KR101740363B1 - 항적 탐지기 및 그것의 항적 탐지 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수중 및/또는 수상에서 움직이는 배의 항적을 탐지하는 항적 탐지기 및 그것의 항적 탐지 방법에 관한 것이다. 상기 항적 탐지기는, 단일 주파수를 가지는 연속파를 송신신호로 생성하는 신호 생성부; 상기 송신신호가 목표물에 의하여 발생하는 미세 기포로부터 반사되어 돌아오는 신호를 수신신호로 수신하는 신호 수신부; 상기 송신신호의 켑스트럼 신호 및 상기 수신신호의 켑스트럼 신호를 연산하는 켑스트럼 연산부; 상기 송신신호의 켑스트럼 신호 및 상기 수신신호의 켑스트럼 신호를 이용하여 수중채널의 추정 값을 연산하는 채널 추정부; 상기 추정 값에서 항적신호에 의한 채널성분을 추출하고, 추출된 채널성분을 이용하여 상기 항적신호를 추정하는 항적신호 추정부; 및 상기 추정된 항적신호를 출력하는 출력부를 포함한다.

Description

항적 탐지기 및 그것의 항적 탐지 방법{WAKE DETECTORS AND WAKE DETECTING METHOD THEREOF}
본 발명은 수중 및/또는 수상에서 움직이는 배의 항적을 탐지하는 항적 탐지기 및 그것의 항적 탐지 방법에 관한 것이다.
해상에서 목표물(또는, 수중이나 수상을 움직이는 선박 및 함정)을 더욱 빠르고 정확하게 탐지하는 것은 해상 탐지 기술에서 매우 중요한 과제이다. 해상 탐지 수단으로 음향, 자기, 전자파, 광학 등이 있으며 음향을 이용한 수중음파탐지기인 소나가 가장 널리 사용되고 있다.
선박을 탐지하는 방법은 크게 능동탐지와 수동탐지가 있다. 능동탐지는 음파를 발생시켜 목표물에 반사되는 신호를 분석하여 탐지하는 방법이며, 수동탐지는 목표물에서 방사되는 기계음 등의 신호를 분석하여 탐지하는 방법이다. 능동탐지는 잔향잡음 (reverberation)과 음향기만기에 의해 탐지 성능의 저하를 겪으며, 수동탐지는 방사소음 감소기술의 진보로 인하여 높은 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)를 얻기 어려운 특징이 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
또 다른 목적은, 해상에서 이동 중인 목표물의 항적을 탐지할 수 있는 항적 탐지기 및 그것의 항적 탐지 방법을 제공하는 것이다.
또 다른 목적은, 해상에서 이동 중인 목표물에 의하여 발생하는 미세 기포의 양이 적은 상황에도 목표물의 항적을 탐지할 수 있는 항적 탐지기 및 그것의 항적 탐지 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 항적 탐지기는, 단일 주파수를 가지는 연속파를 송신신호로 생성하는 신호 생성부; 상기 송신신호가 목표물에 의하여 발생하는 미세 기포로부터 반사되어 돌아오는 신호를 수신신호로 수신하는 신호 수신부; 상기 송신신호의 켑스트럼 신호 및 상기 수신신호의 켑스트럼 신호를 연산하는 켑스트럼 연산부; 상기 송신신호의 켑스트럼 신호 및 상기 수신신호의 켑스트럼 신호를 이용하여 수중채널의 추정 값을 연산하는 채널 추정부; 상기 추정 값에서 항적신호에 의한 채널성분을 추출하고, 추출된 채널성분을 이용하여 상기 항적신호를 추정하는 항적신호 추정부; 및 상기 추정된 항적신호를 출력하는 출력부를 포함한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 항적 탐지기는, 상기 추정된 항적신호의 파워를 기설정된 기준과 비교하고, 비교결과에 따라 선택적으로 상기 추정된 항적신호를 상기 출력부로 출력하는 항적신호 검출부를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 항적신호 검출부는, 상기 추정된 항적신호의 파워에 대하여 일정시간 동안의 평균값을 산출하고, 상기 산출된 평균값이 상기 기설정된 기준보다 큰 경우, 상기 추정된 항적신호를 상기 출력부로 출력할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 항적 신호 추정부는, 상기 추정 값에서 해수면 반사신호에 의한 채널성분을 문턱 값을 이용하여 제거할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 문턱 값은 상기 수신신호의 수신환경에 따라 다르게 설정될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 채널 추정부는, 상기 수신신호의 켑스트럼 신호와 상기 송신신호의 켑스트럼 신호의 차를 이용하여 상기 수중채널의 켑스트럼 신호를 연산하고, 상기 수중채널의 켑스트럼 신호에 대한 역 켑스트럼 연산(inverse cepstrum computation)을 통해 상기 추정 값을 연산할 수 있다.