KR101997387B1 - 음향 센서를 이용한 탄착점 추정 방법 및 장치 - Google Patents

음향 센서를 이용한 탄착점 추정 방법 및 장치 Download PDF

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박규식
윤원중
이현석
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단국대학교 산학협력단
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Abstract

2개의 음향 센서 어레이(array)가 각각 탄환 충격파를 검출한 시간을 추출하는 단계, 검출한 시간을 기초로 음향 센서 어레이로부터의 탄환 충격파의 방향각을 각각 산출하는 단계 및 각각 산출한 탄환 충격파의 방향각을 기초로 탄환의 탄착점을 추정하는 단계를 포함하는 음향 센서를 이용한 탄착점 추정 방법이 개시된다. 본 발명은 사격 훈련 시 사수 또는 부사수가 사로에 들어가지 않고 탄착점을 확인할 수 있으므로 사격 훈련의 잠재적 위험을 방지할 수 있다.

Description

음향 센서를 이용한 탄착점 추정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ESTIMATING TARGET IMPACT POINT USING ACOUSTIC SENSOR}
본 발명은 음향 센서를 이용한 탄착점 추정 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 음향 센서를 포함하는 음향 센서 어레이(array)를 이용하여 소총화기의 탄착점을 추정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
현재 세계적으로 시행되고 있는 사격 훈련 방법은 사격 후 사로에 들어가 표적을 직접 확인하는 방법과 충격 센서를 통해 적중 시 표적이 뒤로 넘어가 적중 여부만을 판단하는 방법이 있다. 특히, 영점 사격의 경우, 사격 후 사수가 사로에 들어가서 표적을 확인하고 돌아오는 형태로 이루어지고 있다. 이와 같이, 표적을 직접 확인하는 방법은 탄착점 확인, 표적의 교체 및 재설치 등에 있어 사용상의 번거로움과 그에 소비되는 시간으로 인해 훈련의 효율성이 낮다. 또한, 이전 사격에서 이미 관통하여 구멍이 생긴 부분에 탄착점이 생성된 경우와 표적 바깥으로 빗나간 경우는 기존 방법으로는 확인이 불가하다는 문제점이 있다.
추가적으로 사수와 부사수가 사로에 직접 들어감에 따른 잠재적인 위험 역시 존재한다. 이에 따라 사격 훈련의 효율성을 높이고 기존 문제점을 해결하기 위해 탄착점 식별 시스템(Location Of Miss And Hit, LOMAH)이 지속적으로 연구되고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 음향 센서를 이용한 탄착점 추정 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은 음향 센서를 이용한 탄착점 추정 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 탄착점 추정 방법은, 2개의 음향 센서 어레이(array)가 각각 탄환 충격파를 검출한 시간을 추출하는 단계, 검출한 시간을 기초로 음향 센서 어레이로부터의 탄환 충격파의 방향각을 각각 산출하는 단계 및 각각 산출한 탄환 충격파의 방향각을 기초로 탄환의 탄착점을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 음향 센서 어레이는, 삼각형 구조물의 각 꼭지점에 위치하는 3개의 음향 센서를 포함할 수 있다.
여기서, 검출한 시간을 기초로 음향 센서 어레이로부터의 탄환 충격파의 방향각을 각각 산출하는 단계는, 음향 센서 어레이에 포함된 복수의 음향 센서 간의 거리 및 검출한 시간을 기초로 탄환 충격파의 비행 거리를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 음향 센서 어레이에 포함된 복수의 음향 센서 간의 거리 및 검출한 시간을 기초로 탄환 충격파의 비행 거리를 산출하는 단계는, 검출한 시간을 기초로 CPSP(cross power spectrum phase) 방법을 이용하여 탄환 충격파가 복수의 음향 센서에 도달하는 시간의 차이를 산출하는 단계 및 시간의 차이 및 탄환 충격파의 속도를 기초로 탄환 충격파의 비행 거리를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 검출한 시간을 기초로 음향 센서 어레이로부터의 탄환 충격파의 방향각을 각각 산출하는 단계는, 탄환 충격파의 비행 거리를 기초로 탄환 충격파의 방향각을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 각각 산출한 탄환 충격파의 방향각을 기초로 탄환의 탄착점을 추정하는 단계는, 각각 산출한 탄환 충격파의 방향각에 따른 연장선 간의 교차점을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 각각 산출한 탄환 충격파의 방향각을 기초로 탄환의 탄착점을 추정하는 단계는, 산출한 교차점을 탄환의 탄착점으로 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 각각 산출한 탄환 충격파의 방향각에 따른 연장선 간의 교차점을 산출하는 단계는, 삼각측정법을 이용하여 교차점의 좌표를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 탄착점 추정 장치는, 프로세서(processor) 및 프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령이 저장된 메모리(memory)를 포함하고, 적어도 하나의 명령은, 2개의 음향 센서 어레이(array)가 각각 탄환 충격파를 검출한 시간을 추출하도록 실행되고, 검출한 시간을 기초로 음향 센서 어레이로부터의 탄환 충격파의 방향각을 각각 산출하도록 실행되고, 각각 산출한 탄환 충격파의 방향각을 기초로 탄환의 탄착점을 추정하도록 실행될 수 있다.
