KR101603142B1 - 위상인터페로미터 방향 탐지시스템의 다중소자 배열간격 산출 방법 - Google Patents

위상인터페로미터 방향 탐지시스템의 다중소자 배열간격 산출 방법 Download PDF

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KR101603142B1 KR1020150057283A KR20150057283A KR101603142B1 KR 101603142 B1 KR101603142 B1 KR 101603142B1 KR 1020150057283 A KR1020150057283 A KR 1020150057283A KR 20150057283 A KR20150057283 A KR 20150057283A KR 101603142 B1 KR101603142 B1 KR 101603142B1
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이정훈
주증민
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국방과학연구소
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
    • G01S3/14—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G01S3/46—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using antennas spaced apart and measuring phase or time difference between signals therefrom, i.e. path-difference systems
    • G01S3/48—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using antennas spaced apart and measuring phase or time difference between signals therefrom, i.e. path-difference systems the waves arriving at the antennas being continuous or intermittent and the phase difference of signals derived therefrom being measured

Abstract

본 발명은, 위상 인터페로미터 방향 탐지시스템의 다중소자 배열간격을 산출하는 방법에 관한 것으로서, 상기 방향 탐지시스템의 위상비교기에서 출력되는 위상차에 대해 상기 다중소자의 배열간격과 도래각으로 모듈러 연산을 수행하는 단계와; 상기 다중소자의 배열 간격 중에서 최대 배열 간격 기준으로 상기 도래각의 증가 스텝들을 선정하는 단계와; 상기 선정된 도래각의 증가 스텝들 중에서 위상차직선에 해당하는 상기 도래각의 구간을 그룹화하는 단계와; 상기 그룹화된 각 도래각 구간의 위상차벡터의 원소간 유크리안 거리의 최소값이 지정된 위상오차를 충족하는 배열간격을 상기 다중소자의 배열간격으로서 구하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

위상인터페로미터 방향 탐지시스템의 다중소자 배열간격 산출 방법{METHOD FOR OBTAINING THE MULTIPLE ELEMENT ARRAY SPACING FOR PHASE INTERFEROMETER DIRECTION FINDER}
본 발명은 위상비교 방향탐지를 수행하는 위상인터페로미터 방향탐지 시스템의 다중소자 배열간격을 산출하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 위상비교 인터페로미터는 두 개 혹은 그 이상의 개수로 구성된 안테나 시스템으로 안테나간 측정된 상태 위상차를 사용하여 수신신호의 방위각을 결정한다. 특히 광대역인 주파수 범위에서 무선신호원의 도래각을 추정하기 위해 무선신호원의 위상을 비교하여 무선신호원의 방위각을 추정하는데 위상비교 인터페로미터가 사용되어 진다. 이러한 방향 탐지시스템은 다중배열간격에서 최대베이스라인은 정확도를 구현하고, 나머지 베이스라인은 각도모호성에 사용되어진다. 매우 높은 방향 탐지 정확도를 구현하기 위해서는 최대베이스라인의 간격은 최대한 넓어야 한다. 하지만, 이러한 최대베이스라인은 각도모호성을 해결해야 한다. 따라서, 요구되는 방향 탐지 정확도를 충족하기 위한 안테나의 간격은 중요한 요소 중의 하나이다. 일반적으로, 인터페로미터 방향 탐지시스템의 다중소자 배열간격은 하모닉(harmonic binary spacing) 혹은 넌하모닉 (non-harmonic spacing )으로 나뉘어 진다. 하모닉은 단순히
Figure 112015039737717-pat00001
(여기서, n=0,1,2,3) 이 되는 배열간격이 된다. 이외는 넌하모닉 배열간격이 된다. 넌 하모닉의 다중소자 배열간격은 서로소인 정수로부터 특정한 관계를 충족하는 것으로 얻는 방법으로 두 가지가 있다.
첫째는 위상오차가 반영된 것으로 두 쌍이 서로소인 정수로부터 특정한 관계를 충족하는 배열간격을 얻는 방법이 있다. 두 번째는 위상오차를 고려하지 않고 두 쌍이 서로소인 정수로부터 특정한 관계를 충족하는 다중소자 배열 간격을 얻는 SNS(optimum symmetrical number system)방법이 있다. SNS는 OSNS(optimum symmetrical number system)와 RSNS(robust symmetrical number system)로 나뉜다. OSNS는 두 쌍이 서로소인 정수를 사용하고, RSNS는 N개의 다른 주기 대칭파형의 두 쌍이 서로소인 정수가 사용된다.
