KR101916170B1 - 레이더 시스템 및 그의 표적 탐지 방법 - Google Patents

레이더 시스템 및 그의 표적 탐지 방법 Download PDF

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Abstract

레이더 시스템 및 그의 표적 탐지 방법에 관한 것으로, 다중 채널을 통해 신호를 송신하고 반사되는 신호를 수신하는 송수신부, 상기 송수신부의 각 채널을 통해 수신된 신호의 거리 및 도플러 축에 대해 2D FFT를 수행하는 신호처리부, 다중 채널의 누적 오경보율로부터 단일 채널 오경보율을 계산하여 각 채널의 문턱치를 계산하는 계산부 및 계산된 각 채널의 문턱치를 이용해서 표적과의 거리 및 속도를 검출하고, 다중 채널에서 각각 검출된 표적의 거리와 속도를 비교하여 표적 유무를 판단하며 각도를 탐지하는 표적 검출부를 포함하는 구성을 마련하여, 누적 검출기를 적용해서 동일한 표적에 대하여 단일 채널과 같은 탐지율을 가지더라도, 오경보율을 감소시킬 수 있다.

Description

레이더 시스템 및 그의 표적 탐지 방법{RADAR SYSTEM AND TAGET DETECTING METHOD THEREOF}
본 발명은 레이더 시스템 및 그의 표적 탐지 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중 채널을 이용해서 표적을 탐지하여 오경보율을 감소시키는 레이더 시스템 및 그의 표적 탐지 방법에 관한 것이다.
레이더는 전파를 이용하여 신호를 송신하고 표적에서 반사된 일부 반사(reflection) 신호를 수신하여 표적을 탐지하며, 탐지된 표적신호의 지연시간과 도플러 효과를 이용해서 표적의 거리, 속도를 측정한다.
그리고 탐지된 표적의 각도는 협대역 빔폭을 가지는 한 개의 안테나를 회전시키거나, 여러 개의 안테나의 채널들을 이용해서 진폭 모노펄스(Amplitude Monopulse), 위상 모노펄스(Phase Monopulse), 간섭계(Interferometry) 그리고 디지털 빔포밍(Digital Beamforming) 방법 등을 적용하여 측정된다.
본 출원인은 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2 등 다수에 레이더 기술을 개시해서 특허 출원하여 등록받은 바 있다.
한편, 하기의 비특허문헌 1을 참조하면, 잡음 환경에서 레이더 수신신호는 라이시안 분포(Rician distribution) 특성을 따른다.
예를 들어, 도 1은 잡음 환경에서의 탐지율, 오경보율 및 문턱치를 예시한 도면이고, 도 2는 단일 채널에서의 SNR과 오경보율에 따른 표적탐지확율을 예시한 도면이다.
잡음 환경에서의 레이더 수신신호 분포(p(r))는 아래의 수학식 1과 같으며, 표적이 존재하지 않을 경우에는 수신신호의 세기 A 가 0 이므로, 수학식 2와 같다.
[수학식 1]
Figure 112018032145198-pat00001
[수학식 2]
Figure 112018032145198-pat00002
여기서, σ는 잡음의 분산이고, A는 수신신호의 세기이다.
상기 오경보율은 표적이 아닌 경우에 표적으로 탐지할 확률을 말한다.
레이더의 대표적인 검출기인 CFAR(Constant False Alarm Rate)를 이용해서 표적을 검출하는 경우, 오경보율(Pfa)을 일정하게 유지하도록 문턱치(Vt)를 결정한다.
오경보율에 의한 문턱치(Vt)와 표적탐지확율(Pd)은 각각 아래의 수학식 3 및 수학식 4에 의해 계산될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112018032145198-pat00003
[수학식 4]
Figure 112018032145198-pat00004
이와 같이, 종래기술에 따른 레이더 시스템에서는 오경보율이 결정되면, 수신잡음 신호분포에 의해 문턱치가 계산되어 검출기에 적용되며, 이때 표적탐지확율은 수신표적 신호분포에 의해 문턱치로부터 ∞까지의 적분으로 계산된다.
