KR102084315B1 - 주파수 검출 및 위상 차이 추정에 기반한 선박 기적소리의 방향 탐지 방법 및 그 장치 - Google Patents

주파수 검출 및 위상 차이 추정에 기반한 선박 기적소리의 방향 탐지 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

주파수 검출 및 위상 차이 추정에 기반한 선박 기적소리의 방향 탐지 방법 및 그 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 음향수신장치에서 수행되는 음향 수신 방법은, 복수 개의 마이크로폰으로 입력된 신호 사이의 누적된 상관 혹은 각 마이크로폰에서 인접한 FFT 윈도우 사이의 누적된 상관을 이용하여 기적소리 주파수를 검출하는 단계; 상기 검출된 주파수에 대응하는 누적된 상관으로부터 위상 차이를 추정하는 단계; 및 상기 추정된 위상 차이에 기반한 선박의 디지털 음향수신장치를 위한 선박 기적소리의 방향을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

주파수 검출 및 위상 차이 추정에 기반한 선박 기적소리의 방향 탐지 방법 및 그 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DIRECTION DETECTION OF SHIP WHISTLE BASED ON FREQUENCY DETECTION AND PHASE DIFFERENCE ESTIMATION FOR SHIPS}
아래의 설명은 선박 기적소리의 방향을 탐지하는 기술에 관한 것이다.
특허문헌 1(한국등록특허 제10-1519087호, "디지털 신호처리에 기반한 선박의 음향수신 방법 및 장치")과 비특허문헌 1("선박용 디지털 음향수신장치 연구", 한국마린엔지니어링학회지, vol. 38, no. 9, pp.1125-1130, Nov. 2014)에서는 디지털 신호처리에 기반한 음향수신장치의 개발을 위하여 원하지 않는 주파수 대역의 신호를 제거하는 디지털 필터를 설계하고 수신 신호 전력에 기반한 방향 탐지 방법을 사용하였다. 그러나, 수신 신호 전력에 기반한 방식은 선박에서 겪을 수 있는 다양한 간섭으로 인하여 방향 탐지에 큰 오차가 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
또한, 특허문헌 2(한국등록특허 제10-1825810, "위상 차이를 이용한 선박용 디지털 음향수신장치의 방향 탐지 방법 및 장치")는 수신 신호 전력에 기반한 방식의 문제점을 극복하고자 신호의 크기가 아니라 인접한 마이크로폰 간 수신된 기적소리의 위상 차이를 이용한 방향 탐지 방법이 고려되었고, 비특허문헌 2("기적소리의 스펙트럼 분석을 통한 음향수신장치의 방향탐지 알고리즘 설계 및 분석", 한국마린엔지니어링학회지, vol. 41, no. 1, pp. 83-90, Jan. 2017.)는 수신 신호의 스펙트럼 분석을 통하여 기적소리로 사용된 주파수를 검출하고 위상 차이와 기적소리의 방향의 관계를 이론적으로 분석하였다. 그러나, 상기 제안된 종래의 기술은 잡음이 심한 환경에서는 제대로 동작하지 않는다는 단점이 있으며, 여전히 주파수 검출 및 위상 차이의 추정 값의 정확도 향상을 통하여 방향 탐지 성능 개선의 여지가 있다.
두 마이크로폰 간 가능한 모든 조합의 수신 신호 사이의 상관 혹은 각 마이크로폰에서 인접한 FFT 윈도우 사이의 상관을 이용하여 주파수 검출 및 위상 차이 추정에 기반한 선박의 디지털 음향수신장치를 위한 선박 기적소리의 방향을 검출하는 방법을 제공할 수 있다.
단일 주파수 정현파 기적소리에 대하여 주파수 검출 위상 차이 추정 시 잡음의 영향을 줄이기 위하여 다양한 상관 값들을 누적하고, 추정된 위상 차이 값들을 결합하여 방향을 탐지하는 방법을 제공할 수 있다.
음향수신장치에서 수행되는 음향 수신 방법은, 복수 개의 마이크로폰으로 입력된 신호 사이의 누적된 상관 혹은 각 마이크로폰에서 인접한 FFT 윈도우 사이의 누적된 상관을 이용하여 기적소리 주파수를 검출하는 단계; 상기 검출된 주파수에 대응하는 누적된 상관으로부터 위상 차이를 추정하는 단계; 및 상기 추정된 위상 차이에 기반한 선박의 디지털 음향수신장치를 위한 선박 기적소리의 방향을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 주파수를 검출하는 단계는, 상기 복수 개의 마이크로폰으로부터 입력된 신호가 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 통과함에 따라 디지털 신호처리부로 입력되고, 상기 디지털 신호처리부로 입력됨에 따라 생성된 샘플들이 고속 푸리에 변환(FFT)를 위하여 버퍼(Buffer)에 저장되고, 상기 고속 푸리에 변환의 길이에 기반하여 상기 샘플들이 수집되어 FFT 연산이 수행되는 단계를 포함할 수 있다.
