KR101768587B1 - Covariance matrix estimation method for reducing nonstationary clutter and heterogeneity clutter - Google Patents

Covariance matrix estimation method for reducing nonstationary clutter and heterogeneity clutter Download PDF

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KR101768587B1
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전현무
배창식
양훈기
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국방과학연구소
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Abstract

The present invention relates to a covariance matrix estimation method for a radar system, capable of improving the target detection performance by efficiently removing a nonstationary clutter and a heterogeneous clutter in a radar receiving signal. The covariance matrix estimation method includes: a step of calculating a first covariance matrix by using operation information of a transmitter and a receiver corresponding to a test cell of the receiving signal; a step of estimating a second covariance matrix from small amounts of secondary data except for the test cell in the receiving signal; a step of obtaining a final covariance matrix including both a nonstationary clutter element and a heterogeneous clutter element by multiplying a weighted value to each of the first covariance matrix and the second covariance matrix and composing the same; and a step of removing the nonstationary clutter element and the heterogeneous clutter element by applying a filter to the final covariance matrix.

Description

비정상 클러터 및 이종 클러터 억제를 위한 공분산 행렬 추정방법{COVARIANCE MATRIX ESTIMATION METHOD FOR REDUCING NONSTATIONARY CLUTTER AND HETEROGENEITY CLUTTER}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a covariance matrix estimation method for suppressing abnormal clutter and heterogeneous clutter,

본 발명은 레이더 시스템의 표적 탐지에 관한 것으로, 특히 레이더 수신신호에서 비정상 (Nonstationary) 클러터와 이종 (Heterogeneous) 클러터를 요율적으로 제거하여 표적의 탐지 성능을 향상시킬 수 있는 공분산 행렬 추정방법에 관한 것이다. The present invention relates to a target detection of a radar system, and more particularly, to a covariance matrix estimation method capable of improving target detection performance by eliminating nonstationary clutter and heterogeneous clutter in a radar received signal .

레이더 수신 신호는 표적에 의해 산란된 표적 신호와 주변 환경들에 의해 산란된 클러터 및 잡음으로 구성된다. 그러므로 클러터 성분들은 표적 신호에 간섭을 주게 되며, 클러터 신호가 강한 경우 표적 신호를 마스킹(Masking)하여 표적 탐지를 어렵게 한다. 그러므로, 표적(desired target) 탐지율을 높이기 위해서는 수신 신호로부터 클러터 신호를 효율적인 억제하는 기술이 요구된다. The radar received signal consists of the target signal scattered by the target and the clutter and noise scattered by the surrounding environment. Therefore, the clutter components interfere with the target signal, and when the clutter signal is strong, masking the target signal makes it difficult to detect the target. Therefore, in order to increase the target (target) detection rate, a technology for efficiently suppressing the clutter signal from the received signal is required.

수신 신호로부터 SINR(signal-to-interference-plus-noise ratio)을 최대로 만들기 위한 최적의 가중치는

Figure 112016045906016-pat00001
로 알려져 있다. 여기서 μ는 상수이고 R는 클러터 성분과 잡음성분의 공분산 행렬이고 s는 표적신호이다. 최적의 가중치(
Figure 112016045906016-pat00002
)로부터 클러터 성분들을 적절히 제거하기 위해서는 클러터와 잡음으로 구성된 간섭신호의 공분산 행렬(R)을 알아야 한다. The optimal weight to maximize the signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR)
Figure 112016045906016-pat00001
. Where μ is a constant, R is the covariance matrix of the clutter component and the noise component, and s is the target signal. Optimum weighting (
Figure 112016045906016-pat00002
), We need to know the covariance matrix (R) of the interference signal consisting of clutter and noise.

그런데, 실질적으로는 간섭신호의 공분산 행렬(R)을 알 수 없기 때문에 수신 신호에서 테스트 셀(Test cell)을 제외한 2차(Secondary) 데이터들로부터 공분산 행렬(R)을 추정하여야 한다. 상기 공분산 행렬을 추정하기 위한 대표적인 기법은 최대우도(Maximum-Likelihood : ML) 추정기법으로, 동일한 조건에서 독립적으로 반복 시행하는 IID(Gaussian Independent and Identically Distributed) 가정하에 평균을 취함으로써 얻을 수 있다. 상기 ML 추정 기법은 2차 데이터의 양(개수)이 많아질수록 점근적으로 실제 공분산 행렬로 수렴한다는 장점이 있다.However, since the covariance matrix R of the interference signal can not be determined substantially, it is necessary to estimate the covariance matrix R from the secondary data excluding the test cell in the received signal. A typical technique for estimating the covariance matrix is a maximum likelihood (ML) estimation technique, which can be obtained by taking an average under an IID (Gaussian Independent and Identically Distributed) assumption which is repeated independently under the same conditions. The ML estimation scheme has an advantage of converging to an actual covariance matrix as the quantity (number) of the secondary data increases.