따라서 단일 채널에서의 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, 이하 'SNR'이라 함)과 오경보율(Pfa)에 따른 표적탐지확률(Pd)의 관계를 살펴보면, 도 2에서 표적탐지확률은 표적의 SNR이 증가함에 따라 증가할 뿐만 아니라, 오경보율이 증가하여 문턱치가 낮아지는 경우에도 증가한다.
대한민국 특허 등록번호 제10-1513878호(2015년 4월 22일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-1505044호(2015년 3월 24일 공고)
Nadav Levanon, "Radar Detection," in Radar Principles, ED. New York: Wiley, 1988, pp.39-42
종래기술에 따른 레이더 시스템은 낮은 오경보율과 높은 탐지율을 보유하기 위해, 표적 반사신호가 충분한 SNR을 확보하도록 송신 출력과 안테나 이득 등을 조정하여 설계된다.
그러나, 레이더 시스템에 적용되는 송신 장치의 하드웨어적인 한계, 운용 대역의 유효방사전력에 대한 전파 규제, 그리고 안테나 빔폭과 이득 간의 트레이드 오프(trade-off) 관계는 표적반사신호의 충분한 SNR 확보에 장애가 된다.
이러한 장애는 표적 반사신호의 SNR 감소를 유발하며, 레이더 시스템의 표적탐지확율을 낮춘다.
따라서 표적의 탐지율을 높이기 위하여 문턱치(Threshold)를 낮출 경우, 오경보율이 증가하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다중 채널을 이용하는 레이더 시스템에서 오경보율을 감소시킬 수 있는 레이더 시스템 및 그의 표적 탐지 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 표적의 탐지율을 확보하기 위해 문턱치를 낮추어도 낮은 오경보율을 유지할 수 있는 레이더 시스템 및 그의 표적 탐지 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 레이더 시스템은 다중 채널을 통해 신호를 송신하고 반사되는 신호를 수신하는 송수신부, 상기 송수신부의 각 채널을 통해 수신된 신호의 거리 및 도플러 축에 대해 2D FFT를 수행하는 신호처리부, 다중 채널의 누적 오경보율로부터 단일 채널 오경보율을 계산하여 각 채널의 문턱치를 계산하는 계산부 및 계산된 각 채널의 문턱치를 이용해서 표적과의 거리 및 속도를 검출하고, 다중 채널에서 각각 검출된 표적의 거리와 속도를 비교하여 표적 유무를 판단하며 각도를 탐지하는 표적 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 레이더 시스템의 표적 탐지 방법은 (a) 송수신부에서 다중 채널을 통해 신호를 송신하고 반사되는 신호를 수신하는 단계, (b) 신호처리부에서 상기 송수신부의 각 채널을 통해 수신된 신호의 거리 및 도플러 축에 대해 2D FFT를 수행하는 단계, (c) 계산부에서 다중 채널의 누적 오경보율로부터 단일 채널 오경보율을 계산하여 각 채널의 문턱치를 계산하는 단계 및 (d) 표적 검출부에서 상기 계산부에서 계산된 각 채널의 문턱치를 이용해서 표적과의 거리 및 속도를 검출하고, 다중 채널에서 각각 검출된 표적의 거리와 속도를 비교하여 표적 유무를 판단하며 표적의 각도를 탐지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이더 시스템 및 그의 표적 탐지 방법에 의하면, 누적 검출기를 적용해서 동일한 표적에 대하여 단일 채널과 같은 탐지율을 가지더라도, 오경보율을 감소시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.
그리고 본 발명에 의하면, 단일 채널 레이더 시스템에 비하여 표적의 요구 SNR이 감소하므로, 낮은 SNR을 가지는 표적에 대해서도 낮은 오경보율을 가지고 높은 탐지율을 확보할 수 있다는 효과가 얻어진다.
도 1은 잡음 환경에서의 탐지율, 오경보율 및 문턱치를 예시한 도면,
도 2는 단일 채널에서의 SNR과 오경보율에 따른 표적탐지확율을 예시한 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이더 시스템의 구성도,
도 4는 누적 검출기의 동작을 설명하기 위한 예시도,
도 5는 누적 검출기의 동작을 설명하기 위한 예시도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이더 시스템의 표적 탐지 방법을 단계별로 설명하는 공정도,
도 7은 오경보율에 따른 단일 채널 표적탐지확율과 다중 채널의 누적 표적탐지확율을 보인 도면,
도 8 내지 도 11은 오경보율에 따른 단일 채널과 다중 채널에서의 검출 성능을 비교한 그래프.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이더 시스템 및 그의 표적 탐지 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이더 시스템의 구성도이다.
