[논문]삼중 배열 소나를 위한 강인한 적응 빔형성 기법

안재균; 류영우; 천승용; 김성일

doi:10.7776/ask.2017.36.2.115

삼중 배열 소나를 위한 강인한 적응 빔형성 기법
Robust adpative beamforming for triplet sonar arrays 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.36 no.2, 2017년, pp.115 - 122

안재균 (국방과학연구소) , 류영우 (국방과학연구소) , 천승용 (국방과학연구소) , 김성일 (국방과학연구소)

초록
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본 논문에서는 삼중 배열 소나를 위한 강인한 적응 빔형성 기법을 제안한다. 제안하는 빔형성은 삼중 배열 소나를 이용하여 불일치에 강인하고 좌우구분이 가능한 빔을 만드는 방법으로 두 단계로 이루어져 있다. 먼저 각 삼각 센서 별로 표적 신호의 좌우 방위 구분을 위한 카디오이드 빔을 생성하며, 각 삼각 센서(Triplet)에 대한 회전각을 반영하여 지연차 방법을 통해 빔을 형성한다. 다음으로 인접 표적에 의한 간섭을 최소화하기 위해 적응 빔을 생성한다. 삼각 센서 별로 얻은 카디오이드 빔을 선배열에 대한 입력 신호로 하여 선배열에 대한 적응 빔형성 기법을 카디오이드 빔에 적용한다. 시뮬레이션을 통해 본 논문에서 제안하는 기법이 기존 기법 대비 표적에 대한 좌우 구분 및 불일치에 강인함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

We propose a robust adaptive beamforming algorithm for triplet array sonar. The proposed beamforming algorithm obtains robustness to mismatches, left/right discrimination, and has two steps. The first is a cardioid beamformer, which supports left/right discrimination of target signals. It applies the conventional delay-and-subtract to each triplet's signal with its rotation angle and obtains multiple cardioid beams. The second is a robust adaptive beamforming to minimize nearby interferences. We regard cardioid beams as input signals of a line array and apply an adaptive beamforming algorithm to the cardioid beams. Simulations results show that the proposed algorithm provides significantly better performance than the conventional algorithms, while supporting left/right discrimination of target signals.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 우리는 삼중 배열 소나에 대한 적응 빔형성 기법을 제안하였다. 제안하는 방법은 개별 삼각 센서에 대한 카디오이드 빔형성과 카디오이드 빔에 대한 선배열 적응 빔형성으로 구성되며, 각 단계 별 성능을 높이기 위해 각각 최적화된 기법을 적용 및 개선하였다.
본 논문에서는 삼중 배열 소나에 대한 불일치에 강인한 적응 카디오이드 빔형성 기법을 제안한다. 삼각 센서 별 카디오이드 빔을 형성하여 좌우 방위 구분 성능을 만족시키고 카디오이드 빔에 대한 적응 빔형성을 다시 수행하여 선배열 적응 빔형성의 장점과 카디오이드 빔형성의 장점을 모두 유지하도록 하였다.
여기서 k는 2πf/c이고, θ는 지향 방위를 나타낸다. 일반적인 지연합 빔형성과 달리 카디오이드 빔형성은 지향 방위의 빔의 SNR을 높이면서 반대 방향의 빔을 배제(nulling)하는 것을 목적으로 한다. 그러한 이유로 카디오이드 빔형성을 위한 가중치 벡터인 는 다음의 조건을 만족시키는 형태로 결정된다.