Reed, Mallet, and Brennan(RMB) rule은 ML 추정 기법에 대하여 평균적으로 3dB 손실(Loss) 이내로 갖기 위하여 2NM 개의 IID한 2차 데이터가 필요함을 보였다. 여기서 N과 M은 각각 안테나 엘리먼트(element) 개수와 펄스의 개수를 나타낸다. RMB rule로부터 레이더 환경에서 2NM개의 데이터를 수집하는 것은 실질적으로 불가능함을 알 수 있고, 클러터가 변화하는 환경에 대해서 IID 가정은 적합하지 않기 때문에, 단순히 ML추정 기법으로부터 얻은 공분산 행렬을 가중치(

Figure 112016045906016-pat00003
)에 적용하면 이상적인(Ideal) 경우에 비해 상당한 오차가 발생함을 예측할 수 있다. Reed, Mallet, and Brennan (RMB) rule showed that 2NM second order data is needed to have within 3dB loss (Loss) average for ML estimation technique. Where N and M represent the number of antenna elements and the number of pulses, respectively. Since it is practically impossible to collect 2NM data from the RMB rule in the radar environment and since the IID assumption is not appropriate for the environment in which the clutter changes, we simply add the covariance matrix obtained from the ML estimation method to the weights
Figure 112016045906016-pat00003
), It can be predicted that a considerable error occurs as compared with the ideal case.

실제 환경에서 클러터는 크게 두 가지에 의해 영향을 받는다. 첫 번째는 클러터의 이질성(Heterogeneity)으로 반사율(reflectivity)이 변하거나, 쉐도잉 (Shadowing), 그리고 이산(Discrete) 클러터에 의해 발생되고, 두 번째는 레이더 시스템의 이동 플랫폼에 의해서 Geometry-induced Angle-Doppler 변화가 발생하는 비정상(Nonstationary) 클러터가 주요인이 된다. 완벽한 측방 관측 어레이 (Sidelooking array)를 사용하는 모노스태틱(monostatic) 레이더에서 레이더 시스템의 이동속도가 CPI에 비해 작은 경우 정상(Stationary) 클러터를 얻는다고 가정할 수 있다. In a real environment, clutter is largely influenced by two factors. The first is the heterogeneity of clutter, which is caused by reflectivity change, shadowing, and discrete clutter. Second, the geometry-induced The nonstationary clutter in which the Angle-Doppler change occurs is the main factor. In a monostatic radar using a complete sidelooking array, it can be assumed that the stationary clutter is obtained if the radar system travels less than the CPI.

하지만 이런 경우를 제외한 모노스태틱 레이더 환경과 바이스태틱 레이더 및 멀티스태틱 레이더 환경에서는, Angle-Doppler의 비선형적인 관계에 의해서 비정상(Nonstationary) 클러터가 발생하게 된다. 그러므로 Nonstationary한 환경에서 많은 개수의 2차 데이터를 이용하는 것은 적합하지 않으므로 적은 수의 2차데이터를 이용한 공분산 행렬(R)을 추정하는 기법들이 요구된다. 이에 따른 기법들은 여러 분야에서 연구되고 있으며 데이터의 수를 줄이는 다양한 추정 기법들이 제안되어 있다. 또한 Geometry에 의해 발생하는 Nonstationary 클러터를 억제하기 위해서 레이더 시스템과 클러터간의 Geometry variation을 보상하여 정상(Stationary) 클러터 신호를 갖도록 처리하는 기법들이 연구되었다. However, in a monostatic radar environment, a bistatic radar, and a multi-static radar environment, the non-linearity of the Angle-Doppler causes a nonstationary clutter. Therefore, it is not suitable to use a large number of secondary data in a nonstationary environment. Therefore, techniques for estimating a covariance matrix R using a small number of secondary data are required. These techniques have been studied in various fields and various estimation techniques have been proposed to reduce the number of data. Also, in order to suppress the nonstationary clutter caused by the geometry, techniques have been studied to compensate the geometrical variation between the radar system and the clutter and to have a stationary clutter signal.

하지만 적은 양의 2차데이터로부터 얻은 공분산 행렬을 추정하는 기법은 이종(Heterogeneous) 클러터 정보는 갖고 있지만 테스트 셀의 Geometry-induced Angle-Doppler 클러터 정보는 갖고 있지 않은 문제점이 발생한다. 또한 상기 Geometry variation을 보상하는 기법은 이종 클러터 정보를 포함하고 있지 않기 때문에 이산(Discrete) 클러터나 클러터 크기(amplitude)의 변화가 있는 환경에서 클러터 억제 성능을 저하시키게 된다. However, the technique of estimating the covariance matrix obtained from a small amount of secondary data has heterogeneous clutter information but does not have geometry-induced Angle-Doppler clutter information of the test cell. Also, since the geometry variation compensation method does not include heterogeneous clutter information, the clutter suppression performance is degraded in a discrete clutter or clutter amplitude environment.

본 발명의 목적은 비정상(Nonstationary) 클러터와 이종 (Heterogeneous) 클러터 성분을 모두 포함하는 공분산 행렬 추정방법을 제공하는데 있다. It is an object of the present invention to provide a covariance matrix estimation method including both a nonstationary clutter and a heterogeneous clutter component.

