KR102292091B1 - Sparse Frequency Analysis method for Passive SONAR System and System thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 수동 소나 시스템을 위한 희소 주파수 분석 방법 및 그 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압축 센싱 기법을 기반으로 하는 희소 베이지안 학습법(Sparse Bayesian Learning)을 적용한 주파수 분석이 가능한 수동 소나 시스템을 위한 희소 주파수 분석 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a sparse frequency analysis method for a passive sonar system and a system therefor, and more particularly, to a sparse frequency analysis method for a passive sonar system capable of frequency analysis by applying a sparse Bayesian learning method based on a compressed sensing technique. It relates to a frequency analysis method and a system therefor.
수동 소나 시스템은 해양 개체(선박, 잠수함, 해양 생물 등)에서 방사되는 음향 신호를 수신하여 신호의 주파수를 분석한다. 주파수 성분의 정확한 식별은 목표 물체 검출을 위해 매우 중요하며 이를 위해 많은 연구가 진행되고 있다.Passive sonar systems receive acoustic signals emitted from marine objects (ships, submarines, marine life, etc.) and analyze the frequencies of the signals. Accurate identification of frequency components is very important for target object detection, and many studies are being conducted for this purpose.
이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transformation, DFT) 기술, 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT) 기술 등의 기존 주파수 분석 기술은 높은 연산량과 관측 시간에 따른 해상도 감소와 같은 한계점이 존재하여, 최근에 이를 해결하기 위하여 압축 센싱 기반의 주파수 분석 기술이 제안되었다. Existing frequency analysis techniques such as Discrete Fourier Transformation (DFT) technology and Fast Fourier Transform (FFT) technology have limitations such as high computational amount and reduced resolution according to observation time. In order to do this, a compression sensing-based frequency analysis technology has been proposed.
이러한 압축 센싱 기술은 신호의 희소성(Sparsity)을 활용하여 최적화 방식으로 원신호를 복원하는 방식으로 기존의 주파수 분석 기술보다 적은 관측값으로도 원신호를 정확히 분석할 수 있는 기술이며, 대표적인 압축 센싱 기술에 따른 주파수 분석 기술로는 Atomic Norm Minimization(ANM) 기술이 있다. This compression sensing technology is a technology that can accurately analyze the original signal with fewer observations than the existing frequency analysis technology by using the sparsity of the signal to restore the original signal in an optimization method. Atomic Norm Minimization (ANM) technology is a frequency analysis technology according to
그러나, ANM 기술의 경우 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)에 따른 정규화 변수(Regularization parameter) 설정 및 다중 스냅샷 이용 시 처리 시간이 크게 증가한다는 한계점이 여전히 존재한다. However, in the case of the ANM technology, there is still a limitation in that the processing time is greatly increased when setting a regularization parameter according to a signal to noise ratio (SNR) and using multiple snapshots.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 우수한 신호 복원 성능을 기대할 수 있으며 비교적 정확한 추정값을 가질 수 있는 수동 소나 시스템을 위한 희소 주파수 분석 방법 및 그 시스템을 제공함에 있다. The technical problem to be solved by the present invention is to provide a sparse frequency analysis method and a system for a passive sonar system that can expect excellent signal restoration performance and can have a relatively accurate estimation value.
상기한 바와 같은 본 발명의 과제를 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 효과를 실현하기 위한, 본 발명의 특징적인 구성은 하기와 같다. The characteristic configuration of the present invention for achieving the object of the present invention as described above and realizing the characteristic effects of the present invention to be described later is as follows.
본 발명의 일 측면에 따르면, 희소 주파수 분석 시스템이 제공되며, 이 시스템은,According to one aspect of the present invention, a sparse frequency analysis system is provided, the system comprising:
수동 소나 시스템을 위한 희소 주파수 분석 시스템으로서, 배열 센서를 통해 수신되는 음향 신호를 사용하여 사전 확률의 관측 분산값을 계산하는 관측 분산값 계산부, 상기 관측 분산값 계산부에 의해 계산된 관측 분산값을 사용하여 주파수 성분 크기 및 잡음 분산을 업데이트하는 업데이트부, 상기 업데이트부에 의해 업데이트된 주파수 성분 크기의 수렴 여부를 판단하는 수렴 판단부, 그리고 상기 수렴 판단부에 의해 상기 주파수 성분 크기가 수렴하는 것으로 판단되는 경우 확률 통계적 신호의 복원 기법에 의해 상기 음향 신호에 대한 복원 주파수 추정값을 계산하는 복원 주파수 계산부를 포함한다.A sparse frequency analysis system for a passive sonar system, comprising: an observed variance calculation unit for calculating an observed variance value of a prior probability using an acoustic signal received through an array sensor; the observed variance value calculated by the observed variance calculation unit An update unit for updating the frequency component magnitude and noise dispersion using When it is determined, a restoration frequency calculator for calculating an estimate value of a restoration frequency for the sound signal by a restoration technique of a probability statistical signal is included.
여기서, 이 시스템은 상기 희소 주파수 분석 시스템에서 사용되는 주파수 성분 크기의 초기값, 잡음 분석의 초기값 및 최저 수렴값을 생성하는 초기값 생성부를 더 포함한다.Here, the system further includes an initial value generator for generating an initial value of the magnitude of a frequency component used in the sparse frequency analysis system, an initial value of noise analysis, and a lowest convergence value.
또한, 상기 업데이트부는, 상기 관측 분산값 계산부에서 계산된 관측 분산값을 사용하여 주파수 성분 크기에 대한 업데이트 값을 계산하여 주파수 성분 크기에 대한 업데이트를 수행하는 주파수 성분 크기 업데이트부, 그리고 상기 관측 분산값 계산부에서 계산된 관측 분산값을 사용하여 잡음 분산에 대한 업데이트 값을 계산하여 잡음 분산에 대한 업데이트를 수행하는 잡음 분산 업데이트부를 포함한다.The update unit may include a frequency component magnitude updater configured to update the frequency component size by calculating an update value for the frequency component size using the observed variance calculated by the observed variance calculation unit, and the observed variance and a noise variance updater configured to update the noise variance by calculating an update value for the noise variance using the observed variance calculated by the value calculator.
또한, 상기 수렴 판단부는 상기 업데이트부에 의해 업데이트되기 전의 주파수 성분 크기와 상기 업데이트부에 의해 업데이트된 후의 주파수 성분 크기를 사용하여 주파수 성분 크기의 수렴값을 계산하는 수렴값 계산부를 포함한다.In addition, the convergence determining unit includes a convergence value calculator for calculating a convergence value of the frequency component size using the frequency component size before being updated by the update unit and the frequency component size after being updated by the update unit.
또한, 상기 수렴 판단부는 상기 수렴값 계산부에 의해 계산된 주파수 성분 크기의 수렴값이 상기 최저 수렴값보다 작은 경우 상기 주파수 성분 크기가 수렴하는 것으로 판단한다.In addition, the convergence determining unit determines that the frequency component size converges when the convergence value of the frequency component magnitude calculated by the convergence value calculator is smaller than the lowest convergence value.
