[논문]압력 구배-가속도 관계를 이용한 링형 다중모드 벡터 하이드로폰에서의 도래각 추정

김완진; 김우식; 배호석; 조치영; 서희선; 최상문

doi:10.7776/ask.2015.34.1.066

압력 구배-가속도 관계를 이용한 링형 다중모드 벡터 하이드로폰에서의 도래각 추정
Direction-of-Arrival Estimation for the Ring-Type Multimode Vector Hydrophone based on the Pressure Gradient-Acceleration Relationship 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.34 no.1, 2015년, pp.66 - 74

김완진 (국방과학연구소) , 김우식 (국방과학연구소) , 배호석 (국방과학연구소) , 조치영 (국방과학연구소) , 서희선 (국방과학연구소) , 최상문 (국방과학연구소)

초록
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수중에서 압력의 크기만을 측정할 수 있는 기존 하이드로폰의 한계를 극복하기 위해, 음압뿐만 아니라 음원의 방향을 측정할 수 있는 다양한 종류의 벡터 하이드로폰이 개발되고 있다. 본 논문에서는 다양한 종류의 벡터 하이드로폰 중 4개의 분할된 전극을 가지는 링형 다중모드 벡터 하이드로폰에서 압력 구배-가속도 관계를 이용하여 도래각을 추정할 수 있는 방법을 제안하였으며, 시뮬레이션과 수조 시험을 통해 제안된 도래각 추정 방법의 성능을 검증하였다. 제안된 방법은 다중 주파수 환경에서도 동작이 가능하며, 연산량이 작은 이점이 있으므로 관련 분야에서 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Conventional hydrophones can only measure acoustic pressure. To measure both acoustic pressure and incident direction, various types of vector hydrophones have been researched. In this paper, we deal with a ring-type multimode vector hydrophone divided into 4 elements and present a direction-of-arrival (DoA) estimation method based on the pressure gradient-acceleration relationship. The performance of the presented method is analyzed by the simulation based on the sensor modeling and is verified by the water tank experiment. The proposed method could work under the multi-frequency condition and may be utilized in many applications due to its low computation complexity.

주제어

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이러한 환경 하에서 제안된 가속도 및 속도 벡터 추정 방법을 이용한 링형 다중모드 벡터 하이드로폰의 도래각 추정 방법이 어떠한 영향을 받는지 살펴보기 위해 시뮬레이션을 수행하였으며. 시뮬레이션 시 잡음은 가산성 백색 가우시안 잡음 (additive white Gaussian noise)으로 가정하였다.^[13] 우선 입력 주파수 변화가 도래각 추정에 미치는 영향을 분석하기 위해 음원의 주파수를 10 Hz부터 10 kHz까지 변경하면서 각 주파수에 대해 10회 반복 시뮬레이션을 수행하였다.

