KR101221570B1 - 음영지역을 최소화할 수 있는 펄스압축 레이더와 이를 위한 레이더 송신기 및 레이더 수신기 - Google Patents

Abstract

펄스 압축 레이더가 개시된다. 상기 펄스 압축 레이더는, 레이더 탐색을 위한 거리 구간 별로 송신 변조 파형의 중심 주파수를 달리하여 송신 펄스를 생성하는 레이더 송신기와 상기 거리 구간 별로 서로 상이하게 설정된 중심 주파수에 상응하여, 상기 거리 구간 별로 서로 상이한 출력 주파수를 적용함으로써 수신된 RF 신호를 기저 대역의 신호로 주파수 하향 변환하고, 변환된 기저 대역의 신호에 대하여 펄스 압축 신호 처리를 수행하는 레이더 수신기를 포함한다.

Description

음영지역을 최소화할 수 있는 펄스압축 레이더와 이를 위한 레이더 송신기 및 레이더 수신기{PULSE COMPRESSION RADAR CAPABLE OF MINIMIZING THE BLIND AREA AND RADAR TRANSMITTER AND RADA RECEIVER FOR IT}

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 펄스 압축 레이더에 관한 것으로서, 특히 펄스 압축 레이더의 음영 지역을 최소화할 수 있는 펄스 압축 레이더와, 그 펄스 압축 레이더를 위한 레이더 송신기 및 레이더 수신기에 관한 것이다.

일반적으로 레이더 송신기에서는 송신 출력을 높이기 위해 장펄스(Long pulse)에 주파수 변조된 파형을 송신하며, 수신단에서는 펄스 압축 기술을 이용하여 신호 처리 이득을 얻는다. 이때 송신 펄스 폭에 해당하는 거리만큼 음영 지역이 발생하게 된다. 즉, 종래 기술에 의하면, 펄스 압축 레이더는 거리 모드에 따라 다른 송신 펄스 폭을 사용한다. 장거리 모드에서는 송신 출력을 높이기 위해 넓은 펄스 폭의 파형을 송신하고, 중거리 / 단거리 모드에서는 중간 혹은 짧은 펄스 폭의 파형을 송신한다. 이런 종래 방식의 레이더는, 도 1에서와 같이, 전체 거리 범위(장거리/단거리)를 스캔하기 위해 각 거리 모드별로 스캔시간이 별도로 발생되는 단점이 있다. 상술한 바와 같이, 거리 모드별로 별도의 파형을 사용하는 경우, 도1과 같이, 음영 지역을 회피하면서 단거리 및 장거리 구간에 대해서 레이더 데이터를 획득 할 수는 있지만, 동일 각도에 대해 거리 모드별로 스캔을 수행하기 때문에 전체 각도의 스캔 시간이 상당히 오래 걸리는 문제가 있다. 즉, 도1에서는 단거리 스캔을 위해 단펄스 송신 및 수신, 장거리 스캔을 위해 장펄스 송신 및 수신하는 시간을 필요하므로 전체 2개의 PRI(Pulse Repetition Interval)를 필요로 한다. 이는 빠른 업데이트 레이트(Update Rate)를 필요로 하는 레이더 응용 분야에서는 실제 적용이 어려운 측면이 있다. 상기의 문제를 해결하기 위해 또 다른 종래 방식으로는, 도 2와 같이 레이더 수신기에서 거리 모드에 따라 별도로 펄스 압축 신호처리를 수행하는 방법이 있다. 그러나 도 2의 안쪽 네모 점선 박스를 통해 보여지는 바와 같이, 거리 모드에 따라 별도 모듈로 펄스 압축 신호처리를 각각 수행하는 경우는, 거리 모드별로 별도의 모듈로 펄스 압축 후 신호 결합하는 형태여서 신호 처리 하드웨어의 구성이 복잡해지고, 비용이 증가하며, 펄스 압축 후 대용량의 데이터를 결합하기 어려운 단점이 있다. 종래의 펄스 압축 레이더와 관련한 기술은 공개특허 제2000-0042761, 공개특허 특2002-0059134 등에 상세히 기재되어 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 음영 지역을 최소화할 수 있고 고 품질의 레이더 자료를 생성할 수 있는 펄스 압축 레이더를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적인 과제는 이중 송신 펄스 폭을 사용하여 음영지역을 최소화 하면서도 높은 송신 전력을 얻는 송신기를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적인 과제는 비용의 증가 없이 빠른 스캔 시간을 확보하면서 음영 지역을 최소화할 수 있고, 수신 시 펄스 상호 간의 간섭 등 영향을 줄일 수 있는 레이더 수신기를 제공하는 것이다.

