KR102096530B1 - 도약 주파수 코딩 기반 송수신 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도약 주파수 코딩 기반 송수신 방법 및 장치에 관한 것으로, 일 실시 예에 따른 능동 소나 시스템의 도약 주파수 코딩 기반 송수신 방법은 송신기에서는 반사 신호의 지연시간보다 짧은 주기로 적어도 3개의 주파수 대역을 도약하는 도약 주파수 코딩 기반 연속파 신호를 송신하는 단계 및 수신기에서 수신신호의 주파수, 도약 시점, 및 도약 주파수를 획득하고, 획득된 주파수, 도약 시점 및 도약 주파수로부터 표적의 거리 및 도플러 주파수를 추정하는 단계를 포함한다.

Description

도약 주파수 코딩 기반 송수신 방법 및 장치{Hopping-frequency coding based transmission and reception method and apparatus to estimate the information of a high-speed underwater vehicle in short range}
본 발명은 근접 거리용 소나의 탐지 장치에서 고속으로 기동하는 표적의 거리와 도플러 추정을 위한 신호 송수신 방법 및 장치에 관한 것이다.
소나 시스템(sonar system)은 수중에서 음파를 송신하고 반사된 신호에서 표적을 탐지하고 정보를 추정하는 장비를 의미한다. 소나 시스템은 표적이 방사하는 음향신호만을 수신하여 표적을 탐지하고 정보를 추출하는 수동 소나 시스템과 음향신호를 송신하고 반사신호를 수신하여 표적을 탐지하고 정보를 추정하는 능동 소나 시스템으로 구분되는데, 본 발명은 능동 소나 시스템 중에서 근거리에서 고속으로 기동하는 표적의 정보 추정에 관련된 것이다.
근거리에서 고속으로 기동하는 표적의 거리 및 도플러 정보를 추정하기 위한 종래의 대표적인 기술에는 frequency modulated continuous wave (FMCW) 레이더가 있으며, 근접 신관, 레벨 측정 시스템, 충돌 방지 시스템 등과 같이 근거리 상황에서 거리의 정밀한 측정이 요구되는 응용 분야에서 널리 활용되고 있다.
FMCW 레이더에서 송·수신 신호의 주파수에서 표적의 정보를 추정하는 방법은 다음과 같다. 송·수신 신호를 믹싱(mixing)하여 도 1a와 같이 2개의 주파수
Figure 112018055382635-pat00001
와
Figure 112018055382635-pat00002
로 구성된 비트 신호(beat signal)를 획득하고(여기서,
Figure 112018055382635-pat00003
와
Figure 112018055382635-pat00004
는 송·수신 신호의 주파수 차이에 해당함), 2개의 주파수 중에서 다운 비트 주파수
Figure 112018055382635-pat00005
를 추정하여 다음 수학식 1과 같이 지연시간을 획득한다.
Figure 112018055382635-pat00006
(
Figure 112018055382635-pat00007
: FM신호의 시간-주파수 기울기).
FMCW 레이더에서는 도 1a와 같이 비트 신호에서
Figure 112018055382635-pat00008
의 신호가 차지하는 길이 비율을 높이기 위해서 FM 신호의 송신주기
Figure 112018055382635-pat00009
를 지연시간
Figure 112018055382635-pat00010
보다 매우 길게 사용한다. 비트 신호에서
Figure 112018055382635-pat00011
의 신호 길이가 길수록 높은 신호 대 잡음 비 (SNR : signal to noise power ratio)와 거리 분해능을 확보할 수 있다.
레이더의 전자파보다 매우 느린 속력의 음파를 사용하는 소나에 FMCW를 적용할 경우, 근거리 표적에 대해서도 매우 긴
Figure 112018055382635-pat00012
가 필수적으로 요구되고 사용 가능한 대역폭이 제한된 상황에서 신호 길이가 길어질수록 거리 분해능이 감소하고 추정치의 갱신 주기가 늘어나는 문제점이 발생한다. 뿐만 아니라, 수중 소나에서 발생하는 도플러 효과는 레이더에서 발생하는 도플러 효과보다 매우 크기 때문에 신호의 길이와 대역폭에서 무시할 수 없는 변화량이 발생한다. 수중 소나에서 발생되는 큰 도플러 효과 때문에 FMCW 소나에서는 도 1b와 같이 송수신 FMCW의 주파수 기울기와 대역폭이 달라져 일정한 주파수의 비트 신호가 발생하지 않는다. 이로 인해서 FMCW 소나에는 FMCW 레이더와 동일한 방법으로 표적의 정보를 추정할 수 없는 문제점이 있다.
