[논문]저주파 대역에서 좌/우 구분이 가능한 지향성배열센서 구조 및 신호처리 기법

김대경; 배은현; 전상태; 김태환

doi:10.7776/ask.2018.37.4.188

저주파 대역에서 좌/우 구분이 가능한 지향성배열센서 구조 및 신호처리 기법
A structure and signal processing of directional linear array for left/right discrimination in low frequency band 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.37 no.4, 2018년, pp.188 - 195

김대경 (한화시스템 해양연구소) , 배은현 (한화시스템 해양연구소) , 전상태 (한화시스템 해양연구소) , 김태환 (국방과학연구소)

초록
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본 논문은 기존 선배열센서에서 발생하는 좌/우 구분 모호성을 해결하기 위해 저주파 대역에서 좌/우 구분이 가능한 지향성배열센서 구조 및 신호처리 방안을 제안한다. 지향성배열센서는 기존 음향배열센서에 지향성을 가지는 DIFAR(Directional Frequency Analysis and Recording)배열센서를 추가 확장한 선배열센서 구조이며, 음향배열센서의 빔형성 결과와 DIFAR배열센서의 빔형성 결과를 융합/처리하는 신호처리 구조를 가진다. 이러한 지향성배열센서는 좌/우 구분이 가능한 기존의 이중 선배열센서와 비교하여 낮은 신호 대 잡음비 및 저주파수 대역에서 높은 좌/우 구분 성능을 나타낸다.

Abstract ▼ AI-Helper

A new directional linear array structure and its signal processing method are presented to resolve the left/right ambiguity inherent in a linear array. The array structure combines an ordinary acoustic sensor array with a DIFAR (Directional Frequency Analysis and Recording) sensor array, keeping a linear array configuration and gaining a instantaneous left/right discrimination. It presents better PSRR (Port-Starboard Rejection Ratio) in low frequency band and low SNR (Signal to Noise Ratio) situation as compared with a conventional twin linear array, and good compromise to easily upgrade an existing linear array system to a new one with a left/right discrimination capability.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 저주파 대역에서 좌/우 구분을 해결하기 위한 방안으로 DIFAR센서를 이용한 지향성 배열센서를 제안한다.
본 논문에서는 저주파 대역에서 좌/우 구분이 가능한 지향성배열센서 구조 및 신호처리를 제안하였으며, 모의실험과 실해역 시험을 통해 검증하였다. 모의실험에서는 기존 이중 선배열센서의 성능 저하를 개선하여 낮은 신호 대 잡음비 및 저주파 대역에서 음원에 대한 탐지 및 좌/우 구분이 가능함을 확인하였으며, 실해역 시험에서는 지향성배열센서가 실제 해양환경에서 적용 가능하고 최종적으로 좌/우 구분 가능함을 확인하였다.
이에 따라 본 논문에서는 저주파 대역 음원에 적용 가능하고 선배열센서의 좌/우 구분 모호성을 해결하기 위한 방안으로 DIFAR센서를 이용한 지향성배열센서 구조 및 신호처리를 제안하였다. 지향성배열센서는 기존 음향배열센서에 지향성을 가지는DIFAR배열센서를 추가 확장한 구조이다.

제안 방법

2 음향배열센서의 지연합 빔형성과 DIFAR배열센서 90° / 270° 빔데이터의 지연합 빔형성을 수행하며, 빔데이터는 다음과 같다.
875 m씩 등간격으로 배치하였다. 이중 선배열센서는 개별 선배열당 32개(총 64개)를 1.875 m씩 등간격으로 배치하였으며, 선배열 간 간격은 0.234 m로 센서 간격의 1/8배를 적용하였다.
지향성배열센서의 좌/우 구분 성능을 검증하기 위해 실해역시험을 수행하였으며, Fig. 3에 제시된 구조를 기반으로 음향센서 32개와 DIFAR센서 8개를 적용하였다. Fig.

