KR100214345B1 - 낮은 고도의 목표물 높이를 결정하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

낮은 고도의 목표물 높이를 결정하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

낮은 고도의 목표물 높이를 결정하기 위한 레이더 장치는 목표물이 TR-스위치(6)를 경유하여 송신기(7) 및 안테나(3)에 의해 비춰진다. 목표물에 의해 직접 및 지표면을 통해 목표물에 의해 간접적으로 반사된 전자기 복사는 안테나(3)에 의해 수신되고, 합 수신기(9,10,11)에서 처리되며, 복소 합 신호로 TR-스위치(6)를 경유하여 안테나(3)에 연결되고, 복소차 신호로 차수신기(12,13,14)에 연결된다. 복소합 신호 및 복소 차 신호를 수신하는 신호 처리기(15)는 목표물의 높이를 결정하는 알고리즘을 갖추고 있다. 알고리즘은 안테나가 목표물로 향하는 동안에 목표물 높이의 결정이 가능하다.

Description

낮은 고도의 목표물 높이를 결정하기 위한 방법 및 장치
제1도는 본 발명에 따른 모노펄스의 레이더 장치의 가능한 실시예의 구성도.
제2도는 가능한 고도 에러 전압 곡선.
제3도는 다중 경로 효과의 예시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 2 : 안테나 소자 3 : 결합기
4 : 합채널 5 : 차채널
6 : TR-스위치 7 : 송신기
8 : 주파수 및 타이밍 유니트 9 : 합성단
10 : 중간 주파수 증폭기 11 : A/D 변환기 및 힐버트 필터
12 : 합성단 13 : 중간 주파수 증폭기
14 : A/D 변환기 및 힐버트 필터 15 : 신호 처리기
본 발명은 레이더 장치에 의해 낮은 고도의 목표물 높이를 결정하기 위한 방법에 관한 것으로, 레이더 장치는 송신 및 수신 안테나와 신호처리 유니트에 연결되는 송신 및 수신 유니트를 갖추고, 이에 의해 목표물은 송신 유니트 및 수신 유니트에 의해 방출된 전자기 복사에 의해 비춰지고, 송신된 신호는 목표물을 통해 직접 반사되고 수신 안테나의 방향에서 목표물 및 지표면을 통해 간접적으로 반사되고, 수신 유니트에 의해서 복소 함 신호 ∑ 및 복소 고도차 신호 △는 수신 안테나에 이해 수신된 신호로부터 얻어지고, 신호 처리 유니트에 의해서 알고리즘은 복소 합 및 고도차 신호로부터 목표물의 높이를 이끌어내기 위해 실행된다.
더구나 본 발명은 낮은 고도의 목표물 높이를 결정하기 위한 장치에 관한 것으로, 송신 안테나가 연결된 송신 유니트, 수신 유니트가 연결된 수신 안테나를 갖춘 레이더 장치를 구성하고, 그것에 의해 목표물이 송신 유니트 및 송신 안테나에 의해 방출된 전자기 복사에 의해 비추어지고, 송신된 신호는 목표물에 의해 및 수신 안테나의 방향에서 지표면을 통해 목표물에 의해 직접 반사되고, 수신 유니트에 의해 목표물을 표시하는 복소 합 신호 ∑ 및 적어도 복소 고도 차 신호 △가 발생될 수 있고, 신호 처리기는 수신 유니트에 연결되고, 목표물의 높이(ht)를 결정하기 위한 알고리즘을 갖추고 있으며, 수단은 조준점으로 송신 안테나 및 수신 안테나를 조정하기 위해 신호 처리기에 연결된다.
목표물의 높이는 모노 펄스 레이더 장치에 의해 결정될 수 있다. 모노 펄스 원리는 M.I. Skolnik의 Introduction to Radar systems의 제2판의 페이지 160-190에 서술되어 있다. 해수면위 낮은 고도에서 및 또한 지표면의 소지역으로 나르는 목표물 높이의 결정에 부딪히는 문제는 페이지 172-176 상에 서술되어 있다. 이 문제는 레이더 장치가 목표물로부터 직접적인 반향 신호 뿐만 아니라 해수면에 의해 반사된 목표물 반향을 수신하는 현상에 기인한다. 이 다증경로 효과의 발생없이 목표물의 높이는 목표물 범위(R) 및 고도 에러 전압 (E(θ))의 값으로부터 쉽게 얻을 수 있고, 모노펄스 레이더 장치에 의해 전달될 수 있다. 다중 경로 효과는 고도 에러 전압으로 하여금 목표물 높이의 정확한 결정이 불가능하게 되는 복소값을 취하도록 한다.
