KR102053203B1 - 유효 각도 식별 기반 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치 및 이의 제어 방법 - Google Patents

유효 각도 식별 기반 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치 및 이의 제어 방법 Download PDF

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장종훈
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Abstract

본 발명에 따른 유효 각도 식별 기반 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치가 제공된다. 상기 장치는, 복수의 안테나들을 구비하는 안테나부; 상기 안테나부에 연결되고, 상기 복수의 안테나들을 통해 신호를 송수신하도록 구성된 송수신부; 및 상기 송수신부로부터 상기 송수신된 신호를 처리하여 표적 거리와 각도를 연산하도록 구성된 제어부를 포함한다. 한편, 상기 제어부는, 상기 표적을 포함하는 표적 후보군을 선정하기 위해 상기 고도계 장치에 대한 다중 고도 운용을 수행하고, 상기 표적 후보군에 대해 표적 각도 추정하고, 상기 추정된 각도의 유사성에 기반하여 후보 셀을 선별하고, 상기 선별된 후보 셀 내에서 추가 기준을 충족하는 해당 표적이 도출되면 상기 해당 표적을 유효하다고 판별하여, 기존 간섭계 레이더 고도계의 표적 거리/각도 연산 방법으로는 자연물에 대한 각도 정보가 빈번하게 왜곡되는 단점을 극복할 수 있다.

Description

유효 각도 식별 기반 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치 및 이의 제어 방법 {MULTIPLE ALTITUDE OPERATING INTERFEROMETER RADAR ALTIMETER APPARATUS BASED ON VALID ANGLE IDENTIFICATION AND METHOD THEREOF}
본 발명은 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치 및 이의 제어 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 유효 각도 식별 기반 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
간섭계 레이더 고도계는 잘 알려진 RF(Radio Frequency) 시스템으로서 00개(예: 3개)의 안테나로 수신되는 표적 반사 신호로부터 표적 거리를 측정하고, 최근거리 표적을 선정하여 해당 표적의 위상 정보로부터 표적 각도를 추정하는 것을 목적으로 한다. 즉, 펄스나 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)를 이용하여 표적 거리를 측정하고, (이는 공지된 간섭계 레이더 고도계의 일반 이론임. 파생된 특허로서 “다중 변조를 갖는 간섭계 레이더 고도계 및 다중 변조를 갖는 간섭계 레이더 고도계를 통한 다중 변조 방법, 10-1318882” 등이 있음).
표적 거리 정보로부터 최근거리에 있는 표적을 선정하여 각각의 수신 안테나에 수신된 해당 표적의 위상값을 측정하고, 간섭계 원리를 이용하여 각 안테나 간 위상차가 최소인 점을 연산하여 표적의 각도를 추정한다. (이는 공지된 간섭계 레이더 고도계의 일반 이론임. 파생된 특허로서 “다중 각도 전파고도계를 이용한 지형참조 항법장치, 10-2017-0058741”, “간섭계 레이더 고도계를 이용한 속도 및 자세 추정, 10-2016-0098985” 등이 있음).
이는 소위 점표적과 같이 신호 크기가 우세한 인공물(예: 건물, 자동차 등)에 대해서는 정밀한 측정값을 제공하지만, 산/평지/강과 같이 연속되고 넓게 분포하는 자연물의 경우 다양한 위상 정보가 산재·융합되기 때문에 간섭계 원리로 추정되는 각도의 정확도는 위상 왜곡에 의해 감소되는 경우가 많다. 따라서 “표적 거리 측정 → 최근거리 표적 선정 → 간섭계 원리로 표적 각도 추정”과 같은 종래 간섭계 레이더 고도계 기술로는 자연물에 대한 각도 정확도가 감소되는 문제가 있다.
고해상도의 표적 거리 정보를 획득하기 위해 기존의 간섭계 레이더 고도계는 펄스나 FMCW를 송수신하는데, 이로 인해 고해상도의 표적 거리 정보는 획득할 수 있지만, 펄스폭에 따라 운용할 수 있는 고도가 제한되게 된다. 즉, 펄스 방식은 최대탐지거리는 증가시킬 수 있지만 펄스폭에 의한 Blind zone이 발생하고, 펄스폭을 줄이는데 한계가 있어 고해상도로 구현하기 어려운 단점이 있고, FMCW 방식은 고해상도의 거리 정보를 획득할 수 있으나 펄스 방식에 비해 최대탐지거리가 짧고, 디램핑(Deramping)을 수행하기 위한 표적 거리를 특정하기가 어려워 다양한 고도에서 운용하기가 어려운 단점이 있다.
