KR100697821B1 - 모노펄스 안테나를 이용한 저고도 표적 추적 방법 - Google Patents

모노펄스 안테나를 이용한 저고도 표적 추적 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 모노펄스 안테나를 이용한 저고도 표적 추적 방법은 단일 주파수를 이용하여 표적간의 거리와 복소수 고도 에러신호의 허수부를 측정하여 저장하고, 이동하는 표적의 변경된 거리와 상기 에러신호의 허수부를 측정하며, 상기 에러 신호의 허수부의 부호가 급변한 경우 표적의 거리 변화율을 산출하여 사전에 복수의 각 변수 값에 따른 거리 변화율과 상기 에러신호의 허수부간의 기준 그래프를 비교하여 해당 n0을 추정하여 표적 고도를 산출한다.
본 발명에 의하면 저고도로서 다중 반사파를 갖는 이동 표적에 대하여 단일 주파수를 이용하여 측정한 거리변화율을 사전에 산출된 변수 n0에 따른 복소수 고도 에러 신호의 허수부에 대한 기준 그래프와 비교하여 표적의 고도를 산출함으로써 단일 주파수 사용에 의한 안테나 구조가 보다 간단하고, 잡음특성이 개선된 시스템을 구현할 수 있다.

Description

모노펄스 안테나를 이용한 저고도 표적 추적 방법{Method for tracking low altitude target, by using mono pulse antenna}
도 1은 레이더의 저고도 표적 추적에 있어서 레이더 신호의 2 경로 전파를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 복수의 주파수에 대하여 발생하는 레이더 신호정보에 따른 복소수 고도 에러신호의 허수부와 변수 n0과의 관계를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 단일 주파수에 대하여 발생하는 레이더 신호정보에 따른 복소수 고도 에러신호의 허수부와 변수 n과 관계를 확대 도시한 일예이다.
도 4는 변수 n0의 각 값에 따라 본 발명의 거리 변화율과 복소수 고도 에러신호의 허수부간에 설정된 좌표의 예를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 모노펄스 안테나를 이용한 저고도 표적 추적 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명은 저고도 표적 추적 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저고도 로서 다중 반사파를 갖는 표적에 대하여 사전에 설정된 복소수 고도 에러신호의 허수부와 거리 변화율의 좌표값의 궤적을 참조하여 하나의 주파수를 이용하여 표적의 고도를 산출할 수 있는 모노펄스 안테나를 이용한 다중반사파를 가지는 저고도 표적 추적 방법에 관한 것이다.
레이더 추적에 있어서 저고도로 이동하는 예컨대, 지상이나 해상에서 저고도로 접근하는 미사일과 같은 표적의 고도 산출은 지면이나 수면에서 반사되는 다중반사신호에 때문에 일반 모노펄스 안테나 방식의 추적 레이더로서는 추적이 어려우며, 특히, 잔잔한 해상처럼 다중반사 효과가 큰 경우, 추적도중에 표적을 놓치는 확률이 매우 높았다.
이러한 저고도 표적 추적에 대한 다양한 방법이 연구되고 있으며, 저고도 표적의 고도를 산출하는 방법에서 가장 대표적인 방법 중 하나로 미국특허(US 5,341,145) (이하 인용문헌1이라 칭함)가 있다.
이러한 인용문헌1은 다중반사 신호가 존재할 경우 모노펄스 안테나의 합 채널과 차 채널의 비례값이 실수가 아닌 복소수임을 이용하여 허수부를 이용하여 표적의 고도를 추출하는 방법이다.
도 1은 일반적인 레이더의 저고도 표적 추적에 있어서 레이더 신호의 2 경로 전파를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에서, 참조부호 1은 모노펄스 레이더 안테나, 16은 표적, R은 레이더 안테나(1)와 표적(16)간의 직선 거리, hr은 레이더 안테나의 높이, ht는 표적의 고도, θa는 직선경로의 고각, θb는 간접경로의 고각을 나타낸다. 또한, 레이더 안테나(1)와 표적(16)의 미러 이미지는 지구표면인 지면 또는 수면상에서의 지점(18)에서 반사되어 각각 참조부호 1'와 16'로서 나타난다.
이러한 다중 반사되는 신호가 존재할 경우 모노펄스 레이더 안테나(1)의 표적에 대한 합 채널과 차 채널의 비례값의 허수부 즉, 복소수 에러 고도 신호에서 허수부를 이용하여 표적(16)의 고도를 산출한다. 복소수 고도 에러신호의 허수부는 다음 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure 112005055096318-pat00001
여기서, p는 직선경로를 통한 신호의 크기와 간접경로를 통한 신호의 비례값이고, δφ는 반사계수의 위상을 나타낸다.
변수 n0은 다음 수학식 2로 정의된다.
Figure 112005055096318-pat00002
여기서, λ는 파장을 나타낸다.
도 2는 복수의 주파수에 대하여 발생하는 레이더 신호정보에 따른 복소수 고도 에러신호의 허수부와 변수 n0과의 관계를 도시한 그래프이다.
상기 인용문헌 1은 주파수(파장)를 변화시켜 가며 수학식 1의 허수부를 측정 하고, 도 2에 도시된 바와 같이 이 클수록 수학식 1의 허수부 값의 부호가 바뀌는 부분에서의 기울기가 크다는 점을 이용하여 허수부의 값이 변하는 기울기를 측정하고, 을 추정한 후 수학식 2를 통하여 표적의 높이(ht)를 산출하였다.
그러나, 상기 인용문헌 1에서는 안테나 레이더에서 다양한 주파수값으로 변환시켜가며 표적에 대한 측정이 요구되어, 구조가 복잡하고 사용 주파수의 범위가 넓은 안테나를 사용하여야 했다. 이에 따라 좁은 대역의 주파수만을 사용하는 시스템보다 수신기의 잡음특성이 저하될 수밖에 없었다.
본 발명의 기술적 과제는 저고도로서 다중 반사파를 갖는 이동 표적에 대하여 단일 주파수를 이용하여 측정한 거리변화율을 사전에 산출된 변수 n0에 따른 복소수 고도 에러 신호의 허수부에 대한 기준 그래프와 비교하여 간단한 레이더 안테나 구조로서 이동 표적을 추적할 수 있는 저고도 표적 추적 방법 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 모노펄스 안테나를 이용한 다중반사파를 가지는 저고도 표적 추적 방법은,