가설 설정

RCB 방법은 기존의 MVDR 방법을 개선한 방법으로 실제 조향 벡터와 추정 조향 벡터 간의 불일치에에 강인한 방법이다. RCB 방법은 MVDR 방법을 통해 유도된 빔출력을 최대화하는 최적의 가중치 벡터를 추정하며, 가중치 벡터는 추정 조향 벡터를 중심으로 하는 불확실성 집합(uncertainty set) 내부에 있다고 가정한다. RCB 방법에 대한 정의는 다음과 같다.
또한, 회전각 센서의 정확도와 바이어스에 따라 실제 회전각과 측정된 회전각에서 차이가 생긴다. 본 실험에서는 우리는 회전각 센서가 균일한 회전각 오차를 제공한다고 가정하였고 회전각 오차를 카디오이드 빔형성에 반영하였다. 예를 들어, m 번째 삼각 센서의 실제 회전각이 이면 빔형성에 반영되는 회전각은 오차를 포함한 이 된다.
실험 환경으로 10개의 삼각 센서로 구성되어 있고 삼각 센서 간의 간격이 반파장인 가상의 삼각 배열을 사용하였다. 실제 운용 환경을 모의하기 위해 삼각 센서의 회전각이 1번 삼각 센서부터 10번 삼각 센서까지 단조 증가한다고 가정하였다. 아래에 제시된 모든 실험에 대해 이와 같은 가정을 적용하여 빔형성기의 성능을 비교한다.

