KR101800283B1 - W대역 밀리미터파 탐색기용 이중편파를 이용하는 표적 각도 추정 장치 및 방법 - Google Patents

W대역 밀리미터파 탐색기용 이중편파를 이용하는 표적 각도 추정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치 및 방법으로서, 특히 수평 편파 신호 및 수직 편파 신호를 적응적으로 이용하여 표적을 정확하게 추적하기 위한 표적 각도 추적 장치를 개시한다. 본 발명의 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치는 표적에서 반사된 반사 신호를 수신하는 안테나부; 상기 반사 신호의 편파 방향을 고려하여, 적어도 제1 그룹의 편파 신호들과 제2 그룹의 편파 신호들로 분리하고, 상기 제1 그룹 및 제2 그룹 각각에 대하여 해당 그룹에 속하는 편파 신호들에 가중치를 적용하여 합산하는 비교기; 및 상기 합산된 제1 그룹의 편파 신호들로부터 오차각을 계산하고, 상기 오차각의 변동량이 기 설정된 기준 범위를 벗어나는지 여부에 따라 적응적으로 상기 합산된 제2 그룹의 편파 신호들로부터 오차각을 계산하여 상기 표적에 대한 각도 정보를 추정하는 신호 처리부; 를 포함한다.

Description

W대역 밀리미터파 탐색기용 이중편파를 이용하는 표적 각도 추정 장치 및 방법 {Target Angle Estimation Apparatus using Dual-Polarized Wave for W-Band Millimeter Wave Seeker and Method thereof}
본 발명은 편파 신호로부터 표적 각도를 추정하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 서로 다른 편파 신호를 이용하여 표적 각도를 추정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
종래의 지상 표적 추적용 탐색기는 적외선 센서를 이용하며, 유도 무기에 장착되어 ku(12~18Ghz) 대역 및 ka(26~40Ghz) 대역의 송신 주파수를 사용하여 표적을 탐지한다. 이러한 지상 표적 추적용 탐색기는 안테나마다 고유한 편파 특성을 갖는 편파 안테나를 이용하여 다양한 방향의 편파 신호를 수신할 수 있고, 이를 이용하여 정확하게 표적을 추적할 수 있다. 표적 추적용 탐색기는 점차 소형화와 높은 해상도의 표적 식별 성능을 요하고 있으며, 이를 위하여 ku(12~18Ghz) 대역 및 ka(26~40Ghz) 대역보다 높은 주파수 대역인 W대역(56~110Ghz)의 탐색기 개발이 요구되고 있다.
표적 추적용 탐색기의 표적 위치 탐색 방법으로 크게 원뿔형 탐색기법과 모노펄스 탐색 기법을 사용할 수 있는데, 원뿔형 탐색 기법은 표적의 중심이 아닌 표적 주변을 회전하면서 추적하는 방식으로 적기가 탐색기 레이더 신호를 흉내 내어 그 세기를 임의로 더 강하게 조절 시, 표적의 위치를 잘못 판단할 위험이 있다. 이러한 이유로, 현재 레이더 탐색기는 주로 모노펄스 탐색 기법을 주로 사용한다.
모노펄스 탐색 기법은 복수의 수신 채널을 가지는 안테나를 이용하여 표적을 추적하는 기법 중 하나로써 안테나의 영역을 나누어서 신호를 수신하므로, 평면 배열형 안테나를 많이 사용하고, 만약 표적이 레이더로부터 일정 각도를 벗어나면 각 영역의 수신된 신호 세기의 차이를 이용하여 표적이 레이더 탐색기 안테나 중심으로부터 얼마나 벗어났는지를 판단, 탐색기는 안테나의 중심 방향에 계속 표적을 향하도록 하여 표적을 추적한다.
표적 추적용 탐색기가 표적을 추적시에 유도 무기와 표적의 상대 운동에 의해서 수평 편파뿐만 아니라 수직 편파 성분의 신호가 송신될 수 있고, 이러한 이유로 굴절률이 다른 매질을 특정 편파 상태에서 특정 입사각으로 입사시에 그 경계면에서 반사가 되지 않는 브루스터 앵글 현상이 발생할 수 있다.
브루스터 앵글 현상이 발생하면, 탐색기로 수신되는 신호의 파워가 급격하게 줄어들어서 표적에 대한 정확한 각도 정보 추정이 어려워 정확히 표적을 추적할 수 없는 문제점이 있다. 또한, 탐색기가 W대역 신호를 사용하는 경우 신호의 파장은 수 밀리미터(mm)로 아주 짧기 때문에 정밀한 각도 추정 방법이 필요하다.
따라서, 특정 각도로 편파된 신호가 수신되지 않는 상태에서도 표적을 정확하게 추적하기 위한 기술 개발이 요구된다.
한국 공개 특허 제 10-2004-0118326 (공개)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치를 개시한다. 특히 서로 다른 편파 신호를 적응적으로 이용하는 표적 각도를 추정하는 장치 및 방법을 개시한다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 이중편파를 이용한 표적 각도 추적 장치는 표적에서 반사된 반사 신호를 수신하는 안테나부; 상기 반사 신호의 편파 방향을 고려하여, 적어도 제1 그룹의 편파 신호들과 제2 그룹의 편파 신호들로 분리하고, 상기 제1 그룹 및 제2 그룹 각각에 대하여 해당 그룹에 속하는 편파 신호들에 가중치를 적용하여 합산하는 비교기; 및 상기 합산된 제1 그룹의 편파 신호들로부터 오차각을 계산하고, 상기 오차각의 변동량이 기 설정된 기준 범위를 벗어나는지 여부에 따라 적응적으로 상기 합산된 제2 그룹의 편파 신호들로부터 오차각을 계산하여 상기 표적에 대한 각도 정보를 추정하는 신호 처리부; 를 포함한다.
