KR0132753B1 - 복사원 방향의 판단 방법 및 그 수단 - Google Patents

Abstract

별개의 이득 및 위상 제어부(50)를 갖는 복수의 안테나 소자(48)의 어레이(46)에 대해 복사원(radiating sources 56, 58, 60)의 방향을 추정하는 방법이 공개된다. 공칭 이득 및 위상(nominal gain and phase)을 선정함으로써, 복사원 방향(θ)의 제1 추정치는 MUSIC 알고리즘(2)을 적용함으로써 얻는다. 상기 알고리즘은 갱신된 이득 및 위상값을 사용하여 마이크로프로세서(54)에 반복적으로 적용된다. 반복(iteration)은

Description

복사원 방향의 판단 방법 및 그 수단

본 발명은 총체적으로 방향을 탐색하기 위한 레이더 신호 처리 방법 및 수단에 관한 것으로 특히, 레이더 목표 탐색기에 사용하는 데 특히 바람직한 방법 및 수단에 관한 것이다.

레이더 탐색기는 일반적으로 목표물을 향해 레이더 비임 펄스를 발사하고, 상기 목표물로부터 반사된 펄스가 경유하여 걸린 시간을 측정하며, 최대의 응답을 갖도록 레이더 비임을 조정함으로써 작동하는데, 이렇게 함으로써 목표물에 대한 방향 및 거리 쌍방이 결정될 수 있다.

일반적인 상황에서는, 레이더 반사를 일으켜 추적 시스템(tracking system)을 혼란시키고 에러를 유발시키는 다른 목표물이 추적 대상 목표물에 인접하여 존재할 수 있다. 또한, 군사적인 상황에서, 항공기에 탑재된 레이더 탐색기의 동작 및 정확성을 고의적으로 방해하기 위한 방어 조치가 취해진다. 예를 들어, 비행하는 목표 항공기의 주변에 레이더를 반사하는 많은 양의 포일 스트립(foil strips)(윈도우)이 흩어져 있으면, 상기 항공기가 레이더에 발견되는 것을 효과적으로 차단할 수 있다. 항공기에 흔히 사용되는 다른 레이더 위장 기법(radar camouflaging technique)은 수색 추적 시스템을 혼란시키고 가짜 방향 정보(spurious direction information)로 유도하기 위해 상기 수색 레이더 소오스를 향해 적당한 주파수의 전파방해(jamming) 레이더 비임을 발사하는 한 대 이상의 호위기(escort craft)가 목표 항공기 근처에서 비행하는 것으로 구성되어 있다.

고유스트럭춰(eigenstructure) 방법에 근거한 방향 탐색 기법이 제안되어 실험적으로 증명되고 있으며, 표준 방어 조치를 극복하는 데에 종래의 방향 탐색 장비보다 우수한 것으로 나타나고 있다. 고유스트럭춰를 적용하기 위해서는 능동 안테나 어레이(active antenna array)를 갖춘 레이더 시스템이 필요하다. 능동 안테나 어레이는 추적 대상 목표물을 포함하는 비교적 넓은 영역으로 레이더 펄스를 송신하고 수신할 수 있도록 행렬 형태로 정렬되어 있는, 위상과 이득이 제어될 수 있는 복수의 안테나이다. 종래의 고유스트럭춰 방법에 대한 보다 상세한 설명은 뉴욕주 뉴욕에서 열린 ICASSP 198년의 IEEE 프로시딩(Proceeding)에서, 안토니 제이. 웨이스(Anthony J. Weiss)와 벤자민 프래드렌더(Benjamin Friedlander)가 제시한 감지기 이득 및 위상의 불확실성 하에서 방향을 탐색하기 위한 고유스트럭춰 방법(Eigenstructure Methods for Direction Finding with Sensor Gain and Phase Uncertainties)이라는 논문에서 찾을 수 있다. 이 기술이 적절히 동작하기 위해서는 적어도 두 개의 소오스 (즉, 반사된 두 개의 레이더 신호)를 필요로 하고, 따라서 매우 흔히 접하게 되는 상황 즉, 단일 소오스 조우전(single-source encounter)에 적용되는 것이 배제된다. 더욱이, 상기 및 공지된 종래의 모든 고유스트럭춰 방법에서 감지기 어레이에 의해 수신된 신호에 대한 정확한 정보가 필요하고 이에 따라 탐색기의 데이타 수집 시스템 전체를 초기에 조정(calibration)할 필요가 있게 되는데 이는 많은 시간을 소모하는 힘든 작업이다. 게다가, 상기 공지된 시스템에서는 어레이 조정 상태를 유지하여야 하는데 이는 부가의 노력과 시간을 요한다.

