KR20150103574A - 장거리 음향표적 위치추정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 장거리 음향표적 위치추정 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 장거리 음향표적 위치추정 장치는, 저주파 순간 소음을 감지하여 신호의 도달 시간 및 방위를 추정하는 복수의 감지부; 상기 도달 시간 및 방위 추정의 결과를 이용하여 장거리 저주파 음향표적의 위치를 추정하는 지휘부; 및 상기 복수의 감지부와 지휘부 사이의 통신을 담당하는 통신부;를 포함한다.

Description

장거리 음향표적 위치추정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING LOCATION OF LONG-RANGE ACOUSTIC TARGET}
본 발명은 장거리 음향표적 위치추정 장치 및 방법에 관한 것이다.
음향표적탐지장비는 다수의 음향센서로 구성된 마이크로폰 배열을 이용하여 표적이 발생시키는 소리(음파)를 수신하여, 표적의 위치를 탐지하는 음향신호처리기술 기반의 무기체계를 의미한다.
일반적으로 음향신호를 이용한 표적탐지는 수중환경에서 잠수함 등의 수중표적을 탐지하기 위한 소나(SONAR : Sound Navigation and Ranging) 체계에서 활용되고 있으나, 최근에는 선진국을 중심으로 지상에서 음향신호를 발생시키는 적 화기나 포대의 위치를 탐지할 수 있는 저격수 탐지체계, 대포병 음향탐지체계에 적용되고 있다.
음향표적탐지장비는 운용되는 형태에 따라 병사휴대형, 지상고정형, 차량탑재형, 함정탑재형, 항공기탑재형 등 다양한 형태로 개발되고 있다. 또한, 임무에 따라서 저격수의 위치를 탐지하는 저격수 탐지 체계, 차량이나 항공기를 탐지하고 식별할 수 있는 차량 및 항공기 탐지 체계, 장거리에서 적 포대의 위치를 탐지하는대포병 음향 탐지 체계로 구분될 수 있다.
이러한 발전에 힘입어, 원거리에 있는 저주파 음향표적의 위치를 추정하기 위한 장치 및 방법에 대한 관심이 증대되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 원거리에 위치한 저주파 음향표적에서 발생한 순간 소음을 탐지하여 음향표적의 위치를 신뢰성 있게 추정할 수 있는 장거리 음향표적 위치추정 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 장거리 음향표적 위치추정 장치는, 저주파 순간 소음을 감지하여 신호의 도달 시간 및 방위를 추정하는 복수의 감지부; 상기 도달 시간 및 방위 추정의 결과를 이용하여 장거리 저주파 음향표적의 위치를 추정하는 지휘부; 및 상기 복수의 감지부와 지휘부 사이의 통신을 담당하는 통신부;를 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 복수의 감지부 각각은, 상기 음향표적에서 발생한 저주파 순간 소음을 수신하는 청음기; 상기 청음기에서 수신한 순간 소음을 처리하여 상기 순간 소음의 유무를 판단하고, 상기 방위를 추정하는 신호처리기; 상기 신호처리기에 연결되어 풍향, 풍속 및 기온 중 적어도 하나를 포함하는 기상 정보를 감지하는 기상센서; 상기 신호처리기에 연결되어 절대시간 정보를 제공하는 GPS 수신센서; 및 상기 신호처리기에 연결되어 상기 지휘부와 통신하는 통신처리기;를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 지휘부는, 상기 복수의 감지부에서 생성한 순간 소음의 방위 탐지 결과나, 상기 순간 소음의 탐지 시각을 이용하여 상기 저주파 음향표적의 위치를 추정하는 정보융합기; 상기 정보융합기에 연결되어 상기 복수의 감지부와 통신하는 통신처리기; 및 상기 정보융합기에 연결되어 절대시간 정보를 제공하는 GPS 수신센서;를 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 통신부는, 상기 복수의 감지부와 상기 지휘부 사이의 무선통신 신호를 송수신하는 무선 송수신기; 및 상기 무선 송수신기의 가시선이 확보되지 않은 경우, 상기 복수의 감지부와 상기 지휘부 사이의 무선통신을 수행하는 통신 중계기;를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 장거리 음향표적 위치추정 방법은, (a) 복수의 지점에서 저주파 순간 소음을 감지하여 신호의 도달 시간 및 방위를 추정하는 단계; 및 (b) 상기 도달 시간 및 방위 추정의 결과를 이용하여 장거리 저주파 음향표적의 위치를 추정하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 의하면, 복수 개의 감지소에서 생성한 탐지 결과 및 방위추정 결과를 융합하여 다수의 표적 위치를 추정할 수 있다.
또한, 군사적 대상인 로켓, 포, 개인화기 등의 음향표적의 위치 추정에 활용할 수 있으며, 음향신호를 분석함으로써 부대 경계의 감시정찰에 활용할 수 있다.
