KR102032481B1 - 지형 에코를 이용한 레이더 시스템 진단 장치 및 방법 - Google Patents

지형 에코를 이용한 레이더 시스템 진단 장치 및 방법 Download PDF

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장봉주
한명선
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한국건설기술연구원
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Abstract

지형 에코를 이용한 레이더 시스템 진단 장치 및 방법이 제공된다. 지형 에코 수집부는 레이더로부터 입력되는 레이더 볼륨 관측 자료 중 고정된 지형으로부터 반사되는 지형 에코를 수집하고, 분석지표 산출부는 수집된 지형 에코의 레이더 변수들을 추출 및 분석하여 레이더 변수들마다 분석지표를 산출하고, 시스템 진단부는 레이더 변수들의 분석지표에 기초하여 레이더의 상태를 진단한다.

Description

지형 에코를 이용한 레이더 시스템 진단 장치 및 방법{Apparatus and method for radar system diagnosis using terrestrial echo}
본 발명은 지형 에코를 이용한 레이더 시스템 진단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 맑은 날 관측된 레이더 볼륨 관측 자료 중 고정된 위치의 객체로부터 반사된 지형 에코를 이용하여 레이더 시스템의 안정성 여부를 진단하는 이용한 레이더 시스템 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
레이더(Radar: RAdio Detection And Ranging)는 전파의 반사 및 산란특성을 이용하여 목표로 하는 물체의 방위와 거리를 결정해서 위치에 관한 정보를 얻기 위한 장치이다. 방위는 안테나의 지향성에 의해 구해지고, 거리는 마이크로파를 발사하여 목표로부터 반사되어 오는 왕복 시간에 의해 구해진다. 레이더 에코(Radar Echo)는 레이더에 있어서 전파가 목표에서 반사되어 온 원시수신신호를 의미한다.
이러한 레이더는 적군의 위치를 감지하는 군사용 레이더, 또는 강우량을 측정하는 기상 레이더 등 다양한 분야에 적용되고 있다.
기상 레이더는 태풍 탐지, 집중호우 예측, 천둥번개 탐지, 지역 우량 측정 등 다양한 방면에 이용된다. 이를 위하여, 기상 레이더로부터 송출된 신호가 목표에서 반사되어 온 원시수신신호를 수신하면, 신호처리장치는 수신된 원시수신신호를 신호처리한 후, 신호처리된 신호로부터 필요한 정보(예를 들어, 비정상전파, 강수, 청천 에코 등)를 획득하기 위하여 품질관리를 수행한다.
한편, 기존에는 원시수신신호의 품질관리를 수행하는 신호처리장치의 안정성 및 정확성을 판단하기 위하여, 관리자가 정기적으로 신호처리장치를 점검 및 진단하는 방식을 사용하고 있다.
따라서, 신호처리장치의 정기 점검이 수행되는 경우에는 레이더와 신호처리장치를 이용한 기상 파악이 어려우며, 신호처리장치의 상태를 점검하는데 많은 비용과 노동을 필요로 한다.
국내 등록특허 제10-1258668호(2013.04.22. 등록)
전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 비강수 시 레이더 송출에 의한 지형 에코를 이용하여 신호처리장치를 포함하는 레이더 시스템의 상태를 진단할 수 있는 지형 에코를 이용한 레이더 시스템 진단 장치 및 방법을 제시하는 데 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시 예에 따르면, 지형 에코를 이용한 레이더 시스템 진단 장치는 레이더로부터 입력되는 레이더 볼륨 관측 자료 중 고정된 지형으로부터 반사되는 지형 에코를 수집하는 지형 에코 수집부; 상기 수집된 지형 에코의 레이더 변수들을 상기 레이더 볼륨 관측 자료로부터 추출 및 분석하여 레이더 변수들마다 분석지표를 산출하는 분석지표 산출부; 및 상기 레이더 변수들의 분석지표에 기초하여 상기 레이더의 상태를 진단하는 시스템 진단부;를 포함한다.
상기 지형 에코 수집부는, 상기 레이더 볼륨 관측 자료 중 상기 레이더의 설치 상황을 고려하여 사전에 설정된 고도각, 레이더 송수신 반경, 반사도 및 상관계수에 부합하는 자료를 상기 지형 에코로서 수집한다.
상기 분석지표 산출부는, 상기 레이더 볼륨 관측 자료로부터 상기 지형 에코의 보정 전 반사도, 보정된 반사도, 보정된 차등반사도, 상기 반사된 지형 에코 중 수직 신호와 수평 신호의 상관관계를 의미하는 상관계수 및 상기 반사된 지형 에코들을 포함하는 레이더 자료의 품질 정도를 의미하는 SQI(Signal Quality Index)를 포함하는 레이더 변수들을 추출한다.
상기 레이더 볼륨 관측 자료로부터 다수의 지형 에코들이 수집되면, 상기 분석지표 산출부는, 상기 다수의 지형 에코들마다 출력되는 보정 전 반사도들의 평균, 보정된 반사도들의 평균, 보정된 차등반사도들의 평균, 상관계수들의 평균 및 SQI들의 평균과, 상기 수집된 지형 에코들과 중첩되는 레이더 픽셀의 개수를 이용하여 상기 레이더 변수마다 분석지표를 산출한다.