제안 방법

N이 센서 개수보다 작으면 작은상수 값으로 대각 로딩 (diagonal loading) 을 에 적용하여 가중치 벡터를 구는데 있어서 문제가 발생하지 않도록, Rf(θ)이 양의 정부호 행렬 (positive definite matrix)이 되도록 한다.
RCB 기법은 불일치에 강인하기 때문에 불일치 요소가 많은 삼중 배열에 적합하다. 따라서 제안하는 기법을 통해 각 단계 별 빔형성의 장점을 극대화 한다.
마지막으로 다양한 회전각 오차에 대해 제안 방법의 좌우 구분 성능을 확인한다. 좌우 구분 성능은 좌우 방향에서의 출력비로 측정되며, Fig.
4의 (a) 는 SNR이 30 dB인 정현파 신호가 90° 방향에서 불일치 없이 획득되었을 때 제안하는 방법과 기존 방법의 빔출력 추정을 나타낸다. 배경 소음은 시간적 공간적으로 평균이 0인 가우시안 분포로 모델링하였고 제안하는 방법의 불일치 변수 는 0.2로 설정하였다. Fig.
지연차 기법은 이중 선배열에서 두 센서로 수신된 신호에 대해 지향 방향에서는 신호를 더하고 반대 방향에서는 빼는 형태로 카디오이드 빔을 형성한다. 복수의 센서 쌍을 통해 생성한 카디오이드 빔들을 선배열의 입력으로 하여 지연합 방법으로 지향이득을 높여 표적 신호에 대한 SNR을 높인다.
본 논문에서는 삼중 배열 소나에 대한 불일치에 강인한 적응 카디오이드 빔형성 기법을 제안한다. 삼각 센서 별 카디오이드 빔을 형성하여 좌우 방위 구분 성능을 만족시키고 카디오이드 빔에 대한 적응 빔형성을 다시 수행하여 선배열 적응 빔형성의 장점과 카디오이드 빔형성의 장점을 모두 유지하도록 하였다. 즉, 제안하는 빔형성을 통해 인접 표적에 대한 간섭 신호를 최소화하면서 표적 방위의 좌우 구분이 가능하도록 한다.
앞서 언급하였듯이 제안하는 기법은 각 삼각 센서에 대한 카디오이드 빔을 형성하고, 선배열에 대한 적응 빔형성 기법들을 적용하여 주어진 카디오이드 빔에 대한 최적의 가중치 벡터를 추정한다.
2는 제안 기법에 대한 블록 다이어그램이다. 제안 기법은 삼중 배열 소나를 이용하여 불일치에 강인하고 좌우 구분이 가능한 빔을 형성하며 두 가지 과정으로 나눠진다. 첫 번째는 좌우 구분을 위해 개별적인 삼각 센서를 이용한 카디오이드 빔형성이고, 두 번째는 선배열에 대한 불일치에 강인한 적응 빔형성이다.
제안 방법에서는 각 삼각 센서 별로 카디오이드 빔을 형성한다. 일반적인 선배열과 달리 삼중 배열에서는 삼각 센서 내부의 시간 지연이 존재한다.
제안 방법에서는 적응 빔형성의 입력으로 카디오이드 빔을 이용하므로, 좌우 지향 방위에 따라 입력 신호가 달라진다. Eq.
제안하는 기법은 삼중 배열 소나 대한 적응 빔형성으로 카디오이드 빔형성과 적응 빔형성 기법에 기반을 두고 있다. 따라서 제안하는 빔형성기의 성능을 삼중 배열에 대한 빔형성기인 Hughes^[3] 의 기법과 Groen et al.
본 논문에서 우리는 삼중 배열 소나에 대한 적응 빔형성 기법을 제안하였다. 제안하는 방법은 개별 삼각 센서에 대한 카디오이드 빔형성과 카디오이드 빔에 대한 선배열 적응 빔형성으로 구성되며, 각 단계 별 성능을 높이기 위해 각각 최적화된 기법을 적용 및 개선하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 제안하는 빔형성 기가 기존 기법 대비 인접 표적 신호에 대한 간섭을 최소화하고 좌우 구분 성능도 보임을 확인하였다.
제안하는 빔형성기의 불일치에 대한 강인함을 확인하기 위해 위치 오차와 회전각 오차를 적용하였다. 위치 오차는 실제와 추정한 삼각 센서 위치의 차이를 의미하며 실제 환경에서 배열이 비선형성을 갖기 때문에 발생한다.
제안하는 카디오이드 빔의 적응 빔형성 기법은 협대역 빔형성뿐만 아니라 광대역 빔형성에도 적용이 가능하다. 앞서 설명하였듯이 카디오이드 빔이 불일치에 민감한 단점이 있으므로, 광대역 빔형성에서도 불일치에 강인한 기법을 적용해야 한다.
삼각 센서 별 카디오이드 빔을 형성하여 좌우 방위 구분 성능을 만족시키고 카디오이드 빔에 대한 적응 빔형성을 다시 수행하여 선배열 적응 빔형성의 장점과 카디오이드 빔형성의 장점을 모두 유지하도록 하였다. 즉, 제안하는 빔형성을 통해 인접 표적에 대한 간섭 신호를 최소화하면서 표적 방위의 좌우 구분이 가능하도록 한다.
이때 삼각 센서 내부의 시간 지연을 이용하여 좌우구분이 가능한 카디오이드 빔을 형성한다. 카디오이드 빔형성 후, 이를 선배열에 대한 입력 신호로 두고 간섭신호의 영향을 최소로 하는 최적의 가중치 벡터를 구한다. 카디오이드 빔형성을 통해 3개 센서의 신호가 1개의 빔으로 줄어들었으므로 두 번째 빔형성의 입력 수는 일반적인 선배열의 입력과 동일하며, 지연차 방법을 사용하였으므로 카디오이드 빔의 위상도 유지된다.

대상 데이터

60° 90°, 220°, 290° 방향에 대해 SNR이 20, 30, 15, 10 dB이고 주파수가 다른 4개의 정현파 신호를 모의하였다.
본 장에서는 제안하는 빔형성기의 성능을 평가한다. 실험 환경으로 10개의 삼각 센서로 구성되어 있고 삼각 센서 간의 간격이 반파장인 가상의 삼각 배열을 사용하였다. 실제 운용 환경을 모의하기 위해 삼각 센서의 회전각이 1번 삼각 센서부터 10번 삼각 센서까지 단조 증가한다고 가정하였다.

