KR101902833B1 - Method for eliminating multiple-time-around targets due to ducting propagation - Google Patents

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최성현
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Abstract

The present invention relates to a method for removing multiple-time-around targets which may be generated in a ducting phenomenon in a coherent pulse radar having a fixed pulse repetition frequency (PRF). The method comprises: a step of restoring coherence of a radar signal received from targets existing within a maximum detection distance through phase modulation and demodulation of a transmission pulse radiated in each PRI of a coherent pulse radar; a step of obtaining a power spectrum represented by a range/Doppler region by performing coherent Doppler processing on all reception signals within a given CPI frame; a step of detecting a target by performing range CFAR in a range direction in the range/Doppler region; and a step of removing multiple-time-around targets by performing Doppler CFAR on the target detected in the range CFAR in a Doppler direction.

Description

덕팅 현상으로 인한 다중의 주기 외 표적 제거 방법{METHOD FOR ELIMINATING MULTIPLE-TIME-AROUND TARGETS DUE TO DUCTING PROPAGATION}METHOD FOR ELIMINATING MULTIPLE-TIME-AROUND TARGETS DUE TO DUCTING PROPAGATION BACKGROUND OF THE INVENTION [0001]

본 발명은 고정 펄스반복주파수(PRF, Pulse Repetition Frequency)를 갖는 코히어런트 펄스 레이더의 덕팅 현상 시에 발생할 수 있는 다중의 주기 외 표적을 제거하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for eliminating multiple out-of-period targets that can occur during ducting of a coherent pulse radar having a fixed pulse repetition frequency (PRF).

코히어런트 펄스 레이더 또는 펄스 도플러 레이더는 클러터 상황에서의 표적 탐지 및 거리/속도 측정이 가능한 레이더 시스템이다.Coherent pulse radar or pulsed Doppler radar is a radar system capable of target detection and distance / velocity measurements in a cluttered situation.

레이더 전자파의 중요한 산란 특성 중 하나로 레이더 방사 시 전자파의 휨 현상을 유도하는 대기 굴절을 들 수 있다. 대기 굴절의 일종인 덕팅 현상은 초굴절(superrefraction)의 극단적 형태로 전자파의 굴절 기울기가 지구 곡률 반지름보다 작거나 같은 경우에 발생한다. 이러한 전자파의 휨으로 인하여 레이더에서 방사한 전자파는 지구 표면 근처에 평행판 도파관(parallel-plate waveguide)에 갇히게 된다.One of the important scattering characteristics of radar electromagnetic waves is atmospheric refraction that induces the bending phenomenon of electromagnetic waves when radar is radiated. Ducting, a type of atmospheric refraction, is an extreme form of superrefraction that occurs when the refraction gradient of the electromagnetic wave is less than or equal to the radius of the Earth's curvature. Due to the bending of the electromagnetic wave, the electromagnetic waves radiated from the radar are trapped in a parallel-plate waveguide near the surface of the earth.

공간적으로 덕트는 지표면에서 발생하는 접지 덕트(surface duct)와 높은 고도에서 발생하는 상층 덕트(elevated duct)로 구분 된다. 증발 덕트(해수 표면에 발생하는 접지 덕트, evaporation duct)나 상층 덕트 발생 시에는 레이더 파형이 수평선 너무 훨씬 먼 거리까지 도달할 수 있다. 이는 거리(R)에 따른 일방향 전력 밀도(power density) 감쇄는 R-2에 비례하지만, 덕트 내부에서는 R-1에 비례하기 때문이다. 레이더와 표적 또는 레이더와 수신기의 상대적 위치가 덕트 내부 또는 외부에 위치하느냐에 따라 레이더 탐지거리를 극단적으로 줄이거나 증가시킬 수 있다.Spatially, ducts are divided into surface ducts, which are generated from the surface of the earth, and elevated ducts, which occur at high altitudes. When an evaporation duct (evaporation duct) or an upper duct occurs, the radar waveform may reach the horizon too far. This is because the one-way power density attenuation along the distance R is proportional to R -2 , but is proportional to R -1 in the duct. The radar detection distance can be significantly reduced or increased depending on whether the relative positions of the radar and the target or the radar and the receiver are located inside or outside the duct.

증발 덕트나 상층 덕트가 발생할 경우 레이더의 탐지거리는 증가하나 레이더의 성능에는 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 탐지거리의 증가는 최대탐지거리(unambiguous range)를 훨씬 초과하는 거리에 위치한 표적을 탐지할 수 있음을 의미한다. 바꿔 말하면 덕팅 현상 발생 시 레이더는 1차 거리 구간(최대탐지거리 내)을 초과한 i차 거리 구간(i=2,3,…)에 있는 표적을 탐지할 수 있다는 것이다. 일 예로, 덕팅 현상으로 인하여 싱가포르 창이 공항(Changi Airport)의 경우 레이더의 탐지거리가 33km 에서 367km 로 표적 탐지거리가 10 배 이상 증가하는 경우도 관측되었다. 이러한 탐지거리의 증가는 PRF에 무관하게 모든 레이더 시스템에 공통적으로 발생할 수 있는데, 이는 레이더와 표적이 덕트 내부에 위치할 경우 전파 손실이 매우 작기 때문이다.Evaporative ducts or upper ducts can increase radar detection distances, but can have a negative impact on radar performance. An increase in the detection distance means that a target located at a distance well beyond the unambiguous range can be detected. In other words, when a ducting event occurs, the radar can detect a target in the ith distance interval (i = 2, 3, ...) that exceeds the first distance interval (within the maximum detection distance). For example, in the case of Singapore Changi Airport due to ducting, the target detection distance increased by more than 10 times from 33km to 367km. This increase in detection distance is common to all radar systems, regardless of the PRF, because the propagation losses are very small when the radar and the target are located inside the duct.

도 1(a)는 안테나 빔폭 내에 위치한 서로 다른 거리에 있는 3개의 표적을 나타낸다. 표적1은 실거리 R1이며 최대탐지거리(Rua)내에 위치하고, 표적2 ,3은 각각 실거리 R2, R3이며 각각 2차, 3차 거리 구간에 위치한다. 도 1(b)는 도 1(a)에 있는 모든 표적과 레이더가 모두 덕트 내에 위치할 경우 레이더에 의하여 탐지된 거리를 나타낸다. 표적1은 최대탐지거리 내에 있기 때문에 실제거리 R1에서 탐지된다. 표적 2, 3은 각각 2, 3차 거리 구간에 위치하기 때문에 레이더에 의하여 R2a = R2 - Rua와 R3a = R3 - 2Rua 거리에서 탐지된다. Figure 1 (a) shows three targets at different distances located within the antenna beam width. Target 1 is located at the actual distance R1 and within the maximum detection distance R ua , and targets 2 and 3 are located at the actual distance R2 and R3, respectively, in the second and third distance sections. Fig. 1 (b) shows the distance detected by the radar when all the targets and radars in Fig. 1 (a) are located in the duct. Since target 1 is within the maximum detection distance, it is detected at the actual distance R1. Since targets 2 and 3 are located in the second and third distance regions , they are detected by radar at R 2a = R 2 - R ua and R 3a = R 3 - 2 R ua distances.

덕팅 현상으로 인해 레이더에 의해 탐지되는 다중의 주기 외 표적(i차 표적, i = 2,3,…)은 실제 거리는 i차 거리구간(i = 2,3,…)에 위치하지만 레이더 전시기 상에서는 1차 거리 구간에 전시되어 허위표적(false target)이라고 할 수 있다. 이러한 허위표적은 레이더 운용자의 혼란을 야기하고, 불필요한 표적 추적으로 인한 자원 낭비를 초래한다. 허위표적의 발생은 실제 레이더의 임무를 방해하며 항해 기능에 위험을 야기할 수 있기에 바람직하지 못한 현상이라 할 수 있다.(I-th target, i = 2, 3, ...), which are detected by the radar due to the ducting phenomenon, the actual distance is located in the i-th distance interval (i = 2,3, ...) It is displayed as a false target in the first distance section. Such false targets cause confusion of the radar operator and waste of resources due to unnecessary tracking of the target. The occurrence of a false target is an undesirable phenomenon because it interferes with the actual mission of the radar and may cause danger to the navigation function.

또한 덕팅 현상 발생 시 최대탐지거리 밖의 각종 클러터에 의한 반사 신호가 최대탐지거리 내의 Range-Doppler 영역 안으로 중첩되며, 이 중첩된 클러터로 인하여 탐지 성능의 저하가 발생 가능하며 CFAR(Constant False Alarm Rate)와 같은 특수한 신호처리 기법을 적용하지 않는 한 오탐지확률 또한 증가한다.In addition, when ducting occurs, reflection signals from various clusters outside the maximum detection distance are superimposed in the range-Doppler region within the maximum detection distance. Detection performance may be degraded due to the overlapping clutter. Constant False Alarm Rate , The probability of false positives increases as well.

덕팅 현상에 의하여 탐지된 허위표적을 제거하는 방안은 다중의 주기 외 표적의 거리 모호성(range ambiguity) 문제를 해결하는 것과 직결되어 있다. 즉, 레이더에 의해 탐지된 표적에 대한 거리 모호성 문제가 해결되면 실제 거리가 최대탐지거리 밖에 존재하는 표적 또한 제거할 수 있다.The removal of fake targets detected by ducting is directly related to solving the range ambiguity problem of multiple out-of-cycle targets. That is, if the distance ambiguity problem for the target detected by the radar is solved, the target with the actual distance outside the maximum detection distance can also be eliminated.

코히어런트 펄스 레이더의 거리 모호성 문제 해결을 위하여 다양한 방안이 제안되었다. 첫 번째 접근 방안은 전체 CPI(Coherent Processing Interval)를 몇 개의 부분 CPI로 나누어 각각 다른 고정 PRF로 펄스를 방사하는 방안이다. 일반적으로 이러한 방식의 접근 방안은 2개의 서로 다른 고정 PRF를 갖는 2개의 펄스를 연속적으로 방사한다. 이러한 방안의 단점은 다음과 같다.Various solutions have been proposed to solve the problem of distance ambiguity of coherent pulse radar. The first approach is to divide the total CPI (Coherent Processing Interval) by several partial CPIs and emit pulses at different fixed PRFs. Generally, this approach consecutively emits two pulses with two different fixed PRFs. The drawbacks of this approach are as follows.

- 모호성을 회피하기 위하여 주어진 CPI 프레임 내의 예측 표적 수보다 더 많은 PRF 필요.- More PRFs than the number of predicted targets in a given CPI frame is needed to avoid ambiguity.

- PRF 개수의 증가는 드웰타임(dwell time)의 증가를 의미하며, 이는 전체 탐색 시간의 증가 또는 CPI 내 펄스 개수의 감소를 의미한다. 이로 인하여 각각의 부분 CPI의 SNR(Signal-to-Noise Ratio, 신호 대 잡음비)이 단일 PRF로 운용 시보다 1/n(n은 PRF의 개수)로 감소.The increase in the number of PRFs means an increase in dwell time, which means an increase in the total seek time or a decrease in the number of pulses in the CPI. As a result, the signal-to-noise ratio (SNR) of each partial CPI is reduced from a single PRF to 1 / n (n is the number of PRFs).

