수중에서 광대역 간섭 패턴 정합을 이용한 음원의 위치 추정 연구

천승용,김세영,김기만,Chun, Seung-Yong,Kim, Se-Young,Kim, Ki-Man 한국음향학회 2007 韓國音響學會誌 Vol.26 No.8

This paper proposes a method of underwater source localization using the wideband interference patterns matching. By matching two interference patterns in the spectrogram, it is estimated a ratio of the range from source to sensor5, and then this ratio is applied to the Apollonius circle. The Apollonius circle is defined as the locus of all points whose distances from two fixed points are in a constant value so that it is possible to represent the locus of potential source location. The Apollonius circle alone, however still keeps the ambiguity against the correct source location. Therefore another equation is necessary to estimate the unique locus of the source location. By estimating time differences of signal arrivals between source and sensors, the hyperbola equation is used to get the cross point of the two equations, where the point being assumed to be the source position. Simulations are performed to get performances of the proposed algorithm. Also, comparisons with real sea experiment data are made to prove applicability of the algorithm in real environment. The results show that the proposed algorithm successfully estimates the source position within an error bound of 10%. 본 논문에서는 간섭 패턴 정합을 이용한 수중 광대역 음원의 위치 추정법을 제안한다. 두 개의 센서 스펙트로그램에 나타나는 간섭 패턴의 정합을 통해 음원과 두 센서간의 상대적인 거리비를 추정하고 이를 아폴로니오스 원의 방정식에 적용하였다. 아폴로니오스의 원은 두 정점에 이르는 거리비가 일정한 값으로 운동하는 점의 자취로 정의되며, 음원의 위치로 추정 가능한 궤적을 나타낼 수 있다. 그러나 아폴로니오스의 원 하나만으로는 정확한 음원의 위치추정이 어렵다. 그러므로 또 하나의 위치 궤적을 추정 할 수 있는 방정식이 필요하다. 따라서 음원과 두 센서간의 신호도달 시간차이를 이용한 쌍곡선의 방정식을 도입하여 최종적인 음원의 위치는 두 방정식의 교점의 좌표로 추정하였다. 제안된 방법의 성능 평가를 위하여 모의실험을 통해 위치 추정 오차율을 분석하고, 해상실험을 통하여 실제 적용 가능성을 분석하였다. 모의실험 및 해상실험 결과 본 논문에서 제안된 위치 추정 알고리즘이 오차율 10% 이내의 성능을 나타내었다.

3개 센서의 광대역 신호 스펙트로그램에 나타나는 간섭패턴을 이용한 수중 표적의 위치 추정

김세영,천승용,김기만,Kim, Se-Young,Chun, Seung-Yong,Kim, Ki-Man 한국음향학회 2007 韓國音響學會誌 Vol.26 No.4