상기 주파수를 검출하는 단계는, 상기 FFT 연산이 수행된 FFT 연산 결과가 상관기에 입력됨에 따라 상기 복수 개의 마이크로폰 중 두 마이크로폰 간 가능한 모든 조합에 대한 FFT 연산 결과들 사이의 상관 계산 및 각각의 마이크로폰에 대하여 인접한 FFT 윈도우 사이의 상관 계산이 수행되는 단계를 포함할 수 있다.
상기 주파수를 검출하는 단계는, 상기 상관 계산이 수행됨에 따라 획득된 상관 계산 결과가 누적기로 입력됨에 따라 미리 설정된 횟수만큼 누적되고, 상기 복수 개의 마이크로폰 중 두 마이크로폰 간 가능한 모든 조합에 대한 FFT 연산 결과들 사이의 상관 계산이 누적된 제1 상관 값 또는 상기 각각의 마이크로폰에 대하여 인접한 FFT 윈도우 사이의 상관 계산이 누적된 제2 상관 값이 주파수 검출을 위하여 크기 계산기로 입력되는 단계를 포함할 수 있다.
상기 주파수를 검출하는 단계는, 상기 제1 상관 값 또는 상기 제2 상관 값 중 적어도 하나 이상의 상관 값의 크기를 기 설정된 임계값과 비교하여 기적소리로 사용된 주파수를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 위상 차이를 추정하는 단계는, 상기 복수 개의 마이크로폰 중 두 마이크로폰 간 가능한 모든 조합의 누적된 상관 값이 방향 탐지를 위하여 위상 차이 추정기로 입력되고, 상기 위상 차이 추정기에서 상기 복수 개의 마이크로폰 중 두 마이크로폰 간 가능한 모든 조합에 대한 FFT 연산 결과들 사이의 상관 계산이 누적된 상관 값 중 검출된 주파수에 대한 위상을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 선박 기적소리의 방향을 검출하는 단계는, 방향 검출기에서 상기 추정된 위상에 대한 위상 차이 값을 결합하여 선박 기적소리의 방향을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
음향수신장치는, 복수 개의 마이크로폰으로 입력된 신호 사이의 누적된 상관 혹은 각 마이크로폰에서 인접한 FFT 윈도우 사이의 누적된 상관을 이용하여 기적소리 주파수를 검출하는 주파수 검출기; 상기 검출된 주파수에 대응하는 누적된 상관으로부터 위상 차이를 추정하는 위상 차이 추정기; 및 상기 추정된 위상 차이에 기반한 선박의 디지털 음향수신장치를 위한 선박 기적소리의 방향을 검출하는 방향 검출기를 포함할 수 있다.
상기 음향수신장치는, 상기 복수 개의 마이크로폰으로부터 입력된 신호가 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 통과함에 따라 디지털 신호처리부로 입력되고, 상기 디지털 신호처리부로 입력됨에 따라 생성된 샘플들이 고속 푸리에 변환(FFT)를 위하여 버퍼(Buffer)에 저장되고, 상기 고속 푸리에 변환의 길이에 기반하여 상기 샘플들이 수집되어 FFT 연산이 수행될 수 있다.
상기 음향수신장치는, 연산 결과가 상관기에 입력됨에 따라 상기 복수 개의 마이크로폰 중 두 마이크로폰 간 가능한 모든 조합에 대한 FFT 연산 결과들 사이의 상관 계산 및 각각의 마이크로폰에 대하여 인접한 FFT 윈도우 사이의 상관 계산이 수행될 수 있다.
상기 음향수신장치는, 상기 상관 계산이 수행됨에 따라 획득된 상관 계산 결과가 누적기로 입력됨에 따라 미리 설정된 횟수만큼 누적되고, 상기 복수 개의 마이크로폰 중 두 마이크로폰 간 가능한 모든 조합에 대한 FFT 연산 결과들 사이의 상관 계산이 누적된 제1 상관 값 또는 상기 각각의 마이크로폰에 대하여 인접한 FFT 윈도우 사이의 상관 계산이 누적된 제2 상관 값이 주파수 검출을 위하여 크기 계산기로 입력될 수 있다.
상기 음향수신장치는, 상기 음향수신 장치의 주파수 검출기에서, 상기 제1 상관 값 또는 상기 제2 상관 값 중 적어도 하나 이상의 상관 값의 크기를 기 설정된 임계값과 비교하여 기적소리로 사용된 주파수를 검출할 수 있다.
상기 위상 차이 추정기는, 상기 복수 개의 마이크로폰 중 두 마이크로폰 간 가능한 모든 조합의 누적된 상관 값이 방향 탐지를 위하여 입력되고, 상기 복수 개의 마이크로폰 중 두 마이크로폰 간 가능한 모든 조합에 대한 FFT 연산 결과들 사이의 상관 계산이 누적된 상관 값 중 검출된 주파수에 대한 위상을 추정할 수 있다.
상기 방향 검출기는, 방향 검출기에서 상기 추정된 위상에 대한 위상 차이 값을 결합하여 선박 기적소리의 방향을 검출할 수 있다.
