KR101131058B1 - Device and method for high-speed multiple beamforming with distributed processing in time domain - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 다중 빔을 형성하는 방법 및 이를 이용하여 다중 빔을 형성하는 장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 방법 및 이를 이용하여 다중 빔을 형성하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for forming a multi-beams and an apparatus for forming a multi-beams using the same, and more particularly, to a method for forming a multi-beams at high speed through time-domain dispersion processing and to form a multi-beams using the same It relates to a device to.
수중음향탐지 분야에서 물체의 탐지는 음향신호를 송신하고 되돌아오는 수신신호를 이용하는 능동 음향탐지기술이나 물체가 방사하는 음향신호를 수신하여 물체를 탐지하는 수동 음향탐지기술 등이 이용되고 있다. 수중음향탐지에서는 수신되는 신호의 이득을 증대시키기 위하여 다수의 음향센서를 배열시키고, 다수의 음향센서로부터 수신되는 신호를 이용하여 빔을 형성한다. 이때, 형성된 빔에서 탐지에 이용하고자 하는 주파수 대역 폭에 따라 협대역 소나 신호처리기술 및 광대역 소나 신호처리기술로 구분이 된다. 일반적으로 광대역 신호처리를 하면 목표 대상에 의해 발생되는 신호 외에 다른 기만 신호나 오탐지 가능성이 있는 신호를 구분하여 정확히 목표를 탐지할 수 있으며, 분해능 또한 증대되는 것으로 알려져 있다. 하지만, 협대역 신호처리에 비해 광대역 신호처리는 주파수 대역이 수십 배 이상 커짐으로 인하여 빔형성을 위한 대용량의 신호처리가 필요한 문제점이 발생한다.In the underwater acoustic detection field, the detection of an object uses active acoustic detection technology using a received signal that transmits an acoustic signal, and a passive acoustic detection technology that detects an object by receiving an acoustic signal emitted by the object. In underwater sound detection, a plurality of acoustic sensors are arranged to increase the gain of a received signal, and a beam is formed using the signals received from the plurality of acoustic sensors. At this time, the formed beam is divided into narrow band sonar signal processing technology and wideband sonar signal processing technology according to the frequency band width to be used for detection. In general, wideband signal processing is known to distinguish a deceptive signal or a signal that may be falsely detected, in addition to a signal generated by a target, to accurately detect a target, and to increase resolution. However, compared to narrowband signal processing, wideband signal processing requires a large amount of signal processing for beamforming because the frequency band is increased by several orders of magnitude.
수중음향탐지에서는 목표물의 신호를 정확히 탐지하기 위한 광대역 신호처리 외에, 목표물의 방위를 정확히 알아내는 것 또한 중요하다. 정확한 목표물의 방위를 신속하게 알아내기 위해서는 넓은 방위각의 광범위 영역에 대하여 정밀한 다수의 조향빔을 동시에 형성하여야 한다. 일반적으로 정밀한 조향빔을 생성하기 위해서는 센서별 획득되는 신호의 샘플링 주파수가 높아야 하며, 동시에 광범위 영역을 탐지하기 위해서는 다수의 조향빔이 요구된다. 이는 빔형성 연산량을 증가시키기 때문에 빔형성기의 복잡도를 증대시킨다.In hydroacoustic detection, in addition to broadband signal processing to accurately detect the target signal, it is also important to accurately determine the target orientation. In order to quickly determine the correct target orientation, multiple precise steering beams must be formed simultaneously over a wide range of wide azimuth angles. In general, in order to generate a precise steering beam, a sampling frequency of a signal acquired for each sensor must be high, and at the same time, a plurality of steering beams are required to detect a wide range of regions. This increases the beamforming complexity, thus increasing the complexity of the beamformer.
이상에서 살펴본 문제점 때문에, 종래 수중음향탐지 분야에서는 광대역 신호 특성을 가지는 신호의 빔형성을 고속 및 안정적으로 수행하기 위해 다수의 연산기를 사용하며, 연산기가 생성할 수 있는 빔 개수 별로 나누어 다중빔을 형성하였다. 그러나, 이러한 방법에 의할 때도 각 연산기의 입력으로 들어가는 센서 입력 전송량이 동일하므로, 입력 전송량이 클 경우에는 연산기에서 고속으로 형성할 수 있는 빔의 개수가 적어 많은 수의 연산기가 필요로 되는 문제점이 있었다.Due to the problems described above, the conventional underwater acoustic detection field uses a plurality of calculators to perform beamforming of signals having broadband signal characteristics at high speed and stability, and forms multiple beams by dividing the number of beams that the calculator can generate. It was. However, even with this method, since the sensor input transmission amount entering the input of each calculator is the same, when the input transmission amount is large, the number of beams that can be formed at a high speed by the calculator is small, which requires a large number of calculators. there was.
본 발명의 목적은 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a method for forming multiple beams at high speed through time-domain dispersion processing.
본 발명의 다른 목적은 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 장치을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide an apparatus for forming multiple beams at high speed through time-domain dispersion processing.
