S220), GPS 시간에 동기화하는 과정(S230), TDOA 방법으로 2차원 공간 상의 소음원 추정위치(x_ray, y_ray) 계산하는 과정(S240)을 포함한다.

상기 좌표공간 설정은 모든 상기 음향 센서기기(10)의 위치를 표시할 수 있도록 X축과 Y축의 2차원 평면에 상기 음향 센서기기(10)의 위치 좌표와 추정된 소음원의 위치좌표를 표시할 수 있는 격자를 표시한다.

상기 TDOA 방법으로 2차원 공간 상의 소음원 추정위치(x_ray, y_ray)를 계산하는 과정(S240)은 신호쌍에 대한 도달지연시간 계산하여 도달지연거리를 계산하고, 도달지연거리의 교점을 추정하고, 추정된 교점으로부터 음선추적 경계를 설정하여 소음원의 추정위치(x_ray, y_ray)를 결정하는 것이다.

상기 TDOA 방법으로 2차원 공간 상의 소음원 추정위치(x_ray, y_ray)를 계산하는 과정(S240)을 더 상세하게 설명하면 직교좌표계에서 소음원의 실제 위치를 (x, y, z), 측정 위치를 (x_i, y_i, z_i)로 정의하고 소음원과 각 측정지점 즉, 각 음향 센서기기(10)까지의 거리를 r_i로 나타내면, 센서 i와 센서 j의 소음원까지 거리들의 차 d_ij는 하기의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 4]

도달지연시간τ_ij은 음속c으로 음파가 전파된 거리를 간 시간이므로 하기의 수학식 5로 계산될 수 있다.

[수학식 5]

n개의 측정 센서로 구성된 어레이 측정값에서 n(n-1)/2개의 τ_ij를 계산할 수 있다. 이렇게 얻어지는 도달지연시간의 관계는 비선형 연립방정식의 형태로 정리되며, 테일러급수를 이용하여 선형화하여 구한 해로 소음원의 위치를 추정할 수 있다. 이 과정에서 최소자승법을 이용하여 테일러급수 오차가 최소가 되는 위치가 추정값이 되며, 소음원 위치의 초기 가정값과 추정값과의 오차가 수렴할 때까지 반복하여 계산을 수행하며 추정값을 결정하는 것으로 이러한 상기 TDOA 방법으로 2차원 공간 상의 소음원 추정위치(x_ray, y_ray) 계산하는 것은 공지의 것으로 더 상세한 설명은 생략함을 밝혀둔다.

도 7은 본 발명에 따른 소음원 위치 추정 방법에서 소음원 위치보정단계(S300)의 일 실시 예를 도시한 공정도이며, 도 8은 본 발명에 따른 소음원 위치 추정 방법의 2차원 평면에서 소음원의 위치 후보군을 설정한 후 추정된 소음원의 위치를 풍향 데이터, 풍속데이터로 바람의 영향을 고려하여 보정하는 예를 도시한 개략도이다.

도 7 및 도 8을 참고하면 상기 소음원 위치보정단계(S300)는 상기 소음원 추정위치(x_ray, y_ray)의 주변에서 후보추정위치들을 선정하는 소음원 위치 후보군 선정과정(S310), 각 후보추정위치의 전방향으로 일정한 각도로 음선을 생성하고 각 음선을 각 격자에서의 바람 벡터와 음선 벡터의 합으로 이동시켜 상기 후보추정위치에서 음선이 각 음향 센서기기(10)에 도달하는 도달시간을 계산하는 도달시간 계산과정(S320), 각 후보추정위치에서의 계산된 도달시간을 통해 각 후보추정위치에서의 음선 도달지연시간(TDOA_m)을 계산하는 과정(S330), 상기 음선 도달지연시간(TDOA_m)과 상기 음향 센서기기(10)에서 측정된 측정시점으로부터의 측정 도달지연시간(TDOA_r)의 RSME를 비교하여 최소가 되는 후보추정위치를 소음원의 보정위치로 결정하는 소음원의 보정위치 결정과정(S340)을 포함한다.

