KR100643940B1 - 레이더 시스템의 거리 분해능 향상 방법 - Google Patents

레이더 시스템의 거리 분해능 향상 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 거리측정시 모호성 없는 거리를 늘리면서도 거리 분해능을 향상시키는 레이더 시스템의 거리 분해능 향상 방법을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 주기적인 기본 송신 주파수 신호로 이루어진 채널을 송신하고, 수신하는 기본 주파수 신호 송수신단계; 상기 기본 주파수 신호 송수신 단계에서 이동 표적을 감지하는 이동 표적 감지단계; 상기 이동 표적 감지단계에서 상기 이동표적이 감지되면, 상기 기본 주파수 신호에 의하여 상기 이동표적의 거리를 산출하고, 산출된 거리를 모호성 없는 거리로 판단하는 모호성 판단 거리측정단계; 상기 모호성 판단 거리 측정단계에 의한 거리 측정후에 상기 기본 주파수 신호와 상기 기본 주파수 신호보다 도약 주파수(fh)의 정수배만큼씩 변화하여 증가된 채널들을 교번적으로 송수신하여 거리를 측정하는 채널증가 측정단계; 상기 채널증가 측정단계에서 기설정된 채널수까지 증가가 이루어진 후에 상기 도약 주파수(fh)를 증가시켜 거리를 측정하는 도약주파수 증가단계를 포함하는 것이다.
간섭, MUSIC, 모호성, 분해능

Description

레이더 시스템의 거리 분해능 향상 방법{distance resolving power improving method for radar system}
도 1은 본 발명의 일실시예를 설명하기 위한 회로 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 적용되는 파형생성기에서 발생되는 파형을 예시하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예의 동작과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 이동표적을 탐지하기 위하여 송신용 안테나로부터 출력되는 신호의 파형도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 이동표적의 존재유무를 판단하기 위한 도플러 스펙트럼이다.
도 6은 본 발명의 실시예에서 이동표적의 탐색시에 송신안테나로부터 출력되는 두 채널에 의한 신호파형도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 적용되는 송신채널의 시간변화를 나타내기 위한 구성도이다.
도 8a는 본 발명의 일실시예에 적용되는 FET 알고리즘에 의한 스펙트럼이고, 도 8b는 본 발명의 일실시예에 적용되는 MUSIC 알고리즘에 의한 스펙트럼이다.
본 발명은 레이더의 모호성 없는 측정거리를 늘리면서, 거리 분해능을 향상시키기 위한 레이더 시스템의 거리 분해능 향상 방법에 관한 것이다.
레이더 시스템은 전파를 이용하여 표적의 거리 및 이동속도를 측정하기 위한 시스템이고, 특정 장소에 설치되어 사용될 수 있으며, 전차와 같은 이동수단에 탑재되어 동일 지역에서 여러 대가 동시에 사용될 수 있다. 이와 같이 다수의 레이더 시스템이 동일 지역에서 사용되는 경우는 레이더 시스템들 간의 간섭현상을 방지하여야 표적의 거리 및 이동속도를 정확히 얻을 수 있다.
다수의 레이더 시스템이 사용되고 있을 때, 간섭을 방지하기 위해서는 시스템들이 충분히 떨어진 대역의 주파수를 사용하여야 바람직하지만 주어진 대역폭내에서 할당할 수 있는 대역이 제한되기 때문에 레이더 시스템의 사용 대수가 제한될 수 밖에 없다.
이러한 점을 극복하기 위하여 하나의 송신주파수(f0)를 기본으로 도약 주파수(fh)만큼씩 하향된 다수의 채널의 신호를 생성하여 송신주파수 신호와 변화된 채널들의 신호를 교번적으로 송수신하는 시스템이 개발되었으나, 이와 같이, 도약 주파수만큼 하향된 다수의 채널을 사용하는 경우 거리 분해능은 향상되게 되지만 거리측정 모호성이 발생하게 된다.
거리 분해능은 두 개의 물체를 분리하여 식별할 수 있는 능력을 의미하며, 거리측정 모호성은 레이더 시스템으로 측정 가능한 영역 밖의 표적에 대해서는 측정된 거리를 신뢰할 수 없음을 의미한다.
예를 들어 모호성 없는 측정거리가 100m인 레이더 시스템에서 표적이 110m에 위치하고 있다고 하면, 레이더 시스템은 이 이동표적을 10m로 표시하게 된다. 따라서, 표시된 위치가 10m인 경우 실제로 10m인지 110m인지 판단하기가 곤란하게 된다.