대상 데이터

모의실험을 위해 지향성배열센서는 음향센서 32개와 DIFAR센서 8개를 설계주파수 400 Hz에 따른 1.875 m씩 등간격으로 배치하였다. 이중 선배열센서는 개별 선배열당 32개(총 64개)를 1.

데이터처리

지향성배열센서 신호처리는 음향배열센서의 빔형성 결과와 DIFAR배열센서의 빔형성 결과를 융합/처리하는 구조이며, 카디오이드 빔형성과 지연합 빔형성으로 구성된 DIFAR배열센서의 2단계 빔형성을 통해 좌/우 구분 가능하다. 제안한 지향성배열센서는 모의실험을 통해 저주파 대역에서의 좌/우 구분 성능을 검증하였으며, 이중 선배열센서와의 좌/우 구분 성능을 비교/분석하였다.
지향성배열센서의 좌/우 구분 성능 확인을 위해 모의실험을 수행하였으며, 이중 선배열센서의 좌/우 구분 성능과 비교/분석하였다. 좌/우 구분 성능은 PSRR(Port-Starboard Rejection Ratio)를 이용하여 판단하였으며, PSRR은 음원 방위와 허위 방위 간의 신호대 잡음비 차이를 나타낸다.

이론/모형

지향성배열센서의 좌/우 구분 성능 확인을 위해 모의실험을 수행하였으며, 이중 선배열센서의 좌/우 구분 성능과 비교/분석하였다. 좌/우 구분 성능은 PSRR(Port-Starboard Rejection Ratio)를 이용하여 판단하였으며, PSRR은 음원 방위와 허위 방위 간의 신호대 잡음비 차이를 나타낸다.^[12]

성능/효과

그 결과, DIFAR센서의 카디오이드 빔형성은 최대음압 감지축(Maximum Response Axis, MRA)에 의해 최대 출력을 나타내는 방위(θ = θ0)를 탐지/추정하며, 좌/우 구분 모호성이 발생하지 않는다.
따라서 제안한 지향성배열센서는 기존 이중 선배열센서의 성능 저하를 개선하여 저주파 대역, 원거리 음원에 대한 탐지 및 좌/우 구분이 가능함을 확인할 수 있다.
하지만 앞서 언급한 바와 같이 이중 선배열센서는 주파수가 감소함에 따라 좌/우 구분 성능이 급격히 저하된다. 또한 주파수가 150 Hz 이하인 구간에서 신호 대 잡음비 5 dB인 이중 선배열센서 PSRR이 신호 대 잡음비 -5 dB인 지향성배열센서 PSRR보다 작거나 비슷한 수준으로 좌/우 구분 성능이 저하됨을 확인할 수 있다. 반면 지향성배열센서는 음원 방위별 전주파수 대역에서 균일한 좌/우 구분 성능을 나타내며, 신호 대 잡음비 –5 dB에서 음원 방위 90°는 평균 PSRR 5.
본 논문에서는 저주파 대역에서 좌/우 구분이 가능한 지향성배열센서 구조 및 신호처리를 제안하였으며, 모의실험과 실해역 시험을 통해 검증하였다. 모의실험에서는 기존 이중 선배열센서의 성능 저하를 개선하여 낮은 신호 대 잡음비 및 저주파 대역에서 음원에 대한 탐지 및 좌/우 구분이 가능함을 확인하였으며, 실해역 시험에서는 지향성배열센서가 실제 해양환경에서 적용 가능하고 최종적으로 좌/우 구분 가능함을 확인하였다.
음원 방위별 분석 결과, 음원 방위가 90°에서 150° 방향으로 접근함에 따라 지향성배열센서와 이중선배열센서의 좌/우 구분 성능이 감소한다.
이때, 이중 선배열센서는 음원 방위의 준위는 낮으나 허위 방위에서의 신호성분을 억제함에 따라 PSRR은 90°에서 4.7dB, 120°에서 4.3 dB를 나타내며, 지향성배열센서는 음원 방위에서의 준위는 높으나 허위 방위에서의 신호성분이 출력됨에 따라 PSRR은 90°에서 4.8 dB, 120°에서 4.7 dB로 유사한 좌/우 구분 성능을 나타냈다.
envelope과 waterfall에서 각각 지향성배열센서의 헤딩을 기준으로 음원 방위와 허위 방위가 좌/우 대칭으로 나타나며, 음원 방위의 준위가 허위 방위 준위보다 높게 출력된다. 이를 통해 제안한 지향성배열센서 구조 및 신호처리가 실제 해양환경에서 적용 가능하며, 좌/우 구분 가능함을 확인할 수 있다.
지향성배열센서는 기존 음향배열센서에 지향성을 가지는 DIFAR배열센서를 추가 확장한 구조이다. 이에 따라 지향성배열센서는 기 개발된 음향센서와 DIFAR센서를 조합하여 제작 가능하고, 기존 단일 선배열센서에 DIFAR배열센서를 추가 확장하여 좌/우 구분 모호성을 해결할 수 있다. 또한 해당 구조는 주파수 감소에 따른 센서 직경 증가가 없어 기존 이중 선배열센서 대비 제작/운용이 용이하다.