본 실시 예에서는 수신 채널이 4개인 경우를 설명하나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 2개나 3개 또는 5개 이상 복수의 채널을 이용하는 다중 채널 시스템에 적용 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이더 시스템(10)은 도 3에 도시된 바와 같이, 다중 채널을 통해 신호를 송신하고 반사되는 신호를 수신하는 송수신부(20), 송수신부(20)의 각 채널을 통해 수신된 신호의 거리 및 도플러 축에 대해 2D FFT(fast fourier transform)를 수행하는 신호처리부(30), 다중 채널의 누적 오경보율로부터 단일 채널 오경보율을 계산하여 각 채널의 문턱치를 계산하는 계산부(40) 및 계산된 각 채널의 문턱치를 이용해서 표적과의 거리 및 속도를 검출하고, 다중 채널에서 각각 검출된 표적의 거리와 속도를 비교하여 표적 유무를 판단하며 각도를 탐지하는 표적 검출부(50)를 포함한다.
표적 검출부(50)는 계산된 각 채널의 문턱치를 이용해서 표적과의 거리 및 속도를 검출하는 표적 검출기(60), 다중 채널에서 각각 검출된 표적의 거리와 속도를 비교하여 표적 유무를 판단하는 누적 검출기(70) 및 상기 표적의 각도를 탐지하는 각도 탐지부(80)를 포함한다.
도 4는 누적 검출기의 동작을 설명하기 위한 예시도이다.
누적 검출기(70)는 각 채널에서 검출된 표적의 거리와 속도 정보가 일치하는지를 비교해서 표적 유무를 판단한다.
예를 들어, 도 4에서 누적 검출기(70)는 4개 채널 중 4개 채널에서 모두 검출되어야 표적으로 판단하도록 설정된 경우, 4개 채널 중 4개 채널에서 검출된 ㉠ 표적을 표적으로 판단한다.
반면, 누적 검출기(70)는 4개 채널 중 3개 채널에서 검출된 ㉡표적을 표적이 아닌 것으로 판단하고, 4개 채널 중 1개 채널에서 검출된 ㉢ 표적을 표적이 아닌 것으로 판단한다.
한편, 누적 검출기(70)는 4개 채널 중 적어도 3개 채널에서 검출되어야 표적으로 판단하도록 설정된 경우, 4개 채널 중 4개 채널에서 검출된 ㉠ 표적과 4개 채널 중 3개 채널에서 검출된 ㉡표적을 표적으로 판단한다.
반면, 누적 검출기(70)는 4개 채널 중 1개 채널에서 검출된 ㉢ 표적을 표적이 아닌 것으로 판단한다.
도 5는 누적 검출기의 동작을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5에는 4채널에서 4채널 모두에서 검출되는 경우 표적으로 판단하고, i = 1 인 경우가 예시되어 있다.
송수신부(20)의 다중 채널을 통해 수신되는 수신신호는 채널 간 오프셋으로 인해 거리-도플러 채널 간 검출정보가 정확하게 일치하지 않는 경우가 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 해소하기 위해, 본 실시 예에서 누적 검출기(70)는 도 5에 도시된 바와 같이, 채널 K 개 중 한 개의 기준채널을 결정하고(예컨대 CH1), 결정된 기준채널에서 검출된 표적 위치 (n1, m1)를 기준으로 ±i 만큼의 검출 위치 마진(margin)을 설정하며, 기준채널 이외의 타 채널에서 검출된 표적의 위치가 (n1 - i) ≤ nk ≤ (n1 + i), (m1 - i) ≤ mk ≤ (m1 + i), 여기서 k = 1,2,3…,K 의 범위이면 동일 위치 표적으로 간주한다.
다음, 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이더 시스템의 표적 탐지 방법을 상세하게 설명한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이더 시스템의 표적 탐지 방법을 단계별로 설명하는 공정도이다.
