KR101839236B1

KR101839236B1 - 천부지층 탐지 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101839236B1
Application number: KR1020160138506A
Authority: KR
Inventors: 이종현; 김주호; 배진호; 조정홍; 이재일
Original assignee: 주식회사 한화
Priority date: 2016-10-24
Filing date: 2016-10-24
Publication date: 2018-03-15
Anticipated expiration: 2036-10-24

Abstract

본 발명은 표층 및 천부지층 탐지에 적용될 수 있는 천부지층 탐지 장치 및 방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 음향 신호를 송신하고, 천부지층을 통해 반사된 수신 신호를 근거로 천부지층을 탐지하는 천부지층 탐지 장치는 음향 신호를 송신할 때 이용된 전체 주파수 대역 및 전체 시간 대역의 신호를 이용하여 수신 신호에 대한 정합 필터링을 수행하는 정합 필터; 정합 필터링된 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 주파수 변환부; 주파수 영역의 신호의 신호 부공간(E_s)과 잡음 부공간(E_n)을 포함하는 부공간을 추정하는 부공간 추정부; 및 잡음 부공간(E_n)에 고정밀 지연 시간 추정 알고리즘을 적용함으로써 지연 시간을 추정하는 지연 시간 추정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

천부지층 탐지 장치 및 방법{SUBBOTTOM PROFILER AND SUBBOTTOM PROFILING METHOD}

본 발명은 표층 및 천부지층 탐지에 적용될 수 있는 천부지층 탐지 장치 및 방법에 관한 것이고, 보다 상세하게 통계학적 신호 처리에 기반한 고정밀 천부지층 탐지 장치 및 방법에 관한 것이다.

지층 탐사기술은 지하자원 탐사, 지층 매질 분석, 은닉 목표물 검출 등에 응용되는 기술이다. 해저지층탐사 기술은 알려진 송신된 음파 신호와 해수층과 해저지층의 퇴적물의 다양한 배치 및 형태에 따라 반사되어온 수신된 음파 신호를 이용하여 해저 지층 단면을 가시화하는 기술이다. 해저지층탐사를 위해 일반적으로 Burst 또는 Ricker Pulse와 같은 짧은 펄스폭의 신호를 사용하거나 수신 신호 압축을 위한 첩(Chirp) 신호등이 사용된다. 이중 고해상도의 신호 품질을 획득하기 위한 첩 신호는 시간에 따라 주파수가 sweep하는 신호로 퇴적층에서 반사 및 투과된 후에도 대역폭이 유지되어 일정한 거리 분해능을 제공하며 수신된 반사 신호는 정합 필터링 과정을 통해 수신 파형을 압축하여 해상도를 향상시키는 장점이 있으며, 해저 지형 및 매설물 탐지, 퇴적물의 특성 분석 등 다양한 분야에서 응용 연구되고 있다.

해저지층탐사 장치의 성능은 수직/수평 분해능에 의해 결정된다. 수평 방향 분해능은 송신 빔폭과 측정 수심의 관계식으로 계산되고 빔폭은 구동 주파수와 트랜스듀서 직경 또는 트랜스듀서 배열 형상에 의해 결정된다. 또한 수직 방향 분해능은 송신 신호의 형태에 따라 펄스폭 또는 대역폭으로 결정되고 신호의 대역폭은 송신 트랜스듀서의 대역폭 영역으로 제한된다. 또한, 음향신호를 이용하는 장치에서 트랜스듀서와 표적간의 거리는 방사된 신호가 표적에 반사되어 돌아오는 수신 신호의 시간을 측정하여 거리를 얻는다. 표적의 위치 정확도는 수직방향 분해능에 따라 결정된다.

이러한 첩 신호를 송신 신호로 사용할 경우, 수직방향 분해능(δ_R)은 음속(c₀)과 방사한 신호의 대역폭(B)의 관계에 의해 계산되고 이때, 정합필터에 의해 펄스 압축된 신호의 first-null은 1/B에 위치하게 된다. 이러한 상황은 첩 신호를 이용하는 탐사 장치의 수직방향 분해능의 한계에 기인한 것이고, 이러한, 펄스폭 또는 대역폭에 따른 수직방향 분해능의 한계를 극복하기 위한 다양한 연구(Layer peeling 및 Schur 알고리즘 등)가 진행되고 있으며 고 정밀도를 갖는 탐지 기법이 요구되고 있다.