단지 목표물로부터 직접적인 반향 신호만이 수신되는 정도로 좁은 레이더 안테나 빔폭을 선택함으로써 상기 다중경로 효과의 발생은 단지 피할 수 있고, 그에 의해 해수면에 의해 반사된 원하지 않는 목표물 반향은 배제된다. 그러나, 이 방법은 이러한 좁은 빔에 대해 목표물을 포착하는데 상대적으로 긴 시간이 요구되는 결점을 갖는다. 특허 US-A 4,743,907은 이 결점을 제거하는 훌륭한 해결책을 제공한다. 상대적으로 긴 파장 및 결과적으로 넓은 빔을 가진 제1레이더 장치, 상대적으로 짧은 파장 및 결과적으로 좁은 빔을 가진 제2레이더 장치인 두 개의 모노 펄스 레이더 장치를 완전히 통합함으로써 포착 추적 위상 모두에서 최적의 성과를 이룰 수 있다. 이러한 시스템은 상당한 비용을 필요로 한다.
목표물 높이를 정확하게 결정하기 위한 방법은 다중 경로의 발생에도 불구하고 US-A 4,769,031에 서술되어 있다. 이 특허에 발표된 방법에 따라서 레이더 안테나는 실제 목표물로 조정되지 않지만 공간점에서 실제 목표물과 그것의 상 사이에 정확하게 조정된다. 설정된 관계를 갖는 적어도 두개의 다른 레이더 파장을 계속적으로 측정함으로써 시스템의 방정식은 얻을 수 있는 몇몇 가능한 목표물 높이로부터 풀 수 있다. 따라서, 이 방법을 근거로 하여 이끌어낸 목표물 높이를 가능한한 연속적으로 비교함으로써 목표물 높이가 결정될 수 있다.
목표물 높이를 정확하게 결정하기 위한 다른 방법은 특허 EP-B 0.087.355에 서술되어 있다. 이 방법에 따라서 안테나 방향은 일정하게 변환된다. 다양한 안테나 방향에서 얻어진 값을 측정하여 사용함으로써 그것은 얻을 수 있는 목표물 높이로부터 시스템의 방정식을 풀 수 있다.
두 방법은 방해되고, 모노 펄스 레이더 장치가 목표물과 일치하지 않는 조준점에 조정되는 결점을 갖는다. 그러나, 모노 펄스 레이더 장치에 의한 이 조정 불량은 이 기술의 상황에 비추어 해결할 수 있는 시스템 방정식을 얻기 위해 요구되는 명백히 부적당한 조건이다.
본 발명에 따라서 목표물의 높이는 송신 및 수신 안테나가 목표물에 실제로 조정되는 것을 특징으로 하는 방법을 근거로하여 결정될 수 있다.
더구나, 서술된 방법은 비교적 단순하고 목표물의 높이(ht)가 다음의 방정식을 해결함으로써 결정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 장치는 목표물과 조준점이 적어도 실제로 일치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 도면을 참조로하여 더욱더 설명될 것이다.
해수면 또는 지표면위 낮은 고도로 나르는 목표물의 높이를 정확하게 결정하기 위해 모노펄스 레이더 장치가 사용된다. 이러한 상황에서, 레이더 장치에 의해 전달된 합신호 및 고도차 신호는 복소값이라 가정하고, 그것은 레이더 장치에 연결된 신호 처리기에 의해 부가적으로 처리된다.
제1도는 본 발명에 따른 모노 펄스 레이더 장치의 가능한 실시예의 구성도를 도시한다. 불필요하게 복잡한 설명에 의하지 않고 단지 고도에서 모노 펄스 동작이 분석된다.
