KR101753720B1 - 레이더 장치, 레이더 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

레이더 장치, 레이더 제어장치 및 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이더 장치, 레이더 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 레이더 방정식을 통해 거리(Range)의 제곱값에 반비례하도록 결정되는 반사 수신 전력값(Pr)을 산출하고, STC(Sensitivity Time Control) 곡선에 의한 감쇠율로 상기 산출된 반사 수신 전력값을 감쇠시키며, CFAR(Constant False Alarm Rate) 알고리즘을 통해 가변적인 검출 임계값을 적용하여 이상 신호와 목표 신호를 구분하도록 마련된 제어부를 포함하는 레이더 장치가 제공된다.

Description

레이더 장치, 레이더 제어장치 및 제어방법{RADAR apparatus, apparatus and method for controlling RADAR}
발명은 레이더 장치, 레이더 제어장치 및 제어방법으로서, 특히 이동형 펄스-도플러 레이더의 근거리 클러터 영향을 개선할 수 있는 레이더 장치, 레이더 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.
이동형 기동장비에 탑재 설치되는 펄스-도플러 레이더는 전방감시로 생존성을 위해 운용되는 장비이다. 그러나 군 작전 및 운용환경 특성상 야지 등 지형이 험난하고 전방에 장애물(바위, 나무 등)이 있는 경우가 많다.
이러한 장애물이 많은 환경에서 펄스-도플러 레이더를 운용할 경우 근거리에 있는 장애물(근거리 클러터)로 인해 매우 큰 반사 전력이 펄스-레이더 수신기에 수신된다. 그 결과 능동소자(믹서, 앰프 등)가 처리할 수 있는 수신 한계점(능동소자 비선형 구간)을 넘어서게 되고, 능동소자의 비선형 특성으로 인해 오작동 및 운용 불능 상태가 발생한다.
본 발명은 군 작전 및 운용환경에 적합하도록 이동형 기동장비에 탑재 설치되는 펄스-도플러 레이더의 근거리 클러터 영향을 쉽게 수정 적용할 수 있는 레이더 장치, 레이더 제어장치 및 제어방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 하기 일반식 1에 의해 반사 수신 전력값(Pr)을 산출하기 위한 수신 신호 처리부를 포함하는 레이더 제어장치가 제공된다.
[일반식 1]
Figure 112015093325046-pat00001
상기 일반식 1에서, Pt는 송신전력, G는 안테나 이득, λ는 파장, ŋ은 볼륨 반사율, △R은 거리 분해능, θ3dB는 3dB 빔폭(방위), φ3dB는 3dB 빔폭(고도), k는 볼츠만 상수, Ts는 노이즈 온도, B는 대역폭, L은 레이더 손실, R은 거리를 나타낸다.
또한, 상기 레이더 제어장치는, STC(Sensitivity Time Control) 곡선에 의한 감쇠율로 상기 산출된 반사 수신 전력값을 감쇠시키기 위한 STC 처리부 및 가변적인 검출 임계값을 적용하여 이상 신호와 목표 신호를 구분하기 위한 CFAR(Constant False Alarm Rate) 처리부를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 레이더는 이동형 펄스-도플러 레이더일 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 일반식 1에 의해 반사 수신 전력값(Pr)을 산출하기 위한 수신 신호 처리단계를 포함하는 레이더 제어방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 레이더 방정식을 통해 거리(Range)의 제곱값에 반비례하도록 결정되는 반사 수신 전력값(Pr)을 산출하고, STC(Sensitivity Time Control) 곡선에 의한 감쇠율로 상기 산출된 반사 수신 전력값을 감쇠시키며, CFAR(Constant False Alarm Rate) 알고리즘을 통해 가변적인 검출 임계값을 적용하여 이상 신호와 목표 신호를 구분하도록 마련된 제어부를 포함하는 레이더 장치가 제공된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 적어도 일 실시예에 따르면, 근거리 클러터의 영향을 최소화시키기 위해 레이더 방정식을 이용한 STC 값을 선정하고, 기존에 고정값으로 설정되었던 CFAR의 임계치를 거리에 따라 차등 적용함으로써 근거리 클러터로 인한 오경보 발생을 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 레이더 제어장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 레이더 제어장치에 적용되는 