제안 방법

Test #2는 Test #1과 달리 4 kHz (θ = 180°)와 6 kHz (θ = 0°) 음원을 연속으로 송신하였으며, 회전봉을 약 6.5°/s로 연속 회전시키면서 시험을 수행하였다.
시뮬레이션 시 잡음은 가산성 백색 가우시안 잡음 (additive white Gaussian noise)으로 가정하였다.^[13] 우선 입력 주파수 변화가 도래각 추정에 미치는 영향을 분석하기 위해 음원의 주파수를 10 Hz부터 10 kHz까지 변경하면서 각 주파수에 대해 10회 반복 시뮬레이션을 수행하였다. 각 주파수에 대해 SNR은 20 dB 로 고정하였으며, Fig.
다음으로 SNR이 도래각 추정에 미치는 영향을 분석하기 위해 음원의 주파수가 1 kHz인 경우에 대해, SNR을 -10 dB부터 30 dB까지 변화시켜가면서 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
링형 다중모드 벡터 하이드로폰에서 도래각 추정을 위해, 본 논문에서는 개별 노드에서 측정되는 압력 신호를 이용하여 속도 벡터 및 가속도 벡터 성분을 추정하는 방법을 유도하였다. 유도된 식을 이용해 심장형 빔을 형성함으로써 도래각 추정이 가능함을 보였으며, 제안된 방법은 시뮬레이션 및 수조 시험을 통해 링형 다중모드 벡터 하이드로폰에 도래각 추정이 적용 가능함을 보였다.
9(a)와 (b)에 도시되어있으며, 시험 시 도래각 추정 성능 분석을 위해 음향 송신기는 고정시킨 상태로 벡터 하이드로폰을 회전봉에 연결하여 2°단위로 360°회전시켰다. 시험에 사용한 음원의 송신주파수는 6 kHz였으며, 시험을 통해 획득된 신호는 신호 품질 향상을 위한 전처리 수행 후 도래각 추정을 수행하였다. Fig.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 압력 구배와 가속도간의 관계를 이용하여,^[12] 다중모드 벡터 하이드로폰의 각 전극에서 측정되는 음압으로 부터 가속도 벡터를 직접 산출함으로써 가속도계형 벡터 하이드로폰과 같이 벡터 변환만으로 음원의 방향 추정을 가능하게 하였다. 제안된 방법의 검증과 성능 분석을 위해 링형 다중모드 벡터 하이드로폰 모델을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 제작된 링형 다중모드 벡터 하이드로폰을 이용한 수조시험을 통해 제안된 방법이 유효함을 입증하였다.
실제 센서가 운용되는 환경에서는 순수한 신호만이 존재하지 않으므로, 다양한 잡음이 신호와 혼재 되어 측정된다. 이러한 환경 하에서 제안된 가속도 및 속도 벡터 추정 방법을 이용한 링형 다중모드 벡터 하이드로폰의 도래각 추정 방법이 어떠한 영향을 받는지 살펴보기 위해 시뮬레이션을 수행하였으며. 시뮬레이션 시 잡음은 가산성 백색 가우시안 잡음 (additive white Gaussian noise)으로 가정하였다.
제안된 음원의 도래각 추정 방법이 실제 링형 다중모드 벡터 하이드로폰에 적용가능한지의 여부를 검증하기 위해, 단일 주파수에 대한 도래각 추정 성능 검증시험(Test #1)과 다중 주파수에 대한 도래각 추정 성능 검증시험(Test #2)을 실시하였다. Test #1의 시험 전경 및 센서 배치는 Fig.

성능/효과

Eq.(4)는 압력 구배를 통해 가속도 벡터 a를 구할 수 있음을 의미하며, 속도는 가속도를 적분하여 얻을 수 있으므로 다중모드 벡터하이드로폰에서 속도의 측정이 가능함을 알 수 있다.
(c)는 시간에 따른 방위 추정 결과를 도시한 것으로 주파수별 방위 추정 결과가 시간에 대해 180°차이를 보이므로 제안된 방법이 링형 다중모드 벡터 하이드로폰에 적용 가능함을 알 수 있다.
Fig. 3에서 보듯이 빔 패턴이 음원의 방향 Ψ = θ에서 최대값을 가지고 반대 방향(Ψ = θ+180°)에서 최소값을 가지므로, 제안된 방법을 이용해 도래각(Direction-ofArrival, DoA) 추정이 가능함을 알 수 있다.
그림에서 점은 추정 방위의 평균값을, 에러 바는 방위 추정 오차의 표준 편차를 의미하며, 우측의 컬러 바는 각 주파수 또는 SNR별로 최대값에 대해 정규화된 심장형 빔 출력의 크기를 나타낸다. 그림에서 보는 바와 같이 속도 벡터와 가속도 벡터를 사용하는 경우 모두 저주파영역에서는 도래각 추정 시 오차가 발생하고 추정오차의 편차도 큰 것을 확인할 수 있으며, 주파수가 높아질수록 추정 정확도가 증가함을 볼 수 있다. 저주파 영역에서 도래각 추정성능이 낮은 것은 Fig.
링형 다중모드 벡터 하이드로폰에서 도래각 추정을 위해, 본 논문에서는 개별 노드에서 측정되는 압력 신호를 이용하여 속도 벡터 및 가속도 벡터 성분을 추정하는 방법을 유도하였다. 유도된 식을 이용해 심장형 빔을 형성함으로써 도래각 추정이 가능함을 보였으며, 제안된 방법은 시뮬레이션 및 수조 시험을 통해 링형 다중모드 벡터 하이드로폰에 도래각 추정이 적용 가능함을 보였다. 본 논문에서 제안된 방법은 다중 주파수 환경에서도 동작이 가능하며 적은 연산량으로도 도래각 추정이 가능하므로, 단일 선배열과 같이 좌/우 분리가 요구되는 시스템이나 실시간 지향성 빔 형성이 필요한 여러 응용분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
다중모드 벡터 하이드로폰의 각 전극에서 측정되는 음압으로 부터 가속도 벡터를 직접 산출함으로써 가속도계형 벡터 하이드로폰과 같이 벡터 변환만으로 음원의 방향 추정을 가능하게 하였다. 제안된 방법의 검증과 성능 분석을 위해 링형 다중모드 벡터 하이드로폰 모델을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 제작된 링형 다중모드 벡터 하이드로폰을 이용한 수조시험을 통해 제안된 방법이 유효함을 입증하였다.

