KR101712425B1 - 디지털 배열 안테나 레이더의 적응빔 형성 방법 및 이의 실행을 위해 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램 - Google Patents

디지털 배열 안테나 레이더의 적응빔 형성 방법 및 이의 실행을 위해 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 디지털 배열 안테나 레이더의 적응빔 형성 방법은, K(K는 자연수)개의 안테나로 이루어진 M개의 부배열로 나누어지는 N(N은 M보다 큰 자연수)개의 안테나를 포함하여 구성되고, 상기 안테나를 통해 레이더 신호를 송신하고 수신하는 디지털 배열 안테나 레이더에서의 적응빔 형성 방법으로서, (S10) 상기 M개의 부배열에 대해 각각 부배열 적응빔을 형성하는 단계; 및 (S20) 형성된 M개의 부배열 적응빔을 이용하여 최종 적응빔을 형성하는 단계; 를 포함하여 이루어진다.

Description

디지털 배열 안테나 레이더의 적응빔 형성 방법 및 이의 실행을 위해 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램{Method for Adaptive Beamforming of Digital Array Antenna and Program Stored in Storage for Executing the Same}
본 발명은 디지털 배열 안테나 레이더의 적응빔 형성 방법 및 이의 실행을 위해 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 다수의 안테나를 이용하는 디지털 배열 안테나 레이더에서의 적응빔 형성이 성능 및 계산량 측면에서 효율적으로 이루어질 수 있게 해주는 디지털 배열 안테나 레이더의 적응빔 형성 방법 및 이의 실행을 위해 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램에 관한 것이다.
레이더에서 적응빔은 재밍 신호나 클러터 신호의 위치를 정확히 알 수 없는 경우에 수신 신호의 공분산행렬의 역행렬을 이용하여 원하는 빔형성 방향 이외의 방향에서 수신되는 신호를 자동으로 제거하는 빔형성 방법이다. 구체적인 예로 MVDR(Minimum Variance Distortionless Response) 빔형성 방법 등이 이에 속한다.
공분산행렬에는 표적에 대한 정보가 없어야 하는데, 표적 신호가 수신된 상태에서 공분산행렬을 계산하고 이를 사용하여 적응빔을 형성하면 표적 신호도 재머로 인식되어 빔형성 방향과 표적의 방향이 조금이라도 틀릴 경우 표적 신호도 제거가 될 위험이 있기 때문이다.
구체적인 예를 살펴보면 레이더 수신각 -38도와 -25도에 재머가 있고, 40도에 표적이 존재한다고 가정하면 표적 신호가 수신된 상태에서 공분산행렬을 계산할 경우 [도 1]에서와 같이 40도의 표적 신호까지 제거되게 된다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 공분산행렬을 계산할 때는 레이더 신호를 송신하기 전에서 일정시간 동안(리스닝 구간) 수신만 하여 그 신호를 이용하거나 레이더 신호를 송신한 후에 표적이 없을 것으로 예상되는 부분의 수신 신호만을 이용하여 공분산행렬을 계산하기도 하는데, 이 경우에는 레이더 신호 송신전의 수신 신호만을 가지고 공분산행렬을 계산하게 되므로 클러터에 맞고 들어오는 클러터 신호가 포함되지 않아 클러터 제거가 불가능하다는 단점이 있다.
[도 1]의 예에서 레이더 수신각 -38도에 재머가 아닌 클러터가 있다고 가정할 경우에는 [도 2]에서와 같이 -38도에서 수신되는 클러터 신호는 제거되지 않게 된다.
한편, 레이더 신호를 송신하고 표적이 없을 것으로 예상되는 구간 만을 이용할 때는 클러터 신호를 포함하고 있어 적응빔 형성을 통해 클러터 제거가 가능하지만 표적이 없다는 것을 장담할 수 없어 [도 1]의 실시예에서와 같이 표적 신호도 제거되는 경우가 생길 수 있다. 특히 채널의 개수에 비례하여 공분산행렬을 계산하는데 필요한 샘플의 개수가 늘어나고 샘플의 개수가 늘어나면 늘어날수록 해당 구간의 길이가 늘어나 그 구간에 표적이 있을 확률이 증가하게 된다. 따라서 적응빔 형성을 통하여 표적 신호는 유지하면서 재머와 클러터를 동시에 제거하는 데 많은 제약이 있다.
