KR101494778B1 - 주파수 마스킹 기법을 이용한 표적 식별 장치 및 그 방법 - Google Patents

주파수 마스킹 기법을 이용한 표적 식별 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔진의 날개 수 정보를 이용하여 제트엔진변조(JEM : Jet Engine Modulation)신호로부터 엔진의 기종을 식별하는 표적 식별 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 제트엔진모듈(JEM) 신호의 스펙트럼 및 제1 축 회전속도를 추정하는 단계; 추정된 제1 축 회전속도에 상기 측정된 스펙트럼을 적용하여 정밀한 제2 축 회전속도를 추정하는 단계; 추정된 제2 축 회전속도와 엔진의 단별 날개 수 정보를 이용하여 각 엔진별 하모닉 주파수 마스크를 생성하는 단계; 및 상기 측정된 스펙트럼을 엔진의 하모닉 주파수 마스크와 마스킹하여 표적을 식별하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

주파수 마스킹 기법을 이용한 표적 식별 장치 및 그 방법{METHOD AND APPARATUS FOR CLASSIFICATION OF TARGET USING FREQUENCY MASKING}
본 발명은 엔진의 날개 수 정보를 이용하여 제트엔진변조(JEM : Jet Engine Modulation)신호로부터 엔진의 기종을 식별하는 표적 식별 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
레이더(radar)는 전자파를 표적에 송출하여 표적에서 반사되는 전자파를 수신하여 표적과의 거리, 방향 및 고도 등의 위치 정보를 탐지해 내는 장치로서, 날씨 및 주야에 관계없이 사용 가능하다는 장점을 가진다. 레이더는 반사 신호로부터 거리 정보뿐만 아니라 신호의 크기 및 위상 변화 정보를 이용하여 표적의 특성을 얻을 수 있어 표적의 식별에도 사용된다.
JEM(Jet Engine Modulation) 표적 식별 기법은 항공기의 제트 엔진의 회전에 의해 변조되는 레이더 반사 신호를 분석하여 항공기의 기종이나 종류를 구분하는 기법이다. JEM 기법은 항공기 식별 기법 중에서 가장 오래된 기법이지만 운용상 연산량이나 성능면에서 가장 현실적인 방법으로 알려져 있다. JEM 기법은 JEM신호로부터 제트 엔진의 날개(blade) 수를 추정하고 이를 엔진의 날개 수 데이터베이스와 비교하여 엔진의 기종을 찾는 방법이다.
도 1 여러 단의 로터(rotor)에 서로 다른 날개 수를 갖는 제트 엔진의 개략도이다.
도 1에 도시된 바와같이, 제트 엔진에는 공기 압축을 위해 하나의 회전축 (shaft)을 중심으로 여러 단(예 1단~4단))에 걸쳐 날개들이 고정되어 있어, 날개의 회전에 의해 레이더 반사 신호는 복잡한 크기 및 위상 변조를 일으킨다. 여러 단 (rotor stage)에 걸쳐서 다중 반사가 일어나는 이러한 변조 특성은 해석하기에 매우 복잡하여 수학적으로 모델링하는 것은 매우 어려운 문제이다. 그러나, 이러한 복잡한 JEM 신호도 주기성과 대칭성을 가지고 있어 이를 이용하면 표적 식별이 가능하다. 제트엔진의 날개는 회전축이 한번 돌 때마다 반사 특성이 반복되는 주기성이 있어서 JEM 스펙트럼상에는 축 회전속도(spool rate)와 그것의 하모닉 성분들이 나타나게 된다.
도 2는 제트 엔진의 1 단에서의 날개 형상을 예시로 회전축 속도(spool rate)와 날개수에 의한 초핑(chopping) 주파수의 관계를 나타낸다.
각 단에서의 반사 특성을 따로 보면 각 단의 날개는 대칭성을 가지고 있어서 회전시 인접 날개의 위치를 지날 때마다 반사 특성이 반복되어 나타나는 것을 알 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와같이, 위치 A의 날개가 위치 B로 이동하면 동일한 반사 특성을 보이기 때문에 그 시간을 주기로 주기성이 나타난다. 만약 회전 주기가 τ이고 날개의 개수가 N이라면 날개에 의한 주기는 τ/N으로 나타나게 된다. 이 주기를 각 단에서의 초핑(chopping) 주파수라고 하는데 JEM 스펙트럼을 보면 각 단에서 발생하는 초핑 주파수와 그것의 하모닉 성분을 볼 수가 있다. 축 회전속도와 초핑 주파수의 관계는 날개의 개수(N)에 의해 결정되는데 다음 수학식 1과 같은 관계가 성립한다.
