KR20200000909A - Apparatus and method for suppressing reverberation signal - Google Patents

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Abstract

According to one embodiment of the present invention, provided is an apparatus for removing a reverberation signal which comprises: a reception unit receiving a reception signal including an echo signal in which a radiation signal is reflected from a target object and a reverberation signal reflected from an object other than the target object; a spectrogram conversion unit performing Fourier transform on the reception signal to obtain a magnitude spectrogram of the reception signal; a base matrix estimation unit determining a frequency base matrix of the echo signal based on the radiation signal and estimating a time base matrix of the echo signal from the magnitude spectrogram of the reception signal using the determined frequency base matrix of the echo signal; and a reconstruction unit reconstructing the echo signal using the frequency base matrix of the echo signal and the time base matrix of the estimated echo signal.

Description

잔향 신호 제거 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR SUPPRESSING REVERBERATION SIGNAL}Reverberation signal removal device and method {APPARATUS AND METHOD FOR SUPPRESSING REVERBERATION SIGNAL}

본 발명은 능동 소나 시스템에서 수신한 신호 중 잔향 신호를 제거하여 반향 신호를 복원하는 잔향 신호 제거 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a reverberation signal removal device and method for reconstructing an echo signal by removing the reverberation signal among the signals received by the active sonar system.

소나(SONAR: Sound Navigation and Ranging)는 수중의 표적에서 방사되는 여러 종류의 소음원을 기반으로 탐지하는 방법을 의미한다. 소나는 방사 신호의 생성 여부에 따라 능동 소나와 수동 소나로 구분된다.SONAR (Sound Navigation and Ranging) refers to the method of detection based on various kinds of noise sources emitted from underwater targets. The sonar is divided into an active sonar and a passive sonar, depending on whether a radiation signal is generated.

능동 소나 시스템은 수중에서 신호를 방사한 후 그 반사음을 수신하여 목표물을 탐지하는 시스템을 의미한다. 능동 소나 시스템은 센서와 빔형성기 등을 이용하여 음향 신호를 수신한 뒤 해당 신호를 분석하여 목표물과의 거리, 도플러 주파수 등을 추정할 수 있다.An active sonar system refers to a system that detects a target by emitting a signal underwater and receiving the reflected sound. The active sonar system may receive a sound signal using a sensor and a beamformer, and then analyze the signal to estimate the distance to the target and the Doppler frequency.

능동 소나 시스템을 이용하여 목표물로부터 반사음을 정확히 획득하기 위해서는 원치 않는 신호, 즉 잡음을 제거하는 것이 중요하다. 특히, 방사한 음향이 주변 환경에 의해 반사되어 발생되는 잔향 신호는 목표물에 의해 반사된 반향 신호와 그 특성이 유사하기 때문에, 정확한 목표물 탐지의 장애 요인이 될 수 있다. It is important to remove unwanted signals, or noise, to get accurate reflections from the target using active sonar systems. In particular, the reverberation signal generated by the reflected sound reflected by the surrounding environment is similar to the reflection signal reflected by the target, and thus may be an obstacle to accurate target detection.

한국등록특허 10-1558438 (2015년10월07일 공고)Korean Registered Patent 10-1558438 (October 07, 2015)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 반향 신호의 주파수 기저 행렬 및 반향 신호의 시간 기저 행렬을 이용하여 반향 신호를 복원하는 잔향 신호 제거 장치 및 방법을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a reverberation signal removing device and method for reconstructing an echo signal using a frequency basis matrix of an echo signal and a time basis matrix of an echo signal.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 바로 제한되지 않으며, 언급되지는 않았으나 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있는 목적을 포함할 수 있다.However, the problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned, it is not mentioned but includes the purpose that can be clearly understood by those skilled in the art from the following description. can do.

본 발명의 일 실시예에 따른, 잔향 신호 제거 장치는, 방사 신호가 대상체로부터 반사된 반향 신호 및 상기 대상체 이외의 물체로부터 반사된 잔향 신호를 포함하는 수신 신호를 수신하는 수신부; 상기 수신 신호를 푸리에 변환하여 상기 수신 신호의 크기 스펙트로그램을 획득하는 스펙트로그램 변환부; 상기 방사 신호를 기초로 상기 반향 신호의 주파수 기저 행렬을 결정하고, 상기 결정된 반향 신호의 주파수 기저 행렬을 이용하여 상기 수신 신호의 크기 스펙트로그램으로부터 상기 반향 신호의 시간 기저 행렬을 추정하는 기저 행렬 추정부; 및 상기 반향 신호의 주파수 기저 행렬 및 상기 추정된 반향 신호의 시간 기저 행렬을 이용하여 상기 반향 신호를 복원하는 복원부를 포함한다.In accordance with an aspect of the present invention, an apparatus for removing reverberation signal may include: a receiver configured to receive a reception signal including an echo signal reflected from an object and an echo signal reflected from an object other than the object; A spectrogram converter for performing Fourier transform on the received signal to obtain a magnitude spectrogram of the received signal; A base matrix estimator for determining a frequency basis matrix of the echo signal based on the radiated signal and estimating a time basis matrix of the echo signal from the magnitude spectrogram of the received signal using the determined frequency basis matrix of the echo signal ; And a reconstruction unit for restoring the echo signal using the frequency basis matrix of the echo signal and the time basis matrix of the estimated echo signal.

또한, 상기 기저 행렬 추정부는, 상기 반향 신호의 예측 길이 및 상기 반향 신호의 에너지를 기초로 상기 반향 신호의 시간 기저 행렬을 추정할 수 있다.The base matrix estimator may estimate a time basis matrix of the echo signal based on the prediction length of the echo signal and the energy of the echo signal.

또한, 상기 기저 행렬 추정부는, 상기 결정된 반향 신호의 주파수 기저 행렬을 이용하여 상기 수신 신호의 크기 스펙트로그램으로부터 상기 반향 신호의 시간 기저 행렬, 상기 잔향 신호의 시간 기저 행렬 및 상기 잔향 신호의 주파수 기저 행렬을 순차적으로 추정하되, 상기 추정 과정을 소정 횟수만큼 반복하여 상기 반향 신호의 시간 기저 행렬을 추정할 수 있다.The base matrix estimator may further include a time basis matrix of the echo signal, a time basis matrix of the reverberation signal, and a frequency basis matrix of the reverberation signal from the magnitude spectrogram of the received signal using the determined frequency basis matrix of the echo signal. S may be sequentially estimated, and the time base matrix of the echo signal may be estimated by repeating the estimation process a predetermined number of times.

또한, 상기 기저 행렬 추정부는, 상기 방사 신호의 크기 스펙트로그램으로부터 상기 반향 신호의 주파수 기저 행렬을 결정할 수 있다.The base matrix estimator may determine the frequency basis matrix of the echo signal from the magnitude spectrogram of the radiated signal.

또한, 상기 기저 행렬 추정부는, 상기 방사 신호의 크기 스펙트로그램으로부터 상기 방사 신호의 주파수 기저 벡터를 추정하고, 상기 추정된 방사 신호의 주파수 기저 벡터가 주파수 축 방향으로 평행 이동된 복수의 벡터로 구성된 상기 반향 신호의 주파수 기저 행렬을 결정할 수 있다.In addition, the basis matrix estimator may be configured to estimate a frequency basis vector of the radiation signal from the magnitude spectrogram of the radiation signal, wherein the frequency basis vector of the estimated radiation signal is composed of a plurality of vectors in parallel translation in the frequency axis direction. The frequency basis matrix of the echo signal can be determined.

또한, 상기 복원부는, 상기 반향 신호의 시간 기저 행렬 중 최대 에너지를 가지는 행벡터 및 상기 행벡터에 대응되는 상기 반향 신호의 주파수 기저 행렬의 열벡터를 기초로 상기 반향 신호를 복원할 수 있다.The reconstruction unit may reconstruct the echo signal based on the row vector having the maximum energy among the temporal basis matrices of the echo signal and the column vector of the frequency basis matrix of the echo signal corresponding to the row vector.

