KR102230801B1 - 음향센서의 위치오차를 갱신하는 장치 및 방법 - Google Patents

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KR102230801B1 KR1020190106637A KR20190106637A KR102230801B1 KR 102230801 B1 KR102230801 B1 KR 102230801B1 KR 1020190106637 A KR1020190106637 A KR 1020190106637A KR 20190106637 A KR20190106637 A KR 20190106637A KR 102230801 B1 KR102230801 B1 KR 102230801B1
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 음향센서의 위치오차를 갱신하는 방법 및 장치를 제공한다. 일 실시예에 따른 장치는 음원으로부터 발생하는 음향 신호를 수신하는 복수의 음향센서 및 복수의 음향센서로부터 수신된 상기 음향 신호를 처리하는 제어부를 포함할 수 있다.
제어부는 복수의 음향센서 각각으로부터 수신된 음향 신호 간의 시간지연 정보에 기초하여 복수의 음향센서 중 적어도 하나의 음향센서에 대한 위치오차를 갱신할 수 있다.

Description

음향센서의 위치오차를 갱신하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR UPDATING THE POSITION ERROR OF A ACOUSTIC SENSOR}
본 개시는 음향센서의 위치오차를 갱신하는 장치 및 방법을 제공한다.
복수의 음향센서는 음원으로부터 발생한 음향 신호를 수신하는데, 복수의 음향센서 각각에 도달하는 음향 신호의 시간차를 이용하여 음원의 거리를 추정할 수 있다.
음원의 거리를 추정하기 위해서는 음파면(wave-front)의 곡률 반경(radius of curvature)을 측정하여야 한다. 음원이 멀어질수록 음파가 평면파의 형태로 입사하여 곡률반경이 매우 커지며, 따라서 곡률반경을 측정하려면 음향센서 간 시간지연을 매우 정밀하게 측정하여야 한다.
이러한 시간지연 오차의 허용 범위는 해상에서 표적거리를 측정하는 경우 수 us에 불과하며, 따라서 1500m/s의 음속하에서 센서의 설치 위치가 수 mm만 이동하여도 표적의 거리추정 정확도가 매우 저하되게 된다.
그러나 일반적으로, 음향 센서의 위치오차는 음향센서를 설치하기 전에는 알 수 없으며, 계측 장비의 한계로 필요한 정확도(수 mm) 이내로 음향센서의 위치오차를 측정하는 것도 어렵다. 따라서 음향센서를 설치한 뒤 해상에서 실제 거리를 알고 있는 음원을 이용하여 거리측정 시험을 실시하고 센서의 위치오차를 갱신하는 과정이 필요하다.
한국 등록 특허: KR 10-1257097 B1 (등록일: 2013.04.15)
음향센서의 위치오차를 갱신하는 장치 및 방법을 제공하는데 있다. 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 개시의 제1 측면은, 음향센서의 위치오차를 갱신하는 장치에 있어서, 음원으로부터 발생하는 음향 신호를 수신하는 복수의 음향센서; 및 상기 복수의 음향센서로부터 수신된 상기 음향 신호를 처리하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 복수의 음향센서 각각으로부터 수신된 상기 음향 신호 간의 시간지연 정보에 기초하여 상기 복수의 음향센서 중 적어도 하나의 음향센서에 대한 위치오차를 갱신하는 것인, 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 음속, 상기 시간지연 정보 및 기준 음향센서와 상기 음원 간의 거리에 기초하여 상기 복수의 음향센서 중 적어도 하나의 음향센서에 대한 위치오차를 갱신하는 것인, 장치를 제공할 수 있다.
또한, 기준 음향센서로부터 n번째에 위치한 n번째 음향센서의 위치오차(xn, yn)는, 상기 n번째 음향센서의 위치(ln), 상기 n번째 음향센서와 상기 음원 간의 거리(Rn) 및 상기 음원에 대한 기준 음향센서의 방위(θ), 및 상기 기준 음향센서와 상기 음원 간의 거리(R)에 기초하여 갱신되는 것인, 장치를 제공할 수 있다.
또한, 테일러 근사를 적용한 선형 최소제곱 방법을 이용하여 상기 n번째 음향센서의 위치오차(xn, yn)를 갱신하는 것인, 장치를 제공할 수 있다.