본 발명의 다른 목적은 수신신호에서 비정상 클러터와 이종 클러터 성분을 제거하여 클러터 억제 성능을 높일 수 있는 공분산 행렬 추정방법을 제공하는데 있다. It is another object of the present invention to provide a covariance matrix estimation method capable of improving clutter suppression performance by removing an abnormal clutter and a heterogeneous clutter component in a received signal.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 레이더 시스템의 공분산 행렬 추정방법은, 수신신호의 테스트 셀에 해당하는 송신기와 수신기의 운용정보를 이용하여 제1공분산 행렬을 계산하는 단계; 수신 신호에서 테스트 셀을 제외한 적은 양의 2차 데이터로부터 제2공분산 행렬을 추정하는 단계; 상기 제1,제2공분산 행렬에 각각 가중치를 곱한 후 합성하여 비정상 (Nonstationary) 클러터 성분과 이종 (Heterogeneous) 클러터 성분이 모두 포함된 최종 공분산 행렬을 구하는 단계; 및 상기 최종 공분산 행렬에 필터를 적용하여 비정상 클러터 성분과 이종 클러터 성분을 동시에 제거하는 단계;를 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method of estimating a covariance matrix of a radar system, comprising: calculating a first covariance matrix using operation information of a transmitter and a receiver corresponding to a test cell of a received signal; Estimating a second covariance matrix from a small amount of second order data excluding a test cell from a received signal; Multiplying the first and second covariance matrices by weights, respectively, to obtain a final covariance matrix including both a nonstationary clutter component and a heterogeneous clutter component; And applying a filter to the final covariance matrix to remove both the abnormal clutter component and the heterogeneous clutter component at the same time.

본 발명의 실시예에 따라, 상기 운용정보는 정보로 송신기와 수신기의 이동 경로 및 속도를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the operation information may include a route and a speed of a transmitter and a receiver as information.

본 발명의 실시예에 따라, 상기 합성 단계는 최종 공분산 행렬을 고유 분해(eigen-decomposition)하는 단계; 최종 공분산 행렬의 고유값(eigen-values) 대비 분산값이 최대가 되는 제1,제2가중치를 구하는 단계; 및 상기 구한 제1,제2가중치를 상기 제1,제2공분산 행렬에 각각 곱한 후 합성하는 단계;를 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the combining step includes eigen-decomposing a final covariance matrix; Obtaining first and second weights that maximize the variance of eigen-values of the final covariance matrix; And multiplying the first and second weights by the first and second covariance matrices, respectively, and combining the first and second weights.

본 발명은 클러터를 억제하기 위한 Space-time adaptive processing의 일 실시예로 레이더의 송신단과 수신단의 이동 경로 및 속도에 대한 사전정보와 적은 트레이닝(Training) 데이터로부터 얻은 공분산 행렬을 이용하여 테스트 셀의 비정상 (Nonstationary 클러터)와 이종(Heterogeneous) 클러터를 제거하기 위한 공분산 행렬을 합성한다. 따라서, 본 발명에 따라 합성된 공분산 행렬은 비정상 클러터와 이종 클러터 성분들의 정보를 모두 포함하고 있어 최적의 가중치에 적용될 수 있으며 클터터 억제 성능을 높일 수 있고 이에 따른 표적의 탐지 성능도 향상 시킬 수 있는 효과가 있다. The present invention relates to space-time adaptive processing for suppressing clutter, and is a method for improving the performance of a test cell by using a covariance matrix obtained from a training data and prior information on a moving path and a velocity of a transmitting end and a receiving end of a radar, We construct a covariance matrix to remove abnormal (nonstationary clutter) and heterogeneous clutter. Therefore, the covariance matrices synthesized according to the present invention include both abnormal clutter and heterogeneous clutter components information, which can be applied to the optimal weight, and can improve the cluster suppression performance and improve the detection performance of the target There is an effect that can be.

도 1은 본 발명이 적용되는 레이더 시스템의 구조(Geometry).
도 2는 본 발명에 적용되는 레이더 시스템의 수신 장치의 블록도.
도 3은 표적신호와 클러터 신호가 포함된 수신 신호의 Angle-Doppler 스펙트럼을 나타낸 도면.
도 4는 도 3에서 클러터 신호가 제거된 후의 Angle-Doppler 스펙트럼을 나타낸 도면.
Fig. 1 is a schematic diagram of a radar system to which the present invention is applied.
2 is a block diagram of a receiving apparatus of a radar system according to the present invention.
3 shows an Angle-Doppler spectrum of a received signal including a target signal and a clutter signal;
FIG. 4 shows the Angle-Doppler spectrum after the clutter signal is removed in FIG. 3; FIG.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일.유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, in which like or similar elements are denoted by the same or similar reference numerals, and redundant description thereof will be omitted. The suffix "module" and " part "for the components used in the following description are given or mixed in consideration of ease of specification, and do not have their own meaning or role. In the following description of the embodiments of the present invention, a detailed description of related arts will be omitted when it is determined that the gist of the embodiments disclosed herein may be blurred. It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed. , ≪ / RTI > equivalents, and alternatives.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

도 1은 본 발명이 적용되는 레이더 시스템의 구조(Geometry)이다.1 is a geometry of a radar system to which the present invention is applied.