여기서, 음향 센서 어레이는, 삼각형 구조물의 각 꼭지점에 위치하는 3개의 음향 센서를 포함할 수 있다.
여기서, 적어도 하나의 명령은, 음향 센서 어레이에 포함된 복수의 음향 센서 간의 거리 및 검출한 시간을 기초로 탄환 충격파의 비행 거리를 산출하도록 실행될 수 있다.
여기서, 적어도 하나의 명령은, 검출한 시간을 기초로 CPSP(cross power spectrum phase) 방법을 이용하여 탄환 충격파가 복수의 음향 센서에 도달하는 시간의 차이를 산출하도록 실행되고, 시간의 차이 및 탄환 충격파의 속도를 기초로 탄환 충격파의 비행 거리를 산출하도록 실행될 수 있다.
여기서, 적어도 하나의 명령은, 탄환 충격파의 비행 거리를 기초로 탄환 충격파의 방향각을 산출하도록 실행될 수 있다.
여기서, 적어도 하나의 명령은, 각각 산출한 탄환 충격파의 방향각에 따른 연장선 간의 교차점을 산출하도록 실행될 수 있다.
여기서, 적어도 하나의 명령은, 산출한 교차점을 탄환의 탄착점으로 추정하도록 실행될 수 있다.
여기서, 적어도 하나의 명령은, 삼각측정법을 이용하여 교차점의 좌표를 산출하도록 실행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 사수와 부사수가 사로에 들어가지 않고 탄착점을 확인할 수 있으므로 잠재적 위험을 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 표적지 회수 및 탄착점 확인 등의 과정이 자동적으로 수행되므로 사격 훈련의 효율을 높일 수 있다.
본 발명에 따르면, 이전 탄착점과 동일한 곳에 탄착점이 생긴 경우도 확인이 가능하며, 표적을 벗어난 경우도 확인할 수 있다.
도 1은 탄환 충격파의 전파를 설정하는 도면이다.
도 2는 탄환 충격파의 파형을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄착점 추정 방법의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄착점 추정 장치의 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄환 충격파의 방향각을 산출하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 두 방향각의 교차점을 추정하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄착점 추정 방법의 동작을 설명하는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 센서 어레이 및 표적의 배치를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄착점 추정 장치의 추정 탄착점의 위치와 실제 탄착점의 위치를 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다. 이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 탄환 충격파의 전파를 설정하는 도면이다.
소총화기 사격 시 발생하는 음향 정보는 격발 시 화약이 팽창하면서 나는 소리인 총성(Muzzle Blast) 및 격발된 탄환이 초음속으로 비행할 때 탄두 부분에서 발생하는 탄환 충격파(Shock Wave)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 탄착점 추정 장치는 총구에서 발생하여 구형으로 전파되며 잡음에 약한 총성보다 특유의 파형을 가지며 식별이 쉽고 특징이 뚜렷한 탄환 충격파를 이용하여 탄착점을 추정할 수 있다.
도 1을 참조하면, 탄환 충격파는 탄환이 초음속으로 비행할 때 공기 중의 입자가 압축되어 탄두 부분을 둘러싸는 형태가 되면서 발생하게 되는 일종의 공기 파열음을 의미할 수 있다. 탄환 충격파는 도 1과 같이 탄두를 기점으로 원뿔 형태로 공기 중에 전파가 될 수 있으며, 전파 속도는 음속을 가질 수 있다.