일 실시예에 따른 음향수신장치는 두 마이크로폰 간 가능한 모든 조합의 수신 신호 사이의 누적된 상관 값 혹은 각 마이크로폰에서 인접한 FFT 윈도우 사이의 누적된 상관 값을 이용함에 따라 주파수 검출 및 위상 차이 값의 정확도를 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 음향수신장치는 주파수 검출 및 위상 차이 추정 시 잡음의 영향을 감소시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 음향수신장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 음향수신장치에서 마이크로폰 유닛에 내장된 마이크로폰의 배치도의 예이다.
도 3은 일 실시예에 따른 음향수신장치에서 주파수 검출 및 위상 차이 추정을 수행하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 음향수신장치에서 방향을 탐지하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 음향수신장치의 방향 추정기의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 음향수신장치의 방향 검출기에서 섹터를 판별하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 수신 각 추정기에서 근사화된 수신 각의 오차 곡선을 나타낸 그래프이다.
이하, 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예에서는 디지털 음향수신장치의 다수의 마이크로폰에 수신된 다른 선박의 기적소리에 대해 잡음의 영향을 줄이기 위하여 서로 다른 두 마이크로폰의 수신 신호 사이의 누적된 상관 혹은 각 마이크로폰에서 인접한 FFT 윈도우 사이의 누적된 상관을 이용하여 기적소리 주파수를 검출하고, 서로 다른 두 마이크로폰 사이의 누적된 상관 값으로부터 위상 차이를 추정할 수 있다. 또한, 서로 다른 두 마이크로폰의 모든 조합에 대하여 추정된 위상 차이 값들을 이용하여 섹터 판별기에서 수신 방향에 해당하는 섹터를 구분하여 수신 각 추정기에서 수신 각을 추정함으로써 기적소리의 방향을 검출하는 방법을 설명하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 음향수신장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
음향수신장치(100)는 마이크로폰 유닛(110), 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter: ADC)(120) 및 디지털 신호처리부(Digital Signal Processor: DSP)(130)를 포함할 수 있다. 마이크로폰 유닛(110)에 복수 개의 마이크로폰이 배치될 수 있다. 도 2를 참고하면, 마이크로폰 유닛(110)에 내장된 4개의 마이크로폰의 배치도를 나타낸 예이다. 마이크로폰 유닛(110)에 내장된 마이크로폰의 개수 및 배치는 이에 한정되는 것은 아니며, 설명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이다. 4개의 마이크로폰은 동일 평면상에서 반경 r인 원 위에
Figure 112018072036809-pat00001
rad 각도의 균등한 간격을 갖도록 Mic1을 기준으로 반시계 방향으로 Mic2, Mic3, Mic4와 같은 순서로 배치될 수 있다. 이때, 실시예에서는 각 마이크로폰까지 도달하는 기적소리의 지연시간에 따른 마이크로폰 간의 위상 차이를 이용하여 기적소리의 방향을 추정하는 것을 가정한다. 이러한 위상 차이 값은 배치된 마이크로폰 사이의 간격에 영향을 받으며 최대
Figure 112018072036809-pat00002
rad 이내의 위상 차이가 발생하도록 마이크로폰 사이의 간격이 결정되어야 한다. 동일한 마이크로폰 간격에 대해서 사용되는 주파수가 높을수록 위상 차이가 증가하므로 사용 가능한 기적소리 주파수 중에서 최대 주파수인 820Hz를 기준으로 마이크로폰 사이의 간격이 결정될 수 있다. 공기 중에서 음파의 속도는 344m/s이므로 820Hz 주파수의 기적신호에 대한 정현파 신호의 파장 길이는 41.95cm이다. 도 2의 마이크로폰 배치에 따르면 서로 다른 두 마이크로폰 사이의 최대 거리는 2r이 되므로 r<10.4875cm를 만족해야 하며 실시예의 음향수신장치의 하드웨어는 r=6.5cm설계될 수 있다.
아날로그-디지털 변환기(120)는 복수 개의 마이크로폰으로부터 입력된 신호를 수신할 수 있다. 아날로그-디지털 변환기(120)는 수신된 신호를 디지털 신호로 변환하여 디지털 신호처리부(130)로 변환된 디지털 신호를 입력할 수 있다.
디지털 신호처리부(130)는 버퍼(131), 고속 푸리에 변환(FFT)(기)(132), 상관기(Correlator)(133), 누적기(Accumulator)(134), 방향 검출기(Direction Detector)(135), 크기 계산기(Magnitude Calculator)(136), 주파수 검출기(Frequency Detector)(137) 및 위상 차이 추정기(Phase Difference Estimator)(138)를 포함할 수 있다.
아날로그-디지털 변환기(120)를 통과하여 변환된 디지털 신호가 디지털 신호처리부(130)에 입력됨에 따라 샘플들이 생성되고, 생성된 샘플들이 고속 푸리에 변환(FFT)(132)를 위하여 버퍼(Buffer)(131)에 저장되고, 고속 푸리에 변환의 길이에 기반하여 샘플들이 수집되어 FFT 연산이 수행될 수 있다. 다시 말해서, FFT 길이인 N FFT 샘플이 모여 FFT 연산이 수행될 수 있다.
