빔포밍의 기원 및 수식, 최초의 음향 카메라(Beamforming History, Sound SourcLocalization Principle, Acoustic Camera, 산업용, 자동차용)

 

목차

 

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빔포밍의 기원

 

 

빔포밍 기술의 기원은 20세기 초로 거슬러 올라갑니다. 1905년에 독일의 발명가이자 물리학자인 카를 페르디난드 브라운은 초기 전자 통신 기술에 중요한 기여를 했습니다. 그는 노벨 물리학상을 수상했으며, 그의 연구는 빔포밍 기술의 기초가 되었습니다. 브라운이 개발한 초기 전자장치는 신호를 특정 방향으로 집중시키는 기술의 토대를 마련했습니다.

 

제2차 세계 대전 동안, 최초의 위상 배열 안테나가 레이더 안테나로 사용되었습니다. 이 기술은 여러 개의 안테나를 사용하여 신호를 특정 방향으로 집중시키는 방법을 의미합니다. 이를 통해 레이더 시스템은 목표물을 더 정확하게 탐지할 수 있었고, 이는 군사 작전에서 큰 이점을 제공했습니다. 이 시기에 빔포밍 기술은 처음으로 실용적인 응용 분야에서 사용되기 시작했습니다.

 

1970년대에 들어서면서 빔포밍 기술은 더욱 발전하게 됩니다. 이 시기에 빌링슬리는 음향 망원경(Acoustic Telescope)이라는 새로운 장비를 개발했습니다. 이 장비는 음향 신호를 사용하여 특정 방향에서 오는 소리를 포착하는 기술이었습니다. 음향 망원경의 개발은 빔포밍 기술의 정밀도를 크게 향상시켰습니다.

 

그 이후로, 빔포밍 기술은 계속해서 발전해왔습니다. 데이터 수집 기술이 향상되고, 컴퓨터 하드웨어가 발전하면서 빔포밍 기술은 더욱 정교해졌습니다. 또한, 수학적 알고리즘과 소프트웨어의 발전은 빔포밍의 효율성을 크게 높였습니다. 이러한 기술적 진보 덕분에 빔포밍은 통신, 레이더, 의료 이미지 처리 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 하고 있습니다.

 

결론적으로, 빔포밍 기술은 20세기 초부터 시작되어 제2차 세계 대전 동안 실용적인 응용 분야에서 사용되기 시작했으며, 1970년대 이후로는 다양한 기술적 발전을 통해 더욱 정밀하고 효율적인 신호 처리 기술로 발전해왔습니다. 오늘날 빔포밍은 우리의 일상 생활에서 중요한 기술로 자리 잡고 있습니다.

 

 

 

 

 

빔포밍 수식

소음 이미지(NoiseImage)를 사용하여 신호를 시공간 도메인에서 매핑하는 기본 원리는 다음과 같습니다.

 

 

 

1. P(t, 𝑟): 특정 시간 𝑡와 위치 𝑟에서의 출력 신호입니다.
2. N: 수신기의 총 개수입니다.
3. ∑​: 모든 수신기(i = 1부터 N까지)에 대한 합계를 나타냅니다.
4. p(t - Δ𝑖(𝑟)): 각 수신기 𝑖에서의 시간 지연 Δ𝑖(𝑟)를 고려한 신호 𝑝입니다. 여기서 Δ𝑖(𝑟)는 위치 𝑟에서 신호가 도달하는 데 걸리는 시간 지연을 의미합니다.

따라서, 이 수식은 각 수신기에서 시간 지연된 신호를 모두 합산한 후, 그 평균을 계산하여 특정 시간과 위치에서의 신호를 계산하는 방법을 나타냅니다. 이 방식은 특정 방향에서 오는 신호를 강화하고, 다른 방향에서 오는 소음을 억제하는 데 사용됩니다.

 

지연 및 합성 빔포밍은 가장 오래되고 간단한 배열 신호 처리 알고리즘 중 하나로, 여러 수신기 배열에서 수신된 신호를 일정 시간 지연시켜 합성하는 방법입니다. 이 방법을 통해 특정 방향에서 오는 신호를 강화하고, 다른 방향에서 오는 소음을 억제할 수 있습니다.

 

이 알고리즘의 핵심은 각 수신기에서 수신된 신호를 시간적으로 지연시킨 후 합산하여, 원하는 방향에서 오는 신호의 강도를 높이는 것입니다. 이렇게 함으로써 특정 방향의 신호를 더욱 선명하게 포착할 수 있으며, 이는 특히 레이더, 소나, 통신 등 다양한 분야에서 유용하게 활용됩니다.

 

 

 

 

최초의 음향 카메라

Gfai 사의 최초 음향 카메라

 

 

Acoustic Camera는 소리의 위치를 측정하는 시스템을 결합한 장비입니다. 이 장비는 마이크로폰 배열과 디지털 카메라를 결합하여, 소리의 위치를 시각적으로 보여줍니다. 1999년 하노버 무역 박람회에서 GFaI(Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e. V.)에 의해 처음 공개되었습니다.

 

Acoustic Camera의 주요 특징은 다음과 같습니다. 여러 개의 마이크로폰이 배열된 형태로 구성된 마이크로폰 배열을 통해 소리의 위치를 정확하게 측정할 수 있습니다. 여기에 디지털 카메라를 결합하여 측정된 소리의 위치를 시각적으로 표시합니다. 이로 인해 소리의 원천을 쉽게 파악할 수 있습니다.

 

또한, Acoustic Camera는 소리의 위치를 거의 실시간으로 계산하여 비디오 화면에 중첩시킵니다. 이를 통해 사용자는 실시간으로 소리의 출처를 확인하고 분석할 수 있습니다. 이러한 기능은 특히 소리의 출처를 정확히 파악해야 하는 다양한 산업 분야에서 매우 유용하게 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 공장의 소음 문제를 해결하거나, 교통 소음을 분석하거나, 건축 음향을 평가하는 데 큰 도움이 됩니다.

 

 

 

음향 계측 관련 제품 소개

 

 

 

 

 

 

 

팜테크에서는 소음, Sound 분석 및 계측을 위한 덴마크 GRAS사의 마이크로폰(Microphone)과 독일 Gfai사의 음향카메라(Acoustic Camera)를 제공하고 있습니다. 제품에 관심 있으시면 아래 연락처 또는 홈페이지로 문의 주시면 됩니다.

 

 

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