레이더 시스템에서 모호성 없이 측정 가능한 거리Runamb는 다음의 수학식1로 표시된다.
Figure 112005047805261-pat00001
( c는 자유공간에서 빛의 속도)
또한, 거리 분해능 ΔR은 다음의 수학식2에 의하여 결정된다.
ΔR = c/ 2B (B:레이더 송수신파형의 전체 밴드폭)
따라서, 레이더 시스템의 송수신 신호를 송신주파수와 도약 주파수(fh)에 의한 다수의 채널을 사용하여 밴드폭을 증가시키면, 수학식2에 의하여 거리 분해능은 향상되지만 수학식1에 의한 모호성 없이 측정할 수 있는 거리가 감소되게 되는 문제점이 발생하게 된다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 레이더 시스템의 거리측정시 모호성 없는 거리를 늘리면서도 거리 분해능을 향상시키는 레이더 시스템의 거리 분해능 향상 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 주기적인 기본 송신 주파수 신호로 이루어진 채널을 송신하고, 수신하는 기본 주파수 신호 송수신단계; 상기 기본 주파수 신호 송수신 단계에서 이동 표적을 감지하는 이동 표적 감지단계; 상기 이동 표적 감지단계에서 상기 이동표적이 감지되면, 상기 기본 주파수 신호에 의하여 상기 이동표적의 거리를 산출하고, 산출된 거리를 모호성 없는 거리로 판단하는 모호성 판단 거리측정단계; 상기 모호성 판단 거리 측정단계에 의한 거리 측정후에 상기 기본 주파수 신호와 상기 기본 주파수 신호보다 도약 주파수(fh)의 정수배만큼씩 변화하여 증가된 채널들을 교번적으로 송수신하여 거리를 측정하는 채널증가 측정단계; 상기 채널증가 측정단계에서 기설정된 채널수까지 증가가 이루어진 후에 상기 도약 주파수(fh)를 증가시켜 거리를 측정하는 도약주파수 증가단계를 포함하는 것이다.
또한, 본 발명에서 상기 채널증가 단계에서 거리측정은 채널증가시의 각 단계마다 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 도약주파수 증가단계는 여러 단계에 걸쳐 도약주파수가 증가되며, 각 단계에서 거리가 측정되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 거리 측정은 MUSIC(Mutiple Signal Classification) 알고리즘에 의하여 이루어지는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면에 따라서 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예를 설명하기 위한 회로 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 적용되는 파형생성기에서 발생되는 파형을 예시하기 위한 그래프이다.
도 1에 도시된 실시예는 본 발명이 단거리 레이더에 적용한 것으로, 송신용 안테나(1)와 수신용 안테나(2)를 별도로 사용하고 있다.
파형 생성기(6)는 신호처리기(11)의 제어를 받아 기본 파형으로부터 이동 표적의 감지시에 도약주파수의 가감에 따른 여러 채널의 주파수 신호를 발생시킨다. 기본 주파수 파형은 도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 주기의 시작주파수가 0이고, 종단 주파수가 -Δf로 선형적으로 변화하는 파형이다. 따라서 파형생성기(6)는 짧은 시간내에 주파수를 변경할 수 있어야 하며, 속도측정을 위하여 위상제어가 가능하여야 하기 때문에 DDS(Direct Digital Synthesizer)가 바람직하다.
주파수 합성기(3)는 신호 송신대역의 주파수(f0)와 A/D 변환단계에서 디지털 하향 변환(Digital Down Conversion)이 가능하도록 하는 주파수(f0 + fIF) 신호를 발생시킨다.
파형생성기(6)의 출력신호와 주파수 합성기의 주파수 신호(f0)는 믹서(4)에서 합성되어 송신안테나(1)로 입력된다. 또한, 주파수 합성기(3)의 주파수(f0 + fIF) 신호와 파형생성기(6)의 신호는 믹서(5)에 입력되어 합성되고, 수신안테나(2)에 수 신된 신호와 믹서(5)로부터 출력된 신호는 믹서(7)에 입력되어 합성된다. 믹서(7)로부터 출력된 신호는 고조파 억제용 필터(8)를 거쳐 A/D 컨버터(9)를 거쳐 디지털 데이터로 변환되고, 디지털 하향변환기(Dgital Down Converter:10)에서 하향 변환되어 디지털 신호처리기(11)에 입력되어 신호처리된다. 신호처리기(11)는 수신되는 파형으로부터 이동표적을 감지하고, 신호생성기(6)의 발생신호를 제어하고, 파형생성기(6)의 시작 주파수, 종단 주파수, 파형 시작 위상을 제어한다.