또한 적응빔 형성식에서 가장 연산량이 많은 부분은 공분산행렬의 역행렬을 구하는 부분이다. 역행렬의 계산은 행렬의 크기의 세제곱에 비례하는데 이 행렬의 크기는 수신 채널의 개수와 같다. 근래에 선보이는 레이더는 안테나 개수가 수천 개 이상임을 고려할 때 공분산행렬의 실시간 계산은 사실상 불가능하다. 이와 같은 이유로 대부분의 레이더 시스템은 채널 개수를 줄이기 위해 안테나를 부배열(sub-array) 형태로 나누어 하나의 부배열에 한 개 채널을 할당하여 적응빔을 형성한다. 즉, 각 배열 안테나에서 수신된 신호를 하나로 합친 후 AD변환을 하고 이 신호를 이용하여 적응빔을 형성하는 것인데, 이와 같은 방식의 부배열을 이용한 적응빔 형성은 디지털 레이더의 이점을 100% 활용하지 못하는 방법이어서 새로운 적응빔 형성 방법의 개발이 필요한 실정이다.
등록특허 10-1012161 “디지털 레이더의 안테나 패턴을 측정하기 위한 시스템 및 방법”, 2011. 02. 07. 등록특허 10-1033241 “위상 배열 안테나 시스템을 위한 신호 처리 장치 및 방법”, 2011. 05. 06.
본 발명은 다수의 안테나를 이용하는 디지털 배열 안테나 레이더에서의 적응빔 형성이 성능 및 계산량 측면에서 효율적으로 이루어질 수 있게 해주는 디지털 배열 안테나 레이더의 적응빔 형성 방법 및 이의 실행을 위해 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램을 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 과제의 해결을 위해 본 발명은 「K(K는 자연수)개의 안테나로 이루어진 M개의 부배열로 나누어지는 N(N은 M보다 큰 자연수)개의 안테나를 포함하여 구성되고, 상기 안테나를 통해 레이더 신호를 송신하고 수신하는 디지털 배열 안테나 레이더에서의 적응빔 형성 방법으로서, (S10) 상기 M개의 부배열에 대해 각각 부배열 적응빔을 형성하는 단계; 및 (S20) 형성된 M개의 부배열 적응빔을 이용하여 최종 적응빔을 형성하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 디지털 배열 안테나 레이더의 적응빔 형성 방법」을 제공한다.
상기 (S10)단계는, (S11) 상기 안테나를 통해 레이더 신호를 수신하는 단계; (S12) 수신한 레이더 신호를 통해 각 부배열의 안테나에서 수신한 재머 신호 또는 클러터 신호의 공분산행렬 및 상기 공분산행렬을 사용하는 부배열 적응빔 형성계수를 도출하는 단계; (S13) 상기 안테나를 통해 레이더 신호를 송신하고 수신하는 단계; 및 (S14) 각 부배열의 안테나에서 수신된 신호와 상기 부배열 적응빔 형성계수의 곱을 통해 상기 M개의 부배열에 대해 각각 부배열 적응빔을 형성하는 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 (S20)단계는, (S21) 형성된 M개의 부배열 적응빔에서 특정의 구간 및 상기 레이더 신호를 송신하기 전에 수신한 레이더 신호를 이용하여 공분산행렬 및 최종 적응빔 형성계수를 도출하는 단계; 및 (S22) 형성된 M개의 부배열 적응빔과 상기 최종 적응빔 형성계수를 곱하여 최종 적응빔을 형성하는 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한 본 발명은 「상기 디지털 배열 안테나 레이더의 적응빔 형성 방법을 구현하기 위하여 상기 디지털 배열 안테나 레이더를 제어하는 컴퓨터 상에서 수행되는 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램」을 함께 제공한다.
본 발명에 따른 디지털 배열 안테나 레이더의 적응빔 형성 방법 및 이의 실행을 위해 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램에 의하면 다수의 안테나를 이용하는 디지털 배열 안테나 레이더에서의 적응빔 형성이 성능 및 계산량 측면에서 효율적으로 이루어질 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의할 경우 디지털 배열 안테나 레이더의 각 부배열에서 적응빔 형성 시 리스닝 구간 데이터만 이용함으로써 재머가 일단 제거되고 각 부배열에서 형성된 적응빔을 이용하여 최종 적응빔 형성 시에는 클러터가 제거될 수 있어, 모든 간섭 신호를 효과적으로 제거할 수 있게 된다.
[도 1] 및 [도 2]는 종래의 MVDR(Minimum Variance Distortionless Response) 빔형성 방법에 의한 적응빔 형성 시의 문제점을 설명하기 위한 레이더 신호 그래프의 실시예이다.
[도 3]은 본 발명에 따른 디지털 배열 안테나 레이더의 적응빔 형성 방법의 순서도이다.
[도 4]는 본 발명에 따른 디지털 배열 안테나 레이더의 적응빔 형성 방법의 적용 모식도이다.
[도 5]는 본 발명에 따른 디지털 배열 안테나 레이더의 적응빔 형성 방법에 따라 얻어지는 레이더 신호 그래프의 실시예이다.
이하에서는 본 발명에 관하여 첨부한 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
[도 3]에는 본 발명에 따른 디지털 배열 안테나 레이더의 적응빔 형성 방법의 순서도가 도시되어 있고, [도 4]에는 본 발명에 따른 디지털 배열 안테나 레이더의 적응빔 형성 방법의 적용 모식도가 도시되어 있다.