한국등록특허 제0552931호(명칭: 지뢰 및 다른 매설 인조물의 어쿠스틱 탐지 장치 및 방법)

본 발명은 높은 정밀도로 천부지층을 탐지할 수 있는 천부지층 탐지 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 음향 신호를 송신하고, 천부지층을 통해 반사된 수신 신호를 근거로 천부지층을 탐지하는 천부지층 탐지 장치는 음향 신호를 송신할 때 이용된 전체 주파수 대역 및 전체 시간 대역의 신호를 이용하여 수신 신호에 대한 정합 필터링을 수행하는 정합 필터; 정합 필터링된 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 주파수 변환부; 주파수 영역의 신호의 신호 부공간(E_s)과 잡음 부공간(E_n)을 포함하는 부공간을 추정하는 부공간 추정부; 및 잡음 부공간(E_n)에 고정밀 지연 시간 추정 알고리즘을 적용함으로써 지연 시간을 추정하는 지연 시간 추정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 부공간 추정부는 고유치 분해(Eigen Value Decomposition, EVD) 또는 특이치 분해(Singular Value Decomposition, SVD)를 이용하여 주파수 영역의 신호의 부공간을 추정할 수 있다.

또한, 부공간 추정부는 부공간 추정을 위한 자기 상관 행렬(R_x)을 구하고, 자기 상관 행렬(R_x)은 신호 부공간(E_s)과 잡음 부공간(E_n)인 2개의 직교 부공간으로 구분되며, 자기 상관 행렬(R_x)은

(수학식)

으로 표현되고, L_p개의 고유벡터로 이루어진 행렬

은 신호 부공간(E_s)를 나타내고, L-L_p-1개의 고유벡터로 이루어진

은 잡음 부공간(E_n)을 나타낼 수 있다.

또한, 지연 시간 추정부는 상기 잡음 부공간(E_n)을 대표하는 벡터(d)를 구함으로써 지연시간을 추정하되, 상기 벡터(d)는,

(수학식)

을 충족하고, E^H _s는 신호 부공간을 대표하는 벡터를 나타낼 수 있다.

또한, 지연 시간 추정부는 아래의 수학식:

(수학식)

에서 제약조건(Q)이 최소가 되도록 벡터(d)를 구할 수 있다

또한, 지연 시간 추정부는 아래의 수학식에서 의사 스펙트럼(P_MN)이 최대가 되는 값을 지연 시간(τ)으로 설정할 수 있다

(수학식)

또한, 지연 시간 추정부는 Minimum-Norm 알고리즘을 통해 지연 시간을 추정할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 천부지층 탐지 장치는 지연 시간 추정부를 통해 추정된 지연 시간을 영상화하는 영상화부를 더 포함할 수 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 음향 신호를 송신하고, 천부지층을 통해 반사된 수신 신호를 근거로 천부지층을 탐지하는 천부지층 탐지 방법은 정합 필터에 의해, 음향 신호를 송신할 때 이용된 전체 주파수 대역 및 전체 시간 대역의 신호를 이용하여 수신 신호에 대한 정합 필터링을 수행하는 단계; 주파수 변환부에 의해, 정합 필터링된 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 단계; 부공간 추정부에 의해, 주파수 영역의 신호의 신호 부공간(E_s)과 잡음 부공간(E_n)을 포함하는 부공간을 추정하는 단계; 및 지연 시간 추정부에 의해, 잡음 부공간(E_n)에 고정밀 지연 시간 추정 알고리즘을 적용함으로써 지연 시간을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 부공간을 추정하는 단계는 고유치 분해(EVD) 또는 특이치 분해(SVD)를 이용하여 이루어질 수 있다.

또한, 부공간을 추정하는 단계는 부공간 추정을 위한 자기 상관 행렬(R_x)을 구하는 단계를 포함하고, 자기 상관 행렬(R_x)은 신호 부공간(E_s)과 잡음 부공간(E_n)인 2개의 직교 부공간으로 구분되며, 자기 상관 행렬(R_x)은

(수학식)

으로 표현되고, L_p개의 고유벡터로 이루어진 행렬

은 잡음 부공간(E_n)을 나타낼 수 있다.

또한, 지연 시간을 추정하는 단계는 상기 잡음 부공간(E_n)을 대표하는 벡터(d)를 구하는 단계를 포함하고, 상기 벡터(d)는

(수학식)

또한, 상기 지연 시간을 추정하는 단계는 아래의 수학식에서 제약조건(Q)이 최소가 되도록 벡터(d)를 구할 수 있다

(수학식)

.