따라서, 하모닉 배열간격은 각도 모호성이 존재하지 않으므로 단순히 선택될 수 있다. 서로소인 관계로부터 다중배열간격을 선택하는 방법의 공통적인 단점은 서로소인 정수로부터 특정한 관계식을 충족하는 다중소자 배열간격만을 선택해야 한다는 것이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술들이 갖고 있는 문제점을 해결할 수 있도록 한 것으로, 본 발명은 위상 인터페로미터 방향 탐지시스템의 다중소자 배열간격을 산출하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 본 발명의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 위상인터페로미터 방향 탐지시스템의 다중소자의 배열 간격 산출 방법은,
상기 방향 탐지시스템의 위상비교기에서 출력되는 위상차에 대해 상기 다중소자의 배열간격과 도래각으로 모듈러 연산을 수행하는 단계와;
상기 다중소자의 배열 간격 중에서 최대 배열 간격 기준으로 상기 도래각의 증가 스텝들을 선정하는 단계와;
상기 선정된 도래각의 증가 스텝들 중에서 위상차직선에 해당하는 상기 도래각의 구간을 그룹화하는 단계와;
상기 그룹화된 각 도래각 구간의 위상차벡터의 원소간 유크리안 거리의 최소값이 지정된 위상오차를 충족하는 배열간격을 상기 다중소자의 배열간격으로서 구하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 위상인터페로미터 방향 탐지시스템의 다중소자 배열간격산출 방법은, 위상인터페로미터 방향 탐지시스템의 다중 배열 소자간격을 산출할 때 위상오차를 고려하여 다중소자 배열간격을 구하는 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 다중소자 배열간격을 가지는 위상인터페로미터 방향탐지의 원리도이다.
도 2(a)는 3소자 위상인터페로미터 방향 탐지시스템에서 배열간격
Figure 112015039737717-pat00002
에 대한 도래각대 위상차를 나타낸 예시도이다.
도 2(b)는 3소자 위상인터페로미터 방향 탐지시스템에서 배열간격
Figure 112015039737717-pat00003
에 대한 도래각대 위상차를 나타낸 예시도이다.
도 2(c)는 3소자 위상인터페로미터 방향 탐지시스템에서 각 배열간격의 랩된 위상차가 0[deg] 일 때의 도래각과 위상차벡터를 도시한 예시도이다.
도 3은 배열간격이
Figure 112015039737717-pat00004
및
Figure 112015039737717-pat00005
인 경우의 랩된 위상차관계를 도시한 예시도이다.
도 4는 배열간격이
Figure 112015039737717-pat00006
,
Figure 112015039737717-pat00007
,
Figure 112015039737717-pat00008
,
Figure 112015039737717-pat00009
이고
Figure 112015039737717-pat00010
일 때 위상차직선을 랩된위상차로 그룹화 및 위상차벡터를 도시한 예시도이다.
도 5는 배열간격의 범위가
Figure 112015039737717-pat00011
,
Figure 112015039737717-pat00012
,
Figure 112015039737717-pat00013
,
Figure 112015039737717-pat00014
인 경우 위상오차 60[deg]를 충족하는 배열간격의 일부와 최소거리값 을 도시한 예시도이다.
도 6은 본발명에 의한 위상인터페로미터 방향 탐지시스템의 다중소자 배열간격산출 방법 순서도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 하지만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 발명은 위상비교 방향 탐지를 수행하는 위상비교 방향 탐지시스템의 다중배열 간격을 구하는 방법에 적용된다.
위상 인터페로미터 방향 탐지시스템은 수신되는 무선신호의 위상차를 비교하여 방향을 추정한다.
도 1은 일반적인 다중소자 배열의 위상인터페로미터 방향 탐지시스템을 도시한 것이다. 신호의 파장이
Figure 112015039737717-pat00016
이고 도래각(AOA:Angle of arrival)
Figure 112015039737717-pat00017
(30)로 입사될 때, 각 위상비교기(40)는 각 안테나에 수신된 무선신호에 대한 위상차를 출력한다.
위상인터페로미터 방향 탐지시스템의 다중소자 배열을 구하기 위해서는 다중배열의 범위와 다중배열의 증가스텝을 설정해야 한다.
상기 위상인터페로미터 방향 탐지시스템의 제어부(도시하지 않음)는, 상기 위상인터페로미터 방향 탐지시스템의 다중소자의 배열 간격과 도래각으로 모듈러연산을 수행한다(S100). 예를 들면, N개의 안테나를 사용하는 경우, N-1개의 배열간격을 설정할 수 있다. 즉, 원하는 다중배열의 범위와 증가스텝을 미리 설정한다. 예를 들면, 다중배열의 범위와 증가스텝 (
Figure 112015039737717-pat00018
)을 설정한다. 상기 제어부는 각 배열간격과 도래각에 따라 언랩(unwarpped)위상차를
Figure 112015039737717-pat00019
모듈러 연산으로 랩된(wrapped)위상차로 변환하고, 그 랩된(wrapped)위상차를 출력하며, 이는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
,
Figure 112015039737717-pat00021
여기서,
Figure 112015039737717-pat00022
이고
Figure 112015039737717-pat00023
이다. 또한,
Figure 112015039737717-pat00024
는 배열간격이다.