레이더 방정식의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 레이더 제어장치에 적용되는 STC 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 레이더 제어장치에 적용되는 CFAR 처리기에서 임계치를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 일 실시예와 관련된 레이더 장치는, 레이더 방정식을 통해 거리(Range)의 제곱값에 반비례하도록 결정되는 반사 수신 전력값(Pr)을 산출하고, STC(Sensitivity Time Control) 곡선에 의한 감쇠율로 상기 산출된 반사 수신 전력값을 감쇠시키며, CFAR(Constant False Alarm Rate) 알고리즘을 통해 가변적인 검출 임계값을 적용하여 이상 신호와 목표 신호를 구분하도록 마련된 제어부(100)를 포함한다.
또한, 상기 제어부(100)는 레이더 제어장치라 지칭될 수 있다.
또한, 본 문서에서, 상기 레이더는 기동 장비에 장착되는 이동형 펄스-도플러 레이더일 수 있으며, 이하, 설명의 편의를 위하여, 이동형 펄스-도플러 레이더인 경우를 예로 들어 설명하다.
또한, 상기 레이더 방정식은 하기 일반식 1이다.
[일반식 1]
Figure 112015093325046-pat00002
상기 일반식 1에서, Pr은 반사 수신 전력(Received power), Pt는 송신 전력(Transmitted power), G는 안테나 이득(Antenna gain), λ는 파장(Wave length), ŋ은 볼륨 반사율(Volume reflectivity), △R은 거리 분해능(Range resolution), θ3dB는 3dB 빔폭(beamwidth)(방위), φ3dB는 3dB 빔폭(beamwidth)(고도), k는 볼츠만 상수(Boltzman's constant), Ts는 노이즈 온도(System noise temperature), B는 대역폭(Bandwidth), L은 레이더 손실(RADAR loss), R은 거리(Range)를 나타낸다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치, 레이더 제어장치 및 제어방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 레이더 제어장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 레이더 제어장치에 적용되는 레이더 방정식의 결과를 나타내는 그래프이다.
또한, 도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 레이더 제어장치에 적용되는 STC 곡선을 나타내는 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 레이더 제어장치에 적용되는 CFAR 처리기에서 임계치를 나타내는 그래프이다.
일반적으로 고정형 펄스-도플러 레이더의 경우 레이더를 설치하기 전에 근거리 클러터를 발생시키는 주변 장애물 지형정보를 수집하고, 레이더 운영에 영향 주는 근거리 클러터로부터 수신된 큰 수신전력을 일정량 감쇠값을 주도록 기능을 설정하여 레이더를 설치 운영한다.
그러나 이동형 펄스-도플러 레이더의 경우에는 근거리 클러터를 발생시키는 주변 장애물이 항시 변동이 일어나기 때문에 고정형 펄스-도플러 레이더와 같이 고정된 감쇠값을 설정하기 어려움이 있다. 또한, 고정된 감쇠값을 미리 설정할 경우 근거리에서 탐지된 신호 정보에 대한 검출 능력 저하가 발생된다.
레이더 방정식(Radar equation)은 레이더 전파가 자유 공간을 전파하여 목표물에 닿아서 반사되어 다시 레이더로 돌아오는 경우의 관계식으로서, 레이더의 송신 전력, 안테나 이득, 파장, 목표물의 유효 반사 면적, 목표물까지의 거리, 수신기 입력 전력 등의 파라미터를 관련짓는 수식을 의미한다.
이하 본 발명과 관련된 레이더 장치, 레이더 제어장치 및 제어방법에 적용되는 일반식 1이 도출되는 과정을 구체적으로 설명한다.
통상 목표물을 지점(Point target)으로 가정하여, 물체로부터 반사되어 수신되는 전력(Pr)은 하기 일반식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[일반식 2]
Figure 112015093325046-pat00003
상기 일반식 2에서, Pt는 송신전력(Transmitted power), G는 안테나 이득(Antenna gain), λ는 파장(Wavelength), σ는 레이더 면적(RADAR cross section), k는 볼츠만 상수(Boltzman's constant), Ts는 노이즈 온도(Noise temperature), B는 대역폭(Bandwidth), L은 레이더 손실(RADAR loss), R은 거리(Range)를 나타낸다.
