KR102019559B1 - 타겟 탐지 방법, 이를 수행하기 위한 기록매체 및 장치 - Google Patents

타겟 탐지 방법, 이를 수행하기 위한 기록매체 및 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102019559B1
KR102019559B1 KR1020170134173A KR20170134173A KR102019559B1 KR 102019559 B1 KR102019559 B1 KR 102019559B1 KR 1020170134173 A KR1020170134173 A KR 1020170134173A KR 20170134173 A KR20170134173 A KR 20170134173A KR 102019559 B1 KR102019559 B1 KR 102019559B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
signal
target
reflected
reflection
time
Prior art date
Application number
KR1020170134173A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190032143A (ko
Inventor
임성빈
온백산
Original Assignee
숭실대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 숭실대학교산학협력단 filed Critical 숭실대학교산학협력단
Publication of KR20190032143A publication Critical patent/KR20190032143A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102019559B1 publication Critical patent/KR102019559B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/28—Details of pulse systems
    • G01S7/2813—Means providing a modification of the radiation pattern for cancelling noise, clutter or interfering signals, e.g. side lobe suppression, side lobe blanking, null-steering arrays

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

타겟 탐지 방법, 이를 수행하기 위한 기록매체 및 장치가 개시된다. 타겟 탐지 방법은 타겟 탐지 장치에서 해저면으로 제1 송신 신호를 송신하여, 해저면에 존재하는 타겟으로부터 반사되는 신호인 제1 타겟 신호를 포함하는 제1 반사 신호를 수신하고, 제1 반사 신호를 시간 역전 시킨 제2 송신 신호를 생성하고, 제2 송신 신호를 해저면으로 송신하여 상기 타겟으로부터 반사되어 제1 타겟 신호와 양의 상관 관계를 갖는 신호인 제2 타겟 신호를 포함하는 제2 반사 신호를 수신하고, 제2 반사 신호의 파형을 분석하여 제1 타겟 신호 및 상기 제2 타겟 신호에 의해 집속된 피크값을 읽어 해저면에 존재하는 타겟을 탐지한다.

Description

타겟 탐지 방법, 이를 수행하기 위한 기록매체 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR TARGET DETECTION, RECORDING MEDIUM FOR PERFORMING THE METHOD}
본 발명은 타겟 탐지 방법, 이를 수행하기 위한 기록매체 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음향 신호를 이용한 해저 타겟 탐지 방법, 이를 수행하기 위한 기록매체 및 장치에 관한 것이다.
수중 환경 보호를 위한 수중 탐사는 물론 군사 탐지 분야에 있어서 천해 환경의 해저면에서의 착저(Bottoming) 중인 물체를 탐지하는 기술은 매우 중요한 기술이다. 이러한 천해 환경에서의 물체 탐지 방법으로는, 사이드 스캔 소나(sonar)를 이용하여 탐지 지역의 이미지를 획득하고, 이미지 처리 기술을 적용하여 물체를 식별하는 방법이 일반적이다.
여기에서, 소나 이미지는 타겟으로부터 흩어지는 음파에 따라 구성되는데, 매우 낮은 해상도와 노이즈 때문에 실시간 물체 식별이 거의 불가능하다. 소나 시스템에 있어서, 100kHz 이상의 고주파수를 이용하므로 탐지 거리는 매우 짧은 반면, 깨끗한 이미지 획득을 위해 매우 낮은 속도로 이동하므로 탐지 구역은 비교적 넓다.
한편, 천해 환경에서 타겟을 탐지할 때, 수신 신호는 타겟 응답뿐만 아니라, 주변 환경에 의한 클러터(clutter) 응답을 포함한다. 특히, 천해 환경에서는 클러터의 영향이 더욱 심해진다. 이러한 클러터는 시변 특성을 가져 채널을 모델링하는데 어려움이 있다. 이에 따라, 천해 환경에서의 채널 모델링과 관련한 연구가 활발히 진행중이다. 아울러, 클러터는 타겟을 탐지하는데 방해 요소이므로, 클러터의 영향을 줄이거나 물체 및 클러터를 식별하는 다양한 방법에 대한 연구 또한 활발히 이루어지고 있다.
본 발명의 일측면은 시간 역전 기법을 적용하여 타겟으로부터 반사되는 파동을 집속시키는 타겟 탐지 방법, 이를 수행하기 위한 기록매체 및 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 타겟 탐지 방법은, 타겟 탐지 장치에서 해저면으로 제1 송신 신호를 송신하여, 해저면에 존재하는 타겟으로부터 반사되는 신호인 제1 타겟 신호를 포함하는 제1 반사 신호를 수신하고, 상기 제1 반사 신호를 시간 역전 시킨 제2 송신 신호를 생성하고, 상기 제2 송신 신호를 해저면으로 송신하여 상기 타겟으로부터 반사되어 상기 제1 타겟 신호와 양의 상관 관계를 갖는 신호인 제2 타겟 신호를 포함하는 제2 반사 신호를 수신하고, 상기 제2 반사 신호의 파형을 분석하여 상기 제1 타겟 신호 및 상기 제2 타겟 신호에 의해 집속된 피크값을 읽어 해저면에 존재하는 타겟을 탐지한다.