Figure 112013119800535-pat00001
여기서 N은 날개의 개수이다.
JEM 스펙트럼을 분석하여 초핑 주파수와 축 회전속도를 구할 수 있다면 날개 수(N)를 추정할 수가 있다. 엔진마다 단수와 날개 개수가 다르기 때문에 각 단의 날개 수는 엔진을 구별하는 정보로 사용될 수가 있다. 일반적으로 후단에서의 반사 신호는 약하기 때문에 대략 2~3단 정도의 초핑 주파수 성분을 추출할 수가 있다.
도 3은 축 회전속도와 초핑 주파수의 하모닉 성분을 포함하고 있는 전형적인 JEM 스펙트럼을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 촘촘하게 구성된 하모닉 성분들은 축 회전속도(spool rate)의 하모닉 성분이고, 중간 중간에 크게 나타나는 하모닉 성분들은 각 단의 초핑 주파수의 하모닉 성분들이다. 축 회전속도와 초핑 주파수의 비는 날개 개수에 해당하므로 항상 정수가 되어야 하지만 측정 및 추정 부정확성에 의해 정수가 되지 않을 수 있다. 이에 가장 가까운 정수값으로 반올림하여 날개 수를 정하는데, 만약 축 회전속도 오차가 커서 반올림 오차 범위를 넘어서면 추정된 날개 수가 실제 값에서 벗어나 식별에 실패하게 된다. 예를 들어, 날개 수(N)가 50개일 때 축 회전속도의 추정 오차가 1% 정도만 되어도 추정된 날개 수는 51이나 49가 될 수 있다.
따라서, JEM 신호를 이용한 종래의 표적 식별 방법은 축 회전속도의 추정 정확도에 따라 성능이 크게 저하될 수 있다는 단점이 있다. 그리고 무엇보다 초핑 주파수를 정확히 추정하는 것이 가장 어려운 부분이다. JEM스펙트럼에서 가장 큰 하모닉 성분은 초핑 주파수가 될 가능성이 높지만 항상 그렇지는 않다. 가장 큰 하모닉 성분이 실제 초핑 주파수의 배수가 될 수도 있고 각 단의 초핑 주파수들 간의 합 또는 차에 의해 만들어진 성분일 수도 있기 때문이다. 따라서, JEM스펙트럼을 분석하여 이를 판단하는 논리적 알고리즘은 복잡할 수밖에 없고 보유한 측정 데이터에서 최적의 식별 성능을 내는 알고리즘을 찾는다 하더라도 그 외의 표적 신호에 대해서는 성능을 보장할 수 없는 단점이 있다. 상술한 JEM 식별 기법을 도식으로 표현하면 도 4와 같다.
도 4는 상술한 JEM 신호를 이용한 종래의 표적 식별 방법의 블록도이다.
도 4에 도시된 바와같이, JEM입력신호를 푸리에 변환하여 JEM 스펙트럼을 구하고, 상기 JEM입력신호로부터 추정된 축 회전속도(spool rate)로 상기 JEM 스펙트럼의 주파수 축을 나누어 날개 수의 축으로 변환한 후에 하모닉을 분석하여 각 단의 날개 수를 찾는다. 이후 상기 추정된 각 단의 날개 수와 엔진 데이터베이스의 날개 수를 비교하여 엔진 기종을 최종적으로 식별하게 된다.
