[논문]실험 기반 무격자 압축 빔형성 성능 분석

신명인; 조영빈; 추영민; 이근화; 홍정표; 김성일; 홍우영

doi:10.7776/ask.2020.39.3.179

실험 기반 무격자 압축 빔형성 성능 분석
Analysis on performance of grid-free compressive beamforming based on experiment 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.39 no.3, 2020년, pp.179 - 190

신명인 (세종대학교 국방시스템공학과) , 조영빈 (상지이앤씨(주)) , 추영민 (세종대학교 국방시스템공학과) , 이근화 (세종대학교 국방시스템공학과) , 홍정표 (국방과학연구소 해양과학기술원) , 김성일 (국방과학연구소 해양과학기술원) , 홍우영 (세종대학교 국방시스템공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 일반 빔형성, 적응 빔형성, 압축센싱을 이용하여 도래각을 추정한다. 이때, 적응 빔형성으로 Minimum Variance Distortionless Response(MVDR)과 Multiple Signal Classification(MUSIC)을 사용하였고, 압축 빔형성(compressive sensing beamforming)을 위해 무격자 압축센싱(grid-free compressive sensing)을 적용하였다. 앞서 언급한 각 기법들의 이론적 배경 및 한계점을 소개하고 모의실험 및 실제 실험을 통해 각 기법의 성능을 비교하였다. 실제 실험은 반사 신호가 존재하는 환경에서 수행하였으며, 2대의 스피커를 통해 음원을 송신하고 8대의 마이크로폰을 사용한 선배열을 통해 데이터를 수신하였다. 모의실험 및 실제 실험 결과를 통해 상관신호가 존재하지 않을 때, 적응 빔형성과 무격자 압축 빔형성이 일반 빔형성보다 고해상도의 결과를 보임을 확인하였다. 반면, 반사 신호가 존재하는 환경에서 적응 빔형성의 성능이 저하되지만, 무격자 압축 빔형성의 경우 반사 신호의 영향을 받지 않고 일반 빔형성의 분해능이 개선됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we estimated the Direction of Arrival (DOA) using Conventional BeamForming (CBF), adaptive beamforming and compressive beamforming. Minimum Variance Distortionless Response (MVDR) and Multiple Signal Classification (MUSIC) are used as the adaptive beamforming, and grid-free compressive sensing is applied for the compressive sensing beamforming. Theoretical background and limitations of each technique are introduced, and the performance of each technique is compared through simulation and real experiments. The real experiments are conducted in the presence of reflected signal, transmitting a sound using two speakers and receiving acoustic data through a linear array consisting of eight microphones. Simulation and experimental results show that the adaptive beamforming and the grid-free compressive beamforming have a higher resolution than conventional beamforming when there are uncorrelated signals. On the other hand, the performance of the adaptive beamforming is degraded by the reflected signals whereas the grid-free compressive beamforming still improves the conventional beamforming resolution regardless of reflected signal presence.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Direction of arrival into a uniform line array.
그림 Fig. 2. (Color available online) Beamforming simulation result (800 Hz, 0 degree).
그림 Fig. 3. (Color available online) Beamforming simulation result of two incoherent signals (800 Hz, 0,15 degree).
그림 Fig. 4. (Color available online) Beamforming simulation result of two coherent signals (800 Hz, 0,15 degree).
그림 Fig. 5. (Color available online) Photograph of experimental instruments.^[30]
그림 Fig. 6. (Color available online) FFT result (8 microphone).
그림 Fig. 7. (Color available online) Experiment result (800 Hz, 0 degree).
그림 Fig. 8. (Color available online) Experiment result (800 Hz, 15 degree).
그림 Fig. 9. (Color available online) Experiment result (800 Hz, 45 degree).
그림 Fig. 10. (Color available online) Small coherent signals around a large signal simulation result (800 Hz, degree: -35 dB, 15 dB, 30 dB, 70 dB SNR: -5 dB, 15 dB, 10 dB, 5 dB).
그림 Fig. 11. (Color available online) Experiment result of two signals (800 Hz, 0, 20 degree).
그림 Fig. 12. (Color available online) Experiment result of two signals (800 Hz, 0, 15 degree, ∊ = 0.8).
그림 Fig. 13. (Color available online) Experiment result of two signals (800 Hz, 0, 15 degree, ∊ = 0.6).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반빔형성(Conventional BeamForming, CBF)은 어떻게 모엇을 통해 출력값을 얻는가?	가장 먼저 제안된 기법은 일반빔형성(Conventional BeamForming, CBF)으로 센서 배열에 입사된 음장과 전 방향의 조향벡터들의 상관을 통해 출력값을 얻는다. 도래각 추정 기법들 중 가장 단순하면서도 높은 강인성을 갖지만 센서 개수와 배열의 길이가 충분하지 않을 경우 낮은 분해능 결과를 보이는 한계점이 있다.
	해상에서 표적의 위치를 찾기 위해 우선적으로 하는 것은 무엇인가?	해상에서 표적의 위치를 찾기 위해서는 우선적으로 빔형성을 통해 표적의 도래각을 추정한다. 표적이 원거리에 존재할 경우, 표적신호는 평면파로 가정할 수 있으며, 선형 배열 센서에 발생하는 시간지연을 활용하여 표적의 도래각을 추정한다. 빔형성의
	일반빔형성(Conventional BeamForming, CBF)의 한계점은 무엇인가?	가장 먼저 제안된 기법은 일반빔형성(Conventional BeamForming, CBF)으로 센서 배열에 입사된 음장과 전 방향의 조향벡터들의 상관을 통해 출력값을 얻는다. 도래각 추정 기법들 중 가장 단순하면서도 높은 강인성을 갖지만 센서 개수와 배열의 길이가 충분하지 않을 경우 낮은 분해능 결과를 보이는 한계점이 있다.[1]

참고문헌 (30)

F. B. Jensen, W. A. Kuperman, M. B. Porter, and H. Schmidt, Computational Ocean Acoustics (Springer, New York, 2011), Chap. 10.
D. H. Johnson, "The application of spectral estimation methods to bearing estimation problems," Proc. IEEE, 70, 1018-1028 (1982).

