KR101897414B1 - 회전형 레이더를 이용한 비행체의 충돌 경보 장치 및 방법 - Google Patents

회전형 레이더를 이용한 비행체의 충돌 경보 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

회전형 레이더를 이용한 비행체의 충돌 경보 장치 및 방법이 개시된다. 충돌 충돌 경보 방법은, 회전형 레이더의 스캔을 통해 생성된 스캔 데이터를 입력받는 단계, 스캔 데이터에서 단일 표적에 대한 복수의 표적 신호를 그룹핑하기 위하여, 레이더 탐지 거리 별로 윈도우(window)를 설정하는 단계, 설정된 윈도우를 레이더 탐지 거리 별로 스캔 데이터에 적용하여 윈도우 상에서 검출된 복수의 표적 신호를 단일 표적으로 검출하는 단계-단일 표적이 검출된 윈도우의 중심 위치가 단일 표적의 현재 위치로 결정됨-, 결정된 단일 표적의 현재 위치와 이전 스캔 데이터를 이용하여 결정된 단일 표적의 이전 위치를 이용하여 단일 표적의 경로를 결정하는 단계 및 경로 및 경로를 통해 산출된 속도를 이용하여 검출된 단일 표적에 대한 충돌 위험 알림을 수행하는 단계를 포함하되, 윈도우는 회전형 레이더의 빔폭에 상응하는 제1 호의 길이와 미리 설정된 표적 평균 길이가 동일한 기준 레이더 탐지 거리를 기준으로 구분되는 구간에 따라 설정된다.

Description

회전형 레이더를 이용한 비행체의 충돌 경보 장치 및 방법{Apparatus and method for collision warning of aircraft using rotary radar}
본 발명은 회전형 레이더의 신호 처리 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 회전형 레이더를 이용한 비행체의 충돌 경보 장치 및 방법 에 관한 것이다.
비행체에 장착된 회전 안테나 구조의 회전형 레이더는 매번 스캔을 할 때 마다 수신 신호로부터 표적 위치 정보를 획득하게 되며, 연속적인 스캔을 통해 획득된 표적 위치 정보들을 이용하여 표적을 추적하게 된다. 이러한 회전형 레이더는 스캔 주기가 크기 때문에, 표적 추적을 위해서 도플러 정보를 사용할 수 없다. 그래서, 회전형 레이더는 매 스캔에서 획득되는 표적 위치 정보를 이용해서 표적 속도 정보를 추정하고, 이를 이용해서 표적 추적을 하게 된다.
다중 표적이 존재하는 경우, 추적 과정은 이전 스캔 데이터로부터 획득한 표적들의 위치 및 속도 정보를 이용하여 표적들의 예상 위치 정보를 계산한 후, 계산된 예상 위치 정보와 현재 스캔하여 획득된 표적들의 위치 정보들의 데이터 결합(association)을 실시하여 이루어질 수 있다. 여기서, 속도 정보는, 경도, 위도 등의 절대 좌표계를 사용하여 벡터량으로 나타낼 수도 있고, 회전형 레이더를 탑재한 비행체를 기준으로 한 상대 좌표계를 사용하여 나타낼 수도 있다. 회전형 레이더는 비행체의 속도 정보를 획득할 수 있으면, 절대 좌표계 사용이 가능하나, stand-alone으로 동작한다면, 상대 좌표계를 사용해야 한다. 데이터 결합을 위해서는 칼만필터 이론, 헝거리안 알고리즘 등이 많이 이용된다.
회전형 레이더의 안테나 회전에 따라 회전하는 메인 로브(main lobe)의 빔폭에 표적이 존재하는 동안, 회전형 레이더는 펄스 신호를 송신한 후, 송신된 펄스 신호가 표적에 산란된 표적 신호를 계속해서 수신하기 때문에, 단일 표적인 경우에도, 여러 수신 신호가 표적 신호 성분을 갖게 된다.
따라서, 회전형 레이더는 매번 수신 신호를 하나의 표적으로 간주한다면, 실제 보다 더 많은 표적이 존재하는 것으로 인식하게 되고, 이로 인하여 데이터 결합 과정은 매우 복잡하게 된다. 즉, 회전형 레이더는 펄스 반복 주기(PRI: pulse repetition interval)에 따른 샘플링 회전각과 빔폭(beam width)의 차이에 의하여 단일 표적을 복수의 표적으로 인식할 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 비행체에 장착된 회전형 레이더가 회전을 통한 스캔 시, 하나의 표적에 대하여 복수의 표적 신호가 탐지되므로, 스캔 데이터에 대한 그룹화 과정을 통해 단일 표적화하고, 데이터 결합(association)을 통해 복수의 표적을 추적하고, 추적된 표적에 대하여 충돌 위험을 알리는 회전형 레이더를 이용한 비행체의 충돌 경보 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 회전형 레이더를 이용한 비행체의 충돌 경보 장치가 수행하는 충돌 경보 방법가 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 충돌 충돌 경보 방법은, 상기 회전형 레이더의 스캔을 통해 생성된 스캔 데이터를 입력받는 단계, 상기 스캔 데이터에서 단일 표적에 대한 복수의 표적 신호를 그룹핑하기 위하여, 레이더 탐지 거리 별로 윈도우(window)를 설정하는 단계, 상기 설정된 윈도우를 상기 레이더 탐지 거리 별로 상기 스캔 데이터에 적용하여 상기 윈도우 상에서 검출된 복수의 표적 신호를 상기 단일 표적으로 검출하는 단계-상기 단일 표적이 검출된 윈도우의 중심 위치가 상기 단일 표적의 현재 위치로 결정됨-, 상기 결정된 단일 표적의 현재 위치와 이전 스캔 데이터를 이용하여 결정된 상기 단일 표적의 이전 위치를 이용하여 상기 단일 표적의 경로를 결정하는 단계 및 상기 경로 및 상기 경로를 통해 산출된 속도를 이용하여 검출된 단일 표적에 대한 충돌 위험 알림을 수행하는 단계를 포함하되, 상기 윈도우는 상기 회전형 레이더의 빔폭에 상응하는 제1 호의 길이와 미리 설정된 표적 평균 길이가 동일한 기준 레이더 탐지 거리를 기준으로 구분되는 구간에 따라 설정된다.