바람직하게는 상기 분리된 해당 그룹별 편파 신호들의 방향은 서로 직교성을 가지도록 마련될 수 있다.
본 발명에서 상기 비교기는 상기 반사 신호를 상기 편파 방향을 고려하여, 적어도 상기 제1 그룹의 편파 신호들과 상기 제2 그룹의 편파 신호들로 분리하는 편파 분리기; 를 더 포함하고, 상기 분리된 편파 신호들에 가중치를 적용하여 합산할 수 있다.
본 발명에서 상기 비교기는 상기 분리된 제1 그룹의 편파 신호들에 가중치를 적용하여 합산하는 제1 비교기; 및 상기 분리된 제2 그룹의 편파 신호들에 가중치를 적용하여 합산하는 제2 비교기; 를 더 포함하고, 상기 분리된 제1 그룹의 편파 신호들 및 제2 그룹의 편파 신호들 각각에 대하여 가중치를 적용하여 합산할 수 있다.
상기 가중치를 적용하여 합산하는 것은 상기 안테나부를 지향하기 위한 방향의 방위각 및 앙각 성분을 고려하여 가중치 벡터를 생성하고, 상기 생성된 가중치 벡터를 상기 해당 그룹 별 편파 신호들에 적용하여 상기 해당 그룹별 편파 신호들의 합신호, 방위각 차신호 및 앙각 차신호를 생성하는 것일 수 있다.
본 발명에서 상기 신호 처리부는 상기 합산된 해당 그룹별 편파 신호들로부터 오차각을 계산하고, 상기 계산된 오차각을 이용하여 상기 표적에 대한 각도 정보를 추출하는 각도 정보 추출부; 및 상기 합산된 제1 그룹의 편파 신호들로부터 계산된 오차각의 변동량이 기 설정된 기준 범위를 벗어나는 경우, 기 저장된 상기 표적에 대한 각도 정보를 고려하여 추출할 상기 각도 정보의 대상을 상기 합산된 제2 그룹의 편파 신호들로 스위칭하는 스위칭부; 를 포함하고, 상기 해당 그룹별 편파 신호들을 적응적으로 이용하여 상기 표적에 대한 각도 정보를 추정할 수 있다.
본 발명에서 상기 안테나부는 상기 표적을 탐지하기 위한 송신 신호를 송출하는 송출부; 및 상기 송출되는 송신 신호와 상기 수신된 반사 신호를 분기시키는 서큘레이터; 를 포함하고, 상기 송신 신호와 분기하여 상기 반사 신호를 수신할 수 있다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 표적 탐색 장치는 표적에서 반사된 반사 신호를 수신하는 안테나부; 상기 반사 신호의 편파 방향을 고려하여, 적어도 제1 그룹의 편파 신호들과 제2 그룹의 편파 신호들로 분리하고, 상기 제1 그룹 및 제2 그룹 각각에 대하여 해당 그룹에 속하는 편파 신호들에 가중치를 적용하여 합산하는 비교기; 및 상기 합산된 제1 그룹의 편파 신호들로부터 오차각을 계산하고, 상기 오차각의 변동량이 기 설정된 기준 범위를 벗어나는지 여부에 따라 적응적으로 상기 합산된 제2 그룹의 편파 신호들로부터 오차각을 계산하여 상기 표적에 대한 각도 정보를 추정하는 신호 처리부; 상기 추정된 각도 정보를 이용하여 상기 안테나부의 지향 방향을 조절하는 짐벌 구동부; 및 상기 짐벌 구동부의 제어에 따라 구동되어 상기 안테나부의 지향 방향을 조절하는 짐벌; 을 포함한다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 표적 각도 추정 방법은 표적에서 반사된 반사 신호를 수신하는 단계; 상기 반사 신호의 편파 방향을 고려하여, 적어도 제1 그룹의 편파 신호들과 제2 그룹의 편파 신호들로 분리하는 단계; 상기 분리된 제1 그룹 및 제2 그룹 각각에 대하여 해당 그룹에 속하는 편파 신호들에 가중치를 적용하여 합산하는 단계; 및 상기 합산된 제1 그룹의 편파 신호들로부터 오차각을 계산하고, 상기 오차각의 변동량이 기 설정된 기준 범위를 벗어나는지 여부에 따라 적응적으로 상기 합산된 제2 그룹의 편파 신호들로부터 오차각을 계산하여 상기 표적에 대한 각도 정보를 추정하는 단계; 를 포함한다.
본 발명에서 상기 분리된 해당 그룹별 편파 신호들의 방향은 서로 직교성을 가지도록 마련될 수 있다.
본 발명에서 상기 합산하는 단계는 상기 반사 신호를 수신하는 방향의 방위각 및 앙각 성분을 고려하여 가중치 벡터를 생성하는 단계; 및 상기 생성된 가중치 벡터를 상기 해당 그룹별 편파 신호들에 적용하여 상기 해당 그룹별 편파 신호들의 합신호, 방위각 차신호 및 앙각 차신호를 생성하는 단계; 를 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 컴퓨터에서 상기한 표적 각도 추정 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램을 개시한다.
본 발명에 따르면, 복수의 편파 신호로부터 표적에 대한 각도 정보를 추정함으로써 정확하게 표적을 추적할 수 있는 잇점이 있다.
특히, 수직 편파 신호 및 수평 편파 신호를 선택적으로 사용하여 표적 추적을 안정적으로 할 수 있는 잇점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치의 블록도이다.