또한, 상기 제1 반사 신호를 시간 역전 시킨 제2 송신 신호를 생성하는 것은, 상기 제1 반사 신호를 시간 역전 신호 생성을 위한 윈도우 길이를 갖는 구간으로 나누고, 각 구간별 펄스를 시간 역전 시킨 시간 역전 신호를 생성하여, 상기 구간의 개수만큼의 시간 역전 신호로 이루어지는 상기 제2 송신 신호를 생성하는 것일 수 있다.
또한, 상기 제1 반사 신호를 시간 역전 신호 생성을 위한 윈도우 길이를 갖는 구간으로 나누는 것은, 연속하는 구간의 일부분이 중첩되도록 나누는 것일 수 있다.
또한, 상기 제1 반사 신호를 시간 역전 시킨 제2 송신 신호를 생성하는 것은, 상기 제1 반사 신호에 정합 필터링을 수행한 뒤, 상기 제1 반사 신호를 시간 역전 시킨 상기 제2 송신 신호를 생성하는 것일 수 있다.
또한, 상기 제1 반사 신호를 시간 역전 시킨 제2 송신 신호를 생성하는 것은, 상기 제1 송신 신호를 정합 필터로 사용하여 상기 제1 반사 신호의 정합 필터링을 수행하는 것을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 반사 신호의 피크 값에 따라 해저면에 존재하는 타겟을 탐지하는 것은, 상기 제2 반사 신호에 정합 필터링을 수행하는 것을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 반사 신호의 피크 값에 따라 해저면에 존재하는 타겟을 탐지하는 것은, 상기 제2 송신 신호를 정합 필터로 사용하여 상기 제2 반사 신호의 정합 필터링을 수행하는 것을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면은 타겟 탐지 방법을 수행하기 위한, 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체이다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 타겟 탐지 장치는, 전기 신호를 음향 신호로 변환하여 해저면을 향해 송신하는 송신부, 해저면으로부터 반사되는 음향 신호를 수신하여 전기 신호로 변환하는 수신부, 해저면에 존재하는 타겟을 탐지하기 위한 제1 송신 신호를 생성하여 상기 송신부를 통해 해저면으로 송신하는 제1 송신 신호 생성부, 상기 수신부를 통해 해저면에 존재하는 타겟으로부터 반사되는 신호인 제1 타겟 신호를 포함하는 제1 반사 신호를 획득하고, 상기 제1 반사 신호를 시간 역전 시켜 제2 송신 신호를 생성하여 상기 송신부를 통해 해저면으로 송신하는 제2 송신 신호 생성부 및 상기 수신부를 통해 상기 타겟으로부터 반사되어 상기 제1 타겟 신호와 양의 상관 관계를 갖는 신호인 제2 타겟 신호를 포함하는 제2 반사 신호를 획득하고, 상기 제2 반사 신호의 파형을 분석하여 상기 제1 타겟 신호 및 상기 제2 타겟 신호에 의해 집속된 피크값을 읽어 해저면에 존재하는 타겟을 탐지하는 타겟 탐지부를 포함한다.
또한, 상기 제2 송신 신호 생성부는, 상기 제1 반사 신호를 시간 역전 신호 생성을 위한 윈도우 길이를 갖는 구간으로 나누고, 각 구간별 펄스를 시간 역전 시킨 시간 역전 신호를 생성하여, 상기 구간의 개수만큼의 시간 역전 신호로 이루어지는 상기 제2 송신 신호를 생성할 수 있다.
또한, 상기 제2 송신 신호 생성부는, 상기 제1 반사 신호를 시간 역전 신호 생성을 위한 윈도우 길이를 갖는 구간으로 나누되, 연속하는 구간의 일부분이 중첩되도록 나누어 상기 제2 송신 신호를 생성할 수 있다.
또한, 상기 제2 송신 신호 생성부는, 상기 제1 반사 신호에 정합 필터링을 수행한 뒤, 상기 제1 반사 신호를 시간 역전 시킨 상기 제2 송신 신호를 생성할 수 있다.
또한, 상기 제2 송신 신호 생성부는, 상기 제1 송신 신호를 정합 필터로 사용하여 상기 제1 반사 신호의 정합 필터링을 수행하는 것을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 타겟 탐지부는, 상기 제2 송신 신호를 정합 필터로 사용하여 상기 제2 반사 신호의 정합 필터링을 수행하는 것을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 타겟 탐지부는, 상기 제2 반사 신호의 피크 값에 따라 해저면에 존재하는 원통 형상의 타겟을 탐지할 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면 클러터가 섞여있는 환경에서의 타겟으로부터 반사되는 파동을 집속시킴으로써 타겟의 탐지 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 탐지 장치를 이용한 해저 타겟 탐지를 묘사한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 탐지 장치의 제어 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 탐지 장치에서의 시간 역전 신호를 생성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 탐지 장치에서의 타겟 탐지 방법의 순서도이다.