이론/모형

(10)을 만족하는 최적의 를 찾기 위해 라그랑주 승수법 (Lagrange multiplier method) 를 사용하며, 는 다음과 같다.
Eq. (2)를 만족하는 최적의 가중치 벡터를 추정하는 방법으로 Hughes의 기법 [3]을 적용하였다. 우선 조향벡터 C를 #로 #는 [1,0]^T로 두면 Eq.
이 기법은 삼중배열을 세 개의 선배열로 보고, 각 선배열에 대해 독립적으로 지연합 빔형성 후, 세 선배열로부터 생성된 빔 간의 공분산 행렬을 추정한다. 그리고 MVDR(Minimum Variance Distortionless Response) 기법^[5]을 이용하여 3개 빔에 대한 최적의 가중치 벡터를 생성하고 빔출력을 생성한다. 하지만 이 방법도 MVDR 기법을 사용하는 방법들과 마찬가지로 불일치에 민감하다는 단점이 있다.
이러한 이유로 인해 카디오이드 빔들에 대한 적응 빔형성 기법은 불일치에 강인한 방법이어야 한다. 우리는 불일치에 강인한 RCB 방법^[6]을 적용하였다.
앞서 설명하였듯이 카디오이드 빔이 불일치에 민감한 단점이 있으므로, 광대역 빔형성에서도 불일치에 강인한 기법을 적용해야 한다. 이러한 이유로 우리는 WBRCB(Wide Band Robust Capon Beamforming) 기법^[7]을 카디오이드 적응 빔형성에 도입하였다. 관심 대역의 최저 주파수가 f_l이고 최대 주파수가 f_h인대역에서 카디오이드 빔에 대한 조향공분산행렬 (steered covariance matrix) ^[8] 는 다음과 같은 형태로 표현된다.
카디오이드 빔형성을 위해 Hughes의 기법^[3]을 선배열에 대한 적응 빔형성을 위해 RCB(Robust Capon Beamforming) 방법^[6]을 각각 적용하였다. Hughes의 기법은 카디오이드 빔 형성 시 삼각 센서에 대한 시간 지연만 보상하므로 출력된 카디오이드 빔이 선배열의 입력으로 적용될 수 있는 장점이 있다.

