KR102262400B1 - 수중 음원의 방향각 추정 장치 및 방법 - Google Patents

수중 음원의 방향각 추정 장치 및 방법 Download PDF

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최진우
최현택
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한국해양과학기술원
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Abstract

수중 음원의 방향각 추정 장치 및 방법이 개시된다. 수중 음원의 방향각 추정 방법은, 수중 음원으로부터 2개의 하이드로폰이 수신한 2개의 수중 음향 신호를 입력받는 단계, 입력된 2개의 수중 음향 신호로부터 2개의 목표신호를 추출하는 단계, 2개의 목표신호를 이용하여 2개의 수중 음향 신호의 도달시간지연을 추정하는 단계 및 추정된 도달시간지연을 이용하여 수중 음원의 방향각을 추정하는 단계를 포함하되, 도달시간지연을 추정하는 단계는, 2개의 목표신호에 대하여 일반화된 상호상관분석(GCC: Generalized Cross Correlation)을 수행하는 단계 및 상호상관분석의 결과를 적용한 베이지안 확률 업데이트(Bayesian Probability Update)를 수행하는 단계를 포함한다.

Description

수중 음원의 방향각 추정 장치 및 방법{Apparatus and method for estimating directional angles of underwater acoustic sources}
본 발명은 수중 음원의 방향각 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 해양 환경에 대한 관심이 증대됨에 따라 수중 로봇의 활용이 증가되고 있다. 이러한 수중 로봇의 활용은 광물자원 채취, 심해저 탐사, 해양구조물 검사, 수중 건설 작업 등의 다양한 분야로 확대되고 있으며, 이에 따라 로봇 시스템의 운영에 필요한 연구개발 역시 활발히 진행되고 있다. 로봇 시스템의 효과적인 활용을 위해서는, 위치 인식 알고리즘의 개발이 필수적이다. 그러나, 해양 환경, 특히 수중 환경은 센서의 활용이 제한적이어서 안정적인 위치 인식 시스템의 구현이 어렵다.
즉, 수중 환경에서는 전자기신호의 높은 감쇄율로 인하여, GPS, 레이저 센서 등 지상 로봇에서 유용하게 사용되는 센서의 활용이 쉽지 않다. 뿐만 아니라, 탁도 등의 영향으로 카메라 기반의 위치 인식 또한 매우 제한적으로 사용된다. 이를 대신하여, 소나영상이 사용되기도 하지만, 소나영상은 지상에서의 영상정보와 달리, 해상도 및 포함된 정보의 양이 부족하여 안정적인 정보를 제공하기에 쉽지 않다.
그래서, 수중 환경에서는 음향신호 기반의 센서가 활용된다. 음향신호는, 수중에서 빠른 전달 속도와 함께 낮은 신호 감쇄율로 인하여, 다양한 위치 인식 시스템에 적용되어 왔다. 하지만, 전통적으로 많이 사용된 롱 베이스라인(LBL: Long Baseline)과 같은 시스템의 활용을 위해서는, 작업 반경 내에서의 설치, 정확한 위치 획득, 오차 보정 등의 번거로운 작업이 동반되어야 하며, 이러한 작업에서 발생하는 오차는 위치 인식 결과에 직접적으로 영향을 미치게 된다.
음향 신호의 활용은 베이스라인(baseline) 기반의 시스템 외에도, 다양한 방법으로 수중 로봇의 항법 알고리즘에 적용되기도 하였다. 즉, LBL 시스템의 트랜스폰더의 기능을 이용하여, 양방향 거리 정보를 이용한 위치 인식 시스템이 개발되어왔다. 뿐만 아니라, 수중 음향 통신에서 사용되는 모뎀에 의하여 동기화된 정보로부터 단방향 거리 정보가 획득되어 위치 인식에 사용되기도 하였다.
이와 같이, 수중 환경에서는 음향 신호의 활용이 필수적이다.
따라서, 음향 신호를 이용한 수중에서의 위치 인식 기술에 대한 개선이나 새로운 기술 개발은 지속적으로 요구된다.
한국공개특허공보 제10-2018-0010879호(2018.01.31)
본 발명은 수중 로봇의 위치 인식을 위하여, 2개의 하이드로폰(Hydrophone)을 통해 획득된 2개의 수중 음향 신호의 도달시간지연(Time Difference of Arrivals)을 이용하여 수중 음원의 방향각을 추정하는 수중 음원의 방향각 추정 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 수중 음원의 방향각 추정 장치가 수행하는 수중 음원의 방향각 추정 방법이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 수중 음원의 방향각 추정 방법은, 상기 수중 음원으로부터 2개의 하이드로폰이 수신한 2개의 수중 음향 신호를 입력받는 단계, 상기 입력된 2개의 수중 음향 신호로부터 2개의 목표신호를 추출하는 단계, 상기 2개의 목표신호를 이용하여 상기 2개의 수중 음향 신호의 도달시간지연(Time Difference of Arrivals)을 추정하는 단계 및 상기 추정된 도달시간지연을 이용하여 상기 수중 음원의 방향각을 추정하는 단계를 포함하되, 상기 도달시간지연을 추정하는 단계는, 상기 2개의 목표신호에 대하여 일반화된 상호상관분석(GCC: Generalized Cross Correlation)을 수행하는 단계 및 상기 상호상관분석의 결과를 적용한 베이지안 확률 업데이트(Bayesian Probability Update)를 수행하는 단계를 포함한다.