상기 본 발명의 목적에 따른 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 장치는 표적으로부터 반사되거나 방사된 아날로그 신호를 디지털 병렬 신호로 샘플링하는 다수의 센서와, 상기 샘플링된 디지털 병렬 신호를 디지털 직렬 신호로 변환하는 다수의 신호변환기와, 상기 디지털 직렬 신호를 이용하여 빔형성하는 다수의 연산기와, 다수의 연산기로부터 형성된 부분빔을 합산하여 최종빔을 형성하는 합산기로 구성되며, 상기 다수의 연산기 수에 맞춰 같은 양 또는 소정의 입력 전송량으로 상기 디지털 직렬 신호가 분산 할당되어 있다. The apparatus for forming a multi-beam at high speed through the time-domain dispersion processing according to the object of the present invention comprises a plurality of sensors for sampling an analog signal reflected or radiated from a target into a digital parallel signal, and digitally sampling the sampled digital parallel signal. And a plurality of signal converters for converting into serial signals, a plurality of calculators for beam forming using the digital serial signal, and a summer for adding the partial beams formed from the plurality of calculators to form a final beam. The digital serial signal is distributedly allocated in the same amount or in a predetermined input transmission amount according to the number.
본 발명에 따른 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 장치는 세부적으로는 상기 다수의 연산기가, 각각 변환된 디지털 직렬 신호가 전송되는 메모리와, 상기 메모리에 저장된 디지털 직렬 신호를 이용하여 빔을 형성하는 다수의 빔형성기로 구성된다.The apparatus for forming a multi-beam at high speed through the time-domain dispersion processing according to the present invention is specifically, the plurality of arithmetic unit, using a memory to which each converted digital serial signal is transmitted, and the digital serial signal stored in the memory It consists of a plurality of beamformers forming a beam.
본 발명에 따른 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 장치는 더욱 세부적으로 상기 다수의 연산기가 PC(Personal Computer)이거나 DSP(Digital Signal Processor)이다. The apparatus for forming multiple beams at high speed through the time-domain dispersion processing according to the present invention is more specifically the plurality of calculators are a personal computer (PC) or a digital signal processor (DSP).
상기 본 발명의 다른 목적에 따른 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 방법은 표적으로부터 반사되거나 방사된 신호를 다수의 센서에 입력하는 단계와, 상기 다수의 센서에 입력된 아날로그 신호를 디지털 병렬 신호로 샘플링하는 단계와, 상기 샘플링된 디지털 병렬 신호를 다수의 연산기 수에 맞춰 같은 양 또는 소정의 입력 전송량으로 분산시키는 단계와, 상기 분산된 디지털 병렬 신호를 디지털 직렬 신호로 변환하는 단계와, 상기 변환된 디지털 직렬 신호를 각각 연산기의 메모리로 전송하여 부분빔을 형성하는 단계와, 상기 형성된 부분빔을 합산하여 최종 빔을 형성하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of forming a multi-beam at high speed through a time-domain dispersion process, and inputting a signal reflected or radiated from a target to a plurality of sensors, and converting an analog signal input to the plurality of sensors. Sampling the digital parallel signal, distributing the sampled digital parallel signal in an equal amount or a predetermined input transmission amount according to a number of arithmetic operators, and converting the distributed digital parallel signal into a digital serial signal; And transmitting the converted digital serial signals to a memory of an operator to form a partial beam, and summing the formed partial beams to form a final beam.
본 발명에 따른 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 방법은 세부적으로 상기 부분빔 형성 단계가, 상기 메모리로 전송되어 저장된 다수의 디지털 직렬 신호 각각에 가중치를 곱하는 단계와, 상기 가중치가 곱해진 디지털 직렬 신호들을 합하여 부분빔을 형성하는 단계와, 상기 형성된 다수 연산기들의 부분빔들을 합산하여 최종 빔을 형성하는 단계를 포함한다.According to the present invention, a method of forming a multi-beam at high speed through the time-domain dispersion processing may include the step of forming the partial beam in detail by multiplying a weight with each of a plurality of digital serial signals transmitted and stored in the memory; Summing the multiplied digital serial signals to form a partial beam, and summing the partial beams of the formed multiple operators to form a final beam.
본 발명에 따른 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 방법 및 이를 이용하여 다중 빔을 형성하는 장치에 의하면, 연산기 별로 센서 입력의 중복된 전송을 피함으로써 고속으로 다중 빔을 형성할 수 있다.According to the method for forming multiple beams at high speed through the time-domain dispersion processing and the apparatus for forming multiple beams using the same, the multiple beams can be formed at high speed by avoiding redundant transmission of the sensor input for each operator. have.
도 1은 종래 기술에 따른 단일 빔형성 방법의 개념도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 단일 빔형성 장치의 구성도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 시영역 빔형성기의 내부 처리도이다.
도 4는 종래 기술에 따른 단일 연산기를 이용한 다중 빔형성 장치의 구성도이다.
도 5는 종래 기술에 따른 다수의 연산기를 이용한 다중 빔형성 장치의 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 장치의 구성도이다.
도 7은 본 발명에 따른 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 방법의 흐름도이다.
도 8은 종래 기술에 따른 시영역 빔형성기의 내부 처리 흐름도이다1 is a conceptual diagram of a single beamforming method according to the prior art.
2 is a block diagram of a single beam forming apparatus according to the prior art.