[선행기술문헌번호]
선행기술 1: 한국등록특허 10-1049704
선행기술 2: 한국등록특허 10-0532803
선행기술 3: 한국등록특허 10-1175087
본 발명은 근거리에서 고속으로 기동하는 표적의 거리 및 도플러를 추정할 때, 반사신호의 지연시간과 도플러 효과에 관계없이 추정치를 짧은 주기로 갱신하기 위해서, 도약 주파수 코딩 기반 송신 방법과 이 신호에 적합한 거리 및 도플러 추정이 가능한 도약 주파수 코딩 기반의 송수신 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 능동 소나 시스템에서 도약 주파수 코딩 기반의 송수신 방법은 송신기에서는 반사 신호의 지연시간보다 짧은 주기로 적어도 3개의 주파수 대역을 도약하는 도약 주파수 코딩 기반 연속파 신호를 송신하는 단계, 수신기에서 수신신호의 주파수, 도약 시점, 및 도약 주파수를 획득하고, 상기 획득된 주파수, 도약 시점 및 도약 주파수로부터 표적의 거리 및 도플러 주파수를 추정하는 단계를 포함한다.
다른 실시 예에 따른 능동 소나 시스템에서 도약 주파수 코딩 기반 송수신 장치는 반사 신호의 지연시간보다 짧은 주기로 적어도 3개의 주파수 대역을 도약하는 도약 주파수 코딩 기반 연속파 신호를 송신하는 송신기, 수신신호의 주파수, 도약 시점, 및 도약 주파수를 획득하고, 상기 획득된 주파수, 도약 시점 및 도약 주파수로부터 표적의 거리 및 도플러 주파수를 추정하는 수신기를 포함한다.
또 다른 실시 예에 따른 상기 송수신 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록매체를 포함한다.
본 발명은 반사신호의 지연시간보다 짧은 주기로 근거리에서 고속으로 기동하는 표적의 정보를 실시간으로 갱신할 수 있다.
도 1a는 FMCW 레이더의 비트 신호를 도시한 것이며, 1b는 도플러 효과가 큰 FMCW 소나에서의 비트 신호를 도시한 것이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 도약 주파수 코딩 기반 송신신호의 예를 도시한 것이다.
도 3은 다른 실시 예에 따른 코드워드 길이가 3인 경우에 대한 코드와 상태 변환도를 도시한 것이다.
도 4는 또 다른 실시 예에 따른 코드워드 길이가 5인 경우에 대한 코드와 상태 변환도를 도시한 것이다.
도 5a는 또 다른 실시 예에 따른 송신 방법을 설명하는 흐름 도이다. 도 5b는 거리 및 도플러 주파수를 얻기 위한 수신 방법을 설명하는 흐름 도이다.
도 6은 또 다른 실시 예에 따른 길이가 2N인 차분 평균 필터의 예를 도시한 것이다.
도 7은 또 다른 실시 예에 따른 4개의 문턱값으로 주파수 도약 시점을 탐지하고 도약 주파수를 얻는 경우의 예를 도시한 것이다.
도 8은 또 다른 실시 예에 따른 도약 주파수 코딩 기반 송수신 신호와 송·수신 시점의 예를 도시한 것이다.
본 실시 예들에서 사용되는 용어는 본 실시 예들에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 기술분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 임의로 선정된 용어도 있으며, 이 경우 해당 실시 예의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서, 본 실시 예들에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 실시 예들의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
실시 예들에 대한 설명에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 실시 예들에 기재된 “부”의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 실시 예들에서 사용되는 “구성된다”또는“포함한다”등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계는 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
하기 실시 예들에 대한 설명은 권리범위를 제한하는 것으로 해석되지 말아야 하며, 해당 기술분야의 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 것은 실시 예들의 권리범위에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다. 이하 첨부된 도면들을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 근거리에서 고속으로 기동하는 표적에 대해서 반사신호의 지연시간과 도플러 효과에 관계없이 정보 추정치를 짧은 주기로 갱신하기 위한 방법에 관한 것이다. 이를 위해서 송신기 측면에서는 3개의 주파수 대역을 일정 주기로 도약하는 신호와 도약 주파수에 코딩을 할당하고, 수신기 측면에서는 수신신호의 주파수, 도약 주파수, 주파수 도약 시점을 활용하여 표적의 정보를 추정한다.
