KR101249695B1 - 레이더장치 - Google Patents

Abstract

선박용 레이더장치는 진폭이 동일하나 폭은 상이한 3개 펄스 A, B, C의 그룹을 전파한다. 짧은 펄스는 근거리의 타깃을 탐지할 수 있도록 하며 긴 펄스는 장거리의 타깃을 탐지할 수 있도록 한다. 이들 펄스는 상이하게 인코딩되며 짧은 펄스 A는 연속파형신호이고, 긴 펄스는 주파수변조처프로 변조되며, 하나의 펄스 C는 처프 업 펄스이고 다른 하나의 펄스 B는 처프 다운 펄스이다. 레이더의 출력은 약 190 W 임을 특징으로 하는 레이더장치.

레이더장치.

Description

레이더장치 {RADAR APPARATUS}

본 발명은 타깃을 향하여 에너지의 펄스 그룹을 전파하고 타깃에 의하여 반사된 에너지의 펄스 그룹을 수신할 수 있도록 구성된 종류의 레이더장치에 관한 것이다.

일반적으로 선박용 레이더는 펄스전송신호를 위한 마이크로웨이브 소오스로서 고성능 마그네트론을 채택하고 있다. 파도나 비 등으로부터 반사된 신호가 원인이 되어 레이더 스크린에 나타나는 반사상인 클러터(clutter)의 양을 줄이기 위하여, 이 레이더장치는 저진폭신호를 배제하도록 설정된 임계회로를 갖는다. 이러한 구성은 대형선박이나 육지 등의 관측에는 만족스럽게 작동하나, 부표, 유람선 및 공격용 고속정과 같은 소형 대상물로부터의 신호를 디스플레이하는 레이더의 능력을 떨어뜨린다.

현대의 군함은 종종 적군에 의하여 탐지되는 것이 용이하지 않도록 설계되기도 한다. 그러나, 통상적인 레이더에 의하여 제공되는 고성능 때문에 다른 함정에 의하여 비교적 용이하게 탐지될 수 있어 함정이 관측되지 않도록 하는 필요가 있는 경우에 불리하다.

비록 전송된 레이더 에너지가 감소될 수 있지만, 이는 레이더장치의 유효범위가 그 만큼 감소될 수 있도록 하여 통상적으로는 유용하지 않다. 펄스의 진폭이 감소될 수 있으며 그 에너지는 펄스의 길이를 증가시킴으로서 유지될 수 있다. 그러나, 펄스의 길이가 길어지는 것에 따른 문제점은 근거리 타깃이 탐지될 수 없도록 하는 바, 그 이유는 근거리 타깃으로부터 발생된 반사신호가 신호전송중에 수신되기 때문이다.

본 발명의 목적은 다른 형태의 레이더장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 한 관점에 따라서, 상기 언급된 종류의 레이더장치를 제공하는 바, 각 그룹의 에너지 펄스가 상이한 길이의 적어도 두 펄스를 포함하고, 짧은 펄스는 근거리 타깃을 탐지할 수 있도록 하며 긴 펄스는 장거리 타깃을 탐지할 수 있도록 하고, 상이한 길이의 펄스가 상이하게 인코딩됨을 특징으로 한다.

각 그룹의 펄스는 3개의 펄스를 포함하는 것이 좋으며, 3개 펄스의 각각은 상이한 폭을 갖는 것이 좋다. 이들 펄스는 각각 약 0.1 ㎲, 5 ㎲ 및 33 ㎲ 의 폭을 가질 수 있다. 각 그룹에서 이들 펄스는 동일한 진폭을 갖는 것이 좋다. 레이더장치는 이들 펄스가 수신시에 펄스압축될 수 있도록 하는 것이 좋다. 이들 펄스는 비선형 주파수변조와 같은 주파수코딩에 의하여 인코딩되는 것이 좋다. 각 그룹의 펄스는 3개의 펄스를 포함할 수 있으며, 최단펄스는 연속파형신호이고, 다른 두 펄스는 주파수변조처프(frequency modulated chirp)를 갖는 바, 하나는 처프 업(chirp up) 펄스이고 다른 하나는 처프 다운(chirp down) 펄스이다. 레이더장치의 출력은 약 190 W 이다.

본 발명의 다른 관점에 따라서, 타깃을 향하여 일련의 레이더 에너지의 펄스를 전송하는 단계와 타깃으로부터 반사된 레이더 에너지를 수신하는 단계를 포함하는 타깃탐지방법을 제공하는 바, 일련의 펄스가 상이한 폭의 적어도 두 펄스를 포함하고, 짧은 펄스는 근거리 타깃을 탐지하기 위하여 사용하는데 적합하며 긴 펄스는 장거리 타깃을 탐지하기 위하여 사용하는데 적합하고, 두 펄스가 서로 상이하게 인코딩됨을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 선박용 레이더장치와 그 작동방법을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 레이더장치의 블록도.

