[논문]고주파 맥놀이 신호의 포락선 위상차를 이용한 음향식 헬멧자세추정 기법

최경식; 김상석; 박찬흠; 양준호

doi:10.9766/kimst.2013.16.1.027

고주파 맥놀이 신호의 포락선 위상차를 이용한 음향식 헬멧자세추정 기법
Helmet Tracking Techniques Using Phase Difference between Acoustic Beating Envelope which Wave Length is Longer than Audio Frequency 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.16 no.1, 2013년, pp.27 - 33

최경식 (국항공우주산업(주)) , 김상석 (국항공우주산업(주)) , 박찬흠 (국항공우주산업(주)) , 양준호 (국항공우주산업(주))

Abstract ▼ AI-Helper

Helmet Mounted Display(HMD) has great advantages on the navigation and mission symbologies for the pilot's forward looking display and, therefore, has been remarkably drawing attention as the up coming display of the next generation aircraft. The essential technology to process the Line of Sight-Foward(LOS-F) data in real-time is to estimate exact helmet situation and position. In this paper, we research a acoustic helmet tracking technique. For the reason that mechanical acoustic noises might interfere with Helmet Tracking System(HTS) and unnecessary acoustic noises are inevitable when using acoustic technique, this approach has not been adapted. In order to overcome this problem. We propose that acoustic wave of which the wave length is longer than audio frequency and, especially, we used beating signal envelope which is composed of two close high frequency.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 가청주파수 이상의 고주파 신호에서 파장이 긴 신호를 얻기 위해 인접한 두 신호는 맥놀이 신호를 생성하고, 맥놀이 신호의 포락선은 원신호의 파장보다 길어지는 점에 착안하였다.
반면 이러한 장점에도 불구하고 기존의 음향식 헬멧자세추정 기법은 항공기 내에 발생하는 기계, 진동 소음의 간섭과 조종사에게 불필요한 음향 소음을 유발한다는 측면에서 많은 연구가 진행되지 않았다. 본 논문에서는 음향식 헬멧자세추정이 가지는 이러한 문제점들을 극복하기 위하여 사람이 듣지 못하고, 기계 진동 소음이 대부분 가청주파수대의 저주파 영역에서 형성된다는 점에 착안하여 가청주파수 이상의 고주파 음향 신호의 위상지연차를 이용한 헬멧자세 추정 기법에 대해 연구하였다. 또한, 고주파 신호는 파장이 짧아지는 문제는 극복하기 위하여, 인접한 두 고주파 신호에 의해 생성되는 맥놀이 신호의 포락선이 형성하는 파형의 위상지연차를 이용하는 방법을 적용하였다.

제안 방법

7과 같이 동일한 순서로 컴퓨터 모사를 실시한 결과이다. 3가지 실험에서 모두에서 음향 소스의 위치는 140mm로 동일하며, 보다 정확한 검증을 위해 45도 각도로 음향소스를 회전해가며 모사를 하였다. 컴퓨터 모사 결과 3가지 경우 모두에서 정확하게 음향 소스를 찾을 수 있음을 확인하였다.
그러나 상호상관함수법의 경우 채널 잡음이 많이 포함되는 경우 두 센서 신호의 상관관계가 줄어들게 되어 오차가 커지게 된다. 따라서 본 논문에서는 상호스펙트럼 분석기법으로 위상지연차를 먼저 구한 후, 펄스폭의 주기를 곱하여 시간지연차를 구하는 방법을 적용하였다. 모든 신호는 정현파 함수의 조합으로 이루어져 있다.
본 논문에서는 음향식 헬멧자세추정이 가지는 이러한 문제점들을 극복하기 위하여 사람이 듣지 못하고, 기계 진동 소음이 대부분 가청주파수대의 저주파 영역에서 형성된다는 점에 착안하여 가청주파수 이상의 고주파 음향 신호의 위상지연차를 이용한 헬멧자세 추정 기법에 대해 연구하였다. 또한, 고주파 신호는 파장이 짧아지는 문제는 극복하기 위하여, 인접한 두 고주파 신호에 의해 생성되는 맥놀이 신호의 포락선이 형성하는 파형의 위상지연차를 이용하는 방법을 적용하였다.
본 논문에서는 맥놀이 신호의 포락선 위상지연차를 이용하여 TDOA를 구하여 헬멧 자세를 추정하는 것이 목표이므로, 맥놀이 신호의 포락선 주파수를 fbeat(=1/T)라고 하고, 먼저 도달한 신호를 xi, 시간지연 τ0을 가지고 도달한 신호를 xj라고 하면 두 신호는 아래와 같이 표현할 수 있다.