상기 2개의 목표신호를 추출하는 단계는, 상기 수중 음원에 설정된 주파수 대역이 적용된 대역통과필터(Band Pass Filter)를 이용하여 상기 입력된 수중 음향 신호에서 잡음 신호를 제거한 후보 목표신호들을 추출하는 단계 및 상기 추출된 후보 목표신호들 중에서, 신호세기가 미리 설정된 역치값(threshold value)을 초과하는 후보 목표신호를 최종 목표신호로 추출하는 단계를 포함한다.
상기 일반화된 상호상관분석을 수행하는 단계는, 하기 수학식을 이용하여, 상호상관계수가 최대가 되는 시간(τ)을 도달시간지연으로 산출한다.
Figure 112019127408411-pat00001
Figure 112019127408411-pat00002
여기서, δt는 도달시간지연이고, Rx1x2는 상기 2개의 목표신호간의 상기 상호상관계수임
상기 상호상관계수는 푸리에 변환을 이용하여 하기 수학식으로 산출된다.
Figure 112019127408411-pat00003
Figure 112019127408411-pat00004
여기서, X1은 제1 목표신호(x1)의 푸리에 변환이고, X2 *는 제2 목표신호(x2)의 푸리에 변환의 복소켤레함수임
상기 베이지안 확률 업데이트를 수행하는 단계는, 상기 베이지안 확률 업데이트는 하기 수학식을 이용하여 수행된다.
Figure 112019127408411-pat00005
여기서, P(δt=τ)는 t시점에서 도달시간지연이 τ일 확률이고, z1:t 및 u1:t는 신호획득시간 1부터 t까지 획득된 목표신호의 일반화된 상호상관 분석 결과 및 모션 정보이고, η은 정규화(normalization) 계수이고, P(zt|δt=τ)는 우도함수(likelihood)로서, 현재 시점(t)에서 획득된 목표신호로부터 산출되는 도달시간지연의 확률이고, P(δt=τ|z1:t-1,u1:t)는 사전 정보(prior information)로서, 현재 시점의 직전 시점까지 획득된 목표신호로부터 산출되는 도달시간지연의 확률임
상기 우도함수에는 상기 일반화된 상호상관 분석 결과인 상기 상호상관계수가 적용된다.
상기 베이지안 확률 업데이트를 수행하는 단계는, 상기 베이지안 확률 업데이트로부터 도달시간지연에 대한 확률 분포를 산출하고, 상기 산출된 확률 분포에서 확률값이 최대가 되는 도달시간지연값을 상기 2개의 수중 음향 신호간의 최종 도달시간지연값으로 결정한다.
상기 수중 음원의 방향각을 추정하는 단계는, 상기 결정된 최종 도달시간지연값을 적용한 하기 수학식을 이용하여 상기 수중 음원의 방향각(θ)을 산출한다.
Figure 112019127408411-pat00006
Figure 112019127408411-pat00007
여기서, δt는 결정된 최종 도달시간지연값이고, d는 상기 2개의 하이드로폰 사이의 거리이고, C는 수중 음속임
상기 수중 음원의 방향각 추정 방법은, 상기 결정된 최종 도달시간지연값에 대한 확률의 엔트로피값을 산출하고, 상기 산출된 엔트로피값이 미리 설정된 기준값을 초과한 최종 도달시간지연값 및 방향각을 제거하는 필터링을 수행하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 수중 음원의 방향각 추정 장치가 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 수중 음원의 방향각 추정 장치는, 명령어를 저장하는 메모리 및 상기 명령어를 실행하는 프로세서를 포함하되, 상기 명령어는, 상기 수중 음원으로부터 2개의 하이드로폰이 수신한 2개의 수중 음향 신호를 입력받는 단계, 상기 입력된 2개의 수중 음향 신호로부터 2개의 목표신호를 추출하는 단계, 상기 2개의 목표신호를 이용하여 상기 2개의 수중 음향 신호의 도달시간지연(Time Difference of Arrivals)을 추정하는 단계 및 상기 추정된 도달시간지연을 이용하여 상기 수중 음원의 방향각을 추정하는 단계를 포함하는 수중 음원의 방향각 추정 방법을 수행하며, 상기 도달시간지연을 추정하는 단계는, 상기 2개의 목표신호에 대하여 일반화된 상호상관분석(GCC: Generalized