본 발명의 주요한 목표 및 목적은 이득과 펄스 쌍방이 부정확하게 감지된 레이더 귀환 신호(radar return signals)에 대해 만족할 만하게 동작할 수 있는 레이더 방향 탐색 방법 및 수단을 제공하는 것이다.

다른 목적은 상기 목적에 따라 비교적 근접하여 있는 복수의 목표물들로부터 소정의 목표물이 용이하게 구별할 수 있는 수단 및 방법을 제공하는 것이다.

또 다른 목적은 감지기 어레이의 초기 조정이나 정확한 감지기 조정을 유지하는 것을 필요로 하지 않는 능동 어레이 레이더 탐색기를 이용하는 방법 및 수단을 상기 목적에 도모하는 것이다.

제1도는 종래의 레이더 탐색기(radar seeker)에 대한 개략도.

제2a도와 제2b도는 현재 레이더 탐색기에 대항하기 위해 사용되는 전형적인 방어기법(defensiver techniques)에 대한 도면.

제3도는 전술한 방법의 기능 블럭 순서도.

제4a도 내지 제4도c는 소오스가 셋인 경우, 소오스가 둘인 경우 및 소오스가 하나인 경우 각각에 대해 전술한 방법을 실시하여 얻어진 결과의 그래프.

제5도는 본 발명의 방법을 실시하기 위한 레이더 시스템의 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

12 : 펄스 소오스 13 : 고주파 펄스

14 : 듀플렉서 16 : 안테나

18,24 : 목표물 20 : 수신기

22,28,28' : 포일 조각 32,34 : 목표 위장기

36 : 레이더 파 40,42 : 판독가능한 신호

44 : 반향 신호 48 : 안테나 소자

50 : 송신 및 수신 제어부 52 : 선

54 : 마이크로프로세서 56,58,60 : 신호 복사원

기술된 방법은 안테나 어레이에 의해 감시되는 영역(monitored region)의 한 개이상의 복사원(radiating source)에서 나오는 복사(radiation)를 수신하는 것을 포함한다. 어레이의 각 안테나 소자에 대해 선정된 공칭 이득(nominal gain) 및 위상값을 이용하여, 마이크로프로세서에서 MUSIC이라고 하는 알고리즘을 사용하여 어레이에 대한 복사원의 제1 방향 추정치(first estimate of directions)가 산출된다. 어레이에 의해 수신된 신호에 의해 각 안테나 소자에 대한 이득 및 위상의 갱신이 수행된다. 이 갱신된 값 및 후속하여 갱신된 이득과 위상 값을 근거로 하여 방향 추정이 반복되고의 최소 고유값 쌍(smallest eigenvalue pair)의 최대 차이값이 산출될 때까지 반복이 계속된다.

이제부터 제1도를 참조하면, 일반적으로 고주파 펄스(13) 소오스(12)를 포함하는 전형적인 레이더 탐색 시스템(10)이 도시되어 있는데, 고주파 펄스는 소위 듀플렉서(14)를 통해 안테나(16)로 공급되고 안테나에서 목표물(18)을 향해 복사된다. 상기 펄스(13)는 목표물로부터 반사되어 안테나(16)로 되돌아간다. 상기 듀플렉서(14)는 펄스의 송신과 반사된 펄스의 수신 쌍방을 수행하도록 안테나를 공통으로 사용하는 것을 가능하게 하는 스위치로서, 반사되어 수신된 펄스는 수신기(20)로 전송되어 처리되고 디스플레이된다. 최대 강도 펄스를 수신하는 안테나 방향과 펄스 전송 시간을 인지함으로써, 목표물(18)에 대한 방향 및 거리 모두를 결정할 수 있다.

제2a도는 목표 항공기(24) 근처에 많은 수의 포일 조각(22)(윈도우)을 투하할 때 발생되는 위장 효과를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 포일 조각(28,28')과 목표물(24)로부터 복수의 펄스 반향(pulse echo)이 수신되는데, 포일 조각은 예를 들어 디스플레이(30)에 나타난 바와 같이 개별적인 포일 조각에 의해 발생된 많은 허위반향 중에서 목표물을 숨기거나 찾기 어렵게 하는 역할을 한다.

