• Research Article

    Music classification system through emotion recognition based on regression model of music signal and electroencephalogram features

    음악신호와 뇌파 특징의 회귀 모델 기반 감정 인식을 통한 음악 분류 시스템

    Ju-Hwan Lee, Jin-Young Kim, Dong-Ki Jeong and Hyoung-Gook Kim

    이주환, 김진영, 정동기, 김형국

    In this paper, we propose a music classification system according to user emotions using Electroencephalogram (EEG) features that appear when listening to …

    본 논문에서는 음악 청취 시에 나타나는 뇌파 특징을 이용하여 사용자 감정에 따른 음악 분류 시스템을 제안한다. 제안된 시스템에서는 뇌파 신호로부터 추출한 감정별 …

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    In this paper, we propose a music classification system according to user emotions using Electroencephalogram (EEG) features that appear when listening to music. In the proposed system, the relationship between the emotional EEG features extracted from EEG signals and the auditory features extracted from music signals is learned through a deep regression neural network. The proposed system based on the regression model automatically generates EEG features mapped to the auditory characteristics of the input music, and automatically classifies music by applying these features to an attention-based deep neural network. The experimental results suggest the music classification accuracy of the proposed automatic music classification framework.


    본 논문에서는 음악 청취 시에 나타나는 뇌파 특징을 이용하여 사용자 감정에 따른 음악 분류 시스템을 제안한다. 제안된 시스템에서는 뇌파 신호로부터 추출한 감정별 뇌파 특징과 음악신호에서 추출한 청각적 특징 간의 관계를 회귀 심층신경망을 통해 학습한다. 실제 적용 시에는 이러한 회귀모델을 기반으로 제안된 시스템은 입력되는 음악의 청각 특성에 매핑된 뇌파 신호 특징을 자동으로 생성하고, 이 특징을 주의집중 기반의 심층신경망에 적용함으로써 음악을 자동으로 분류한다. 실험결과는 제안된 자동 음악분류 프레임 워크의 음악 분류 정확도를 제시한다.

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    31 March 2022
  • Research Article

    Improving transformer-based speech recognition performance using data augmentation by local frame rate changes

    로컬 프레임 속도 변경에 의한 데이터 증강을 이용한 트랜스포머 기반 음성 인식 성능 향상

    Seong Su Lim, Byung Ok Kang, and Oh-Wook Kwon

    임성수, 강병옥, 권오욱

    In this paper, we propose a method to improve the performance of Transformer-based speech recognizers using data augmentation that locally adjusts the …

    본 논문은 프레임 속도를 국부적으로 조절하는 데이터 증강을 이용하여 트랜스포머 기반 음성 인식기의 성능을 개선하는 방법을 제안한다. 먼저, 원래의 음성데이터에서 증강할 부분의 …

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    In this paper, we propose a method to improve the performance of Transformer-based speech recognizers using data augmentation that locally adjusts the frame rate. First, the start time and length of the part to be augmented in the original voice data are randomly selected. Then, the frame rate of the selected part is changed to a new frame rate by using linear interpolation. Experimental results using the Wall Street Journal and LibriSpeech speech databases showed that the convergence time took longer than the baseline, but the recognition accuracy was improved in most cases. In order to further improve the performance, various parameters such as the length and the speed of the selected parts were optimized. The proposed method was shown to achieve relative performance improvement of 11.8 % and 14.9 % compared with the baseline in the Wall Street Journal and LibriSpeech speech databases, respectively.


    본 논문은 프레임 속도를 국부적으로 조절하는 데이터 증강을 이용하여 트랜스포머 기반 음성 인식기의 성능을 개선하는 방법을 제안한다. 먼저, 원래의 음성데이터에서 증강할 부분의 시작 시간과 길이를 랜덤으로 선택한다. 그 다음, 선택된 부분의 프레임 속도는 선형보간법을 이용하여 새로운 프레임 속도로 변경된다. 월스트리트 저널 및 LibriSpeech 음성데이터를 이용한 실험결과, 수렴 시간은 베이스라인보다 오래 걸리지만, 인식 정확도는 대부분의 경우에 향상됨을 보여주었다. 성능을 더욱 향상시키기 위하여 변경 부분의 길이 및 속도 등 다양한 매개변수를 최적화 하였다. 제안 방법은 월스트리트 저널 및 LibriSpeech 음성 데이터에서 베이스라인과 비교하여 각각 11.8 % 및 14.9 % 의 상대적 성능 향상을 보여주는 것으로 나타났다.