모노스태틱(monostatic) 환경의 레이더는 바이스태틱(bistatic) 레이더 환경에서 송신부와 수신부가 같은 위치에서 같은 방향으로 이동하는 것과 동일하므로 포괄적인 환경인 바이스태틱 레이더 구조를 가정하였고, 상기 레이더 시스템은 균일 선형 어레이(Uniform Linear Array : ULA) 구조를 갖는다고 가정하였다. In a monostatic environment, a bistatic radar structure is assumed, which is a comprehensive environment, because the radar of the monostatic environment is the same as the movement of the transmitter and the receiver in the same direction in the same position in a bistatic radar environment. Array (Uniform Linear Array (ULA) structure.

도 1을 참조하면,

Figure 112016045906016-pat00004
의 거리에 존재하는 신호는 송신단과 수신단을 초점으로 갖고 거리가
Figure 112016045906016-pat00005
인 타원에 존재하는 클러터로부터 간섭을 받게 된다. 송신단과 수신단의 방향벡터가 각각
Figure 112016045906016-pat00006
,
Figure 112016045906016-pat00007
이고, 거리가
Figure 112016045906016-pat00008
인 타원위에 존재하는 i번째 클러터 셀(cell)에 의해 발생하는 도플러 주파수
Figure 112016045906016-pat00009
는 수학식 1과 같이 표현 할 수 있다.Referring to Figure 1,
Figure 112016045906016-pat00004
The distance between the transmitter and the receiver is the focus.
Figure 112016045906016-pat00005
Interference from clutter in the ellipse. The direction vectors of the transmitting and receiving ends are
Figure 112016045906016-pat00006
,
Figure 112016045906016-pat00007
And the distance is
Figure 112016045906016-pat00008
The Doppler frequency generated by the ith clutter cell on the ellipse
Figure 112016045906016-pat00009
Can be expressed by Equation (1).

Figure 112016045906016-pat00010
Figure 112016045906016-pat00010

여기서

Figure 112016045906016-pat00011
는 내적을 의미하고,
Figure 112016045906016-pat00012
Figure 112016045906016-pat00013
는 송신단과 수신단이 i번째 클러터 셀과 이루는 단위 벡터를 각각 나타내며,
Figure 112016045906016-pat00014
는 파장을 나타낸다. 한편 모노스태틱 (환경) 레이더가 측방 관측 어레이(Sidelooking array)구조를 갖는 경우 도플러 주파수(
Figure 112016045906016-pat00015
)는 다음 수학식 2와 같다.here
Figure 112016045906016-pat00011
Is the inner product,
Figure 112016045906016-pat00012
Wow
Figure 112016045906016-pat00013
Represents a unit vector formed by the transmitting end and the receiving end with the i-th clutter cell,
Figure 112016045906016-pat00014
Indicates a wavelength. On the other hand, if the mono static (environment) radar has a sidelooking array structure, the Doppler frequency
Figure 112016045906016-pat00015
Is expressed by the following equation (2).

Figure 112016045906016-pat00016
Figure 112016045906016-pat00016

여기서

Figure 112016045906016-pat00017
은 수신단의 속도이고,
Figure 112016045906016-pat00018
Figure 112016045906016-pat00019
은 레이더 수신단의 보어사이트(boresight)와 i번째 클러터 셀이 이루는 고도(elevation)각과 방위(azimuth) 각을 각각 나타낸다. 이에 따른 수신단의 공간(Spatial) 주파수
Figure 112016045906016-pat00020
는 수학식 3과 같다.here
Figure 112016045906016-pat00017
Is the speed of the receiving end,
Figure 112016045906016-pat00018
Wow
Figure 112016045906016-pat00019
Represents the elevation angle and the azimuth angle between the boresight of the radar receiver and the i-th clutter cell, respectively. The spatial frequency of the receiving end
Figure 112016045906016-pat00020
Is expressed by Equation (3).

Figure 112016045906016-pat00021
Figure 112016045906016-pat00021

여기서 d는 어레이의 엘리먼트(element)들이 이루는 간격이다. 상기 수학식 2와 수학식 3으로부터 송신단의 움직임에 의해 Angle-Doppler가 비선형적인 구조를 갖는 비정상(Nonstationary) 클러터가 발생함을 알 수 있다. 이 경우 수신단에 수신되는 클러터 신호(

Figure 112016045906016-pat00022
)는 다음 수학식 4와 같이 표현할 수 있다. Where d is the spacing between the elements of the array. From Equations (2) and (3), it can be seen that a nonstationary clutter having a non-linear structure of Angle-Doppler occurs due to the movement of the transmitting end. In this case, the clutter signal (
Figure 112016045906016-pat00022
) Can be expressed by the following equation (4).

Figure 112016045906016-pat00023
Figure 112016045906016-pat00023

여기서

Figure 112016045906016-pat00024
는 Iso-range를 이루는 클러터의 셀의 개수이고
Figure 112016045906016-pat00025
는 클러터의 크기(amplitude)이며
Figure 112016045906016-pat00026
Figure 112016045906016-pat00027
는 i번째 클러터 셀에 대한 N차원 공간(Spatial) 조향 벡터와 M차원 도플러 조향 벡터를 각각 나타내고, 아래의 수학식 5 및 수학식 6과 같이 표현된다.here
Figure 112016045906016-pat00024
Is the number of clutter cells in the Iso-range
Figure 112016045906016-pat00025
Is the amplitude of the clutter
Figure 112016045906016-pat00026
Wow
Figure 112016045906016-pat00027
Represents an N-dimensional space steering vector and an M-dimensional Doppler steering vector for an i-th clutter cell, and is expressed by Equation (5) and Equation (6) below.