3 is an internal processing diagram of a time domain beamformer according to the prior art.
4 is a block diagram of a multi-beam forming apparatus using a single operator according to the prior art.
5 is a block diagram of a multi-beam forming apparatus using a plurality of calculators according to the prior art.
6 is a block diagram of an apparatus for forming a multi-beam at high speed through the time-domain dispersion processing according to the present invention.
7 is a flowchart of a method for forming multiple beams at high speed through time-domain dispersion processing according to the present invention.
8 is an internal process flow diagram of a time domain beamformer according to the prior art.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.As the inventive concept allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소도 제1구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.The terms first, second, A, B, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component. And / or < / RTI > includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When a component is said to be "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that another component may exist in between. Should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in between.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다"등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 방법 및 이를 이용하여 다중 빔을 형성하는 장치는 종래 기술에 따른 단일 빔형성 방법 및 그 장치를 기초로 하여 이루어진다. 따라서, 먼저 종래 기술에 따른 단일 빔형성 방법 및 그 장치에 대하여 살펴보도록 한다.The method for forming multiple beams at high speed through the time-domain dispersion process and the apparatus for forming multiple beams using the same are based on the single beam forming method and the apparatus according to the prior art. Therefore, first, a single beamforming method and apparatus thereof according to the prior art will be described.
도 1은 수중 음향 탐지 분야에서 종래 기술에 따른 단일 빔형성 방법의 개념도를 나타낸다. 빔형성 방법에는 시영역 외에 주파수 영역에서 빔을 형성하는 방법이 있으나, 시영역 형성 방법이 보다 더 간단한 구조로 구현할 수 있다는 장점이 있기 때문에 널리 이용되고 있다. 도 1에 따르면, M개의 센서 입력 xi[n], i=1, ..., M(110)에 대해 각 센서별 입력에 대한 시간지연 k iτ(120)을 시킨 후 가중치를 곱(130)하고, 그 후 전체 센서들의 처리 결과를 합(140)하여 특정방향을 조향하는 y[n]이라는 빔을 형성(150)한다. 이 과정을 식으로 나타내면 수학식 1과 같다.1 shows a conceptual diagram of a single beamforming method according to the prior art in the field of underwater sound detection. Although the beamforming method includes a method of forming a beam in a frequency domain in addition to the time domain, the method of forming a time domain has been widely used because it has an advantage that it can be implemented with a simpler structure. According to FIG. 1, a time delay k i τ 120 for each sensor input for M sensor inputs x i [n], i = 1, ..., M 110 is multiplied by a weight ( 130, and then, the sum of the processing results of all the sensors 140 is formed 150 to form a beam y [n] for steering a specific direction. This process is represented by the equation (1).
이 때, τ는 센서입력을 디지털 신호로 샘플링(sampling)하는 시간 간격으로써, τ=1/f s로 정의된다. 여기서 f s는 샘플링 주파수이다. 또, k i는 각 센서별 시간 지연을 정하는 정수 값으로써, 형성하는 빔의 조향각과 관련이 있다. 일반적으로 시간 지연 단위 간격인 τ가 작을수록 특정 방향을 정밀하게 조향하는 빔을 생성할 수 있으며, 이는 샘플링 주파수(f s)가 커지게 되어 빔형성을 위한 센서 입력의 데이터양 및 연산량의 증가로 나타난다. 형성된 빔 y[n]은 조향 각도를 고려하여 정해진 샘플링 주파수(f s)의 신호로 나오며, 실제 탐지를 위한 신호는 y[n]에 대해 필터링을 수행하여 원하는 신호를 얻어 처리한다. 이때 원하는 신호특성에 따라 저역통과(Low-Pass), 고역통과(High-Pass), 대역통과(Band-Pass) 필터링 및 특성 주파수를 기저 대역으로 내려 처리하는 직교 복조(Quadrature Demodulation) 등을 이용한다. 이렇게 y[n]의 주파수 대역에 따라 협대역 및 광대역 신호로 구분이 된다. 일반적으로 빔형성을 위한 센서의 입력신호에 대한 샘플링 주파수(f s)는 빔의 조향각 및 빔의 필터링된 신호의 주파수 대역을 고려하여 정해지게 된다. 본 발명은 센서의 입력 데이터양이 많고 형성하고자 하는 빔의 개수가 많은 경우에 고속으로 빔을 형성하기 위한 방법 및 장치로, 형성된 빔에 대한 필터링에 대해서는 제한을 두지 않는다.In this case, τ is a time interval for sampling the sensor input into a digital signal, and is defined as τ = 1 / f s . Where f s is the sampling frequency. K i is an integer value that defines the time delay for each sensor and is related to the steering angle of the beam to be formed. In general, as the time delay unit interval τ is smaller, a beam that precisely steers a specific direction can be generated, which increases the sampling frequency ( f s ), resulting in an increase in the amount of data and calculation amount of the sensor input for beam formation. appear. The formed beam y [n] comes out as a signal having a predetermined sampling frequency f s in consideration of the steering angle, and a signal for actual detection is filtered to y [n] to obtain and process a desired signal. In this case, low-pass, high-pass, band-pass filtering, and quadrature demodulation, which process the characteristic frequency down to the baseband, are used according to desired signal characteristics. Thus, the frequency band of y [n] is divided into narrowband and wideband signals. In general, the sampling frequency f s of the input signal of the sensor for beamforming is determined in consideration of the steering angle of the beam and the frequency band of the filtered signal of the beam. The present invention is a method and apparatus for forming a beam at high speed when the amount of input data of a sensor is large and the number of beams to be formed is high, and there is no limitation on filtering of the formed beam.
