KR101875273B1 - 음원에서 직접 전파된 음파와 지면에 반사된 음파 측정을 기반으로 한 지연시간도달 기법을 이용한 음원 위치 추정 장치 및 방법 - Google Patents

음원에서 직접 전파된 음파와 지면에 반사된 음파 측정을 기반으로 한 지연시간도달 기법을 이용한 음원 위치 추정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음원 추정 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 마이크로폰 어레이를 통해 제공되는 음향 신호 채널들 사이의 지연시간도달(TDOA: Time Difference Of Arrival) 기법을 적용하는 과정에서 마이크로폰에 직접 전달된 음파와 지면을 반사한 후 전달된 음파의 신호를 이용하여 지면에 가상의 센서를 가정하고 소음원의 위치를 더 정확하게 위치를 추정할 수 있는 장치 및 방법에 대한 것이다.
본 발명에 따르면, 지면에 반사되어 측정된 신호는 지면 맞은편에 가상 센서가 존재하여 측정한 것과 같은 효과를 내며 이를 이용하여 증가된 센서 조합을 만들어 낼 수 있다.

Description

음원에서 직접 전파된 음파와 지면에 반사된 음파 측정을 기반으로 한 지연시간도달 기법을 이용한 음원 위치 추정 장치 및 방법{Apparatus and Method for estimating position of acoustic source using Time Difference Of Arrival scheme based on sound wave directly transmitted from acoustic source and sound wave measurement reflected from the ground}
본 발명은 음원 추정 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 마이크로폰 어레이를 통해 제공되는 음향 신호 채널들 사이의 지연시간도달(TDOA: Time Difference Of Arrival) 기법을 적용하는 과정에서 마이크로폰에 직접 전달된 음파와 지면을 반사한 후 전달된 음파의 신호를 이용하여 지면에 가상의 센서를 가정하고 소음원의 위치를 더 정확하게 위치를 추정할 수 있는 장치 및 방법에 대한 것이다.
무기체계 개발에서 포탄 성능 평가의 폭발 위치 측정은 신관 성능을 확인하기 위한 중요한 시험평가 지표이다. 따라서 폭발이 정확한 위치에서 이뤄졌는지 여부를 판단하기 위해 정확한 측정 기술이 요구된다. 음향 센서를 이용한 소음원 위치 추적 시스템은 넓은 범위의 무기 시험장에 사용하기 적합하여 다양한 선행 연구가 이루어지고 있다.
폭발물이 작동하면 강한 충격음을 발생하는데 신호가 명확하여 신호 획득이 용이하고 음향 센서로 사용하는 마이크로폰은 영상이나 레이더와 같은 장비에 비하여 소형이고 비용이 저렴하기 때문에 실용적인 측면에서 적용연구가 많이 이루어지고 있다. 마이크로폰 배열을 이용한 소음원 위치 추적 방법은 소음원의 특징, 실험 환경 등에 따라 다양한 알고리즘이 개발되어 있다.
특히, 공중에서 폭발하는 충격음을 측정하는 경우, 도달지연시간(TDOA: Time Difference Of Arrival)을 이용한 충격음의 위치를 추정하는 연구를 수행되고 있다. 이러한, 도달지연시간을 이용한 소음원 위치 추정 방법은 이론적으로 3개 이상 마이크로폰을 사용하는 것으로 공간상의 소음원의 위치 추정이 가능하다. 하지만 측정 환경이나 배열 방법에 따라 측정 결과에 직접적인 영향을 주기 때문에 마이크로폰의 개수를 늘리거나 다양한 배열 방법 등에 의하여 추정 정확도를 높이는 연구가 필요하다.