Figure 112016045906016-pat00028
Figure 112016045906016-pat00028

Figure 112016045906016-pat00029
Figure 112016045906016-pat00029

여기서 T는 전치(Transpose) 연산이고,

Figure 112016045906016-pat00030
Figure 112016045906016-pat00031
는 i번째 클러터 셀에 대한 정규화된 공간 주파수와 정규화된 도플러 주파수이다. 상기 수학식 4로부터 수신단에 최종적으로 수신되는 클러터 신호(
Figure 112016045906016-pat00032
)는
Figure 112016045906016-pat00033
개의 클러터 셀들에 의해 합쳐진 신호가 된다. 비록 클러터의 크기(
Figure 112016045906016-pat00034
)는 모르지만 송신단과 수신단의 운용정보를 알고 있다면 수학식 4로부터 이론적인 클러터의 구조를 예측 할 수 있다. 특정 range bin(샘플링된 수신신호)에서 클러터에 의해 발생하는 비정상 클러터를 얻기 위해서 모든
Figure 112016045906016-pat00035
개의 클러터 셀들의 크기(amplitude)를
Figure 112016045906016-pat00036
이라고 하면, 이에 해당하는 공분산 행렬
Figure 112016045906016-pat00037
은 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다. Where T is a Transpose operation,
Figure 112016045906016-pat00030
Wow
Figure 112016045906016-pat00031
Is the normalized spatial frequency and the normalized Doppler frequency for the ith clutter cell. From Equation (4) above, Clutter signal (
Figure 112016045906016-pat00032
)
Figure 112016045906016-pat00033
Lt; RTI ID = 0.0 > clutter < / RTI > Although the size of the clutter
Figure 112016045906016-pat00034
), But if the operating information of the transmitting end and the receiving end is known, the theoretical clutter structure can be predicted from Equation (4). To obtain the abnormal clutter that is caused by the clutter in a certain range bin (sampled received signal)
Figure 112016045906016-pat00035
The amplitude of the clutter cells is
Figure 112016045906016-pat00036
, The corresponding covariance matrix
Figure 112016045906016-pat00037
Can be expressed by Equation (7).

Figure 112016045906016-pat00038
Figure 112016045906016-pat00038

여기서 H는 허미션(Hermitian) 연산을 나타낸다. Where H represents a Hermitian operation.

한편 샘플링된 수신 신호를 윈도우잉(windowing)하면서 테스트 셀내에 표적이 존재하는지 테스트할 때 테스트 셀의 좌우 데이터 즉, 적은 양의 2차 (Secondary) 데이터로부터 공분산 행렬을

Figure 112016045906016-pat00039
을 추정할 수 있다. 상기 2차 데이터는 실제로 송신기 및 수신기의 움직임과 속도에 의해 발생하는 데이터이다. 따라서, 실제 환경에서 최대우도 추정기법을 이용할 경우 2차 데이터는 2×어레이 수×펄스 수에 해당하는 것으로 그 양으로 방대하기 때문에, 본 발명은 적은 양의 2차 데이터로부터 차원 저감화 (Rank-Reduced) 기법이나 Forward-Backward smoothing 기법을 이용하여 공분산 행렬을
Figure 112016045906016-pat00040
을 추정할 수 있다. 이렇게 추정한
Figure 112016045906016-pat00041
은 테스트 셀의 2차 데이터들로부터 이산(Discrete) 클러터나 클러터의 크기(amplitude)의 변화 정보를 포함하게 된다. On the other hand, when testing whether there is a target in the test cell while windowing the sampled received signal, the left and right data of the test cell, that is, the covariance matrix from the small amount of secondary data,
Figure 112016045906016-pat00039
Can be estimated. The secondary data is actually data generated by the movement and speed of the transmitter and the receiver. Therefore, when the maximum likelihood estimation technique is used in the actual environment, the secondary data corresponds to the number of 2 × arrays × the number of pulses. Therefore, the present invention is applicable to Rank-Reduced ) Technique or a forward-backward smoothing technique.
Figure 112016045906016-pat00040
Can be estimated. This presumed
Figure 112016045906016-pat00041
From the secondary data of the test cell, information on the amplitude of the discrete clutter or clutter.

이렇게 얻은 클러터의 공분산 행렬

Figure 112016045906016-pat00042
Figure 112016045906016-pat00043
은 수학식 8와 같이 적절히 가중치
Figure 112016045906016-pat00044
Figure 112016045906016-pat00045
이 곱해진 후 합성되어 Nonstationary한 특성과 Heterogeneous 클러터를 모두 포함하는 클러터의 최적 공분산 행렬
Figure 112016045906016-pat00046
을 얻을 수 있다. The covariance matrix of the obtained clutter
Figure 112016045906016-pat00042
Wow
Figure 112016045906016-pat00043
Lt; RTI ID = 0.0 > (8) < / RTI &
Figure 112016045906016-pat00044
Wow
Figure 112016045906016-pat00045
The optimal covariance matrix of the clutter, including both nonstationary characteristics and heterogeneous clusters,
Figure 112016045906016-pat00046
Can be obtained.