그리고, 비군사적 대상으로써는 표적의 음향 신호를 추적하는 감시 장비 등에 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 장거리 음향표적 위치추정 장치를 보여주는 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 장거리 음향표적 위치추정 장치의 기능 흐름을 표현한 개념도이다.
도 3은 감지부의 하부 구성을 나타낸 개념도이다.
도 4는 지휘부의 하부 구성을 나타낸 개념도이다.
도 5는 지휘부에서 음향표적의 탐지정보를 융합하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 6은 통신부의 하부 구성을 나타낸 개념도이다.
도 7은 DGPS 수신기를 이용한 두 지점간의 좌표 차이를 측량하는 방법을 도시한 개념도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 하지만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 본 발명에 따른 장거리 음향표적 위치추정 장치를 보여주는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 장거리 음향표적 위치추정 장치는 복수의 감지부(110), 통신부(120) 및 지휘부(130)를 포함한다.
구체적으로, 감지부(110)는 음향표적에서 발생한 저주파 순간 소음을 수신하여 도달 시각과 방위를 탐지한다. 그리고 지휘부(130)는 복수의 감지부(110)에서 산출한 순간 소음의 탐지 결과를 융합하여 음향표적의 위치추정을 수행하고, 그 결과를 운용자에게 제공한다. 통신부(120)는 감지부(110)와 지휘부(130) 사이의 유무선 통신을 담당해준다.
도 2는 본 발명에 따른 장거리 음향표적 위치추정 장치의 기능 흐름을 표현한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 감지부(110)는 기상센서, 음향센서, GPS 센서에서 신호를 수신하고, 이를 이용하여 신호처리기에서 순간 소음을 탐지한다. 신호처리기는 청음기에서 수신한 음향신호를 주파수 대역으로 필터링하고, 음향표적이 포함될 수 있는 에너지 레벨을 모니터링한다. 또한, 에너지가 갑자기 커지는 시점에서 표적의 탐지 여부를 판정하고 탐지 시각을 결정한다.
탐지된 표적에 대해서는 연결된 복수의 청음기에서 수신한 음향신호 사이의 시간차이를 상호상관(cross correlation)을 통해 계산하며, 이 시간 차이를 이용하여 음파면의 도달 방위를 계산할 수 있다. 청음기 사이의 음파 도달시간 지연은 음파의 도달 방위에 따라 결정되기 때문이다.
지휘부(130)는 복수의 감지부(110)에서 생성한 탐지결과(도착시간, 방위, 탐지 주파수, 시간 파형)를 통신부(120)로부터 수신하여, 탐지결과를 표적별로 분류하는 표적 연관을 수행한다.
이후 동일 표적으로부터 발생한 탐지결과만을 활용하여 해당 표적의 위치를 추정하고, 표적의 신호 파형을 주파수 분석하여 표적의 분석 식별을 수행한다. 또한, 지휘부(130)는 표적 위치추정 결과와 분석 식별 결과를 최종적으로 화면에 전시할 수 있다.
도 3은 감지부(110)의 하부 구성을 나타낸 개념도이다.
도 3을 참조하면, 감지부(110)는 음향표적에서 발생한 저주파 순간 소음을 수신하는 청음기(301), 상기 수신한 저주파 순간 소음을 처리하여 순간 소음의 유무를 판단하고 방위 추정을 수행하는 신호처리기(302), 상기 신호처리기(302)에 연결되어 풍향, 풍속 및 기온의 기상정보를 감지하는 기상센서(303), 상기 신호처리기(302)에 연결되어 절대시간 정보를 제공하는 GPS 수신센서(304)를 포함한다.
또한, 상기 신호처리기(302)와 청음기(301)를 연결하는 케이블(305), 상기 신호처리기(302)와 기상센서(303)를 연결하는 케이블(306), 상기 신호처리기(302)에 연결되어 지휘부(130)와 통신기능을 수행하는 통신처리기(307) 및 외부 전원이 없는 상태에서 감지부(110)를 운용할 수 있도록 전원을 공급하는 배터리(308)를 포함한다.
신호처리기(302)에 연결된 청음기(301) 및 기상센서(303)는 산악 등의 복합지형에서 이동식 원격 설치가 가능하여야 하므로, 이를 지원하기 위해 길이가 길면서 감쇄가 작은 견고한 케이블(305, 306)을 사용한다. 또한, 200m 이상의 길이에 설치하는 경우 전달되는 신호의 감쇄를 보상하기 위해, 신호 중계장치(repeater) 등을 사용할 수 있다.
그리고 전원 공급용 배터리(308)는 긴급 상황에 대비하여 차량용 배터리와 호환 가능하도록 출력 전압을 결정할 수 있다.
