KR102089509B1 - 불청 범위 제거용 레이더 - Google Patents

Abstract

레이더 빔이 불청 범위(COS; cone of silence) 영역을 커버하도록 5개 안테나 및 레이더 실내 운용 장비를 하나의 육면체 형상의 구조물에 통합하여 레이더를 구현하여 불청 범위를 근본적으로 제거할 수 있도록 한 불청 범위 제거용 레이더에 관한 것으로서, 방위각 탐지와 고각 빔폭내 표적 탐지를 위한 복수의 방위각 탐지 안테나, 전파 음영 영역인 불청 범위(COS) 영역의 표적탐지를 위한 불청 범위 탐지 안테나 및 상기 방위각 탐지 안테나와 상기 불청 범위 탐지 안테나를 통합 설치하기 위한 육면체 구조물을 포함하여, 불청 범위 제거용 레이더를 구현한다.

Description

불청 범위 제거용 레이더{Radar for removing cone of silence}

본 발명은 불청 범위 제거용 레이더에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이더 빔이 불청 범위(COS; cone of silence) 영역을 커버하도록 5개 안테나 및 레이더 실내 운용 장비를 하나의 육면체 형상의 구조물에 통합하여 레이더를 구현하여 불청 범위를 근본적으로 제거할 수 있도록 한 불청 범위 제거용 레이더에 관한 것이다.

레이더는 마이크로파(microwave)를 이용하여 전파를 송신하고 표적에서 반사된 일부 반사(reflection) 신호를 수신하여 거리, 속도, 각도 정보를 측정하는 감지수단이다.

이러한 레이더는 펄스 도플러 레이더(Pulsed Doppler Radar), 주파수 변조 연속파(Frequency Modulated Continuous Wave, 이하 'FMCW'라 함), 계단형 주파수 연속파(Stepped-Frequency Continous Wave, 이하 'SFCW'라 함), 주파수 편이 방식(Frequency Shift Keying, 이하 'FSK'라 함) 레이더 등의 다양한 레이더 파형(Radar Waveform)을 사용하여 표적정보를 측정한다.

대부분의 레이더는 도 1에 도시한 바와 같이, 레이더 안테나 고각 빔폭(el)을 상회하는 높은 고각 영역에서 항공기와 같은 공중 표적을 탐지하지 못하는 원추 형태의 전파 음영 구역(불청 범위)인 Cone of Silence(이하, "COS"라 약칭함)가 물리적으로 불가피하게 형성된다.

이와 같은 탐지 불가 영역 문제를 해결하기 위해서, 다른 레이더 기지에 설치된 다수의 레이더를 활용하여 COS 문제를 부분적으로 해소할 수 있으나, 이러한 해결책은 근본적인 해결책이라고는 볼 수 없다.

특히 COS 영역 내에서 이착륙하거나 저고도로 비행할 수도 있는 무인항공기 등의 항공 표적 탐지에는 상기의 방법으로도 해결하기 어렵다.

한편, 레이더 장치에 대해 종래에 제안된 기술이 하기의 <특허문헌 1> 에 개시되어 있다.

<특허문헌 1> 에 개시된 종래기술은 송신 안테나의 송신 출력이 스텔스 비행체에서 반사된 신호와 직접 수신한 송신 주파수의 신호(f0)를 수신하는 복수의 수신 안테나, 복수의 수신안테나로부터 수신된 전체 합 신호와 수평 차 신호와 수직 차 신호를 직접 수신한 송신신호와 믹싱하여 I, Q 도플러 신호를 생성하는 복수의 안테나 신호 출력 수신장치, 복수의 안테나 신호 출력 수신장치의 I, Q 도플러 신호를 처리하여 스텔스 비행체를 탐지하는 신호처리장치로 구성된다.