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    31 March 2022
  • Research Article

    Simulation of acoustic waves horizontal refraction using a three-dimensional parabolic equation model

    3차원 포물선방정식을 이용한 음파의 수평굴절 모의

    Youngnam Na, Su-Uk Son, Jooyoung Hahn and Keunhwa Lee

    나영남, 손수욱, 한주영, 이근화

    In order to examine the possibility of horizontal simulations of acoustic waves on the environments of big water depth variations, this study …

    본 연구에서는 동해 수심변화가 큰 해양환경 하에서 음파의 수평굴절 모의 가능성을 고찰하고자 포물선방정식 기반의 3차원 모델을 도입한다. 이 모델은 상관항과 비상관항을 분리함으로써 …

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    In order to examine the possibility of horizontal simulations of acoustic waves on the environments of big water depth variations, this study introduces a 3-dimensional model based on the pababolic equation. The model gives approximated solutions by separating the cross- and non cross-terms in the equation. Assuming artificial bathymetry (25 km × 4 km) with a source frequency 75 Hz, the simulations give clear horizontal refractions on the transmission loss distributions. The degree of refractions shows non-linear increase along the propagating range and proportional increase with water depth along the cross range. Another simulations with the real bathymetry (25 km × 8 km) also give clear horizontal refractions. The horizontal distributions present little difference with the depth resolution variations of the same data source because the model gives interpolations over the depth data before simulations. Meanwhile, the horizontal distributions show big difference with those of different data sources.


    본 연구에서는 동해 수심변화가 큰 해양환경 하에서 음파의 수평굴절 모의 가능성을 고찰하고자 포물선방정식 기반의 3차원 모델을 도입한다. 이 모델은 상관항과 비상관항을 분리함으로써 근사적 해를 제공한다. 가상 수심분포(25 km × 4 km)에 대해 주파수 75 Hz인 음원을 가정하여 모의한 결과는 전달손실의 수평분포 상 분명한 수평굴절을 보인다. 이 굴절 정도는 전파 거리에 비선형적으로 증가하고 횡방향 수심 경사도에 비례하여 증가한다. 실제 수심분포(25 km × 8 km)에 대한 모의 결과도 이러한 수평굴절을 잘 보인다. 수평굴절은 동일 자료 내에서는 해상도별로 수평 음장분포가 크게 변하지 않는데, 이는 모델이 모의 전 수심자료에 대해 내삽을 하기 때문이다. 반면, 수심자료 종류가 다를 경우 수평음장 분포는 크게 달라진다.

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    31 March 2022
  • Research Article

    Communication performance of selective combining frequency diversity with maximum likelihood estimation in underwater multipath frequency selective channels

    수중 다중경로 주파수 선택적 채널에서 최대우도추정을 적용한 선택적합성 주파수 다이버시티의 통신 성능

    Chaehui Lee, Kyu-Chil Park and Jihyun Park

    이채희, 박규칠, 박지현

    In this paper, we evaluate the underwater frequency diversity communication performance of Selective Combination (SC) using Maximum Likelihood Estimation (MLE). In an …

    본 논문은 최대우도추정(Maximum Likelihood Estimation, MLE)을 적용한 선택적 합성법(Selective Combining, SC)의 수중 주파수 다이버시티 통신성능을 평가하였다. 수중 다중경로 주파수 선택적 채널에서 수신 …

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    In this paper, we evaluate the underwater frequency diversity communication performance of Selective Combination (SC) using Maximum Likelihood Estimation (MLE). In an underwater multipath frequency selective channel, destructive interference fading due to delay spread of a received signal affects the increase in error and Signal to Noise Ratio (SNR) variability of an underwater acoustic communication. Selective Combination frequency diversity using a single sensor is applied as a transmission performance improvement technique according to the frequency selectivity of a channel. In the sea experiment applying MLE for SC decision value extraction, we evaluate the performance of SC frequency diversity and MLE-SC frequency diversity. In experiment result, we confirm through experiment that the Bit Error Rate (BER) is relatively lower when the decision value extracted through MLE-SC is applied than when the SC decision value is fixed.


    본 논문은 최대우도추정(Maximum Likelihood Estimation, MLE)을 적용한 선택적 합성법(Selective Combining, SC)의 수중 주파수 다이버시티 통신성능을 평가하였다. 수중 다중경로 주파수 선택적 채널에서 수신 신호의 지연확산에 따른 상쇄 간섭 페이딩(destructive interference fading)은 수중 음향 통신 시스템의 오류 증가와 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)변동성에 영향을 준다. SC의 결정 값 추출을 위한 MLE 적용 해상실험에서 SC 주파수 다이버시티와 MLE-SC 주파수 다이버시티 성능을 평가하였다. SC보다 MLE-SC를 통해 추출한 결정 값을 적용한 경우 상대적으로 낮은 BER(Bit Error Rate) 특성을 확인하였다.

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    31 March 2022
  • Research Article

    Experimental analysis of very long range spread spectrum underwater acoustic communication using vertical sensor array

    수직 배열 센서를 이용한 초장거리 대역확산 수중음향통신의 실험 분석

    Chang-hyun Youn, Hyung-in Ra, Jeong-ha An, Ki-man Kim and In-soo Kim

    윤창현, 라형인, 안정하, 김기만, 김인수

    This paper presents the results of a sea trial for very long range spread spectrum underwater acoustic communication conducted in the East …

    본 논문에서는 2021년 9월 동해에서 수행된 초장거리 대역확산 수중음향통신의 해상실험 결과를 제시한다. 8개의 수직 배열 센서를 이용하여 수중음향통신 신호를 수집하였으며, 전송 거리는 …

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    This paper presents the results of a sea trial for very long range spread spectrum underwater acoustic communication conducted in the East Sea in September 2021. Signals were collected through 8 vertical sensors, and the range between the transmitter and receiver was about 160 km. 30 bps Multi-Code Spread Spectrum (MCSS) method and 100 bps Chirp Spread Spectrum method were used for the transmitting signal generation. The results show that when the channel coding technique was not used in a single channel, the uncoded bit error rate was high, but when the Equal Gain Combining (EGC) diversity technique was used after frame synchronization in each receiving channel, the uncoded bit error rate was reduced to 0.1 or less.