다시 말해, FMCW를 사용하면 고해상도의 표적 정보를 획득할 수 있지만 다양한 고도에서는 운용할 수 없고, 무 변조 연속파(CW: Continuous Wave) 펄스를 사용하면 다양한 고도에서 운용할 수는 있지만 펄스폭의 한계로 고 고도에서 고해상도의 표적 거리 정보를 획득할 수 없는 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 유효 각도 식별 기반 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치 및 이의 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 유효 각도를 식별하여 측정 각도의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 유효 각도 식별 기반 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치 및 이의 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 다중 고도에서도 운용 가능한 간섭계 레이더 고도계 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 유효 각도 식별 기반 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치가 제공된다. 상기 장치는, 복수의 안테나들을 구비하는 안테나부; 상기 안테나부에 연결되고, 상기 복수의 안테나들을 통해 신호를 송수신하도록 구성된 송수신부; 및 상기 송수신부로부터 상기 송수신된 신호를 처리하여 표적 거리와 각도를 연산하도록 구성된 제어부를 포함한다. 한편, 상기 제어부는, 상기 표적을 포함하는 표적 후보군을 선정하기 위해 상기 고도계 장치에 대한 다중 고도 운용을 수행하고, 상기 표적 후보군에 대해 표적 각도 추정하고, 상기 추정된 각도의 유사성에 기반하여 후보 셀을 선별하고, 상기 선별된 후보 셀 내에서 추가 기준을 충족하는 해당 표적이 도출되면 상기 해당 표적을 유효하다고 판별하여, 기존 간섭계 레이더 고도계의 표적 거리/각도 연산 방법으로는 자연물에 대한 각도 정보가 빈번하게 왜곡되는 단점을 극복할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 안테나부는, 중앙에 배치된 송수신 안테나; 및 상기 송수신 안테나의 좌우에 배치되는 수신 안테나들을 포함할 수 있다. 한편, 상기 제어부는, 제1 펄스폭을 갖는 제1 LFM(Liner Frequency Modulation) 펄스 신호를 송수신하여 저해상도 지형 고도를 측정하고, 제2 펄스폭을 갖는 제2 LFM 펄스 신호를 송수신하여 고해상도 지형 고도를 측정하도록 상기 안테나부 및 상기 송수신부를 제어할 수 있다. 이에 따라, 유효 각도를 식별하여 측정 각도의 신뢰성을 향상시키고, 부수적으로 다중 고도에서도 운용 가능한 간섭계 레이더 고도계 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 임의의 LFM 펄스를 송수신하여 샘플링 (또는 거리셀 단위마다 디램핑 반복 수행) 방식으로 저해상도 지형 고도 정보를 먼저 획득하고, 이에 적합한 LFM 펄스폭을 선정하여 2차로 해당 운용 고도에 적합한 LFM 펄스를 송수신함으로써 다양한 고도에 대해서도 고해상도의 지형 고도 정보를 획득할 수 있는 장점이 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제어부는 상기 중앙에 배치된 상기 송수신 안테나를 통해 상기 표적으로 LFM 펄스 신호를 송신할 수 있다. 또한, 상기 제어부는 상기 송수신 안테나 및 상기 수신 안테나들을 통해 상기 표적에서 반사되는 반사신호를 수신하여 복조하여 상기 고해상도 지형 고도에 있는 표적 거리를
Figure 112019068840066-pat00001
로 연산할 수 있다. 여기서, B는 주파수 대역폭, T는 펄스폭, fb는 비트주파수, fD는 도플러 주파수, c는 빛의 속도 및 R은 표적 거리인 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제어부는 상기 표적 후보군의 추정 각도에 대해 공간적으로 또는 시간적으로 또는 시공간적으로 각도 편차가 경계값 이하인 상기 후보 셀을 선별할 수 있다. 따라서, 기존 간섭계 레이더 고도계의 일반적인 표적 거리/각도 연산 방식과 비교하여, 지형(자연물+인공물)에 대한 각도 정보의 왜곡 여부를 판단(Valid/Invalid)할 수 있다는 장점이 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제어부는 수신 신호의 신호 크기 및 상기 후보 셀과 유사한 추정 각도를 갖는 유사 주변 셀 수를 고려하여, 상기 해당 표적의 표적 각도를 추정하여 상기 해당 표적의 유효성을 판별할 수 있다. 따라서, 각도 정보가 가장 유효한 표적의 거리/각도를 연산함으로써 자연물에 대한 각도 정확도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제어부는,
Figure 112019068840066-pat00002
를 만족하는 k와 n을 획득하고, 상기 해당 표적의 표적 각도는
Figure 112019068840066-pat00003
로 추정할 수 있다. 이와 관련하여,
Figure 112019068840066-pat00004
로 표현된다. 또한,
Figure 112019068840066-pat00005
,
Figure 112019068840066-pat00006
를 만족한다. 여기서, L1 및 L2는 인접 안테나 간 간격, R1, R, R2는 각각의 안테나와 상기 표적의 거리,
Figure 112019068840066-pat00007
는 인접 안테나 간 수신 신호들의 위상차,
Figure 112019068840066-pat00008
는 상기 송수신 안테나와 표적의 각도이고,
Figure 112019068840066-pat00009