도 2는 수중 음향 탐지 분야에서 종래 기술에 따른 단일 빔형성 장치의 구성도를 나타낸다. 도 2에 따르면, 우선 센서별로 샘플링 주파수(f s)로 샘플링한 디지털 신호를 획득하고, 각 센서별로 획득된 병렬(Parallel) 신호들을 직렬(Serial) 신호들로 변환(220)시켜 연산기의 메모리(230)로 전송함으로써 빔을 형성(240)한다. 한편, 도 3은 종래 기술에 따른 시영역 빔형성기(240)의 내부 처리도를 나타내며 도 8은 종래 기술에 따른 시영역 빔형성기의 내부 처리 흐름도이다. 도 3과 도 8에서는 메모리(230)에 저장된 각 센서 신호들로부터 시간 지연이 고려된 입력을 받아들여 빔을 형성하는 과정을 나타낸다.2 is a block diagram of a single beamforming apparatus according to the prior art in the field of underwater sound detection. According to FIG. 2, first, a digital signal sampled at a sampling frequency f s for each sensor is obtained, and the parallel signals obtained for each sensor are converted into serial signals 220 to be converted into serial signals. The beam is formed 240 by transmitting it to 230. Meanwhile, FIG. 3 shows an internal processing diagram of the time domain beamformer 240 according to the prior art, and FIG. 8 is an internal processing flowchart of the time domain beamformer according to the prior art. 3 and 8 illustrate a process of receiving an input considering a time delay from each sensor signal stored in the memory 230 to form a beam.
도 2에서 직렬(Serial) 신호들로 변환되어 메모리로 전송되는 빔형성을 위한 센서로부터의 입력 데이터량은 수학식 2와 같다. In FIG. 2, the amount of input data from the sensor for beamforming, which is converted into serial signals and transmitted to the memory, is represented by Equation 2.
여기서, BI는 센서로 들어오는 신호를 디지털 신호로 샘플링 할 때 샘플 당 표현하는 비트수를 나타낸다. 예를 들어, 정밀한 조향각을 가지는 빔을 형성하기 위해 fs를 500 KHz로 하고 100개의 센서에 대해 16bits/sample로 입력을 획득하였다고 가정하였을 때의 입력 데이터 전송량은 800 Mbits/sec 정도의 큰 값을 가지게 된다.Here, B I represents the number of bits represented per sample when sampling the signal coming into the sensor into a digital signal. For example, assuming that f s is 500 KHz and an input is acquired at 16 bits / sample for 100 sensors to form a beam having a precise steering angle, the input data transmission amount is about 800 Mbits / sec. To have.
다음으로, 입력 데이터로부터 형성된 한 개 빔의 데이터량은 수학식 3과 같다.Next, the data amount of one beam formed from the input data is expressed by Equation (3).
도 4는 종래 기술에 따른 단일 연산기를 이용한 다중 빔형성 장치의 구성도를 나타낸다. 다중 빔을 동시에 형성하기 위하여 우선 M개의 센서 입력 xi[n], i=1, ..., M(410)들을 직렬(Serial) 신호들로 변환(420)시킨 후 연산기의 메모리(430)로 전송하여 다중 빔형성(440) 과정을 수행한다. 다중 빔 형성 과정에서는 형성하고자 하는 다중 빔 yj[n], j=1, ..., NB(450)에 맞는 시간지연 k(j,i)τ을 시키고 가중치 a(j,i)를 곱한 후 전체 센서들의 처리 결과를 합함으로써 다중 빔을 동시에 형성한다. 이 과정을 식으로 나타내면 수학식 4와 같다.4 is a block diagram of a multi-beam forming apparatus using a single calculator according to the related art. In order to simultaneously form multiple beams, M sensors input x i [n], i = 1, ..., M (410) are first converted into serial signals (420) and then the memory 430 of the operator. By transmitting to the multi-beam forming process 440 is performed. In the multi-beam forming process, the time delay k (j, i) τ corresponding to the multi-beam y j [n], j = 1, ..., N B (450) to be formed is given and the weight a (j, i) Multiply and then form multiple beams simultaneously by summing the processing results of all the sensors. This process is represented by the equation (4).
또한 출력되는 다중 빔의 연산량은 형성되는 빔의 개수(NB)만큼 증대된다. 이때, 센서 수가 많거나 샘플링 주파수(fs)가 클 경우 입력 전송량(RI)이 클 뿐만 아니라, NB개의 다중 빔을 형성하기 위한 연산량 또한 증대된다. 이러한 전송량과 연산량의 문제 때문에 하나의 연산기 대신에 다수의 연산기를 사용하여 다중 빔을 생성한다.In addition, the calculation amount of the multiple beams output is increased by the number N B of beams formed. In this case, when the number of sensors or the sampling frequency f s is large, not only the input transmission amount R I is large but also the amount of computation for forming the N B multiple beams is increased. Due to the problem of the amount of transmission and the amount of calculation, multiple beams are generated using a plurality of calculators instead of one.