    본 논문에서는 2021년 9월 동해에서 수행된 초장거리 대역확산 수중음향통신의 해상실험 결과를 제시한다. 8개의 수직 배열 센서를 이용하여 수중음향통신 신호를 수집하였으며, 전송 거리는 160 km로 하였다. 송신 신호로 30 bps의 다중 코드 대역 확산 방식과 100 bps의 처프 대역확산 방식이 사용되었다. 실험 결과 단일 채널에서 채널 부호화 기법이 적용되지 않은 경우에 높은 비트 오류율을 나타내었으나 각 수신 채널에서 프레임 동기화를 수행한 후 신호들에 등이득 조합 다이버시티 기법을 적용하면 비부호화 비트 오류율이 순방향 오류 정정 한계인 0.1 이하로 감소하였다.

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    31 March 2022
  • Research Article

    A method of frame synchronization of binary phase shift keying signal in underwater acoustic communications

    수중 음향통신에서 binary phase shift keying신호의 프레임동기 방법

    Gyeong-pil YANG, Wan-Jin KIM, Dae-Won DO and Seokjun KO

    양경필, 김완진, 도대원, 고석준

    In this paper, a frame synchronization structure for the Binary Phase Shift Keying (BPSK) modulation method in underwater acoustic communication was proposed. …

    본 논문에서는 수중 음향통신에서 Binary Phase Shift Keying(BPSK) 변조방식에 대한 프레임 동기 구조를 제안하였다. 제안된 프레임 동기 구조는 크게 두 가지로 나뉜다. …

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    In this paper, a frame synchronization structure for the Binary Phase Shift Keying (BPSK) modulation method in underwater acoustic communication was proposed. The proposed frame synchronization structure is largely divided into two. First, the approximate position and frequency offset of the frame are obtained by non- coherent correlation and sliding Fast Fourier Transform (FFT) method. Second, after compensating for the frequency error to the received signal, the exact position of the frame is obtained by coherent correlation method. Maritime experiments were conducted to confirm the performance of the 2-STEP frame synchronization structure. It was showed that the limitations of the non-coherent correlation and sliding FFT method can be verified when the power of the received signal was greatly reduced due to the channel characteristics. As a result, stable frame synchronization could be obtained by compensating for the frequency error and then using the coherent correlation method.


    본 논문에서는 수중 음향통신에서 Binary Phase Shift Keying(BPSK) 변조방식에 대한 프레임 동기 구조를 제안하였다. 제안된 프레임 동기 구조는 크게 두 가지로 나뉜다. 우선, 비동기 방식 상관과 Sliding 고속 푸리에 변환 방식으로 프레임의 대략적인 위치와 주파수 옵셋을 획득한다. 두번째는 주파수 오차를 신호에 보상한 후, 동기 방식 상관으로 정확한 프레임의 위치를 확인한다. 프레임 동기 구조의 성능 확인을 위해 해상실험을 수행하였다. 수신신호는 채널 특성으로 인해 전력이 크게 감소함을 확인하였으며, 이를 통해 비동기 방식 상관과 Sliding 고속 푸리에 변환 방식의 한계를 확인하였다. 결과적으로, 주파수 오차를 보상한 후 동기 방식 상관방식을 사용함으로써 안정적인 프레임 동기를 획득할 수 있었다.

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    31 March 2022
  • Research Article

    Performance analysis of joint equalizer and phase-locked loop in underwater acoustic communications

    수중 음향통신에서 위상고정루프와 결합된 등화기의 성능분석

    Seunghwan Kim, In Soo Kim, Dae-Won Do and Seokjun Ko

    김승환, 김인수, 도대원, 고석준

    In this paper, the performance of joint equalizer and phase-locked loop in underwater communications is analyzed. In the channel where the Doppler …

    본 논문에서는 수중 음향통신에서 데이터 복구를 위한 위상고정루프와 결합된 등화기의 성능을 분석하였다. 도플러 주파수가 존재하는 채널환경에서는 등화기 동작만으로는 데이터 복구가 어렵다. 도플러 …

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    In this paper, the performance of joint equalizer and phase-locked loop in underwater communications is analyzed. In the channel where the Doppler frequency exists, it is difficult to recover the transmitted data only by the equalizer. To compensate for the Doppler frequency, the phase-locked loop is used. For removing the time-varying multipath and the Doppler frequency simultaneously, the equalizer and the phase-locked loop operate jointly. Also, if the initial Doppler frequency error obtained by Fast Fourier Transform (FFT) is compensated, the convergence speed of the joint equalizer and phase-locked loop can be improved. To verify the performance, lake and sea experiments were conducted. As a result, it was showed that the joint equalizer and phase-locked loop converges sufficiently in the preamble (known data) period regardless of whether the Doppler frequency is compensated or not. And, the bit error in random data period is not occurred. However, we can increase the convergence speed of the equalizer more than twice through the compensation of Doppler frequency.


