[논문]Doublet 센서배열의 수중음원 위치 추정 성능 향상을 위한 시간지연 추정 기법

심민섭; 이지혁; 이형신

doi:10.5762/kais.2020.21.5.69

초록
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수중에서 방사된 음원의 신호는 해수면, 해저면 반사에 의한 다중경로 시간지연(multi-path time-delay)을 포함하여 체계(system)의 센서에 수신된다. 다중경로 환경과 복잡한 해양환경의 외란(disturbance)에 의해 수신된 신호간 상관성(coherence)이 저하된다. 따라서, 신호간 시간지연값을 이용하여 수중음원의 위치를 추정하는 체계는 추정성능의 저하가 나타난다. 이러한 환경에서도 강인한 음원 위치 추정성능을 위해 선배열(uniform line array), 평면배열(rectangular array)과 같은 다양한 형태의 센서배열과 빔형성(beamforming) 기법, 비용함수(cost-function)과 같은 신호처리를 이용하여 왔다. 본 연구에서는 선배열 형태의 doublet array와 추정된 시간지연값 보정 기법을 이용하고자 한다. 3 개의 doublet array를 동일 선에 위치하였으며 각각의 doublet array에 수신된 신호간의 시간지연값을 2 단계로 추정하였다. 수신신호에 대해 상호상관(cross-correlation) 함수를 적용하여 추정된 시간지연값을 수신신호의 중심주파수(center-frequency)와 array의 개구경(aperture) 및 수중음원과의 기하학적 관계에 따라 보정하여 최종의 시간 지연값을 얻었으며 이로부터 음원의 거리와 방위를 추정하였다. 제안한 기법의 타당성을 확인하기 위해, Monte-Carlo method를 이용하여 시뮬레이션하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The sound signal radiated from an underwater source is received by the hydrophone of the system, including multi-path time-delay and multi-path signal by sea surface and bottom reflection. The system using a time-delay between received signals for the source localization shows performance degradatio...

The sound signal radiated from an underwater source is received by the hydrophone of the system, including multi-path time-delay and multi-path signal by sea surface and bottom reflection. The system using a time-delay between received signals for the source localization shows performance degradation due to incoherence by the multi-path propagation environment and the disturbance of a marine environment. Various types of array and signal processing have been used for robust source range and bearing estimation in this environment. In this paper, we use a line array composed of doublet array and an estimated time-delay correction method for robust localization performance in a multi-path propagation environment. Three doublet arrays are located on the same line, and the time-delay between signals received on each doublet array is estimated in a two-step procedure. The estimated time-delay value is obtained by the cross-correlation function and corrected by the interaction formula between the center-frequency of received signal and the geometry of the array with respect to aperture. By this proposed procedure, the range and bearing of source from array were calculated. In order to confirm the validity of the proposed method and array, we simulated localization and estimation using the Monte-Carlo method.

Keyword

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Geometry of doublet array
그림 Fig. 2. Doublet array
그림 Fig. 3. The received signals of doublet arrays in the ocean and multi-path propagation environment
그림 Fig. 4. The peak value interval of cross-correlation function with respect to the center-frequency f_c=10 kHz and the time-delay ε=0.
표 Table 1. The difference values of time-delay on doublet array with respect to R(= 1 ~ 3 km), θ (= 0° ~ 40°)
그림 Fig. 5. Flow chart of proposed algorithm
표 Table 2. The peak values interval about center-frequency f_c(= 5, 10 kHz) on cross-correlation function
그림 Fig. 6. Simulation result (RMSE VS SNR)
표 Table 3. Variable values of simulation

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 doublet array를 포함하는 센서배열의 수중 음원 위치 추정 성능 향상을 위한 시간지연 추정 기법을 제안하였다. 제안한 기법을 통하여 다중경로 환경 에서도 강인한 음원 위치 추정 성능을 가질 수 있음을 확 인하였다.