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예는 항적 탐지기의 항적 탐지 방법과 관련된다. 상기 항적 탐지 방법은, 단일 주파수를 가지는 연속파를 송신신호로 생성하는 단계; 상기 송신신호가 목표물에 의하여 발생하는 미세 기포로부터 반사되어 돌아오는 신호를 수신신호로 수신하는 단계; 상기 송신신호의 켑스트럼 신호 및 상기 수신신호의 켑스트럼 신호를 연산하는 단계; 상기 송신신호의 켑스트럼 신호 및 상기 수신신호의 켑스트럼 신호를 이용하여 수중채널의 추정 값을 연산하는 단계; 상기 추정 값에서 항적신호에 의한 채널성분을 추출하고, 추출된 채널성분을 이용하여 상기 항적신호를 추정하는 단계; 및 상기 추정된 항적신호를 출력하는 단계를 포함한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 추정된 항적신호의 파워를 기설정된 기준과 비교하고, 비교결과에 따라 선택적으로 상기 추정된 항적신호를 상기 출력부로 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 추정된 항적신호를 상기 출력부로 출력하는 단계는, 상기 추정된 항적신호의 파워에 대하여 소정시간 동안의 평균값을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 평균값이 상기 기설정된 기준보다 큰 경우, 상기 추정된 항적신호를 상기 출력부로 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 항적신호를 추정하는 단계는, 상기 추정 값에서 해수면 반사신호에 의한 채널성분을 문턱 값을 이용하여 제거할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 문턱 값은 상기 수신신호의 수신환경에 따라 다르게 설정될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 추정 값을 연산하는 단계는, 상기 수신신호의 켑스트럼 신호와 상기 송신신호의 켑스트럼 신호의 차를 이용하여 상기 수중채널의 켑스트럼 신호를 연산하는 단계; 및 상기 수중채널의 켑스트럼 신호에 대한 역 켑스트럼 연산(inverse cepstrum computation)을 통해 상기 추정 값을 연산하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 영상 개선 방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따르면 수상함 항적신호를 탐지하기 위하여 켑스트럼(cepstrum)을 이용하여 시간 및 주파수 영역에서 코히어런트(coherent) 한 해수면 반사신호와 항적신호의 합으로부터 해수면 반사신호가 분리된 항적신호만을 얻어냄으로써, 항적신호의 파워가 낮아서 수신신호의 파워만으로 항적탐지가 어려운 경우에도 항적탐지를 효과적으로 수행할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 선박에 의해 발생되는 기포의 양이 적은 경우에 항적신호의 탐지확률을 향상시킬 수 있다는 특징이 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 항적 탐지기(100)에 수신되는 신호의 일반적인 형태를 설명하기 위한 그래프.
도 2는 수중채널에서 해수면 반사신호에 의한 성분과 항적신호에 의한 성분의 형태를 나타내는 그래프.
도 3은 시간 영역에 포함된 임의의 신호로부터 켑스트럼 신호(cepstrum signal)를 얻는 과정을 설명하기 위한 개념도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 항적 탐지기(100)를 설명하기 위한 블록도.