도 5는 종래 기술에 따른 다수의 연산기를 이용한 다중 빔형성 장치의 구성도를 나타낸다. 일반적으로 형성하고자 하는 NB개의 다중 빔 중 하나의 연산기에서 처리할 수 있는 개수만큼의 빔을 각 연산기에 할당하여 처리한다. 다시 말해 N개의 연산기들(530) 중 하나의 연산기에서 형성되는 빔의 개수를 NBi(i=1, ..., N)라고 하였을 때 수학식 5와 같은 관계가 성립한다.5 is a block diagram of a multi-beam forming apparatus using a plurality of calculators according to the prior art. In general, as many as the number of beams that can be processed by one operator among the N B multiple beams to be formed are allocated to each operator and processed. In other words, assuming that the number of beams formed in one of the N operators 530 is N Bi (i = 1, ..., N), the relationship shown in Equation 5 is established.
이 때 사용되는 연산기는 PC이거나 DSP(Digital Signal Processor)가 될 수 있으며, 본 발명에서는 데이타를 받아들여 연산할 수 있는 기능이 있으면 족하므로 특정 연산기로 제한하지 않는다.In this case, the calculator used may be a PC or a DSP (Digital Signal Processor), and the present invention is not limited to a specific calculator because there is a function capable of receiving and calculating data.
본 발명에 따른 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 방법 및 이를 이용하여 다중 빔을 형성하는 장치를 구현하기 위하여, 우선 시영역 분산 처리를 통한 빔형성 원리에 대하여 살펴볼 필요가 있다.In order to implement a method for forming a multi-beam at high speed through the time-domain dispersion process and an apparatus for forming the multi-beam using the same, it is necessary to first look at the beam forming principle through the time-domain dispersion process.
시영역 분산 처리를 위한 단일 빔의 형성과정은 수학식 1에 나온 것과 같이 센서 별 입력에 대한 시간지연 후 가중치를 곱하고 이를 합하는 과정을 따른다. 이때, 센서 개수(M)가 커질 경우 조향하고자 하는 방향에 대해 정해진 샘플링 주파수(fs)에 따른 입력 전송량은 수백 Mbps에서 수 Gbps에 이른다. 입력 전송량은 실제 곱하고 더하는 연산과는 별도로 빔형성을 수행하는데 많은 시간을 소요하게 한다. 다시 말해, 아무리 빠른 연산이 가능한 연산기라도 연산 대상인 데이터가 전송이 되지 않으면 연산이 수행되지 않기 때문에 빔을 형성하는데 시간이 많이 걸린다는 것이다. 이러한 입력 전송량의 문제를 해결하기 위한 단일 빔의 형성 과정을 센서의 입력 별로 다시 나타내면 수학식 6과 같다.The process of forming a single beam for time-domain dispersion processing is a process of multiplying weights after the time delay for the input for each sensor and adding them as shown in Equation 1. At this time, when the number of sensors M increases, the input transmission amount according to the sampling frequency f s determined for the direction to be steered reaches from several hundred Mbps to several Gbps. The input transmission amount of time takes a long time to perform beamforming separately from the operation of actually multiplying and adding. In other words, even if an operator capable of fast operation can take a long time to form a beam because no operation is performed unless data to be operated on is transmitted. The process of forming a single beam to solve the problem of the input transmission amount is represented by Equation 6 again for each sensor input.
수학식 6에 나타내는 바와 같이, 전체 M개의 센서 입력에 대하여 가중치를 곱하여 합하는 것은, 부분적으로 Mi,(i=1, ..., N)개로 센서 입력을 나누어 가중치를 곱하여 합한 N개의 부분 합을 합한 것과 같다는 것이다. 이를 통하여 가장 큰 전송량을 가지는 센서 입력 전송량을 분산시켜 빔 생성을 위한 전송 시간의 지연 없이 고속으로 처리할 수 있다.As shown in Equation 6, multiplying and adding weights to all M sensor inputs partially subtracts M i , (i = 1, ..., N) sensor inputs by multiplying weights and sums N partial sums. Is equal to the sum. Through this, the sensor input having the largest transmission amount can be distributed and processed at high speed without delay of transmission time for beam generation.
즉, 본 발명에 따른 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 방법 및 이를 이용하여 다중 빔을 형성하는 장치에서는 시영역 빔형성에 있어 가장 많은 시간을 소요하는 입력의 전송량을 분산시켜 고속으로 다중 빔을 형성하고자 한다. 이를 위해서 도 5에서 나타내는 종래 기술에 따른 시영역 다중 빔형성 장치에서와 같이, 형성되는 빔들 별로 연산기를 할당하는 대신에 센서 입력 별로 연산기를 할당시켜 연산기의 입력 전송량을 줄임으로써 많은 수의 다중 빔을 고속으로 형성할 수 있다.That is, in the method for forming a multi-beam at high speed through the time-domain dispersion process according to the present invention and the apparatus for forming the multi-beam using the same, the transmission amount of the input which takes the most time in the time-domain beam formation is dispersed and It is intended to form a multiple beam. To this end, instead of allocating an operator for each beam to be formed, as in the time domain multi-beam forming apparatus according to the related art shown in FIG. 5, a large number of multiple beams are reduced by allocating an operator for each sensor input to reduce an input transmission amount of the operator. It can be formed at high speed.