또 다른 JEM 식별 기법으로는 엔진 정보로부터 스펙트럼을 모사한 후 측정된 스펙트럼과 상관도를 계산하여 엔진 기종을 식별하는 방법이 있다. 후자가 성능 면에서는 앞서지만 스펙트럼을 얼마나 정확하게 모사하느냐가 성능에 크게 영향을 미친다. 그러나, 레이더가 엔진을 보는 각도에 따라서 스펙트럼의 모양이 달라지기 때문에 엔진별로 각도에 따른 스펙트럼을 정확하게 모사하는 것은 현실적으로 쉽지가 않으며, 날개 수 정보뿐만 아니라 엔진의 물리적 구조에 대한 정보도 필요하고 미리 모사된 스펙트럼이 있는 기종에 대해서만 식별이 가능하다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 초핑 주파수를 찾는 복잡한 알고리즘이나 모사된 스펙트럼 데이터가 없더라도 엔진의 날개 수 정보만으로 간단히 표적을 식별할 수 있는 주파수 마스킹 기법을 이용한 표적 식별 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 엔진의 각 단의 날개 수로부터 계산된 하모닉 주파수 마스크를 통해 스펙트럼을 분석하여 엔진을 식별할 수 있는 주파수 마스킹 기법을 이용한 표적 식별 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 JEM 분석 기법에서 정밀한 축 회전속도를 찾는 방법을 제시함으로써 날개 수 추정이나 하모닉 주파수의 위치 계산에서 오류를 줄일 수 있는 주파수 마스킹 기법을 이용한 표적 식별 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 주파수 마스킹 기법을 이용한 표적 식별방법은, 제트엔진모듈(JEM) 신호의 스펙트럼 및 제1축 회전속도를 추정하는 단계; 추정된 제1 축 회전속도에 상기 측정된 스펙트럼을 적용하여 정밀한 제2 축 회전속도를 추정하는 단계; 추정된 제2 축 회전속도와 엔진의 단별 날개 수 정보를 이용하여 각 엔진별 하모닉 주파수 마스크를 생성하는 단계; 및 상기 측정된 스펙트럼을 엔진의 하모닉 주파수 마스크와 마스킹하여 표적을 식별하는 단계;를 포함한다.
상기 스펙트럼은 입력된 JEM 신호를 푸리에 변환하여 측정하고, 상기 제1축 회전속도는 JEM 신호에 자기상관(autocorrelation) 방법이나 캡스트럼(cepstrum) 방법을 적용하여 구한다.
상기 정밀한 제2 축 회전속도를 추정하는 단계는 스펙트럼에서 가장 큰 주파수 성분을 갖는 하모닉 주파수를 구하는 단계; 구해진 하모닉 주파수를 제1 축 회전속도로 나눈 후 반올림하여 제1 축 회전속도의 오차에 기인한 엔진의 날개 수를 추정하는 단계; 추정된 날개 수를 기준으로 일정 범위내에 있는 축 회전속도들을 후보 축 회전속도로 구하는 단계; 상기 구해진 후보 축 회전속도의 하모닉 주파수들과 측정 스펙트럼의 하모닉 주파수간의 주파수 오차를 구하는 단계; 및 상기 구한 오차들 중에서 오차가 가장 적은 후보 축 회전속도를 정밀한 제2 축 회전속도로 결정하는 단계;를 포함한다.
상기 가장 큰 주파수 성분을 갖는 하모닉 주파수는 회전축 속도의 정수배인 것을 특징으로 한다.
상기 주파수 오차를 구하는 단계는 후보 축 회전속도의 각 정수배들을 경계 영역으로 나누고 각 영역 안에서 가장 큰 주파수 성분을 해당 영역의 하모닉 피크로 결정하는 단계; 및 상기 결정된 하모닉의 피크 주파수와 하모닉 주파수간의 거리를 오차로 구하는 단계;를 포함한다.
상기 하모닉 주파수 마스크를 생성할 때 제2 축 회전속도와 각 단의 날개 수를 곱한 초핑(chopping) 주파수와 이것의 하모닉 주파수 성분은 통과시키고 나머지 주파수 성분은 제거하도록 주파수별로 가중치를 준다.
상기 표적을 식별하는 단계는 데이터베이스에 있는 모든 엔진에 대해서 하모닉 주파수 마스크와 측정 스펙트럼을 곱한 후 더하여 마스킹 스코어를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 엔진별 마스킹 스코어 중에서 가장 큰 마스크 스코어값을 갖는 엔진을 표적으로 인식하는 단계;를 포함한다.
상기 주파수 마스크를 생성할 때 엔진의 단 수 및 하모닉 주파수의 배수는 레이더 파형 및 엔진의 특성에 따라 확장 또는 축소될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 주파수 마스킹 기법을 이용한 표적 식별장치는, 제트엔진모듈(JEM) 신호의 스펙트럼을 측정하는 스펙트럼 측정부; JEM 신호로부터 오차가 포함된 엔진의 축 회전속도를 추정하는 축 회전속도 추정부; 상기 추정된 축 회전속도에 상기 측정된 스펙트럼을 적용하여 정밀한 축 회전속도를 추정하는 축 회전속도 정밀 추정부; 상기 추정된 정밀한 축 회전속도와 엔진의 단별 날개 수 정보를 이용하여 각 엔진별 하모닉 주파수 마스크를 생성하는 주파수 마스크 생성부; 상기 생성된 하모닉 주파수 마스크와 측정 스펙트럼을 곱한 후 더하여 엔진별 마스킹 스코어를 계산하는 마스킹 스코어 연산부; 및 상기 계산된 엔진별 마스킹 스코어 중에서 가장 큰 마스크 스코어 값을 갖는 엔진을 표적으로 인식하는 엔진 식별부;를 포함한다.