도 5는 도 4의 항적 탐지기(100)의 항적 탐지 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 6은 켑스트럼(cepstrum) 이용한 해수면 신호분리 과정에서 수신신호 및 생성된 항적신호, 이로부터 추정된 수중채널과 항적신호의 예를 나타내는 예시도.
도 7은 켑스트럼(cepstrum)을 이용한 항적탐지에서의 신호처리 블록도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 항적 탐지기에서 배의 항적을 탐지하는 방법에 관한 것으로, 해수면 반사신호, 항적 반사신호, 그리고 잡음 신호가 포함되어 있는 수신 신호로부터 켑스트럼(cepstrum)을 이용하여 해수면 반사신호 성분을 분리함으로써 항적신호의 파워만을 추출하는 방법에 관한 것이다.
수중 및/또는 수상에서 이동하는 배는 항해 중에 미세 기포를 발생시키는데 이러한 미세 기포의 흐름을 항적이라 한다. 여기서, 배는 군사용 및/또는 비군사용 선박을 통틀어 포함하며, 군함, 구축함, 어뢰정, 소행정, 항모, 수상함 등을 포함한다.
능동탐지와 수동탐지 이외에 고주파 음향신호를 발생시켜서 목표물에 의해 발생하는 미세 기포로부터 반사된 신호를 이용하여 목표물을 탐지하는 기술을 항적 탐지라고 한다. 항적 탐지는 음향 기만기에 영향을 받지 않고 목표물의 형태와 상관없이 탐지가 가능하다는 특징이 있으며 본 발명은 이러한 항적 탐지에 관한 것이다.
이하, 항적 탐지기에 수신되는 수신신호의 특징에 대해 설명한다.
항적탐지기에 수신되는 수신신호를 y[n]이라고 할 때, s[n]은 해수면 반사신호, 항적신호 w[n], 그리고 잡음신호 g[n]으로 구성되며 아래의 [수학식 1]로 표현할 수 있다.
Figure 112016029044718-pat00001
항적 탐지기에 신호가 정상적으로 수신될 때, 수신신호 y[n]은 해수면 반사신호 s[n]를 포함한다는 특징을 가진다. 해수면 반사신호 s[n]는 도 1에서와 같이 짧은 시간에 큰 값을 가지는 특징이 있다.
반면에, 항적신호 w[n]는 상대적으로 긴 시간에 걸쳐 존재하며, 선박의 항해에 의해 발생하는 미세 기포가 존재하는 경우에만 수신된다. 또한, 미세 기포의 양에 따라 항적신호 w[n]의 크기는 달라지는데, 이러한 항적신호 w[n]를 탐지하는 가장 간단한 방법으로 수신신호 y[n]의 파워를 이용하는 방법이 있다.
만약 항적신호 w[n]의 크기가 커서 해수면 반사신호 s[n]와 비슷하거나 큰 크기를 가질 경우 하나의 핑 수신신호 내에 존재하는 항적신호 w[n]의 파워가 매우 크게 나타나므로 이러한 항적신호 w[n]를 탐지하는 것은 어렵지 않다.
하지만, 항적신호 w[n]의 크기가 해수면 반사신호 s[n]에 비해 상대적으로 작은 값을 가지는 경우, 항적신호 w[n]가 있을 경우와 없을 경우의 수신신호 y[n] 파워의 차이가 크지 않기 때문에 항적신호 w[n]의 존재유무를 판단하기 어렵다. 따라서, 이러한 경우에는 해수면 반사신호 s[n]를 분리한 뒤에 존재하는 항적신호 w[n]에 대해서만 파워를 추출하여야만 높은 탐지 확률을 얻을 수 있다.
그런데 항적신호 w[n]는 해수면 반사신호 s[n]와 시간 및 주파수 측면에서 코히어런트(coherent)하므로 일반적인 시간 혹은 주파수 분석에 의해 완벽히 구분하기가 쉽지 않은 특징이 있다.