도 2는 도 1의 실시예에서 비교기의 확대 블록도이다.
도 3은 도 1의 실시예에서 비교기의 또 다른 실시 예이다.
도 4는 도 1의 실시예에서 신호 처리부의 확대 블록도이다.
도 5a는 도 4의 실시예의 스위칭부에서 고려하는 오차각 변동량을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5b는 도 4의 실시예의 스위칭부에서 고려하는 오차각 변동량을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 도 4의 실시예의 스위칭부에서 고려하는 기 저장된 표적에 대한 각도 정보의 예시이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 표적 각도 추정 방법의 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 표적 각도 추정 방법의 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치를 이용한 표적 탐색 장치의 블록도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 용어를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하에서 설명하는 각 단계는 하나 또는 여러 개의 소프트웨어 모듈로도 구비가 되거나 또는 각 기능을 담당하는 하드웨어로도 구현이 가능하며, 소프트웨어와 하드웨어가 복합된 형태로도 가능하다.
각 용어의 구체적인 의미와 예시는 각 도면의 순서에 따라 이하 설명 한다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치의 구성을 관련된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치(10)의 블록도이다. 도 2를 참조하여 설명한다.
이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치(10)는 안테나부(100), 비교기(200) 및 신호 처리부(300)를 포함한다.
예를 들어, 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치(10)는 표적에서 반사된 반사 신호를 이용하여 표적에 대한 각도 정보를 추정한다. 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치(10)는 소형화와 높은 해상도의 표적 식별 기능을 갖는 W대역 밀리미터파 탐색 장치에 구현되어 이중편파를 적응적으로 사용하여 표적 각도를 추정함으로써 표적을 정확하게 추적하는데 이용될 수 있다. 본 발명의 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치(10)는 초고주파 대역 또는 밀리미터파 대역의 신호를 사용하여 적응적으로 표적 각도를 추정할 수 있다. 또한 본 발명의 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치(10)가 사용하는 신호는 모노펄스 기법이 적용된 펄스 신호일 수 있다.
안테나부(100)는 송출부 및 서큘레이터를 포함한다.
안테나부(100)는 표적에서 반사된 반사 신호를 수신한다.
예를 들어, 안테나부(100)는 모노펄스 기법을 사용하여 표적을 정밀 추적하기 위한 표적 각도를 추정하는 장치인 본 발명에서는 도파관 슬롯 배열 안테나 또는 반사판 안테나를 포함할 수 있다. 안테나부(100)는 전자파 간섭 영향이 적은 카세그레인 안테나를 사용할 수 있고, 동일한 회전축을 가지고 회전하는 주 반사판, 부 반사판 및 급전혼을 포함할 수 있다. 또는 안테나부(100)는 주 반사판만 회전하는 구조를 가질 수 있다.
송출부는 표적을 탐지하기 위한 송신 신호를 송출한다. 표적을 탐지하기 위한 신호는 펄스 기법이 적용된 신호를 포함하고, 단일 펄스를 이용한 모노펄스 기법이 적용된 신호를 포함한다. 또한 상기 송신 신호는 Ku, ka대역의 신호일 수 있고, W대역 또는 밀리미터파(초고주파 영역)의 신호를 포함할 수 있다.
서큘레이터는 송출부의 송신 신호와 안테나부(100)에서 수신되는 반사 신호를 분기하여 신호의 혼선을 방지한다. 서큘레이터는 단일 안테나를 이용하여 표적을 탐지하기 위하여 안테나의 송수신 기능을 전환할 수 있다.
비교기(200)는 편파 분리기(220), 제1 비교기(240) 및 제2 비교기(260)을 포함한다.
비교기(200)는 안테나부(100)에서 수신된 반사 신호의 편파 방향을 고려하여, 적어도 제1 그룹의 편파 신호들과 제2 그룹의 편파 신호들로 분리하고, 상기 제1 그룹 및 제2 그룹 각각에 대하여 해당 그룹에 속하는 편파 신호들에 가중치를 적용하여 합산한다. 비교기(200)는 위상 변위기 및 복수의 하이브리드 커플러를 포함할 수 있다. 도 3을 참조하여 설명한다.
편파 분리기(220)는 반사 신호의 편파 방향을 고려하여, 적어도 상기 제1 그룹의 편파 신호들과 상기 제2 그룹의 편파 신호들로 분리할 수 있다. 본 발명에서 제1 그룹 및 제 2 그룹은 분리할 편파 방향의 예시이며, 더 많은 수의 편파 방향에 따라 분리될 그룹의 수는 증가할 수 있다. 상기 제1 그룹은 수평 편파 신호 제2 그룹은 수직 편파 신호일 수 있다.
예를 들어, 편파 분리기(220)는 반사 신호를 수평 편파 신호 및 수직 편파 신호로 분리할 수 있다. 즉, 편파 분리기(220)에서 편파 신호들이 편파 되는 방향들은 서로 직교할 수 있으며, 이를 위하여 편파 분리기는 직교 모드 변환기를 포함할 수 있다.
제 1비교기(240)는 분리된 제1 그룹의 편파 신호들에 가중치를 적용하여 합산한다. 예를 들어, 제 1비교기(240)는 복수의 하이브리드 커플러를 포함할 수 있고, 하이브리드 커플러를 이용하여 제1 그룹의 편파 신호들에 가중치를 적용하여 합산할 수 있다.
