KR100749336B1

KR100749336B1 - 항공탑재 레이다 이동 클러터 도플러 스펙트럼 보상방법

Info

Publication number: KR100749336B1
Application number: KR1020060030454A
Authority: KR
Inventors: 곽영길
Original assignee: 곽영길
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2006-04-04
Publication date: 2007-08-14

Abstract

본 발명은 레이다 이동으로 이동 플렛폼에 의한 클러터 도플러 영향을 보상해주기 위한 신호처리 방법에 관한 것으로서, 송수신기에서 이단 변복조(Double Conversion Super Heterodyne) 방식에 의해 상향 변환(Up-Conversion)하여 안테나를 통해 전파를 방사하고, 표적에 반사되어 돌아오는 수신신호는 송신과 동일한 주파수로 하향 변환(Down-Conversion)하여 복조(Demodulation)하고, 복조된 I/Q 신호를 신호처리기에서 A/D 변환을 하고, 변환된 신호에서, 안테나 빔의 방위방향 빔폭이 표적에 머무르는 시간인 드웰 타임(Dwell Time) 내의 수신신호를 CPI(Coherent Processing Interval) 단위로 나누고, 첫 CPI 신호를 이용하여 클러터 도플러 주파수를 추정하고, 이 추정값을 두 번째 CPI 신호에 보상하여 클러터 신호를 제거하는 것을 특징으로 하는 항공탑재 레이다 이동 클러터 도플러 스펙트럼 보상방법이다. 따라서 본 발명은, 고가의 복잡한 위상배열 안테나를 사용하지 않는 일반적인 파라볼릭 안테나 또는 평판배열 슬롯 안테나 등을 사용하는 일반적인 비행체 탑재 레이다나 선박 레이다에 적용이 가능하므로 이동 표적 탐지 능력을 획기적으로 향상할 수 있으며 또한 위상배열 안테나를 사용하는 레이다에도 적용하여 AMCDC 방법의 최신 신호처리방법을 이용하여 이동표적 탐지 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

항공탑재 레이다 이동 클러터 도플러 스펙트럼 보상방법{AIRBORNE MOVING CLUTTER DOPPLER SPECTRUM COMPENSATION(AMCDC)}

도1은, 항공탑재 레이다 시스템 블록도내의 AMCDC 구성도를 나타내는 도면이다.

도2는 TACCAR 블록도를 나타내는 도면이다.

도3은 비행체 탑재 레이다 시스템의 기하구조 모델을 나타내는 도면이다.

도4는 고정 레이다의 클러터 스펙트럼을 나타내는 도면이다.

도5는 이동 레이다의 클러터 스텍트럼을 나타내는 도면이다.

도6은 안테나의 구동을 나타내는 도면이다.

도7은 신호처리 단위를 나타내는 도면이다.

도8은 CPI 단위의 데이터 구조를 나타내는 도면이다.

도9는 AMCDC 개념을 나타내는 도면이다.

도10은 AMCDC를 이용한 표적 스펙트럼 탐지의 개념을 나타내는 도면이다.

본 발명은 레이다 신호처리에 관한 것으로서 특히 AMCDC에 관한 것이다.

AMCDC 방법은 레이다 신호처리 분야에 속하는 것으로서, 레이다 이동으로 이동 플렛폼에 의한 클러터 도플러 영향을 보상해주기 위한 신호처리 방법이다.

이러한 레이다 이동 효과를 보상해 주기 위한 관련 기술로는 TACCAR(Time Averaged Coherent Clutter Airborne Radar), DPCA (Displaced Phase Center Antenna), STAP(Space-Time Adaptive Processing)이 있다.

단일 파라볼릭 안테나를 사용하는 레이다 시스템에 적용 가능한 TACCAR는 비행탑재 레이다는 물론 선박탑재 레이다에서 움직임을 보상하기 위해 사용하는 방법이다. 또한 지상 고정 레이다에서도 속도 성분을 갖는 클러터 - 즉 해수면 흐름, 채프(Chaff), 기상(비, 구름) 등 - 의 이동에 대한 보상에도 적용된다. TACCAR의 기본 메카니즘은 특정 시간 간격동안의 클러터 도플러 주파수 평균값의 보상을 통해 레이다 이동에 의한 클러터의 도플러 주파수를 MTI 필터의 통과 대역으로 이동시킴으로써 클러터를 제거하는 방식이다. TACCAR 기본 블럭도는 도2와 같으며 도플러 주파수를 보상하는 방법에 따라 두 가지 개념으로 구분할 수 있다.