    본 논문에서는 수중 음향통신에서 데이터 복구를 위한 위상고정루프와 결합된 등화기의 성능을 분석하였다. 도플러 주파수가 존재하는 채널환경에서는 등화기 동작만으로는 데이터 복구가 어렵다. 도플러 주파수를 복구하기 위해 등화기는 위상고정루프를 결합하여 사용한다. 등화기와 위상고정루프는 각각 채널의 다중경로와 도플러 주파수를 보상하면서 맞물려 동작하게 된다. 또한, 고속 푸리에 변환을 통해 얻은 초기 주파수 오차를 보상하면, 위상고정루프와 결합된 등화기의 수렴속도를 향상시킬 수 있다. 성능 검증을 위해 호수실험과 해상실험을 진행하였다. 결과적으로, 도플러 주파수의 보상 유무와 상관없이 위상고정루프와 결합된 등화기는 프리엠블 구간에서 충분히 수렴하며, 랜덤 데이터 구간에서 비트오류는 발생하지 않았다. 그러나, 도플러 주파수의 보상을 통해 등화기의 수렴 속도를 2배 이상 증가시킬 수 있었다.

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    31 March 2022
  • Research Article

    Insertion loss by bubble layer surrounding a spherical elastic shell submerged in water

    수중의 구형 탄성 몰수체를 둘러싼 기포층에 의한 삽입손실

    Keunhwa Lee, Cheolwon Lee and Cheolsoo Park

    이근화, 이철원, 박철수

    Acoustic radiation from a submerged elastic shell with an internal fluid surrounded by the bubble layer is studied with the modal theory. …

    본 논문에서는 내부 유체를 갖는 수중에 몰수된 탄성 쉘이 기포층으로 둘러싸여 있을 때의 음향 방사를 모드 이론을 이용해 연구했다. 전 방향성의 점음원이 …

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    Acoustic radiation from a submerged elastic shell with an internal fluid surrounded by the bubble layer is studied with the modal theory. An omni-directional point source located on the center of the internal fluid is used as acoustic noise source. The unknown coefficients of modal solutions are solved using the interface conditions between media. To preserve the stability of the modal solution over wide frequency ranges, the scaled technique of modal solution is used. The bubble layer is modeled with four kinds of bubble distribution; uni-modal distribution, uniform distribution, normal distribution, and power-law distribution, based on the effective medium theory of Commander and Prosperetti. For each bubble distribution, the insertion losses are mainly calculated for the frequency. In addition, the numerical simulations are performed depending in the bubble void fraction, the material property of elastic shell, and the gap between the bubble layer and the elastic shell.


    본 논문에서는 내부 유체를 갖는 수중에 몰수된 탄성 쉘이 기포층으로 둘러싸여 있을 때의 음향 방사를 모드 이론을 이용해 연구했다. 전 방향성의 점음원이 내부 유체의 중심에 위치해 있고 음향 소음원으로서 사용되었다. 모드 해의 미지수는 매질 사이의 경계조건으로부터 계산된다. 넓은 주파수 대역에서 모드 해의 안정성을 유지하기 위해, 모드 해의 규격 기법이 사용되었다. 기포 층은 Commander와 Prosperetti의 유효 매질 이론에 기반하여, 단일 모드 분포, 균일 분포, 정규 분포, 멱함수 분포를 이용해 각각 모의되었다. 각각의 기포 분포에 대해 삽입손실이 주파수에 대해 계산되었다. 추가적으로 공극비, 탄성 쉘의 매질 특성, 탄성 쉘과 기포층의 간극의 영향에 대한 수치해석을 수행했다.

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    31 March 2022
  • Research Article

    Underwater acoustic communication performance in reverberant water tank

    잔향음 우세 수조 환경에서의 수중음향 통신성능 분석

    Kang-Hoon Choi, In-Seong Hwang, Sangkug Lee and Jee Woong Choi

    최강훈, 황인성, 이상국, 최지웅

    Underwater acoustic wave in shallow water is propagated through multipath that has a large delay spread causing Inter-Symbol Interference (ISI) and these …

    천해에서의 음파는 긴 지연시간을 가지는 다중경로를 통해 전달되며 이러한 특성은 통신에서 Inter-Symbol Interference(ISI)을 야기하기 때문에 성능을 악화시킨다. 본 논문에서는 잔향음 우세 환경에서의 …

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    Underwater acoustic wave in shallow water is propagated through multipath that has a large delay spread causing Inter-Symbol Interference (ISI) and these characteristics deteriorate the performance in the communication system. In order to analyze the communication performance and investigate the correlation with multipath delay spread in a reverberant environment, an underwater acoustic communication experiment using Binary Phase-Shift Keying (BPSK) signals with symbol rates from 100 sym/s to 8000 sym/s was conducted in a 5 × 5 × 5 m3 water tank. The acoustic channels in a well-controlled tank environment had the characteristics of dense multipath delay spread due to multiple reflections from the interfaces and walls within the tank and showed the maximum excess delay of 40 ms or less, and the Root Mean Squared (RMS) delay spread of 8 ms or less. In this paper, the performances of Bit Error Rate (BER) and output Signal-to-Noise Ratio (SNR) were analyzed using four types of communication demodulation techniques. And the parameter, Symbol interval to Delay spread Ratio in reverberant environment (SDRrev), which is the ratio of symbol interval to RMS delay spread in the reverberant environment is defined. Finally, the SDRrev was compared to the BER and the output SNR. The results present the reference symbol rate in which high communication performance can be guaranteed.