일 실시 예로, 제 1비교기(240)는 제 1하이브리드 커플러(242), 제2하이브리드 커플러(244), 제 3하이브리드 커플러(246) 및 제 4하이브리드 커플러(248)를 포함하고, 3개의 출력 채널을 통하여 가중치를 적용하여 합산된 편파 신호를 출력할 수 있다. 각각의 하이브리드 커플러는 안테나부(100)에서 수신된 복수의 반사 신호들에서 분리된 수평 편파 신호들에 가중치를 적용하여 합산할 수 있다. 도 3을 참조하여 설명한다.
예를 들어, 제1비교기(240)가 분리된 수평 편파 신호들에 가중치를 적용하여 합산한다는 것은 4개의 하이브리드 커플러를 이용하여 수신된 수평 편파 신호들을 모두 합산하거나, 방위각 방향 또는 앙각(고각)방향으로 수신된 신호의 합한 값을 서로 감산하는 것을 의미할 수 있다. 즉, 수평 편파 신호들의 합신호는 A+B+C+D, 방위각 차신호는 (A+C)-(B+D) 앙각 차신호는(A+C)-(B+D)일 수 있다. 상기 신호의 세기는 전압, 전류 또는 전력 단위로 표현될 수 있다.
제 2비교기(260)는 분리된 제2 그룹의 편파 신호들에 가중치를 적용하여 합산한다. 예를 들어, 제2 비교기(260)는 복수의 하이브리드 커플러를 포함할 수 있고, 하이브리드 커플러를 이용하여 제2 그룹의 편파 신호들에 가중치를 적용하여 합산할 수 있다. 본 발명에서 표적 탐색 장치는 비교기(200)에서 출력된 방위각 차신호 및 앙각 차신호의 값이 상쇄 되는 방향으로 안테나부(100)를 구동하여 표적을 추적할 수 있다. 도 4를 참조하여 설명한다.
신호 처리부(300)는 각도 정보 추출부(320) 스위칭부(340) 및 파형 발생부를 포함한다. 신호 처리부(300)는 비교기(200)에서 출력된 해당 그룹별로 합산된 편파 신호들을 적응적으로 이용하여 상기 표적에 대한 각도 정보를 추정할 수 있다.
예를 들어, 신호 처리부(300)는 제1 그룹의 편파 신호들로부터 오차각을 계산하고 상기 계산된 오차각을 이용하여 표적에 대한 각도 정보를 추출할 수 있다. 상기 계산된 오차각이 기 설정된 기준 범위를 벗어나는 경우, 기 저장된 표적에 대한 각도 정보를 고려하여 추출할 상기 각도 정보의 대상을 상기 합산된 제2 그룹의 편파 신호들로 스위칭 할 수 있다.
각도 정보 추출부(320)는 합산된 해당 그룹별 편파 신호들로부터 오차각을 계산하고, 상기 계산된 오차각을 반영하여 상기 표적에 대한 각도 정보를 추출한다.
예를 들어, 각도 정보 추출부(320)는 수평 편파 신호들의 합신호, 수평 편파 신호들의 방위각 차신호 및 앙각 차신호를 이용하여 상기 표적의 각도 정보를 추출할 수 있다. 구체적으로 각도 정보 추출부(320)는 상기 수평 편파 신호들의 합신호(합채널 신호), 수평 편파 신호들의 방위각 차신호 및 앙각 차신호(차채널 신호)의 빔 패턴을 구하고, 상기 빔 패턴을 사용하여 모노 펄스 비를 구하며, 모노펄스 기울기를 고려하여 각도 정보를 추출한다. 본 발명에서 편파 신호들로부터 추정되는 표적에 대한 각도 정보는 편파 신호들의 합신호, 방위각 차신호 및 앙각 차신호로부터 계산된 오차각에 대한 정보를 포함한다. 오차각에 따른 오차각 전압비는 하기 수학식1에서 오차각은 하기의 수학식 3에서 계산될 수 있다.
Figure 112017067774610-pat00001
여기에서,
Figure 112017067774610-pat00002
는 안테나에 대한 표적의 상대 각도,
Figure 112017067774610-pat00003
는 모노펄스 오차각,
Figure 112017067774610-pat00004
는 합신호(합채널 신호) 이득과 차신호(차채널 신호) 이득 사이의 위상각의 코사인값,
Figure 112017067774610-pat00005
는 안테나에 대한 표적의 상대각도에서 차신호 이득의 크기,
Figure 112017067774610-pat00006
는 안테나에 대한 표적의 상대각도에서 합신호 이득의 크기를 의미한다.
Figure 112017067774610-pat00007
여기에서
Figure 112017067774610-pat00008
는 차채널 신호의 페이저 전압,
Figure 112017067774610-pat00009
는 합채널 신호의 페이저 전압,
Figure 112017067774610-pat00010
는 차채널 신호와 합채널 신호의 페이저 전압 비, 크기는 차 채널 신호와 합채널 신호의 페이저 전압비의 크기,
Figure 112017067774610-pat00011
는 합채널 신호와 차채널 신호의 위상각을 의미한다.
Figure 112017067774610-pat00012
여기에서
Figure 112017067774610-pat00013
는 오차각, k는 모노펄스 기울기로 안테나 설계 시 정해지는 상수값이고,
Figure 112017067774610-pat00014
안테나에 대한 표적의 상대각도에서 차신호 이득의 크기,
Figure 112017067774610-pat00015
는 안테나에 대한 표적의 상대각도에서 합신호 이득의 크기를 의미한다. 각도 정보 추출부(320)는 상기 수학식 3을 이용하여 편파 신호로부터 오차각을 계산할 수 있다.