또한, 상기 관측 분산값()은 다음의 관계식 에 따라 계산되며, 여기서 상기 은 잡음 분산이고, 은 N×N 단위 행렬이며, 및 는 주파수 성분의 특성을 나타내는 딕셔너리 행렬(dictionary matrix)이고, 는 주파수 성분 크기 의 대각 행렬이다. In addition, the observed variance ( ) is the following relation is calculated according to where is the noise variance, is an N×N identity matrix, and is a dictionary matrix indicating the characteristics of the frequency component, is the magnitude of the frequency component is a diagonal matrix of
또한, 상기 주파수 성분 크기의 업데이트를 위한 업데이트 값()은 다음의 관계식 에 따라 계산되며, 여기서 은 m번째 주파수 성분 크기의 업데이트 값이고, 는 업데이트 전 주파수 성분의 크기이며, 는 상기 음향 신호에 대한 측정 벡터이고, 은 다중 스냅샷의 개수이며, 은 상기 관측 분산값의 역행렬이고, 은 딕셔너리 행렬 A의 m번째 열벡터이다.In addition, the update value ( ) is the following relation is calculated according to where is the update value of the magnitude of the m-th frequency component, is the magnitude of the frequency component before the update, is a measurement vector for the acoustic signal, is the number of multiple snapshots, is the inverse matrix of the observed variance, is the mth column vector of the dictionary matrix A.
또한, 상기 잡음 분산의 업데이트를 위한 업데이트 값()은 다음의 관계식 에 따라 계산되며, 여기서 은 관측 신호의 길이이며, 는 유의미한(0이 아님) 주파수 성분의 개수이고, 은 활성화된 딕셔너리 행렬로서 이다.In addition, the update value ( ) is the following relation is calculated according to where is the length of the observed signal, is the number of significant (non-zero) frequency components, is the active dictionary matrix, am.
또한, 상기 수렴 판단부가 상기 주파수 성분 크기의 수렴 여부를 판단하기 위해 사용하는 수렴값()은 다음의 관계식 에 따라 계산되며, 여기서 는 주파수 성분 크기의 업데이트 값이고, 는 업데이트되기 전의 주파수 성분 크기이다.In addition, the convergence value ( ) is the following relation is calculated according to where is the update value of the magnitude of the frequency component, is the magnitude of the frequency component before being updated.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 희소 주파수 분석 방법이 제공되며, 이 방법은,According to another aspect of the present invention, there is provided a sparse frequency analysis method, the method comprising:
수동 소나 시스템을 위한 희소 주파수 분석 방법으로서, 배열 센서를 통해 음향 신호가 수신되는 경우 희소 주파수 분석을 위한 초기값을 생성하는 단계 - 상기 초기값은 주파수 성분 크기의 초기값, 잡음 분석의 초기값 및 최저 수렴값을 포함함 -, 상기 초기값을 사용하여 사전 확률의 관측 분산값을 계산하는 단계, 상기 관측 분산값을 사용하여 주파수 성분 크기 및 잡음 분산을 업데이트하는 단계, 그리고 상기 주파수 성분 크기가 수렴하는 경우, 확률 통계적 신호의 복원 기법에 의해 상기 음향 신호에 대한 복원 주파수 추정값을 계산하는 단계를 포함하며, 상기 주파수 성분 크기가 수렴하지 않는 경우, 상기 주파수 성분 크기가 수렴할 때까지 상기 관측 분산값을 계산하는 단계, 상기 주파수 성분 크기 및 잡음 분산을 업데이트하는 단계를 반복 수행한다.A sparse frequency analysis method for a passive sonar system, comprising the steps of generating an initial value for sparse frequency analysis when an acoustic signal is received through an array sensor, wherein the initial value includes an initial value of frequency component magnitude, an initial value of noise analysis, and including a lowest convergence value, calculating an observed variance of the prior probability using the initial value, using the observed variance to update a frequency component magnitude and a noise variance, and the frequency component magnitude converges. , calculating a restored frequency estimate for the acoustic signal by a probabilistic statistical signal restoration technique. , and updating the frequency component magnitude and noise variance are repeatedly performed.
여기서, 상기 주파수 성분 크기의 수렴 여부는, 상기 주파수 성분 크기의 업데이트 전 값과 업데이트 후의 값의 수렴값이 상기 최저 수렴값보다 작은지 여부를 판단함에 의해 수행되고, 상기 수렴값이 상기 최저 수렴값보다 작은 경우, 상기 주파수 성분 크기가 수렴하는 것으로 판단된다.Here, whether the magnitude of the frequency component converges is performed by determining whether a convergence value between a value before and after the update of the magnitude of the frequency component is smaller than the lowest convergence value, and the convergence value is the lowest convergence value If smaller, it is determined that the magnitude of the frequency component converges.
본 발명에 따르면, 사전/사후 및 잡음을 정규 확률 분포로 가정하여 복원하고자 하는 주파수의 확률 분포를 완전한 확률 관점에서 접근할 수 있게 해줌으로써, 우수한 신호 복원 성능을 기대할 수 있으며, 정규 확률 분포를 가지는 소음을 가정하여 최적화함으로써 비교적 정확한 추정값을 가질 수 있다. According to the present invention, excellent signal restoration performance can be expected, and excellent signal restoration performance can be expected by allowing the probability distribution of the frequency to be restored to be approached from a complete probability point of view by assuming that the before/after and noise are normal probability distributions. By optimizing assuming noise, a relatively accurate estimate can be obtained.
또한, 다중 스냅샷을 사용하더라도 단일 스냅샷을 사용한 경우와 비교했을 때 처리 속도 면에서 큰 변화가 없고 정규화 변수의 설정이 불필요하다는 장점을 가지고 있다. In addition, even if multiple snapshots are used, there is no significant change in processing speed compared to the case of using a single snapshot, and there is no need to set normalization variables.
본 발명이 수동 소나 시스템에 적용되는 경우, 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio)가 낮은 실제 해상 환경에서도 기존의 주파수 분석 기법보다 높은 해상도와 분해능을 가질 수 있다. When the present invention is applied to a passive sonar system, it can have higher resolution and resolution than the conventional frequency analysis technique even in an actual marine environment having a low signal to noise ratio.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수동 소나 시스템을 위한 희소 주파수 분석 방법이 적용되는 수중 환경을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수동 소나 시스템을 위한 희소 주파수 분석 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수동 소나 시스템을 위한 희소 주파수 분석 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 4는 다중 스냅샷 사용에 따른 ANM 기법과 본 발명의 실시예에 따른 희소 베이지안 학습법의 처리 속도를 비교한 도면이다
도 5는 SNR 0dB 환경에서 단일 스냅샷을 이용하였을 때 고속 푸리에 변환, ANM 및 본 발명의 실시예에 따른 희소 베이지안 학습법을 활용한 주파수 분석 결과 도면이다.
도 6은 SNR -13dB 환경에서 단일 스냇샵 및 다중 스냅샷을 사용했을 때의 주파수 분석 결과 비교도이다.
도 7은 120개의 매립형 수평 배열센서에서 수신된 실제 해상 데이터를 고속 푸리에 변환과 본 발명의 실시예에 따른 희소 베이지안 학습법을 이용하여 주파수 분석한 결과 도면이다.1 is a diagram illustrating an underwater environment to which a sparse frequency analysis method for a passive sonar system according to an embodiment of the present invention is applied.
2 is a schematic block diagram of a sparse frequency analysis system for a passive sonar system according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic flowchart of a sparse frequency analysis method for a passive sonar system according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram comparing the processing speed of the ANM method according to the use of multiple snapshots and the sparse Bayesian learning method according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a frequency analysis result using a fast Fourier transform, ANM, and a sparse Bayesian learning method according to an embodiment of the present invention when a single snapshot is used in an SNR 0dB environment.
6 is a comparison diagram of frequency analysis results when single snapshot and multiple snapshots are used in an SNR -13dB environment.