또한, 지연 시간을 추정하는 단계는 아래의 수학식에서 의사 스펙트럼이 최대가 되는 값을 지연 시간(τ)으로 설정함으로써 이루어질 수 있다

(수학식)

.

또한, 지연 시간을 추정하는 단계는 Minimum-Norm 알고리즘을 통해 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 천부지층 탐지 방법은 영상화부에 의해, 지연 시간을 추정하는 단계를 통해 추정된 지연 시간을 영상화하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 천부지층 탐지 장치 및 방법에 따르면, 다양한 입력신호 처리가 가능할 뿐만 아니라 다양한 고정밀 추정기법을 사용할 수 있기 때문에 정밀한 탐사 시스템에 응용 가능한 장점이 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 천부지층 탐지 장치 및 방법에 따르면, 다양한 고속 신호처리 기법을 적용할 수 있기 때문에 소프트웨어 수정을 통해 비교적 쉽게 시스템 구현이 가능하고, 빔 조향 및 형성을 적용한다면 더욱 향상된 성능을 얻을 수 있기 때문에 시스템 성능 향상에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 천부지층 탐지 장치에 대한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 천부지층 탐지 장치에 포함된 영상화부를 통해 출력되는 결과 화면의 일 예시를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 천부지층 탐지 장치에 포함된 지연 시간 추정부를 통해 검출된 지연 시간 추정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 따른 천부지층 탐지 장치를 통해 이루어지는 천부지층 탐지 과정을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 천부지층 탐지 방법에 대한 흐름도이다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 천부지층 탐지 장치 및 방법에 대하여 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 천부지층 탐지 장치(100)에 대한 블록도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 천부지층 탐지 장치(100)는 음향 신호를 송신하고, 천부지층을 통해 반사된 수신 신호를 처리함으로써 천부지층을 탐지하는 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 천부지층 탐지 장치(100)는 음향 신호를 송신할 때 이용된 전체 주파수 대역 및 전체 시간 대역의 신호를 이용하여 수신 신호에 대한 처리를 수행하고, 상기 신호에 고정밀 지연 시간 알고리즘을 적용함으로써 높은 정밀도로 지연 시간을 추정할 수 있다.

이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 천부지층 탐지 장치(100)는 데이터 수신부(110), 정합 필터(120), 주파수 변환부(130), 부공간 추정부(140), 지연 시간 추정부(150) 및 영상화부(160)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상술한 구성들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 기능별로 각 구성을 구분한 것이고, 실제로는 CPU. MPU 및 GPU와 같은 처리 장치를 통해 구현되는 것도 가능하다. 이제, 도 1을 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 천부지층 탐지 장치(100)에 포함된 각 구성에 대한 설명이 이루어진다.

데이터 수신부(110)는 천부지층을 통해 반사된 수신 신호를 수신하는 기능을 한다. 여기서, 음향 신호는 음향 신호 생성 장치(미도시) 예를 들어, 트랜스듀서에 의해 생성 및 송신될 수 있고, 이러한 음향 신호는 해저 지층의 경계면에서 반사되어 되돌아올 수 있으며, 데이터 수신부(110)는 이렇게 반사된 신호(즉, 수신 신호)를 수신할 수 있다.

정합 필터(120)는 전처리 과정을 수행하는 구성으로서, 데이터 수신부(110)를 통해 입력된 수신 신호에 대한 정합 필터링을 수행하는 기능을 한다. 구체적으로, 정합 필터(120)는 상술한 음향 신호의 송신 과정에서 이용된 전체 주파수 대역 및 전체 시간 대역의 신호를 이용하여, 수신 신호에 대한 정합 필터링을 수행한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 천부지층 탐지 장치(100)는 다중 대역, 그리고 다중 시간대에 송신된 신호를 수신하는 것을 특징으로 하므로, 정합 필터(120)에서는 천부지층을 통해 반사된 수신 신호를 처리할 시, 상술한 다중 대역 및 다중 시간대에 송신된 신호의 특성을 고려해야 한다. 이에 따라, 정합 필터(120)는 정합 필터링 과정을 수행할 때, 음향 신호의 송신 과정에서 이용된 전체 주파수 대역 및 전체 시간 대역의 신호를 이용하여, 수신 신호에 대한 정합 필터링을 수행한다.