스위칭부(340)는 합산된 제1 그룹의 편파 신호들로부터 계산된 오차각의 변동량이 기 설정된 기준 범위를 벗어나는 경우, 기 저장된 상기 표적에 대한 각도 정보를 고려하여 추출할 상기 각도 정보의 대상을 상기 합산된 제2 그룹의 편파 신호들로 스위칭한다.
예를 들어, 도 5a를 참조하면, x축은 안테나의 표적에 대한 상대 각도, y축은 합신호(합채널 신호)와 차신호(차채널 신호)의 페이저 전압의 세기인데, 스위칭부(240)는 각도 정보 추출부(320)에서 계산된 오차각의 변동량이 +-1도 범위를 초과하면, 합신호(합채널 신호)와 차 신호(차채널 신호)의 이득 패턴의 교차점 사이의 선형 구간을 벗어나게 되므로 다른 방향으로 편파된 편파 신호들(예를 들면 제2 그룹의 편파 신호들)로부터 오차각을 계산하여, 표적에 대한 각도 정보를 추출하게 된다.
도 5b 를 참조하면, x 축은 안테나의 표적에 대한 상대 각도, y축은 오차각을 입력으로 하는 오차각 전압비를 의미한다. 스위칭부(340)는 특정 방향으로 편파된 편파 신호들로부터 계산된 오차각의 변동량이 +-1도 범위를 초과하면, 선형 구간을 벗어 나기 때문에 정상적으로 표적에 대한 각도 정보를 추출할 수가 없으므로 다른 방향으로 편파된 편파 신호들로부터 오차각을 계산하고, 계산된 오차각을 이용하여 표적에 대한 각도 정보를 추출하게 된다.
스위칭부(240)는 계산된 오차각의 변동량(모노펄스 오차각)이 +-1도 범위 이상인 경우, 기 저장된 상기 표적에 대한 각도 정보를 고려할 수 있다. 기 저장된 상기 표적에 대한 각도 정보는 안테나부(100)에서 표적을 바라볼 때 수평면에서 얼마나 아래로 기울어져 있는지를 나타내는 룩 다운 각도(Look Down Angle, L.D Angle)를 의미할 수 있다.
스위칭부(240)에서 편파 신호로부터 계산되는 오차각 변동의 원인은 표적 탐색 장치의 추적 속도, 표적의 이동 속도 및 합채널 신호와 차채널 신호의 갑작스런 전력 변동 사항을 포함한다. 다만, 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치(10)는 브루스터 반사로 인하여 특정한 방향으로 편파된 신호가 굴절률이 다른 표적에 입사시 반사되지 않기 때문에 모노펄스 오차각을 정확하게 추정할 수 없는 문제를 해결하기 위한 것으로서, 브루스터 반사로 인해 모노펄스 오차각의 급격한 변동이 발생하는 경우에만 스위칭을 하기 위해서 룩 다운 각도(Look Down Angle, L.D Angle)에 대한 정보를 이용할 수 있다.
룩 다운 각도(Look Down Angle, L.D Angle)는 항공기의 사전 모의 비행시험을 통하여 유도 무기가 지나는 해당 지역에서 안테나의 시선각 벡터를 계산하여 획득할 수 있다. 이는 사전 장입된 플래쉬 롬에 저장될 수 있고, 도 6을 참조하면, 룩 다운 각도(Look Down Angle, L.D Angle)는 수학식 3으로부터 구할 수 있다.
Figure 112017067774610-pat00016
여기에서
Figure 112017067774610-pat00017
는 룩 다운 각도(Look Down Angle, L.D Angle)이고, Xa, Ya, Za는 관성좌표계의 축이다.
파형 발생부는 추정된 표적에 대한 각도 정보를 이용하여 표적을 추적하기 위한 빔을 송신시에 송신 신호와 수신 신호간에 도플러 효과로 인한 주파수 변동을 막을 수 있다.
도 2는 도 1의 실시예에서 비교기의 확대 블록도이다.
비교기(200)는 편파 분리기(220), 제1 비교기(240) 및 제2 비교기(260)을 포함한다.
비교기(200)는 안테나부(100)에서 수신된 반사 신호의 편파 방향을 고려하여, 적어도 제1 그룹의 편파 신호들과 제2 그룹의 편파 신호들로 분리하고, 상기 제1 그룹 및 제2 그룹 각각에 대하여 해당 그룹에 속하는 편파 신호들에 가중치를 적용하여 합산한다. 비교기(200)에 대한 중복되는 사항은 전술한 바와 같으므로 생략한다.
도 3은 도 1의 실시예에서 비교기의 또 다른 실시 예이다.
제 1 비교기(240) 및 제 2 비교기(260)는 제 1하이브리드 커플러(242), 제2하이브리드 커플러(244), 제 3하이브리드 커플러(246) 및 제 4하이브리드 커플러(248)를 포함하고, 3개의 출력 채널로 가중치가 적용된 합산된 편파 신호를 출력할 수 있다. 각각의 하이브리드 커플러는 안테나에서 수신된 복수의 반사 신호가 편파된 편파 신호들에 가중치를 적용하여 합산한다.
예를 들어, 제 1 하이브리드 커플러(242)및 제 2 하이브리드 커플러(244)는 안테나부(100)에서 수신된 앙각 방향의 반사 신호들에 가중치를 적용하여 합산한다. 즉, 제 1 하이브리드 커플러(242)는 (A+B) 및 (A-B)신호를 출력하고, 제 2 하이브리드 커플러(244)는 (C+D) 및 (C-D) 신호를 출력할 수 있다.