Figure 112015039737717-pat00025
는 언랩위상차로서 수학식 2와 같이 나타내어 질수 있다.
[수학식 2]
Figure 112015039737717-pat00026
여기서,
Figure 112015039737717-pat00027
이고, fix(x)는 0에 가장 가까운 정수로 x에 올림이다. 또한, 순시 시야각은
Figure 112015039737717-pat00028
로 제한된다.
도 2는 3소자 배열을 사용하여 두 개의 배열간격
Figure 112015039737717-pat00029
및
Figure 112015039737717-pat00030
에 대해 도래각대 랩된위상차를 각각 도시한 것이다. 도 2(a)의 배열간격이
Figure 112015039737717-pat00031
이고 도2(b)는
Figure 112015039737717-pat00032
인 경우이다.
도 2(a)와 (b)에서는 언랩위상차(Unwrapped phase difference)가
Figure 112015039737717-pat00033
의 배수일 때 마다
Figure 112015039737717-pat00034
모듈러 연산에 의해 위상차가 0[deg]이 되어 큰 위상차변이가 발생한다. 이때 위상차가
Figure 112015039737717-pat00035
되는 지점을 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112015039737717-pat00036
,
Figure 112015039737717-pat00037
여기서,
Figure 112015039737717-pat00038
는
Figure 112015039737717-pat00039
번째 배열간격에서
Figure 112015039737717-pat00040
번째 위상차가
Figure 112015039737717-pat00041
일 때이다.
도 2(c)는 각 랩된 위상차가 0[deg]일 때 도래각 및 위상차벡터(130)를 나타낸 도이다.
도 3은 두 개의 배열간격의 관계로부터 위상차관계를 나타낸 도로서, 두 개의 배열관계로부터의 위상차관계를 나타낸다.
도 3에서 위상차직선은 도 2(a)와 2(b)에서 도래각이 증가(
Figure 112015039737717-pat00042
)할 때 위상차의 변화(
Figure 112015039737717-pat00043
)가
Figure 112015039737717-pat00044
일 때마다 생성된다. 도 3에서 직선은 두 배열간격의 위상차 관계를 나타낸 것이고, 점선은 모호성 경계구간이다. 위상차
Figure 112015039737717-pat00045
및
Figure 112015039737717-pat00046
에 대한 측정위상차
Figure 112015039737717-pat00047
,
Figure 112015039737717-pat00048
는 위상차표본공간의 한 점
Figure 112015039737717-pat00049
로 나타난다. 측정오차가 없다면, 두 위상차는 직선상에 놓이게 된다. 측정오차가 있다면, 두 직선상에서 벗어난 한 지점(70)으로 놓이게 된다. 따라서, 위상오차가 모호성 경계내에 있다면 방향 탐지모호성은 발생하지 않으며 허용가능한 모호성경계간 거리는
Figure 112015039737717-pat00050
(50)이고, 두 위상차간거리(S)와 동일한 거리이며 이것은 허용가능한 위상오차로 표현될 수 있다. 여기서, 두 위상차간거리(S)는 위상차 직선간 최소거리값이다.
다중소자 배열을 사용하는 경우도 동일한 방법을 적용하여, 다중소자 배열인 경우 다차원의 공간에서 생성된 위상차직선간 최소거리가 허용가능한 위상오차(
Figure 112015039737717-pat00051
)가 된다.
상기 위상인터페로미터 방향 탐지시스템의 제어부(도시하지 않음)는, 상기 위상인터페로미터 방향 탐지시스템의 다중소자의 배열 간격 중에서 최대배열간격을 기준으로 상기 도래각의 증가스텝을 선정한다(S200).
도래각의 증가스텝은
Figure 112015039737717-pat00052
이 가장 큰 구간을 선택하여 N으로 나눈다. 따라서,
Figure 112015039737717-pat00053
이 가장 큰 구간은 도래각이 0도와 다음의 언랩위상차가
Figure 112015039737717-pat00054
이 되는 도래각
Figure 112015039737717-pat00055
으로 증가스텝은 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112015039737717-pat00056
두 개의 배열간격
Figure 112015039737717-pat00057
및
Figure 112015039737717-pat00058
에서 최대배열간격은
Figure 112015039737717-pat00059
이므로 언랩위상차가
Figure 112015039737717-pat00060
이 되는 도래각은
Figure 112015039737717-pat00061
이다. N=15인 경우
Figure 112015039737717-pat00062
이다.