상기 시스템 진단부는, 상기 레이더 변수마다 산출된 분석지표와 사전에 설정된 적어도 하나의 임계값을 비교하여, 상기 레이더 시스템의 상태를 진단한다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 지형 에코를 이용한 레이더 시스템 진단 방법은 (A) 레이더 시스템 진단 장치가, 레이더로부터 입력되는 레이더 볼륨 관측 자료 중 고정된 지형으로부터 반사되는 지형 에코를 수집하는 단계; (B) 상기 레이더 시스템 진단 장치가, 상기 수집된 지형 에코의 레이더 변수들을 추출 및 분석하여 레이더 변수들마다 분석지표를 산출하는 단계; 및 (C) 상기 레이더 시스템 진단 장치가, 상기 레이더 변수들의 분석지표에 기초하여 레이더 시스템의 상태를 진단하는 단계;를 포함한다.
상기 (B) 단계는, 상기 입력되는 레이더 볼륨 관측 자료로부터 상기 지형 에코의 보정 전 반사도, 보정된 반사도, 보정된 차등반사도, 상기 반사된 지형 에코 중 수직 신호와 수평 신호의 상관관계를 의미하는 상관계수 및 상기 반사된 지형 에코들을 포함하는 레이더 자료의 품질 정도를 의미하는 SQI(Signal Quality Index)를 포함하는 레이더 변수들을 추출한다.
상기 (A) 단계에서 상기 레이더 볼륨 관측 자료로부터 다수의 지형 에코들이 수집되면, 상기 (B) 단계는, 상기 다수의 지형 에코들마다 추출되는 보정전 반사도들의 평균, 보정된 반사도들의 평균, 보정된 차등반사도들의 평균, 상관계수들의 평균 및 SQI들의 평균과, 상기 수집된 지형 에코들과 중첩되는 레이더 픽셀의 개수를 이용하여 상기 레이더 변수마다 분석지표를 산출한다.
상기 (C) 단계는, 상기 레이더 변수마다 산출된 분석지표가 사전에 설정된 임계값을 초과하면, 상기 레이더 시스템의 상태를 오작동으로 진단한다.
본 발명에 따르면, 비강수 시, 즉, 맑은 날, 고정된 위치의 강한 지형에코에 의한 레이더 변수를 분석하여, 레이더 신호를 처리하는 신호처리장치의 안정성 또는 품질관리 정확성을 자동으로 판단할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 비강수 시 기상/강우 레이더로부터 송신된 신호가 아닌 산이나 건물 등의 고정된 목표물로부터 반사되어 수신된 신호를 이용하여 신호처리장치를 진단함으로써 레이더와 신호처리장치의 휴지기를 갖지 않고도 필요할 때 신호처리장치 또는 레이더 시스템의 오작동 여부, 안정성 등을 점검 및 진단할 수 있다. 특히, 고정된 목표물로부터 수신된 신호는 레이더 시스템에 이상이 없을 시에는 일정 범위의 값을 가져야 하므로, 수신된 신호가 불규칙한 값을 보이거나 급격한 변동이 생기면 레이더에 이상이 있거나 신호처리장치의 신호처리 과정에 문제가 있는 것으로 용이하게 판단할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 지형 에코를 이용한 레이더 시스템 진단 장치를 도시한 도면,
도 2는 지형 에코 수집부에서 지형 에코를 선택하는 동작을 설명하기 위한 예시도,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 레이더 시스템 진단 장치의 지형 에코를 이용한 레이더 시스템 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 보정 전 반사도의 분석지표와 보정 후 반사도의 분석지표의 시계열 통계 자료에 기반하여 레이더 오작동을 분석하는 일 예를 보여주는 도면,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 상관계수의 평균과 SQI의 평균 각각의 시계열 통계 자료에 기반하여 레이더 오작동을 분석하는 일 예를 보여주는 도면,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 보정된 반사도의 평균과 보정된 차등반사도의 평균 각각의 시계열 통계 자료에 기반하여 레이더 오작동을 분석하는 일 예를 보여주는 도면,
도 7은 안정적인 레이더에 의해 출력되는 보정 전 반사도의 분석지표(μ(DZ))와 상관계수의 분석지표(μ(ρhv))를 보여주는 그래프,
도 8은 레이더의 오작동에 의해 출력되는 보정 전 반사도의 분석지표(μ(DZ))와 보정된 반사도의 분석지표(μ(CZ))를 보여주는 그래프, 그리고,
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 레이더 시스템 진단을 위한 전자장치를 도시한 블록도이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시 예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다.
본 명세서에서 제1 엘리먼트 (또는 구성요소)가 제2 엘리먼트(또는 구성요소) 상(ON)에서 동작 또는 실행된다고 언급될 때, 제1 엘리먼트(또는 구성요소)는 제2 엘리먼트(또는 구성요소)가 동작 또는 실행되는 환경에서 동작 또는 실행되거나 또는 제2 엘리먼트(또는 구성요소)와 직접 또는 간접적으로 상호 작용을 통해서 동작 또는 실행되는 것으로 이해되어야 할 것이다.