    천해에서의 음파는 긴 지연시간을 가지는 다중경로를 통해 전달되며 이러한 특성은 통신에서 Inter-Symbol Interference(ISI)을 야기하기 때문에 성능을 악화시킨다. 본 논문에서는 잔향음 우세 환경에서의 통신성능을 분석하고 다중경로 지연시간과의 상관관계를 파악하기 위해 5 × 5 × 5 m3 수조에서 다양한 심볼 전송속도(100 sym/s to 8000 sym/s)를 갖는 Binary Phase-Shift Keying(BPSK) 신호를 이용하여 실험을 수행하였다. 제어가능한 수조 환경에서의 음향 채널은 수조 내 경계면 및 벽면에서의 다중반사로 인해 밀집한 다중경로 특성을 가지며 약 40 ms 이하의 최대 초과 지연과 8 ms 이하의 Root Mean Squared(RMS) 지연확산을 보였다. 본 논문에서는 4가지 통신 복조 기법을 이용하여 Bit Error Rate(BER) 성능과 출력 Signal-to-Noise Ratio(SNR) 성능을 분석하며 잔향음 우세 환경에서의 심볼 시간과 RMS 지연확산의 비율인 Symbol interval to Delay spread Ratio in reverberant environment(SDRrev)을 정의하여 통신성능이 보장될 수 있는 기준 심볼 전송속도를 제시한다.

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    31 March 2022
  • Research Article

    Wiener filtering-based ambient noise reduction technique for improved acoustic target detection of directional frequency analysis and recording sonobuoy

    Directional frequency analysis and recording 소노부이의 표적 탐지 성능 향상을 위한 위너필터링 기반 주변 소음 제거 기법

    Jungpyo Hong, Inyeong Bae and Jongwon Seok

    홍정표, 배인영, 석종원

    As an effective weapon system for anti-submarine warfare, DIrectional Frequency Analysis and Recording (DIFAR) sonobuoy detects underwater targets via beamforming with three …

    DIrectional Frequency Analysis and Recording(DIFAR) 소노부이는 대잠전에 효과적인 무기체계로 하나의 무지향성 센서와 두 개의 지향성 센서로 구성된 3채널 빔형성을 통해 표적의 방향을 …

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    As an effective weapon system for anti-submarine warfare, DIrectional Frequency Analysis and Recording (DIFAR) sonobuoy detects underwater targets via beamforming with three channels composed of an omni-direcitonal and two directional channels. However, ambient noise degrades the detection performance of DIFAR sonobouy in specific direction (0°, 90°, 180°, 270°). Thus, an ambient noise redcution technique is proposed for performance improvement of acoustic target detection of DIFAR sonobuoy. The proposed method is based on OTA (Order Truncate Average), which is widely used in sonar signal processing area, for ambient noise estimation and Wiener filtering, which is widely used in speech signal processing area, for noise reduction. For evaluation, we compare mean square errors of target bearing estmation results of conventional and proposed methods and we confirmed that the proposed method is effective under 0 dB signal-to-noise ratio.


    DIrectional Frequency Analysis and Recording(DIFAR) 소노부이는 대잠전에 효과적인 무기체계로 하나의 무지향성 센서와 두 개의 지향성 센서로 구성된 3채널 빔형성을 통해 표적의 방향을 탐지한다. 하지만, 주변 소음의 영향으로 DIFAR소노부이의 특정방위(0°, 90°, 180°, 270°) 표적 탐지 성능이 저하되는 단점이 있다. 따라서, 본 논문에서는 주변 소음을 추정하고 제거를 통해 DIFAR 소노부이의 표적 탐지 성능을 향상시키는 방법을 제안하였다. 주변소음 추정을 위해 소나신호처리에서 널리 쓰이는 Order Truncate Average(OTA)기법을, 추정된 소음을 제거하기 위해 음성신호처리에서 널리 쓰이는 위너필터링 기법을 사용하였다. 제안한 방법을 평가하기 위해 표적 방위추정 결과의 평균 제곱 오차를 비교한 결과 신호대잡음비 0 dB이하에서 제안한 방법이 효과적임을 확인할 수 있었다.