상기 위상인터페로미터 방향 탐지시스템의 제어부(도시하지 않음)는, 상기 도래각을 일정스텝으로 증가하여 위상차직선에 해당하는 도래각 구간을 그룹화한다(S300). 다중소자 배열간격이 주어질 때 위상차직선의 구간을 그룹화하기 위해 시야각의 최소값부터 도래각을 일정하게 증가하여
Figure 112015039737717-pat00063
이 되는 구간마다 각 위상차의 집합인 위상차벡터를 그룹화한다.
Figure 112015039737717-pat00064
,
Figure 112015039737717-pat00065
,
Figure 112015039737717-pat00066
,
Figure 112015039737717-pat00067
이고
Figure 112015039737717-pat00068
일때 위상차직선의 구간별 도래각과 위상차벡터는 도4와 같다. 여기서, 최대배열간격은
Figure 112015039737717-pat00069
이므로 언랩위상차가
Figure 112015039737717-pat00070
이 되는 도래각은
Figure 112015039737717-pat00071
이다. N=15인 경우
Figure 112015039737717-pat00072
[도]이다. 위상차직선의 각 구간별로 그룹화되고, 도래각의 각 위상차는 위상차벡터(200)로 표현되어 진다.
상기 위상인터페로미터 방향 탐지시스템의 제어부(도시하지 않음)는, 상기 그룹화된 각 도래각 구간의 위상차벡터의 원소간 유크리안 거리의 최소값이 지정된 위상오차를 충족하는 배열간격을 상기 다중소자의 배열간격으로서 산출한다(S400).
도 4에서 위상차벡터 그룹구간에서 위상차벡터원소간 거리를 구하는 과정으로 동일구간외의 위상차벡터의 원소에 대해 유크리안 거리를 구하며, 이는 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112015039737717-pat00073
,
Figure 112015039737717-pat00074
수학식 5에서 구한 유크리안 거리의 최소값이 지정된 위상오차
Figure 112015039737717-pat00075
를 충족한다면 위상인터페로미터 다중소자 배열간격으로 선택될 수 있다.
도 5는 5개의 안테나로 구성되는 배열간격의 범위가
Figure 112015039737717-pat00076
,
Figure 112015039737717-pat00077
,
Figure 112015039737717-pat00078
,
Figure 112015039737717-pat00079
인 경우 위상오차 60[degree]를 충족하는 배열간격과 최소거리값
Figure 112015039737717-pat00080
을 나타내었다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 위상인터페로미터 방향 탐지시스템의 다중소자의 배열간격 산출 방법에 있어서,
    상기 방향 탐지시스템의 위상비교기에서 출력되는 위상차에 대해 상기 다중소자의 배열간격과 도래각으로 모듈러 연산을 수행하는 단계와;
    상기 다중소자의 배열 간격 중에서 최대 배열 간격 기준으로 상기 도래각의 증가 스텝들을 선정하는 단계와;
    상기 선정된 도래각의 증가 스텝들 중에서 위상차직선에 해당하는 상기 도래각의 구간을 그룹화하는 단계와;
    상기 그룹화된 각 도래각 구간의 위상차벡터의 원소간 유크리안 거리의 최소값이 지정된 위상오차를 충족하는 배열간격을 상기 다중소자의 배열간격으로서 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상인터페로미터 방향 탐지시스템의 다중소자의 배열 간격 산출 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 배열 간격은 N개의 안테나를 사용하는 경우, N-1개의 안테나 배열간격을 사용하는 것을 특징으로 하는 위상인터페로미터 방향 탐지시스템의 다중소자의 배열 간격 산출 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 도래각을 일정스텝으로 증가하여 상기 도래각의 증가스텝을 선정하는 것을 특징으로 하는 위상인터페로미터 방향 탐지시스템의 다중소자의 배열 간격 산출 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 도래각의 구간을 그룹화하는 단계는,
    상기 도래각의 증가(
    Figure 112015039737717-pat00081
    )에 대한 위상차의 증가(
    Figure 112015039737717-pat00082
    )를 이용하여
    Figure 112015039737717-pat00083
    되는 구간마다 그룹화를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상인터페로미터 방향 탐지시스템의 다중소자의 배열 간격 산출 방법.
KR1020150057283A 2015-04-23 2015-04-23 위상인터페로미터 방향 탐지시스템의 다중소자 배열간격 산출 방법 KR101603142B1 (ko)

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