KR102293882B1 - 예인선배열 소나 시스템에서 자함의 소음을 감소시키기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

예인선배열 소나 시스템에서 자함의 소음을 감소시키기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시는 예인선배열의 소나 시스템에서, 자함(own ship)에서 발생된 소음을 감소시키기 위한 것이다. 본 개시에 따르면, 소음 감쇠 장치는 수신 신호를 빔포밍하여 기준 빔 신호와 입력 신호를 획득하는 복수의 음향 센서들, 및 상기 기준 빔 신호와 상기 입력 신호에 적용되는 NLMS 적응 필터를 포함하고, 상기 복수의 음향 센서들은 상기 예인선배열의 소나의 전 방위로 복수의 빔들을 형성하여 상기 입력 신호를 획득하고, 상기 복수의 음향 센서들에 포함된 제1 음향 센서들은 상기 자함의 방위로 적어도 하나의 빔을 형성하여 상기 기준 빔 신호를 획득한다.

Description

예인선배열 소나 시스템에서 자함의 소음을 감소시키기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR REDUCING NOISE OF OWN SHIP IN A TOWED LINE ARRAY SONAR SYSTEM}
본 개시(disclosure)는 일반적으로 예인선배열의 소나 시스템에서 자함의 소음을 감소시키기 위한 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 빔 신호를 이용하여 자함에서 발생된 소음을 감소시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 육상이나 공중에서는 전자파를 이용하여 레이더, 레이저 또는 적외선으로 표적을 탐지하지만, 수중에 있는 표적을 탐지할 때는 음향신호를 이용하는 소나(sound navigation and ranging, SONAR)를 사용한다. 소나는 위협이 되는 수중 물체를 찾아내 수상함이나 잠수함 등의 함정이 안전하게 항해할 수 있도록 하는 장비로서 음향탐지장비 혹은 음탐기로도 지시될 수 있다.
소나는 군용 선박이나 군용 잠수함에 널리 이용되고 있다. 군용 선박에서 이용되는 소나는 음향 센서를 이용하여 해저 정보를 확인하거나 적 잠수함의 위치를 식별함으로서, 적군의 위협으로부터 자함을 보호하는 데에 큰 역할을 수행한다.
현재, 수상함 또는 잠수함은 장거리 및 저소음 탐지를 위하여 예인선배열 소나(towed line array sonar) 센서를 구비하여 운용되고 있다. 예인선배열 소나는 자함의 후미에서 선배열의 음향 센서를 견인하는 형태로 운용되고, 수중의 음향을 탐지하여 해저 정보 및 적군의 위치를 탐지하는 역할을 수행하고 있다.
예인선배열 소나는 적군의 잠수함으로부터 반사된 음향 신호 또는 적군의 잠수함이 발생시킨 음향 신호를 수신한다. 이때, 예인선배열 소나는 자함의 자체 소음으로 인한 음향 신호도 수신할 수 있다. 자함의 자체 소음은 센서 신호에 유입되어 표적 신호 탐지 시 간섭으로 작용하므로, 예인선배열 소나가 수신한 신호에 관하여 신호 대 잡음비를 감소시켜 탐지 성능을 저하시킨다.
종래에 따른 예인선배열 소나는 케이블을 통해 자함과 이격 거리를 두고 운용됨에도 불구하고, 자함에서 발생된 자체 소음의 영향으로 인해 음향 탐지 성능이 상당히 저하되었다. 따라서, 예인선배열 소나는 자함 자체의 소음을 제거하기 위하여 일반적으로 별도의 가속도계나 음향센서 등을 이용하여 기준 신호를 획득하고 필터를 적용하여 기준 신호와 유사한 신호를 제거하였다. 그러나, 종래에 따르면, 예인선배열 소나의 성능은 획득된 기준 신호에 따라 성능이 크게 좌우되는 문제가 있었다. 특히, 빔 신호를 기준 신호로 이용하는 경우, 예인선배열 소나는 소음원의 방위를 정확하게 파악하지 못하면 기준 빔 신호로 사용해야할 자체 소음을 확보하기 어려웠으며, 자함의 변침 기동 시 소음 방위를 실시간으로 파악이 불가하여 음향 탐지 성능이 저하되는 문제가 있었다. 또한, 종래의 적응 소음 제거 알고리즘은 기본적으로 기준 빔 신호와 유사한 신호를 모두 제거하기 때문에 표적 신호에 기준 빔 신호와 유사한 성분이 포함되어 있을 경우 소음과 표적 신호가 함께 제거되는 단점이 발생하였다. 그에 따라, 현재 예인선배열 소나가 탐지하는 음향 센서에서 잡음 제거 성능을 높이기 위한 연구의 필요성이 대두되고 있다.
본 개시는 예인선배열 소나 시스템에서 빔 신호를 이용하여 자함에서 발생된 소음을 감소시키기 하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
또한, 본 개시는 예인선배열 소나 시스템에서 복수의 음향 센서들 중 일부 음향 센서들이 자함을 향하여 빔포밍을 수행하여 자함에서 발생된 소음을 감소시키기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
또한, 본 개시는 NLMS(normalized least mean square) 적응 필터를 이용하여 자함에서 발생된 소음을 필터링하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
또한, 본 개시는 기준 빔 신호와 입력 신호의 상관도를 이용하여 자함의 방위를 추정하고, NLMS 적응 필터를 갱신하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
또한, 본 개시는 NLMS 적응 필터의 갱신을 통하여, 표적 신호에 기준 빔 신호와 유사한 성분이 포함되어 있을 경우 소음 신호만 필터링 하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 예인선배열의 소나 시스템에서, 자함(own ship)에서 발생된 소음을 감소시키기 위한 소음 감쇠 장치는 수신 신호를 빔포밍(beamforming)하여 기준 빔 신호와 입력 신호를 획득하는 복수의 음향 센서들, 및 상기 기준 빔 신호와 상기 입력 신호에 적용되는 NLMS(normalized least mean square) 적응 필터를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 복수의 음향 센서들은 상기 예인선배열의 소나의 전 방위로 복수의 빔들을 형성하여 상기 입력 신호를 획득하고, 상기 복수의 음향 센서들에 포함된 제1 음향 센서들은 상기 자함의 방위로 적어도 하나의 빔을 형성하여 상기 기준 빔 신호를 획득할 수 있다.
다른 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 음향 센서들에서 음향 센서의 개수는 상기 자함과 상기 예인선배열 사이에 연결된 예인 케이블의 길이, 상기 예인선배열의 심도, 상기 자함의 변침 반경에 기반하여 결정될 수 있다.
다른 일 실시 예에 따르면, 상기 NLMS 적응 필터는 상기 기준 빔 신호와 상기 입력 신호 각각에 FFT(fast fourier transform)를 적용하고, 상기 기준 빔 신호에 기반하여 상기 NLMS 적응 필터의 필터 계수를 결정하고, 상기 결정된 NLMS 적응 필터의 필터 계수와 상기 입력 신호를 이용하여, 상기 자함에서 발생된 소음을 필터링(filtering)할 수 있다.