도 5는 천해 환경 채널을 통과한 시간 역전 신호를 수신하고, 정합 필터링을 수행하여 획득한 그래프이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 탐지 장치에서의 타겟 탐지 방법에 따라 획득한 수신 신호의 일 예이다.
도 8은 종래의 타겟 탐지 방법에 따라 획득한 수신 신호의 일 예이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 탐지 장치를 이용한 타겟 탐지 방법의 유리한 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소나 탐지 장치를 이용한 해저 타겟 탐지를 묘사한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 탐지 장치(100)는 천해 환경에서의 해저면에 착저되어 있는 타겟(10)을 탐지하기 위한 장치이다. 타겟 탐지 장치(100)는 해저면을 향해 음향 신호를 송신하여 해저면으로부터 반사되어 돌아오는 신호를 수신할 수 있다. 즉, 타겟 탐지 장치(100)는 해저면에 존재하는 타겟(10)으로부터 반사되는 신호뿐만 아니라, 타겟(10)이 아닌 주변 물체(20)들로부터 반사되는 클러터(clutter)를 포함하는 신호를 수신할 수 있다. 타겟 탐지 장치(100)는 수신한 신호를 분석하여 해저면에 존재하는 타겟(10)을 탐지할 수 있다.
한편, 일반적으로 클러터가 섞여있는 상황에서 목표물을 정확히 탐지하는 데에는 어려움이 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 탐지 장치(100)는 파동 집속 효과를 갖는 시간 역전 기법을 이용하여 수신 신호 중 타겟(10)으로부터 반사되는 신호의 피크를 높임으로써 탐지 성능을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 탐지 장치(100)에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 탐지 장치의 제어 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 탐지 장치(100)는 송신부(110), 수신부(120), 제1 송신 신호 생성부(130), 제2 송신 신호 생성부(140) 및 타겟 탐지부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
송신부(110)는 해저면에 존재하는 타겟(10)을 탐지하기 위한 음향 신호를 출력할 수 있다. 송신부(110)는 제1 송신 신호 생성부(130) 및 제2 송신 신호 생성부(140)에서 생성하는 전기 신호를 음향 신호로 변환하여 해저면을 향해 송신할 수 있다. 이를 위해, 송신부(110)는 트랜스듀서, 증폭기, 아날로그/디지털 변환기 등을 포함하여 구현될 수 있다.
수신부(120)는 송신부(110)로부터 송신되어 표적에 의해 반사되는 음향 신호를 입력 받을 수 있다. 수신부(120)는 송신부(110)로부터 송신되어 표적에 의해 반사되는 음향 신호를 수신하고, 전기 신호로 변환하여 제2 송신 신호 생성부(140) 및 타겟 탐지부(150)로 전달할 수 있다. 이를 위해, 수신부(120)는 트랜스듀서, 증폭기, 아날로그/디지털 변환기 등을 포함하여 구현될 수 있다.
제1 송신 신호 생성부(130)는 해저면에 존재하는 타겟(10) 탐지를 위한 제1 송신 신호를 생성할 수 있다. 제1 송신 신호 생성부(130)는 제1 송신 신호를 생성하여 송신부(110)를 통해 해저면으로 송신할 수 있다. 이러한 제1 송신 신호는 해저면으로부터 반사될 수 있다. 수신부(120)는 해저면으로부터 반사되는 제1 송신 신호인 제1 반사 신호를 수신할 수 있다. 제1 반사 신호에는 해저면에 존재하는 타겟(10)으로부터 반사되는 신호인 제1 타겟 신호 및 타겟(10)이 아닌 주변 물체(20)들로부터 반사되는 클러터가 포함될 수 있다.
제2 송신 신호 생성부(140)는 해저면으로부터 반사되어 수신부(120)를 통해 입력되는 제1 반사 신호의 정합 필터링을 수행하고, 시간 역전 기법을 적용하여 제2 송신 신호를 생성할 수 있다. 제2 송신 신호 생성부(140)는 송신부(110)를 통해 제2 송신 신호를 해저면으로 송신할 수 있다.
구체적으로는, 제2 송신 신호 생성부(140)는 제1 송신 신호가 해저면으로부터 반사되어 수신부(120)에 입력되는 제1 반사 신호의 정합 필터링을 수행할 수 있다. 제2 송신 신호 생성부(140)는 제1 송신 신호를 이용하여 제1 반사 신호의 정합 필터링을 수행할 수 있다. 제2 송신 신호 생성부(140)는 제1 송신 신호의 파형을 정합 필터로 사용하여 제1 반사 신호의 정합 필터링을 수행할 수 있다.
제2 송신 신호 생성부(140)는 제1 반사 신호에 시간 역전 기법을 적용하여 제2 송신 신호를 생성할 수 있다. 시간 역전 기법이란, 채널로 전송한 후 수신된 파를 포착하고, 포착한 신호를 시간 반전 시켜 다시 채널로 전송하여 신호를 수신함으로서, 특정 공간 또는 시간에 파동을 집속시키는 방식이다.
예를 들면, 채널 h[n]에 송신 신호 S(ω)를 송신하는 경우, 채널을 통과하여 반사되는 아래의 수학식 1과 같은 신호를 수신할 수 있다.