성능/효과

본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 가청주파수 이상의 제어 가능한 고주파 영역을 이용함으로써 기존의 음향식 헬멧자세 추정기술이 가지는 문제를 해결할 수 있음을 보였다. 고주파를 이용함으로써 파장이 짧아지는 문제를 본 논문에서는 맥놀이 신호의 포락선에 대한 위상차를 이용하여 해결 가능함을 보였다. HMD는 항공기뿐만 아니라 게임기, 의료기, 교육목적 등의 민수 시장에서도 적용 분야가 다양할 것으로 예상되며, 본 논문에서 제시한 방법은 기존의 광학식 혹은 전자기식에 비해 시스템 구성과 비용 측면에서 많은 장점을 가지고 있으므로, 많은 분야에 활용이 가능할 것으로 예상된다.
항공기에 적용되는 헬멧자세추정 기술과 관련하여 그동안, 음향을 이용한 기법은 항공기 내의 가청주파수대의 소음원에 의한 간섭 문제와 조종사에게 불필요한 소음을 유발한다면 측면에서 많은 연구가 되지 않았으며, 또한 상용화 성공 사례가 현재까지 보고되지 않고 있다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 가청주파수 이상의 제어 가능한 고주파 영역을 이용함으로써 기존의 음향식 헬멧자세 추정기술이 가지는 문제를 해결할 수 있음을 보였다. 고주파를 이용함으로써 파장이 짧아지는 문제를 본 논문에서는 맥놀이 신호의 포락선에 대한 위상차를 이용하여 해결 가능함을 보였다.
위의 방법을 이용하는 경우 두 가지 제한 사항이 있다. 첫 번째, 위상지연차를 이용하고자 하는 신호는 조종사에게 불필요한 소음을 유발하지 않아야 한다. 두 번째는 위상지연차에 이용되는 신호의 파장은 두 음향 수신기 사이의 거리 차이보다 2배 이상 커야 한다^[4].
3가지 실험에서 모두에서 음향 소스의 위치는 140mm로 동일하며, 보다 정확한 검증을 위해 45도 각도로 음향소스를 회전해가며 모사를 하였다. 컴퓨터 모사 결과 3가지 경우 모두에서 정확하게 음향 소스를 찾을 수 있음을 확인하였다.

후속연구

고주파를 이용함으로써 파장이 짧아지는 문제를 본 논문에서는 맥놀이 신호의 포락선에 대한 위상차를 이용하여 해결 가능함을 보였다. HMD는 항공기뿐만 아니라 게임기, 의료기, 교육목적 등의 민수 시장에서도 적용 분야가 다양할 것으로 예상되며, 본 논문에서 제시한 방법은 기존의 광학식 혹은 전자기식에 비해 시스템 구성과 비용 측면에서 많은 장점을 가지고 있으므로, 많은 분야에 활용이 가능할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	HMD의 특징은?	HMD는 차세대 항공기 시현장치로써, HUD가 기존 항공기 동체의 전방에 대한 비행정보만 시현하던 것이 비하여, HMD는 조종사 응시방향에 대한 비행정보를 실시간 시현하게 된다[1]. 조종사 응시방향에 대한 가시 선 데이터를 실시간 처리하기 위한 핵심 기술은 정확한 헬멧자세추정 기술이라 할 수 있다.
	음향방식의 헬멧자세추정의 장점은?	광학방식의 경우, 연산 량이 많아 하드웨어 부하가 많이 발생하며 실시 간 구현이 쉽지 않은 문제와, 항공기 내,외부에서 발생하는 다른 가시광선 혹은 적외선으로 인해 노이즈 처리가 필요하며 광원 핸들링이 쉽지 않은 단점이 있 다. 반면 음향방식의 헬멧자세추정은 장치구성이 쉬우 며, 신호처리에 대한 하드웨어 부하가 적고, 음향신호 의 굴절 특성으로 인해 헬멧 자세 추정 가능한 사각 지역이 거의 존재하지 넓은 범위에 대해 자세 추정이 가능한 장점을 가진다. 반면 이러한 장점에도 불구하 고 기존의 음향식 헬멧자세추정 기법은 항공기 내에 발생하는 기계, 진동 소음의 간섭과 조종사에게 불필 요한 음향 소음을 유발한다는 측면에서 많은 연구가 진행되지 않았다.
	헬멧자 세추정 기법의 제한 사항 두 가지는?	위의 방법을 이용하는 경우 두 가지 제한 사항이 있 다. 첫 번째, 위상지연차를 이용하고자 하는 신호는 조 종사에게 불필요한 소음을 유발하지 않아야 한다. 두 번째는 위상지연차에 이용되는 신호의 파장은 두 음향 수신기 사이의 거리 차이보다 2배 이상 커야 한다[4]. 그렇지 않은 경우 시간지연 만큼 반복된 횟수를 합산 해 주어야 하나, 반복된 횟수를 구하기가 쉽지 않다.

참고문헌 (9)

Sisodia, A, Riser, A., and Roger, J. R., "Design of an Advanced Helmet Mounted Display(AHMD). Cockpit and Future Displays for Defence and Security", Proceedings of SPIE, Vol. 5801, pp. 304-315, 2005.
Tawada, K. and Hirooka, K., "A New Optical HMT System Based on Image Processing", Proc. SPIE 6955, 69550A1-11, 2008.
Rash, C. E., "Helmet Mounted Displays : Design Issues for Rotary Wing Aircraft", SPIE Press PM : Bellingham, 2001.
J. P. Rolland, L. Davis, and Y. Baillot, "A Survey of Tracking Technology for Virtual Environments", in Fundamentals of Wearable Computers and Augmented Reality. M. Barfield and T. Caudell, eds. (Mahwah, NJ, 2000).
Viktorov, I, A., "Rayleigh and Lamb Waves", Plenum Press, pp. 67-102.
Cohen, L., "Time-frequency Distribution", Prentice Hall PTR, Engle-wood Cliffs, New Jersey, 1995.
Young-Chul Choi, Jin-Ho Park, and Kyoung-Sik Choi, "An Impact Source Localization Technique for a Nuclear Power Plant by Using Sensors of Different Types", ISA Transactions 50, pp. 111-118, 2011.

상세보기
Randall, R. B., "Frequency Analysis", 3rd Edition, pp. 19-31, pp. 58-62, 1987.
Julius S. Bendat and Allan G. Piersol, "RANDOM DATA, Analysis and Measurement Procedures", 2nd Edition, pp. 109-159, 1986.

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