또한, 최초에는 상기 n번째 음향센서의 위치오차(xn, yn)를 (0, 0)으로 설정하고, 상기 n번째 음향센서의 갱신 후 위치오차와 갱신 전 위치오차 간의 차가 임계값 이하로 수렴할 때까지 선형 최소제곱 방법을 반복하는 것인, 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 음원의 위치가 이동하는 횟수만큼 상기 시간지연 정보를 획득하는 것인, 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 적어도 하나의 음향센서에 대한 갱신된 위치오차에 기초하여 상기 적어도 하나의 음향센서에 대한 위치를 추정함으로써, 상기 음원의 위치를 추정하는 것인, 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 복수의 음향센서가 4개 이상인 경우 음향센서를 3개씩 그루핑하여, 상기 그루핑된 음향센서로부터 수신된 상기 음향 신호를 처리하는 것인, 장치를 제공할 수 있다.
본 개시의 제2 측면은, 음향센서의 위치오차를 갱신하는 방법에 있어서, 복수의 음향센서를 이용하여 음원으로부터 발생하는 음향 신호를 수신하는 단계; 및 상기 복수의 음향센서로부터 수신된 상기 음향 신호를 처리하는 단계;를 포함하고, 상기 처리하는 단계는, 상기 복수의 음향센서 각각으로부터 수신된 상기 음향 신호 간의 시간지연 정보에 기초하여 상기 복수의 음향센서 중 적어도 하나의 음향센서에 대한 위치오차를 갱신하는 단계;를 포함하는 것인, 방법을 제공할 수 있다ㅏ.
또한, 상기 방법은, 상기 적어도 하나의 음향센서에 대한 갱신된 위치오차에 기초하여 상기 적어도 하나의 음향센서에 대한 위치를 추정함으로써 상기 음원의 위치를 추정하는 단계;를 더 포함하는, 방법을 제공할 수 있다.
본 개시의 제3 측면은, 상기 제2 측면에 따른 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 수동 거리측정 소나에서 음향센서의 위치오차를 갱신하고 갱신된 위치오차에 기초하여 음향센서의 위치를 추정할 수 있다. 또한, 음향센서의 추정된 위치에 기초하여 음원의 위치를 추정함으로써 추정 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 복수의 음향센서를 이용한 음원의 위치를 검출하는 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 복수의 음향센서의 위치오차의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 음향센서의 위치오차를 갱신하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 음향센서가 4개 이상일 경우의 위치오차를 갱신하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 본 개시의 방법을 적용한 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 음향센서의 위치오차를 갱신하는 방법에 대한 흐름도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 음향센서의 위치오차를 갱신하는 장치의 하드웨어 구성을 도시한 블록도이다.
본 명세서에서 다양한 곳에 등장하는 "일부 실시예에서" 또는 "일 실시예에서" 등의 어구는 반드시 모두 동일한 실시예를 가리키는 것은 아니다.
본 개시의 일부 실시예는 기능적인 블록 구성들 및 다양한 처리 단계들로 나타내어질 수 있다. 이러한 기능 블록들의 일부 또는 전부는, 특정 기능들을 실행하는 다양한 개수의 하드웨어 및/또는 소프트웨어 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 개시의 기능 블록들은 하나 이상의 마이크로프로세서들에 의해 구현되거나, 소정의 기능을 위한 회로 구성들에 의해 구현될 수 있다. 또한, 예를 들어, 본 개시의 기능 블록들은 다양한 프로그래밍 또는 스크립팅 언어로 구현될 수 있다. 기능 블록들은 하나 이상의 프로세서들에서 실행되는 알고리즘으로 구현될 수 있다. 또한, 본 개시는 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다. “매커니즘”, “요소”, “수단” 및 “구성”등과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 연결 선 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것일 뿐이다. 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가된 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들에 의해 구성 요소들 간의 연결이 나타내어질 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 복수의 음향센서를 이용한 음원의 위치를 검출하는 예를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 복수의 음향센서(120)는 음원(110)에서 발생한 음파를 수신하여 음원(110)의 위치를 추정할 수 있다. 일 실시예에서 음원(110)의 위치는, 복수의 음향센서(120) 각각에 도달한 음향신호의 시간차(즉, 시간지연 정보)에 기초하여 추정될 수 있다.
음속이 모든 지점에서 동일한 2차원 평면에서 2개의 공간적으로 분산된 음향센서(120)에 도달한 신호의 시간차를 만족하는 음원(110)의 위치는 쌍곡선의 함수로 나타낼 수 있다. 음향센서(120)가 하나 추가되는 경우 새로운 쌍곡선이 음원(110) 위치의 제약식으로 추가되므로, 음원(110)의 위치는 평면상에서 두 쌍곡선이 만나는 교점이 된다. 따라서 평면에서 음원(110)의 위치를 결정하기 위해 최소 3개의 음향센서(120)가 필요하다.