도 1에서, t1 및 t2는 특정 시점을 의미할 수 있으며, t2는 t1보다 작을 수 있다. 또한,
Figure 112018004743461-pat00001
은 탄환의 궤적과 원뿔 사이의 각도를 의미할 수 있으며, 마하 각도 (mach-angle)라고 지칭할 수 있고, 수학식 1과 같이 산출될 수 있다.
Figure 112018004743461-pat00002
수학식 1에서 M은 마하 수(mach number)를 의미할 수 있으며, M=v/c에 의해 산출될 수 있다. 여기서, v는 탄환의 속도를 의미할 수 있고, c는 음속을 의미할 수 있다.
도 2는 탄환 충격파의 파형을 나타낸 그래프이다.
탄환 충격파는 녹음 시 나타내는 파형이 아주 짧은 시간 동안 상승했다가 하강한 다음 다시 원상태로 돌아오는 형태를 가질 수 있으며, 이러한 형태가 도 2와 같이 알파벳 N과 유사하여 N 파형(N-wave)이라고 지칭될 수 있다. 이러한 형태는 상술한 공기 중의 입자가 압축되었다가 진공이 된 부분에 공기가 다시 채워지는 현상이 발생하기 때문일 수 있다.
또한, 탄환 충격파는 탄환 충격파의 음압의 최대값 및 N 파형의 지속시간을 이용하는 Whitham 모델이라는 수학적인 모델을 이용하여 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112018004743461-pat00003
수학식 2에서 Pmax는 탄환 충격파의 음압의 최대값을 의미할 수 있고, T는 N 파형의 지속시간 T를 의미할 수 있다. 또한, l은 탄환의 길이, d는 탄환의 구경, b는 궤적과의 거리, M은 마하 수, c는 음속 및 P0는 대기압을 의미할 수 있다.
수학식 2를 참조하면, 탄환 충격파는 탄환의 속도가 중요한 영향을 끼칠 수 있으며, 탄환의 길이가 짧아질수록 및 탄환의 구경이 클수록 탄환 충격파의 음압의 최대값은 클 수 있으며, N 파형의 길이도 길어질 수 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 탄환 충격파의 녹음이 어려운 상황에서는 수학식 2를 통해 N 파형을 모델링하여 탄환 충격파를 재현할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄착점 추정 방법의 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄착점 추정 방법은 음향 센서에 도달하는 탄환 충격파의 도착 시간 차이(Time Delay Of Arrival, TDOA) 및 음향 센서 어레이(array)의 배치 정보를 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄착점 추정 방법은 탄환 충격파가 발생한 지점 및 음향 센서 어레이 사이의 거리가 충분히 멀고, 어레이 내 복수의 음향 센서 사이의 거리가 충분히 가까워 탄환 충격파가 마이크로폰 어레이에 평면으로 입사한다고 가정할 수 있다.
상술한 가정 하에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄착점 추정 방법은 2개의 음향 센서 어레이 각각에서 탄환 충격파의 입사 방향각을 산출할 수 있고, 산출한 2개의 입사 방향각에 따른 연정선의 교차점을 산출하여 탄착점을 추정할 수 있다.
다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 추정 방법은 크게 두 단계로 구성될 수 있다. 제1 단계는 음향 센서 어레이로부터 탄환 충격파의 방향각을 산출하는 단계이고, 제2 단계는 방향각으로부터 연장선의 교차점을 산출하여 교차점의 좌표를 탄착점으로 추정하는 단계이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄착점 추정 장치의 블록 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄착점 추정 장치(400)는 적어도 하나의 프로세서(410), 메모리(420) 및 저장 장치(430)를 포함할 수 있다.
프로세서(410)는 메모리(420) 및/또는 저장 장치(430)에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 프로세서(410)는 중앙 처리 장치(central processing unit, CPU), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit, GPU) 또는 본 발명에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 메모리(420)와 저장 장치(430)는 휘발성 저장 매체 및/또는 비휘발성 저장 매체로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(420)는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및/또는 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM)로 구성될 수 있다.