[도 3]에 나타난 것과 같이 본 발명에 따른 디지털 배열 안테나 레이더의 적응빔 형성 방법은, K(K는 자연수)개의 안테나로 이루어진 M개의 부배열로 나누어지는 N(N은 M보다 큰 자연수)개의 안테나를 포함하여 구성되고, 상기 안테나를 통해 레이더 신호를 송신하고 수신하는 디지털 배열 안테나 레이더에서의 적응빔 형성 방법으로서, (S10) 상기 M개의 부배열에 대해 각각 부배열 적응빔을 형성하는 단계 및 (S20) 형성된 M개의 부배열 적응빔을 이용하여 최종 적응빔을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
구체적으로 상기 (S10)단계는, (S11) 상기 안테나를 통해 레이더 신호를 수신하는 단계, (S12) 수신한 레이더 신호를 통해 각 부배열의 안테나에서 수신한 재머 신호 또는 클러터 신호의 공분산행렬 및 상기 공분산행렬을 사용하는 부배열 적응빔 형성계수를 도출하는 단계, (S13) 상기 안테나를 통해 레이더 신호를 송신하고 수신하는 단계 및 (S14) 각 부배열의 안테나에서 수신된 신호와 상기 부배열 적응빔 형성계수의 곱을 통해 상기 M개의 부배열에 대해 각각 부배열 적응빔을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
상기 (S11)단계는 레이더 신호를 송신하기 전에서 일정시간 동안 수신만 하는 단계로서 리스닝 구간에 해당한다.
상기 (S12)단계는 수신한 레이더 신호를 통해 각 부배열의 안테나에서 수신한 재머 신호 또는 클러터 신호의 공분산행렬 및 상기 공분산행렬을 사용하는 부배열 적응빔 형성계수를 도출하는 단계이다. 구체적인 예로서 MVDR(Minimum Variance Distortionless Response) 알고리즘을 적용하여 본 단계가 수행될 경우, 수신한 레이더 신호를 통해 i번째 부배열의 안테나에서 수신한 재머 신호 또는 클러터 신호의 공분산행렬을
Figure 112016031046645-pat00001
라고 하면,
Figure 112016031046645-pat00002
(
Figure 112016031046645-pat00003
는 i번째 부배열 내의 안테나의 빔형성 방향에서 오는 신호에 대한 응답함수)과 같은 부배열 적응빔 형성계수를 도출하게 된다.
상기 (S13)단계는 상기 안테나를 통해 레이더 신호를 송신하고 수신하는 단계로서 본 단계에서 각 부배열에 수신된 신호는 부배열 적응빔을 형성하는데 사용되게 된다.
상기 (S14)단계는 상기 (S13)단계를 통해 각 부배열에 수신된 신호를 이용하여 상기 M개의 부배열에 대해 각각 부배열 적응빔을 형성하는 단계이다. 구체적인 예로서 MVDR 알고리즘을 적용할 경우, i번째 부배열의 안테나에서 수신된 신호
Figure 112016031046645-pat00004
와 상기 부배열 적응빔 형성계수의 곱 즉, 다음 식,
Figure 112016031046645-pat00005
와 같은 K×K 행렬의 역행렬 연산을 통해 상기 M개의 부배열에 대해 각각 부배열 적응빔을 형성하게 된다.
상기 (S10)단계는 종래의 부배열 적응빔 형성과 비교할 때, 상기 (S11)단계를 통해 레이더 신호의 수신만이 이루어진 다음, 상기 (S12)단계에서는 앞서 수신한 레이더 신호에 기초한 공분산행렬 및 상기 공분산행렬을 사용하는 부배열 적응빔 형성계수를 도출하고, 상기 (S13)단계를 통해 레이더 신호를 송신하고 수신한 다음, 상기 (S14) 단계를 통해 각 부배열에서 수신된 신호 및 상기 부배열 적응빔 형성계수를 곱하여 각 부배열의 적응빔을 형성하는 방식으로 진행되므로 재머 신호가 매우 효율적으로 제거된다.
상기 (S20)단계는, (S21) 형성된 M개의 부배열 적응빔에서 특정의 구간 및 상기 레이더 신호를 송신하기 전에 수신한 레이더 신호를 이용하여 공분산행렬 및 최종 적응빔 형성계수를 도출하는 단계 및 (S22) 형성된 M개의 부배열 적응빔과 상기 최종 적응빔 형성계수를 곱하여 최종 적응빔을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
상기 (S20)단계는 종래의 최종 적응빔 형성 방법과 비교할 때, 상기 (S10)단계를 통해 재머 신호가 효율적으로 제거된 부배열 적응빔을 이용하여 최종 적응빔을 형성하는 방식으로 진행되므로 클러터 신호의 제거가 효율적으로 이루어지게 된다.