는 파장인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양상에 따른 유효 각도 식별 기반 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치 제어 방법이 제공된다. 한편, 상기 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계는, 복수의 안테나들을 구비하는 안테나부, 상기 안테나부에 연결되고, 상기 복수의 안테나들을 통해 신호를 송수신하도록 구성된 송수신부, 및 상기 송수신부로부터 상기 송수신된 신호를 처리하여 표적 거리와 각도를 연산하도록 구성된 제어부를 포함한다. 한편, 상기 방법은 제어부에 의해 수행되고, 상기 방법은, 상기 표적을 포함하는 표적 후보군을 선정하기 위해 상기 고도계 장치에 대한 다중 고도 운용을 수행하는 다중 고도 운용 단계; 상기 표적 후보군에 대해 표적 각도 추정하고, 상기 추정된 각도의 유사성에 기반하여 후보 셀을 선별하는 후보 셀 선별 단계; 및 상기 선별된 후보 셀 내에서 추가 기준을 충족하는 해당 표적이 도출되면 상기 해당 표적을 유효하다고 판별하는 최적 표적 도출 단계를 포함한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 다중 고도 운용 단계에서, 제1 펄스폭을 갖는 제1 LFM(Liner Frequency Modulation) 펄스 신호를 송수신하여저해상도 지형 고도를 측정하고, 제2 펄스폭을 갖는 제2 LFM 펄스 신호를 송수신하여 고해상도 지형 고도를 측정하도록 상기 안테나부 및 상기 송수신부를 제어할 수 있다. 한편, 상기 안테나부는 중앙에 배치된 송수신 안테나; 및 상기 송수신 안테나의 좌우에 배치되는 수신 안테나들을 포함한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 다중 고도 운용 단계에서, 상기 중앙에 배치된 상기 송수신 안테나를 통해 상기 표적으로 LFM 펄스 신호를 송신한다. 또한, 상기 다중 고도 운용 단계에서, 상기 송수신 안테나 및 상기 수신 안테나들을 통해 상기 표적에서 반사되는 반사신호를 수신하여 복조하여 상기 고해상도 지형 고도에 있는 표적 거리를
Figure 112019068840066-pat00010
로 연산할 수 있다. 여기서, B는 주파수 대역폭, T는 펄스폭, fb는 비트주파수, fD는 도플러 주파수, c는 빛의 속도 및 R은 표적 거리인 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 후보 셀 선별 단계에서, 상기 표적 후보군의 추정 각도에 대해 공간적으로 또는 시간적으로 또는 시공간적으로 각도 편차가 경계값 이하인 상기 후보 셀을 선별할 수 있다. 또한, 상기 최적 표적 도출 단계에서, 수신 신호의 신호 크기 및 상기 후보 셀과 유사한 추정 각도를 갖는 유사 주변 셀 수를 고려하여, 상기 해당 표적의 표적 각도를 추정하여 상기 해당 표적의 유효성을 판별할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 최적 표적 도출 단계에서,
Figure 112019068840066-pat00011
를 만족하는 k와 n을 획득하고, 상기 해당 표적의 표적 각도는
Figure 112019068840066-pat00012
로 추정할 수 있다. 여기서,
Figure 112019068840066-pat00013
,
Figure 112019068840066-pat00014
로 표현될 수 있다. 또한,
Figure 112019068840066-pat00015
를 만족한다. 한편, L1 및 L2는 인접 안테나 간 간격, R1, R, R2는 각각의 안테나와 상기 표적의 거리,
Figure 112019068840066-pat00016
는 인접 안테나 간 수신 신호들의 위상차,
Figure 112019068840066-pat00017
는 상기 송수신 안테나와 표적의 각도이고,
Figure 112019068840066-pat00018
는 파장인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 적어도 일 실시 예에 따르면, 기존 간섭계 레이더 고도계의 표적 거리/각도 연산 방법으로는 자연물에 대한 각도 정보가 빈번하게 왜곡되는 단점을 극복할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 적어도 일 실시 예에 따르면, 유효 각도를 식별하여 측정 각도의 신뢰성을 향상시키고, 부수적으로 다중 고도에서도 운용 가능한 간섭계 레이더 고도계 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 적어도 일 실시 예에 따르면, 기존 간섭계 레이더 고도계의 일반적인 표적 거리/각도 연산 방식과 비교하여, 지형(자연물+인공물)에 대한 각도 정보의 왜곡 여부를 판단(Valid/Invalid)할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 적어도 일 실시 예에 따르면, 각도 정보가 가장 유효한 표적의 거리/각도를 연산함으로써 자연물에 대한 각도 정확도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 적어도 일 실시 예에 따르면, 임의의 LFM 펄스를 송수신하여 샘플링 (또는 거리셀 단위마다 디램핑 반복 수행) 방식으로 저해상도 지형 고도 정보를 먼저 획득하고, 이에 적합한 LFM 펄스폭을 선정하여 2차로 해당 운용 고도에 적합한 LFM 펄스를 송수신함으로써 다양한 고도에 대해서도 고해상도의 지형 고도 정보를 획득할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 유효 각도 식별 기반 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치 방법의 흐름도를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 유효 각도 식별 기반 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치의 상세 구성을 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 LFM 펄스 송수신 및 샘플링(또는 거리셀 단위마다 디램핑 반복 수행)을 통한 표적 거리 획득 개념도를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 복수의 수신 안테나와 표적과의 거리와 각도를 나타낸다.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제1, 제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
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 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 모듈, 블록 및 부는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 하기에서 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
이하에서는, 본 발명에 따른 유효 각도 식별 기반 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치 및 이의 제어 방법에 대해 살펴보기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 유효 각도 식별 기반 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치 방법의 흐름도를 나타낸다. 도 1의 유효 각도 식별과 관련하여, 간섭계 레이더 고도계 장치 제어 방법은 무 변조 연속파(CW) 펄스 또는 주파수 변조된(FM) 파형 등을 이용하여 고정된 고도에서 “표적 거리 측정 → 최근거리 표적 선정 → 간섭계 원리로 표적각도 추정”으로 최근거리 표적(지형)의 거리 및 각도 정보를 도출할 수 있다.