1. 한국공개특허번호 제1020040092152호
1. 정욱진, 고영주, 이재형, 최종수, "지면에 의한 음향 반사 효과를 이용한 비행 궤도 파라미터 예측 방법," 2014 한국군사과학기술학회 종합학술대회 논문집. 2. 안병권외, "도달지연시간 기법을 이용한 수중 소음원의 위치추적"대한조선학회논문집 제48권 제2호 통권176호 (2011년 4월) pp.121-127
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 공중에서 폭발하는 충격음을 측정하는 경우, 도달지연시간(TDOA: Time Difference Of Arrival)을 이용한 충격음의 위치를 추정할 수 있는 지연시간도달 기법을 이용한 음원 위치 추정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 공중에서 폭발하는 충격음의 추정 정확도를 높일 수 있는 지연시간도달 기법을 이용한 음원 위치 추정 장치 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 공중에서 폭발하는 충격음을 측정하는 경우, 도달지연시간도달지연시간(TDOA: Time Difference Of Arrival)을 이용한 충격음의 위치를 추정할 수 있는 지연시간도달 기법을 이용한 음원 위치 추정 장치를 제공한다.
상기 음원 위치 추정 장치는,
다수의 마이크로폰으로 이루어지는 마이크로폰 어레이로부터 음원의 음향 신호를 획득하는 신호 획득부;
상기 다수의 마이크로폰에 대응하는 다수의 가상 센서를 생성하는 가상 센서 생성부;
상기 다수의 마이크로폰과 상기 다수의 가상 센서를 각 쌍으로 조합하는 센서쌍 조합부;
상기 조합에 의해 직접 전달된 직접 음파 신호와 지면반사로 전달된 지면 반사 음파 신호 측정을 이용하여 상기 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호간 시간지연을 계산하여 도달지연시간 연립 방정식 정보를 생성하는 지연시간 계산부; 및
상기 도달지연시간 연립 방정식 정보를 이용하여 상기 음원의 최종 위치 정보를 추정하는 위치 추정부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 다수의 가상 센서는 지면 위에 일정 높이에 있는 상기 다수의 마이크로폰의 좌표 정보를 지면에 대칭으로 가정하여 좌표 정보가 설정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 음향 신호간 시간지연은 캡스트럼(cepstrum)을 통하여 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 다수의 마이크로폰의 좌표 정보는 상기 다수의 마이크로폰의 2차원 평면상 위치 및 지면에서의 높이에 의해 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 최종 위치 정보는 3차원 공간에서의 음원 위치 정보인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 음원의 최종 위치 정보는 최소 자승법을 이용한 상기 연립 방정식 정보의 연립 방정식 해인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호간 시간지연은 수학식
Figure 112018052799397-pat00077
(여기서,
Figure 112018052799397-pat00002
는
Figure 112018052799397-pat00003
에서 측정된 신호의 파워 캡스트럼 함수를 나타내며,
Figure 112018052799397-pat00004
는 i번째 마이크로폰 위치를 나타내며,
Figure 112018052799397-pat00005
이고, FFT는 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform)이고, IFFT는 역고속 푸리에 변환(inverse fast Fourier transform)을 나타내고, x(t)는 x좌표의 시간함수를 나타낸다)으로 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로 본 발명의 다른 일실시예는, 신호 획득부가 다수의 마이크로폰으로 이루어지는 마이크로폰 어레이를 이용하여 음원의 음향 신호를 획득하는 단계; 가상 센서 생성부가 상기 다수의 마이크로폰에 대응하는 다수의 가상 센서를 생성하는 단계; 센서쌍 조합부가 상기 다수의 마이크로폰과 상기 다수의 가상 센서를 각 쌍으로 조합하는 단계; 지연시간 계산부는 상기 조합에 의해 직접 전달된 직접 음파 신호와 지면반사로 전달된 지면 반사 음파 신호 측정을 이용하여 상기 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호간 시간지연을 계산하는 단계; 상기 지연시간 계산부가 상기 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호간 시간지연을 이용하여 도달지연시간 연립 방정식 정보를 생성하는 단계; 및 위치 추정부가 상기 도달지연시간 연립 방정식 정보를 이용하여 상기 음원의 최종 위치 정보를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 음원에서 직접 전파된 음파와 지면에 반사된 음파 측정을 기반으로 한 지연시간도달 기법을 이용한 음원 위치 추정 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 지면에 반사되어 측정된 신호는 지면 맞은편에 가상 센서가 존재하여 측정한 것과 같은 효과를 내며 이를 이용하여 증가된 센서 조합을 만들어 낼 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 증가된 센서 조합을 통해 증가된 센서 수로서 TDOA(Time Difference Of Arrival) 기법을 적용하여 소음원(예를 들면, 포탄의 폭발 등을 들 수 있음)의 위치 추정 정밀도를 향상시킬 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지면반사 효과 기반 TDOA(Time Difference Of Arrival) 기법을 이용한 위치 추정 장치(100)의 구성 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지면반사에 의한 소리의 전파 경로를 보여주는 개념도이다.