상기 스캔 데이터는 펄스 반복 주기(PRI: pulse repetition interval) 동안 회전한 회전형 레이더의 데이터 샘플링 회전각에 상응하는 제2 호의 길이 및 데이터 샘플링 거리를 각각 가로와 세로로 하는 데이터 샘플링 영역인 셀(cell)로 구성된다.
상기 구간은, 총 레이더 탐지 거리에서, 상기 제1 호의 길이와 상기 표적 평균 길이가 동일한 기준 레이더 탐지 거리 미만인 제1 구간 및 상기 기준 레이더 탐지 거리 이상인 제2 구간으로 구분된다.
상기 제1 구간의 제1 윈도우는 가로와 세로의 길이가 상기 표적 평균 길이가 되어 면적이 표적 평균 크기에 상응하도록 설정된다.
상기 제1 윈도우는 면적이 상기 표적 평균 크기에 상응하게 고정되며, 상기 제1 윈도우를 차지하는 복수의 셀은 상기 레이더 탐지 거리가 멀어질수록 가로 길이가 증가하여 개수가 감소한다.
상기 제1 윈도우의 전체 셀에 대한 표적 신호를 가진 셀의 비율이 기준 비율 이상인 경우, 상기 단일 표적이 존재하는 것으로 판정된다.
상기 제2 구간의 제2 윈도우는 차지하는 복수의 셀의 가로 개수가 제1 호의 길이를 제2 호의 길이로 나눈 값이 되도록 설정된다.
상기 제2 윈도우는 차지하는 복수의 셀의 가로 개수 및 세로 개수가 각각 상기 나눈 값 및 미리 설정된 값으로 고정되며, 상기 제2 윈도우의 면적은 상기 레이더 탐지 거리가 멀어질수록 상기 복수의 셀의 가로 길이가 증가하여 증가한다.
상기 제2 윈도우 내에서 표적 신호를 가진 셀이, 상기 나눈 값만큼 가로 방향으로 연속하여 존재하면, 상기 단일 표적이 존재하는 것으로 존재한다.
상기 검출된 단일 표적의 위치는 표적 신호를 가진 복수의 셀이 존재하는 영역의 중심 위치로 결정된다.
상기 윈도우 상에서 검출된 복수의 표적 신호를 상기 단일 표적으로 검출하는 단계는, 상기 윈도우를 이용하여 표적 탐지를 마치면, 상기 데이터 샘플링 회전각 방향으로 한 셀만큼 상기 윈도우를 슬라이딩시켜 상기 표적 탐지를 반복한다.
상기 윈도우의 셀들이 모두 표적 신호를 가지지 않는 경우, 또는 상기 단일 표적이 탐지된 경우에 계산량 감소를 위하여, 상기 윈도우를 차지하는 복수의 셀의 가로 개수만큼 상기 윈도우를 슬라이딩시켜 표적 탐지를 반복한다.
상기 단일 표적의 경로를 결정하는 단계는, 복수의 표적이 존재하는 경우 각 표적에 대하여, 이전 위치를 이용하여 현재 예상 위치를 산출하고, 상기 산출된 현재 예상 위치와 근접한 현재 위치를 이전 위치와 연결하여 각 표적의 경로를 산출한다.