상세보기
S. A. Vorobyov, "Principles of minimum variance robust adaptive beamforming design," Signal Processing, 93, 3264-3277 (2013).

상세보기
R. O. Schmidt, "Multiple emitter location and signal parameter estimation," IEEE. Trans. Antennas Propagation. 34, 276-280 (1986).

상세보기
I. S. Reed, J. D. Mallett, and L. E. Brennen, "Rapid convergence rate in adaptive arrays," IEEE. Trans. On AES-10, 853-863 (1974).
T. Shan and T. Kailath, "Adaptive beamforming for coherent signals and interference," IEEE. Trans. On ASSP. 33, 527-536 (1985).
S. U. Pillai and B. H. Kwon, "Forward/backward spatial smoothing techniques for coherent signal identification," IEEE. Trans. Acoust. 37, 8-15 (1989)

상세보기
B. D. Carlson, "Covariance matrix estimation errors and diagonal loading in adaptive arrays," IEEE Trans. Aero. Electron. Sys. 24, 397-401 (1988).

상세보기
D. L. Donoho, "Compressed sensing," IEEE Trans. Inf. Theory, 52, 1289-1306 (2006).

상세보기
M. Lustig, D. Donoho, and J. M. Pauly, "Sparse MRI: The application of compressed sensing for rapid MR imaging," Magn. Reson. Med. 58, 1182-1195 (2007).

상세보기
M. A. Herman and T. Strohmer, "High-resolution radar via compressed sensing," IEEE Trans. Signal Process. 57, 2275-2284 (2009).

상세보기
A. Xenaki, P. Gerstoft, and K. Mosegaard, "Compressive beamforming," J. Acoust. Soc. Am. 136, 260-271 (2014).

상세보기
K. L. Gemba, W. S. Hodgkiss, and P. Gerstoft, "Adaptive and compressive matched field processing," J. Acoust. Soc. Am. 141 (2017).

상세보기
P. Gerstoft, C. F. Mechlenbrauker, W. Seong, and M. Bianco, "Introdunction to compressive sensing in acoustics," J. Acoust. Soc. Am. 143, 3731 (2018).

상세보기
M. Bianco and P. Gerstoft, "Compressive acoustic sound speed profile estimation," J. Acoust. Soc. Am. 139, EL90-EL94 (2016).

상세보기
P. Gerstoft, "Multiple and single snapshot compressive beamforming," J. Acoust. Soc. Am. 138, 2003 (2015).

상세보기
C. Yardim, P. Gerstoft, W. Hodgkiss, and J. Traer, "Compressive geoacoustic inversion," J. Acoust. Soc. Am. 135, 1245-1255 (2014).

상세보기
Y. Park, W. Seong, and Y. Choo, "Compressive time delay estimation off the grid," J. Acoust. Soc. Am. 141, EL585-EL591 (2017).

상세보기
Y. Choo and W. Seong, "Compressive sound speed profile inversion using beamforming results," Remote. Sens. 10, 704 (2018).

상세보기
E. J. Candles, J. Romberg, and T. Tao, "Robust uncertainty princiles: Exact signal reconstruction from highly incomplete frequency information," IEEE Trans. Inf. Theory, 52, 489-509 (2006).

상세보기
E. J. Candles and T. Tao, "Near-optimal signal recovery from random projections: Universal encoding strategies," IEEE Trans. Inf. Theory, 52, 5406-5425 (2006).

상세보기
V. Chandrasekaran, B. Recht, P. A. Parrilo, and A. S. Willsky, "The convex geometry of linear inverse problems," Found. Comput. Math. 12, 805-849 (2012).

상세보기
E. J. Candes and C. Fernandez-Granda, "Towards a mathematical theory of super-resolution," Comm. Pure. Appl. Math, 67, 906-956 (2012).
A. Xenaki and P. Gerstoft, "Grid-free compressive beamforming," J. Acoust. Soc. Am. 137, 1923-1935 (2015).

상세보기
Y. Choo, J. Park, Y. Park, M. Park, and W. Seong, "Grid-free channel estimation of acoustic measurement data from SAVEX15," J. Acoust. Soc. Am. 140, 3055 (2016).
Y. Park, Y. Choo, and W. Seong, "Off-the-grid direction-of-arrival estimation with multiple measurement vectors," J. Acoust. Soc. Am. 142, 2728-2728 (2018).
G. Tang, B. N. Bhaskar, P. Shah, and B. Recht, "Compressed sensing off the grid," IEEE Trans. Inf. Theory, 59, 7465-7490 (2013).

상세보기
S. Boyd and L. Vandenberghe, Convex Optimization (Cambridge Univ. Press, New York, 2004), pp.215-231.
CVX: Matlab Software for Disciplined Convex Programming, http://cvxr.com/cvx/, (Last viewed March 5, 2020).
Y. Cho, Analysis on performance of various beamforming schemes using experimental data (in Korean), (Master thesis, Sejong University, 2019).

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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