선박기적음의 상호상관함수를 이용한 선박위치 추정 시스템 개발

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 최근 늘어나고 있는 어선 충돌사고에 있어 그 발생률을 줄이려 위치추정 및 경보시스템 개발에 대해 설명하고 있다.
위치를 정확히 알고 있는 다수의 마이크로폰 배열을 설치한 뒤 소리가 발생한 지점과 마이크로폰과의 직선거리를 측정하고 이를 바탕으로 마이크로폰 배열에 대한 소리 발생 지점의 상대적인 위치를 추정하는 방법을 제안하고 있다.
기본적인 알고리즘은 선박에서 나오는 선박기적음을 이용하는 것이다. 선박기적음을 두 개 이상의 마이크로폰으로 신호를 수집하고 수집된 데이터를 가지고 선박의 위치를 추정하게 되는 것이다. 그 과정에는 신호간의 상호상관함수가 이용 된다. 4개(전열 3개, 후열 1개)의 마이크로폰으로 신호를 취득할 수 있게 개발이 되었으며 각각에서 받은 신호간의 상호상관함수를 이용하여 각각의 마이크로폰에서의 음원의 도달시간 지연차를 구하게 되고 음원의 위치와 방향을 추정 할 수 있다. 또한 그 내용을 노트북 화면을 통해 실시간으로 통보가 가능하도록 되어있다.
신호를 취득하고 처리하는 과정에서 가장 중요한 알고리즘이 상호상관함수로 위치를 추정하는 것이다. 본문에서는 앞에 설명된 알고리즘을 적용하기 전 단계에서 1차적으로 음압레벨 차로 방향을 먼저 선정하게 된다. 이유는 다음 단계에서 상호상관함수를 이용한 추정과정에서 음원과의 각을 구할 때 0도와 180도를 기준으로 두 방향이 결과로 나오게 된다. 그래서 전 단계에서 1차적으로 음원의 방향을 선정하게 되는 것이다.
상호상관함수를 이용하여 위치를 추정하는 과정에서도 취득한 음원의 신호를 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환하여 음원으로부터 마이크로폰까지의 도달시간 지연차를 구하게 된다.
시스템에 사용되는 마이크로폰들의 위치와 사이 거리는 일정한 값이고 두 개의 마이크로폰사이에서 구해진 도달시간 지연차를 이용하여 음원의 위치를 나타내는 쌍곡선 궤적을 구할 수 있다. 그 궤적들의 교점을 통해 위치와 방향, 음원과의 각을 구 할 수 있다.
시스템에 사용된 마이크로폰은 앞서 설명한 바와 같이 4개(전열 3개, 후열 1개)가 사용되었으며 노트북을 기반으로하여 처리과정을 National Instruments사의 LABVIEW를 이용하였으며 신호취득은 동일회사의 USB기반의 DAQ 장비를 이용하였다. 노트북화면에는 각각의 마이크로폰에서 취득한 신호를 표시하고 신호간의 상호상관함수를 디스플레이하고 있다. 그리고 쌍곡선의 교점을 통해 구해진 음원의 위치를 표시하고 있다. 실시간으로 신호를 취득함으로써 음원이 발생 할 때 마다 그 위치를 추정하여 표시 할 수 있도록 되어있다. 더 나아가 음원의 방향과 거리는 음성통보를 할 수 있게 설계하였다.
실험은 울산과학대 대운동장에서 실시하였으며 거리를 50m, 100m, 200m에서 각각 10시, 12시, 2시 방향 두고 실험을 하였다. 실제상황과는 다르게 거리도 가깝게 줄였으며 선박기적음 대신 차량의 경적소리로 실험을 하였다. 30여회 실험을 통해 성능을 평가하였으며 개발된 시스템에는 거리에 대한 통보를 50m 단위로 하게 설계하여 평가할 때 정해진 상황을 추정 성공 여부를 테이블로 작성하여 평가를 하게 되었다. 그 결과 주어진 상황, 즉 거리와 방향에 대한 추정이 1~2회를 제외하고 모두 정확한 추정 결과를 얻을 수 있었다. 그리고 이시스템은우리나라의중,소형 어선에 설치를 위해 일체형으로 설계되었으며 배의 앞부분에 설치 할 수 있도록 하였다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 제 1 장 서론 ------------------------------------------------------------------ 1
• 1.1 연구의 배경 ------------------------------------------------------ 1
• 1.2 연구의 목적 ------------------------------------------------------ 2
• 제 2 장 관련 이론 --------------------------------------------------------- 3
• 2.1 선박기적음의 특성------------------------------------------------- 3
• 2.2 위치추정 적용 이론-------------------------------------------------------- 3
• 2.2.1 Intensity Level Differences(ILD)------------------------------ 4
• 2.2.2 TDE(ITD) based Method---------------------------------------------- 6
• 2.2.3 TED-BASED PHAT Method----------------------------------------- 15
• 2.2.4 ILD and PHAT BASED ANGLE OF ARRIVAL AND LOCAL CALCULATIONS METHODS------------------- 16
• 제 3 장 선박의 위치를 추정하는 시스템 개발
• 3.1 음압의 레벨만을 이용한 음원의 방향추정 시스템--------------- 22
• 3.2 음원의 도달시간지연차(TDOA)를 이용한 위치추정 시스템--- 26
• 제 4 장 성능 실험 및 평가 ---------------------------------------------- 35
• 4.1 성능 실험--------------------------------------------------------------------- 35
• 4.2 실험결과 및 성능평가----------------------------------------------------- 36
• 제 5 장 결 론 --------------------------------------------------------------- 42
• 참고 문헌 ------------------------------------------------------- 43
• Abstract ------------------------------------------------------- 45