도 6의 S10단계에서 송수신부(20)는 다중 채널을 통해 신호를 송신하고 반사되는 신호를 수신한다.
여기서, 누적 검출기(70)는 K개의 채널 중 H개 채널에서 표적이 검출되어야 표적으로 검출하도록 설정된 상태이다.
S12단계에서 계산부(30)는 송수신부(20)의 각 채널을 통해 수신된 신호의 거리 및 도플러 축에 대해 2D FFT(fast fourier transform)를 수행한다.
그리고 계산부(30)는 다중 채널의 누적 오경보율(Pcfa)이 결정되면(S14), 결정된 누적 오경보율로부터 단일 채널 오경보율(Pfa)을 계산하고, 계산된 단일 채널 오경보율을 상기 수학식 3에 대입해서 각 채널의 문턱치(Vt)를 계산한다(S16).
상기 다중 채널의 누적 오경보율(Pcfa)은 K개의 채널 중 적어도 H개 채널에서 오경보가 발생할 확률이다.
이러한 다중 채널의 누적 오경보율(Pcfa)과 단일 채널 오경보율(Pfa)은 아래의 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112018032145198-pat00005
이러한 다중 채널의 누적 오경보율(Pcfa)은 아래의 수학식 6과 같은 오일러 공식(Euler's formula)을 이용해서 정의된다.
[수학식 6]
Figure 112018032145198-pat00006
상기 단일 채널 오경보율(Pfa)은 K와 H에 따라 수학식 5의 근의 공식에 의해 계산 된다.
S18단계에서 표적 검출부(50)의 표적 검출기(60)는 및 계산된 각 채널의 문턱치(Vt)를 이용해서 표적과의 거리 및 속도를 검출한다.
누적 검출기(70)는 다중 채널에서 각각 검출된 표적의 거리와 속도를 비교하여 표적 유무를 판단한다(S20).
여기서, 단일 채널 탐지율(Pd)은 아래의 수학식 7로 표현될 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112018032145198-pat00007
그리고 K개의 채널 중 적어도 H개 이상의 채널에서 표적이 탐지될 누적확률(Pcd)은 아래의 수학식 8로 표현될 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112018032145198-pat00008
도 7은 오경보율에 따른 단일 채널 표적탐지확율과 다중 채널의 누적 표적탐지확율을 보인 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 단일 채널에서 오경보율이 4x10-3일 경우, 표적탐지확율은 90%이다.
4개(K)의 채널 중 3개(H)의 채널에서 표적이 검출되어야 표적으로 판정하는 경우와 4개(K)의 채널 중 4개(H)의 채널에서 표적이 검출되어야 표적으로 판정하는 경우에는 각각 오경보율이 4x10-8일 경우와 10-6일 경우에 누적 표적탐지확율이 90% 가 된다.
S22단계에서 각도 탐지부(80)는 상기 표적의 각도를 탐지한다.
여기서, 각도 탐지부(80)는 각 채널에 수신되는 신호의 위상 차이를 이용해서 표적의 각도를 탐지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 누적 검출기를 적용해서 동일한 표적에 대하여 단일 채널과 같은 탐지율을 가지더라도, 오경보율을 감소시킬 수 있다.
도 8 내지 도 11은 오경보율에 따른 단일 채널과 다중 채널에서의 검출 성능을 비교한 그래프이다.
도 8 내지 11에는 단일 채널의 오경보율과 다중 채널의 누적 오경보율이 10-2, 10-4, 10-6, 10-8인 경우 SNR에 따른 표적탐지확율이 도시되어 있다.
도 8에는 단일 채널의 오경보율과 다중 채널의 누적 오경보율이 10-2으로 설정된 경우 표적탐지확율과 SNR 그래프가 도시되어 있고, 도 9에는 단일 채널의 오경보율과 다중 채널의 누적 오경보율이 10-4으로 설정된 경우 표적탐지확율과 SNR 그래프가 도시되어 있다. 그리고 도 10에는 단일 채널의 오경보율과 다중 채널의 누적 오경보율이 10-6으로 설정된 경우 표적탐지확율과 SNR 그래프가 도시되어 있고, 도 11에는 단일 채널의 오경보율과 다중 채널의 누적 오경보율이 10-8로 설정된 경우 표적탐지확율과 SNR 그래프가 도시되어 있다.