FFT 연산이 수행된 FFT 연산 결과가 상관기(133)로 입력될 수 있다. 상관기(133)는 복수 개의 마이크로폰 중 두 마이크로폰 간 가능한 모든 조합에 대한 FFT 연산 결과들 사이의 상관 계산 및 각각의 마이크로폰에 대하여 인접한 FFT 윈도우 사이의 상관 계산을 수행할 수 있다. 상관 계산이 수행된 상관 계산 결과가 누적기(134)로 입력됨에 따라 미리 설정된 횟수만큼 누적되고, 복수 개의 마이크로폰 중 두 마이크로폰 간 가능한 모든 조합에 대한 FFT 연산 결과들 사이의 상관 계산이 누적된 제1 상관 값 또는 각각의 마이크로폰에 대하여 인접한 FFT 윈도우 사이의 상관 계산이 누적된 제2 상관 값이 주파수 검출을 위하여 크기 계산기(136)로 입력될 수 있다. 또한, 제1 상관 값 또는 제2 상관 값 중 어느 하나 이상의 상관 값이 방향 탐지를 위하여 위상 차이 추정기(138)로 입력될 수 있다. 이때, 주파수 검출기(137)에서 검출된 주파수에 한하여 위상 차이를 획득하면 된다. 주파수 검출기(137)는 상관 값의 크기를 기 설정된 임계값과 비교하여 기적소리로 사용된 주파수를 검출할 수 있다.
위상 차이 추정기(138)는 주파수 검출이 완료된 후, 복수 개의 마이크로폰 중 두 마이크로폰 간 가능한 모든 조합에 대한 FFT 연산 결과들 사이의 상관 계산이 누적된 제1 상관 값 중 검출된 주파수에 대한 위상을 추정하여 방향 검출기(135)로 출력할 수 있다. 여기서, 위상 차이 추정기(138)로 입력된 복수 개의 마이크로폰 중 두 마이크로폰 간 가능한 모든 조합에 대한 FFT 연산 결과들 사이의 상관 계산이 누적된 상관 값(제1 상관 값)의 위상은 두 마이크로폰 사이의 위상 차이를 나타내게 된다. 방향 검출기(135)는 입력된 다양한 위상 차이 값들을 이용하여 기적소리 신호의 방향을 검출할 수 있다.
이에, 선박에서 기적소리 방향을 탐지하는 방법을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3은 일 실시예에 따른 음향수신장치에서 주파수 검출 및 위상 차이 추정을 수행하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
음향수신장치의 수신 신호를 수학적으로 모델링할 수 있다. 이때, 선박의 이동에 따른 도플러 천이(Doppler shift)와 선박의 움직임을 고려하지 않기로 한다. 기적소리는 단일 주파수가 사용되므로, 기적소리 신호
Figure 112018072036809-pat00003
를 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
수학식 1:
Figure 112018072036809-pat00004
여기서, P는 기적소리의 신호 크기, f는 기적소리 신호의 주파수,
Figure 112018072036809-pat00005
는 기적소리 신호의 위상을 나타낸다. 음향수신장치의 m번째 마이크로폰으로 수신된 신호
Figure 112018072036809-pat00006
는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다. 이때, m=1, 2, 3, 4이다.
수학식 2:
Figure 112018072036809-pat00007
여기서,
Figure 112018072036809-pat00008
과
Figure 112018072036809-pat00009
은 각각 m번째 마이크로폰에 도달하기까지 겪는 신호의 감쇠(attenuation)와 지연시간을 나타내고,
Figure 112018072036809-pat00010
는 m번째 마이크로폰에 수신되는 잡음 신호를 나타낸다. 또한,
Figure 112018072036809-pat00011
은 m번째 마이크로폰의 수신 신호의 위상을 나타내며,
Figure 112018072036809-pat00012
이다.
각 마이크로폰으로 수신된 신호는 ADC를 통과한 후 수학식 3과 같이 이산시간(discrete-time) 신호
Figure 112018072036809-pat00013
으로 표현될 수 있다.
수학식 3:
Figure 112018072036809-pat00014
여기서,
Figure 112018072036809-pat00015
는 ADC의 샘플링 간격을 나타내고,
Figure 112018072036809-pat00016
이다. 또한,
Figure 112018072036809-pat00017
은 m번째 마이크로폰에 수신되는 잡음 성분의 샘플링된 값을 나타낸다.
수신 샘플은 버퍼에 저장되고, 수신 샘플이 N FFT 의 길이만큼 수집됨에 따라 FFT 연산이 수행될 수 있다(302). FFT 연산이 수행됨에 따라 출력된 연산 결과
Figure 112018072036809-pat00018
는 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
수학식 4:
Figure 112018072036809-pat00019
이때,
Figure 112018072036809-pat00020
는 기적소리 성분
Figure 112018072036809-pat00021
에 대한 FFT 연산 결과,
Figure 112018072036809-pat00022
는 잡음 성분에 대한 FFT 연산 결과를 나타낸다.