메모리(420)는 프로세서(410)를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령을 저장하고 있을 수 있다. 적어도 하나의 명령은 2개의 음향 센서 어레이가 각각 탄환 충격파를 검출한 시간을 추출하는 명령, 검출한 시간을 기초로 음향 센서 어레이로부터의 탄환 충격파의 방향각을 각각 산출하는 명령 및 각각 산출한 탄환 충격파의 방향각을 기초로 탄환의 탄착점을 추정하는 명령을 포함할 수 있다.
프로세서(410)는 메모리(420)에 저장된 적어도 하나의 명령에 따라 2개의 음향 센서 어레이가 각각 탄환 충격파를 검출한 시간을 추출할 수 있다. 여기서, 프로세서(410)는 데이터 획득부(100)로부터 각 음향 센서 어레이의 각 음향 센서로부터 탄환 충격파가 도달한 시간 데이터를 획득할 수 있다.
프로세서(410)는 메모리(420)에 저장된 적어도 하나의 명령에 따라 검출한 시간을 기초로 음향 센서 어레이로부터의 탄환 충격파의 방향각을 각각 산출할 수 있다. 여기서, 프로세서(410)는 검출한 시간을 기초로 CPSP(cross power spectrum phase) 방법을 이용하여 탄환 충격파가 복수의 음향 센서에 도달하는 시간의 차이를 산출할 수 있고, 시간의 차이 및 탄환 충격파의 속도를 기초로 탄환 충격파의 비행 거리를 산출할 수 있다. 또한, 프로세서(410)는 탄환 충격파의 비행 거리를 기초로 탄환 충격파의 방향각을 산출할 수 있다. 프로세서(410)가 방향각을 산출하는 구체적인 설명은 도 5와 함께 후술하겠다.
프로세서(410)는 메모리(420)에 저장된 적어도 하나의 명령에 따라 각각 산출한 탄환 충격파의 방향각을 기초로 탄환의 탄착점을 추정할 수 있다. 여기서, 프로세서(410)는 각각 산출한 탄환 충격파의 방향각에 따른 연장선 간의 교차점을 산출할 수 있고, 산출한 교차점을 탄환의 탄착점으로 추정할 수 있다. 또한, 프로세서(410)는 삼각측정법을 이용하여 교차점의 좌표를 산출할 수 있다. 프로세서(410)가 교차점을 산출하는 구체적인 설명은 도 6과 함께 후술하겠다.
여기서, 음향 센서 어레이는 삼각형 구조물의 각 꼭지점에 위치하는 3개의 음향 센서를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄환 충격파의 방향각을 산출하는 방법을 설명하는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄환 충격파의 방향각을 산출하는 방법은 하나의 음향 센서 어레이에 대하여 설명하나, 다른 하나의 음향 센서 어레이도 동일한 방법을 통해 탄환 충격파의 방향각을 산출할 수 있다.
도 5를 참조하면, 음향 센서 어레이에 포함된 3개의 음향 센서는 삼각형의 꼭지점에 위치할 수 있다. 여기서, 삼각형은 정삼각형일 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.
탄환 충격파의 평면은 음향 센서 어레이의 3개의 음향 센서를 통과할 수 있으며, 각 음향 센서를 통과하는 시점을 t1, t2 및 t3라고 나타낼 수 있다. 다시 말해, t1은 충격파 평면이 음향 센서를 가장 먼저 통과하는 시점을 나타낼 수 있고, t2는 충격파 평면이 두 번째 음향 센서를 통과하는 시점을 나타낼 수 있으며, t3은 충격파 평면이 마지막 음향 센서를 통과하는 시점을 나타낼 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄환 충격파의 방향각을 산출하는 방법은 충격파 평면이 M1 음향 센서를 통과하는 시점을 t1, M3 음향 센서를 통과하는 시점을 t2 및 M2 음향 센서를 통과하는 시점을 t3으로 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 음향 센서 간의 거리는 S로 일정할 수 있으며, t1부터 t2까지 충격파 평면의 비행 거리를 S3으로 나타낼 수 있고, t1부터 t3까지 충격파 평면의 비행 거리를 S2로 나타낼 수 있다. 또한, t2부터 t3까지 충격파 평면의 비행거리는 S2-S3으로 나타낼 수 있다.