항적 탐지기의 수신신호 y[n]를 채널관점에서 표현하면 [수학식 1]은 송신신호와 채널의 콘볼루션을 이용하여 아래의 [수학식 2]로 나타낼 수 있다.
Figure 112016029044718-pat00002
여기서, x[n]은 송신신호를 나타내며 단일주파수를 가지는 연속파(continuous wave, CW)이고, h[n]은 송신신호를 반사시키는 수중채널을 의미하며 *는 콘볼루션 연산을 나타낸다.
수중채널은 해수면에 의한 경로와 항적신호에 의한 경로 성분으로 구성되는데, 도 2에 나타낸 바와 같이 일반적으로 해수면에 의한 성분은 큰 값을 가지는 하나의 샘플로 나타나고 항적신호에 의한 성분은 해수면에 의한 성분의 전후 시간에서 작은 값을 가지는 다수의 성분으로 나타난다. 이러한 특징을 이용하여 수중채널 을 추정하여 해수면 성분에 해당하는 값을 분리한다면 시간 혹은 주파수 영역 분석에 의한 방법에 비해 비교적 정확하게 항적신호를 얻어낼 수 있다.
채널추정은 무선통신에서 일반적으로 사용되는데, 항적탐지에서의 채널추정은 송신에 사용되는 신호가 협대역 신호라는 점에서 무선통신에서의 채널추정과는 다르다고 할 수 있다. 본 발명에서는 협대역 신호를 사용하는 항적 탐지기에서 수중채널을 얻기 위한 방법으로 켑스트럼(cepstrum)을 사용한다.
켑스트럼(cepstrum)은 시간 영역의 함수 G(t)의 스펙트럼 G를 다시 한번 푸리에 변환한 G(t)의 2차 주파수 스펙트럼으로부터 만들어진 단어이다. 주파수 영역에서의 주파수, 진폭, 위상에 대응되는 개념을 켑스트럼 영역에서는 각각 큐프렌시(quefrency), 램피튜드(lampitude), 사프(saphe)라 한다. 또한, 시간 영역이나 주파수 영역에서의 필터링에 대응되는 개념을 리프터링(liftering)이라 한다. 켑스트럼 분석은 주파수 스펙트럼이 주기성을 갖는 신호를 분석하는데 유용하며, 주파수 스펙트럼에 로그를 취한 다음 푸리에 역변환함으로써 이루어질 수 있다.
이하, 켑스트럼(cepstrum)에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
켑스트럼(cepstrum)은 시간 영역 신호로부터 퓨리에 변환(Fourier transform), 로그(logarithm), 그리고 역퓨리에 변환의 과정을 거쳐 얻어진 연산결과를 말한다.
임의의 신호 x[n]의 스펙트럼은 아래의 [수학식 3]과 같은 퓨리에 변환을 이용하여 얻을 수 있다.
Figure 112016029044718-pat00003
[수학식 3]으로부터 얻어진 주파수 영역 신호의 크기에 로그(log)를 취하면 아래의 [수학식 4]와 같이 표현된다.
Figure 112016029044718-pat00004
[수학식 4]로부터 역퓨리에 변환 연산을 이용하여 임의의 신호 x[n]에 대한 켑스트럼 신호(cepstrum signal) xc[n]을 얻으면 [수학식 5]와 같다.
Figure 112016029044718-pat00005
도 3은 임의의 신호 x[n]로부터 켑스트럼 신호(cepstrum signal) xc[n]를 얻는 과정을 나타낸다. 상술한 켑스트럼(cepstrum) 연산 과정으로부터 시간 영역에서 콘볼루션 관계에 있는 신호는 주파수 영역에서 곱으로 표현되고 로그(log)에 의해 켑스트럼 영역(cepstral area)에서 합으로 표현된다는 특징이 있으며, 이러한 특징을 이용하여 콘볼루션 관계에 있는 신호를 켑스트럼 영역(cepstral area)에서 합 신호로 분리할 수 있다. 이를 이용하여 송신신호와 채널신호 간의 분리가 가능한데, 이렇게 콘볼루션 연산된 신호를 합 신호 등으로 분리하는 것을 디콘볼루션(deconvolution)이라고 한다.