가설 설정

음파면 곡률 측정 기법은 배열을 이루는 센서에 대해 기준이 되는 센서와 나머지 두 센서 사이의 시간지연을 추정하여 음파면의 곡률을 측정하고 이로부터 음원의 방위와 거리를 추정하는 기법으로 비교적 적은 연산량을 가진다. 음파면 곡률 측정기법은 수신신호의 센서 간 시간 지연값이 높은 정확도로 추정이 되어야 음원 추정성능 확보할 수 있다. 센서 간 시간지연값은 상호상관 함수를 통해 추정하며 일반적으로 수신신호가 광대역(broadband) 특성을 가지고 있을 경우 시간지연 추정에서 우수한 성능을 가진다.
(15)에 대해 array의 물리적인 값에 따른 ∆ε의 범위를 계산하였다. 본 연구에서는 doublet array간 간격, L을 20 m, doublet array 내부의 간격, d를 1 m로 설정하였다. 수중에서 음파의 속도, c는 1500 m/s로 설정하였다.
음원과 센서배열이 수심 500 m의 해양에서 수심 50 m에 위치하는 것으로 설정하였으며, 음원은 신호길이 20 ms의 연속파(Continuous Wave, CW)를 방사하는 것으로 가정하였다. 신호 대 잡음비는 0 ~ 20 dB로 설정하였으며 Table 3의 가능한 조합에 대해 Monte-Carlo method를 100회 실시하였다.

제안 방법

본 연구에서는 doublet array를 포함하는 선배열 센서를 활용하며 상호상관 함수를 이용하여 시간지연 추정한다[7]. 또한, 추정된 시간지연값을 배열의 기하학적 특성에 따라 보정하는 기법을 적용함으로써 음원의 거리 및 방위 추정 성능을 향상하고자 한다.
본 연구에서는 doublet array를 포함하는 선배열 센서를 활용하며 상호상관 함수를 이용하여 시간지연 추정한다[7]. 또한, 추정된 시간지연값을 배열의 기하학적 특성에 따라 보정하는 기법을 적용함으로써 음원의 거리 및 방위 추정 성능을 향상하고자 한다. 먼저 제시하는 센서배열 구조에서 센서와 음원의 위치, 시간지연값 사이의 관계에 대해서 정리하였으며 다중경로 환경에서도 강인한 시간지연 추정 성능을 보이는 기법을 제안하였다.
또한, 추정된 시간지연값을 배열의 기하학적 특성에 따라 보정하는 기법을 적용함으로써 음원의 거리 및 방위 추정 성능을 향상하고자 한다. 먼저 제시하는 센서배열 구조에서 센서와 음원의 위치, 시간지연값 사이의 관계에 대해서 정리하였으며 다중경로 환경에서도 강인한 시간지연 추정 성능을 보이는 기법을 제안하였다. 타당성 확인을 위해 Monte-Carlo method를 이용하여 시뮬레이션하였다.
제안한 기법을 통하여 다중경로 환경 에서도 강인한 음원 위치 추정 성능을 가질 수 있음을 확 인하였다. Doublet array는 짧은 센서간 간격으로 인해 수신되는 음원의 신호가 다중경로 환경에서도 높은 상관 성을 가지는 점을 이용하여 시간지연 추정을 하였다. 또, 신호의 중심주파수, #와 시간지연값의 차, ∆ε간의 관계에 따라 추정된 시간지연값을 보정함으로써 음원 위치 추정 성능을 향상시켰다.

대상 데이터

본 연구에서 활용하는 선배열은 기 제안된 배열구조로 직선상에서 간격 L m를 두고 놓여진 3개의 doublet array로 구성된다. Doublet array는 2개의 수중청음기가 간격 d m를 두고 구성된다.

데이터처리

본 연구에서 제안하는 추정된 시간지연값 보정 기법의 결과와 동일한 센서배열에 대해 상호상관 함수만을 적용한 결과에 대해 비교하였다. 음원의 거리, R=1, 2, 3 km, 방위, Θ=-45° ~ 45°에 대해 각각의 시간지연 추정 기법으로 추정된 시간지연값, 음원의 거리, 방위의 RMSE를 비교하여 Fig.