Figure 112016045906016-pat00047
Figure 112016045906016-pat00047

여기서 가중치

Figure 112016045906016-pat00048
Figure 112016045906016-pat00049
는 대각행렬(diagonal matrix)로서 수학식 9와 같이 NM개의 diagonal term으로 이루어져 있다.Here,
Figure 112016045906016-pat00048
Wow
Figure 112016045906016-pat00049
Is a diagonal matrix and is composed of NM diagonal terms as shown in Equation (9).

Figure 112016045906016-pat00050
Figure 112016045906016-pat00050

상기 합성된 최적 공분산 행렬(

Figure 112016045906016-pat00051
)은 최적 필터(Optimal filter)
Figure 112016045906016-pat00052
에 적용되어 클러터를 수신신호로부터 억제할 수 있다. 상기 가중치
Figure 112016045906016-pat00053
Figure 112016045906016-pat00054
를 얻기 위해 평균이 0이고 분산이
Figure 112016045906016-pat00055
인 백색 가우시안 노이즈가 포함된 NM차원을 갖는 공분산 행렬(
Figure 112016045906016-pat00056
)에 대한 최적 필터를 고유 분석(eigen-analysis) 형식으로 표현하면 수학식 10과 같다.The combined optimal covariance matrix (
Figure 112016045906016-pat00051
) Is the optimal filter (Optimal filter)
Figure 112016045906016-pat00052
So that the clutter can be suppressed from the received signal. The weight
Figure 112016045906016-pat00053
Wow
Figure 112016045906016-pat00054
The average is 0 and the variance is
Figure 112016045906016-pat00055
A covariance matrix with NM dimensions with white Gaussian noise (
Figure 112016045906016-pat00056
) Can be expressed by an eigen-analysis format as shown in Equation 10.

Figure 112016045906016-pat00057
Figure 112016045906016-pat00057

여기서

Figure 112016045906016-pat00058
는 클러터 공분산 행렬(
Figure 112016045906016-pat00059
)의
Figure 112016045906016-pat00060
번째 고유값(eigen-value)이고,
Figure 112016045906016-pat00061
Figure 112016045906016-pat00062
에 해당하는 고유 벡터(eigen-vector)이며,
Figure 112016045906016-pat00063
이다. 수학식 10으로부터 고유값(eigen-value)이
Figure 112016045906016-pat00064
경우에 해당하는 신호는 제거되고
Figure 112016045906016-pat00065
인 신호에 대해서는 거의 제거되지 않는 것을 확인할 수 있다. 그리고 클러터를 이루는 차수(Dimension)가 K일 때 (NM-K)개에 해당되는 공분산 행렬(
Figure 112016045906016-pat00066
)의 고유값은
Figure 112016045906016-pat00067
와 같다. 그러므로 클러터의 공분산 행렬(
Figure 112016045906016-pat00068
)의 고유값(eigen-values) 대비 분산(
Figure 112016045906016-pat00069
)값이 클수록 최적 필터(Optimal filter)
Figure 112016045906016-pat00070
에 의해 클러터 제거 성능이 향상됨을 알 수 있다.here
Figure 112016045906016-pat00058
Is the clutter covariance matrix (
Figure 112016045906016-pat00059
)of
Figure 112016045906016-pat00060
Eigen-value < / RTI >
Figure 112016045906016-pat00061
silver
Figure 112016045906016-pat00062
Eigen-vector < / RTI > corresponding to < RTI ID =
Figure 112016045906016-pat00063
to be. From equation (10), the eigen-value
Figure 112016045906016-pat00064
The corresponding signal is removed
Figure 112016045906016-pat00065
It can be confirmed that almost no signal is removed. And the covariance matrix corresponding to (NM-K) when the dimension constituting the clutter is K (
Figure 112016045906016-pat00066
) Is the unique value of
Figure 112016045906016-pat00067
. Therefore, the covariance matrix of clutter (
Figure 112016045906016-pat00068
Eigen-values versus variance (
Figure 112016045906016-pat00069
) The larger the value, the more optimal filter (Optimal filter)
Figure 112016045906016-pat00070
The clutter removal performance is improved.

클러터의 공분산 행렬(

Figure 112016045906016-pat00071
)을 고유 분해(eigen-decomposition)하면 다음 수학식 11과 같이 표현할 수 있다.Clutter covariance matrix (
Figure 112016045906016-pat00071
Eigen-decomposition can be expressed by the following equation (11).

Figure 112016045906016-pat00072
Figure 112016045906016-pat00072

여기서

Figure 112016045906016-pat00073
Figure 112016045906016-pat00074
은 클러터 공분산 행렬
Figure 112016045906016-pat00075
Figure 112016045906016-pat00076
의 평균 파워가 같도록 만들기 위한 정규화된 인수(Normalized factor)이다. 따라서 가중치
Figure 112016045906016-pat00077
Figure 112016045906016-pat00078
를 얻는 조건은 다음 수학식 12와 같다.here
Figure 112016045906016-pat00073
Wow
Figure 112016045906016-pat00074
Clutter Covariance Matrix
Figure 112016045906016-pat00075
Wow
Figure 112016045906016-pat00076
Is a normalized factor for making the average powers of the two equal. Therefore,
Figure 112016045906016-pat00077
Wow
Figure 112016045906016-pat00078
Is given by the following equation (12).