제2b도는 탐색기에 대항하여 사용되는 또 다른 방어 기법을 도시하고 있는데, 이 방어 기법에서는 몇 몇의 목표 호위기(32와 34) 각각이 탐색기 안테나(16)를 향해 개별적인 레이더 파(36)를 방출한다. 상기 레이더 파는 적당한 주파수를 가지며, 진짜 목표물(24)에서 나오는 반향신호(44)와 혼동되기 쉽고, 탐색기 수신기에서 용이하게 검출될 수 있는 신호(40과 42)를 발생한다.

제1도의 안테나(16)와 같이 단일 소자 안테나 또는 고정 어레이 안테나(fixed array antenna)를 갖는 탐색기는, 탐색기로 향하는 모든 신호 및 반향을 단지 수신하기만 하고, 처리와 디스플레이를 위해서 신호를 전송한다(forward). 방금 예시된 바와 같이, 이것은 결국 실제 목표물 및 실제 목표물로부터 상당히 떨어져 있는 가짜 목표물로부터 만들어지는 합성 신호가 디스플레이되는 결과를 낳게 되고, 결국 잘못된 목표물로 유도되게 된다(homing in on the wrong target). 이와 같은 종류의 탐색기는 매우 넓은 범위의 레이더 귀환 신호(returns) 및 개별적인 방어 레이더 비임을 진짜 목표물로부터 돌아오는 귀환 신호와 구별할 수 없다.

이제 제5도를 참조하면, 총체적으로 46이라는 참조 번호가 붙여져 있으며 본 발명과 같이 고유스트럭춰에 근거하여 동작하는 탐색기에서 특히 유용한 능동 안테나 어레이가 부분적으로 도시되어 있다. 특히, 상기 능동 어레이는 복수의 개별적인 안테나 소자(48)를 포함하는 것으로 도시되어 있고, 각 안테나 소자는 각 안테나 소자의 이득 및 위상을 검출하여 선택적으로 변형하도록 배선(52)에 의해 제어될 수 있는 개별적인 송신 및 수신(T/R) 제어부(50)를 갖는다. 마이크로프로세서(54)는, 시스템이 수신하고 있는, 예를 들어 방어용으로 발생된 레이더 비임등을 포함하는 다양한 신호 복사원들(signal radiation sources)(56,58,60) 중에서 실제 목표물을 구별하기 위해, 후술하는 바와 같이 능동 어레이(46)를 선택적으로 변형시키도록 적절히 프로그램되어 있다. 이와 같은 능동 안테나 어레이는 본 출원의 양수인에게 양도된 제이. 콘레드(J. Conrad)등에 의한 계류중인 특허출원 능동 안테나 어레이, 일련번호 제09/047,937호에 좀 더 상세히 기술되어 있다.

인용된 웨이스(Weiss)등의 논문에서는, 감지기 이득과 위상에 불확실성이 존재할 때 방향을 탐지하기 위한 고유스트럭춰 방법이 제공되어 있다. 상기 방법은 최소한 두개의 복사원(예를 들어 목표물과 한 개의 거짓 반향)을 사용하여야 하므로, 가장 자주 발생하는 단일 소오스 조우전에는 적용될 수 없다. 또한, 상기 방법에서는, 반복(iteration)을 종료하기 위해서는 주관적으로 선정된 임계값이 있어야 한다. 이 후자의 특징으로 인해 어떤 경우에는 프로세스가 정확한 결과로 수렴하지 않기 때문에 성능을 최적화시키기가 어렵다. 예를 들어, 복사원들이 가깝게 위치하고 있고 임계값이 낮게 설정된 경우, 알고리즘에 의해 복사원들을 분리해낼 수 없을 수도 있다(the algorithm may not be resolvable).

본 발명에 대한 설명을 계속하기 전에, 소위 MUSIC 알고리즘에 의해 M 개의 안테나 소자의 어레이에 의한 K 개의 가관측(observable) 복사원에 대한 추정치를 구하는 방법을 설명하겠는데 이는 본 발명의 장점을 이해하는 데 도움이 될 것이다. 상기 기법에 대한 상세한 설명은 초보 신호 처리(PRIMARY SIGNAL PROCESSING), (S.U.Pillai, Springer Verlag, 1989)에 기재되어 있다. 초기에, 어레이의 M x 1 출력 데이타 벡터는로 표시될 수 있는데, 이때

대각선 행렬(diagonal matrix,

(∈ 복소수) : i번째 감지기의 미지의 이득 및 위상,

가 미지인 M x K 행렬,

: k번째 소오스의 M x 1 방향 벡터,

s(t) : K x 1 복소수 가우시안(Gaussian) 신호 벡터로서

와 독립인 M x 1 복소수 가우스 노이즈 벡터로서

[위첨자 T와 + 는 각각 전치(transpose) 및 복소수 공액 전치(complex conjugate transpose)를 나타내며,는 기대값 연산자(expectation operator)를 나타낸다.]

