The Journal of the Acoustical Society of Korea (한국음향학회지)

The Acoustical Society of Korea (한국음향학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Comparison of score-penalty method and matched-field processing method for acoustic source depth estimation

음원 심도 추정을 위한 스코어-패널티 기법과 정합장 처리 기법의 비교

  • 이근화 (세종대학교 해양융합시스템공학과) ;
  • 홍우영 (세종대학교 해양융합시스템공학과) ;
  • 박중용 (국방과학연구소 해양기술연구원) ;
  • 손수욱 (국방과학연구소 해양기술연구원) ;
  • 배호석 (국방과학연구소 해양기술연구원) ;
  • 박정수 (국방과학연구소 해양기술연구원)
  • Received : 2024.02.01
  • Accepted : 2024.04.29
  • Published : 2024.05.31
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

Recently, a score-penalty method has been used for the acoustic passive tracking of marine mammals. The interesting aspect of this technique lies in the loss function, which has a penalty term representing the mismatch between the measured signal and the modeled signal, while the traditional time-domain matched-field processing is positively considering the match between them. In this study, we apply the score-penalty method into the depth estimation of a passive target with a known source waveform. Assuming deep ocean environments with uncertainties in the sound speed profile, we evaluate the score-penalty method, comparing it with the time-domain matched field processing method. We shows that the score-penalty method is more accurate than the time-domain matched field processing method in the ocean environment with weak mismatch of sound speed profile, and has better efficiency. However, in the ocean enviroment with strong mismatch of the sound speed profile, the score-penalty method also fails in the depth estimation of a target, similar to the time-domain matched-field processing method.

최근 해양 포유동물의 수동 음향 추적을 위해 스코어-패널티 법이 사용되고 있다. 전통적인 시간영역 정합장 처리 기법은 손실함수에 측정신호와 손실신호간의 정합도만을 고려하는 반면, 스코어-패널티법은 측정 신호와 모의신호의 비적합도를 반영하는 페널티 항도 추가로 고려한다. 본 연구에서는 스코어-패널티법을 파형을 알고 있는 수동표적의 심도 추정에 적용했다. 수중 음속 구조의 불확실성을 갖는 심해 환경을 가정하고, 스코어-패널티법의 성능을 평가했다. 또한 시간영역 정합장 처리기법의 결과와 서로 비교했다. 약한 수중 음속 오정합 환경에서 스코어-패널티법은 시간영역 정합장 처리기법보다 높은 정확도를 보이고 효율적으로 동작했다. 그렇지만 수중 음속 구조의 오정합이 매우 큰 경우에는 두 기법 모두 표적의 심도 추정에는 실패했다.

Keywords

Acknowledgement

본 연구는 2024년 정부(방위사업청)의 재원으로 국방과학연구소의 지원을 받아 수행된 연구임(UD 210004DD).

References

  1. G. L. D'Spain, J. J. Murray, W. S. Hodgkiss, N. O. Booth, and P. W. Schey, "Mirages in shallow water matched field processing," J. Acoust. Soc. Am. 105, 3245-3265 (1999).
  2. D. Chang, H. Park, S. Kim, J. Ryu, and G. Kim, "Matched-target model inversion for the position estimation of moveing targets," J. Acoust. Soc. Kr. 22, 562-572 (2003).
  3. A. B. Baggeroer, W. A. Kuperman, and P. N. Mikhalevsky, "An overview of matched field methods in ocean acoustics," IEEE J. Ocean. Eng. 18, 401-424 (1993).
  4. T. C. Yang and C. W. Bogart, "Matched-mode processing for sparse theree-dimensional arrays," J. Acoust. Soc. Am. 95, 3149-3166 (1994).
  5. B. M. Worthmann, H. C. Song, and D. R. Dowling, "High-frequency source localization in a shallow ocean sound channel using frequency difference matched field processing," J. Acoust. Soc. Am. 138, 3549-3562 (2015).
  6. C. Tiemann, A. Thode, J. Straley, V. O'Connell, and K. Folkert, "Three-dimensional localization of sperm whales using a single hydrophone," J. Acoust. Soc. Am. 120, 2355-2365 (2006).
  7. X. Mouy, D. Hannay, M. Zykov, and B. Martin, "Tracking of pacific walruses in the Chukchi Sea using a single hydrophone," J. Acoust. Soc. Am. 131, 1349-1358 (2011).
  8. C. Park, W. Seong, and P. Gerstoft, "Time-domain geoacoustic inversion of high-frequency chirp signal from a simple towed system," IEEE J. Ocean. Eng. 28, 468-478 (2003).
  9. J.-S. Park, J.-Y. Park, S.-U. Son, H. S. Bae, and K. Lee, "Characteristics of source localization using frequency-difference autoproduct in the East Sea" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 43, 324-334 (2024).
  10. M. B. Porter, The Bellhop Manual and User's Guide, http://oalib.hlsresearch.com, (Last viewed February 1, 2024).
  11. F. B. Jensen, W. A. Kuperman, M. B. Porter, and H. Schmidt, Computational Ocean Acoustics (Springer NY, 2011), pp. 155-232.
  12. M. D. Collins and W. A. Kuperman, "Focalization: Environmental focusing and source localization," J. Acoust. Soc. Am. 90, 1410-1422 (1991).
  13. M. Florian and L. G. Kay, "Probabilistic focalization for shallow water localization," J. Acoust. Soc. Am. 150, 1057-1066 (2021).
  14. A. Mours, C. Loana, J. I. Mars, N. F. Josso, and Y. Doisy, "Target-depth estimation in active sonar: Cramer-Rao bounds for a bilinear sound-speed profile," J. Acoust. Soc. Am. 140, 1771-1782 (2016).