상기 각 격자에서의 바람 벡터는 각 상기 음향 센서기기(10)의 위치에서 측정된 바람 벡터를 보간법을 이용하여 각 격자점에서의 바람 벡터를 획득한 후 격자를 구성하는 격자점들의 바람 벡터의 평균값으로 계산되는 것을 일 예로 한다.

상기 도달지연시간 비교계산부 및 상기 도달지연시간 비교계산부에서 행해지는 상기 소음원의 보정위치 결정과정(S340)은 하기 수학식 1을 이용하여 RSME를 계산한다.

[수학식 1]

N : 후보추정위치의 개수

k : 음향센서기기 표시

한편, 본 발명에 따른 소음원 위치 추정 장치 및 소음원 위치 추정 방법을 이용하여 소음원 위치 추정을 시뮬레이션한 실시 예를 하기에서 설명한다.

하기의 실시 예의 조건은 온도 22℃, 신호는 펄스 신호로 구성하였다. 4개의 음향 센서기기(10)의 위치는 소음원을 임의의 위치에서 둘러싸도록 배치하고 소음원 및 각 음향 센서기기(10) 즉, 제1음향 센서기기(A), 제2음향 센서기기(B), 제3음향 센서기기(C), 제4음향 센서 기기(D)의 좌표는 [표 1]과 같 선정하였다. 풍향 풍속은 각 음향 센서기기에서 측정하는 것을 가정하여 조건을 생성하였으며 하기의 실시 예1은 균일한 바람인 경우이고, 하기의 실시 예 2는 선형적으로 증가하는 바람인 경우, 하기의 실시예 3은 무작위적으로 부는 바람의 경우에 대해 시뮬레이션을 수행한 것임을 밝혀둔다.

	소음원(X)	제1음향 센서기기(A)	제2음향 센서기기(B)	제3음향 센서기기(C)	제4음향 센서기기(D)
x[m]	0	33.67	-5.09	-32.68	15.89
y[m]	0	19.55	30.04	12.87	-62.04
z[m]	2	2	2	2	2

(1) 실시 예1

균일한 바람인 경우는 네 개 상기 음향 센서기기에서 같은 풍향풍속인 경우다. 속도는 1m/s부터까지 증가하며 본 발명에 따른 소음원 위치 추정 장치를 이용한 소음원 위치 추정 방법으로 시뮬레이션한 결과는 하기의 [표 2]에서 확인한다.

즉, 하기의 표 2는 바람이 없는 경우와 각 네 개 상기 음향 센서기기에서 풍속이 1m/s로 동일한 경우, 풍속이 2m/s로 동일한 경우, 풍속이 3m/s로 동일한 경우, 풍속이 4m/s로 동일한 경우, 풍속이 5m/s로 동일한 경우, 풍속이 6m/s로 동일한 경우, 풍속이 7m/s로 동일한 경우, 풍속이 8m/s로 동일한 경우, 풍속이 8m/s로 동일한 경우, 풍속이 9m/s로 동일한 경우, 풍속이 10m/s로 동일한 경우에 각각 상기 소음원 위치추정단계(S200)에 의한 즉, TDOA 방법으로 계산된 2차원 공간 상의 소음원 추정위치(x_ray, y_ray)와 이를 소음원 위치보정단계(S300)로 보정한 소음원의 보정위치를 각각 확인할 수 있다.

풍속(m/s)	소음원 추정위치			소음원의 보정위치
풍속(m/s)	x[m]	y[m]	거리 오차(m]	x[m]	y[m]	거리 오차(m]
0	0.0000	0.0000	0.0000	0.0000	0.0000	0.0000
1	-0.0006	-0.1432	0.1432	-0.0006	-0.0032	0.0032
2	-0.0013	-0.2862	0.2862	-0.0013	0.0038	0.0040
3	-0.0021	-0.4290	0.4290	-0.0021	0.0010	0.0023
4	-0.0029	-0.5716	0.5716	-0.0029	-0.0016	0.0033
5	-0.0037	-0.7140	0.7140	-0.0037	0.0060	0.0070
6	-0.0047	-0.8563	0.8563	-0.0047	0.0037	0.0060
7	-0.0057	-0.9984	0.9984	-0.0057	0.0016	0.0059
8	-0.0067	-1.1404	1.1404	0.0033	-0.0004	0.0033
9	-0.0078	-1.2821	1.2821	0.0022	-0.0021	0.0030
10	-0.0090	-1.4238	1.4238	0.0010	-0.0038	0.0039