본 발명의 실시 예에 따른 펄스 압축 레이더는 레이더 탐색을 위한 거리 구간 별로 송신 변조 파형의 중심 주파수를 달리하여 송신 펄스를 생성하는 레이더 송신기와 상기 거리 구간 별로 서로 상이하게 설정된 중심 주파수에 상응하여, 상기 거리 구간 별로 서로 상이한 출력 주파수를 적용함으로써 수신된 RF 신호를 기저 대역의 신호로 주파수 하향 변환하고, 변환된 기저 대역의 신호에 대하여 펄스 압축 신호 처리를 수행하는 레이더 수신기를 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따른 펄스 압축 레이더를 위한 레이더 송신기는, 기준신호 발생기와 상기 기준신호 발생기로부터 발생된 기준신호를 기초로, 상기 레이더 탐색을 위한 거리 구간 별로 서로 상이한 중심 주파수를 적용한 송신 펄스로 변조하는 디지털 파형 발생기(DDS)로부터 출력된 기저 대역의 송신 펄스를 RF 대역으로 주파수 상향 변환하는 주파수 상향 변환기를 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따른 펄스 압축 레이더를 위한 레이더 수신기는, 수신된 RF 신호를 중간 주파수(IF) 대역의 신호로 주파수 하향 변환하는 주파수 하향 변환기와 상기 주파수 하향 변환기로부터 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC와 상기 거리 구간 별로 서로 상이하게 설정된 중심 주파수에 상응하여 상기 거리 구간 별로 서로 상이한 출력 주파수를 적용함으로써 수신된 RF 신호를 기저 대역의 신호로 변환하는 디지털 하향 변환기(DDC)와 상기 변환된 기저 대역의 신호에 대하여 펄스 압축 신호 처리를 수행하는 펄스 압축 신호 처리기를 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따른 펄스 압축 레이더는 음영 지역을 최소화할 수 있고 고품질의 레이더 자료를 생성할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명의 실시 예에 따른 레이더 송신기는 음영 지역을 최소화하면서 높은 평균 송신 출력을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명의 실시 예에 따른 레이더 수신기는 비용의 증가 없이 빠른 스캔 시간을 확보하면서 음영 지역을 최소화할 수 있고, 수신 시 펄스 상호 간의 간섭 등 영향을 줄일 수 있는 효과가 있다.

즉, 본 발명은 기존 방식과 비교하여 레이더의 스캔 시간을 줄이면서, 하드웨어적인 추가 없이 펄스 압축 레이더의 음영지역을 최소화가 가능하다.

또한 본 발명에서 제시한 송신 변조 파형의 중심 주파수를 장펄스와 단펄스에서 서로 다르게 생성함으로써, 수신 시 상호간의 영향성을 줄여서 고 품질의 레이더 자료를 생성 할 수 있다.

특히 기상 레이더 및 항해 레이더의 응용에서는 단거리 및 장거리 영역을 동시에 관찰해야 하기 때문에, 본 발명에서 제시한 구조를 채택할 경우, 비용의 증가 없이 빠른 스캔 시간을 확보하면서 음영 지역을 최소화할 수 있다.

본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 종래 기술 1에 의할 때의 2개의 PRI를 필요로 하는 펄스 압축 레이더에서의 펄스 송신 및 수신 방식을 설명하기 위한 도이다.
도 2는 종래 기술 2에 의할 때의 펄스 압축 레이더에서의 펄스 압축 신호처리 방식을 설명하기 위한 도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 펄스 압축 레이더의 내부 구성도이다.
도 4는 종래 방식에 따라 장펄스 및 단펄스 각각에 대하여 동일한 중심 주파수를 이용하였을 때의 DDS 출력 주파수 스펙트럼을 설명하기 위한 도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 장펄스 및 단펄스 각각에 대하여 그 중심 주파수에 일정한 오프셋만큼 차이를 두었을 때의 DDS 출력 주파수 스펙트럼을 설명하기 위한 도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에서 제안하는 송신 파형 타이밍 차트를 나타낸 도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 레이더 수신기의 ADC 블록에서의 출력 주파수 스펙트럼을 설명하기 위한 도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 거리 구간 별로 수치 제어 발진기의 출력 주파수가 다르게 생성되는 것을 설명하기 위한 도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 수신 파형 타이밍 차트를 나타낸 도이다.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.

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. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시(說示)된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

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 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 펄스 압축 레이더의 내부 구성도이다.

이때, 도 4는 종래 방식에 따라 장펄스 및 단펄스 각각에 대하여 동일한 중심 주파수를 이용하였을 때의 DDS 출력 주파수 스펙트럼을 설명하기 위한 도이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 장펄스 및 단펄스 각각에 대하여 그 중심 주파수에 일정한 오프셋만큼 차이를 두었을 때의 DDS 출력 주파수 스펙트럼을 설명하기 위한 도이다.