Cross Correlation)을 수행하는 단계 및 상기 상호상관분석의 결과를 적용한 베이지안 확률 업데이트(Bayesian Probability Update)를 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 수중 음원의 방향각 추정 장치 및 방법은, 수중 로봇의 위치 인식을 위하여, 2개의 하이드로폰(Hydrophone)을 통해 획득된 2개의 수중 음향 신호의 도달시간지연(Time Difference of Arrivals)을 이용하여 수중 음원의 방향각을 추정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수중 음원의 방향각 추정 장치가 수행하는 수중 음원의 방향각 추정 방법을 나타낸 흐름도.
도 2 내지 도 4는 도 1의 본 발명의 실시예에 따른 수중 음원의 방향각 추정 방법을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수중 음원의 방향각 추정 장치의 구성을 개략적으로 예시한 도면.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 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.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수중 음원의 방향각 추정 장치가 수행하는 수중 음원의 방향각 추정 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 2 내지 도 4는 도 1의 본 발명의 실시예에 따른 수중 음원의 방향각 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다. 이하, 도 1을 중심으로 본 발명의 실시예에 따른 수중 음원의 방향각 추정 방법을 설명하되, 도 2 내지 도 4를 참조하기로 한다.
S110 단계에서, 수중 음원의 방향각 추정 장치는 수중 음향 신호를 입력받는다.
즉, 도 2를 참조하면, 2개의 하이드로폰(Hydrophone)(10, 20)이 각각 수중 음원(30)에 의하여 발생된 수중 음향 신호를 획득할 수 있다.
S120 단계에서, 수중 음원의 방향각 추정 장치는 입력된 수중 음향 신호로부터 목표신호를 추출한다.
즉, 제1 하이드로폰(10)에 의하여 획득된 제1 수중 음향 신호로부터 제1 목표신호가 추출되고, 제2 하이드로폰(20)에 의하여 획득된 제2 수중 음향 신호로부터 제2 목표신호가 추출될 수 있다.
이때, 수중 음원의 방향각 추정 장치는 수중 음원(30)에 설정된 주파수 대역이 적용된 대역통과필터(Band Pass Filter)를 이용하여 입력된 수중 음향 신호를 필터링하여, 입력된 수중 음향 신호에서 잡음 신호를 제거한 후보 목표신호들을 추출한다. 수중 음원(30)은 미리 설정된 주파수 대역을 가지는 수중 음향 신호를 반복적으로 발신할 수 있다.
예를 들어, 도 3의 (a)는 3개의 수중 음원(30)로부터 수신된 3개의 수중 음향 신호의 파형의 예를 나타낸다. 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 수신된 3개의 수중 음향 신호는 다양한 음향 신호가 섞여 있으므로, 수중 음원(30)별로 수중 음향 신호의 추출이 필요하다. 그래서, 도 3의 (b) 내지 도 3의 (d)에 도시된 바와 같이, 수중 음원(30)별 주파수 대역을 가지는 3개의 대역통과필터를 이용하여, 수신된 수중 음향 신호로부터 잡음 신호를 제거하고 수중 음원(30)별 수중 음향 신호가 추출될 수 있다.
그리고, 수중 음원의 방향각 추정 장치는 대역통과필터를 이용하여 추출된 후보 목표신호들 중에서, 하기 수학식과 같이, 신호세기가 미리 설정된 역치값(threshold value)을 초과하는 후보 목표신호를 최종적인 목표신호로 추출한다.
Figure 112019127408411-pat00008
여기서, E(i)signal은 i번째 대역통과필터로 추출한 후보 목표신호의 신호세기이고, Eth는 역치값이다.
예를 들어, 도 3의 (b) 내지 도 3의 (d)에서 점선 박스로 표시된 부분의 신호가 신호세기가 미리 설정된 역치값을 초과하는 신호로서, 최종적인 목표신호로 추출될 수 있다.
S130 단계에서, 수중 음원의 방향각 추정 장치는 2개의 하이드로폰(10, 20) 각각에 의하여 획득된 제1 수중 음향 신호 및 제2 수중 음향 신호로부터 추출된 제1 목표신호 및 제2 목표신호를 이용하여, 제1 수중 음향 신호와 제2 수중 음향 신호의 도달시간지연(Time Difference of Arrivals)을 추정한다.