하지만, 본 발명은 “표적 거리 측정 → 우세(일례: 최근거리) 표적과 인접 셀들로 구성된 표적 후보군 선정 → 표적 후보군에 대해 간섭계 원리로 표적 각도 추정 → 각도 유사성(일례: 각도 편차)이 경계값 이하인 후보 셀 선별 → 추가 기준(일례: 신호 크기, 유사 주변셀 수 등)에 부합하는 최적 표적 도출 → 최적 표적이 도출되면 Valid 판단 및 표적 거리/각도 연산, 도출되지 않으면 Invalid로 판단하고 표적 없음 처리” 함으로써 자연물에 대한 각도 정확도를 향상시킬 수 있다.
단, 상기 절차는 1회 스캔 기준이며, 실제 000회 스캔 시 상기 절차를 따를 경우 약 00%의 Valid 한 표적 거리/각도를 획득할 수 있고, 간섭계 레이더 고도계가 적용되는 지형대조 항법장치의 경우 00% 이하의 데이터로도 요구 성능을 충분히 만족할 수 있다.
한편, 도 2는 본 발명에 따른 유효 각도 식별 기반 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치의 상세 구성을 나타낸다. 이와 관련하여, 본 발명은 간섭계 레이더 고도계가 유효 각도를 식별하여 측정 각도의 신뢰성 향상한다는 것을 주요 특징으로 하고, 부수적으로 다중 고도에서도 운용할 수 있다는 것을 특징으로 하는 장치(고도계)에 관한 발명이다. 따라서, 신호처리/제어부(23)가 본 발명의 주요 구성에 해당하지만, 안테나부(21) 및 송수신부(22)도 본 발명의 장치(고도계) 범위에 포함된다.
다중 고도 운용과 관련하여, 제안하는 발명은 (레이다 분야에서 공지된) 펄스 내의 무 변조 연속파(CW)를 선형 주파수 변조한(LFM: Linear Frequency Modulated) 펄스 파형을 송신 파형(이후 LFM 펄스라고 한다)으로 채용한다.
이와 관련하여, 도 3은 본 발명에 따른 LFM 펄스 송수신 및 샘플링(또는 거리셀 단위마다 디램핑 반복 수행)을 통한 표적 거리 획득 개념도를 나타낸다. 먼저 임의의 LFM 펄스(일례: 1㎲)를 송수신하고, 도 3과 같이 샘플링 (또는 거리셀(150m) 단위마다 디램핑 반복 수행) 방식으로 표적이 존재하는지 여부를 판단함으로써 저해상도의 지형 고도를 측정한다. 그런 다음 측정된 고도에 따라 LFM 펄스폭을 가변하여 송신하고(일례: 측정 고도 400m → 펄스폭 1㎲, 1200m → 8㎲ 선정) 측정 고도 위치에서 디램핑을 수행함으로써 다양한 고도에서 고해상도의 지형 고도를 측정한다.
도 2를 참조하면, 송수신부(22)가 신호처리/제어부(23)에 의해 LFM 펄스 형태로 중앙의 송수신 안테나(21)를 통해 신호를 송신할 수 있다. 한편, 표적 반사신호는 중앙의 수신안테나(21)로 수신되어 송수신부(22)에서 기저대역 신호로 변환되고, 다시 신호처리/제어부(23)에서 샘플링 처리될 수 있다. 또는, 신호처리/제어부(23)에서 거리셀 단위로 디램핑을 반복함으로써 수학식 1과 같이 저해상도 지형 고도를 얻게 된다.
Figure 112019068840066-pat00019
수학식 1에서
Figure 112019068840066-pat00020
는 빛의 속도,
Figure 112019068840066-pat00021
은 표적 거리,
Figure 112019068840066-pat00022
는 표적 반사 시간을 말한다. 이와 같이 연산한 저해상도 지형 고도로부터 해당 고도에 적합한 LFM 펄스의 폭을 선정하고 복조 시 디램핑할 위치를 선정한다. 그런 다음 송수신부(22)가 신호처리/제어부(23)에 의해 LFM 펄스를 수학식 2의 형태로 중앙의 송수신안테나(21)를 통해 송신하면, 표적 반사신호는 3개의 수신안테나(21)로 수신되고, 송수신부(22)에서 디램핑 처리된다. 그런 다음, 신호처리/제어부(23)에서 수학식 3의 형태로 복조됨으로써, 수학식 4와 같이 비트주파수로부터 고해상도의 지형 고도 정보를 획득할 수 있게 된다.
Figure 112019068840066-pat00023
Figure 112019068840066-pat00024
Figure 112019068840066-pat00025
수학식 2 내지 4에서
Figure 112019068840066-pat00026
는 송신신호,
Figure 112019068840066-pat00027
는 수신신호이며,
Figure 112019068840066-pat00028
는 송신주파수,
Figure 112019068840066-pat00029
는 주파수 대역폭,
Figure 112019068840066-pat00030
는 펄스폭,
Figure 112019068840066-pat00031
은 송신 전력,
Figure 112019068840066-pat00032
은 수신 전력이다. 그리고
Figure 112019068840066-pat00033
는 비트주파수,
Figure 112019068840066-pat00034
는 도플러 주파수,
Figure 112019068840066-pat00035
는 초기위상을 의미한다.