- 표적이 탐지되기 위해서는 주어진 CPI 프레임 내에서 n개의 다중 PRF 중 m개의 탐지(m-of-n 규칙)가 되어야 하며, 일반적으로는 3-of-3, 2-of-4, 5-of-7 규칙을 적용한다. SNR이 감소한 상황에서는 다수의 PRF에서 탐지되어야 표적으로 탐지될 수 있고, 만약 일부 PRF에서만 탐지된 경우 표적 탐지를 위한 복잡한 알고리즘이 필요.- In order to detect a target, m detection (m-of-n rule) of n multiple PRFs within a given CPI frame shall be used and generally 3-of-3, 2-of-4, 5-of- 7 Rules apply. In situations where SNR is reduced, multiple PRFs can be detected as targets, and if only some PRFs are detected, complex algorithms for target detection are needed.

두 번째 방안은 송신 펄스를 위상 부호화(phase coding)하는 방안으로, 랜덤 부호화 방안(random phase coding)과 미리 정의된 특정 패턴으로 코드화하는 체계적 위상 부호화(systematic phase coding)방안이 있다. 이 방안은 하나의 고정 PRF를 사용하기 때문에 다수의 PRF를 사용하는 방안의 단점으로부터 자유롭다.The second scheme is to phase-encode the transmission pulses, and there is a systematic phase coding scheme in which a random phase coding scheme and a predetermined pattern are coded in a predetermined pattern. This scheme is free from the drawbacks of using multiple PRFs because it uses one fixed PRF.

Zrnic과 Sachidananda는 [US 특허 No.6,081,221, 이하 종래기술1] 도플러 기상 레이더에서의 거리 모호성을 해결하기 위한 방안을 발표했다. 단일 PRF 송신 방식의 경우 위 방안은 송신 펄스에 대한 체계적인 위상 코드와 이와 관련된 복호화 및 신호처리로 구성되어 있다. 복호화 과정에서 선택된 i차 거리 구간(종래기술1에서는 i=1 또는 2인 경우를 서술함)의 코히어런스는 복원하고 다른 거리 구간의 코히어런스는 복원하지 않는다. 신호처리 단계에서는 중첩된 1차, 2차 거리 구간의 신호를 분리하는 단계와 분리된 신호에 대한 분광 모멘트를 측정하는 단계로 구성되며 CFAR와 관련된 처리는 포함되지 않았다.Zrnic and Sachidananda [US Pat. No. 6,081,221, hereinafter referred to as "Prior Art 1"] have proposed a solution for resolving the distance ambiguity in a Doppler weather radar. In the case of a single PRF transmission scheme, the scheme consists of a systematic phase code for transmission pulses and related decoding and signal processing. The coherence of the selected i-th distance interval (i = 1 or 2 in the prior art 1 is described) is restored and the coherence of the other distance sections is not restored. In the signal processing step, the step of separating the signals of the overlapped first and second distance sections and the step of measuring the spectral moment of the separated signals are included, and the processing related to the CFAR is not included.

Shin-Ichi Itoh는 [8, US 특허 No.5,079,556, 이하 종래기술2] 단일 고정 PRF를 갖는 코히어런트 펄스 레이더에서 다중의 주기 외 표적을 제거하고 거리 모호성을 해결할 수 있는 방안을 발표했다. 위 레이더는 송신 펄스의 위상 변경을 위한 장치와 수신 펄스의 위상 탐지 및 위상이 탐지된 신호의 코히어런스를 유지 & 통합하기 위한 장치를 포함하는 위상 부호화 기법을 적용하였다. 단, 위에서 제안한 레이더 시스템은 CFAR 기법을 적용할 수 않았기 때문에 일정한 오경보율을 유지할 수 없다.Shin-Ichi Itoh [8, US Pat. No. 5,079,556, hereinafter referred to as the prior art 2] discloses a method of eliminating multiple cyclic targets and solving the distance ambiguity in a coherent pulse radar having a single fixed PRF. The upper radar employs a phase encoding scheme that includes a device for changing the phase of the transmitted pulse and a device for maintaining and integrating the phase of the received pulse and the coherence of the detected signal. However, since the proposed radar system can not apply the CFAR technique, it can not maintain a constant false alarm rate.

이를 통해 덕팅 현상으로 인하여 발생하는 다중의 주기 외 표적을 높은 확률로 제거하면서도 최대탐지거리 내 표적을 높은 확률로 탐지할 수 있고, 일정한 오경보율을 유지할 수 있는 단일 고정 PRF를 갖는 코히어런트 펄스 레이더의 개발이 필요하다고 할 수 있다.In this way, a coherent pulse radar having a single fixed PRF capable of detecting a target within a maximum detection distance at a high probability and maintaining a constant false alarm rate while eliminating a multiplicity of out-of-period targets caused by a ducting phenomenon with high probability, It is necessary to develop it.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 단일 고정 PRF 조건에서 송신 펄스에 대한 체계적 위상 부호화 및 레이더 수신 신호에 대한 CFAR 처리 기법을 조합하여 코히어런트 펄스 레이더에서 덕팅 현상 시에 발생할 수 있는 다중의 주기 외 표적을 제거하는 새로운 방안을 제시하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for combating CFAR processing for systematic phase encoding and radar received signals under a single fixed PRF condition, The purpose of this paper is to propose a new method for eliminating out-of-cycle targets.

또한 본 발명은 최대탐지거리 내의 표적 탐지 확률의 큰 저하 없이 다중의 주기 외 표적을 효율적으로 제거하는 새로운 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a novel method for effectively eliminating multiple out-of-period targets without significantly degrading the target detection probability within the maximum detection distance.

아울러 본 발명은 다중의 주기 외 표적 제거 시 CFAR 특성을 갖는 신규 방안을 제시하는 것을 목적으로 한다.It is another object of the present invention to provide a novel method having CFAR characteristics for eliminating multiple out-of-period targets.

나아가 본 발명은 단일 고정 PRF를 적용한 코히어런트 펄스 레이더에서 다중의 주기 외 표적의 거리 모호성 문제를 해결하는 새롭고 개선된 방안을 제시하는 것을 목적으로 한다.It is a further object of the present invention to provide a new and improved method for solving the problem of distance ambiguity of multiple out-of-cycle targets in a coherent pulse radar employing a single fixed PRF.

상기 목적을 갖는 본 발명은, 코히어런트 펄스 레이더에서 각 PRI(Pulse Repetition Interval)내에 방사되는 송신 펄스의 위상을 변조하는 단계(S1), 그리고 위상 복조를 통하여 최대탐지거리 내에 존재하는 표적들로부터 수신한 레이더 신호의 코히어런스를 복원하고 주어진 CPI(Coherent Processing Interval) 프레임 내의 모든 수신 신호에 대한 복소수 데이터 행렬을 생성하는 단계(S2), 그리고 상기 데이터 행렬에 코히어런트 도플러 처리를 수행하고, 이후 크기 제곱연산을 통하여 R/D(Range/Doppler)영역으로 표시되는 모든 수신신호에 대한 파워스펙트럼을 획득하는 단계(S3), 그리고 상기 R/D영역의 파워스펙트럼에 Range CFAR 처리를 수행하여 표적을 탐지하는 단계(S4), 그리고 상기 Range CFAR 처리에 의하여 표적으로 탐지된 모든 셀에 대하여 Doppler CFAR 처리를 수행하여 다중 주기 외 표적 신호를 제거하는 단계(S5)를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of detecting a pulse in a coherent pulse radar, the method comprising: (S1) modulating a phase of a transmission pulse radiated in each PRI (pulse repetition interval) in a coherent pulse radar; (S2) restoring the coherence of the received radar signal and generating a complex data matrix for all received signals in a given CPI (Coherent Processing Interval) frame, and performing coherent Doppler processing on the data matrix, (Step S3) of obtaining a power spectrum for all the received signals represented by the R / D (Range / Doppler) region through a squared magnitude calculation, and performing Range CFAR processing on the power spectrum of the R / (Step S4), and Doppler CFAR processing is performed on all cells detected as targets by the Range CFAR process, Others include a target step (S5) of removing the signal.

상기 목적을 갖는 본 발명은, 코히어런트 펄스 레이더에서 덕팅 현상 시에 발생할 수 있는 다중의 주기 외 표적을 획기적으로 제거할 수 있고, 또한 최대탐지거리 내의 표적 탐지율의 큰 저하 없이 다중 주기 외 표적을 효율적으로 제거할 수 있으며, 아울러 다중의 주기 외 표적 제거 시 CFAR 특성을 갖도록 하고, 나아가 단일 고정 PRF를 적용한 코히어런트 펄스 레이더에서 다중의 주기 외 표적의 거리 모호성을 해결하는 새롭고 개선된 방안을 제공한다는 효과를 갖는다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention having the above object is to provide a coherent pulse radar capable of drastically removing a plurality of out-of-period targets that may occur during a ducting phenomenon, It provides a new and improved method to resolve multiple ambiguities of the out-of-period target in a coherent pulse radar that can be efficiently removed, have CFAR characteristics for eliminating multiple out-of-period targets, and further apply a single fixed PRF. .