여기서, 정합 필터(120)를 통해 필터링된 정합 필터링된 신호(h(t))는 채널의 임펄스 응답을 충실히 포함하고 있다고 가정하며, 이때의 채널 응답은 아래의 수학식 1과 같이 시간 지연된 유한개의 임펄스의 합으로 정의될 수 있다.

수학식 1에서, Lp는 천부지층 반사에 의한 임펄스의 개수를 나타내고,

와

는 각각 k번째 진폭과 이의 도달 시간을 나타낸다.

주파수 변환부(130)는 정합 필터(120)를 통해 정합 필터링된 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 기능을 한다. 구체적으로, 주파수 변환부(130)는 정합 필터(120)를 통해 정합 필터링된 신호의 푸리에 변환을 적용하는 기능을 한다. 수학식 1을 푸리에 변환하면, 주파수 영역의 신호(H(f))는 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.

여기서, 주파수 분할 단위를 f_d로 정의하고 l=0,1, ... , L-1로 표현되는 L개의 주파수를 고려할 때, l번째 이산 주파수에 해당하는 백색잡음 진폭 w(l)이 포함된 이산 주파수 영역 채널응답을 다음과 같이 나타낼 수 있고, 이를 이용하여 신호 모델 x(l)을 얻을 수 있다.

수학식 3을 행렬로 표현하면 아래의 수학식 4와 같은 벡터 신호 모델을 얻을 수 있다.

수학식 4에서, a는 임펄스 진폭(a_k)로 이루어진 벡터를 나타내고, 아래의 수학식 5와 같이 정의될 수 있다.

수학식 4에서, 행렬(V)는 L_p개의 벡터(v)로 이루어진 행렬을 나타내고, 아래의 수학식 6과 같이 정의될 수 있다.

수학식 6에서, 벡터(v)는 L개의

로 이루어진 벡터로서, 아래의 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.

또한, 수학식 4에서 w는 l번째 이산 주파수에 해당하는 백색잡음 진폭으로 이루어진 벡터로서, 아래의 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.

위에서 수학식 4 내지 8을 참조로 설명된 벡터 신호 모델을 이용하면 고정밀 도달 시간 추정을 위한 부공간 기반 신호처리가 가능해진다.

부공간 추정부(140)는 주파수 변환부(130)를 통해 변환된 주파수 영역의 신호의 부공간을 추정하는 기능을 한다. 구체적으로, 부공간 추정부(140)는 부공간 추정을 위해 자기 상관 행렬(R_x)을 구하고, 고유치 분해(Eigen Value Decomposition, EVD)를 이용하여 신호의 부공간을 추정할 수 있다. 여기서, 부공간 추정을 위한 자기 상관 행렬(Rx)은 아래의 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.

수학식 9에서, S=E{aa^H}이고, q_l을 l번째 고유벡터라고 할 때, A=[q₀q₁...q_L _-1]이다. 또한, σ²는 잡음의 분산을 나타내며, 첨자 H는 헤르미트 공액(Hermitian conjugate)을 나타낸다. 수학식 9를 통해, 자기상관행렬(R_x)은 신호 부공간(E_s)과, 잡음 부공간(E_n)이라는 2개의 직교 부공간으로 구분하여 나타날 수 있다. 이에 따라, 상술한 2개의 직교 부공간을 구분하여 나타난 자기상관행렬(R_x)은 아래의 수학식 10과 같이 표현될 수 있다.

여기서, λ_i는 i번째 고유값을 나타낸다. L_p개의 고유벡터로 이루어진 행렬

은 신호 부공간, L-L_p-1개의 고유벡터로 이루어진

은 잡음 부공간을 나타낸다. 이때, i번째 고유벡터는

로 나타낼 수 있다.

또한, 상술한 부공간 추정부(140)는 상술한 고유치 분해(EVD) 대신 특이치 분해(Singular Value Decomposition, SVD)를 이용하여 신호의 부공간 추정을 수행하는 것도 가능하다.

지연 시간 추정부(150)는 부공간 추정을 거친 신호에 고정밀 지연 시간 추정 알고리즘을 적용함으로써 지연 시간을 추정하는 기능을 한다. 여기서, 고정밀 지연 시간 추정 알고리즘은 Minimum-Norm 알고리즘이 이용될 수 있다. 여기서, 지연 시간 추정부(150)는 고정밀 지연 시간 추정 알고리즘 중 상기 알고리즘 외에 MUSIC(MUltiple Signal Classification) 알고리즘을 이용하는 것도 생각해볼 수 있으나, MUSIC 알고리즘은 편향이 크고 해상도가 낮으며, 상관 신호에 대한 영향이 큰 점에 기인하여, 상술한 천부지층 탐지에 어려움을 겪을 수 있다. 이에 따라, 고정밀 지층 탐사를 위해서는 MUSIC 알고리즘이 아닌 Minimum-Norm 알고리즘을 채택하는 것이 바람직하다.