Figure 112017101735458-pat00001
수학식 1과 같은 수신 신호 R(ω)에 있어서 송신 신호 S(ω)를 정합 필터로 하여 정합 필터링을 수행한 뒤, 채널 H(ω)의 특정 공간에 대하여 시간 역전 시키는 경우 아래의 수학식 2와 같은 신호를 생성할 수 있다.
Figure 112017101735458-pat00002
수학식 2에서 *는 복소 켤레(complex conjugation)를 의미한다.
수학식 2와 같이 생성된 시간 역전 신호 Str(ω)는 다시 채널 H(ω)로 송신될 수 있다. 이에 채널 H(ω)를 통과하여 반사되는 아래의 수학식 3과 같은 신호를 수신할 수 있다.
Figure 112017101735458-pat00003
수학식 3을 참조하면, 수신 신호 Rtr(ω)는 채널 H(ω)와 자기 상관(autocorrelation)을 가짐을 확인할 수 있으며 그 파형은 높은 피크를 가짐을 확인할 수 있다. 즉, 시간 역전 기법에 따르면 채널 특성이 강화됨을 확인할 수 있다.
제2 송신 신호 생성부(140)는 제1 반사 신호에 이와 같은 시간 역전 기법을 적용하여 제2 송신 신호를 생성하고, 송신부(110)를 통해 규칙적인 간격으로 해저면을 향해 송신할 수 있다. 이와 관련하여, 도 3을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 탐지 장치에서의 시간 역전 신호를 생성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 제2 송신 신호 생성부(140)는 제1 반사 신호 m[n]를 시간 역전 신호 생성을 위한 윈도우 길이를 갖는 구간으로 나눌 수 있다. 이때, 제2 송신 신호 생성부(140)는 제1 반사 신호를 시간 역전 신호 생성을 위한 윈도우 길이를 갖는 구간으로 나누되, 연속하는 구간의 일부분이 중첩되도록 나눌 수 있다. 이는, 제2 송신 신호에 기반한 타겟(10) 탐지의 정확도를 향상시키기 위함이다.
또한, 제2 송신 신호 생성부(140)는 제1 반사 신호의 M 개의 각 구간별 펄스 mk[n]를 시간 역전 시켜 M 개의 시간 역전 신호 sk tr[n]을 생성할 수 있다. 제2 송신 신호 생성부(140)는 M 개의 시간 역전 신호로 이루어지는 제2 송신 신호를 생성할 수 있다. 제2 송신 신호 생성부(140)는 제2 송신 신호의 구간 간격으로 송신부(110)를 통해 해저면을 향해 제2 송신 신호를 송신할 수 있다.
구체적으로는, 제2 송신 신호 생성부(140)는 아래의 수학식 4와 같은 수신부(120)를 통해 해저면으로부터 반사되는 제1 송신 신호인 제1 반사 신호를 획득할 수 있다.
Figure 112017101735458-pat00004
수학식 4에서 R(ω)는 제1 반사 신호, H(ω)는 천해(shallow water) 채널 신호 및 S(ω)는 제1 송신 신호를 나타낸다.
제2 송신 신호 생성부(140)는 제1 반사 신호에 대한 정합 필터링을 수행한 뒤 아래의 수학식 5와 같은 제2 송신 신호를 생성할 수 있다.
Figure 112017101735458-pat00005
수학식 5에서 Sk tr(ω)는 제2 송신 신호를 나타내고, [Mk(ω)]*는 정합 필터링을 수행한 제1 반사 신호로 아래의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있으며, M 은 제1 반사 신호의 구간의 개수이다.
Figure 112017101735458-pat00006
수학식 6에서 N은 제1 반사 신호의 펄스 길이를 나타내고, L은 단위 구간을 나타내며, u[n]은 단위 계단 함수(Unit step function)이다.
수학식 5 및 6에 따르면, 제2 송신 신호 생성부(140)는 도 3과 같이 총 M 개의 시간 역전 신호를 송신부(110)를 통해 해저면으로 송신할 수 있다.
타겟 탐지부(150)는 해저면으로부터 반사되어 수신부(120)를 통해 입력되는 제2 반사 신호의 정합 필터링을 수행하고, 제2 반사 신호의 피크 값에 따라 해저면에 존재하는 타겟(10)을 탐지할 수 있다.
구체적으로는, 타겟 탐지부(150)는 제2 송신 신호가 해저면으로부터 반사되어 수신부(120)에 입력되는 제2 반사 신호의 정합 필터링을 수행할 수 있다. 타겟 탐지부(150)는 제2 송신 신호를 이용하여 제2 반사 신호의 정합 필터링을 수행할 수 있다. 타겟 탐지부(150)는 제2 송신 신호의 파형을 정합 필터로 사용하여 제2 반사 신호의 정합 필터링을 수행할 수 있다.