유효 각도 식별과 관련하여, 도 4는 본 발명에 따른 복수의 수신 안테나와 표적과의 거리와 각도를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 유효 각도 식별과 관련하여, 위 표적 거리 정보로부터 거리
Figure 112019068840066-pat00036
에서 신호 크기
Figure 112019068840066-pat00037
가 경계값 보다 큰 표적 후보군을 선별할 수 있다. 따라서, 선별된 표적 후보군의 위상차를 수학식 5 내지 8과 같이 간섭계 원리를 이용하여 도출할 수 있다.
Figure 112019068840066-pat00038
Figure 112019068840066-pat00039
Figure 112019068840066-pat00040
Figure 112019068840066-pat00041
수학식 5 내지 8에서
Figure 112019068840066-pat00042
은 각각 수신안테나1 내지 3과 표적까지의 거리이며,
Figure 112019068840066-pat00043
는 각각 수신안테나1 및 2, 수신안테나2 및 3 사이의 간격을 나타낸다.
Figure 112019068840066-pat00044
는 수신안테나2와 표적까지의 각도이고,
Figure 112019068840066-pat00045
는 파장,
Figure 112019068840066-pat00046
는 각각 수신안테나1 및 2, 수신안테나2 및 3 사이의 위상차를 나타낸다.
Figure 112019068840066-pat00047
는 수학식 8과 같이
Figure 112019068840066-pat00048
의 일반해를 나타내며,
Figure 112019068840066-pat00049
와
Figure 112019068840066-pat00050
은 정수형 상수이다.
표적 후보군의 각도는 위 위상차로부터 도출할 수 있는데, 먼저 수학식 8의 위상차가 서로소가 되는 미지수
Figure 112019068840066-pat00051
와
Figure 112019068840066-pat00052
을 수학식 9의 절대값이 최소가 되는
Figure 112019068840066-pat00053
와
Figure 112019068840066-pat00054
을 찾고, 수학식 10에서
Figure 112019068840066-pat00055
를 각각 구한 다음, 수학식 11에서 표적 각도
Figure 112019068840066-pat00056
를 추정한다.
Figure 112019068840066-pat00057
Figure 112019068840066-pat00058
Figure 112019068840066-pat00059
표적 후보군의 추정 각도에 대해 공간적으로(Spatial) 또는 시간적으로(Temporal) 또는 시공간적으로(Tempo-Spatial) 각도 유사성(일례: 각도 편차)을 비교하여 그 값이 경계값 이하인 후보 셀을 선별하고, 추가 기준(일례: 신호 크기, 유사 주변셀 수 등)에 부합하는 최적 표적 도출한다. 이때, 이러한 기준을 충족하는 최적 표적이 도출되면 해당 표적은 유효하다(Valid)라고 판단하고 표적 거리 및 각도를 연산하며, 도출되지 않으면 해당 스캔에서의 표적은 유효하지 않다(Invalid)라고 판단하고 표적 없음으로 처리한다.
이상에서는 본 발명에 따른 유효 각도 식별 기반 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치 및 이의 제어 방법과 관련된 주요 내용 및 동작 원리에 대해 살펴보았다. 이하에서는, 이상의 설명에 기반하여 본 발명에 따른 유효 각도 식별 기반 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치 및 이의 제어 방법에서 청구하고자 하는 사항을 중심으로 살펴보기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 유효 각도 식별 기반 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치는 안테나부(21), 송수신부(22) 및 신호처리/제어부(23)를 포함한다. 여기서, 신호처리/제어부(23를 간단히 제어부(23)로 지칭할 수 있다.
안테나부(21)는 복수의 안테나들을 구비한다. 도 2를 참조하면, 안테나부(21)는 중앙에 배치된 송수신 안테나, 및 상기 송수신 안테나의 좌우에 배치되는 수신 안테나들을 포함할 수 있다. 여기서, 송수신 안테나가 신호를 송신하는 경우 송신 안테나로 지칭하고, 신호를 수신하는 경우 수신 안테나로 지칭할 수 있다. 하편, 송수신 안테나가 신호를 수신하는 경우, 안테나부(21)는 도 4에 도시된 바와 같이 수신 안테나 1 내지 수신 안테나 3 (또는 제1 수신 안테나 내지 제3 수신 안테나로 구성될 수 있다.
송수신부(22)는 안테나부(21)에 연결되고, 복수의 안테나들을 통해 신호를 송수신하도록 구성된다. 한편, 제어부(23)는 송수신부(22)로부터 송수신된 신호를 처리하여 표적 거리와 각도를 연산하도록 구성된다.
구체적으로, 제어부(23)는 표적을 포함하는 표적 후보군을 선정하기 위해 고도계 장치에 대한 다중 고도 운용을 수행할 수 있다. 또한, 제어부(23)는 표적 후보군에 대해 표적 각도 추정하고, 상기 추정된 각도의 유사성에 기반하여 후보 셀을 선별할 수 있다. 또한, 제어부(23)는 선별된 후보 셀 내에서 추가 기준을 충족하는 해당 표적이 도출되면 상기 해당 표적을 유효하다고 판별할 수 있다.