상기 일반식 2는 공중에 있는 지점(Point Target)을 기준으로 산출된 포인트 스캐터러(Point scatterer) 레이더 방정식이기 때문에 근거리 클러터와 같은 면적(Volume Target) 반사 수신 전력값으로 적용하기에 오차가 존재한다. 따라서 면적(Volume Target) 반사 수신 전력값을 계산하기 위해서는 하기와 같은 일반식 3을 이용하여 일반식 2로부터 상기 일반식 1로 전개할 수 있다.
[일반식 3]
Figure 112015093325046-pat00004
상기 일반식 3에서, Ω은 입체각 요소(solid angle element)를 나타낸다.
상기 일반식 3을 이용하여, 일반식 2의 레이더 면적(σ)을 확장 전개하면 일반식 1을 도출할 수 있다.
여기서 일반식 1과 일반식 2를 비교하면, 일반식 2에 의한 수신전력(Pr)은 1/R4의 종속변수의 의해 결정되며, 일반식 1에 의한 수신전력(Pr)은 1/R2의 종속변수에 의해 결정된다.
이와 같은, 수식 비교를 통해, 일반식 1(Volume scatterer RADAER equation)에 의한 경우보다 일반식 2(Point scatterer RADAR equation)에 의한 경우에 보다 큰 전력이 수신기에 수신됨을 확인할 수 있으며, 근거리 클러터의 영향으로 수신단이 R2배 쉽게 포화될 수 있음을 확인할 수 있다.
도 2는 거리에 따라 2개의 레이더 방정식을 비교한 결과이다. 도 2를 참조하면, L1은 일반식 1에 따른 곡선을 나타내고, L2는 일반식 2에 따른 곡선을 나타낸다. 레이더 운용거리에 따라 근거리 클러터에 의한 영향을 분석할 경우 일반식 2를 ㅎ호활용하여 원하는 거리의 수신전력 값을 산출하였으며, 산출된 값을 기초로 하여 레이더 수신기 포화를 막기 위한 수신전력 감쇠값을 설정할 수 있다.
도 1을 참조하면, 레이더 제어장치(100)는 상기 일반식 1에 의해 반사 수신 전력값(Pr)을 산출하기 위한 수신 신호 처리부(110)를 포함한다.
또한, 상기 레이더 제어장치(100)는 STC(Sensitivity Time Control) 곡선에 의한 감쇠율로 상기 산출된 반사 수신 전력값을 감쇠시키기 위한 STC 처리부(120) 및 가변적인 검출 임계값(VThreshold)을 적용하여 이상 신호와 목표 신호를 구분하기 위한 CFAR(Constant False Alarm Rate) 처리부(130)를 추가로 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, STC(Sensitivity Time Control)처리부(120)의 주요 기능은 근거리 클러터로부터 반사된 큰 수신 전력이 안테나를 타고 들어올 경우 큰 전력을 가진 수신신호를 일정 수준으로 감쇠시켜 레이더 수신단이 큰 전력수신신호에 의해 포화되지 않도록 보호해주는 기능을 수행한다.
도 4를 참조하면, CFAR(Constant False Alarm Rate) 처리부(130)는 배경잡음, 장애물 및 클러터가 존재하는 환경에서 우리가 원하는 표적 정보를 선택 탐지 가능하도록 만들어 주는 레이더에서 일반적으로 쓰이는 CFAR 알고리즘을 처리하도록 마련되며, 주요 역할은 원하는 표적에 반사되어 들어오는 신호를 각종 잡음으로부터 구분하는 것이며, 이를 위하여 임계치(VThreshold)를 설정하여 이상 신호와 목표 신호를 구분할 수 있도록 한다. CFAR 처리부에서 임계치(VThreshold)는 다음과 같은 일반식 4에 의해 결정될 수 있다.
[일반식 4]
Figure 112015093325046-pat00005
상기 일반식 4에서, Ψ2은 노이즈 전력(Noise power)을 나타내고, Pfa는 오경보 확률(False alarm probability)를 나타낸다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 레이더의 제어방법은, 상기 일반식 1에 의해 반사 수신 전력값(Pr)을 산출하기 위한 수신 신호 처리단계를 포함한다.
또한, 레이더의 제어방법은, STC(Sensitivity Time Control) 곡선에 의한 감쇠율로 상기 산출된 반사 수신 전력값을 감쇠시키기 위한 STC 처리단계 및 가변적인 검출 임계값을 적용하여 이상 신호와 목표 신호를 구분하기 위한 CFAR(Constant False Alarm Rate) 처리단계를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 레이더의 제어방법은 알고리즘의 형태로 레이더 제어장치에 적용될 수 있고, 레이더 제어장치는 제어부로서 레이더 장치에 적용될 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100: 제어부
110: 수신 신호 처리부
120: STC 처리부
130: CFAR 처리부