또한 도 6은 본 발명의 실시 예에서 제안하는 송신 파형 타이밍 차트를 나타낸 도이고, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 레이더 수신기의 ADC 블록에서의 출력 주파수 스펙트럼을 설명하기 위한 도이며, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따라 거리 구간 별로 수치 제어 발진기의 출력 주파수가 다르게 생성되는 것을 설명하기 위한 도이고, 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 수신 파형 타이밍 차트를 나타낸 도이다.

이하, 도 3을 중심으로 도 4 내지 도 9를 함께 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 레이더 송신기의 구성, 레이더 수신기의 구성, 이러한 레이더 송신기 및 레이더 수신기를 포함하는 펄스 압축 레이더에 대하여 상세히 설명한다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 펄스 압축 레이더는 송수신 안테나(50), 송수신 절환기(55), 레이더 송신기 및 레이더 수신기를 포함한다.

송수신 안테나(50)는 레이더 송신기로부터 전달되는 송신 펄스를 공간 상에 방사하고, 표적 물체로부터 반사되어 들어오는 반사파를 수신하여 레이더 수신기로 전달하는 역할을 수행한다.

일반적으로 현대의 레이더는, 대부분 송신용 안테나와 수신용 안테나가 송수신 절환기(55)를 이용하여 하나의 안테나로 구성된다.

예를 들어, 송신 펄스 파형을 방사할 경우는 송신 안테나로 동작하고, 반사파를 수신할 경우에는 수신 안테나로서 동작하게 된다.

이러한 송수신 절환기(55)는 듀플렉서(duplexer) 또는 Tx/Rx 스위치 등으로 구현될 수 있다.

그러나 위 송수신 안테나(50) 및 송수신 절환기(55)는 펄스 압축 레이더의 일반적 구성에 해당하며 기존과 차별성을 갖는 것은 아니므로, 이하, 본 발명에 따른 신규한 기술적 특징을 포함하고 있는 레이더 송신기 및 레이더 수신기에 중점을 두어 설명한다.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 송신기는, 도 3에서와 같이 구성될 수 있다. 즉, 도 3을 참조할 때, 레이더 송신기는, 기준신호 발생기(110), 디지털 파형 발생기(Digital Direct Synthesizer, 이하 DDS로 칭함)(120), 주파수 상향 변환기(130)를 포함하여 구성될 수 있다.

즉, 레이더 송신기는, 기준신호 발생기(110)로부터 발생된 신호를 DDS(120)를 이용하여 기저 대역의 레이더 송신 파형으로 생성하고, 이 신호를 주파수 상향 변환기(130)를 통해서 RF 대역의 신호로 주파수 상향 변환하는 역할을 수행한다.

특히, 이러한 레이더 송신기 중에서도 본 발명의 특징은 DDS(120)에서의 레이더 송신 파형의 생성 방식에 있다. 이에 대해서는 이하, 도 4 내지 도 6을 통해서 후술하기로 한다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 수신기는, 도 3에 도시된 바와 같이, 주파수 하향 변환기(230), ADC(Analog to Digital Converter, 235), 디지털 하향 변환기(Digital Down Converter, 이하 DDC로 칭함)(220), 펄스 압축 신호 처리기(210)를 포함하여 구성될 수 있다.

즉, 레이더 수신기는, 송수신 안테나(55)로부터 수신된 RF 신호를 주파수 하향 변환기(230) 그리고 ADC(235)를 통해서 주파수 하향 변환 및 A/D 변환하고, DDC(220)를 통하여 신호 처리 가능한 기저 대역으로 변환 후, 펄스 압축 신호 처리기(210)를 통해서 기저 대역으로 변환된 신호에 대하여 펄스 압축 처리를 한다.

특히, 이러한 레이더 수신기 중에서도 본 발명의 특징은 DDC(220)에 있다. 이에 대해서는 이하, 도 7 내지 도 9를 통해서 후술하기로 한다.

다시 도 4 내지 도 6을 참조하면, 일반적으로 DDS를 이용하여 레이더 송신 파형을 제작하는 경우 도 4와 같이 동일한 중심 주파수에서 파형을 변조시켜 생성한다. 반면, 본 발명에서는 도 5와 같이 장펄스(Long Pulse)와 단펄스(Short Pulse)의 중심 주파수를 오프셋 주파수만큼 다르게 생성한다.