도 6은 본 발명에 따른 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 장치를 설명하기 위한 구성도이다. 도 6에 따르면, 본 발명에 따른 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 장치는 표적으로부터 반사되거나 방사된 신호를 디지털 병렬 신호로 샘플링하는 다수의 센서(610), 상기 샘플링된 디지털 병렬 신호를 디지털 직렬 신호로 변환하는 다수의 신호변환기(620), 변환된 디지털 직렬 신호를 이용하여 부분빔을 형성하는 다수의 연산기(630)와 다수의 연산기로부터 형성된 부분빔을 합산하여 최종빔을 형성하는 합산기(640)로 구성되어 있으며, 상기 디지털 직렬 신호는 상기 다수의 연산기 수에 맞춰 같거나 소정의 입력 전송량으로 분산 할당되어 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 다수의 연산기는 각각 상기 변환된 디지털 직렬 신호가 전송되는 메모리와, 상기 메모리에 저장된 디지털 직렬 신호를 이용하여 빔을 형성하는 다수의 빔형성기로 구성되어 있다. 이 때 사용되는 연산기는 PC이거나 DSP(Digital Signal Processor)가 될 수 있으며, 본 발명에서는 데이타를 받아들여 연산할 수 있는 기능이 있으면 족하므로 특정 연산기로 제한하지 않는다.6 is a block diagram illustrating an apparatus for forming a multi-beam at high speed through the time-domain dispersion processing according to the present invention. According to FIG. 6, an apparatus for forming a multi-beam at high speed through a time domain dispersion process according to the present invention includes a plurality of sensors 610 for sampling a signal reflected or radiated from a target into a digital parallel signal, and the sampled digital parallel. A plurality of signal converters 620 for converting a signal into a digital serial signal, a plurality of calculators 630 for forming partial beams using the converted digital serial signal, and a partial beam formed from the plurality of calculators are added to form a final beam. The digital serial signal is distributed according to the same or predetermined input transmission amount according to the number of the plurality of arithmetic operators. The plurality of calculators may include a memory to which the converted digital serial signal is transmitted, and a plurality of beam formers to form a beam using the digital serial signal stored in the memory. In this case, the calculator used may be a PC or a DSP (Digital Signal Processor), and the present invention is not limited to a specific calculator because there is a function capable of receiving and calculating data.
도 7은 본 발명에 따른 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 방법의 흐름도이다. 도 7에 따르면, 본 발명에 따른 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 방법은 표적으로부터 반사되거나 방사된 신호를 다수의 센서에 입력한 후, 상기 다수의 센서에 입력된 아날로그 신호를 디지털 병렬 신호로 샘플링하고, 그 후 샘플링된 디지털 병렬 신호를 다수(N개)의 연산기들에 연산기 수(Mi(i=1, ..., N))에 맞춰 같거나 소정의 입력 전송량으로 분산시킨 후, 분산된 디지털 병렬 신호를 디지털 직렬 신호로 변환시킨다. 그 후, 변환된 디지털 직렬 신호를 각각 연산기의 메모리로 전송하여 부분빔을 형성한다. 상기 과정에 의하여 형성된 부분빔을 나타내는 y(j,i)은 다음과 같다.7 is a flowchart of a method for forming multiple beams at high speed through time-domain dispersion processing according to the present invention. According to FIG. 7, in the method of forming a multi-beam at high speed through the time-domain dispersion processing according to the present invention, a signal reflected or radiated from a target is input to a plurality of sensors, and then the analog signals input to the plurality of sensors are input. The digital parallel signal is sampled, and the sampled digital parallel signals are then matched to a plurality of (N) operators according to the number of operators (M i (i = 1, ..., N)) at the same or predetermined input transmission amount. After dispersion, the distributed digital parallel signal is converted into a digital serial signal. Thereafter, the converted digital serial signals are respectively transferred to the memory of the calculator to form a partial beam. Y (j, i) representing the partial beam formed by the above process is as follows.
실제 최종빔인 i번째 빔 yi[n]은 수학식 7의 N개 연산기의 각 부분 형성빔의 합산이 수학식 8과 같이 이루어진다.In the i-th beam y i [n], which is the actual final beam, the sum of the respective forming beams of the N operators in Equation 7 is performed as shown in Equation 8.
이때, 상기 부분빔 형성 단계는, 상기 메모리로 전송된 다수의 디지털 직렬 신호 각각에 가중치를 곱하는 단계와, 상기 가중치가 곱해진 디지털 직렬 신호들을 합하여 부분빔을 형성하는 단계로 이루어진다.In this case, the partial beam forming step includes multiplying each of the plurality of digital serial signals transmitted to the memory by a weight, and forming a partial beam by adding the digital serial signals multiplied by the weight.