이러한 구성을 통해, TV, FM 방송 중인 송신기 또는 고출력의 VHF 주파수 송신 안테나와 복수의 NxM 어레이 수신 안테나를 이용하여 스텔스 비행체의 프로펠러나 전선 배선 등에서 반사된 신호를 수신한 후 도플러 신호를 추출하여 레이더 반사 면적(RCS)이 적은 저고도 스텔스 비행체(무인기)를 탐지한다.

대한민국 공개특허 10-2015-0118815(2015.10.23. 공개)(VHF 어레이 레이더 안테나 시스템)

그러나 상기와 같은 일반적인 레이더 장치 및 종래기술은 물리적으로 불가피하게 존재하는 표적탐지 불가영역인 COS를 근원적으로 제거하지 못하는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 일반적인 레이더 장치 및 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 레이더 빔이 불청 범위(COS; cone of silence) 영역을 커버하도록 5개 안테나 및 레이더 실내 운용 장비를 하나의 육면체 형상의 구조물에 통합하여 레이더를 구현하여 불청 범위를 근본적으로 제거할 수 있도록 한 불청 범위 제거용 레이더를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 불청 범위 제거용 레이더는 방위각 탐지와 고각 빔폭내 표적 탐지를 위한 복수의 방위각 탐지 안테나; 전파 음영 영역인 불청 범위(COS) 영역의 표적탐지를 위한 불청 범위 탐지 안테나; 상기 방위각 탐지 안테나와 상기 불청 범위 탐지 안테나를 통합 설치하기 위한 육면체 구조물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 복수의 방위각 탐지 안테나 각각은 방위각 탐지 범위가 90°인 4개의 안테나로 구성되어, 상기 육면체 구조물의 측면에 각각 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기에서 방위각 탐지 안테나 및 불청 범위 탐지 안테나는 비 스캐닝 고정 빔 안테나 또는 전자식 빔 스캐닝 안테나로 구현되는 것을 특징으로 한다.

상기에서 불청 범위 영역은 하기와 같은 수식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 θ의 범위를

에서 π까지 설정하여 COS를 구하면 다음과 같다. 여기서 el은 레이더 고각 빔폭이다.

본 발명에 따르면 레이더의 치명적 결함인 불청 범위(COS)를 근본적으로 제거하여 개별 레이더 단독으로 반구 전체를 탐지 영역으로 활용함으로써, 레이더 운용 효율을 극대화할 수 있으며, 차후 민군 분야에 활용이 급격하게 증대되는 무인항공기 등의 탐지 및 관제 기술에 최적화를 도모할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 레이더에서 COS 발생 영역을 설명하기 위한 설명도,
도 2는 본 발명에 따른 불청 범위 제거된 레이더의 구조도,
도 3은 본 발명에서 주어진 고각 빔폭(el)에 대해 불청 범위 영역을 계산하기 위한 3차원 공간의 입체각 계산 이론 설명도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 불청 범위 제거된 레이더를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 불청 범위 제거된 레이더(1)의 구조도로서, 방위각 탐지와 고각 빔폭내 표적 탐지를 위한 복수의 방위각 탐지 안테나(21 ~ 24), 전파 음영 영역인 불청 범위(COS) 영역의 표적탐지를 위한 불청 범위 탐지 안테나(25), 상기 복수의 방위각 탐지 안테나(21 ~ 24)와 상기 불청 범위 탐지 안테나(25)를 통합 설치하기 위한 육면체 구조물(10)을 포함한다.

상기 복수의 방위각 탐지 안테나 각각은 방위각 탐지 범위가 90°인 4개의 방위각 탐지 안테나(21 ~ 24)로 구성되어, 상기 육면체 구조물(10)의 측면에 각각 설치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 복수의 방위각 탐지 안테나(21 ~ 24) 및 불청 범위 탐지 안테나(25)는 비 스캐닝 고정 빔 안테나 또는 전자식 빔 스캐닝 안테나로 구현되는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 불청 범위 제거된 레이더를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

주어진 고각 빔폭 el에 대해 COS 영역을 계산하기 위해서는 일반적으로 도 3과 같은 3차원 공간의 입체각 계산 이론을 활용한다.