어떤 엘리먼트, 구성요소, 장치, 또는 시스템이 프로그램 또는 소프트웨어로 이루어진 구성요소를 포함한다고 언급되는 경우, 명시적인 언급이 없더라도, 그 엘리먼트, 구성요소, 장치, 또는 시스템은 그 프로그램 또는 소프트웨어가 실행 또는 동작하는데 필요한 하드웨어(예를 들면, 메모리, CPU 등)나 다른 프로그램 또는 소프트웨어(예를 들면 운영체제나 하드웨어를 구동하는데 필요한 드라이버 등)를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 어떤 엘리먼트(또는 구성요소)가 구현됨에 있어서 특별한 언급이 없다면, 그 엘리먼트(또는 구성요소)는 소프트웨어, 하드웨어, 또는 소프트웨어 및 하드웨어 어떤 형태로도 구현될 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시 예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다.
어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하, 본 발명에서 실시하고자 하는 구체적인 기술내용에 대해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 레이더 시스템 진단 장치(100)와 도 9에 도시된 전자 장치(900)의 각각의 구성은 기능 및 논리적으로 분리될 수 있음을 나타내는 것이며, 반드시 각각의 구성이 별도의 물리적 장치로 구분되거나 별도의 코드로 작성됨을 의미하는 것은 아님을 본 발명의 기술분야의 평균적 전문가는 용이하게 추론할 수 있을 것이다.
상기 레이더 시스템 진단 장치(100)는 소정의 데이터 프로세싱 장치에 설치되어 본 발명의 기술적 사상을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 레이더 시스템 진단 장치(100) 또는 전자장치(900)는 마이크로 프로세서, 메모리, FPGA(Field Programmable Gate Array), ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등 프로그램의 설치 및 실행이 가능한 전자 장치를 사용하여 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 지형 에코를 이용한 레이더 시스템 진단 장치(100)를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 지형 에코를 이용한 레이더 시스템 진단 장치(100)는 지형 에코 수집부(110), 분석지표 산출부(120), 변동성 분석부(130), 매핑 저장부(140) 및 시스템 진단부(150)를 포함한다.
지형 에코 수집부(110)는 레이더에서 송출되어 반사된 레이더 볼륨 관측 자료를 레이더로부터 입력받아, 레이더 볼륨 관측 자료 중 고정된 지형으로부터 반사되는 지형 에코를 수집할 수 있다. 레이더 볼륨 관측 자료는 레이더에서 신호 처리, 즉, 품질 처리되어 입력된다. 지형 에코는 레이더 볼륨 관측 자료(또는 레이더 에코) 중 현재 위치에 고정된 지형(예를 들어, 건물, 산)으로부터 반사된 에코를 의미한다.
레이더는 연속적으로 또는 주기적으로 전파를 송수신한다. 따라서, 지형 에코 수집부(110)는 레이더로부터 레이더 볼륨 관측 자료를 관측 시간과 함께 연속적으로 또는 주기적으로 수신한다.
레이더는 레이더 볼륨 관측 자료에 대해서 신호 처리를 수행하여 품질 보정된 레이더 변수들을 장치(100)로 제공할 수 있다.
자세히 설명하면, 레이더는 레이더 볼륨 관측 자료를 신호 처리하여 노이즈 제거 등 품질을 보정하여 다수의 레이더 변수들을 출력하며, 레이더 변수들은 보정 전 반사도와, 보정된 반사도와, 보정된 차등반사도와, 상관계수(Copolar Correlation Coefficient, ρhv)와, SQI(Signal Quality Index)를 포함할 수 있다.
상관계수는 지형 에코 중 수직 신호와 수평 신호의 상관관계를 의미하고, SQI는 지형 에코를 포함하는 레이더 자료의 품질 정도를 의미한다. SQI는 0에 근접할수록 잡음 신호에 해당하고, 1에 근접할수록 순수 신호에 해당하며, 속도값의 변화에 따라 최적의 SQI 임계값이 레이더 시스템에 설정될 수 있다.
지형 에코 수집부(110)는 레이더 시스템 및 레이더의 설치 조건 등 주변 상황에 따라 지형 에코를 선택하기 위한 조건을 설정 및 조정할 수 있다.
지형 에코 수집부(110)는 레이더 볼륨 관측 자료 중 레이더의 설치 상황을 고려하여 사전에 설정된 고도각(또는 최저 고도각), 레이더 송수신 반경, 반사도 및 상관계수 중 적어도 하나에 부합하는 자료를 지형 에코로서 수집할 수 있다. 예를 들어, 지형 에코 수집부(110)는 고도각 0도, 레이더를 기준으로 반경 30km 이내에서 반사도 35Dbz 이상이고, 상관계수 0.6 미만의 조건에 부합하며, 맑은 날, 즉, 청천 시에 관측된 레이더 볼륨 관측 자료로부터 지형 에코를 선택 및 수집할 수 있다. 수집된 지형 에코는 매핑 저장부(150)에 저장된다.