다른 일 실시 예에 따르면, 소음 감쇠 장치는 상기 NLMS 적응 필터의 갱신 여부를 결정하는 NLMS 적응 필터 갱신 결정기를 더 포함할 수 있다.
다른 일 실시 예에 따르면, 상기 NLMS 적응 필터 갱신 결정기는, 상기 복수의 빔들 중 상기 자함의 방위로 형성되는 자함 방위 빔을 결정하는 자함 방위 결정부, 상기 자함 방위 빔에 관한 빔 패턴을 결정하는 빔 패턴 결정부, 및 상기 빔 패턴을 이용하여, 상기 NLMS 적응 필터의 갱신 여부를 판단하는 갱신 판단부를 포함할 수 있다.
다른 일 실시 예에 따르면, 상기 자함 방위 결정부는 상기 복수의 빔들을 통하여 획득된 적어도 하나의 입력 신호와 상기 적어도 하나의 빔을 통하여 획득된 기준 빔 신호 사이의 상관 값에 기반하여, 상기 자함 방위 빔을 결정할 수 있다.
다른 일 실시 예에 따르면, 상기 상관 값은 상기 기준 빔 신호와 상기 입력 신호의 교차 스펙트럼 밀도, 상기 기준 빔 신호의 자기 스펙트럼 밀도, 상기 입력 신호의 자기 스펙트럼 밀도에 기반하여 결정될 수 있다.
다른 일 실시 예에 따르면, 상기 자함 방위 결정부는 상기 복수의 빔들을 이용하여 획득된 적어도 하나의 입력 신호와 상기 기준 빔 신호 사이의 적어도 하나의 상관 값을 결정하고, 상기 적어도 하나의 상관 값이 미리 설정된 임계 값 이상인지 여부를 식별하고, 상기 적어도 하나의 상관 값 중 적어도 하나가 상기 임계 값 이상인 경우, 가장 높은 상관 값에 대응되는 빔을 상기 자함 방위 빔으로 결정할 수 있다.
다른 일 실시 예에 따르면, 상기 갱신 판단부는 상기 자함 방위 빔을 통하여 획득한 입력 신호와 상기 자함 방위 빔에 관한 빔 패턴에 기반하여 소음 준위를 추정하고, 상기 자함 방위 빔을 통한 입력 신호에 NLMS 적응 필터가 적용되어 제거된 소음 신호의 준위가 상기 추정된 소음 준위 보다 작은 경우 상기 NLMS 적응 필터에 갱신이 필요한 것으로 판단할 수 있다.
다른 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 음향 센서들에서 음향 센서의 개수가 결정된 경우, 상기 제1 음향 센서들은 상기 자함의 위치와 상기 복수의 음향 센서들 각각의 위치 사이의 거리에 기반하여 결정될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 본 발명의 다양한 각각의 측면들 및 특징들은 첨부된 청구항들에서 정의된다. 종속 청구항들의 특징들의 조합들(combinations)은, 단지 청구항들에서 명시적으로 제시되는 것뿐만 아니라, 적절하게 독립항들의 특징들과 조합될 수 있다.
또한, 본 개시에 기술된 임의의 하나의 실시 예(any one embodiment) 중 선택된 하나 이상의 특징들은 본 개시에 기술된 임의의 다른 실시 예 중 선택된 하나 이상의 특징들과 조합될 수 있으며, 이러한 특징들의 대안적인 조합이 본 개시에 논의된 하나 이상의 기술적 문제를 적어도 부분적으로 경감시키거나, 본 개시로부터 통상의 기술자에 의해 식별될 수 있는(discernable) 기술적 문제를 적어도 부분적으로 경감시키고, 나아가 실시 예의 특징들(embodiment features)의 이렇게 형성된 특정한 조합(combination) 또는 순열(permutation)이 통상의 기술자에 의해 양립 불가능한(incompatible) 것으로 이해되지만 않는다면, 그 조합은 가능하다.
본 개시에 기술된 임의의 예시 구현(any described example implementation)에 있어서 둘 이상의 물리적으로 별개의 구성 요소들은 대안적으로, 그 통합이 가능하다면 단일 구성 요소로 통합될 수도 있으며, 그렇게 형성된 단일한 구성 요소에 의해 동일한 기능이 수행된다면, 그 통합은 가능하다. 반대로, 본 개시에 기술된 임의의 실시 예(any embodiment)의 단일한 구성 요소는 대안적으로, 적절한 경우, 동일한 기능을 달성하는 둘 이상의 별개의 구성 요소들로 구현될 수도 있다.
본 발명의 특정 실시 예들(certain embodiments)의 목적은 종래 기술과 관련된 문제점 및/또는 단점들 중 적어도 하나를, 적어도 부분적으로, 해결, 완화 또는 제거하는 것에 있다. 특정 실시 예들(certain embodiments)은 후술하는 장점들 중 적어도 하나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 장치 및 방법은 예인선배열의 소나 시스템에서 복수의 음향 센서들 중 일부 음향 센서들이 자함을 향하여 빔포밍을 수행하도록 제어함으로써, 자함에서 발생된 소음을 필터링 할 수 있게 한다.
또한, 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 장치 및 방법은 기준 빔 신호와 입력 신호의 상관도를 이용하여 자함의 방위를 추정하고, NLMS 적응 필터를 갱신함으로써, 높은 정확도로 자함의 소음을 제거할 수 있게 한다.
또한, 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 장치 및 방법은 예인선배열 소나에서 자함 위치에 강인한 소음 기준 신호를 획득할 수 있고, 소음 제거 과정에서 소음 신호와 유사한 성분의 표적 신호가 제거되지 않을 수 있게 한다.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 예인선배열 소나 시스템을 도시한다.
도 2는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 예인선배열 소나 시스템에서, 소음 감쇠 장치의 구성을 도시한다.
도 3은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 예인선배열 소나 시스템에서, 자함의 소음을 필터링하는 방법에 관한 모식도를 도시한다.
도 4는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 예인선배열 소나 시스템에서, 소음 감쇠 장치(200)의 동작 방법에 관한 흐름도를 도시한다.
도 5는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 예인선배열 소나 시스템에서, 빔 패턴의 일 예를 도시한다.
도 6은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 예인선배열 소나 시스템에서, NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205)의 동작 방법에 관한 흐름도를 도시한다.
본 개시에서 사용되는 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 개시에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 개시에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 개시에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 개시에서 정의된 용어일지라도 본 개시의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
이하에서 설명되는 본 개시의 다양한 실시 예들에서는 하드웨어적인 접근 방법을 예시로서 설명한다. 하지만, 본 개시의 다양한 실시 예들에서는 하드웨어와 소프트웨어를 모두 사용하는 기술을 포함하고 있으므로, 본 개시의 다양한 실시 예들이 소프트웨어 기반의 접근 방법을 제외하는 것은 아니다.