또한, MUSIC 알고리즘은 잡음 부공간 내에 존재하는 모든 고유벡터들을 이용하여 신호의 도달시간을 추정하지만, Minimum-Norm 알고리즘은 잡음 부공간을 대표하는 새로운 벡터(d)를 구하여 신호의 도달시간을 추정한다. 신호 부공간에 직교인 벡터를 d라고 하면 다음을 만족한다.

수학식 11에서, E^H _s는 신호 부공간을 대표하는 벡터를 나타낸다. 벡터(d)는 q^* _i에 대한 L차 선형 예측 오류 필터(linear prediction error filter)와 같이 해석할 수 있다. 따라서, 수학식 11을 만족하는 벡터(d)는 무한히 많은 값을 가질 수 있으나, 벡터(d)의 여러 가지 해 중 다음의 제약조건(Q)를 최소화 시키는(즉, Minimum norm을 만족하는) d를 구하는 것이 바람직하다. 이는 벡터(d)의 Minimum norm을 만족하는 제약조건(Q)이며, 제약조건(Q)은 아래의 수학식 12와 같이 표현될 수 있다.

이는 Z transform을 이용한 필터 해석 측면에서, 아래의 수학식 13과 같이 정의되는 다항식 D(z)의 L개의 영(zeros) 중 L-L_p개의 무연영(extraneous zero)이 단위 원 내부에 균일하게 분포되는 효과를 나타낸다. 이는 결과적으로, 수학식 11의 L차 선형 예측 오류 필터의 안정성을 나타낸다.

여기서 z는 Z transform의 시간 이동 요소를 나타낸다. 수학식 12의 minimum norm 조건을 만족하는 수학식 11의 해 즉, 벡터(d)는 아래의 수학식 14와 같이 주어질 수 있다.

수학식 14에서, g는 신호 고유벡터의 첫 번째 요소로 구성되는 벡터이며, E'_s는 E_s의 첫 번째 행 즉, g를 제거한 행렬이다. 최종적으로 Minimum-Norm 알고리즘으로 얻어지는 의사스펙트럼(P_MN)는 아래의 수학식 15로 정의될 수 있다.

수학식 15에 의해, 시간 지연(τ)에 따라, 의사스펙트럼(P_MN)을 구하면, 음파 도달시간에 따른 스펙트럼을 구할 수 있다. 이는 수학식 11에 의해, 신호 부공간에 가까운 v(τ)는 벡터(d)와의 내적이 0에 근접하게 되므로, 천부지층 도달시간에서 스펙트럼의 피크를 얻을 수 있다. 이렇게, 의사스펙트럼(P_MN)은 벡터(d)에 부가된 제약조건에 의해 해상도가 높고, 상관 신호의 영향이 적은 결과를 얻을 수 있다.

영상화부(160)는 지연 시간 추정부(150)를 통해 추정된 지연 시간을 영상화하는 기능을 한다. 즉, 영상화부(160)는 고정밀 지연 시간 추정 결과를 시간 또는 거리에 따라 연속적으로 도시함으로써, 사용자에게 결과를 알리는 기능을 한다. 예를 들어, 영상화부(160)는 선형, Logscale 또는 기타 다른 방식 등을 이용하여 영상화를 수행할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 영상화부(160)를 통해 영상화된 천부지층에 대한 예시는 도 2에 도시된다.

도 2에 도시된 것처럼, 영상화부(160)는 도 1을 참조로 설명된 과정을 거친 최종 결과를 시간에 따라 출력할 수 있다. 물론, 이러한 최종 결과는 거리에 따라 출력하는 것도 가능하다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 천부지층 탐지 장치(100)에 포함된 지연 시간 추정부(150)를 통해 검출된 지연 시간 추정 결과를 나타내는 그래프이다. 도 3에서 종래기술에 따른 시간영역 디첩 처리 결과는 Dechirp로 표기 되었고, 종래기술에 따른 주파수 영역 처리 결과는 IFT로 표기되었으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 지연 시간 추정부(150)를 통해 검출된 지연 시간 추정 결과는 Minimum-Norm으로 표기되었다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 지연 시간 추정부(150)를 통해 검출된 지연 시간 추정 결과를 살펴보면, 종래기술들 대비 보다 높은 정밀도로 지연 시간 추정이 가능한 것을 알 수 있으며, 이는 보다 높은 정확도로 천부지층 탐지가 가능하다는 것을 나타낸다.