Figure 112016045906016-pat00079
Figure 112016045906016-pat00079

여기서 W는 상수이다. 수학식 12를 만족시키는 가중치

Figure 112016045906016-pat00080
Figure 112016045906016-pat00081
는 수학식 13과 같다.Where W is a constant. The weights satisfying the expression (12)
Figure 112016045906016-pat00080
Wow
Figure 112016045906016-pat00081
Is expressed by Equation (13).

Figure 112016045906016-pat00082
Figure 112016045906016-pat00082

여기서

Figure 112016045906016-pat00083
는 수학식 12의 조건에 의한 water level이다. 결과적으로 수신부에서는 클러터의 공분산 행렬
Figure 112016045906016-pat00084
Figure 112016045906016-pat00085
을 구하고 수학식 13으로부터 얻은 가중치를 적용시켜 최적의 공분산 행렬(
Figure 112016045906016-pat00086
)를 합성할 수 있고, 이를 최적 필터(Optimal filter)에 적용시킴으로써 비정상 클러터와 이종 클러터 성분들을 동시에 제거할 수 있다. here
Figure 112016045906016-pat00083
Is the water level according to the condition of equation (12). As a result, in the receiver,
Figure 112016045906016-pat00084
Wow
Figure 112016045906016-pat00085
And the weight obtained from the equation (13) is applied to obtain an optimal covariance matrix
Figure 112016045906016-pat00086
) Can be synthesized and applied to an optimal filter to remove both the abnormal clutter and the heterogeneous clutter components simultaneously.

도 2는 수신단에 수신된 신호를 처리하는 레이더 시스템의 수신 장치의 블록도이다. 2 is a block diagram of a receiving apparatus of a radar system for processing a signal received at a receiving end.

도 2를 참조하면, 레이더 시스템의 수신 장치는 운용 정보 제공부로부터 테스트 셀(Test cell)에 해당하는 송신기와 수신기의 운용정보를 제공받아 클러터의 공분산 행렬

Figure 112016045906016-pat00087
을 추정하는 제1공분산 추정부(100)와, 수신 신호에서 테스트 셀(Test cell)을 제외한 2차(Secondary) 데이터를 이용하여 클러터의 공분산 행렬
Figure 112016045906016-pat00088
을 추정하는 제2공분산 추정부(200)와, 상기 제1,제2공분산 추정부(100, 200)에서 추정된 공분산 행렬
Figure 112016045906016-pat00089
,
Figure 112016045906016-pat00090
에 가중치
Figure 112016045906016-pat00091
Figure 112016045906016-pat00092
를 적용한 후 합성하여 최종 공분산 행렬(
Figure 112016045906016-pat00093
)를 구하는 공분산 합성부(300)와, 상기 공분산 합성부(300)에서 합성된 공분산 행렬(
Figure 112016045906016-pat00094
)에 최적 필터(Optimal filter)를 적용시켜 비정상 클러터와 이종 클러터 성분들을 제거하는 클러터 신호 억제부(400)를 포함한다. Referring to FIG. 2, a receiving apparatus of a radar system receives operation information of a transmitter and a receiver corresponding to a test cell from an operation information providing unit, and receives a covariance matrix
Figure 112016045906016-pat00087
A first covariance estimation unit 100 for estimating a covariance matrix of the clutter using the second data excluding the test cell from the received signal,
Figure 112016045906016-pat00088
A second covariance estimator 200 for estimating a covariance matrix 200 estimated by the first and second covariance estimators 100 and 200,
Figure 112016045906016-pat00089
,
Figure 112016045906016-pat00090
Weight
Figure 112016045906016-pat00091
Wow
Figure 112016045906016-pat00092
And then the final covariance matrix (
Figure 112016045906016-pat00093
) Obtained by the covariance combining unit 300 and a covariance matrix
Figure 112016045906016-pat00094
And a clutter signal suppression unit 400 for removing the abnormal clutter and the heterogeneous clutter components by applying an optimal filter to the clutter signal.

도 3은 표적신호와 클러터 신호가 포함된 수신 신호의 Angle-Doppler 스펙트럼으로, 표적 파워의 3dB 손실을 임계값으로 나타내었다. 3 is an Angle-Doppler spectrum of a received signal including a target signal and a clutter signal, and shows a 3 dB loss of the target power as a threshold value.

도 3을 참조하면 정규화된 각(Angle)과 정규화된 도를러(Doppler)가 각각 0인 지점에 표적이 위치하고(원으로 표시), 다른 부분는 클러터 신호가 존재함을 보이고 있다.Referring to FIG. 3, the target is located at a point where the normalized angle and the normalized Doppler are zero (indicated by a circle), and the other part shows that the clutter signal exists.

도 4는 도 3으로부터 본 발명에 의해 클러터 신호가 제거된 후의 Angle-Doppler 스펙트럼으로, 표적 신호만을 남기고 클러터 신호들은 제거된 모습을 확인 할 수 있다.FIG. 4 is an Angle-Doppler spectrum after the clutter signal is removed according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 shows that the clutter signal is removed while leaving only the target signal.

