KR20040036731A - 토우형 선형 어레이로부터의 신호 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 좌우 모호성을 현저하게 해결하기 위한 토우형 선형 안테나에 대한 신호 처리 방법이며, 안테나는, 안테나 각각의 세로축의 직진부에 걸쳐 확산되는 n≥3 하이드로폰을 갖는 하나의 세트의 하이드로폰 멀티플릿을 포함하고, 하이드로폰 멀티플릿들 각각의 버티컬에 대한 롤 각도가 추정되고, p≥3 선형 부안테나를 합성하기 위해 하이드로폰 및 롤 각도의 신호가 이용되며, 다음으로, M 개의 방위각 채널이 부안테나 각각에 의해 형성되고 2 개의 적응형 채널이 방위각 채널 각각에 대응하는 각각의 방향에 대한 p 부안테나로부터 형성된다. 본 발명은 검출시 최적의 성능을 가지며 긴 안테나에 대해 좌우 모호성을 해결한다.

Description

토우형 선형 어레이로부터의 신호 처리 방법 {METHOD OF PROCESSING SIGNALS FROM A TOWED LINEAR ARRAY}
특히, 1989년 9월 8일자 출원되고 1991년 3월 15일자 제 2 651 950 호로 공개되었으며 1992년 4월 14일자 교부 (deliver) 된 THOMSON-CSF 사의 프랑스 특허 제 89 11 749 호에 개시되어 있고, 각각의 전방향성 하이드로폰이 선형 안테나의 축과 수직한 면에 탑재되고 원 둘레, 안테나 내부, 및 축의 중심으로 확산되는 3 개 이상의 하이드로폰으로 교체되는, 좌우 모호성을 해결하기 위한 공지된 기술이 있다. 이러한 방법으로, 볼륨형 안테나는 안테나의 구성이 좌우 리젝션 (rejection) 특성에 응답가능하도록 이루어진다. 특히, 신호 처리는 채널의 셋포인트 방향에 대해 모호한 (ambiguous) 방향으로 "제로" 를 생성할 수 있다.
이 기술을 이용하여 모호성을 만족스럽게 제거하기 위해, 하이드로폰의 "트리플릿" (또는 보다 일반적으로 "n-멀티플릿") 은 하나의 세트의 3 (n) 선형 하위-안테나를 구성하도록 정렬된다. 이 선형성은 트리플릿들 사이의 리기드 링크에 의해 보장될 수 있지만, 너무 길지 않은 안테나에 대해서만 잘 동작하는 단점을 갖는다. 그러나, 이 범위를 증가시키기 위해 동작 주파수를 감소시키는 것이 매우 일반적이지만, 일반적으로 이 감소는 안테나의 비례적인 길이 증가를 수반하며, 이 경우, 부안테나의 선형성을 제어하는 것이 더욱 어렵게된다.
또한, 안테나 직경이 파장에 비해 작기 때문에, 특히, 지배적인 노이즈가 동일한 트리플릿의 하이드로톤들 사이에 디코릴레이트 (decorelate) 될 때, 제로의 생성이 하위 주파수에서 더욱 크게 되어 신호 손실로 이르게 되어, 이는 두번째의 매우 심각한 단점이 된다.
본 발명에 따른 처리는 이러한 문제점들을 다음의 방법에 의해 현저하게 극복한다.
- 서로에 대한 트리플릿 (또는, n-멀티플릿) 의 회전 영향을 제거하는 방법,
- 지배적인 노이즈 조건에 상관없이, 안테나 채널의 형성 및 좌우 채널의 형성 사이의 게인을 보장하는 방법.
본 발명은 토우형 (towed) 선형 안테나로부터의 신호를 처리하는 방법에 관한 것이다. 활성화될 때, 즉, 소나 (sonar) 의 방출로부터 생성되는 에코 (echo) 를 수신할 때, 안테나 상에서와 같은 좌우 모호성 (ambiguity) 를 현저하게 해결한다.
다음의 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명이 더욱 이해되며, 예시로만 주어진 것일 뿐 한정하려는 의도가 아닌 아래의 실시예의 상세한 설명을 읽음으로써 다른 상세한 설명 및 이점이 보다 명확하게 된다.
도 1 은 본 발명에 따른 프로세스를 나타내는 블록도이다.
도 2 는 계산에 이용되는 롤 각도를 정의하는 그래프이다.
도 3 은 도 1 의 단계 (102 및 103) 을 전개하는 블록도이다.
도 4 는 도 1 의 단계 (104) 를 전개하는 블록도이다.
도 5 는 계산에 이용되는 다른 각도를 정의하는 그래프이다.
