KR101490181B1 - Fdoa를 위한 도플러 주파수 차이 추정장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 서로 다른 위치에서 수신한 대상 신호의 도플러 주파수간 차이(FDOA)를 추출하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 인접하는 두 센서에서 수신한 대상신호를 교차 상관하여 송신기의 주파수가 상쇄된 신호를 발생하고, 상기 송신기의 주파수가 상쇄된 신호를 차동 디코딩하여 두 신호의 위상차이를 추출한 후 소정 횟수 노적된 차동 디코딩신호를 연산하여 도플러 주파수 차이를 계산한다.

Description

FDOA를 위한 도플러 주파수 차이 추정장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR ESTIMATING DOPPLER FREQUENCY DIFFERENCE FOR FDOA}
본 발명은 서로 다른 위치에서 수신한 대상(목표물) 신호의 도플러 주파수간 차이(FDOA)를 추정하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
군사용 분야에서는 각 비행체에서 수신한 신호의 도플러 주파수 차이(FDOA)를 이용하여 대상(목표물)의 정밀한 위치를 탐지하는데 활용한다. 따라서, FDOA의 정확도가 정밀할수록 대상의 정밀한 위치탐지가 가능하기 때문에 정밀한 FDOA 측정이 매우 중요하다고 하겠다.
일반적으로 대상에 대한 정밀한 위치 탐지를 위해서는 정확한 FDOA 인자 추출이 필요하며, FDOA인자를 추출하는 방법으로는 고속푸리에변환(FFT) 방법과 각 센서에서 측정한 주파수의 차를 이용한 방법이 있다.
그런데, 상기 FFT방법을 이용하여 정밀한 FDOA를 측정하기 위해서는 많은 디지털 샘플수가 필요하기 때문에 측정에 많은 시간이 소요되는 문제점을 있다.
반면에 각 센서에서 측정한 주파수의 차를 이용한 방법으로 FDOA를 측정하면 FFT방법에 비해 정확한 도플러 주파수 해상도는 얻을 수 있지만, 대상 신호의 주파수 정보를 미리 알고 있어야 하고 주변의 잡음신호에 취약한 단점을 가지고 있다.
따라서, 최근 군사기술 분야에서 정밀한 위치 탐지를 신속한 시간내에 처리해야 하는 것이 과제인 시점에서 기존의 FFT방법과 각 센서에서 측정한 주파수의 차를 이용한 방법의 단점을 보완한 FDOA 측정 방법이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 서로 다른 위치에서 수신한 대상 신호의 도플러 주파수간의 차이(FDOA)를 빠른 시간내에 추정할 수 있는 FDOA를 위한 도플러 주파수 차이추정 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 대상 신호의 주파수 정보없이 FDOA를 산출할 수 있으며, 대상 주변의 잡음신호에 거의 영향이 없는 FDOA를 위한 도플러 주파수 차이추정 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1실시예에 따른 FDOA를 위한 도플러 주파수 차이추정 방법은, 무인기에서 인접하는 두 센서에서 수신한 신호를 교차 상관하여 송신기의 주파수가 상쇄된 신호를 발생하는 단계; 송신기의 주파수가 상쇄된 신호를 차동 디코딩하여 두 신호의 위상차이를 추출하는 단계; 상기 차동 디코딩신호를 소정 횟수 누적하는 단계; 및 상기 누적된 차동 디코딩 신호를 연산하여 도플러 주파수 차이를 계산하는 단계;를 포함한다.
상기 도플러 주파수 차이는 상기 누적된 차동 디코딩 신호를 arg연산하여 계산한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제2실시예에 따른 FDOA를 위한 도플러 주파수 차이추정 방법은, 장착된 복수의 센서를 통해 대상 신호를 수신하는 단계; 기준 센서에서 수신된 대상 신호와 나머지 각 센서에서 수신된 대상신호를 순차적으로 교차 상관하여 송신기의 주파수가 상쇄된 복수의 신호를 발생하는 단계; 송신기의 주파수가 상쇄된 신호를 각각 차동 디코딩하여 두 신호의 위상차이를 추출하는 단계; 상기 차동 디코딩된 각 신호를 소정 회수로 누적하는 단계; 상기 누적된 복수의 신호를 하나의 신호로 가산하는 단계; 및 상기 가산된 신호를 연산하여 도플러 주파수 차이를 계산하는 단계;를 포함한다.