본 논문에서는 음향 스펙트로그램을 이용하여 수중 이동표적의 위치를 추정하기 위한 방법을 연구하였다. 주파수와 시간의 2차원 평면으로 표현되는 스펙트로그램은 수중 운동체의 이동 정보를 제공한다. 음원과 수신 센서간의 거리가 충분히 멀 경우 스펙트로그램의 넓은 주파수에 걸쳐 발생하는 줄무늬들은 해수면 및 해저면에 의해 반사된 모드간의 간섭을 의미하고, 이때 최대 음압이 발생하는 줄무늬의 기울기는 음향 도파관 불변인자 ${\beta}$와 표적과 센서간의 거리에 의해 영향을 받는다. 2개 이상의 센서를 사용하여 이동하는 선박의 광대역 방사 소음을 측정한 경우 스펙트로그램에 나타나는 최대 음압이 발생하는 줄무늬의 기울기와 줄무늬가 주파수축에서 천이된 비율이 표적과 센서간의 거리에 따라 각각 다르게 나타난다. 두개의 센서를 두 정점으로 가정하여 표적에 이르는 거리의 비가 일정한 값을 가지면서 운동하는 점의 자취인 아폴로니오스의 원을 형성하고, 3개의 센서를 사용할 경우 두 개의 원이 서로 교점을 형성하는데, 이 교점의 좌표를 표적의 위치라 추정한다. 제안된 위치 추정 기법의 성능을 평가하기 위해 음파전달 프로그램을 이용한 시뮬레이션을 수행하였다. In this paper, we propose a moving target localization algorithm using acoustic spectrograms. A time-versus-frequency spectrogram provide a information of trajectory of the moving target in underwater. For a source at sufficiently long range from a receiver, broadband striation patterns seen in spectrogram represents the mutual interference between modes which reflected by surface and bottom. The slope of the maximum intensity striation is influenced by waveguide invariant parameter ${\beta}$ and distance between target and sensor. When more than two sensors are applied to measure the moving ship-radited noise, the slope and frequency of the maximum intensity striation are depend on distance between target and receiver. We assumed two sensors to fixed point then form a circle of apollonios which set of all points whose distances from two fixed points are in a constant ratio. In case of three sensors are applied, two circle form an intersection point so coordinates of this point can be estimated as a position of target. To evaluates a performance of the proposed localization algorithm, simulation is performed using acoustic propagation program.

다중경로 음파전달이 HLA의 근거리 방위탐지에 미치는 영향

박정수,천승용,이성은,심태보,Park, Joung-Soo,Chun, Seung-Yong,Lee, Sung-Eun,Shim, Tae-Bo 한국음향학회 1997 韓國音響學會誌 Vol.16 No.6

다중경로의 영향을 분석하기 위하여 다중경로가 방위로 나타나는 과정을 설명하고, 동해와 남해의 대표적인 수직 음속구조를 이용하여 계산한 다중경로로부터 방위를 추정하였다. 또한 HLA의 빔형성 시뮬레이션을 실시하여 빔출력에 나타나는 잘못된 방위를 관찰하고 분석하였다. 수온 구조가 강한 음(-)의 기울기를 갖는 동해의 경우에 근거리에서 탐지된 방위가 실제 수평방위와 다르게 나타나고, 음원의 수가 잘못 탐지되는 구간이 발생할 가능성도 있는 것으로 보인다. To analyze the multipath propagation effects on the source bearing detection of HLA(Horizontal Line Array), the conversion mechanism of the multipath into the bearing is described, and the bearing is estimated from the multipath modeled with typical sound velocity structures of the East and the South Sea of Korea. The erroneous bearing is observed from the beamforming outputs simulated with the modeled multipath, and the erroneous phenomena are analyzed. In case of the East Sea, since the multipath propagation with a high receiving angle occurs due to strong inverse slope of the sound velocity structure, it is possible that the estimated source bearing is different from the real source bearing, and that the number of the source is misrecognized.

천해에서 간섭패턴 정합을 이용한 근거리 음원의 3차원 위치추정 기법연구

김세영,천승용,손윤준,김기만,Kim, Se-Young,Chun, Seung-Yong,Son, Yoon-Jun,Kim, Ki-Man 한국음향학회 2009 韓國音響學會誌 Vol.28 No.4