7 is a diagram showing results of frequency analysis of actual resolution data received from 120 buried horizontal array sensors using fast Fourier transform and sparse Bayesian learning method according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly explain the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals are given to the same or similar elements throughout the specification.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In addition, throughout the specification, when a part "includes" a certain component, this means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 수동 소나 시스템을 위한 희소 주파수 분석 방법 및 그 시스템에 대해 설명한다. Hereinafter, a sparse frequency analysis method for a passive sonar system and a system thereof according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
본 발명의 실시예에서 사용되는 압축 센싱 기법은 수신되는 신호의 희소성(Sparsity)을 가정한 뒤 최적화를 통해 신호를 복구하는 기법으로, 수중에서 수신되는 음향 주파수는 관측 가능한 범위 내에서 소수이기 때문에 희소성을 가지고 있는 신호로 간주할 수 있어 압축 센싱 기법을 기반으로 하는 희소 베이지안 학습법(Sparse Bayesian Learning)을 적용한 주파수 분석이 가능하다. The compression sensing technique used in the embodiment of the present invention is a technique for recovering a signal through optimization after assuming the sparsity of the received signal. Since the acoustic frequency received in water is a prime number within the observable range, it is scarce. Since it can be regarded as a signal with
본 발명의 실시예에서는 확률 통계적 신호의 복원 기법을 사용하여 해양 인자 및 주변 소음을 추정함으로써 주파수 분석 성능이 향상된 압축 센싱 기반의 희소 베이지안 학습법을 활용한 주파수 분석 방법을 적용한다.In an embodiment of the present invention, a frequency analysis method using a compressed sensing-based sparse Bayesian learning method with improved frequency analysis performance by estimating ocean factors and ambient noise using a reconstruction technique of a probabilistic statistical signal is applied.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수동 소나 시스템을 위한 희소 주파수 분석 방법이 적용되는 수중 환경을 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating an underwater environment to which a sparse frequency analysis method for a passive sonar system according to an embodiment of the present invention is applied.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 희소 주파수 분석 시스템(100)은 수중에서 수평 배열 센서 또는 수직 배열 센서를 사용해서 해양 개체(200)(선박, 잠수정 등)의 음향 신호를 수신한다. 여기서 수평 배열 센서는 예를 들어 예인형 수평 배열 센서(101) 또는 매립형 수평 배열 센서(102)일 수 있으나, 본 발명의 실시예에서 이것으로만 제한되는 것은 아니다. 또한, 희소 주파수 분석 시스템(100)은 수평 배열 센서(101, 102)(이하에서는, '배열 센서'라고 함)가 유무선으로 연결되어 있으며 선박(잠수정 등)(300)에 탑재되어 있는 것으로 가정한다.Referring to FIG. 1 , the sparse
이 경우, 배열 센서(101, 102)로 수신되는 해양 개체(200)의 방사 소음 신호 는 다음의 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.In this case, the radiation noise signal of the
[수학식 1][Equation 1]
여기서, 는 측정 벡터이고, 는 주파수 성분의 특성을 나타내는 딕셔너리 행렬(dictionary matrix)이며, 는 복원하고자 하는 주파수 성분 벡터이고, 은 주변 잡음을 의미하며, 은 다중 스냅샷의 개수이다. 여기서, 단일 스냅샷은 하나의 수동 소나에서 수신한 일정 길이의 신호를 의미하고, 복수의 단일 스냅샷 들을 이용한 다중 측정 벡터를 다중 스냅샷이라고 한다. here, is the measurement vector, is a dictionary matrix indicating the characteristics of the frequency component, is the frequency component vector to be restored, stands for ambient noise, is the number of multiple snapshots. Here, a single snapshot means a signal of a certain length received from one passive sonar, and a plurality of single snapshots Multiple measurement vectors using these are called multiple snapshots.
한편, [수학식 1]에 대해 확률 통계적 신호의 복원 기법을 사용하면, 수신 신호 측정 벡터 가 주어졌을 때 주파수 성분 벡터 와 주파수 성분의 크기 그리고 잡음 분산 을 최대화하는 를 찾는 문제로 생각할 수 있으며, 이는 다음의 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다. On the other hand, when the restoration technique of the probabilistic statistical signal is used for [Equation 1], the received signal measurement vector frequency component vector given and the magnitude of the frequency component and noise dispersion to maximize It can be thought of as a problem of finding , which can be expressed as the following [Equation 2].
[수학식 2][Equation 2]
여기서 는 확률 통계적 신호의 복원 기법을 이용해 구하는 주파수 추정값, 즉 복원 주파수를 의미한다. here denotes a frequency estimation value obtained by using a probabilistic statistical signal restoration technique, that is, a restoration frequency.
한편, [수학식 2]에서, 는 체인룰(Chain Rule)을 이용하여 다음의 [수학식 3]과 같이 분해될 수 있다.On the other hand, in [Equation 2], can be decomposed as in the following [Equation 3] using a chain rule.
[수학식 3][Equation 3]
전술한 [수학식 2] 및 [수학식 3]에서 은 측정 벡터 가 주어졌을 때 측정 벡터를 가장 잘 설명할 수 있는 복원 주파수를 의미하며, 구체적으로는 [수학식 3]과 같이 변환될 때, 측정 벡터 를 사용하여 업데이트한 주파수 성분의 크기 와 잡음 분산 을 이용한 확률 통계적 신호의 복원 기법에 의한 복원 주파수를 의미한다.In the above-mentioned [Equation 2] and [Equation 3] silver measurement vector It means the restoration frequency that can best explain the measurement vector when given, and specifically, when transformed as in [Equation 3], the measurement vector magnitude of the frequency component updated using and noise dispersion It means the restoration frequency by the restoration technique of the probabilistic statistical signal using
[수학식 3]에서, 측정 벡터 의 사후 함수(posterior function) 는 베이즈 정리(Baye's Theorem)에 따라 사전 함수 와 가능도 함수 를 이용하여 다음의 [수학식 4]와 같이 표현될 수 있다.In [Equation 3], the measurement vector posterior function of is a dictionary function according to Baye's Theorem and the likelihood function It can be expressed as the following [Equation 4] using
[수학식 4][Equation 4]
여기서, 는 주변 함수를 의미한다.here, is the surrounding function.
한편, 주변 함수 는 계측값에 대한 확률값으로 하나의 데이터 집합에 대하여 정의되었기 때문에 정규화시킬 수 없다. 따라서, 사후 함수에 따른 사후 확률 분포는 직접적으로 계산할 수 없으며, 사후 확률 분포를 분해하여 각각의 요소들을 계산하여 다음의 [수학식 5]와 같이 수식적으로 표현한다. On the other hand, the peripheral function Since is defined for one data set as a probability value for the measured value, it cannot be normalized. Therefore, the posterior probability distribution according to the posterior function cannot be calculated directly, and each element is calculated by decomposing the posterior probability distribution and expressed mathematically as in the following [Equation 5].
[수학식 5][Equation 5]
[수학식 5]에서, 가능도 함수의 잡음이 평균이 0인 복소 가우시안이라고 가정하면, 측정 벡터 에 대한 가능도 함수는 다음의 [수학식 6]과 같이 잡음 분산 을 갖는 조건부 확률 밀도 함수(probability density function)로 표현될 수 있다.In [Equation 5], assuming that the noise of the likelihood function is a complex Gaussian with an average of 0, the measurement vector The likelihood function for is the noise variance as shown in
[수학식 6][Equation 6]
여기서 은 관측 신호의 길이를 나타낸다. here is the length of the observed signal.
한편, 사전 함수 에서 음원은 스냅샷과 주파수에 대해 독립이며 주파수에 종속인 분산을 갖는 평균이 0인 복소 가우시안 분포를 갖는다고 가정하면, 사전 함수에 대한 희소 신호 모델은 다음의 [수학식 7]과 같다.On the other hand, the dictionary function Assuming that the sound source has a complex Gaussian distribution with an average of 0 and a variance independent of the snapshot and frequency, the sparse signal model for the prior function is as follows [Equation 7].