상기 도플러 주파수 차이는 상기 가산된 신호를 arg연산하여 계산한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제2실시예에 따른 도플러 주파수 차이 추정 장치는 인접하는 두 센서에서 수신한 대상신호를 교차 상관하여 송신기의 주파수가 상쇄된 신호를 발생하는 연산부; 송신기의 주파수가 상쇄된 신호를 차동 디코딩하여 두 신호의 위상차이를 추출하는 위상차 검출부; 상기 차동 디코딩신호를 소정 횟수 누적하는 누적부; 및 상기 누적된 차동 디코딩 신호를 연산하여 도플러 주파수 차이를 계산하는 도플러 주파수 차이 계산부;를 포함한다.
본 발명은 도플러 주파수 차이추정 방법을 이용하여 FDOA를 추출함으로써 기존의 FFT방법에 비해 측정 소요시간이 현저하게 줄일 수 있으며, 인접 센서간의 교차 상관(cross-correlation)을 통해 대상(목표물)의 주파수 정보가 상쇄되기 때문에 대상 신호의 주파수와 무관하게 정밀한 FDOA를 추출할 수 있으며 대상 주변의 잡음신호에 영향없이 FDOA를 추출할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 FDOA 방식의 원리를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 도플러 주파수 차이 추정장치의 블럭도.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 도플러 주파수 차이 추정장치의 블록도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 도플러 주파수 차이추정 방법을 이용하여 서로 다른 위치에서 수신한 도플러 주파수간의 차이(FDOA)를 보다 빠르고 정밀하게 추출하기 위한 방법을 제안한다. 즉, 본 발명은 기존의 FFT방법과 각 센서에서 측정한 주파수의 차를 이용한 방법의 단점을 보완하여 주파수 측정 및 FDOA 산출 방법의 속도를 개선하고, 대상(표적) 신호를 수신하는 각 센서들의 도플러 주파수 차이추정 방법을 이용하여 대상 신호의 주파수 정보 없이도 FDOA를 산출할 수 있는 방법을 제공한다.
[FDOA 방식의 원리]
도 1은 FDOA 방식의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와같이, 적군의 송신기와 장착된 센서(센서 1, 2)들간의 각도를 각각 θ1 , θ2 라고 하면, 센서 1과 센서 2에서 관측되는 대상 신호의 도플러 주파수 (
Figure 112013102548907-pat00001
,
Figure 112013102548907-pat00002
)는 다음 수학식 1과 같이 다르게 관측된다.
[수학식 1]
Figure 112013102548907-pat00003
따라서, 상기 두 센서 사이의 도플러 주파수 차이를 측정하면 FDOA를 측정할 수 있다.
[FDOA를 위한 도플러 주파수 차이추정 방법]
도 1에서 대상의 위치 탐지 정밀도는 도플러 주파수 차이에 대한 추정의 정밀도에 의해 결정된다. 따라서, 장착된 k번째 센서의 수신신호 y(t)는 다음 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112013102548907-pat00004
여기서, x(t)는 송신기의 송신신호, h(t)는 송신기와 무인기 사이의 무선채널 특성, φk는 k번째 센서에 수신된 신호의 반송파 위상 그리고 z(t)는 잡음을 나타낸다.
상기 k번째 센서의 수신신호 y(t)를 샘플링 주기(T)로 샘플링하면 다음 수학식 3과 같이 수신신호 y(n)을 얻을 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112013102548907-pat00005
상기 샘플링된 k번째 센서의 수신신호 y(n)를 이용하여, k'번째 센서와 k''번째 신호를 표현할 수 있고, 상기 표현된 두 신호를 이용하여 도플러 주파수 차이추정부에서 FDOA를 측정한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 도플러 주파수 차이 추정장치의 블록 구성도이다.