도 2는 지형 에코 수집부(110)에서 지형 에코를 선택하는 동작을 설명하기 위한 예시도이다.
도 2에 도시된 레이더 볼륨 관측 자료는 맑은 날 T 시점에서 관측되었으며, 지형 에코 수집부(110)는 T 시점에 관측된 레이더 볼륨 관측 자료 중 고도각 0도, 레이더를 기준으로 반경 30km 이내에서 반사도 35dBZ 이상이고, 상관계수 0.6 미만의 조건에 해당하는 지형 에코를 3개 수집하였다. 하나의 지형 에코는 두 개의 픽셀을 포함하고 있으며, 이는 지형 에코가 반사된 지형이 레이더 좌표 중 두 개의 픽셀을 포함하는 위치에 있음을 의미한다.
분석지표 산출부(120)는 지형 에코 수집부(110)에서 수집된 지형 에코들의 레이더 변수들을 레이더 볼륨 관측 자료에서 추출 및 분석하여 레이더 변수들마다 분석지표를 산출할 수 있다.
분석지표 산출부(120)는 하나의 레이더 볼륨 관측 자료로부터 다수의 지형 에코들이 수집되면, 다수의 지형 에코들마다 출력되는 보정 전 반사도들의 평균, 보정된 반사도들의 평균, 보정된 차등반사도들의 평균, 상관계수들의 평균 및 SQI들의 평균과, 수집된 지형 에코들과 중첩되는 레이더 픽셀의 개수를 이용하여 레이더 변수마다 분석지표를 산출할 수 있다.
분석지표 산출부(120)는 [수학식 1]을 이용하여 각 레이더 변수의 분석지표(μ)를 산출할 수 있다.
Figure 112018131137188-pat00001
[수학식 1]에서 레이더 변수 평균은 지형 에코 수집 조건에 따라 선택된 지형 에코(또는 레이더 픽셀)에서 각 레이더 변수의 평균이고, 샘플 개수는 조건에 따라 선택된 지형 에코에 해당하는 레이더 픽셀의 개수이다.
[수학식 1]을 참조하면, 분석지표 산출부(120)는 이상전파(온습도 변화 등 외부 조건의 변화에 따라 레이더 전파가 비정상적으로 전파되는 현상)에 의한 변동을 최소화하기 위하여, 단순 평균값이 아닌 지형 에코에 의한 샘플수를 곱하여 분석지표를 산정하며, 근거리 자료를 사용한다.
도 2에 도시된 보정된 반사도에 대한 분석지표를 산출하면 다음과 같다.
하나의 레이더 볼륨 관측 자료에서 수집된 지형 에코들은 3개이고, 3개의 지형 에코들 각각의 보정된 반사도는 37dBZ, 45dBZ, (38dBZ와 50dBZ)이다. 또한, 각 지형 에코에 해당하는 픽셀 개수는 1픽셀, 1픽셀, 2픽셀이므로, 샘풀수는 4이다. 따라서, 분석지표 산출부(120)는 아래와 같이 보정된 반사도에 대한 분석지표(μ(CZ))를 산출한다.
Figure 112018131137188-pat00002
이러한 방식으로, 분석지표 산출부(120)는 레이더 볼륨 관측 자료가 수신될 때마다, 즉, 연속적으로 또는 주기적으로, 각 레이더 변수의 분석지표를 산출할 수 있다. 분석지표 산출부(120)는 산출된 분석지표를 매핑 저장부(150)에 [표 1]과 같이 매핑 저장할 수 있다.
변동성 분석부(130)는 분석지표 산출부(120)에서 레이더 변수마다 산출된 분석지표의 이상여부를 판단할 수 있다. 변동성 분석부(130)는 레이더 변수마다 산출된 분석지표를 과거 자료로부터 구축된 분석변수 통계값(또는 평균값)과 비교하여 그 차이가 최대 임계값 이상이거나 또는 최소 임계값 이하이면, 레이더 시스템이 비정상 작동한 것으로 임시 판단하고, 임시 판단한 결과를 시스템 진단부(150)에게 통보할 수 있다. 최대 임계값과 최소 임계값은 레이더 변수마다 상이할 수 있다.
예를 들어, 과거자료로부터 구축된 보정된 반사도의 통계값이 100이면, 보정된 반사도에 대한 최대 임계값으로서 105, 최소 임계값으로서 95가 설정되며, 변동성 분석부(130)는 보정된 반사도의 분석지표(μ(CZ))가 95 이하이거나 105 이상이면 오작동인 것으로 임시 판단한다. 최소 임계값 또는 최대 임계값은 레이더 시스템의 상태에 따라 관리자에 의해 수동으로 조정되거나 변동성 분석부(130)가 자동으로 조정할 수 있다.