이하 본 개시는 예인선배열 소나 시스템에서 빔 신호를 이용하여 자함에서 발생된 소음을 감소시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 개시는 예인선배열 소나 시스템에서 소음 감쇠 장치의 구성과 동작 방법을 설명한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 다양한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나 본 개시의 기술적 사상은 다양한 형태로 변형되어 구현될 수 있으므로 본 명세서에서 설명하는 실시예들로 제한되지 않는다. 본 명세서에 개시된 실시예들을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술을 구체적으로 설명하는 것이 본 개시의 기술적 사상의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 공지 기술에 대한 구체적인 설명을 생략한다. 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 명세서에서 어떤 요소가 다른 요소와 "연결"되어 있다고 기술될 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 요소를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 어떤 요소가 다른 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 요소 외에 또 다른 요소를 배제하는 것이 아니라 또 다른 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
일부 실시예들은 기능적인 블록 구성들 및 다양한 처리 단계들로 설명될 수 있다. 이러한 기능 블록들의 일부 또는 전부는 특정 기능을 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. 본 개시의 기능 블록들은 다양한 프로그래밍 또는 스크립팅 언어로 구현될 수 있다. 본 개시의 기능 블록들은 하나 이상의 프로세서들에서 실행되는 알고리즘으로 구현될 수 있다. 본 개시의 기능 블록이 수행하는 기능은 복수의 기능 블록에 의해 수행되거나, 본 개시에서 복수의 기능 블록이 수행하는 기능들은 하나의 기능 블록에 의해 수행될 수도 있다. 또한, 본 개시는 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다.
또한, 본 개시에서, 특정 조건의 만족(satisfied), 충족(fulfilled) 여부를 판단하기 위해, 초과 또는 미만의 표현이 사용되었으나, 이는 일 예를 표현하기 위한 기재일 뿐 이상 또는 이하의 기재를 배제하는 것이 아니다. '이상'으로 기재된 조건은 '초과', '이하'로 기재된 조건은 '미만', '이상 및 미만'으로 기재된 조건은 '초과 및 이하'로 대체될 수 있다.
도 1은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 예인선배열 소나 시스템(100)을 도시한다. 도 1을 참고하면, 예인선배열 소나 시스템(100)은 자함(101)과 예인선배열 소나(103)를 포함한다.
자함(101)은 수중에서 예인선배열 소나(103)를 견인하여 운용되는 선박을 지시한다. 자함(101)과 예인선배열 소나(103)는 적어도 하나의 케이블로 연결될 수 있고, 자함(101)은 케이블을 이용하여 예인선배열 소나(103)의 위치를 결정할 수 있다.
예인선배열 소나(103)는 자함의 후미에서 견인되는 음향 탐지 장치를 지시한다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 예인선배열 소나(103)는 소음 감쇠 장치를 포함할 수 있다. 소음 감쇠 장치는 복수의 음향 센서들을 이용하여 음향 신호를 수신할 수 있다. 소음 제거 장치는 복수의 음향 센서들을 이용하여 음향 신호를 수신하기 위하여, 수신 빔포밍(beamforming)을 수행할 수 있다. 그에 따라, 복수의 음향 센서들은 예인선배열 소나의 전 방위로 적어도 하나의 수신 빔을 형성할 수 있다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 복수의 음향 센서들은 자함의 방위로 빔포밍을 수행하는 일부 음향 센서들(105)과 나머지 음향 센서들(107)로 구분될 수 있다.
도 1을 참고하면, 소음 감쇠 장치는 복수의 음향 센서들 중에서 자함과 상대적을 가까운 거리에 위치한 일부 음향 센서들(105)을 이용하여 자함 방향으로 빔을 형성할 수 있다. 이때, 소음 감쇠 장치는 해당하는 빔을 통하여 획득되는 신호를 NLMS(normalized least mean square) 적응 필터의 기준 빔 신호로 결정할 수 있다. 소음 감쇠 장치는 일부 음향 센서들(105)과 나머지 음향 센서들(107)을 이용하여 예인선배열 소나의 전 방위를 향하여 빔을 형성할 수 있다. 이때, 소음 감쇠 장치는 복수의 빔들 중 적어도 하나의 빔을 통해 획득되는 신호를 입력 신호로 결정할 수 있다.
빔포밍에 사용하는 음향 센서가 개수가 적을수록 넓은 빔이 형성되고, 음향 센서의 개수가 많을수록 좁은 빔이 형성된다. 그에 따라, 소음 감쇠 장치는 자함의 향하여 빔포밍을 수행하는 일부 음향 센서들(105)의 음향 센서의 개수를 조정함으로써, 빔포밍의 빔 폭을 결정할 수 있다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 소음 감쇠 장치는 일부 음향 센서들의 개수를 감소시켜 빔 폭이 넓어지도록 제어할 수 있다. 그에 따라, 소음 감쇠 장치는 넓은 범위의 빔을 이용하여 자함의 소음에 관한 기준 빔 신호를 획득할 수 있고, 조향 방위와 정확히 일치하지 않더라도 근사한 위치에 있는 소음을 획득할 수 있다. 그에 따라, 소음 감쇠 장치는 추진기, 보조기기 소음 등 다소 다른 방위에서 발생하는 하나의 신호를 획득할 수 있다.
예인선배열은 자함 후미에서 자함과 거리를 두고 예인되므로, 자함은 일부 음향 센서들(105)이 생성한 빔의 범위에서 벗어날 수 있다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 자함은 직진으로 기동하는 경우 예인선배열의 종형 어레이(end fire array)의 음향 센서의 end-fire에 위치할 수 있다. 본 개시의 다른 일 실시 예에 따르면, 자함이 변침하는 경우 자함 침로가 예인선배열보다 먼저 변경되어 자함의 위치가 end-fire에서 벗어날 수 있다. 또한, 예인선배열은 자함과 케이블로 연결되므로, 선배열의 수심 및 예인 케이블 길이에 따라 자함의 수직 방위 또한 달라질 수 있다. 종합적으로 고려할 때, 일부 음향 센서들에서 음향 센서의 개수는 자함과 예인선배열 사이에 연결된 예인 케이블의 길이, 예인선배열의 심도, 자함의 변침 반경에 기반하여 결정될 수 있다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 소음 감쇠 장치는 예인 케이블의 길이가 짧을수록 일부 음향 센서들의 음향 센서 개수를 감소시킬 수 있다. 소음 감쇠 장치는 예인선배열의 심도가 깊을수록 일부 음향 센서들의 음향 센서 개수를 감소시킬 수 있다. 소음 감쇠 장치는 변침 반경이 소정의 값 이상으로 변경되거나 소정의 값 미만으로 변경된 경우 일부 음향 센서들의 센서 개수를 감소시킬 수 있다.