타겟 탐지부(150)는 정합 필터링을 수행한 제2 반사 신호의 파형으로부터 해저면에 존재하는 타겟(10)을 탐지할 수 있다. 타겟 탐지부(150)는 제2 반사 신호의 파형을 분석하여, 피크값을 읽어 해저면에서의 타겟(10)이 존재하는 위치를 확인할 수 있다. 정합 필터링을 수행한 제2 반사 신호에는 해저면에 존재하는 타겟(10)이 아닌 주변 물체(20)들로부터 반사되는 클러터가 포함될 수 있다. 또한, 제2 반사 신호에는 제1 타겟 신호 및 해저면에 존재하는 타겟(10)으로부터 반사되는 제2 송신 신호인 제2 타겟 신호가 포함될 수 있다. 타겟(10)으로부터 반사되는 파형은 해당 타겟(10)의 규격, 일예로, 원통형(cylindrical)의 타겟(10)으로부터 반사되는 파형은 해당 타겟(10)의 직경에 따라 결정될 수 있다. 따라서, 제1 타겟 신호 및 제2 타겟 신호는 양의 상관 관계(high correlation)를 가질 수 있다. 이처럼, 타겟(10)으로부터 반사되는 파형은 시변 특성이 강하지 않으므로, 제2 반사 신호의 파형을 분석하면 제1 타겟 신호 및 제2 타겟 신호에 의해 집속된 높은 피크 응답을 확인할 수 있다. 반면, 제2 반사 신호의 파형을 분석하면 클러터의 경우 시변 특성이 강해 높은 피크 응답을 얻을 수 없다. 타겟 탐지부(150)는 이러한 가정하에, 제2 반사 신호의 피크값을 읽어 타겟(10)을 탐지할 수 있다.
예를 들면, 아래의 수학식 7과 같이 타겟(10)이 존재하지 않는 해저면의 천해 채널 H0 및 원통형의 타겟(10)이 존재하는 해저면의 천해 채널 H1을 가정할 수 있다.
Figure 112017101735458-pat00007
수학식 7에서 H(ω)는 천해 채널 신호, Hc(ω)는 클러터 신호, Htg(ω)는 타겟(10)으로부터 반사되는 신호를 나타낸다.
클러터 신호 Hc(ω)와 타겟(10)으로부터 반사되는 신호 Htg(ω)는 천해 환경에서 아래의 수학식 8과 같이 다른 시변 특성을 갖는다.
Figure 112017101735458-pat00008
수학식 8에 따르면 클러터 신호 Hc(ω)의 경우 시변 특성이 강한 반면, 타겟(10)으로부터 반사되는 신호 Htg(ω)는 그렇지 않음을 확인할 수 있다. 즉, 클러터 신호 Hc(ω)의 경우 서로 다른 시간에서의 채널 응답이 다른 반면, 타겟(10)으로부터 반사되는 신호 Htg(ω)의 경우 서로 다른 시간에서의 채널 응답이 높은 상관관계를 보임을 확인할 수 있다.
각 채널(H0, H1)에 시간 역전 신호를 송신하는 경우, 각 채널(H0, H1)을 통과하는 수신 신호는 아래의 수학식 9 및 10과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017101735458-pat00009
Figure 112017101735458-pat00010
수학식 10에 수학식 8을 적용하면, 타겟(10)이 존재하지 않는 해저면의 천해 채널 H0의 경우, 낮은 피크 응답을 보임을 예측할 수 있다. 반면, 원통형의 타겟(10)이 존재하는 해저면의 천해 채널 H1의 경우, HK1 tg(ω) 및 HK2 tg(ω) 간의 높은 상관 관계에 의해 높은 피크 값을 포함하는 수신 신호를 예측할 수 있다.
이에 따라, 타겟 탐지부(150)는 제2 반사 신호의 파형에서, 펄스가 집속되어 높은 피크 값, 일예로, 타겟(10) 탐지를 위해 미리 정해진 기준 이상의 피크 값을 갖는 구간이 존재하면, 해당 위치에 타겟(10)이 존재하는 것으로 예측할 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 탐지 장치(100)에서의 타겟 탐지 방법을 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 탐지 장치에서의 타겟 탐지 방법의 순서도이다.
도 4를 참조하면, 타겟 탐지 장치(100)는 제1 송신 신호를 생성하여 해저면으로 송신할 수 있다(400).
타겟 탐지 장치(100)는 해저면으로부터 반사되는 제1 송신 신호인 제1 반사 신호를 수신할 수 있다(410).
타겟 탐지 장치(100)는 제1 반사 신호에 정합 필터링을 수행하고, 펄스의 시간을 역전 시켜 제2 송신 신호를 생성할 수 있다(420).
타겟 탐지 장치(100)는 제2 송신 신호를 해저면으로 송신할 수 있다(430).
타겟 탐지 장치(100)는 해저면으로부터 반사되는 제2 송신 신호인 제2 반사 신호를 수신할 수 있다(440).
타겟 탐지 장치(100)는 제2 반사 신호에 정합 필터링을 수행한 뒤 제2 반사 신호의 피크값에 따라 해저면에 존재하는 타겟을 탐지할 수 있다(450).
이하에서는, 수심 100m의 천해 환경의 해저면에 원통형 타겟이 존재하는 경우를 예로 들어 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 탐지 장치(100)를 이용한 타겟 탐지 방법의 유리한 효과를 설명하기로 한다.