상기 충돌 위험 알림을 수행하는 단계는, 상기 표적의 속도 정보를 이용하여 두 물체가 가장 근접할 때 가지 걸리는 시간(TCPA: Time of Closest Point of Approach) 및 가장 근접하는 거리(DCPA: Distance of Closest Point of Approach)를 산출하는 단계 및 상기 산출된 TCPA와 DCPA가 임계치 이하이면 이를 디스플레이 장치에 출력하고 시각 및 청각적 알람 신호를 발생시켜 충돌 위험 알림을 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 회전형 레이더를 이용한 비행체의 충돌 경보 장치이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 충돌 경보 장치는, 명령어를 저장하는 메모리 및 상기 명령어를 실행하는 프로세서를 포함하되, 상기 명령어는, 상기 회전형 레이더의 스캔을 통해 생성된 스캔 데이터를 입력받는 단계, 상기 스캔 데이터에서 단일 표적에 대한 복수의 표적 신호를 그룹핑하기 위하여, 레이더 탐지 거리 별로 윈도우(window)를 설정하는 단계, 상기 설정된 윈도우를 상기 레이더 탐지 거리 별로 상기 스캔 데이터에 적용하여 상기 윈도우 상에서 검출된 복수의 표적 신호를 상기 단일 표적으로 검출하는 단계-상기 단일 표적이 검출된 윈도우의 중심 위치가 상기 단일 표적의 현재 위치로 결정됨-, 상기 결정된 단일 표적의 현재 위치와 이전 스캔 데이터를 이용하여 결정된 상기 단일 표적의 이전 위치를 이용하여 상기 단일 표적의 경로를 결정하는 단계 및 상기 경로 및 상기 경로를 통해 산출된 속도를 이용하여 검출된 단일 표적에 대한 충돌 위험 알림을 수행하는 단계를 포함하는 충돌 경보 방법을 수행하되, 상기 윈도우는 상기 회전형 레이더의 빔폭에 상응하는 제1 호의 길이와 미리 설정된 표적 평균 길이가 동일한 기준 레이더 탐지 거리를 기준으로 구분되는 구간에 따라 설정된다.
본 발명의 실시예에 따른 회전형 레이더를 이용한 비행체의 충돌 경보 장치 및 방법은, 비행체에 장착된 회전형 레이더가 회전을 통한 스캔 시, 하나의 표적에 대하여 복수의 표적 신호가 탐지되므로, 스캔 데이터에 대한 그룹화 과정을 통해 단일 표적화함으로써, 거짓 표적들이 제거되어 다중 표적 추적을 위한 데이터 결합의 복잡도를 크게 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 회전형 레이더를 이용한 비행체의 충돌 경보 방법을 나타낸 흐름도.
도 2 내지 도 13은 도 1의 충돌 경보 방법을 설명하기 위한 도면.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 회전형 레이더를 이용한 비행체의 충돌 경보 장치의 구성을 개략적으로 예시한 도면.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 회전형 레이더를 이용한 비행체의 충돌 경보 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 2 내지 도 13은 도 1의 충돌 경보 방법을 설명하기 위한 도면이다. 이하에서는, 도 1을 중심으로 본 발명의 실시예에 따른 회전형 레이더를 이용한 비행체의 충돌 경보 방법을 설명하되, 도 2 내지 도 13을 참조하기로 한다.
도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 회전형 레이더를 이용한 비행체의 충돌 경보 방법은 비행체에 설치된 충돌 경보 장치에 의하여 수행된다. 예를 들어, 충돌 경보 장치는 비행체에 설치된 레이더 시스템과 같은 비행체의 전자 시스템에 구비될 수 있으며, 비행체의 회전형 레이더에 의하여 생성되는 스캔 데이터를 이용하여 충돌 경보 방법을 수행할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 충돌 경보 장치는 소형 항공기나 헬기 등과 같은 비행체의 충돌 회피를 위한 것이나, 비행체뿐만 아니라 회전형 레이더를 이용하여 표적을 효율적으로 탐지하기 위한 장치라면 어떠한 장치라도 적용될 수 있다.
S110 단계에서, 충돌 경보 장치는 회전형 레이더의 스캔을 통해 생성된 스캔 데이터를 입력받는다. 회전형 레이더는 일반적으로, 펄스 반복 주기 동안 회전하여 스캔하는 데이터 샘플링 회전각이 빔폭(beam width)보다 매우 작으므로, 하나의 표적이 존재하더라도 복수의 표적 신호를 획득하게 된다. 즉, 스캔 데이터는 표적별 복수의 표적 신호에 대한 데이터값을 포함한다.
예를 들어, 회전형 레이더가 스캔을 통해 생성하는 스캔 데이터는 도 2에 도시된 바와 같이 나타낼 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 스캔 데이터는, 레이더 송신 펄스 신호의 빔폭은 2도이고, 펄스 반복 주기(PRI: pulse repetition interval) 동안 회전한 회전형 레이더의 데이터 샘플링 회전각(
Figure 112017086444514-pat00001
)은 0.1도인 경우이며, 설명과 이해의 편의를 위하여, 표적 신호가 획득된 경우의 데이터값은 1로 표시되고, 표적 신호가 획득되지 않은 경우의 데이터값은 0으로 표시된다.
참고로, 실제로 생성되는 스캔 데이터는 정수값이 되지도 않고, 잡음 신호도 포함되어 있으나, 잡음 신호는 미약하고, 생성된 스캔 데이터의 데이터값을 양자화하여 1과 0의 두 값만을 가진다고 가정하기로 한다.
일반적인 회전형 레이더는 펄스 반복 주기에 따라 펄스 신호를 송신하므로, 송신된 펄스 신호가 표적에서 산란되어 생성된 표적 신호도 펄스 반복 주기마다 수신한다. 이때, 데이터 샘플링 회전각(
Figure 112017086444514-pat00002
)은 빔폭에 비하여 매우 작으므로, 도 2에 도시된 바와 같이, 단일 표적에 대하여 스캔한 방위각 증가에 따라 표적 신호(1)가 연속적으로 획득된다. 따라서, 획득된 표적 신호에 따른 데이터 샘플링값 하나를 단순히 하나의 표적으로 대응시키면 안 되며, 도 3에 도시된 바와 같이, 표적 신호에 따른 데이터 샘플링값이 연속적으로 획득되더라도, 그룹화를 통해 그룹핑된 데이터 샘플링값들을 하나의 표적으로 대응시키는 것이 필요하다. 도 3은 레이더 송신 펄스 신호의 빔 형상에 상응하게 데이터 샘플링 회전각(
Figure 112017086444514-pat00003
)과 데이터 샘플링 거리에 따라 획득된 복수의 표적 신호를 그룹핑한 것을 나타낸다.