본 논문에서는 천해환경에서 근거리 광대역 음원의 3차원 위치추정 알고리즘을 제안한다. 음향 도파관 불변 이론에 따라 센서 스펙트로그램에 나타나는 간섭패턴의 기울기는 음원의 거리에 비례한다. 두 개의 센서 스펙트로그램에 나타나는 간섭패턴의 정합을 통해 음원과 두 센서간의 상대적인 거리비를 추정 하였다. 이를 아폴로니오스의 원에 적용하여 두 센서로부터 일정한 거리비를 가지는 음원의 궤적을 나타낸다. 3개의 센서를 이용하면 두 개의 아폴로니오스 원이 음원의 수평거리와 방위를 나타내는 교점을 형성하며 이는 음원의 수심에 대하여 일정하다. 따라서 음원의 깊이는 두 센서로부터 거리차가 일정한 3차원 쌍곡면의 방정식을 적용하여 최종 추정하였다. 제안된 알고리즘의 성능평가를 위하여 음파 전달 모델을 이용한 모의실험을 통해 위치추정 오차를 분석하였다. 모의실험 결과 음원의 거리에 대한 추정오차는 50 m이내, 깊이에 대한 추정오차는 15 m 이내인 것으로 나타났다. In this paper, we propose a 3-D geometric localization method for near-field broadband source in shallow water environments. According to the waveguide invariant theory, slope of the interference pattern which is seen in a sensor spectrogram directly proportional to a range of the source. The relative ratio of the range between source and sensors was estimated by matching of two interference patterns in spectrogram. Then this ratio is applied to the Apollonius's circle which shows the locus of a source whose range ratio from two sensors is constant. Two Apollonius's circles from three sensors make the intersection point that means the horizontal range and the azimuth angle of the source. And this intersection point is constant with source depth. Therefore the source depth can be estimated using 3-D hyperboloid equation whose range difference from two sensors is constant. To evaluate a performance of the proposed localization algorithm, simulation is performed using acoustic propagation program and analysis of localization error is demonstrated. From simulation results, error estimate for range and depth is described within 50 m and 15 m respectively.

Array Invariant를 이용한 수중 광대역 음원의 거리 추정성능 분석

김세영,천승용,김부일,김기만,Kim Se-Young,Chun Seung-Yong,Kim Boo-Il,Kim Ki-Man 한국음향학회 2006 韓國音響學會誌 Vol.25 No.6

In this paper the performance of a array invariant method is evaluated for source-range estimation in horizontally stratified shallow water ocean waveguide. The method has advantage of little computationally effort over existing source-localization methods. such as matched field processing or the waveguide invariant and array gain is fully exploited. And. no knowledge of the environment is required except that the received field should not be dominated by purely interference This simple and instantaneous method is applied to simulated acoustic propagation filed for testing range estimation performance. The result of range estimation according to the SNR for the underwater impulsive source with broadband spectrum is demonstrated. The spatial smoothing method is applied to suppress the effect of mutipath propagation by high frequency signal. The result of performance test for range estimation shows that the error rate is within 20% at the SNR above 10dB. 본 논문에서는 성층화된 천해 음향도파관 환경에서 빔-시간 강도 패턴을 이용한 음원 거리추정 기법인 배열 불변성 이론에 대한 성능을 분석하였다. 기존의 수중음원 위치추적 방법으로 잘 알려진 정합장 처리, 음향도파관 불변성 추정법 등에 비해 계산량을 절감 할 수 있고, 배열 이득을 충분히 활용할 수 있는 이점을 가진다. 또한, 기타 간섭 신호원의 영향을 크게 받지 않는 상황에서는 수중 환경에 대한 자세한 사전정보가 요구되지 않는다. 기존의 수중 음원 위치 추정법들에 비해 간단하고 순간적인 음원의 거리 추정이 가능한 배열 불변성 방법의 성능을 분석하기 위해 모의 음파 전달 음장을 이용한 시뮬레이션을 수행하였다. 광대역을 가지는 수중 충격성 음원에 대하여 SNR 에 따른 거리 추정 결과를 나타내었고 고주파 신호의 다중경로 전파 현상을 억제시키기 위해 공간 스무딩 기법을 적용하였다. 거리추정 성능을 분석한 결과, SNR 10dB의 환경에서 20% 내의 오차율을 보였다.