또한, 상기 복원부는, 상기 반향 신호의 시간 기저 행렬 중 최대 에너지를 가지는 행벡터 및 상기 행벡터에 대응되는 상기 반향 신호의 주파수 기저 행렬의 열벡터를 이용하여 상기 반향 신호의 크기 스펙트로그램을 획득하고, 상기 획득된 반향 신호의 크기 스펙트로그램에 상기 수신 신호의 위상 정보를 부가하여 상기 반향 신호를 복원할 수 있다.The reconstructor may obtain a magnitude spectrogram of the echo signal using a row vector having the maximum energy among the temporal basis matrices of the echo signal and a column vector of the frequency basis matrix of the echo signal corresponding to the row vector. The echo signal may be restored by adding phase information of the received signal to the magnitude spectrogram of the acquired echo signal.

본 발명의 일 실시예에 따른, 잔향 신호 제거 방법은, 방사 신호가 대상체로부터 반사된 반향 신호 및 상기 대상체 이외의 물체로부터 반사된 잔향 신호를 포함하는 수신 신호를 수신하는 단계; 상기 수신 신호를 푸리에 변환하여 상기 수신 신호의 크기 스펙트로그램을 획득하는 단계; 상기 방사 신호를 기초로 상기 반향 신호의 주파수 기저 행렬을 결정하는 단계; 상기 결정된 반향 신호의 주파수 기저 행렬을 이용하여 상기 수신 신호의 크기 스펙트로그램으로부터 상기 반향 신호의 시간 기저 행렬을 추정하는 단계; 및 상기 반향 신호의 주파수 기저 행렬 및 상기 추정된 반향 신호의 시간 기저 행렬을 이용하여 상기 반향 신호를 복원하는 단계를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, a method for removing reverberation signal may include: receiving a received signal including an echo signal reflected from an object and a reverberation signal reflected from an object other than the object; Fourier transforming the received signal to obtain a magnitude spectrogram of the received signal; Determining a frequency basis matrix of the echo signal based on the radiated signal; Estimating a time basis matrix of the echo signal from the magnitude spectrogram of the received signal using the determined frequency basis matrix of the echo signal; And reconstructing the echo signal using the frequency basis matrix of the echo signal and the time basis matrix of the estimated echo signal.

본 발명의 일 실시예에 따른, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체는, 방사 신호가 대상체로부터 반사된 반향 신호 및 상기 대상체 이외의 물체로부터 반사된 잔향 신호를 포함하는 수신 신호를 수신하는 단계; 상기 수신 신호를 푸리에 변환하여 상기 수신 신호의 크기 스펙트로그램을 획득하는 단계; 상기 방사 신호를 기초로 상기 반향 신호의 주파수 기저 행렬을 결정하는 단계; 상기 결정된 반향 신호의 주파수 기저 행렬을 이용하여 상기 수신 신호의 크기 스펙트로그램으로부터 상기 반향 신호의 시간 기저 행렬을 추정하는 단계; 및 상기 반향 신호의 주파수 기저 행렬 및 상기 추정된 반향 신호의 시간 기저 행렬을 이용하여 상기 반향 신호를 복원하는 단계를 포함하는 잔향 신호 제거 방법을 수행하도록 프로그램된 컴퓨터 프로그램을 저장한다. According to an embodiment of the present invention, a computer-readable recording medium includes: receiving a received signal including an echo signal reflected from an object and a reverberation signal reflected from an object other than the object; Fourier transforming the received signal to obtain a magnitude spectrogram of the received signal; Determining a frequency basis matrix of the echo signal based on the radiated signal; Estimating a time basis matrix of the echo signal from the magnitude spectrogram of the received signal using the determined frequency basis matrix of the echo signal; And reconstructing the echo signal using the frequency basis matrix of the echo signal and the time basis matrix of the estimated echo signal.

본 발명의 실시예에 의하면, 수신 신호에서 잔향 신호가 제거된 반향 신호의 복원이 가능하므로, 능동 소나를 포함한 수중 목표물 탐지 분야에서 보다 정확도 높은 목표물 탐지 환경을 제공할 수 있다. According to the embodiment of the present invention, since the reverberation signal from which the reverberation signal is removed from the received signal can be restored, it is possible to provide a more accurate target detection environment in the field of underwater target detection including an active sonar.

본 발명에서 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. Effects obtained in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned above may be clearly understood by those skilled in the art from the following description. will be.

도 1a는 이상적인 수중 목표물 탐지 환경을 예시한 도면이고, 도 1b는 복수의 반사체가 존재하는 수중 목표물 탐지 환경을 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 잔향 신호 제거 장치의 제어 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트로그램 변환부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 신호의 크기 스펙트로그램을 나타낸 도면이고, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반향 신호의 크기 스펙트로그램을 나타낸 도면이고, 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 잔향 신호의 크기 스펙트로그램을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복원부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 잔향 신호 제거 방법의 흐름도이다.
1A is a diagram illustrating an ideal underwater target detection environment, and FIG. 1B is a diagram illustrating an underwater target detection environment in which a plurality of reflectors exist.
2 is a control block diagram of an apparatus for removing reverberation signal according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining the operation of the spectrogram converter according to an embodiment of the present invention.
4A illustrates a magnitude spectrogram of a received signal according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4B illustrates a magnitude spectrogram of an echo signal according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4C illustrates an embodiment of the present invention. A diagram illustrating magnitude spectrograms of a reverberation signal, according to an exemplary embodiment.
5 is a view for explaining the operation of the restoration unit according to an embodiment of the present invention.
6 is a flowchart of a reverberation signal removing method according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범주는 청구항에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various forms, only the embodiments are to make the disclosure of the present invention complete, and those skilled in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully inform the scope of the invention, and the scope of the invention is defined only by the claims.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 실제로 필요한 경우 외에는 생략될 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In describing the embodiments of the present invention, detailed descriptions of well-known functions or configurations will be omitted unless they are actually necessary in describing the embodiments of the present invention. In addition, terms to be described below are terms defined in consideration of functions in the embodiments of the present invention, which may vary according to intentions or customs of users and operators. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the specification.

이하 사용되는 '…부', '…기' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는, 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Used below '… Wealth, The term 'herein' refers to a unit for processing at least one function or operation, which may be implemented by hardware or software, or a combination of hardware and software.

도 1a는 이상적인 수중 목표물(T) 탐지 환경을 예시한 도면이고, 도 1b는 복수의 반사체가 존재하는 수중 목표물(T) 탐지 환경을 예시한 도면이다.1A is a diagram illustrating an ideal underwater target (T) detection environment, and FIG. 1B is a diagram illustrating an underwater target (T) detection environment in which a plurality of reflectors exist.

음향 신호의 일종인 방사 신호를 수중에서 방사하는 능동 소나 시스템(SN)은 목표물(T)에 의해 반사된 반향 신호를 수신하고, 이를 분석함으로써 목표물(T)을 탐지할 수 있다. 도 1a를 참조하면, 속도 V에 따라 d 방향으로 진행하는 능동 소나 시스템(SN)은 목표물(T)을 향해 방사 신호를 방사하고, 이에 대응하여 목표물(T)에 의해 반사된 반향 신호가 능동 소나 시스템(SN)에 제공될 수 있다. 능동 소나 시스템(SN)은 수신된 반향 신호를 기초로 도플러 주파수, 목표물(T)과의 거리 등을 확인하여 목표물(T)을 탐지할 수 있다. The active sonar system SN which emits a radiation signal in the water, which is a kind of an acoustic signal, may detect the target T by receiving the echo signal reflected by the target T and analyzing the reflected signal. Referring to FIG. 1A, the active sonar system SN traveling in the d direction according to the speed V emits a radiation signal toward the target T, and correspondingly, the echo signal reflected by the target T is the active sonar. It may be provided to the system SN. The active sonar system SN may detect the target T by checking the Doppler frequency and the distance to the target T based on the received echo signal.