수중 음원(30)의 방향각은 2개의 하이드로폰(10, 20)이 수신한 2개의 수중 음향 신호의 도달시간지연을 이용하여 추정될 수 있다. 즉, 서로 다른 하이드로폰(10, 20)이 동일한 수중 음원(30)으로부터 발신된 수중 음향 신호를 수신하는 경우, 수신되는 두 수중 음향 신호 간에는 도달시간의 차이가 발생한다.
이와 같은 도달시간지연을 추정하기 위해서는, 예를 들어, 상호상관분석, 상호스펙트럼 분석, 빔형성기법, 위상차 추정, 수신 신호를 서브스페이스(subspace)로 변환한 추정 등의 다양한 방법이 사용될 수 있다
본 발명의 실시예에 따른 수중 음원의 방향각 추정 장치는 일반화된 상호상관분석(GCC: Generalized Cross Correlation) 및 상호상관분석을 보완하는 베이지안 확률 업데이트(Bayesian Probability Update)을 통해 도달시간지연을 추정한다.
수중 음원의 방향각 추정 장치는 베이지안 확률 업데이트를 수행하기 위하여 우선, 추출된 제1 목표신호 및 제2 목표신호에 대하여 일반화된 상호상관분석을 수행하여 도달시간지연의 추정값을 산출한다.
추출된 제1 목표신호(x1) 및 제2 목표신호(x2)는 하기 수학식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019127408411-pat00009
Figure 112019127408411-pat00010
여기서, s(t)는 수중 음원(30)으로부터 발신된 신호이고, a는 두 하이드로폰(10, 20) 간의 신호감쇄율이고, n(t)는 잡음 신호이고, δt는 도달시간지연이다.
수중 음원의 방향각 추정 장치는 하기 수학식과 같이, Rx1x2가 최대가 되는 시간(τ)를 도달시간지연으로 산출함으로써, 제1 목표신호(x1) 및 제2 목표신호(x2)를 이용한 상호상관분석을 수행할 수 있다.
Figure 112019127408411-pat00011
Figure 112019127408411-pat00012
여기서, Rx1x2는 수신된 두 목표신호간의 상호상관계수로서, 푸리에 변환을 이용하여 산출될 수 있다. 즉, 두 목표신호가 푸리에 변환되어 두 목표신호의 상호스펙트럼함수가 산출되고, 산출된 상호스펙트럼함수가 역푸리에 변환되어 상호상관계수가 산출될 수 있다.
이와 같이 푸리에 변환을 이용하여 산출되는 상호상관계수(Rx1x2)는 하기 수학식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112019127408411-pat00013
Figure 112019127408411-pat00014
여기서, X1은 제1 목표신호(x1)의 푸리에 변환이고, X2 *는 제2 목표신호(x2)의 푸리에 변환의 복소켤레함수이다.
수학식 4의 상호상관계수(Rx1x2)의 산출 과정에서, 가중치 함수를 곱해줌으로써, 더욱 정확한 도달시간지연이 추정될 수 있다.
예를 들어, 하기 수학식과 같이, 음원 위치 추정에 비교적 많이 사용되는 PHAT 가중치 함수(ψ)가 사용될 수 있다.
Figure 112019127408411-pat00015
이와 같은 일반화된 상호상관분석을 통한 도달시간지연의 추정은, 비교적 간단하게 구현되고, 도달시간지연 및 방향각이 정확하게 추정될 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 수중 음향 신호는 다양한 잡음 신호, 잔향 신호, 반사파 등의 요인으로 왜곡될 수 있다. 뿐만 아니라, 목표신호 추출 과정에서, 대상 수중 음원에서 발신된 수중 음향 신호가 아닌 다른 음향 신호가 추출될 수도 있다. 이러한 경우, 일반화된 상호상관분석은 현재 획득되는 수중 음향 신호만으로 추정이 수행되어 잘못된 결과를 야기할 수 있다.
이러한 일반화된 상호상관분석의 단점을 보완하기 위하여, 베이지안 확률 업데이트가 사용된다. 즉, 베이지안 확률 업데이트는 일시적인 수중 음향 신호의 왜곡 및 잘못된 신호 추출이 이루어지더라도, 안정적인 도달시간지연 및 방향각의 추정이 가능하게 할 수 있다.
베이지안 확률 업데이트는 하기 수학식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112019127408411-pat00016
여기서, P(δt=τ)는 t시점에서 두 하이드로폰(10, 20)간의 도달시간지연이 τ일 확률이고, z1:t 및 u1:t는 신호획득시간 1부터 t까지 획득된 목표신호의 일반화된 상호상관 분석 결과 및 모션 정보이다.
그리고, 오른쪽 항에서, η은 정규화(normalization) 계수이고, P(zt|δt=τ)는 우도함수(likelihood)로서, 현재 시점(t)에서 획득된 목표신호로부터 산출되는 도달시간지연의 확률이고, P(δt=τ|z1:t-1,u1:t)는 사전 정보(prior information)로서, 현재 시점의 직전 시점까지(즉, 신호획득시간 1부터 t-1까지) 획득된 목표신호로부터 산출되는 도달시간지연의 확률이다.