[수학식 7][Equation 7]
여기서, 는 의 대각 행렬을 의미한다.here, Is means the diagonal matrix of
따라서, 전술한 [수학식 5]는 [수학식 6]과 [수학식 7]을 곱하여 다음의 [수학식 8]과 같이 정리될 수 있다.Therefore, the above-mentioned [Equation 5] can be arranged as follows [Equation 8] by multiplying [Equation 6] and [Equation 7].
[수학식 8][Equation 8]
여기서, 가능도 함수 와 사전 함수 가 가우시안 함수이기 때문에 가능도 함수와 사전 함수의 곱인 [수학식 8]은 사후 확률의 평균값(), 사후 확률의 분산값() 그리고 사전 확률의 분산값, 즉 관측 분산값()이 다음의 [수학식 9]와 같은 가우시안 함수이다.Here, the likelihood function and dictionary functions Since is a Gaussian function, [Equation 8], which is the product of the likelihood function and the prior function, is the average value of the posterior probability ( ), the variance of the posterior probability ( ) and the variance of the prior probabilities, i.e. the observed variance ( ) is a Gaussian function like the following [Equation 9].
[수학식 9][Equation 9]
여기서, 는 딕셔너리 행렬로서 각각의 주파수 성분의 특징을 나타내는 행렬이며, 은 N×N 단위 행렬을 나타낸다.here, is a dictionary matrix indicating the characteristics of each frequency component, denotes an N×N unitary matrix.
이와 같이, 수식적으로 전개된 사후 확률값은 최적화 기법을 통하여 추론될 수 있으며, 이때 사후 확률 분포를 최대화시키는 주파수 성분의 크기()와 잡음 분산()을 안다면 MAP 추정(Maximum a posteriori estimation)에 따른 주파수 추정값은 다음의 [수학식 10]에 나타낸 바와 같이 사후 확률의 평균값()과 같음을 알 수 있다.In this way, the mathematically developed posterior probability value can be inferred through the optimization technique, in which case the size of the frequency component that maximizes the posterior probability distribution ( ) and the noise variance ( ), the frequency estimation value according to the MAP estimation (Maximum a posterior estimation) is the average value of the posterior probability ( ) can be found to be the same as
[수학식 10][Equation 10]
한편, 전술한 [수학식 4]에서 분모항인 주변 함수 를 상수 취급하여 전술한 [수학식 5]와 같이 나타내었으므로, 여기에서는 주변 함수를 최대화하는 초매개변수(hyperparameter)인 주파수 성분의 크기()와 잡음 분산()을 구하기 위해 유형∥최대 가능도 방법(type ∥ maximum likelihood estimation)을 이용한다. On the other hand, in the above-mentioned [Equation 4], the marginal function that is the denominator Since it is expressed as in [Equation 5] above by treating as a constant, here, the magnitude of the frequency component (hyperparameter) that maximizes the ) and the noise variance ( ), the type │ maximum likelihood estimation method is used.
[수학식 4]에서 분모항인 주변 함수는 가능도 함수 와 사전 함수 의 곱을 복소 신호인 주파수 성분 벡터 로 적분한 값으로, 다음의 [수학식 11]과 같이 나타낼 수 있다.In [Equation 4], the marginal function, which is the denominator term, is a likelihood function and dictionary functions The product of a frequency component vector that is a complex signal As a value integrated with , it can be expressed as the following [Equation 11].
[수학식 11][Equation 11]
개의 다중 스냅샷을 갖는 [수학식 11]에 한계 로그 우도(marginal log-likelihood) 형태를 취하면 다음의 [수학식 12]와 같이 표현할 수 있으며, [수학식 12]를 최대화하는 초매개변수 주파수 성분의 크기()와 잡음 분산()을 구한다. If [Equation 11] having multiple snapshots takes the form of marginal log-likelihood, it can be expressed as the following [Equation 12], and the hyperparameter frequency that maximizes [Equation 12] the size of the component ( ) and the noise variance ( ) to find
[수학식 12][Equation 12]
[수학식 12]는 초매개변수인 주파수 성분의 크기()와 잡음 분산()의 두 가지 변수에 의하여 목적 함수의 공간이 변화하기 때문에 직접적인 최적화 적용에 어려움이 있으므로, 주파수 성분의 크기()는 기댓값 최대화 기법(expectation maximization method) 그리고 잡음 분산()은 통계적 최대 우도 추정(stochastic maximum likelihood estimation) 기법을 이용하여 업데이트된다.[Equation 12] is the magnitude of the frequency component, which is a hyperparameter ( ) and the noise variance ( ), since the space of the objective function is changed by two variables, it is difficult to apply direct optimization, ) is the expectation maximization method and the noise variance ( ) is updated using a statistical maximum likelihood estimation technique.
주파수 성분의 크기()를 업데이트하기 위해서 [수학식 12]를 으로 미분하여 이 되는 을 찾는다. 여기서 은 m번째 주파수의 크기를 의미한다. the magnitude of the frequency component ( ) to update [Equation 12] by differentiating becoming look for here denotes the magnitude of the m-th frequency.
다음의 [수학식 13]은 [수학식 12]를 으로 미분한 값이며, 이 되는 값을 반복 인자(iterative factor)를 이용하면, 다음의 [수학식 14]와 같이 업데이트 값 을 찾을 수 있다.The following [Equation 13] is [Equation 12] is the value differentiated by If this value is used as an iterative factor, the update value as shown in the following [Equation 14] can be found
[수학식 13][Equation 13]
[수학식 14][Equation 14]
여기서 은 업데이트된 주파수 성분의 크기를 나타내고, 는 업데이트 전 주파수 성분의 크기를 나타내며, 은 관측 분산값의 역행렬이고, 은 딕셔너리 행렬 A의 m번째 열벡터를 의미한다. here represents the magnitude of the updated frequency component, represents the magnitude of the frequency component before the update, is the inverse matrix of the observed variance, denotes the m-th column vector of the dictionary matrix A.
다음, 잡음 분산()은 통계적 최대 우도 추정법을 사용하여 업데이트되며 개의 활성화된 주파수가 주어졌을 때 다음의 [수학식 15]와 같이 업데이트된다. 이 때, 잡음 분산()은 각 주파수별로 동일하다.Next, the noise variance ( ) is updated using statistical maximum likelihood estimation, When n activated frequencies are given, they are updated as in the following [Equation 15]. In this case, the noise dispersion ( ) is the same for each frequency.
[수학식 15][Equation 15]
여기서 은 활성화된 딕셔너리 행렬(dictionary matrix)이고, 이며, 은 관측 신호의 길이를 나타내고, 는 유의미한(0이 아님) 주파수 성분의 개수를 나타낸다.here is the active dictionary matrix, is, represents the length of the observed signal, represents the number of significant (non-zero) frequency components.