상기 축 회전속도 정밀 추정부는 스펙트럼에서 가장 큰 주파수 성분을 갖는 하모닉 주파수를 구하고, 구해진 하모닉 주파수를 축 회전속도로 나눈 후 반올림하여 해당 축 회전속도의 오차에 기인한 엔진의 날개 수를 추정하고, 추정된 날개 수를 기준으로 일정 범위내에 있는 축 회전속도들을 후보 축 회전속도로 구하고, 상기 구해진 후보 축 회전속도의 하모닉 주파수들과 측정 스펙트럼의 하모닉 주파수간의 주파수 오차를 구하여, 상기 구한 오차들 중에서 오차가 가장 적은 후보 축 회전속도를 정밀한 축 회전속도로 결정한다.
상기 주파수 마스크 생성부는 하모닉 주파수 마스크를 생성할 때 정밀한 축 회전속도와 각 단의 날개 수를 곱한 초핑(chopping) 주파수와 이것의 하모닉 주파수 성분은 통과시키고 나머지 주파수 성분은 제거하도록 주파수별로 가중치를 준다.
본 발명은 엔진의 각 단의 날개 수로부터 계산된 하모닉 주파수 마스크를 이용하여 스펙트럼을 분석하여 최종적으로 엔진을 식별함으로써 엔진의 각 단의 날개 수를 직접적으로 추정하지 않고도 엔진 기종을 식별할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 기존의 방법처럼 각 단의 초핑(chopping) 주파수를 찾기 위한 복잡한 논리적 알고리즘이나 스펙트럼 비교 방법처럼 미리 모사된 엔진 스펙트럼의 필요 없이 엔진의 날개 수 정보만으로 바로 표적을 식별할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명은 JEM 분석 기법에서 정밀한 축 회전속도를 찾는 방법을 제시함으로써 날개 수 추정이나 하모닉 주파수의 위치 계산에서 오류를 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 여러 단의 로터에 서로 다른 날개 수를 갖는 제트 엔진의 개략도.
도 2는 제트 엔진의 1 단에서의 날개 형상 예시로 회전축 속도와 날개 수에 의한 초핑 주파수의 관계를 보여주는 도면.
도 3은 회전축 속도와 초핑 주파수의 하모닉 성분을 포함하는 전형적인 JEM 스펙트럼을 나타낸 도면.
도 4는 JEM 신호를 이용한 기존의 표적 식별 방법의 블록도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 마스킹 기법을 이용한 표적 식별 장치의 구성도.
도 6은 JEM 스펙트럼에서 하모닉 피크와 회전축 속도의 정수배 주파수간의 오차 개념을 나타내는 도면.
도 7은 측정된 JEM 스펙트럼을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 회전축 속도의 정밀추정 알고리즘에서 회전축 속도 변화에 따른 오차값을 나타낸 그래프.
도 9는 날개 수와 축 회전속도에 의해 구성된 엔진의 주파수 마스크 예시도.
도 10은 6개의 엔진에 대한 마스킹 스코어 결과를 나타낸 도면.
본 발명은 엔진의 날개 수 정보를 이용하여 JEM 신호로부터 엔진의 기종을 식별하는 방법에 관한 것으로, 특히 엔진의 각 단의 날개 수로부터 계산된 하모닉 주파수 마스크로 스펙트럼을 분석하여 엔진을 식별하는 방법을 제안한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 마스킹 기법을 이용한 표적 식별 장치의 구성도이다.
도 5에 도시된 바와같이, 본 발명의 실시예에 따른 표적 식별 장치는, 회전축 속도(spool rate) 추정부(1), 회전축 속도 정밀 추정부(2), 주파수 마스크 생성부 (3), 스펙트럼 측정부(4), 마스킹 스코어 연산부(5) 및 엔진 식별부(6)를 포함한다.
상기 회전축 속도 추정부(1)는 자기상관(autocorrelation) 방법이나 캡스트럼(cepstrum) 방법을 이용하여 JEM입력신호로부터 축 회전속도를 추정한다.