켑스트럼(cepstrum)의 경우 복소 로그(log)를 이용한 복소 켑스트럼(cepstrum)을 사용하는 경우가 일반적인데, 이는 위상정보를 유지시켜 원 신호를 복원하기 위함이다. 본 발명에서는 원 신호의 복원보다는 추정된 신호의 파워를 얻는 것을 그 목적으로 하기 때문에 실수 켑스트럼(cepstrum)과 복소 켑스트럼(cepstrum)에 대한 제한을 두지 않는다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 항적 탐지기(100)를 설명하기 위한 블록도이고, 도 5는 도 4의 항적 탐지기(100)의 항적 탐지 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 항적 탐지기(100)는, 신호 생성부(110), 신호 수신부(120), 켑스트럼 연산부(130,140), 채널 추정부(150), 항적신호 추정부(160), 항적신호 검출부(170) 및 출력부(180)를 포함한다.
먼저, 상기 신호 생성부(110)는 단일주파수를 가지는 연속파(continuous wave, CW)인 송신신호 x[n]을 생성한다(S510). 상기 송신신호는 시간 영역의 시간에 해당한다.
다음으로, 상기 신호 수신부(120)는 상기 송신신호가 목표물에 의하여 발생하는 미세 기포로부터 반사되어 돌아오는 신호를 수신신호로 수신한다(S520). 상기 수신신호를 y[n]이라고 할 때, s[n]은 해수면 반사신호, 항적신호 w[n], 그리고 잡음신호 g[n]으로 구성되며 [수학식 1]로 표현된다.
다음으로, 켑스트럼 연산부는 상기 송신신호의 켑스트럼 신호 및 상기 수신신호의 켑스트럼 신호를 연산한다(S430).
보다 빠른 연산이 이루어지도록, 켑스트럼 연산부는, 수신신호 켑스트럼 연산부(130)와 송신신호 켑스트럼 연산부(140)를 포함할 수 있다. 상기 수신신호 켑스트럼 연산부(130)는 [수학식 2] 내지 [수학식 5]를 이용하여 수신신호의 켑스트럼 신호 xc[n]를 연산한다. 상기 송신신호 켑스트럼 연산부(140)는 [수학식 2] 내지 [수학식 5]를 이용하여 송신신호의 켑스트럼 신호 yc[n]를 연산한다.
다음으로, 상기 채널 추정부(150)는 상기 송신신호의 켑스트럼 신호 및 상기 수신신호의 켑스트럼 신호를 이용하여 수중채널의 추정 값을 연산한다(S540). 보다 구체적으로, 상기 추정 값을 연산하는 단계는, 상기 수신신호의 켑스트럼 신호와 상기 송신신호의 켑스트럼 신호의 차를 이용하여 상기 수중채널의 켑스트럼 신호를 연산하는 단계 및 상기 수중채널의 켑스트럼 신호에 대한 역 켑스트럼 연산(inverse cepstrum computation)을 통해 상기 추정 값을 연산하는 단계를 포함한다.
잡음신호가 없다고 전제하면, 아래의 [수학식 6]의 과정을 통해 [수학식 7]을 얻을 수 있다.
Figure 112016029044718-pat00006
Figure 112016029044718-pat00007
여기서, F- 1[·]는 역퓨리에 변환을 의미하며, [수학식 7]을 통해 상기 수신신호의 켑스트럼 신호 yc[n]가 상기 송신신호의 켑스트럼 신호 xc[n]와 수중채널의 켑스트럼 신호 hc[n]의 합으로 표현되는 것을 확인할 수 있다.
상기 송신신호의 켑스트럼 신호 xc[n]는 송신신호 x[n]로부터 얻을 수 있으므로, 상기 수중채널의 켑스트럼 신호는 아래의 [수학식 8]과 같이 표현된다.