도 2 및 도 3에서, 레이더 탐지 거리 및 방위각 별 스캔 데이터를 표시하는 각 칸은, 데이터 샘플링 회전각(
Figure 112017086444514-pat00004
)에 상응하는 호의 길이 및 데이터 샘플링 거리를 각각 가로와 세로로 하는 데이터 샘플링 영역인 셀(cell)을 나타낸다. 그래서, 세로는 거리 분해능(range resolution)에 따라, 가로는 각도 분해능(angle resolution)과는 상관없이, 미리 설정된 데이터 샘플링 회전각(
Figure 112017086444514-pat00005
)에 따라 샘플링되어, 스캔 데이터가 획득된다.
S120 단계에서, 충돌 경보 장치는 스캔 데이터에서 하나의 표적에 대한 복수의 표적 신호를 그룹핑하기 위하여, 레이더 탐지 거리 별로 윈도우(window)를 설정한다.
여기서, 윈도우는 미리 설정된 표적 평균 길이를 기준으로 설정된다.
예를 들어, 도 4를 참조하면, 국내에서 운영 중인 KA-32 헬기와 Cessna-172 경비행기의 측면 길이 및 정면 길이는 각각 11.3m 및 2m, 8.8m 및 2.5m이다. 즉, 국내 헬기들의 측면 길이 및 정면 길이는 각각 11m~19m 및 2m~4m가 되고, 국내 경비행기들의 측면 길이 및 정면 길이는 각각 8m~20m 및 2m~4m가 된다. 따라서, 표적 평균 크기는 15mㅧ3m가 될 수 있으며, 표적 평균 길이는 15m가 적용될 수 있다.
즉, 윈도우는 빔폭에 상응하는 호의 길이(
Figure 112017086444514-pat00006
)와 미리 설정된 표적 평균 길이가 동일한 기준 레이더 탐지 거리를 기준으로 구분되는 구간에 따라 레이더 탐지 거리 별로 설정될 수 있다.
예를 들어, 빔폭이 2도이고, 데이터 샘플링 회전각(
Figure 112017086444514-pat00007
)이 0.1도이라고 가정하면, 빔폭에 상응하는 호의 길이(
Figure 112017086444514-pat00008
)와 데이터 샘플링 회전각(
Figure 112017086444514-pat00009
)에 상응하는 호의 길이(
Figure 112017086444514-pat00010
)의 차이는 도 5와 같이 나타낼 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 빔폭에 상응하는 호의 길이(
Figure 112017086444514-pat00011
)와 데이터 샘플링 회전각(
Figure 112017086444514-pat00012
)에 상응하는 호의 길이(
Figure 112017086444514-pat00013
)는 레이더 탐지 거리에 따라 변화하나, 표적 평균 크기는 레이더 탐지 거리와 상관없이 일정하다.
그래서, 도 6에 도시된 바와 같이, 총 레이더 탐지 거리는, 빔폭에 상응하는 호의 길이(
Figure 112017086444514-pat00014
)와 미리 설정된 표적 평균 길이가 동일한 기준 레이더 탐지 거리 미만의 구간인 케이스 1과 기준 레이더 탐지 거리 이상의 구간인 케이스 2로 구분될 수 있다. 즉, 도 6은, 최대 탐지 거리가 10km이고, 최소 탐지 거리가 50m이고, 표적 평균 길이가 15m인 경우, 빔폭에 상응하는 호의 길이(
Figure 112017086444514-pat00015
)가 15m가 되는 레이터 탐지 거리가 430m이고, 케이스 1이 50m~430m 구간이고, 케이스 2가 430m~10km 구간이 되는 것을 나타낸다.
우선, 케이스 1의 경우, 윈도우는 면적이 표적 평균 크기에 상응하게 즉, 가로와 세로의 길이가 표적 평균 길이가 되도록 설정된다. 즉, 기준 레이더 탐지 거리 미만의 구간에서는, 레이더 탐지 거리에 상관없이, 윈도우의 면적이 표적 평균 크기에 상응하게 고정되며, 윈도우를 차지하는 복수의 셀은 가로 길이가 데이터 샘플링 회전각(
Figure 112017086444514-pat00016
)에 상응하는 호의 길이이므로, 레이더 탐지 거리가 멀어질수록 가로 길이가 증가하여 개수가 감소한다.
예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 케이스 1의 50m~430m 구간에서, 레이더 탐지 거리 별로 설정되는 윈도우의 면적은 15m의 표적 평균 길이를 가로와 세로의 길이로 하는 15mㅧ15m로 고정될 수 있다. 그리고, 데이터 샘플링 회전각(
Figure 112017086444514-pat00017
)에 상응하는 호의 길이(
Figure 112017086444514-pat00018
)가 레이더 탐지 거리가 멀어질수록 증가하고, 이에 따라 윈도우를 차지하는 셀은 가로 길이가 증가하여 셀의 개수가 감소한다.