또한, 제 3 하이브리드 커플러(246)는 제 2 하이브리드 커플러(244)로부터 (C+D)신호를 교차로 입력 받아 가중치를 적용하여 합산하고, (A+B)+(C+D) 및 (A+B)-(C+D)를 출력할 수 있다. 제 4 하이브리드 커플러(248)은 제 1 하이브리드 커플러(242)로부터 (A-B) 신호를 입력 받아 (A+C)-(B+D) 신호를 출력한다.
도 4는 도 1의 실시예에서 신호 처리부의 확대 블록도이다.
신호 처리부(300)는 각도 정보 추출부(320) 스위칭부(340) 및 파형 발생부를 포함한다. 신호 처리부(300)는 비교기(200)에서 출력된 해당 그룹별로 합산된 편파 신호들을 적응적으로 이용하여 상기 표적에 대한 각도 정보를 추정할 수 있다. 신호 처리부(300)에 대한 중복되는 사항은 전술한 바와 같으므로 생략한다.
도 5a는 도 4의 실시예의 스위칭부에서 고려하는 오차각 변동량을 설명하기 위한 그래프이다.
스위칭부(340)에서 고려하는 특정 편파 신호로부터 추정되는 표적에 대한 각도 정보는 오차각에 대한 정보를 포함할 수 있다. 모노펄스 오차각 변동에 대한 원인은 전술한 바와 같으므로 생략한다. 이상적인 모노펄스 기법이 적용된 탐색기에서는 차신호는 0이므로 도시된 교차각에 대한 구간은 존재하지 않을 수 있다.
도 5b는 도 4의 실시예의 스위칭부에서 고려하는 각도 정보의 변동량을 설명하기 위한 그래프이다.
각도 정보 추출부(320)는 오차각 전압비가 +-1을 초과하는 경우, 선형 구간이 깨어지고, 따라서 오차각의 변동량 역시 +-1도를 초과하여 선형구간에 포함되지 않으므로, 기 설정된 기준 범위를 넘어서 더 이상 표적에 대한 각도 정보를 추출할 수 없다. 오차각의 변동량에 대한 사항은 전술한 바와 같으므로 생략한다.
도 6은 도 4의 실시예의 스위칭부에서 고려하는 기 저장된 표적에 대한 각도 정보의 예시이다.
기 저장된 표적에 대한 각도 정보는 룩 다운 각도(Look Down Angle, L.D Angle)를 포함하며, 룩 다운 각도(Look Down Angle, L.D Angle)를 구하는 과정과 이에 대한 사항은 전술한 바와 같으므로 생략한다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 표적 각도 추정 방법의 흐름도이다.
표적 각도 추정 방법은 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치에서 시계열적으로 수행되는 하기의 단계들을 포함한다.
S100에서, 안테나부(100)는 표적에서 반사된 반사 신호를 수신한다.
예를 들어, 안테나부(100)는 혼 안테나, 다이폴 안테나, 모노폴 안테나 및 패치 안테나를 포함할 수 있고, 안테나부(100)는 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치(10)의 상하 좌우에 배치될 수 있다. 안테나부(100)는 소정의 편파 방향을 가지는 편파 신호만을 수신하는 안테나를 각각 포함할 수 있고, 송신 신호와 수신 신호를 분기하기 위한 서큘레이터를 포함할 수 있다. 안테나부(100)에 대한 중복되는 사항은 전술한 바와 같으므로 생략한다.
S200에서, 편파 분리기(220)는 상기 반사 신호의 편파 방향을 고려하여 적어도 제1 그룹의 편파 신호들과 제2 그룹의 편파 신호들로 분리한다.
예를 들어, 편파 분리기(220)는 직교 모드 변환기 및 위상 변이기를 포함할 수 있고, 상기 편파 방향들은 서로 직교할 수 있다. 편파 분리기(220)에 대한 사항은 전술한 바와 같으므로 생략한다.
S300 에서, 비교기(200)는 안테나부(100)에서 수신된 반사 신호를 제1 그룹의 편파 신호들과 제2 그룹의 편파 신호들로 분리하고, 해당 그룹별 분리된 편파 신호들에 가중치를 적용하여 합산한다. 비교기(200)에 대한 중복되는 사항은 전술한 바와 같으므로 생략한다.
S400에서, 신호 처리부(300)는 각도 정보 추출부(320) 스위칭부(340) 및 파형 발생부를 포함한다. 신호 처리부(300)는 비교기(200)에서 출력된 해당 그룹별로 합산된 편파 신호들을 적응적으로 이용하여 상기 표적에 대한 각도 정보를 추정할 수 있다. 신호 처리부(300)에 대한 중복되는 사항은 전술한 바와 같으므로 생략한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 표적 각도 추정 방법의 흐름도이다.
도 8을 참조하면 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치(10)는 수평 편파 신호를 송신하고(S702), 송신된 수평 편파 신호가 표적에서 반사되는 경우, 표적으로부터 반사되는 반사 신호를 수신하여 표적을 탐지 한다(S704).
일단 표적을 탐지하면, 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치는 수평 편파 신호로부터 표적에 대한 각도 정보를 추출한다(S706). 상기 수평 편파 신호로부터 추출되는 각도 정보는 오차각에 대한 정보를 포함한다. 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치(10)는 수평 편파 신호로부터 추출되는 오차각 변동량이 +-1도 범위를 초과하는지 여부를 판단(S708)하여 초과하지 않는다면, 수평 편파 신호로부터 추출되는 각도 정보를 고려한 짐벌 제어 신호를 짐벌 구동부로 송신(S710)하고, 짐벌 구동부는 짐벌 제어 신호를 이용하여 짐벌을 구동한다.