이하 전술한 설명을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 수동 소나 시스템을 위한 희소 주파수 분석 시스템에 대해 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a sparse frequency analysis system for a passive sonar system according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the above description.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수동 소나 시스템을 위한 희소 주파수 분석 시스템의 개략적인 블록도이다.2 is a schematic block diagram of a sparse frequency analysis system for a passive sonar system according to an embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수동 소나 시스템을 위한 희소 주파수 분석 시스템(100)은 배열 센서(110), 신호 수신부(120), 초기값 생성부(130), 관측 분산값 계산부(140), 업데이트부(150), 수렴 판단부(160) 및 복원 주파수 계산부(170)를 포함한다.As shown in FIG. 2 , the sparse
배열 센서(110)는 다수의 센서를 1차원이나 2차원으로 배열한 센서를 말하며, 본 실시예에서는 전술한 바와 같은 예인형 수평 배열 센서(101) 또는 매립형 수평 배열 센서(102)일 수 있다.The
신호 수신부(120)는 배열 센서(110)를 통해 외부의 해양 개체(200)로부터 발생된 음향 신호를 수신한다. 예를 들어, 신호 수신부(120)에서 배열 센서(110)를 통해 수신되는 신호는 측정 벡터 로서, 전술한 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.The
초기값 생성부(130)는 본 발명의 실시예에서 사용되는 각 매개변수에 대한 초기값을 생성한다. 예를 들어, 주파수 성분의 크기()의 초기값인 , 잡음 분산()의 초기값인 , 유의미한 주파수 성분의 개수를 나타내는 K 값 및 최저 수렴값()을 생성하며, 여기서 K값은 일반적으로 수동 소나 시스템에서 관심을 갖는 주파수 성분이 희소성을 갖기 때문에 신호 길이보다 작은 값으로 설정된다. 이 때, 각각의 초기값 또는 최저 수렴값은 사용자에 의해 설정될 수 있다.The
관측 분산값 계산부(140)는 초기값 생성부(130)에서 생성된 초기값과 신호 수신부(120)에서 수신된 신호를 사용하여 전술한 [수학식 9]에서 나타낸 사전 확률의 관측 분산값()을 계산한다. The observed
업데이트부(150)는 신호 수신부(120)에서 수신된 신호와 관측 분산값 계산부(140)에서 계산된 관측 분산값을 사용하여 주파수 성분의 크기()와 잡음 분산()을 새로운 값으로 각각 업데이트한다. The
보다 구체적으로, 업데이트부(150)는 주파수 성분 크기 업데이트부(151) 및 잡음 분산 업데이트부(152)를 포함한다. More specifically, the
주파수 성분 크기 업데이트부(151)는 신호 수신부(120)에서 수신된 신호와 관측 분산값 계산부(140)에서 계산된 관측 분산값을 사용하여 전술한 [수학식 14]에 따라 주파수 성분의 크기에 대한 업데이트 값을 찾아서 주파수 성분의 크기에 대한 업데이트를 수행한다. The frequency component
잡음 분산 업데이트부(152)는 신호 수신부(120)에서 수신된 신호와 관측 분산값 계산부(140)에서 계산된 관측 분산값을 사용하여 전술한 [수학식 15]에 따라 잡음 분산에 대한 업데이트 값을 찾아서 주파수 성분의 크기에 대한 업데이트를 수행한다.The noise variance update unit 152 uses the signal received by the
수렴 판단부(160)는 주파수 성분 크기 업데이트부(151)에서 업데이트되는 주파수 성분 크기가 수렴하는지 여부를 판단한다. 이를 위해, 수렴 판단부(160)는 주파수 성분 크기의 수렴값을 계산하는 수렴값 계산부(161)를 포함한다.The
수렴값 계산부(161)는 업데이트되기 전의 주파수 성분 크기()와 업데이트될 때의 주파수 성분 크기()를 사용하여 주파수 성분 크기의 수렴값을 계산한다. 구체적으로, 수렴값 계산부(161)는 다음의 [수학식 16]에 따라 주파수 성분 크기의 수렴값()을 계산한다.The
[수학식 16][Equation 16]
따라서, 수렴 판단부(160)는 수렴값 계산부(161)에서 계산되는 수렴값()과 초기값 생성부(130)에서 생성된 최저 수렴값()을 비교하여 주파수 성분 크기의 수렴 여부를 판단한다.Therefore, the
보다 구체적으로, 수렴 판단부(160)는 다음의 [수학식 17]에서와 같이 수렴값 계산부(161)에서 계산되는 수렴값()이 초기값 생성부(130)에서 생성된 최저 수렴값()보다 작을 때 주파수 성분 크기가 수렴하는 것으로 판단한다.More specifically, the
[수학식 17][Equation 17]
만약 수렴 판단부(160)에 의해 주파수 성분 크기가 수렴하지 않는 것으로 판단되면 관측 분산값 계산부(140), 업데이트부(150) 및 수렴 판단부(160)는 주파수 성분 크기가 수렴할 때까지 반복하여 작동된다.If it is determined by the
복원 주파수 계산부(170)는 수렴 판단부(160)에서 주파수 성분 크기가 수렴하는 것으로 판단되는 경우, 수렴한 주파수 성분의 크기()와 이 때의 잡음 분산()을 사용하여 전술한 [수학식 10]에 따라 확률 통계적 신호의 복원 기법에 의한 복원 주파수 추정값을 계산한다.When it is determined that the frequency component size converges in the
이하, 본 발명의 실시예에 따른 수동 소나 시스템을 위한 희소 주파수 분석 방법에 대해 설명한다. 이러한 수동 소나 시스템을 위한 희소 주파수 분석 방법은 전술한 도 2를 참조하여 설명한 수동 소나 시스템을 위한 희소 주파수 분석 시스템(100)에 의해 수행될 수 있다.Hereinafter, a sparse frequency analysis method for a passive sonar system according to an embodiment of the present invention will be described. The sparse frequency analysis method for the passive sonar system may be performed by the sparse
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수동 소나 시스템을 위한 희소 주파수 분석 방법의 개략적인 흐름도이다.3 is a schematic flowchart of a sparse frequency analysis method for a passive sonar system according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 희소 주파수 분석 시스템(100)을 장착한 수동 소나 시스템(도시되지 않음)에 음향 신호가 수신된다. 즉, 배열 센서(110)별로 음향 신호를 수신한다(S100). 이 때, 배열 센서(110)를 통해 수신되는 음향 신호는 측정 벡터 로서, 전술한 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.Referring to FIG. 3 , an acoustic signal is received by a passive sonar system (not shown) equipped with the sparse
다음, 외부의 음향 신호가 수신되면, 본 발명의 실시예에서 사용되는 각 매개변수에 대한 초기값을 생성한다(S110). 예를 들어, 주파수 성분의 크기()의 초기값인 , 잡음 분산()의 초기값인 , 유의미한 주파수 성분의 개수를 나타내는 K값 및 최저 수렴값()을 생성한다. 이 때, 각각의 초기값 또는 최저 수렴값은 사용자에 의해 설정될 수 있다.Next, when an external sound signal is received, an initial value for each parameter used in the embodiment of the present invention is generated (S110). For example, the magnitude of the frequency component ( ) is the initial value of , the noise variance ( ) is the initial value of , the K value representing the number of significant frequency components and the lowest convergence value ( ) is created. In this case, each initial value or the lowest convergence value may be set by a user.
그 후, 초기값을 사용하여 관측 분산값을 계산한다(S120). 구체적으로, 상기 단계(S110)에서 생성된 초기값을 사용하여 전술한 [수학식 9]에서 나타낸 사전 확률의 관측 분산값()을 계산한다. Thereafter, the observed variance is calculated using the initial value ( S120 ). Specifically, the observed variance ( ) is calculated.
이와 같이, 관측 분산값()이 계산되면, 계산된 관측 분산값()과 상기 단계(S100)에서 수신된 음향 신호를 사용하여 주파수 성분의 크기에 대한 업데이트를 수행한다(S130).As such, the observed variance ( ) is calculated, the calculated observed variance ( ) and the sound signal received in step S100 is used to update the magnitude of the frequency component (S130).
구체적으로, 수신된 음향 신호()와 관측 분산값()을 사용하여 전술한 [수학식 14]에 따라 주파수 성분의 크기()에 대한 업데이트 값을 찾아서 주파수 성분의 크기()에 대한 업데이트를 수행한다. Specifically, the received acoustic signal ( ) and the observed variance ( ) using the above-mentioned [Equation 14], the magnitude of the frequency component ( ) by finding the update value for the magnitude of the frequency component ( ) is updated.