하나의 안테나가 다른 안테나의 꼭대기에 배치된 두 안테나 소자(1,2)는 합 채널(4) 및 차 채널(5)을 형성하는 종래의 결합기(3)에 연결된다. 주파수 및 타이밍 유니트(8)로부터 제어되고 펄스된 신호를 전달하는 송신기(7)는 TR-스위치(6)를 경유하여 합 채널에 연결된다. 합 채널을 경유하여 수신된 신호는 TR-스위치(6)를 경유하여 합성단(9)에 공급되고, 그것은 주파수 및 타이밍 유니트(8)로부터 LO신호를 수신한다. 결과 중간 주파수 신호는 중간 주파수 증폭기(10)에서 증폭되고, A/D 변환기 및 힐버트 필터(11)에 의해 디지털, 복소 합 신호 ∑ 로 변환된다. 차 채널(5)을 경유하여 수신된 신호는 합성단(12)에 공급되고 그것은 주파수 및 타이밍 유니트(8)로부터 LO채널을 또한 수신한다. 결과 중간 주파수 차 신호는 중간 주파수 증폭기(13)에서 증폭되고, A/D 변환기 및 힐버트 필터(14)에 의해 디지털, 복소 차 신호 △로 변한된다. 두 신호는 결정된 고도 에러 전압에 의해 신호 처리기(15)로 공급된다. A/D 변환기 및 힐버트 필터(11,14)는 위상-민감구적 검출 펄스 A/D 변환기로 대체되지만 여기에 서술된 실시예는 이득 및 오프셋 안정성에 대해서 더욱 만족한다.
빔에 단일의 정지된 목표물이 있다고 가정하면, 벡터 ∑ 및 △는 각각 송신된 펄스에 대해 동일하게 남아있고, 복소 평면에서 고정된 각도를 가질 것이다. 빔에 움직이는 단일 목표물에 대해 두 벡터는 도플러 주파수에서 회전할 것이지만 같은 고정된 각도를 유지할 것이다. 그것은 두 채널중 한 채널에서 위상 조정점을 사용하도록 공통으로 실행되고, 이러한 두 벡터는 조정될 수 있다. 그러므로, 단일 목표물에 의한 고도 에러 전압은 실수일 것이다. 실수 고도 에러 전압 곡선 E(θ)은 제2도에 도시된다. 고도 에러 전압은 그것의 명칭에도 불구하고 무한하다는 것이 주목된다. 이것이 적절한 한도에서 적어도 θ의 작은 값에 대해 신호처리기(15)에서 E(θ)를 선형화 할 수 있고, 이것은 선형화 테이블에 의해 영향을 받는다. 그 경우에 E(θ)=K·θ는 작은 각 θ에 대해 적용된다. 더구나, 신호 처리기(15)는 두 중간 주파수 증폭기(10,13)의 이득을 조정하기 위해 AGC 제어 신호를 발생할 정도로 합신호 ∑에서 목표물 반향 신호의 진폭은 사실상 일정하게 유지된다. 이것은 합채널 및 차채널의 위상 추적에 관한 보다 덜 절박한 요구에서의 결과이고 그것은 제한된 다이나믹 범위와 함께 A/D 변환기의 사용을 허용하며 선형화 테이블의 크기를 제한한다.
일반적으로, 신호처리기(15)는 여기에 설명된 본 발명에 보다 적게 관련된 기술인 몇몇 다른 기능을 수행할 것이다. 그러므로, 종래의 시간-게이트 함수는 신호처리기(15)에서 이행된다. 또한, MTI 및 MTD 도플러 처리의 형태는 A/D 변환기 및 힐버트 필터(11,14)에 의해 전달된 값에 적용될 것이다. 더욱이, 신호 처리기(15)는 송신 안테나 및 수신 안테나를 조정하기 위해 제어 신호를 발생할 것이다.
빔에서 단일 목표물의 경우에 그것의 반향이 제3도에 도시된 바와 같이 직접적으로 수신되고 해수면을 경유하여 거울상으로써 수신되며 S는 복소값으로 가정한다는 것을 알게 된다. 제3도에서 ha는 해수면위 안테나의 높이를 나타내고, ht 는 해수면위 목표물의 높이를 나타내며, R은 목표물로부터 레이더 안테나까지의 범위를 나타내고, θ0는 안테나 고도 각도를 나타낸다. 움직이는 목표물에 대한 S는 목표물 범위(R), 목표물 높이(ht), 레이더 수신 파장(λ)의 함수가 되고, 몇몇 시스템 계수의 함수이다. 발명의 목적은 이러한 값을 통합하고, ht가 조정될 수 있는 것으로부터 방정식을 제공하도록 한다. 그러므로 이 방정식은 청구된 방법 및 장치에 대한 근거를 제공할 것이다.
이 방정식을 형성하기 위해 우리는 다음과 같이 규정한다.
ha 해수면위 안테나의 높이.
ht 해수면위 목표물의 높이.
R 목표물로부터 레이더 안테나까지의 범위.