다음으로, 케이스 2의 경우, 빔폭에 상응하는 호의 길이(
Figure 112017086444514-pat00019
)가 표적 평균 길이 이상이 되므로, 윈도우는 차지하는 복수의 셀의 가로 개수가 빔폭에 상응하는 호의 길이(
Figure 112017086444514-pat00020
)를 데이터 샘플링 회전각(
Figure 112017086444514-pat00021
)에 상응하는 호의 길이로 나눈 값이 되도록 설정된다. 즉, 기준 레이더 탐지 거리 이상의 구간에서는, 레이더 탐지 거리에 상관없이, 윈도우를 차지하는 복수의 셀의 가로 개수가 빔폭에 상응하는 호의 길이(
Figure 112017086444514-pat00022
)를 데이터 샘플링 회전각(
Figure 112017086444514-pat00023
)에 상응하는 호의 길이로 나눈 값으로 고정되며, 윈도우를 차지하는 복수의 셀의 세로 개수는 미리 설정된 값으로 고정된다. 이때, 셀의 가로 길이는 데이터 샘플링 회전각(
Figure 112017086444514-pat00024
)에 상응하는 호의 길이이므로, 레이더 탐지 거리가 멀어질수록 셀의 가로 길이가 증가하여, 윈도우의 면적은 증가한다.
예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 케이스 2의 430m~10km 구간에서, 레이더 탐지 거리 별로 설정되는 윈도우를 차지하는 복수의 셀의 가로와 세로의 개수는, 빔폭이 2도이고 데이터 샘플링 회전각(
Figure 112017086444514-pat00025
)이 0.1도인 경우, 샘플링된 데이터가 20개가 되므로, 20ㅧ10으로 고정될 수 있다. 그리고, 데이터 샘플링 회전각(
Figure 112017086444514-pat00026
)에 상응하는 호의 길이(
Figure 112017086444514-pat00027
)가 레이더 탐지 거리가 멀어질수록 증가하고, 이에 따라 윈도우를 차지하는 셀은 가로 길이가 증가하여 윈도우 면적이 증가한다.
S130 단계에서, 충돌 경보 장치는 설정된 윈도우를 이용하여 단일 표적을 검출하고, 검출된 단일 표적의 위치를 결정한다. 즉, 충돌 경보 장치는 레이더 탐지 거리 별로 스캔 데이터에 윈도우를 적용하고, 하나의 윈도우 상에서 검출된 복수의 표적 신호를 단일 표적으로 검출하고, 단일 표적이 검출된 윈도우의 중심 위치를 단일 표적의 위치로 결정한다. 여기서, 윈도우는 레이더 탐지 거리 별로 설정되어 스캔 데이터 전체에 대하여 복수개가 적용되고, 각 윈도우에 대하여 표적 탐지가 수행되며, 복수의 표적 신호가 검출되는 적어도 하나의 윈도우에서 단일 표적이 검출될 수 있다.
우선, 케이스 1의 경우, 윈도우 내에서 표적 존재 여부를 판별하기 위한 기준은 윈도우의 전체 셀 중에서 1로 표현되는 샘플링 데이터값을 가진 셀 즉, 표적 신호를 가진 셀의 비율이다. 즉, 윈도우의 전체 셀에 대한 표적 신호를 가진 셀의 비율이 기준 비율 이상인 경우, 단일 표적이 존재하는 것으로 판정될 수 있다.
예를 들어, 도 9를 참조하면, 케이스 1의 50m~430m 구간에서는, 표적이 측면으로 접근하는 경우에 데이터 샘플링 회전각(
Figure 112017086444514-pat00028
) 방향으로 연속하여 복수의 표적 신호가 검출되고, 표적이 정면으로 접근하는 경우에 데이터 샘플링 거리 방향으로 복수의 표적 신호가 검출될 수 있다. 이와 같은 경우, 하나의 윈도우 내에서 검출된 표적 신호의 개수가 x% 이상이면, 하나의 표적이 존재하는 것으로 판정될 수 있다. 여기서, x는 5~15%이거나, 최대 20%이하일 수 있다. 그리고, 검출된 단일 표적의 위치는 표적 신호를 가진 복수의 셀이 존재하는 영역의 중심 위치로 결정될 수 있다.
예를 들어, 기준 비율은 표적의 방향을 바꾸어 가면서 수행한 실험에 의하여 설정될 수 있는 값이다. 다양한 모양의 표적에 대하여 시뮬레이션한 결과, 크기가 15mㅧ3m 정도인 표적에 대해서는 기준 비율이 5%인 것이 적정한 것으로 도출되었다.
다음으로, 케이스 2의 경우, 윈도우 내에서 표적 신호를 가진 셀이, 빔폭에 상응하는 호의 길이(
Figure 112017086444514-pat00029
)를 데이터 샘플링 회전각(
Figure 112017086444514-pat00030
)에 상응하는 호의 길이로 나눈 값만큼 가로 방향(데이터 샘플링 회전각(
Figure 112017086444514-pat00031
) 방향)으로 연속하여 존재하면, 표적이 존재하는 것으로 판정될 수 있다.