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    31 March 2022
  • Research Article

    Online anomaly detection algorithm based on deep support vector data description using incremental centroid update

    점진적 중심 갱신을 이용한 deep support vector data description 기반의 온라인 비정상 탐지 알고리즘

    Kibae Lee, Guhn Hyeok Ko and Chong Hyun Lee

    이기배, 고건혁, 이종현

    Typical anomaly detection algorithms are trained by using prior data. Thus the batch learning based algorithms cause inevitable performance degradation when characteristics …

    일반적인 비정상 탐지 알고리즘은 사전 데이터를 이용하여 학습된다. 따라서 시간에 따른 정상 데이터의 특징이 변화되는 경우에 기존의 배치 학습 기반 알고리즘의 성능 …

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    Typical anomaly detection algorithms are trained by using prior data. Thus the batch learning based algorithms cause inevitable performance degradation when characteristics of newly incoming normal data change over time. We propose an online anomaly detection algorithm which can consider the gradual characteristic changes of incoming normal data. The proposed algorithm based on one-class classification model includes both offline and online learning procedures. In offline learning procedure, the algorithm learns the prior data to be close to centroid of the latent space and then updates the centroid of the latent space incrementally by new incoming data. In the online learning, the algorithm continues learning by using the updated centroid. Through experiments using public underwater acoustic data, the proposed online anomaly detection algorithm takes only approximately 2 % additional learning time for the incremental centroid update and learning. Nevertheless, the proposed algorithm shows 19.10 % improvement in Area Under the receiver operating characteristic Curve (AUC) performance compared to the offline learning model when new incoming normal data comes.


    일반적인 비정상 탐지 알고리즘은 사전 데이터를 이용하여 학습된다. 따라서 시간에 따른 정상 데이터의 특징이 변화되는 경우에 기존의 배치 학습 기반 알고리즘의 성능 저하가 불가피하다. 본 논문에서는 정상 데이터의 점진적 특징 변화를 고려할 수 있는 온라인 비정상 탐지 알고리즘을 제안한다. 제안하는 알고리즘은 단일 클래스 분류 모델에 기반하며 오프라인 및 온라인 단계의 학습 과정을 포함한다. 제안된 알고리즘의 오프라인 학습 단계에서는 사전 데이터가 잠재 공간의 중심에 근접하도록 학습하고, 이후 온라인 학습단계에서는 신규 데이터에 의한 점진적 잠재 공간의 중심을 갱신하고, 갱신된 중심을 기준으로 계속 학습을 진행한다. 공개된 수중 음향 데이터를 이용한 실험결과 제안된 온라인 비정상 탐지 알고리즘은 점진적 중심 갱신 및 학습을 위해 단지 2 % 정도의 추가 학습시간이 소요되는 것으로 확인되었다. 반면에 시변 정상데이터가 수신되는 경우에 오프라인 학습 모델과 비교하여 19.10 % 개선된 Area Under the receiver operating characteristic Curve(AUC) 성능을 보였다.

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    31 March 2022
  • Research Article

    Method for eliminating source depth ambiguity using channel impulse response patterns

    채널 임펄스 응답 패턴을 이용한 음원 깊이 추정 모호성 제거 기법

    Seongil Cho

    조성일

    Passive source depth estimation has been studied for decades since the source depth can be used for target classification, target tracking, etc. …

    수동 소나 시스템에서 음원 깊이 추정 분야는 표적 식별, 추적 등 다양한 전술에 활용할 수 있기 때문에 많은 연구가 지난 수십년간 진행되어 …

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    Passive source depth estimation has been studied for decades since the source depth can be used for target classification, target tracking, etc. The purpose of this paper is to solve the problem of ambiguity in the previous paper [S.-il. Cho et al. (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 38, 120-127 (2019)] that source depth is estimated in two points. The patterns of phase shift of Channel Impulse Response(CIR) reflected in ocean surface and bottom is used for removing ambiguity of the source depth estimation, and after removing ambiguity, source depth is estimated at one point through the intersection of CIR. In order to extract CIR in case of unknown source signal and continuous signal or noise, Ray-based blind deconvolution is used. The proposed algorithm is demonstrated through numerical simulation in ocean waveguide.


    수동 소나 시스템에서 음원 깊이 추정 분야는 표적 식별, 추적 등 다양한 전술에 활용할 수 있기 때문에 많은 연구가 지난 수십년간 진행되어 왔다. 본 논문은 기존 논문[조성일 외, 한국음향학회지 제38권 제1호, 120-127(2019)]의 문제점이었던 음원 깊이가 두 곳에서 추정되는 모호성을 해결하는데 목적이 있다. 해수면과 해저면에 반사되어 나타나는 채널 임펄스 응답의 위상 천이 패턴을 이용하여 모호성을 제거하며, 제거 후 하나의 깊이에서 채널 임펄스 응답의 교차점을 통해 음원의 깊이를 추정한다. 음원에 대한 정보가 없고, 연속적인 신호 혹은 소음에서 채널 임펄스 응답을 추정하기 위해 음선 기반 블라인드 디컨벌루션 기법이 사용되며, 제안된 알고리즘은 시뮬레이션를 통하여 검증하였다.