한편, 제어부(23)는 제1 펄스폭을 갖는 제1 LFM(Liner Frequency Modulation) 펄스 신호를 송수신하여 저해상도 지형 고도를 측정할 수 있다. 또한, 제어부(23)는 제2 펄스폭을 갖는 제2 LFM 펄스 신호를 송수신하여 고해상도 지형 고도를 측정하도록 안테나부(21) 및 송수신부(22)를 제어할 수 있다.
한편, 제어부(23)는 고해상도 지형 고도에 있는 표적 거리를 연산할 수 있다. 이와 관련하여, 제어부(23)는 중앙에 배치된 송수신 안테나(21)를 통해 상기 표적으로 LFM 펄스 신호를 송신할 수 있다. 이후, 제어부(23)는 송수신 안테나 및 수신 안테나들을 통해 표적에서 반사되는 반사신호를 수신하여 복조하여 고해상도 지형 고도에 있는 표적 거리를
Figure 112019068840066-pat00060
로 연산할 수 있다. 이와 관련하여, B는 주파수 대역폭, T는 펄스폭, fb는 비트주파수, fD는 도플러 주파수, c는 빛의 속도 및 R은 표적 거리인 것을 특징으로 한다.
한편, 후보 셀을 선별과 관련하여, 제어부(23)는 표적 후보군의 추정 각도에 대해 공간적으로 또는 시간적으로 또는 시공간적으로 각도 편차가 경계값 이하인 후보 셀을 선별할 수 있다. 또한, 제어부(23)는 수신 신호의 신호 크기 및 상기 후보 셀과 유사한 추정 각도를 갖는 유사 주변 셀 수를 고려하여, 상기 해당 표적의 표적 각도를 추정하여 상기 해당 표적의 유효성을 판별할 수 있다.
한편, 표적 각도 추정과 관련하여, 제어부(23)는
Figure 112019068840066-pat00061
를 만족하는 k와 n을 획득하고, 해당 표적의 표적 각도는
Figure 112019068840066-pat00062
로 추정할 수 있다.
여기서,
Figure 112019068840066-pat00063
로 표현될 수 있다. 또한,
Figure 112019068840066-pat00064
,
Figure 112019068840066-pat00065
로 표현된다.
한편, L1 및 L2는 인접 안테나 간 간격, R1, R, R2는 각각의 안테나와 상기 표적의 거리,
Figure 112019068840066-pat00066
는 인접 안테나 간 수신 신호들의 위상차,
Figure 112019068840066-pat00067
는 상기 송수신 안테나와 표적의 각도이고,
Figure 112019068840066-pat00068
는 파장인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 다른 양상에 따른 유효 각도 식별 기반 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치 제어 방법에 대해 살펴보면 다음과 같다. 이와 관련하여, 도 1 및 2를 참조하면, 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계는, 복수의 안테나들을 구비하는 안테나부(21), 상기 안테나부에 연결되고, 상기 복수의 안테나들을 통해 신호를 송수신하도록 구성된 송수신부(22), 및 상기 송수신부로부터 상기 송수신된 신호를 처리하여 표적 거리와 각도를 연산하도록 구성된 제어부(23)를 포함한다. 한편, 상기 방법은 제어부(23)에 의해 수행되고, 상기 방법은 다중 고도 운용 단계(S10 내지 S30), 후보 셀 선별 단계(S60) 및 최적 표적 도출 단계(S70 내지 S90)을 포함한다.
다중 고도 운용 단계(S10 내지 S30)에서, 제1 펄스폭을 갖는 제1 LFM(Liner Frequency Modulation) 펄스 신호를 송수신하여 저해상도 지형 고도를 측정할 수 있다. 또한, 제2 펄스폭을 갖는 제2 LFM 펄스 신호를 송수신하여 고해상도 지형 고도를 측정하도록 안테나부 및 송수신부를 제어할 수 있다. 한편, 안테나부는, 중앙에 배치된 송수신 안테나, 및 상기 송수신 안테나의 좌우에 배치되는 수신 안테나들을 포함할 수 있다.
또한, 다중 고도 운용 단계(S10 내지 S30)에서, 중앙에 배치된 상기 송수신 안테나를 통해 상기 표적으로 LFM 펄스 신호를 송신할 수 있다. 또한, 다중 고도 운용 단계(S110)에서, 상기 송수신 안테나 및 상기 수신 안테나들을 통해 상기 표적에서 반사되는 반사신호를 수신하여 복조하여 상기 고해상도 지형 고도에 있는 표적 거리를
Figure 112019068840066-pat00069
로 연산할 수 있다. 여기서, B는 주파수 대역폭, T는 펄스폭, fb는 비트주파수, fD는 도플러 주파수, c는 빛의 속도 및 R은 표적 거리인 것을 특징으로 한다.