도 3은 도 2에 도시된 지면 반사된 음압 신호가 음향센서에서 수신되어 나타나는 신호도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 지면반사 효과에 의해 나타나는 음압신호가 가상으로 지면을 기준으로 맞은편에 가상 센서에서 받은 것과 기하학적으로 동일함을 보여주는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 여러 개로 구성된 센서 조합에서 가상 센서를 포함하여 지연 시간 관계 쌍 조합을 만드는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 지면반사 효과 기반 TDOA(Time Difference Of Arrival) 기법을 이용하여 위치를 추정하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 음원에서 직접 전파된 음파와 지면에 반사된 음파 측정을 기반으로 한 지연시간도달 기법을 이용한 음원 위치 추정 장치 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지면반사 효과 기반 TDOA(Time Difference Of Arrival) 기법을 이용한 위치 추정 장치(100)의 구성 블록도이다. 도 1을 참조하면, 위치 추정 장치(100)는, 다수의 마이크로폰을 통해 음원의 음향 신호를 획득하는 신호 획득부(110), 다수의 가상 센서를 생성하는 가상 센서 생성부(120), 상기 다수의 마이크로폰과 상기 다수의 가상 센서를 각 쌍으로 조합하는 센서쌍 조합부(130), 상기 조합에 의해 음향 신호간 시간지연을 계산하여 도달지연시간 연립 방정식 정보를 생성하는 지연시간 계산부(140), 및 상기 도달지연시간 연립 방정식 정보를 이용하여 상기 음원의 최종 위치 정보를 추정하는 위치 주정부(150) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 다수의 마이크로폰은 마이크로폰 어레이(10)로 이루어질 수 있다.
가상 센서 생성부(120)는 다수의 마이크로폰에 대응하는 다수의 가상 센서를 생성한다. 부연하면, 지면 위에 일정 높이에 있는 마이크로폰 어레이의 좌표를 지면에 대칭한 가상의 마이크로폰(즉, 가상 센서)이 있다고 가정하며 좌표를 설정한다.
지연시간 계산부(140)는 다수의 마이크로폰을 통해 직접 전달된 음파와 지면반사로 전달된 음파 측정을 수행하고, 이를 이용하여 상기 음향 신호간 시간지연을 계산하여 도달지연시간 연립 방정식 정보를 생성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지면반사에 의한 소리의 전파 경로를 보여주는 개념도이다. 도 2를 참조하면, 넓은 범위의 폭발물 시험장에서는 일반적으로 지면(230) 위에 마이크로폰(210)을 설치하여 소음원(220)을 측정한다. 공중 폭발에 의하여 발생한 충격음은 공기 중으로 전파되어 지면위에 있는 마이크로폰(210)에 수신된다. 이를 직접 전달된 음파 경로(Ri)라고 한다.
한편, 지면 위 특정 높이에 고정되어 있는 마이크로폰의 경우 지면에 반사된 음압 신호가 추가되어 측정되는 현상이 발생하며 이를 지면 반사 효과라고 한다. 이를 반사되어 전달된 음파 경로(Ri*)라고 한다.