한편, 음원(110)이 이동하지 않고 고정되어 있는 경우, 1회의 측정치만을 얻을 수 있다. 1회의 측정치만을 이용하여서는, 미지수(음향센서(120)의 위치오차 및 음원(110)의 방위)의 개수 대비 제약식의 개수가 부족한 상황이 발생하게 된다. 또한, 수중에서 음원(100)의 위치를 측정할 때 잡음에 의한 측정오차가 포함되게 된다. 따라서, 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 도 1에 도시된 것처럼 음원(110)을 이동시킴으로써 다수의 측정치를 확보할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 복수의 음향센서의 위치오차의 예를 설명하기 위한 도면이다.
해상시험에서는 실제 거리와 음원(210)의 측정거리의 차이를 측정하게 되며, 실제방위와 음원(210)의 측정방위의 차이는 활용하지 않는다.
방위추정 오차는 선배열 헤딩의 실제값과 측정값의 차이로 인해 주로 발생하며, 헤딩의 측정 정확도(콤파스 등 활용)가 수 mm에 불과한 음향센서(220)의 위치오차를 측정하기에 불충분하므로 활용하지 않는다.
한편, 거리추정 오차는 선배열된 복수의 음향센서(220)가 등간격 직선 형태에서 벗어난 경우에 발생한다. 이는 선배열의 방향을 회전시키면, 표적의 상대 방위는 바뀌지만 거리는 일정하다는 점에서 알 수 있다. 또한, 선배열이 일정비율로 신장되거나 압축되는 경우에는 그 비율에 비례하여 거리오차가 발생하나, 전체 선배열 길이 대비 설치오차는 매우 작은 값이므로 무시할 수 있다. 따라서 해상시험의 측정 거리를 이용한 음향센서(220)의 위치오차 갱신 시 선배열의 처음과 끝 센서의 위치오차가 없다고 가정하고, 배열의 가운데 센서의 위치오차만을 갱신하여도, 거리측정 오차를 제거하기 위한 목적으로는 충분하다.
또는, 같은 논리에서 배열의 양 끝단 음향센서(220) 중 하나에만 위치오차가 있다고 가정하고 위치오차를 갱신하여도 된다. 한편 센서와 표적은 같은 평면에 위치하고 있다고 가정하였으므로, 센서의 설치 높이에 따른 오차 갱신은 수행하지 않는다.
도 2를 참조하면, 복수의 음향센서(220) 중 중간 센서(221)의 위치오차에 따른 거리추정 오차 발생 경향이 도시되고 있다. 이하에서는, 복수의 음향센서(220)가 완전하게 선배열되어 있다고 가정하고 거리를 추정하는 것으로 가정한다.
예를 들어, 중간 센서(221)가 A측 방향으로 오목하게 들어간 위치에 위치하는 경우, 실제 거리보다 큰 편의오차가 발생할 수 있다. 또는, 중간 센서(221)가 B측 방향으로 볼록하게 나온 위치에 위치하는 경우, 실거리보다 작은 편의오차가 발생할 수 있다.
한편, 음향센서(220)의 위치오차가 매우 큰 경우에는, 음향센서(220)간 시간지연을 충족하는 거리추정 값이 존재하지 않아 거리 추정 결과가 발산 진동하기 때문에 거리추정을 활용한 오차보상이 불가능할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 음향센서의 위치오차를 갱신하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 복수의 음향센서들은 음원(310)으로부터 음향 신호를 수신할 수 있다. 복수의 음향센서들은 선배열될 수 있다.
복수의 음향센서들에는 기준 음향센서(321) 및 n번째 음향센서(322)가 포함될 수 있다. 이하에서는, x축 및 y축을 갖는 2차원 평면에서 기준 음향센서(321)는 (0, 0)에 위치하고, n번째 음향센서(322)는 (0, ln)에 위치하는 것으로 한다. 또한, 기준 음향센서(321)는 음원(310)과 거리 R만큼 떨어져 위치하고, n번째 음향센서(322)는 음원(310)과 거리 Rn만큼 떨어져 위치하는 것으로 한다.
도 3을 참조하면, n번째 음향센서(322)에서 위치오차 (xn, yn)가 발생하였다. 매질에서 음파의 전달속도를 음속(c)이라 할 때, 음원(310)에서 발생한 음향신호는 복수의 음향센서에 '거리/음속'의 시간이 경과한 후 도달하게 된다.