이때, 수학식 6의 우도함수에는, 전술한 일반화된 상호상관분석 결과인 수학식 4의 상호상관계수(Rx1x2)가 사용된다.
그리고, 수학식 6의 사전 정보는 하기 수학식을 이용하여 산출될 수 있다.
Figure 112019127408411-pat00017
수학식 7의 오른쪽 항은, 도달시간지연의 모션 모델 및 t-1 시간의 도달시간지연의 확률로 구성된다.
본 발명의 실시예에 따른 수중 음원의 방향각 추정 장치는, 수학식 6의 베이지안 확률 업데이트로부터 Markov 프로세스 가정을 통해, 현재 시간에서의 도달시간지연에 대한 확률 분포를 산출하고, 산출된 확률 분포에서 확률값이 최대가 되는 도달시간지연값을 두 수중 음향 신호간의 최종 도달시간지연값으로 결정한다.
예를 들어, 베이지안 확률 업데이트를 통해 산출되는 도달시간지연에 대한 확률 분포는 도 4와 같이 산출될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 확률값이 최대가 되는 도달시간지연값이 최종 도달시간지연값으로 결정될 수 있다.
S140 단계에서, 수중 음원의 방향각 추정 장치는 결정된 최종 도달시간지연값을 이용하여 수중 음원(30)의 방향각을 추정한다.
전술한 바와 같이, 수중 음원(30)의 방향각은 2개의 하이드로폰(10, 20)이 수신한 2개의 수중 음향 신호의 도달시간지연을 이용하여 추정될 수 있다. 이때, 수중 음원(30)과 하이드로폰(10, 20) 사이의 거리가 두 하이드로폰(10, 20) 사이의 거리(d)보다 비교적 멀어, 수중 음향 신호가 평면파로 전달되는 것으로 가정하면, 두 하이드로폰(10, 20)이 각각 수신한 두 수중 음향 신호의 도달시간지연은 도 2에 도시된 바와 같이 나타낼 수 있다. 즉, 도 2를 참조하면, 수중 음원(30)의 방향각(θ)은 하기 수학식을 이용하여 산출될 수 있다.
Figure 112019127408411-pat00018
Figure 112019127408411-pat00019
여기서, δt는 결정된 최종 도달시간지연값이고, d는 두 하이드로폰(10, 20) 사이의 거리이고, C는 수중 음속(약 1,500km/s)이다.
S150 단계에서, 수중 음원의 방향각 추정 장치는 결정된 최종 도달시간지연값에 대한 확률의 엔트로피값을 산출하고, 산출된 엔트로피값이 미리 설정된 기준값을 초과한 경우, 엔트로피값이 기준값을 초과한 최종 도달시간지연값 및 이로부터 산출된 방향각을 제거하는 필터링을 수행한다.
일반적으로, 정확한 정보가 입력될수록 확률은 점점 더 수렴하므로, 엔트로피값이 증가하면 해당 정보는 잡음 정보로 간주되어 제거될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수중 음원의 방향각 추정 장치의 구성을 개략적으로 예시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수중 음원의 방향각 추정 장치는 프로세서(510), 메모리(520), 통신부(530) 및 인터페이스부(540)를 포함한다.
프로세서(510)는 메모리(520)에 저장된 처리 명령어를 실행시키는 CPU 또는 반도체 소자일 수 있다.
메모리(520)는 다양한 유형의 휘발성 또는 비휘발성 기억 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(520)는 ROM, RAM 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 메모리(520)는 본 발명의 실시예에 따른 수중 음원의 방향각 추정 방법을 수행하는 명령어들을 저장할 수 있다.
통신부(530)는 통신망을 통해 다른 장치들과 데이터를 송수신하기 위한 수단이다.
인터페이스부(540)는 네트워크에 접속하기 위한 네트워크 인터페이스 및 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다.
한편, 전술된 실시예의 구성 요소는 프로세스적인 관점에서 용이하게 파악될 수 있다. 즉, 각각의 구성 요소는 각각의 프로세스로 파악될 수 있다. 또한 전술된 실시예의 프로세스는 장치의 구성 요소 관점에서 용이하게 파악될 수 있다.
또한 앞서 설명한 기술적 내용들은 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 실시예들을 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. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
10: 제1 하이드로폰
20: 제2 하이드로폰
30: 수중 음원
510: 프로세서
520: 메모리
530: 통신부
540: 인터페이스부