이 목적을 위하여, 본 발명의 목적은, 좌우 모호성을 현저하게 해결하기 위한 토우형 선형 안테나에 대한 신호 처리 방법이며, 안테나는, 안테나 각각의 세로축의 직진부에 걸쳐 확산되는 n≥3 하이드로폰을 갖는 하나의 세트의 하이드로폰 멀티플릿을 포함하고, 하이드로폰 멀티플릿들 각각의 버티컬에 대한 롤 각도가 추정되고, p≥3 선형 부안테나를 합성하기 위해 하이드로폰 및 롤 각도의 신호가 이용되며, 다음으로, M 개의 방위각 채널이 부안테나 각각에 의해 형성되고 2 개의 적응형 채널이 방위각 채널 각각에 대응하는 각각의 방향에 대한 p 부안테나로부터 형성된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, M 개의 방위각 채널을 형성하기 위해 코히러런트 (coherent) 처리가 이용된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 좌우 채널을 형성하기 위해, 인터스펙트럼 역행렬가 N+1 회 샘플 및 A+1 도플러 채널 상에서 추정되고, 다음으로, 좌우 채널에 결합되는 2 개의 디페이징 벡터 (dr, dl) 가 방위각 채널 각각에 대해 결정되며, 좌우 채널 (Vleft, Vright) 이 디페이징 벡터 및 역행렬로부터 결정된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 롤 각도를 추정하기 위해 경사계가 이용된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, n=p=3 이다.
도 1 에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 프로세싱은 4 개의 모듈로 이루어지는 단계를 포함한다.
제 1 모듈 (101) 은 제 1 예비 모듈 (100) 에서 샘플링된 안테나의 모든 하이드로폰 멀티플릿으로부터 하이드로포닉 신호, 및 제어되는 센서에 의해, 예를 들면, 도 2 에서 정의되는 바와 같은 경사계 (inclinometer) 에 의해 각각의 멀티플릿 (또는 이들 중 몇몇) 의 제 2 예비 모듈 (110) 에서 추정되는 롤 각도 (R) 를 수신한다.
이 모듈 (101) 에서 수행되는 처리는, 각각의 멀티플릿의 하이드로폰 및 이들의 롤 각도 R 의 표시를 이용하여 고려되는 멀티플릿에 상관없이 고정된 각도 위치를 갖는 p 버츄얼 하이드로폰을 형성함으로써, 전체 안테나의 동적 롤 안정화를 획득하도록 p 개의 선형 안테나를 재구성하는 단계로 이루어진다.
이를 수행하기 위해, 하이드로폰 신호는 공지된 방법을 이용하여 공간적으로 인터폴레이트된다 (interpolate). 바람직한 실시예에서, n=3 이고 p=3 이며, 공지된 트리플 안테나에 대응한다. 도 3 에 나타낸 바와 같이, 각각의 하위 안테나 상의 방위각 채널이 형성되고 각각의 채널 신호가 코히어런트하게 처리되는 단계 (102) 및 단계 (103) 는, 4 개의 모듈로 이루어진 단계에서 주파수 도메인으로 구현된다. 이러한 계산은 종래 기술로부터 공지되어 있다.
방출되는 코드가 도플러에 대해 민감한 경우, 코히어런트 처리는 종래 기술로부터 공지된 멀티카피 (multicopy) 처리이며, 예를 들면 프랑스 특허 공개 제 2 6787 226 호에서 설명된다.
간단하게 설명하면, 모듈 (101) 에서 동적으로 안정화되는 하이드로포닉 신호는 FFT (fast Fourier transform, 201) 에 의해 시공간에서 주파수 공간으로 변환된다. 다음으로, 공지된 방법으로, 방위각 채널이 모듈 (202) 에서 형성된 후, 도플러화된 방출 신호의 결합형 스펙트럼과 각 채널의 스팩트럼의 곱이 모듈 (203) 에서 계산된다. 역 FFT 는, 모듈 (103) 에 의해 전달되는 것에 대응하여, 코히어런트하게 처리되는 채널 신호를 획득하도록 모듈 (204) 에서 수행된다.
모듈 (104) 에서, 적응형 채널이 단계 (103) 의 출력에서 획득되는 각각의 방위각 채널 상에 형성된다.
다음으로, 방위각 채널은 방위각의 코사인을 -1 에서 +1 로 변화시킴에 따라 분산되며, u 가 방위각의 코사인을 설정하는 경우, 포인팅 방향은 다음의 관계를 만족한다.
여기서,및 Mv는 방위각 채널의 수이다.
시간 (t) 에서의 선형 안테나 (I, 1≤I≤3) 의 채널의 출력 신호 (m) 는으로 나타내며,는 α의 "도플러" 에 의한 시간 (t) 에서의 방위각 (m) 에 대해 3 개의 성분 (V1, V2, V3) 으로 구성되는 열 벡터를 설정한다.
"도플러" α는 도플러 시프트로서 정의되며, 여기서는 리시버 및 에미터 방사 속도의 합성 벡터이고 C 는 물속에서의 음향 전달 속도이다. 변동의 범위는 최후 속도에 대응하여 α의 2 개 값으로 결정된다. 도플러 채널의 폭은 다음의 식으로 주어지는 것으로 알려져 있다.