매핑 저장부(140)는 지형 에코 수집부(110)에서 수집된 지형 에코들의 좌표값과 관측 시간을 매핑저장한다. 또한, 매핑 저장부(140)는 지형 에코의 레이더 변수들의 종류와 값을 해당하는 지형 에코에 매핑 저장한다. 또한, 매핑 저장부(140)는 분석지표 산출부(120)에서 산출된 각 레이더 변수의 분석지표를 해당하는 지형 에코에 매핑저장한다. [표 1]은 매핑 저장부(140)에 매핑 저장되는 정보의 일 예이다.
인덱스 관측 시간
(T)		 지형 에코,
픽셀좌표		 레이더 변수 분석지표
보정전반사도 보정된반사도 보정
차등
반사도		 상관계수 SQI 보정전반사도 보정된반사도 보정
차등
반사도		 상관
계수		 SQI
1 T1 (E1, P1),
(E2, P2),
(E3, P3+P4)		 (생략) 37,
45,
38+50		 (생략) (생략) (생략) (생략) 25.5875dBZ (생략) (생략) (생략)
2 T2 E4, P4,
E5, P5		 (생략) (생략) (생략) (생략) (생략) (생략) (생략) (생략) (생략) (생략)
[표 1]에서 인덱스는 관측 시점(T)에서 전방위 또는 임의 범위의 방위에서 관측된 하나의 레이더 볼륨 관측 자료에 대한 인덱스이고, 관측시간, 지형 에코의 식별정보와 픽셀 좌표, 레이더 변수들, 분석지표들은 하나의 레이더 볼륨 관측 자료로부터 구해진 정보들이다.시스템 진단부(150)는 변동성 분석부(130)로부터 임시 판단 결과가 수신되면, 매핑 저장부(140)에 저장된 레이더 변수들의 분석지표에 기초하여 레이더 시스템의 상태, 특히 레이더에서 신호처리장치가 신호 처리 하기 전의 상태와 신호 처리 이후의 상태를 진단함으로써, 신호처리장치 이전의 동작에 문제가 있는지 또는 신호처리장치의 동작에 문제가 있는지를 진단할 수 있다.
자세히 설명하면, 시스템 진단부(140)는 레이더 변수마다 산출된 분석지표에 대한 시계열 통계 자료를 분석하여, 분석지표의 값이 사전에 설정된 최대 임계값 이상이거나 최소 임계값 이하에 해당하는 경우를 카운팅하고, 기준 시간(예를 들어, 24시간) 내에 카운팅된 횟수가 기준 횟수를 초과하면 레이더 시스템의 안정성에 문제가 발생한 것으로 진단할 수 있다.
시스템 진단부(150)는 다수의 레이더 변수들 중 단 하나의 시계열 통계 자료를 분석한 결과로부터 레이더 시스템의 안정성 문제 발생 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 변동성 분석부(130)로부터 보정 전 반사도의 변동성을 분석한 임시 판단 결과가 수신되면, 시스템 진단부(150)는 보정 전 반사도에 대한 시계열 통계 자료를 분석하여, 레이더 시스템의 안정성 여부를 최종 진단할 수 있다.
또는, 시스템 진단부(150)는 보정 전 반사도를 포함한 모든 레이더 변수들에 대한 시계열 통계 자료를 분석하고 분석 결과를 종합하여 레이더 시스템의 안정성 여부를 최종 진단할 수 있다. 예를 들어, 변동성 분석부(130)로부터 보정 전 반사도의 변동성을 분석한 임시 판단 결과가 수신되면, 시스템 진단부(150)는 보정 후 반사도와 차등반사도의 시계열 통계 자료를 분석하여 카운팅한 결과가 정상이고, 상관계수와 SQI의 시계열 통계 자료를 분석한 결과도 정상인 경우, 레이더 시스템의 신호처리동작 이전의 안정성에 문제가 발생한 것으로 진단할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시 예에 의하면, 맑은 날, 고정된 지형으로부터 반사된 지형 에코의 레이더 변수들의 변동을 관측하여 레이더 시스템의 안정성을 진단할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 레이더 시스템 진단 장치(100)의 지형 에코를 이용한 레이더 시스템 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3에 도시된 지형 에코를 이용한 레이더 시스템 진단 방법은 도 1을 참조하여 설명한 레이더 시스템 진단 장치(100)에 의해 수행되므로, 상세한 설명은 설명의 편의를 위해 생략한다.
도 3을 참조하면, 레이더 시스템 진단 장치(100)는 레이더 진단을 시작하여(i=0), 레이더 볼륨 관측 자료를 레이더로부터 수신하고 지형 에코를 수집한다(S310, S320). S310단계에서 수신되는 레이더 볼륨 관측 자료는 Ti(i=1, 2, 3, ?) 시점에 관측된 자료로서, T1은 첫번째 레이더 볼륨 관측 자료를 의미한다. 레이더 볼륨 관측 자료는 각 지형 에코의 품질 보정 전 반사도, 품질 보정 후 반사도, 품질 보정 후 차등반사도, 상관계수 및 SQI를 포함하는 레이더 변수들을 포함한다.