따라서, 음원(310)으로부터 발생한 음향신호가, 기준 음향센서(321)에 도달하는 시간 대비 n번째 음향센서(322)에 도달하는 시간에 대한 정보
Figure 112019089121522-pat00001
(즉, 시간지연 정보)은 아래의 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112019089121522-pat00002
또한, n번째 음향센서(322)와 음원(310) 간의 거리 Rn은 아래의 수학식 2와 같이 표현할 수 있다. 아래의 수학식 2에서, θ는 음원(310)에 대한 기준 음향센서(321)의 방위를 나타낸다.
Figure 112019089121522-pat00003
수학식 2를 적용한 수학식 1에 테일러 근사를 적용함으로써, 시간지연 정보를 n번째 음향센서(322)의 위치오차 (xn, yn)에 대한 선형(linear) 관계로 근사화할 수 있다.
이 때, 음원(310)으로부터 복수의 음향센서까지의 거리(R, Rn)가 기준 음향센서(321)와 n번째 음향센서(322) 간의 거리 ln에 비해 큰 것으로 가정하고, n번째 음향센서(322)의 위치오차 (xn, yn)는 ln에 비해 작은 것으로 가정하여, 테일러 근사에서 제곱항 이상을 버리면 아래의 수학식 3을 얻을 수 있다.
Figure 112019089121522-pat00004
수학식 3을 참조하면, 시간지연 정보
Figure 112019089121522-pat00005
은, 기준 음향센서(321)와 음원(310) 간의 거리 R, 음원(310)에 대한 기준 음향센서의 방위 θ 및 n번째 음향센서(322)의 위치오차 (xn, yn)의 함수로 표현된다.
R은 측정을 통해 획득할 수 있는 값이나, 방위 θ 및 위치오차 (xn, yn)는 모르는 값이다. 따라서, 음원(310)의 위치를 추정하기 위한 과정에서, 시간지연을 측정하여 방위 θ 및 위치오차 (xn, yn)를 모두 추정하여야 한다. 이를 위해 방위 θ는 ln항의 계수로 표현되고, 거리 R은 ln 2항의 계수로 표현되는 점을 이용할 수 있다.
한편, 기준 음향센서(321)와 n번째 음향센서(322) 간의 거리 ln에 대한 다항식의 계수를 얻기 위해서는 위치오차 (xn, yn)을 사전에 알고 있어야 한다. 그런데 위치오차 (xn, yn) 역시 그 값을 모르는 추정 대상이므로, 반복적인 해법을 적용하여 계수와 위치오차를 갱신하는 접근 방법이 요구된다.
이하에서는 복수의 음향센서의 개수가 3개인 것으로 가정하고 위치오차 (xn, yn)를 갱신하는 방법을 설명하기로 한다. 복수의 음향센서의 개수가 3개인 경우에는 시간지연 정보 2개만이 이용되므로, ln 3 이상의 항의 계수는 추정이 불가하여 무시한다.
음원(310)의 위치를 이동시키며 총 k회 시간지연 정보를 측정하는 경우, 두 번째 및 세 번째 음향센서에서 얻은 시간지연 정보
Figure 112019089121522-pat00006
을 이용해 다항식 계수를 얻기 위해서 두 번째 음향센서의 위치오차 (x2, y2)를 사전에 알고 있어야 한다. 그러나 최초에는 두 번째 음향센서의 위치오차 (x2, y2)를 모르기 때문에 이를 (0, 0)으로 가정하고 아래 수학식 4의 연립방정식으로부터 계수
Figure 112019089121522-pat00007
를 산출하여 음원(310)의 방위 θ를 추정할 수 있다.
수학식 4에서,
Figure 112019089121522-pat00008
이며, 최초에는 (x2, y2)를 (0, 0)으로 가정하였다. 또한, 우현 표적일 경우 sgn[k]=1이고, 좌현 표적일 경우 sgn[k]=-1이다.
Figure 112019089121522-pat00009
Figure 112019089121522-pat00010
상기 수학식 4에서
Figure 112019089121522-pat00011
는 기준 음향센서(321)와 음원(310) 간의 거리 R과 관련된 값으로서 R은 실제 측정할 수 있는 값이다. 즉, R에 대한 실측 값과 계산된
Figure 112019089121522-pat00012
간의 차이를 분석함으로써 두 번째 음향센서의 위치오차 (x2, y2)를 산출할 수 있다.