그러나, 실제 수중 환경에서는 목표물(T) 이외에도 음향 신호를 반사하는 복수의 산란체(SL)가 존재할 수 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 능동 소나 시스템(SN)의 주변에는 복수의 산란체(SL)가 존재할 수 있다.However, in a real underwater environment, in addition to the target T, there may be a plurality of scatterers S L reflecting the acoustic signal. As shown in FIG. 1B, a plurality of scatterers S L may exist around the active sonar system SN.

그 결과, 실제 수중 환경에서의 능동 소나 시스템(SN)은 목표물(T)에 의해 반사된 반향 신호 이외에 복수의 산란체(SL)에 의해 반사된 음향 신호, 즉 잔향 신호를 함께 수신할 수 있다. 이 경우, 수신된 신호를 분석한 능동 소나 시스템(SN)은 잔향 신호의 영향으로 목표물(T) 탐지에 실패하거나, 산란체(SL)를 목표물(T)로 오인할 수 있다.As a result, the active sonar system SN in the actual underwater environment can receive the acoustic signal reflected by the plurality of scatterers S L , that is, the reverberation signal together with the echo signal reflected by the target T. . In this case, the active sonar system SN analyzing the received signal may fail to detect the target T under the influence of the reverberation signal, or may mistake the scatterer S L as the target T.

따라서, 능동 소나 시스템(SN)은 정확한 목표물(T) 탐지를 위해, 수신된 신호로부터 잔향 신호를 제거하고 반향 신호를 복원할 필요가 있다.Accordingly, the active sonar system SN needs to remove the reverberation signal from the received signal and restore the echo signal for accurate target T detection.

이하에서는, 도 2를 참조하여, 능동 소나 시스템(SN)에 마련되는 잔향 신호 제거 장치(1)에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the reverberation signal removal apparatus 1 provided in the active sonar system SN will be described in detail with reference to FIG. 2.

도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 잔향 신호 제거 장치의 제어 블록도이다.2 is a control block diagram of an apparatus for removing reverberation signal according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 잔향 신호 제거 장치(1)는, 방사 신호에 대응되는 수신 신호를 수신하는 수신부(100); 수신 신호를 스펙트로그램으로 변환하는 스펙트로그램 변환부(200); 변환된 수신 신호의 크기 스펙트로그램을 시간 기저 행렬과 주파수 기저 행렬로 분해하는 기저 행렬 추정부(300); 및 반향 신호의 시간 기저 행렬 및 반향 신호의 주파수 기저 행렬을 이용하여 반향 신호를 복원하는 복원부(400)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, an apparatus for removing reverberation signal 1 according to an embodiment includes: a receiver 100 receiving a received signal corresponding to a radiation signal; A spectrogram converter 200 for converting a received signal into a spectrogram; A base matrix estimator 300 for decomposing the magnitude spectrogram of the transformed received signal into a time basis matrix and a frequency basis matrix; And a reconstruction unit 400 for reconstructing the echo signal using the time basis matrix of the echo signal and the frequency basis matrix of the echo signal.

수신부(100)는 능동 소나 시스템(SN)에서 방사된 방사 신호에 대응되는 수신 신호를 수신할 수 있다. 구체적으로, 수신부(100)는 방사 신호가 대상체로부터 반사된 반향 신호와 대상체 이외의 물체, 예를 들어 산란체(SL) 등으로부터 반사된 잔향 신호를 포함하는 수신 신호를 수신할 수 있다. 수신부(100)에 의해 수신되는 수신 신호 x(t)는 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.The receiver 100 may receive a reception signal corresponding to a radiation signal emitted from the active sonar system SN. In detail, the receiver 100 may receive a reception signal including an echo signal reflected from an object and an echo signal reflected from an object other than the object, for example, a scatterer S L. The received signal x (t) received by the receiver 100 may be defined as in Equation 1.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, s(t)는 목표물(T)로부터 반사된 반향 신호이고, r(t)는 주변 환경으로부터 반사된 잔향 신호이고, n(t)는 배경 잡음 신호를 의미할 수 있다. 이 때, 반향 신호 s(t) 는 수학식 2에 의해 모델링될 수 있다.Here, s (t) may be an echo signal reflected from the target T, r (t) may be a reverberation signal reflected from the surrounding environment, and n (t) may mean a background noise signal. In this case, the echo signal s (t) may be modeled by Equation 2.

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, c(t)는 능동 소나 시스템(SN)에서 방사된 방사 신호를 의미하고, fd는 도플러 주파수를 의미할 수 있다. 이 때, 방사 신호 c(t)는 수학식 3에 의해 정의될 수 있다.Here, c (t) may mean a radiated signal emitted from the active sonar system SN, and f d may mean a Doppler frequency. At this time, the radiation signal c (t) may be defined by equation (3).

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서, f0는 방사 신호의 중심 주파수를 의미할 수 있다.Here, f 0 may mean the center frequency of the radiation signal.

상술한 수학식 1 내지 3에 의해 정의되는 수신 신호를 수신하기 위해, 수신부(100)는 복수의 센서가 등 간격으로 배열되는 센서 어레이가 마련될 수 있다. 수신부(100)는 센서 어레이를 구성하는 복수의 센서 각각을 통해 수신 신호를 수신할 수 있다. 여기서, 센서 어레이를 구성하는 센서는 음향 신호 또는 전파 신호를 감지하여 이에 대응되는 전기적 신호를 출력하는 센서로서, 음향 신호를 감지하는 마이크로폰 및/또는 전파 신호를 감지하는 안테나를 포함할 수 있다. In order to receive the reception signal defined by Equations 1 to 3, the receiver 100 may be provided with a sensor array in which a plurality of sensors are arranged at equal intervals. The receiver 100 may receive a received signal through each of the plurality of sensors constituting the sensor array. Here, the sensor constituting the sensor array is a sensor that detects an acoustic signal or a radio wave signal and outputs an electrical signal corresponding thereto, and may include a microphone that detects an acoustic signal and / or an antenna that detects a radio wave signal.

스펙트로그램 변환부(200)는 수신부(100)에 의해 수신된 수신 신호를 스펙트로그램으로 변환할 수 있다. 여기서, 스펙트로그램이란 시간-주파수 영역에서 신호를 나타내는 것을 의미한다. 이하에서는, 도 3 및 4a, 4b, 4c를 참조하여, 스펙트로그램 변환부(200)의 동작을 설명한다.The spectrogram converter 200 may convert the received signal received by the receiver 100 into a spectrogram. Here, the spectrogram means to represent a signal in the time-frequency domain. Hereinafter, the operation of the spectrogram converter 200 will be described with reference to FIGS. 3 and 4A, 4B, and 4C.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트로그램 변환부의 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 신호의 크기 스펙트로그램을 나타낸 도면이고, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반향 신호의 크기 스펙트로그램을 나타낸 도면이고, 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 잔향 신호의 크기 스펙트로그램을 나타낸 도면이다.3 is a view for explaining the operation of the spectrogram converter according to an embodiment of the present invention, Figure 4a is a diagram showing the magnitude spectrogram of the received signal according to an embodiment of the present invention, Figure 4b is a view of the present invention FIG. 4C is a diagram illustrating magnitude spectrograms of echo signals according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4C is a diagram illustrating magnitude spectrograms of reverberation signals according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 스펙트로그램 변환부(200)는 수신부(100)에 의해 수신된 수신 신호를 단시간 푸리에 변환(STFT: Short Time Fourier Transform)하여 수신 신호의 스펙트로그램을 획득할 수 있다. 구체적으로, 스펙트로그램 변환부(200)는 시간 축을 따라 일정 구간마다 고속 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform)함으로써 단시간 푸리에 변환을 수행하고, 그 결과를 시간 축 상에 배열함으로써 수신 신호의 스펙트로그램을 획득할 수 있다. 이 때, 획득되는 수신 신호의 스펙트로그램은 복소수 행렬인

Figure pat00004
로 표현될 수 있다. Referring to FIG. 3, the spectrogram converter 200 may obtain a spectrogram of the received signal by performing a short time Fourier transform (STFT) on the received signal received by the receiver 100. In detail, the spectrogram converter 200 performs a short-time Fourier transform by Fast Fourier Transform (FFT) every certain section along the time axis, and arranges the spectrogram of the received signal by arranging the result on the time axis. Can be obtained. At this time, the spectrogram of the received signal obtained is a complex matrix
Figure pat00004
It can be expressed as.