세부적으로 송신기 측면에서는 코드워드와 심볼의 설정 단계, 송신 파라미터의 설정 단계, 그리고 송신신호의 생성 단계를 포함한다. 수신기 측면에서는 수신신호의 주파수 추정 단계, 주파수 도약 시점의 탐지 및 도약 주파수 구분 단계, 표적 정보의 추정 단계를 포함한다.
본 발명은 근거리에서 고속으로 기동하는 표적의 정보를 짧은 주기로 갱신하기 위한 신호의 송신 방법과 이에 대응하는 수신 신호 처리 방법에 관련된 것이다. 구체적으로 송신기에서는 반사 신호의 지연시간보다 짧은 주기로 3개의 주파수 대역을 도약하는 도약 주파수 코딩 기반 연속파 신호를 송신한다. 송신신호에 주파수 도약과 이에 대응하는 코딩을 이용함으로써 연속파에서 정보를 추정할 수 있는 시점을 생성하고 다수의 주파수 도약 시점에 대응되는 각각의 송신 시점을 알 수 있다. 수신기에서는 다수의 도플러 상관기로부터 수신신호의 주파수, 도약 시점, 그리고 도약 주파수를 획득한다. 표적의 거리 정보는 탐지된 도약 시점과 송신 신호의 도약 시점으로부터 추정되고 도플러 정보는 추정된 수신신호의 주파수와 도약 주파수를 이에 대응하는 송신신호의 주파수와 도약 주파수를 비교하여 추정할 수 있다.
도 5a를 참조하면, 송신 단계는, 단계 500의 코드워드와 심볼의 설정, 단계 502의 송신 파라미터의 설정, 단계 504의 송신 신호의 생성을 포함한다.
단계 500에 도시된 코드워드와 심볼의 설정 단계를 설명한다.
코드워드 설정 단계는 도약 주파수와 코드(수학식 2)와 코드워드(수학식 3)을 설정하는 단계, 주파수와 상태(수학식 5)와 심볼(수학식 6)을 설정하는 단계를 포함한다.
도약 주파수 코딩 기반 송신 방법은 도 2와 같이
Figure 112019124536229-pat00013
,
Figure 112019124536229-pat00014
,
Figure 112019124536229-pat00015
3개의 주파수 대역을
Figure 112019124536229-pat00016
간격으로 주파수를 도약하는 신호를 생성한다. 구체적으로 도약 주파수에 대응하는 코드
Figure 112019124536229-pat00017
, 신호의 주파수에 대응하는 상태
Figure 112019124536229-pat00018
, 주파수 도약이 L 번 발생한 신호의 집합을 나타내는 심볼
Figure 112019124536229-pat00019
, 송·수신 심볼에서 발생한 도약 주파수의 코드 집합을 나타내는 코드워드
Figure 112019124536229-pat00020
, 그리고 송신신호에서 주파수 도약이 발생한 시점
Figure 112019124536229-pat00021
를 정의한다.
코드
Figure 112019124536229-pat00022
은 도약 주파수
Figure 112019124536229-pat00023
에 직접적으로 대응하는 변수로 수학식 2와 같이 정의되며, 수신신호에서 발생한 주파수 도약 시점에 대응하는 송신 시점을 획득하기 위한 목적으로 적용된다.
Figure 112018055382635-pat00024
여기서
Figure 112018055382635-pat00025
은
Figure 112018055382635-pat00026
범위의 정수이고
Figure 112018055382635-pat00027
은 코드워드의 길이이며, 하나의 심볼 안에서 주파수 도약이 발생한 순서(코드워드에서는 코드의 순서)를 나타낸다. 코드워드
Figure 112018055382635-pat00028
는 하나의 심볼에서 발생한 주파수 도약에 대응하는 L 개의 코드
Figure 112018055382635-pat00029
의 집합이며, 수학식 3으로 정의된다.