후속연구

유도된 식을 이용해 심장형 빔을 형성함으로써 도래각 추정이 가능함을 보였으며, 제안된 방법은 시뮬레이션 및 수조 시험을 통해 링형 다중모드 벡터 하이드로폰에 도래각 추정이 적용 가능함을 보였다. 본 논문에서 제안된 방법은 다중 주파수 환경에서도 동작이 가능하며 적은 연산량으로도 도래각 추정이 가능하므로, 단일 선배열과 같이 좌/우 분리가 요구되는 시스템이나 실시간 지향성 빔 형성이 필요한 여러 응용분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	조향 벡터를 이용하는 경우 요구되어지는 값은?	[1-3]다중모드 벡터 하이드로폰은 벡터를 직접 측정할 수 없으므로 무지향성 모드(omni-directional mode)와 쌍극자 모드(dipole mode)를 조합하여 심장형(cardioid) 빔 패턴을 형성해야 하는데, 이를 위해 조향 벡터(steering vector)나 센서간의 시간 지연을 이용하는 방법들이 널리 사용되어져 왔다.[5-10] 조향 벡터를 이용하는 경우 주파수별 최적 가중치를 구할 필요가 있으며,[11] 시간 지연을 이용할 경우 시스템의 시간 해상도에 따라 각 해상도가 좌우되는데 최근에 개발된 다중모드 벡터 하이드로폰과 같이 단일 센서를 분할해 센서간의 간격이 매우 짧은 경우에는 심장형 빔 형성을 위해 높은 시간 해상도가 요구되는 난점이 발생한다.
	다양한 종류의 벡터 하이드로폰이 개발되고 있는 이유는?	수중에서 압력의 크기만을 측정할 수 있는 기존 하이드로폰의 한계를 극복하기 위해, 음압뿐만 아니라 음원의 방향을 측정할 수 있는 다양한 종류의 벡터 하이드로폰이 개발되고 있다. 본 논문에서는 다양한 종류의 벡터 하이드로폰 중 4개의 분할된 전극을 가지는 링형 다중모드 벡터 하이드로폰에서 압력 구배-가속도 관계를 이용하여 도래각을 추정할 수 있는 방법을 제안하였으며, 시뮬레이션과 수조 시험을 통해 제안된 도래각 추정 방법의 성능을 검증하였다.
	링형 다중모드 벡터 하이드로폰에서 압력 구배-가속도 관계를 이용하여 도래각을 추정할 수 있는 방법을 통해 기대되어지는 사실은?	본 논문에서는 다양한 종류의 벡터 하이드로폰 중 4개의 분할된 전극을 가지는 링형 다중모드 벡터 하이드로폰에서 압력 구배-가속도 관계를 이용하여 도래각을 추정할 수 있는 방법을 제안하였으며, 시뮬레이션과 수조 시험을 통해 제안된 도래각 추정 방법의 성능을 검증하였다. 제안된 방법은 다중 주파수 환경에서도 동작이 가능하며, 연산량이 작은 이점이 있으므로 관련 분야에서 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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Y. S. Lim, C. Y. Joh, H. S. Seo, and Y. R. Roh, "Design of multimode type ring vector sensor" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 32, 484-493 (2013).

원문보기 상세보기
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상세보기
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동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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