Claims (10)

  1. 수중 음원의 방향각 추정 장치가 수행하는 수중 음원의 방향각 추정 방법에 있어서,
    상기 수중 음원으로부터 2개의 하이드로폰이 수신한 2개의 수중 음향 신호를 입력받는 단계;
    상기 수중 음원에 설정된 주파수 대역이 적용된 대역통과필터(Band Pass Filter)를 이용하여 상기 입력된 2개의 수중 음향 신호에서 각각 잡음 신호를 제거한 후보 목표신호들을 추출하는 단계;
    상기 추출된 후보 목표신호들 중에서, 신호세기가 미리 설정된 역치값(threshold value)을 초과하는 후보 목표신호를 목표신호로 추출하는 단계;
    상기 추출된 목표신호에 대하여 일반화된 상호상관분석(GCC: Generalized Cross Correlation)을 수행하여, 상호상관계수가 최대가 되는 시간(τ)을 도달시간지연(Time Difference of Arrivals)으로 산출하는 단계;
    상기 상호상관분석의 결과를 적용한 베이지안 확률 업데이트(Bayesian Probability Update)를 수행하는 단계;
    상기 베이지안 확률 업데이트로부터 도달시간지연에 대한 확률 분포를 산출하고, 상기 산출된 확률 분포에서 확률값이 최대가 되는 도달시간지연값을 상기 2개의 수중 음향 신호 간의 최종 도달시간지연값으로 결정하는 단계;
    상기 결정된 최종 도달시간지연값을 이용하여 상기 수중 음원의 방향각을 추정하는 단계; 및
    상기 결정된 최종 도달시간지연값에 대한 확률의 엔트로피값을 산출하고, 상기 산출된 엔트로피값이 미리 설정된 기준값을 초과한 최종 도달시간지연값 및 방향각을 제거하는 필터링을 수행하는 단계를 포함하되,
    상기 도달시간지연 및 상기 상호상관계수는 하기 수학식을 이용하여 산출되고,
    Figure 112021014560687-pat00032