도 1은 다중 주기 외 표적에 대한 개념을 설명하는 그래프.
도 2는 덕팅 현상으로 인하여 발생된 표적의 다중 주기 외 표적을 제거하는 코히어런트 펄스 레이더 시스템의 기능 블록도.
도 3은 레이더 신호처리기의 기능 블록도.
도 4는 Range/Doppler CFAR 탐지를 설명하는 순서도.
도 5는 Range/Doppler CFAR용 참조 셀의 배열을 나타내는 예시도.
도 6은 Doppler CFAR 참조 셀의 배열을 나타낸 예시도.
도 7은 2상 변조 방식을 적용한 코히어런트 펄스 레이더 시스템의 기능 블록도.
도 8은 OP와 MPS 코드로 2상 변조 시 1차 표적과 2차 표적의 DFT 처리 후의 파워 스펙트럼을 비교한 그래프.
도 9a는 랜덤 위상 변조와 MPS, OP 코드를 이용한 2상 변조의 2차 표적 제거 성능을 비교한 그래프.
도 9b는 Doppler CFAR 적용 전/후의 1차 표적 탐지 성능을 비교한 그래프.
도 9c는 Doppler CFAR 적용 시 1차 표적 탐지 성능 손실을 도시한 그래프.
도 10은 표 6의 최적화 코드와 표 1의 OP 코드의 2차 표적 제거 성능을 비교한 그래프.
도 11은 표 6의 최적화 코드와 표 1의 OP 코드의 3차 표적 제거 성능을 비교한 그래프.
도 12는 표 7의 최적화 코드와 표 1의 OP 코드의 2, 3, 4차 표적 제거 성능을 비교한 그래프.
도 13은 표 7의 최적화 코드의 SNR에 따른 2차 표적 제거 성능을 도시한 그래프.
도 14는 Ncpi가 N보다 같거나 작을 경우의 시나리오를 나타내는 그래프.
도 15는 표 7의 최적화 코드에 대하여 Ncpi 값에 따른 2차 표적 제거 성능을 보여주는 그래프.
도 16은 표 7의 최적화 코드에 대하여 Ncpi = 16과 Ncpi = 8일 경우의 2차 표적 제거 성능을 비교한 그래프.
Brief Description of the Drawings Figure 1 is a graph illustrating the concept of an out-of-period target.
2 is a functional block diagram of a coherent pulse radar system for eliminating multi-periodic targets of a target caused by ducting phenomena.
3 is a functional block diagram of a radar signal processor.
Figure 4 is a flow chart illustrating Range / Doppler CFAR detection.
5 is an exemplary diagram illustrating an array of reference cells for a Range / Doppler CFAR;
6 is an exemplary view showing an arrangement of Doppler CFAR reference cells.
7 is a functional block diagram of a coherent pulse radar system using a two-phase modulation method.
8 is a graph comparing the power spectrum of the primary target and the secondary target after DFT processing in two-phase modulation using OP and MPS codes.
FIG. 9A is a graph comparing the second-order target removal performance of the two-phase modulation using the random phase modulation and the MPS and OP codes. FIG.
FIG. 9B is a graph comparing primary target detection performance before and after application of Doppler CFAR.
FIG. 9C is a graph showing the primary target detection performance loss when Doppler CFAR is applied. FIG.
10 is a graph comparing the removal performance of the secondary target of the OP code of Table 1 with the optimization code of Table 6;
11 is a graph comparing the third target removal performance of the OP code of Table 1 with the optimization code of Table 6;
12 is a graph comparing the second, third and fourth target removal performance of the optimization code of Table 7 with the OP code of Table 1;
13 is a graph showing secondary target removal performance according to the SNR of the optimization code of Table 7. FIG.
14 is a graph showing a scenario in which N cpi is equal to or smaller than N;
15 is a graph showing the relationship between the N cpi value Fig. 2 is a graph showing the secondary target removal performance according to the present invention.
16 is a graph comparing the secondary target removal performance with N cpi = 16 and N cpi = 8 for the optimization code in Table 7. [

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 구현예(態樣, aspect)(또는 실시예)들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. While the present invention has been described in connection with certain embodiments, it is obvious that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the invention. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예(태양, 態樣, aspect)(또는 실시예)를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, ~포함하다~ 또는 ~이루어진다~ 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the term " comprising " or " consisting of ", or the like, refers to the presence of a feature, a number, a step, an operation, an element, a component, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

본 명세서에서 기재한 ~제1~, ~제2~ 등은 서로 다른 구성 요소들임을 구분하기 위해서 지칭할 것일 뿐, 제조된 순서에 구애받지 않는 것이며, 발명의 상세한 설명과 청구범위에서 그 명칭이 일치하지 않을 수 있다.It is to be understood that the first to second aspects described in the present specification are merely referred to in order to distinguish between different components and are not limited to the order in which they are manufactured, It may not match.

본 발명은 고정 PRF를 갖는 코히어런트 펄스 레이더의 덕팅 현상 시에 발생할 수 있는 다중의 주기 외 표적 표적을 제거하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for eliminating multiple out-of-period target targets that can occur during ducting of a coherent pulse radar with a fixed PRF.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 덕팅 현상으로 인한 다중의 주기 외 표적 제거 방법(이하 본 방법)에 대해 상세하게 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a method for removing a plurality of out-of-period targets due to a ducting phenomenon according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명을 구체적으로 설명하기에 앞서, 본 발명은 컴퓨터 장치에서 실행되는 프로그램에 의해 구현되는 것으로, 컴퓨터 장치에 의해 실행되는 기록매체에 저장될 수 있으며, 여기에서 기록매체는 반드시 물건만이 아닌 서버나 클라우드 등 실물로 구현되지 않는 저장매체를 포함할 수 있다.Before describing the present invention in detail, the present invention is embodied by a program executed in a computer apparatus, and may be stored in a recording medium executed by a computer apparatus, wherein the recording medium is not necessarily a thing Or a storage medium that is not real-world such as a cloud.

본 방법은 크게 제1 내지 제5단계를 포함하며, 각 단계는 순차적으로 수행되는 것을 원칙으로 하나, 필요에 따라 그 순서를 치환하여 실시할 수도 있다.The method largely includes the first to fifth steps, and each step is performed in principle, but it may be carried out by substituting the order if necessary.

각 단계 별로, 제1단계(S1)는 코히어런트 펄스 레이더에서 각 PRI 내에 방사되는 송신 펄스의 위상을 변조하는 단계이다.For each step, the first step S1 is a step of modulating the phase of the transmission pulse radiated in each PRI in the coherent pulse radar.

제2단계(S2)는 위상 복조를 통하여 최대탐지거리 내에 존재하는 표적들로부터 수신한 레이더 신호의 코히어런스를 복원하고 주어진 CPI 프레임 내의 모든 수신 신호에 대한 복소수 데이터 행렬을 생성하는 단계이다.The second step S2 is a step of recovering the coherence of the radar signal received from the targets within the maximum detection distance through phase demodulation and generating a complex data matrix for all received signals in a given CPI frame.

제3단계(S3)는 상기 데이터 행렬에 대하여 코히어런트 도플러 처리를 수행하고, 이후 크기의 제곱 연산을 통하여 R/D(Range/Doppler) 영역으로 표시되는 모든 수신 신호에 대한 파워 스펙트럼을 획득하는 단계이다.In a third step S3, a coherent Doppler process is performed on the data matrix, and a power spectrum is obtained for all received signals represented by R / D (Range / Doppler) .

제4단계(S4)는 상기 R/D영역의 파워 스펙트럼에 Range CFAR 처리를 수행하여 표적을 탐지하는 단계이다.The fourth step S4 is a step of detecting a target by performing Range CFAR processing on the power spectrum of the R / D region.

제5단계(S5)는 Range CFAR 처리에 의하여 표적으로 탐지된 모든 셀에 대하여 Doppler CFAR 처리를 수행하여 다중의 주기 외 표적 신호를 제거하는 단계이다.The fifth step S5 is a step of performing Doppler CFAR processing on all cells detected as targets by the range CFAR process to remove the multi-periodic target signals.

상기한 본 방법은 코히어런트 펄스 레이더의 거리 모호성 문제의 해결 방안과 관련된 것으로, 단 하나의 고정 PRF를 사용하는 코히어런트 펄스 레이더에서 덕팅 현상 시에 발생하는 다중 주기 외 표적을 제거하기 위하여 위상 부호화와 CFAR 처리를 적용한 방법이다.The above-described method relates to a solution to the problem of the distance ambiguity of a coherent pulse radar. In the coherent pulse radar using only one fixed PRF, the phase Coding and CFAR processing.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 보다 구체적인 설명을 진행하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings.

도 2는 덕팅 현상로 인하여 발생된 다중 주기 외 표적을 제거하는 코히어런트 펄스 레이더 시스템의 기능 블록도이고, 도 3은 레이더 신호처리기의 기능 블록도, 도 4는 Range/Doppler CFAR 탐지를 설명하는 순서도이다.FIG. 2 is a functional block diagram of a coherent pulse radar system for eliminating multi-periodic external targets caused by ducting, FIG. 3 is a functional block diagram of a radar signal processor, and FIG. 4 is a block diagram illustrating a Range / Doppler CFAR detection It is a flowchart.

CUT(Cell Under Test, 현재 검사 중인 셀) 주위의 평균 방해 전력은 각각 참조 샘플에 대한 함수

Figure 112017089467219-pat00001
로 계산할 수 있다. 각 함수 fr(x)과 fd(x)는 적용된 CFAR 알고리즘에 의하여 정의된다.The average disturbance power around the CUT (Cell Under Test)
Figure 112017089467219-pat00001
. Each function f r (x) and f d (x) is defined by the applied CFAR algorithm.

또한 도 5는 Range/Doppler CFAR용 참조 셀의 배열을 나타내는 예시도이고, 도 6은 Doppler CFAR용 참조 셀의 배열을 나타낸 예시도이다.5 is an exemplary diagram illustrating an arrangement of reference cells for a Range / Doppler CFAR, and FIG. 6 is an exemplary view illustrating an arrangement of reference cells for a Doppler CFAR.

도 5 및 6은 Range/Doppler CFAR에서 참조 셀의 선택 원리를 나타내며, 도 2의 기능블록도는 모든 위상 부호화 방안을 적용할 수 있도록 범용적으로 구성되어 있다.FIGS. 5 and 6 show the principle of selection of a reference cell in the Range / Doppler CFAR, and the functional block diagram of FIG. 2 is configured to be applicable to all phase encoding schemes.

위상 부호화에 있어서, 체계적 2상(biphase) 코드를 적용하는 것은 다중 위상인 Chu 코드, SZ(n/M) 및 랜덤 코드의 합리적인 대안으로 적용될 수 있다. 2상 부호화란 송신 펄스의 위상을 0(0°) 또는 π(180°) 둘 중 하나로 설정함을 의미한다. 2상 부호화를 적용한다는 것은 exp(jφk), exp(-jφk)와 같은 복소수 곱셈이 필요치 않기에 레이더의 구현을 단순화 할 수 있다. 2상 부호화 적용 시 신호의 변조 및 복조 는 φk = π인 k번째 송신 펄스의 I와 Q샘플의 부호(sign) 및 k번째 송신펄스의 PRI 내에 수신되는 신호의 I와 Q샘플의 부호를 변경함으로 간단히 구현할 수 있다. 위상이 φk = 0인 k번째 송신 펄스의 경우에는 부호의 변경이 필요 없다.In phase coding, applying a systematic two-phase biphase code can be applied as a reasonable alternative to multi-phase Chu codes, SZ (n / M) and random codes. 2-phase encoding means to set the phase of the transmission pulse to either 0 (0 °) or π (180 °). It should apply a two-phase coding may simplify the implementation of radar to avoid the complex multiplication, such as exp (jφ k), exp ( -jφ k) required. Modulation and demodulation of the signal when applying 2-phase coding changes the sign of the I and Q samples of the signal received in the PRI of the I and Q samples of the k-th transmission pulse and the PRI of the k-th transmission pulse with φ k = It can be implemented easily. In the case of the k-th transmission pulse whose phase is? K = 0, it is not necessary to change the sign.