Claims (9)

  1. 하기 일반식 1에 의해 반사 수신 전력값(Pr)을 산출하기 위한 수신 신호 처리부;
    STC(Sensitivity Time Control) 곡선에 의한 감쇠율로 상기 산출된 반사 수신 전력값을 감쇠시키기 위하여 일반식 2를 활용하는 STC 처리부; 및
    가변적인 검출 임계값을 적용하여 이상 신호와 목표 신호를 구분하기 위한 CFAR(Constant False Alarm Rate) 처리부를 포함하는 레이더 제어장치:
    [일반식 1]
    Figure 112017006221531-pat00013

    상기 일반식 1에서, Pt는 송신전력, G는 안테나 이득, λ는 파장, ŋ은 볼륨 반사율, △R은 거리 분해능, θ3dB는 3dB 빔폭(방위), φ3dB는 3dB 빔폭(고도), k는 볼츠만 상수, Ts는 노이즈 온도, B는 대역폭, L은 레이더 손실, R은 거리를 나타낸다:
    [일반식 2]
    Figure 112017006221531-pat00014

    상기 일반식 2에서, Pt는 송신전력(Transmitted power), G는 안테나 이득(Antenna gain), λ는 파장(Wavelength), σ는 레이더 면적(RADAR cross section), k는 볼츠만 상수(Boltzman's constant), Ts는 노이즈 온도(Noise temperature), B는 대역폭(Bandwidth), L은 레이더 손실(RADAR loss), R은 거리(Range)를 나타낸다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 CFAR(Constant False Alarm Rate) 처리부는 하기 일반식 4에 의해 결정되는 가변적인 검출 임계값을 적용하여 이상 신호와 목표 신호를 구분하는 레이더 제어장치:
    [일반식 4]
    Figure 112017006221531-pat00015

    상기 일반식 4에서, Ψ2은 노이즈 전력(Noise power)을 나타내고, Pfa는 오경보 확률(False alarm probability)를 나타낸다.
  3. 제 1 항에 있어서,
    레이더는 이동형 펄스-도플러 레이더인 레이더 제어장치.
  4. 하기 일반식 1에 의해 반사 수신 전력값(Pr)을 산출하기 위한 수신 신호 처리단계;
    STC(Sensitivity Time Control) 곡선에 의한 감쇠율로 상기 산출된 반사 수신 전력값을 감쇠시키기 위하여 일반식 2를 활용하는 STC 처리단계; 및
    가변적인 검출 임계값을 적용하여 이상 신호와 목표 신호를 구분하기 위한 CFAR(Constant False Alarm Rate) 처리단계를 포함하는 레이더 제어방법:
    [일반식 1]
    Figure 112017006221531-pat00016