도 2는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 예인선배열 소나 시스템에서, 소음 감쇠 장치(200)의 구성을 도시한다. 이하 사용되는 '…부', '…기' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는, 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 2를 참고하면, 소음 감쇠 장치(200)는 예인선배열 소나 시스템에서 탐지된 음향에 관한 소음을 감소시키는 기능을 수행한다. 소음 감쇠 장치(200)는 예인선배열 소나에 포함되도록 구성되거나, 예인선배열 소나와 별도의 장치로 구성되고 예인선배열에 연결되어 동작할 수 있다. 소음 감쇠 장치(200)는 복수의 음향 센서들(201), NLMS 적응 필터(203), NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205)를 포함한다.
복수의 음향 센서들(201)은 예인선배열 소나의 전방의 평면 상에서, 어레이 형태로 규칙적으로 배치되어 외부 신호를 수신할 수 있다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 외부 신호는 예인선배열 소나의 근방에 위치한 표적에 의해 생성된 신호를 포함할 수 있다. 본 개시의 다른 일 실시 예에 따르면, 외부의 신호는 예인선배열 소나가 신호를 송신하고 표적으로부터 반사되어 돌아오는 신호를 포함할 수 있다. 복수의 음향 센서들(201)은 자함과 상대적을 가까운 거리에서 자함의 방위로 빔포밍을 수행하는 일부 음향 센서들과 일부 음향 센서들을 제외한 나머지 음향 센서들로 구분될 수 있다. 소음 감쇠 장치는 일부 음향 센서들이 형성한 빔을 이용하여 NLMS 적응 필터의 기준 빔 신호를 획득할 수 있다. 소음 감쇠 장치는 일부 음향 센서들과 나머지 음향 센서들을 포함한 복수의 음향 센서들이 예인선배열 소나의 전 방위로 형성한 빔들을 이용하여 입력 신호를 획득할 수 있다.
NLMS 적응 필터(203)는 주파수 영역 적응 필터 알고리즘을 적용하여 NLMS 기반의 소음 제거를 수행할 수 있다. NLMS 알고리즘은 입력 벡터를 정규화하여 LMS 알고리즘의 발산 문제를 개선시킨 적응 필터 알고리즘으로서, 간단한 구조 및 적은 연산량으로 기준 신호를 이용한 소음 제거에 사용된다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 소음 감쇠 장치는 기준 빔 신호와 입력 신호에 NLMS 적응 필터를 적용하여, 자함의 소음을 필터링(filtering) 할 수 있다.
NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205)는 NLMS 적응 필터(203)의 필터 계수를 갱신 여부를 판단하는 기능을 수행한다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205)는 기준 빔 신호와 입력 신호를 이용하여 자함의 방위를 결정하고, 자함의 방위에 대응되는 빔의 빔 패턴을 결정하고, 필터 계수를 갱신할지 여부를 판단한다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205)는 자함 방위 결정부(207), 빔 패턴 결정부(209), 갱신 판단부(211)를 포함할 수 있다.
자함 방위 결정부(207)는 자함의 방위를 식별하는 기능을 수행한다. 자함 방위 결정부(207)는 복수의 음향 센서들이 생성하는 복수의 빔들을 이용하여 자함의 방위를 결정한다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 자함 방위 결정부(207)는 복수의 음향 센서들이 형성한 복수의 빔들을 통해 획득된 입력 신호 각각과 일부 음향 센서들이 형성한 빔을 통하여 획득된 기준 빔 신호 사이의 상관 값을 결정한다. 그에 따라, 자함 방위 결정부는 복수의 빔들에 대응되는 복수의 상관 값들을 결정할 수 있다. 이후 자함 방위 결정부는 상관 값들에 기반하여 자함 방위 빔을 결정한다.
빔 패턴 결정부(209)는 자함 방위 빔에 관한 빔 패턴을 결정한다. 특정 조향 방위에 대한 빔 패턴은 일정하게 나타나므로 조향 방위별 빔 패턴을 룩업 테이블로 생성하고 자함 소음 방위가 산출되면 해당하는 조향 방위의 빔패턴을 이용한다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 빔 패턴 결정부(209)는 룩업 테이블을 이용하여 자함 방위로 수신된 신호의 빔 패턴을 결정할 수 있다.
갱신 판단부(211)는 NLMS 적응 필터(203)의 필터 계수를 업데이트 할지 여부를 판단하는 기능을 수행한다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 갱신 판단부(211)는 자함 방위 빔을 통하여 획득된 기준 빔 신호와 자함 방위 빔에 관한 빔 패턴에 기반하여 소음 준위를 결정하고, 자함 방위 빔을 통한 입력 신호에 NLMS 적응 필터가 적용되어 제거된 신호의 준위가 소음 준위 보다 작은 경우 NLMS 적응 필터에 갱신이 필요한 것으로 판단할 수 있다.
도 3은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 예인선배열 소나 시스템에서, 자함의 소음을 필터링하는 방법에 관한 모식도(300)를 도시한다.
도 3을 참고하면, 복수의 음향 센서들(201)은 일부 음향 센서들(303)과 나머지 음향 센서들(303)으로 구분된다.
이때, 복수의 음향 센서들(201)은 빔포밍을 수행할 수 있고, 소음 감쇠 장치(200)는 복수의 음향 센서들(201)을 통하여 수신한 신호를 예인선배열 소나의 전 방위로 빔포밍하여 입력 신호를 획득할 수 있다. 일부 음향 센서들(301)은 자함을 향하여 빔포밍을 수행할 수 있고, 소음 감쇠 장치(200)는 일부 음향 센서들(301)을 통하여 수신한 신호를 자함의 방위로 빔포밍하여 기준 빔 신호를 획득할 수 있다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 복수의 음향 센서들(201)은 예인선배열의 전 방위를 향하여 빔포밍을 수행하고, 그에 따라 복수의 빔들이 형성될 수 있다. 이 때, 일부 음향 센서들(301)이 자함의 방위로 형성한 빔을 통해 획득된 신호는 기준 빔 신호로 지시되고, 복수의 음향 센서들(201)이 전 방위로 형성한 빔을 통해 획득된 신호는 입력 신호로 지시될 수 있다. 복수의 음향 센서들이 형성한 복수의 빔들을 통하여 획득된 입력 신호와, 일부 음향 센서들이 형성한 적어도 하나의 빔을 통하여 획득된 기준 빔 신호 각각은 NLMS 적응 필터(203)에 입력될 수 있다.
NLMS 적응 필터(203)는 NLMS 기반 주파수 영역 적응 필터 알고리즘을 적용하여 소음 제거를 수행할 수 있다. NLMS 적응 필터(203)는 입력 신호와 기준 빔 신호에 적용되는 필터 계수를 결정하기 위한 필터 계수 결정부(305)를 포함할 수 있다. 필터 계수 결정부(305)는 기준 빔 신호를 이용하여 필터 계수를 결정하고, NLMS 적응 필터(203)는 결정된 필터 계수를 이용하여 입력 신호를 필터링 할 수 있다. 기준 빔 신호는 자함을 향하여 형성된 빔으로부터 획득된 신호이므로, NLMS 적응 필터(203)의 필터 계수는 자함의 소음을 제거하도록 결정된 계수를 포함한다.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, l 번 프레임의 적응 필터에서 i 번째 입력 신호 di(n)에 FFT(fast fourier transform)를 적용하여 얻은 k 번째 주파수 신호는 Di(k), 기준 빔 신호 x(n)에 FFT를 적용하여 얻은 k 번째 주파수 신호는 X(k,l)로 지시될 수 있다. 여기서, NLMS 적응 필터의 차수가 L차인 경우, 기준 빔 신호 벡터 X(k,l)와 필터 계수 벡터 Wi(k,l)는 <수학식 1>과 같이 결정될 수 있다.