도 7은 송신 펄스를 2상 변조한 코히어런트 펄스 레이더 시스템의 기능블록도로, 본 발명에서 제안한 기법을 2상 부호화로 구현할 경우의 전형적인 코히어런트 펄스 레이더의 기능을 블록화하여 도시하고 있다. 도 7에서 송신 파형은 파형 발생기(Waveform Generator) 내 메모리에 저장된 중간 주파수(IF, Intermediate Frequency) 샘플들로 표현된다.FIG. 7 is a functional block diagram of a coherent pulse radar system in which transmission pulses are two-phase modulated. In FIG. 7, the functions of a typical coherent pulse radar in a case where the technique proposed in the present invention is implemented by two- In FIG. 7, the transmission waveform is represented by intermediate frequency (IF) samples stored in a memory in a waveform generator.

본 발명의 시뮬레이션에서는 체계적인 2상 코드들을 채택하였다. Barker 코드, OP(Optimal Periodic) 코드, MPS(Minimum Peak Sidelobe) 코드 및 MLS(Maximum Length Sequences) 코드와 같이 이미 널리 알려진 이진 코드들을 사용하였다.The inventive simulation employs systematic two-phase codes. Binary codes such as Barker code, OP (Optimal Periodic) code, MPS (Minimum Peak Sidelobe) code and MLS (Maximum Length Sequence) code are used.

다음으로, 코드의 길이 L 은 N 개의 연속적인 펄스반복구간으로 구성되는 CPI 프레임 내에서 신호처리기에서 처리될 수 있는 펄스의 최대수인 N이 같다고 가정한다.Next, it is assumed that the length L of the code is equal to the maximum number N of pulses that can be processed in the signal processor in the CPI frame consisting of N consecutive pulse repetition periods.

2상 코드 배열은 이진 코드를

Figure 112017089467219-pat00002
변환함으로써 획득할 수 있다. 위상이 π인 송신 펄스의 부호 변경을 고려하면, 2상 코드를 복소 지수(complex exponential) exp(jφk)로 표시하는 것이 편리하다. 따라서 위상의 상태가 {0, π}로 구성된 2상 코드는 {1, -1}인 이진 배열로 표시할 수 있으며, 이를 편의상 {+, -}로 표시할 수 있다.The two-phase code array is binary code
Figure 112017089467219-pat00002
. Considering the sign change of the transmission pulse with phase π, it is convenient to express the two-phase code as a complex exponential exp (jφ k ). Thus, a two-phase code whose phase state is {0, π} can be represented as a binary array of {1, -1}, which can be expressed as {+, -} for convenience.

다음 표 1은 길이 N=16인 MPS, OP 코드의 예제이다.Table 1 below is an example of MPS, OP code with length N = 16.

Figure 112017089467219-pat00003
Figure 112017089467219-pat00003

도 2에서 송신 펄스는 ak = exp(jφk), k = 1,2,…,N에 의하여 정의된 부호 배열에 따라 주기적으로 위상이 변조되고, 수신된 신호는 그에 상응하는 공액 복소수(complex conjugate)

Figure 112017089467219-pat00004
값을 곱함으로써 위상이 복조된다. 이후로 와 그에 상응하는 ak를 각각 위상 변조 코드와 곱셈 코드로 표기한다. 2상 부호화 기법을 적용할 경우 곱셈 코드 배열의 각 원소는 1 또는 -1 로만 구성된다. 따라서 2상 부호화를 사용하면, 복잡한 복소수 곱셈을 적용하지 않고 연산적 측면에서 더 단순한 부호 변환을 적용할 수 있다. 결론적으로 위상 복조 이후 1차 표적 신호에 대한 위상 변조는 완전히 복원되지만, 2차 표적 신호는 위상 차(
Figure 112017089467219-pat00005
) 또는
Figure 112017089467219-pat00006
만큼 변조된 상태로 남아 있게 된다.In Fig. 2, the transmission pulses are a k = exp ( j ? K ), k = 1,2, ... , N, and the received signal is subjected to a corresponding complex conjugate,
Figure 112017089467219-pat00004
And the phase is demodulated. Then, a k corresponding to a phase modulation code and a multiplication code are written respectively. When two-phase coding is applied, each element of the multiplication code array consists of only 1 or -1. Therefore, by using two-phase encoding, a simpler code conversion can be applied in terms of an arithmetic operation without applying complicated complex multiplication. As a result, the phase modulation for the primary target signal after the phase demodulation is completely reconstructed, but the secondary target signal has the phase difference
Figure 112017089467219-pat00005
) or
Figure 112017089467219-pat00006
As shown in FIG.

일반적으로 위상복호화 이후 i 번째 에코신호(i=1,2,…)의 위상 Ψi,k는 다음과 같다.Generally, the phase Ψ i, k of the i-th echo signal (i = 1, 2, ...) after phase decoding is as follows.

Figure 112017089467219-pat00007
Figure 112017089467219-pat00007

따라서 1차 에코 신호는 코히어런스를 유지하지만, i차(i = 2,3,…) 에코 신호는 복호화 이후 위상 Ψi,k 또는

Figure 112017089467219-pat00008
만큼 위상이 변조된 상태로 남아있게 된다.Therefore, the first echo signal maintains coherence, however, i order (i = 2,3, ...) echo signal is decoded after the phase Ψ i, k, or
Figure 112017089467219-pat00008
As shown in FIG.

체계적인 2상 부호화를 사용할 경우, i차 에코 신호에 대한 위상 변조는 원소가 1, -1 로만 구성된 수열

Figure 112017089467219-pat00009
로 쉽게 표기 가능하다. i차 위상 변조 수열 ci,k(k = 1, 2, …, N)를 결정하기 위하여 곱셈 코드를 나타내는 행벡터 A를 순환자리이동(cyclic shift)한 N×N 크기의 행렬 를 도입하는 것이 편리하다. 다음의 표 2는 표 1의 OP 코드를 주기적인 위상 변조 코드로 적용한 경우의 16×16 크기의 행렬 A를 나타낸다. 행렬 A에서 i차 에코 신호의 변조 수열 ci,k(k = 1, 2, …, N)는 첫 번째 행의 원소와 이에 상응하는 i번째 행의 원소 간 곱셈(element-wise multiplication)으로 계산할 수 있다. 표 3은 행렬 C를 나타내는데, 행렬 C의 i번째 행은 위상 변조 수열 ci,k를 나타내며 이는 행렬 A를 통해 계산할 수 있다. 표 2, 3 에서 '-'는 -1을, '+'는 1을 나타낸다.When systematic two-phase encoding is used, the phase modulation for the i-th echo signal is performed using a series of elements,
Figure 112017089467219-pat00009
. it is convenient to introduce an N × N matrix obtained by cyclic shifting a row vector A representing a multiplication code to determine an i-th order phase modulation sequence c i, k (k = 1, 2, Do. The following Table 2 shows a 16 × 16 matrix A when the OP code of Table 1 is applied as a periodic phase-modulated code. The modulation sequence c i, k (k = 1, 2, ..., N) of the i-th order echo signal in the matrix A is calculated as an element-wise multiplication of the elements of the first row and the corresponding i- . Table 3 shows the matrix C, where the i-th row of the matrix C represents the phase modulation sequence c i, k , which can be calculated through matrix A. In Table 2 and 3, '-' indicates -1 and '+' indicates 1.

Figure 112017089467219-pat00010
Figure 112017089467219-pat00010

Figure 112017089467219-pat00011
Figure 112017089467219-pat00011

Figure 112017089467219-pat00012
Figure 112017089467219-pat00012

상기 표 4는 파워 스펙트럼 산출을 위해 사용된 입력 값을 나타낸다.Table 4 shows the input values used for power spectral calculation.

도 8은 OP와 MPS 코드로 2상 변조 시 1차 표적과 2차 표적의 DFT(Discrete Fourier Transform, 이산 푸리에 변환) 후 파워 스펙트럼을 비교한 그래프이다.FIG. 8 is a graph comparing the power spectrum after the DFT (Discrete Fourier Transform) of the primary target and the secondary target during two-phase modulation using OP and MPS codes.

위상 복조 후 1차 에코 신호의 위상은 완벽히 복원되지만, 2차 이후 에코 신호의 위상은 복원되지 않으며 스펙트럼에 변화가 발생한다. 도 8은 표 1의 위상 변조 코드(길이 N=16)에 대하여, 1차 표적과 2차 표적의 DFT 파워 스펙트럼을 비교한 것이다.After the phase demodulation, the phase of the primary echo signal is completely restored, but the phase of the echo signal after the secondary is not restored and a change occurs in the spectrum. Figure 8 compares the DFT power spectrum of the primary and secondary targets for the phase modulation code (length N = 16) in Table 1.

에코 신호를 나타내는 벡터

Figure 112017089467219-pat00013
의 DFT 파워 스펙트럼인 벡터
Figure 112017089467219-pat00014
는 다음과 같이 계산할 수 있다.Vector representing the echo signal
Figure 112017089467219-pat00013
Of the DFT power spectrum of
Figure 112017089467219-pat00014
Can be calculated as follows.

수식1Equation 1

Figure 112017089467219-pat00015
Figure 112017089467219-pat00015

여기에서

Figure 112017089467219-pat00016
는 DFT된 복소수 샘플로 이루어진 벡터이고, u는 정규화 벡터로
Figure 112017089467219-pat00017
이다. 도 8 은 표 4의 입력 데이터를 이용하여 Matlab에서 FFT(Fast Fourier Transform, 고속 푸리에 변환)를 수행한 것이다.From here
Figure 112017089467219-pat00016
Is a vector of complex samples of DFT and u is a normalized vector
Figure 112017089467219-pat00017
to be. FIG. 8 shows an FFT (Fast Fourier Transform) performed in Matlab using the input data in Table 4.

I번차 에코 신호에 해당하는 정규화(unit-norm) 벡터 u 는 다음과 같이 계산할 수 있다.The unit-norm vector u corresponding to the I-order echo signal can be calculated as follows.

수식2Equation 2

Figure 112017089467219-pat00018
Figure 112017089467219-pat00018

여기에서 ci는 위상 변조 코드를 순환자리이동한 행렬 C의 i번째 행에 해당하고, 벡터 gant는 안테나 패턴에 의한 수신 신호의 진폭 변조를 나타낸다. ω는 가중치 계수를 나타내는 벡터(표 4 참조)이고, y는 도플러 주파수 fd와 펄스반복주파수 Fr에 의하여 정규화된 도플러 주파수(y = fd/Fr)이고, 심벌 °는 벡터의 원소 간 곱셈을 의미한다.Here, c i corresponds to the i-th row of the matrix C obtained by cyclically shifting the phase modulation code, and the vector g ant represents the amplitude modulation of the received signal by the antenna pattern. where y is the Doppler frequency normalized by the Doppler frequency f d and the pulse repetition frequency F r (y = f d / F r ), and the symbol ° is the vector between the elements of the vector It means multiplication.