지면에 반사된 음향신호는 직접 수신되는 신호와 전파 경로 차이가 발생하며 일정 시간 후에 측정이 된다. 캡스트럼 분석 방식은 단일 마이크로폰에서 측정된 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호를 분리하여 지연시간을 계산하여 준다. 그리고 지면반사신호의 전달 경로는 기하학적으로 지면에 대칭인 위치와 같기 때문에 가상의 측정 지점으로 적용할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 지면 반사된 음압 신호가 음향센서에서 수신되어 나타나는 신호도이다. 도 3을 참조하면, 지면 반사 음파 신호와 직접 음파 신호간 시간 지연(τii *)은 다음식과 같다.
Figure 112016066942839-pat00006
여기서, Ri는 직접 전달된 음파 경로이고, Ri*는 반사되어 전달된 음파 경로이고, c는 음속을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 지면반사 효과에 의해 나타나는 음압신호가 가상으로 지면을 기준으로 맞은편에 가상 센서에서 받은 것과 기하학적으로 동일함을 보여주는 개념도이다. 도 4를 참조하면, 점소음원에서 구형 파면으로 방사되는 소음을 가정하였을 때 소음원(220)과 각각의 마이크로폰의 기하학적 위치 관계는 상대적인 거리차이를 가지며 동일한 시간으로 비교하였을 때 위상이 다른 신호로 측정된다. 두 개 마이크로폰에서 각각 측정된 신호의 위상은 각각의 도달 거리
Figure 112016066942839-pat00007
의 차이에 의하여 발생한다.
실제 신호를 측정하게 되면 도달지연시간
Figure 112016066942839-pat00008
에 의하여 위상차이가 발생하고 다음식에 의하여 도달지연거리
Figure 112016066942839-pat00009
와 음속
Figure 112016066942839-pat00010
의 관계로 계산된다.
Figure 112016066942839-pat00011
여기서,
Figure 112016066942839-pat00012
는 i와 j 마이크로폰 까지 거리,
Figure 112016066942839-pat00013
는 소음원으로부터 i 마이크로폰 까지 거리를 나타내고, c는 다음식과 같다.
Figure 112016066942839-pat00014
여기서,
Figure 112016066942839-pat00015
는 대기 온도를 나타낸다.
도달지연시간은 상호상관함수
Figure 112016066942839-pat00016
에 의하여 계산하며, 다음식과 같다.
Figure 112018052799397-pat00080
여기서,
Figure 112016066942839-pat00018
는 i와 j 마이크로폰 신호의 지연시간을 나타내고, τ는 도달지연시간을 나타낸다.
상호상관함수
Figure 112016066942839-pat00019
는 다음식과 같다.
Figure 112016066942839-pat00020
여기서, T는 시간 , x(t)는 x좌표의 시간 함수, y(t)는 y좌표의 시간함수를 나타낸다.
소음원의 위치는 최소 3개 이상의 마이크로폰에서 신호를 측정하였을 때 추정될 수 있다.
Figure 112016066942839-pat00021
개의 마이크로폰을 사용하였을 경우 도달지연시간을 계산할 수 있는 쌍의 개수는
Figure 112016066942839-pat00022
개이다. 계산된 각각의 도달지연거리는 도 2와 같이 쌍곡선 형태로 나타나며 이 쌍곡선들의 교점이 소음원의 위치 추정 결과이다. 이 기법에서는 쌍곡선에 의한 기하학적 교점을 찾는 추정 방법 대신에 테일러 급수를 이용하여 수렴 오차가 최소인 지점을 찾는 수치적 방법을 통하여 위치를 추정하도록 할 수 있다. 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112018052799397-pat00078
여기서,
Figure 112016066942839-pat00024
는
Figure 112016066942839-pat00025
에서 측정된 신호의 파워 캡스트럼 함수를 나타내며,
Figure 112016066942839-pat00026
는 i번째 마이크로폰 위치를 나타낸다.
수렴 오차는 직교 좌표계의 각 축방향으로 약
Figure 112016066942839-pat00027
가 되도록 하였다.
지면 위 일정 높이에 고정되어 있는 마이크로폰은 공기 중 직선 경로로 입사되는 직접 음파 신호와 지면에 반사된 신호가 입사되는 지면 반사 음파 신호가 합쳐져 측정된다. 도 3은 마이크로폰에 입사되는 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호의 경로를 나타낸 것이다.