상기, 본 발명에 따른 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 방법 및 이를 이용한 다중 빔을 형성하는 장치에 의할 경우, 큰 전송량을 가지는 센서 입력을 연산기 별로 분산시키고 각 연산기에서 분산된 센서 입력에 대하여 부분적으로 빔을 형성한 후 부분적으로 형성된 빔들을 합함으로써 원하는 빔을 형성하게 된다. 이때 입력 전송에 따른 시간 지연은 입력 센서를 분산하는 개수에 따라 정해지며, N개의 연산기에 M/N으로 동일하게 분산시킬 경우 시간 지연은 1/N으로 줄어드는 효과가 있어 고속으로 빔형성이 가능하게 된다. 일반적으로 연산기가 외부와의 통신보다는 내부의 연산 능력이 높기 때문에, 본 발명에서와 같이 센서 입력을 분산시키면 센서 입력을 전송하기 위한 시간 지연이 줄어들게 되며 연산기에서 빔형성을 위한 가용 시간이 증대되어 연산능력이 증대되는 장점이 있다. 이를 통해 적은 개수의 연산기를 사용하여 다수의 다중 빔을 형성할 수 있다. 또한, 실제 연산기에서는 고속의 연산을 위해 메모리로 내부 램(RAM)이나 캐쉬(cash)를 사용하는데, 이는 가격이 높을 뿐만 아니라 구현에 있어서의 문제 때문에 많은 공간을 가지지 못한다. 그러나, 본 발명에 의하면 각 연산기가 가지는 내부 메모리에 저장되는 센서 입력 데이터를 분산시켜 처리하기 때문에 내부 연산 능력이 향상되어 고속 처리가 가능하다. 이러한 내부 메모리의 효율적인 사용은 연산기 선정시 가격과 연관이 있기 때문에, 구현시 경제적 이득을 얻을 수 있다.According to the method of forming a multi-beam at high speed through the time-domain dispersion processing according to the present invention and an apparatus for forming a multi-beam using the same, the sensor input having a large transmission amount is distributed for each operator and distributed in each operator. Partially forming the beam relative to the sensor input and then combining the partially formed beams to form the desired beam. At this time, the time delay according to the input transmission is determined according to the number of input sensors distributed, and if the same number of M / N is distributed to N calculators, the time delay is reduced to 1 / N so that beam formation can be performed at high speed. do. In general, since the computing unit has a higher internal computing capability than communication with the outside, distributing the sensor input as in the present invention reduces the time delay for transmitting the sensor input and increases the available time for beam forming in the computing unit. This has the advantage of increased ability. This makes it possible to form multiple beams using a small number of calculators. In addition, the actual calculator uses internal RAM or cash as memory for high-speed operation, which is expensive and does not have much space because of implementation problems. However, according to the present invention, since the sensor input data stored in the internal memory of each calculator is distributed and processed, the internal computing power is improved and high-speed processing is possible. This efficient use of internal memory is associated with price in selecting an operator, which can result in economic benefits in implementation.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
As mentioned above, although the present invention has been described in detail with reference to the preferred embodiment, the present invention is not limited thereto, and it will be apparent to those skilled in the art that various changes and applications can be made without departing from the technical spirit of the present invention. Accordingly, the true scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of the same should be construed as being included in the scope of the present invention.
110 : 센서 입력부 111 : 센서 입력
112 : 센서 입력 120 : 시간 지연부
130 : 가중치 곱셈부 140 : 가산기부
150 : 빔 출력 210 : 센서 입력부
211 : 센서 입력 212 : 센서 입력
220 : 신호 변환기 230 : 메모리
240 : 빔형성기 250 : 빔 출력
241 : 시간 지연부 242 : 가중치 곱셈부
243 : 가산기부 410 : 센서 입력부
411 : 센서 입력 412 : 센서 입력
420 : 신호 변환기 430 : 메모리
440 : 빔형성기부 441 : 빔형성기
442 : 빔형성기 450 : 빔 출력부
451 : 빔 출력 452 : 빔 출력
510 : 센서 입력부 511 : 센서 입력
512 : 센서 입력 520 : 신호 변환기
530 : 연산부 531 : 메모리
532 : 메모리 533 : 빔형성기
534 : 빔형성기 535 : 빔형성기
536 : 빔형성기 540 : 빔 출력부
541 : 빔 출력 542 : 빔 출력
543 : 빔 출력 544 : 빔 출력
610 : 센서 입력부 611 : 센서 입력
612 : 센서 입력 613 : 센서 입력
614 : 센서 입력 620 : 신호 변환부
621 : 신호 변환기 622 : 신호 변환기
630 : 연산부 631 : 메모리
632 : 메모리 633 : 부분빔형성기
634 : 부분빔형성기 635 : 부분빔형성기
636 : 부분빔형성기 640 : 가산기부
641 : 가산기 642 : 가산기
643 : 가산기 644 : 가산기
650 : 빔 출력부 651 : 빔 출력
652 : 빔 출력110: sensor input unit 111: sensor input
112: sensor input 120: time delay unit
130: weight multiplication unit 140: adder
150: beam output 210: sensor input unit
211: sensor input 212: sensor input
220: signal converter 230: memory
240: beamformer 250: beam output
241: time delay unit 242: weight multiplier
243: adder unit 410: sensor input unit
411: sensor input 412: sensor input
420: signal converter 430: memory
440: beam former 441: beam former
442: beam former 450: beam output unit
451: beam output 452: beam output
510: sensor input unit 511: sensor input
512: sensor input 520: signal converter
530: calculator 531: memory