도 8에서 볼 수 있듯이 1차 에코 신호의 파워 스펙트럼은 제로 도플러(zero Doppler) 주파수 주변에 집중되는 반면 OP 및 MPS 코드의 2차 에코 신호의 파워 스펙트럼은 전체 도플러 영역에 퍼져 나타남을 알 수 있다. 3차 이상 에코 신호의 파워 스펙트럼 또한 유사한 형태를 보여준다.As can be seen from FIG. 8, the power spectrum of the first echo signal is concentrated around the zero Doppler frequency, while the power spectrum of the second echo signal of the OP and MPS codes is spread over the entire Doppler domain. The power spectrum of the echo signal above the third order also shows a similar pattern.

1차 에코 신호와 2차 에코 신호의 스펙트럼 형태의 차이를 이용하여, 기존에 수행하던 거리 영역에서의 CFAR(Range CFAR)를 수행한 이후 추가적으로 도플러 영역에서의 CFAR(Doppler CFAR)를 수행하는 것을 제안한다. 이렇게 할 경우, 1차 에코 신호에 대한 탐지 성능에 큰 영향을 주지 않으면서 2차 이상의 에코 신호의 탐지를 막는 효과를 얻을 수 있다.It is proposed to perform the CFAR (Doppler CFAR) in the Doppler domain after performing the range CFAR (Range CFAR) in the previously performed range using the difference of the spectrum shapes of the first echo signal and the second-order echo signal do. In this case, it is possible to obtain an effect of preventing the echo signal of the second or higher order from being detected without significantly affecting the detection performance of the first echo signal.

Range CFAR와 Doppler CFAR는 참조 샘플들을 취하는 방식에서 차이가 있다. Range CFAR는 거리 축에서 CUT 주변의 샘플들을 참조 샘플로 선택하지만, Doppler CFAR는 도플러 축에서 CUT 주변의 샘플들을 참조 샘플로 선택한다. 도 5, 6(a), 6(b) 와 6(c)는 Range CFAR와 Doppler CFAR에서 각각 참조 샘플들을 어떤 방식으로 선택하는 지 보여준다. Range CFAR와 Doppler CFAR를 결합하여 사용하는 이유는 다음과 같다.Range CFAR and Doppler CFAR differ in the way they take reference samples. Range CFAR selects samples around the CUT as reference samples on the distance axis, while Doppler CFAR selects samples around the CUT as reference samples on the Doppler axis. Figures 5, 6 (a), 6 (b), and 6 (c) show how the reference samples are selected in Range CFAR and Doppler CFAR, respectively. The reasons for combining Range CFAR and Doppler CFAR are as follows.

첫째, 2차 이상의 표적 신호는 도플러 영역에서 파워 스펙트럼이 넓게 분포되기 때문에 Range CFAR를 통해 표적으로 탐지될 확률이 1차 표적 신호에 비해 상대적으로 매우 낮다.First, because the power spectrum is widely distributed in the Doppler domain, the probability of the target to be detected by Range CFAR is relatively low compared to the primary target signal.

둘째, 넓게 분포된 스펙트럼에서 1개 이상의 샘플이 높은 SNR 등으로 인하여 Range CFAR에서 표적으로 탐지되는 경우에도 이후 Doppler CFAR를 통해 표적으로 탐지될 확률은 1차 표적 신호에 비해 매우 낮다. 이는 Doppler CFAR에서 탐지 기준 값을 산출하기 위해 사용하는 참조 샘플들이 넓게 분포된 스펙트럼으로부터 선택되기 때문이다. 1차 표적 신호의 경우 도플러 영역의 특정 위치에 에너지가 집중되는 반면 2차 이상의 표적 신호는 전체 도플러 영역에 걸쳐 에너지가 분산된다. 따라서 2차 이상의 표적 신호의 분산된 스펙트럼으로부터 산출된 탐지 기준 값은, 1차 표적 신호의 낮은 부엽(side lobe) 레벨을 갖는 집중된 스펙트럼으로 산출된 탐지 기준 값에 비해 매우 높게 된다. 낮은 부엽 레벨을 갖는 1차 표적 신호의 스펙트럼은 탐지 성능 저하를 거의 발생시키지 않는다.Second, even if one or more samples in a widely distributed spectrum are detected as Target in Range CFAR due to high SNR etc., then the probability of being detected as a target through Doppler CFAR is much lower than that of the primary target signal. This is because the reference samples used in Doppler CFAR to calculate the detection reference value are selected from the widely distributed spectra. In the case of the primary target signal, the energy is concentrated at a specific location in the Doppler domain, while the target signal in the second or higher order is distributed over the entire Doppler domain. Therefore, the detection reference value calculated from the dispersed spectrum of the second-order or higher-order target signal becomes much higher than the detection reference value calculated from the concentrated spectrum having the low side-lobe level of the primary target signal. The spectrum of the primary target signal having a low sidelobe level hardly causes degradation in detection performance.

동일한 조건일 때, 탐지 기준 값이 크게 증가할 경우 탐지 확률이 크게 떨어진다. 따라서 1차 에코 신호를 기준으로 위상을 변/복조하고 Range/Doppler CFAR의 조합을 사용할 경우, 1차 표적에 대한 탐지 확률 저하가 거의 없이 2차 이상의 표적을 효과적으로 제거할 수 있다.If the detection criterion value increases significantly under the same conditions, the detection probability is greatly reduced. Therefore, when the phase is modulated / demodulated based on the first echo signal and the combination of Range / Doppler CFAR is used, it is possible to effectively remove the second or higher target with almost no drop in detection probability for the primary target.

i차 표적(i=1,2,…)에 대한 전반적인 탐지 성능을 판단하기 위하여, 표적의 도플러 스펙트럼

Figure 112017089467219-pat00019
중 적어도 한 샘플 Sk가 Range/Doppler CFAR 이후 표적으로 탐지될 확률을 의미하는 '종합 탐지 확률' 개념을 사용하도록 하겠다. 제거해야 할 필요가 있는 2차 이상의 표적의 대해서는, 탐지 확률이 낮을수록 제거 성능이 우수함을 의미하므로 '표적 제거 성능'이라는 개념을 사용하도록 하겠다. i번째 표적의 종합 탐지 확률이 Pi OD일 경우, 이에 상응하는 표적 제거 확률(Pi E)은
Figure 112017089467219-pat00020
로 나타낼 수 있다.To determine the overall detection performance for the i-th target (i = 1,2, ...), the Doppler spectrum of the target
Figure 112017089467219-pat00019
We will use the concept of 'total detection probability', which means the probability that at least one sample S k will be detected as a target after Range / Doppler CFAR. For targets with a second or higher order that need to be removed, the lower the detection probability, the better the removal performance. Therefore, the concept of 'target removal performance' will be used. If the total detection probability of the i-th target is P i OD , the corresponding target removal probability (P i E )
Figure 112017089467219-pat00020
.

본 발명의 효과를 입증하기 위하여 독립적인 몬테카를로(Monte-Carlo) 시뮬레이션을 106번 수행함으로써 1차 및 2차 이상 표적에 대한 종합 탐지 확률을 계산하였다. 이 계산은 레이더 수신기의 잡음이 표준정규분포(평균이 0이고 표준편차가 1인 가우스 분포)에 따르고 표적의 RCS 변동이 Swerling 1 모델에 따른다는 가정 하에 이루어졌다. 잡음에 대한 I, Q 샘플들은 가우스 분포에 따른 독립적인 확률변수라고 가정하여 시뮬레이션 하였다.To demonstrate the effectiveness of the present invention, the total detection probabilities for the primary and secondary ideal targets were calculated by performing independent Monte-Carlo simulations 106 times. This calculation assumes that the noise of the radar receiver is in accordance with the standard normal distribution (Gaussian distribution with zero mean and standard deviation of 1) and that the RCS variation of the target is according to the Swerling 1 model. The I and Q samples for noise are simulated assuming that they are independent random variables according to the Gaussian distribution.

먼저 1차 표적 신호는 다음의 식을 통하여 시뮬레이션 하였다. First, the primary target signal is simulated by the following equation.

수식3Equation 3

Figure 112017089467219-pat00021
Figure 112017089467219-pat00021

여기에서 1차 표적 신호 세기 P1t는 평균이 SNR1tPn인 지수확률변수이다. SNR1t는 1차 표적의 SNR이고, Pn은 수신기 잡음 신호 세기이며, Pn = σ2이다.Here, the primary target signal strength P 1t is an exponential random variable with an average SNR 1t P n . SNR 1t is the SNR of the primary target, P n is the receiver noise signal strength, and P n = σ 2 .

다음으로, i차 표적(i=1,2,3,…) 신호는 다음의 식을 통하여 시뮬레이션 되었다. Next, the i-th target (i = 1, 2, 3, ...) signal is simulated by the following equation.

수식4Equation 4

Figure 112017089467219-pat00022
Figure 112017089467219-pat00022

여기에서 i차 표적의 신호 세기 Pit는 평균이 SNRitPn인 지수확률변수이다. SNRit는 i차 표적의 SNR이고, gant, ω 및 다른 변수들은 표 4를 참조하였다.Here, the signal intensity P it of the i-th target is an exponential random variable whose average is SNR it P n . SNR it is the SNR of the i-th target, g ant , ω and other parameters are given in Table 4.

상기 수식4에서 CPI 프레임 내에 i차 표적 신호가 포함된 펄스의 개수(Ncpi)를 Ncpi=N이라고 가정하였다(Ncpi < N의 경우는 이후에 설명한다). 또한, 안테나는 방위 방향으로 일정한 각속도로 회전하고 있으며, i차 표적 신호와 관련된 크기 N인 위상 변조 수열은 위상 변조 코드를 순환자리이동함으로 얻을 수 있는 N개의 벡터를 무작위로 사용하는 방식으로 시뮬레이션 하였다. 따라서 각 벡터의 발생 확률은 1/N 이고, 수식4의 벡터 ci도 총 N개의 벡터 중 무작위로 하나를 선택한다. 또한 방위 기준에서의 표적의 위치도 무작위하다는 가정 하에 시뮬레이션 하였다. 이후로, 본 발명의 표적 제거 성능에 대한 분석은 상기 시뮬레이션 조건을 사용하여 수행한다.In Equation (4), it is assumed that the number of pulses (N cpi ) including the i-th target signal in the CPI frame is N cpi = N (N cpi <N will be described later). Also, the antenna rotates at a constant angular velocity in the azimuth direction, and the phase modulation sequence of size N related to the i-th target signal is simulated by using randomly using N vectors obtained by cyclically shifting the phase modulation code . Therefore, the probability of occurrence of each vector is 1 / N, and the vector c i of Equation 4 randomly selects one of N vectors. It was also simulated with the assumption that the position of the target in the azimuth reference is also random. Thereafter, analysis of the target removal performance of the present invention is performed using the above simulation conditions.