도 3을 참고하면, 두 마이크로폰 간 가능한 모든 조합의 상관 연산 및 누적을 이용한 기적소리의 주파수 검출 및 위상 차이 추정 방법을 설명하기로 한다. 우선적으로, 두 마이크로폰에 대한 FFT 연산 결과들 사이의 상관 값
Figure 112018072036809-pat00023
을 수학식 5와 같이 정의할 수 있다.
수학식 5:
Figure 112018072036809-pat00024
여기서, 서로 다른 두 마이크로폰의 조합은 총 6가지가 존재하며,
Figure 112018072036809-pat00025
는 가능한 조합의 마이크로폰 및 상관 결과에 대한 인덱스를 나타낸다. 그러면, 수학식 5는 수학식 6과 같이 전개하여 정리될 수 있다.
수학식 6:
Figure 112018072036809-pat00026
이때, 수학식 6의 첫 번째 항은 기적소리 성분에 대한 상관 값을 나타내고,
Figure 112018072036809-pat00027
는 두 마이크로폰 사이의 위상 차이를 의미한다. 또한, 나머지 항들은 잡은 성분에 의한 영향을 나타낸다.
두 마이크로폰 사이의 위상 차이는 기적소리가 마이크로폰에 도달하는 지연시간의 차이에 의해서 발생하며, 선박의 이동과 움직임을 고려하지 않는다면 FFT 윈도우(window)마다 각각의 위상 차이는 고정된 값을 가진다. 이에 따라, 두 마이크로폰 사이의 상관 값
Figure 112018072036809-pat00028
을 누적함으로써 잡음의 영향을 감소시킬 수 있다(303~306). 다시 말해서, 두 마이크로폰 사이의 상관 값은 미리 설정된 누적 횟수
Figure 112018072036809-pat00029
만큼 누적될 수 있다. 이때, 누적 횟수는
Figure 112018072036809-pat00030
로 정의하여 기재하기로 하며, 사전에 누적 회수가 설정될 수 있다(301).
누적된 상관 값은 모두 6가지 마이크로폰의 조합에 대하여 획득되며, 각 마이크로폰 조합에 대한 위상 차이는 기적소리의 방향에 따라 다를 수 있으므로 크기 계산기에서는 누적된 상관 값의 크기를 계산한 후, 6가지의 마이크로폰 조합에 대한 누적된 상관 값의 크기 값을 모두 가산함으로써 다이버시티 이득을 획득할 수 있다(307, 308). 다시 말해서, 두 마이크로폰 사이의 상관 값은 미리 설정된 누적 횟수
Figure 112018072036809-pat00031
만큼 누적되어 크기 연산 후, 크기 값들이 모두 가산되고, 임계값 시험을 통하여 주파수가 검출될 수 있다(309).
또한, 위상 차이 추정기는 누적기에서 누적된 각 상관 값의 위상을 계산함으로써 두 마이크로폰 조합
Figure 112018072036809-pat00032
에 대한 위상 차이
Figure 112018072036809-pat00033
를 추정할 수 있다(311). 다시 말해서, 주파수가 검출된 후, 누적기 출력의 위상 값을 추출함에 따라 위상 차이 값이 획득될 수 있다(310, 311).
도 4는 일 실시예에 따른 음향수신장치에서 방향을 탐지하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
기적소리와 방향이 두 마이크로폰
Figure 112018072036809-pat00034
과
Figure 112018072036809-pat00035
사이의 영역이 될 경우,
Figure 112018072036809-pat00036
번째 마이크로폰 조합에 대해 기적소리가 두 마이크로폰에 도달하기까지의 지연시간에 의한 위상 차이
Figure 112018072036809-pat00037
는 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 7:
Figure 112018072036809-pat00038
여기서,
Figure 112018072036809-pat00039
과
Figure 112018072036809-pat00040
는 각각의 기적소리가 발생한 다른 선박으로부터 두 마이크로폰
Figure 112018072036809-pat00041
과
Figure 112018072036809-pat00042
까지의 거리,
Figure 112018072036809-pat00043
는 공기 중에서 음파의 속도를 나타낸다. 또한, 기적소리가 발생한 다른 선박으로부터 마이크로폰 유닛의 중심까지의 거리를 D라고 하면, 위상 차이
Figure 112018072036809-pat00044
과 기적소리의 수신 각도
Figure 112018072036809-pat00045
사이의 관계는 수학식 8과 같이 근사적으로 나타낼 수 있다.