상기 회전축 속도 추정부(1)에서 추정된 축 회전속도(제1 축 회전속도)는 실제 값에 비해 약간의 오차를 가지는데 이는 (하모닉) 주파수 마스크(3)에서 하모닉의 위치를 계산하는데 영향을 미쳐 결국 마스킹 스코어 연산부(5)에서 원하는 마스킹 스코어 값을 얻지 못해 엔진(표적)식별에 실패하게 된다.
따라서, 회전축 속도 정밀 추정부(2)는 회전축 속도 추정부(1)에서 구한 회전축 속도를 기반으로 좀 더 정밀한 회전축 속도(제2 축 회전속도)를 추정한다. 이 과정은 아래에서 다시 자세하게 설명한다.
스펙트럼 측정부(4)는 JEM입력신호를 푸리에 변환하여 JEM 스펙트럼을 구한다. 마스킹 스코어 연산부(5)는 주파수 마스크 생성부(3)에서 계산된 하모닉들의 위치에 해당하는 주파수 성분을 상기 스펙트럼 계산부(4)에서 얻은 JEM 스펙트럼으로부터 추출하여 더하는 과정을 수행한다. 이 과정을 "주파수 마스킹(frequency masking)"이라고 정의하고, 데이터베이스의 모든 엔진에 대해서 수행하여 결과값으로 마스킹 스코어를 출력한다.
엔진 식별부(6)는 마스킹 스코어 연산부(5)에서 출력된 마스킹 스코어 중에서 가장 큰 마스킹 스코어 값을 가지는 엔진을 표적으로 판단한다.
도 5의 구성도에서, 본 발명의 핵심 부분은 회전축 속도 정밀 추정부(2), 주파수 마스크 생성부(3), 마스킹 스코어 연산부(5) 및 엔진 식별부(6)이다. 상기 회전축 속도 정밀 추정부(2)의 동작 알고리즘은 자세히 설명을 하고, 상기 주파수 마스크 생성부(3), 마스킹 스코어 연산부(5) 및 엔진 식별부(6)는 바람직한 실시 예를 들어 상세히 설명한다.
먼저, 회전축 속도 정밀 추정부(2)의 동작을 설명하면 다음과 같다.
회전축 속도 정밀 추정부(2)는 스펙트럼 측정부(4)에서 출력된 JEM 스펙트럼에서 가장 큰 주파수 성분을 갖는 주파수(
Figure 112013119800535-pat00002
)를 찾는다. 이 주파수(
Figure 112013119800535-pat00003
)는 1 단의 초핑 주파수가 될 가능성이 가장 높지만 그 배수일 수도 있다. 그러나 여기서 중요한 점은
Figure 112013119800535-pat00004
가 어느 것에 해당되든 회전축 속도(spool rate)의 정수배가 되어야 하고 따라서
Figure 112013119800535-pat00005
를 회전축 속도로 나누면 정수값이 되어야 한다는 점이다.
그런데, 앞에서 설명했듯이 회전축 속도 추정부(1)에서 구한 회전축 속도는 오차가 있는 값이므로 다음 수학식 2와 같이 반올림을 하여 정수로 만들면 날개 수(또는 그것의 배수)에 해당하는 정수값(
Figure 112013119800535-pat00006
)을 얻을 수 있을 것이다.
Figure 112013119800535-pat00007
그런데, 회전축 속도 추정부(1)에서 구한 회전축 속도의 정확도에 따라서 반올림 범위를 벗어날 수도 있기 때문에 반올림한 정수값(
Figure 112013119800535-pat00008
)이 참값인지 아닌지 확신할 수가 없다. 따라서 수학식 2에서 얻은
Figure 112013119800535-pat00009
가 참 값인지 아닌지를 판단하고 정확한 값을 어떻게 찾느냐에 대한 문제가 생긴다.
본 발명에서는 다음과 같은 방법으로 판단하고 참값을 찾는다.
주파수 축에서 spool rate의 정수배가 되는 지점을 설정하고, JEM 스펙트럼의 모든 주파수 성분을 가장 가까운 지점으로 할당한다. 그리고 각 spool rate의 정수배되는 지점과 이에 속하는 주파수 성분 간에 주파수 차이(거리)를 구한다. 만약 spool rate가 정확한 값이라면 spool rate의 정수배 주파수는 스펙트럼 상의 spool rate의 각 하모닉과 일치하므로 오차가 가장 적을 것이고, spool rate가 참 값에서 벗어난다면 그 오차는 커질 것이다.