도 2를 참조하면, 먼저 장착된 인접하는 두 센서, 예를들면 k번째 센서와 k'번째 센서의 신호를 연산부(10)에서 교차상관(cross-correlation)하면 다음 수학식 4와 같은 신호 v(n)가 발생된다. 상기 연산부(10)는 곱셈기와 콘쥬게이터(*)로 구성된다.
[수학식 4]
Figure 112013102548907-pat00006
여기서 *는 결레(conjugate)이다.
수학식 4에 도시된 바와같이, 두 인접센서의 수신신호간의 교차상관을 수행하면 송신기 주파수(fC)가 상쇄된다. 따라서, 송신기의 주파수 정보를 알지 못해도 FDOA를 구할 수 있는 장점을 가지게 되어 송신기에 대한 어떠한 제약조건도 없게 된다. 즉 송신기 신호가 CW이거나 다양한 방식으로 변조된 신호이거나 상관없이 본 방법이 동작됨을 알 수 있다.
상기 송신기 주파수(fC)가 상쇄된 신호 v(n) 즉, 교차상관 결과는 위상차 검출부(11)에서 차동 디코딩(differential decoding)되어 다음 수학식 5에 도시된 바와같은 신호 w(n)가 발생된다. 이때 상기 위상차 검출부(11)는 지연기(D), 콘쥬게이터(*) 및 곱셈기를 포함한다.
[수학식 5]
Figure 112013102548907-pat00007
이후 대상이 기동함에 따라 상기 신호 w(n)는 누적부(12)에서 누적된 후 도플러 주파수 차이 계산부(13)로 입력된다. 상기 누적부는 가산기, 지연기 및 곱셈기를 포함한다.
도플러 주파수 차이 계산부(13)는 누적부(12)에서 출력된 신호를 arg연산하여 다음 수학식 6과 같이 도플러 주파수 차이(FDOA)를 계산한다. 상기 도플러 주파수 차이 계산부(13)는 arg연산부 및 곱셈기로 구성된다.
[수학식 6]
Figure 112013102548907-pat00008
상기 수학식 6으로부터 계산된 도플러 주파수 차이(FDOA)는 대상 주변의 잡음신호에 거의 영향이 없음을 알 수 있다.
도 2에 도시된 도플러 주파수 차이 추정장치에서는 인접신호의 위상차이 추출을 이용하여 도플러 주파수 차이(FDOA)추정하였지만 보다 정확한 주파수 추정을 하기 위해 이격된 복수 신호의 위상차이 추출을 이용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 도플러 주파수 차이 추정장치의 블럭도로서, 인접신호의 위상차이 추출 및 M개 이격된 신호의 위상차이 추출을 포함한다.
도 3에 도시된 바와같이, 본 발명은 좀더 정확한 주파수 추정을 위해 바로 인접된 신호의 위상 차이 추출뿐만 아니라(도 2), 2개 이격된 센서간의 신호 위상 추출, M개 이격된 센서의 신호 위상 추출 블록을 추가하여, 도플러 주파수 차이가 2배, M배에 해당되는 위상을 측정한다. 즉, 하나의 센서와 소정 거리 이격된 센서를 차례로 적용하여 도플러 주파수 차이를 추정한다.
따라서, 도 2와 같이 주어진 샘플을 최대한 반복 이용하여 주파수를 추정한다면 보다 정확한 주파수 추정이 가능하다.
상술한 바와같이 대상에 대한 정밀한 위치 탐지를 위해서는 정확한 FDOA 인자 추출이 필요한데 제안하는 도플러 주파수 차이추정 방법을 이용하여 FDOA를 추출하면 기존의 FFT방법에 비해 측정 소요시간이 현저하게 줄일 수 있다. 예를들어, 100mHz의 FDOA 해상도를 갖기 위해 FFT방식은 10초의 시간이 소요되나, 도플러 주파수 차이추정 방법은 위상차를 이용하는 것이므로 수 ms이하의 시간이 소요된다.