도 6은 도 5에 의할 때의 본 발명에서 제안한 송신파형 타이밍 차트의 일 예이다. 도 6을 참조하면, 장펄스를 F#1 중심 주파수에서 생성하여 송신하고, 단펄스를 F#2 중심주파수에서 송신한다. F#1와 F#2 주파수는 일정한 오프셋만큼 떨어져서 설계한다. 즉, 여기서, DDS Output F#2는 DDS Output F#1 + Offset Frequency인 관계에 있게 된다. 이때, 주파수 오프셋은, 장펄스와 단펄스 간의 주파수 간섭에 따른 영향을 고려하여 이를 특정 수준 이하로 감소시킬 수 있는 수치로 정해질 수 있다.

이러한 경우, 종래 방식과는 달리, 단거리/장거리 전체 스캔을 위해서, 도 6에 도시된 바와 같이 1개의 PRI(Pulse Repetition Interval)만이 소요된다.

도 7 내지 도 9를 참조하면, 레이더 수신기에서, 주파수 하향 변환, ADC(Analog Digital Conversion) 블록(230, 235)은 장펄스와 단펄스에서도 앞서 설명한 방식을 공통적으로 사용한다.

레이더 송신기에서 장펼스와 단펄스의 중심주파수를 오프셋 주파수만큼 다르게 생성되었기 때문에, 도 7와 같이 표적을 맞고 수신된 에코 신호(반사파)의 ADC 결과는 장펄스와 단펄스에서 오프셋 주파수만큼 차이가 존재하게 된다.

따라서 DDC(220)는 ADC에 의해 샘플링된 신호를 기저대역으로 변환함에 있어서, 최초 장펄스와 단펄스의 중심 주파수가 다르게 설정되어 송신되었기 때문에, 도 8과 도 9와 같이 거리 구간에 따라 수치 제어 발진기(Numerical Control Oscillator, NCO)의 출력 주파수를 다르게 생성한다.

즉, 본 발명은, 장거리 구간을 위해서는 송신기의 DDS(120)에서 장펄스 생성 시 중심 주파수로 DDS Output F#1을 사용하고, 수신기에서는 장거리 구간에서 DDC(220)를 DDC Output F#1으로 생성하여 원하는 수신 신호를 기저 대역으로 변환한 후, 펄스압축 신호처리를 한다.

또한, 단거리 구간을 위해서는 송신기의 DDS(120)에서 단펄스 생성 시 중심 주파수로 DDS Output F#2을 사용하고, 수신기에서는 단거리 구간에서 DDC(220)를 DDC Output F#2으로 생성하여 원하는 수신신호를 기저 대역으로 변환한 후, 펄스압축 신호처리를 하는 것이다.

본 발명에서는, 장펄스와 단펄스의 중심주파수가 다르기 때문에, 단거리 구간에서 장거리 펄스의 영향을 제거 할 수 있다. 또한 마찬가지로 장거리 구간에서는 단펄스에 의한 영향도 제거할 수 있다.

따라서, 본 발명의 펄스 압축 레이더에 의하면, 빠른 스캔 시간을 확보하면서 음영 지역을 최소화할 수 있고, 수신 시 펄스 상호 간의 간섭 등 영향을 줄일 수 있는 등 고 품질의 레이더 자료를 생성할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

50 : 송수신 안테나
55 : 송수신 절환기
110: 기준신호 발생기
120: DDS
130: 주파수 상향 변환기
210: 펄스 압축 신호 처리기
220: DDC
230: 주파수 하향 변환기
235: ADC

Claims (9)

1. 송수신 안테나;
   발생한 기준신호를 기초로 레이더 탐색을 위한 장거리 구간과 단거리 구간 별로 서로 상이한 중심 주파수를 적용하여 송신 펄스로 변조하되, 상기 장거리 구간과 단거리 구간 별 변조 파형의 중심 주파수가 소정의 주파수 오프셋을 갖도록 변조하고, 상기 변조한 송신 펄스를 RF 대역으로 주파수 상향 변환하여 송신하는 레이더 송신기;
   상기 장거리 구간과 상기 단거리 구간 별 중심 주파수에 상응하여, 상기 주파수 오프셋 만큼의 차이를 갖는 서로 상이한 출력 주파수를 적용함으로써, 상기 RF 신호의 반사파를 수신하여 기저 대역의 신호로 주파수 하향 변환하고, 변환된 기저 대역의 신호에 대하여 상기 장거리 구간과 상기 단거리 거리 구간 별로 서로 상이한 펄스 압축 신호 처리를 수행하는 레이더 수신기; 및
   상기 레이더 송신기로부터 생성된 송신 신호를 상기 송수신 안테나를 통해 방사될 수 있도록 하고, 상기 송수신 안테나를 통해 수신된 반사파를 상기 레이더 수신기로 전달하기 위해, 신호 전달 경로를 절환시키는 송수신 절환기;를 포함하는 펄스 압축 레이더.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제

Images