먼저 도2(a)에서 클러터 도플러 주파수를 평균하고자하는 시간 간격동안 위상정합 되어 도플러 성분이 있는 클러터 수신신호를 받아들이게 된다. 적분기와 표본 지속기를 이용하여 특정 시간 간격동안의 평균 도플러 주파수 값에 해당하는 전압 값을 추정하고 VCO(Voltage Controlled Oscillator)를 통해 도플러 주파수를 생성하여 도플러 주파수가 더해져 들어오는 수신신호에 보상해준다. 보상된 수신신호는 도플러 성분이 제거되어 송신주파수와 같은 주파수가 되어 지상 고정 레이다에서의 수신신호와 같은 특성을 보이게 된다. 그러므로 기존의 고정 클러터 제거를 위한 MTI 필터를 사용해 클러터를 제거한다.

도2(b)는 클러터 도플러 주파수를 추정하여 송신신호에 미리 보상을 해주는 개념의 블럭도이다. 송신신호에 보상을 해주게 되어 수신신호에는 도플러 성분이 없으므로 그대로 MTI 필터를 통해 클러터를 제거할 수 있다.

단일 파라볼릭 안테나를 사용하는 레이다 시스템에서 적용 가능한 이동 클러터 보상 방법인 TACCAR는 샘플거리 간격에 대한 도플러 주파수 추정 값을 송신신호 또는 수신신호에 보상을 해주는 방법으로 추정과 보상 사이의 시간간격 동안의 레이다 이동으로 인한 오차가 발생하게 된다. 또한, 특정 샘플거리 간격에 대한 도플러 주파수 추정 값을 보상해주므로 전체 거리에 대해 최적 보상을 해줄 수 없으며 Depression 각 변화에 따른 거리 오차를 고려해야만 한다. 그리고 보상 이후에 다시 신호처리과정을 거쳐야만 표적신호에 대한 정보획득이 가능하다.

DPCA방법은 적응 위상 배열 안테나의 전자적 빔 조향으로 안테나의 위상 중심을 조정하여 레이다는 이동하지만 상대적으로 레이다가 고정되어 있는 효과를 이용하는 방법이다. STAP방법 역시 적응 위상 배열 안테나의 전자적 빔 조향을 이용하여 지상 클러터에 있는 이동 표적을 탐지하게 된다. DPCA와 STAP방법은 적응 위 상배열 안테나를 사용하지 않는 레이다 시스템에서는 적용할 수 없는 제약이 있다. AMCDC 방법은 평판 슬롯 배열 안테나를 사용하는 레이다 시스템에서 실시간으로 도플러 주파수 이동 보상과 표적신호 정보 획득이 동시에 가능하다. 그러나 DPCA 방법은 복잡한 위상배열 안테나를 사용하여 전자적 빔 조향이 가능할 경우만 이용할 수 있다는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 것으로서, 이동표적 탐지 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위하여 채택하는, AMCDC 방법은 비행체 탑재 레이다에서 비행체 이동에 의한 클러터 도플러 영향을 보상하여 적응적(適應的;Adaptive)으로 표적 탐지능력을 향상시키는 방법이다. 이 원리를 적용한 레이다 시스템의 구성도를 도1에 나타낸다. 그 동작원리는 송수신기에서 이단 변복조(Double Conversion Super Heterodyne) 방식에 의해 상향 변환(Up-Conversion)하여 안테나를 통해 전파를 방사하고 표적에 반사되어 돌아오는 수신신호는 송신과 동일한 주파수로 하향 변환(Down-Conversion)하여 복조(Demodulation)한다. 복조된 I/Q 신호는 신호처리기에서 A/D 변환을 거친 후 AMCDC 방법을 적용하게 된다. AMCDC 방법의 신호처리 단위는 드웰 타임(Dwell Time)으로서, 안테나 빔의 방위방 향 빔폭이 표적에 머무르는 시간이다. 한 드웰 타임내의 수신신호를 다시 몇 개의 CPI (Coherent Processing Interval-위상의 연속성을 갖는 처리 간격) 단위로 나누어 첫 CPI 신호를 이용하여 클러터 도플러 주파수를 추정하고, 이 추정값을 두 번째 CPI 신호에 보상해주므로 클러터 신호를 제거하고 표적 정보를 획득하여 전시기를 통해 전시한다.

이하 본 발명의 실시예를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.

우선 비행체에 탑재되는 레이다의 구조에 대하여 설명한다.

1. 비행체 탑재 레이다의 기하구조 모델

비행체 탑재 레이다 에서의 레이다 이동 효과 확인을 위한 비행체 탑재 레이다 시스템 기하구조 모델은 도3과 같다.