Figure 112016029044718-pat00008
[수학식 8]로부터 얻어진 상기 수중채널의 켑스트럼 신호 hc[n]를 역 켑스트럼 변환(inverse cepstrum computation)하면, 상기 수중채널의 추정 값을 [수학식 9]와 같이 얻을 수 있다.
Figure 112016029044718-pat00009
즉, 항적채널 추정부(160)는 문턱 값을 이용해 좁은 영역에서 큰 값을 가지는 해수면 반사신호의 채널성분을 분리하여 항적채널만을 얻는다.
다음으로, 상기 항적신호 추정부(160)는 상기 추정 값에서 항적신호에 의한 채널성분을 추출하고, 추출된 채널성분을 이용하여 상기 항적신호를 추정한다(S550).
상기 수중채널은 해수면 반사신호에 의한 채널성분
Figure 112016029044718-pat00010
과 항적신호에 의한 채널성분
Figure 112016029044718-pat00011
의 합으로 표현된다. 해수면 반사신호에 의한 채널성분은 항적신호에 의한 채널성분에 비해 큰 값을 가지므로, 문턱 값을 이용하여 해수면 반사신호에 의한 채널성분을 제거하면, 상기 수중채널에는 항적신호에 의한 채널성분만 남게 되고, 이를
Figure 112016029044718-pat00012
라고 한다. 즉, 상기 추정 값에서 해수면 반사신호에 의한 채널성분을 문턱 값을 이용하여 제거함으로써, 항적신호에 의한 채널성분을 추출할 수 있게 된다.
상기 문턱 값은 상기 수신신호의 수신환경에 따라 다르게 설정될 수 있다. 예를 들어, 비가 오는 환경에서 제1 문턱 값으로 설정되고, 비가 오지 않는 환경에서는 제2 문턱 값으로 설정될 수 있다. 다른 예를 들어, 해수면 반사신호의 크기 및 항적신호의 크기 중 적어도 하나에 따라 다르게 설정될 수 있다. 수신환경에 따른 문턱 값은 실시 예에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
상기 항적신호 추정부(160)는 상기 추출된 항적신호에 의한 채널성분과 상기 송신신호의 콘볼루션을 통해 항적신호를 [수학식 10]과 같이 추정할 수 있다.
Figure 112016029044718-pat00013
다음으로, 상기 출력부(180)는 상기 추정된 항적신호를 출력한다(S460). 출력부(180)는 시각, 청각 또는 촉각 등과 관련된 출력을 발생시키기 위한 것으로, 디스플레이부, 음향 출력부, 햅틱 모듈, 광 출력부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
항적신호가 존재하는 것으로 판단되는 경우, 상기 출력부(180)는 상기 항적신호가 탐지되었음을 알리는 알림을 출력할 수 있다. 상기 알림은 상기 항적신호로부터 산출된 목표물의 항적, 그리고 속도 등의 정보를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 출력부(180)에 디스플레이부가 포함되는 경우, 상기 디스플레이부는 상기 항적신호가 탐지되었음을 알리는 알림정보와 함께, 상기 항적 신호에 근거하여 목표물의 항적을 지도 상에 표시할 수 있다.
한편, 상기 항적신호 검출부(170)는 상기 항적신호 추정부(160)에서 추정된 항적신호의 파워를 기설정된 기준과 비교하고, 비교결과에 따라 선택적으로 상기 추정된 항적신호를 상기 출력부(180)로 출력할 수 있다.
구체적으로, 상기 항적신호 검출부(170)는 상기 추정된 항적신호의 파워에 대하여 소정시간 동안의 평균값을 산출하고, 상기 산출된 평균값이 상기 기설정된 기준보다 큰 경우, 상기 추정된 항적신호를 상기 출력부(180)로 출력한다.
일 예로, 추정된 항적신호로부터 항적신호의 존재유무를 판단하기 위해서 [수학식 11]과 같이 추정된 항적신호의 파워를 검증 통계치로 이용할 수 있다.