이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치(10)가 수평 편파 신호로부터 계산되는 오차각 변동량이 +-1도 범위를 초과한다고 판단하는 경우, 현재 안테나부의 시선각 벡터와 사전에 장입된 룩 다운 각도(Look Down Angle, L.D Angle)를 비교하여 일치하는 경우에만 추출할 각도 정보의 대상을 수평 편파 신호에서 수직 편파 신호로 스위칭하여 표적에 대한 각도 정보를 추출한다.
이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치(10)는 수직 편파 신호로부터 추출된 각도 정보를 고려한 짐벌 제어 신호를 짐벌 구동부로 송신하고, 짐벌 구동부는 수신한 짐벌 제어 신호를 이용하여 짐벌을 구동한다.
도 9는 본 발명의 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치를 이용한 표적 탐색 장치의 블록도이다.
본 발명의 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치를 이용한 표적 탐색 장치는 안테나부(100), 송신기(120), 서큘레이터(140), 제1 비교기(240), 제2 비교기(260), 수신기(280), 각도 정보 추출부(320), 수직 편파 신호 처리부(360), 수평 편파 신호 처리부(380), 파형 발생부(390), 짐벌 구동부(520) 및 짐벌(540)을 포함한다.
안테나부(100)는 표적에서 반사된 반사 신호를 수신한다. 안테나부(100)에 대한 사항은 전술한 바와 같으므로 생략한다.
송신기(120)는 신호 처리부(300)에서 추정된 표적에 대한 각도 정보를 고려하여 표적을 탐지하기 위한 신호를 송신한다. 본 발명에서, 송신 신호는 광대역 밀리미터파에 특화된 주파수 특성을 가질 수 있다.
서큘레이터(140)는 송신기(120)에서 송신되는 송신 신호와 안테나부(100)에서 수신되는 반사 신호를 분기한다. 일반적으로, 유도 무기에 장착되는 탐색기의 안테나는 표적을 탐지하기 위한 송신, 수신의 기능을 모두하고, 이들의 기능을 전환하고, 송수신 신호의 혼선을 방지하는 기능을 할 수 있다.
제 1비교기(240) 및 제 2 비교기(260)는 도 2 를 참조하면, 편파 분리기(220)로부터 특정 방향으로 편파된 편파 신호들을 수신하고, 수신된 편파 신호들에 가중치를 적용하여 합산한다. 가중치를 적용하여 합산하는 과정은 전술한 바와 같으므로 생략한다. 제 1비교기(240) 및 제 2 비교기(260)는 복수의 하이브리드 커플러를 포함할 수 있고, 비교기에 대한 중복되는 사항은 전술한 바와 같으므로 생략한다.
수신기(280)는 제 1비교기(240) 및 제 2 비교기(260)로부터 가감된 편파 신호들을 수신하여 신호 처리부(300)로 전송한다.
각도 정보 추출부(320)는 가중치가 적용되어 합산된 편파 신호의 이득 패턴과 비를 이용하여 표적에 대한 각도 정보를 추출한다. 표적에 대한 각도 정보는 오차각 정보를 포함한다. 수직 편파 신호 처리부(360)는 수신기(280)로부터 가감된 수직 편파 신호를 수신하여 각도 정보 추출부(320)로 전송하고, 수평 편파 신호 처리부(380)는 수신기(280)로부터 가중치가 적용되어 합산된 수평 편파 신호를 수신하여 각도 정보 추출부(320)로 전송한다.
파형 발생부(390)는 송신 신호 및 수신된 편파 신호들로부터 발생하는 주파수들의 도플러 현상을 해결하기 위한 신호를 생성한다. 짐벌 구동부(520)는 각도 정보 추출부(320)에서 각도 정보를 고려한 짐벌 제어 신호를 수신하여 이를 이용하여 짐벌을 구동한다. 짐벌(540)은 안테나부(100)의 지향 방향을 조절한다.
상기 설명된 본 발명의 일 실시예의 방법의 전체 또는 일부는, 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 기록 매체의 형태로 구현될 수 있다. 여기에서, 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르는 방법의 전체 또는 일부는 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하며, 매체에 기록된 컴퓨터 프로그램(또는 컴퓨터 프로그램 제품)으로 구현될 수도 있다. 컴퓨터 프로그램은 프로세서에 의해 처리되는 프로그래밍 가능한 기계 명령어를 포함하고, 고레벨 프로그래밍 언어(High-level Programming Language), 객체 지향 프로그래밍 언어(Object-oriented Programming Language), 어셈블리 언어 또는 기계 언어 등으로 구현될 수 있다. 또한 컴퓨터 프로그램은 유형의 컴퓨터 판독가능 기록매체(예를 들어, 메모리, 하드디스크, 자기/광학 매체 또는 SSD(Solid-State Drive) 등)에 기록될 수 있다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따르는 방법은 상술한 바와 같은 컴퓨터 프로그램이 컴퓨팅 장치에 의해 실행됨으로써 구현될 수 있다. 컴퓨팅 장치는 프로세서와, 메모리와, 저장 장치와, 메모리 및 고속 확장포트에 접속하고 있는 고속 인터페이스와, 저속 버스와 저장 장치에 접속하고 있는 저속 인터페이스 중 적어도 일부를 포함할 수 있다. 이러한 성분들 각각은 다양한 버스를 이용하여 서로 접속되어 있으며, 공통 머더보드에 탑재되거나 다른 적절한 방식으로 장착될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 표적에서 반사된 반사 신호를 수신하는 안테나부;
    상기 반사 신호의 편파 방향을 고려하여, 적어도 제1 그룹의 편파 신호들과 제2 그룹의 편파 신호들로 분리하고, 상기 제1 그룹 및 제2 그룹 각각에 대하여 해당 그룹에 속하는 편파 신호들에 가중치를 적용하여 합산하는 비교기; 및
