[논문]DIFAR Sonobuoy의 시간영역에서의 음원 방향 추정

김정화; 이백열; 배현기; 박순종; 김천덕; 임정빈; 이영욱

[국내논문] DIFAR Sonobuoy의 시간영역에서의 음원 방향 추정
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김정화 (부경대학교 대학원) , 이백열 (부경대학교 대학원) , 배현기 (부경대학교 대학원) , 박순종 (부경대학교 대학원) , 김천덕 (부경대학교 공과대학 전기제어계측공학부) , 임정빈 (목포해양대 해양운송시스템학부) , 이영욱 ((주)넥슨)

시간영역에서의 음원 방향 추정 알고리즘을 이용하여 수동형 DIFAR Sonobuoy 의 도래각 추정 성능 평가 시스템을 구성하고 추정 오차에 대하여 고찰하였다. 일반 실내에서 음원주파수 $f_0(700Hz\~1.7kHz)$로 입사하는 음원에 대하여 도래각을 추정한 결과 한 주기당 한계 ${\pm}10^{\circ}$ 이내로 약 $80\%$ 이상 추정 결과로 나타났으며 특히, 1.7kHz 의 경우는 ${\pm}2.97^{\circ}$로 적은 오차를 보임에 따라 이 대역에서의 기준 주파수로 평가 시스템에 적용할 수 있음을 확인하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 생산단계에서 사용할 수 있는 도래각 추정 성능 평가 시스템을 구성하기 위하여 시간영역 및 주파수 영역에서 사용되고 있는 여러 가지 도래각 추정 알고리즘 중 간편하게 이용 가능한 Delay-and-Sum Beamforming 기법을 적용하고[3,4], 일반 실내에서 임 의의 주파수를 가지고 입사되는 음향 신호의 도래각을 추정하여 시스템의 도래각 추정 오차의 기준을 작성하고자 한다.
본 논문에서는 생산단계에서 사용할 수 있는 도래각 추정 성능 평가 시스템을 구성하기 위하여 시간영역 및 주파수 영역에서 사용되고 있는 여러 가지 도래각 추정 알고리즘 중 간편하게 이용 가능한 Delay-and-Sum Beamforming 기법을 적용하고[3,4], 일반 실내에서 임 의의 주파수를 가지고 입사되는 음향 신호의 도래각을 추정하여 시스템의 도래각 추정 오차의 기준을 작성하고자 한다.

제안 방법

onobuoy를 회전시켜 도래각을 변화시킨다. 먼저 음향 신호의 도래각를 일정하게 변화시키기 위해 DC Step Motor를 사용하였고, 이를 제어하기 위해 D/A 보드에서 원하는 각도만큼의 신호를 출력하여 Motor를 제어하게 된다. 방사되는 일정 주파수의 음향 신호 또한 D/A 보드에서 사용하고자 하는 주파수 신호로 제어하게 된다.
수동형 DIFAR Sonobuoy 에 대해 실제 음원의 방향 추정과 그 오차에 대한 평가 시스템을 구현하기 위해 공기 중에서 시간영역 의 추정 알고리즘을 사용하여 일정 각도로 입사해 들어오는 음향 신호에 대해 각각 그 도래각을 추정하였다. 그 결과 한 주기의 약 80% 이상 의 데이터가 실제 각도를 나타냈으며 그 오차 정도는 음향 신호의 주파수 f₀ 가 1.
수동형 DIFAR Sonobuoy 에 대해 실제 음원의 방향 추정과 그 오차에 대한 평가 시스템을 구현하기 위해 공기 중에서 시간영역 의 추정 알고리즘을 사용하여 일정 각도로 입사해 들어오는 음향 신호에 대해 각각 그 도래각을 추정하였다.
이 때 A/D의 샘플링 주파수는 정현파 신호 주파 수의 100배이다. 위와 같은 평가 시스템을 운용하기 위하여 A/D 와 D/A 보드의 시스템 제어 및 A/D 한 신호로부터 도래각 추정을 위한 알고리즘 구성에 사용된 소프트웨어는 LabVIEW[5]를 이용하였으며 총괄적인 제어 및 전시가 가능하도록 구성하였다.
이 때 A/D의 샘플링 주파수는 정현파 신호 주파 수의 100배이다. 위와 같은 평가 시스템을 운용하기 위하여 A/D 와 D/A 보드의 시스템 제어 및 A/D 한 신호로부터 도래각 추정을 위한 알고리즘 구성에 사용된 소프트웨어는 LabVIEW[5]를 이용하였으며 총괄적인 제어 및 전시가 가능하도록 구성하였다.

성능/효과

그 결과 한 주기의 약 80% 이상의 데이터가 실제 각도를 나타냈으며 그 오차 정도는 음향 신호의 주파수 f0 가 1.7kHz 의 경우 ±2.97 °, f0 가 700Hz 에서는 ±8.99 °로써 10 ° 이내로 보이고 있다.
99。로써 10 ° 이내로 보이 고 있다. 따라서 평가 시스템의 경우 오차의 범위가 적게 나타나는 고주파수에서 유효할 것으로 보이고, 실제 생산라인에서 Sonobuoy의 도래각 추정 평가 시스템을 적가능한 것을 확인하였다.
표 1은 두 주파수 영역에서 음원 도리각 추정시 30 ° 간격으로 했을 경우 추정각도와 그 오无를 나타낸 것이 다. 전체의 데이터 중에서 실제 각도에 영향을 미치는 의미 있는 값들만을 평균하여 나타낸 값으로 1.7kHz 의 경우 최대 -8.50(210 °)에서 +3.01(130 °)로 평균 土 2.97 ° 의 오차를 보이고 있다. 700Hz 의 경우는 최대 -16.

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