또한, 계산된 관측 분산값()과 상기 단계(S100)에서 수신된 음향 신호를 사용하여 잡음 분산에 대한 업데이트를 수행한다(S140).Also, the calculated observed variance ( ) and the sound signal received in step S100 is used to update the noise distribution (S140).
구체적으로, 수신된 음향 신호()와 관측 분산값()을 사용하여 전술한 [수학식 15]에 따라 잡음 분산()에 대한 업데이트 값을 찾아서 잡음 분산()에 대한 업데이트를 수행한다.Specifically, the received acoustic signal ( ) and the observed variance ( ) using the above-mentioned [Equation 15], the noise dispersion ( ) by finding the update value for the noise variance ( ) is updated.
이와 같이, 초매개변수인 주파수 성분의 크기()와 잡음 분산()에 대한 업데이트가 수행된 후에, 주파수 성분 크기에 대한 수렴 여부를 판단하기 위해 먼저 주파수 성분 크기의 수렴값을 계산한다(S150).As such, the magnitude of the frequency component, which is a hyperparameter ( ) and the noise variance ( ), in order to determine whether the magnitude of the frequency component converges or not, a convergence value of the magnitude of the frequency component is first calculated (S150).
구체적으로, 주파수 성분 크기에 대한 수렴값()은 전술한 [수학식 16]에 따라 계산될 수 있다.Specifically, the convergence value ( ) can be calculated according to [Equation 16] described above.
그 후, 계산된 주파수 성분 크기에 대한 수렴값을 사용하여 주파수 성분 크기의 수렴 여부를 판단한다(S160).Thereafter, it is determined whether the magnitude of the frequency component is converged by using the calculated convergence value for the magnitude of the frequency component (S160).
구체적으로, 전술한 [수학식 17]에 따라, 계산된 주파수 성분 크기에 대한 수렴값()이 상기 단계(S110)에서 생성된 최저 수렴값()보다 작은지 여부를 판단하여 주파수 성분 크기의 수렴 여부를 판단한다. 즉, 계산된 주파수 성분 크기에 대한 수렴값()이 최저 수렴값()보다 작은 경우 주파수 성분 크기가 수렴하는 것으로 판단된다.Specifically, according to the above-mentioned [Equation 17], the convergence value ( ) is the lowest convergence value ( ) to determine whether the magnitude of the frequency component is convergence or not. That is, the convergence value ( ) is the lowest convergence value ( ), it is judged that the magnitude of the frequency component converges.
만약 상기 단계(S160)에서 주파수 성분 크기가 수렴하지 않는 것으로 판단되는 경우, 즉 계산된 주파수 성분 크기에 대한 수렴값()이 최저 수렴값()보다 크거나 같은 경우, 주파수 성분 크기가 수렴할 때까지 상기 단계(S130)에서 업데이트된 주파수 성분 크기()와 상기 단계(S140)에서 업데이트된 잡음 분산()을 사용하여 상기 단계(S120, S130, S140, S150, S160)을 반복 수행한다.If it is determined that the magnitude of the frequency component does not converge in step S160, that is, the convergence value ( ) is the lowest convergence value ( ), the updated frequency component size ( S130 ) until the frequency component size converges. ) and the noise variance updated in step S140 ( ) to repeat the above steps (S120, S130, S140, S150, S160).
그러나, 상기 단계(S160)에서 주파수 성분 크기가 수렴하는 것으로 판단되는 경우, 즉 계산된 주파수 성분 크기에 대한 수렴값()이 최저 수렴값()보다 작은 경우, 수렴한 주파수 성분의 크기()와 이 때의 잡음 분산()을 사용하여 전술한 [수학식 10]에 따라 확률 통계적 신호의 복원 기법에 의한 복원 주파수 추정값을 계산한다(S170).However, when it is determined that the magnitude of the frequency component converges in step S160, that is, the convergence value ( ) is the lowest convergence value ( ), the magnitude of the converged frequency component ( ) and the noise variance at this time ( ) to calculate a restoration frequency estimate by the restoration technique of a probability statistical signal according to [Equation 10] described above (S170).
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 사전/사후 및 잡음을 정규 확률 분포로 가정하여 복원하고자 하는 주파수의 확률 분포를 완전한 확률 관점에서 접근할 수 있게 해줌으로써, 우수한 신호 복원 성능을 기대할 수 있으며, 정규 확률 분포를 가지는 소음을 가정하여 최적화함으로써 비교적 정확한 추정값을 가질 수 있다. As described above, according to the embodiment of the present invention, excellent signal restoration performance can be expected by allowing the probability distribution of the frequency to be restored to be approached from a perfect probability point of view, assuming the pre/post and noise are normal probability distributions. , it is possible to have a relatively accurate estimate by optimizing assuming a noise having a normal probability distribution.
또한, 다중 스냅샷을 사용하더라도 단일 스냅샷을 사용한 경우와 비교했을 때 처리 속도 면에서 큰 변화가 없고 정규화 변수의 설정이 불필요하다는 장점을 가지고 있다. In addition, even if multiple snapshots are used, there is no significant change in processing speed compared to the case of using a single snapshot, and there is no need to set normalization variables.
본 발명이 수동 소나 시스템에 적용되는 경우, 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio)가 낮은 실제 해상 환경에서도 기존의 주파수 분석 기법보다 높은 해상도와 분해능을 가질 수 있다. When the present invention is applied to a passive sonar system, it can have higher resolution and resolution than the conventional frequency analysis technique even in an actual marine environment having a low signal to noise ratio.
도 4는 다중 스냅샷 사용에 따른 ANM(Atomic norm minimization) 기법과 본 발명의 실시예에 따른 희소 베이지안 학습법의 처리 속도를 비교한 도면이다. 4 is a diagram comparing the processing speed of an atomic norm minimization (ANM) method according to the use of multiple snapshots and a sparse Bayesian learning method according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 단일 센서, 주파수 신호 5개, SNR 10dB로 가정하였다. ANM의 경우 스냅샷(snapshot)의 개수가 증가함에 따라 처리 시간이 증가하지만, 본 발명의 실시예에 따른 희소 베이지안 학습법의 경우 스냅샷의 개수가 증가하더라도 처리시간에 변화가 없음을 알 수 있다.Referring to FIG. 4 , it is assumed that a single sensor, 5 frequency signals, and an SNR of 10 dB are used. In the case of ANM, the processing time increases as the number of snapshots increases, but in the case of the sparse Bayesian learning method according to the embodiment of the present invention, it can be seen that the processing time does not change even if the number of snapshots increases.
도 5는 SNR 0dB 환경에서 단일 스냅샷을 이용하였을 때 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT), ANM 및 본 발명의 실시예에 따른 희소 베이지안 학습법을 활용한 주파수 분석 결과 도면이다. 5 is a diagram of frequency analysis results using Fast Fourier Transform (FFT), ANM, and a sparse Bayesian learning method according to an embodiment of the present invention when a single snapshot is used in an SNR 0dB environment.
도 5를 참조하면, 검은색 점선은 고속 푸리에 변환을 이용한 주파수 추정 결과이고, 파란색 실선 및 원은 ANM을 활용한 주파수 추정 결과이며, 빨간색 실선은 본 발명의 실시예에 따른 희소 베이지안 학습법을 이용한 주파수 추정 결과이고, 초록색 박스 및 점선은 실제 5개의 주파수(100Hz, 110Hz, 230Hz, 290Hz, 370Hz)의 위치를 의미한다. Referring to FIG. 5 , the black dotted line is the frequency estimation result using the fast Fourier transform, the blue solid line and circle are the frequency estimation results using the ANM, and the red solid line is the frequency using the sparse Bayesian learning method according to the embodiment of the present invention. It is an estimation result, and the green box and dotted line mean the actual positions of five frequencies (100Hz, 110Hz, 230Hz, 290Hz, 370Hz).