한편, 위치오차 (x2, y2)와
Figure 112019089121522-pat00013
간의 관계는, 상기 수학식 4로부터 아래의 수학식 5와 같이 모델링된다.
Figure 112019089121522-pat00014
단,
Figure 112019089121522-pat00015
,
Figure 112019089121522-pat00016
:
Figure 112019089121522-pat00017
행렬의 i행 j열의 원소
Figure 112019089121522-pat00018
: 실제 측정된 거리
상기 수학식 5에서 모델링되지 않은 오차 ε을 가우시안 확률변수로 가정하면, 선형 최소제곱 방법으로부터 아래의 수학식 6과 같이 최적 위치오차의 추정 값을 얻을 수 있다.
Figure 112019089121522-pat00019
단, H는 K X 2행렬,
Figure 112019089121522-pat00020
,
Figure 112019089121522-pat00021
r은 K X 1행렬,
Figure 112019089121522-pat00022
상기 수학식 6에 따라 획득한 위치오차는 초기 값을 (0, 0)으로 가정하여 얻은 값으로서, 갱신 후 위치오차와 갱신 전 위치오차 간의 차가 임계값 이하로 수렴할 때까지 상술한 과정을 반복적으로 적용한다. 예를 들어, 임계값은 1e-10일 수 있다.
본 실시에서는, 적어도 하나의 음향센서에 대한 갱신된 위치오차에 기초하여 적어도 하나의 음향센서에 대한 위치를 추정할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 음향센서에 대한 추정된 위치에 기초하여 음원의 위치를 추정할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 음향센서가 4개 이상일 경우의 위치오차를 갱신하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
음향센서가 4개 이상일 경우 두 가지 방법으로 음향센서의 위치오차를 갱신할 수 있다.
첫 번째로, 테일러 급수의 고차항을 포함하여 위치오차를 갱신하는 방법이다. 이는 도 4에서 상술한 과정과 동일하나, 음향센서의 개수가 늘어남에 따라 변수의 개수도 늘어나게 되는 점이 다소 상이하다.
예를 들어 4개 음향센서의 위치오차를 갱신하려면 아래의 수학식 7과 같이 ln 3항의 계수가 포함되어야 한다.
수학식 7에서,
Figure 112019089121522-pat00023
이며, 최초에는 (x2, y2)를 (0, 0)으로 가정하였다. 또한, 우현 표적일 경우 sgn[k]=1이고, 좌현 표적일 경우 sgn[k]=-1이다.
Figure 112019089121522-pat00024
Figure 112019089121522-pat00025
Figure 112019089121522-pat00026
*?*
Figure 112019089121522-pat00027
음향센서의 개수가 늘어남에 따라 추정해야 할 위치오차 변수가 늘었으므로, 아래의 수학식 8과 같이 측정오차 모델을 추가적으로 적용한다.
Figure 112019089121522-pat00028
Figure 112019089121522-pat00029
단,
Figure 112019089121522-pat00030
,
Figure 112019089121522-pat00031
:
Figure 112019089121522-pat00032
행렬의 i행 j열의 원소
Figure 112019089121522-pat00033
: k번째 펄스 도달시 실제 측정하여 얻은 거리
음원을 기동하며 측정한 횟수를 K라고 하고, 모델링되지 않은 오차 ε을 가우시안 확률변수로 가정하면, 선형 최소제곱 방법으로부터 아래의 수학식 9와 같이 최적 위치오차 추정 값을 얻을 수 있다.
Figure 112019089121522-pat00034
Figure 112019089121522-pat00035
단, H는 K X 2행렬,
Figure 112019089121522-pat00036
,
Figure 112019089121522-pat00037
r2는 K X 1행렬,
Figure 112019089121522-pat00038
r3는 K X 1행렬,
Figure 112019089121522-pat00039
한편, 도 4를 참조하면, 음향센서가 4개 이상일 경우 적용 가능한 두 번째 방법이 도시된다. 음향센서가 4개 이상일 경우 음향센서들을 3개씩 그루핑하여, 그루핑된 음향센서로부터 수신된 음향 신호를 처리함으로써 음향센서의 위치오차를 갱신할 수 있다. 즉, 두 번째 방법은 3개의 음향센서를 활용한 갱신 결과를 순차적으로 적용하는 것이다.
예를 들어, 도 4와 같이 음향센서가 총 5개인 경우, 음향센서 1 내지 3을 그룹 1, 음향센서 2 내지 4를 그룹 2, 그리고 음향센서 3 내지 5를 그룹 3으로 그루핑할 수 있다.