또한, 스펙트로그램 변환부(200)는 수신 신호의 스펙트로그램

Figure pat00005
로부터 수신 신호의 크기 스펙트로그램 X를 획득할 수 있고, 일 실시예에 따른 수신 신호의 크기 스펙트로그램은 도 4a와 같다. 도 4a에서 파란 원은 반향 신호 정보가 포함되는 영역으로, 일정 시간 구간 내에서만 나타날 수 있다.In addition, the spectrogram converter 200 is a spectrogram of the received signal
Figure pat00005
The magnitude spectrogram X of the received signal can be obtained from FIG. 4A. The magnitude spectrogram of the received signal is shown in FIG. 4A. In FIG. 4A, a blue circle includes an echo signal information and may appear only within a predetermined time interval.

또한, 수학식 1에 의해 정의되는 수신 신호 x(t)의 크기 스펙트로그램 X는 수학식 4에 의해 정의될 수 있다.In addition, the magnitude spectrogram X of the received signal x (t) defined by Equation 1 may be defined by Equation 4.

[수학식 4][Equation 4]

Figure pat00006
Figure pat00006

여기서, S는 반향 신호 s(t)의 크기 스펙트로그램을 나타내고, R은 잔향 신호 r(t)의 크기 스펙트로그램을 나타내고, N은 배경 잡음 신호 n(t)의 크기 스펙트로그램을 나타낸다. 이 때, 행렬 X, S, R, N은 주파수 빈의 개수가 K개 이고, 시간 프레임의 개수가 A개 인 경우, 각각의 행렬은 K×A의 크기를 가질 수 있다.Here, S represents the magnitude spectrogram of the echo signal s (t), R represents the magnitude spectrogram of the reverberation signal r (t), and N represents the magnitude spectrogram of the background noise signal n (t). In this case, when the number of frequency bins is K, and the number of time frames is A, the matrixes X, S, R, and N may each have a size of K × A.

이처럼, 수신 신호의 크기 스펙트로그램 X는 도 4b와 같은 반향 신호의 크기 스펙트로그램 S 이외에 도 4c와 같은 잔향 신호의 크기 스펙트로그램 R도 포함될 수 있다. 따라서, 수신 신호의 크기 스펙트로그램 X로부터 잔향 신호의 크기 스펙트로그램 R를 제거함으로써 반향 신호의 크기 스펙트로그램 S를 복원할 필요가 있다.As such, the magnitude spectrogram X of the received signal may include the magnitude spectrogram R of the reverberation signal of FIG. 4C in addition to the magnitude spectrogram S of the echo signal of FIG. 4B. Therefore, it is necessary to restore the magnitude spectrogram S of the echo signal by removing the magnitude spectrogram R of the reverberation signal from the magnitude spectrogram X of the received signal.

이를 위해, 기저 행렬 추정부(300)는 수신 신호의 크기 스펙트로그램으로부터 반향 신호의 시간 기저 행렬과 잔향 신호의 시간 기저 행렬을 추정할 수 있다. 일 실시예에 따른 기저 행렬 추정부(300)는 비음수 행렬 분해 기법을 이용하여 수신 신호의 크기 스펙트로그램으로부터 반향 신호의 시간 기저 행렬과 잔향 신호의 시간 기저 행렬을 추정할 수 있다. To this end, the base matrix estimator 300 may estimate the time basis matrix of the echo signal and the time basis matrix of the reverberation signal from the magnitude spectrogram of the received signal. The base matrix estimator 300 estimates the temporal basis matrix of the echo signal and the temporal basis matrix of the reverberation signal from the magnitude spectrogram of the received signal by using a nonnegative matrix decomposition technique.

여기서, 비음수 행렬 분해 기법이란 크기 K×A 의 비음수 행렬을 크기 K×B 의 비음수 행렬과 크기 B×A의 비음수 행렬의 곱으로 나타낸 후, 각 행렬을 추정하여 분해하는 기법이다. 기저 행렬 추정부(300)는 크기 K×A 의 비음수 행렬로서 수신 신호의 크기 스펙트럼 X를 적용하고, 크기 K×B 의 비음수 행렬로서 주파수 기저 행렬 W와, 크기 B×A의 비음수 행렬로서 시간 기저 행렬 H를 설정할 수 있다.Here, the non-negative matrix decomposition technique is a technique of estimating and decomposing each matrix after representing a non-negative matrix of size K × A as a product of a non-negative matrix of size K × B and a non-negative matrix of size B × A. The base matrix estimator 300 applies the magnitude spectrum X of the received signal as a non-negative matrix of size K × A, the frequency basis matrix W and the non-negative matrix of size B × A as the non-negative matrix of size K × B. We can set the time basis matrix H as.

이에 앞서, 기저 행렬 추정부(300)는 반향 신호의 주파수 기저 행렬 Wp을 초기 값으로서 결정할 수 있다. 반향 신호는 방사 신호와 동일한 주파수 구조를 가지므로, 기저 행렬 추정부(300)는 방사 신호의 주파수 기저 벡터 wP와 방사 신호의 시간 기저 벡터 hP를 구하여 반향 신호의 주파수 기저 행렬 WP을 결정할 수 있다. 기저 행렬 추정부(300)는 수학식 5에 따라 방사 신호의 주파수 기저 벡터 wP(K×1 열벡터)와 방사 신호의 시간 기저 벡터 hP(1×A 행벡터)를 구할 수 있다.Prior to this, the base matrix estimator 300 may determine the frequency basis matrix W p of the echo signal as an initial value. Since the echo signal has the same frequency structure as the radiation signal, the base matrix estimator 300 determines the frequency basis matrix W P of the echo signal by obtaining the frequency basis vector w P and the time basis vector h P of the radiation signal. Can be. The basis matrix estimator 300 may obtain a frequency basis vector w P (K × 1 column vector) of the radiation signal and a time basis vector h P (1 × A row vector) of the radiation signal according to Equation 5.

[수학식 5][Equation 5]

Figure pat00007
Figure pat00007

Figure pat00008
Figure pat00008

여기서, P는 방사 신호의 크기 스펙트로그램(K×A 행렬)을 의미하고,'.×'는 Hadmard product로 행렬 원소 간의 곱셈을 의미할 수 있다. Here, P may mean a magnitude spectrogram (K × A matrix) of the radiation signal, and '. ×' may mean a multiplication between matrix elements in the Hadmard product.

기저 행렬 추정부(300)는 wP와 hP의 곱이 P에 가까워지도록, 수학식 5를 미리 정해진 횟수 만큼 반복 수행하여 방사 신호의 주파수 기저 벡터 wP를 획득한 후, 이로부터 반향 신호의 주파수 기저 행렬 WP을 결정할 수 있다. 구체적으로, 기저 행렬 추정부(300)는 수학식 6에 따라 반향 신호의 주파수 기저 행렬 WP을 결정할 수 있다.The base matrix estimator 300 repeats Equation 5 a predetermined number of times so that the product of w P and h P is close to P, and obtains the frequency basis vector w P of the radiated signal, from which the frequency of the echo signal is obtained. We can determine the base matrix W P. In detail, the base matrix estimator 300 may determine the frequency basis matrix W P of the echo signal according to Equation 6.