예를 들어, 도 10을 참조하면, 케이스 2의 430m~10km 구간에서는, 표적이 측면 및 정면으로 접근하는 경우에 데이터 샘플링 회전각(
Figure 112017086444514-pat00032
) 방향으로 연속하여 복수의 표적 신호가 검출될 수 있다. 이와 같은 경우, 빔폭이 2도이고 데이터 샘플링 회전각(
Figure 112017086444514-pat00033
)이 0.1도인 경우, 샘플링된 데이터가 20개가 되므로, 하나의 윈도우 내에서 검출된 표적 신호가 데이터 샘플링 회전각(
Figure 112017086444514-pat00034
) 방향으로 연속하여 20개 존재하면, 하나의 표적이 존재하는 것으로 판정될 수 있다. 그리고, 검출된 단일 표적의 위치는 표적 신호를 가진 복수의 셀이 존재하는 영역의 중심 위치로 결정될 수 있다.
이와 같이 윈도우를 이용하여 단일 표적을 검출하는 그룹화 과정은 회전형 안테나가 영역 스캔을 마친 후 획득된 스캔 데이터에 대하여 수행된다. 즉, 충돌 경보 장치는 윈도우(window)를 스캔 데이터에 적용하여 윈도우 내에서 표적 신호들을 검출하여 단일 표적 검출을 위한 표적 탐지를 수행하며, 도 11에 도시된 바와 같이, 탐지를 마치면 스캔하는 데이터 샘플링 회전각(
Figure 112017086444514-pat00035
) 방향으로 한 셀만큼 윈도우를 슬라이딩시켜 표적 탐지를 반복한다.
케이스 1의 경우, 전술한 바와 같이 윈도우의 전체 셀에 대한 표적 신호를 가진 셀의 비율에 따라 표적의 존재 여부가 판정되어 표적 위치가 확정될 수 있다. 이때, 계산 시간 단축을 위하여 도 13에 도시된 바와 같이, 윈도우의 셀들이 모두 표적 신호를 가지지 않는 경우, 또는 표적이 탐지된 경우에는 윈도우 사이즈(윈도우를 차지하는 복수의 셀의 가로 개수)만큼 윈도우가 슬라이딩되어 표적 탐지가 반복될 수 있다. 이는, 케이스 1의 경우, 윈도우의 면적이 표적 평균 크기에 상응하게 설정되므로, 윈도우 면적 단위로 표적 탐지가 가능하기 때문이다. 다만, 윈도우 내에 표적 신호를 가진 셀들이 존재하나, 윈도우의 전체 셀에 대한 표적 신호를 가진 셀의 비율이 기준 비율 미만이어서 표적의 존재 여부를 확정하기 어려운 경우에만, 셀 단위로 윈도우가 슬라이딩되어 표적 탐지가 반복될 수 있다.
한편, 케이스 2의 경우도, 빔폭 정도의 해상도로 표적 탐지 및 표적 위치 결정을 할 때, 계산량 감소를 위하여 케이스 1에서와 같이, 윈도우의 셀들이 모두 표적 신호를 가지지 않는 경우, 또는 표적이 탐지된 경우에는 윈도우 사이즈만큼 윈도우가 슬라이딩되어 표적 탐지가 반복될 수 있다.
하지만, 거리가 먼 경우는 빔폭에 상응하는 호의 길이(
Figure 112017086444514-pat00036
)가 크므로, 윈도우 사이즈만큼 윈도우가 슬라이딩되어 표적 탐지가 수행되면, 스캔하는 데이터 샘플링 회전각(
Figure 112017086444514-pat00037
) 방향으로 빔폭에 상응하는 호의 길이(
Figure 112017086444514-pat00038
)보다 가까운 위치에 존재하는 표적이 누락될 수 있다. 그래서, 표적 미싱(missing)을 피하기 위하여 계산 시간이 증가하더라도 슬라이딩 간격은 윈도우 사이즈보다 작거나 셀 단위로 설정되어야 한다.
S140 단계에서, 충돌 경보 장치는 결정된 단일 표적의 현재 위치와 이전 스캔 데이터를 이용하여 결정된 단일 표적의 이전 위치를 이용하여 단일 표적의 경로를 결정하고, 결정된 경로로부터 속도를 산출한다. 즉, 경로가 결정되면, 단일 표적의 이전 및 현재의 위치와 이동 시간이 정해지므로, 이로부터 단일 표적의 속도가 산출될 수 있다.
또한, 충돌 경보 장치는 복수의 표적이 존재하는 경우, 각 표적에 대하여 이전 위치를 이용하여 현재 예상 위치를 산출하고, 현재 예상 위치와 근접한 현재 위치를 이전 위치와 연결하여 각 표적의 경로를 산출한다. 예를 들어, i번째 위치가 현재 위치라고 가정하면, 현재 예상 위치는 제1 이전 위치(i-2번째 위치)로부터 제2 이전 위치(i-1번째 위치)까지의 방향 및 속도로부터 추정될 수 있다.