후속연구

향후에는 본 논문에서의 연구 결과를 기반으로 DIFAR센서 카디오이드 빔형성 조향방안에 대한 연구와 DIFAR센서의 축 뒤틀림(롤)에 따른 좌/우 구분 성능 변화에 대한 연구를 진행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DIFAR센서는 어떤 용도로 사용되는가?	DIFAR센서는 DIFAR소노부이에 탑재되어 항공기에서 수중에 투하된 후, 수중음원의 음향신호를 획득하여 음원의 방위각을 추정하는 용도로 사용된다. 이때, 음원의 방위각은 DIFAR센서의 구조 및 신호처리에 따라 좌/우 구분 모호성이 발생하지 않으며, 전방위에 대한 방위각 추정이 가능하다.
	선배열센서가 음원을 탐지하는 방법은 무엇인가?	수중환경에서 음원이 방사한 음향신호를 탐지하기 위해 선배열센서를 이용한 방법들이 연구되었다.[1]일반적으로 선배열센서는 빔형성을 통해 조향방위에서의 배열이득을 확보하고 해당 방위에서 수신되는 음향신호의 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)를 향상시키는 공간필터링을 통해 음원을 탐지한다. [1,2]따라서 선배열센서는 낮은 신호 대 잡음비를 가지는 원거리 음원의 탐지가 가능한 장점이 있다.
	일반적인 카디오이드 빔형성의 문제점은 무엇인가?	일반적인 카디오이드 빔형성은 조향방위 반대 방위에서의 지향이득을 억제하도록 조향한다. [6] 하지만 센서 간격에 비해 음파의 파장이 긴 경우, 조향방위에서의 지향이득 감소로 인해 낮은 신호 대 잡음비를 가지는 원거리 음원의 탐지가 불가하다. 이와는 반대로 조향방위에서의 지향이득을 향상시키도록 조향할 수 있으나, 긴 파장을 가지는 저주파 대역에서 반대방위의 지향이득이 증가하여 좌/우 구분 성능 저하가 발생한다.

참고문헌 (12)

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상세보기
T. Warhonowicz, H. Schmidt-Schierhorn, and H. Hostermann, "Port/Starboard discrimination performance by twin line array for a LFAS sonar system," Proc. UDT, Europe, 398 (1999).
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상세보기
K. B. Smith, R. T. Richards, and P. Duckett, "Comparative beamforming studies employing acoustic vector sensor data," J. Acoust. Soc. Am. 119, 3446 (2006).
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상세보기
D. H. Chang, H. B. Park, Y. N. Na, and J. H. Ryu, "Bearing estimation of narrow band acoustic signals using cardioid beamforming algorithm in shallow water," J. Acoust. Soc. Kr. 21, 71-78 (2002).
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J. Groen, S. P. Beerens, and R. Been, "Adaptive port-starboard beamforming of triplet sonar arrays," IEEE J. Ocean. Eng. 30, 348-359 (2005).

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표제어: PCR

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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