본 성능 분석에서는 Range/Doppler CFAR를 일반적인 CA CFAR 알고리즘을 적용하여 구현하였다. Range CFAR의 경우, 참조 샘플의 개수 M=24, 오경보율 PfaRng = 10-6, 기준 값 계수 α=0.7782794를 사용하였다. Doppler CFAR의 경우, 표 5의 설정 값들을 사용하였다. 표 5에서 PfaDop는 오경보율, β는 기준 값 계수이다. 변수 α와 β는 아래의 수식에 의하여 계산되었다.In this performance analysis, Range / Doppler CFAR is implemented by applying general CA CFAR algorithm. For the range CFAR, the number of reference samples M = 24, the false alarm rate P faRng = 10 -6 , and the reference value coefficient α = 0.7782794 were used. For the Doppler CFAR, the setpoints in Table 5 were used. In Table 5, P faDop is the false alarm rate and β is the reference value coefficient. The variables α and β were calculated by the following equation.

수식5Equation 5

Figure 112017089467219-pat00023
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Figure 112017089467219-pat00024
Figure 112017089467219-pat00024

도 9는 랜덤 위상 변조와 MPS, OP 코드를 이용한 2상 변조의 성능을 나타낸 그래프이다. 랜덤 위상 변조 시의 위상 값들은 [0, 2π]에 균등하게 분포된 독립확률변수로 생성되었다. 1, 2차 표적의 SNR이 동일(SNR1t = SNR2t = 10dB)하다는 가정 하에 오경보율 PfaDop의 변화에 따른 탐지 성능의 변화를 나타내었다.9 is a graph showing the performance of the 2-phase modulation using the random phase modulation and the MPS and OP codes. The phase values at random phase modulation were generated as independent random variables evenly distributed at [0, 2π]. The detection performance changes with the change of the false alarm rate P faDop under the assumption that the SNRs of the first and second targets are the same (SNR 1t = SNR 2t = 10dB).

도 9a는 랜덤 위상 변조와 체계적 2상 변조(표 1의 MPS/OP 코드 적용) 시의 2차 표적에 대한 종합 탐지 확률 P2 DO를 시뮬레이션 한 그래프이다.9A is a graph simulating the total detection probability P 2 DO for a secondary target during random phase modulation and systematic two-phase modulation (MPS / OP code application in Table 1).

도 9b는 Range CFAR에서 1차 표적이 탐지될 확률 P1 DRng과 Range/Doppler CFAR를 모두 수행한 후 1차 표적이 탐지될 확률(종합 탐지 확률) P1 DO를 시뮬레이션 한 그래프이다. 1차 표적의 경우 변/복조 단계를 거치며 변조된 위상이 완전하게 복원되기 때문에 1차 표적의 탐지 성능은 위상 변조 코드에 영향을 받지 않는다.FIG. 9B is a graph simulating the probability (overall detection probability) P 1 DO that the primary target is detected after performing both the probability P 1 DRng and the range / Doppler CFAR where the primary target is detected in the range CFAR. In the case of the primary target, the detection performance of the primary target is not influenced by the phase modulation code because the modulated phase is completely reconstructed through the modulation / demodulation step.

도 9c는 1차 표적에 대한 탐지 성능 저하(L1 PD)를 오경보율(PfaDop)의 변화에 따라 나타낸 그래프이다. L1 PD는 다음의 식으로 계산할 수 있다.FIG. 9C is a graph showing the detection performance degradation (L 1 PD ) for the primary target according to the change in the false alarm rate (P faDop ). L 1 PD can be calculated by the following equation.

수식6Equation 6

Figure 112017089467219-pat00025
Figure 112017089467219-pat00025

도 9a에서 OP 코드를 적용한 2상 변조가 MPS 코드를 적용한 2상 변조보다 성능이 우수함을 알 수 있다. 일례로 PfaDop = 10-3일 때의 2차 표적에 대한 종합 탐지 확률은 OP 코드의 경우 P2 DO = 1.71×10-3, MPS 코드의 경우 P2 DO = 19.95×10- 3로 OP 코드가 훨씬 낮다. 이는 2차 표적 제거 성능에서 OP 코드가 MPS 코드보다 더 우수하다는 것을 의미한다. 랜덤 위상 변조의 경우, 2차 표적 제거 성능이 MPS, OP 코드를 이용한 2상 변조에 비해 상당히 떨어진다. 따라서 본 발명의 구현에 랜덤 위상 변조를 적용하는 것은 바람직하지 않다.9A shows that the two-phase modulation using the OP code is superior to the two-phase modulation using the MPS code. An example synthesis detection probability of the secondary target at the time P = 10 -3 faDop day for OP code P 2 DO = 1.71 × 10 -3 , for MPS codes P 2 DO = 19.95 × 10 - 3 to the OP code, Is much lower. This means that the OP code is superior to the MPS code in the secondary target removal performance. In the case of random phase modulation, the secondary target removal performance is considerably lower than that of 2-phase modulation using MPS and OP codes. It is therefore undesirable to apply random phase modulation to implementations of the present invention.

도 9b, c를 살펴보면 2차 표적 제거 성능을 확보하기 위해 감수해야 할 1차 표적에 대한 탐지 성능 저하가 굉장히 미미함을 알 수 있다. 일례로 PfaDop = 10-4일 때 1차 표적에 대한 탐지 확률 저하는 L1 PD = 0.754%로 미미하지만, 2차 표적 탐지 확률이 OP 코드일 경우 P2 DO = 1.23×10-4, MPS 코드일 경우 P2 DO = 1.41×10-4로 매우 낮아 2차 표적 제거 성능이 매우 우수하다는 것을 알 수 있다.9b and c, it can be seen that the deterioration of the detection performance of the primary target to be managed in order to secure the secondary target removal performance is very small. For example, when P faDop = 10 -4 , the detection probability for the primary target is insignificant as L 1 PD = 0.754%, but P 2 DO = 1.23 × 10 -4 when the secondary target detection probability is OP code, MPS Code, P 2 DO = 1.41 × 10 -4 , which means that the secondary target removal performance is very good.

도 9를 통해 다음의 두 가지 추론이 가능하다.The following two conclusions are possible through Fig.

첫째, Doppler CFAR의 탐지 기준 값을 조정하여, 1차 표적에 대한 별다른 탐지 성능 저하 없이 2차 표적을 효과적으로 제거할 수 있다.First, by adjusting the detection threshold of the Doppler CFAR, the secondary target can be effectively removed without degrading the detection performance of the primary target.

둘째, 도 9a의 OP & MPS 코드의 성능 차이를 통해, 어떤 2상 변조 코드를 사용하느냐가 성능에 큰 영향을 미침을 알 수 있다. 일반적으로 위상 변조 코드는 2차 이상의 표적에 대한 종합 탐지 확률을 최소화하는 방향으로 최적화할 수 있다. 하지만 이 최적화 문제를 해결하기 위해서는 매우 복합적인 요소들을 고려해야 하기 때문에, 현 시점에서 이 문제에 대한 해법을 수학적으로 명확히 제시하는 건 어렵다.Second, through the performance difference of the OP & MPS code of FIG. 9A, it can be seen that what two-phase modulation code has a great influence on the performance. In general, the phase-modulated code can be optimized to minimize the overall detection prob- ability for targets above the second order. However, to solve this optimization problem, it is difficult to present the solution to this problem mathematically at this point, since we must consider very complex factors.

따라서 본 발명에서는 최적화 문제와 관련하여 최대한 해법에 근접한 근사해(approximate solution)를 제안하고자 한다. 도 9a, b에서 1차 표적에 대한 종합 탐지 확률은 2차 표적 대비 매우 높다는 것을 알 수 있다. 이런 차이가 발생하는 원인은 1차, 2차 표적 신호의 파워 스펙트럼이 서로 큰 차이를 나타내기 때문이다. 도 8에서 1차 표적 신호는 도플러 영역에서 하나의 샘플에만 에너지가 집중되고 그 밖의 샘플들에는 상대적으로 굉장히 낮은 에너지를 퍼져있는 것을 알 수 있다. 이 경우 Range/Doppler CFAR의 탐지 기준 값은 CUT 주변의 샘플들로부터 산출되기 때문에, 높은 에너지를 갖는 CUT 샘플은 Range/Doppler CFAR의 탐지 기준 값을 훨씬 초과하게 된다. Therefore, the present invention proposes an approximate solution which is close to the solution as far as the optimization problem is concerned. 9a and b, it can be seen that the overall detection probability for the primary target is very high compared to the secondary target. The reason for this difference is that the power spectra of the primary and secondary target signals show a large difference from each other. In FIG. 8, it can be seen that the primary target signal has energy concentrated in only one sample in the Doppler domain and relatively much lower energy in the other samples. In this case, since the detection reference value of the Range / Doppler CFAR is calculated from the samples around the CUT, the CUT sample with high energy far exceeds the detection reference value of the Range / Doppler CFAR.

이러한 이유로 1차 표적에 대한 종합 탐지 확률은 SNR1t에 따라 달라질 수 있지만, 기본적으로 매우 높은 수준을 유지할 수 있다. 이에 반해 2차 표적 신호는 두드러지게 높은 에너지를 갖는 샘플 없이 에너지가 전체 도플러 영역에 걸쳐 넓게 퍼져 있다. 이로 인해 2차 표적은 Range CFAR에서의 탐지 확률도 떨어질 뿐만 아니라 Doppler CFAR에서의 탐지 확률도 심각하게 떨어진다. 실제로 2차 표적에 대한 Doppler CFAR의 탐지 기준 값을 결정하는 데 사용되는 샘플들은 표적 신호 세기와 거의 동등한 수준이다. 따라서 2차 표적 신호가 Doppler CFAR 탐지 기준 값을 넘을 확률은 1차 표적 신호에 비해 매우 낮다. 따라서 2차 표적의 종합 탐지 확률은 1차 표적과 비교하여 기본적으로 매우 낮다고 할 수 있다.For this reason, the overall detection probability for the primary target may vary depending on the SNR 1t , but it can basically remain at a very high level. On the other hand, the energy of the secondary target signal is spread widely over the entire Doppler domain without samples having significantly higher energy. This not only lowers the detection probability of Range CFAR but also seriously reduces the detection probability of Doppler CFAR. In practice, the samples used to determine the detection threshold for the Doppler CFAR for the secondary target are at approximately the same level as the target signal strength. Therefore, the probability that the secondary target signal exceeds the Doppler CFAR detection reference value is much lower than the primary target signal. Thus, the overall detection probability of the secondary target is basically very low compared to the primary target.

2차 표적에 대한 파워 스펙트럼이 균일한(uniform) 스펙트럼에 가까운 형태가 되도록 위상 변조 코드를 적절히 조정한다면, 2차 표적에 대한 종합 탐지 확률을 최소화할 수 있다. 이러한 위상 변조 코드의 성능을 수치화하기 위하여 본 발명에서는 유클리드 거리(Euclidean distance)를 적용하였으며, 유클리드 거리 D는 다음과 같이 계산할 수 있다.By appropriately adjusting the phase modulation code so that the power spectrum for the secondary target is close to a uniform spectrum, the overall detection probability for the secondary target can be minimized. In order to quantify the performance of such a phase-modulated code, the Euclidean distance is used in the present invention, and the Euclidean distance D can be calculated as follows.