단일 주파수를 이용하여 레이더 안테나와 표적간의 거리와, 합 채널과 차 채널의 비례값의 허수부를 측정하여 저장하는 과정;
상기 단일 주파수를 이용하여 이동중인 상기 표적에 따라 새로 변경된 거리 와 변경된 합, 차채널의 비례값의 허수부를 측정하는 과정;
상기 측정된 합, 차 채널 비례값의 허수부의 궤적이 0값을 크로싱하여 부호가 변경되었는지를 체크하는 과정;
상기 합, 차 채널 비례값의 허수부의 부호가 변경되었다면 거리 변화율을 산출하는 과정;
복수의 변수 n0 각각에 따라 사전에 설정된 거리 변화율과 복소수 고도 에러 신호의 허수부의 기준 그래프를 상기 산출된 거리 변화율과 비교하는 과정; 및
상기 산출된 거리 변화율값 좌표에서 0값을 크로싱하는 상기 합, 차 채널 비례값의 허수부 궤적에 대응되는 변수 n0을 구하여 표적의 고도를 산출하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.
또한, 상기 합, 차 채널 비례값의 허수부의 부호를 체크하는 과정에서 부호가 변경되지 않았다면 변경된 거리와 합, 차 채널 비례값을 다시 측정하는 과정을 더 포함함을 특징으로 한다.
또한, 상기 합 채널과 차 채널의 비례값의 허수부는
Figure 112005055096318-pat00003
로 나타냄을 특징으로 한다.
또한, 상기 n0는
Figure 112005055096318-pat00004
로 정의됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 합, 차 채널 비례값의 허수부의 부호를 체크하는 과정에서 부호가 변경되지 않았다면 변경된 거리와 합, 차 채널 비례값을 다시 측정하는 과정을 더 포함함을 특징으로 한다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예는 상술된 수학식 1에 바탕을 두고 있다. 표적이 고도를 유지하면서 δR 거리만큼 레이더를 향해 비행하였다면 n은 다음 수학식 3과 같이 초기의 표적간의 거리를 기준으로 산출된 원래의 값인 에 비례하여 변한다. 복소수 고도 에러신호 값을 나타내는 수학식 1에 거리 변화량(δR)을 부가하여 다음 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112005055096318-pat00005
도 3은 본 발명의 단일 주파수에 대하여 발생하는 레이더 신호정보에 따른 복소수 고도 에러신호의 허수부와 변수 n과 관계를 확대 도시한 일예이다.
도 3에서 합 채널에서의 신호가 최대일 때 에러신호의 허수부값이 0을 통과한다. 에러신호 허수부 궤적의 0값의 크로싱에 있어서, 기울기는 n의 증가와 함께 증가하며, 고각이 증가된다.
또한, 고각이 증가할수록 에러신호의 허수부는 수신기에 도달되는 반사된 무선신호가 중지되기 때문에 에러신호의 허수부는 0에 근접된다.
수학식 3에서, 표적간의 거리(R)가 일정한 비율로 변한 경우에도 변수 함수 n0에 비례하여 변수 n이 변하는 양이 다르므로 거리 변화량(δR)에 따른 수학식 1의 변화량으로 표적의 고도(ht)를 명확히 산출할 수 있다. 표적과의 거리 변화량(δR)에 따라 수학식 1의 값을 측정한 후 복소수 고도 에러 신호 허수부의 궤적이 0값을 크로싱하여 부호가 갑자기 바뀌는 부분의 거리 변화량(δR)을 계산하면 n0을 추정할 수 있다.
도 4는 거리 변화량(δR)을 함수로 하는 복소수 고도 에러 신호의 허수부의 그래프로서, 사전에 설정된 변수 함수 n0의 값에 따라 각각의 복소수 고도 에러 신호의 허수부의 값이 도시되어 있다.
이에 따라 사전에 복수개의 변수 별로 거리 변화율에 따른 복소수 고도 에러 신호의 허수부값의 궤적을 나타낸 기준 그래프를 참조하여 n0을 추정한다. 예컨대, 도 4를 참조하면, R의 변화량이 5% 정도일 때는 복소수 고도 에러 신호의 허수 부값이 0값을 크로싱할 때 즉 부호가 급격히 변경되었을 때의 거리 변화율이 5%정도이면 n0가 10임을 알 수 있고, 거리 변화율이 3%정도이면 n0가 15임을 알 수 있다. 이에 따라 추정된 n0 값을 수학식 2를 이용하여 저고도의 이동하는 표적의 고도(hr)를 산출할 수 있다. 여기서, n0는 수학식 2에서 이동 표적을 처음 측정했을 때의 값을 의미한다.
도 5는 본 발명에 따른 모노펄스 안테나를 이용한 저고도 표적 추적 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5에서, 레이더 안테나와 표적간의 거리(R)를 측정하고, 합 채널과 차 채널 비례값의 허수부 즉, 복소수 고도 에러신호의 허수부를 측정한다(500 , 510 단계).
측정된 레이더 안테나와 표적간의 거리(R)와 고도 에러신호의 허수부를 저장한다(510 단계).
레이더 안테나와 이동하는 표적간의 변경된 거리(R')를 측정하고, 변경된 거리에 따른 복소수 고도 에러신호의 허수부를 측정한다(530 및 540 단계).
복소수 고도 에러신호의 허수부의 궤적이 좌표상에서 0값을 크로싱을 하여 부호가 급속히 변경되었는지를 체크하여(550 단계) 변경되지 않았다면 530 단계로 진행하여 변경된 거리를 다시 산출한다.
한편, 복소수 고도 에러신호의 허수부의 부호가 변경되었다면 거리 변화율
Figure 112005055096318-pat00006
을 산출한다(560 단계).
사전에 복수의 변수인 n0값에 따라 작성된 거리 변화율과 복소수 고도 에러 신호의 허수부간의 룩업테이블 또는 기준 그래프를 비교하여 추정된 해당 값을 수학식 2에 대입하여 표적 고도를 산출한다.
본 발명에 의한 저고도 표적 추적 방법은 저고도로서 다중 반사파를 갖는 이동 표적에 대하여 단일 주파수를 이용하여 측정한 거리변화율을 사전에 산출된 변수 n0에 따른 복소수 고도 에러 신호의 허수부에 대한 기준 그래프와 비교하여 표적의 고도를 산출함으로써 단일 주파수 사용에 의한 안테나 구조가 보다 간단하고, 잡음특성이 개선된 시스템을 구현할 수 있다.