ANM과 희소 베이지안 학습법의 경우, 5개의 주파수를 정확히 복원하지만, 고속 푸리에 변환의 경우 100Hz와 110Hz를 구분하지 못하고 압축 센싱 기반의 주파수 추정 기법들과 비교했을 때 상대적으로 낮은 해상도를 가짐을 알 수 있다. In the case of ANM and sparse Bayesian learning method, five frequencies are accurately restored, but in the case of fast Fourier transform, 100Hz and 110Hz cannot be distinguished, and it can be seen that it has a relatively low resolution compared to compression sensing-based frequency estimation techniques. .
도 6은 SNR -13dB 환경에서 단일 스냇샵 및 다중 스냅샷을 사용했을 때의 주파수 분석 결과 비교도이다.6 is a comparison diagram of frequency analysis results when single snapshot and multiple snapshots are used in an SNR -13dB environment.
도 6을 참조하면, 검은색 점선은 고속 푸리에 변환을 활용한 주파수 분석 결과이고, 파란색 실선과 원은 ANM을 활용한 주파수 분석 결과이며, 빨간색 실선은 본 발명의 실시예에 따른 희소 베이지안 학습법을 사용한 주파수 분석 결과이고, 초록색 실선 및 네모 박스는 실제 5개의 주파수(100Hz, 110Hz, 230Hz, 290, 370Hz)의 위치를 나타낸다. Referring to FIG. 6 , the black dotted line is the frequency analysis result using the fast Fourier transform, the blue solid line and the circle are the frequency analysis results using the ANM, and the red solid line is the sparse Bayesian learning method according to the embodiment of the present invention. This is the frequency analysis result, and the green solid line and the square box indicate the actual positions of the five frequencies (100Hz, 110Hz, 230Hz, 290, 370Hz).
도 6의 (a)를 참조하면, 단일 스냅샷 사용 시 모든 기법들이 주파수를 복원하지 못함을 확인할 수 있다. 도 6의 (b)를 참조하면, 다중 스냅샷(L=50)을 사용하게 되면, 동일한 SNR 환경에서 모든 기법들의 주파수 추정 성능이 향상됨을 알 수 있다. 그러나, ANM의 경우 5개의 주파수 외에 4개의 주파수를 복원하였으며, 고속 푸리에 변환의 경우 여전히 100Hz와 110Hz를 구별하지 못하고 해상도가 낮음을 알 수 있다. 반면에, 본 발명의 실시예에 따른 희소 베이지안 학습법의 경우 5개의 주파수를 정확히 복원하였음을 알 수 있다.Referring to (a) of FIG. 6 , it can be seen that all techniques fail to restore the frequency when using a single snapshot. Referring to FIG. 6B , it can be seen that when multiple snapshots (L=50) are used, frequency estimation performance of all techniques is improved in the same SNR environment. However, in the case of ANM, 4 frequencies are restored in addition to 5 frequencies, and in the case of the fast Fourier transform, it can be seen that 100 Hz and 110 Hz are still not distinguished and the resolution is low. On the other hand, in the case of the sparse Bayesian learning method according to the embodiment of the present invention, it can be seen that five frequencies are accurately restored.
도 7은 120개의 매립형 수평 배열센서에서 수신된 실제 해상 데이터를 고속 푸리에 변환과 본 발명의 실시예에 따른 희소 베이지안 학습법을 이용하여 주파수 분석한 결과 도면이다. 7 is a diagram showing results of frequency analysis of actual resolution data received from 120 buried horizontal array sensors using fast Fourier transform and sparse Bayesian learning method according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 120개의 매립형 수평 배열 센서에서 방사된 신호를 수신하였으며, 방사 신호의 개수는 8개 그리고 센서 배열과 음원과의 거리는 약 700m이다. 도 7의 (a)는 1초 신호에 대한 주파수 분석 결과로 희소 베이지안 학습법의 방사 주파수 외의 잡음들을 크게 감소시키고, 방사된 8개의 주파수 신호 중 7개의 주파수 신호를 정확히 복원하였음을 확인할 수 있다. 반면에, 고속 푸리에 변화의 경우 8개의 방사 신호 중 7개의 점에서 피크점을 확인할 수 있으나, 주변 잡음들이 크게 존재함을 알 수 있다. Referring to FIG. 7 , signals radiated from 120 buried horizontal array sensors were received, the number of radiated signals was 8, and the distance between the sensor array and the sound source was about 700 m. 7(a) shows that, as a result of frequency analysis for a 1-second signal, noises other than the radiation frequency of the sparse Bayesian learning method are greatly reduced, and it can be confirmed that 7 frequency signals among the 8 radiated frequency signals are accurately restored. On the other hand, in the case of a fast Fourier change, a peak point can be confirmed at 7 points among 8 radiation signals, but it can be seen that there is a large amount of ambient noise.
도 7의 (b)는 90% 중첩률로 주파수 분석을 50번 수행한 결과를 나타낸다. 도 7의 (a)와 마찬가지로, 고속 푸리에 변환의 경우 상대적으로 방사한 신호 주파수 주변으로 잡음들이 크게 존재함을 알 수 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 희소 베이지안 학습법의 경우 주변 잡음들을 감쇠시켜 실제 방사한 주파수들을 정확하게 복원함을 알 수 있다.7 (b) shows the result of performing
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. The drawings and detailed description of the described invention referenced so far are merely exemplary of the present invention, which are only used for the purpose of describing the present invention, and are used to limit the meaning or the scope of the present invention described in the claims. it is not Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.
Claims (11)
배열 센서를 통해 수신되는 음향 신호에 대한 베이즈 정리(Baye's Theorem)에 따른 사전 확률의 관측 분산값을 계산하는 관측 분산값 계산부,
상기 관측 분산값 계산부에 의해 계산된 관측 분산값을 사용하여 주파수 성분 크기 및 잡음 분산을 업데이트하는 업데이트부,
상기 업데이트부에 의해 업데이트된 주파수 성분 크기의 수렴 여부를 판단하는 수렴 판단부, 그리고
상기 수렴 판단부에 의해 상기 주파수 성분 크기가 수렴하는 것으로 판단되는 경우, 상기 업데이트부에 의해 업데이트되는 주파수 성분 크기 및 잡음 분산을 사용하여 확률 통계적 신호의 복원 기법에 의해 상기 음향 신호에 대한 복원 주파수 추정값을 계산하는 복원 주파수 계산부
를 포함하는 희소 주파수 분석 시스템.A sparse frequency analysis system for a passive sonar system, comprising:
An observed variance calculation unit for calculating the observed variance of the prior probability according to Baye's Theorem for the acoustic signal received through the array sensor;
an update unit for updating the frequency component magnitude and noise variance using the observed variance calculated by the observed variance calculation unit;
a convergence determination unit that determines whether the magnitudes of the frequency components updated by the update unit converge; and
When it is determined by the convergence determining unit that the size of the frequency component converges, the estimated value of the restored frequency for the sound signal by the reconstruction technique of the probabilistic statistical signal using the size of the frequency component and the noise variance updated by the update unit Restoration frequency calculator to calculate
A sparse frequency analysis system comprising a.
상기 희소 주파수 분석 시스템에서 사용되는 주파수 성분 크기의 초기값, 잡음 분석의 초기값 및 최저 수렴값을 생성하는 초기값 생성부
를 더 포함하는 희소 주파수 분석 시스템.According to claim 1,
An initial value generator for generating an initial value of the magnitude of a frequency component used in the sparse frequency analysis system, an initial value of noise analysis, and a lowest convergence value
A sparse frequency analysis system further comprising a.