θ0안테나 고도각도.
θt목표물의 고도 에러 각도.
θm거울상의 고도 에러 각도.
ρ 해수면의 반사 계수.
Ψ 해수면상의 반사에 의한 변동 위상.
Φ 목표물과 거울상의 반사 사이의 위상차.
G∑(θ) 고도합 채널의 안테나 다이어그램.
G△(θ) 고도차 채널의 안테나 다이어그램.
E(θ) 고도 에러 전압 곡선.
다음의 근사값은 바로 조정될 수 있다.
게다가 다음이 적용된다.
계속해서 우리는 다음과 같이 규정할 수 있다.
마지막 방정식은 E(θ)의 홀수 합을 근거로 한다.
우리는 수정된 반사 계수 G를 규정하고, 그에 의해 목표물로 향하는 모노 펄스 안테나의 경우에 고려되고, 거울상의 반사는 안테나 다이어그램에 의해 더욱더 감쇄된다.
계속해서 (3), (7), (8), (9) 및 (10)으로부터 다음의 식이 나온다.
정상적으로 목표물을 추적하는 동안 안테나는 목표물을 향하고, 따라서 A=0이다.
S 의 실수부는 다음과 같이 규정될 수 있다.
S 의 편각에 대해 다음과 같이 적용된다.
그러므로,
(13) 및 (15)의 조합은 원하는 방정식을 산출한다.
최종 검사는 ht 및 Ψ이 몇몇 시스템 변수 및 측정값에 더하여 (16)에서 유일하게 알수 없다는 것을 나타낸다.
잔잔한 해수면에 대해 다음과 같이 가정한다.
(16)과 함께 다음이 산출된다.
E(θ)가 θ의 작은 값에 대해 선형이라고 가정하면, 이것은 ht 에 2차 방정식이다. 만약 E(θ)이 선형이 아니라면, 방정식은 예를들어 뉴튼 방식에 따라 해결될 수 있다. 그러므로 시간에서 얻어진 일련의 목표물 높이 추정값으로부터 최적의 목표물 높이 추정값은 아주 벗어난 추정값을 제거하기 위해 이 기술에 공지된 방법인 종래의 필터링 처리의 시간 상수 및 조항에 의해 조정된다.
잔잔한 해수면상태가 적용되지 않고, 따라서 만약이라면 제2해법이 선택될 것이다. 그 다음, 두 개의 다른 파장에서 측정함으로써 미지수 Ψ를 추정할 수 있다. 다음은 (16)으로부터 도출될 수 있다.
미소한 파장 차에 대해 다음의 근사값이 사용될 수 있다.
(3), (9) 및 (19)와 함께 다음이 산출된다.
이 방정식은 (18)하에서 설명된 방법중 한 방법에 의해 해결될 수 있다.
이와 같이 얻어진 ht의 값은 목표물에 송신 안테나 및 수신 안테나를 조정하기 위해 사용될 수 있다. 이 방법에서 고도 에러 각도는 모노펄스 레이더 장치와 비교하여 고도 에러전압의 허수부가 무시되는 크기의 정도에 의한 증가를 나타내는 것이 실현된다. 더욱이, 이 방법은 교란에 비교적 영향을 받지 않으며, 특히 A=0는 무력한 조건이라는 것이 증명된다.