의 공분산 행렬(covariance matrix)은

이고

여기서,(i = 1, 2, ..., M)는 각각의 고유값 및 고유 벡터이다. rank(R_s) = K [즉, K 소오스는 완전히 코릴레이트된(fully correlated) 것은 아니다] 일 때,

i)

ii)이고 여기에서,

: M x (M-K)노이즈-부분 공간(noise subspace) 고유 행렬(eigenmatrix)이고

의 요소를 갖는 M x M 대각선 행렬이고

: M x 1 벡터이다.

만약 감지기의 이득 및 위상이 주어진다면

로 주어지는 MUSIC 공간 스펙트럼 추정기(spatial spectrum estimator)에 의해 서로 다른 도달각(angles of arrival)에서 K개의 최고 스펙트럼 피크값을 산출한다. 그러나, 실제로 감지기의 이득 및 위상은 기설정된 제조상의 허용 한계(manufacturing-tolerance limit)내에서 대략적으로만 알 수 있다. 그 결과 MUSIC 알고리즘의 분해능(resolution performance)이 크게 저하될 수 있어 모든 도달각에 대한 스펙트럼 피크값을 제공하지 못할 수도 있다.

감지기-채널 이득(sensor-channel gain) 및 위상의 불확실성의 효과를 상당히 감소시키기 위해, 본 발명의 방법은 다음 이론으로부터 유도되어 개발되었다.

에러가 없는 (즉,) 추정치와이 주어진다면,

이라 정의하자.

이때, 만약 rank (Q) = M - 1이라면

복소수

이며은의 최소 고유값에 대응하는 고유 벡터인 유일한 g가 존재한다.

(는 유한-샘플 데이타 벡터로부터의 추정치를 나타낸다).

상기 이론의 증명은 본 발명을 이해하는 데 도움이 될 것이다.의 허미트 구조(the hermitian structure)와 (1)에서 설명된 직교 특성(orthogonality property)에 의해,

를 얻으며,

이것은 rank () ≤ M -1 을 의미한다.

rank () = M' (≤ M-2)이고,

로 고유분해(eigendecomposition)된다고 가정하면

이며

g는의 선형조합으로 즉,

으로 표현된다.

따라서, M' = M -1일 때 g에 대한 유일한 해를 갖는다.

개시된 기법은 상술된 바와 같이 공칭 이득, 위상값 및 MUSIC 알고림즘에 의한 추정치으로 시작한다. 이때,으로서, g에 대한 새로운 추정치가 식(3)과 식(4)에 의해 얻어진다.

본 발명을 실시하기 위한 초기 조건으로 i = 0과으로 설정한다. 여기서는 공칭 이득 및 위상값 혹은 임의의 최근 조정 데이타(calibration data)에 근거할 수 있다. 일반적인 상황에서, 공칭 g는 오프-보드(off-board)와 온-보드(on-board) 데이타들 중에 최근에 조정된 이득 및 위상값으로 선택된다. 이때 MUSIC을 적용함으로써,에 대한 값은

이다.

를 구성하고

을 계산하면

로 고유분해된다.

만약이면, i = i + 1이고 계속하여의 최소 고유값에 대응하는 고유 벡터로, 즉,으로 를 갱신한다. 지금부터, 초기화 (즉, MUSIC 알고리즘에 의해를 제공하는) 이후의 단계로 진행하여 방금 설명한 것과 같이 계속한다. 충분한 횟수의 반복이 수행되어이면 반복 사이클이 종료된다. 좀더 설명하면, 유일한 g에 대해 rank()는 (M-1) 이어야 한다는 것을 나타낸다. d값의 차이로써 rank()가 (M-1)인지 또는 아닌지를 알 수 있다. 만약 rank() M-1이라면, d값의 차는 제로인 반면에, 차이값이 최대이면 rank()가 적어도 M-1이다. 따라서, 지시된 d값의 차가 그 최대값에 도달할 때까지 반복이 계속된다.