즉, 불청 범위 영역(COS)은 하기와 같은 [수학식 1] 을 이용하여 산출한다.

상기에서 θ의 범위를

에서 π까지 설정하여 COS를 구하면 하기의 [수학식 2] 와 같다. 여기서 el은 레이더 고각 빔폭이다.

예컨대, 레이더 고각 빔폭 el = 60°로 가정하면 상부의 입체각

_π라디안 공간이 표적 탐지가 불가능한 음영 구역 COS로 남게 된다. 이때 거리를 10km 정도의 단거리로 가정하더라도 상부 10km 거리에서는 면적 314㎢의 표적 탐지 불가영역이 형성된다.

따라서 레이더 체계설계, 레이더 안테나 구조/형상 설계 및 레이더 기계 구조물 설계기술을 복합적으로 활용하여, 물리적으로 불가피하게 존재하는 표적 탐지 불가영역인 COS를 근원적으로 제거해야 한다.

이를 위해 본 발명은 육면체 구조물(10)의 측면에는 방위각 탐지와 고각 빔폭내 표적 탐지를 위한 복수의 방위각 탐지 안테나(21 ~ 24)를 각각 설치한다.

상기 복수의 방위각 탐지 안테나(21 ~ 24) 각각은 방위각 방향 90° 및 고각 빔폭내 표적 탐지 영역을 구축하기 때문에, 방위각 360°(90°× 4)의 탐지 영역을 구축할 수 있다. 여기서 측면 4개의 방위각 탐지 안테나는 레이더 체계 요구 조건에 적합하게 안테나 빔폭을 설계하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 육면체 구조물(10)의 상면에는 전파 음영 영역인 불청 범위(COS) 영역의 표적탐지를 위한 불청 범위 탐지 안테나(25)를 설치한다. 이러한 방식으로 COS 영역을 제거하고, 상부 공간의 탐지성능을 만족시키게 된다.

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 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

본 발명은 육면체 형상에 부착되는 5개의 비 스캐닝 안테나를 이용하여 COS 영역을 제거한 레이더를 구현하는 기술에 적용된다.

1: 레이더
10: 육면체 구조물
21 ~ 24: 방위각 탐지 안테나
25: 불청 범위 탐지 안테나

Claims (4)

1. 불청 범위(COS)를 제거하기 위한 레이더로서,
   방위각 탐지와 고각 빔폭내 표적 탐지를 위한 복수의 방위각 탐지 안테나;
   전파 음영 영역인 불청 범위(COS) 영역의 표적탐지를 위한 불청 범위 탐지 안테나; 및
   상기 방위각 탐지 안테나와 상기 불청 범위 탐지 안테나를 통합 설치하기 위한 육면체 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 불청 범위 제거용 레이더.
   
2. 청구항 1에서, 상기 복수의 방위각 탐지 안테나 각각은 방위각 탐지 범위가 90°인 4개의 안테나로 구성되어, 상기 육면체 구조물의 측면에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 불청 범위 제거용 레이더.
   
3. 청구항 1에서, 상기 방위각 탐지 안테나 및 불청 범위 탐지 안테나는 비 스캐닝 고정 빔 안테나 또는 전자식 빔 스캐닝 안테나로 구현되는 것을 특징으로 하는 불청 범위 제거용 레이더.
   
4. 청구항 1에서, 상기 불청 범위 영역은 하기와 같은 [수식 1] 을 이용하여 산출하며, [수식 1]

   

   , 상기 θ의 범위를

   

   에서 π까지 설정하여 COS를 구하면 하기의 [수식 2] 로 구현되는 것을 특징으로 하는 불청 범위 제거용 레이더.
   [수식 2]
   

   

   
   여기서 el은 레이더 고각 빔폭이다.
   
   

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