Figure 112016029044718-pat00014
상기 항적신호 검출부(170)는 [수학식 11]의 검증 통계치 λ가 임계 값 τ보다 크거나 같은 경우, 항적신호가 존재한다고 판단하며, 임계 값보다 작은 경우 항적신호가 존재하지 않는다고 판단한다.
상기 항적신호 검출부(170)는 상기 항적신호의 크기 및 배경잡음의 크기 중 적어도 하나에 근거하여 상기 임계 값을 결정할 수 있다. 다시 말해, 상기 임계 값은 상황에 따라 달라질 수 있다.
도 6은 켑스트럼을 이용한 해수면 반사신호 분리 및 항적신호 검출의 예를 나타낸다. 항적신호와 해수면 반사신호를 포함하는 수신신호로부터 수중채널을 추정하고 이로부터 항적신호만을 얻어내는 과정의 중간결과를 각각 도시하였다.
항적 탐지기에서 항적신호 w[n]를 효과적으로 탐지하기 위해서는 해수면 반사신호 s[n]와 항적신호 w[n]의 분리가 필수적이다. 본 발명에서는 수중채널 추정을 통하여 해수면 반사신호 s[n]와 항적신호 w[n]를 분리함으로써 항적신호 w[n]만이 포함된 채널을 재생성하고, 재생성된 채널을 이용하여 해수면 반사신호 s[n]가 완전히 분리되어 항적신호 w[n]만이 포함된 신호를 얻어내고, 얻어진 신호의 파워를 연산함으로써, 함정에 의해 발생하는 미세 기포의 양이 적은 상황에서도 항적신호 w[n]를 탐지할 수 있다.
본 발명에 따른 항적 탐지기는 켑스트럼(cepstrum)을 이용하여 송신신호 x[n]와 수중채널의 콘볼루션으로 표현되는 수신신호 y[n]를 송신신호와 수중채널의 합으로 분리시키고, 송신신호의 켑스트럼(cepstrum)을 이용하여 수중채널에 대한 켑스트럼(cepstrum)만을 얻어내고, 이로부터 역 켑스트럼(inverse cepstrum) 연산을 통하여 시간 영역 수중채널을 추정하고, 추정된 수중채널로부터 임계 값을 이용해 해수면 반사신호 성분을 제거하여 항적신호만이 포함된 채널을 재생성하고, 재생성된 채널과 송신신호의 콘볼루션을 이용하여 항적신호를 얻어낸다.
본 발명에 따르면 수상함 항적신호를 탐지하기 위하여 켑스트럼(cepstrum)을 이용하여 시간 및 주파수 영역에서 코히어런트(coherent) 한 해수면 반사신호와 항적신호의 합으로부터 해수면 반사신호가 분리된 항적신호만을 얻어냄으로써, 항적신호의 파워가 낮아서 수신신호의 파워만으로 항적탐지가 어려운 경우에도 항적탐지를 효과적으로 수행할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 선박에 의해 발생되는 기포의 양이 적은 경우에 항적신호의 탐지확률을 향상시킬 수 있다는 특징이 있다.