도 2는 전송펄스의 패턴을 보인 설명도.

도 3은 장치에서 수행되는 신호처리과정을 보인 블록도.

장치는 Kelvin Hughes LPA-A1 과 같은 통상적인 레이더 안테나(1)를 포함한다. 직접디지털합성장치를 채택한 파형발생기(2)가 안테나(1)의 회전속도 또는 장치의 범위설정에 관계없이 동일한 펄스의 프레임 또는 그룹을 발생하도록 1차 오실레이터/타이밍 유니트(3)에 의하여 제어된다. 펄스의 프레임 또는 그룹은 연속적으로 반복되고 도 2에서 축척에 관계없이 보인 바와 같이 3개의 반복주기 펄스 A, B 및 C 로 구성된다. 펄스 A, B 및 C 는 진폭이 동일하나 폭 또는 길이가 상이하다. 예를 들어, 펄스 A는 0.1 ㎲ 의 길이를 가지고, 펄스 B는 5 ㎲ 의 길이를 가지며, 펄스 C 는 33 ㎲ 의 길이를 가질 수 있다. 펄스 A 와 B, 그리고 B 와 C 사이의 간격은 레이더의 레인지(range)에 따라서 달라진다. 파형발생기(2)가 오실레이터/타이밍 유니트(3)로부터의 트리거를 수신할 때, 이 파형발생기는 게이트형 연속파형신호의 협폭펄스를 발생하거나 약 20 MHz 의 스웹트 대역폭을 갖는 주파수변조처프를 포함하는 펄스를 발생한다. 최단펄스 A 는 간단한 게이트형 CW 신호이고, 긴 펄스 B 와 C 는 주파수변조처프로서, 한 펄스는 처프 업을 가지고 다른 하나의 펄스는 처프 다운을 갖는다. 이와 같이 함으로서, 3개의 다른 펄스 A, B 및 C 는 상이하게 인코딩됨으로서 이들이 수신시에 서로 구별될 수 있으며 최단펄스는 다른 처프없이 인코딩된다. 두개의 긴 펄스에 인가된 FM 처프는 비선형의 형태인 것이 좋다. 따라서, 한 프레임내에서 3개 펄스의 각각은 길이나 인코딩에 있어서 독특함을 알 수 있다.

파형발생기(2)에 의하여 발생된 펄스는 저전력형이고 중간주파수가 60 MHz 인 코히런트 펄스 버스트(coherent pulsed bursts)이다. 이들은 제2 오실레이터(5)로부터의 신호를 2.9~3.1 GHz, 예를 들어 3.05 GHz 의 무선주파수로 변환시키는 혼합기(4)로 공급된다. 약 190 W 의 출력을 발생하기 위하여 혼합기(4)의 저전력 RF 출력이 다단형 출력증폭기(6)에 공급된다. 증폭기(6)로부터의 출력은 듀플렉서(7)에 연결되고 이로부터 전송을 위한 안테나(1)의 회전형 조인트(8)로 보내어진다.

수신모드에서, 증폭기(6)는 누설을 방지하기 위하여 턴-오프된다. 안테나(1)에 의하여 수신된 신호는 듀플렉서(7)를 지나 저잡음수신기(8)로 보내진다. 수신기(8)의 전단에서, 솔리드 스테이트의 수신기보호기(9)는 전송중에 유입될 수 있는 고에너지 신호 또는 외부방사소오스로부터의 신호로부터 수신기를 보호한다. 전체 수신기(8)의 선형 다이나믹 레인지는 65 dB 또는 그 이상인 것이 좋다. 이러한 다이나믹 레인지는 수신기(8)의 바로 다음에 구성되어 있는 감도시간제어유니트(STC)(10)에 의하여 증가되고 타이밍 유니트(3)의 제어하에 스위칭 감쇠기에 의하여 얻는다. STC(10)로부터의 RF 신호는 제2혼합기(11)로 보내어지고 여기에서 이들은 60 MHz 의 중간주파수로 주파수변환된다. IF 신호는 리미터/대역폭필터(12)를 통하여 아날로그-디지털 변환기(13)로 공급되고, 이러한 아날로그-디지털 변환기는 동시에 신호를 디지탈화하고 20 MHz 의 IF로 변환시킨다. A/D 변환기(13)로부터의 출력은 도 3에서 보인 바와 같은 신호프로세서(20)로 공급된다.