도 4를 계속 참조하면, 신호의 반사는 지면에서 입사각과 반사각이 같은 지점에서 발생한다. 지면 반사 음파 신호의 도달거리
Figure 112016066942839-pat00028
는 지면(230)을 기준으로 실제 마이크로폰 위치
Figure 112016066942839-pat00029
와 대칭인 위치
Figure 112016066942839-pat00030
에 대한 도달거리
Figure 112016066942839-pat00031
와 같다. 지면반사효과에 의하여 측정되는 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호는 도 4에 도시된 바와 같다. 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호의 경로차이에서 나타나는 지연시간
Figure 112016066942839-pat00032
는 다음식의 캡스트럼 및 수학식 6에 의해서 측정된다.
Figure 112016066942839-pat00033
여기서, FFT는 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform)이고, IFFT는 역고속 푸리에 변환(inverse fast Fourier transform)을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 여러 개로 구성된 센서 조합에서 가상 센서를 포함하여 지연 시간 관계 쌍 조합을 만드는 개념도이다. 우선, 캡스트럼에 의해서 측정된 지면 반사 음파 신호의 지연시간은 도 3에서 도시된 바와 같이 측정된 마이크로폰 위치와 가상의 마이크로폰 위치
Figure 112016066942839-pat00034
사이의 도달지연시간으로 가정할 수 있다. 한 쌍으로 구성되는 제 1 및 제 2 마이크로폰
Figure 112016066942839-pat00035
,
Figure 112016066942839-pat00036
(511,512)에 대한 상호상관함수로부터
Figure 112016066942839-pat00037
, 각 마이크폰의 캡스트럼으로부터
Figure 112016066942839-pat00038
,
Figure 112016066942839-pat00039
가 각각 계산되며 이를 표로 나타내면 다음과 같다.
쌍 τ 계산 비고
i,j
Figure 112016066942839-pat00040
 직접 음파 신호
i,i*
Figure 112016066942839-pat00041
 직접 음파 신호 + 지면 반사 음파 신호
i,j*
Figure 112016066942839-pat00042
=
Figure 112016066942839-pat00043
+
Figure 112016066942839-pat00044
 직접 음파 신호 + 지면 반사 음파 신호
j,i*
Figure 112016066942839-pat00045
=
Figure 112016066942839-pat00046
+
Figure 112016066942839-pat00047
 직접 음파 신호 + 지면 반사 음파 신호
j,j*
Figure 112016066942839-pat00048
 직접 음파 신호 + 지면 반사 음파 신호
i*,j*
Figure 112016066942839-pat00049
=
Figure 112016066942839-pat00050
+
Figure 112016066942839-pat00051
-
Figure 112016066942839-pat00052
 직접 음파 신호 + 지면 반사 음파 신호
위 표1과 같은 계산 조합에 의해서 가상 마이크로폰
Figure 112016066942839-pat00053
,
Figure 112016066942839-pat00054
을 포함하는 도달지연시간을 구할 수 있다.
위 표1의 경우, 지연시간도달(TDOA) 쌍의 개수는 다음식과 같다.
Figure 112016066942839-pat00055
여기서,
Figure 112016066942839-pat00056
은 마이크로폰의 개수이다.
가상 마이크로폰에 의한 도달지연시간 계산은 가상 센서의 조합 개수를 늘려 정확도를 향상하는 장점도 있지만 3차원 배열로 확장되어 공간 위치 추정 성능을 향상시키는 효과가 크다. 평면 배열은 높이 방향에 대한 위치 추정 오차가 크기 때문에 3차원 배열을 구성하는 것으로 위치에 대한 오차 감소 효과가 나타난다. 가상 센서(즉 가상 마이크로폰)은 지면 반사 음파 신호가 캡스트럼 방식에 의하여 구분되어 반사신호의 지연시간이 측정되는 경우에 가능하다. 즉, 지면에 의한 음향 반사 환경이 잘 갖추어져야 한다.