먼저, 아래의 수학식 11 내지 13에 따라 원통형 타겟을 모델링할 수 있다.
Figure 112017101735458-pat00011
Figure 112017101735458-pat00012
Figure 112017101735458-pat00013
수학식 11 내지 13에서, θs 는 입사각,
Figure 112017101735458-pat00014
는 고도각 및 θi는 반사각을 나타내고, Bn은 경계조건(boundary condition)에 따라 결정되는 값, Fn은 Hankel 함수 및 Bessel 함수에 의해 결정되는 값을 나타낸다.
또한, 천해 환경 채널을 모델링할 수 있다. 천해 환경 채널에는 산란이 일어나는 클러터가 랜덤하게 분포되어 있어야 한다. 이에, 일반적으로는, 분해 한계 면적(resolution cell) 안에 무수히 많은 산란체들이 분포되어 있다는 가정 하에, 중심 극한 정리(CLT: central limit theorem)에 기반하여 레일리 분포(Rayleigh distribution)가 적용될 수 있다.
그러나, 최근에는 고해상도의 능동 소나 시스템이 개발됨에 따라 분해 한계 면적에서 영향을 끼치는 산란체들의 수를 낮추는 것이 가능해졌다. 이처럼, 분해 한계 면적에 산란체들의 수가 많지 않은 경우, 중심 극한 정리가 적용될 수 없으며, 논 레일리 분포(non-Raleigh distribution)를 적용하여 천해 환경 채널을 모델링할 수 있다. 아울러, 상술한 바와 같이 수심 100m의 천해 환경을 가정하는 경우, 분해 한계 면적의 크기가 크지 않으므로 유한개의 산란체를 고려하여 논 레일리 분포(non-Raleigh distribution)를 적용한 천해 환경 채널의 모델링이 가능하다.
이에 따라, k-분포를 적용하여 클러터를 포함하는 천해 환경 채널을 모델링할 수 있다. 유한개의 산란체들로부터 반사되는 신호가 정합 필터링 되는 경우 그 포락선은 k-분포를 이룰 수 있다. 이때, k-분포의 shape 파라미터는 산란체의 수와 관련되고, scale 파라미터는 산란체의 평균 사이즈에 의해 결정될 수 있다. 이와 같은 k-분포의 shape 파라미터 및 scale 파라미터에 따라 다양한 환경의 천해 환경 채널을 모델링할 수 있다.
도 5는 천해 환경 채널을 통과한 시간 역전 신호를 수신하고, 수신한 신호에 정합 필터링을 수행하여 획득한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 천해 환경 채널에 신호 전송 구간을 변화시키며 시간 역전 신호를 송신한 뒤, 수신되는 신호에 정합 필터링을 수행하여 획득한 2D Plot으로, 시변 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 신호 전송 구간이 바뀌는 동안 에너지가 서서히 집속됨을 확인할 수 있는데, 이는 해저면 자체의 구조적인 특성이 조금은 유지되기 때문이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 탐지 장치에서의 타겟 탐지 방법에 따라 획득한 수신 신호의 일 예이고, 도 8은 종래의 타겟 탐지 방법에 따라 획득한 수신 신호의 일 예이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 탐지 장치(100)에서의 타겟 탐지 방법과 같이 천해 환경 채널에 신호를 송신한 뒤 포착되는 신호를 시간 역전 시켜 시간 역전 신호를 생성하고, 시간 역전 신호를 다시 천해 환경 채널에 송신한 뒤 수신되는 신호에 정합 필터링을 수행할 수 있다. 도 6의 경우, 타겟이 존재하지 않는 경우로, 천해 환경 채널의 시변 특성에 따라 정합 필터의 출력이 집속되지 않음을 확인할 수 있다. 반면, 도 7의 경우, 타겟이 존재하는 경우로, 정합 필터의 출력이 집속되어 그 피크 값을 쉽게 관측할 수 있다. 이러한 피크 값은 타겟으로부터 반사되는 신호에 따른 것이다. 도 8의 경우, 종래의 타겟 탐지 방법에 따라 천해 환경 채널에 신호를 송신한 뒤 포착되는 신호에 정합 필터링을 수행한 결과로, 타겟으로부터 반사되는 신호에 따른 피크 값의 관측이 어렵다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 탐지 장치를 이용한 타겟 탐지 방법의 유리한 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 9를 참조하면, TCR(target-to-clutter ration)에 따른 탐지 가능성을 확인할 수 있다. TCR은 타겟으로부터 반사되는 신호(Htg(ω)) 및 클러터(Hc(ω))에 따라 아래의 수학식 14와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112017101735458-pat00015
도 9의 그래프는, 100-200m의 범위에 타겟이 랜덤하게 위치하는 경우를 가정하고, 5dB의 SNR 가우시안 노이즈 환경에서, TCR을 -15dB에서 10dB 사이에서 변경시키며 시뮬레이션한 결과이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 탐지 장치(100)에서의 타겟 탐지 방법과 같이 시간 역전 기법이 적용된 경우, 종래의 정합 필터링만을 수행하는 방식과 비교하여 탐지 성능이 약 3dB 향상됨을 확인할 수 있다. 이는, 도 7과 같이, 시간 역전 기법에 의해 타겟으로부터 반사되는 신호가 집속되어 그 피크 값을 쉽게 관측할 수 있기 때문이다.