도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 따른 천부지층 탐지 장치(100)를 통해 이루어지는 천부지층 탐지 과정을 나타내는 그래프이다. 본 예시에서, 송신신호는 3.5kHz~4.5kHz의 대역을 갖는 첩 신호이며, 샘플링 주파수는 50kHz이다. 구체적으로, 도 4a 및 도 4b는 모의로 생성된 수신 신호(즉, 모의 천부지층 탐사 신호)를 나타내는 그래프이고, 도 4c 및 도 4d는 각각 도 4a 및 도 4b의 신호를 정합 필터링한 결과를 나타낸다. 또한, 도 4a는 잡음이 없는 모의 수신 신호를 나타내고, 도 4b는 가우시안 잡음이 포함된 모의 수신 신호를 나타낸다. 또한, 도 4a 내지 도 4f에서, x축은 시간을 나타내고, y축은 진폭을 나타낸다.

또한, 도 4c 내지 도 4f에서 표층 반사신호를 0초에 1점 쇄선으로 표시하였다. 표층 부근의 신호는 본래 두 개의 층으로 나뉘어져 있으나 도 4c 및 도 4d에 도시된 것처럼 정합 필터링 결과는 두 개의 층이 구분되지 않고 하나로 뭉쳐져 나타나고 있다. 잡음이 포함되지 않은 결과에서는 다소 구분이 되어 보이기도 하나 명확하지 않으며 잡음이 포함된 경우는 이를 알아보기 용이하지 않다. 상술한 2개의 층을 잘 구분하기 위해서는 보다 넓은 주파수 대역의 첩 신호를 사용할 수 있다. 그러나 이는 시스템 사양의 제약을 받을 수 밖에 없다.

한편, 본 발명과 같이 다중 대역 및 다중 시간 대역을 고려하여 정합 필터링을 수행한 후, EVD 또는 SVD를 통해 신호의 부공간을 추정하며, 추정 결과에 Minimum-Norm 알고리즘을 적용하여 지연 시간을 추정할 시, 도 4e 및 도 4f와 같은 그래프를 도출할 수 있다. 도 4e 및 도 4f에 도시된 것처럼, 각각 영역(r₁, r₂)을 살펴보면, 두 개의 표층 신호가 정확히 구분되어 나타나고 있다. 도 4f로 도시된 예시와 같이, 잡음이 포함된 경우에도 영역(r₂)에 도시된 것처럼 천부지층의 구성이 정확히 나타남을 알 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 천부지층 탐지 방법에 대한 흐름도이다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 천부지층 탐지 방법은 음향 신호를 송신하고, 천부지층을 통해 반사된 수신 신호를 처리함으로써 천부지층을 탐지하는 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 천부지층 탐지 방법은 음향 신호를 송신할 때 이용된 전체 주파수 대역 및 전체 시간 대역의 신호를 이용하여 수신 신호에 대한 처리를 수행하고, 신호에 고정밀 지연 시간 알고리즘을 적용함으로써 높은 정밀도로 지연 시간을 추정할 수 있다. 이제, 도 5를 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 천부지층 탐지 방법에 대한 설명이 이루어진다.

S110 단계는 데이터 수신부에 의해, 천부지층을 통해 반사된 수신 신호를 수신하는 단계이다. 여기서, 음향 신호는 음향 신호 생성 장치 예를 들어, 트랜스듀서에 의해 생성 및 송신될 수 있고, 이러한 음향 신호는 해저 지층의 경계면에서 반사되어 되돌아올 수 있으며, S110 단계는 이렇게 반사된 신호(즉, 수신 신호)를 수신할 수 있다.