Claims (4)

  1. 레이더 안테나와 표적간의 거리와, 합 채널과 차 채널의 비례값의 허수부를 측정하여 저장하는 과정;
    이동중인 상기 표적에 따라 새로 변경된 거리와 변경된 합, 차채널의 비례값의 허수부를 측정하는 과정;
    상기 측정된 합, 차 채널 비례값의 허수부의 궤적이 0값을 크로싱하여 부호가 변경되었는지를 체크하는 과정;
    상기 합, 차 채널 비례값의 허수부의 부호가 변경되었다면 거리 변화율을 산출하는 과정;
    복수의 변수 n0(변수 n0는
    Figure 112007004141810-pat00015
    으로 나타내며, 여기서 R은 레이더 안테나와 표적간의 거리,
    Figure 112007004141810-pat00016
    는 파장, hr은 레이더 안테나의 높이, ht는 표적의 고도임) 각각에 따라 사전에 설정된 거리 변화율과 복소수 고도 에러 신호의 허수부의 기준 그래프를 상기 산출된 거리 변화율과 비교하는 과정; 및
    상기 산출된 거리 변화율값 좌표에서 0값을 크로싱하는 상기 합, 차 채널 비례값의 허수부 궤적에 대응되는 변수 n0를 구하여 표적의 고도를 산출하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 모노펄스 안테나를 이용한 저고도 표적 추적 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 합, 차 채널 비례값의 허수부의 부호를 체크하는 과정에서 부호가 변경되지 않았다면 변경된 거리와 합, 차 채널 비례값을 다시 측정하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 모노펄스 안테나를 이용한 저고도 표적 추 적 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 합, 차 채널 비례값의 허수부는 다음 수학식
    Figure 112005055096318-pat00007
    p는 직선경로를 통한 신호의 크기와 간접경로를 통한 신호의 비례값
    δφ는 반사계수의 위상
    으로 표현됨을 특징으로 하는 모노펄스 안테나를 이용한 저고도 표적 추적 방법.
  4. 삭제
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