Figure 112018055382635-pat00030
송신신호에서 주파수 도약이 발생한 시점
Figure 112018055382635-pat00031
은 수학식 4와 같이 하나의 벡터로 구성될 수 있다.
Figure 112018055382635-pat00032
주파수 도약 시점
Figure 112018055382635-pat00033
이전의 주파수를 수학식 5와 같이 상태
Figure 112018055382635-pat00034
로 정의하고 송신 심볼 내에 존재하는 모든
Figure 112018055382635-pat00035
을 수학식 6과 같이 하나의 벡터로 구성하며, 상태
Figure 112018055382635-pat00036
과 코드
Figure 112018055382635-pat00037
의 관계는 수학식 7과 같다.
Figure 112018055382635-pat00038
Figure 112018055382635-pat00039
Figure 112018055382635-pat00040
송신 방법에서 +1 또는 -1의 코드
Figure 112019124536229-pat00041
은 심볼 내에서 상태
Figure 112019124536229-pat00042
이 변하는 경우에 할당되는 코드이며, +2 또는 -2의 코드는 심볼
Figure 112019124536229-pat00043
이 끝나고 다음 심볼
Figure 112019124536229-pat00044
가 시작할 때 할당되는 코드이다. 송신 심볼의 시작 상태
Figure 112019124536229-pat00045
과 마지막 상태
Figure 112019124536229-pat00046
은 도면 3과 도면 4와 같이 항상 +1 또는 -1이며, 현재 심볼의 마지막 상태와 다음 심볼의 시작 상태는 항상 반대의 부호를 가진다. 도약 주파수 코딩 기반 신호는 주파수 도약이 발생하더라도 3개의 주파수
Figure 112019124536229-pat00047
,
Figure 112019124536229-pat00048
,
Figure 112019124536229-pat00049
만 가지기 때문에, 도면 3과 도면 4와 같이 짝수 번째 상태
Figure 112019124536229-pat00050
은 항상 0이고 홀수 번째 상태
Figure 112019124536229-pat00051
은 +1 또는 -1이다.
단계 502의 송신 파라미터의 설정 단계를 설명한다.
송신 파라미터의 설정 단계에서는 잔향음 환경에서 안정적으로 동작하기 위한 도약 주파수(수학식 8), 주파수 도약 주기(수학식 9), 코드워드의 길이(수학식 10)를 설정한다.
근거리에서 고속으로 기동하는 표적에 반사된 수신신호는 큰 도플러 효과가 반영된 반사신호와 높은 파워 레벨의 체적 잔향음이 함께 수신된다. 근거리에서 높은 파워 레벨의 체적 잔향음의 영향을 최소화하기 위해서는 체적 잔향음 대역과 수신 주파수 대역이 분리될 필요가 있다. 따라서 체적 잔향음 대역(송신 주파수의 상한)보다 수신 주파수의 하한이 높아야 하며, 이를 위해서는 초기 도플러 주파수
Figure 112019124536229-pat00052
에 적합하게 도약 주파수
Figure 112019124536229-pat00053
와 도약 주기
Figure 112019124536229-pat00054
를 사용해야 한다. 그리고 코드워드의 길이
Figure 112019124536229-pat00055
은 표적의 초기 거리
Figure 112019124536229-pat00056
와
Figure 112019124536229-pat00057
에 따라서 설정될 수 있다.
도약 주파수 코딩 기반 송신신호는 도 2와 같이
Figure 112019124536229-pat00058
,
Figure 112019124536229-pat00059
,
Figure 112019124536229-pat00060
3개의 주파수 대역을 주파수 도약 주기
Figure 112019124536229-pat00061
간격으로 도약한다. 도약 주파수
Figure 112019124536229-pat00062
, 주파수 도약 주기
Figure 112019124536229-pat00063
, 그리고 코드워드 길이
Figure 112019124536229-pat00064
은 능동 소나 시스템에서 원거리 탐색 과정으로 획득된 표적의 초기 거리
Figure 112019124536229-pat00065
와 초기 도플러 주파수
Figure 112019124536229-pat00066
를 기반으로 설정된다.