도 3은 본 발명의 실시예의 동작과정을 설명하기 위한 순서도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에서 이동표적을 탐지하기 위하여 송신용 안테나로부터 출력되는 신호의 파형도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에서 이동표적의 존재유무를 판단하기 위한 도플러 스펙트럼이고, 도 6은 본 발명의 실시예에서 이동표적의 탐색시에 송신안테나로부터 출력되는 두 채널에 의한 신호파형도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 적용되는 송신채널의 시간변화를 나타내기 위한 구성도이다.
레이더 시스템은 먼저 탐지영역내에 이동 물체를 탐지하기 위하여 도 4에 도시된 바와 같은 각 주기에서 시작주파수(f0)에서 종단 주파수(f0 - Δf)로 선형적으로 변화하는 단일 채널(N=1)의 펄스를 송신 안테나(1)로부터 송출한다.
수신안테나(2)에 수신되는 신호는 신호처리기(11)에 입력되고, 입력신호는 프리에 변환(Fourier Transform)되어 이동 물체 존재유무를 판단한다(S1), (S2).
신호처리기(11)에서 M개의 펄스를 수신하여 Sr(k), K = 1, Λ, M을 프리에 변환하면 수신신호의 도플러 스펙트럼이 얻어진다. 이때, 속도υ로 이동하는 이동 물체의 도플러 주파수는 다음과 같은 수학식 3으로 된다.
Figure 112005047805261-pat00002
도 5에서 정지표적은 속도가 0이기 때문에 0Hz에 신호가 집중되게 되며, 이동 표적의 속도가 빠를수록 0Hz에서 이격된 주파수에 신호가 집중되게 된다. 이와 같이, 이동표적의 도플러 주파수를 알게 되면 이동 표적의 속도를 알 수 있다.
이와 같이, 이동표적이 탐지되면, 신호처리기(11)는 이동 표적의 거리 및 속도를 산출한다(S3).
신호처리기(11)는 이동표적이 탐지되면 파형 생성기(6)에서 생성되는 채널을 시간에 따라 채널수를 N까지 점차 증가시키고(S4), (S5), 증가된 채널의 주파수 신호를 송수신하여 거리와 속도를 측정한다.
채널수 N=1인 경우에는 도 4에 도시된 바와 같은 단일 채널의 신호가 출력되고, 수신되어 속도 및 거리가 측정되지만, 채널수 N=2로 증가되게 되면 기본 송신주파수(f0)와 기본 송신 주파수(f0) 보다 도약 주파수(fh)만큼 하향 변화된 도약 주파수 신호가 교번적으로 송신되고, 수신된다. 이와 같이 두개의 채널 신호가 송수신되는 과정에서 속도 및 거리를 산출한다.
도 7에 도시된 바와 같이, N=1인 경우에는 하나의 채널(0)만이 존재하고, N=2인 경우에는 두 개의 채널(0), (1)이 존재하게 된다. 이들 간의 주파수 차이는 도약 주파수(fh) 만큼의 차이를 갖는다.
이때, N=1인 하나의 채널에 의하여 산출된 속도 및 거리는 모호성없는 거리가 가장 멀리 산출되기 때문에 이동표적에 대하여 신뢰할 수 있는 거리를 측정하게 되지만, 분해능이 불량하다. 그러나, N = 2인 두개의 채널에 의하여 산출된 거리는 N = 1인 경우에 비하여 분해능이 우수하게 되나 모호성이 증대되게 된다. 따라서 처음에 하나의 채널을 사용하여 모호성 없는 거리 및 속도를 측정하고, 다음에는 2 개의 채널을 사용하여 거리 분해능을 향상시키게 된다. 분해능을 향상시키기 위하여 단계적으로 도약 주파수만큼을 간격을 갖는 채널 주파수신호를 늘려가고, 각 단계마다 거리 및 속도를 측정한다.
이와 같이, 채널의 수가 설정된 최대의 수에 달하면, 거리분해능을 향상시키기 위하여 도약 주파수(fh)를 크게 하여, 거리 및 속도를 산출한다(S6), (S7).