동해에서의 삼중 선 배열 센서들의 잡음 상관관계 분석

류영우,정의철,천승용,Ryu, Youngwoo,Jeong, Euicheol,Chun, Seung-yong 한국음향학회 2015 韓國音響學會誌 Vol.34 No.6

A triplet line array has a capability for solving left/right ambiguity problem and high directivity of line array. For this, high computational powers and correlation between nearby sensors must be considered. Hardware powers are dramatically increased, so various adaptive beamforming techniques and signal processing techniques can be adopted for large triplet line array. To investigate the optimum signal processing method and improve the target detection capability, we need to analyze the noise correlation among the triplet line array sensors in real environment. In this paper we analyze the experimental data in the East Sea, investigate noise correlation between three hydrophones in triplet sensors, among the triplet sensors and time varying properties. Based on the acquired results, it is possible to verify some information for beamforming and signal processing methods with considering the properties of the triplet line array. 삼중 선 배열은 좌/우 구분된 표적 방위 탐지와 선 배열의 높은 지향지수와 같은 장점을 지닌다. 그러나 이를 구현하기 위해서는 선 배열 대비 높은 연산능력과 센서 간의 좁은 간격으로 인한 높은 센서 간 상관관계를 고려하여야 한다. 연산능력은 급격한 하드웨어의 발달로 다양한 적응빔형성 기법 / 신호처리 기법을 적용하기에 문제가 없으나, 적용 가능한 최적의 신호처리 기법을 파악하고 표적 탐지 능력을 향상시키기 위해서는 수중에서 운용하는 삼중 선 배열로 수신되는 잡음 신호에 대한 센서 간 상관관계에 대한 분석이 필수적으로 수행되어야 한다. 본 논문에서는 동해에서 획득한 실험 데이터를 이용하여 삼중 선 배열을 구성하는 삼중 센서의 각 센서간 잡음 신호의 상관관계, 선형으로 나열된 삼중 센서 잡음 신호간 상관관계, 각 채널에서의 잡음 신호의 시변 특성 분석을 수행하였다. 도출된 결과를 바탕으로 삼중 선 배열의 특성을 고려한 빔형성 및 신호처리 기법에 필요한 정보를 확인하였다.

수중통신에서 고 전송률을 위한 효율적인 복호 방법

백창욱,정지원,천승용,김우식,Baek, Chang-Uk,Jung, Ji-Won,Chun, Seung-Yong,Kim, Woo-Sik 한국음향학회 2015 韓國音響學會誌 Vol.34 No.4

수중에서의 음향 통신의 성능은 신호의 다중 경로 전달과정에 의해 발생하는 지역 확산 현상으로 인하여 인접 심볼간 간섭의 영향을 받는다. 따라서, 인접 심볼 간 간섭을 제거하기 위하여 수중 통신에 적합한 등화기 기술, 채널 부호화 기술이 필요하다. 또한, 수중에서는 시변 채널의 영향으로 인해 긴 사이즈의 데이터 전송 중 채널의 변화에 따라 수신 신호의 높은 오류율을 야기 시킨다. 본 논문에서는 다중 경로 환경에서 원활한 통신과 함께 수신 신호의 성능을 향상시키기 위하여 낮은 SNR(Signal to Noise Ratio)에서 우수한 성능을 보이는 부호화 기법인 BCJR(Bahl, Cocke, Jelinek, Raviv) 기반 컨볼루션 부호와 다중 경로로 인해 왜곡된 데이터를 보상하기 위한 기법인 결정 궤환 등화기가 결합된 터보 등화기를 기반으로 제한된 대역폭 내에서 전송률을 향상시킬 수 있는 큰 사이즈의 데이터를 효율적으로 복호 하는 방법에 대해 경북 문경시 경천호에서의 실제 수중 실험을 통하여 성능을 분석하였다. Acoustic channels are characterized by long multipath spreads that cause inter-symbol interference. The way in which this fact influences the design of the receiver structure is considered. To satisfy performance and throughput, we presented consecutive iterative BCJR (Bahl, Cocke, Jelinek, Raviv) equalization to improve the performance and throughput. To achieve low error performance, we resort to powerful BCJR equalization algorithms that iteratively update probabilistic information between inner decoder and outer decoder. Also, to achieve high throughput, we divide long packet into consecutive small packets, and the estimate channel information of previous packets are compensated to next packets. Based on experimental channel response, we confirmed that the performance is improved for long length packet size.