즉, 충돌 경보 장치는 다중 표적 환경에서 복수의 표적의 이전 위치 및 현재 위치에 데이터 결합을 통해 각 표적의 경로 정보를 결정할 수 있다.
예를 들어, 데이터 결합은 도 13에 도시된 바와 같이 나타낼 수 있다. 도 4는 이동하는 4개의 표적들이 존재하는 환경에서 스캔 과정을 통해 획득된 스캔 데이터로부터 표적을 추적한 결과를 나타낸다. 도 13을 참조하면, 첫 번째 스캔에서 추적된 표적 위치가 ○이고, 두 번째 스캔에서 다시 추적된 표적 위치가 △ 라고 가정한다. 세 번째 스캔으로 스캔 데이터가 입력되는 동안 충돌 경보 장치는 이전 두 스캔 동안 획득된 표적 위치로부터 예상 표적 위치를 산출한 후, 산출된 예상 표적 위치(ㅧ로 표시)와 세 번째 스캔으로 추적된 현재 표적 위치(□로 표시) 간의 거리에 따라 표적별로 현재 표적 위치와 이전 표적 위치들을 연결하는 데이터 결합을 수행함으로써, 각 표적의 경로 정보를 결정할 수 있다.
S150 단계에서, 충돌 경보 장치는 표적의 경로 및 속도를 이용하여 검출된 표적에 대한 충돌 위험 알림을 수행한다.
예를 들어, 충돌 경보 장치는 두 이동체 간의 진행 속도가 매우 빠르지 않은 경우, 표적의 속도 정보를 이용하여 두 물체가 가장 근접할 때 가지 걸리는 시간(TCPA: Time of Closest Point of Approach) 및 가장 근접하는 거리(DCPA: Distance of Closest Point of Approach)를 산출하고, 산출된 TCPA와 DCPA가 임계치 이하이면 이를 디스플레이 장치에 출력하고 시각 및 청각적 알람 신호를 발생시켜 충돌 위험 알림을 수행할 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 회전형 레이더를 이용한 비행체의 충돌 경보 장치의 구성을 개략적으로 예시한 도면이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 충돌 경보 장치는 프로세서(10), 메모리(20), 통신부(30) 및 인터페이스(40)를 포함한다.
프로세서(10)는 메모리(20)에 저장된 처리 명령어를 실행시키는 CPU 또는 반도체 소자일 수 있다.
메모리(20)는 다양한 유형의 휘발성 또는 비휘발성 기억 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(20)는 ROM, RAM 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 메모리(20)는 본 발명의 실시예에 따른 충돌 경보 방법을 수행하는 명령어들을 저장할 수 있다.
통신부(30)는 통신망을 통해 다른 장치들과 데이터를 송수신하기 위한 수단이다.
인터페이스부(40)는 네트워크에 접속하기 위한 네트워크 인터페이스 및 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다.
한편, 전술된 실시예의 구성 요소는 프로세스적인 관점에서 용이하게 파악될 수 있다. 즉, 각각의 구성 요소는 각각의 프로세스로 파악될 수 있다. 또한 전술된 실시예의 프로세스는 장치의 구성 요소 관점에서 용이하게 파악될 수 있다.
또한 앞서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
상기한 본 발명의 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.
10: 프로세서
20: 메모리
30: 통신부
40: 인터페이스부

Claims (15)

  1. 회전형 레이더를 이용한 비행체의 충돌 경보 장치가 수행하는 충돌 경보 방법에 있어서,
    상기 회전형 레이더의 스캔을 통해 생성된 스캔 데이터를 입력받는 단계;
    상기 스캔 데이터에서 단일 표적에 대한 복수의 표적 신호를 그룹핑하기 위하여, 레이더 탐지 거리 별로 윈도우(window)를 설정하는 단계;
    상기 설정된 윈도우를 상기 레이더 탐지 거리 별로 상기 스캔 데이터에 적용하여 상기 윈도우 상에서 검출된 복수의 표적 신호를 상기 단일 표적으로 검출하는 단계-상기 단일 표적이 검출된 윈도우의 중심 위치가 상기 단일 표적의 현재 위치로 결정됨-;
    상기 결정된 단일 표적의 현재 위치와 이전 스캔 데이터를 이용하여 결정된 상기 단일 표적의 이전 위치를 이용하여 상기 단일 표적의 경로를 결정하는 단계; 및
    상기 경로 및 상기 경로를 통해 산출된 속도를 이용하여 검출된 단일 표적에 대한 충돌 위험 알림을 수행하는 단계를 포함하되,
    상기 윈도우는 상기 회전형 레이더의 빔폭에 상응하는 제1 호의 길이와 미리 설정된 표적 평균 길이가 동일한 기준 레이더 탐지 거리를 기준으로 구분되는 구간에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 충돌 경보 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스캔 데이터는 펄스 반복 주기(PRI: pulse repetition interval) 동안 회전한 회전형 레이더의 데이터 샘플링 회전각에 상응하는 제2 호의 길이 및 데이터 샘플링 거리를 각각 가로와 세로로 하는 데이터 샘플링 영역인 셀(cell)로 구성되는 것을 특징으로 하는 충돌 경보 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 구간은, 총 레이더 탐지 거리에서, 상기 제1 호의 길이와 상기 표적 평균 길이가 동일한 기준 레이더 탐지 거리 미만인 제1 구간 및 상기 기준 레이더 탐지 거리 이상인 제2 구간으로 구분되는 것을 특징으로 하는 충돌 경보 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 구간의 제1 윈도우는 