근거리 수중 환경에서 체적 잔향음의 영향을 극복하기 위해서는 송신신호의 최대 주파수
Figure 112019124536229-pat00067
보다 수신 신호의 최소 주파수
Figure 112019124536229-pat00068
가 클 필요가 있다. 따라서 도약 주파수
Figure 112019124536229-pat00069
는 초기 도플러 주파수
Figure 112019124536229-pat00070
에 적합하게 수학식 8과 같이 설정한다.
Figure 112018055382635-pat00071
또한 수신된 체적 잔향음의 주파수 대역은 상관기의 길이에 반비례하는 특정이 있고 상관기의 길이는 도약 주기
Figure 112018055382635-pat00072
와 동일하게 설정된다. 따라서 체적 잔향음의 영향을 줄이기 위해서는
Figure 112018055382635-pat00073
를 수학식 9와 같이 설정한다.
Figure 112018055382635-pat00074
여기서
Figure 112018055382635-pat00075
는 초기 거리
Figure 112018055382635-pat00076
에 대한 지연시간이다. 잔향음의 영향을 줄이기 위해서
Figure 112018055382635-pat00077
는
Figure 112018055382635-pat00078
보다 크게 설정하며, 하나의 심볼에 최소 3번의 주파수 도약을 발생시키기 위해서
Figure 112018055382635-pat00079
보다 작게 설정한다.
기본적으로 송신 심볼의 길이
Figure 112018055382635-pat00080
는 송신 시점의 모호성을 제거하기 위해서 pulse repetition interval (PRI)의 설정과 유사하게 지연시간
Figure 112018055382635-pat00081
보다 길게 사용한다. 따라서 코드워드의 길이
Figure 112018055382635-pat00082
은 수학식 10의 범위에서 홀수를 선택하여 적용된다.
Figure 112018055382635-pat00083
단계 504의 송신신호의 생성 단계를 설명한다.
도약 주파수 코딩 기반 신호는 인접한 심볼을 구분하기 위해서 초기 상태
Figure 112019124536229-pat00084
과 마지막 상태
Figure 112019124536229-pat00085
은 항상 +1 또는 -1이며, 제한된 주파수 대역을 벗어나지 않기 위해서 짝수 번째의 상태
Figure 112019124536229-pat00086
은 항상 0이다. 도 3과 도 4는 각각
Figure 112019124536229-pat00087
이 3과 5인 경우에서에 코드와 상태 변환도를 나타낸 것이며, 도약 주파수 코딩 기반 신호는 코드와 상태 변환도에 맞추어 신호를 생성한다.
예를 들어
Figure 112018055382635-pat00088
,
Figure 112018055382635-pat00089
인 경우에서는,
Figure 112018055382635-pat00090
이 되어야 하며, 마지막 상태
Figure 112018055382635-pat00091
는 +1 또는 -1인 두 가지 경우가 발생한다. 이 중에서
Figure 112018055382635-pat00092
,
Figure 112018055382635-pat00093
,
Figure 112018055382635-pat00094
인 경우에 대한 송신신호의 주파수는
Figure 112018055382635-pat00095
순으로 변경되며, 코드는
Figure 112018055382635-pat00096
,
Figure 112018055382635-pat00097
,
Figure 112018055382635-pat00098
(
Figure 112018055382635-pat00099
이기 때문에 항상 +2가 된다)가 된다.
상기의 방법으로 생성된 도약 주파수 코딩 기반 신호에 대한 수신 신호처리 방법은 도 5b에 도시된 바와 같이, 수신 신호의 주파수 추정 단계, 주파수 도약 시점 탐지와 도약 주파수 추정 단계, 그리고 거리 및 도플러 추정 단계로 구성된다.
단계 506의 수신 신호의 주파수 추정 단계를 설명한다.
수신 신호의 주파수는 다수의 도플러 상관기로 구성된 필터 뱅크를 통해서 추정한다. 도플러 상관기의 주파수 범위
Figure 112018055382635-pat00100
는 체적 잔향음의 영향이 적은 초기 도플러 주파수
Figure 112018055382635-pat00101
대역에서 수학식 11과 같은 범위를 만족하게 설정한다.