한편, 후보 셀 선별 단계(S60)에서, 표적 후보군의 추정 각도에 대해 공간적으로 또는 시간적으로 또는 시공간적으로 각도 편차가 경계값 이하인 상기 후보 셀을 선별할 수 있다. 또한, 최적 표적 도출 단계(S70 내지 S90)에서, 수신 신호의 신호 크기 및 상기 후보 셀과 유사한 추정 각도를 갖는 유사 주변 셀 수를 고려하여, 상기 해당 표적의 표적 각도를 추정하여 상기 해당 표적의 유효성을 판별할 수 있다.
이를 위해, 상기 최적 표적 도출 단계(S70 내지 S90)에서,
Figure 112019068840066-pat00070
를 만족하는 k와 n을 획득하고, 상기 해당 표적의 표적 각도를
Figure 112019068840066-pat00071
로 추정할 수 있다.
이와 관련하여,
Figure 112019068840066-pat00072
로 표현될 수 있다. 또한,
Figure 112019068840066-pat00073
,
Figure 112019068840066-pat00074
로 표현될 수 있다. 한편, L1 및 L2는 인접 안테나 간 간격, R1, R, R2는 각각의 안테나와 상기 표적의 거리,
Figure 112019068840066-pat00075
는 인접 안테나 간 수신 신호들의 위상차,
Figure 112019068840066-pat00076
는 상기 송수신 안테나와 표적의 각도이고,
Figure 112019068840066-pat00077
는 파장인 것을 특징으로 한다.
이상에서는 본 발명에 따른 유효 각도 식별 기반 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치 및 이의 제어 방법에 대해 살펴보았다. 이러한 본 발명에 따른 유효 각도 식별 기반 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치 및 이의 제어 방법의 기술적 효과는 다음과 같다.
본 발명의 적어도 일 실시 예에 따르면, 기존 간섭계 레이더 고도계의 표적 거리/각도 연산 방법으로는 자연물에 대한 각도 정보가 빈번하게 왜곡되는 단점을 극복할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 적어도 일 실시 예에 따르면, 유효 각도를 식별하여 측정 각도의 신뢰성을 향상시키고, 부수적으로 다중 고도에서도 운용 가능한 간섭계 레이더 고도계 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 적어도 일 실시 예에 따르면, 기존 간섭계 레이더 고도계의 일반적인 표적 거리/각도 연산 방식과 비교하여, 지형(자연물+인공물)에 대한 각도 정보의 왜곡 여부를 판단(Valid/Invalid)할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 적어도 일 실시 예에 따르면, 각도 정보가 가장 유효한 표적의 거리/각도를 연산함으로써 자연물에 대한 각도 정확도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 적어도 일 실시 예에 따르면, 임의의 LFM 펄스를 송수신하여 샘플링 (또는 거리셀 단위마다 디램핑 반복 수행) 방식으로 저해상도 지형 고도 정보를 먼저 획득하고, 이에 적합한 LFM 펄스폭을 선정하여 2차로 해당 운용 고도에 적합한 LFM 펄스를 송수신함으로써 다양한 고도에 대해서도 고해상도의 지형 고도 정보를 획득할 수 있는 장점이 있다.
따라서 본 발명을 적용하면 기존 간섭계 레이더 고도계에 비해 다양한 고도에서 다양한 지형에 대해 양질의 표적 거리/각도 정보를 획득할 것을 기대할 수 있다.
소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능뿐만 아니라 각각의 구성 요소들에 대한 설계 및 파라미터 최적화는 별도의 소프트웨어 모듈로도 구현될 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 메모리에 저장되고, 제어부(controller) 또는 프로세서(processor)에 의해 실행될 수 있다.

Claims (10)

  1. 유효 각도 식별 기반 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치에 있어서,
    복수의 안테나들을 구비하는 안테나부;
    상기 안테나부에 연결되고, 상기 복수의 안테나들을 통해 신호를 송수신하도록 구성된 송수신부; 및
    상기 송수신부로부터 상기 송수신된 신호를 처리하여 표적 거리와 각도를 연산하도록 구성된 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 표적을 포함하는 표적 후보군을 선정하기 위해 상기 고도계 장치에 대한 다중 고도 운용을 수행하고,
    상기 표적 후보군에 대해 표적 각도 추정하고, 상기 추정된 각도의 유사성에 기반하여 후보 셀을 선별하고,
    상기 선별된 후보 셀 내에서 추가 기준을 충족하는 해당 표적이 도출되면 상기 해당 표적을 유효하다고 판별하는, 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 안테나부는,
    중앙에 배치된 송수신 안테나; 및
    상기 송수신 안테나의 좌우에 배치되는 수신 안테나들을 포함하고,
    상기 제어부는,
    제1 펄스폭을 갖는 제1 LFM(Liner Frequency Modulation) 펄스 신호를 송수신하여 저해상도 지형 고도를 측정하고,
    제2 펄스폭을 갖는 제2 LFM 펄스 신호를 송수신하여 고해상도 지형 고도를 측정하도록 상기 안테나부 및 상기 송수신부를 제어하는, 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 중앙에 배치된 상기 송수신 안테나를 통해 상기 표적으로 LFM 펄스 신호를 송신하고,
    상기 송수신 안테나 및 상기 수신 안테나들을 통해 상기 표적에서 반사되는 반사신호를 수신하여 복조하여 상기 고해상도 지형 고도에 있는 표적 거리를
    Figure 112019068840066-pat00078
    로 연산하고,
    B는 주파수 대역폭, T는 펄스폭, fb는 비트주파수, fD는 도플러 주파수, c는 빛의 속도 및 R은 표적 거리인 것을 특징으로 하는, 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 표적 후보군의 추정 각도에 대해 공간적으로 또는 시간적으로 또는 시공간적으로 각도 편차가 경계값 이하인 상기 후보 셀을 선별하고,
    수신 신호의 신호 크기 및 상기 후보 셀과 유사한 추정 각도를 갖는 유사 주변 셀 수를 고려하여, 상기 해당 표적의 표적 각도를 추정하여 상기 해당 표적의 유효성을 판별하는, 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    Figure 112019102244838-pat00079
    를 만족하는 k와 n을 획득하고,
    상기 해당 표적의 표적 각도는
    Figure 112019102244838-pat00080
    로 추정하고,
    여기서,
    Figure 112019102244838-pat00081
    ,
    Figure 112019102244838-pat00082
    ,
    Figure 112019102244838-pat00083
    를 만족하고, L1 및 L2는 인접 안테나 간 간격, R1, R, R2는 각각의 안테나와 상기 표적의 거리,
    Figure 112019102244838-pat00084
    는 인접 안테나 간 수신 신호들의 위상차,
    Figure 112019102244838-pat00085
    는 상기 송수신 안테나와 표적의 각도이고,
    Figure 112019102244838-pat00086
    는 파장인 것을 특징으로 하는, 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치.