여기서, S2 및 S3는 각 음향 센서에 탄환 충격파의 평면이 도달한 시간 차이(TDOA) 및 음속을 가지는 탄환 충격파의 속도를 기초로 산출될 수 있다. 또한, TDOA는 각 음향 센서를 통과하는 시점에 대한 정보를 기초로 CSP(Cross-power Spectrum Phase) 방법을 이용하여 산출될 수 있다. CPSP 방법은 두 개의 음향 센서 간의 도달 시간 지연(TDOA)을 추정하는 방법 중 하나로, 최대값이 되는 CSP 계수를 찾아 도달 시간 지연(TDOA)를 추정하는 방법을 의미할 수 있다.
도 5를 참조하면,
Figure 112018004743461-pat00004
는 음향 센서 어레이를 기준으로 탄환 충격파 평면의 방향각을 의미할 수 있으며, x 및 y는 방향각을 산출하기 위한 삼각형의 밑변 및 높이를 의미할 수 있다.
여기서, x 및 y는 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018004743461-pat00005
또한, S2 및 S3는 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018004743461-pat00006
수학식 4에서 사인(sin) 및 코사인(cos) 치환을 위해 식을 변형하면 수학식 5와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112018004743461-pat00007
또한, 수학식 3의 x 및 y는 수학식 5를 이용하여 방향각 없이 수학식 6과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112018004743461-pat00008
음향 센서 어레이를 기준으로 탄환 충격파 평면의 방향각은 수학식 7과 같이 x 및 y를 이용하여 산출될 수 있으므로, 수학식 6 및 수학식 7을 기초로 방향각이 산출될 수 있다.
Figure 112018004743461-pat00009
다만, 상술한 방향각을 산출하는 방법은 이에 한정하지 않으며, 음향 센서 어레이를 기준으로 탄환 충격파 평면의 입사 방향을 고려하여 변형될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 두 방향각의 교차점을 추정하는 방법을 설명하는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄착점 추정 장치(400)는 상술한 과정을 통해 산출한 각 음향 센서 어레이로부터의 탄환 충격파 평면의 방향각을 이용하여 탄착점을 추정할 수 있다.
도 6을 참조하면, 제1 음향 센서 어레이로부터의 탄환 충격파 평면의 방향각을
Figure 112018004743461-pat00010
로 나타낼 수 있고, 제2 음향 센서 어레이로부터의 탄환 충격파 평면의 방향각을
Figure 112018004743461-pat00011
로 나타낼 수 있다. 여기서, a는 두 개의 음향 센서 어레이 간의 중심점으로부터 어느 하나의 음향 센서 어레이까지의 거리를 의미할 수 있고, x는 두 연장선의 교차점의 가로 또는 x축 좌표를 나타낼 수 있으며, y는 두 연장선의 교차점의 세로 또는 y축 좌표를 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄착점 추정 방법은 각 어레이의 M3 음향 센서로부터 방향각에 따라 연장선을 생성할 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄착점 추정 방법은
Figure 112018004743461-pat00012
및
Figure 112018004743461-pat00013
를 기초로 삼각측정법을 이용하여 다음과 같은 과정에 따라 두 연장선의 교차점의 좌표 (x, y)를 산출할 수 있다.
우선, 각 방향각, a, x 및 y는 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112018004743461-pat00014
수학식 8은 x 및 y를 산출하기 위해 각 식을 변형하여 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112018004743461-pat00015
마지막으로, 수학식 9는 각 식을 변형하여 수학식 10과 같이 표현할 수 있고, x 및 y가 산출될 수 있다.
Figure 112018004743461-pat00016
본 발명의 일 실시예에 따른 탄착점 추정 장치(400)는 상술한 과정을 통해 교차점의 좌표를 산출할 수 있고, 교차점의 좌표를 탄착점으로 추정할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄착점 추정 방법의 동작을 설명하는 순서도이다.
도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄착점 추정 방법을 설명하면, 우선, 탄착점 추정 장치(400)는 2개의 음향 센서 어레이로부터 탄환 충격파를 검출한 시간을 추출할 수 있고(S710), 검출한 시간을 기초로 복수의 음향 센서에 도달한 시간 차를 산출할 수 있다(S720). 또한, 탄착점 추정 장치(400)는 복수의 음향 센서에 도달한 시간 차를 기초로 탄환 충격파 평면의 비행 거리를 산출할 수 있고(S730), 비행 거리를 기초로 각 음향 센서 어레이로부터의 탄환 충격파 평면의 방향각을 산출할 수 있다(S740).