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    31 March 2022
  • Research Article

    A study on frequency gain control of frequency shift keying signals using the preamble error rate for underwater acoustic communications

    수중 음향 통신에서 주파수 편이 변조 신호의 프리엠블 오류율을 이용한 주파수 이득 조절 연구

    Hyun-Woo Jeong, Ji-Won Jung, and Wan-Jin Kim

    정현우, 정지원, 김완진

    The main characteristics of the underwater acoustic channel have varying multipath and fast fading. Especially, Frequency Shift Keying (FSK) signals with multiple …

    수중 음향 채널의 주요 특징은 다중 경로와 빠른 주파수 페이딩을 가지고 있다. 이로 인해 다중 주파수 대역을 가지는 주파수 변이 변조(Frequency Shift …

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    The main characteristics of the underwater acoustic channel have varying multipath and fast fading. Especially, Frequency Shift Keying (FSK) signals with multiple frequency bands caused loss of information bits allocated on the specific frequencies due to selective fading phenomenon. Therefore, this paper proposes frequency gain control algorithm based on preamble error rates. The proposed algorithm estimates optimal gain value in the range of preamble error rate with less than 10 % for specific faded frequency. By employing turbo equalized FSK signals with rate of 1/3, the experiment was conducted on a lake in Munkyeong city with distance of 300 m to 500 m. The result confirms that packets are decoded successfully by applying proposed algorithm as increasing number of iterations.


    수중 음향 채널의 주요 특징은 다중 경로와 빠른 주파수 페이딩을 가지고 있다. 이로 인해 다중 주파수 대역을 가지는 주파수 변이 변조(Frequency Shift Keying, FSK) 신호는 다중 경로로 인한 선택적 페이딩으로 인하여 특정한 주파수에 할당된 정보 비트의 손실을 가져온다. 따라서 본 논문에서는 프리엠블 오류율 기반으로 각 중심 주파수의 이득을 조절하는 알고리즘을 제안하였다. 제안한 알고리즘은 수신되는 신호의 페이딩으로 인한 특정 주파수의 이득을 변화하면서 프리엠블 오류율이 10 % 미만인 영역의 값을 할당하여 최적의 이득 값을 추정하였다. 경북 문경의 호수에서 300 m ~ 500 m의 이동 거리를 가지는 호수 실험을 하였으며, 부호화율 1/3을 가지는 주파수 변이 변조 신호의 터보 등화 모델에서 터보 등화 반복 횟수가 증가함에 따라 제안한 알고리즘의 적용 시 모두 복호됨을 확인하였다.

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    31 March 2022
  • Research Article

    Research trends of biomimetic covert underwater acoustic communication

    생체모방 은밀 수중 음향 통신 연구 동향

    Seunghwan Seol, Hojun Lee, Yongcheol Kim, Wanjin Kim and Jaehak Chung

    설승환, 이호준, 김용철, 김완진, 정재학

    Covert Underwater Communication (CUC) signals should not be detected by other unintended users. Similar to the method used in Radio Frequency (RF), …

    은밀 수중 통신은 수중에서 신호를 전송할 때 다른 대상이 감지하지 못하도록 보내는 통신 방법이다. 수중에서 정보를 은밀하게 보내는 방법은 Radio Frequency(RF)에서 사용되는 …

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    Covert Underwater Communication (CUC) signals should not be detected by other unintended users. Similar to the method used in Radio Frequency (RF), covert communication technique sending information underwater is designed in consideration of the characteristics of Low Probability of Detection (LPD) and Low Probability of Intercept (LPI). These conventional methods, however, are difficult to be used in the underwater communications because of the narrow frequency bandwidth. Unlike the conventional methods of reducing transmission power or increasing the modulation bandwidth, a method of mimicking the acoustic signal of an underwater mammal is being studied. The biomimetic underwater acoustic communication mainly mimics the click or whistle sound produced by dolphin or whale. This paper investigates biomimetic communication method and introduces research trends to understand the potential for the development of such biomimetic covert underwater acoustic communication and future research areas.


    은밀 수중 통신은 수중에서 신호를 전송할 때 다른 대상이 감지하지 못하도록 보내는 통신 방법이다. 수중에서 정보를 은밀하게 보내는 방법은 Radio Frequency(RF)에서 사용되는 방법과 유사하게 Low Probability of Detection(LPD)와 Low Probability of Intercept(LPI)의 특성을 고려하여 설계된다. 그러나 수중에서 음향을 이용하여 통신하는 경우 협소한 주파수 대역폭으로 인해 은밀성을 확보하기 어렵다. 기존의 신호 전송 전력을 낮추거나 변조 대역폭을 늘리는 방법과는 다르게 수중 포유류의 음향 신호를 모방하여 신호를 보내는 방법이 연구되고 있다. 생체모방 은밀 수중향통신은 주로 돌고래나 고래가 발생시키는 클릭음이나 휘슬음을 모방한다. 본 논문은 이러한 생체모방 은밀 수중음향통신의 발전 가능성과 향후 필요한 연구 분야를 파악하기 위해 생체모방 통신 기술들을 조사하고 이에 따른 연구 동향을 소개한다.