상기 표 2에서와 같이 TDOA 방법으로 추정한 소음원 추정위치(x_ray, y_ray)는 바람의 속도의 크기에 따라 거리오차의 크기가 증가하였다. 소음원 추정위치(x_ray, y_ray)가 y축에 따르지 않고 사선으로 되는 이유는 센서의 배열과 바람 조건에 의한 영향 때문이다. 본 발명에 따른 상기 소음원 위치보정단계(S300)로 바람 보정할 경우 TDOA 방법으로 추정한 소음원 추정위치(x_ray, y_ray)에 비해 정확도가 향상되는 것을 확인할 수 있다. 본 발명에 따른 상기 소음원 위치보정단계(S300)로 바람 보정 이후에 발생하는 거리오차는 소음원 추정위치(x_ray, y_ray) 값을 기준으로 일정거리 떨어진 점들로부터 음선추적을 했기 때문으로 격자 크기에 의해 영향을 받을 수 있다.

(2)실시예2

본 발명의 실시 예2는 도 9와 같이 바람이 선형적으로 증가하는 경우에 하기 표 3의 조건으로 풍속만 1m/s에서 4m/s까지 분포하도록 했고 풍향은 북풍으로 일정하게 유지하여 본 발명에 따른 소음원 위치 추정 장치를 이용한 소음원 위치 추정 방법으로 시뮬레이션 한 것이며 시뮬레이션한 TDOA 방법으로 추정한 소음원 추정위치(x_ray, y_ray)와 상기 소음원 위치보정단계(S300)로 바람 보정한 소음원의 보정위치에 대한 결과는 하기의 표 4에서 확인한다.

	풍속(m/s)	풍향
제1음향 센서기기	1	N
제2음향 센서기기	3	N
제3음향 센서기기	4	N
제4음향 센서기기	2	N

소음원 추정위치		소음원의 보정위치
x[m]	y[m]	x[m]	y[m]
0.0372	-0.3320	-0.0028	-0.0020

상기 표 4를 보면 본 발명에 의한 소음원 위치보정단계(S300)로 바람 보정한 소음원의 보정위치로 더 정확하게 소음원의 위치를 추정하는 것을 확인할 수 있다.

(2)실시예3

본 발명의 실시 예3은 도 10과 같이 바람이 무작위적으로 분포하는 경우 하기 표 5의 조건으로 풍속을 분포하도록 했고 풍향은 북동, 동풍, 북동, 북풍으로 각각 다르게 설정하여 본 발명에 따른 소음원 위치 추정 장치를 이용한 소음원 위치 추정 방법으로 시뮬레이션 한 것이며 시뮬레이션한 TDOA 방법으로 추정한 소음원 추정위치(x_ray, y_ray)와 상기 소음원 위치보정단계(S300)로 바람 보정한 소음원의 보정위치에 대한 결과는 하기의 표 6에서 확인한다.

	풍속(m/s)	풍향
제1음향 센서기기	1	NE
제2음향 센서기기	2	E
제3음향 센서기기	3	NE
제4음향 센서기기	4	N

소음원 추정위치		소음원의 보정위치
x[m]	y[m]	x[m]	y[m]
-0.1206	-0.3628	-0.0006	-0.0028

상기 표 6을 보면 본 발명에 의한 소음원 위치보정단계(S300)로 바람 보정한 소음원의 보정위치로 더 정확하게 소음원의 위치를 추정하는 것을 확인할 수 있다.