    Figure 112021014560687-pat00033

    Figure 112021014560687-pat00034

    Figure 112021014560687-pat00035

    여기서, δt는 도달시간지연이고, Rx1x2는 상기 2개의 목표신호간의 상기 상호상관계수이고, X1은 제1 목표신호(x1)의 푸리에 변환이고, X2 *는 제2 목표신호(x2)의 푸리에 변환의 복소켤레함수이고,
    상기 베이지안 확률 업데이트는 하기 수학식을 이용하여 수행되고,
    Figure 112021014560687-pat00036

    여기서, P(δt=τ)는 t시점에서 도달시간지연이 τ일 확률이고, z1:t 및 u1:t는 신호획득시간 1부터 t까지 획득된 목표신호의 일반화된 상호상관 분석 결과 및 모션 정보이고, η은 정규화(normalization) 계수이고, P(zt|δt=τ)는 상기 일반화된 상호상관 분석 결과인 상기 상호상관계수가 적용되는 우도함수(likelihood)로서, 현재 시점(t)에서 획득된 목표신호로부터 산출되는 도달시간지연의 확률이고, P(δt=τ|z1:t-1,u1:t)는 사전 정보(prior information)로서, 현재 시점의 직전 시점까지 획득된 목표신호로부터 산출되는 도달시간지연의 확률이고,
    상기 수중 음원의 방향각(θ)은 상기 결정된 최종 도달시간지연값을 적용한 하기 수학식을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 수중 음원의 방향각 추정 방법.
    Figure 112021014560687-pat00037