모든 마이크로폰에서 지면 반사 음파 신호가 측정되는 것은 아니기 때문에 선택적으로 적용 가능하며 실제 측정에 사용한 마이크로폰의 개수
Figure 112016066942839-pat00057
와 지면 반사 음파 신호의 개수
Figure 112016066942839-pat00058
에 의해서 위치 추정 계산에 이용되는 도달지연시간 쌍의 개수는 다음식과 같다.
Figure 112016066942839-pat00059
여기서,
Figure 112016066942839-pat00060
는 지면 반사 음파 신호의 개수이고,
Figure 112016066942839-pat00061
은 마이크로폰의 개수이다.
따라서, TDOA 쌍의 개수를 늘려 정확도 향상에 기여할 수 있다.또한, 2차원 어레이를 3차원 입체 어레이 형태로 구성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 지면반사 효과 기반 TDOA(Time Difference Of Arrival) 기법을 이용하여 위치를 추정하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 6을 참조하면, 신호 획득부(도 1의 110)가 다수의 마이크로폰으로 이루어지는 마이크로폰 어레이(10)를 이용하여 음원의 음향 신호를 획득한다(단계 S610).이후, 가상 센서 생성부(120)가 상기 다수의 마이크로폰에 대응하는 다수의 가상 센서를 생성한다(단계 S620).
이후, 센서쌍 조합부(130)가 상기 다수의 마이크로폰과 상기 다수의 가상 센서를 각 쌍으로 조합한다(단계 S630).
이후, 지연시간 계산부(140)는 상기 조합에 의해 직접 전달된 직접 음파 신호와 지면반사로 전달된 지면 반사 음파 신호 측정을 이용하여 상기 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호간 시간지연을 계산하고, 상기 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호간 시간지연을 이용하여 도달지연시간 연립 방정식 정보를 생성한다(단계 S640).
최종적으로, 위치 주정부(150)가 상기 도달지연시간 연립 방정식 정보를 이용하여 상기 음원의 최종 위치 정보를 추정한다(단계 S650).
명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 하드웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하기 위해 디자인된 ASIC(application specific integrated circuit), DSP(digital signal processing), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array), 프로세서, 제어기, 마이크로 프로세서, 다른 전자 유닛 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하는 모듈로 구현될 수 있다. 소프트웨어는 메모리 유닛에 저장될 수 있고, 프로세서에 의해 실행된다. 메모리 유닛이나 프로세서는 당업자에게 잘 알려진 다양한 수단을 채용할 수 있다.
10: 마이크로폰 어레이
100: 음원 위치 추정 장치
110: 신호 획득부 120: 가상 센서 생성부
130: 센서쌍 조합부 140: 지연시간 계산부
150: 위치 주정부

Claims (8)

  1. 다수의 마이크로폰으로 이루어지는 마이크로폰 어레이로부터 음원의 음향 신호를 획득하는 신호 획득부;
    상기 다수의 마이크로폰에 대응하는 다수의 가상 센서를 생성하는 가상 센서 생성부;
    상기 다수의 마이크로폰과 상기 다수의 가상 센서를 각 쌍으로 조합하는 센서쌍 조합부;
    상기 조합에 의해 직접 전달된 직접 음파 신호와 지면반사로 전달된 지면 반사 음파 신호 측정을 이용하여 상기 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호간 시간지연을 계산하여 지연 시간 관계 쌍 조합을 생성하고, 상기 지연 시간 관계 쌍 조합으로부터 상기 다수의 마이크로폰과 상기 다수의 가상 센서에 대한 도달지연시간 연립 방정식 정보를 생성하는 지연시간 계산부; 및
    상기 도달지연시간 연립 방정식 정보를 이용하여 상기 음원의 최종 위치 정보를 추정하는 위치 주정부;를 포함하며,