성능/효과

[3] 또한 삼중 배열은 단일 튜브 내부에 삼각 센서가 배치되므로, 사다리 형태의 이중 튜브 구조를 갖는 이중 선배열 대비 운용이 용이하다는 장점이 있다.
^[4]의 기법은 카디오이드 빔형성 시 삼각 센서에 대한 연관성을 이용하므로 회전각 오차와 같이 연관성에 영향을 주는 요소가 생길 경우 좌우 구분 성능이 저하되는 단점이 있다. 결과를 통해 제안하는 빔형성기가 다른 방법들에 비해 회전각 오차에 강인함을 확인할 수 있다.
4의 (b) 는 (a)와 동일한 환경에서 신호 수신 중 위치와 회전각 오차가 발생했을 때의 빔형성 결과이다. 그림에서 확인할 수 있듯이 제안하는 빔형성기가 기존 빔형성기보다 지속적으로 우수한 성능을 보이고 충분한 좌우 구분을 지원함을 확인할 수 있다. Fig.
또한, 긴 길이의 삼중 배열을 예인함에 따라 발생하는 비선형으로 인해, 실제 삼각 센서의 위치와 추정한 위치의 차이인 위치 오차가 발생하며, 삼중 배열은 센서 수가 일반선배열에 비해 세 배이므로 이와 같은 불일치에 더 민감하다. 두 번째로, 제안하는 방법에서 적용한 카디오이드 빔형성기는 정밀한 빔출력을 제공하지 않는다.III장에서 설명하였듯이 카디오이드 빔을 형성하는데 있어서 계산 편의를 위해 일부 항을 간략화 하여 처리한다.
제안하는 방법은 개별 삼각 센서에 대한 카디오이드 빔형성과 카디오이드 빔에 대한 선배열 적응 빔형성으로 구성되며, 각 단계 별 성능을 높이기 위해 각각 최적화된 기법을 적용 및 개선하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 제안하는 빔형성 기가 기존 기법 대비 인접 표적 신호에 대한 간섭을 최소화하고 좌우 구분 성능도 보임을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선배열 소나는 어떤 방법인가?	표적의 정확한 방위 추정을 위해 다양한 빔형성 기법들이 제안되었으며, 센서 배열 구조에 따라 빔형성에 대한 성능 및 활용도가 달라진다. 선배열 소나는 다수의 센서를 긴 튜브 내부에 일직선으로 배열함으로서 대구경(large aperture)을 구현하여 높은 지향이득을 얻는 방법이다. 하지만 배열의 좌측과 우측에서 신호가 동일한 위상으로 각 센서에 유입되므로, 표적의 좌우 방위를 구분할 수 없는 단점이 있으며, 이를 극복하기 위해 이중 선배열 또는 하나의 센서에 세 개의 청음기를 배치한 삼중 배열을 이용한 카디오이드 빔형성 기법들이 제안되었다.
	선배열 소나에서 이중 선배열 대신 삼중 배열을 주로 활용하게 된 이유는 무엇인가?	이중 선배열은 두 선배열을 평행하게 배치한 형태로, 선배열 간의 지연을 추정하여 좌우를 구분한다. 하지만 예인선의 기동 및 파도 등 환경에 따라 두 선배열이 수평 방향으로 평행상태를 유지하지 않고 회전할 수 있으며, 이에 따라 카디오이드 빔형성의 성능이 저하되는 문제가 있어, 배열 회전에 강인한 삼중배열 소나가 주로 활용되게 되었다. 삼중 배열에는 다수의 회전각 롤센서가 장착되어 있어, 배열의 회전을 보상하여 수평 방향에서의 센서 간 시간 지연을 정확히 추정한다.
	이중 선배열은 무엇인가?	먼저 카디오이드 빔형성 기법은 이중 선배열 또는 삼중 배열에서 좌우 방위 구분을 위해 사용한다. 이중 선배열은 두 선배열을 평행하게 배치한 형태로, 선배열 간의 지연을 추정하여 좌우를 구분한다. 하지만 예인선의 기동 및 파도 등 환경에 따라 두 선배열이 수평 방향으로 평행상태를 유지하지 않고 회전할 수 있으며, 이에 따라 카디오이드 빔형성의 성능이 저하되는 문제가 있어, 배열 회전에 강인한 삼중배열 소나가 주로 활용되게 되었다.

참고문헌 (8)

W. S. Allensworth, C. W. Kennedy, B. K. Newhall, and I. W. Schurman, "Twin-line array development and performance in a shallow-water littoral environment," J. Hopkins APL Tech. Dig. 16, 222-232 (1995).
J. P. Feuillet, W. S. Allensworth, and B. K. Newhall, "Nonambiguous beamforming for a high resolution twin-line array," J. Acoust. Soc. Am. 97, 3292 (1995).
D. T. Hughes, "Aspects of cardioid processing," Saclantcen, 2000.
J. Groen, S. P. Beerens, R. Been, Y. Doisy, and E. Noutary, "Adaptive port-starboard beamforming of triplet sonar arrays," IEEE J. Ocean. Eng. 30, 348-359 (2005).

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H. Cox, R. M. Zeskind, and M. M. Owen, "Robust adpative beamforming," IEEE Trans. Acoust. Speech Signal Process. ASSP-35, 1365-1376 (1987).
J. Li, P. Stoica, and Z. Wang, "On robust capon beamforming and diagonal loading," IEEE Trans. Signal Process. 51, 1702-1715 (2003).

상세보기
S. D. Somasundaram, "Wideband robust capon beamforming for passive sonar," IEEE J. Ocean. Eng. 38, 308-322 (2013).

상세보기
J. Krolik and D. Swingler, "Multiple broad-band source location using steered covariance matrices," IEEE Trans. Acoust. Speech Signal Process. 37, 1481-1494 (1989).

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