지면(地面) 클러터 패치의 중심은 레이다로부터 방위각(Azimuth角) θ와 하향각(Depression角) φ , 그리고 거리 에 위치하며, 동일 거리(Iso-range)와 동일 도플러(Isodop)의 교차되는 지점으로서 레이다로 부터 같은 거리, 같은 도플러 주파수를 갖는다.

2. 레이다 이동의 효과

지상 고정 레이다의 경우 지면 클러터는 속도 성분이 없기 때문에 클러터의 중심 도플러 주파수는 거의 영에 위치하고 스펙트럼의 폭은 바람 등의 외부요인으로 인해 어느 정도의 값을 갖고 분포한다. 이를 제거하기 위해 기존의 고정 클러터 제거를 위한 MTI 필터를 사용하면 도3에서와 같이 필터의 제거대역에 클러터가 위치하게 되므로 클러터 제거가 가능하다.

하지만 비행체 탑재 레이다의 하향(Look-down) 모드에서 레이다의 이동으로 인해 지면 클러터는 레이다 이동 속도에 해당하는 도플러 주파수를 갖게 되고, 안테나 빔의 방위각 및 하향각 (Depression)의 변화에 따라 스펙트럼 폭의 퍼짐현상이 생기게 된다. 이 두 가지 효과로 인해 비행탑재 레이다에서 클러터 스펙트럼은 도4와 같이 MTI 필터의 통과대역으로 이동하여 잔류 클러터로써 표적 신호를 가리게 되어 레이다 표적탐지 성능에 심각한 영향을 미치게 된다. 이러한 문제는 선박용 레이다에서보다 레이다의 이동 속도가 매우 고속이고 레이다에서 지면을 바라보는 하향각(Depression)이 더 큰 비행탑재 레이다에서 더 심각하게 나타난다. 그러므로 비행탑재 레이다의 표적 탐지성능 개선을 위해서는 레이다 이동으로 인한 효과를 보상해주는 방법이 필수적이다.

3. 레이다 신호처리 단위

레이다 안테나의 구동은 도5와 같이 회전(Rotation) 스캔 또는 일정각도 범위로 섹터(Sector) 스캔을 하게 된다. 안테나의 방위방향 빔 폭이 일정 표적위치에 머무르는 동안 다수의 펄스를 신호를 보내고 그 반사 신호를 받는 시간을 드웰타임 이라한다.

효율적인 신호처리를 위해 수신 신호를 일정 주기의 단위로 구분하게 되는데 다음 도6과 같다. 스캔(SCAN)은 1회전 하는 동안의 수신신호이고, 다시 360°/빔폭 의 개수에 해당하는 드웰 타임으로 나뉜다. 한 드웰타임은 다시 수 개의 CPI로 나뉘는데, 예를 들어 드웰타임 동안 2개의 CPI를 사용할 때 방사되는 펄스 개수의 반을 CPI,#1 나머지 반을 CPI #2로 구분한다. CPI는 다시 펄스개수의 단위로 구분된 다. AMCDC방법에서 실시간 보상을 위해 중요한 신호처리의 단위는 CPI 단위이다.

4. AMCDC 신호처리 주기 및 데이터 구조

AMCDC 방법의 신호처리 주기는 드웰 타임으로 한 드웰타임 동안의 수신신호를 펄스 방향으로 두개의 CPI 단위로 나누어서 신호처리를 하게 된다. 도7에서와 같이 한 드웰타임의 첫 CPI동안 도플러 주파수를 추정하고 다음 CPI에 추정값을 보상해준다. 헬기의 저속 운항 특성으로 인해 보상주기 동안 레이다 이동으로 인한 클러터 도플러 주파수 추정 오차는 거의 없으므로 AMCDC 방법의 실시간 도플러 이동 보상이 가능해진다.

AMCDC 방법에서의 추정과 보상과정의 데이터 구조는 도7과 같다. 한 드웰타임 동안 거리 축으로는 펄스 폭에 해당하는 거리셀 개수와 시간 축으로는 펄스 개수에 해당하는 데이터가 하나의 세트가 되며 전체 펄스 개수 중 앞쪽 반이 CPI#1 데이터가 되고 뒤쪽 반이 CP#2I 데이터가 된다. 여기서 첫 번째 CPI의 펄스 개수 방향으로 FFT를 통해 도플러 주파수를 추정하고 보상해준다.

5. AMCDC 방법

우선 AMCDC를 구현하기 위한 레이다 시스템을 설명한다. 도1에 그 구성도가 나타나 있다.