능동소나 시스템을 위한 삼중 배열의 적응 빔형성

안재균,류영우,천승용,김성일,Ahn, Jae-Kyun,Ryu, Yongwoo,Chun, Seung-Yong,Kim, Seongil 한국음향학회 2018 韓國音響學會誌 Vol.37 No.1

본 논문에서 우리는 능동소나 시스템에서 삼중 배열의 적응 빔형성 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 정합필터, 카디오이드 빔형성, 선배열 빔형성으로 구성된 3단계의 과정을 통해 빔형성을 수행한다. 먼저, 송신 펄스에 대한 정합필터를 개별 수신 센서 신호에 적용하여 필터링된 신호를 획득한다. 그리고 정합필터 출력에 푸리에 변환을 적용하고, 각 삼각 센서 별 카디오이드 빔을 형성한다. 최종적으로 삼각 센서에 대한 카디오이드 빔들을 선배열 신호의 입력으로 가정하여 선배열 적응 빔형성을 적용한다. 실험 결과를 통해 제안하는 방법의 성능이 기존 기법보더 더 우수함을 확인한다. In this paper, we propose an adaptive beamforming algorithm of triplet arrays for active sonar systems. The proposed algorithm consists of three steps: matched filters, cardioid beamforming, and line array beamforming. First, we apply a matched filter of a transmitted pulse to received individual sensor signals and obtain filterd signals. Then, we perform the fast Fourier transform to the matched filter results, and make a cardioid beam for each triplet data, respectively. Finally, we apply an adaptive beamforming by assuming that the cardioid beams are input signals of a line array. Experimental results demonstrate that the proposed algorithm provides better performances than conventional algorithms.

삼중 배열 소나를 위한 강인한 적응 빔형성 기법

안재균,류영우,천승용,김성일,Ahn, Jae-Kyun,Ryu, Yongwoo,Chun, Seung-Yong,Kim, Seongil 한국음향학회 2017 韓國音響學會誌 Vol.36 No.2

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. 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.

수중 다중경로 채널에서 효과적인 채널추정을 위한 비트 분리 방법

김민혁,박태두,김철승,정지원,천승용,손권,Kim, Min-Hyuk,Park, Tae-Doo,Kim, Chul-Seung,Jung, Ji-Won,Yong, Chun-Seung,Sohn, Kwon 한국정보통신학회 2010 한국정보통신학회논문지 Vol.14 No.10

수중에서의 통신은 해수면과 해저면 등에 의한 신호의 반사에 의해 발생한 다중경로 현상으로 신호가 왜곡되어 원활한 통신이 어렵다. 본 논문에서는 다중경로에 의해 왜곡된 수신신호로부터 채널 복호기에 입력되는 신호를 최대한 정확하게 추정하기 위하여 최대값, 평균값, LLR 방법을 이용하여 수신된 신호를 분리하는 방법을 제안한다. 채널 부호화 방법으로는 DVB-S2 규격의 LDPC(N Size=16000)를 적용하여 각각의 방법에 따른 성능을 확인하였다. 시뮬레이션 결과 제안한 기법 중 LLR을 이용한 방법이 가장 우수한 성능을 보이는 것을 확인 할 수 있다. Underwater acoustic(UWA) communication has multipath error because of reflection by sea-level and sea-bottom. The multipath of UWA channel causes signal distortion and error floor. In this paper, we proposed split input bits of channel decoder using method of maximum value, average value, LLR value for optimal estimation. Channel coding method is LDPC(N size=16000) standard in DVB-S2. As shown in simulation results, the performance of LLR value method is better than other methods.