도 4는 지휘부(130)의 하부 구성을 나타낸 개념도이다.
도 4를 참조하면, 지휘부(130)는 복수의 감지부(110)에서 생성한 순간 소음의 탐지 결과 및 방위 추정 결과를 융합하여 음향표적의 위치 추정을 수행하는 정보융합기(401), 정보융합기(401)에 연결되어 감지부(110)와 통신기능을 수행하는 통신처리기(402) 및 상기 정보융합기(401)에 연결되어 절대시간 정보를 제공하는 GPS 수신센서(403)를 포함한다.
도 5는 지휘부(130)에서 음향표적(501)의 탐지정보를 융합하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 5를 참조하면, 지휘부(130)의 정보융합기(401)는 다수 표적의 순간 소음 탐지결과를 수신하여 표적별 탐지정보를 분류하게 된다. 정보융합기(401)는 표적별로 분류된 탐지정보를 이용하여 최종 위치추정을 수행한다.
우선 신호처리기(302)에서 탐지한 순간 소음의 방위추정(AoA, Angle of Arrival) 결과를 이용하여, 방위선(503)의 교점에서 음향표적의 위치를 산출할 수 있다. 또한, 음향표적에서 발생한 신호가 공간상에 지형환경의 제약에도 불구하고 구형의 이상적인 음파면(502)을 통해 전달된다고 가정하면, 분산된 신호처리기(302)에서 탐지한 시간의 차이(TDOA, Time Difference of Arrival)를 이용한 쌍곡선(504)의 교점에서 위치추정이 가능하다.
도 6은 통신부(120)의 하부 구성을 나타낸 개념도이다.
도 6을 참조하면, 통신부(120)는 지형의 영향에 관계없이 감지부(110)가 설치될 수 있도록 무선 전파통신(603)을 지원할 수 있다. 이를 위해 통신부(120)는 지휘부(130)와 감지부(110) 사이에 무선 통신을 담당하는 무선 송수신기(122)와 상기 무선 송수신기(122)가 지형에 의해 가시선이 확보되지 않은 경우 가시선 확보에 사용할 수 있는 통신 중계기(123)를 포함할 수 있다. 또한 근접한 지휘부(130)와 감지부(110) 사이의 통신 연결을 위해 유선 통신선호(604)를 활용할 수 있다.
한편, 가시선이 확보되지 않은 경우 장파의 AM이나 FM 통신을 위해 통신 채널의 확보가 가능하다. 또한, 가시선이 확보된 경우에는 통신용량의 증대를 위해 단파통신을 적용할 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 신호처리기(302)와 정보융합기(401)는 GPS 수신센서(304)에서 수신한 위성(310) 동기신호(pps, pulse per second)를 이용하여 1초 단위로 음향신호의 샘플시각을 정확하게(100ns 이내) 동기화하여, 원격 신호처리기 사이에 동일한 샘플시각을 유지할 수 있다.
상기 GPS 수신센서(304)에서 GPS 교란신호에 의해 동기신호를 수신할 수 없는 경우, 신호처리기(302)는 내부 클락을 이용한 동기회로로 전환하여 일정 시간 동안 시간 동기를 확보할 수 있다. 또한, GPS 재밍에 대항하기 위해 상대적으로 재밍에 강인한 군용 GPS를 사용할 수 있으나, 위와 같이 민수 GPS를 사용하더라도 내부 클락을 이용함으로써, 일정 기간 동안 분산 신호처리기 사이의 동기를 유지하고, 재밍 종결시 다시 위성 동기신호를 활용한 동기화를 시도할 수 있다.
도 7은 DGPS 수신기를 이용한 두 지점간의 좌표 차이를 측량하는 방법을 도시한 개념도이다.
통상적인 GPS 수신기는 기준점 없이 위성 신호를 수신하여 위경도 좌표를 산출하므로 위치 오차가 크다. 그러나 DGPS 수신기는 기준점 수신기(701) 대비 측정지점 수신기(702)의 좌표 차이가 얼마인지를 산출하여 전시기(703)에 표시하므로, 두 지점 간에 공통적으로 작용하는 오차 요인을 제거해준다. 이에 따라, 위치 측량 오차를 줄일 수 있다.
또한, 청음기(301)의 위치 측량 오차는 방위 및 거리추정 오차로 이어지므로, DGPS를 이용한 정밀한 측량(cm수준의 작은 오차)을 수행하여야 한다.
신호처리기(302)는 DGPS 수신기에서 확인한 청음기(301)의 위경도 정보를 입력받아 위치정보를 갱신하며, 정보융합기(401)는 신호처리기(302)에서 갱신한 청음기(301)의 위치정보를 수신하여 실시간 반영할 수 있다.