Figure 112018055382635-pat00102
도플러 상관기는 주파수 도약의 발생 전/후의 신호 구간에 대해서 연산이 수행되도록 설계된다. 이를 위해서 초기 도플러 주파수
Figure 112018055382635-pat00103
에 대한 수신 신호 길이
Figure 112018055382635-pat00104
과 송·수신 신호의 길이 비율
Figure 112018055382635-pat00105
를 각각 수학식 12와 13과 같이 정리하고 상관기의 길이
Figure 112018055382635-pat00106
는 수학식 14의 범위에 적합하게 사용되며, 도플러 상관기는 수학식 15와 같다.
Figure 112018055382635-pat00107
Figure 112018055382635-pat00108
Figure 112018055382635-pat00109
(
Figure 112018055382635-pat00110
: 샘플링 주파수)
Figure 112018055382635-pat00111
다수의 상관기로 구성된 필터 뱅크의 출력
Figure 112018055382635-pat00112
은 수신신호의 추정된 주파수이며, 수학식 16과 같이 최대 상관정도를 가지는 상관기의 주파수에 해당한다.
Figure 112018055382635-pat00113
(
Figure 112018055382635-pat00114
: 수신 신호)
단계 508의 주파수 도약 시점의 탐지 및 도약 주파수 구분 단계를 설명한다.
이 단계에서는 차분 평균 필터
Figure 112019124536229-pat00115
과 4개의 문턱값을 활용한다. 차분 평균 필터
Figure 112019124536229-pat00116
은 주파수 도약이 발생하지 않는 시간에서는 0에 근접한 값을 가지고 주파수 도약이 발생하는 시점에서는 도약 주파수를 가지는 신호
Figure 112019124536229-pat00117
을 안정적으로 생성하기 위해서 적용된다. 4개의 문턱값은 4개의 도약 주파수
Figure 112019124536229-pat00118
,
Figure 112019124536229-pat00119
,
Figure 112019124536229-pat00120
,
Figure 112019124536229-pat00121
의 발생 시점을 탐지하고 도약 주파수를 구분하기 위해서 사용된다.
차분 평균 필터
Figure 112019124536229-pat00122
은 도 6과 같이 길이가 2
Figure 112019124536229-pat00123
이며, 크기가
Figure 112019124536229-pat00124
과
Figure 112019124536229-pat00125
인 두 구간으로 구분되는 함수이다. 잡음 환경이 열악해지거나 도약 주파수에 비해서 도약 주기가 짧을수록
Figure 112019124536229-pat00126
의 길이를 길게 사용할 필요가 있으며, 잔향음의 파워가 반사신호의 파워보다 매우 큰 환경에서는 충분한 길이의
Figure 112019124536229-pat00127
을 적용하는 것이 안정적으로 도약 주파수를 추정하는 데 도움이 된다.
Figure 112019124536229-pat00128
의 출력 신호
Figure 112019124536229-pat00129
은 도 7과 같이 주파수의 도약이 발생하는 시점에서
Figure 112019124536229-pat00130
,
Figure 112019124536229-pat00131
,
Figure 112019124536229-pat00132
,
Figure 112019124536229-pat00133
의 값을 가진다. 이 과정에서는 표 1과 도 7과 같이 4개의 문턱값
Figure 112019124536229-pat00134
,
Figure 112019124536229-pat00135
,
Figure 112019124536229-pat00136
,
Figure 112019124536229-pat00137
로
Figure 112019124536229-pat00138
을 5개의 구간으로 분할하여서 주파수 도약이 발생한 시점
Figure 112019124536229-pat00139
를 탐지하고 각 구간의 도약 주파수
Figure 112019124536229-pat00140
와 할당된 코드
Figure 112019124536229-pat00141
를 얻는다. 이 단계의 최종 출력은 주파수 도약의 탐지된 시점
Figure 112019124536229-pat00142
, 도약 주파수
Figure 112019124536229-pat00143
, 그리고 코드
Figure 112019124536229-pat00144
이다. 여기서, 예시적으로 5개의 구간으로 분할하여 주파수 도약이 발생한 시점을 탐지하는 것을 설명하였지만, 그 구간의 개수에 한정되는 것은 아니다.