Figure 112021058857190-pat00001
<수학식 1>을 참고하면, k는 주파수 번호, l은 프레임 번호, i는 입력 신호의 번호, L은 적응 필터의 차수, X(k,l)는 기준 빔 신호에 FFT를 적용하여 얻은 k 번째 주파수 신호, Wi(k,l)는 필터 계수 벡터를 지시한다. 여기서, NLMS 적응 필터의 필터 계수를 결정하는 수식은 <수학식 2>와 같이 결정될 수 있다.
Figure 112021058857190-pat00002
<수학식 2>를 참고하면, k는 주파수 번호, l은 프레임 번호, i는 입력 신호의 번호, Wi(k,l)는 필터 계수 벡터, L은 적응 필터의 차수, μ는 수렴 속도 조절을 위한 수렴 상수, ε는
Figure 112021058857190-pat00003
이 0일 경우 발산을 방지하기 위한 임의의 양수, E*(k,l)는 k번째 주파수 빈에서의 오차 신호를 지시한다.
이 때, 오차 신호 E*(k,l)는 자함 소음이 포함된 Di(k,l)와 입력 신호에서 제거된 소음 성분에 해당되는 필터의 출력 신호
Figure 112021058857190-pat00004
사이의 오차를 지시한다. 필터의 출력 신호과 오차 신호는 <수학식 3>과 같이 결정될 수 있다.
Figure 112021058857190-pat00005
<수학식 3>를 참고하면, k는 주파수 번호, l은 프레임 번호, i는 입력 신호의 번호, Wi(k,l)는 필터 계수 벡터, E*(k,l)는 오차 신호, Di(k,l)은 입력 신호에 FFT를 적용하여 얻은 주파수 신호, , X(k,l)는 기준 빔 신호에 FFT를 적용하여 얻은 주파수 신호,
Figure 112021058857190-pat00006
는 필터의 출력 신호를 지시한다.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, NLMS 적응 필터(203)는 입력 신호 di(n)과 기준 빔 신호 x(n)에 FFT를 적용하여 입력 신호 벡터 Di(k)와 기준 빔 신호 벡터 X(k)를 생성할 수 있다. 이 후, 필터 계수 결정부(305)는 기준 빔 신호 벡터 X(k)를 이용하여 필터 계수 벡터 W(k)를 결정하고, NLMS 적응 필터(203)는 입력 신호 벡터 Di(k)에 적용 시켜 소음 성분을 제거하고, 제거된 소음 신호 또는 자함의 소음이 제거된 신호를 출력할 수 있다.
도 4는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 예인선배열 소나 시스템에서, 소음 감쇠 장치(200)의 동작 방법에 관한 흐름도(400)를 도시한다. 도 4는 소음 감쇠 장치(200)에서 NLMS 적응 필터의 갱신 없이 신호를 필터링 하는 방법을 예시한다.
도 4를 참고하면 단계(401)에서, 소음 감쇠 장치(200)는 수신 신호를 빔포밍하여 기준 빔 신호와 입력 신호를 획득하고, 기준 빔 신호와 입력 신호 각각에 FFT를 적용한다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 소음 감쇠 장치(200) 일부 음향 센서들이 자함을 향하여 형성한 빔을 이용하여 기준 빔 신호를 획득할 수 있다. 소음 감쇠 장치(200)는 일부 음향 센서들과 나머지 음향 센서들을 포함한 복수의 음향 센서들이 전 방위로 형성한 빔들을 이용하여 입력 신호를 획득할 수 있다. 이후, 소음 감쇠 장치(200)는 획득된 기준 빔 신호와 입력 신호에 FFT를 적용하여 주파수 영역의 신호로 변경할 수 있다. 그에 따라, 소음 감쇠 장치(200)는 기준 빔 신호에 FFT가 적용된 기준 빔 신호 벡터와, 입력 신호에 FFT가 적용된 입력 신호 벡터를 생성할 수 있다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 자함을 향하여 빔포밍을 수행하는 일부 음향 센서들에서, 음향 센서의 개수는 자함과 예인선배열 사이에 연결된 예인 케이블의 길이, 예인선배열의 심도, 자함의 변침 반경에 기반하여 결정될 수 있다. 일부 음향 센서들에서 음향 센서의 개수가 결정된 경우, 일부 음향 센서들은 자함의 위치와 복수의 음향 센서들 각각의 위치 사이의 거리에 기반하여 결정될 수 있다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 일부 음향 센서들은 복수의 음향 센서들 중에 자함의 위치와 가까운 거리에 위치한 순서로 결정될 수 있다.
단계(403)에서, 소음 감쇠 장치(200)는 기준 빔 신호에 기반하여 NLMS 적응 필터의 필터 계수를 결정한다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 소음 감쇠 장치(200)는 일부 음향 센서들이 형성한 빔을 이용하여 획득한 신호를 기준 빔 신호로 하여, 필터 계수 벡터를 결정할 수 있다. 기준 빔 신호는 자함을 향하여 형성된 빔으로부터 획득된 신호이므로, NLMS 적응 필터의 필터 계수는 자함의 소음을 제거하도록 결정된 계수를 포함할 수 있다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 필터 계수 벡터는 도 3에서 설명된 <수학식 1>, <수학식 2>, <수학식 3>에 기반하여 결정될 수 있다.
단계(405)에서, 소음 감쇠 장치(200)는 결정된 NLMS 적응 필터의 필터 계수와 입력 신호를 이용하여, 자함에서 발생된 소음을 필터링할 수 있다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 기준 빔 신호 벡터에 기반하여 필터 계수 벡터가 결정된 이후, 입력 신호 벡터와 필터 계수 벡터를 이용하여 소음이 제거된 출력 신호를 생성할 수 있다.
도 5는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 예인선배열 소나 시스템에서, 빔 패턴의 일 예(500)를 도시한다.