  6. 유효 각도 식별 기반 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치 제어 방법에 있어서, 상기 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계는, 복수의 안테나들을 구비하는 안테나부, 상기 안테나부에 연결되고, 상기 복수의 안테나들을 통해 신호를 송수신하도록 구성된 송수신부, 및 상기 송수신부로부터 상기 송수신된 신호를 처리하여 표적 거리와 각도를 연산하도록 구성된 제어부를 포함하고, 상기 방법은 제어부에 의해 수행되고,
    상기 방법은,
    상기 표적을 포함하는 표적 후보군을 선정하기 위해 상기 고도계 장치에 대한 다중 고도 운용을 수행하는 다중 고도 운용 단계;
    상기 표적 후보군에 대해 표적 각도 추정하고, 상기 추정된 각도의 유사성에 기반하여 후보 셀을 선별하는 후보 셀 선별 단계; 및
    상기 선별된 후보 셀 내에서 추가 기준을 충족하는 해당 표적이 도출되면 상기 해당 표적을 유효하다고 판별하는 최적 표적 도출 단계를 포함하는, 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치 제어 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 다중 고도 운용 단계에서,
    제1 펄스폭을 갖는 제1 LFM(Liner Frequency Modulation) 펄스 신호를 송수신하여 저해상도 지형 고도를 측정하고,
    제2 펄스폭을 갖는 제2 LFM 펄스 신호를 송수신하여 고해상도 지형 고도를 측정하도록 상기 안테나부 및 상기 송수신부를 제어하고,
    상기 안테나부는,
    중앙에 배치된 송수신 안테나; 및
    상기 송수신 안테나의 좌우에 배치되는 수신 안테나들을 포함하는, 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치 제어 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 다중 고도 운용 단계에서,
    상기 중앙에 배치된 상기 송수신 안테나를 통해 상기 표적으로 LFM 펄스 신호를 송신하고,
    상기 송수신 안테나 및 상기 수신 안테나들을 통해 상기 표적에서 반사되는 반사신호를 수신하여 복조하여 상기 고해상도 지형 고도에 있는 표적 거리를
    Figure 112019068840066-pat00087
    로 연산하고,
    B는 주파수 대역폭, T는 펄스폭, fb는 비트주파수, fD는 도플러 주파수, c는 빛의 속도 및 R은 표적 거리인 것을 특징으로 하는, 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치 제어 방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 후보 셀 선별 단계에서,
    상기 표적 후보군의 추정 각도에 대해 공간적으로 또는 시간적으로 또는 시공간적으로 각도 편차가 경계값 이하인 상기 후보 셀을 선별하고,
    상기 최적 표적 도출 단계에서,
    수신 신호의 신호 크기 및 상기 후보 셀과 유사한 추정 각도를 갖는 유사 주변 셀 수를 고려하여, 상기 해당 표적의 표적 각도를 추정하여 상기 해당 표적의 유효성을 판별하는, 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치 제어 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 최적 표적 도출 단계에서,
    Figure 112019068840066-pat00088
    를 만족하는 k와 n을 획득하고,
    상기 해당 표적의 표적 각도는
    Figure 112019068840066-pat00089
    로 추정하고,
    여기서,
    Figure 112019068840066-pat00090
    ,
    Figure 112019068840066-pat00091
    ,
    Figure 112019068840066-pat00092
    를 만족하고, L1 및 L2는 인접 안테나 간 간격, R1, R, R2는 각각의 안테나와 상기 표적의 거리,
    Figure 112019068840066-pat00093
    는 인접 안테나 간 수신 신호들의 위상차,
    Figure 112019068840066-pat00094
    는 상기 송수신 안테나와 표적의 각도이고,
    Figure 112019068840066-pat00095
    는 파장인 것을 특징으로 하는, 다중 고도 운용 간섭계 레이더 고도계 장치 제어 방법.
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