본 발명을 통해 TDOA 방법으로 소음원의 위치를 추정하는 것에서 바람에 의해 발생되는 위치 추정값 오차를 측정된 바람의 정보를 기반으로 음선추적기법을 통해 오차를 줄일 수 있다. 본 발명에 따른 음선추적 기법 수행 시 센서를 향해 생성하는 음선들의 간 간격이 보정 정확도에 영향을 주는 중요한 인자인 것을 확인하였고, 음선추적을 통한 바람 보정은 유동이 존재하는 공간에서 바람 정보가 정확히 있는 한 매우 유효한 기법이며 도달시간을 정확히 계산함으로써 TDOA 추정값의 정확도 보완이 가능한 것을 확인한 것이다.

본 발명은 대기환경에서 TDOA를 기반으로 한 소음원의 위치 추정 시 바람에 의한 영향을 고려하여 소음원의 위치를 보정하여 추정함으로써 더 정확하게 소음원의 위치를 추정하고, 위치 추정에 따른 신뢰도를 향상시킨다.

이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구 범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

10 : 음향 센서기기 11 : 음향신호 측정부
12 : 풍향 감지부 13 : 풍속 감지부
14 : GPS 센서부 15 : 데이터 제어부
16 : 무선 통신부 20 : 소음원 추정 단말기
21 : TDOA 위치 추정부 22 : 위치보정 연산부
S100 : 위치추정 정보수신단계 S200 : 소음원 위치추정단계
S300 : 소음원 위치보정단계

Claims

서로 거리를 두고 이격되게 배치되며 소음원에서 발생되는 음향신호를 측정하는 복수의 음향 센서기기; 및
상기 음향 센서기기로부터 측정된 음향신호를 전달받아 소음원의 위치를 추정하는 소음원 추정 단말기를 포함하며,
상기 음향 센서기기는, 소음원에서 발생되는 음향신호를 측정하는 음향신호 측정부,
주변의 바람의 방향을 감지하는 풍향 감지부;
주변의 바람의 세기를 감지하는 풍속 감지부;
GPS 센서부; 및
상기 음향신호 측정부, 상기 풍향 감지부, 상기 풍속 감지부, 상기 GPS 센서부로부터 음향신호 데이터, 풍향 데이터, 풍속데이터, GPS 위치데이터를 전달받고 무선 통신부를 통해 상기 소음원 추정 단말기로 전달하는 데이터 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 소음원 위치 추정 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 소음원 추정 단말기는 상기 데이터 제어부로 전달받은 데이터로 도달지연시간(TDOA ;Time Difference Of Arrival) 방법으로 소음원의 위치를 추정하는 TDOA 위치 추정부; 및
상기 TDOA 위치 추정부에서 추정된 소음원의 추정위치(x_ray, y_ray)를 음파에 대한 바람의 영향을 고려하여 보정하는 위치보정 연산부를 포함하며,
상기 TDOA 위치 추정부는 X축과 Y축의 2차원 평면에 상기 음향 센서기기의 위치 좌표와 추정된 소음원의 위치좌표를 표시할 수 있는 격자를 표시하고 도달시간지연시간(DOA ;Time Difference Of Arrival) 방법으로 소음원의 위치를 1차 추정하는 것을 특징으로 하는 소음원 위치 추정 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 위치보정 연산부는,
상기 2차원 평면의 각 격자 내에서의 바람 벡터를 계산하는 바람 벡터 계산부;
상기 TDOA 위치 추정부에서 추정된 소음원의 추정위치(x_ray, y_ray)의 주변에서 바람의 속도와 방향을 고려하여 후보추정위치들을 설정하는 후보위치설정부;
각 후보추정위치의 전방향으로 일정한 각도로 음선을 생성하고 각 음선을 각 벡터의 바람 벡터와 음선 벡터의 합으로 이동시켜 상기 후보추정위치에서 음선이 각 음향 센서기기에 도달하는 도달시간을 계산하는 도달시간 계산부;
각 후보추정위치에서의 계산된 도달시간을 통해 각 후보추정위치에서의 음선 도달지연시간(TDOA_m)을 계산하는 음선 도달지연시간 계산부;
상기 음선 도달지연시간(TDOA_m)과 상기 음향 센서기기에서 측정된 측정시점으로부터의 측정 도달지연시간(TDOA_r)의 RSME를 비교하여 최소가 되는 후보추정위치를 소음원의 보정위치로 결정하는 소음원의 보정위치 결정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 소음원 위치 추정 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 바람 벡터 계산부는 각 상기 음향 센서기기의 위치에서 측정된 바람 벡터를 보간법을 이용하여 각 격자점에서의 바람 벡터를 획득한 후 격자를 구성하는 격자점들의 바람 벡터의 평균값으로 격자의 바람 벡터를 계산하는 것을 특징으로 하는 소음원 위치 추정 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 도달지연시간 비교계산부는 하기 수학식 1을 이용하여 RSME를 계산하는 것을 특징으로 하는 소음원 위치 추정 장치.
[수학식 1]