본 기법의 동작개념은 한 빔 폭 동안에 수신한 펄스 신호를 두개의 CPI로 나눈 다음 첫 번째 CPI 동안 FFT(고속 스펙트럼 변환기)를 통하여 클러터 도플러 주파수를 추정한다. 그리고 추정된 주파수를 이용하여 두 번째 CPI 동안 도플러 필터뱅크를 통하여 나오는 신호 스펙트럼을 전체적으로 추정된 주파수 만큼 DC 방향으 로 이동시킨 후 DC 주파수 대역에 존재하는 신호는 클러터로 간주하고, 나머지 필터 뱅크 대역에 있는 주파수 성분은 표적으로 탐지하게 된다.

AMCDC방법은 TACCAR에서 처럼 별도의 송신기 및 수신기 장치에서 주파수를 복잡하게 제어하지 않아도 되며, 이러한 단점을 보완하여 클러터 도플러 주파수 이동 보상과 표적 신호에 대한 정보를 실시간으로 얻을 수 있다. 개념도는 도9와 같으며 자세히 설명한다.

우선 첫 번째 CPI신호에서 펄스 갯수에 대해 거리 셀 마다 FFT를 수행함으로써 클러터 도플러 주파수fc를 추정한다. 도10(a)는 두 번째 CPI 수신신호 레이다 이동으로 인한 도플러 이동과 스펙트럼 폭이 넓어진 클러터 신호와 이동 표적 신호에 도플러 필터 뱅크를 적용한 것이다. 도10(b)는 첫 번째 CPI에서 추정된 도플러 주파수(fc)에 해당하는 필터(그림에서 k번째 필터)와 인접 필터의 출력신호는 클러터로 간주하여 제거한다. 도10(c)는 클러터 신호 제거 후 남게된 표적 신호로서 k번째 필터 이외의 출력신호는 표적 신호로 판단한다. 만약 표적 신호의 도플러 주파수가 fn이라면 클러터 신호 제거 후 표적이 있는 M-2번째 필터의 출력 신호는 표적 신호로 간주하고 첫 번째 CPI에서 추정된 도플러 주파수 fc만큼 보상하여 표적의 실제 속도 정보 (fn - fc)를 획득할 수 있다. 만일 표적 신호가 클러터 주변에 가까이 있다면 클러터 신호와 같이 제거될 가능성이 있지만 필터 뱅크의 수를 늘려 도플러 분해능을 높인다면 클러터 신호는 제거하고 표적신호를 탐지해낼 수 있게 된다. 이 방법에서는 짧은 시간의 CPI 단위로 도플러 주파수를 추정하고 보상하게 되므로 보상주기 동안의 레이다 이동으로 인한 오차를 최소화하여 실시간으로 들어오는 신호에 대해 도플러 이동 보상이 가능해진다.

항공기 탑재 레이다의 경우 비행체 이동에 의한 클러터 스펙트럼 퍼짐 현상과 중심 주파수 이동으로 인하여 MTI(Moving Target Indicator) 필터를 사용하여 표적 탐지가 불가능하다. 본 방법은 고가의 복잡한 위상배열 안테나를 사용하지 않는 일반적인 파라볼릭 안테나 또는 평판배열 슬롯 안테나 등을 사용하는 일반적인 비행체 탑재 레이다나 선박 레이다에 적용이 가능하므로 이동 표적 탐지 능력을 획기적으로 향상할 수 있으며, 또한 위상배열 안테나를 사용하는 레이다에도 적용하여 AMCDC 방법의 최신 신호처리방법을 이용하여 이동표적 탐지 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 물론 이동 비행체인 헬기 및 무인항공기, 해상의 선박 및 군함, 지상의 이동 차량 등에 탑재하여 표적 탐지 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

Claims

송수신기에서 이단 변복조(Double Conversion Super Heterodyne) 방식에 의해 상향 변환(Up-Conversion)하여 안테나를 통해 전파를 방사하고,

표적에 반사되어 돌아오는 수신신호는 송신과 동일한 주파수로 하향 변환(Down-Conversion)하여 복조(Demodulation)하고,

복조된 I/Q 신호를 신호처리기에서 A/D 변환을 하고,

변환된 신호에서, 안테나 빔의 방위방향 빔폭이 표적에 머무르는 시간인 드웰 타임(Dwell Time) 내의 수신신호를 CPI(Coherent Processing Interval) 단위로 나누고,

첫 CPI 신호를 이용하여 클러터 도플러 주파수를 추정하고,

이 추정값을 두 번째 CPI 신호에 보상하여 클러터 신호를 제거하는

것을 특징으로 하는 항공탑재 레이다 이동 클러터 도플러 스펙트럼 보상방법.