S320단계에서, 레이더 시스템 진단 장치(100)는 수신된 레이더 볼륨 관측 자료로부터 지형 에코를 수집한다. S320단계는, 사전에 설정된 고도각, 레이더 송수신 반경, 반사도 및 상관관계 중 적어도 하나의 조건에 부합하는 관측 자료를 지형 에코로서 수집할 수 있다. i번째 레이더 볼륨 관측 자료에서는 하나 이상의 지형 에코가 수집될 수 있다.
레이더 시스템 진단 장치(100)는 S320단계에서 수집된 지형 에코의 레이더 변수들을 레이더 볼륨 관측 자료로부터 추출할 수 있다(S330). S330단계에서 출력되는 레이더 변수들은 보정전후의 반사도와, 보정후의 차등반사도와, 상관계수와, SQI를 포함할 수 있다. 또한, S330단계에서, 레이더 시스템 진단 장치(100)는 품질 보정 전/후의 레이더 변수들의 종류와 값을 해당하는 지형 에코에 매핑하여 매핑 저장부(140)에 저장한다
레이더 시스템 진단 장치(100)는 S330단계에서 추출된 레이더 변수들을 분석하여 레이더 변수들마다 분석지표를 산출하고, 산출된 각 레이더 변수의 분석지표를 해당하는 지형 에코에 매핑하여 매핑 저장부(140)에 저장한다(S340). S340단계는 [수학식 1]을 이용한다.
레이더 시스템 진단 장치(100)는 S340단계에서 레이더 변수마다 산출되는 분석지표의 이상여부를 판단할 수 있다(S350). 레이더 시스템 진단 장치(100)는 산출된 레이더 변수의 분석지표가 사전에 정의된 최대 임계값 또는 최소 임계값을 벗어나면 레이더 시스템에 이상이 발생한 것으로 판단한다.
이상이 발생한 것으로 판단되면(S350-Yes), 레이더 시스템 진단 장치(100)는 매핑 저장부(140)에 저장된 동일한 레이더 변수의 분석지표를 시계열 분석하여 레이더 시스템을 정밀진단할 수 있다(S360). 예를 들어, S350단계에서 반사도의 분석지표로부터 이상여부가 발생한 것으로 판단된 경우, S360단계에서, 레이더 시스템 진단 장치(100)는 이전에 산출되어 저장된 반사도의 분석지표를 시계열분석하고, 시스템 점검의 필요성 유무를 판단할 수 있다.
반면, S350단계에서 정상인 것으로 판단되면(S350-No), 레이더 시스템 진단 장치(100)는 i를 1증가시킨 후, S320단계로 진입한다(S370).
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 시계열 통계 자료에 기반한 레이더 오작동을 분석하는 일 예를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 보정 전 반사도의 분석지표와 보정 후 반사도의 분석지표의 시계열 통계 자료에 기반하여 레이더 오작동을 분석하는 일 예를 보여주는 도면이다.
도 4에서, 파란선은 청천대기 시 지형 에코 중 반사도를 품질 처리하기 전, 즉, 보정 전 반사도(또는 원시반사도)이고, 빨간선은 청천대기 시 반사도를 품질 처리한 후, 즉, 보정 후 반사도이다. 보정 전 반사도는 전파가 송수신되는 동안의 안정성, 즉, 송수신 신호의 안정성을 진단하는데 사용되고, 보정된 반사도는 수신 신호 및 신호 처리의 안정성을 진단하는데 사용된다.
도 4를 참조하면, 시간에 따른 보정전 반사도의 분석지표(μ(DZ))는 일정하게 유지되는 반면, 보정 후 반사도의 분석지표(μ(CZ))는 불규칙적인 값을 보이는 경우가 발생한다. 예를 들어, 변동성 분석부(130)는 관측시간이 20시인 시점에서 관측된 반사도의 분석지표가 최대 임계값을 초과하므로 이상이 발생한 것으로 임시 판단할 수 있다. 이로부터 레이더 볼륨 관측 자료를 신호처리하는 과정, 즉, 레이더의 신호처리장치(신호처리기)에 동작 이상이 있음을 예측할 수 있다. 따라서, 시스템 진단부(150)는 매핑 저장부(140)에 저장된 보정된 반사도의 분석지표(μ(CZ))를 시계열 분석하여 레이더 시스템의 상태를 진단할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 상관계수의 평균과 SQI의 평균 각각의 시계열 통계 자료에 기반하여 레이더 오작동을 분석하는 일 예를 보여주는 도면이다.
도 5에서, 파란선은 청천대기 시 상관계수의 평균(Mean(RH))이고, 빨간선은 청천대기 시 SQI의 평균(Mean(SQ))이다. 도 5를 참조하면, 상관계수의 평균과 SQI의 평균은 거의 동일한 시간에 불규칙적인 값을 보이고 있음을 알 수 있다. 변동성 분석부(130)는 상관계수의 평균과 [수학식 1]을 이용하여 상관계수의 분석지표를 산출하고, 산출된 분석지표와 상관계수에 대해 설정된 임계값을 비교하여 이상 여부를 판단할 수 있다. 이는 SQI에 대해서도 동일하다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 보정된 반사도의 평균과 보정된 차등반사도의 평균 각각의 시계열 통계 자료에 기반하여 레이더 오작동을 분석하는 일 예를 보여주는 도면이다.
도 6에서 파란선은 보정된 반사도의 평균(Mean(Zh)이고, 빨간선은 보정된 차등반사도의 평균(Mean(Zdr))이다. 도 6을 참조하면, 보정된 반사도와 보정된 차등반사도는 거의 동일한 시간에 불규칙적인 값을 보이고 있음을 알 수 있다.
시스템 진단부(150)는 도 4 내지 도 6과 같은 시계열 분석 결과 중 적어도 하나로부터 레이더의 신호처리기에 문제가 발생한 것으로 진단할 수 있다.
도 7은 안정적인 레이더에 의해 출력되는 보정 전 반사도의 분석지표(μ(DZ))와 상관계수의 분석지표(μ(ρhv))를 보여주는 그래프이다.
근거리에 강한 지형 에코에 대한 반사도나 다른 레이더 변수들의 평균 또는 평균의 분석지표는 시간에 따라 도 7에 도시된 것처럼 일정한 값을 보여야 한다. 지형 에코에 대한 평균 반사도 등 레이더 관측 변수에서 시간에 따른 급격한 변동이 나타나는 현상이나 레이더 관측 변수값이 튀는 현상 등의 변동성 분석으로부터 레이더 시스템 및 신호처리가 정상적으로 운영되고 있는지의 여부를 실시간으로 판단하여 안정성을 판단할 수 있다.
도 7의 경우, 보정 전 반사도의 분석지표(μ(DZ))와 상관계수의 분석지표(μ(ρhv))는 상대적으로 변동성 없이 일정한 범위 안에서 값의 변화가 일어나므로 시스템의 안정성에 이상이 없는 것으로 판단될 수 있다.
도 8은 레이더의 오작동에 의해 출력되는 보정 전 반사도의 분석지표(μ(DZ))와 보정된 반사도의 분석지표(μ(CZ))를 보여주는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 9월 16일과 9월 30일 사이에 보정 전 반사도의 분석지표(μ(DZ))에서 약 10dBZ의 차이가 발생하는 것을 알 수 있다. 이는 16일과 30일 사이에 송신신호에서 변화가 발생하였음을 의미한다. 따라서, 레이더 시스템의 송신 장치 점검이 필요한 것으로 진단할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 레이더 시스템 진단을 위한 전자장치(900)를 도시한 블록도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전자장치(900)는 통신 인터페이스부(910), 메모리(920) 및 프로세서(930)를 포함한다.
통신 인터페이스부(910)는 레이더가 관측 시간마다 전파를 송출하여 반사된 레이더 볼륨 관측 자료를 수신하면, 레이더로부터 레이더 볼륨 관측 자료를 수신한다.
메모리(920)는 휘발성 메모리 및/또는 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 메모리(920)에는 예를 들어, 전자 장치(900)가 제공하는 동작, 기능 등을 구현 및/또는 제공하기 위하여, 구성요소들(910~930)에 관계된 명령 또는 데이터, 하나 이상의 프로그램 및/또는 소프트웨어, 운영체제 등이 저장될 수 있다.
예를 들어, 메모리(920)에는 레이더로부터 제공되는 레이더 볼륨 관측 자료가 관측 시간에 따라 저장될 수 있다.
또한, 메모리(920)에 저장되는 프로그램은 레이더 볼륨 관측 자료로부터 지형 에코를 수집하여 레이더 변수들의 분석지표를 산출하고, 이로부터 레이더 시스템의 오작동 여부를 판단하기 위한 지형 에코 분석 프로그램을 포함할 수 있다.
지형 에코 분석 프로그램은 프로세서(930)에 의해, 레이더 볼륨 관측 자료를 메모리(920)로부터 호출하여 지형 에코를 수집하고 레이더 시스템의 오작동 여부를 자동으로 판단할 수 있도록 하는 명령어를 포함할 수 있다.
프로세서(930)는 전자 장치(900)에 저장된 하나 이상의 프로그램을 실행하여 전자 장치(900)의 전반적인 동작을 제어한다. 예를 들어, 프로세서(930)는 메모리(920)에 저장된 지형 에코 분석 프로그램을 실행하여 레이더 볼륨 관측 자료로부터 조건에 부합하는 지형 에코를 선택 및 수집하고, 수집된 지형 에코의 레이더 변수들 각각에 대한 분석지표를 산출한다. 또한, 프로세서(930)는 각 레이더 변수의 분석지표와 레이더 변수 별로 설정된 임계값을 비교하여 레이더 시스템의 오작동 여부, 이상 여부 등을 진단한다.
프로세서(930)의 동작은 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 동작을 포함하므로, 상세한 설명은 생략한다.
한편, 본 발명에 따른 레이더 시스템 진단 장치(100)의 레이더 시스템 진단 방법은 이를 구현하기 위한 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현됨으로써, 컴퓨터를 통해 판독될 수 있는 기록매체에 포함되어 제공될 수도 있음은 통상의 기술자가 쉽게 이해할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 레이더 시스템 진단 장치(100)의 레이더 시스템 진단 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 형태로 구현되어, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 기록될 수 있으며, 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에는 하드 디스크와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리, USB 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
따라서, 본 발명은 레이더 시스템 진단 장치(100)의 레이더 시스템 진단 방법을 구현하기 위하여 상기 전자기파 특성 측정 시스템을 제어하는 컴퓨터 상에서 수행되는 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램을 함께 제공한다.
한편, 이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시 예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주하여야 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 레이더 시스템 진단 장치 110: 지형 에코 수집부
120: 분석지표 산출부 130: 변동성 분석부
140: 매핑 저장부 150: 시스템 진단부

Claims (9)

  1. 레이더로부터 입력되는 레이더 볼륨 관측 자료 중 고정된 지형으로부터 반사되는 지형 에코를 수집하는 지형 에코 수집부;
    상기 수집된 지형 에코의 레이더 변수들을 상기 레이더 볼륨 관측 자료로부터 추출 및 분석하여 레이더 변수들마다 분석지표를 산출하는 분석지표 산출부; 및
    상기 레이더 변수들의 분석지표에 기초하여 상기 레이더의 상태를 진단하는 시스템 진단부;를 포함하고,
    상기 분석지표 산출부는, 상기 레이더 볼륨 관측 자료로부터 상기 지형 에코의 보정 전 반사도, 보정된 반사도, 보정된 차등반사도, 상기 반사된 지형 에코 중 수직 신호와 수평 신호의 상관관계를 의미하는 상관계수 및 상기 반사된 지형 에코들을 포함하는 레이더 자료의 품질 정도를 의미하는 SQI(Signal Quality Index)를 포함하는 레이더 변수들을 추출하고,
    상기 레이더 볼륨 관측 자료로부터 다수의 지형 에코들이 수집되면, 상기 분석지표 산출부는, 상기 다수의 지형 에코들마다 출력되는 보정 전 반사도들의 평균, 보정된 반사도들의 평균, 보정된 차등반사도들의 평균, 상관계수들의 평균 및 SQI들의 평균과, 상기 수집된 지형 에코들과 중첩되는 레이더 픽셀의 개수를 이용하여 상기 레이더 변수마다 분석지표를 산출하는 것을 특징으로 하는 지형 에코를 이용한 레이더 시스템 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지형 에코 수집부는,
    상기 레이더 볼륨 관측 자료 중 상기 레이더의 설치 상황을 고려하여 사전에 설정된 고도각, 레이더 송수신 반경, 반사도 및 상관계수에 부합하는 자료를 상기 지형 에코로서 수집하는 것을 특징으로 하는 지형 에코를 이용한 레이더 시스템 진단 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 시스템 진단부는,
    상기 레이더 변수마다 산출된 분석지표와 사전에 설정된 적어도 하나의 임계값을 비교하여, 상기 레이더 시스템의 상태를 진단하는 것을 특징으로 하는 지형 에코를 이용한 레이더 시스템 진단 장치.
  6. (A) 레이더 시스템 진단 장치가, 레이더로부터 입력되는 레이더 볼륨 관측 자료 중 고정된 지형으로부터 반사되는 지형 에코를 수집하는 단계;
    (B) 상기 레이더 시스템 진단 장치가, 상기 수집된 지형 에코의 레이더 변수들을 추출 및 분석하여 레이더 변수들마다 분석지표를 산출하는 단계; 및
    (C) 상기 레이더 시스템 진단 장치가, 상기 레이더 변수들의 분석지표에 기초하여 레이더 시스템의 상태를 진단하는 단계;를 포함하고,
    상기 (B) 단계에서 추출되는 레이더 변수들은, 상기 입력되는 레이더 볼륨 관측 자료로부터 상기 지형 에코의 보정 전 반사도, 보정된 반사도, 보정된 차등반사도, 상기 반사된 지형 에코 중 수직 신호와 수평 신호의 상관관계를 의미하는 상관계수 및 상기 반사된 지형 에코들을 포함하는 레이더 자료의 품질 정도를 의미하는 SQI(Signal Quality Index)를 포함하며,
    상기 (A) 단계에서 상기 레이더 볼륨 관측 자료로부터 다수의 지형 에코들이 수집되면, 상기 (B) 단계는, 상기 다수의 지형 에코들마다 추출되는 보정전 반사도들의 평균, 보정된 반사도들의 평균, 보정된 차등반사도들의 평균, 상관계수들의 평균 및 SQI들의 평균과, 상기 수집된 지형 에코들과 중첩되는 레이더 픽셀의 개수를 이용하여 상기 레이더 변수마다 분석지표를 산출하는 것을 특징으로 하는 지형 에코를 이용한 레이더 시스템 진단 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서,
    상기 (C) 단계는,
    상기 레이더 변수마다 산출된 분석지표가 사전에 설정된 임계값을 초과하면, 상기 레이더 시스템의 상태를 오작동으로 진단하는 것을 특징으로 하는 지형 에코를 이용한 레이더 시스템 진단 방법.
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