[수학식 6][Equation 6]

Figure pat00009
Figure pat00009

여기서,

Figure pat00010
은 방사 신호의 주파수 기저 벡터 wP를 주파수 축 방향으로 r 만큼 평행 이동시킨 값을 의미할 수 있다.here,
Figure pat00010
May mean a value obtained by moving the frequency basis vector w P of the radiation signal in parallel in the frequency axis direction by r.

능동 소나 시스템(SN)이 이동하는 경우 방사 신호와 수신 신호 사이에 도플러 효과가 발생할 수 있으므로, 기저 행렬 추정부(300)는 방사 신호의 주파수 기저 벡터 wP를 주파수 축 방향으로 r 만큼 평행 이동 시켜 반향 신호의 주파수 기저 행렬 WP를 구성할 수 있다.Since the Doppler effect may occur between the radiated signal and the received signal when the active sonar system SN moves, the base matrix estimator 300 moves the frequency basis vector w P of the radiated signal in parallel in the frequency axis direction by r. The frequency basis matrix W P of the echo signal can be constructed.

반향 신호의 주파수 기저 행렬 WP가 결정되면, 기저 행렬 추정부(300)는 수신 신호의 크기 스펙트로그램 X로부터 반향 신호의 시간 기저 행렬 HP와 잔향 신호의 시간 기저 행렬 HR, 및 잔향 신호의 주파수 기저 행렬 WR를 추정할 수 있다. 일 실시예에 따른 기저 행렬 추정부(300)는 곱셈에 의한 갱신(Multiplicative Update) 방법에 의해 비음수 행렬 분해 모델에서 각 기저 행렬, 즉 주파수 기저 행렬 W와 시간 기저 행렬 H를 순차적으로 추정할 수 있다.When the frequency basis matrix W P of the echo signal is determined, the base matrix estimator 300 determines the time basis matrix H P of the echo signal and the time basis matrix H R of the reverberation signal, and the reverberation signal from the magnitude spectrogram X of the received signal. The frequency basis matrix W R can be estimated. The base matrix estimator 300 may sequentially estimate each base matrix, that is, the frequency base matrix W and the time basis matrix H, in a nonnegative matrix decomposition model by a multiplicative update method. have.

구체적으로 기저 행렬 추정부(300)는 수학식 7에 따라 반향 신호의 시간 기저 행렬 HP를 추정할 수 있다.In detail, the base matrix estimator 300 may estimate the time basis matrix H P of the echo signal according to Equation (7).

[수학식 7][Equation 7]

Figure pat00011
Figure pat00011

여기서, WP는 반향 신호의 주파수 기저 행렬을 의미하고, X는 수신 신호의 크기 스펙트럼을 의미하고, hP(r,n)은 반향 신호의 시간 기저 행렬 HP의 원소를 의미하고, N은 데이터의 시간 프레임 개수를 의미할 수 있으며, α는 임의의 파라미터 값일 수 있다. 또한, '.×'는 Hadmard product로 행렬 원소 간의 곱셈을 의미할 수 있다.Where W P is the frequency basis matrix of the echo signal, X is the magnitude spectrum of the received signal, h P (r, n) is the element of the time basis matrix H P of the echo signal, and N is It may mean the number of time frames of data, and α may be any parameter value. In addition, '. ×' is a Hadmard product and may mean multiplication between matrix elements.

수학식 7을 참조하면, 파라미터 α의 좌측 식은 곱셈에 의한 갱신 방법에 따라 WP와 HP의 곱이 X에 가까워지는 HP를 구하기 위한 부분을 의미한다. 반면, 파라미터 α의 우측 식은 HP의 에너지 분포가 희박(Sparse)하도록 하는 제한 조건으로서, 활성화되는 원소 값이 줄어들도록 하여 기저 수를 최소화 하는 부분을 의미한다.Referring to Equation (7), means for determining the portion closer to the W H P P H P of X and multiplication according to the update method by the left side of the expression is the multiplication parameter α. On the other hand, the expression on the right side of the parameter α is a limiting condition for spacing the energy distribution of H P , and means a part of minimizing the base number by reducing the value of the activated element.

이 때, 반향 신호는 잔향 신호에 비해 길이의 제한이 존재하므로, 기저 행렬 추정부(300)는 반향 신호의 시간 기저 행렬 HP의 원소인 hP(r,n)에 시간 제한 조건을 적용할 수 있다. 시간 제한 조건에 따라 hP(r,n)를 구하는 것은 수학식 8을 따른다.In this case, since the reverberation signal has a limitation in length compared to the reverberation signal, the base matrix estimator 300 may apply a time restriction condition to h P (r, n) which is an element of the time basis matrix H P of the reverberation signal. Can be. To obtain h P (r, n) according to the time constraints is given by Equation 8.

[수학식 8][Equation 8]

Figure pat00012
Figure pat00012

여기서, n은 프레임 넘버를 의미하고, lP는 반향 신호의 예측 길이로서, 외부의 입력 또는 내부의 연산에 의해 결정될 수 있다. Here, n denotes a frame number, and l P denotes a prediction length of an echo signal, which may be determined by an external input or an internal operation.

수학식 8을 참조하면, 기저행렬 추정부(300)는, 식 ①에 따라, 추정된 각 시간 기저 벡터의 시간 축에서의 이동 평균(Moving Average)를 연산할 수 있다. 그 다음, 기저 행렬 추정부(300)는, 식 ②에 따라, 이동 평균이 최대가 되는 프레임을 찾을 수 있다. 이동 평균이 최대가 되는 프레임을 찾은 다음, 기저 행렬 추정부(300)는, 식 ③에 따라, hP(r,n)에서 해당 프레임 이외의 값을 0으로 하는 hc(r,n)를 획득할 수 있다. 마지막으로, 기저 행렬 추정부(300)는, 식 ④에 따라, 최대 에너지를 가지는 프레임을 제외한 나머지 프레임에 대한 감쇠를 통해 hP(r,n)을 획득할 수 있다. 여기서, γ는 0에 가까울수록 최대 에너지 이외의 프레임이 감쇠하지 않고, 1에 가까울수록 감쇠하는 임의의 파라미터를 의미할 수 있다.Referring to Equation 8, the base matrix estimator 300 may calculate a moving average on the time axis of each estimated time basis vector according to Equation (1). Next, the base matrix estimator 300 may find a frame at which the moving average becomes the maximum according to equation (2). After finding the frame with the maximum moving average, the basis matrix estimator 300 calculates h c (r, n) in which h other than the frame is 0 in h P (r, n) according to equation (3). Can be obtained. Finally, the base matrix estimator 300 may obtain h P (r, n) through attenuation of the remaining frames except the frame having the maximum energy, according to Equation (4). Here, γ may mean an arbitrary parameter that attenuates as close to 0 as the frame other than the maximum energy does not attenuate.

그 다음, 기저 행렬 추정부(300)는 수학식 9에 따라 잔향 신호의 시간 기저 행렬 HR을 추정할 수 있다.Next, the base matrix estimator 300 may estimate the time basis matrix H R of the reverberation signal according to Equation (9).

[수학식 9][Equation 9]

Figure pat00013
Figure pat00013

여기서, WR은 잔향 신호의 주파수 기저 행렬을 의미하고, X는 수신 신호의 크기 스펙트럼을 의미하고, hR(r,n)은 잔향 신호의 시간 기저 행렬 HR의 원소를 의미하고, N은 데이터의 시간 프레임 개수를 의미할 수 있으며, α는 임의의 파라미터 값일 수 있다. 또한, '.×'는 Hadmard product로 행렬 원소 간의 곱셈을 의미할 수 있다.Here, W R means the frequency basis matrix of the reverberation signal, X means the magnitude spectrum of the received signal, h R (r, n) means the element of the time basis matrix H R of the reverberation signal, N is It may mean the number of time frames of data, and α may be any parameter value. In addition, '. ×' is a Hadmard product and may mean multiplication between matrix elements.