532 memory 533 beamformer
534: beam former 535: beam former
536: beam former 540: beam output unit
541 beam output 542 beam output
543: beam output 544: beam output
610: sensor input unit 611: sensor input
612: sensor input 613: sensor input
614: sensor input 620: signal conversion unit
621: signal converter 622: signal converter
630: calculator 631: memory
632: memory 633: partial beam former
634: partial beam former 635: partial beam former
636: partial beam forming machine 640: addition donor
641: adder 642: adder
643: adder 644: adder
650: beam output unit 651: beam output
652: beam output
Claims (6)
상기 샘플링된 디지털 병렬 신호를 디지털 직렬 신호로 변환하는 다수의 신호변환기와,
상기 디지털 직렬 신호를 이용하여 빔형성하는 다수의 연산기와,
다수의 연산기로부터 형성된 부분빔을 합산하여 최종빔을 형성하는 합산기로 구성되며,
상기 다수의 연산기 수에 맞춰 같은 양 또는 소정의 입력 전송량으로 상기 디지털 직렬 신호가 분산 할당되어 있는 것을 특징으로 하는 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 장치.Multiple sensors for sampling the analog signal reflected or emitted from the target into a digital parallel signal,
A plurality of signal converters for converting the sampled digital parallel signals into digital serial signals;
A plurality of calculators for beamforming using the digital serial signal;
It consists of a summer to add the partial beams formed from a plurality of calculators to form a final beam,
And the digital serial signal is distributedly allocated in the same amount or in a predetermined amount of input transmission in accordance with the number of the plurality of calculators.
상기 다수의 연산기는, 각각 변환된 디지털 직렬 신호가 전송되는 메모리와, 상기 메모리에 저장된 디지털 직렬 신호를 이용하여 빔을 형성하는 다수의 빔형성기로 구성된 것을 특징으로 하는 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 장치.The method of claim 1,
The plurality of calculators may be configured to include a memory to which converted digital serial signals are transmitted, and a plurality of beam formers to form beams using the digital serial signals stored in the memory. Apparatus for forming multiple beams.
상기 다수의 연산기는 PC(Personal Computer)인 것을 특징으로 하는 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 장치.The method according to claim 1 or 2,
And the plurality of calculators are personal computers (PCs). The apparatus for forming multiple beams at high speed through time-domain dispersion processing.
상기 다수의 연산기는 DSP(Digital Signal Processor)인 것을 특징으로 하는 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 장치.The method according to claim 1 or 2,
And the plurality of calculators are DSPs (Digital Signal Processors).
상기 다수의 센서에 입력된 아날로그 신호를 디지털 병렬 신호로 샘플링하는 단계와,
상기 샘플링된 디지털 병렬 신호를 다수의 연산기 수에 맞춰 같은 양 또는 소정의 입력 전송량으로 분산시키는 단계와,
상기 분산된 디지털 병렬 신호를 디지털 직렬 신호로 변환하는 단계와,
상기 변환된 디지털 직렬 신호를 각각 연산기의 메모리로 전송하여 부분빔을 형성하는 단계와,
상기 형성된 부분빔을 합산하여 최종 빔을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 방법.Inputting a signal reflected or radiated from a target to a plurality of sensors,
Sampling the analog signals input to the plurality of sensors into digital parallel signals;
Distributing the sampled digital parallel signals in equal amounts or in predetermined input amounts according to a number of arithmetic operators;
Converting the distributed digital parallel signal into a digital serial signal;
Transmitting the converted digital serial signals to a memory of an operator to form a partial beam;
And summing the formed partial beams to form a final beam.
상기 부분빔 형성 단계는,
상기 메모리로 전송되어 저장된 다수의 디지털 직렬 신호 각각에 가중치를 곱하는 단계와,
상기 가중치가 곱해진 디지털 직렬 신호들을 합하여 부분빔을 형성하는 단계와,
상기 형성된 다수 연산기들의 부분빔들을 합산하여 최종 빔을 형성하는 것을 특징으로 하는 시영역 분산 처리를 통해 고속으로 다중 빔을 형성하는 방법.
The method of claim 5,
The partial beam forming step,
Multiplying each of the plurality of digital serial signals transmitted and stored by the weight with a weight;
Summing the digital serial signals multiplied by the weights to form a partial beam;
And forming partial beams by summing the partial beams of the formed multiple operators to form a final beam.
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Citations (2)
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JP2002090445A (en) | 2000-09-21 | 2002-03-27 | Toshiba Corp | Radar device |
JP2006524330A (en) | 2003-03-14 | 2006-10-26 | ブエソニクス センサーズ インコーポレイテッド | Multiple beam forming method and apparatus |
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JP2002090445A (en) | 2000-09-21 | 2002-03-27 | Toshiba Corp | Radar device |
JP2006524330A (en) | 2003-03-14 | 2006-10-26 | ブエソニクス センサーズ インコーポレイテッド | Multiple beam forming method and apparatus |
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