이 원리를 이용하면
Figure 112013119800535-pat00010
를 중심으로 오차가 가장 작은 지점을 찾아서 그 지점을 참값으로 정하는 것이다.
Figure 112013119800535-pat00011
가 참 값이라고 가정했을 때 이에 해당하는 회전축 속도는
Figure 112013119800535-pat00012
/
Figure 112013119800535-pat00013
로 구할 수 있기 때문에 그 주변의 참 값 회전축 속도(spool rate) 후보는 다음 수학식 3과 같이 계산할 수 있다.
Figure 112013119800535-pat00014
여기서
Figure 112013119800535-pat00015
를 중심으로 앞뒤 2개씩의 spool rate를 검색하면 M=2가 된다.
그런데, 스펙트럼의 모든 주파수 성분에 대해서 주파수 차이를 구하면 계산양이 많고 하모닉 주변의 성분들이 오히려 잡음으로 작용할 수 있다. 따라서, 도 6에 도시된 바와같이 JEM스펙트럼에서 각 하모닉의 피크(peak) 주파수만을 사용하는 것이 연산양이나 성능 면에서 좋을 것이다. 도 6에서 spool rate의 각 정수배에 해당되는 하모닉 피크는 다음 수학식 4와 같이 찾는다.
Figure 112013119800535-pat00016
즉, spool rate의 각 정수배들 간에 경계를 나누고 해당 구역 안에서 가장 큰 주파수 성분을 해당 영역의 하모닉 피크로 정한다. 이렇게 구한 하모닉의 피크 주파수와 spool rate의 정수배 간의 거리를 오차(error)로 정의하면 다음 수학식 5와 같다.
Figure 112013119800535-pat00017
위에서 구한 오차(error) 값 중에서 가장 적은 값을 가지는 N이 참 값이 되고, 이에 해당하는 spool rate는 다음 수학식 6과 같이 계산한다.
Figure 112013119800535-pat00018
이하 본 발명의 바람직한 예를 도면들을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 7은 스펙트럼 측정부부에서 측정된 JEM 스펙트럼을 나타낸다.
도 7을 참조하면, 가장 큰 하모닉 주파수는 45.62Hz 이고, 상기 하모닉 주파수를 1단의 날개 수가 42개인 엔진의 초핑 주파수(
Figure 112013119800535-pat00019
)라고 가정한다.
실제 spool rate가 1.086 Hz인 상황에서 회전축 속도 추정부(1)에서 추정된 spool rate가 1.069 Hz(약 1.57% 오차)이라고 하면, 날개 수(또는 그것의 정수배) (
Figure 112013119800535-pat00020
)는 수학식 2에 따라 45.62/1.069=42.68에서 반올림하여 43개로 추정할 것이다. 즉, 실제 날개 수가 42임에도 spool rate의 오차에 의해서 날개 수를 잘못 추정하게 된다.
따라서, 본 발명은 회전축 속도 정밀 추정부(2)를 이용하여 정밀 spool rate를 다음과 같이 구한다.
회전축 속도 정밀 추정부(2)는 먼저 잘못 추정된 날개수((
Figure 112013119800535-pat00021
) 43을 기준으로
Figure 112013119800535-pat00022
구간 안에 있는 spool rate 후보, 예를들어 spr(41)=1.1127, spr(42)=1.0862, spr(43)=1.0609, spr(44)=1.0368, spr(45)=1.0138를 구한다.
상기 후보 spool rate를 이용하여 수학식 5에서 정의한 오차(error)를 구하면 도 8과 같은 그래프를 얻을 수 있다.
도 8은 본 발명의 회전축 속도의 정밀추정 알고리즘에서 spool rate 변화에 따른 오차값을 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면,
Figure 112013119800535-pat00023
는 앞에서 구한 날개수 43을 의미하고,
Figure 112013119800535-pat00024
인 42에서 오차가 가장 적은 것을 볼 수 있다. 따라서, 회전축 속도 정밀 추정부(2)는 42가 날개 수(또는 그것의 정수배)에 해당하는 값으로 판단하고, 이때의 spool rate는 1.0862 Hz가 된다.
주파수 마스크 생성부(3)는 회전축 속도 정밀 추정부(2)에서 구한 정밀 spool rate와 엔진의 날개 수 정보를 사용하여 각 엔진별 주파수 마스크를 구성한다.
도 9는 날개 수와 축 회전속도에 의해 구성된 엔진의 주파수 마스크 예시도를 나타낸다.