탄착점 추정 장치(400)는 두 방향각을 기초로 연장선을 생성할 수 있으며, 두 연장선 간의 교차점을 산출할 수 있고(S750), 교차점의 좌표를 해당 탄환의 탄착점으로 추정할 수 있다(S760).
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 센서 어레이 및 표적의 배치를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 두 개의 음향 센서 어레이는 표적의 좌우 양쪽 하단에 대칭적으로 위치할 수 있으며, 음향 센서 어레이와 표적은 같은 평면상에 위치할 수 있다.
더욱 상세하게는, 두 개의 음향 센서 어레이는 각각 정삼각형 구조물의 각 꼭지점에 위치한 3개의 음향 센서를 포함할 수 있다.
여기서, 바람직하게는 정삼각형의 한 변의 길이가 15cm일 수 있고, 각 음향 센서 어레이의 가장 바깥쪽 음향 센서의 위치가 표적의 좌우 끝 변의 아래쪽에 위치할 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.
또한, 바람직하게는 표적은 A1 용지 사이즈(90cm X 62cm)의 고무 재질 표적을 이용할 수 있으며, 두 개의 음향 센서 어레이 간의 거리는 59cm일 수 있고, 표적은 음향 센서 어레이의 바닥 변으로부터 37cm만큼 떨어져 있을 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.
탄환 충격파 신호의 획득을 위한 데이터 수집(data acquisition, DAQ) 보드는 국내 커미조아사의 LX-203 DAQ 보드를 이용할 수 있고, 샘플링 레이트(sampling rate)는 1Mhz로 설정할 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.
상술한 음향 센서 어레이 및 표적 등과 관련된 규격 정보는 하나의 실험을 위한 예시이므로, 이에 한정하지 않으며, 통상의 기술자에 의해 다양하게 수정 또는 변경될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄착점 추정 장치의 추정 탄착점의 위치와 실제 탄착점의 위치를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 상술한 규격 정보에 기초한 실험 결과, 실제 탄착점과 추정한 탄착점 간의 차이를 확인할 수 있다. 여기서, 확인할 수 있는 탄착점 데이터는 16개일 수 있다.
실제 탄착점과 추정한 탄착점 간의 차이를 분석하기 위해 절대 평균 오차(Mean Absolute Error, MAE)를 산출할 수 있으며, 수학식 11과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112018004743461-pat00017
수학식 11에서, x는 실제 탄착점의 좌표를 의미할 수 있고, y는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄착점 추정 장치에 의해 추정된 탄착점의 좌표를 의미할 수 있다.
수학식 11에 따라 16개의 탄착점 데이터에 대한 절대 평균 요차를 산출하면 표 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018004743461-pat00018
표 1을 참조하면, 사거리 100m에서 7.62mm 구경 및 5.56mm 구경의 소총화기를 이용한 경우와 사거리 200m에서 7.62mm 구경 및 5.56mm 구경의 소총화기를 이용한 경우 전체적인 절대 평균 오차는 x축으로 1cm, y축으로 4.01cm로 산출될 수 있다.
도 9 및 표 1을 참조하면, 탄착점의 오차는 y축의 오차가 x축의 오차보다 높다는 것을 알 수 있다.
표 2는 보다 상세한 분석을 위해 거리에 따른 오차를 정리한 표이다.
Figure 112018004743461-pat00019
표 2를 참조하면, 사거리 100m의 경우 절대 평균 오차는 x축으로 0.72cm, y축으로 4.12cm로 산출될 수 있고, 사거리 200m의 경우 절대 평균 오차는 x축으로 1.21cm, y축으로 3.92cm로 산출될 수 있다.
다시 말해, 거리가 늘어날수록 x축의 오차는 증가할 수 있고, y축의 오차는 감소할 수 있다.
표 3은 보다 상세한 분석을 위해 탄환의 구경에 따른 오차를 정리한 표이다.
Figure 112018004743461-pat00020
표 3을 참조하면, 두 구경의 탄환 모두 상대적으로 작은 오차를 가질 수 있으나, y축의 경우 절대 평균 오차가 7.62mm 구경의 탄환의 경우 5.54cm이고, 5.56mm 구경의 탄환의 경우 2.48cm로, 절대 평균 오차가 3.06cm만큼 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.