S120 단계는 정합 필터에 의해, 음향 신호를 송신할 때 이용된 전체 주파수 대역 및 전체 시간 대역의 신호를 이용하여 수신 신호에 대한 정합 필터링을 수행하는 단계이다. 상술한 바와 같이, S110 단계는 다중 대역 및 다중 시간 대에 송신된 신호의 수신이 가능한 것을 특징으로 한다. 이에 따라, S120 단계는 S110 단계를 통해 입력된 수신 신호를 처리할 시, 상술한 다중 대역 및 다중 시간대에 송신된 신호의 특성을 고려해야 하며, 상술한 특성을 고려하기 위해 S120 단계는 음향 신호의 송신 과정에서 이용된 전체 주파수 대역 및 전체 시간 대역의 신호를 이용하여, 수신 신호에 대한 정합 필터링을 수행할 수 있다. 여기서, 수신 신호에 대한 정합 필터링 방법의 경우 위에서 도 1을 참조로 상세히 언급하였으므로, 중복되는 설명은 생략한다.

S130 단계는 주파수 변환부에 의해, 정합 필터링된 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 단계이다. 여기서, S130 단계는 정합 필터링된 신호에 푸리에 변환을 적용함으로써 이루어질 수 있다.

S140 단계는 부공간 추정부에 의해, 주파수 영역의 신호의 신호 부공간(E_s)과 잡음 부공간(E_n)을 포함하는 부공간을 추정하는 단계이다. 구체적으로, S140 단계는 부공간 추정을 위해 자기 상관 행렬(R_x)을 구하고, 고유치 분해(EVD) 또는 특이치 분해(SVD)를 이용하여 신호의 부공간을 추정할 수 있다. 여기서, 자기 상관 행렬(R_x)에 대한 설명과, 자기 상관 행렬(R_x)에서 잡음 부공간(E_n)을 추출하는 방법에 대한 설명은 위에서 수학식 9 및 수학식 10을 참조로 상세히 언급하였으므로, 중복되는 설명은 생략한다.

S150 단계는 지연 시간 추정부에 의해, 잡음 부공간(E_n)에 고정밀 지연 시간 추정 알고리즘을 적용함으로써 지연 시간을 추정하는 단계이다. 여기서, 고정밀 지연 시간 추정 알고리즘은 Minimum-Norm 알고리즘을 포함할 수 있다. 또한, S150 단계는 S140 단계를 통해 도출된 잡음 부공간(E_n)을 대표하는 벡터(d)를 이용하여 이루어질 수 있다. 여기서, 벡터(d)에 대한 설명은 위에서 수학식 11 내지 수학식 15를 참조로 상세히 언급하였으므로, 추가적인 설명은 생략한다.

또한, S150 단계는 상술한 수학식 15에서 의사 스펙트럼이 최대가 되는 값을 지연 시간(τ)으로 설정함으로써 이루어질 수 있다.

S160 단계는 영상화부에 의해, 지연 시간을 추정하는 단계를 통해 추정된 지연 시간을 영상화하는 단계이다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100 : 천부지층 탐지 장치 110 : 데이터 수신부
120 : 정합 필터 130 : 주파수 변환부
140 : 부공간 추정부 150 : 지연 시간 추정부
160 : 영상화부

Claims

음향 신호를 송신하고, 천부지층을 통해 반사된 수신 신호를 근거로 천부지층을 탐지하는 천부지층 탐지 장치로서,
상기 음향 신호를 송신할 때 이용된 전체 주파수 대역 및 전체 시간 대역의 신호를 이용하여 상기 수신 신호에 대한 정합 필터링을 수행하는 정합 필터;
정합 필터링된 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 주파수 변환부;
상기 주파수 영역의 신호의 신호 부공간(E_s)과 잡음 부공간(E_n)을 포함하는 부공간을 추정하는 부공간 추정부; 및
상기 잡음 부공간(E_n)에 고정밀 지연 시간 추정 알고리즘을 적용함으로써 지연 시간을 추정하는 지연 시간 추정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 천부지층 탐지 장치.
제1항에 있어서,
상기 부공간 추정부는 고유치 분해(Eigen Value Decomposition, EVD) 또는 특이치 분해(Singular Value Decomposition, SVD)를 이용하여 상기 주파수 영역의 신호의 부공간을 추정하는 것을 특징으로 하는 천부지층 탐지 장치.
제1항에 있어서,
상기 부공간 추정부는 부공간 추정을 위한 자기 상관 행렬(R_x)을 구하고, 상기 자기 상관 행렬(R_x)은 신호 부공간(E_s)과 잡음 부공간(E_n)인 2개의 직교 부공간으로 구분되며, 상기 자기 상관 행렬(R_x)은,
(수학식)