수학식 8:
Figure 112018072036809-pat00046
두 마이크로폰
Figure 112018072036809-pat00047
과
Figure 112018072036809-pat00048
사이의 위상 차이를 획득할 수 있으면, 수학식 8의 관계로부터 수신 각도를 추정할 수 있다. 이때, 수학식 8은 두 마이크로폰
Figure 112018072036809-pat00049
과
Figure 112018072036809-pat00050
사이의 영역에서 기적소리가 수신되는 경우에 대한 위상 차이를 나타내므로 위상 차이로부터 기적소리의 방향을 탐지하기 위하여 기적소리가 모든 가능한 두 마이크로폰 조합 중 어느 영역에서 수신되는지를 식별할 수 있어야 한다. 일례로, 6가지 마이크로폰 조합에 대한 위상 차이의 정보를 이용하여 기적소리가 수신되는 영역을 판별할 수 있다. 예를 들면, 마이크로폰 조합은 인접한 마이크로폰뿐만 아니라 서로 마주보는 마이크로폰의 조합도 고려할 수 있고, 이외에도 다양한 조합이 있을 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 음향수신장치의 방향 추정기의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
방향 검출기(134)는 기적소리가 수신되는 영역을 판별하기 위하여 섹터 판별기(sector discriminator)(510)를 포함할 수 있다. 또한, 방향 검출기(134)는 수신 각 추정기(520), 방향 추정기(530)를 더 포함할 수 있다.
우선적으로, 섹터 판별기(510)는 위상 차이 추정기에서 추정된 6개의 위상 값들이 섹터 판별기로 입력되고, 입력된 6개의 위상 값들을 이용하여 기적소리가 수신되는 섹터를 검출할 수 있다. 여기서, 기적소리의 수신 섹터는 45도 간격으로 모두 8개로 나누어 판별될 수 있다. 섹터가 판별되면, 판별된 섹터의 마이크로폰 조합을 알 수 있으므로 판별된 섹터와 해당 마이크로폰 조합에 대한 위상 차이 값이 수신 각 추정기로(520)로 입력된다. 수신 각 추정기(520)는 검출된 주파수 값과 위상 차이 값을 이용하여 수신 각
Figure 112018072036809-pat00051
을 추정하고, 섹터 정보를 추가로 이용하여 기적소리의 방향을 탐지할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 음향수신장치의 방향 검출기에서 섹터를 판별하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
방향 검출기(150)의 섹터 판별기(510)는 두 마이크로폰의 위상 차이 값의 부호 및 위상 차이 값들의 차이를 이용하여 기 설정된 간격의 복수 개의 섹터를 구분할 수 있다. 예를 들면, 도 6에서는 45도 간격의 8개의 섹터를 구분하였다. 각 위상 차이 값의 부호 및 상기 각 위상 차이 값의 부호의 조합에 따른 섹터는 표 1과 같이 나타낼 수 있다. 일례로, 위상 차이
Figure 112018072036809-pat00052
의 부호로부터 섹터 그룹 (H, A, B, C)와 (D, E, F, G)를 서로 구분할 수 있고, 위상 차이
Figure 112018072036809-pat00053
의 부호로부터 섹터 그룹 (F, G, H, A)와 (B, C, D, E)를 서로 구분할 수 있다. 이와 유사하게, 위상 차이
Figure 112018072036809-pat00054
와
Figure 112018072036809-pat00055
로부터 서로 다른 2개의 섹터 그룹이 구분될 수 있다. 이러한 4개의 위상 차이 값의 부호를 모두 조합하면 4개의 섹터 그룹 (B, C), (D, E), (F, G), (H, A)을 구분할 수 있다. 뿐만 아니라, 위상 차이 값들의 차이
Figure 112018072036809-pat00056
로부터 섹터 그룹 (A, B, C, D)와 (E, F, G, H)를 서로 구분할 수 있고, 위상 차이 값들의 차이
Figure 112018072036809-pat00057
로부터 섹터 그룹 (G, H, A, B)와 (C, D, E, F)를 서로 구분할 수 있다. 서로 마주보고 있는 마이크로폰 사이의 위상 차이
Figure 112018072036809-pat00058
의 부호로 섹터 그룹 (A, B, G, H)와 (C, D, E, F)를 구분할 수 있고,
Figure 112018072036809-pat00059
의 부호로 섹터 그룹 (A, B, C, D)와 (E, F, G, H)를 구별할 수 있다. 뿐만 아니라 위상 차이 값들의 차이
Figure 112018072036809-pat00060
의 부호로부터 섹터 그룹 (A, D, E, H)와 (B, C, F, G)를 구분할 수 있다. 이에, 표 1과 같이 전체 8개의 섹터가 모두 구분될 수 있다.
표 1: 위상 차이 값의 부호에 따른 섹터 판별표
Figure 112018072036809-pat00061
섹터 판별기에서 기적소리의 수신 영역을 기 설정된 개수(예를 들면, 8개)로 구분하여 판별함에 따라 섹터가 결정된 후, 수신 각 추정기(520)는 위상 차이 값
Figure 112018072036809-pat00062
에 대해서 수신 각
Figure 112018072036809-pat00063
를
Figure 112018072036809-pat00064
범위에서 추정할 수 있다. 수학식 8에서
Figure 112018072036809-pat00065
를 테일러 급수(Taylor series)를 사용하여 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
수학식 9:
Figure 112018072036809-pat00066
이때,
Figure 112018072036809-pat00067
는 실수 a에서 2차 테일러 급수를 나타내며, 수학식 10과 같이 정의될 수 있다.