수학식 9를 참조하면, 파라미터 α의 좌측 식은 곱셈에 의한 갱신 방법에 따라 WR과 HR의 곱이 X에 가까워지는 HR을 구하기 위한 부분을 의미한다. 반면, 파라미터 α의 우측 식은 HR의 에너지 분포가 희박(Sparse)하도록 하는 제한 조건으로서, 활성화되는 원소 값이 줄어들도록 하여 기저 수를 최소화 하는 부분을 의미한다.Referring to Equation (9) means a part for obtaining a H R closer to the multiplication of X and W R H R in accordance with the update method of the left side of the expression is the multiplication parameter α. On the other hand, the expression on the right side of the parameter α is a constraint condition for spacing the energy distribution of H R , and means a part of minimizing the base number by reducing the value of the activated element.

또한, 기저 행렬 추정부(300)는 수학식 10에 따라 잔향 신호의 주파수 기저 행렬 WR을 추정할 수 있다.In addition, the base matrix estimator 300 may estimate the frequency basis matrix W R of the reverberation signal according to Equation 10.

[수학식 10][Equation 10]

Figure pat00014
Figure pat00014

여기서, HR은 잔향 신호의 시간 기저 행렬을 의미하고, X는 수신 신호의 크기 스펙트럼을 의미할 수 있다.Here, H R may mean a time basis matrix of the reverberation signal, and X may mean a magnitude spectrum of the received signal.

수학식 10을 참조하면, 기저 행렬 추정부(300)는 곱셈에 의한 갱신 방법에 따라 WR과 HR의 곱이 X에 가까워지는 WR을 구할 수 있다.Referring to Equation 10, the base matrix estimator 300 may obtain W R , which is a product of W R and H R close to X according to an update method by multiplication.

기저 행렬 추정부(300)는 상술한 수학식 7 내지 10을 미리 정해진 횟수동안 반복하여 수행함으로써, 반향 시간 기저 행렬 HP, 잔향 시간 기저 행렬 HR, 및 잔향 주파수 기저 행렬 WR을 갱신 및 추정할 수 있다. 이와는 달리, 기저 행렬 추정부(300)는 반향 시간 기저 행렬 HP, 잔향 시간 기저 행렬 HR, 및 잔향 주파수 기저 행렬 WR이 미리 정해진 수렴값에 수렴할때까지 상술한 수학식 7 내지 10을 반복하여 수행할 수도 있다.The base matrix estimator 300 repeatedly performs the above Equations 7 to 10 for a predetermined number of times, thereby updating and estimating the echo time basis matrix H P , the reverberation time basis matrix H R , and the reverberation frequency basis matrix W R. can do. In contrast, the base matrix estimator 300 calculates the above-described equations 7 to 10 until the echo time basis matrix H P , the reverberation time basis matrix H R , and the reverberation frequency basis matrix W R converge to a predetermined convergence value. It may be performed repeatedly.

기저 행렬 추정부(300)에 의해 반향 시간 기저 행렬 HP의 추정이 완료되면, 복원부(400)는 추정된 반향 시간 기저 행렬 HP와 초기 값으로 미리 결정된 반향 신호의 주파수 기저 행렬 WP를 이용하여 반향 신호를 복원할 수 있다. When the estimation of the echo time base matrix H P is completed by the basis matrix estimator 300, the reconstructor 400 estimates the frequency basis matrix W P of the echo signal predetermined as an estimated echo time basis matrix H P and an initial value. Can be used to recover the echo signal.

이를 위해, 복원부(400)는 먼저 수학식 11에 따라 반향 신호의 크기 스펙트로그램 S를 복원할 수 있다.To this end, the reconstruction unit 400 may first reconstruct the magnitude spectrogram S of the echo signal according to Equation (11).

[수학식 11][Equation 11]

Figure pat00015
Figure pat00015

여기서, rmax는 반향 신호의 시간 기저 행렬 HP 중 가장 큰 에너지를 가지는 행을 의미하고, h(rmax)는 반향 신호의 시간 기저 행렬 HP 중 가장 큰 에너지를 가지는 기저 벡터인 rmax번째 행벡터를 의미하고, wP(rmax)는 반향 신호의 주파수 기저 행렬 WP 중 가장 큰 에너지를 가지는 기저 벡터인 rmax 번째 열벡터를 의미할 수 있다.Here, r max means the row having the largest energy among the time basis matrix H P of the echo signal, and h (r max ) represents the r max th which is the basis vector having the largest energy among the time basis matrix H P of the echo signal. The row vector, w P (r max ) may refer to the r max th column vector, which is the basis vector having the largest energy among the frequency basis matrix W P of the echo signal.

이렇게 획득된 반향 신호의 크기 스펙트로그램 S는 반향 신호의 위상 정보를 포함하지 않는다. 따라서, 복원부(400)는 수신 신호의 스펙트로그램

Figure pat00016
중 위상 값을 반향 신호의 크기 스펙트로그램 S에 적용하여 반향 신호의 스펙트로그램
Figure pat00017
를 획득할 수 있으며, 이는 수학식 12를 따른다.The magnitude spectrogram S of the echo signal thus obtained does not include phase information of the echo signal. Therefore, the restoration unit 400 is a spectrogram of the received signal
Figure pat00016
Spectrogram of echo signal by applying middle phase value to magnitude spectrogram S of echo signal
Figure pat00017
It can be obtained, which follows the equation (12).

[수학식 12][Equation 12]

Figure pat00018
Figure pat00018

여기서, S는 반향 신호의 크기 스펙트로그램을 의미하고,

Figure pat00019
는 수신 신호의 스펙트로그램을 의미한다. 또한, *는 행렬의 원소 단위 곱셈 연산자를 의미한다.Here, S means the magnitude spectrogram of the echo signal,
Figure pat00019
Means the spectrogram of the received signal. In addition, * means the element multiplication operator of the matrix.

마지막으로, 복원부(400)는 획득한 반향 신호의 스펙트로그램

Figure pat00020
로부터 반향 신호 s(t)를 복원할 수 있다. 이하에서는 도 5를 참조하여 반향 신호의 스펙트로그램
Figure pat00021
로부터 반향 신호 s(t)를 복원하는 방법을 설명한다.Finally, the restoration unit 400 spectrogram of the acquired echo signal
Figure pat00020
The echo signal s (t) can be recovered from. Hereinafter, the spectrogram of the echo signal with reference to FIG.
Figure pat00021
A method of recovering the echo signal s (t) from the following will be described.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복원부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining the operation of the restoration unit according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 복원부(400)는 획득된 반향 신호의 스펙트로그램

Figure pat00022
을 역(Inverse) 단시간 푸리에 변환하여 시간 영역에서의 반향 신호 s(t)를 복원할 수 있다. 구체적으로, 복원부(400)는 반향 신호의 스펙트로그램
Figure pat00023
의 시간 축을 따라 일정 구간마다 역(Inverse) 고속 푸리에 변환함으로써 역(Inverse) 단시간 푸리에 변환을 수행하고, 그 결과를 시간 축 상에 배열함으로써 시간 영역에서의 반향 신호 s(t)를 복원할 수 있다. Referring to FIG. 5, the reconstruction unit 400 may spectrogram the acquired echo signal.
Figure pat00022
Inverse short-time Fourier transform may be used to restore the echo signal s (t) in the time domain. Specifically, the restoration unit 400 is a spectrogram of the echo signal
Figure pat00023
The inverse short-time Fourier transform is performed by inverse fast Fourier transforms at predetermined intervals along the time axis of, and the echo signal s (t) in the time domain can be restored by arranging the result on the time axis. .