상기 업데이트부는,
상기 관측 분산값 계산부에서 계산된 관측 분산값을 사용하여 주파수 성분 크기에 대한 업데이트 값을 계산하여 주파수 성분 크기에 대한 업데이트를 수행하는 주파수 성분 크기 업데이트부, 그리고
상기 관측 분산값 계산부에서 계산된 관측 분산값을 사용하여 잡음 분산에 대한 업데이트 값을 계산하여 잡음 분산에 대한 업데이트를 수행하는 잡음 분산 업데이트부
를 포함하는, 희소 주파수 분석 시스템.According to claim 1,
The update unit,
a frequency component size update unit that calculates an update value for the frequency component size using the observed variance value calculated by the observed variance value calculation unit and performs an update on the frequency component size; and
A noise variance update unit that performs an update on the noise variance by calculating an update value for the noise variance using the observed variance calculated by the observed variance calculation unit.
Including, sparse frequency analysis system.
상기 수렴 판단부는 상기 업데이트부에 의해 업데이트되기 전의 주파수 성분 크기와 상기 업데이트부에 의해 업데이트된 후의 주파수 성분 크기를 사용하여 주파수 성분 크기의 수렴값을 계산하는 수렴값 계산부
를 포함하는, 희소 주파수 분석 시스템.3. The method of claim 2,
The convergence determining unit is a convergence value calculator for calculating a convergence value of the frequency component size using the frequency component size before being updated by the update unit and the frequency component size after being updated by the update unit
Including, sparse frequency analysis system.
상기 수렴 판단부는 상기 수렴값 계산부에 의해 계산된 주파수 성분 크기의 수렴값이 상기 최저 수렴값보다 작은 경우 상기 주파수 성분 크기가 수렴하는 것으로 판단하는,
희소 주파수 분석 시스템.5. The method of claim 4,
The convergence determining unit determines that the frequency component size converges when the convergence value of the frequency component size calculated by the convergence value calculation unit is smaller than the lowest convergence value,
Sparse Frequency Analysis System.
상기 관측 분산값()은 다음의 관계식
에 따라 계산되며,
여기서 상기 은 잡음 분산이고, 은 N×N 단위 행렬이며, 및 는 주파수 성분의 특성을 나타내는 딕셔너리 행렬(dictionary matrix)이고, 는 주파수 성분 크기 의 대각 행렬인,
희소 주파수 분석 시스템.6. The method according to any one of claims 1 to 5,
The observed variance ( ) is the following relation
is calculated according to
here above is the noise variance, is an N×N identity matrix, and is a dictionary matrix indicating the characteristics of the frequency component, is the magnitude of the frequency component is the diagonal matrix of
Sparse Frequency Analysis System.
상기 주파수 성분 크기의 업데이트를 위한 업데이트 값()은 다음의 관계식
에 따라 계산되며,
여기서 은 m번째 주파수 성분 크기의 업데이트 값이고, 는 업데이트 전 주파수 성분의 크기이며, 는 상기 음향 신호에 대한 측정 벡터이고, 은 다중 스냅샷의 개수이며, 은 상기 관측 분산값의 역행렬이고, 은 딕셔너리 행렬 A의 m번째 열벡터인,
희소 주파수 분석 시스템.7. The method of claim 6,
An update value for updating the magnitude of the frequency component ( ) is the following relation
is calculated according to
here is the update value of the magnitude of the m-th frequency component, is the magnitude of the frequency component before the update, is a measurement vector for the acoustic signal, is the number of multiple snapshots, is the inverse matrix of the observed variance, is the mth column vector of the dictionary matrix A,
Sparse Frequency Analysis System.
상기 잡음 분산의 업데이트를 위한 업데이트 값()은 다음의 관계식
에 따라 계산되며,
여기서 은 관측 신호의 길이이며, 는 유의미한(0이 아님) 주파수 성분의 개수이고, 은 활성화된 딕셔너리 행렬로서 인,
희소 주파수 분석 시스템.8. The method of claim 7,
An update value for updating the noise variance ( ) is the following relation
is calculated according to
here is the length of the observed signal, is the number of significant (non-zero) frequency components, is the active dictionary matrix, sign,
Sparse Frequency Analysis System.
상기 수렴 판단부가 상기 주파수 성분 크기의 수렴 여부를 판단하기 위해 사용하는 수렴값()은 다음의 관계식
에 따라 계산되며,
여기서 는 주파수 성분 크기의 업데이트 값이고, 는 업데이트되기 전의 주파수 성분 크기인,
희소 주파수 분석 시스템.9. The method of claim 8,
The convergence value ( ) is the following relation
is calculated according to
here is the update value of the magnitude of the frequency component, is the magnitude of the frequency component before being updated,
Sparse Frequency Analysis System.
배열 센서를 통해 음향 신호가 수신되는 경우 희소 주파수 분석을 위한 초기값을 생성하는 단계 - 상기 초기값은 주파수 성분 크기의 초기값, 잡음 분석의 초기값 및 최저 수렴값을 포함함 -,
상기 초기값을 사용하여 상기 음향 신호에 대한 베이즈 정리에 따른 사전 확률의 관측 분산값을 계산하는 단계,
상기 관측 분산값을 사용하여 주파수 성분 크기 및 잡음 분산을 업데이트하는 단계, 그리고
상기 주파수 성분 크기가 수렴하는 경우, 업데이트되는 주파수 성분 크기 및 잡음 분산을 사용하여 확률 통계적 신호의 복원 기법에 의해 상기 음향 신호에 대한 복원 주파수 추정값을 계산하는 단계
를 포함하며,
상기 주파수 성분 크기가 수렴하지 않는 경우, 상기 주파수 성분 크기가 수렴할 때까지 상기 관측 분산값을 계산하는 단계, 상기 주파수 성분 크기 및 잡음 분산을 업데이트하는 단계를 반복 수행하는,
희소 주파수 분석 방법.A sparse frequency analysis method for a passive sonar system, comprising:
generating an initial value for sparse frequency analysis when an acoustic signal is received through the array sensor, wherein the initial value includes an initial value of frequency component magnitude, an initial value of noise analysis, and a lowest convergence value;
calculating an observed variance value of prior probabilities according to Bayes theorem for the acoustic signal using the initial value;
updating frequency component magnitude and noise variance using the observed variance; and
When the frequency component magnitude converges, calculating a restored frequency estimate value for the acoustic signal by a probability statistical signal reconstruction technique using the updated frequency component magnitude and noise variance;
includes,
If the frequency component magnitude does not converge, repeating the steps of calculating the observed variance and updating the frequency component magnitude and noise variance until the frequency component magnitude converges,
Sparse frequency analysis method.
상기 주파수 성분 크기의 수렴 여부는,
상기 주파수 성분 크기의 업데이트 전 값과 업데이트 후의 값의 수렴값이 상기 최저 수렴값보다 작은지 여부를 판단함에 의해 수행되고,
상기 수렴값이 상기 최저 수렴값보다 작은 경우, 상기 주파수 성분 크기가 수렴하는 것으로 판단되는,
희소 주파수 분석 방법.11. The method of claim 10,
Whether the magnitude of the frequency component converges,
It is performed by determining whether the convergence value of the value before and after the update of the frequency component magnitude is smaller than the lowest convergence value,
When the convergence value is smaller than the lowest convergence value, it is determined that the frequency component magnitude converges,
Sparse frequency analysis method.
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CN117093827A (en) * | 2023-10-16 | 2023-11-21 | 欣灵电气股份有限公司 | Intelligent fire control water supply data processing system based on Internet of things |
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- 2021-06-02 KR KR1020210071261A patent/KR102292091B1/en active IP Right Grant
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