N : 후보추정위치의 개수
k : 음향센서기기 표시
음향신호 데이터, 풍향 데이터, 풍속데이터, GPS 위치데이터를 서로 거리를 두고 이격되게 배치되는 다수의 음향 센서기기로부터 전달받는 위치추정 정보수신단계;
상기 위치추정 정보수신단계에서 수신된 음향신호 데이터와 GPS 위치데이터로 도달지연시간(TDOA ;Time Difference Of Arrival) 방법을 이용하여 소음원의 위치를 추정하는 소음원 위치추정단계; 및
상기 소음원 위치추정단계에서 추정된 소음원의 위치를 풍향 데이터, 풍속데이터로 바람의 영향을 고려하여 보정하는 소음원 위치보정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소음원 위치 추정 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 소음원 위치추정단계는,
좌표공간 설정 및 음향 센서기기의 위치 결정하는 과정;
상기 음향 센서기기의 2차원 공간 좌표 확인하는 과정;
GPS 시간에 동기화하는 과정;
TDOA 방법으로 2차원 공간 상의 소음원 추정위치(x_ray, y_ray) 계산하는 과정을 포함하며,
상기 좌표공간 설정은 모든 상기 음향 센서기기의 위치를 표시할 수 있도록 X축과 Y축의 2차원 평면에 상기 음향 센서기기의 위치 좌표와 추정된 소음원의 위치좌표를 표시할 수 있는 격자를 표시되는 것을 특징으로 하는 소음원 위치 추정 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 소음원 위치보정단계는,
상기 소음원 추정위치(x_ray, y_ray)의 주변에서 후보추정위치들을 선정하는 소음원 위치 후보군 선정과정;
각 후보추정위치의 전방향으로 일정한 각도로 음선을 생성하고 각 음선을 각 격자에서의 바람 벡터와 음선 벡터의 합으로 이동시켜 상기 후보추정위치에서 음선이 각 음향 센서기기에 도달하는 도달시간을 계산하는 도달시간 계산과정;
각 후보추정위치에서의 계산된 도달시간을 통해 각 후보추정위치에서의 음선 도달지연시간(TDOA_m)을 계산하는 과정;
상기 음선 도달지연시간(TDOA_m)과 상기 음향 센서기기에서 측정된 측정시점으로부터의 측정 도달지연시간(TDOA_r)의 RSME를 비교하여 최소가 되는 후보추정위치를 소음원의 보정위치로 결정하는 소음원의 보정위치 결정과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 소음원 위치 추정 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 각 격자에서의 바람 벡터는 각 상기 음향 센서기기의 위치에서 측정된 바람 벡터를 보간법을 이용하여 각 격자점에서의 바람 벡터를 획득한 후 격자를 구성하는 격자점들의 바람 벡터의 평균값으로 계산되는 것을 특징으로 하는 소음원 위치 추정 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 소음원의 보정위치 결정과정은 하기 수학식 1을 이용하여 RSME를 계산하는 것을 특징으로 하는 소음원 위치 추정 방법.
[수학식 1]

N : 후보추정위치의 개수
k : 음향센서기기 표시