도 5는 수신 신호에 대응하여, 제1 입력 빔(501), 제2 입력 빔(503), 기준 빔(505)에 관한 빔 패턴들을 예시한다. 도 5를 참고하면, 제1 입력 빔(501)은 0도에서 피크를 가지고, 제2 입력 빔(503)은 약 7도에서 피크를 가진다. 그에 따라, 자함 방위 이외의 타 방위 신호는 빔 패턴 형태를 따라 피크에서 감소된 성분이 반영되어 나타난다. 소음 감쇠 장치(200)는 빔 폭을 넓힌 기준 빔 신호를 이용하여 자함의 소음을 획득하므로, 기준 빔 신호로 획득된 신호는 입력 빔 기준으로 복수의 빔들에 걸쳐서 획득될 수 있다. 따라서 소음 방위를 조향하는 빔에 관한 빔 패턴을 산출하기 위하여, 소음 감쇠 장치(200)는 입력 빔 기준의 자함 소음 방위를 결정하여야 한다.
특정 방위의 자함으로부터 자함의 소음 신호를 수신하면, 빔 신호의 크기는 자함 소음이 존재하는 방위에서 가장 크다. 이 경우, 자함 방위 이외의 타 방위 신호는 빔 패턴 형태를 따라 피크에서 감소된 성분이 반영되어 나타난다. 그에 따라, 소음 감쇠 장치(200)는 획득한 입력 신호에서 필터가 적용되어 제거된 소음 신호의 크기가 자함 방위의 빔에 관한 빔 패턴에 따라 추정되는 소음의 크기보다 큰 경우, 획득한 입력 신호에 자함 소음 이외의 신호가 존재하는 것으로 식별할 수 있다. 이 경우, 소음 감쇠 장치(200)는 필터 계수를 적응적으로 갱신함으로써, NLMS 적응 필터의 필터링 성능을 유지할 수 있다. 소음 감쇠 장치(200)는 필터링 성능을 유지하기 위하여, NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205)를 이용하여, 자함의 방위를 결정하고, 자함 방위에 대응되는 빔과 빔 패턴을 결정하고, 빔 패턴을 이용하여 필터 갱신이 필요한지 여부를 판단할 수 있다.
소음 감쇠 장치(200)는 소음 제거 과정에서 자함 소음 방위를 조향하는 빔을 식별하고, 식별된 빔에 대응되는 빔 패턴을 결정한다. 이 후, 소음 감쇠 장치(200)는 NLMS 적응 필터의 출력 신호로써 제거된 소음 성분
Figure 112021058857190-pat00007
가 빔 패턴과 입력 신호에 기반하여 결정되는 빔 패턴 준위보다 작을 경우에만 필터를 갱신함으로써 소음 제거 시 자함 소음에 해당하는 성분만 제거할 수 있다. 그에 따라, 빔 패턴 준위는 적응 필터를 통해 제거할 수 있는 최대 크기를 지시한다.
표적 신호에 기준 신호와 유사한 성분이 포함되어 있는 경우, 일반적인 적응 소음 제거 알고리즘을 이용하여 소음을 제거하면, 소음과 표적 신호가 함께 제거되는 문제가 있다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 소음 감쇠 장치(200)는 입력 신호에 나타날 수 있는 최대 소음의 크기를 판별하기 위하여, 소음 방위로 신호를 수신했을 때의 빔 패턴을 이용할 수 있다.
구체적으로, 소음 감쇠 장치(200)는 자함의 이동을 고려하고 적응적으로 소음을 제거하기 위하여 NLMS 적응 필터를 갱신 여부를 판단할 수 있다. 그에 따라, 소음 감쇠 장치(200)는 첫 번째 단계에서 자함 소음의 정확한 방위를 추정하고, 두 번째 단계에서 추정된 방위를 조향하는 빔에 관한 빔 패턴을 자함 소음 빔 패턴으로 결정하고, 세 번째 단계에서 필터링된 소음 준위와 추정된 빔 패턴 준위를 비교하여 NLMS 적응 필터에 갱신이 필요한 것으로 판단할 수 있다.
첫 번째 단계에서, 소음 감쇠 장치(200)는 자함 방위 결정부(207)를 이용하여 복수의 빔들 중 자함의 방위로 형성되는 자함 방위 빔을 결정한다. 이를 위하여, 소음 감쇠 장치(200)는 복수의 빔들을 통해 획득된 입력 신호와 일부 음향 센서들이 형성한 빔을 통하여 획득된 기준 빔 신호 사이의 상관 값을 결정한다. 여기서, 상관 값은 정규화된 상호 상관성(magnitude squared coherence, MSC)으로, 입력 신호와 기준 빔 신호 사이의 상관 관계를 나타내는 계수를 지시한다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 상관 값은 <수학식 4>와 같이 결정될 수 있다.
Figure 112021058857190-pat00008
<수학식 4>를 참고하면, k는 주파수 번호, ρi(k)는 i 번 빔을 이용한 입력 신호와 기준 신호 간의 상관 값, Gxdi는 기준 빔 신호과 입력 신호의 교차 스펙트럼 밀도, Gxx는 기준 빔 신호의 자기 스펙트럼 밀도, Gdidi는 입력 신호의 자기스펙트럼 밀도를 지시한다. 상관 값 ρi의 값이 클수록 입력 신호에 자함 소음이 포함되어 있을 확률이 높음을 의미하고, 상관 값 ρi 는 0
Figure 112021058857190-pat00009
ρi
Figure 112021058857190-pat00010
1의 조건을 만족할 수 있다.
소음 감쇠 장치(200)는 매 프레임마다 상관 값들을 산출한다. 그에 따라, 소음 감쇠 장치(200)는 i 번 빔에 관한 i 개의 상관 값들을 결정할 수 있다. 이 때, 기준 신호에 포함된 소음 성분은 소음 방위와 가장 가까운 방위의 입력 빔과 가장 높은 상관도를 가지므로, 소음 감쇠 장치(200)는 i 개의 상관 값들 중 적어도 하나가, 미리 설정된 임계 값 이상인 경우에 자함의 방위가 변경된 것으로 결정할 수 있다. 이 때, 미리 설정된 임계 값이 높을수록 기준 신호와의 유사성이 높은 신호에 한하여 소음 제거가 수행되므로, 소음 감쇠 장치(200)는 임계 값의 설정을 통해 소음 제거의 정도를 결정할 수 있다. 소음 감쇠 장치(200)는 상관 값들 중 적어도 하나가 임계 값보다 높은 경우, 가장 높은 상관 값을 가지는 입력 빔을 소음 방위 빔으로 결정한다. 소음 감쇠 장치(200)가 소음 방위 빔을 결정하는 방법은 <수학식 5>에 따라 결정될 수 있다.
Figure 112021058857190-pat00011
<수학식 5>를 참고하면, α는 추정되는 자함 방위 빔의 번호, ρi는 i 번 빔을 이용한 입력 신호와 기준 신호 간의 상관 값을 지시한다. 그에 따라, 소음 감쇠 장치(200)는 기준 빔 신호와 입력 신호 사이의 상관 값을 이용하여 자함 방위 빔을 결정할 수 있다.
두 번째 단계에서, 소음 감쇠 장치(200)는 빔 패턴 결정부(209)를 이용하여 자함 방위 빔에 관한 빔 패턴을 결정한다.