그 결과, 최종적으로 복원된 반향 신호 s(t)는 수신 신호 x(t)에서 잔향 신호 r(t)가 제거된 결과를 의미할 수 있다. 능동 소나 시스템(SN)은 잔향 신호 r(t)가 제거된 반향 신호 s(t)를 이용함으로써 보다 정확한 목표물(T) 탐지가 가능할 수 있다.As a result, the reconstructed echo signal s (t) may mean the result of the reverberation signal r (t) being removed from the received signal x (t). The active sonar system SN may enable more accurate detection of the target T by using the echo signal s (t) from which the reverberation signal r (t) is removed.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 잔향 신호 제거 방법의 흐름도이다.6 is a flowchart of a reverberation signal removing method according to an embodiment of the present invention.

먼저, 잔향 신호 제거 장치(1)는 반향 신호 및 잔향 신호를 포함하는 수신 신호를 수신할 수 있다(S100). 여기서, 반향 신호는 방사 신호가 대상체로부터 반사된 음향 신호를 의미하고, 잔향 신호는 방사 신호가 대상체 이외의 물체로부터 반사된 음향 신호를 의미할 수 있다.First, the reverberation signal removing apparatus 1 may receive a reception signal including an echo signal and a reverberation signal (S100). Here, the echo signal may mean an acoustic signal in which the radiation signal is reflected from the object, and the reverberation signal may mean an acoustic signal in which the radiation signal is reflected from an object other than the object.

그 다음, 잔향 신호 제거 장치(1)는 수신 신호의 크기 스펙트로그램을 획득할 수 있다(S110). 구체적으로, 잔향 신호 제거 장치(1)는 수신 신호를 단시간 푸리에 변환하여 시간-주파수 영역으로 나타내는 스펙트로그램을 획득할 수 있고, 획득된 스펙트로그램으로부터 크기 성분만이 포함된 수신 신호의 크기 스펙트로그램을 분리하여 획득할 수 있다.Next, the reverberation signal removing apparatus 1 may obtain a magnitude spectrogram of the received signal (S110). Specifically, the reverberation signal removing apparatus 1 may obtain a spectrogram representing the time-frequency domain by short-time Fourier transforming the received signal, and obtain the magnitude spectrogram of the received signal including only the magnitude component from the obtained spectrogram. Can be obtained separately.

상술한 단계와 별개로, 잔향 신호 제거 장치(1)는 반향 신호의 주파수 기저 행렬을 결정할 수 있다(S120). 반향 신호는 방사 신호와 동일한 주파수 구조를 가지므로, 잔향 신호 제거 장치(1)는 방사 신호의 주파수 기저 벡터 와 방사 신호의 시간 기저 벡터를 구하여 반향 신호의 주파수 기저 행렬을 결정할 수 있다.Apart from the above-described steps, the reverberation signal removing apparatus 1 may determine the frequency basis matrix of the echo signal (S120). Since the echo signal has the same frequency structure as the radiation signal, the reverberation signal removing apparatus 1 may determine the frequency basis matrix of the echo signal by obtaining the frequency basis vector of the radiation signal and the time basis vector of the radiation signal.

수신 신호의 크기 스펙트로그램을 획득하고, 반향 신호의 주파수 기저 행렬이 결정되면, 잔향 신호 제거 장치(1)는 수신 신호의 크기 스펙트로그램으로부터 반향 신호의 시간 기저 행렬을 추정할 수 있다(S130). 이를 위해, 잔향 신호 제거 장치(1)는 비음수 행렬 분해 기법을 적용할 수 있다. 특히, 잔향 신호 제거 장치(1)는 반향 신호의 시간 기저 행렬을 추정하기 위해, 반향 신호의 예측 길이 및 반향 신호의 에너지를 이용할 수 있다.When the magnitude spectrogram of the received signal is obtained and the frequency basis matrix of the echo signal is determined, the reverberation signal removing apparatus 1 may estimate the time basis matrix of the echo signal from the magnitude spectrogram of the received signal (S130). To this end, the reverberation signal removing apparatus 1 may apply a non-negative matrix decomposition technique. In particular, the reverberation signal removal apparatus 1 may use the predicted length of the echo signal and the energy of the echo signal to estimate the time basis matrix of the echo signal.

마지막으로, 잔향 신호 제거 장치(1)는 반향 신호의 주파수 기저 행렬 및 추정된 반향 신호의 시간 기저 행렬을 이용하여 반향 신호를 복원할 수 있다(S140). 구체적으로, 잔향 신호 제거 장치(1)는 반향 신호의 시간 기저 행렬 중 최대 에너지를 가지는 열벡터와 열벡터에 대응되는 반향 신호의 주파수 기저 행렬의 행벡터를 기초로 반향 신호를 복원할 수 있다.Finally, the reverberation signal removing apparatus 1 may restore the echo signal using the frequency basis matrix of the echo signal and the time basis matrix of the estimated echo signal (S140). In detail, the reverberation signal removing apparatus 1 may restore the echo signal based on the column vector having the maximum energy among the temporal basis matrices of the echo signal and the row vector of the frequency basis matrix of the echo signal corresponding to the column vector.

상술한 잔향 신호 제거 장치(1) 및 방법은, 수신 신호에서 잔향 신호가 제거된 반향 신호의 복원이 가능하므로, 능동 소나를 포함한 수중 목표물(T) 탐지 분야에서 보다 정확도 높은 목표물(T) 탐지 환경을 제공할 수 있다.The reverberation signal removing apparatus 1 and the method described above can restore the reverberation signal from which the reverberation signal has been removed from the received signal, and thus have a more accurate target detection environment in the underwater target (T) detection field including an active sonar. Can be provided.

본 명세서에 첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.Combinations of each block of the block diagrams and each step of the flowcharts attached herein may be performed by computer program instructions. These computer program instructions may be mounted on a processor of a general purpose computer, special purpose computer, or other programmable data processing equipment such that instructions executed through the processor of the computer or other programmable data processing equipment may not be included in each block or flowchart of the block diagram. It will create means for performing the functions described in each step. These computer program instructions may be stored in a computer usable or computer readable memory that can be directed to a computer or other programmable data processing equipment to implement functionality in a particular manner, and thus the computer usable or computer readable memory. It is also possible for the instructions stored in to produce an article of manufacture containing instruction means for performing the functions described in each block or flowchart of each step of the block diagram. Computer program instructions may also be mounted on a computer or other programmable data processing equipment, such that a series of operating steps may be performed on the computer or other programmable data processing equipment to create a computer-implemented process to create a computer or other programmable data. Instructions that perform processing equipment may also provide steps for performing the functions described in each block of the block diagram and in each step of the flowchart.

또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.In addition, each block or step may represent a portion of a module, segment or code that includes one or more executable instructions for executing a specified logical function (s). It should also be noted that in some alternative embodiments, the functions noted in the blocks or steps may occur out of order. For example, the two blocks or steps shown in succession may in fact be executed substantially concurrently or the blocks or steps may sometimes be performed in the reverse order, depending on the functionality involved.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 품질에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and changes without departing from the essential quality of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed herein are not intended to limit the technical spirit of the present invention but to explain, and the scope of the technical spirit of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas that fall within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.