이와 같은, 타겟 탐지 방법은 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD 와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 타겟 탐지 장치
10: 타겟
20: 주변 물체

Claims (15)

  1. 타겟 탐지 장치에서 해저면으로 제1 송신 신호를 송신하여, 해저면에 존재하는 타겟으로부터 반사되는 신호인 제1 타겟 신호를 포함하는 제1 반사 신호를 수신하고,
    상기 제1 반사 신호를 시간 역전 시킨 제2 송신 신호를 생성하고,
    상기 제2 송신 신호를 해저면으로 송신하여 상기 타겟으로부터 반사되어 상기 제1 타겟 신호와 양의 상관 관계를 갖는 신호인 제2 타겟 신호를 포함하는 제2 반사 신호를 수신하고,
    상기 제2 반사 신호의 파형을 분석하여 상기 제1 타겟 신호 및 상기 제2 타겟 신호에 의해 집속된 피크값을 읽어 해저면에 존재하는 타겟을 탐지하며,
    상기 제1 반사 신호를 시간 역전 시킨 제2 송신 신호를 생성하는 것은,
    상기 제1 반사 신호를 시간 역전 신호 생성을 위한 윈도우 길이를 갖는 구간으로 나누되, 연속하는 구간의 일부분이 중첩되도록 나누고, 각 구간별 펄스를 시간 역전 시킨 시간 역전 신호를 생성하여, 상기 구간의 개수만큼의 시간 역전 신호로 이루어지는 상기 제2 송신 신호를 생성하는 것이고,
    상기 제2 반사 신호의 파형을 분석하여 상기 제1 타겟 신호 및 상기 제2 타겟 신호에 의해 집속된 피크값을 읽어 해저면에 존재하는 타겟을 탐지하는 것은,
    상기 제2 반사 신호의 파형에서 상기 제1 반사 신호의 구간과 대응하는 구간 중 미리 정해진 기준 이상의 피크값을 갖는 구간을 탐지하는 것인 타겟 탐지 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사 신호를 시간 역전 시킨 제2 송신 신호를 생성하는 것은,
    상기 제1 반사 신호에 정합 필터링을 수행한 뒤, 상기 제1 반사 신호를 시간 역전 시킨 상기 제2 송신 신호를 생성하는 것인 타겟 탐지 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 반사 신호를 시간 역전 시킨 제2 송신 신호를 생성하는 것은,
    상기 제1 송신 신호를 정합 필터로 사용하여 상기 제1 반사 신호의 정합 필터링을 수행하는 것을 더 포함하는 타겟 탐지 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반사 신호의 피크 값에 따라 해저면에 존재하는 타겟을 탐지하는 것은,
    상기 제2 반사 신호에 정합 필터링을 수행하는 것을 더 포함하는 타겟 탐지 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 반사 신호의 피크 값에 따라 해저면에 존재하는 타겟을 탐지하는 것은,
    상기 제2 송신 신호를 정합 필터로 사용하여 상기 제2 반사 신호의 정합 필터링을 수행하는 것을 더 포함하는 타겟 탐지 방법.
  8. 제1항, 제4항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 따른 타겟 탐지 방법을 수행하기 위한, 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.
  9. 전기 신호를 음향 신호로 변환하여 해저면을 향해 송신하는 송신부;
    해저면으로부터 반사되는 음향 신호를 수신하여 전기 신호로 변환하는 수신부;
    해저면에 존재하는 타겟을 탐지하기 위한 제1 송신 신호를 생성하여 상기 송신부를 통해 해저면으로 송신하는 제1 송신 신호 생성부;
    상기 수신부를 통해 해저면에 존재하는 타겟으로부터 반사되는 신호인 제1 타겟 신호를 포함하는 제1 반사 신호를 획득하고, 상기 제1 반사 신호를 시간 역전 시켜 제2 송신 신호를 생성하여 상기 송신부를 통해 해저면으로 송신하는 제2 송신 신호 생성부; 및
    상기 수신부를 통해 상기 타겟으로부터 반사되어 상기 제1 타겟 신호와 양의 상관 관계를 갖는 신호인 제2 타겟 신호를 포함하는 제2 반사 신호를 획득하고, 상기 제2 반사 신호의 파형을 분석하여 상기 제1 타겟 신호 및 상기 제2 타겟 신호에 의해 집속된 피크값을 읽어 해저면에 존재하는 타겟을 탐지하는 타겟 탐지부를 포함하고,
    상기 제2 송신 신호 생성부는,
    상기 제1 반사 신호를 시간 역전 신호 생성을 위한 윈도우 길이를 갖는 구간으로 나누되, 연속하는 구간의 일부분이 중첩되도록 나누고, 각 구간별 펄스를 시간 역전 시킨 시간 역전 신호를 생성하여, 상기 구간의 개수만큼의 시간 역전 신호로 이루어지는 상기 제2 송신 신호를 생성하고,
    상기 타겟 탐지부는,
    상기 제2 반사 신호의 파형에서 상기 제1 반사 신호의 구간과 대응하는 구간 중 미리 정해진 기준 이상의 피크값을 갖는 구간을 탐지하는 타겟 탐지 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제2 송신 신호 생성부는,
    상기 제1 반사 신호에 정합 필터링을 수행한 뒤, 상기 제1 반사 신호를 시간 역전 시킨 상기 제2 송신 신호를 생성하는 타겟 탐지 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제2 송신 신호 생성부는,
    상기 제1 송신 신호를 정합 필터로 사용하여 상기 제1 반사 신호의 정합 필터링을 수행하는 것을 더 포함하는 타겟 탐지 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 타겟 탐지부는,
    상기 제2 송신 신호를 정합 필터로 사용하여 상기 제2 반사 신호의 정합 필터링을 수행하는 것을 더 포함하는 타겟 탐지 장치.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 타겟 탐지부는,
    상기 제2 반사 신호의 피크 값에 따라 해저면에 존재하는 원통 형상의 타겟을 탐지하는 타겟 탐지 장치.