장치는 그룹 1에 포함된 음향센서 1 내지 3으로부터 수신된 음향 신호에 기초하여 음향센서 3의 위치오차를 갱신할 수 있다. 또한, 음향센서 3의 갱신된 위치오차에 기초하여 음향센서 3의 위치를 추정할 수 있다.
장치는 그룹 2에 포함된 음향센서 2 내지 4로부터 수신된 음향 신호에 기초하여 음향센서 4의 위치오차를 갱신할 수 있다. 이 때, 장치는 음향센서 3의 위치로서, 그룹 1을 이용하여 추정된 음향센서 3의 위치를 이용할 수 있다. 장치는 음향센서 4의 갱신된 위치오차에 기초하여 음향센서 4의 위치를 추정할 수 있다.
장치는 그룹 3에 포함된 음향센서 3 내지 5로부터 수신된 음향 신호에 기초하여 음향센서 5의 위치오차를 갱신할 수 있다. 이 때, 장치는 음향센서 3 및 음향센서 4의 위치로서, 그룹 1 및 그룹 2를 이용하여 추정된 음향센서 3 및 음향센서 4의 위치를 이용할 수 있다. 장치는 음향센서 5의 갱신된 위치오차에 기초하여 음향센서 5의 위치를 추정할 수 있다.
한편, 각 그룹에서 3개의 음향센서 중 마지막 음향센서의 위치오차가 반영되도록 상기 수학식 4를 아래의 수학식 10과 같이 수정하여 적용한다.
수학식 10에서,
Figure 112019089121522-pat00040
이며, 최초에는 (x2, y2)를 (0, 0)으로 가정하였다. 또한, 우현 표적일 경우 sgn[k]=1이고, 좌현 표적일 경우 sgn[k]=-1이다.
Figure 112019089121522-pat00041
Figure 112019089121522-pat00042
도 5는 일 실시예에 따른 본 개시의 방법을 적용한 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
시뮬레이션에서 음향센서의 위치오차는 랜덤하게 발생하도록 설정하였고, 약 800회의 측정값을 이용하여 위치오차를 갱신하였다. 측정된 시간지연 정보에는 잡음에 따른 오차가 포함되어 있다고 가정하였다.
도 5를 참조하면, 1번 내지 3번 센서의 x, y 및 z축 방향으로 모두 오차가 존재한다. 이 때, 도 4에서 상술한 방법에 따라 2번 센서의 x축 및 y축 방향의 위치오차를 갱신함으로써 2번 센서의 위치를 추정할 수 있다. 또한, 2번 센서의 추정된 위치에 기초하여 음원의 거리를 추정할 수 있다.
도 5의 그래프에 도시된 바와 같이, 도 4에서 상술한 방법을 적용하여 2번 센서의 x축 및 y축 방향의 위치오차를 갱신함으로써, 음원의 거리를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 음향센서의 위치오차를 갱신하는 방법에 대한 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 단계 610에서 장치는 복수의 음향센서를 이용하여 음원으로부터 발생하는 음향 신호를 수신할 수 있다.
장치는 복수의 음향센서가 4개 이상인 경우 음향센서를 3개씩 그루핑하여, 그루핑된 음향센서로부터 수신된 상기 음향 신호를 처리할 수도 있다.
단계 620에서 장치는 복수의 음향센서로부터 수신된 음향 신호를 처리할 수 있다.
장치는 적어도 하나의 음향센서에 대한 갱신된 위치오차에 기초하여 적어도 하나의 음향센서에 대한 위치를 추정함으로써, 최종적으로 음원의 위치를 추정할 수 있다.
장치는 복수의 음향센서 각각으로부터 수신된 음향 신호 간의 시간지연 정보에 기초하여 복수의 음향센서 중 적어도 하나의 음향센서에 대한 위치오차를 갱신할 수 있다. 장치는 음원의 위치가 이동하는 횟수만큼 시간지연 정보를 획득할 수 있다.
또한, 장치는 음속, 시간지연 정보 및 기준 음향센서와 음원 간의 거리에 기초하여 복수의 음향센서 중 적어도 하나의 음향센서에 대한 위치오차를 갱신할 수 있다.
구체적으로, 기준 음향센서로부터 n번째에 위치한 n번째 음향센서의 위치오차(xn, yn)는, n번째 음향센서의 위치(ln), n번째 음향센서와 음원 간의 거리(Rn) 및 음원에 대한 기준 음향센서의 방위(θ), 및 기준 음향센서와 음원 간의 거리(R)에 기초하여 갱신될 수 있다.
장치는, 적어도 하나의 음향센서에 대한 위치오차를 갱신하기 위해 테일러 근사를 적용한 선형 최소제곱 방법을 이용될 수 있다. 구체적으로, 장치는 최초에 n번째 음향센서의 위치오차(xn, yn)를 (0, 0)으로 설정하고, n번째 음향센서의 갱신 후 위치오차와 갱신 전 위치오차 간의 차가 임계값 이하로 수렴할 때까지 선형 최소제곱 방법을 반복할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 음향센서의 위치오차를 갱신하는 장치의 하드웨어 구성을 도시한 블록도이다.
도 7을 참조하면, 장치(700)는 제어부(710), 통신부(720), 메모리(730)를 포함할 수 있다. 도 7의 장치(700)에는 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 7에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 당해 기술분야의 통상의 기술자라면 이해할 수 있다.
장치(700)는 PC(personal computer), 서버 디바이스, 모바일 디바이스, 임베디드 디바이스 등의 다양한 종류의 디바이스들로 구현될 수 있다.
제어부(710)는 도 1 내지 도 6에서 상술한 음향센서의 위치오차를 갱신하기 위한 일련의 프로세스를 제어할 수 있다. 제어부(710)는 장치(700)를 제어하기 위한 전반적인 기능들을 제어하는 역할을 한다. 예를 들어, 제어부(710)는 장치(700) 내의 메모리(730)에 저장된 프로그램들을 실행함으로써, 장치(700)를 전반적으로 제어한다. 제어부(710)는 장치(700) 내에 구비된 CPU(central processing unit), GPU(graphics processing unit), AP(application processor) 등으로 구현될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
통신부(720)는 근거리 통신부, 이동 통신부, 방송 수신부를 포함할 수 있다. 통신부(720)는 복수의 음향 센서로부터 음원으로부터 수신된 음향 신호를 전달받을 수 있다.
또는, 통신부(720)는 음향 센서를 포함할 수 있고, 이 경우 통신부(720)는 음원으로부터 음향 신호를 직접 수신할 수 있다.
메모리(730)는 장치(700) 내에서 처리되는 각종 데이터들을 저장하는 하드웨어로서, 예를 들어, 메모리(730)는 통신부(720)에서 수신한 음향 신호 관련 데이터, 장치(700)에서 처리된 데이터들 및 처리될 데이터들을 저장할 수 있다. 또한, 메모리(730)는 장치(700)에 의해 구동될 애플리케이션들, 드라이버들 등을 저장할 수 있다. 메모리(730)는 DRAM(dynamic random access memory), SRAM(static random access memory) 등과 같은 RAM(random access memory), ROM(read-only memory), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), CD-ROM, 블루레이 또는 다른 광학 디스크 스토리지, HDD(hard disk drive), SSD(solid state drive), 또는 플래시 메모리를 포함할 수 있다.
한편, 장치(700)는 디스플레이를 더 포함할 수 있다. 디스플레이는 장치(700)에서 처리되는 정보를 표시한다.
한편, 디스플레이와 터치패드가 레이어 구조를 이루어 터치 스크린으로 구성되는 경우, 디스플레이는 출력 장치 이외에 입력 장치로도 사용될 수 있다. 디스플레이는 액정 디스플레이(liquid crystal display), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(thin film transistor-liquid crystal display), 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode), 플렉시블 디스플레이(flexible display), 3차원 디스플레이(3D display), 전기영동 디스플레이(electrophoretic display) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 디스플레이(740)는 헤드 업 디스플레이(Head Up Display, HUD), 헤드 마운트 디스플레이(Head Mount Display, HMD), 또는 계기판을 포함할 수 있다.
본 실시예들은 전자 디바이스에 의해 실행 가능한 명령어 및 데이터를 저장하는 전자 디바이스로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 어플리케이션의 형태로 구현될 수 있다. 상기 명령어는 프로그램 코드의 형태로 저장될 수 있으며, 프로세서에 의해 실행되었을 때, 소정의 프로그램 모듈을 생성하여 소정의 동작을 수행할 수 있다. 또한, 상기 명령어는 프로세서에 의해 실행되었을 때, 개시된 실시예들의 소정의 동작들을 수행할 수 있다.
본 실시예들은 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 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 모듈과 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.
또한, 본 명세서에서, "부"는 프로세서 또는 회로와 같은 하드웨어 구성(hardware component), 및/또는 프로세서와 같은 하드웨어 구성에 의해 실행되는 소프트웨어 구성(software component)일 수 있다.