상술한 바와같이 본 발명은 클러터를 억제하기 위한 Space-time adaptive processing의 일환으로 레이더의 송신단과 수신단의 이동 경로 및 속도에 대한 사전정보와 적은 Training data로부터 얻은 공분산 행렬

Figure 112016045906016-pat00095
,
Figure 112016045906016-pat00096
을 이용하여 테스트 셀의 비정상 클러터와 이종 클러터를 제거하기 위한 합성된 공분산 행렬(
Figure 112016045906016-pat00097
)을 구한다. 따라서, 본 특허에서 제안된 방식으로 합성된 공분산 행렬 (
Figure 112016045906016-pat00098
)은 비정상 클러터와 이종 클러터 성분들의 정보를 모두 포함하고 있어서 최적의 필터(
Figure 112016045906016-pat00099
)에 적용될 수 있으며 클터터 억제 성능을 높일 수 있고 이에 따른 표적의 탐지 성능도 향상 시킬 수 있는 장점이 있다. As described above, according to the present invention, as a space-time adaptive processing for suppressing a clutter, a covariance matrix obtained from preliminary information on a moving path and a velocity of a transmitting end and a receiving end of a radar,
Figure 112016045906016-pat00095
,
Figure 112016045906016-pat00096
And the combined covariance matrix for removing the heterogeneous clutter from the test cell (
Figure 112016045906016-pat00097
). Thus, the covariance matrix (< RTI ID = 0.0 >
Figure 112016045906016-pat00098
) Contains both information of abnormal clutter and heterogeneous clutter components, so that the optimal filter
Figure 112016045906016-pat00099
), It is possible to increase the suppression performance of the clutter and to improve the detection performance of the target.

전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터는 제어부를 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.The present invention described above can be embodied as computer-readable codes on a medium on which a program is recorded. The computer readable medium includes all kinds of recording devices in which data that can be read by a computer system is stored. In addition, the computer may include a control unit. Accordingly, the above description should not be construed in a limiting sense in all respects and should be considered illustrative. The scope of the present invention should be determined by rational interpretation of the appended claims, and all changes within the scope of equivalents of the present invention are included in the scope of the present invention.

100 : 제1공분산 추정부 200 : 제2공분산 추정부
300 : 공분산 행렬 합성부 400 : 틀러터 신호 억제부
100: first covariance estimator 200: second covariance estimator
300: covariance matrix synthesis unit 400:

Claims (5)

수신신호의 테스트 셀에 해당하는 송신기와 수신기의 운용정보를 이용하여 제1공분산 행렬을 계산하는 단계;
수신 신호에서 테스트 셀의 좌우 데이터인 2차 데이터를 이용하여 제2공분산 행렬을 추정하는 단계;
상기 제1,제2공분산 행렬에 각각 가중치를 곱한 후 합성하여 비정상 (Nonstationary) 클러터 성분과 이종 (Heterogeneous) 클러터 성분이 모두 포함된 최종 공분산 행렬을 구하는 단계; 및
상기 최종 공분산 행렬에 필터를 적용하여 비정상 클러터 성분과 이종 클러터 성분을 동시에 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템의 공분산 행렬 추정방법.
Calculating a first covariance matrix using operation information of a transmitter and a receiver corresponding to a test cell of a received signal;
Estimating a second covariance matrix using secondary data that is left and right data of a test cell in a received signal;
Multiplying the first and second covariance matrices by weights, respectively, to obtain a final covariance matrix including both a nonstationary clutter component and a heterogeneous clutter component; And
And applying a filter to the final covariance matrix to remove both the abnormal clutter component and the heterogeneous clutter component at the same time.
제1항에 있어서, 상기 운용정보는
송신기와 수신기의 이동 경로 및 속도를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템의 공분산 행렬 추정방법.
2. The method according to claim 1,
And a moving path and a velocity of the transmitter and the receiver.
제1항에 있어서, 상기 비정상 클러터 성분은
송신기의 움직임에 의해 Angle-Doppler가 비선형 관계를 갖는 클러터를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템의 공분산 행렬 추정방법.
The method of claim 1, wherein the abnormal clutter component
Wherein the Angle-Doppler includes a clutter having a non-linear relationship due to the movement of the transmitter.
제1항에 있어서, 상기 이종 클러터 성분은
테스트 셀의 2차데이터들로부터 이산(Discrete) 클러터 또는 클러터의 크기의 변화 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템의 공분산 행렬 추정방법.
The method of claim 1, wherein the heterogeneous clutter component
And information on a size change of a discrete clutter or a clutter from the secondary data of the test cell is included in the estimated covariance matrix of the radar system.
제1항에 있어서, 상기 최종 공분산 행렬을 구하는 단계는
상기 제1,제2공분산 행렬을 고유 분해(eigen-decomposition)하는 단계;
상기 제1,제2공분산 행렬의 고유값(eigen-values) 대비 분산값이 최대가 되는 제1,제2가중치를 구하는 단계; 및
상기 구한 제1,제2가중치를 상기 제1,제2공분산 행렬에 각각 곱한 후 합성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템의 공분산 행렬 추정방법.






2. The method of claim 1, wherein obtaining the final covariance matrix comprises:
Eigen-decomposing the first and second covariance matrices;
Obtaining first and second weights that maximize a variance value of eigen-values of the first and second covariance matrices; And
And multiplying the first and second weights by the first and second covariance matrixes, respectively, and combining the first and second weights.






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