다시 말해, 탄환의 구경이 클수록 오차는 증가할 수 있다.
상술한 오차를 발생시킨 요인은 실험 당시 실험 장소에 강한 바람으로 인해 표적의 한 변이 완벽히 고정되지 않아 고무 재질의 표적이 앞으로 쏠려, y축으로 더 높은 위치에 탄착점이 생성된 것으로 분석될 수 있다.
상술한 데이터는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄착점 추정 장치(400)의 성능을 실험한 하나의 예일 뿐, 이로 인해 본 발명은 한정되지는 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 동작은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터로 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다. 프로그램 명령은 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 측면들은 장치의 문맥에서 설명되었으나, 그것은 상응하는 방법에 따른 설명 또한 나타낼 수 있고, 여기서 블록 또는 장치는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징에 상응한다. 유사하게, 방법의 문맥에서 설명된 측면들은 또한 상응하는 블록 또는 아이템 또는 상응하는 장치의 특징으로 나타낼 수 있다. 방법 단계들의 몇몇 또는 전부는 예를 들어, 마이크로프로세서, 프로그램 가능한 컴퓨터 또는 전자 회로와 같은 하드웨어 장치에 의해(또는 이용하여) 수행될 수 있다. 몇몇의 실시예에서, 가장 중요한 방법 단계들의 하나 이상은 이와 같은 장치에 의해 수행될 수 있다.
실시예들에서, 프로그램 가능한 로직 장치(예를 들어, 필드 프로그머블 게이트 어레이)가 여기서 설명된 방법들의 기능의 일부 또는 전부를 수행하기 위해 사용될 수 있다. 실시예들에서, 필드 프로그머블 게이트 어레이는 여기서 설명된 방법들 중 하나를 수행하기 위한 마이크로프로세서와 함께 작동할 수 있다. 일반적으로, 방법들은 어떤 하드웨어 장치에 의해 수행되는 것이 바람직하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 데이터 획득부 400: 탄착점 추정 장치
410: 프로세서 420: 메모리
430: 저장 장치

Claims (16)

  1. 삼각형 구조물의 각 꼭지점에 위치하는 3개의 음향 센서를 포함하는 2개의 음향 센서 어레이(array)가 각각 탄환 충격파를 검출한 시간을 추출하는 단계;
    상기 검출한 시간을 기초로 상기 음향 센서 어레이로부터의 상기 탄환 충격파의 방향각을 각각 산출하는 단계; 및
    상기 각각 산출한 탄환 충격파의 방향각을 기초로 상기 탄환의 탄착점을 추정하는 단계를 포함하고,
    상기 검출한 시간을 기초로 상기 음향 센서 어레이로부터의 상기 탄환 충격파의 방향각을 각각 산출하는 단계는,
    상기 음향 센서 어레이에 포함된 복수의 음향 센서 간의 거리 및 상기 검출한 시간을 기초로 탄환 충격파의 비행 거리를 산출하는 단계; 및
    상기 탄환 충격파의 비행 거리를 기초로 탄환 충격파의 방향각을 산출하는 단계를 포함하는, 탄착점 추정 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 음향 센서 어레이에 포함된 복수의 음향 센서 간의 거리 및 상기 검출한 시간을 기초로 탄환 충격파의 비행 거리를 산출하는 단계는,
    상기 검출한 시간을 기초로 CPSP(cross power spectrum phase) 방법을 이용하여 상기 탄환 충격파가 상기 복수의 음향 센서에 도달하는 시간의 차이를 산출하는 단계; 및
    상기 시간의 차이 및 상기 탄환 충격파의 속도를 기초로 상기 탄환 충격파의 비행 거리를 산출하는 단계를 포함하는, 탄착점 추정 방법.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 각각 산출한 탄환 충격파의 방향각을 기초로 상기 탄환의 탄착점을 추정하는 단계는,
    상기 각각 산출한 탄환 충격파의 방향각에 따른 연장선 간의 교차점을 산출하는 단계를 포함하는, 탄착점 추정 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 각각 산출한 탄환 충격파의 방향각을 기초로 상기 탄환의 탄착점을 추정하는 단계는,
    상기 산출한 교차점을 상기 탄환의 탄착점으로 추정하는 단계를 더 포함하는, 탄착점 추정 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 각각 산출한 탄환 충격파의 방향각에 따른 연장선 간의 교차점을 산출하는 단계는,
    삼각측정법을 이용하여 교차점의 좌표를 산출하는 단계를 포함하는, 탄착점 추정 방법.