    상기 일반식 1에서, Pt는 송신전력, G는 안테나 이득, λ는 파장, ŋ은 볼륨 반사율, △R은 거리 분해능, θ3dB는 3dB 빔폭(방위), φ3dB는 3dB 빔폭(고도), k는 볼츠만 상수, Ts는 노이즈 온도, B는 대역폭, L은 레이더 손실, R은 거리를 나타낸다:
    [일반식 2]
    Figure 112017006221531-pat00017

    상기 일반식 2에서, Pt는 송신전력(Transmitted power), G는 안테나 이득(Antenna gain), λ는 파장(Wavelength), σ는 레이더 면적(RADAR cross section), k는 볼츠만 상수(Boltzman's constant), Ts는 노이즈 온도(Noise temperature), B는 대역폭(Bandwidth), L은 레이더 손실(RADAR loss), R은 거리(Range)를 나타낸다.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 CFAR(Constant False Alarm Rate) 처리단계는 하기 일반식 4에 의해 결정되는 가변적인 검출 임계값을 적용하여 이상 신호와 목표 신호를 구분하는 레이더 제어방법:
    [일반식 4]
    Figure 112017006221531-pat00018

    상기 일반식 4에서, Ψ2은 노이즈 전력(Noise power)을 나타내고, Pfa는 오경보 확률(False alarm probability)를 나타낸다.
  6. 제 4 항에 있어서,
    레이더는 이동형 펄스-도플러 레이더인 레이더 제어방법.
  7. 하기 일반식 1의 레이더 방정식을 통해 거리(Range)의 제곱값에 반비례하도록 결정되는 반사 수신 전력값(Pr)을 산출하고, STC(Sensitivity Time Control) 곡선에 의한 감쇠율로 상기 산출된 반사 수신 전력값을 감쇠시키기 위하여 하기 일반식 2를 활용하며, CFAR(Constant False Alarm Rate) 알고리즘을 통해 가변적인 검출 임계값을 적용하여 이상 신호와 목표 신호를 구분하도록 마련된 제어부를 포함하는 레이더 장치:
    [일반식 1]
    Figure 112017006221531-pat00019

    상기 일반식 1에서, Pt는 송신전력, G는 안테나 이득, λ는 파장, ŋ은 볼륨 반사율, △R은 거리 분해능, θ3dB는 3dB 빔폭(방위), φ3dB는 3dB 빔폭(고도), k는 볼츠만 상수, Ts는 노이즈 온도, B는 대역폭, L은 레이더 손실, R은 거리를 나타낸다:
    [일반식 2]
    Figure 112017006221531-pat00020

    상기 일반식 2에서, Pt는 송신전력(Transmitted power), G는 안테나 이득(Antenna gain), λ는 파장(Wavelength), σ는 레이더 면적(RADAR cross section), k는 볼츠만 상수(Boltzman's constant), Ts는 노이즈 온도(Noise temperature), B는 대역폭(Bandwidth), L은 레이더 손실(RADAR loss), R은 거리(Range)를 나타낸다.
  8. 제 7 항에 있어서,
    레이더는 기동 장비에 장착되는 이동형 펄스-도플러 레이더인 레이더 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 CFAR(Constant False Alarm Rate) 알고리즘은 하기 일반식 4에 의해 결정되는 가변적인 검출 임계값을 적용하여 이상 신호와 목표 신호를 구분하는 레이더 장치:
    [일반식 4]
    Figure 112017006221531-pat00021

    상기 일반식 4에서, Ψ2은 노이즈 전력(Noise power)을 나타내고, Pfa는 오경보 확률(False alarm probability)를 나타낸다.
KR1020150135478A 2015-09-24 2015-09-24 레이더 장치, 레이더 제어장치 및 제어방법 KR101753720B1 (ko)

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김장은 외 3명, 차기 전차 펄스-도플러 레이더 근거리 클러터 영향 개선. 한국품질경영학회 추계학술발표논문집, 2014, 2014권0호, pp.350-351

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