으로 표현되고, L_p개의 고유벡터로 이루어진 행렬
은 신호 부공간(E_s)를 나타내고, L-L_p-1개의 고유벡터로 이루어진
은 잡음 부공간(E_n)을 나타내는 것을 특징으로 하는 천부지층 탐지 장치.
제3항에 있어서,
상기 지연 시간 추정부는 상기 잡음 부공간(E_n)을 대표하는 벡터(d)를 구함으로써 지연시간을 추정하되, 상기 벡터(d)는,
(수학식)

을 충족하고, E^H _s는 신호 부공간을 대표하는 벡터를 나타내는 것을 특징으로 하는 천부지층 탐지 장치.
제4항에 있어서,
상기 지연 시간 추정부는 아래의 수학식에서 제약조건(Q)이 최소가 되도록 벡터(d)를 구하는 것을 특징으로 하는 천부지층 탐지 장치.
(수학식)
제5항에 있어서,
상기 지연 시간 추정부는 아래의 수학식에서 의사 스펙트럼(P_MN)이 최대가 되는 값을 지연 시간(τ)으로 설정하는 것을 특징으로 하는 천부지층 탐지 장치.
(수학식)
제1항에 있어서,
상기 지연 시간 추정부는 Minimum-Norm 알고리즘을 통해 상기 지연 시간을 추정하는 것을 특징으로 하는 천부지층 탐지 장치.
제1항에 있어서,
상기 지연 시간 추정부를 통해 추정된 지연 시간을 영상화하는 영상화부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천부지층 탐지 장치.
음향 신호를 송신하고, 천부지층을 통해 반사된 수신 신호를 근거로 천부지층을 탐지하는 천부지층 탐지 방법으로서,
정합 필터에 의해, 상기 음향 신호를 송신할 때 이용된 전체 주파수 대역 및 전체 시간 대역의 신호를 이용하여 상기 수신 신호에 대한 정합 필터링을 수행하는 단계;
주파수 변환부에 의해, 정합 필터링된 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 단계;
부공간 추정부에 의해, 상기 주파수 영역의 신호의 신호 부공간(E_s)과 잡음 부공간(E_n)을 포함하는 부공간을 추정하는 단계; 및
지연 시간 추정부에 의해, 상기 잡음 부공간(E_n)에 고정밀 지연 시간 추정 알고리즘을 적용함으로써 지연 시간을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천부지층 탐지 방법.
제9항에 있어서,
상기 부공간을 추정하는 단계는 고유치 분해(EVD) 또는 특이치 분해(SVD)를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 천부지층 탐지 방법.
제9항에 있어서,
상기 부공간을 추정하는 단계는,
부공간 추정을 위한 자기 상관 행렬(R_x)을 구하는 단계를 포함하고,
상기 자기 상관 행렬(R_x)은 신호 부공간(E_s)과 잡음 부공간(E_n)인 2개의 직교 부공간으로 구분되며, 상기 자기 상관 행렬(R_x)은
(수학식)

으로 표현되고, L_p개의 고유벡터로 이루어진 행렬
은 신호 부공간(E_s)를 나타내고, L-L_p-1개의 고유벡터로 이루어진
은 잡음 부공간(E_n)을 나타내는 것을 특징으로 하는 천부지층 탐지 방법.
제11항에 있어서,
상기 지연 시간을 추정하는 단계는 상기 잡음 부공간(E_n)을 대표하는 벡터(d)를 구하는 단계를 포함하고, 상기 벡터(d)는
(수학식)

을 충족하고, E^H _s는 신호 부공간을 대표하는 벡터를 나타내는 것을 특징으로 하는 천부지층 탐지 방법.
제12항에 있어서,
상기 지연 시간을 추정하는 단계는 아래의 수학식에서 제약조건(Q)이 최소가 되도록 벡터(d)를 구하는 것을 특징으로 하는 천부지층 탐지 방법.
(수학식)
제13항에 있어서,
상기 지연 시간을 추정하는 단계는 아래의 수학식에서 의사 스펙트럼(P_MN)이 최대가 되는 값을 지연 시간(τ)으로 설정함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 천부지층 탐지 방법.
(수학식)
제9항에 있어서,
상기 지연 시간을 추정하는 단계는 Minimum-Norm 알고리즘을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 천부지층 탐지 방법.
제9항에 있어서,
영상화부에 의해, 상기 지연 시간을 추정하는 단계를 통해 추정된 지연 시간을 영상화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천부지층 탐지 방법.