  9. 프로세서(processor); 및
    상기 프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령이 저장된 메모리(memory)를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 명령은,
    삼각형 구조물의 각 꼭지점에 위치하는 3개의 음향 센서를 포함하는 2개의 음향 센서 어레이(array)가 각각 탄환 충격파를 검출한 시간을 추출하도록 실행되고,
    상기 검출한 시간을 기초로 상기 음향 센서 어레이로부터의 상기 탄환 충격파의 방향각을 각각 산출하도록 실행되고,
    상기 각각 산출한 탄환 충격파의 방향각을 기초로 상기 탄환의 탄착점을 추정하도록 실행되고,
    상기 음향 센서 어레이에 포함된 복수의 음향 센서 간의 거리 및 상기 검출한 시간을 기초로 탄환 충격파의 비행 거리를 산출하도록 실행되고,
    상기 탄환 충격파의 비행 거리를 기초로 탄환 충격파의 방향각을 산출하도록 실행되는, 탄착점 추정 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 적어도 하나의 명령은,
    상기 검출한 시간을 기초로 CPSP(cross power spectrum phase) 방법을 이용하여 상기 탄환 충격파가 상기 복수의 음향 센서에 도달하는 시간의 차이를 산출하도록 실행되고,
    상기 시간의 차이 및 상기 탄환 충격파의 속도를 기초로 상기 탄환 충격파의 비행 거리를 산출하도록 실행되는, 탄착점 추정 장치.
  13. 삭제
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 적어도 하나의 명령은,
    상기 각각 산출한 탄환 충격파의 방향각에 따른 연장선 간의 교차점을 산출하도록 실행되는, 탄착점 추정 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 적어도 하나의 명령은,
    상기 산출한 교차점을 상기 탄환의 탄착점으로 추정하도록 실행되는, 탄착점 추정 장치.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 적어도 하나의 명령은,
    삼각측정법을 이용하여 교차점의 좌표를 산출하도록 실행되는, 탄착점 추정 장치.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115031585A (zh) * 2022-05-30 2022-09-09 南京理工大学 一种双阵列声学立靶斜入射弹着点定位方法
KR102493325B1 (ko) 2022-03-04 2023-01-31 우순 직사화기의 탄착점 추정 시스템 및 방법
KR20230053785A (ko) * 2021-10-14 2023-04-24 최국현 표적지 고정 장치
SE2250690A1 (en) * 2022-06-09 2023-12-10 Sytrac Ab A three-dimensional location of miss and hit system

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106019266A (zh) * 2016-05-11 2016-10-12 兰州理工大学 枪声定距与弹丸测速方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106019266A (zh) * 2016-05-11 2016-10-12 兰州理工大学 枪声定距与弹丸测速方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Determining the position and trajectory of supersonic projectiles from acoustic measurments. ARMY ARAMAMENT RESEARCH DEVELOPMENT AND ENGINEERING CENTER PICATINNY ARSENAL NJ, 2000.* *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230053785A (ko) * 2021-10-14 2023-04-24 최국현 표적지 고정 장치
KR102648267B1 (ko) * 2021-10-14 2024-03-15 최국현 표적지 고정 장치
KR102493325B1 (ko) 2022-03-04 2023-01-31 우순 직사화기의 탄착점 추정 시스템 및 방법
CN115031585A (zh) * 2022-05-30 2022-09-09 南京理工大学 一种双阵列声学立靶斜入射弹着点定位方法
CN115031585B (zh) * 2022-05-30 2024-04-05 南京理工大学 一种双阵列声学立靶斜入射弹着点定位方法
SE2250690A1 (en) * 2022-06-09 2023-12-10 Sytrac Ab A three-dimensional location of miss and hit system
WO2023239289A1 (en) * 2022-06-09 2023-12-14 Sytrac Ab A three-dimensional location of miss and hit system

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