    상기 합산된 제1 그룹의 편파 신호들로부터 오차각을 계산하고, 상기 오차각의 변동량이 기 설정된 기준 범위를 벗어나는지 여부에 따라 적응적으로 상기 합산된 제2 그룹의 편파 신호들로부터 오차각을 계산하여 상기 표적에 대한 각도 정보를 추정하는 신호 처리부; 를 포함하는 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분리된 해당 그룹별 편파 신호들의 방향은 서로 직교성을 가지는 것을 특징으로 하는 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 비교기는
    상기 반사 신호를 상기 편파 방향을 고려하여, 적어도 상기 제1 그룹의 편파 신호들과 상기 제2 그룹의 편파 신호들로 분리하는 편파 분리기; 를 더 포함하고,
    상기 분리된 편파 신호들에 가중치를 적용하여 합산하는 것을 특징으로 하는 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 비교기는
    상기 분리된 제1 그룹의 편파 신호들에 가중치를 적용하여 합산하는 제1 비교기; 및
    상기 분리된 제2 그룹의 편파 신호들에 가중치를 적용하여 합산하는 제2 비교기; 를 더 포함하고,
    상기 분리된 제1 그룹의 편파 신호들 및 제2 그룹의 편파 신호들 각각에 대하여 가중치를 적용하여 합산하는 것을 특징으로 하는 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 가중치를 적용하여 합산하는 것은,
    상기 안테나부를 지향하기 위한 방향의 방위각 및 앙각 성분을 고려하여 가중치 벡터를 생성하고,
    상기 생성된 가중치 벡터를 상기 해당 그룹별 편파 신호들에 적용하여 상기 해당 그룹별 편파 신호들의 합신호, 방위각 차신호 및 앙각 차신호를 생성하는 것인 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 신호 처리부는
    상기 합산된 해당 그룹별 편파 신호들로부터 오차각을 계산하고, 상기 계산된 오차각을 이용하여 상기 표적에 대한 각도 정보를 추출하는 각도 정보 추출부; 및
    상기 합산된 제1 그룹의 편파 신호들로부터 계산된 오차각의 변동량이 기 설정된 기준 범위를 벗어나는 경우, 기 저장된 상기 표적에 대한 각도 정보를 고려하여 추출할 상기 각도 정보의 대상을 상기 합산된 제2 그룹의 편파 신호들로 스위칭하는 스위칭부; 를 포함하고,
    상기 해당 그룹별 편파 신호들을 적응적으로 이용하여 상기 표적에 대한 각도 정보를 추정하는 것을 특징으로 하는 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 안테나부는
    상기 표적을 탐지하기 위한 송신 신호를 송출하는 송출부; 및
    상기 송출되는 송신 신호와 상기 수신된 반사 신호를 분기시키는 서큘레이터; 를 포함하고,
    상기 송신 신호와 분기하여 상기 반사 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 장치.
  8. 표적에서 반사된 반사 신호를 수신하는 안테나부;
    상기 반사 신호의 편파 방향을 고려하여, 적어도 제1 그룹의 편파 신호들과 제2 그룹의 편파 신호들로 분리하고, 상기 제1 그룹 및 제2 그룹 각각에 대하여 해당 그룹에 속하는 편파 신호들에 가중치를 적용하여 합산하는 비교기; 및
    상기 합산된 제1 그룹의 편파 신호들로부터 오차각을 계산하고, 상기 오차각의 변동량이 기 설정된 기준 범위를 벗어나는지 여부에 따라 적응적으로 상기 합산된 제2 그룹의 편파 신호들로부터 오차각을 계산하여 상기 표적에 대한 각도 정보를 추정하는 신호 처리부;
    상기 추정된 각도 정보를 이용하여 상기 안테나부의 지향 방향을 조절하는 짐벌 구동부; 및
    상기 짐벌 구동부의 제어에 따라 구동되어 상기 안테나부의 지향 방향을 조절하는 짐벌; 을 포함하는 표적 탐색 장치.
  9. 표적에서 반사된 반사 신호를 수신하는 단계;
    상기 반사 신호의 편파 방향을 고려하여, 적어도 제1 그룹의 편파 신호들과 제2 그룹의 편파 신호들로 분리하는 단계;
    상기 분리된 제1 그룹 및 제2 그룹 각각에 대하여 해당 그룹에 속하는 편파 신호들에 가중치를 적용하여 합산하는 단계; 및
    상기 합산된 제1 그룹의 편파 신호들로부터 오차각을 계산하고, 상기 오차각의 변동량이 기 설정된 기준 범위를 벗어나는지 여부에 따라 적응적으로 상기 합산된 제2 그룹의 편파 신호들로부터 오차각을 계산하여 상기 표적에 대한 각도 정보를 추정하는 단계; 를 포함하는 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 분리된 해당 그룹별 편파 신호들의 방향은 서로 직교성을 가지는 것을 특징으로 하는 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 합산하는 단계는,
    상기 반사 신호를 수신하는 방향의 방위각 및 앙각 성분을 고려하여 가중치 벡터를 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 가중치 벡터를 상기 해당 그룹별 편파 신호들에 적용하여 상기 해당 그룹별 편파 신호들의 합신호, 방위각 차신호 및 앙각 차신호를 생성하는 단계; 를 포함하는 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 방법.
  12. 프로세서에 의해 실행되는 것을 통하여 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 이중편파를 이용한 표적 각도 추정 방법을 실현하는 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 기록된 프로그램.
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