전술한 본 명세서의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 명세서의 내용이 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 실시예의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (17)

  1. 음향센서의 위치오차를 갱신하는 장치에 있어서,
    음원으로부터 발생하는 음향 신호를 수신하고, 기준 음향센서를 포함하는 복수의 음향센서; 및
    상기 복수의 음향센서로부터 수신된 상기 음향 신호를 처리하는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 음향센서 각각으로부터 수신된 상기 음향 신호 간의 시간지연 정보, 음속(c) 및 상기 기준 음향센서와 상기 음원 간의 거리(R)에 기초하여 상기 복수의 음향센서 중 적어도 하나의 음향센서에 대한 위치오차를 갱신하되,
    상기 기준 음향센서로부터 n번째에 위치한 n번째 음향센서의 위치오차(xn, yn)는, 상기 n번째 음향센서의 위치(ln), 상기 n번째 음향센서와 상기 음원 간의 거리(Rn), 상기 음원에 대한 상기 기준 음향센서의 방위(θ) 및 상기 기준 음향센서와 상기 음원 간의 거리(R)에 기초하여 갱신되는 것인, 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    테일러 근사를 적용한 선형 최소제곱 방법을 이용하여 상기 n번째 음향센서의 위치오차(xn, yn)를 갱신하는 것인, 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    최초에는 상기 n번째 음향센서의 위치오차(xn, yn)를 (0, 0)으로 설정하고, 상기 n번째 음향센서의 갱신 후 위치오차와 갱신 전 위치오차 간의 차가 임계값 이하로 수렴할 때까지 선형 최소제곱 방법을 반복하는 것인, 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 음원의 위치가 이동하는 횟수만큼 상기 시간지연 정보를 획득하는 것인, 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 적어도 하나의 음향센서에 대한 갱신된 위치오차에 기초하여 상기 적어도 하나의 음향센서에 대한 위치를 추정함으로써, 상기 음원의 위치를 추정하는 것인, 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 음향센서가 4개 이상인 경우 음향센서를 3개씩 그루핑하여, 상기 그루핑된 음향센서로부터 수신된 상기 음향 신호를 처리하는 것인, 장치.
  9. 음향센서의 위치오차를 갱신하는 방법에 있어서,
    기준 음향센서를 포함하는 복수의 음향센서를 이용하여 음원으로부터 발생하는 음향 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 복수의 음향센서로부터 수신된 상기 음향 신호를 처리하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 처리하는 단계는,
    상기 복수의 음향센서 각각으로부터 수신된 상기 음향 신호 간의 시간지연 정보, 음속(c) 및 상기 기준 음향센서와 상기 음원 간의 거리(R)에 기초하여 상기 복수의 음향센서 중 적어도 하나의 음향센서에 대한 위치오차를 갱신하되,
    상기 기준 음향센서로부터 n번째에 위치한 n번째 음향센서의 위치오차(xn, yn)는, 상기 n번째 음향센서의 위치(ln), 상기 n번째 음향센서와 상기 음원 간의 거리(Rn), 상기 음원에 대한 상기 기준 음향센서의 방위(θ) 및 상기 기준 음향센서와 상기 음원 간의 거리(R)에 기초하여 갱신되는 것인, 단계;
    를 포함하는, 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 처리하는 단계는,
    테일러 근사를 적용한 선형 최소제곱 방법을 이용하여 상기 n번째 음향센서의 위치오차(xn, yn)를 갱신하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 처리하는 단계는,
    최초에는 상기 n번째 음향센서의 위치오차(xn, yn)를 (0, 0)으로 설정하고, 상기 n번째 음향센서의 갱신 후 위치오차와 갱신 전 위치오차 간의 차가 임계값 이하로 수렴할 때까지 선형 최소제곱 방법을 반복하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 처리하는 단계는,
    상기 음원의 위치가 이동하는 횟수만큼 상기 시간지연 정보를 획득하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 처리하는 단계는,
    상기 적어도 하나의 음향센서에 대한 갱신된 위치오차에 기초하여 상기 적어도 하나의 음향센서에 대한 위치를 추정함으로써, 상기 음원의 위치를 추정하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 처리하는 단계는,
    상기 복수의 음향센서가 4개 이상인 경우 음향센서를 3개씩 그루핑하여, 상기 그루핑된 음향센서로부터 수신된 상기 음향 신호를 처리하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
  17. 제 9 항의 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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G. Clifford Carter. Time delay estimation for passive sonar signal processing. IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, 1981년 6월 1부.*
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