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    31 March 2022
  • Research Article

    Classification of bearded seals signal based on convolutional neural network

    Convolutional neural network 기법을 이용한 턱수염물범 신호 판별

    Ji Seop Kim, Young Geul Yoon, Dong-Gyun Han, Hyoung Sul La and Jee Woong Choi

    김지섭, 윤영글, 한동균, 나형술, 최지웅

    Several studies using Convolutional Neural Network (CNN) have been conducted to detect and classify the sounds of marine mammals in underwater acoustic …

    수동 음향 관측을 통해 수집된 방대한 양의 데이터에서 해양포유류의 소리를 탐지하고 식별하기 위해 합성곱 신경망(Convolutional Neural Network, CNN)을 활용한 연구가 많이 수행되고 …

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    Several studies using Convolutional Neural Network (CNN) have been conducted to detect and classify the sounds of marine mammals in underwater acoustic data collected through passive acoustic monitoring. In this study, the possibility of automatic classification of bearded seal sounds was confirmed using a CNN model based on the underwater acoustic spectrogram images collected from August 2017 to August 2018 in East Siberian Sea. When only the clear seal sound was used as training dataset, overfitting due to memorization was occurred. By evaluating the entire training data by replacing some training data with data containing noise, it was confirmed that overfitting was prevented as the model was generalized more than before with accuracy (0.9743), precision (0.9783), recall (0.9520). As a result, the performance of the classification model for bearded seals signal has improved when the noise was included in the training data.


    수동 음향 관측을 통해 수집된 방대한 양의 데이터에서 해양포유류의 소리를 탐지하고 식별하기 위해 합성곱 신경망(Convolutional Neural Network, CNN)을 활용한 연구가 많이 수행되고 있다. 본 연구는 2017년 8월부터 2018년 8월까지 동시베리아 해에서 수집된 수중음향 스펙트럼 이미지를 기반으로 CNN을 활용하여 턱수염물범 소리의 분류 자동화 가능성을 확인해 보았다. 학습 데이터로서 다른 소음이 거의 포함되지 않은 뚜렷한 턱수염물범 소리를 사용하였을 때, 암기로 인한 과적합이 발생하였다. 일부 데이터를 소음이 포함된 데이터로 교체하여 학습시켜 수집된 전체 데이터로 평가한 결과 정확도(0.9743), 정밀도(0.9783), 재현율(0.9520)으로 모델이 이전보다 일반화되어 과적합이 방지되는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 물범신호 분류는 학습 데이터에 소음이 포함되었을 때 성능이 증가하는 것으로 나타났다.

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    31 March 2022
  • Research Article

    Application of ray-based blind deconvolution to long-range acoustic communication in deep water

    음선 기반 블라인드 디컨볼루션의 장거리 심해 환경으로의 적용

    Donghyeon Kim, Heejin Park, J. S. Kim and Joo Young Hahn

    김동현, 박희진, 김재수, 한주영

    When the source waveform is unknown, the Green’s function can be estimated by Ray-based Blind Deconvolution (RBD) based on the simple array …

    송신 신호를 알지 못하는 경우에 대해 그린 함수는 간단한 배열 신호 처리 기반의 음선 기반 블라인드 디컨볼루션을 이용해 추정될 수 있다. 근거리 …

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    When the source waveform is unknown, the Green’s function can be estimated by Ray-based Blind Deconvolution (RBD) based on the simple array signal processing. In previous papers, RBD was successfully demonstrated using simulation and experiments in shallow water environment. In this paper, we investigate the applicability of RBD for a long-range communication (e.g., 30 km, 60 km, and 90 km) in a deep water environment (1,000 m ~), using experimental data conducted in the east of Pohang, South Korea, in October 2018. Data results are presented to demonstrate Green’s function estimation of a communication signal (2.2 kHz ~ 2.9 kHz) using a 16-element, 42-m long vertical array. The results show that the Green’s function estimated from RBD is comparable to that of matched filter result. Additional communication performance at a maximum range of 90 km will be also presented.


    송신 신호를 알지 못하는 경우에 대해 그린 함수는 간단한 배열 신호 처리 기반의 음선 기반 블라인드 디컨볼루션을 이용해 추정될 수 있다. 근거리 천해 환경에서의 음선 기반 블라인드 디컨볼루션은 선행 연구들에 의해 시뮬레이션 및 데이터를 기반으로 검증되었다. 본 논문에서는 30 km부터 90 km까지의 장거리 심해(1,000 m 이상의 깊이) 환경에서의 음선 기반 블라인드 디컨볼루션 기법의 가능성을 확인하였다. 이를 위해 2018년 포항 동방 해역에서 수행된 해상실험을 활용하였으며, 데이터 결과는 16개 수신기로 구성된 42 m 길이의 수직 선 배열 센서를 통해 수신된 통신 신호(2.2 kHz ~ 2.9 kHz) 의 그린 함수 추정을 입증하기 위해 도시하였다. 분석 결과로부터 정합 필터와 음선 기반 블라인드 디컨볼루션으로 추정한 그린 함수가 유사함을 확인하였다. 또한, 음선 기반 블라인드 디컨볼루션을 이용하여 최대 90 km 거리의 장거리 통신 신호의 성능 분석 결과를 제시하였다.

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    31 March 2022