    Figure 112021014560687-pat00038

    여기서, δt는 결정된 최종 도달시간지연값이고, d는 상기 2개의 하이드로폰 사이의 거리이고, C는 수중 음속임
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 수중 음원의 방향각 추정 장치에 있어서,
    명령어를 저장하는 메모리; 및
    상기 명령어를 실행하는 프로세서를 포함하되,
    상기 명령어는,
    상기 수중 음원으로부터 2개의 하이드로폰이 수신한 2개의 수중 음향 신호를 입력받는 단계;
    상기 수중 음원에 설정된 주파수 대역이 적용된 대역통과필터(Band Pass Filter)를 이용하여 상기 입력된 2개의 수중 음향 신호에서 각각 잡음 신호를 제거한 후보 목표신호들을 추출하는 단계;
    상기 추출된 후보 목표신호들 중에서, 신호세기가 미리 설정된 역치값(threshold value)을 초과하는 후보 목표신호를 목표신호로 추출하는 단계;
    상기 추출된 목표신호에 대하여 일반화된 상호상관분석(GCC: Generalized Cross Correlation)을 수행하여, 상호상관계수가 최대가 되는 시간(τ)을 도달시간지연(Time Difference of Arrivals)으로 산출하는 단계;
    상기 상호상관분석의 결과를 적용한 베이지안 확률 업데이트(Bayesian Probability Update)를 수행하는 단계;
    상기 베이지안 확률 업데이트로부터 도달시간지연에 대한 확률 분포를 산출하고, 상기 산출된 확률 분포에서 확률값이 최대가 되는 도달시간지연값을 상기 2개의 수중 음향 신호 간의 최종 도달시간지연값으로 결정하는 단계;
    상기 결정된 최종 도달시간지연값을 이용하여 상기 수중 음원의 방향각을 추정하는 단계; 및
    상기 결정된 최종 도달시간지연값에 대한 확률의 엔트로피값을 산출하고, 상기 산출된 엔트로피값이 미리 설정된 기준값을 초과한 최종 도달시간지연값 및 방향각을 제거하는 필터링을 수행하는 단계를 포함하는 수중 음원의 방향각 추정 방법을 수행하며,
    상기 도달시간지연 및 상기 상호상관계수는 하기 수학식을 이용하여 산출되고,
    Figure 112021014560687-pat00039

    Figure 112021014560687-pat00040

    Figure 112021014560687-pat00041

    Figure 112021014560687-pat00042

    여기서, δt는 도달시간지연이고, Rx1x2는 상기 2개의 목표신호간의 상기 상호상관계수이고, X1은 제1 목표신호(x1)의 푸리에 변환이고, X2 *는 제2 목표신호(x2)의 푸리에 변환의 복소켤레함수이고,
    상기 베이지안 확률 업데이트는 하기 수학식을 이용하여 수행되고,
    Figure 112021014560687-pat00043

    여기서, P(δt=τ)는 t시점에서 도달시간지연이 τ일 확률이고, z1:t 및 u1:t는 신호획득시간 1부터 t까지 획득된 목표신호의 일반화된 상호상관 분석 결과 및 모션 정보이고, η은 정규화(normalization) 계수이고, P(zt|δt=τ)는 상기 일반화된 상호상관 분석 결과인 상기 상호상관계수가 적용되는 우도함수(likelihood)로서, 현재 시점(t)에서 획득된 목표신호로부터 산출되는 도달시간지연의 확률이고, P(δt=τ|z1:t-1,u1:t)는 사전 정보(prior information)로서, 현재 시점의 직전 시점까지 획득된 목표신호로부터 산출되는 도달시간지연의 확률이고,
    상기 수중 음원의 방향각(θ)은 상기 결정된 최종 도달시간지연값을 적용한 하기 수학식을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 수중 음원의 방향각 추정 장치.
    Figure 112021014560687-pat00044

    Figure 112021014560687-pat00045

    여기서, δt는 결정된 최종 도달시간지연값이고, d는 상기 2개의 하이드로폰 사이의 거리이고, C는 수중 음속임
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