3-D Near Field Localization Using Linear Sensor Array in Multipath Environment with Inhomogeneous Sound Speed

비균일 음속 다중경로환경에서 선배열 센서를 이용한 근거리 표적의 3차원 위치추정 기법

  • 이수형 (위덕대학교 에너지전기공학부) ;
  • 최병웅 (경북대학교 전자전기컴퓨터학부)
  • Published : 2006.05.01

Abstract

Recently, Lee et al. have proposed an algorithm utilizing the signals from different paths by using bottom mounted simple linear array to estimate 3-D location of oceanic target. But this algorithm assumes that sound velocity is constant along depth of sea. Consequently, serious performance loss is appeared in real oceanic environment that sound speed is changed variously. In this paper, we present a 3-D near field localization algorithm for inhomogeneous sound speed. The proposed algorithm adopt localization function that utilize ray propagation model for multipath environment with linear sound speed profile(SSP), after that, the proposed algorithm searches for the instantaneous azimuth angle, range and depth from the localization cost function. Several simulations using linear SSP and non linear SSP similar to that of real oceans are used to demonstrate the performance of the proposed algorithm. The estimation error in range and depth is decreased by 100m and 50m respectively.

최근에 Lee 등은 1차원 수평배열 센서만을 사용하여 다중경로를 통해 들어오는 신호로부터 표적의 3차원 위치를 추정하였다. 그러나 이 기법에서 음속은 수심에 상관없이 일정하다고 가정하였기 때문에 음속이 수심에 따라 다양하게 변화하는 실제 해양환경에서는 그 추정 성능이 현저하게 저하된다. 따라서 본 논문에서는 비균일 음속 환경에 적합한 근거리 표적의 3차원 위치추정 기법을 제안한다. 제안한 기법에서는 선형의 음속구조를 가지는 근거리 다중경로 환경에서 음파전달 모델을 기반으로 한 위치추정함수를 구성하였으며 이로부터 표적의 방위각, 거리 및 깊이를 3차원 탐색을 통하여 추정하였다. 선형 음속구조 및 실제 환경과 유사한 비선형 음속구조를 적용하여 제안한 기법의 성능을 기존의 기법과 비교, 분석하였으며 기존의 기법에 비해 거리 추정 오차는 최대 100m, 깊이 추정 오차는 50m정도 감소됨을 확인하였다.

Keywords

References

  1. D. H. Johnson and D. E. Dudgeon, Array Signal Processing: Concepts and Techniques, (Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1993)
  2. R. O. Nielson, Sonar Signal Processing, Artech House, Inc., Norwood, 1991
  3. C. M. Lee, K. S. Yoon, J. H. Lee and K. K. Lee, 'Efficient algorithm for localizing 3-D narrowband multiple sources,' lEE proc. Radar Sonar and Nav., 148 (1), 23-26, 2001 https://doi.org/10.1049/ip-rsn:20010074
  4. J. H. Lee, D. H. Park, G. T. Park and K. K. Lee, 'Algebraic path-following algorithm for localising 3-D near-field sources in uniform circular array,' Electronics Letters, 39 (17) 1283-1285, 2003 https://doi.org/10.1049/el:20030819
  5. S. H. Lee, C. S. Ryu and K. K. Lee, 'Near-field source localisation using bottom-mounted linear sensor array in multi path environment,' lEE Proc. Radar, Sonar and Nav., 149 (4) 202-206, 2002 https://doi.org/10.1049/ip-rsn:20020494
  6. 이수형, 류창수, 이균경, '다중경로환경에서 해저고정형 선배열선서를 이용한 근거리표적의 위치추정 기법,' 한국음향학회지, 19 (7) 7-14, Sep. 2000
  7. R. J. Urick, Principles of Underwater Sound. (3rd Ed., McGraw-Hill, 1983)
  8. Q. Zhang and J. Huang, 'Joint estimation of DOA and time-delay in underwater localization,' International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing Conference Proceedings, 2817-2820, 1999
  9. L. J. Ziomek, Fundamentals of Acoustic Field Theory and Space- Time Signal Processing. (CRC Press, 1994)