이론/모형

수중에서 방사된 음원의 거리와 방위 추정을 위해 선배열센서(uniform line array), 환형배열센서(circular array), 평면배열센서(rectangular array)와 같은 다양한 형태의 센서배열과 빔형성(beamforming), 비용함 (cost-function), 고유값분해(eigen-decomposition)과 같은 복잡한 신호처리 방법을 이용하여 왔다. 본 연구의 수중음원 방위/거리 추정 기법은 음파면 곡률 측정기법(wavefront curvature ranging)을 기반으로 한다[1,2]. 음파면 곡률 측정 기법은 배열을 이루는 센서에 대해 기준이 되는 센서와 나머지 두 센서 사이의 시간지연을 추정하여 음파면의 곡률을 측정하고 이로부터 음원의 방위와 거리를 추정하는 기법으로 비교적 적은 연산량을 가진다.
먼저 제시하는 센서배열 구조에서 센서와 음원의 위치, 시간지연값 사이의 관계에 대해서 정리하였으며 다중경로 환경에서도 강인한 시간지연 추정 성능을 보이는 기법을 제안하였다. 타당성 확인을 위해 Monte-Carlo method를 이용하여 시뮬레이션하였다.
본 연구에서 수신신호간의 시간지연 추정은 상호상관 함수를 이용하여 추정한다. 상호상관 함수에서는 Fig.
앞서 제안한 센서배열과 시간지연 추정 기법의 타당성 확인을 위해 Monte-Carlo method를 이용하여 시뮬레 이션하였다. 먼저, doublet array와 수중환경에 대한 파 라미터는 Table 3과 같이 설정하였다.
음원과 센서배열이 수심 500 m의 해양에서 수심 50 m에 위치하는 것으로 설정하였으며, 음원은 신호길이 20 ms의 연속파(Continuous Wave, CW)를 방사하는 것으로 가정하였다. 신호 대 잡음비는 0 ~ 20 dB로 설정하였으며 Table 3의 가능한 조합에 대해 Monte-Carlo method를 100회 실시하였다. 다음은 시뮬레이션 결과를 정리하였다.
또, 신호의 중심주파수, #와 시간지연값의 차, ∆ε간의 관계에 따라 추정된 시간지연값을 보정함으로써 음원 위치 추정 성능을 향상시켰다. 연구내용을 Monte-Carlo method를 이용하여 시뮬레이션 하였고 제안한 기법의 타당성을 확인하였다.

성능/효과

6에 나타내었다. 시뮬레이션 결 과, 제안한 기법을 통해 doublet array의 음원 위치추정 성능 향상을 확인할 수 있었다. 특히, 5~15 dB의 SNR에서 성능 향상이 나타났다.
본 연구에서는 doublet array를 포함하는 센서배열의 수중 음원 위치 추정 성능 향상을 위한 시간지연 추정 기법을 제안하였다. 제안한 기법을 통하여 다중경로 환경 에서도 강인한 음원 위치 추정 성능을 가질 수 있음을 확 인하였다. Doublet array는 짧은 센서간 간격으로 인해 수신되는 음원의 신호가 다중경로 환경에서도 높은 상관 성을 가지는 점을 이용하여 시간지연 추정을 하였다.

참고문헌 (7)

G. C. Carter, "Time delay estimation for passive sonar signal processing", IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Vol.ASSP-29, No.3, pp.463-470, June 1981. DOI:https://doi.org/10.1109/TASSP.1981.1163560
B. G. Ferguson and R. J. Wyber, "Wavefront curvature passive ranging in a temporally varying sound propagation medium", MTS/IEEE OCEANS, 2001. An Ocean Odyssey. Conference Proceedings, Vol.4, pp.2359-2365, 2001. DOI:https://doi.org/10.1109/OCEANS.2001.968368
B. G. Ferguson, Kam W. Lo, "Passive ranging errors due to multipath distortion of deterministic transient signals with application to the localization of small arms fire", The Journal of the Acoustical Society of America, Vol.111, No.117, 2002. DOI:https://doi.org/10.1121/1.1402619
C. Knapp, G. Cater, "The generalized correlation method for estimation of time delay", IEEE Transactions on Acoustic, Speech, and Signal Processing, Vol.24, No.4, pp.320-327, Aug 1976. DOI:https://doi.org/10.1109/TASSP.1976.1162830

상세보기
Renbiao Wu and Jian Li, "Time-delay estimation via optimizing highly oscillatory cost functions", IEEE Journal of oceanic engineering, Vol.23, No.3, pp.235-244, July 1998. DOI: https://doi.org/10.1109/48.701196

상세보기
Qihu. Li, "Digital sonar design in underwater acoustics : principles and applications", Springer, 2012.
M. S. Sim, "Underwater acoustic source localization using closely spaced hydrophone pairs", Japanese Journal of Applied Physics, Vol.55, No.7S1, 2016. DOI: https://doi.org/10.7567/JJAP.55.07KG05

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