도 8 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명은 단일 채널 레이더 시스템에 비하여 표적의 요구 SNR이 감소하므로, 낮은 SNR을 가지는 표적에 대해서도 낮은 오경보율을 가지고 높은 탐지율을 확보할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 다중 채널이 적용된 레이더 시스템에 누적 검출기를 적용해서 동일한 표적에 대하여 단일 채널과 같은 탐지율을 가지더라도, 오경보율을 감소시키는 기술에 적용된다.
10: 레이더 시스템
20: 송수신부
30: 신호처리부
40: 계산부
50: 표적 검출부
60: 표적 검출기
70: 누적 검출기
80: 각도 탐지부

Claims (6)

  1. 다중 채널을 통해 신호를 송신하고 반사되는 신호를 수신하는 송수신부,
    상기 송수신부의 각 채널을 통해 수신된 신호의 거리 및 도플러 축에 대해 2D FFT를 수행하는 신호처리부,
    다중 채널의 누적 오경보율로부터 단일 채널 오경보율을 계산하여 각 채널의 문턱치를 계산하는 계산부 및
    계산된 각 채널의 문턱치를 이용해서 표적과의 거리 및 속도를 검출하고, 다중 채널에서 각각 검출된 표적의 거리와 속도를 비교하여 표적 유무를 판단하며 각도를 탐지하는 표적 검출부를 포함하고,
    상기 표적 검출부는 계산된 각 채널의 문턱치를 이용해서 표적과의 거리 및 속도를 검출하는 표적 검출기,
    다중 채널에서 각각 검출된 표적의 거리와 속도를 비교하여 표적 유무를 판단하는 누적 검출기 및
    상기 표적의 각도를 탐지하는 각도 탐지부를 포함하며,
    상기 누적 검출기는 다중 채널 중 한 개의 기준채널을 결정하고, 결정된 기준채널에서 검출된 표적 위치를 기준으로 검출 위치 마진을 설정하며, 상기 기준채널 이외의 타 채널에서 검출된 표적의 위치가 설정된 검출 위치 마진 범위이면 동일 위치 표적으로 간주하는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. (a) 송수신부에서 다중 채널을 통해 신호를 송신하고 반사되는 신호를 수신하는 단계,
    (b) 신호처리부에서 상기 송수신부의 각 채널을 통해 수신된 신호의 거리 및 도플러 축에 대해 2D FFT를 수행하는 단계,
    (c) 계산부에서 다중 채널의 누적 오경보율로부터 단일 채널 오경보율을 계산하여 각 채널의 문턱치를 계산하는 단계 및
    (d) 표적 검출부에서 상기 계산부에서 계산된 각 채널의 문턱치를 이용해서 표적과의 거리 및 속도를 검출하고, 다중 채널에서 각각 검출된 표적의 거리와 속도를 비교하여 표적 유무를 판단하며 표적의 각도를 탐지하는 단계를 포함하고,
    상기 (d)단계는 (d1) 표적 검출기를 이용해서 상기 계산부에서 계산된 각 채널의 문턱치를 적용하여 표적과의 거리 및 속도를 검출하는 단계,
    (d2) 누적 검출기를 이용해서 다중 채널에서 각각 검출된 표적의 거리와 속도를 비교하여 표적 유무를 판단하는 단계 및
    (d3) 각도 탐지부를 이용해서 상기 표적의 각도를 탐지하는 단계 각도 탐지부를 포함하며,
    상기 (d2)단계에서 누적 검출기는 다중 채널 중 한 개의 기준채널을 결정하고, 결정된 기준채널에서 검출된 표적 위치를 기준으로 검출 위치 마진을 설정하며, 상기 기준채널 이외의 타 채널에서 검출된 표적의 위치가 설정된 검출 위치 마진 범위이면 동일 위치 표적으로 간주하는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템의 표적 탐지 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100902560B1 (ko) * 2008-11-04 2009-06-11 국방과학연구소 탐색중 추적 레이더의 위협경보 발생장치 및 방법
KR101167906B1 (ko) * 2011-02-28 2012-07-30 국방과학연구소 차량용 레이더시스템 및 차량용 레이더 시스템의 표적탐지 방법

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