Figure 112019124536229-pat00145
의 구간		 탐지 도약 주파수
Figure 112019124536229-pat00146
 코드
Figure 112019124536229-pat00147
Figure 112019124536229-pat00148
<
Figure 112019124536229-pat00149
 On -2
Figure 112019124536229-pat00150
 -2
Figure 112019124536229-pat00151
≤
Figure 112019124536229-pat00152
<
Figure 112019124536229-pat00153
 On -
Figure 112019124536229-pat00154
 -1
Figure 112019124536229-pat00155
≤
Figure 112019124536229-pat00156
<
Figure 112019124536229-pat00157
 Off 0 없음
Figure 112019124536229-pat00158
≤
Figure 112019124536229-pat00159
<
Figure 112019124536229-pat00160
 On
Figure 112019124536229-pat00161
 1
Figure 112019124536229-pat00162
≤
Figure 112019124536229-pat00163
 On 2
Figure 112019124536229-pat00164
 2
단계 510의 표적 정보의 추정 단계를 설명한다.
수학식 10의 조건에 맞게 코드워드 길이
Figure 112018055382635-pat00165
을 사용하면 도 8과 같이 두 번째 심볼의 송신 시점
Figure 112018055382635-pat00166
이전에 첫 번째 심볼의 반사신호가 수신된다(
Figure 112018055382635-pat00167
<
Figure 112018055382635-pat00168
). 주파수 도약 시점이 정상적으로 탐지되어
Figure 112018055382635-pat00169
,
Figure 112018055382635-pat00170
,
Figure 112018055382635-pat00171
를 모두 획득하면
Figure 112018055382635-pat00172
번째 주파수 도약 시점에서의 거리
Figure 112018055382635-pat00173
와 도플러 주파수
Figure 112018055382635-pat00174
는 다음 수학식 17 및 18과 같이 계산된다.
Figure 112018055382635-pat00175
(c는 음파의 속도)
Figure 112018055382635-pat00176
여기서
Figure 112018055382635-pat00177
은 필터 뱅크의 출력으로 추정된 수신신호의 주파수이고,
Figure 112018055382635-pat00178
는
Figure 112018055382635-pat00179
구간에서 송신신호의 주파수이다. 최종적으로 수신 코드워드
Figure 112018055382635-pat00180
과 송신 코드워드
Figure 112018055382635-pat00181
가 동일하다면 거리 및 도플러 추정이 정상적으로 수행되는 것이다.
본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 능동 소나 시스템의 도약 주파수 코딩 기반 송수신 방법에 있어서,
    송신기에서는 반사 신호의 지연시간보다 짧은 주기로 적어도 3개의 주파수 대역을 도약하는 도약 주파수 코딩 기반 연속파 신호를 송신하는 단계; 및
    수신기에서 도플러 상관기로부터 수신신호의 주파수, 도약 시점, 및 도약 주파수를 획득하고, 상기 획득된 주파수, 도약 시점 및 도약 주파수로부터 표적의 거리 및 도플러 주파수를 추정하는 단계를 포함하고,
    상기 송신 단계는, 코드워드와 심볼을 설정하고, 송신 파라미터를 설정하고, 상기 코드워드, 심볼 및 송신 파라미터 기반으로 송신신호를 생성하되,
    상기 송신신호의 주파수를 상태로 정의하고, 상기 적어도 3개의 주파수 대역을 도약하는 도약 주파수를 코드로 정의하며, 하나의 심볼 안에 포함된 코드를 코드워드로서 정의하고,
    상기 심볼의 첫 상태와 마지막 상태는 +1 또는 -1의 값을 가지고 짝수 번째 상태는 0으로 설정하고,
    상기 심볼 안의 상태와 상태 사이에 발생하는 도약 주파수의 크기는
    Figure 112019124536229-pat00182
    이며,
    상기 심볼과 심볼 사이에 발생하는 도약 주파수의 크기를
    Figure 112019124536229-pat00183
    로 설정하는 것을 특징으로 하는 도약 주파수 코딩 기반 송수신 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 파라미터는,
    다음 수학식 8과 같이 상기 도약 주파수를 설정하는 단계;
    다음 수학식 9와 같이 상기 도약 주파수의 주기를 설정하는 단계; 및
    다음 수학식 10과 같이 상기 코드워드의 길이를 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도약 주파수 코딩 기반 송수신 방법.