어떤 엔진의 1단, 2단의 날개 수를 각각 42, 73이라고 하면 해당 엔진의 주파수 마스크는 도 9와 같이 구성할 수 있다. 도 9에서는 1단의 3번째 하모닉과 2단의 2번째 하모닉 까지만 구성하고 있다. 그러나 실제 사용할 단 수 및 하모닉 배수는 레이더 파형 및 엔진의 특성을 고려하여 확장하거나 축소가 가능할 것이다.
그리고 도 9에서는 하모닉의 해당 위치에 크기가 1인 값으로만 설정이 되어 있지만, 각 하모닉 주파수를 중심으로 얼마간의 폭을 가지는 펄스(
Figure 112013119800535-pat00025
) 모양이나 가중치를 다르게 주는 식으로 모양의 변경이 가능하다.
마스킹 스코어 연산부(5)는 주파수 마스크 생성부(3)에서 구한 주파수 마스크와 스펙트럼 측정부(4)에서 구한 JEM 스펙트럼을 곱한 후 더하는 과정으로 주파수 마스크의 값이 1인 위치의 주파수 성분 전체를 추출한다. 측정된 JEM 스펙트럼을 해당 엔진의 주파수 마스크와 마스킹을 수행하면 주파수 마스크의 값이 1인 위치에 가장 많은 주파수성분이 존재하기 때문에 마스킹 스코어 값이 가장 클 것이다.
따라서, 엔진 식별부(6)는 마스킹 스코어 결과 중에서 가장 큰 값을 가지는 엔진을 해당 스펙트럼의 엔진으로 식별하여 표적으로 인식한다. 도 10은 6개의 엔진에 대한 마스킹 스코어 값을 보이고 있다. 도 7의 스펙트럼은 엔진 1번의 것인데 도 10의 결과를 보면 엔진 1번의 마스킹 스코어가 가장 높게 나오는 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와같이 본 발명은 엔진의 각 단의 날개 수로부터 계산된 하모닉 주파수 마스크를 통해 스펙트럼을 분석하여 엔진을 식별함으로써 엔진의 각 단의 날개 수를 직접적으로 추정하지 않고도 엔진 기종을 식별할 수 있다. 따라서, 본 발명은 종래의 식별 방법처럼 각 단의 초핑 주파수를 찾기 위한 복잡한 논리적 알고리즘이나 스펙트럼 비교 방법처럼 미리 모사된 엔진 스펙트럼의 필요 없이 엔진의 날개 수 정보만으로 바로 표적 식별이 가능한 장점이 있다.
게다가 본 발명은 JEM 분석 기법에서 정밀한 spool rate를 찾는 방법을 제시함으로써 날개 수 추정이나 하모닉 주파수의 위치 계산에서 오류를 줄일 수 있는 효과가 있다.
상기 설명된 실시예들의 구성과 방법은 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.
1 : 축 회전속도(spool rate) 추정부 2 : 축 회전속도 정밀 추정부
3 : 주파수 마스크 생성부 4 : 스펙트럼 측정부
5 : 마스킹 스코어 연산부 6 : 엔진 식별부

Claims (11)

  1. 제트엔진모듈(JEM) 신호의 스펙트럼 및 제1 축 회전속도를 추정하는 단계;
    추정된 제1 축 회전속도에 상기 측정된 스펙트럼을 적용하여 정밀한 제2축 회전속도를 추정하는 단계;
    추정된 제2 축 회전속도와 엔진의 단별 날개 수 정보를 이용하여 각 엔진별 하모닉 주파수 마스크를 생성하는 단계; 및
    상기 측정된 스펙트럼을 엔진의 하모닉 주파수 마스크와 마스킹하여 표적을 식별하는 단계;를 포함하여 구성된 주파수 마스킹 기법을 이용한 표적 식별방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스펙트럼은
    입력된 JEM 신호를 푸리에 변환하여 측정하고, 상기 제1축 회전속도는 JEM 신호에 자기상관(autocorrelation) 방법이나 캡스트럼(cepstrum) 방법을 적용하여 구하는 것을 특징으로 하는 주파수 마스킹 기법을 이용한 표적 식별방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 정밀한 제2 축 회전속도를 추정하는 단계는
    스펙트럼에서 가장 큰 주파수 성분을 갖는 하모닉 주파수는 구하는 단계;
    구해진 하모닉 주파수를 제1 축 회전속도로 나눈 후 반올림하여 제1 축 회전속도의 오차에 기인한 엔진의 날개 수를 추정하는 단계;
    추정된 날개 수를 기준으로 일정 범위내에 있는 축 회전속도들을 후보 축 회전속도로 구하는 단계;
    상기 구해진 후보 축 회전속도의 하모닉 주파수들과 측정 스펙트럼의 하모닉 주파수간의 주파수 오차를 구하는 단계; 및
    상기 구한 오차들 중에서 오차가 가장 적은 후보 축 회전속도를 정밀한 제2 축 회전속도로 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표적 식별방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 가장 큰 주파수 성분을 갖는 하모닉 주파수는