그리고, 신호처리기(302)는 연결된 청음기(301)의 개수가 변경되면 이를 입력받아 청음기(301)의 개수 및 구성을 갱신하여 방위 추정에 반영할 수 있으며, 연결된 청음기(301)가 고장난 경우 이를 제외하고 신호처리를 할 수 있다.
운용자는 정보융합기(401)를 통해 신호처리기(302)에 연결된 전체 청음기(301)의 신호 준위를 파악하고, 신호 준위가 주변의 잡음 준위와 비교하여 매우 높거나 낮은 경우 고장으로 판단하여 해당 청음기(301)를 신호처리에서 배제할 수 있다. 위와 같은 운용절차를 통해 감시소를 임시이동식으로 산악 등의 복합지형에 설치하여 운용할 수 있다.
한편, 정보융합기(401)는 다음의 4가지 운용모드를 지원할 수 있다. 우선 감지부(110)의 탐지 시각 및 방위탐지 결과를 실시간으로 수신하여 감시영역의 지도상에 표적의 추정 위치와 위치추정에 참여한 감지부(110)의 위치 및 각 감지부(110)에서 탐지한 방위, 신호 파형, 기상정보를 전시하는 실시간 모드를 지원할 수 있다.
또한, 과거에 탐지된 결과를 저장하였다가 운용자에게 요청시 재생하는 재생 모드를 지원할 수 있다. 그리고 신호처리기(302)와 연결하지 않고 시뮬레이션 시나리오에 의해 동작하는 시뮬레이션 모드를 지원할 수 있다.
마지막으로 신호처리기(302)로부터 수신한 환경정보와 감시영역의 정밀 지형 자료 DB, 고공기상장비로부터 수신한 환경정보 및 운용자가 입력한 환경정보를 바탕으로 위치추정 성능을 사전에 예측할 수 있는 환경 예측 모드를 지원할 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 의하면, 복수 개의 감지소에서 생성한 탐지 결과 및 방위추정 결과를 융합하여 다수의 표적 위치를 추정할 수 있다.
또한, 군사적 대상인 로켓, 포, 개인화기 등의 음향표적의 위치 추정에 활용할 수 있으며, 음향신호를 분석함으로써 부대 경계의 감시정찰에 활용할 수 있다.
그리고, 비군사적 대상으로써는 표적의 음향 신호를 추적하는 감시 장비 등에 활용할 수 있다.
상기와 같이 장거리 음향표적 위치추정 장치는 상기 설명된 실시 예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시 예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (5)

  1. 저주파 순간 소음을 감지하여 신호의 도달 시간 및 방위를 추정하는 복수의 감지부;
    상기 도달 시간 및 방위 추정의 결과를 이용하여 장거리 저주파 음향표적의 위치를 추정하는 지휘부; 및
    상기 복수의 감지부와 지휘부 사이의 통신을 담당하는 통신부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 장거리 음향표적 위치추정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 감지부 각각은,
    상기 음향표적에서 발생한 저주파 순간 소음을 수신하는 청음기;
    상기 청음기에서 수신한 순간 소음을 처리하여 상기 순간 소음의 유무를 판단하고, 상기 방위를 추정하는 신호처리기;
    상기 신호처리기에 연결되어 풍향, 풍속 및 기온 중 적어도 하나를 포함하는 기상 정보를 감지하는 기상센서;
    상기 신호처리기에 연결되어 절대시간 정보를 제공하는 GPS 수신센서; 및
    상기 신호처리기에 연결되어 상기 지휘부와 통신하는 통신처리기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 장거리 음향표적 위치추정 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 지휘부는,
    상기 복수의 감지부에서 생성한 순간 소음의 방위 탐지 결과나, 상기 순간 소음의 탐지 시각을 이용하여 상기 저주파 음향표적의 위치를 추정하는 정보융합기;
    상기 정보융합기에 연결되어 상기 복수의 감지부와 통신하는 통신처리기; 및
    상기 정보융합기에 연결되어 절대시간 정보를 제공하는 GPS 수신센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 장거리 음향표적 위치추정 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 통신부는,
    상기 복수의 감지부와 상기 지휘부 사이의 무선통신 신호를 송수신하는 무선 송수신기; 및
    상기 무선 송수신기의 가시선이 확보되지 않은 경우, 상기 복수의 감지부와 상기 지휘부 사이의 무선통신을 수행하는 통신 중계기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 장거리 음향표적 위치추정 장치.
  5. (a) 복수의 지점에서 저주파 순간 소음을 감지하여 신호의 도달 시간 및 방위를 추정하는 단계; 및
    (b) 상기 도달 시간 및 방위 추정의 결과를 이용하여 장거리 저주파 음향표적의 위치를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 장거리 음향표적 위치추정 방법.
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