[도 5]에는 본 발명에 따른 디지털 배열 안테나 레이더의 적응빔 형성 방법에 따라 얻어지는 레이더 신호 그래프의 실시예가 나타나 있다.
[도 5]의 실시예에서 40도에 표적이 존재하고, 재머와 클러터가 각각 5도와 -38도에 존재한다고 할 때, 본 발명에 의할 경우 각 부배열 내에서 부배열 적응빔 형성 시 리스닝 구간 데이터만 이용함으로써 재머 신호가 일단 제거되고 각 부배열에서 형성된 적응빔을 이용하여 최종 적응빔 형성 시에는 클러터 신호가 제거 됨으로써 모든 간섭신호가 효과적으로 제거된 것을 확인할 수 있다.
이와 달리 종래와 같이 부배열에 대해서는 일반빔 형성을 하고 후에 부배열 채널을 이용해 리스닝 구간을 적용하여 최종 적응빔 형성을 할 경우 리스닝 구간에는 클러터 신호가 없으므로 클러터가 있는 -38도 부분에는 높은 배열안테나 이득으로 클러터 제거가 효과적이지 못할 것이다.
한편 본 발명에 따른 디지털 배열 안테나 레이더의 적응빔 형성 방법은 이를 구현하기 위한 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현됨으로써, 컴퓨터를 통해 판독될 수 있는 기록매체에 포함되어 제공될 수도 있음은 통상의 기술자가 쉽게 이해할 수 있다.
즉 본 발명에 따른 디지털 배열 안테나 레이더의 적응빔 형성 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 형태로 구현되어, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 기록될 수 있으며, 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에는 하드 디스크와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리, USB 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
따라서 본 발명은 상기 디지털 배열 안테나 레이더의 적응빔 형성 방법을 구현하기 위하여 상기 디지털 배열 안테나 레이더를 제어하는 컴퓨터 상에서 수행되는 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램을 함께 제공한다.
이상에서 본 발명에 대하여 구체적인 실시예와 함께 상세하게 살펴보았다. 그러나 본 발명은 위의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니며 요지를 벗어남이 없는 범위에서 수정 및 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이와 같은 수정 및 변형을 포함한다.
없음

Claims (4)

  1. K(K는 자연수)개의 안테나로 이루어진 M개의 부배열로 나누어지는 N(N은 M보다 큰 자연수)개의 안테나를 포함하여 구성되고, 상기 안테나를 통해 레이더 신호를 송신하고 수신하는 디지털 배열 안테나 레이더에서의 적응빔 형성 방법으로서,
    (S10) 상기 M개의 부배열에 대해 각각 재머 신호가 제거된 부배열 적응빔을 형성하는 단계; 및
    (S20) 재머 신호가 제거되어 형성된 M개의 부배열 적응빔을 이용하여 클러터 신호가 제거된 최종 적응빔을 형성하는 단계; 를 포함하며,
    상기 (S10)단계는,
    (S11) 상기 안테나를 통해 레이더 신호를 송신하기 전에 리스닝 구간 동안 레이더 신호를 수신하는 단계;
    (S12) 상기 수신한 레이더 신호를 통해 각 부배열의 안테나에서 수신한 재머 신호 또는 클러터 신호의 공분산행렬 및 상기 공분산행렬을 사용하는 부배열 적응빔 형성계수를 도출하는 단계;
    (S13) 상기 안테나를 통해 레이더 신호를 송신하고 수신하는 단계; 및
    (S14) 각 부배열의 안테나에서 수신된 신호와 상기 부배열 적응빔 형성계수의 곱을 통해 상기 M개의 부배열에 대해 각각 재머 신호가 제거된 부배열 적응빔을 형성하는 단계; 를 포함하고,
    상기 (S20)단계는,
    (S21) 재머 신호가 제거되어 형성된 M개의 부배열 적응빔에서 특정의 구간 및 상기 레이더 신호를 송신하기 전에 수신한 레이더 신호를 이용하여 공분산행렬 및 최종 적응빔 형성계수를 도출하는 단계; 및
    (S22) 재머 신호가 제거되어 형성된 M개의 부배열 적응빔과 상기 최종 적응빔 형성계수를 곱하여 클러터 신호가 제거된 최종 적응빔을 형성하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 디지털 배열 안테나 레이더의 적응빔 형성 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항의 디지털 배열 안테나 레이더의 적응빔 형성 방법을 구현하기 위하여 상기 디지털 배열 안테나 레이더를 제어하는 컴퓨터 상에서 수행되는 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램.
KR1020160039063A 2016-03-31 2016-03-31 디지털 배열 안테나 레이더의 적응빔 형성 방법 및 이의 실행을 위해 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램 KR101712425B1 (ko)

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