1: 잔향 신호 제거 장치
100: 수신부
200: 스펙트로그램 변환부
300: 기저 행렬 추정부
400: 복원부
1: Reverberation signal canceller
100: receiver
200: spectrogram converter
300: base matrix estimator
400: restoration unit

Claims (9)

방사 신호가 대상체로부터 반사된 반향 신호 및 상기 대상체 이외의 물체로부터 반사된 잔향 신호를 포함하는 수신 신호를 수신하는 수신부;
상기 수신 신호를 푸리에 변환하여 상기 수신 신호의 크기 스펙트로그램을 획득하는 스펙트로그램 변환부;
상기 방사 신호를 기초로 상기 반향 신호의 주파수 기저 행렬을 결정하고, 상기 결정된 반향 신호의 주파수 기저 행렬을 이용하여 상기 수신 신호의 크기 스펙트로그램으로부터 상기 반향 신호의 시간 기저 행렬을 추정하는 기저 행렬 추정부; 및
상기 반향 신호의 주파수 기저 행렬 및 상기 추정된 반향 신호의 시간 기저 행렬을 이용하여 상기 반향 신호를 복원하는 복원부를 포함하는 잔향 신호 제거 장치.
A receiver configured to receive a received signal including an echo signal reflected from an object and a reverberation signal reflected from an object other than the object;
A spectrogram converter for performing Fourier transform on the received signal to obtain a magnitude spectrogram of the received signal;
A base matrix estimator for determining a frequency basis matrix of the echo signal based on the radiated signal and estimating a time basis matrix of the echo signal from the magnitude spectrogram of the received signal using the determined frequency basis matrix of the echo signal ; And
And a reconstruction unit for recovering the echo signal using the frequency basis matrix of the echo signal and the estimated time basis matrix of the echo signal.
제 1 항에 있어서,
상기 기저 행렬 추정부는,
상기 반향 신호의 예측 길이 및 상기 반향 신호의 에너지를 기초로 상기 반향 신호의 시간 기저 행렬을 추정하는 잔향 신호 제거 장치.
The method of claim 1,
The basis matrix estimator,
And estimating a time basis matrix of the echo signal based on the predicted length of the echo signal and the energy of the echo signal.
제 1 항에 있어서,
상기 기저 행렬 추정부는,
상기 결정된 반향 신호의 주파수 기저 행렬을 이용하여 상기 수신 신호의 크기 스펙트로그램으로부터 상기 반향 신호의 시간 기저 행렬, 상기 잔향 신호의 시간 기저 행렬 및 상기 잔향 신호의 주파수 기저 행렬을 순차적으로 추정하되,
상기 추정 과정을 소정 횟수만큼 반복하여 상기 반향 신호의 시간 기저 행렬을 추정하는 잔향 신호 제거 장치.
The method of claim 1,
The basis matrix estimator,
The time basis matrix of the echo signal, the time basis matrix of the reverberation signal, and the frequency basis matrix of the reverberation signal are sequentially estimated from the magnitude spectrogram of the received signal by using the determined frequency basis matrix of the echo signal.
And estimating the temporal basis of the echo signal by repeating the estimation process a predetermined number of times.
제 1 항에 있어서,
상기 기저 행렬 추정부는,
상기 방사 신호의 크기 스펙트로그램으로부터 상기 반향 신호의 주파수 기저 행렬을 결정하는 잔향 신호 제거 장치.
The method of claim 1,
The basis matrix estimator,
And a reverberation signal canceller for determining the frequency basis matrix of the echo signal from the magnitude spectrogram of the radiated signal.
제 4 항에 있어서,
상기 기저 행렬 추정부는,
상기 방사 신호의 크기 스펙트로그램으로부터 상기 방사 신호의 주파수 기저 벡터를 추정하고, 상기 추정된 방사 신호의 주파수 기저 벡터가 주파수 축 방향으로 평행 이동된 복수의 벡터로 구성된 상기 반향 신호의 주파수 기저 행렬을 결정하는 잔향 신호 제거 장치.
The method of claim 4, wherein
The basis matrix estimator,
Estimate a frequency basis vector of the radiation signal from the magnitude spectrogram of the radiation signal, and determine a frequency basis matrix of the echo signal composed of a plurality of vectors in which the frequency basis vector of the estimated radiation signal is parallelly shifted in the frequency axis direction Reverberation signal cancellation device.
제 1 항에 있어서,
상기 복원부는,
상기 반향 신호의 시간 기저 행렬 중 최대 에너지를 가지는 행벡터 및 상기 행벡터에 대응되는 상기 반향 신호의 주파수 기저 행렬의 열벡터를 기초로 상기 반향 신호를 복원하는 잔향 신호 제거 장치.
The method of claim 1,
The restoration unit,
And reverberating the echo signal based on the row vector having the maximum energy among the temporal basis matrices of the echo signal and the column vector of the frequency basis matrix of the echo signal corresponding to the row vector.
제 6 항에 있어서,
상기 복원부는,
상기 반향 신호의 시간 기저 행렬 중 최대 에너지를 가지는 행벡터 및 상기 행벡터에 대응되는 상기 반향 신호의 주파수 기저 행렬의 열벡터를 이용하여 상기 반향 신호의 크기 스펙트로그램을 획득하고, 상기 획득된 반향 신호의 크기 스펙트로그램에 상기 수신 신호의 위상 정보를 부가하여 상기 반향 신호를 복원하는 잔향 신호 제거 장치.
The method of claim 6,
The restoration unit,
The magnitude spectrogram of the echo signal is obtained using a row vector having the maximum energy among the temporal basis matrices of the echo signal and a column vector of the frequency basis matrix of the echo signal corresponding to the row vector, and the magnitude of the obtained echo signal is obtained. The reverberation signal removing device restores the echo signal by adding phase information of the received signal to a spectrogram.
방사 신호가 대상체로부터 반사된 반향 신호 및 상기 대상체 이외의 물체로부터 반사된 잔향 신호를 포함하는 수신 신호를 수신하는 단계;
상기 수신 신호를 푸리에 변환하여 상기 수신 신호의 크기 스펙트로그램을 획득하는 단계;
상기 방사 신호를 기초로 상기 반향 신호의 주파수 기저 행렬을 결정하는 단계;
상기 결정된 반향 신호의 주파수 기저 행렬을 이용하여 상기 수신 신호의 크기 스펙트로그램으로부터 상기 반향 신호의 시간 기저 행렬을 추정하는 단계; 및
상기 반향 신호의 주파수 기저 행렬 및 상기 추정된 반향 신호의 시간 기저 행렬을 이용하여 상기 반향 신호를 복원하는 단계를 포함하는 잔향 신호 제거 방법.
Receiving a received signal including an echo signal reflected from an object and a reverberation signal reflected from an object other than the object;
Fourier transforming the received signal to obtain a magnitude spectrogram of the received signal;
Determining a frequency basis matrix of the echo signal based on the radiated signal;
Estimating a time basis matrix of the echo signal from the magnitude spectrogram of the received signal using the determined frequency basis matrix of the echo signal; And
And reconstructing the echo signal using the frequency basis matrix of the echo signal and the time basis matrix of the estimated echo signal.
방사 신호가 대상체로부터 반사된 반향 신호 및 상기 대상체 이외의 물체로부터 반사된 잔향 신호를 포함하는 수신 신호를 수신하는 단계;
상기 수신 신호를 푸리에 변환하여 상기 수신 신호의 크기 스펙트로그램을 획득하는 단계;
상기 방사 신호를 기초로 상기 반향 신호의 주파수 기저 행렬을 결정하는 단계;
상기 결정된 반향 신호의 주파수 기저 행렬을 이용하여 상기 수신 신호의 크기 스펙트로그램으로부터 상기 반향 신호의 시간 기저 행렬을 추정하는 단계; 및
상기 반향 신호의 주파수 기저 행렬 및 상기 추정된 반향 신호의 시간 기저 행렬을 이용하여 상기 반향 신호를 복원하는 단계를 포함하는 잔향 신호 제거 방법을 수행하도록 프로그램된 컴퓨터 프로그램을 저장하는 컴퓨터 판독가능한 기록매체.
Receiving a received signal including an echo signal reflected from an object and a reverberation signal reflected from an object other than the object;
Fourier transforming the received signal to obtain a magnitude spectrogram of the received signal;
Determining a frequency basis matrix of the echo signal based on the radiated signal;
Estimating a time basis matrix of the echo signal from the magnitude spectrogram of the received signal using the determined frequency basis matrix of the echo signal; And
And recovering the echo signal using the frequency basis matrix of the echo signal and the temporal basis matrix of the estimated echo signal.
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