도 3에서 보인 블록도는 프로그래밍의 각 단위 또는 단계를 보인 것이다. A/D 변환기(13)로부터의 샘플링신호가 I/Q 분할기 블록(21)에 의하여 베이스밴드로 전환되고, 이 분할기는 아날로그혼합 및 저역통과필터링에 관련된 통상적인 기능을 수행한다. 신호가 베이스밴드의 대역에 있으므로 샘플링 레이트는 블록(21)내에서 반으로 감소되어 40 MS/s 가 된다. 펄스압축기 유니트(22)는 중간 및 긴 펄스 B 및 C로부터 수신된 샘플에서 펄스압축을 수행하고 짧은 펄스에서는 저역통과필터링을 수행한다. 펄스압축과 저역통과필터링은 펄스반복주기 중에 수신된 샘플을 푸리에변환시키며 변환된 신호를 사전에 계산되어 저장된 가중값으로 승산하고 그 곱의 값을 시간도메인으로 역푸리에 변환시킴으로서 주파수도메인에서 수행될 수 있도록 하는 것이 좋다. 그리고 다시 샘플링 레이트는 데시메이트 블록(23)에 의하여 20MS/s 가 되게 반으로 감소된다. 이로부터 신호는 명백한 타깃속도를 N 채널로 확장 및 분할시키는 일단의 대역통과필터로 구성된 도플러 필터 뱅크(24)로 보내어진다. 여기에서 N 은 일관되게 통합된 펄스의 수를 나타낸다. 도플러 필터 뱅크(24)는 가중화된 푸리에변환을 이용하여 펄스 버스트를 주파수도메인으로 변환시키는 과정 중에 레인지 셀로부터 수집된 신호샘플을 변환시켜 얻는다. 그리고 각 필터뱅크의 출력은 임계유니트(26)로 보내지기 전에 CFAR(constant false alarm rate) 프로세스(25)를 통하여 지나게 되며, 임계유니트에서는 신호가 통상적인 방식으로 임계값에 비교되고 디스플레이 스크린과 같은 이용수단에 공급하기 위한 검출타깃으로서 식별된다. 도플러정보는 상이한 속도의 타깃이 식별될 수 있도록 하고 고정대상물로서 식별될 수 있는 바다나 비로부터의 클러터로부터 타깃정보를 구별하는데 도움을 준다. 또한 시스템의 코히런트특성은 잡음을 감소시킬 수 있도록 한다.

이상으로 설명된 구성은 종전에 통상적인 원인에 의한 제한된 범위 때문에 가능하였던 것보다 현저히 낮은 출력을 이용할 수 있도록 한다. 통상적인 선박용 레이더의 출력은 본 발명에 따른 레이더장치의 출력이 190 W 인 것에 비하여 전형적으로 약 30kW 이다. 낮은 출력을 이용함으로서 레이더탑재선박이 적군에 의하여 탐지될 위험을 줄일 수 있다. 본 발명의 구성은 50 ns 정도의 비교적 짧은 펄스를 이용하는 통상적인 레이더에 비하여 약 22 ㎲ 이상으로 종전에 이용된 것에 비하여 긴 에너지 펄스를 제공함으로서 저전력 및 넓은 범위에서 신뢰가능하게 작동될 수 있도록 한다. 근거리에서 탐지를 방지하는 긴 펄스의 문제점을 극복하기 위하여, 본 발명의 구성은 긴 펄스에 부가하여 지속시간이 짧은 펄스를 발생한다. 단 두개의 상이한 길이를 갖는 펄스(하나는 짧고 하나는 길다)를 이용하는 시스템이 어느 정도는 유리하기는 한 반면에, 중거리의 타깃을 신뢰가능하게 탐지할 수 있도록 하기 위하여 3개의 상이한 길이의 펄스, 짧은 펄스, 중간 펄스 및 긴 펄스의 3개 펄스를 이용하는 것이 좋다는 것이 확인되었다. 펄스는 긴 순서대로 전송될 필요는 없다. 펄스를 인코딩함으로서, 이러한 인코딩으로 반사신호를 상관시킬 수 있으며 이로써 간섭효과를 줄일 수 있다. 또한 정상범위를 벗어난 타깃으로부터 수신된 반향신호의 검출을 줄일 수 있다.

펄스의 상대길이는 달라질 수 있으며 노이즈 코딩 또는 바커 코딩(Barker code)과 같은 다른 형태의 코딩을 이용할 수 있을 것이다.