또한, 기존 방법인 각 센서에서 측정한 주파수의 차를 이용하는 방법은 신호의 주파수 정보를 알아야만 계산할 수 있지만, 본 발명에서 제안하는 도플러 주파수 차이추정 방법을 이용하면 인접 센서간의 교차 상관(cross-correlation)을 통해 대상의 주파수 정보가 상쇄되기 때문에 대상 신호의 주파수와 무관하게 정밀한 FDOA를 추출할 수 있는 효과가 있다. 따라서, 본 발명에 따른 도플러 주파수 차이추정 방법은 최근의 정밀한 위치탐지 기술 분야에서 대상(목표물)의 정확하고 정밀한 위치를 탐지하는데 필요한 FDOA인자를 빠른 시간 내에 추출할 수 있고 대상 주변의 잡음신호에 영향이 거의 없어 효과적이다.
상기와 같이 설명된 본 발명에 따른 FDOA를 위한 도플러 주파수 차이추정 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.
10 : 연산부 11 : 위상차 검출부
12 : 누적부 13 : 도플러 주파수 차이 계산부

Claims (6)

  1. 인접하는 두 센서에서 수신한 표적의 신호를 교차 상관하여 표적의 송신기 주파수가 상쇄된 신호를 발생하는 단계;
    상기 송신기 주파수가 상쇄된 신호를 차동 디코딩하여 두 신호의 위상차이를 추출하는 단계;
    상기 차동 디코딩신호를 소정 횟수 누적하는 단계; 및
    상기 누적된 차동 디코딩 신호를 연산하여 도플러 주파수 차이를 계산하는 단계;를 포함하는 FDOA를 위한 도플러 주파수 차이추정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 도플러 주파수 차이는
    상기 누적된 차동 디코딩 신호를 arg연산하여 계산하는 것을 특징으로 하는 FDOA를 위한 도플러 주파수 차이추정 방법.
  3. 기준 센서 및 소정 거리 이격된 복수의 센서를 통하여 표적의 신호를 수신하는 단계;
    기준 센서의 수신 신호와 각 센서의 수신 신호를 순차적으로 교차 상관하여 표적의 송신기 주파수가 상쇄된 복수의 신호를 발생하는 단계;
    상기 송신기 주파수가 상쇄된 신호를 각각 차동 디코딩하여 두 신호의 위상차이를 추출하는 단계;
    상기 차동 디코딩된 각 신호를 소정 회수로 누적하는 단계;
    상기 누적된 복수의 신호를 하나의 신호로 가산하는 단계; 및
    상기 가산된 신호를 연산하여 도플러 주파수 차이를 계산하는 단계;를 포함하는 FDOA를 위한 도플러 주파수 차이추정 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 도플러 주파수 차이는
    상기 가산된 신호를 arg연산하여 계산하는 것을 특징으로 하는 FDOA를 위한 도플러 주파수 차이추정 방법.
  5. 두 센서가 수신한 표적의 신호를 교차 상관하여 표적의 송신기 주파수가 상쇄된 신호를 발생하는 연산부;
    상기 송신기 주파수가 상쇄된 신호를 차동 디코딩하여 두 신호의 위상차이를 추출하는 위상차 검출부;
    상기 차동 디코딩신호를 소정 횟수 누적하는 누적부; 및
    상기 누적된 차동 디코딩 신호를 연산하여 도플러 주파수 차이를 계산하는 도플러 주파수 차이 계산부;를 포함하는 도플러 주파수 차이 추정장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 두 센서는 인접한 센서로서,
    복수의 센서중에서 각각 두 개의 센서에서 수신된 표적 신호의 도플러주파수 차이를 측정하는 경우에는 복수의 연산부, 위상차 검출부 및 누적부가 구비됨과 함께 상기 복수의 누적부의 출력을 가산하여 도플러 주파수 차이 계산부로 출력하는 가산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도플러 주파수 차이 추정장치.
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