본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터는 항적 탐지기(100)를 포함할 수도 있다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100: 항적 탐지기 110: 신호 생성부
120: 신호 수신부 130: 수신신호 켑스트럼 연산부
140: 송신신호 켑스트럼 연산부 150: 채널 추정부
160: 항적신호 추정부 170: 항적신호 검출부
180: 출력부

Claims (12)

  1. 단일 주파수를 가지는 연속파를 송신신호로 생성하는 신호 생성부;
    상기 송신신호가 목표물에 의하여 발생하는 미세 기포로부터 반사되어 돌아오는 신호를 수신신호로 수신하는 신호 수신부;
    상기 송신신호의 켑스트럼 신호 및 상기 수신신호의 켑스트럼 신호를 연산하는 켑스트럼 연산부;
    상기 송신신호의 켑스트럼 신호 및 상기 수신신호의 켑스트럼 신호를 이용하여 수중채널의 추정 값을 연산하는 채널 추정부;
    상기 추정 값에서 항적신호에 의한 채널성분을 추출하고, 추출된 채널성분을 이용하여 상기 항적신호를 추정하는 항적신호 추정부; 및
    상기 추정된 항적신호를 출력하는 출력부를 포함하는 항적 탐지기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 추정된 항적신호의 파워를 기설정된 기준과 비교하고, 비교결과에 따라 선택적으로 상기 추정된 항적신호를 상기 출력부로 출력하는 항적신호 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 항적 탐지기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 항적신호 검출부는,
    상기 추정된 항적신호의 파워에 대하여 소정시간 동안의 평균값을 산출하고, 상기 산출된 평균값이 상기 기설정된 기준보다 큰 경우, 상기 추정된 항적신호를 상기 출력부로 출력하는 것을 특징으로 하는 항적 탐지기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 항적 신호 추정부는,
    상기 추정 값에서 해수면 반사신호에 의한 채널성분을 문턱 값을 이용하여 제거하는 것을 특징으로 하는 항적 탐지기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 문턱 값은 상기 수신신호의 수신환경에 따라 다르게 설정되는 것을 특징으로 하는 항적 탐지기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 채널 추정부는,
    상기 수신신호의 켑스트럼 신호와 상기 송신신호의 켑스트럼 신호의 차를 이용하여 상기 수중채널의 켑스트럼 신호를 연산하고, 상기 수중채널의 켑스트럼 신호에 대한 역 켑스트럼 연산(inverse cepstrum computation)을 통해 상기 추정 값을 연산하는 것을 특징으로 하는 항적 탐지기.
  7. 단일 주파수를 가지는 연속파를 송신신호로 생성하는 단계;
    상기 송신신호가 목표물에 의하여 발생하는 미세 기포로부터 반사되어 돌아오는 신호를 수신신호로 수신하는 단계;
    상기 송신신호의 켑스트럼 신호 및 상기 수신신호의 켑스트럼 신호를 연산하는 단계;
    상기 송신신호의 켑스트럼 신호 및 상기 수신신호의 켑스트럼 신호를 이용하여 수중채널의 추정 값을 연산하는 단계;
    상기 추정 값에서 항적신호에 의한 채널성분을 추출하고, 추출된 채널성분을 이용하여 상기 항적신호를 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 항적신호를 출력하는 단계를 포함하는 항적 탐지기의 항적 탐지 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 추정된 항적신호를 출력하는 단계는,
    상기 추정된 항적신호의 파워를 기설정된 기준과 비교하는 단계; 및
    비교결과에 따라 선택적으로 상기 추정된 항적신호를 출력부로 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 항적 탐지기의 항적 탐지 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 추정된 항적신호를 상기 출력부로 출력하는 단계는,
    상기 추정된 항적신호의 파워에 대하여 소정시간 동안의 평균값을 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 평균값이 상기 기설정된 기준보다 큰 경우, 상기 추정된 항적신호를 상기 출력부로 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 항적 탐지기의 항적 탐지 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 항적신호를 추정하는 단계는,
    상기 추정 값에서 해수면 반사신호에 의한 채널성분을 문턱 값을 이용하여 제거하는 것을 특징으로 하는 항적 탐지기의 항적 탐지 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 문턱 값은 상기 수신신호의 수신환경에 따라 다르게 설정되는 것을 특징으로 하는 항적 탐지기의 항적 탐지 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 추정 값을 연산하는 단계는,
    상기 수신신호의 켑스트럼 신호와 상기 송신신호의 켑스트럼 신호의 차를 이용하여 상기 수중채널의 켑스트럼 신호를 연산하는 단계; 및
    상기 수중채널의 켑스트럼 신호에 대한 역 켑스트럼 연산(inverse cepstrum computation)을 통해 상기 추정 값을 연산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 항적 탐지기의 항적 탐지 방법.
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