    상기 다수의 가상 센서는 지면 위에 일정 높이에 있는 상기 다수의 마이크로폰의 좌표 정보를 지면에 대칭으로 가정하여 좌표 정보가 설정되며,
    상기 다수의 마이크로폰의 좌표 정보는 상기 다수의 마이크로폰의 2차원 평면상 위치 및 지면에서의 높이에 의해 결정되며,
    상기 음향 신호간 시간지연은 한쌍의 마이크로폰에 대한 상호상관함수로부터 캡스트럼(cepstrum)을 통하여 산출되며,
    상기 최종 위치 정보는 3차원 공간에서의 음원 위치 정보인 것을 특징으로 하는 음원에서 직접 전파된 음파와 지면에 반사된 음파 측정을 기반으로 한 지연시간도달 기법을 이용한 음원 위치 추정 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 음원의 최종 위치 정보는 최소 자승법을 이용한 상기 연립 방정식 정보의 연립 방정식 해인 것을 특징으로 하는 음원에서 직접 전파된 음파와 지면에 반사된 음파 측정을 기반으로 한 지연시간도달 기법을 이용한 음원 위치 추정 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호간 시간지연은 수학식
    Figure 112018052799397-pat00079
    (여기서,
    Figure 112018052799397-pat00063
    는
    Figure 112018052799397-pat00064
    에서 측정된 신호의 파워 캡스트럼 함수를 나타내며,
    Figure 112018052799397-pat00065
    는 i번째 마이크로폰 위치를 나타내며,
    Figure 112018052799397-pat00066
    이고, FFT는 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform)이고, IFFT는 역고속 푸리에 변환(inverse fast Fourier transform)을 나타내고, x(t)는 x좌표의 시간함수를 나타낸다)으로 산출되는 것을 특징으로 하는 음원에서 직접 전파된 음파와 지면에 반사된 음파 측정을 기반으로 한 지연시간도달 기법을 이용한 음원 위치 추정 장치.
  8. 신호 획득부가 다수의 마이크로폰으로 이루어지는 마이크로폰 어레이를 이용하여 음원의 음향 신호를 획득하는 단계;
    가상 센서 생성부가 상기 다수의 마이크로폰에 대응하는 다수의 가상 센서를 생성하는 단계;
    센서쌍 조합부가 상기 다수의 마이크로폰과 상기 다수의 가상 센서를 각 쌍으로 조합하는 단계;
    지연시간 계산부는 상기 조합에 의해 직접 전달된 직접 음파 신호와 지면반사로 전달된 지면 반사 음파 신호 측정을 이용하여 상기 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호간 시간지연을 계산하는 단계;
    상기 지연시간 계산부가 상기 직접 음파 신호와 지면 반사 음파 신호간 시간지연을 이용하여 지연시간관계쌍조합을생성하고, 상기 지연 시간 관계 쌍 조합으로부터 상기 다수의 마이크로폰과 상기 다수의 가상센서에 대한 도달지연시간 연립 방정식 정보를 생성하는 단계; 및
    위치 추정부가 상기 도달지연시간 연립 방정식 정보를 이용하여 상기 음원의 최종 위치 정보를 추정하는 단계;를 포함하며,
    상기 다수의 가상 센서는 지면 위에 일정 높이에 있는 상기 다수의 마이크로폰의 좌표 정보를 지면에 대칭으로 가정하여 좌표 정보가 설정되며,
    상기 다수의 마이크로폰의 좌표 정보는 상기 다수의 마이크로폰의 2차원 평면상 위치 및 지면에서의 높이에 의해 결정되며,
    상기 음향 신호간 시간지연은 한쌍의 마이크로폰에 대한 상호상관함수로부터 캡스트럼(cepstrum)을 통하여 산출되며,
    상기 최종 위치 정보는 3차원 공간에서의 음원 위치 정보인 것을 특징으로 하는 음원에서 직접 전파된 음파와 지면에 반사된 음파 측정을 기반으로 한 지연시간도달 기법을 이용한 음원 위치 추정 방법.
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최소 제곱 추정기(LS Estimator)를 이용한 지연 시간 추정(1996년도 제9회 신호처리합동학술대회 논문집 제9권 1호, pp.165-168; 공지시점 : 1996년)*

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