수학식 10:
Figure 112018072036809-pat00068
이때,
Figure 112018072036809-pat00069
이다. 실시예에서는
Figure 112018072036809-pat00070
와
Figure 112018072036809-pat00071
인 두 경우를 고려한다. 수학식 11은
Figure 112018072036809-pat00072
일 때, 수학식 12는
Figure 112018072036809-pat00073
일 때, 2차 테일러 급수를 이용한 수신 각 계산 근사식을 나타낸 것이다.
수학식 11:
Figure 112018072036809-pat00074
수학식 12:
Figure 112018072036809-pat00075
여기서,
Figure 112018072036809-pat00076
이다.
도 7은 일 실시예에 따른 수신 각 추정기에서 근사화된 수신 각의 오차 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 7의 그래프는 수신 각 추정을 위하여 사용된 근사화된 수학식 11 및 수학식 12의 결과와 실제 수신 각의 오차 값을 나타낸 것이다. 여기서, 예를 들면, 기적소리와 마이크로폰 유닛 사이의 거리 및 마이크로폰 유닛의 반경은 각각 D=3m, 30m 과 r=6.5cm, 기적소리로 사용된 주파수는 f=560Hz로 설정될 수 있다.
수학식 8은 기적소리와 마이크로폰 사이의 거리가 충분히 멀다는 가정을 사용하여 수학식 7로부터 근사화되었기 때문에 수학식 8의 근사화는 D=30m 인 경우가 D=3m인 경우에 비해 보다 정확하다. 도 7과 같이 수신 각 추정 오차의 최대값이 D의 값에 따라 큰 차이를 나타내지는 않으므로 수학식 8에서 사용된 근사화에 따른 영향은 크지 않음을 알 수 있다. 또한, 수학식 8의 근사화에 대한 가정과 상관없이 위상 차이가 0이 되는 수신 각은 수학식 7과 수학식 8로부터
Figure 112018072036809-pat00077
임을 알 수 있다. 그러나, 2차 테일러 급수를 사용한 수학식 11과 수학식 12의 근사식에서는 오차가 발생할 수 있다. 먼저, 수학식 12와 같이 a=0에 대한 2차 테일러 급수를 사용할 경우 기적소리의 방향이 섹터의 한 쪽 경계인
Figure 112018072036809-pat00078
rad에 해당하는 한 쪽 마이크로폰의 정면을 향할 때 수신 각의 최대 오차가 약 0.054 rad 정도 발생하게 된다. 반면, 수학식 11과 같이
Figure 112018072036809-pat00079
에 대한 2차 테일러 급수를 사용할 경우 기적소리의 방향이 섹터의 한 쪽 경계인
Figure 112018072036809-pat00080
rad에 해당하는 한 쪽 마이크로폰의 정면을 향할 때 최대 수신 각의 오차가 약 0.01 rad 정도 발생하게 된다. 이에 따라, 수학식 11과 같이
Figure 112018072036809-pat00081
에 대한 2차 테일러 급수를 이용함으로써 섹터 경계에서 오차를 최소화시킬 수 있다.
수신 각
Figure 112018072036809-pat00082
는 검출된 주파수 값과 두 마이크로폰 사이의 위상 차이 값에 의해 결정될 수 있다. 수학식 11 또는 수학식 12 중 어느 하나를 이용하여 획득된 수신 각
Figure 112018072036809-pat00083
과 판별된 섹터를 이용하여 표 2와 같이 기적소리가 수신되는 수신 각을 최종적으로 추정함으로써 기적소리의 방향을 탐지할 수 있다.