    회전축 속도의 정수배인 것을 특징으로 하는 주파수 마스킹 기법을 이용한 표적 식별방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 주파수 오차를 구하는 단계는
    후보 축 회전속도의 각 정수배들을 경계 영역으로 나누고 각 영역 안에서 가장 큰 주파수 성분을 해당 영역의 하모닉 피크로 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 하모닉의 피크 주파수와 하모닉 주파수간의 거리를 오차로 구하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 마스킹 기법을 이용한 표적 식별방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 하모닉 주파수 마스크를 생성할 때 제2 축 회전속도와 각 단의 날개 수를 곱한 초핑(chopping) 주파수와 이것의 하모닉 주파수 성분은 통과시키고 나머지 주파수 성분은 제거하도록 주파수별로 가중치를 주는 것을 특징으로 하는 주파수 마스킹 기법을 이용한 표적 식별방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 표적을 식별하는 단계는
    데이터베이스에 있는 모든 엔진에 대해서 하모닉 주파수 마스크와 측정 스펙트럼을 곱한 후 더하여 마스킹 스코어를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 엔진별 마스킹 스코어 중에서 가장 큰 마스크 스코어값을 갖는 엔진을 표적으로 인식하는 단계;를 포함하는 특징으로 하는 주파수 마스킹 기법을 이용한 표적 식별방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 주파수 마스크를 생성할 때 엔진의 단 수 및 하모닉 주파수의 배수는 레이더 파형 및 엔진의 특성에 따라 확장 또는 축소되는 것을 특징으로 하는 주파수 마스킹 기법을 이용한 표적 식별방법.
  9. 제트엔진모듈(JEM) 신호의 스펙트럼을 측정하는 스펙트럼 측정부;
    JEM 신호로부터 오차가 포함된 엔진의 축 회전속도를 추정하는 축 회전속도 추정부;
    상기 추정된 축 회전속도에 상기 측정된 스펙트럼을 적용하여 정밀한 축 회전속도를 추정하는 축 회전속도 정밀 추정부;
    상기 추정된 정밀한 축 회전속도와 엔진의 단별 날개 수 정보를 이용하여 각 엔진별 하모닉 주파수 마스크를 생성하는 주파수 마스크 생성부;
    상기 생성된 하모닉 주파수 마스크와 측정 스펙트럼을 곱한 후 더하여 엔진별 마스킹 스코어를 계산하는 마스킹 스코어 연산부; 및
    상기 계산된 엔진별 마스킹 스코어 중에서 가장 큰 마스크 스코어 값을 갖는 엔진을 표적으로 인식하는 엔진 식별부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 마스킹 기법을 이용한 표적 식별장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 축 회전속도 정밀 추정부는
    스펙트럼에서 가장 큰 주파수 성분을 갖는 하모닉 주파수는 구하고,
    구해진 하모닉 주파수를 축 회전속도로 나눈 후 반올림하여 해당 축 회전속도의 오차에 기인한 엔진의 날개 수를 추정하고,
    추정된 날개 수를 기준으로 일정 범위내에 있는 축 회전속도들을 후보 축 회전속도로 구하고,
    상기 구해진 후보 축 회전속도의 하모닉 주파수들과 측정 스펙트럼의 하모닉 주파수간의 주파수 오차를 구하여,
    상기 구한 오차들 중에서 오차가 가장 적은 후보 축 회전속도를 정밀한 축 회전속도로 결정하는 것을 특징으로 하는 주파수 마스킹 기법을 이용한 표적 식별장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 주파수 마스크 생성부는
    하모닉 주파수 마스크를 생성할 때 정밀한 축 회전속도와 각 단의 날개 수를 곱한 초핑(chopping) 주파수와 이것의 하모닉 주파수 성분은 통과시키고 나머지 주파수 성분은 제거하도록 주파수별로 가중치를 주는 것을 특징으로 하는 주파수 마스킹 기법을 이용한 표적 식별장치.
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