수식7Equation 7

Figure 112017089467219-pat00026
Figure 112017089467219-pat00026

여기에서 Sk는 파워 스펙트럼에서 k번째에 해당하는 샘플이고, So는 균일한 스펙트럼에서 샘플들의 크기 값을 대표하는 상수이다. Where S k is the k th sample in the power spectrum and S o is a constant representing the magnitude of the samples in a uniform spectrum.

파시발의 정리(Parseval's theorem)에 따르면 신호 벡터 u와 이 벡터의 DFT 파워 스펙트럼 S의 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있다.According to Parseval's theorem, the relationship between the signal vector u and the DFT power spectrum S of this vector can be expressed as:

수식8Equation 8

Figure 112017089467219-pat00027
Figure 112017089467219-pat00027

수식8의 우변은 파워 스펙트럼의 평균값을 나타내고 좌변은 벡터 u의 놈(norm)인

Figure 112017089467219-pat00028
를 나타낸다. 벡터 u가 정규화 되었다면, 즉,
Figure 112017089467219-pat00029
일 경우, 파워 스펙트럼의 평균값도 1이 된다. 벡터 u가 정규화 되었다면, 파워 스펙트럼의 평균값은 위상 변조 코드에 무관하게 1이 되기 때문에 수식7에서 So=1로 설정할 수 있다.The right side of Equation 8 represents the average value of the power spectrum and the left side is the norm of the vector u
Figure 112017089467219-pat00028
. If the vector u is normalized, i. E.
Figure 112017089467219-pat00029
, The average value of the power spectrum is also 1. If the vector u is normalized, the mean value of the power spectrum is 1 regardless of the phase modulation code, so that S o = 1 in Equation 7 can be set.

이를 통해, 2차 표적에 대한 종합 탐지 확률을 최소화하는 위상 변조 코드를 찾는 복합적인 문제를 유클리드 거리 D를 최소화하는 위상 변조 코드를 찾는 간단한 문제로 변환할 수 있다. 유클리드 거리 D를 최소화하는 코드가 종합 탐지 확률을 최소화하는 최적의 코드라는 보장은 없지만, 최적의 코드에 근접한 코드라는 점은 추론 가능하다.Through this, a complex problem of finding a phase-modulated code that minimizes the overall detection probability for the secondary target can be converted into a simple problem of finding a phase-modulated code that minimizes the Euclidean distance D. Although it is not guaranteed that the code that minimizes the Euclidean distance D is the optimal code that minimizes the total detection probability, it is inferable that the code is close to the optimal code.

i차 표적에 대한 신호 벡터의 놈(norm)은 i차 위상 변조 수열 ci와 무관하므로 위상 변조 코드를 최적화할 때 수식2의 정규화된 신호 벡터를 사용한다. 여기에서 벡터 ci는 최적화 과정에서 변경되는 위상 변조 코드에 의하여 결정된다.Since the norm of the signal vector for the i-th target is independent of the i-th phase modulation sequence c i , the normalized signal vector of Equation 2 is used to optimize the phase modulation code. Where the vector c i is determined by the phase modulation code that is changed during the optimization process.

엄밀히 얘기하면, i차 표적 신호에 대한 위상 변조 수열이 무작위하게 설계되었다면 주어진 위상 변조 코드를 순환자리이동할 경우 N개의 경우의 수가 발생하기 때문에, 유클리드 거리 D의 최솟값을 위상 변조 코드를 최적화하는 데 직접 적용할 수는 없다. 이러한 설계에 적용 가능한 최적화 방법으로 미니맥스(minimax, 추정되는 최대의 손실을 최소화하는 기법)를 사용할 수 있다. 본 발명에서 위상 변조 코드를 최적화하기 위해 적용한 미니맥스 기법에 대하여 아래에 설명한다.Strictly speaking, if the phase modulation sequence for the i-th target signal is randomly designed, the minimum value of the Euclidean distance D can be directly used to optimize the phase modulation code, since a number of N cases occur when a given phase- It can not be applied. As an optimization method applicable to such a design, a minimax (a technique for minimizing the estimated maximum loss) can be used. The min max technique applied to optimize the phase modulation code in the present invention will be described below.

Figure 112017089467219-pat00030
Figure 112017089467219-pat00030

표 6은 길이 N=16인 위상 변조 2상 코드 중, 2차 표적의 탐지 확률을 최소화하는 최적의 코드들을 미니맥스 기법을 사용하여 획득한 것이다. 이 코드들은 Ncpi = N 이라는 조건 하에 모든 가능성을 철저히 검사(exhaustive search)하여 산출하였다. 최적의 코드 탐색을 위해 길이가 N일 때 조합 가능한 2N-1개(전체가 0인 코드 제외)의 코드를 순차적으로 분석하였다. p번째 코드의 경우 수식7을 이용하여 N개의 순환자리이동에 따른 거리 Dq(q=1,2,…,N)를 계산하고, 최대 거리 Dmax(p) = max{Dq} (p=1,2,…,N) 와 그에 상응하는 순환자리이동을 산출한다. 그리고 미니맥스 거리는 Dminmax = min{Dmax(p)} (p=1,2,…,N) 를 통해 산출하고, 이를 통해 조건 Dmax(p) = Dminmax를 만족하는 코드를 최적의 코드로 선택한다.Table 6 shows the optimal codes for minimizing the detection probability of the secondary target among the phase-modulated two-phase codes of length N = 16 using the min-max technique. These codes were calculated by exhaustive search of all possibilities under N cpi = N. In order to find the optimal code, code of 2 N -1 (excluding all 0 codes) which can be combined when the length is N was sequentially analyzed. For the p-th code, the distance D q (q = 1, 2, ..., N) resulting from the N cyclic shifts is calculated using Equation 7 and the maximum distance D max (p) = max {D q } = 1, 2, ..., N) and the corresponding cyclic shift. And Mini Max distance D minmax = min {D max ( p)} (p = 1,2, ..., N) to, and through this condition calculated by D max (p) = D code optimal code satisfying the minmax .

DFT에 대한 순환자리이동 원리에 따르면, 주어진 수열

Figure 112017089467219-pat00031
의 순환자리이동에 대한 파워 스펙트럼은 동일하다. 그러나 본 발명의 최적화 코드 산출 과정에서는 주어진 위상 변조 코드에 대한 모든 순환자리이동에 대하여 거리 Dq (q=1,2,…,N)를 계산한다. 그 이유는 안테나 패턴에 의한 수신 신호의 진폭 변조,도플러 스펙트럼 산출 전 진폭의 가중치로 인해 이러한 순환자리이동에 대한 i차 표적 신호에 대한 파워 스펙트럼이 동일하지 않기 때문이다.According to the cyclic shift principle for DFT,
Figure 112017089467219-pat00031
The power spectra for the cyclic shift of the antenna are the same. However, in the optimization code calculation process of the present invention, the distances D q (q = 1, 2, ..., N) are calculated for all cyclic shifts of a given phase-modulated code. This is because the power spectrum for the i-th target signal for this cyclic shift is not the same due to the amplitude modulation of the received signal by the antenna pattern and the weight of the amplitude before Doppler spectrum calculation.

표 1의 OP 코드에 대한 미니맥스 거리와 표 6의 최적화 코드에 대한 미니맥스 거리를 비교해 보면, OP 코드의 경우 Dminmax = 18.085이고, 표 6의 최적화 코드의 경우 Dminmax = 7.116로, 표 6의 최적화 코드가 OP 코드에 비해 2차 표적 제거 성능이 더 우수함을 알 수 있다.Comparing the Min Max distance for the OP code in Table 1 and the Min Max distance for the optimization code in Table 6, it can be seen that D minmax = 18.085, and in the case of the optimization code in Table 6, D minmax = 7.116, and the optimization code in Table 6 is superior to the OP code in the secondary target removal performance.

도 10에서 표 6의 최적화 코드(첫 행)와 표 1의 OP 코드의 2차 표적 제거 성능을 비교하였다. PfaDop = 10-2일 때, 표 6의 최적화 코드의 종합 탐지 확률이 약 3.62배(0.04097/0.01131) 더 우수하고, 점진적으로 낮아져 PfaDop = 10-4일 때는 2.87배(0.000115/0.00004) 더 우수하다.In FIG. 10, the optimization code (first row) of Table 6 and the second target removal performance of the OP code of Table 1 were compared. P faDop = 10 -2 days time, a comprehensive detection probability of better optimized code in Table 6, about 3.62 times (0.04097 / 0.01131), and when one gradually lowered to 2.87 times more P faDop = 10 -4 (0.000115 / 0.00004) great.

도 11은 표 6의 최적화 코드와 표 1의 OP 코드의 3차 표적 제거 성능을 비교한 그래프이다. 2차 표적 제거 성능에 있어 표 6의 최적화 코드가 표 1의 OP 코드보다 우수하지만, 3차 표적 제거 성능에 있어서는 표 6의 최적화 코드가 표 1의 OP 코드보다 떨어진다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 2차, 3차 표적 제거 성능을 모두 반영할 수 있는 통합된 지표인 DMC를 제안한다.11 is a graph comparing the third-order target removal performance of the optimization code of Table 6 with the OP code of Table 1. FIG. The optimization code of Table 6 is superior to the OP code of Table 1 for the secondary target removal performance, but the optimization code of Table 6 is lower than the OP code of Table 1 for the third target removal performance. To overcome these problems, we propose an integrated indicator, D MC , which can reflect both secondary and tertiary target removal performance.

수식9Equation 9

Figure 112017089467219-pat00032
Figure 112017089467219-pat00032

여기에서 D2, D3는 각각 2차, 3차 표적에 대한 유클리드 거리를 나타낸다.Where D 2 and D 3 represent the Euclidean distances for the secondary and tertiary targets, respectively.

Figure 112017089467219-pat00033
Figure 112017089467219-pat00033

표 7은 길이 N=16인 위상 변조 2상 코드 중, 2차, 3차 표적의 탐지 확률을 최소화하는 최적의 코드들을 미니맥스 기법을 사용하여 획득한 것이다. 이 코드들은 Ncpi=N 이라는 조건 하에 표 6과 동일한 최적화 방법을 사용하여 산출되었다. Table 7 shows the optimal codes for minimizing the detection probabilities of the secondary and tertiary targets among the phase-modulated two-phase codes of length N = 16 using the min-max technique. These codes were calculated using the same optimization method as Table 6 under the condition that N cpi = N.

도 12는 표 7의 최적화 코드와 표 1의 OP 코드의 2, 3, 4차 표적 제거 성능을 비교 도시한 그래프이다. 표 7의 최적화 코드가 표 1의 OP 코드 대비 2, 3, 4차 표적 제거 성능이 모두 우수함을 확인할 수 있다. 12 is a graph showing a comparison of the second, third and fourth target removal performance of the optimization code of Table 7 and the OP code of Table 1; It can be seen that the optimization code of Table 7 is superior to the OP code of Table 1 for the second, third and fourth target removal performance.