소음 감쇠 장치(200)는 주파수 영역에서 소음 제거를 수행하므로, 관심 주파수 대역에 대하여 획득한 소음 방위 빔에 관한 빔 패턴을 산출할 수 있다. 소음 감쇠 장치(200)는 관심 주파수 대역의 모든 주파수 빈에 대하여 처리하므로 광대역 소음원에 대해서도 처리가 가능하다. 이 때, 빔 패턴은 규준화하여 사용된다. 특정 조향 방위에 관한 빔 패턴은 일정하게 나타나므로, 소음 감쇠 장치(200)는 조향 방위 별 빔 패턴을 룩 업 테이블(look up table, LUT)로 생성하고 자함 소음 방위가 결정되면, 룩 업 테이블에서 대응되는 조향 방위의 빔 패턴을 결정할 수 있다. 이 때, 조향 방위의 빔 패턴은 <수학식 6>과 같이 결정될 수 있다.
Figure 112021058857190-pat00012
<수학식 6>을 참고하면, N은 빔의 총 개수, Bi,k는 k번째 주파수 빈의 빔 패턴에서 i번 빔의 크기를 지시한다. 소음 감쇠 장치(200)는 빔 패턴 Bi,k에서 추정된 자함 방위 빔 α를 이용하여 자함 방위 빔에 관한 빔 패턴 Bα,k을 결정할 수 있다.
세 번째 단계에서, 소음 감쇠 장치(200)는 갱신 판단부(211)를 이용하여, NLMS 적응 필터의 갱신 여부를 판단한다. NLMS 적응 필터의 갱신 여부를 판단하는 방법은 <수학식 7>과 같이 결정될 수 있다.
Figure 112021058857190-pat00013
<수학식 7>을 참고하면, Dα(k)는 결정된 자함 방위 빔에 관한 입력 신호, Bα,k(i)는 결정된 자함 방위 빔에 관한 빔 패턴,
Figure 112021058857190-pat00014
는 입력 신호에서 제거된 소음 성분에 해당되는 필터의 출력 신호를 지시한다. 소음 감쇠 장치(200)는 <수학식 7>의 조건이 만족되는 경우, 필터에 갱신이 필요한 것으로 판단할 수 있다. 반대로, 소음 감쇠 장치(200)는 <수학식 7>의 조건이 만족되지 않는 경우, 필터를 갱신하지 않는 것으로 판단할 수 있다. 그에 따라, 입력 신호 방위에서 필터링 된 소음 성분의 크기가 추정 소음의 크기보다 작은 경우 NLMS 적응 필터의 갱신이 이루어 질 수 있다. 이때, 소음 감쇠 장치(200)는 필터 계수 결정부(305)가 필터의 계수를 갱신하도록 제어하는 신호를 송신할 수 있다. 소음 감쇠 장치(200)의 NLMS 적응 필터(203)는 <수학식 2>를 이용하여 NLMS 적응 필터의 필터 계수를 갱신할 수 있다.
도 6은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 예인선배열 소나 시스템에서, NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205)의 동작 방법에 관한 흐름도(600)를 도시한다. 도 6은 NLMS 적응 필터를 이용하여 자함의 소음을 제거하는 소음 감쇠 장치(200)가 NLMS 적응 필터의 필터 계수를 갱신할지 여부를 판단하는 방법을 예시한다.
도 6을 참고하면 단계(601)에서, NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205)는 복수의 빔들을 통하여 획득된 적어도 하나의 입력 신호와 적어도 하나의 빔을 통하여 획득된 기준 빔 신호 사이의 적어도 하나의 상관 값을 결정한다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205)는 기준 빔 신호를 이용하여, 예인선배열 소나의 전 방위를 향하는 복수의 입력 빔들을 통해 획득한 입력 신호들 각각에 대응되는 상관 값들을 결정한다. 여기서, 상관 값은 <수학식 4>와 같이, 기준 빔 신호와 입력 신호의 교차 스펙트럼 밀도, 기준 빔 신호의 자기 스펙트럼 밀도, 입력 신호의 자기 스펙트럼 밀도에 기반하여 결정될 수 있다.
단계(603)에서, NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205)는 적어도 하나의 상관 값이 임계 값 이상인지 여부를 식별한다. NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205)는 적어도 하나의 상관 값들을 미리 설정된 임계 값과 비교한다. 미리 설정된 임계 값이 높을수록 기준 신호와의 유사성이 높은 신호에 한하여 소음 제거가 수행되므로, NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205)는 임계 값의 설정을 통해 소음 제거의 정도를 결정할 수 있다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205)는 적어도 하나의 상관 값들 중 적어도 하나의 상관 값들 중 적어도 하나가 임계 값 이상인 경우, 단계(605)로 진행하여, 자함 방위 빔을 결정한다. 본 개시의 다른 일 실시 예에 따르면, NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205)는 적어도 하나의 상관 값들 모두가 임계 값 보다 작은 것으로 식별된 경우, NLMS 적응 필터에 갱신이 필요하지 않은 것으로 판단한다.
단계(605)에서, NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205)는 적어도 하나의 상관 값들에 기반하여 자함 방위 빔을 결정한다. 기준 신호에 포함된 소음 성분은 소음 방위와 가장 가까운 방위의 입력 빔과 가장 높은 상관도를 가지므로, NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205)는 적어도 하나의 상관 값들 중 적어도 하나가 미리 설정된 임계 값 이상인 경우, 가장 높은 상관 값에 대응되는 빔을 자함 방위 빔으로 결정할 수 있다.
단계(607)에서, NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205)는 결정된 자함 방위 빔에 대응되는 빔 패턴을 결정한다. 특정 조향 방위에 관한 빔 패턴은 일정하게 나타나므로, NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205)는 조향 방위 빔에 관한 빔 패턴에 관한 룩 업 테이블을 생성하고, 자함 소음 방위가 결정되면 룩 업 테이블에서 대응되는 조향 방위의 빔 패턴을 결정할 수 있다.
단계(609)에서, NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205)는 자함 방위 빔을 통하여 획득된 입력 신호와 자함 방위 빔에 관한 빔 패턴에 기반하여 소음 준위를 추정한다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205)는 자함 방위 빔을 통하여 획득한 입력 신호와 자함 방위 빔에 관한 빔 패턴의 곱을 통해 전 방위 빔신호에서 수신되는 자함 소음의 크기에 관한 소음 준위를 추정할 수 있다.
단계(611)에서, NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205)는 NLMS 적응 필터에 기반하여 제거된 소음 신호의 준위가 추정된 소음 준위 보다 작은지 여부를 식별한다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205) 자함 방위 빔을 통한 입력 신호에 NLMS 적응 필터가 적용되어 제거된 소음 신호의 준위가 소음 준위 보다 작은 경우 단계(613)으로 진행하여 NLMS 적응 필터에 갱신이 필요한 것으로 판단한다. 본 개시의 다른 일 실시 예에 따르면, NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205) 자함 방위 빔을 통한 입력 신호에 NLMS 적응 필터가 적용되어 제거된 소음 신호의 준위가 소음 준위 이상인 경우 NLMS 적응 필터에 갱신이 필요하지 않은 것으로 판단한다.