도 7에 도시된 최대 채널수는 N=4를 예로 든 것으로 채널이 하나부터 네 개까지 도약주파수(fh) 간격만큼 이격되어 증가되지만, 최대채널수에 도달하면, 도약주파수(fh)가 증가되어 이들의 채널간의 주파수 간격은 더욱 이격되어 이들 신호가 차지하는 밴드폭(B)이 확장되게 되어 더욱 거리 분해능을 향상시킨다. 이 경우에도 도약주파수를 점진적으로 증가시키고, 증가된 단계마다 거리 및 속도를 산출함으로써 모호성을 줄이면서 분해능을 향상시키도록 하고, 설정된 최대 도약주파수(fh)에 도달하게 되면 종료한다.
본 발명의 실시예에서 다수의 레이더의 시스템이 동일 지역내에서 운용중일 때에 각각의 레이더 시스템은 각각의 기본 송신주파수를 달리 하기 때문에 제한된 대역내에 많은 채널을 넣을 수 있다.
이때, 허용되는 대역폭을 B라하고, 최대 사용가능한 채널의 수를 N초이라 하면, Nch은 다음의 수학식4로 결정된다.
Nch ≒ BT
이때, T는 도 2에 도시된 주기이다.
따라서, 각각의 레이더 시스템은 Nch 개중에 필요한 개수의 채널을 선택하여 사용하면 되고, 특히 이동 표적을 감지한 레이더 시스템만이 채널의 수를 확장하기 때문에 허용되는 채널의 수는 가변적이며, 많은 수의 채널을 이용하고, 이들은 다른 레이더 시스템의 주파수와 간섭을 방지할 수 있다.
또한, N 개의 채널, 즉 N 개의 다른 주파수를 사용하여 표적의 거리를 측정하는 경우 수신된 신호를 FFT(Fast Fourier Transform)의 기법에 의하여 처리하는 것 보다 MUSIC(Mutiple Signal Classification)의 기법에 의하여 처리하는 것이 보다 효과적이다.
도 8a는 본 발명의 일실시예에 적용되는 FET 알고리즘에 의한 스펙트럼이고, 도 8b는 본 발명의 일실시예에 적용되는 MUSIC 알고리즘에 의한 스펙트럼이다.
도 8a, 8b는 채널 대역폭이 200Khz이고, 채널간격이 6Mhz인 8개의 채널을 사용하여 거리 18M인 표적의 신호를 분석한 것으로, FET 방식보다 MUSIC 방식의 알고리즘에 의한 처리방법이 거리 분해능이 우수하다는 것을 알 수 있다.
상기의 목적과 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 기본 송신주파수를 각 레이더 시스템에 부여하기 때문에 다수의 레이더 시스템이 동일 지역내에 간섭현상 없이 사용될 수 있으며, 레이더의 거리측정 모호성 배제하면서 거리분해능을 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

  1. 주기적인 기본 송신 주파수 신호로 이루어진 채널을 송신하고, 수신하는 기본 주파수 신호 송수신단계;
    상기 기본 주파수 신호 송수신 단계에서 이동 표적을 감지하는 이동 표적 감지단계;
    상기 이동 표적 감지단계에서 상기 이동표적이 감지되면, 상기 기본 주파수 신호에 의하여 상기 이동표적의 거리를 산출하고, 산출된 거리를 모호성 없는 거리로 판단하는 모호성 판단 거리측정단계;
    상기 모호성 판단 거리 측정단계에 의한 거리 측정후에 상기 기본 주파수 신호와 상기 기본 주파수 신호보다 도약 주파수(fh)의 정수배만큼씩 변화하여 증가된 채널들을 교번적으로 송수신하여 거리를 측정하는 채널증가 측정단계;
    상기 채널증가 측정단계에서 기설정된 채널수까지 증가가 이루어진 후에 상기 도약 주파수(fh)를 증가시켜 거리를 측정하는 도약주파수 증가단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템의 거리 분해능 향상 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 채널증가 단계에서 거리측정은 채널증가시의 각 단계마다 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템의 거리 분해능 향상 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 도약주파수 증가단계는 여러 단계에 걸쳐 도약주파수가 증가되며, 각 단계에서 거리가 측정되는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템의 거리 분해능 향상 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항에 있어서, 상기 거리 측정은 MUSIC(Mutiple Signal Classification) 알고리즘에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템의 거리 분해능 향상 방법.
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