Claims (9)

  1. 레이더 장치로 저고도 목표물의 높이를 결정하기 위한 것으로, 상기 레이더 장치는 송·수신 안테나 및 신호 처리 유니트와 접속되는 송·수신 유니트를 구비하고, 이에 의해, 상기 목표물은 송신 유니트 및 송신 안테나에 의해 방출된 전자기 방사에 의해 조사되고, 송신된 신호는 수신 안테나의 방향으로 상기 목표물과 지표면을 통해 간접적으로 상기 목표물을 통해 직접적으로 반사되고, 상기 수신 유니트에 의해서, 복소 합 신호 ∑ 및 복소 고도 차 신호 △가 상기 수신 안테나로 수신한 신호로부터 얻어지고, 상기 신호 처리 유니트에 의해서, 상기 복소 합 신호 및 상기 복소 고도차 신호로부터 상기 목표물 높이를 구하기 위해 알고리즘이 실행되는 저고도 목표물의 높이를 결정하기 위한 방법에 있어서, 상기 송·수신 안테나는 상기 목표물로 향하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 저고도 목표물 높이 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 알고리즘을 토대로 목표물 범위(R) 및 복소 고도 에러 전압(S=△/∑)이 상기 복소 신호(∑ 및 △)로부터 얻어지고, 상기 목표물 높이는 다음 방정식
    의 해를 구함으로써 결정되는 것을 특징으로 하는 저고도 목표물 높이 결정 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 송신 안테나, 상기 수신 안테나, 및 상기 수신 유니트에 대하여, 실수 에러 전압 곡선 (E(θ))은 목표물에 대해 고도 에러 각도(θ)로 알 수 있고, 상기 송신된 신호는 파장(λ)을 가지며, 상기 수신 안테나는 지표면 위로 높이(ha)에서 위치하게 되어 상기 지표면과 고도 각도(θ0)를 이루고, 다음 방정식
    의 해가 구해지는 것을 특징으로 하는 저고도 목표물 높이 결정 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 송신 안테나, 상기 수신 안테나, 및 상기 수신 유니트에 대하여, 실수 고도 에러 곡선(E(θ))은 목표물에 대해 고도 각도(θ)에 의해 알 수 있고, 상기 송신 안테나는 적어도 λ1≠ λ2인 파장(λ1및 λ2)의 신호를 연속적으로 송신하고, 상기 수신 안테나는 지표면 위로 높이(ha)에 위치하게 되어 상기 지표면과 고도 각도(θ0)를 이루고 이에 의해 값들
    이 결정되고, ht를 결정하기 위해 방정식
    의 해가 구해지는 것을 특징으로 하는 저고도 목표물 높이 결정 방법.
  5. 송신 안테나와 접속되어 있는 송신 유니트, 수신 유니트와 접속되어 있는 수신 안테나를 구비하고, 목표물 상기 송신 유니트 및 상기 송신 안테나에 의해 방출된 전자기 방사에 의해 조사되고, 송신된 신호는 상기 목표물에 의해 직접적으로 반사되며 또한 상기 수신 안테나의 방향으로 지표면을 통해 목표물에 의해 직접적으로 반사되고, 상기 수신 유니트에 의해 목표물을 나타내는 복소합 신호(∑) 및 최소한의 복소 고도차 신호(△)를 발생시킬 수 있는 레이더 장치와, 상기 수신 유니트에 연결되어 있고 목표물의 높이(ht)를 결정하기 위한 알고리즘을 갖춘 신호 처리기와, 상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나를 조준점을 향하게 하기 위해 상기 신호 처리기와 접속되어 있는 수단을 포함하는 저고도 목표물의 높이를 결정하기 위한 장치에 있어서. 상기 목표물과 조준점이 최소한 거의 일치하는 것을 특징으로 하는 저고도 목표물 높이 결정 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 신호(∑ 및 △)들로부터 복소 고도 에러 전압(S=△/∑) 및 목표물 범위(R)가 얻어지고, 상기 알고리즘은 다음 방정식
    의 해를 구하는 것을 특징으로 하는 저고도 목표물 높이 결정 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 송신 안테나, 상기 수신 안테나, 및 상기 수신 유니트에 대하여, 실수 에러 전압 곡선(E(θ))이 목표물에 대해 고도 에러 각도(θ)에 의해 알 수 있고, 상기 송신된 신호는 파장(λ)을 가지며, 상기 수신 안테나는 지표면 위로 높이(ha)에 위치하게 되어 지표면과 고도 각도(θ0)를 이루고,
    이 결정되는 것을 특징으로 하는 저고도 목표물 높이 결정 장치.
  8. 제6항에 있어서, 레이더 안테나, 상기 수신 안테나, 및 상기 수신 유니트에 대하여, 실수 에러 전압 곡선(E(θ))은 목표물에 대해 고도 각도(θ)에 의해 알 수 있고, 상기 송신 안테나는 λ1≠ λ2인 파장(λ1및 λ2)의 송신기 신호를 연속적으로 발생시키기 위한 수단을 구비하고, 이에 의해 값들
    이 결정되고, 상기 수신 안테나는 지표면 위로 높이(ha)에 위치하게 되어 지표면과 고도 각도(θ0)를 이루고, 상기 알고리즘이 다음 방정식
    으로부터 ht를 얻는 것을 특징으로 하는 저고도 목표물 높이 결정 장치.
  9. 제5항 내지 제8항중 어느 한 항에서 기술된 바와 같은 소정의 알고리즘을 갖추고 있는 것을 특징으로 하는 신호 처리기.
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