    [수학식 8]
    Figure 112019124536229-pat00184

    [수학식 9]
    Figure 112019124536229-pat00185

    [수학식 10]
    Figure 112019124536229-pat00186
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 추정 단계는,
    상기 수신신호의 주파수 추정 단계; 상기 도약 시점의 탐지 및 도약 주파수 구분 단계; 및 상기 표적의 정보 추정 단계를 포함하고,
    상기 수신신호의 주파수 추정 단계는,
    다음 수학식 11의 주파수 범위에 대해서만 상기 도플러 상관기를 구성하고, 상기 수신 신호의 주파수를 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 수신 신호의 주파수를 시간에 대한 함수 형태로 출력 신호 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도약 주파수 코딩 기반 송수신 방법.
    [수학식 11]
    Figure 112019124536229-pat00187
  6. 삭제
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 도약 시점의 탐지 및 도약 주파수 구분 단계는,
    상기 도약 시점을 탐지하기 위해 차분 평균 필터를 적용하는 단계;
    상기 차분 평균 필터가 적용된 출력 신호를 4개의 문턱값
    Figure 112019124536229-pat00188
    ,
    Figure 112019124536229-pat00189
    ,
    Figure 112019124536229-pat00190
    ,
    Figure 112019124536229-pat00191
    을 기준으로 적어도 5개의 구간으로 분할하는 단계; 및
    주파수 도약이 탐지 되지 않은 경우에서는 제로 값이 출력되고, 주파수 도약이 탐지된 경우에서는 탐지된 시점
    Figure 112019124536229-pat00192
    , 도약 주파수
    Figure 112019124536229-pat00193
    , 코드
    Figure 112019124536229-pat00194
    를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도약 주파수 코딩 기반 송수신 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 표적의 정보 추정 단계는,
    다음 수학식 17과 같이 송신 신호의 주파수 도약 시점
    Figure 112019124536229-pat00195
    와 수신 신호의 주파수 도약 시점
    Figure 112019124536229-pat00196
    를 활용하여 표적의 거리를 추정하는 단계; 및
    다음 수학식 18과 같이 도플러 주파수를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도약 주파수 코딩 기반 송수신 방법.
    [수학식 17]
    Figure 112019124536229-pat00197

    [수학식 18]
    Figure 112019124536229-pat00198

    (
    Figure 112019124536229-pat00199
    은 추정된 수신신호의 주파수,
    Figure 112019124536229-pat00200
    는
    Figure 112019124536229-pat00201
    구간에서 송신신호의 주파수이고,
    Figure 112019124536229-pat00211
    는
    Figure 112019124536229-pat00212
    번째 주파수 도약 시점에서의 거리이고,
    Figure 112019124536229-pat00213
    는 도플러 주파수임)
  9. 제 1 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 7 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록매체.
  10. 능동 소나 시스템의 도약 주파수 코딩 기반 송수신 장치에 있어서,
    반사 신호의 지연시간보다 짧은 주기로 적어도 3개의 주파수 대역을 도약하는 도약 주파수 코딩 기반 연속파 신호를 송신하는 송신기; 및
    도플러 상관기로부터 수신신호의 주파수, 도약 시점, 및 도약 주파수를 획득하고, 상기 획득된 주파수, 도약 시점 및 도약 주파수로부터 표적의 거리 및 도플러 주파수를 추정하는 수신기를 포함하고,
    상기 송신기는 코드워드와 심볼을 설정하고, 송신 파라미터를 설정하고, 상기 코드워드, 심볼 및 송신 파라미터 기반으로 송신신호를 생성하되,
    상기 송신신호의 주파수를 상태로 정의하고, 상기 적어도 3개의 주파수 대역을 도약하는 도약 주파수를 코드로 정의하며, 하나의 심볼 안에 포함된 코드를 상기 코드워드로서 정의하고,
    상기 심볼의 첫 상태와 마지막 상태는 +1 또는 -1의 값을 가지고, 짝수 번째 상태는 0으로 설정하고,
    상기 심볼 안의 상태와 상태 사이에 발생하는 상기 도약 주파수의 크기는
    Figure 112019124536229-pat00214
    이며,
    상기 심볼과 다른 심볼 사이에 발생하는 도약 주파수의 크기를
    Figure 112019124536229-pat00215
    로 설정하는 것을 특징으로 하는 도약주파수 코딩 기반 송수신 장치.
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JP2000304859A (ja) * 1999-04-20 2000-11-02 Nec Corp アクティブソーナー及びその目標検出方法
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