여기서, F0및 T 는 각각 중심 주파수 및 방출 코드의 존속기간이다. 따라서, 도플러 채널에 근접하는 A+1 은 α의 2 개의 최후값들 사이에서 정의된다.
모듈 (104) 은 도 4 에서 나타내는 하위 단계의 3 개 모듈을 포함한다.
- 인터스펙트럼의 행렬의 추정 (401)
- 인터스펙트럼의 행렬의 역행렬로 변환 (402)
- 2 개의 좌우 채널의 형성 (403)
모듈 (401) 에서, 인터스펙트럼 행렬는 N+1 회 샘플 및 A+1 도플러 채널에 걸친 평균에 의해 다음의 식을 적용하여 추정된다.
여기서, 부호 "+" 는 공액 전치된 행렬을 나타낸다. 타임 커버리지는 50 % 인 것이 바람직하다.
작은 치수 (p) 를 갖는 행렬에서, 추정은 관찰과 무관하게 약 1.5 p 내지 2 p 를 필요로 하고, 따라서, 매우 짧은 시간 주기에 걸쳐 수행되어, 환경 변수 (노이즈, 반향) 에 적합하고 또한 도달 방향에 반대되는 방향의 채널에 에코를 포함시키거나 리젝트하도록 하는 처리가 가능하다.
모듈 (402) 에서, 역행렬는 공지된 직접적인 방법을 이용하여 계산된다.
마지막으로, 모듈 (403) 에서, 아래의 트리플릿의 경우에서 설명되는 방식으로 좌우 채널 (Vleft, Vright) 이 형성된다.
도 5 는 트리플릿의 경우에 이용되는 표시를 나타내며, 여기서 "a" 는 트리플릿의 반경, θ 및 φ 는 형성될 때의 채널의 포인팅 방향에 대응하는 각도이다.
이를 위해, 모듈 (403) 에서, 2 개의 채널 (Vleft, Vright) 은 각각의 방위각 채널에 대해 좌우 채널과 결합되는 2 개의 디패이징 (dephasing) 벡터 dr 및 dl 을 먼저 계산함으로써 형성된다.
수평면에서의 포인팅을 위해, 즉, φ=0 이면, 이러한 2 개의 벡터는 다음의 식으로 주어진다.
여기서, f0는 전송 주파수이다.
다음으로, 채널 (Vleft, Vright) 은 다음의 식을 적용하여 형성된다.
좌측 채널 :
우측 채널 :
주어진 셋포인트 방향에 대해, 처리는 셋포인트 방향으로 제로를 갖는 통상의 채널 및 노이즈 기준를 형성하고, 다음으로, 통상의 채널의 신호로부터 기준 신호를 코히어런트하게 감산한다.
그 결과는 다음과 같다.
- 타겟 측면에서, 이는 노이즈 기준에서 제외되며, 처리는 주변 노이즈에 대한 최적의 게인을 달성하고,
- 모호성 측면에서, 타겟은 노이즈 기준에서 계산되며 간섭으로 감산됨으로써, 좌우 리젝션을 허용한다. 이는 타겟으로부터 도달되는 에코가, 채널 (Vleft, Vright) 형성 이전에 수행되는 코히어런트 처리에 의해 충분한 레벨을 가지며 또한 행렬 측정의 존속기간이 에코의 존속기간 보다 짧기 때문에 가능하다.

Claims (5)

  1. 좌우 모호성 (ambiguity) 을 현저하게 해결하기 위한 토우형 (towed) 선형 안테나에 대한 신호 처리 방법에 있어서,
    상기 안테나는, 상기 안테나 세로축의 직진부 상에 걸쳐 n≥3 하이드로폰을 분포시킨 일 세트의 하이드로폰 멀티플릿을 포함하고,
    수직면에 대한 상기 하이드로폰 멀티플릿들 각각의 롤 각도가 추정되고 (110),
    p≥3 선형 부안테나들을 합성하기 위해 (101), 상기 하이드로폰 및 상기 롤 각도의 신호 (100) 가 이용되며,
    다음으로, 상기 부안테나들 각각에 의해 M 개의 방위각 채널이 형성되고 (102), 상기 방위각 채널 각각에 대응하는 각각의 방향에 대한 상기 p 부안테나로부터 2 개의 적응형 좌우 채널이 형성되는 신호 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 M 개의 방위각 채널을 형성하기 위해 코히어런트 처리 (103) 가 이용되는 신호 처리 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 좌우 채널을 형성하기 위해, N+1 회 샘플 및 A+1 도플러 채널 상에서 상기 인터스펙트럼 역행렬(401, 402) 이 추정되고, 다음으로, 상기 방위각 채널 각각에 대해 상기 좌우 채널에 결합되는 2 개의 디페이징 벡터 (dr, dl) 가 결정되며 (403), 상기 디페이징 벡터 및 상기 역행렬로부터 상기 좌우 채널 (Vleft, Vright) 이 결정되는 신호 처리 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 롤 각도를 결정하기 위해 경사계가 이용되는 신호 처리 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, n=p=3 인 신호 처리 방법.
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