본 발명의 방법을 실제로 수행하는데 있어서, 가장 최근의 조정 이득 및 위상 값으로부터 선택된 초기 g값과 능동 어레이에서 나오는 한 세트의 측정값을 이용하여 상술한 알고리즘이 마이크로프로세서에서 진행된다. 프로세스가 종료할 때까지 매 반복해서, 각/이득/위상 추정치가 갱신되어 다음 반복에 이용된다. 종료후, MUSIC으로부터 산출된 최종 각도 추정치는 추적 시스템에 이용되며, 최종 이득/위상 추정치는 새로운 온-보드로 조정된 데이타로서 새로운 세트의 어레이 측정에 적용된다.

제3도는 본 발명의 상술된 방법에 대한 순서 블럭도이다. 제4a도는 본 발명의 방법을 소오스가 세개인 경우에 적용하여 얻은 결과이다. 마찬가지로, 제4b도는 소오스가 두개인 경우에 대해 얻어진 결과를 나타내며 제4c도는 단일 소오스인 경우이다.

이미 언급한 바와 같이, 본 발명의 방법은 단일 소오스인 경우에 적용될 수 있는 반면에 인용된 웨이스(Weiss)와 프리드랜더(Friedlander) 기술은의 계산을 필요로 하기 때문에 단일 소오스인 경우에 적용될 수 없다. 단일 복사원 상황을 다룰 수 있는 탐색기의 장점은 이미 논의되었다.

비록 본 발명이 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 개시의 범위내 및 첨부된 특허청구 범위내에서 변화가 있을 수 있다는 것을 본 기술분야의 숙련자는 알 수 있을 것이다.

단일 소오스 조우전(single-source encounter)에 적용될 수 있고, 전체 탐색기의 데이타 수집 시스템을 초기에 조정(calibration)할 필요가 없다.

Claims (7)

1. 소정 영역에 있는 별도의 복사원들(separate radiating sources)의 개별적인 방향(individual directions)을 판단하는 방법에 있어서, 어레이로 형성되어 있는 다수의 복사 감지 소자(radiation sensing elements)를 상기 영역쪽으로 향하게 하는 단계와, 상기 소자들에 대한 초기의 공칭 이득 및 위상값(initial nominal gain and phase values)을 선정하는 단계와, 안테나 어레이에 의해 복사원으로부터 수신된 복사의 개별적인 소자 이득 및 위상값을 측정하는 단계와, 상기 복사원으로부터 안테나 어레이까지 복사 도달 방향의 제1 추정 피크값을 계산하는 단계와, 갱신된 이득 및 위상값을 계산하는 단계와, 일련의 갱신된 이득 및 위상값의 각각에 근거하여 상기 복사원으로부터의 복사 도달 방향에 대한 일련의 추정 피크값(successive estimation peaks)을 반복해서 계산하는 단계와, 반복적인 추정치 계산을 종료하는 단계를 구비하는 복사원의 방향 판단 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 선정된 공칭 이득 및 위상 값은 최근에 조정된 값인 복사원의 방향 판단 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 선정된 공칭 이득 및 위상 값은 바로 이전 복사원 방향의 판단에 대한 최종 이득 및 위상 추정치인 복사원의 방향 판단 방법.
4. 제1항에 있어서, 어떤 반복에서도(in any iteration), 상기 갱신된 이득 및 위상값을 계산하는 단계는 가장 최근의 이득 및 위상 측정값을 채택하는 것을 포함하는 복사원의 방향 판단 방법.
5. 제1항에 있어서, K 복사원 방향의 추정치는 알고리즘

   의 해로 얻어지며, 어레이에 M 개의 감지 소자가 존재하는 복사원의 방향 판단 방법.
6. 제4항에 있어서, 종료는

   를 구성하여의 최소 고유값 쌍(smallest eigenvalue pair)의 최대 차이값을 산출하는 반복에서 종료함으로써 결정되는 복사원의 방향 판단 방법.
7. 한 개 이상 복사원의 각 방향을 확인하기 위한 수단에 있어서, 상기 복사원으로부터 나오는 복사를 수신하도록 배향된(oriented) 복수의 복사 감지기를 포함하는 어레이와, 이득 및 위상값을 측정하기 위해 상기 각 복사 감지기와 상호 접속되어 있는 수단과, 상기 측정 수단과 상호 접속되어 있으며, 상기 복사원으로부터 수신된 복사 방향의 추정 피크값을 반복하여 계산하고,

   을 구성하고,의 최소 고유값 쌍의 최대 차이 값을 산출하는 반복에서 종료하도록 프로그램되어 있는 마이크로프로세서를 구비하는 복사원의 방향 탐지 수단.