Claims (32)

1. 상이한 속도의 타깃을 식별할 수 있도록 하는 도플러정보를 발생하기 위한 수단으로 구성되고 타깃을 향하여 연속반복하는 에너지의 펄스 그룹을 전파하고 타깃에 의하여 반사된 에너지의 펄스 그룹을 수신할 수 있도록 구성된 선박용 레이더장치에 있어서, 각 그룹의 펄스가 각 펄스 사이에 간격을 둔 상이한 폭의 3개 펄스(A, B, C)를 포함하고, 짧은 펄스(A)는 근거리 타깃을 탐지할 수 있도록 하며 긴 펄스(B, C)는 장거리 타깃을 탐지할 수 있도록 하고, 상이한 길이의 펄스가 서로 상이하게 인코딩됨을 특징으로 하는 레이더장치.
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11. 제1항에 있어서, 레이더장치가 부표, 유람선 및 공격용 고속정과 같은 소형 대상물로부터의 신호를 디스플레이하기 위한 것임을 특징으로 하는 레이더장치.
12. 제1항에 있어서, 각 그룹의 펄스가 0.1 ㎲ 와 33 ㎲ 사이의 펄스폭을 갖는 3개의 펄스를 가짐을 특징으로 하는 레이더장치.
13. 제1항에 있어서, 짧은 펄스(A)가 0.1 ㎲ 의 폭을 가짐을 특징으로 하는 레이더장치.
14. 제1항에 있어서, 가장 긴 펄스(C)가 33 ㎲ 의 폭을 가짐을 특징으로 하는 레이더장치.
15. 제1항에 있어서, 도플러정보를 발생하는 신호프로세서를 포함함을 특징으로 하는 레이더장치.
16. 제15항에 있어서, 신호프로세서가 도플러 필터 뱅크로 구성됨을 특징으로 하는 레이더장치.
17. 제16항에 있어서, 도플러 필터 뱅크가 일단의 대역통과필터로 구성됨을 특징으로 하는 레이더장치.
18. 제15항에 있어서, 신호프로세서가 I/Q 분할기 블록, 펄스압축기와, 데시메이트 블록을 더 포함함을 특징으로 하는 레이더장치.
19. 제1항에 있어서, 긴 펄스(B, C)가 주파수 인코딩됨을 특징으로 하는 레이더장치.
20. 제1항에 있어서, 긴 펄스(B, C)가 비선형 주파수변조로 주파수 코딩됨을 특징으로 하는 레이더장치.
21. 제1항에 있어서, 가장 짧은 펄스(A)가 연속파형신호이고, 다른 두 펄스(B, C)는 주파수변조처프를 가지며, 이들 중 하나는 처프 업 펄스이고 다른 하나는 처프 다운 펄스임을 특징으로 하는 레이더장치.
22. 제1항에 있어서, 장치가 긴 펄스(B, C)는 펄스를 수신할 때 펄스압축을 수행하고 짧은 펄스(A)는 저역통과필터링을 수행할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 레이더장치.
23. 제1항에 있어서, 각 그룹의 펄스(A, B, C)가 동일한 진폭을 가짐을 특징으로 하는 레이더장치.
24. 제1항에 있어서, 장치가 선박용의 장치이고, 장치가 레이더탑재선박의 탐지위험을 줄일 수 있도록 하는 저출력을 가짐을 특징으로 하는 레이더장치.
25. 제1항에 있어서, 190W의 출력을 가짐을 특징으로 하는 레이더장치.
26. 타깃을 향하여 연속반복하는 펄스 그룹을 전송하는 단계와 타깃으로부터 반사된 레이더 에너지신호를 수신하는 단계로 구성되는 선박을 타깃으로 하는 타깃탐지방법에 있어서, 각 그룹의 펄스가 각 펄스 사이에 간격을 갖는 상이한 폭의 3개 펄스(A, B, C)를 포함하고, 짧은 펄스(A)는 근거리 타깃을 탐지할 수 있고 긴 펄스(B, C)는 장거리 타깃을 탐지할 수 있으며, 상이한 길이의 펄스가 서로 상이하게 인코딩되고, 수신된 신호를 처리하고 상이한 속도의 타깃이 식별될 수 있도록 도플러정보를 발생하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 타깃탐지방법.
27. 제26항에 있어서, 부표, 유람선 및 공격용 고속정을 포함하는 소형 선박 타깃으로부터 반사된 레이더 에너지를 수신하기 위한 것임을 특징으로 하는 타깃탐지방법.
28. 제26항에 있어서, 펄스폭이 0.1 ㎲ 와 33 ㎲ 사이인 3개의 펄스를 갖는 펄스 그룹을 발생하고 전송하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 타깃탐지방법.
29. 제26항에 있어서, 수신된 신호를 도플러 필터 뱅크로 처리하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 타깃탐지방법.
30. 제26항에 있어서, 긴 펄스(B, C)가 주파수 인코딩됨을 특징으로 하는 타깃탐지방법.
31. 제26항에 있어서, 긴 펄스(B, C)가 비선형 주파수변조로 주파수 코딩됨을 특징으로 하는 타깃탐지방법.
32. 제26항에 있어서, 가장 짧은 펄스(A)가 연속파형신호이고, 다른 두 펄스(B, C)는 주파수변조처프를 가지며, 이들 중 하나는 처프 업 펄스이고 다른 하나는 처프 다운 펄스임을 특징으로 하는 타깃탐지방법.

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