KR1020170134173A 2017-09-18 2017-10-16 타겟 탐지 방법, 이를 수행하기 위한 기록매체 및 장치 KR102019559B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170119609 2017-09-18
KR20170119609 2017-09-18

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190032143A KR20190032143A (ko) 2019-03-27
KR102019559B1 true KR102019559B1 (ko) 2019-09-06

Family

ID=65906582

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170134173A KR102019559B1 (ko) 2017-09-18 2017-10-16 타겟 탐지 방법, 이를 수행하기 위한 기록매체 및 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102019559B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111650159B (zh) * 2020-06-17 2023-07-18 自然资源部第一海洋研究所 一种海面反向散射强度测量方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011002260A (ja) * 2009-06-16 2011-01-06 Furuno Electric Co Ltd 海底検出装置
JP5150125B2 (ja) * 2007-03-30 2013-02-20 日本電気株式会社 探知装置及び探知用プログラム並びに探知方法
JP2015224917A (ja) * 2014-05-27 2015-12-14 株式会社東芝 信号検出装置、及び信号検出方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0395477A (ja) * 1989-09-08 1991-04-19 Japan Radio Co Ltd 超音波探知装置
JP2543610B2 (ja) * 1990-02-27 1996-10-16 古野電気株式会社 海底反射波位置検出装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5150125B2 (ja) * 2007-03-30 2013-02-20 日本電気株式会社 探知装置及び探知用プログラム並びに探知方法
JP2011002260A (ja) * 2009-06-16 2011-01-06 Furuno Electric Co Ltd 海底検出装置
JP2015224917A (ja) * 2014-05-27 2015-12-14 株式会社東芝 信号検出装置、及び信号検出方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190032143A (ko) 2019-03-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20220221431A1 (en) Sonar apparatus
US9268022B2 (en) Underwater detection device and underwater detecting method
JP5317177B2 (ja) 目標物探知装置及び目標物探知制御プログラム、目標物探知方法
JP5110529B2 (ja) 物標探査装置、物標探査プログラム及び物標探査方法
KR102311559B1 (ko) 초음파 트랜스듀서의 에코 신호 처리 방법
US20210141072A1 (en) Method of recording sonar data
Khodabandeloo et al. Nonlinear crosstalk in broadband multi-channel echosounders
KR102019559B1 (ko) 타겟 탐지 방법, 이를 수행하기 위한 기록매체 및 장치
JP5470146B2 (ja) 水中音波撮像装置
Nishihara et al. Position detection of small objects in indoor environments using coded acoustic signal
US20060140054A1 (en) Noise adaptive sonar signal processor
JP5317176B2 (ja) 物体探査装置及び物体探査プログラム、物体探査方法
JP5708018B2 (ja) アクティブソーナー装置
Li et al. Multipath-based passive source range localization with a single hydrophone in deep ocean
Cai et al. Characterization of the acoustic signature of a small remotely operated vehicle for detection
JP6541179B2 (ja) 信号処理装置
Zhang et al. Detection of near-surface defects in rails combining Green's function retrieval of ultrasonic diffuse fields and sign coherence factor imaging
Ingram et al. Ultrasonic array imaging through reverberating layers for industrial process analysis
Zhang et al. Time reversal imaging method for damage detection in concrete
Digulescu et al. High-speed sensing for object detection in underwater bi-static acoustic paths
Leighton et al. Experimental evidence for enhanced target detection by sonar in bubbly water
Imai et al. High-resolution beamforming by the Wigner-Ville distribution method
CN116148866A (zh) 一种基于分数阶傅里叶变换的双基地声呐直达波抑制方法
Sambataro et al. SOURCE ESTIMATION ALGORITHM IN NON COOPERATIVE BI-STATIC SONAR SYSTEM
KR20230089632A (ko) 전단 파 파라미터 측정 방법 및 초음파 장치

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant