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수중에서 광대역 간섭 패턴 정합을 이용한 음원의 위치 추정 연구
A Study on Underwater Source Localization Using the Wideband Interference Pattern Matching

천승용   (국방과학연구소CC0136088  ); 김세영   (한국해양대학교 전파공학과UU0001479  ); 김기만   (한국해양대학교 전파공학과UU0001479  );
  • 초록

    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.


    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%.


  • 주제어

    음원 위치 추정 .   도파관 불변 파라미터 .   간섭 패턴 정합 .   아폴로니오스 원 .   쌍곡선 방정식.  

  • 참고문헌 (19)

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    3. D. Rouseff and C. V. Leigh, 'Using the waveguide invariant to analyze Lofargrams,' MTS Oceans Conference, IEEE Oceanic Eng., 4, 2239-2243, 2002 
    4. C. Feuillade, D. R. DelBalzo, and M. M. Rowe, 'Environmental mismatch in shallow-water matched-field processing: Geoacoustic parameter variability,' J. Acoust. Soc. Am., 85 (6), 2354-2364, 1989 
    5. E. W. Weisstein, Appollonius Circle, (From MathWorld-A Wolfarm Web Resource) 
    6. M. B. Porter, The KRAKEN Normal Mode program, (SACLANT Undersea Research Centre, 1994) 
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    8. 김세영, 천승용, 김기만 '3개 센서의 광대역 신호 스펙트로그램에 나타나는 간섭패턴을 이용한 수중 표적의 위치 추정,' 한국음향학회지, 26 (4), 173-181, 2007     
    9. A. B. Baggeroer, W. A. Kuperman, and H. Schmidt, 'Matched field processing: source localization in correlated as an optimum parameter estimation problem,' J. Acoust. Soc. Am., 83 (2), 571-587, 1988 
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    11. 박정수, '이동하는 다중음원의 정합장처리,' 한국해양대학교, 박사학위논문, 2006 
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    13. J. S. Kim, W. S. Hodgkiss, W. A. Kuperman, and H. C. Song, 'Null-broadening in a waveguide,' J. Acoust. Soc. Am., 112 (1), 189-197, 2002 
    14. T. C. Yang, 'Beam intensity striations and applications,' J. Acoust. Soc. Am., 113 (3), 1342-1352, 2003 
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    19. J. Hoshen, 'The GPS equations and the problem of Apollonius,' IEEE Trans. Aerospace and Electronic Systems, 32, 1116, 1996 
  • 이 논문을 인용한 문헌 (1)

    1. Kim, ByoungUk ; An, SangKyum ; Lee, Kuenhwa ; Seong, WooJae ; Hahn, JooYoung 2013. "Interference Pattern Analysis of the Radiated Noise in Submarine Passive Sonar" 韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, 16(4): 456~464     

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