표 2:
Figure 112018072036809-pat00084
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (14)

  1. 음향수신장치에서 수행되는 음향 수신 방법에 있어서,
    복수 개의 마이크로폰으로 입력된 신호 사이의 누적된 상관 혹은 각 마이크로폰에서 인접한 FFT 윈도우 사이의 누적된 상관을 이용하여 기적소리 주파수를 검출하는 단계;
    상기 검출된 주파수에 대응하는 누적된 상관으로부터 위상 차이를 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 위상 차이에 기반한 선박의 디지털 음향수신장치를 위한 선박 기적소리의 방향을 검출하는 단계
    를 포함하고,
    상기 주파수를 검출하는 단계는,
    상기 복수 개의 마이크로폰으로부터 입력된 신호가 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 통과함에 따라 디지털 신호처리부로 입력되고, 상기 디지털 신호처리부로 입력됨에 따라 생성된 샘플들이 고속 푸리에 변환(FFT)를 위하여 버퍼(Buffer)에 저장되고, 상기 고속 푸리에 변환의 길이에 기반하여 상기 샘플들이 수집되어 FFT 연산이 수행되고, 상기 FFT 연산이 수행된 FFT 연산 결과가 상관기에 입력됨에 따라 상기 복수 개의 마이크로폰 중 두 마이크로폰 간 가능한 모든 조합에 대한 FFT 연산 결과들 사이의 상관 계산 및 각각의 마이크로폰에 대하여 인접한 FFT 윈도우 사이의 상관 계산이 수행되고, 상기 상관 계산이 수행됨에 따라 획득된 상관 계산 결과가 누적기로 입력됨에 따라 미리 설정된 횟수만큼 누적되고, 상기 복수 개의 마이크로폰 중 두 마이크로폰 간 가능한 모든 조합에 대한 FFT 연산 결과들 사이의 상관 계산이 누적된 제1 상관 값 또는 상기 각각의 마이크로폰에 대하여 인접한 FFT 윈도우 사이의 상관 계산이 누적된 제2 상관 값이 주파수 검출을 위하여 크기 계산기로 입력되는 단계
    를 포함하는 음향 수신 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 주파수를 검출하는 단계는,
    상기 제1 상관 값 또는 상기 제2 상관 값 중 적어도 하나 이상의 상관 값의 크기를 기 설정된 임계값과 비교하여 기적소리로 사용된 주파수를 검출하는 단계
    를 포함하는 음향 수신 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 위상 차이를 추정하는 단계는,
    상기 복수 개의 마이크로폰 중 두 마이크로폰 간 가능한 모든 조합의 누적된 상관 값이 방향 탐지를 위하여 위상 차이 추정기로 입력되고, 상기 위상 차이 추정기에서 상기 복수 개의 마이크로폰 중 두 마이크로폰 간 가능한 모든 조합에 대한 FFT 연산 결과들 사이의 상관 계산이 누적된 상관 값 중 검출된 주파수에 대한 위상을 추정하는 단계
    를 포함하는 음향 수신 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 선박 기적소리의 방향을 검출하는 단계는,
    방향 검출기에서 상기 추정된 위상에 대한 위상 차이 값을 결합하여 선박 기적소리의 방향을 검출하는 단계
    를 포함하는 음향 수신 방법.
  8. 음향수신장치에 있어서,
    복수 개의 마이크로폰으로 입력된 신호 사이의 누적된 상관 혹은 각 마이크로폰에서 인접한 FFT 윈도우 사이의 누적된 상관을 이용하여 기적소리 주파수를 검출하는 주파수 검출기;
    상기 검출된 주파수에 대응하는 누적된 상관으로부터 위상 차이를 추정하는 위상 차이 추정기; 및
    상기 추정된 위상 차이에 기반한 선박의 디지털 음향수신장치를 위한 선박 기적소리의 방향을 검출하는 방향 검출기
    를 포함하고,
    상기 음향수신장치는,
    상기 복수 개의 마이크로폰으로부터 입력된 신호가 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 통과함에 따라 디지털 신호처리부로 입력되고, 상기 디지털 신호처리부로 입력됨에 따라 생성된 샘플들이 고속 푸리에 변환(FFT)를 위하여 버퍼(Buffer)에 저장되고, 상기 고속 푸리에 변환의 길이에 기반하여 상기 샘플들이 수집되어 FFT 연산이 수행되고, 상기 FFT 연산이 수행된 FFT 연산 결과가 상관기에 입력됨에 따라 상기 복수 개의 마이크로폰 중 두 마이크로폰 간 가능한 모든 조합에 대한 FFT 연산 결과들 사이의 상관 계산 및 각각의 마이크로폰에 대하여 인접한 FFT 윈도우 사이의 상관 계산이 수행되고, 상기 상관 계산이 수행됨에 따라 획득된 상관 계산 결과가 누적기로 입력됨에 따라 미리 설정된 횟수만큼 누적되고, 상기 복수 개의 마이크로폰 중 두 마이크로폰 간 가능한 모든 조합에 대한 FFT 연산 결과들 사이의 상관 계산이 누적된 제1 상관 값 또는 상기 각각의 마이크로폰에 대하여 인접한 FFT 윈도우 사이의 상관 계산이 누적된 제2 상관 값이 주파수 검출을 위하여 크기 계산기로 입력되는
    음향수신장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제8항에 있어서,
    상기 음향수신장치는,
    상기 음향수신 장치의 주파수 검출기에서, 상기 제1 상관 값 또는 상기 제2 상관 값 중 적어도 하나 이상의 상관 값의 크기를 기 설정된 임계값과 비교하여 기적소리로 사용된 주파수를 검출하는
    것을 특징으로 하는 음향수신 장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 위상 차이 추정기는,
    상기 복수 개의 마이크로폰 중 두 마이크로폰 간 가능한 모든 조합의 누적된 상관 값이 방향 탐지를 위하여 입력되고, 상기 복수 개의 마이크로폰 중 두 마이크로폰 간 가능한 모든 조합에 대한 FFT 연산 결과들 사이의 상관 계산이 누적된 상관 값 중 검출된 주파수에 대한 위상을 추정하는
    것을 특징으로 하는 음향수신 장치.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 방향 검출기는,
    방향 검출기에서 상기 추정된 위상에 대한 위상 차이 값을 결합하여 선박 기적소리의 방향을 검출하는
    것을 특징으로 하는 음향수신 장치.
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