단계(613)에서, NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205)는 NLMS 적응 필터에 갱신이 필요한 것으로 판단한다. 본 개시의 일 실시 예에 따르면, NLMS 적응 필터 갱신 결정기(205)는 필터 계수 결정부(305)가 필터의 계수를 갱신하도록 제어하는 신호를 송신할 수 있다. 이 때, NLMS 적응 필터의 계수는 <수학식 2>에 기반하여 갱신될 수 있다.
본 개시의 청구항 또는 명세서에 기재된 실시 예들에 따른 방법들은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합의 형태로 구현될(implemented) 수 있다.
소프트웨어로 구현하는 경우, 하나 이상의 프로그램(소프트웨어 모듈)을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체가 제공될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장되는 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치(device) 내의 하나 이상의 프로세서에 의해 실행 가능하도록 구성된다(configured for execution). 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치로 하여금 본 개시의 청구항 또는 명세서에 기재된 실시 예들에 따른 방법들을 실행하게 하는 명령어(instructions)를 포함한다.
이러한 프로그램(소프트웨어 모듈, 소프트웨어)은 랜덤 액세스 메모리 (random access memory), 플래시(flash) 메모리를 포함하는 불휘발성(non-volatile) 메모리, 롬(read only memory, ROM), 전기적 삭제가능 프로그램가능 롬(electrically erasable programmable read only memory, EEPROM), 자기 디스크 저장 장치(magnetic disc storage device), 컴팩트 디스크 롬(compact disc-ROM, CD-ROM), 디지털 다목적 디스크(digital versatile discs, DVDs) 또는 다른 형태의 광학 저장 장치, 마그네틱 카세트(magnetic cassette)에 저장될 수 있다. 또는, 이들의 일부 또는 전부의 조합으로 구성된 메모리에 저장될 수 있다. 또한, 각각의 구성 메모리는 다수 개 포함될 수도 있다.
또한, 프로그램은 인터넷(Internet), 인트라넷(Intranet), LAN(local area network), WAN(wide area network), 또는 SAN(storage area network)과 같은 통신 네트워크, 또는 이들의 조합으로 구성된 통신 네트워크를 통하여 접근(access)할 수 있는 부착 가능한(attachable) 저장 장치(storage device)에 저장될 수 있다. 이러한 저장 장치는 외부 포트를 통하여 본 개시의 실시 예를 수행하는 장치에 접속할 수 있다. 또한, 통신 네트워크상의 별도의 저장장치가 본 개시의 실시 예를 수행하는 장치에 접속할 수도 있다.
상술한 본 개시의 구체적인 실시 예들에서, 개시에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다. 그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 본 개시가 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 본 개시의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 개시의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 개시의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (10)

  1. 예인선배열의 소나 시스템에서, 자함(own ship)에서 발생된 소음을 감소시키기 위한 소음 감쇠 장치에 있어서,
    수신 신호를 빔포밍(beamforming)하여 기준 빔 신호와 입력 신호를 획득하는 복수의 음향 센서들; 및
    상기 기준 빔 신호와 상기 입력 신호에 적용되는 NLMS(normalized least mean square) 적응 필터를 포함하고,
    상기 복수의 음향 센서들은 상기 예인선배열의 소나의 전 방위로 복수의 빔들을 형성하여 상기 입력 신호를 획득하고,
    상기 복수의 음향 센서들에 포함된 제1 음향 센서들은 상기 자함의 방위로 적어도 하나의 빔을 형성하여 상기 기준 빔 신호를 획득하는 소음 감쇠 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 음향 센서들에서 음향 센서의 개수는 상기 자함과 상기 예인선배열 사이에 연결된 예인 케이블의 길이, 상기 예인선배열의 심도, 상기 자함의 변침 반경에 기반하여 결정되는 소음 감쇠 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 NLMS 적응 필터는
    상기 기준 빔 신호와 상기 입력 신호 각각에 FFT(fast fourier transform)를 적용하고,
    상기 기준 빔 신호에 기반하여 상기 NLMS 적응 필터의 필터 계수를 결정하고,
    상기 결정된 NLMS 적응 필터의 필터 계수와 상기 입력 신호를 이용하여, 상기 자함에서 발생된 소음을 필터링(filtering)하는 소음 감쇠 장치
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 NLMS 적응 필터의 갱신 여부를 결정하는 NLMS 적응 필터 갱신 결정기를 더 포함하는 소음 감쇠 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 NLMS 적응 필터 갱신 결정기는,
    상기 복수의 빔들 중 상기 자함의 방위로 형성되는 자함 방위 빔을 결정하는 자함 방위 결정부;
    상기 자함 방위 빔에 관한 빔 패턴을 결정하는 빔 패턴 결정부; 및
    상기 빔 패턴을 이용하여, 상기 NLMS 적응 필터의 갱신 여부를 판단하는 갱신 판단부를 포함하는 소음 감쇠 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 자함 방위 결정부는
    상기 복수의 빔들을 통하여 획득된 적어도 하나의 입력 신호와 상기 적어도 하나의 빔을 통하여 획득된 기준 빔 신호 사이의 상관 값에 기반하여, 상기 자함 방위 빔을 결정하는 소음 감쇠 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 상관 값은 상기 기준 빔 신호와 상기 입력 신호의 교차 스펙트럼 밀도, 상기 기준 빔 신호의 자기 스펙트럼 밀도, 상기 입력 신호의 자기 스펙트럼 밀도에 기반하여 결정되는 소음 감쇠 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 자함 방위 결정부는
    상기 복수의 빔들을 이용하여 획득된 적어도 하나의 입력 신호와 상기 기준 빔 신호 사이의 적어도 하나의 상관 값을 결정하고,
    상기 적어도 하나의 상관 값이 미리 설정된 임계 값 이상인지 여부를 식별하고,
    상기 적어도 하나의 상관 값 중 적어도 하나가 상기 임계 값 이상인 경우, 가장 높은 상관 값에 대응되는 빔을 상기 자함 방위 빔으로 결정하는 소음 감쇠 장치.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 갱신 판단부는
    상기 자함 방위 빔을 통하여 획득한 입력 신호와 상기 자함 방위 빔에 관한 빔 패턴에 기반하여 소음 준위를 추정하고,
    상기 자함 방위 빔을 통한 입력 신호에 NLMS 적응 필터가 적용되어 제거된 소음 신호의 준위가 상기 추정된 소음 준위 보다 작은 경우 상기 NLMS 적응 필터에 갱신이 필요한 것으로 판단하는 소음 감쇠 장치.
  10. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 음향 센서들에서 음향 센서의 개수가 결정된 경우, 상기 제1 음향 센서들은 상기 자함의 위치와 상기 복수의 음향 센서들 각각의 위치 사이의 거리에 기반하여 결정되는 소음 감쇠 장치.
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