도 13은 표 7의 최적화 코드의 SNR에 따른 2차 표적 제거 성능을 도시한 그래프이다. PfaDop ≤ 10-2.5인 조건에서, SNR이 증가함에 따라 허위표적 제거 성능이 뚜렷하게 개선되는 것을 확인할 수 있다.13 is a graph showing the secondary target removal performance according to the SNR of the optimization code of Table 7. FIG. In the condition of P faDop ≤ 10 -2.5 , it can be seen that the false target removal performance improves remarkably as the SNR increases.

지금까지는 Ncpi=N 이라는 조건, 즉, 주어진 CPI 프레임 내 표적 신호를 포함하는 PRI 개수(Ncpi)가 CPI를 구성하는 전체 PRI 개수(N)와 같다는 조건 하에 표적 제거 성능을 분석하였다. 이제부터는 Ncpi < N 이라는 조건 하에 분석을 수행한다. 이 경우에 i차(i=2,3,…) 표적 신호는 다음과 같이 시뮬레이션 될 수 있다.The target removal performance is analyzed under the condition that N cpi = N, that is, the number of PRIs (N cpi ) including the target signal in a given CPI frame is equal to the total number of PRIs (N) constituting the CPI. From now on N cpi &Lt; N. &Lt; / RTI &gt; In this case, the i-th order (i = 2, 3, ...) target signal can be simulated as follows.

수식10Equation 10

Figure 112017089467219-pat00034
Figure 112017089467219-pat00034

여기에서 는 Pit지수확률변수이고, 벡터 gant와 ω는 표 4에 설명되어 있다. 길이 N인 벡터 hi는 주어진 위상 변조 코드에 상응하는 행렬 C의 i번째 행을 나타내는 벡터 ci를 변형하여 획득할 수 있다. 연산자 T는 i차 표적에 대하여 현재 CPI 프레임 내 표적 신호가 탐지된 PRI의 배치 패턴에 따라 벡터 ci의 변형 패턴을 정의한다. 도 14(a), 14(b), 14(c)는 N=8일 때 2차 표적 신호가 탐지되는 세 가지 패턴을 통해 연산자 T가 어떻게 동작하는 지 보여준다.Ncpi=N일 경우 h2=c2이며, Ncpi=7이고 CPI 프레임의 앞쪽에 위치한 경우

Figure 112017089467219-pat00035
이며, Ncpi=6이고 CPI 프레임의 뒤쪽에 위치한 경우
Figure 112017089467219-pat00036
임을 확인할 수 있다.Here, P it is the exponential random variable, and the vectors g ant and ω are described in Table 4. A vector h i of length N can be obtained by transforming a vector c i representing the ith row of the matrix C corresponding to a given phase modulation code. The operator T defines the deformation pattern of the vector c i according to the placement pattern of the PRI in which the target signal in the current CPI frame is detected for the i-th target. Figures 14 (a), 14 (b) and 14 (c) show how the operator T operates through three patterns in which a secondary target signal is detected when N = 8. When N cpi = N, h 2 = c 2 , N cpi = 7 and is located in front of the CPI frame
Figure 112017089467219-pat00035
, And N cpi = 6 and located behind the CPI frame
Figure 112017089467219-pat00036
.

도 15는 표 7의 최적화 코드(첫 행)에 대하여 PfaDop = 10-2, SNR2t = 10dB 인 조건에서 Ncpi 값에 따른 2차 표적 제거 성능을 보여주는데, Ncpi = 8일 때 성능이 비교적으로 떨어지는 것을 확인할 수 있다. FIG. 15 shows secondary target removal performance according to the N cpi value under the conditions of P faDop = 10 -2 and SNR 2t = 10 dB for the optimization code (first row) in Table 7. When N cpi = 8, . &Lt; / RTI &gt;

도 16은 표 7의 최적화 코드(첫 행)에 대하여 Ncpi = 16일 때와 Ncpi = 8일 때의 성능을 비교한 그래프이다. Ncpi = N일 때 성능 저하가 발생하긴 하지만, PfaDop ≤ 10-3인 조건에서는 2차 표적 탐지 확률을 상당히 낮은 레벨로 유지할 수 있어, 충분한 2차 표적 제거 성능을 보여준다는 것을 확인할 수 있다.FIG. 16 is a graph comparing performance of N cpi = 16 and N cpi = 8 for the optimization code (first row) in Table 7. FIG. Although the performance degradation occurs when N cpi = N, it can be seen that the secondary target detection probability can be maintained at a substantially low level in the condition of P faDop ≤ 10 -3 , which shows sufficient secondary target removal performance.

이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명한 본 발명은 통상의 기술자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.While the invention has been shown and described with reference to certain embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

Claims (8)

코히어런트 펄스 레이더에서 각 PRI(Pulse Repetition Interval)내에 방사되는 송신 펄스의 위상을 변조하는 단계(S1);
위상 복조를 통하여 최대탐지거리 내에 존재하는 표적들로부터 수신한 레이더 신호의 코히어런스를 복원하고 주어진 CPI(Coherent Processing Interval) 프레임 내의 모든 수신 신호에 대한 복소수 데이터 행렬을 생성하는 단계(S2);
상기 데이터 행렬에 코히어런트 도플러 처리를 수행하고, 이후 크기 제곱연산을 통하여 R/D(Range/Doppler)영역으로 표시되는 모든 수신 신호에 대한 파워스펙트럼을 획득하는 단계(S3);
상기 R/D영역의 파워 스펙트럼에 Range CFAR 처리를 수행하여 표적을 탐지하는 단계(S4); 및
상기 Range CFAR 처리에 의하여 표적으로 탐지된 모든 셀에 대하여 Doppler CFAR 처리를 수행하여 다중의 주기 외 표적 신호를 제거하는 단계(S5);
를 포함하고,
상기 송신 펄스의 위상은 주기 N의 체계적 코드에 의하여 결정하되, 상기 N은 CPI 프레임을 구성하는 연속된 PRI의 개수이고.
상기 (S1) 및 (S2)단계에서 위상의 변조 및 복조는,
Figure 112018011706592-pat00055

- Sk는 파워 스펙트럼에서 k번째에 해당하는 샘플
- So는 균일한 스펙트럼에서 샘플들의 크기 값을 대표하는 상수
유클리드 거리(D)를 최소화하는 최적화 코드를 적용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 덕팅 현상으로 인한 다중의 주기 외 표적 제거 방법.
Modulating a phase of a transmission pulse radiated in each PRI (Pulse Repetition Interval) in a coherent pulse radar (S1);
(S2) restoring the coherence of the radar signal received from the targets within the maximum detection distance through phase demodulation and generating a complex data matrix for all received signals in a given CPI (Coherent Processing Interval) frame;
Performing coherent Doppler processing on the data matrix and obtaining a power spectrum for all received signals represented by a range / Doppler (R / D) region through a magnitude squaring operation;
Performing Range CFAR processing on the power spectrum of the R / D region to detect a target (S4); And
Performing a Doppler CFAR process on all cells detected as targets by the Range CFAR process to remove a plurality of out-of-period target signals (S5);
Lt; / RTI &gt;
The phase of the transmission pulse is determined by a systematic code of period N, where N is the number of consecutive PRIs constituting a CPI frame.
The phase modulation and demodulation in the steps (S1) and (S2)
Figure 112018011706592-pat00055

- S k is the k-th sample in the power spectrum
- S o is a constant representing the size value of the samples in a uniform spectrum
Wherein the Euclidean distance (D) is minimized by applying an optimization code to minimize the Euclidean distance (D).
청구항 1에 있어서,
파시발의 정리(Parseval's theorem)에 따라 상기 So는 1인 것을 특징으로 하는 덕팅 현상으로 인한 다중의 주기 외 표적 제거 방법.
The method according to claim 1,
Wherein S o is 1 according to Parseval's theorem. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 8. &lt; / RTI &gt;
청구항 1에 있어서,
상기 최적화 코드는 미니맥스(minimax) 기법에 의해 아래의 조건,
Dmax(p) = Dminmax
- Dmax(p) = max{Dq} (p=1,2,…,N)
- Dq(q=1,2,…,N)는 N개의 순환자리이동에 따른 거리
- Dminmax = min{Dmax(p)} (p=1,2,…,N)
을 만족하는 것을 특징으로 하는 덕팅 현상으로 인한 다중의 주기 외 표적 제거 방법.
The method according to claim 1,
The optimization code may be generated by a minimax technique under the following conditions:
D max (p) = D minmax
- D max (p) = max {D q } (p = 1,2, ..., N)
- D q (q = 1, 2, ..., N) is the distance
- D minmax = min {D max (p)} (p = 1,2, ..., N)
Wherein the plurality of the out-of-period targets are removed by the ducting phenomenon.
청구항 1에 있어서,
상기 유클리드 거리(D)는 아래의 수식,
Figure 112018050029379-pat00056

- D2는 2차 표적에 대한 유클리드 거리
- D3는 3차 표적에 대한 유클리드 거리
에 의해 결정되는 유클리드 거리(DMC)인 것을 특징으로 하는 덕팅 현상으로 인한 다중의 주기 외 표적 제거 방법.
The method according to claim 1,
The Euclidean distance (D)
Figure 112018050029379-pat00056

- D 2 is the Euclidean distance for the secondary target
- D 3 is the Euclidean distance for the third target
Wherein the Euclidean distance is determined by the Euclidean distance (D MC) .
청구항 1에 있어서,
상기 (S3)단계에서,
상기 파워 스펙트럼은 상기 데이터 행렬(A)을 도플러 처리한 후 크기의 제곱 연산을 적용한 Range/Doppler 실수 데이터 행렬(B)을 의미하는 것을 특징으로 하는 덕팅 현상으로 인한 다중의 주기 외 표적 제거 방법.
The method according to claim 1,
In the step (S3)
Wherein the power spectrum refers to a range / Doppler real data matrix (B) to which a squared magnitude calculation is applied after Doppler processing the data matrix (A).
청구항 5에 있어서,
상기 (S4)단계는,
상기 실수 데이터 행렬(B)의 모든 Range/Doppler 셀에 대하여 Range CFAR을 수행하는 것을 특징으로 하는 덕팅 현상으로 인한 다중의 주기 외 표적 제거 방법.
The method of claim 5,
The step (S4)
And performing Range CFAR on all Range / Doppler cells of the real data matrix (B).
삭제delete 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 (S1) 내지 (S5)단계는 각 CPI 프레임에 대하여 순차적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 덕팅 현상으로 인한 다중의 주기 외 표적 제거 방법.
7. The method according to any one of claims 1 to 6,
Wherein the steps (S1) to (S5) are performed sequentially for each CPI frame.
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