빔 영역 처리에 기반한 근접장 음원 거리 추정

Abstract

The passive sonar systems estimate the target position using the radiated noise from ship such as machinery noise, cavitation noise, etc. In passive localization problem, various approaches have been investigated such as time difference of arrival (TDoA), the triangulation method and focused beamforming. However, when multiple targets exist, it can create problems with localization based on TDoA. It is difficult to obtain an accurate cross-correlation when other interference signals are present at the same time. Focused beamforming estimates the positions by measuring the spatial spectrum. Unlike localization based on TDoA and triangulation, this method has no classification problems.

In this thesis, a focused array algorithm is proposed to reduce the computational complexity. The focused MVDR(minimum variance distortionless response) and MUSIC(multiple signal classification) algorithm is typically used to estimate location. It has high spatial resolution but it also has a high computational complexity. The main complexity load of the focused MVDR algorithm is in inverse matrix. And for the focused MUSIC algorithm it is in eigen-decomposition. The computational complexity of those depends on the dimensions of the correlation matrix. To reduce computational complexity, the dimensions of the correlation matrix using beam-space transformation are reduced. The beam-space signals are transformed from the originally received signal using the fact that the far-field beamformers have different direction. Simulation results are presented to evaluate the performance of the proposed method compared to the previous method. The computational complexity of the proposed method is lower than that of the previous focused beamforming, but it has a similar range resolution|수동형 소나는 선박의 기계 소음, 캐비테이션 소음 등의 방사 소음을 이용하여 표적의 위치를 추정한다. 수동형 위치 추정에는 도달 시간차, 삼각기법, 초점 빔 형성기 등을 이용한 다양한 연구가 있어 왔다. 그 중, 도달 시간차와 삼각기법 기반의 위치 추정은 수신된 신호들 사이의 상호 상관을 이용하여 추정한다. 이때 다수의 표적이 존재 한다면 관심 있는 표적 신호 이외의 표적 신호는 간섭 신호가 된다. 이 경우, 상호 상관을 이용하여 정확한 위치 정보를 구할 수 없게 된다. 또한 추정된 상호 상관 중 관심 표적 신호와 비 관심 표적 신호의 도달 시간차를 분류해야 한다. 초점 빔 형성기는 공간 스팩트럼을 추정하여 표적의 위치 추정을 하는 방법이다. 이때 초점 빔 형성기는 도달 시간차 및 삼각 기법과 같은 분류 문제가 발생하지 않는다.

본 학위 논문에서는 초점 빔 형성 알고리즘의 계산량을 줄이는 방법을 제안한다. 초점 MVDR(minimum variance distortionless response) 빔 형성과 MUSIC(multiple signal classification) 방법은 대표적인 위치 추정 알고리즘이다. 초점 MVDR 빔 형성과 MUSIC 방법은 높은 공간 분해능을 가지고 있으며, 많은 계산량을 가진다. 초점 MVDR 빔 형성 알고리즘에서 역행렬은 많은 계산량을 가지고, 초점 MUSIC 방법은 고유치 분해 과정이 많은 계산량을 가진다. 역행렬과 고유치 분해는 상관 행렬의 계산량은 행렬의 크기에 따라 달라지며, 계산량을 줄이기 위해 상관 행렬의 크기를 빔 영역으로 변환하여 줄인다. 이때 빔 영역 변환은 다른 방향으로 지향하는 원 거리 빔 형성기를 이용한다. 본 학위 논문에서 모의실험을 통해 제안된 방법을 비교 분석을 수행하였다. 제안된 방법은 기존의 방법보다 적은 계산량을 가지고 있으며 비슷한 위치 추정 성능을 가진다.