가로와 세로의 길이가 상기 표적 평균 길이가 되어 면적이 표적 평균 크기에 상응하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 충돌 경보 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 윈도우는 면적이 상기 표적 평균 크기에 상응하게 고정되며, 상기 제1 윈도우를 차지하는 복수의 셀은 상기 레이더 탐지 거리가 멀어질수록 가로 길이가 증가하여 개수가 감소하는 것을 특징으로 하는 충돌 경보 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 윈도우의 전체 셀에 대한 표적 신호를 가진 셀의 비율이 기준 비율 이상인 경우, 상기 단일 표적이 존재하는 것으로 판정되는 것을 특징으로 하는 충돌 경보 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제2 구간의 제2 윈도우는 차지하는 복수의 셀의 가로 개수가 제1 호의 길이를 제2 호의 길이로 나눈 값이 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 충돌 경보 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 윈도우는 차지하는 복수의 셀의 가로 개수 및 세로 개수가 각각 상기 나눈 값 및 미리 설정된 값으로 고정되며,
    상기 제2 윈도우의 면적은 상기 레이더 탐지 거리가 멀어질수록 상기 복수의 셀의 가로 길이가 증가하여 증가하는 것을 특징으로 하는 충돌 경보 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2 윈도우 내에서 표적 신호를 가진 셀이, 상기 나눈 값만큼 가로 방향으로 연속하여 존재하면, 상기 단일 표적이 존재하는 것으로 존재하는 것으로 판정되는 것을 특징으로 하는 충돌 경보 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 검출된 단일 표적의 위치는 표적 신호를 가진 복수의 셀이 존재하는 영역의 중심 위치로 결정되는 것을 특징으로 하는 충돌 경보 방법.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 윈도우 상에서 검출된 복수의 표적 신호를 상기 단일 표적으로 검출하는 단계는,
    상기 윈도우를 이용하여 표적 탐지를 마치면, 상기 데이터 샘플링 회전각 방향으로 한 셀만큼 상기 윈도우를 슬라이딩시켜 상기 표적 탐지를 반복하는 것을 특징으로 하는 충돌 경보 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 윈도우의 셀들이 모두 표적 신호를 가지지 않는 경우, 또는 상기 단일 표적이 탐지된 경우에 계산량 감소를 위하여, 상기 윈도우를 차지하는 복수의 셀의 가로 개수만큼 상기 윈도우를 슬라이딩시켜 표적 탐지를 반복하는 것을 특징으로 하는 충돌 경보 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 단일 표적의 경로를 결정하는 단계는,
    복수의 표적이 존재하는 경우 각 표적에 대하여, 이전 위치를 이용하여 현재 예상 위치를 산출하고, 상기 산출된 현재 예상 위치와 근접한 현재 위치를 이전 위치와 연결하여 각 표적의 경로를 산출하는 것을 특징으로 하는 충돌 경보 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 충돌 위험 알림을 수행하는 단계는,
    상기 표적의 속도 정보를 이용하여 두 물체가 가장 근접할 때까지 걸리는 시간(TCPA: Time of Closest Point of Approach) 및 가장 근접하는 거리(DCPA: Distance of Closest Point of Approach)를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 TCPA와 DCPA가 임계치 이하이면 이를 디스플레이 장치에 출력하고 시각 및 청각적 알람 신호를 발생시켜 충돌 위험 알림을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 충돌 경보 방법.
  15. 회전형 레이더를 이용한 비행체의 충돌 경보 장치에 있어서,
    명령어를 저장하는 메모리; 및
    상기 명령어를 실행하는 프로세서를 포함하되,
    상기 명령어는,
    상기 회전형 레이더의 스캔을 통해 생성된 스캔 데이터를 입력받는 단계;
    상기 스캔 데이터에서 단일 표적에 대한 복수의 표적 신호를 그룹핑하기 위하여, 레이더 탐지 거리 별로 윈도우(window)를 설정하는 단계;
    상기 설정된 윈도우를 상기 레이더 탐지 거리 별로 상기 스캔 데이터에 적용하여 상기 윈도우 상에서 검출된 복수의 표적 신호를 상기 단일 표적으로 검출하는 단계-상기 단일 표적이 검출된 윈도우의 중심 위치가 상기 단일 표적의 현재 위치로 결정됨-;
    상기 결정된 단일 표적의 현재 위치와 이전 스캔 데이터를 이용하여 결정된 상기 단일 표적의 이전 위치를 이용하여 상기 단일 표적의 경로를 결정하는 단계; 및
    상기 경로 및 상기 경로를 통해 산출된 속도를 이용하여 검출된 단일 표적에 대한 충돌 위험 알림을 수행하는 단계를 포함하는 충돌 경보 방법을 수행하되,
    상기 윈도우는 상기 회전형 레이더의 빔폭에 상응하는 제1 호의 길이와 미리 설정된 표적 평균 길이가 동일한 기준 레이더 탐지 거리를 기준으로 구분되는 구간에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 충돌 경보 장치.


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